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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fahrradantrieb mit einer mehrstufigen Nabenschaltung. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Fahrrad mit einem derartigen Fahrradantrieb.
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Fahrräder verfügen gewöhnlich über Nabenschaltungen oder Kettenschaltungen. Der Fahrer wählt die entsprechende Gangstufung mittels eines Handschalters. In der Regel sind dies Drehschalter oder Schwenk- oder Kippschalter am Lenker.
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Aus
DE 202012001571 U1 ist ein Fahrradantrieb nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt geworden. Die Schalteinrichtung weist einen Arbeits-Servomotor sowie einen Verriegelungs-Servomotor auf. Ferner ist als Stellglied für die Betätigung eines Bowdenzugs der Nabenschaltung eine Zugscheibe vorgesehen, die um eine Drehachse dreht. Der Bowdenzug wird entlang einer Kreisbahn auf der Zugscheibe geführt. Microschalter sind an Kurvenbahnen von Getriebeteilen geführt.
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Aufgabe der Erfindung war es, einen Fahrradantrieb anzugeben, der einfacher aufgebaut ist.
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Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe durch den Fahrradantrieb gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Dadurch, dass die Schalteinrichtung einen Linearaktor aufweist, der einen Aktormotor und ein an den Aktormotor angeschlossenes Getriebe aufweist, wobei das Getriebe eingangsseitige Drehbewegungen in ausgangsseitige lineare Bewegungen eines Stellgliedes umwandelt, ergeben sich zahlreiche Vorteile. Linearaktoren bauen sehr kompakt. Das Stellglied des Getriebes ermöglicht lineare Stellbewegungen ohne weitere Umlenkung des Bowdenzugs. Das in der Hülle des Bowdenzugs angeordnete Zugseil kann entlang der Stellachse des Stellgliedes angeordnet sein. Der Aktormotor ist durch einen Elektromotor gebildet.
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Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist als Getriebe ein an sich bekannter Planetenwälzgewindetrieb vorgesehen, der eine auf einer Gewindespindel angeordnete Spindelmutter aufweist. In einem von der Gewindespindel und der Spindelmutter gebildeten Ringraum sind über den Umfang verteilt angeordnete Planeten vorgesehen. Die Planeten stehen in Wälzeingriff sowohl mit der Spindelmutter als auch mit der Gewindespindel. Die Planeten sind mit einem planetenseitigen Rillenprofil und die Spindelmutter ist mit einem mutterseitigen Rillenprofil versehen, wobei die Gewindespindel mit einem schraubenförmig um die Spindelachse gewundenen Gewinde versehen ist.
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Derartige Planetenwälzgewindetrieb ermöglichen eine sehr große Untersetzung einer eingangsseitigen Rotation einer Motorwelle in eine lineare Bewegung des Stellgliedes. Aus diesem Grund ist der Einsatz von sehr klein bauenden Elektromotoren möglich, die mit hohen Drehzahlen betrieben werden können. Die Elektromotore können zusammen mit dem Planetenwälzgewindetrieb den Linearaktor bilden.
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Das ausgangsseitig vorgesehene Stellglied des Linearaktors kann an einen Bowdenzug angeschlossen sein, der an der Mehrgangnabe angreift, um einen Gangwechsel durchzuführen. Das Zugseil des Bowdenzugs ist an dem Stellglied in üblicher Weise befestigt, wobei Stellbewegungen des Zugseils und des Stellglieds parallel erfolgen, ohne jede weitere Umlenkung des Zugseils. Vorzugsweise fallen die Achsen des Zugseils und der Stellachse des Stellglieds zusammen.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Schalteinrichtung eine manuell zu bedienende manuelle Schalteinheit sowie eine durch den Linearaktor gebildete elektromechanische Schalteinheit auf, wobei die manuelle Schalteinheit einen Bowdenzug zur Betätigung der Mehrgangnabe aufweist, und wobei die elektromechanische Schalteinheit einen Bowdenzug zum Schalten der Mehrgangnabe aufweist. Das Stellglied kann durch die Spindelmutter oder durch ein an der Spindelmutter befestigtes Maschinenteil gebildet sein. In diesem Fall ist die Gewindespindel an die Motorwelle angeschlossen und rotiert, während die Spindelmutter drehfest aber längsverschieblich angeordnet ist. Das Stellglied kann durch die Gewindespindel oder durch ein an der Gewindespindel befestigtes Maschinenteil gebildet sein. In diesem Fall ist die Spindelmutter an die Motorwelle angeschlossen und rotiert, während die Gewindespindel drehfest aber längsverschieblich angeordnet ist.
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Mit diesem Fahrradantrieb kann sowohl ein manuelles Schalten als auch ein automatisiertes Schalten der Mehrgangnabe erfolgen, wie weiter unten ausführlich beschrieben wird.
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Der Linearaktor dieser Variante kann ein Aktorgehäuse aufweisen, wobei das Stellglied zur Betätigung der Mehrgangnabe gegenüber dem Aktorgehäuse verschiebbar ist, und wobei der Bowdenzug der manuellen Schalteinheit an das Aktorgehäuse angeschlossen ist.
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An den Linearaktor kann eine Akkumulatoreinheit angeschlossen sein, wobei die Akkumulatoreinheit mit einer elektronischen Steuereinheit zum Steuern eines Schaltvorgangs des Linearaktors versehen sein kann. Beispielsweise kann die Schalteinrichtung einen elektrischen Schalter aufweisen, der vom Fahrer für einen gewünschten Gangwechsel geschaltet werden kann. Dieser Schalter kann mit mehreren Schaltpositionen – je nach Ausführung der Schalteinrichtung – versehen sein:
Es kann eine Automatik-Stellung vorgesehen sein, in der abhängig von der Trittfrequenz des Fahrers und der Drehmomentbelastung der Tretkurbelwelle die Steuerung den Linearaktor ansteuert und Schaltvorgänge auslöst;
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Es kann ein Raststufen-Abschnitt mit Raststufen für die Gänge vorgesehen sein, um manuell die Schalteinheit für einen gewünschten Gangwechsel zu bedienen.
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Eine bevorzugte erfindungsgemäße Weiterbildung sieht vor, dass der Linearaktor in einem Rahmenrohr des Fahrradrahmes untergebracht ist. Auf diese Weise ist der Linearaktor geschützt vor Witterungseinflüssen und außerdem sehr bauraumsparend eingesetzt. Der Linearaktor kann in einem den Sattel tragenden Sattelrohr oder in einem die Vorderradgabel aufnehmenden Steuerrohr untergebracht sein. Der Linearaktor kann mittels einer Befestigungseinrichtung lösbar an dem Rahmenrohr befestigt sein. Auf diese Weise ist der Linearaktor in Stellrichtung des Stellgliedes wahlweise arretierbar oder längsverschieblich angeordnet.
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Das Aktorgehäuse des Linearaktors kann längsverschieblich in dem Rahmenrohr angeordnet sein. Das kann zweckmäßig sein, wenn der Linearaktor zwischen zwei Bowdenzügen angeordnet ist, so dass die Zugkräfte des einen Bowdenzugs über den Linearaktor in den anderen Bowdenzug übertragen werden. Der eine Bowdenzug kann in diesem Fall einerseits an einem Aktorgehäuse und andererseits an der manuellen Schalteinheit angeschlossen sein. Der andere Bowdenzug kann einerseits an dem Stellglied des Linearaktors und andererseits bspw an einem Schaltstift der Mehrgangnabe angeschlossen sein. Diese Anordnung ermöglicht wahlweise einen Automatik-Betrieb und einen manuellen Betrieb. Wenn die manuelle Schalteinheit in Automatik-Stellung geschaltet ist, wird der Linearaktor über die elektronische Steuerung betätigt.
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In dieser Automatik-Stellung ist der Linearaktor über den einen an der manuellen Schalteinheit angeschlossenen Bowdenzug ortsfest gehalten, wobei lediglich unter Betätigung des Linearaktors das Stellglied für die automatisierte Schaltung der Mehrgangnabe verlagert wird.
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In dem Raststufen-Abschnitt ist die elektromechanische Schalteinheit ausgeschaltet und der gesamte Linearaktor wird mit den beidseits angeschlossenen Bowdenzügen zum manuellen Schalten der Mehrgangnabe bewegt.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von zwei in insgesamt drei Figuren abgebildeten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Fahrrad mit einem ersten erfindungsgemäßen Fahrradantrieb,
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2 ein Fahrrad mit einem zweiten erfindungsgemäßen Fahrradantrieb, und
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3 einen Linearaktor des ersten und des zweiten erfindungsgemäßen Fahrradantriebes.
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1 zeigt ausschnittsweise ein Fahrrad mit Diamantrahmen, das mit einem ersten erfindungsgemäßen Fahrradantrieb versehen ist. Dieser Fahrradantrieb weist eine mehrstufige Nabenschaltung mit einer herkömmlichen Mehrgangnabe 1 auf. Die Mehrgangnabe ist in ein Hinterrad 2 des Fahrrads eingebaut. An den Diamantrahmen ist ein Hilfskraftmotor 3 angebaut, der das Hinterrad 2 antreibt.
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Eine Kette 4 umschlingt ein auf einer Tretkurbelwelle 5 angeordnetes Kettenblatt 6 und ein Nabenritzel 7 der Mehrgangnabe 1. Die Tretkurbelwelle 5 ist in bekannter Weise mit Tretkurbeln 8 versehen. Ein nicht abgebildeter Drehmomentsensor erfasst ein an der Tretkurbelwelle 5 anliegendes Drehmoment. Ein nicht abgebildeter Trittfrequenzsensor erfasst eine Drehzahl der Tretkurbelwelle 5, wobei der Drehmomentsensor und der Trittfrequenzsensor beide an eine elektronische Steuereinheit 19 angeschlossen sind.
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Die mehrstufige Nabenschaltung weist eine Schalteinrichtung 9 auf, die eine nicht abgebildete, manuell zu bedienende manuelle Schalteinheit aufweist, die in herkömmlicher Weise als Drehgriff-Schalter am Fahrrad-Lenker ausgeführt ist. Diese manuelle Schalteinheit weist einen ersten Bowdenzug 10 auf, der einerseits an den nicht abgebildeten Drehschalter oder Drehgriff und andererseits an einen Linearaktor 11 angeschlossen ist. Der Bowdenzug 10 ist durch ein Oberrohr 12 des Diamantrahmens durchgeführt und im Bereich des nicht abgebildeten Steuerrohrs wieder herausgeführt.
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Der Linearaktor 11 ist Bestandteil einer elektromechanischen Schalteinheit 13, die einen zweiten Bowdenzug 14 zum Schalten der Mehrgangnabe 1 aufweist. Der zweite Bowdenzug 14 ist einerseits an ein Stellglied 15 des Linearaktors 11 und anderseits an einen nicht weiter abgebildeten Schaltstift der Mehrgangnabe 1 angeschlossen. Der zweite Bowdenzug 14 ist über Umlenkrollen 14a vom Sitzrohr 17 zu einer Kettenstrebe des Fahrradrahmens geführt.
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An einem einen Sattel 16 tragenden Sitzrohr 17 des Diamantrahmens ist eine Akkumulatoreinheit 18 gehaltert, die sowohl den Hilfskraftmotor 3 als auch den Linearaktor 11 bestromt. Die Akkumulatoreinheit 18 umfasst ferner eine nicht abgebildete elektronische Steuereinheit 19, die sowohl den Hilfskraftmotor 3 als auch den Linearaktor 11 ansteuert.
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Der Linearaktor 11 und eine Teillänge des zweiten Bowdenzugs 14 sind in dem Sitzrohr 17 untergebracht. Der erste Bowdenzug 10 ist an einem Aktorgehäuse 20 des Linearaktors 11 befestigt; das Stellglied 15 ist gegenüber dem Aktorgehäuse 20 linear verschieblich angeordnet. Der Linearaktor 11 als Ganzes ist in dem Sitzrohr 17 längsverschieblich angeordnet.
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3 zeigt den Linearaktor 11 in einem Längsschnitt. Der Linearaktor 11 besteht im Wesentlichen aus einem Elektromotor 21, der auch als Aktormotor 21a bezeichnet werden kann, einem Planetenwälzgewindetrieb 22, dem Stellglied 15 und dem Aktorgehäuse 20, in dem der durch einen Elektromotor 21 gebildete Aktormotor 21a und der Planetenwälzgewindetrieb 22 untergebracht sind.
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Der Planetenwälzgewindetrieb 22 weist eine auf einer Gewindespindel 23 angeordnete Spindelmutter 24 auf. In einem von der Gewindespindel 23 und der Spindelmutter 24 gebildeten Ringraum 25 sind über den Umfang verteilt angeordnete Planeten 26 in Wälzeingriff sowohl mit der Spindelmutter 26 als auch mit der Gewindespindel 23. Die Planeten 26 sind mit einem planetenseitigen Rillenprofil 27 und die Spindelmutter 24 mit einem mutterseitigen Rillenprofil 28 versehen. Die Gewindespindel 23 ist mit einem schraubenförmig um die Spindelachse gewundenen Gewinde 29 versehen. Die Gewindespindel 23 ist drehfest mit einer Motorwelle 30 des in dem Aktorgehäuse 20 gehalterten Elektromotors 21 verbunden. Die Spindelmutter 24 ist drehfest und axialverschieblich in dem Aktorgehäuse 20 angeordnet. Das rohrförmig ausgebildete Stellglied 15 ist an der Spindelmutter 24 befestigt. Die Gewindespindel 23 ist über ein Rillenkugellager 31 in dem Aktorgehäuse 20 drehbar gelagert.
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Unter Rotation der Gewindespindel 23 wälzen die Planeten 27 an der Gewindespindel 23 und an der Spindelmutter 24 ab. Die Planeten 27 rotieren um ihre Planetenachse und rotieren um die Spindelachse herum. Mit einem derartigen Planetenwälzgewindetrieb 22 können sehr große Untersetzungen realisiert werden, die ein einwandfreies Betätigen des Bowdenzugs zum Durchführen eines Gangwechsels ermöglichen.
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Im Aktorgehäuse 20 ist ein Linearmaßstab 33 enthalten, der als Leitpotenziometer ausgeführt sein kann. In der Spindelmutter 24 befindet sich ein Kontaktstück 34, das den als Potenziometerstreifen 35 ausgebildeten Linearmaßstab 33 kontaktiert. Als Linearsensor ist aber jedes andere physikalische Meßprinzip wie z.B. magnetoresistiv, magnetostriktiv, kapazitiv oder induktiv denkbar.
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Unter Stellbewegungen des Stellgliedes 15 fährt das Kontaktstück 34 entlang dem Potenziometerstreifen 35, über den einwandfrei die Lage des Stellgliedes 15 im Aktorgehäuse 20 ermittelt wird. Für die Durchführung eines Gangwechsels verfährt das Stellglied solange, bis eine über die elektronische Steuereinheit 19 vorgegebene Position des Kontaktstücks 34 auf dem Potentiometerstreifen erreicht ist.
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Eine manuelle Betätigung der Mehrgangnabe 1 kann erwünscht sein, wenn beispielsweise die Akkumulatoreinheit nicht mehr ausreichend geladen ist. Der nicht abgebildete Drehschalter am Lenkrad kann in einen Bereich gedreht werden, in dem as Schalten von Hand einwandfrei möglich ist. Im manuellen Betrieb wird der Linearaktor als Ganzes im Sitzrohr bewegt und dient als starres Verbindungsstück der beiden Bowdenzüge 10 und 14.
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Im Automatikbetrieb kann der Handschalter auf eine bestimmte Position gestellt werden, was entweder dem höchsten oder niedrigsten Gang entsprechen kann. Die Seillänge wird durch den Aktor vergrößert oder verkleinert und dadurch die entsprechende Schaltstufe eingestellt.
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In dieser Situation bleibt das zylindrische Aktorgehäuse 20 des Linearaktors in dem Sitzrohr 17 arretiert. Die Arretierung kann durch den Bowdenzug 10 ermöglicht werden, der im Automatikbetrieb nicht betätigt wird. Alternativ kann der Linearaktor auch mittels einer Befestigungsschraube im Sitzrohr 17 befestigt werden. Diese Befestigungsschraube kann durch die Wandung des Sitzrohrs 17 durchgeführt sein und den Linearaktor festklemmen.
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Über den Trittfrequenzsensor und den Drehmomentsensor können in der elektronischen Steuereinheit 19 definierte Schaltpunkte definiert werden, die einen Schaltvorgang des Linearaktors 11 auslösen. Wenn beispielsweise der Fahrer mit einer hohen Trittfrequenz tritt, kann automatisch ein anderer Gang geschaltet werden, so dass die Geschwindigkeit des Fahrrades bei reduzierter Trittfrequenz beibehalten werden kann. Wenn das erfasste Drehmoment eingestellte Grenzwerte überschreitet, kann ebenfalls ein Gangwechsel automatisch vorgenommen werden, so dass bei gleicher Geschwindigkeit eine niedrigere Drehmomentbelastung anliegt.
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Die elektronische Steuereinheit betätigt zunächst den Hilfskraftmotor 3 in der Weise, dass die Bestromung reduziert oder sogar stromlos gestellt wird. Falls der Fahrer noch mit Trittleistung die Tretkurbeln beaufschlagt, kann eine Bremse oder ein Freilauf vorgesehen werden, die ein Übertragen der Trittleistung zum Nabenritzel verhindern. Auf diese Weise kann die Mehrgangnabe 1 während des eigentlichen Schaltvorgangs entlastet werden. Nun wird über die elektronische Steuereinheit 19 der Linearaktor 11 angesteuert und bestromt. Unter Betätigung des Aktormotors 21 wird das Stellglied linear in Richtung des Bowdenzugs 14 verlagert, so dass der Bowdenzug 14 die Mehrgangnabe 1 betätigt und einen Gangwechsel bewirkt.
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Es ist auch denkbar den Linearaktor 11 nicht automatisch über die elektronische Steuereinheit 19 anzusteuern, sondern die Schaltvorgänge manuell auszulösen und über den Linearaktor ausführen zu lassen: Wenn der Fahrer einen Gangwechsel wünscht, kann er einen am Drehschalter angebrachten elektrischen Schalter betätigen, der bspw aus einer Mittelstellung heraus unter gegenläufiger Drehbewegung ausgelenkt werden kann und einen elektrischen Kontakt schließt. Die elektronische Steuereinheit 19 betätigt nun den Hilfskraftmotor 3 in der Weise, dass die Bestromung reduziert oder sogar stromlos gestellt wird. Falls der Fahrer noch mit Trittleistung die Tretkurbeln beaufschlagt, kann eine Bremse oder ein Freilauf vorgesehen werden, die ein Übertragen der Trittleistung zum Nabenritzel verhindern. Nun wird über die elektronische Steuereinheit 19 der Linearaktor 11 angesteuert und bestromt. Unter Betätigung des Aktormotors 21 wird das Stellglied linear in Richtung des Bowdenzugs 14 verlagert, so dass der Bowdenzug 14 die Mehrgangnabe 1 betätigt und einen Gangwechsel bewirkt.
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3 zeigt eine weitere Variante der Erfindung, die sich von dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass der erste Bowdenzug 10 entfallen ist, so dass eine manuelle Betätigung der Mehrgangnabe 1 in herkömmlicher Weise entfällt. Der Linearaktor 11 ist in dem Sitzrohr 17 befestigt. Zur Befestigung kann eine Schraube durch die Wandung des Sitzrohrs 17 durchgeschraubt sein, die den Linearaktor im Sitzrohr 17 festklemmt. Der oben beschriebene Fahrradantrieb ist erfindungsgemäß auch für Fahrräder ohne Hilfskraftantrieb vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012001571 U1 [0003]
