DE4415611A1

DE4415611A1 - Muskelkraftantrieb für Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge mit integrierter Lenkung

Info

Publication number: DE4415611A1
Application number: DE19944415611
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr Steinbock
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-05-04
Filing date: 1994-05-04
Publication date: 1994-12-08

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Muskelkraftantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Erfindung bezieht sich somit auf einen Antrieb für muskelkraft betriebene Fahrzeuge zu Lande, zu Wasser oder in der Luft, sowie für stationäre Sportgeräte zur Körperertüchtigung. Sie bezieht sich insbesondere auf Fahrräder.

Es sind unterschiedliche Vorschläge bekannt geworden, um die Muskulatur eines Fahrers oder mehrerer Fahrer zum Antrieb eines Fahrzeuges auszunutzen, um die Arbeitsleistung zu optimieren, die Verletzungsgefahr zu minimieren und die Ermüdung möglichst gering zu halten.

So ist es bei dem gattungsgemäßen Stand der Technik nach der DE-OS 37 37 294 bekannt, Fußpedale mit einem Seilzug zu verbinden, deren Bewegung über Freiläufe auf das Hinterrad übertragen wird. Gleichzeitig sind aber die Pedale mit der Lenkung verbunden, so daß zum Antrieb eine gleichzeitige und gleichsinnige Bewegung der Arme und Beine notwendig sind und die Lenkung in nachteiliger Weise beeinflußt wird. Außerdem ist diese Ausführung eines Muskelkraftantriebes wegen der Menge der Antriebe und ihrer Wechselwirkungen wenig geeignet, mehrere Fahrer zur Antriebsleistung einzusetzen, wie es beim Fahrradtandem oder den Rudersportbooten mit mehreren Rudersitzen geschieht.

Aus der DE-PS 88 425 ist ein Fahrradantrieb bekannt, dessen Fahrersitz um einen tiefliegenden Punkt des Rahmens in Längsrichtung schwenkbar gelagert ist. Die Schwenkbewegung wird über eine Kette und Freiläufe auf das Hinterrad übertragen. Zur Arbeitsleistung muß sich der Fahrer angurten und die Hände und Füße auf Teile des Rahmens abstützen. Durch Ziehen der Arme wird der Oberkörper und damit die angegurtete Sitzlehne nach vorne bewegt, wobei der Sitz durch die Gurte mitgenommen wird. Beim Zurückschwenken wird diese Bewegung durch Strecken der Beine unterstützt. Es werden bei diesem Antrieb überwiegend die Arme des Fahrers beansprucht.

Bei einem anderen Sitzantrieb nach US-PS 3979135 wird der Fahrersitz in Längsrichtung auf einer bogenförmigen Bahn geführt. Der Fahrer bewegt den Sitz, indem er sich auf rahmenfesten Lagerpunkten mit den Händen und Füßen abstützt und durch Strecken der Beine und Arme den Sitz bewegt. Der Sitz ist durch einen Kettenzug und ein Freilaufsystem mit dem Antriebsrad, das hinten liegt, verbunden.

Bei einem Antrieb nach WO 91/08943 sind mindestens 2 Antriebe über Freiläufe auf eine senkrechte Achse geleitet. Bis auf den Sitzantrieb weisen alle Antriebe für die Extremitäten und die Schultern eine Führung auf einer Kreisbahn aus. Infolge der mindestens zwei kombinierten Antriebe ist dieser Antrieb technisch aufwendig und behindert den Fahrer beim Ein- und Aussteigen. Bei einem Unfall könnten durch die zahlreichen Stangen und Antriebsmittel leicht Verletzungen entstehen.

Weitere bekannte Muskelantriebe werden im Folgenden beschrieben und ihre Vorteile und Nachteile diskutiert.

Tretkurbelantriebe

Für Muskelkraftantriebe wird bei Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen heute hauptsächlich der Tretkurbelantrieb verwendet (Zweirad mit Fußtretkurbel oder Tretrad mit zusätzlicher Handkurbel, Wassertretrad, Muskelkraftflugzeug "Gossamer Albatros"). Bei diesem Antrieb werden zwei um 180 Grad versetzte Kurbeln durch beide Füße und/oder beide Hände gedreht und die Drehbewegung vom damit verbundenen Kurbelrad über eine geschlossene Rollenkette auf ein Antriebsritzel übertragen.

Bei der aufrechten Stellung des Körpers wird auf diese Weise eine dem Laufen anatomisch ähnliche Bewegung der Füße und Beine in eine Drehbewegung eines antreibenden Rades gewandelt. Dabei werden aber die folgenden Nachteile in Kauf genommen:

1. Das maximale Drehmoment am Kurbelrad ist durch das Körpergewicht von etwa 75 kg und dem Tretkurbelradius nach oben begrenzt.
2. Der wirksame Weg bei einer Kurbelumdrehung beträgt nur 1/π des Kreisumfanges der Drehbewegung der Füße, weil nur die Abwärtsbewegung jeweils eines Fußes zum Antrieb beiträgt und die Bewegung im unteren, oberen und rückwärtigen Teil des Kurbelkreises antriebsunwirksam bleiben.
3. Durch die 180 Grad phasenverschobene Drehbewegung der beiden Füße (Hände) ist das Hüftgelenk (Schultergelenk) der fixe Lagerpunkt und der Arbeitshub damit auf maximal 50 cm beschränkt. Aus gleichem Grunde bewegt sich auch immer nur höchstens ein Fuß (Hand) in Arbeitsrichtung. Die Rumpfmuskulatur wird deshalb nur begrenzt mit zur Arbeit eingesetzt. Bei Bewegungseinschränkung eines Beines kann der Tretkurbelmechanismus nur noch mit Hilfsmitteln bedient werden: Das gesunde Bein muß dann mit einem Pedalschuh das Pedal wieder hochziehen. Die phasenverschobene Drehbewegung der Beine bewirkt außerdem eine Pendelbewegung des einspurigen Fahrzeuges, die durch entsprechende Lenkbewegungen ausgeglichen werden muß.
4. Die Brustkorb- und Zwerchfellatmung wird wegen der starren Haltung von Armen und Körper vom Bewegungsablauf nicht unterstützt.
5. Die wirksame Fläche für den Luftwiderstand hängt von der Körperhöhe und -breite ab und beträgt für den Normalmenschen etwa 0,4 qm.
6. Der Luftwiderstandsbeiwert c_w beim senkrecht stehenden Fahrer beträgt etwa 0.88 und ist wesentlich höher als für einen spindelförmigen Körper.

Die vom Normalmenschen auf dem Fahrrad erzielbare Dauerleistung ist deshalb wegen 5 und 6 bei etwa 30 km/h gleich der Leistung der Luftreibungskräfte die am Körper und Fahrzeug angreifen.

7. Die Länge der Beinknochen vom Hüftgelenk bis zu den Fußspitzen bestimmt den optimalen Abstand des Tretkurbelmittelpunktes vom Sattelpunkt. Deshalb können Kinder noch nicht mit Erwachsenenfahrrädern fahren, weil sie die Pedale nicht erreichen. Insbesondere muß für jeden Fahrer die Sattelhöhe individuell angepaßt werden.
8. Beim Fahrradtandem mit zwei oder N-Fahrern werden beim Tretkurbelantrieb immer N-Tretkurbeln, N geschlossene Ketten und N+1 Ritzel (N große Kettenräder und 1 Antriebsritzel) benötigt. Der mehrsträngige Kettenantrieb ist an sich störanfälliger und mit erhöhtem Verschleiß behaftet als ein einsträngiger Kettenantrieb. Wegen der starren mechanischen Kopplung der einzelnen Kettenläufe kann sich ein einzelner Fahrer nur ausruhen, wenn er die Füße von den Pedalen nimmt und auf feste Fußrasten am Rahmen abstützen kann. Eine Ankoppelung der einzelnen Tretkurbeln an die Kettenläufe über ein Frontfreilaufsystem wie zum Beispiel von der Firma Shimano ausgeführt, ermöglicht zwar dem einzelnen Fahrer sich unabhängig von den anderen auszuruhen, erfordert aber nach wie vor nach N-Kettenläufe und N-Kettenritzel.

Ruderantrieb

Der bekannte Ruderantrieb für Rudersportboote besteht aus einer mit dem Boot fest verbundenen geneigten Fußplatte mit Fußriemen zur Fixierung der Füße, einem Gesäßwagen geführt auf 4 Rollen in zwei U-förmigen Schienen und einem oder zwei Hebeln mit Ruderblättern am äußeren Hebelarm und Handgriffen am inneren Hebelarm. Die Hände führen eine hin- und hergehende Bewegung aus, die etwa eine Ellipse auf einer Kugelfläche beschreiben. Der Fahrer sitzt mit dem Rücken zur Fahrtrichtung. Bei Beginn der ziehenden Bewegung der Hände wird das Ruderblatt durch Drehung des Ruderschaftes in der drehbaren Dolle senkrecht gestellt und in das Wasser getaucht, so daß es dort in Richtung der Bootsachse einen hohen Widerstandsbeiwert hat. Am inneren Ende des Ruderhebels greifen die Hände an und das Boot wird von den Füßen unter Arbeitsleistung der Bein- Körper- und Armmuskeln nach vorn getrieben. Der Impuls der mit dem Ruderblatt nach hinten bewegten Wassermenge wird entsprechend dem Prinzip Actio gleich Reactio als Vorwärtsimpuls auf das Boot übertragen. Zu Beginn der zurückholenden Bewegung werden die Ruderblätter aus dem Wasser gehoben und waagerecht gestellt, so daß die Blattbewegung nach vorn mit geringem Luftwiderstand behaftet ist.

Ein Vorteil beim Rollsitzrudern gegenüber anderen Antriebsformen besteht darin, daß die Bein-, Rumpf- und Armmuskeln beider Seiten zusammen und gleichsinnig eingesetzt werden. Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß der parasitäre Energieaufwand für die Aufrechterhaltung der sitzenden Position geringer als für das Stehen (Zweirad) oder Knieen (Kanu) ist. Ein weiterer Vorteil des Rollsitzruderns zum Beispiel gegenüber dem Wassertretkurbelrad mit senkrechter Körperhaltung ist die hockende Körperhaltung, die einen niedrigen Luftwiderstand zur Folge hat. Außerdem wird durch die gleichzeitige Bewegung der Extremitätenpaare die Zwerchfell- und Brustkorbatmung unterstützt.

Als Nachteile des Ruderantriebes mit drehbaren Dollen und Rollsitz sind aber zu nennen:

1. Die hin- und zurückgehende Bewegung der Arme ist keine rein lineare Bewegung sondern näherungsweise eine Ellipse auf einer Kugelfläche. Die Führung auf dieser Ellipse muß durch Körperkräfte geleistet werden.
2. Die Ruder müssen pro Arbeitsperiode zweimal um ihre Achse gedreht werden und besonders während des Arbeitshubes im Wasser gegen Störkräfte von Wellen und Boot senkrecht gehalten werden.
3. Beim Skullen müssen die Ruder höhenversetzt gezogen werden, um das Einklemmen der Daumen oder Verklemmen der Hebelenden zu verhindern.
4. Beim Riemen erfolgt der Zug einseitig mit entsprechend negativen Auswirkungen auf die Kraftentfaltung und Körperhaltung.
5. Der Ruderer sitzt mit dem Rücken in Fahrtrichtung und kann das Fahrzeug daher nur über Spiegel steuern oder ist auf einen Steuermann angewiesen, der in Fahrtrichtung sitzt und die Lenkung bedient.
6. Der Rollsitz kann zum Beispiel bei starkem Wellengang aus der Bahnführung springen, weil nach oben keine Bahnführung besteht.
7. Die Hebelübersetzung der Ruder durch die beweglichen Dollen ist fest. Größere Übersetzungen mit längeren Rudern führen zu schweren Ruderhebeln mit daraus folgenden parasitären Führungskräften, die nicht dem Vortrieb dienen. Während der Fahrt variable Übersetzungen sind bis jetzt nicht bekannt.
8. Bei ungleichmäßiger Kraftausübung auf die Ruderblattpaare beim Skullen oder durch unterschiedliche Körperkräfte der Ruderer beim Riemen wird durch ungleiche Drehmomente auf beiden Seiten die Lenkung des Bootes beeinflußt.
9. Bei Ruderantrieben mit mehreren Fahrern müssen alle Ruderer die Ruderbewegungen gleichzeitig ausführen, weil ein Ruderer, der sich ausruhen will, die Bewegungen der Anderen stört. Ein Ausruhen einzelner Ruderer während der Fahrt ist deshalb nur möglich, wenn durch Hochhalten der Ruderblätter die Bewegung der anderen Ruder nicht gestört wird. Die dazu notwendige Niederhaltung der Ruderhebel ist unbequem und erfordert ebenfalls Kraft.

Pleuelantrieb

Für Kriegsversehrte, die ein oder zwei Beine verloren hatten, wurden 3-Rad-Fahrzeuge gebaut, die auf jeder Seite einen beweglichen Handhebel mit Griff aufwiesen, der über ein Pleuel auf eines oder beide Hinterräder wirkte und diese in Drehung versetzte. Die Handhebel wurden mit der Kraft der Arme betätigt und die Körpermuskeln blieben weitgehend in Ruhe. Dieser Antrieb hat sich für Sportfahrzeuge nicht durchgesetzt, weil nur die Arbeit der Arme und Hände zum Vortrieb benutzt wird.

Alle vorbeschriebenen Antriebe haben den Nachteil, daß entweder nur einzelne Körperteile zum Antrieb eingesetzt werden, oder daß die Arbeit der einzelnen Körperteile über jeweils verschieden Teilantriebe über eine Anzahl von Differentialen und Freiläufen auf eine Antriebsachse geführt werden, die dann erst ein Laufrad antreibt. Oder die Vervielfachung der Antriebskräfte durch mehrere arbeitsleistende Fahrer ist wegen der komplexen Antriebe nur mit erhöhtem mechanischen Aufwand möglich.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb zu schaffen, bei dem

1. die Bewegung möglichst vieler Muskelpaargruppen des Körpers und der Extremitäten zum Antrieb eingesetzt werden können, ähnlich der Bewegung beim Antrieb von Rudersportbooten mit Rollsitz und drehbaren Dollen.
2. Gleichzeitig soll die Lenkung des Fahrzeuges ohne Beeinflussung durch die Antriebsbewegungen in einfacher Weise möglich sein und der Fahrer in Fahrtrichtung sitzen und damit auch nach vorn sehen können.
3. Außerdem soll durch Hintereinandersetzen von mehreren Antrieben, ähnlich wie beim Fahrrad-Tandem oder bei den Rudersportbooten mit mehreren Rudersitzen die Antriebsleistung in einfacher Weise vervielfacht werden können.
4. Diese drei vorbenannten Aufgaben des Antriebes sollen mit einer möglichst kleinen Zahl von Funktionsgruppen durchgeführt werden und die bereits bekannten Kraftwandler wie Mehrgangnaben und Kettenschaltungen sollen in einfacher Weise einsetzbar sein.

Der Stand der Technik des Zweiradantriebes wird deshalb in den folgenden Punkten vorausgesetzt

1. die vorwärtsgehende Bewegung einer Rollenkette, eines Zahnriemens oder eines Seilzuges wird durch ein Ritzel in die Drehbewegung eines wesentlich größeren Laufrades und damit in eine stark übersetzte, vorwärtsgerichtete Bewegung der Achse und damit des Fahrzeuges gewandelt.
2. Die heute üblichen Vorrichtungen wie Kettenschaltung mit oder ohne Freilauf, Nabenschaltung mit oder ohne Freilauf und mit oder ohne Rücktrittbremse.

Die Erfindungsaufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Antrieb durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 sowie durch die Merkmale der Unteransprüche gelöst. Auf diese Weise wird ein Antriebssystem geschaffen, welches möglichst viele Muskelpaargruppen des Fahrers ausnützt und gleichzeitig die Möglichkeit bietet, einzelne Muskelgruppen je nach Wunsch zum Arbeitseinsatz zu bringen oder auszuruhen.

So werden beim Verbleiben des Gesäßes auf dem festen Sitz und einem festem Handpaarlager zunächst nur die Beinmuskelpaare eingesetzt.

Nach Willen des Fahrers kann er aber auch das Gesäß vom Sitz heben und mit dem ganzen Körper durch Anbeugen der Arme unter der Lenkstange hindurch nach vorn schwingen und auf diese Weise mehr Körpermuskelpaare zum Einsatz bringen.

Es kann aber auch bei festem Fuß- und Gesäßlager ein Handantriebswagen bewegt werden, der mit einem Kettenstrang fest verbunden ist. Bei dieser Anordnung werden Arm- und Körpermuskeln zur Arbeitsleistung herangezogen. Diese Anordnung ist deshalb besonders geeignet, um querschnittsgelähmten Fahrern ein zügiges Fahren mit den verbleibenden Muskelgruppen des Körpers und der Arme zu ermöglichen.

Zum Antrieb ist es vorteilhaft, jeweils Muskelpaare gleichsinnig und gleichzeitig einzusetzen. Bei einseitig Körperbehinderten können aber auch die verbleibenden linken oder rechten Muskelgruppen allein zum Antrieb verwendet werden, ohne daß weitere Vorrichtungen zu Hilfe genommen werden müßten.

Die Lenkung wird vorteilhafterweise von dem Körperteil bewirkt, das am Rahmen fest angreift. Auf diese Weise kann die Erzeugung der Lenkkräfte ohne Störung durch die Antriebskräfte erfolgen. Bei festem Lager des Handpaares kann die Handlagerung zum Beispiel in bekannter Weise als Lenkstange mit annähernd senkrechter Achse ausgeführt werden und die Lenkkräfte durch Seilzüge oder Stoßstangen auf das gelenkte Rad oder die Steuerfläche des Fahrzeuge bei Luft- und Wasserfahrzeugen übertragen werden.

Bei festem Fußpaarlager kann die Winkelstellung des Fußpedales auf die Lenkachse durch Seilzüge oder direkt übertragen werden.

Bei festem Gesäßlager kann die Winkelstellung des um eine senkrechte Achse drehbar gelagerten Sitzes auf die Lenkachse übertragen werden.

Die sitzende Position mit den vorgestreckten oder angewinkelten Beinen ergibt eine geringere Luftwiderstandsfläche als die stehende.

Außerdem kann in einfacher Weise die Antriebskraft durch mehrere hintereinandergesetzte Fahrer vergrößert werden, ohne daß der bauliche Aufwand wesentlich größer als beim Einzelantrieb ist. So können bei mehreren Fahrern die Antriebswagen auf der gleichen Bahn geführt werden und alle Antriebswagen mit demselben Seilzug verbunden werden, der die Rollenkette des Antriebsritzels in Arbeitsrichtung zieht oder alle Antriebswagen werden mit der einzigen Rollenkette fest verbunden.

Die Antriebsnabe und das rückführende Kettenrad können vertauscht werden, so daß sowohl die hintere als auch die vordere Achse angetrieben werden können.

Entsprechend dem Achsabstand der beiden Ritzel können so hin- und hergehende lineare Bewegungen beliebiger Spannweite in die Drehbewegung eines Antriebsrades gewandelt werden. Weil die Spannweite nicht vorgegeben ist, können Fahrer aller Größen einen Antrieb benutzen, der für die größte Körperlänge konstruiert ist. Insbesondere können Kinder auch schon Antriebe für Erwachsene ohne weitere Einstellungen benutzen.

Die maximale Kraftausübung auf den Antrieb wird nur durch die Muskelkraft und die Festigkeit der Antriebskonstruktion bestimmt und nicht durch die Schwerkraft wie beim Fahrrad mit stehendem Fahrer über der Tretkurbel.

Der Fahrer sitzt in Fahrtrichtung.

Der Antrieb wird durch Störkräfte des Tragemediums (Boden, Wasser oder Luft) nicht in seiner Funktion gestört.

Die Fuß-, Bein-, Rumpf- Arm- und Handmuskeln werden zusammen und in symmetrischer Weise zur Antriebsleistung eingesetzt. Dadurch sind entweder höhere Leistungen zu erzielen oder die Antriebsleistung wird besser auf die einzelnen Muskelgruppen verteilt. Durch die symmetrische Bewegung der Arme und des Rumpfes wird die Brustkorb- und Zwerchfellatmung angeregt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Antriebes enthalten die Unteransprüche.

So wird z. B. nach Anspruch 2 die Bewegung des Körpers nach vorn durch einen zusätzlichen frei beweglichen Gesäßwagen unterstützt und geführt. Auf diese Weise werden keine parasitären Kräfte für die Haltung des Körpers zwischen Fußantrieb und Handlagerpunkt verbraucht.

Weiterhin laufen nach Anspruch 3 Antriebswagen und Gesäßwagen auf den gleichen Bahnen, so daß der bauliche Aufwand für die Bahnführungen zweier Wagen nicht wesentlich vergrößert wird. Beim Mehrfahrerantrieb kann jeder Gesäßwagen gleichzeitig die Fußpedale des dahinter sitzenden Fahrers aufnehmen, so daß die Anzahl der Rollwagen bei N-Fahrern nur N+1 beträgt.

Anspruch 5 beschreibt eine Ausführung der Bahnführung des Pedalwagens und gegebenenfalls des Gesäßwagens durch 4 Bahnen und jeweils mindestens 6 Rollen für jeden Wagen. Diese Bahnführung erfordert nicht die Wirkung der Schwerkraft und gewährleistet die Bahnführung auch dann, wenn Störkräfte wie Zentrifugalkraft in der Kurve, Beschleunigungskräfte durch Bodenunebenheiten o. ä. auf die Rollwagen von unten oder von der Seite einwirken.

Im Anspruch 6 wird anstatt der festen Verbindung zwischen Antriebswagen und Rollenkette eine gefederte Sperrklinke eingeführt. Damit ist der Freilauf in der Antriebsnabe nicht mehr notwendig und es können auch Antriebsnaben mit Rücktrittbremse verwendet werden. Somit sind alle im Handel erhältlichen Ketten- und Nabenschaltungen einsetzbar. Beim Mehrfahrerantrieb brauchen sich die Fahrer nicht mehr gleichzeitig in Arbeitsrichtung bewegen, sondern können unabhängig voneinander ihre Bewegungen ausführen.

Nach Anspruch 7 wird die Bahnführung in etwa horizontal ausgeführt. Daraus folgt eine hockende bzw. liegende Körperstellung, deren Luftwiderstandsbeiwert und deren dem Wind entgegengestellte Fläche kleiner als im Stehen ist. Das Fahrzeug ist deshalb leichter durch ein Gehäuse in windschnittige Form zu bringen.

Nach Anspruch 8 werden Fuß- und Gesäßwagen auf nach vorn ansteigender Bahn geführt. Die Arbeitsbewegung nach vorn erfolgt deshalb zusätzlich zum Antriebswiderstand auch gegen die Schwerkraft. Die gespeicherte potentielle Energie des Fahrers wird deshalb bei der zurückgehenden Bewegung gemäß dem Prinzip Actio-Reactio in Bewegungsenergie des Fahrzeuges umgesetzt und unterstützt die Rückkehrbewegung. Außerdem kehren die Rollwagen ohne Fahrer von allein in die Ausgangsposition an hinteren Ende der Bahn zurück.

Nach Anspruch 9 wird die Kraftübertragung zwischen Antriebswagen und Rollenkette durch ein in die Kette eingreifendes Ritzel bewirkt, dessen Freilauf oder Blockieren durch die Winkelstellung der Pedale gesteuert wird. Dadurch kann der Fahrer an jeder Stelle der Bahnbewegung vom Antrieb in den Freilauf oder sogar in eine rückwärtige Bewegung mit Betätigung der Rücktrittbremse übergehen. Bei mehreren Fahrern können die Fahrer unabhängig voneinander ausruhen ohne die Arbeitsbewegung der anderen Fahrer zu stören.

Nach Anspruch 10 wird die Bahnführung auf einem zentralen Längsträger ausgeführt. Auf diese Weise kann ein Landfahrzeug als einspuriges Zweirad in platzsparender Weise ausgeführt werden, weil die handelsüblichen Laufräder mit Antriebsnaben von etwa 120 mm Breite in den Raum zwischen dem linken und rechten Pedal des Antriebswagens passen.

Nach Anspruch 11 greifen sowohl in den oberen hingehenden als auch in den unteren zurückgehenden Kettenstrang jeweils zwei gesteuerte Ritzel ein, so daß unabhängig von der Bewegung des Antriebswagens die Kette immer in der gleichen Richtung bewegt wird. Damit fallen weitere Einschränkungen in der Benutzung von handelsüblichen Antriebsnaben weg. Ähnlich wie bei Anspruch 8 kann bei mehreren Fahrern jeder Fahrer sich unabhängig von den anderen aus der Antriebsleistung ausklinken.

Nach Anspruch 12 wird eine offene Kette verwendet, die mit einer Feder am Rahmen befestigt ist und mit dem anderen Ende mit dem Antriebswagen verbunden ist. Ähnlich wie nach Anspruch 5 wird damit ein Teil der Antriebsenergie gespeichert und unterstützt dann die zurückgehende Bewegung der Antriebswagen.

Nach Anspruch 13 werden beide Ritzel der geschlossenen Rollenkette mit Naben versehen, deren Freiläufe gegensinnig zur Wirkung kommen. Damit kann mit einer festen Verbindung zwischen Kette und Antriebswagen sowohl die hin- als auch die zurückgehende Bewegung an den zwei Antriebsnaben zur Fortbewegung genutzt werden.

Gemäß Anspruch 14 können zur Führung auf der Bahn auch vier Linearkugellager Verwendung finden. Diese führen die Muskelkräfte nicht nur auf acht beweglichen Punkten wie bei der Rollenführung sondern auf der ganzen Länge der Kugelbahnen der Linearkugellager. Störende Momente infolge Unebenheiten des Fahrweges oder infolge der asymmetrischen Zugmittelanbindung des Antriebswagens werden dadurch von der Bahnführung verschleißärmer aufgenommen.

In weiterer Vereinfachung der Bahnführung werden die Bahnen so auf dem Träger angeordnet, daß ein Wagen nur mehr durch vier V-Nuten-Rollen mit senkrechter Achse gelagert werden kann. Die beiden Flanken der V-Nuten schon einer Rolle gewährleisten auf diese Weise einerseits die Führung gegen die Schwerkraft als auch Führung gegen Störkräfte des Weges die durch Schlaglöcher o. ä. hervorgerufen werden. Die symmetrische Anordnung der Bahnen oben auf einem kreisförmigen oder ovalen Rohr mit einem Winkel von etwa 60 Grad zur senkrechten Symmetrieebene hat die folgenden Vorteile: Das Trägerrohr weist auf Grund seiner Form die höchste Steifigkeit gegenüber Biegebeanspruchungen und Torsionen auf. Die Rollwagen können oberhalb des Trägerrohres frei in Längsrichtung bewegt werden, nehmen andererseits aber alle Kräfte quer zur Längsachse und alle Drehmomente auf und leiten sie in das Trägerrohr ein, wo sie antriebsunwirksam bleiben.

Im Anspruch 16 wird durch die Verwendung von nur mehr zwei Linearkugellagern die gleiche vorteilhafte Bahnführung wie nach Anspruch 15 erreicht. Der zusätzliche Vorteil ist wieder wie schon bei Anspruch 14 die bessere Verteilung der Krafteinleitung zwischen Wagen und Bahn auf viele Lagerkugeln.

Durch die Erfindung wird somit ein muskelkraftbetriebener Antrieb für Fahrzeuge aller Art und in allen Medien geschaffen. Durch das Zusammenwirken der einzelnen Muskelpaargruppen auf einen einzigen Antrieb ist eine optimale Ausnutzung der vorhandenen Muskelkräfte möglich. Dadurch kann gegenüber dem Stand der Technik eine wesentlich höhere Gesamtleistung erbracht werden. Es ist aber auch möglich, durch Ausnutzung nur einzelner Muskelpaargruppen oder beliebig kombinierter Muskelpaargruppen die anderen ruhen zu lassen. Dadurch kann die Fahrdauer wesentlich verlängert werden, wenn zum Beispiel einzelne Muskelgruppen bereits ermüdet sind, andere aber noch leistungsfähig sind.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß Körperbehinderte den Antrieb nutzen können, solange nur eine Muskelgruppe des Körpers oder der Extremitäten zur Arbeitsleistung herangezogen werden kann.

Der Antrieb kann auch bei Wasserfahrzeugen Anwendung finden, wenn die Drehbewegung der Antriebsnabe in bekannter Weise durch ein Wasserrad oder eine Kegelradübersetzung auf einen Propeller übertragen wird. Damit sind nun Sportboote möglich, die wie jetzt üblich ein, zwei, vier oder acht Sportler auf einem Fahrzeug zur gemeinsamen Arbeitsleistung einsetzen. Wegen der höheren Effizienz des Antriebes sind damit höhere Geschwindigkeiten erzielbar.

Bei Luftfahrzeugen kann der neue Antrieb ebenfalls Anwendung finden, indem die Drehung der Antriebsnabe durch ein Kegelradgetriebe auf eine in Längsrichtung verlaufende Achse übertragen wird, auf der ein Propeller Vortriebskraft in der Luft erzeugt. Die höhere Effizienz des neuen Antriebes gegenüber dem bis jetzt verwendeten Tretkurbelantrieb für Luftfahrzeuge führt damit zu längerer Flugdauer beim Einzelfahrer. Die bis jetzt beschränkte Nutzung des Muskelkraftflugzeuges auf wenige gut trainierte Hochleistungssportler wird damit einer größeren Zahl von Sportlern möglich. Die Möglichkeit des Antriebes durch zwei oder mehr Sportler erhöht einerseits die Sicherheit des Fluges durch die Redundanz von mehreren Antriebsquellen und erhöht andererseits die Dauer des Fluges gegenüber einem Einzelflieger.

In bekannter Weise kann der Antrieb auch in einem Trainingsgerät zur Körperertüchtigung verwendet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Fig. 1 bis 10 im Folgenden beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: Ansicht des Antriebes von oben,

Fig. 2: Querschnitt auf der Höhe des Pedalwagens,

Fig. 3: Ansicht von der Seite,

Fig. 4: Seitenansicht zu Beginn eines Arbeitshubes,

Fig. 5: Seitenansicht am Ende eines Arbeitshubes,

Fig. 6: gesteuerte Kettenmitnahme durch Reibkupplung,

Fig. 7: Querschnitt durch einen Antrieb mit Zentralträger,

Fig. 8: Querschnitt durch einen Antrieb mit nur zwei Paar Laufrollen,

Fig. 9: Seitenansicht eines Antriebes mit Zentralträger,

Fig. 10. Draufsicht eines Antriebes mit Zentralträger.

In den Figuren ist ein Muskelkraftantrieb für Fahrzeuge mit Sitz und Rahmen dargestellt, bei welchem Bewegungen des Fahrers mittels hin- und hergehender Elemente und einem in einer Richtung ziehenden Ketten- oder Riemenantrieb mit Ritzel über einen Freilauf auf eine Antriebsachse übertragen werden. Wesentlich ist dabei, daß der Sitz (17) ortsfest oder beweglich auf dem Rahmen (16) des Fahrzeuges befestigt ist und daß für ein oder beide Extremitätenpaare (12, 14) des Fahrers je ein auf einer festen Bahn (1) des Rahmens (16) geführter und durch das jeweilige Extremitätenpaar (14, 12) aus einer Ausgangsposition (Fig. 4) gegenüber dem Sitz (10, 17) hin- und herschiebbarer Antriebswagen (4) vorhanden ist. Weiterhin ist der Antriebswagen (4) mittel- oder unmittelbar mit der Kette oder dem Riemen (6) verbunden, wobei die Druckkräfte des oder der Extremitätenpaare (12, 14) durch Bewegen des Antriebswagens (4) und einer Richtung mittels des Kettentriebes (6) auf das Ritzel (7) übertragbar sind. Zusätzlich ist der Antriebswagen (4) zusammen mit der Kette (6) durch den Freilauf (20) wieder in die Ausgangsposition (4) rückbewegbar.

So wurde in einem ausgeführten Beispiel aus Standardteilen ein Rechteckrahmen gebaut, an dessen in Fahrtrichtung liegenden inneren Längsseiten jeweils eine geschliffene Welle 1 (in Fig. 1) befestigt ist, deren Länge näherungsweise der Körpergröße des Normalmenschen entspricht. Das Fahrzeug ist in bekannter Weise als Dreirad ausgebildet mit gesteuertem Vorderrad und zwei spurfesten Hinterrädern.

Auf den Wellen 1 laufen der Antriebswagen 4, auf den die Füße ruhen und der Gesäßwagen 10. Auf jeder Seite der Wagen befindet sich eine senkrechte Platte 3 (in Fig. 2) mit insgesamt vier V-Nuten-Rollen 2 deren Achsen waagerecht liegen und mit der Platte verbunden sind. Jeweils zwei Rollen befinden sich über der Welle und jeweils zwei darunter und umfassen so die Längswelle 1 vermittels ihrer V-Nuten. Der Längsabstand der zwei Rollenpaare ist so gewählt, daß nach den Regeln des Maschinenbaus alle Kräfte und Momente senkrecht zur Wellenachse aufgenommen werden. Durch diese vier Rollen ist jede Wagenseite linear zwangsgeführt und kann nur eine lineare Vor- oder Rückwärtsbewegung ausführen. Durch die Kombination von zwei parallelen Wellen in horizontalem Abstand an den inneren Längsseiten des Rahmens und der festen Verbindung der beiden Rollenplatten durch den Wagen werden auch noch verbleibende Drehmomente um die Längsachse aufgenommen (Fig. 3).

Der vordere Pedalwagen besitzt ein großes oder zwei kleine Pedale (5) deren Achsen aber fest verbunden sind zur Aufnahme der beiden Füße in einem veränderlichem Winkel bezüglich der Vortriebsrichtung. Der Fahrer sitzt auf einem festen Sitz oder frei beweglichen Gesäßwagen 10 und ergreift mit den Händen die beiden Enden einer Lenkstange 9 deren Lager fest mit dem Rahmen, an dem die Bahnführung sitzt, verbunden ist.

In einer erfindungsgemäßen Ausführung nach Anspruch 1 wird der Fußantriebswagen durch eine Stange 11 mit einer Rollenkette 6 verbunden, die unterhalb des linken Rahmenteils verläuft. Diese Rollenkette läuft hinten über das Ritzel 7 einer handelsüblichen Antriebsnabe mit Freilauf und wird dann in bekannter Weise zu einem vorderen Kettenrad 8 geführt, daß hier aber nur die Rückführung der Kette zum Antriebswagen bewirkt. Bei Vorwärtsbewegung der Füße treibt die Kette das hintere linke Rad in Vorwärtsrichtung an und der Freilauf ermöglicht eine kraftarme Zurückbewegung der Rollenkette in die Ausgangsposition.

Der Fahrer kann aus der sitzenden gekrümmten Körperposition mit gestreckten Armen und angezogenen Beinen durch Anwinkeln der Arme, Strecken des Körpers und Strecken der Beine mit den Füßen einen Arbeitshub von etwa 1 Meter und größer erzielen (Fig. 4 und 5).

Zusätzlich zur Erfindung gemäß Anspruch 1 können die vordere und hintere Nabe mit gegensinnigen Freiläufen versehen werden, so das Hin- und Zurückbewegung als Arbeitshub wirken und die Antriebsleistung auf beiden Ritzelachsen ausgekoppelt werden kann. Bei einem Landfahrzeug muß lediglich ein Umkehrgetriebe die rückwärtsgehende Drehung des vorderen Ritzels in die vorwärtstreibende Drehung wandeln. Mit dieser Anordnung wird Arbeit beim Stoßen und Zurückziehen des Laufwagens geleistet. Damit werden noch mehr Muskeln zur Arbeit herangezogen oder die Arbeitsleistung noch besser verteilt.

Ein Nachteil dieser Ausführung ist, daß sich der Freilauf in der Antriebsachse befinden muß, weil die Kette eine hin- und zurückgehende Bewegung ausführt und die zurückgehende Bewegung an jeweils einer Nabe antriebsunwirksam bleiben muß. Beim Zurückrollen des Fahrzeuges zieht so das angetriebene Rad die Kette und damit den Pedalwagen nach hinten. Beim Anstoßen des Pedalwagens am hinteren Wellenende blockiert dieser damit das Zurückrollen. Dies ist hinderlich beim Rangieren des Fahrzeuges.

Die folgende Konstruktion des Freilaufes hat diesen Nachteil nicht:

Am Antriebswagen befindet sich ein drehbares Ritzel, über das der obere Kettenstrang geführt wird (Fig. 6). Bei der Vorwärtsbewegung des Antriebswagens wird durch einen von der Winkelstellung des Fußbrettes gesteuerten Hebel die Ritzeldrehung gesperrt und bei der Rückbewegung wieder freigegeben. Zum besseren Kraftschluß kann das gesteuerte Ritzel durch ein zweites freies Ritzel ergänzt werden, daß die Kette über einen größeren Umfang des gesteuerten Ritzels zwingt und damit besseren Formschluß bewirkt. Damit können auch Antriebsnaben mit Rücktrittbremse Verwendung finden und die Rücktrittbremse kann durch die Fußwinkelstellung beim Zurückziehen betätigt werden.

Werden zwei dieser vom Pedal gesteuerten Ritzel am oberen und unteren Kettenteil angebracht, so wird die Kette bei der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Antriebswagens eine immer gleichsinnige Drehung des Antriebsritzels bewirken und es ist nur eine Antriebsnabe nötig, um die hin und hergehende Bewegung des Antriebswagens zum Vortrieb auszunutzen.

Die beschriebene Ausführung mit den Schienen innerhalb eines Rechteckrahmens führt zu einer Breite des Antriebes von mindestens 25 cm, weil der Antriebswagen zwischen den beiden außenliegenden Rollenplatten die Füße aufnehmen muß. Bei einspurigen Zweirädern kann dieser Antrieb gegebenenfalls die zweckmäßigste Art der Radanordnung behindern. Eine schmalere Anordnung wird im Folgenden beschrieben.

Zwei Führungswellen werden auf den gegenüberliegenden Mantellinien eines Trägerrohres mit Abstandsscheiben so befestigt, daß V-Nutenrollen oberhalb und unterhalb dieser Wellen frei laufen können (Fig. 7). Jeweils vier Rollen auf einer senkrechten Platte umfassen die Wellen von oben und unten in der bereits beschriebenen Weise. Je eine rechte und linke Platte wird durch eine geeignete horizontale Platte fest verbunden und bildet einen Antriebswagen an dem seitlich Pedale auf waagerechte Achsen befestigt werden.

Eine kompaktere Rollwagenbauweise ist in Fig. 8 angegeben. Hier sind zwei Führungswellen auf einem Rohr so angeordnet, daß nur mehr zwei Paar Laufrollen die Wellen von links und rechts umfassen und damit alle Kräfte und Momente bis auf die vor- oder zurückgehende Kräfte aufnehmen.

Unterhalb des Trägerrohres im seitlichen Abstand der halben Antriebsnabenbreite von der Trägerrohrmitte verläuft die Rollenkette, die die Bewegung des Antriebswagens auf die Antriebsnabe überträgt. Die tragenden Teile des Antriebes sind damit nicht breiter als eine handelsübliche Mehrgangnabe und behindern die Anordnung der Laufräder weniger als der oben beschriebene Rahmen.

Der lineare Kettenantrieb in der zuletzt beschriebenen schmalen Ausführung läßt zwischen den Pedalen unterhalb des Trägerrohres Platz für ein spurfestes Laufrad. Um ein kurz bauendes Zweirad zu konstruieren, ist es deshalb zweckmäßig, das Antriebsrad vorn anzuordnen und das hintere Rad zu lenken (Fig. 9 und 10). Das feste Lager für die Hände wird in bekannter Weise als Lenkstange auf einer annähernd senkrechten Achse ausgeführt, an deren beider Enden Zugstangen oder -Seile befestigt sind, die die Winkelstellung der Lenkstange auf die Lenkachse des Lenkrades übertragen. Auf diese Weise können die Hände einerseits lenken und zusammen auch Druck- oder Zugkräfte in bekannter Weise auf den Rahmen ausüben. Es kann aber auch ein festes Lager 24 für die Schultern benutzt werden, wenn die Armmuskeln ermüdet sind.

Bei Landfahrzeugen ist das antreibende Rad gleichzeitig auch Führung des Fahrzeuges über dem Boden.

Bei Wasser- und Luftfahrzeugen wird der Auftrieb im Medium durch die Formgebung des Fahrzeuges erzeugt und der Vortrieb durch einen an sich bekannten dem Medium angepaßten Propeller mit der Achse in Fahrtrichtung.

Bei Wasserfahrzeugen kann daher die Drehbewegung der Antriebsnabe in an sich bekannter Weise auf ein treibendes Wasserrad, einen Propeller oder andere bekannte rotierende Vortriebseinrichtungen übertragen werden. Die Lenkkräfte werden analog der beim Landfahrzeug beschriebenen Anordnung auf ein beweglich gelagertes Steuerruder übertragen.

Bei Luftfahrzeugen kann die Drehbewegung der Antriebsnabe in an sich bekannter Weise durch ein Übersetzungsgetriebe mit Kegelrad auf einen Vortriebspropeller mit Achse in Bewegungsrichtung übertragen werden. Die für ein Luftfahrzeug notwendigen Lenkkräfte um die Hoch- und Längsachse (Seitensteuer und Querruder) können in an sich bekannter Weise erzeugt werden.

Bezugszeichenliste

1 Führungswellen
2 Konkave Rollen (V-Nuten-Rollen)
3 Rollenplatte
4 Antriebswagen
5 Pedalbrett
6 Rollenkette
7 Antreibendes Ritzel
8 Freilaufendes Ritzel
9 Handlager
10 Gesäßwagen
11 Kettenmitnehmer
12 Beinmuskeln
13 Körpermuskeln
14 Armmuskeln
15 Hände
16 Rahmen
17 Fahrersitz
18 Mitnehmerritzel
19 Reibkupplung
20 Freilauf
21 angetriebenes Laufrad
22 gelenktes Laufrad
23 Lenkmittel
24 Schulterlager

Claims

1. Muskelkraftantrieb für Fahrzeuge mit Sitz und Rahmen, bei welchem Bewegungen des Fahrers mittels hin- und hergehender Elemente und einem in einer Richtung ziehenden Ketten- oder Riemenantrieb mit Ritzel über einen Freilauf auf eine Antriebsachse übertragen werden, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) der Sitz (17) ist ortsfest oder axial beweglich auf dem Rahmen (16) befestigt,
b) für ein oder beide Extremitätenpaare (12, 14) des Fahrers ist je ein auf einer festen Bahn (1) geführter und durch das jeweilige Extremitätenpaar (12 oder 14) aus einer Ausgangsposition (Fig. 4) gegenüber dem Sitz (17) hin- und herschiebbarer Antriebswagen (4) vorhanden,
c) der Antriebswagen (4) ist mittel- oder unmittelbar mit der Kette oder dem Riemen (6) verbunden,
d) die Druckkräfte des oder der Extremitätenpaare (12 oder 14) sind durch Bewegen des Antriebswagens (4) in einer Richtung mittels des Kettentriebes (6) auf das Ritzel (7) übertragbar,
e) der Antriebswagen (4) ist zusammen mit der Kette (6) durch den Freilauf (20) wieder in die Ausgangsposition (Fig. 4) rückbewegbar.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz (10 und 17) beweglich auf derselben Bahn (1) wie der Antriebswagen (4) angeordnet ist.

3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Extremitätenpaar (12 oder 14) an einem festen Lager (9) angreift und zusätzlich zum bahngeführten Antriebswagen (4) für das andere bewegliche Extremitätenpaar (14 oder 12) ein weiterer auf einer linearen Bahn (1) frei laufender Antriebswagen (4) mit Verbindung zum Kettentrieb (6) vorhanden ist.

4. Antrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Fahrern eine entsprechende Anzahl von Sitzen mit jeweils einem oder zwei Antriebswagen für die Kette vorhanden sind.

5. Antrieb nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder beide Laufwagen je mindestens vier konkave Rollen aufweist, die auf zwei linearen Bahnen mit konvexen Oberflächen oben laufen und je mindestens zwei weiteren Rollen, die auf ebensolchen Bahnen mit konvexen Oberflächen unten laufen.

6. Antrieb nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Freilauf durch eine gefederte Sperrklinke am Antriebswagen erfolgt, die nur bei der arbeitsleistenden Bewegung in die Kette oder den Zahnriemen eingreift.

7. Antrieb nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahnen annähernd horizontal verlaufen.

8. Antrieb nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die arbeitsleistende Bewegung auf nach vorn ansteigenden Schienen gegen die Schwerkraft erfolgt und die zurückgehende Bewegung durch die Freisetzung der gespeicherten Energie unterstützt wird.

9. Antrieb nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kette über ein freilaufendes Ritzel geführt wird, das bei geeigneten Winkelstellungen der Pedale oder Handgriffe durch einen eingreifenden Hebel blockiert wird und die Kette durch Formschluß mindestens eines Zahnes mitzieht.

10. Antrieb nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnführungen auf beiden Seiten eines einzigen Trägerrohres befestigt sind.

11. Antrieb nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei durch Winkelstellung der antreibenden Extremitäten gesteuerte Ritzel am oberen und unteren Kettenstrang eingreifen und je nach Bewegungsrichtung blockiert werden, so daß die Kette bei Vor- und Rückwärtsbewegung des Antriebswagens in gleicher Richtung mitgezogen wird.

12. Antrieb nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine offene Kette verwendet wird, die mit einem Ende fest am Antriebswagen befestigt ist und am anderen Ende mit einer Zugfeder gespannt wird, die den Pedalwagen nach dem Arbeitshub in die Ausgansposition zurückzieht.

13. Antrieb nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine geschlossene Rollenkette fest mit dem Antriebswagen verbunden ist und auf zwei Ritzel mit gegensinnigen Freiläufen wirkt.

14. Antrieb nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung der Laufwagen auf den Bahnen Linearkugellager verwendet werden.

15. Antrieb nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wagen nur mit 2 Paar konkaven Rollen mit senkrechter Achse auf den äußeren konvexen Oberflächen von zwei Bahnen geführt wird, die in einem geeigneten horizontalem Abstand zueinander auf einem Träger befestigt sind.

16. Antrieb nach Ansprüchen 1, 2 , 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wagen nur durch zwei Linearkugellager geführt wird, die auf den äußeren konvexen Oberflächen zweier Bahnen laufen, die in einem geeigneten horizontalem Abstand zueinander auf einem Träger befestigt sind.