Die Animation stellt den mechanischen Aufbau einer Kurbelschwinge dar. Beim Fahrradfahren wird die Kurbelschwinge durch den Fahrradfahrer selbst gebildet.
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Beschreibung der Animation
Die Schwinge wird durch den Oberschenkel des Fahrradfahrers gebildet. Sie erstreckt sich vom Hüftgelenk bis zum Kniegelenk. Eine Schwinge ermöglicht eine Schwingbewegung um einen Drehpunkt.
Die Verbindung zwischen dem Kniegelenk und der Pedalachse bezeichnet man Koppel. Eine Koppel ist eine Verbindung zwischen zwei beweglichen Teilen.
Der Pedalhebel wird in diesem Zusammenhang auch als Kurbel bezeichnet. Eine Kurbel ist eine Komponente, die rotierende Bewegung ermöglicht.
Die statische Verbindung zwischen Pedalachse und Hüftgelenk bildet das sog. Gestell. Das Gestell hat eine starre Struktur.
Die Kurbelschwinge als Viergelenkgetriebe
Die Kurbelschwinge ist ein Sonderfall des Viergelenkgetriebes. Ein Viergelenkgetriebe besteht aus vier Gliedern, die durch Drehgelenke verbunden sind.
Ob ein Viergelenkgetriebe als Kurbelschwinge, Doppelkurbel oder Doppelschwinge arbeitet, hängt von den Längenverhältnissen der Glieder ab. Der Satz von Grashof beschreibt diesen Zusammenhang: Ist die Summe aus kürzestem und längstem Glied kleiner als die Summe der beiden anderen Glieder, kann mindestens ein Glied eine volle Umdrehung ausführen.
Bei der Kurbelschwinge führt die Kurbel eine volle Umdrehung aus, während die Schwinge hin und her pendelt. Diese Eigenschaft macht die Kurbelschwinge zu einem der am häufigsten eingesetzten Getriebe in der Technik.
Wo begegnet uns die Kurbelschwinge?
Das Fahrrad ist nur eines von vielen Beispielen. Die Kurbelschwinge kommt in zahlreichen Anwendungen vor.
Scheibenwischer: Der Motor dreht eine Kurbel. Über eine Koppel wird die Drehbewegung in die Schwingbewegung des Wischerarms umgewandelt.
Nähmaschine: Die Drehbewegung des Motors wird durch eine Kurbelschwinge in die Auf und Ab Bewegung der Nadel umgesetzt.
Dampflokomotive: Die Kolbenbewegung wird über ein Gestänge auf die Räder übertragen. Teile dieses Gestänges bilden eine Kurbelschwinge.
Ölpumpe (Pferdekopfpumpe): Ein Motor treibt eine Kurbel an, die über eine Koppel den Pumpenkopf in eine schwingende Bewegung versetzt.
Ventilsteuerung im Motor: In Verbrennungsmotoren steuern Kurbelschwingen die Öffnungs und Schließbewegung der Ventile.
Kinematik der Kurbelschwinge
Bei der Drehung der Kurbel verändert sich der Winkel der Schwinge. Diese Veränderung ist nicht gleichförmig: Die Schwinge bewegt sich in einem Teil der Kurbeldrehung schneller als im anderen.
Ein wichtiger Begriff ist der Übertragungswinkel. Das ist der Winkel zwischen Koppel und Schwinge. Je näher dieser Winkel an 90° liegt, desto besser wird die Kraft von der Koppel auf die Schwinge übertragen.
Beim Fahrrad entspricht dies der Pedalstellung: In manchen Stellungen kann der Fahrer die Tretkraft gut auf die Kurbel übertragen. In anderen Stellungen, den sogenannten Totpunkten, geht die Kraftübertragung gegen Null. An den Totpunkten stehen Kurbel und Koppel in einer Linie.
Geschichte der Kurbelschwinge
Das Viergelenkgetriebe gehört zu den ältesten Mechanismen der Technikgeschichte. Schon in der Antike wurden Kurbelmechanismen für Mühlen und Wasserpumpen eingesetzt.
James Watt entwickelte im 18. Jahrhundert ein verwandtes Getriebe für seine Dampfmaschine. Das Wattsche Gestänge wandelt die geradlinige Kolbenbewegung in eine Drehbewegung um. Watt bezeichnete diese Erfindung selbst als eine seiner wichtigsten.
Franz Reuleaux systematisierte im 19. Jahrhundert die Getriebelehre. Er klassifizierte die verschiedenen Varianten des Viergelenkgetriebes und legte damit die Grundlage für die moderne Getriebetechnik.
Kräfte und Drehmoment
Die Kraft, die an der Kurbel aufgebracht wird, überträgt sich über die Koppel auf die Schwinge. Dabei spielt der Hebelarm eine Rolle: Je größer der Abstand zwischen Kraftangriffspunkt und Drehpunkt, desto größer das Drehmoment.
Das Drehmoment M berechnet sich aus Kraft F und Hebelarm r:
M = F × r
Beim Fahrrad ist der Hebelarm die Länge des Pedalhebels. Die Tretkraft ist nicht in jeder Pedalstellung gleich wirksam. Am oberen und unteren Totpunkt beträgt das nutzbare Drehmoment nahezu Null, weil die Kraft entlang der Koppel wirkt statt quer dazu.
Einfluss der Gliedlängen
Das Verhalten der Kurbelschwinge hängt von den Längen der vier Glieder ab. Verändert man das Verhältnis von Kurbellänge zu Schwingenlänge, ändert sich der Schwingwinkel der Schwinge.
Eine kurze Kurbel und eine lange Schwinge ergeben einen kleinen Schwingwinkel. Eine lange Kurbel und eine kurze Schwinge ergeben einen großen Schwingwinkel.
Auch die Länge der Koppel beeinflusst den Übertragungswinkel. Konstrukteure wählen die Gliedlängen so, dass der Übertragungswinkel im Arbeitsbereich möglichst nahe an 90° liegt.
Vergleich mit anderen Getriebetypen
Die Kurbelschwinge ist einer von mehreren Getriebetypen, die auf dem Viergelenkgetriebe basieren. Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiede:
| Getriebetyp | Kurbel | Abtrieb | Beispiel |
| Kurbelschwinge | volle Drehung | Schwingbewegung | Scheibenwischer |
| Doppelkurbel | volle Drehung | volle Drehung | Lokomotivräder |
| Doppelschwinge | Schwingbewegung | Schwingbewegung | Lenkgestänge |
| Schubkurbel | volle Drehung | geradlinige Bewegung | Kolbenmotor |
Bei der Doppelkurbel können beide Glieder (Antrieb und Abtrieb) volle Umdrehungen ausführen. Bei der Doppelschwinge pendeln beide Glieder. Die Schubkurbel wandelt eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung um, wie im Kolbenmotor.
Welcher Getriebetyp geeignet ist, hängt von der gewünschten Bewegungsform am Abtrieb ab.
Überblick und Download
| Titel | Aufbau einer Kurbelschwinge |
| Zielgruppe | Lehrer/innen und Vortragende |
| Plattformen | Microsoft® Windows® Apple® Macintosh® (versionsabhängig) |
| Features | Vollbildmodus verlustfreie Vergrößerung Großbildschirme und Leinwände unterstützt |
| Lizenz | Freeware |
| Download | Kontakt |
Mitwirkende
C. Hein, S. Rikowski
Quellen
- Zeichnung in Anlehnung an: (http://www.erft.de/schulen/avek/Fahrrad01/fahrrad01.html (letzter Zugriff: 16.12.2011))
- Dynamische Kontur der Beine: http://www.kirupa.com/forum/showthread.php?279912-How-to-draw-a-border-around-movie-clip
- Autorenwerkzeug (Steuerungselemente mitgeliefert): Adobe Animate
