DE3405791A1

DE3405791A1 - Vorderes kettenrad fuer ein fahrrad

Info

Publication number: DE3405791A1
Application number: DE19843405791
Authority: DE
Inventors: Masashi Izumi Osaka Magano
Original assignee: Shimano Industrial Co Ltd
Current assignee: Shimano Inc
Priority date: 1983-02-19
Filing date: 1984-02-17
Publication date: 1984-08-30
Also published as: DE3405791C2; IT1173809B; JPS59153682A; FR2541223B1; JPH0241480B2; IT8419651A0; FR2541223A1; US4576587A

Description

Vorderes Kettenrad für ein Fahrrad

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Die Erfindung bezieht sich auf rin Kettenrad, für ein rad, insbesondere auf ein zu einem vorderen Ke gehöriges Kettenrad mit einem Radkörper und ein%f Anzahl von entlang dem Umfang desselben angeordneten Sännen, welche mit einer Antriebskette für die Übertragung einer Antriebskraft auf das Hinterrad in Eingriff bringbar sind.

Ein vorderer Kettenradsatz an einem Fahrrad weist gewöhnlich mehrere kreisrunde Kettenräder auf, welche verschiedene

,,. Anzahlen von Zähnen haben und mit einer Tretkurbel verbun-ο

den sind. Zur Änderung des Übertragungsverhältnisses ist die Kette mittels eines vorderen Umwerfers von einem Kettenrad auf ein anderes überführbar.

Beim Treten der Pedale der Tretkurbel ist das vordere Kettenrad einer vom Hinterrad über ein hinteres Kettenrad und die Kette übertragenen gleichmäßigen Belastung unterworfen, das durch das Treten der Pedale ausübbare Drehmoment ändert sich jedoch in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung der

__ Pedale und Kurbelarme, wobei das größte Drehmoment in einem 25

Bereich erzielbar ist, in welchem der jeweilige Kurbelarm einen Winkel von 70° + 5° vorwärts seines oberen Totpunkts durchläuft, während das kleinste Drehmoment im Bereich des oberen und des unteren Totpunkts auftritt, wie in Fig. 3 dargestellt.

Bei Verwendung eines kreisrunden Kettenrads ändert sich somit also das Drehmoment während einer vollen Drehung der Tretkurbel, die Winkelgeschwindigkeit der das vordere Kettenrad in Drehung versetzenden Tretkurbelarme bleibt indes 35

konstant, so daß die physische Belastung des Fahrers insgesamt größer ist als der effektiv nutzbaren Leistung an sich entspräche.

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In der japanischen Patentanmeldung Sho 57-9^,396 (US-Patentanmeldung 497 051) beschreibt die Anmelderin ein nicht kreisrundes sondern nahezu elliptisches Kettenrad, bei welchem sich die Winkelgeschwindigkeit der Tretkurbeln während einer vollen Umdrehung in Abhängigkeit von dem sich ändernden Drehmoment ändert, so daß sich für die Beinbewegung des Fahrers ein Bewegungsmuster auf der Basis einer Pendelbewegung ergibt. Dabei wird die Umfangsgeschwindigkeit des jeweiligen Tretkurbelarms im Bereich des größten Drehmoments erhöht, so daß sich eine größere Nutzleistung ohne erhöhte physische Belastung des Fahrers ergibt. Anders herum erbringt eine Verringerung der Umfangsgeschwindigkeit im Bereich des kleineren Drehmoments eine Verringerung der physischen Belastung. Aufgrund dieser Erwägungen ist das in der genannten Veröffentlichung beschriebene Kettenrad nicht kreisrund sondern nahezu elliptisch mit variablem Durchmesser und derart mit der Tretkurbel verbunden, daß der effektive Durchmesser des Kettenrads in dem Bereich im wesentlichen am kleinsten ist, in welchem beim Treten der Tretkurbel zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt des jeweiligen Kurbelarms das größte Drehmoment erzielbar ist, während der im wesentlichsten größte effekive Durchmesser im Bereich des oberen und des unteren Totpunkts der Kurbelarme zur Wirkung kommt, in welchem das erzielbare Drehmoment am kleinsten ist.

Mit anderen Worten bedeutet dies, daß der den kleineren Durchmesser aufweisende Bereich des Kettenrads zur Wirkung kommt, wenn sich der jeweilige Tretkurbelarm in einem Bereich befindet, in welchem beim Tretn der Tretkurpel das größte Drehmoment erzielbar ist, wodurch sich die Umfangsgeschwindigkeit des Tretkurbelarms erhöht und der Fahrer das Bein schnelle bewegt. Befinden sich die Tretkurbelarme dagegen im Bereich des oberen und unteren Totpunkts, in welchem das kleinste Drehmoment erzielbar ist, so kommt der den größten Durchmesser aufweisende Bereich des Kettenrads zur Wirkung, wodurch sich die Umfangsgeschwindigkeit verringert und das Bein des Fahrers sich langsamer bewegt.

Dadurch wird die beim Treten der Tretkurbel durch den Fahrer aufgewendete Kraft besser ausgenützt bzw. die physische Belastung des Fahrers verringert, um ein zügiges Treten der Pedale zu gewährleisten.

Bei Verwendung eines solchen unrunden Kettenrads als größtes oder größeres Kettenrad eines vorderen Kettenradsatzes besteht jedoch die Gefahr, daß die Kette bei Überführung von einem kleineren auf das größere Kettenrad mittels einer Kettenführung zu weit abgelenkt wird, so daß sie an der anderen Seite von dem den größeren Durchmesser aufweisenden Kettenrad abspringen kann.

Dies läßt sich folgendermaßen erklären: Der Abstand zwischen der Unterseite der Kettenführung und den Spitzen der Zähne im Bereich des größten effektiven Durchmessers des Kettenrads ist so bemessen, beispielsweise auf etwa 1 bis 5 mm, daß die beiden Teile nicht miteinander in Berührung kommen. Daraus ergibt sich jedoch, daß der Abstand zwischen der Unterseite der Kettenführung und den Spitzen der Zähne im Bereich des kleinsten Durchmessers des Kettenrads um die Hälfte der Differenz zwischen den beiden Durchmessern größer ist als der vorstehend genannte Abstand Deshalb ist hier eine größere Verschwenkung der Kettenführung bzw. des Umwerfers erforderlich, um die Kette vom kleineren auf das größere Kettenrad zu überführen, so daß es leicht zu einem Überspringen des größeren Kettenrads kommt.

Angesichts dieser Mängel schafft die Erfindung ein vorderes Kettenrad von unrunder Form, bei welchem die Zähne im Bereich des größten effektiven Durchmessers eine andere Höhe haben als die Zähne im Bereich des kleinsten effektiven Durchmessers, so daß sich die Differenz zwischen den Durchmessers der Zahnspitzenkreise verringert und der Abstand zwischen der Kettenführung und den Spitzen aller Zähne des Kettenrads innerhalb eines günstigen Bereichs liegt.

In anderen Worten heißt dies: Bei einem unrunden Kettenrad, welches einen Radkörper und eine größere Anzahl von entlang dem äußeren Umfang des Radkörpers angeordneten Zähnen aufweist und jeweils einen Bereich des größten und des kleinsten Durchmessers hat, weisen die Zähne im Bereich des größten effektiven Durchmessers gemäß der Erfindung eine kleinere Höhe auf als die Zähne im Bereich des kleinsten effektiven Durchmessers, so daß sich ein nahezu kreisförmiger Zahnspitzenkreis ergibt. Demgemäß ist der vorstehend erläuterte Abstand für jeden Zahn des größeren Kettenrads im wesentlichen richtig, so daß der Gefahr, daß die Kette das größere Kettenrad überspringt, weitgehend vorgebeugt ist.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Kettenrads in einer Ausführungsform der Erfindung, mit eirter gestrichelt dargestellten Kettenführung,

Fig. 2 eine vergrößerte Teil-Schnittansicht einer Zahnspitze des Kettenrads nach Fig. 1,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen dem Drehwinkel und dem beim Treten der Pedale auftretenden Drehmoment,

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Drehwinkel eines Kettenrads und dem halben effektiven Durchmesser desselben und

Fig. 5 eine erläuternde Darstellung des Anbaus des erfindungsgemäßen Kettenrads an einem Fahrrad.

Ein in Fig. 1 dargestelltes Kettenrad A hat einen aus starkem Blech geformten, ringförmigen Radkörper 1 und eine Anzahl von in gleichmäßigen Abständen entlang dem äußeren Um-

fagn des Radkörpers 1 angeordneten Zähnen 2, deren Spitzen in Richtung der Materialstärke des Radkörpers 1 abgeschrägt sind.

Das Kettenrad A ist etwa elliptisch und hat verschieden große effektive Durchmesser, wobei die Zähne 2b im Bereich des kleinsten Durchmessers D2 radial auswärts verlängerte Spitzen haben und dadurch eine um beispielsweise etwa 1 mm größere Höhe aufweisen als dem in der japanischen Industrienorm vorgegebenen Normwert von gewöhnlich etwa 6 mm entspricht, wodurch der Zahnspitzenkreis im Bereich der Zähne 2b auf ein Höchstmaß vergrößert ist. Anderenfalls kann die Zahnhöhe im Bereich des kleinsten effektiven Durchmessers jedoch auch gleich dem vorstehend angeführten Normwert sein.

Die Zähne 2a im Bereich des größten effektiven Durchmessers D1 sind dagegen an ihren Spitzen verkürzt, so daß ihre Höhe um beispielsweise etwa 1 mm kleiner ist als der genannte Normwert. Außerdem entspricht jeder Zahn 2a in seiner Höhe jedem effektiven Durchmesser.

Bei den zwischen den Zähnen 2a und 2b öliegenden Zähnen verringert sich die Höhe stetig von der der Zähne 2b im Bereich des kleinsten effektiven Durchmessers D2 bis auf die der Zähne 2a im Bereich des größten effektiven Durchmessers D1, wie in Fig. 2 angedeutet. Damit hat das Kettenrad A also ungeachtet eines variablen effektiven Durchmessers einen nahezu kreisförmigen Zahnspitzenkreis.

Die Zähne 2a sind an einer Seite 2c weniger stark und an der anderen Seite 2d stärker in Stärkenrichtung des Kettenrads A abgeschrägt, so daß die Zahnspitze in bezug auf die Stärke des Kettenrads A seitlich in Richtung auf ein rundes Kettenrad B kleineren Durchmessers versetzt ist.

Wie in Fig. 5 dargestellt ist das beschriebene Kettenrad A zusammen mit dem einen kleineren Durchmesser und eine klei-

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nere Anzahl von Zähnen aufweisenden Kettenrad B in Form eines vorderen Kettenradsatzes G1 an einer Tretkurbel K angebaut. Eine um eines der vorderen Kettenräder A oder B und um ein Kettenrad eines hinteren Kettenradsatzes G2 geführte Kette C überträgt die durch Treten der Tretkurbel K eingespeiste Antriebskraft vom jeweiligen vorderen Kettenrad A oder B auf den hinteren Kettenradsatz G2 und damit auf das Hinterrad des Fahrrads. Ein zunächst dem vorderen Kettenradsatz G1 am ziehenden Trum der Kette C angeordneter vorderer Umwerfer E mit einer Kettenführung F dient dazu, die Kette C auf das eine oder andere Kettenrad A oder B zu führen, um das Antriebsübertragungsverhältnis entsprechend zu verändern, wobei die Kettenführung F so angeordnet ist, daß zwischen ihr und der Spitze jedes Zahns 2a der richtige Abstand 1 von beispielsweise etwa 1 bis 55 mm vorhanden ist.

Damit besteht auch zwischen den Spitzen der Zähne 2b im Bereich des kleinsten effektiven Durchmessers D2 und der Kettenführung F jeweils der richtige Abstand, da die Zähne 2a eine kleinere Höhe haben als die Zähne 2b', so daß sich ein nahezu perfekt kreisförmiger Zahnspitzenkreis ergibt.

Wie man aus Vorstehendem erkennt, ist der vorgenannte Abstand zwischen der Kettenführung F und den Zähnen 2b im Bereich des kleinsten effektiven Durchmessers D2 nicht so groß wie bei einem herkömmlichen Kettenrad, so daß sich die Kette C ohne Gefahr des Überspringens des größeren Kettenrads A sicher vom kleineren Kettenrad·B auf das größere Kettenrad A überführen läßt. Damit ist einem Abspringen der Kette C von dem den größeren Durchmesser aufweisenden Kettenrad A weitgehend vorgebeugt.

Da ferner die Spitzen der Zähne 2a im Bereich des größten effektiven Durchmessers D1 seitlich in Richtung auf das den kleineren Durchmesser aufweisende Kettenrad B versetzt sind, lassen sich diese Zähne mühelos mit der Kette C in Eingriff bringen, so daß sich der Schaltvorgang mühelos bewerkstelligen läßt.

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Das Kettenrad A ist in folgender Weise an der Tretkurbel K angebaut:

Wie man in Fig. 5 erkennt, ist das unrunde Kettenrad A so angeordnet und an der Tretkurbel K befestigt, daß sein den größten effektiven Durchmesser aufweisender Beerich D1 in der Drehrichtung der Tretkurbel, in Fig. 5 also im Uhrzeigersinn, um ein Stück vor den Kurbelarmen KA liegt. Dadurch kommt der den größten Durchmesser aufweisende Bereich D1 zur Wikrung, wenn sich die Tretkurbelarme in den Bereichen des oberen und des unteren Totpunkts 01 bzs. 02 befinden, während der den kleinsten Durchmesser aufewisende Bereich D2 zur Wirkung kommt, wenn sich ein Tretkurbelarm nach Durchgang durch den oberen Totpunkt in dem Bereich befindet, in welchem das größte Drehmoment erzeugbar ist.

Bei einer derartigen Anordnung des Kettenrads A in bezug auf die Tretkurbel K ist die in Fig. 3 dargestellte zyklische Änderung des Drehmoments beim Treten der Tretkurbel berücksichtigt.

Beim Durchgang des jeweiligen Tretkurbelarms durch den Winkelbereich zwischen etwa 30° und 120° vorwärts des oberen Totpunkts in bezug auf den Antriebsdrehsinn der Tretkurbel ist beim Treten der Pedale das größte Drehmoment erzeugbar, wobei dann der kleinste effektive Durchmesser des Kettenrads A wirksam ist. Dadurch verringert sich das Ubertragungsverhältnis zwischen dem Kettenrad A und dem jeweiligen Kettenrad des hinteren Kettenradsatzes G2, so daß sich die Winkelgeschwindigkeit der Tretkurbel erhöht. In dem Bereich, in welchem im wesentlichen das größte Drehmoment erzeugbar ist, wird die ausgeübte Kraft daher in höherem Maße ausgenutzt und dem aus den Beinbewegungen des Fahrers abgeleiteten Bewegungsmuster angepaßt. Im Bereich der oberen und unteren Totpunkte, in welchem nur ein kleineres Drehmoment erzeugbar ist, befindet sich das Kettenrad A in einer Stellung, in welcher der Bereich des größten effektiven Durchmessers wirksam ist, wodurch sich das Über-

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tragungsverhältnis vergrößert. Dadurch verringert sich die Winkelgeschwindigkeit der Tretkurbelarme in Anpassung an das Geschwindigkeitsrauster der Beinbewegungen des Fahrers, so daß sich die physische Belastung des Fahrers ebenfalls verringert.

Wie man aus Vorstehendem erkennt, ist der effektive Durchmesser in dem Bereich, in welchem das größere Drehmoment erzielbar ist, am kleinsten, wodurch sich die Winkelgeschwindigkeit erhöht und der Fahrer seine volle Kraft für den Antrieb des Fahrrads zur Wirkung bringne kann. In diesem Bereich kann der Fahrer außerdem seine Beine schneller bewegen, so daß sich ein Bewegungsmuster entsprechend dem einer Pendelbewegung der Beine ergibt.

Im Bereich des oberen und des unteren Totpunkts ist'der effektive Durchmesser dagegen am größten und die Winkelgeschwindigkeit verringert sich. Dies bewirkt zwar eine gewisse Verringerung der Antriebskraft im Vergleich zu einem herkömmlichen Kettenrad, im Bereich der oberen und unteren Totpunkte ist jedoch ein größeres Drehmoment'ohnehin nicht erzielbar, so daß also die Antriebsleistung nicht nennenswert beeinträchtigt ist, während sich die physische Belastung des Fahrers verringert und die Beine sich in Übereinstimmung mit dem natürlichen Geschwindigkeitsmuster langsamer bewegen.

Damit ist also die Antriebsleistung in den Bereichen verbessert, in denen das größere Drehmoment erzielbar ist, und das Treten der Pedale ist dem natürlichen Geschwindigkeitsmuster der Beinbewegungen des Fahrers angepaßt, wodurch sich der für das Treten der Pedale erforderliche Kraftaufwand sowie die physische Belastung des Fahrers verringern und ein zügiges Treten der Pedale ermöglicht ist.

Beträgt das Verhältnis zwischen dem größten effektiven Durchmesser D1 und dem kleinsten effektiven Durchmesser D2 beispielsweise 1,1 : 1, so kann man davon ausgehen, daß ein

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maximales Drehmoment von 30 kg-m und ein minimales Drehmoment von 5 kg-m erzielbar sind, wobei die Winkelgeschwindigkeit der Tretkurbelarme, bezogen auf einen Wert 1 für ein rundes Kettenrad, im Bereich der längeren Achse 0,95 und im Bereich der kürzeren Achse 1,05 ist. Bei dem Kettenrad A entspricht der Bereich des größten effektiven Durchmessers dem Bereich, in welchem nur das kleinste Drehmoment erzielbar ist, und der Bereich des kleinsten effektiven Durchmessers entspricht dem Bereich, in welchem das größte Drehmoment erzielbar ist, so daß für das größte Drehmoment von 28,5 kg-m und das kleinste Drehmoment von 5,25 kg-m am Kettenrad A die Formel Kraft = Drehmoment χ Geschwindigkeit gilt.

Dementsprechend erhöht sich das Drehmoment im Bereich des größten effektiven Durchmessers um 0,25 kg-m und verringert sich im Bereich des kleinsten effektiven Durchmessers um 1,5 kg-m, wodurch sich ein größeres Abstandsverhältnis ergibt. Der Meßwert des größten Drehmoments läßt sich somit um 5 bis 8 % verringern, so daß sich selbst bei Erhöhung kleinsten Drehmoments eine Verringerung des integrierten Drehmomentwerts für eine Umdrehung der Tretkurbel um etwa 2 bis 3 % ergibt. Darüber hinaus läßt sich die Beinbewegung des Fahrers beim Treten der Pedale einem natürlichen Geschwindigkeitsmuster an'passen, wodurch sich der allein für die Beinbewegung notwendige Energieaufwand verringert. Dadurch läßt sich ein gleichzeitig gemessener integrierter Wert in einem Elektromyogramm um 2 bis 3 % verringern.

Wie man aus vorstehender Beschreibung erkennt, ist das vordere Kettenrad gemäß der Erfindung unrund mit variablem effektivem Durchmesser und weist im Bereich des größten effektiven Durchmessers Zähne auf, deren Höhe kleiner ist als die der Zähne im Bereich des kleinsten effektiven Durchmessers. Dadurch läßt sich jederzeit der richtige Abstand zwischen der Kettenführung und den Zähnen des Kettenrads einhalten, sodaß die Kette bei ihrer überführung von einem Kettenrad kleineren Durchmessers auf ein Kettenrad

1 größeren Durchmessers daran gehindert ist, das größere Zahn rad zu überspringen.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend ebschriebene 5 bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern erlaubt die verschiedensten Abwandlungen und Änderungen desselben im Rahmen der Ansprüche.

Claims

BERG · STAPF · SCWWABfc ]■ $ANDMÄiR^;3 4057 9 PATENTANWÄLTE MAUERKIRCHERSTRASSE 45 8000 MÜNCHEN 80 Anwaltsakte 33 305 February 17, 1984 Shimano Industrial Company Ltd. Osaka /JAPAN Vorderes Kettenrad für ein Fahrrad Paten t_a nsprüche

1. Vorderes Kettenrad für ein Fahrrad, welches eine unrunde Form mit einem Bereich größten effektiven Durchmessers und einem Bereich kleinsten effektiven Durchmessers aufweist, mit einem Radkörper und einer Anzahl von entlang dem äußeren Umfang des Radkörpers angeordneten Zähnen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (2a) im^Bereich des größten effektiven Durchmessers (D1) eine geringere Höhe aufweisen als die Zähne (2b) im Bereich des kleinsten effektiven Durchmessers (D2), so daß der Zahnspitzenkreis des Kettenrads (A) nahezu perfekt kreisförmig ist.

Bankkonten: Bayer. Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270)

2. Vorderer Kettenradsatz für ein Fahrrad mit wenigstens einem einen größeren Durchmesser aufweisenden Kettenrad und wenigstens einem einen kleineren Durchmesser aufweisenden Kettenrad, welche unterschiedliche Anzahl von Zähnen aufweisen, und von denen wenigstens das den größeren Durchmesser aufweisende Kettenrad eine unrunde Form mit einem Bereich größten effektiven Durchmessers und einem Bereich kleinsten effektiven Durchmessers aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des größten effektiven Durchmessers (D1) angeordnete Zähne (2a) eine kleinere Höhe aufweisen als im Bereich des kleinsten effektiven Durchmessers (D2) angeordnete Zähne (2b), so daß der Zahnspitzenkreis des betreffenden Kettenrads (A) nahezu perfekt kreisförmig ist.

3. Vorderer Kettenradsatz für ein Fahrrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen der im Bereich des größten Durchmessers (D1) angeordneten Zähne (2a) relativ zu denen der im Bereich des kleinsten Durchmessers (D2) angeordneten Zähne (2b) in Richtung auf das den kleineren Durchmesser aufweisende Kettenrad (B) versetzt sind.

4. Vorderer Kettenradsatz für ein Fahrrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kettenräder (A, B) mit Kurbelarmen (KA) verbunden sind, daß der Bereich größten effektiven Durchmessers (D1) relativ zu den Kurbelarmen in der Antriebsrichtung derselben vorwärts versetzt ist und daß die Kurbelarme derart mit den Kettenrädern verbunden sind, daß der den kleinsten Durchmesser aufweisende Bereich (D2) das größte Drehmoment abgibt, wenn sich ein Kurbelarm in einem Bereich befindet, in welchem das größte Drehmoment erzielbar ist.