DE19804128A1

DE19804128A1 - Federenergiespeicher für Fahrräder - Rekuperationsbremsgetriebe zur Umwandlung von kinetischer Energie in mechanisch-gespeicherte Federenergie

Info

Publication number: DE19804128A1
Application number: DE1998104128
Authority: DE
Inventors: Nicolai Neumann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-02-03
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 2000-04-20

Description

Funktionen des Getriebes

Bei der Vorwärtsfahrt kann zum Bremsen die Feder dazugeschaltet werden; dabei spannt sie sich. Daraufhin kann die gespannte Feder das Fahrrad antreiben bzw. bei der Beschleunigung unterstützend wirken - und zwar natürlich wieder in Vorwärtsrichtung. Während des Spannvorganges läßt die Feder also eine Kraft auf das Laufrad wirken, die der Fahrtrichtung entgegengerichtet ist, also das Abbremsen verursacht. Zum Beschleunigen muß die Richtung, in der die Kraft wirkt, in Fahrtrichtung zeigen.

Also ist hierfür ein Getriebe notwendig, das als primäre Aufgabe hat, die Drehrichtung umzukehren. Darüber hinaus muß es noch einige Schaltaufgaben übernehmen (z. B. in den Leerlauf schalten - also das Getriebe komplett mechanisch vom Laufrad entkoppeln, wenn es nicht benutzt wird).

Die Grundlage des Getriebes

Die Grundlage des Getriebes, welches die Richtung der Federkraft beim Umschalten von "Bremsen" auf "Beschleunigen" umdreht, ist ein Planetengetriebe.

Das Planetengetriebe ist schematisch in Abb. 1 dargestellt. Es besteht aus dem Sonnenrad (1), den Planetenzahnrädern (2) und dem innenverzahnten Rad (3). Um das Sonnenrad, welches ständig starr an der Achse, also fest mit dem Rahmen des Fahrrades verbunden ist, kreisen drei (alternativ vier) Planetenzahnräder, deren Achsen im Planetendreieck (2) frei drehbar gelagert sind. Die Planetenzahnräder greifen auf der Außenseite in ein innenverzahntes Rad (3). In dessen Nabe, die auf der Achse gelagert ist, wird die Spiralfeder an ihrem innenseitigen Ende eingehängt. Das äußere Ende der Feder ist mit dem Federgehäuse (4) verbunden.

Die Schaltzustände des Getriebes

Es existieren vier Schaltzustände: (siehe dazu auch Tabelle und Zeichnung, Abb. 1).

I: Feder spannen (= Speicher laden/Abbremsen)

Hierzu muß das Planetendreieck (2) fest mit der Achse, also dem Sonnenrad (1) gekoppelt werden. Dadurch ist das innenseitige Federende über Teil 3 wie mit der festen Achse verbunden. Da das Federgehäuse über Teil 7 mit dem Laufradnabengehäuse verbunden ist, wird die Feder direkt durch Drehung des Laufrades gespannt.

II: Feder entspannen (= Speicher entladen/Antrieb)

Nun muß das Planetendreieck (2) fest mit dem Nabengehäuse (also der Felge) gekoppelt werden. Gleichzeitig wird die Kopplung von Teil 2 mit der Achse (9) aufgehoben. Die Verbindung Teil 4/Nabengehäuse bleibt bestehen. Jetzt wird also Teil 3 von der gespannten Feder relativ zur Felge in Vorwärtsrichtung bewegt. Dadurch rollen die Planetenzahnräder in gleicher Richtung über dem Sonnenrad ab, und so bewegt das Planetendreieck die Felge in Vorwärtsrichtung - diesmal allerdings mit Untersetzung, d. h. der Antrieb erfolgt über eine größere Fahrstrecke als die Bremsstrecke betrug. Dafür ist die Kraft kleiner, doch sie unterstützt den Fahrer.

III: Leerlauf/Feder entspannt

Der ganze Federmechanismus wird außer Betrieb genommen, wenn Teil 7 außer Eingriff steht, das Federgehäus (4) also frei beweglich ist.

IV: Leerlauf / Feder gespannt

Zum Konservieren der gespeicherten Federenergie für spätere Nutzung dürfen die beiden Federenden (innen und außen) keine Relativbewegung zueinander ausführen. Also muß Teil 3a (inneres Federende) fest mit der Nabe oder Felge (äußeres Federende) verbunden werden.

Dies wird noch nicht von der in der Abbildung gezeigten Möglichkeit realisiert. Hierfür sind ein zweiter, separat gesteuerter und von der anderen Achsseite in die Nabe geführter Schaltzug und ein weiteres Schaltelement erforderlich (ohne Abbildung).

Spannen/Entspannen in verschiedenen Geschwindigkeiten

Es besteht die Möglichkeit, die Funktionen von Spannen und Entspannen zu vertauschen. Das heißt, es ist auch möglich, die Feder im Schaltzustand II zu spannen und im Getriebezustand I zu entspannen. Für das vertauschen der Funktionen Spannen/Entspannen muß lediglich das Vorderrad umgedreht werden. Hierbei würde nun das Aufladen über eine größere Strecke - dafür weniger stark abbremsend - erfolgen. Etwa bei Bergabfahrt kann dies sinnvoll sein. Beim Nutzen der Spannarbeit wird das Fahrrad dann um so kräftiger beschleunigt.

Schalteigenschaften

Für den Benutzer wäre es am komfortabelsten, am Lenker einen Schalthebel, ähnlich wie für eine Nabenschaltung zu haben. Möchte der Fahrer nun während der Fahrt bremsen, so schaltet er von "Leerlauf auf "Bremsen" - und der Energiespeicher wird aufgeladen.

Soll dem System Fahrer/Fahrrad keine kinetische Energie mehr entzogen werden, so kann der Fahrer einfach auf "Leerlauf mit Speicherung" schalten; bzw. bei voller Feder (nach einer genau definierten Zahl von Federwicklungsumdrehungen) müßte der Schalthebel automatisch auf "Leerlauf mit Speicherung" schalten. Die Feder bliebe dann gespannt, bis der Fahrer durch betätigen des Hebels auf "Beschleunigen" sich von der Federkraft unterstützen läßt - etwa beim Anfahren, Überwinden von Steigungen oder bei Gegenwind.

Leider sind diese Wünsche an die Getriebeschaltung technisch nur schwer zu bewältigen. Daher muß ich vorerst Kompromisse eingehen.

Eine Lösung

Abb. 1 zeigt die Nabe mit dem Getriebe im Innern im Schnitt (ohne Lager und Dichtungen). Hierbei ist nun die Feder selbst im Nabengehäuse integriert. Falls die Spiralfeder einen größeren Durchmesser benötigt, läßt sich das Nabengehäuse deme~sprechend anpassen. Die Einrichtung wird über einen einfachen Schalthebel (z. B. den Schalthebel "Torpedo" der 3-Gang Nabenschaltung von Fichtel & Sachs) und über einen Bowdenzug bedient.

Der Bowdenzug läuft zur Achse des Vorderrades. Wie bei der genannten 3-Gang Nabenschaltung läuft ein Schaltkettchen ins Innere der Achse und bewegt dort die Schaltwelle. Über drei Langlöcher in der Achse werden drei Schaltelemente gesteuert. Die Tabelle unter der Zeichnung zeigt, welches Teil wann welche Verbindung im Getriebe herstellt.

Abb. 2 zeigt das Planetendreieck, das im Getriebe zwei mal vorhanden ist (links und rechts vom Sonnenrad (1)). Die Schaltelemente Teile 5 und 6 greifen mit ihren Klauen in die Lücken des Kranzes auf dem Planetendreieck, wenn eine feste Kopplung bewirkt werden soll. Diese Kupplung (Teil 5/6) sowie die Steuerung über kleine Stifte, die durch die Schlitze der Achse gehen, hat sich bereits in der oben erwähnten Nabenschaltung bewährt. Die Stifte haben in der Mitte ein kleines Loch mit Gewinde, um dort mit der Schaltwelle verbunden zu werden.

Die Führungen für die Stifte in Teil 5 und 6 (in Abb. 1 gestrichelt dargestellt) lassen etwas Spiel zu, damit diese Kupplungen erst für Schaltzustand II (Position 2) bewegt werden.

Teile 5 und 7 besitzen noch Verzahnungen, die in einer am Nabengehäuse festen Innenverzahnung gleitet. Druckfedern bringen alle Kupplungsteile in Normalposition zurück.

Die Benutzung

Die Benutzung der Rekuperations-Bremseinrichtung, wie in Abb. 1 gezeigt, sieht z. B. wie folgt aus:
Mit 27 km/h nähert sich der Radfahrer einer roten Ampel. Er möchte allmählich abbremsen. Da er die Federspeicher-Bremseinrichtung in der Vorderradnabe hat, drückt er den Rekuperationshebel von "Leerlauf" auf "Bremsen". Bis zur Ampel sind es noch ca. 30 m. Aus Erfahrung hat er diese Entfernung im Gefühl. Kurz vor der Kreuzung stoppt sein Rad. Er zieht die vordere Handbremse an und schaltet den Hebel auf "Beschleunigen". Die Ampel wechselt auf grün. Der Fahrer löst die Handbremse und wird von der Federkraft beschleunigt. Wenn die Kraft nachläßt, schaltet er den Hebel wieder auf "Leerlauf" und tritt nun selbst weiter.

Weitere Merkmale

Beim Beginn des Bremsvorganges darf keine zu starke Verzögerung auftreten, da dies zu einem Unfall führen könnte. Dies ist auch erfüllt, denn im ersten Moment des Federspannens ist die bremsende Kraft durch die charakteristische Federkennlinie gleich Null.

Damit die Feder nicht rückwärts aufgezogen und dadurch zerstört werden kann, wird in Teil 3 oder 4 ein aus einer Sägezahnverzahnung und einer Druckfeder bestehender Freilauf integriert.

Gegen Überspannen der Feder eignet sich eine Rutschkupplung. Sie verhindert auch, daß die Verzögerung zu groß werden oder das Vorderrad blockieren kann.

Weiterhin ist es möglich, anstelle der Kupplungsteile 5-7 Reibscheibenkupplungen zu verwenden, welche einen allmählichen Schaltwechsel ermöglichen.

Claims

1. Federenergiespeicher für Fahrräder, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher aus einer Spiralfeder besteht, die koaxial zur Nabe eines Laufrades angeordnet ist, daß das innenseitige Ende der Spiralfeder über die auf der Nabenachse (9) gelagerte Nabe (3a) eines innenverzahnten Zahnrades (3) aufwickelbar ist und daß Kupplungen (5, 7) vorgesehen sind, die das andere Ende der Spiralfeder mit dem Nabengehäuse (8) bzw. der Nabenachse (9) verbinden.

2. Federenergiespeicher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Planetengetriebe, dessen Planetenradträger (2) entweder über die auf der Nabenachse (9) verschieblich geführte und drehbar gelagerte Kupplung (5) mit dem Nabengehäuse (8) drehstarr verbunden werden kann oder über die auf der Nabenachse axial verschieblich aber drehfest geführte Kupplung (6) mit der Nabenachse drehstarr verbunden werden kann.

3. Federenergiespeicher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein drehbar auf der Nabenachse gelagertes Federgehäuse (4), das zur Fixierung des äußeren Endes der Spiralfeder sowie zur Aufnahme der abgewickelten, entspannten Spiralfeder dient.

4. Federenergiespeicher nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe des Federgehäuses (4) wahlweise über eine Kupplung (7) mit dem Nabengehäuse drehstarr verbunden werden kann.

5. Federenergiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federgehäuse (4), Planetenträger (2), innenverzahntes Zahnrad (3) sowie das Nabengehäuse (8) drehbar und nicht axial verschieblich auf der Nabenachse gelagert sind.

6. Federenergiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabenachse (9) hohl ausgeführt ist und an drei bestimmten Stellen jeweils zwei gegenüberliegende Langlöcher (also ein durchgehendes Langloch) oder alternativ nur jeweils ein Langloch besitzt, durch welche jeweils ein Führungsstift, der fest auf der Schaltwelle, die axial beweglich im Innern der Hohlachse (9) läuft, fixiert ist, herausragt.

7. Federenergiespeicher nach den Ansprüchen 2, 4, 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungen (5), (6), (7) über die in sie eingreifenden Führungsstifte, welche aus der Hohlachse (9) aus den Langlöchern herausragen, axial verschoben werden können.

8. Federenergiespeicher nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Federenergiespeicher in das Naben-Schaltgetriebe eines Fahrrad-Laufrades integriert ist, wobei das Schaltgetriebe eine Hohlachse (9) mit einem Schaltkettchen (10) aufweist.

9. Federenergiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sonnenrad (1) des Planetengetriebes fest auf der Nabenachse (9) sitzt.