WO2013023311A1

WO2013023311A1 - Vorrichtung zum antreiben und exzentrischen bremsen eines fahrzeugs

Info

Publication number: WO2013023311A1
Application number: PCT/CH2011/000184
Authority: WO
Inventors: Kurt Ruffieux; Stefan Stahl; Andreas Kaiser
Original assignee: Synergy Biosurgical Ag
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2013-02-21
Also published as: EP2744699A1; US20140300078A1

Abstract

Vorrichtung (30) zum Antreiben und exzentrischen Bremsen eines Fahrzeugs mit Pedalantrieb, insbesondere eines Fahrrads (20) umfassend: A) eine erste Welle (4) mit einer Längsachse (31) und Antriebsmitteln (28), welche ein oder mehrere Kettenräder (32), Riemenräder oder Elemente eines Kardanantriebs umfassen; B) eine zweite Welle (11), die als konzentrisch um die erste Welle (4) angeordnete Hohlwelle ausgebildet ist und in ein Hinterrad (33) eines Fahrzeugs mit Pedalantrieb, insbesondere eines Fahrrads (20) einbaubar ist; C) eine Freilaufkupplung (3), welche zwischen der ersten Welle (4) und den Antriebsmitteln (28) angeordnet ist; D) ein wahlweise ein- und ausschaltbares Umkehrgetriebe (23), das zwischen der ersten und zweiten Welle (4;11) angeordnet ist, wobei bei eingeschaltetem Umkehrgetriebe (23) eine gegenläufige Drehrichtung zwischen der ersten und zweiten Welle (4;11) erzeugt wird und bei ausgeschaltetem Umkehrgetriebe (23) eine gleichsinnige Drehrichtung zwischen der ersten und zweiten Welle (4;11) erzeugt wird; und E) eine Schaltvorrichtung (14) zum Ein- und Ausschalten des Umkehrgetriebes (23), wobei F) die erste und zweite Welle (4;11) bei ein- und ausgeschaltetem Umkehrgetriebe (23) in beiden Drehrichtungen drehsteif miteinander verbunden sind; und G) die Freilaufkupplung (3) in einer Ansicht von den Antriebsmitteln (28) her betrachtet eine Rotation der Antriebsmittel (28) relativ zur ersten Welle (4) im Uhrzeigersinn verhindert und bei einer Rotation der Antriebsmittel (28) relativ zur ersten Welle (4) im Gegenuhrzeigersinn im Leerlauf ist.

Description

Vorrichtung zum Antreiben und exzentrischen Bremsen eines Fahrzeugs

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Antreiben und exzentrischen Bremsen eines Fahrzeugs mit Pedalantrieb gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , auf ein Fahrzeug mit Pedalantrieb und einer erfind ungsgemässen Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12 und auf ein Verfahren für das exzentrische Muskeltraining mit einem erfindungsgemässen Fahrzeug gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 24.

Fahrräder werden üblicherweise mit Pedalen angetrieben, welche mit den Füssen getreten werden. Für eine Vorwärtsbewegung werden dafür die Pedale üblicherweise vorwärts getreten, was eine optimale Belastung der Gelenke und der Muskulatur bewirkt. Bei der Abwärtsfahrt können die Pedale stillstehen und eine Freilaufmechanik lässt die Räder frei rollen, ohne dass die Pedale mitdrehen. Als Bremsen werden Bremsbacken, Trommelbremsen Scheibenbremsen oder andere energieumwandelnde Mechanismen über einen Handhebel oder eine Rücktrittmechanik verwendet.

Aus der US 7,445,223 HONG ist ein Fahrradantrieb mit Umkehrgetriebe bekannt, wobei durch Ein- und Ausschalten des Umkehrgetriebes erreichbar ist, dass sich das Fahrrad vorwärts bewegt, wenn die Pedale in vorwärts oder rückwärts gerichteter Drehrichtung angetrieben werden. Das Umkehrgetriebe ist am Tretachsenlager angeordnet. Beim Vorwärtsdrehen der Tretachse wird das über die Pedale ausgeübte Drehmoment durch eine Einweg-Kupplung auf das Kettenrad übertragen, so dass das Hinterrad vorwärts dreht, während bei eingeschaltetem Umkehrgetriebe beim Rückwärtsdrehen der Tretachse das über die Pedale ausgeübte Drehmoment durch eine weitere Einweg- Kupplung über ein Planetenradgetriebe auf das Kettenrad übertragen wird, so dass das Hinterrad ebenfalls vorwärts dreht. Dadurch, dass beide Einweg-Kupplungen ein Drehmoment nur von der Tretachse auf das Kettenrad übertragen und ein Drehmoment vom Hinterrad auf die Tretachse in beiden Fällen durch die beiden Einweg-Kupplungen nicht übertragen wird, kann keine Bremswirkung durch Rückwärtsdrehen der Tretachse auf das Hinterrad ausgeübt werden. Das im Tretlager angebrachte Getriebe ermöglicht es durch Umschalten die Tretrichtung zu ändern. Dabei bleibt die Drehrichtung der Kettenräder gleich.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Es gibt jedoch biomechanische sportphysiologische Aspekte, welche eine aktive Abbremsung der Fahrt durch die Muskulatur (sog. „exzentrisches Training") attraktiv erscheinen lassen. Dies ist mit Fahrrädern des heutigen Standes der Technik aber nicht in sinnvoller Weise möglich.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in ein Fahrzeug mit Pedalantrieb, insbesondere in ein Fahrrad einbaubare Vorrichtung zum exzentrischen Training zu schaffen.

Exzentrische Muskelarbeit ist bei vielen alltäglichen Aktivitäten und im Sport von grosser Bedeutung, so bei Abbremsbewegungen während einer Landung, beim Skifahren oder beim Bergabwandern. Auch beim Joggen ist der Anteil exzentrischer Muskelarbeit gross. Jedes Mal, wenn ein Fuss aufsetzt, wird das Muskel-Sehnen- System wie eine Feder elastisch gedehnt. Während des unmittelbar folgenden Beinabstosses trägt diese elastische Feder-Energie bis zu 50 Prozent zur Vortriebsleistung bei. Diese Eigenschaft der Muskulatur machen sich auch rennende oder hüpfende Tiere zunutze. Extensive und ungewohnte exzentrische Muskelarbeit führt zu mechanischer Beschädigung der Muskelzellen. Dies spüren wir dann ein bis zwei Tage nach der Belastung in Form von starkem Muskelkater.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe mit einer Vorrichtung zum Antreiben und Bremsen eines Fahrzeugs mit Pedalantrieb, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, sowie mit einem die erfindungsgemässe Vorrichtung umfassenden Fahrzeug mit Pedalantrieb, welches die Merkmale des Anspruchs 12 aufweist und mit einem Verfahren für das exzentrische Muskeltraining mit einem erfindungsgemässen Fahrzeug, welches die Merkmale des Anspruchs 24 aufweist.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass dank der erfindungsgemässen Vorrichtung:

- die Muskeln gegen ihren Widerstand gedehnt und so belastet und auf andere Weise trainiert werden als beim konzentrischen Training. Vorteile dieser Bewegungsumkehr liegen in einem bei gleicher Arbeit bis zu Faktor 5 verminderten Sauerstoffverbrauch bei gleichem oder sogar gesteigertem Muskelaufbau. Die Muskeln und Gelenke werden bei der Bremsbewegung mit denselben Kraftvektoren belastet wie bei der aktiven Vorwärtsbewegung des Fahrrads, jedoch eben in der entgegengesetzten Bewegungsrichtung der Muskeln (d.h. z.B. Pedale und Füsse drehen bremsend rückwärts während z.B. das Fahrrad vorwärts bergab rollt). Dies hat sich auch als vorteilhaft für die Gelenkbelastung erwiesen, da so die optimalen Belastungsverhältnisse für Muskeln und Gelenke erreicht werden;

- der Bewegungsapparat (Muskeln, Sehen, Bänder, Knochen und Gelenke) im Vergleich zum Kreislauf überproportional belastet wird. Der Energieverbrauch und damit die Kreislaufbelastung ist bei exzentrischer Muskelarbeit deutlich geringer als bei vergleichbarer konzentrischer Belastung; und

- eine kompakte Ausführung der Antriebsvorrichtung erreichbar ist, so dass nur wenige Änderungen an einem bestehenden Fahrrad vorgenommen werden müssen. Auch ist es möglich, nur eine Umrüstung von bestehenden Fahrrädern vorzunehmen. Eine herkömmliche Kettenwechsler-Kassette mit Freilaufkupplung kann verwendet werden, so dass alle Komponenten von der Tretkurbel bis zur Kettenwechsler-Kassette einer herkömmlichen Ritzel-Schaltung entsprechend dem Standard von bestehenden Fahrrädern verwendet werden können. Damit ist offen, ob das Produkt in der Form eines kompletten speziellen Fahrrads oder Hometrainers oder auch als Nachrüstsatz verkauft wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können wie folgt kommentiert werden:

In einer speziellen Ausführungsform der Vorrichtung verhindert die Freilaufkupplung in einer Ansicht von den Antriebsmitteln her betrachtet eine Rotation der Antriebsmittel relativ zur ersten Welle im Uhrzeigersinn, während die Freilaufkupplung bei einer Rotation der Antriebsmittel relativ zur ersten Welle im Gegenuhrzeigersinn im Leerlauf ist. Als Freilaufkupplung und die Antriebsmittel können handelsübliche Vorrichtungen verwendet werden. Im Antriebs-Modus der Vorrichtung, d.h. bei ausgeschaltetem Umkehrgetriebe kann das Fahrrad im herkömmlichen Sinn angetrieben werden, während bei eingeschaltetem Umkehrgetriebe, d.h. im Brems-Modus bei einer durch Bergabwärtsfahren oder einen Elektroantrieb verursachten Vorwärtsbewegung des Fahrrads eine Kraftübertragung vom vorwärtsdrehenden Hinterrad auf die gegenläufig, d.h. rückwärts drehende Tretachse erfolgt, so dass das Fahrrad mittels Muskelkraft exzentrisch gebremst werden kann. Damit die Kraftübertragung vom Rad auf die Tretkurbel stattfindet, muss des Umkehrgetriebes ausgehend von der Radseite vor dem Freilauf angeordnet sein.

In einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist die erste Welle als Hohlwelle ausgebildet. Damit ist der Vorteil erreichbar, dass die erste Welle auf die Achse eines Fahrradhinterrads montiert werden kann. Über eine solche handelsübliche Achse z.B. mit Schnellspannern kann das gesamte Umkehrgetriebe an der Hinterradgabel eines Fahrradrahmes fixiert werden.

In einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine automatische Überlastsicherung, mittels welcher das Umkehrgetriebe ausschaltbar ist, so dass die Vorrichtung vom Bremsmodus in den Antriebsmodus umschaltbar ist. Diese Ausführungsform ermöglicht den Vorteil, dass beim Ansprechen der Überlastsicherung, z.B. einer Fliehkraftsteuerung das Umkehrgetriebe in den Antriebsmodus umgeschaltet wird und die Antriebskraft vom Hinterrad nicht mehr auf die Pedale übertragen wird, und das Fahrrad kann bergabrollen, ohne dass die Pedale mitdrehen.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Kupplung. Dadurch wird beim Abwärtsfahren ein Einschalten des Bremsmodus ohne Schlagkräfte ermöglicht. Die Kupplung kann als ein- und auskuppelbare Kupplung oder als elastische nicht schaltbare Kupplung ausgebildet sein und z.B. im Umkehrgetriebe angeordnet sein.

In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung umfasst das Umkehrgetriebe ein Planetenradgetriebe.

In wiederum einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Brems- /Leerlaufsystem, welches bei eingeschaltetem Umkehrgetriebe aktivierbar ist und im Bremsmodus alternierende Brems- und Leerlaufmodi der Antriebsmittel verursacht. Das Brems-/Leerlaufsystem kann in schneller Abfolge alternierende Blockier- und Leerlaufmodi ausführen, z.B. Klemm- und Loslassbewegungen, was zu einem Rütteln der Pedale während der Bremsbelastung führt (Rüttelmechanismus). In einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung, vorzugsweise das Umkehrgetriebe eine Übersetzung. Damit ist der Vorteil erreichbar, dass der Fahrer vor dem Bergabwärtsfahren und dem exzentrischen Training einen bestimmten Gang einlegen kann und sich so dem anstehenden Gefälle anpassen kann. Damit bei unterschiedlicher Neigung der Fahrbahn ein annähernd gleich bleibendes Drehmoment geleistet werden kann, braucht es ändernde Übersetzungsverhältnisse bei der Kraftübertragung von der Tretkurbel auf die Hinterachse. Dies gilt auch für die Übertragung der Bremskraft in umgekehrter Richtung.

In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist die Freilaufkupplung, vorzugsweise bei eingeschaltetem Umkehrgetriebe blockierbar. Durch Rückwärtsantreiben der Pedale kann somit das Fahrrad in Vorwärtsrichtung angetrieben werden. Es ist beim Fahrradfahren zwischendurch angenehm auch rückwärts aktiv konzentrisch in die Pedale zu treten um z.B. über kleine Steigungen vorwärtszukommen.

In einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Messvorrichtung zum Messen der Bremsleistung im Bremsmodus und/oder der Antriebsleistung im Antriebsmodus und vorzugsweise einen Mikrocomputer. Die Messvorrichtung kann in der Hinterradnabe des Fahrzeugs eingebaut werden. Mit einem ebenfalls eingebauten Computer und einer gleichzeitig durchgeführten Pulsmessung kann das Fahrzeug auch therapeutisch oder für den Leistungssport eingesetzt werden.

In einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Betätigungsvorrichtung zum Ein- und Ausschalten des Umkehrgetriebes.

In einer speziellen Ausführungsform des Fahrzeugs ist das Umkehrgetriebe in das mindestens eine Hinterrad integrierbar.

In einer anderen Ausführungsform des Fahrzeugs umfasst die Bremsvorrichtung einen Bremshebel, so dass bei einer Betätigung des Bremshebels das Umkehrgetriebe ausschaltbar ist. Damit ist der Vorteil erreichbar, dass falls im Bremsmodus beim Bergabwärtsfahren die vom Hinterrad auf die Pedale übertragene Antriebskraft zu gross wird, durch Betätigen des Bremshebels die Freilaufkupplung in den Antriebsmodus umgeschaltet werden kann, so dass die Freilaufkupplung bei vorwärts drehendem Hinterrad im Leerlauf ist. Durch diesen Sicherheitsmechanismus wird das Fahrrad bei zu hoher Bremskraft auf einen Betrieb wie bei einem handelsüblichen Fahrrad umgeschaltet.

In einer anderen Ausführungsform umfasst das Fahrzeug eine Messvorrichtung zum Messen der Bremsleistung im Bremsmodus und/oder der Antriebsleistung im Antriebsmodus und vorzugsweise einen Mikrocomputer. Üblicherweise wird an dem oder den vorderen Kettenrädern beim Tretlager ein Drehmomentsensor eingebaut und über die ebenfalls erfasste Tretfrequenz die Leistung berechnet. Alternativ kann die Messvorrichtung in der Hinterradnabe des Fahrzeugs eingebaut werden. Mit einem ebenfalls eingebauten Computer und einer gleichzeitig durchgeführten Pulsmessung kann das Fahrzeug auch therapeutisch oder für den Leistungssport eingesetzt werden.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Fahrzeug eine Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise einen Schalthebel, mittels welcher die Schaltvorrichtung betätigbar ist.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Fahrzeug einen Elektroantrieb, mittels welchem das Fahrzeug in Vorwärtsrichtung antreibbar ist.

In einer anderen Ausführungsform des Fahrzeugs umfasst der Elektroantrieb einen programmierbaren Mikrocomputer, mittels welchem die Antriebskraft und/oder die Drehzahl des Elektroantriebs einstellbar ist. Damit sind die Vorteile erreichbar, dass beispielsweise Belastungsmuster für Trainingszwecke, für eine Diagnose oder für eine Therapie programmiert werden können. Ferner wird ermöglicht, dass je mehr ein Trainierender im Bremsmodus bremst, d.h. exzentrisch trainiert, desto schneller wird das Fahrrad durch den Elektroantrieb angetrieben, wodurch ein motivierender Effekt erreichbar ist.

In einer anderen Ausführungsform umfasst das Fahrzeug einen Kraftsensor, mittels welchem die Antriebskraft des Elektroantriebs regelbar ist. Damit kann bei einer bestimmten gewählten Drehzahl die Antriebsleistung an die Bedürfnisse des Benützers angepasst werden. In wiederum einer anderen Ausführungsform des Fahrzeugs ist der Elektromotor auch als Generator betreibbar.

In einer weiteren Ausführungsform des Fahrzeugs ist eine zusätzliche Motor/Generator- Gruppe an dem mindestens einen Hinterrad angeordnet. Damit ist der Vorteil erreichbar, dass es zwei mechanisch getrennte Funktionelle Gruppen gibt. Die Erste ist mit dem Tretlager verbunden und somit in direktem mechanischem Kontakt mit dem Fahrer. Der Motor im Tretlager kann dabei auch als Generator betrieben werden. Ebenfalls sitzt in der Hinterradnabe eine Motor/Generator-Gruppe. Die Verbindung zwischen den beiden Funktionellen Gruppen ist ein elektrischer Speicher/Akku. Beim Bremsen treibt der Motor (im Tretlager) das Fahrrad an und bezieht Energie vom Akku. Im Antriebsmodus agiert der Motor als Generator und speist den Akku. Genau gleich verhält es sich mit der Funktionellen Gruppe am Hinterrad. Durch die mechanische Entkopplung der beiden funktionellen Gruppen ist das System sehr variabel.

Bevorzugt wird das erfindungsgemässe Fahrzeug für das exzentrische Muskeltraining verwendet.

Weitere bevorzugte Verwendungen des erfindungsgemässen Fahrzeugs sind dessen Verwendung in Diagnose- und/oder Therapieverfahren, insbesondere im Rehabilitationstraining von Herzpatienten. Der Vorteil dieser Verwendungen des erfindungsgemässen Fahrzeugs liegt darin, dass der Energieverbrauch und damit die Kreislaufbelastung bei exzentrischer Muskelarbeit deutlich geringer sind als bei vergleichbarer konzentrischer Belastung. Der Bewegungsapparat (Muskeln, Sehen, Bänder, Knochen und Gelenke) wird im Vergleich zum Kreislauf überproportional belastet. Diese Eigenschaft kann man sich beispielsweise im Rehabilitationstraining von Herzpatienten zunutze machen.

In einer speziellen Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Antreiben des Fahrzeugs in Vorwärtsrichtung durch Bergabwärtsfahren.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann das Antreiben des Fahrzeugs in Vorwärtsrichtung allein oder zusätzlich durch einen Elektromotor erfolgen. Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der teilweise schematischen Darstellungen mehrerer Ausführungsbeispiele noch näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung im Antriebsmodus;

Fig. 2 eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung im Bremsmodus;

Fig. 3 eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht des Planetengetriebes der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung von der Seite der Schaltvorrichtung her;

Fig. 4 eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht des Planetengetriebes der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung von der Seite der Antriebsmittel her;

Fig. 5 eine Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Fahrzeugs; und

Fig. 6 einen Schnitt durch die Freilaufkupplung einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung 30 ist als spezielle, funktionelle Nabe für ein Hinterrad 33 eines Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrrads 20 ausgebildet (Fig. 5). Die Umrüstung eines Fahrrads 20 (Fig. 5) erfordert demnach lediglich ein spezielles, neuartiges Hinterrad 33 zuzüglich einer Getriebefixierung an der Radaufhängung (Muffe am Rahmen) und einem Schalthebel 34 im für den Fahrer greifbaren Bereich, vorzugsweise am Fahrzeugrahmen 35 nahe dem Lenklager oder an der Lenkvorrichtung 40. Alle Komponenten von der Tretkurbel bis zur Wechsler-Kassette 1 einer herkömmlichen Ritzel-Schaltung können entsprechend dem Standard von bestehenden Fahrrädern verwendet werden. Die Schnittstelle zwischen der Vorrichtung 30 und dem herkömmlichem System ist die Wechsler-Kassette 1 , resp. der Nutensitz 2 der Wechsler-Kassette 1 auf der als Nabe ausgebildeten ersten Welle 4.

Direkt unter dem Nutensitz 2 befindet sich die Freilaufkupplung 3 (Fig. 6), welche - in Richtung des Pfeils A in Fig. 1 betrachtet - bei einer Drehung des mit den hinteren Kettenrädern 32 drehsteif verbundenen Nutensitzes 2 in einer ersten Richtung (Uhrzeigersinn) die innere Welle 4 erfasst und gleichsam mitbewegt. In der Gegenrichtung (Gegenuhrzeigersinn) findet keine Kopplung zwischen der inneren Welle 4 und dem Nutensitz 2 statt.

Die innere Welle 4 ist durch die beiden Hauptlager 5 auf der Achse 6 des Hinterrads 33 gelagert. Über eine handelsübliche Steckachse mit Schnellspanner (nicht gezeigt) wird die gesamte Vorrichtung 30 in der Hinterradgabel eines Fahrzeugrahmens 35 fixiert.

Über eine Schaltvorrichtung 14 wird zwischen dem Antriebsmodus mit ausgeschaltetem Umkehrgetriebe 23 und dem Bremsmodus mit eingeschaltetem Umkehrgetriebe 23 gewechselt. Dies geschieht durch verschieben der Schalthülse 7 in ihre rechte oder linke Position.

Antriebsmodus (Fig. 1):

Die Schalthülse 7 der Schaltvorrichtung 14 befindet sich in der Position rechts und bildet mit ihren radial angeordneten Stiften 8 eine starre Verbindung zwischen der inneren Welle 4 und der mittleren Hohlwelle 9. Durch die drehsteife Verbindung der inneren Welle 4 mit der mittleren Hohlwelle 9 wird das komplette Planetengetriebe 10 blockiert. Damit bewegt sich auch die als äussere Hohlwelle ausgebildete zweite Welle 11 mit den Fassungen für die Speichen 12 des Hinterrads 33 gleichförmig mit der ersten Welle 4 und der mittleren Hohlwelle 9.

Durch die Blockierung des Umkehrgetriebes 23 agiert die Vorrichtung 30 wie eine herkömmliche Hinterradnabe, welche sich um die Hauptlager 5 auf der Achse 6 des Hinterrads 33 dreht. Die Vorrichtung 30 wird darum im Antriebsmodus auch nicht mehr innere Reibung aufweisen, wie eine herkömmliche Radnabe, d.h. sie hat die gleiche Effizienz der Energieübertragung.

Bremsmodus (Fig. 2):

Die Hülse der Schaltvorrichtung 7 befindet sich in der Position links. Die Stifte 8 greifen in das auf der Achse 6 angebrachte Halteteil 13 ein, welches wiederum am Fahrzeugrahmen 35 drehsteif festgehalten wird. Somit ist die mittlere Hohlwelle 9 starr mit dem Fahrzeugrahmen 35 verbunden und kann sich nicht mehr drehen. Da die erste Welle 4 und die zweite Welle 11 nun frei drehbar gelagert sind, werden sie durch das Planetengetriebe 10 gezwungen sich in gegenläufigem Sinn zu drehen.

Beim Vorwärtsfahren, z.B. durch Bergabwärtsfahren dreht sich das Hinterrad 33 und damit die zweite Welle 11 mit den Speichenfassungen 12 im Uhrzeigersinn. Das Planetengetriebe 10 vollzieht die Umkehrung der Drehrichtung, so dass die innere erste Welle 4 nun im Gegenuhrzeigersinn dreht. Die Freilaufkupplung 3 wiederum blockiert in dieser Drehrichtung die Relativbewegung der inneren ersten Welle 4 gegenüber dem Nuten-Sitz 2 und den hinteren Kettenrädern 32 der Wechsler-Kassette 1. Es kommt somit zu einer Kraftübertragung vom Hinterrad 33 auf die hinteren Kettenrädern 32 der Wechsler-Kassette 1 und über die Kette des Kettenantriebs 29 bis hin zur Tretkurbel 24. Die Drehrichtungen des Hinterrads 33 und der Tretkurbel 24 sind im Bremsmodus gegenläufig (Fig. 5).

Die Umkehrung der Drehrichtung über das Umkehrgetriebe ist reibungsbehaftet. Bei der Kraftübertragung muss deshalb mit mehr Effizienzverlust als bei einem einfachen Kettentrieb gerechnet werden (Wirkungsgrad zwischen 85% und 95%).

Das Planetengetriebe (Fig. 3 und 4) setzt sich aus einem ersten Zahnrad 37 auf der inneren ersten Welle 4, einem zweiten Zahnrad 38 mit Innenverzahnung an der äusseren zweiten Welle 11 und mehreren kleineren Zahnradpaaren 39 mit Achsensitz auf der mittleren Hohlwelle 9 zusammen.

Alternativ wäre es auch möglich, die Zahnradpaare 39 jeweils durch ein einzelnes Zahnrad zu ersetzen, welches mit dem ersten Zahnrad 37 und dem zweiten Zahnrad 38 direkt im Eingriff steht. Dies würde allerdings bedeuten, dass im Bremsmodus eine Untersetzung der Umlaufgeschwindigkeiten vom Hinterrad 33 auf die Kettenräder 32 der Antriebsvorrichtung 21 stattfindet. Vorteilhaft ist jedoch beim Abbremsen von hohen Geschwindigkeiten, dass sich die Tretkurbel 24 nur langsam (kleiner Tretfrequenz) rückwärts bewegt, so dass der Fahrer grosse Bremsmomente erzeugen muss/kann. Aus diesem Grund wird mit den Zahnradpaaren 39 eine Übersetzung eingebaut.

Die Schaltvorrichtung 14 sorgt dafür, dass die Schalthülse 7 relativ zu der ersten und der zweiten Welle 4;11 und der mittleren Hohlwelle 9 verschoben werden kann. Die Schalthülse 7 ist durch Passfedern 15 mit der mittleren Hohlwelle 9 drehsteif verbunden und verbindet die mittlere Hohlwelle 9 über die Stifte 8 entweder mit der inneren ersten Welle 4 im Antriebsmodus oder mit dem Fahrzeugrahmen 35 im Bremsmodus.

Das Verschieben der Schalthülse 7 kann beispielsweise durch zwei am Fahrzeugrahmen 35 befestigte Hydraulikzylinder (nicht dargestellt) vollzogen werden. Diese sind, weil starr mit dem Fahrzeugrahmen 35 bzw. mit dem Halteteil 13 verbunden, über ein zusätzliches Wälzlager 16 mit der Schalthülse 7 verbunden.

Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemässen Fahrzeugs mit Pedalantrieb ist als Fahrrad 20 ausgebildet und umfasst im Wesentlichen einen Fahrzeugrahmen 35 mit einer Lenkvorrichtung 40, ein Hinterrad 33, ein Vorderrad 41 , eine Bremsvorrichtung 44, eine Antriebsvorrichtung 21 und eine Vorrichtung 30 gemäss den Fig. 1 bis 4.

Die Antriebsvorrichtung 21 umfasst eine durch Pedale 22 antreibbare Tretkurbel 24 und einen zwischen der Tretkurbel 24 und dem Hinterrad 23 angeordneten Kettenantrieb 29. Alternativ kann zwischen der Tretkurbel 24 und dem Hinterrad 23 auch ein Riemenantrieb oder ein Kardanantrieb angeordnet sein.

Die Freilaufkupplung 3 ist beispielhaft als Klinkensperrgetriebe ausgebildet und umfasst eine Sperrklinke 42, welche im Antriebsmodus bei vorwärts drehendem Kettenrad 32 (Uhrzeigersinn) mit dem Klinkenrad 43 im Eingriff ist, so dass eine Kraftübertragung in Vorwärtsdrehrichtung vom Kettenrad 32 auf die rotierbar auf der Achse 6 des Hinterrads 23 gelagerte erste Welle 4 erfolgt (Fig. 6). Alternativ kann anstelle des Klinkensperrgetriebes jede handelsübliche Freilaufkupplung 3 in die Vorrichtung 30 eingebaut werden.

Die Bremsvorrichtung 44 umfasst einen mit der Hinterradbremse verbunden Bremshebel 45, welcher im Antriebsmodus nur die Hinterradbremse bedient, und im Bremsmodus bei einer Betätigung des Bremshebels 45 das Umkehrgetriebe 23 vom Bremsmodus, d.h. vom eingeschalteten Zustand in den Antriebsmodus umgeschaltet wird, d.h. ausgeschaltet wird.

Obwohl wie oben beschrieben verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung vorliegen, ist zu verstehen, dass die verschiedenen Merkmale sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination verwendet werden können. Diese Erfindung ist daher nicht einfach auf die oben erwähnten, besonders bevorzugten Ausführungsformen beschränkt.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung (30) zum Antreiben und exzentrischen Bremsen eines Fahrzeugs mit Pedalantrieb, insbesondere eines Fahrrads (20) umfassend:

A) eine erste Welle (4) mit einer Längsachse (31) und Antriebsmitteln (28), welche ein oder mehrere Kettenräder (32), Riemenräder oder Elemente eines Kardanantriebs umfassen;

B) eine zweite Welle (11), die als konzentrisch um die erste Welle (4) angeordnete Hohlwelle ausgebildet ist und in ein Hinterrad (33) eines Fahrzeugs mit Pedalantrieb, insbesondere eines Fahrrads (20) einbaubar ist;

C) eine Freilaufkupplung (3), welche zwischen der ersten Welle (4) und den Antriebsmitteln (28) angeordnet ist;

D) ein wahlweise ein- und ausschaltbares Umkehrgetriebe (23), das zwischen der ersten und zweiten Welle (4;11) angeordnet ist, wobei bei eingeschaltetem Umkehrgetriebe (23) eine gegenläufige Drehrichtung zwischen der ersten und zweiten Welle (4;11) erzeugt wird und bei ausgeschaltetem Umkehrgetriebe (23) eine gleichsinnige Drehrichtung zwischen der ersten und zweiten Welle (4;11) erzeugt wird; und

E) eine Schaltvorrichtung (14) zum Ein- und Ausschalten des Umkehrgetriebes (23), dadurch gekennzeichnet, dass

F) die erste und zweite Welle (4;11) bei ein- und ausgeschaltetem Umkehrgetriebe (23) in beiden Drehrichtungen drehsteif miteinander verbunden sind.

2. Vorrichtung (30) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufkupplung (3) in einer Ansicht von den Antriebsmitteln (28) her betrachtet eine Rotation der Antriebsmittel (28) relativ zur ersten Welle (4) im Uhrzeigersinn verhindert und bei einer Rotation der Antriebsmittel (28) relativ zur ersten Welle (4) im Gegenuhrzeigersinn im Leerlauf ist.

3. Vorrichtung (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (4) als Hohlwelle ausgebildet ist.

4. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) eine automatische Überlastsicherung umfasst, mittels welcher das Umkehrgetriebe (23) ausschaltbar ist, so dass die Vorrichtung (30) von einem Bremsmodus in einen Antriebsmodus umschaltbar ist.

5. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) eine Kupplung umfasst.

6. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Umkehrgetriebe (23) ein Planetenradgetriebe (10) umfasst.

7. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) ein Brems-/Leerlaufsystem umfasst, welches bei eingeschaltetem Umkehrgetriebe (23) aktivierbar ist und im Bremsmodus alternierende Brems- und Leerlaufmodi der Antriebsmittel (28) verursacht.

8. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30), vorzugsweise das Umkehrgetriebe (15) eine Übersetzung umfasst.

9. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufkupplung (3), vorzugsweise bei eingeschaltetem Umkehrgetriebe (15) blockierbar ist.

10. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) eine Messvorrichtung zum Messen der Bremsleistung im Bremsmodus und/oder der Antriebsleistung im Antriebsmodus und vorzugsweise einen Mikrocomputer umfasst.

11. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) eine Betätigungsvorrichtung zum Ein- und Ausschalten des Umkehrgetriebes (23) umfasst.

12. Fahrzeug mit Pedalantrieb, insbesondere Fahrrad (20) umfassend:

einen Fahrzeugrahmen (35) mit einer Lenkvorrichtung (40);

mindestens ein mittels einer ersten Radachse an der Lenkvorrichtung (40) befestigtes Vorderrad (41); mindestens ein Hinterrad (33), welches mittels einer zweiten Radachse an dem Fahrzeugrahmen (35) befestigbar ist und eine Vorrichtung (30) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst;

eine Bremsvorrichtung (44); und

eine Antriebsvorrichtung (21) mit einer durch Pedale (22) antreibbaren Tretkurbel (24) und einem zwischen der Tretkurbel (24) und dem mindestens einen Hinterrad (33) angeordneten Kettenantrieb (29), Riemenantrieb oder Kardanantrieb.

13. Fahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Umkehrgetriebe (23) in das mindestens eine Hinterrad (33) integrierbar ist.

14. Fahrzeug nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung (44) einen Bremshebel (45) umfasst und bei einer Betätigung des Bremshebels (45) das Umkehrgetriebe (23) ausschaltbar ist.

15. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug eine Messvorrichtung zum Messen der Bremsleistung im Bremsmodus und/oder der Antriebsleistung im Antriebsmodus und vorzugsweise einen Mikrocomputer umfasst.

16. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug eine Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise einen Schalthebel (34) umfasst, mittels welcher die Schaltvorrichtung (14) betätigbar ist.

17. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug einen Elektroantrieb umfasst, mittels welchem das Fahrzeug in Vorwärtsrichtung antreibbar ist.

18. Fahrzeug nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroantrieb einen programmierbaren Mikrocomputer umfasst, mittels welchem die Antriebskraft und/oder die Drehzahl des Elektroantriebs einstellbar ist.

19. Fahrzeug nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug einen Kraftsensor umfasst, mittels welchem die Antriebskraft des Elektroantriebs regelbar ist.

20. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor auch als Generator betreibbar ist.

21. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Motor/Generator-Gruppe an dem mindestens einen Hinterrad (33) angeordnet ist.

22. Verwendung des Fahrzeugs nach einem der Ansprüche 12 bis 21 für das exzentrische Muskeltraining.

23. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 21 zur Verwendung in Diagnose- und/oder Therapieverfahren, insbesondere im Rehabilitationstraining von Herzpatienten.

24. Verfahren für das exzentrische Muskeltraining mit einem Fahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 21 , welches die Schritte umfasst:

a) Antreiben des Fahrzeugs in Vorwärtsrichtung;

b) Einschalten des Umkehrgetriebes (23) mittels der ersten Schaltvorrichtung (14); und c) Bremsen der in Rückwärtsrichtung bewegten Pedale (22) mittels Muskelkraft.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Antreiben des Fahrzeugs in Vorwärtsrichtung durch Bergabwärtsfahren erfolgt.

26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Antreiben des Fahrzeugs in Vorwärtsrichtung durch einen Elektromotor erfolgt.