DE2819189A1

DE2819189A1 - Fahrradantrieb

Info

Publication number: DE2819189A1
Application number: DE19782819189
Authority: DE
Inventors: Jacques Daniel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-05-03
Filing date: 1978-05-02
Publication date: 1978-11-16
Also published as: IT7822681A0; US4181034A; FR2389527B1; IT1095316B; BE871707A; FR2389527A1; JPS53136242A

Description

DR.-ING. EUGEN MAIER

DR.-!NG. ECKHARD WOLF

TELEFON: (O711) 24a7ei/2 TELESRAMME: MENTOR

PATENTANWÄLTE STUTTGART 1, PISCHEKSTR.

DRESDNER BANK AS STUTTaART NR, 1990834 POSTSCHECK STaT. 2S2OO-7O·

A 12 172

30. April 1978

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Jacques DANIEL
78, boulevard Gambetta, F-29200 Brest,

Fahrradantrieb

Die Erfindung betrifft einen Fahrradantrieb mit einem Kettenzahnrad, das einen ovalen Zahnkranz und zwei Tretkurbeln aufweist.

Es ist schon mehrfach versucht worden, das übliche kreisförmige Kettenzahnrad eines Fahrrades durch ein solches zu ersetzen, mit dem unnötige Kraftanstrenungen des Fahrers vermindert werden können.

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Es ist bekannt, daß jedes Bein des Radfahrers nur in einem bestimmten Winkelbereich der Tretkurbelumdrehung wirkungsvoll arbeitet, der bei etwa 20° nach dem höchsten Punkt beginnt und bei ca. 140 nach diesem Punkt endet. Hieraus ergibt sich, daß· während eines erheblichen Teils der Tretkurbelumdrehung jedes Bein und jeder Fuß unnötige Kräfte aufwendet.

Um dies zu vermeiden, hat man schon versucht, ein variables Übersetzungsverhältnis in Abhängigkeit von der Lage der Tretkurbeln zu erhalten. Solange der Fuß und das Bein sich in einer ungünstigen Position befinden, ist eine kleine Übersetzung zu

ist
wählen und die Übersetzung zu vergrößern, wenn der Fuß und das

Bein im Verlauf der Drehung in eine günstigere Lage gelangen.

Zur Lösung dieser Aufgabe hat man bereits vorgeschlagen, das kreisförmige vordere Kettenzahnrad durch ein ovales oder elliptisches Kettenzahnrad zu ersetzen. Obwohl diese Kettenzahnräder gewisse Vorteile mit'sicbbringen, sind sie in der Praxis bisher nicht eingesetzt worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fahrradantrieb zu schaffen, der den anatomisch bedingten Änderungen in der Kraftübertragung besonders gut angepasst ist.

Die Lösung dieser Aufgabe geht von der Erkenntnis aus, daß der

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Fuß des Radfahrers eine Zykloide bezüglich einer zum Erdboden parallelen Grundlinie beschreibt. Es hat sich daher zur Steuerung der Kraftübertragung und der diesbezüglichen Änderung im Verlauf der Kurbeldrehung als zweckmäßig erwiesen, das Kettenzahnrad mit einem zykloidenförmigen Zahnkranz zu versehen und die Tretkurbeln zusätzlich in geeigneter Weise verdreht an dem Kettenzahnrad zu befestigen.

Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse wird zur Lösung der angegebenen Aufgabe vorgeschlagen, daß das Zahnkranzoval aus zwei einander gegenüberliegenden Zykloiden zusammengesetzt ist und daß die Tretkurbeln gegenüber den kleinen Achsen des Zahnkranzovals um einen vom gegenseitigen Abstand der Zykloiden und von den Fahrradabmessungen abhängenden spitzen Winkel in Vorwärtsdrehrichtung versetzt am Kettenzahnrad befestigt sind.

Für die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vorkehrungen ist die um einen bestimmten Winkel gegenüber dem Zahnkranzoval verdrehte Anordnung der Tretkurbeln besonders wichtig. Wären die Tretkurbeln parallel zu den kleinen Achsen des Zahnkranzovals angeordnet, wie dies bei elliptischen oder anders geformten Zahnkränzen bisher immer der Fall war, so würde man folgendem Umstand nicht Rechnung tragen: Der Fahrradsattel befindet sich üblicherweise nicht genau senkrecht über der Drehachse der Tretkurbeln, so daß der obere Totpunkt nicht gleichzeitig der höchste Punkt ist. Darüberhinaus variiert der Winkel zwischen

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der auf das Pedal übertragenen Kraft und der Vertikalen im Verlauf der Tretkurbelumdrehung sehr erheblich. Bei einem normalen Herren-Fahrrad ändert sich dieser Winkel in einem Bereich zwischen etwa 17°und 30°.

Die einander gegenüberliegenden Zykloiden können gemäß der Erfindung an ihren Enden unmittelbar ineinander übergehen. Als besonders vorteilhaft hat es.sich erwiesen, wenn die Zykloiden in kleinem Abstand voneinander angeordnet und über in ihre Enden tangential übergehende Kreisbögen miteinander verbunden sind. Es hat sich dabei als zweckmäßig erwiesen, wenn im Bereich der beiden Kreisbögen je etwa drei Zähne angeordnet sind.

Vorteilhafterweise wird der Versetzungswinkel der Tretkurbelarme gegenüber der kleinen Achse des Zahnkranzovals je nach Abstand der beiden Zykloiden voneinander etwa 30° bis 40° gewählt.

Bei einem Fahrradantrieb, der unter Bildung einer Kettenschaltung mindestens zwei starr miteinander verbundene Kettenzahnräder aufweist, können die Zahnkränze aller Kettenzahnräder eine aus zwei Zykloiden zusammengesetzte Kontur aufweisen. Es ist in diesem Falle auch möglich, daß der Zahnkranz eines der Kettenzahnräder eine aus zwei Zykloiden zusammengesetzte Kontur aufweist, während die Konturen der anderen Zahnkränze durch Abrollen eines kleinen Kreises auf der Innenseite oder Außen-

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seite des Zykloiden_^ovals des erstgenannten Kettenzahnrads gebildet sind.

Die beiden erfindungsgemäßen, das Zahnkranzoval bildenden, einander gegenüberliegenden Zykloiden ergeben immer einen für die erwünschte Änderung in der Kraftübertragung ausreichenden Unterschied in den beiden Achsen des Ovals, was im Falle der bisher verwendeten elliptischen Kettenzahnräder, die meist eine nur geringe Exzentrizität aufwiesen, nicht gewährleistet war.

In der Zeichnung sind einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung in schematischer Weise dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Kettenzahnrad mit einer aus zwei einander gegenüberliegenden Zykloiden bestehenden Kontur;

Fig. 2 ein anderes Kettenzahnrad mit einer aus zwei im Abstand einander gegenüberliegenden, an ihren Enden durch zwei Kreisbögen verbundenen Zykloiden bestehenden Kontur;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Fahrrads mit erfindungsgemäßem Kettenantrieb;

Fig. 4 eine Ansicht entsprechend Fig. 3 mit um 90° weitergedrehten Tretkurbeln;

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Fig. 5 eine schematische Darstellung entsprechend Fig. 2, in der die Bildung eines Schaltgetriebes mit mehreren Kettenzahnrädern gezeigt ist.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Kettenzahnrad weist eine aus zwei einander gegenüberliegenden Zykloiden 1 und 2 zusammengesetzte Kontur auf. Die mit Pedalen 3a und 4a versehenen, mit dem Kettenzahnrad verbundenen Tretkurbeln 3, 4 sind in Drehrichtung um einen Winkel CC von etwa 40° gegenüber den kleinen Achsen des Zykloidenovals verdreht angeordnet.

Bei einer einfachen Zykloide beträgt das Verhältnis der Längenabmessung zur Querabmessung TC D/D = Tt , wobei D = 2 R den Durchmesser des erzeugenden Kreises bedeutet. Dementsprechend ist im Falle des in Fig. 1 gezeigten Zykloidenovals das Verhältnis zwischen der großen und der kleinen Achse Tt/'2 = 1,57. Dieses Verhältnis ist für relativ große Kräfte von kurzer Dauer gedacht, wie sie beispielsweise beim Anlassen eines Fahrradmotors auftreten; für die Verwendung in einem normalen Fahrrad ist es jedoch etwas zu groß.

Für normale Fahrräder ist das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel besser geeignet. Durch Auseinanderschieben der beiden Zykloiden um die Entfernung d wurde die kleine Achse gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel um ein entsprechendes Maß vergrößert. Die beiden Zykloiden sind an

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ihren Enden durch zwei Kreisbögen β miteinander verbunden, deren Mittelpunkt die Mitte des Geraden^stücks ist, das die Kitten der beiden in strichpunktierten Linien dargestellten Grundlinien für die Erzeugung der Zykloiden verbindet. In der Praxis wurde festgestellt, daß bei einer Einschaltung von drei Zähnen an den Kreisbogen zwischen den Zykloiden ein Verhältnis zwischen großer und kleiner Achse von 1,28 erhalten wird, das sich für den normalen Radfahrer als besonders günstig erwiesen hat. Unter bestimmten Umständen, beispielsweise bei anderen Voraussetzungen und Anwendungen, wie z.B. bei Rennrädern, Rollstühlen, Dreirädern, Lasträdern u.dgl., kann die Zahl dieser Zähne auch anders gewählt werden, beispielsweise 1, 2, 4 oder auch 5.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die mit den Pedalen 3a und 4a versehenen Tretkurbeln 3 und 4 um einen Winkel <% von etwa 30° in Vorwärtsdrehrichtung gegenüber den kleinen Achsen des Zykloidenovals versetzt am Kettenzahnrad angeordnet.

Das in Fig. 3 dargestellte Fahrrad 5 enthält ein vorderes Kettenrad 6 mit gegeneinander versetzten Zykloiden, das sich in der in Fig. 2 gezeigten Lage befindet. In dieser Lage ist der Unterschenkel J des Radfahrers gegenüber dem Oberschenkel C stark abgewinkelt und befindet sich in einer für die Kraftübertragung ungünstigen Lage. Aus der Figur ist ersichtlich, daß

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genau in diesem Moment die Übersetzung ihren kleinsten Wert hat.

Durch die Winkelversetzung der Tretkurbeln gegenüber der kleinen Achse des Zykloidenovals wird vermieden, daß der Radfahrer im Verlauf der Pedalumdrehung Unregelmäßigkeiten verspürt, was die wichtigste Aufgabe der Erfindung ist.

Beim Weiterdrehen der Tretkurbel um 90° gelangt das Kettenzahnrad in die in Fig. 4 gezeigte Lage, bei der die Übersetzung ihren höchsten Wert erreicht. In diesem Augenblick ist das Bein des Radfahrers für die Kraftübertragung besonders günstig ausgerichtet.

Aufgrund der genannten Vorkehrungen am Kettenrad hat man beim Hochfahren an relativ steilen. Steigungen mit dem Fahrrad den überraschenden Eindruck einer gleichmäßigen Pedalbewegung.

Bei einem Fahrradantrieb mit Kettenschaltung können mehrere Kettenzahnräder der beschriebenen Art miteinander verbunden werden. Dabei werden zweckmäßig eines oder mehrere der zusätzlichen Kettenzahnräder ausgehend von einem Kettenzahnrad mit aus Zykloiden zusammengesetzter Kontur durch Abrollen eines kleinen Kreises auf der Außenseite oder der Innenseite der Zykloidenkontur konstruiert (vgl. Fig. 5). Wenn der kleine Kreis 7 an der Innenseite der beiden einander gegenüberliegenden und ei-

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nen Abstand voneinander aufweisenden Zykloiden abgerollt wird, erhält man die innere gestrichelt gezeichnete, zur Ausgangskontur 6 ähnliche Kontur, die eine kleinere Übersetzung ergibt und bei Steigungen eingesetzt wird. Andererseits erhält man beim Abrollen des Kreises 8 auf der Außenseite des Zykloidenovals die äußere gestrichelte Kontur, der ein größeres Übersetzungsverhältnis ergibt und zur Erreichung größerer Geschwindigkeiten verwendbar ist.

Die Herstellung des Kettenzahnrades mit Zykloiden-Kontur ist sehr einfach. Die Länge einer Zykloide entspricht dem vierfachen Durchmesser des erzeugenden Kreises oder dem achtfachen Radius dieses Kreises. Dementsprechend erhält man ausgehend von einer bestimmten Zahnzahl, beispielsweise der bei Fahrrädern häufig verwendeten Zahl 52, und der üblichen Zahnteilung von 12,7 mm einen bestimmten Umfang P des Zahnrades. Daraus ergibt sich eine Bogenlänge einer jeden Zykloide von P/2, die ihrerseits 8 R des erzeugenden Kreises entspricht. Damit lassen sich die Zykloiden leicht durch Abrollen eines Kreises mit dem Radius R = P/16 auf der Geraden L entwerfen, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist. Im Unterschied dazu gibt es bei Ellipsen keine so einfache Beziehung zwischen deren Umfang und der Lage der

man

Brennpunkte, so daß beim Entwurf einer elliptischen Zahnradscheibe auf Näherungsverfahren angewiesen ist·

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Leerseite

Claims

DR.-ING. EUGEN MAIER DR.-ING. ECKHARD WOLF

PATENTANWÄLTE

STUTTGART

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Ansprüche

Wl Fahrradantrieb mit einem Kettenzahnrad, das einen ovalen

Zahnkranz und zwei Tretkurbeln aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß das Zahnkranzoval aus zwei einander gegenüberliegenden Zykloiden (1, 2) zusammengesetzt ist und daß die Tretkurbeln (3, 4) gegenüber den kleinen Achsen des Zahnkranzovals um einen vom gegenseitigen Abstand der Zykloiden und von den Fahrradabmessungen abhängenden spitzen Winkel (OC) in Vorwärtsdrehrichtung versetzt am Kettenzahnrad befestigt sind.

2. Fahrradantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zykloiden (1, 2) an ihren Enden unmittelbar ineinander übergehen.

3. Fahrradantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zykloiden in kleinem

in Abstand (d) voneinander angeordnet und über ihre Enden

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tangential übergehende Kreisbögen (& ) miteinander verbunden sind.

4. Fahrradantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß im Bereich der beiden verbindenden Kreisbögen des Zahnkranzes jeweils etwa 1 bis 5, vorzugsweise 3 Zähne angeordnet sind.

5. Fahrradantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a -durch gekennzeichnet, daß der Winkel (OC) je nach Abstand der beiden Zykloiden voneinander etwa 3cPbis 40° beträgt.

6. Fahrradantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit mindestens zwei starr miteinander verbundenen Kettenzahnrädern, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnkränze aller Kettenzahnräder eine aus zwei Zykloiden zusammengesetzte Kontur aufweisen.

7. Fahrradantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit mindestens zwei starr miteinander verbundenen Kettenzahnrädern, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnkranz eines der Kettenzahnräder (6) eine aus zwei Zykloiden zusammengesetzte Kontur aufweist, während die Konturen der anderen Zahnkränze durch Abrollen eines kleinen

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Kreises (7·, 8) auf der Innenseite oder der Außenseite des Zykloidenovals des einen Kettenzahnrads (6) gebildet sind.

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