DE3319736A1

DE3319736A1 - Tretkurbeltrieb fuer ein fahrrad

Info

Publication number: DE3319736A1
Application number: DE19833319736
Authority: DE
Inventors: Masashi Izumi Osaka Nagano
Original assignee: Shimano Industrial Co Ltd
Current assignee: Shimano Inc
Priority date: 1982-06-01
Filing date: 1983-05-31
Publication date: 1983-12-01
Also published as: DE3319736C2; DE3348078C2; US4522610A; FR2527542A1; FR2527542B1; US4522610B1

Description

" ret ki.r Del trieb für em Far.rrs.:

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.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tretkurbeltrieb für ein Fahrrad und betrifft insbesondere eine Tretkurbelanordnurg mit einer Tretkurbelwelle, einem Paar Tretkurbelarmen und wenigstens einem Kettenrad.

Im einzelnen setzt sich ein Tretkurbeltrieb der genannten Art zusammen aus einer erfindungsgemäßen Tretkurbelanordnung, einem an der Hinterradnabe eines Fahrrads angebrachten hinteren Kettenrad und einer über das vordere und das hintere Kettenrad verlaufenden Antriebskette. 5

Eine Tretkurbelanordnung der genannten Art ist gewöhnlich in einem Tretkurbellager am unteren Teil des Fahrradrahmens gelagert. Eine Atriebskette verläuft über das Kettenrad der Tretkurbelancrdnung und das an der Hinterradnabe angeordnete hintere'Kettenrad und bildet mit diesen zusammen den Antrieb für das Fahrrad. Ein von den Beinen des Fahrers durch Treten von an den Tretkurbelarmen angebrachten Pedalen ausgeübtes Drehmoment wird über die Antriebskette auf das „ρ- hintere Kettenrad übertragen, um damit das Hinterrad anzutreiben und das Fahrrad in Bewegung zu halten.

Der auf einem Sattel sitzende Fahrer bewegt die Pedale durch Treten derselben um die Tretkurbelwelle herum, wobei 3Q seine Beine, ähnlich wie beim Gehen, eine pendelnde Bewegung vollführen, d.h. die Bewegung der Pedale verläuft nach einem eigenen Zyklus und nach einem Geschwindigkeitsmuster, welches von der Lage des Bewegungszentrums und der Mittellinie der Bewegung bestimmt ist.

Wie man aus dem in Fig. 3 dargestellten Tretzyklus erkennt, variiert das von den Beinen des Fahrers ausgeübte Drehmoment zwischen der oberen Totpunktstellung der Tretkurbel-

arme und einem dazwischen liegenden Bereich, wobei das Irehmcr:fent nahe dem jeweiligen oberen Totpunkt arr. kleinsten und nach einer Vorwärtsdrehung um ca. 70 + 5° von der oberen Totpunktstellung aus am größten ist.

Dieses Variieren des Drehmoments ist abhängig von der Bewegung der Beine beim Treten und von der Stellung des einzelnen Pedals relativ zu seiner Bewegung, und ist dabei weitgehend unabhängig von der Größe und Art des Fahrrads und von der Muskelkraft des jeweiligen Fahrers.

Da sich bei einem elliptischen Kettenrad der Teilungsdurchmesser für jeden Zahn und damit das Übertragungsverhältnis zu einem Kettenrad mit einheitlichem Teilungsdurchmesser ändert, erscheint es bei der Verwendung eines elliptischen Kettenrads als vorderes Kettenrad eines Fahrrads zweckmäßig, das größte Übertragungsverhältnis im Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt anzuordnen, um damit das größte beim Treten erzeugte Drehmoment zu nutzen, während das kleinste Übertragungsverhältnis vorzugsweise nahe den oberen und unteren Totpunkten angeordnet ist, in deren Bereich das erzeugte Drehmoment am kleinsten ist.

Dadurch verringert sich jedoch die Umfangsgeschwindigkeit der Pedale im Bereich des größten Drehmoments und vergrößert sich im Bereich des kleinsten Drehmonents nahe den oberen und unteren Totpunkten, woraus sich eine physische Belastung für den Fahrer ergibt.

Bei Betrachtung der Bewegung der Beine ist zu erkennen, daß die maximale Muskelkraft bei verringertem Energieaufwand im Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt der Tretkurbelarme ausgeübt werden kann, so daß die erzeugte Leistung entsprechend der Beziehung : Leistung = Drehmonent χ Geschwindigkeit durch eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit in diesem Bereich gesteigert werden könnte. Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung verringert sich jedoch die Umfangsgeschwindigkeit und damit auch die erzeugte

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Leistung gerade in diesem Bereich-Andererseits ist für das Treten ir; Bereich des oberen und des unterer. Tetpunkts ein größerer Energieaufwand erforderlich, ohne daii die Muskelkraft ausreichend zur Wirkung kommt, so daß also eine Verringerung der Umfangsgeschwindigkeit im Bereich der beiden Totpunkte zu einer Verringerung der physischen Belastung des Fahrers führen könnte. Gerade in diesen Bereichen erhöht sich jedoch die Umfangsgeschwindigkeit und erbringt dadurch eine erhöhte Belastung.

.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Tretkurbeltriebs mit wenigstens einem unrunden, elliptischen Kettenrad, welcher so ausgebildet und angeordnet ist, daß bei verringerter Belastung des Fahrers eine erhöhte Leistung sowie ein zügiger Bewegungsablauf beim Treten der Pedale erzielbar sind.

Dabei geht die Erfindung davon aus, daß die Bewegung der Beine eines Radfahrers nach einem vorbestimmten Zyklus und einem vorbestimmten Geschwindigkeitsmuster abläuft und daß eine diesem Muster nicht angepaßte Bewegung einen erhöhten Kraftaufwand erfordert und damit eine erhöhte Belastung für den Fahrer erbringt.

Mit anderen Worten basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, daß sich die Leistung beim Treten der Pedale verbessern läßt, indem die Umfangsgeschwindigkeit während der Ausübung des größten Drehmoments durch die Beine des Fahrers erhöht wird, während die Belastung der Muskeln durch Verringerung der Umfangsgeschwindigkeit bei der Ausübung des kleinsten Drehmoments verringert werden kann. Als Grundgedanke der Erfindung ergibt sich somit, daß ein unrundes, ellipsenförmiges Kettenrad in bezug auf die Tretkurbelarme derart angeordnet wird, daß der Teilungsdurchmesser des Kettenrads im Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt, in welchem das Treten der Pedale das größte Drehmoment erbringt, am kleinsten oder nahezu am kleinsten und im Bereich des oberen und des unteren Totpunkts, in welchem das

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Drehmoment am kleinsten ist, am größten oder nahezu am größten ist. Irr. Bereich des größten Drehmoments zwischen dem oberen und dem unteren Totpqnkt der Tretkurbelarme wird SC¹It ein kleinerer Durchmesser des Kettenrads angeordnet, um die Umfangsgeschwindigkeit der Pedale zu erhöhen und . dem Geschwindigkeitsmuster der Bewegung der Beine anzupassen, während im Bereich des kleinsten Drehmoments nahe dem oberen und dem unteren Totpunkt ein größerer Durchmesser des Kettenrads vorliegt, um die Umfangsgeschwindigkeit zu verringern und sie dem Geschwindigkeitsmuster der Beinbewegung anzupassen. Daraus ergibt sich, daß sich die bei einem Tretzyklus erzeugte Leistung erhöht, daß sich der Aufwand an Muskelkraft (Energieaufwand) in Beziehung zur geleisteten Arbeit verringert und daß sich die physische Belastung des Fahrers ebenfalls verringert, so daß ein zügiges Treten der Pedale erfolgen kann.

Das in der Beschreibung mehrfach erwähnte, von den Beinen des Fahrers erzeugte Drehmoment ergibt sich aus der gelenkigen Bewegung der Beine, welche sich aus der Kontraktion und Streckung der Beinmuskulatur ergibt.

Der erfindungsgemäße Tretkurbeltrieb hat den folgenden grundsätzlichen Aufbau:

Das Kettenrad ist von unrunder, elliptischer Form, so daß sein mit Kettenzähnen besetzter Umfang örtlich unterschiedliche Teilungsdurchmesser aufweist, wodurch das vom Bein des Fahrers ausgeübte Drehmoment während der Drehung der Tretkurbelarme über variierende Teilungsdurchmesser auf eine Antriebskette übertragen wird. Zwischen dem Kettenrad und den Tretkurbelarmen besteht dabei eine solche Beziehung, daß das größte bei der Drehung der Tretkurbelarme von den Beinen des Fahrers ausgeübte Drehmoment von dem im wesentlichen den kleinsten Durchmesser aufweisenden Bereich des Kettenrads auf die Antriebskette übertragen wird,, während das kleinste ausgeübte Drehmoment von dem im wesentlichen den größten Durchmesser aufweisenden Bereich des Kettenrads übertragen wird.

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Dementsprechend erhöht sich d:.e Winkelgeschwindigkeit im Pereich des größter: Drehmoments und verringert sich irr: Bereich des kleinsten Drehmomente, um damit die Leistung zu verbessern, das maximale Drehmoment zu verringern und das Treten der Pedale dem Geschwindigkeitsmuster der Beinbewegung des Fahrers anzupassen.

Dadurch, daß sich die Umfangsgeschwindigkeit der Pedale in dem Bereich, in welchem das größere Drehmoment erzielbar ist, erhöht, ergibt sich eine erhöhte Leistung und eine Anpassung des Tretens der Pedale an die Bewegung der Beine, wodurch sich der Energieaufwand für das Treten.der Pedale in größerem Maße verringert als bei einer Verringerung der Umfangsgeschwindigkeit- In den Bereichen, in denen ei*: großes Drehmoment nicht erzielbar ist, ist die Umfangsgeschwindigkeit der Pedale verringert, wodurch sich zwar auch die Leistung etwas verringert, des Treten der Pedale jedoch der Beinbewegung angepaßt ist,so daß der Energieaufwand geringer ist als bei Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit. Als Ergebnis ist der Fahrer einer verringerten physischen Belastung unterworfen , so daß er mit zügigem Treten der Pedale stetig fahren kann.

Die Leistung ist somit im Bereich des kleineren Drehmoments verringert, dafür jedoch im Bereich des größeren Drehmoments erhöht, wodurch sich die Belastung für die gleiche Gesamtleistung verringert, insbesondere im Vergleich zur Verwendung eines kreisrunden oder eines elliptischen Kettenrads, welches so angeordnet ist, daß sich die Umfangsgeschwindigkeit im Bereich des größten Drehmoments verringert und im Bereich des kleinsten Drehmoments erhöht.

In einer Ausführungsform ist die Erfindung auch für einen Tretkurbeltrieb mit mehreren verschieden großen Durchmesser aufweisenden Kettenrädern verwendbar. In diesem Falle kann ein größeres und eine größere Anzahl von Zähnen aufweisendes Kettenrad kreisrund sein, während ein einen kleineren Durchmesser und eine kleinere Anzahl von Zähnen aufweisen-

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- Sf0-

des Kettenrad unrund bzw. elliptisch sein kann, wobei die beiden Plettenräder in im folgenden beschriebener Weise miteinander kombiniert sind. Auf diese Weise erhält man eine Tr-' kurbelanordnung, bei welcher jedes Kettenrad zweckmäßig unter verschiedenen Bedingungen verwendbar ist.

Bei einer Tretkurbelanordnung mit mehreren Kettenrädern wird das den kleineren Durchmesser aufweisende Kettenrad gewöhnlich für die Fahrt bergauf oder auf schlechten Straßen verwendet, in Fällen also, in denen es auf geringere Geschwindigkeit bei größerem Drehmoment ankommt, während das den größeren Durchmesser aufweisende Kettenrad für die Fahrt auf guten Straßen oder bergab verwendet wird, wo es auf größere Geschwindigkeit und höhere Leistung ankommt. Bei der Verwendung des kleineren Kettenrads nimmt der Fahrer häufig eine im wesentlichen aufrechte Haltung ein, während er sich bei Verwendung des größeren Kettenrads zumeist vornüber beugt. Daraus ergibt sich, daß der den größten Durchmesser aufweisende Bereich des kleineren Kettenrads in bezug auf den den kleinsten Durchmesser aufweisenden Bereich des größeren Kettenrads im Vorwärts-Drehsinn der Kurbelarme vorwärts versetzt werden muß, damit jedes Kettenrad entsprechend den unterschiedlichen Betriebsbedingungen zweckmäßig . benutzt werden kann.

Bei Überschreitung des oberen Totpunkts eines Tretkurbelarms beim Treten der Pedale ist der Winkel zwischen der oberen Körperhälfte des Fahrers und dem betreffenden Bein desselben bei aufrecht sitzender Haltung des Fahrers größer als bei vornüber gebeugter Haltung, wodurch das maximale Drehmoment beim Treten der Pedale in aufrechter Haltung zu einem früheren Zeitpunkt erreicht wird. Dementsprechend wird das maximale Drehmoment beim Treten der Pedale in vornüber gebeugter Haltung erst zu einem späteren Zeitpunkt er-

®5 reicht. Aus diesem Grunde sind die dem maximalen Drehmoment zugeordneten Bereiche der Kettenräder im Sinne der Vorwärtsdrehung relativ zueinander phasenversetzt. Dementsprechend ist der den größten Durchmesser aufweisende Bereich des

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kleineren Kettenrads gemäß der Erfindung vorzugsweise um einen Winkel von 5 bis 15°, insbesondere von 10°, in bezug auf den den größten Durchmesser aufweisenden Bereich des größeren Kettenrads versetzt.

Die Beziehung zwischen dem größten und dem kleinsten Durchmesser der Kettenräder liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1,06 und 1,20. Bei Verwendung zweier Kettenräder, beträgt diese Beziehung beim größeren Kettenrad vorzugsweise 1,06 und beim kleineren Kettenrad 1,09-

Der Grund für Vorstehendes liegt darin, daß die normalen Drehzahlen für das kleinere Kettenrad zwischen etwa 60 und 80 U/min und für das größere Kettenrad ζ 'ischen etwa 70 und 90 variieren, wobei für die gleiche Leistung das maximale Drehmoment bei niedrigerer Geschwindigkeit, d.h. bei einer kleineren Drehzahl zunimmt bei hoher Geschwindigkeit, d.h. bei größeren Drehzahlen abnimmt und nahe den oberen und unteren Totpunkten der Tretkurbelarme gleich Null ist. Deshalb ist beim kleineren Kettenrad das Verhältnis zwischen größtem und kleinstem Drehmoment größer als beim größeren Kettenrad, so daß die Muskelkraft des Fahrers optimal genutzt und die physische Belastung des Fahrers dabei gleichwohl verringert wird.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Vorderansicht einer Tretkurbelanordnung in einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Ansordnung nach Fig. 1 in ver kleinertem Maßstab,

Fig. 3 eine schematisierte Darstellung der Beziehungen zwischen dem Drehwinkel eines Tretkurbelarms und dem vom Bein des Fahrers erzeugten Drehmoment,

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Fig- h eine schematisierte Darstellung der Beziehungen zwischen dem Drehwinkel eines Kettenrads und seinem örtlichen Radius,

Fig. 5 eine schematisierte Seitenansicht von Kettenrädern in einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine schematisierte Seitenansicht eines Tretkurbeltriebs im Gebrauchszustand,

Fig. 7 eine nur teilweise ausgeführte Seitenansicht einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen dem Drehwinkel eines Tretkurbelarms und dem vom Bein des Fahrers ausgeübten Drehmoment und

Fig. 9 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen dem Drehwinkel eines Kettenrads und dem örtlichen Durchmesser desselben.

Eine in der Zeichnung dargestellte Tretkurbelanordnung hat eine Tretkurbel 1 mit einer Welle 11, welche an beiden Enden Paßstücke 11a und 11b für die Befestigung jeweils eines Tretkurbelarms 12 bzw. 13 aufweist, und ferner ein eine kleinere Anzahl von Zähnen aufweisendes erstes Kettenrad 2 und ein eine größere Anzahl von Zähnen aufweisendes zweites Kettenrad 3, welche zusammen an einer radial vom Nabenteil 12a des einen Tretkurbelarms 12 abstehenden Tragscheibe 14 befestigt sind und über eines von welchen wahlweise eine Antriebskette geführt werden kann. Die Kettenräder 2 und 3 haben jeweils einen Scheibenkörper 21 bzw.'31, welcher entlang seinem Umfang mit einer Anzahl von Zähnen 22 · bzw. 32 bestückt ist, und sind über mehrere Verbinder 4 mit-

^° einander verbunden.

In der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist das die größere Anzahl von Zähnen aufweisende zweite Kettenrad 3 in

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herkömmlicher Weisf· kreisrund ausgeführt, während das die . ,t -.·.·■:» /ι...)·., ·/■ ■ :'-ir.i.f.ri -ι "j f ν;* ι :.f-. {-.')'■ <_; r r: *■-<:.- ?>: tter. r?; 1 '■ .Ji,ι !ii.·» .·/.«. f·. j J i pa- .r.i "örmig ist, so da»': seit, mit den Zähnen 21 oestückter Umfang einen verschieden großen Teilungsdurchmesser hat, so daß bei der durch Betätigung der Tretkurbel 1 bewirkten Drehung des ersten Kettenrads 2 das von den Beinen des Fahrers erzeugte und durch das Kettenrad auf die Antriebskette übertragene Drehmoment variiert.

Wie man in Fig. 2 erkennt, hat das elliptische erste Kettenrad 2 eine längere und eine kürzere Achse, welche sich unter einem rechten Winkel schneiden. Das erste und das zweite Kettenrad 2 bzw. 3 sind in folgender Weise in bezug auf die Tretkurbelarme 12 und 13 angeordnet:

Der technische Grundgedanke für diese Anordnung besteht gemäß der Erfindung darin, daß der Teilungsdurchmesser des ersten Kettenrads 2 bei der Drehung der Tretkurbelarme und 13 im wesentlichen am kleinsten ist, wenn das vom Bein erzeugte Drehmoment am größten ist, und am größten ist, wenn das vom Bein erzeugte Drehmoment am kleinsten ist. Dementsprechend sind die Tretkurbelarme 12 und 13, wie in Fig. 2 dargestellt, in bezug auf den durch einen Pfeil Z angedeuteten Drehsinn der Tretkurbel relativ zur längeren Achse X des ersten Kettenrads 2 rückwärts versetzt, so daß bei Überschreitung der oberen und unteren Torpunkt durch die Tretkurbelarme 12 und 13 und Eintritt derselben in den Bereich, in welchem das größte Drehmoment erzielbar ist, der kleinste Teilungsdurchmesser des ersten Kettenrads 2 in Wirkung tritt, um damit das Übertragungsverhältnis vom vorderen Kettenrad auf das hintere Kettenrad zu verkleinern und damit die Winkelgeschwindigkeit der Pedale zu erhöhen. Befinden sich die Tretkurbelarme dagegen im Bereich des oberen und des unteren Totpunkts O₁ bzw. 0_p, in welchem nur ein kleines Drehmoment erzielbar ist, so tritt der den größten Teilungsdurchmesser aufweisende Bereich des ersten Kettenrads 2 in Wirkung, um das genannte Übertragungsverhältnis zu vergrößern und.die Winkelgeschwindigkeit

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der Pedale zu verringern.

Das von einem Bein während einer Umdrehung eines KurDelarms 12 oder 13 ausgeübte Drehmoment variiert in der in Fi - 3 gezeigten Weise.

Im Bereich der Längeren Achse X des ersten Kettenrads 2 wird das Übertragungsverhältnis zum hinteren Kettenrad G größer und die Winkelgeschwindigkeit der Pedale verringert sich, während sie bei kleinerem Übertragungsverhältnis zunimmt .

Entsprechend dem Vorstehenden tritt in der Stellung, in welcher der Tretkurbelarm 12 oder 13 in Vorwärtsrichtung um einen Winkel zwischen etwa 30 und 170° über den oberen Totpunkt hinweg gedreht ist und das größte Drehmoment erzielbar ist, der kleinste Teilungsdurchmesser der mit der Antriebskette in Eingriff befindlichen Zähne in Wirkung, um das Übertragungsverhältnis vom ersten Kettenrad 2 auf das hintere Kettenrad G zu verkleinern und damit die Winkelgeschwindigkeit des Pedals zu erhöhen. Dadurch verbessert sich die Leistung in dem Bereich, in welchem das größte Drehmoment erzielbar ist, und das Treten der Pedalle wird dem Geschwindigkeitsmuster der Beinbewegung angepaßt. Befinden sich die Tretkurbelarme 12 und 13 in dem Bereich, in welchem nur ein kleiners Drehmoment erzielbar ist, d.h. also im Bereich des oberen und des unteren Totpunkts O₁ bzw. Op, tritt der den größeren Teilungsdurchmesser aufweisende Bereich des ersten Kettenrads 2 in Wirkung, um das übertragungsverhältnis zwischen dem ersten Kettenrad 2 und dem hinteren Kettenrad zu vergrößern und damit die Winkelgeschwindigkeit der Pedale zu verkleinern, so daß sich in dem Bereich,'in welchem nur ein kleines Drehmoment erzielbar ist, obgleich keine Leistung erzielt wird, die Geschwindigkeit erhöht, um die Belastung der Beinmuskeln des Fahrers zu verringern und das Treten der Pedale dem Geschwindigkeitsinuster der Beinbewegung anzupassen, so daß sich die physische Belastung des Fahrers verringert.

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Auf diese Weise wird der effektive Durchmesser des Kettenrad:· .ir. Terr. Pereich, in welchem α"=ε gröbere Drehmoment ι r ;· ι« . : .:. ι ■: , a . L . rj]:;o zw j. .ucr.f. r. ofcr: oberer, uric unteren 'i'-tupuriKilon eier Trrtkurbelarme 12 und 13, am kleinsten, und die Winkelgeschwindigkeit der Pedale erhöht sich entsprechend, so daß die größtmögliche Leistung erzielbar ist.

Wegen der Beziehung : Leistung = Drehmoment χ Winkelgeschwin-• digkeit bedeutet dies daß sich das Drehmoment pro Arbeitseinheit verringert. Da ferner die Bewegung des Beins in .dem genannten Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt beschleunigt wird, ist das Treten der Pedale dem Geschwindigkeitsmuster der pendelartigen Beinbewegung weitgehend angepaßt.

Da der effektive Durchmesser des Kettenrads in dem Bereich, in welchem nur ein kleineres Drehmoment erzielbar ist, d.h. also in der Nähe der oberen und unteren Totpunkte der Tretkurbelarme 12 und 13, am größten wird, während sich die Winkelgeschwindigkeit der Pedale verringert, wird nur eine geringe Leistung erzeugt, der Einfluß auf die insgesamt geleistete Arbeit ist jedoch gering, da in diesem Bereich ohnehin kein großes Drehmoment zur Wirkung kommt. Dafür führt die verringerte Leistung zu einer Verringerung der physischen Belastung des Fahrers, und die Beinbewegung verlangsamt sich in diesem Bereich, so daß das Treten der Pedale dem Geschwindigkeitsmuster der Beinbewegung angepaßt ist.

Dementsprechend läßt sich die Leistung in dem Bereich ver-³^ bessern, in welchem das größere Drehmoment erzielt wird, so daß insgesamt eine höhere Leistung erzielbar ist und das Treten der Pedale dem Geschwindigkeitsmuster angepaßt wird, wodurch sich der Energieaufwand für das Treten der Pedale sowie die physische Belastung des Fahrers verringern und ein zügiges Treten der Pedale ermöglicht ist.

In dem Fall, daß das Verhältnis zwischen der längeren Achse des ersten Kettenrads zur kürzeren Achse desselben 1,1 : 1

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beträgt und unter der Annahme, daß das größte Drehmoment 30 kg/m und das kleinste Drehmoment 5 kg/n? beträgt, liegt das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit gegenüber einem krt-isrunden Kettenrad bei 0,95 im Bereich der längeren Achse und bei 1,05 im Bereich der kürzeren Achse. Bei dem Kettenrad 2 entspricht der Bereich der längeren Achse dem Bereich, in welchem nur ein kleines Drehmoment erzeugt wird, und der Bereich der kürzeren Achse dem Bereich, in welchem das größte Drehmoment erzielt wird, wobei sich bei Verwendung des Kettenrads 2 aus der Beziehung: Leistung = Drehmoment" mal Geschwindigkeit ein größtes Drehmoment von 28,5 kg/m und ein kleinstes Drehmoment von 5,25 kg/m ergibt.

Damit erhöht sich also das Drehmoment im Bereich der längeren Achse um 0,25 kg/m, während es sich im Bereich der kürzeren Achse um einen deutlich größeren Betrag, nämlich um 1,5 kg/m verringert. Auf diese Weise läßt sich also das größte Drehmoment in seinem Meßwert um 5 bis 8% verringern, woraus sich eine Gesamtverringerung des Drehmoments bei einem vollen Tretzyklus, selbst bei einer Zunahme des kleinsten Drehmoments, von etwa 2 bis 3% ergibt. Darüber hinaus läßt sich die Bewegung des Beins über den größten Teil des Tretzyklus dem Geschwindigkeitsmuster anpassen, wodurch sich der Energieaufwand für das Treten der Pedale spürbar verringert. So verringerte sich der mittels eines Elektromyogramms ermittelte integrierte Meßwert um 2 bis 3%.

Das eine elliptische Form und eine kleinere Anzahl von Zähnen aufweisende erste Kettenrad 2 ist in bezug auf die Kurbelarme so angeordnet, daß beim kleinsten effektiven Teilungsdurchmesser das größte Drehmoment erzeugt wird und umgekehrt, und findet Verwendung zum Fahren des Fahrrads mit einem größeren Drehmoment und niedriger Geschwindigkeit, beispielsweise bergauf oder auf schlechten Straßen. Bei einer derartigen Fahrweisewird die Masse des Beins des Fahrers gewöhnlich knapp jenseits des oberen Totpunkts des jeweiligen Tretkurbelarms beschleunigt, wobei auf das Pedal kaum ein nennenswertes Drehmoment ausgeübt wird, obgleich der Muskel

tatsächlich Energie abgibt. Demgegenüber verzögert sich die Bewegung des Beins bei Annäherung an den unteren Totpunkt des Tretkurbelarms., wobei noch ein gewisses Drehmoment auf das Pedal einwirkt,, obgleich der Muskel dabei inaktiv ist.

Dementsprechend sind die den kleinsten und den größten Durchmesser aufweisenden Bereiche des Kettenrads 2 in bezug auf

die Stellungen für die Ausübung des größten bzw. des kleinsten Drehmoments gegenüber dem Tretkurbelarm 12 vorzugsweise um etwa 15 +5° im normalen Vorwärts-Drehsinn versetzt.

Außerdem liegt das Verhältnis zwischen der längeren Achse X und der kürzeren Achse Y des ersten Kettenrads 2 in der beschriebenen Ausführungsform im Bereich zwischen 1,07 und 1,20, wobei die längere Achse X kürzer ist als der effektive Durchmesser des zweiten Kettenrads 3·

Wie man in Fig. 1 und 6 erkennt, ist die die Tretkurbelarme 12, 13 und Kettenräder 2, 3 tragende Tretkurbelwelle 11 mittels Kugellagern 5 in einem zum Fahrradrahmen F gehörigen Tretlager 6 gelagert. Eine Antriebskette C ist über ein hinteres Kettenrad G sowie über das erste oder zweite vordere Kettenrad 2 bzw. 3 geführt und vervollständigt damit den Tretkurbeltrieb des Fahrrads.

An der Ketten-Zulaufseite der vorderen Kettenräder 2, 3 ist ein Umwerfer D angeordnet, mittels dessen die Kette C wahlweise auf das erste oder zweite vordere Kettenrad 2 ■ bzw. 3 umlenkbar ist. Durch die Beinarbeit des Fahrers werden die vorderen Kettenräder 2, 3 in Drehung versetzt, wobei das erzeugte Drehmoment vom jeweiligen Kettenrad 2 oder 3 über die Antriebskette C auf das hintere Kettenrad G übertragen wird.

In einer anderen Ausführungsform kann das erste Kettenrad 2 die Form einer Ellipse haben, deren längere und kürzere Achsen einander nicht in einem rechten Winkel schneiden, beispielsweise die Form einer punktsymmetrischen Ellipse wie in Fig. 5 dargestellt. Es kommt also lediglich darauf

an, daß das erste Kettenrad unrund und ungefähr elliptisch ist.

In ar in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform hat das erste Kettenrad 2 zweiundvierzig Zähne, denen entsprechend dem vom Bein des Fahrers ausübbaren, variierenden Drehmoment verschiedene Teilungsdurchmesser zugeordnet sind. Dabei ist dem ersten und dem zweiundvierzigsten Zahn G1 bzw. G42 und den gegenüberliegenden Zähnen G21 und G22 der der längeren Achse A entsprechende größte Durchmesser züge- ~~- ordnet, während dem neunten und dem zehnten Zahn G9 bzw. G10 und den gegenüberliegenden ZähnenG30 und G31 der der kürzeren Achse B entsprechende kleinste Durchmesser zugeordnet ist. Im Bereich der im durch einen Pfeil X angegebenen Drehsinn auf den ersten Zahn G1 folgenden dritten und vierten Zähne G3 bzw. GU sowie im Bereich der diesen gegenüberliegenden ZähneG2*J und G25 ist eine relativ schnelle Abnahme des effektiven Teilungsdurchmessers D zu erkennen, während der Teilungsdarchmesser D im Bereich der Zähne G14 bis G17 und im Bereich der diesen gegenüberliegenden Zähne G35 bis G38 stetig zunimmt.

In der beschriebenen Ausführungsform ist die Änderung des effektiven Teilungsdurchmessers D somit auf die Änderung des von den Beinen ausgeübten Drehmoments abgestimmt. Dabei ist berücksichtigt, daß die Änderung des Drehmoments vom kleinsten zum größten Wert steiler verläuft als in umgekehrter Richtung, so daß sich die Beine des Fahrers beim Treten der Pedale gleichförmig bewegen.

In Fig. 5 sind die Tretkurbelarme in ausgezogenen Linien nahe ihrer Totpunktstellung und in gestrichelter Darstellung in einer im Vorwärts-Drehsinn um 75° dazu versetzten Stellung gezeichnet.
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Ik₁ anderen Ausführungsformen kann nur ein einziges vorderes Kettenrad verwendet werden, oder das erste und das zweite Kettenrad können beide von elliptischer Form sein, wie in

YS

Fig. 7 dargestellt. In dieser Figur hat ein eine kleinere Ar.zahl von Zähnen aufweisendes elliptisches erstes Kettenrad eine längere und eine kürzere Achse X₁ bzw. Y-, und ein eine größere Anzahl von Zähnen aufweisendes zweites Kettenrad 3 hat eine längere und eine kürzere Achse Xpbzw. Y₂.

Wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind die beiden Kettenräder 2 und 3 in bezug auf die Tretkurbelarme 12 und 13 derart angeordnet, daß ihr effektiver Durchmesser am kleinsten ist, wenn sich die Tretkurbelarme im Bereich des größten erzielbaren Drehmoments, d.h. im Bereich zwischen etwa 30° und 170° jenseits ihres jeweiligen oberen Toto.punkts befinden, so daß sich die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelarme in diesem Bereich erhöht: Im Bereich der oberen und unteren Totpunkte der Tretkurbelarme 12 und 13, in welchem das kleinste Drehmoment erzielbar ist, ist der größte effektive Durchmesser der Kettenräder wirksam, um die Winkelgeschwindigkeit in diesem Bereich zu verringern.

Darüber hinaus ist in dieser Ausführungsform der der längeren Achse X₁ entsprechende größte Durchmesser des ersten Kettenrads 2 gegenüber dem der längeren Achse X₂ entsprechenden größten Durchmesser des zweiten Kettenrads 3 um ein Stück im Vorwärts-Drehsinn versetzt.

Das beim Treten der Pedale von den Beienn ausgeübte Drehmoment variiert in der in Fig. 8 durch ausgezogene und gestrichelte Linien dargestellten Weise.

Das erste Kettenrad 2 wird gewöhnlich für die Fahrt bergauf verwendet, d.h. also für langsame Geschwindigkeit mit großem Drehmoment, wobei der Fahrer gewöhnlich eine aufrechte Haltung einnimmt.

Deshalb ist die den Antrieb über das erste Kettenrad 2 darstellende, in Fig. 8 ausgezogen gezeichnete Drehmomentkurve hinsichtlich ihres dem größten Drehmoment entsprechenden Bereichs gegenüber der dem Antrieb über das zweite Kettenrad

entsprechenden um ein Stück im Vorwärts-Drehsinn der Tretkurbel 1 versetzt. Der Versetzungswinkel ist abhängig von der Anzahl der Zähne des ersten und des zweiten Kettenrads 2 bzw. 3 und beträgt in der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsfo^m 10°.

In der in Fig. 7 gezeigten Anordnung ist die längere Achse Xp des zweiten Kettenrads 3 gegenüber den Tretkurbelarmen 12 und 13 im Vorwärts-Drehsinn um einen Winkel θ_? von 5° versetzt, und die längere Achse X- des ersten Kettenrads_2

ist gegenüber den Tretkurbelarmen 12 und 13 um einen Winkel O₁ von 15° versetzt, so daß sich zwischen den beiden Kettenrädern die vorstehend genannte Versetzung um 10° ergibt,

Wie man in Fig. 8 und 9 erkennt, kommt beim Antrieb über jedes der Kettenräder 2 und 3 in dem Bereich, in welchem das größte Drehmoment erzielbar ist, der jeweils kleinste effektive Durchmesser zur Wirkung, so daß sich die Winkelgeschwindigkeit der Pedale entsprechend erhöht und das Treten der Pedale zur Erhöhung der Leistung dem Geschwindigkeitsmuster der Beinbewegung angepaßt ist. Demgegenüber kommt im Bereich des kleinsten Drehmoments im wesentlichen der größte Durchmesser zur Wirkung, so daß sich die Winkelgeschwindigkeit verringert. Dadurch verringert sich die Belastung der Muskein im Vergleich zu einer Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit ohne Leistungsabgabe. In Fig. 9 ist die Änderung des effektiven Durchmessers des ersten Kettenrads 2 in bezug auf den Drehwinkel desselben durch eine ausgezogene Kurve und die entsprechende Änderung in bezug auf das zweite Kettenrad 3 durch eine gestrichelte Kurve dargestellt.

Bei den in Fig. 7 dargestellten Kettenrädern 2 und 3 liegt das Verhältnis zwischen der jeweiligen längeren Achse X₁ bzw. Xp und der jeweiligen kürzeren Achse Y₁ bzw. Y_? im Bereich zwischen 1,06 und 1,20 : 1. Da die normalen Drehzahlen der Kettenräder verschieden sind und für das erste Kettenrad 2 zwischen etwa 60 und 80 und für das größere zweite Kettenrad 3 etwa zwischen 70 und 90 liegen, und da

das Drehmoment an den Tretkurbelarmen im Bereich der oberen und unteren Totpunkte praktisch gleich Null ist, ist das Verhältnis zwischen dem größten und dem kleinsten Drehmoment bei gleicher Leistung bei dem mit der höheren Drehzahl arbeitenden, den größeren Durchmesser aufweisenden Kettenrad 3 kleiner als bei dem mit niedrigerer Drehzahl arbeitenden und den kleineren Durchmesser aufweisenden Kettenrad 2, so daß das Verhältnis zwischen der längeren und der kürzeren Achse X₁ bzw. Y- bei dem kleineren Kettenrad 2 vorzugsweise größer ist als das Verhältnis zwischen., der längeren und der kürzeren Achse Xp bzw. Yp bei dem größeren Kettenrad, so daß vorzugsweise X. : Y₁ = 1,09 : 1 und X₂ : Y₂ = 1,06 : 1 .

Auf diese Weise kann die Muskelkraft des Fahrers effektiv genutzt werden, ohne seine physische Belastung zu erhöhen.

Bei Verwendung eines einzigen Kettenrads, welches eine größere Anzahl von Zähnen aufweist als das erste Kettenrad 2, ist die längere Achsed desselben vorzugsweise in bezug auf die Tretkurbelarme 12 und 13 entgegen dem Vorwärts-Drehsinn derselben versetzt.

Ein derartiges, eine größere Anzahl von Zähnen aufweisendes einziges Kettenrad wird gewöhnlich für die schnelle Fahrt bergab oder auf ebener Straße eingesetzt, wobei die Tretkurbelarme mit hoher Geschwindigkeit und großer Kraft getreten werden. Bei einem solchen Kettenrad sind die Bereiche des kleinsten und des größten effektiven Teilungsdurchmessers in bezug auf die Bereiche, in denen das'von den Beinen erzeugte Drehmoment den Höchst- bzw. Mindestwert erreicht, gegenüber den Kurbelarmen 12 und 13 vorzugsweise entgegen dem Vorwärts-Drehsinn derselben versetzt, wobei der Versetzungswinkel, ähnlich wie vorstehend beim ersten Kettenrad 2, vorzugsweise etwa 15 + 5° beträgt.

Bei Anwendung dieses Konzepts auf das zweite Kettenrad 3 in Fig. 7 ergibt sich somit ein Versetzungswinkel von 25 ° bis 35°.

Die'Erfindung ist für Fahrräder normaler Ausführung, Kleinfahrräder und andere Ausführungen verwendbar. Anstelle ui-.r in Fig. 7 dargestellten Verwendung zweier unrunder, ellipti her Kettenräder 2 und 3 können auch in anderer Weise

unrunde, d.h. nicht elliptische Kettenräder verwendet werden. Ebenso können anstelle von zwei Kettenrädern 2 und 3
auch drei oder mehr ähnliche Kettenräder vorhanden sein.

Wie man aus vorstehender Beschreibung erkennt, hat eine Tretkurbelanordnung gemäß der Erfindung wenigstens ein ellip-~ tisches.oder sonstwie unrundes Kettenrad, welches in bezug auf die Tretkurbel so angeordnet ist, daß sich die Winkelgeschwindigkeit im Bereich des größeren Drehmoments erhöht und im Bereich des kleineren Drehmoments verringert, wodurch eine verbesserte Leistung beim Treten der Pedale erzielbar ist und das Treten der Pedale dem Geschwindigkeitsmuster
der Beinbewegung angepaßt ist,, um damit die physische
Belastung des Fahrers zu verringern und ein zügiges Treten der Pedale zu ermöglichen.

Bei der Verwendung eines ersten und eines zweiten Kettenrades ist der Bereich des größten Teilungsdurchmessers des die kleinere Anzahl von Zähnen aufweisenden ersten Kettenrads in bezug auf den Bereich des größten Teilungsdurch-

messers des die größere Anzahl von Zähnen aufweisenden

zweiten Kettenrads im Vorwärts-Drehsinn der Tretkurbelarme vorwärts versetzt, so daß jedes Kettenrad unter den für
seine Verwendung vorgesehenen Bedingungen in der günstigsten Weise arbeitet.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erlaubt die verschiedensten Abwandlungen derselben im Rahmen der Ansprüche.

Claims

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Anwaltsakte 32 847 31. Mai 1983

SHIMANO INDUSTRIAL COMPANY LIMITED

77, 3-cho, Oimatsu-cho, Sakai-shi, Osaka / JAPAN

Tretkurbeltrieb für ein Fahrrad

Patentansprüche ;

( 1.1 Tretkurbelanordnung für ein Fahrrad, mit einer Tretkurbelwelle, einem Paar durch Treten von Pedalen antreibbaren Tretkurbelarmen und wenigstens einem vorderen, entlang seinem äußeren Umfang mit einer Anzahl von Zähnen bestückten Kettenrad, welche zusammen mit wenigstens einem an der Hinterradnabe des Fahrrads angebrachten hinteren Kettenrad und einer über das Kettenrad der Tretkurbelanordnung und das hintere Kettenrad einen Tretkurbelantrieb für das Fahrrad bildet,

dadurch gekennzeichnet , daß das vordere Kettenrad (2, 3) unrund, z.B. oval oder elliptisch ist, so da'j die Zähne in Umfangsrichtung unterschiedliche Teilungsdurchmesser aufweisen, und daß das Kettenrad (2, 3) in bezug auf die Tretkurbelarme (12, 13) so angeordnet ist, daß der effektive Teilungsdurchmesser des Kettenrads im wesentlichen am kleinsten ist, wenn das von den Beinen des Fahrers auf die Tretkurbelärme ausübbare Drehmoment am größten ist, und der effektive Teilungsdurchmesser des Kettenrads im wesentlichen am größten ist, wenn das genannte Drehmoment am kleinsten ist.
2. Tretkurbelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Teilungsdurchmessers des Kettenrads (2, 3) derjenigen des von den Beinen beim Treten der Tretkurbelarme (12, 13) erzeugten Drehmoments angepaßt ist.
3. Tretkurbelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Bereich des kleinsten Teilungsdurchmessers des Kettenrads (2, 3) in bezug auf die Stellung, in welcher das von den Beinen erzeugte Drehmoment am größten ist/ einseitig gegenüber dem Vorwärts-Drehsinn der Tretkurbelarme versetzt ist.
4. Tretkurbelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des kleinsten Teilungs-

durchmesser s d*_-s "ottenrads (2, 2) in bezug auf die Steller, in weicher das vcn den Beinen erzeugte Drehmoment ar;\ gröuttn ist, gegenüber dem Vorwärts-Drehsinn der Tretkurbelanne vorwärts versetzt ist.
5. Tretkurbelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Bereich des größten Teilungsdurchmessers des Kettenrads (2, 3) in bezug auf die Stellung, in welcher das von den Beinen erzeugte Drehmoment am kleinsten ist, einseitig gegenüber dem Vorwärts-Drehsinn der Tretkurbelarme (12, 13) versetzt ist.
6. Tretkurbelanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des größten Teilungsdurchmessers des Kettenrads (2, 3) in bezug auf die Stellung, in welcher das von den Beinen erzeugte Drehmoment am kleinsten ist, gegenüber dem Vorwärts-Drehsinn der Tretkurbelarme (12, 13) vorwärts versetzt ist.
7. Tretkurbelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit zwei verschiedene Durchmesser aufweisenden vorderen Kettenrädern, einem an der Hinterradnabe des Fahrrads angebrachten hinteren Kettenrad und einer über eines der beiden vorderen Kettenräder und das hintere Kettenrad geführten Antriebskette, dadurch gekennzeichnet , daß der Bereich größten Durchmessers des die kleinere Anzahl von Zähnen aufweisenden ersten Kettenrads (2) gegenüber dem

-/4 ORIGINAL INSPECTED

Bereich größten Durchmessers des ciie yrößore Anzahl von Zähnen aufweisenden zweiten Kettenrads (3) im Vorwärts-Drehsinn der Tretkurbelarme vorwärts versetzt ist.
8. Tretkurbelanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich größten Teilungsdurchmessers des ersten Kettenrads (2) gegenüber der Stellung, in welcher das von den Beinen erzeugte Drehmoment am kleinsten ist, im Vorwärts-Drehsinn der Tretkurbelarme vorwärts versetzt ist.
9. Tretkurbelanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis zwischen der Länge des den größeren Teilungsdurchmesser aufweisenden Bereichs und der Länge des den kleineren Teilungsdurchmesser aufweisenden Bereichs beim ersten Kettenrad (2) größer ist als beim zweiten Kettenrad (3).