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Die
Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit für ein mit Muskelkraft
angetriebenes Fahrzeug.
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Derartige
Getriebeeinheiten dienen dazu Muskelkraft zu über- bzw.
zu untersetzen und dadurch das Antreiben des Fahrzeuges zu erleichtern.
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In
den letzten Jahrzehnten hat sich das Grundprinzip von Gangschaltungen
insbesondere für Fahrräder nicht wesentlich verändert.
Primär wird an der Hinterachse geschaltet, wobei im Wesentlichen zwei
Systeme Verbreitung gefunden haben, und zwar einerseits die Kettenschaltung
und andererseits die Nabenschaltung. Bei beiden Systemen überträgt eine
Kette die Antriebskraft von einer Tretkurbel zur Hinterachse des
Fahrrades.
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Unter
einer Kettenschaltung versteht man im Allgemeinen ein an der Hinterachse
montiertes Ritzelpaket mit bis zu zehn Ritzeln, zwischen denen mittels
eines am Rahmen befestigten Schaltwerks, welches zur Führung
der Kette dient, hin- und hergeschaltet werden kann. Um den Übersetzungsbereich zu
erweitern, sind die meisten Fahrräder mit einer zusätzlichen
Schaltung am Kettenblatt des Tretlagers ausgestattet. Dazu sind
bis zu drei Kettenblätter auf einer Seite der Tretkurbel
angebracht, zwischen denen mittels eines am Rahmen befestigten Umwerfers hin-
und hergeschaltet werden kann. Diese Art Kettenschaltung bietet
bis zu 30 Gänge und ein Gesamtübersetzungsverhältnis
von bis zu ca. 600%. Systembedingt und je nach Auslegung sind bei
Kettenschaltungen jedoch viele der Gänge redundant. So
hat eine handelsübliche Kettenschaltung mit 27 Gängen
lediglich 15 nicht-redundante Gänge.
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Ferner
sind einige der Gänge durch erhöhte Reibkräfte
bedingt durch einen diagonalen Kettenverlauf nicht oder nur mit
großen Reibverlusten nutzbar.
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Die
Komponenten einer Kettenschaltung sind außen am Rahmen
des Fahrrades befestigt und daher Umwelteinflüssen, wie
Wasser und Schmutz direkt ausgesetzt. Dadurch verringert sich der
Wirkungsgrad einer Kettenschaltung besonders schnell, d. h. ein
großer Teil der aufgebrachten Muskelkraft geht durch Reibung
verloren.
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Ferner
sind die Komponenten einer Kettenschaltung, insbesondere das Schaltwerk,
durch die außenliegende Bauweise anfällig für
Beschädigungen durch Stürze oder Berührungen.
Die Kette und die Ritzel unterliegen verstärkt durch einen
teilweise großen Schräglauf der Kette und durch
häufiges Umlaufen der Kette auf den Ritzeln einem hohen
Verschleiß und müssen regelmäßig
ausgetauscht werden. Nachteilig bei derartigen Kettenschaltungen
ist ein erhöhter und kostenintensiver Wartungsaufwand, um
eine einwandfreie Funktion mit gutem Wirkungsgrad zu gewährleisten.
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Unter
einer Nabenschaltung hingegen versteht man ein in das Nabengehäuse
der Hinterachse eingebautes Getriebe. Gegenüber der Kettenschaltung
umfasst die Nabenschaltung keine außenliegenden Schaltungskomponenten.
Eine Nabenschaltung, wie sie beispielsweise aus der
DE 197 20 794 A1 bekannt
ist, hat derzeit bis zu 14 Gänge und ein Gesamtübersetzungverhältnis
bis zu 524%. Durch die Anordnung der Nabenschaltung an der Hinterachse
erhöht sich jedoch zum einen das Gewicht der rotierenden
Masse und zum anderen erhöht sich im Falle von hinterradgefederten
Fahrrädern auch die zum Gesamtgewicht relativ gesehene
ungefederte Masse. Des Weiteren verlagert sich der Schwerpunkt des
Fahrrades in Richtung der Hinterachse. Diese Faktoren wirken sich
insbesondere bei hinterradgefederten Mountainbikes ungünstig
auf die Fahreigenschaft des Fahrrades aus.
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Ferner
sind zum Beispiel aus der
DE 10 2004 045 364 A1 Fahrräder
mit in Tretlagernähe angeordneten, im Rahmen integrierten
Getrieben bekannt. Dabei sind zur Realisierung mehrerer Gänge
in einem Getriebegehäuse mehrere Zwischenwellen mit schaltbaren
Zahnrädern vorgesehen. Nachteilig bei diesem Getriebe ist
es, dass das Kettenblatt radial versetzt zu der Tretlagerachse angeordnet
ist und somit zum einen eine große Bauform aufweist und
zum anderen das Kettenblatt beim Treten der Kurbeln hinderlich ist.
Durch die große Bauform und das versetzte Kettenblatt sind
außerdem weitere Konstruktionsmaßnahmen nötig,
um ein herkömmliches Fahrrad mit Kettenschaltung mit einem
derartigen Getriebe auszustatten.
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Weiterhin
ist aus der
EP 1 445
088 A2 ein Fahrradgetriebe bekannt, bei dem das Kettenblatt koaxial
zu der Tretlagerachse angeordnet ist. Bei diesem Fahrradgetriebe
ist es allerdings nachteilig, dass bei einer relativ kompakten Bauform
nur eine geringe Anzahl von Gängen realisierbar ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Getriebeeinheit für
ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrzeug bereitzustellen, die
zum einen eine kompakte Bauform und zum anderen eine große
Anzahl von Gängen bei einer großen Gesamtübersetzung
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung
gelöst durch eine Getriebeeinheit mit einer Durchgangswelle,
die auf entgegengesetzten Seiten mit Kurbeln zum Antreiben des Fahrzeugs verbindbar
ist, mit einem ersten Teilgetriebe, wobei das erste Teilgetriebe
eine erste Zwischenwelle aufweist, die über einen Konstanten-Radsatz
mit der Durchgangswelle verbunden ist, wobei an der ersten Zwischenwelle
eine Mehrzahl von Antriebszahnrädern gelagert ist, und
wobei das erste Teilgetriebe wenigstens eine Vorgelegewelle aufweist,
an der eine entsprechende Mehrzahl von ersten angetriebenen Zahnrädern
des ersten Teilgetriebes gelagert ist und wobei die wenigstens eine
Vorgelegewelle über einen zweiten Konstanten-Radsatz mit
einer Ausgangswelle des ersten Teilgetriebes verbunden ist, die
vorzugsweise koaxial zu der ersten Zwischenwelle angeordnet ist,
wobei die Zwischenwelle mit der Ausgangswelle des ersten Teilgetriebes
wenigstens in einer Drehrichtung drehfest verbindbar ist, wobei die
Ausgangswelle des ersten Teilgetriebes mit einer Eingangswelle eines
zweiten Teilgetriebes verbunden ist, an der eine Mehrzahl von zweiten
Antriebszahnrädern gelagert ist, wobei das zweite Teilgetriebe
eine Ausgangswelle aufweist, an der eine entsprechende Mehrzahl
von angetriebenen Zahnrädern des zweiten Teilgetriebes
gelagert ist, und wobei die Ausgangswelle des zweiten Teilgetriebes
als Hohlwelle ausgebildet ist, die koaxial zu der Durchgangswelle angeordnet
ist.
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Ferner
wird die oben genannte Aufgabe gemäß einem zweiten
Aspekt der Erfindung gelöst durch eine Getriebeeinheit,
mit einer Durchgangswelle, die auf entgegengesetzten Seiten mit
Kurbeln zum Antrieben des Fahrzeuges verbindbar ist, mit einem ersten
Teilgetriebe, wobei das erste Teilgetriebe eine erste Zwischenwelle
aufweist, die über einen ersten Konstanten-Radsatz mit
der Durchgangswelle verbunden ist, wobei an der ersten Zwischenwelle eine
Mehrzahl von ersten Antriebsrädern gelagert ist, und wobei
das erste Teilgetriebe wenigstens eine Vorgelegewelle aufweist,
an der eine entsprechende Mehrzahl von angetriebenen Zahnrädern
des ersten Teilgetriebes gelagert ist, wobei eines der ersten Antriebszahnräder
ein Abtriebsrad des Konstanten-Radsatzes bildet, und wobei die wenigstens
eine Vorgelegewelle über einen zweiten Konstanten-Radsatz
mit einer Ausgangswelle des ersten Teilgetriebes verbunden ist,
die vorzugsweise koaxial zu der ersten Zwischenwelle angeordnet
ist, wobei die Ausgangswelle des ersten Teilgetriebes mit einer
Eingangswelle eines zweiten Teilgetriebes verbunden ist, an der
eine Mehrzahl von zweiten Antriebsrädern gelagert ist,
wobei das zweite Teilgetriebe eine Ausgangswelle aufweist, an der
eine entsprechende Mehrzahl von angetriebenen Zahnrädern
des zweiten Teilgetriebes gelagert ist und wobei die Ausgangswelle
des zweiten Teilgetriebes als Hohlwelle ausgebildet ist, die koaxial
zu der Durchgangswelle angeordnet ist.
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Ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit
ist es, dass durch die zwei Teilgetriebe eine große Anzahl
von Gängen bei einer geringen Anzahl von Zahnrädern
realisierbar ist und dadurch eine kompakte Bauform bei einem geringen
Gewicht realisierbar ist. Dabei ist es vorteilhaft, dass die Zwischenwelle
und die mit der Ausgangswelle des ersten Teilgetriebes wenigstens
in einer Drehrichtung drehfest verbindbar ist, weil dadurch ein
weiterer Gang des ersten Teilgetriebes realisiert werden kann, der
durch das zweite Teilgetriebe als eine Mehrzahl von schaltbaren
Gängen der Getriebeeinheit ausgeführt werden kann.
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Ein
Vorteil des zweiten Aspektes der erfindungsgemäßen
Getriebeeinheit ist es, dass durch die Doppelnutzung eines Zahnrades
als Antriebszahnrad des ersten Teilgetriebes und als Abtriebsrad des
Konstanten-Radsatzes ein Zahnrad und somit weiteres Gewicht der
Getriebeeinheit eingespart werden kann.
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Die
Aufgabe wird somit vollständig gelöst.
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Vorzugsweise
ist die Zwischenwelle mit der Ausgangswelle des ersten Teilgetriebes
mittels eines Freilaufs verbindbar.
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Dadurch
sind diese beiden Wellen mit geringem konstruktivem Aufwand als
weitere Gangstufe des ersten Teilgetriebes miteinander verbindbar.
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Alternativ
ist es bevorzugt, die Zwischenwelle mit der Ausgangswelle des ersten
Teilgetriebes mittels einer Kupplung verbindbar auszuführen.
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Dadurch
können diese beiden Wellen mit einer einfachen Schaltkonstruktion
miteinander drehfest verbunden werden.
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Dabei
ist es bevorzugt, wenn die Zwischenwelle mit der Ausgangswelle des
ersten Teilgetriebes in beide Drehrichtungen drehfest verbindbar
ist.
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Dadurch
können die beweglichen Teile im Getriebe reduziert werden
und somit eine einfachere Konstruktion bereitgestellt werden.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, wenn die ersten angetriebenen Zahnräder
mittels jeweils einen Freilaufs mit der wenigstens einen Vorgelegewelle
verbindbar sind.
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Dadurch
können die Zahnräder über einen einfachen
Schaltvorgang mit der Vorgelegewelle verbunden werden.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die zweiten Antriebszahnräder
jeweils mittels eines Freilaufs mit der Eingangswelle des zweiten
Teilgetriebes verbindbar sind.
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Dadurch
kann das zweite Teilgetriebe über einfache Schaltvorgänge
geschaltet werden.
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Alternativ
ist es vorteilhaft, wenn die angetriebenen Zahnräder des
zweiten Teilgetriebes jeweils mittels eines Freilaufs mit der Ausgangswelle verbindbar
sind.
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Dadurch
kann die Eingangswelle des zweiten Teilgetriebes konstruktiv einfacher
ausgeführt werden, weil die zweiten Antriebszahnräder
fest mit der Eingangswelle verbunden werden können.
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Es
ist vorteilhaft, wenn wenigstens einer der Freiläufe mittels
einer koaxial innenliegenden Schaltvorrichtung schaltbar ist.
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Dadurch
lässt sich eine besonders kompakte Bauform der Schaltvorrichtung
realisieren.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn die Schaltvorrichtung mittels eines axial
verschiebbaren Schaltbolzens betätigbar ist.
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Dadurch
kann der Schaltbolzen besonders einfach betätigt werden.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn der Schaltbolzen über seinen Umfang
verteilte Betätigungselemente aufweist, die Freilaufkörpern
der jeweiligen Freiläufe zugeordnet sind.
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Dadurch
lassen sich mittels eines Schaltbolzens mehrere Freiläufe
durch axiales Verschieben des Schaltbolzens betätigen.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn die Betätigungselemente durch
Aussparungen gebildet sind.
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Dadurch
können die Freilaufkörper nach radial innen ausschwenken,
um außer Eingriff der Zahnräder gebracht zu werden.
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Alternativ
ist es möglich, die Betätigungselemente erhaben
gegenüber dem Bolzen auszubilden.
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Dadurch
ist der Schaltbolzen besonders einfach zu fertigen.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, wenn die Betätigungselemente an dem Schaltbolzen
derart angeordnet sind, dass bei einem Gangwechsel zwei Zahnräder
gleichzeitig mit der entsprechenden Welle in einer Drehrichtung
drehfest verbindbar sind.
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Dadurch
lässt sich ein tretkraftunterbrechungsfreier Gangwechsel
realisieren, weil das langsamer drehende Zahnrad zunächst
auf der Welle gleitet, bevor der Freilauf vollständig außer
Eingriff des Zahnrades gebracht wird.
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Allgemein
ist es bevorzugt, wenn das erste Teilgetriebe genau zwei Vorgelegewellen
aufweist, die jeweils über einen Konstanten-Radsatz mit
der Ausgangswelle des ersten Teilgetriebes verbunden sind.
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Dadurch
sind mehr Gänge des ersten Teilgetriebes bei wenig zusätzlichem
Konstruktionsaufwand realisierbar.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines Fahrradrahmens mit einem Mehrgang-Getriebe;
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2 eine
Explosionsdarstellung eines Mehrganggetriebes;
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3 einen
Schaltplan einer Getriebeeinheit mit verbindbaren Zwischenwellen;
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4 einen
Schaltplan einer Getriebeeinheit mit einem mehrfach genutzten Abtriebsrad
des ersten Konstanten-Radsatzes;
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5 einen
Schaltplan einer Getriebeeinheit einer Kombination der Getriebeeinheiten
nach 3 und 4;
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6 eine
perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Getriebeeinheit;
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7 eine
Darstellung verschiedener Ausführungsformen eines Schaltbolzens;
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8 eine
Prinzipsskizze von Schaltvorgängen.
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Fahrradrahmens 1 mit einem Mehrgang-Getriebe 3, welches
ein Getriebegehäuse 5 aufweist, in dem eine Getriebeeinheit 7 angeordnet
ist. Die in dem hier nur angedeuteten Getriebegehäuse 5 angeordnete
Getriebeeinheit 7 ist als kompakte Einheit ausgebildet und
vorzugsweise in einem hier nicht dargestellten Getriebekäfig
angeordnet, auf den später noch näher eingegangen
wird. Die Getriebeeinheit 7 wird hier rein beispielhaft
für den Einsatz bei einem Fahrrad beschrieben, denkbar
ist jedoch auch der Einsatz bei anderen mit Muskelkraft betriebenen
Fahrzeugen.
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Durch
die vorteilhafte Lagerung der Getriebeeinheit 7 mittels
eines Getriebekäfigs in dem Getriebegehäuse 5 kann
diese zu Montage- und Wartungszwecken vergleichsweise einfach aus
dem Getriebegehäuse 5 herausgenommen und genauso
einfach wieder in das Getriebegehäuse 5 eingebaut
werden. Das Getriebegehäuse 5 ist fester Bestandteil des
Fahrradrahmens 1. Es ist so ein modularer Aufbau des Fahrrades
möglich. Das Fahrrad kann im Nachhinein mit anderen oder
neueren Ausführungsformen der Getriebeeinheit 7 ausgerüstet
werden. Zu diesem Zweck lässt sich das Getriebegehäuse 5 öffnen
und die Getriebeeinheit 7 einfach herausnehmen und insbesondere
austauschen. An dem Mehrgang-Getriebe 3 sind noch Tretkurbeln 9 und 9' vorgesehen,
die mit einer Welle zusammenwirken, auf die später noch
näher eingegangen wird.
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2 zeigt
eine Explosionsdarstellung eines Mehrgang-Getriebes 3.
Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass
insofern auf die Beschreibung zu 1 verwiesen
wird.
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Hier
erkennbar ist noch ein Kettenblatt 11, welches mittels
einer nicht dargestellten Kette ein durch die Getriebeeinheit 7 erzeugtes
Drehmoment zu dem Hinterrad eines Fahrrads überträgt.
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2 zeigt
noch den in dem Getriebegehäuse 5 vorzugsweise
angeordneten Getriebekäfig 12. Der Getriebekäfig 12 dient
zur Aufnahme mehrerer Getriebewellen, Lager, Schaltmittel sowie
Zugführungen und sonstigen Bauteilen des Mehrgang-Getriebes 3.
Der Getriebekäfig 12 kann beispielsweise wie folgt
ausgebildet sein:
Der Getriebekäfig 12 weist
mindestens eine, hier insgesamt drei Lagerplatten 12a, 12b und 12c auf,
welche mit Lagerstellen 13 zur Aufnahme der Getriebewellen
der Getriebeeinheit 7 versehen sind. Falls, wie hier dargestellt,
mehrere Lagerplatten vorgesehen sind, können diese mittels
hohler Abstandshülsen miteinander verbunden werden, wobei
die einzelnen Lagerplatten 12a bis 12c vorzugsweise
mittels Schraubverbindungen miteinander verspannt werden. In 2 ist
noch ein Gehäusedeckel 12d erkennbar, auf den
noch näher eingegangen wird. Es kann vorgesehen sein, dass
die äußere Lagerplatte 12a und der Gehäusedeckel 12d hier
nicht dargestellte Dichtmittel umfassen, welche die äußere,
als Gehäusedeckel dienende Lagerplatte 12a und
den Gehäusedeckel 12d gegen das Getriebegehäuse 5 abdichten.
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Vorzugsweise
ist wenigstens eine äußere Lagerplatte 12a des
Getriebekäfigs 12 mit einer hier nur angedeuteten
umlaufenden Nut 14 versehen, die auf der dem Getriebegehäuse 5 zugewandten
Seite in die Lagerplatte 12a eingebracht ist. Der Verlauf
der Nut 14 entspricht vorzugsweise der Querschnittskontur
des Getriebegehäuses 5, sodass das Getriebegehäuse 5 in
die Nut 14 eingreifen und dort gelagert werden kann. Vorzugsweise
weist auch der gegenüber der Lagerplatte 12a angeordnete
Gehäusedeckel 12d eine hier nur angedeutete Nut 14' auf,
die auf der dem Getriebegehäuse 5 zugewandten
Seite in den Gehäusedeckel 12d eingebracht ist.
Auch die Kontur der Nut 14' entspricht vorzugsweise der
Querschnittskontur des Getriebegehäuses 5, sodass
das Getriebegehäuse 5 in die Nut 14' eingreifen
kann. Auf diese Weise kann der Gehäusedeckel 12d mit
dem Getriebegehäuse 5 verspannt werden.
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Die
umlaufende Nut 14 kann auch zur Dichtung dienen. In die
Nut 14 wird eine Dichtung (O-Ring) eingelegt, die den Käfig
zum Gehäuse hin radial abdichtet.
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Alternativ
kann der Käfig mit dem Gehäuse auch stirnflächig
abgedichtet werden. Hierzu werden die Platten 12a, 12d an
ihren Anschlägen mit Dichtungen versehen (z. B. Papierdichtungen).
Beim Verspannen des Käfigs mit dem Gehäuse werden
die Dichtungen dann auf die Stirnflächen des Gehäuses gepresst.
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Um
die Montierbarkeit der Getriebeeinheit in einem Gusskäfig
zu erleichtern, kann dieser auch zweiteilig ausgeführt
sein. Vorzugsweise besteht er dann aus einer Ober- und Unterhälfte,
wobei eine Trennstelle der beiden Hälften entlang der Drehachsen
der Wellen 32, 34 und 38 verläuft.
Bei der Montage können die vormontierten Wellen 32, 34 und 38 dann
samt Lagern in die untere Käfighälfte eingelegt werden.
Anschließend wird die obere Hälfte mit der unteren
verbunden, vorzugsweise verschraubt.
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Durch
die vorteilhafte Lagerung der Getriebeeinheit 7 in dem
Getriebekäfig 12 mittels den mehrere Lagerstellen 13 aufweisenden
Lagerplatten 12a bis 12c, kann die Getriebeeinheit 7 einfach
durch Entfernen des Gehäusedeckels 12d als Einheit
auf der dem Gehäusedeckel 12d gegenüberliegenden Seite
aus dem Getriebegehäuse 5 entnommen werden.
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In
einer anderen Ausführungsform des Getriebekäfigs 12 kann
auch vorgesehen sein, dass der Gehäusedeckel 12d wie
die Lagerplatten 12a bis 12c Aufnahmen für
Schaltmittel, Zugführungen, oder aber auch mit Lagerstellen 13 zur
Aufnahme von Getriebewellen oder sonstigen Bauteilen des Mehrgang-Getriebes 3 aufweist.
Der Getrie bekäfig 12 kann auch einteilig, beispielsweise
als Gussteil, ausgeführt sein, in dem dann die Getriebeeinheit 7 montiert
wird.
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Denkbar
ist auch eine Ausführung des Mehrgang-Getriebes 3 ohne
Getriebekäfig 12, bei der die Getriebeeinheit 7 also
direkt in dem Getriebegehäuse 5 montiert wird,
welches dann vorzugsweise über entsprechende Lageraufnahmen
verfügt.
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Im
Folgenden werden die Lagerplatten 12a bis 12c,
die Abstandshülsen und der Gehäusedeckel 12d zusammenfassend
als Getriebekäfig 12 bezeichnet.
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3 zeigt
einen Schaltplan einer Getriebeeinheit, bei der Zwischenwellen miteinander
drehfest verbindbar sind.
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Die
Getriebeeinheit ist allgemein mit 20 bezeichnet. Die Getriebeeinheit 20 weist
eine Durchgangswelle 22 auf, die über einen ersten
Konstanten-Radsatz 25 mit einer Zwischenwelle 24 verbunden
ist. Der Konstanten-Radsatz 25 ist durch ein Antriebsrad 26 und
ein angetriebenes Rad 28 gebildet. Die Zwischenwelle 24 ist
mittels eines ersten Teilgetriebes 30 mit zwei Vorgelegewellen 32, 34 verbunden.
Die Vorgelegewellen 32, 34 sind über
einen zweiten Konstanten-Radsatz 36 mit einer Ausgangswelle 38 des
ersten Teilgetriebes 30 verbunden. Der zweite Konstanten-Radsatz
wird gebildet durch zwei Antriebsräder 37, 39 und
zwei angetriebene Räder 37', 39'. Die
Antriebsräder 37, 39 sind jeweils mit
einer Vorgelegewelle 32, 34 verbunden und die
angetriebenen Räder 37', 39' sind mit
der Ausgangswelle 38 verbunden. Die Ausgangswelle 38 ist
verbunden mit einer Eingangswelle 40 eines zweiten Teilgetriebes 42.
Die Eingangswelle 40 ist über das zweite Teilgetriebe 42 mit
einer Ausgangswelle 44 der Getriebeeinheit verbunden.
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Die
Ausgangswelle 38 des ersten Teilgetriebes 30 ist
verbunden mit der Eingangswelle 40 des zweiten Teilgetriebes 42,
wobei diese Wellen einstückig ausgebildet sein können.
Die Ausgangwelle 38 des ersten Teilgetriebes 30 ist
koaxial zu der Zwischen welle 24 angeordnet. Die Zwischenwelle 24 ist als
Hohlwelle ausgebildet und die Ausgangswelle 38 ist radial
innenliegend in der Zwischenwelle 24 angeordnet.
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Die
Zwischenwelle 24 und die Ausgangswelle 38 sind
mittels einer Kupplungsanordnung 46 miteinander verbindbar.
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Die
Ausgangswelle 44 der Getriebeeinheit 20 ist koaxial
zu der Durchgangswelle 22 angeordnet. Die Ausgangswelle 44 ist
als Hohlwelle ausgebildet und die Durchgangswelle 22 radial
innenliegend in der Ausgangswelle 44 angeordnet.
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Die
Zwischenwelle 24 lagert drei Antriebsräder 48, 50, 52,
die mit angetriebenen Rädern 54, 56, 58 der
Vorgelegewelle 32 und angetriebenen Rädern 60, 62, 64 der
Vorgelegewelle 34 verbunden sind bzw. kämmen.
Die angetriebenen Räder 54, 56, 58 sind
an der Vorgelegewelle 32 gelagert. Die angetriebenen Räder 60, 62, 64 sind
an der Vorgelegewelle 34 gelagert. Die Vorgelegewellen 32, 34 sind
mittels des zweiten Konstanten-Radsatzes 36 mit der Ausgangswelle 38 verbunden.
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An
der Eingangswelle 40 des zweiten Teilgetriebes sind Antriebsräder 66, 68, 70 gelagert,
die jeweils mit den angetriebenen Rädern 72, 74, 76 der Ausgangswelle 44 im
Eingriff stehen.
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Die
Ausgangswelle 44 ist mit einem Kettenblatt 78 verbindbar.
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Die
Tretkurbeln 9, 9' sind mit der Durchgangswelle 22 verbindbar
ausgebildet. Dadurch kann ein Drehmoment auf die Durchgangswelle 22 übertragen
werden. Das Moment wird über den Konstanten-Radsatz, der
durch die Zahnräder 26, 28 gebildet ist,
auf die Zwischenwelle 24 übertragen. Die angetriebenen
Räder 54, 56, 58, 60, 62, 64 sind
mittels jeweils eines Freilaufs an den jeweiligen Vorgelegewellen 32, 34 derart
gelagert, dass sie in eine Drehrichtung mit der zugehörigen
Vorgelegewelle 32, 34 drehfest verbunden werden
können. Durch eine nicht dargestellte Schaltvorrichtung
können die Freiläufe der jeweiligen Vorgelegewelle 32, 34 mit
einer nicht dargestell ten Innenverzahnung der jeweiligen angetriebenen
Räder 54, 56, 58, 60, 62, 64 in
Eingriff oder außer Eingriff gebracht werden. Dadurch ist
wenigstens eines der angetriebenen Räder 54, 56, 58, 60, 62, 64 der
Vorgelegewellen 32, 34 mit der Zwischenwelle 24 verbindbar.
Das Drehmoment wird von den Vorgelegewellen 32, 34 über
den Konstanten-Radsatz 36 auf die Ausgangswelle 38 übertragen.
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Die
Antriebsräder 66, 68, 70 des
zweiten Teilgetriebes 42 sind mittels Freiläufen
an der Eingangswelle 40 in gleicher Weise wie die angetriebenen
Räder 54, 56, 58, 60, 62, 64 des
ersten Teilgetriebes 30 an den Vorgelegewellen 32, 34 gelagert. Daher
sind die Antriebsräder 66, 68, 70 mit
der Eingangswelle 40 verbindbar. Dadurch kann das Moment
von der Eingangswelle 40 über eine von drei Übersetzungsverhältnissen,
die durch Zahnräder des zweiten Teilgetriebes 42 gebildet
sind, auf die Ausgangswelle 44 und somit auf das Kettenblatt 78 übertragen
werden.
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Weiterhin
ist die Ausgangswelle 38 mit der Zwischenwelle 42 mittels
der Kupplungsanordnung 46 verbindbar. Dadurch kann das
Moment von der Zwischenwelle 42 direkt auf die Eingangswelle 40 übertragen
werden. Durch diese Kupplungsanordnung 46 kann ein weiterer Übertragungspfad
für das Drehmoment gebildet werden.
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Folglich
können durch das erste Teilgetriebe 30 sieben
unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse realisiert
werden. Diese Übersetzungsverhältnisse werden
mit den drei Übersetzungsverhältnissen des zweiten
Teilgetriebes 42 multipliziert, so dass die Getriebeeinheit 20 somit
21 verschiedene Übersetzungsverhältnisse aufweist
und somit 21 Gänge realisiert werden können.
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Die
besondere Ausgestaltung der Schaltvorrichtung für die Freiläufe
der Zahnräder 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68 und 70 sind
im Weiteren näher erläutert.
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Die
Kupplungsanordnung 46 kann sowohl als Freilauf entsprechend
der in dieser Ausführungsform erwähnten Freiläufe
ausgebildet sein. Alternativ kann die Kupp lungsanordnung mittels
verschiedener Kupplungsmittel, wie zum Beispiel Klauenkupplungen
oder Zahnkupplungen realisiert sein.
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Dadurch,
dass die Ausgangswelle 38 radial in der Zwischenwelle 24 angeordnet
ist, ist eine besonders kompakte Bauform möglich.
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Es
versteht sich, dass das erste Teilgetriebe 30 auch eine
einzelne Vorgelegewelle 32, 34 aufweisen kann,
die zwei oder mehr Zahnradpaare aufweisen kann. Ferner versteht
es sich, dass das zweite Teilgetriebe 42 ebenfalls zwei
oder mehr Zahnradpaare aufweisen kann.
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In 4 ist
ein Schaltplan einer Getriebeeinheit gemäß eines
zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
Dieser Schaltplan ähnelt der in 3 dargestellten
Getriebeeinheit 20, wobei gleiche Elemente mit gleichen
Bezugsziffern bezeichnet sind und hier nur die Unterschiede beschrieben
sind.
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Die
in 4 dargestellte Getriebeeinheit ist allgemein mit 80 bezeichnet.
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Das
Drehmoment, das von der Durchgangswelle 22 auf die Zwischenwelle 24 des
ersten Teilgetriebes 30 übertragen wird, wird
mittels eines Konstanten-Radsatzes 82 übertragen.
Der Konstanten-Radsatz 82 wird gebildet aus dem Antriebsrad 26 und
einem Zahnrad 84. Das Zahnrad 84 ist mit der Zwischenwelle 24 verbunden.
Das Zahnrad 84 ist ferner mit dem angetriebenen Rad 54 der
Vorgelegewelle 32 und mit dem angetriebenen Rad 60 der
Vorgelegewelle 34 verbunden. Ein weiterer Unterschied zu
der Getriebeeinheit 20 aus 3 besteht
darin, dass die Zwischenwelle 24 und die Ausgangswelle 38 nicht über
eine Kupplungsanordnung 46 verfügt und somit nicht
direkt drehfest verbindbar sind.
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Dadurch,
dass das Zahnrad 84 sowohl mit dem Antriebsrad 26 des
Konstanten-Radsatzes 82 und mit den angetriebenen Rädern 54, 60 der
Vorgelegewellen 32, 34 verbunden sind, kann ein
Zahnrad entfallen und dadurch können Gewicht und Kosten gespart
werden.
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Es
versteht sich, dass durch die fehlende Kupplungsanordnung 46 aus 3 ein Übertragungspfad
des ersten Teilgetriebes 30 nicht realisiert ist und somit
die in 4 dargestellte Getriebeanordnung lediglich über
18 Gänge verfügt.
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In 5 ist
eine Getriebeeinheit dargestellt, die die Eigenschaften der Getriebeeinheiten
der 3 und 4 kombiniert.
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Die
Getriebeeinheit in 5 ist allgemein mit 90 bezeichnet.
Da diese Getriebeeinheit 90 durch Kombination der Getriebeeinheiten 20 und 80 gebildet
ist, sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet
und im Folgenden werden nur die Unterschiede bzw. Besonderheiten
beschrieben.
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Das
Drehmoment wird von der Durchgangswelle 22 über
den Konstanten-Radsatz 82 auf die Zwischenwelle 24 übertragen.
Dabei wird der Konstanten-Radsatz 82 gebildet durch das
Antriebsrad 26 und das Zahnrad 84. An der Zwischenwelle 24 ist das
Zahnrad 84 gelagert und mit dem angetriebenen Rad 54 der
Vorgelegewelle 32 und dem angetriebenen Rad 60 der
Vorgelegewelle 34 verbunden.
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Die
Ausgangswelle 38 ist koaxial zu der Zwischenwelle 24 angeordnet.
Die Zwischenwelle 24 ist als Hohlwelle ausgebildet und
die Ausgangswelle 38 ist radial innenliegend in der Zwischenwelle 24 angeordnet.
Die Ausgangswelle 38 und die Zwischenwelle 24 weisen
die Kupplungsanordnung 46 auf. Durch die Kupplungsanordnung 46 sind
die Zwischenwelle 24 und die Ausgangswelle 38 drehfest
miteinander verbindbar.
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In
dieser Ausführungsform kann zum einen ein Zahnrad durch
das gemeinsame Zahnrad 84 des Konstanten-Radsatzes 82 und
des ersten Teilgetriebes 30 eingespart werden. Durch die
Kupplungsanordnung 46 ist ein weiterer möglicher
Pfad für das Drehmoment in dem Teilgetriebe 30 bereitgestellt, wodurch
die Getriebeeinheit 90 somit über 21 Gänge verfügt.
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6 ist
eine perspektivische Darstellung der Getriebeeinheit 20 aus 3.
Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen, so dass
insofern auf die Beschreibung zu der vorangegangenen 3 verwiesen
wird und hier nur die Unterschiede beschrieben sind.
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Die
Getriebeeinheit 20 weist die Durchgangswelle 22 auf,
die mit den nicht dargestellten Tretkurbeln 9, 9' verbindbar
ist. Die Durchgangswelle 22 weist an ihren axialen Enden
jeweils einen Aufnahmeabschnitt 86 und 86' zur
Befestigung der nicht dargestellten Tretkurbeln 9, 9' auf.
Die Durchgangswelle 22 dient zugleich als Antriebs- und
Eingangswelle der gesamten Getriebeeinheit 20. Sobald die Tretkurbeln 9, 9' betätigt
werden, dreht sich die Durchgangswelle 22.
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Die
Durchgangswelle 22 ist mittels eines Lagers 88 gelagert.
Die Durchgangswelle 22 umgebend ist ein Aufnahmeabschnitt 91 angeordnet,
der mit der Ausgangswelle 44 verbunden ist, die als Hohlwelle ausgebildet
ist und die die Durchgangswelle 22 radial umgibt. Der Aufnahmeabschnitt 91 dient
dazu, mit dem Kettenblatt 78 drehfest verbunden zu werden. Die
Vorgelegewelle 34 weist Lager 96, 96' auf,
mittels derer die Vorgelegewelle 34 gelagert ist. Die Vorgelegewelle 32 weist
Lager 94, 94' auf, mittels derer die Vorgelegewelle 32 gelagert
ist.
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Aus 6 wird
deutlich, dass die Ausgangswelle 38 und die Zwischenwelle 24 ineinander
angeordnet sind. Ferner sind die Ausgangswelle 44 und die
Durchgangswelle 22 radial ineinander angeordnet. Die Ausgangswelle 44 und
die Eingangswelle 22 sind radial versetzt zu der Ausgangswelle 38 des
ersten Teilgetriebes 30 und der Zwischenwelle 24 angeordnet.
Die Vorgelegewellen 32, 34 sind radial versetzt
zu der Zwischenwelle 34 und der Durchgangswelle 22 angeordnet.
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Durch
die perspektivische Darstellung der Getriebeeinheit 20 in 6 wird
die kompakte Bauform der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit
deutlich.
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7 zeigt
mehrere Ausführungen von Schaltbolzen, die im Folgenden
näher beschrieben werden.
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Die
in 7 dargestellten Schaltbolzen 100 und 102 wirken
mit hier nicht dargestellten Freilaufkörpern zusammen.
Ein Freilauf der hier angesprochenen Art ist vorzugsweise wie folgt
ausgebildet: Die Freilaufkörper sind innerhalb der Hohlwellen 32, 34 und 40 in
Aussparungen 104 eines Schaltbolzens 100, 102 verlagerbar
angeordnet. Jedem auf der Zwischenwelle angeordneten Zahnrad ist
mindestens ein Freilaufkörper zugeordnet, ferner ist ein
Freilaufkörper vorzugsweise einer Aussparung 104 in
dem Schaltbolzen 100, 102 zugeordnet. Der Freilaufkörper
ist an der Innenverzahnung der Zahnräder so ausgebildet,
dass er formschlüssig in die Innenverzahnung eingreifen
kann. Auf seiner gegenüberliegenden Seite weist der Freilaufkörper
eine in Richtung einer Mittelachse M weisende Erhöhung
auf. Der Freilaufkörper wird mittels einer Torsionsfeder oder
mittels eines Federrings relativ zu dem Zahnrad und zu der Zwischenwelle
so ausgerichtet, dass er, um in die Innenverzahnung eines Zahnrad
eingreifen zu können, über die Umfangsfläche
der Zwischenwelle hervorsteht. Im Folgenden wird lediglich auf die Verwendung
der Torsionsfeder eingegangen, gleiches gilt auch, wenn Federringe
statt Torsionsfedern verwendet werden.
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Der
Freilaufkörper ist also durch eine Feder vorgespannt und
gibt das Zahnrad frei, wenn es eine größere Drehwinkelgeschwindigkeit
aufweist als die Zwischenwelle. Dreht sich allerdings das Zahnrad langsamer
als die Zwischenwelle, so rasten die Freilaufkörper in
die Innenverzahnung des Zahnrades ein und stellt so eine kraftschlüssige
Verbindung zwischen dem Zahnrad und der jeweiligen Welle her.
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Innerhalb
der Hohlwelle Ist der in 7 dargestellte, in Richtung
der Mittelachse M der Zwischenwelle axial verlagerbare Schaltbolzen 100, 102 vorgesehen,
der mit Aussparungen 104 versehen ist, wobei jeweils eine
der Aussparungen 104 vorzugswei se jeweils einem Zahnrad
zugeordnet ist. Die Mittelachse M der jeweiligen Zwischenwelle ist
somit gleichzeitig die Mittelachse des Schaltbolzens. Der Schaltbolzen 100, 102 dreht
sich mit derselben Geschwindigkeit wie die jeweilige Zwischenwelle,
in welcher der Schaltbolzen 10 angeordnet ist. Die Aussparungen 104 sind
axial und umfänglich gegeneinander versetzt. Ist die Aussparung 104 eines
Schaltbolzens 100, 102 axial gegenüber
einem in der Umfangsfläche der Zwischenwelle angeordneten
Freilaufkörper verlagert, übt der Schaltbolzen 100, 102 eine
Kraft auf die Erhöhung des Freilaufkörpers auf
dessen der Mittelachse M zugewandten Seite aus und verlagert dadurch
den Freilaufkörper so weit in das Innere der Zwischenwelle,
dass der Freilaufkörper nur noch minimal über
die Umfangsfläche der Zwischenwelle hervorsteht, und zwar
nur so weit, dass der Freilaufkörper gerade nicht in die
Innenerzahnung des Zahnrades eingreift.
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Dadurch,
dass der hervorstehende Teil des Freilaufkörpers zwischen
den Gleitlagerscheiben oder zwischen Kugellagern angeordnet ist,
wird durch den über die Umfangsfläche der Welle
hervorstehenden Teil des Freilaufkörpers quasi die axiale Position
des Zahnrads auf der Zwischenwelle festgelegt. Wird der Schaltbolzen 100, 102 in
der Zwischenwelle derart axial verlagert, dass sich die Aussparung 104 des
Schaltbolzens 100, 102 direkt unterhalb eines
einem Zahnrad zugeordneten Freilaufkörpers befindet, übt
der Schaltbolzen 100, 102 keine Kraft mehr auf
die Erhöhung des Freilaufkörpers aus und der Freilaufkörper
wird durch die Federkraft der Torsionsfeder nach außen,
also weiter über die Umfangsfläche der Zwischenwelle
hinaus verlagert beziehungsweise gedreht. Dadurch kann der Freilaufkörper
in die Innenverzahnung des Zahnrades eingreifen und das Zahnrad
mit der Welle koppeln.
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Durch
axiales Hin- und Herschieben des Schaltbolzens 100, 102 mit
entsprechenden Aussparungen 104 können die Freilaufkörper
somit in die Innenverzahnung des Zahnrades ein- oder ausgeklinkt werden
und somit die Gänge der auf der Welle befindlichen Zahnräder
geschaltet werden. Damit der sich mit der Zwischenwelle drehende
Schaltbolzen 100, 102 von außen angesteuert
werden kann, wird die Drehbewegung des Schaltbolzens vorzugsweise mit
Hilfe eines Axiallagers entkoppelt.
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Zwei
Aussparungen 104 des Schaltbolzens 100, 102,
die zwei benachbarten Zahnrädern zugeordnet sind, sind
vorzugsweise so ausgebildet, dass ein schräger Bereich 106, 108 vorgesehen
ist, in dem beide Freilaufkörper nach außen in
Richtung der Innenverzahnung verlagert werden und somit in deren jeweiliges
zugeordnetes Zahnrad eingreifen können. Die axial äußeren
Aussparungen 104 können an ihren inneren Kanten
einen senkrechten Bereich 110 aufweisen.
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Sobald
sich der Schaltbolzen 100, 102 an einer axialen
Position innerhalb der Zwischenwelle befindet, in welcher dieser
Bereich den beiden in axialer Richtung gesehenen benachbarten Freilaufkörpern zugeordnet
ist, wird das schneller drehende Zahnrad eingekoppelt und das langsamere
Zahnrad befindet sich in einem Freilaufzustand, in dem der Freilaufkörper
auf Schrägungen der Innenverzahnung hinweg gleitet. Durch
diesen Zwischenzustand ist gewährleistet, dass bei weiterem
Verschieben des Schaltbolzens 100, 102 mindestens
ein Freilaufkörper eingeklinkt bleibt und somit ein Leerlauf
des Getriebes vermieden wird.
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In 7 ist
bei 112 eine weitere Ausführungsform des Schaltbolzens
dargestellt. Dieser Schaltbolzen weist erhabene Betätigungselemente 114 auf.
Diese erhabenen Betätigungselemente 114 sind wie
die Aussparungen 104 umfänglich um den Schaltbolzen 112 verteilt
und dienen wie die Aussparung 104 zur Betätigung
der Freilaufkörper. Die Erhöhungen 114 können
auch als federbelastete Kugeln ausgebildet sein.
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8 zeigt
eine Prinzipskizze der axialen Position des Schaltbolzens 100 in
der Zwischenwelle relativ zu den nur schematisch dargestellten Freilaufkörpern 116, 118 und 120.
Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern
auf die Beschreibung zu den vorangegangenen Figuren verwiesen wird.
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In 8 sind
der Schaltbolzen 100 und die Freilaufkörper 116, 118 und 120 schematisch
dargestellt. In der obersten Zeile ist der Schaltbolzen 100 in
einer axialen Position in der Zwischenwelle angeordnet, in der die
Aussparung 104' direkt unterhalb des Freilaufkörpers 116 angeordnet
ist. Dadurch kann der Freilaufkörper 116 in die
Innenverzahnung eingreifen, sodass Gang 1 eingelegt ist.
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Wenn
ausgehend von dem in 12 mit ”Gang
1 eingelegt” gekennzeichneten Schaltzustand von Gang 1
in Gang 2 geschaltet werden soll, wird der Schaltbolzen 100 in
der Zwischenwelle nach rechts verlagert, solange, bis sich die Aussparung 104'' im
Bereich des Freilaufkörpers 118 befindet, wie
in 8 mit ”Zwischenstufe (Gang 2 eingelegt)” gekennzeichnet
ist. Die Aussparung 104', in welcher der Freilaufkörper 116 angeordnet
ist, muss ferner so breit in axialer Richtung gesehen ausgebildet
sein, dass auch der Freilaufkörper 116 nach der
axialen Bewegung des Schaltbolzens 100 noch ”aktiv” ist, also
noch in Eingriff mit der Innenverzahnung steht. In dieser Schaltstellung
des Schaltbolzens 100 befindet sich also sowohl der Freilaufkörper 116 also
auch der Freilaufkörper 118 in einer aktiven Position,
sodass das sich schneller drehende Zahnrad über den Freilaufkörper
mit der Welle gekoppelt wird, also Gang 2 eingelegt wird.
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Durch
diesen Zwischenzustand, in welchem wenigstens zwei Freilaufkörper ”aktiviert” sind,
wird ein Leerdrehen der Getriebeeinheit bei einem Umschaltvorgang
vermieden. Wird der Schaltbolzen 100 ausgehend von dem
Zwischenzustand weiter axial, hier nach rechts, in der Zwischenwelle
verlagert, wird der Freilaufkörper 116 deaktiviert
und der in 12 mit ”Gang 2
eingelegt” gekennzeichnete Schaltzustand tritt ein.
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Gleiches
gilt für ein Umschalten ausgehend von Gang 2 in den in 8 mit ”Zwischenstufe
(Gang 3 eingelegt)” gekennzeichneten Schaltzustand und von
dort aus in den Schaltzustand ”Gang 3 eingelegt”.
Entscheidend ist, dass die Breite der Aussparungen 104', 104'' und 104''' in
axialer Richtung gesehen, derart aufeinander abgestimmt ist, dass
bei einer axialen Verlagerung des Schaltbolzens 100 eine
Zwischenstufe erreicht wird, bei der gleichzeitig wenigstens zwei
Freilaufkörper aktiviert sind.
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Durch
die hier beschriebene Ausgestaltung der Schaltmittel ist das Schalten
in einen höheren Gang, also einen Gang mit einem kleineren Übersetzungsverhältnis
in beiden Teilgetrieben 30 und 42 ohne Tretkraftunterbrechung
möglich. Dadurch, dass die Freilaufklinken beim Herunterschalten
in einen kleineren Gang, also in einen Gang größerer Übersetzung,
aufgrund des Kraftschlusses im langsamer drehenden Zahnrad eingeklinkt
bleiben, muss vom Fahrer beim Herunterschalten die Tretkraft reduziert werden.
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Durch
eine spezielle Ausführung der Freilaufkörper,
insbesondere der Form des in die Innenverzahnung des Zahnrades eingreifenden
Teils des Freilaufkörpers und eine spezielle Ausführung
der Aussparungen 104 mit den schrägen Bereichen 109 im
axial verschiebbaren Schaltbolzen und den entsprechenden Erhöhungen
auf den Freilaufkörpern wird die Schaltkraft, die vom Fahrer über
einen Schalthebel aufgebracht werden muss, um den Schaltbolzen trotz
eingeklinktem Zahnrad unter Last axial zu verschieben, also um einen
kleineren Gang einzulegen, minimiert.
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Der
axial verschiebbare Schaltbolzen 100, 102, 112 wird
vorzugsweise mittels eines hier nicht dargestellten Schaltzuges
angesteuert. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Schaltbolzens mittels
einer Feder vorgespannt ist.
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Mittels
eines derartigen Schaltbolzens 100, 102, 112 kann
sowohl das erste Teilgetriebe 30 als auch das zweite Teilgetriebe 42,
sowie die Kupplungsanordnung 46 geschaltet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19720794
A1 [0008]
- - DE 102004045364 A1 [0009]
- - EP 1445088 A2 [0010]