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Die Erfindung betrifft ein Kurbelgetriebe mit einer Kurbelwelle zur Verbindung mit wenigstens einer Fuß- oder Handkurbel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Unter einem erfindungsgemäßen Kurbelgetriebe ist hierbei jedes Getriebe für Fahrzeuge zu verstehen, bei denen ein Antrieb über eine von einer Person mittels Körperkraft in Drehung versetzte Kurbel erfolgt und dieses Drehmoment von dort über ein mechanisches Getriebe auf wenigstens ein Vortriebselement wie ein Laufrad oder ein Schaufelrad übertragen wird, also neben herkömmlichen Fahrradgetrieben auch Getriebe für mehrrädrige Fahrzeuge und/oder zusätzlich motorisch angetriebene Fahrzeuge wie sogenannte E-Bikes bzw. Pedelecs sowie andere derartige Fahrzeuge wie Tretboote oder dergleichen.
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Kurbelgetriebe für Fahrräder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind im Handel erhältlich.
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Mit der Druckschrift
DE 198 16 568 A1 ist eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehmomentes und/oder eines Drehwinkels bekannt geworden. Diese Sensoranordnung beinhaltet durch eine querschnittsverjüngende Formgebung die Ausbildung eines Torsionselementes an einer Welle, wobei die unter Belastung entstehende Verdrehung der Welle bzw. der dabei entstehende Drehwinkel mittels eines magnetischen Sensors aufgenommen und über diesen Drehwinkel auf das aufgebrachte Drehmoment erfasst wird.
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Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, ein Kurbelgetriebe vorzuschlagen, bei dem das über eine Kurbelwelle in ein Kurbelgetriebe eingebrachtes Drehmoment sensorisch erfassbar ist.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Kurbelgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
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Dementsprechend weist ein erfindungsgemäßes Getriebe eine Kopplungseinheit zwischen der Kurbelwelle und dem mittels der Kurbelwelle angetriebenen Getrieberad auf, die unter Belastung einen drehmomentabhängigen Winkelversatz aufweist zwischen einem kurbelseitigen Aufnahmebereich, der das mittels der Kurbel erzeugte Drehmoment aufnimmt, und einem Abgabebereich, der das Drehmoment an das anzutreibende Getrieberad abgibt.
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Durch eine mechanische Umwandlung des Winkelversatzes in eine Verschiebung mittels einer mechanischen Wandlereinheit kann eine Sensoreinheit mit einem herkömmlichen, kostengünstigen Abstandssensor zur Erzeugung eines der Größe des Winkelversatzes entsprechenden Sensorsignals eingesetzt werden.
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Mittels einer Erfassung dieses Winkelversatzes durch Erzeugung eines der Größe des Winkelversatzes entsprechenden Sensorsignals ist ein Rückschluss oder die Bestimmung der Größe und oder Drehrichtung des aufgenommenen Drehmomentes möglich.
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Die zusätzliche Erfassung der Drehrichtung des aufgenommenen Drehmomentes kann beispielsweise bei Verwendung einer sogenannten Rücktrittbremse von Vorteil sein.
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Die Erfassung der Größe des aufgenommenen Drehmomentes kann ggf. in Verbindung mit Getriebedaten zur Datenerfassung z.B. der erzeugten Leistung, der Kurbelkraft etc. verwendet werden. Derartige Daten können für die Speicherung und Anzeige der Daten für einen Fahrer oder auch für Steuerungszwecke, z. B. für eine automatische Gangschaltung oder für die Steuerung eines Zusatzantriebes, weiterverwendet werden.
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Durch die in den Unteransprüchen beanspruchten Merkmale ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungen der Erfindung.
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So steht mit einem Torsionselement eine einfache Möglichkeit zur Verfügung, den gewünschten, drehmomentabhängigen Winkelversatz zu bewirken.
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Für die Abhängigkeit des Winkelversatzes vom eingeleiteten Drehmoment ist das Torsionselement wenigstens bereichsweise elastisch, also rückstellend gegen ein Rückstellmoment verformbar, wobei das Rückstellmoment vom Grad der Verformung und damit von der Belastung bzw. dem aufgenommenen Drehmoment abhängt, so dass auch die Größe des so erzeugten Winkelversatzes von der Größe des aufgenommenen Drehmomentes abhängig ist. Durch das Rückstellmoment nimmt das Torsionselement bei schwindender Belastung zudem seine Ausgangsform wieder an.
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Vorteilhafterweise wird das Torsionselement in einem Hohlraum der Kurbelwelle angeordnet. Zum einen kann das Torsionselement hierdurch eine gewisse Länge aufweisen, falls dies erforderlich ist, und ist dennoch platzsparend untergebracht. Zum anderen kann in dem Hohlraum die Kopplungsstelle zur Ankopplung an das anzutreibende Getrieberad des Getriebes, also der Abgabebereich, leicht genau dort angeordnet werden, wo sich das entsprechende Getrieberad befindet. Die Verbindung des Torsionselementes mit der Kurbelwelle, also der Aufnahmebereich, kann dabei in unmittelbarer Nähe der Kurbel stattfinden, so dass sichergestellt ist, dass auch tatsächlich das durch die Kurbel eingeleitete Drehmoment vollständig auf das Torsionselement übertragen und durch den sich einstellenden Winkelversatz abgebildet wird.
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Das Torsionselement ist in einer derartigen Anwendung zweckmäßigerweise eine Torsionsstange mit der entsprechenden Längenausdehnung zwischen den Verbindungsstellen.
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Das Getrieberad wird üblicherweise als Zahnrad ausgebildet und kann durch ein Verbindungselement zwischen dem Torsionselement und dem Getrieberad angetrieben werden. Insbesondere bei Anordnung in einer durchgehenden, wenigstens teilweise hohlen Kurbelwelle ist ein solches Verbindungselement von Vorteil, da es die Wandung der Hohlwelle durchsetzen und so den Abstand zwischen Torsionselement und Getrieberad überbrücken kann.
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Die mechanische Wandlereinheit wird bevorzugt so ausgestaltet, dass sie den Winkelversatz in eine Axialverschiebung umwandelt. Dadurch kann ein entsprechendes Schiebeelement außen auf der Kurbelwelle verschiebbar angeordnet werden. Auch ein Sensorelement mit einem oder mehreren Abstandssensoren kann so leicht an dem Außenumfang er Kurbelwelle untergebracht werden.
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Zur Umwandlung des Winkelversatzes in eine Verschiebung können geleitende oder rollende Elemente in Verbindung mit Rampen, Gewinden, Führungsnuten oder dergleichen eingesetzt werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Schrägverzahnung zwischen der Kurbelwelle und einem beispielsweise als Ring ausgeführten Schiebeelement vorgesehen. In dieser Ausführung ist ein Teil der Schrägverzahnung drehfest mit der Kurbelwelle entweder in diese eingeformt oder als Aufsatz angeordnet, während das Gegenstück der Schrägverzahnung mit dem Schiebelement verschiebbar ist. Das Schiebeelement ist zu diesem Zweck in einer Schiebeführung mit dem Antriebselement des Getriebes drehfest, aber verschiebbar verbunden. Bei einem Verdrehen des Torsionselementes verschiebt die Schrägverzahnung das Schiebeelement dann in Axialrichtung um einen der Steigung der Schrägverzahnung entsprechenden Weg.
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Für die Rückstellung des Schiebeelementes wird vorteilhafterweise wenigstens ein Rückstellelement beispielsweise in Form einer oder mehrerer Federn vorgesehen. Andere Rückstellungen sind jedoch möglich, beispielsweise mittels einer magnetischen Rückstellkraft.
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Der in der Verschiebung zurückgelegte Weg wird dann mit einem oder mehreren Abstandssensoren erfasst, die ortsfest an der Kurbelwelle oder einem Getriebegehäuse angeordnet sind, beispielsweise in einem Sensorträger in Form eines von der Kurbelwelle durchsetzten Ringes oder Teilringes.
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Als Abstandssensor kommt neben allen anderen verfügbaren Sensoren beispielsweise ein Hallsensor in Betracht. Bevorzugt werden mehrere Sensoren, insbesondere Hallsensoren verwendet, da hierdurch neben der Abstandsmessung auch eine Nulllagenerkennung und/oder eine Drehzahlmessung möglich ist, wobei zu diesem Zweck der Sensorträger mit dem Getriebegehäuse verbunden und wenigstens ein Magnet in dem Schiebelement angeordnet ist.
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Die Erfindung ermöglicht insbesondere in Verbindung mit den beschriebenen Weiterbildungen eine robuste, Platz sparende und kostengünstige Sensorik.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
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Im Einzelnen zeigen
- 1 eine perspektivische Explosivdarstellung verschiedener Getriebekomponenten und der Sensorik für das Drehmoment des erfindungsgemäßen Getriebes,
- 2 eine 1 entsprechende Darstellung in teilweise montierter Stellung verschiedener Bauteile unter Einschluss von weiteren Details und
- 3 eine perspektivische Darstellung der Getriebekomponenten gemäß 1 in zusammengebauter Stellung und
- 4 einen Längsschnitt durch die Getriebekomponenten gemäß 3.
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1 zeigt die wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Getriebes. Im Einzelnen sind dies verschiedene Getriebezahnräder (1, 2, 3, 4), von denen das erste Getriebezahnrad (1) das anspruchsgemäße Getrieberad in einem Bauteil darstellt.
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Eine Kurbelwelle (5) ist beidseitig mit Verzahnungen (6, 7) zur Montage von Fuß-oder Handkurbeln versehen. Ein Verbindungsstift (8) ragt aus der Kurbelwelle heraus und dient als Antriebselement für das Getrieberad (1).
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Auf einer Hülse (9) ist eine Schrägverzahnung (10) als Außenverzahnung angebracht. Die Hülse (9) ist drehfest mit der Kurbelwelle (5) verbunden, beispielsweise verpresst, verschweißt oder aufgeschrumpft.
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Ein Schiebering (11) weist eine Innenverzahnung in Form einer zur Schrägverzahnung (10) korrespondierenden Schrägverzahnung (12) auf. Der Schiebering (11) ist mit drei Bohrungen (13) versehen, in denen (in 1 nicht dargestellte) Gleitstifte (14) als Schiebeführung für den Schiebering untergebracht werden. Ein in 1 schematisch dargestellter Rückstellring (15) dient zur Rückstellung des Schieberinges und trägt (in 1 nicht dargestellte) Haltestifte (16) zur Halterung von nicht dargestellten Spiralfedern, die als Rückstellelemente dienen.
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Die beiden Schrägverzahnungen (10,12) und der Schiebering (11) bilden so die erfindungsgemäße Wandlereinheit zur Umsetzung des Winkelversatzes in eine Verschiebung.
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Ein Sensorträger (17) ist mit Aufnahmen (18) für Hallsensoren (19) versehen, die mit einem Magneten (20) wechselwirken, der in den Schiebring aufgenommen ist. Bohrungen (21) in dem Sensorträger (17) dienen dazu, diesen an einem Getriebegehäuse zu befestigen.
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In 4 ist der innere Hohlraum (22) der Kurbelwelle (5) zu sehen, in dem eine Torsionsstange (23) angeordnet ist. Die Torsionsstange ist an einem ihrem kurbelseitigen Aufnahmebereich (24) drehfest mit der Kurbelwelle verbunden, beispielsweise verpresst, verschweißt oder eingeschrumpft. An ihrem gegenüberliegenden Abgabebereich (25) ist die Torsionsstange mittels des Verbindungsstiftes (8) als Antriebselement (1) drehfest mit dem Getrieberad (1) verbunden. Um den erfindungsgemäßen Winkelversatz zu ermöglichen ist der Durchlass (26) durch die Wandung der Kurbelwelle (5) so groß bemessen, dass ein Spalt (27) für die Verdrehung des Verbindungsstiftes in dem Durchlass (26) verbleibt.
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Die beschriebene Anordnung ist in der Lage, ein durch Körperkraft einer Person mittels einer Kurbel auf die Kurbelwelle (5) eingeleitetes Drehmoment in einen sensorisch erfassbaren Winkelversatz umzuwandeln. Hierzu nimmt die Torsionsstange als Torsionselement (23) das Drehmoment auf und verwindet sich bei entsprechender Belastung. Dies kann dadurch der Fall sein, dass das Getriebe dem Drehmoment zunächst einen Widerstand entgegensetzt, beispielsweise durch ein über das Getriebe anzutreibendes Laufrad. Hierdurch ergibt sich ein Winkelversatz im Verlauf der Torsionsstange (23) und damit zwischen dem Aufnahmebereich(24) und dem Abgabebereich (25).
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Da die Torsionsstange (23) dort drehfest über den Verbindungsstift mit dem Getrieberad (1) verbunden ist, stellt sich dieser Winkelversatz auch zwischen den Schrägverzahnungen (10, 12) ein, was zu einer Axialverschiebung des Schieberinges (11) führt. Diese Axialverschiebung wird durch den Abstandssensor (19 erfasst.
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Bei schwindender Belastung formt sich das Torsionselement bzw. die Torsionsstange (23) elastisch in seine Ausgangsform zurück, während der Schiebering durch die nicht dargestellten Rückstellfedern in seine Ausgangslage zurückgedrückt wird.
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Somit kann in jeder Betriebsphase ein dem eingeleiteten Drehmoment entsprechender Winkelversatz erzeugt und erfasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebezahnrad
- 2
- Getriebezahnrad
- 3
- Getriebezahnrad
- 4
- Getriebezahnrad
- 5
- Kurbelwelle
- 6
- Verzahnung
- 7
- Verzahnung
- 8
- Verbindungsstift
- 9
- Hülse
- 10
- Schrägverzahnung
- 11
- Schiebering
- 12
- Schrägverzahnung
- 13
- Bohrung
- 14
- Gleitstift
- 15
- Rückstellring
- 16
- Haltestift
- 17
- Sensorträger
- 18
- Aufnahme
- 19
- Hallsensor
- 20
- Magnet
- 21
- Bohrung
- 22
- Hohlraum
- 23
- Torsionsstange
- 24
- Aufnahmebereich
- 25
- Abgabebereich
- 26
- Durchlass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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