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Die Erfindung beinhaltet ein zusätzliches Handantriebssystem für muskelbetriebene Fahrzeuge vorzugsweise für Liegeräder mit drei oder vier Rädern, die primär mit einem bekannten Fußpedalantrieb eines Fahrrads angetrieben werden.
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Stand der Technik
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Die Geschichte des Fahrrads beginnt mit einfachen Laufrädern aus Holz und Stahl, bei denen der Fahrer auf dem Sattel des Fahrrads saß, und mit seinen Füßen sich am Boden samt Fahrzeug zum Zweck des Antriebs abgestoßen hat. Solche Laufräder erfreuen sich noch heute als Lernräder für kleine Kinder (oft wieder in Holzbauweise wie zu Beginn) großer Beliebtheit. Mitte des 19. Jahrhunderte folgten die Hochräder mit direktem Fußantrieb des Vorderrads über Pedale angebracht an der Vorderradachse und einem lenkbaren Hinterrad. Aufgrund der 1:1 Übersetzung von Pedalen zu Vorderrad waren die Vorderräder bis über 2 Meter im Durchmesser, um akzeptable Geschwindigkeiten zu erreichen. Zwischen 1850 und 1900 wurden auf Basis dieser Hochradkonstruktionen auch drei- und vierrädrige Hochräder erfunden und gebaut. Vermutlich wurden dabei auch diverse alternative Antriebsmöglichkeiten auf der Basis von Hebeln und Kurbelantrieben ausprobiert.
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Mit Beginn des 20. Jahrhunderts etwa kristallisiert sich das heutige Fahrrad in seiner Form mit zwei gleichgroßen Rädern mit Luftgummibereifung heraus, wobei das Vorderrad gelenkt wird und das Hinterrad über Fußpedale am Rahmen und eine Zahnkette laufend über zwei Kettenrädern mit unterschiedlicher Zähnezahl angetrieben wird. Mit Raddurchmessern von 1 Meter und kleiner und Übersetzungeverhältnissen des Kettenantriebs von 1 : 4 bis 1 : 3 wurden Geschwindigkeiten über 25 km/h für jeden Radfahrer möglich. Diese klassische Fahrradform hat sich bis heute bewährt und erhalten. Hinzu kamen noch Schaltgetriebe mit Umwerfen der Kette sowohl an der Pedalachse als auch am Hinterrad (z.B. typische heutige Mountainbikeschaltung mit 3 x 9 Gängen) oder mit Ändern des Übersetzungeverhältnisses durch schaltbare Planetengetriebe in der Hinterradnabe (z.B. Spitzenmodell 14 Gang Nabenschaltung der Fa. Rohloff).
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Die Art eines optimalen menschlichen Muskelantriebs hat sich dabei in den letzten ca. 100 Jahren in der dazugehörigen Form herausgebildet mit wechselseitigem Herabtreten der Beine auf die Fußpedale von oben nach unten. Dadurch wird neben der Andruckkraft des sich herabbewegenden Beins auch sein Gewicht noch antriebswirksam, wenn der Fahrer das sich aufwärtsbewegende Bein quasi nach oben zieht. Im Sportbereich werden Klickpedale und -schuhe benutzt, die eine feste Verbindung zwischen Schuh (und damit Fuß) und Pedal herstellen. Damit ist es möglich auch mit dem hochzuziehenden Bein weitere Kraft einzusetzen, was die Antriebsleistung weiter steigert. Die Beinbewegungen sportlich trainierte Fahrer gehen weit über das simple Hoch- und Niedertreten noch hinaus, indem auch am oberen und unteren Totpunkt der Pedalumdrehung durch geschickte Bewegung des Fußes und des Unterschenkels weiteres Drehmoment erzeugt wird. Der heutige Pedalantrieb zeichnet sich dadurch aus, daß er fast alle Bewegungen im Beinbereich in mechanische Antriebsleistung umsetzen kann und nur ein geringer Prozentsatz der Beinbewegung nicht antriebswirksam wird. Alle Weltrekorde im Fahrradbereich sind mit dieser Antriebsmethode entstanden und selbst der erste Flug eines Human Powered Vehicles über den Ärmelkanal (https://www.hpv.org/luft.html) wurde mit einem Fahrer in Sitzposition und Pedalantrieb (Dauerleistung 600 bis 800 W) ausgeführt.
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Trotzdem hat es in den letzten hundert Jahren nicht an Versuchen gefehlt, den Antrieb des Fahrrads weiter zu verbessern, indem Lösungen gesucht wurden, bei denen die Arme zusätzlich zum Pedalantrieb zum Antrieb beitragen. Von neueren Patentanmeldungen seien hier exemplarisch die
DE 10 2017 000 144 B3 , die
AT 506 916 A2 oder die
DE 20 2004 012 001 U1 genannt. Sie sind im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet daß versucht wird, eine Hin- und Herbewegung der Arme über Hebelstangen und Kurbeltriebe auf die Pedalwelle zu übertragen und dabei noch einen zusätzlichen Freiheitsgrad der Arme für Lenkbewegung zu behalten. Die Übertragung der vorwiegend linearen Handbewegung in letztlich eine Drehbewegung der Pedalwelle über Kurbeltriebe hat den generellen Nachteil, daß die angreifende Armkraft in den zwei Totpunkten des Kurbeltriebs nicht antriebwirksam ist und nur in der Mitte dazwischen voll in Drehmoment gewandelt wird. D.h. nur etwa in der Hälfte der Armbewegung kann der Fahrer effektiv zusätzliche Antriebsleistung erzeugen, obwohl er die Arme mit den dazugehörigen Mechanismen jedesmal eine deutlich größere Strecke bewegen muß, was zusätzliche Verlustarbeit bedeutet. Weiterhin haben solche Handantriebslösungen am Fahrrad als Balancefahrzeug den Nachteil, daß sie den Fahrer mit Ausführung der Antriebsfunktion, der Lenkfunktion und der Balancefunktion durch die Hände überfordern können. Besonders in schwierigen Geländeabschnitten sind solche Fahrräder instabil. Einen sehr guten Überblick über hand- und fußangetriebene Fahrräder gibt z.B.
Carsten Hofmann, „Fahrrad Zukunft", Ausgabe 17, 2014, oder https://fahrradzukunft.de/17/hand-and-foot-bikes.
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Beide oben genannte Nachteile von Handantrieben mit Hebel- und Kurbelmechanismen umgeht z.B. die
DE 101 06 283 B4 , die einen Handantrieb für einen Roller (d.h. Fahrrad ohne Pedalantrieb) beschreibt. Der Lenker des Rollers besteht aus zwei auf- und abwärts bewegbaren Hebeln, die die angreifende Armkraft über ein Kette-Rolle-System auf die Vorderradnabe des Rollers direkt übertragen. Beide Hebel werden durch eine umlaufende Kette synchron auf- und abwärts bewegt. In jeder der beiden Bewegungen treibt das rechte oder das linke Kettenrad auf der Vorderachse jeweils über einen Freilauf das Vorderrad an. Auf diese Weise wird während der gesamten Schwenkbewegung der Handhebel die Antriebskraft ohne nennenswerte Verluste in Drehmoment am Vorderrad gewandelt. Gelenkt wird der Roller durch Drehung der Handhebel um die Lenkachse des Vorderrads - eine Bewegung ähnlich zum Fahrradlenker. Allerdings ist der Lenkeinschlag durch die notwendige Spannung der umlaufenden Kette erschwert. Die Balance des Rollers wird vom Fahrer durch den tiefen Standpunkt der Füße auf dem Trittbrett ohne weitere Bewegungen (wie Pedalbewegung) besser realisiert als bei Handantriebsfahrrädern. Ein gleichzeitiges Benutzen des Handantriebs zusammen mit Tretantrieb des Rollers dagegen erscheint sehr instabil. Vermutlich gibt es in der Literatur noch weitere Lösungen, bei denen zyklische Hin- und Herbewegungen der Arme durch ein System aus zwei Freilaufkupplungen auf einer Antriebswelle sehr effektiv die Armkraft in Drehmoment umwandeln.
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Eine weitere interessante Lösung eines Fahrradantriebs mit zwei Freilaufzahnrädern auf einer Welle stellen die seit etwa 20 Jahren bekannten Street Stepper dar, bei denen die Beine des Fahrers auf zwei Trethebeln stehen, wobei jeweils die Abwärtsbewegung eines Hebels mittels eines Systems aus Kette und Freilaufzahnrad in eine Drehbewegung auf einer gemeinsamen Welle umgewandelt wird. Von der gemeinsamen Welle aus wird die Antriebsleistung z.B. über eine konventionelle Kettenschaltung (z.B. 3 x 9 Gänge) auf das Hinterrad geleitet. Die Trethebel sind nicht synchronisiert. In der Aufwärtsphase wird kein Antrieb geleistet.
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Fahrräder mit drei Rädern und vereinzelt mit vier Rädern haben sich in den letzte 50 Jahren von selbstgebauten Testrädern einzelner Enthusiasten zu einer kleinen Industrie entwickelt. Die Vorteile von zweirädrigen Liegerädern (geringer Luftwiderstand durch tiefer sitzenden Fahrer mit Beinantrieb nach vorn) wurden auf dreirädrige Fahrräder übertragen. Praktisch alle Lösungen von dreirädrigen Fahrrädern haben einen Pedalantrieb für die Füße, wobei das Tretlager leicht unterhalb bis leicht über der Sitzhöhe des Fahrers liegt. Gewöhnlich über eine deutlich längere Kette.mit Ketten- oder Nabenschaltung wird die Antriebsleistung zum Hinterrad bzw. zu den Hinterrädern gebracht. Im Falle einer Hinterachse aus zwei Rädern wird entweder nur ein Rad angetrieben oder ein Differentialgetriebe eingesetzt.
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Eine vergleichsweise weitaus günstigere Situation bzgl. des Einsatzes von zusätzlichen Handantrieben besteht bei Fahrrädern mit drei oder vier Rädern. Der Fahrer braucht hier keine Balancierfunktion auszuführen, weshalb mehr Freiheitsgrade der Armbewegung zum Handantrieb zur Verfügung stehen. Handantriebe für drei- und vierrädrige Fahrräder sind in der Literatur weitaus weniger beschrieben als das bei zweirädrigen Fahrrädern des Fall ist.
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Dreirädrige Fahrräder mit alleinigem Handantrieb wurden sowohl nach dem 1. Weltkrieg als auch nach dem 2. Weltkrieg in größerer Stückzahl für die zahlreichen Kriegsverwundeten als „Selbstfahrer“ gebaut. Sie waren geeignet für beinverletzte Fahrer, die mit den Händen sowohl den Antrieb als auch die Lenkfunktion ausführen konnten.
(Siehe https://www.schule-bw.de/faecher-undschularten/gesellschaftswissenschaftliche-und-philosophische-faecher/landeskundelandesgeschichte/module/bp_2016/imperialismus_und_erster_weltkrieg/im_feld_und _an_der_Heimatfront/im-grossen-krieg-hardheimer-buerger-im-erstenweltkrieg/ab3m.pdf)
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Der Antrieb erfolgte über zwei schwenkbare Handhebel rechts und links des Sitzes, die über je einen Kurbeltrieb mit den Hinterrädern des Selbstfahrers verbunden waren. Die Lenkung des gewöhnlich kleineren Vorderrads wurde mit einem Drehgriff am rechten oder linken Handhebel bewirkt. Diese einfache Konstruktion konnte innerhalb von kurzer Zeit in größeren Stückzahlen unter Nutzung vieler Fahrradteile gebaut werden. Prinzipbedingt durch den Kurbelantrieb, kann der Fahrer nur im mittleren Teil der hin- und herschwenkenden Armbewegung Antriebsleistung erzeugen. Trotzdem haben diese Fahrzeuge für eine Vielzahl von Kriegsverwundeten ihre Alltagstauglichkeit bewiesen.
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Ein weiteres Beispiel für eine Handantriebslösung eines vierrädrigen Fahrrads ohne Fußantrieb gibt V. Davydonas, „Velomobile", Verlag Technik Berlin, 1999, S 58 ff. die den Bewegungsablauf beim Rudern auf ein vierrädriges Velomobil überträgt. Durch nach hinten ziehen beider Arme erzeugt der Fahrer über ein Seil - Freilaufrollensystem ein gleichmäßiges Drehmoment auf der Hinterachse zum Antrieb. Die Lenkung des Fahrzeugs erfolgt über die Beine. Wie beim Rudern sitzt der Fahrer auf einem verschiebbaren Sitz und kann die Zugbewegung der Arme mit zusätzlicher Beinstreckung unterstützen, so daß wie beim Rudern möglichst viele Muskelgruppen zum Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt werden. In der Vorschubphase der Hände wird kein Antrieb erzeugt.
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In der
US 2002 / 0 113 402 A1 wird ein dreirädriges Fahrrad mit Handantrieb vorgestellt, das zwei gelenkte Vorderräder und ein angetriebenes Hinterrad aufweist. Der Hauptantrieb erfolgt über die Beine des Fahrers mit Fußpedalen an einer Pedalwelle wie bei jedem Fahrrad. Allerdings wird von hier aus die Drehbewegung der Pedale über Kegelzahnräder auf eine Kardanwelle übertragen, die dann unter dem Sitz wiederum über ein Kegelradgetriebe eine Zwischenwelle antreibt, von der aus über ein Kettenblatt und eine Kette (Sekundärkette) das Hinterrad mit einer konventionellen Kettengangschaltung angetrieben wird. Auf die so geschaffene Zwischenwelle wird die Handantriebsbewegung über Freilaufritzel zusammen mit zwei Primärketten zusätzlich eingekoppelt.
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Der Fahrer sitzt auf einem am Rahmen befestigten Sitz und hat neben sich in günstiger Griffposition zwei Handhebel, mit denen er bei Handbewegung quer zur Längsachse des Fahrzeugs das Fahrzeug lenkt, und mit Vor- und Rückbewegung in Fahrtrichtung das Fahrzeug zusätzlich zum Pedalantrieb antreiben kann. Die die Vor- und Rückbewegung der Handhebel beeinflussen sich nicht gegenseitig und es können daher vom Fahrer gleichläufige als auch gegenläufige Handantriebsbewegungen ausgeführt werden.
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Die Handhebel sind am vorderen Rahmenteil in Fahrtrichtung schwenkbar befestigt, und übertragen die Schwenkbewegung über ein je ein Kettenblatt mit zwei Freilaufzahnrädern samt einem Umlenkritzel und einer umlaufenden Kette auf die Zwischenwelle. Dadurch werden die Handkräfte sowohl für Vor- als auch für Rückbewegung jedes einzelnen Hebels auf die Zwischenwelle in Vorwärtsdrehrichtung effektiv übertragen.
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Der Rahmen, bestehend aus Hinterrad, Rahmen und darauf befestigtem Sitz, der Zwischenwelle mit den Handantriebshebeln und dem Pedalantrieb kann um die Mittelachse des Rahmens in Fahrtrichtung um einen bestimmten Winkel nach rechts und links gedreht werden. Diese Kippbewegung muß der Fahrer durch Gewichtsverlagerung ausführen. Die Rahmendrehung wird auf die Spurstangen der zweirädrigen Vorderachse überführt und lenkt damit das Fahrzeug.
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Obwohl die Übertragung der Handantriebsbewegung zur Sekundärkette im Prinzip sehr effektiv gelöst ist, weist das Fahrzeug insgesamt diverse Nachteile auf:
- • Komplizierte Umwandlung der Handbewegungen über insgesamt zwei Kettenblätter, vier Freilaufritzel und zwei Hilfsritzel unter Nutzung eines schrägen Kettenlaufs,
- • Keine Nutzung der Handhebel zur Fahrzeuglenkung sondern Lenkung durch besonders in Gefahrensituationen womöglich zu langsame und instabile Gewichtsverlagerung,
- • Ineffektivere Weiterleitung des Pedalantriebs über zwei Zahnradgetriebe und Kardanwelle.
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In der
DE 10 2012 109 136 A1 wird ein vorzugsweise zweirädriges Fahrrad mit kombiniertem Hand und Fußantrieb beschreiben. Die Beinbewegung wird auf in Fahrtrichtung horizontal hin und her schiebbare Pedale übertragen, die Handbewegung über lange in Fahrtrichtung schwenkbare Handhebel. Die Lenkung des Vorderrads erfolgt über einen zusätzlich an den Handhebelns angebrachten Mechanismus. Beide Antriebsbewegungen werden mit Hilfe einer Umwandlungseinheit aus zwei oder mehr umlaufenden Primärketten und zwei Freilaufritzeln auf einer gemeinsamen Zwischenwelle erfaßt und zusammengeführt. Von der Zwischenwelle aus erfolgt der Antrieb des Hinterrads über eine Sekundärkette ggf. unter Nutzung einer typischen Naben- oder Kettenschaltung. Es werden mehrere Varianten unter anderem auch noch unter Nutzung zusätzlicher Sperrklinken zwischen Handhebeln und Primärketten beschrieben. Obwohl die in der
DE 10 2012 109 136 A1 gezeigte lineare Umwandlungseinheit sehr kompakt ist, und eine Vielzahl von Umwandlungsmöglichkeiten zuläßt, weist sie entscheidende Nachteile auf:
- • Die Beinbewegung, die den Hauptteil des Antriebs bereitstellt, ist ineffektiv, weil aufgrund der erhöhten Sitzposition des Fahrers es besonders bei nicht ausgestrecktem Bein zu einem Winkel von mehr als 45° zwischen Bewegungsrichtung der Pedale auf der Umwandlungseinheit und Hauptkraftrichtung der Beine kommt. Nur die Kraftkomponente in horizontaler Richtung der Pedalbewegung wird antriebswirksam.
- • Ein ähnlicher Winkelmismatch besteht in der Übertragung der Handhebelschwenkbewegung auf die lineare Umwandlungseinheit, so daß auch die Handkräfte nicht voll antriebswirksam werden können.
- • Weil die Handhebel selbst nicht zu Fahrzeuglenkung benutzt werden, ist ein zusätzlicher komplizierte Lenkmechanismus erforderlich.
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In der
FR 2 843 938 A1 wird ein dreirädriges Fahrrad beschrieben, das insbesondere auch für die Rehabilitation behinderter Menschen eingesetzt werden kann, und deshalb sowohl mit allen Fuß- und Handbewegungen als auch z.B. nur mit Antrieb eines Beins und der Arme angetrieben werden kann. Der Antrieb erfolgt über ein ungelenktes Vorderrad in einer Gabel, die starr mit dem Rahmen des Fahrrads verbunden ist. Rechts und links neben dem Vorderrad, ist direkt an der Gabel der Fußantrieb angeordnet, bei dem eine Vor- und Rückwärtsbewegung über eine umlaufende Kette oder Zahnriemen auf ein zwischen Sitz und Vorderrad liegendes Zwischengetriebe übertragen wird. Beide Beinantriebe können unabhängig voneinander betrieben werden. Die Zusammenführung der Vor- und Zurück-Beinbewegung erfolgt im Zwischengetriebe mit mehreren Freilaufrädern auf eine gemeinsame Abtriebswelle, von der aus das Vorderrad über eine Sekundärkette angetrieben wird. Der Handantrieb erfolgt mit in Fahrtrichtung Hin- und Herschwenken der Handhebel, die unten drehbar auf je einer Achse angeordnet sind, die wiederum in das Zwischengetriebe in Rahmenmitte über Freilauf- und Hilfszahnräder die Handbewegung letztlich der Sekundärkette zuführen. Gelenkt wird mit den zwei Rädern der Hinterachse, wobei die Lenkbewegung mit Hilfe der Handgriffe zusätzlich erzeugt und über ein kompliziertes Übertragungssystem den Rädern der Hinterachse zugeführt wird. Ein optionaler Antrieb mit Elektromotor kann am Zwischengetriebe installiert werden und sowohl dem Fahrer fehlende Antriebskräfte ersetzen als auch mechanische Verluste der umfangreichen Antriebslösung ausgleichen.
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Aus der Sicht eines effektiven Hand- und Fußantriebssystems weist die
FR 2 843 938 A1 dagegen ähnliche Nachteile wie die schon zitierte
DE 10 2012 109 136 A1 auf:
- • Ineffektiver linearer Beinantrieb aufgrund nur teilweiser Nutzung der Kraftkomponenten der Beine (Winkelmismatch),
- • Div. Getriebeverluste im aufwendigen Zwischengetriebe,
- • Vergleichsweise hohes Gewicht des Zwischengetriebes.
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In der
US 5 242 181 A wird ein zweirädriges vollverkleidetes Liegerad beschrieben, das, um einen möglichst kleinen Luftwiderstand aufzuweisen, im vorn liegenden Pedalantriebsbereich die konventionelle kreisförmige Drehung der Pedale vermeidet, um eine niedrigere Bauhöhe der Karosse im Frontbereich zu erzielen. Zusätzlich liegt der Fahrer mit seinem Oberkörper schräg nach hinten, so daß ein Fahrzeug mit wenig Querschnittsfläche und kleinem cw-Wert entsteht. Beschrieben werden mehrere Mechanismen, bei denen der Fahrer mit den Beinen zum Antrieb im einfachsten Fall eine wechselseitige Vor- und Zurückbewegung der Beine nutzt. Auch die Führung der Pedale durch ein mehrteiliges Gestänge auf Bahnen wie flach liegende Ellipsen u.ä. sind vorgesehen. Alle diese Mechanismen haben den Vorteil weniger Höhe im Pedalbereich zu beanspruchen als ein konventioneller Pedalantrieb mit z.B. 175 mm Pedalarmlänge.
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In jedem dieser Fälle führt das Schwenken der Fußpedale zu einer Hin- und HerDrehung einer ersten Zwischenwelle um einen bestimmten Winkelbereich. Diese zyklische Drehbewegung wird über einen primären Seil- oder Kettentrieb auf eine vor dem Hinterrad liegende zweite Zwischenwelle übertragen von der aus ein Sekundärkette ggf. unter Nutzung einer Kettenschaltung das Hinterrad antreibt. Um von der ersten Zwischenwelle immer das volle Drehmoment auf die Primärkette als Zugkraft zu übertragen wird statt eines Kettenrads nur eine kreisförmige Sektorscheibe mit gleichem Kettenradius eingesetzt. Da der Winkelbereich der Schwenkung maximal etwa +- 90° beträgt, ist die Sektorscheibe nur etwa halb so groß wie ein vergleichbares Kettenrad, was wiederum eine niedrige Vollkarosse im vorderen Tretbereich ermöglichen soll.
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Ein generelles Problem vom Pedalantrieb sowohl in Liegerädern mit zwei Rädern als auch in Fahrrädern mit drei oder vier Rädern ist durch die nahezu horizontale Ausrichtung der antreibenden Beine begründet. Antriebsnutzarbeit wird im wesentlichen durch Vorwärtsstrecken der Beine erzeugt. Die bei aufrechter Sitzposition am Fahrrad vorhandene Gewichtsunterstützung durch das gesamte Beingewicht ist in der Liegeradposition stark vermindert. Nur die Füße und vielleicht ein Teil des Unterschenkelgewichts liefern hierzu Beiträge. Dagegen muß der Fahrer für das zyklische Heben und Senken des Knie- und Oberschenkelbereichs zusätzliche Verlustarbeit aufwenden, die nicht zum Antrieb beiträgt. Simple Abschätzungen zeigen, daß diese Verlustarbeit proportional zur Trittfrequenz ist und 10 bis 20% der Beinantriebsleistung bei 90 U/min erreichen kann. Dies ist ein prinzipbedingter Nachteil aller Liegeräder, der aber bei Geschwindigkeiten über etwa 25 km/h durch den weitaus geringeren Luftwiderstand teil- oder vollverkleideter Liegeräder wieder kompensiert wird.
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Besonders Anfänger ohne Klickpedale überlasten beim Fahren mit Liegerädern in der Vordruckphase ihre Beinmuskeln bereits nach kurzen Fahrstrecken. Besser ist das Fahren mit Klickpedalen, weil da auch beim Beinrückzug Nutzarbeit erzeugt wird, d.h. fast doppelt soviel Muskeln tragen zum Antrieb bei, wie ohne Klickpedale. Der Einbezug weiterer Muskelpartien zum ermüdungsfreien Fahren über Tagestouren und länger wäre trotzdem wünschenswert.
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Drei- und vierrädrige Fahrräder haben konstruktionsbedingt Gewichte von typisch 25 bis 50 kg, d.h. sind zwei oder drei mal so schwer wie Fahrräder, was bewirkt, das an Steigungen mehr Antriebsleistung benötigt wird. An Steigungen im Stehen fahren (und mit dem gesamten Körpergewicht antrieben) wie bei Fahrrädern ist bei Liegerädern nicht möglich. Infolgedessen wird bei drei- und vierrädrigen Fahrrädern deutlich mehr selbst an kurzen Steigungen geschaltet, um die Anstieg zu überwinden. Hier wäre ein kurzzeitiger Zusatzantrieb durch Einsatz weiterer Muskeln von Vorteil, weil er flüssiges Fahren ohne Schalten ermöglichen würde.
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Zusammengefaßt bestehen die Nachteile des Muskelantriebs von drei- und vierrädrigen Fahrrädern in:
- • Obwohl ausgereifte Pedalantriebe mit leistungsfähigen Ketten- oder Nabenschaltungen eingesetzt werden, erzeugt der Fußantrieb aufgrund der etwa horizontalen Antriebsrichtung der Beine prinzipbedingt bis zu 20% weniger Antriebsleistung.
- • Eine kurzzeitige Antriebsleistungserhöhung (wie mit im Stehen fahren beim Fahrrad) ist mit dem horizontalen Pedalantrieb nicht möglich.
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Obwohl eine Vielzahl von technischen Lösungen für zusätzliche Handantriebe von drei- und vierrädrigen Fahrrädern bekannt sind, weisen diese mehrere Nachteile auf:
- • Die Handantriebskräfte werden über vergleichsweise komplizierte Getriebe aus Hebeln, Zahnrädern und Ketten in eine Drehbewegung des anzutreibenden Rades umgewandelt.
- • Die dadurch entstehenden Handantriebslösungen sind vergleichsweise schwer und erreichen nur geringere mechanische Wirkungsrade als ein alleiniger Ketten- oder Seiltrieb.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin die oben genannten Nachteile des Muskelantriebs von drei- und vierrädrigen Fahrrädern durch die Einführung eines wahlweise nutzbaren, effektivem Handantriebs zusätzlich zum Pedalantrieb zu überwinden, der den Einsatz weitere Muskelpartien zum Antrieb ermöglicht und der sich gut mit der Lenkfunktion des Fahrzeugs verbinden läßt. Diese Aufgabe wird durch ein muskelbetriebenes Fahrzeug mit einem zusätzlichen Handantrieb gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei sich weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen aus den Unteransprüchen 2 bis 4 ergeben.
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Beschreibung des erfindungsgemäßen Handantriebs
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Dreirädrige Fahrräder existieren im wesentlichen in zwei Formen der Anordnung der Räder:
- • Zweirädrige gelenkte Vorderachse und ein angetriebenes Hinderrad,
- • Ein gelenktes Vorderrad und zweirädrige angetriebene Hinterachse. Vierrädrige Fahrräder weisen zwei gelenkte Vorderräder und zwei angetriebene Hinterräder auf.
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Allen diesen Bauformen ist gemeinsam, daß sie einen Rahmen (Fahrgestell) aufweisen an dem die Achsen gefedert oder ungefedert angebracht sind und über einen auf dem Rahmen angebrachten Fahrersitz verfügen. In alle diese Bauformen kann ein Pedalantrieb für die Füße des Fahrers mit Schaltgetriebe integriert werden.
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Alle drei Bauformen können mit dem erfindungsgemäßen Handantrieb ausgestattet werden. Dazu werden rechts und links neben den Beinen des Fahrers zwei Handantriebshebel am Rahmen so angebracht, daß ihre Griffe für die Hände des Fahrers sowohl vorwärts und rückwärts in Fahrtrichtung als auch quer zur Fahrtrichtung bewegt werden können. Der so entstehende Bewegungsraum für die Fahrerhände soll bei für den Pedalantrieb günstiger Sitzposition von etwa rechtwinklig angewinkelten bis zu ausgestreckten Armen reichen. In der Fahrzeugquerrichtung ist ein Schwenkbereich von etwa max. +- 15 cm realisierbar und ausreichend.
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Die so entstehende Vor- und Rückbewegung der Handantriebsgriffe wird für den Zusatzantrieb über ein mechanisches freilaufbasiertes Übertragungssystem auf den Pedalantrieb geleitet. Fahren ohne Handantrieb (z.B. in engen Kurven o.ä.) ist damit ohne Handantrieb problemlos möglich. Die Handantriebshebel weisen bzgl. der Bewegung in Fahrtrichtung eine mechanische Verbindung auf, die dafür sorgt, das jeweils ein Hebel sich in Vorwärts- und der andere in Rückwärtsbewegung befindet.
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Das Schwenken der Handantriebshebel quer zur Fahrtrichtung wird durch eine mechanische Verbindung (ähnlich Spurstange beim Auto) so gestaltet, daß sich beide Hebel synchron nach rechts zum rechts abbiegen bzw. umgekehrt in jeder Antriebsposition bewegen.
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Es gibt etliche Sportarten mit kombinierter Arm- und Beinbewegung, von denen hier zwei als methodisches Vorbild zum Bewegungsablauf dienen können:
- • Skilanglauf und dort mehr das Laufen im Diagonalschritt als Skaten mit Stockeinsatz indem Arm- und zugehörige Beinbewegung diagonal über den Rücken einen Spannungsbogen bilden und Kräfte im menschlichen Körper gut mit Gegenkräften kompensiert werden können.
- • Nordic Walking, bei dem die Stöcke umgekehrt wie die Schritte gesetzt werden, was eine sich ausgleichende Pendelbewegung von Becken- und Schulterbereich bewirkt
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Während Anfänger im Liegeradfahren oft den Kniebereich überlasten, indem sie jeweils ein Bein voll gegen die Pedale drücken, wobei die Fahrersitzlehne die Gegenkraft aufnimmt, soll die erfindungsgemäßen Lösung in Anlehnung an das Diagonalprinzip von z.B. dem Skilanglauf ermöglichen, das wenig Gegenkräfte zum Sitz kommen, und die Arm- und Beinkräfte sich über den Rückenbereich weitgehend kompensieren.
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Beim erfindungsgemäßen Handantrieb bestimmt der Fahrer selbst in welcher Zuordnung die Handbewegung relativ zur Pedalbewegung erfolgen soll. Alle Zuordnungen sind möglich (von rechtes Bein und rechter Arm vor bis zum Umgekehrten).
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der maximale Bewegungsbereich der Handantriebsgriffe durch die Dimensionierung der Einkoppelmechanik zum Pedalantrieb so bemessen, daß der maximale Bewegungsbereich eines Arms etwas mehr als eine halbe Pedalumdrehung überstreicht (typisch ca. 210° - 240°). Der Fahrer entscheidet dadurch selbst, bei welcher Fußstellung er die Handbewegungsrichtung umkehren will und synchronisiert so ständig die Antriebsbewegungen. Auch kürzere Teilhube des Handantriebs (z.B. zwei oder drei kurze kräftige Teilhübe während eines Pedalhubs zum Anfahren) sind möglich.
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Die Überführung der ungefähr linearen Handbewegung vom Handantrieb in eine Drehbewegung der Hinterräder erfolgt durch mehrere Teillösungen:
- a) Zwei voneinander in unabhängige Richtungen schwenkbare Handhebel:
- Die Handantriebshebel weisen einen oberen rohrförmigen Teil der Länge l bis zum Handgriff auf, wo der Fahrer den Handantriebshebel mit der Kraft F1 bewegt. Nach unten werden die Handantriebshebel durch eine kreisförmige Sektorscheibe zur Seilaufnahme mit dem Radius r und einem Schwenkwinkel von typisch +-45° fortgesetzt. Zwischen diesen beiden Teilen weisen die Handantriebshebel ein Lager in der Form eines Kreuzgelenks auf, so daß neben der für den Antrieb genutzten Vor- und Zurückbewegung unabhängig davon auch Querbewegungen absepariert werden können und der Lenkung des Fahrzeugs zugeführt werden können. Die Sektorscheiben ermöglichen die Mitbewegung eines Seils in Schwenkrichtung an jedem Punkt mit der Kraft F2=F1*r/l.
- b) Auf vier Umlenkrollen und zwei Freilaufrollen umlaufendes Seil:
- Über vier Umlenkrollen wird ein umlaufendes geschlossenes Seil angeordnet. Vorzugsweise sind die Umlenkrollen an einem Rahmenteil des Fahrrads befestigt, und bilden die Eckpunkte eines Rechtecks. Außerdem umschlingt das Seil je auf der rechten und linken Seite noch eine Freilaufseilrolle. Die Freilaufseilrollen sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet und die Freiläufe koppeln in gleiche Drehrichtung ein. Das Seil wird an den beiden Außenseiten des Rechtecks mit den unter a) beschriebenen Sektorscheiben der Handantriebshebel verbunden. Durch das umlaufende Seil entsteht eine gegenläufige Schwenkbewegung beider Handantriebshebel, wobei sich Armzugkraft des einen Handantriebshebel und Armdruckkraft des anderen Handantriebshebel unter Berücksichtigung der Hebelverhältnisse am Seil addieren.
- c) Anordnung der Freilaufrollen auf gemeinsamer Welle mit den Fußantriebspedalen:
- Vorteilhafterweise werden die zwei Freilaufseilrollen nach b) so angeordnet, daß sie zusammen mit dem Tretlager und den Pedalen samt Pedalarmen eine gemeinsam Achse aufweisen. Durch Anbringen von zwei weiteren Pedalarmen jeweils auf der Außenseite der Fußpedale, die wiederum zu zwei weiteren Wellenteilen führen, die in Achsrichtung der Tretlagerachse liegen und die Freilaufseilrollen aufnehmen, entsteht eine kurbelwellenartige Antriebsachse auf der sich Fußantriebsbewegungen der Pedale und Handantriebsbewegungen über die Freilaufseilrollen addieren.
- d) Anordnung der Freilaufrollen auf einer Zwischenwelle mit Einkopplung in den Kettenantrieb der Pedale:
- Wenn die Integration der Freilaufseilrollen mit der Pedalwelle nach c) auf Schwierigkeiten stößt, z.B. wenn nicht genügend Rahmenbreite im Bereich der Pedale zur Verfügung steht, oder wenn ein Elektroantrieb im Tretlagerbereich dies erschwert, kann auch eine separate Zwischenwelle mit den zwei Freilaufseilrollen und einem Kettenritzel die Handantriebskräfte in die Kette übertragen. Diese Zwischenwelle wird zwischen Tretlager und Hinterachse, vorzugsweise unter dem Sitz so angeordnet, daß die Freilaufseilrollen nach b) im Bereich des rechteckförmig umlaufenden Seils liegen.
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Wie die nachfolgenden Applikationsbeispiele zeigen, gibt es mehrere Möglichkeiten unter Nutzung der obigen Konstruktionsprinzipien, die nahezu linearen Vor- und Rückbewegungen der Hände des Fahrers in ein konstantes antreibendes Drehmoment zu wandeln.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein dreirädriges Fahrrad schematisch mit einem Fahrer der mit den Beinen einen konventionellen Pedalantrieb bedient und mit den Armen zwei Handantriebshebel mit den gezeigten Bewegungsrichtungen für Zusatzantrieb und Lenkung bewegt.
- 2 das Prinzip einer Handantriebslösung mit direkter Umwandlung der linearen Handbewegung in eine Drehbewegung der Pedalwelle mittels eines umlaufenden Seils in der Draufsicht für beide Antriebshübe mit den als Pfeile gezeigten Bewegungsrichtungen.
- 3 die Handantriebslösung von 2 in der Seitenansicht, wobei nur die rechte Handantriebseinheit gezeigt ist.
- 4 das Prinzip einer Handantriebslösung mit direkter Umwandlung der linearen Handbewegung in eine Drehbewegung einer Zwischenwelle mittels eines umlaufenden Seils in der Draufsicht für beide Antriebshübe mit den als Pfeile gezeigten Bewegungsrichtungen.
- 5 die Handantriebslösung von 4 in der Seitenansicht, wobei nur die rechte Handantriebseinheit und der Verlauf der Antriebskette gezeigt ist
- 6 das Prinzip einer Handantriebslösung mit direkter Umwandlung der linearen Handbewegung in eine Drehbewegung der Pedalwelle mittels vier umlaufender Kettenstücke in der Draufsicht für beide Antriebshübe mit den als Pfeile gezeigten Bewegungsrichtungen.
- 7 die Handantriebslösung von 6 in der Seitenansicht, wobei nur die rechte Handantriebseinheit gezeigt ist.
- 8 das Prinzip einer Handantriebslösung mit direkter Umwandlung der linearen Handbewegung und der Pedalbewegung in eine Drehbewegung einer Propellerwelle mittels eines umlaufenden Seils in der Draufsicht für beide Antriebshübe mit den als Pfeile gezeigten Bewegungsrichtungen
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Ausführungsbeispiele
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Alle im Folgenden gezeigten Ausführungsbeispiele werden vom Fahrer 1 in der gleichen Art und Weise bedient. Sie unterscheiden sich in der Lösung der Kraftübertragung von der Armbewegung bis hin zum Hinterradantrieb. 1 zeigt dazu exemplarisch ein dreirädriges Fahrrad mit einem Vorderrad 4 und zwei Hinterrädern 3, und mit einem auf einem Sitz 2 sitzenden Fahrer 1. Die erfindungsgemäße Lösung kann genauso in dreirädrigen Fahrrädern mit zwei Vorderrädern 4 und einem Hinterrad 3 oder in vierrädrigen Fahrrädern integriert werden. Der Fahrer 1 treibt mit den Füßen den horizontal vor ihm liegenden Pedalantrieb 6 an. Mit seinem beiden Händen umfaßt er zwei Handantriebshebel 7, die rechts und links neben seinen Beinen angeordnet sind. Das Fahrzeug weist einen Rahmen 5 auf, an dem die Vorder- und Hinterachse (gefedert oder ungefedert), der Sitz 2, der Pedalantrieb 6 und die Handantriebshebel 7 befestigt sind. Der Sitz 2 kann in Fahrtrichtung zur Anpassung an die Fahrergröße verschoben werden. Eine optimale Sitzposition des Fahrers 1 ergibt sich, wenn er mit nahezu ausgestrecktem Bein die vorderste Pedalposition noch erreicht.
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Die Handantriebshebel 7 können zum Zweck des Zusatzantriebs in Fahrtrichtung alternierend vor und zurück geschwenkt werden (siehe Handantriebsrichtung 8), d.h. wenn ein Handantriebshebel 7 nach vorn bewegt wird, sorgt eine mechanische Verbindung beider Handantriebshebel 7 für die Rückbewegung des anderen. Der so entstehende Schwenkbereich der Hände soll je nach Fahrergröße zwischen 200 und 350 mm liegen. Der Schwenkbereich wird für einen gegebene Sitzposition des Fahrers 1 durch Verändern des Schwenkbereichs so eingestellt, daß der nahezu ausgestreckte Arm bis in die vorderste Handantriebshebelposition reicht.
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Die Lenkung des Fahrzeugs erfolgt über die Handantriebshebel 7 unabhängig von Vor- und Zurückbewegung für den Handantrieb indem beide Handantriebshebel 7 gleichsinnig nach rechts (für Rechtsfahrt) oder links (für Lenkrichtung 9 bei Linksfahrt ) geschwenkt werden. Durch die Art der mechanischen Verbindung der Handantriebshebel 7 (z.B. Verbindungsstange mit zwei Kugelköpfen) wird eine spielfreie parallele Schwenkung der Handantriebshebel 7 gewährleistet. An diese Verbindung schließt sich das Lenkgestänge an, das die Lenkung der Vorderachse ausführt. Der Hubbereich der Handgriffe 31 zum Lenken kann maximal +- 15 cm etwa betragen.
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Das Schwenken der Handantriebshebel 7 wird über eine mechanische Verbindungseinheit auf den Pedalantrieb 6 so übertragen, daß eine komplette Vor- oder Rückbewegung der Arme während einer halben Pedalumdrehung erfolgt. Nachdem so die Drehmomente von Pedal- und Handantrieb auf z.B. einer gemeinsamen Welle addiert sind, kann sich, eine beliebige Fahrradgangschaltung (Kettenschaltung, Nabenschaltung, automatisches Getriebe) anschließen und eine optimale Anpassung der Antriebsbewegungen des Fahrers 1 an die Fahrsituation (Steigung, Gegenwind usw.) herstellen. Zwischen Handantriebsmechanik und Pedalantrieb 6 befinden sich ein oder zwei Freilaufkupplungen, die in dem Moment einkuppeln, wenn der Fahrer 1 den Handantrieb betätigt. Dadurch sind beliebige Zuordnungen zwischen Stellung des Fuß- und Stellung des Handantriebs durch den Fahrer 1 wählbar. Ebenso kann der Fahrer 1 (z.B. auf leicht befahrbarer Strasse) den Handantrieb ruhen lassen und nur die Querbewegungen zum Lenken mit den Händen ausführen.
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Die folgenden Ausführungsbeispiele zeigen nun Details verschiedener mechanischer Verbindungseinheiten die die erfindungsgemäße Aufgabe einer möglichst effektiven Kraft- und Drehmomentübertragung zwischen den Handantriebshebeln 7 und dem Pedalantrieb 6 lösen. Auch weitere Kombinationen der nachfolgenden Merkmale in den Ausführungsbeispielen können erfindungswirksam sein.
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Ausführungsbeispiel I
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2 zeigt eine lösungsgemäße mechanische Verbindungseinheit zwischen dem Pedalantrieb 6, bestehend aus dem Tretlager 11, den Pedalen 14, den Pedalarmen 16 und den Kraftangriffspunkten 21 und 26 der beiden Handantriebshebel 7 in der Draufsicht. Alle Komponenten sind auf einem teilweise dargestellten Rahmenteil 10 angeordnet, das nach vorn in Fahrtrichtung durch einen Anschluß 23 am Rahmen 5 bzw. nach hinten durch einen Anschluß 24 am Rahmen 5 fortgesetzt wird. Die Drehmomente von Pedalantrieb 6 und Handantrieb werden auf der um die Freilaufrollenwellen 15 erweiterten Pedalwelle 6 im folgenden als Kurbelwelle 25 bezeichnet, addiert und über ein Kettenrad 12 und eine Kette 13 der Hinterachse ggf. unter Zuhilfenahme einer Gangschaltung zugeführt. Die Kurbelwelle 25 besteht damit aus folgenden miteinander starr verbundenen Komponenten: Tretlager 11 samt Tretlagerachse, zwei Pedalarmen 16, zwei Pedalachsen mit darauf montierten Pedalen 14, zwei weiteren Pedalarmen 16, die zu den Freilaufrollenwellen 15 mit darauf montierten Freilaufseilrollen 18 führen. Zwei auf dem Rahmenteil 10 in Flucht mit dem Tretlager 11 angeordnete Freilaufwellenlager 17 führen die Kurbelwelle 25.
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Die durch Schwenken der Handantriebshebel 7 erzeugten Kräfte (siehe auch 3) greifen an den Kraftangriffspunkten 21 und 26 auf ein umlaufendes Seil 19 zu, welches über die Umlenkrollen 20 befestigt am Rahmenteil 10 über die Freilaufseilrollen 18 geführt wird. Die Seilspannung dieses so gebildeten rechteckigen Seilverlaufs wird mit der Spannvorrichtung 22 eingestellt.
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3 zeigt die Anordnung von 2 in der Seitenansicht von rechts bzgl. der Fahrtrichtung. Nur der rechte Handantriebshebel 7 zusammen mit dem Seil 19 und der rechten Freilaufseilrolle 18 ist gezeigt. Die Hand des Fahrers 1 greift an dem Handgriff 31 an und führt eine rückwärts gerichtete (volle Pfeillinie) oder eine vorwärts gerichtete (gestrichelte Pfeillinie) Bewegung aus. Über den rohrförmigen Teil 30 des Handantriebshebels 7, der um seine Drehachse 37 geschwenkt.wird, wird die Handantriebsbewegung auf den Kraftangriffspunkt 21 am umlaufenden Seil 19 übertragen. Der Handantriebshebel 7 mit seiner Drehachse 37 ist in einer Lenkwelle 32 mit zugehöriger Drehachse 38 montiert, so daß die Lenkwelle 32, die mit den Lenkwellenlagern 33 am Rahmen 5 befestigt ist, Querbewegungen erfaßt und z.B. über die Anschlußpunkte 35, 36 vom Lenkgestänge zur Lenkung der Vorderachse weitergibt. Z.B. könnte eine Verbindungsstange mit Kugelkopf am oberen Anschlußpunkt 35 vom Lenkgestänge angeordnet sein, die zur linken Lenkwelle 32 führt und dort am gleichen oberen Anschlußpunkt 35 vom Lenkgestänge mit Kugelkopf angeschraubt ist. Damit sind die Querbewegungen der beiden Handantriebshebel 7 zur Lenkung des Fahrrads unabhängig von der Handantriebsbewegung synchronisiert. Die Verbindung zum Lenkgestänge der Vorderachse kann in diesem Fall z.B. am unteren Anschlußpunkt 36 vom Lenkgestänge erfolgen.
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Der untere Teil des Handantriebshebels 7 weist eine kreisförmige Seilsektorscheibe 34 auf (Radius gleich Abstand von Drehachse Handantriebshebel 37 und Kraftangriffspunkt 21) mit einem Sektorwinkel, der größer oder gleich dem maximalen Schwenkwinkel des Handantriebshebels 7 in Fahrtrichtung ist. Vorzugsweise in der Mitte der Seilsektorscheibe 34 wird das Seil 19 z.B. mittels einer Klemme an der Seilsektorscheibe 34 befestigt. Es wird erreicht, daß die wirkende Armkraft des Fahrers 1 schwenkwinkelunabhängig ohne Winkelverluste in die am Kraftangriffspunkt 21 angreifende Kraft übertragen wird.
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Das Seil 19 kommend vom Kraftangriffspunkt 21 läuft über die Freilaufseilrolle 18, umschlingt diese typischerweise zwei Mal, und wird über die vordere Umlenkrolle 20 zur anderen Handantriebsseite geleitet. Im hinteren Bereich übernehmen zwei weitere Umlenkrollen 20 die gleiche Funktion, so daß beide Handantriebshebel 7 wechselseitig Schwenken können, gekoppelt mit einer Vor- und Rückbewegung des umlaufenden Seils 19. Der in die Freilaufseilrolle 18 integrierte Freilauf (vorzugsweise Hülsenfreilauf mit minimalem Einkoppelspiel) koppelt bei Drehung im Uhrzeigersinn (Ansicht von rechts in 3) ein und wandelt die Seilkraft in ein Drehmoment auf der Kurbelwelle 25 um, daß sich zu dem durch den Pedalantrieb 6 über die Füße und Pedale 14 erzeugten Drehmoment addiert. Wird die Freilaufseilrolle 18 durch das Seil 19 gegen den Uhrzeigersinn gedreht, koppelt der Freilauf aus und kein Drehmoment wird übertragen. Wenn auf diese Weise die rechte Freilaufseilrolle 18 z.B. auskoppelt, wird die linke Freilaufseilrolle 18 eingekoppelt und überträgt jetzt ein Drehmoment auf die Kurbelwelle 25. Durch diese wechselseitige Funktion der Freilaufseilrollen 18 wird erreicht, daß jede Seilbewegung in ein vorwärts treibendes Drehmoment auf der Kurbelwelle 25 umgewandelt wird. Läßt der Fahrer 1 den Handantrieb ruhen, kann der Pedalantrieb 6 das Fahrrad allein weiter antreiben. Die Pedale 14 drehen sich in Uhrzeigersinn weiter, beide Freilaufseilrollen 18 haben ausgekuppelt. Eine Rückwärtsdrehung (gegen den Uhrzeigersinn) der Pedale 14 verhindert allerdings die Anordnung aus Freiläufen und Seil 19. In Fahrradhinterradnaben von Ketten- oder Nabenschaltungen ist auch ein Freilauf integriert, der antriebsloses Rollen in Fahrtrichtung ermöglicht. Da beim Rückwärtsschieben aber die Kette 13 und damit die Pedale 14 rückwärts drehen, ist bei Kombination dieser Naben mit dem Handantrieb aus 2. und 3 ein rückwärts Schieben nicht möglich. Abhilfe schafft für diesen Fall eine in die Kette 13 Kette integrierte automatische oder manuell bediente Kupplung zum kompletten Auskuppeln der Kraftübertragung zu der Hinterachse.
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In den 2 und 3 illustrieren gestrichelte (rechte Hand vorwärts) und ungestrichelte Pfeile (rechte Hand rückwärts) die zu erwartenden Kräfte auf dem Seil 19 und die zugehörigen Drehungen an der Kurbelwelle 25. Wenn eine Freilaufseilrolle 18 eingekoppelt ist, wird das Seilstück bis zum Kraftangriffspunkt 21 des rechten Handantriebshebels 7 mit einer Zugkraft, herrührend aus beiden Handantriebshebeln 7, belastet. Zwischen Kraftangriffspunkt 21 und Kraftangriffspunkt 26 wird das Seil 19 nur noch mit der Kraft, herrührend aus dem linken Handantriebshebel 7 belastet. Der vordere Seilbereich (ab Freilaufseilrollen 18, Umlenkrollen 20 und Spannvorrichtung 22) wird nur mit deutlich kleineren Kräften gespannt. Deshalb wird dort vorzugsweise die Spannvorrichtung 22 zum Spannen des umlaufenden Seils 19 angeordnet.
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Ausführungsbeispiel II
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Die 4 und 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Kräfte vom Handantrieb über eine separate Zwischenwelle 54 der Kette 13 zugeführt werden. Das hat den Vorteil, daß ein konventioneller Pedalantrieb (aus Tretlager 11, Pedale 14 und Pedalarmen 16) für den Pedalantrieb 6 verwendet werden kann und der Raum im Vorderbereich des Rahmenteils 10 nicht platzmäßig überlastet ist.
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4 zeigt die Draufsicht auf den Handantriebsbereich. Der Rahmenteil 10 weist jetzt mehrere Querstreben auf, auf denen die Lager 53 der Zwischenwelle 54 befestigt sind. Sie tragen die Zwischenwelle 54 mit Ihrer Drehachse 55 auf der zwei Freilaufseilrollen 18 angebracht sind.
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Wie in Ausführungsbeispiel I wird die Handantriebskraft von den Handantriebshebeln 7 auf ein umlaufendes Seil 19 übertragen, das über vier am Rahmenteil 10 befestigte Umlenkrollen 20 geführt wird. Die Freilaufseilrollen 18 auf der Zwischenwelle 54 sind so angeordnet, daß sie vom umlaufenden Seil 19 ein- oder mehrmals umschlungen werden können. Das Seil 19 wird durch eine Spannvorrichtung 22 straff gehalten, die sich jetzt im Gegensatz zu Ausführungsbeispiel I vorteilhaft zwischen den hinteren Umlenkrollen 20 befindet.
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5 zeigt in der Seitenansicht den rechten Handantriebshebel 7, der wie in Ausführungsbeispiel I über eine Seilsektorscheibe 34 die Handkräfte auf das Seil 19 überführt.
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5 zeigt weiterhin, daß die Freiläufe in den Freilaufseilrollen 18 im Uhrzeigersinn einkoppeln. Die Drehbewegung der Zwischenwelle 54 wird über ein Kettenrad 56 auf die Kette 13 passend zur Drehbewegung der Pedale 14 im Uhrzeigersinn eingekoppelt. Um genügend Zähne des Kettenrads 56 der Zwischenwelle 54 im Eingriff zu haben, wird die vom Tretlager 11 kommende Kette 13 über ein Umlenkritzel 60 angehoben.
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Wie bei Ausführungsbeispiel I ermöglicht die Anordnung von zwei Freilaufseilrollen 18 mit einem gemeinsamen umlaufenden Seil 19 auf der Zwischenwelle 54 kein Rückwärtsdrehen. Um trotzdem ein Rückwärtsschieben des Fahrrads zu ermöglichen, kann in der Mitte der Zwischenwelle 54 das Kettenrad 56 manuell oder automatisch über eine schaltbare Kupplung 57 (z.B. Klauenkupplung) von der Zwischenwelle 54 abgekuppelt werden.
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Der Handhebelweg an den Handgriffen 31 soll wieder je nach Fahrergröße zwischen 200 und 350 mm liegen und einer halben Pedalumdrehung entsprechen. Um dies zu erreichen, muß das Gesamtübersetzungsverhältnis des mechanischen Übertragungssystems beginnend bei den Handantriebshebeln 7 und endend am Kettenrad 56 der Zwischenwelle 54 entsprechend bemessen sein.
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In den 4 und 5. illustrieren gestrichelte (rechte Hand vorwärts) und ungestrichelte Pfeile (rechte Hand rückwärts) die zu erwartenden Kräfte auf dem Seil 19 und die zugehörigen Drehungen an der Zwischenwelle 54.
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Ausführungsbeispiel III
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Obwohl in Versuchsfahrrädern mit dem in 2 und 3. gezeigten Handantrieb nach Ausführungsbeispiel I, basierend auf einem umlaufenden Seil, Fahrleistungen von über 5.000 km ohne Seilwechsel erreicht wurden, sind Ausführungsformen z.B. basierend auf einer umlaufenden Kette evtl. von Vorteil bzgl. maximaler Laufleistung. Die 6 und 7 zeigen eine im Prinzip gleich funktionierende erfindungsgemäße Lösung basierend auf einer umlaufenden Kette. Statt des umlaufenden Seils 19 werden vier einzelne Kettenstücke verwendet, die mit 90°-Kettenverbinder 40 miteinander verbunden sind. Die zwei Kettenstücke im Antriebsbereich 42 sind so gerichtet, daß sie über ein Kettenritzel mit Freilauf 39, sowie zwei Führungsritzel 45 laufen können. Aufgrund der um dazu um 90° versetzten Achslage von Umlenkritzeln 41 müssen die Kettenstücke im Umlenkbereich 43 auch um 90° verdreht sein, was die 90°-Kettenverbinder 40 bewirken. Der Unterteil des Handantriebshebels 7 wird als Kettensektorscheibe 46 ausgeführt, wobei die Zähne der Kettensektorscheibe 46 das Kettenstück im Antriebsbereich 42 mitnehmen. Eine separate Befestigung des Kettenstücks im Antriebsbereich 42 an den Kraftangriffspunkten 21 oder 26 ist daher nicht zwingend erforderlich.
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Die Kraftübertragung vom Handgriff 31 bis zur Kurbelwelle 25 erfolgt in 6 und 7 in gleicher Art und Weise, wie bereits im Ausführungsbeispiel I beschrieben. Da die Übertragung der Kräfte auf die Kette und wieder von ihr herunter über eingreifende Zähne erfolgt, muß die Kette weitaus weniger als das Seil 19 in Ausführungsbeispiel I gespannt sein. Die Führungsritzel 45 müssen aber sicherstellen, daß auch bei großen Kettenkräften die Kette nicht über das Kettenritzel mit Freilauf 39 springt. Dazu können die Führungsritzel 45 direkt am Rahmenteil 10 befestigt sein, oder vorteilhaft mit ihren Wellen auf zwei Montageplatten 44 für die Führungsritzel 45 montiert sein, wobei die Montageplatten 44 wiederum drehbar um die Kurbelwelle 25 angeordnet sind.
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Auch eine Handantriebslösung mit einer Mischung aus Ketten- und Seilstücken kann betrieben werden. Z.B. können an die 90°-Kettenverbinder 40 statt der Ketten im Umlenkbereich 43 auch Seilstücke befestigt werden.
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Für die Dimensionierung der Kraftübertragung vom Handgriff 31 bis zur Drehung der Kurbelwelle 25 gilt in Ausführungsbeispiel I, II und III, daß die Längen von Oberteil und Unterteil des Handantriebshebels 7 sowie der Durchmesser der Freilaufseilrollen 18 sowie der Kettenritzel mit Freilauf 39 so bemessen sein sollen, daß für einen bestimmten Hebelweg des Handgriffs 31, der im Bereich von 200 bis 350 mm liegen soll, etwas mehr als eine halbe Umdrehung der Pedalwelle entsteht.
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In den 6 und 7 illustrieren gestrichelte (rechte Hand vorwärts) und ungestrichelte Pfeile (rechte Hand rückwärts) die zu erwartenden Kräfte auf den Ketten und die zugehörigen Drehungen an der Kurbelwelle 25.
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Ausführungsbeispiel IV
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Die erfindungsgemäße Lösung zum Einsatz eines effektiven Handantriebs wurde in ihrer Funktion in den Ausführungsbeispielen I bis III für drei- oder vierrädrige Fahrräder beschrieben, sie ist aber auch für muskelbetriebene Wasser- oder Luftfahrzeuge geeignet. Hier besteht die Aufgabe darin, den sowohl von Armen und Füßen erzeugten Antrieb einer Schiffsschraube 83 bzw. einem Propeller 84 zuzuleiten. Die Drehzahl solcher Propeller ist gewöhnlich größer als die Umdrehungszahl eines Hinterrads vom Fahrrad. Eine Getriebeabstufung wird nicht benötigt. Im Falle eines muskelbetriebenen Flugzeugs soll außerdem der gesamte Antriebsstrang möglichst leicht sein.
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8 zeigt eine solche Lösung, bei der sowohl die Fußbewegung ausgehend von Pedalen 14 eines Pedalantriebs 6 als auch ein Handantrieb basierend auf einem umlaufenden Seil 19 ähnlich zu Ausführungsbeispiel I zur Drehung einer Propellerwelle 82 beitragen. Handantriebshebel 7, wie in 3 gezeigt, greifen an den Kraftangriffspunkten 21 und 26 auf das umlaufende Seil 19 zu, das über vier Umlenkrollen 20 geführt wird. Sowohl das Tretlager 11 des Pedalantriebs 6 als auch die Propellerachsenlager 90 sind an einem Rahmenteil 10 montiert, auf dem auch der Fahrer 1 mittels eines Sitzes 2 sitzt. Die Propellerachse 85 wird im Falle eines Luftfahrzeugs nach vorn zum Propeller 84 verlängert. Im Falle eines Wasserfahrzeugs weist die Propellerachse 85 eine Verlängerung nach hinten mit einer Schiffsschraube 83 im Wasser auf. Die Freilaufseilrollen 18 sind jetzt vorn und hinten in der Propellerachse 85 angeordnet. Ihr Durchmesser ist kleiner, um in einem Handantriebshub mehrere Umdrehungen der Propellerwelle 82 zu erzeugen. Die Einkoppelrichtungen der beiden Freiläufe in den Freilaufseilrollen 18 sind gleich (z.B. im Uhrzeigersinn in 8 bei Ansicht von hinten). Das Seil 19 wird wieder mit einer Spannvorrichtung 22 straff gehalten.
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Die Drehbewegung der Pedalachse wird z.B. über ein Umlenkgetriebe 86 aus Kegel- und Stirnzahnrädern auf die Propellerwelle 82 übertragen. Der Pedalantrieb 6 ist damit immer mit dem Propellerantrieb verbunden. Der Handantrieb kann wie bei allen vorangegangenen Ausführungsbeispielen antreiben oder stehen. Die Propellerwelle 82 dreht sich dann in den ausgekoppelten Freiläufen der Freilaufseilrollen 18.
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Die Hebelverhältnisse der Handantriebshebel 7 (Verhältnis der Längen vom oberen rohrförmigen Teil 30 des Handantriebshebel 7 zur unteren Sektorscheibe 34 des Handantriebshebels 7) und der Freilaufseilrollendurchmesser sowie das Gesamtübersetzungsverhältnis des Umlenkgetriebes 86 sind so zu bemessen, daß eine maximale Handschwenkbewegung von 250 bis 350 mm etwas mehr als einer halben Umdrehung der Pedale 14 entspricht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrer
- 2
- Sitz
- 3
- Hinterrad bzw. Hinterräder
- 4
- Vorderrad bzw. Vorderräder
- 5
- Rahmen
- 6
- Pedalantrieb
- 7
- Handantriebshebel
- 8
- Handantriebsrichtung
- 9
- Lenkrichtung bei Linksfahrt
- 10
- Rahmenteil
- 11
- Tretlager
- 12
- Kettenrad
- 13
- Kette
- 14
- Pedale
- 15
- Freilaufrollenwelle
- 16
- Pedalarme
- 17
- Freilaufwellenlager
- 18
- Freilaufseilrolle
- 19
- Seil
- 20
- Umlenkrollen
- 21
- Kraftangriffspunkt
- 22
- Spannvorrichtung
- 23
- Anschluß am Rahmen 5
- 24
- Anschluß am Rahmen 5
- 25
- Kurbelwelle
- 26
- Kraftangriffspunkt
- 30
- rohrförmiger Teil des Handantriebshebels 7
- 31
- Handgriff
- 32
- Lenkwelle
- 33
- Lenkwellenlager
- 34
- Seilsektorscheibe
- 35
- oberer Anschlußpunkt vom Lenkgestänge
- 36
- unterer Anschlußpunkt vom Lenkgestänge
- 37
- Drehachse Handantriebshebel
- 38
- Drehachse Lenkwelle
- 39
- Kettenritzel mit Freilauf
- 40
- 90°-Kettenverbinder
- 41
- Umlenkritzel
- 42
- Antriebsbereich
- 43
- Umlenkbereich
- 44
- Montageplatte
- 45
- Führungsritzel
- 46
- Kettensektorscheibe
- 53
- Lager Zwischenwelle
- 54
- Zwischenwelle
- 55
- Drehachse Zwischenwelle
- 56
- Kettenrad Zwischenwelle
- 57
- Kupplung
- 60
- Umlenkritzel
- 82
- Propellerwelle
- 83
- Schiffsschraube
- 84
- Propeller
- 85
- Propellerachse
- 86
- Umlenkgetriebe
- 90
- Propellerachsenlager