DE4040011A1 - Hydropneumatische kraftuebertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydropneumatische Kraftübertragung, vorzugsweise für muskelkraftgetriebene Fahrzeuge, insbesondere für Fahrräder, die sich hauptsächlich dadurch auszeichnet, daß die Kraft­ übertragung nicht nur stufenlos, sondern auch noch selbstregelnd erfolgt.

Fahrräder, - die wohl ältesten Entwürfe zu diesem Thema stammen von LEONARDO DA VINCI (1452-1529) -, werden seit 1869 mittels endloser Kette (Erfindung von J. F. TREFZ) angetrieben. Auch heute werden Fahrrder hauptsächlich mit Kettenantrieben ausgerüstet, ein großer Anteil davon mit Kettenschaltungen und ein geringerer Anteil mit sogenannten Nabenschaltungen. Neben den allgemeinen Nachteilen der Ketten (Verschmutzung, wartungsbedürftig, hohe Reibungsverluste und Unfallgefahr ohne Kettenschutz) sind vor allem die Kettenschaltungen mit Nachteilen behaftet: Umständliches Schalten mit zwei Schalt­ hebeln, Kraftübertragung beim Schalten unterbrochen, Fahrer weiß nie genau, ob er im optimalen Bereich fährt und überdies ist die Ketten­ schaltung nur im Fahren ohne Last schaltbar, d. h. also, wenn man sie braucht, dann geht sie nicht. Nabenschaltungen haben maximal fünf Gänge und sind im Stehen eingeschränkt schaltbar, bieten aber dafür den gleichen Ärger wie Kettenschaltungen mit 21 Gängen: Problema­ tisches Schalten und Gängesuchen wegen gelängter Bowdenzüge, die natürlich auch noch zum Einrosten neigen. Ein weiterer wesentlicher Nachteil von mechanischen Antrieben, sei es mittels Kette, Riemen, Zahnrädern oder Kardanwelle, liegt darin, daß das durch Muskelkraft erzeugte Drehmoment an der Tretkurbel stark schwankt, am Antriebsrad jedoch ein möglichst pulsationsfreies Drehmoment gebraucht wird.

Diesen Nachteil versuchte SHIMANO z. B. mit elliptischen Kettenblät­ tern (Biopace) an der Tretkurbel zu begegnen, die die Wirkung hatten, daß die Kette bei an sich konstanter Geschwindigkeit am Antriebsritzel trotzdem vorne am Abtriebskettenkranz mit einer ständig wechselnden Länge auflag. Dies hatte zur Folge, daß die Winkelgeschwindigkeit an der Tretkurbel entsprechend variierte und somit den Schwankungen in der Muskelleistung etwas angepaßt war. Die Mängel der Kettentriebe sind allgemein seit langem bekannt und es wurden zahlreiche Versuche unternommen, den Fahrradantrieb komfortabler und sicherer zu machen. Schon 1898 schlägt H. BETCHE (Kaiserl. Patent 1 06 104) eine hydrauli­ sche Kraftübertragung vor. Aber erst die DE-PS 8 50 405 zeigt die richtige Grundidee hierzu ausschließlich hydrostatische Getriebe­ elemente einzusetzen. Vorerwähnte Vorschläge, wie auch weitere Offen­ legungen aus jüngerer Zeit, scheitern - abgesehen vom präzisionsbe­ dingten Preis - einfach daran, daß herkömmliche Hydraulikaggregate zu schwer sind: Ein Fahrrad, das über 25 kg wiegt, ist unpraktisch. Wei­ terhin geht keine der bekannten Offenlegungen (z. B. DE-OS 28 46 741 und D-GBM 82 12 663.1 oder 85 12 004.9) auf ein typisches Problem des Radfahrers ein: Was tun bei platten Reifen? An den wünschenswerten Ausbau des Hinterrades und die dabei entstehenden Leckage- und Entlüftungsprobleme wird auch in den neuesten Anmeldungen an keine Lösung (DE-OS 30 35 630 und 31 41 676, sowie 35 22 068) gedacht. Eine Lösung dieses Problems ist aber bereits 1976 von DANFOSS in einem mit herkömmlichen hydraulischenKomponenten ausgerüstetem Fahr­ rad auf der Hannover Messe demonstriert worden. Leider ist der Wir­ kungsgrad (Kraftfluß: Tretkurbel-Kegelradgetriebe-Hydropumpe-Hydr. Leitungen-Hydromotor-Kettengetriebe-Hinterrad) dieses Prototyps relativ niedrig gewesen.

Es mag manchmal durchaus vorteilhaft sein, bereits bewährte Technik einzusetzen, wie vorstehend vorgeschlagen wurde, aber es ist nicht immer sinnvoll, überdimensionierte Geräte zu verwenden. Herkömmliche Hydropumpen und -motore sind für höhere Drücke ausgelegt und mit ent­ sprechend engen Dichtspalten ausgestattet. Nun ist selbst dem Laien klar, daß für den Antrieb eines Fahrrades keine hohen Leistungen not­ wendig sind. Nach einer Untersuchung der TH Aachen (Prof. VON DER SACKEN; zit. nach "Pro Velo" Nr. 11, 1987) werden für Tempo 22 km/h auf ebener Straße und ohne Gegenwind und einem Gesamtgewicht (Fahrer plus Rad) von 80 kg ganze 63 Watt für den Vortrieb benötigt. Für eine Steigung von 0,5% werden weitere 24 Watt benötigt und für die Über­ windung eines Gegenwindes von 1 m/sec fallen weitere 29 Watt an! Dafür wird keine Leistungshydraulik gebraucht, die zudem noch schwer und teuer ist, und im Niederdruckbereich einen schlechten Wirkungs­ grad hat.

Es steht also weiterhin die Aufgabe an, die bekannten Nachteile der Ketten- und sonstigen mechanisch-stufigen Schaltungen zu überwinden und einen wie auch immer gearteten hydraulischen Fahrradantrieb zu schaffen, der insgesamt folgenden Forderungen genügen muß:

• 1. Eine automatische und möglichst auch stufenlose Kraftübertragung mit weitem Übersetzungsbereich, um in allen Lastbereichen einen opti­ malen Antrieb zu gewährleisten.
• 2. Eine möglichst pulsationsfreie Umsetzung der Muskelkraft in Dreh­ moment am Antriebsrad zu ermöglichen.
• 3. Den problemlosen Reifenwechsel oder Ausbau des Hinterrades, mög­ lichst ohne Werkzeug und ohne Hydraulikflüssigkeitsverluste, zu gestatten.
• 4. Das System muß entlüftbar sein und Volumen- bzw. Druckänderungen durch Temperaturschwankungen möglichst selbsttätig ausgleichen. Und
• 5. natürlich möglichst leicht sein, sowie
• 6. darüber hinaus preiswert zu produzieren sein.

Die Hauptaufgabe, eine sich stufenlos und automatisch anpassende Kraftübertragung mit weitem Übersetzungsbereich zu schaffen, wird erfindungsgemäß und überraschend so gelöst, wie in Anspruch 1 darge­ legt. Durch die Kombination von pneumatischer Druckerzeugung und hydraulischem Druckverbrauch ergibt sich folgende vorteilhafte Funk­ tion: Dem benötigten Drehmoment entsprechend muß für den Hydromotor ein bestimmter Druck und ein bestimmtes Volumen bereitgestellt wer­ den. Bei einem reinen Hydrauliksystem müßte in der Pumpe entsprechend der gleiche Druck und das gleiche Volumen erzeugt werden. Ist in der Pumpe aber, wie vorgeschlagen, ein kompressibles Medium vorhanden, wie z. B. Luft, so muß zwar der gleiche Druck erreicht werden, aber ein größeres Anfangsvolumen wird auf ein dem erforderlichen Druck entsprechendes Endvolumen verdichtet. Das bedeutet, je mehr Drehmo­ ment am Hydromotor geleistet werden muß, desto mehr Umdrehungen müs­ sen an der Tretkurbel gemacht werden, damit das entsprechende Volu­ men/Druckverhältnis erreicht wird. Durch die besondere Ausgestal­ tung der hydropneumatischen Kraftübertragung, wie unter Anspruch 2 bis 8 dargelegt, wird erreicht, daß, sofern mind. 2 Kolbenmembranpumpen eingesetzt sind, für die Verdichtungsarbeit erst dann Muskelkraft er­ forderlich wird, wenn der Druck in der komprimierenden Pumpe gleich dem Druck in dem Hochdruckvorratsbehälter gleich ist. Das heißt, bei geringem erforderlichen Drehmoment im Hydromotor wird mit entspre­ chend geringem Kraftaufwand ein hohes Gasvolumen bei geringem Druck ge­ fördert. Steigt das erforderliche Drehmoment an, so wird bei steigen­ dem Druck ein geringeres Gasvolumen gefördert, womit die erforder­ liche Kraft an der Tretkurbel in etwa gleich bleibt.

Die nächste Aufgabe, eine möglichst pulsationsfreie Umsetzung der Muskelkraft in Drehmoment zu erreichen, löst sich überraschend wie von selbst: Durch die natürliche Anpassung des Gases in seinem Druck/ Volumenverhältnis und dem Gaspuffer im Hochdruckvorratsraum können keine starken Pulsationen, wie bei einer reinen hydraulischen Ankopp­ lung von Pumpe und Motor, auftreten.

Die nächste Aufgabenstellung, einen problemlosen Reifenwechsel zu er­ möglichen, wird erfindungsgemäß nach Anspruch 6 bzw. 10 gelöst.

Eine weitere Aufgabe, das System entlüftbar bzw. an temperaturbeding­ ten Druckschwankungen anpaßbar zu gestalten, wird wie unter Anspruch 3 bzw. 12 offengelegt, gelöst.

Die erweiterte Aufgabenstellung, die Forderung nach einer leichten und preiswerten Konstruktion, wird wie von selbst gelöst, da alle Bauteile aufgrund der geringen Drücke entweder sehr dünnwandig bzw. aus Leichtmetallen und/oder Kuntstoffen gefertigt sein können. Eine überraschende Lösung ergibt sich aus der weiteren Ausgestaltung der Erfindung über die Aufgabenstellung hinaus, gemäß der Ansprüche 9 bis 11 für die geländegängige Variante mit wahlweise schaltbarem Vor­ derradantrieb, sowie der Ansprüche 3 und 6, daß das Vorderrad mit dem Hinterrad austauschbar ist.

Wenn auch der Hauptvorteil der Erfindung darin liegt, daß hier ein stufenlos selbstregelnder Antrieb äußerst preiswert angeboten werden kann, so sind die weiteren technischen Vorteile nicht minder wichtig:

• 1. Es wird bei unliebsamen Reifenpannen zumindest die Reparatur unge­ heuer erleichtert und dabei gewährleistet, daß keine Hydraulikverlu­ ste auftreten.
• 2. Ein Verschmutzen wie bei Kettentrieben wird es nicht mehr geben können.
• 3. Druck- und Volumenanpassungsprobleme der Hy­ draulikflüssigkeit treten bei dem vorgestellten System nicht mehr auf; der gasgefüllte Niederdruckraum dient auch als Puffer.
• 4. Ein weite­ rer Vorteil ist die Leichtigkeit der Aggregate durch die Anwendung von modernen Werkstoffen.
• 5. Daraus ergibt sich der überraschende Vorteil, daß als Hydraulikflüssigkeit normales Wasser, lediglich mit einem umweltfreundlichen Frostschutzmittel versetzt, verwendet werden kann, da die gewählten Materialien hier keine Korrosionsprobleme aufwerfen. Der Fahrradrahmen kann ebenfalls aus Aluminium oder verzinktem Stahl oder Kunststoff hergestellt werden.
• 6. Der Vorteil der automatischen Verstellung der hydropneumatischen Pumpe gewährt dem Radfahrer nicht nur besonderen Komfort, sondern im besonderen Maße auch Sicherheit im Straßenverkehr. Er fährt immer im optimalen Drehmomentenbereich und das lästige Fummeln an den Schalthebeln und Gängesuchen entfällt. Auch nach plötzlichem Bremsen wird er leicht wieder Anfahren können: Die Automatik wirkt immer genau dann, wenn man sie braucht. Der Fahrer wird sich also in jeder Fahrsituation voll auf den Verkehr konzentrieren können.
• 7. Die besonderen Vorteile vom Vorderradantrieb bzw. Allrad­ antrieb sind inzwischen allgemein aus der Automobiltechnik bekannt.
• 8. Schlußendlich gibt es noch einen ganz überraschenden Vorteil: Im Stillstand, z. B. bei einem Ampelstop, ist es möglich, mit angezogenen Bremsen schon Druck im Speicherraum des Tretlagergehäuses aufzubauen, der dann zum Anfahren genutzt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und im folgenden erläutert: Es zeigt die

Fig. 1 schematisch gezeichnet ein Fahrrad.

Über die Tretkurbel 1 und die Pedale 2 wird eine Kurbel- oder Exzenterwelle 3 betätigt, die über ein geeignetes Pleuel die Pumpe 4 bewegt. Die Pumpen 4 sind als Membrankolbenpumpen ausgebildet und über je ein Saugventil 5 mit dem als Vorderrahmen ausgebildeten Niederdruckvorratsraum 7 verbunden. Über die Druckven­ tile 6, ebenfalls je eins pro Pumpe 4, erfolgt der Anschluß an den Hochdruckvorratsraum 8, der außerdem das Tretlagergehäuse bildet. Von der Unterseite des Hochdruckraumes 8 führt die Druckleitung 9 zum Hydromotor 11, die Rückführung der Flüssigkeit 18 erfolgt über die oben angeordnete Rücklaufleitung 10 in den Niederdruckraum 7 zurück. Diese beiden Leitungen 9 und 10 bilden übereinander angeordnet den Hinterradrahmen. Seitlich hineingesteckt ist das Hinterrad mit dem Hydromotor 11 von der anderen Seite voll zugänglich. Für die Vari­ ante mit Vorderrad bzw. Allradantrieb verbindet eine andere Drucklei­ tung 12 über den Drehverteiler 13 in der Lenkerlagerung 14 die Druck­ leitung 15, die den Hydromotor 11 im Vorderrad, das baugleich mit dem Hinterrad sein kann, versorgt. Ähnlich wie beim Hinterrad führt die Rücklaufleitung 16, die den anderen Teil der Vorderradgabel bildet, über den Drehverteiler 19 in der Lenkerlagerung 14, die nun drucklose Flüssigkeit 18 offen in den Niederdruckraum 7 zurück. Die beiden Leitungen 15 und 16 bilden seitlich und etwas schräg stehend die Vor­ derradgabel, ähnlich wie der Hinterradrahmen, für den seitlichen Ein­ bau des Hydromotors 11, damit die andere Seite frei zugänglich blei­ ben kann. Über das Ventil 20 und die Fernbedienung 21 kann die Druck­ leitung 12 wahlweise ganz "Auf" bis "Zu" geregelt werden, womit der Hydromotor 11 mit Flüssigkeit 18 versorgt wird oder eben auch frei­ läuft. Über den Anschluß der Sattelstütze 22 kann die Flüssigkeit 18 eingebracht werden. Am Ventil 23 wird der Gasdruck der Luft 17, ober einem anderen geeignetem Gas, auf geringfügig geringeren Druck als der atmosphärische Druck gebracht.

Grundsätzlich ist das vorgestellte Antriebssystem für Fahrräder kon­ zipiert, insbesondere für Mountain-Bikes oder ATB′s, vor allem bei Erweiterung auf Vorderradantrieb. Selbstverständlich braucht das vor­ gestellte Antriebssystem nicht auf Fahrräder beschränkt zu bleiben, sondern kann überall dort eingesetzt werden, wo relativ geringe An­ triebskräfte benötigt werden, so z. B. in Kindertretautos oder in Ra­ senmähern oder auch in Tretbooten u. a. mehr.

Claims (12)

1. Hydropneumatische Kraftübertragung, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein durch Muskelkraft oder eine andere Kraftquelle erzeugtes Drehmoment an einer Kurbel, vorzugsweise Tretkurbel (1), mittels einer oder mehrerer Pumpen (4) ein pneumatischer Druck erzeugt wird, der dann auf eine Flüssigkeit wirkt und somit als hydraulischer Druck sich fortpflanzend in einem Hydromotor (11) in eine Drehbewegung umgesetzt werden kann.

2. Hydropneumatische Kraftübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer muskelkraftbetriebenen Kurbel, vorzugsweise einer Tretkurbel (1) mit Pedalen (2), und über eine Kurbel- oder Exzenter­ welle (3) mindestens zwei oder mehrere Pumpen (4), vorzugsweise Kolben- oder Membrankolbenpumpen mit mindestens je einem Ventil (5 + 6) für die Saug- (5) bzw. Druckseite (6), ein Gas (17) aus einem Normal- bzw. Niederdruckraum (7) und/oder über Filter und Trockner ge­ reinigte Luft aus der Atmosphäre zusammen mit der rücklaufenden und überschüssigen Flüssigkeit (18) aus einem Hydromotor (11), vorzugs­ weise mit möglichst vielen Arbeitskammern, angesaugt und in einen Hochdruckvorratsraum (8), der über eine an der Unterseite des Hoch­ druckvorratsraumes (8) angeordneten Druckleitung (9) mit der Druck­ eingangsseite des Hydromotors (11) verbunden ist, eingepreßt wird.

3. Hydropneumatische Kraftübertragung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Niederdruckvorratsraum (7), als auch die Rücklauf- (10) und die Druckleitung (9) von den Pumpen (4) zum Hydromotor (11), sowie der Druckvorratsraum (8) bei Anwendung in Fahrzeugen, vorzugs­ weise Fahrrädern oder Tretbooten oder Rasenmähern und ähnlichem, als tragende Rahmenteile ausgebildet bzw. integriert sind.

4. Hydropneumatische Kraftübertragung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckvorratsraum (8) bei Anwendung in Fahrzeugen als Tretlager­ gehäuse ausgebildet ist, in dem mindestens zwei Pumpen (4) eingebaut sind.

5. Hydropneumatische Kraftübertragung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruckvorratsraum (7) bei Anwendung Fahrrädern als Vorder­ rahmen ausgebildet ist.

6. Hydropneumatische Kraftübertragung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklauf- (10) und Druckleitung (9) zwischen Pumpe (4) und Hydro­ motor (11) bei Anwendung in Fahrrädern einseitig und übereinander neben dem Hinterrad angeordnet den Hinterradrahmen bilden, wobei die Rücklaufleitung (10) vorzugsweise oben liegend auf gleicher Höhe mit den Saugventilen (5) in den Niederdruckvorratsraum (7) offen hinein­ mündet.

7. Hydropneumatische Kraftübertragung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckvorratsraum (8) bei vollständiger Flüssigkeitsfüllung (18) der Druck- (9) und Rücklaufleitung (10), sowie des Hydromotors (11), selbst mindestens zu 50% bzw. maximal bis zu 70% mit Flüssigkeit (18) gefüllt ist.

8. Hydropneumatische Kraftübertragung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruckvorratsraum (7) bei Anwendung mit Abschluß gegen die Atmosphäre mindestens das zehnfache Raumvolumen des Druckvorrats­ raumes (8) faßt und bei Normaltemperatur geringfügig niedrigeren Druck gegenüber dem Normaldruck der Umgebungsluft aufweist.

9. Hydropneumatische Kraftübertragung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einer anderen Variante unabhängig von der Gestaltung des Nieder­ druckvorratsraumes (7) in den Vorderrahmen eine Druckleitung (12) integriert ist, die von der Unterseite des Druckvorratsraumes (8) über einen Drehverteiler (13) in der Lenkerlagerung (14) mit einer weiteren Druckleitung (15), die einen Teil der Vorderradgabel bildet, verbunden ist und einen in dem Vorderrad eingebauten Hydromotor (11), der mit dem im Hinterrad verwendeten baugleich sein kann, mit Druck­ flüssigkeit (18) versorgt.

10. Hydropneumatische Kraftübertragung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufleitung (16) des im Vorderrad integrierten Hydromotors (11), die ebenfalls einen Teil der Vorderradgabel bildet, sinngemäß wie der Hinterradrahmen nach Anspruch 6, einseitig zusammen mit der Druckleitung (15) am Vorderrad angeordnet ist, im Drehverteiler (19) endet, der zum Niederdruckvorratsraum (7) hin offen ist.

11. Hydropneumatische Kraftübertragung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Druckleitung (12) ein Regelventil (20) mit Fernbetätigung (21) eingebaut ist, mit dem der Hydromotor (11) im Vorderrad nach Be­ lieben zu- oder abgeschaltet oder geregelt wird.

12. Hydropneumatische Kraftübertragung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Erst- bzw. Wartungsbefüllung mit Druckflüssigkeit (18) über die geöffnete Sattelstütze (22) und die eventuelle Absaugung von Gas (17) über ein ebenfalls in der Sattelstütze (22) integriertes Ventil (23) erfolgt.