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In die Radnabe eingebaute elektrische Fahrradlichtmaschine Die Erfindung
bezweckt eine Anordnung zur Erzeugung eines elektrischen Stromes zur Beleuchtung
für Fahrräder, welche im wesentlichen aus einem elektrischen Generator und einer
Kraftübertragungsvorrichtung zum Antrieb des letzteren besteht. Derartige Anordnungen,
bei welchen der Generator vorn Radreifen über eine gegen denselben anliegende Reibrolle
angetrieben wird, sind bereits bekannt. Diese Anordnungen haben aber gewisse Nachteile.
Z. B. kommt es leicht vor, daß auf feuchten Wegen ein Gleiten zwischen Rolle und
Reifen eintritt. Außerdem können derartige Fahrradgeneratoren infolge ihrer freien
Zugänglichkeit leicht Beschädigungen erleiden oder auch durch Unbefugte entfernt
werden. Bei anderen bekannten Anordnungen dieser Art ist der Generator in die Radnabe
des Fahrzeuges eingebaut und wird mittels eines Zahnradgetriebes angetrieben. Bei
letzteren Anordnungen sind die Wellen der Zwischenräder des Getriebes in bezug auf
die Radachse exzentrisch angeordnet. Die hierdurch entstehenden Zentrifugalkräfte
führen allinählich dazu, daß die Lagerung der Zwischenräder abgeschliffen wird,
so, daß sich die Welle nach außen verschiebt und zu falschem Zahneingriff Anlaß
gibt. Aus diesem Grunde und weil sie viel Platz einnahmen, so daß die Abmessungen
der Nabe zu groß gemacht werden mußten, haben Zahnradgetriebe keine ausgedehntere
Verwendung finden können.
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Versuche, unter Beibehaltung der Generatorleistung die Abmessungen
der Nabe zu verkleinern durch Verringerung des Durchmessers des Generators unter
entsprechender Steigerung der Drehzahl des letzteren, sind nicht gelungen. Die Steigerung
der Drehzahl bedingt nämlich ein größeres übersetzungsverhältnis am Zahnradgetriebe,
welches größeren Platz erfordert, so daß der Raum, welcher durch Verkleinerung des
Generators gewonnen wird, hierdurch wieder verlorengeht.
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Es sind zu diesem Zwecke auch bereits Anordnungen bekanntgeworden,
bei denen die Kraftübertragung von dem größten vorhandenen Durchmesser, nämlich
vom Innendurchmesser der Nabe, auf den kleinsten vorhandenen Durchmesser, nämlich
auf die Welle, erfolgt, und zwar mittels die Umfangsgeschwindigkeit nicht verändernder
Zwischenräder; jedoch handelte es sich hierbei um einstufige Getriebe, welche keine
ausreichend große Generatordrehzahl ergaben. Andererseits sind wohl auch schon mehrstufige
Getriebe für diesen Zweck bekanntgeworden,
jedoch sind diese wiederum
mit dem Nachteil behaftet, daß ihre Abmessungen zu -groß sind, weil bei ihnen die
Umfangsgeschwindigkeit verändernde Zwischenräder verwendet sind, welche die Kraft
innerhalb jeder Stufe von einem großen Kreis auf einen mit diesem nicht konzentrisch
kleinen Kreis übertragen, wobei ein Teil des Nabeninneren unausgenutzt bleibt.
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Die Erfindung bezweckt vor allem, die sich bei der Anwendung an sich
bekannter mehrstufiger Getriebe ergebende hohe Generatordrehzahl innerhalb eines
viel geringeren Raumes, als bisher hierfür benötigt-wurde, zu erzielen. Dies wird
gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Kraftübertragung in jeder Stufe von
einem großen Kreis über ein oder mehrere Zwischenräder auf einen kleinen konzentrischen
Kreis erfolgt, wobei die Zwischenräder zumindest in der zwischen dem Stator und
dem Anker des Generators liegenden Getriebestufe derart angeordnet sind, daß die
genannten Generatorteile in entgegengesetzten Drehrichtungen angetrieben werden.
Die zur Kraftübertragung mit veränderter Drehrichtung dienenden Zwischenräder werden
dabei vorteilhaft derart angeordnet, daß sie die Umfangsgeschwindigkeit nicht ändern.
Bei dieser Anordnung erhält man die größtmögliche Generatordrehzahl bei voller Ausnutzung
des im Nabeninneren zur Verfügung stehenden Raumes und infolgedessen bei geringstem
Raumbedarf, so daß es erst hierdurch möglich wird, ganz innerhalb der kleinen Nabenhülse
untergebrachte Generatoren mit ausreichender Leistung zu benutzen.
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Gemäß der weiteren Erfindung soll das Getriebe als Reibradgetriebe
ausgebildet sein. Der Grund, weshalb die Abmessungen des Zahnradgetriebes vergrößert
werden müssen, wenn das Übersetzungsverhältnis vergrößert wird, liegt nämlich zu
einem großen Teil auch darin, daß der Modul der Zahnräder mit Rücksicht auf die
größte vorkommende Beanspruchung der Zähne gewählt werden muß, die nicht bei normaler
Kraftübertragung, sondern bei rascher Verzögerung oder Beschleunigung des Fahrzeuges
auftritt. Beim Abbremsen des Fahrzeuges von voller Geschwindigkeit, bei welcher
die Leistung des Generators normal ist, muß die ganze lebendige Kraft des Generatorankers
vom Zahnradgetriebe aufgenommen werden. Hierbei sind die Zähne einer Beanspruchung
ausgesetzt, deren Größe einesteils von der lebendigen Kraft des Ankers bei normaler
Drehzahl und andernteils von der - Länge der Bremsstrecke abhängt. Wird eine gewisse
Länge der Bremsstrecke angenommen, so ist die Kraft, welche beim Bremsen auf die
Zähne einwirkt, nur von der lebendigen Kraft des Ankers bei normaler Drehzahl und
normaler Leistung abhängig. Es hat sich indessen gezeigt, daß die lebendige Kraft
des Ankers bei einer gewissen Leistung nahezu konstanten Wert besitzt, unabhängig
vom Durchmesser des Ankers und der Drehzahl. Wenn also der Generator eine gewisse
Leistung abgeben soll, muß der Anker eine gewisse lebendige Kraft haben, und die
Zähne des Zahnradgetriebes müssen für eine.gewisse Beanspruchung, d. h. mit einem
gewissen Modul, welcher von der Drehzahl und dem Durchmesser unabhängig ist, bemessen
sein. Wird der Durchmesser des Ankers verringert, muß die Drehzahl vergrößert werden,
um eine unveränderte Leistung zu erhalten, und demzufolge muß auch das Übersetzungsverhältnis
des Zahnradgetriebes vergrößert werden. Der Modul kann jedoch aus dem oben angeführten
Grunde nicht verkleinert werden, und da das kleinere Zahnrad unter der Voraussetzung,
daß Evolventenzähne angewandt werden, was in praktischer Hinsicht das einzig mögliche
ist, eine gewisse Mindestzahl an Zähnen haben muß, kann der Durchmesser des kleineren
Rades nicht verringert werden, sondern die Steigerung des Übersetzungsverhältnisses
muß durch Vergrößerung des Durchmessers des größten Zahnrades erfolgen, wobei die
Größe des Zahnradgetriebes gesteigert wird. Selbstverständlich verlangt das Zahnradgetriebe
auch mehr Raum, wenn das Übersetzungsverhältnis durch Einteilung des Zahnradgetriebes
in mehrere Stufen vergrößert wird.
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Da die bei raschen Verzögerungen-und Beschleunigungen auftretenden
Kräfte sehr hohe Werte erreichen können, muß ein großer Modul gewählt werden, und
das Zahnradgetriebe wird groß und schwer werden.
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Ein weiterer Grund, weshalb die Verwendung von Zahnradgetrieben für
den Antrieb von Fahrradgeneratoren ungünstig ist, liegt darin, daß der Ungleichförrnigkeitsgrad
in der Bewegung des Ankers im allgemeinen groß ist. Generatoren, die für diesen
Zweck geeignet sind, haben nämlich eine geringe Anzahl Pole und die gleiche Teilung
im Anker arid Stator, weshalb die magnetische Anziehung zwischen Stator und Ankerpolen
groß wird. Die infolge dieser Anziehung entstehende abwechselnde Verzögerung und
Beschleunigung des Ankers veranlaßt einen ungleichförmigen Zahneingriff mit daraus
folgenden hochfrequenten Ermüdungsbeanspruchungen in den Zähnen, so daß diese allmählich
zerbrechen. Infolge der erwähnten Ungleichförmigkeit im Eingriff ergibt sich auch
ein störender, lauter Gang, sogenanntes Zahnbrausen.
Da die Zahnräder
im allgemeinen exzentrisch im Verhältnis zur Radachse angeordnet sind, wirken auf
sie Zentrifugalkräfte ein, die von den Achsen der Zahnräder aufgenommen werden müssen.
Wenn die Lagerungen dieser Achsen abgenutzt sind, was infolge der großen Geschwindigkeit
und der Beanspruchung durch die Zentrifugalkraft schon nach ziemlich kurzer Zeit
geschieht, entsteht eine Verschiebung des Zahneingriffes auf Grund des durch den
Verschleiß etwas veränderten Achsenabstandes. Eine solche Verschiebung des Eingriffes
verursacht zunehmendes Zahnbrausen und größere Ermüdungsbeanspruchungen in den Zähnen.
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Die letzterwähnten Nachteile, welche sich aus der' Verwendung von
Zahnradgetrieben für in Radnaben eingebaute Generatoren ergeben, werden gemäß der
weiteren Erfindung durch die Ausbildung des Getriebes als Reibungsgetriebe vermieden.
Die auf diese Weise gebildete Übertragungsanordnung kann wie ein Zahnradgetriebe
in ein oder mehrere Stufen eingeteilt werden, und mit Rücksicht auf den Raum ist
es vorteilhaft, die Räder oder Rollen derart anzuordnen, daß die Triebkraft von
einem größeren Kreis auf einen mit diesem konzentrischen kleineren Kreis übertragen
wird.
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Durch Anwendung von Reibrädern oder Reibrollen wird es auch bei Verwendung
eines einstufigen Getriebes ermöglicht, die Abmessungen der Radnabe auf diejenigen
einer gewöhnlichen Freilaufradnabe herunterzusetzen und trotzdem die für Beleuchtungszwecke
erforderliche Generatorleistung zu erreichen. Dies beruht darauf, daß das kleinere
Rad in jeder Stufe mit sehr kleinem Durchmesser ausgeführt werden kann, so daß auch
bei mäßigen Abmessungen des größeren Rades ein großes Übersetzungsverhältnis erhalten
wird. Hierbei ist man nicht an einen gewissen Modul und eine gewisse Mindestzahl
von Zahnrädern gebunden wie bei der Bemessung von Zahnradgetrieben. Das Getriebe
braucht auch nicht so konstruiert zu werden, daß es die bei raschen Verzögerungen
und Beschleunigungen entstehenden großen Umfangskräfte übertragen kann, weil die
Reibräder gleiten können. Es brauchen daher hier nur die bei normalem Betrieb entstehenden
Umfangskräfte übertragen zu werden, und der Druck, mit welchem die Reibräder gegeneinandergepreßt
werden, kann derart bemessen werden, daß ein Gleiten eintritt, wenn diese Umfangskräfte
überschritten werden.
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Bei Verwendung von Reibrädern oder Reibrollen für in Radnaben eingebaute
Kraftübertragungsanordnungen können diese gleichzeitig auch als Lager für die umlaufenden
Teile dienen, so daß besondere Kugel-oder Rollenlager nicht eingebaut zu werden
brauchen. Demzufolge erhält man eine weitere Raumersparnis, die nicht erreicht werden
kann, wenn Zahnräder für die Kraftübertragung angewandt werden.
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Da die Reibräder am Umfang stets gestützt werden, können an deren
Achsen und Lagern durch die Zentrifugalkraft keine größeren Kräfte entstehen. Aus
diesem Grunde können die Achsen und Lager der Reibräder schwächer bemessen werden
als diejenigen der Zahnräder, weshalb mit geringerem Verschleiß gerechnet werden
kann.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt. Abb. i und 2 der Zeichnung zeigen das obenerwähnte Getriebe im Prinzip.
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Abb. 3, q. und 5 zeigen Einzelheiten des Getriebes, und zwar zeigt
Abb.3, wie die Zwischenräder und ein mit diesen zusammenarbeitender Ring ausgeführt
sind, während in Abb. q. und 5 die Befestigung der Zwischenräder dargestellt ist.
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Abb. 6 zeigt den in die Radnabe eingebauten Generator, und Abb. 7
zeigt die zur Stromabnahme dienenden Teile des Generators.
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In Abb. i bezeichnet i eine Achse und 2 eine Anzahl, hier drei, die
Achse umgebender Rollen. 3 ist ein die Rollen umgebender federnder Ring, dessen
Durchmesser so bemessen ist, daß er auf die Rollen einen federnden Druck ausübt.
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Wenn der Ring 3 entgegen dem Uhrzeigersinn in der Richtung des Pfeils
umläuft, drehen sich auch die Rollen 2 entgegen dem Uhrzeigersinn, während die Achse
i im Uhrzeigersinn umläuft. Die Drehzahl der Achse ist natürlich bedeutend größer
als diejenige des Ringes, und zwar entsprechend dem Verhältnis zwischen dein Durchmesser
des Ringes und dem der Achse.
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Die Rollen 2 sind zweckmäßig mit Achsen q. vorgesehen, die die Lage
der Rollen sichern. Mindestens eine der Rollen soll dabei eine so weite Bohrung
für die Achse besitzen, daß sie sich senkrecht zur Achsrichtung bewegen läßt, -
damit sich die federnde Kraft des Ringes 3 auf diese Rolle und durch ihre Vermittlung
auch auf die übrigen Rollen und auf die Achse auswirken kann.
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Abb. z zeigt zwei in Reihe geschaltete Getriebestufen. Wenn der Ring
3 umläuft. drehen sich die Rollen 2 und die Achse i. An der Achse i ist eine zylindrische
Hülse 5 befestigt, in welche ein dem Ring 3 ähnlicher Ring 3' eingepaßt ist. Der
Ring 3' treibt eine Anzahl Rollen 2', die ihrerseits wieder eine Achse i' treiben.
Der Ring 3, die Rollen 2
und die Achse i bilden eine Getriebestufe,
und der Ring 3', die Rollen 2' und die Achse i' bilden eine mit der ersten in Reihe
geschaltete zweite Getriebestufe. Die Achsen q. bzw. 4.' der Rollen :2 und 2' sind
in zwei beiderseits des Getriebes gelegenen Platten 6 und 7 befestigt, wodurch die
Lage der Rollen gesichert ist. Zweckmäßig sind die Rollen jeder Getriebestufe für
sich zwischen zwei Scheiben 9 und to (Abb. q. und 5) gelagert.
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Damit die Ringe 3 bzw. 3' während der Drehung sich in axialer Richtung.verschieben
können, sind sie auf ihrer Innenseite zweckmäßig mit Spuren 8 versehen, in welchen
die Rollen laufen. Es hat sich gezeigt, daß das beste Ergebnis erhalten wird, wenn
die erwähnten Spuren der Ringe verhältnismäßig scharfkantig, sind (vgl. Abb. 3),
so daß die mit abgerundeten Laufflächen versehenen Rollen den Ring nur an den beiden
Kanten der Spur berühren.
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In der Zusammenstellungszeichnung gemäß der Abb. 6 bezeichnet i i
die Radnabe, an welcher die Speichen 12 des Rades befestigt sind. Die Nabe ist mit
Kugellagern 13 bzw. 13' und Achszapfen i q. bzw. 14' versehen, welche letzteren
zur Befestigung der Nabe in der Gabel des Fahrrades bestimmt sind. Der Ring 3 dreht
sich mit der Nabe i i mit und versetzt die Rollen 2, die Achse i und die an der
Achse befestigte Hülse 5 in Drehung. In der Hülse 5 ist der Anker des Generators
angebracht, der aus einer Anzahl in Reihe geschalteter Spulen 15 besteht.
Der an der Hülse 5 befestigte Ring 3' treibt die Rollen 2' und die Achse i'. Auf
dieser letzteren Achse ist das Magnetgestell des Generators montiert, welches aus
einer der Zahl der Spulen 15 gleichen Anzahl permanenter Magnete 16 besteht.
Die Magnete bewegen sich im Verhältnis zu den Ankerspulen, wobei in den Spulen Strom
erzeugt wird.
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Da das Magnetgestell und der Anker des Generators bei der gezeichneten
Ausführungsform mittels zweier Getriebestufen i bis 3 bzw. i' bis 3' in an sich
bekannter Weise in entgegengesetzten Richtungen angetrieben werden, ergibt sich
eine sehr hohe Relativgeschwindigkeit dieser Teile unter Verwendung der kleinsten
Anzahl von Getriebestufen. Wünscht man die Relativgeschwindigkeit noch weiter zu
steigern, so können zwischen der Nabe und dem Anker bzw. zwischen dem Anker und
dem Magnetgestell zusätzliche Getriebestufen vorgesehen werden.
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Bei der in Abb.6 gezeigten Vorrichtung sind nur die Rollen 2 in der
ersten Getriebestufe zweiseitig an Scheiben 9, io befestigt. Diese Scheiben
sind. mittels Bolzen an einer auf der Achse 1q. angebrachten Scheibe 17 befestigt.
Die Rollen 2' der zweiten Getriebestufe sind mit ihren Achsen einseitig an einer
auf dem Achszapfen i4.' angebrachten Scheibe i 7' befestigt, welche eine den Generator
umgebende Schutzkappe 18 trägt.
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Wie aus Abb.6 hervorgeht, bildet der Generator mit dem Getriebe und
den Achszapfen eine konstruktive Einheit, die leicht in die Nabe eingesetzt werden
kann. Dies ist ein großer Vorteil, weil der Generator dadurch für sich hergestellt
und geprüft werden kann, ehe, er in die Nabe eingebaut wird.
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Die Kupplung zwischen dem Generator und der Nabe ist vorteilhaft so
ausgebildet, daß der Generator leicht ausgekuppelt werden kann. Zu diesem Zwecke
ist ein Sperrhaken i9 vorgesehen, welcher um einen an der Nabe befestigten Zapfen
2o schwenkbar ist und mittels des Handgriffes 21 in oder außer Eingriff mit. dem
Ring 3 gebracht werden kann.
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Es ist offensichtlich, daß an Stelle des, Sperrhakens i9 beliebige
andere Mittel zur leicht lösbaren Verbindung des Ringes 3 mit der Nabe i i vorgesehen
werden können. So kann z. B. der Sperrhaken durch ein Bremsband ersetzt werden,
das an der Nabe befestigt ist und den Ring 3 umschließt, wobei das Band mittels
einer lösbaren Spannvorrichtung an den Ring angepreßt werden kann. Ebenso kann die
Verbindung auch mittels einer Innenverzahnung der Nabe erfolgen, in welche an dem
dann seitlich verschiebbar gelagerten Ring 3 angebrachte Zähne eingreifen können.
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Die Bremsbandkupplung hat vor den anderen angegebenen Kupplungen den
Vorzug, daß sie eine Reibungskupplung darstellt, die die leichte An- und Abkupplung
des Generators während der Fahrt ermöglicht. Die Betätigungsvorrichtung der Kupplung
kann natürlich in vielen verschiedenen Weisen ausgeführt werden; zweckmäßig wird
sie so gestaltet, daß sie von einer beliebigen Stelle des Fahrrades aus mittels
eines Drahtzuges oder eines Gestänges bedient werden kann.
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Abb. 7 zeigt eine vorteilhafte Anordnung zur Entnahme des Generätorstromes.
Der in der Achse i isoliert angeordnete Kontaktstift 23 ist mit dem einen freien
Ende 4? der in Reihe geschalteten Generatorspulen verbunden. Im Achszapfen 1q. ist
ein weiterer isolierter Kontaktstift 25 angeordnet, welcher in axialer Richtung
beweglich ist und mittels einer Spiralfeder 26 gegen den Stift 23 gedrückt wird,
so daß zwischen diesen Stiften guter Kontakt besteht. Die Spiralfeder 26 stellt
eine leitende Verbindung' zwischen dem Kontaktstift 25 und einem Kontaktstab 27
her, von welchem der Strom mittels einer zweckmäßig in der hohlen Fahrradgabel verlegten
Leitung zum Scheinwerfer geleitet werden kann. Die Rückleitung zum anderen
Ende
der Generatorspulen erfolgt durch die Masse. des Fahrrades.
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Die Teile der elektrischen Beleuchtungsvorrichtung, die im Obenstehenden
nicht beschrieben worden sind und die keinen Gegenstand der Erfindung bilden, können
irgendwelcher bekannter Art sein, sie können z. B. Gleichrichtervorrichtungen mit
Batterien usw. enthalten.
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Obgleich der Generator gemäß der Erfindung zunächst zur Erzeugung
der für die Beleuchtung erforderlichen Energie vorgesehen ist, kann er auch für
andere Zwecke verwendet werden, z. B. zur Speisung eines elektrischen Signalhornes
o. dgl.