| Patentansprüche: 1. Fahrradgetriebe mit einer stufenlos veränderbaren Übersetzung zwischen einer Eingangswelle (1) und einer Ausgangswelle (2), welches mindestens zwei um eine Achse (5) schwenkbar gelagerte Pendelarme (4) aufweist, die durch die Drehung der Eingangswelle (1) und der damit formschlüssig verbundenen Kurvenscheiben (16) in eine gleichförmige, wechselweise und sich gegenseitig in den Arbeitszyklen überlappende Hubbewegung versetzt werden, welche mittels zweier Verstellteile (11), die entlang des Verstellteil-Verstellweges (9) verschiebbar sind, in eine längenvariable Hin- und Herbewegungen der beiden Pleuel (13) wandeln und diese wechselweise Bewegung an die beiden drehrichtungsabhängigen Kupplungen / Freiläufe (14, 15) übertragen wird, wo sie in eine kontinuierliche und gleichförmige Drehung einer Ausgangswelle (2) gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die axial nebeneinander gereihten Freilaufringe (14) mit deren gemeinsamen Freilaufkern (2) mit sich deckenden Längsachsen des Freilaufkernes (2) und der Treterwelle (1) frei drehbar auf der Treterwelle (1 ) angeordnet sind. 2. Fahrradgetriebe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die radial zur Kreisbogen der Kurvenscheibe (16) ausgerichteten Pendelarme (4) entlang deren Längsachse eine Kreissegmentform (8) aufweisen, die sich in der mittleren Stellung des Arbeitshubes (10) mit deren Kreismittelpunkt zumindest annähernd mit dem axialen Wellenmittel der Treterwelle (1 ) deckt. Fahrradgetriebe Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Moment des Erreichens des mittleren arbeitswirksamen Hubweges (10) des Pendelarmes (4) das Achsmittel der Treterwelle (1) über den Drehpunkt des Pleuels am Freilaufring (17) zum Drehpunkt des Pleuels am Verstellteil (18) zumindest annähernd einen rechten Winkel bildet. 4. Fahrradgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass außer der Ritzelscheibe (3) und den Tretkurbelanschlüssen der Treterwelle (1 ) alle beweglichen Teile des Getriebes (2, 4, 5, 6, 7, 11 , 13, 14, 15, 16, 30, 31 ) von einer hermetisch geschlossenen, öldichten Gehäusekapsel (21 ) umbaut sind. 5. Fahrradgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilaufkern (2) seitlich, zentrisch und formschlüssig mit dem Ritzelrad (3) verbunden ist und die Rotation des Freilaufkernes (2) über dieses Ritzelrad (3) und über eine Kette oder Ähnlichem auf das Hinterradritzel übertragen wird. 6. Fahrradgetriebe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusekapsel (21 ) seitlich einen einzelnen rohrförmigen Teil (23) aufweist, welcher in das Innenlagerrohr (20) des Fahrradrahmens ragt und dieser, samt der damit formschlüssig verbundenen Gehäusekapsel (21 ), durch Festziehen einer Spannmutter (24) über einen konischen Spreizteil (25) verdrehgesichert zum Fahrradrahmen (20) fixiert wird. 7. Fahrradgetriebe nach einem Ansprüche n bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der verschiebbare Verstellteil (11 ) sich unter über das Pleuel (13) zugeführter Last kraftschlüssig zum Pendelarm (4) an den dafür vorgesehenen Verklemmstellen (29) verkantet und mit Entfall dieser Last wieder frei verschiebbar, verstellbar ist. 8. Fahrradgetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehpunkt (18) des Verstellteiles vom Pleuel (13) zu den Verklemmstellen (29) seitlich zur Längsachse des Pendelarmes (4), sowie in Richtung zur Treterwelle (1) hin versetzt, angebracht ist. 9. Fahrradgetriebe nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuercomputer (28) unter Auswertung der Daten aus zumindest einem Tretfrequenzsensor (39) bzw. Leistungssensor und einem Fahrgeschwindigkeitssensors (40) eine automatisierte Verstellung der Getriebeübersetzung vornimmt, indem ein Versteilmotor (27) das Verstellteil (22) über einen Bowdenzug (28) verstellt. |
Die Erfindung betrifft ein Fahrradgetriebe mit einer stufenlos veränderbaren Übersetzung zwischen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle, welches mindestens zwei um eine Achse schwenkbar gelagerte Pendelarme aufweist, die durch die Drehung der Eingangswelle und der damit formschlüssig verbundenen Kurvenscheiben in eine gleichförmige, wechselweise und sich gegenseitig in den Arbeitszyklen überlappende Hubbewegung versetzt werden, welche mittels zweier Verstellteile, die entlang des Verstellteil-Verstellweges verschiebbar sind, in eine längenvariable Hin- und Herbewegungen der beiden Pleuel wandeln und diese wechselweise Bewegung an die beiden drehrichtungsabhängigen Kupplungen / Freiläufe übertragen wird, wo sie wiederum in eine kontinuierliche und gleichförmige Drehung einer Ausgangswelle gewandelt wird
Diese sogenannten Schrittschaltgetriebe sind in verschiedenen Ausführungen, auch in der Anwendung für Fahrräder, bekannt.
So zeigt die DE 696 02 840 T2 ein Getriebe speziell für Fahrräder, welches aber gleichzeitig das Kernproblem der meisten sogenannten Schrittschalt-Stufenlosgetriebe aufzeigt: Es wandelt die gleichförmige Drehung einer Eingangswelle nicht in eine gleichförmige Drehung einer Ausgangswelle um, sondern in eine ruckförmige Drehung. Um die Eingangswelle wird ein Exzenterring in eine mehr oder weniger ausgeprägte exzentrische Position geschoben. Je stärker der Exzenterring verschoben wird, desto stärker lenken die radial darum angeordneten drei Pendelarme nacheinander drehwinkelversetzt aus. Diese Teildrehungen werden über ein Ratschengetriebe mit Innenverzahnung auf die Ausgangswelle übertragen. Bei dieser Konstruktion tritt die Schwierigkeit auf, dass die Drehung der Ausgangswelle nicht gleichförmig ist, sondern ruckartig erfolgt. Daher ist dieses Getriebe für den Antrieb eines leichten Fahrzeuges, wie eines Fahrrades mit seiner entsprechend geringen Eigenmasse, an sich ungeeignet. Außerdem weist dieses Getriebe eine offene schmutzempfindliche Bauweise auf. Aus der EP 0 615 587 B1 und der EP 0 527 864 B1 sind sorgenannte„automatische Getriebe", bzw. „elektronische Steuersysteme für Fahrradgetriebe" bekannt. Solche Getriebe können nicht ohne weiteres Zutun des Fahrers ein automatisches Umschalten der Getriebeübersetzung vornehmen, da die elektrisch betriebene Umschalt-Mechanik auf ein konventionelles Fahrradkettengetriebe wirkt. Dieses kann keinesfalls ohne das Zutun des Fahrers automatisch schalten, da ein nicht vom Fahrer gewolltes „elektronisch" gesteuertes Umschalten fatale Folgen hätte. Würde nämlich der vordere Werfer an den großen Kettenrädern unter Volllast betätigt werden, dann würde sich der Werfer in der Fahrradkette verkanten und zerstört werden oder die Kette herausspringen. Würde dagegen bei der hinteren Gangschaltung ein nicht vom Fahrer gewünschtes Umschalten unter Volllast stattfinden, dann würde der Fahrer am Tretpedal plötzlich„ins Leere" treten. Dies hätte wahrscheinlich einen Sturz des Fahrers zur Folge. Die Bezeichnung „elektronisch" und „automatisch" ist in diesem Zusammenhang durch die bekannten Getriebe nicht wirklich erfüllt. Außerdem weisen dieses Getriebe eine offene schmutzempfindliche Bauweise auf.
Auch aus der DE 27 58 795 C ist ein Schrittschaltgetriebe bekannt, welches eine Anwendung am Fahrrad zeigt. Es werden dabei die klassischen Elemente eines Schrittschaltgetriebes gezeigt. Gleichermaßen wird die Unzulänglichkeit der Schrittschaltgetriebe im damals bekannten Stand der Technik gezeigt: Die Hin- und Herbewegung der Pendel ist in Summe so kurz, dass am Hinterrad eine Art Flaschenzug angebaut werden muss um trotzt des geringen Weges der beiden Zugelemente auf die Solldrehzahl des Laufrades zu gelangen. Weiters ist eine Stufenlos-Verstellung mit dem Zahnstangenpendel nicht möglich. Ein Gang besteht aus dem Raster der Zähne an dieser Stange. Ein solches Getriebe führt insgesamt zu einer nicht unwesentlichen Gewichtszunahme des Fahrrades und einer Verkomplizierung der Antriebsmechanik. Diese Tatsachen laufen allen Bestrebungen der angewandten Technologie im Fahrradbau zuwider. Außerdem weist dieses Getriebe eine offene schmutzempfindliche Bauweise auf.
Die WO 2009 /114 882 A3 zeigt die ausgereifteste Form eines solchen Fahrrad- spezifische Schrittschaltgetriebes. Das Verstellen der Übersetzung findet hier dadurch statt, dass sich jeder Pendelarm unter Arbeitslast selbsttätig dynamisch zu dafür vorgesehen Verkantnasen in der Pendelarm-Durchführung verkantet. Zum Verstellen des Übersetzungsverhältnisses werden die sich in einer gleichförmigen und gegenseitig überlappenden Hin- und Herbewegung befindlichen Pendelarme axial durch die Pendelarm-Durchführung verschoben. Schraub-zwingenähnlich verkanten sich die Verkantnasen selbsttätig im Arbeitstakt zwischen Pendelarm und Pendelarm- Durchführung. Ohne jegliches Zutun des Benützers schließt sich also der Pendelarm mit hoher Taktfrequenz während jeden Arbeitszyklus absolut kraft-schlüssig und selbsttätig zur Pendelarm-Durchführung. Der Kraftschluss zwischen Pendelarm und Pendelarm- Durchführung löst sich bei Entfall der Arbeitslast - also während des schnell taktenden Rückstellhubes wiederum selbsttätig und ohne weiteres Zutun des Fahrers.
Nachteil dieser Entwicklung ist aber, dass das Getriebe quasi zweigeteilt ist, in zwei räumlich getrennten Teilen am Fahrrad angebaut und zudem offen gebaut ist - es also schmutz-empfindlich ist. Während die Pendelarme und Kurvenscheibe vorne am Innlagerrohr sitzen, erfolgt die Rückwandlung der verstellbaren oszillierenden Bewegung erst wieder am Hinterrad. Dafür muss die oszillierende Bewegung vom vorderen Getriebeteil zum Laufrad zurück mit zwei zugfesten Übertragungselementen übertragen werden. Dies ist konstruktiv umständlich und zwingt zu einer offenen und somit verschmutzungsanfälligen Bauweise. Aufgabe der Erfindung ist es ein vollständig gekapseltes und stufenloses Getriebe der eingangs erwähnten Art für die Nutzung speziell an Fahrrädern zu schaffen. Es sollen alle Teile des Getriebes so beschaffen sein, dass sie keinen Umbau des Rahmens von konventionellen Fahrrädern erfordert. Zum anderen soll das Getriebe aber sehr leicht und platzsparend sein. Das Umschalten der Übersetzung soll im Gegensatz zur herkömmlichen Kettengangschaltung von Fahrrädern auch unter Last jederzeit möglich sein. Vor allem soll das gesamte Getriebe in einer einzigen geschlossenen Kapsel untergebracht sein. Diese Kapsel soll einfach, mit einer einzigen Mutter vorne am Innerlagerrohr montiert werden können und zum angetriebenen Laufrad soll nur die gewohnte Fahrradkette als Übertragungselement der variablen Drehung führen. Hinten am Laufrad sollen keinerlei verstellbare Getriebeteile mehr erforderlich sein. Der Einbau des Getriebes mit all seinen beweglichen Teilen in eine einzige Kapsel soll das Getriebe - so wie man dies von den gekapselten Planetengetrieben kennt - absolut wartungsfrei und schmutzunempfindlich machen.
Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß mit einem Getriebe, das die Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
Vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die axial nebeneinander gereihten Freilaufringe mit deren gemeinsamen Freilaufkem mit sich deckenden Längsachsen des Freilaufkernes und der Treterwelle frei drehbar auf der Treterwelle angeordnet sind. Daher kann auf eine offene Bauweise verzichtet werden und die so kompakt gebündelten beweglichen Teile des Getriebes können mit einer einzelnen geschlossenen Kapsel umbaut werden. Diese Kapsel kann wenigstens teilweise mit flüssigem Schmierstoff gefüllt sein, was den Reibungsverlust entsprechend minimiert. Insgesamt erhöht sich die Lebensdauer des Getriebes durch die Kapselung erheblich, da schädlicher, an den beweglichen Teilen schleifender und die Teile abnutzender Schmutz entfällt. Die Betriebssicherheit ist gegenüber offener Bauweise ebenfalls erhöht. Die radial zum Kreisbogen der Kurvenscheibe ausgerichteten Pendelarme weisen entlang deren Längsachse eine Kreissegmentform auf, die sich in der mittleren Stellung des Arbeitshubes mit deren Kreismittelpunkt zumindest annähernd mit dem axialen Wellenmittel der Treterwelle deckt. Durch die Kreissegmentform des Pendelarmes wird erreicht, dass der sich während des Hubes veränderte Winkel vom Pleuel zum Pendelarm in jeder Übersetzungsstufe denselben günstigen Zyklus von Winkelstellungen durchläuft. Dieser günstige Winkel von Pleuel zu Pendelarm ermöglicht jene unerlässliche Funktion der Verstellteile, wonach sich diese in jeder Phase des Arbeitstakts verlässlich am Pendelarm verkanten müssen bzw. verkantet bleiben müssen. Sie dürfen also unter der Last des Arbeitstaktes keinesfalls den Kraftschluss zwischen Verstellteil und Pendelarm verlieren und verrutschen. Würde der Pendelarm beispielsweise eine gerade Form aufweisen wäre in bestimmten Stellungen der Übersetzung und gleichzeitig in bestimmten Stellungen des Arbeitshubes ein derart steiler Winkel von Pleuel zu Verstellteil erreicht, dass der Verstellteil auf dem Pendelarm den Kraftschluss verlieren würde und sich die Übersetzungsverhältnisse während des Arbeitshubes schadhaft, funktionsbeeinträchtigend und ungewollt verstellen würden.
Von jedem Verstellteil auf den Pendelarmen führt je ein, in sich starrer Pleuel zu je einem Freilaufring. Dieses starre Element ist vorteilhaft, da der Pleuel im Stande ist, den als Drucklast auftretenden Arbeitshub als Drucklast vom Verstellteil zum Freilaufring zu übertragen. Für das Übertragen einer Drucklast sind starre Bauelemente vorteilhaft. Das Übertragen des Arbeitshubes als Drucklast ermöglicht eine kompakte Bauweise des Getriebes und die damit einhergehende radiale Ausrichtung der Pendelarme. Die kompakte Bauweise / Verschachtelung der Bauteile ist in weiterer Folge dann aber auch die Voraussetzung, dass alle beweglichen Teile des Getriebes in einer geschlossene Kapsel aufgenommen werden können. In einer bevorzugten Bauweise des Getriebes verkürzen die (druckfesten) Pleuel die bekannten, zuvor verwendeten zugfesten Übertragungselemente mit deren Länge von über 40 cm auf beinahe ein Zehntel dieser Länge. Im Moment des Erreichens des mittleren arbeitswirksamen Hubweges des Pendelarmes bildet das Achsmittel der Treterwelle über den Drehpunkt des Pleuels am Freilaufring zum Drehpunkt des Pleuels am Verstellteil zumindest annähernd einen rechten Winkel. Dies erklärt sich wie folgt: Wirkt der Pleuel im Mittel seines Arbeitstakthubes im rechten Winkel auf den „Zenit" des Freilaufringes, dann ist eine höchstmögliche gleichmäßige Bewegungsform vom Weg des Pleuels zur Umsetzung am Freilaufring gefunden. Dazu steht der Pleuel tangential im Mittel seines Hubes im rechten Winkel am„Zenit" des Freilaufringes. Von diesem„Zenit" aus bewegt sich nunmehr der Pleuel innerhalb dessen Hubweg zur einen oder anderen Richtung gleich weit weg vom „Zenit". Durch diese Bewegung verändert sich die Geschwindigkeit des Freilaufringes geringfügig, Sie nimmt mit größer werdenden Entfernung vom „Zenit" stetig zu. Durch das Mitteln des Pleuelhubweges am „Zenit" des Freilaufringes tritt eine geringst mögliche partielle Unwucht der Rotation ein. Um diese Unwucht - von Hubweg zu Umsetzung in der Freilaufring-Drehung - in allen Getriebeübersetzungen bestmöglich zu egalisieren, wird die Kontur der Kurvenscheibe so angelegt, dass sie zusätzlich in der mittleren Übersetzung den Fehler auf Null korrigiert. Dadurch halbiert sich der Unwuchtfehler nochmals. Auf Grund der Vielzahl der Zähne der Kurvenscheibe lenkt der Freilaufring pro Ausschlag / pro Hub gesamt nur um ca. 50° aus, dies nur in der höchsten Übersetzung. Da sich diese Unwuchtfehler durch die „Zenif-gemittelte Pleuelanbindung und den weiteren Fehlerabgleich auf der Kurvenscheibe zweimal halbieren, verbleibt ein um nur ca. 12° auslenk-bedingter Unwuchtfehler beiderseits des„Zenits" und dies nur in der höchsten Übersetzung. Diese Verfälschung von Hubweg zu Umdrehungswinkel wird auf der Kurvenscheibe durch ein Egalisierungsverschieben der Kurvenkontur in einer Mittelung des zu erwartenden Fehlers ausgeglichen. Die geringe partielle Verschiebung der Wirkung von Hubgeschwindigkeit des Pleuels zur Umdrehungsgeschwindigkeit des Freilaufringes ist nicht mehr zu spüren und verursacht dermaßen keinerlei fühlbare oder tatsächliche Beeinträchtigung im Fahrbetrieb.
Der Pendelarmaabschnitt, in welchem der Verstellteil gleitend gelagert ist, ist insbesondere kreisbogenförmig, wobei der Kreismittelpunkt bei halbem Arbeitshub des Pendelarmes auf der Achse der Eingangswelle liegt. Zwischen dem Drehpunkt des Pleuels am Verstellteil und dem Drehpunkt des Pleuels am Freilaufring ist eine erste Verbindungsgerade gebildet. Zwischen dem Drehpunkt des Pleuels am Freilaufring und der Achse der Eingangswelle ist eine zweite Verbindungsgerade gebildet. Die beiden Verbindungsgeraden sind beim halben Arbeitshub des Pendelarms im Wesentlichen in einem Winkel α von 90° zueinander angeordnet. Wenn das erfindungsgemäße Fahrrad im Wesentlichen ohne seitliche Neigung steht bzw. rollt, so ist es bevorzugt, wenn die zweite Verbindungsgerade in einer im Wesentlichen horizontal verlaufenden Ebene liegt.
Abgesehen von der Ritzelscheibe und den Tretkurbelanschlüssen der Treterwelle sind alle beweglichen Teile des Getriebes bevorzugt von einer hermetisch geschlossenen, öldichten Gehäusekapsel umbaut. Durch die kompakt gebündelte Anordnung der beweglichen Teile kann auf eine offene Bauweise vollständig verzichtet werden und die beweglichen Teile des Getriebes können in einer einzigen geschlossenen Kapsel eingebaut werden. Eine kompakte Bauweise / Verschachtelung der Bauteile erlaubt es, eine geschlossene Kapsel um die gesamten beweglichen Teile des Getriebes anzuordnen. Diese Kapsel kann teilweise mit flüssigem Schmierstoff gefüllt sein, was den Reibungsverlust minimiert.
Der Freilaufkern ist in einer Ausführungsform der Erfindung seitlich, zentrisch und formschlüssig mit dem Ritzelrad verbunden und die Drehung des Freilaufkernes wird über das Ritzelrad und über eine Kette oder Ähnlichem auf das Hinterradritzel übertragen. Das aus der Kapsel ragende Ritzelrad treibt das anzutreibende Laufrad nur über eine Fahrradkette als Übertragungselement der variablen Drehung an. Hinten am Laufrad sind demnach keine verstellbare Getriebeteile mehr erforderlich. Ein einziges Ritzelrad mit üblichem Freilauf auf dem Hinterrad genügt. Das Auswechseln eines Hinterrades bei beispielsweise einem Platten ist demnach auf einfache Weise möglich. Ein Abspringen der Kette kann durch Kettenführungen völlig unterbunden werden, was bei den herkömmlichen Kettenschaltungen nicht möglich war. Diese funktionieren bekanntlich durch eben das Verschieben / Werfen der Kette von einem Ritzel auf ein anderes. Grundsätzlich bietet das unveränderliche, fixierte Aufliegen der Kette mit je einem Ritzel hinten und vorne auch die Möglichkeit Übertragungsglieder zu verwenden, welche für die Kettenschaltung ungeeignet waren. Es ist ohne Einschränkung zum Beispiel die Verwendung eines Zahnriemens denkbar. Die Gehäusekapsel weist in einer Ausführungsform seitlich einen einzelnen rohrförmigen Teil auf, welcher in das Innenlagerrohr des Fahrradrahmens ragt und diesem, zusammen mit der damit formschlüssig verbundenen Gehäusekapsel, durch Festziehen einer Spannmutter über einen konischen Spreizteil verdrehgesichert zum Fahrradrahmen fixiert. Die Standardrahmen aller Fahrräder weisen ein weitestgehend einheitliches Maß im Innendurchmesser des Innenlagerrohres auf. Folglich ist es möglich die rohrförmige, starr mit der Getriebekapsel verbundene Verlängerung an der Getriebekapsel getriebeabseitig sich konisch verjüngend zu gestalten und darüber ein axial geschlitztes konisches Spannteil zu legen, welches innen die Konusform der rohrförmigen Kapselverlängerung spiegelverkehrt wiedergibt und nach außen den Durchmesser des Innenlagerrohres aufweist. Wird nun an der Spannschraube gedreht, wird der rohrförmige Teil samt der starr damit verbundenen Kapsel zur Spannschraube hingezogen. Der Spannkonus kann diesem Weg aber nicht folgen, da er an der Spannmutter ansteht bzw. widergelagert ist. Infolge dessen spreizt sich der Spannkonus zwischen der konischen, rohrförmigen Verlängerung der Getriebekapsel und den Innenwandungen des Innenlagerrohres am Radrahmen. Durch den flachen Winkel des Spannkonus entsteht eine x-fach multiplizierte Spannkraft zwischen rohrförmiger Kapselverlängerung und Innerlagerrohr. Der Spannkonus wirkt vergleichbar eines Wanddübels. Die Getriebekapsel sitzt dermaßen unbewegt und starr fixiert im Fahrradrahmen. In einer Ausführungsform befindet sich auf jedem Pendelarm je ein verschiebbares Verstellteil, welches sich durch die über den Pleuel zugeführte Last kraftschlüssig zum Pendelarm an den dafür vorgesehenen Verklemmstellen verkantet und umgekehrt mit Entfall dieser Last wieder frei verschiebbar verstellbar ist. Der Effekt, der mit kraftschlüssigeni Verkanten erzielt wird, ist, dass weniger Schlupf auftritt als bei einer reib- bzw. formschlüssigen Kraftübertragung. Jeder Pendelarm verkantet sich unter Arbeitslast selbsttätig zu dafür vorgesehen Verkantpunkten. Zum Verstellen des Übersetzungsverhältnisses werden die sich in einer gleichförmigen und gegenseitig überlappenden Hin- und Herbewegung befindlichen Verstellteile axial verschoben. Schraubzwingen-ähnlich verkanten sich die Verkantnasen selbsttätig im Arbeitstakt zwischen Pendelarm und Verstellteil. Sie verkanten sich mit dem Auftreten einer Arbeitslast im Arbeitshub also selbsttätig und unbeweglich fixiert ineinander. Ohne jegliches Zutun des Benützers schließt sich der Pendelarm während jedes Arbeitszyklus durch Haftreibung mit dem Verstellteil selbsttätig unbeweglich fixiert zusammen. Je größer die Last am Übertragungselement, desto stärker verkantet sich der Verstellteil durch Kraftschluss selbsttätig und dynamisch. Es ist vorgesehen, dass der Pendelarm und das Verstellteil unter Arbeitslast selbsttätig an durch Umfangskanten der Pendelarm- Durchführung gebildeten Verkantnasen kraftschlüssig verkantet. Der Drehpunkt des Verstellteiles vom Pleuel zu den Verklemmstellen ist in einer möglichen Ausführungsform deutlich seitlich zur Längsachse des Pendelarmes sowie deutlich in Richtung zur Treterwelle hin versetzt, angebracht. An jedem der Verstellteile ist der Aufhängepunkt für den Pleuel ausreichend - in eine der beiden Richtungen zur Pendelarm-Längsachse und auch deutlich in Richtung zur Treterwelle hin, entfernt von jenem Bereich angebaut, innerhalb dem sich der Verstellteil mit den beiden druckkraftbelasteten und gegenüberliegenden Innenflanken am Pendelarm verkantet. Durch diesen dermaßen von den Verklemmstellen entfernten Angriffspunkt eines Lasteintrages kommt es zu einem verlässlichen Verkanten des Gleitteiles zum Pendelarm, auch wenn der Pleuel in steilem Winkel - weit ab des idealen rechten Winkels - zum Pendelarm steht. Dieses Funktionsprinzip findet man in ähnlicher Form bei der klassischen Schraubzwinge. Es verkantet sich der verschiebbare Bügel - in diesem Fall aber der Verstellteil - durch eine das Verstellteil schräg verkantende Last in einem zuverlässigen Kraftschluss, welcher sich mit Entfall der Last sofort wieder löst. Dieses Verkanten und Lösen des Kraftschlusses findet an jedem Pendelarm erfindungsgemäß beispielsweise etwa 700-mal pro Minute statt.
Der in einer Ausführungsform vorgesehene Steuercomputer nimmt unter Auswertung der Daten aus zumindest einem Tretfrequenzsensor bzw. Leistungssensor und einem Fahrgeschwindigkeitssensor die automatisierte Verstellung der Getriebeübersetzung vor. Der Fahrer gibt also eine bestimmte Tretfrequenz oder und auch beispielsweise eine bestimmte Leistung ein; der Steuercomputer steuert über den ihm angeschlossenen Steuermotor die Übersetzung entsprechend. Fährt der Fahrer eine bestimmte Strecke, die in ein Gefälle übergeht, würde das Treten leichter und damit schneller. Der Computer regelt mit einer Hysterese nun aber über das Stellglied des MikroStellmotor die Übersetzung selbsttätig so lange hoch, bis die Solltretfrequenz wieder erreicht ist. Umgekehrt, wenn das Fahrrad plötzlich eine Steigung zu bewältigen hat, regelt der Steuercomputer ohne Zutun des Fahrers die Übersetzung herunter. Gleiches gilt, wenn der Fahrer z. B. plötzlich weniger Kraft zum Treten einsetzt. Weiters kann an der Eingabetastatur ein„Kickdown - Schalter" angebracht sein, mit welchem für einen Spurt die Übersetzung rasch hochgefahren werden kann. Sämtliche Funktionen sind selbstverständlich auf individuelle Trainingszyklen abstimmbar / vorprogrammierbar. Die Möglichkeit per Computer und Stellmotor ein Getriebe zu steuern eröffnet eine Vielzahl von Software-Lösungen, welche allesamt in einer oder der anderen Form aus dem KFZ oder von Trainingsgeräten, etc. bekannt sind. Diese lassen sich ohne Weiteres auf diese Erfindung übertragen, ohne dass der Gegenstand der Erfindung überholt wäre.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 : ein Getriebe und das Innenleben des Getriebes mit der Darstellung der Pendelarme, der Kurvenscheibe, der Freiläufe (ohne Kettenritzel), der Pleuel und des Gehäuses (ohne Gehäusedeckel),
Fig. 2: im Schnitt das Getriebe längs der Linie A-A in Fig.1 , wobei die in Fig.1 nicht dargestellten Gehäusedeckel und Kettenritzel dargestellt sind,
Fig. 3: im Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2 Pendelarme, Pleuel und Verstellteil des sich lastdynamisch, selbsttätig zum Pendelarm verkantenden Gleitteils,
Fig. 4: in Schrägansicht ein geschlossenes Getriebe samt Kettenritzel und rohrförmigem Teil des Getriebegehäuses mit dem diesen Teil ummantelnden Spannkonus und
Fig. 5: eine schematische Darstellung des Getriebes am Fahrrad montiert, wobei außerdem ein Steuercomputer und ein Radfahrer auf dem Fahrrad gezeigt ist. In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Getriebe mit offenem Gehäuse 21 (ohne Gehäusedeckel 22) gezeigt, so dass die Pendelarme 4, die Kurvenscheibe 16, Freiläufe 2, 14, 15 (ohne Kettenritzel 3) und Pleuel 13 im Detail sichtbar sind. Wie aus der Zeichnung weiter ersichtlich ist, sind nur eine Kurvenscheibe 16 und nur zwei radial um das Drehmittel der Treterwelle 1 zueinander versetzte Pendelarme 4 vorhanden.
Auf den im Querschnitt T-förmigen Pendelarmen 4 ist je ein verschiebbarer Verstellteil 11 angebracht, welcher sich unter Last verkantet (Konstruktion des Verstellteils 11 siehe Fig.3). Eine solche Arbeitslast tritt auf, während sich der Pendelarm 4 vom Gehäuseäußeren hin zur Mitte des Gehäuses 21 bewegt. Dann wird über den dermaßen druckbelasteten Pleuel 13 die abwechselnde oszillierende Hubbewegung 10 der Pendelarme 4 abwechselnd auf je einen der Freilaufringe 14 übertragen. Jeder Freilaufring 14 dreht sich entsprechend des Hubwegs 10 des Pleuels 4 um mehr oder wenigere Grad - einen variablen Teil einer Gesamtumdrehung - weiter. Auf Grund der dermaßen erzeugten Drehrichtung schließt der drehrichtungsabhängige Klemmkörperfreilauf 15 zum Freilaufkern 2 während dieses Arbeitstaktes im Formschluss. Folglich wird über den gesperrten Freilauf 14, 15 im selben Drehwinkel und selber Drehrichtung der Freilaufkern 2 mitgedreht.
Der Pendelarmabschnitt, in welchem der Verstellteil 11 gleitend gelagert ist, ist insbesondere kreisbogenförmig, wobei der Kreismittelpunkt bei halbem Arbeitshub des Pendelarmes 4 auf der Achse der Eingangswelle 1 liegt. Zwischen dem Drehpunkt 18 des Pleuels 13 am Verstellteil 11 und dem Drehpunkt 17 des Pleuels 13 am Freilaufring 14 ist eine erste Verbindungsgerade gebildet. Zwischen dem Drehpunkt 17 des Pleuels 13 am Freilaufring 14 und der Achse der Eingangswelle 1 ist eine zweite Verbindungsgerade gebildet. Die beiden Verbindungsgeraden sind beim halben Arbeitshub des Pendelarms 4 im Wesentlichen in einem Winkel α von 90° zueinander angeordnet. Wenn das erfindungsgemäße Fahrrad im Wesentlichen ohne seitliche Neigung steht bzw. rollt, so ist es bevorzugt, wenn die zweite Verbindungsgerade in einer im Wesentlichen horizontal verlaufenden Ebene liegt.
Ehe der eine Arbeitstakt abgeschlossen ist, beginnt überlappend bereits der andere Hub / der nächste Arbeitstakt des jeweils anderen Freilaufesringes 14. Dadurch entsteht insgesamt eine durchgehende und ununterbrochene Drehbewegung am Freilaufkern 2. Die Form der Arbeitstaktflanke der Kurvenscheibe 16 ist so gewählt, dass die Drehbewegung auch gleichförmig - ohne jegliche rhythmische Zunahme oder Abnahme der Drehgeschwindigkeit - erfolgt.
Die entscheidende Verbesserung gegenüber älteren, ähnlichen Getrieben ist in Fig.1 ersichtlich. Der Freilaufkern 2 ist frei drehbar auf der Treterwelle 1 angeordnet. Die Anordnung der Freiläufe 2, 4, 5 auf der Treterwelle 1 ermöglicht, dass die oszillierende, sich gegenseitig im Arbeitstakt überlappende Bewegung der beiden Pendelarme 4 noch innerhalb der Getriebekapsel 32 wieder in Drehbewegung einer Ausgangswelle 2 gewandelt wird. Dadurch, dass die rotierende Ausgangswelle 2 sich an der Getriebekapsel 32 befindet, kann auf jeglichen Getriebeteil am Hinterrad 34 des Fahrrades verzichtet werden. Die Kette überträgt die Drehung vom dem sich vorne auf der Getriebekapsel 32 befindlichen Ritzel 3 ohne weitere schaltbare Getriebeteile auf das Hinterrad 34. Am Hinterrad 34 ist also nur noch ein einzelnes Kettenrad (Ritzel) erforderlich, welches während der Vorwärtsdrehung formschlüssig über den Freilauf 2, 14, 15 zum Hinterrad 34 verbunden ist.
Das Verstellen der Verstellteile 1 erfolgt in die eine Richtung durch eine Rückstellfeder 31 , während dessen der Bowdenzug 26 entsprechend Seil nachlässt und gegenüber dieser Federkraft nachgibt. In die andere Richtung zieht der Bowdenzug 26 beide Verstellteile 11 parallel entgegen der Federkraft der Rückstellfedern 31 näher in Richtung der Pendelarmachse 5. Der Vorgang des stufenlosen Verstellens in seinen technischen Details ist in der AT 507 482 B und der WO 2009/114882 A beschrieben. Die Rückstellung jedes Pendelarmes 4 nach seinem Arbeitstakt erfolgt durch eine Rückstellfeder 30. Diese Rückstellfeder 30 bewirkt, dass, wenn die Tastarmrolle 7 die jeweilige Spitze („Zenit") eines Zahnes der Kurvenscheibe 16 erreicht hat - also der Arbeitshub beendet ist -, diese nicht von der Kurvenscheibe 16 abhebt und entsprechend der Kontur der Kurvenscheibe 16 wieder in Richtung der Mitte der Kurvenscheibe 16 beschleunigt wird. Die Federkraft der Rückstellfeder 30 muss den Beschleunigungskräften der beschleunigten Rückstellbewegung entsprechen. Um diese Kräfte der Rückstellfeder 30 nicht all zu stark ausführen zu müssen bzw. zu minimieren zu können, sollte die Kurvenscheibe 16 entsprechende Beschleunigungsstrecken bzw. Konturen aufweisen und die Anzahl der Zähne und die Zähnhöhe (Hubhöhe) sollten bestimmte Werte nicht überschreiten. Des Weiteren soll die Kurvenscheibe 16 selbst einen möglichst großen Radius und die Tastarmrollen 7 einen möglichst kleinen Radius aufweisen. Letzter erlaubt, dass die Täler der Laufkonturen auf der Kurvenscheibe 16 in engen Radien ausgeführt werden können, womit wiederum der Radius der Kurvenscheibe 16 entsprechend kleiner ausgeführt werden kann. Dies bedingt, dass das Getriebe 32 insgesamt kleiner und kompakter ausgeführt werden kann.
Die Fig. 2 zeigt den Schnitt durch das Getriebe entlang der Linie A-A in Fig. 1. Im Gegensatz zur Fig.1 ist hier der Gehäusedeckel 22 und das Kettenritzel 3 dargestellt. Im Schnitt A-A ist im Schnitt durch den Pendelarm 4 und den Verstellteil 11 die besondere Form des Pendelarmes 4 erkennbar. Er weist aus statischen Gründen im Querschnitt eine T-Form auf und der Verstellteil 11 verkantet sich bzw. gleitet ausschließlich auf dem Querbalken des T-Trägers. In diesem Schnitt A-A ist auch zu erkennen, das der Freilauf 2, 14 und 15 insgesamt aus zwei axial nebeneinander angeordneten Freilaufringen 14 besteht, welche jeweils durch ein Pleuel 13 verdreht werden. In Drehrichtung des Arbeitstaktes schließt der jeweilige Klemmkörperfreilauf 15 zwischen Freilaufring 14 und Freilaufkern 2 formschlüssig. Da der Freilaufkern 2 aus einem einzigen Teil besteht, welcher beide Klemmkörperfreiläufe 15 unterlegt, kann dieses Formschließen abwechslungsweise und in überlappenden Reihenfolgen ablaufen.
Durch die Anordnung der Pendelarme 4 im Kreisbogen 8 um die Kurvenscheibe 16 und der damit möglich gewordenen annähernd radial ausgerichteten Pleuel 13 kann in weiterer Folge die gesamte Freilaufkonstruktion auf der Treterwelle 1 angeordnet werden. Diese Anordnung auf der Treterwelle 1 erlaubt, dass über das zentriert am Freilaufkern 2 verschraubte Kettenritzel 3 die oszillierende, sich gegenseitig im Arbeitstakt überlappende Bewegung der beiden Pendelarme 4 noch innerhalb der Getriebekapsel 32 wieder in eine Drehbewegung eines als Ausgangswelle dienenden Freilaufkerns 2 gewandelt wird. Dermaßen kann auf jeglichen Getriebeteil am Hinterrad 34 des Fahrrades verzichtet werden. Die Kette überträgt die Drehung von dem vorne auf dem Getriebe 32 befindlichen Ritzel 3 ohne weitere schaltbare Getriebeteile auf das Hinterrad 34.
Eine rohrförmige Verlängerung 23 des Gehäuses 21 ist im Innenlagerrohr 20 des Fahrrades einbaubar und zu verschrauben. Dazu wird mit einer außen liegenden Spanmutter 24 die Verlängerung 23 durch das Innenlagerohr 20 gezogen, wodurch der an der Spannmutter 24 widergelagerte konische Spannkonus 25 gespreizt wird. Durch diesen Spreizdruck zwischen konischem Gehäuseteil 23 und Innerlagerrohr 20 des Fahrradrahmens wird das Getriebe 32 unbeweglich gegenüber sämtlichen einwirkenden Kräften zum Fahrradrahmen 20, 36 fixiert.
Hinsichtlich des Materials des Spannkonus 25 ist es von Vorteil, wenn ein Kunststoff verwendet wird, um durch das Verspannen des Spannkonus 25 die im Innenrohrlager 20 befindlichen Gewinde (meist BSA) nicht zu beschädigen. Die Montage bzw. Demontage des gesamten Getriebes 32 kann dermaßen vorteilhaft insgesamt an jedem beliebigen Fahrradrahmen 36 durch Festziehen bzw. Lösen der Spannmutter 24 erfolgen.
Fig. 3 zeigt im Schnitt eine Detailansicht des Pendelarmes 4, des Verstellteils 11 und des Pleuels 13 zur Darstellung der Konstruktion des sich lastdynamisch selbsttätig zum Pendelarm 4 verkantenden Verstellteiles 11. Es wird im Besonderen gezeigt wie die Wirkung / der Effekt des Verkantens vonstatten geht. Dazu ist es erforderlich, dass der Drehpunkt 18 des Verstellteiles 1 zum Pleuel 13 zu den Verklemmstellen 29 seitlich zur Längsachse des Pendelarmes 4 versetzt, sowie in Richtung zur Treterwelle 1 hin versetzt angebracht ist.
Dermaßen wird erreicht, dass beim Auftreten einer Schubkraft gegen den Pendelarm 4, wie sie im Arbeitstakt gegen den Pendelarm 4 gerichtet ist, der Verstellteilteil 11 , ähnlich der Wirkung einer Schraubzwinge, sich sofort kraftschlüssig verkantet. Umgekehrt lässt sich dieser Verstellteil 11 nach Entfall der Arbeitslast ohne Widerstand leicht verschieben, der Kraftschluss wird mit Entfall der Arbeitslast sofort und ohne Losbrechkraft gelöst.
Fig.4 zeigt eine Schrägansicht des Getriebes mit geschlossenem Gehäuse 21 und der rohrförmigen Verlängerung 23. Diese rohrförmige Verlängerung 23 wird zur Montage in die Standardbohrung des Innenlagerrohres 20 (meist BSA-Norm) des Radrahmens 36 geschoben und dort dadurch fixiert, dass die Spannmutter 24 angezogen wird. Bei diesem Anziehen der Spannmutter 24 wird das Getriebe 32 im Gesamten zur Spannmutter 24 hin bewegt. Der Spannkonus 25 kann dieser Bewegung nicht folgen, da dieser an der Spannmutter 24 ansteht / widergelagert ist. Infolge wird der Spannkonus 24 am sich durch das Anziehen in axialer Richtung entgegen-bewegenden, spiegelverkehrt konischen Gehäuseteil 23 auseinander getrieben / verspreizt. Es entsteht eine Spreizbewegung des Spannkonus 25 zum äußeren Innenlagerrohr 20 des Radrahmens 36. Durch den geringen Steigwinkel vom Spannkonus 25 zum Gehäuse 23 bzw. des umgekehrt spiegelverkehrten geringen Steigwinkels des Gehäuses 23 zum Spannkonus 25 wird die Zugkraft der Spannmutter 24 als Spreizkraft erhöht. Die dermaßen erzielte Spreizkraft genügt, um das gesamte Getriebe 32 gegenüber sämtlichen Kräften verlässlich unbeweglich / starr am Fahrradrahmen 36 zu fixieren. Die Montage des gesamten Getriebes 32 erfordert also nur das einfache Anziehen der Spannmutter 24.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung des am Fahrrad montierten Getriebes 32. Es wird außerdem der Steuercomputer 28 und der Radfahrer 19 auf dem Fahrrad gezeigt. Die Darstellung zeigt den am Lenker montierten Steuercomputer 28 mit seinem Stellglied eines Elektromotors. Der Elektromotor kann natürlich auch vom Steuercomputer 28 entfernt in der Getriebekapsel 32 montiert sein. Es ist zu ersehen, dass ein Tretfrequenzmesser 39 am Innenlagerrohr 20 angebracht ist, dieser kann aber auch jeden anderen zyklisch bewegten Teil innerhalb des Getriebes 32 abfühlen, um die erforderlichen Daten an den Steuercomputer 28 zu liefern. Ein Fahrgeschwindigkeitsensor 40 sitzt üblicherweise am Vorderrad 35 und misst die Drehungszahl des Vorderrades 35. Die Anzeige am Steuercomputer 28 zeigt zumindest die gewählte Soll-Tretfrequenz an. Diese ist von Fahrer 19 zu Fahrer unterschiedlich, liegt aber meist im Bereich von ca. 70 Upm. Durch das automatisierte Verstellen der Übersetzung auch unter Last und ohne das Zutun des Fahrers 19 erbringt dieser Fahrer 19 mit gleichem Krafteinsatz eine wesentlich bessere Dauerleistung, als mit allen herkömmlichen Getrieben. Am Steuercomputer 28 ist eine Tretfrequenzanzeige 37 vorgesehen. Zudem sind am Steuercomputer 28 Eingabetasten 38 vorgesehen.
Zusammenfassend kann eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wie folgt dargestellt werden:
Gekapseltes Fahrradgetriebe mit einer stufenlos veränderbaren Übersetzung zwischen einer Eingangswelle 1 und einer Ausgangswelle 2, welches mindestens zwei um eine Achse 5 schwenkbar gelagerte Pendelarme 4 aufweist, die durch die Drehung der Eingangswelle 1 und der damit formschlüssig verbundenen Kurvenscheiben 16 in eine gleichförmige, wechselweise und sich gegenseitig in den Arbeitszyklen überlappende Hubbewegung 10 versetzt werden, welche mittels zweier Verstellteile 11 , die entlang eines Verstellweges 9 der Verstellteile 11 verschiebbar sind, in eine längenvariable Hin- und Herbewegungen der beiden Pleuel 13 wandeln und diese wechselweise Bewegung an die beiden drehrichtungsabhängigen Freiläufen 14, 15 übertragen wird, wo sie wiederum in eine kontinuierliche und gleichförmige Drehung einer Ausgangswelle 2 gewandelt wird, wobei die axial nebeneinander gereihten Freiläufe 14, 15 mit deren gemeinsamen Freilaufkern 2 mit sich deckenden Längsachsen des Freilaufkernes 2 und der Treterwelle 1 frei drehbar auf der Treterwelle 1 angeordnet sind und die Pendelarme 4 entlang deren Längsachse eine Kreissegmentform (8) aufweisen, die sich in der mittleren Stellung des Arbeitshubes 10 mit deren Kreismittelpunkt zumindest annähernd mit dem axialen Wellenmittel der Treterwelle 1 deckt.
Legende:
1 Eingangswelle (Treterwelle)
2 Freilaufkern (Ausgangswelle)
3 Kettenritzel (starr am Freilaufkern 2 angeflanscht)
4 Pendelarm (starr mit Tastarm 6 verbunden)
5 Pendelarmachse
6 Tastarm (starr mit Pendelarm 5 verbunden)
7 Tastarmrollen
8 kreissegmentförmige Trägergleitschiene des Pendelarmes 4
9 Verstellweg für das Verstellteil 11 auf dem Pendelarm 4
10 Hubweg des Pendelarmes 5
11 Verstellteil
13 Pleuel
14 Freilaufringe
15 Klemmkörperfreiläufe / drehrichtungsabhängig
16 Kurvenscheibe
17 Drehpunkt des Pleuels 13 am Freilaufring 14
18 Drehpunkt des Pleuels 13 am Verstellteil 11
19 Radfahrer
20 Innenlagerrohr
21 Getriebe-Gehäusekapsel
22 abnehmbarer Deckel der Gehäusekapsel 21
23 rohrförmiger Teil der Getriebekapsel 21 (mit spiegelverkehrter konischer äußerer Kontur zum Spannkonus 25)
24 Spannmutter
25 Konischer Spannkonus (mit spiegelverkehrter Form zur konischen Gehäuseform 21 )
26 Bowdenzüge
27 elektrischer Versteilmotor, hydraulische oder sonstig angetriebenem Versteilglied
28 Steuercomputer
29 Verklemmstellen des Verstellteil 11 auf der Trägergleitschiene 8 des Pendelarmes 4
30 Rückstellfeder für die Pendelarme 4 und die Tastarme 7
31 Rückstellfeder für die Pleuel 13 und Gleitteile 11
32 Getriebe gesamt (21 , 22, 23)
33 Tretkurbel
34 Hinterrad
35 Vorderrad
36 Fahrradrahmen gesamt Tretfrequenzanzeige auf Steuerungscomputer Eingabetasten auf Steuerungscomputer Tretfrequenzsensor
Geschwindigkeitssensor
Next Patent: DISCHARGE SILENCER FOR A HERMETICALLY ENCAPSULATED REFRIGERANT COMPRESSOR