DE19804128A1

DE19804128A1 - Spring energy store for bicycle recovery brake transmission, consisting of coil spring

Info

Publication number: DE19804128A1
Application number: DE1998104128
Authority: DE
Inventors: Nicolai Neumann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-02-03
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 2000-04-20

Abstract

The spring energy store consists of a coil spring co-axial with the hub of a running wheel. The inner end of the spring can be wound over the hub (3a) of an internal-tooth gear wheel (3) on the hub axle (9). There are couplings (5, 7) connecting the other end of the spring to the hub casing (8) or hub axle. The planetary gear carrier (2) may be movable on the hub axle.

Description

Functions of the transmission

Bei der Vorwärtsfahrt kann zum Bremsen die Feder dazugeschaltet werden; dabei spannt sie sich. Daraufhin kann die gespannte Feder das Fahrrad antreiben bzw. bei der Beschleunigung unterstützend wirken - und zwar natürlich wieder in Vorwärtsrichtung. Während des Spannvorganges läßt die Feder also eine Kraft auf das Laufrad wirken, die der Fahrtrichtung entgegengerichtet ist, also das Abbremsen verursacht. Zum Beschleunigen muß die Richtung, in der die Kraft wirkt, in Fahrtrichtung zeigen.When driving forward, the spring can be switched on for braking; she tenses up. The tensioned spring can then drive the bicycle or assist with acceleration act - and of course again in the forward direction. The spring leaves during the tensioning process a force acting on the impeller that is opposite to the direction of travel, i.e. braking caused. To accelerate, the direction in which the force acts must point in the direction of travel.

Also ist hierfür ein Getriebe notwendig, das als primäre Aufgabe hat, die Drehrichtung umzukehren. Darüber hinaus muß es noch einige Schaltaufgaben übernehmen (z. B. in den Leerlauf schalten - also das Getriebe komplett mechanisch vom Laufrad entkoppeln, wenn es nicht benutzt wird).So a gearbox is necessary for this, which has the primary task of reversing the direction of rotation. In addition, it still has to perform some switching tasks (e.g. switch to idle - that is Decouple the gearbox completely mechanically from the impeller when it is not in use).

The basis of the transmission

Die Grundlage des Getriebes, welches die Richtung der Federkraft beim Umschalten von "Bremsen" auf "Beschleunigen" umdreht, ist ein Planetengetriebe.The basis of the transmission, which indicates the direction of the spring force when switching from "brakes" "Accelerate" is a planetary gear.

Das Planetengetriebe ist schematisch in Abb. 1 dargestellt. Es besteht aus dem Sonnenrad (1), den Planetenzahnrädern (2) und dem innenverzahnten Rad (3). Um das Sonnenrad, welches ständig starr an der Achse, also fest mit dem Rahmen des Fahrrades verbunden ist, kreisen drei (alternativ vier) Planetenzahnräder, deren Achsen im Planetendreieck (2) frei drehbar gelagert sind. Die Planetenzahnräder greifen auf der Außenseite in ein innenverzahntes Rad (3). In dessen Nabe, die auf der Achse gelagert ist, wird die Spiralfeder an ihrem innenseitigen Ende eingehängt. Das äußere Ende der Feder ist mit dem Federgehäuse (4) verbunden.The planetary gear is shown schematically in Fig. 1. It consists of the sun gear ( 1 ), the planet gears ( 2 ) and the internally toothed gear ( 3 ). Around the sun gear, which is permanently rigidly attached to the axle, i.e. firmly connected to the frame of the bicycle, are three (alternatively four) planet gears, the axles of which are freely rotatable in the planetary triangle ( 2 ). The planet gears engage on the outside in an internally toothed wheel ( 3 ). In its hub, which is mounted on the axle, the spiral spring is hung on its inside end. The outer end of the spring is connected to the spring housing ( 4 ).

The switching states of the transmission

Es existieren vier Schaltzustände: (siehe dazu auch Tabelle und Zeichnung, Abb. 1).There are four switching states: (see also table and drawing, Fig. 1).

I: Tension spring (= load memory / brake)

Hierzu muß das Planetendreieck (2) fest mit der Achse, also dem Sonnenrad (1) gekoppelt werden. Dadurch ist das innenseitige Federende über Teil 3 wie mit der festen Achse verbunden. Da das Federgehäuse über Teil 7 mit dem Laufradnabengehäuse verbunden ist, wird die Feder direkt durch Drehung des Laufrades gespannt.For this purpose, the planetary triangle ( 2 ) must be firmly coupled to the axis, i.e. the sun gear ( 1 ). As a result, the inside spring end is connected via part 3 as with the fixed axis. Since the spring housing is connected to the impeller hub housing via part 7 , the spring is tensioned directly by rotating the impeller.

II: Relax spring (= unload storage / drive)

Nun muß das Planetendreieck (2) fest mit dem Nabengehäuse (also der Felge) gekoppelt werden. Gleichzeitig wird die Kopplung von Teil 2 mit der Achse (9) aufgehoben. Die Verbindung Teil 4/Nabengehäuse bleibt bestehen. Jetzt wird also Teil 3 von der gespannten Feder relativ zur Felge in Vorwärtsrichtung bewegt. Dadurch rollen die Planetenzahnräder in gleicher Richtung über dem Sonnenrad ab, und so bewegt das Planetendreieck die Felge in Vorwärtsrichtung - diesmal allerdings mit Untersetzung, d. h. der Antrieb erfolgt über eine größere Fahrstrecke als die Bremsstrecke betrug. Dafür ist die Kraft kleiner, doch sie unterstützt den Fahrer.Now the planet triangle ( 2 ) must be firmly connected to the hub shell (i.e. the rim). At the same time, the coupling of part 2 with the axis ( 9 ) is released. The connection part 4 / hub housing remains. So now part 3 is moved in the forward direction by the tensioned spring relative to the rim. As a result, the planetary gears roll in the same direction over the sun gear, and so the planetary triangle moves the rim in the forward direction - this time, however, with reduction, ie the drive takes place over a greater distance than the braking distance. The power is smaller, but it supports the driver.

III: idle / spring relaxed

Der ganze Federmechanismus wird außer Betrieb genommen, wenn Teil 7 außer Eingriff steht, das Federgehäus (4) also frei beweglich ist.The entire spring mechanism is taken out of operation when part 7 is out of engagement, ie the spring housing ( 4 ) is freely movable.

IV: idle / spring tensioned

Zum Konservieren der gespeicherten Federenergie für spätere Nutzung dürfen die beiden Federenden (innen und außen) keine Relativbewegung zueinander ausführen. Also muß Teil 3a (inneres Federende) fest mit der Nabe oder Felge (äußeres Federende) verbunden werden.To conserve the stored spring energy for later use, the two spring ends (inside and outside) must not move relative to each other. So part 3 a (inner spring end) must be firmly connected to the hub or rim (outer spring end).

Dies wird noch nicht von der in der Abbildung gezeigten Möglichkeit realisiert. Hierfür sind ein zweiter, separat gesteuerter und von der anderen Achsseite in die Nabe geführter Schaltzug und ein weiteres Schaltelement erforderlich (ohne Abbildung).This is not yet realized by the option shown in the figure. For this are a second, separately controlled shifting cable and guided from the other axle side into the hub and another Switching element required (not shown).

Tension / relax at different speeds

Es besteht die Möglichkeit, die Funktionen von Spannen und Entspannen zu vertauschen. Das heißt, es ist auch möglich, die Feder im Schaltzustand II zu spannen und im Getriebezustand I zu entspannen. Für das vertauschen der Funktionen Spannen/Entspannen muß lediglich das Vorderrad umgedreht werden. Hierbei würde nun das Aufladen über eine größere Strecke - dafür weniger stark abbremsend - erfolgen. Etwa bei Bergabfahrt kann dies sinnvoll sein. Beim Nutzen der Spannarbeit wird das Fahrrad dann um so kräftiger beschleunigt. It is possible to swap the functions of tensioning and relaxing. That is, it is also possible to tension the spring in switching state II and to relax in gear state I. For the swapping the functions of tensioning / relaxing only the front wheel has to be turned. Here the charging would now take place over a longer distance - but less braking. About at Downhill this can be useful. When using the tensioning work, the bike becomes even more powerful accelerates.

Switching characteristics

Für den Benutzer wäre es am komfortabelsten, am Lenker einen Schalthebel, ähnlich wie für eine Nabenschaltung zu haben. Möchte der Fahrer nun während der Fahrt bremsen, so schaltet er von "Leerlauf auf "Bremsen" - und der Energiespeicher wird aufgeladen.It would be most convenient for the user to have a gear lever on the handlebar, similar to one Hub gear to have. If the driver now wants to brake while driving, he switches from "Idling on "brakes" - and the energy storage is charged.

Soll dem System Fahrer/Fahrrad keine kinetische Energie mehr entzogen werden, so kann der Fahrer einfach auf "Leerlauf mit Speicherung" schalten; bzw. bei voller Feder (nach einer genau definierten Zahl von Federwicklungsumdrehungen) müßte der Schalthebel automatisch auf "Leerlauf mit Speicherung" schalten. Die Feder bliebe dann gespannt, bis der Fahrer durch betätigen des Hebels auf "Beschleunigen" sich von der Federkraft unterstützen läßt - etwa beim Anfahren, Überwinden von Steigungen oder bei Gegenwind.If no more kinetic energy is to be extracted from the rider / bike system, the rider can just switch to "idle with storage"; or with full spring (after a precisely defined number of spring winding revolutions) the shift lever should automatically switch to "idle with storage" switch. The spring would then remain under tension until the driver clicked the "accelerate" button can be supported by the spring force - for example when starting off, negotiating inclines or at Headwind.

Leider sind diese Wünsche an die Getriebeschaltung technisch nur schwer zu bewältigen. Daher muß ich vorerst Kompromisse eingehen.Unfortunately, these desires for the gearshift are technically difficult to cope with. So I have to compromise for now.

A solution

Abb. 1 zeigt die Nabe mit dem Getriebe im Innern im Schnitt (ohne Lager und Dichtungen). Hierbei ist nun die Feder selbst im Nabengehäuse integriert. Falls die Spiralfeder einen größeren Durchmesser benötigt, läßt sich das Nabengehäuse deme~sprechend anpassen. Die Einrichtung wird über einen einfachen Schalthebel (z. B. den Schalthebel "Torpedo" der 3-Gang Nabenschaltung von Fichtel & Sachs) und über einen Bowdenzug bedient. Fig. 1 shows the hub with the gear inside on average (without bearings and seals). The spring itself is now integrated in the hub shell. If the coil spring requires a larger diameter, the hub shell can be adjusted accordingly. The device is operated via a simple gear lever (e.g. the gear lever "Torpedo" of the 3-speed hub gear from Fichtel & Sachs) and a Bowden cable.

Der Bowdenzug läuft zur Achse des Vorderrades. Wie bei der genannten 3-Gang Nabenschaltung läuft ein Schaltkettchen ins Innere der Achse und bewegt dort die Schaltwelle. Über drei Langlöcher in der Achse werden drei Schaltelemente gesteuert. Die Tabelle unter der Zeichnung zeigt, welches Teil wann welche Verbindung im Getriebe herstellt.The Bowden cable runs to the axis of the front wheel. As with the 3-speed gear hub mentioned, runs in Chain into the interior of the axle and moves the shift shaft there. Over three elongated holes in the axis three switching elements are controlled. The table below the drawing shows which part when Establishes connection in the transmission.

Abb. 2 zeigt das Planetendreieck, das im Getriebe zwei mal vorhanden ist (links und rechts vom Sonnenrad (1)). Die Schaltelemente Teile 5 und 6 greifen mit ihren Klauen in die Lücken des Kranzes auf dem Planetendreieck, wenn eine feste Kopplung bewirkt werden soll. Diese Kupplung (Teil 5/6) sowie die Steuerung über kleine Stifte, die durch die Schlitze der Achse gehen, hat sich bereits in der oben erwähnten Nabenschaltung bewährt. Die Stifte haben in der Mitte ein kleines Loch mit Gewinde, um dort mit der Schaltwelle verbunden zu werden. Fig. 2 shows the planetary triangle, which is present twice in the gearbox (left and right of the sun gear ( 1 )). The switching elements parts 5 and 6 engage with their claws in the gaps of the ring on the planetary triangle if a fixed coupling is to be effected. This coupling (Part 5/6) as well as control over small pins which pass through the slots of the axis, has already proven itself in the above-mentioned hub circuit. The pins have a small threaded hole in the middle to be connected to the selector shaft.

Die Führungen für die Stifte in Teil 5 und 6 (in Abb. 1 gestrichelt dargestellt) lassen etwas Spiel zu, damit diese Kupplungen erst für Schaltzustand II (Position 2) bewegt werden.The guides for the pins in parts 5 and 6 (shown in dashed lines in Fig. 1) allow some play so that these couplings are only moved for switching state II (position 2).

Teile 5 und 7 besitzen noch Verzahnungen, die in einer am Nabengehäuse festen Innenverzahnung gleitet. Druckfedern bringen alle Kupplungsteile in Normalposition zurück.Parts 5 and 7 still have teeth that slide in an internal toothing fixed to the hub shell. Compression springs return all coupling parts to their normal position.

The usage

Die Benutzung der Rekuperations-Bremseinrichtung, wie in Abb. 1 gezeigt, sieht z. B. wie folgt aus:
Mit 27 km/h nähert sich der Radfahrer einer roten Ampel. Er möchte allmählich abbremsen. Da er die Federspeicher-Bremseinrichtung in der Vorderradnabe hat, drückt er den Rekuperationshebel von "Leerlauf" auf "Bremsen". Bis zur Ampel sind es noch ca. 30 m. Aus Erfahrung hat er diese Entfernung im Gefühl. Kurz vor der Kreuzung stoppt sein Rad. Er zieht die vordere Handbremse an und schaltet den Hebel auf "Beschleunigen". Die Ampel wechselt auf grün. Der Fahrer löst die Handbremse und wird von der Federkraft beschleunigt. Wenn die Kraft nachläßt, schaltet er den Hebel wieder auf "Leerlauf" und tritt nun selbst weiter.The use of the recuperation braking device, as shown in Fig. 1, sees z. B. as follows:
At 27 km / h the cyclist approaches a red traffic light. He wants to slow down gradually. Since he has the spring brake device in the front wheel hub, he presses the recuperation lever from "idle" to "braking". There are still approx. 30 m to the traffic lights. From experience he feels this distance. His bike stops shortly before the intersection. He applies the front handbrake and switches the lever to "accelerate". The traffic light changes to green. The driver releases the handbrake and is accelerated by the spring force. When the power drops, he switches the lever back to "idle" and now kicks on.

Other features

Beim Beginn des Bremsvorganges darf keine zu starke Verzögerung auftreten, da dies zu einem Unfall führen könnte. Dies ist auch erfüllt, denn im ersten Moment des Federspannens ist die bremsende Kraft durch die charakteristische Federkennlinie gleich Null.At the beginning of the braking process, there should be no excessive deceleration, as this would lead to an accident could lead. This is also true, because at the first moment of spring tension the braking force is due to the characteristic spring characteristic zero.

Damit die Feder nicht rückwärts aufgezogen und dadurch zerstört werden kann, wird in Teil 3 oder 4 ein aus einer Sägezahnverzahnung und einer Druckfeder bestehender Freilauf integriert.So that the spring cannot be pulled backwards and thereby destroyed, part 3 or 4 integrates a freewheel consisting of sawtooth teeth and a compression spring.

Gegen Überspannen der Feder eignet sich eine Rutschkupplung. Sie verhindert auch, daß die Verzögerung zu groß werden oder das Vorderrad blockieren kann.A slip clutch is suitable against over-tensioning the spring. It also prevents the delay can get too big or block the front wheel.

Weiterhin ist es möglich, anstelle der Kupplungsteile 5-7 Reibscheibenkupplungen zu verwenden, welche einen allmählichen Schaltwechsel ermöglichen.
Furthermore, it is possible to use 5-7 friction disc clutches instead of the clutch parts, which enable a gradual shift change.

Claims

1. spring energy storage for bicycles, characterized in that the energy storage consists of a spiral spring which is arranged coaxially to the hub of an impeller, that the inside end of the spiral spring on the hub axle ( 9 ) mounted hub ( 3 a) of an internally toothed gear ( 3 ) can be wound up and that couplings ( 5 , 7 ) are provided which connect the other end of the coil spring to the hub shell ( 8 ) or the hub axle ( 9 ).

2. Spring energy storage device according to claim 1, characterized by a planetary gear, the planet gear carrier ( 2 ) either rotatably guided on the hub axle ( 9 ) and rotatably mounted coupling ( 5 ) with the hub housing ( 8 ) or can be connected in a rotationally rigid manner Hub axle axially displaceable but rotatably guided coupling ( 6 ) can be connected to the hub axle in a torsionally rigid manner.

3. spring energy storage device according to claim 1, characterized by a rotatably mounted on the hub axle spring housing ( 4 ) which serves to fix the outer end of the coil spring and to receive the unwound, relaxed coil spring.

4. Spring energy storage device according to claim 1 or 3, characterized in that the hub of the spring housing ( 4 ) can optionally be connected in a rotationally rigid manner to the hub housing via a coupling ( 7 ).

5. spring energy storage device according to claim 1, characterized in that the spring housing ( 4 ), planet carrier ( 2 ), internally toothed gear ( 3 ) and the hub housing ( 8 ) are rotatably and not axially displaceably mounted on the hub axle.

6. spring energy storage device according to claim 1, characterized in that the hub axle ( 9 ) is hollow and at three specific locations each have two opposite elongated holes (ie a continuous elongated hole) or alternatively each have only one elongated hole, through each of which a guide pin which is fixed on the selector shaft, which runs axially movably inside the hollow shaft ( 9 ), protrudes.

7. Spring energy store according to claims 2, 4, 6, characterized in that the couplings ( 5 ), ( 6 ), ( 7 ) on the engaging guide pins, which protrude from the hollow axis ( 9 ) from the elongated holes, axially displaced can be.

8. spring energy storage device according to claim 1 to 7, characterized in that the spring energy storage device is integrated in the hub gearbox of a bicycle wheel, the gearbox having a hollow axle ( 9 ) with a chain ( 10 ).

9. Spring energy storage device according to claim 1, characterized in that the sun gear ( 1 ) of the planetary gear is firmly seated on the hub axle ( 9 ).