Bezeic nu g der Erfindung

Gangschaltung für ein Fahrrad

Sebiet der rflf iyng;

Die Erflndyng betrifft ©ine Gangschaltung für ein Fahrrad, umf ss d ein Wechselgetriebe und einen elektromeehanischen Aktor mm _. . Auslöse eines Gangwechsels des Wechselgetriebes. Hlntergryncl der Effmd ng

Fahrräder sind zumeist mit einer Gangschaltung ausgerüstet die ein Wechselgetriebe umfassi das üblicherweise entweder als Nabenschalfung oder als etfcenschattung ausgebildet ist. Der Fahrer wählt die entsprechende Gangstufe mittels eines Handschalters, der z, 8, als am Lenker angebrachter Prehsehalter ausgebildet sein kann. Dieser Schalter ist mittels eines Seil ugs mit dem Wechselgetriebe verbunden.

Eine eiektronieehaniscrre Gangschaltung für ein Fahrrad ist aus der DE 41 28 866 AI bekannt Diese Gangschaltung umfasst einen Bediensteten ein Getriebe, beispielsweise eine Gefrlebenahe eder eine Ketienschaffung, und eine eiektro mechanische Versteilvorrlchfyng, Die Verstellvorrichtung Ist mit einem Seilzug gekoppelt so dass durch eine Verschiebung der Versteilvorrichtung das Getriebe geschaltet werden kann.

H rkömmlic Gangschaltungen für ein Fa rrad können jederzeit geschalte werden, insbesondere auch unter Last das heißt, wenn das vom Fahrer auf die Tretkurbel übertragene Drehmoment maximal Ist. Sowohl bei Nabenschaltan-' gen als auch bei Kettensehaltungeu tritt allerdings erhöhter Versohlet auf, wenn sie be hoher Belastung geschaltet werden.

Der Erfindung Hegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gangschaltung für ein Fahrrad anzugeben« bei deren Betätigung das Getriebe geschont wird und durch die der Fahrer entlastet wird. usammenfassung der Erfindung _. Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Gangschaltung für ein Fahrrad der eingangs genannten Art erf dungsgemäE vorgesehen, dass eile Gangschaltung einen Tretsensor um Erfassen der Position einer Tretkurbel aufweist sowie eine Steuerungseinnchftfng, di dazu ausgebildet ist den Aktor dann zu aktivieren, wenn sich die Tretkurbel In der Nähe ihres unteren oder oberen Totpunkts befindet.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass ein mechanischer Schalvorgang erst dann ausgelöst wird, wenn sieh die Tretkurbel in einer dafür günstigen Position befindet Eine guns ifje Position liegt dann vor, wenn das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment minimal Ist, das helit wenn sich eine Tretkurbel In der Nähe Ihres unteren oder oberen Totpunkts befindet, vorzugsweise kurz davor, Dazu weist die Gangschaltung erflndungsge iiS wenigstens einen Tretsensor auf, um die Position der Tretkurbel Z erfassen, M Ittels des Tietsensors kann de Zeitpunkt detekfiert werden, an dem sich die Tretkurbel an einem be~ stimmten Punkt befindet. Aus diesem Sensorslgnal kann der Zeitpunkt bestimmt werden, an &m sieh die Tretkurbel an ihrem oberen oder unteren Totpunkt befindet. Die Steuerungsvorrichtung der erflndungsgemäSen Gangschaltung Is so ausgebildet, dass der Schaltvorgang genau dann ausgelost wird, wenn sich die Tretkurbel an ihrem oberen oder unteren Tetpunkt oder kurz da- vor befindet. Ein Sehaltvorgang benötigt etwa Zelt, um den Scbaltweg von einer Sangstufe In eine andere Gangstufe zu vollziehen. Diese sogenannte Totzelt kann durch Vorhallen anhand des Signals des Trefsensors erfolgen, so dass der Gangweehsel xakt Im oberen oder sinteren Tetpunkt so erfolgt., während aitenfalis eine geringe Last a iegt, wodurch das Getriebe geschont wird.

Vorzugsweise ist der Trotsensor auch zum Messe ? des vom Fahrer aufge- δ rachten Drehmoments ausgebildet und d e Gangschaltung weist einen Ge~ sohwindlgkeifssenso auf, wobei die Steuoryngseinrlehtung; dm usge lde ist, den Zeitpunkt der Aktivierung des Aktors anhand dies erfassten Drehmoments wieder der: edassten Geschwindigkeit festzulegen. Die erfindungsge- mlße ^: Gangschaltung zeichnet sie somit dadurch aus, dass sie automatisch0 schaltet, wobei die Ätitivierung des Aktors zu ei em günstigen Zeitpunkt erfolgt, sodass der Schaltvorgang kur vor einem Totpunkt der Tretk elorndfehung erfolgt, um das Wechselgetriebe zu schonen,

Erfindungsgemäß kann es auch vorgesehen sein, dass die Steueryngseinricb-5 long dazu ausgebildet ist, den Sohaitvonj&ng auszulösen, wenn sich die Tretkurbel 2 f _: vorzugsweise W-, vo dem nteren oder oberen Totpunkt befindet, innerhalb diese Winkeiberelche Ist das vom Fahrer aufgewendete Drehmoment vergleichsweise gering, so dass es zur Schonung des Getriebes zweck- mä&ig _: den Sohaitvorgang währenddessen auszulösen,

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Der bei der ertlnduogsgemäfen Gangsobaltung vorgesehene Aktor kann vorzugsweise als Unearak or ausgebildet sein, insbesondere als Planetenwälzge- windetrieb oder als Kugelgewindetrieb oder als GleltsplndeL Generell sind alle ünearakfeten geeignet, die einen elektrischen Antrieb aufweisen und siehb durch einen geringen Bauraum und eine geringe Masse auszeichnen, so dass sie für den Ein- oder Anbau an einem Fahrrad geeignet sind.

Bei der erfindungsgemäilen Gangschaltung kann es vorgesehen sein, dass der Aktor Im Inneren eines Rahmenrohrs, insbesondere Im Sattelrobf ode in einer0 Kettenstrebe des Fahrrads, angeordnet ist Durch den geschützten Einbau ergibt sich eine besonders lange Lebensdauer, da der Aktor dann vor Witte- rungselnflössen geschützt ist. Das entsprechende Rohr, in dem der Aktor angeordnet lst _; . kann eine: iobrung aufweisen, durch die ein Seii ug geführ ist, der wiederum mit einer Komponente des Getriebes vereunden: ist, um einen Schaltvorgang auszulösen. Eine Weiterbildung der Erfindung sie t vor, dass der Aktor, insbesondere ein bewegbarer Teil des Aktors, einen Fosidonssensor aufweist der vorzugsweise als Unearmaistab ausgebilde st Der UnearmaS- stab kann auch eis Leifpo entiemeter ausgebäldet sein, so dass ein Positicms- Signal durch die Messung eines elektrischen Widerstands erfassf werden k nn,. Alternativ kommen fedoch auch andere physikalische Messprinzipien in Frage, um ei Posrtlonsslgnal zu erfassen, die: Erfassung kann beispielsweise _: magne-> foreslstiv, magnetostrlktlv,, kapazitiv oder induktiv erfolgen,

Bei der emndungsgemä&en Gangschaltung wird es bevorzugt, dass sie einen Energiespeicher i einen Akku oder eine Batterie oder einen Kondensator aulwessi um den Aktor mit Strom versorgen. Gegebenenfalls Hann der E~ nerglespelcher an einer geschützten Stelle untergebrach sein, beispielsweise in einem Rahmenrohr.

Alternativ kann der Aktor bei der erfindimgsgemäSen Gangschaltung mit einem Dynamo eines Fahrrads verbindhar oder verbunden sein. Bei dieser Ausgestaltung erhalt de Aktor die für den Betrieh erforderliche Energie von dem Pyna- mo. tiur^e Beschreibung der Zeichnu g

Ein Ausfuhrungsselsplel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wirdm f olgenden naher beschrieben. Es zeigen;

Figur 1 den qualitativen Verlauf des Drehmoments:

Figur 2 die wesentlichen Komponenten eines Fahrrads mit einer erflm dungsgemä en Gangschaltung; und

Figu 3 einen Aktor einer erfindungsgen a en Gangschaltung, usfü rliche ^' Beschreibung ^r Zeic rmrtg

Figur 1 ist e n Diagr mm, das qualitativ den Verlauf des Df hniornents eigt, wenn die Tretkurbel durch de« Fahrer bewegt wird. Auf der senkrechten Achse ist dabei qualitativ das Drehmoment oder Tfittmomeot aufgetragen, auf der horizontalen. Achse sind der von einer Tretkurbel zurückgelegte Weg und verschiedene Pedalstetlungen dargestell .

In Figu erkennt man, dass des mit dem: 8ei:ugsz ieben 1 gekennzeichnete Dre mome t oder Triitmoment im Wesentlichen einen sinusförmiger* Verlauf ^• beste, das höchst Drehmoment wird dann erreicht, wenn sich die Pedale in horizontaler Position befinden. In diesem: Zustand kann die vorn Fahrer- aufgebrachte ^' Kraft näherungsweise senkrecht auf di Tretkurbel wirken, dementsprechend ist das Drehmoment in diesem Zeitpunkt maximal Bei einer Kurbel- Umdrehung tritt diese Maximum zweimal auf., die beiden äteima sind um 180* z einander v rs tzt Zwischen den zwei xime existiert eine Position, in der die Tretkurbeln senkrecht stehen, in dieser Situation ist das übertragene Drehmoment minimal. An diesem Punkt 2 wird der Schaltvorgang durch eine Staue- rungseinnchtting ausgelöst da dann das auf das Wechselgetriebe ausgeübte Drehmoment minimal ist Dementsprechend kann auf diese Weise der durch Schaltvorgänge bedingte Verschleiß minimied werden, wodurch sich die Lebensdauer des Wechselgetriebes erhöht.

Figu 2 zeigt dse wesentlichen Komponenten eines Fahrrads 3, das mit einer Gangschaltung ausgerüstet ist. Die Gangschaltung urnfasst ein Wechselgetriebe, das in dem dargestellten uslöhrungsbeispiet als Getriebenabe 4 ausgebildet Ist. Die Getriebenabe urnfasst ein Planetengetriebe, das mittels eines Seilzugs geschaltet wird. Eine Steueruugseinriehtung $ _:> die tum Steuern eines elektromechanischen Aktors.- 9 ausgebildet ist, ist mit einem Tretsensor 15 und einem am -Fahrrad- rahmen angebraohten Geschwindigkeitssenso 0 verbunden. Alternativ oder a zusät lic kann ein Geschwindigkeiissignal auch aus ei em Oynarnostron oder dem Signal eines GPS-Sensors abgeleitet werden.

Der Aktor 9 wird sp ter anhand der Figur 3 im Pigi ii beschrieben. In Figur erkennt m n, dass sich der Äkior 9 im Inneren des Saiteirohrs 10 befindet, er weist die Grundform eines ylinders auf, Der Seilzug 5 verläuft, entiang der Keltenstrebe 1 passiert eine Um!eoksie!le 12 und gelangt von dort durch eine Öffnung 13 des Sattelrohrs 10 in dasjni ere des Sahefrohrs zum Äkior 9. Durch eine Betätigung des Aktors kann somit de Seiizug 5 gezogen werden, wo- durch ei Scha!tvorang _. der Getriebeoahe 4 ausgelöst wird. Wenn durch den Aktor 9 eine Zugkraft auf den Seiizug § ausgeübt wird, wird eine im Inneren der Gefhehenabe 4 angeordnete Feder gespannt, die bei nachlassender Zugkraft, das hei&t wenn der Aktor 8 so betätigt wi d, dass der Sefeug 5 nachgelassen wi d, diesen wieder zurück zur Getriebenabe 4 zieht

Im Bereich des Tretlagers 14 des Fahrrads 3 ist der Tretsensor 15 angeordnet, der ein Sensorsigna! liefert, wenn die Tretkurbel 18 den Tretsensor 15 passiert. Bei jeder Umdrehung der Tretkurbel 1 passiert diese den Tretsenso 15, so dass der obere Totpunkt der Tretkurbel 1$ exakt delegiert werden kann, Aul diese Weise Ist die Länge der Totzeit und der Zeitpunkt zum Vorhalten der Totzeit und zum Auslösen des Aktors 9 bestimmbar.

Wenn die Steuerungseinrichtung 8 einen Schaltvorgang auslöst, wird das Scbaltsignai über die Leitung 7 an die Steuerungseinrichtung 8 übertragen, Daneben wird der S euerungsetnhehtuog 8 auch das von dem Tretsensor 15 gelieferte Signa! zugeführt Die Sfeuer ngselnrichtung 8 Ist so ausgebildet, dass sie einen Schalhrorgang durch Betitigen des Aktors 9 dann auslöst, wenn sich die Tretkurbel kur vor ihrem oberen Totpunkt ode In der Nähe ihres oberen Totpunkts befindet. Da der untere Totpunkt der Tretkurbel 16 dem oberen Totpunkt um 180* gegenüberliegt, kann die Sieuerunpseinhcbtung 8 auch dann einen Schaiivorgang auslösen, wenn sich die Tretkurbel 18 an ihrem unteren Totpunkt befindet Es ist nloH erforderlich, dass der Schaltvorgang exakt im oberen oder untefw Totpunkt einer Tretkurbel ausgel st wird; ein Sehaltvargang kann auch innerhalb eines Bereichs von ± 2ö\ vorzugsweise ± W um einen Totpunkt herum ausgelöst werden. Vorzugsweise erfolgt die Auslösung kurz vor dem Erreichen S eines Totpunkts.

Figur 3 zeigt den Aktor 9 einer Gangschaltung, Der in dem Sattelrohr 10 angeordnete Aktor 9 umfasst einen Elektromotor 30, der ber L itung n .17, 18 mit einem Dynamo des Fahrrads 3 verbunden ist. Ein Kondensator 19 Supemap)Ö dient als usa hdiehe Energlespeloher oder Energiepuffer, Auf einer Platine 20 befindet sich neben dem Kondensator 19 die Sfeuerungseinrichtung 8 sowie gegebenenfalls weiter elektronische Bauteile, die für die Steuerung benötigt werden. Der ^' Elektromotor 30 weist ein Untersetaingsgetrieb 21; auf, durch das eine Spindel 22 angetrieben wird. Die Spindel 22 ist mittels eines Wätetegers§ 23 gelagert, Mittels der Spindel 22 wird eine durch den Elektromotor 30 usgelöste Drehbewegung In eine Unearbewegung einer Mutter 24 umgewandelt. Die Spindel 22 weist dazu eine oder mehrere Gewinderlien auf, die In Eingriff mit entsprechend gegengielch ausgebildeten Gewinderillen der Mutter 24 sind. Wenn der Elektromoto 30 durch ein Signal der Steueriingseinricl ung 8 einge-0 schaltet wird, wird die Spindel 22 gedreht, wodurch die Mutter 24 und ein bewegbarer Teil 25 des Aktors 9, an dessen Ende der Seiteug 5 angebrach! ist, linear verschoben wird, in der Ansicht von Figur 3 nach rechts oder links. Auf diese Weis kann das; an dem bewegbaren Teil 25 des Aktors § angebrachte Ende des Seils 5 entlang des Saflelrohrs 10 bewegt werden.. Dementsprechend5 kann durch Betätigen des Aktors 9 ein Sehaltvorgaog der Getriebenahe 4 ausgelöst werden.

An dem Saifelrohr 0 Ist eine quer angeordnet Schraube 26 angeordne durch die der Aktor 9 fest mit dem Saftelrohr 1ö verbunden wird,

An einem ortsfesten Abschnitt eines Akforgehäusas 27 Ist an der Innenseite ein ünearmallsfab 28 vorgesehen, der als Leitpotentiometer ausgebildet ist. An der verschiebbaren fetter 24 befindet sich ein ontaktsiüek 20, das den eis Potentiometer diene den, üne&mia&sta 28 berührt Das e tsp ec ende Po~ tentiometerslgnai wird der Steuerungseliwichtunö; 8 zugeführt ond dient s Po- siti nssigmal der Mutter 24, Auf diese: Welse kann die aktuelle Position der uter 24 und damit die Position des Endes des Seflzugs 5 jederzeit erfasst er- den.

Von der Steuerungseinrlohtung 8 werden das von dem Tretsensor 16 gelieferte Sensorsignal und das von dem Geschwindigkeitssensor 8 gelieferte Gesc wlo- dlgkeitssignal ausgewertet. Das v eiern Tretsensor 16 gelieferte Sensorsignal liefert uc eine Information ober das vem Fahrer aufgebrachte Drehmoment- Wenn sich die Tretkurbel 16 ihrem oberen «der unt m Totpunkt nähert, wird o der Sfe erungseinnohtung 8 der Aktor 8 aktiviert so dass äu h eine Drehung der Spindel 22 die Mute 2 verschonen wird. Bei einer Verschiebung der Mutter 24 in der in Figu 3 gezeigten Ansicht nach links wird der Seilzug 5 ge ^» spannt, das heißt das entgegengesetzte, an der Getriebenabe 4 angebrachte Ende des Se izugs S wird gezogen, wodurch der gewünschte Schattvorgang ausgelöst wird. Durch di ^ertliche Koordination mit der Trittfrequenz ist sichergestellt dass ein Schalfecrgang nur dann durchgeführt wird, wenn das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment minimal Ist, wodurch die Getrieh nahe 4 geschont wird.

Die Gangschaltung und der Akto 9 können sowohl bei herkömmlichen Fahrrädern, die keinen Zusaf antrieh aufweisen, als auc hei E-Sikes und bei sogenannten Pedelees, Fahrrädern mit elektrischem Hllfsantrieb. eingesetzt werden,

1 Drehm ment

2 Punkt

3 Fahrrad

4 Geinefeenabe

§ Setteug

6 Geseh indigkeitssensor

7 Leitung

8 Steueryogseinflchtung

9 Aktor

0 Satfelrofir

1 i Kettensirefoe

12 UrnienksteHe

1 Trettager

15 Tretsensor

Tretkurbel

1? Leitung

18 Leitung

19 Kondensator

20 Platine

21 Untersetzungsgetr ebe

22 Spindel

23 lzlage

24 Mütter

25 teil

28 Schraube

27 Ak orgehätme

28 Une&rmaSstafo

29 ontak üek-

30 Elektromoto