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Die Erfindung betrifft ein Kettenrad für ein Fahrrad. In Fahrrädern mit Kettenschaltung erstreckt sich die als Antriebskette wirkende Rollenkette zwischen einem Kettenrad an der Tretkurbel und einem Ritzel am Hinterrad. Zur Erzielung einer entsprechend großen Anzahl von schaltbaren Gangstufen sind am Hinterrad eine Vielzahl von Ritzeln vorhanden, ebenso sind an der Tretkurbel zwei bzw. drei Kettenräder angeordnet.
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Die Zähnezahldifferenz zwischen benachbarten Kettenrädern ist zur Erzielung einer ausreichend großen Spreizung zwischen kleinster und größter Übersetzung in den geschalteten Gangstufen entsprechend groß, was vor allen Dingen bei Mountain-Bikes typisch ist. An den benachbarten Ritzeln ist die Zähnezahldifferenz wesentlich kleiner, was vor allen Dingen auf die große Anzahl dieser Ritzel und die gewünschte feine Abstufung der Gänge zurückzuführen ist.
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Damit die von einem kleineren Kettenrad hin zu einem Ritzel ablaufende Kette nicht am benachbarten größeren Kettenrad streift und störende Geräusche erzeugt, ist der axiale Abstand zwischen benachbarten Kettenrädern größer als der Abstand zwischen den benachbarten Ritzeln. Um nun zu verhindern, dass sich die Rollenkette im Falle eines Abspringens vom größeren Kettenrad in der Lücke zwischen den Kettenrädern verklemmen kann, wurde in der
US 3,550,465 eine Kettenführungsscheibe vorgeschlagen, die gemeinsam mit den zwei Kettenrädern mittels Befestigungsschrauben an der Tretkurbel befestigt wird. Diese Lösung zeichnet sich gegenüber dem Vorschlag aus der
FR 2219709 durch eine einfachere Herstellbarkeit aus, denn es ist kein aufwändiger Umformvorgang eines Blechteiles am gesamten Umfang erforderlich. In der
EP 0 386 685 wird eine einfache Herstellbarkeit dadurch erzielt, dass nur an ausgewählten Umfangsbereichen eine in axialer Richtung vorstehende Wulst angeformt wird.
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Mit dem Umlegen der Rollenkette zwischen den benachbarten Kettenrädern sind weitere technische Probleme gelöst worden, die in Zusammenhang mit dem sich zwischen dem kleineren und dem größeren Kettenrad erstreckenden Abschnitt der durch einen Kettenwerfer umgelegten Rollenkette stehen. Wechselt die Rollenkette von einem kleineren zu einem größeren Kettenrad, muss sie auf ein größeres radiales Niveau gehoben werden. Zu diesem Zweck werden Steigniete am größeren Kettenrad angeordnet, um in Zwischenräume zwischen Laschen eines Paares von Kettenlaschen in der Rollenkette einzugreifen. Weiterhin ist die axiale Seite des größeren Kettenrades, das dem kleineren Kettenrad zugewandt ist mit Ausnehmungen versehen, die den Bestandteilen der Rollenkette Platz bieten und eine Abstützung von Kettengliedern radial nach innen gewährleisten. Eine zwischen den benachbarten Kettenrädern vorgesehene Kettenführungsscheibe oder die am größeren Kettenrad angeformte Wulst ist entsprechend ausgebildet, was bei der Fertigung durch Umformvorgänge oder mittels spanender Fertigungsverfahren geschieht. Beide Fertigungsverfahren erfordern einen entsprechenden Aufwand.
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Entsprechend den Dokumenten
DE 10 2006 022 343 ,
EP 1 609 714 und
EP 1 504 988 ist der Einsatz eines Kunststoffes vorgesehen, denn mittels eines gängigen Spritzgussverfahrens lassen sich kostengünstig verschiedenste Formen herstellen. Dabei wird durch entsprechende konstruktive Gestaltung ein fester Verbund zwischen Bestandteilen aus einem metallischen Werkstoff und dem Kunststoff hergestellt. So umfasst das Kunststoffteil die innere Peripherie des Metallteils und bettet dies an drei, senkrecht zueinander stehenden Oberflächen regelrecht ein. Weiterhin bieten durchgehende Lochungen im Metallteil eine gute Voraussetzung für eine feste Verbindung. Beim Spritzgussvorgang fließt das Kunststoff-Material in diese Lochungen von beiden Seiten ein und vereinigt sich unlösbar zu einem „Stift” aus Kunststoff, der wiederum mit den Kunststoff-Schalen beidseits des Metallteils einstückig verbunden ist. So entsteht ein unlösbarer Verbund zwischen Kunststoff- und Metall-Bestandteilen. Des Weiteren wird vermieden, ständig wirkende Klemmkräfte mit den Kunststoffbestandteilen zu übertragen, weil der Kunststoff unter diesen Bedingungen fließen würde und keine stabilen Verhältnisse aufrechterhalten würde. Das ist dort der Fall, wo das Kettenrad mittels Befestigungsschrauben an der Kurbel gehalten wird, und an der Innenperipherie des Kettenrades, wo es sich radial nach innen an der Kurbel abstützt. Die
DE 10 2006 022 343 sieht in diesem Zusammenhang vor, eine Beweglichkeit des Kunststoff-Bestandteils gegenüber dem mit Zähnen versehenen Metallteil in axialer Richtung zu ermöglichen.
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Es ist Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstandes, ein Kettenrad aus Metall und Kunststoff zu schaffen, das gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik Vorteile im Hinblick auf die Fertigung bietet. Es hat sich gezeigt, dass es unter bestimmten Bedingungen ausreichend ist, das Teil aus Kunststoff lediglich an einer, in Bezug auf die Drehung des Kettenrades um die Tretlagerachse, axialen Seite vorzusehen. Dazu wird durch entsprechende Maßnahmen ein sehr fester Halt oder ein fester Verbund an der Berührungsstelle zwischen Kunststoff- und Metallbestandteilen angestrebt. Als Alternative werden Verbindungselemente zwischen Metall- und Kunststoffteil an den Stellen vorgesehen, die mit dem Erfordernis verbunden sind, die auf das Kunststoffteil einwirkenden Kräfte lediglich über eine kurze Distanz durch das Kunststoffteil hindurchzuleiten.
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Die Erfindung wird im Folgenden mittels zweier Ausführungsbeispiele beschrieben:
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1 zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kettenrades.
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2 zeigt das Metall- und Kunststoffteil in einer Explosionsdarstellung zur Veranschaulichung der Formgebung.
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3 ist eine Ansicht in Richtung parallel zur Tretlagerachse
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4 ist eine Ansicht in Richtung senkrecht zur Tretlagerachse
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5 zeigt eine zweite Ausführungsform von Metall- und Kunststoffteil in einer Explosionsdarstellung zur Veranschaulichung der Formgebung.
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6 zeigt eine dritte alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kettenrades, betrachtet in Richtung des Fahrradrahmens
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7 ist eine Ansicht des Kettenrades nach 6, betrachtet von der Seite des Fahrradrahmens
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Das Kettenrad (1) in 1 wird von der Seite betrachtet, die dem Fahrrad zugewandt ist. Es ist im Wesentlichen aus einem metallischen Zahnring (2) und einem Führungsring (3) aus einem Kunststoffmaterial aufgebaut. Der Zahnring (2) und der Führungsring (3) bilden an ihrer Kontaktfläche (21) einen festen Verbund. Entsprechend einer Antriebs-Drehrichtung (8) läuft eine – nicht dargestellte – Rollenkette aus dem Zugtrum im oberen Bereich des Kettenrades (1) auf die Zähne (4) eines metallischen Zahnrings (2) auf. Andererseits läuft die Kette im unteren Bereich vom Kettenrad (1) in den Leertrum ab. Das Kettenrad (1) ist dafür vorgesehen, mit nicht dargestellten Befestigungsschrauben an den Armen einer Tretkurbel befestigt zu werden. Diese Befestigungsschrauben greifen durch Befestigungslöcher (5) hindurch, wobei die Schraubenköpfe auf Klemmflächen (7) am Zahnring (2) anliegen. Damit wird vermieden, dass die von den Befestigungsschrauben ausgehenden Klemmkräfte durch den Führungsring (3) hindurchgeleitet werden müssen, was im Laufe der Zeit zu Deformationen des Kunststoffmaterials führen könnte.
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Die sichtbare Oberfläche des Führungsrings (3) weist verschiedene, zur Unterstützung des Gangumschaltens durch das Umlegen der Rollenkette zu einem benachbarten, kleineren – nicht dargestellten – Kettenring auf. Das Kettenrad (1) und der Kettenring sind senkrecht zur Drehachse (25) ausgerichtet, wobei der Kettenring benachbart zum Führungsring (3) angeordnet ist. Um bei der Montage des Kettenrades (1) an der Tretkurbel eine falsche Positionierung zu vermeiden, weist das Kettenrad (1) an der Metall-Innenumfangsfläche (18) eine Kennzeichnung (11) auf, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft zur Tretkurbel befinden muss. Weiterhin ist im Zahnring (2) ein Bolzenloch (10) vorgesehen, in das ein – nicht dargestellter – Bolzen eingefügt wird, der ein Verklemmen der Rollenkette zwischen Zahnring (2) und Tretkurbel verhindert, falls die Rollenkette nicht ordnungsgemäß an den Zähnen (4) am Zahnring (2) eingreift und von diesem abrutscht. Die Zähne (4) an der Peripherie des Zahnrings (2) weisen unterschiedlichste Formgebung auf, die für ein ordnungsgemäßes Umschalten der Rollenkette zwischen dem betrachteten Kettenrad (1) und einem in axialer Richtung benachbarten – nicht dargestellten – Kettenring notwendig ist. Diese Formgebung ist hier unwesentlich und deshalb nicht dargestellt.
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In
2 sind die eigentlich in einem festen Verbund unlösbar miteinander verbundenen Zahnring (
2) und Führungsring (
3) zur Veranschaulichung als getrennte Teile dargestellt. Die Kontaktfläche (
21), an der sich Zahnring (
2) und Führungsring (
3) direkt berühren, weist zur Herstellung des festen Verbundes Mikro-Poren (
24) auf. Diese Mikro-Poren (
24) werden vorzugsweise durch Behandlungsverfahren entsprechend der
EP 1 559 541 in die metallische Oberfläche eingebracht. Für die Herstellung des Führungsrings (
3) bietet sich ein Spritzgussverfahren an. Gemäß der genannten
EP 1 559 541 wird ein thermoplastisches Überspritzverfahren (im Englischen bezeichnet als „overmolding”) angewandt. Dabei bilden die flüssigen Kunststoffbestandteile, die in die Mikro-Poren (
24) einfließen und erstarren, kleinste Vorsprünge am Führungsring (
3). Dadurch wird der feste Verbund hergestellt, und Kräfte zwischen Zahnring (
2) und Führungsring (
3) können problemlos übertragen werden. Eine axiale Beweglichkeit, wie in der
DE 10 2006 022 343 dargestellt, ist nicht möglich und auch nicht vorgesehen. Es stellt auch kein Problem dar, weit entfernt von der Position der Befestigungslöcher (
5) auf den Führungsring (
3) einwirkende Kräfte aufzunehmen, auf den Zahnring (
2) weiterzuleiten und letztendlich über eine Befestigungsschraube an die Tretkurbel zu übertragen. Kommt die Rollenkette in einer der Abstiegsgassen (
12) oder einer der Aufstiegsgassen (
13) am Führungsring (
3) zur Anlage, treten auch dann keinerlei Probleme auf, wenn diese Abstiegsgasse (
12) oder diese Aufstiegsgasse (
13) weit entfernt von den benachbarten Befestigungslöchern (
5) ist.
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Der Führungsring (3) ist so ausgebildet, dass er nicht die Metall-Innenumfangsfläche (18) des Zahnrings (2) umgreift. Damit ergeben sich günstige Bedingungen für die Gestaltung einer Spritzgussform für das genannte Überspritzverfahren. Dabei kann der Zahnring (2) vollflächig in der Spritzgussform aufgelegt werden, bevor das flüssige Kunststoffmaterial einfließt, den Zahnring (2) bedeckt und schließlich den Führungsring (3) bildet. Weitere günstige Bedingungen für die Gestaltung der Spritzgussform stellen sich ein, wenn die Metall-Innenumfangsfläche (18) am Zahnring (2) und die Kunststoff-Innenumfangsfläche (20) am Führungsring (3) fluchten. Außerdem wird somit vermieden, dass sich Kunststoffbestandteile zwischen einer Zentrierfläche (6) und der – nicht dargestellten – Aufnahme am Arm der Tretkurbel befinden. Es kommt stattdessen zu einem angestrebten metallischen Kontakt.
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Das Kettenrad (1) weist insgesamt eine komplizierte geometrische Form auf, verbunden mit den Anforderungen für das Umlegen der Rollenkette. Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es dennoch möglich, einen einfach geformten metallischen Zahnring (2) aus einem Blech-Rohling herzustellen. Die eben ausgebildete Kontaktfläche (21) am Zahnring (2) erlaubt außerdem, eine einfache Spritzgussform, die einen Hohlraum zur Aufnahme des flüssigen Kunststoffmaterials bildet, der gegenüber der Umgebung abgedichtet werden muss.
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In der 5 ist eine abgewandelte erfindungsgemäße Gestaltung vom Zahnring (2) und von einem gegenüber dem Zahnring (2) getrennten Führungsring (3) gezeigt. Hier werden Führungsring (3) und Zahnring (2) mit Hilfe von Zapfen (14) miteinander verbunden. Jeder der Zapfen (14) ist fester Bestandteil des Führungsrings (3) und greift in ein Durchgangsloch (26) im Zahnring (2) ein. Als eine Möglichkeit wird das Befestigungsloch (5) im Zahnring (2) als Durchgangsloch (26) genutzt. Im gezeigten Beispiel werden dadurch Kräfte über das Kunststoffmaterial des Zapfens (14) übertragen. Durch eine entsprechend abgewandelte Gestaltung gemäß den 6 und 7 kann dieser Nachteil vermieden werden.
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In den 6 und 7 ist ein gegenüber der Ausführungsform nach 5 abgewandeltes erfindungsgemäßes Kettenrad (1) mit einem Zahnring (2) und einem Führungsring (3) gezeigt. Der Zahnring (2) wird wiederum mittels Befestigungsschrauben, die durch Befestigungslöcher (5) hindurchgesteckt werden, an der Tretkurbel befestigt. Durchgangslöcher (26) im Führungsring haben einen größeren Durchmesser als die Befestigungslöcher (5) im Zahnring (2). Dadurch sind die Klemmflächen (7) zur Auflage jeweils eines Kopfes einer Befestigungsschraube auch dann noch frei, wenn Zahnring (2) und Führungsring (3) in montiertem Zustand aneinander anliegen. Im Befestigungsloch (5) gibt es einen metallischen Kontakt zwischen Befestigungsschraube und Zahnring (2) und somit kein Fließen von Kunststoff-Material unter Belastung.
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In montiertem Zustand greifen axial vorstehende Zapfen (14) am Führungsring (3) in Ausnehmungen (22) am Zahnring (2) ein. Die Ausnehmungen sind als Durchgangslöcher (26) ausgebildet, sie könnten aber auch Sacklöcher sein. Ausbuchtungen (28) am Rand der Befestigungslöcher (5) bieten Raum für Schnapphaken (27) am Führungsring, die die Ausbuchtungen (28) durchgreifen und Zahnring (2) und Führungsring (3) lösbar miteinander in axialer Richtung verbinden.
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Der in den 6 und 7 gezeigte Zahnring (2) zeigt außerdem weitere Details an den bzw. in unmittelbarer Nachbarschaft zu den Zähnen (4) und im radialen Bereich zwischen Zähnen (4) und Kunststoff-Außenumfangsfläche (19) am Führungsring (3). Erkennbar sind offene freie Räume (16) für die Aufnahme von Bestandteilen der vom (größeren) Zahnring (2) hin zum (kleineren) Kettenring ablaufenden Rollenkette. Die Glieder der Rollenkette sind vor dem Gangumschaltprozess zunächst im Eingriff mit den Zähnen (4) am Zahnring (2), werden durch eine nicht gezeigte Ketten-Umlegeeinrichtung in axialer Richtung gedrückt, kommen außer Eingriff mit den Zähnen (4) und schwenken auf der Seite des Führungsrings (3) seitlich an weiteren Zähnen vorbei. Ein offener Freiraum (16) bietet dabei entsprechend Platz für Bestandteile der Rollenkette. Es hat sich gezeigt, dass auch ein geschlossener Freiraum (15) für das Vorbeischwenken der Rollenkette hilfreich ist, zumindest für die Aufnahme von Teilen der äußeren Kettenlaschen und eines Bolzens im Kettengelenk, der zumeist gegenüber der Außenlasche der Rollenkette vorsteht. Gegenüber einem offenen Freiraum (16) bietet ein geschlossener Freiraum (15) den Vorteil einer größeren Belastbarkeit des nächst gelegenen Zahnes gegenüber der Biegung beim Eingreifen der Kettenrollen an den Zähnen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kettenrad
- 2
- Zahnring
- 3
- Führungsring
- 4
- Zahn
- 5
- Befestigungsloch
- 6
- Zentrierfläche
- 7
- Klemmfläche
- 8
- Antriebs-Drehrichtung
- 9
- Zahnzwischenraum
- 10
- Bolzenloch
- 11
- Kennzeichnung
- 12
- Abstiegsgasse
- 13
- Aufstiegsgasse
- 14
- Zapfen
- 15
- geschlossener Freiraum
- 16
- offener Freiraum
- 17
- Fase
- 18
- Metall-Innenumfangsfläche
- 19
- Kunststoff-Außenumfangsfläche
- 20
- Kunststoff-Innenumfangsfläche
- 21
- Kontaktfläche
- 22
- Ausnehmung
- 23
- Vorsprung
- 24
- Mikro-Pore
- 25
- Drehachse
- 26
- Durchgangsloch
- 27
- Schnapphaken
- 28
- Ausbuchtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3550465 [0003]
- FR 2219709 [0003]
- EP 0386685 [0003]
- DE 102006022343 [0005, 0005, 0018]
- EP 1609714 [0005]
- EP 1504988 [0005]
- US 4586914 [0006]
- DE 20218755 [0006]
- EP 1559541 [0018, 0018]
