-
Wechselgetriebe zur Übertragung periodisch ungleichförmig wirkender
Kräfte, insbesondere für Fahrräder Wenn eine Kraft, die sich üi gewissen gleichen
Zeitabschnitten (Kraftphasen) regelmäßig verändert, durch ein übertragungsglied
von gleichförmigem übersetzungsverhältnis übermittelt wird, so ergibt sich eine
periodische Änderung des Drehmoments. Und zwar ist in jedem Zeitpunkt das Drehmoment
proportional der Kraft. Wenn nun aber das Übertragungsglied in gleich langen Zeitabschnitten
(Übertragungsphasen) sein übersetzungsverhältnis regelmäßig ändert, so überlagert
die übertragungsphase die Kraftphase und bestimmt je nach Lage der 'beiden Phasen
gegeneinander den periodischen Drehmomentverlauf.
-
Bekannte periodisch veränderte Kräfte sind beispielsweise die Fußkraft
des Radfahrers, die auf eine Handkurbel ausgeübte Kraft, der Kolbendruck -eines
Kolbenmotors, der Widerstand eines Kolbenpumpwerkes. Die Kraft braucht durchaus
nicht drehend zu sein, sondern kann auch geradlinig verlaufen. Gleichfalls bekannt
sind periodisch ungleichförmig wirkende Übertragungsglieder, wie elliptische, !ellipsenähnliche
oder exzentrische Ketten-oder Zahnräder, Hebelübersetzungen, Kardanübertragungen,
Kurvenschleifen usw.
-
Um. nun eine weitere Veränderung des zu übertragenden Drehmomentes
vornehmen zu können, wird erfindungsgemäß bei insbesondere für Fahrräder bestimmten
Wechselgetrieben zur Übertragung ungleichförmig wirkender Kräfte die Phase eines
periodisch ungleichfiönmüg wirkenden übertragungsmittels gegenüber der Phase der
Kraft verschoben.
-
Die Wirkung einer solchen Kraft- und Übertragungsphasenverschiebung
sei an dem Beispiel des elliptischen Kettenradgetriebes erläutert (s. Abbildung).
-
Tretkurbel'1(1,1(2, ihre Lagerung O, Kette L und hinteres:, getriebenes
Kettenrad M sind in üblicher Weise ausgebildet, nur das sonst kreisrunde, vordere,
treibende Kettenrad 1V, das auf der Kurbelachse vierdrehbar ist, besitzt in an sich
ebenfalls bekannter Weise elliptische Gestalt. Es wird in den gewünschten Stellungen
gegenüber der Kurbei durch eine Feststellvorrichtung gehalten, die durch Hand- oder
Fußbetätigung ausgelöst werden kann. Um. die Kette auf der nicht ziehenden (hier
unteren) Seite straff zu halten und vor dem Herausspringen zu schützen, wird bei
stark elliptischen Kettenrädern der Kettenspanner vorgesehen, z. B. in Form eines
durch Feder angedrückten oder in Form eines fest, aber exzentrisch gelagerten Kettenspannerrades,
das zweckmäßigerweise den halben Umfang des elliptischen Kettenrades erhält. Die
Größe des jeweilig wirksamen Hebelarmes des elliptischen Kettenrades ist bestimmt
durch die Strecke zwischen Drehpunkt O des Kettenrades und denn Punkt Q auf seinem
Umfang, in dem die Kette L ihn als Tangente -auf der treibenden Seite (in diesem
Falle oben) berührt.
Infolge der elliptischen Form des Kettenrades,
ändert sich -die Länge des wirksamen Kettenradhebelarmes periodisch von der Größe
der kurzen bis zu der der langen Achse und wieder zurück bis zu der der kurzen Achse
des elliptischen Kettenrades. Infolge der ,symmetrischen Form -des elliptischen
Kettenrades ist sowohl für die rechte als auch linke Tretkurbel des Fahrrades für
die gleiche Winkelstellung im Abwärtsgang (Krafthub) der wirksame Kettenradhebelarm
gleich.
-
Die elliptische Form des Kettenrades bestimmt also in bekannter Weise
die gleichmäßigen Perioden der Übersetzungsänderungen (Übersetzungsphase). Die Kraft,
die der Radfahrer ausübt, ändert sich ständig während. einer Kurbeldrehung (einer
Kraftperiode). Im oberen Totpunkt ist sie nahezu Null, steigt bis zu einem Höchstwert
in der Nähe der vorderen waagerechten Kurbielstellung, fällt bis zu Null in der
Nähe des unteren Totpunktes ab und wirkt als Fußgewicht (beim normalen Radfahrer,
nicht beim Rennfahrer, der auch das Pedal hochzieht) im Aufwärtsgang hemmend, ist
also negativ.
-
Wird nun erfindungsgemäß das elliptische Kettenrad gegenüber den Tretkurbeln
verstellt, so tritt die Phasenverschiebung ein. Im allgemeinen übt der Radfahrer
seine tatsächlich wirksame Kraft nur im wesentlichen in einem Winkel von 9o° (wirksamer
Krafthub) aus, etwa von 45° bis t35° nach oberem Totpunkt. Liegt deshalb die lange
Achse des elliptischen Kettenrades parallel zur Kurbel, ,so wirkt vornehmlich während
des wirksamen Krafthubes der Teil des Nettenradumfanges, der die kleinsten Hebelarme
besitzt. Das übertragene Drehmoment herreicht für diese Ausführung, unter Voraussetzung
gleicher Kraft, seinen größten Wert, allerdings ist auch der Kurbelweg im wirksamen
Kraftimpuls im Verhältnis zur Vorwärtsbewegung des Fahrrades am größten (Berggang).
Stellt man hingegen die lange Achse des elliptischen Kettenrades senfecht zur Tretkurbel,
,so :erreicht das Mittel der im wirksamen Krafthub in Funktion tretenden Kettenradhebielarme
seinen größten Wert; clus Drehmoment ist auf ein Mindestmaß verkleinert, allerdings
auch in gleichem Maß der Kurbelweg im wirksamen Kraftimpuls im Verhältnis zur zurückgelegten
Wegstrecke (Schnellgang). Der Ausgleich am Kurbelweg tritt bei Durchmessen der Kurlyeltotpunktbereiche
ein, doch ist dies ohnehin eine Leerlaufbewegung, die der Radfahrer ausübt.
-
Durch das geringere Widerstandsdrehmoment zu Anfang des Krafthubes
im Berggang ist es dem Radfahrer erleichtert, den Krafthub frü'h'er als normal (also
früher als 45° nach oberem Totpunkt) anzufangen und den bewegten Massen seineenergische
Beschleunigung zu geben. Weiterhin erhöht die größere Fußgeschwindigkeit die lebendige
Kraft des Fußgewichts, ,die :ohne zusätzliche Muskelanstrengung hilft, den Krafthub
weiter als normal (also weiter als z35° nachoberem Totpunkt) durchzuführen. Der
Kraftweg wird dadurch also verlängert. Beim Schnellgang tritt das entsprechend Umgekehrte
ein.
-
Somit ergibt die Verstellmöglichkeit der Kurbelstellung beim elliptischen
Kettenrad gegenüber den Achsen ,dieses Kettenrades (Phasenverstellung) die Wirkung
eines beliebig regelbaren Wechselgetriebes.