DE102007013444A1

DE102007013444A1 - Mehrfachgetriebe mit magnetischer Ansteuerung

Info

Publication number: DE102007013444A1
Application number: DE102007013444A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Nicolai
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-21
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2008-09-25
Also published as: US8043185B2; US20080234090A1

Abstract

Mehrfachgetriebe mit magnetischer Ansteuerung für Fahrzeuge oder für den Einsatz in der Antriebstechnik mit einer an einem Gestell gelagerten Eingangswelle und Ausgangswelle, wobei die Eingangswelle an mindestens einem Ende und die Ausgangswelle an einem Ende aus dem Gestell herausgeführt ist, mit den folgenden Merkmalen: a) Zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle befinden sich Getriebeübersetzungen mit Getrieberädern, die als Zahnrad- oder Zugmittelgetriebe ausgeführt sein können, b) auf der Eingangswelle oder der Ausgangswelle befinden sich Getrieberäder drehbar gelagert, die durch formschlüssige Kupplungsmittel drehfest mit der Welle verbindbar sind, c) alle Getrieberäder befinden sich während des Betriebs ständig in Rotation, d) innerhalb des Kupplungsmittels ist mindestens ein Bauteil relativ zu einer Verzahnung drehbar oder verschiebbar gelagert, e) innerhalb des Kupplungsmittels kann mindestens ein Bauteil in einer Verzahnung eine formschlüssige Position einnehmen, f) innerhalb des Kupplungsmittels kann mindestens ein Bauteil eine Position in einem Abstand relativ zu einer Verzahnung einnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß g) mindestens ein Bauteil innerhalb des Kupplungsmittels die Eigenschaften eines Permanentmagneten mit einem magnetischen Nord- und Südpol besitzt und h) der Zustand der Kupplungsmittel sich durch die Veränderung eines zusätzlichen Magnetfelds innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe der Kupplungsmittel verändert und ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrfachgetriebe mit magnetischer Ansteuerung für Fahrzeuge oder für den Einsatz in der Antriebstechnik mit einer an einem Gestell gelagerten Eingangswelle und Ausgangswelle, wobei die Eingangswelle und die Ausgangswelle aus dem Gestell herausgeführt sind, mit den folgenden Merkmalen:

a) zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle befinden sich Getriebeübersetzungen mit Getrieberädern, die als Zahnrad- oder Zugmittelgetriebe ausgeführt sein können,
b) auf der Eingangswelle oder der Ausgangswelle befinden sich Getrieberäder drehbar gelagert, die durch formschlüssige Kupplungsmittel drehfest mit der Welle verbindbar sind,
c) alle Getrieberäder befinden sich während des Betriebs ständig in Rotation,
d) Innerhalb des Kupplungsmittels ist mindestens ein Bauteil relativ zu einer Verzahnung drehbar oder verschiebbar gelagert,
e) Innerhalb des Kupplungsmittels kann mindestens ein Bauteil in einer Verzahnung eine formschlüssige Position einnehmen,
f) Innerhalb des Kupplungsmittels kann mindestens ein Bauteil eine Position in einem Abstand relativ zu einer Verzahnung einnehmen.

Stand der Technik
Schaltbare Getriebe sind seit den letzten 100 Jahren aus dem Bereich der motorisierten Kraftfahrzeuge nicht mehr wegzudenken. Ebenso finden sie in der Antriebstechnik an zahlreichen Maschinen ihre Verwendung. Sehr oft handelt es sich um Getriebekonstruktionen, die mit Hilfe von Zahnrädern als Stirnradgetriebe oder Umlaufgetriebe (Planetengetriebe) arbeiten. Die Fertigungstechnik dieser Getriebe ist jedoch meist sehr aufwendig und teuer. Da diese kraftübertragenden Getriebebauteile meist aus Stahl gefertigt sind, rückt das Gewicht momentan immer weiter in den Focus der Kritik und ist als Nachteil zu werten. Leichtere Getriebe würden zum Beispiel den Energieverbrauch senken. Die im folgenden zu beschreibende Neuheit ist in allen denkbaren Produktzweigen einsetzbar und besonders in Bezug auf das geringe Gewicht hervorragend geeignet für den Einsatz in Fahrzeugen, da faserverstärkte Kunststoffe als kraftübertragende Bauteile eingesetzt werden. Beispielhaft sind hier Landfahrzeuge, Luftfahrzeuge und Wasserfahrzeuge zu sehen, die mit Verbrennungsmotoren, Elektromotoren oder auch anderen Aggregaten ausgestattet sein können. Ebenfalls ist ein Einsatz in Fahrzeugen denkbar, die mit Muskelkraft angetrieben werden. Um leichten Vortrieb zu gewährleisten, müssen die Fahrzeuge außergewöhnlich leicht sein. Die Funktionsbeschreibung des Getriebes soll aus diesem Grunde beispielhaft an einem Fahrrad vorgenommen werden. In den vergangenen vierzig Jahren hat sich bei Fahrrädern der Kettenantrieb mit einer Schaltmöglichkeit an der Hinterachse durchgesetzt. Dazu wird am Rahmen, der den tragenden Bestandteil des Fahrrades mit all seinen Aufnahmepunkten für die Vorderradgabel, die Sattelstütze sowie das Hinterrad bildet, ein drehbares Tretlager mit einem oder mehreren Kettenblättern montiert. Auf der Nabe des Hinterrades befindet sich eine aus bis zu zehn verschieden großen Ritzeln bestehende Kassette. An einem Ausfallende, das sich unmittelbar an der Hinterachse befindet, wird ein Schaltwerk angebracht, dessen Aufgabe es ist, die Kette auf den Ritzeln der Kassette zu führen und Schaltvorgänge zu ermöglichen. Durch einen meist am Sitzrohr angebrachten Umwerfer kann am Tretlager zwischen den verschiedenen Kettenblättern gewechselt werden.
Durch die Möglichkeit des Schaltens kann der Fahrer die Übersetzung seines Antriebes auf die jeweilige Fahrsituation anpassen. Fahrräder mit einem Schaltungssystem wie oben beschrieben, werden im Allgemeinen als Fahrräder mit Kettenschaltung bezeichnet.
Da bei einem Rad mit Kettenschaltung konstruktionsbedingt die Komponenten außen am Rahmen montiert sind, sind sie Umwelteinflüssen besonders stark ausgesetzt. So kommen Schmutz und Wasser ungehindert an Schaltwerk, Kette, Kassette und sonstige Bauteile. Hierdurch verringert sich der zunächst sehr gute Wirkungsgrad einer Kettenschaltung drastisch, so dass ein nicht unerheblicher Teil der Kraft zur Überwindung der Widerstände innerhalb der Schaltung aufgewendet werden muss. Um die Funktion zu gewährleisten ist es erforderlich, dass die Komponenten der Kettenschaltung regelmäßig gewartet werden; das umfasst die Reinigung und das Fetten der Komponenten genauso wie die penible Einstellung. Diese kann sich zum Beispiel bei Stürzen oder Kontakt mit Gegenständen (Steine, Äste etc.) leicht verändern. Da auch bei intensivster Wartung immer kleinste Schmutzpartikel in der Schaltung und insbesondere in den Lager zurück bleiben, müssen einige Teile regelmäßig ausgetauscht werden. Gerade die verschleißanfälligen Teile wie Kettenblätter und Kette erfordern einen jährlichen Wechsel, mit dem wiederum zusätzliche Kosten verbunden sind.
Das Schalten bei der Kettenschaltung ist nur bei drehenden Ritzeln möglich, da sonst die Kette nicht umgeworfen werden kann. Daher ist es als weiterer Nachteil zu sehen, dass durch den konstruktiven Aufbau Schalten im Stand unmöglich ist. Des Weiteren können Komponenten bei einem Sturz oder einer Berührung mit Steinen oder Ästen beschädigt oder vom Rahmen abgerissen werden. Die angeführten Umstände sind als Nachteil der Kettenschaltung zu sehen.
Alternativ zur "Kettenschaltung" wurde die so genannte "Nabenschaltung" entwickelt, bei der die Schaltvorgänge in einem Getriebe in der Hinterradnabe stattfinden. Die bei der Kettenschaltung benötigten Teile Schaltwerk, Umwerfer und Kassette fallen somit weg. Solche Fahrräder heißen im Allgemeinen Fahrräder mit Nabenschaltung. Eine Nabenschaltung vermeidet also die Nachteile einer Kettenschaltung. Durch das in die Hinterradnabe integrierte Getriebe steigt jedoch das Gewicht des Hinterrades. Insbesondere bei so genannten Mountainbikes, die im Gelände bewegt werden, macht sich eine Erhöhung der Masse am Hinterrad sehr stark bemerkbar. Dies gilt vor allem für solche mit Hinterrad-Federung. Für das Fahrverhalten eines gefederten Rades ist das Verhältnis von gefederter zu ungefederter Masse von entscheidender Bedeutung. Je größer die ungefederter Masse im Verhältnis zur gefederten Masse ist, desto kritischer ist das Fahrverhalten des Rades. Stöße, verursacht durch Fahrbahnunebenheiten, können bei hoher ungefederter Masse (schweres Hinterrad) nicht optimal vom Fahrwerk abgefangen werden.
Bei einem bekannten Fahrrad (vergl. DE 103 39 207 ) befindet sich das Getriebe innerhalb des Fahrradrahmens. Das Tretlagergehäuse des klassischen Fahrradrahmens fällt weg und wird durch das Getriebegehäuse ersetzt. Hierbei handelt es sich um ein gemeinsames Gehäuse für Getriebe und Tretlager. Ähnlich den Fahrrädern mit Getriebenabe wird die Kraft bei Getrieberädern über eine Kette oder einen Zahnriemen zum Hinterrad übertragen. Die Kette und die Hinterradnabe haben bei diesem System keine Schaltfunktion. So kann man die Hinterradnabe sehr leicht bauen, was eine leistungsfähigere Hinterrad-Federung zur Folge hat. Hinzu kommt, dass sich der Schwerpunkt in der Mitte des Rades, direkt unter dem Fahrer befindet. Ein agileres und kontrollierteres Fahrverhalten ist die Folge. Des Weiteren lässt sich mit Hilfe des im Rahmen integrierten Getriebes die so genannte "Plattformstrategie" einsetzen. War es im Fahrradbau bisher üblich, zunächst einen Rahmen zu bauen und diesen dann nachträglich mit seinen Komponenten auszurüsten, ist es mit dem Konzept des im Rahmen integrierten Getriebes erstmals möglich, die Plattformstrategie aus dem Automobilbau in der Fahrradherstellung einzusetzen. In dem Getriebegehäuse als Plattform werden zum Beispiel Komponenten wie Schaltung, Federung, die komplette Kraftübertragung, aber auch Bremsen, Dynamo und Beleuchtung fest angebracht. An dem so ausgerüsteten Getriebe werden dann die kundenspezifischen Teile montiert, die das Fahrrad nach Kunden- oder Herstellerwunsch vervollständigen. Das Getriebe nach DE 103 39 207 besteht aus einem Planetengetriebe und einem Primärantrieb. Der Primärantrieb ist notwendig, weil das für den Einsatz in einer Getriebenabe entwickelte Planetengetriebe den hohen im Tretlager wirkenden Momenten nicht standhält. Das Planetengetriebe wird durch den Primarantrieb auf eine höhere Drehzahl gebracht, um den wirkenden Kräften standzuhalten. Durch diese Konstruktion sinkt jedoch der Wirkungsgrad des Antriebs. Dies ist als Nachteil gegenüber der Erfindung zu sehen. Ebenso sind ähnliche Getriebe beispielweise aus US 5553510 , US4955247 , US5924950 , DE20201787U1 , WO2006/039880 A1 , US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 bekannt. Ihr Aufbau ist meist sehr schwer und komplex. Durch die Erfindung wird eine leichte und einfach gebaute Lösung für den angeführten Getriebetyp geliefert. Alle diese Getriebe stellen verschiedene Übersetzungen zwischen zwei parallelen Wellen her. Hierbei ist meist eine der Wellen die Antriebswelle und eine andere Welle die Abtriebswelle. Die Antriebswelle sei im folgenden auch als Eingangswelle bezeichnet. Die Abtriebswelle sei im folgenden auch als Ausgangwelle bezeichnet. Wenn im folgenden nur der Begriff Welle verwendet wird, so sei die Eingangs- oder die Ausgangswelle gemeint.
Die Erfindung verbessert somit Mehrfachgetriebe mit Eingangswelle und Ausgangswelle, wobei die Eingangswelle zur Aufnahme des Eingangsdrehmoment ausgestaltet ist und die Ausgangswelle meist aus dem Getriebegehäuse herausgeführt ist und an diesem Ende zur Weiterleitung des Drehmomentes bis zu den Rädern des Fahrzeugs ausgestaltet ist. Im Gehäuse sind beispielsweise auf der Eingangswelle und der Ausgangswelle Zugmittelräder parallel angebracht und mit Zugmitteln paarweise verbunden. Mit Hilfe einer Schaltansteuerung können die Zugmittelräder zur Ausgangswelle gekoppelt werden. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Fahrrad sein, wobei dort die Eingangswelle zur Aufnahme von Tretkurbeln ausgestaltet und mit ihren beiden Enden aus dem Getriebegehäuse herausgeführt ist. Die Ausgangswelle besitzt an ihrem Ende ein Ritzel zur Drehmomentübertragung zum Hinterrad. Ebenso kann das Fahrzeug ein Motorrad sein, bei welchem sich das Getriebe vorteilhafterweise hinter dem Kurbelgehäuse befindet. Die Eingangswelle ist in geeigneter Weise mit der Kurbelwelle verbunden. Die Ausgangswelle überträgt das Drehmoment durch ein weiteres Maschinenelement (beispielsweise Kette, Zahnriemen, Kardan) zum Hinterrad. Auch ist der Einsatz in einem Kraftfahrzeug in vorteilhafter Weise denkbar.
Ein solches Zugmittelgetriebe ist beispielsweise aus der US4,158,316 bekannt. Bei diesem Getriebe sind mehrere Kettenräder mit unterschiedlichen Durchmessern drehbar auf der Achse gelagert. Durch eine Kupplung können die Kettenräder mit der Welle drehfest verbunden werden und somit ein Drehmoment übertragen. Der Nachteil dieser Erfindung liegt einerseits im hohen Gewicht, insbesondere durch die Benutzung einer Stahlkette, andererseits im großen Platzbedarf, der Komplexität der Kupplungen sowie der Kupplungsansteuerung.
Ein ähnliches Zugmittelgetriebe ist beispielsweise aus der US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 bekannt. Bei diesen Fahrradgetrieben sind auf der Antriebs- und Abtriebswelle verschiedene Zugmittelräder angebracht, die paarweise mit Zugmitteln verbunden sind. Unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse werden dadurch erreicht, dass ein Schaltelement innerhalb der Abtriebswelle mit Hilfe eines Seilzugs axial verschoben wird. Ein Verbindungselement am Schaltelement kuppelt in das gewünschte Zugmittelrad ein und erzeugt eine drehfeste Verbindung zwischen Abtriebswelle und Zugmittelrad. Der beschriebene Aufbau hat jedoch Nachteile, die im Folgenden näher erläutert werden.
Beide Patente führen in ihrem Hauptanspruch an, dass die Zugmittelräder so nebeneinander verbaut sind, dass sie die Form einer konischen Umhüllung bilden. Die Form einer konischen Umhüllung wird dann gebildet, wenn die Durchmesser der Zugmittelräder von klein nach groß auf der Welle ansteigt. Genau diese Eigenart von US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 ist als ein Nachteil zu sehen:
Übersetzungen an Fahrrädern sollten im Bereich von 0.7–4.0 ins Schnelle übersetzen. Betrachtet man in US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 die Größe der Kettenräder und ihre Zähnezahl, so ist diese Übersetzungsbandbreite im Gegensatz zur Neuheit nur schwer zu erreichen. Weiterhin sind, von der sportbiologischen Seite gesehen, nur Gangsprünge, die weniger als 15% ausmachen, durch den menschlichen Organismus gut zu bewältigen.
Die so genannte Sekundärübersetzung wird durch zwei weitere Zugmittelräder gebildet, die das Drehmoment vom Getriebe zum Hinterrad übertragen. Es ist vorteilhaft, wenn diese Zugmittelräder durch ihre Proportionen die Funktion der Tretkurbeln und der Hinterradnabe nicht beeinträchtigen. Der Aufbau gemäß US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 würde sehr groß und voluminös bauen, falls die Randbedingungen im Bezug auf Sekundärübersetzung, Gesamtübersetzung und Gangsprung erreicht werden sollen. Die Neuheit baut im Vergleich zu den angeführten Konstruktionen sehr viel kleiner.
Zugmittelgetriebe haben im Allgemeinen einen diskreten Achsabstand, der ausschließlich von der Teilung und der Länge des Zugmittels, sowie dem Durchmesser beziehungsweise der Zähnezahl der verwendeten Zugmittelräder abhängt.
Man kann diesen Achsabstand durch die folgende Formel beschreiben:

α: = Achsabstand
p: = Kettenteilung der Kette
X: = Gliederzahl der Kette
z₁: = Zähnezahl des kleinen Kettenrades
z₂: = Zähnezahl des großen Kettenrades

Wendet man diese Formel auf US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 an, so findet man heraus, dass nicht jedes einzelne Zugmittelrad den richtigen Achsabstand besitzt. Ein Aufbau gemäß US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 ist somit nachteilig, da manche Ketten gespannt sind und andere zu locker sind. Dies ist als großer Nachteil gegenüber der Neuheit zu sehen, da falsch gespannte Zugmittel einen zu hohen Verschleiß besitzen. Dieser Nachteil sei im Folgenden als "nur diskrete Achsabstände möglich" bezeichnet. Auch bei US4,158,316 sind aufgrund der verwendeten Zugmittel nur diskrete Achsabstände möglich. Auch dieses ist als Nachteil zu sehen. Zusätzlich ist anzumerken, daß auch bei Zahnradgetrieben dieser Nachteil der diskreten Achsabstände auftritt.
Ein weiterer großer Nachteil ist bei US4,158,316 , US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 innerhalb der Schaltansteuerung zu finden. Falls ein Gangwechsel durchgeführt werden soll, so wird zunächst ein Zugmittelrad von der Abtriebswelle abgekoppelt und darauf folgend erst ein weiteres Zugmittelrad zur Welle eingekoppelt. Dies hat zur Folge, dass bei diesen Antrieben eine ständige drehfeste Verbindung zwischen der Welle und einem Zahnrad nicht gewährleistet ist. Es kann während eines Gangwechsels eine Leerlaufstellung eintreten. Für den Radfahrer bedeutet das ein plötzliches "ins Leere" treten. Hierdurch können Verletzungen, besonders im Kniebereich, auftreten. Die Neuheit ist so aufgebaut, dass kein Leerlauf zwischen einzelnen Gängen während des Gangwechsels auftreten kann. Dies ist als großer Vorteil zu werten.
In der Vergangenheit sind immer wieder Zugmittelgetriebe mit parallel laufenden Zugmitteln anzutreffen, bei denen die Zugmittelräder zu einer Achse eingekoppelt werden (siehe auch CH 167367 , US6146296 und US5871412 ). Alle diese Konstruktionen weisen jedoch den Nachteil auf, dass zwischen zwei eingekoppelten Übersetzungen immer ein kleines Zeitfenster mit einem Leerlauf entstehen könnte. Insbesondere unter Last ist nicht sicherzustellen, dass es während dieses Zeitfensters zu einem kurzzeitigen Durchrutschen kommen könnte. Ebenfalls führt solch ein Durchrutschen zu enormen Verschleiß an den Kupplungen. Langfristig sind unter Umständen Schädigungen nicht auszuschließen. Die Neuheit hat den Vorteil, dass zwischen zwei Gängen während des Gangwechsels immer ein drehmomentübertragendes Bauteil in Eingriff ist.
Zusammenfassend gesagt haben viele Getriebe nach dem Stand der Technik Probleme in Bezug auf Gewicht, Fertigungskosten, Schaltbarkeit unter Last, Leerlauf und der Schaltbarkeit im Stand.
Aufgabenstellung:
Von dieser Problemstellung ausgehend sollen die eingangs beschriebenen Mehrfachgetriebe verbessert werden.
Zur Problemlösung ist ein gattungsgemäßes Mehrfachgetriebe dadurch gekennzeichnet, dass

g) mindestens ein Bauteil innerhalb des Kupplungsmittels die Eigenschaften eines Permanentmagneten mit einem magnetischen Nord- und Südpol besitzt, und
h) der Zustand der Kupplungsmittel sich durch die Veränderung eines zusätzlichen Magnetfelds innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe der Kupplungsmittel verändert, und
i) während mindestens eines Schaltvorgangs sich der Zustand von mindestens zwei Kupplungsmitteln gleichzeitig ändert, und
k) mindestens ein Kupplungsmittel nur Drehmomente in eine Drehrichtung übertragen kann.

Dadurch, dass mindestens ein Bauteil innerhalb des Kupplungsmittels die Eigenschaften eines Permanentmagneten mit einem magnetischen Nord- und Südpol besitzt und sich der Zustand der Kupplungsmittel durch die Veränderung eines zusätzlichen Magnetfelds innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe der Kupplungsmittel verändert und dass während mindestens eines Schaltvorgangs sich der Zustand von mindestens zwei Kupplungsmitteln gleichzeitig ändert und dass mindestens ein Kupplungsmittel nur Drehmomente in eine Drehrichtung übertragen kann, ist es ausgeschlossen, daß durch einen Schaltfehler versehendlich in eine Leerlaufstellung des Getriebes geschaltet wird, wodurch Beschädigungen am Getriebe und u. U. Verletzungen bei einem Radfahrer auftreten können. Da für einen Gangwechsel nur Magnetfelder verändert werden, sind Schaltwechsel unter Last und auch im Stand möglich.
Wenn mindestens ein Bauteil eine Position in einem Abstand relativ zu einer Verzahnung eines Kupplungsmitels einnimmt, nachdem sich zwei gleich gepolte Magnetfelder aufeinander zu bewegt haben, kann sichergestellt werden, dass die Schaltkräfte im Vergleich zum Stand der Technik reduziert sind.
Da das formschlüssige Kupplungsmittel durch Freilaufzähne gebildet wird, die in eine Verzahnung eingreifen können, kann der Gesamtaufbau sehr einfach gehalten werden..
Ein sehr platzsparender Aufbau ergibt sich, wenn die Verzahnung innerhalb des Kupplungsmittels als Innenverzahnung ausgeführt ist.
Vorzugsweise sind innerhalb des Kupplungsmittels die Freilaufzähne symmetrisch zur Verzahnung angeordnet, um die Kräfte gleichmäßig zu übertragen.
Wenn die Freilaufzähne kippbar auf Stahlachsen innerhalb der Welle gelagert sind, auf der sich das Kupplungsmittel befindet, dann wird das Drehmoment in vorteilhafter Weise weitergeleitet.
Niedrige Herstellungskosten werden unter anderem dadurch erreicht, wenn mindestens ein Kupplungsmittel aus einem Permanentmagneten und einem Stahlbauteil zusammengefügt sind. Derselbe Vorteil ergibt sich, Wenn die Permanentmagneten, die axial verschoben werden, hierzu in ein Steuerschieberbauteil eingefügt werden.
Eine vorteilhafte Ansteuerung des Getriebes wird umgesetzt, wenn die Veränderung des Magnetfelds durch axiale Verschiebung von Permanentmagneten entlang der Drehachse der Welle erreicht wird, auf welcher sich das Kupplungsmittel befindet.
Überflüssiges Gewicht wird vermieden, wenn die axiale Verschiebung von Permanentmagneten innerhalb einer hohlen Abtriebswelle vollzogen wird.
Auch Getriebe ohne bauraumbedingten Zugang zum Inneren der Wellen können gemäß der Neuheit aufgebaut werden, wenn die axiale Verschiebung der Permanentmagneten außerhalb der Eingangswelle vollzogen wird.
Niedrige Herstellungskosten werden unter anderem dadurch erreicht, wenn die Permanentmagneten, die axial verschoben werden, hierzu in ein Steuerschieberbauteil eingefügt werden.
Vorzugsweise sind die Permanentmagneten in unterschiedlicher Polung in das Steuerschieberbauteil eingefügt, damit durch die Verwendung von vielen gleichen Teilen die Herstellungskosten niedrig gehalten werden können.
Es ergibt sich eine vorteilhaft einfache Schaltansteuerung, wenn sich innerhalb des Steuerschieberbauteils eine Lagerung befindet, um das Schaltsignal von einem drehenden auf einen stehendes Bauteil zu übertragen.
Eine sehr preisgünstige Lösung zur axialen Bewegung des Steuerschieberbauteil wird erreicht, wenn das Steuerschieberbauteil mit einem Zugmittel in Verbindung steht.
Vorzugsweise nimmt das Steuerschieberbauteil innerhalb seiner axialen Bewegung gegenüber der Welle Rastpunkte ein, um in reproduzierbar gleicher Weise das Magnetfeld innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe der Kupplungsmittel zu verändern. Hierdurch wird die Schaltpräzision verbessert.
Störungsfreiheit bei Vibrationen von aussen wird erreicht, wenn eine gekippte Lage des Freilaufzahns auf der Stahlachse durch einen Permanentmagneten gehalten wird. Der Einbau dieses Permanentmagneten ist besonders einfach, wenn der Permanentmagnet in die Welle eingefügt ist, auf welcher sich das Kupplungsmittel befindet Die notwendigen Schaltkräfte werden niedrig gehalten, wenn die formschlüssige drehfeste Verbindung zwischen Welle und Getrieberad mit Hilfe der Energie aufgehoben werden kann, die zeitlich vor dem Entkoppeln im Magnetfeld gespeichert wurde.
Eine vollständig elektronische Ansteuerung des Zustands der Kupplungsmittel kann erreicht werden, wenn die Veränderung eines zusätzlichen Magnetfelds innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe der Kupplungsmittel durch Elektromagneten vollzogen wird. Dieses kann in manchen Einsatzbereichen des Getriebes von Vorteil sein.
Das Getriebe ist vor äußerer Verschmutzung geschützt, wenn das Gestell des Getriebes als geschlossenes Gehäuse ausgeführt ist.
Das Eigengewicht verringert sich stark, wenn die zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle befindlichen Getriebeübersetzungen als Zugmittelgetriebe mit Zahnriemen als Zugmittel und mit Zahnriemenscheiben als Getrieberäder ausgeführt sind.
Besonders hohe Leistungen und Drehmomente können übertragen werden, wenn die Zugmittel durch Aramid, Kevlar oder Kohlefaserwerkstoffe verstärkt sind.
Einen besonders geringen Verschleiß an den Zugmitteln erhält man, wenn die Faserwerkstoffe der Zahnriemen mit Polyurethan umhüllt sind.
Eine geringe Reibung erhält man, wenn das Zugmittel während lastfreier Rotation auf den Zahnriemenrädern durch mindestens ein Bauteil in eine nierenähnliche Form gedrückt wird und dass unter Lasteinwirkung dieses Bauteil das Zugmittel nicht berührt. Zusatzlich ist es dann optimal, wenn die nierenähnliche Form der Zugmittel während lastfreier Rotation durch eine konvexe Wölbung des Lasttrums und durch eine konkave Wölbung des Leertrums gebildet wird.
Das Überspringen des Zahnriemens auf den Zahnriemenscheiben kann auf vorteilhafte Weise dadurch erreicht werden, wenn die nierenähnliche Form der Zugmittel unter Last durch eine gerade Form des Lasttrums und durch eine verstärkte konkave Wölbung des Leertrums gebildet wird.
Zusätzlich kann man die Reibung der Zahnriemen senken, wenn die Zugmittel während des Schaltvorgangs ihre Riemenspannung ändern.
Mehr Sicherheit gegen Überspringen des Zahnriemens auf den Zahnriemenscheiben wird erreicht, wenn die Zugmittel während des Schaltvorgangs ihren Umschlingungswinkel auf dem Zahnriemenrad ändern.
Die Reibung kann zusätzlich gesenkt werden, wenn mindestens ein Bauteil, daß das Zugmittel in eine nierenförmige Form drückt, als Rolle ausgebildet ist.
Werden auf der Leertrumseite zusätzliche Führungen berührungslos in unmittelbarer Nahe der Zahnriemen angeordnet, die ähnlich der Außenkontur des Zahnriemens geformt sind, so wird auf diese Weise mehr Sicherheit gegen Überspringen des Zahnriemens auf den Zahnriemenscheiben bei Laststößen und Störgrößen von außen erreicht, ohne die Reibung zusätzlich zu erhöhen.
Ausführungsbeispiel:
Mit Hilfe einer Zeichnung sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigt:
1 ein Motorrad in Seitenansicht und mit dem im Rahmen integrierten Zugmittelgetriebe
2 ein Kraftwagen in Seitenansicht und mit dem im Rahmen integrierten Zugmittelgetriebe
3 ein Fahrrad in Seitenansicht und mit dem im Rahmen integrierten Zugmittelgetriebe
4a das Zugmittelgetriebe in Explosionsansicht
4b das Zugmittelgetriebe in perspektivischer Darstellung
5a das Zugmittelgetriebe ohne Schaltansteuerung, Gehäuse, Zugmittel und Zugmittelscheiben
5b das Zugmittelgetriebe ohne Schaltansteuerung, Gehäuse, Zugmittel und Zugmittelscheiben in Explosionsansicht
6a Aufbau der Abtriebswellenbaugruppe in Explosionsansicht
6b Aufbau der Abtriebswellenbaugruppe in perspektivischer Ansicht
7a Aufbau der Zugmittelscheiben auf Antriebswelle und Abtriebswelle in Explosionsansicht
7b Aufbau der Zugmittelscheiben auf Antriebswelle und Abtriebswelle in perspektivischer Darstellung
8a Zugmittelbaugruppe in Explosionsansicht
8b Zugmittelbaugruppe in perspektivischer Darstellung
9a Schaltung in Explosionsansicht
9b Schaltung in perspektivischer Darstellung
10a Schaltvorgang im Inneren der Abtriebswelle – 1. Position
10b Schaltvorgang im Inneren der Abtriebswelle – 2. Position
10c Schaltvorgang im Inneren der Abtriebswelle – 3. Position
11a Stellung der Freilaufzähne – ausgekuppelt
11b Stellung der Freilaufzähne – eingekuppelt
11c Stellung der Freilaufzähne – Ausgangsstellung
Die nachfolgend beschriebene Ausführung verwendet als Getriebestufen beispielhaft Zugmittelgetriebe. Die beschriebenen Mechanismen können jedoch ebenfalls für Zahnradgetriebe verwendet werden.
1 zeigt ein Motorrad mit dem neuartigen Getriebe in Seitenansicht. Man erkennt den Verbrennungsmotor 44 in klassischer Position unterhalb des Tanks 45 eingebaut und durch einen Rohrrahmen 46 umschlossen. Am Rohrrahmen 46 ist die Schwinge 2 gelagert. Am Ende der Schwinge 2 befindet sich das Hinterrad 12. Alle üblichen Teile eines Motorrades sind in der Skizze zu erkennen, auf die jedoch im Weiteren nicht näher eingegangen werden soll. Das neuartige Getriebe innerhalb des Getriebegehäuses 43 befindet sich in Fahrtrichtung hinter der Kurbelwelle. Die Eingangswelle 7 ist über einem nicht dargestellten Primärtrieb mit der parallel liegenden Kurbelwelle verbunden. Die Ausgangswelle 8 besitzt ein nicht dargestelltes Abtriebsritzel 4, welches das Drehmoment über die Kette 11 zum Hinterrad 12 überträgt.
2 zeigt die Umsetzung der Erfindung innerhalb eines Kraftwagens. Die Antriebskomponenten sind schematisch dargestellt. In der Ansicht von oben befindet sich ein klassischer Motor 44 quer zur Fahrtrichtung eingebaut. Das neuartige Getriebe innerhalb des Getriebegehäuses 43 ist mit der Eingangswelle 7 direkt zur Kurbelwelle verbunden. Die Ausgangswelle 8 übergibt das Drehmoment in ein Differentialgetriebe 47. Von hieraus werden beide Vorderräder 48 angetrieben. Auch Nebenaggregate 49 wie Lichtmaschine, Hydraulikpumpe für Servolenkung, Kühlventilatoren und ähnliches können über das neuartige Zugmittelgetriebe betrieben werden. Alle diese Einsatzbereiche sind in der Vergangenheit nur schwer als schaltbare Zugmittelgetriebe umsetzbar gewesen, da geeignete Zugmittel nicht zur Verfügung standen. Durch die Einführung neuartiger Zugmittel, insbesondere die Einführung von neuartigen Zahnriemen, ist es nun möglich Getriebe mit einem Leistungsgewicht herzustellen, welche den klassisch aus Stahl gebauten Stirnradgetriebe oder Planetengetriebe ebenbürtig und sogar überlegen sind. Eine detaillierte technische Ausführung sei im folgenden anhand eines Fahrrades dargestellt.
3 zeigt ein Fahrrad in Seitenansicht, in dessen Rahmen 1 das neuartige Zugmittelgetriebe innerhalb des Getriebegehäuses 43 mit den Tretkurbeln 5 angeordnet ist. An einem Gelenk ist die Hinterradschwinge 2 und ein Dämpferelement 3 ist am Rahmen oder am Getriebegehäuse befestigt. Aus dem Getriebegehäuseteil 43 herausgeführt sind die Eingangswelle 7 und die Ausgangswelle 8. Die Eingangswelle 7 ist mit den Tretkurbeln 5 verbunden. Außerhalb des Gehäuseteils 43 ist auf der Ausgangswelle 8 ein Abtriebsritzel 4 befestigt, mit dem über die Kette 11 das Hinterrad 12 angetrieben wird. Das Gehäuseteil 43 ist hier beispielhaft zwischen dem Sattelrohr 10 und dem Unterrohr 9 angebracht. Das Hinterrad 12 ist im Ausfallende der Schwinge 2 in üblicher Art und Weise gelagert.
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführung des neuartigen Zugmittelgetriebes mit Hilfe von 4 bis 12 näher beschrieben.
Das neuartige Zugmittelgetriebe 18 ist in einem mehrteiligen Gehäuse 43 untergebracht, das, wie 4a und 4b zeigt, aus einem rechten und einem linken Gehäusedeckel 13 und 14 sowie einen Gehäusemittelteil 15 besteht. In den Gehäusedeckeln 13 und 14 sind Schwingenlageraufnahmen 20 und 19 angeordnet, die die Verbindung zur Hinterradschwinge 2 (nicht sichtbar) darstellen. Darauf drehbar gelagert ist die Abtriebsritzelbaugruppe 6. Außerhalb der Abtriebsritzelbaugruppe 6 befindet sich die beiden Schaltansteuerungen 16 und 17. In den Gehäuseteilen 13 und 14 und koaxial mit der Eingangswelle 7, sind die Tretlagerexzenter 21 und 22 gelagert. Links und rechts der Tretlagerexzenter 21 und 22 befinden sich die Tretkurbeln 5, die mit einer Sechskantaufnahme verdrehfest mit dem Zugmittelgetriebe 18 befestigt sind und somit das Drehmoment übertragen können.
5 zeigt die Gehäuselagerung des neuartigen Zugmittelgetriebes im Detail. Auf der Eingangswelle 7 befindet sich Kugellager 26 angeordnet wobei diese wiederum in den Tretlagerexzentergehäuse 50 und 51 angeordnet sind. Innerhalb der Exzentergehäuse 50 und 51 befinden sich die Anpressringe 27 und 28, die als Abstandhalter des Kugellagers 26 dienen. Außerdem befindet sich auf der linken Seite ein Sicherungsring 37, der die Kugellager gegen seitliches Verrutschen sichert. Auf beiden Seiten sind Dichtungen 40 und Dichtungslaufringe 39 auf den Tretlagermuttern 36 angebracht, die das Zugmittelgetriebe 18 vor Umwelteinflüssen schützen. Das Exzentergehäuse 50, 51 ist mit 5 Schrauben 29 an den Gehäusedeckeln 13 und 14 (nicht sichtbar) befestigt. Durch die drehbare Befestigung der Tretlagerexzenter 21 und 22 kann der Achsenabstand von Eingangswelle 7 zu Ausgangswelle 8 variiert werden. Auf beiden Seiten sind die Antriebskurbeln 5 durch eine Sechskantaufnahme an der Welle befestigt und außerdem durch Langmuttern 35 und einer in der Welle befindlichen Zugstange 24 fixiert.
Die Abtriebswelle 8 befindet sich innerhalb des neuartigen Zugmittelgetriebes 18 und ist auf beiden Seiten durch Rillenkugellager 25 und einen Lagerdruckring 55 innerhalb der Schwingenlageraufnahmegehäusen 52 und 53 gelagert. Fünf Schrauben 38 befestigen die zwei Schwingenlageraufnahmen 19 und 20 an den nicht dargestellten Gehäusedeckeln 13 und 14. Einen Schutz gegen äußere Umwelteinflüsse wie Schmutz und Wasser wird durch eine Dichtung 40 und einen Dichtungslaufring 39 erreicht die sich ebenfalls in den Schwingenlageraufnahmegehäusen 52 und 53 befinden. Innerhalb der Abtriebswelle 8 befinden sich die drei in 5a nur teilweise sichtbaren Mehrzahnachsen 23, die das Drehmoment über den Ritzelflansch 31 auf das Abtriebsritzel 4 weitergeben. Die Verbindung von Abtriebsritzel 4 zu Ritzelflansch 31 erfolgt über drei Schrauben 30. Damit die Abtriebswelle 8 im Gehäuse 43 axial fixiert ist, befestigt eine Abschlusskappe 54 auf der linken Seite das Rillenkugellager 25 sowie den Lagerdruckring 41 zur Schwingenlageraufnahmegehäuse 52 und 53 mit Hilfe von drei Muttern 32 die auf die bereits erwähnten Mehrzahnachsen 23 geschraubt werden.
In 6a und 6b ist der Aufbau der Zugmittelscheiben 60 und 61 auf der Antriebswelle 7 und Abtriebswelle 8 dargestellt. Die Tretlagerwelle 7 ist durch das Keilwellenprofil verdrehfest mit den Antriebszugmittelscheiben 60 verbunden und somit gegen radiale Verschiebung gesichert. Die Bordscheiben 59 dienen als Abstandhalter und sichern die axiale Position der Antriebszugmittelscheiben 60 gegenüber den Zugmitteln 66 während des Betriebs. Die Abtriebszugmittelscheiben 61 sind deckungsgleich zu den Antriebszugmittelscheiben 60 auf der Ausgangswelle 8 gelagert. Die Zugmittelbaugruppen 56 umschließen die jeweils dazugehörigen Zugmittelscheiben 60 und 61.
Die Zugmittelscheiben 60 und 61 sind in Größe und Anordnung so gewählt, dass eine gleichmäßige Abstufung der einzelnen Gänge möglich ist. Auf der Tretlagerwelle 7 befinden sich jeweils die Antriebszugmittelscheiben 60 in folgender Reihenfolge und Zähnezahl 34, 31, 41, 38, 40, 45 und 49. Die Abtriebszugmittelscheiben 61 sind in folgender Reihenfolge und Zähnezahl: 34, 27, 31, 25, 23, 23 und 22 befestigt. Diese Zähnezahlen sind nur beispielhaft zur Erläuterung der Konstruktion gewählt und können ebenfalls anders gewählt werden. Je nachdem, welche Abtriebszugmittelscheibe mit der Abtriebswelle durch einen noch zu beschreibenden Mechanismus eingekoppelt wird, erhält man eine unterschiedliche Übersetzung zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle. In vorteilhafter Ausgestaltung werden die Zugmittel als faserverstärkte Zahnriemen ausgeführt.
Der Aufbau der Abtriebswellenbaugruppe 65 ist in 7a und 7b gezeigt. Auf den drei Mehrzahnachsen 23 sind jeweils zwischen den Abtriebszugmittelscheiben 61 Freilaufzähne 58 gelagert. Die Bewegung der Freilaufzähne 58 auf der Mehrzahnachse 23 wird durch das in dieser Figur nicht sichtbare Schaltteil 87 gesteuert. In die Abtriebswelle 8 sind Axialkeile 96 eingelassen, um die Innenringe von Rillenkugellager 62 axial zu sichern und auf Abstand an bestimmten Positionen der Welle zu halten. Zwischen den Innenringen der Kugellager besitzt die Abtriebswelle 8 Vertiefungen in denen die Freilaufzähne 58 Kippbewegungen ausführen können. Durch diese Kippbewegung kann eine formschlüssige Verbindung zwischen den Freilaufzähnen und einer Innenverzahnung von Freilaufkörpern 63 hergestellt werden. Diese Freilaufkörper 63 sind mit den Außenringen der Kugellager 62 verbunden und auf diese Weise drehbar auf der Welle gelagert. Die Freilaufkörper 63 selbst sind wiederum drehfest und mit den Abtriebszugmittelscheiben 61 verbunden. Auf diese Weise wird das Drehmoment von der Antriebswelle 7 wählbar über die unterschiedlichen Zugmittel 66 an die Abtriebswelle 8 weitergeleitet.
Die detaillierte Ansicht der Zugmittelbaugruppe 56 ist in 8a und 8b zu sehen. Die Zugmittelführung 68 drückt beispielsweise mit Hilfe von Andrücklagern 69 das Zugmittel 66 in Richtung der Zugmittelscheiben 60 und 61. Beilagscheiben 69 sichern den Abstand zur Befestigung 68 und Schrauben 67 fixieren die Andrücklager 69 an der Zugmittelführung 68. In vorteilhafter Ausführung sind die Zugmittel in ihrem Aufbau so ausgestaltet, daß nur ein Andrücklager notwendig ist, um das Zugmittel in die nierenförmige Kontur zu drücken.
In 9a und 9b wird der Aufbau der Schaltansteuerung 16, 17 näher erläutert. Zwei Zuggehäuse 86, die außen am Getriebegehäuse 43 angeschraubt und durch die Zugdeckel 80 verschlossen sind, stehen durch einen Seilzug 76 in Verbindung. Das Schaltteil 87 ist mittig mit dem Seilzug 76 axial verbunden und, um Drehbarkeit des Schaltteils zu gewährleisten, mit zwei Radialkugellagern 89 gelagert. Der Seilzug 76 wird über die auf Stiften 78 gelagerten Umlenkrollen 90 innerhalb der nicht dargestellten Abtriebswelle 8 beidseitig zu den Zugspulen 72 geleitet. Die Zugspulen 72 befinden sich gelagert innerhalb der beiden Zuggehäuse 86. Zwei weitere Seilzüge 77 und 76 werden ebenfalls in das Zuggehäuse 86 eingeführt und dienen zur Ansteuerung der Schaltung vom Lenker. Beide Seilzüge 76 und 77 verlaufen in zwei parallel Rillen auf dem Umfang der Zugspule 72 und sind durch eine Klemmschraube 88 beziehungsweise durch einen zylinderförmigen Endkörper befestigt. Durch Drehung der Zugspulen werden auf diese Weise die Züge auf- bzw. abgewickelt und es kommt hierbei zu einer axialen Bewegung des Schaltteils 87 innerhalb der nicht dargestellten Abtriebswelle 8. Damit das Schaltteil 87 innerhalb der Abtriebswelle 8 nur bestimmte und reproduzierbare Positionen einnehmen kann, befindet sich auf der Umfangsfläche der Zugspulen 72 Rastvertiefungen für den Rasthebel 73. Die Schenkelfeder 74 drückt das Radialkugellager 75 auf dem Rasthebel 73 gegen die wellenförmige Oberfläche der Zugspule 72. Durch die Mulden an der Zugspule 72 kann dieselbe nur an bestimmten Winkelpositionen eine Ruheposition einnehmen. Die Schenkelfeder 74 befindet sich auf einem Gleitlager 83 auf einem Stift 81. Eine Beilagscheibe 84 sichert den Abstand des Radialkugellagers 75 zum Zugdeckel 80, welcher mit Schrauben 82 am Zuggehäuse 86 befestigt ist. Erläuternd ist anzumerken, daß das Radialkugellager 70 im Inneren der Zugspule 72 die Drehbewegung der Spule ermöglicht und ein Sicherungsring 71 diese Lager gegen Verschieben sichert. Da der Seilzug 76 auch durch die nicht dargestellte Abtriebsritzelbaugruppe 6 geführt werden muß, ist eine hohle Spezialschraube 34 notwendig, die sich innerhalb des Dichtungsrings 85 befindet und über eine Mutter 33 befestigt wird. Durch diesen Gesamtaufbau kann der Benutzer mit Hilfe der Seilzüge 77 somit das Schaltteil 87 innerhalb der nicht dargestellten Abtriebswelle 8 axial auf sieben reproduzierbare Positionen bewegen. Beachtet man den Umstand, daß sich auf dem Schaltteil 87 zusätzlich auf drei Seiten jeweils fünf Magneten 79 befinden, so kann der Benutzer innerhalb der Abtriebswelle 8 sieben reproduzierbare Magnetfelder einregeln. Das Schaltteil 87 inclusive der darauf befindlichen Magnete 79 sei im Folgenden auch als Steuerschieber 100 bezeichnet.
Innerhalb von 7B ist die Schnittebene A dargestellt. 10a stellt einen Schnitt durch die Abtriebswelle in dieser Ebene A zwischen zwei Zugmittelscheiben 61 dar. Pro Zahnriemenscheibe 61 ist ein Freilaufkörper 63 mit Innenverzahnung montiert. Man erkennt drei Freilaufzähne 58 symmetrisch innerhalb des Freilaufkörpers 63 angeordnet und auf den Mehrzahnachsen 23 kippbar gelagert. Die Freilaufzähne 58 sind in dieser 10a in einem nicht eingekuppelten Zustand dargestellt. Die Kontaktfläche B des Freilaufzahns 58 befindet sich "entkoppelt" in einer gewissen Entfernung von der Innenverzahnung des Freilaufkörpers 63. Die geschnittene Abtriebswelle 8 trägt an den Anschlagflächen zwischen Abtriebswelle 8 und Freilaufzahn 58 kleine Haltemagnete 92, die dafür sorgen, daß die Freilaufzähne selbst bei Störungen von außen (Vibrationen etc.) ständig in einem entkoppelten Zustand bleiben. Voraussetzung ist hierbei natürlich, daß der Freilaufzahn 51 aus einem magnetischem Material gefertigt ist. Das Schaltteil 87 ist mittig in der Figur erkennbar und ohne Seilzug 76 dargestellt. Ebenfalls symmetrisch zum Mittelpunkt befinden innerhalb der Schaltteils 87 die rechteckigen Magnete 79. Ihr Magnetfeld stößt in dieser Konfiguration die drei Freilaufzahnmagneten 91 nach außen. Da die Freilaufzahnmagneten 91 fest in die Freilaufzähne 58 eingebettet sind, wird auf diese Weise die Kippbewegung der drei Freilaufzähne 58 angesteuert. Die Mehrzahnachsen sind vorzugsweise aus Stahl gefertigt und übertragen das Drehmoment direkt bis zur Abtriebsritzelbaugruppe 6. Hierdurch werden übermäßige Materialspannungen aus der Abtriebswelle ferngehalten. Die beidseitige negative Polung der Freilaufzahnmagnete 91 und der Magnete 79 ist innerhalb der 10a durch eine Minuszeichen dargestellt. Diesen Zustand aus 10a kann man somit als "magnetisch entkuppelt" bezeichnen.
10b stellt ebenfalls einen Schnitt durch die Abtriebswelle in der Ebene A zwischen zwei Zugmittelscheiben 61 dar. Man erkennt auch hier die drei Freilaufzähne 58 symmetrisch innerhalb des Freilaufkörpers 63 angeordnet und auf den Mehrzahnachsen 23 kippbar gelagert. Die Freilaufzähne 58 sind in dieser 10b jedoch in einem eingekuppelten Zustand dargestellt. Die Kontaktfläche B des Freilaufzahns 58 befindet sich "gekoppelt" in formschlüssiger Verbindung mit der Innenverzahnung des Freilaufkörpers 63. Die innerhalb der Abtriebswelle 8 angeordneten Haltemagnete 92 berühren die Freilaufzähne in dieser Position nicht. Das Schaltteil 87 ist mittig in der Figur erkennbar und ohne Seilzug 76 dargestellt. Ebenfalls symmetrisch zum Mittelpunkt befinden innerhalb der Schaltteils 87 die rechteckigen Magnete 79. Ihr Magnetfeld ist zieht in dieser Konfiguration die drei Freilaufzahnmagneten 91 nach innen. Da die Freilaufzahnmagneten 91 fest in die Freilaufzähne 58 eingebettet sind, wird auf diese Weise die Kippbewegung der drei Freilaufzähne 58 angesteuert. Die Innenverzahnung des Freilaufkörpers 63 ist so gestaltet, daß die Freilaufzähne nur ein Drehmoment übertragen können, falls die sich die Zugmittelscheibe 61 im Uhrzeigesinn dreht. Bei einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn arbeitet der Aufbau als Freilauf. Der Umstand, daß sich die Magneten gegenseitig anziehen, ist in 10b durch ein Plus und ein Minuszeichen dargestellt. Diesen Zustand aus 10b kann man somit als "magnetisch gekuppelt" bezeichnen.
10C stellt ebenfalls einen Schnitt durch die Abtriebswelle in der Ebene A zwischen zwei Zugmittelscheiben 61 dar. Man erkennt auch hier die drei Freilaufzähne 58 symmetrisch innerhalb des Freilaufkörpers 63 angeordnet und auf den Mehrzahnachsen 23 kippbar gelagert. Die Freilaufzähne 58 sind in dieser 10c jedoch, genau wie in 10a, in einem ausgekuppelten Zustand dargestellt. Die Kontaktfläche B des Freilaufzahns 58 befindet sich "entkoppelt" in einem Abstand von der Innenverzahnung des Freilaufkörpers 63. Die innerhalb der Abtriebswelle 8 angeordneten Haltemagnete 92 berühren die aus Stahl gefertigten und somit magnetischen Freilaufzähne 58 und halte diese fest in Position. Das Schaltteil befindet sich hier nicht unter den Freilaufzähnen 58, sondern axial verschoben innerhalb einer anderen Zugmittelscheibe. Diesen Zustand aus 10c kann man somit als "frei entkuppelt" bezeichnen. Erläuternd ist anzumerken, daß diese Kupplungsmittel grundsätzlich auf jeder Welle eines Getriebes angeordnet werden kann. Beispielhaft ist hier das Kupplungsmittel auf der Ausgangswelle dargestellt.
Der Schaltvorgang im Detail ist beispielhaft in 11a,11b und 11c dargestellt. 11a stellt die Abtriebswelle 8 mit den 7 Kupplungsmitteln längs geschnitten ohne die Freilaufkörper 63 und ohne die Zugmittelscheiben 61 dar. Die bereits in 9 beschriebene Schaltansteuerung beschränkt sich auf die Darstellung des Schaltteils 87, indem die Magneten 79 eingefügt sind. Die Polung der Magneten ist durch ein Plus- und ein Minuszeichen dargestellt. Ebenfalls erkennbar sind zwei von drei Mehrzahnachsen 23, die im folgenden oft auch als Stahlachsen bezeichnet werden. Auf diesen Mehrzahnachsen 23 können die Freilaufzähne 58 Kippbewegungen ausführen. Allgemein gesagt ist hier innerhalb mindestens ein Bauteil relativ zu einer Verzahnung drehbar oder verschiebbar gelagert.
Der mittlere Magnet 97 befindet sich mit seiner Positiven Seite zum Freilaufzahn ausgerichtet fest in das Schaltteil 87 eingefügt. Das Schaltteil 87 befindet sich in der Darstellung genau mittig unter dem eingekuppelten Freilaufzahn 93. Der Freilaufzahnmagnet 91 ist mit seinem negativem Pol zum Schaltteil 97 gerichtet und wird somit angezogen. Durch die Wippenform der Freilaufzähne wird hierdurch die Kontaktfläche B aus der Darstellung in 10a in die Innenverzahnung des nicht dargestellten Freilaufkörpers gedrückt. Auf diese Weise wird zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle durch dieses formschlüssige Kupplungsmittel eine drehfeste Verbindung hergestellt. Oder allgemein gesagt kann innerhalb des Kupplungsmittels mindestens ein Bauteil in einer Verzahnung eine formschlüssige Position einnehmen. An beiden Aussenkanten des Schaltteils 87 sind ebenfalls Magneten 98 eingefügt, die jedoch mit ihrer negativen Seite in Richtung der Freilaufzähne 93 ausgerichtet sind. Durch diese Ausrichtung wird der Freilaufzahnmagnet 91 ist mit seinem negativem Pol vom Schaltteil 97 abgestoßen und auf diese Weise aktiv entkoppelt. Direkt neben den negativ gepolten Magneten 98 befinden sich die sogenannten Überschneidungsmagneten 99, die mit ihrer positiven Seite zum Freilaufzahn ausgerichtet fest in das Schaltteil 87 eingefügt sind. Die Überschneidungsmagneten 99 haben in dieser 11a keinen Einfluß auf die Freilaufzähne 58, 93 und 94. In dieser 11a ist somit der zweite Gang von links eingelegt. Zusätzlich ist anzumerken, daß sich das Schaltteil in dieser 11a an einem Rastpunkt befindet und deswegen der zweite Gang in einem eingerasteten Zustand befindet.
11b zeigt den Schaltvorgang von diesem Gang zwei in den Gang drei. Betrachtet man den dritten Freilaufzahn 94 von der linken Seite, so ist der Einkuppelvorgang von Gang drei gleichbedeutend mit der Kippbewegung dieses Freilaufzahnes 94. Man erkennt ebenfalls in der 11b das Schaltteil 87 während seiner Bewegung nach rechts. Sobald das Schaltteil 87 bereits einen gewissen Weg zuückgelegt hat, bewirken die Überschneidungsmagneten 99 bereits den Einkuppelvorgang des Freilaufzahnes 94. In dieser Situation befindet sich der Freilaufzahn 93 jedoch noch immer im Eingriff. Da aufgrund der unterschiedlichen Übersetzungen innerhalb der einzelnen Getriebestufen nicht beide Freilaufzähne Kräfte übertragen können, arbeitet in diesem Moment einer der beiden Freilaufzähne 93 und 94 in seiner Freilauffunktion und springt für den Nutzer unmerklich in der Innenverzahnung über. An dieser Stelle ist es jedoch wichtig herauszustellen, daß das Getriebe aus diesem Grunde nicht in der Lage ist, eine Leerlaufposition einzunehmen. Zusätzlich ist anzumerken, daß sich das Schaltteil in dieser 11b nicht an einem Rastpunkt befindet und durch den in 9 beschriebenen Mechanismus gezwungen wird, die in 11c dargestellte Position einzunehmen.
11c zeigt den abgeschlossenen Schaltvorgang von Gang zwei in Gang drei. Betrachtet man den zweiten Freilaufzahn 93 von der linken Seite, so ist er von dem negativ gepolten Magneten auf dem Schalteil aus dem Formschluß des Freilaufkörpers herausgedrückt worden. Allgemein gesagt kann hier innerhalb des Kupplungsmittels mindestens ein Bauteil eine Position in einem Abstand relativ zu einer Verzahnung. Man erkennt ebenfalls in der 11c das Schaltteil 87 wieder genau mittig in seiner Rastposition unter dem dritten Freilaufzahn 94. Der Schaltprozeß ist somit abgeschlossen. Hiermit sei beispielhaft an diesem 7-Gang Mehrfachgetriebe gezeigt, daß durch die Neuheit eine Schaltbarkeit unter Last sowie eine Schaltbarkeit im Stand erreicht werden kann. Ebenso wird deutlich, daß das unbeabsichtliche Einlegen eines Leerlaufs ebenfalls unmöglich ist. Die 11 zeigt somit beispielhaft, daß die Neuheit vorteilhaft zusätzlich dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens ein Bauteil eine Position in einem Abstand relativ zu einer Verzahnung einnimmt, nachdem sich zwei gleich gepolte Magnetfelder aufeinander zu bewegt haben.
12 zeigt eine Getriebeübersetzung mit einem Zugmittel 66 und einer Zugmittelscheibe 60 für den Antrieb und einer Zugmittelscheibe 61 für den Abtrieb. Vorzugsweise ist das Zugmittel 66 als Zahnriemen sowie die Zugmittelscheiben 60 und 61 als Zahnriemenscheiben ausgebildet. Dieser Umstand ist jedoch in der Figur nicht dargestellt. Die 12a zeigt die Getriebeübersetzung im belasteten Zustand.
Man erkennt, daß die Andrücklager 9 in diesem Lastzustand das Zugmittel nicht berühren. Dieses verhindert ein Überspringen des Zahnriemens auf den Zahnriemenscheiben, denn eine Verstärkung der Last führt zu einer Erhöhung des Umschlingungwinkels und auch zu einer verstärkte konkave Wölbung des Leertrums. Ohne Last jedoch versucht der Zahnriemen, wie in 12b dargestellt, durch seine Eigenspannung im Last- und im Leertrum eine konvexe Form zu bilden. Dieses jedoch wird auf der Leertrumseite durch das Andrücklager verhindert. Allgemein gesagt wird so während lastfreier Rotation durch mindestens ein Bauteil das Zugmittel in eine nierenähnliche Form gedrückt. Auf der Lasttrumseite erreicht der Riemen in der 12b deutlich sichtbar seine konvexe Form.
Das Überspringen des Zahnriemens auf den Zahnriemenscheiben wird so auf vorteilhafte Weise verhindert, indem die nierenähnliche Form der Zugmittel unter Last durch eine gerade Form des Lasttrums und durch eine verstärkte konkave Wölbung des Leertrums gebildet wird. Wenn Laststöße und Störgrößen von außen auf das Getriebe wirken, kann dieses zu einem Abheben des Zahnriemens von den Zahnriemenrädern führen. In 12a und 12b sind Bereiche schraffiert gezeichnet, die auf der Leertrumseite zusätzliche Führungen berührungslos in unmittelbarer Nahe der Zahnriemen bilden und ähnlich der Außenkontur des Zahnriemens geformt sind. Diese Führungen verhindern das vollständige Austreten der Zahnriemen aus den Zahnriemenscheiben und verhindern somit Beschädigungen am Riemen durch Quetschwirkung zwischen Andrückrolle und Zahnriemenscheibe.

1: Hauptrahmen
2: Hinterradschwinge
3: Dämpferelement
4: Abtriebsritzel
5: Tretkurbeln
6: Abtriebsritzelbaugruppe
7: Antriebswelle/Eingangswelle
8: Abtriebswelle/Ausgangswelle
9: Unterrohr
10: Sattelrohr
11: Kette
12: Hinterrad
13: Gehäusedeckel rechts
14: Gehäusedeckel links
15: Gehäuseteil Mitte
16: Schaltansteuerung rechts
17: Schaltansteuerung links
18: Zugmittelgetriebe
19: Schwingenlageraufnahme links
20: Schwingenlageraufnahme rechts
21: Tretlagerexzenter rechts
22: Tretlagerexzenter links
23: Mehrzahnachsen
24: Zugstange
25: Rillenkugellager
26: Rillenkugellager
27: Anpressring rechts
28: Anpressring links
29: Schraube
30: Schraube
31: Ritzelflansch
32: Mutter
33: Mutter (Schaltung)
34: Spezialschraube (Schaltung)
35: Langmutter
36: Tretlagermutter
37: Sicherungsring
38: Schraube
39: Dichtungslaufring
40: Dichtung
41: Lagerdruckring
42: Rillenkugellager
43: Zugmittel-/Getriebegehäuseteil
44: Verbrennungsmotor
45: Tank
46: Rohrrahmen
47: Differentialgetriebe
48: Vorderrad
49: Nebenaggregate
50: Tretlagerexzentergehäuse rechts
51: Tretlagerexzentergehäuse links
52: Schwingenlageraufnahmegehäuse rechts
53: Schwingenlageraufnahmegehäuse links
54: Abschlusskappe
55: Lagerdurckring
56: Zugmittelbaugruppe
57: Schraube
58: Freilaufzahn
59: Bordscheibe
60: Zugmittelscheibe (Antrieb)
61: Zugmittelscheibe (Abtrieb)
62: Rillenkugellager
63: Freilaufkörper
64: Abtriebswellenbaugruppe
65: Antriebswellenbaugruppe
66: Zugmittel
67: Schraube
68: Zugmittelführung
69: Andrücklager
70: Radialkugellager
71: Sicherungsring
72: Zugspule
73: Rasthebel
74: Schenkelfeder
75: Radialkugellager (klein)
76: Seilzug (Getriebe)
77: Seilzug (Schalthebel)
78: Stift
79: Magnet (Schaltteil)
80: Zugführungsdeckel
81: Stift
82: Schraube
83: Gleitlager
84: Beilagscheibe
85: Dichtungsring
86: Zuggehäuse
87: Schaltteil
88: Klemmschraube
89: Radialkugellager
90: Umlenkrolle
91: Freilaufzahnmagnet
92: Haltemagnet
93: Freilaufzahn
94: Freilaufzahn
95: Magnet
96: Axialkeil
97: Magnet mit Pluspol
98: Magnet mit Minuspol
99: Überschneidungsmagnet
100: Steuerschieber

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10339207 [0007, 0007]
- US 5553510 [0007]
- US 4955247 [0007]
- US 5924950 [0007]
- DE 20201787 U1 [0007]
- WO 2006/039880 A1 [0007]
- US 2004/0067804 A1 [0007, 0010, 0011, 0011, 0012, 0015, 0015, 0016]
- US 2004/0066017 A1 [0007, 0010, 0011, 0011, 0012, 0015, 0015, 0016]
- US 4158316 [0009, 0015, 0016]
- CH 167367 [0017]
- US 6146296 [0017]
- US 5871412 [0017]

Claims

Mehrfachgetriebe mit magnetischer Ansteuerung für Fahrzeuge oder für den Einsatz in der Antriebstechnik mit einer an einem Gestell gelagerten Eingangswelle und Ausgangswelle, wobei die Eingangswelle an mindestens einem Ende und die Ausgangswelle an einem Ende aus dem Gestell herausgeführt ist, mit den folgenden Merkmalen: a) zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle befinden sich Getriebeübersetzungen mit Getrieberädern, die als Zahnrad- oder Zugmittelgetriebe ausgeführt sein können, b) auf der Eingangswelle oder der Ausgangswelle befinden sich Getrieberäder drehbar gelagert, die durch formschlüssige Kupplungsmittel drehfest mit der Welle verbindbar sind, c) alle Getrieberäder befinden sich während des Betriebs ständig in Rotation, d) Innerhalb des Kupplungsmittels ist mindestens ein Bauteil relativ zu einer Verzahnung drehbar oder verschiebbar gelagert, e) Innerhalb des Kupplungsmittels kann mindestens ein Bauteil in einer Verzahnung eine formschlüssige Position einnehmen, f) Innerhalb des Kupplungsmittels kann mindestens ein Bauteil eine Position in einem Abstand relativ zu einer Verzahnung einnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß g) mindestens ein Bauteil innerhalb des Kupplungsmittels die Eigenschaften eines Permanentmagneten mit einem magnetischen Nord- und Südpol besitzt, und h) der Zustand der Kupplungsmittel sich durch die Veränderung eines zusätzlichen Magnetfelds innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe der Kupplungsmittel verändert, und i) während mindestens eines Schaltvorgangs sich der Zustand von mindestens zwei Kupplungsmitteln gleichzeitig ändert, und k) mindestens ein Kupplungsmittel nur Drehmomente in eine Drehrichtung übertragen kann.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bauteil eine Position in einem Abstand relativ zu einer Verzahnung einnimmt, nachdem sich zwei gleich gepolte Magnetfelder aufeinander zu bewegt haben.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das formschlüssige Kupplungsmittel durch Freilaufzähne gebildet wird, die in eine Verzahnung eingreifen können.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung als Innenverzahnung ausgeführt ist.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufzähne symmetrisch zur Verzahnung angeordnet sind.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufzähne kippbar auf Stahlachsen innerhalb der Welle gelagert sind, auf der sich das Kupplungsmittel befindet
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kupplungsmittel aus einem Permanentmagneten und einem Stahlbauteil zusammengefügt sind.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Magnetfelds durch axiale Verschiebung von Permanentmagneten entlang der Drehachse der Welle erreicht wird, auf welcher sich das Kupplungsmittel befindet.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verschiebung von Permanentmagneten innerhalb einer hohlen Abtriebswelle vollzogen wird.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verschiebung von Permanentmagneten außerhalb der Eingangswelle vollzogen wird.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten, die axial verschoben werden, hierzu in ein Steuerschieberbauteil eingefügt werden.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten in unterschiedlicher Polung in das Steuerschieberbauteil eingefügt werden
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb des Steuerschieberbauteils eine Lagerung befindet
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerschieberbauteil für die axiale Bewegung mit einem Zugmittel in Verbindung steht.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerschieberbauteil innerhalb seiner axialen Bewegung gegenüber der Welle Rastpunkte einnimmt.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine gekippte Lage des Freilaufzahns auf der Stahlachse durch einen Permanentmagneten gehalten wird.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet in die Welle eingefügt ist, auf welcher sich das Kupplungsmittel befindet.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige drehfeste Verbindung zwischen Welle und Getrieberad mit Hilfe der Energie aufgehoben werden kann, die zeitlich vor dem Entkoppeln im Magnetfeld gespeichert wurde.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Veränderung eines zusätzlichen Magnetfelds innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe der Kupplungsmittel durch Elektromagneten vollzogen wird.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell des Getriebes als geschlossenes Gehäuse ausgeführt ist.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle befindlichen Getriebeübersetzungen als Zugmittelgetriebe mit Zahnriemen als Zugmittel und mit Zahnriemenscheiben als Getrieberäder ausgeführt sind.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmittel durch Aramid, Kevlar oder Kohlefaserwerkstoffe verstärkt sind.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserwerkstoffe mit Polyurethan umhüllt sind.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel während lastfreier Rotation auf den Zahnriemenrädern durch mindestens ein Bauteil in eine nierenähnliche Form gedrückt wird und dass unter Lasteinwirkung dieses Bauteil das Zugmittel nicht berührt.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die nierenähnliche Form der Zugmittel während lastfreier Rotation durch eine konvexe Wölbung des Lasttrums und durch eine konkave Wölbung des Leertrums gebildet wird.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass sich die nierenähnliche Form der Zugmittel unter Last durch eine gerade Form des Lasttrums und durch eine verstärkte konkave Wölbung des Leertrums gebildet wird.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmittel während des Schaltvorgangs ihre Riemenspannung indem.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmittel während des Schaltvorgangs ihren Umschlingungswinkel auf dem Zahnriemenrad ändern.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bauteil, daß das Zugmittel in eine nierenförmige Form drückt, als Rolle ausgebildet ist.
Mehrfachgetriebe nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, das sich auf der Leertrumseite zusätzliche Führungen berührungslos in unmittelbarer Nähe der Zahnriemen befinden und ähnlich der Außenkontur des Zahnriemens geformt sind.