DE4121424C2 - Kurbelantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kurbelantrieb, ins­ besondere für Fahrräder gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem Lehrbuch "Fahrradtechnik: Konstruktion, Fertigung, Instandsetzung" von Winkler, F. u. Rauch, S., 6. Auflage, 1989, S. 238 ff., Bielefelder Verlagsanstalt KG, ist ein Tretkurbelantrieb mit ovalem vorderen Kettenblatt bekannt. Durch das ovale Kettenblatt soll eine Anpassung des Tretkurbelantriebes an den menschlichen Körperbau erreicht werden, da der Fahrer, nahe des oberen oder unteren Totpunk­ tes (Pedale oben bzw. unten), weniger Kraft auf die Kurbeln auszuüben vermag, als wenn die durch die Pedale bestimmte Ebene annähernd parallel zu den Tretkurbelarmen liegt (etwa horizontale Pedalstellung). Vor allem beim Bergauffahren soll durch das elliptische Kettenrad der Kraftaufwand ver­ ringert werden.

Die DE-PS 8 14 111 betrifft einen Kettenradan­ trieb für Fahrräder, mit dem das Fahren auf eine wesentlich angenehmere Art und Weise als bei den bis dahin bekannten Fahrradkettenantrieben erfolgen soll. Hierzu ist bei dem Kettenantrieb nach dieser Druckschrift das Kettenrad der Tretkurbel unrund, beispielsweise elliptisch ausgebildet und zur Tretkurbel drehverstellbar angeordnet. Das Kettenrad am Hinterrad ist exzentrisch ausgebildet und weist gegenüber dem Kettenrad der Tretkurbel die halbe Zähnezahl auf. Das Kettenrad am Hinterrad ist fest mit der Radnabe verbunden.

Aufgrund des ovalen Kettenblattes muß die An­ triebskette bei den bekannten Konstruktionen mit einem Kettenspanner straff gehalten werden. Außerdem hat sich gezeigt, daß sich beim Fahren mit schnelleren Tretbewegun­ gen, bedingt durch die Ungleichmäßigkeit des elliptischen Kettenblattes, für den Menschen unangenehme Bewegungsabläufe ergeben; die Kette beginnt zu "flattern".

Durch die DE-Patentschriften 30 38 165 und 32 16 069 sind Tretkurbelantriebe mit veränderlichen Pedal­ armen bekannt, bei denen während der Drehbewegung der Tret­ kurbel mit Hilfe von Führungsbahnen der Pedalarm gelängt und gekürzt wird. Dabei verlängert sich in der abwärts gerichte­ ten Phase der Tretbewegung der Pedalarm und verkürzt sich in der Aufwärtsphase. Dies soll die Kraftübertragung dadurch verbessern, daß in der Abwärtsphase ein größeres Drehmoment infolge des größeren Hebelarmes erzeugt wird, um so die Beinkraft besser auszunutzen. Beide Mechanismen weisen jedoch eine aufwendige Mechanik auf, bei denen aufgrund der notwendigen Linearführungen mit großen Reibungsverlusten gerechnet werden muß. Zudem kann die Führung der Pedalen in Längsrichtung als störend empfunden werden. Aufgrund der Lage des Tretkurbelmechanismus muß aus Sicherheitsgründen eine Abschirmung der Mechanik vorgesehen werden, um die Klemmgefahr zu mindern.

Die EP 303 531 A2 offenbart ein stufenloses Getrie­ be am Hinterrad zur stufenlosen Einstellung des Übersetzungsverhältnisses, wobei mehrere Kurbelschleifen verwendet werden, die zeitlich nacheinander zur Wirkung kommen. Dieses bekannte Getriebe ist zur Kompensation ungünstiger Antriebslagen nicht geeignet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kurbelantrieb der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß ungünstige Antriebslagen (beim Fahrrad insbesondere die biomechanisch ungünstige vertikale Pedal­ stellung) optimaler überwunden werden.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, als un­ gleichförmig übersetzendes Getriebe eine im Abtriebsglied ausgebildete Kurbelschleife oder Doppelkurbel vorzusehen, die einem Mechanismus nachgeschaltet ist, der eine exakte Übersetzung 1 : 2 vom Antriebsglied zum Abtriebsglied be­ wirkt, wobei das Abtriebsglied ein Antriebselement, ein Abtriebselement und eine Gelenkverbindung umfaßt, die die Kurbelschleife oder die Doppelkurbel bilden. Einfache Mecha­ nismen mit ungleichförmiger Übersetzung beruhen auf dem Prinzip der Viergelenkkette, vgl. "Konstruktive Getriebeleh­ re" von Leo Hagedorn, VDI-Verlag, 1986.

Der erfindungsgemäße Kurbelantrieb weist während einer Umdrehung des Antriebsgliedes (Tretkurbel) ein Über­ setzungsmaximum und ein -minimum auf. Die Tretkurbel eines Fahrrades weist üblicherweise bei einer Umdrehung zwei ungünstige Antriebslagen (Pedale oben bzw. unten) und zwei günstige Antriebslagen (Pedale etwa in der Horizontalen) auf. Durch die Erfindung wird vom vorderen Kettenblatt bis zum Getriebe eine Übersetzung von exakt 1 : 2 eingehalten, wenn das hintere Kettenblatt die halbe Zähnezahl aufweist wie das vordere Kettenblatt. Des weiteren kann durch ein genaues Justieren der Getriebeglieder das Übersetzungsmini­ mum auf die ungünstige vertikale Pedalstellung eingestellt werden. Das Übersetzungsmaximum liegt dann genau (Kurbel­ schleife) oder nahe (Doppelkurbel) bei der günstigen hori­ zontalen Pedalstellung. Durch eine entsprechende Wahl der Gliedlängen beider Kurbeltriebe läßt sich der Verlauf und die Größe des Übersetzungsverhältnisses in einem weiten Rahmen variieren.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beige­ fügten Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Kurbelantriebs mit einer Kurbel­ schleife,

Fig. 1a das Prinzip der Kurbelschleife nach Fig. 1,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines Kurbelantriebs mit einer Doppel­ kurbel,

Fig. 2a das Prinzip der Doppelkurbel nach Fig. 2,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Über­ setzungsverhältnisses in Abhängigkeit vom Antriebswinkel für die Ausführungs­ form nach Fig. 1 und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Über­ setzungsverhältnisses in Abhängigkeit vom Antriebswinkel bei der Ausführungs­ form nach Fig. 2.

Soweit möglich, sind in den Figuren der Zeichnung für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Die Fig. 1 zeigt in einer Explosionszeichnung eine Kurbelschleife in einer beliebigen Stellung. Zur Ver­ deutlichung ist in der Fig. 1a das Prinzip der Kurbel­ schleife mit den entsprechenden Abmessungen abgebildet.

Mit den Bezugszeichen 1 und 2 ist ein Antriebs­ element bezeichnet, das ein hinteres Kettenblatt 1, das die halbe Zähnezahl wie das vordere Kettenblatt der Tretkurbel (nicht dargestellt) aufweist, und eine Antriebsscheibe 2 umfaßt, auf der das hintere Kettenblatt 1 befestigt ist. Die Antriebsscheibe 2 ist exzentrisch mit einem Achsversatz e über ein Wälzlager 5 und einen Lagersitz 4 auf einer Hinter­ radachse 3 gelagert. In der Antriebsscheibe 2 befindet sich eine Führungsbahn 6, in der ein Übertragungsbolzen 7 geführt und angetrieben wird. Die Führungsbahn 6 und der Übertra­ gungsbolzen 7 bilden ein Schub- und Drehgelenk 10. Der Übertragungsbolzen 7 ist exzentrisch an einem als Scheibe ausgebildeten Abtriebselement 8 im Abstand r zur Hinterrad­ achse 3 befestigt, die mit einer Radnabe 9 fest verbunden ist.

Aufgrund dieser Konstruktion ergeben sich zwei Getriebeglieder mit den Längen e und r und ein Hebelarm 1, die zusammen ein Dreieck bilden, vgl. insbesondere Fig. 1a. Der Hebelarm 1 bildet eine Antriebskurbel 12. Zwischen dem Übertragungsbolzen 7 und der Hinterachse 3 wird eine Ab­ triebskurbel 14 gebildet.

Die Wirkungsweise der Kurbelschleife nach den Fig. 1 und 1a ist wie folgt:

Während eines Umlaufs der Antriebsscheibe 2 wan­ dert aufgrund der Exzentrizität der Übertragungsbolzen 7 in der Führungsbahn 6 von innen nach außen und wieder zurück. Dies bewirkt eine kontinuierliche Änderung des Hebelarmes 1 bzw. der Antriebskurbel 12 zur Kraftübertragung. Das Über­ setzungsverhältnis des Getriebes verändert sich dadurch harmonisch zwischen zwei Extremwerten. Durch die exakte Übersetzung vom vorderen zum hinteren Kettenblatt von 1 : 2 und die Justierung des Getriebes wird das Übersetzungsmini­ mum immer bei vertikaler und das Übersetzungsmaximum bei horizontaler Pedalstellung erreicht. Dies bedeutet einer­ seits eine leichtere Überwindung der biomechanisch ungünsti­ gen vertikalen Pedalstellung und andererseits eine bessere Ausnutzung der günstigen horizontalen Pedalstellung. Die Berechnung des Verlaufs des Übersetzungsverhältnisses ergibt mit gewählten Längen von beispielsweise e = 4 mm (Achsver­ satz) und r = 25 mm (Länge der Abtriebskurbel 12) ein Über­ setzungsminimum von i = 0,84 und ein Übersetzungsmaximum von i = 1,16 nach der Formel

worin x der Antriebswinkel (0 x 2π) und v die Abkürzung mit

sind.

Die in dieser und der nachfolgenden Bezeichnung benutzte Definition für i(x) ist umgekehrt zu der technisch gebräuchlichen Definition i = Eingangsdrehzahl/Ausgangsdreh­ zahl.

In der Fig. 3 ist das Übersetzungsverhältnis i(x) in Abhängigkeit vom Antriebswinkel x graphisch dargestellt. Mit p(x) ist der Abtriebswinkel in der Fig. 1a bezeichnet.

Die Fig. 2 zeigt in einer Explosionszeichnung eine Doppelkurbel in einer gedrehten Stellung. Die Längen der Getriebeglieder e, a, b und c bilden ein Viereck. Die Fig. 2a zeigt zur Verdeutlichung das Prinzip der Doppelkurbel mit den entsprechenden Abmessungen.

Mit den Bezugszeichen 1 und 2 ist wiederum ein Antriebselement bezeichnet, das ein hinteres Kettenblatt 1, das wiederum die halbe Zähnezahl wie das vordere Kettenblatt der Tretkurbel (nicht dargestellt) hat, und eine Antriebs­ scheibe 2 umfaßt, auf der das hintere Kettenblatt 1 befe­ stigt ist. Die Antriebsscheibe 2 ist exzentrisch mit dem Achsversatz e über ein Wälzlager 5 und einen Lagersitz 4 auf einer Hinterradachse 3 gelagert. In der Antriebsscheibe 2 befindet sich eine Lagerbohrung 16 im Abstand a von einer Drehachse 18. In das Gelenk 16 greift ein erster Bolzen 20, der über eine Gelenkverbindung 22 mit einem zweiten Bolzen 24 verbunden ist, wobei beide Bolzen einen Abstand c vonein­ ander haben. Der Bolzen 24 ist in einer Lagerbohrung 26 einer Abtriebsscheibe 28 gelagert. Die Lagerbohrung 26 ist im Abstand b zur Hinterachse 3 angeordnet. Die Abtriebs­ scheibe 28 ist fest mit der Radnabe 9 verbunden.

Aufgrund dieser Konstruktion ergeben sich vier Getriebeglieder 30 (Antriebskurbel) mit der Länge a, 32 (Abtriebskurbel) mit der Länge b, 22 (Gelenkverbindung) mit der Länge c und 34 (Achsversatz) mit der Länge e, die ein Viereck bilden, vgl. Fig. 2a.

Die Wirkungsweise der Doppelkurbel ist wie folgt: Während eines Umlaufs der Antriebsscheibe 2 bewegt sich der Bolzen 20 der Gelenkverbindung 22 in einer um die Exzentri­ zität e versetzten Kreisbahn um die Radachse 3. Die Gelenk­ verbindung 22 folgt dieser Bewegung und treibt über den Bolzen 24 die Abtriebsscheibe 28 an. Dabei ändert sich das Übersetzungsverhältnis in Abhängigkeit von der relativen Lage der Getriebeglieder zueinander harmonisch zwischen zwei Extremwerten.

Durch die exakte Übersetzung 1 : 2 vom vorderen zum hinteren Kettenblatt und die Justierung des Getriebes wird das Übersetzungsminimum immer bei vertikaler und das Über­ setzungsmaximum in der Nähe der horizontalen Pedalstellung erreicht. Dies bedeutet einerseits eine leichtere Überwin­ dung der biomechanisch ungünstigen, vertikalen Pedalstellung und andererseits eine bessere Ausnutzung der günstigen horizontalen Pedalstellung.

Eine beispielhafte Berechnung des Verlaufs des Übersetzungsverhältnisses ergibt mit den gewählten Getriebe­ gliedlängen von beispielsweise e = 4 mm, a = 29,5, b = 24 mm und c = 17,6 mm ein Übersetzungsminimum von i = 0,84 und ein Übersetzungsmaximum von i = 1,16 nach der Formel

worin x der Antriebswinkel (0 x 2π) und p(x) der Abtriebswinkel sind mit

p(x) = π-al(x)-g(x)

worin al(x) und g(x) Hilfswinkel (vgl. Fig. 2a) sind, die sich wie folgt berechnen:

In diesen Formeln ist 1(x) eine Hilfsgröße, die sich wie folgt errechnet:

In der Fig. 4 ist das Übersetzungsverhältnis i(x) in Abhän­ gigkeit vom Antriebswinkel x graphisch dargestellt.

Claims (8)

1. Kurbelantrieb, insbesondere für Fahrräder, mit einem Antriebsglied (Tretkurbel) und einem Abtriebsglied (anzu­ treibendes Element), mit wenigstens einer ungünstigen An­ triebslage mit geringer Krafteinleitung in das Antriebsglied und einem ungleichförmig übersetzenden Getriebe mit einem Übersetzungsmaximum und einem Übersetzungsminimum, wobei das Übersetzungsminimum in der ungünstigen Antriebslage wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, daß das ungleichförmig übersetzende Getriebe eine im Ab­ triebsglied ausgebildete Kurbelschleife oder Doppelkurbel ist, die einem Mechanismus nachgeschaltet ist, der eine exakte Übersetzung 1 : 2 vom Antriebsglied zum Abtriebsglied (9) bewirkt, wobei das Abtriebsglied ein Antriebselement (1, 2), ein Abtriebselement (8, 28) und eine Gelenkverbindung (6, 7; 16, 20, 22, 24, 26) umfaßt, die die Kurbelschleife oder die Doppelkurbel bilden.

2. Kurbelantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Antriebselement (1, 2) exzentrisch mit einem Achsversatz (e, 34) auf der Achse (3) des Abtriebselementes (8, 28) drehbar gelagert ist.

3. Kurbelantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Antriebsglied Tretkurbelarme, die an einer drehbar gelagerten Kurbelwelle angebracht sind, und ein vorderes Kettenblatt umfaßt.

4. Kurbelantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Antriebselement (1, 2) ein auf einer Antriebsscheibe (2) befestigtes hinteres Kettenblatt (1) aufweist, welches die halbe Zähnezahl wie das vordere Kettenblatt hat, und
das Abtriebselement (8, 28) eine Scheibe ist und mit
einer Radnabe (9) fest verbunden ist.

5. Kurbelantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gelenkverbindung (6, 7) eine in der Antriebsscheibe (2) ausgebildete Führungsbahn (6) und einen in der Führungsbahn geführten Übertragungsbolzen (7) auf­ weist, der exzentrisch an der Abtriebsscheibe (8) in einem Abstand (r) zur Radachse (3) befestigt ist.

6. Kurbelantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Führungsbahn (6) durch ein in radialer Rich­ tung ausgebildetes Langloch gebildet wird, in dem der Über­ tragungsbolzen (7) beim Umlauf der Antriebsscheibe (2) radial hin- und herwandert.

7. Kurbelantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gelenkverbindung (16, 20, 22, 24, 26) eine erste in der Antriebsscheibe (2) in einem Abstand (a) zu ihrer Drehachse (18) ausgebildete Lagerbohrung (16), eine zweite in der Abtriebsscheibe (28) in einem Abstand (b) zur Achse (3) ausgebildete Lagerbohrung (26) sowie zwei durch eine Gelenkverbindung (Koppel) (22) miteinander verbundene Bolzen (20, 24) umfaßt, von denen der eine Bolzen (20) in der ersten Lagerbohrung (16) und der zweite Bolzen (24) in der zweiten Lagerbohrung (26) gelagert ist.

8. Kurbelantrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (2) über ein Wälzlager (5) und einen Lagersitz (4) exzentrisch auf der Achse (3) gelagert ist.