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Mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug
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Die Erfindung betrifft ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug, insbesondere
Fahrrad, mit einem tragenden Fahrzeugrahmen, der wenigstens eine Hinterachse und
mittels einer Lenkvorrichtung lenkbar die Vorderachse trägt, mit einer um eine waagerechte
Achse schwenkbar am Fahrzeugrahmen angelenkten Sitzschwingeirnd einem drehbar gelagerten
Antriebsorgan, das mit der bzw. wenigstens einer Hinterachse in ständiger, gleichsinnig
wirkender Antriebsverbindung steht und durch Kurbeleinrichtungen mit zwei seitlichen
Pedalen versehen und mit dem Sitzträger in Antriebsverbindung ist.
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Fahrräder dieser Art sind in verschiedener Ausführung bekannt. Dabei
geht es im Prinzip darum, die Antriebsvorrichtung einmal von zu beiden Seiten des
Fahrzeugrahmens angeordneten Pedalen und zum anderen vom Sitz her durch das Körpergewicht
zu betätigen, wobei sich die beiden Antriebsphasen möglichst dicht aneinanderschließen
sollten.
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So ist mit der DE-PS 57280 ein als Antriebsorgan dienendes Kettenrad
mit der zugehörigen Kurbeleinrichtung vor dem Hinterrad am Fahrzeugrahmen gelagert,
trägt seitlich außen die Pedale und ist mit weiter innen liegenden Kurbelzapfenanein
dreigliedriges Hebelgetriebe angeschlossen, das wiederum im Bereich des Sattels
gelenkig mit einem auf- und abschwenkbaren Sitzhebel verbunden ist.
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Durch die jeweils mehrgliedrige Führung zwischen Sattel, Rahmen und
Antriebsvorrichtung ergibt sich eine Instabilität, die einmal das Fahr- und Steuerverhalten
des Fahrrades negativ beeinflußt und zum anderen den Krafteinsatz behindert und
damit die Leistung herabsetzt. Bei der dort notwendigen Vielgliedrigkeit würde sich
die gebotene exakte Führung, wenn überhaupt,erst bei stark überhöhtem Fahrzeuggewicht
erreichen lassen. Zudem ist dort, um die Wechselwirkung zwischen Pedal-Sitzbelastung
zu ermöglichen, die Kurbellänge gegenüber dem herkömmlichen Kurbelantrieb wesentlich
verkürzt, was die Fahrstrecke je Kurbelumdrehung und die umsetzbare Leistung mindert.
Diese nunmehr über 90 Jahre alte Konstruktion hat sich daher bisher nicht durchsetzen
können.
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Bei jüngeren Konstruktionen hat man die Antriebskraft vornehmlich
vom Sattel genommen (DE-OS 27 34 56«0), wobei man sich an rahmenfesten Pedalen abstützt,alsodLe
zeitliche Versetzung zweier Antriebsarten aufgibt bzw. beim Senken des Sattels eine
Feder spannt, die beim Aufwärtshub zur Wirkung kommt (DE-OS 20 05 822). Bekannt
ist ferner der Antrieb durch eine schaukelnde Gewichtsverlagerung in Verbindung
mit zwei um 1800 zueinander versetzten Pedalkurbeln (DE-OS 30 04 612), was recht
ungewöhnliche Bewegungen und Gewichtsverlagerungen erfordert.
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Die Erfindung geht aus von dem einganges geschilderten Fahrzeug.und
verfolgt die Aufgabe, dieses Fahrzeug mit mOg lichst wenigen bewegbaren Einzelteilen
und Gelenkstellen derart auszubilden, daß es sich exakter führen läßt und die Antriebskraft
möglichst bequem auf optimale Weise übertragen werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß das drehbare Antriebsorgan
am freien Ende einer am Fahrzeugrahmen in dessen Ebene schwenkbar gelagerten Antriebs
schwinge an-
geordnet und ein fest am Sitzträger angebrachter Hebelvorsprung
unmittelbar an einem Kurbelgelenk des Antriebsorganes angeschlossen.
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Dabei sind der Sitz träger und die Antriebsschwinge jeweils unmittelbar
am ggf. starren Fahrzeugrahmen gelagert und ausschließlich durch eine Kurbel des
Antriebsorgans zusammengekoppelt. Diese wenigen Einzelteile lassen sich ohne weiteres
so formbeständig ausbilden und zuverlässig aneinander führen, daß keine Instabilitäten
zwischen Sitz, Fahrwerk und Lenkung zustandekommen können, das Fahrzeug sich in
allen Fahrsituationen zuverlässig beherrschen läßt und man ohne übermäßige Anstrengung
das volle Körnergewicht rythmisch zwischen Pedalen und Sitz verlagern kann.
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Sitzschwinge und Antriebsschwinge bilden zusammen mit einer Kurbel
des Antriebsorgans als Koppel eine Viergelenkkette, die eine sehr genaue Führung
der beiden Koppelgelenke auch bei relativ leichter Ausbildung ermöglicht.
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Die vorgeschilderten Vorteile lassen sich also bei relativ kleinem
Fahrzeuggewicht erreichen, was wiederum der Kraftumsetzung zu gute kommt. Wesentlich
für die umsetzbare Leistung ist vor allem, daß durch die Schwenkbewegung der Antriebsschwinge
in lotrechter Ebene der vom Pedal wie vom.
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Sitz zu durchlaufende Antriebsweg gegenüber vergleichbaren Antriebsvorrichtungen
wesentlich vergrößert wird. Man kann also kleinere Kräfte einsetzen und diese eine
größere Hubbewegung ausführen lassen.
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Beschleunigung, Höchstgeschwindigkeit und Bergsteigevermögen werden
gegenüber bekannten vergleichbaren Fahrzeugtypen erheblich heraufgesetzt. Während
man bei herkömmlichen Rennrädern mit 12-Gang-Schaltung nur eine maximale Fahrstrecke
von 8,70 m bei einer Kurbelumdrehung erreicht, läßt sich mit einem erfindungsgemäßen
Fahrrad bei etwa gleichem Krafteinsatz eine Fahrstrecke von 11,35 m erzielen.
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Sitz schwinge und Hebelvorsprung können, insbesondere durch eine zwischen
ihnen-eingezogene Verbindungsstrebe, zu einem ebenen Schwingrahmen ausgesteift werden,
wodurch sich die sonst auftretende Biegebeanspruchung überwiegend durch Einzelkräfte
in Rahmenstäben vermindern und dadurch das Schwingengewicht herabsetzen läßt.
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Vorzugsweise wird die Sitz schwinge etwa lotrecht über dem drehbaren
Antriebsorgan am Fahrzeugrahmen gelagert. Auf diese Weise läßt sich die, beste Führung
der zwischen beiden Schwingen eingeschalteten Koppel erzielen, da die von beiden
Schwingenenden abgeleiteten Führungsbögen einander etwa rechtwinklig kreuzen.
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Der Fahrzeugrahmen wird zweckmäßigerweise als Doppelrahmen mit wenigstens
drei symmetrisch zur Fahrzeugmittelebene angeordneten Holmen ausgebildet und die
Sitzschwinge zwischen beiden Holmen in der Fahrzeugmittelebene bewegbar geführt.
Diese Führung kann zwar normalerweise ausschließlich durch das Schwenklager bewerkstelligt
werden, aber es können auch zusätzliche Führungsmittel wie Rollen oder Gleitflächen
mit radialem Abstand von diesem Schwenklager vorgesehen sein, um die Überleitung
von Querkräften aus dem Sitz in den Fahrzeugrahmen zu verbessern.
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Dasdrehbare Antriebsorgan.kann grundsätzlich ebenso wie die Ubertragungsvorrichtung
in jeder beliebigen geeigneten Weise ausgebildet werden. Als zweckmäßig hat es sich
jedoch erwiesen, das drehbare Antriebsorgan mit zwei seitlichen, in gleichachsigen
Lagern gelagerten Doppelkurbeln zu versehen, die durch einen die Sitzschwinge durchdringenden
Kurbelzapfen verbunden sind. Wichtig ist dabei vor allem die formschlüssige Kupplung
mit dem gemeinsamen Kurbelzapfen, was beispielsweise durch exakt positionierte Querstifte,
Paßschrauben u. dgl. bewirkt werden kann. Auf diese Weise kommen die beiden Drehlager
des zusammengesetzten Antriebsorgans verhältnismäßig weit auseinander zu
liegen,
was die Führung der Pedale und damit auch die Führung des gesamten Fahrzeuges von
den Pedalen her verbessert.
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Die Doppelkurbeln können zwei innere Schwingenkurbeln und zwei äußere
Pedalkurbeln aufweisen, wobei die Pedalkurbeln jeweils derart gegenüber den Schwingenkurbeln
verdreht angeordnet sind, bis die zugehörigen Antriebswinkel um etwa 1800 zueinander
versetzt sind. Der Verdrehwinkel kann normalerweise konstant sein, grundsätzlich
auch einstellbar vorgesehen werden, um bei Personen unterschiedlicher Größe einen
Ausgleich zu schaffen, da sich mit der Körpergröße der Pedal-Angriffswinkel etwas
verlagert.
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Mit dem gleichen Mittel der Verstellbarkeit, etwa durch eine Stirnzahnkupplung
kann auch eine wahlweise unterscitiedliche Einstellung der beiden Pedalkurbeln über
einen Zwischenwinkel erreicht werden. Ein solcher Zwischenwinkel läßt sich etwa
bei einer Verstiftung fest vorgeben und ergibt eine Verschiebung der Antriebswinkel
beider Pedalkurbeln. Auch dies ermöglicht einen Ausgleich von Sitzposition und Körpergröße,
bringt aber vor allem eine Vergrößerung des gesamten Pedal-Antriebswinkels. Der
Zwischenwinkel wird derzeit mit 100 bis 20° als hinreichend angesehen, kann aber
auch größer gewählt werden. Er ergänzt jedenfalls so den gesamten Pedal-Antriebswinkel
auf 1800 bis 1900 und bringt eine Umsteigbewegung mit sich, d. h.
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man tritt beispielsweise mit dem linken Fuß an und belastet anschließend
stärker mit dem rechten Fuß. Auch der Wechsel zwischen Sitz- und Pedalantrieb wird
dadurch vergleichmäßigt.
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Vorzugsweise sind die Pedalkurbeln insbesondere 30 t bis 40 z länger
als die Schwingenkurbeln ausgebildet. Durch läßt sich berücksichtigen, daß vom Sitz
her ohne sonderliche Anstrengungen ein größeres Drehmoment aufgebracht
werden
kann, wodurch sich die Beinmuskulatur schonen läßt.
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Andererseits sollte der Kurbelzapfen der Schwingenkurbeln mit etwa
gleichem Abstand von den Lagern des drehbaren Antriebsorgans und den Pedalen angeordnet
sein, um einen gleichmäßigen Rundlauf beim Ubergang von einer Antriebsart zur anderen
zu gewährleisten.
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Die Antriebsschwinge kann zwei seitlich der Sitz schwinge in wenigstens
einem Schwingenlager gelagerte, insbesondere längeneinstellbare Schwingenstreben
aufweisen. Die seitliche Anordnung schließt nicht aus, daß die Streben im mittleren
Bereich durch einen Querverbinder ausgestaltet sind. Auch dabei ist jedoch die Längeneinstellbarkeit
vor allem dann von Bedeutung, wenn die Kraftübertragung, wie bei Fahrrädern üblich,
durch eine Kette erfolgt, Da erfindungsgemäß mit größerer Ubersetzung als bei herkömmlichen
Fahrrädern gearbeitet werden kann, wird das drehbare Antriebsorgan zweckmäßigerweise
durch eine erste Getriebestufe mit einem im Schwingenlager angecrdneten Übertragungsorgan
und dieses durch eine zweite Getriebestufe mit der Hinterachse verbunden. Durch
diese Zweistufigkeit wird nicht nur die Vergrößerung des Ubersetzungsverhältnisses
erleichtert, sondern es wird auch die Schwingenlänge verkürzt, was wiederum eine
Verbesserung der Führung für die Koppel der Viergelenkkette bedeutet.
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Zwischen dem drehbaren Antriebsorgan und der angetriebenen Hinterachse
sollte wenigstens ein Getriebe mit schaltbarer oder stufenlos einstellbarer Ubersetzung
angebracht sein. Dies läßt sich am einfachsten durch die Verwendung einer üblichen
Mehrgangnabe bewerkstelligen, aber es können auch Kettenschaltungen und dgl. vorgesehen
sein.
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Die Zeichnung gibt die Erfindung beispielsweise wieder. Es zeigen
Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Fahrrades, Fig. 2
eine Ansicht des Fahrrades von oben und die Fig. 3 bis 6 in schematischer Darstellung
die hier verwendete Viergelenkkette in den bei einer Kurbelumdrehung durchlaufenen
vier Endstellungen der Koppel.
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Nach der Zeichnung ist in herkömmlicher Weise in einem Fahrradrahmen
1 das Hinterrad 2 gelagert, das mit einer Zangenbremse 3 versehen ist. Etwa die
gleiche Zangenbremse ist auch am Vorderrad 4 angebracht, das in der Lenkergabel
5 sitzt. Der oder die Betätigungshebel 6 für die Zangenbremsen 3 ist bzw. sind am
Fahrradlenker 7 angebracht.
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Der Fahrradrahmen 1 ist als Doppelrahmen von der Lenker-Lagerung 8
weg nach rückwärts in zwei gleich ausgebildete Rahmenhälften 9 V-förmig geöffnet.
Zwischen den Holmen der beiden Rahmenhälften ist in der Fahrzeugmittelebene eine
rahmenförmige Sitzschwinge 11 durch ihr Schwenklager 12 am Fahrzeugrahmen 1 schwenkbar
geführt. Diese Sitzschwinge ist aus dem einen Sattel 13 tragenden Sitzhebel 14 mit
einem Auslegerhebel 15 und einer dazwischen eingezogenen Aussteifungsstrebe 16 gebildet
und mittels eines Koppelgelenkes 17 an ein Antriebsorgan 18 angeschlossen. Dieses
Antriebsorgan ist mittels zweier, ebenfalls als Koppelgelenke wirkender gleichachsiger
Drehlager 19 am freien Ende einer zweigeteilten Antriebsschwinge 21 gelagert, die
mittels seitlicher Schwingenlager 22 in Lagerschilden 23 des Fahrradrahmens 1 gelagert
ist.
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Das Antriebsorgan 18 weist, wie sich am besten aus Fig, 2 entnehmen
läßt, zwei im wesentlichen identische, spiegel-
bildlich angeordnete
Doppelkurbeln 24, 25 mit jeweils einer äußeren Pedalkurbel 26 mit Pedalen27 und
einer innigen Schwingenkurbel 28 auf. Die Schwingenkurbeln sind mit den beiden Enden
eines Kurbelzapfens 29 verstiftet, der drehbar in einer am Ende des Auslegerhebels
11 angebrachten Nabe 31 sitzt und mit dieser das Koppelgelenk 17 bildet.
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Die Pedalkurbeln 26 und Schwingenkurbeln 28 sind unter einem Winkel
von etwa 450 zueinander eingestellt und mit den beiden Enden der Lagerbolzen verstiftet,
die in den freien Enden der seitlichen Schwingenhebel 211 gelagert sind und dadurch
das Drehlager 19 bilden. Auf der rechten Fahrzeugseite, in Fig. 2 oben, ist zwischen
der Schwingenkurbel 28 und dem Schwingenh'ebel 211 ein Kettenrad 31 eingefügt, das
über eine erste taschenkette 32 ein im Schwingenlager 22 gelagertes Kettenritzel
33 antreibt. Dieses Kettenritzel ist fest mit einem großen Kettenrad 34 gekuppelt,
das über eine zweite Kette 35 ein Ritzel 36 antreibt, das im Hinterradlager an eine
Mehrgangnabe 37 angeschlossen ist.
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Die Pedale 27, das Koppelgelenk 17 und das Drehlager 19 bilden zusammen
ein gleichschenkliges rechtwinkliges Dreieck, die Hebelarme 27- 30 und 30 -19 sind
gleich lang. Die Pedalkurbel 26 ist also um ca. 40 t länger als die Schwinggenkurbeln
28. Die tatsächlich wirksame Uberschußlänge ist jedoch erheblich kleiner. Die genauen
Hebelverhältnisse lassen sich für jeden Fahrzeugtyp zweckmäßigerweise durch Modellversuche
ermitteln.
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Im Fahrbetrieb schwenkt das Koppelgeienk 17 um das Schwenklager 12
auf dem Kreisbogen 38 zwischen dem in Fig. 1 dargestellten Endpunkt und dem zweiten
Endpunkt 39. Das Drehlager 19 schwenkt um das Schwingenlager 22 auf dem Kreisbogen
41 zwischen den Endpunkten 42 und 43. Dabei bewegt sich das Pedal 27 auf der ellipsenartigen
Umlaufbahn 44.
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Diese Umlaufbahn 44 wird als Koppelkurbel durch die Verlängerung -der
Pedalkurbel 26 gegenüber der Schwingenkurbel 28 erreicht und ermöglicht durch ihre
langgestreckte Form große Krafteinwirkungswege von den Pedalen und vom Sattel her.
Man kann also kleinere Kräfte länger wirken lassen und damit besser umsetzen.
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Die Fig. 1 und 3 zeigen das Getriebe in einer ersten Totstellung der
Sitzschwinge, d. h. das Koppelgelenk 17 befindet sich im vorderen Ende (links in
Fig. 1) des Kreisbogens 38, der Sattel 13 nimmt seine tiefste Stellung ein. Aus
dieser Endlage gelangt man also nicht allein durch die Belastung des Sattels heraus,
sondern nur beim Besteigen des Rades bzw. beim Start durch Tritt auf die Pedale
27.
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Dadurch wird das Antriebsorgan 18 entgegen dem Uhrzeigersinn in Fig.
1 gedreht, wobei es sich im Koppegelenk 17 abstützt, das Drehlager 19 also angehoben
und auf dem Kreisbogen 41 nach oben bis in den Endpunkt 43 gemäß der Zwischenstellung
Fig. 4 geführt wird, während das Antriebsorgan weitergeschwenkt wird, bis das Koppelgelenk
17 auf dem Kreisbogen 38 in den Endpunkt 39 gemäß der Zwischenstellung Fig. 5 gelangt.
Dies ist in analoger Weise zu einem Antrieb mit zwei um 1800 zueinander versetzten
Pedalkurbeln der zweite Totpunkt des Getriebes.
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Anstatt von einem Pedal auf das anaere zu wechseln, wird anschließend
der Sitz bzw. Sattel 13 belastet, wodurch das Antriebsorgan gleichsinnig weiterschwenkt
und das Drehlager 19 giauf dem Kreisbogen 41 weiterwandert bis zum unteren Punkt
42, wobei gemäß Fig. 6 eine- Strecklage -von Auslegeilebel 15 und Schwingenkurbel
28 erreicht wird. Da jedoch dieser Auslegilebel durch die Sitzbelastung über die
Strecklage hinaus geschwenkt wird, knickt das durch diese Teile gebildete Kniehebelgetriebe
beim Weiterwan-
dern des Koppelgelenkes 17 auf dem Kreisbogen 38
in die Stellung gemäß den Fig. 1 bzw. 3 wieder ein, woraufhin dann wiederum die
Pedale belastet werden.
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Nun kann jede der beiden Antriebsarten nur über einen Kurbelwinkel
von 1750 hinweg wirksam sein. Es ist daher wesentlich den Restwinkel von 100 möglichst
gleichmäßig auf die beiden Antriebspausen aufzuteilen. Je nach Körpergröße und Sitzposition
kann sich jedoch der wirksame Pedalwinkel verlagern. Es kann daher zweckmäßig sein,
die Pedalkurbeln 26, etwa über Stirnverzahnungen oder dgl. einstellbar am Antriebsorgan
18 zu befestigen. Dies vor allem eröffnet wiederum die Möglichkeit, die beiden Pedalkurbeln
26'unterschiedljch, etwa auf einen Zwischenwinkel von 100 bis 20° einzustellen,
damit sich der aus beiden Pedalkurbeln wirksame Antridswinkel um diesen Zwischenwinkel
auf 185° bis 195° vergrößert. Man kann erst das linke Pedal und dann das rechte
Pedal stärker belasten und überbrückt dadurch die sonst auftretenden Antriebspausen.
Zudem wird durch die phasenverschobene Belastung der beiden Beine insgesamt die
Durchblutung der einzelnen Muskelpartien und auch das Leistungsvermögen verbessert.
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Wenn auch das Ausführungsbeispiel nur auf ein Fahrrad abgestellt ist,
so-erkennt der Fachmann ohne weiteres die weiteren gebotenen Anwendungsmöglichkeiten
für andere Fahrzeugtypen, insbesondere Mehrradfahrzeuge unterschiedlicher Ausführung.
Das hier entwickelte Getriebe kann, wie dies ja auch von herkömmlichen Fahrrädern
bekannt ist, zum Antrieb recht verschiedenartiger Geräte herangezogen werden.