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Die vorliegende Erfindung dient der Speicherung der Bremsenergie des Fahrrads in Form von Druckluft im Fahrradrahmen und eventuell zusätzlich mitgeführten Druckluftspeichern und der Nutzung der gespeicherten Druckluft zum Antreiben des Fahrrads.
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Der Stand der Technik ist, dass die Bremsenergie des Fahrrads bei herkömmlichen auf Reibung basierenden Bremssystemen als Verlustenergie verloren geht. Ein Teil der bestehenden Elektrofahrrad-Modelle verfügt über die Funktion zur Rückgewinnung der Bremsenergie durch Wiederaufladung des Akkus während des Betriebs, wobei die Reichweite somit lediglich um 5–15% verlängert wird. Bedingt durch den enorm hohen Energieeintrag, der benötigt wird, um den Akku vollständig wieder aufzuladen kann hier der energetisch autonome Betrieb nicht erreicht werden. Daher muss der Akku für einen neuen Betriebszyklus an einem Standard-Stromanschluss wieder aufgeladen werden.
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Es wird eine Methode zur effektiven Umwandlung bzw. Rekuperation der Bremsenergie in potenzielle Energie und zur wirkungsvollen Abgabe der zurückgewonnen Energie zum Betreiben eines Hilfsantriebs gesucht. Der Fahrbetrieb soll energetisch autonom stattfinden, daher soll das Zurückgewinnen der vorhandenen Leistungskapazität vollständig im Fahrbetrieb erreicht werden.
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Ein Druckluftsystem erweist sich für diese Aufgabe aus folgenden Gründen als geeignet. Die Hohlräume des Fahrradrahmens sind als Druckluftspeicher einsetzbar, ohne dabei das Gewicht des Fahrrads maßgeblich zu erhöhen. Druckluftmotoren haben nicht nur eine hohe Leistungsdichte und können somit im Vergleich zum Elektromotor klein gebaut werden, sondern können in Ihrer Funktion umgekehrt und sowohl als Druckluftmotor, als auch als Verdichter betrieben werden. Ein gewichtsparendes System ist daher realisierbar.
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Mit einem Druckluftmotor als Hilfsantrieb kann jedoch die unterstützende Wirkung nicht für den kontinuierlichen Fahrbetrieb realisiert werden, wie es mit einem Elektro-Hilfsantrieb möglich ist, weil beim kontinuierlichen Fahrbetrieb meist hohe Durchschnittsgeschwindigkeiten mit langen Streckenabschnitten ohne Bremsung gefahren werden und die benötigte Druckluft-Speicherkapazität in diesem Fall auf Grund des großen Volumens nicht am Fahrrad verbaut werden könnte. Das Zurückgewinnen einer derart groß dimensionierten Speicherkapazität wäre dann ohnehin nicht zu realisieren. Deshalb wird die Funktion als Hilfsantrieb definitiv auf einen Teilbereich der Betriebsspanne begrenzt, nämlich hauptsächlich den Anfahrvorgang oder einen frei wählbaren Streckenabschnitt.
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Beim Anfahren wird ein hohes Drehmoment bei kleiner Fahrgeschwindigkeit benötigt. Ein Druckluftmotor zeichnet sich dadurch aus, dass er in genau diesem Teilbereich der Betriebsspanne effektiv zur Wirkung kommt, da der Luftdurchsatz und damit der Energieverbrauch annähernd linear mit steigender Drehzahl ausgehend vom Minimum zunimmt und im selben Vorgang das Drehmoment ausgehend vom Maximum abnimmt.
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Anders ausgedrückt unterstützt der Druckluftmotor beim Anfahren mit dem höchsten Drehmoment und gleichzeitig dem niedrigsten Druckluftverbrauch.
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Die Erfindung ist ein als Radnabe konstruierter pneumatischer Hilfsantrieb, der sowohl zum Antreiben des Fahrrads als auch zur Rückgewinnung der Bremsenergie durch Verdichten der Umgebungsluft genutzt wird. Eine im Inneren der Radnabe befindliche Zahnradkonstruktion, welche im Folgenden Zahnradmotor genannt wird, erfüllt die Funktionen Antreiben und Verdichten durch Umkehr der Luftzufuhr mit Hilfe von pneumatischen Wegeventilen. Ein Planetengetriebe erzeugt eine Untersetzung und verbindet den Zahnradmotor mit dem Nabengehäuse durch Beaufschlagung von pneumatisch betriebenen Zylindern mit Druckluft und Axialverschiebung des gesamten Planetengetriebes. Gelöst wird das Planetengetriebe vom Nabengehäuse durch die Umkehrwirkung der pneumatisch betriebenen Zylinder oder durch Federkraft. Die elektronische Steuerung der pneumatischen Wegeventile schaltet zwischen bestimmten Betriebsmodi durch manuelles oder automatisches Auslösen und mit Hilfe von Sensoren. Ein Gerät mit digitaler Anzeige informiert den Fahrer über den Betriebszustand und stellt gegebenenfalls Einstellmöglichkeiten bereit. Als Druckluftspeicher dienen die Hohlräume des Fahrradrahmens. Durch das angepasste Design des Rahmens soll dessen möglichst niedriges Eigengewicht und dabei gleichzeitig eine angemessen hohe Speicherkapazität, das optische Erscheinungsbild und die Sicherheit des Fahrers verstärkt berücksichtigt werden.
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Gegenüber Elektro-Hilfsantrieben kann die ganzheitliche Funktion des pneumatischen Hilfsantriebs stets energetisch autonom genutzt werden. Das heißt, dass der Zyklus der Energieaufnahme und Abgabe mehrfach bis zahlreich während des Fahrbetriebs stattfinden kann. Elektrofahrräder benötigen einen relativ schweren Akku als Energiespeicher. Ein Fahrrad mit dem erfindungsgemäßen pneumatischen Hilfsantrieb benötigt kein vergleichbares Äquivalent, wodurch Gewicht eingespart wird. Wird ein Teil der vorhandenen Speicherkapazität als Hochdruckspeicher ausgeführt und kann dieser nur durch eine externe Druckluftquelle aufgefüllt werden, so entsteht der Vorteil, dass der Auffüllvorgang des Hochdruckspeichers auf Grund der Prozesseigenschaften wesentlich weniger Zeit in Anspruch nimmt als das vergleichsweise zeitintensive Wiederaufladen eines elektrischen Akkus.
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Eine erste Ausführungsform des Ausführungsbeispiels wird in den 1 bis 5 dargestellt und im Folgenden beschrieben. In 1 sind zwei Außenansichten des Hilfsantriebs dargestellt. Aus der Seitenansicht rechts (1) werden die 2 und 3, aus der Vorderansicht (2) die 4 und 5 abgeleitet. Zur Vermeidung einer doppelten Namensgebung erhalten die Schnittansichten keine explizite Benennung. Als Verständnisgrundlage für das Ausführungsbeispiel dienen die Schutzansprüche, wodurch eine wiederholte inhaltliche Beschreibung der Erfindung vermieden werden soll.
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Die äußere Hülle des erfindungsgemäßen pneumatischen Hilfsantriebs ist ein einseitig mit einem Deckel 2 verschraubtes Nabengehäuse 1, an dessen einseitig außen hervorstehendem Außengewinde ein Schraubkranz mit integriertem Rücktrittfreilauf angeschraubt wird. Daher ist die Nabe für den Einbau in das Hinterrad und die Kombination mit einer handelsüblichen Kettenschaltung ausgelegt und nimmt in keiner Weise Einfluss auf den gewöhnlichen Fahrbetrieb. Gelagert wird das Nabengehäuse über zwei Schräg-Kugellager in O-Anordnung, welche in den eingepressten Lagerschalen 3 und 45 abwälzen.
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Das Innere der Nabe besteht aus zwei Funktionseinheiten, dem Zahnradmotor und dem Planetengetriebe. Der Zahnradmotor besteht hauptsächlich aus dem Zahnradgehäuse 4, den Deckeln 5 und 6, dem Loslagerzapfen 18, dem Festlagerzapfen 19, den drei Stirnrädern 14, den vier Lagerklemmblechen 29, den Schrägkugellagern 37, den Rillenkugellagern 38, den Festlagerringen 20, den Innensechskantschrauben 41 und 42, den Flachkopfschrauben 43 und dem Ritzel 16 als Bindeglied zum Planetengetriebe.
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Das Zahnradgehäuse 4 und die beiden Deckel 5 und 6 sind mit Innensechskantschrauben 42 verschraubt und mit Zylinderstiften 44 miteinander verstiftet, wodurch die Lagersitze unverschiebbar gefügt sind. Die Stirnräder 14 des Zahnradmotors sind beidseitig kugelgelagert. Die Festlager sind auf der Seite des Ritzels 16 angeordnet und als zweireihiges Schrägkugellager 37 ausgeführt, als Loslager werden Rillenkugellager 38 verwendet. Die Kugellager der beiden äußeren Stirnräder 14 werden jeweils mit einem geschraubten Lagerklemmblech 29 fixiert, die Kugellager des zentralen Stirnrades 14 mit entsprechenden Ringflächen des antriebsseitigen 11 und des getriebeseitigen Flansches 12. Die beiden äußeren Stirnräder 14 werden über getrennte Wellenteile, den Loslagerzapfen 18 und den Festlagerzapfen 19, gelagert. Das zentrale Stirnrad wird über das Ritzel 16 und ebenfalls einen Loslagerzapfen gelagert. Als Abstandhalter zwischen den Festlagern und den Stirnrädern dienen Festlagerringe 20. Die Zapfen bzw. das Ritzel sind jeweils mit einer Innensechskantschraube 41 verschraubt.
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In 5 wird die Führung der Luftkanäle des Zahnradmotors innerhalb der Nabe dargestellt und geht ferner aus dem zehnten Merkmal des ersten Patentanspruchs hervor. Auf Grund des Prinzips des Zahnradmotors gibt es zwei Luftführungskanäle pro Zahnradpaarung. Drei hintereinander im Eingriff stehende Stirnräder 14 des Zahnradmotors bilden zwei Zahnradpaarungen, da das zentrale Stirnrad ein Bestandteil beider Zahnradpaarungen ist. Daher gibt es insgesamt vier Luftführungskanäle des Zahnradmotors. Die Fortführung dieser Luftführungskanäle ist in zwei an die Planflächen des Gehäuses 4 des Zahnradmotors montierte Anschlussplatten 22 eingearbeitet, wobei die Anschlussstellen mit O-Ringen 31 abgedichtet sind. Die ausgangsseitigen Anschlussbohrungen in den Anschlussplatten sind achsgleich zu den Bohrungen im antriebsseitigen Flansch 11, wodurch die Luftführungsschläuche ohne Krümmung von außerhalb der Nabe in die Anschlussplatten montiert werden können.
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Das Planetengetriebe besteht im Wesentlichen aus dem Planetenträger 7, den drei Planetenrädern 15, den Planetenrad-Achsen 17, den Nadellagern 40, dem Hohlrad 8, der Hohlrad-Lagerschale 9, den Kugelringen 39, dem Klemmblech 28, den Sperrklinken 26, den Sperrklinken-Achsen 32, den Sperrklinken-Federn 33 und den Sicherungsringen 34.
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Die 2 zeigt das vom Kupplungsring 10 und damit vom Nabengehäuse 1 abgekoppelte Hohlrad 8 des Planetengetriebes. In dieser Schaltstellung wird das Getriebe durch die Kraft von pneumatisch betriebenen Zylindern, oder durch darin verbaute Spiralfedern gehalten, wobei zwei aneinander liegende Flächen des getriebeseitigen Flansches 12 und des Planetenträgers 7 den Endanschlag darstellen. Vorzugsweise werden Spiralfedern zum Halten dieser Schaltstellung eingesetzt, da somit bei Wegfall der Druckluftluftquelle eine Trennung des Planetengetriebes vom Nabengehäuse mit Sicherheit erfolgt.
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Die 3 zeigt das axial verschobene Planetengetriebe, wodurch das Hohlrad 8 über die Sperrklinken 26 mit dem Kupplungsring 10 und damit dem Nabengehäuse 1 in beide zueinander relative Drehrichtungen gekoppelt ist. Eingeleitet wird die Axialverschiebung durch das Beaufschlagen von zwei pneumatisch betriebenen Zylindern 35 mit Druckluft, wobei der innere Zylinderanschlag das Ende der Verschiebestrecke markiert. Die pneumatisch betriebenen Zylinder 35 werden über die Zylinderkonsole 23 und einen Wärmeisolator 24 an die Anschlussplatten 22 montiert. Ferner werden die Kolbenstangen der Zylinder über eine Kolbenstangen-Anschlussplatte 25 mit dem Planetenträger 7 fest verbunden und mit einer Kontermutter 36 fixiert. Auf dem Hohlrad 8 sind zwei jeweils zur Gegenseite des anderen Paares wirkende Sperrklinkenpaare angebracht, wodurch das Hohlrad 8 und der Kupplungsring 10 in beide zueinander relative Drehrichtungen gekoppelt werden. Die insgesamt vier Sperrklinken 26 sind auf einer mit einem Sicherungsring 34 fixierten Sperrklinken-Achse 32 gelagert und werden durch eine Sperrklinken-Feder 33 nach außen gedrückt. Beim Vorschieben des Planetengetriebes rasten die Sperrklinken des jeweils belasteten Sperrklinkenpaares in die Klinkenverzahnung des Kupplungsringes 10 ein. Beim Zurückschieben des Planetengetriebes gleiten alle Sperrklinken an einem konisch ausgebildeten Abschnitt des Kupplungsringes entlang und werden soweit an das Hohlrad 8 gedrückt, dass die Klinkenverzahnung des Kupplungsringes 10 nicht mehr zur Wirkung kommen kann.
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In 4 wird dargestellt, wie die rotationssymmetrisch angeordneten Schienen des getriebeseitigen Flansches 12 in drei entsprechende Nuten des Planetenträgers 7 eingreifen. Durch diese Geometrie und durch die zusätzliche Führung der zentralen Bohrung des Planetenträgers 7 auf einem Absatz des getriebeseitigen Flansches 12 ist der Planetenträger achsidentisch zur Nabenachse und entlang Dieser verschiebbar gelagert, was auch aus dem vierten Merkmal des ersten Patentanspruchs hervorgeht.
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Das Ritzel 16 ist im abgekoppelten Zustand nur mit einem Anteil der gesamten Zahnbreite mit den Planetenrädern 15 im Eingriff, was jedoch nicht zu einem einseitigen Verschleiß führt, da in dieser Schaltstellung kein Drehmoment übertragen wird.
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In der gekoppelten Schaltstellung ist das Ritzel mit der vollen Zahnbreite mit den Planetenrädern im Eingriff und erfährt beim Übertragen des Drehmomentes einen gleichmäßigen Verschleiß.
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Über den Abdichtring 21 und das Trennblech 27 wird das mit einem Schmiermittel versetzte Planetengetriebe vom Zahnradmotor räumlich getrennt, und dadurch die notwendige Schmiermittelmenge reduziert und Temperaturerhöhungen des Zahnradmotors besser vom Schmiermittel abgehalten. Die Drehmomentstütze 30 wird durch zwei passgenaue Schlüsselflächen in einer Vertiefung im antriebsseitigen Flansch 11 formschlüssig mit diesem gefügt. Der Gewindezapfen 13 wird auf die gleiche Weise, nur von der anderen Seite mit dem antriebsseitigen Flansch gefügt und zusätzlich durch eine Passung in diesem geführt. Die bauliche Trennung des antriebsseitigen Flansches 11 und des Gewindezapfens 13 wird auf Grund der günstigeren Fertigung vorgenommen.
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Bauartbedingt bleibt die Drehrichtung des Zahnradmotors und des Getriebes stets dieselbe. Es findet lediglich eine Lastumkehr auf alle Zahnräder statt. Im zweiten Schutzanspruch werden die drei Betriebsmodi beschrieben, von denen der Antriebs- und der Verdichtermodus jeweils ein Drehmoment übertragen. Beim Antriebsmodus ist die Ursache des Drehmomentes das träge Entgegenwirken des Rades gegen das Antriebsmoment des Zahnradmotors. Beim Verdichtermodus ist die Ursache des Drehmomentes das Entgegenwirken des Zahnradmotors gegen die kinetische Energie der transportierten Gesamtmasse, mit dem Bestreben, die entsprechende Raddrehzahl beizubehalten.
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Die pneumatischen Wegeventile zum Steuern der Einrichtung werden möglichst nah am antriebsseitigen Flansch positioniert, um möglichst kurze Luftleitungswege und damit einen geringen Druckverlust zu erzielen. Der Antriebsprozess und die Rekuperation werden entweder automatisch oder über eine Einrichtung am Lenker ausgelöst. Die Datenverbindung der am Lenker befindlichen Einrichtung mit der elektronischen Steuerung an den Wegeventilen kann per Funk oder per Kabel aufgebaut sein.
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Im Folgenden wird die in 6 dargestellte zweite Ausführungsform des Ausführungsbeispiels beschrieben, wobei die Schnittposition von 6 auf einer Ebene mit 5 liegt und folglich aus 1 abgeleitet wird. Der Zahnradmotor des Hilfsantriebs umfasst in der vorliegenden Ausführungsform nicht drei, sondern zwei miteinander im Eingriff stehende Stirnräder 14. Demnach gibt es hier nur eine Zahnradpaarung zur Erzeugung und Aufnahme eines Drehmomentes, wodurch nur zwei Luftführungskanäle des Zahnradmotors benötigt werden. Die im Vergleich zur ersten Ausführungsform geänderten Bauteile sind daher im Wesentlichen das Zahnradgehäuse 4, die Deckel 5 und 6, die Anschlussplatten 22 und der antriebsseitige Flansch 11, an dem zwei Luftleitungsbohrungen wegfallen. Das Stirnrad-Planetengetriebe bleibt unverändert. Die Vorteile dieser Ausführungsform sind eine Gewichtsersparnis gegenüber der ersten Ausführungsform und ein vereinfachtes pneumatisches Schaltbild mit anzahlmäßig weniger elektronisch gesteuerten Wegeventilen. Ein Nachteil ist, dass das Verdichten im Verdichtermodus theoretisch doppelt so viel Zeit in Anspruch nehmen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nabengehäuse
- 2
- Nabengehäuse-Deckel
- 3
- Lagerschale-Antriebsseite
- 4
- Zahnradgehäuse
- 5
- Zahnradgehäuse-Deckel1
- 6
- Zahnradgehäuse-Deckel2
- 7
- Planetenträger
- 8
- Hohlrad
- 9
- Hohlrad-Lagerschale
- 10
- Kupplungsring
- 11
- Flansch-Antriebsseite
- 12
- Flansch-Getriebeseite
- 13
- Gewindezapfen
- 14
- Stirnrad
- 15
- Planetenrad
- 16
- Ritzel
- 17
- Planetenrad-Achse
- 18
- Loslagerzapfen
- 19
- Festlagerzapfen
- 20
- Festlagerring
- 21
- Abdichtring
- 22
- Anschlussplatte
- 23
- Zylinderkonsole
- 24
- Wärmeisolator
- 25
- Kolbenstangen-Anschlussplatte
- 26
- Sperrklinke
- 27
- Trennblech
- 28
- Klemmblech
- 29
- Lagerklemmblech
- 30
- Drehmomentstütze
- 31
- O-Ring
- 32
- Sperrklinken-Achse
- 33
- Sperrklinken-Feder
- 34
- Sicherungsring
- 35
- Pneumatik-Zylinder
- 36
- Kontermutter
- 37
- 2-reihiges Schrägkugellager
- 38
- Rillenkugellager
- 39
- Kugelring
- 40
- Nadellager
- 41
- Innensechskantschraube
- 42
- Innensechskantschraube
- 43
- Flachkopfschraube
- 44
- Zylinderstift
- 45
- Lagerschale-Getriebeseite
