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Die Erfindung betrifft ein Fahrradgetriebe gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 stehenden Merkmale.
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Derartige Fahrradgetriebe sorgen für eine Vergrößerung des Drehmomentes der vom Radfahrer eingeleiteten Kraft. Hierzu wird das Fahrradgetriebe an ein Fahrrad adaptiert und ein Zahnrad, zum Beispiel ein Zahnkranz, überträgt das vom Radfahrer erzeugte Drehmoment über eine Kette oder einen Zahnriemen auf das Hinterrad.
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Einen gattungsgemäßen Stand der Technik bildet die
DE 10 2010 033 211 B4 mit einem Fahrradgetriebe, bei dem das Sonnenrad, das Planetenrad und die Triebkurbel innerhalb eines gemeinsamen Kurbelgehäuse angeordnet sind und sich der Kurbelarm mittels einer Führungsrolle an einer ebenfalls im Kurbelgehäuse angeordneten Führungsschiene abstützt. Als nachteilig hat sich bei dem bekannten Getriebe herausgestellt, dass die Füße während des Tretens aufgrund unterschiedlicher Beschleunigungen im Verlauf einer Umdrehung der Tretkurbeln keine gleichmäßige Bewegung vollziehen und daraus resultierend der Radfahrer die Tretbewegung als „Stampfen” empfindet.
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Aus der
EP 1 863 699 B1 ist ein ovales Kettenblatt bekannt, welches in Bereichen der größten Kraftentwicklung, das heißt ungefähr in der 90° Stellung der Tretkurbel, einen maximalen, wirksamen Durchmesser aufweist. Hierdurch soll ein maximales Drehmoment vom Radfahrer aufgebracht und auf die Kette übertragen werden können. In der Praxis führt das ovale Kettenblatt jedoch ebenfalls zu einem ungleichmäßigen Trittgefühl mit Phasen hoher und niedriger Beschleunigung des Fußes während einer vollständigen Umdrehung des ovalen Kettenblattes.
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Folglich lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Fahrradgetriebe dahingehend zu verbessern, dass von dem Radfahrer ein runderes Trittgefühl wahrgenommen wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst. Unter einer ovalen Form wird eine geschlossene zweimal stetig differenzierbare konvexe Kurve in der Ebene verstanden. Dabei ist die ovale Form des Zahnrades derart zu dem Stirnradgetriebe ausgerichtet, dass im Viergelenk auftretende Beschleunigungen des Fußes während des Tretens reduziert sind. Die Position der Tretkurbel zu dem ovalen Kettenblatt verändert sich während einer Umdrehung permanent.
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Das erfindungsgemäße Fahrradgetriebe ermöglicht die Bildung eines maximalen Momentes durch Zuhilfenahme einer Kraftübersetzung bei gleichzeitiger Führung eines krafteinleitenden Elementes längs einer homogenen Bahn. Das krafteinleitende Element ist dabei der Fuß eines Radfahrers. Die Homogenität resultiert einerseits aus der durchgehend konvexen Bahnform und andererseits aus der Reduzierung von absoluten Beschleunigungen im Bereich des krafteinleitenden Elementes aufgrund des ovalen Zahnrades. Die an der Übertragung des Drehmoments beteiligten Komponenten wie Kurbel und Tretkurbel verändern während eines Getriebeumlaufes ihre Länge nicht, sondern verschwenken lediglich gegeneinander.
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Vorzugsweise weist das Zahnrad einen größeren Hauptachsendurchmesser und einen kleineren Nebenachsendurchmesser auf, wobei der Hauptachsendurchmesser in Drehrichtung des Zahnrades stets unter einem Winkel von 60° bis 130° versetzt zu einer zwischen der Zentral-Lagerachse und der Planetenrad-Lagerachse verlaufenden Verbindungslinie ausgerichtet ist. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher der Winkel 70° bis 120°, ganz besonders bevorzugt 80° bis 110° beträgt. Gemäß einer noch weiter optimierten Ausgestaltung beträgt der Winkel 90° bis 100°. In diesen Winkelbereichen wird eine besonders angenehmes Tretgefühl ohne Stampfbewegung des belasteten Fußes empfunden.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Viergelenk eine um die Zentral-Lagerachse drehbar gelagerte Trägerplatte, an welcher außermittig das Planetenrad drehbar gelagert ist. Vorteilhafterweise ist die Trägerplatte mit einem zentrischen Abschnitt drehfest mit einer in der Zentral-Lagerachse angeordneten Zentralwelle verbunden. Somit bilden die Trägerplatte und die Zentralwelle eine gemeinsame Baugruppe und drehen bei Betätigung der Tretkurbel(n) gemeinsam um die Zentral-Lagerachse. Vorzugsweise ist die Zentralwelle konzentrisch innerhalb des ersten und/oder zweiten Sonnenrades angeordnet. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass das Getriebe in axialer Richtung der Zentralwelle besonders kompakte Abmessungen aufweist.
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Gemäß einer ersten günstigen Ausführungsform weist das Viergelenk drei Drehgelenke und ein Schubgelenk auf. Alternativ zu dieser Ausführungsform kann das Viergelenk vier Drehgelenke aufweisen.
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Vorzugsweise ist ein erstes Drehgelenk zwischen dem Planetenrad und der Trägerplatte angeordnet. Das erste Drehgelenk sorgt für eine Rotation des Planetenrades um dessen vorgegebene Lagerachse.
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Günstigerweise ist ein zweites Drehgelenk zwischen der Kurbel und der Tretkurbel angeordnet. Das zweite Drehgelenk ermöglicht eine Rotation der Kurbel relativ zu der Tretkurbel.
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Darüber hinaus kann das Viergelenk ein Kopplungsmittel umfassen, welches zwischen der Trägerplatte und der Tretkurbel mittels mindestens eines dritten Drehgelenkes angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise umfasst das Kopplungsmittel das Schubgelenk. Das Schubgelenk kann beispielsweise eine Linearführung sein. Unter einer Linearführung wird eine ein mechanisches Führungselement verstanden, mit dessen Hilfe ein Bauteil gegen ein anderes Bauteil auf einer Geraden bewegt werden kann. Die Linearführung hat einen einzigen Freiheitsgrad. Dabei muss die Linearführung auch auftretende Kippmomente aufnehmen. Günstigerweise umfasst die Linearführung mindestens eine Führungsschiene mit einem darauf geführten Schlitten. Unter einer Führungsschiene werden lineare Trag- und Führungselemente verstanden, die einzeln oder paarig und parallel zueinander angeordnet sind. Der Schlitten ist im Betrieb unlösbar mit der mindestens einen Führungsschiene verbunden und an dieser geführt.
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Zweckmäßigerweise ist die Linearführung ortsfest an der Trägerplatte befestigt, so dass der Schlitten bei umlaufendem Fahrradgetriebe in bezüglich der Zentral-Lagerachse radialer Richtung hin und her verfährt. Vorzugsweise ist das dritte Drehgelenk zwischen der Tretkurbel und einem Schlitten der Linearführung angeordnet.
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Anstelle des Schubgelenkes kann das Kopplungsmittel einen mittels des dritten und eines vierten Drehgelenkes gelagerten Pendelarm umfassen. Unter einem Pendelarm wird ein starres Bauteil verstanden, welches ausgehend von einer Mittellage mit einem Ende in zwei Richtungen um einen Lagerpunkt schwenkt. Hieraus resultiert der Vorteil, dass auf ein kinematisch zwar optimales aber im Betrieb anfälliges Schubgelenk verzichtet werden kann und alle eingesetzten Lager als Drehlager ausgeführt sein können. Bei dieser Betrachtung wird das Viergelenk von der kontinuierlich umlaufenden Kurbel angetrieben. Die Kurbel weist stets die kleinste Länge innerhalb des Viergelenks auf. Der Abtrieb des Viergelenks erfolgt mittels des Pendelarms, der eine schwingende Bewegung um das vierte Drehgelenk ausführt. Die Kurbel und der Pendelarm sind über eine Koppel miteinander verbunden, welche aus einem Abschnitt der Tretkurbel zwischen deren zweitem und drittem Drehgelenk gebildet ist. Sowohl die Kurbel als auch der Pendelarm sind drehbar an der Trägerplatte gelagert, wobei die Kurbel fest mit dem umlaufenden Planetenrad verbunden ist. Das dritte Drehgelenk vollzieht anstelle einer linearen Bewegung eines Schubgelenkes lediglich eine angenähert lineare Bewegung auf einer Kreisbahn mit sehr großem Radius.
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Günstigerweise ist das dritte Drehgelenk zwischen der Tretkurbel und dem Pendelarm und das vierte Drehgelenk zwischen dem Pendelarm und der Trägerplatte angeordnet.
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Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn die Kurbel und der Pendelarm auf einer gemeinsamen Seite der Tretkurbel angeordnet sind. Die Tretkurbel liegt somit bezüglich des Fahrradgetriebes in axialer Richtung der Zentralwelle außen, was zu einem besonders geringen Q-Faktor beiträgt. Vorteilhafterweise sind dann auch die Kurbel und der Pendelarm in axialer Richtung der Zentralwelle zwischen der Trägerplatte und der Tretkurbel angeordnet.
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Zweckmäßigerweise nimmt das vierte Drehgelenk eine Position auf einer Mittelsenkrechten ein, welche senkrecht auf einer zwischen der Lagerachse des dritten Drehgelenkes in dessen 0° und 90° Stellung verlaufenden Verbindungslinie steht. Die beiden Lagerachsen liegen somit in ihren Endlagen auf einer Geraden, welche die Zentral-Lagerachse des Fahrradgetriebes schneidet. Das Viergelenk stellt dann eine zentrische Kurbelschwinge dar.
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Vorteilhafterweise ist das Zahnrad drehfest mit der Trägerplatte und/oder der Zentralwelle verbunden, so dass das vom Radfahrer aufgebrachte Drehmoment über das Fahrradgetriebe möglichst verlustfrei auf das Zugmittel, insbesondere eine Fahrradkette, übertragen wird.
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Vorzugsweise weist das Sonnenrad und das Planetenrad ein festes Übersetzungsverhältnis von 1:2 auf. Hierdurch bleibt die Relativposition von Stirnradgetriebe und Viergelenk während eines Getriebeumlaufs stets konstant zueinander.
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In eingebautem Zustand des Fahrradgetriebes kann das Stirnradgetriebe ein feststehendes zweites Sonnenrad umfassen, wobei das Sonnenrad und das zweite Sonnenrad an gegenüberliegenden Seiten eines Rahmenelementes anbringbar sind, und ein auf dem zweiten Sonnenrad ablaufendes, um eine zweite Planetenrad-Lagerachse rotierendes zweites Planetenrad vorgesehen sein, welches mit einem zweiten Viergelenk zusammenwirkt, wobei das zweite Viergelenk eine zweite Kurbel umfasst, die fest mit dem zweiten Planetenrad und drehbeweglich mit einer zweiten Tretkurbel verbunden ist. Hierdurch wird ein Fahrradgetriebe bereitgestellt, welches ausgehend von einer mittig angeordneten Zentralwelle auf jeder Seite ein Sonnenrad und ein das Sonnenrad umkreisendes, symmetrisches Viergelenk aufweist. Diese Ausführungsform korrespondiert mit konventionellen Tretlagern, bei denen auf beiden Seiten des Fahrradrahmens eine Tretkurbel vorgesehen ist.
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Zweckmäßigerweise sind das zweite Planetenrad und das zweite Viergelenk um 180° zu dem Planetenrad und dem Viergelenk versetzt ausgerichtet. Hierdurch wird erreicht, dass das Viergelenk und das zweite Viergelenk symmetrisch die Zentral-Lagerachse umlaufen, wodurch sich beispielweise die Tretkurbel im unteren Totpunkt und die zweite Tretkurbel im oberen Totpunkt zeitgleich befindet.
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Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachfolgend anhand von 5 Figuren näher erläutert. Es zeigen die:
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1: eine Seitenansicht auf das Fahrradgetriebe gemäß einer ersten Ausführungsform in einer 0°-Stellung der Tretkurbel;
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2: eine Seitenansicht des Fahrradgetriebes gemäß 1 in einer 90°-Stellung der Tretkurbel und 270°-Stellung der zweiten Tretkurbel;
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3: einen Längsschnitt durch das Fahrradgetriebe in der 0°-Stellung der Tretkurbel und 180°-Stellung der zweiten Tretkurbel;
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4: eine Seitenansicht auf das Fahrradgetriebe gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer 0°-Stellung der Tretkurbel und
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5: eine Seitenansicht des Fahrradgetriebes gemäß 4 in einer 90°-Stellung der Tretkurbel.
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Die 1 zeigt eine Seitenansicht auf das erfindungsgemäße Fahrradgetriebe gemäß einer ersten Ausführungsform in einer 0°-Stellung einer Tretkurbel 22 und die 2 die um 90° im Uhrzeigersinn entsprechend Drehrichtung M verdrehte Tretkurbel 22 in der 90°-Stellung.
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Beide 1 und 2 stellen das erfindungsgemäße Fahrradgetriebe in Einbaulage dar, welches mittels eines Rahmenelementes 60 mit einem hier nicht gezeigten Fahrradrahmen verbindbar ist. Hierfür weist das Rahmenelement 60 drei Anschlussflansche 63, 64, 65 zum Anschluss an ein Vorderrohr (Anschlussflansch 63), ein Sattelrohr (Anschlussflansch 64) und einen Hinterbau (Anschlussflansch 65) auf.
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Auf einer ersten Seite 61 des Rahmenelementes 60 ist ein feststehendes Sonnenrad 11 zu erkennen, welches mit einem Planetenrad 12 ein Stirnradgetriebe 10 bildet, sowie ein mit dem Stirnradgetriebe 10 zusammenwirkendes Viergelenk 20. Auf einer zweiten, hier verdeckten Seite 62 des Rahmenelementes 60 ist ein zweites Sonnenrad 11a angeordnet, welches mit einem zweiten Viergelenk 20a zusammenwirkt (siehe 3). Die Bezugszeichen der in der Bildebene der 1 und 2 hinter dem Rahmenelement 60 liegenden Bauteile sind durch den Buchstaben „a” gekennzeichnet und überwiegend in dem Längsschnitt der 3 zu erkennen.
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Beide Viergelenke 20, 20a wirken auf eine Zentralwelle 14, die quer durch das Rahmenelement 60 verläuft und dessen vordere Stirnseite sichtbar ist. Die Zentralwelle 14 definiert eine Zentral-Lagerachse y1 des Fahrradgetriebes.
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An beiden axialen Endabschnitten der Zentralwelle 14 ist drehfest eine Trägerplatte 23, 23a angebracht, welche im Betrieb des Fahrradgetriebes zusammen mit der Zentralwelle 1 eine kreisförmige Drehbewegung ausführt. Die Verbindung der Trägerplatte 23 mit der Zentralwelle 14 erfolgt in einem zentrisch in der Trägerplatte 23 angeordneten Abschnitt. In einem hierzu außenliegenden Abschnitt der Trägerplatte 23 ist das Planetenrad 12 gegenüber der Trägerplatte 23 mittels eines ersten Drehgelenkes 40 drehbar gelagert.
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An dem Planetenrad 12, 12a ist eine Kurbel 21, 21a entweder drehfest angebracht oder integral, einstückig angeformt. Die Kurbel 21, 21a steht in radialer Richtung, axial versetzt, gegenüber dem Planetenrad 12, 12a vor und greift drehbeweglich mittels eines zweiten Drehgelenkes 41 an der Tretkurbel 22, 22a an (siehe 3).
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Mit der Trägerplatte 23 ist außerdem ein kinematisches Kopplungsmittel 24, 24a in Form eines Pendelarms 25, 25a drehbeweglich verbunden. Ein erstes Ende des Pendelarms 25, 25a greift mittels eines dritten Drehgelenkes 42 an der dem Rahmenelement 2 zugewandten Seite der Tretkurbel 22 an. An dem gegenüberliegenden Ende des Pendelarmes 25 ist dieser mittels eines vierten Drehgelenkes 43 drehbar an der Trägerplatte 23 befestigt.
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Die Krafteinleitung erfolgt von dem Radfahrer über nicht gezeigte Pedale auf die zwei Tretkurbeln 22, 22a, welche das Fahrradgetriebe in axialer Richtung der Zentralwelle 14 nach außen begrenzen (siehe 3). Die 1, 3 und 4 zeigen die Tretkurbeln 22, 22a und das jeweils zugehörige Viergelenk 20, 20a in einer 0°-Stellung, in welcher die Tretkurbel(n) 22, 22a und die zugehörige Kurbel 21, 21a gestreckt sind, das heißt die Kurbel 21, 21a ausgehend von einer Planetenrad-Lagerachse y2, y2a des Planetenrades 12, 12a radial nach innen in Richtung der Zentralwelle 14 zeigt. Das freie Ende der Tretkurbel 22, 22a befindet sich hierdurch in einer maximal ausgefahrenen Position.
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An der Trägerplatte 23 greift von außen ein Zahnrad 30 an, welches die Drehbewegung des Fahrradgetriebes auf ein Zugmittel in Form einer Kette 31 überträgt.
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Das Zahnrad 30 weist eine ovale Form auf, welche durch einen Hauptachsendurchmesser DH und einen Nebenachsendurchmesser DN aufgespannt ist, wobei der Hauptachsendurchmesser DH unter einem Winkel α von ca. 90° zu einer Verbindungslinie 13 verläuft. Die Verbindungslinie 13 schneidet unabhängig von der Ausrichtung des Stirnradgetriebes 10 stets die Zentral-Lagerachse y1 der Zentralwelle 14 und die Planetenrad-Lagerachse y2, y2a des Planetenrades 12, 12a. Bei dieser Ausrichtung des ovalen Zahnrades 30 werden Beschleunigungen des Fußes insbesondere rings um den Bereich der 90°-Position besonders effektiv vermindert.
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Der Längsschnitt gemäß 3 zeigt auch das bezüglich des Rahmenelementes 60 feststehende zweite Sonnenrad 11a, welches auf der zweiten Seite 62 des Rahmenelementes 2 angeordnet ist. Das Sonnenrad 11 und das zweite Sonnenrad 11b sind fest miteinander verbunden und bilden eine einstückig, integrale Baueinheit. Unter einer einstückig, integralen Baueinheit wird eine zerstörungsfrei nicht separierbare Verbindung verstanden.
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Innerhalb der Sonnenräder 11, 11a verläuft konzentrisch die Zentralwelle 14, welche im Bereich des ersten und zweiten Sonnenrades 11, 11a mittels jeweils eines Zentralwellenlagers 15 drehbar gelagert ist.
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In den 4 und 5 sind eine 0°-Stellung (4) und eine 90°-Stellung der Tretkurbel 22 an einer zweiten Ausführungsform gegenüberstellend dargestellt. Bei der zweiten Ausführungsform handelt es sich um ein Viergelenk 20, 20a mit drei Drehgelenken 40, 41, 42 und einem Kopplungsmittel 24 in Form eines Schubgelenkes 50. Das Schubgelenk 50 ist als Linearführung 51 ausgebildet, welche zwei parallel beabstandete Führungsschienen 53 und einen darauf in axialer Erstreckung der Führungsschienen 53 beweglichen Schlitten 52 umfasst. Die Führungsschienen 53 sind in der 0°-Stellung und der 90°-Stellung parallel zu der axialen Erstreckung der Tretkurbel 22 ausgerichtet.
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Die Führungsschienen 53 sind ortsfest an der Trägerplatte 23 befestigt und drehen im Betrieb des Fahrradgetriebes in Drehrichtung M um die Zentral-Lagerachse y1. Der Schlitten 52 ist außerdem drehbeweglich über das dritte Drehgelenk 42 mit der Tretkurbel 22 verbunden.
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In der Darstellung der 4 mit einer in der 0°-Stellung ausgerichteten Tretkurbel 22 verläuft die Verbindungslinie 13 ausgehend von der Zentral-Lagerachse y1 senkrecht durch das zweite Drehgelenk 41 bis zu der Planetenrad-Lagerachse y2. Hierzu ist der Hauptachsendurchmesser DH unter einem Winkel a von ca. 90° in Drehrichtung M des Zahnrades 30 versetzt angeordnet.
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In der 90°-Stellung der Tretkurbel 22 gemäß 5 verläuft die Verbindungslinie 13 in der Bildebene horizontal zwischen der Zentral-Lagerachse y1 und der Planetenrad-Lagerachse y2. Der Hauptachsendurchmesser DH befindet sich um den Winkel a von ca. 90° gedreht in der senkrechten Position.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stirnradgetriebe
- 11
- Sonnenrad
- 11a
- zweites Sonnenrad
- 12
- Planetenrad
- 12a
- zweites Planetenrad
- 13
- Verbindungslinie
- 14
- Zentralwelle
- 15
- Zentralwellenlager
- 20
- Viergelenk
- 20a
- zweites Viergelenk
- 21
- Kurbel
- 21a
- zweite Kurbel
- 22
- Tretkurbel
- 22a
- zweite Tretkurbel
- 23
- Trägerplatte
- 23a
- zweite Trägerplatte
- 24
- Kopplungsmittel
- 24a
- zweites Kopplungsmittel
- 25
- Pendelarm
- 25a
- zweiter Pedalarm
- 30
- Zahnrad
- 31
- Zugmittel, Kette
- 40
- erstes Drehgelenk
- 41
- zweites Drehgelenk
- 42
- drittes Drehgelenk
- 43
- viertes Drehgelenk
- 50
- Schubgelenk
- 51
- Linearführung
- 52
- Schlitten Linearführung
- 53
- Führungsschiene
- 60
- Rahmenelement
- 61
- erste Seite Rahmenelement
- 62
- zweite Seite Rahmenelement
- 63
- Anschlussflansch Vorderrohr
- 64
- Anschlussflansch Sattelrohr
- 65
- Anschlussflansch Hinterbau
- α
- Winkel Hauptachsendurchmesser/Verbindungslinie
- DH
- Hauptachsendurchmesser
- DN
- Nebenachsendurchmesser
- M
- Drehrichtung Zahnrad
- y1
- Zentral-Lagerachse
- y2
- Planetenrad-Lagerachse
- y2a
- zweite Planetenrad-Lagerachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010033211 B4 [0003]
- EP 1863699 B1 [0004]
