DE2307731A1

DE2307731A1 - Rad und radfahrzeug, insbesondere fuer weichen untergrund

Info

Publication number: DE2307731A1
Application number: DE19732307731
Authority: DE
Inventors: Brian Auty; Vincent Frederick Reginald
Original assignee: Bath Institute of Medical Engineering Ltd
Current assignee: Bath Institute of Medical Engineering Ltd
Priority date: 1972-02-16
Filing date: 1973-02-16
Publication date: 1973-08-23
Also published as: CA983361A; FR2172378A1; JPS4888602A; FR2172378B1; US3861435A; GB1408574A

Description

82-2O.183P(2O.184H) 16.2.1973

BATH INSTITUTE OF MEDICAL ENGINEERING. Somerset

(Großbritanni en)

Rad und Radfahrzeug, insbesondere für weichen

Untergrund

Wenn ein Radfahrzeug oder ein Wagen Über einen weichen Untergrund wie z. B. Sand, Kies, Morast oder schlammigen Boden fahren soll, können Schwierigkeiten dadurch entstehen, daß seine Räder in dem weichen Boden einsinken, wodurch es schwierig oder unmöglich wird, das Fahrzeug oder den Wagen auf solch einem Terrain zu bewegen. Ein Beispiel für dieses Problem, für welches die Erfindung besonders, jedoch nicht ausschließlich, konzipiert wurde, tritt insbesondere bei einem Fahrstuhl für behinderte oder verletzte Kinder auf, der an einer Bucht, auf schlammigen Wegen oder weichem Terrain bei besonderen Gelegenheiten, beispielsweise wenn die Kinder in den Ferien an der See sind, eingesetzt wird.

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Es ist bekannt, das Problem des Einsinkens von Rädern in weichen Untergrund entweder durch Verwendung von Raupenketten anstatt von Rädern oder durch Verwendung sehr breiter Räder mit einer großen Bodenkontaktfläche zu überwinden. Diese Lösungen können jedoch beide hinderlich und teuer sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu beheben. Gelöst wird diese Aufgabe bei einem mit einer Nabe versehenen Rad durch ein schalenförmiges äußeres Glied aus einem flexiblen, elastomeren Material, das sich unter einer vergrößerten Belastung deformiert und bei dem sich demgemäß die Bodenberührungsfläche vergrößert.

Der äußerste Teil der Fläche eines unbelasteten Schalengliedes kann zylindrisch oder annähernd konisch sein. Dieser Teil des Schalengliedes steht in Kontakt mit dem Untergrund.

Besonders vorteilhaft kann ein solches Rad oder eine Mehrzahl derartiger Räder an einem Fahrzeug oder Wagen montiert werden, wobei seine Achse bei horizontal ausgerichtetem Fahrzeug entweder horizontal oder relativ zur Horizontalen geneigt sein kann, so daß der konkave Schalenteil der Radfläche in eine nach abwärts geneigte Richtung zeigt. Der Neigungswinkel der Radachse sollte vorteilhafterweise relativ zum Fahrzeug verstellbar sein und so gewählt werden können, daß das Fahrzeug an den Untergrund angepaßte möglichst leichtgängige Fahreigenschaften erlangt.

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Die bei der Verwendung des Rades auf weichem Untergrund vorteilhafte Verformbarkeit ist von Nachteil, wenn das Rad auf hartem Boden rollt, weil der durch die Raddeformation erfolgte vergrößerte Kontaktbereich auch den Rollwiderstand des Rades steigert.

Zur Beseitigung oder Verringerung dieses Nachteils können Einrichtungen zur Vermeidung der Verformung des Schalengliedes vorgesehen sein, durch die auch unter vergrößerter Belastung eine Verformung des Schalengliedes und damit seine Vergrößerung der Boden-Kontaktfläche vermieden wird.

In einer vorteilhaften Ausführung zur Beseitigung dieses Nachteils ist eine kleine Rolle drehbar an einem Ende eines um die Radachse schwenkbaren Armes montiert, welcher in einer bestimmten Position festgelegt werden kann, in welcher die Rollenachse vertikal unterhalb der Radachse steht. Die Rolle ist so angeordnet, daß sie die innere Fläche des Bodenberührungsteiles des unverformten Rades berührt. Rollt das Rad auf hartem Untergrund, dann ist die Achse der Rolle vertikal unter der Radachse festgestellt und verhindert oder zumindest vermindert die Verformung des Rades und verkleinert somit seinen normalen Rollwiderstand. Gelangt das Rad dagegen auf weichen Untergrund, dann wird der Arm entriegelt und kann um die Radachse schwenken, so daß eine Verformung des Rades eintritt, wobei der verformte Teil des Rades die Rolle automatisch in eine Stellung bewegt, in welcher sie die Raddeformation nicht beeinträchtigt.

Der Nachteil kann auch durch eine andere Konstruktion überwunden oder reduziert werden, bei welcher ein zweites Rad von herkömmlicher Konstruktion auf der Achse des ver-

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formbaren Rades montiert und gegenüber dem verformbaren Rad in eine Fahrstellung beweglich ist, in welcher es ausschließlich oder weitgehend die Achsenbelastung aufnimmt, wobei es jedoch auch in eine Außer-Gebrauch-Stellung bewegbar ist, in welcher das verformbare Rad die Achsbelastung aufnimmt.

Bei einer solchen Ausführung kann das zweite Rad koaxial zum verformbaren Rad derart montiert sein, daß die Auswahl, welches der beiden Räder dieser Achse die Last aufnehmen soll, durch Verstellen des Neigungswinkels der Achse getroffen wird.

Bei einer anderen Ausführung dieses Typs zur Überwindung der oben genannten Nachteile kann die Neigung der das erfindungsgemäße Rad tragenden Achse relativ zur Horizontalen, wie oben beschrieben, vterstellt werden. Ein zweites Rad herkömmlicher Konstruktion kann koaxial neben dem verformbaren Rad gemäß der Erfindung montiert werden, wobei ein Durchmesser gewählt wird, durch den, wenn die Rotationsachse beider Räder horizontal ist, das herkömmliche Rad und nicht das erfindungsgemäß verformbare Rad mit dem Boden in Kontakt ist. Wenn die Rotationsachse der Räder beispielsweise zu einem Winkel von 7 1/2 - 15° geneigt wird, ist es das Rad gemäß der Erfindung, welches mit dem Untergrund in Kontakt gelangt, wohingegen das bekannte Rad vom Untergrund abgehoben wird. Bei diesem Konstruktionstyp erfolgt die Auswahl desjenigen der beiden Räder, welches die Achsbelastung aufnehmen soll, durch Einstellung des Neigungswinkels der Achse.

Bei einer weiteren Ausführung zur Überwindung oder Re-

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duzierung dieses Nachteils kann anstatt der Verwendung eines herkömmlichen Rades die Neigung der Radachse erfindungsgemäß um z. B. 10 von der Normalen verstellt werden, so daß der schalenförmige Teil der Radflächen nach aufwärts zeigt und der relativ steife innere Radteil den Boden berührt, wobei der Schalenteil vom Untergrund freikommt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Räder anhand der Zeichnung genauer erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Rades gemäß der Erfindung ι

Fig. 2 einen Schnitt längs der Schnittlinie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines am Fah.rzeug montierten, auf dem Boden abrollenden Rades;

Fig. k eine Ansicht des Rades nach Fig. 3 in Richtung des Pfeiles IV;

Fig. 5 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rades;

Fig. 6 einen Schnitt längs der Schnittlinie VI-VI in Fig. 5;

Fig. 7 einen der Fig. 3 entsprechenden Schnitt durch das Rad nach Fig. 5 und 6;

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Fig. 8 und 9 geschnittene Seitenansichten einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rades;

Fig. 10 und 11 perspektivische Darstellungen einer in den Fig. 8 und 9 gezeigten Einzelheit.

• Wie aus Fig. 2 hervorgeht, besteht das Rad aus einer festen Nabe 11 mit einem einstilckigen Flansch 12 und einem zweiten Flansch 13, die durch eine Schraube einen Spannring oder eine ähnliche Befestigungseinrichtung 14 zusammengehalten werden. Die gesamte Nabe, inklusive des Flansches 13, besteht aus einem relativ festen Material, wie z. B. Metall oder sehr hartem Kunststoff.

Auf der Nabe ist zwischen den Flanschen 12 und 13 ein schalenförmiges Außenglied 15 aus einem flexiblen Elastomer montiert. Die Flansche 12 und 13 sind zur Halterung des inneren Teiles des Außengliedes 15 vorgesehen, welches sich jedoch um einen geeigneten Abstand über diese Flansche hinaus erstreckt und im Bereich seines Außenumfangs frei umgebogen bzw. deformiert werden kann. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, nimmt die Stärke des schalenförmige ausgebildeten Außengliedes 15 zu seinem Umfang hin ab, wobei im undeformierten Zustand ein Teil der konvexen Fläche des schalenförmigen Außengliedes eine langrunde Gestalt hat. Die Fig. und 2 zeigen ferner, daß ein äußerster Teil 16 des konvexen Randes des Gliedes 15 zylindrisch ist und daß dieser Teil 16 den Boden annähernd linear in einer die Radachse enthaltenden Ebene berührt.

Im Gebrauch ist das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Rad

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an einer Fahrzeugachse drehbar montiert, die bei Horizontallage des Fahrzeuges einen Winkel von ca. 7_t5 - 15 zur Horizontalen einschließt. Die Anordnung des Rades auf der Achse ist so getroffen, daß die konkave Radseite nach abwärts zeigt. Wie in den Fig. 3 und k dargestellt, deformiert sich das Schalenglied 15 des Rades im Bereich seines den Boden berührenden Teiles 16, so daß eine beträchtliche Zone des Rades in der Breite quer zum Rad (Fig. h) und längs in Fahrtrichtung (Fig. 3) am Boden anliegt, wenn die Achse des den Boden berührenden Rades belastet wird. Verstärkt sich die Belastung auf das Rad über den die Deformationen nach Fig. 3 und k bewirkenden Betrag hinaus, dann erfolgt eine weitere Verformung des den Boden berührenden Teiles des Radgliedes 15» durch die sich die Länge und Breite der Boden-Kontaktfläche weiter vergrößert. Somit ergibt sich eine ausreichende Boden-Kontaktfläche bei einem gering belasteten Fahrzeug oder Wagen, die jedoch mit größererwerdender Last zunimmt.

Ein Rad in der oben beschriebenen Ausführung ergibt einen relativ großen Auflagebereich auf dem Untergrund bei einer äußerst einfachen Radkonstruktion, wodurch es besonders geeignet für Erzeugnisse, wie z. B. Rollstühle, ist, welche über Sand oder einen anderen weichen Untergrund geschoben werden sollen. Die Tatsache, daß sich die Bodenkontaktfläche mit der auf das Rad einwirkenden Belastung vergrößert, hat bei einem Rollstuhl zur Folge, daß ein relativ schweres Kind oder ein vergleichsweise leichteres über weiches Terrain mit annähernd gleichem Einsink-Widerstand gefahren werden kann.

Das Material des schalenförmigen Außengliedes kann Na-

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turgummi oder ein geeigneter Kunststoff sein. Die Hauptanforderung an dieses Material liegt darin, daß es eine ausreichende Randhärte haben muß, die unter einer typischen Belastung zu einer ausreichenden Verformung führt, und daß sie ausreichend hart sein muß, um dem vom Kontakt mit dem Untergrund herrührenden Abrieb widerstehen zu können.

Aufgrund der relativ großen Boden-Kontaktfläche bei einem von den erfindungsgemäßen Rädern - wie oben beschrieben - getragenen, über ein weiches Terrain bewegten Fahrzeug, sinken die Räder nur um einen sehr kleinen Betrag in den weichen Untergrund ein, so daß der Wagen oder das Fahrzeug sehr viel leichter als ein mit schmalen Rädern versehenes Fahrzeug über einen solch weichen Untergrund bewegt werden kann. In der Praxis wurde festgestellt, daß die oben beschriebene Konstruktion bei einer Verwendung des Rades auf hartem Untergrund nachteilig ist, da der Rollwiderstand aufgrund des großen Boden-Kontaktbereiches den bei normalen Rädern erheblich übersteigt. Die Konstruktion kann jedoch gemäß der Fig. 5_t 6 und 7 in vorteilhafter Weise weitergebildet werden, so daß der Rollwiderstand auf hartem Untergrund auf einen mit konventionellen Rädern gleichen oder vergleichbaren Wert reduziert wird.

Ein Arm 17 ist an seinem einen Ende schwenkbar an der Radachse montiert. An seinem anderen Ende trägt der Arm 17 eine drehbare Rolle 18. Der Arm 17 kann frei um die Achse drehen, er kann jedoch auch in einer Stellung festgelegt werden, in welcher die Rotationsachse der Rolle 18 senkrecht unter der Radachse steht. Die Mittel zur Sicherung des Armes in dieser Position können von irgendeinem bekannten Typ sein, von welchem einer in der Zeichnung dargestellt

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ist, welcher eine mit Fingernuten auf die Achse aufgeschraubte Nabenkappe 19 umfaßt, die den Arm in Eingriff mit einer von der Achse getragenen Federnut od. dgl. bringt.

Die Rolle 18 ist so angeordnet, daß sie an der Innenfläche des Bodenberührungsteiles i6 des Schalengliedes 15 des Rades in undeformiertem Zustand anliegt. Wenn das Rad auf hartem Untergrund rollt, wird der Arm in einer Position festgestellt, in welcher sich die Achse der Rolle senkrecht unter der Radachse befindet, so daß dadurch die Verformung des Bodenberührungsteiles 16 verhindert oder zumindest beschränkt wird. Sobald das Rad auf weichen Untergrund gelangt, wird der Arm durch Lösen der Nabenkappe 19 entriegelt, so daß er in eine Position verschwenken kann, in welcher die Rolle 18 eine Verformung nicht verhindert. Vie in Fig. 7 gezeigt, bewegt der verformte Teil des Schalengliedes 15 die Rolle 18 an eine Seite des Verformungsbereiches.

In einer in der Zeichnung nicht dargestellten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rades, bei welcher die Verformung des Bodenkontaktteiles des Radgliedes 15 begrenzt oder verhindert wird, ist eine Scheibe im konkaven Teil des Rades befestigt, deren Umfang sich an der Innenfläche des Bodenberührungsteiles des Schalengliedes 15 abstützt. Sicherungsmittel zum Halten der Scheibe sind von einem solchen Typ, daß die Scheibe leicht montiert und entfernt werden kann.

Die Fig. 8-11 zeigen eine andere Ausführung, die ähnlich der vorstehend beschriebenen Scheibe ist. Diese Ausführung umfaßt zusätzlich ein Scheibenglied 20, welches aus einer Vielzahl von durch radiale Faltlinien miteinander ver-

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bundenen Teilen bestehen kann. Die Verbindung dieser Teile ist derart, daß die Gestalt des Gliedes 20 von der in Fig. 10 gezeigten, d. i. eine Scheibe mit aufgefalteten Teilen, zu der in Fig. 11 dargestellten geändert werden kann, in welcher die Teile zusammengefaltet oder zusammengeknickt sind und annähernd eine zylinderförmige Gestalt annehmen. Das Scheibenglied 20 kann aus Metall oder einem anderen geeigneten Material bestehen, wobei jedoch ein solcher Kunststoff bevorzugt wird, bei welchem die Scharnierstellen an den Faltlinien durch Verringerung der Materialdicke ausgebildet werden, wie sie als sog. "Kunststoffscharniere" bekannt sind. Wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt, wird das Scheibenglied 20 von einem Spulenkörper 21 getragen, der auf einer Achse 22 montiert ist, auf welcher auch die Nabe 11 des Rades gehalten ist. An ihrem äußeren Ende trägt die Achse 22 eine Haltescheibe 23· Ferner ist eine Einrichtung zum Bewegen des Spulenkörpers 21 auf der Achse und zu seinem Festlegen in jeder der in den Fig. 8 und 9 gezeigten Positionen vorgesehen.

Im Betrieb beim Überfahren von weichem Untergrund befindet sich der Spulenkörper 21 in der in Fig. 8 gezeigten Stellung, und das Scheibenglied 20 ist zusammengefaltet. Wenn der zu befahrende Untergrund hart ist, wird der Spulenkörper 21 auf der Achse 22 in die in Fig. 8 gezeigte Stellung bewegt. Während dieser Bewegung greifen die Falten des Scheibengliedes 20 an der Peripherie der Scheibe 23 an, so daß das Scheibenglied 20 voll gespreizt ist. Die Abmessungen der Teile sind so gewählt, daß, wenn der Spulenkörper 21 sich an der Scheibe 23 befindet, das Scheibenglied 20 voll in die in Fig. 8 gezeigte Position gespreizt ist, in welcher sein Umfang mit der Innenfläche des Boden-

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berührungsteiles 16 des Schalengliedes 15 in Eingriff gelangt und seine Deformation verhindert.

Räder gemäß der Erfindung verhalten sich wie herkömmliche Räder, wenn die Radverformung verhindert oder eingeschränkt wird. Fehlt jedoch eine solche Einschränkung oder Verhinderung, dann rotiert das Rad zwar, es deformiert sich jedoch in Kontakt mit der Bodenfläche, und es bildet sich eine wellenförmige Berührung. Bei einer Übertragung eines Andruckes in die Bodenfläche steigt die Depression mehr als daß es darauf rollt, und es greift in der Weise einer Raupenkette ein im Gegensatz zum Rollen eines herkömmlichen Rades. Wird ein bekanntes Rad auf weichem Untergrund eingesetzt, dann wird es einen Wall vor sich aufbauen, durch welchen es bei einer weiteren Bewegung hindurchgedrückt werden muß, wobei es jedoch dabei gerade wieder einen größeren Wall aufzubauen bestrebt ist. Das Rad gemäß der Erfindung mit seiner charakteristischen Wellenbewegung kann aus und über sämtliche auftretenden Barrieren bzw. Wälle klettern und baut keine weiteren Wälle auf. Darüber hinaus kann sich das erfindungsgemäße Rad beim Antreffen eines Walles deformieren, so daß es sich an einer Seite des Walles bewegt oder den Wall zur Seite drückt.

Räder gemäß der Erfindung können mit einem Profil ausgebildet oder versehen sein, insbesondere wenn das Rad Kraft überträgt. Die Räder können von irgendeiner Ausführung sein, die man gewöhnlich an Fahrzeugreifen findet; sie können jedoch auch eine Profil- oder Laufflächenausführung ähnlich der von Traktoren-Antriebsrädern aufweisen,, bei welchen die Profilrillen parallel zur Radachse verlaufen.

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Das Außenglied des erfindungsgemäßen Rades kann durch beispielsweise Einschmelzen von einem oder mehreren Drahtringen in den Gliedkörper verstärkt werden. So ein neben
dem Außenumfang des Rades angeordneter Drahtring würde eine Versteifung des Außengliedes gegen Deformationen bewirken. Dadurch kann eine Auswahl einer erforderlichen Verformung bei charakteristischen Belastungen durch die entsprechende Wahl eines Verstärkungselementes und seiner Anordnung im Gliedkörper getroffen werden.

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Claims

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Patentansprüche

1J Rad mit Nabe, gekennzeichnet durch ein äußeres, schalenförmiges Bodenberührungsglied (15) aus einem flexiblen Material, welches bei gesteigerter Belastung seine Boden-Berührungsfläche vergrößert.
2. Rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenberührungsglied (15) in unbelastetem Zustand schalenförmig und im Achsschnitt halbrund ausgebildet ist.
3. Rad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußerster Teil (i6) der konvexen Fläche des schalenförmigen Außengliedes 15 in unbelastetem Zustand zylindrisch ausgebildet ist.
4. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Radachse bei horizontalem Fahrzeugrahmen zur Horizontalen geneigt und seine konkave Fläche nach abwärts gerichtet ist.
5. Rad nach Anspruch h_t dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Einstellung der Neigung der Radachse relativ zum Fahrzeug vorgesehen ist.
6. Fahrzeug mit einem oder mehreren Rädern nach .einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad zusammen mit einem zweiten, bekannten Rad auf einer Fahrzeugachse montiert ist und das zweite Rad in eine Fahr-

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position bewegbar ist, in welcher es die Achsbelastung aufnimmt, sowie in eine Außerbetriebsposition bewegbar ist, in welcher dann die Last vom ersten Rad aufgenommen wird.
7- Fahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Rad koaxial zum ersten montiert ist und daß je nach Verstellung des Achswinkels die Achslast von dem einen oder dem anderen Rad aufgenommen wird.
8. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (18, 20) zur Beseitigung der Verformung des Schalengliedes (15) vorgesehen ist, welche bei gesteigerter Belastung eine größere Deformation dieses Gliedes (15» 16) und damit eine vergrößerte Bodenkontaktfläche verhindert.
9. Rad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtung aus einer drehbar an einem Ende eines Armes (17) montierten Rolle (18) besteht, welcher um die Radachse schwenkbar und in einer bestimmten Position feststellbar montiert ist, in welcher die Drehachse des Rades (18) senkrecht unter der Radachse steht, wobei die Rolle (18) in Kontakt mit der Innenfläche des Randes (16) des schalenförmigen Gliedes (15) gelangt und eine Verformung dieses Teils (16) unterbindet.
10. Rad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus einem Scheibenglied (20) besteht, welches im konkaven Teil des Rades befestigbar ist und mit seinem Umfang die Innenfläche des Schalengliedes (15) zur Verminderung einer Verformung dieses Gliedes berührt.

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11. Rad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Scheibenglied (2O) aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Teilen besteht, die so ausgebildet sind, daß
das Glied (20) aus seiner Scheibenform in eine annähernde Zylinderform zusammenfaltbar ist, und daß Mittel (21, 23) zum Auffalten oder zum Zusammenfalten des Scheibengliedes vorgesehen sind.

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