DE4404831A1 - Drive unit for mechanically and biomechanically driven machines and equipment such as vehicles, training and sporting equipment, boats and toys for the purpose of converting a predominantly translatory motion into a rotary motion - Google Patents
Drive unit for mechanically and biomechanically driven machines and equipment such as vehicles, training and sporting equipment, boats and toys for the purpose of converting a predominantly translatory motion into a rotary motionInfo
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Abstract
Description
Es ist bekannt, daß für den Antrieb mechanisch und biomechanisch angetriebener Maschinen zur Umwandlung einer vorwiegend translatorischen Bewegung infolge von Normalkräften, wie von Kolben und Gliedmaßen, in eine Drehbewegung fast ausschließlich Kurbelgetriebe verwendet werden.It is known that mechanically and biomechanically driven for the drive Machines for converting a predominantly translational Movement due to normal forces such as pistons and limbs, used in a rotary motion almost exclusively crank gear become.
Der Stand der Technik bei biomechanisch angetriebenen Maschinen wird bestimmt durch folgende Lösungen zur Erhöhung des Wirkungsgrades der biomechanischen Arbeit sowie der Gebrauchseigenschaften der Antriebe:The state of the art in biomechanically driven machines determined by the following solutions to increase the efficiency of the biomechanical work and the performance characteristics of the drives:
- - Anwendung von schaltbaren Ketten- und Zahnradgetrieben,- application of switchable chain and gear drives,
- - Veränderung des Durchmessers des Abtriebszahnrades auf der Kurbelwelle in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel wie durch Einsatz von elliptischen Kettenrädern,- Change the diameter of the driven gear on the crankshaft depending on the crank angle as by using elliptical sprockets,
- - Verdrehung des Abtriebszahnrades gegenüber der Kurbel in Abhängigkeit von der Tangentialkraft wie durch Einbau von tangential wirkenden Federn zwischen Kurbel und Abtriebszahnrad,- Depending on the rotation of the driven gear relative to the crank of the tangential force as by the installation of tangential ones Springs between crank and driven gear,
- - Verdrehung der Kurbeln um einen Winkel kleiner als 180 Grad sowie Anbringung von Freiläufen auf der Kurbelwelle.- Rotation of the cranks by an angle less than 180 degrees as well Installation of freewheels on the crankshaft.
Die bekannten Veränderungen und Verbesserungen beziehen sich ausschließlich auf Kurbelgetriebe; von Schwingkurbel-Getrieben gemäß Patentanspruch ist grundsätzlich nichts bekannt.The known changes and improvements relate exclusively on crank gear; of swing crank gearboxes according to Nothing is known in principle.
Energetisch verwenden Kurbelgetriebe wegen ihres einfachen mechanischen Aufbaus systembedingt nur eine Kraftkomponente der Antriebskraft, die Tangentialkraft F1 der Antriebskraft F, wie in Bild 8 dargestellt. Die Muskelarbeit, die zur Erzeugung des Radialkraftanteils F2 der Antriebskraft notwendig ist, geht dabei im Muskel verloren. Eine Analogie zum rein mechanischen Antrieb wie bei Verbrennungsmotoren ist nicht vorhanden!In terms of energy, due to their simple mechanical structure, crank gears use only one force component of the driving force, the tangential force F1 of the driving force F, as shown in Figure 8. The muscle work required to generate the radial force component F2 of the driving force is lost in the muscle. There is no analogy to the purely mechanical drive as with internal combustion engines!
Beim Kurbeltrieb ist das Verhältnis der am Abtrieb zur äußeren Arbeitsleistung verfügbaren mechanischen Energie zur Bioenergie, die zur Bereitstellung der Normalkraft am Kraftangriffspunkt des Antriebes erforderlich ist, extrem ungünstig.The crank drive is the ratio of the output to the external work available mechanical energy to bioenergy that to provide the normal force at the force application point of the drive is extremely unfavorable.
Tangential wirkende Muskelkräfte sind dabei zu vernachlässigen, weil ihr Anteil gering ist.Muscle forces acting tangentially are negligible because their share is small.
Beispielsweise beträgt der Wirkungsgrad für die am Antrieb verfügbare Energie zur aufgewandten Bio-Energie bei Normalkraftangriff im oberen Totpunkt des Kurbelgetriebes gleich Null und erhöht sich entsprechend dem Tangentialkraftanteil bei 90 Grad Kurbelwinkel auf einen Maximalwert. For example, the efficiency for those available on the drive is Energy to bio-energy used during normal force attack in top dead center of the crank mechanism is zero and increases accordingly the tangential force component at 90 degrees crank angle a maximum value.
In Bild 8 ist der Anteil der Tangentialkraft F1 an der Normalkraft in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel 90 Grad minus Alpha dargestellt. Entscheidende Vergrößerungen des Wirkungsgrades treten auch bei den genannten, zum Teil sehr aufwendigen Änderungen und Verbesserungen nicht ein. Figure 8 shows the share of the tangential force F1 in the normal force as a function of the crank angle 90 degrees minus alpha. Decisive increases in efficiency do not occur even with the above-mentioned, sometimes very complex changes and improvements.
Kinetisch haben Kurbelgetriebe den Nachteil, daß sie bei einfacher und doppelter Anordnung Totpunkte haben, zu deren Überwindung besondere Anforderungen an die Antriebskraft oder spezielle technische Maßnahmen notwendig sind.Kinetically, crank gears have the disadvantage that they are simpler and double arrangement have dead spots, to overcome which special Power requirements or special technical requirements Measures are necessary.
Mehr als zwei parallel angeordnete Kurbeltriebe, die diesen Nachteil vermeiden, wie z. B. bei Fahrzeugmotoren mit mehr als zwei Zylindern sind im Anspruchsbereich grundsätzlich nicht bekannt und nur in Sonderfällen realisiert.More than two crank drives arranged in parallel that have this disadvantage avoid such. B. in vehicle engines with more than two cylinders are generally not known in the claims area and only in Special cases realized.
Den in den Ansprüchen 1 bis 4 angegebenen Lösungen liegt das Problem zugrunde, mit einem vertretbaren technischen AufwandThe solutions given in claims 1 to 4 are the problem based, with a reasonable technical effort
-
- den mechanischen Wirkungsgrad der Muskelarbeit durch konstruktive
Maßnahmen dadurch zu vergrößern, daß
- der Anteil der Radialkraft an der Antriebskraft, bezogen auf den Momentanpol der Drehbewegung des Antriebsgliedes sowie
- der Weg des Kraftangriffspunktes bezogen auf den Vergleichshub beim Kurbeltrieb minimiert werden,
- der Totpunkt am Beginn des Arbeitshubes grundsätzlich vermieden,
- über den größten Teil des Hubweges ein möglichst gleichförmiges Moment am Abtrieb erzeugt und
- eine Kompatibilität mit vorhandenen Systemen erreicht wird.
- the proportion of the radial force in the driving force, based on the instantaneous pole of the rotary movement of the drive member and
- the path of the force application point in relation to the comparison stroke in the crank mechanism is minimized,
- the dead center at the start of the working stroke is generally avoided,
- Generates as uniform a torque as possible on the output over most of the stroke and
- compatibility with existing systems is achieved.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere in derThe advantages that can be achieved with the invention consist in particular in the
- - Erhöhung des biomechanischen Wirkungsgrades des Antriebs-Systems um ca. 50% gegenüber dem einfachen Kurbeltrieb durch Einsatz eines speziellen Viergelenk-Getriebes,- Increasing the biomechanical efficiency of the drive system by approx. 50% compared to the simple crank drive through use a special four-bar gearbox,
-
- Verbesserung der Gebrauchseigenschaften durch
- - Vermeidung des oberen Totpunktes bei der Doppelanordnung der Antriebseinheit (Bild 1 und Bild 14),
- - Erhöhung des Gleichförmigkeitsgrades des Abtriebsmomentes,
- - Erhöhung des mittleren Antriebsmomentes am Abtrieb sowie
- - Verminderung der mittleren Antriebsgeschwindigkeit um ca. π/2
- - avoidance of top dead center in the double arrangement of the drive unit ( Fig. 1 and Fig. 14),
- - increasing the degree of uniformity of the output torque,
- - Increase the average drive torque at the output as well
- - Reduction of the average drive speed by approx. Π / 2
-
- Schaffung der konstruktiven Möglichkeiten der
- Eintragung der Antriebskräfte in beiden Richtungen (Bild 3),
- Eintragung der Antriebskräfte in der Ebene der Koppel (Bild 12),
- Anordnung des Abtriebsrades in der Achse der Hinterradschwinge (Bild 12),
- Verringerung der Anzahl der Gänge im Übersetzungsgetriebe,
- Variation der Einbaulage entsprechend der gewählten Körperlage (Bild 6 und Bild 14).
- Variation der Abmessungen der Viergelenkgetriebe einschließlich der Charakteristik der Koppelschleife zur Anpassung an die Leistungscharakteristik des Körpers sowie in der
- Entry of the driving forces in both directions ( picture 3),
- Entry of the driving forces in the plane of the coupling ( Figure 12),
- Arrangement of the driven wheel in the axis of the rear wheel swing arm ( Fig. 12),
- Reduction in the number of gears in the transmission gear,
- Varying the installation position according to the selected body position ( Fig. 6 and Fig. 14).
- Variation of the dimensions of the four-bar transmission including the characteristics of the coupling loop to adapt to the performance characteristics of the body as well as in the
- - Kompatibilität mit vorhandenen Baugruppen,- compatibility with existing assemblies,
In Bild 9 sind für die im Konstruktionsbeispiel angegebene Geometrie die Koppelkurve sowie die Polbahnen der Momentanpole der Antriebsebene und in Bild 10 die Anteile der Tangentialkraft F1 und der Radialkraft F2 an der Antriebskraft F1 dargestellt. Figure 9 shows the coupling curve and the pole paths of the instantaneous poles of the drive plane for the geometry given in the construction example, and Figure 10 shows the shares of the tangential force F1 and the radial force F2 in the drive force F1.
Aus Bild 11 ist ersichtlich, daß der Verlauf des Radialkraftanteiles F2 an der Antriebskraft F bei Kurbelgetrieben, als qualitativer Maßstab für die Effektivität der Getriebesysteme, wesentlich ungünstiger ist, als beim gewählten Viergelenk-Getriebe.From Figure 11 it can be seen that the course of the radial force component F2 in the driving force F in crank gearboxes, as a qualitative measure of the effectiveness of the gearbox systems, is considerably less favorable than in the four-link gearbox selected.
Nachteilig beim Viergelenk-Getriebe sind dieThe disadvantage of the four-bar transmission is that
- - größeren Reibungsverluste in den Lagern sowie der- Greater friction losses in the bearings and the
- - Aufwand durch zusätzliche Bauelemente wie Koppel und Schwinge. Ein großer Teil dieses technischen Aufwandes wird jedoch durch den Wegfall von konventionellen Bauelementen kompensiert.- Effort through additional components such as coupling and swing arm. A large part of this technical effort is caused by the Compensation for the elimination of conventional components.
Beim jetzigem Stand der Herstellungstechnik sind die zusätzlichen Bauelemente wie Hebel und Rundlingspaare ohne technologische Änderungen verfügbar bzw. herstellbar.At the current state of manufacturing technology, the additional ones Components such as levers and pairs of rounds without technological changes available or producible.
Die größeren Reibungsverluste sind um eine Größenordnung kleiner als die Vorteile aus der Erhöhung des Wirkungsgrades der biomechanischen Arbeit und können vernachlässigt werden.The larger friction losses are an order of magnitude smaller than the benefits of increasing the efficiency of biomechanical Work and can be neglected.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Antriebs-Einheit ermöglicht in Konkurrenz zum konventionellen Kurbelantrieb eine sprunghafte Erhöhung des Wirkungsgrades der biochemischen Arbeit in der Wirtschaftstätigkeit, im Sport und in der Freizeitbeschäftigung.The use of the drive unit according to the invention enables in Competition to conventional crank drive a leap Increasing the efficiency of biochemical work in the Economic activity, in sport and in the leisure activity.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung erfolgt durch Optimierung der Übertragungseigenschaften des Schwingkurbel-Antriebes an die individuell verschiedenen Leistungsparameter der Antriebsmechanik, wie der Biomechanik, an den Verwendungszweck mit Hilfe der bekannten Verfahren der Getriebetechnik und Anwendung in bisher nicht erschlossenen Bereichen.The further development of the invention takes place through optimization the transmission properties of the oscillating crank drive to the individual various performance parameters of the drive mechanics, such as the biomechanics, to the intended use using the known methods of gear technology and application in previously untapped Areas.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen Bild 3, Bild 6, Bild 11 und Bild 12 dargestellt.Embodiments of the invention are shown in the drawings, Figure 3, Figure 6, Figure 11 and Figure 12.
Bild 12 zeigt einen Fahrrad-Antrieb für eine näherungsweise vertikale Richtung der Wirkungslinie der Antriebskraft. Figure 12 shows a bicycle drive for an approximately vertical direction of the line of action of the driving force.
Im Gestell Pos. 1 sind die Kurbel, Pos. 2, mit Kettenrad, Pos. 2.1, sowie die Schwinge, Pos. 3, gelagert. Die Koppel, Pos. 4, ist in Pos. 2 und Pos. 3 gelagert.The crank, item 2 , with sprocket, item 2.1, and the rocker, item 3 , are mounted in the frame item 1 . The coupler, item 4 , is mounted in items 2 and 3 .
Das Lager der Kurbel, Pos. 2, befindet sich außerhalb von Kurbel und Kettenrad.The crank bearing, item 2 , is located outside the crank and sprocket.
Die Mindestabmessungen dieses Getriebes werden bei dieser Lageranordnung durch den Radius des Kettenrades, Pos. 2.1, mitbestimmt. Die Achse der Hinterradschwinge, Pos. 5, liegt zentrisch zur Achse der Kurbel, Pos. 2. Dadurch hat der Federweg der Hinterachse keinen Einfluß auf die Antriebs-Geometrie.The minimum dimensions of this gearbox are determined in this bearing arrangement by the radius of the chain wheel, item 2.1 . The axis of the rear swing arm, item 5 , is centered on the axis of the crank, item 2 . As a result, the travel of the rear axle has no influence on the drive geometry.
Die Lage des Getriebes zum Rahmen, Pos. 1, die Abmessungen der Getriebeelemente sowie die Lage des Koppelpunktes am Kraftangriffspunkt ergeben sich nach den bekannten Regeln der Getriebesynthese bei der Vorgabe von Punktlagen für die Koppelkurve und den max. Hub. The position of the gearbox relative to the frame, item 1 , the dimensions of the gearbox elements and the position of the coupling point at the point of application of force result from the known rules of transmission synthesis when specifying point positions for the coupling curve and the max. Stroke.
Die gewählte Form der Koppel, Pos. 4, ermöglicht die zentrische Eintragung der Antriebskraft F des Fußes in die Koppel. Dadurch entfällt eine Beanspruchung der Koppel durch ein planmäßiges Torsionsmoment. Der Rahmen, Pos. 1, kann auf ein torsionssteifes Mittelrohr reduziert werden.The selected form of the paddle, item 4 , enables the central input of the driving force F of the foot into the paddock. This eliminates stress on the coupling due to a planned torsional moment. The frame, item 1 , can be reduced to a torsionally rigid center tube.
Der Antrieb gibt bei einem vollständigen Hub von oben nach unten auf jeder Antriebsseite über einen Kurbelwinkel von ca. 255 Grad, wie in Bild 13 schraffiert dargestellt, ein positives Abtriebsmoment ab.With a complete stroke from top to bottom, the drive delivers a positive output torque on each drive side over a crank angle of approx. 255 degrees, as shown in hatched lines in Figure 13.
Dadurch überschneiden sich bei Parallelbetrieb die Antriebsmomente beider Antriebsseiten so, daß praktisch in jeder Kurbelstellung ein sehr hohes Abtriebsmoment wie z. B. für langsame Bergfahrt verfügbar ist.As a result, the drive torques overlap in parallel operation both drive sides so that practically in every crank position very high output torque such as B. available for slow ascent is.
Bild 14 zeigt einen Fahrradantrieb für eine näherungsweise horizontale Richtung der Wirkungslinie der Antriebskraft. Im Gestell, Pos. 2, sind die Antriebs-Einheiten Pos. 1.1 und 1.2 gelagert. Figure 14 shows a bicycle drive for an approximately horizontal direction of the line of action of the driving force. The drive units pos. 1.1 and 1.2 are mounted in the frame, pos. 2 .
Die Koppelkurve für den Kraftangriffspunkt ist strichpunktiert dargestellt.The coupling curve for the force application point is shown in dash-dot lines.
Die Anzahl der Räder 3.1 und 3.2, kann zwei bis vier betragen und ergibt sich aus dem jeweiligen Anwendungsfall.The number of wheels 3.1 and 3.2 can be two to four and results from the respective application.
Die Hinterradschwinge ist mit Federung und einem Federweg Alpha dargestellt.The rear swing arm is shown with suspension and Alpha travel.
Bild 6 zeigt einen Roller für eine näherungsweise vertikale Richtung der Wirkungslinie der Antriebskraft F mit einer Koppel, Pos. 4, für die Aufnahme und Einleitung der Antriebskraft in die Schwinge Pos. 1. Figure 6 shows a scooter for an approximately vertical direction of the line of action of the driving force F with a coupling, item 4 , for receiving and introducing the driving force into the rocker item 1 .
Bild 7 zeigt den Ölstromerzeuger eines Hydraulikantriebes. Durch die Wahl eines kurzen Hebelarmes für den Antrieb des Hydraulikzylinders lassen sich als Voraussetzung für große Wirkungsgrade hohe Hydraulikdrücke erzeugen. Figure 7 shows the oil flow generator of a hydraulic drive. By selecting a short lever arm for driving the hydraulic cylinder, high hydraulic pressures can be generated as a prerequisite for high efficiency.
Durch den Wegfall mechanischer Übertragungsglieder können auch gelenkte Räder problemlos angetrieben werden.Due to the elimination of mechanical transmission elements, steered ones can also be used Wheels can be driven easily.
Beim Betrieb der Antriebs-Einheit ist wegen der Unsymmetrie des Antriebes eine Gewöhnung erforderlich.When operating the drive unit is due to the asymmetry of the drive getting used to it.
Claims (9)
dadurch gekennzeichnet,
daß die Antriebs-Einheit aus einem umlauffähigen Koppelgetriebe, vorzugsweise einer Viergelenk-Kette, wie in Bild 1 dargestellt, der sogenannten Schwingkurbel bzw. Schubkurbel, mit den Teilen wie in Bild 2 dargestellt, der
- - Koppel, Pos. 1, als Antriebsglied mit dem Koppelpunkt C und Koppelkurven, wie in Bild 4 dargestellt, als Angriffspunkt der Antriebskraft F, der
- - Kurbel, Pos. 2 als Abtriebsglied mit angekoppeltem Antriebsrad, Pos. 2.1, sowie der
- - Schwinge, Pos. 3, im Extremfall ein Schieber der Schubkurbel, wie in Bild 5 dargestellt, als Führungsglied,
characterized,
that the drive unit from a circulating coupling gear, preferably a four-link chain, as shown in Figure 1, the so-called rocking crank or push crank, with the parts as shown in Figure 2, the
- - Coupling, item 1 , as a drive element with the coupling point C and coupling curves, as shown in Figure 4, as the point of application of the driving force F, the
- - Crank, item 2 as an output member with a coupled drive wheel, item 2.1 , and the
- - rocker arm, item 3 , in extreme cases a slide of the thrust crank, as shown in Figure 5, as a guide member,
daß die Antriebs-Einheit für eine Antriebsgarnitur mehrfach, vorwiegend doppelt angeordnet ist und zwischen den Antriebsgliedern der gekoppelten Antriebseinheiten eine beliebige Winkelverschiebung, bei zweifacher Anordnung, wie in Bild 1 gestrichelt dargestellt, vorwiegend um 180 Grad eingestellt ist.2. Drive unit according to claim 1, characterized in that
that the drive unit for a drive set is arranged multiple, predominantly double, and any angular displacement between the drive members of the coupled drive units, with a double arrangement, as shown in dashed lines in Figure 1, is predominantly set by 180 degrees.
- - Koppel, Pos. 1, als Antriebsglied mit dem Koppelpunkt, Pos. 1.1, und Koppelkurve K als Angriffspunkt der Antriebskraft F, der
- - Kurbel, Pos. 2, als Führungsglied, der
- - Schwinge, Pos. 3, als Abtriebsglied mit angekoppeltem Hydraulikzylinder, Pos. 4, zur Ölstromerzeugung sowie
- - einem oder mehreren Hydraulikomotoren als Ölstromverbraucher zum Radantrieb
- - Coupling, item 1 , as a drive element with the coupling point, item 1.1 , and coupling curve K as the point of application of the driving force F, the
- - Crank, item 2 , as a guide member, the
- - Swing arm, item 3 , as an output link with a coupled hydraulic cylinder, item 4 , for generating oil flow and
- - One or more hydraulic motors as oil flow consumers for wheel drive
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---|---|---|---|
DE19944404831 DE4404831A1 (en) | 1994-02-16 | 1994-02-16 | Drive unit for mechanically and biomechanically driven machines and equipment such as vehicles, training and sporting equipment, boats and toys for the purpose of converting a predominantly translatory motion into a rotary motion |
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DE4404831A1 true DE4404831A1 (en) | 1994-12-08 |
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ID=6510333
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DE19944404831 Withdrawn DE4404831A1 (en) | 1994-02-16 | 1994-02-16 | Drive unit for mechanically and biomechanically driven machines and equipment such as vehicles, training and sporting equipment, boats and toys for the purpose of converting a predominantly translatory motion into a rotary motion |
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- 1994-02-16 DE DE19944404831 patent/DE4404831A1/en not_active Withdrawn
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