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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Gangschaltung für ein Fahrrad, umfassend ein Wechselgetriebe und einen elektromechanischen Aktor zum Auslösen eines Gangwechsels des Wechselgetriebes.
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Hintergrund der Erfindung
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Fahrräder sind zumeist mit einer Gangschaltung ausgerüstet, die ein Wechselgetriebe umfasst, das üblicherweise entweder als Nabenschaltung oder als Kettenschaltung ausgebildet ist. Der Fahrer wählt die entsprechende Gangstufe mittels eines Handschalters, der z. B. als am Lenker angebrachter Drehschalter ausgebildet sein kann. Dieser Schalter ist mittels eines Seilzugs mit dem Wechselgetriebe verbunden.
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Eine elektromechanische Gangschaltung für ein Fahrrad ist aus der
DE 41 28 866 A1 bekannt. Diese Gangschaltung umfasst einen Bedienschalter, ein Getriebe, beispielsweise eine Getriebenabe oder eine Kettenschaltung, und eine elektromechanische Verstellvorrichtung. Die Verstellvorrichtung ist mit einem Seilzug gekoppelt, so dass durch eine Verschiebung der Verstellvorrichtung das Getriebe geschaltet werden kann.
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Herkömmliche Gangschaltungen für ein Fahrrad können jederzeit geschaltet werden, insbesondere auch unter Last, das heißt, wenn das vom Fahrer auf die Tretkurbeln übertragene Drehmoment maximal ist. Sowohl bei Nabenschaltungen als auch bei Kettenschaltungen tritt allerdings erhöhter Verschleiß auf, wenn sie bei hoher Belastung geschaltet werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gangschaltung für ein Fahrrad anzugeben, bei deren Betätigung das Getriebe geschont wird und durch die der Fahrer entlastet wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Zur Lesung dieser Aufgabe ist bei einer Gangschaltung für ein Fahrrad der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Gangschaltung einen Tretsensor zum Erfassen der Position einer Tretkurbel aufweist, sowie eine Steuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Aktor dann zu aktivieren, wenn sich die Tretkurbel in der Nähe ihres unteren oder oberen Totpunkts befindet.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass ein mechanischer Schaltvorgang erst dann ausgelöst wird, wenn sich die Tretkurbel in einer dafür günstigen Position befindet. Eine günstige Position liegt dann vor, wenn das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment minimal ist, das heißt wenn sich eine Tretkurbel in der Nähe ihres unteren oder oberen Totpunkts befindet, vorzugsweise kurz davor. Dazu weist die Gangschaltung erfindungsgemäß wenigstens einen Tretsensor auf, um die Position der Tretkurbel zu erfassen. Mittels des Tretsensors kann der Zeitpunkt detektiert werden, an dem sich die Tretkurbel an einem bestimmten Punkt befindet. Aus diesem Sensorsignal kann der Zeitpunkt bestimmt werden, an dem sich die Tretkurbel an ihrem oberen oder unteren Totpunkt befindet. Die Steuerungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Gangschaltung ist so ausgebildet, dass der Schaltvorgang genau dann ausgelost wird, wenn sich die Tretkurbel an ihrem oberen oder unteren Totpunkt oder kurz davor befindet. Ein Schaltvorgang benötigt etwas Zeit, um den Schaltweg von einer Gangstufe in eine andere Gangstufe zu vollziehen. Diese sogenannte Totzeit kann durch Vorhalten anhand des Signals des Tretsensors erfolgen, so dass der Gangwechsel exakt im oberen oder unteren Totpunkt so erfolgt, während allenfalls eine geringe Last anliegt, wodurch das Getriebe geschont wird.
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Vorzugsweise ist der Tretsensor auch zum Messen des vom Fahrer aufgebrachten Drehmoments ausgebildet und die Gangschaltung weist einen Geschwindigkeitssensor auf, wobei die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Zeitpunkt der Aktivierung des Aktors anhand des erfassten Drehmoments und/oder der erfassten Geschwindigkeit festzulegen. Die erfindungsgemäße Gangschaltung zeichnet sich somit dadurch aus, dass sie automatisch schaltet, wobei die Aktivierung des Aktors zu einem günstigen Zeitpunkt erfolgt, sodass der Schaltvorgang kurz vor einem Totpunkt der Tretkurbelumdrehung erfolgt, um das Wechselgetriebe zu schonen.
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Erfindungsgemäß kann es auch vorgesehen sein, dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Schaltvorgang auszulösen, wenn sich die Tretkurbel 20°, vorzugsweise 10°, vor dem unteren oder oberen Totpunkt befindet. Innerhalb dieser Winkelbereiche ist das vom Fahrer aufgewendete Drehmoment vergleichsweise gering, so dass es zur Schonung des Getriebes zweckmäßig ist, den Schaltvorgang währenddessen auszulösen.
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Der bei der erfindungsgemäßen Gangschaltung vorgesehene Aktor kann vorzugsweise als Linearaktor ausgebildet sein, insbesondere als Planetenwälzgewindetrieb oder als Kugelgewindetrieb oder als Gleitspindel. Generell sind alle Linearaktoren geeignet, die einen elektrischen Antrieb aufweisen und sich durch einen geringen Bauraum und eine geringe Masse auszeichnen, so dass sie für den Ein- oder Anbau an einem Fahrrad geeignet sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Gangschaltung kann es vorgesehen sein, dass der Aktor im Inneren eines Rahmenrohrs, insbesondere im Sattelrohr oder in einer Kettenstrebe des Fahrrads, angeordnet ist. Durch den geschützten Einbau ergibt sich eine besonders lange Lebensdauer, da der Aktor dann vor Witterungseinflüssen geschützt ist. Das entsprechende Rohr, in dem der Aktor angeordnet ist, kann eine Bohrung aufweisen, durch die ein Seilzug geführt ist, der wiederum mit einer Komponente des Getriebes verbunden ist, um einen Schaltvorgang auszulösen. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Aktor, insbesondere ein bewegbarer Teil des Aktors, einen Positionssensor aufweist, der vorzugsweise als Linearmaßstab ausgebildet ist. Der Linearmaßstab kann auch als Leitpotentiometer ausgebildet sein, so dass ein Positionssignal durch die Messung eines elektrischen Widerstands erfasst werden kann. Alternativ kommen jedoch auch andere physikalische Messprinzipien in Frage, um ein Positionssignal zu erfassen, die Erfassung kann beispielsweise magnetoresistiv, magnetostriktiv, kapazitiv oder induktiv erfolgen.
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Bei der erfindungsgemäßen Gangschaltung wird es bevorzugt, dass sie einen Energiespeicher wie einen Akku oder eine Batterie oder einen Kondensator aufweist, um den Aktor mit Strom zu versorgen. Gegebenenfalls kann der Energiespeicher an einer geschützten Stelle untergebracht sein, beispielsweise in einem Rahmenrohr.
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Alternativ kann der Aktor bei der erfindungsgemäßen Gangschaltung mit einem Dynamo eines Fahrrads verbindbar oder verbunden sein. Bei dieser Ausgestaltung erhält der Aktor die für den Betrieb erforderliche Energie von dem Dynamo.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 den qualitativen Verlauf des Drehmoments;
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2 die wesentlichen Komponenten eines Fahrrads mit einer erfindungsgemäßen Gangschaltung; und
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3 einen Aktor einer erfindungsgemäßen Gangschaltung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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1 ist ein Diagramm, das qualitativ den Verlauf des Drehmoments zeigt, wenn die Tretkurbel durch den Fahrer bewegt wird. Auf der senkrechten Achse ist dabei qualitativ das Drehmoment oder Trittmoment aufgetragen, auf der horizontalen Achse sind der von einer Tretkurbel zurückgelegte Weg und verschiedene Pedalstellungen dargestellt.
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In 1 erkennt man, dass das mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Drehmoment oder Trittmoment im Wesentlichen einen sinusförmigen Verlauf besitzt, das höchste Drehmoment wird dann erreicht, wenn sich die Pedale in horizontaler Position befinden. In diesem Zustand kann die vom Fahrer aufgebrachte Kraft näherungsweise senkrecht auf die Tretkurbel wirken, dementsprechend ist das Drehmoment in diesem Zeitpunkt maximal. Bei einer Kurbelumdrehung tritt dieses Maximum zweimal auf, die beiden Maxima sind um 180° zueinander versetzt. Zwischen den zwei Maxima existiert eine Position, in der die Tretkurbeln senkrecht stehen, in dieser Situation ist das übertragene Drehmoment minimal. An diesem Punkt 2 wird der Schaltvorgang durch eine Steuerungseinrichtung ausgelöst, da dann das auf das Wechselgetriebe ausgeübte Drehmoment minimal ist. Dementsprechend kann auf diese Weise der durch Schaltvorgänge bedingte Verschleiß minimiert werden, wodurch sich die Lebensdauer des Wechselgetriebes erhöht.
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2 zeigt die wesentlichen Komponenten eines Fahrrads 3, das mit einer Gangschaltung ausgerüstet ist. Die Gangschaltung umfasst ein Wechselgetriebe, das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Getriebenabe 4 ausgebildet ist. Die Getriebenabe umfasst ein Planetengetriebe, das mittels eines Seilzugs geschaltet wird.
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Eine Steuerungseinrichtung 8, die zum Steuern eines elektromechanischen Aktors 9 ausgebildet ist, ist mit einem Tretsensor 15 und einem am Fahrradrahmen angebrachten Geschwindigkeitssensor 6 verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Geschwindigkeitssignal auch aus einem Dynamostrom oder dem Signal eines GPS-Sensors abgeleitet werden.
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Der Aktor 9 wird später anhand der 3 im Detail beschrieben. In 2 erkennt man, dass sich der Aktor 9 im Inneren des Sattelrohrs 10 befindet, er weist die Grundform eines Zylinders auf. Der Seilzug 5 verläuft entlang der Kettenstrebe 11, passiert eine Umlenkstelle 12 und gelangt von dort durch eine Öffnung 13 des Sattelrohrs 10 in das Innere des Sattelrohrs zum Aktor 9. Durch eine Betätigung des Aktors 9 kann somit der Seilzug 5 gezogen werden, wodurch ein Schaltvorang der Getriebenabe 4 ausgelöst wird. Wenn durch den Aktor 9 eine Zugkraft auf den Seilzug 5 ausgeübt wird, wird eine im Inneren der Getriebenabe 4 angeordnete Feder gespannt, die bei nachlassender Zugkraft, das heißt wenn der Aktor 9 so betätigt wird, dass der Seilzug 5 nachgelassen wird, diesen wieder zurück zur Getriebenabe 4 zieht.
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Im Bereich des Tretlagers 14 des Fahrrads 3 ist der Tretsensor 15 angeordnet, der ein Sensorsignal liefert, wenn die Tretkurbel 16 den Tretsensor 15 passiert. Bei jeder Umdrehung der Tretkurbel 16 passiert diese den Tretsensor 15, so dass der obere Totpunkt der Tretkurbel 16 exakt detektiert werden kann. Auf diese Weise ist die Länge der Totzeit und der Zeitpunkt zum Vorhalten der Totzeit und zum Auslösen des Aktors 9 bestimmbar.
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Wenn die Steuerungseinrichtung 8 einen Schaltvorgang auslöst, wird das Schaltsignal über die Leitung 7 an die Steuerungseinrichtung 8 übertragen. Daneben wird der Steuerungseinrichtung 8 auch das von dem Tretsensor 15 gelieferte Signal zugeführt. Die Steuerungseinrichtung 8 ist so ausgebildet, dass sie einen Schaltvorgang durch Betätigen des Aktors 9 dann auslöst, wenn sich die Tretkurbel kurz vor ihrem oberen Totpunkt oder in der Nähe ihres oberen Totpunkts befindet. Da der untere Totpunkt der Tretkurbel 16 dem oberen Totpunkt um 180° gegenüberliegt, kann die Steuerungseinrichtung 8 auch dann einen Schaltvorgang auslösen, wenn sich die Tretkurbel 16 an ihrem unteren Totpunkt befindet.
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Es ist nicht erforderlich, dass der Schaftvorgang exakt im oberen oder unteren Totpunkt einer Tretkurbel ausgelöst wird, ein Schaltvorgang kann auch innerhalb eines Bereichs von ± 20°, vorzugsweise ± 10° um einen Totpunkt herum ausgelöst werden. Vorzugsweise erfolgt die Auslösung kurz vor dem Erreichen eines Totpunkts.
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3 zeigt den Aktor 9 einer Gangschaltung. Der in dem Sattelrohr 10 angeordnete Aktor 9 umfasst einen Elektromotor 30, der über Leitungen 17, 18 mit einem Dynamo des Fahrrads 3 verbunden ist. Ein Kondensator 19 (Supercap) dient als zusätzlicher Energiespeicher oder Energiepuffer. Auf einer Platine 20 befindet sich neben dem Kondensator 19 die Steuerungseinrichtung 8 sowie gegebenenfalls weitere elektronische Bauteile, die für die Steuerung benötigt werden. Der Elektromotor 30 weist ein Untersetzungsgetriebe 21 auf, durch das eine Spindel 22 angetrieben wird. Die Spindel 22 ist mittels eines Wälzlagers 23 gelagert. Mittels der Spindel 22 wird eine durch den Elektromotor 30 ausgelöste Drehbewegung in eine Linearbewegung einer Mutter 24 umgewandelt. Die Spindel 22 weist dazu eine oder mehrere Gewinderillen auf, die in Eingriff mit entsprechend gegengleich ausgebildeten Gewinderillen der Mutter 24 sind. Wenn der Elektromotor 30 durch ein Signal der Steuerungseinrichtung 8 eingeschaltet wird, wird die Spindel 22 gedreht, wodurch die Mutter 24 und ein bewegbarer Teil 25 des Aktors 9, an dessen Ende der Seilzug 5 angebracht ist, linear verschoben wird, in der Ansicht von 3 nach rechts oder links. Auf diese Weise kann das an dem bewegbaren Teil 25 des Aktors 9 angebrachte Ende des Seils 5 entlang des Sattelrohrs 10 bewegt werden. Dementsprechend kann durch Betätigen des Aktors 9 ein Schaltvorgang der Getriebenabe 4 ausgelöst werden.
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An dem Sattelrohr 10 ist eine quer angeordnete Schraube 26 angeordnet, durch die der Aktor 9 fest mit dem Sattelrohr 10 verbunden wird.
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An einem ortsfesten Abschnitt eines Aktorgehäuses 27 ist an der Innenseite ein Linearmaßstab 28 vorgesehen, der als Leitpotentiometer ausgebildet ist. An der verschiebbaren Mutter 24 befindet sich ein Kontaktstück 29, das den als Potentiometer dienenden Linearmallstab 28 berührt. Das entsprechende Potentiometersignal wird der Steuerungseinrichtung 8 zugeführt und dient als Positionssignal der Mutter 24. Auf diese Weise kann die aktuelle Position der Mutter 24 und damit die Position des Endes des Seilzugs 5 jederzeit erfasst werden.
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Von der Steuerungseinrichtung 8 werden das von dem Tretsensor 15 gelieferte Sensorsignal und das von dem Geschwindigkeitssensor 6 gelieferte Geschwindigkeitssignal ausgewertet. Das von dem Tretsensor 15 gelieferte Sensorsignal liefert auch eine Information über das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment. Wenn sich die Tretkurbel 16 ihrem oberen oder unteren Totpunkt nähert, wird von der Steuerungseinrichtung 8 der Aktor 9 aktiviert, so dass durch eine Drehung der Spindel 22 die Mutter 24 verschoben wird. Bei einer Verschiebung der Mutter 24 in der in 3 gezeigten Ansicht nach links wird der Seilzug 5 gespannt, das heißt das entgegengesetzte, an der Getriebenabe 4 angebrachte Ende des Seilzugs 5 wird gezogen, wodurch der gewünschte Schaltvorgang ausgelöst wird. Durch die zeitliche Koordination mit der Trittfrequenz ist sichergestellt, dass ein Schaltvorgang nur dann durchgeführt wird, wenn das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment minimal ist, wodurch die Getriebenabe 4 geschont wird.
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Die Gangschaltung und der Aktor 9 können sowohl bei herkömmlichen Fahrrädern, die keinen Zusatzantrieb aufweisen, als auch bei E-Bikes und bei sogenannten Pedelecs, Fahrrädern mit elektrischem Hilfsantrieb, eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehmoment
- 2
- Punkt
- 3
- Fahrrad
- 4
- Getriebenabe
- 5
- Seilzug
- 6
- Geschwindigkeitssensor
- 7
- Leitung
- 8
- Steuerungseinrichtung
- 9
- Aktor
- 10
- Sattelrohr
- 11
- Kettenstrebe
- 12
- Umlenkstelle
- 13
- Öffnung
- 14
- Tretlager
- 15
- Tretsensor
- 16
- Tretkurbel
- 17
- Leitung
- 18
- Leitung
- 19
- Kondensator
- 20
- Platine
- 21
- Untersetzungsgetriebe
- 22
- Spindel
- 23
- Wälzlager
- 24
- Mutter
- 25
- Teil
- 26
- Schraube
- 27
- Aktorgehäuse
- 28
- Linearmaßstab
- 29
- Kontaktstück
- 30
- Elektromotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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