Begriffsbestimmung : Ein Gelenk vermittelt die Führung gegeneinander bewegter Getriebeglieder. Ein Drehgelenk ist ein Gelenk, rotatorische Bewegungen zulässt. Ein Schiebegelenk hingegen lässt ausschließlich translatorische Bewegungen zu.

Ein Lager dient der Führung von beweglichen Maschinenteilen. In der Technik, insbesondere auch beim Fahrrad, werden Gelenke häufig in der Funktion eines Lagers eingesetzt. Ein Lager ist die praktische Anwendung von Gelenken.

Ein Fahrrad ist ein bewegliches System, das mit vielen Lagern unterschiedlicher Bauart ausgestattet ist. Man unterscheidet dabei umlaufende und nicht umlaufende Lager.

Umlaufende Lager sind beispielsweise die Radlager der Naben. Vertreter von Lagern am Fahrrad, die im Betrieb nicht umlaufen, sind beispielsweise der Steuersatz für die Lenkung und die vier Gelenke des Parallelogramms beim Kettenschaltwerk. Diese Lager können, müssen aber nicht in einer umlauffahigen Konstruktion ausgeführt sein.

Allen Lagern am Fahrrad ist gemein, dass sie nur eine definierte Bewegung ermöglichen sollen, in allen anderen Richtungen sollen sie jede Bewegung, d. h. sie sollen möglichst steif sein. Ferner sollen sie sehr leicht, wartungsfrei eine Bewegung ohne Reibung ermöglichen und dauerhaft spielfrei sein. Diese gegensätzlichen Anforderungen führen beim Stand der Technik zu Kompromissen. Die gewünschten Eigenschaften können immer nur teilweise erzielt werden.

Die Nachteile des Standes der Technik werden beispielhaft anhand des Schwingenlagers eines Fahrrads mit gefedertem Rahmen diskutiert : Bei gefederten Fahrradrahmen sind unterschiedliche Konstruktionen für Schwingenlager bekannt. Die am häufigsten verwendete Bauart ist ein Schwingenlager mit Achsbolzen und Wälz-oder Gleitlagern. Als Alternative gibt es Festkörpergelenke von unterschiedlicher Konstruktion. Trotz einiger Vorteile konnten sich Festkörpergelenke bisher nicht durchsetzen, da entweder deren Beweglichkeit zu stark begrenzt ist, oder die Steifigkeit im Betrieb nicht ausreicht. Die Nachteile aller Lagertypen aus dem Stand der Technik sind : a) Das Schwingenlager mit Achsbolzen und Wälz-oder Gleitlager Es ist der schwerste und aufwendigste Lagertyp mit vielen beweglichen Teilen. Häufig bestehen diese Lager aus empfindlichen Wälzlagern und Dichtungen. Nachteilig sind bei diesem Lagertyp neben dem relativ hohen Gewicht die Empfindlichkeit gegen das Eindringen von Wasser und Verschmutzungen sowie die damit verbundenen Wartungsarbeiten (schmieren, neu abdichten). Nach längerem Betrieb tritt häufig ein Lagerspiel auf, welches das Fahrverhalten des Fahrrads verschlechtert. Zudem beeinflusst die örtliche Lage der Drehachse im Fahrradrahmen entscheidend das Fahrverhalten.

Deshalb ist es vorteilhaft, wenn das Lager aus rein fahrwerkstechnischen Gesichtspunkten im Rahmen platziert werden kann. Die großvolumige Bauart dieses Lagers schränkt diese konstruktive Freiheit ein, was immer wieder zu Kompromissen führt und damit das

Fahrverhalten nachteilig beeinflusst. Trotz dieser Nachteile ist dieses der am häufigsten verwendete Lagertyp.

Bei allen folgenden Lagertypen b) bis d) handelt es sich um Festkörpergelenke. b) Leichtbaurahmen mit biegeweichen Sitzstreben Dieses ist die leichteste Konstruktion. Sie ist beispielsweise an einem Carbon-Rahmen der Firma Trek realisiert. Nachteilig ist die Ausführung der Sitzstreben als Biegeelement. Die im Betrieb auftretenden Biegewechselspannungen fuhren zu Materialermüdungen in den Streben, die zum Bruch führen können. Zur Eindämmung des Risikos sind nur geringe Biegewinkel in den Streben zulässig. Folglich ist die Auslenkung der"Schwinge"und der damit verbundene Federweg stark begrenzt. Ziel ist es aber, einen möglichst großen Federweg zu erreichen. Ferner ist der Drehpunkt des Lagers nicht eindeutig definiert und das Lager ist insgesamt nicht so steif wie beim herkömmlichen Schwingenlager. Beides wirkt sich nachteilig auf das Fahrverhalten aus. c) Festkörpergelenk nach Patent EP 0 812 761 A2 Dieser Lagertyp besteht aus einem Biegeelement, das an einem Ende mit dem Hauptrahmen und dem zweiten Ende mit der Hinterradschwinge verbunden ist. Das Biegeelement kann nur Zug-Druckkräfte und Drehmomente mit ausreichender Steifigkeit übertragen, die in der Ebene des Biegeelements liegen. Kräfte die senkrecht zum Biegeelement in das Gelenk eingeleitet werden, sind ohne entsprechendes Widerlager. Das Biegeelement muss also auch die senkrecht zu seiner Ebene stehenden Kräfte aufnehmen, was zu einer Torsionsbeanspruchung im Biegeelement fiihrt. Da das Biegeelement im Sinne der Festigkeitslehre eine Scheibe ist, ist die Torsionssteifigkeit nicht ausreichend für eine verformungsarme Kraftiibertragung. Diese"senkrechten" Kräfte führen zu einer nicht zulässigen Verformung im Gelenk, was sich wiederum nachteilig auf das Fahrverhalten auswirkt. Ferner sind die auftretenden Biegespannungen in den Festkörpergelenken als kritisch einzustufen. d) Zungengelenk nach U. S. Patent 5,586,780 Kennzeichen dieses Lagers sind 2 Zungengelenke, die in den beiden Kettenstreben des Fahrradrahmens ihren Dienst verrichten. Bei dieser Konstruktion ist der Abstand des Zungengelenks vom Sitzrohr (Rahmenrohr zwischen Tretlager und Sitz) relativ groß.

Dies ist nachteilig, erstens weil die Länge der Schwinge zwischen Zungengelenk und Achse des Hinterrads kleiner ist als beim häufig verwendeten Schwingenlager nach Punkt a). Dies führt in Kombination mit einem Zungengelenk zu einem sehr kleinen Federweg, da das Gelenk im Bewegungsbereich beschränkt ist. Zweitens ist es (bei gegebenem Radstand) nicht möglich, die beiden Kettenstreben mittels eines Steges zu verbinden.

Dies ist ein eklatanter Nachteil, da sich die Kettenstreben und auch die Sitzstreben bei Querkräften oder asymmetrischer Kraft, z. B. Zugkraft der Antriebskette, gegeneinander verwinden können und damit die Steifigkeit des Hinterbaus verringern.

Ein weiterer Nachteil bei der Anordnung der Zungengelenke ist, dass deren Gelenkzungen ungünstig bezüglich der auftretenden Hauptkräfte angeordnet sind. Ferner können die Zungen bezüglich der wesentlichen Gestaltungskriterien nicht optimal dimensioniert werden. Die wesentlichen Gestaltungskriterien sind Anzahl, Breite und räumliche Anordnung der Gelenkzungen, die freien tragenden Längen sowie deren Stärke. Die dominierende, auf das Gelenk wirkende Kraft ist die Druckkraft in der Kettenstrebe, welche aus der Zugkraft der Antriebskette und dem Vortrieb resultiert. Da bei diesem Lager aber die Zungen im 45° Winkel zur Hauptkraft angeordnet sind, ist eine differenzierte Dimensionierung der einzelnen Zungen nicht möglich. In Summe bietet das

Federungssystem aus Gelenk und Hinterradschwinge keine ernste Alternative zu den oben diskutierten Lagertypen, weil es einerseits den möglichen Federweg zu sehr einschränkt, andererseits die erforderliche Steifigkeit des Hinterbaus nicht ermöglicht und drittens das Zungengelenk geforderte die Beweglichkeit um die Drehachse bei zugleich ausreichender Gelenksteifigkeit nicht erfUllt.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, verbesserte Gelenke fiir Fahrräder zu entwickeln, welche die oben diskutierten Nachteile nicht oder nur teilweise aufweisen.

Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Gelenk verbindet zwei Bauteile des Fahrrades als Getriebeglieder miteinander. Dies können beispielsweise der Hauptrahmen (6) und die Hinterradschwinge (7) eines gefederten Fahrradrahmens, siehe Figur 6, oder zwei Bauteile des Parallelogramms beim Kettenschaltwerk sein. Das Gelenk (3) besteht aus zwei Gelenkkörpem (1,1') mit mehreren Gelenkzungen (2,2'), wobei die zu verbindenden Bauteile fest mit den Gelenkkörpem (1,1') verbunden sind, beispielsweise durch schweißen. Die Gelenkzungen sind beispielsweise streifenformige Bauelemente, die aus einem elastischen Werkstoff bestehen, z. B. aus Federstahl. Ziel der Erfindung ist es nach Anspruch 1, die Bauteile und die Gelenkzungen so anzuordnen, dass die Eigenschaften des neuen Lagertyps denen des oben definierten Gelenks entsprechen. Zur Verdeutlichung werden die Konstruktionsmerkmale beispielsweise anhand der Figuren la-lc und 2 erläutert : Jede Gelenkzunge (2,2) ist an einem Ende mit einem Bauteil (1 j, beispielsweise Hauptrahmen (6), und am anderen Ende mit dem zweiten Bauteil (1'), beispielsweise Hinterradschwinge (7) wie in Figur 6 mit Gelenk 3 dargestellt, verbunden. Nicht alle Gelenkzungen dürfen in einer Ebene liegen.

* Die Verbindung zwischen Bauteil (1,1') und Gelenkzunge (2,2') ist starr, d. h. die beiden Teile lassen sich in ihrer Verbindungsstelle in keiner Richtung gegeneinander verschieben oder verdrehen.

Die Gelenkzungen (2,2') sind in einem Winkel 0° < a < 180° zueinander angeoninet. In den Grenzfällen mit a = 0° oder a = 180° dürfen die Gelenkzungen nicht in einer Ebene liegen. In diesem Fall liegt ein Schiebegelenk vor.

Bei vielen Anwendungen ist eine Anordnung der Gelenkzungen (2,2') im Winkel von a = 90° vorteilhaft, weil dann das Gelenk äußere, in der Richtung beliebige Kräfte, optimal auf die Gelenkzungen verteilen kann. Gibt es aber in einer Anwendung eine bevorzugte Kraftrichtung, so kann es vorteilhaft sein, die Gelenkzungen (2,2) mit relativ kleinen Winkeln gegenüber der Hauptkraftrichtung anzuordnen.

* Die Gelenkzungen (2,2') müssen freie Längen (4,4') zwischen den Verbindungspunkten mit den Bauteilen (1,1') aufweisen. Die Bauteile (1,1') dürfen sich dabei nicht berühren.

Mindestens eine der Gelenkzungen (2,2') wird in der Ebene der Hauptkraft (FH3 angeordnet.

Werden die Gelenkzungen (2,2') nach Anspruch 2 räumlich parallel angeordnet, siehe Figur 2, so liegt ein Schiebegelenk (3') vor. Dieses Schiebegelenk kann beispielsweise als Parallelfiihrung beim Umwerfer der Kettenschaltung eingesetzt werden.

Werden die Gelenkzungen (2,2') nach Anspruch 3 mit einem Winkel 0° < a < 180° angeordnet, so liegt ein Drehgelenk (3) vor, siehe Figuren la-lc. Das Drehgelenk (3)

ermöglicht innerhalb eines bestimmten Winkels ein Verdrehen der beiden Bauteile um die gemeinsame Drehachse.

Werden beim Drehgelenk nach Anspruch 3 die beiden Bauteile (1, l') um den Winkel 2 gegeneinander verdreht, so verschieben sich die Gelenkzungen (2,2') gegeneinander. Die Gelenkzungen verbiegen sich dabei zu Kreisbogensegmenten. Die beiden Bauteile (1,1') rollen gegeneinander ab, ähnlich zwei Zahnrädern, die sich miteinander im Eingriff befinden.

Durch die x-formige Anordnung der Gelenkzungen stützen sich diese in jedem Punkt der Bewegung gegenseitig. Sie verhindern damit wirkungsvoll das Verschieben der Bauteile. Das Lager erhält dadurch seine Steifigkeit.

Der Verbiegewinkel 3 der Gelenkzungen ist, wie auch bei den Festkörpergelenken aus dem Stand der Technik, gleich dem Dmhwinkel 2, siehe Figur le. Damit bei dieser Biegung die Biegespannungen in den Gelenkzungen möglichst niedrig sind, müssen die Gelenkzungen einen möglichst hohen Schlankheitsgrad annehmen. D. h. das Verhältnis aus freier tragender Länge zur Dicke der Gelenkzunge muss mög] ichst hoch sein. Der Schlankheitsgrad der Gelenkzungen ist definiert als S = freite tragende Länge/Dicke. Beispielsweise ist bei geeigneter Werkstoffwahl der Gelenkzungen und einem Schlankheitsgrad S = 15 eine Drehbewegung um ß = +5° dauerhaft zulässig. Der Schlankheitsgrad kann vorteilhaft ein Maximum annehmen, wenn die beiden wesentlichen Konstruktionsvorschriften nach Anspruch 1 eingehalten werden. a) Die Verbindung zwischen den beiden Gelenkkörpern (1,1') stellen mindestens zwei Gelenkzungen (2,2') her. Die Gelenkzungen schließen einen Winkel mit 0°< a < 180° ein, sie dürfen nicht in der Ebene der Gelenkzunge liegen. b) Mindestens eine der Gelenkzungen (2,2') längs der Hauptkraftrichtung FH angeordnet ist. zu a) : Die gekreuzte Anordnung der Gelenkzungen (2,2') bewirkt, dass von außen auf das Gelenk einwirkende Kräfte und Momente unabhängig vom jeweiligen Richtungsvektor optimal auf die Gelenkzungen aufgeteilt werden. Jede Gelenkzunge muss nur Zug-/ Druckkrafte, Schubkräfte und Drehmomente übertragen, die in ihrer Ebene liegen. zu b) : Die Anordnung der Gelenkzungen (2,2') in Richtung der Hauptkraft hat drei Effekte, welche die in den Gelenkzungen auftretenden Kräfte minimieren. Erstens, eine in das Gelenk eingeleitete Zug-Druckkraft teilt sich entsprechend der Winkel der Gelenkzungen zur Hauptkraftrichtung (s, s') in die einzelnen Gelenkzungen auf (Kräfteparallelogramm). Die Kräfte in den Zungen nehmen bei'bzw.'= 0° ein Minimum an.

Zweitens, ermöglicht diese Anordnung eine gezielte Platzierung der unterschiedlich belasteten Gelenkzungen. Beispielsweise ist bei einem Schwingenlager die Hauptkraft auf das Gelenk die Resultierende aus Kettenzug und Vortriebskraft. Diese Kraft wirkt in etwa entlang der rechten Kettenstrebe (6). Damit nun die Kraft in den Gelenkzungen ein Minimum annimmt, muss eine Gelenkzunge exakt in Richtung dieser Kraft ausgefihrt werden (horizontal wie die Kettenstrebe) und in Fahrtrichtung auf der rechten Seite, so dass die Hauptkraft nicht mit einem Drehmoment (durch den seitlichen Versatz) das Gelenk zusätzlich belastet.

Drittens kann die am stärksten beanspruchte Gelenkzunge in ihrer Breite optimal dimensioniert werden, was zu einem größtmöglichen tragenden Querschnitt flirt.

Nur wenn beim Drehgelenk nach Anspruch 3 die Designvorschriften aus Anspruch 1 eingehalten werden, nehmen die im Betrieb auftretenden Spannungen ein Minimum an. Dies

ist Voraussetzung für ein Drehgelenk mit ausreichender Beweglichkeit und kompakter Bauform. Prinzipbedingt weist das erfindungsgemäße Gelenk die weiteren Vorteile auf : Es ist leichter als ein herkömmliches Lager bei gleicher Steifigkeit. w Es ermöglicht viele Designvarianten, da seine Bauweise sehr kompakt ist.

Es ist dauerhaft spielfrei.

* Es ist absolut wartungsfrei, da keine Schmierung erforderlich ist.

* Es verzichtet auf verschleißende Bauteile wie Wälz-oder Gleitlager und Dichtungen. w Es hat ein besseres Ansprechverhalten, da es absolut reibungsfrei ist.

Es ist kostengünstig in der Herstellung, da es aus wenigen Teilen besteht.

Das Verhältnis aus Steifigkeit zu Beweglichkeit ist besser als bei allen anderen Festkörpergelenken aus dem Stand der Technik.

Nach Anspruch 4 ist es vorteilhaft, die Gelenkzungen zwischen den Bauteilen so anzuordnen, dass ihre Schnittgerade 5 innerhalb der freien Längen zu liegen kommt, siehe Figur lb. Bei dieser Anordnung liegt die Drehachse des Lagers zwischen den beiden Bauteilen. Da dies bei vielen Anwendungen gewünscht ist, ist dies die am häufigsten eingesetzte Form des Zungengelenks.

Nach Anspruch 5 kann es vorteilhaft sein, die Gelenkzungen (2,2') so anzuordnen, dass deren Schnittgerade (5') außerhalb ihrer freien Längen (4,4'), zu liegen kommt, siehe Figur 4. Die Gelenkzungen (2,2') schneiden sich nicht zwischen den Bauteilen (1,1'), sondern innerhalb eines Bauteils (1). Damit kann die Drehachse des Gelenks (3) in ein Bauteil (1) gelegt werden. Werden nun die beiden Bauteile (1,1') gegeneinander verdreht, so beschreibt das Bauteil (1') eine Drehbewegung um Bauteil (1) herum, mit einem Drehpunkt der innerhalb des Bauteils (1) liegen kann. Diese Anordnung wird vorteilhaft dann gewählt, wenn die Funktion des Gelenksystems eine Drehbewegung verlangt, aus konstruktiven Gründen aber im gewünschten Drehpunkt eine Platzierung des Lagers ausscheidet. Beispiele für diese Anwendung können sein : * Ein Schwingenlager mit gewünschtem Drehpunkt im Bereich des Tretlagers, wobei der gewünschte Drehpunkt der Schwinge durch ein anderes Lager, nämlich das Tretlager beansprucht wird. Die Konstruktion nach Anspruch 5 ermöglicht bei richtiger Anordnung der Gelenkzungen, den Drehpunkt in die gewünschte Tretlagerposition zu verlegen, so dass sich die Schwinge um das Tretlager herum dreht.

* Bei der Lagerung für Bremsen vom Typ V-Brake kann der Drehpunkt der Hebelarme versetzt werden. Vorteilhaft wäre es, wenn die Bremsbeläge beim heranfübren an die Felge eine Drehbewegung mit größerem Kurvenradius beschrieben. Das führte zu geringerem Verschleiß der Bremsbacken oder die häufig angewendete Parallelfiihrung mit vier Einzelgelenken der Bremsbacken könnte entfallen.

Nach Anspruch 6, siehe Figur 5, ist es vorteilhaft, die beiden Bauteile (1,1') bezüglich des Gelenks (3") invers, also vertauscht angeordnet werden. Kritisch für ein Zungengelenk nach den Ansprüchen 2 und 3 sind Druckkräfte, da diese eine oder mehrere Gelenkzungen (2,2') auf Knickung beanspruchen. Sind nun die beiden Bauteile (1,1') invers angeordnet, so werden die Gelenkzungen auf Zug beansprucht, obwohl von außen auf das Gelenk (3") eine Druckkraft einwirkt. Dadurch wird die Tragfähigkeit des Gelenks in Richtung der Hauptkraft signifikant erhöht.

Nach Anspruch 7, siehe Fig. 6, ist es vorteilhaft, das Zungengelenk als Schwingenlager einzusetzen Die Designkriterien nach Anspruch 7 bewirken dass a) die rechte und linke Gelenkzunge (2r, 21) alle in der horizontalen Ebene auftretenden Zug-Druckkräfte, Schubkräfte und Drehmomente aufnehmen, die mittlere Gelenkzunge (2m) alle in der horizontalen Ebene auftretenden Zug-Druckkräfte, Schubkräfte und Drehmomente aufnimmt b) die rechte Gelenkzunge (2r), da sie die Hauptkraft FH übertragen muss, an äußerster rechter Stelle platziert und mit der optimalen Dicke und freien tragenden Länge ausgefiihrt wird, c) die linke und rechte Kettenstrebe durch den Gelenkkörper (1) fest miteinander verbunden sind, was die Steifigkeit des gesamten Hinterbaus weiter erhöht.

Nach Anspruch 8 ist es vorteilhaft, das Zungengelenk bei Mehrgelenkrahmen von gefederten Mountainbikes einzusetzen. Dazu können die Gelenke in den Kettenstreben (8r, 81) oder Sitzstreben (9r, 91) platziert werden. Die wesentlichen Vorteile bei dieser Anwendung sind die absolute Spielfreiheit und damit bessere Übertragung von Seitenkräften, sowie die hohe Steifigkeit, das geringere Gewicht und die Wartungsfreiheit.

Nach Anspruch 9 ist es vorteilhaft, das Zungengelenk bei der Abstützung des Federbeins (10) einzusetzen.

Nach Anspruch 10 kann es vorteilhaft sein, das Zungengelenk als Steuerlager für die Fahrradlenkung einzusetzen. Auch in diesem Anwendungsfall ist die erforderliche Drehbewegung (= Lenkeinschlag) begrenzt. Die im Betrieb auftretende Hauptkraft FH wird durch die Bremskraft des Vorderrades eingeleitet. Entsprechend werden die Gelenkzungen nach Anspruch 1 angeordnet. Da es reibungs-und verschleißfrei ist, ermöglicht es im Gegensatz zu herkömmlichen Steuersätzen eine dauerhafte Lenkpräzision.

Nach Anspruch 11 ist es vorteilhaft, die Kettenschaltung mit einem Schiebegelenk nach Anspruch 2, siehe Figur 2, auszustatten. Alternativ können 4 Drehgelenke nach Anspruch 3 eingesetzt werden. Vorteilhaft bei beiden Alternativen ist die Spiel-und Reibungsfreiheit der Lagerung, dadurch werden exaktere Schaltvorgänge als beim Stand der Technik ermöglicht.