-
Die Erfindung betrifft ein Zahnrad gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 stehenden Merkmale.
-
Üblicherweise dient das Zahnrad dazu, das vom Radfahrer über Tretkurbeln aufgebrachte Drehmoment mittels eines Kraftübertragungsmittels an das Hinterrad zu übertragen. Das Kraftübertragungsmittel ist formschlüssig auf das Zahnrad aufgelegt und kann insbesondere eine Kette oder ein Zahnriemen sein.
-
Aus der
DE 20 2004 006 544 U1 ist ein ovales, vorzugsweise elliptisch geformtes Zahnrad bekannt, welches Ermüdungserscheinungen des Radfahrers durch eine Erhöhung des Wirkungsgrades vermindern soll. Die Form des Zahnrades soll aufgrund seiner Form an die durch Muskelkraft der Beine erzeugte Schubbewegung angepasst sein. Als nachteilig hat sich jedoch erwiesen, dass das bekannte Zahnrad einerseits nur marginal den Wirkungsgrad verbessert und andererseits ein unrundes Trittgefühl vermittelt, da der Fuß bei einer Umdrehung der Tretkurbel unterschiedlichen Beschleunigungen ausgesetzt ist.
-
Der Effekt des unrunden Trittgefühls ist auch aus anderen Getrieben bekannt, mit denen versucht wurde, den Wirkungsgrad zu verbessern. Ein derartiges Getriebe beschreibt die
DE 10 2010 033 211 B4 , bei welchem ein Planetenrad auf einem feststehenden Sonnenrad abläuft und zusammen mit dem Planetenrad ein Kurbelarm rotiert, welcher drehbar an einer Tretkurbel gelagert ist. Das Sonnenrad, Planetenrad und der Kurbelarm sind von einem gemeinsamen Kurbelgehäuse umgeben, wobei sich die Tretkurbel innerhalb eines gemeinsamen Kurbelgehäuses mittels einer Führungsrolle an einer ebenfalls im Kurbelgehäuse angeordneten Führungsschiene abstützt. Die Führungsrolle läuft frei und mit seitlichem Spiel auf der Führungsschiene ab, so dass ohnehin unrunde Trittgefühl in Umfangsrichtung des Zahnrades aufgrund der frei laufenden Führungsrolle noch verstärkt wird.
-
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Zahnrad zu entwickeln, welches das Trittgefühl eines Fahrradgetriebes verbessert.
-
Die Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Außenkontur des Zahnrades keine Symmetrieachsen aufweist und ausschließlich punktsymmetrisch zu ihrem Symmetriezentrum ausgeformt ist.
-
Da im Rahmen der Erfindung ein kreisrundes Zahnrad ausgeschlossen ist, wird anstelle eines Teilkreisdurchmessers der Begriff eines Teilungsdurchmessers verwendet. Der Teilungsdurchmesser entspricht dem jeweiligen Teilkreisdurchmesser zwischen zwei benachbarten Zähnen.
-
Vorzugsweise weist das Zahnrad vier gleichgroße Segmente auf, wobei der maximale Teilungsdurchmesser und der minimale Teilungsdurchmesser durch ein erstes und drittes Segment verlaufen und das erste sowie dritte Segment um das Symmetriezentrum punktsymmetrisch ausgerichtet sind. Die Segmente sind durch eine horizontale x-Achse, welche parallel zur Geländeoberkante verläuft, und eine diese rechtwinklig schneidende vertikale y-Achse gebildet, wobei der Schnittpunkt beider Achsen im Symmetriezentrum angeordnet ist.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind in einem zweiten und vierten Segment ausschließlich Teilungsdurchmesser vorhanden, die eine Länge zwischen dem maximalen Teilungsdurchmesser und dem minimalen Teilungsdurchmesser aufweisen.
-
Zweckmäßigerweise ist zwischen dem maximalen Teilungsdurchmesser und dem minimalen Teilungsdurchmesser des ersten und dritten Segmentes ein Winkel α von 50° bis 70°, besonders bevorzugt 55° bis 65°, ganz besonders bevorzugt 58° bis 62° aufgespannt. Sofern das Zahnrad an einem Fahrradgetriebe installiert ist, liegt hierdurch der maximale Teilungsdurchmesser in einem Bereich der zu erwartenden höchsten Pedalgeschwindigkeiten. Durch die entsprechende Wahl des Winkels α sind die Pedalgeschwindigkeiten in den Bereichen einer Pedalstellung rings um die x-Achse verringert und nähern sich dadurch von oben einer angestrebten konstanten Pedalgeschwindigkeit an.
-
Benachbarte Zähne des ersten und dritten Segmentes können jeweils unterschiedliche Teilungsdurchmesser aufweisen. Insofern ändert sich der Teilungsdurchmesser von Zahn zu Zahn und es sind im ersten und dritten Segment keine benachbarten Zähne mit gleichem Teilungsdurchmesser vorhanden. Der jeweilige Teilungsdurchmesser eines Zahnes ist vorzugsweise mittels einer Spline-Interpolation zwischen dem maximalen und minimalen Teilungsdurchmesser ermittelt.
-
Günstigerweise beträgt das Verhältnis von maximalem Teilungsdurchmesser zu minimalem Teilungsdurchmesser > 1,30. Je größer das Verhältnis ist, desto weiter nähern sich die Pedalgeschwindigkeiten während eines Umlaufes einer Konstanten an. Dem dimensionslosen Wert sind allerdings nach oben bautechnische Grenzen am Fahrrad gesetzt.
-
Die Erfindung ist auch an einem Fahrradgetriebe verwirklicht, aufweisend
- – eine Zentralwelle, welche gegenüber einem feststehenden Rahmenelement um eine Zentrallagerachse drehbar gelagert ist,
- – ein konzentrisch um die Zentralwelle angeordnetes und fest mit dem Rahmenelement verbundenes erstes Sonnenrad, und
- – mindestens eine erste, gegenüber dem Rahmenelement rotierende Getriebeanordnung, wobei die Getriebeanordnung
- – eine Trägerplatte umfasst, deren erster Abschnitt drehfest mit der Zentralwelle verbunden und an deren zweitem Abschnitt ein Planetenrad um seine Planetenradlagerachse drehbar gelagert ist, wobei das Planetenrad das erste Sonnenrad kämmt und an dem Planetenrad starr ein Kurbelarm angreift, sowie
- – eine Tretkurbel, an welcher der Kurbelarm drehgelenkig gelagert ist und welche über einen Pendelarm gegenüber der Trägerplatte abgestützt ist, wobei der Pendelarm an der Trägerplatte und der Tretkurbel drehgelenkig gelagert ist, und
wobei das Zahnrad ortsfest zu der Zentralwelle angeordnet ist.
-
An einem freien Ende der Tretkurbel(n) ist sinnvollerweise ein Pedal angebracht, über welches der Radfahrer mittels Muskelkraft ein Drehmoment auf die jeweilige Tretkurbel aufbringt. Das Zahnrad ist derart ausgebildet, dass während einer Umdrehung des Zahnrades maximale Pedalgeschwindigkeiten und minimale Pedalgeschwindigkeiten möglichst angeglichen sind. Angestrebt ist ein Verhältnis zwischen der maximalen Pedalgeschwindigkeit und der minimalen Pedalgeschwindigkeit < 2,00. Vorteilhafterweise ändert sich während eines Umlaufes des Zahnrades die Position der Tretkurbel zu dem Zahnrad.
-
Vorzugsweise ist der minimale Teilungsdurchmesser im Drehsinn um einen Winkel β versetzt zu einer zwischen der Zentrallagerachse und der Planetenradlagerachse verlaufenden Verbindungslinie ausgerichtet. Der Winkel β ist in einem Bereich der y-Achse angeordnet, das heißt einem Bereich einer verminderten Pedalgeschwindigkeit, und dient dazu, die Pedalgeschwindigkeit in diesem Bereich zu erhöhen und dadurch einer konstanten Pedalgeschwindigkeit von unten anzunähern.
-
Der Winkel β kann zwischen 1° und 15°, besonders bevorzugt 3° und 7°, ganz besonders bevorzugt 4° und 6° betragen.
-
Bei einem Fahrradgetriebe hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn ein zweites Sonnenrad vorgesehen ist, welches mit einer gegenüber dem Rahmenelement rotierenden zweiten Getriebeanordnung zusammenwirkt, wobei die zweite Getriebeanordnung um 180° zu der ersten Getriebeanordnung versetzt angeordnet ist und eine Trägerplatte umfasst, deren erster Abschnitt drehfest mit der Zentralwelle verbunden und an deren zweitem Abschnitt ein Planetenrad drehbar gelagert ist, das Planetenrad das zweite Sonnenrad kämmt und an dem Planetenrad starr ein Kurbelarm angreift, sowie eine Tretkurbel, an welcher der Kurbelarm drehgelenkig gelagert und welche über einen Pendelarm gegenüber der Trägerplatte abgestützt ist, wobei der Pendelarm an der Trägerplatte und der Tretkurbel drehgelenkig gelagert ist. Folglich weist das Fahrradgetriebe sinnvollerweise zwei Getriebeanordnungen auf, die beide auf die gemeinsame Zentralwelle wirken. Hieraus resultiert der Vorteil, dass der Radfahrer mit beiden Beinen treten kann.
-
Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachfolgend anhand von drei Figuren näher erläutert. Es zeigen die
-
1: eine Seitenansicht auf ein erfindungsgemäßes Zahnrad;
-
2: eine teilweise durchbrochene Seitenansicht auf ein an einem Fahrradgetriebe angebautes Zahnrad und
-
3: einen Längsschnitt durch das Fahrradgetriebe gemäß 2.
-
Die 1 zeigt eine Seitenansicht auf ein Zahnrad 10 mit einer ovalen Außenkontur 11. Die Außenkontur 11 umgibt das Zahnrad 10 in Umfangsrichtung vollständig und gibt die Linie eines hier nicht gezeigten Kraftübertragungsmittels vor, wie zum Beispiel einer Kette oder eines Zahnriemens. An der Außenkontur 11 sind umlaufend Zähne 12a, 12b ausgebildet, die bei einem montierten Zahnrad 10 in Wirkeingriff mit dem Kraftübertragungsmittel gelangen.
-
Das Zahnrad 10 weist vier in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Befestigungsöffnungen 25 auf, über die das Zahnrad 10 mit einer Trägerplatte 31 einer Getriebeanordnung 30 eines Fahrradgetriebes 20 verbindbar ist (siehe 2).
-
Das Fahrradgetriebe 20 umfasst eine Zentralwelle 21, die drehbar um die Zentrallagerachse 23, koaxial innerhalb eines feststehenden Sonnenrades 24 gelagert ist. Dabei durchragt die Zentralwelle 21 ein feststehendes Rahmenelement 22, über welches das Fahrradgetriebe 20 dauerhaft mit einem Fahrradrahmen 40 verbindbar ist.
-
Um das Sonnenrad 24 rotiert die Getriebeanordnung 30, welche die Trägerplatte 31 und ein darin in einem ersten Abschnitt 31a drehbar gelagertes Planetenrad 32 umfasst. Das Planetenrad 32 steht im permanenten Wirkeingriff mit dem Sonnenrad 24 und rotiert zusammen mit der Trägerplatte 31 um dessen Umfangsfläche. An dem Planetenrad 32 ist ein Kurbelarm 34 ausgebildet, der drehfest zusammen mit dem Planetenrad 32 rotiert und drehgelenkig an einer nach oben ragenden Tretkurbel 35 befestigt ist (siehe 3). Die Tretkurbel 35 ist in Richtung ihres freien Endes über einen Pendelarm 36 ebenfalls mit der Trägerplatte 31 verbunden, wobei der Pendelarm 36 drehgelenkig sowohl an der Tretkurbel 35 als auch an einem zweiten Abschnitt 31b der Trägerplatte 31 angreift.
-
Auf der in 2 durch das Rahmenelement 22 verdeckten Rückseite ist ein weiteres Sonnenrad 24 angeordnet, welches auch mit einer zugehörigen Getriebeanordnung 30 gekoppelt ist und dem Radfahrer ein beidseitiges Treten ermöglicht. Von der rückseitigen Getriebeanordnung ist in 2 lediglich die nach unten vorstehende Tretkurbel 35 zu sehen. Beide Getriebeanordnungen 30 sind identischen Aufbaus und um 180° zueinander versetzt angeordnet, wie in 3 gezeigt ist.
-
Wie in 1 erkennbar ist, lässt sich das Zahnrad 10 in vier Segmente 13a, 13b, 13c, 13d unterteilen, die jeweils einen Winkel von 90° um ein Symmetriezentrum M aufspannen. Die Segmente 13a, 13b, 13c, 13d sind durch eine in der Bildebene horizontal verlaufende x-Achse, die sich an der Geländeoberkante oder Fahrbahn orientiert, und einer 90° hierzu verlaufenden, vertikalen y-Achse geteilt. Die Ausrichtung der x-Achse und y-Achse bezieht sich auf die Position der in den 2 und 3 dargestellten Zentralwelle 21, wobei das Symmetriezentrum M mit der Zentrallagerachse 23 der Zentralwelle 21 fluchtet. Das Zahnrad 10 dreht sich zusammen mit den Segmenten 13a, 13b, 13c, 13d aufgrund seiner ortsfesten Anbringung zu der Zentralwelle 21 synchron mit dieser.
-
Das erste Segment 13a befindet sich in der Darstellung der 1 in der Bildebene oben rechts. Diesem schließen sich das zweite Segment 13b, das dritte Segment 13c und das vierte Segment 13d entgegen dem Uhrzeigersinn an. Aufgrund der punktsymmetrischen Ausbildung der Außenkontur 11 sind auch die Segmente 13a, 13b, 13c, 13d punktsymmetrisch zueinander angeordnet.
-
Das erste Segment 13a und das dritte Segment 13b sind jeweils mit einem maximalen Teilungsdurchmesser ∅max und einem minimalen Teilungsdurchmesser ∅min ausgebildet. Der maximale Teilungsdurchmesser ∅max und der minimale Teilungsdurchmesser ∅min stehen dabei nicht rechtwinklig wie bei einer Ellipse aufeinander, sondern schneiden sich unter einem Winkel α < 90°. Gemäß des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels beträgt der Winkel α = 61,25°. Hierdurch wird erreicht, dass sich eine maximale Pedalgeschwindigkeit vmax rings um die x-Achse insbesondere im Vergleich zu einem kreisrunden Zahnrad verringert. Die in 2 angedeuteten maximalen Pedalgeschwindigkeiten vmax sind jedoch immer noch annähernd doppelt so hoch wie minimale Pedalgeschwindigkeiten vmin.
-
Zusätzlich zu einer Verringerung der maximalen Pedalgeschwindigkeit vmax ist zum Zwecke einer Erhöhung der minimalen Pedalgeschwindigkeiten vmin rings um die y-Achse der minimale Teilungsdurchmesser ∅min um einen Winkel β im Drehsinn 14 des Zahnrades 10 versetzt zu einer Verbindungslinie 37 ausgerichtet. In der gezeigten senkrechten Stellung der Tretkurbeln 35 gemäß 2 stehen die Zentrallagerachse 23 und eine Planetenradlagerachse 33 exakt übereinander und fluchten mit der y-Achse. Die Verbindungslinie 37 verläuft genau durch die Zentrallagerachse 23 sowie die Planetenradlagerachse 33 und dient als Bezugsgröße für den daran anzutragenden Winkel β.
-
Die Außenkontur 11 im Bereich des zweiten Segmentes 13b und des vierten Segmentes 13d weist zwischen benachbarten Zähnen 12a, 12b einen wechselnden Teilungsdurchmesser ∅ auf, dessen Länge zwischen dem maximalen Teilungsdurchmesser ∅max und dem minimalen Teilungsdurchmesser ∅min des ersten und dritten Segmentes 13a, 13c liegt.
-
Der in 3 gezeigte Längsschnitt lässt das bezüglich des Rahmenelementes 22 feststehende erste und zweite Sonnenrad 24 erkennen, welche auf beiden äußeren Seiten des Rahmenelementes 22 angeordnet sind. Beide Sonnenräder 24 sind über einen Hohlzylinder 26 fest verbunden und als einstückig, integrale Baueinheit ausgeführt. Unter einer einstückig, integralen Baueinheit wird eine zerstörungsfrei nicht separierbare Verbindung verstanden.
-
Innerhalb des Hohlzylinders 26 verläuft konzentrisch die Zentralwelle 21, welche angrenzend zu den Sonnenrädern 24 mittels jeweils eines Zentralwellenlagers 27 drehbar gelagert ist. Aufgrund der in axialer Richtung der Zentralwelle 21 möglichst weit außen, koaxial innerhalb der Sonnenräder 24 angeordneten Zentralwellenlager 27 können besonders gut auf die Zentralwelle 21 wirkende Kippmomente aufgenommen werden.
-
An beiden axialen Endabschnitten der Zentralwelle 21 ist drehfest die Trägerplatte 31 angebracht, welche im Betrieb des Fahrradgetriebes 20 zusammen mit der Zentralwelle 21 eine kreisförmige Drehbewegung ausführt. Die Verbindung der Trägerplatte 31 mit der Zentralwelle 21 erfolgt in dem zentrisch in der Trägerplatte 31 angeordneten, ersten Abschnitt 31a. In radialer Richtung der Trägerplatte 31 ist außenliegend ein zweiter Abschnitt 31b vorgesehen, in welchem das Planetenrad 32 drehbar gegenüber der Trägerplatte 31 gelagert ist.
-
An dem bezüglich des Rahmenelementes 22 äußeren Ende einer Planetenradwelle 32a des Planetenrades 32 ist der Kurbelarm 34 entweder drehfest angebracht oder integral, einstückig ausgeformt. Der Kurbelarm 34 steht in radialer Richtung gegenüber der Planetenradwelle 32a vor und greift drehbeweglich an der Tretkurbel 35 an.
-
Die Krafteinleitung in das Fahrradgetriebe 20 erfolgt über dessen zwei Tretkurbeln 35 der jeweiligen Getriebeanordnungen 30, welche das Fahrradgetriebe 20 in axialer Richtung der Zentralwelle 21 nach außen begrenzen. Die 3 zeigt wie auch die 2 die Tretkurbeln 35 und die jeweils zugehörige Getriebeanordnung 30 in einer gestreckten Stellung, in welcher der Kurbelarm 34 ausgehend von der Planetenradwelle 32a des Planetenrades 32 radial nach innen in Richtung der Zentralwelle 21 zeigt. Das freie Ende der Tretkurbel 35 befindet sich hierdurch in einer maximal ausgefahrenen Position. Um ein gleichmäßigeres Trittgefühl mit einer möglichst konstanten Pedalgeschwindigkeit zu erreichen, greift in dieser ausgestreckten Stellung das Zahnrad 10 mit seinem um den Winkel β versetzten minimalen Teilungsdurchmesser ∅min wirksam in das nicht gezeigte Kraftübertragungsmittel ein und erhöht dadurch die in diesem Bereich vorhandene minimale Pedalgeschwindigkeit vmin.
-
Aus dem Längsschnitt der 3 wird auch deutlich, dass der Kurbelarm 34 auch eine um 180° gedrehte Stellung einnehmen kann und sich dadurch das freie Ende der Tretkurbel 35 in einer eingefahrenen Position befindet. In dieser -hier nicht gezeigten- eingefahrenen Position greifen die Zähne 12a, 12b innerhalb des Winkels α wirksam in das Kraftübertragungsmittel ein, wodurch die in diesem Bereich vorhandene maximale Pedalgeschwindigkeit vmax verringert wird.
-
An dem freien Ende der Tretkurbeln 35 ist in der Darstellung von 3 beispielhaft jeweils ein Pedal 38 befestigt, welches mittels eines Pedallagers 39 gegenüber der zugehörigen Tretkurbel 35 drehbar gelagert ist. Das Pedallager 39 weist eine bezüglich der Tretkurbel 35 ortsfeste Lagerachse auf.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Zahnrad
- 11
- Außenkontur
- 12a, b
- Zähne
- 13a
- erstes Segment Zahnrad
- 13b
- zweites Segment Zahnrad
- 13c
- drittes Segment Zahnrad
- 13d
- viertes Segment Zahnrad
- 14
- Drehsinn Zahnrad
- 20
- Fahrradgetriebe
- 21
- Zentralwelle
- 22
- feststehendes Rahmenelement
- 23
- Zentrallagerachse
- 24
- Sonnenrad
- 25
- Befestigungsöffnung
- 26
- Hohlzylinder
- 27
- Zentralwellenlager
- 30
- Getriebeanordnung
- 31
- Trägerplatte
- 31a
- erster Abschnitt Trägerplatte
- 31b
- zweiter Abschnitt Trägerplatte
- 32
- Planetenrad
- 32a
- Planetenradwelle
- 33
- Planetenradlagerachse
- 34
- Kurbelarm
- 35
- Tretkurbel
- 36
- Pendelarm
- 37
- Verbindungslinie Planetenradlagerachse-Zentrallagerachse
- 38
- Pedal
- 39
- Pedallager
- 40
- Fahrradrahmen
- α
- Winkel zwischen ∅max und ∅min
- β
- Winkel zwischen Verbindungslinie und ∅min
- ∅
- Teilungsdurchmesser
- ∎max
- maximaler Teilungsdurchmesser
- ∎min
- minimaler Teilungsdurchmesser
- M
- Symmetriezentrum
- vmax
- maximale Pedalgeschwindigkeit
- vmin
- minimale Pedalgeschwindigkeit
- x
- horizontale Achse
- y
- vertikale Achse
-
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
-
- DE 202004006544 U1 [0003]
- DE 102010033211 B4 [0004]
