DE4121424C2 - Kurbelantrieb - Google Patents
KurbelantriebInfo
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- B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
- B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
- B62M9/00—Transmissions characterised by use of an endless chain, belt, or the like
- B62M9/04—Transmissions characterised by use of an endless chain, belt, or the like of changeable ratio
- B62M9/06—Transmissions characterised by use of an endless chain, belt, or the like of changeable ratio using a single chain, belt, or the like
- B62M9/08—Transmissions characterised by use of an endless chain, belt, or the like of changeable ratio using a single chain, belt, or the like involving eccentrically- mounted or elliptically-shaped driving or driven wheel; with expansible driving or driven wheel
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kurbelantrieb, ins
besondere für Fahrräder gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem Lehrbuch "Fahrradtechnik: Konstruktion,
Fertigung, Instandsetzung" von Winkler, F. u. Rauch, S.,
6. Auflage, 1989, S. 238 ff., Bielefelder Verlagsanstalt KG,
ist ein Tretkurbelantrieb mit ovalem vorderen Kettenblatt
bekannt. Durch das ovale Kettenblatt soll eine Anpassung des
Tretkurbelantriebes an den menschlichen Körperbau erreicht
werden, da der Fahrer, nahe des oberen oder unteren Totpunk
tes (Pedale oben bzw. unten), weniger Kraft auf die Kurbeln
auszuüben vermag, als wenn die durch die Pedale bestimmte
Ebene annähernd parallel zu den Tretkurbelarmen liegt (etwa
horizontale Pedalstellung). Vor allem beim Bergauffahren
soll durch das elliptische Kettenrad der Kraftaufwand ver
ringert werden.
Die DE-PS 8 14 111 betrifft einen Kettenradan
trieb für Fahrräder, mit dem das Fahren auf eine wesentlich
angenehmere Art und Weise als bei den bis dahin bekannten
Fahrradkettenantrieben erfolgen soll. Hierzu ist bei dem
Kettenantrieb nach dieser Druckschrift das Kettenrad der
Tretkurbel unrund, beispielsweise elliptisch ausgebildet und
zur Tretkurbel drehverstellbar angeordnet. Das Kettenrad am
Hinterrad ist exzentrisch ausgebildet und weist gegenüber
dem Kettenrad der Tretkurbel die halbe Zähnezahl auf. Das
Kettenrad am Hinterrad ist fest mit der Radnabe verbunden.
Aufgrund des ovalen Kettenblattes muß die An
triebskette bei den bekannten Konstruktionen mit einem
Kettenspanner straff gehalten werden. Außerdem hat sich
gezeigt, daß sich beim Fahren mit schnelleren Tretbewegun
gen, bedingt durch die Ungleichmäßigkeit des elliptischen
Kettenblattes, für den Menschen unangenehme Bewegungsabläufe
ergeben; die Kette beginnt zu "flattern".
Durch die DE-Patentschriften 30 38 165 und
32 16 069 sind Tretkurbelantriebe mit veränderlichen Pedal
armen bekannt, bei denen während der Drehbewegung der Tret
kurbel mit Hilfe von Führungsbahnen der Pedalarm gelängt und
gekürzt wird. Dabei verlängert sich in der abwärts gerichte
ten Phase der Tretbewegung der Pedalarm und verkürzt sich in
der Aufwärtsphase. Dies soll die Kraftübertragung dadurch
verbessern, daß in der Abwärtsphase ein größeres Drehmoment
infolge des größeren Hebelarmes erzeugt wird, um so die
Beinkraft besser auszunutzen. Beide Mechanismen weisen
jedoch eine aufwendige Mechanik auf, bei denen aufgrund der
notwendigen Linearführungen mit großen Reibungsverlusten
gerechnet werden muß. Zudem kann die Führung der Pedalen in
Längsrichtung als störend empfunden werden. Aufgrund der
Lage des Tretkurbelmechanismus muß aus Sicherheitsgründen
eine Abschirmung der Mechanik vorgesehen werden, um die
Klemmgefahr zu mindern.
Die EP 303 531 A2 offenbart ein stufenloses Getrie
be am Hinterrad zur stufenlosen Einstellung des
Übersetzungsverhältnisses, wobei mehrere Kurbelschleifen
verwendet werden, die zeitlich nacheinander zur Wirkung
kommen. Dieses bekannte Getriebe ist zur Kompensation
ungünstiger Antriebslagen nicht geeignet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, einen Kurbelantrieb der eingangs genannten Art so zu
verbessern, daß ungünstige Antriebslagen (beim Fahrrad
insbesondere die biomechanisch ungünstige vertikale Pedal
stellung) optimaler überwunden werden.
Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung gemäß
Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der
erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, als un
gleichförmig übersetzendes Getriebe eine im Abtriebsglied
ausgebildete Kurbelschleife oder Doppelkurbel vorzusehen,
die einem Mechanismus nachgeschaltet ist, der eine exakte
Übersetzung 1 : 2 vom Antriebsglied zum Abtriebsglied be
wirkt, wobei das Abtriebsglied ein Antriebselement, ein
Abtriebselement und eine Gelenkverbindung umfaßt, die die
Kurbelschleife oder die Doppelkurbel bilden. Einfache Mecha
nismen mit ungleichförmiger Übersetzung beruhen auf dem
Prinzip der Viergelenkkette, vgl. "Konstruktive Getriebeleh
re" von Leo Hagedorn, VDI-Verlag, 1986.
Der erfindungsgemäße Kurbelantrieb weist während
einer Umdrehung des Antriebsgliedes (Tretkurbel) ein Über
setzungsmaximum und ein -minimum auf. Die Tretkurbel eines
Fahrrades weist üblicherweise bei einer Umdrehung zwei
ungünstige Antriebslagen (Pedale oben bzw. unten) und zwei
günstige Antriebslagen (Pedale etwa in der Horizontalen)
auf. Durch die Erfindung wird vom vorderen Kettenblatt bis
zum Getriebe eine Übersetzung von exakt 1 : 2 eingehalten,
wenn das hintere Kettenblatt die halbe Zähnezahl aufweist
wie das vordere Kettenblatt. Des weiteren kann durch ein
genaues Justieren der Getriebeglieder das Übersetzungsmini
mum auf die ungünstige vertikale Pedalstellung eingestellt
werden. Das Übersetzungsmaximum liegt dann genau (Kurbel
schleife) oder nahe (Doppelkurbel) bei der günstigen hori
zontalen Pedalstellung. Durch eine entsprechende Wahl der
Gliedlängen beider Kurbeltriebe läßt sich der Verlauf und
die Größe des Übersetzungsverhältnisses in einem weiten
Rahmen variieren.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beige
fügten Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigt
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines
Kurbelantriebs mit einer Kurbel
schleife,
Fig. 1a das Prinzip der Kurbelschleife nach
Fig. 1,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines
Kurbelantriebs mit einer Doppel
kurbel,
Fig. 2a das Prinzip der Doppelkurbel nach
Fig. 2,
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Über
setzungsverhältnisses in Abhängigkeit
vom Antriebswinkel für die Ausführungs
form nach Fig. 1 und
Fig. 4 eine graphische Darstellung des Über
setzungsverhältnisses in Abhängigkeit
vom Antriebswinkel bei der Ausführungs
form nach Fig. 2.
Soweit möglich, sind in den Figuren der Zeichnung
für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Die Fig. 1 zeigt in einer Explosionszeichnung
eine Kurbelschleife in einer beliebigen Stellung. Zur Ver
deutlichung ist in der Fig. 1a das Prinzip der Kurbel
schleife mit den entsprechenden Abmessungen abgebildet.
Mit den Bezugszeichen 1 und 2 ist ein Antriebs
element bezeichnet, das ein hinteres Kettenblatt 1, das die
halbe Zähnezahl wie das vordere Kettenblatt der Tretkurbel
(nicht dargestellt) aufweist, und eine Antriebsscheibe 2
umfaßt, auf der das hintere Kettenblatt 1 befestigt ist. Die
Antriebsscheibe 2 ist exzentrisch mit einem Achsversatz e
über ein Wälzlager 5 und einen Lagersitz 4 auf einer Hinter
radachse 3 gelagert. In der Antriebsscheibe 2 befindet sich
eine Führungsbahn 6, in der ein Übertragungsbolzen 7 geführt
und angetrieben wird. Die Führungsbahn 6 und der Übertra
gungsbolzen 7 bilden ein Schub- und Drehgelenk 10. Der
Übertragungsbolzen 7 ist exzentrisch an einem als Scheibe
ausgebildeten Abtriebselement 8 im Abstand r zur Hinterrad
achse 3 befestigt, die mit einer Radnabe 9 fest verbunden
ist.
Aufgrund dieser Konstruktion ergeben sich zwei
Getriebeglieder mit den Längen e und r und ein Hebelarm 1,
die zusammen ein Dreieck bilden, vgl. insbesondere Fig. 1a.
Der Hebelarm 1 bildet eine Antriebskurbel 12. Zwischen dem
Übertragungsbolzen 7 und der Hinterachse 3 wird eine Ab
triebskurbel 14 gebildet.
Die Wirkungsweise der Kurbelschleife nach den
Fig. 1 und 1a ist wie folgt:
Während eines Umlaufs der Antriebsscheibe 2 wan
dert aufgrund der Exzentrizität der Übertragungsbolzen 7 in
der Führungsbahn 6 von innen nach außen und wieder zurück.
Dies bewirkt eine kontinuierliche Änderung des Hebelarmes 1
bzw. der Antriebskurbel 12 zur Kraftübertragung. Das Über
setzungsverhältnis des Getriebes verändert sich dadurch
harmonisch zwischen zwei Extremwerten. Durch die exakte
Übersetzung vom vorderen zum hinteren Kettenblatt von 1 : 2
und die Justierung des Getriebes wird das Übersetzungsmini
mum immer bei vertikaler und das Übersetzungsmaximum bei
horizontaler Pedalstellung erreicht. Dies bedeutet einer
seits eine leichtere Überwindung der biomechanisch ungünsti
gen vertikalen Pedalstellung und andererseits eine bessere
Ausnutzung der günstigen horizontalen Pedalstellung. Die
Berechnung des Verlaufs des Übersetzungsverhältnisses ergibt
mit gewählten Längen von beispielsweise e = 4 mm (Achsver
satz) und r = 25 mm (Länge der Abtriebskurbel 12) ein Über
setzungsminimum von i = 0,84 und ein Übersetzungsmaximum von
i = 1,16 nach der Formel
worin x der Antriebswinkel (0 x 2π) und
v die Abkürzung mit
sind.
Die in dieser und der nachfolgenden Bezeichnung
benutzte Definition für i(x) ist umgekehrt zu der technisch
gebräuchlichen Definition i = Eingangsdrehzahl/Ausgangsdreh
zahl.
In der Fig. 3 ist das Übersetzungsverhältnis i(x)
in Abhängigkeit vom Antriebswinkel x graphisch dargestellt.
Mit p(x) ist der Abtriebswinkel in der Fig. 1a bezeichnet.
Die Fig. 2 zeigt in einer Explosionszeichnung eine
Doppelkurbel in einer gedrehten Stellung. Die Längen der
Getriebeglieder e, a, b und c bilden ein Viereck. Die Fig.
2a zeigt zur Verdeutlichung das Prinzip der Doppelkurbel mit
den entsprechenden Abmessungen.
Mit den Bezugszeichen 1 und 2 ist wiederum ein
Antriebselement bezeichnet, das ein hinteres Kettenblatt 1,
das wiederum die halbe Zähnezahl wie das vordere Kettenblatt
der Tretkurbel (nicht dargestellt) hat, und eine Antriebs
scheibe 2 umfaßt, auf der das hintere Kettenblatt 1 befe
stigt ist. Die Antriebsscheibe 2 ist exzentrisch mit dem
Achsversatz e über ein Wälzlager 5 und einen Lagersitz 4 auf
einer Hinterradachse 3 gelagert. In der Antriebsscheibe 2
befindet sich eine Lagerbohrung 16 im Abstand a von einer
Drehachse 18. In das Gelenk 16 greift ein erster Bolzen 20,
der über eine Gelenkverbindung 22 mit einem zweiten Bolzen
24 verbunden ist, wobei beide Bolzen einen Abstand c vonein
ander haben. Der Bolzen 24 ist in einer Lagerbohrung 26
einer Abtriebsscheibe 28 gelagert. Die Lagerbohrung 26 ist
im Abstand b zur Hinterachse 3 angeordnet. Die Abtriebs
scheibe 28 ist fest mit der Radnabe 9 verbunden.
Aufgrund dieser Konstruktion ergeben sich vier
Getriebeglieder 30 (Antriebskurbel) mit der Länge a, 32
(Abtriebskurbel) mit der Länge b, 22 (Gelenkverbindung) mit
der Länge c und 34 (Achsversatz) mit der Länge e, die ein
Viereck bilden, vgl. Fig. 2a.
Die Wirkungsweise der Doppelkurbel ist wie folgt:
Während eines Umlaufs der Antriebsscheibe 2 bewegt sich der
Bolzen 20 der Gelenkverbindung 22 in einer um die Exzentri
zität e versetzten Kreisbahn um die Radachse 3. Die Gelenk
verbindung 22 folgt dieser Bewegung und treibt über den
Bolzen 24 die Abtriebsscheibe 28 an. Dabei ändert sich das
Übersetzungsverhältnis in Abhängigkeit von der relativen
Lage der Getriebeglieder zueinander harmonisch zwischen zwei
Extremwerten.
Durch die exakte Übersetzung 1 : 2 vom vorderen zum
hinteren Kettenblatt und die Justierung des Getriebes wird
das Übersetzungsminimum immer bei vertikaler und das Über
setzungsmaximum in der Nähe der horizontalen Pedalstellung
erreicht. Dies bedeutet einerseits eine leichtere Überwin
dung der biomechanisch ungünstigen, vertikalen Pedalstellung
und andererseits eine bessere Ausnutzung der günstigen
horizontalen Pedalstellung.
Eine beispielhafte Berechnung des Verlaufs des
Übersetzungsverhältnisses ergibt mit den gewählten Getriebe
gliedlängen von beispielsweise e = 4 mm, a = 29,5, b = 24 mm
und c = 17,6 mm ein Übersetzungsminimum von i = 0,84 und ein
Übersetzungsmaximum von i = 1,16 nach der Formel
worin x der Antriebswinkel (0 x 2π) und
p(x) der Abtriebswinkel sind mit
p(x) = π-al(x)-g(x)
worin al(x) und g(x) Hilfswinkel (vgl. Fig. 2a) sind, die
sich wie folgt berechnen:
In diesen Formeln ist 1(x) eine Hilfsgröße, die sich wie
folgt errechnet:
In der Fig. 4 ist das Übersetzungsverhältnis i(x) in Abhän
gigkeit vom Antriebswinkel x graphisch dargestellt.
Claims (8)
1. Kurbelantrieb, insbesondere für Fahrräder, mit einem
Antriebsglied (Tretkurbel) und einem Abtriebsglied (anzu
treibendes Element), mit wenigstens einer ungünstigen An
triebslage mit geringer Krafteinleitung in das Antriebsglied
und einem ungleichförmig übersetzenden Getriebe mit einem
Übersetzungsmaximum und einem Übersetzungsminimum, wobei das
Übersetzungsminimum in der ungünstigen Antriebslage wirksam
ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das ungleichförmig übersetzende Getriebe eine im Ab
triebsglied ausgebildete Kurbelschleife oder Doppelkurbel
ist, die einem Mechanismus nachgeschaltet ist, der eine
exakte Übersetzung 1 : 2 vom Antriebsglied zum Abtriebsglied
(9) bewirkt, wobei das Abtriebsglied ein Antriebselement (1,
2), ein Abtriebselement (8, 28) und eine Gelenkverbindung
(6, 7; 16, 20, 22, 24, 26) umfaßt, die die Kurbelschleife
oder die Doppelkurbel bilden.
2. Kurbelantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das Antriebselement (1, 2) exzentrisch mit einem
Achsversatz (e, 34) auf der Achse (3) des Abtriebselementes
(8, 28) drehbar gelagert ist.
3. Kurbelantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Antriebsglied Tretkurbelarme, die an
einer drehbar gelagerten Kurbelwelle angebracht sind, und
ein vorderes Kettenblatt umfaßt.
4. Kurbelantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß
das Antriebselement (1, 2) ein auf einer Antriebsscheibe (2) befestigtes hinteres Kettenblatt (1) aufweist, welches die halbe Zähnezahl wie das vordere Kettenblatt hat, und
das Abtriebselement (8, 28) eine Scheibe ist und mit
einer Radnabe (9) fest verbunden ist.
das Antriebselement (1, 2) ein auf einer Antriebsscheibe (2) befestigtes hinteres Kettenblatt (1) aufweist, welches die halbe Zähnezahl wie das vordere Kettenblatt hat, und
das Abtriebselement (8, 28) eine Scheibe ist und mit
einer Radnabe (9) fest verbunden ist.
5. Kurbelantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Gelenkverbindung (6, 7) eine in der
Antriebsscheibe (2) ausgebildete Führungsbahn (6) und einen
in der Führungsbahn geführten Übertragungsbolzen (7) auf
weist, der exzentrisch an der Abtriebsscheibe (8) in einem
Abstand (r) zur Radachse (3) befestigt ist.
6. Kurbelantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Führungsbahn (6) durch ein in radialer Rich
tung ausgebildetes Langloch gebildet wird, in dem der Über
tragungsbolzen (7) beim Umlauf der Antriebsscheibe (2)
radial hin- und herwandert.
7. Kurbelantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß die Gelenkverbindung (16, 20, 22, 24, 26) eine
erste in der Antriebsscheibe (2) in einem Abstand (a) zu
ihrer Drehachse (18) ausgebildete Lagerbohrung (16), eine
zweite in der Abtriebsscheibe (28) in einem Abstand (b) zur
Achse (3) ausgebildete Lagerbohrung (26) sowie zwei durch
eine Gelenkverbindung (Koppel) (22) miteinander verbundene
Bolzen (20, 24) umfaßt, von denen der eine Bolzen (20) in
der ersten Lagerbohrung (16) und der zweite Bolzen (24) in
der zweiten Lagerbohrung (26) gelagert ist.
8. Kurbelantrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (2) über ein
Wälzlager (5) und einen Lagersitz (4) exzentrisch auf der
Achse (3) gelagert ist.
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DE19914121424 DE4121424C2 (de) | 1991-06-30 | 1991-06-30 | Kurbelantrieb |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19914121424 DE4121424C2 (de) | 1991-06-30 | 1991-06-30 | Kurbelantrieb |
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DE4121424A1 DE4121424A1 (de) | 1993-01-14 |
DE4121424C2 true DE4121424C2 (de) | 1995-06-22 |
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ID=6434987
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DE19914121424 Expired - Fee Related DE4121424C2 (de) | 1991-06-30 | 1991-06-30 | Kurbelantrieb |
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DE102004031418A1 (de) * | 2004-06-29 | 2006-02-16 | Rumpf, Paul | Kurbeltriebmomentwandler, zur Drehmomentsteuerung der Drehkraftaufnahme und Drehkraftübertragung von Kurbeltriebe |
ES2401204B1 (es) * | 2012-10-26 | 2014-06-18 | Juan Manuel INOSTROZA VALENZUELA | Mecanismo de transmisión para optimizar el pedaleo en vehículos de propulsión humana |
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EP0261139B1 (de) * | 1986-02-10 | 1990-08-08 | STRANIERI, Maria | Stufenloses getriebe, funktionierend mittels zahnräder mit veränderlichem radius |
EP0303531A3 (de) * | 1987-08-11 | 1990-06-20 | Sté. Look | Geschwindigkeitswandler |
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1991
- 1991-06-30 DE DE19914121424 patent/DE4121424C2/de not_active Expired - Fee Related
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