Die Erfindung betrifft eine Kurbelvorrichtung bzw. einen Kurbeltrieb zur Wandlung einer Kraft in ein Drehmoment gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind aus den Stand der Technik verschiedenste Kurbeln bekannt, die eine translatorische oder lineare Kraft in ein Drehmoment wandeln. So sind z.B. Tretkurbeln für Fahrräder bekannt, die aus den beiden (im einfachsten Fall lediglich nach unten gerichteten) Beinkräften ein Drehmoment zunächst an einer Tretkurbelwelle und dann an einer hinteren Radnabe des Fahrrades erzeugten. Dabei ist das Drehmoment an der Tretkurbelwelle und entsprechend auch an der Radnabe (z.B. über eine Umdrehung betrachtet) ungleichmäßig.

Diesbezüglich ist es aus dem Stand der Technik bekannt an der Kurbelwelle ein Kettenblatt zu montieren, das oval oder ellipsenförmig ist. Dies ist in Bezug zu den beiden Tretkurbeln so angeordnet, dass bei waagerechten Tretkurbel der größere Durchmesser des Kettenblatts wirkt, während bei senkrecht stehenden Tretkurbeln der kleinere Durchmesser des Kettenblatts wirkt. Damit wird aus dem ungleichmäßigen Drehmoment der Kurbelwelle über den sich ändernden Radius des Kettenblatts die Zugkraft an der Kette und somit das Drehmoment an der hinteren Radnabe vergleichmäßigt.

Zur Vergleichmäßigung des Drehmoments an der hinteren Radnabe sind also eine Tretkurbel, eine vordere Kurbelwelle, ein ovales bzw. ellipsenförmiges Kettenblatt, eine Kette, ein hinteres Ritzel und eine hintere Radwelle bzw. Radnabe vorgesehen.

Nachteilig an derartigen Fahrradantrieben mit vergleichmäßigtem Drehmoment ist der hohe vorrichtungstechnische Aufwand. Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Kurbelvorrichtung bzw. einen Kurbeltrieb zu schaffen, bei der bzw. dem eine ungleichmäßige translatorische bzw. lineare Kraft in ein vergleichmäßigtes Drehmoment gewandelt wird. Dabei soll der vorrichtungstechnische Aufwand verringert sein.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kurbelvorrichtung bzw. einen Kurbeltrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Kurbelvorrichtung bzw. der erfindungsgemäße Kurbeltrieb hat eine Kurbelwelle, in die eine erste veränderliche Kraft mittels eines Übertragungselements über einen ersten veränderlichen Hebelabstand einleitbar ist.

Die erste veränderliche Kraft hat einen vorgegebenen Verlauf bzw. eine vorgegebene Änderung. Ein Verlauf des ersten veränderlichen Hebelabstandes ist in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Verlauf der ersten veränderlichen Kraft so gestaltet, dass eine Auswirkung der Änderung der ersten veränderlichen Kraft auf die Kurbelwelle mindestens teilweise, vorzugsweise komplett kompensiert wird. Die erfindungsgemäße Kompensation ist über einen Rotationsbereich der Kurbelwelle gegeben, der vorzugsweise weniger als eine Umdrehung der Kurbelwelle beträgt.

Vorzugsweise sind die erste Kraft und der erste Hebelabstand derart gestaltet, dass die größere erste Kraft mit einem kürzeren ersten Hebelabstand und die geringere erste Kraft mit einem längeren ersten Hebelabstand einleitbar ist. Weiterhin sind die erste Kraft und der erste Hebelabstand derart gestaltet, dass die abnehmende erste Kraft mit einem zunehmenden ersten Hebelabstand einleitbar ist.

Statt der genannten Kurbelwelle kann auch lediglich eine rotierbare Nabe oder eine rotierbare Befestigungsvorrichtung für eine Kurbelwelle, z.B. eine Durchgangsausnehmung für eine Kurbelwelle vorgesehen sein.

Die genannte Kraft ist so zu verstehen, dass es sich auch nur um eine Kraftkomponente einer Kraft handeln kann, wobei diese Kraftkomponente senkrecht auf dem radialen Hebelabstand steht, den die Kraftkomponente zur Kurbelwelle hat. Somit ergibt sich nach den Regeln der Mechanik das vergleichmäßigte oder sogar gleichmäßige Drehmoment aus dem Produkt der Kraft(komponente) und des Hebelabstandes.

Damit ist der vorrichtungstechnische Aufwand zur Vergleichmäßigung des Drehmoments einer Kurbelvorrichtung bzw. eines Kurbeltriebes gegenüber dem Fahrradantrieb des Standes der Technik verringert.

Bei einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist die erste Kraft eine erste Federkraft, die von einer gespannten ersten Feder der Kurbelvorrichtung an den ersten Hebelabstand übertragbar und über den ersten Hebelabstand in die Kurbelwelle einleitbar ist. Diese Federkraft ist bei der Kraftabgabe und der damit verbundenen Längenänderung der Feder hin zu einer Ausgangslänge abnehmend.

Die zunehmenden ersten Hebelabstände sind derart an die Federcharakteristik angepasst, dass ein Drehmoment an der Kurbelwelle über einen Entspannungshub der Feder vergleichmäßigt, bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sogar konstant ist.

Vorrichtungstechnisch einfach ist es, wenn eine Vielzahl von verschieden langen (kontinuierlich sich verlängernden) Hebelabständen gemeinsam an einem Drehkörper gebildet sind, der an der Kurbelwelle befestigt ist, und dessen erster Außenumfangsabschnitt einen sich monoton ändernden Abstand von der Kurbelwelle hat, wobei an dem ersten Außenumfangsabschnitt die äußeren Enden der Hebelabstände gebildet sind.

Vorzugsweise ist am ersten Außenumfangsabschnitt des Drehkörpers eine erste Einrichtung zur Krafteinleitung der ersten Kraft vorgesehen.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erste Einrichtung zur Krafteinleitung ein erste biegeschlaffes Zugmittel, z.B. eine erste Kette, dessen bzw. deren einer Endabschnitt an einen freien Endabschnitt der ersten Feder gekoppelt ist, und deren anderer Endabschnitt an dem ersten Außenumfangsabschnitt des Drehkörpers anlegbar ist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erste Einrichtung zur Krafteinleitung eine erste Zahnstange, die entlang einer ersten Verschiebeachse geführt ist, und deren zahnstangenseitigen Zähne einen unterschiedlichen Abstand zur ersten Verschiebeachse haben, wobei die zahnstangenseitigen Zähne in Eingriff mit drehkörperseitigen Zähnen sind, die an dem ersten Außenumfangsabschnitt des Drehkörpers angeordnet oder ausgebildet sind.

Bei einer gedoppelten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kurbelvorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs ist in die Kurbelwelle über einen zweiten veränderlichen Hebelabstand auch eine zweite veränderliche Kraft einleitbar. Analog zur ersten Krafteinleitung sind auch die zweite Kraft und der zweite Hebelabstand derart gestaltet, dass die zweite größere Kraft mit einem kürzeren zweiten Hebelabstand und die zweite geringere Kraft mit einem längeren zweiten Hebelabstand einleitbar ist. Weiterhin sind die zweite Kraft und der zweite Hebelabstand derart gestaltet, die zweite abnehmende Kraft mit einem zunehmenden zweiten Hebelabstand einleitbar ist. Damit können bei gleichem resultierenden Drehmoment die beiden Federn verkleinert und die Lagerkräfte der Kurbelwelle verringert werden.

Die beiden genannten Kräfte sind so zu verstehen, dass es sich jeweils auch nur um eine Kraftkomponente der Kraft handeln kann, die senkrecht auf dem jeweiligen radialen Hebelabstand steht, den die Kraftkomponente zur Kurbelwelle hat.

Somit ergibt sich nach der Grundregel der Mechanik das vergleichmäßigte oder sogar gleichmäßige Drehmoment aus dem Produkt der Kraft(komponente) und des Hebelabstandes. Bei der gedoppelten Weiterbildung ergibt sich das vergleichmäßigte oder sogar gleichmäßige Drehmoment aus dem doppelten Produkt der Kraft(kom ponente) und des Hebelabstandes.

Bei der gedoppelten Weiterbildung ist auch die zweite Kraft vorzugsweise eine Federkraft, die von einer gespannten zweiten Feder der Kurbelvorrichtung an den zweiten Hebelabstand übertragbar und in die Kurbelwelle einleitbar ist.

Bei einer vorrichtungstechnisch besonders einfachen Ausführung der gedoppelten Weiterbildung ist der Drehkörper punktsymmetrisch zur Kurbelwelle. Die weiteren genannten Komponenten sind doppelt vorgesehen und dabei baugleich und punktsymmetrisch zur Kurbelwelle angeordnet. Dadurch ergeben sich mehrere Gleichteile und die Last der Lagerung der Kurbelwelle ist minimal.

Grundsätzlich ist es auch möglich mit den erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Gestaltung der Feder(n) und des/der Anlageabschnitte gewünschte Drehmomentprofile zu erzeugen und in die Kurbelwelle einzuleiten.

Mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Kurbelvorrichtung sind in den Figuren dargestellt.

Es zeigen

Figuren 1a und 1b die erfindungsgemäße Kurbelvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung in zwei Zuständen,

Figuren 2a und 2b die erfindungsgemäße Kurbelvorrichtung gemäß einem zweiten gedoppelten Ausführungsbeispiel in zwei Zuständen,

Figuren 3a und 3b die erfindungsgemäße Kurbelvorrichtung gemäß einem dritten gedoppelten Ausführungsbeispiel in zwei Zuständen, und

Figuren 4a und 4b die erfindungsgemäße Kurbelvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in zwei Zuständen.

Figur 1 zeigt das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs in einer schematischen Darstellung. Der Kurbeltrieb weist eine Feder 1 auf, die als Druckfeder ausgebildet ist. In der für solche Federn 1 typischen Weise erzeugt sie eine Federkraft F1, F2, die von ihrer Komprimierung abhängt. In Figur 1a ist ein stärker komprimierter Zustand mit einer größeren Federkraft F2 gezeigt, während in Figur 1b ein weniger komprimierter Zustand mit einer geringeren Federkraft F1 gezeigt ist.

Die Feder 1 ist einerseits über ein Schwenklager 2 eingespannt und abgestützt und andererseits an ihrem dem Schwenklager 2 gegenüberliegenden Endabschnitt mit einem Hebelarm 4 gekoppelt, an den sie ihre Federkraft F1, F2 überträgt. Der Hebelarm 4 ist an seinem der Feder 1 gegenüberliegenden Endabschnitt drehfest an eine Kurbelwelle 6 koppelbar. Der Hebelarm 4 definiert zusammen mit der Feder 1 einen Hebelabstand L1 , L2, der stets der seitliche Abstand ist, den die Feder 1 bzw. die Federkraft F1 , F2 zur Kurbelachse der Kurbelwelle 6 aufweist. Dabei stehen die Federkraft F1, F2 bzw. die Feder 1 und der Hebelabstand L1, L2 stets genau senkrecht aufeinander. Das bedeutet, dass der Hebelabstand L1 , L2 nur in einem Sonderfall genau mit dem Hebelarm 4 zusammenfällt.

Da in Figur 1b die Feder 1 noch stärker komprimiert ist, übt sie eine vergleichsweise große Federkraft F2 aus. Diese wird an den Hebearm 4 übertragen, der mit der Feder 1 einen stumpfen Winkel (deutlich größer als 90°) bildet. Damit ist ein gegenüber der Länge des Hebearms 4 deutlich verkürzter Hebelabstand L1 wirksam.

In Figur 1b ist die Feder 1 bereits teilweise entspannt, übt also eine geringere Federkraft F1 aus. Diese wird an den Hebearm 4 übertragen, der mit der Feder 1 einen spitzen Winkel (nur etwas geringer als 90°) bildet. Damit ist ein gegenüber der Länge des Hebearms 4 nur geringfügig verkürzter Hebelabstand L2 wirksam.

Es gilt also F2>F1 und L2>L1. Die Feder 1 wurde derart gewählt und derart eingespannt, dass M = F2 * L1 = F1 * L2 gilt. Das gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kurbelvorrichtung hat über einen Teilbereich der Drehung der Abtriebs-Kurbelwelle 6 ein konstantes Abtriebs-Drehmoment.

Bei eine nicht gezeigten Variante des ersten Ausführungsbeispiels der gezeigten Kurbelvorrichtung erstreckt sich der Teilbereich der Drehung der Abtriebs-Kurbelwelle 6 mit dem durchgehend konstanten Abtriebs-Drehmoment M von der in Figur 1a gezeigten Ausgangslage bis zu einer Endlage, in der die Feder 1 und der Hebelarm 4 genau einen rechten Winkel (90°) bilden. Damit endet der Teilbereich der Drehung der Abtriebs-Kurbelwelle 6 mit dem durchgehend konstanten Abtriebs-Drehmoment M in dem Sonderfall, in den der Hebelarm 4 mit dem Hebelabstand zusammenfällt.

Figuren 2a und 2b zeigen ein gedoppeltes zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kurbelanordnung. Sie hat zwei zueinander parallele und gegeneinander gerichtete als Druckfedern ausgestaltete Federn 1. Zwischen den Richtungen bzw. Achsen 18 der Federn 1 ist die Kurbelwelle 6 angeordnet, mit der ein Drehkörper 8 drehfest verbunden ist. An dem freien Endabschnitt jeder Feder 1 ist eine Kette 12 befestigt, die über ein jeweiliges Umlenkrad 10 an dem gemeinsamen Drehkörper 8 befestigt sind. Der Drehkörper 8 ist etwa oval oder ellipsenförmig, wobei zwei einen der gegenüberliegende Außenumfangsabschnitte 14 als Anlagebereiche für die jeweilige Kette 12 dienen. In Figur 2a sind die beiden Außenumfangsabschnitte 14 annähern vollständig in Anlage mit der jeweiligen Kette 12. In Figur 2b sind die die Ketten 12 und komplett von dem jeweiligen Außenumfangsabschnitt 14 abgehoben.

Da der Drehkörper 8 etwa oval oder ellipsenförmig ist, ändern sich die Abstände der Außenumfangsabschnitte 14 zur Drehachse der Kurbelwelle 6 kontinuierlich, damit sind beim zweiten Ausführungsbeispiel die beiden veränderlichen Hebelarme L1, L2 definiert.

Die beiden Federn 1, die beiden Ketten 12, die beiden Umlenkräder 10 und die beiden Außenumfangsabschnitte 14 sind punktsymmetrisch zur Kurbelachse der Kurbelwelle 6 gestaltet und angeordnet.

Figuren 3a und 3b zeigen ein gedoppeltes zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kurbelanordnung. Sie hat wiederum zwei zueinander parallele und gegeneinander gerichtete als Druckfedern ausgebildete Federn 1. Zwischen den Richtungen bzw. Achsen 18 der Federn 1 ist wiederum die Kurbelwelle 6 mit dem Drehkörper 8 angeordnet. An dem freien Endabschnitt jeder Feder 1 ist eine Zahnstange 16 angeordnet. Die Zahnstangen 16 lassen sich jeweils entlang der Achse 18 bzw. der Kraft F1 , F2 der Federn 1 (in den Figuren 3a und 3b senkrecht) geführt verschieben. Dies geschieht durch veränderliche die Kraft F1, F2 der jeweiligen Feder 1.

Der Drehkörper 8 ist wiederum etwa oval oder ellipsenförmig, wobei zwei einander gegenüberliegende Außenumfangsabschnitte 14 bei diesem Ausführungsbeispiel Zähne aufweisen. Die veränderlichen Abstände der Zähne der

Außenumfangsabschnitte 14 zur Drehachse der Kurbelwelle 6, definieren beim zweiten Ausführungsbeispiel den jeweiligen veränderlichen Hebelarm L1, L2.

Entsprechend dieser Änderung am Drehkörper 8 ist die jeweilige Zahnstange 16 mit einer veränderliche Breite ausgebildet. Genauer gesagt kompensiert der veränderliche Abstand der Zähne der Zahnstange 16 von der Achse 18 den veränderlichen Radius des Drehkörpers 8 bzw. den veränderlichen Abstand von dessen Zähnen zu Drehachse der Kurbelwelle 6. Die beiden Federn 1, die beiden Zahnstangen 16 und die beiden Außenumfangsabschnitte 14 mit den Zähnen sind punktsymmetrisch zur Kurbelachse der Kurbelwelle 6 gestaltet und angeordnet.

Bezüglich dem zweiten Ausführungsbeispiel aus den Figuren 2a und 2b und bezüglich dem dritten Ausführungsbeispiel aus den Figuren 3a und 3b gilt also F2>F1 und L2>L1. Die beiden Federn 1 wurden derart gewählt und derart eingespannt und die beiden Außenumfangsabschnitte 14 wurden derart gekrümmt, dass M = F2 * L1 = F1 * L2 gilt. Das zweite Ausführungsbeispiel und das dritte Ausführungsbeispiel haben über einen Teilbereich der Drehung der Abtriebs-Kurbelwelle 6 ein konstante Abtriebs- Drehmoment M. Der Teilereich der Drehung erstreckt sich von dem jeweiligen in Figur a gezeigten gespannten Zustand bis zu dem in der jeweiligen Figur b gezeigten entspannten Zustand der beiden Federn 1.

Figuren 4a und 4b zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kurbelanordnung. Sie hat eine als Druckfeder ausgestaltete Feder 1. Beabstandet zu der Richtung bzw. Achse 18 der Feder 1 ist die Kurbelwelle 6 angeordnet, mit der ein Drehkörper 8 drehfest verbunden ist. An dem freien Endabschnitt der Feder 1 ist ein als Seil oder Draht ausgebildetes biegeschlaffes Zugmittel 12 befestigt, das über ein Umlenkrad 10 an dem Drehkörper 8 befestigt sind. Der Drehkörper 8 ist eine Kurvenscheibe mit einem Außenumfangsabschnitt 14, der als Anlagebereich für das Zugmittel 12 dient.

In Figur 4a ist der Außenumfangsabschnitt 14 annähern vollständig in Anlage mit dem Zugmittel 12. In Figur 4b ist das Zugmittel 12 weitgehend von dem Außenumfangsabschnitt 14 abgehoben.

Durch die Formgebung des Drehkörpers 8 ändert sich der Abstand des Außenumfangsabschnitts 14 zur Drehachse der Kurbelwelle 6 kontinuierlich, damit sind auch beim vierten Ausführungsbeispiel die beiden veränderlichen Flebelarme L1, L2 definiert.

Bezüglich dem vierten Ausführungsbeispiel aus den Figuren 4a und 4b gilt also F2>F1 und L2>L1. Die Feder 1 wurde derart gewählt und derart eingespannt und der Außenumfangsabschnitt 14 wurden derart gekrümmt, dass M = F2 * L1 = F1 * L2 gilt. Das vierte Ausführungsbeispiel hat über einen Teilbereich der Drehung der Abtriebs- Kurbelwelle 6 ein konstante Abtriebs-Drehmoment M. Der Teilereich der Drehung erstreckt sich mindestens von dem in Figur 4a gezeigten gespannten Zustand bis zu dem in Figur 4b gezeigten weitgehend entspannten Zustand der Feder 1.

Bezugszeichenliste:

1 Feder

2 Schwenklager

4 Hebel

6 Kurbelwelle

8 Drehkörper

10 Umlenkrad

12 biegeschlaffes Zugmittel / Kette 14 Außenumfangsabschnitt 16 Zahnstange

18 Achse

L1 kürzerer erster Hebelabstand / kürzerer zweiter Hebelabstand

L2 längerer erster Hebelabstand / längerer zweiter Hebelabstand

F 1 schwächere erste Kraft / schwächere zweite Kraft F2 stärkere erste Kraft / stärkere zweite Kraft M Drehmoment