DE102014222616A1

DE102014222616A1 - Kurbel -CVT-Getriebe

Info

Publication number: DE102014222616A1
Application number: DE102014222616.3A
Authority: DE
Inventors: Oswald Friedmann; Wolfgang Haas
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2015-06-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, etwa ein Fahrrad, mit einer Kurbeltriebeinheit, die eine drehbar um eine Kurbelachse gelagerte Antriebskurbel, einen mit der Antriebskurbel verbundenen Hebelmechanismus und ein, eine Seilaufnahmekontur aufweisendes, durch den Hebelmechanismus antreibbares Zugelement aufweist, wobei der Hebelmechanismus derart ausgestaltet ist und sowohl mit der Antriebskurbel als auch mit dem Zugelement verbunden ist, dass ein Drehen der Antriebskurbel eine Antriebsbewegung des Zugelementes zum Ziehen eines an der Seilaufnahmekontur befestigbaren Seiles hervorruft, wobei der Hebelmechanismus mehrere gelenkig miteinander verbundene Hebelelemente aufweist, die relativ zueinander verschwenkbar sind; sowie ein Fahrrad mit mindestens einer solchen Antriebsvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, etwa ein Fahrrad (bspw. Elektrofahrrad oder Pedelec (mit Elektromotor)) oder ein Kraftfahrzeug (bspw. Pkw, Lkw, Bus oder landwirtschaftliches Nutzfahrzeug) mit einer Kurbeltriebeinheit, die eine drehbar um eine Kurbelachse gelagerte Antriebskurbel, einen mit der Antriebskurbel verbundenen Hebelmechanismus und ein, eine Seilaufnahmekontur aufweisendes, durch den Hebelmechanismus antreibbares Zugelement aufweist, wobei der Hebelmechanismus derart ausgestaltet ist und sowohl mit der Antriebskurbel als auch dem Zugelement verbunden ist, das ein Drehen der Antriebskurbel eine Antriebsbewegung des Zugelementes zum Ziehen eines an der Seilaufnahmekontur befestigbaren Seiles hervorruft. Auch umfasst die Erfindung ein Fahrzeug, etwa ein Fahrrad oder ein Kraftfahrzeug mit mindestens einer solchen Antriebsvorrichtung.
Ist die Antriebsvorrichtung als Antrieb für Fahrräder ausgestaltet, dient sie als Alternative zum üblichen Kettenantrieb. Dabei ist eine Anwendung sowohl in konventionellen Fahrrädern als auch in Pedelecs mit E-Motor-Unterstützung möglich. Alternativ ist auch ein Einsatz in anderen Bereichen denkbar, wo ein Getriebe notwendig ist und insbesondere die Stufenlosigkeit einen Vorteil bringt.
Antriebsvorrichtungen mit Hebelmechanismen statt den üblichen Kettenantrieben sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Die WO 2010/084363 A1 offenbart bspw. einen Schwenkantrieb/ oszillierender Antrieb für Fahrräder, wobei je eine Pedalkurbel Schwungarme antreibt, die wiederum über ein Seil eine auf der Hinterradnabe montierte Seilrolle antreiben. Die Kurbel ist in dem ihr zugeordneten Schwungarm entlang eine Kulisseführungsgeometrie relativ zu dieser verschiebbar gelagert, welche Lagerstelle beim Abfahren der Kulissenführung die Schwungarme und damit das Seil sowie das Hinterrad antreibt.
In der WO 2012/001436 A1 ist darüber hinaus eine beispielhafte Hinterradnabe ausgestaltet, deren Seilrolle zur Aufnahme eines Seilabschnittes geeignet ist.
Aus dem Stand der Technik ist somit, in anderen Worten ausgedrückt, bereits ein Zugseile umfassender Fahrradantrieb bekannt. Hierbei werden zur Erzeugung der oszillierenden Bewegung Kurbelschwingen/ Schwungarme am Antrieb verwendet. Die Schwungarme führen eine hin- und hergehende Bewegung aus, wodurch jedoch ein relativ hohes Verletzungsrisiko verursacht wird, da Körperteile zwischen diesen Schwingen und dem Rahmen eingeklemmt werden können. Auch ist der offenliegende Verstellmechanismus, um die Übersetzungsverhältnisse zu verändern, relativ anfällig gegenüber Beschädigungen. Weiterhin kann beim Rückwärtsschieben des Rades mit einem solchen Antrieb ein Ruckeln entstehen, welches durch den Mechanismus zum Entriegeln der hinteren Nabe verursacht werden kann. Zudem ist die Übersetzungsänderung durch den möglichen Verstellweg der Umlenkrolle auf dem Antriebshebel beschränkt. Der minimale Abstand wird dabei durch die notwendigen Lagerdimensionen bestimmt und die maximale Länge durch die Gesamtproportionen am Fahrrad limitiert (Rahmengröße, Radabmessungen, Bodenfreiheit am Tretlager, etc.). Es kann daher lediglich eine Spreizung/ Getriebespreizung dieses Fahrrades von bis zu 3,5 erreicht werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und ein stufenlos verstellbares Getriebe zu entwickeln, welches möglichst leicht baut und eine Spreizung größer 3,5 ermöglicht. Zudem sollen die Randbedingungen für ein Fahrradgetriebe erfüllt werden und das Getriebe sich von den bisherigen Getrieben absetzen, wobei eine Gesamtübersetzung im Bereich zwischen 0,25 und 1,5 liegen sollte.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Hebelmechanismus mehrere gelenkig miteinander verbundene Hebelelemente aufweist, die relativ zueinander verschwenkbar sind.
Durch diese feste Gelenkverbindung wird eine Relativbewegung zwischen Antriebskurbel und Hebelmechanismus, etwa ein Entlanggleiten der Antriebskurbel an einer Kulissenführung des Hebelmechanismus vermieden. Die Übertragung des Antriebsmomentes von der Kurbel auf eine Antriebskraft des Zugelementes ist somit deutlich direkter möglich, während die Verletzungsgefahr für den Nutzer des Fahrzeuges gleichzeitig gesenkt wird. Bei geschickter Anordnung der einzelnen Hebelelemente zueinander kann zudem eine beliebig hohe Spreizung, insbesondere über 3,5 erreicht werden. Aufgrund der gelenkigen Lagerung der Hebelelemente zueinander ist die Bauweise zudem besonders kompakt und leicht ausgestaltbar.
Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es möglich, das Zugelement als scheibenförmige Seilrolle auszugestalten, an dessen Außenumfangsfläche die Seilaufnahmekontur zur Aufnahme des Seils angeordnet ist, wobei der Hebelmechanismus das Zugelement rotierend antreibt und/oder wobei das Zugelement im Betriebszustand so angeordnet ist, dass es mit seiner Längsachse konzentrisch zur Kurbelachse ausgerichtet ist. Dadurch ist eine besonders platzsparende Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung möglich. In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn der gesamte Hebelmechanismus innerhalb einer Außenwandung des Zugelementes angeordnet ist, wobei das Zugelement somit eine Art Gehäuse für den Hebelmechanismus bildet. Dieses Gehäuse umhaust/ umhüllt/ umschließt den Hebelmechanismus. Dadurch ist es möglich die Verletzungsgefahr weiter zu senken.
Ist die Seilaufnahmekontur weiterhin auf einem kegelförmigen Abschnitt des Zugelementes angeordnet (Außenumfangsfläche im Wesentlichen kegelförmig ausgestaltet), kann das vom Zugelement auf das Seil zu übertragende Drehmoment in Abhängigkeit der Antriebskurbeldrehung variiert werden. Dabei ist beispielsweise das Seil innerhalb einer Nutgeometrie um das Zugelement gewunden, welche Nutgeometrie durchgängig, und spiralförmig entlang des kegeligen Abschnittes des Zugelementes verläuft. Auch ist dieses Zugelement unabhängig von den zuvor beschriebenen Ausführungen der Antriebsvorrichtung ausgestaltbar, weshalb diese auch unabhängig von den zuvor genannten Ausführungen der Antriebsvorrichtung beanspruchbar ist. Dadurch ist eine besonders variable Antriebsvorrichtung ausgestaltbar. Die Steigung des Kegels kann dabei auf die sich bei Verdrehung des Hebelmechanismus ändernde Übersetzung abgestimmt werden, so dass eine möglichst gleichförmige Drehmomentübertragung zwischen Zugelement und Seil möglich ist.
Ist der Hebelmechanismus zusätzlich mit einem ersten Hebelelement gelenkig mit der Antriebskurbel und/oder mit einem weiteren (zweiten) Hebelelement gelenkig mit dem Zugelement verbunden, so ist eine direkte Anbindung des Hebelmechanismus an die An- und Abtriebsteile der Kurbeltriebeinheit möglich. Dies trägt zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades bei.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn der Hebelmechanismus dafür vorbereitet ist das Zugelement oszillierend anzutreiben, wobei in einem ersten Verdrehbereich der Antriebskurbel der Hebelmechanismus eine Antriebskraft auf das Zugelement überträgt und das Zugelement in einem zweiten Verdrehbereich der Antriebskurbel von dem Hebelmechanismus kraftentkoppelt ist. Dadurch wird die Drehbewegung der Antriebskurbel durch den Hebelmechanismus besonders effizient in eine oszillierende Schwenkbewegung des Zugelementes umgewandelt.
Zweckmäßig ist es in diesem Zusammenhang auch, wenn das Zugelement mehrteilig ausgestaltet ist, wobei im Betrieb (in zumindest einem Betriebszustand), zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Hebelmechanismus, ein erster mit dem Hebelmechanismus verbundener Abschnitt des Zugelementes relativ zu einem zweiten, die Seilaufnahmekontur aufweisenden Abschnitt des Zugelementes verschiebbar oder verdrehbar ist. Der erste Abschnitt ist bspw. als Scheibe ausgestaltet und der zweite Abschnitt als ringförmige Rolle/Seilrolle, wobei die Scheibe innerhalb der Rolle angeordnet, vorzugsweise konzentrisch, ist und in dieser verdrehbar ist. Dadurch ist eine besonders kompakte Ausgestaltung möglich.
Weiterhin ist es sinnvoll, zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt eine Verstelleinrichtung anzuordnen. Besonders von Vorteil ist es dabei, wenn der erste und der zweite Abschnitt über eine, ein Zahnrad aufweisende Verstelleinrichtung miteinander verbunden sind, wobei zum Einstellen des Übersetzungsverhältnisses das Zahnrad verstellbar ist. Das Zahnrad ist vorzugsweise an einem Lagerzapfen des ersten Abschnittes drehbar gelagert und greift gleichzeitig in eine Innenverzahnung des zweiten Abschnittes/ der Rolle ein, weshalb es bei einem Verdrehen des Zahnrades zu einem geführten Abrollen des Zahnrades in der Innenverzahnung der Rolle kommt und dadurch die Rolle relativ zur Scheibe verdreht wird. Dadurch ändern sich auch die Stellung der einzelnen Hebelelemente zueinander und das Übersetzungsverhältnis im Hebelmechanismus. Eine besonders geschickte, klein bauende Übersetzungsänderungseinrichtung ist umsetzbar.
Um das Zahnrad der Verstelleinrichtung bei einem Antrieb der Antriebsvorrichtung als ein den ersten mit dem zweiten Abschnitt verbindendes Element zu verwenden, weist das Zahnrad eine Sperreinrichtung auf, die zumindest in einem Abschnitt des ersten und zweiten Verdrehbereichs der Antriebsvorrichtung ein Verdrehen des Zahnrades relativ zum ersten Abschnitt sperrt. In dieser gesperrten Stellung der Verstelleinrichtung wird dann das Drehmoment von dem ersten Abschnitt/ der Scheibe auf den zweiten Abschnitt/ die Rolle übertragen.
Zweckmäßig ist es zudem auch, wenn an dem Zugelement ein erster Seilbereich des Seils aufgenommen ist und ein zweiter Seilbereich des Seils an einer eine Nabe (im Fall eines Fahrrades eine Radnabe /Fahrradnabe, vorzugsweise eines Hinterrads) antreibenden Nabenantriebseinheit (im Falle eines Fahrrades einer Radnabenantriebseinheit/ Fahrradnabenantriebseinheit, vorzugsweise eines Hinterrads) aufgenommen ist. Dadurch ist eine unmittelbare Übertragung eines Drehmomentes von der Antriebskurbel auf die Nabenantriebseinheit möglich.
Auch ist es weiterhin von Vorteil, wenn die zuvor erwähnte Nabe/ Radnabe/ Fahrradnabe/ Hinterradnabe eines Fahrrades zwei ineinander eingeschobene Hülsenbereiche aufweist, die mittels einer Sperrringeinrichtung drehfest miteinander verbindbar sind, wobei in einer Sperrstellung der Sperrringeinrichtung die beiden Hülsenbereiche drehfest miteinander verbunden sind und in einer Entsperrstellung der Sperrringeinrichtung die beiden Hülsenbereiche frei zueinander verdrehbar sind. Auch ist eine solche Nabe unabhängig von den zuvor beschriebenen Ausführungen der Antriebsvorrichtung ausgestaltbar, weshalb diese Nabe auch unabhängig von den zuvor genannten Ausführungen der Antriebsvorrichtung beanspruchbar ist. Durch eine solche Nabe ist die weitere Kraftübertragung an eine Nabe möglichst effizient ausgestaltet. Insbesondere kann dadurch auch ein Rückwärtsgang eingelegt werden, (in der Entsperrstellung) und das Fahrrad entkoppelt von der Antriebsvorrichtung bewegt werden.
Auch umfasst die Erfindung weiterhin ein Fahrrad, etwa ein Elektrofahrrad / ein Pedelec umfassend einen Elektromotor, mit mindestens einer Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebskurbel dann von dem Elektromotor ausschließlich oder unterstützend angetrieben ist. Vorzugsweise weist dabei das Fahrrad zwei Antriebsvorrichtungen auf, nämlich jeweils eine pro Antriebskurbel/ Tretkurbel des Fahrrades. Die Antriebskurbel ist dabei mit einem Pedal auf übliche Weise verbindbar, das durch den Benutzer des Rades antreibbar ist. Dadurch ist das Fahrrad auch besonders effizient ausgestaltbar.
In anderen Worten ausgedrückt, wird durch die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ein Kurbel-CVT-Getriebe (CCVT/ Crank-Clutch-Variabel-Transmission) in Form eines Spiralseilgetriebes für Fahrräder mit Seilen und Spiralnuten umgesetzt. Es wird ein stufenlos verstellbarer Antrieb für Fahrräder als Alternative zum üblichen Kettenantrieb eingeführt. Dabei ist eine Anwendung sowohl in konventionellen Fahrrädern als auch in Pedelecs mit E-Motor-Unterstützung möglich. Alternativ ist auch ein Einsatz in anderen Bereichen denkbar, wo ein Getriebe notwendig ist und insbesondere die Stufenlosigkeit einen Vorteil bringt. Es wird ein Aufbau der am Tretlager (Lager der Antriebskurbel) angeordneten Antriebseinheit/ Antriebsvorrichtung mit drei Komponenten vorgeschlagen, die Seilzugmittel und einen Abtrieb am Hinterrad des Fahrrades umfasst. Scheiben sowohl am Antrieb als auch am Abtrieb können dabei mit Spiralnuten versehen sein, wobei auf dem Antrieb und auf dem Abtrieb jeweils das Seil auf- und abgewickelt wird. Dabei wird die Drehbewegung der Tretkurbeln/Antriebskurbeln durch einen Hebelmechanismus in eine oszillierende Schwenkbewegung der Antriebsspiralscheibe/ des Zugelementes umgewandelt. Diese Schwenkbewegung wird durch das Seil auf die hintere Spiralscheibe übertragen. In der Hinterachse wird die Schwenkbewegung über einen Freilauf wieder gleichgerichtet und in eine Vorwärtsdrehung umgesetzt. Dabei wird das Drehmoment nur im Zeitfenster der Vorwärtsdrehung der Antriebsscheibe übertragen. Um die Lücke für die Rückwärtsdrehung zu schließen, werden zwei Getriebeeinheiten/Antriebsvorrichtungen (jeweils links und rechts vom Tretlager) angeordnet. Da das Koppelgetriebe so ausgelegt ist, dass der Zeitanteil der Vorwärtsbewegung größer ist als der der Rückwärtsbewegung, gibt es eine kleine Überdeckung zwischen den beiden Getrieben und es entsteht keine Zugkraftlücke.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Zeichnungen, in denen auch verschiedene Ausführungsformen umfasst sind, näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines als Fahrrad ausgestalteten Fahrzeuges mit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform von der Seite, wobei die Kurbeltriebeinheit über ein Seil eine in einer Hinterradnabe des Fahrrades integrierte Nabenantriebseinheit antreibt,
2 die schematische Seitenansicht des Fahrrades nach 1, wobei in dieser Darstellung das Innere der Kurbeltriebeinheit der Antriebsvorrichtung erkennbar ist und wobei insbesondere der Aufbau des Hebelmechanismus zu erkennen ist,
3 eine isometrische Darstellung des in den 1 und 2 schematisch dargestellten Fahrrades, wobei die Anordnung zweier nebeneinander, angeordneter, erfindungsgemäßer Antriebsvorrichtungen an dem Fahrrad gut zu erkennen sind und wobei jeweils eine Kurbeltriebeinheit der Antriebsvorrichtungen eine Antriebskurbel des Fahrrades aufweist, die mit jeweils einem Seil mit einer gemeinsamen Nabenantriebseinheit verbunden ist,
4 eine Teildarstellung durch die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung, wie sie in den 1 bis 3 verwendet ist, wobei im Bereich der Kurbeltriebeinheit ein Längsschnitt durchgeführt ist, dessen Schnittebene senkrecht zur Tretlagerachse und parallel zur Rahmenmittelebene des Fahrrades ausgerichtet ist und dadurch insbesondere das Innere der Kurbeltriebeinheit erkennbar ist,
5a bis 5g eine Detailansicht der wie in 4 im Schnitt dargestellten Kurbeltriebeinheit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in Abhängigkeit unterschiedlicher Winkelstellungen der Antriebskurbel, wobei in diesen Stellungen insbesondere die jeweilige Lage der Hebelelemente zueinander sowie die Lage der Verstelleinrichtung erkennbar sind,
6 eine Teilschnittdarstellung durch die beiden in dem Fahrrad der 1 bis 3 verbauten Antriebsvorrichtungen, wobei die beiden Kurbeltriebeinheiten der Antriebsvorrichtungen in Längsrichtung geschnitten sind, und die Kurbelachse der Antriebskurbel parallel zu der Schnittebene ausgerichtet ist, und wobei insbesondere die Anbindung der Hebelmechanismen der beiden Kurbeltriebeinheiten veranschaulicht ist,
7 bis 10 verschiedene Schnittdarstellungen durch die Antriebsvorrichtung, die im Wesentlichen wie die Schnittdarstellung nach 6 ausgeführt sind, jedoch die Kurbeltriebeinheiten in unterschiedlichen Winkeln entlang der Kurbelachse geschnitten sind, und insbesondere die Anbindung der Antriebskurbel an dem Hebelmechanismus sowie des Hebelmechanismus an das Zugelement verdeutlicht sind,
11 eine Detailansicht der in der Kurbeltriebeinheit enthaltenen Verstelleinrichtung, wobei die Kurbeltriebeinheit im Bereich der Verstelleinrichtung (in einer Ebene, in der die Längsachse des Zahnrades der Verstelleinrichtung verläuft) geschnitten ist, und insbesondere der Aufbau der Verstelleinrichtung erkennbar ist,
12 und 13 zwei Detailansichten der Kurbeltriebeinheit im Bereich der Verstelleinrichtung, wobei die Ansichten Schnittdarstellungen sind, deren Schnittebene wie die der 4 verläuft, und jeweils eine andere Drehpositionen der Antriebskurbel dargestellt ist,
14 eine Schnittdarstellung einer in den 1 bis 3 eingesetzten Nabenantriebseinheit, wobei diese Nabenantriebseinheit in ihrer Längsrichtung geschnitten ist, wobei die Längsachse der Nabenantriebseinheit in der Schnittebene verläuft und insbesondere der Aufbau der Nabenantriebseinheit zu erkennen ist,
15 eine Detailansicht der in 14 dargestellten Nabenantriebseinheit, wobei die Kurbeltriebeinheit hinter der Nabenantriebseinheit erkennbar ist,
16 die Nabenantriebseinheit nach 15, jedoch nun ohne die dahinter befindliche Kurbeltriebeinheit und Rahmenbauteile des Fahrrades, und
17 eine Schnittdarstellung der Nabenantriebseinheit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung nach den 14 bis 16, wobei die Schnittebene normal zur Längsachse der Nabenantriebseinheit verläuft und insbesondere die Ausgestaltung der Sperrringeinrichtung gut zu erkennen ist.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In den 1 bis 3 ist besonders anschaulich eine erste Einsatzmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 1 ersichtlich. Die Antriebsvorrichtung 1 ist dabei als Antriebsvorrichtung 1 eines als Fahrrad 2 ausgeführten Fahrzeuges einsetzbar. Wie nachfolgend noch weiter erläutert, weist das Fahrrad 2 gar zwei der Antriebsvorrichtungen 1 auf, die gemeinsam eine Nabenantriebseinheit 11 antreiben. In weiteren, hier nicht ausführlicher dargestellten Ausführungsbeispielen, ist die Antriebsvorrichtung 1 jedoch auch als Antriebsvorrichtung 1 für einen Bestandteil eines Kraftfahrzeuges (PKW, LKW, Bus, landwirtschaftliches Nutzfahrzeug) ausführbar und kann dann als Getriebeeinheit dienen, um eine Kurbelbewegung in eine oszillierende Antriebsbewegung umzusetzen um bspw. wiederum eine anzutreiben.
Wie weiterhin besonders gut in den 2 und 4 zu erkennen ist, weist die Antriebsvorrichtung 1 eine Kurbeltriebeinheit 3 auf, die eine drehbar um eine Kurbelachse 14 gelagerte Antriebskurbel 4 (auch als Tretkurbel bezeichenbar), einen mit der Antriebskurbel 4 verbundenen Hebelmechanismus 5 und ein, eine Seilaufnahmekontur 6 (in 3 gut zu erkennen) aufweisendes, durch den Hebelmechanismus 5 antreibbares Zugelement 7 auf. Der Hebelmechanismus 5 ist dabei so ausgestaltet und sowohl mit der Antriebskurbel 4 als auch mit dem Zugelement 7 verbunden, dass ein Drehen der Antriebskurbel 4 eine Antriebsbewegung des Zugelementes 7 zum Ziehen eines an der Seilaufnahmekontur 6 befestigbaren Seiles 8 hervorruft. Der Hebelmechanismus 5 weist dabei mehrere gelenkig miteinander verbundene Hebelelemente 9 auf, die relativ zueinander verschwenkbar sind.
In 3 ist zu erkennen, dass an dem Fahrrad 2 zwei Antriebsvorrichtungen 1 vorhanden sind, wobei jede Antriebsvorrichtung 1 eine Antriebskurbel 4 des Fahrrades 2 aufweist, an denen je ein Pedal des Fahrrads angebracht sind. Eine erste Antriebsvorrichtung ist dabei mit dem Bezugszeichen 1 versehen, eine zweite Antriebsvorrichtung ist mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Die erste und die zweite Antriebsvorrichtung 1 und 10 sind gleich aufgebaut und in gleichen Abständen von der Rahmenmittelebene des Fahrrades 2 jeweils zu einer Seite hin angeordnet, wobei deren Antriebskurbeln 4 um 180° zueinander verdreht sind. Da die beiden Antriebsvorrichtungen 1 und 10 gleich aufgebaut sind, sind deren Elemente der Einfachheit halber mit denselben Bezugszeichen versehen.
In den 4 und 5a bis 5g wird der Aufbau und die Funktion der Kurbeltriebeinheit 3 der beiden Antriebsvorrichtungen 1 und 10 anhand der ersten Antriebsvorrichtung 1 nun ausführlicher dargestellt. Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung 1 umfasst die Kurbeltriebeinheit 3, sowie das Seil 8, das dann weiter mit einer Nabenantriebseinheit 11 zugfest verbunden ist (Der Aufbau der Nabenantriebseinheit 11 wird ausführlicher weiter unten erläutert).
Die Kurbeltriebeinheit 3 weist zunächst die um die Kurbelachse 14 (hier die Tretlagerkurbelachse) drehbar gelagerte Antriebskurbel 4 auf. Diese ist besonders gut in 8 zu erkennen. An einem radial außen liegenden, ersten Ende weist die Antriebskurbel 4 eine Pedalaufnahme 15 auf, an der ein hier nicht weiter dargestelltes Pedal zur Betätigung der Antriebsvorrichtung 1 befestigbar ist. Die Antriebskurbel 4 erstreckt sich in radialer Richtung von dem ersten Ende zu der Kurbelachse 14 hin. Mit einem, dem ersten Ende gegenüberliegenden, zweiten Ende (zweites Ende in radialer Richtung bezogen auf Kurbelachse 14 weiter innen als erstes Ende) ist die Antriebskurbel 4 mit einer Welle 12 drehfest verbunden. Die Welle 12 ist wiederum in dem Rahmen 13 des Fahrrades 12 drehbar gelagert. Somit ist die Antriebskurbel 4, durch die Lagerung der Welle 12, um die Kurbelachse 14, die koaxial zu der Längsachse der Welle 12 verläuft, drehbar gelagert. Die beiden Antriebskurbeln 4 der ersten und zweiten Antriebsvorrichtung 1, 10 sind an der Welle 12 um 180° verdreht zueinander angeordnet.
In einem radialen Bereich (bezüglich Kurbelachse 14) zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende der Antriebskurbel 4, weist die Antriebskurbel 4 eine Kurbellagerfläche 15 auf. Diese Kurbellagerfläche 15 ist ein stabförmiger Abschnitt, der eine kreisrunde Außenumfangsfläche aufweist und sich in Längsrichtung parallel zur Kurbelachse 14 erstreckt. Die Kurbellagerfläche 15 dient wiederum zur drehbaren Lagerung eines ersten Hebelelementes 16 des Hebelmechanismus 5 an der Antriebskurbel 4. Das erste Hebelelement 16 ist pleuelartig aufgebaut und relativ zur Antriebskurbel 4 verdrehbar gelagert. Die Kurbellagerfläche 15 des ersten Hebelelementes 16 ist dabei in eine (erste) Lagerbohrung des ersten Hebelelementes 16 eingeschoben. Das erste Hebelelement 16 erstreckt sich von der mit der Antriebskurbel 4 verbundenen (ersten) Lagerbohrung des ersten Hebelelementes 16 im Wesentlichen gerade zu einer weiteren (zweiten) Lagerbohrung des ersten Hebelelementes 16 hin, welche zweite Lagerbohrung dann wiederum gelenkig mit einem zweiten Hebelelement 17 verbunden ist.
Das zweite Hebelelement 17 ist wiederum gebogen (bogenförmig) ausgestaltet und formt im Wesentlichen ein „U“ (oder „C“) aus. Das erste Ende des zweiten Hebelelementes 17, das durch das freie Ende des ersten Schenkels 33 des zweiten Hebelelementes 17 gebildet ist, ist über einen Bolzen gelenkig mit dem ersten Hebelelement 16 verbunden. Von diesem ersten Ende erstreckt sich der erste Schenkel 33 weg zu einem Basissteg 35 hin, der sich quer zum ersten Schenkel 33 erstreckt. Das zweite Ende des zweiten Hebelelementes 17, das durch das freie Ende des zweiten Schenkels 34 des zweiten Hebelelementes 17 gebildet ist, ist wiederum über einen Bolzen gelenkig mit einem dritten Hebelelement 18 verbunden. Das zweite Hebelelement 17 weist zur Verbindung der beiden Schenkel 33, 34 den Basissteg 35 auf. Im Bereich dieses Basissteges 35 (nämlich an der Verbindungsstelle zwischen dem ersten Schenkel 33 und dem Basissteg 35) ist das zweite Hebelelement 17 relativ zu einem rahmenfesten Abschnitt 19 des Fahrzeuges/ Fahrrades verdrehbar gelagert. Dabei ist ein Drehlager 20 an dem zweiten Hebelelement 17 vorgesehen. Ein Zapfen des Drehlagers 20 ist dabei in eine Drehlagerbohrung im zweiten Hebelelement 17 eingeschoben und das zweite Hebelelement 17 somit gleitend zum Zapfen gelagert.
Das zweite Hebelelement 17 ist als ein Stück ausgestaltet, wobei dessen Abschnitte (erster Schenkel 33, Basissteg 35 und zweiter Schenkel 34) miteinander stofflich verbunden sind. Das zweite Hebelelement 17 erstreckt sich im Wesentlichen flach und in einer Erstreckungsebene, wobei die Kurbelachse 16 eine Normale zu dieser Erstreckungsebene ausbildet. Auch die Erstreckungsebenen des ersten Hebelelementes 16 und des dritten Hebelelementes 18 liegen im Wesentlichen in dieser Ebene oder sind leicht parallel dazu versetzt.
Das dritte Hebelelement 18 ist, ähnlich wie das erste Hebelelement 16, ebenfalls pleuelartig ausgebildet und erstreckt sich wiederum im Wesentlichen gerade von einer ersten Lagerbohrung weg. Die erste Lagerbohrung dient (über einen Bolzen) zur gelenkigen Verbindung mit dem zweiten Hebelelement 17. Eine zweite Lagerbohrung des dritten Hebelelementes 18 ist an einem Abschnitt des Zugelementes 7 drehbar gelagert. Zur gelenkigen Lagerung des dritten Hebelelementes 18 zum Zugelement 7 weist das Zugelement 7 bspw. einen Zapfenabschnitt 23 auf, der sich in die zweite Lagerbohrung des dritten Hebelelementes 18 hinein erstreckt und das dritte Hebelelement 18 drehbar lagert.
Das trommelförmige Zugelement 7 ist besonders gut in 4 und in den 6 bis 10 zu erkennen. Das als Gehäusetrommel ausgebildete Zugelement 7 weist zwei Teilabschnitte auf, nämlich einen ersten Abschnitt, der scheibenförmig ausgestaltet ist und deshalb nachfolgend auch als Scheibe 21 bezeichnet ist, sowie einen relativ zum ersten Abschnitt verdrehbar gelagerten zweiten Abschnitt, der als Seilrolle 22 ausgestaltet ist. Der als Scheibe 21 ausgestaltete erste Abschnitt weist dabei den Zapfenabschnitt 23 auf. Der Zapfenabschnitt 23 erstreckt sich in Längsrichtung wiederum im Wesentlichen parallel zur Kurbelachse 14. Der als Seilrolle 22 ausgeführte zweite Abschnitt des Zugelementes 7 ist im Wesentlichen ringförmig ausgestaltet und weist an seiner Außenumfangsfläche die Seilaufnahmekontur 6 auf. Seilrolle 22 und Scheibe 21 sind beide koaxial zueinander angeordnet und drehbar um die Kurbelachse 14 gelagert.
Die Seilaufnahmekontur 6, wie sie auch bspw. in 6 gut zu erkennen ist, ist auf einer im Wesentlichen kegelförmigen Außenumfangsfläche der Seilrolle 22 aufgebracht. Dabei ist auf die Außenumfangsfläche der Seilrolle 22 eine Nutgeometrie aufgebracht, die als Spiralnut bezeichenbar ist. Die Nuten sind als Stirnnuten in Längsrichtung der Kurbelachse 14 in die Außenumfangsfläche der Seilrolle 22 eingefräst/eingedreht. Somit bildet die Seilrolle 22 eine kegelförmig sich verjüngende Nutengeometrie aus, in der ein Ende des Seiles 8 herumgewickelt und fixiert ist.
In den 11 bis 14 ist weiterhin noch eine Verstelleinrichtung 28 detaillierter dargestellt, welche die Scheibe 21 und die Seilrolle 22 zueinander verdrehen kann, um die Übersetzung des Hebelmechanismus 5 zu ändern. Die Verstelleinrichtung 28 weist zu diesem Zwecke ein außenverzahntes Zahnrad 29 auf, das verdrehbar an einem Lagerzapfen 30 der Scheibe 21 drehbar gelagert ist. Mit seiner Außenverzahnung greift das Zahnrad 29 wiederum in eine an der Innenumfangsfläche der Seiltrommel 25 eingearbeitete, ringförmige Innenverzahnung 31 ein. Die Verstelleinrichtung 28 ist im üblichen Betriebszustand in einer Sperrstellung befindlich, in der das Zahnrad 29 nicht verdrehbar ist und dadurch die Scheibe 21 mit der Seilrolle 22 drehfest verbunden ist.
Für das Sperren und Entsperren der Verstelleinrichtung 28 ist eine Sperreinrichtung 32 vorhanden, die eine Schlingfeder 36 umfasst. Die Schlingfeder 36 ist, wie in 11 gut zu erkennen, mit einer relativ zu dem Zahnrad 29 verdrehbaren Betätigungstrommel 37 verbunden, um die ein Betätigungsseil 38 herum gewunden ist. Das Betätigungsseil 38 ist bspw. Teil eines Bowdenzuges. Ist das Betätigungsseil 38 entspannt, sperrt die Schlingfeder 36 die Verdrehung des Zahnrades 29 relativ zur Scheibe 21 und die Sperrstellung ist realisiert. Durch Verdrehen dieser Betätigungstrommel 37 (bei Betätigung des Bowdenzugs) relativ zum Zahnrad 29 wird die Schlingfeder 36 entsperrt und das Zahnrad 29 kann verdreht werden. In dieser Entsperrstellung wird die Seilrolle 22 relativ zu der Scheibe 21 verdreht bis die gewünschte Übersetzungsstellung erreicht ist. Aufgrund der Verzahnung zwischen Zahnrad 29 und Innenverzahnung 31 findet diese Verstellung kontinuierlich statt, wobei jeder beliebige Übersetzungsbereich einstellbar ist. Da sich die Verstelleinrichtung 28 mit dem Zugelement 7 mitdreht, ist der Bowdenzug so ausgestaltet, dass er diese Bewegungen ausgleicht.
Dadurch ist es, in anderen Worten ausgedrückt, möglich, das Zahnrad 29 in der Sperrstellung als Verbindungselement zu nutzen um die Scheibe 21 und die Seilrolle 22 drehfest miteinander zu verbinden. Soll die Sperreinrichtung 32 gelöst werden, so kann die Schlingfeder 36 über einen Bowdenzug angezogen werden und somit das Zahnrad 29 gelöst werden, wodurch eine Verdrehung des Zahnrades 29 ermöglicht wird. Dadurch kann bei weiterer Drehung der Antriebskurbel 4 sowie des Zugelementes 7 die Scheibe 21 gegenüber der Seilrolle 22 verschoben werden, wodurch sich wiederum das Übersetzungsverhältnis des Hebelmechanismus 5 in Abhängigkeit der Verdrehung des Zahnrades 29 gegenüber der Innenverzahnung 31 verändert. Dadurch ist ein beliebiges Übersetzungsverhältnis einstellbar.
In Verbindung mit den 5a bis 5g, worin mehrere Drehstellungen der Kurbeltriebeinheit 3 dargestellt sind, ist die Funktionsweise der Antriebsvorrichtung 1 besonders gut erkennbar. Die Antriebskurbel 4 ist in diesen Figuren während der Umdrehung der Antriebskurbel 4 um 360° jeweils in einer anderen Position dargestellt. Das Drehlager 20 ist dabei stets in der gleichen Position (relativ zum Fahrrad 2), da es mit einem rahmenfesten Abschnitt 19 des Fahrrades 2 verbunden ist. Auch die Kurbelachse 14, die ebenfalls in einem Lagerabschnitt des Rahmens gehalten ist, verändert ihre Lage (relativ zum Fahrrad 2) nicht. Dahingegen wird das Zugelement 7 sowie die ersten, zweiten und dritten Hebelelemente 16 bis 18 relativ zueinander bewegt, um das Zugelement 7 und damit das Seil 8 anzutreiben.
Von 5a zu 5b aus betrachtet wird die Antriebskurbel 4 der ersten Antriebsvorrichtung 1 gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Gemäß dem der Übersichtlichkeit halber dargestellten Bezugspunkt 24 am Außenumfang der Scheibe 21, ist zu erkennen dass sich mit der Scheibe 21 auch die Seilrolle 22 des Zugelementes 7 verdreht, da die Verstelleinrichtung 28 in der Sperrstellung befindlich ist. Die Antriebskurbel 4 treibt dabei das Zugelement 7 an. In den 5c und 5d nähert sich der Hebelmechanismus 5 dann einem Wendepunkt zu, in dem letztendlich sich die Drehbewegung des Zugelementes 7 umkehrt und das Zugelement 7 wiederum durch die am Seil 8 herrschende Zugkraft wieder zurückgedreht wird. Der Hebelmechanismus 5 ist dabei so ausgelegt, dass er nach dem Wendepunkt kein Drehmoment mehr zwischen Zugelement 7 und Antriebskurbel 4 überträgt. Im anschließenden Zyklus, wie er in den 5e bis 5g dargestellt ist, dreht sich die Antriebskurbel 4 zwar weiter entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn weiter, das Zugelement 7 jedoch im Uhrzeigersinn wieder in die Ausgangsstellung zurück, bis die Antriebskurbel 4 wiederum in der Start-Position ankommt, in der der nächste Antriebsschwung eingeleitet werden kann. Im Anschluss an die 5g folgt dann wiederum der Zustand, wie er in 5a dargestellt ist, usw.
Der Hebelmechanismus 5 ist dabei so ausgestaltet, dass die Antriebskurbel 4 in einem ersten Verdrehbereich, der einer Drehung um einen Winkel von mindestens 180° (d.h. einem Drehwinkel von mindestens 180°), vorzugsweise einem Winkel um ca. 210°, entspricht, das Zugelement 7 antreibt. In einem daran anschließenden zweiten Verdrehbereich, der einer Drehung um einen Winkel von maximal 180°, vorzugsweise einem Winkel um ca. 150°, entspricht, das Zugelement 7 nicht antreibt.
Die zweite Antriebsvorrichtung 10 ist dabei derart auf die erste Antriebsvorrichtung 1 abgestimmt, dass kurz bevor die erste Antriebsvorrichtung 1 mit der Antriebsbewegung fertig ist (d.h. kurz bevor die Antriebskurbel 4 der ersten Antriebsvorrichtung 1 den ersten Verdrehbereich ausgeführt hat), die zweite Antriebsvorrichtung 10 mit der Antriebsbewegung beginnt (d.h. dass die Antriebskurbel 4 der zweiten Antriebsvorrichtung 10 deren ersten Verdrehbereich ausführt). Dadurch ist ein lückenloser Antrieb möglich.
Wie weiterhin aus den 6 bis 10 zu erkennen ist, ist das Seil 8 mit einem der Kurbeltriebeinheit 3 abgewandten Ende mit der Nabenantriebseinheit 11 verbunden. Die Nabenantriebseinheit 11 ist dabei im Wesentlichen wie die aus der WO 2012/001436 A1 bekannte Nabenanordnung ausgebildet, weshalb diese Druckschrift als hierin integriert gelten soll.
Die Nabenantriebseinheit 11 weist je Antriebsvorrichtung 1, 10 eine Seiltrommel 25 auf, deren Außenumfangsfläche jeweils im Wesentlichen wie die der Seilrollen 22 ausgestaltet sind. Die Seiltrommel 25, die der Antriebsvorrichtung 1 zugeordnet ist, ist bezüglich der Rahmenmittelebene des Fahrrades 2 symmetrisch zu der Seiltrommel 25 der zweiten Antriebsvorrichtung 10 ausgestaltet. Jede der Seiltrommeln 25 weist an ihrer Außenumfangsfläche wiederum eine sich konisch erstreckende Spiralnut auf, die das Seil 8 aufnimmt und in der das Seil 8 während des Betriebes der Antriebsvorrichtung 1 auf- und abgewickelt wird. Die Seiltrommeln 25 sind wiederum relativ zu einer Welle/ Nabenachse 39 drehbar gelagert und mit einer Nabe 27 über eine Freilaufeinrichtung 40 drehfest verbindbar. Jede Seiltrommel 25 ist dabei in der ersten Verdrehrichtung der jeweiligen Kurbeltriebeinheit 3 über die Freilaufeinrichtung 40 drehfest mit der Nabe 27 verbunden und in der zweiten Verdrehrichtung gegenüber der Nabe 27 relativ zur Nabe 27 durchdrehend. Jede Seiltrommel 25 ist dann der über einen Federmechanismus vorgespannt, nämlich in eine Drehrichtung, die entgegengesetzt der Antriebsdrehrichtung des Seils 8 sowie des Zugelementes 7 wirkt. Dadurch wird das Zugelement 7, insbesondere dessen Seilrolle 22 in dem drucklosen Zustand (zweite Verdrehrichtung) in die Ausgangslage zurückgeführt. Der genaue Aufbau der Seiltrommel 25 und der Nabenantriebseinheit 11 sind dann in den 14 bis 17 ausführlicher dargestellt.
In der Mitte der Nabenachse 39/ Achse des Hinterrades des Fahrrades 2 sind zwei Schrägkugellager 41 in O-Anordnung platziert, welche Schrägkugellager 41 die Radlager bilden. Durch die O-Anordnung kann auch bei einem kleinen Lagerabstand eine hohe Steifigkeit erreicht werden.
In anderen Worten ausgedrückt, ist die Abtriebsachse/ die Nabenantriebseinheit 11 eine Baugruppe, welche die Nabe 27 des Hinterrades am Fahrrad 2 bildet. Zentrum der Abtriebseinheit/ Nabenantriebseinheit 11 bildet die Zentralachse/ Nabenachse 39 mit beidseitigen Gewinden, welche wie üblich in die hintere Gabel eines Fahrrades 2 verschraubt wird. In der Mitte der Nabenachse 39 sind zwei Schrägkugellager 41 in O-Anordnung platziert welche die Radlager bilden.
Wie weiterhin besonders gut in den 16 und 17 zu erkennen ist, ist zudem eine Sperrringeinrichtung 26 in dieser Nabenantriebseinheit 11 vorgesehen, welche Sperrringeinrichtung 26 einen Sperrring umfasst, der zwischen einem ersten und einem zweiten als Hülsenbereich ausgestalteten Abschnitt der Nabe 27 des Fahrrades 2 angeordnet ist. In einer ersten Betätigungsstellung der Sperrringeinrichtung 26 sind die Seiltrommeln 25 mit der Nabe 27 drehfest verbunden, wohingegen in einer zweiten Betätigungsstellung der Sperrringeinrichtung 26 die Seiltrommeln 25 von der Nabe 27 entkoppelt sind und kein Drehmoment auf die Nabe weiterleiten können. In anderen Worten ausgedrückt, sind neben den Radlagern auf einer Zwischenhülse die Lager für die hinteren Spiralscheiben angeordnet. Die zweigeteilte Nabe umfasst zwei Hülsenabschnitte/ Zwischenhülsen, welche rotativ über einen Kugelsperrmechanismus/ eine Sperrringeinrichtung 26 verbunden bzw. gelöst werden können. Das Lösen erlaubt das Rückwärtsschieben des Fahrrades, was aufgrund der Freiläufe sonst blockiert ist. Die Betätigung des Kugelsperrmechanismus/ der Sperrringeinrichtung 26 erfolgt über einen Bowdenzug handbetätigt (nur zum Rückwärtsschieben erforderlich). Ein automatisches Schließen erfolgt durch eine Rückstellfeder im Betätigungssystem.
Die Rückstellfedern für die Seiltrommeln 25 sind zwischen der Achse/ Nabenachse 39 und der Seiltrommel 25/ Spiralscheibe zum Aufwickeln des Seils 8 im Rückhub angeordnet. Alternativ ist auch ein E.-Motor denkbar, welcher die Rückdrehung der hinteren Spiralscheibe durchführt (evtl. bei großem Verdrehwinkel erforderlich). Dieser Aufbau hat weiterhin den Vorteil, dass alle Axialkräfte übertragenden Lager von außen durch die zwei Muttern fixiert werden können. Das Lagerspiel der Radlager wird dabei durch die Bauteiltoleranzen bestimmt. Insbesondere die mittleren Stege der Nabenachse 39/ Zentralachse und der Zwischenhülse sind entsprechend genau auszuführen. Wenn höhere Toleranzen gewünscht werden, ist auch eine Einstellung des Axialspiels über die äußeren Muttern denkbar. In diesem Fall müssen diese aber gegen Verdrehung gesichert werden.
In anderen Worten ausgedrückt, betrifft die Erfindung somit eine als stufenloses Getriebe ausgeführte Antriebsvorrichtung 1, welche als Antrieb für ein Fahrrad eingesetzt werden kann. Ein Einsatz für andere Zwecke ist aber grundsätzlich auch denkbar. Der erfindungsgemäße Aufbau lässt sich in drei Komponenten unterteilen: 1) die Antriebseinheit am Tretlager/ Lager der Antriebskurbel 4/ der Welle 12 angeordnet; 2) das Seil 8 als Zugmittel; 3) der Abtrieb am Hinterrad des Fahrrades 2. Dabei sind sowohl die Zugelemente 7 (Seilrollen 22) am Antrieb als auch die Seiltrommeln 25 am Abtrieb, auf denen das Seil 8 jeweils auf und abgewickelt wird, mit Spiralnuten versehen. Dabei wird die Drehbewegung der Antriebskurbeln 4/ Tretkurbeln durch einen Hebelmechanismus 5 in eine oszillierende Schwenkbewegung der Antriebsspiralscheibe/ des Zugelementes 7 umgewandelt. Diese Schwenkbewegung wird durch das Seil 8 auf die hintere Spiralscheibe/ die Seiltrommel 25 übertragen. In der Hinterachse wird die Schwenkbewegung über einen Freilauf wieder gleichgerichtet und in eine Vorwärtsdrehung umgesetzt. Dabei wird das Drehmoment nur im Zeitfenster der Vorwärtsdrehung/ im ersten Verdrehbereich der Antriebsscheibe/ des Zugelementes 7 übertragen. Um die Lücke für die Rückwärtsdrehung zu schließen werden zwei Antriebsvorrichtungen 1, 10/ Getriebeeinheiten mit Kurbeltriebeinheiten 3 (jeweils links und rechts vom Tretlager) angeordnet. Da das Koppelgetriebe/ die Kurbeltriebeinheit 3 so ausgelegt ist, dass der Zeitanteil der Vorwärtsbewegung (erster Verdrehbereich) größer ist als der der Rückwärtsbewegung (zweiter Verdrehbereich), gibt es eine kleine Überdeckung zwischen beiden Antriebsvorrichtungen 1, 10/ Getrieben und es entsteht keine Zugkraftlücke.
Durch die oszillierende Bewegung der Antriebsspiralscheibe/ des Zugelementes 7 ergeben sich über den Schwenkwinkel leicht veränderliche Übersetzungsverhältnisse aufgrund der Hebelkinematik und des sich über den Drehwinkel ändernden Spiralradius. Man kann somit als Übersetzung von einer gemittelten Übersetzung sprechen. Da beim Fahrradantrieb über die Tretkurbel/ Antriebskurbel 4 schon immer ungleiche Übersetzungsverhältnisse bezogen auf die Pedalkraft vorliegen, muss dies nicht als störend empfunden werden. Es bietet die Möglichkeit den Pedalkraftverlauf zu optimieren.
Ziel des Getriebes/ der Antriebsvorrichtungen 1, 10 ist die mittlere Übersetzung variieren zu können. Dies erfolgt durch Verdrehung der Seilrolle 22 relativ zum Kurbeltrieb/ der Scheibe 21. Damit wickelt sich das Seil 8 auf einem anderen Segment der Spirale sowohl vorn als auch hinten ab, was die Wirkdurchmesser verändert und es stellt sich eine andere mittlere Übersetzung ein. Da die Radiusänderung sowohl vorn als auch hinten erfolgt, wird eine relativ große Gesamtübersetzungsveränderung erreicht. Wichtig ist, dass die Umfangslängen der Spiralen (der Spiralnuten in der Seilrolle 22 und der ihr zugeordneten Seiltrommel 25) am Anund Abtrieb gleich groß sind, damit das Seil 8 an beiden bis zum Spiralende auf- bzw. abgewickelt werden kann.
Zum Einsatz kommt ein Getriebe in Form der Kurbeltriebeinheit 3 mit 6 Gliedern und 7 Drehgelenken. Der Hebelmechanismus 5 besteht aus 6 Gliedern (Gehäuse (Rahmen 13), vier Hebel (erstes, zweites, drittes Hebelelement 16, 17, 18 und Antriebskurbel 4), Seilrolle 22 mit Spiralnuten und 7 Drehgelenken und besitzt einen Antriebsfreiheitsgrad. Das Antriebselement (Tretkurbel/ Antriebskurbel 4) und das Abtriebselement (Spiralscheibe/ Zugelement 7) sind koaxial angeordnet. Durch die 6 Glieder und 7 Gelenke hat das Getriebe/ die Kurbeltriebeinheit 3 genau einen Freiheitsgrad und ist mit Vorgabe des Antriebs statisch bestimmt. Die Kinematik des Koppelgetriebes/ der Kurbeltriebeinheit 3 ist so ausgelegt, das die Spiralscheibe/ das Zugelement 7 bei einer Umdrehung der Tretkurbel/ Antriebskurbel 4 einen möglichst großen Winkel (ca. 130°) ausführt. Dies ist notwendig um die für ein Fahrrad 2 notwendige Gesamtübersetzung ins Schnelle zu erreichen. Weiterhin ist bei der Auslegung zu beachten, dass der Vorwärtshub (erste Verdrehbereich) über mehr als 180° Kurbelwinkel (z.B. 210°) und der Rückhub (zweite Verdrehbereich) entsprechend in einem kleineren Winkel (z.B. 150°) erfolgt. Dies stellt die notwendige Überschneidung der beiden Teilgetriebe (erste und zweite Antriebsvorrichtung 1, 10) sicher und verhindert Zugkraftunterbrechungen im Triebstrang.
Um das Seil 8 auf einem anderen Segmentabschnitt auf der Spiralscheibe/ der Seilrolle 22 abrollen lassen zu können, muss die Spiralscheibe/ Seilrolle 22 relativ zum Koppelgetriebe (der Scheibe 21 und dem Hebelmechanismus 5) verdreht werden. Um dies zu ermöglichen ist das Zugelement 7 zweigeteilt (Antriebsscheibe/ Scheibe 21 und Spiralscheibe/ Seilrolle 22). Das Koppelgetriebe/ der Hebelmechanismus 5 und die Antriebskurbel 4 ist/ sind zunächst mit der Antriebsscheibe (Scheibe 21) verbunden und überträgt/ übertragen die oszillierende Bewegung auf diese. Die Antriebsscheibe/ Scheibe 21 ist wiederum verdrehbar in der Spiralscheibe/ Seilrolle 22 drehbar gelagert. Beide Scheiben 22 und 21 werden durch ein Zahnrad 29 rotativ miteinander verkoppelt. Das Zahnrad 29 ist dabei auf der Antriebsscheibe/ Scheibe 21 gelagert und die Zähne greifen in eine Innenverzahnung 31 in der Spiralscheibe/ Seilrolle 22 ein. Durch Verdrehen des Zahnrades 29 werden beide Scheiben 21, 22 zueinander verdreht und es stellt sich die gewünschte Übersetzungsänderung ein.
Zwischen dem Zahnrad 29 und der Achse der Antriebswelle befindet sich eine Schlingfedersperre/ Sperreinrichtung 32. Diese verhindert zunächst ein Verdrehen des Zahnrades 29, so dass im normalen Betrieb keine ungewünschte Verdrehung zwischen beiden Teilen stattfindet. Damit ist der eigentliche Verstellmechanismus im Betrieb kraftfrei, die erforderlichen Stützkräfte werden von der Schlingfeder 36 aufgebracht.
Um die Übersetzung zu verstellen, muss eine Betätigungstrommel 37 verdreht werden. Durch Verdrehen dieses Bauteils wird die Schlingfeder 36 entsperrt und das Zahnrad 29 kann verdreht werden. In einer ersten Ausführung ist vorgesehen, die Trommel/ Betätigungstrommel 37 über einen Bowdenzug zu betätigen. Da die gesamte Verstellung/ Verstelleinrichtung 28 die oszillierende Bewegung der Antriebsscheibe/ des Zugelementes 7 mit ausführt, muss der Bowdenzug diese Bewegung ausgleichen. Alternativ zum Bowdenzug ist hier auch eine elektromechanische Betätigung durch einen kleinen E-Motor denkbar. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Betätigung während des Rückhubs (des zweiten Verdrehbereiches), bei größeren Verstellwegen evtl. in Einzelschritten, durchzuführen. In diesem Arbeitsbereich ist ein Teilgetriebe weitgehend lastfrei und es müssen nur die Reibkräfte und Vorlastkräfte durch die Rückholfeder überwunden werden. Somit reichen kleine Kräfte für die Verstellung aus, obwohl das Gesamtgetriebe weiter Drehmoment über den zweiten Pfad überträgt. Die Verstellung muss dabei jeweils abwechselnd in den zwei Teilgetrieben erfolgen damit es zu keiner großen Übersetzungsdifferenz zwischen den Teilgetrieben kommt.
Die letzte Baugruppe ist die Abtriebsachse/ die Nabenantriebseinheit 11, welche die Nabe 27 des Hinterrades am Fahrrad 2 bildet. Zentrum der Abtriebseinheit/ Nabenantriebseinheit 11 bildet die Zentralachse mit beidseitigen Gewinden, welche wie üblich in die hintere Gabel eines Fahrrades 2 verschraubt wird. In der Mitte der Achse sind zwei Schrägkugellager in O-Anordnung plaziert welche die Radlager bilden. Durch die O-Anordnung kann auch bei einem kleinen Lagerabstand eine hohe Steifigkeit erreicht werden. Neben den Radlagern sind auf einer Zwischenhülse die Lager für die hinteren Spiralscheiben/ Seiltrommeln 25 angeordnet. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass alle Axialkräfte übertragenden Lager von außen durch die zwei Muttern fixiert werden können. Das Lagerspiel der Radlager wird dabei durch die Bauteiltoleranzen bestimmt. Insbesondere die mittleren Stege der Zentralachse und der Zwischenhülse sind entsprechend genau auszuführen. Wenn höhere Toleranzen gewünscht werden, ist auch eine Einstellung des Axialspiels über die äußeren Muttern denkbar. In diesem Fall müssen diese aber gegen Verdrehung gesichert werden.
Die Kraftübertragung zwischen den Spiralscheiben 25 und der Zwischenhülse erfolgt durch Freiläufe. Auf Grund der kompakten Bauart sind hier vorzugsweise Klemmkörperfreiläufe vorgesehen. Grundsätzlich ist aber auch jedes andere Freilaufprinzip anwendbar. Im Prinzip könnten die Freiläufe direkt auf die Hinterradnabe 27 wirken. Um alternativ dazu ein Rückwärtsschieben des Fahrrades 2 zu ermöglichen wurde die hintere Nabe 27 zweigeteilt. Durch Drehen des äußeren Ringes (äußerer Hülsenbereich) des Kugel-Arretiermechanismus (der Sperrringeinrichtung 26) können die Kugeln geklemmt oder entsperrt werden. Das Drehen des Rings ist dabei durch einen kleinen selbstrückstellenden Bowdenzugmechanismus vorgesehen. Wenn das Fahrrad 2 rückwärts geschoben werden soll, muss der Hebel des Bowdenzugs gezogen werden. Im normalen Fahrzustand wird der äußere Ring z.B. durch eine Feder in der Sperrstellung gehalten.
Wenn die Antriebsspiralscheiben ihren Rückhub ausführen, ist es erforderlich, dass das Seil 8 wieder auf der hinteren Spiralscheibe aufgewickelt wird. Dazu ist eine Rückstellfeder vorgesehen, welche sich an der Zentralachse rotativ abstützt. Gleichzeitig sorgt die Rückstellfeder dafür, dass immer eine genügende Seilspannung vorliegt. Die Feder wird beim Vorwärtshub der Antriebsspiralscheibe/ des Zugelementes 7 gespannt und beim Rückhub wieder entspannt. Da das Seil 8 auch beim Rückhub ein Moment auf die Antriebsspiralscheibe ausübt geht die Federarbeit nicht verloren und ist somit nicht Wirkungsgrad mindernd. Es ist darauf zu achten, dass der Mechanismus nur wenig reibungsbehaftet ist, da dieser Anteil der Kraft sich Wirkungsgrad mindernd auswirkt. Neben dem Schwenkwinkel je Kurbelumdrehung muss die Feder auch in der Lage sein, den Verdrehwinkel durch die Übersetzungsverstellung auszugleichen. Je nach Ausführung der Konstruktion kann dies die im Bauraum mögliche Federkapazität überschreiten. Daher könnte alternativ ein Rückstellmotor an der hinteren Spiralscheibe/ der Seiltrommel 25 angebracht werden. Dies würde auch zu einem zusätzlichen Moment am Hinterrad führen und könnte im Sinne einer elektrischen Fahrunterstützung genutzt werden.
Die Seilrollen 22 und die Seiltrommeln 25 sind so beschaffen und aufeinander abgestimmt, dass die Umfangslängen ihrer Spiralnuten gleich groß sind bzw. annähernd gleich groß sind. Die Steigung der Spiralen/ Spiralnuten der Seilrollen 22 und Seiltrommeln 25 auf An- und Abtrieb sind gegenläufig, so dass das Seil 8 bei einem großen Antriebsdurchmesser am kleinen Abtriebsdurchmesser aufgewickelt wird bzw. bei kleinem Antriebsdurchmesser auf den großen Abtriebsdurchmesser läuft. Die Seiltrommel 25/ Abtriebs-Spiralscheibe ist mit der Freilaufeinrichtung 40/ dem Freilauf verbunden, wodurch die oszillierende Bewegung des Zugelementes 7 in eine (gleich-)gerichtete Drehbewegung am Hinterrad des Fahrrades 2 umgewandelt wird. Die oszillierende Schwenkbewegung des Zugelementes 7 wird durch den Hebelmechanismus 5 erzeugt (Prinzip schwingende Kurbelschleife). Die Antriebskurbel 4/ Kurbel bildet die Zwischenwelle am Pedal, die Schleife entspricht der Antriebscheibe mit Spiralnut.
Die Antriebsachse der Welle 12 (Kurbelachse 14) und die Achse/ Drehachse des Zugelementes 7/ Abtriebsrades sind koaxial angeordnet, wodurch eine kompakte Bauweise realisiert wird. Zur Realisierung der Verstellung ist das Zugelement 7 (am Antrieb) zweiteilig ausgeführt und besteht aus der Scheibe 21/ Antriebsscheibe und der Seilrolle 22/ Scheibe mit Spiralnuten. Auf der Scheibe 21/ Antriebsscheibe ist ein Zahnrad 29 gelagert und greift in eine Innenverzahnung 31 (Hohlrad) auf der Seilrolle 22/ Spiralscheibe ein. Der Hebelmechanismus 5 ist dabei mit der Scheibe 21 verbunden.
Bezüglich der Verstellung ist zu bemerken, dass sich der Laufradius des Seils 8 sowohl am Antriebs- als auch am Abtriebsspiralrad (Seilrolle 22 und Seiltrommel 25) ändert. Dadurch wird eine höhere Spreizung des Getriebes als nur bei antriebsseitiger Hebellängenänderung erzielt. Die Seilrolle 22 wird durch das Verstellzahnrad 29 relativ zur Scheibe 21 verdreht. Dadurch wird ein anderer Abschnitt/ Spiralnutbereich auf der An- und Abtriebsspirale (Seilrolle 22 und Seiltrommel 25) genutzt, was zur gewünschten Übersetzungsänderung führt. Das Verstellzahnrad 29 ist mittels eines Schlingbandes/ einer Schlingfeder 36 mit der Scheibe 21/ Antriebsscheibe gekoppelt, in der Art, dass das Schlingband/ die Schlingfeder 36 alle Momente zwischen Ritzel/ Zahnrad 29 und Antriebsscheibenwelle/ Scheibenwelle überträgt. Dadurch ist eine innere Abstützung realisiert, sodass während des Betriebs keine Stützkräfte von außen durch die Betätigung aufgebracht werden müssen. Die Verstellung erfolgt durch Drehung der Betätigungstrommel 37/ kleinen Seiltrommel, vorzugsweise im lastfreien Zustand während des Rückhubs (im zweiten Verdrehbereich) des Zugelementes 7. Die Betätigung kann Vorzugsweise manuell über einen Bowdenzug aber auch automatisch z.B. durch einen Verstellmotor erfolgen. Die Verstellung der beiden Einheiten (erste und zweite Antriebsvorrichtung 1, 10) erfolgt synchron aufeinander folgend im jeweiligen Leerhub. Die Verstelleinrichtung 28/ der Verstellmechanismus ist direkt an der Scheibe 21 angeordnet und führt die oszillierende Drehbewegung der Scheibe 21/ des Zugelementes 7 mit aus. Die Entkopplung zum stehenden Rahmen 13 erfolgt durch den Bowdenzug bzw. durch die Stromzufuhr (Leitung) zu einem Verstellmotor.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsvorrichtung / erste Antriebsvorrichtung
2: Fahrrad
3: Kurbeltriebeinheit
4: Antriebskurbel
5: Hebelmechanismus
6: Seilaufnahmekontur
7: Zugelement
8: Seil
9: Hebelelement
10: zweite Antriebsvorrichtung
11: Nabenantriebseinheit
12: Welle
13: Rahmen
14: Kurbelachse
15: Kurbellagerfläche
16: erstes Hebelelement
17: zweites Hebelelement
18: drittes Hebelelement
19: rahmenfester Abschnitt
20: Drehlager
21: Scheibe
22: Seilrolle
23: Zapfenabschnitt
24: Bezugspunkt
25: Seiltrommel
26: Sperrringeinrichtung
27: Nabe
28: Verstelleinrichtung
29: Zahnrad
30: Lagerzapfen
31: Innenverzahnung
32: Sperreinrichtung
33: erster Schenkel
34: zweiter Schenkel
35: Basissteg
36: Schlingfeder
37: Betätigungstrommel
38: Betätigungsseil
39: Nabenachse
40: Freilaufeinrichtung
41: Schrägkugellager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/084363 A1 [0003]
WO 2012/001436 A1 [0004, 0055]

Claims

Antriebsvorrichtung (1) für ein Fahrzeug, etwa ein Fahrrad (2), mit einer Kurbeltriebeinheit (3), die eine drehbar um eine Kurbelachse (14) gelagerte Antriebskurbel (4), einen mit der Antriebskurbel (4) verbundenen Hebelmechanismus (5) und ein, eine Seilaufnahmekontur (6) aufweisendes, durch den Hebelmechanismus (5) antreibbares Zugelement (7) aufweist, wobei der Hebelmechanismus (5) derart ausgestaltet ist und sowohl mit der Antriebskurbel (4) als auch mit dem Zugelement (7) verbunden ist, dass ein Drehen der Antriebskurbel (4) eine Antriebsbewegung des Zugelementes (7) zum Ziehen eines an der Seilaufnahmekontur (6) befestigbaren Seiles (8) hervorruft, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelmechanismus (5) mehrere gelenkig miteinander verbundene Hebelelemente (9) aufweist, die relativ zueinander verschwenkbar sind.
Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugelement (7) als Trommel ausgestaltet ist, an dessen Außenumfangsfläche die Seilaufnahmekontur (6) zur Aufnahme des Seils (8) angeordnet ist, wobei der Hebelmechanismus (5) das Zugelement (7) rotierend antreibt und/oder das Zugelement (7) im Betriebszustand so angeordnet ist, dass es mit seiner Längsachse konzentrisch zur Kurbelachse (14) ausgerichtet ist.
Antriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seilaufnahmekontur (6) auf einem kegelförmigen Abschnitt des Zugelementes (7) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelmechanismus (5) mit einem ersten Hebelelement (16) gelenkig mit der Antriebskurbel (4) und/oder mit einem weiteren Hebelelement (18) gelenkig mit dem Zugelement (7) verbunden ist.
Antriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelmechanismus (5) dafür vorbereitet ist das Zugelement (7) oszillierend anzutreiben, wobei in einem ersten Verdrehbereich der Antriebskurbel (4) der Hebelmechanismus (5) eine Antriebskraft auf das Zugelement (7) überträgt und das Zugelement (7) in einem zweiten Verdrehbereich der Antriebskurbel (4) von dem Hebelmechanismus (5) kraftentkoppelt ist.
Antriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugelement (7) mehrteilig ausgestaltet ist, wobei im Betrieb, zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Hebelmechanismus (5), ein erster mit dem Hebelmechanismus (5) verbundener Abschnitt (21) des Zugelementes (7) relativ zu einem zweiten, die Seilaufnahmekontur (6) aufweisenden Abschnitt (22) des Zugelementes (7) verschiebbar oder verdrehbar ist.
Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Abschnitt (21, 22) über eine, ein Zahnrad (29) aufweisende Verstelleinrichtung (28) miteinander verbunden sind, wobei zum Einstellen des Übersetzungsverhältnisses das Zahnrad (29) verstellbar ist.
Antriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Zugelement (7) ein erster Seilbereich des Seils (8) aufgenommen ist und ein zweiter Seilbereich des Seils (8) an einer eine Nabe (27) antreibenden Nabenantriebseinheit (11) aufgenommen ist.
Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (27) zwei ineinander eingeschobene Hülsenbereiche aufweist, die mittels einer Sperrringeinrichtung (26) drehfest miteinander verbindbar sind, wobei in einer Sperrstellung der Sperrringeinrichtung (26) die beiden Hülsenbereiche drehfest miteinander verbunden sind und in einer Entsperrstellung der Sperrringeinrichtung (26) die beiden Hülsenbereiche frei zueinander verdrehbar sind.
Fahrrad (2) mit mindestens einer Antriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.