DE3007674A1 - Mechanik eines vorderachsantriebs fuer fahrraeder - Google Patents

Mechanik eines vorderachsantriebs fuer fahrraeder

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DE3007674A1
DE3007674A1 DE19803007674 DE3007674A DE3007674A1 DE 3007674 A1 DE3007674 A1 DE 3007674A1 DE 19803007674 DE19803007674 DE 19803007674 DE 3007674 A DE3007674 A DE 3007674A DE 3007674 A1 DE3007674 A1 DE 3007674A1
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Axel Ing.(Grad.) 8520 Erlangen Jungmann
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62MRIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M1/00Rider propulsion of wheeled vehicles
    • B62M1/14Rider propulsion of wheeled vehicles operated exclusively by hand power
    • B62M1/16Rider propulsion of wheeled vehicles operated exclusively by hand power by means of a to-and-fro movable handlebar
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62MRIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M1/00Rider propulsion of wheeled vehicles
    • B62M1/12Rider propulsion of wheeled vehicles operated by both hand and foot power

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Steering Devices For Bicycles And Motorcycles (AREA)

Description

  • Mechanik eines Vorderachsantriebs für Fahrräder
  • Beschreibung Handelsübliche, ausschließlich mit Muskelkraft betriebene Fahrräder haben zwei Achsen mit üblicherweise je einem Rad, wobei die Vorderachse gelenkt und die Hinterachse angetrieben wird (im folgenden 'Norm-Fahrräder' genannt). Die Beinkraft beim Treten der Pedale wird über eine Kette vom Pedal zahnrad auf die Achse des Hinterrades übertragen. Es ist kein Fahrrad bekannt, bei dem Hinterachse und Vorderachse durch Muskelkraft gleichzeitig angetrieben werden könnten.
  • Die Erfindung geht deshalb von der Auyabenstelluny aus, den Antrieb beider Achsen eines Fahrrades zu ermöglichen, wobei Vorderachse und Hinterachse sowohl gleichzeitig als auch unabhängig voneinander angetrieben werden könnten oder die Räder im Freilauf rollen. Dabei soll folgender Grundgedanke konstruktiv verwirklicht werden: Man stelle sich vor, mit einem Norm-Fahrrad eine Steigung hinauf zu fahren. Je nach Übersetzungsverhältnis zwischen Pedalzahnrad und Zahnrad der Hinterachse wird sich die Geschwindiykeit bei yleicher Muskelarbeit früher oder später verringern. Um nicht stehen zu bleiben, wird der Radfahrer nun versuchen, die Muskelarbeit (Tretarbeit) zu vergrößern. Hierfür gibt es zunächst einen Grenzwert; dieser ist gegeben durch das Eigengewicht des Radfahrers (GR), mit dem er ein maximales Antriebsmoment (MA) für das Pedalzahnrad erzeugern kann, nämlich MA = GR ' hp' wobei hp die Pedal länge, d.h. die Länge des Hebelarms für die Kraft aus GR ist.
  • Diesen ersten Extremalwert versucht der Radfahrer dadurch zu erreichen, daß er sich aus dem Sattel erhebt und sich möglichst senkrecht auf das jeweilige Pedal stellt. Reicht diese i-ahrtechnik nicht aus, um die Steigung zu überwinden, gibt es eine letzte Möglichkeit das Antriebsmoment auf das Pedalzahnrad zu erhöhen: Der Radfahrer stemmt sich in das Pedal. Hierzu bedarf es eines Widerlayers, na 9 der Lenkstange. Es ist nun möglich, zu der Kraft aus dem Körpereigenyewicht, eine zusätzliche Muskelkraft in die Pedale einzuleiten. Diese Zusatzkraft wirkt aus Gleichgewichtsgründen als Reaktionskraft FR zugbeanspruchend in den Armen des Radfahrers und erzeugt somit eine nach oben gerichtete Kraft in der Lenkstange.
  • Bei jeder Umdrehung des Pedalzahnrades gibt es zwei Stellungen, wo das Antriebsmoment, wenn nicht zu Null, so doch zu einem Minimum wird. Dies ist die Stellung,in der die Pedale senkrecht stehen - der Pedalhebelar hp für die Kraft GR ist Null. Analog dazu gibt es zwei Stellungen, in denen das Antriebsmoment maximal wird. Dies ist in waagerechter Stellung der Pedale - hp ist gleich der Pedal länge.
  • Der Kraftverlauf beim Pedaltreten in Abhängigkeit der zurückyelegten Wegstrecke läßt sich daher mathematisch durch eine Sinusfunktion charakterisieren. Wie im folgenden gezeigt wird, ermöglicht die Erfindung einen zusätzlich Antrieb über die Vorderradachse sowohl in der Phase des größten als auch in der des kleinsten Pedalmoments.
  • er erste Grundgedanke der Erfindung ist, die nach oben yerichtet Reaktionskraft FR mit dem vorhandenen liebel 'Lenkstange' als Antriebskraft für die Vorderachse zu nutzen. Diese Antriebskraft würde in der Phase des stärksten Hinterachsenantriebs zusätzlich wirken - dann nämlich, wenn die Pedale einen Umfangsbereich um die horizontale Lage durchfahren (etwa + 45 ° um die orizontale).
  • Der zweite Grundgedanke der Erfindung ist, in der Phase, in der das kleinste Antriebsmoment auf die Hinterachse wirksam ist (Pedale durchfahren den Uikreisabschnitt von etwa + 45 ° um die Vertikale), ebenfalls einen Zusatzantrieb auf das Vorderrad erzeugen zu können, und zwar durch das Körpereigengewicht, das über den Hebel 'Lenkstange' ein Antriebsmoment erzeugt.
  • Der dritte Grundgedanke liegt darin, daß die Funktionen beider Antriebsarten unabhän3ig voneinander sind, so daß 1. in jeder beliebigen Stellung der Lenkstange ein Zusatzantrieb nach dem ersten oder nach dem zweiten Grundgedanken erfolgen kann, 2. jede Auf- oder Abwärtsbewegung der Lenkstange einen zusätzlichen Antrieb und keinen Leerhub bedeutet, der das Gleichgewicht des Radfahrers beim Anfahren beeinträchtigen könnte.
  • Der vierte Grundgedanke liegt darin, sowohl beide Funktionsarten des zusätzlichen Vorderachsenantriebs untereinander als auch von dem Antrieb der Hinterachse entkoppelt auszuführen, so daß der Zusatzantrieb nicht zwangsläufig betrieben werden muß.
  • Der Nutzen des erfingungsgemäßen Antriebs liegt beispielsweise in einem gleichmäßigeren, angenehmeren Befahren von Steigunysstrecken, einer höheren Beschleunigung sowohl beim Anfahren als auch während der Fahrt sowie je nach Wahl des Übersetzungsverhältnisses in einer höheren Dauergeschwindiykeit. Alle diese Vorteile sind geeignet, ein erfindungsgemäß verbessertes Fahrrad als höherwertigen Ersatz sonstiger Nahverkehrsmittel zu betrachten und häufiger zu nutzen als es mit derzeitigen Norm-Fahrrädern der Fall ist.
  • Im folgenden wird an einem Beispiel eine konstruktive Beschreibung des zur Hinterachse zusätzlichen Antriebs der Vorderachse gegeben. Dabei ist es für die prinzipielle Verwirklichung der genannten Grundgedanken ohne Belang ob, wie bei einem Norm-Fahrrad, die Vorder- und Hinterachse nur ein einziges oder mehrere Räder trägt. Als Beispiel wurde ein Norm-Fahrrad gewählt, um zu zeigen, daß zur Verwirklichung der Erfindung grundsätzlich keine Neukonstruktion des gesamten Fahrrades notwendig ist, sondern lediglich die der Lenkstange, der Radgabel sowie die Anordnung von zwei Antriebsrädern auf der entsprechenden Vorderachse, wobei Gestänge die Antriebskräfte auf die Achse übertragen.
  • Mit diesen Teilen ist es somit möglich, ein Norm-Fahrrad auf den erfindungsgemäßen Zusatzantrieb umzurüsten.
  • Konstruktionsbeispiel Die Darstellungen in Fig. 1, 2 und 3 zeigen den Vorderteil eines Fahrrades mit üblichem Rahmen (1) der erfindunysyemäßen Antriebsmechanik in Ausgangsstellung.
  • Charakteristisch ist, daß die Lenkstange (2) in einem horizontalen Lager (3) geführt ist, womit eine Auf- und Abwärtsbewegung um den Kreisbogenabschnitt lh möglich ist. Durch diese Bewegung werden über eine nachfolgend näher beschriebene Mechanik ein Kettenrad (4) in Fig. 1 und ein Antriebssegment (5) in Fig. 2 in Fahrtrichtung bewegt, wodurch eine Vorwärtsbewegung erzeugt wird, die in dem Konstruktionsbeispiel ein Viertel des Zahnradumfangs beträgt. Zur beliebig häufigen Wiederholung dieses Antriebsvorgangs haben das Kettenrad (4) und das Antriebsradsegment (5) einen Freilauf, so daß nur in Vorwärtsrichtung eine Kraftübertragung erfolgen kann und diese zu einem beliebigen Zeitpunkt einsetzen kann.
  • Die Lenkstange (2) weicht in Form und Konstruktion insofern grundsätzlich von bisher bekannten ab, als sie eine mäanderförmige Ausbuchtung des Mittelteils aufweist,und zwar vom Vertikalabschnitt (7), der im Fahrradrahmen gefaßt ist und der Lenkstangenlagerung (3). Diese Ausbuchtuny bedeutet ein Abrücken der Lenkstangengelenkposition (3) von der gedachten Vertikalachse (v) der Antriebsgestänge. Je weiter Gelenk (3) und Vertikalachse (v) voneinander entfernt sind, umso näher liegen Vertikalachse (v) und der Kreisbogenabschnitt (h), den die Lagerstange (9, Fig. 3) beim Heben und Senken beschreibt, zusammen. Für die konstruktive Ausführung der Gestängeführungen ist es nämlich günstig, wenn die verbindenden Teile von Lenkstange und Zahnräder nur geringe Bewegungen in Richtung Fahrradlängsachse beim Betätigen der Lenkstange ausführen.
  • Fig. 1 stellt den Antriebsteil dar, mit dem die eingangs beschriebene, nach oben gerichtete Kraft FR auf das Zahnrad {4) übertragen werden kann. Hierzu sind die Schenkel (8, Fig. 3) des ausgebuchteten Lenkstangenteils mit einer Lagerstange (9) starr verbunden. Diese Lagerstange trägt die Halterunyen (10) und (11).
  • Die Halterung (10) faßt eine Zugstange (12), deren Enden als Gelenke mit den horizontalen Achsen (13) und (14) ausgebildet sind.
  • In das untere Gelenk (14) der Zugstange greift ein zweiter Stab (15), ebenfalls auf Zug beansprucht, womit die Verbindung zwischen Zugstange (12) und der Antriebskette (16) hergestellt ist.
  • Prinzipiell wäre auch ein direkter Anschluß der Antriebskette (16) an den Zugstab (12) möglich.
  • Die Zugstange (12) ist in einer Öse (17) zentriert, die in geringem Maße als ein parallel der Fahrradrahmenebene gerichtetes Langloch ausgeführt ist. Damit wird die geringe rückwärtsgerichtete Bewegung der Zugstange (12) konstruktiv ermöglicht, die sich ergibt, wenn die Lagerstange (9) sich auf dem Kreisbogenabschnitt "h" bewegt.
  • Die Führung (17) ist gleichzeitig Arretierung für das Anschlagteil (18). Dies bedeutet, daß der Abstand b 1 von Führung (17) und Anschlagteil (18) gleich sein muß der Sehnenlänge des Kreisbogenabschnitts "h".
  • Wie erwähnt, wird die unmittelbare Kraftübertragung auf das Zahnrad (4) mittels der Antriebskette (16) bewirkt. Die Mindestlänge dieser Kette ist bestimmt durch die - zeichnerisch nur partiell dargestellte - Umfassung der unteren Hälfte des Kettenrads (4) und einer zusätzlichen Abrollänge, die dem Hubmaß b 1 bzw. h entspricht.
  • Wenn nun mit der Lenkstange (2) die Hubbewegung 1h ausgeführt ist, hat der Endpunkt (16 a) der Antriebskette (16) sich am dichtesten an den Tangentenpunkt von Kette und Kettenrad (4) genähert. Es bedarf nun einer Rückstellkraft, die zum einen das Kettenrad (4) in seinem Freilauf in die Ausgangsposition zurückführt und zum anderen verhindert, daß dabei die Kette (16) vom Kettenrad (4) fällt, sobald die Lenkstange (2) abwärts bewegt wird. Diese Rückstelikraft liefert eine Feder (19), die von der Kette gefaßt ist und durch die Vorwärtsdrehung des Kettenrads (4) gespannt wird.
  • Das feste Lager der Feder (19) ist im Konstruktionsbeispiel eine Halterung (20) als Bestandteil des Schutzblechbügels (21).
  • Diese in Fig. 1 beschriebene Mechanik ist an den beweglichen Teilen wie Lenkstange (2), Vorderradgabel (22) und Schutzblechbügel (21) befestiyt, so daß Lenkbewegungen und gleichzeitige Hubbewegungen als Antrieb möglich sind. Die beschriebene Mechanik ist für sich alleine bereits verwendbar (ohne die mit Fig. 2 beschriebene Antriebsart) und würde im Konstruktionsbeispiel jeweils für eine Viertelumfangsbewegung des Vorderrades (6) wirksam sein.
  • Fig. 2 stellt den Antriebsteil dar, der es nach dem zuvor yenannten zweiten Grundgedanken ermöglicht, das Körpergewicht des Radfahrers als zusätzliche Antriebskraft zu nutzen. Dieser ist an dem anderen der beiden Schenkel der Radgabel (22) befestiyt.
  • Durch das Anheben der Lenkstange (2), mit dem ein Antrieb mittels der mit Fig. 1 beschriebenen Mechanik verbunden ist, wird zwangsläufig auch der Antriebsteil nach Fig. 2 betätigt, da die Halterung (11) ebenso wie Halterung (10) an derselben Lagerstange (9) starr angebracht ist. An diese Halterung (11) schließt ein Druckstab (23) gelenkig an. Das untere Ende dieses Druckstabes (23) faßt - ebenfalls über ein Gelenk - eine Antriebsstange (24). Der Druckstab (23) wird von zwei Führungsösen (25) und (26) umfaßt. Das untere Gelenk des Druckstabes (23) ist so ausgebildet, daß es in einer vertikalen Schiene (27) gleiten kann. Die Länge der Schiene (27) ist etwa gleich der Hubhöhe h. Mit den Führungsösen (25) und (26) sowie der Schiene (27) ist die Richtung der Druckkraft, die in dem Druckstab (23) wirken kann, vorgegeben. Die Antriebsstange (24) ist durch ihre Gelenkverbindungen mit Druckstab (23) und Antriebsradsegment (5) in ihrer Lage und ihrem Bewegungsablauf bestimmt. Das Antriebsradsegment (5) hat diegleiche Wirkungsweise wie das gegenüberliegende Kettenrad (4), nämlich: Antrieb bei Vorwärtsdrehung und Freilauf bei Rückwärtsdrehung.
  • Während die Lenkstange (2) angehoben wird und dabei mit der nach Fiy. 1 beschriebenen Mechanik ein Antrieb der Vorderachse (28) bewirkt, wird das Antriebsradsegment (5) synchron im Freilauf zurückgedreht. Die Ausgangsposition für die Wirksamkeit des des Antriebs nach Fig. 2 ist dann erreicht, wenn die Lenkstange (2) um ein beliebiges Maß angehoben wurde. Nun kann eine nach unten gerichtete Kraft (z.B. Körpergewicht des Radfahrers) über die Lenkstange (2), den Druckstab (23) und die Antriebsstange (24) auf das Antriebsradsegment (5) übertragen werden. Das Antriebsradsegment (5) macht dabei eine Vorwärtsdrehung und bewirkt so einen Antrieb, maximal um das Maß einer Viertel Radumdrehung - entsprechend h. Dieser Vorgang kann beliebig oft und in allen Fahrzuständen wiederholt werden, so daß damit auch ohne den vorhandenen Hinterradantrieb ein kontinuierlicher Antrieb des Fahrrades über die Vorderachse möglich wäre.
  • Fig. 3 zeigt den Schnitt A-A der erfindungsgemäßen Antriebsmechanik des Vorderrades.
  • Weitere konstruktive Möglichkeiten zur Verwirklichung der Erfindungsgedanken bieten sich, wenn man von der üblichen Form von Vorderradgabel und Rahmen handelsüblicher Norm-Fahrräder abgeht und die Lage der Vorderachse möylichst nahe der Vertikalachse der Antriebsgestänge anordnet. Dann ist eine konstruktive Variante möglich, bei der Zug- und Druckkräfte aus der Lenkstangenhubbewegung in nur ein Bauteil geleitet werden, das Zugstange (12) und Druckstange (23) in sich vereint. Dieses "Zug-Druck-Bauteil" würde in ein Querhaupt oberhalb des Vorderrades münden, welches mit dem Kettenrad (4) und dem Antriebsradsegment (5) gelenkig verbunden wäre. Eine solche Konstruktionsvariante hätte jedoch zur Voraussetzung, daß von dem Vertikalabschnitt (7) der Lenkstange (2) zwei Konsol stücke (7 a, Fig. 2) abgehen, so daß das an die Lagerstange (9) gelenkig anschließende "Zug-Druck-Bauteil" in der Rahmenebene des Fahrrades angeordnet werden kann. Die Lenkstange (2) wäre bei dieser Konstruktionsvariante auf den beiden Konsolstücken (7 a) in Gelenken gelagert. Durch diese beiden Gelenke erhielte die Lenkstange (2) eine größere Steifigkeit in Querrichtung (gegen Neigungen um die Fahrradlängsachse). Dies ist dann von Vorteil, wenn die beiden Haltegriffe (2 a) der Lenkstange (2) ungleich belastet werden.

Claims (7)

  1. Patentansprüche Antriebsmechanik für die gelenkte Vorderachse von Fahrrädern bestehend aus einer senkrecht zur Vorderachse beweglichen Lenkstange, mit der Hebelkräfte bei einer Aufwärtsbewegung über ein Gestänge als Zugkraft und bei einer Abwärtsbewegung als Druckkraft auf die Vorderachse übertragen werden und dadurch eine Vorwärtsdrehung der Vorderachse um jeweils einen Teil einer Gesamtumdrehung des Vorderrades bewirken. dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkstange (2) mindestens einmal parallel zur Vorderachse (26) gelenkig yelagert ist und das Gestänge Antriebsräder (4 und 5) dreht, die in Fahrtrichtung einen Antrieb bewirken und entgegengesetzt der Fahrtrichtung einen Freilauf aufweisen.
  2. 2. Antriebsmechanik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Zugkräfte und Druckkräfte über separate Gestänge auf die Vorderachse übertragen werden.
  3. 3. Antriebsmechanik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Zug- und Druckkräfte von der Lenkstange auf ein einziges Gestänge übertragen werden, welches über dem Vorderrad in einer Traverse endet.
  4. 4. Antriebsmechanik nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das die Zugkräfte übertragende Zuggestänge und das die Druckkräfte übertragende Druckgestänge jeweils als Einzelantriebe anwendbar sind.
  5. 5. Antriebsmechanik nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß Zug- und Druckgestänge zwischen Lenkstange (2) und den Antriebsrädern (4) und (5) der Vorderachse aus mehreren Teilstäben bestehen und dabei untereinander gelenkig verbunden sind.
  6. 6. Antriebsmechanik nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet daß die Antriebsyestänge an der Radgabel in einer Vertikalebene geführt sind.
  7. 7. Antriebsmechanik nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Kettenrad (4) des die Zugkraft übertragenden Gestänges bei einer Abwärtsbewegung der Lenkstange von einer Feder (18) in Richtung seiner Ausgangsposition zurückgezogen wird.
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