DE4121424A1

DE4121424A1 - Crank drive for bicycle - has uneven transmission between crank and rear wheel, with transmission minimum set to vertical pedal position.

Info

Publication number: DE4121424A1
Application number: DE19914121424
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Abeln
Original assignee: ABELN HANS 3300 BRAUNSCHWEIG DE
Current assignee: ABELN HANS 3300 BRAUNSCHWEIG DE
Priority date: 1991-06-30
Filing date: 1991-06-30
Publication date: 1993-01-14
Anticipated expiration: 2011-07-01
Also published as: DE4121424C2

Abstract

The drive has a drive member e.g. a crank, and a driven member, e.g. a rear wheel. There is at least one unfavourable drive position with low power transmission, in the power flux between the two elements. A transmission with uneven transmitting characteristics is located between crank and wheel. The crank drive has a rear sprocket wheel (1), fastened to a drive disc (2), which is fastened eccentrically turnable with a pinion offset (e) on the wheel axle (3). The drive disc is connected to the driven disc (8) on the wheel hub (9), via a hinge joint (6,7). This is at a distance to the wheel axle, resp. rotary axis. ADVANTAGE - Overcomes unfavourable drive positions (esp. vertical pedal position).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kurbelantrieb, ins besondere für Fahrräder gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a crank drive, ins especially for bicycles according to the preamble of claim 1.

Aus dem Lehrbuch "Fahrradtechnik: Konstruktion, Fertigung, Instandsetzung" von Winkler, F. u. Rauch, S., Bielefelder Verlagsanstalt KG, ist ein Tretkurbelantrieb mit ovalem vorderen Kettenblatt bekannt. Durch das ovale Ketten blatt soll eine Anpassung des Tretkurbelantriebes an den menschlichen Körperbau erreicht werden, da der Fahrer, nahe des oberen oder unteren Totpunktes (Pedale oben bzw. unten), weniger Kraft auf die Kurbeln auszuüben vermag, als wenn die durch die Pedale bestimmte Ebene annähernd parallel zu den Tretkurbelarmen liegt (etwa horizontale Pedalstellung). Vor allem beim Bergauffahren soll durch das elliptische Ketten rad der Kraftaufwand verringert werden. Aufgrund des ovalen Kettenblattes muß die Antriebskette mit einem Kettenspanner straff gehalten werden.From the textbook "Bicycle technology: construction, Manufacturing, repair "by Winkler, F. and Rauch, S., Bielefelder Verlagsanstalt KG, is a pedal crank drive with oval front chainring known. Through the oval chain sheet is intended to adapt the pedal crank drive to the human physique can be achieved since the driver is close top or bottom dead center (pedals up or down), can exert less force on the cranks than if the plane determined by the pedals approximately parallel to the Pedal crank arms lie (approximately horizontal pedal position). In front Everything when going uphill is supposed to be through the elliptical chain rad the effort can be reduced. Because of the oval Chainring must have the drive chain with a chain tensioner be kept taut.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich beim Fahren mit schnelleren Tretbewegungen, bedingt durch die Ungleich mäßigkeit des elliptischen Kettenblattes, für den Menschen unangenehme Bewegungsabläufe ergeben, die Kette beginnt zu "flattern". However, it has been shown that when driving with faster pedaling movements due to the unequal moderation of the elliptical chainring, for humans unpleasant movements result, the chain begins "flutter".

Durch die DE-Patentschriften 30 38 185 und 32 16 069 sind Tretkurbelantriebe mit veränderlichen Pedal armen bekannt, bei denen während der Drehbewegung der Tret kurbel mit Hilfe von Führungsbahnen der Pedalarm gelängt und gekürzt wird. Dabei verlängert sich in der abwärts gerichte ten Phase der Tretbewegung der Pedalarm und verkürzt sich in der Aufwärtsphase. Dies soll die Kraftübertragung dadurch verbessern, daß in der Abwärtsphase ein größeres Drehmoment infolge des größeren Hebelarmes erzeugt wird, um so die Beinkraft besser auszunutzen. Beide Mechanismen weisen jedoch eine aufwendige Mechanik auf, bei denen aufgrund der notwendigen Linearführungen mit großen Reibungsverlusten gerechnet werden muß. Zudem kann die Führung der Pedalen in Längsrichtung als störend empfunden werden. Aufgrund der Lage des Tretkurbelmechanismus muß aus Sicherheitsgründen eine Abschirmung der Mechanik vorgesehen werden, um die Klemmgefahr zu mindern.By DE patents 30 38 185 and 32 16 069 are pedal crank drives with variable pedals poor known, during which the pedaling rotation crank pedal arm lengthened and is shortened. This extends in the downward direction th phase of pedaling the pedal arm and shortens in the upward phase. This is supposed to be the power transmission improve that in the down phase a greater torque is generated due to the larger lever arm, so the Make better use of leg strength. Both mechanisms point however, an elaborate mechanism in which due to the necessary linear guides with large friction losses must be expected. In addition, the guidance of the pedals in Longitudinal direction are perceived as disturbing. Due to the Location of the pedal crank mechanism must be for safety reasons shielding of the mechanics to be provided to the To reduce the risk of pinching.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kurbelantrieb der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß ungünstige Antriebslagen (beim Fahrrad insbesondere die biomechanisch ungünstige vertikale Pedal stellung) optimaler überwunden werden.The object of the present invention is in so a crank drive of the type mentioned improve that unfavorable drive positions (with the bicycle especially the biomechanically unfavorable vertical pedal position) can be overcome more optimally.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.This task is accomplished through training Characteristic of claim 1 solved.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous and expedient developments of Task solution according to the invention are in the subclaims featured.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht die Maßnahme vor, ein ungleichförmig übersetzendes Getriebe zwischen Antriebsglied (beim Fahrrad die Tretkurbel) und Abtriebs glied (beim Fahrrad das Hinterrad) in den Kraftfluß einzu binden. Einfache Mechanismen mit ungleichförmiger Über setzung beruhen auf dem Prinzip der Viergelenkkette, vgl. "Konstruktive Getriebelehre" von Leo Hagedorn, VDI-Verlag, 1986. The solution according to the invention sees the measure before, a non-uniform gearbox between Drive link (on the bike the pedal crank) and output link (with the bicycle the rear wheel) into the power flow tie. Simple mechanisms with non-uniform over settlement are based on the principle of the four-link chain, cf. "Constructive gear theory" by Leo Hagedorn, VDI-Verlag, 1986.

Der erfindungsgemäße Kurbelantrieb weist während einer Umdrehung der Antriebskurbel ein Übersetzungsmaximum und ein -minimum auf. Die Tretkurbel eines Fahrrades weist üblicherweise bei einer Umdrehung zwei ungünstige Antriebs lagen (Pedale oben bzw. unten) und zwei günstige Antriebsla gen (Pedale etwa in der Horizontalen) auf. Durch die Erfin dung wird vom vorderen Kettenblatt (Tretkurbel) bis zum Getriebe eine Übersetzung von exakt 1/2 eingehalten, wenn das hintere Kettenblatt die halbe Zähnezahl aufweist wie das vordere Kettenblatt. Des weiteren kann durch ein genaues Justieren der Getriebeglieder das Übersetzungsminimum auf die ungünstige vertikale Pedalstellung eingestellt werden. Das Übersetzungsmaximum liegt dann genau (Kurbelschleife) oder nahe (Doppelkurbel) bei der günstigen horizontalen Pedalstellung. Durch eine entsprechende Wahl der Gliedlängen beider Kurbeltriebe läßt sich der Verlauf und die Größe des Übersetzungsverhältnisses in einem weiten Rahmen variieren.The crank drive according to the invention shows during one revolution of the drive crank a transmission maximum and a -minimum. The pedal crank of a bicycle points usually two unfavorable drives in one revolution positions (pedals up and down) and two cheap drive positions gen (pedals roughly horizontal). By the inventor is from the front chainring (pedal crank) to Gearbox maintained a ratio of exactly 1/2 if the rear chainring has half the number of teeth like that front chainring. Furthermore, by an exact Adjust the transmission links to the gear ratio minimum the unfavorable vertical pedal position can be adjusted. The maximum transmission ratio is then exactly (crank loop) or close (double crank) at the cheap horizontal Pedal position. By an appropriate choice of link lengths Both crank drives, the course and size of the Gear ratios vary widely.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beige fügten Zeichnung näher erläutert werden.The invention is based on the beige added drawing will be explained in more detail.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 eine erste Ausführung zur Erfindung mit einer Kurbelschleife, Fig. 1 a first embodiment of the invention with a slider crank,

Fig. 1a das Prinzip der Kurbelschleife nach Fig. 1, Fig. 1a the principle of the crank slide according to FIG. 1,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Er findung mit einer Doppelkurbel, Fig. 2 shows a second embodiment of the invention it with a double crank,

Fig. 2a das Prinzip der Doppelkurbel nach Fig. 2, Fig. 2a shows the principle of the double crank according to Fig. 2,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Über setzungsverhältnisses in Abhängigkeit vom Antriebswinkel für die Ausführungs form nach Fig. 1 und Fig. 3 is a graphical representation of the gear ratio as a function of the drive angle for the embodiment according to FIGS. 1 and

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Über setzungsverhältnisses in Abhängigkeit vom Antriebswinkel bei der Ausführungs form nach Fig. 2. Fig. 4 is a graphical representation of the reduction ratio in response to the drive angle at the execute form in FIG. 2.

Soweit möglich, sind in den Figuren der Zeichnung für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet.As far as possible, are in the figures of the drawing the same reference numerals are used for the same components.

Die Fig. 1 zeigt in einer Explosionszeichnung eine Kurbelschleife in einer gedrehten Stellung. Zur Ver deutlichung ist in der Fig. 1a das Prinzip der Kurbel schleife mit den entsprechenden Abmessungen abgebildet. Fig. 1 shows an exploded view of a crank loop in a rotated position. For clarification, the principle of the crank loop with the corresponding dimensions is shown in FIG. 1a.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist das hintere Ketten blatt bezeichnet, das die halbe Zähnezahl wie das vordere Kettenblatt der Tretkurbel (nicht dargestellt) aufweist. Das hintere Kettenblatt 1 ist auf einer Antriebsscheibe 2 befe stigt, die exzentrisch mit dem Achsversatz e über ein Wälz lager (5) und einen Lagersitz (4) auf einer Hinterradachse 3 gelagert ist. In der Antriebsscheibe 2 befindet sich eine Führungsbahn 6, in der ein Übertragungsbolzen 7 geführt und angetrieben wird. Die Führungsbahn 6 und der Übertragungs bolzen 7 bilden ein Schub- und Drehgelenk 10. Der Übertra gungsbolzen 7 ist exzentrisch an einer Abtriebsscheibe 8 im Abstand r zur Hinterradachse 3 befestigt, die mit einer Radnabe 9 fest verbunden ist.With the reference numeral 1 , the rear chainring is designated, which has half the number of teeth as the front chainring of the crank (not shown). The rear sprocket 1 is Stigt BEFE on a drive disk 2, the eccentric via a rolling bearing with axial offset e (5) and a bearing seat (4) is mounted on a rear wheel axle. 3 In the drive pulley 2 there is a guide track 6 in which a transmission pin 7 is guided and driven. The guideway 6 and the transmission bolt 7 form a thrust and swivel joint 10 . The transmission pin 7 is eccentrically attached to a driven pulley 8 at a distance r from the rear wheel axle 3 , which is firmly connected to a wheel hub 9 .

Aufgrund dieser Konstruktion ergeben sich zwei Getriebeglieder mit den Längen e und r und ein Hebelarm 1, die zusammen ein Dreieck bilden, vgl. insbesondere Fig. 1a. Der Hebelarm 1 bildet eine Antriebskurbel 12. Zwischen dem Übertragungsbolzen 7 und der Hinterachse 3 wird eine Ab triebskurbel 14 gebildet.Due to this construction, there are two transmission links with lengths e and r and a lever arm 1 , which together form a triangle, cf. in particular Fig. 1a. The lever arm 1 forms a drive crank 12 . From the transmission pin 7 and the rear axle 3 from a crank 14 is formed.

Die Wirkungsweise der Kurbelschleife nach den Fig. 1 und 1a ist wie folgt:The operation of the crank loop according to FIGS. 1 and 1a is as follows:

Während eines Umlaufs der Antriebsscheibe 2 wan dert aufgrund der Exzentrizität der Übertragungsbolzen 7 in der Führungsbahn 6 von innen nach außen und wieder zurück. Dies bewirkt eine kontinuierliche Änderung des Hebelarmes 1 bzw. der Antriebskurbel 12 zur Kraftübertragung. Das Über setzungsverhältnis des Getriebes verändert sich dadurch harmonisch zwischen zwei Extremwerten. Durch die exakte Übersetzung vom vorderen zum hinteren Kettenblatt von 1/2 und die Justierung des Getriebes wird das Übersetzungsmini mum immer bei vertikaler und das Übersetzungsmaximum bei horizontaler Pedalstellung erreicht. Dies bedeutet einer seits eine leichtere Überwindung der biomechanisch ungünsti gen vertikalen Pedalstellung und andererseits eine bessere Ausnutzung der günstigen horizontalen Pedalstellung. Die Berechnung des Verlaufs des Übersetzungsverhältnisses ergibt mit gewählten Längen von beispielsweise e = 4 mm (Achsver satz) und r = 25 mm (Länge der Abtriebskurbel 12) ein Über setzungsminimum von i = 0,84 und ein Übersetzungsmaximum von i = 1,16 nach der FormelDuring a revolution of the drive pulley 2 wan changes due to the eccentricity of the transmission pin 7 in the guideway 6 from the inside out and back again. This causes a continuous change in the lever arm 1 or the drive crank 12 for power transmission. The gear ratio changes harmonically between two extreme values. Due to the exact translation from the front to the rear chainring of 1/2 and the adjustment of the gearbox, the transmission minimum is always achieved with the vertical and the transmission maximum with the horizontal pedal position. On the one hand, this means an easier overcoming of the biomechanically unfavorable vertical pedal position and, on the other hand, better utilization of the favorable horizontal pedal position. With selected lengths of, for example, e = 4 mm (axle offset) and r = 25 mm (length of the output crank 12 ), the calculation of the course of the transmission ratio yields a transmission minimum of i = 0.84 and a transmission maximum of i = 1.16 of the formula

worin
x der Antriebswinkel (0 x 2π) undv die Abkürzung mit v =
sind.wherein
x the drive angle (0 x 2π) andv the abbreviation with v =
are.

In der Fig. 3 ist das Übersetzungsverhältnis i(x) in Abhän gigkeit vom Antriebswinkel x graphisch dargestellt. Mit p(x) ist der Abtriebswinkel in der Fig. 1a bezeichnet.In Fig. 3, the gear ratio i (x) as a function of the drive angle x is shown graphically. With p (x) the output angle is designated in Fig. 1a.

Die Fig. 2 zeigt in einer Explosionszeichnung eine Doppelkurbel in einer gedrehten Stellung. Die Längen der Getriebeglieder e, a, b und c bilden ein Viereck. Die Fig. 2a zeigt zur Verdeutlichung das Prinzip der Doppelkurbel mit den entsprechenden Abmessungen. Fig. 2 shows an exploded view of a double crank in a rotated position. The lengths of the gear links e, a, b and c form a square. Fig. 2a shows for illustrating the principle of the double handle with the corresponding dimensions.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist wiederum das hintere Kettenblatt bezeichnet, das wiederum die halbe Zähnezahl wie das vordere Kettenblatt der Tretkurbel (nicht dargestellt) hat. Das hintere Kettenblatt 1 ist auf einer Antriebsscheibe 2 befestigt, die exzentrisch mit dem Achsversatz e über ein Wälzlager 5 und einen Lagersitz 4 auf einer Hinterradachse 3 gelagert ist. In der Antriebsscheibe 2 befindet sich ein Gelenk 16 im Abstand a von der Drehachse 18. In das Gelenk 16 greift ein erster Bolzen 20, der über eine Koppel 22 mit einem zweiten Bolzen 24 verbunden ist, wobei beide Bolzen einen Abstand c voneinander haben. Der Bolzen 24 ist im Drehgelenk 26 einer Abtriebsscheibe 28 gelagert. Das Drehge lenk 26 ist im Abstand b zur Hinterachse 3 angeordnet. Die Abtriebsscheibe 28 ist fest mit der Radnabe 9 verbunden.The rear chainring, which in turn has half the number of teeth as the front chainring of the crank (not shown), is again designated by the reference number 1 . The rear chainring 1 is fastened to a drive pulley 2 , which is mounted eccentrically with the axis offset e via a roller bearing 5 and a bearing seat 4 on a rear wheel axle 3 . A joint 16 is located in the drive disk 2 at a distance a from the axis of rotation 18 . A first pin 20 , which is connected via a coupling 22 to a second pin 24 , engages in the joint 16 , the two pins being at a distance c from one another. The bolt 24 is mounted in the swivel joint 26 of an output disk 28 . The Drehge steering 26 is arranged at a distance b from the rear axle 3 . The output disk 28 is fixedly connected to the wheel hub 9 .

Aufgrund dieser Konstruktion ergeben sich vier Getriebeglieder 30 (Antriebskurbel) mit der Länge a, 32 (Abtriebskurbel) mit der Länge b, 22 (Koppel) mit der Länge c und 34 (Achsversatz) mit der Länge e, die ein Viereck bilden, vgl. Fig. 2a.Due to this construction, there are four gear members 30 (drive crank) with the length a, 32 (output crank) with the length b, 22 (coupling) with the length c and 34 (axis offset) with the length e, which form a square, cf. Fig. 2a.

Die Wirkungsweise der Doppelkurbel ist wie folgt: Während eines Umlaufs der Antriebsscheibe 2 bewegt sich der Bolzen 20 der Koppel 22 in einer um die Exzentrizität e versetzten Kreisbahn um die Radachse 3. Die Koppel 12 folgt dieser Bewegung und treibt über den Bolzen 24 die Abtriebs scheibe 28 an. Dabei ändert sich das Übersetzungsverhältnis in Abhängigkeit von der relativen Lage der Getriebeglieder zueinander harmonisch zwischen zwei Extremwerten.The operation of the double crank is as follows: During a revolution of the drive pulley 2 , the pin 20 of the coupling 22 moves in a circular path about the wheel axis 3 offset by the eccentricity e. The coupling 12 follows this movement and drives the output disk 28 via the bolt 24 . The gear ratio changes in harmony between two extreme values depending on the relative position of the gear members.

Durch die exakte Übersetzung vom vorderen zum hinteren Kettenblatt von 1/2 und die Justierung des Getrie bes wird das Übersetzungsminimum immer bei vertikaler und das Übersetzungsmaximum in der Nähe der horizontalen Pedal stellung erreicht. Dies bedeutet einerseits eine leichtere Überwindung der biomechanisch ungünstigen, vertikalen Pedal stellung und andererseits eine bessere Ausnutzung der gün stigen horizontalen Pedalstellung.Thanks to the exact translation from the front to the rear chainring by 1/2 and the adjustment of the transmission bes the translation minimum is always at vertical and the gear ratio maximum near the horizontal pedal position reached. On the one hand, this means an easier one Overcoming the biomechanically unfavorable, vertical pedal position and on the other hand better use of the green horizontal pedal position.

Eine beispielhafte Berechnung des Verlaufs des Übersetzungsverhältnisses ergibt mit den gewählten Getriebe gliedlängen von beispielsweise e = 4 mm, a = 29,5, b = 24 mm und c = 17,6 mm ein Übersetzungsminimum von i = 0,84 und ein Übersetzungsmaximum von i=1,16 nach der FormelAn exemplary calculation of the course of the Gear ratio results with the selected gear link lengths of, for example, e = 4 mm, a = 29.5, b = 24 mm and c = 17.6 mm a translation minimum of i = 0.84 and a Maximum transmission ratio of i = 1.16 according to the formula

worin x der Antriebswinkel (0 x 2π) und p (x) der Abtriebswinkel sind mitwhere x is the drive angle (0 x 2π) and p (x) the output angle are with

p (x) = π - al (x) - g (x)p (x) = π - al (x) - g (x)

worin al (x) und g (x) Hilfswinkel (vgl. Fig. 2a) sind, die sich wie folgt berechnen:where al (x) and g (x) are auxiliary angles (see Fig. 2a), which are calculated as follows:

In diesen Formeln ist l (x) eine Hilfsgröße, die sich wie folgt errechnet:In these formulas, l (x) is an auxiliary variable that looks like calculated as follows:

In der Fig. 4 ist das Übersetzungsverhältnis i (x) in Abhäng gigkeit vom Antriebskurbelwinkel x graphisch dargestellt.In FIG. 4, the transmission ratio i (x) in Abhäng- dependence is shown graphically by the drive crank angle x.

Claims

1. crank drive, in particular for bicycles with a drive member and an output member and with at least one unfavorable drive position with low power transmission in the power flow between the drive member and output member, characterized in that a non-uniformly translating gear with a translation maximum and a translation minimum is arranged between the drive member and the output member that the translation minimum in the ungün term drive position is effective.

2. Crank drive according to claim 1, wherein the drive member is formed by crank arms which are attached to a rotatably gela gered crankshaft and on the force of a front chainring on the output member, which comprises a rear chain mounted on the axle of a wheel , is transmitted, characterized in that the rear chainring ( 1 ) is attached to a drive pulley ( 2 ) which is rotatably mounted eccentrically with an axle offset (e) on the wheel axle ( 3 ), and that the drive pulley ( 2 ) with a on the wheel hub ( 9 ) fastening th driven pulley ( 8 , 28 ) via an articulated connection ( 6 , 7 ; 16 , 20 , 22 , 24 , 26 ) which is at a distance (r, b) to the wheel axle ( 3 ) or is arranged at a distance (a) from the axis of rotation.

3. Crank drive according to claim 2, characterized in that the articulated connection ( 6 , 7 ) in the drive disk ( 2 ) formed guideway ( 6 ) and a guided in the guideway transmission pin ( 7 ) which is eccentrically on the driven pulley ( 8 ) is attached at a distance (r) to the wheel axle ( 3 ).

4. Crank drive according to claim 3, characterized in that the guide track ( 6 ) is formed by an elongated hole formed in the radial direction Rich, in which the transmission pin ( 7 ) migrates radially back and forth during the rotation of the drive disc ( 2 ).

5. Crank drive according to claim 2, characterized in that the articulated connection ( 16 , 20 , 22 , 24 , 26 ) a first in the drive disc ( 2 ) at a distance (a) to the axis of rotation bearing bore ( 16 ), a second in the output disk ( 16 ) at a distance (b) from the wheel axle ( 3 ) has a bearing bore ( 26 ) and two bolts ( 20 , 24 ) connected to one another by a coupling ( 22 ), one of which bolts ( 20 ) in the first Bearing bore ( 16 ) and the second bolt ( 24 ) is mounted in the second bearing bore ( 26 ).

6. Crank drive according to one of claims 2 to 5, characterized in that the drive disc ( 2 ) via a roller bearing ( 5 ) and a bearing seat ( 4 ) is mounted eccentrically on the wheel axle ( 3 ).

7. Crank drive according to one of claims 2 to 6, characterized in that the rear chainring ( 1 ) has half the number of teeth as the front chainring.