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F a h r r a d m i t n t r i e ~
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Die Erfindung betrifft ein Fahrrad mit einem zusätzlichen Antrieb
des Vorderrades, welcher durch die Arme betätigt wird.
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Die Entwicklung von Pahrrädern, bei denen ein zusätzlicher Armantrieb
entweder auf das Vorderrad oder das Hinterrad wirkt, ist nicht neu. Auch sind die
Vorteile eines zusätzlichen Antriebs - entweder zum Zwecke der allseitigen körperlichen
Betätigung aus sportlichen Gründen oder zwecks Heilgymnastik (vergleichbar mit Rudern,
Schwimmen oder Skilanglauf) - oder zur besseren Fortbewegung bei hohen Bremsmomenten
(Berganfahren, Gegenwind) hinlänglich beschrieben. Jedoch hat sich keine der Borliegenden
Erfindungen wegen offensichtlicher machteile bis jetzt durchsetzen können.
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Um dies zu begründen, muß zunächst auf die Funktionsteilung bei einem
normalen Fahrrad eingegangen werden. Bei diesem wird über die Arme in den Lenker
1) eine Drehbewegung um die Lenkachse zur Erhaltung des Gleichgewichts und zu Kurvenfahrten
und
2) eine ruhende Abstützung des Teiles des Körpergewichtee' vorgenommen,
welches nicht über den Sattel in den Rahmen geht.
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Beide Funktionen werden so vollzogen, daß keine die andere behindert.
Sie stellen demnach notwendige Bedingungen dar. Bei einem zusätzlichen Armantrieb
sind nun, wenn das Fahrrad voll gebrauchstüchtig sein soll, die Erfüllung weiterer
Bedingungen unumganglich: 3) Die Krafteinleitung durch die Arme muß alternativ zur
Abstützung gemäß 2) möglich sein und ebenso wie diese, ohne Beeinträchtigung von
1) vorgenommen werden können. D.h. die Kraftwirkungen dürfen keine resultierenden
Momente um die Lenkachse 1 ergeben, da sonst ein unbeabsichtigtes Kurven- oder Schlangenlinienfahren
erzeugt würde.
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4) Der Armantrieb soll zweckmäßigerweise völlig unabhängig vom Beinantrieb
sein (also kein erzwungener Synchronismus). Dies kann einerseits damit begründet
werden, daß die Anatomie der Arme anders als die der Beine ist, nämlich schwächer,
aber auch leichter, diese somit grundsätzlich einer anderen Übersetzung bedürfen.
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Andererseits wird man bei besonders leichten Fahrbedingungen (Bergabfahren,
Rückenwind) den Armantrieb stillsetzen wollen, den Beinantrieb aber weiterbedienen.
Damit tritt Bedingung 2) anstatt 3) in Kraft,
nämlich wieder die
Abstützung der Arme zu deren Erholung.
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In Beachtung der vorgenannten Bedingung 4) empfiehlt sich nun eine
Konstruktion, bei der die Armkraft direkt in das Vorderrad geleitet wird, weil die
Umsetzung auf das Hinterrad wegen der notwendigen Lenkfähigkeit technisch aufwendiger
ist-(pat--Nr. 80445,83422,93198,107848) diese aber nur bei gewolltem Synchronismus
einen Sinn gäbe.
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Wegen Bedingung 3). verbietet sich nur Antriebe, bei denen die Hände
direkt gegeneinander versetzte Kurbeln betätigen, wie z.B. m Patent Nr. 801759,
Fig. 6 dargestellt ist. Denn bei beispielsweise vertikaler Stellung der Kurbeln
würde eine Krafteinleitung sofort ein freies Moment um die Lenkachse ergeben, was
zu einer ungewollten Kurvenfahrt führen würde. Andererseits ist auch die Anordnung
paralleler Kurbeln gemäß Patent Nr. 46996 unzweckmäßig, da hierbei zwar die Bedingung
3) erfüllt wird, jedoch bei beispielsweise vertikaler Kurbelstellung vom Fahrer
eine horizontale Kraft ausgeübt wird, deren Reaktion nicht mittels des Körpergewichtes
abgefangen werden kann (wie bei Beinantrieb), sondern dien Fahrer auf dem Sattel
hin- und herrutschen läßt. Dies gilt übrigens auch für die Konstruktion gemäß Patent
Nr. 473125.
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Um die Nachteile zu umgehen, ist also zwischen den am Kettenrad 2
befestigten Kurbeln 5 und den Handgriffen 4 (Fig. 1), durch die die Armkraft eingeleitet
wird, die Zwischenschaltung weiterer Hebel nötig (beispielsweise wie im Patent Nr.
107848 k und d).
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Hierbei sind spezielle Hebel 8 so angeordnet, daß sie in ihrer Mittelstellung
mit der Lenkachse 1 etwa einen Winkel von 90 Grad bilden, wodurch dann Bedingung
3) erfüllt wird.
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Aber auch bei Armantrieben auf das Vorderrad sind Konstruktionen bekannt,
wo Zwischenhebel eingeschaltet sind. Dies- geht beispielsweise hervor aus der Patentschrift
Nr. 112620 Klasse 63 k sowie aus der Offenlegungsschrift Nr. 2719846. Beide Konstruktionen
sind allerdings - ohne hier auf die Zweckmäßigkeit der Hebelanordnung einzugehen
- mit mindestens einem Mangel behaftet, nämlich dem, daß mangels Synchronismus mit
dem Hinterrad bei Vorhandensein eines Freilaufes in der Vorderradnabe es mindestens
eine Stellung der Zwischenhebel gibt - Totpunktstellung - aus welcher ohne zusätzlicher
Maßnahmen oder Mittel nicht herauszukommen ist, und somit eine kontinuierliche Drehbewegung
des Kettenrades d in Nr. 112620 oder Rad 21 in der Offenlegungsschrift 2719846 nicht
gewährleistet ist. Somit ergibt sich als Folge der Bedingungen 1)
bis
4) eine weitere Bedingung 5) gemäß der Mittel zur kontinuierlichen Totpunktüberwindung
vorhanden sein müssen.
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Es ist aber offensichtlich, daß keine der den Stand der Technik darstellenden
Konstruktionen für sich allein alle notwendigen Bedingungen erfüllt. Es bestand
also die Aufgabe, eine solche zu schaffen.
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Eine solche ist in Fig. 1 in der Seitenansicht und in Pigur 2 in
der Vorderansicht dargestellt, Fig. 3 und 5 -enthalten einige Details und Fig 4
eine kinematische Darstellung.
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Die Konstruktion' besteht nun einerseits aus der Vorderraagabel 5
mit dieser zugehörigen Teilen und andererseits aus Rahmen 18 mit jenem zugehörigen
Teilen.
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Die zu 18 gehörigen Te-ile-sowie 18 selbst können üblicher Bauart
sein und sind hier nicht weiter beschrieben.
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Die Vorderradgabel 5 ist nun im Steuerkopf 17 des Rahmens 18 drehbar
um die Lenkachse 1 gelagert. Sie enthält u.a. das Vorderrad 16, welches mit einem
Antriebsritzel -19 und einem Freilauf ausgerüstet ist (zur Erfüllung von Bedingung
4), desweiteren die Lagerung 6 des Kettenrades 2 und auch den Distanzhalter 7, der
gleichzeitig die Lagerung der Horizontalhebel
8a, b enthält.
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Das Kettenrad 2 treibt in bekannter Weise über eine Kette 15 entweder
direkt oder über eine Schaltung das Vorderrad an. An Stelle des Kettenantriebes
kann aber auch ein Kardanantrieb benutzt werden.
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Das Kettenrad 2 wird ebenfalls in bekannter Weise über die Kurbeln
3a,b und Pleuelstangen 9a,b angetrieben, die ihrerseits am vorderen Drehpunkt der
Horizontalhebel 8a,b angelenkt sind. Am hinteren, dem Fahrer zugekehrten Endpunkt
der Horizontalhebel sind die Handgriffe 4a,b für den Fahrer drehbar um ihre Längsaehsangeordnet.
Die ansich bekannte Anordnung der Horizontalhebel, deren Armkrafteinleitungspunkte
an den Handgriff fen 4a,b Kreisbögen um 7 beschreiben, bewirkt eine praktisch momentfreie
Krafteinleitung um die Lenkachse 1 (zur Erfüllung von Bed. 3). Die Drehbarkeit der
Handgriffe 4a,b verhindert Reibungskräfte zwischen den Handflächen des Fahrers und
den Griffen während der Auf- und Abbewegung der Hebel infolge der verschiedenen
Kinematik von Hand und Handgriff.
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Weiter enthält die Konstruktion eine Rückdrehsperre 10, die eine Bewegung
des Kettenrades 2 und damit der gesamen Mechanik nur in einer Richtung, nämlich
der vortreibenden, ermöglicht. Bei Krafteinleitung in umgekehrter Richtung ermöglicht
sie somit ein bequemes Ausruhen der
Arme und ein Abstützen des
Oberkörpers (zur Erfüllung von 3ed. 2).
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Zur Erfüllung der Bed. 5 - nämlich der kontinuierlichen Totpunktüberwindung
- enthält die Konstruktion nun die Zugfedern 11a,b , wobei 11a die Teile 8a und
9a und lib die Teile 8b und 9b miteinander verbindet (Fig. 1,2).
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Zugfedern arbeiten nahezu verlustlos und geben die beim Spannvorgang
aufzuwendende Energie bei der Entspannung wieder vollständig ab.
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Durch geeignete Wahl der Anlenkpunkte der Federn 11 an den Teilen
8 und 9 im Verein. mit einer geeigneten ungespannten Federlänge ist es nun möglich,
Drehmomente am Kettenrad 2 zu erzeugen, die in den beiden Uotpunktstellungen von
Pleuelstangen 9 und Kurbeln 3 immer im gewünschten vortreibenden Drehsinn (siehe
Pfei-l-) wirken und damit die Totpunkt überwinden. Letztere sind dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittellinien der Pleuelstange 9a und der Kurbel 3a einerseits sowie die
der Pleuelstangen 9b und der Kurbel 3b andererseits parallel verlaufen. Somit gibt
es bei genauer~kinematicher Betrachtung insgesamt 4 Totpunkte, wovon jedoch immer
2 praktisch zusammenfallen. Bezeichnet man den Anlenkpunkt der Pleuelstange 9a am
Kettenrad 2 mit 20a, dann befindet sich dieser Punkt dabei in Pos. OO und 1800,
wenn man mit Oo seine räumlich tiefste Position bezeichnet
und
im übrigen in Pfeilrichtung (gewünschter Drehsinn des Kettenrades 2) zählt (Fig.
1,4). Dabei befinden ich dann die Handgriffe 4a und 4b wechselweise in ihren höchsten
respektive tiefsten Positionen.
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In den Positionen 900 und 2700 hingegen stehen die Horizontalhebel
8a,b zueinander parallel, und die Krafteinleitung an den Handgriffen 4a,b hat ihren
höchsten kinematischen Wirkungsgrad ( nicht dargestellt ).
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Fig. 4 zeigt nun die Wirkung des federerzeugten Drehmomentes für die
rechte, mit a bezeichnete Seite der Konstruktion genauer. Es sind 4 Positionen der
Teile 3a, 4a, 8a, 9a, 11a und 20a dargestellt. Sie sind mit C'), (''), (" ') und
('''') gekennzeichnet. Dabei stellt (') etwa die Totpunktposition bei 0° dar. Die
Positionen (''') und (" sind dadurch gekennzeichnet, daß hierbei die Verbindungslinien
zwischen 4a und 20a gleich lang sind. Diese Verbindungslinie ist identisch mit der
jeweiligen Federlänge 11a, wenn man der Übersichtlichkeit halber diese direkt zwischen
4a und 20a spannt, und sie ist proportional der jeweiligen Federlänge bei deren
Anordnung gemäß Fig. 1 und 2 etwas neben den Punkten 4a und 20a.
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Bei dieser beispielhaften Anordnung soll die Feder 11a in den Positionen
(lvi) und ('''') gerade ungespannt sein. In Position (") hingegen ist diejenige
Stellung gezeichnet, in welcher die Verbindungslinie 4a' - 20a''
ihre
größte Erstreckung hat; die Federkraft damit am größten ist. Zwischen 20a" " und
20a " - im Drehsinn (Pfeil) gezählt - und entsprechend 4a111, und 4a11, wird die
Feder 11a also durch die Armkraft gespannt, zwischen 20a" und 20a''' und entsprechend
4a'' und 4a1'1 entspannt.
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Dies ist sinnbildlich durch die mit (-) = rücktreibendes Moment und
mit (+) = vortreibendes Moment - bezeichneten und verschieden schraffierten Flächen
dargestellt. Die Position 20a'' ist also diejenige, in der das rücktreibende Moment
in ein vortreibendes übergeht.
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Wichtig im Sinne der vorliegenden Erfindung ist nun, daß die Position'.
20a'' um den Winkell im Drehsinn gezählt vor Position 20a' liegt - Totpunktposition
-, und damit dieser ohne Einleitung einer weiteren Armkraft überwunden wird. ueber
den Winkel ß wird dann das restliche vortreibende Moment abgebaut.
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Zwischen 20a''' und 20a'''' - im-Drehslnn gezählt - hat die Feder
11a keine Wirkung, weil ihre ungespannte Länge stets größer als der jeweilige Abstand
4a - 20a ist.
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Den anderen, bei 1800 liegenden Totpunkt überwindet die Feder 11b
in gleicher Weise, da 20b um 1800 gegenüber 20a versetzt ist, somit in den wirkungslosen
Bereich der
Feder 11a der wirksame von Feder 11b fällt und umgekehrt.
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Die in Fig. 1 und Fig. 4 gezeigte Anordnung der Federn 11a,b gewährleistet
di«;qualitativ in jedem Pall, die quantitative Festlegung der Winkel 6 und (5 hingegen
ist eine Angelegenheit der Ausführungskonstruktion, da die Federn 11a,b neben der
schon genannten Wahl ihrer ungespannten Länge auch zwischen den Aufhängern 21a,b
und 22a,b gespannt sein können, die wiederum mit den Hebeln 8a,b und den Pleuelstangen
9a,b jeweils fest verbunden sind. Dies ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur
für die rechte Seite a der Konstruktion in Fig. 5 dargestellt.
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Eine weitere Maßnahme zur Erreichung des gewünschten Momentverlaufes
über einer Kettenradumdrehung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Federn 11a,b über
Rollen 23a,b geführt werden, deren Lagerungen mit der Vordergabel 5 fest verbunden
sind.(Fig.5).
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Die Federmechanik wird überflüssig bei unsrmnetrisch angeordneten,
also nicht 1800 gegeneinander versetzten Kurbeln, jedoch ist dann ein ungleichmäßiger
Bewegungsrhythmus des Fahrers die Folge davon.
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