DE4022473C2 - Kettenschaltung für ein Fahrrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kettenschaltung für ein Fahrrad nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Kettenschaltungen für Fahrräder mit manuell zu betätigenden Stellgliedern zum Verändern des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Tretkurbel und der Hinterachse sind weit verbreitet. Das Stellglied verschiebt dabei einen Mitnehmer für die Kette, den unterhalb der Ritzel angeordneten sogenannten Überwerfer, in zur Hinterachse axialer Richtung, so daß sich die Kette von einem der Ritzel löst und um ein benachbartes Ritzel gelegt wird. Aufgrund der Ausbildung des Stellgliedes (auch Schaltwerk genannt) als mit dem Fahrradrahmen verbundenes Lenker-Parallelogramm verbleibt der Überwerfer bei axialer Verschiebung in seiner zu den Ritzeln parallelen Ausrichtung. Bei den herkömmlichen Kettenschaltungen wird das jeweilige Stellglied durch Spannen eines Seilzuges gegen die Kraft einer Rückstellfeder vorbewegt und durch Entspannen des Seilzuges aufgrund der Rückstellfederkraft zurückbewegt. Das Spannen und Ent­ spannen des Seilzuges erfolgt durch einen im vorderen Bereich des Fahrradrahmens oder am Fahrradlenker ange­ ordneten Verstellhebel von Hand. Es sind auch Ketten­ schaltungen bekannt, bei denen die Zugspannung motorisch aufgebracht wird (EP 01 20 571 A, US-PS 41 43 557, US-PS 44 90 127).

In beiden Fällen verstellt sich die Gangschaltung im Laufe der Zeit durch Längen des Seilzuges, so daß nicht immer sichergestellt ist, daß einer bestimmten Stellung des Verstellhebels oder einer bestimmten Drehstellung der Motorantriebswelle ein bestimmter Gang zugeordnet ist. Demzufolge ist von Zeit zu Zeit eine Justierung der Gangschaltung erforderlich, was relativ zeitaufwendig und lästig ist.

Eine Kettenschaltung mit den im Oberbegriff des Patent­ anspruchs angegebenen Merkmalen ist aus US 39 19 891 A bekannt. Diese Kettenschaltung weist das für derartige Gangschaltungen typische Parallelogramm-Schaltwerk oder -Schaltglied auf, das aus zwei parallelen ersten Lenkern und zwei parallelen, mit den ersten Lenkern gelenkig verbundenen zweiten Lenkern besteht und den Überwerfer bzw. Mitnehmer seitlich verschiebt. Starr mit einem der ersten Lenker verbunden ist das Gehäuse einer Stellmotor/Getriebe-Einheit, deren Antriebswelle starr mit einem der zweiten Lenker verbunden ist, und zwar in dessen Gelenkpunkt mit dem das Gehäuse des Stellmotors haltenden ersten Lenker. Das Gehäuse des Stellmotors ist also um den Verbindungspunkt des das Gehäuse haltenden ersten Lenkers mit dem anderen zweiten Lenker drehbar; Antriebswelle und Gehäuse greifen also an zwei Gelenkpunkten des Lenker-Parallelogramms an. Die Anbringung des Stellmotors bereitet wegen der Verbindung seiner Antriebswelle mit einem der zweiten Lenker in dessen Drehpunkt um den mit dem Stellmotor verbundenen Lenker Schwierigkeiten und ist konstruktiv recht aufwendig. Aus diesem Grund kann eine Nachrüstung einer handbetriebenen Kettenschaltung durch einen Stellmotor zur Schaffung einer elektromechanischen Gangschaltung nur mit relativ großem Aufwand erfolgen.

Eine weitere Kettenschaltung ist aus FR 25 87 079 A1 bekannt. Bei dieser Kettenschaltung ist an einem der zweiten Lenker das Gehäuse eines Stellmotors starr be­ festigt, dessen Antriebswelle eine Exzenter-Kurvenscheibe trägt. Zwischen diesem zweiten Lenker und einem der ersten Lenker ist eine Zugfeder angeordnet, die auf das Lenker-Parallelogramm eine Kraft ausübt, so daß der Umfang der Kurvenscheibe an einer Gegenlagerrolle des anderen zweiten Lenkers anliegt. Die Anordnung des Stellmotors an einem der Lenker und Übertragung der Rotationsenergie über eine Exzenter-Kurvenscheibe auf eine an dem parallelen Lenker angeordnete Gegenlagerrolle macht die Rückstellfeder, gegen deren Federkraft der Stellmotor in einer Verschiebungsrichtung des Schkaltwerkes arbeiten muß, zwingend erforderlich, weshalb der Motor größere Kräfte als zum Verstellen des Schaltwerks an sich erforderlich aufbringen muß. Die Ausgestaltung der Kurvenscheibe und die Anordnung der Gegenlagerrolle müssen exakt auf das Lenker-Parallelogramm und dessen Verschwenkung zum Verschieben des Überwerfers abgestimmt sein. Aufgrund der Ausbildung dieses bekannten Antriebs mit Kurvenscheibe und Gegenlager läßt sich das Lenker-Parallelogramm aus einer Mittelposition heraus, in der die mit dem Motor und der Gegenlagerrolle versehenen beiden Lenker den maximalen Abstand voneinander haben, lediglich zu einer Seite hin verschwenken und wieder zurück in die Mittelposition verschieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ketten­ schaltung für ein Fahrrad zu schaffen, bei der ein bezüglich seiner Konstruktion weniger stabil ausgeführter und damit kleinformatiger Stellmotor verwendet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Kettenschaltung mit den Merkmalen des (einzigen) Patentanspruchs vorgeschlagen.

Bei der erfindungsgemäßen Kettenschaltung ist der Stellmotor mechanisch zwischen die parallelen Lenker eines Lenkerpaares geschaltet; dabei ist die Antriebswelle des Stellmotors drehfest mit dem einen parallelen Lenker zwischen dessen Gelenkpunkten verbunden, während das Stellmotorgehäuse zwischen den Gelenkpunkten des anderen parallelen Lenkers drehbar mit diesem verbunden ist. Der Abstand zwischen dem Verbindungspunkt der Antriebswelle und dem Lenker einerseits und dem Drehverbindungspunkt des Stellmotors und dessen Lenker andererseits, ist gleich oder im wesentlichen gleich (unter Berücksichtigung von Toleranzen) dem Abstand der Gelenkpunkte jedes zweiten Lenkers. Vorzugsweise sind das Motorgehäuse und die Antriebswelle in der oben beschriebenen Weise an den beiden parallelen Lenkern befestigt, die fest mit dem Fahrradrohr bzw. dem Überwerfer verbunden sind.

Der Stellmotor der erfindungsgemäßen Kettenschaltung ist wie ein weiterer Lenker zwischen den beiden Lenkern eines Lenkerpaares des Parallelogramms angeordnet. Dabei ist die gelenkige Verbindung des Stellmotors mit den beiden Lenkern dieses Lenkerpaares einerseits durch die drehbare Lagerung des Motorgehäuses an dem einen Lenker und andererseits durch die starre Verbindung der Antriebswelle mit dem anderen Lenker des Lenkerpaares sowie die Drehbarkeit der Antriebswelle an sich gegeben. Der Stellmotor läßt sich problemlos an einer handelsüblichen handbetriebenen Kettenschaltung anbringen, da weder die Antriebswelle noch das Gehäuse starr bzw. drehbar in den Gelenkpunkten der Lenker des Schaltwerkes mit diesem verbunden werden muß. Eine Rückstellfeder ist nicht erforderlich, so daß der Stellmotor insoweit geringere Haltekräfte zum Halten des Lenker-Parallelogramms in der eingenommenen Schwenkstellung aufbringen muß. Die Kräfte zum Führen des mit dem Lenker-Parallelogramm verbundenen Überwerfers werden in erster Linie von dem Parallelogramm aufgefangen. Der Stellmotor braucht lediglich die zum Verschwenken der Lenker erforderlichen Stellkräfte auf­ zubringen, trägt also zur Stabilität des Lenker- Parallelogramms nicht bei, weshalb ein Stellmotor in weniger stabiler Bauausführung eingesetzt werden kann. Für das Drehlager zwischen Stellmotor und dem einen Lenker gilt entsprechendes; auch dieses Drehlager braucht lediglich geringen Kräften standzuhalten. Die erfindungsgemäße Anordnung des Stellmotors bei der Fahrrad-Kettenschaltung trägt also dazu bei, daß weniger stabil ausgeführte und kleinformatigere sowie leichtgewichtigere Stellmotoren verwendet werden können. Diese Motoren können darüber hinaus platzgünstig an dem Lenker-Parallelogramm genau mittig zwischen den Gelenkpunkten der Lenker angeordnet werden, wo sie nicht mit anderen Elementen und Bestandteilen der Ketten­ schaltung und/oder des Fahrrads kollidieren.

Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 in Seitenansicht ein Fahrrad mit einer mit dem erfindungsgemäßen Getriebe versehenen Ketten­ schaltung,

Fig. 2 eine Ansicht des Ritzelpaketes und des mit einem Stellmotor versehenen Stellgliedes von oben entlang der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 in Seitenansicht und in vergrößertem Maßstab die Kettenschaltung des in Fig. 1 dargestellten Fahrrades,

Fig. 4 eine Ansicht der Kettenschaltung von hinten in Richtung des Pfeils IV der Fig. 3 und

Fig. 5 von vorn eine perspektivische Ansicht des Stellgliedes mit daran befestigtem Stellmotor.

In Fig. 1 ist in Seitenansicht ein Fahrrad 10 darge­ stellt, das mit einer Kettenschaltung versehen ist, dessen Stellglied, im folgenden auch Schaltwerk genannt, von einem Stell- oder Servomotor bewegbar ist. Das Fahrrad 10 weist einen Rohrrahmen 12 auf, der an seinem vorderen Ende eine vordere Gabel 14 für das vordere Laufrad 16 trägt. Die Gabel 14 ist starr mit einem Fahrradlenker 18 verbunden. Der hintere, als Gabel ausgebildete Teil des Rohrrahmens 12 trägt das hintere Laufrad 20. Auf der Achse 22 der Nabe 24 des hinteren Laufrades 20 sind mehrere unterschiedlich große Ritzel 26 konzentrisch angeordnet. An dem Rohr­ rahmen 12 ist in einem Tretlager in bekannter Weise eine an ihrem Umfang mit einem Zahnkranz 28 versehene Antriebsscheibe 30 gelagert, die über zwei um 180° versetzt angeordnete Kurbeln 32 mit daran angebrachten Pedalen 34 antreibbar ist. Um die Antriebsscheibe 30 und die Ritzel 26 ist die Kette 36 geführt.

Die Antriebsscheibe 30, die Kette 36 und die Ritzel 26 stellen ein Getriebe dar (Kettenschaltung), dessen Übersetzung dadurch verändert wird, daß die Kette 36 mittels eines von einem Stellglied 38 bewegten Mit­ nehmers 40 von einem Ritzel abgenommen und um ein benachbartes Ritzel gelegt wird, womit das Getriebe in einem anderen Gang arbeitet. Das Stellglied 38 einer Kettenschaltung wird auch als Schaltwerk bezeichnet; der Mitnehmer 40 wird mitunter auch als Überwerfer bezeichnet. Das Schaltwerk 38 besteht im wesentlichen aus vier in einem Rechteck angeordneten und drehbar miteinander verbundenen Lenkern 42-48. Der obere (Hori­ zontal-)Lenker 42 ist um eine zur Achse 22 des hinteren Laufrades 20 parallelen Achse 50 drehbar am Fahrrad­ rahmen 12 gelagert. Mit dem Horizontallenker 42 ver­ drehbar verbunden sind die beiden (Vertikal-)Lenker 46 und 48, die parallel zueinander verlaufen. Die unteren Enden der beiden Vertikallenker 46, 48 sind drehbar an dem zweiten Horizontallenker 44 gelagert. Bei Auf­ bringung einer Kraft auf den unteren Horizontallenker 44 in Erstreckungsrichtung der Achse 22 des hinteren Laufrades werden die beiden Vertikallenker 46 und 48 seitlich verschwenkt, wobei sie aufgrund der parallelo­ grammartigen Anordnung der Lenker ihre parallele Aus­ richtung zueinander beibehalten.

An dem unteren Horizontallenker 44 ist der Überwerfer 40 angebracht, der um eine parallel zur Achse 22 des hinteren Laufrades 20 verlaufende Achse 52 drehbar ist. Zwischen dem Horizontallenker 44 und dem Überwerfer 40 ist auf der Drehachse 42 eine Schraubenfeder 54 ange­ ordnet, deren beide Enden an dem Horizontallenker 44 und dem Überwerfer 40 angreifen und den Überwerfer 40 in Richtung des Pfeils 56 der Fig. 3 vorspannen. Der Überwerfer 40 weist zwei im Abstand zueinander ange­ ordnete, im wesentlichen S-förmige deckungsgleiche Führungsplatten 58 auf, zwischen denen zwei drehbar gelagerte Ritzel 60 angeordnet sind (in den Figuren ist nur eines der beiden Ritzel 60 dargestellt). Die Fahr­ radkette 36 ist um die beiden Ritzel 60 S-förmig geführt. Neben der Mitnehmerfunktion hat der Überwerfer 40 auch die Aufgabe, die Kette 36 zu spannen, was mittels der Kraft der Schraubenfeder 54 erfolgt.

Zum Verschieben des unteren Horizontallenkers 44 rela­ tiv zum oberen Horizontallenker 42 ist ein Stellmotor 62 vorgesehen. Der Stellmotor 62 weist eine Antriebs­ welle 64 auf, an deren Ende eine Antriebsscheibe 66 drehfest befestigt ist. Die Antriebsscheibe 66 ist mit dem unteren Horizontallenker 44 verschraubt; die An­ triebswelle 64 ist also auch mit dem unteren Horizon­ tallenker 44 drehfest verbunden. Das Gehäuse 68 des Motors ist drehbar an dem oberen Horizontallenker 42 gelagert. Zu diesem Zweck ist an der nach oben weisen­ den Gehäusewand ein Winkelarm 70 angeordnet, der in Richtung auf das Stellwerk 38 über die obere Gehäuse­ wand übersteht und im Endabschnitt dieses Bereichs in Richtung auf die Antriebswelle 64 rechtwinklig abge­ winkelt ist. In diesem abgewinkelten Endabschnitt ist der Winkelhebel 70 um eine Achse 72 drehbar am oberen Horizontallenker 42 gelagert. Die Drehachse 72 verläuft parallel zu denjenigen Drehachsen, um die die beiden Vertikallenker 46 und 48 drehbar am oberen Horizontal­ lenker 42 gelagert sind. Der radiale Abstand zwischen der Antriebswelle 64 (oder genauer gesagt deren Längs­ achse 65) und der Drehachse 72 ist gleich dem Abstand zwischen den beiden Drehpunkten eines Vertikallenkers 46, 48.

Bei dem Stellmotor 62 handelt es sich im allgemeinen um einen Servomotor. In dem Servomotorgehäuse 68 ist neben dem eigentlichen Motor auch ein Getriebe sowie ein Drehpositionserkennungssensor in Form eines auf der Antriebswelle 64 angeordneten Drehpotentiometers unter­ gebracht. Der Motor und der Sensor sind elektrisch über Kabel 74 mit einer den Servomotor 62 ansteuernden Steuereinheit 76 verbunden. Die Steuereinheit 76 empfängt auch das von dem Drehpositionssensor ausge­ gebene Ausgangssignal. Die Steuereinheit 76 ist in Fig. 1 als in einer Fahrradtasche 78 untergebrachter Einplatinen-Mikrocomputer dargestellt. Die Energiever­ sorgung (vorteilhafterweise wiederaufladbare Akkumula­ toren) für die Steuereinheit 76 und den Stellmotor 62 ist im Fahrradrohrrahmen 12 in dem den Sattel 80 haltenden Rohrabschnitt 82 untergebracht.

Die Ansteuerung des Stellmotors 62 durch die Steuer­ einheit 76 zum Schalten der Kettenschaltung erfolgt auf Betätigung einer von zwei Tasten 84, die elektrisch mit der Steuereinheit 76 verbunden sind und im Bereich der Handgriffe 86 des Lenkers 18 an diesem angeordnet sind. Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, sind die Tastenschalter 84, von denen einer zum Hochschalten und der andere zum Zurückschalten der Kettenschaltung dient, im Bereich der Halterungen 88 für die Handbremsenbetätigungshebel 90 auf der diesen zugewandten Seite des Lenkers 18 angeordnet.

Nachfolgend wird die Ansteuerung des Stellmotors 62 beim Wechseln des Ganges der Kettenschaltung erläutert. Auf die Betätigung einer der beiden Tastenschalter 84 hin erzeugt die Steuereinheit 76 ein Ansteuerungssignal für den Stellmotor 62, wodurch dessen Antriebswelle 64 in Rotation versetzt wird. Wegen der drehfesten Verbin­ dung der Antriebswelle 64 mit dem unteren Horizontal­ lenker 44 des Stellwerks 38 und der drehbaren Lagerung des Motorgehäuses 68 am oberen Horizontallenker 42 dreht sich das Motorgehäuse 68 um die Antriebswelle 64. Dabei wird der untere Horizontallenker 44 parallel zur Achse 22 des hinteren Laufrades 20, also quer zur Fahrtrichtung des Fahrrades 10, bewegt. Aufgrund des parallelogrammartigen Zusammenbaus der vier Lenker 42-48 behält der untere Horizontallenker 44 seine hori­ zontale Ausrichtung bei, was zur Folge hat, daß auch der mit dem unteren Horizontallenker 44 verbundene Überwerfer 40 lediglich eine Linearbewegung quer zur Fahrtrichtung des Fahrrades 10 (siehe die Doppelpfeile 92 in den Fig. 2 und 5) erfährt. Die Kette 36 wird somit quer zu ihrer Bewegungsrichtung verschoben, wobei sie auf ein benachbartes Ritzel 26 überspringt. Das Maß, um das sich die Antriebswelle 64 drehen muß, damit die Kette 36 auf ein benachbartes Ritzel 26 über­ springt, ist in der Steuereinheit 76 gespeichert. Sobald der Sensor des Stellmotors 62 ein diese Drehung anzeigendes Signal erzeugt, unterbindet die Steuer­ einheit 76 die Ansteuerung des Stellmotors 62. Anschließend führt die Steuereinheit 76 in Zusammen­ arbeit mit dem Sensor des Servomotors 62 eine Lage­ regelung durch, um die Antriebswelle 64 und damit das Stellwerk 38 mit dem Mitnehmer 40 in der einmal einge­ nommenen Position zu halten. Die Lageregelung wird bei normaler Fahrt unter Beibehaltung der Sollposition des Schaltwerks 38 ausgeschaltet. Wirken von außen Kräfte auf das Schaltwerk oder den Mitnehmer ein, die deren Positionen verändern, erkennt die Steuereinheit dies über den Sensor und aktiviert automatisch die Lage­ regelung, bis die Sollposition wieder erreicht ist.

Der obige Schaltvorgang läuft grundsätzlich sowohl beim Hoch- als auch beim Zurückschalten der Kettenschaltung ab. Beim Zurückschalten, also beim Schalten auf den nächstkleineren Gang, wird der obige Ansteuerungs­ vorgang abgewandelt. Zum Schalten auf einen kleineren Gang, d. h. zum Legen der Fahrradkette 36 um das nächst­ größere Ritzel 26 herum, wird der Stellmotor 62 solange angesteuert, bis die Antriebswelle 64 eine Drehposition erreicht hat, in der der Überwerfer 40 über seine Ziel­ position (Flucht mit dem zu schaltenden Gang ent­ sprechenden Ritzel) hinaus in Richtung auf das hintere Laufrad 20 in eine Zwischenposition überführt ist. Denn erst wenn der Überwerfer 40 diese Zwischenposition erreicht hat, ist sichergestellt, daß die Kette 36 auch tatsächlich auf das nächstgrößere Ritzel 26 überge­ sprungen ist. Sobald die Zwischenposition erreicht ist, liefert die Steuereinheit 76 den Stellmotor 62 mit einem Ansteuerungssignal, dessen Polarität entgegen­ gesetzt zu dem zuvor am Stellmotor 62 anliegenden Ansteuerungssignal ist. Demzufolge dreht sich die Antriebswelle 64 in umgekehrter Richtung. Sobald der im Stellmotorgehäuse 68 untergebrachte Sensor die dem eingelegten Gang entsprechende Drehposition der Antriebswelle 64 erkennt, unterbindet die Steuereinheit 76 die Ansteuerung des Stellmotors 62. An diesen Schaltvorgang schließt sich nun die bereits oben erwähnte Lageregelung der Antriebswelle 64 bzw. des Stellwerks 38 an.

Claims (2)

1. Kettenschaltung für ein Fahrrad, mit

   • - mehreren über eine Kette (36) od. dgl. antreibbaren Ritzeln (26),
   • - einem Überwerfer (40) zum Führen und Positionieren der Kette (36) relativ zu den Ritzeln (26),
   • - einem mit dem Überwerfer (40) verbundenen Stellglied (38) zum Bewegen des Überwerfers (40), wobei das Stellglied (38) zwei parallele erste Lenker (42, 44) und zwei gelenkig mit den beiden ersten Lenkern (42, 44) verbundene parallele zweite Lenker (46; 48) aufweist, und
   • - einem eine Antriebswelle (64) antreibbaren Stellmotor (62) zum Bewegen des Stellgliedes (38), wobei die Antriebswelle (64) starr mit einem der Lenker (42; 44; 46; 48) verbunden ist,
2. dadurch gekennzeichnet,

   • - daß die Antriebswelle (64) mit dem einen ersten Lenker (42; 44) zwischen dessen beiden Gelenkpunkten verbunden und der Stellmotor (62) an dem anderen ersten Lenker (44; 42) zwischen dessen Gelenkpunkten drehbar gelagert ist und
   • - daß der Abstand zwischen dem Verbindungspunkt der Antriebswelle (64) mit dem einen ersten Lenker (42; 44) einerseits und dem Drehlage­ rungspunkt des Stellmotors (62) an dem anderen ersten Lenker (44; 42) andererseits gleich dem Abstand der Gelenkpunkte der zweiten Lenker (46; 48) voneinander ist.