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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.
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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 müssen. 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
Lagern 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. Des Weiteren können Komponenten bei einem Sturz oder
einer Berührung mit Steinen oder Asten beschädigt
oder vom Rahmen abgerissen werden. In den letzten zehn Jahren hat
der Anteil an gefederten Fahrrädern stark zugenommen. Bei
diesen Fahrrädern ist meist eine Schwinge drehbar in der
Nähe des Tretlagers und des vorderen Schaltungsumwerfers
befestigt. Als Nachteil dieser Kettenschaltungsumwerfer ist zu werten,
daß diese in einer bestimmten Lage und Orientierung am
Fahrradrahmen befestigt werden müssen, um Funktionsfähigkeit
zu erreichen. Das Sattelrohr kann aus diesem Grunde nur in bestimmten
Winkelstellungen stehen. Weiterhin müssen alle beweglichen
Bauteile der Federung so ausgelegt werden, daß sie den
vorderen Umwerfer während ihrer Federungsbewegung nicht berühren.
Die Gestalt und das Design des Fahrrades ist somit beschränkt,
was als Nachteil des vorderen Schaltungsumwerfers zu werten ist.
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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.
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Beim
so genannten „Getriebe-Fahrrad” befindet sich
das Getriebe mit einer hohen Anzahl an schaltbaren Gangstufen innerhalb
des Fahrradrahmens. Typischer Weise hat solch ein Getriebe sieben bis
15 Gangstufen. 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 über eine Kette oder einen
Zahnriemen zum Hinterrad übertragen, die Kette und die
Hinterradnabe haben bei diesem System keine Schaltfunktion. Der
Stand der Technik wird hierbei in DE weitergehend beschrieben. Für
diese Konstruktion benötigt man jedoch einen speziellen
Fahrradrahmen, der speziell für das Getriebe angepasst
wird. Dieses ist als Nachteil in Bezug auf die Fertigungskosten
zu werten, da die meisten Fahrradfabriken auf der Herstellung von
klassischen Fahrradrahmen mit einer Tretlagerbefestigung nach
DIN
79012 ausgelegt sind. Diesen Nachteil kann man umgehen,
wenn man den Aufbau des Getriebes so verändert, daß das klassische
Tretlagergehäuse weiter verwendet werden kann. Klassische
Tretlagergehäuse mit einem Befestigungsgewinde gleich oder
nahe liegend zur
DIN 79012 werden im allgemeinen
als „BSA-Tretlager” bezeichnet. Die Reduktion
der Anzahl der Gangstufen ist eine einfache Art, eine Kompatibilität
zum BSA-Tretlager herzustellen. Diese Getriebeart ist beispielhaft
in AT oder
US6123639 oder
US2003/0186776 oder
DE69824816 dargestellt
und wird im folgenden „Tretlagergehäusegetriebe” genannt.
Falls eine große Anzahl an Gangstufen am Fahrrad notwendig
ist, so ist ebenfalls eine Kombination von einem Tretlagergehäusegetriebe
und einer Kettenschaltung mit einem hinteren Umwerfer als sinnvolle
Lösung anzusehen. Tretlagergehäusegetriebe werden
auch als interne Fahrradgetriebe bezeichnet.
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Tretlagergehäusegetriebe
besitzen immer eine Tretlagerwelle, die mit zwei Tretkurbeln und
den Pedalen verbunden ist. Ebenso weisen Tretlagergehäusegetriebe
häufig Planetengetriebemechanismen auf. Ein Planetengetriebemechanismus
weist ein Hohlrad, ein Sonnenrad, Planetenräder, welche in
das Hohlrad und das Sonnenrad eingreifen. Hohlrad und das Sonnenrad
sind meist drehbar auf einem Trägerbauteil gelagert. Zusatzlich
werden die Planetenräder von einem Planetensteg getragen,
der ebenfalls gelagert oder auch mit der Tretlagerwelle verbunden
sein kann. Der gesamte Mechanismus ist meist in einem Gestell oder
Gehäuse verbaut, welches mit dem Fahrradrahmen am Tretlagergehäuse fest
verbunden ist. Es ist bekannt, daß diese Tretlagergehäusegetriebe
unter Verwendung eines Planetengetriebes dem Benutzer des Fahrrades
unterschiedliche Getriebeübersetzungen zur Verfügung stellen,
indem wahlweise ein Element des Planetengetriebemechanismus durch
Schaltkupplungen oder Schaltfreiläufe mit einem zweiten
Element oder dem Gestell oder der Tretlagerwelle verbunden wird.
Die bestehenden Tretlagergetriebe nach dem Stand der Technik weisen
jedoch große Nachteile auf, die im folgenden beschrieben
werden:
Betrachtet man
WO99/46160 ,
so wird eine durch den Benutzer schaltbare Verbindung zwischen den
Elementen des Planetengetriebemechanismus durch Klemmkörper
erreicht, die eine kraftschlüssige Verbindung eingehen.
Da die eingeleiteten Drehmomente durch den Radfahrer sehr groß sind,
so kommt es an den Klemmkörpern zu sehr hohen Flächenpressungen,
die wiederum die Verwendung von dickwandigen gehärteten
und geschliffenen Stahlbauteilen erfordern, um zuverlässig
zu funktionieren. Das hohe Gewicht und die teure Herstellung ist
hierbei als Nachteil zu sehen.
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Betrachtet
man
US6123639 oder auch
EP0562470 , so wird eine
durch den Benutzer schaltbare Verbindung zwischen den Elementen
des Planetengetriebemechanismus durch ein bewegliches Kupplungsbauteil
erreicht, das eine formschlüssige Verbindung mit anderen
Elementen des Planetengetriebemechanismus eingeht, um zwei verschiedene Gangstufen
einzulegen. Das Kupplungsbauteil ist axial beweglich zwischen zwei
Endlagen auf der Tretlagerwelle angeordnet. Das Kupplungsbauteil
ist in einer Endstellung mit dem Steg und in der anderen Stellung
mit dem Hohlrad verbunden. Während der Schaltbewegung muß das
Kupplungsbauteil den Formschluß mit dem einen Bauteil aufgeben
und während seiner axialen Bewegung mit dem Steg die formschlüssige
Verbindung wieder eingehen. Falls bei diesem Aufbau der Schaltvorgang
während der Tretbewegung unter Last ausgeführt
wird, so kann es passieren, daß das Kupplungsbauteil kurzzeitig
die Verbindung zu allen Elementen des Planetengetriebemechanismus
verliert und der Benutzer des Fahrrades ins Leere tritt. Diese Möglichkeit
des Durchrutschens des Getriebes beim Schalten unter Last ist als
Nachteil zu sehen, da ein leeres Durchtreten beim Fahrradfahren
zu Knieverletzungen führen kann. Das Durchrutschen kommt
technisch gesehen einer Leerlaufstellung in einem allgemeinen Getriebe
gleich.
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Der
Aufbau eines Tretlagergetriebes im Bereich der sportlichen Fahrräder
und Mountainbikes muß dem Umstand gerecht werden, daß in
diesem Bereich enorm hohe Drehmomentspitzen von bis zu 250 Nm durch
die Kurbeln auf die Tretlagerwelle aufgebracht werden. Betrachtet
man
DE69824816 ,
US2003/0040397 oder
US2003/0186776 , so
wird eine durch den Benutzer schaltbare Verbindung zwischen den
Elementen des Planetengetriebemechanismus unter anderem durch zwei
oder drei Sperrklinken bzw. Freilaufzähne erreicht, die
radial sehr nahe an der Tretlagerwelle sitzen und eine formschlüssige
Verbindung mit anderen Elementen des Planetengetriebemechanismus
eingehen, um zwei verschiedene Gangstufen einzulegen. Hierdurch
entstehen auf den kraftübertragenden Flächen der Sperrklinken
enorm hohe Druckspannungen, die zu großer Materialermüdung
führen. Der kleine Abstand der Sperrklinke von der Tretlagerwelle
sowie die kleine Größe und Anzahl der kraftübertragenden
Flächen ist hierbei als Nachteil von
DE69824816 ,
US2003/0040397 oder
US2003/0186776 zu werten.
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Innerhalb
der Tretlagergetriebe
US2003/0040397 oder
US2003/0186776 wird
beispielsweise eine durch den Benutzer schaltbare Freilaufverbindung
zwischen dem Sonnenrad des Planetengetriebemechanismus und dem Gestell
benutzt, um das Abtriebsritzel auf eine höhere Drehzahl
als die Tretlagerwelle zu bringen. Wird diese schaltbare Freilaufverbindung,
die oft auch als Ein-Wege Kupplung bezeichnet wird, losgelöst,
so koppeln automatisch die Freilaufzähne einer zweiten
Freilaufverbindung ein. Diese zweite formschlüssige Freilaufverbindung
ist nicht durch den Benutzer gesteuert und koppelt die Tretlagerwelle
direkt in der Übersetzung 1:1 zum Abtriebsritzel ein. Da
die Sperrklinken in diesem zweiten Freilauf ständig über
Federn in die Freilaufverzahnung gedrückt werden, so ist
eine Geräuschentwicklung des Freilaufs zu verspüren,
falls die Elemente dieses Freilaufs mit unterschiedlicher Relativgeschwindigkeit
drehen. Nachteiliger Weise ist deswegen in einem der zwei Gänge
des Tretlagergetriebes nach
US2003/0040397 oder
US2003/0186776 während
der Fahrt ständig ein klickendes Geräusch zu hören.
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Der
erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Tretlagergetriebes
liegt hier die Aufgabe zugrunde, die obenstehend angeführten
Nachteile zu umgehen und eine Neuheit mit konstruktiven Eigenschaften
zu erschaffen, welcher die angeführten Nachteile nicht
innewohnt. Allgemein ausgedrückt zielt die vorliegende
Erfindung darauf ab, ein Tretlagergetriebe zur Verfügung
zu stellen, das leicht zu schalten ist. Der Schaltvorgang sollte
im Stand sowie während der Tretbewegung mit oder ohne Last
auf den Pedalen möglich sein. Das Getriebe sollte ein geringes Gewicht
haben und einfach herzustellen sein. Die Lasten auf den einzelnen
Bauteilen innerhalb des Getriebes sollten so eingeleitet werden,
daß preisgünstige Werkstoffe und Fertigungsverfahren
zum Einsatz kommen können. Die Neuheit ist so gestaltet, daß das
Getriebe während des Schaltvorgangs zu keiner Zeit unbeabsichtigt
in einen Leerlauf geraten kann. Die konstruktiven Eigenschaften
der Neuheit sind jedoch nicht auf die Tretlagergetriebe beschränkt,
denn die Erfindung kann ebenfalls innerhalb der Nabenschaltungen
oder einem „Getriebe-Fahrrad” angewendet werden.
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Dieses
wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
eines Tretlagergetriebes gelöst, welches innerhalb der
im folgenden angeführten Beschreibungen und Zeichnungen
in einer beispielhafte Ausführung dargestellt wird:
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1
Eine
Seitenansicht eines Fahrrades mit einem Fahrradrahmen 1 und
am Sitzrohr angeordnetem Sattel 2 sowie einer Fahrradgabel 3 und
einem Lenker 4 zur Steuerung des Vorderrades 5.
Das Hinterrad 6 ist mit dem Rahmen 1 über
die Sitzstreben 16 und die Kettenstreben 17 verbunden
und kann von einer Hinterradbremse 7 gebremst werden. Analog hierzu
ist auch eine Vorderradbremse 8 vorhanden. Die Tretkurbel 9 rotieren
um die Tretlagerachse 22 und besitzt an ihren Enden Pedalen 10.
Das Fahrrad besitzt eine Kettenschaltung mit einem vorderen Schaltungsumwerfer 11,
der die Kette 13 auf die verschiedenen Abtriebsritzel 14a und 14b befördern kann,
um eine unterschiedliche Übersetzung zu erreichen. Weitere Übersetzungen
können erreicht werden, indem ein Schaltwerk hinten 12 die
Kette 13 auf verschiedende hintere Schaltungsritzel 15 befördert.
Der Benutzer des Fahrrads steuert mit Hilfe der Schaltungsbetätigung 19 den
Umwerfer 11 und mit der Schaltungsbetätigung 20 das
Schaltwerk 12. Die Steuerung geschieht über Bowdenzüge 21.
Die Darstellung entspricht dem Stand der Technik. Die Neuheit ist
hier nicht eingezeichnet. Die Neuheit würde jedoch in dem
Bereich A eingebaut werden.
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2
Eine
Ansicht von schräg vorne mit einem Fahrradrahmen 1,
der mit Hilfe eines Stoßdämpfers 23 über
die Sitzstreben 16 und die Kettenstreben 17 die
Federung des nicht dargestellten Hinterrades erreicht. Es handelt
sich hierbei um einen Mountainbike Fahrradrahmen, der sich von der 1 unterscheidet.
Das hier nicht dargestellte Schaltwerk, Kette und das Hinterrad
ist über die Hinterradachse 25 mit den Sitzstreben
verbunden und wird über die Schaltungsritzel 15 analog
zu 1 betrieben. Das Tratlagergetriebe 26 ist
deutlich sichtbar im Tretlagergehäuse 18 verbaut. Der
Benutzer des Fahrrades ist in der Lage, über einen mit
Schellen 24 befestigten Bowdenzug 21 die zwei
verschiedenen Gangstufen des Tretlagergetriebes 26 anzuwählen.
In einem Gang handelt sich hier um eine direkte Übersetzung
und das Abtriebsritzel 14 dreht sich mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit
wie die Tretkurbeln 9. In dem zweiten Gang dreht sich das
Abtriebsritzel 14 inclusive des Gehäuses vom Tretlagergetriebe 26 mit
einer höheren Rotationsgeschwindigkeit wie die Tretkurbeln 9.
Die Tretlagerwelle 22 ist ständig fest mit der
Kurbel 9 verbunden. In einer vorteilhaften Ausführung
ist im zweiten Gang die Rotationsgeschwindigkeit um 1,64-fach höher
als die Kurbelumdrehungsgeschwindigkeit, damit in Kombination mit
neun hinteren Schaltungsritzeln 15 eine Gesamtanzahl von
18 Gängen zur Verfügung stehen.
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3
Eine
Ansicht von schräg hinten auf das neuartige Tretlagergetriebe 26 in
einer beispielhaften Ausführungsformeingebaut in einem
Vorderteil eine Fahrradrahmens 1, bei dem die Kettenstreben
nicht dargestellt sind, damit die linke Kurbel 9 und das
Tretlagergehäuse 18 sichtbar bleiben. Das Tretlagergetriebe 26 wird äußerlich
aus dem Ritzelträger 28 und der Gehäuselagereinheit 29 gebildet,
wobei diese wiederum über einen Wellendichtring auf die
Kurbel zuläuft.
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4
Eine
Ansicht von schräg vorne links auf das neuartige Tretlagergetriebe 26 in
einer beispielhaften Ausführungsformeingebaut in einem
Vorderteil eine Fahrradrahmens 1, an dem ein Bowdenzug
zur Getriebeansteuerung entlang läuft und in einem Bowdenzuggehäuse 32 endet.
Die rechte und die linke Kurbel 9 sind angeschnitten sichtbar.
Das Tretlagergetriebe 26 wird auch hier äußerlich
aus dem Ritzelträger 28 mit Abtriebsritzel 14 und
der Gehäuselagereinheit 29 sowie der Dichtkappe 33 gebildet.
Alle diese Bauteile befinden sich während des Betriebs
in Rotation gegenüber dem feststehenden Gestell 31. Die
Reaktionsmomente des Getriebes werden über das Gestell 31 über
eine Verschraubung in den Fahrradrahmen 1 abgefangen.
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5
Eine
Schnittansicht ähnlich der 4 durch
den Rahmen 1, dem Tretlagergehäuse 18 und
dem gesamten Tretlagergetriebe 26. Die rechte und die linke
Kurbel 9 sind mit der Tretlagerachse 22 verbunden
und rotieren während der Fahrt, gelagert über
Kugellager 34 im Tretlagergehäuse 18.
Die linke Kurbel 9 ist in dem dargestellten Beispiel über
eine Polygonverzahnung 40 demontierbar mit der Tretlagerachse 22 verbunden.
Die rechte Kurbel 9 ist in dem dargestellten Beispiel einstückig
mit der Tretlagerachse verbunden. Das gesamte Getriebegehäuse
besteht verschraubt aus Ritzelträger 28, Abtriebsritzel 14,
Gehäuselagereinheit 29, Hohlrad 35, Dichtkappe 33 sowie
Wellendichtring 30 und rotiert über Kugellager 44 gelagert
auf der Tretlagerachse 22. Falls das Sonnenrad 36 durch
den Fahrradfahrer gesteuert gegenüber dem Gestell 31 festgehalten
wird, so bewegt sich das Abtriebsritzel 14 mit einer höheren
Rorationsgeschwindigkeit als die Tretlagerwelle 22. Dieses Festhalten
geschieht durch eine Winkelbewegung des Schaltrades 39 gegenüber
dem Gestell 31, da hierdurch die innere Freilaufverzahnung
gegenüber dem Gestell festgesetzt wird. Bei feststehendem Sonnenrad 36 rotieren
die Planetenräder 37 vom Planetensteg 38 angetrieben
und versetzen das Hohlrad 35 in eine höhere Drehzahl.
Dieser Zustand sei im folgenden auch als „Schnellgang” bezeichnet.
Für die Verbindung zwischen Tretlagerachse und Planetensteg
wurde hier beispielhaft eine Polygonverzahnung 40 gewählt.
Eine Trennung der Verbindung zwischen dem mit zwei Kugellagern 34 gelagerten
Sonnenrad 36 und dem Getriebegestell 31 bewirkt
eine vollständige Lasttrennung zwischen dem Steg 38 und
dem Abtriebsritzel 14, die jedoch automatisch durch das Einschnappen
der äußeren Freilaufklinken 42, die über
Federn ständig in die äußere Freilaufverzahnung 41 gedrückt
werden, wiederhergestellt wird. Befinden sich die äußeren
Freilaufklinken 42 innerhalb der Freilaufverzahnung 41 in
einem eingerasteten Zustand, so hat der Bediener einen 1:1 Übersetzung gewählt.
Dieser Zustand sei im folgenden auch als „Direktgang” bezeichnet.
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6
Eine
demontierte Seitenansicht von links in das Tretlagergetriebe, wobei
eine sehr große Anzahl an Bauteilen nicht dargestellt sind,
um die Funktion des Direktgangs näher zu erläutern.
Es ist lediglich die rechte Kurbel 9 sowie der über
eine Polygonverzahnung 40 verbundene Planetensteg 38 abgebildet. Der
für die bessere Darstellung teilweise aufgeschnittene Steg 38 besitzt
Bohrungen, in denen Freilaufklinkenachsen 47 gelagert sind.
Um Biegespannungen innerhalb der Freilaufklinkenachsen 47 zu minimieren,
sind diese an beiden Enden innerhalb des Stegs 38 gelagert.
Dieser Aufbau ist als vorteilhaft gegenüber bestehenden
Systemen zu sehen. Die Freilaufklinken werden über Blattfedern 45 ständig
gegen die Innenverzahnung des äußeren Freilaufkörpers 42 gedrückt,
der wiederum fest mit dem Abtriebsritzel 14 verbunden ist.
Durch diesen Aufbau wird gewährleistet, daß eine
höhere Rotationsgeschwindigkeit V2 des Abtriebsritzels 14 in
Bezug zum Steg 38 zu einem Abheben des Freilaufzahns 42 aus der äußeren
Freilaufverzahnung 42 führt. Man kann diesen Aufbau
technisch auch als auch als „federngesteuerte formschlüssige
Ein-Wege-Kupplung” bezeichnen. Ebenfalls befinden sich
im Steg 38 Anschlagstifte 46, die die Bewegung
des Freilaufzahns 42 in Grenzen halten. In der Abbildung
befinden sich drei Freilaufzähne, die über dem
Umfang verteilt sind und sich in einem relativ großen Abstand
R1 zur Tretlagerachse 22 befinden, damit die Druckspannungen auf
den Kontaktflächen in einem zulässigen Bereich bleiben.
Falls innerhalb der Erfindung dieser relativ einfache Aufbau gewählt
werden würde, um beispielweise die Herstellungskosten auf
einem niedrigen Niveau zu halten, so ist eine Geräuschentwicklung
des Freilaufs zu verspüren, da die Elemente dieses Freilaufs
mit unterschiedlicher Relativgeschwindigkeit drehen. Es wäre
während der Fahrt ständig ein klickendes Geräusch
zu hören. Dieser Nachteil kann jedoch innerhalb der Erfindung
durch einen neuartigen Aufbau beseitigt werden, der in 7 näher
erläutert wird. Dieser neuartige erfindingsgemäße
Aufbau soll im folgenden als „planetengesteuerte formschlüssige Ein-Wege-Kupplung” bezeichnet
werden.
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7
Eine
Schnittansicht ähnlich der 5 durch
das Tretlagergetriebe, wobei eine sehr große Anzahl an
Bauteilen nicht dargestellt sind, um die Funktion des „Schnellgangs” näher
zu erläutern. Es ist lediglich die Tretlagerwelle 22 mit
Ihrer festen Verbindung zum Steg 38 dargestellt, wobei
die Planetenräder 37 mit dem Sonnenrad 36 und
dem Hohlrad 35 im Eingriff stehen. um während
des sogenannten „Schnellgangs” die Gehäuseeinheit,
bestehend aus Abtriebsritzel 14, äußere
Freilaufverzahnung 41, Hohlrad 35, Gehäuselagereinheit 29 und
Ritzelträger 28, auf eine hohe Drehzahl zu bringen.
Die innere Freilaufverzahnung 43 muß hierbei durch
den Benutzer des Fahrrades fest mit dem nicht dargestellten Gestell
verbunden sein. Betrachtet man die Drehrichtung V3 der Planetenräder 37 während
der Rotationsbewegung V1 der Tretlagerachse 22, so bewirkt
der Drehsinn der Freilaufklinkenachsen 47 durch das Schleppmoment
eines Hülsenfreilaufs 48 das vollständige
und gesteuerten Auskuppeln der Freilaufzähne 42.
Der Hülsenfreilauf wirkt hierbei als Ein-Wege-Kupplung. Allgemein
formuliert ist die Erfindung somit dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Planetenrad über eine nur eine Richtung
wirkende Kupplung mit dem Arbeitshub eines zweiten Kupplungskörpers verbunden
ist, wobei der zweiten Kupplungskörpers in ständiger
Verbindung mit einem weiteren Element des Planetengetriebemechanismus
steht. Hierbei ist der Hülsenfreilauf die nur in eine Richtung
wirkende Kupplung und der zweite Kupplungskörper der Freilaufzahn 42 in
seiner Bewegung, wobei die Bewegung als Arbeitshub zu bezeichnen
ist. Das weitere Element des Planetengetriebemechanismus wäre hier
das Hohlrad 35, daß ja zur äußeren
Freilaufverzahnung 41 in Verbindung steht. Verwendet man
die am Markt kostengünstig verfügbaren Hülsenfreiläufe so
ist das Schaltgetriebe für Fahrräder dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Planetenrad koaxial über diese
Hülsenfreilauf, der als Klemmkörperfreilauf arbeitet,
mit dem Arbeitshub eines zweiten Kupplungskörpers verbunden
ist. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung arbeitet der zweite
Kupplungskörper als formschlüssige Kupplung arbeitet
mit radial wirkenden Sperrklinke, die innerhalb von 7 als
Freilaufzahn 42 bezeichnet wird.
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8
Eine
Schnittansicht ähnlich der 7 durch
das Tretlagergetriebe, wobei eine sehr große Anzahl an
Bauteilen nicht dargestellt sind, um die Funktion des „Direktgangs” näher
zu erläutern. Es ist lediglich die Tretlagerwelle 22 mit
Ihrer festen Verbindung zum Steg 38 dargestellt, wobei
die Planetenräder 37 mit dem Sonnenrad 36 und
dem Hohlrad 35 im Eingriff stehen. um während
des sogenannten „Direktgangs” kein Drehmoment
auf die Gehäuseeinheit, bestehend aus Abtriebsritzel 14, äußere
Freilaufverzahnung 41, Hohlrad 35, Gehäuselagereinheit 29 und Ritzelträger 28, übertragen
zu können. Diese lastfreiheit wird erreicht, da die innere
Freilaufverzahnung 43 hierbei durch den Benutzer des Fahrrades
nicht mit dem Gestell verbunden wird. Betrachtet man die Drehrichtung
V4 der Planetenräder 37 während der Rotationsbewegung
V1 der Tretlagerachse 22, so bewirkt der Drehsinn der Freilaufklinkenachsen 47 durch
das Haltedrehmoment eines Hülsenfreilaufs 48 das
vollständige und gesteuerten Einkuppeln der Freilaufzähne 42.
Der Hülsenfreilauf wirkt hierbei als Ein-Wege-Kupplung.
Dieser neuartige Aufbau eines Planetengetriebemechanismus ist dadurch
gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Planetenräder
koaxial über eine mechanische Ein-Wege-Kupplung mit der
Drehachse einer Freilaufklinke eines zweiten Freilaufs verbunden
sind, der ebenfalls in ständiger Verbindung mit einem weiteren
Element des Planetengetriebemechanismus steht. Hierdurch wird in vorteilhafter
Weise erreicht, daß die oben angeführten Nachteile
der Erfindung nicht innewohnen. Der Schaltvorgang kann auf diese
Weise im Stand sowie während der Tretbewegung mit oder
ohne Last auf den Pedalen möglich sein. Die Lasten auf
den einzelnen Bauteilen innerhalb des Getriebes werden so eingeleitet,
daß preisgünstige Werkstoffe und Fertigungsverfahren
zum Einsatz kommen können. Die Neuheit ist so gestaltet,
daß das Getriebe während des Schaltvorgangs zu
keiner Zeit unbeabsichtigt in einen Leerlauf geraten kann und auch
in keinem eingelegten Gang klickende Geräusche macht. Dieser neuartige
erfindungsgemäße Aufbau wird im folgenden als „planetengesteuerte
formschlüssige Ein-Wege-Kupplung” bezeichnet werden.
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9
Eine
Ansicht ähnlich der 3 von schräg
hinten auf das neuartige Tretlagergetriebe, wobei eine sehr große
Anzahl an Bauteilen nicht dargestellt sind, um die Funktion der
inneren Freilaufverzahnung und des Schaltrads 39 näher
zu erläutern, da in 5 nicht alle
Bauteile erkennbar sind. Um den „Schnellgang” einzulegen,
muß der Benutzer des Fahrrades über den Bowdenzug
gesteuert das Schaltrad 39 in Richtung A bewegen, um das
Sonnenrad gegenüber dem Gestell festzusetzen. Der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung liegt hier die Aufgabe zugrunde, den Schaltvorgang
für den Bediener ohne großen Kraftaufwand bedienbar
zu machen und die zulässigen Flächenpressungen
an den kraftübertragenden Bauteilen gering zu halten. Dieses
wird, neben den neuen Eigenschaften von den Elementen des Planetengetriebemechanismus,
die bereits beschrieben worden sind, durch die Elemente erreicht,
die im folgenden innerhalb von 10 beschrieben
werden:
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10
Eine
Ansicht ähnlich der 9 von schräg
hinten auf das neuartige Tretlagergetriebe, wobei eine sehr große
Anzahl an Bauteilen nicht dargestellt sind, um die Funktion der
inneren Freilaufverzahnung und des Schaltrads 39 näher
zu erläutern, da in 9 nicht alle
Bauteile erkennbar sind. Grundsätzlich sind innerhalb des
Stands der Technik zwei verschiedene Arten von formschlüssigen
Freiläufen bekannt. Neben der in 8 dargestellten
radialen Freilaufverzahnung 49 ist ebenfalls die axiale
Freilaufverzahnung 50 bekannt, die innerhalb des dargestellten Tretlagergetriebes
auf neuartige Art und Weise dafür Sorge trägt,
daß das Sonnenrad 36 zum Gestell 31 festzusetzen.
Hierzu sind am Gestell 31 mindestens drei Erhöhungen 52 ausgeformt,
die auf Ihrer Mantelfläche in vorteilhafter Weise ein mehrgängiges
Trapezgewinde 53 und Gleitflächen 54 aufweisen,
die in axial beweglicher und formschlüssiger Verbindung
zu Gleitflächen 55 an der Mantelfläche 56 einer
Schiebehülse 57 stehen. Auf diese Weise kann sich
die Schiebehülse 57 zwar axial bewegen, jedoch
ist eine Drehung um die Tretlagerachse 22 relativ zum Gestell 31 verhindert.
Die axiale Freilaufverzahnung 50 ist auf der Stirnseite
der Schiebehülse 57 angebracht und wird von einer
Druckfeder 58 ständig gegen die axiale Freilaufverzahnung 51 gedrückt.
Diese Freilaufverzahnung 51 ist auf der linken Seitenfläche
des Sonnenrades 36 angebracht. Durch die Abbildung wird
deutlich, daß sich das Sonnenrad 36 aufgrund der
Druckfeder 58 ständig in drehfester Verbindung mit
dem Gestell 31 befindet. Auch hier wirkt die axiale Freilaufverzahnung 51 als
Ein-Wege-Kupplung, damit das Getriebe bei umgekehrer Lasteinleitung durch
den Benutzer nicht blockieren kann. Diese beschriebene Ausgestaltung
ist von Vorteil, da das Getriebe selbst mit einem gerissenen Bowdenzug
im „Schnellgang” noch funktionsfähig
ist. Um in den „Direktgang” zu schalten, wird
das Schaltrad 39 durch den Bowdenzug, der an der Bowdenzugbefestigung 59 angreift,
um einen bestimmten Winkel gegenüber dem Gestell 31 gedreht.
Da auch das Schaltrad 39 auf seiner Innenfläche
ein Trapezgewinde 60 besitzt, bewegt es sich während
seiner Winkeldrehung ebenfalls in axialer Richtung nach links und
ist hierbei in der Lage, die Schiebehülse 57 aus
Ihrer Freilaufverzahnung zu lösen. Bei gelöster
Freilaufverzahnung 50 kann sich das Sonnenrad 36 auf
dem Kugellager 34 relativ zum Gestell 31 frei
drehen und der „Direktgang” rastet ein.
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11
Eine
Schnittansicht ähnlich der 10 von
schräg hinten auf das neuartige Tretlagergetriebe, wobei eine
sehr große Anzahl an Bauteilen nicht dargestellt sind,
um die Funktion der inneren axialen Freilaufverzahnung 50 und
des Schaltrads 39 im Zustand des „Schnellgangs” näher
zu erläutern, da in 10 nicht alle
Bauteile erkennbar sind. Hierzu sind am Gestell 31 mindestens
drei Erhöhungen 52 ausgeformt, die auf Ihrer Mantelfläche
in vorteilhafter Weise ein mehrgängiges Trapezgewinde und
Gleitflächen 54 aufweisen, die in axial beweglicher
und formschlüssiger Verbindung zu Gleitflächen
an der Mantelfläche einer Schiebehülse 57 stehen.
Auf diese Weise kann sich die Schiebehülse 57 zwar
axial bewegen, jedoch ist eine Drehung um die Tretlagerachse 22 relativ zum
Gestell 31 verhindert. Die axiale Freilaufverzahnung 50 ist
auf der Stirnseite der Schiebehülse 57 angebracht
und wird von einer Druckfeder 58 ständig gegen
die axiale Freilaufverzahnung 51 gedrückt. Diese
Freilaufverzahnung 51 ist auf der linken Seitenfläche
des Sonnenrades 36 angebracht. Durch die Abbildung wird
deutlich, daß sich das Sonnenrad 36 aufgrund der
Druckfeder 58 ständig in drehfester Verbindung
mit dem Gestell 31 befindet. Genau dieser Zustand ist hier
in 11 dargestellt, da sich das Gestell 31 im
Abstand S-max zum Schaltrad 39 befindet. Um in den „Direktgang” zu
schalten, wird das Schaltrad 39 durch den Bowdenzug, der
an der Bowdenzugbefestigung 59 angreift, um einen bestimmten Winkel
gegenüber dem Gestell 31 gedreht. Da auch das
Schaltrad 39 auf seiner Innenfläche ein Trapezgewinde 60 besitzt,
bewegt es sich während seiner Winkeldrehung ebenfalls in
axialer Richtung nach links und ist hierbei in der Lage, die Schiebehülse 57 aus
Ihrer Freilaufverzahnung zu lösen.
-
12
Eine
Schnittansicht ähnlich der 10 von
schräg hinten auf das neuartige Tretlagergetriebe, wobei eine
sehr große Anzahl an Bauteilen nicht dargestellt sind,
um die Funktion der inneren axialen Freilaufverzahnung 50 und
des Schaltrads 39 im Zustand des „Direktgangs” näher
zu erläutern, da in
-
10 nicht
alle Bauteile erkennbar sind. Hierzu sind am Gestell 31 mindestens
drei Erhöhungen 52 ausgeformt, die auf Ihrer Mantelfläche
in vorteilhafter Weise ein mehrgängiges Trapezgewinde und
Gleitflächen 54 aufweisen, die in axial beweglicher
und formschlüssiger Verbindung zu Gleitflächen an
der Mantelfläche einer Schiebehülse 57 stehen. Auf
diese Weise kann sich die Schiebehülse 57 zwar axial
bewegen, jedoch ist eine Drehung um die Tretlagerachse 22 relativ
zum Gestell 31 verhindert. Die axiale Freilaufverzahnung 50 ist
auf der Stirnseite der Schiebehülse 57 angebracht
und wird von einer Druckfeder 58 ständig gegen
die axiale Freilaufverzahnung 51 gedrückt. Diese
Freilaufverzahnung 51 ist auf der linken Seitenfläche
des Sonnenrades 36 angebracht. Durch die Abbildung wird
deutlich, daß sich das Sonnenrad 36 bei gespannter
Druckfeder 58 nicht in drehfester Verbindung mit dem Gestell 31 befindet.
Genau dieser Zustand ist hier in 11 dargestellt,
da sich das Gestell 31 im Abstand S-min zum Schaltrad 39 befindet.
Der „Direktgang” ist hier eingelegt, das Schaltrad 39 ist
durch den Bowdenzug, der an der Bowdenzugbefestigung 59 angreift,
um einen bestimmten Winkel gegenüber dem Gestell 31 gedreht.
Da auch das Schaltrad 39 auf seiner Innenfläche
ein Trapezgewinde 60 besitzt, hat es sich während
der vorhergehenden Winkeldrehung ebenfalls in axialer Richtung nach
links bewegt und hierbei die Schiebehülse 57 mit
der Flanschfläche 61 aus Ihrer Freilaufverzahnung 50 gelöst.
Allgemein formuliert kann man somit feststellen, daß die
Neuheit in vorteilhafter Ausführung dadurch gekennzeichnet
ist, daß das Sonnenrad des Planetengetriebemechanismus seitlich über
ein formschlüssige Kupplung mit dem Gestell verbunden werden
kann und dass bei einer einfachen Ausführung die Schaltkupplung über
einem Bowdenzug vom Bediener gesteuert werden kann. Um den Bedienkomfort
zu erhöhen, wäre es möglich, die Schaltkupplung
elektronisch gesteuert arbeiten zu lassen.
-
13
Eine
Ansicht ähnlich der 10 direkt
von oben auf das neuartige Tretlagergetriebe, wobei eine sehr große
Anzahl an Bauteilen nicht dargestellt sind, um die Funktion der
inneren Freilaufverzahnung näher zu erläutern,
da in 10 nicht alle Details erkennbar sind.
Der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt hier
die Aufgabe zugrunde, den Schaltvorgang für den Bediener
ohne großen Kraftaufwand bedienbar zu machen und die zulässigen
Flächenpressungen an den kraftübertragenden Bauteilen
gering zu halten. Dieses wird, neben den bereits beschriebenen Eigenschaften
von den Elementen des Planetengetriebemechanismus, durch ein Eingriffswinkel
w von ein bis sieben Grad an den Kontaktflächen der axialen
Freilaufverzahnung 51 und 50 erreicht. Allgemein formuliert
stellt sich dieser Vorteil der Erfindung nur dann ein, wenn das
Sonnenrad des Planetengetriebemechanismus seitlich über
sägezahnförmige Erhebungen mit einer großen
Anzahl von kraftübertragenden Flächen verfügt,
wobei die Flächen in einem Winkel von von ein bis sieben
Grad in Bezug zur Drehachse stehen. Allgemeinformuliert kann man
somit sagen, daß eine für den Bediener ohne großen Kraftaufwand
zu schaltende Ausführung dadurch gekennzeichnet ist, daß die
sägezahnförmige Erhebungen des Sonnenrades mit ähnlichen
sägezahnförmige Erhebungen an einem axial verschieblichen
Bauteil eine durch den Bediener gesteuerte Verbindung eingehen können
und dieses axial verschiebliche Bauteil ständig in drehfester
Verbindung zum Gestell steht. Das automatische Einschnappen der
beiden sägezahnförmige Erhebungen im „Schnellgang” wird in
vorteilhafter und betriebssicherer Weise erreicht, wenn das axial
verschiebliche Bauteil ständig federbelastet in eine Endlage
gedrückt wird. Das gesamte Anordnung ist platzsparend aufgebaut,
wenn das axial verschiebliche Bauteil als Schiebehülse
ausgeformt ist und mit einem weiteren drehbaren Bauteil in Verbindung
steht, welches die axiale Bewegung der Schiebehülse begrenzt.
Eine einfache Fertigung der Schiebehülse wird erreicht,
wenn die Schiebehülse außen auf der Mantelfläche
mit einer Verzahnung versehen ist, die in Verbindung mit dem Gestell
steht. Die Steuerung der axialen Verschieblichkeit wird auf eine
einfache Art und Weise dadurch erreicht daß das drehbare
Bauteil ein Gewinde hat, welches in Verbindung mit dem Gestell steht.
Das gewinde ist durch den Benutzer leicht beweglich, wenn es als mehrgängiges
Trapezgewinde ausgeführt ist. Um auch das Gestell kostengünstig
zu fertigen wird die ständige Verbindung zwischen dem Gestell
und dem axial verschieblichen Bauteil und dem drehbaren Bauteil über
einfach ausführte Erhöhungen erreicht, die auch
ein Gewinde aufweisen. Beste Funktion wird auch hier erreicht, wenn
die Erhöhungen am Gestell ein mehrgängiges Trapezgewinde
aufweisen. Um die Eingriffsgeräusche des Tretlagergetriebe
niedrig zu halten, so ist in vorteilhafter Weise das Hohlrad und der
zweite Kupplungskörpers (äußere Freilaufverzahnung)
einstückig auszubilden und beide von einem geräuschdämpfenden
Kunststoffmaterial zu umschließen.
-
- 1
- Fahrradrahmen
- 2
- Sattel
- 3
- Fahrradgabel
- 4
- Lenker
- 5
- Vorderrad
- 6
- Hinterrad
- 7
- Hinterradbremse
- 8
- Vorderradbremse
- 9
- Tretkurbel
- 10
- Pedale
- 11
- vorderer
Schaltungsumwerfer
- 12
- Schaltwerk
hinten
- 13
- Kette
- 14
- Abtriebsritzel
- 15
- hintere
Schaltungsritzel
- 16
- Sitzstrebe
- 17
- Kettenstrebe
- 18
- Tretlagergehäuse
- 19
- Schaltungsbetätigung
Umwerfer vorn
- 20
- Schaltungsbetätigung
Schaltwerk hinten
- 21
- Bowdenzug
- 22
- Tretlagerachse
- 23
- Stoßdämpfer
- 24
- Schellen
- 25
- Hinterradachse
- 26
- Tretlagergetriebe
- 27
- Gehäuseschrauben
- 28
- Ritzelträger
- 29
- Gehäuselagereinheit
- 30
- Wellendichtring
- 31
- Getriebegestell
- 32
- Bowdenzuggehäuse
- 33
- Dichtkappe
- 34
- Kugellager
- 35
- Hohlrad
- 36
- Sonnenrad
- 37
- Planetenrad
- 38
- Planetensteg/Steg
- 39
- Schaltrad
- 40
- Polygonverzahnung
- 41
- äußere
Freilaufverzahnung
- 42
- äußere
Freilaufklinken
- 43
- innere
Freilaufverzahnung
- 44
- Kugellager
- 45
- Blattfeder
- 46
- Anschlagstift
- 47
- Freilaufklinkenachse
- 48
- reibschlüssiger
Hülsenfreilauf
- 49
- radiale
Freilaufverzahnung
- 50
- axiale
Freilaufverzahnung
- 51
- axiale
Freilaufverzahnung (Sonnenrad)
- 52
- Erhöhung
- 53
- Trapezgewinde
- 54
- Gleitfläche
- 55
- Gleitfläche
- 56
- Mantelfläche
- 57
- Schiebehülse
- 58
- Druckfeder
- 59
- Bowdenzugbefestigung
- 60
- Trapezgewinde
- 61
- Flanschfläche
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6123639 [0004, 0006]
- - US 2003/0186776 [0004, 0007, 0007, 0008, 0008]
- - DE 69824816 [0004, 0007, 0007]
- - WO 99/46160 [0005]
- - EP 0562470 [0006]
- - US 2003/0040397 [0007, 0007, 0008, 0008]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN 79012 [0004]
- - DIN 79012 [0004]