Das Mobeick

"Wissen ist das einzige Gut, das sich vermehrt, wenn man es teilt." - Marie von Ebner-Eschenbach.
Ich veröffentliche die Zeichnung hier, damit es endlich gebaut wird. Wer es bauen möchte, soll sich vorher bitte bei mir melden. Das mit den Patenten und Schutzrechten in Deutschland ist eh ein Witz.

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+++ Anmerkung: Der Verein HPV (Human Powered Vehicles) hat der Erfindung (Mobeick) beim Ideenwettbewerb 2016 (Preisgeld: 0 Euro) die "schöpferische Höhe" aberkannt, hat lieber keinen Gewinner gekürt und ist aber den Beweis, dass es das Mobeick schon gibt, schuldig geblieben. Man wolle sich nicht lächerlich machen. +++

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Definition Mobeick:

Bei einem Fahrrad handelt es sich um ein Mobeick, wenn es mindestens folgende Merkmale aufweist:

• Sitz: Sessel- oder Liegerad
• Antrieb: gegenphasiges, asynchrones oder freies, ergonomisches Pendeln der Füße
• Pedale: winkelgefedert und mit Fersenstütze
• Gangschaltung: stufenlose Hebelverstellung

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In der Zeichnung sind drei Positionen einer Pedale auf einer Seite eines Sesseldreirades dargestellt (bei angezogenem Knie, bei gestrecktem Knie und eine Mittelposition)
Linke und rechte Pedale sind 180° phasenverschoben. Das ist leicht über ein Kegelzahnrad zu bewerkstelligen.
In der Nabe des Hinterrades ist ein eingekapseltes Planetengetriebe (Übersetzung 1 zu 15) mit Freilauf im Ölbad "versteckt". Statt Kette, Seilzug oder Zahnstange tut es auch eine einfache Pleuelstange, die man nur an zwei Punkten ölen muss.

Die Konstruktion ist bewusst so, dass alle beweglichen Teile unterhalb des Fahrers sind (bzw. vor und hinter), man sich also mit dem linken Fuß die rechte Wade kratzen kann, wenn man das möchte.



Die beiden identischen mechanischen Metronome sind über eine Stange (rot) miteinander verbunden. Der Pendelausschlag ist bei beiden daher gleich. Schiebt man nun den Regler des linken Metronoms nach unten, dann hat das zweite Metronom einen kleineren Ausschlag bis hin zu 0° (negative Ausschläge sind auch möglich). Ist das zweite Metronom nur weit genug entfernt, kann die Stange nicht reißen, dann geht das. Und so kann man stufenlos den Pendelausschlag des zweiten Metronoms von 0° bis maximal etwa 120° verstellen durch Verschieben des Reglers am ersten Metronom.
Jetzt muss man nur noch den Pendelausschlag des zweiten Metronoms genügend verstärken über ein Getriebe, damit das fahrradtauglich wird.



Statt wie vorher um 360° sich zu drehen, pendelt die Pedale immer im gleichen Winkel. Der rote Punkt wird auf dem gelben Hebel verschoben. Dadurch ändert sich an der Radnabe der Pendelwinkel fließend von 0 bis 80°. Diesen Pendelbereich muss man noch verstärken, damit das fahrtauglich wird. Ein Faktor 15 ist mehr als ausreichend. So ergibt sich ein Winkelbereich von 0 bis 1200° also 3,33 Radumdrehungen pro Tritt! Der Variationsbereich ist mehr als alles, was es auf dem Markt an Schaltungen bisher gibt. Ketten und Tretlager mit Unwucht braucht/hat man dann auch nicht mehr.

Das Zusammenspiel der Komponenten sieht dann so aus:


Das Getriebe gehört natürlich in die Radnabe.


In der Hülse der Radnabe sind die beiden Planetengetriebe nebst Freilauf zu verstecken. Durch die Abkapselung sind sie gegen Schmutz geschützt. Durch das Ölbad sind Reibung und Verschleiß gering. Zahnräder sind immer besser als Ketten und Ritzel. Der Freilauf kann ruhig etwas größer ausfallen, denn er soll schnell greifen. Das Kugellager trägt das Gewicht des Rades nebst Fahrer, damit die empfindlichen Teile geschützt sind. Das Naben-Getriebe herzustellen, ist technisch eigentlich die einzige größere Klippe, die es zu umschiffen gilt.



Wer keine Schiene haben möchte, weil ihm z.B. das Geräusch stört, der kann auch zwei miteinander gekoppelte Pendelstangen nehmen. Das sieht dann so aus:


Der Abnehmer zur Gangschaltung muss dann an der unteren, im Bild grünen Pendelstange angebracht werden.

• Vorteil: bei der Schiene müssen die Achslager entweder stramm und präzise die Rolle an der Pedale auf der Schiene führen oder die Schiene hat eine Führung und die Lager haben etwas Spiel. Das Problem entfällt hier.
• Nachteil: ein Gelenk und eine Stange mehr

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Damit der Fuß nicht immer 100% den gleichen Weg gehen muss, sondern etwas wippen kann, muss der Winkel der Pedale etwas nachgeben können. Dazu ist es am zweckmäßigsten, eine Spiralfeder zwischen Pendelstange und Pedale anzubringen. Man kann am besten drücken, wenn der Drehpunkt dort am Fuß ist, wo der Absatz beim Schuh beginnt. Wählt man die Variante mit der Schiene, dann setzt man auf diesen Drehpunkt die Rolle. Die Fersenstütze verfügt über eine Vertiefung, so kann die Pedale den Schuh besser aufnehmen und den Fuß unterstützen, die Pedale wieder zurückzuziehen.

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Auf die Schiene kann man natürlich auch noch verzichten.


Wer es Isetta (Einstieg von vorne) meets Robo-Cop like möchte, der kann die Pedale auch von der Fahrerseite aus führen entweder mit Schiene oder mit zweiter Führungsstange. Das Fahrrad wird dadurch etwas kürzer. Bei der Schienen-Variante kann man die Pendel auch zwischen den Füssen platzieren. Will man vermeiden, dass man bei der Fahrt mit den Beinen an die beweglichen Teile kommt, dann kann man dazwischen eine Verkleidung bauen. Diese senkt dann auch den Cw-Wert des Fahrrades. Man erinnere sich: eine mit einem Draht umspannte Kugel hat einen günstigeren Cw-Wert als eine glatte Kugel. Bei einem Unfall schützen die Pendelarme die Beine als Knautschzone.

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Die 180° Phasenverschiebung

Damit linkes und rechtes Bein sich abwechseln können, müssen die beiden Pedalstangen um 180° phasenverschoben sein. Da gibt es zwei Möglichkeiten, dies zu bewerkstelligen:




Bei der Variante mit dem Kegelzahnrad zeigt die Drehachse des Zahnrades genau senkrecht auf die Mitte der Pendelachse. An den beiden Pendelstangen sind Kreissegmente mit den passenden Gegenstücken angebracht.

Bei der Scheren-Variante zeigt ein Schlitz genau radial zur Mitte der Pendelachse. In diesem Schlitz kann ein Punkt auf und ab laufen. Dieser ist über eine Stange mit einem Punkt senkrecht zur Pendelstange verbunden. Die Pendelachse auf der anderen Seite ist gespiegelt. Wegen der Symmetrie wird dadurch wie bei einer Schere die Richtung auf der anderen Seite umgekehrt.

Die Methode mit dem Kegelzahnred ist eleganter und in Serienfertigung billiger herzustellen. Für einen Prototypen ist die Variante mit der Schere leichter zu bauen.

Mir ist nun eine noch einfachere Möglichkeit eingefallen, wie ich das Pendeln gegenphasig übertragen kann. Ich veröffentliche die hier aber nicht. Bin ich der Hampelmann für alle?


Asynchrones Pendeln
Beim Treten hat man immer zwei Totpunkte dabei, weil sich zweimal die Richtung ändert: vom Drücken zum Anziehen und vom Anziehen wieder zum Drücken. Bei der 180°-Phasenverschiebung werden beide Totpunkte von beiden Beinen gleichzeitig erreicht. Beim asynchronen Pendeln wird das Drücken des Fußes in die Länge gezogen und das Anziehen zeitlich verkürzt. So ist das angezogene Bein immer etwas über seinen Totpunkt hinaus, wenn das andere Bein voll gestreckt ist, also im Totpunkt steht.
Wenn man sich ohne elektrische Tretkraft-Unterstützung den Berg mit langsamer Geschwindigkeit herauf quält, dann muss immer genügend Druck auf den Pedalen sein. Wenn beide Pedalen gleichzeitig im Totpunkt sind, geht das für einen Moment nicht und man sollte absteigen oder sich für das asynchrone Pendeln entscheiden.



Freies Pendeln
Zieht man das Bein an, dann muss die Pedale natürlich am Fuß bleiben. Das kann man auch durch einen Bügel, ein Klicksystem oder Magneten an der Schuhsohle bewerkstelligen. Bei Sesselzweirädern ist das etwas gefährlich, weil man nach dem Bremsen die Balance verliert und man dann schnell einen Fuß auf die Straße setzen muss. Sind beide Pedalen für rechts und links miteinander 180° phasenverschoben gekoppelt, dann kann man das Zurückbewegen der einen Pedale immer durch Drücken der anderen erzwingen. Verzichtet man auf diese Kopplung (Kegelzahnrad oder Schere), dann kann man frei mit den Beinen pendeln. Um die Pedale am Fuß zu halten, kann man am Schaft der Pedale für die Ferse des Fußes eine Vertiefung machen (das Eigengewicht des Beines sorgt schon dafür, dass der Fuß dann in diese Vertiefung gedrückt wird) oder man kann eine Feder benutzen (beim Seilzugsystem geht das auch durch eine etwas stärkere Rückstellfeder) oder durch ein Gewicht. Und da tut es auch schon das Eigengewicht der Stangen.

Am besten wählt man die Methode mit dem Kegelzahnrad und macht die so, dass man das Zahnrad heraus nehmen kann. Dann kann der Fahrer durch Ausprobieren selber entscheiden, wie es sich am besten für ihn fährt.

Die Gangschaltung

Für die Hebelarm-Gangschaltung habe ich mir 4 verschiedene Möglichkeiten ausgedacht, wie ich den Winkel verstellen kann, ohne dem Pendelhub in die Quere zu kommen. Hier sind sie schematisch:

Der Reihe nach:

1. Drahtzug
   über einen Draht wird der Hebel wie bei den Bremsen angezogen, für das Zurückziehen sorgt die Feder am Freilauf
   
   • Vorteil: günstig
   • Nachteil: Draht pendelt etwas mit, stärkere Rückzugsfeder nötig, Draht muss noch (stufenlos) einrasten, hohe Kraft auf den Draht und damit auf die Gangschaltung
2. (Gleichlauf-) Kardan
   über ein ortsfestes (Gleichlauf-) Kardangelenk wird ein auf dem Pendelarm ortsfestes Schraubgewinde gedreht und so das andere, nicht drehbare Gewinde längs des Pendelarms verschoben, die untere Achse des Gelenks hängt etwas locker in einer Scheide, so braucht das Gelenk nicht ultragenau justiert werden und Erschütterungen sind egal; nimmt man ein einfaches Kardangelenk, so macht es in X-Stellung (45°) pro Pendelhub wegen dem Kardanfehler immer eine kleine Drehung ⇒ 20° Spiel lassen!
   
   • Vorteil: obere Drehachse ist ortsfest, Gang rastet von selbst ein, Gangschaltung von der Trittkraft befreit
   • Nachteil: Platzverbrauch, die beiden Kardangelenke für rechts und links müssen noch über Zahnräder miteinander gekoppelt werden
3. Elektromotor
   auf dem Hebelgelenk sitzt ein kleiner E-Motor, der über Kabel oder per Funk gesteuert wird
   
   • Vorteil: per Fingertipp einstellbar
   • Nachteil: etwas teurer, braucht Stromquelle
4. Hydraulik
   längs der Pendelachse wird ein Hydraulik-Kolben verschoben, für das Verschieben und Einrasten sorgt ein festes Gewinde, in dem eine mit dem Kolben verbundene Scheibe frei um die Pendelachse sich drehen kann; der untere Kolben ist mit dem Abnehmer zum Freilauf verbunden; durch die Hydraulik kann der Kolben-Weg geknickt, wieder zurück und leicht stark verlängert werden (z.B. eine Umdrehung 5 cm Hebelweg, um 90° Ecke, vor und zurück)
   
   • Vorteil: hohe Empfindlichkeit, linker und rechter Pendelarm leicht miteinander zu koppeln, Hydraulikrohr = Pendelarm
   • Nachteil: etwas aufwändiger

Zum Ziel führen alle 4 Möglichkeiten. Für am Besten halte ich die Kardan-Variante: einfach, problemlose Wartung, robust, am Elegantesten ist die Hydraulik-Variante: eine Drehung am Griff und schon schwupp ist man da. Die Kardan-Variante ist für eine Ellbogen-Gelenk-Verstellung, die Hydraulik-Variante für eine lineare Verstellung. Will man über ein Kardan-Gelenk den Hebelarm linear verstellen, dann muss man viel zu viel drehen oder zusätzlich ein Mini-Zahnradgetriebe einbauen.

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Das Manko bei den bisherigen Sesselrädern mit Kurbel: man kann die Pedale erst treten, wenn die Pedale von A nach D gebracht wurde. Dazu muss Fuss 1 wie eine Primaballerina bei ausgestrecktem Bein "tippeln", denn die Ferse kann keinen schrägen Winkel einnehmen. Damit Fuss 2 nicht von der Pedale abrutscht (frei in der Luft schwebt), muss er ebenfalls etwas nach unten drücken. Das ist kontraproduktiv. Der Weg führt dann über C nach B und bringt zusätzlich ein tausend maliges, energetisch sinnloses Heben des Beines. Das sorgt für warme Hüftgelenke aber nicht für Vortrieb. Viel einfacher ist aber der Weg über M.

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Geschichtliches

Das erste Riemen getriebene Fahrrad war das Fahrrad "American Star Bicycle" erfunden 1880 durch G. W. Pressey und war noch ein Hochfahrrad. Fahrräder konnten sich vor der Erfindung des Automobils nur wohlhabende Menschen leisten und die saßen gerne "hoch zu Ross". Wegen der vielen Unfälle aber kamen dann die niedrigen Fahrräder in Mode.

Und nach der Erfindung der Fahrradkette geriet der Riemen-Antrieb in Vergessenheit. Dabei hat er zwei große Vorteile:

1. kein Tretlager,
2. kann stufenlos, beliebig hoch geschaltet werden.

Wegen der Unwucht im Tretlager, muss dieses große Kräfte aushalten. Deswegen haben sie eine hohe Reibung und das bedeutet Energieverlust beim Fahren. Außerdem leiern Ketten aus, springen ab, sind ölig und schwer und haben ebenfalls eine innere Reibung.

Sicher hätte der Erfinder des American Star Fahrrades dieses schon damals gerne mit einer stufenlosen Gangschaltung versehen, doch die Feinmechanik war damals noch nicht so weit. Der Gang muss nach dem Umschalten wieder einrasten. Wollte ein Fahrer den Gang wechseln, musste er anhalten, absteigen und die Riemen in eine andere Öse einhängen.

Beim Modibike ist es gelungen, eine stufenlose Gangschaltung mit einem neuen Pedal-Konzept zu kombinieren. Dadurch wird Fahrradfahren in Zukunft viel angenehmer. Das Fahrrad existiert seit 2007 leider nur auf dem Papier.




Die gestrichelte blaue Linie ist die Pendel-Achse, der grüne Doppelpfeil steht für den Pendelhub. Die beiden Ösen für die Gangschaltung sind durch die gelben Pfeile gekennzeichnet. Man musste absteigen, wenn man den Gang wechseln wollte.

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Erratum - 18. November 2016

Beim mehrmaligen Hinschauen fiel mir noch eine andere Möglichkeit ein, warum da ein zweiter, gleich großer Bolzen ist: nicht als Gangschaltung sondern als Stopper, damit die Pedale nicht zu weit nach oben kommt. Dann hätte Herr Pressey nicht die Absicht gehabt, zwei Gänge zu haben, einen für starke Fahrer und einen für schwächere.

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Der Erfinder Jaray machte dann aus dem Hochrad ein Niederrad. Als Gangschaltung dachte er sich drei verschiedene Pedalen aus. Statt Rückstell-Feder ließ er das Band für die Freiläufe von der einen Radseite auf die andere laufen. Es verkaufte sich gut in Holland, doch Herr Jaray wandte sich der aufkommenden Automobil-Industrie zu. Auch gab es mehrere Unfälle damit, weil das Material nicht stabil genug war und man sich mit den Füssen in den Pedalen "verheddern" konnte. Ein Problem bei der Variante mit dem Band, das von der einen Seite auf die andere läuft, ist die nötige Fadenspannung, damit es nicht von den Freiläufen oder der Umlenkrolle abrutscht.


Das Modibike hat all diese Nachteile nicht.

Vorteile:

• bequemes Sitzen
• günstiger Cw-Wert
• Pedale passt sich ergonomisch dem Fuß an
• Gewicht der Beine wird von Schiene getragen
  (das entlastet die Knie sehr)
• stufenlose, leichte 1000% Gangschaltung

Was will man mehr?