DE10296455T5

DE10296455T5 - Freilaufkupplung für Fahrradantriebsstrang

Info

Publication number: DE10296455T5
Application number: DE10296455T
Authority: DE
Inventors: Patrick Boulder Warner; Michael H. Boulder Harding; Mu-Chuan Wu; William A. Louisville Baker
Original assignee: Nautilus Inc
Current assignee: Bowflex Inc
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: US7850577B2; US20030224911A1; GB2390311A; GB2390311B; US20090291811A1; DE10296455B4; ES2288323A1; EP1365843A4; CH695665A5; US20050221962A1; US20070004564A9; SE0302401D0; US7569001B2; US7413530B2; EP1365843A1; TW562685B; WO2002072210A1; GB0321069D0; ES2288323B1

Abstract

Heimtrainer-Fahrrad mit
einem Rahmen einschließlich einem Sitz und Griffstangen; einem Schwungrad einschließlich einem Achsengehäuse, wobei das Schwungrad drehbar an dem Rahmen abgestützt ist;
einem Antriebsstrang einschließlich einem Antriebsstrangzahnrad, einer Kurbelwange, die an dem Antriebszahnrad befestigt ist und sich davon weg erstreckt, und einem Pedal, das an der Kurbelwange befestigt ist, wobei der Antriebsstrang drehbar von dem Rahmen abgestützt wird, und einem Nehmerzahnrad, das mit dem Schwungrad gekoppelt ist, wobei das Antriebsstrang- und Nehmerzahnrad in einer Direktantriebsbeziehung miteinander verbunden sind, wobei der Antriebsstrang vorwärts und rückwärts antreibbar ist, damit sich das Schwungrad dreht;
einem Federspannmittel, das mit dem Achsengehäuse gekoppelt ist; und
einer Kupplung, die in Eingriff mit dem Nehmerzahnrad und dem Schwungrad angeordnet ist, wobei die Kupplung ein Vorspannteil enthält, das zwischen der Kupplung und dem Federspannmittel angeordnet ist, wobei die Kupplung eine Freibrechkraft erzeugt.

Description

Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung Seriennummer 09/379,560, die am 23. August 1999 eingereicht wurde und den Titel trägt: "FREILAUFKUPPLUNG FÜR FAHRRADANTRIEBSSTRANG" und die hiermit durch Verweis einbezogen ist als ob sie hier vollständig enthalten wäre.
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Freilaufvorrichtungen und genauer auf eine Freilaufkupplung, die bei kurbelgetriebenen Heimtrainer-Fahrrädern, die ein Trägheits-Schwungrad haben, nützlich ist.
HINTERGRUND
Der sich aus dem Training auf einem Heimtrainer-Fahrrad mit Direktantrieb ergebende Nutzen ist allgemein bekannt. Typischerweise haben Heimtrainer-Fahrräder mit Direktantrieb ein Schwungrad mit hoher Trägheit, das von einem Antriebsstrang mit fester Übersetzung angetrieben wird. Das Schwungrad wird von dem Benutzer auf relativ hohe Umdrehungen pro Minute (U/min) gebracht. Wegen des Direktantriebs muß sich der Antriebsstrang mit einem festen Drehzahlverhältnis gegenüber dem Schwungrad auf der Basis des Übersetzungsverhältnisses drehen. Ein Vorteil des Heimtrainer-Fahrrades mit Direktantrieb besteht darin, daß der Direktantriebsstrang dem Benutzer "Unterstützung für die Pedalweiterbewegung" gibt. Der "Pedalweiterbewegungseffekt" unterstützt den Benutzer durch Weiterdrehen des Pedals über die obere und untere Totpunkt-Pedalstellung hinweg, damit der Übergang glatt und wirksam ist. Weitere Vorteile leiten sich von der Direktantrieb-Wechselwirkung zwischen dem Schwungrad und den Kurbelwangen ab, an denen die Füße des Benutzers befestigt sind. Das Schwungrad liefert einen glatten ruckfreien Pedalrhythmus, der dem Benutzer ein wirksames und gründliches Training gibt, besonders bei relativ hohen Drehzahlen wie 60–100 U/min.
Wird diese Erfindung bei einem Heimtrainer-Fahrrad mit Schwungrad angewendet, ist ein ausdrücklicher Antrieb erforderlich, um das Trägheitsrad zu drehen, um das regulierte Verzögerungsmoment zu überbinden, das von einer Bremseinrichtung aufgebracht wird, die einen Widerstand schaffen soll, gegen den der Benutzer die Bedienungsperson arbeitet. Das Trägheitsrad ermöglicht ununterbrochene Antriebsstrangbewegungen (von Rad zu Kurbel zum Bein) während jener Perioden, in denen die Kurbel in der oberen Totpunkt- oder unteren Totpunktstellung ist, in denen die Beine des Benutzers etwas weniger Kraft zum Aufbringen der Drehbewegung auf die Antriebskurbelwangen haben. Das Schwungrad ermöglicht dem Benutzer einen glatten und steten Betrieb.
Die Direktantriebsbeziehung zwischen dem Schwungrad und dem Antriebsstrang ist auch ein Nachteil für das Trainieren auf dieser Art von Fahrrad. Die Direktantriebsbeziehung ist unbequem, wenn der Benutzer die Pedale schnell anhalten will oder den Pedalbewegungsrhythmus, der notwendig ist, um mit dem sich drehenden Schwungrad mitzukommen, verliert. Bei dem üblichen Schwungrad-Heimtrainer, der eine solche Direktantriebsbeziehung hat, muß der Benutzer oder die Bedienungsperson die Kurbeldrehgeschwindigkeit allmählich absenken, um das Trägheitsrad zu verlangsamen. Der Benutzer kann die Pedalbewegung nicht plötzlich beenden, weil das Trägheitsrad die Kurbelwangen weiter antreibt.
Von ähnlicher Bedeutung ist der Wunsch nach einer Pedalbewegungsunterstützung der Beine des Benutzers oder der Bedienungsperson beim Treten mit einer Geschwindigkeit die langsamer als nötig ist, um das Schwungrad ausdrücklich anzutreiben, und nach einem allmählichen Wiedereingriff und einer Sperrung zwischen der pedalgetriebenen Antriebswelle und dem freilaufenden Schwungrad, um beim Wiedereinrücken des sich bewegenden Schwungrades einen abrupten Stoß zu vermeiden.
Mit diesen Gesichtspunkten im Kopf wurde die vorliegende Erfindung entwickelt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Allgemein ausgedrückt betrifft die vorliegende Erfindung eine Kupplung für den Einsatz in einem Heimtrainer-Fahrrad, und demzufolge geht die Erfindung davon aus, daß es wünschenswert ist, einen Freilaufmechanismus bei einem Heimtrainer des Schwungradtyps zu haben, der es ermöglicht, das Schwungrad wahlweise von der Antriebseinrichtung abzukoppeln. Die Kupplung ermöglicht die vorteilhafte Direktantriebsverbindung zwischen dem Antriebsstrang und dem Schwungrad, und ermöglicht es auch, daß sich der Antriebsstrang und das Schwungrad unabhängig voneinander bewegen oder "freibrechen", wenn eine genügend hohe Kraft auf den Antriebsstrang oder das Schwungrad aufgebracht wird.
Allgemein ausgedrückt besteht die Erfindung in einem Heimtrainer-Fahrrad mit einem Rahmen, der einen Sitz und Griffstangen hat, einem Schwungrad mit hoher Trägheit, das eine Nabe im Drehzentrum hat, wobei das Schwungrad an der Nabe drehbar an dem Rahmen abgestützt ist, und einem Antriebsstrang, der ein Antriebszahnrad, eine an dem Antriebszahnrad befestigte und sich davon weg erstreckende Kurbelwange und ein an der Kurbelwange befestigtes Pedal beinhaltet, wobei der Antriebsstrang drehbar von dem Rahmen abgestützt wird. Der Antriebsstrang enthält auch ein Nehmerzahnrad, das an dem Schwungrad an der Nabe befestigt ist, wobei das Antriebszahnrad und das Nehmerzahnrad in einer Direktantriebsbeziehung miteinander verbunden sind, wobei der Antriebsstrang vorwärts und rückwärts antreibbar ist, um das Schwungrad zum Drehen zu bringen. Eine Kupplung ist in Eingriff mit dem Nehmerzahnrad und der Nabe angeordnet, um einen Reibeingriff zwischen dem Zahnrad und der Nabe zu erzeugen und eine Freibrechkraft festzulegen. Wenn der Antriebsstrang vorwärts angetrieben wird, bewegen sich das Nehmerzahnrad und die Nabe aufgrund eines mechanischen Eingriffs zusammen, und wenn der Antriebsstrang aufgrund einer Kraft, die größer als die Freibrechkraft ist, rückwärts angetrieben wird, rutscht die Kupplung zwischen dem Nehmerzahnrad und der Nabe, so daß es dem Nehmerzahnrad und dem Schwungrad gestattet ist, sich unabhängig voneinander zu bewegen. Bedingt durch das Einweglager gibt es anders als in der Vorwärtsrichtung, keinen mechanischen Eingriff zwischen dem Zahnrad und der Nabe in der Rückwärtsrichtung.
Genauer ausgedrückt weist das Nehmerzahnrad einen an der Nabe angebrachten Zahnradkranz auf und es enthält auch einen Eingriffskranz. Ein Einweglager ist zwischen dem Zahnradkranz und der Nabe angeordnet, so daß der Zahnradkranz die Nabe antreiben kann, wenn der Zahnradkranz vorwärtsangetrieben wird, und so daß sich der Zahnradkranz unabhängig von der Nabe drehen kann, wenn der Zahnradkranz rückwärts angetrieben wird. Ein fest an der Nabe angebrachter Eingriffsflansch entspricht dem Eingriffskranz, und Druckmittel sind an dem Schwungrad angebracht, um den Flansch und den Kranz gegeneinander vorzuspannen. Ein Kupplungsmaterialteil ist zwischen dem Eingriffsflansch und dem Kranz angeordnet und wird von den Druckmitteln dort dazwischen eingeklemmt, um zu bewirken, daß sich der Eingriffsflansch zusammen mit dem Zahnradkranz bewegt. Der Eingriff erzeugt eine Freibrechkraft, die notwendig ist, um zu bewirken, daß sich der Zahnradkranz unabhängig von dem Eingriffsflansch bewegt. Wenn der Antriebsstrang vorwärts angetrieben wird, bewegen sich der Zahnradkranz und der Eingriffsflansch zusammen, und wenn der Antriebsstrang rückwärts angetrieben wird und die Freibrechkraft überwindet, rutscht der Eingriffsflansch bezüglich des Kranzes, so daß sich der Zahnradkranz und das Schwungrad unabhängig voneinander bewegen können.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel hat das Nehmerzahnrad einen an der Nabe angebrachten Zahnradkranz und bildet einen inneren und einen äußeren Eingriffskranz. Ein Einweglager ist zwischen dem Zahnradkranz und der Nabe angeordnet, um dem Zahnradkranz zu gestatten, die Nabe anzutreiben, wenn der Zahnradkranz vorwärts angetrieben wird, und um dem Zahnradkranz zu gestatten, sich auf der Nabe frei zu drehen, wenn der Zahnradkranz rückwärts angetrieben wird. Ein innerer Eingriffsflansch ist fest an der Nabe angebracht und entspricht dem inneren Eingriffskranz, und ein äußerer Eingriffsflansch ist fest an der Nabe angebracht und entspricht dem äußeren Eingriffskranz. Druckmittel sind an dem Schwungrad angebracht, um den inneren Flansch und den inneren Kranz gegeneinander vorzuspannen und um den äußeren Flansch und den äußeren Kranz gegeneinander vorzuspannen. Ein Kupplungsmaterialteil ist zwischen dem äußeren Eingriffsflansch und dem äußeren Kranz, und zwischen dem inneren Eingriffsflansch und dem inneren Kranz angeordnet und wird dort von den Druckmitteln dazwischen eingeklemmt, um zu bewirken, daß sich der innere und der äußere Eingriffsflansch zusammen mit dem Zahnradkranz bewegen. Der Eingriff erzeugt eine Freibrechkraft, die notwendig ist, um zu bewirken, daß sich der Zahnradkranz unabhängig von dem inneren und dem äußeren Eingriffsflansch bewegt. Wenn der Antriebsstrang vorwärts angetrieben wird, bewegen sich der Zahnradkranz und der innere und der äußere Flansch zusammen, und wenn der Antriebsstrang rückwärts angetrieben wird und die Freibrechkraft überwindet, rutschen der innere und der äußere Eingriffsflansch bezüglich des inneren und des äußeren Kranzes, so daß sich der Zahnradkranz und das Schwungrad unabhängig voneinander bewegen können. Es gibt weitere Ausführungsbeispiele der offenbarten Erfindung, die die gleiche Wirkung mit einem sehr ähnlichen Aufbau haben.
Die Erfindung enthält auch einen Heimtrainer-Fahrradrahmen zum Gebrauch mit der Kupplung. Der Rahmen enthält eine Vorderstütze, eine Hinterstütze und ein sich zwischen der vorderen und der hinteren Bodenstütze erstreckendes Versteifungsteil. Außerdem sind Vordergabeln enthalten, die ein oberes Ende und ein unteres Ende haben und an dem unteren Ende an der vorderen Bodenstütze befestigt sind. Die Vordergabeln stützen ein Schwungrad mit hoher Trägheit drehbar ab. Ein hinterer Pfosten ist enthalten, der ein oberes Teil und ein unteres Teil hat, wobei das obere Teil an dem unteren Teil mit Überlappung mit Versatz nach hinten befestigt ist, wobei der hintere Pfosten ein oberes Ende und ein unteres Ende hat. Der hintere Pfosten ist an dem unteren Ende an dem Versteifungsteil befestigt. Ein geknickter Träger ist an dem oberen Ende der Vordergabeln befestigt und erstreckt sich von dort aus nach unten und nach hinten bis zu einer mittleren Stelle zwischen den Vordergabeln und dem hinteren Pfosten und erstreckt sich dann horizontal zu dem hinteren Pfosten an dem Schnittpunkt des oberen und des unteren Teiles des hinteren Pfostens. Eine hintere Konsole erstreckt sich von dem oberen Teil des hinteren Pfostens zu der hinteren Stütze. Eine Griffstange ist an dem oberen Ende der Vordergabeln befestigt, und ein Sitz ist an dem oberen Ende des hinteren Pfostens angebracht. Ein vorderer Bereich wird von den Vordergabeln, dem geknickten Träger und dem Versteifungsteil definiert und bildet ein fünfseitiges Polygon, und ein hinterer Bereich wird von dem hinteren Pfosten, der hinteren Konsole und dem Versteifungsteil definiert und bildet ein fünfseitiges Polygon.
Demgemäß ist es ein primäres Ziel der Erfindung, eine Freilaufkupplung zu schaffen, die es ermöglicht, daß ein Heimtrainer-Fahrrad die Direktantriebsbeziehung zwischen dem Antriebsstrang und dem Schwungrad enthält und sich gleichzeitig der Antriebsstrang und das Schwungrad unter bestimmten Bedingungen unabhängig voneinander drehen können.
Weitere Aspekte, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung erschließen sich noch besser aus der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und aus den anhängenden Ansprüche.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen
1 eine perspektivische Ansicht eines Heimtrainer-Fahrrades mit einer erfindungsgemäßen Kupplung;
2 eine schematische Darstellung des Antriebsstranges des in 1 gezeigten Heimtrainer-Fahrrades;
3 eine schematische Darstellung des Antriebsstranges des in 1 gezeigten Heimtrainer-Fahrrades;
4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in 3; 5A einen Schnitt entlang der Linie 5A-5A in 2;
5B einen typischen Schnitt ähnlich dem der 5A, wobei er die Auswirkungen eines abgenutzten Kupplungsmaterials zeigt;
5C einen typischen Schnitt ähnlich dem der 5A, wobei er eine andere Art von Druckteil zeigt;
6 eine perspektivische Darstellung eines Schwungrades mit hoher Trägheit, das eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupplung enthält;
7 eine auseinandergezogene Ansicht des Schwungrades der 6;
8 und 9 eine Ansicht bzw. eine perspektivische Darstellung eines Teiles der Kupplung;
10 eine Seitenansicht des Zahnradkranzes der erfindungsgemäßen Kupplung;
11 eine Draufsicht auf den in 10 gezeigten Zahnradkranz;
12 einen Schnitt entlang der Linie 12-12 in 10;
13 eine vergrößerte perspektivische Vorderansicht des Zahnradkranzes der 10;
14 eine Seitenansicht des Kupplungsscheibenkranzteiles der erfindungsgemäßen Kupplung;
15 einen Schnitt entlang der Linie 15-15 in 14;
16 eine perspektivische Vorderansicht des Kupplungsscheibenkranzteiles der erfindungsgemäßen Kupplung;
17 eine perspektivische Darstellung eines Schwungrades mit hoher Trägheit, das eine alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Kupplung enthält;
18 eine vergrößerte perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Ausführungsform, wie sie in 17 gezeigt ist;
19 einen Schnitt entlang der Linie 19-19 in 18;
20 einen typischen Schnitt der in 19 gezeigten Ausführungsform, wobei er die Auswirkungen eines abgenutzten Kupplungsmaterials zeigt;
21 eine vergrößerte perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
22 einen Schnitt entlang der Linie 22-22 in 21;
23 einen Schnitt entlang der Linie 23-23 in 22;
24 einen typischen Schnitt einer alternativen Ausführungsform, die ähnlich derjenigen ist, die in den 22, 23 und 24 gezeigt ist;
25 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung;
26 einen Schnitt entlang der Linie 26-26 in 25; 27 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung;
28 einen Schnitt entlang der Linie 28-28 in 27;
29 einen Schnitt entlang der Linie 29-29 in 28;
30 einen typischen Schnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
31 einen typischen Schnitt einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Im Lichte der oben genannten Gegenstände wurde eine Freilaufkupplung 40 zum Gebrauch an Heimtrainer-Fahrräder 42 mit Direktantrieb entwickelt, die ein Trägheitsschwungrad 44 haben (1-4). Während die vorliegende Erfindung unten im Zusammenhang mit einem Heimtrainer-Fahrrad beschrieben ist, wird in Erwägung gezogen, daß sie bei normalen Fahrrädern oder anderen Trainingsgeräten wie z.B. Magnetwiderstandsfahrrädern, Luftwiderstandsfahrrädern und anderen nicht als Fahrräder bezeichneten Trainingsgeräte, (wie z.B. Oberkörpertrainer) die jeweils einen Drehantrieb (Räder usw.) haben, unter bestimmten Umständen verwendet werden könnte. Die Freilaufkupplung arbeitet im Direktantrieb, wenn der Benutzer die Pedale des Fahrrades vorwärts antreibt (im Gegenuhrzeigersinn in den 1 und 2, im Uhr zeigersinn in 3) hat aber eine Freigabe- oder Freilauffunktion, wenn der Benutzer die nötige Kraft auf das Pedal (oder irgendwo auf dem Antriebsstrang) entgegengesetzt zu oder gegen die Vorwärtspedalbewegungsrichtung aufbringt. Bei Aufbringung der geeigneten Gegenkraft ("Freibrechkraftschwelle") ist der Antriebsstrang im Freilauf, so daß sich die Pedale in der entgegengesetzten Richtung bezüglich der oder langsamer als die Drehung des Schwungrades drehen können. Der Benutzer kann dann entweder die Pedale einfach mit einer verhältnismäßig niedrigeren U/min als mit dem normalen Übersetzungsverhältnis zu dem Schwungrad antreiben, die Pedale anhalten oder die Pedale rückwärts drehen.
Die Gegenkraft, die auf die Pedale aufgebracht werden muß, um den Freilaufzustand herzustellen, kann auf der Grundlage der Konstruktion der Freilaufkupplung verstellt werden, und liegt typischerweise zwischen 0,00 und 100 Pfund, vorzugsweise 55 Pfund an den Pedalen, je nach Anwendung. Die Freibrechkraftschwelle basiert auf dem statischen Reibeingriff zwischen dem Kupplungsmaterial und den Kupplungsscheiben, zwischen denen das Kupplungsmaterial eingeklemmt ist, sowie der mechanischen Kraftverstärkung die durch den Antriebsstrang geliefert wird. Die Kupplungsscheiben sind, wie unten beschrieben, an verschiedenen Teilen, die sich unter normalen Umständen gemeinsam drehen. Die Reibungskraft zwischen dem Kupplungsmaterial und den Kupplungsscheiben erleichtert diese Beziehung. In einem bestimmten Punkt (die Freibrechkraftschwelle) überwinden die sich gegenüberliegenden Kupplungsscheiben die statische Reibungskraft und drehen sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten (U/min) in der gleichen Richtung oder in der entgegengesetzten Richtung. Der Oberflächenbereich der Kupplungsscheiben und des Kupplungsscheibenmaterials, die Materialeigenschaft der Kupplungsscheiben und des Kupplungsmaterials und die Kraft, mit der die Kupplungsscheiben das Kupplungsmaterial zwischen sich einklemmen, sind alles Faktoren, die gezielt gewählt werden können, um die Freibrechkraftschwelle zu beeinflussen. Die Freibrechkraft (gemessen an dem Pedal) wird auch von dem Übersetzungsverhältnis und der Länge der Kurbelwangen beeinflußt.
Die Freilaufkupplung 40 ist in den Antriebsstrang des Heimtrainer-Fahrrades integriert. Der Antriebs- oder Getriebestrang enthält das Antriebszahnrad 46, die an dem Antriebszahnrad befestigten Kurbelwangen 48 und die zugehörigen Pedale 50, der Antriebsachsenzusammenbau 52, das Nehmerzahnrad 54 und die Kette oder der Riemen 56, die bzw. der das Antriebs- und das Nehmerzahnrad, wie in 3 gezeigt, miteinander verbindet. Typischerweise ist das Antriebszahnrad starr an einer der Kurbelwangen angebracht und jede Kurbelwange ist lösbar an dem Antriebsachsenzusammenbau angebracht. Der Antriebsachsenzusammenbau ist in der Nabe an dem Rahmen angeordnet, um eine Drehbewegung der Kurbelwangen in jede Richtung zu gestatten.
Wie in 4 gezeigt, enthält die Freilaufkupplung 40 einen Zahnradkranz 58, der drehbar auf einem Nehmerachsenzusammenbau 60 montiert ist. Das Nehmerzahnrad 54 ist an dem Schwungrad 44 neben der Nabe 62 befestigt. Der Nehmerachsenzusammenbau ist in der Nabe montiert und an dem Rahmen befestigt, so daß sich das Schwungrad bezüglich des Rahmens unter der Kraft des Antriebsstranges über die Bewegung des Nehmerachsenzusammenbaus drehen kann. Der Nehmerachsenzusammenbau ist tatsächlich in der Nabe montiert und beinhaltet ein Achsengehäuse. Typischerweise ist das Nehmerzahnrad auf dem Achsengehäuse angebracht.
Die Freilaufkupplung kann in Zusammenhang stehend mit dem Antriebszahnrad, den Kurbeln und dem Antriebsachsenzusammenbau angebracht sein oder kann in Zusammenhang stehend mit dem Nehmerzahnrad, dem Nebenachsenzusammenbau und dem Schwungrad angebracht sein. Die Wahl der Plazierung der Freilaufkupplung hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Positionen der Freilaufkupplung besteht darin, daß wenn sie in Zusammenhang mit dem Nehmerzahnrad montiert ist, die Betätigung der Freilaufkupplung die Bewegung der Kette und des Antriebszahnrades beeinflußt (verlangsamt, anhält oder umkehrt). Wenn die Freilaufkupplung in Zusammenhang stehend mit dem Antriebszahnrad montiert ist, können durch die Betätigung der Freilaufkupplung die Pedale und Kurbeln verlangsamt, angehalten oder umgekehrt werden, während sich das Antriebszahnrad, die Kette und das Nehmerzahnrad und das Schwungrad weiter drehen. Wie hier beschrieben, ist die Freilaufkupplung in Zusammenhang stehend mit dem Nehmerzahnrad montiert.
Wie genauer in den 4 und 5A gezeigt ist, enthält die Freilaufkupplung einen Zahnradkranz 58 (in diesem Fall einen "Nehmer"-Zahnradkranz) der in einer Einwegantriebsbeziehung mit dem Achsengehäuse 64 derart montiert ist, daß die Drehung des Nehmerzahnradkranzes in eine Richtung direkt das Achsengehäuse antreibt, und die Drehung des Nehmerzahnradkranzes in die umgekehrte Richtung das Achsengehäuse nicht antreibt (gestattet "Freilaufbetrieb"). Diese Freilaufbeziehung wird durch Einweglager 66 oder eine Sperrzahnrad- und Sperrklinkenanordnung geschaffen, die zwischen dem Nehmerzahnradkranz und dem Achsengehäuse verwendet wird.
Die Freilaufbewegung des Nehmerzahnradkranzes 58 bezüglich des Achsengehäuses 54 (und somit der Nabe 62 und des Schwungrades 44) wird dadurch gemäßigt oder verringert, daß Kupplungsscheiben 68 und Kupplungs- oder Bremsmaterial 70 auf den Nehmerzahnradkranz einwirken. Ein Kupplungsscheibenkranz 69 ist an dem Achsengehäuse 64 befestigt, um ein Ende der Freilaufkupplung 40 fest anzuordnen. Die Kupplungsscheiben 68 sind starr angebracht, um sich zusammen mit dem Achsengehäuse (und somit der Nabe und dem Schwungrad) zu drehen und werden durch ein Spannmittel, wie z.B. einem Federglied 72 in Kontakt mit dem Zahnradkranz 58 gezwungen. Das Bremsmaterial 70 ist zwischen dem Zahnradkranz und den Kupplungsscheiben angeordnet, um eine Reibungsschnittstelle zwischen den beiden zu schaffen. Das Bremsmaterial kann entweder an dem Zahnradkranz oder den Kupplungsscheiben angebracht sein oder es kann freischwimmend sein. Der Bereich des Kontaktes zwischen der Kupplungsscheibe und dem Zahnradkranz (über das Bremsmaterial) erzeugt in Verbindung mit der von dem Spannmittel 72 aufge brachten Kraft die "Freibrech"-Kraft, die über den Zahnradkranz aufgebracht werden muß, so daß der Zahnradkranz auf dem Achsengehäuse "freilaufen" kann. Wenn die aufgebrachte Kraft nicht ausreicht, um die "Freibrech"-Kraft zu überwinden, dann kann der Zahnradkranz nicht auf dem Achsengehäuse freilaufen.
Die Freilaufkupplung ist unter dem Einfluß der Vorspannkraft selbstnachstellend, um die Abnahme der Dicke des Bremsmaterials 70 aufgrund von Abnutzung durch Gebrauch auszugleichen. Die Kupplungsscheiben 68 "schwimmen" auf dem Achsengehäuse, um den Kontakt mit dem Zahnradkranz einzustellen und aufrecht zu erhalten, wenn das Bremsmaterial dünner wird.
Bestimmte Ausführungsformen der Freilaufkupplung sind unten näher beschrieben.
Ein Heimtrainer-Fahrrad 42, das die Erfindung enthält, ist in 1 gezeigt. Das Fahrrad enthält einen Rahmen 80, der auf einer Stützfläche durch am Boden angreifende Teile 82 abgestützt ist, einen verstellbaren Sitz 84, verstellbare Griffstangen 86, ein Schwungrad 44, das drehbar zwischen zwei Vordergabeln 88 des Rahmens angeordnet ist, und einen Getriebezug 54, der an dem Rahmen nahe bei und unter dem Sitz befestigt ist.
Der Rahmen 80, wie er in 1 gezeigt ist, enthält eine vordere und hintere Bodenstütze 90, die durch ein horizontales Rahmenversteifungsteil 92, das sich zwischen ihnen erstreckt, miteinander verbunden sind, Vordergabeln 88 und einen hinteren Pfosten 94. Die Vordergabeln und der hintere Pfosten sind durch einen geknickten Träger 96 miteinander verbunden, der von dem oberen Ende der Vordergabeln aus schräg nach unten bis ungefähr zur Mitte zwischen den Vordergabeln und dem hinteren Pfosten verläuft, wobei an dieser Stelle der geknickte Träger sich horizontal nach hinten erstreckt, um an dem hinteren Pfosten anzugreifen. Der geknickte Träger enthält somit zwei Teile, die unter einem Winkel miteinander verbunden sind, und erstreckt sich zwischen dem oberen Ende der Gabeln bis zur ungefähren Mitte des hinteren Pfostens.
Eine Öffnung ist an dem oberen Ende der Gabeln gebildet, um einen Griffstangenpfosten 98 aufzunehmen, wobei der Griffstangenpfosten in dem oberen Ende der Gabeln durch eine Steckstifteinrichtung, wie sie in der Industrie bekannt ist, vertikal verstellbar ist. An dem oberen Ende des Griffstangenpfostens sind Griffstangen für den Benutzer auf bekannte Art und Weise angebracht. In dem oberen Ende des hinteren Pfostens ist eine Öffnung für die Aufnahme eines Sitzpfostens 100 gebildet. Der Sitzpfosten ist in dem hinteren Pfosten durch eine Steckstifteinrichtung, wie sie auf diesem Gebiet allgemein bekannt ist, verstellbar. Der Sitz ist nicht nur vertikal verstellbar, sondern er kann auch vorwärts und rückwärts auf dem Sitzpfosten z.B. durch eine Einrichtung, wie sie in dem US-Patent Nr. 4,772,069 von Szymski, das durch Verweis hier einbezogen ist, offenbart ist, verstellt werden.
Der hintere Pfosten 94 enthält ein oberes Teil 102 und ein unteres Teil 104. Das obere Teil 102 ist so angebracht, daß es sich von der Rückseite des unteren Teiles 104 erstreckt, und sich über das obere Ende des unteren Teiles 104 mit Überlappung mit Versatz nach hingen hinaus erstreckt. Der geknickte Träger 96 ist an dem hinteren Pfosten 94 an dem oberen Ende des unteren Teiles 104 und der Vorderseite des oberen Teiles 102 befestigt. Diese Befestigung des geknickten Trägers an dem hinteren Pfosten ergibt eine feste strukturelle Verbindung.
Die Kurbelwangen 48 für jedes der Pedale 50 sind an einer Nabe 106 befestigt, die von dem hinteren Pfosten an einer Stelle entlang der Höhe des hinteren Pfostens abgestützt ist, wo sich das untere und das obere Teil des hinteren Pfosten gemeinsam erstecken. Der hintere Pfosten 94 ist an dem horizontalen Rahmenteil 92 ungefähr in der Mitte zwischen dem vorderen und dem hinteren am Boden angreifenden Stützteil 90 befestigt. Eine hintere Konsole 107 erstreckt sich unter einem Winkel von dem hinteren Pfosten 94 nach unten zu dem hinteren am Boden an greifenden Stützteil 90 wegen zusätzlicher Festigkeit. Der Rahmen ist aus rechtwinkligem oder hohlzylindrischem Stahlrohr, wie es auf diesem Gebiet bekannt ist, hergestellt. Rechtwinkliges Rohr wird bevorzugt.
Der von den Gabeln 88, dem geknickten Träger 96, dem hinteren Pfosten 94 und dem horizontalen Rahmenteil 92 begrenzte vordere Bereich ist ein fünfseitiges Polygon. Der von dem hinteren Pfosten 94, der hinteren Konsole 107 und dem horizontalen Rahmenteil 92 begrenzte hintere Bereich ist auch ein fünfseitiges Polygon. Eine Reibungsbremse 108 ist in der Nähe des oberen Endes der Vordergabeln montiert, um an den sich gegenüberliegenden äußeren Rändern des Schwungrades 44 wahlweise anzugreifen, um eine zusätzliche Reibungslast zu schaffen, gegen die der Benutzer beim Trainieren auf dem Heimtrainer-Fahrrad arbeiten muß. Diese Rahmenkonstruktion ist dank der Geometrie der Rahmenstruktur ist sehr fest und dauerhaft und in der Lage, die Unbilden häufiger Benutzung auszuhalten. Der Teil des Rahmens, der die Kurbelwangen und den Kettenring trägt, ist bei dieser Konstruktion infolge der Überlappungsanordnung des hinteren Pfostens 94 besonders fest und dauerhaft.
Wie in den 1, 2 und 3 gezeigt, enthält der Antriebs- oder Getriebestrang (wie oben beschrieben) ein Antriebszahnrad 46, das drehbar an dem Rahmen angebracht ist, an dem Antriebszahnrad befestigte Kurbelarme 48, damit verbundene Pedale 50 zum Antreiben des Antriebszahnrades, eine Freilaufkupplung 40, ein Nehmerzahnrad 54, das an dem Schwungrad 44 befestigt ist, und eine Kette 56, die das Antriebszahnrad mit dem Nehmerzahnrad und mit der Freilaufkupplung verbindet. Die Kette könnte durch einen Riemen nach Durchführung von Anpassungsänderungen an dem Antriebs- und Nehmerzahnrad ersetzt werden, ohne nachteilige Auswirkungen auf den Betrieb der erfindungsgemäßen Freilaufkupplung.
Der Benutzer bewegt die Pedale des Heimtrainer-Fahrrades mit Hilfe der Kurbelwangen und der Pedale wie bei einem standardmäßigen Heimtrainer-Fahrrad mit Direktantrieb, um das Antriebs zahnrad 46 anzutreiben. Die zwischen dem Antriebszahnrad und dem Nehmerzahnrad 54 in Eingriff befindliche Kette 56 bewirkt, daß sich das Schwungrad 44 mit den vorgegebenen Umdrehungen pro Minute auf der Grundlage des Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Antriebszahnrad und dem Nehmerzahnrad dreht.
Die Freilaufkupplung 40 greift, wie unten beschrieben, an dem Schwungrad an, so daß die Drehbewegung von dem Nehmerzahnrad 54 auf das Schwungrad 44 in einer Direktantriebsbeziehung übertragen werden kann, wenn es vorwärts angetrieben wird. Der Normalfall des Pedaletretens beinhaltet den Gebrauch des Heimtrainer-Fahrrades während eines organisierten Gruppentrainings oder Individualtrainings und beinhaltet den Beginn bei 0,00 U/min und das Erhöhen und Verringern der U/min je nach Notwendigkeit oder Wunsch für bestimmte Trainingsprogramme, egal ob der Benutzer steht, sitzt oder während des Gebrauchs abwechselt. Die erfindungsgemäße Freilaufkupplung 40 behält den "Pedalweiterbewegungs"-Vorteil von standardmäßigen Heimtrainer-Fahrrädern mit Direktantrieb bei. Der Pedalweiterbewegungsvorteil hilft dem Benutzer dabei, die Pedale ununterbrochen und glatt durch die obere und untere Pedalstellung, wo die Benutzer typischerweise am schwächsten sind, zu bewegen.
Die Freilaufkupplung 40 wandelt die Direktantriebsbeziehung zwischen den Pedalumdrehungen und den Schwungradumdrehungen in eine "Freilauf"-Beziehung um, so daß die Pedale 50 angehalten, in der Richtung umgekehrt oder langsamer als das Schwungrad 44 gedreht werden können, wenn eine genügend große Kraft in der Rückwärtsrichtung entweder auf die Pedale oder irgendwo auf den Antriebsstrang (wo die Kupplung an dem Trägheitsrad angeordnet ist) aufgebracht wird. Die Aufbringung einer entgegengesetzten Kraft ist beispielsweise, aber nicht ausschließlich, die absichtliche Aufbringung der Umkehrkraft durch den Benutzer während des Pedaletretens, z.B. infolge von Ermüdung, oder der Kontakt des Pedals mit dem unteren Teil des Beines des Benutzers, wenn ein Fuß unbeabsichtigt aus dem Pedal gelöst wird.
Wie in den 4, 5A, 5B, 6 und 7 gezeigt, ist die Freilaufkupplung 40 an dem Nehmerachsenzusammenbau 60 neben der Nabe 62 des Schwungrades 44 montiert. Ein zylindrisches Nehmerachsengehäuse 64 ist im Presssitz in einer zylindrischen Axialbohrung, die durch die Nabe 62 des Schwungrades geht, befestigt. Das aus der Nabe ragende Ende des Achsengehäuses ist außen mit einem Gewinde versehen, um den Kupplungsscheibenkranz 69 aufzunehmen.
In der folgenden Beschreibung beziehen sich die Ausdrücke "innenseitiges" und "inneres" auf das am nächsten an dem Schwungrad 44 liegende Ende, und die Ausdrücke "außenseitiges" und "äußeres" auf das am weitesten von dem Schwungrad entfernten Ende. Der Kupplungsscheibenkranz 69 weist einen hohlen zylindrischen Hauptkörper 118 auf, der ein Innengewinde an einem Ende zwecks Eingriff mit dem Außengewinde an dem äußeren Ende des Achsengehäuses 64 hat. Der Kupplungsscheibenkranz 69 hat einen äußeren radial verlaufenden Eingriffsflansch 120, der an dem außenseitigen Ende des zylindrischen Hauptkörpers 118 befestigt ist, und einen inneren radial verlaufenden Eingriffsflansch 122, der an dem innenseitigen Ende des zylindrischen Hauptkörpers beweglich angebracht ist.
Es wird auf die 5A und 5B Bezug genommen. Der innere Flansch 122 kann sich axial (in Längsrichtung) über die gesamte oder einen Teil der Länge des zylindrischen Hauptkörpers 118 des Kupplungsscheibenkranzes 69 bewegen. Es wird auf die 7, 8 und 9 Bezug genommen. Der innere Flansch 122 hat eine zentrale Bohrung 124 mit einer Vielzahl von radial nach innen ragenden Keilen 126. Entsprechende in Längsrichtung verlaufende Nuten 128 sind in der Oberfläche des zylindrischen Hauptkörpers des Kupplungsscheibenkranzes 69 an seinem inneren Ende gebildet und erstrecken sich zumindest teilweise über die Länge des Hauptkörpers, um die Keile 126 aufzunehmen, und dem inneren Flansch 122 zu gestatten, sich entlang der Länge des zylindrischen Hauptkörpers und soweit die Länge der Nuten reicht, axial zu bewegen (zu schwimmen). Der Nutzen der Axialbewegung des inneren Flansches des Kupplungsscheibenkranzes 69 wird unten näher beschrieben. Wenn der zylindrische Hauptkörper 118 auf das Achsengehäuse 64 aufgeschraubt ist, ist der innere Flansch so angeordnet, daß die Keile verschiebbar in den Nuten aufgenommen sind, und wird der innere Flansch an dem Ende des zylindrischen Hauptkörpers durch die Nabe 62 oder das Achsengehäuse (durch das Ende des Achsengehäuses, wie in 5A gezeigt) zurückgehalten. Durch den Eingriff der Keile 126 in die Nuten 128 muß sich der innere Flansch zusammen mit dem zylindrischen Hauptkörper 118 drehen.
Ein Einweglager 66, wie z.B. ein INA-Mantelrollengesperre, wie es im Katalog Nr. 305, 1988, auf Seite 164, der INA Bearing Company, Inc., Fort Mill, South Carolina zu finden ist, ist auf dem zylindrischen Hauptkörper 118 des Kupplungsscheibenkranzes 69 zwischen dem Ende der Nuten 128 und dem äußeren Flansch 120 angeordnet. Die Rollen des Lagers 66 greifen an der Außenfläche des zylindrischen Hauptkörpers 118 an und können entlang der Länge des Hauptkörpers gleiten (schwimmen) wie unten genauer beschrieben ist. Das Einweglager gestattet einen Direktantrieb in eine Richtung, und eine Freilaufbewegung in die andere Drehrichtung, wie auch unten näher beschrieben ist.
Es wird auf die 5A, 7 und 10 bis 13 Bezug genommen. Ein Zahnradkranz 58 begrenzt ein zentrale Bohrung und ist konzentrisch auf dem zylindrischen Hauptkörperteil 118 des Kupplungsscheibenkranzes 69 angeordnet und an dem Außenring des Einweglagers befestigt. Der Zahnradkranz 58 hat einen äußeren radial verlaufenden Eingriffskranz 130, der von dem äußeren Flansch 120 des Kupplungsscheibenkranzes 69 entfernt ist, aber sich im wesentlichen gleich weit wie dieser erstreckt, und einen inneren radial verlaufenden Eingriffskranz 132, der von dem inneren Flansch 122 des Kupplungsscheibenkranzes 69 beabstandet ist, aber sich im wesentlichen gleich weit wie dieser erstreckt, und das Nehmerzahnrad 54, das um die Außenfläche des Zahnradkranzes 58 herum und zwischen dem inneren und dem äußeren verlaufenden Kranz 130 und 132 gebildet ist. Die Kette 56 greift in das Nehmerzahnrad 54 ein. Die Eingriffskränze 130 und 132 sind Verlängerungen der Seitenwände des Zahnradkranzes, und vergrößern den Ober flächenbereich, wenn dies für die Kupplungsfunktion, die sie ausüben, notwendig ist, wie unten beschrieben ist.
Im folgenden werden die Relativbewegung und Antriebseigenschaften des Kupplungsscheibenkranzes 69, des Zahnradkranzes 58 und Schwungrades 44 anhand des bis zu dieser Stelle beschriebenen Aufbaus erläutert. Wenn das Nehmerzahnrad 54 vorwärts (im Uhrzeigersinn in 3, im Gegenuhrzeigersinn in den 1 und 2) durch die Kette 56 angetrieben wird, greift das Einweglager 66 an dem Nehmerzahnrad 54 an und bewirkt, daß das Nehmerzahnrad 54 den Zahnradkranz 58 dreht, der wiederum den Kupplungsscheibenkranz 69 dreht, der einerseits das Achsengehäuse 64 dreht, das bewirkt, daß sich das Schwungrad dreht. Wenn das Nehmerzahnrad 54 in die entgegengesetzte Richtung (im Gegenuhrzeigersinn in 3, im Uhrzeigersinn in den 1 und 2) bewegt wird, würde das Einweglager dem Zahnradkranz 58 gestatten, auf dem Kupplungsscheibenkranz 69 freizulaufen.
Idealerweise ist ein Reibungskupplungs- oder Bremsmaterial 70 in Form einer ebenen Beilagscheibe (eine Scheibe mit einer zentralen Öffnung) zwischen dem äußeren Flansch 120 und dem Kupplungsscheibenkranz 69 und dem äußeren Kranz 130 des Zahnradkranzes 58 und zwischen dem inneren Flansch 122 des Kupplungsscheibenkranzes 69 und dem inneren Kranz 132 des Zahnradkranzes angeordnet, wie er am besten in den 5A, 5B und 7 gezeigt ist. Das Reibungskupplungsmaterial 70 kann entweder an dem äußeren Flansch 120 oder dem äußeren Kranz 130 befestigt sein, und das Reibungskupplungsmaterial 70 kann entweder an dem inneren Flansch 122 oder dem inneren Kranz 132 befestigt sein, um das Kupplungsmaterial zu verankern. Das Kupplungsmaterial 70 kann Filz, Kork, ein standardmäßiges Bremsmaterial oder irgendein Material sein, das eine ausreichende Reibungsbeziehung zwischen den sich gleich weit erstreckenden Flanschen und Kränzen schafft. Vorzugsweise wird ein Kupplungsbelag, wie er im Katalog Nr. 101, 1995, auf Seite 2530, der McMaster-Carr Company gezeigt ist, mit einer Dicke von ungefähr 2,0 mm verwendet. Einfügung von Beschreibung für Kranz für Innendurchmesser für freies Schwimmen und nicht mit der einen oder anderen Seite verbunden. In einigen Fällen, wenn z.B. das Kupplungsmaterial weder an dem Kupplungsscheibenkranz noch an dem Zahnradkranz befestigt ist, sondern statt dessen nur zwischen den beiden schwimmt, ist eine Lagerscheibe an dem Umfang der zentralen Öffnung befestigt, um mitzuhelfen, das Kupplungsmaterial an dem Achsengehäuse abzustützen.
Ein Druckmittel, wie z.B. eine Druckfeder 72, ist um die Nabe 62 des Schwungrades 44 herum angeordnet, um an dem inneren Flansch 122 des Kupplungsscheibenkranzes 69 des Kupplungsscheibenkranzes anzugreifen, um den inneren Flansch in Richtung auf den äußeren Flansch 120 des Kupplungsscheibenkranzes vorzuspannen. Die Feder 72, wie z.B. eine Riesendruckfeder im Katalog Nr. 101 von McMaster-Carr, drängt den inneren Flansch 122 nach außen, um das Kupplungsmaterial 70 zwischen sich und dem inneren Kranz 132 einzuspannen und auch das Kupplungsmaterial 70 zwischen dem äußeren Kranz 130 und dem äußeren Flansch 120 einzuspannen. Die vorgesehene Axialbewegung des Innenringes (wie z.B. durch Gleiten) auf dern zylindrischen Hauptlager 66 (Keile 126 gleiten in den Nuten 128) ermöglicht es dem Zahnradkranz 58 zu schwimmen und die Kraft der Feder 72 auf den äußeren Flansch 120 zu übertragen. Die Kombination der von der Feder 72 erzeugten Vorspannkraft und des Eingriffs des Kupplungsscheibenkranzes 69 und des Zahnradkranzes 58 mit dem Kupplungsmaterial 70 dazwischen erzeugt eine Reibungskraft, die eine obere Grenze ("Freibrechen") hat, die erforderlich ist, um zu bewirken, daß sich der Zahnradkranz 58 unabhängig von dem Kupplungsscheibenkranz in der Rückwärtsrichtung bewegt.
Beispielsweise, wo die Federkraft ungefähr 225 Pfund bei voller Kompression beträgt, und das Kupplungsmaterial einen Innendurchmesser von 1,65 Zoll und einen Außendurchmesser von 2,52 Zoll hat, wenn zwei Kupplungsmaterialscheiben verwendet werden würden (5B), wurde eine Freibrechkraft von ungefähr 55 Pfund an den Pedalen im Test ermittelt. Es wurde festgestellt, daß, wenn sich die Feder infolge von Abnutzung des Kupplungsmaterials ausdehnt, sich die Federkraft auf ungefähr 200 Pfund verringert und die Freibrechkraft tatsächlich zunimmt. Es wird angenommen, daß dies daraus folgt, daß die Angriffsflächen, die das Kupplungsmaterial einklemmen, poliert werden und den Oberflächenbereich erhöhen, wodurch die zu überwindende statische Reibungskraft erhöht wird.
Im Folgenden wird die Relativbewegung des Kupplungsscheibenkranzes 69, Zahnradkranzes 58 und Schwungrades 44 unter Voraussetzung des bis zu dieser Stelle beschriebenen Ausbaus erläutert. Wenn das Nehmerzahnrad 54 vorwärts angetrieben wird, wie oben beschrieben, erzeugt das Einweglager die Direktantriebsbeziehung mit dem Schwungrad 44, wie sie für diese Art von Heimtrainer-Fahrrad gewünscht wird. Wenn das Nehmerzahnrad 54 rückwärts angetrieben wird, oder eine Umkehrkraft auf das Nehmerzahnrad aufgebracht wird, um zu versuchen, es entgegengesetzt zu der Drehrichtung des Schwungrades anzutreiben, treibt das Einweglager das Schwungrad 44 nicht an, sondern erlaubt den Pedalen stattdessen, frei zu laufen. Die zwischen dem Kupplungsscheibenkranz 69 und dem Zahnradkranz 58 infolge des Eingriffes des äußeren Flansches 120 und des äußeren Kranzes 130 mit dem dazwischenliegenden Kupplungsmaterial 70 und des inneren Flansches 122 und des inneren Kranzes 132 mit dem dazwischenliegenden Kupplungsmaterial 70 erzeugte Reibungskraft wirkt jedoch so, daß eine Schwellenreibungskraft erzeugt wird, die überwunden werden muß, so daß der Benutzer den Zahnradkranz 58 unabhängig von dem Schwungrad 44 antreiben kann. Wenn die von dem Benutzer auf die Pedale aufgebrachte Kraft groß genug ist, um die Reibungs-("Freibrech"-)kraft zu überwinden, dann bewirken die Pedale, daß sich der Zahnradkranz 58 unabhängig von dem Kupplungsscheibenkranz 69 dreht, wobei das Kupplungsmaterial 70 bei diesem Vorgang abgerieben und abgenutzt wird:
Wenn das Kupplungsmaterial 70 abgenutzt und dünner wird, verlängert sich die Feder 72, um den inneren Flansch 122 (schwimmend) entlang der Nuten zu drücken, um die gewünschte Kraft auf dem Kupplungsmaterial 70 beizubehalten. Der Zahnradkranz 58 wird auch nach außen gedrückt, um die gewünschte Kraft um die sich ergebenden "Freibrech"-Eigenschaften beizubehalten. Die Feder 72 gestattet somit eine automatische Nachstellung, um die Abnutzung des Kupplungsmaterials 70 zu kompensieren. Die Feder 72 muß so ausgewählt werden, daß sie eine relativ vorhersagbare und beständige Federkonstante entlang ihrer Ausdehnungslänge hat, um die Entwicklung der richtigen Reibungskräfte sicherzustellen. Die Feder kann durch ein elastomeres Rohr 72 ersetzt werden, das ausreichende Federeigenschaften in der Axialrichtung hat, wie z.B. in 5C gezeigt. Einige elastomere Materialien haben sehr beständige Federkonstante. Ein solches geeignetes elastomeres Material ist Polyurethan, das von Kryptonicx Inc., Louisville, Colorado hergestellt wird. Vorzugsweise ist das Rohr 73 ungefähr 1 Zoll lang, 0,887 Zoll, wenn anfänglich zusammengedrückt, und hat eine Wanddicke von ungefähr 0,225 Zoll. Außerdem könnte auch eine verstellbare Feder verwendet werden, bei der die Federkraft eingestellt werden kann, um die Freibrechkraft auf Wunsch zu ändern.
Das innere oder äußere Kupplungsmaterial 70 kann durch ein Lager ersetzt werden, wenn gewünscht wird, daß nur ein Kupplungsmaterial 70 verwendet wird. Die Freibrechkraftschwelle kann als Ergebnis entsprechend geändert werden.
Eine ähnliche Relativbewegung wird festgestellt, wenn das erfindungsgemäße Heimtrainer-Fahrrad in Benutzung ist und die Vorteile der erfindungsgemäßen Freilaufkupplung noch klarer aufzeigt. Wenn ein Benutzer auf dem Heimtrainer-Fahrrad trainiert, bewirkt der Vorwärtsantrieb des Antriebsstranges, daß das Nehmerzahnrad 54 den Zahnradkranz 58 in der Eingriffsrichtung des Einweglagers antreibt und letztlich das Schwungrad 44 im Direktantrieb antreibt. Wenn es der Benutzer wünscht, kann er durch Aufbringen einer Kraft von ungefähr 50 Pfund in der entgegengesetzten Richtung die Schwellenreibungskraft zwischen dem Kupplungsscheibenkranz 69, dem Zahnradkranz 58 und dem Kupplungsmaterial 70 (die "Freibrech"-)kraft überwinden und der Zahnradkranz 58 kann bezüglich des Kupplungsscheibenkranzes 69 und des Schwungrades 44 frei laufen. Der Zahnradkranz 58 bewegt sich somit in der entgegengesetzten Richtung bezüglich der Drehrichtung des Schwungrades 44. Der Benutzer kann somit die Pedale treten ohne Rücksicht auf die Bewegung des Schwungrades 44, bis die Reibung zwischen dem Kupplungsscheibenkranz und dem Zahnradkranz (hervorgerufen durch das Kupplungsmaterial) die Umdrehungen pro Minute des Schwungrades auf einen Punkt vermindert, wo auf der Basis des Übersetzungsverhältnisses die Umdrehungen pro Minute zusammenpassen, um eine "Verriegelung" zu bewirken.
In einer extremeren Situation, wenn der Fuß des Benutzers von den Pedalen abrutscht und das Pedal an das Bein des Benutzers schlägt, wird eine ausreichende Kraft erzeugt, um die "Freibrech"-Kraft zu überwinden und die Pedale können angehalten werden, um das Risiko einer ernsten Verletzung zu verringern, wobei sich das Schwungrad weiterdrehen kann, bis die Reibungskraft die Drehung des Schwungrades beendet.
Eine Achse 134 (5A und 5B) ist mit zugehörigen Lagern, die das Schwungrad 44 stützen und ihm gestatten, zu drehen, wenn es von dem Getriebezug angetrieben wird, durch die Bohrung in der Nabe gehend angeordnet.
Die Verwendung des Einweglagers bei einem Heimtrainer-Fahrrad ist nicht notwendig. Ohne das Einweglager würde jedoch der Zahnradkranz auch in der Vorwärtsrichtung "freilaufen", wenn die Antriebskraft größer als die "Freibrech"-Kraft ist, wodurch die Größe der Kraft, die der Benutzer beim Treten der Pedale des Fahrrads in der Vorwärtsrichtung aufbringen könnte, begrenzt wäre.
Das Einweglager 66 kann durch einen federbelasteten Antriebsmechanismus mit Sperrzahnrad und Sperrklinke, die bei normalen Fahrradanwendungen vorgefunden werden, oder durch andere Einweg-Antriebsmechanismen, die das oben beschriebene Einweglager funktionell ersetzen können, ersetzt werden. Ein solcher geeigneter allgemein verfügbarer Sperrzahnrad- und Sperrklinkenmechanismus ist der LMA-8 von der LIDA Machinery Company, Ltd., Taoyuan, Taiwan, wie im Katalog der Taiwan Bicycle Source 1997-98 auf Seite 370 gezeigt ist.
Die 8 bis 15 zeigen Einzelheiten einiger der oben beschriebenen Bauteile.
Eine alternative Ausführungsform der Freilaufkupplung ist in den 17 bis 20 gezeigt. Diese alternative Ausführungsform arbeitet auf dem gleichen Prinzip, wie die oben beschriebene erste Ausführungsform, außer daß sie grundsätzlich die einzelne große Feder, die die Nabe 150 umgibt, durch die Vielzahl von kleineren Federn 152, die zwischen dem Schwungrad 154 und der inneren Kupplungsscheibe 156 angeordnet sind, ersetzt. Diese Vielzahl von Federn 152 drückt die innere Kupplungsscheibe 158 nach außen, wenn sich das Kupplungsmaterial 158 durch Gebrauch abnutzt. Wie am besten in den 19 und 20 zu sehen ist, umgibt jede der Vielzahl von Federn eine an dem Schwungrad 154 befestigte Führungsstange 160, die in einer Führungsbohrung 162 aufgenommen ist, die an der Innenseite der inneren Kupplungsscheibe 156 angebracht ist und sich davon weg erstreckt. Die Gleitwirkung zwischen der Führungsstange 160 und der Führungsbohrung 162 hilft dabei sicherzustellen, daß die innere Kupplungsscheibe 156 unter der Vorspannung der Feder genau nach außen bewegt wird, wenn sich das Kupplungsmaterial infolge des Gebrauchs abnutzt. Die Wechselwirkung zwischen der Führungsstange und der Führungsbohrung bewirkt auch, daß sich die innere Kupplungsscheibe 146 mit dem Schwungrad 154 dreht, weil die Führungsstangen in den Führungsbohrungen in Seitwärtsrichtung an Ort und Stelle festgelegt sind, und wenn sich die Führungsstangen mit der Bewegung des Schwungrades drehen, bewirken sie, daß sich die innere Kupplungsscheibe auch dreht.
Das Achsengehäuse 164 ist durch Preßsitz in der Nabe 150 angeordnet und ragt aus dem Schwungrad 154 und hat ein äußeres Ende 166 mit einem Außengewinde. Nachdem die innere Kupplungsscheibe 156 und die zugehörigen Druckfedern 152 auf dem Achsengehäuse montiert und neben der Nabe angeordnet sind, wird der Nehmer zahnradkranz 170 angeordnet, um an der äußeren Oberfläche des Achsengehäuses 164, wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel anzugreifen, wobei die gleiche Lageranordnung 172 vorgesehen ist. Der Nehmerzahnradkranz hat eine innere Oberfläche 174 neben der äußeren Oberfläche 176 der inneren Kupplungsscheibe, zwischen denen eine innere Kupplungsmaterialscheibe 178 angeordnet ist. Die innere Kupplungsmaterialscheibe 178 ist vorzugsweise entweder an der äußeren Oberfläche der inneren Kupplungsscheibe 156 oder der inneren Oberfläche des Nehmerzahnradkranzes 170 befestigt. Eine Gruppe von Zahnradzähnen 180 sind um den äußeren Umfang des Nehmerzahnradkranzes 170 gebildet, um die Kette aufzunehmen, die zum Antreiben des Schwungrades verwendet wird.
Die äußere Kupplungsscheibe 182 (oder Ankerscheibe) wird dann auf das mit einem Außengewinde versehene äußere Ende 184 des Achsengehäuses geschraubt. Eine äußere Kupplungsmaterialscheibe 186 wird zwischen der äußeren Oberfläche des Nehmerzahnradkranzes 170 und der inneren Oberfläche der äußeren Kupplungsscheibe 182 angeordnet. Vorzugsweise ist die äußere Kupplungsmaterialscheibe 186 entweder an der äußeren Oberfläche des Nehmerzahnradkranzes 170 oder der inneren Oberfläche der äußeren Kupplungsscheibe 182 befestigt. Die äußere Kupplungsscheibe ist an dem Achsengehäuse durch eine Sicherungsmutter 188 befestigt, um die äußere Kupplungsscheibe daran zu hindern, sich unter der Kraft des Freilaufmechanismus zu lösen.
Dieses alternative Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet grundsätzlich auf die gleiche Art und Weise wie das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel. Wenn eine Umkehrkraft auf den Antriebsstrang aufgebracht wird, normalerweise dadurch, daß eine Umkehrkraft auf die Pedale aufgebracht wird, und diese Umkehrkraft die "Freibrech"-Kraft überwindet, überwindet das Nehmerzahnrad die Reibungskraft zwischen dem Nehmerzahnradkranz 170 und der äußeren Kupplungsscheibe 182 und der inneren Kupplungsscheibe 146, die sich zusammen mit dem Schwungrad 154 drehen. Das Schwungrad kann sich dadurch weiterdrehen, während. der Antriebsstrang entweder angehalten wird, die Pedale rückwärts oder die Pedale langsamer als sich das Schwungrad dreht, bewegt werden. Die den Nehmerzahnradkranz 170 mit dem Achsengehäuse 164 verbindenden Lager 172 sind Einweglager, wie oben beschrieben, und wenn der Antriebsstrang in der normalen oder Vorwärtsrichtung betätigt wird, sperren die Lager und wirken als Direktantriebsbindung zwischen dem Antriebsstrang und dem Schwungrad.
Beim Drehen in der Rückwärtsrichtung, gestatten die Lager 172 dem Nehmerzahnradkranz 170 freizulaufen, wobei sein Freilaufen durch den Reibungseingriff des Nehmerzahnradkranzes 170 mit dem ihn umgebenden Kupplungsmaterial 178, 186 eingeschränkt wird. Die Druckfedern 152 bringen die Kraft auf die innere Kupplungsscheibe 156 auf, die das innere Kupplungsmaterial 178 gegen den Nehmerzahnradkranz drückt. Der Nehmerzahnradkranz 170 kann sich in Längsrichtung auf dem Achsengehäuse 164 bewegen (das Lager ermöglicht kleine Bewegungsschritte in dieser Richtung) und überträgt somit eine Kraft auf das äußere Kupplungsmaterial 186 und schließlich auf die äußere Kupplungsscheibe 182. Wenn sich das innere oder äußere Kupplungsmaterial abnutzt, dehnen sich die Federn 152 aus und drücken die innere Kupplungsscheibe 156 nach außen und halten somit den Kontakt, der für den Reibungseingriff zwischen der inneren Kupplungsscheibe 156, dem inneren Kupplungsmaterial 178, dem Nehmerzahnradkranz 170, dem äußeren Kupplungsmaterial 186 und der äußeren Kupplungs-/Ankerscheibe 182 notwendig ist, aufrecht.
20 zeigt die nachgestellte Anordnung des Aufbaus dieses alternativen Ausführungsbeispiels, wenn die innere und äußere Kupplungsmaterialscheibe 178, 186 abgenutzt sind. Vergleicht man die 19 und 20 miteinander, bemerkt man den Spalt zwischen der inneren Kupplungsscheibe 156 und dem äußeren Ende der Nabe 150. Die Lager 172 gestatten es dem Nehmerzahnradkranz 170, sich in Längsrichtung auf dem Achsengehäuse 164 zu bewegen. Entweder das innere oder das äußere Kupplungsmaterial 178, 186 kann durch ein Lager ersetzt werden, wenn festgestellt wird, daß sie unnötig sind.
Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel ist in den 21-23 gezeigt. Bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel ist eine Tellerfederscheibe 200 auf dem Ende des Achsengehäuses 202 angeordnet, um die äußere Kupplungsscheibe 204 nach innen zu drücken, um die gewünschte Reibungskraft zwischen dem Nehmerzahnradkranz 206 und der äußeren und der inneren Kupplungsscheibe 204, 208 über die innere und die äußere Kupplungsmaterialscheibe 210, 212 zu erzeugen. Bei dem zweiten alternativen Ausführungsbeispiel ist ein Halter 214, der ein nach außen ragendes flanschförmiges inneres Ende 215 hat, auf das aus der Nabe 216 ragende Ende des Achsengehäuses 202, das ein Außengewinde hat, aufgeschraubt. Der nach außen ragende Flansch 215 des Halters stößt gegen die Nabe 216. Die innere Kupplungsscheibe 208 wird dann unmittelbar neben dem nach außen ragenden Flansch 215 angeordnet und durch Keile in Nuten oder durch irgendeine andere geeignete Befestigungsmethode, wie z.B. Schweißen (wie in 22 gezeigt) in drehfester Position damit festgehalten. Als Alternative dazu kann der nach außen ragende Flansch als innere Kupplungsscheibe wirken.
Eine innere Kupplungsmaterialscheibe 210 ist neben der und in Kontakt mit der inneren Kupplungsscheibe 208 angeordnet, und der Nebenzahnradkranz 206 ist auf dem zylindrischen Körper des Halters 214 angebracht. Der Nehmerzahnradkranz 206 ist zu den Nehmerzahnradkränzen, die bei den vorausgehenden beiden Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, ähnlich und enthält ein Lager 218, das zwischen dem Nehmerzahnradkranz 206 und dem äußeren Umfang des Halters 214 angeordnet ist, wobei das Lager 218 ein Einweglager ist, das es dem Nehmerzahnradkranz 206 gestattet, freizulaufen, wenn er rückwärts gedreht wird, und zu sperren, um einen Direktantrieb zu schaffen, wenn er vorwärts gedreht wird. Zahnradzähne 220 sind auf dem äußeren Umfang des Nehmerzahnradkranzes 206 zwecks Eingriffs mit der Kette des Antriebsstranges gebildet. Eine äußere Kupplungsscheibe 204 ist auf dem äußeren Umfang des Halters 214 angeordnet. Wie in 23 gezeigt, hat die äußere Kupplungsscheibe 204 eine zentrale Bohrung 222, die mindestens einen Keil 224 hat, der für einen passenden Eingriff in eine entsprechende Nut, die in dem Halter 214 gebildet ist, ausgebildet ist. Die Beziehung zwischen passendem Keil und Nut zwischen der äußeren Kupplungsscheibe 204 und dem Halter 214 bewirkt, daß sich die äußere Kupplungsscheibe mit dem Schwungrad dreht, weil sich der Halter mit dem Schwungrad 226 dreht und der Dreheingriff zwischen dem Keil und der Nut bewirkt, daß sich die äußere Kupplungsscheibe 204 auch dreht, und gestattet der äußeren Kupplungsscheibe auch, nach innen und nach außen bezüglich der inneren Kupplungsscheibe 208 entlang des Körpers des Halters zu schwimmen oder sich zu bewegen, wenn sich das Reibungskupplungsmaterial 210, 212 abnutzt.
Die Tellerfeder 200 ist um das Ende des Achsengehäuses herum angeordnet, um an der äußeren Kupplungsscheibe 204 mit der Vorspannkraft anzugreifen. Die Vorspannkraft wird von einem äußeren Halter 228 erzeugt, der einen zylindrischen Hauptkörper 230 hat, der ein Außengewinde und einen nach außen ragenden Flansch 232 an einem Ende hat. Das äußere Ende des Achsengehäuses 202 hat ein Innengewinde 234 derart, daß der zylindrische Hauptkörper 230 des äußeren Halters 228 in das äußere Ende des Achsengehäuses 202 bis zu einem Punkt eingeschraubt werden kann, wo der nach außen ragende Flansch 232 an dem äußeren Ende des Achsengehäuses anstößt und auch an dem inneren Rand der Tellerfederscheibe 200 angreift, um die Tellerfederscheibe gegen die äußere Kupplungsscheibe 204 zusammenzudrücken. Das Zusammendrücken der Tellerfederscheibe 200 gegen die äußere Kupplungsscheibe 204 bewirkt, daß die äußere Kupplungsscheibe nach innen gegen das äußere Reibungskupplungsmaterial 212 gedrängt wird, das gegen den Nehmerzahnradkranz 206 gedrückt wird, dem es seinerseits gestattet ist, auf der äußeren Oberfläche des inneren Halters 214 relativ zu schwimmen, um gegen das innere Kupplungsmaterial 210 zu drücken und wiederum an der inneren Kupplungsscheibe 208 reibungsmäßig anzugreifen.
Wenn der Nehmerzahnradkranz 206 von dem Antriebsstrang vorwärts angetrieben wird, sperren die Einweglager 218 und erzeugen eine Direktantriebsbeziehung. Wenn eine ausreichende Umkehrkraft auf den Nehmerzahnradkranz über den Antriebsstrang aufgebracht wird, geben die Einweglager den Antriebsstrangkranz frei und gestatten ihm, unter dem Einfluß der Reibungsbeziehung mit der inneren und der äußeren Kupplungsscheibe freizulaufen, ähnlich wie bei der Zusammenwirkung, die bezüglich der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben wurde.
Wenn das Kupplungsmaterial 210, 212 sich abnutzt und dünner wird, dehnt sich die Tellerfederscheibe 200 aus, um weiter eine Reibungskraft in dem Kupplungssystem zu erzeugen, indem sie die äußere Kupplungsscheibe 204 in Richtung auf die innere Kupplungsscheibe 208 drückt, wodurch das innere und das äußere Kupplungsmaterial und der Nehmerzahnradkranz 206 dazwischen eingeklemmt werden.
Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel ist in 24 dargestellt, die zwei Tellerfederscheiben 240, 242 zeigt, die Rücken an Rücken angeordnet ist, um einen längeren Nachstellweg infolge Abnutzung der inneren und der äußeren Kupplungsmaterialscheibe 244, 246 zu gestatten. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel ist der nach außen ragende Flansch 248 des zweiten Halters 250 vergrößert, um an dem äußeren Rand der zweiten Tellerfederscheibe 240 anzugreifen. Tellerfederscheiben sind sehr steif und erzeugen eine erhebliche Kraft über die Länge ihrer Ausdehnung.
Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel ist in den 25 bis 26 gezeigt. Dieses vierte alternative Ausführungsbeispiel benutzt eine Bandbremse, um die Reibungsfreibrechkraft zu erzeugen. Die Bandbremse 260 enthält einen an dem Schwungrad 264 befestigten Halter 262, durch den eine federbelastete Stellschraube 266 geführt ist, die an einem Gehäuse 268 befestigt ist. Das Gehäuse enthält zwei Führungsschlitze 270, um an dem Schwungrad gebildete Zungen 272 verschiebbar aufzunehmen. Das Gehäuse ist auch an den entgegengesetzten Enden eines Bandes 274 befestigt. Der Gleiteingriff der Führungsschlitze 270 an den Zungen 272 trägt dazu bei, eine richtig ausgerichtete Einstellung der Bandbremse durch die federbelastete Schraube sicherzustellen. Die Schlitze sind in dem Gehäuse der Bandbremse gebildet, wobei das Gehäuse an einem Band befestigt ist, wobei das Bandbremsenmaterial 276 an der Innenoberfläche eines Verstärkungsmantels 278 des Bandes (wie am besten in 26 zu sehen ist), befestigt ist. Die Zungen, die federbelastete Schraube, das Gehäuse und das Band sind alle so befestigt, daß sie sich mit dem Schwungrad drehen. Die die Schraube 266 umgebende Feder macht das System selbst-nachstellend für die Abnutzung des Bandmaterials durch Aufbringen einer vorzugsweise konstanten Druckbelastung auf dem Band über das Gehäuse. Die Auswahl der Eigenschaften der Federkonstanten der Feder bestimmt die Größe der Zugbelastung an dem Band und die Größe der Nachstellung (Verschiebung), welche die Bandbremse unterbringen kann.
Wie am besten in 26 zu sehen ist, hat der Nehmerzahnradkranz 280 eine ringförmige axiale Verlängerung 282, die über einen Teil der Nabe 284 paßt, ohne die Nabe zu berühren. Die ringförmige Verlängerung 282 hat einen inneren Rand 286 und einen äußeren Rand 288, zwischen denen eine Angriffsfläche 290 ist. Das Band berührt die Angriffsfläche 290 zwischen dem inneren Rand und dem äußeren Rand. Der Nehmerzahnradkranz 280 enthält das gleiche Lagersystem wie zuvor für einen Einwegeingriff mit der äußeren Oberfläche des Achsengehäuses 292 beschrieben wurde. Die richtige Positionierung des Nehmerzahnradkranzes 280 wird an dem Achsengehäuse durch eine große Beilagscheibe 294 aufrechterhalten, die gegen die äußere Oberfläche des Nehmerzahnradkranzes durch eine Mutter 298 fest gedrückt wird, um den Nehmerzahnradkranz daran zu hindern, aus dem Gleichgewicht zu geraten. Eine zweite Gruppe von Einweglagern könnte zwischen der ringförmigen Verlängerung 282 des Nehmerzahnradkranzes und der äußeren Oberfläche der Nabe, auf der die ringförmige Verlängerung des Nehmerzahnradkranzes angeordnet ist, angeordnet werden.
Wenn der Antriebsstrang in der Vorwärtsrichtung von dem Benutzer angetrieben wird, rückt das Einweglager 298 zwischen dem Nehmerzahnradkranz 280 und dem Achsengehäuse 292 ein, um eine Direktantriebsbeziehung zwischen dem Antriebsstrang und dem Schwungrad zu bewirken, wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen. Wenn eine ausreichende Umkehrkraft auf den Nehmerzahnradkranz über den Antriebsstrang aufgebracht wird, gibt das Einweglager 298 den Nehmerzahnradkranz frei und erlaubt ihm, abhängig von dem Reibungseingriff des Nehmerzahnradkranzes und des Bandes 274 freizulaufen. Die Angriffsfläche 290 ist in Reibungseingriff mit dem Band, um die "Freibrech"-Kraft zu erzeugen. Die "Freibrech"-Kraft wird von dem Druck des Bandes auf die Angriffsfläche an der ringförmigen Verlängerung 282 des Nehmerzahnradkranzes bestimmt. Diese "Freibrech"-Kraft wirkt dem Freilaufen des Nehmerzahnradkranzes auf dem Achsengehäuse 292 entgegen und gibt den nützlichen Pedal-Weiterdreheffekt der traditionellen Direktantrieb-Heimtrainer-Fahrräder. Sie erlaubt auch dem Antriebsstrang freizulaufen, wenn eine ausreichende Umkehrkraft auf den Antriebsstrang möglicherweise über die Pedale und die Kurbeln aufgebracht wird, so daß der Antriebsstrang mit einer relativ niedrigeren U/min als das Schwungrad in Abhängigkeit von dem Übersetzungsverhältnis angetrieben werden kann.
Wenn sich das Reibungsbremsmaterial 276 abnutzt, wird das Gehäuse 268 durch Anziehen der Schraube 266 nachgestellt, um das Gehäuse zu bewegen, und somit das Band 274 um die ringförmige Verlängerung 282 des Nebenzahnradkranzes 280 anzuziehen, um den gewünschten Reibungseingriff aufrechtzuerhalten, wodurch sich die gewünschte "Freibrech"-Kraft ergibt.
Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel ist in den 27 bis 29 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Nehmerzahnradkranz 300 den gleichen Aufbau wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, und wird in Eingriff mit dem Achsengehäuse 202 auf die gleiche Art und Weise gehalten. Ein Druckbremsengehäuse 304 ist in Eingriff mit dem Schwungrad 306 angebracht und enthält Mittel 308, die einen Eingriff von bogenförmigen Druckteilen 310 mit der Antriebsfläche 312 an der ringförmigen Verlängerung 314 des Nehmerzahnrad(Kettenrad)-Kranzes zwischen dem inneren und dem äußeren Rand 316, 318 be wirken. Die bogenförmigen Druckteile 310 haben einen harten Rücken 320 und ein an ihre innere konkave Oberfläche angepaßtes Reibungskupplungsmaterial 322 zum Eingriff mit der ringförmigen Verlängerung 314 des Nehmerzahnradkranzes. Das Bremsgehäuse 304 enthält Mittel 308, um den Druck der Druckteile gegen die ringförmige Verlängerung 314 radial anzupassen, wie z.B. Stellschrauben, die durch das Bremsgehäuse hindurch durch Drehen einstellbar sind, um an der harten Rückenoberfläche 320 der bogenförmigen Druckteile 310 anzugreifen, um das Reibungsmaterial 322 der Druckteile gegen die Angriffsfläche 312 der ringförmigen Verlängerung zu drücken. Diese Mittel können selbstnachstellend sein, um die Abnutzung des Reibungsmaterials zu kompensieren, wie z.B. dadurch, daß sie federbelastete Stellschrauben sind. Wenn sich das Reibungskupplungsmaterial abnutzt, können die Stellschrauben 324 dazu verwendet werden, den richtigen Druck der Druckteile 310 gegen die Angriffsfläche 312 aufrechtzuerhalten, wodurch die gewünschte "Freibrech"-Kraft erzeugt wird.
Dieses Ausführungsbeispiel arbeitet in der gleichen Weise, um eine Freibrechkupplung an dem Schwungrad zu schaffen, wie die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Das Bremsgehäuse 304 ist in einer festen Drehorientierung mit dem Schwungrad durch einen Stift 26 gehalten, der durch einen Schlitz 328 in dem Bremsgehäuse geführt ist. Die Bewegung des Stiftes in dem Schlitz erlaubt eine ungleiche Abnutzung der Druckteile 310.
Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel ist in 30 gezeigt. Nur eine Seite des Zahnradkranzes 330, nämlich die innere Seite 329, wie gezeigt, wird verwendet, um einen Reibungseingriff mit einem Eingriffflansch 332 zu erzeugen, der an dem Achsengehäuse 334 an der Nabe 336 des Schwungrades 338 befestigt ist. Der Zahnradkranz ist an einem Mantel 333 angeordnet, der durch ein Gewinde an dem Achsengehäuse 334 an der Nabe 336 angreift, wobei ein Einweglager 337 (oder Sperrzahnrad- und Sperrklinkenmechanismus) zwischen dem Zahnradkranz und dem Mantel 333 für den gleichen Zweck wie oben im Zusammenhang mit vielen der anderen Ausführungsbeispielen beschrieben, angeordnet ist.
Das Kupplungsmaterial 240 ist zwischen der Seite 329 des Zahnradkranzes 330 und dem Eingriffflansch 332 angeordnet und kann entweder an dem einen oder anderen befestigt sein, um dazwischen den Reibungseingriff zu erzeugen. Der Eingriffsflansch ist entlang des Gehäuses der Nabe bewegbar, so daß die Reibungskraft auf einem relativ konstanten Niveau gehalten werden kann, während sich das Kupplungsmaterial abnützt. Diese Selbstnachstellung, wie oben beschrieben, tritt auf, wenn die Feder 342 oder ein anderes Mittel, den Eingriffsflansch nach außen von der Nabe drückt, um das Kupplungsmaterial an die Innenseite 329 des Zahnradkranzes 330 zu klemmen. Der Zahnradkranz 330 wird auf der inneren und äußeren Seite durch ein inneres 344 bzw. äußeres Lager 346 abgestützt. Die innere Kante 335 des Mantels bildet den Außenring für das innere Lager 344, während der Zahnradkranz den Innenring sowohl für das innere 344 als auch das äußere Lager 346 bildet. Der äußere Ring 348 oder Konus, greift durch ein Gewinde an dem äußeren Ende des Mantels 333 an, um den Zahnradkranz 330 an Ort und Stelle zu halten, und ein Drucklager zu schaffen, gegen das die Feder 342 drückt.
31 zeigt ein zusätzliches alternatives Ausführungsbeispiel einer Freilaufkupplung 360. Das Ausführungsbeispiel arbeitet grundsätzlich auf die gleiche Weise wie die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Wenn eine Umkehrkraft auf den Antriebsstrang normalerweise über eine auf die Pedale aufgebrachte Umkehrkraft aufgebracht wird, und diese Umkehrkraft die Freibrech-Kraft überwindet, überwindet das Nehmerzahnrad die Reibungskraft zwischen dem Nehmerzahnradkranz und der inneren und äußeren Kupplungsscheibe, die sich mit dem Schwungrad drehen.
Bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel ist vorzugsweise eine Tellerfederscheibe 362 umfangsmäßig auf einem Achsengehäuse 364 zwischen einem inneren Kupplungsscheibenkranz 366 und einem Federspannmittel 368 angebracht, um die innere Kupplungsscheibe 366 nach außen zu drücken, um die gewünschte Reibungskraft zwischen dem Nehmerzahnradkranz 370 und der inneren und äußeren Kupplungsscheibe (366, 372) über die innere und äußere Kupplungs scheibenmaterial-Beilagscheibe (374, 376) zu erzeugen. Als Alternative dazu, kann ein Vorspannteil, wie z.B. eine Schraubenfeder an Stelle der Tellerfederscheibe 362 verwendet werden.
Das Federspannmittel 368 ist mit dem Achsengehäuse 364 verbunden und zwischen dem Schwungrad 378 und dem inneren Kupplungsscheibenkranz 366 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Außenumfang 379 des Achsengehäuses 364, der sich zwischen der Außenkante 380 des Schwungrades 378 und der inneren Kupplungsscheibe 366 mit einem Gewinde versehen. Das Federspannmittel 368 hat einen mit einem Innengewinde versehenen Zylinder, der im Gewindeeingriff mit dem Außenumfang 379 des Achsengehäuses 364 ist. Vorzugsweise hat das Federspannmittel 368 einen nach außen ragenden Flansch 381 um den Umfang des Achsengehäuses 364 herum, der ausgebildet ist, um die Tellerfederscheibe 362 um das Achsengehäuse 364 herum zu zentrieren.
Um Platz für das Federspannmittel 368 zu schaffen, wird ein Teil der Schwungradnabe 364 neben der Freilaufkupplung 360 vorzugsweise entfernt. Wie in 22 gezeigt, wird vorzugsweise der Teil der Nabe 216, der sich von dem Hauptkörper des Schwungrades 226 aus entlang des Achsengehäuses 202 zu dem inneren Halter 214 (366) erstreckt, entfernt. Als Alternative dazu kann ein längeres Achsengehäuse als das in 22 dargestellt, verwendet werden. Als Alternative dazu wird der Teil der Schwungradnabe nicht entfernt, und die Tellerfederscheibe 362 wird zwischen der Außenkante 215 der Schwungradnabe 216 und dem inneren Kupplungsscheibenkranz 366 angeordnet, und ein Federspannmittel ist nicht enthalten.
Bei der bevorzugten Konfiguration ist die Tellerfeder 262 zwischen dem inneren Kupplungsscheibenkranz 366 und dem Federspannmittel 368 angeordnet, um die Vorspannkraft zu erzeugen. Die Vorspannkraft wird durch das Zusammendrücken der Tellerfeder 362 zwischen dem Federspannmittel 368 und dem inneren Kupplungsscheibenkranz 366 erzeugt. Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß das Federspannmittel 368 um den mit einem Gewinde versehenen Außenumfang 379 des Achsengehäuses 364 gedreht werden kann, um das Federspannmittel 368 nach außen oder nach innen zu bewegen und demzufolge die Freibrech-Kraft des Schwungrades leicht einzustellen. Ein Drehen des Federspannmittels, um das mit einem Gewinde versehene Achsengehäuse 372 um das Federspannmittel 368 nach außen zu bewegen, erhöht das Zusammendrücken der Tellerfederscheibe und erhöht damit die Freibrech-Kraft. Ein Drehen des Federspannmittels 368 um das mit einem Gewinde versehene Achsengehäuse 379, um das Federspannmittel nach innen zu bewegen, vermindert das Zusammendrücken der Tellerfederscheibe 362 und vermindert somit die Freibrech-Kraft. Das Zusammendrücken der Tellerfederscheibe 362 gegen den inneren Kupplungsscheibenkranz 366 bewirkt, daß die innere Kupplungsscheibe nach innen gegen das innere Reibungsmaterial 376 gedrückt wird, das gegen den Nehmerzahnradkranz 370 gedrückt wird, der seinerseits gegen das äußere Kupplungsscheibenmaterial 374 gedrückt wird und das seinerseits reibungsgemäß an dem äußeren Kupplungsscheibenkranz 373 angreift.
Ein zusätzlicher Vorteil dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß der Reibungseingriff der Freilaufkupplung 360 mit vorzugsweise ungefähr 1,5 Drehungen des Federspannmittels 368 um das Achsengehäuse aufgebracht wird. Dies erlaubt eine einfache Entfernung und Entlastung der Vorrichtung. Außerdem, wenn das Kupplungsmaterial (374, 376) abgenutzt und dünner wird, kann das Zusammendrücken der Tellerfederscheibe 362 ohne Weiteres durch Drehung des Federspannmittels 368 nachgestellt werden. Wie bei den anderen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen, dehnt sich die Tellerfederscheibe 362 aus und hält die Reibungskraft auf dem Kupplungssystem 360 aufrecht, wenn das Kupplungsscheibenmaterial (374, 376) sich abnützt. Die Freibrech-Kraft wird jedoch abnehmen, wenn keine geeigneten Nachstellungen mit dem Federspannmittel 368 gemacht werden.
Die innere Kupplungsscheibenbeilagscheibe 376 ist neben der inneren Kupplungsscheibe 366 und in Kontakt mit ihr angeordnet, und der Nehmerzahnradkranz 370 ist ähnlich zu den Nehmerzahn radkränzen, die bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, und enthält ein Lager 382, das zwischen dem Nehmerzahnradkranz 370 und dem äußeren Umfang des äußeren Kupplungsscheibenkörpers 372 angeordnet ist, wobei das Lager 382 ein Zweiweglager ist, das es dem Nehmerzahnradkranz 370 gestattet, frei zu laufen, wenn er rückwärts gedreht wird, und sperrt, um einen Direktantrieb zu schaffen, wenn er vorwärts gedreht wird. Vorzugsweise wird ein Mantelrollengesperre-Lager der INA Bearing Company, wie zuvor beschrieben, verwendet. Zahnradzähne sind an dem äußeren Umfang des Nehmerzahnradkranzes 370 (oder Kettenrades) zwecks Eingriff mit der Kette des Antriebsstranges gebildet. Wenn der Nehmerzahnradkranz 370 von dem Antriebsstrang vorwärts angetrieben wird, sperren die Einweglager und erzeugen eine Direktantriebsbeziehung. Wenn eine ausreichende Umkehrantriebskraft auf den Nehmerzahnradkranz 370 über den Antriebsstrang aufgebracht wird und die Freibrech-Kraft übertroffen wird, geben die Einweglager den Antriebsstrangkranz frei und gestatten ihm, sich unter dem Einfluß der Reibungsbeziehung mit der inneren und äußeren Kupplungsscheibe frei zu laufen, ähnlich wie bei der Zusammenwirkung, die bezüglich der anderen Ausführungsbeispiele beschrieben wurde.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Kupplungsscheibenmaterial (374, 376) vorzugsweise ein Hartkunststoff, wie z. B. Polyethylen, der vorteilhafte Abnutzungseigenschaften hat. Verwendet man den Hartkunststoff als Kupplungsscheibenmaterial, werden vorzugsweise 900 Pfund Reibungskraft auf die Freilaufkupplung 360 über die Tellerfederscheibe 362 unter Verwendung des Federspannmittels 368 aufgebracht. Um die Reibungs- oder Freibrechkraft einzustellen, enthält das Federspannmittel vorzugsweise ein radiales Loch in seinem Außenumfang, in das ein Dübel eingesetzt werden kann, um das Federspannmittel zu drehen. Die Reibungskraft an der Tellerfederscheibe kann im Bereich zwischen 0 Pfund bis ungefähr 1200 Pfund liegen, je nachdem, wie das Federspannmittel eingestellt wird. An den Pedalen beträgt das Freibrechmoment vorzugsweise ungefähr 344 Zoll-Pfund bis ungefähr 444 Zoll-Pfund. Die bevorzugten Kennzahlen der Tellerfederscheiben sind: OD = 55,8 mm; ID = 28,6 mm; Dicke (unkomprimiert) = 2 mm; 830 (+/–20) Pfund bei 75% Kompression; 1110 (+/–30) Pfund bei 100% Kompression; Material = SAE 1075.
Ähnlich wie bei dem in 5A gezeigten Ausführungsbeispiel enthält der äußere Kupplungsscheibenkranz 372 einen hohlen zylindrischen Hauptkörper 384, mit einem Innengewinde an einem Ende für den Eingriff mit einem Außengewinde an dem äußeren Ende 386 des Achsengehäuses 364. Der Kupplungsscheibenkranz 372 hat einen radial verlaufenden Eingriffsflansch 388, der an dem äußeren Ende des Hauptkörpers befestigt ist, und einen inneren radial verlaufenden Flansch, der die innere Kupplungsscheibe 366 ist, die an dem inneren Ende des zylindrischen Hauptkörpers 384 beweglich befestigt ist. Die innere Kupplungsscheibe 366 kann sich axial (in Längsrichtung) entlang der gesamten oder einem Teil der Länge des zylindrischen Hauptkörpers 384 des äußeren Kupplungsscheibenkranzes 372 bewegen. Wie mit Bezug auf die in den 7, 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispiele gezeigt ist, hat der innere Flansch 366 eine zentrale Bohrung 124, die eine Vielzahl von radial nach innen verlaufenden Keilen 126 hat. Entsprechende in Längsrichtung verlaufende Nuten 128 sind an der Oberfläche des zylindrischen Hauptkörpers des äußeren Kupplungsscheibenkranzes 372 an seinem inneren Ende gebildet und erstrecken sich mindestens zu einem Teil entlang der Länge des Hauptkörpers, um die Keile 126 aufzunehmen und dem inneren Flansch zu gestatten, sich axial entlang der Länge des zylindrischen Hauptkörpers 384 entsprechend dem Ausmaß der Schlitze zu bewegen (schwimmen). Wenn der zylindrische Hauptkörper 384 mit dem Achsengehäuse 364 durch Gewindeeingriff verbunden ist, ist der innere Flansch 366 so angeordnet, daß die Keile 126 gleitbar in den Nuten aufgenommen sind, und der innere Flansch 366 wird an dem Ende des zylindrischen Hauptkörpers 384 durch das Achsengehäuse 364 gehalten. Das Zusammenwirken der Keile mit den Schlitzen bewirkt, daß sich der innere Flansch mit dem zylindrischen Hauptkörper dreht.
Es wird in Erwägung gezogen, daß diese Freilaufkupplungsstrukturen, die hier beschrieben wurden, an dem Antriebszahnrad des Antriebsstranges angebracht werden könnten, zusätzlich zu dem Nehmerzahnrad des Antriebsstranges. Es wird auch in Erwägung gezogen, daß ein Einweglager nicht unter allen Umständen verwendet werden muß, wobei in diesem Fall die Kupplung ausgebildet werden würde, um zu rutschen, wenn die Freibrechkraftschwelle entweder in der Vorwärts- oder der Rückwärtsantriebsstrangrichtung erreicht wird.
Gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und viele ihrer Verbesserungen wurden mit Genauigkeit beschrieben. Die vorhergehende Beschreibung ist die von bevorzugten Beispielen für die Anwendung der Erfindung, und der Umfang der Erfindung sollte nicht unnötig durch diese Beschreibung beschränkt werden. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch den Umfang der folgenden Ansprüche bestimmt.
Zusammenfassung
Freilaufkupplung für Fahrradantriebsstrang
Ein Heimtrainer-Fahrrad enthält einen Rahmen, der einen Sitz und Griffstangen hat, ein Schwungrad (378) mit hoher Trägheit, das eine Nabe (364) im Drehzentrum hat, wobei das Schwungrad drehbar an dem Rahmen an der Nabe abgestützt ist, und einen Antriebsstrang, der ein Antriebszahnrad, eine Kurbelwange, die an dem Antriebszahnrad befestigt ist und sich davon weg erstreckt, und ein Pedal, das an der Kurbelwange befestigt ist, enthält, wobei der Antriebsstrang drehbar von dem Rahmen abgestützt ist. Der Antriebsstrang enthält auch ein Nehmerzahnrad (370), das an dem Schwungrad an der Nabe befestigt ist, wobei das Antriebs- und Nehmerzahnrad in einer Direktantriebsbeziehung miteinander verbunden sind, wobei der Antriebsstrang vorwärts und rückwärts antreibbar ist, damit sich das Schwungrad dreht. Eine Kupplung (360) ist in Eingriff mit dem Nehmerzahnrad und der Nabe angeordnet, um einen Reibungseingriff zwischen dem Zahnrad und der Nabe zu erzeugen, und eine Freibrechkraftschwelle festzulegen. Wenn der Antriebsstrang vorwärts angetrieben wird, bewegen sich das Nehmerzahnrad und die Nabe zusammen, und wenn der Antriebsstrang rückwärts unter dem Einfluß einer Kraft, die größer als die Freibrechkraftschwelle ist, angetrieben wird, rutscht die Kupplung zwischen dem Nehmerzahnrad und der Nabe, so daß sich das Nehmerzahnrad und das Schwungrad unabhängig voneinander drehen können. Die Kupplung enthält ein Federspannmittel (368), wodurch die Freibrechkraft eingestellt werden kann.
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Claims

Heimtrainer-Fahrrad mit einem Rahmen einschließlich einem Sitz und Griffstangen; einem Schwungrad einschließlich einem Achsengehäuse, wobei das Schwungrad drehbar an dem Rahmen abgestützt ist; einem Antriebsstrang einschließlich einem Antriebsstrangzahnrad, einer Kurbelwange, die an dem Antriebszahnrad befestigt ist und sich davon weg erstreckt, und einem Pedal, das an der Kurbelwange befestigt ist, wobei der Antriebsstrang drehbar von dem Rahmen abgestützt wird, und einem Nehmerzahnrad, das mit dem Schwungrad gekoppelt ist, wobei das Antriebsstrang- und Nehmerzahnrad in einer Direktantriebsbeziehung miteinander verbunden sind, wobei der Antriebsstrang vorwärts und rückwärts antreibbar ist, damit sich das Schwungrad dreht; einem Federspannmittel, das mit dem Achsengehäuse gekoppelt ist; und einer Kupplung, die in Eingriff mit dem Nehmerzahnrad und dem Schwungrad angeordnet ist, wobei die Kupplung ein Vorspannteil enthält, das zwischen der Kupplung und dem Federspannmittel angeordnet ist, wobei die Kupplung eine Freibrechkraft erzeugt.
Heimtrainer-Fahrrad nach Anspruch 1, wobei das Vorspannteil eine Tellerfederscheibe ist.
Heimtrainer-Fahrrad nach Anspruch 1, wobei das Achsengehäuse einen Zylinder bildet, wobei der Außendurchmesser des Zylinders neben der Kupplung mit einem Gewinde versehen ist.
Heimtrainer-Fahrrad nach Anspruch 3, wobei das Federspannmittel eine mit einem Gewinde versehene Öffnung aufweist, die ausgebildet ist, um an dem mit einem Gewinde versehenen Außendurchmesser des Achsengehäuses anzugreifen.
Heimtrainer-Fahrrad nach Anspruch 4, wobei das Federspannmittel um das Achsengehäuse drehbar ist, um die Freibrechkraft zu erhöhen oder zu vermindern.
Heimtrainer-Fahrrad nach Anspruch 1, wobei die Kupplung eine innere Kupplungsscheibe neben einer innenseitigen Kante des Nehmerzahnrades und eine äußere Kupplungsscheibe neben einer äußeren Kante des Nehmerzahnrades enthält.
Heimtrainer-Fahrrad nach Anspruch 6, wobei die Kupplung eine innere Kupplungsbeilagscheibe, die zwischen der inneren Kupplungsscheibe und dem Nehmerzahnrad angeordnet ist, und eine äußere Kupplungsbeilagscheibe enthält, die zwischen der inneren Kupplungsscheibe und dem Nehmerzahnrad angeordnet ist.
Heimtrainer-Fahrrad nach Anspruch 7, wobei die innere Kupplungsbeilagscheibe und die äußere Kupplungsbeilagscheibe aus Polyethylen sind.
Heimtrainer-Fahrrad nach Anspruch 2, wobei das Federspannmittel einen nach außen ragenden Flansch hat, der umfänglich zu dem Achsengehäuse ist, wobei der nach außen ragende Flansch ausgebildet ist, um die Tellerfederscheibe um das Achsengehäuse herum zu zentrieren.