DE3348078C2

DE3348078C2 -

Info

Publication number: DE3348078C2
Application number: DE3348078A
Authority: DE
Inventors: Masashi Izumi Osaka Jp Nagano
Original assignee: Shimano Industrial Co Ltd
Current assignee: Shimano Inc
Priority date: 1982-06-01
Filing date: 1983-05-31
Publication date: 1990-07-12
Anticipated expiration: 2003-06-01
Also published as: FR2527542B1; FR2527542A1; DE3319736A1; US4522610B1; US4522610A; DE3319736C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Tretkurbelanordnung für ein Fahrrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Tretkurbelanordnung der genannten Art (FR-PS 8 80 851) weist ein Kettenrad auf, das aus zwei größeren und zwei kleineren Kreisbögen besteht, wobei nur letztere gezahnt sind. Hierdurch sollen eine einfache Herstellung und eine geringe Reibung erreicht werden. Die Tretkurbeln sind auf den jeweiligen ersten Bahn der kleineren Kreisbögen ausgerichtet.

Die BE-PS 3 89 663 beschreibt ein etwa ovales Kettenrad, dessen große Achse gegenüber den Tretkurbeln in Drehrichtung nach hinten versetzt ist.

Die FR-PS 24 40 863 beschreibt ein ovales Kettenrad, dessen kleine Achse gegenüber den Tretkurbeln in Drehrichtung nach vorn versetzt ist.

Der auf dem Sattel sitzende Fahrer bewegt die Pedale durch Treten derselben um die Tretkurbelwelle herum, wobei seine Beine, ähnlich wie beim Gehen, eine pendeln de Bewegung vollführen, d. h. die Bewegung der Pedale verläuft nach einem eigenen Zyklus und nach einem Ge schwindigkeitsmuster, welches von der Lage des Bewegungs zentrums und der Mittellinie der Bewegung bestimmt ist.

Hierbei variiert das von den Beinen des Fahrers ausgeübte Drehmoment zwischen der oberen Totpunktstellung der Tret kurbelarme und einem dazwischenliegenden Bereich, wobei das Drehmoment nahe dem jeweiligen oberen Totpunkt am kleinsten und nach einer Vorwärtsordnung um ca. 70 ± 5° von der oberen Totpunktstellung aus am größten ist.

Dieses Variieren des Drehmoments ist abhängig von der Bewegung der Beine beim Treten und von der Stellung des einzelnen Pedals relativ zu seiner Bewegung, und ist dabei weitgehend unabhängig von der Größe und Art des Fahrrads und von der Muskelkraft des jeweiligen Fahrers.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfin dung die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte, gattungs bildende Tretkurbelanordnung dahingehend weiterzubilden, daß bei gleichbleibender Fahrleistung der Radfahrer körperlich weniger belastet wird

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei Überschreitung des oberen Totpunkts eines Tretkurbelarms beim Treten der Pedale bestimmt der Winkel zwischen der oberen Körperhälfte des Fahrers und dem betreffenden Bein dann, wenn sich der Fahrer in aufrechter Haltung befindet, daß das maximale Drehmoment beim Treten der Pedale in aufrechter Haltung zu einem früheren Zeitpunkt erreicht wird. Dementsprechend ist der den größten Durchmesser aufweisende Bereich des Kettenrades in Dreh richtung nach vorne versetzt, damit der Drehmomentverlauf bei einer Pedalumdrehung voll und ganz dem physiologisch optimalen Bewegungsmuster der Beinbewegung entspricht.

Der Winkel beträgt vorzugsweise 5° bis 15°, besonders bevorzugt 10°.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Tretkurbelanordnung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform,

Fig. 2 eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Drehwinkel eines Tretkurbelarms und dem vom Bein des Fahrers ausgeübten Drehmoment und

Fig. 3 eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Drehwinkel eines Kettenrads und dessen wirksamen Durchmesser desselben.

Eine in Fig. 1 dargestellte Tretkurbelanordnung hat eine Tretkurbel mit einer Welle Tretkurbelarme 12 und 13, und ein erstes Kettenrad 2.

In der Stellung, in welcher der Tretkurbelarm 12 oder 13 in Vorwärtsrichtung um einen Winkel zwischen etwa 30 und 170° über den oberen Totpunkt hinweg gedreht ist und das größte Drehmoment erzielbar ist, tritt der kleinste Teilungsdurchmesser der mit der Antriebskette in Eingriff befindlichen Zähne in Wirkung, um das Übertragungsverhältnis vom ersten Kettenrad 2 auf das hintere Kettenrad zu verkleinern und damit die Winkel geschwindigkeit des Pedals zu erhöhen. Dadurch verbessert sich die Leistung in dem Bereich, in welchem das größte Dreh moment erzielbar ist, und das Treten der Pedale wird dem Geschwindigkeitsmuster der Beinbewegung angepaßt. Befinden sich die Tretkurbelarme 12 und 13 in dem Bereich, in welchem nur ein kleiners Drehmoment erzielbar ist, d.h. also im Bereich des oberen und des unteren Totpunkts 0₁ bzw. 0₂, tritt der den größeren Teilungsdurchmesser aufweisende Bereich des ersten Kettenrads 2 in Wirkung, um das Über tragungsverhältnis zwischen dem ersten Kettenrad 2 und dem hinteren Kettenrad zu vergrößern und damit die Winkelge schwindigkeit der Pedale zu verkleinern, so daß sich in dem Bereich, in welchem nur ein kleines Drehmoment erzielbar ist, obgleich keine Leistung erzielt wird, die Geschwin digkeit erhöht, um die Belastung der Beinmuskeln des Fahrers zu verringern und das Treten der Pedale dem Geschwindigkeits muster der Beinbewegung anzupassen, so daß sich die physische Belastung des Fahrers verringert.

Auf diese Weise wird der effektive Durchmesser des Ketten rads in dem Bereich, in welchem das größere Drehmoment erzielt wird, d.h. also zwischen den oberen und unteren Totpunkten der Tretkurbelarme 12 und 13, am kleinsten, und die Winkelgeschwindigkeit der Pedale erhöht sich ent sprechend, so daß die größtmögliche Leistung erzielbar ist.

Wegen der Beziehung : Leistung = Drehmoment × Winkelgeschwin digkeit bedeutet dies daß sich das Drehmoment pro Arbeits einheit verringert. Da ferner die Bewegung des Beins in dem genannten Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt beschleunigt wird, ist das Treten der Pedale dem Geschwindigkeitsmuster der pendelartigen Beinbewegung weit gehend angepaßt.

Da der effektive Durchmesser des Kettenrads in dem Bereich, in welchem nur ein kleineres Drehmoment erzielbar ist, d.h. also in der Nähe der oberen und unteren Totpunkte der Tret kurbelarme 12 und 13, am größten wird, während sich die Winkelgeschwindigkeit der Pedale verringert, wird nur eine geringe Leistung erzeugt, der Einfluß auf die insgesamt gelei stete Arbeit ist jedoch gering, da in diesem Bereich ohnehin kein großes Drehmoment zur Wirkung kommt. Dafür führt die verringerte Leistung zu einer Verringerung der physischen Belastung des Fahrers, und die Beinbewegung verlangsamt sich in diesem Bereich, so daß das Treten der Pedale dem Geschwin digkeitsmuster der Beinbewegung angepaßt ist.

Dementsprechend läßt sich die Leistung in dem Bereich ver bessern, in welchem das größere Drehmoment erzielt wird, so daß insgesamt eine höhere Leistung erzielbar ist und das Treten der Pedale dem Geschwindigkeitsmuster angepaßt wird, wodurch sich der Energieaufwand für das Treten der Pedale sowie die physische Belastung des Fahrers verringern und ein zügiges Treten der Pedale ermöglicht ist.

In dem Fall, daß das Verhältnis zwischen der längeren Achse des ersten Kettenrads zur kürzeren Achse desselben 1,1 : 1 beträgt und unter der Annahme, daß das größte Drehmoment 30 kgm und das kleinste Drehmoment 5 kgm beträgt, liegt das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit gegenüber einem kreisrunden Kettenrad bei 0,95 im Bereich der längeren Achse und bei 1,05 im Bereich der kürzeren Achse. Bei dem Ketten rad 2 entspricht der Bereich der längeren Achse dem Bereich, in welchem nur ein kleines Drehmoment erzeugt wird, und der Bereich der kürzeren Achse dem Bereich, in welchem das größte Drehmoment erzielt wird, wobei sich bei Verwendung des Kettenrads 2 aus der Beziehung: Leistung = Drehmoment mal Geschwindigkeit ein größtes Drehmoment von 28,5 kgm und ein kleinstes Drehmoment von 5,25 kgm ergibt.

Damit erhöht sich also das Drehmoment im Bereich der länge ren Achse um 0,25 kgm, während es sich im Bereich der kürzeren Achse um einen deutlich größeren Betrag, nämlich um 1,5 kgm verringert. Auf diese Weise läßt sich also das größte Drehmoment in seinem Meßwert um 5 bis 8% verrin gern, woraus sich eine Gesamtverringerung des Drehmoments bei einem vollen Tretzyklus, selbst bei einer Zunahme des kleinsten Drehmoments, von etwa 2 bis 3% ergibt. Darüber hinaus läßt sich die Bewegung des Beins über den größten Teil des Tretzyklus dem Geschwindigkeitsmuster anpassen, wodurch sich der Energieaufwand für das Treten der Pedale spürbar verringert. So verringerte sich der mittels eines Elektro myogramms ermittelte integrierte Meßwert um 2 bis 3%.

Das Kettenrad 2 ist in bezug auf die Kurbelarme so angeordnet, daß beim kleinsten effektiven Teilungsdurchmesser das größte Drehmoment erzeugt wird und umgekehrt, und findet Verwendung zum Fahren des Fahrrads mit einem größeren Drehmoment und niedriger Geschwindigkeit, beispielsweise bergauf oder auf schlechten Straßen. Bei einer derartigen Fahrweise wird die Masse des Beins des Fahrers gewöhnlich knapp jenseits des oberen Totpunkts des jeweiligen Tretkurbelarms beschleunigt, wobei auf das Pedal kaum ein nennenswertes Drehmoment ausgeübt wird, obgleich der Muskel tatsächlich Energie abgibt. Demgegenüber verzögert sich die Bewegung des Beins bei Annäherung an den unteren Totpunkt des Tretkurbelarms, wobei noch ein gewisses Drehmoment auf das Pedal einwirkt, obgleich der Muskel dabei inaktiv ist. Dementsprechend sind die den kleinsten und den größten Durch messer aufweisenden Bereiche des Kettenrads 2 in bezug auf die Stellungen für die Ausübung des größten bzw. des kleinsten Drehmoments gegenüber dem Tretkurbelarm 12 vorzugs weise um etwa 15 ± 5° im normalen Vorwärts-Drehsinn versetzt.

In einer Ausführungsform kann das Kettenrad 2 etwa die Form einer Ellipse haben, deren große und kleine Achsen einander nicht in einem rechten Winkel schneiden, wie in Fig. 1 dargestellt. Es kommt also lediglich darauf an, daß das erste Kettenrad unrund und ungefähr elliptisch ist.

In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform hat das Kettenrad 2 zweiundvierzig Zähne, denen entsprechend dem vom Bein des Fahrers ausübbaren, variierenden Drehmoment verschiedene Teilungsdurchmesser zugeordnet sind. Dabei ist dem ersten und dem zweiundvierzigsten Zahn G 1 bzw. G 42 und den gegenüberliegenden Zähnen G 21 und G 22 der der großen Achse A-A entsprechende größte Durchmesser zuge ordnet, während dem neunten und dem zehnten Zahn G 9 bzw. G 10 und den gegenüberliegenden Zähnen G 30 und G 31 der der kleinen Achse B-B entsprechende kleinste Durchmesser zugeordnet ist. Im Bereich der im durch einen Pfeil X angegebenen Drehsinn auf den ersten Zahn G 1 folgenden dritten und vier ten Zähne G 3 bzw. G 4 sowie im Bereich der diesen gegenüber liegenden Zähne G 2 4 und G 25 ist eine relativ schnelle Abnahme des efrektiven Teilungsdurchmessers D zu erkennen, während der Teilungsdurchmesser D im Bereich der Zähne G 14 bis G 17 und im Bereich der diesen gegenüberliegenden Zähne G 35 bis G 38 stetig zunimmt.

In der beschriebenen Ausführungsform ist die Änderung des effektiven Teilungsdurchmessers D somit auf die Änderung des von den Beinen ausgeübten Drehmoments abgestimmt. Dabei ist berücksichtigt, daß die Änderung des Drehmoments vom kleinsten zum größten Wert steiler verläuft als in umge kehrter Richtung, so daß sich die Beine des Fahrers beim Treten der Pedale gleichförmig bewegen.

In Fig. 1 sind die Tretkurbelarme in ausgezogenen Linien nahe ihrer Totpunktstellung und in gestrichelter Darstellung in einer im Vorwärts-Drehsinn um 75° dazu versetzten Stel lung gezeichnet.

In anderen Ausführungsformen kann nur ein einziges vorderes Kettenrad verwendet werden, oder das erste und das zweite Kettenrad können beide von elliptischer Form sein.

Wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind beide Kettenräder in bezug auf die Tretkurbel arme 12 und 13 derart angeordnet, daß ihr effektiver Durch messer am kleinsten ist, wenn sich die Tretkurbelarme im Bereich des größten erzielbaren Drehmoments, d.h. im Bereich zwischen etwa 30° und 170° jenseits ihres jeweiligen oberen Totpunkts befinden, so daß sich die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelarme in diesem Bereich erhöht. Im Bereich der oberen und unteren Totpunkte der Tretkurbelarme 12 und 13, in welchem das kleinste Drehmoment erzielbar ist, ist der größte effektive Durchmesser der Kettenräder wirksam, um die Winkelgeschwindigkeit in diesem Bereich zu verringern. Darüber hinaus ist in dieser Ausführungsform der der längeren Achse entsprechende größte Durchmesser des ersten Kettenrads gegenüber dem der längeren Achse ent sprechenden größten Durchmesser des zweiten Kettenrads um ein Stück im Vorwärts-Drehsinn versetzt.

Das beim Treten der Pedale von den Beinen ausgeübte Dreh moment variiert in der in Fig. 2 durch ausgezogene und gestrichelte Linien dargestellten Weise.

Das erste Kettenrad wird gewöhnlich für die Fahrt bergauf verwendet, d. h. also für langsame Geschwindigkeit mit großem Drehmoment, wobei der Fahrer gewöhnlich eine aufrechte Hal tung einnimmt.

Deshalb ist die den Antrieb über das erste Kettenrad dar stellende, in Fig. 2 ausgezogen gezeichnete Drehmomentkurve hinsichtlich ihres dem größten Drehmoment entsprechenden Bereichs gegenüber der dem Antrieb über das zweite Kettenrad entsprechenden um ein Stück im Vorwärts-Drehsinn der Tret kurbel versetzt. Der Versetzungswinkel ist abhängig von der Anzahl der Zähne des ersten und des zweiten Kettenrads und beträgt 10°.

Wie man in Fig. 2 und 3 erkennt, kommt beim Antrieb über jedes der Kettenräder in dem Bereich, in welchem das größte Drehmoment erzielbar ist, der jeweils kleinste effek tive Durchmesser zur Wirkung, so daß sich die Winkelgeschwin digkeit der Pedale entsprechend erhöht und das Treten der Pedale zur Erhöhung der Leistung dem Geschwindigkeitsmuster der Beinbewegung angepaßt ist. Demgegenüber kommt im Bereich des kleinsten Drehmoments im wesentlichen der größte Durch messer zur Wirkung, so daß sich die Winkelgeschwindigkeit verringert. Dadurch verringert sich die Belastung der Mus keln im Vergleich zu einer Erhöhung der Winkelgeschwindig keit ohne Leistungsabgabe. In Fig. 3 ist die Änderung des effektiven Durchmessers des ersten Kettenrads in bezug auf den Drehwinkel desselben durch eine ausgezogene Kurve und die entsprechende Änderung in bezug auf das zweite Kettenrad durch eine gestrichelte Kurve dargestellt.

Auf diese Weise kann die Muskelkraft des Fahrers effektiv genutzt werden, ohne seine physische Belastung zu erhöhen.

Die Tretkurbelanordnung ist für Fahrräder normaler Ausführung, Klein fahrräder und andere Ausführungen verwendbar. Anstelle zweier unrunder, ellip tischer Kettenräder können auch in anderer Weise unrunde, d. h. nicht elliptische Kettenräder verwendet wer den. Ebenso können anstelle von zwei Kettenrädern auch drei oder mehr ähnliche Kettenräder vorhanden sein.

Wie man aus vorstehender Beschreibung erkennt, hat eine Tret kurbelanordnung wenigstens ein ellip tisches oder sonstwie unrundes Kettenrad, welches in bezug auf die Tretkurbel so angeordnet ist, daß sich die Winkel geschwindigkeit im Bereich des größeren Drehmoments erhöht und im Bereich des kleineren Drehmoments verringert, wodurch eine verbesserte Leistung beim Treten der Pedale erzielbar ist und das Treten der Pedale dem Geschwindigkeitsmuster der Beinbewegung angepaßt ist, um damit die physische Belastung des Fahrers zu verringern und ein zügiges Treten der Pedale zu ermöglichen.

Claims

1. Tretkurbelanordnung für ein Fahrrad

a) mit zwei Tretkurbeln
b.1) und einem an deren Verbindungswelle angeordneten Kettenrad,
b.2) welches drehfest an der Verbindungswelle angebracht
b.3) und unrund ist,
b.4) und dessen große Achse gegenüber den beiden Tretkurbeln um einen Winkel versetzt ist,

gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

c) die große Achse (A-A) ist in Drehrichtung (X) des ungefähr elliptischen Kettenrades (2) gegenüber den Tretkurbeln (12, 13) nach vorne versetzt.

2. Tretkurbelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel 5° bis 15° beträgt.

3. Tretkurbelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel 10° beträgt.