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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rad für Transportmittel zum Befahren von Treppenstufen oder anderen stufigen Hindernissen.
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In der Schrift
US 2011/0127732A1 wird ein treppensteigendes Rad beschrieben, bei dem durch ausfahrbare Vorsprünge in die Trittstufen einer Treppe eingehakt wird. Hierbei ist es unvorteilhaft, dass aufgrund der Vergrößerung des Abstandes der Radachse zum Drehpunkt der Kraftaufwand erhöht werden muss. Aus der Schrift
US 3499501 ist ebenfalls ein treppensteigendes Rad mit in Treppenstufen eingreifenden Einkerbungen und den Untergrund berührenden Riemen bekannt. Dabei beruht die Positionierung der Einkerbungen zur Treppenstufenkante auf einem Gleiten des Rads in dem Riemen. Hierbei ist nachteilhaft, dass aufgrund des Gleitens des Rads in dem Riemen ein erhöhter Verschleiß resultiert. Weiterhin wird in der Schrift
DE 102013006690 ein Rad zum Befahren von Treppen beschrieben. Hierbei bilden mindestens zwei parallel angeordnete, gegeneinander drehbare Segmente gemeinsam das Rad und greifen über bei der Drehung der Segmente gegeneinander frei werdende Aussparungen in die Treppenstufenkanten ein. Hier stellt sich als Nachteil dar, dass aufgrund der Zusammensetzung des Rads aus mehreren parallel angeordneten Segmenten mit Aussparungen keine kontinuierliche Radaußenfläche resultiert und dass außerdem keine dämpfenden kreisrunden Bereifungen möglich sind, so dass auch bei ebenen Wegen keine ausreichende Laufruhe des Rads erreicht wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Rad zur Verfügung zu stellen, das auf ebener Fläche eine möglichst große Laufruhe aufweist und beim Befahren von Treppen oder Bordsteinen möglichst effizient die Stufen überwindet. Dieses Problem wird gemäß dem Anspruch 1 durch ein adaptives Rad für Transportmittel zum Befahren von Treppenstufen oder ähnlichen stufigen Hindernissen, das unter anderem aus einem Reifen, einer reversibel verformbaren Felge und Radspeichen besteht,
- – wobei mindestens ein Sensor den Kontakt des Reifens mit mindestens einer Stufe erfasst und die Information hierüber als Signal an mindestens eine elektronische Datenverarbeitungseinheit sendet,
- – wobei die elektronische Datenverarbeitungseinheit die Arretierung mindestens einer Feder beeinflusst,
- – wobei jede Radspeiche aus mindestens zwei in der Längsrichtung gegeneinander beweglichen Radspeichen-Elementen besteht,
- – wobei beim Kontakt des Reifens mit der Stufe die Arretierung der Feder gelöst wird, wodurch die Radspeichen-Elemente mindestens einer Radspeiche aufgrund der Kraftwirkung gegen die Stufe auf einander zu bewegt werden, wodurch sich die Radspeiche verkürzt,
- – und wobei bei Abwesenheit des Kontakts des Reifens mit der Stufe die Radspeichen-Elemente der vorgenannten Radspeiche aufgrund der Wirkung der Feder voneinander weg bewegt werden, wodurch die Radspeiche zu ihrer ursprünglichen Länge strebt und/oder zurückkehrt. Hierbei lässt sich die reversible Verformbarkeit der Felge beispielsweise mittels einer bestimmten Elastizität der Felge erreichen. Außerdem werden vorzugsweise die Arretierungen der Federn im Bereich der Stufe über die EDV-Einheit bei Erfassung des Stufenkontakts des Reifens mittels Befehlssignalen deaktiviert, aber bei Erreichung der jeweils vollständigen Länge der Radspeichen rein mechanisch und selbsttätig aktiviert. Weiterhin sind die Radspeichenelemente selbst als Federn ausgebildet, die hierbei die Grundelemente der Radspeichen sind. Oder die Radspeichenelemente sind mit Federn verbunden, die dann vorzugsweise in der Längsrichtung der Radspeichen angeordnet sind. Die Deaktivierung bzw. Aktivierung der Federarretierungen wird in bevorzugter Weise analog zu Federn oder Gasdruckfedern entsprechend dem aktuellen Stand der Technik durchgeführt, wobei aufgrund der Signalsteuerung durch eine Datenverarbeitungseinheit ein zumindest teilweise elektrischer Betrieb der Federarretierung bevorzugt wird.
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Außerdem wird das Problem gemäß dem Nebenanspruch 5 durch ein adaptives Rad für Transportmittel zum Befahren von Stufen gelöst, das unter anderem aus einem Reifen auf einer Felge besteht mit Reifenventil und einem Kompressor, wobei
- – mindestens ein Sensor den Kontakt des Reifens mit mindestens einer Stufe erfasst und die Information hierüber als Signal an mindestens eine elektronische Datenverarbeitungseinheit sendet,
- – wobei die elektronische Datenverarbeitungseinheit die Funktion mindestens eines Reifenventils und/oder die Funktion mindestens eines Kompressors und/oder die Funktion mindestens eines Reifenfüllers mit Druckbehälter beeinflusst,
- – wobei beim Kontakt des Reifens mit der Stufe der Reifendruck bis zu einem unteren Sollwert gesenkt wird und/oder bei einem unteren Sollwert gehalten wird
- – und wobei bei Abwesenheit des Kontakts des Reifens mit der Stufe der Reifendruck bis zu einem oberen Sollwert erhöht wird und/oder bei einem oberen Sollwert gehalten wird. Hierbei sind vorzugsweise Reifenventil, Kompressor und Reifenfüller nach dem aktuellen Stand der Technik ausgeführt, wobei deren Funktion jeweils aufgrund der digitalen Steuerung in bevorzugter Weise zumindest teilweise elektrisch betrieben wird. Hierbei bewirken insbesondere das Öffnen des Reifenventils eine Absenkung sowie die Aktivierung(en) des Kompressors und/oder des Reifenfüllers nach Schließen des Reifenventils eine Erhöhung des Reifendrucks, wobei der Istwert des Reifendrucks einen unteren Sollwert bei Stufenkontakt und einen oberen Sollwert bei Stufenfreiheit aufgrund der Programmierung der Software anstrebt. Vorzugsweise liegen dabei der untere Sollwert für den absoluten Druck im Bereich von 1 bar, was bedeutet, dass der Reifen sozusagen drucklos ist, und der obere Sollwert für den absoluten Druck bei einem für eine normale Reifenfunktion zweckmäßigen Reifendruck im Bereich von über 2 bar (d.h. 1 bar bezogen auf den Überdruck).
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Die mit den beiden oben genannten Anordnungen erreichten Vorteile bestehen darin, dass auf schnellstmöglichem Weg an einem kreisrunden Rad, das mit stoßdämpfender Bereifung vollständig zum Befahren von ebenen Flächen geeignet ist, bei Erreichen eines stufenartigen Hindernisses, wie zum Beispiel einer Treppenstufe oder einem Bordstein, automatisch eine entsprechende Aussparung entsteht, die zum Eingreifen in die Stufe und zur Kraftübertragung durch Drehen des Rades über die Stufe hinweg führt. Hierdurch überwindet das Rad die entsprechende Stufe. Bei einer Treppe wiederholt sich der Eingreif- und Kraftübertragungsvorgang kontinuierlich, so dass das zugehörige Transportmittel, wie zum Beispiel ein Rollstuhl, über die Treppe hinauf- oder hinabsteigt. Der Sensor kann hierbei eine Kamera sein, die optische Daten an die EDV-Einheit sendet, wodurch über eine Bilderkennungssoftware eine Treppenstufe erkannt wird. Außerdem ist jede andere Art von Sensor, wie zum Beispiel piezoelektrische, akustische, druckmechanische etc. Sensoren, nach dem aktuellen Stand der Technik zum Erfassen des Kontakts des Reifens mit einer Stufe anwendbar.
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Weiterhin sind folgende Ausgestaltungen der Erfindung vorteilhaft: Gemäß Anspruch 2 besteht die Felge aus Felgenelementen, die über Felgenelementgelenke miteinander verbunden sind, die Felgenelementgelenkarretierungen aufweisen, die bei Kontakt des Reifens mit einer Stufe im Stufenbereich gelöst werden. Hierdurch behält die aus Felgenelementen bestehende Felge auf ebener Fläche seine kreisrunde Form und aufgrund der Arretierungen der Felgenelementgelenke eine für das Rollen des Rades mit einem verbundenen Transportmittel notwendige Steifigkeit. Beim beispielsweise über den Sensor und die EDV-Einheit bewirkten Lösen der Felgenelementgelenkarretierungen im Bereich einer Stufe entsteht aufgrund der Schwerkraftwirkung und der Verkürzung der Radspeiche eine Einbuchtung der Felge mit dem Reifen im Bereich der Stufe. Hierbei sind die Gelenke vorzugsweise wie mechanische Gelenke mit Arretierungen nach dem aktuellen Stand der Technik gestaltet, wobei die Gelenkarretierungen aufgrund der elektronischen Steuerung vorzugsweise zumindest teilweise elektrisch betrieben werden. Laut Anspruch 3 ist die Feder des Anspruchs 1 eine Gasdruckfeder. Gemäß Anspruch 4 sind die Radspeichen-Elemente Federn und/oder Elemente von Federn. Dabei stellen in einer bevorzugten Variante der Zylinder und die Kolbenstange einer arretierbaren Gasdruckfeder Elemente einer Radspeiche dar. Dem Anspruch 6 zufolge ist der Kompressor des Anspruchs 5 mit mindestens einem Reifenfüller mit Druckbehälter gekoppelt. Gemäß Anspruch 7 weist die Felge zum Reifen hin eine Dämpfungsschicht auf. Diese Schicht, die die Felge vollständig oder teilweise bedecken kann, besteht in bevorzugter Weise aus einem weichen und elastischen Material.
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Im Folgenden werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben:
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1 zeigt das Beispiel eines adaptiven Rads, das zum Beispiel für elektroangetriebene Rollstühle oder Fahrräder eingesetzt werden kann. Auf der linken Seite befindet sich das Rad auf einer ebenen Fläche 12, wobei der luftgefüllte Reifen 1 Bodenkontakt hat und kreisrund ausgebildet ist. Über einen optischen Sensor 9, der auf den Fahrweg des Rads ausgerichtet ist und der optional mit weiteren Sensoren, die weitere Parameter zur Erkennung eines Kontakts mit der Stufe sensieren, gekoppelt sein kann, wird der Kontakt des Reifens 1 mit einer Treppenstufe 13 erfasst. Die Information über den Stufenkontakt wird als digitales Signal an die EDV-Einheit 8 gesendet, das in diesem Beispiel über eine Halterung 10 mit der Radachsenaufnahme 6 des Transportmittels verbunden ist. Die EDV-Einheit 8 steuert aufgrund einer Software die Arretierung 24 von Gasdruckfedern 5, die im Bereich der Längsachse der Radspeichen 2 dort befestigt sind. Die Radspeichen 2 bestehen aus mehreren Elementen, wobei in 1 zur Illustration nur jeweils ein äußeres Speichenelement 3 und ein inneres Speichenelement 4 dargestellt ist. Diese Radspeichenelemente in zweckmäßiger Anzahl lassen sich in der Längsachse gegeneinander bewegen, so dass es beim Zusammendrücken zu einer Verkürzung und beim Auseinanderziehen zu einer Verlängerung bis zur ursprünglichen Länge der Radspeiche 2 kommt. Zur Längenänderung der Radspeichen 2 können unterschiedliche Mechanismen zur Anwendung kommen: So sind zum Beispiel die Speichenelemente als Teleskoprohre ausgeführt, wobei ähnlich wie bei einer ein- und ausziehbaren Teleskopantenne aufgrund der ineinander bzw. auseinander geschobenen Elemente die Länge der Antenne verändert wird. Jedoch sind in anderen Beispielen auch Scherengittermechanismus, Aufwickeln, Falten, Biegen oder weitere Verfahren zur Bewegung der Speichenelemente gegeneinander zum Zweck der Längenänderung der Radspeiche 2 möglich. Jede Radspeiche 2 weist eine Gasdruckfeder 5 auf, die in Richtung auf eine Auseinanderbewegung der inneren und äußeren Speichenelemente 3, 4 wirkt. In einer bevorzugten Variante sind das innere Speichenelement 4 der Zylinder und das äußere Speichenelement 3 die Kolbenstange bzw. das innere Speichenelement 4 die Kolbenstange und das äußere Speichenelement 3 der Zylinder einer Gasdruckfeder und bilden zusammen die Radspeiche aus. Da dann die Speichenelemente 3, 4 selbst die Gasdruckfeder darstellen, entfällt in diesem Fall die in 1 eingezeichnete Ziffer 5. Haben die Radspeichen 2 des kreisrunden Rads ihre Ursprungslänge, sind die Arretierungen 24 der Gasdruckfedern 5 sämtlicher Radspeichen 2 aktiviert, so dass das Rad seine kreisrunde Form beim Transport eines Rollstuhls über eine ebene Fläche 12 beibehält, was auf der linken Seite der 1 dargestellt ist. Aufgrund des vom Sensor 9 gesendeten Signals des Kontakts des Reifens 1 mit einer Treppenstufe 13, erstellt die EDV-Einheit 8 ein Befehlssignal zur Deaktivierung der Arretierungen 24 der Gasdruckfedern 5 der Radspeichen 2, die sich im Bereich der Treppenstufe 13 befinden. Hierbei erfolgt die Betätigung der blockierbaren Gasdruckfeder 5 vorzugsweise über eine hydraulische und/oder mechanische und/oder elektrische Auslösung, wobei die Aktivierung der Arretierung 24 auch rein mechanisch und/oder hydraulisch und die Deaktivierung bzw. das Lösen der Arretierung 24 elektrisch und/oder hydraulisch erfolgen kann. Durch die Schubkraft und/oder die Schwerkraft des Rollstuhls über der Stufenkante wird der Reifen 1 gegen die Stufe gedrückt. In der Folge wird der Abschnitt der elastischen Felge 7 im Bereich der Stufe eingedrückt, wobei sich die benachbarten Radspeichen 2 aufgrund des Zusammendrückens der inneren und äußeren Radspeichenelemente 3, 4 verkürzen. Hierdurch entstehen im Bereich der Treppenstufe Radspeichen-Kontraktionen 18 und eine Radeinbuchtung 19, was auf der rechten Seite der 1 dargestellt ist. Über die Radeinbuchtung 19 greift das adaptive Rad zahnradartig in die Treppenstufe 13 ein, wodurch der Rollstuhl hinauf- oder hinabbewegt wird. Durch eine kontinuierliche Wiederholung des oben dargestellten Vorgangs werden die Stufen einer Treppe in der Auf- oder Abwärtsbewegung komplett überwunden. Bei diesem zahnradartigen Ineinandergreifen der Radeinbuchtungen 19 mit den Treppenstufen 13 sind nur die Arretierungen 24 der Gasdruckfedern 5 im Bereich der jeweiligen gegenüberliegenden Treppenstufe 13 gelöst. Die Gasdruckfedern 5 außerhalb des Stufenbereichs sind arretiert, so dass das Rad nur eine Einbuchtung im Bereich der Stufe aufweist und ansonsten seine kreisrunde Form aufrechterhält bzw. anstrebt. Sobald der Reifenabschnitt mit dem Stufenkontakt und der Radeinbuchtung 19 aufgrund der Radrotation den Stufenbereich verlässt, streben die Radspeichenelemente 3, 4 aufgrund der Wirkung der Gasdruckfedern 5 auseinander, bis die entsprechenden Radspeichen 2 die ursprüngliche Länge aufweisen. In diesem Zustand der Radspeichen 2 werden die Arretierungen 24 der zugehörigen Gasdruckfedern 5 aktiviert. Die EDV-Einheit 8 ist hierbei so programmiert, dass die einzelnen Radspeichen 2, die durch das Programm individuell adressiert sind, zur Erzielung einer optimalen Radeinbuchtung 19 im Bereich der Treppenstufe 13 entsprechend verkürzt werden. Befindet sich nach Überwindung der Treppenstufen 13 das Rad wieder auf einer ebenen Fläche, so sind die Gasdruckfedern 5 sämtlicher Radspeichen 2 arretiert, so dass das kreisrunde Rad seine Form aufrechterhält.
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Eine Weiterentwicklung der rein elastischen Felge 7 der 1 wird in 3, gezeigt. Im oberen Teil der Zeichnung befindet sich das Rad auf einer ebenen Fläche, wobei nur ein Viertel des Rades ohne Reifen zur Veranschaulichung der Felge skizziert ist. Die Felgenelemente 20 sind über Felgenelementgelenke 21, die über Arretierungen 23 festgestellt sind, miteinander verbunden und bilden dadurch eine in sich stabile, kreisrunde Felge, wobei die Radspeichen 2 die Felge mit der Nabe 22 verbinden. Im unteren Teil der Zeichnung befindet das Rad auf einer Stufe 13. Hierbei ist die Radspeiche 2 mit ihren Speichen-Elementen 3, 4 (sowie weitere) im Bereich der Stufe 13 aufgrund des Lösens der Gasdruckfederarretierung 24 dieser Radspeiche und der Kraftwirkung des Rades gegen die Stufe verkürzt. Dabei werden auch die Felgenelementgelenkarretierungen 23 der Felgenelementgelenke 21 in der Nähe der Stufe ebenfalls gelöst, so dass die Felge im Bereich der Stufe 13 nachgibt und hierdurch eine Radeinbuchtung 19 über der Stufe 13 hervorgerufen wird.
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In 2 ist ein Rad ohne Speichen dargestellt, das auf einer ebenen Fläche 12 eine kreisrunde Form hat, was auf der linken Seite der 2 gezeigt wird. Auf der rechten Seite der 2 gelangt das Rad in den Bereich einer Treppenstufe 13. Hier erfasst mindestens ein optischer Sensor 9 den Kontakt des luftgefüllten Reifens 1 mit der Treppenstufe 13. Erhält die EDV-Einheit 8, die über eine Halterung 10 mit der Radachsenaufnahme 6 eines Transportmittels verbunden ist, das digitale Signal des Reifenkontakts mit der Stufe, wird ein Befehlssignal zur Öffnung des Reifenventils 16 erzeugt. Dabei wird der Reifendruck bis zu einem aufgrund der Programmierung definierten Restdruck, was auch einen sozusagen drucklosen Reifen bedeuten kann, so weit gesenkt, so dass im Bereich der Treppenstufe 13 eine Radeinbuchtung 19 entsteht. Zwischen der starren Felge 7 und dem Reifen 1 befindet sich eine Dämpfungsschicht 11 aus weich-elastischem Material, wie z.B. Schaumstoff, die im Bereich der Treppenstufe 13 aufgrund der Reifendruckabsenkung und der Schub- und/oder Schwerkraft des Rollstuhls über der Stufenkante, entsprechend zum gegenüberliegenden Reifenabschnitt eingebuchtet wird. Die Dämpfungsschicht 11 dient dem Schutz der Felge 7 vor Verschleiß und Beschädigung beim Befahren der Treppenstufen 13 mit annährend drucklosen Reifen. Die Reifendruckluft, die beim Öffnen des Ventils aufgrund des Befehlssignals der EDV-Einheit 8 aus den Reifen 1 entweicht, wird über ein Schlauchelement 17 in einen Reifenfüller 15 mit angeschlossenem Kompressor 14 geleitet. Aufgrund der Radeinbuchtungen 19 über den Stufenkanten greifen Reifen 1 und Treppenstufen 13 zahnradartig ineinander, so dass ein Transportmittel, wie z.B. ein Rollstuhl, über eine Treppe auf- oder abwärts bewegt wird. Ist das Rad außerhalb des Bereichs einer Stufe 13 wieder auf ebener Fläche 12, so wird über den Kompressor 14 und/oder den Reifenfüller 15, die jeweils so wie das Reifenventil 16 über die EDV-Einheit 8 gesteuert werden, der Reifen 1 wieder mit Luft bis zum aufgrund der Programmierung bestimmten Druckwert gefüllt. Hierdurch wird erreicht, dass das Rad wieder vollständig eine kreisrunde Form zum Transport auf ebener Fläche 12 aufweist.
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Die Räder der in 1, 2 und 3 gezeigten Beispiele können für Transportmittel und Fahrzeuge, wie zum Beispiel Rollstühle, Fahr- und Motorräder, Autos etc., bevorzugter Weise mit Elektroantrieb eingesetzt werden. Dabei können, wie bei konventionellen treppensteigenden Transportmitteln üblich, Vorrichtungen zur automatischen optimierenden Gewichtsverlagerung des Transportierten zum Zweck der Kippvermeidung bei der Neigung im Rahmen der Überwindung von Treppen angewendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reifen
- 2
- Radspeiche
- 3
- Äußeres Speichenelement
- 4
- Inneres Speichenelement
- 5
- Feder
- 6
- Radachsenaufnahme
- 7
- Felge
- 8
- EDV-Einheit
- 9
- Optischer Sensor
- 10
- Halterung
- 11
- Dämpfungsschicht
- 12
- Ebene Fläche
- 13
- Treppenstufe
- 14
- Kompressor
- 15
- Reifenfüller
- 16
- Ventil
- 17
- Schlauchelement
- 18
- Radspeichen-Kontraktion
- 19
- Radeinbuchtung
- 20
- Felgenelement
- 21
- Felgenelementgelenk
- 22
- Nabe
- 23
- Felgenelementgelenkarretierung
- 24
- Federarretierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0127732 A1 [0002]
- US 3499501 [0002]
- DE 102013006690 [0002]
