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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem und insbesondere,
jedoch nicht ausschließlich,
ein Antriebssystem für
ein Fahrrad. Das Antriebssystem ist auch auf andere, vom Menschen angetriebene
Fahrzeuge und Mechanismen anwendbar. Die Erfindung betrifft außerdem ein
Fahrrad mit einem Antriebssystem.
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Das
von konventionellen Fahrrädern
verwendete Antriebssystem besteht aus einem Paar rotierender Pedal-Kurbeln,
die über
eine Kette und Zahnräder
mit dem Hinterrad verbunden sind. Dieses System weist bestimmte
Nachteile auf. Insbesondere variiert die Tangentialkraft, die der
Radfahrer auf die Pedale ausüben
kann, beträchtlich
in Abhängigkeit von
der jeweiligen Position der Pedal-Kurbeln und ist nur dann maximal,
wenn die Pedal-Kurbeln
etwa horizontal sind. Dies begrenzt den Wirkungsgrad und/oder die
maximale Wirkleistungsabgabe der Kraft des Radfahrers.
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DE 4404831 A beschreibt
ein Antriebssystem einschließlich
einer Antriebsverbindung, die über Lager
mit einer Kurbel und einer Verbindungsstange verbunden ist. Der
Antrieb wird von der Antriebsverbindung durch die Kurbel auf die
Räder des
Fahrrads übertragen.
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WO
96/22911 beschreibt einen Antriebsmechanismus für ein Fahrrad, bei dem die
Pedale an Zahnstangen angebracht sind, die im Hinblick auf eine
reziproke Bewegung befestigt sind.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antriebssystem
bereit zu stellen, das die zuvor genannten Nachteile abmildert.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrrad
bereit zu stellen, das ein Antriebssystem besitzt, das es dem Radfahrer
ermöglicht,
eine größere Wirkleistungsabgabe
der Kraft bereitzustellen und/oder mit höherem Wirkungsgrad Fahrrad
zu fahren.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Antriebssystem bereitgestellt, das zur Anwendung
in einem Fahrrad geeignet ist, wobei dieses Antriebssystem ein manuell
betätigbares
Mittel und einen mit dem manuell betätigbaren Mittel verbundenen
Antriebsstrang aufweist, um den Antrieb von dem manuell betätigbaren
Mittel zu mindestens einem der Räder
des Fahrrads zu übertragen,
wobei das manuell betätigbare
Mittel für
eine im wesentlichen gradlinige, reziproke Bewegung an einem Hebelsystem
befestigt ist, mit einem ersten Hebel mit einem, mit einem ersten
Drehpunkt befestigten ersten Ende und einem zweiten Ende, welches
drehbar um den ersten Drehpunkt ist, einem zweiten Hebel mit einem
ersten Ende, welches drehbar mit dem zweiten Ende des ersten Hebels
verbunden ist und einem zweiten Ende, an welchem das manuell betätigbare
Mittel befestigt ist, und einer Verbindungsstange mit einem ersten Ende,
welches drehbar mit einem zweiten Drehpunkt verbunden ist, und einem
zweiten Ende, welches drehbar mit dem zweiten Hebel zwischen dessen
erstem und zweitem Ende verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, daß der erste
Hebel für
eine begrenzte reziproke Drehung seines zweiten Endes um den ersten
Drehpunkt ausgelegt und angeordnet ist.
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Obwohl
das Antriebssystem für
die Verwendung in einem Fahrrad geeignet ist, kann es auch dazu
verwendet werden, andere Fahrzeuge oder Mechanismen anzutreiben.
Es ist nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf Antriebssysteme
für Fahrräder zu begrenzen.
Das Hebelsystem erzeugt eine weitestgehend geradlinige reziproke
Bewegung des manuell betätigbaren
Mittels und ist sehr effizient im Betrieb.
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Das
manuell betätigbare
Mittel ist vorzugsweise ein Pedal oder ein Paar von Pedalen, obwohl es
alternativ auch ein Griffstück
sein kann. Die Befestigung des manuell betätigbaren Mittels für eine weitestgehend
geradlinige, reziproke Bewegung erlaubt eine sehr effiziente Zufuhr
von Energie in das Antriebssystem seitens des Benutzers und vermeidet die
Wirkungsschwächen
traditioneller rotierender Kurbelsysteme. Ein Fahrrad, das mit diesem
Antriebssystem ausgestattet ist, kann daher schneller und/oder mit
weniger Anstrengung gefahren werden.
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Vorteilhafter
Weise beinhaltet das Antriebssystem zwei Hebelsysteme, die für eine gegenläufige reziproke
Bewegung miteinander verbunden sind, wobei jeder Hebelsystem ein
manuell betätigbares Mittel
enthält.
Dadurch wird es ermöglicht,
beide Füße oder
beide Hände
zu verwenden, um das System mit abwechselnden Stößen/Zügen anzutreiben.
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Das
Antriebssystem kann eine hydraulische Antriebspumpe beinhalten,
die mit einem dritten Drehpunkt und dem ersten Hebel zwischen dem
ersten und zweiten Ende desselben verbunden ist, um eine Betätigung durch
eine drehende Bewegung des ersten Hebels zu verwirklichen. Das System
kann außerdem
eine Einstellvorrichtung beinhalten, um die Position des dritten
Drehpunkts relativ zum ersten Drehpunkt einzustellen, um die Zuglänge/Stoßlänge des
Zylinders einzustellen. Vorteilhafter Weise ist die Einstellvorrichtung
eine hydraulische Einstellvorrichtung. Die hydraulische Antriebspumpe
kann durch einen hydraulischen Kreislauf mit einem hydraulischen Motor
verbunden sein.
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Die
Verwendung eines hydraulischen Antriebsstrangs ermöglicht es,
den Antrieb effizient auf die Räder
zu übertragen,
während
die Einstellung der Zuglänge/Stoßlänge der
hydraulischen Pumpe ein einfaches Verfahren bereitstellt, um den Übersetzungseffekt
des Antriebssystems einzustellen. Wenn eine hydraulische Einstellvorrichtung
verwendet wird, kann ein automatisches oder halb-automatisches Übertragungssystem
bereitgestellt werden. Obwohl ein hydraulischer Antriebsstrang bevorzugt
wird, kann der Antriebsstrang alternativ rein mechanisch sein.
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Vorteilhafter
Weise ist der hydraulische Antriebsmotor ein Verstellmotor, der
die Einstellung des Übertragungseffekts
des Antriebssystems erlaubt.
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Vorteilhafter
Weise beinhaltet das Antriebssystem eine Mehrzahl an hydraulischen
Motoren and Mitteln zum Anschluß der
Motoren in den hydraulischen Kreislauf, und zwar einzeln, in Serie
oder parallel, um den Übertragungseffekt
des Antriebssystems einzustellen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrrad mit einem
Antriebssystem gemäß der Beschreibung
in den vorhergehenden Absätzen
bereitgestellt.
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Das
Fahrrad kann einen hydraulischen Antriebsstrang enthalten, der mindestens
einen hydraulischen Motor zum Antreiben des Hinterrades, des Vorderrades
oder beider Räder
des Fahrrads beinhaltet.
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Das
Fahrrad kann eine Mehrzahl an hydraulischen Motoren beinhalten,
die einzeln, in Serie oder parallel in den hydraulischen Kreislauf
eingefügt
werden können,
um den Übertragungseffekt
des Antriebssystems einzustellen.
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Die
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun anhand im Beispiel beschrieben, wobei auf die
begleitenden Figuren Bezug genommen wird, von denen:
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1 eine Seitenansicht einer
ersten Ausführungsform
des Antriebssystems ist;
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2 eine Seitenansicht eines
Fahrrades mit einem Antriebssystem wie in 1 gezeigt, ist;
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3 ein Diagramm des hydraulischen Kreislaufs
eines hydraulischen Antriebsstranges zur Verwendung mit dem Antriebssystem
ist;
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4 eine isometrische Ansicht
eines zweiten Antriebssystems ist, das keine Ausführungsform der
Erfindung ist;
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5 eine Vorderansicht des
zweiten Antriebssystems ist;
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6 eine Seitenansicht des
zweiten Antriebssystems ist;
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7 eine Aufsicht auf das
zweite Antriebssystem ist; und
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8 eine Schnittansicht eines
verstellbaren Verdrängungsmotors
ist, der einen Teil des Antriebssystems bildet.
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Die
Erfindung betrifft ein Antriebssystem für Fahrräder oder andere, über Pedale
eingetriebene Mechanismen. Das System beinhaltet einen ersten Arm 1 und
einen zweiten Arm 2, die an ihren oberen Enden durch einen
ersten und zweiten Drehpunkt 4, 5 am Fahrradrahmen 3 angebracht
sind. Ein Hebel 6 ist an den unteren Enden des ersten und
zweiten Armes über
den dritten und vierten Drehpunkt 7, 8 angebracht,
wobei der dritte Drehpunkt 7 an einem Ende des Hebels 6 lokalisiert
ist und der vierte Drehpunkt 8 zwischen den Enden des Hebels
lokalisiert ist, nahe dem dritten Drehpunkt 7. Ein Pedal 9 ist
am freien Ende des Hebels 6 angebracht, wobei die Anordnung
so ist, daß sich
das Pedal weitgehend linear aufwärts
und abwärts
bewegen kann, wie anhand des mit "abwärts" markierten Pfeils
angezeigt wird. Alle diese Elemente können in symmetrischer Weise für ein zweites
Pedal dupliziert werden.
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Der
erste Arm 1 ist an einem Antriebsstrang angebracht, um
die Räder
zu drehen oder den Mechanismus anzutreiben. Bei einer bevorzugten
Anordnung der Ausgestaltung besteht der Antriebsstrang aus einem
hydraulischen Antriebszylinder 10, der an seinem unteren
Ende an einem Drehpunkt 11 am ersten Arm 1 angebracht
ist, wobei der Drehpunkt zwischen dessen Enden lokalisiert ist.
Der hydraulische Antriebszylinder 10 ist an seinem oberen
Ende an dem Rahmen 3 und einer hydraulischen Einstellvorrichtung 12 angebracht.
Die hydraulische Einstellvorrichtung 12 ist außerdem über einen
Drehpunkt 13 an dem Rahmen 3 angebracht und kann
betätigt
werden, um die Position des oberen Endes des Antriebszylinders relativ
zum Rahmen einzustellen. Der hydraulische Antriebszylinder pumpt Öl durch
ein hydraulisches System. Dieses System, das in 3 dargestellt ist, besitzt ein Ölreservoir 15,
ein Reguliersystem und ein Kontrollsystem 16 und einen
oder mehrere hydraulische Motoren 17.
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Wenn
ein Druck auf das Pedal 9 ausgeübt wird, bewegt sich der Hebel 6 in
die mit "abwärts" gekennzeichnete
Richtung und rotiert um den Drehpunkt 7, und die Reaktion
durch den zweiten Arm 2 veranlaßt den ersten Arm 1 dazu,
um den Drehpunkt 4 zu rotieren, was den hydraulischen Antriebszylinder 10 antreibt,
der angeordnet ist, um Öl
durch das hydraulische System zu pumpen. Wenn das Pedal 9 das
Ende der möglichen
Bewegung erreicht, ist es so angeordnet, daß es am entgegen gesetzten
Ende seines Bewegungsbereiches zur Startposition zurückkehrt.
Dabei wird der hydraulische Antriebszylinder 10 wieder
mit Flüssigkeit
gefüllt
und der Zyklus beginnt von neuem. Die Komponenten sind so angeordnet,
daß die
Bewegung der hydraulischen Einstellvorrichtung 12 den Effekt
hat, die Menge des durch das System gepumpten Öls zu variieren, wodurch ein
kontinuierlich (d.h. stufenlos) variierbares Übertragungssystem bereitgestellt
wird. Die Einstellvorrichtung kann auf eine solche Weise angeordnet werden,
daß die
Flüssigkeit
in dem Antriebssystem die Einstellvorrichtung "bedient", um somit eine automatische Einstellung
der Übertragungsverhältnisse bereitzustellen.
Beide Seiten können
miteinander verbunden werden, um sicherzustellen, daß sich die Pedale
in entgegen gesetzte Richtungen bewegen.
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Der
hydraulische Kreislauf kann angeordnet werden, wie in dem Diagramm,
das hier nur der Klarheit wegen beigefügt wurde, dargestellt ist.
Flüssigkeit
wird aus dem Reservoir 15 durch ein Einwegventil 18 zum
hydraulischen Zylinder 10 gezogen und wird unter Druck
durch ein anderes Einwegventil 19 zu dem Kontrollsystem 16 und
somit durch die Motoren 17 gepumpt wie benötigt und
gelangt dann zum Reservoir zurück.
Eine kleine Menge an Flüssigkeit wird
in ein zweites Kontrollsystem 20 geleitet, um die Einstellvorrichtung 12 zu
betätigen.
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In
alternativen Anordnungen können
die hydraulischen Bestandteile durch einen Zahnrad-, Achs- oder
Kettenantrieb ersetzt werden. Bei diesen Anordnungen werden Vorkehrungen
für die
relative Bewegung der Drehpunkte getroffen, um einen Bereich von Übertragungsverhältnissen
bereitzustellen.
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Die
am Aufbau beteiligten Teile sind so angeordnet, daß die Bewegung
des Pedals und die Wirkleistungsabgabe im Verhältnis zu der Kraft stehen, die
auf das Pedal ausgeübt
werden kann. Es existiert kein Punkt in dem Zyklus, an dem eine
volle Kraft nicht von dem System umgesetzt werden kann. Dadurch,
daß man
die Richtung der Pedalbewegung mit der zugeführten Kraft auf eine Linie
bringt, macht das System von der verfügbaren Arbeitsenergie effizienteren
Gebrauch.
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Es
sind verschiedene Modifikationen dieses Antriebssystems möglich. Beispielsweise
kann der Antriebszylinder mit dem zweiten Arm anstatt mit dem ersten
Arm verbunden werden; der Hebel, an dem das Pedal angebracht wird,
kann gebogen statt gerade sein; außerdem kann der gesamte Mechanismus
anders ausgerichtet sein, z.B. wenn es für die das Antriebssystem bedienende
Person vorteilhaft ist, eine liegende bzw. angelehnte Position einzunehmen.
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Ein
alternatives Antriebssystem, das keine Ausführungsform der beanspruchten
Erfindung darstellt, ist in den 4 bis 7 dargestellt. Bei diesem System
sind die Pedale 30 an den unteren Enden zweier paralleler
Pedalschäfte 32 angebracht,
die zur axialen Bewegung in einem Gehäuse 34 eingebaut sind
und mittels eines Paares von Übertragungsgetrieben 38 und
eines Kolbenschafts 40 mit einem hydraulischen Antriebskolben 36 verbunden
sind. Das Gehäuse
ist in 6 gezeigt, bei
den anderen Figuren der Übersichtlichkeit
wegen jedoch weggelassen.
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Jeder
Pedalschaft 32 ist an einer Seite mit einer Getriebe-Zahnstange 42 versehen;
bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform ist die Zahnstange
an der hinteren Seite des linken Pedalschafts und an der Vorderseite
des rechten Pedalschafts vorgesehen.
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Die Übertragungsgetriebe 38 sind
so in dem Gehäuse 34 angebracht,
daß ihre
Achsen senkrecht zu den Achsen der Pedalschäfte 32 sind. Jedes Übertragungsgetriebe
beinhaltet ein Großradius-Getriebe 44 an
seinem äußeren Ende,
das an der Zahnstange 42 an dem assoziierten Pedalschaft
angreift, sowie ein Kleinradius-Getriebe 46 an seinem inneren Ende,
das an einer assoziierten Getriebe-Zahnstange 48 an der
Oberseite des Kolbenschafts 40 angreift.
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Der
Kolbenschaft 40 ist im Gehäuse 34 im Hinblick
auf axiale Bewegung angeordnet und ist an einem Ende mit dem hydraulischen
Antriebskolben 36 verbunden, der mit einem Zylinder 50 eine
hydraulische Antriebspumpe 52 bildet. Die Antriebspumpe 52 ist über einen
hydraulischen Kreislauf mit einem Antriebsmotor verbunden. Der Antriebsmotor
kann ein verstellbarer Verdrängungsmotor
sein, um einen Übertragungseffekt
bereitzustellen.
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Um
das Antriebssystem in Gang zu setzen, werden die Pedale 30 vom
Fahrer auf und ab gedrückt,
was eine Hin- und Herbewegung der Pedalschäfte 32 bewirkt. Die
reziproke Bewegung wird über
die Übertragungsgetriebe 38,
die außerdem
die Kraftwirkung verstärken
und die Amplitude der Bewegung reduzieren, auf den Kolbenschaft 40 übertragen.
Dies treibt die hydraulische Pumpe 52 an, die wiederum
den Motor antreibt.
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Ein
geeigneter, verstellbarer Verdrängungsmotor 54 ist
in 8 dargestellt. Der
Motor 54 beinhaltet einen Rotor 56, der im Querschnitt
hexagonal ist und sechs Zylinder 57 entlang seines Umfangs aufweist,
wobei in jedem der Zylinder ein Kolben 58 eingebaut ist.
Der Rotor 56 ist zur Rotation auf einem feststehenden,
nicht-drehbaren Schaft 60, der eine Schaftachse 61 aufweist,
angebracht. Die sechs Kolben 58 greifen gleitend an den
inneren hexagonalen Wänden 62 eines äußeren Gehäuses 64 an,
das zur Rotation um eine Gehäuseachse 65 mit
dem Rotor 56 auf einer Befestigungsplatte (nicht dargestellt)
angebracht und in antreibender Weise mit einem oder beiden Rädern des
Fahrrads verbunden ist.
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Es
sind Abdichtungswände 66 auf
dem Schaft 60 vorgesehen, die den Ringraum 67 zwischen
dem Schaft und dem Rotor 56 in zwei Hälften teilen. Öl wird durch
eine Öleinlaßöffnung 68 und eine Ölauslaßöffnung 70 im
Schaft 60 jeder Hälfte dieses
Ringraums zugeführt
und daraus abgezogen. Die Abflüsse 72 im
Rotor 56 erstrecken sich zwischen dem Ringraum 67 und
den Zylindern 57, was den Antrieb der Kolben 58 durch Öl ermöglicht.
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Der
Schaft 60 ist an einem Exzenter 73, der eine Rotationsachse 74 besitzt,
angebracht. Der Exzenter 73 kann rotiert werden, um den
Abstand zwischen der Schaftachse 61 und der Gehäuseachse 65 zu
variieren. Dies ermöglicht
es, die Fördermenge der
Pumpe 54 zu variieren und damit das Drehmoment und das Übertragungsverhältnis einzustellen. Die
Rotation des Exzenters kann durch Stoppelemente (nicht dargestellt)
begrenzt werden.
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Im
Betrieb wird Öl
unter Druck durch die Einlaßöffnung 68 in
den Ringraum 67 zwischen dem Schaft 60 und dem
Rotor 56 zugeführt
und gelangt durch die Abflüsse 72 in
die drei Zylinder 57, die sich an der Einlaßseite des
Ringraums 67 befinden, wodurch die Kolben 58 in
diesen Zylindern nach außen getrieben
werden. Zur gleichen Zeit wird Öl
aus den drei Zylindern an der Auslaßseite des Ringraums 67 ausgepumpt
und entweicht durch die Auslaßöffnung 70.
Die nicht im Gleichgewicht stehende Kraft, die von den Kolben erzeigt
wird, erzeugt dank der Trennung zwischen der Schaftachse 61 und
der Gehäuseachse 65 ein
Drehmoment auf den Rotor. Der Rotor 56 und das Gehäuse 64 rotieren
daher um den Schaft 60 und treiben das Rad oder die Räder des Fahrrads
an.
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Durch
Rotation des Exzenters 73 kann der Abstand zwischen der
Schaftachse 61 und der Gehäuseachse 65 variiert
werden, um das Drehmoment und das Übertragungsverhältnis einzustellen.
Die Rotation des Exzenters 73 kann manuell oder automatisch
(z. B. mechanisch oder hydraulisch) kontrolliert werden, um ein
selbst-reguliertes Antriebssystem bereitzustellen.
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Es
sind verschiedene Modifikationen des Antriebssystems möglich.