DE10051931A1 - Anbtriebs- und Schaltungsvorrichtung für Fahrräder - Google Patents

Abstract

Der bekannte Kettenantrieb und die bekannte Kettenschaltung mit einer großen Anzahl von Kettenrädern ist technisch relativ aufwendig und somit teuer, birgt Verletzungsgefahren, ist sehr bedienerunfreundlich mit den zwei Schalthebeln, benötigt relativ viel Wartung und erlaubt keine Integration einer Rücktrittbremse oder des Rückwärtsfahrens. Diese Nachteile werden mit den neuen Antriebs- und Schaltungsvorrichtungen eliminiert. DOLLAR A Die Erfindung gibt vier verschiedene Baugruppen an, mit denen verschiedene Schaltungen mittels eines trapezförmigen Riemenantriebes realisiert werden können. DOLLAR A Als vollautomatische Tellerschaltung wird eine Konfiguration bezeichnet, die zwischen den Pedalen zwei Teller (1 und 2) hat, zwischen denen der Riemen (3) auf verschiedenen Radien läuft, und hinten ein Riemenrad konstanten Durchmessers und einen Riemenspanner aufweist. Diese beiden Teller werden durch eine Feder (5) zusammengedrückt. Bei einer Talfahrt wird der Riemen aufgrund der Federkraft nach außen gedrückt (lange Übersetzung) und bei einem Berganstieg zieht sich der Riemen gegen die Federkraft nach innen (kurze Übersetzung). DOLLAR A Als teilautomatische Tellerschaltung wird eine Konfiguration bezeichnet, die die gleiche Realisierung wie die vollautomatische Tellerschaltung vorne hat und hinten ebenfalls zwei Teller aufweist, von denen der äußere mittels eines T-förmigen Zugelementes, das sich in der Achse befindet, auf einen fixen Abstand zum inneren Teller einstellen lässt. Die feste ...

Description

Stand der Technik für Antriebsvorrichtungen von Fahrrädern sind Ketten und Kettenräder. Die Nachteile dieser Antriebsvorrichtungen sind die Verletzungsgefahren aufgrund der spitzen Kettenräder, der relativ grosse Aufwand bzgl. der Wartung und die Verschmutzungsgefahr des Radfahrers.

Stand der Technik für Schaltungsvorrichtungen von Fahrrädern mit mittleren und grossen Übersetzungsverhältnissen sind Schaltungen mit einer grossen Anzahl von Kettenrädern verschiedener Durchmesser, die in der vorderen Einheit zwischen den Pedalen als auch in der hinteren Einheit auf der Hinterradfelge montiert sind, sowie einer Kettenspannvorrichtung. Nachteile dieser Schaltungsvorrichtungen sind die aufwendigen und teuren Konstruktionen, Justierprobleme, zwei notwendige Schalthebel ohne Absolutanzeige des Übersetzungsverhältnisses und die daraus folgende komplizierte Bedienung, insbesondere für die vordere Einheit lange Zeiträume, bis der neue Gang eingelegt ist und die Tatsache, dass man nicht unter Last schalten kann, sowie keine Integrationsmöglichkeit einer Rücktrittbremse oder des Rückwärtsfahrens, eine schräge Kettenführung mit grosser mechanischer Belastung und schlechten Wirkungsgrad, mögliche Pannen aufgrund des "Verlierens der Kette", eine relativ grosse Baubreite der Schaltung und eine relativ aufwendige Wartung.

Die erzielbaren Vorteile der im Hauptanspruch 1 angegebenen Erfindung und dessen Ausgestaltungen liegen darin, dass die Antriebs- und Schaltungsvorrichtung für Fahrräder deutlich vereinfacht und somit preisgünstiger herstellbar ist, keine Verletzungsgefahren mehr bestehen, 100% wartungsfrei ist, sauber und umweltverträglich ist, keine Justierprobleme bereitet, entweder ganz ohne Schaltungshebel auskommt oder mit nur einem Schaltungshebel funktioniert, dann auch das Übersetzungsverhältnis anzeigt, gegebenenfalls eine Rücktrittbremse oder die Möglichkeit des Rückwärtsfahrens erlaubt, prinzipbedingt den Riemen nicht verlieren kann und auch Schaltvorgänge unter höchster Last erlaubt. Neben den typischen Zweirädern eignen sich die aus die in folgenden vorgestellten herleitbaren Lösungen der Erfindung auch für Einräder und Tandems.

Vollautomatische Tellerschaltung

Die mechanisch einfachste Form der Realisierung einer Antriebs- und Schaltungsvorrichtung für Fahrräder besteht aus einer automatischen Tellerschaltungskonstruktion gemäss des Nebenanspruches 2 für die vordere Einheit (Fig. 1) und einem fixen hinteren Riemenrad einschliesslich Riemenspanner gemäss des Hauptanspruches 1.

Fig. 1 illustriert, wie der linke Teil 1 der Tellerschaltung, der direkt mit dem linken Pedal verbunden ist, im Fahrradrahmen 4 gelagert ist und über der Feder 5 mit dem rechten Teil 2 der Tellerschaltung verbunden ist. Wichtig ist, dass beide Tellerteile im Schiebebereich 6 verzahnt sind, sodass ein gegenseitiges Verdrehen nicht nur durch den Antriebsriemen 3 unterbunden wird.

Diese primitive automatische Schaltung funktioniert ganz ohne Schaltungselemente wie Hebel usw. Fährt man unter leichter Last (z. B. bergab), so drückt die Feder 5 den Riemen 3 in den äusseren Bereich zwischen den Tellern und man hat folglich eine grosse (lange) Übersetzung. In diesem Fall ist der Riemenspanner, der die gleiche Funktion hat wie ein Kettenspanner einer Kettenschaltung, minimal gespannt.

Fährt man unter grosser Last (z. B. bergauf) so zieht sich der Riemen ins Innere zwischen den Tellern 1 und 2 und drückt die Feder zusammen und man hat folglich eine kleine (kurze) Übersetzung. In diesem Fall ist der Riemenspanner dann maximal gespannt. Beide Schaltvorgänge sind kontinuierlich, ruckfrei und sehr schnell. Es kann innerhalb einer halben Pedalumdrehung vom grössten in den kleinsten Gang und umgekehrt vom kleinsten in den grössten Gang umgeschalten werden.

Anzumerken ist, dass die Trettkraft bei dieser automatischen Schaltung prinzipbedingt bei kurzen Übersetzungen immer grösser ist, als bei langen Übersetzungen.

Da diese Konstruktion einen Riemenspanner benötigt, gibt es keine Möglichkeit der Integration einer Rücktrittbremse oder des Rückwärtsfahrens. Ferner wird das Übersetzungsverhältnis lediglich in der vorderen Einheit geändert, was bedingt, dass die Gesamtübersetzung nur über einen mittleren Bereich geändert werden kann.

Die Vorteile des sehr geringen mechanischen Aufwandes und der Tatsache, dass diese vollautomatische Schaltung keinerlei Bedienung bedarf, qualifiziert diese Ausgestaltung der Erfindung für die Realisierung in Fahrrädern für Kinder und ältere sowie kostenbewusste Menschen. Über Federraten und -verhalten (linear oder progressiv) oder einer einstellbaren Federvorspannung kann auf die verschiedenen Bedürfnisse und Fähigkeiten der Nutzer eingegangen werden.

Teilautomatische Tellerschaltung

Die für die Anwendung interessanteste Form der Realisierung einer Antriebs- und Schaltungs­ vorrichtung für Fahrräder besteht aus einer automatischen Tellerschaltungskonstruktion gemäss des Nebenanspruches 2 für die vordere Einheit (Fig. 1) und einer geführten Tellerschaltungskonstruktion gemäss Nebenanspruches 3 für die hintere Einheit (Fig. 2).

Fig. 2 stellt die Realisierung der geführten Tellerschaltungskonstruktion vor: Die Kette 20 ist mit dem Zugelement 21, welches als T-Element ausgeführt ist und sich in der geschlitzten und teilgebohrten Achse 22 befindet, verbunden. Seitlich in der Achse fixiert und gelagert ist das Bauteil 23 montiert. Es umfasst neben der gelagerten Verbindung zur Achse den inneren Teller und die Haltung für die Speichen 26. Die Achse 22 ist mittels der beiden Muttern 25 und 28 fest am Fahrradrahmen 27 montiert.

Der äussere beweglich gelagerte Teller 24 wird fest vom nur in axialer Richtung beweglichen Zugelement 21 zum inneren Teller 23 gehalten und gibt somit für den trapezförmigen Riemen 3 einen definierten Durchmesser und somit ein festes Übersetzungverhältnis vor. Die Druckverbindung zwischen dem Zugelement 21 zum äusseren Teller 24 muss reibungsarm realisiert sein. Die Führung zwischen innerem Teller 23 und äusserem Teller 24 sollte verdrehsicher ausgeführt sein.

Bei dieser Kombination von automatischer Schaltung vorne und geführter Schaltung hinten muss die Feder 5 kräftiger ausgelegt werden, als in der zuvor vorgestellten Ausgestaltung der Erfindung, der vollautomatischen Schaltung. Somit gibt das Zugelement 21 die hintere Übersetzung vor und die Feder 5 sorgt dafür, dass über der festen Riemenlänge vorne das komplementäre Übersetzungs­ verhältnis eingestellt wird.

Das Zugelement 21 kann alternativ zur Kette 20 auch direkt mit einer Hebelschaltung verbunden werden. Insbesondere für Schaltvorgänge zu kürzeren Übersetzungen hin (Herunterschalten, grösserer Riemendurchmesser am Hinterrad), ist es auch vorteilhaft zwischen der Kette und dem Zugelement eine kräftige Zugfeder einzufügen. Für den kompletten Herunterschaltvorgang wird lediglich eine halbe Umdrehung des Hinterrades erfordert. Der Schaltvorgang erfolgt nicht ruckartig, sondern ganz linear. Dieser Vorgang kann auch unter grösster Last erfolgen.

Das Heraufschalten erfolgt bei kleinen Lasten linear und bei grösseren Lasten leicht ruckartig und deutlich unter einer halben Hinterradumdrehung.

Bei dieser vorgestellten teilautomatischen Tellerschaltung lassen sich sehr grosse Übersetzungs­ verhältnisse realisieren. Es gibt einen festen mathematischen Zusammenhang zwischen den min. und max. Radien der vorderen und der hinteren Teller, sowie deren Abstand zueinander und der Riemenlänge. Beispielsweise ist eine min. Übersetzung von 0,38 und eine max. Übersetzung von 5,6 erlaubt.

Da kein Riemenspanner notwendig ist, ist die Integration einer Rücktrittschaltung möglich, bzw. die Möglichkeit des Rückwärtsfahrens direkt gegeben.

Folglich ist diese Konstruktion für sportliche Fahrräder wie Mountain-Bikes, Kunstsporträder, BMX- Räder und Rennräder sehr interessant.

Anstatt hinten, kann man auch die feste Übersetzung in der vorderen Einheit gemäss Nebenanspruch 4 einstellen. Diese ist in Fig. 3 dargestellt. Der äussere Teller 2 wird über mindestens zwei Zugelemente (7), die fest am Rahmen geführt werden (4 und 8), verschoben. Die gelagerte Verbindung zwischen den Zugelementen 7 und dem äusseren Teller 2 sollte möglichst reibungsarm sein. Diese feste Schaltung der vorderen Einheit lässt sich mit den drei vorgeschlagenen Möglichkeiten: 1. Dem Riemenrad mit Riemenspanner (Hauptanspruch 1), 2. Der vollautomatischen Tellerschaltung (Nebenanspruch 2) und 3. der teilautomatischen Tellerschaltung mit T-förmigen Zugelement (Nebenanspruch 3) kombinieren. Im letzten Fall müssen über einem Schalthebel die beiden Zugelemente 7 und 21 komplementär gesteuert werden.

Für die weitere Ausgestaltung der Erfindung gilt, dass neben der symmetrischen V-förmigen Anordnung der Teller auch unsymmetrische V-Kombinationen, z. B. in Form eines halben V's um Baubreite einzusparen, möglich sind. Desweiteren ist neben der linearen V-Öffnung (Fig. 2) auch eine nichtlineare V-Öffnung (z. B. Fig. 1) möglich.

Der halbe Öffnungswinkel alpha berechnet sich für eine lineare Öffnung aus der halben Riemenbreite x und den min. und max. Radien der Teller: alpha = artan(x/(r_max - r_min)). In der Praxis ergeben sich Werte zwischen 3° und 7°. Für derartig kleine Winkel ist die artan-Funktion noch nahezu linear und deshalb kann man die mechanisch einfachste Lösung einer linearen Öffnung auch bevorzugen.

Der Riemen 3 ist im aufgeschnittenen Profil trapezförmig, wie es u. a. oben in Fig. 4 dargestellt ist. Die mechanisch einfachste Realisierung ist, wenn die Kraftübertragung immer nur über die Reibung an den Seitenflanken des Riemens zu den Tellern bzw. des Riemenrades erfolgt. Mit 15 (Fig. 4) ist eine Realisierung des Riemens angegeben, mit der die Kraftübertragung des Riemens zum Riemenrad mit Zähnen realisiert wird. Eine derartige Realisierung ermöglicht eine Verbesserung des Wirkungsgrades. Diese Riemenrealisierung ist aber auch für Schaltungen mit Tellern vorne und hinten wie bei der teilautomatischen Tellerschaltung interessant, da die Riemenhöhe aus Gründen der Verdrehsicherheit in der Grössenordnung der Riemenbreite sein sollte und die Riemenkonstruktion 15 einen besseren Wirkungsgrad erlaubt, als ein durchgehend gefüllter Riemen.

Weiterhin lässt sich der Wirkungsgrad der Tellerschaltungen noch dadurch verbessern, dass der Riemen seitlich kleine Zähne aufweist. Diese Riemenkonstruktion ist als Schnitt 17 unter 16 in Fig. 4 dargestellt. Desweiteren ist dafür auch noch eine komplementäres Fräsbild der inneren Teller notwendig, wie es in einem Beispiel in der Fig. 5 illustriert ist. Verschiedene Hilfskreise mit konstanten Durchmesser sind mit 10 gekennzeichnet, die hervorstehenden Bereiche sind mit 11 markiert und die Vertiefungen sind mit 12 beschriftet. Dieses in Fig. 5 dargestellte Fräsbild wäre für eine vordere Tellereinheit ein relatives Optimum, da der Riemen im oberen Bereich sehr reibungsarm auf Zug belastet werden kann und im unteren Bereich relativ verkantfrei und reibungsarm den Tellerbereich verlassen kann. Für die hintere Einheit wäre eine gespiegelte Lösung ähnlich optimal.

Selbstredend können die Teller aus Gewichtseinsparungsgründen gelocht oder nur aus einzelnen Segmenten gefertigt sein. Desweiteren ist neben Leichtmetallen auch ein Einsatz von leichten Kunststoffen für die Teller möglich, wodurch die rotierenden Massen noch weiter verringert werden können.

Claims (4)

1. Antriebs- und Schaltungsvorrichtung für Fahrräder bestehend aus einer vorderen Einheit, welche sich zwischen den Pedalen befindet, einer hinteren Einheit, welche sich an der Hinterradfelge befindet, und einem Verbindungselement, dadurch gekennzeichnet,
dass ein trapezförmiger Riemen als Verbindungselement zwischen der vorderen und der hinteren Einheit genutzt wird,
dass mindestens eine Einheit aus einem zur Pedale oder zur Felge fest montierten inneren V-förmigen Teller und einem zweiten verschiebbaren äusseren V-förmigen Teller besteht und zwischen den Tellern den Riemen führt,
dass für den Fall, dass nur eine Einheit aus einer Tellerkonstruktion besteht, die zweite Einheit aus einem ringförmigen Riemenrad mit fixen Durchmesser und mit seitlicher Führung des Riemens sowie einem Riemenspanner besteht.

2. Antriebs- und Schaltungsvorrichtung für Fahrräder nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teller der vorderen oder hinteren Einheit mittels einer Feder zusammengezogen werden.

3. Antriebs- und Schaltungsvorrichtung für Fahrräder nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des äusseren Tellers zum inneren Teller der hinteren Einheit mittels eines in der Achse integrierten T-förmigen gelagerten Zugelementes fest eingestellt wird.

4. Antriebs- und Schaltungsvorrichtung für Fahrräder nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des äusseren Tellers zum inneren Teller der vorderen Einheit mittels im äusseren Teller am Rand gelagerten Zugelementen, die fest am Rahmen fixiert sind, fest eingestellt wird.