DE102014117140B3

DE102014117140B3 - Antriebsanordnung für ein Fahrrad

Info

Publication number: DE102014117140B3
Application number: DE102014117140.3A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2034-11-25

Abstract

Beschrieben und dargestellt wird eine Antriebsanordnung für ein Fahrrad, mit einem Kurbelantrieb, der eine Antriebskraft von einem kurbelantriebsnahen Kettenblatt auf ein hinterradnahes Ritzel mittels eines endlos umlaufenden Zugmittels, wie Kette oder Zahnriemen, überträgt ein Hinterrad des Fahrrades zur Fortbewegung in Rotation versetzt, mit einer ersten Übersetzung zwischen dem Kettenblatt und dem Ritzel, welche ausschließlich ein Übersetzungsverhältnis von i < 1 aufweist und mit einem insbesondere stufenlos schaltbaren Hauptgetriebe, welches am Hinterrad angeordnet ist und eine Übersetzung der vom Ritzel aus auf das Hinterrad wirkenden Antriebskraft ermöglicht, mit einer zweiten Übersetzung, welche ausschließlich durch das Hauptgetriebe realisiert wird, wobei die zweite, ausschließlich durch das Hauptgetriebe realisierte Übersetzung ausschließlich Übersetzungsverhältnisse von i > 1 realisiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebsanordnung für ein Fahrrad, mit einem Kurbelantrieb, der eine Antriebskraft von einem kurbelantriebsnahen Kettenblatt auf ein hinterradnahes Ritzel mittels eines endlos umlaufenden Zugmittels, wie Kette oder Zahnriemen, überträgt und ein Hinterrad des Fahrrades zur Fortbewegung in Rotation versetzt, mit einer ersten Übersetzung zwischen dem Kettenblatt und dem Ritzel, welche ausschließlich ein Übersetzungsverhältnis von i < 1 aufweist und mit einem insbesondere stufenlos schaltbaren Hauptgetriebe, welches am Hinterrad angeordnet ist und eine Übersetzung der vom Ritzel aus auf das Hinterrad wirkenden Antriebskraft ermöglicht, mit einer zweiten Übersetzung, welche ausschließlich durch das Hauptgetriebe realisiert wird.
Aus dem alltäglichen Gebrauch sind Getriebe für Fahrräder, die sich gestuft schalten lassen, in im Wesentlichen zwei unterschiedlichen Bauformen bekannt. Es existiert zunächst die sogenannte Nabenschaltung, bei welcher die Getriebebauteile in der Radnabe des Hinterrades eines Fahrrades angeordnet sind. Daneben existiert die sogenannte Kettenschaltung, bei welcher am Hinterrad mehrere Zahnräder – die sogenannten Ritzel – mit unterschiedlicher Zahnanzahl und unterschiedlichem Außenumfang angeordnet sind. Über eine Mechanik lässt sich die Kette je nach gewünschtem Übersetzungsverhältnis über eines der Ritzel führen.
Mit dem Aufkommen von Fahrrädern mit insbesondere elektrischem Hilfsantrieb, den sogenannten Pedelecs, haben stufenlos schaltbare Fahrradgetriebe an Bedeutung gewonnen. Ein solches Fahrradgetriebe ist beispielsweise in DE 10 2012 022 953 A1 offenbart. Auf einer starren Achse ist ein Ritzel angeordnet, über welches die Vortriebskraft in das Getriebe eingeleitet wird. Über ein innerhalb eines Getriebegehäuses angeordnetes Doppelkegel-Ring-Getriebe und ein diesem Reibgetriebe nachgeordnetes Zahnrad-Planetengetriebe wird das als Radnabe dienende Getriebegehäuse in Rotation versetzt.
Bei Fahrrädern im Allgemeinen, auch bei der Unterkategorie der Pedelecs, ist der Bauraum für Getriebe und Hilfsmotoren naturgemäß eingeschränkt. Das Fahrrad soll ein möglichst geringes Eigengewicht haben, da die Benutzer die Fahrräder regelmäßig anheben müssen, beispielsweise bei der Anreise mit dem PKW zum Ausgangspunkt einer Radfahrstrecke. Deshalb müssen Getriebe wie auch Hilfsmotoren nach Möglichkeit ein geringes Eigengewicht aufweisen.
Dem stehen die physikalischen Anforderungen jedoch entgegen. Die auf das Getriebe wirkende Drehzahl ist vergleichsweise gering, da die Bewegungsgeschwindigkeit der menschlichen Beine limitiert ist. Daraus folgt zwangsläufig eine vergleichsweise hohe Drehmomentbelastung der Komponenten, insbesondere dann, wenn das Nutzergewicht für den Antrieb des Fahrrads mitgenutzt wird, wie es beispielsweise beim sogenannten Wiegetritt der Fall ist. Ein durchschnittlicher Radfahrer erzeugt Drehmomente von etwa 50 Nm, beim Wiegetritt können Drehmomente von 180 Nm auftreten, im Leistungssport sind noch höhere Drehmomente möglich. Um solchen Drehmomenten standzuhalten, müssen entsprechend stabile Komponenten im Getriebe verbaut werden, was den Anforderungen an Bauraum- und Gewichtsersparnis entgegengesetzt ist.
Vergleichbar widerstreitende Anforderungen werden an den Hilfsmotor gestellt. Je nach Anordnung als Nabenmotor oder Mittelmotor – der Mittelmotor wirkt auf Rotationsachse des Kurbelantriebs – müssen insbesondere zur Anfahrunterstützung wie auch zur Unterstützung bei Gegenwind und Bergauffahrt hohe Drehmomente bei vergleichsweise geringer Motordrehzahl bereitgestellt werden, was eine Mindestmotorgröße erfordert. Unter der Prämisse einer Gewichts- und Bauraumoptimierung wären jedoch kleine Motoren wünschenswert, die mit einem geringen Drehmoment, jedoch hoher Drehzahl den Vortrieb des Fahrrades unterstützen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige, Antriebsanordnung bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau den Drehmomenten standhält.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst von einem stufenlosen Fahrradgetriebe mit den Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere mit den kennzeichnenden Merkmalen, wonach die zweite, ausschließlich durch das Hauptgetriebe realisierte Übersetzung ausschließlich Übersetzungsverhältnisse von i > 1 realisiert.
Die Erfindung hat erkannt, dass ein schaltbares Hauptgetriebe, dessen Übersetzungsverhältnisse i > 1 sind, die Grundvoraussetzung dafür schafft, hohe Eingangsdrehzahlen mit geringem Drehmoment am Getriebe anstehen zu lassen, um das Getriebe selbst leicht und bauraumoptimiert konstruieren zu können. Gleichzeitig bietet das wie vorgenannt ausgestaltete Hauptgetriebe die Möglichkeit, Ausgangsdrehzahlen und -drehmomente bereitzustellen, die für den Vortrieb des Fahrrades günstig sind. Das erfindungsgemäße Hauptgetriebe ist also die unbedingte Voraussetzung, um durch eine Veränderung der ersten Übersetzung das Antriebsdrehmoment reduzieren zu können.
Besonders bevorzugt ist ein Hauptgetriebe, welches als stufenlos schaltbares Reibrad-Umlaufgetriebe ausgebildet ist.
Ein vergleichbares Getriebe ist in der DE 106 72 74 B für industrielle Zwecke offenbart. Es ist – wie die Erfindung erkannt hat – als Ansatz zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besonders gut geeignet, da das Getriebegehäuse rotationslos gehalten werden kann und deshalb als Träger für diverse Antriebskomponenten eines Fahrradhinterrades dienen kann.
Das erfindungsgemäße Reibrad-Umlaufgetriebe bietet in einer ersten Ausführungsform mit drei Planeten, deren Kegelflächen an jeweils den zwei Innenlaufringen und den zwei Außenlaufringen abrollen, 12 Übertragungsstellungen für das eingeleitete Drehmoment.
Je nach Auslegung lässt sich die Anzahl der Planeten erhöhen, wobei mit jedem zusätzlichen Planeten vier zusätzlich drehmomentübertragende Stellen hinzukommen. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform mit 6 Planeten, die als Doppelkegelräder ausgebildet sind, so dass dieses Getriebe an insgesamt 24 Stellen Drehmoment auf den Abtrieb übergibt.
Das feststehende Getriebegehäuse eignet sich hervorragend, um bei Verwendung nur weniger Zusatzbauteile das erfindungsgemäße Fahrradgetriebe um einen Elektromotor zu ergänzen. So sieht eine mögliche Ausführungsform der Erfindung vor, den Stator des Elektromotors außenumfänglich auf dem Getriebegehäuse anzuordnen, welches dann als Träger für den Stator dient. Eine das Getriebegehäuse in etwa glockenartig überfangende Radnabe trägt innenumfänglich den Rotor. Auf diese Weise lässt sich ein Elektromotor realisieren, der ohne Zwischenschaltung des erfindungsgemäßen Getriebes das Hinterrad direkt antreibt.
Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei welcher der Motor innerhalb des feststehenden Getriebegehäuses angeordnet ist. Hierzu trägt das feststehende Getriebegehäuse innenumfänglich den Stator, dem ein Rotor zugeordnet ist. Hierbei ist vorgesehen, den Rotor mit dem antriebsseitigen Getriebeeingang zu koppeln.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, welche sich dadurch kennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Übersetzung eine dritte Übersetzung angeordnet ist, deren Übersetzungsverhältnis ausschließlich i deutlich kleiner 1 ist, insbesondere wenn der Antriebsseite des Reibrad-Umlaufgetriebes ein Zahnrad-Umlaufgetriebe als dritte Übersetzung mit festem Übersetzungsverhältnis i < 1 vorgeschaltet ist, welches ein zentrales Innenrad und ein das Innenrad umgebendes Hohlrad aufweist, zwischen denen Zahnräder als Planetenräder angeordnet sind.
Wenn dem Hauptgetriebe auf der Antriebsseite im Kraftfluss eine dritte Übersetzung, beispielsweise ein Zahnrad-Umlaufgetriebe der vorgenannten Art vorgeschaltet ist, lässt sich das Übersetzungsverhältnis i zwischen dem Kettenblatt des Kurbelantriebs des Fahrrades und dem Eingang des Reibrad-Umlaufgetriebes erheblich verringern. Die geringe Umdrehungsgeschwindigkeit des Kettenblatts mit seinen hohen Drehmomenten wird in eine sehr hohe Umdrehung bei niedrigen Drehmomenten gewandelt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Eingangsdrehmomente des Reibrad-Umlaufgetriebes möglichst gering sind. Deshalb können ohne Funktionseinschränkung weniger massive Bauteile zur Realisierung des Reibrad-Umlaufgetriebes genutzt werden.
Unabhängig davon, ob dem Reibrad-Umlaufgetriebe ein Zahnrad-Umlaufgetriebe vorgeschaltet ist, kann eine Rutschkupplung vorgesehen sein, die im Kraftfluss dem hinteren Ritzel nachgeschaltet ist und Drehmomentspitzen zum Schutz des Fahrradgetriebes abfängt.
Das Reibrad-Umlaufgetriebe selbst weist eine variable Übersetzung mit einem Übersetzungsverhältnis i > 1 über den gesamten Verstellbereich auf und wandelt so die hohen Eingangsdrehzahlen in adäquate Ausgangsdrehzahlen zum Antrieb des Hinterrades des Fahrrades.
Es ist daran gedacht, dass die innerhalb des Hauptgetriebes realisierbare kleinste Übersetzung durch insbesondere stufenlose Schaltvorgänge um das Vierfache gesteigert werden kann.
Die Anordnung in Pedelecs zeichnet sich dadurch aus, dass der Kurbelantrieb einen unterstützenden, auf die zentrale Antriebsachse wirkenden Motor aufweist.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Antriebsanordnung einen den Kurbelantrieb unterstützenden, ausschließlich auf das Hauptgetriebe wirkenden Motor aufweist.
Schließlich ist es auch denkbar, dass die Antriebsanordnung einen den Kurbelantrieb unterstützenden, unter Umgehung der Getriebe auf das Hinterrad eines Fahrrades wirkenden Motor aufweist.
Es ist vorgesehen, dass der Abtriebsseite des Reibrad-Umlaufgetriebes ein Freilauf nachgeschaltet ist.
Ferner ist vorgesehen, dass eine Rücktrittbremse vorgesehen ist, die unter Umgehung des Reibrad-Umlaufgetriebes und des Zahnrad-Umlaufgetriebes auf das Hinterrad des Fahrrades wirkt.
Der wesentliche Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass das gewählte Übersetzungsverhältnis im Fahrradgetriebe keine Auswirkung auf die Bremswirkung hat, die in die Rücktrittbremse eingeleitete Kraft also unmittelbar und allenfalls konstant übersetzt antriebsverzögernd wirkt.
Bei einer konkreten Ausführungsform der voran schon erwähnten Integration eines Elektromotors ist vorgesehen, dass das Getriebegehäuse den Stator trägt und die Radnabe glockenförmig ausgebildet ist, den Rotor trägt und das Getriebegehäuse umgibt.
Diese Ausführungsform hat den wesentlichen Vorteil, dass aufgrund des feststehenden Getriebegehäuses die Integration eines solchen Motors besonders einfach und mit der geringstmöglichen Anzahl von Bauteilen realisierbar ist.
Alternativ zur Glockenform kann die den Rotor tragende Radnabe auch ein das Getriebegehäuse vollständig umgebendes Rotorgehäuse bilden, so dass die Kapselung des Motors gegen Fremdstoffe auf diese Weise realisiert wird. Auch wenn auf den ersten Blick die direkte und unmittelbare Wirkung des Motors auf das Hinterrad unter Umgehung des erfindungsgemäßen Fahrradgetriebes nachteilig erscheinen mag, da hier vergleichsweise hohe Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen realisiert werden müssen, spielt dies in der Praxis allenfalls eine untergeordnete Rolle. Da der Stator und der Rotor das Getriebegehäuse außenumfänglich umgeben, wird eine Mindestgröße des Motors erzwungen, welche die erforderlichen Drehmomente ohne weiteres gewährleistet.
Die bereits eingangs vorgestellte, zweite Variante einer möglichen Motorintegration kennzeichnet sich in einer konkreten Ausführungsform dadurch, dass der Antriebsseite ein Elektromotor vorgeschaltet ist, dessen Stator vom Getriebegehäuse getragen und innerhalb des Getriebegehäuses angeordnet ist und der innerhalb des Getriebegehäuses angeordnete Rotor zumindest mittelbar auf die Innensonne des Reibrad-Umlaufgetriebes wirkt.
Da der Motor über das Reibrad-Umlaufgetriebe auf das Hinterrad des Fahrrades wirkt, lässt er sich mit wesentlichen höheren Drehzahlen und geringen Drehmomenten betreiben, so dass er kleinbauend innerhalb des Getriebegehäuses untergebracht werden kann.
Es ist denkbar, dass der so zuvor beschriebene Elektromotor nicht unmittelbar auf die Innensonne des Reibrad-Umlaufgetriebes wirkt, sondern vermittels des in Kraftfluss dann vorgeschalteten Zahnrad-Umlaufgetriebes.
Für eine kompakte Bauform des erfindungsgemäßen Fahrradgetriebes ist vorgesehen, dass das den Abtrieb des Zahnrad-Umlaufgetriebes bildende zentrale Innenrad mittels eines Koppelgliedes mit der Innensonne des Reibrad-Umlaufgetriebes gekoppelt ist.
Weitere Vorteile der Erfindung sowie ein besseres Verständnis derselben folgen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1: einen perspektivischen Dreiviertelschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2: einen Längsschnitt der Ausführungsform gemäß 1;
3: die Darstellung gemäß 2;
4: den Dreiviertelschnitt gemäß 1 quergeschnitten gemäß Schnittlinie A–A in 3;
5: den Dreiviertelschnitt gemäß 1 quergeschnitten gemäß Schnittlinie B–B in 3;
6: den Dreiviertelschnitt gemäß 1 quergeschnitten entsprechend Schnittlinie C–C in 3;
7: den Dreiviertelschnitt gemäß 1 quergeschnitten gemäß Schnittlinie D–D in 3;
8: den Dreiviertelschnitt gemäß 1 quergeschnitten gemäß Schnittlinie E–E in 3;
9: eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit außen laufendem Elektromotor;
10: eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit innen laufendem Elektromotor.
In den Figuren ist ein erfindungsgemäßes, stufenloses Fahrradgetriebe insgesamt mit der Bezugsziffer 10 versehen.
Das stufenlose Fahrradgetriebe 10 wird im Folgenden anhand der 1 und 2 in seinem grundsätzlichen Aufbau erläutert. Ergänzend wird auf die übrigen Figuren verwiesen werden.
Die Erfindung geht von einem Fahrrad aus, wie es allgemein in Form eines Zweirades – als Sonderform dreirädrig – bekannt ist. Ein Rahmen trägt ein Vorderrad und ein Hinterrad, wobei ein Kurbelantrieb vorgesehen ist, der mittels einer Kette oder eines Zahnriemens über ein vorderes Kettenblatt die Antriebskraft auf ein am Hinterrad angeordnetes Ritzel 14 aufbringt. In der Regel ist das Kettenblatt von seinem Umfang her größer als das Ritzel 14 am Hinterrad. Deshalb stellt sich zwischen Kettenblatt und Ritzel 14 ein erstes Übersetzungsverhältnis ein. Die Übersetzung ist definiert als i = Abtrieb / Antrieb , wobei für Abtrieb und Antrieb wahlweise die Anzahl der Zähne beziehungsweise der wirksame Radumfang anzusetzen ist. Das Übersetzungsverhältnis zwischen Kettenblatt und hinterem Ritzel 14 ist also in der Regel i < 1.
Eine starre, das heißt rotationslos in der hinteren Gabel gehaltene Achse 11 – auch Tragachse 11 genannt – trägt erste Lager 12, mittels derer eine Hülse 13 – auch Antriebshülse 13 genannt – auf der Achse 11 gehalten ist. Die Hülse 13 kann dank der Lager 12 um die Achse 11 rotieren. Ein Zahnrad, das sogenannte Ritzel 14 ist drehfest mit der Antriebshülse 13 verbunden.
Das Ritzel 14 stellt für die folgenden Betrachtungen die Antriebsseite des erfindungsgemäßen Fahrradgetriebes dar.
Am axial dem Ritzel 14 gegenüberliegenden Ende der Achse 11 ist die Radnabe 17 angeordnet. Sie ist über zweite Lager 18 rotativ an der Achse 11 festgelegt, kann sich also um die Achse 11 herum drehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel trägt die Bremsmomentbrücke 49 das zweite Lager 18, so dass diese zwischen der Radnabe 17 und der Achse 11 das vermittelnde Bauteil ist.
Dem Ritzel 14 im Kraftfluss nachgeordnet ist ein Zahnrad-Umlaufgetriebe 19. Dieses umfasst – im Kraftfluss gesehen – zunächst einen ersten Planetenträger 20, der Planetenräder in Form von Zahnrädern 21 trägt und drehfest auf der Hülse 13 angeordnet ist. Infolgedessen dreht sich der Planetenträger 20 mit derselben Umdrehungszahl wie die Hülse 13.
Das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 beinhaltet ferner ein Innenrad 22 mit einer Außenverzahnung, um welches die Zahnrad-Planeten 21 – in die Verzahnung eingreifend – herumlaufen. Ferner umfasst das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 ein äußeres Hohlrad 23 mit einer Innenverzahnung, welches die Planetenräder 21 umgibt. Dieser Aufbau ist ergänzend in 4 dargestellt.
Das Innenrad 22 weist einen Hülsenabschnitt 24 auf, mit welchem es rotationsbeweglich auf der Hülse 13 gelagert ist. Infolgedessen kann sich das Innenrad 22 relativ zur Hülse 13 drehen. Das Hohlrad 23 hingegen ist rotationsstarr angeordnet vom Gehäuse 41 gehalten und dreht sich in Bezug auf die Hülse 13 beziehungsweise die Achse 11 nicht.
Das stufenlose Fahrradgetriebe 10 beinhaltet ferner ein insgesamt mit der Bezugsziffer 25 versehenes Reibrad-Umlaufgetriebe. Das Reibrad-Umlaufgetriebe 25 beinhaltet zunächst eine Außensonne 26, die von zwei Außenlaufringen 27 gebildet ist. Die Außenlaufringe 27 sind zueinander beabstandet angeordnet und bilden zwischen sich einen ersten Spalt 28. Ein Außenlaufring 27 lässt sich in Längsrichtung der Achse 11 verschieben. Die Außenlaufringe 27 sind hinsichtlich der Achse 11 rotationsfest am Getriebegehäuse 41 angeordnet. Eine Rotation der Außenlaufringe 27 beziehungsweise der Außensonne 26 um die Achse 11 herum findet grundsätzlich nicht statt. Eine Ausnahme besteht lediglich bei einer Verstellung des verschieblichen Laufrings 27, die mit einer Schraubbewegung einhergeht.
Das Reibrad-Umlaufgetriebe 25 umfasst ferner eine Innensonne 29. Die Innensonne 29 wird von zwei zueinander beabstandet angeordneten Innenlaufringen 30 gebildet. Die Innenlaufringe 30 bilden zwischen sich einen zweiten Spalt 31 und sind hinsichtlich der Achse 11 in Axialrichtung verschieblich gelagert. Sie sind außerdem rotativ hinsichtlich der Achse 11 gelagert, rotieren demnach um die Achse 11. Die Innenlaufringe 30 sind zueinander drehfest gekoppelt, beispielsweise über Stifte oder eine gemeinsame, verzahnte Hülse. Die Spaltweite des zweiten Spaltes 31 wird über eine Drehmomentkupplung 32 gesteuert, die unter anderem einen Koppelring 33 beinhaltet, der rotationsfest mit dem Innenrad 22, insbesondere dessen Hülsenabschnitt 24 verbunden ist. Eine Tellerfeder 67 dient als Vorspannelement der Drehmomentkupplung 32.
Die Drehmomentkupplung 32 hält die Innensonne 29, ist zudem rotationsgekoppelt auf dem Hülsenabschnitt 24 des Innenrades 22 angeordnet und dreht sich demzufolge mit der gleichen Umdrehungszahl wie das Innenrad 22. Der Hülsenabschnitt 24 ist gleichsam das Koppelglied zwischen Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 und der Innensonne 29 des Reibrad-Umlaufgetriebes 25.
Zwischen der Innensonne 29 und der Außensonne 26 des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 sind Doppelkegelräder 34 angeordnet. Das Doppelkegelrad 34 ist dabei so aufgebaut, dass die Kegelbasen aneinander anliegen und in den ersten Spalt 28 zwischen den Außenlaufringen 27 und den zweiten Spalt 31 zwischen den Innenlaufringen 30 eintauchen, so dass die Kegelumfangsflächen an den Außenlaufringen 27 und Innenlaufringen 30 abrollen. Zum Aufbau des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 wird auf 5 verwiesen. Hier wird ein Radialschnitt durch die Ebene der Kegelbasen der Doppelkegelräder 34 gezeigt.
Die Doppelkegelräder 34 sind ihrerseits mit einem zweiten Planetenträger 35 verbunden, der die Doppelkegelräder 34 hält. Der zweite Planetenträger 35 umfasst Schwingen 36, die einerseits jeweils eine Achse 56 eines Doppelkegelrades 34 halten und andererseits über einen Bolzen 57 an einem Planetenträgerring 38 festgelegt sind. Hierzu wird auf 6 verwiesen, welche die Anordnung der Doppelkegelräder 34 in den Schwingen 36 zeigt. Die Schwingen 36 sind in bevorzugter Ausführungsform einteilig und aus einem Sintermetall gefertigt, welches als Lager für den Bolzen 57 und die Achse 56 dient.
Dieser Aufbau des zweiten Planetenträgers 35 ermöglicht eine Radialbewegung der Doppelkegelräder 34 in Bezug auf die Achse 11. 7 zeigt den zweiten Planetenträger 35 in seiner Anordnung im Getriebegehäuse 41.
Der zweite Planetenträger 35 rotiert um die Achse 11 und ist mit einer Abtriebshülse 39 über einen Freilauf 66 in Vortriebsrichtung rotationsfest verbunden, das heißt, dass sich die Abtriebshülse 39 in Vortriebsrichtung mit der gleichen Umdrehungszahl wie der Planetenträger 35 um die Achse 11 dreht. Die Abtriebshülse 39 ist zudem drehfest mit der Radnabe 17 gekoppelt, so dass diese sich mit derselben Umdrehungszahl wie die Abtriebshülse 39 um die Achse 11 dreht.
Zum Reibrad-Umlaufgetriebe 25 gehört schließlich noch eine Verstelleinrichtung 40, mit welcher die axiale Spaltweite des ersten Spaltes 28 verändert werden kann.
Ein Getriebegehäuse 41 umgibt das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 sowie das Reibrad-Umlaufgetriebe 25 und ist über eine Drehmomentstütze 42 fest mit dem Rahmen des Fahrrades verbunden. Infolgedessen ist das Getriebegehäuse 41 rotationsfest, also starr am Fahrradrahmen angeordnet und dreht sich nicht um die Achse 11. Zu Kühlungszwecken, die später beschrieben werden, ist Aluminium aufgrund seiner guten Wärmeleiteigenschaften das bevorzugte Gehäusematerial Sowohl das Hohlrad 23 des Zahnrad-Umlaufgetriebes 19 wie auch die Außensonne 26 des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 sind deshalb rotationsfest am Getriebegehäuse 41 festgelegt. Ein drittes Lager 43 zwischen Getriebegehäuse 41 und Hülse 13 erlaubt die Relativbewegung der Hülse 13 zum Getriebegehäuse 41. Ein viertes Lager 44 erlaubt eine Relativbewegung zwischen dem starr angeordneten Getriebegehäuse 41 und der Abtriebshülse 39. Ein fünftes Lager 45 stützt die Abtriebshülse 39 über das Spreizteil 73 der Rücktrittbremse 46 auf der Tragachse 11 ab.
Innerhalb der Abtriebshülse 39 ist eine Rücktrittbremse 46 angeordnet, die als Rollenbremse ausgestaltet ist. Im Bereich von Rollen 47, die einen Abschnitt der Antriebshülse 13 umgeben, weist die Antriebshülse 13 radiale Rampen auf. Wird auf das Ritzel 14 eine der Antriebsbewegung entgegengesetzte Bewegung aufgezwungen, drücken die Rampen die Rollen 47 nach außen gegen Bremsbacken 48, welche gegen die Innenumfangsfläche der Antriebshülse 13 gedrückt werden. Die Bremsbacken 48 sind über eine Bremsmomentbrücke 49 mit einer Bremsmomentstütze 50 gekoppelt, die ihrerseits drehfest mit dem Fahrradrahmen verbunden ist.
Um die beim Bremsen entstehende Wärme gut abführen zu können, schlägt die Erfindung ein vorteilhaftes Kühlsystem vor. Zu diesem Kühlsystem gehören zunächst in Umfangsrichtung verlaufende, außenumfänglich auf der Abtriebshülse 39 aufgebrauchte Kühlrippen 51. Die Radnabe 17 weist in ihrem die Abtriebshülse 39 umgebenden Bereich Luftzufuhröffnungen 52 auf, die umfangsbeabstandet zueinander angeordnet sind. Zwischen den Luftzuführöffnungen 52 sind auf der Innenseite der Radnabe 17 Luftschaufeln 53 angeordnet. Das Getriebegehäuse 41 trägt den Luftschaufeln 53 zugewandte Luftleitrippen 54. Dies ist auch in 8 dargestellt.
Funktion des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels:
Über einen nicht dargestellten Kurbelantrieb, der ein vorderes Kettenblatt aufweist, wird über ein Zugmittel, beispielsweise eine Kette, eine Antriebskraft auf das hintere Ritzel 14 übertragen. Alternativ zu einem gängigen Kettenantrieb, bei welchem das vordere Kettenblatt sowie das Ritzel 14 als Zahnrad ausgebildet und über eine Kette miteinander verbunden sind, ist der Antrieb über einen Zahnriemen denkbar und hat aufgrund einer geringeren Geräuschentwicklung sowie eines Betriebes ohne Schmiermittel nicht unerhebliche Vorteile.
Das vordere Kettenblatt ist größer als das hintere Kettenblatt, so dass zusammen mit dem Zugmittel eine erste Übersetzung gebildet ist. Diese kann auch als Zugmittelgetriebe bezeichnet werden. Diese erste Übersetzung weist meistens ein Übersetzungsverhältnis von i deutlich kleiner 1 auf. Eine relative langsame Umdrehung des vorderen Kettenblattes wird so in eine hierzu schnellere Umdrehung des hinteren Ritzels 14 gewandelt. Das auf die Antriebshülse 13 wirkende Drehmoment wird entsprechend reduziert. Diese erste Übersetzung ist in der Regel nicht schaltbar.
Das in den Figuren dargestellte, stufenlose Fahrradgetriebe 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel Bestandteil des Hinterrades, welches mittels der starren Achse 11 in der hinteren Gabel des Fahrradrahmens eingespannt ist. Die über das Zugmittelgetriebe auf das Hinterrad zu übertragende Vortriebskraft wird von der drehfest mit dem Ritzel 14 verbundenen, jedoch rotationsbeweglich auf der Achse 11 gelagerten Antriebshülse 13 – hierzu dienen die ersten Lager 12 – in das Getriebegehäuse 41 geführt. Das Getriebegehäuse 41 ist über eine Drehmomentstütze 42 rotationsfest mit dem Rahmen verbunden und hält die Antriebshülse 13 rotationsbeweglich über dritte Lager 43.
Die Antriebskraft in Form einer Rotationsbewegung wird von der Antriebshülse 13 auf das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 weitergeleitet, dessen Planetenträger 20 hierfür drehfest auf der Antriebshülse 13 angeordnet ist. Er rotiert folglich mit der Antriebshülse 13. Das außenliegende Hohlrad 23 des Zahnrad-Umlaufgetriebes 19 bildet den drehfesten Bestandteil, da es rotationslos mit dem Getriebegehäuse 41 verbunden ist. Infolgedessen wird die Drehbewegung über die am Planetenträger 20 gehaltenen Planetenzahnräder 21 an das Innenrad 22 weitergegeben, wobei hier eine weitere Übersetzung mit einem Übersetzungsverhältnis i < 1 realisiert ist. Diese Übersetzung wird im Folgenden sprachlich als dritte Übersetzung definiert und durch das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 realisiert. Durch das Übersetzungsverhältnis i < 1 wird damit die Umdrehungsgeschwindigkeit gegenüber dem Ritzel 14 weiter erhöht. Hierdurch findet eine weitere Drehmomentreduzierung gegenüber dem auf den Kurbelantrieb wirkenden Drehmoment statt. Die dritte Übersetzung ist nicht schaltbar.
Das Innenrad 22 ist rotationsbeweglich auf der Antriebshülse 13 gelagert, es kann sich demzufolge relativ zur Antriebshülse 13 drehen.
An das Innenrad 22 ist ein Koppelglied in Form eines einstückig stoffschlüssig angeformten Hülsenabschnitts 24 angeformt, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch die Lagerung des Innenrades 22 auf der Antriebshülse 13 realisiert. Über den Hülsenabschnitt 24 wird die Antriebskraft in Form der erheblich gesteigerten Antriebsdrehzahl bei entsprechender Drehmomentreduktion in das Reibrad-Umlaufgetriebe 25 eingeleitet, welches eine stufenlose Übersetzung der in das Getriebegehäuse 41 eingebrachten Eingangsrotationsbewegung in eine das Rad antreibende Ausgangsrotationsbewegung ermöglicht.
Ein zweiter Bestandteil des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 bildet die feststehende Außensonne 26, die ebenfalls aus zwei Ringen, nämlich den Außenlaufringen 27 gebildet ist. Diese sind rotationsfest am rotationslos gehaltenen Getriebegehäuse 41 festgelegt. Die Axialverschiebung eines Außenlaufringes 27 ist über eine Verstelleinrichtung 40 möglich. Doppelkegelräder 34 – wenigstens drei, bevorzugt 6 an der Zahl – laufen mit ihren Kegelflächen an den Innenlaufringen 30 und Außenlaufringen 27 ab, die hierzu jeweils einen ersten Spalt 28 beziehungsweise zweiten Spalt 31 zwischen sich bilden. Da die Innensonne 29 rotiert und die Außensonne 26 drehfest angeordnet ist, wird die Rotationsbewegung der Innensonne 29 auf die Doppelkegelräder 34 übertragen, die diese auf ihren Planetenträger 35 weitergeben, so dass dieser ebenfalls rotiert. Die Übersetzung im Reibrad-Umlaufgetriebe 25 – sprachlich als zweite Übersetzung definiert – weist ein Übersetzungsverhältnis von i > 1 auf, welches über den gesamten Verstellbereich des stufenlos verstellbaren Reibrad-Umlaufgetriebes 25 gewährleistet ist.
Um das Übersetzungsverhältnis i des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 zu verändern, wird über die aktiv regelbare Verstelleinrichtung 40 – auch erste Verstelleinrichtung 40 genannt – die Spaltweite des ersten Spaltes 28 verändert. Um das Übersetzungsverhältnis zu vergrößern, wird der erste Spalt 28 geweitet, so dass die Doppelkegelräder 34 tiefer in den Spalt 28 eintauchen und Ihre Bewegungsbahn um die Innensonne 29 einen größeren Umfang erhält. Bei einer Weitung des ersten Spaltes 28 führt die Drehmomentkupplung 32 der Innensonne 29 den zweiten Spalt 31 nach und verengt diesen. Hierdurch werden die Doppelkegelräder 34 auf ihre neue Umlaufbahn bewegt und tiefer in den erweiterten ersten Spalt 28 hineinbewegt. Die Drehmomentkupplung 32 bildet in diesem Sinne eine zweite, passiv nachführende Verstelleinrichtung. Sie übt eine zum Antriebsmoment proportional wirkende Anpresskraft auf den linken Innenlaufring 30 aus. Die Reaktionskraft wirkt über den Hülsenabschnitt 24 auf den rechten Innenlaufring 30.
Selbstverständlich ist es in der Umkehrung des Verstellprinzips möglich, die Spaltbreite des zweiten Spaltes 31 aktiv durch eine Verstelleinrichtung zu beeinflussen und die Spaltweite des ersten Spaltes 28 passiv nachzuführen.
Um die Radialbewegung der Doppelkegelräder 34 zu ermöglichen, sind diese über Schwingen 36 mit dem Planetenträgerring 38 verbunden. Je weiter innen die Doppelkegelräder 34 laufen, desto kleiner ist das Übersetzungsverhältnis im Reibrad-Umlaufgetriebe 25, je weiter außen die Kegelräder 34 laufen, desto größer ist das Übersetzungsverhältnis. Dabei bleibt jedoch eine Grundvoraussetzung bestehen; das Übersetzungsverhältnis im Reibrad-Umlaufgetriebe 25 ist immer i > 1. Wurde also die Umdrehungsgeschwindigkeit ausgehend vom Kurbelantrieb bis zum Eingang in das stufenlos verstellbare Reibrad-Umlaufgetriebe 25 kontinuierlich erhöht, um das Drehmoment zu reduzieren, fand also eine Übersetzung ins Schnelle statt, so kehrt das Reibrad-Umlaufgetriebe 25 dies unter Erhöhung des Drehmomentes um und übersetzt ins Langsame. Durch die massive Reduzierung des Antriebsdrehmomentes bei Erhöhung der Drehzahl ist es möglich, ein kleinbauendes Getriebe 10 zu schaffen, welches auf seiner Abtriebsseite dennoch ausreichend Drehmoment zur Fortbewegung des Fahrrades liefert.
Der zweite Planetenträger 35 des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 ist drehfest mit der Abtriebshülse 39 verbunden, an welcher – ebenfalls drehfest – die hier glockenförmig ausgebildete Radnabe 17 befestigt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird hierzu die Radnabe 17 an der Abtriebshülse 39 schraubbefestigt. Infolgedessen wird die Abtriebshülse 39 und die Radnabe 17 mit der Ausgangsumdrehungszahl des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 bewegt.
Die Radnabe 17 umgibt das Getriebegehäuse 41 glockenartig und ist zum Ritzel 14 hin offen. Um die Abwärme der in die Abtriebshülse 39 integrierten Rücktrittbremse 46 zu optimieren, weist die Nabe 17 auf ihrer dem Ritzel 14 gegenüberliegenden Seite Luftzuführöffnungen 52 auf, die umfangsverteilt angeordnet sind. Zwischen den Luftzuführöffnungen 52 sind Luftschaufeln 53 angeordnet, die in Richtung des Getriebegehäuses 41 weisen.
Durch die Rotationsbewegung der Radnabe 17 und die Form und Anordnung der Luftschaufeln 53 wird ein Luftstrom erzeugt, der die Luft aus dem Glockeninnenraum der Radnabe 17 in Richtung Ritzel 14 hinaus drängt. Dieser Luftstrom wird durch Luftleitrippen 54 gefördert und optimiert, welche am Getriebegehäuse 41, den Luftschaufeln 53 zugewandt, angeordnet sind. In dem durchströmten Luftraum ist der Teil der Abtriebshülse 39 angeordnet, welcher die Rücktrittbremse 46 beinhaltet und außenumfänglich mit die Wärmeabfuhr optimierenden Kühlrippen 51 versehen ist. Der so erzeugte Luftstrom streicht über das Getriebegehäuse 41 und sorgt somit dort für eine Kühlung der innen liegenden, in einem Ölbad laufenden Komponenten.
Die Radnabe 17 weist außenumfänglich zwei voneinander beabstandete, umlaufende Kränze 55 auf, die als Speichenträger für das Hinterrad des Fahrrades dienen.
Ein wesentlicher Aspekt des vorliegenden Fahrradgetriebes 10 ist die Nutzung des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 als stufenlos verstellbare Getriebeeinheit, die ein Übersetzungsverhältnis von ausschließlich i > 1 aufweist. Dies ermöglicht es, hohe Eingangsdrehzahlen mit niedrigen Drehmomenten über ein kompakt bauendes Getriebe 10 in für den Fahrradvortrieb günstige Ausgangsdrehzahlen zu wandeln. Je nach Fahrradgröße ist die dritte Übersetzung durch das hier im Beispiel genutzte Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 nicht erforderlich. Die erste Übersetzung vom Kettenblatt auf das Ritzel 14 kann ausreichend hohe Drehzahlen erzeugen, so dass auf diese dritte Übersetzungsstufe verzichtet werden kann. Ebenso bildet die Rücktrittbremse 46 ein optionales Bauteil des stufenlosen Fahrradgetriebes 10.
Das starre Getriebegehäuse 41 ermöglicht es, das wie beschrieben funktionierende Reibrad-Umlaufgetriebe 25 auszubilden und bietet gleichzeitig die Voraussetzungen, das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 zu integrieren. Es bietet darüber hinaus die Möglichkeit, die vorbeschriebene Rücktrittbremse 46 unmittelbar und unter Umgehung der Getriebekomponenten auf das Hinterrad wirken zu lassen, so dass die Bremswirkung nicht durch die über die Getriebe 10 realisierte, variierende Übersetzung beeinflusst ist.
Da das feststehende Getriebegehäuse 41 nicht als Speichenträger 55 dient und damit nicht unmittelbare Komponente der sich drehenden Hinterradbestandteile ist, ist es hinsichtlich einer eventuellen Wartung und Reparatur vorteilhaft ausgestaltet. Im Gegensatz zu Getriebegehäusen 41, die gleichzeitig den Speichenträger 55 bilden und rotieren, kann die Radnabe 17 von den eigentlichen Getriebekomponenten entfernt werden, ohne dass die Radspeichen demontiert werden müssen. Nach Ausbau des Getriebegehäuses 41 lässt sich dieses öffnen und die einzelnen Getriebekomponenten lassen sich warten. Auf diesem Wege lässt sich das Getriebe 10 alternativ zur Instandsetzung besonders einfach und schnell tauschen.
In das Getriebe 10 ist ein Freilauf 66 integriert, der innerhalb des Getriebegehäuses 41 Platz findet und eine Umkehrung des Kraftflusses vom Hinterrad über das Getriebe 10 auf den Kurbelantrieb verhindert.
Das Reibrad-Umlaufgetriebe 25 ermöglicht eine Verstellung des Übersetzungsverhältnisses um das 4- bis 6-fache zwischen seiner kleinsten und seiner größten Übersetzung.
Bei Fahrrädern zwischen 26 und 29 Zoll Größe unter Verwendung der Erfindung wird über Kettenblatt und Ritzel 14 oder über vordere und hintere Riemenscheiben ein Übersetzungsverhältnis von i = 0,5 bis 0,7 angestrebt. Ein Übersetzungsverhältnis von i = 0,59 wird beispielsweise realisiert, indem das Kettenblatt des Kurbelantriebs 34 Zähne und das Ritzel 20 Zähne aufweist.
Weiterhin empfiehlt die Erfindung, das im Ausführungsbeispiel dargestellte Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 einzusetzen und hier ein Übersetzungsverhältnis von i ca. 0,34 anzustreben, so dass die Gesamtübersetzung aus erster Übersetzung und dritter Übersetzung durch das Zugmittelgetriebe und das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 i etwa 0,2 ergibt. Die Kurbeldrehzahl wird so fünffach erhöht. Alternativ lässt sich selbstverständlich ein Übersetzungsverhältnis von i 0,2 auch allein über Kettenblatt und Ritzel 14 und deren Dimensionierung realisieren.
Die zweite Übersetzung, realisiert durch das Reibrad-Umlaufgetriebe 25, weist in jedem Fall Übersetzungsverhältnisse i > 1 auf, wobei ein Übersetzungsverhältnis von i = 1,5 bis i = 6 oder mehr und somit ein vierfacher Verstellbereich angestrebt ist.
Über die Anzahl der Planetenräder, insbesondere der Doppelkegelräder 34, lässt sich die Drehmomenttoleranz, insbesondere des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 variieren. Jedes Doppelkegelrad 34 überträgt über vier Stellen das Drehmoment, so dass sich die Drehmomentbelastung im Reibrad-Umlaufgetriebe 25 über jedes zusätzlich laufende Doppelkegelrad 34 erheblich reduzieren lässt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform mit 6 Doppelkegelrädern wird das Drehmoment an insgesamt 24 Stellen übertragen. Auf diese Weise wird ein sehr robustes, und dennoch kleinbauendes Getriebe 10 bereitgestellt
Die aktive Verstelleinrichtung 40 kann durch einen Bowdenzug betätigt oder aber elektrisch über einen Servo beeinflusst werden.
Anhand der 9 und 10 werden weitere, abgewandelte Ausführungsformen kurz vorgestellt. Der grundsätzliche Aufbau gleich dem des vorbeschriebenen ersten Ausführungsbeispiels. Es sind jedoch Zusatzaggregate wie integrierte Elektromotoren beziehungsweise Generatoren in das erfindungsgemäße Getriebe 10 integriert.
9 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem das erfindungsgemäße Fahrradgetriebe 10 um einen außenlaufenden Elektromotor 58 ergänzt wurde. Um diesen Elektromotor 58 integrieren zu können, wurde die Radnabe 17 in ihrem Durchmesser vergrößert, so dass zwischen dem Getriebegehäuse 41 und der Radnabe 17 ein Raum zur Anordnung von Rotor 60 und Stator 59 geschaffen wurde.
Der Stator des außenlaufenden Elektromotors 58 ist mit der Bezugsziffer 59 versehen und wird auch als erster Stator 59 bezeichnet. Er ist auf dem feststehenden Getriebegehäuse 41 gehalten. Der Rotor 60 hingegen, auch als erster Rotor 60 bezeichnet, ist innenumfänglich an der Radnabe 17 gehalten und versetzt diese bei Nutzung des Elektromotors 58 entsprechend in Rotation.
Der außenlaufende Elektromotor 58 wirkt direkt und unmittelbar auf das Hinterrad des Fahrrades. Er umgeht somit sämtliche innerhalb des Getriebegehäuses 41 angeordneten Getriebekomponenten.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist in 10 gezeigt. Dort ist durch eine leichte Veränderung des Getriebegehäuses 41 Platz für einen innenlaufenden Elektromotor 61 geschaffen worden. Der Stator 62, auch als zweiter Stator 62 bezeichnet, ist an der Innenumfangsfläche des Getriebegehäuses 41 fest angeordnet. Der Rotor des innenlaufenden Elektromotors 61 trägt das Bezugszeichen 63 und wird auch als zweiter Rotor 63 bezeichnet. Er ist über eine Rotorstütze 64 zumindest mittelbar auf der Tragachse 11 rotationsbeweglich gelagert. In 10 ist die Rotorstütze 64, welche den zweiten Rotor 63 trägt, drehfest mit dem Innenrad 22 des Zahnrad-Umlaufgetriebes 19 verbunden, im Kraftfluss also zwischen dem Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 und dem Reibrad-Umlaufgetriebe 25 angeordnet. Der Stator 62 gibt seine Wärme an das luftgekühlte Getriebegehäuse 41 ab, wohingegen der Rotor 63 seine Wärme an ein im Gehäuse 41 befindliches Öl abgibt. Dieses Öl erfährt seine Kühlung wiederum durch den das Gehäuse 41 umgebenden Luftstrom. Am Innenrad 22 des Zahnrad-Umlaufgetriebes 19 wird die Leistung des Kurbelantriebes und des innenlaufenden Elektromotors 61 zusammengeführt. Das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 bildet so ein Summiergetriebe.
In jedem Fall wirkt bei dieser dritten Ausführungsform der Elektromotor 61 über das Reibrad-Umlaufgetriebe 25 mittelbar auf die Radnabe 17, so dass ein kleinbauender, schnelldrehender Elektromotor 61 mit geringem Drehmoment eingesetzt werden kann, dessen Antriebsenergie durch das Getriebe 10 in für den Vortrieb des Fahrrades geeigneter Weise umgewandelt wird.
Das dritte Ausführungsbeispiel der 10 zeigt darüber hinaus exemplarisch, dass das Getriebegehäuse 41 eine Motorsteuerung trägt. Diese ist mit der Bezugsziffer 65 versehen und auf Rippen des Getriebegehäuses 41 angeordnet. Hierdurch kann die vorbeschriebene, effektive Kühlung aufrechterhalten werden, da der Luftstrom auch zwischen dem Gehäuse der Motorsteuerung 65 und dem Getriebegehäuse 41 aufrechterhalten bleibt.
Darüber hinaus ist in diesem Ausführungsbeispiel der Freilauf 66 dargestellt. Dieser ist zwischen dem zweiten Planetenträger 35 des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 und der Abtriebshülse 39 angeordnet, so dass der Planetenträger 35 und die Abtriebshülse 39 zur Realisierung des Vortriebs miteinander drehfest gekoppelt sind. Es wird somit die über das Ritzel 14 in das Getriebe 10 eingebrachte Antriebsenergie durch den Freilauf 66 auf die Radnabe 17 übertragen. Der gegensinnige Kraftfluss von der Radnabe 17 über das Getriebe und das Ritzel 14 zum Kurbelantrieb des Fahrrades bei Vorwärtsfahrt desselben wird durch den Freilauf 66 jedoch unterbrochen. Bei Verwendung einer Rücktrittbremse 46 ist auch diese durch einen Freilauf 75 vom Ritzel 14 zu entkoppeln.
Letztlich ist bei jeder der Ausführungsformen ohne weiteres der Einsatz dieses Freilaufes 66 denkbar und gewünscht. Darüber hinaus ist es ohne weiteres möglich, einen Generator 68 am Getriebegehäuse anzuordnen, der beispielsweise die für Beleuchtungszwecke notwendige Energie liefert. Dessen Stator 69 ist wiederum am Getriebegehäuse 41 angeordnet, der Rotor 70 an einem geeigneten, rotationsbeweglichen Bauteil, beispielsweise an der Abtriebshülse 39 oder der Radnabe 17 (siehe 10). Im vorliegenden Beispiel ist der Generator 68 außen liegend angeordnet. Eine Anordnung innerhalb des Getriebegehäuses 41 ist ebenso denkbar.
Es besteht die Möglichkeit, einen oder mehrere Drehmomentsensoren im Getriebegehäuse 41 anzuordnen, um Hilfsmotoren 58 und 61 gemäß vorstehender Beschreibung oder Mittelmotoren am Kurbelantrieb zu steuern. Im Ausführungsbeispiel wird das Hohlrad 23 über eine geeignete Messeinrichtung mit dem Getriebegehäuse 41 gekoppelt, beispielsweise über eine Messscheibe 71. Diese erfährt unter Last eine minimale, messbare Torsion, aus welcher sich das Drehmoment ableiten lässt. Hier misst der Sensor folglich das über das Ritzel 14 auf das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 eingehende Drehmoment. Vorteil bei dieser Anordnung ist, dass das Drehmoment unkompliziert am stehenden Hohlrad 23 erfassbar ist. Ferner lässt sich ein Drehzahlsensor 72 in die Getriebeanordnung integrieren.
Insgesamt bietet die Nutzung des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 an sich als Hauptgetriebe des Fahrrades nicht nur die Möglichkeit, ein besonderes kompaktes, stufenlos verstellbares Fahrradgetriebe 10 bereitzustellen. Es ermöglicht darüber hinaus auf vorteilhafte Weise die Möglichkeit, durch das vorgeschaltete und somit als Vorgetriebe dienende Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 mit fester Übersetzung das Eingangsdrehmoment wesentlich zu reduzieren.
Die Innensonne 29 des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 muss sich nach der Montage des Getriebes 10 einmalig zur Außensonne 26 axial ausrichten können. Um dies zu ermöglichen, ist eine gleichsinnige Axialverschieblichkeit beider Innenlaufringe 30 und des gekoppelten Innenrades 22 erforderlich. Da die Innensonne 29 im ersten Ausführungsbeispiel auf dem Hülsenabschnitt 24 des Innenrades 22 des Zahnrad-Umlaufgetriebes 19 axial fest gelagert ist, ist der Hülsenabschnitt 24 selbst axial gleitend auf der Antriebshülse 13 angeordnet. Im Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 ist die Axialverschieblichkeit zwischen dem Innenrad 22 und den Planeten 21 systemimmanent, weshalb das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 hier bevorzugt als Vorgetriebe beziehungsweise dritte Übersetzung gewählt ist.
In 10 ist mit Bezugsziffer 74 die Bremsscheibe einer Scheibenbremsanlage gezeigt, die alternativ oder ergänzend zur Rücktrittbremse 46 eingesetzt werden kann.
Das schmalbauende Reibrad-Umlaufgetriebe 25 mit seinem konstruktiv bedingten feststehenden Getriebegehäuse 41 ermöglicht es darüber hinaus, eine ganze Reihe zusätzlicher Antriebskomponenten, wie Elektromotor 58, 61, Generator 68, eine eventuelle Motorsteuerung 65, den Freilauf 66 sowie eine Rücktrittbremse 46 zu integrieren.
Da diese Antriebseinheit, im Kraftfluss beginnend beim Ritzel 14 bis hin zur im Kraftfluss hinten liegenden Abtriebshülse 39 von der Radnabe 17 entkoppelbar ist, lässt sich gegenüber Getrieben mit rotierendem Getriebegehäuse eine Wartung oder ein Getriebetausch ohne das Entfernen der Radspeichen des Fahrrades besonders einfach realisieren.
Das erfindungsgemäße Fahrradgetriebe bildet somit eine hoch integrierte Antriebseinheit beziehungsweise Antriebsanordnung, die inklusive der Radnabe 17 als Gesamtbaueinheit innerhalb der vorgegebenen Standard-Einbaubreite von 135 mm zwischen den hinteren Aufnahmestützen eines Fahrradrahmens montierbar ist. Lediglich die zur Festlegung des erfindungsgemäßen Getriebes 10 beziehungsweise der durch das Getriebe 10 gebildeten Antriebseinheit notwendige Tragachse 11 weist eine die Einbaubreite überschreitende Länge auf, die eine Festlegung am Fahrradrahmen ermöglicht. Diese hochintegrierte Baueinheit in jeder der dargestellten Ausführungsformen ist ohne weiteres an jedem Fahrrad nachrüstbar.
Bezugszeichenliste

10: Fahrradgetriebe
11: starre Achse
12: erstes Lager
13: Hülse
14: Ritzel
15: Ring
17: Radnabe
18: zweites Lager
19: Zahnrad-Umlaufgetriebe
20: Planetenträger von 19
21: Planetenrad, Zahnrad von 19
22: Innenrad von 19
23: Hohlrad von 19
24: Hülsenabschnitt von 22 / Koppelglied
25: Reibrad-Umlaufgetriebe
26: Außensonne
27: Außenlaufring
28: erster Spalt
29: Innensonne
30: Innenlaufring
31: zweiter Spalt
32: Drehmomentkupplung
33: Koppelring
34: Doppelkegelrad
35: zweiter Planetenträger von 25
36: Schwinge
38: Planetenträgerring
39: Abtriebshülse
40: Verstelleinrichtung von 25
41: Getriebegehäuse
42: Drehmomentstütze
43: drittes Lager
44: viertes Lager
45: fünftes Lager
46: Rücktrittbremse
47: Rollen
48: Bremsbacken
49: Bremsmomentbrücke
50: Bremsmomentstütze
51: Kühlrippen von 39
52: Luftzuführöffnung von 17
53: Luftschaufeln
54: Luftleitrippen
55: Kranz / Speichenträger
56: Achse von 34
57: Bolzen von 38
58: Elektromotor (Außenläufer)
59: erster Stator
60: erster Rotor
61: Elektromotor (Innenläufer)
62: zweiter Stator
63: zweiter Rotor
64: Rotorstütze
65: Motorsteuerung
66: Freilauf
67: Tellerfeder
68: Generator
69: Stator von 68
70: Rotor von 68
71: Messscheibe von Drehmomentsensor
72: Drehzahlsensor
73: Spreizteil
74: Bremsscheibe
75: Freilauf

Claims

Antriebsanordnung für ein Fahrrad, – mit einem Kurbelantrieb, der eine Antriebskraft von einem kurbelantriebsnahen Kettenblatt auf ein hinterradnahes Ritzel (14) mittels eines endlos umlaufenden Zugmittels, wie Kette oder Zahnriemen, überträgt und ein Hinterrad des Fahrrades zur Fortbewegung in Rotation versetzt, – mit einer ersten Übersetzung zwischen dem Kettenblatt und dem Ritzel (14), welche ausschließlich ein Übersetzungsverhältnis von i < 1 aufweist und – mit einem Hauptgetriebe (25), welches am Hinterrad angeordnet ist und eine Übersetzung der vom Ritzel (14) aus auf das Hinterrad wirkenden Antriebskraft ermöglicht, – mit einer zweiten Übersetzung, welche ausschließlich durch das Hauptgetriebe (25) realisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die zweite, ausschließlich durch das Hauptgetriebe (25) realisierte Übersetzung ausschließlich Übersetzungsverhältnisse von i > 1 realisiert.
Antriebsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Übersetzung eine dritte Übersetzung angeordnet ist, deren Übersetzungsverhältnis ausschließlich i < 1 ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, die innerhalb des Hauptgetriebes (25) realisierbare kleinste Übersetzung durch Schaltvorgänge um das Vierfache gesteigert werden kann.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptgetriebe (25) ein stufenlos schaltbares Reibrad-Umlaufgetriebe (25) ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Übersetzung von einem Zahnrad-Umlaufgetriebe (19) mit fester Übersetzung realisiert wird.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbelantrieb einen unterstützenden, auf die zentrale Antriebsachse wirkenden Motor aufweist.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung einen den Kurbelantrieb unterstützenden, ausschließlich auf das Hauptgetriebe wirkenden Motor (61) aufweist.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung einen den Kurbelantrieb unterstützenden, unter Umgehung der Getriebe auf das Hinterrad eines Fahrrades wirkenden Motor (58) aufweist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptgetriebe stufenlos schaltbar ist.