DE4335494C2

DE4335494C2 - Hydrostatischer schaltungsfreier Fahrradantrieb mit Energiespeicherung

Info

Publication number: DE4335494C2
Application number: DE19934335494
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl In Schwerdtfeger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-10-19
Filing date: 1993-10-19
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2013-10-20
Also published as: DE4335494A1

Description

1. Gegenstand der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen hydro statischen, selbsttätig verstellbaren Fahrradantrieb, fußend auf:

- einer Flügelzellen-Verstellpumpe (Hydropumpe) mit selbsttätiger druckabhängiger Fördervolumenanpassung
- einem Flügelzellen-Konstantmotor (Hydromotor),
- einem Druckspeicher zum Speichern von Bremsenergie,
- einem Hydraulikfluid-Vorratsbehälter,
- einer Reihe innovativ eingebrachter Hydraulikbausteine und
- hydraulischen Verbindungsleitungen zwischen diesen Komponenten.

2. Stand der Technik

Den Stand der Technik im einschlägigen Be reich kennzeichnen zwei Neuerungsvorschläge:

a) eine "hydraulische Kraftübertragung an einem Fahrrad" nach Of fenlegungsschrift DE 42 08 657 A1,
b) ein "Hydrotrieb für Fahrräder" nach Offenlegungsschrift mit Kennung DE 35 22 068 A1.

Aus a) ist eine Anordnung bekannt, die neben den hydrostatischen Systemen generell eigenen Komponenten eine Verbindungsleitung zwischen Druck- und Rücklaufleitung vorweist, in die ein Rück schlagventil eingebaut ist, wodurch ein hydraulischer Freilauf erreicht wird.

Diese Anordnung bleibt von der eigenen Lösung unberührt, da in letzterer weder eine direkte, den Hydromotor kurzschließende Ver bindungsleitung noch ein in diese eingefügtes Rückschlagventil vorgesehen wurden.

Offensichtlich abweichend sind dagegen der zusätzliche Antrieb des Vorderrads, über einen zweiten regelbaren Hydromotor samt Zu schalteorganen, die Erzielung einer stufenlosen Übersetzung mit tels mindestens eines Stromregelventils sowie die Nutzung von Rahmenteilen als Tank und zu Leitungszwecken.

Aus b) ist ein Fahrradantrieb bekannt, der neben der vorgenannten den Freilaufeffekt ergebenden Kurzschließung mit Rücklaufsperre alternativ ein zusätzliches Stromventil aufweist, wodurch ein Bremsen auf hydraulischem Wege sowie, nach Zuschaltung eines Druck speichers, eine Abzweigung des sich bei der Drosselung des Strom regelventils aufbauenden Druckflüssigkeitsstroms erreicht wird, der bei Beendigung des Bremsvorgangs gesteuert wieder als An triebsenergie an den Hydromotor abgegeben wird.

Auch dieser Antrieb interferiert nicht mit der eigenen Lösung, da, neben ad a) Angeführtem,

- in ihr keine hydraulische Bremsung vorgesehen ist,
- weder die Speicherfüllung Ergebnis einer Stromdrosselung ist noch die Speicherentleerung bei Beendigung des Bremsvorgangs stattfindet.

Offensichtlich nicht berührt bleibt hingegen die vorgesehene Funktion als Heimtrainingsgerät.

3. Nachteile und Mängel

Als solche können mit Bezug auf die ge nannten Offenlegungsschriften angeführt werden:

- nicht selbsttätige Regelung des Übersetzungsverhältnisses - ad a) und b),
- nicht dokumentierte Einbindungsmöglichkeit aller Komponenten in die Geometrie des Fahrrads anhand eines Konstruktionsbeispiels - ad a) und b),
- funktionell bedenkliche Öffnung zum Tank während der Freilauf fahrt - ad a),
- die Konstruktion belastende Druckspitzen während einer plötzli chen hydraulischen Bremsung - ad b),
- gefahrträchtige Verzögerung des Bremseffekts bei langsamerer Betätigung des Stromregelventils - ad b),
- nicht berücksichtigte sich zwangsläufig ergebende Öffnung des Kreislaufs bei Zuschaltung des Druckspeichers, eine Reihe von Zusatzelementen erfordernd (letztere nicht präzisiert) - ad b).

4. Aufgabe

Der Erfindung liegt angesichts der besprochenen Nega tiva des Stands der Technik die Aufgabe zugrunde, einen hydrosta tischen selbsttätig schaltbaren Fahrradantrieb zu schaffen, der alle wichtigen Funktionen mit geringem konstruktivem Aufwand er füllt.

5. Lösung

Die Lösung erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wie nachfolgend erörtert.

- Die Grundlage des Antriebs bilden eine Flügelzellen-Verstell pumpe mit selbsttätiger, druckabhängiger Fördervolumenanpas sung, einbezogen in den Fahrradrahmen, ein dem Hinterrad zuge ordneter Flügelzellen-Konstantmotor, ein Druckspeicher samt Si cherheitsblock, ein Vorratsbehälter mit Filter sowie Verbin dungsleitungen inklusive Schnellkupplungen.
- In die Druckleitung eingebaut ist ein 3/3-Wege-Proportionalven til, das in Normalstellung den Durchfluß des Hydraulikfluids zum Hydromotor, über ein durch den Mehrdruck geöffnetes Wech selventil, freigibt, in den Schaltpositionen dagegen entweder die Verbindung zum Druckspeicher herstellt oder das Laden die ses Speichers ermöglicht, wobei Zwischenstellungen zur Wahl stehen.
- Der Rücklaufleitung bei gegliedert sind ein druckgesteuertes 2/3-Wegeventil mit Federrückführung, das bei Pedalstillstand von der Filter- zur Nebenwegspeisung umschaltet sowie ein bremshebelgekoppeltes 2/3-Wegeventil mit Federrückführung, das in Normalstellung den mit einem Wechselventil endenden Neben freilauf des Freilaufs geöffnet hält, im Zuge der Bremshebelbe tätigung jedoch die Abzweigung des Fluidstroms in Richtung Druckspeicher bewirkt.
- Die Umsteuerung des Hydromotors auf Speicherfüllung wird vom Sich-Öffnen eines Rückschlagventils begleitet, das die Entnahme des Hydraulikfluids unter Umgehung der Hydropumpe erlaubt; die Speicherfüllung selbst erfolgt über die Bypassleitung, mit Rückschlagventil, eines 2-Wege-Stromregelventils, das bei Spei cherentleerung den Rückflußstrom konstant hält und sicherheits bedingt begrenzt.

6. Vorteile

Neben den hydrostatischen Fahrradantrieben generell eigenen Vorteilen, wie stufenfreie Übersetzungen, weitgehende Wartungs-, Justier- und Verschleißfreiheit sowie Unempfindlich keit gegen äußere Verschmutzungen und geringere Verletzungsgefahr können zur Geltung gebracht werden:

- eine weniger beschwerliche, Muskelkraft sparende Fahrweise dank gezielter Inanspruchnahme der gespeicherten Bremsenergie,
- das Wegfallen der Übersetzungswahl und -einstellung und dadurch eine komfortablere, leichtere Fahrweise,
- eine einfache Anpassungsmöglichkeit des maximalen Energiebe darfs an individuelle körperliche Anforderungen.

7. Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand eines zeichne risch dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels, in zwei Versionen: einer Voll- und einer vereinfachten Grundversion näher erläutert.

So zeigt Zeichnung:
Nr. 1 das Schaltbild der Vollversion,
Nr. 2 das Schaltbild der Grundversion,
Nr. 3 den Aufbau der Vollversion,
Nr. 4 den Aufbau der Grundversion,
Nr. 5 die Hydropumpe,
Nr. 6 den Hydromotor.

Verständniserleichternd erfolgt die Erläuterung ausgehend von der Grundversion.

I Grundversion A. Schaltbild (Zeichnung Nr. 2)

Die Grundversion ist auf den off enen Hauptkreislauf begrenzt. Für das Hydraulikfluid ergibt sich demnach folgende Zirkulation: Behälter (4) - Hydropumpe (1) - Schnellkupplung (5) - Hydromotor (2) - Schnellkupplung (5) - Rück lauffilter (3) - Behälter (4). Das Bindeglied des Hydromotors (2) zum angetriebenen Hinterrad bildet ein in ersteren eingebundener mechanischer Freilauf (15). Achtung: Steuer- und Leckleitungen in Strichlinie gehalten.

B. Aufbau

(Zeichnungen Nr. 4-6; bezogen auf ein 26′′-Herrenfahr rad; Verrohrung vereinfacht - symbolisch - dargestellt; Benennung der Fahrradteile nach DUDEN-Bildwörterbuch). Der Dünnblech-Hy draulikfluid-Vorratsbehälter (4), trapezförmig, dem Winkel zwi schen Sitzrohr und Unterrohr angepaßt und an beiden Rohren mit tels angeschweißter Flachbandteile vibrationssicher angeschraubt, ist nebst Einfüllstutzen mit Belüftungs-/Entlüftungsfunktion mit Anschweißverschraubungen für Saug- und Leckrückführleitungen sowie dichtender Ablaßschraube ausgestattet. Sitz des Rücklauffilters (3), in Aufbau-Ausführung, ist die Behälteroberfläche. Die Breite des Behälters (4) ist auf den Raum zwischen den Tretkurbeln be schränkt. Der Einfüllstutzen ist für mögliche Sturzrichtungen auslaufgesichert.

Die Hydropumpe (1) ist im unteren Rahmenknotenpunkt situiert und gemäß Zeichnung Nr. 5 ausgebildet. Das Rahmenknoten-Querrohr (1.1), das zugleich als Gehäuseschale dient, ist beidseitig an den Rändern mit Gewindebohrungen zur Befestigung der Deckplatten (1.3) versehen. Mittig plaziert sind Ein- und Auslaßöffnung sowie sol che für Druckregler (1.4), in Fahrtrichtung, und Stellschraube (1.5), jeweils mit entsprechenden Öffnungen des Gehäuserings (1.2) korrespondierend.

Die Hydropumpe (2), nach Zeichnung Nr. 6, ist, dem verfügbaren Raum angemessen, von geringerer Breite, ähnelt jedoch im Aufbau der Hydropumpe (1), d. h. besteht aus der Gehäuseschale (2.1), gleichen Durchmessers, mit Gewindebohrungen zur Befestigung der Deckplatten (2.3) versehen, und Gehäusering (2.2), wobei die Öff nungen des Gehäuses sich auf Ein- und Auslaß beschränken. Koaxial mit den Öffnungen verschweißte Verschraubungen bilden die Anbin dung an das Rohrsystem.

Die Schnellkupplungen (5) sind mit beidseitigem Rohranschluß in die Verbindungsleitungen zwischen Hydropumpe (1), Rücklauffilter (3) und Hydromotor (2) in Motornähe eingefügt.

Das Verhältnis des vollen Fördervolumens der verstellbaren Hydro pumpe (1) zum konstanten Schluckvolumen des Hydromotors (2) be dingt die konstruktiv beeinflußbare Maximalübersetzung des An triebs.

C. Funktionsweise (Zeichnungen Nr. 5-6)

Ausgangslage ist die ma ximal exzentrische Position des Statorrings (1.6) der Hydropumpe (1). In solcher Lage sind die Stellschraube (1.5) einerseits und die vorgespannte Feder des Druckreglers (1.4) anderseits in Null stellung. Deshalb gelangt der durch Pedalbetätigung gewonnene Förderstrom bis auf Leckverluste ungeschmälert zum Hydromotor (2) und bewirkt eine der Kadenz direkt proportionale, doch um die Grundübersetzung vergrößerte Drehzahl des Rotors (2.4). Bei Auf wärtsfahrt wächst progressiv der Steigungswiderstand als Haupt faktor des Bewegungswiderstands (Roll-, Walk- und Luftwiderstand konstant erachtet) und parallel mit diesem der Systemdruck. Letz terer bewirkt nach Erreichen des eingestellten Grundwerts, daß sich die einer größeren Kraft ausgesetzte Feder des Druckreglers (1.4) kürzt und der Statorring (1.6) sich in Richtung kleinerer Exzentrizität bewegt. Entsprechend sinkt bei unveränderter Kadenz die Drehzahl des Hinterrads, folglich die Geschwindigkeit, doch die Eingangsleistung bleibt konstant. Dieser Regelvorgang wieder holt sich lastabhangig und stufenfrei in beiden Richtungen (stei gender und sinkender Druck): eine schaltungsfreie Übersetzungsan passung ist das Resultat. Grenzwert ist ein Förderstrom nahe Null in Statorringstellung nahe Mitte bei Erreichen des Druckmaximums, entsprechend der Torkelgeschwindigkeit.

Bei Änderung der Voreinstellung der Stellschraube (1.5) wird der maximale Förderstrom folgerichtig begrenzt. Adäquat fallen Leis tung, Übersetzung, ergo Fahrtgeschwindigkeit. Der Ansprechpunkt der Feder kann dabei gleich bleiben (Feder um Verstellwert der Verstellschraube (1.5) verlängert) oder erhöht belassen werden, so eine weichere oder härtere Fahrcharakteristik ergebend. Die Übersetzungsanpassung funktioniert hierbei unverändert auf be schriebene Weise.

II Vollversion A. Schaltbild

(Zeichnung Nr. 1; Schnellkupplungen (5) nunmehr un berücksichtigt; Abkürzung SP = Schaltposition, bei Ventilen; Steu er- und Leckleitungen in Strichlinie gezeigt). Folgende Neben kreisläufe bzw. Nebenwege bedingen, zum beschriebenen Hauptkreis lauf hinzugefügt, die Vollversion (für 2-4 Hydropumpe (1) jeweils inaktiv).

1. Normalfahrt

Der Hauptkreislauf ist um drei Bauteile (6, 7, 8) erweitert. Somit ergibt sich folgende Abwandlung der Zirkulation: Behälter (4) - Hydropumpe (1) - 3/3-Wege-Proportionalventil (6; SP 0) - Wechselventil (7) - Hydromotor (2) - 3/2-Wegeventil (8; SP I) - Rücklauffilter (3) - Behälter (4).

2. Freilauf

Hydromotor (2) - 3/2-Wegeventil (8; SP 0) - 3/2-Wege ventil (9; SP 0) - Wechselventil (7) - Hydromotor (2).

3. Speicherfüllung

Behälter (4) - Rückschlagventil (10) - 3/3- Wege-Proportionalventil (6; SP 0) - Wechselventil (7) - Hydropum pe (2) - 3/2-Wegeventil (8; SP 0) - 3/2-Wegeventil (9; SP I) - 2-Wege-Stromregelventil (11) - Sicherheitsblock (13) - Druckspei cher (12) oder, nach Beendung des Füllvorgangs, Druckbegrenzungs ventil des Sicherheitsblocks (13) - Behälter (4).

4. Speicherentleerung

Druckspeicher (12) - Sicherheitsblock (13) - 2-Wege-Stromregelventil (11) - 3/3-Wege-Proportionalventil (6; SP I) - Wechselventil (7) - Hydromotor (2) - 3/2-Wegeventil (8; SP I) - Rücklauffilter (3) - Behälter (4).

5. Speichervorfüllung

(optional). Behälter (4) - Hydropumpe (1) - 3/3-Wege-Proportionalventil (6; SP II) - 2-Wege-Stromregelventil (11) - Sicherheitsblock (13) - Druckspeicher (12).

B. Aufbau

(Zeichnung Nr. 3; Bezugshinweise unverändert). Die Kon struktion der Hauptkomponenten gleicht bis auf den entsprechend dem Speichervolumen vergrößerten Hydraulikfluid-Vorratsbehälter (4) jener für die Grundversion. Die hinzugekommenen Ventile: das Proportionalventil (6), die Wegeventile (8, 9) sowie das Stromre gelventil (11) sind an bekannte Bausteine angelehnte Niederdruck- Neukonstruktionen der kleinsten Nenngröße, vorgesehen für Rohr einbau, mit Gewindebohrungen zur Befestigung am Sitzrohr über an dieses angeschweißte Flachbandstücke. Das Gleiche gilt grundsätz lich für den Sicherheitsblock (13), der jedoch am Druckspeicher befestigt ist. Das Wechselventil (7) und das Rückschlagventil (10), im Wesen bestehendem Fertigungsprogramm entnommen, sind der superleichten Baureihe angepaßt.

Alle genannten Ventile sind im Raum zwischen Sitzrohr und hinte rem Schutzblech untergebracht und beschädigungssicher verkleidet. Der Druckspeicher (12), horizontal resp. leicht aufwärtsgeneigt angeordnet, ist mangels angestrebter 3-Liter-Kompakteinheit mit eliptischem Querschnitt durch 1-2 Rundspeicher als Niederdruck- Adaptation bestehender Baugröße, mit einem Nutzvolumen von ca. 1,5 l, ersetzt. Zur Befestigung, mittels zweier Klemmbänder, dient ein festverbundener Zusatzrahmen mit Aufliegefläche unmittelbar über dem Schutzblech. Der Gepäckträger ist demzufolge über dem Druckspeicher plaziert und dient so zusätzlich zu seinem Schutz.

C. Funktionsweise

Bezüglich der Grundfunktion kann auf Abschnitt I-C verwiesen werden. Die Einstellungen der hinzugekommenen Ven tile ergeben sich entsprechend den fünf angeführten Nutzungsbe reichen wie folgt:

1. Normalfahrt

Ohne Ingerenz des Fahrers resultiert für das:

- 3/3-Wege-Proportionalventil (6): die normale Schaltposition "0" bleibt eingerastet (wird ansonsten über Betätigung eines extra Schalthebels am Lenker via Bowdenzug erreicht),
- Wechselventil (7): Einflußrichtung unverändert,
- 3/2-Wegeventil (8): durch Druckaufbau gegen den Federwiderstand wird automatisch die Schaltposition "I" erreicht.

2. Freilauf

Die teilweisen Neueinstellungen der Ventile bedürfen keiner Manipulation, i.e.:

- 3/3-Wege-Proportionalventil (6): Schaltposition "0" bleibt ein gerastet,
- Wechselventil (7): durch den anwachsenden Druck auf das Sperr element wechselt dieses selbstgängig die Seiten,
- Hydromotor (2): die Drehrichtung bleibt erhalten - der Hydromo tor arbeitet als Pumpe,
- 3/2-Wegeventil (8): durch Druckabbau bewirkt allein die Feder den Übergang in Schaltposition "0",
- 3/2-Wegeventil (9): die durch Federkraft stabilisierte Schalt position "0" bleibt erhalten.

3. Speicherfüllung

Diese erfolgt generell während der Abwärts fahrt, ihre Initierung dagegen - über einen mit dem Bremshebel vorzugsweise des Hinterrads gekoppelten, in der Phase vorgestell ten Bowdenzug vor Beginn des normalen Bremsvorgangs am bezügli chen Rad. Somit ergibt sich im Vergleich zum Freilauf folgendes Einstellungsbild:

- 3/3-Wege-Proportionalventil (6), Hydromotor (2), 3/2-Wegeventil (8), Sicherheitsblock (13) - keine Änderung,
- Wechselventil (7): selbsttätige Umkehrung der Einflußrichtung,
- 3/2-Wegeventil (9): infolge besagter Bremshebelbetätigung Über gang in Schaltposition "I",
- Rückschlageventil (10) und 2-Wege-Stromregelventil (11): durch Ansprechen für Durchfluß geöffnet.

Der Füllvorgang wird mit Erreichen des zulässigen Höchstdrucks durch Aktivierung des Druckbegrenzungsventils als Bestandteil des Sicherheitsblocks (13) beendet; die Anzeige des Manometers (14) signalisiert die Zweckmäßigkeit der Rückstellung des Bremshebels, falls die Bremswirkung der zweiten Bremse dies erlaubt.

4. Speicherentleerung

Der Zeitpunkt der Rückgewinnung der ge speicherten Energie liegt im Ermessen des Fahrers, das Nutzstrom volumen dagegen ist nur von der normalerweise einmaligen Einstel lung des 2-Wege-Stromregelventils (11) beeinflußt und - prinzip gemäß - unabhängig von der Druckdifferenz. Nachstehende Einstel lungsvariante im Vergleich zu jener des Hauptkreislaufs bedingt die Entleerung:

- 3/3-Wege-Proportionalventil (6): manuell eingerastete Schaltpo sition "I" (bei Pedalstillstand) oder gewählte Zwischenposition "I-0" (bei Pedalbetätigung, d.i. fördernder Hydropumpe (1)),
- restliche einbezogene Komponenten: Einstellungen unverändert.

Im Übergangsbereich zwischen den Schaltpositionen "I" und "0" ad dieren sich somit im wählbaren Verhältnis Speicherstrom und Pum penstrom zum Schluckstrom des Hydromotors (2).

5. Speichervorfüllung (optional)

Dieser Vorgang beruht auf Betä tigung der Hydropumpe (1) im Stand oder in Langsamfahrt und wird durch folgendes Arrangement ermöglicht:

- 3/3-Wege-Proportionalventil (6): manuelle Umstellung des Schie bers auf Schaltposition "II" - für Fahrradstillstand - oder auf Zwischenposition "II-0" - für Langsamfahrt.
- restliche einbezogene Komponenten: ohne Neueinstellung.

Während des Füllvorgangs findet infolge wachsenden Speicherdrucks die einer Verstellpumpe eigene selbsttätige Förderstromminderung statt.

Claims

1. Hydrostatischer, selbsttätig verstellbarer Fahrradantrieb mit

- einer Flügelzellen-Verstellpumpe (Hydropumpe) mit selbsttätiger druckabhängiger Fördervolumenanpassung,
- einem Flügelzellen-Konstantmotor (Hydromotor),
- einem Druckspeicher zum Speichern von Bremsenergie,
- einem Hydraulikfluid-Vorratsbehälter und
- hydraulischen Verbindungsleitungen zwischen diesen Komponenten, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verbindungsleitungen
- ein manuell betätigbares 3/3-Wege-Proportionalventil (6),
- ein selbsttätig arbeitendes Wechselventil (7),
- ein federbelastetes 3/2-Wegeventil (8), das andererseits mit Systemdruck beaufschlagt ist,
- ein beim Bremsen betätigbares 3/2 Wegeventil (9) und
- ein Rückschlagventil (10), angeordnet sind, wobei
- das 3/3-Wege-Proportionalventil (6) eine Verbindung zwischen Hydropumpe (1) und Hydromotor (2) in einer Grund- Schaltstellung (0), eine Verbindung zwischen Druckspeicher (12) und Hydromotor (2) in einer anderen Schaltstellung (I) und eine Verbindung zwischen der Hydropumpe (1) und dem Druckspeicher (12) in einer weiteren Schaltstellung (II) herstellt,
- das Wechselventil bei Stillstand der Hydropumpe (1) einen Kurzschlußkreislauf für den Hydromotor (2) öffnet,
- das federbelastete 3/2-Wegeventil (8) bei Druckabfall eine Verbindung zum Kurzschlußkreislauf oder zum Druckspeicher herstellt,
- das beim Bremsen betätigbare 3/2-Wegeventil (9) alternativ zum Kurzschlußkreislauf oder zum Druckspeicher hin öffnet und
- das Rückschlagventil (10) ein Ansaugen von Hydraulikfluid aus dem Hydraulikfluid-Vorratsbehälter (4) durch den als Pumpe arbeitenden Hydromotor (2) zum Laden des Druckspeichers (12) ermöglicht.

2. Hydrostatischer Fahrradantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung zwischen Druckspeicher (12) und Hydromotor (2) ein 2-Wege-Stromregelventil (11) zur Einstellung einer maximalen Durchflußmenge zum Hydromotor (2) vorgesehen ist.