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Die
Erfindung betrifft eine Treppensteigvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patenspruchs 1.
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Eine
derartige Treppensteigvorrichtung eignet sich für den Transport von Geräten, Gütern und Personen
und insbesondere von Rollstühlen
zur Beförderung
des Rollstuhls zusammen mit einer darin sitzenden Person. Die Treppensteigvorrichtung
kann lösbar
an einem derartigen Rollstuhl befestigt sein, kann jedoch auch als
Steigeinheit an einem Rollstuhl oder einem anderen Beförderungsmittel
für Personen
oder Gegenstände
als Steigeinrichtung fest verbaut vorgesehen sein. Verschiedene
Ausführungsformen
von Treppensteigvorrichtungen sind beispielsweise aus der
DE 297 21 477 U1 ,
der
DE 10 2004
043 778 A1 oder der
WO 00/12371 A1 bekannt.
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Treppen
stellen insbesondere für
Rollstuhlfahrer und Gehbehinderte ein erhebliches Problem dar. Eine
Treppensteigvorrichtung der eingangs genannten Art ermöglicht es
beispielsweise, dass Hilfspersonen einen Rollstuhlfahrer oder Gehbehinderten ohne
nennenswerte körperliche
Anstrengung allein mit Hilfe einer derartigen Treppensteigvorrichtung eine
Treppe hinauf oder hinab befördern
können. Hierzu
kann eine derartige Treppensteigvorrichtung an einem Rollstuhl lösbar befestigt
werden, sofern nicht die Treppensteigvorrichtung selbst als Teil
des Rollstuhls ausgebildet ist. Zusammen mit dem Rollstuhl wird
die Treppensteigvorrichtung dann an den ersten Treppenabsatz herangefahren.
Eine Hilfsperson kippt nunmehr die Treppensteigvorrichtung mit angebrachtem
Rollstuhl zu sich ins Gleichgewicht. Bei Erreichen der idealen Kippstellung verspürt die Hilfsperson
nur noch einen minimalen Druck nach vorne oder nach hinten. Gelangt
nunmehr ein Steigelement mit dem nächstgelegenen Treppenabsatz
in Berührung,
um die Treppensteigvorrichtung auf diesen nächstgelegenen Treppenabsatz
heraufzuheben, stellt sich eine Lastwechselreaktion ein, die von der
Bedien- beziehungsweise Hilfsperson ausgeglichen werden muss. Je
schneller und deutlicher diese Lastwechselreaktionen ausfällt, desto
stärker
muss ein entsprechender Ausgleich durch die Hilfsperson ausgeführt werden.
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Zur
Erleichterung der Handhabung einer derartigen Treppensteigvorrichtung
wird in der gattungsgemäßen
DE 199 12 932 C1 vorgeschlagen,
die Steigeinheit der Treppensteigvorrichtung mit unterschiedlichen
Antriebsgeschwindigkeiten zu betreiben, wobei die Antriebsgeschwindigkeit
kurz vor dem Aufsetzen eines Steigelements auf den nächstgelegenen
Treppenabsatz gegenüber
einer ersten vorbestimmten Antriebsgeschwindigkeit reduziert wird,
so dass ein weiches Aufsetzen erreicht wird, und nach dem Aufsetzen
auf dem nächstgelegenen
Treppenabsatz wieder erhöht
wird, um den Steigvorgang insgesamt zügig durchführen zu können. Durch das weiche Aufsetzen
auf den jeweiligen Treppenabsatz wird das Beherrschen von Lastwechselreaktionen
durch die Bedienperson wesentlich erleichtert. Zudem wird der Steigvorgang
für die
Insassen des Rollstuhls schonender.
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Bei
dieser bekannten Treppensteigvorrichtung wird die Variation der
Antriebsgeschwindigkeit des Steigelements auf elektronischem Weg
durch eine entsprechende Ansteuerung des Antriebsmotors bewirkt.
Dieser läuft
entsprechend dieser elektronischen Ansteuerung während des Steigzyklus mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten. Dies stellt allerdings erhöhte Anforderungen an einen
elektrischen Antriebsmotor.
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Der
Antriebsmotor der aus der
DE
199 12 932 C1 bekannten Treppensteigvorrichtung muss, um
das wünschenswerte
sanfte Aufsetzen zu ermöglichen,
kurz vor dem Aufsetzen eines Steigelementes beziehungsweise eines
Hubelementes auf einem Treppenabsatz sowie unmittelbar danach mit
möglichst
geringer Drehgeschwindigkeit betrieben werden, um die zuvor erwähnte Lastwechselreaktion
zu minimieren und ein schonendes Aufsetzen zu gewährleisten.
Dies bedeutet allerdings, dass bei einer niedrigen Drehzahl des
elektrischen Antriebsmotors und somit genau dann, wenn der Antriebsmotor
bauartbedingt nur ein eher niedriges Drehmoment abgeben kann, durch
den bei Einleitung des Hubvorgangs abrupten Kraftanstieg ein besonders
hoher Drehmomentbedarf gegeben ist. Ein derartiger Elektromotor muss
daher mit besonders hohen Drehmomentreserven ausgestattet sein.
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Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Treppensteigvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, das heißt
eine Treppensteigvorrichtung, beispielsweise für Rollstühle, mit mindestens einem Steigelement,
das auf einer kreisförmigen
Bahn bewegbar ist, so dass es mit dem jeweils nächstgelegenen Treppenabsatz
einer Treppe in Berührung
gelangen und die Treppensteigvorrichtung auf den nächstgelegenen
Treppenabsatz heraufheben oder absenken kann, die einen Antriebsmotor
zur Bereitstellung der Antriebskraft zum Bewegen des mindestens
einen Steigelements auf der kreisförmigen Bahn aufweist, wobei
die Bewegung des mindestens einen Steigelements auf der kreisförmigen Bahn
mit einer nicht konstanten Drehgeschwindigkeit erfolgt, so auszuführen, dass
der Antrieb möglichst
effizient und gleichzeitig bedienerfreundlich ausgeführt werden
kann.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist in Patentanspruch 1 definiert. Vorteilhaftere
Ausführungsformen sind
in den Unteranprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß ist demnach
zwischen dem Antriebsmotor und dem mindestens einem Steigelement
ein Getriebe angeordnet, dass die Drehgeschwindigkeit des mindestens
einen Steigelements gegenüber
der Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors zyklisch variiert.
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Das
Steigelement bewegt sich auf einer Kreisbahn, so dass es einfach
und in vorteilhafter Weise an einem Exzenterarm gelagert werden
kann. Die zyklische Variation der Drehgeschwindigkeit des mindestens
einen Steigelements erfolgt bei der erfindungsgemäßen Treppensteigvorrichtung
durch Zwischenschaltung eines Getriebes, das die Übersetzung
zyklisch ändert.
Hierdurch kann der Antriebsmotor, der vorzugsweise als Elektromotor
ausgeführt ist,
mit konstanter oder zumindest im wesentlichen konstanter Drehgeschwindigkeit
betrieben und trotzdem eine zyklische Variation der Drehgeschwindigkeit
des Steigelements verwirklicht werden. Unerwünschte Drehmomentspitzen in
einem Betriebsbereich, bei dem der Motor nicht sein maximales Drehmoment
abgeben kann, werden hierdurch vermieden.
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Grundsätzlich ist
als derartiges Getriebe jedes Getriebe geeignet, dass eine Variation
des Übersetzungsverhältnisses
ermöglicht.
Vorzugsweise sollte die Übersetzungsänderung
kontinuierlich, das heißt
nicht in Stufen erfolgen. Dies kann beispielsweise durch entsprechende
hydraulische Getriebe, beispielsweise sogenannte Wandlergetriebe,
und insbesondere durch hierfür
geeignete mechanische Getriebe erfolgen, beispielsweise ein Kreuzgelenk,
ein Koppelgetriebe, ein Kettengetriebe mit Unrundkettenrädern, ein
Zahnriemengetriebe mit Unrundzahnriemenrädern, ein Kurven-Rollensterngetriebe
oder ein Kurvengetriebe.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Treppensteigvorrichtung mit mechanischem Getriebe ist das Getriebe
als Unrundzahnradgetriebe ausgeführt.
Eine besonders exakte Anpassung an einen gewünschten Drehgeschwindigkeitsverlauf
lässt sich
dadurch erreichen, dass zwei Unrundzahnräder mit unterschiedlichen Wälzkurven verwendet
werden. Unter Wirtschaftlichkeitsaspekten können allerdings auch zwei Unrundzahnräder mit
gleicher Wälzkurve
verwendet werden. Diese Unrundzahnräder können mit zueinander gespiegelten und
gedrehten, d. h. spiegelgleichen Wälzkurven ausgeführt sein,
wobei diese Getriebe als Typ Mirror bezeichnet werden, oder mit
zueinander um einen bestimmten Winkel verdrehten Wälzkurven
zur Deckung gebracht sein, wobei diese Getriebe als Typ Twin bezeichnet
werden.
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Eine
Feinanpassung des Drehgeschwindigkeitsverlaufs an einen gewünschten
Sollwert kann dadurch erreicht werden, dass die durch das Unrundgetriebe
bewirkte zyklische Drehgeschwindigkeitsänderung des Steigelements überlagert
wird mit einer zyklisch variierten Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors.
Da in diesem Fall die Variation der Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors
wesentlich geringer ausfallen kann als bei dem eingangs genannten
Stand der Technik, fallen die diesbezüglichen Nachteile nicht ins
Gewicht.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung einer Treppensteigvorrichtung in einer Seitenansicht,
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2 eine
Vorderansicht der Treppensteigvorrichtung gemäß 1 in gleicher
Stellung, wobei die Darstellung 2 ebenfalls
teilweise im Schnitt gehalten ist,
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die 3 und 4 Darstellungen
der Treppensteigvorrichtung gemäß 1,
in Seiten- und Vorderansicht, in einer ersten Stellung bei Anfahrt
an eine Treppenstufe,
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die 5 und 6 eine
Darstellung gemäß 3 und 4,
wobei die als Rad ausgeführten Steigelemente
um circa 30° im
Uhrzeigersinn gedreht sind, so dass das Gehäuse auf der Treppe aufliegt,
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die 7 und 8 eine
den 5 und 6 entsprechende Darstellung,
wobei die Räder im
Uhrzeigersinn mit höherer
Drehzahl und niedrigem Abtriebsmoment weiter gedreht sind,
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die 9 und 10 eine
den 7 und 8 entsprechende Darstellung,
wobei die Räder mit
nunmehr langsamer Drehzahl und hohem Abtriebsmoment soweit weiter
gedreht sind, dass sie auf dem oberen Treppenabsatz aufgesetzt sind
und nunmehr das Gehäuse
unter Leistung von Hubarbeit nach oben ziehen können,
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die 11 und 12 eine
den 9 und 10 entsprechende Darstellung,
wobei das Gehäuse
weiter nach oben gezogen wird und in dieser Stellung das höchste Lastmoment
bei geringster Drehzahl anliegt, so dass der Antrieb sein größtes Abgabemoment
aufweist,
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die 13 und 14 eine
den 11 und 12 entsprechende
Darstellung, wobei das Gehäuse
auf der oberen Treppe angelangt ist,
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die 15 die
Prinzipskizze eines Unrundketten-/Zahnriemengetriebes mit Darstellung
einer möglichen Übersetzungsvariation,
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die 16 die
Prinzipskizze eines Rollen-/Rollensterngetriebes mit Darstellung
einer möglichen
Drehzahlvariation,
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die 17 die
Prinzipskizze eines Kurvengetriebes,
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die 18 die
Prinzipskizze eines Kreuzgelenks mit Darstellungen möglicher
Drehzahlvariationen in Abhängigkeit
eines Rotationswinkels β,
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die 19 die
Prinzipskizze eines Koppelgetriebes,
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20 die
Prinzipskizze eines Unrundzahnradgetriebes mit Darstellung einer
möglichen
Drehzahlvariation und
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21 die
Kurven eines theoretisch idealen Übersetzungsverhältnisses
und eines mit einem Unrundzahnradgetriebe praktisch realisierten Übersetzungsverhältnisses.
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Die 1 und 2 zeigen,
teilweise im Schnitt gehalten, 1 in einer
Seitenansicht und 2 in einer Draufsicht, den Antriebsteil
einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Treppensteigvorrichtung.
In den Figuren nicht dargestellt sind insbesondere Befestigungsmittel
zum lösbaren
Befestigen der Treppensteigvorrichtung an einem Rollstuhl sowie
Griffenden und Bedienelemente, mit denen eine Bedienperson bzw.
Hilfsperson des Rollstuhlfahrers die Treppensteigvorrichtung handhaben und
bedienen kann. In den Zeichnungen dargestellt sind diesbezüglich lediglich
die unteren Enden von Bedienungsstangen 20, an deren oberen
Enden entsprechende Bediengriffe und Bedienungselemente nicht gezeigt
angebracht sind.
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In
einem Gehäuse 1 sind
ein elektrischer Antriebsmotor 2 und ein Unrundzahnradgetriebe 3 mit einem
Antriebs-Unrundzahnrad 4 und einem Abtriebs-Unrundzahnrad 5 angeordnet.
Das Drehmoment des Antriebsmotors 2 wird über ein
Zwischenzahnrad 6 an das Antriebs-Unrundzahnrad 4 abgegeben,
welches sich mit dem Abtriebs-Unrundzahnrad 5 in Eingriff
befindet. Mit dem Abtriebs-Unrundzahnrad 5 drehfest verbunden
sind zwei Exzenterarme 10, an denen jeweils ein Steigelement 15 in
Form eines Laufrades 15 angebracht ist. Die beiden Laufräder 15 sind
an den Außenseiten
der Treppensteigvorrichtung angebracht, wodurch sich eine stabile Auflage
ergibt. Es versteht sich, dass statt der zwei seitlich angebrachten
Laufräder 15 auch
ein zentral angeordnetes einzelnes Steigelement zur Durchführung des
Steigvorgangs ausreichend sein kann.
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An
jedem Laufrad 10 ist ein Bremsrad 17 angeordnet,
welches in an sich bekannter Weise dafür Sorge trägt, dass das Laufrad 10 bei
Bedarf gegen unerwünschtes
Verdrehen gesperrt ist, sofern nicht das Bremsrad 17 ebenfalls
in ausreichendem Maße Bodenkontakt
hat. Hierdurch wird bei bestimmten Steigzuständen ein unbeabsichtigtes Wegrollen
der Treppensteigvorrichtung verhindert.
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Aus
der Schnittdarstellung gemäß 1 ist ersichtlich,
dass sich die Übersetzungsverhältnisse beim
Drehen des Unrundzahnradgetriebes 3 kontinuierlich ändern. Die
in 1 in Seitenansicht bzw. in 2 in Frontalansicht
gezeigte Stellung ist diejenige Betriebsstellung, in der bei konstanter
Drehzahl des Antriebsmotors 2 das höchste Abtriebsdrehmoment bereitgestellt
wird und dementsprechend die Abtriebsdrehzahl am geringsten ist.
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Der
Steigvorgang über
eine Stufe wird im Folgenden anhand der 5 bis 14 erläutert. Die 5 bis 14 entsprechen
im Wesentlichen den 1 und 2, sind
jedoch nicht im Schnitt ausgeführt.
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Die
Darstellungen in den 3 und 4 zeigen
die Treppensteigvorrichtung nach Anfahrt an eine Treppe. Das Bremsrad 17 und
der Bremslenker 16 befinden sich in einer Position, in
der das Laufrad 15 frei rollen kann. Die Treppensteigvorrichtung
weist eine Bodenfreiheit T auf, welche einen ausreichenden Abstand
von zwei entsprechend ausgebildeten Aufsetzpunkten 19 zur
unteren Treppenstufe gewährleistet.
Zur Verdeutlichung der Berührung
des Aufsetzpunktes 19 ist dieser in den 5 und 7 durch
einen ihn umgebenden Kreis hervorgehoben. Dieser Kreis ist nicht
Bestandteil der Vorrichtung.
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An
der Stirnfläche
der Stufe liegt ein Gleitrad 21 an, das ein problemloses
Hochgleiten der Treppensteigvorrichtung ermöglicht.
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Die 5 und 6 zeigen
die Treppensteigvorrichtung in einer Betriebsstellung, in der die Exzenterarme 10 sich
gegenüber
der Stellung in den 3 und 4 um circa
30 Grad im Uhrzeigersinn gedreht haben. In dieser Stellung sitzt
das Gehäuse 1 mit
seinen Aufsetzpunkten 19 auf der unteren Treppenstufe auf.
Das Laufrad 15 ist soweit angehoben, dass das Bremsrad 17 seinen
Bodenkontakt verloren und sich der Bremslenker 16 in einer
Stellung befindet, in der er eine unerwünschte Drehung des Laufrades 15 sperrt.
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Die 7 und 8 zeigen
die Treppensteigvorrichtung in einer gegenüber den 5 und 6 weiter
verdrehten Stellung der Exzenterarme 10. In diesem Bereich
ist die Drehgeschwindigkeit des Abtriebs-Unrundzahnrades 5 und
damit die Drehgeschwindigkeit der Exzenterarme 10 hoch. Hierdurch
wird die Totzeit zwischen dem Abheben der Laufräder 15 von der unteren
Stufe und dem späteren
Aufsetzen der Laufräder 15 auf
der oberen Stufe in vorteilhafter Weise kurz gehalten. Da in diesem Bereich
keine Hubarbeit zu leisten ist, ist das durch die hohe Drehzahl
bewirkte geringe Abtriebsmoment unproblematisch.
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Die 9 und 10 zeigen
die Stellung der Treppensteigvorrichtung in dem Moment, in dem die
Laufräder 15 gerade
auf der oberen Stufe aufgesetzt haben. Die Bremsräder 17 haben
in dieser Stellung noch keinen Kontakt zur oberen Stufe und dementsprechend
befinden sich die Bremslenker 16 noch in einer Stellung,
die ein unerwünschtes
Rollen der Laufräder 15 verhindern.
Ein ungewolltes Nachvornedrehen der Laufräder 15 wird somit
verhindert. In der in den 9 und 10 gezeigten
Stellung ist die Drehgeschwindigkeit des Abtriebs-Unrundzahnrades 5 und
damit der Exzenterarme 10 langsam, wodurch sich ein sachtes
Aufsetzen der Laufräder 15 auf
der oberen Treppenstufe ergibt. Gleichzeitig wird durch die geringe
Drehzahl ein hohes Abtriebsmoment bereitgestellt, dass es ermöglicht,
die Hubarbeit beim Hochziehen des Gehäuses 1 und dem daran befestigten
Rollstuhl nebst Insasse (nicht gezeigt) zu bewirken.
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Die 11 und 12 zeigen
eine Betriebsstellung, in der die Treppensteigvorrichtung gegenüber der
Stellung in den 9 und 10 angehoben ist.
Die Exzenterarme 10 befinden sich in waagerechter Stellung,
wodurch sich ein maximaler Hebelarm ergibt. Dementsprechend liegt
das höchste
Lastmoment an. Das Unrundgetriebe 3 ist so ausgelegt, dass
sich in dieser Stellung eine besonders geringe Drehzahl, je nach
Auslegung sogar die geringste Drehzahl auf der Abtriebsseite ergibt,
so dass gleichzeitig das größte Abgabemoment
bereitgestellt werden kann.
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Die 13 und 14 zeigen
die Treppensteigvorrichtung in einer Stellung, in der das Gehäuse 1 vollständig auf
die obere Treppe heraufgezogen worden ist, die Bremsräder 17 in
ausreichendem Maße
Kontakt mit der Oberfläche
der oberen Treppenstufe haben, um die Bremslenker 16 in
eine Position zu bringen, in der die Laufräder 15 gerollt werden können, und
die Treppensteigvorrichtung in der Darstellung gemäß 13 nach
rechts gezogen werden kann, um entweder eine weitere Stufe (nicht
gezeigt) zu erklimmen oder von der unteren Stufe weggefahren zu
werden. Sollte der Treppensteiger irrtümlich oder unbeabsichtigt in
der Darstellung gemäß 13 nach
links verfahren werden, würden
zunächst
die Bremsräder 17 über die
Stufenkante hinausgeschoben werden und nach unten absinken, wodurch
die Bremslenker 16 wiederum eine Stellung einnehmen würden, in
der ein Rollen der Laufräder 15 nach
links verhindert wird.
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Die 15 bis 20 zeigen
Alternativen zu dem Unrundzahnradgetriebe 3. Diese Alternativen sind
lediglich als Prinzipskizzen dargestellt und umfassen gemäß 15 ein
Unrund-Ketten-/Zahnriemengetriebe, gemäß 16 ein
Kurven-Rollenstern-Getriebe,
gemäß 17 ein
Kurvengetriebe, gemäß 18 ein
Kreuzgelenk, gemäß 19 ein Koppelgetriebe
und gemäß 20 eine
weitere Ausführungsform
eines Unrundzahnradgetriebes.
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21 zeigt
ein Diagramm mit zwei Kurven, wobei Kurve 1 eine theoretisch
wünschenswerte Übersetzungskurve
darstellt, welche sich aus dem erforderlichen Drehmomentverlauf
und einem wünschenswerten
Geschwindigkeitsverlauf ergibt. Die Kurve 2 zeigt die Übersetzung,
die durch die Unrundzahnräder 4, 5 des
Unrundzahnradgetriebes 3 bereitgestellt wird. Ersichtlich
wird hiermit bereits eine hervorragende Annäherung an einen idealen Drehmoment-
und Drehgeschwindigkeitsverlauf erreicht. Weitere Anpassungen können durch
eine überlagerte,
von einer elektronischen Steuereinrichtung (nicht gezeigt) bewirkte
Drehzahlvariation des Antriebsmotors 2 erreicht werden.
Es versteht sich, dass hierbei die Drehzahl des Antriebsmotors 2 nur
geringfügig variiert
werden muss, so dass die üblicherweise
mit einer deutlichen Drehzahlvariation des Antriebsmotors auftretenden
Nachteile nicht ins Gewicht fallen.