CN114368248A - 具有由多孔结构塑料制成的弹簧的自由轮毂 - Google Patents
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Abstract
一种用于自行车的自由轮毂，所述自由轮毂包括：轮毂轴；可旋转地支承在所述轮毂轴上的轮毂套筒；可旋转地支承在所述轮毂轴上的可以与至少一个小齿轮配置连接的传动装置；布置在所述轮毂套筒与所述传动装置之间的自由轮装置，所述自由轮装置包括：可以以传递转矩的方式与所述轮毂套筒耦合或已以传递转矩的方式与所述轮毂套筒耦合的第一联接环、可以以传递转矩的方式与所述传动装置耦合或已以传递转矩的方式与所述传动装置耦合的第二联接环，其中所述两个联接环具有朝向彼此的轴向齿系；预紧装置，其被构建和布置成将所述两个联接环在轴向上相对彼此预张紧，其中所述预紧装置具有包含至少一个弹簧元件的弹簧配置，所述弹簧元件由具有多孔结构的塑料形成。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于自行车的自由轮毂，所述自由轮毂包括轮毂轴、可旋转地支承在所述轮毂轴上的轮毂套筒、可旋转地支承在所述轮毂轴上的可以与至少一个小齿轮配置连接的传动装置，以及布置在所述轮毂套筒与所述传动装置之间的自由轮装置。
所述自由轮装置包括可以以传递转矩的方式与所述轮毂套筒耦合或已以传递转矩的方式与所述轮毂套筒耦合的第一联接环，以及可以以传递转矩的方式与所述传动装置耦合或已以传递转矩的方式与所述传动装置耦合的第二联接环，其中所述两个联接环具有朝向彼此的轴向齿系。此外，所述自由轮装置包括预紧装置，所述预紧装置被构建和布置成将这两个联接环在轴向上相对彼此预张紧，其中所述预紧装置具有包含至少一个弹簧元件的弹簧配置。
背景技术
自由轮也被称为轴向自由轮或齿盘自由轮。
例如，公开案DE 198 47 73 A1揭示过一种通用类型的自由轮毂。此公开案描述一种自由轮毂，其中预紧装置由两个钢制螺旋压缩弹簧形成。
由于制造技术的限制，在制造钢弹簧时，特别是就弹簧旋绕比而言，这些钢弹簧仅能用于直径有限的联接环，因而只能使用数目有限的联接齿。出于这个原因，仅能实现约20°至15°的相对较大的啮合角度。作用于联接齿的力同样因直径有限而相对较大，从而造成迅速的磨损。此外，在采用具有钢弹簧的自由轮时，工作噪音通常非常大。
作为替代方案，例如DE 10 2015 009 143 A1揭示过具有磁性预紧装置的自由轮毂。
但与具有机械预紧装置的自由轮毂相比，上述自由轮毂的结构复杂得多因而成本较高，且需要高精度和紧公差。
此外，由磁体施加至联接环的力并未均匀分布在轮毂轴的周边，而是在很大程度上点状地起作用。在全避震自行车(MTB-Fully)中，在高速下，特别是在后轮快速向上弹跳的情况下，联接环开始实施摆动运动，因此，有时仅有轴向齿系的若干齿相啮合，从而使得这些轴向齿系受损。随着工作时间的增加，可能会导致整个自由轮完全失效。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是在磨损、工作噪音和制造难度方面对通用类型的自由轮毂进行改进。
为此，本发明提出，作为钢弹簧的替代，应用特别是基于聚氨酯的具有多孔结构的塑料，优选混合孔聚氨酯弹性体所形成的弹簧元件。
例如可以应用工业泡沫材料，如BASF公司出售的名称为
或者Getzner公司销售的名称为
的泡沫材料。本发明的弹簧的原型例如由SR28型的
制成。
聚氨酯耐油脂、不受温度影响且制造成本低，因此，特别适于用作轴向自由轮中的弹簧。
与具有钢制弹簧的悬架系统相比，可以实现更大的联接直径，从而形成更小的啮合角度和更小的力。磨损减少且工作时间相应地延长。此外，材料的阻尼特性使得工作中的噪音减少。
与磁性自由轮相比，可以将悬架系统更加均匀地施加至联接环的平面。
此外，本发明的自由轮的结构极为简单，不需要高精度和紧公差，因而制造成本较低。下文还将详细描述的弹簧元件例如可以极为简单地借助于水束切割由预制板材制成。
与需要对联接环和轮毂套筒进行复杂的后切削加工来适宜地定位各磁体的磁性自由轮相比，所述自由轮的制造难度整体上大幅减小。
为使得弹力分布均匀，弹簧配置可以包括多个优选同类型的弹簧元件，这些弹簧元件优选以相同的角距分布在轮毂轴的周边。
优选地，所述弹簧元件或弹簧元件中的每个均具有一个弧形区段，该弧形区段的凸侧适于沿轴向压向所述第一联接环和所述第二联接环中的一个，以便在弹簧元件装入自由轮毂的情况下使得所述第一联接环与所述第二联接环相对彼此预张紧。
根据一个优选实施例，所述弧形区段构建为具有大体恒定的宽度和厚度的条带区段。这类结构可以特别简单地例如通过水束切割由平整的泡沫材料板切割而成。其中，条带区段的宽度方向相当于板件的厚度。
此外，弧形区段优选绕轴线弯曲，该轴线大体平行于条带区段的宽度方向或在安装完毕后大体径向地延伸。
其中，总弹力一方面受材料相关因素的影响，也就是例如受塑料的种类以及孔的形状和大小的影响，另一方面受几何形状因素的影响，在弧形区段中例如主要受弧形状、弧半径和条带厚度影响。通过将这些因素适宜地组合在一起，就能以简单的方式设定期望的弹力。
仅需相对较小的轴向复位力来实现自由轮的功能。例如需要0.2至0.5N来进行预紧，在自由轮工作时需要约1N。
事实表明，将多孔材料和弹簧元件的适宜的几何形状组合在一起就能实现这类较小的复位力，从而有利地减小工作噪音。
这一点特别是适用于以下情况下：弹簧配置如此地设计，使得主要由弯曲刚度而不是塑料的压迫产生自由轮所需的弹力。换言之，弹簧配置优选如此地设计，使得在将0.2N至0.5N的压紧力沿轴向施加至弹簧配置时，这个弹簧配置虽然会发生变形，但塑料的多孔结构不会被大幅压缩。
这样就可以假设(但无法确定)塑料的多孔结构以适宜的方式将弹簧元件的弯曲刚度减小。
在弹簧配置由多个同类型且独立构建的弹簧元件形成的情况下，就能特别灵活地应用弹簧元件，例如用于直径不同的联接环。
其中，每个弹簧元件均可以构建为D型环或具有弯折的纵向末端的弧形。只要能够允许装入的弹簧元件弯折或沿轴向复位，也可以采用其他形状，例如矩形或有角的。
为了确定各弹簧元件的安装位置，这些弹簧元件优选被插入相应的凹部，其中这些凹部构建在轮毂套筒或传动装置的轴向表面，即具有轴向的法向量的表面内。同样可以采用其他固设方案。例如可以将各弹簧元件嵌入轮毂套筒或传动装置的圆周槽，在该圆周槽中设有适宜的止挡，可以将弹簧元件夹紧在这些止挡之间。
可以通过以下方式大幅减小安装难度：多个弹簧元件整体式地且优选以挂连的条带的形式相连，该条带形成弹簧配置。
由于所应用的塑料材料柔韧性足够，可以先将具有通过平面区段相连的固定数目的弧形区段的条带从平整的板件切割出来，随后，例如用手使得该条带环绕轮毂轴弯曲并且嵌入相应的圆形槽，该槽设在轮毂套筒或传动装置的轴向表面内。
但在此过程中需要注意的是，应如此地嵌入条带，使其在工作中不会非期望地变形。为此，可以在轮毂套筒或传动装置中设置相应的结构，如止挡或突出部。
可以以如下方式简单地确保或简化预紧装置的正确安装：预紧装置还具有保持环，该保持环适于使得各弹簧元件的位置彼此相对固定。保持环优选由塑料制成，且适用于具有多个弹簧元件的挂连条带或者独立的弹簧元件。
根据一个优选实施例，所述保持环包括环形的基座以及围绕基座的周边分布且径向突出于这个基座的多个保持元件，这些保持元件在一侧局部地轴向覆盖弹簧配置，并且优选径向地从内部和外部环扣该弹簧配置。
这个结构特别适用于前述具有交替布置的弧形区段和平面区段的条带，可以将该条带如此地嵌入保持环，使得保持元件覆盖或环扣平面区段。
此外，预紧装置还包括盖环，该盖环可以如此地安装在保持环上，使得弹簧配置至少局部地被容置在保持环与盖环之间，特别是平面区段的区域内，并且与保持环和盖环一起形成牢固挂连的组件。这样就防止弹簧配置从保持环脱落，并且可以以特别简单的方式搬运作为备件的预紧装置。
最后，同样请求对如前所述的一种用于自由轮毂的预紧装置进行保护。
所述预紧装置例如可以由多个独立的单个弹簧元件，或由特别是形式为具有交替布置的弧形区段(充当弹簧元件)的平面区段(充当间隔件)的条带的挂连式弹簧配置，或由具有保持环的弹簧配置，或由具有保持环和盖环的弹簧配置形成，其中每个单个弹簧元件或该弹簧配置由具有多孔结构的塑料材料形成。
附图说明
下面结合附图所示若干选定的实施例对本发明进行说明。
其中：
图1为本发明的自由轮毂的第一实施例的纵向剖面图，
图2为图1中用II表示的区域的局部放大图，
图3为图1中的自由轮毂的预紧装置的分解图，
图4为图3中的预紧装置在组装状态下的立体图，
图5为图3中的预紧装置的弹簧配置在被嵌入保持环之前的侧视图，
图6为图5的标的物的底侧的仰视图，
图7为图5中用VII表示的区域的局部放大图，
图8为本发明的自由轮毂的第二实施例的重要组件的分解图，以及
图9为本发明的自由轮毂的第三实施例的重要组件的分解图。
具体实施方式
为清楚起见，不是每个附图中的所有特征均配设有附图标记，而是首先仅为需要用来阐述相应附图的特征配设附图标记。这一点特别是适用于一个附图包含多个同类特征的情形。
不同实施例的相同或相对应特征均配设有相同的附图标记，仅在与第一实施例的区别方面对第二和第三实施例进行阐述，其他方面参照对第一实施例的描述。
图1示出本发明的自由轮毂10的第一实施例的纵向剖面图，所述自由轮毂的纵轴M包含在剖切平面内。在本申请中，除非另有说明，术语“轴向”始终是就这个纵轴M而言，该纵轴在安装完毕后与自行车的后轮轴重合。
自由轮毂10包括轮毂轴12，可以以已知方式将该轮毂轴固设在自行车的车架上。轮毂套筒14通过两个滚动轴承11和13且传动装置16通过另两个滚动轴承15和17分别以可旋转的方式支承在轮毂轴12上。轮毂套筒14和传动装置16在轴向上通过封闭元件19和21紧固在轮毂轴12上。
在轮毂套筒14的朝向传动装置16的纵向末端上，该轮毂套筒具有环绕式的轴向的槽22，该槽将下文还将详述的自由轮装置18容置在内。此外，轮毂套筒14具有两个辐条法兰23和25，辐条可以以已知方式安装在这些辐条法兰上。
传动装置16可以与在此未示出的小齿轮配置连接，可以通过该小齿轮配置将转矩导入传动装置16，并且通过这个传动装置传递至轮毂套筒14从而传递至自行车后轮。
自由轮装置18布置在轮毂套筒14与传动装置16之间且在槽22中，并且通过另一封闭元件31对外密封。
可以在图2所示局部放大图中更好地看出自由轮装置18。所述自由轮装置包括第一联接环24、第二联接环26以及预紧装置28。
第一联接环24以传递转矩的方式与轮毂套筒14耦合，第二联接环26以传递转矩的方式与传动装置16耦合。为此设在相应部件上的径向外齿24a或16a以及内齿14i或26i可以最佳地从第二实施例的图8中的透视图中看出，但对所有实施例而言均相同。
为了实现自由轮，第一联接环24和第二联接环26还以已知方式具有包含倾斜的滑动面的朝向彼此的轴向齿24z、26z(参阅图8和图9)，且通过预紧装置28在轴向上相对彼此预张紧。
除了下文还将详述的预紧装置28的具体设计之外，所示自由轮的结构和工作方式均为已知的。例如，参阅本文开篇所提到的两个公开案。
在图1至7的第一实施例中，预紧装置28由在图3中以分解图以及在图4中以组装状态示出的弹簧配置30、保持环40和盖环46形成，在组装状态下，前述三个部件形成牢固挂连的组件48。
弹簧配置30包括多个弹簧元件32，根据本发明，这些弹簧元件由多孔结构塑料材料，例如聚氨酯基泡沫材料制成。
在图1至8的第一和第二实施例中，当前的五个同类型的弹簧元件32以挂连的条带34的形式整体式相连。条带34包括形成真正意义上的弹簧元件32的同类型的弧形区段32b与在弧形区段32b间交替布局形成间隔件的同类型平面区段36。条带34在两个纵向末端上还具有平面末端区段37，其长度为其余平面区段36的长度的约一半或一半以下。
可以由具有多孔结构的柔韧性足够的板状起始材料切割而成的条带34的精确形状在图5至7中以不同视图示出。在所示示例中，条带的形状就对称面S而言是镜像对称的。图5至7示出环绕平行于条带的厚度方向D的轴线弯曲之前的起始状态下的条带。
条带34的宽度b(参阅图6)优选在条带的长度范围内保持恒定，且例如可以为3mm至5mm。宽度b例如可以由板状起始材料的厚度给出。
条带的厚度d优选同样为恒定的，且优选可以为1.5mm至2.5mm，而其总长度l可以为约135mm至139mm。弧形区段32b的内弧半径r例如为12mm至14mm，弧形区段的长度lb例如为18mm至20mm。相邻弧形区段32b的中心点之间的距离a1可以为26mm至29mm，紧邻的弧形区段的一个纵向末端与中心点之间的距离a2为约13mm至15mm。
当然，条带的各尺寸，如总长度、宽度、厚度和弧半径，需要与个案的需求相匹配，也就是与自由轮毂特别是联接环的尺寸、所应用的多孔塑料材料的特性、期望的弹力等相匹配。
在第一实施例中，用手使得形成弹簧配置30的条带34绕平行于条带34的厚度方向D的轴线弯曲并且嵌入保持环40。
可以最佳地从图3的分解图看出，保持环40包括环形的基座42和五个沿径向向外从这个基座突出的保持元件44。
保持元件44大体呈U形且具有外边脚43、顶面45和内边脚47，该内边脚与基座42邻接且与这个基座整体式连接。将条带34的平面区段36嵌入或夹紧在由此形成的插口44u中，从而使得弹簧元件32的位置彼此相对固定。
保持元件44中的一个还具有内间壁49，可以将条带34的端面34s抵靠在该内间壁上，从而简化安装。作为补充方案，需要指出的是，图1和图2中的剖切平面刚好穿过这个内间壁49，该内间壁可以在图2的下部很好地看出。
在将条带34嵌入保持环40后，可以将盖环46安装在保持环40上。为此，在本实施例中，在盖环46上设有相应的突出部46p1和46p2，在保持元件44上设有与这些突出部相匹配的凹槽44r1、44r2。其中，例如可以采用紧配合、圆锥配合(如46p1和44r1处)或卡扣连接。在本实施例中，盖环46构建为平整的环盘，该环盘除用于紧固在保持环上的结构外还具有若干用于提高刚度的肋结构46r。
如图4所示，在预紧装置28组装完毕的情况下，弹簧配置30的平面区段36被固定容置在保持环40与盖环46之间，且可以以简单的方式搬运作为备件的预紧装置28。条带34在安装在轮毂套筒14上时非期望地弯曲的风险被最小化。
保持环40和盖环46可以由适宜的塑料材料例如通过注射成型制成。
在自由轮毂10组装完毕后，弧形区段32b中的每个凸侧32bk沿轴向压向第一联接环24，以便将这个第一联接环预张紧至第二联接环26上。由于弹簧配置30与第一联接环24之间的接触点的数目相对较大且这些接触点围绕轮毂轴12的分布较为平均，因此，可以将悬架系统均匀施加至联接环24、26。弹簧条带优选如此地设计，使得仅弯曲刚度而不是塑料的压迫产生自由轮所需的弹力，多孔结构在工作中未被大幅压缩。这样就可以借由多孔架构以适宜的方式将弹簧配置的弯曲刚度减小。
同样可以不设置盖环46，其中在此情形下可以应用保持环的(未示出的)简化方案，因为在此情形下不需要用于紧固在盖环上的结构。
如图8中的第二实施例所示，尽管在安装方面要求更高，但同样可以仅将条带34作为预紧装置28(也就是不包括保持环和盖环)嵌入轮毂套筒14的槽22。
为清楚起见，在图8和图9中的第二和第三实施例的视图中特别是未绘示封闭元件31(参阅图1)。
作为整体式形成的条带的替代方案，如图9中的第三实施例所示，也可以应用例如形式为独立的D型环33的多个独立的弹簧元件32。这类D型环33同样可以以较小的难度由适宜的泡沫材料板切割而成。替代地，也可以应用多个独立的弹簧元件，其外观大体对应于图7，也就是分别包括一个中央弧形区段和弯折的平整纵向末端。
为使得各弹簧元件32在自由轮毂10工作时不会非期望地彼此相对滑动，例如可以在轮毂套筒14的轴向平面内设有相应的凹部49，可以将弹簧元件32插入或夹紧在这些凹部中，但这会增大轮毂套筒14的切削难度。替代地，也可以针对独立的弹簧元件应用采用适宜构建方案的保持环，该保持环将弹簧元件固设在其彼此相对的相对位置上。
Claims (14)
1.一种用于自行车的自由轮毂，所述自由轮毂包括：
轮毂轴、
可旋转地支承在所述轮毂轴上的轮毂套筒、
可旋转地支承在所述轮毂轴上的可以与至少一个小齿轮配置连接的传动装置、
布置在所述轮毂套筒与所述传动装置之间的自由轮装置，所述自由轮装置包括：
可以以传递转矩的方式与所述轮毂套筒耦合或已以传递转矩的方式与所述轮毂套筒耦合的第一联接环，
可以以传递转矩的方式与所述传动装置耦合或已以传递转矩的方式与所述传动装置耦合的第二联接环，其中所述第一联接环、所述第二联接环具有朝向彼此的轴向齿系，预紧装置，其被构建和布置成将所述第一联接环、所述第二联接环在轴向上相对彼此预张紧，其中所述预紧装置具有包含至少一个弹簧元件的弹簧配置，
其特征在于，所述弹簧元件由具有多孔结构的塑料形成。
2.根据权利要求1所述的用于自行车的自由轮毂，其特征在于，所述弹簧元件包括聚氨酯基塑料或由聚氨酯基塑料形成。
3.根据上述权利要求中任一项所述的用于自行车的自由轮毂，其特征在于，所述弹簧配置包括多个优选同类型的弹簧元件，所述弹簧元件围绕所述轮毂轴的周边分布。
4.根据上述权利要求中任一项所述的用于自行车的自由轮毂，其特征在于，所述弹簧元件或所述弹簧元件中的每个均具有一个弧形区段，所述弧形区段的凸侧适于沿轴向压向所述第一联接环和所述第二联接环中的一个，以将所述第一联接环与所述第二联接环相对彼此预张紧。
5.根据权利要求4所述的用于自行车的自由轮毂，其特征在于，所述弧形区段构建为具有大体恒定的宽度和厚度的条带区段。
6.根据权利要求4或5所述的用于自行车的自由轮毂，其特征在于，所述弹簧配置如此地设计，使得在将0.2N至0.5N的压紧力沿轴向施加至所述弹簧配置时，所述弹簧配置虽然会发生变形，但塑料的所述多孔结构不会被压缩。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的用于自行车的自由轮毂，其特征在于，所述自由轮毂具有多个同类型且独立构建的弹簧元件，所述弹簧元件共同形成所述弹簧配置。
8.根据权利要求7所述的用于自行车的自由轮毂，其特征在于，每个弹簧元件均构建为D型环或具有弯折的纵向末端的弧形。
9.根据权利要求7或8所述的用于自行车的自由轮毂，其特征在于，所述弹簧元件被插入相应的凹部，所述凹部构建在所述轮毂套筒的轴向表面或所述传动装置的轴向表面内。
10.根据权利要求4至6中任一项所述的用于自行车的自由轮毂，其特征在于，所述自由轮毂具有多个同类型的弹簧元件，所述弹簧元件整体式地且优选以挂连的条带的形式相连，所述条带形成所述弹簧配置。
11.根据上述权利要求中任一项所述的用于自行车的自由轮毂，其特征在于，所述弹簧元件在周向上围绕所述轮毂轴分布，所述预紧装置还具有保持环，所述保持环适于使得各弹簧元件的位置彼此相对固定。
12.根据权利要求11所述的用于自行车的自由轮毂，其特征在于，所述保持环包括环形的基座以及围绕所述基座的周边分布且径向突出于所述基座的多个保持元件，所述保持元件在一侧局部地轴向覆盖所述弹簧配置，并且优选径向地从内部和外部环扣所述弹簧配置。
13.根据权利要求11或12所述的用于自行车的自由轮毂，其特征在于，所述预紧装置还包括盖环，所述盖环可以如此地安装在所述保持环上，使得所述弹簧配置至少局部地被容置在所述保持环与所述盖环之间，并且与所述保持环和所述盖环一起形成牢固挂连的组件。
14.一种用于根据上述权利要求中任一项所述的用于自行车的自由轮毂的预紧装置。
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