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Die Erfindung betrifft einen Fahrradantrieb sowie ein Fahrrad mit Kegelradgetriebe.
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Stand der Technik
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Bei Fahrrädern wie auch bei Fahrradtrainingsgeräten oder dergleichen wird bereits seit einiger Zeit die aufgebrachte Kraft bzw. das Drehmoment ermittelt, um beispielsweise auf den Trainingseffekt bzw. den Rehabilitationserfolg schließen zu können.
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Darüber hinaus wird auch bei so genannten ”Pedelecs” bzw. Fahrrädern mit zusätzlichem Antrieb, insbesondere mit Elektromotor, die hybrid mit Elektromotor und Muskelkraft betrieben werden, d. h. sog. „E-Bikes”, häufig eine Erfassung der vom Benutzer aufgebrachten Kraft bzw. des Drehmoments vorgenommen. Hier erfolgt auf Basis dieser Erfassung ein Einschalten bzw. Ausschalten bzw. die Steuerung des zusätzlichen Motors. So können derartige ”Pedelecs” bzw. ”E-Bikes” auch ohne Versicherungspflicht oder Helmpflicht benutzt werden, insofern diese zusätzliche Motorunterstützung bei maximal 25 km/h begrenzt ist. Es sind jedoch auch ”Pedelecs” bzw. ”E-Bikes” im Einsatz, die auch bei einer Fahrgeschwindigkeit > 25 km/h eine Unterstützung durch einen etwas leistungsstärkeren Motor aufweisen. Hierbei sind dann entsprechend der gesetzlichen Regelung sowohl eine Haftpflichtversicherung als auch ein Helm vorgeschrieben. Diese werden entsprechend als Kleinkraftrad bzw. Leichtkraftrad oder dergleichen eingestuft, wofür auch eine entsprechende Fahrerlaubnis erforderlich ist.
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So sind bereits Fahrradantriebe im Einsatz, wobei mittels optischer Sensorik die eingebrachte Tretkraft des Fahrers im Pedal bzw. mittels des Pedals erfasst und entsprechend zur Steuerung des zusätzlichen Hilfsmotors verwendet wird. Beispielsweise ist aus der
DE 10 2011 077 395 A1 ein derartiges Pedal mit optischer Sensorik bekannt.
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Eine derartige Pedalsensorik mittels optischer Messprinzipien ist jedoch nicht für alle Fahrräder geeignet. Beispielsweise bei Fahrrädern für Menschen mit Behinderung, insbesondere mit Behinderungen an den Beinen wie zum Beispiel einer Querschnittslähmung oder dergleichen, können keine derartigen Pedale eingesetzt werden. Menschen mit entsprechenden Beeinträchtigungen an den Beinen benötigen z. B. so genannten ”Handbikes”, das heißt, Spezialfahrräder, die einen Handantrieb aufweisen. Hierbei sind sowohl spezielle Handkurbeln am Lenker als auch entsprechend rotierbare Lenker bereits bekannt.
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Bei diesen ”Handbikes” wird gewöhnlich auch das angetriebene Vorderrad für die Lenkung verwendet, d. h. als gelenktes und angetriebenes Laufrad. So können einerseits spezielle Handbikes als auch Vorsatzgeräte für handelsübliche Rollstühle oder dergleichen eingesetzt werden. Bei letztgenannten wird beispielsweise ein handelsüblicher mit Muskelkraft angetriebener Rollstuhl verwendet, der über eine Adaptervorrichtung bzw. ein Vorsatzgerät zum Handbike mit Vorderradantrieb und Vorderradlenkung umgerüstet werden kann.
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Bei diesen zum Teil individuellen Spezialbikes, insbesondere Handbikes für Menschen mit Beeinträchtigungen, sind die oben dargestellten bekannten Fußpedale mit optischer Sensorik nicht einsetzbar.
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Bei derartigen Spezialfahrrädern werden vielfach auch kein Kettenantrieb mit Schaltung, sondern alternative Antriebssysteme eingesetzt. Hierbei sind nicht nur Kardanantriebe mit Kardangelenk im Einsatz, sondern vielfach werden gerade für diese speziellen Anwendungsgebiete Kegelradgetriebe mit Antriebswellen verwendet.
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Teilweise sind jedoch Antriebskonzepte mit Kardangelenk und zudem meistens im Bereich der Drehachse des Laufrads angeordnete Kegelradgetriebe vorhanden. Zudem sind auch Kegelradgetriebe bei so genannten schwingenden Radgabeln, insbesondere bei Hinterradschwingen, im Einsatz, wobei die Drehachse der Schwinge konzentrisch zu einer der Drehachsen des Kegelradgetriebes angeordnet ist.
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Gerade bei Fahrrädern für Menschen mit einer individuellen körperlichen Beeinträchtigung muss das jeweilige Fahrrad individuell angepasst bzw. gestaltet werden. Hierbei sind unterschiedlichste spezielle Konstruktionen vorzusehen, die mit den bereits bekannten Pedalsensoren meistens nicht realisierbar sind.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es einen Fahrradantrieb mit Kegelradgetriebe bzw. ein Fahrrad mit einem derartigen Fahrradantrieb vorzuschlagen, so dass unterschiedlichste Kegelrad-Antriebskonzepte bzw. Spezialfahrräder, insbesondere mit Handantrieb, als Fahrrad mit Hybridantrieb bzw. zu einem sog. „Pedelec” oder sog. „E-Bike” ausgebildet werden.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Fahrradantrieb der einleitend genannten Art, durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Fahrradantrieb mit einem Kegelradgetriebe dadurch aus, dass wenigstens ein Motor zum Antreiben eines zweiten und/oder des ersten Laufrades sowie eine Speichereinheit zum Speichern von Antriebsenergie des Motors vorgesehen ist, dass eine Messvorrichtung zur Erfassung des Muskelkrafteinsatzes und dass eine elektronische Kontrolleinheit zur elektronischen Kontrolle des Motors vorgesehen ist, wobei ein translatorischer Verstellweg wenigstens eines der Kegelräder und/oder einer Kegelradantriebswelle eines der Kegelräder als Messgröße der als Wegmessvorrichtung ausgebildeten Messvorrichtung ausgebildet ist.
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Es hat sich in ersten Versuchen überraschenderweise gezeigt, dass die zwar vergleichsweise massiven, stabilen Kegelräder und Kegelradwellen durchaus aufgrund des Antriebsmomentes trotzdem eine sehr geringe Auslenkung/Biegung erfahren, die zu einem translatorischen Verstellen der Kegelräder bzw. der Kegelradwellen führen. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird gerade diese translatorische Verstellung, die beispielsweise bei maximalem Krafteinsatz des Fahrers etwa zwei hundertstel Millimeter groß sein kann, mittels der Wegmessvorrichtung erfasst und mittels der Kontrolleinheit zur Kontrolle des Motors, insbesondere des Elektromotors verwendet.
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Vorteilhafterweise wird durch die winklige Anordnung, meist 90°, der beiden Drehachsen der in Wechselwirkung stehenden Kegelräder bzw. Antriebswellen und durch die vorteilhafte Ausformung bzw. radialen Verjüngung der Kegelradzähne eine vektorielle Aufteilung der Antriebskraft erreicht, so dass eine quer zur jeweiligen Drehachse gerichtete Biegekraft sowie eine in Richtung der Drehachse des Kegelrades bzw. der Kegelradwelle gerichtete Axialkraft generiert wird.
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Diese beiden Kraftkomponenten führen in vorteilhafter Weise zu einem quer bzw. senkrecht zur Drehachse gerichteten radialen, translatorischen Verstellweg und/oder zu einem in Längsrichtung der Drehachse gerichteten axialen, translatorischen Verstellweg. Die Wegmessvorrichtung gemäß der Erfindung kann in vorteilhafter Weise den radialen und/oder den axialen Verstellweg erfassen und als Messgröße der Wegmessvorrichtung zur Steuerung bzw. Kontrolle des Motors, insbesondere des Elektromotors, verwenden.
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Mit Hilfe einer derartigen Wegmessvorrichtung gemäß der Erfindung ist der Fahrradantrieb unabhängig von den Elementen, die die Muskelkraft des Fahrers bzw. des Menschen aufnehmen. Das heißt, dass sowohl ein Fußpedalantrieb und/oder ein Handkurbelantrieb oder Lenkerantrieb vorgesehen werden kann, die dann entsprechend über eine Kegelradantriebswelle die Antriebskraft bzw. das Antriebsdrehmoment dem Kegelradgetriebe gemäß der Erfindung weiter leiten. Dementsprechend flexibel und individuell kann das Antriebskonzept des Fahrrads an den jeweiligen Fahrer bzw. dessen Anforderungen oder Beeinträchtigungen angepasst werden.
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Somit kann ein standardisierter, wirtschaftlich günstiger Fahrradantrieb gemäß der Erfindung mit relativ großer Stückzahl für unterschiedlichste Spezialräder mit Kegelradgetriebe verwendet werden, sodass eine individuelle bzw. flexible Anpassung des Fahrradantriebs gerade auch für Menschen mit Beeinträchtigung verwirklicht werden kann.
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Vereinzelt sind bislang auch „normale” Fahrräder mit Kardanantrieb und/oder Kegelradgetriebe für Hinterräder im Einsatz. Das heißt Fahrräder mit Diamantrahmen und Fußpedalkurbeln, jedoch ohne Kettenantrieb, sodass gemäß der Erfindung auch derartige Fahrräder mit Hinterradantrieb und Kegelradgetriebe als Fahrrad mit zusätzlichem Motor gemäß der Erfindung ausgebildet werden können.
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Denkbar ist, die translatorische Verstellung bzw. den translatorischen Verstellweg eines der Kegelräder und/oder eine der Kegelradantriebswellen der Kegelräder direkt zu erfassen. Hierbei sind vor allem auch berührungslose Messverfahren/-vorrichtungen von Vorteil, um eine Abnützung bzw. Beeinträchtigung des Messwertaufnehmers der Wegmessvorrichtung bzw. ein größerer mechanischer Abrieb/Verschleiß zu verhindern.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine Wegmessvorrichtung vorgesehen, die eine indirekte Erfassung des translatorischen Verstellwegs eines der Kegelräder und/oder einer der Kegelradantriebswellen realisiert.
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Vorzugsweise ist wenigstens eine Lagereinheit und/oder Wälzlagereinheit zwischen der Messvorrichtung und eines der Kegelräder und/oder einer der Kegelradantriebswellen angeordnet, sodass die Lagereinheit bzw. die Wälzlagereinheit als Übertragungseinheit des Verstellwegs ausgebildet ist. Hiermit wird beispielsweise eine Entkopplung der rotierenden Komponente, d. h. Kegelradantriebswelle bzw. Kegelrad, zwischen einem nicht rotierenden Element der Messvorrichtung umsetzbar. In vorteilhafter Weise ist beispielsweise ein rotierendes Innenelement wie ein Innenring der Wälz-/Lagereinheit und ein nicht rotierendes bzw. statisches Außenelement wie ein Außenring der Wälz-/Lagereinheit vorgesehen. In vorteilhafter Weise kann der translatorische Verstellweg gemäß der Erfindung durch diese Wälz-/Lagereinheit übertragen bzw. weitergeleitet werden, sodass beispielsweise der nicht rotierende Außenring bzw. das nicht rotierende Außenelement den translatorischen (radialen und/oder axialen) Verstellweg des Kegelrades und/oder der Kegelradantriebswelle auf die Wegmessvorrichtung bzw. das Wegmessaufnehmerelement überträgt.
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So kann mit dieser Maßnahme in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die Wegmessvorrichtung die translatorische Verstellung im Bereich nicht rotierender Komponenten bzw. Elemente aufnimmt/erfasst. Hiermit wird ein Verschleiß bzw. Abrieb des Messwertaufnehmerelementes der Wegmessvorrichtung minimiert bzw. vollständig beseitigt. Dementsprechend weist die Wegmessvorrichtung gemäß der Erfindung eine besonders lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit auf.
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Vorzugsweise ist wenigstens ein Transmissionsringelement zwischen der Messvorrichtung und eines der Kegelräder und/oder Kegelradantriebswellen angeordnet, sodass das Transmissionsringelement als Übertragungselement des Verstellweges ausgebildet ist. Alternativ oder in Kombination mit der vorgenannten Übertragungseinheit kann auch hiermit eine Entkopplung zwischen rotatorischen Elementen bzw. den rotierenden Kegelrädern und/oder den rotierenden Kegelradantriebswellen in Bezug auf die Wegmessvorrichtung bzw. dessen Wegmessaufnahmeelementes erreicht werden.
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Vorzugsweise ist zusätzlich zur Wälz-/Lagereinheit ein separates Transmissionsringelement vorgesehen, wobei das Transmissionsringelement zwischen Wälz-/Lagereinheit und Wegmessvorrichtung angeordnet ist. So wird eine vorteilhafte Beabstandung zwischen Lagerung des Kegelrades bzw. der Kegelradantriebswelle und der Wegmessvorrichtung erreicht. Hierdurch wird wirkungsvoll verhindert, dass die Wegmessvorrichtung mit rotierenden Komponenten in Berührung bzw. Kontakt geraten kann, selbst unter Berücksichtigung von Herstellungstoleranzen entsprechender Komponenten.
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Alternativ oder in Kombination zu einem derartigen Transmissionsringelement, das in vorteilhafter Weise als Abstandselement zwischen der Lagerung und Messvorrichtung ausgebildet ist, kann beispielsweise auch ein Stift, der im Wesentlichen längs der Drehachse einer der Kegelradantriebswellen ausgerichtet ist, vorgesehen werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass es durchaus auch ausreichen kann, an einer einzelnen Stelle der Lagerung eine (axiale) Weiterleitung/Übertragung des translatorischen Verstellweges hin zur Wegmessvorrichtung zu realisieren.
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Vorteilhafterweise erfolgt eine Übertragung des translatorischen Verstellwegs bis hin zur Wegmessvorrichtung mittels Formschlusses bzw. einer formschlüssigen Kopplung. Hierbei kann eine Wälz-/Lagereinheit, beispielsweise eine zwei Wälzlager umfassende O-Anordnung vorgesehen werden, die über ein Abstandselement wie beispielsweise ein Ringelement den translatorischen Verstellweg über eine oder mehrere Formschlussverbindungen bis zur Wegmessvorrichtung überträgt bzw. weiter leitet. Vorteilhafterweise weist eine der Kegelradantriebswellen einen Anschlag, eine Nut, eine Erhebung bzw. eine Schulter oder dergleichen auf, womit der Formschluss zu einem Übertragungselement/-einheit realisiert werden kann.
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Vorteilhafterweise ist der translatorische Verstellweg eines der Kegelräder und/oder der Kegelradantriebswellen eines der Kegelräder wenigstens teilweise in Richtung der ersten oder zweiten Achse ausgerichtet. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige axiale Erfassung bzw. Übertragung und Weiterleitung eines translatorischen, axial ausgerichteten Verstellweges von besonderem Vorteil ist. Beispielsweise weist die Wälz-/Lagereinheit ein axiales Spiel, d. h. eine axiale Verstellbarkeit auf. Eine derartige Wälz-/Lagereinheit mit axialem Spiel ist ohne großen Aufwand realisierbar.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Lagereinheit bzw. Wälzlagereinheit ein so genanntes ”Flankenspiel” auf. So weist die Lagereinheit bzw. die Wälzlagereinheit eine axiale Verstellmöglichkeit, insbesondere am Außenring auf, wodurch der translatorische Verstellweg des Kegelrades bzw. der Kegelradantriebswelle entsprechend zur Wegmessvorrichtung weiter geleitet werden kann. Dementsprechend ist die Lagerung in vorteilhafter Weise zumindest teilweise in Längsrichtung beweglich bzw. verstellbar ausgebildet.
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Allerdings kann auch ein radialer, translatorischer Verstellweg der Kegelradantriebswelle erfasst bzw. in radialer Richtung übertragen und weiter geleitet werden.
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Es können gerade verzahnte, schräg verzahnte oder bogenverzahnte, insbesondere hypoid verzahnte Kegelräder verwendet werden. Es hat sich in ersten Versuchen gezeigt, dass Spiralkegelräder bzw. spiral verzahnte Kegelräder von besonderem Vorteil sind. Hiermit kann in vorteilhafter Weise auf Seiten des Abtriebs bzw. des Abtriebkegelrades ein vorteilhafter translatorischer Verstellweg realisiert und als Messgröße der Wegmessvorrichtung in vorteilhafter Weise verwendet werden. Gerade mit Hilfe einer spiralverzahnten Kegelradanordnung wird eine axiale Verstellung bzw. ein axialer Verstellweg in vorteilhafter Weise generiert, der mit Hilfe der Wegmessvorrichtung erfasst und zur Kontrolle des Motors verwendet werden kann.
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Es ist denkbar, dass beispielsweise die Wegmessvorrichtung als kapazitive, induktive und/oder optische Wegmessvorrichtung ausgebildet ist. Es hat sich jedoch gezeigt, dass gerade für einen Fahrradantrieb mit Kegelradgetriebe eine Wegmessvorrichtung von besonderem Vorteil ist, die wenigstens einen Hall-Sensor bzw. einen magnetisch sensitiven Sensor umfasst. Vorzugsweise umfasst die Wegmessvorrichtung eine sog. Mess-/Wheatstone-Brücke und/oder sensorische Parallelogrammanordnung, die mit dem Sensor bzw. Hall-Sensor zusammenwirkt. Hiermit wird in vorteilhafter Weise ein Sensorsignal für die Kontrolleinheit zur Kontrolle des Motors generiert.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.
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1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung durch ein Fahrradkegelradgetriebe gemäß der Erfindung.
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Hierbei ist in einem Getriebegehäuse 6 ein Kegelradgetriebe angeordnet, das vorzugsweise ein spiralverzahntes Antriebskegelrad 1 und ein spiralverzahntes Abtriebskegelrad 2 umfasst. Dementsprechend wird das Antriebskegelrad 1 über ein Drehmoment M angetrieben und über nicht näher dargestellte Zähne der beiden Kegelräder 1, 2 auf das Abtriebskegelrad 2 übertragen. Die beiden Drehachsen der Kegelräder 1, 2 sind strichpunktartig in 1 dargestellt und weisen einen Schnittpunkt auf. Hier sind die beiden Drehachsen in einem Winkel von ca. 90° zueinander ausgerichtet.
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Durch das Drehmoment M des Antriebskegelrades 1 wird über die winklige Anordnung der Drehachsen bzw. der Zähne der Kegelräder 1, 2 eine Kraft F generiert, die in Richtung der Längsachse bzw. Drehachse des Abriebskegelrades 2 ausgerichtet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung wird der translatorische Verstellweg bzw. der axiale Verstellweg längs der Drehachse bzw. längs der Kraft F des Abriebskegelrades 2 mit Hilfe einer Messvorrichtung 5 erfasst.
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Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird jedoch nicht direkt die Verstellung bzw. der Verstellweg des Abriebskegelrads 2 bzw. dessen Kegelradwelle erfasst, sondern mit Hilfe einer vorteilhaften Schulter 8 der Welle 9 wird die Kraft F bzw. der Verstellweg in Richtung Kraft F über eine Lagerung 3 und über einen Stützring 4 formflüssig bis zur Wegmessvorrichtung 5 weiter geleitet. Hierbei ist der Stützring 4 an einem Außenring der Lagerung 3 angeordnet bzw. steht mit diesem in Kontakt, so dass eine Formschlussverbindung realisiert ist.
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Die Lagerung 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Wälzlagereinheit mit zwei Wälzlagern bzw. Kugellagern ausgebildet, wobei die Innenringe mit der Welle 9 rotieren und die Außenringe des Kugellagers nicht rotieren. Es sind die Lagerung 3 bzw. die Kugellager axial verschiebbar bzw. mit einem axialen Spiel ausgebildet, sodass in vorteilhafter Weise eine Verstellung bzw. der Verstellweg des Abtriebskegelrads 2 bzw. der Welle 9 in Richtung der Kraft F, das heißt längs der Drehachse der Welle 9, über die Lagerung 3 und den Stützring 4 bzw. Abstandsring zur Messvorrichtung 5 formschlüssig übertragen wird.
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Die Wegmessvorrichtung bzw. Kraftmessvorrichtung 5 umfasst wenigstens einen Hall-Sensor, der bei der auftretenden axialen Verstellung bzw. des axialen Verstellwegs zwischen null bis zum Beispiel ca. zweihundertstel Millimeter ein vorteilhaftes elektrisches Sensorsignal generiert, das über ein elektrisches Kabel 10 zu einer nicht näher dargestellten elektrischen Kontrolleinheit zur elektrischen Kontrolle des Motors, insbesondere eines Elektromotors, weitergeleitet wird.
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In vorteilhafter Weise ist das elektrische Sensorsignal abhängig/proportional vom Drehmoment M bzw. Krafteinsatz des Fahrradfahrers, wobei der axiale Verstellweg der Welle 9 proportional zur axialen Kraft F ist, so dass die Leistung des Motors vorteilhaft gesteuert werden kann. Ein Fahrradantrieb mit einem derartigen Kegelradgetriebe kann in unterschiedlichsten Fahrrädern mit Fuß- und/oder Handantrieb für Menschen mit und auch ohne Handicap verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebskegelrad
- 2
- Abtriebskegelrad
- 3
- Lagerung
- 4
- Stützring
- 5
- Kraftmessvorrichtung
- 6
- Getriebegehäuse
- 7
- Halter
- 8
- Schulter
- 9
- Welle
- 10
- Kabel
- F
- Kraft
- M
- Drehmoment
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011077395 A1 [0004]
