-
Federanordnungen zur Totpunktüberwindung von Antrieben für Fahrräder
Die Erfindung betrifft Federelementanordnungen an Fahrrädern, deren Speicherenergie
dazu benutzt wird, die Totpunktstellungen der Antriebe zu überwinden, welche aus
Kurbeln und auf diese wirkende Pleuelstangen bestehen.
-
Solche Antriebe finden einerseits Verwendung bei armengetriebenen
Fahrrädern, bei denen also die Armkräfte das Vorderrad antreiben.
-
Andererseits arbeiten auch die herkömmlichen Beinantriebe im Grunde
nach dem gleichen Prinzip, wobei hier die Funktion der Pleuelstangen von den Unterschenkeln
übernommen wird. Die Federanordnungen sind dann notwendig, wenn die Antriebe mit
den getriebenen Rädern über Freiläufe gekoppelt sind, also erstere bei Aussetzung
der Krafteinwirkung stehen bleiben würde.
-
Die Totpunktstellungen sind dadurch ausgezeichnet, daß in ihnen der
Winkel zwischen den Pleuelstangen und den zugehörigen Kurbeln 180° beträgt und beide
Kurbeln um 180° zueinander versetzt sind, sodaß eine in Pleuelstangenlängsachse
wirkende Kraft kein Drehmoment auf die mit der Kurbel verbundene Welle übertragen
kann. Somit muß in diesem Punkt das zur Weiterdrehung notwendige Moment durch andere
Kräfte erzeugt werden.
-
Solche Kräfte können theoretisch beispielsweise auch die Schwungmomente
bewegter Massen sein, wie sie Motorenbau Verwendung finden. Neben anderen Nachteilen
ist diese Art aber für Fahrräder u.a. auch deshalb ungeeignet, weil erst oberhalb
von ca. lo m/s (für Stahl) die Bewegungsenergie eines Masseteilchens die mögliche
elastische Speicherenergie des gleichen Masseteilchens übersteigt. Geschwindigkei
-ten in obengenannter Größenordnung treten zwar in den Felgen auf, jedoch nicht
in den eigentlichen Antriebsteilen, sodaß dort unverhältnismäßig große Massen zur
Erzeugung der gleichen Wirkung eingesetzt werden müßten. Dies widerspricht aber
dem Prinzip des Leichtbaues. Da Buch Federn ihre Energie praktisch verlustfrei wieder
abgeben, erweisen sie sich bei niedrigen Bauteilgeschwindigkeiten als besonders
geeignet zur Ein- und Ausspeicherung von Energie.
-
Nun sind Federanordnungen 1.a. für den beabsichtigten Zweck aber bekannt'
( siehe das franz. Patent Nr. 1.1in,622 und die deutsche Patentanmeldung Nr. P3126
o75.6 ). Sie sind so ausgeführt, daß jeweils ein Federelement immer nur einen der
beiden pro Umdrehung der Antriebs.elle zu durchlaufender Totpunkte überwindet, im
anderen Totpunkt aber keine Wirkung hat ( Fig. 4 und 5 der Anmeldung Nr. P 3126075.6).
-
Somit sind für eine vorgesehene Kraft bestimmter Größe in jedem der
beiden Totpunkte eine Feder, insgesamt also zwei Federn notwendig, deren Abmessung
und deren Gewicht ftir diese bestimmte Kraft damit festliegt.
-
Die Weiterentwicklung der Fahrräder zeigt aber besonders in den letzten
Jahren einen ausgeprägten Trend zur Gewichteverminderung, d.a. durch die Verwendung
hochfester, leichter und damit teurer Materialien. Damit bestand also die Aufgabe,
eine Federanordnung zu finden, die bei gleicher vorgesehenen Kraft mit nur einer
einzigen Feder auskommt, die dann beide Totpunkte überwindet. Damit komnt nicht
hier das Gewicht einer Feder, sondern auch dasjenige der zugehörigen Defestigungsteile
sowie der Reibungsanteil, der pro Feder bei der Verbindung eines drehenden mit einen
stehenden Teil entsteht, in Fortfall.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Federelement
(58) vorgesehen ist, welches mit seinem einen Ende an den nicht bewegten Teilen
des Fahrrades befestigt ist, mit seinem anderen Ende aber mit den Teilen der Kurbel
antriebe so in Eingriff ist, daß es pro Umdrehung der Welle(6', zwei etwa gegenüberliegende
Kurbelstellungen gibt, in denen das Federelement entspannt ist, und daß es zwei
weitere, von ersteren unterschiedliche, wiederum etwa gegenüberliegende Kurbelstellungen
gibt, in denen das Federelement maximal gespannt ist und daß die Totpunktlagen jeweils
in den Winkelsektoren einer Umdrehung der Welle (6) liegen, in denen das Federelement
aus seiner gespannten in die entspannte Stellung gelangt, so daß die Totpunkte dadurch
überwünden werden.
-
Dabei sind zwei Nöglichkeiten denkbar: eine erste Möglichkeit ist
darin zu sehen, daß das Federelement (58) aus seiner entspannten Lage heraus während
der ersten halben Umdrehung der Welle (6) einmal in einer bestimmte Richtung zunächst
gespannt wird ( z. B. infolge Vorwärtsbiegung und dann-entspannt wird und das es
während der zweiten halben Umdrehung in der entgegengesetzten Richtung gespannt
( z.B. infolge Rückwärtsbiegung ) und dann wieder entspannt wird ( Fig. 3 ).
-
zins zweite Möglichkeit besteht darin, daß-das Federelement (58) aus
seiner entspannten Lage heraus während der ersten halben Umdrehung der Welle (6)
zunächst gespannt und danach entspannt wird ud daß es während der zweiten halben
Umdrehung den gleichen Vorgang in gleicher Beanspruchungsrichtung nocrjnols durchläuft
( Fig. 8 ).
-
Anhand der Zeichnungen, in der einige Ausführungsbeispielder erfindung
dargestellt sind, sollen die erfindung, weitere Ausgestaltungen und Verbesserungen
sowie weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden. Es- zeigt Fig. 1
den Armantriebsteil eines Fahrrades mit einer Aus führung gemäß Möglichkeit 1 unter
Benutzung einer gewundenen Biegefeder in der Seitenansicht, Fig. 2 die Ansicht von
Fig. 1 in Richtung A Fig. 3 die kinematische Wirkungsweise der Möglichkeit 1 Fig.
4 eine alternative Ankopplung des Federelementes (58) von Möglichkeit 1 an die Pleuelstange
(9)
Fig. 5 den Beinantriebsteil eines Fahrrades gemäß Köglichkeit
1 unter 3enutzung einer gewundenen Biegefeder in der Seitenansicht Fig. 6 den Armantriebsteil
eines Fahrrades gemäß Möglichkeit 2 unter Benutzung einer gewundenen Biegefeder
in der Seitenansicht Fig. ? die Ansicht von Fig. 6 in Richtung B Fig. 8 die kinematische
Wirkungsweise der Möglichkeit 2 Fig. 9 den Beinantriebsteil.eines Fahrrades mit
einer Ausführung gemäß Möglichkeit 2 unter Benutzung einer gewundenen Biegefeder
in der Seitenansicht Fig. 10 eine alternative Ausführung der Doppelnocke (ó7) Fig.
11 die Ansicht von Fig. 9 in Richtung C Es sei nun Bezug genommen auf die Fig. 1
- 3 Der eigentliche Armantrieb auf das Vorderrad besteht aus den Handgriffen 4,
über die die Armkräfte in die Pleuelstangen (9) und von diesen über die Kurbeln
(3) und die Welle (6) üuf das Kettenrad (2) übertragen werden, welches mittels der
Kette (15) das Vorderrad (16) antreibt.
-
Das vorgesehene Federelement (58) ist hier als gewundene Biegefeder
ausgebildet, die mit ihrem einen Ende a ortsfest an der Vordergabel (5) befestigt
ist. Ihr anderes Ende b ( bewegliches Ende ) ist mittels der Antriebsstange (53)
gelenkig mit dem Zapfen (60) der Kurbel (3) verbunden ( Fig. 1,2 ).
-
Die kinematische Wirkungsweise ist wie folgt ( Fig. 3 )
Der
Kurbelzapfen (60) bewegt sich auf dem Kurbekreis (70).
-
wird eine Linie mittig durch diesen Kreis gelegt, die mit X - x bezeichnet
ist und deren Schnittpunkte mit diesem Kreis mit II und iV bezeickrlet sind. Das
Federelement (58) wird nun so angeordnet, da in seiner entspannten Position sein
beweglicher Schenkel b mit dieser Linie einen Winkel von etwa 90° einschließt. Es
existiert nun eine zweite Linie y - y , die ebenfalls mittig durch den Kurbekreis
(70) geht ( Schnittpunkte 1 und III ), und die parallel zum beweglichen Schenkel
b des Federelementes (58) verläuft, Wenn der Kurbelzapfen (60) die Punkte I bis
IV auf (70) durchläuft, so durchläuft der endpunkt des beweglichen Schenkels b des
Federelementes (58) die Punkte I bis IV infolge der Xoppelung mit der Verbindungastange
(59). In 1 uno III übt die Feder über (59) auf (60) keine Kraftwirkung aus, so daß
das Drehmoment, welches von der Feder an der Welle (6) erzeugt wird, gleich Null
ist. In II und IV übt die Feder zwar eine maximale Kraft auf (60) aus, aber auch
hier ist das Drehmoment gleich Null, weil in diesen beiden Punkten die Federkraft
senkrecht auf der Kurbel (3) steht, Außerhalb dieser Punkte sind jedoch Drehmomente
vorhanden, die symbolisch in der dargestellten Weise mit + bezeichnet sind, wenn
sie die Welle (6) in Pfeilrichtung drehen und mit wenn sie in der entgegengesetzten
Richtung wirken. Bewegt sich also der Kurbelzapfen (60) von I nach II, so muß aas
Drehmoment
vom Fahrer erzeugt werden und dieses spannt die Federelement
(59), zwischen II und III entpannt es sich und erzeugt nun seinerseits ein Drehrioinent
in Pfeilrichtung sn der Welle (6).
-
Legt man also die Linie z - z, auf der die Totpunktstellungen von
Kurbeln (3) und Pleuelstangen (9) liegen konstruktiv in den Sektor eines positiven
Drehmomentverlaufes, so wird dieses ohne- Zutun des Fahrers die Totpunkte überwinden,
rine etwa gleiche Wirkung wird erzielt, wenn die Antriebsstange (59) anstatt am
Kurbelzapfen (60) dafür an der Pleuelstange (9) gelenkig befestigt ist ( Fig. 4).
-
Die gleiche erfindungsgemäße Einrichtung kann herkömmliche Beinantriebe
benutzt werden.
-
In der Fig. 5 ist der hintere Teil eines Fahrrades dergestellt mit
den Bezeichnungen, die im Falle gleicher Funktion von einem Armantrieb übernommen
werden und die deshalb nicht nochmals erläutert zu werden brauchen. Darüberhinaus
ist der Oberschenkel des Fahrers mit (61) und der Unterschenkel mit (62) bezeichnet.
-
Auch ei Beinantrieb gibt es zwischen den Unterschenkeln (62) und den
Kurbeln (3) zwei Totpunkte ( gezeichnete Stellung ). Diese werden überwunden, indem
der Fahrer den Unterschenkel um das Kniegelenk (63) dreht Pei der Weiterdrehung
aus dieser Position übernehmen zunehmend die Muskeln, die den Oberschenkel um sein
Gelenk (64) drehen, die aufzubringende Arbeitsleistung. Das Verhältnis der aufzubringenden
Arbeitsleistungen
Leider Muskelpartien kann nun durch die erfindungsgemäße Einrichtung so verändert
werden, daß weniger Arbeit von den Unterschenkeln und dafür menr von den Oberschenkeln
aufgebracht wird. Somit wird in ideale Weise eine Anpassung der aufzubringenden
Arbeitsleistung an die physischen Gegebenheiten des Fahrers ermöglicht. Um dies
zu erreichen ist auch hier das Federelement (58) entspannt, wenn der Kurbelzapfen
(60) auf y - y liegt kind es ist maximal gespannt, wenn er auf x - x liegt, wobei
z - z zwischen beiden vorgenannten Linien liegt Bezüglich der Möglichkeit 2 sei
nun Bezug genommen auf die Fig. 6 bis 8. Die Nummerierung baugleicher Teile der
Möglichkeiten 1 und 2 ist dabei identisch.
-
Auf d£-r welle (6) ist eine Doppelnocke (07) befestigt, die in ihrer
einfachsten Ausführung z.B. eine elliptische Form hat Das Federelement (58) beispielhaft
a.s gewundene Biegefeder ausgeführt sein, welches mit seinen. ortsfesten Ende an
der Vordergabel (5) befestigt ist und dessen bewegliches Ende b auf die Doppelnocke
(67) drückt. Die kinenatische Wirkungsweise sei anhand Fig. 8 erläutert.
-
Das Federelement (58) übt auf die Doppelnocke (67) eine minimale Kraft
aus, wenn das bewegliche Ende b und die Längsmittellinie der Doppelnocke (57) parallel
zueinander sind ( strichlierte Kontur ), es iibt eine maximale Kraft aus wenn beide
Teile senkrecht zueinander stehen ( strichpunktierte Kontur ).
-
Es gibt also auch hier genau wie bei der Möglichkeit 1 pro Umdrehung
dir Welle (6) zwei positive - mit + gekennzeicknete - und zwei negative - mit -
gekennzeichnete Drehmomentsektoren. Immer dann, wenn die Längsmittellinie der Doppelnocke
(67) durch den positiven Drehmomentsektor wandert, wird die Doppelnocke und damit
die Welle (6) durch Cie Federkraft selbsttätig weitergedreht Die starre Verbindung
zwischen Doppelnocke und Kurbel muß also unter einem solchen Winkel α erfolgen,
daß die Totpunkte dann durchlaufen werden, wenn ein positiver Drehmomentverlauf
vorhanden ist. (Gezeichnete Stellung mit ausgezogenen Linien, Drehmoment = Pf xal
) In einer weiteren erfinderischen Ausgestaltung kann zur Verringerung der Reibung
zwischen der Doppelnocke (67) und dem Federelement (58) die erstere durch einen
Stab ersetzt werden, der an seinen beiden Enden je eine Kugelgelagerte Rolle(68)
trägt, auf welche das Federelement (58) wirkt. (Fig , 1o ).
-
Desweiteren ist es vorteilhaft, die Kurbel (3) und die Doppelnocke
(67) , die beide =»ait der Welle (6) fest verbuncen sind konstruktiv zusammenzufassen.
-
Nun können auch die Lösungen gemäß der Möglichkeit 2 genau wie die
der Möglichkeit 1 für herkömmliche Beinantriebe benutzt werden. Die Fig. 9 und 11
zeigen eine beispielhafte Ausführung unter Benutzung einer gewundenen Biegefeder
als Federelement (58) sowie einer mit der Kurbel (3) integrierten rollengelagerten
Doppelnocke (67).
-
Schließlich ist die Ausführung des Federelementes (58) nicht auf eine
gewundene Biegefeder beschränkt, sondern dieses kann in mannigfaltiger Weise abgewandelt
werden ( beispielsweise als gerade Eiegefeder oder als gerade oder gewundene Drehfeder
). Eine Aufzählung aller Möglichkeiten ist aber nicht Gegenstand dieses Patentbegehrens
).
-
Leerseite