-
Hintergrund der Erfindung
-
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Antriebs-/Gangschaltungsmechanismus für ein Fahrrad.
-
Fahrräder verwenden in der Regel einen Rollenkettenantrieb mit mehreren zusammengesetzten und ineinandergreifenden Kettenrädern und Zahnkränzen mit Kettenschaltmechanismen, die die Pedale mit einem Rad verbinden. Rollenketten nutzen sich ab und leiern aus und die Kettenräder, über die sie laufen, nutzen sich ebenfalls ab, bis sie zerbrechen, herausrutschen oder auf andere Weise versagen und dann teuer ersetzt werden müssen. Um die Abnutzung des Mechanismus zu minimieren, muss der Mechanismus regelmäßig gereinigt und geschmiert werden. Dies ist insbesondere der Fall bei Fahrrädern die Off-Road gefahren werden, wo eine Verunreinigung durch abschleifende Mittel unvermeidbar ist. Rollenkettenmechanismen bringen auch eine Reihe anderer Probleme mit sich, zum Beispiel kann die Kette verschmutzen und die Kleidung des Fahrers kann sich darin verfangen, die Kette kann vom Zahnkranz springen, es kann nicht ohne Weiteres aus dem Leerlauf geschaltet werden und der Schaltmechanismus selbst ist anfällig für Verschmutzung und Beschädigungen. Auch die extern geschmierte Kette eines Klappfahrrads kann beim Transport leicht die Kleidung des Benutzers verunreinigen.
-
Die große Teilung der Rollenketten und die daraus resultierende geringe Anzahl von Zähnen auf jedem Zahnrad führt zu einem ungleichmäßigen Übersetzungsverhältnis. Das führt zu einem ungleichmäßigen Gefühl beim Schalten und erfordert eine größere Anzahl von Zähnen, um einen bestimmten Bereich von Übersetzungen abzudecken, während eine schnelle Gangschaltung erhalten bleibt.
-
Die Kurbelwelle, die die Pedale eines Fahrrads mit Rollenkettenübertragung trägt, muss am Rahmen des Fahrrads vor dem Hinterrad angebracht werden, damit sie die Drehung des Rades nicht stört. Daraus ergibt sich in der Kombination der Kreisbewegung der Pedale eine Tretbewegung, bei der die Abwärtsbewegung im Verhältnis zur vollständigen Bewegung kürzer ist und so einen gewissen Abstand vor dem Massezentrum des Fahrers verusacht. Fahrräder mit Rollenketten-Gangschaltung und einem kurzen Radstand wie bei Rennrädern, leiden unter Zehen-Überschneidungen, bei denen die Füße des Fahrers beim Lenken mit dem Vorderrad in Berührung kommen können. Fahrräder haben häufig Federungssysteme zur Verbesserung des Fahrgefühls auf unebenem Gelände. Bei einem Fahrrad mit Rollenkette muss der Drehpunkt für die Hinterradfederung im Rahmen im Wesentlichen in der Mitte der Kurbelwelle liegen, um die Abweichungen im Mittelstand zwischen dem Kettenrad der Kurbelwelle und den Zahnrädern auf dem Hinterrad zu minimieren, während die Federung arbeitet. Die Notwendigkeit, die Kurbelwelle und die Befestigungspunkte der Federung, die beide eine hohe Stärke und Steifheit erfordern, zusammen unterzubringen, kann zu zusätzlicher Komplexität, mehr Kosten und Gewicht führen.
-
Die frühen Fahrräder, in der Regel noch vor der Zeit der Rollenketten-Räder verwendeten eine Vielzahl von Tretmechanismen. In einem Beispiel wird ein Paar von Hebeln verwendet, die auf Kurbelwellen montiert werden und mit der Lenkung, der Front und dem Rad über eine Verbindungsstange mit der Gabel am vorderen Ende und einem Pedal an den hinteren Enden verbunden wird. Dieser Mechanismus hat nicht die gleichen Nachteile wie eine Rollenketten-Übertragung, weist jedoch eine Reihe anderer Nachteile auf. Dieses Rad hatte keine Gangschaltung und das angetriebene Rad drehte sich mit der gleichen Frequenz wie die Pedale, wodurch die Geschwindigkeit für eine gegebene Reifengröße eingeschränkt wurde. Dieses Fahrrad hatte keinen Freilauf-Mechanismus, sodass der Fahrer seine Beine während der Fahrt nicht ruhen lassen konnte und es war nicht möglich, die Position eines Pedals einzustellen, um die Anfahrt zu unterstützen. Da dass Pedal und der Antriebsmechanismus auf dem Vorderrad montiert wurden, störten die Kräfte der Beine des Fahrers die Lenkung des Fahrrads.
-
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die obigen Probleme zu lösen.
-
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
-
Ein Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung, die wartungsfreie Pedalarme und Verbindungsstangen zu den Kurbelwellen verwendet, die aus einem vorspringenden Mehrgangzahnrad und Freilauf-Mechanismus besteht, der an das hintere Antriebsrad des Fahrrads gekuppelt ist, haben die Pedalarme eine Geometrie, die mit einer Vorspannung für die Vorwärtstretrichtung für einen bequemen, praktischen und verbesserten Tretbewegung sorgen.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine kettenlose Antriebsvorrichtung für ein Fahrrad mit einem Rahmen und Frontlenker und einem ungesteuerten Hinterrad bereitgestellt. Der kettenlose Antriebsmechnismus hat zwei Pedalarme, einer dieser besagten Pedalarme wird zur Verwendung auf jeder Seite des Fahrrads angebracht, an jedem der besagten Pedalarme ist am vorderen Ende ein Pedal angebracht, diese Pedale sind über Drehgelenke mit den Pedalarmen verbunden, jeder dieser Pedalarme ist über ein entsprechendes Drehgelenk an eine Kurbel montiert, das rückwärtige Ende dieses Pedalarms wiederum ist mit einer entsprechenden Verbindung am Rahmen des Fahrrads befestigt, jede dieser Verbindungsstangen hat ein entsprechendes Drehgelenk an jedem Ende und diese Kurbelwellen sind drehbar und über eine Welle mit der Nabe und in ansteuerbarer Verbindung mit dem hinteren, nichtlenkenden Rad des Fahrrads verbunden. Jeder Pedalarm hat eine Geometrie, bei der das mittlere Drehgelenk, das die Verbindung zum Pedalarm herstellt, unter der geraden Linie zwischen der Mitte der Gelenkdrehung, die das Pedal mit dem Pedalarm verbindet und der Mitte der Gelenkdrehung, die den Pedalarm mit der Kurbel verbindet, verläuft.
-
Vorteile
-
Der Übersetzungs-Mechanismus des Fahrrads verwendet nur passende Drehgelenke, die ohne Weiteres abgedichtet werden können, um Schmiermittel zurückzuhalten und Verunreinigungen fernzuhalten, wodurch ein hocheffizienter wartungsfreier Mechanismus gewährleistet wird. Die Pedalarme benötigen keine externe Schmierung, bewegen sich mit den Beinen des Fahrers nur auf und ab und können sich daher nicht in der Kleidung des Fahrers verfangen oder diese verschmutzen. Die Abwesenheit von extern geschmierten Komponenten ist ein besonderer Vorteil bei einem Klappfahrrad, das in zusammengeklapptem Zustand getragen wird.
-
Die Geometrie der Pedalarme, Kurbelwellen und Verbindungsstangen führt zu einer Vorspannung der Pedale in Vorwärtsrichtung, wodurch eine bequeme und effiziente Tretbewegung erreicht wird, praktisch in der Verwendung mit einem Freilauf-Mechanismus des Rades. Die Pedalarm-Mechanismen, die vom Rahmen neben dem Hinterrad ausgehend montiert sind, ermöglichen eine leicht integrierbare Hinterradfederung mit einem einfachen Drehgelenk vor dem Hinterrad am Fahrradrahmen.
-
Vorzugsweise werden die Kurbeln mit einem Mehrgangzahnrad und Freilauf-Mechanismus am Rad des Fahrrads angebracht und ermöglichen damit ein komfortables und effizientes Fahren unter einer Reihe von Fahrbedingungen.
-
Vorzugsweise wird der Mehrgangzahnrad-Mechanismus innerhalb der Radnabe des Fahrrads montiert und abgedichtet, um Schmiermittel zurückzuhalten und Verschmutzungen fernzuhalten und dabei Verschleiß zu minimieren und die Notwendigkeit für Wartungen zu beseitigen.
-
Vorzugsweise verwendet das Mehrgangzahnrad eine Reihe von Planetengetriebestufen, die in Reihe geschaltet sind, das Eingangssignal für jede Stufe auf dem Träger und das Ausgangssignal auf dem Zahnkranz, wodurch eine hohe Leistungsfähigkeit geboten wird, die Übersetzungen der Gänge sind so ausgelegt, dass sie beim Schalten für ein konsistentes Übertragungsverhältnis sorgen und dem Fahrer ein harmonisches Fahrgefühl vermitteln, wobei die erforderlichen Bereiche für die Übertragungsverhältnisse mit einer minimalen Anzahl von Gängen abgedeckt werden, während geschlossene Gangschaltungen erhalten bleiben.
-
Vorzugsweise werden die Übersetzungsverhältnisse durch steuerbare Sperrklinken ausgewählt, die auf Sperrräder wirken, um die zentralen Räder der Planetenschaltung wahlweise zu verriegeln, womit sowohl im Stillstand als auch beim Fahren geschaltet werden kann.
-
Vorzugsweise kann die Länge der Verbindung, die den Pedalarm mit dem Rahmen des Fahrrads verbindet, ohne weiteres eingestellt werden, um die Höhe der Pedale nach Belieben des Fahrers anzuheben oder abzusenken.
-
Vorzugsweise werden mit der Länge der Pedalarme diese weit unter dem Sattel des Fahrrads angebracht, damit eine verbesserte Tretbewegung ermöglicht wird, bei der der Fahrer sein gesamtes Gewicht auf die Pedale anwenden kann, indem er aus der sitzenden Position heraus in der Abwärtsbewegung sowohl das Kniegelenk als auch das Hüftgelenk verwendet. Diese Pedalarm-Geometrie positioniert die Füße des Fahrers entfernt vom Vorderrad und verhindert so die Zehenüberlappung, auch bei einem kurzen Radstand.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
zeigt ein Beispiel auf einem früheren Stand der Technik, es wird ein Antriebsmechanismus dargestellt, der als American Levers bezeichnet und bei einem Fahrrad verwendet wird, das als American Safety-Fahrrad bekannt ist.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun genauer anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten bis beschrieben.
-
zeigt ein Fahrrad mit einer Pedalarm-Geometrie der vorliegenden Erfindung.
-
zeigt eine schematische Darstellung der Konfiguration der Gangschaltung für die bevorzugte Ausführungsform des Gangschaltungsmechanismus der vorliegenden Erfindung.
-
zeigt eine Draufsicht und zwei Schnittansichten der bevorzugten Schaltelemente der Gangschaltung.
-
, und sind eine perspektivische Ansicht, rechte Seitenansicht und Vorderansicht des Fahrrads entsprechend und zeigen das rechte und linke Seitenpedal in leicht unterschiedlichen Drehpositionen in Aktion und zeichnen detailliert den Anschluss des Pedalarms zur Kurbelwelle und Verbindungsstange.
-
Detaillierte Beschreibung des dargestellten Stands der Technik
-
zeigt den Hebel, Lenk- und Kurbelmechanismus, bekannt als American Levers, bei einem Beispiel des Stands der Technik, bekannt als American Safety-Fahrrad, wie beschrieben und dargestellt in „Sturmey’s Indispensable Handbook to the Safety Bicycle by Henry Sturmey (Sturmeys unverzichtbares Handbuch für das sichere Fahrrad von Henry Sturmey), erste Veröffentlichung 1885. Zur Klarheit: Es wird nur der Mechanismus von einer Seite des Fahrrads dargestellt. Ein Pedal 1, das der Fahrer mit einem Fuß herunterdrückt, ist am unteren hinteren Ende eines Hebels 7 montiert. Der Hebel ist mit den Gabeln 2 des Fahrrades über eine Verbindungsstange 3 verbunden, die Verbindungsstange hat an jedem Ende Drehgelenke. Der Hebel ist mit einer Kurbel 4 verbunden, wobei die Kurbel mit der Achse 6 über Drehgelenke mit der Gabel 2 des Fahrrads und dem Rad verbunden ist.
-
Dieses Fahrrad verwendet ein Paar von Kurbeln mit einer Verschiebung von 180 Grad voneinander, mit einer Kurbel an jedem Ende der Achse über das und verbunden mit dem Vorderrad und zwei Hebeln, Pedal und einem Verbindungsstangenmechanismus auf jeder Seite.
-
Der Zweck dieses Mechanismus war es, die Pedale zum hinteren Teil des Fahrrads zu versetzen, im Vergleich zu Pedalen, die direkt auf die Kurbeln montiert werden und dadurch eine Fahrposition ermöglichen, die noch weiter hinter der Mitte des Vorderrads liegt und so die Stabilität und Sicherheit des Fahrrads weiter verbessert. Wenn sich das Fahrrad vorwärts bewegt und die Kurbeln sich drehen, bewegen sich die Hebel, die an den Kurbeln angebracht sind, nach oben und unten und die Pedale, die von den Füßen des Fahrers getreten werden, bewegen sich in etwa elliptischen Bahnen. Der Fahrer verursacht eine Drehung der Kurbeln und treibt so das Fahrrad an, indem er gleichzeitig mit der Bewegung in die Pedale tritt. Da kein Freilauf-Mechanismus verwendet wird, werden die Pedale über den oberen und unteren Punkt des Fahrwegs durch die Vorwärtsbewegung des Fahrrads angetrieben.
-
Dieses Fahrrad hat den Nachteil, dass es keine Überetzung hat, dadurch wird das angetriebene Rad mit der gleichen Frequenz der Pedale angetrieben und so wird die Drehzahl für eine gegebene Reifengröße eingeschränkt, da das Tempo, mit dem die Pedale wirksam vom Fahrer angetrieben werden können, was auch als Kadenz bezeichnet wird, begrenzt ist. Bei diesem Fahrrad sind die Pedale und der Antriebsmechanismus am Vorderrad angebracht. Beim Treten stören die Kräfte der Beine des Fahrers daher die Lenkung des Fahrrads, da der Fahrer auf dem Rahmen des Fahrrads sitzt, die Pedale und der Antriebsmechanismus sind jedoch an den Gabeln befestigt. Das vordere Lenkrad muss sich zum Lenken relativ zu Rahmen und Fahrersitz schwenken lassen, sodass die Beine des Fahrers die Lenkbewergung einschränken. Auch die Kräfte der Beine des Fahrers neigen dazu, das Vorderrad zu lenken, wodurch eine Reaktionskraft von den Armen des Fahrers auf die Lenkergriffe angewendet werden muss. Diese Interaktion zwischen dem Treten der Pedale und dem Lenken reduziert die Stabilität und erhöht die Fertigkeiten und die Anstrengungen, die erforderlich sind, um das Fahrrad zu fahren.
-
Dieses Fahrrad hatte ebenfalls den Nachteil, dass es keinen Freilauf-Mechanismus hatte, der dem Fahrer die Möglichkeit bietet, seine Beine auf den Pedalen auszuruhen, während das Fahrrad sich weiterbewegt, wie zum Beispiel auf einem Gefälle. Um auf ein Fahrrad mit Freilauf-Mechanismus aufzusteigen, stellt der Fahrer das Pedal in der Regel in eine Position, mit der er sofort die Vorwärtsfahrt auslösen kann. Dies erfolgt durch eine Rückwärtsdrehung des Pedals mit dem Fuß auf eine geeignete Position, die durch den Freilauf-Mechanismus ermöglicht wird, während man noch auf dem anderen Fuß steht. Die Vorwärtsbewegung wird ausgelöst, indem man sich mit einem Fuß vom Boden abstößt, während der andere Fuß auf dem Pedal steht und es somit nach vorn drückt. Dies gibt dem Fahrer Zeit, den anderen Fuß auf das Pedal zu setzen und weiter in die Pedale zu treten, bevor das Fahrrad so langsam wird, dass es aus dem Gleichgewicht gerät. Im Falle dieses Vorgänger-Fahrrads ist die Einstellung des Pedals auf eine Startposition, ohne das Fahrrad nach vorn oder nach hinten zu bewegen, was unpraktisch oder insbesondere an einer Straßenkreuzung sogar gefährlich sein kann, nicht möglich, da kein Freilauf-Mechanismus verwendet wird.
-
Der Hebel und der Verbindungsstangen-Mechanismus dieses Vorgänger-Fahrrads hat nicht die Nachteile eines Rollenketten-Antriebsmechanismus. Die Drehgelenke des Mechanismus können ohne Weiteres versiegelt werden, um Schmiermittel zurückzuhalten und Verunreinigungen auszuschließen. Die Verwendung dieser Art von Mechanismus am hinteren, nicht lenkenden Rad des Fahrrads mit einem eingebauten Freilauf und Mehrgang-Mechanismus bietet daher die Möglichkeit der Überwindung der Nachteile des Rollenkettenantriebs. Die einfache Umkehr des Mechanismus aus dem Vorgänger-Rad mit einer langen Verbindungsstange nach oben und vorn zum Rahmen des Fahrrads von der hinteren Seite des Hebels führt nicht zu einem praktischen Mechanismus. Diese Anordnung führt zu einer Geometrie, bei der der höchste Punkt des Pedalwegs auf der einen Seite mit dem niedrigsten Punkt des Pedalwegs auf der anderen Seite zusammenfällt. Das macht das Vorwärtstreten unpraktisch, wenn ein Freilaufmechanismus verwendet wird, insbesondere, wenn man auf den Pedalen steht und das Gewicht des Fahrers das untere Pedal am niedrigsten Punkt hält und das obere Pedal nicht über den höchsten Punkt steigen lässt. Daher sind an der Geometrie des Mechanismus einige Modifikationen erforderlich, die eine praktische und wirksame Lösung bieten, die bei einem Freilaufmechanismus verwendet werden kann.
-
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
-
zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Fahrrads mit dem Pedalarm und der Verbindungsstangen-Geometrie der vorliegenden Erfindung. Zur Klarheit: Es wird nur der Mechanismus von einer Seite des Fahrrads dargestellt. Ein Pedal 1 wird über ein Drehgelenk an das vordere Ende eines starren Pedalarms 7 befestigt. Der Pedalarm wird durch ein Drehgelenk an eine Kurbel 4 angebracht. Die Kurbel dreht sich um eine Kurbelwelle 6, die über ein Drehgelenk am Rahmen 5 befestigt ist. Der Pedalarm 7 wird ferner über eine Verbindungsstange 3 mit dem Rahmen verbunden, die Verbindungsstange hat Drehgelenke an jedem Ende. Es sei darauf hingewiesen, dass die Geometrie des Pedalarms 7 einen Anschluss an die Verbindungsstange auf der Rückseite der Verbindung zur Kurbel und unter einer geraden Linie über die Pedal- und Kurbelbefestigungsposition hat, was durch eine gestrichelte Linie in dargestellt wird. Diese Geometrie erfordert, dass die Verbindungsstange möglichst vertikal ist, um angemessene Winkel zwischen der Verbindungsstange zu schaffen, die Kräfte, die auf die Verbindungsstange und den Arm wirken, zu minimieren und zu verhindern, dass die Verbindungsstange die Mitte der Kurbel kreuzt, wodurch eine rückwärtige Erweiterung für den Rahmen des Fahrrads erforderlich wird, um den Verbindungspunkt von der Verbindungsstange zum Rahmen bereitzustellen. Diese besondere Geometrie führt zu einer Vorspannung der Vorwärtsbewegung der Pedale mit dem höchsten Punkt des Pedalwegs eines Pedals vor dem niedrigsten Punkt des Pedalwegs auf der anderen Seite. Beim Treten beginnt daher das andere Pedal bereits mit der Abwärtsbewegung, wenn der Fuß auf einer Seite des Fahrrads seinen niedrigsten Punkt erreicht hat, was eine reibungslose Fortsetzung der Tretbewegung gewährleistet, auch wenn der Freilaufmechanismus eingesetzt wird. Diese Vorwärtstretrichtung ist besonders wichtig, wenn der Fahrer auf den Pedalen steht und das Gewicht des Fahrers das Pedal zwingt, am niedrigsten Punkt zu stoppen, wenn der Druck auf das Pedal auf das gegenüberliegende Pedal übertragen wird.
-
Es sollte angemerkt werden, daß bei dieser bevorzugten Pedalarm-Geometrie die drei Befestigungspunkte auf dem Arm für die Drehgelenke des Pedals, der Kurbel und Verbindungsstange ein Dreieck bilden. Der Pedalarm kann daher als ein dreieckiger Rahmen gebaut werden, der eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bietet.
-
Der Schaltmechanismus des Fahrrads verwendet entsprechend der vorliegenden Erfindung ein Paar von Kurbeln bei 180 Grad Verschiebung voneinander mit einer Kurbel an jedem Ende der Achse durch und in Verbindung mit dem Hinterrad, zwei Pedalarmen und Verbindungsstangenmechanismen, einer auf jeder Seite.
-
Es sei darauf hingewiesen, dass in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Drehgelenke an jedem Ende der Verbindungsstange Kugel- oder sphärische Gelenke haben, um kleine Fehlausrichtungen im Mechanismus aufgrund einer Herstellungstoleranz und die Flexibilität der Komponenten unter Belastung zu ermöglichen. Ebenso wird für die optimale Wirksamkeit des Mechanismus ein Wälzlager mit geringer Reibung in das Gelenk eingebaut, wie zum Beispiel ein Nadellager. Es könnten auch selbstausrichtende Rollenlager, zum Beispiel sphärische Rollenlager, verwendet werden, diese sind jedoch in der Regel nur in größeren Größen erhältlich, die sich unnötig auf das Gewicht der Baugruppe auswirken.
-
Da der Pedalarm an der Kurbel angebracht ist, bewegt sich die Kurbel sowohl horizontal als auch vertikal. Das Pedal folgt daher einem Weg, der eine offene Schleife bildet. Es ist somit möglich, dass der Fahrer die Bewegung des Pedals bis zu den Extremen der Bewegung kontrolliert, wodurch die Verwendung eines Freilaufmechnismus praktisch zweckmäßig erscheint. Dies ermöglicht dem Fahrer, das Pedal auf die gleiche Weise auf Startposition zu setzen, als wenn ein Fahrrad mit Rollenkettenübersetzung und einer kreisförmigen Pedalbewegung gefahren wird.
-
Für ein Fahrrad mit Rollenketten-Antriebsmechanismus muss die Kurbelwelle, die die Kurbeln trägt, in einiger Entfernung vor dem Hinterrad des Fahrrads angeordnet werden, damit die Tretachse, ihre Lager und der Rahmen der diese trägt, nicht die Drehung des Hinterrades stören. Dies positioniert die Kurbelwelle vor den Sattel. Dies in Kombination mit der Länge der Kurbel setzt den Teil der Bewegung, die im Wesentlichen vertikal nach unten erfolgt und im Vergleich mit dem gesamten Pedalweg recht klein ist, auf einigen Abstand vor den Sattel. Wenn man auf dem Sattel sitzt, ist es daher schwierig für den Fahrer, die Kraft für die vollständige Abwärtsbewegung des Pedals aufzuwenden, da sich sein oder ihr Gewicht in einigem Abstand hinter der Abwärtsbewegung des Pedals konzentriert. Am wirksamsten wird der Körper des Fahrers eingesetzt, wenn die Beine vertikal nach unten drücken und gegen das Gewicht des Fahrers wirken, da dies keine zusätzliche Muskelkraft erfordert, zum Beispiel die der Arme über die Lenkergriffe, um die Kraft auf die Pedale zu übertragen. Auch in der Abwärtsbewegung des Pedals ist die Bewegung des Kniegelenks minimal. Daher werden die Muskeln, die zum Strecken des Kniegelenks verwendet werden, schlecht genutzt. Das Kniegelenk wird hauptsächlich eingesetzt, wenn das Pedal über den Höhepunkt seiner Kreisbewegung läuft. Um die Muskeln für die Streckbewegung des Knies zu verwenden, ist daher eine Kraftanstrengung erforderlich, die eher in Vorwärts- als in Abwärtsrichtung auf das Pedal übertragen wird, was sehr viel schwieriger ist und die zusätzliche Anbringung von Zehenclips oder anderen Vorrichtungen erfordert, um die Füße des Fahrers an den Pedalen zu befestigen.
-
Aufgrund dieser Einschränkungen der Drehbewegung der Pedale und der vorderen Position der Kurbelwelle neigt der Fahrer dazu, beispielsweise beim Bergan-Fahren oder beim Beschleunigen, sich vom Sitz zu erheben und sein oder ihr Gewicht nach vorn, vertikal über die Abwärts-Position der Pedalbewegung zu verlagern. In dieser Haltung kann der volle Nutzen aus den Streckmuskeln des Knies und der Hüfte gezogen werden. Diese Haltung, bei der das Gewicht des Fahrers von den Beinen getragen wird ist jedoch anstrengend und wird deshalb nur für kurze Zeit eingenommen.
-
Es sollte angemerkt werden, dass in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Pedalarm-Länge gewählt wird, die die Pedale im Wesentlichen unter den Sattel des Fahrrads platziert, was dank des Durchgangs möglich ist, da die Kurbelwelle durch die Radnabe verläuft und die Pedalarme die Pedale neben dem Rad halten, ohne diese Bewegung zu stören. Auch die Länge des Pedalarms in Kombination mit der Länge der Kurbel bedeutet, dass die Pedalbewegung im Wesentlichen in einer engen Schleife, vertikal nach oben und unten erfolgt. Diese bevorzugte Geometrie stellt eine verbesserte Tretbewegung bereit, bei der der Fahrer sein volles Gewicht auf die Pedale wirken lassen kann, indem er bei der Abwärts-Tretbewegung das Knie- und auch das Hüftgelenk einsetzt, während er in der Sitzposition bleibt. Außerdem sollte beachtet werden, dass aufgrund der eher linearen Bewegung der Pedale im Vergleich zu einem Rollenketten-Antrieb ein größerer Anteil des Pedalwegs in vertikaler Richtung ausgeführt wird, womit die Kraft der Beine vertikal nach unten gerichtet gegen das Gewicht des Fahrers sinnvoller eingesetzt werden kann. Da ein größerer Teil der Pedalbewegung in vertikaler Richtung ausgeführt wird, kann der Gesamthub verwendet werden, was zu mehr Leistung führt, wenn die Beine fast vollständig ausgestreckt sind.
-
Diese bevorzugte Pedalarm-Geometrie, bei der die Füße des Fahrers deutlich unter dem Sattel platziert sind, führt dazu, dass der vorderste Punkt der Bewegung der Füße des Fahrers im Wesentlichen im Vergleich mit einem Fahrrad mit Rollenketten-Übersetzung weiter entfernt vom Vorderrad des Fahrrads liegt. Ein Fahrrad mit kurzem Radstand ist daher ohne Frequenzweiche möglich, womit die Möglichkeit, dass die Füße des Fahrers beim Lenken in Kontakt mit dem Vorderrad kommen, vermieden wird.
-
Es sollte darauf geachtet werden, dass eine Pedalarm-Übertragung entsprechend der vorliegenden Erfindung für die Verwendung mit oder ohne Zehenclips geeignet ist. Die Verwendung von Zehenclips oder anderem Zubehör, das die Füße des Fahrers sicher auf den Pedalen hält, hat die gleichen Vorteile wie bei der Verwendung einer Rollenketten-Übertragung. Der Fahrer kann erheblich mehr der nützlichen Kraft auf den Antriebsmechanismus ausüben, indem er gleichzeitig eine ziehende Bewegung bei der Aufwärtsbewegung des einen Pedals ausübt und das jeweils andere Pedal herunterdrückt. Da die Pedale sich in schmalen, vertikalen, nahe beieinanderliegenden Schleifen bewegen, kann sich die Krafteinwirkung aus dem Hochziehen des einen Pedals vertikal nach untern auf das andere Pedal auswirken, was zu einer nützlichen Arbeit beider Pedale mit minimalen zusätzlichen Reaktionskräften und einem minimalen Kraftaufwand der Muskeln führt.
-
Es sollte beachtet werden, dass ein Fahrradrahmen mit Pedalarmübertragung gemäß der vorliegenden Erfindung ohne Weiteres für den Einbau in die Federung ausgelegt werden kann. Die Vorderradfederung kann durch die Verwendung von Teleskopgabeln oder anderer Geräte, die am Vorderrad angebracht werden, wie auch bei einem Fahrrad mit Rollenketten-Übertragung eingebaut werden. Bei der Hinterradfederung können in den Rahmen ohne Weiteres eine Achse, eine Feder und ein Stoßdämpfer eingebaut werden, mit denen sich das Hinterrad relativ zum Sattel und dem vorderen Abschnitt des Rahmens nach oben und unten bewegen lässt. Die Achse kann ohne Weiteres vor dem Hinterrad und unter dem Sattel positioniert werden, da die Komponenten für die Übertragung alle entfernt von diesem Bereich am Rahmen, am Hinterrad anliegend angebracht werden. Das Gelenk und der Teil des Rahmens, der damit verbunden ist, passt ohne Weiteres auf die zwei Pedalarme in der Nähe der Pedalposition. Die Pedale und der Sitz des Fahrrads, der den Fahrer trägt, bewegen sich daher im Wesentlichen im Einklang, wenn die Federung arbeitet, womit der Fahrer von der vertikalen Bewegung des Hinterrades abgekoppelt wird.
-
Es sollte weiterhin beachtet werden, dass die Übertragung des Pedalarms entsprechend der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung enthält, um die Länge der Verbindungsstange einzustellen. Dies ermöglicht eine bequeme Anpassung der Pedalhöhe relativ zum Rahmen des Fahrrads, um verschiedenen Proportionen und Vorlieben der Fahrer wie auch sich verändernden Fahrbedingungen gerecht werden zu können. Dieser Einstellmechanismus kann die Form eines Schraubengewindes und einer geeigneten Verriegelungseinrichtung haben. Bei einer Rollenketten-Übertragung kann die Höhe der Pedale nicht ohne Weiteres geändert werden, da das Rotationszentrum der Pedale ein fester Teil des Fahrradrahmens ist. Diese Höheneinstellung der Pedale kann in Verbindung mit der Verwendung von Kurbeln verschiedener Länge erreicht werden, womit dann die Hublänge des Pedals verändert wird, ohne die Pedalhöhe zu beeinträchtigen, wie es bei einem herkömmlichen Rollenketten-Fahrrad der Fall ist.
-
zeigt eine schematische Darstellung der Konfiguration der Gangschaltung für die bevorzugte Ausführungsform des Gangschaltungsmechanismus. Die beiden Pedalarme 7, 7a, die tragenden Pedale 1, 1a werden auf jeder Seite der schematischen Darstellung in Draufsicht dargestellt und verbunden mit dem Rahmen 5 über die Verbindungsstangen 3, 3a. Die Kurbeln 4, 4a werden über die Kurbelwelle 6 verbunden, die durch die Mittelachse der Schaltnabenvorrichtung führt.
-
Die Schaltnabenvorrichtung in dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet vier Planetenschaltstufen, 8, 8a, 9, 9a. Jede dieser Planetenschaltstufen ist für die Schaltung zum Planetenträger, den Ausgang vom Zahnkranz und das zentrale Rad zum selektiven Anschluss an den Rahmen des Fahrrads ausgelegt. Diese Konfiguration der Planetenschaltung bietet eine Drehzahlerhöhung mit der Ausgabe aus dem Zahnkranz, der sich mit einer höheren Drehzahl in die gleiche Richtung wie der Träger bewegt, wenn das zentrale Rad im Leerlauf ist. Diese Konfiguration der Planetenschaltung bietet die höchstmögliche Kraftübertragung, da sich Eingang und Ausgang in die gleiche Richtung bewegen, wodurch die relative Drehzahl zwischen den Schaltelementen niedrig und der Netzausfall entsprechend gering bleibt. Die vier Planetenschaltstufen sind in Reihe geschaltet. Der Planetenträger 16 ist der Eingang zur Nabenschaltung und ist mit der Kurbelwelle 6 in der Mitte der Nabenanordnung verbunden. Der Zahnkranz 13 der ersten Stufe 9 ist mit dem Planetenträger 17 der zweiten Stufe 8 verbunden. Der Zahnkranz der zweiten Stufe 8 ist mit dem Träger 16a der dritten Stufe 9a verbunden. Der Zahnkranz 13a der dritten Stufe 9a ist mit dem Planetenträger 17a der vierten Stufe 8a verbunden. Der Zahnkranz der vierten Stufe 8a ist mit dem Nabengehäuse 18 verbunden, das wiederum mit der Radfelge und dem Reifen des Fahrrads verbunden ist.
-
Die vorzugsweise axiale Lage der einzelnen Stufen der Planetenschaltung werden über geschlossene Druckringe gesteuert, die an beiden Seiten jedes Zahnkranzes befestigt sind und einen Kontakt mit den Außenrändern der Planetenschaltung halten.
-
Jede Stufe der Planetenschaltung hat einen Einweg-Kupplungsmechanismus 19 zwischen dem Träger und dem Zahnkranz. Im Falle dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Einweg-Kupplungsmechanismus in einer federbelasteten Sperrklinke, die im Träger drehbar ist und in die Zähne des Zahnkranzes in Richtung der relativen Drehung von Zahnkranz und Träger einhakt und sich in engegengesetzter Richtung der relativen Drehung von Zahnkranz und Träger aushakt. Wenn das mittlere Rad einer Stufe nicht verriegelt ist und sich drehen kann, dreht sich das Rad mit dem Träger nach vorn, der Einweg-Kupplungsmechanismus wird gesperrt und der Ring wird mit der gleichen Drehzahl angetrieben wie der Träger. Wenn das mittlere Rad frei ist, ist daher die Stufe gesperrt und fährt ohne Drehzahlerhöhung und ohne relative Drehung der Zahnräder vom Eingang zum Ausgang, sodass Reibungsverluste minimiert werden.
-
Weiterhin ist zu beachten, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Einweg-Kupplungsmechanismus verwendet werden kann, um zwischen zwei der Elemente der Planetenschaltung zu wirken, um den Gang zu verriegeln und ohne Veränderung des Gangs eine Verbindung vom Eingang zum Ausgang herzustellen, wenn das mittlere Rad nicht mit dem Rahmen des Fahrrads verbunden ist. Auch ist zu beachten, dass ein Sperrrad oder Ring verwendet werden kann, der an einem der Elemente angebracht wird, auf dem eine Sperrklinke oder andere Arretierung wirken kann, um einen Einweg-Kupplungsmechanismus bereitzustellen. Dem Fachmann wird ein weiterer Einweg-Kupplungsmechanismus bekannt sein, der zwischen den Elementen der Planetenschaltung eingebaut werden kann, um die gewünschte Funktion entsprechend der vorliegenden Erfindung zu erhalten, zum Beispiel eine Freilauf- oder Rollenkupplung.
-
Jedes der vier mittleren Räder kann selektiv über eine steuerbare Sperrklinke 20 verbunden werden, mit Sperrrad-Zähnen in der Bohrung jedes größeren mittleren Rades 12, 12a und auf die internen Ringe 21 und 21a, die mit den zwei schmaleren mittleren Rädern 15, 15a verbunden sind.
-
Zur Klarstellung sei darauf hingewiesen, dass keine Lager in die Darstellung aufgenommen wurden. Es sollte auch beachtet werden, dass jedes der Lager an der Außenseite der Radnabe, beispielsweise zwischen der Nabe und dem Fahrradrahmen oder zwischen der Kurbelwelle und dem Fahrradrahmen und somit die Nabenanordnung in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung leicht versiegelt werden kann. Daher kann eine Menge von Schmiermitteln in der Nabe zurückgehalten werden, die kontinuierlich alle Komponenten schmiert, um diese vor Verschleiß zu schützen und die Reibung zu minimieren, wodurch die Leistung optimiert wird. Die Abdichtung der Nabe verhindert auch das Eindringen von Verunreinigungen, beispielsweise Wasser oder grobem Staub, der zu einem schnellen Verschleiß der Komponenten der Nabe führen würde. Eine regelmäßige Wartung ist daher nicht erforderlich.
-
zeigt eine schematische Draufsicht-Schnittdarstellung der Komponenten für die Gangschaltung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die Teil von ist und zwei weitere Schnittseitenansichten, um dessen Funktion zu veranschaulichen.
-
Die Sperrklinken 20 und 20a werden über Stifte 22 und 23 gesteuert, die im Wesentlichen parallel zur Achse der Radnabe liegen. Diese Stifte drehen sich auf Kugelenden, die an ihren äußeren Enden im Gehäuse liegen und an den inneren Enden in die Löcher der Sperrklinken greifen. Stift 23 ist länger als Stift 22, sodass dieser die Sperrklinke erreichen kann, die auf den Ring 21 wirkt, der weiter innen in der Nabenanordnung sitzt. Kleine Federn 27, 27a wirken auf die Stifte, um sie nach außen zu drücken. Die Stifte drücken daher die Sperrklinken nach außen, sodass sie mit den Zähnen der Sperrklinke 28 in Kontakt kommen, Schnitt auf der Innenseite des mittleren Rades 12. Alternativ kann die Feder für dieselbe Funktion auch auf die Sperrklinke wirken. Ähnliche Zähne ohne Abbildung sind auf der Innenseite des Rings 21 zum Verriegeln des kleineren Zentralritzels 15 vorgesehen. Um die beiden Stifte wird ein Schaltsteuerring 24 montiert. Der Ring weist eine Reihe von Kerben 26 auf, die in den Innendurchmesser geschnitten sind. Der Innendurchmesser des Ringes ist so gewählt, dass, wenn der Ring auf eine Position gedreht wird, wo es keine Kerbe für den Stift gibt, mit dem Stift in Kontakt tritt und ihn innen hält, wodurch die Zähne der Sperrklinke nach innen freigehalten werden und das Zentralrad sich drehen kann. Wenn der Ring 24 gedreht wird, sodass ein Stift in die Kerbe greift, kann der Stift mit einer Feder hochkommen, wodurch das Sperrrad in Kontakt mit der Sperrklinke die Drehung des Zentralrads verriegelt. In einer nicht bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Stifte in einem vorbestimmten Muster von Kerben mit einer anderen als der Ringform, beispielsweise einer Stange, auf die Steuerelemente wirken.
-
In dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Ring mit einem Gangschaltungs-Steuerkabel, das mit einem Handgriff für die Gangschaltung, der üblicherweise für die Steuerung von Kettenschaltungen verwendet wird, verbunden ist. Andere Mittel zum Steuern der Bewegung des Schaltsteuerrings, zum Beispiel über einen elektrischen Servomotor oder einen hydraulischen Aktuator sind möglich und werden ohne Zweifel dem Fachmann geläufig sein.
-
Zwei ähnliche Schaltmechanismen werden verwendet, einer auf jeder Seite der Nabe. Die beiden Schaltsteuerleitungen 25, 25a sind parallel mit dem gleichen Schalthebel verbunden, sodass sich die beiden Schaltringe 24, 24a gemeinsam bewegen. Eine vorbestimmte Folge von Gangwahlen kann daher durch die Gestaltung des Kerbenmusters, das im Inneren der Schaltsteuerringe geschnitten ist, erreicht werden.
-
Die niedrigste Übersetzung, die erreicht werden kann, ist die, bei der kein Gang eingelegt wird. Eine 1:1-Übersetzung wird dann für jeden Gang zur Verfügung gestellt, der durch den Einweg-Kupplungsmechanismus verriegelt ist. Das Nabengehäuse und das Rad haben dann die gleiche Drehzahl wie die Kurbelarme. Es drehen sich keine Zahnräder, wodurch die Effizienz optimiert wird. Wenn der Fahrer nicht mehr in die Pedale tritt, solange das Fahrrad in Bewegung ist, kann jede der Einweg-Kupplungen oder jeder der Sperrklinkenringe im Schaltmechanismus aktiv werden, damit der Gang gleichbleibt, während das Fahhrad sich weiter fortbewegt. Die Konfiguration der Gangschaltung hat daher von Natur aus eine Freilauffunktion.
-
Die höchste erreichbare Übersetzung wird erreicht, wenn alle vier Gänge geschaltet sind. Da die Gänge in Reihe geschaltet sind, ist die Gesamtübersetzung in diesem Zustand das Vielfache der vier einzelnen Übersetzungen.
-
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet zwei Planetenschaltstufen mit einer Übersetzung und zwei einer anderen Übersetzung. Die beiden Übersetzungen werden so gewählt, um eine hohe Zahl von verschiedenen Übersetzungsverhältnissen sowie im Wesentlichen ähnliche Übersetzunsänderungen zwischen aufeinanderfolgenden Gängen für die Mehrzahl der Schaltungen zu erreichen. Die Verwendung von zwei Phasen in einem Verhältnis und zwei eines anderen reduziert ebenfalls die Anzahl der verschiedenen Komponenten, die in der Baugruppe verwendet werden. In dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das höhere der zwei Übersetzungsverhältnisse im Wesentlichen gleich dem niedrigeren Übersetzungsverhältnis, angehoben auf eine Leistung von eineinhalb. Kombinationen der vier Gänge können dann mit einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses, das im Wesentlichen aus der Quadratwurzel der Übersetzungsverhältnisse der niedrigeren Gänge besteht, eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Übersetzungsverhältnissen bereitstellen.
-
Beispielsweise verwendet die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für die unteren Gänge der Planetenschaltung 70 Zähne für den Zahnkranz, 23 Zähne für jede Planetenschaltung und 23 Zähne für das Zentralrad, was zu einem Übersetzungsverhältnis von etwa 1.329:1 führt. Die höhere der Planetenschaltung verwendet 70 Zähne für den Zahnkranz, 16 Zähne für jede Planetenschaltung und 38 Zähne für das Zentralrad und bietet so ein Übersetzungsverhältnis von etwa 1.543:1.
-
Das niedrigste Übersetzungsverhältnis ist 1:1, wenn kein Gang eingelegt ist. Dieses Übersetzungsverhältnis der niedrigsten Schaltsufe wird bei Fahrrädern verwendet, die für den Einsatz im Gelände konzipiert sind und steile Hänge bewältigen müssen. Das zweite Übersetzungsverhältnis liegt bei einer niedrigeren Planetenschaltung bei 1.329:1. Das dritte Übersetzungsverhältnis liegt, wenn einer der höheren Gänge eingelegt ist, bei 1.543:1. Das nächste Übersetzungsverhältnis liegt mit den beiden unteren Gängen geschaltet bei 1.766:1. Das nächste Übersetzungsverhältnis liegt mit einem niedrigen und einem höheren Gang geschaltet bei 2.051:1. Das nächste Übersetzungsv Verhältnis liegt mit zwei höheren Gängen geschaltet bei 2.381:1. Das nächste Übersetzungsverhältnis liegt bei zwei niedrigen und einem höheren Gang geschaltet bei 2.725:1. Das nächste Übersetzungsverhältnis liegt bei zwei höheren und einem niedrigeren Gang geschaltet bei 3.164:1. Das höchste Übersetzungsverhältnis liegt bei allen vier Gängen geschaltet bei etwa 4.205:1. Das höchste verfügbare Übersetzungsverhältnis ist für eine schnelle Fahrt bergab geeignet.
-
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht daher neun verschiedene Übersetzungsverhältnisse von 1:1 bis 4.205:1 vor. Die Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen dem ersten und dem zweiten und dem achten und neunten Übersetzungsverhältnis beträgt 1.329. Die Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen jedem der anderen Gänge entspricht ungefähr der Quadratwurzel des niedrigeren Gangs, bei etwa 1,15, was einer Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses von 15 % bei jedem Gangwechsel entspricht.
-
Andere Möglichkeiten für die Anzahl der Zähne können gewählt werden, um je nach Bedarf engere oder weitere Übersetzungsverhältnisse für verschiedene Anwendungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu gewährleisten. Eine größere Anzahl von Schaltstufen kann verwendet werden, um verschiedene Übersetzungsverhältnisse für andere Anwendungen zu gewährleisten, beispielsweise bei einer kleineren Radgröße oder wenn eine höhere Anzahl verschiedener Übersetzungsverhältnisse innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Eine kleinere Anzahl von Schaltungen kann für eine einfachere Ausführung eingebaut werden, wo eine geringere Anzahl von Übersetzungsverhältnissen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung ausreicht.
-
Für ein Fahrrad, das nur ein Übersetzungsverhältnis benötigt, kann eine einzige Planetenschaltstufe verwendet werden, beispielsweise mit einem Eingang zum Träger, der Befestigung des Zahnkranzes am Fahrradrahmen und dem Ausgang vom Zentralrad.
-
Zur Steuerung der Geschwindigkeit des Fahrrads ist es wünschenswert, Bremsen zu verwenden, die langsam auf die Räder des Fahrrads wirken, wie vom Fahrer gefordert. Eine Bremse kann in die Konstruktion der Radnabe aufgenommen werden, zum Beispiel kann eine Bremsscheibe auf der Außenseite der Nabe und ein entsprechender Bremssattel am Fahrradrahmen angebracht werden. Andere Formen von Bremsen können intern in die Nabe eingebaut werden oder auf die Felgen des Rades wirken, was dem geschulten Fachmann sicherlich geläufig sein wird. Eine Bremse, die an der Nabe angebracht wird, im Allgemeinen als Rücktrittbremse bekannt, die durch eine Rückwärtsbetätigung der Pedale ausgelöst wird und, kann ebenso verwendet werden.
-
Für den geschulten Fachmann ist es zweifellos offensichtlich, dass innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung weitere Schaltmechanismen verwendet werden können, die die Tretkurbel mit dem Rad des Fahrrads verbinden, insbesondere, wenn eine kleine Anzahl von verschiedenen Übersetzungsverhältnissen zulässig ist. Zum Beispiel können einfache Zwischenwellen-Schaltungen neben dem Rad angebracht werden, die mit dem Gehäuse am Fahrradrahmen montiert werden. Am zweckmäßigsten würde diese Form der Schaltung verschiedene Übersetzungsverhältnisse auswählen, indem sie die Zahnräder auf der Sekundärwelle mit einer Freilaufkupplung selektiv verbindet. Ein 1:1-Verhältnis kann durch den Einschluß eines Freilaufmechanismus zwischen dem Rad und der Kurbelwelle bereitgestellt werden, wenn keine Auswahl für die Zwischenwelle getroffen wurde. Auf der Kurbelwelle und der Sekundärwelle können mehrere Zahnräder verwendet werden, die mehr als ein Übersetzungsverhätnis zusätzlich zum 1:1-Verhältnis gewährleisten. Alternativ kann für eine enge Anordnung mehr als eine Sekundärwelle verwendet werden.
-
Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Im Geiste und im Rahmen dieser Präsentation sind eine Vielzahl anderer Ausführungsformen und Variationen möglich.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- „Sturmey’s Indispensable Handbook to the Safety Bicycle by Henry Sturmey (Sturmeys unverzichtbares Handbuch für das sichere Fahrrad von Henry Sturmey), erste Veröffentlichung 1885 [0023]
