DE4027203A1

DE4027203A1 - Fahrradantrieb mit gangschaltung

Info

Publication number: DE4027203A1
Application number: DE4027203A
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Takahara; Akira Takami
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-08-28
Filing date: 1990-08-28
Publication date: 1991-03-14
Anticipated expiration: 2010-08-29
Also published as: DE4027203C2; JPH0377797U; US5142937A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrradantriebs vorrichtung mit Gangschaltung, wobei eine Gangschaltungsein richtung durch Kombination eines Paares nicht-kreisformiger Zahnräder bzw. Getrieberäder verwendet wird.

Bei einer üblicherweise weitverbreiteten Fahrradantriebs vorrichtung mit Gangschaltung ist zwischen ein Kurbelketten rad bzw. einem Kurbelzahnkranz und einen seitlichen Zahn kranz am Hinterrad eine außenliegende Gangschaltung zwischengeschaltet, die eine Vielzahl von Kettenrädern aufweist, die sich in der Anzahl der Zähne unterscheiden und zur Befestigung an ein gekröpftes Zahnrad oder einen Freilauf am Hinterrad konzentrisch angebracht sind, so daß ein Umwerfer eine Antriebskette zum Freilauf axial so verschiebt, daß die Kette mit einem anderen Kettenrad in Eingriff gebracht wird, wobei das Winkelgeschwindigkeits verhältnis geändert wird.

Bei einer solchen Antriebsvorrichtung mit Gangschaltung besteht das Problem darin, daß das Winkelgeschwindigkeits verhältnis nur stufenweise geändert werden kann und ein glattes Schalten der Gänge bei einem großen Drehmoment unter Umständen nicht möglich ist.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Fahrradantriebsvor richtung mit Gangschaltung zu schaffen, bei der das Winkel geschwindigkeitsverhältnis im wesentlichen stufenlos änder bar ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Fahrrad antriebsvorrichtung mit Gangschaltung zu schaffen, bei der ein glattes Schalten der Gänge möglich ist.

Eine weitere wesentliche Aufgabe der Erfindung ist es, eine Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung zu schaffen, die eine automatische Nachlauffunktion durch ein Drehmoment in Höhe des Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses aufweist.

Schließlich ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung zu schaffen, bei der eine Pedalkurbel gleichmäßig gedreht werden kann, ohne daß bei einer Umdrehung der Kurbel der Widerstand gegen das Treten nahe der Totpunkte plötzlich nachläßt.

Die Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei der Gangschaltung ein Paar nicht kreisförmiger Zahnräder verwendet wird, die eine Exponentialfunktions-Winkelge schwindigkeits-Modulation ausführen, und weist auf: eine Primär-Winkelgeschwindigkeits-Modulationseinrichtung mit einem ersten nicht kreisförmigen Zahnrad, das an einer ersten drehbaren Welle einer Antriebswelle befestigt ist, und einem zweiten nicht kreisförmigen Zahnrad, das auf einer zweiten drehbaren Welle gelagert ist; eine Sekundär- Winkelgeschwindigkeits-Modulationseinrichtung mit dem zweiten nicht kreisförmigen Zahnrad und einem dritten nicht kreisförmigen Zahnrad, das über eine Einwege-Kupplung mit einer dritten drehbaren Welle einer Abtriebswelle verbunden ist; und eine Feder zur Vorspannung der Modulationsein richtungen, so daß ein relativer Winkel zwischen der ersten drehbaren Welle und der dritten drehbaren Welle im Bereich der zweiten drehbaren Welle erhöht wird. Es finden jeweils eine Vielzahl von Sets solcher Primär- und Sekundär- Winkelgeschwindigkeits-Modulationseinrichtungen Verwendung, wobei das erste nicht kreisförmige Zahnrad eines jeweiligen Sets so in der Phase verschoben wird, daß es am ersten nicht kreisförmigen Zahnrad eines entsprechenden Sets befestigt ist.

Somit werden die Primär- und die Sekundär-Winkelgeschwindig keits-Modulationseinrichtung verwendet, um eine Modus änderung in Form einer stufenlosen Exponential-Erhöhung oder -Verringerung der Winkelgeschwindigkeit zu ermög lichen, und die Einwege-Kupplung ist so zwischengeschaltet, daß eine Umdrehung nur in einer Richtung auf die dritte drehbare Welle (Abtriebswelle) übertragen wird. Ein durch das Treten erzeugtes Drehmoment bewirkt, daß der relative Winkel gegen eine Vorspannung der Feder verkleinert wird. So ist ein automatischer Kontrollmechanismus für das Winkel geschwindigkeitsverhältnis durch das Drehmoment gegeben.

Nach dem Wirken eines Drehmoments von einer Pedal- Kurbelwelle auf die erste drehbare Welle der Antriebswelle wird das Drehmoment über die Primär- und Sekundär- Winkelgeschwindigkeits-Modulationseinrichtung mit einem Paar von nicht kreisförmigen Zahnrädern an den jeweiligen Sets und die Einwege-Kupplung an die dritte drehbare Welle der Abtriebswelle übertragen. Wenn die Pedalkurbel einen Zwischenwinkel zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt einnimmt, wird die Anzahl der Umdrehungen der Abtriebswelle durch eine Verkleinerung des relativen Winkels durch das Lastdrehmoment der Abtriebswelle gegen die Vorspannkraft der Feder verringert, wobei das Winkelgeschwindigkeits verhältnis der Abtriebswelle bezüglich der Antriebswelle automatisch kontrolliert wird, damit ein stufenloses Schalten ermöglicht wird. Wenn die Pedalkurbel einen Winkel nahe der jeweiligen Totpunkte einnimmt, verringert sich das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis des dritten nicht kreis förmigen Zahnrads bezüglich der Antriebswelle auf 1 oder weniger, die Einwege-Kupplung befindet sich im Leerlauf, und die Antriebskraft wird nicht an die Abtriebswelle übertragen, aber die Umdrehungszahl der Abtriebswelle bleibt durch die Trägheit erhalten.

Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann alternativ ein Hilfskettenrad aufweisen, das über eine Einwege Kupplung auf der ersten drehbaren Welle gelagert ist, und eine Antriebskette, die über das Hilfskettenrad, das Ausgangs-Kettenrad an der dritten drehbaren Welle und ein Hinterrad-Kettenrad gespannt ist. Bei einer solchen Vorrichtung wird, wenn sich die Pedalkurbel in einem Winkel nahe der jeweiligen Totpunkte befindet und das Winkelge schwindigkeitsverhältnis der Abtriebswelle bezüglich der Antriebswelle weniger als 1 wird, die durch die Pedalkurbel erzeugte Umdrehung der Antriebswelle aufgrund des Vorhan denseins des Hilfskettenrades auf das Hilfskettenrad, und die Antriebskraft auf die Abtriebswelle übertragen, wobei das Ausgangs-/Eingangs-Winkelgeschwindigkeitsverhältnis bei 1 gehalten wird. Deshalb kann die Pedalkurbel gleichmäßig gedreht werden, ohne daß bei einem Winkel nahe der jeweiligen Totpunkte der Widerstand plötzlich geringer wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Aus führungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels einer Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Hauptteil davon darstellt,

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Vorderansicht, die den Eingriff des ersten und zweiten nicht kreisförmigen Zahnrades zeigt,

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 ein Diagramm, das ein Winkelgeschwindigkeitsverhält nis zwischen dem ersten und zweiten nicht kreisförmigen Zahnrad zeigt,

Fig. 6 eine Vorderansicht des Eingriffs des ersten, zweiten und dritten nicht kreisförmigen Zahnrades,

Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie VII-VII in Fig. 6,

Fig. 8 ein Diagramm, das Winkelgeschwindigkeitsverhältnisse zwischen dem ersten und dritten nicht kreisförmigen Zahnrad zeigt,

Fig. 9 ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem kontinuierlich konstanten Wert des Winkelgeschwindigkeits verhältnisses und dem relativen Winkel zeigt,

Fig. 10 ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem relativen Winkel und einem torsionselastischen Drehmoment einer Feder zeigt,

Fig. 11 ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen einem Ausgangsdrehmoment und einem Ausgangs-/Eingangs- Winkelgeschwindigkeitsverhältnis zeigt,

Fig. 12 eine Vorderansicht des Hauptteils eines modifi zierten Ausführungsbeispiels der Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 13 eine Schnittansicht entlang der Linie XIII-XIII in Fig. 12, und Fig. 14 ein Diagramm, das ein Variationsschema in einem Geschwindigkeitsänderungsverhältnis bezüglich eines Pedalkurbelwinkels zeigt.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Ausführung der Erfindung, in der Bezugsziffer 1 eine gegabelte Kettenhalterung am Fahrradrahmen bezeichnet. Eine rückwärtige Gabel 2 zur Halterung einer Hinterradwelle 3 ist an der Kettenhal terung 1 befestigt. Bezugsziffern 10, 20 bzw. 30 bezeichnen jeweils eine erste, zweite bzw. dritte drehbare Welle. Die erste drehbare Welle 10 dient zur Befestigung eines ersten nicht kreisförmigen Zahnrades lla an einem ersten Set und eines ersten nicht kreisförmigen Zahnrades 11b an einem zweiten Set bei einer Phasendifferenz von π/2 Radian. Die zweite drehbare Welle 20 dient zur Befestigung eines zweiten nicht kreisförmigen Zahnrades 21a an dem ersten Set und zur drehbaren Lagerung eines zweiten nicht kreis förmigen Zahnrades 21b an dem zweiten Set durch ein Lager 26. Durch die dritte drehbare Welle 30 wird ein drittes nicht kreisförmiges Zahnrad 31a an dem ersten Set und ein drittes nicht kreisförmiges Zahnrad 31b an einem zweiten Set durch Lager mit der Funktion einer Einwege Kupplung (im folgenden bezeichnet als Lager mit Einwege Kupplung) 37 gelagert. An der Kettenhalterung 1 ist ein Paar von zwei jeweils seitlich angeordneten Befestigungs rahmen 60 und 61 befestigt, die in einem vorbestimmten Abstand zueinander einstückig miteinander verbunden sind. Die Befestigungsrahmen 60 und 61 lagern an ihrem vorderen Endabschnitt die erste drehbare Welle 10 durch die Lager 64 und 65, und die dritte drehbare Welle 30 wird durch die Lager 62 und 63 in Langlöchern 60b und 61b, die an einem Endabschnitt der Arme 60a und 61a der Befestigungsrahmen 60 und 61 vorgesehen sind, so gelagert, daß sie in den Löchern 60b und 61b drehbar und in Längsrichtung der Löcher beweg bar ist. Auf der ersten drehbaren Welle 10 ist durch die Lager 72 und 73 ein Paar von zwei jeweils seitlich ange ordneten ersten beweglichen Rahmenteilen 70 und 71, die im vorbestimmten Abstand zueinander einstückig miteinander verbunden sind, drehbar gelagert. Die ersten beweglichen Rahmenteile 70 und 71 dienen zur drehbaren Lagerung der zweiten drehbaren Welle 20 durch die Lager 74 und 75. Auf der zweiten drehbaren Welle 20 ist durch die Lager 82 und 83 ein Paar von zwei jeweils seitlich angeordneten zweiten beweglichen Rahmenteilen 80 und 81, die in einem vorbe stimmten Abstand zueinander einstückig miteinander verbunden sind, drehbar gelagert. Die zweiten beweglichen Rahmenteile 80 und 81 dienen zur drehbaren Lagerung der dritten drehbaren Welle 30 durch die Lager 84 und 85.

Ein seitliches Eingangs-Kettenrad 15 ist an der ersten drehbaren Welle 10 befestigt. Die Antriebsumdrehungen werden zum Beispiel in einem Geschwindigkeitsverhältnis von 2 durch eine Antriebskette 16, die über das Kettenrad 15 und ein an der Pedalkurbel (nicht gezeigt) befestigtes Kurbelkettenrad (nicht gezeigt) gespannt ist, auf das Ket tenrad 15 übertragen. Auf der anderen Seite ist ein seitliches Ausgangs-Kettenrad 35 an der dritten drehbaren Welle 30 befestigt. Die Umdrehungen der Abtriebswelle werden durch eine Antriebskette 91, die über das Ketten rad 35 und ein mit einem Freilauf (nicht gezeigt) verbun denes Hinterrad-Kettenrad 90 gespannt ist, an eine Hinter radnabe (nicht gezeigt), die durch ein Lager auf der Hinter radwelle 3 gelagert ist, übertragen.

Eine Feder 50 ist zwischen einen Stift 70a an dem ersten beweglichen Rahmenteil 70 und einen Stift 80a an dem zweiten beweglichen Rahmenteil 80 gespannt, wodurch eine Vorspannkraft erzeugt wird, die einen relativen Winkel α im Bereich der zweiten drehbaren Welle 20 zwischen dem ersten beweglichen Rahmenteil 70 bzw. 71 und dem zweiten beweg lichen Rahmenteil 80 bzw. 81 vergrößert. Ein variabler Bereich des relativen Winkels α ist zum Beispiel 0 bis π/3 Radian. Wenn auf die beweglichen Rahmenteile 70 und 80 außer der Vorspannkraft der Feder 50 keine Kraft von außen einwirkt, wird die dritte drehbare Welle 30 an das eine vordere Ende der Langlöcher 62 und 63 an den Befestigungs rahmen 60 und 61 gedrückt, so daß der relative Winkel α π/3 Radian beträgt. Der relative Winkel α ist kleiner als π/3 Radian, wenn gegen die Vorspannkraft der Feder 50 ein Lastdrehmoment erzeugt wird, und auf die Rahmenteile eine die beweglichen Rahmenteile 70 und 71 um die erste drehbare Welle 10 drehende Kraft einwirkt. Wenn das Lastdrehmoment einen Wert übersteigt, der durch den Maximalwert der Vorspannkraft der Feder 50 festgelegt wird, wird die dritte drehbare Welle 30 an das andere Ende der Langlöcher 62 und 63 gedrückt, und der relative Winkel α wird 0. Der Zustand α = 0 wird durch die Lage der Kette in Fig. 1 gezeigt.

Beim obengenannten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung stellen die erste, zweite und dritte drehbare Welle 10, 20 und 30, das erste, zweite und dritte nicht kreisförmige Zahnrad 11a, 21a und 31a am ersten Set, und die ersten und zweiten beweglichen Rahmenteile 70/71 und 80/81 ein Set des Elementmechanismus′ zur Durchführung der Winkelgeschwindig keits-Modulation gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die drehbare Welle 10, 20 und 30, das erste, zweite und dritte nicht kreisförmige Zahnrad 11b, 21b und 31b an der zweiten Zahnradanordnung und die ersten und zweiten beweglichen Rahmenteile 70/71 und 80/81 stellen das andere Set des Elementmechanismus′ zur Durchführung der Winkelgeschwin digkeits-Modulation dar. Wenn bei einer Fahrradantriebs vorrichtung mit Gangschaltung mit einem solchen aus zwei Sets bestehenden Elementmechanismus die erste drehbare Welle 10 als die Antriebswelle und die dritte drehbare Welle 30 als die Abtriebswelle benutzt wird, verändert sich in einem Bereich der Wert eines Verhältnisses einer Winkelgeschwindigkeit ω₃, die durch die dritte drehbare Welle 30 gewonnen wird, bezüglich einer Winkelgeschwindig keit ω₁, die an die erste drehbare Welle 10 abgegeben wird, ständig entsprechend eines Wertes des relativen Winkels α, der kontinuierlich steuerbar ist. Im folgenden wird die obige Funktionsweise anhand eines Mechanismus erklärt, bei dem das Paar nicht kreisförmiger Zahnräder bzw. Getrieberäder, wie sie in der japanischen Patentan meldung Nr. 1-92 543 desselben Anmelders offenbart sind, ver wendet wird.

Fig. 3 und 4 zeigen das erste nicht kreisförmige Zahnrad 11a (bzw. 11b) und das zweite nicht kreisförmige Zahnrad 21a (bzw. 21b). Das erste nicht kreisförmige Zahnrad 11 hat Eingriffs-Wälzkrümmungen 12 und 13. Die Wälzkrümmung 12 wird zwischen den Punkten S₁ und L₁ gebildet, die Wälz krümmung 13 in Verlängerung der Wälzkrümmung 12 zwischen den Punkten L₁ und S₁. Das zweite nicht kreisförmige Zahnrad 21 hat Eingriffs-Wälzkrümmungen 22a, 23a, 22b und 23b. Die Wälzkrümmung 22a wird zwischen den Punkten S_2a und L_2a gebildet, die Wälzkrümmung 23a in Verlängerung der Wälz krümmung 22a zwischen den Punkten L_2a und S_2b, die Wälz krümmung 22b wird in Verlängerung der Wälzkrümmung 23a zwischen den Punkten S_2b und L_2b gebildet, und die Wälz krümmung 23b in Verlängerung der Wälzkrümmung 22b zwischen den Punkten L_2b und S_2a. Die Wälzkrümmungen 22a und 22b bzw. 23a und 23b haben jeweils die gleiche Konfiguration, und das zweite nicht kreisförmige Zahnrad 21 wiederholt bei jedem Mittelwinkel von π/ Radian dieselbe Konfiguration. Die Wälzkrümmungen 22a (22b) und 23a (23b) des zweiten nicht kreisförmigen Zahnrades 21 werden in ihrer Gesamt länge den Krümmungen 12 und 13 des ersten nicht kreisför migen Zahnrades 11 angeglichen. Somit ist die Gesamtzahl an Zähnen des zweiten nicht kreisförmigen Zahnrades 21 doppelt so groß wie die des ersten nicht kreisförmigen Zahnrades 11.

Außerdem ist zum Beispiel tatsächlich der Evolventenzahn entlang jeder genannten Eingriffs-Wälzkrümmung vorhanden. Bei der Erklärung der Umdrehungsgeschwindigkeit oder des Übertragungsdrehmoments wird die Eingriffs-Wälzkrümmung auf jeden Fall als die Hauptsache betrachtet, weshalb in den folgenden Zeichnungen auf die Darstellung des Zahnprofils vollständig oder teilweise verzichtet wird.

Das für das Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Paar nicht kreisförmiger Zahnräder ist wie das genannte ausgeführt, wobei dessen Hauptsache durch die Winkelgeschwindigkeit gekennzeichnet ist, die unten behandelt wird. Fig. 5 ist ein Diagramm, das das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit zwischen dem ersten nicht kreis förmigen Zahnrad 11 und dem zweiten nicht kreisförmigen Zahnrad 21 zeigt, wobei die Abszissenachse für eine Um drehung des zweiten nicht kreisförmigen Zahnrades 21 eine Winkelverschiebung R ausdrückt, und der Zustand in Fig. 3, d.h. die Eingriffspunkte der Punkte S_2a und S₁, Null wird. Die Ordinatenachse drückt in logarithmischem Maßstab ein Winkelgeschwindigkeitsverhältnis des ersten nicht kreis förmigen Zahnrades 11 bezüglich des zweiten nicht kreis förmigen Zahnrades 21 aus. Wenn die Winkelgeschwindigkeit des ersten nicht kreisförmigen Zahnrades 11 durch ω₁ dargestellt wird und die des zweiten nicht kreisförmigen Zahnrades 21 durch ω₂ als Funktion von R , so stellt F(R)=|ω₁/ω₂| ein Winkelgeschwindigkeitsverhältnis zwischen dem ersten nicht kreisförmigen Zahnrad 11 und dem zweiten nicht kreisförmigen Zahnrad 21 dar. In Fig. 5 zeigt ein Abschnitt in einem Bereich zwischen R = 0 und R = 2/3 π, der durch die nach rechts oben gerichtete Linie dar gestellt wird, den Verlauf, nach dem das zweite nicht kreis förmige Zahnrad 21 sich vom Zustand in Fig. 3 ausgehend um 2/3 π Radian so dreht, daß es vom Eingriff an den Punkten S_2a und S₁ zum Eingriff an den Punkten L_2a und L₁ übergeht, an; dieser Abschnitt wird als Hauptmodus-Abschnitt be zeichnet. Dann zeigt ein gekrümmter Abschnitt in einem Bereich zwischen R = 2/3π und R = π und in Verlängerung der nach rechts oben gerichteten Linie den Verlauf an, nach dem sich das zweite nicht kreisförmige Zahnrad 21 vom Eingriff an den Punkten L_2a und L₁ um 1/3 π Radian zum Eingriff an den Punkten S_2b und S₁ weiterdreht; dieser gekrümmte Abschnitt wird als Rückmodus-Abschnitt be zeichnet. Somit dreht sich das erste nicht kreisförmige Zahnrad 11 bis jetzt einmal und das zweite nicht kreis förmige Zahnrad 21 ein halbes Mal, ausgehend vom Zustand in Fig. 3. Wenn sich das erste nicht kreisförmige Zahnrad 11 ein weiteres Mal dreht, ändert sich ein Wert von F(R) in dem Diagramm in Fig. 5 nach dem oben beschriebenen Schema, und die Zahnräder kehren zu dem Eingriffszustand in Fig. 3 zurück. So ändert sich das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis F(R) periodisch, während der Hauptmodus-Abschnitt und der Rückmodus-Abschnitt wiederholt werden. Der Hauptmodus- Abschnitt ist dadurch gekennzeichnet, daß der logarith mische Wert des Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses F(R) bezüglich der Winkelverschiebung R des zweiten nicht kreis förmigen Zahnrades 21 um einen Hauptanteil verändert wird. Stellt man das Beispiel in Fig. 5 algebraisch dar, so zeigt ein Differentialwert K, der als K = d log F(R)/dR ange geben ist, einen konstanten Wert an. In diesem Ausführungs beispiel gilt K = 0,52455 Radian ^-1.

Der Rückmodus-Abschnitt erscheint periodisch zwischen den Hauptmodus-Abschnitten und soll die aufeinanderfolgenden Hauptmodus-Abschnitte "weich" miteinander verbinden. Im Diagramm des Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses in Fig. 5 verbindet sich die Kurve, die den Rückmodus-Abschnitt zeigt, an ihrem Anfangs- und Endpunkt weich mit der geraden Linie des Hauptmodus-Abschnittes, das Winkelgeschwindig keitsverhältnis F(R) ändert sich kontinuierlich und ist durch den Hauptmodus- und den Rückmodus-Abschnitt hindurch in allen Aspekten unterscheidbar. In diesem Ausführungs beispiel wird die Kurve der Anderung der Radiusvektorlänge in der Sinuskurve bezüglich des Mittelwinkels als die Eingriffs-Wälzkrümmung beim Rückmodus-Abschnitt des zweiten nicht kreisförmigen Zahnrades 21 verwendet, wobei das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis F(R) des Rückmodus- Abschnitts von der Eingriffs-Wälzkrümmung eingeleitet wird, die algebraisch so dargestellt wird, daß, wenn die Radius vektorlänge, die die Wälzkrümmung beim Rückmodus-Abschnitt des zweiten nicht kreisförmigen Zahnrades 21 zeigt, durch r(R) als Funktion von R dargestellt wird, sich r(R) aus r(R) = J₁× sin (J₂ - R + J₃) + J₄ ergibt, wobei die Werte der Faktoren J₁, J₂, J₃ und J₄ so festgelegt werden, daß die Wälzkrümmung beim Rückmodus-Abschnitt weich mit der Wälzkrümmung beim Hauptmodus-Abschnitt verbunden werden kann. Die Eingriffs-Wälzkrümmung des ersten nicht kreis förmigen Zahnrades 11 wird aus der Konfiguration der Wälzkrümmung des zweiten nicht kreisförmigen Zahnrades 21 durch die Rollkontaktbedingungen eingeleitet.

Im folgenden wird eine besondere Winkelgeschwindigkeits- Modulation erklärt, die aus der obengenannten Eigenschaft des Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses eines Paares nicht kreisförmiger Zahnräder eingeleitet werden kann. Fig. 6 und 7 zeigen einen Elementmechanismus zur Durchführung der Winkelgeschwindigkeits-Modulation bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, aus dem das Verhältnis bei der zusätzlichen Verwendung eines dritten nicht kreis förmigen Zahnrades 31 der gleichen Konfiguration wie das erste nicht kreisförmige Zahnrad 11 zum ersten und zweiten nicht kreisförmigen Zahnrad 11 und 21, wie in Fig. 3, 4 und 5 gezeigt, ersichtlich ist. Dabei wird der Eingriff des ersten nicht kreisförmigen Zahnrades 11 mit dem zweiten nicht kreisförmigen Zahnrad 21 als Primär-Winkelgeschwin digkeits-Modulationseinrichtung und der des zweiten nicht kreisförmigen Zahnrades 21 mit dem dritten nicht kreis förmigen Zahnrad 31 als Sedundär-Winkelgeschwindigkeits- Modulationseinrichtung bezeichnet. Die Primär-Winkelge schwindigkeits-Modulationseinrichtung dient zur Bestimmung eines Verhältnisses der Winkelgeschwindigkeit ω₁ der ersten drehbaren Welle 10 zu der Winkelgeschwindigkeit ω₂ der zweiten drehbaren Welle 20; dieses Verhältnis wird als das Primär-Winkelgeschwindigkeitsverhältnis bezeichnet. Entsprechend dient die Sekundär-Winkelgeschwindigkeits Modulationseinrichtung zur Bestimmung eines Verhältnisses der Winkelgeschwindigkeit ω₃ der dritten drehbaren Welle 30 zu der Winkelgeschwindigkeit ω₂ der zweiten drehbaren Welle 20; dieses Verhältnis wird als das Sekundär-Winkel geschwindigkeitsverhältnis bezeichnet. Die Sekundär-Winkel geschwindigkeits-Modulationseinrichtung entspricht der Beschreibung in den Fig. 3, 4 und 5 nur, wenn sie genauso ist wie die Primär-Winkelgeschwindigkeits-Modula tionseinrichtung gemäß der Fig. 3, 4 und 5. Es ist jedoch zu beachten, daß, wie in Fig. 6 gezeigt, die dritte drehbare Welle 30 unter einem Mittelwinkel von (π+ α) Radian zwischen der Welle 30 und der ersten drehbaren Welle 10 auf der Basis der Position der zweiten drehbaren Welle 20 in die richtige Lage gebracht wird. Da das zweite nicht kreisförmige Zahnrad 21 bei jedem Mittelwinkel von π Radian die gleiche Konfiguration wiederholt, hat der Winkel von (π + α) Radian den gleichen Wert wie ein Winkel von tatsächlichen α Radian. Wenn die Winkelgeschwindigkeit des ersten, zweiten und dritten nicht kreisförmigen Zahnrades 11, 21 und 31 jeweils durch ω₁, ω₂ und ω₃ dargestellt und Funktionen hieraus als algebraischer Ansatz angegeben werden, so erhält man

ω₁=-ω₂ · e^{K ·} ^R · F(0),

und

ω₃=-ω₂ · e^{K · (} ^R+α ⁾ · F(0),

wobei F(0) ein Wert des Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses F(R) ist, wenn R = 0. Aus beiden Ansätzen erhält man den Ansatz für das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis wie folgt:

ω₃/ω₁=e^{K ·} ^α.

Dieser letzte Ausdruck zeigt eine Besonderheit, die für eine stufenlose Gangschaltung geeignet ist und durch die Verwendung der nicht kreisförmigen Zahnräder erreicht wird, und die auftritt, wenn das erste nicht kreisförmige Zahnrad 11 mit dem zweiten nicht kreisförmigen Zahnrad 21 und das zweite nicht kreisförmige Zahnrad 21 ebenfalls mit dem dritten nicht kreisförmigen Zahnrad 31 im Hauptmodus- Abschnitt in Eingriff steht. Im anderen Fall erscheint ein Schema des Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses, das bezüg lich des Winkelgeschwindigkeitsverhältnisses des Rückmodus- Abschnitts bestimmt wird.

Wenn der relative Winkel α, der die Stellung des dritten nicht kreisförmigen Zahnrades 31 anzeigt, als variabler Wert bezüglich des in Fig. 6 gezeigten ersten nicht kreis förmigen Zahnrades 11 angegeben wird, ändert sich das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis ω₃/ ω₁ zwischen den beiden Zahnrädern wie aus Fig. 8 ersichtlich, in der ein kontinu ierlich konstanter Wert des Winkelgeschwindigkeitsverhält nisses erscheint und sich dieser in Abhängigkeit eines Wertes von α bei einer Anordnung mit einem Paar nicht kreisförmiger Zahnräder ändert. Fig. 9 ist eine typische Ansicht, die die Beziehung zwischen dem kontinuierlich konstanten Wert und dem relativen Winkel α zeigt.

In diesem Ausführungsbeispiel werden zwei Sets des Element mechanismus′ zur Durchführung der obengenannten Winkelge schwindigkeits-Modulation verwendet, so daß ein Bereich, in dem das kontinuierlich konstante Winkelgeschwindigkeits verhältnis jedes Sets erscheint, fortwährend ausgenutzt wird. Hierbei ist es möglich, eine große Anzahl von Element mechanismen miteinander zu verbinden, so daß die Bereiche, in denen die kontinuierlich konstante Geschwindigkeit für den Einsatz gezeigt werden kann, vollständig fortgesetzt werden können; für die Gangschaltung dieses Ausführungs beispiels werden jedoch, durch die Relation des Pedal kurbel-Phasenwinkels, der zur Leistungsübertragung bei trägt, nur zwei Sets des Elementmechanismus′ verwendet, um die ganze Vorrichtung nicht zu komplizieren. Dies wird im folgenden erläutert.

Die Antriebskraft für ein Fahrrad hängt allgemein von der Beinkraft eines Menschen ab. Bei der Bauart der heute verwendeten Pedale und Kurbeln ist die Beinkraft am effi zientesten, wenn das Pedal in Phase vor der Kurbelwelle liegt, wenn das Pedal sich jedoch in einer anderen Stellung befindet, überträgt es die Antriebskraft kaum oder gar nicht. Deshalb muß, wenn man annimmt, daß die Phase, die zur Übertragung der Antriebskraft durch die Kurbel not wendig ist, in einem Bereich eines Winkels von 90°, jeweils 45° auf beiden Seiten der vordersten Stellung des sich drehenden Pedals, liegt, die Winkelgeschwindigkeit in diesem Bereich nur effizient moduliert werden. Wenn die Phase des Kurbelpedals nicht die obengenannte ist, befindet sich die Kurbel in einem Zustand, in dem keine Kraftüber tragung durch die Lager mit Einwege-Kupelung 37 statt findet, wobei, wenn ein Verhältnis aus der Anzahl der Zähne des Kurbelkettenrades, das sich vollständig mit der Kurbel mitdrehen kann, und der Anzahl der Zähne des seitlichen Eingangskettenrades 15 ein ganzzahliges Verhältnis ist, die Beziehung zwischen der Phase des Kurbelkettenrades und der Phase des Kettenrades 15 festgelegt werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Kettenrad 15 so angepaßt, daß es, wenn sich das Kurbelkettenrad unter einem Winkel von 90° dreht, sich unter einem Winkel von 180° dreht, und die Beziehung zwischen der Phase der Kurbel und der der ersten drehbaren Welle 10 wird ebenfalls nicht verändert. Mit anderen Worten, das kontinuierlich konstante Winkelgeschwin digkeitsverhältnis muß nur in einem Bereich eines Rotations winkels von 180° der ersten drehbaren Welle 10 erreicht werden. In diesem Ausführungsbeispiel werden die vorste henden zwei Sets von Elementmechanismen verwendet, damit π/3 als die obere Grenze des relativen Winkels α erreicht werden, wenn die konstante Winkelgeschwindigkeit bei 180° oder mehr weitergeht, so daß das Winkelgeschwindigkeits verhältnis der dritten drehbaren Welle 30 bezüglich der ersten drehbaren Welle 10 im konstanten Winkelgeschwindig keitsbereich so angepaßt wird, daß es sich von 1 auf 1,73 ändert.

Bei dem Verfahren, bei dem die kontinuierlich konstanten Winkelgeschwindigkeitsverhältnisse zweier Sets von Element mechanismen miteinander verbunden werden, werden die ersten nicht kreisförmigen Zahnräder 11a und 11b, die eine Drehphasendifferenz von jeweils π/2 Radian erhalten, be festigt und Lager mit Einwege-Kupplung 37 verwendet.

Wenn ein Wert von ω₃/ω₁ des ersten Sets des Element mechanismus′ durch eine Funktion G₁ (R) und der Wert des zweiten Sets des Elementmechanismus′ durch eine Funktion G₂ (R) dargestellt wird, erhält man einen Ansatz: G₂(R) = G₁(R-β), in dem β den Phasenwinkelunterschied zwischen den zweiten nicht kreisförmigen Zahnrädern 21a und 21b auf der zweiten drehbaren Welle 20 bezeichnet, der dem Phasen winkelunterschied von π/2, den die ersten nicht kreis förmigen Zahnräder 11a und 11b auf der ersten drehbaren Welle 10 erhalten, entspricht; der maximale Wert β_max in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 beträgt 0,333 Radian. In einem Bereich, in dem eine Bedingung α≦β_max erfüllt ist, kann der kontinuierlich konstante Wert von ω₃/ ω₁ der Reihe nach erscheinen, wobei die Lager mit Einwege Kupplung 37 es ermöglichen sollen, die Antriebskraft von den dritten nicht kreisförmigen Zahnrädern 31a und 31b nur auf die dritte drehbare Welle 30 in der in der Zeichnung gezeigten Drehrichtung zu übertragen und von den Umdre hungen von zwei Sets der dritten nicht kreisförmigen Zahnräder 31a und 31b nur einen hohen Wert des Winkelge schwindigkeitsverhältnisses zur Drehung der dritten dreh baren Welle 30 beitragen zu lassen, einen niedrigen jedoch nicht.

Fig. 10 ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels, das die Eigenschaft (torsionselastisches Drehmoment) / (Tor sionswinkel) der Feder 50 zeigt. Das torsionselastische Drehmoment befindet sich in einem dynamischen Gleichge wichtszustand, so daß das Ausgangs-/Eingangs-Winkelge schwindigkeitsverhältnis, das durch das Eingangs-Drehmoment oder Ausgangs-Drehmoment gekennzeichnet ist, durch die torsionselastische Eigenschaft festgelegt wird. Fig. 11 ist ein Diagramm, das die Steuerungseigenschaft zeigt.

Ein modifiziertes Ausführungsbeispiel der Fahrradantriebs vorrichtung mit Gangschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist aus Fig. 12 und 13 ersichtlich, in denen die Teile, die mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind wie die in Fig. 1 und 2, dieselben Teile zeigen und auf deren Erklärung verzichtet wurde. An der ersten drehbaren Welle 10 ist durch ein Lager mit Einwege-Kupplung 93 ein Hilfskettenrad 92 gelagert. Eine endlose Kette 94 ist über das Hilfskettenrad 92, das seitliche Ausgangs-Kettenrad 35 und das Hinterrad-Kettenrad 90 gespannt.

Fig. 14 zeigt die Beziehung zwischen dem Pedalkurbelwinkel und dem Verhältnis der Geschwindigkeitsänderung, und aus ihr ist ersichtlich, daß an beiden Seiten des Pedalkurbel winkels von π/2, mit anderen Worten, wenn sich die Pedale in horizontaler Position befinden, der konstante Abschnitt bei einem Geschwindigkeitsänderungsverhältnis von 1 oder mehr erscheint. Wie teilweise durch die gestrichelte Linie in Fig. 14 gezeigt, erscheinen durch die Winkelgeschwindig keits-Modulation Bereiche des Geschwindigkeitsänderungs verhältnisses, die kleiner sind als 1, wenn α nicht gleich 0 ist; dabei überträgt das Lager mit Einwege-Kupplung 93 die Antriebskraft von der ersten drehbaren Welle 10 über das Hilfskettenrad 92 und die Kette 94 direkt auf das Hinterrad-Kettenrad 90, so daß die Elementmechanismen der Winkelgeschwindigkeits-Modulation aus nicht kreisförmigen Zahnrädern nicht zur Kraftübertragung beitragen und die Lager mit Einwege-Kupplung 37 sich im Gleit-Zustand be finden. Folglich entspricht der Bereich des Winkelgeschwin digkeitsverhältnisses von 1 oder weniger der Elementmecha nismen dem Bereich des Geschwindigkeitsänderungsverhält nisses von 1 in Fig. 14.

Bei diesem modifizierten Ausführungsbeispiel wird in einem Winkelbereich, in dem die Pedalkurbel die Antriebskraft überträgt, das Geschwindigkeitsänderungsverhältnis vom Kettenrad 15 und der ersten drehbaren Welle 10 durch die Elementmechanismen zur Winkelgeschwindigkeits-Modulation 1 oder mehr, so daß die Drehung der dritten drehbaren Welle 30 so beschleunigt wird, daß die Umdrehungen auf das Hinterrad-Kettenrad 90 übertragen werden; dabei wird auch das Hilfskettenrad 92 über die Kette 94 in seiner Drehung beschleunigt, bezüglich der ersten drehbaren Welle 10 läuft es jedoch im Leerlauf, weil das Lager mit Einwege-Kupp lung 93 zwischengeschaltet ist. Bei einem Winkelbereich, in dem die Pedalkurbel sich in einer Position nahe der Tot punkte befindet, wird die Antriebskraft für das Kettenrad 15 aufgehoben, und das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis der ersten drehbaren Welle (Antriebswelle) 10 zu der dritten drehbaren Welle (Abtriebswelle) 30 soll 1 oder weniger betragen. In einem solchen Zustand verringert sich der Widerstand gegen das Treten sehr schnell, und durch das Treten entsteht für eine Umdrehung keine Antriebskraft mehr, damit ein schneller Umdrehungsbereich erhalten bleibt, wobei keine glatte Kraftübertragung zustande kommt. Da in dieser Position jedoch die Antriebskraft von der ersten drehbaren Welle 10 über das Lager mit Einwege Kupplung 93 auf das Hilfskettenrad 92 übertragen wird, wird ein Widerstand gegen das Treten erzeugt und dabei ein gleichmäßigeres Treten gewährleistet.

Außerdem ist die Konfiguration des nicht kreisförmigen Zahnrades beim Elementmechanismus zur Winkelgeschwindig keits-Modulation nicht auf die in Fig. 3 gezeigte beschränkt, sondern es kann jegliche Konfiguration anstelle der in Fig. 3 gezeigten verwendet werden, solange das Zahn rad die Exponentialfunktions-Winkelgeschwindigkeits-Modula tion ausführt.

Alternativ ist die Anzahl der Elementmechanismen nicht auf die genannten zwei Sets beschränkt, so daß die Anzahl der Elementmechanismen zur Vergrößerung des Winkelbereichs einer konstanten Geschwindigkeit oder zur Vergrößerung des Geschwindigkeitsänderungsverhältnisses erhöht werden kann.

Weiterhin soll in dem genannten Ausführungsbeispiel die Feder 50 ein Drehmoment an die ersten beweglichen Rahmen teile 70 und 71 und die zweiten beweglichen Rahmenteile 80 und 81 abgeben, so daß der relative Winkel α erhöht wird. Wenn diese Aufgabe erfüllt wird, kann jedes andere Teil zum Bau oder Betrieb entsprechend der Feder 50 verwendet werden.

Alternativ sind in dem genannten Ausführungsbeispiel die Lager mit Einwege-Kupplung 37 zwischen den dritten nicht kreisförmigen Zahnräern 31a und 31b und der dritten drehbaren Welle 30 zwischengeschaltet. Zur Bestimmung der Richtung der Kraftübertragung lassen sich die Lager mit Einwege-Kupplung auch zwischen den ersten nicht kreis förmigen Zahnrädern 11a und 11b und der ersten drehbaren Welle 10 zwischenschalten, und die dritten nicht kreis förmigen Zahnräder 31a und 31b können jeweils mit unter schiedlicher Phase an der dritten drehbaren Welle 30 befestigt werden.

Claims

1. Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung, gekennzeichnet durch
eine erste drehbare Welle, auf die eine Antriebskraft wirkt;
eine zweite drehbare Welle;
eine dritte drehbare Welle, die eine Antriebskraft abgibt;
eine Primär-Winkelgeschwindigkeits-Modulationseinrichtung mit einem ersten nicht-kreisförmigen Zahnrad bzw. Getriebe rad, das an der ersten drehbaren Welle befestigt ist, und einem zweiten nicht-kreisförmigen Zahnrad, das auf der zweiten drehbaren Welle gelagert ist, und zur Ausführung einer Exponentialfunktions-Winkelgeschwindigkeits-Modula tion;
eine Sekundär-Winkelgeschwindigkeits-Modulationseinrichtung mit dem zweiten nicht-kreisförmigen Zahnrad und einem dritten nicht-kreisförmigen Zahnrad, das auf der dritten drehbaren Welle durch eine Einwege-Kupplung gelagert ist, zur Durchführung einer Exponentialfunktions-Winkelge schwindigkeits-Modulation;
und ein Federglied zur Erzeugung einer Vorspannkraft, so daß ein relativer Winkel zwischen der ersten drehbaren Welle und der dritten drehbaren Welle um die zweite dreh bare Welle vergrößert wird.

2. Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Vielzahl von Sets der Primär-Winkelgeschwindig keits-Modulationseinrichtungen und Sekundär-Winkelgeschwin digkeits-Modulationseinrichtungen vorgesehen ist.

3. Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes erste nicht-kreisförmige Zahnrad an der Vielzahl von Sets von Primär-Winkelgeschwindigkeits-Modulationseinrich tungen jeweils mit einer unterschiedlichen Phase an der ersten drehbaren Welle befestigt ist.

4. Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung gemäß Anspruch 1, die weiterhin aufweist:
ein erstes bewegliches Rahmenteil, das an seinem einen Endabschnitt durch ein Lager auf der ersten drehbaren Welle drehbar gelagert ist und das an seinem anderen Endabschnitt die zweite drehbare Welle durch ein Lager drehbar lagert; und
ein zweites bewegliches Rahmenteil, das an seinem einen Endabschnitt durch ein Lager auf der zweiten drehbaren Welle drehbar gelagert ist und das an seinem anderen Endabschnitt durch ein Lager die dritte drehbare Welle drehbar lagert.

5. Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Federglied quer zwischen dem ersten beweglichen Rahmen teil und dem zweiten beweglichen Rahmenteil befestigt ist.

6. Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung gemäß Anspruch 1, die weiterhin aufweist:
einen Befestigungsrahmen, der an seinem einen Endabschnitt durch ein Lager die erste drehbare Welle lagert, und der an seinem anderen Endabschnitt ein Langloch aufweist.

7. Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsrahmen in diesem Langloch die dritte dreh bare Welle so hält, daß sie längs des Langlochs beweglich ist.

8. Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung gemäß Anspruch 1, die weiterhin aufweist:
eine erste Übertragungseinrichtung zur Übertragung eines Drehmoments von einer Pedalkurbelwelle auf die erste dreh bare Welle; und
eine zweite Übertragungseinrichtung zur Übertragung eines Drehmoments von der dritten drehbaren Welle auf eine Hinter radwelle.

9. Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkelgeschwindigkeitsverhältnis der dritten drehbaren Welle bezüglich der ersten drehbaren Welle gleich e^{K ·} ^α gesetzt wird, wobei α den relativen Winkel und K einen Geschwindigkeitsmodulationsfaktor darstellt.

10. Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkelgeschwindigkeitsverhältnis einer Hinterradwelle bezüglich einer Pedalkurbelwelle in einem Bereich von mindestens 90° bezüglich einer halben Umdrehung der Pedal kurbelwelle konstant ist.

11. Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung gemäß Anspruch 1, die weiterhin aufweist:
ein Eingangs-Kettenrad, das an der ersten drehbaren Welle befestigt ist;
ein Ausgangs-Kettenrad, das an der dritten drehbaren Welle befestigt ist; und
ein Hinterrad-Kettenrad, das an einer Hinterradwelle befestigt ist.

12. Fahrradantriebsvorrichtung mit Gangschaltung gemäß Anspruch 11, die weiterhin aufweist:
ein Hilfskettenrad, das über eine Einwege-Kupplung auf der ersten drehbaren Welle gelagert ist; und
eine Antriebskette, die über das Hilfskettenrad, das Ausgangs-Kettenrad und das Hinterrad-Kettenrad gespannt ist.