DE112017007405B4

DE112017007405B4 - Kupplungsmechanismus für ein Fahrrad bzw. für ein Fahrrad mit zusätzlichem Elektroantrieb

Info

Publication number: DE112017007405B4
Application number: DE112017007405.3T
Authority: DE
Inventors: Konstantyn Vladimirovich Bogdanov; Aleksandr Aleksandrovich Ivanov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2021-07-22
Anticipated expiration: 2037-06-14
Also published as: UA118398C2; DE112017007405T5; WO2018186816A1

Abstract

Kupplungsmechanismus für ein Fahrrad oder ein Fahrrad mit einem zusätzlichen elektrischen Antrieb, bestehend aus:
- Einem ersten Kontaktelement und einem zweiten Kontaktelement. Jedes Kontaktelement weist eine Kontaktfläche auf. Jede Kontaktfläche weist mehrere Zähne auf. Die Anzahl der Zähne an der Kontaktfläche des ersten Elements und des zweiten Elements ist gleich. Die Kontaktelemente sind so angeordnet, dass sie mit ihren Kontaktflächen kämmen können, einem Antrieb, einem angetriebenen Element und einem elastischen Element.
- Das erste und das zweite Kontaktelement, der Antrieb und das angetriebene Element drehen sich um eine Drehachse. Die Drehachse verläuft durch ihre Mitten. Sie bildet eine Drehachse für das erste und das zweite Kontaktelement, den Antrieb und das angetriebene Element. Das erste Kontaktelement ist mit dem Antrieb gekoppelt. Das zweite Kontaktelement ist mit dem angetriebenen Element gekoppelt. Das erste Kontaktelement ist so konfiguriert, dass es sich in einem begrenzten Bereich entlang der Achse des Antriebs bewegt, wobei das erste Kontaktelement einen Ring bildet. Das erste Kontaktelement ist dem zweiten Kontaktelement gegenüberliegend angeordnet.
- Das zweite Kontaktelement bildet einen Ring. Das zweite Kontaktelement ist gegenüber dem ersten Element angeordnet. Der Durchmesser des ersten Kontaktelements ist so ausgelegt, dass er etwas innerhalb des zweiten Kontaktelements begrenzt ist, wenn beide Elemente vollständig in Eingriff sind, ist das erste Kontaktelement mit der Möglichkeit einer oszillierenden Bewegung mit einem begrenzten Teilkontakt zwischen den Kontaktflächen des ersten Kontaktelements und des zweiten Kontaktelements, der Anordnung innerhalb des zweiten Kontaktelements konfiguriert.
- Die Zähne beider Kontaktelemente haben im Querschnitt eine trapezförmige oder dreieckige Form. Die Anzahl der Zähne der jeweiligen Kontaktfläche liegt zwischen 30 und 200. Der Antrieb ist mit einer demontierbaren Hülse konfiguriert. Die Hülse ist konfiguriert, um das erste Kontaktelement zusammen mit dem Antrieb um die Achse der Nabe zu drehen.
- Das zweite Kontaktelement ist mit mehreren gleichmäßig angeordneten geraden Keilen versehen. Diese sind an der Oberfläche ausgebildet, welche durch den Außenradius des zweiten Kontaktelements bestimmt ist. Dabei ist das angetriebene Element mit dem zweiten Kontaktelement mittels einer Mehrzahl von geraden Keilen gekoppelt. Die Keile sind an der inneren Oberfläche des angetriebenen Elements ausgebildet. Sie ergänzen entsprechende Keile des zweiten Kontaktelements derart, dass sich das zweite Kontaktelement zusammen mit dem angetriebenen Element um die Achse der Nabe dreht drehen kann.
- Das elastische Element ist mit der Möglichkeit ausgebildet, den ersten Kontakt des ersten Elements mit dem zweiten Kontaktelement sicherzustellen. Dadurch gekennzeichnet, dass:
- Das Ende des zweiten Kontaktelements hat die Form eines Kegelstumpfes. Der Öffnungswinkel des Kegels liegt im Bereich von 60 - 120°. Die Außenfläche des Kegels ist auch die Kontaktfläche des ersten Elements. Die Kontaktfläche des ersten Kontaktelements enthält mehrere gleichmäßig angeordnete spiralförmige Zähne. Dabei liegt ein gedachter Ausgangspunkt einer Spirale, die jeden Zahn verkörpert, auf der gleichen Linie mit einer gedachten Linie, die Höhe des Kegels definiert und mit der Rotationsachse übereinstimmt.
- Das Ende des ersten Kontaktelements hat die Form eines Trichters. Die Außenfläche des Trichters ist auch die Kontaktfläche des zweiten Kontaktelements. Der Öffnungswinkel des Trichters ist komplementär (ergänzend) zum Öffnungswinkel des Kegels des ersten Kontaktelements.
- Die Kontaktfläche des zweiten Kontaktelements enthält mehrere gleichmäßig angeordnete spiralförmige Zähne. Ein imaginärer Ausgangspunkt einer Spirale, die jeden Zahn verkörpert, befindet sich auf derselben Linie mit einer gedachten Linie, die die Höhe des Trichters definiert und mit der Drehachse übereinstimmt. Die Ausrichtung der Spiralkurve stimmt mit der Ausrichtung des ersten Kontaktelements überein.
- Das erste Kontaktelement weist mehrere gleichmäßig angeordnete gerade Keile auf. Diese sind an der Oberfläche des ersten Kontaktelements konfiguriert, die durch ihren Innenradius bestimmt ist.
- Die Hülse enthält eine Vielzahl von geraden Keilen, um mit dem ersten Kontaktelement in Eingriff zu kommen. Das erste Kontaktelement bewegt sich in einem begrenzten Bereich auf den Keilen entlang der Achse der Nabe.
- Die Hülse besteht aus einem Material, das eine höhere Härte aufweist als das des Antriebs.
- Das elastische Element ist am Mitnehmer Antrieb angeordnet. Das elastische Element spannt das erste Kontaktelement zum zweiten Kontaktelement hin vor.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Maschinenbau, und zwar auf die Konstruktion von Kupplungsmechanismen zur Drehbewegungsübertragung und findet daher Anwendung-der Herstellung von Zweiradfahrzeugen, z. B. Fahrrädern oder elektrisch unterstützte Fahrräder (EPAC). Bei diesen Elektrofahrrädern wird typischerweise ein Kupplungsmechanismus verwendet, um den Freilauf des Antriebsrads bereitzustellen. Dabei kann die Übertragung eines Drehmoments von den Pedalen zu einem Rad (Rädern) durch ein Getriebe vorübergehend angehalten werden, wodurch ein Einwegkupplungsmechanismus geschaffen ist.
Der Einwegkupplungsmechanismus ist ein wesentlicher Bestandteil der meisten modernen Fahrräder. Oft wird der Kupplungsmechanismus mit Teilen des Antriebsstrangs in einer einzigen Baugruppe kombiniert, der Radnabe, vorwiegend am Hinterrad des Fahrrads.
Der Kupplungsmechanismus ermöglicht die Verwendung mehrerer Zahnräder im Antriebsstrang und erweitert daher den Anwendungsbereich von Fahrrädern erheblich. Zahnräder werden verwendet, um das auf das Antriebsrad übertragene Drehmoment auf ähnliche Weise zu ändern, wie es bei Kraftfahrzeuggetrieben üblich ist. Zusätzlich ermöglicht der Kupplungsmechanismus die Verwendung verschiedener effizienter Bremsmechanismen, die mit der Kupplung in einer einzigen Einheit gekoppelt sein können, bis zu extern montierten Felgen- und Scheibenbremsen.
Einer der Hauptfaktoren der Kupplung ist die Einrastgeschwindigkeit. Für Radfahrer bedeutet dies, wie viel freie Bewegung die Pedale haben, bevor die Drehkraft von den Pedalen auf die Nabe und damit auf die Kupplung und das Rad übertragen wird. Das ist besonders wichtig für Mountainbikes, da dies den Umgang mit dem Fahrrad auf schwierigem Gelände und unter schwierigen Bodenbedingungen beeinträchtigt.
Es gibt mehrere Anforderungen, die moderne Zweiradfahrzeuge erfüllen und die ihre Leistung und Parameter bestimmen.
Zuverlässigkeit bei hoher Belastung:
In den letzten Jahren ist der Umfang der Radgangschaltung bei Mountainbikes ständig gestiegen (erweitert worden), wodurch es möglich ist, sogar eine größere Variabilität des Drehmoments zu erreichen. Da neue Fahrradtypen aufgetaucht sind, wie e-Mountainbikes (eine Art von EPAC oder e-Bikes), die mit einem zusätzlichen elektrischen Antrieb ausgerüstet sind, wird die Forderung nach einer Kupplung laut, die hohe Drehmomentlasten zuverlässig überträgt. Diese Kupplung sollte folgende Eigenschaften aufweisen:
Niedriger Betriebsgeräuschpegel:
Schnell einrastende Kupplungsmechanismen weisen typischerweise merkliche Betriebsgeräusche auf, je höher die Drehzahl, desto höher der Geräuschpegel. Dies kann sowohl für den Radfahrer selbst als auch für die Menschen in seiner Umgebung zu Unannehmlichkeiten führen.
Interne Verluste:
Die Fähigkeit des Rads, eine konstante Drehzahl beizubehalten, bedeutet, dass der Radfahrer weniger Anstrengungen unternehmen muss, um eine bestimmte Geschwindigkeit beizubehalten. Alle Mechanismen haben aufgrund unvermeidlicher Reibungsverluste einen Wirkungsgrad von kleiner als 1. Gleichzeitig können diese Verluste, insbesondere bei schnell einrastenden Mechanismen, erheblich sein. Bei solchen Mechanismen, die sich durch eine kürzere Freilaufstrecke auszeichnen, muss ein Radfahrer die Verluste durch seine eigenen zusätzlichen Anstrengungen selbst ausgleichen.
Einfache Wartung:
Fahrräder, insbesondere in den Bergen, werden unter sehr unterschiedlichen Bedingungen eingesetzt. Oft werden sie in schlammigen, nassen oder staubigen Umgebungen eingesetzt, abseits von Werkstätten, die technische Hilfe leisten können. Der Kupplungsmechanismus sollte mit grundlegenden, häufig verwendeten Werkzeugen bedienbar sein, ohne besondere Fähigkeiten zu erfordern.
Es gibt mehrere bekannte Kupplungsmechanismen, die der vorgeschlagenen Lösung ähnlich sind, nämlich:

Chris King, „Rear hub drive engagement mechanism“ (US-Patent Nr. US 5,964,332 A Inhaber Christopher D. King, veröffentlicht am 10.12.2007). Der Kupplungsmechanismus besteht aus zwei Stirnrädern mit jeweils sägezahnförmigen Zähnen und am Antriebselement angeordneten Schrägverzahnungen, die den Stirnrädern eine zusätzliche Eingriffskraft verleihen.

Der Antrieb (Rotor) ist mit mehreren Kettenrädern ausgestattet, die durch eine Kette gedreht werden. Das Antriebselement ist auf dem Antrieb (auf der Eingangswelle) montiert. Der Antrieb dreht sich auf der Achse der Nabe, die durch ihre Mitte geführt wird. Das Antriebselement ist schraubenförmig auf dem Antrieb (auf der Eingangswelle) montiert. An der äußeren Oberfläche) des Antriebs (der Eingangswelle) und an der inneren Oberfläche des Antriebselements sind schraubenförmige Keile ausgebildet. Aufgrund solcher schraubenförmigen Keile kann sich das Antriebselement axial auf dem Antrieb (auf der Eingangswelle) bewegen. Wenn sich das Antriebselement axial bewegt, dreht es sich auch geringfügig auf der Eingangswelle. Das angetriebene Element ist so montiert, dass es mit dem Antriebselement in Eingriff treten kann. Das angetriebene Element ist starr mit der Nabenschale (dem Nabengehäuse) gekoppelt und dreht sich mit dieser auf der Nabenachse. Der Kontakt der Elemente wird durch eine Schraubenfeder hergestellt, die in einer Nabenhülle (Nabengehäuse) gehalten wird. Die Schraubenfeder liefert eine Axialkraft, die das anfängliche Einrücken des Antriebselements und des angetriebenen Elements ermöglicht. Das Antriebselement und das angetriebene Element ist orthogonal zur Nabenachse. Symmetrische sägezahnförmige Zähne sind auf dem ebenen Abschnitt beider Elemente des Kontakts ausgebildet. Eine Seite jedes Zahns ist orthogonal zu seiner Basis, die andere Seite verläuft schräg. Bei einer Drehung in einer Richtung greift das Antriebselement starr in das angetriebene Element ein, und die eingerückte Kupplung überträgt das Drehmoment. Die schraubenförmigen Keile stellen eine zusätzliche Kraft bereit, die das Antriebselement-in Richtung des angetriebenen Elements drückt. Bei einer Drehung in die entgegengesetzte Richtung drücken sich das Antriebselement und das angetriebene Element mit schrägen Seiten der Zähne voneinander weg. Diese Bewegung wird fortgesetzt, bis die Elemente getrennt und relativ zueinander zum nächsten Zahnsatz gedreht werden. Die Kraft der Schraubenfeder treibt die Elemente wieder in Kontakt und die Aktion wiederholt sich. Dabei gleiten das Antriebselement und das angetriebene Element mit ihren Zahnabschnitten gegeneinander. Ist die Kupplung ausgerückt, erfolgt keine Drehmomentübertragung von der Eingangswelle auf das Nabengehäuse.
Der Nachteil des Mechanismus ist seine Komplexität. Dies spiegelt sich in den Produktionskosten und der Wartungsfreundlichkeit wider. Für die vollständige Demontage des Mechanismus sind spezielle Fähigkeiten und Werkzeuge erforderlich, die die Wartung /Reparatur im Gelände ausschließen.
Sowohl das Antriebselement als auch das angetriebene Element bestehen aus Stahl. Der Antrieb ist zwecks Massenreduzierung aus einer Aluminiumlegierung gefertigt. Das Antriebselement bewegt sich entlang schraubenförmiger Keile des weniger festen Materials des Antriebs (der Eingangswelle). Dadurch entsteht eine Reibpaarung Stahl-Aluminium, das beispielsweise weniger effizient ist als eine Stahl-Stahl Reibpaarung. Die Reibungsverluste der ersteren Reibpaarung sind höher. Beim Betrieb werden die schraubenförmigen Keile des Antriebs (der Eingangswelle) durch das robustere Antriebselement aus Stahl mit der Zeit verschlissen und müssen ausgetauscht werden. Wenn Staub in den Mechanismus eindringt, verkürzt sich die Lebensdauer der Schraubenverzahnung noch schneller. Außerdem zeigt der Mechanismus einen erhöhten Geräuschpegel.
Die andere bekannte Fahrradnabe ( DE 102015100785 A1 , Inhaber Shimano Inc.) wurde am 23.07.2015 veröffentlicht. Der Mechanismus besteht aus zwei Ratschenelementen. Das erste Ratschenelement (Mitnehmer) ist an einem Antrieb (Rotor) montiert. Der Antrieb (Rotor) ist drehbar an der Nabenachse gelagert. Schrägverzahnungen verbinden das erste Mitnehmer-Ratschenelement und den Antrieb. Das Mitnehmer-Ratschenelement bewegt sich in einem begrenzten Bereich entlang der Nabenachse am Antrieb und dreht sich gleichzeitig mit dem Antrieb. Die schraubenförmigen Keile des Mitnehmers und des Antrieb weisen eine Breite auf, die größer ist als die Breite zwischen benachbarten Keilen. Somit besteht ein Spalt zwischen dem Mitnehmer und dem Antrieb der ein begrenztes Drehspiel des Mitnehmers gegenüber dem Antrieb in der Ebene ermöglicht, die senkrecht zur Achse der Nabe ist. An der Basis mindestens eines der schraubenförmigen Keile des Antriebs, die dem äußeren Ende des Antriebs zugewandt ist, ist ein Absatz ausgebildet. Der Absatz ist eine dreieckig geformte Wulst, die an der Basis einer spiralförmigen Keilverzahnung ausgebildet ist und der benachbarten Keilverzahnung zugewandt ist, jedoch eine Höhe aufweist, die geringer als der Abstand zwischen den beiden benachbarten Keilverzahnungen ist. Der Absatz hat einen flacheren Winkel in Bezug auf die Nabenachse als die Verzahnung, zu der er passt.
Das angetriebene Element (Ratschenteil) ist zwischen dem Mitnehmerelement und dem Nabengehäuse angeordnet. Das angetriebene Element ist starr gekoppelt und dreht sich gleichzeitig mit dem Nabengehäuse durch eine Reihe von trapezförmigen Keilen an seiner äußeren Oberfläche. Die Ratschenfläche des Mitnehmers bildet einen Kegel und enthält eine Reihe von geraden Zähnen, die sich radial vom Rotationszentrum des Mitnehmers erstrecken. Das angetriebene Element (Ratschenteil) weist Zähne auf, die zu denen des Mitnehmers symmetrisch und an der Oberfläche angeordnet sind, welche einen umgekehrten Kegel bildet. Somit greifen die beiden Elemente beim Kontakt ineinander ein und verzahnen starr, wodurch das Drehmoment des Antriebs auf das Nabengehäuse übertragen wird. Innerhalb des Nabengehäuses ist eine Schraubenfeder angeordnet, deren Axialkraft von dem Nabengehäuse auf den Antrieb wirkt. Die Feder drückt den Mitnehmer gegen das angetriebene Element (Ratschenteil). Bei Drehung des Antriebs in einer Richtung greifen die Ratschenelemente ineinander. Die schraubenförmigen Keile des Antriebs und des Mitnehmers stellen eine zusätzliche Eingriffskraft der Ratschenelemente bereit, die dem auf den Antrieb ausgeübten Drehmoment proportional ist.
Bei Drehung des Antriebs in die entgegengesetzte Richtung beginnt der Mitnehmer, den Spalt zwischen den schraubenförmigen Keilen des Antriebs allmählich zu schließen und trifft auf den Absatz an der Basis des Keils. Aufgrund des flacheren Winkels des Absatzes drückt der Absatz den Mitnehmer weg und löst es vollständig vom angetriebenen Element. Der Mitnehmer selbst bewegt sich dabei entlang den Schraubenverzahnungen des Antriebsgehäuses in das Nabengehäuse. Somit ist die Kupplung ausgerückt, und es findet keine Drehmomentübertragung vom Antrieb auf das Nabengehäuse statt.
Diese Ausführung / Konstruktion hat mehrere Nachteile. Beim Umschalten vom eingerückten in den ausgerückten Zustand wirken die schraubenförmigen Keile aufgrund des Spalts zwischen dem Antrieb und dem Mitnehmer unter einer erhöhten Last. Der Antrieb ist aus Gewichtsgründen aus einer Aluminiumlegierung gefertigt und ist der Einwirkung dem festeren Material des Mitnehmers ausgesetzt. Bereiche, in denen der Mitnehmer den Antrieb berührt und auf ihm gleitet, unterliegen während des Betriebs einem Verschleiß und machen bei Erreichen einer bestimmten Grenze einen Austausch des Antriebs nötig. Der Absatz der Keile wird am stärksten vom Mitnehmer beeinflusst. Wenn es abgenutzt oder beschädigt ist, kann der Mechanismus nicht vollständig ausgerückt werden. Die Teile des Mechanismus müssen gründlich vor dem Eindringen von Fremdkörpern, wie Staub, Sand und Schlamm, geschützt werden, insbesondere die spiralförmigen Keile. Die Konstruktion des Mechanismus ist komplex, was die Wartung vor Ort erschwert.
Die der vorgeschlagenen Lösung nächstliegende Lösung ist der „EinwegKupplungsmechanismus für Zweirad-Transportmittel“, ukrainisches Patent Nr. UA 107 233 C2 veröffentlicht am 10.12.2014.
Der Kupplungsmechanismus wird von zwei zylindrischen Elementen gebildet. Eines von diesen ist das Antriebselement. Das Antriebselement ist drehfest mit dem Antrieb (Rotor) gekoppelt. Kettenräder, die von einer Kette angetrieben werden, sind am Antrieb montiert. Das angetriebene Element ist starr mit dem Nabengehäuse gekoppelt und dreht sich zusammen mit diesem. Beide Elemente oder nur das angetriebene Element können sich entlang der Naben-Drehachse bewegen, die durch die Mitte beider Elemente verläuft. Die Kontaktebene der Elemente verläuft schräg zur Drehachse. Eines der Elemente hat eine Kontaktfläche in Form eines Kegels und das zweite in Form eines umgekehrten Kegels. Beide Oberflächen enthalten mehrere Zähne. Das Profil jedes Zahns ist über die gesamte Länge abgerundet. Im Querschnitt hat jeder Zahn eine trapezartige oder dreieckige Form. Das angetriebene Element ist mit dem Nabengehäuse durch eine Reihe von Stiften gekoppelt, die sich durch Vorsprünge am äußeren Abschnitt des Elements und am inneren Abschnitt des Nabengehäuses erstrecken.
Die Stifte unterstützen die Bewegung des angetriebenen Elements entlang der Nabenachse. Das Antriebelement und das angetriebene Element werden durch eine Schraubenfeder in Kontakt gebracht, die im Inneren des Nabengehäuses gehalten wird. Die Kraft der Feder wirkt axial von der Nabe des angetriebenen Elements auf das Antriebselement. Bei Drehung in einer Richtung greifen die Zähne der Kontaktflächen der Elemente mithilfe der Feder ineinander, wodurch die Kupplung eingerückt und das Drehmoment vom Antrieb auf das Nabengehäuse übertragen wird. Beim Drehen in die entgegengesetzte Richtung gleiten die Zähne aneinander vorbei und drücken ein Element vom anderen weg. Sobald sich die Elemente durch die Feder vollständig lösen, greift das angetriebene Element wieder in das Antriebselement ein, wobei es sich um einen Zahn relativ zu diesem gedreht hat. Die Aktion wird wiederholt. Die Kupplung ist ausgerückt. Es wird kein Drehmoment übertragen.
Diese Lösung hat einige Nachteile. Erstens erfordert die gegenseitige Anordnung von Teilen des Mechanismus, dass die Stifte und die Nabenachse immer parallel zueinander bleiben. Andernfalls führt die Verformung des angetriebenen Elements gegenüber dem Antriebselement zu einem unzuverlässigen Eingriff zwischen ihnen, der sich im Überspringen der Zähne unter Beanspruchung äußert. In diesem Fall erfolgt die Übertragung des Drehmoments intermittierend. In der Praxis ist es unmöglich, eine gewisse Durchbiegung der Achse und infolgedessen Abweichungen in der Parallelität zwischen der Achse und den Stiften zu vermeiden. Die Durchbiegung der Achse hängt vom Gewicht des Fahrers, den Fahrbedingungen und der Art der Befestigung der Nabe am Fahrradrahmen ab. Während einer für Mountainbikes typischen Hochgeschwindigkeitskurve bewirkt beispielsweise die Zentrifugalkraft einen solchen zusätzlichen Effekt, der zu einer Durchbiegung der Achse führt. Zweitens erhöhen die Ösen an der äußeren Oberfläche des angetriebenen Elements, die die Stifte aufnehmen, das Gewicht des Elements. Das Gewicht des beweglichen, in diesem Fall des angetriebenen Elements, wirkt sich wiederum direkt auf den Geräuschpegel des Mechanismus aus. Im ausgerückten Zustand oszilliert das angetriebene Element und bewegt sich entlang der Stifte in einer Hin- und Her-Schleife, unterstützt durch die Feder. Zuletzt sei erwähnt, dass das Gewicht der Nabe ca. 300 g beträgt, was ungefähr 10-15 % mehr ist als bei anderen modernen Konstruktionen von Fahrradkupplungsmechanismen.
Durch DE 10 2016 101 498 A1 ist ein Kupplungsmechanismus für ein Fahrrad bekannt, bestehend aus:

- einem ersten Kontaktelement,
- einem zweiten Kontaktelement,
- einem Antrieb,
- einem angetriebenen Element, und
- einem elastischen Element.

Jedes Kontaktelement weist eine Kontaktfläche auf. Jede Kontaktfläche weist mehrere Zähne auf. Die Anzahl der Zähne an der Kontaktfläche des ersten Elements und des zweiten Elements ist gleich. Die Kontaktelemente sind so angeordnet, dass sie mit ihren Kontaktflächen kämmen können. Das erste und das zweite Kontaktelement, der Antrieb und das angetriebene Element drehen sich um eine Drehachse. Die Drehachse verläuft durch ihre Mitten. Sie bildet eine Drehachse für das erste und das zweite Kontaktelement, den Antrieb und das angetriebene Element. Das erste Kontaktelement ist mit dem Antrieb gekoppelt. Das zweite Kontaktelement ist mit dem angetriebenen Element gekoppelt. Das erste Kontaktelement ist so konfiguriert, dass es sich in einem begrenzten Bereich entlang der Achse des Antriebs bewegt, wobei das erste Kontaktelement einen Ring bildet. Das erste Kontaktelement ist dem zweiten Kontaktelement gegenüberliegend angeordnet. Das zweite Kontaktelement bildet einen Ring. Das zweite Kontaktelement ist gegenüber dem ersten Element angeordnet. Der Durchmesser des ersten Kontaktelements ist so ausgelegt, dass er etwas innerhalb des zweiten Kontaktelements begrenzt ist, wenn beide Elemente vollständig in Eingriff sind, ist das erste Kontaktelement mit der Möglichkeit einer oszillierenden Bewegung mit einem begrenzten Teilkontakt zwischen den Kontaktflächen des ersten Kontaktelements und des zweiten Kontaktelements, der Anordnung innerhalb des zweiten Kontaktelements konfiguriert. Die Zähne beider Kontaktelemente haben im Querschnitt eine trapezförmige oder dreieckige Form. Die Anzahl der Zähne der jeweiligen Kontaktfläche liegt zwischen 30 und 200. Der Antrieb ist mit einer demontierbaren Hülse konfiguriert. Die Hülse ist konfiguriert, um das erste Kontaktelement zusammen mit dem Antrieb um die Achse der Nabe zu drehen. Das zweite Kontaktelement ist mit mehreren gleichmäßig angeordneten geraden Keilen versehen. Diese sind an der Oberfläche ausgebildet, welche durch den Außenradius des zweiten Kontaktelements bestimmt ist. Dabei ist das angetriebene Element mit dem zweiten Kontaktelement mittels einer Mehrzahl von geraden Keilen gekoppelt. Die Keile sind an der inneren Oberfläche des angetriebenen Elements ausgebildet.
Sie ergänzen entsprechende Keile des zweiten Kontaktelements derart, dass sich das zweite Kontaktelement zusammen mit dem angetriebenen Element um die Achse der Nabe dreht drehen kann. Das elastische Element ist mit der Möglichkeit ausgebildet, den ersten Kontakt des ersten Elements mit dem zweiten Kontaktelement sicherzustellen. Das elastische Element ist am angetriebenen Element angeordnet. Das elastische Element spannt das erste Kontaktelement in Umfangsrichtung vor
Durch DE 30 35 723 A1 ist ein Kupplungsmechanismus bekannt, bestehend aus:

- einem ersten Kontaktelement, und
- einem zweiten Kontaktelement.

Figurenliste

1 Fahrradkupplungsmechanismus erhöhter Sicherheit, Seitenansicht, Querschnitt;
2 Fahrradkupplungsmechanismus erhöhter Sicherheit, Kontaktelemente, perspektivische Seitenansicht;
3 das erste Kontaktelement, Seitenansicht.

Die Aufgabe der beanspruchten Lösung besteht darin, die Konstruktion des Kupplungsmechanismus zu verbessern, um ein sicheres Einrücken unter hoher Belastung des Antriebs und unter schwierigen Betriebsbedingungen (bei Geschwindigkeits- sowie Manöverfahrten) sicherzustellen und das Konstruktionsgewicht sowie den beim Betrieb mit der ausgerückten Kupplung entstehenden Geräuschpegel zusätzlich zu reduzieren
Die gestellte Aufgabe wird dadurch erreicht, dass der Kupplungsmechanismus für ein Fahrrad oder ein Fahrrad mit einem zusätzlichen elektrischen Antrieb aus folgenden Elementen besteht:

• einem ersten Kontaktelement und einem zweiten Kontaktelement, wobei jedes Kontaktelement eine Kontaktfläche aufweist, jede Kontaktfläche mehrere Zähne aufweist, die Anzahl der Zähne auf der Kontaktfläche des ersten Elements und des zweiten Elements gleich ist und die Kontaktelemente so ausgeführt sind, dass sie mit ihren Kontaktflächen kämmen können,
• einem Drehantrieb
• einem angetriebenen Element und
• einem elastischen Element.

Das erste und das zweite Kontaktelement, der Antrieb und das angetriebene Element drehen sich um eine Drehachse, die durch ihre Mitten verläuft und eine Drehachse für das erste und das zweite Kontaktelement, den Antrieb und das angetriebene Element bildet. Das erste Kontaktelement ist mit dem Antrieb gekoppelt, das zweite Kontaktelement ist mit dem angetriebenen Element gekoppelt. Das erste Kontaktelement bewegt sich in einem begrenzten Bereich entlang der Achse auf dem Antrieb.
Gemäß der beanspruchten technischen Lösung bildet das erste Kontaktelement einen Ring und ist dem zweiten Kontaktelement gegenüberliegend angeordnet. Das Ende des zweiten Kontaktelements hat die Form eines Kegelstumpfes, der Öffnungswinkel des Kegels liegt im Bereich von 60 - 120 Grad. Die Außenfläche des Kegels ist auch die Kontaktfläche des ersten Elements. Die Kontaktfläche des ersten Elements enthält mehrere gleichmäßig angeordnete spiralförmige Zähne, wobei ein gedachter Ausgangspunkt einer Spirale, die jeden Zahn verkörpert, auf der gleichen Linie mit der gedachten Linie liegt, die Höhe des Kegels definiert und mit der Rotationsachse übereinstimmt.
Das zweite Kontaktelement bildet einen Ring und ist gegenüber dem ersten Element angeordnet. Das Ende des ersten Elements hat die Form eines umgekehrten eines Trichters. Die Außenfläche des inversen Trichters ist auch die Kontaktfläche des zweiten Kontaktelements. Der Öffnungswinkel des inversen Trichters ist komplementär (ergänzend) zum Öffnungswinkel des Kegels des ersten Kontaktelements. Der Durchmesser des ersten Kontaktelements ist so ausgelegt, dass er etwas innerhalb des zweiten Kontaktelements begrenzt ist. Wenn beide Elemente vollständig in Eingriff sind, ist das erste Kontaktelement mit der Möglichkeit einer oszillierenden Bewegung mit einem begrenzten Teilkontakt zwischen den Kontaktflächen des ersten Kontaktelements und des zweiten Kontaktelements, der Anordnung innerhalb des zweiten Kontaktelements konfiguriert.
Die Kontaktfläche des zweiten Kontaktelements enthält mehrere gleichmäßig angeordnete spiralförmige Zähne. Ein imaginärer Ausgangspunkt einer Spirale, die jeden Zahn verkörpert, befindet sich auf derselben Linie mit der gedachten Linie, die die Höhe des Kegels definiert und mit der Rotationsachse übereinstimmt- Die Ausrichtung der Spiralkurve stimmt mit Ausrichtung des ersten Kontaktelements überein. Die Zähne beider Kontaktelemente haben im Querschnitt eine trapezförmige oder dreieckige Form. Die Anzahl der Zähne auf der jeweiligen Kontaktfläche liegt zwischen 30 und 200.
Das erste Kontaktelement weist mehrere gleichmäßig angeordnete gerade Keile auf der Oberfläche auf, die durch ihren Innenradius [bestimmt ist. Der Antrieb ist mit einer demontierbaren Hülse konfiguriert, die mehrere gerade Keile enthält, um in das erste Kontaktelement einzugreifen, wobei sich das erste Kontaktelement in einem begrenzten Bereich auf den Keilen entlang der Achse der Nabe bewegt. Die Hülse ist konfiguriert, um das erste Kontaktelement zusammen mit dem Antrieb um die Achse der Nabe zu drehen. Die Hülse besteht aus einem Material, das eine höhere Härte aufweist als das des Antriebs. Das zweite Kontaktelement ist mit mehreren gleichmäßig angeordneten geraden Keilen auf der Oberfläche ausgebildet, die durch den Außenradius des zweiten Kontaktelements bestimmt ist. Dabei ist das angetriebene Element mit dem zweiten Kontaktelement mittels einer Mehrzahl von geraden Keilen gekoppelt, die an der Innenfläche des angetriebenen Elements ausgebildet sind und die entsprechenden Keile des zweiten Kontaktelements derart ergänzen, dass sich das zweite Kontaktelement zusammen mit dem angetriebenen Element um die Achse der Nabe dreht. Das elastische Element ist am Antrieb angeordnet und spannt das erste Kontaktelement zum zweiten Kontaktelement hin ausgebildet, den ersten Kontakt des ersten Elements mit dem zweiten Kontaktelement sicherzustellen.
Gemäß einer Variante der technischen Lösung besteht die Hülse aus Stahl.
Gemäß einer anderen Variante der technischen Lösung ist das elastische Element mindestens eine Feder oder ein Magnet.
Eine Erläuterung, die die Ausführbarkeit der Erfindung auf der Grundlage einer der bevorzugten Ausführungsformen bestätigt, ist nachstehend dargestellt. Das Beispiel offenbart das Wesen und die Eigenschaften der beanspruchten technischen Lösung und dient nicht zur Beschränkung des Schutzumfangs der Erfindung, wie sie durch das Ausführungsbeispiel definiert ist. Anhand dieses Beispiels kann ein Fachmann alle Ergänzungen und Änderungen verstehen, die nicht über das Wesen der erfindungsgemäßen Lösung hinausgehen.
Der Kupplungsmechanismus erhöhter Sicherheit für ein Fahrrad umfasst zwei Kontaktelemente 21 und 24, das erste Element 21 und das zweite Element 24. Das erste Kontaktelement weist eine Kontaktfläche 22 und das zweite Kontaktelement eine Kontaktfläche 23 auf. Beide Kontaktflächen 22 und 23 sind mit den Zähnen 25 bzw. 27 konfiguriert. Die Anzahl der Zähne auf jeder Oberfläche ist gleich. Die Kontaktelemente 21 und 24 sind so angeordnet, dass ihre Kontaktflächen 22 und 23 aufeinanderstoßen können. Der Mechanismus umfasst auch den Antrieb 10 (Rotor), das angetriebene Element 18 und das elastische Element 19. Beide Kontaktelemente 21 und 24, der Antrieb 10 und das angetriebene Element 18 drehen sich um die Drehachse A, die durch ihre Mitten verläuft und eine Drehachse für die Kontaktelemente 21 und 24, den Antrieb 10 und das angetriebene Element 18 bildet.
Das erste Kontaktelement 21 ist mit dem Antrieb 10 gekoppelt, und das zweite Kontaktelement 24 ist mit dem angetriebenen Element 18 gekoppelt. Das erste Kontaktelement 21 ist so konfiguriert, dass es sich innerhalb eines begrenzten Bereichs entlang der Achse des Antriebs in die Richtungen D1 und D2 bewegt.
Das erste Element 21 bildet einen Ring, dessen dem zweiten Kontaktelement gegenüberliegendes Ende kegelstumpfförmig ist. Der Öffnungswinkel V des Kegels liegt im Bereich von 60 - 120 Grad. Die Außenfläche des Kegels ist die Kontaktfläche 22 des ersten Kontaktelements. Die Kontaktfläche des ersten Kontaktelements enthält mehrere gleichmäßig angeordnete spiralförmige Zähne 25. Ein gedachter Ausgangspunkt von Spiralen, die Zähne 25 verkörpern, ist auf derselben Linie mit der gedachten Linie positioniert, die die Höhe des Kegels definiert und mit der Drehachse A übereinstimmt.
Das zweite Kontaktelement 24 bildet einen Ring, dessen dem ersten Kontaktelement gegenüberliegendes Ende einen Trichter bildet. Die Außenfläche des Trichters ist die Kontaktfläche 23 des zweiten Kontaktelements. Der Öffnungswinkel des Trichters ist komplementär (ergänzend) zu dem Öffnungswinkel des Kegels des ersten Kontaktelements, 360-V, wobei der Durchmesser des ersten Kontaktelements 21 so ausgelegt ist, dass wenn die zwei Elemente in Eingriff sind, ist das erste Kontaktelement 21 teilweise innerhalb des zweiten Kontaktelements 24 angeordnet und sich deren Kontaktflächen 22 und 23 berühren. Das erste Kontaktelement ist also mit der Möglichkeit einer oszillierenden Bewegung mit einem begrenzten Teilkontakt zwischen den Kontaktflächen des ersten Kontaktelements und des zweiten Kontaktelements sowie der Anordnung innerhalb des zweiten Kontaktelements konfiguriert. Die Kontaktfläche des zweiten Kontaktelements 23 enthält eine Reihe gleichmäßig angeordneter spiralförmiger Zähne 27. Ein gedachter Ausgangspunkt einer Spirale, die jeden Zahn 27 verkörpert, ist auf derselben Linie mit der gedachten Linie positioniert, die die Höhe des Trichters definiert und mit der Drehachse A übereinstimmt. Die Ausrichtung der Spiralkurve stimmt mit derjenigen für das erste Kontaktelement 21 überein. Die Zähne 25 und 27 beider Kontaktelemente 21 und 24 weisen im Querschnitt eine trapezartige oder dreieckige Form auf. Die Anzahl der Zähne für jede Kontaktfläche 22 und 23 liegt zwischen 30 und 200. Das erste Kontaktelement 21 weist mehrere gleichmäßig verteilte gerade Keile 30 auf, auf der Oberfläche angeordnet sind, welche durch den Innenradius des ersten Kontaktelements 21 bestimmt ist. Der Antrieb 10 ist mit einer demontierbaren Hülse 28 konfiguriert, die eine Vielzahl von geraden Keilen 32 enthält, um in das erste Kontaktelement 21 einzugreifen.
Das erste Kontaktelement 21 ist so ausgebildet, dass es sich innerhalb eines begrenzten Bereichs über die Keile entlang der Nabenachse D1 und D2 bewegen kann. Die Hülse 28 ist konfiguriert, um das erste Kontaktelement zusammen mit dem Antrieb 10 um die Achse A der Nabe zu drehen. Die Hülse 28 besteht aus einem Material, das eine größere Härte als das Material des Antriebs 10 aufweist, vorzugsweise aus Stahl. Das zweite Kontaktelement 24 ist mit mehreren gleichmäßig verteilten geraden Keilen 34 , die auf der Oberfläche angeordnet sind, welche durch den Außenradius des zweiten Kontaktelements 24 bestimmt ist. Das angetriebene Element 18 ist mit dem zweiten Kontaktelement 24 mittels mehrerer gerader Keile gekoppelt, die an der inneren Oberfläche des angetriebenen Elements ausgebildet sind und die die entsprechenden Keile 34 des zweiten Kontaktelements derart ergänzen, dass sich das zweite Kontaktelement zusammen mit dem angetriebenen Element um die Achse A der Nabe dreht. Das elastische Element 19 ist am Antrieb 10 angeordnet und so konfiguriert, dass es das erste Kontaktelement 21 in Richtung D2 vorspannt. Dadurch wird der erste Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement 21 und dem zweiten Kontaktelement 24 sichergestellt ist. Das elastische Element 19 ist mindestens eine Feder oder ein Magnet.
Die beanspruchte technische Lösung arbeitet wie folgt. Der Antrieb 10 erfährt eine Drehbewegung durch eine Kette und Kettenräder, die am Antrieb angeordnet sind (in der Figur nicht dargestellt). Er beginnt sich in Richtung R2 auf der Achse 14 zu drehen, da die Lager 12 zwischen der Achse 14 und dem Antrieb 10 montiert sind.
Über die Keile 32 der Hülse 28 des Antriebs und die Keile 30 des ersten Kontaktelementes 21 wird die Drehbewegung auf das erste Kontaktelement 21 übertragen.
Das elastische Element 19 wirkt auf das erste Kontaktelement 21 und spannt es entlang der Keile 32 der Hülse des Antriebs in Richtung D2 vor.
Die Zähne 25 des ersten Kontaktelements 21 kämmen mit den Zähnen 27 des zweiten Kontaktelements 24. Aufgrund der verzahnten Ausgestaltung der Kontaktflächen 22 und 23 kämmt das erste Kontaktelement 21 und bewegt sich weiter entlang der Achse A in Richtung D2, bis die Zähne 25 des ersten Kontaktelements 21 vollständig in die Zähne 27 des zweiten Kontaktelements 24 eingreifen. Das erste Kontaktelement 21 ist dabei teilweise innerhalb des zweiten Kontaktelements 24 eingeschlossen.
Wenn das erste Kontaktelement 21 und das zweite Kontaktelement 24 vollständig in Eingriff sind, wird die Drehbewegung des ersten Kontaktelements 21 über das zweite Kontaktelement 24 und seine Keile 34, welche mit den ergänzenden Keilen (in der Figur nicht dargestellt) des angetriebenen Elements 18 verbunden sind, auf das angetriebene Element 18 übertragen.
Das angetriebene Element 18 dreht sich dabei in Richtung R2 mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Antrieb 10. Die Drehung des angetriebenen Elements 18 um die Achse A wird durch die Lager 15 und 16 unterstützt, die zwischen dem angetriebenen Element 18 und der Achse der Nabe 14 angeordnet sind. Sobald die Drehzahl des Antriebs 10 geringer wird als die Drehzahl des angetriebenen Elements 18, z.B. der Antrieb stoppt die Drehung oder das angetriebene Element 18 überholt den Antrieb 10, so beginnen das erste Kontaktelement 21 und das zweite Kontaktelement 24 sich zu lösen. Die Zähne 25 des ersten Kontaktelements 21 beginnen entlang der Zähne 27 des zweiten Kontaktelements 24 nach oben zu gleiten, was zur Verschiebung des ersten Kontaktelements 21 in Richtung D1 entlang der Drehachse A und der Keile 30 der Hülse 28 führt.
Bei einer vollständigen Trennung des ersten Kontaktelements 21 und des zweiten Kontaktelements 24 wird ihre gegenseitige Anordnung in der Ebene, die zur Achse A perpendikulär ist, um einen Zahn versetzt. Gleich darauf wird das erste Kontaktelement 21 unter Wirkung des elastischen Elements 19 wiederum in Richtung D2 verdreht. Die Zähne 25 der Kontaktfläche 22 des ersten Kontaktelements 21 kämmen mit den Zähnen 27 der Kontaktfläche 23 des zweiten Kontaktelements 24. Das Gleiten der Zähne 25 entlang den Zähnen 27 wiederholt sich in einer Schleife. Dabei oszilliert das erste Kontaktelement 21 axial, entlang den Keilen 30 der Hülse 28 des Antriebs und den Keilen 32 des ersten Kontaktelements. Das Drehmoment des Antriebs 10 wird auf das angetriebene Element 18 nicht übertragen. Der Antrieb 10 und das angetriebene Element 18 drehen sich um die Achse 14 unabhängig voneinander.

Claims

Kupplungsmechanismus für ein Fahrrad oder ein Fahrrad mit einem zusätzlichen elektrischen Antrieb, bestehend aus: - Einem ersten Kontaktelement und einem zweiten Kontaktelement. Jedes Kontaktelement weist eine Kontaktfläche auf. Jede Kontaktfläche weist mehrere Zähne auf. Die Anzahl der Zähne an der Kontaktfläche des ersten Elements und des zweiten Elements ist gleich. Die Kontaktelemente sind so angeordnet, dass sie mit ihren Kontaktflächen kämmen können, einem Antrieb, einem angetriebenen Element und einem elastischen Element. - Das erste und das zweite Kontaktelement, der Antrieb und das angetriebene Element drehen sich um eine Drehachse. Die Drehachse verläuft durch ihre Mitten. Sie bildet eine Drehachse für das erste und das zweite Kontaktelement, den Antrieb und das angetriebene Element. Das erste Kontaktelement ist mit dem Antrieb gekoppelt. Das zweite Kontaktelement ist mit dem angetriebenen Element gekoppelt. Das erste Kontaktelement ist so konfiguriert, dass es sich in einem begrenzten Bereich entlang der Achse des Antriebs bewegt, wobei das erste Kontaktelement einen Ring bildet. Das erste Kontaktelement ist dem zweiten Kontaktelement gegenüberliegend angeordnet. - Das zweite Kontaktelement bildet einen Ring. Das zweite Kontaktelement ist gegenüber dem ersten Element angeordnet. Der Durchmesser des ersten Kontaktelements ist so ausgelegt, dass er etwas innerhalb des zweiten Kontaktelements begrenzt ist, wenn beide Elemente vollständig in Eingriff sind, ist das erste Kontaktelement mit der Möglichkeit einer oszillierenden Bewegung mit einem begrenzten Teilkontakt zwischen den Kontaktflächen des ersten Kontaktelements und des zweiten Kontaktelements, der Anordnung innerhalb des zweiten Kontaktelements konfiguriert. - Die Zähne beider Kontaktelemente haben im Querschnitt eine trapezförmige oder dreieckige Form. Die Anzahl der Zähne der jeweiligen Kontaktfläche liegt zwischen 30 und 200. Der Antrieb ist mit einer demontierbaren Hülse konfiguriert. Die Hülse ist konfiguriert, um das erste Kontaktelement zusammen mit dem Antrieb um die Achse der Nabe zu drehen. - Das zweite Kontaktelement ist mit mehreren gleichmäßig angeordneten geraden Keilen versehen. Diese sind an der Oberfläche ausgebildet, welche durch den Außenradius des zweiten Kontaktelements bestimmt ist. Dabei ist das angetriebene Element mit dem zweiten Kontaktelement mittels einer Mehrzahl von geraden Keilen gekoppelt. Die Keile sind an der inneren Oberfläche des angetriebenen Elements ausgebildet. Sie ergänzen entsprechende Keile des zweiten Kontaktelements derart, dass sich das zweite Kontaktelement zusammen mit dem angetriebenen Element um die Achse der Nabe dreht drehen kann. - Das elastische Element ist mit der Möglichkeit ausgebildet, den ersten Kontakt des ersten Elements mit dem zweiten Kontaktelement sicherzustellen. Dadurch gekennzeichnet, dass: - Das Ende des zweiten Kontaktelements hat die Form eines Kegelstumpfes. Der Öffnungswinkel des Kegels liegt im Bereich von 60 - 120°. Die Außenfläche des Kegels ist auch die Kontaktfläche des ersten Elements. Die Kontaktfläche des ersten Kontaktelements enthält mehrere gleichmäßig angeordnete spiralförmige Zähne. Dabei liegt ein gedachter Ausgangspunkt einer Spirale, die jeden Zahn verkörpert, auf der gleichen Linie mit einer gedachten Linie, die Höhe des Kegels definiert und mit der Rotationsachse übereinstimmt. - Das Ende des ersten Kontaktelements hat die Form eines Trichters. Die Außenfläche des Trichters ist auch die Kontaktfläche des zweiten Kontaktelements. Der Öffnungswinkel des Trichters ist komplementär (ergänzend) zum Öffnungswinkel des Kegels des ersten Kontaktelements. - Die Kontaktfläche des zweiten Kontaktelements enthält mehrere gleichmäßig angeordnete spiralförmige Zähne. Ein imaginärer Ausgangspunkt einer Spirale, die jeden Zahn verkörpert, befindet sich auf derselben Linie mit einer gedachten Linie, die die Höhe des Trichters definiert und mit der Drehachse übereinstimmt. Die Ausrichtung der Spiralkurve stimmt mit der Ausrichtung des ersten Kontaktelements überein. - Das erste Kontaktelement weist mehrere gleichmäßig angeordnete gerade Keile auf. Diese sind an der Oberfläche des ersten Kontaktelements konfiguriert, die durch ihren Innenradius bestimmt ist. - Die Hülse enthält eine Vielzahl von geraden Keilen, um mit dem ersten Kontaktelement in Eingriff zu kommen. Das erste Kontaktelement bewegt sich in einem begrenzten Bereich auf den Keilen entlang der Achse der Nabe. - Die Hülse besteht aus einem Material, das eine höhere Härte aufweist als das des Antriebs. - Das elastische Element ist am Mitnehmer Antrieb angeordnet. Das elastische Element spannt das erste Kontaktelement zum zweiten Kontaktelement hin vor.
Kupplungsmechanismus nach Anspruch 1, wobei die Hülse aus Stahl besteht.
Kupplungsmechanismus nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elastische Element mindestens ein Magnet ist.