DE102010026838B3

DE102010026838B3 - Verfahren und Vorrichtung zum segmentweisen Schalten von Zugmittelgetrieben

Info

Publication number: DE102010026838B3
Application number: DE201010026838
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-27
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2030-07-13

Abstract

Technisches Problem: Klassische Zugmittelgetriebe haben Nachteile in Bezug auf Wirkungsgrad, Verschleiss, Baubreite und Gewicht. Ursachen: nur wenn das Zugmittel exakt in einer Ebene über das Zugmittelrad läuft ist ein optimaler Wirkungsgrad sichergestellt. Während des Schaltvorgangs und bei Schrägstellung des Zugmittels verschleisst dieses schnell. Distanzhülsen zwischen den Zugmittelrädern führen meist zu erhöhten Baubreiten. Durch aufwändige Schaltkonstruktionen ist das Gewicht meist hoch. Es gibt zwar Ideen Zugmittelradsegmente über Klapphebel in den Bereich des Zugmittels einzubringen, allerdings sind diese Lösungen zu instabil und mechanisch schwer umsetzbar (bspw. DE 4321912). Lösung des Problems: Die Zugmittelräder werden in gleich grosse Segmente aufgeteilt, die frei beweglich sind und einzeln nacheinander während des Schaltvorgangs in den unbelasteten Bereich eingebracht werden. Der unbelastete Bereich, ist der Bereich, in dem das Zugmittelradsegment keinen Kontakt zum Zugmittel hat. Zum Schalten auf ein größeres oder kleineres Zugmittelrad werden die Segmente des aktuell benutzten Zugmittelrads aus dem Wirkungsbereich seitlich weg bewegt und gleichzeitig die benachbarten Zugmittelradsegmente in den unbelasteten Bereich eingebracht. Nach einer kompletten Umdrehung ist der Schaltvorgang abgeschlossen. Anwendungsgebiet: Das Verfahren kann für alle Arten von Getrieben verwendet werden, wenn unterschiedliche Übersetzungen mittels Einsatz von Zugmitteln und Zugmittelrädern benötigt werden und Wirkungsrad, Verschleiss, Baubreite oder Gewicht eine Rolle spielen.

Description

Technisches Gebiet: Getriebebau, im besonderen Getriebe, die mit Zugmitteln angetrieben werden.
Problemstellung: Klassische Zugmittelgetriebe haben Nachteile in Bezug auf Wirkungsgrad, Verschleiss, Baubreite und Gewicht. Ursachen nur wenn das Zugmittel exakt in einer Ebene über das Zugmittelrad läuft, ist ein optimaler Wirkungsgrad sichergestellt. Ausserdem wird während des Schaltvorgangs und bei Schrägstellung des Zugmittels das Zugmittel stark beansprucht und verschleisst schnell. Beim Einsatz von Ketten als Zugmittel werden meist Distanzringe zwischen den Zugmittelrädern benötigt was zu erhöhten Baubreiten führt. Und durch aufwändige Umwerfer- bzw. Schaltwerkkonzepte ist das Gewicht hoch.
Es gibt zahlreiche Ideen durch variable Zugmittelraddurchmesser unterschiedliche Übersetzungen zu realisieren, deren Wirkungsgrad ist jedoch meist niedrig, die Mechanik sehr anfällig und der Zugmittelverschleiß hoch.
Einen Ansatz zur Lösung obiger Probleme bietet das in DE 4321912 A1 beschriebene Verfahren. Allerdings hat das dort beschriebene Einbringen der Zugmittelräder über klappbare und übereinander gelagerte Einzelsegmente den Nachteil, dass die Mechanik nur sehr aufwändig realisierbar ist, die einzelnen Segmente nicht ausreichend stabil sind und nur größere Übersetzungsänderungen (bei Zahnrädern mehr als drei weitere Zähne) möglich sind, da die Zugmittelradlaufflächen übereinander zum Liegen kommen müssen.
Einige der im folgenden dargestellten Lösungen erlauben beliebige Übersetzungen. Im Gegensatz zu der in DE 4321912 A1 favorisierten Klappmechanik empfehlen sich Schiebetechniken quer zur Antriebsrichtung, bei denen die Einzelsegmente der Zugmittelräder mittels gängiger Getriebe- oder Umwerferschalttechniken eingebracht werden. Dadurch erhöht sich die Stabilität der Zugmittelradsegmente, die Schaltsprünge können je nach Konstruktion klein gehalten werden und beim Schaltvorgang kann auf bestehende Getriebemechaniken zurückgegriffen werden.
Beschreibung: Grundsätzlich lässt sich das hier erläuterte Verfahren in allen gängigen Getriebekonstruktionen einsetzen, egal ob im Maschinenbau, in der Automobilbranche, bei Fahrradantrieben oder sonstigen Anwendungsbereichen. Es besticht durch hohen Wirkungsgrad, geringen Verschleiss, niedrige Baumaße und hohen Schaltkomfort.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren besteht darin den Schaltvorgang im Bereich der unbelasteten Zugmittelsegmente durchzuführen. Dazu werden alle für die gewünschten Übersetzungen benötigten Zugmittelräder in gleiche grosse Segmente unterteilt und nebeneinander beweglich angeordnet. Minimal sind drei Segmente pro Zugmittelrad notwendig, damit genügend Freiraum für das Verschieben im zugmittelfreien Bereich ist, es empfiehlt sich jedoch das Zugmittelrad in vier oder mehr Segmente aufzuteilen. Beim Schaltvorgang wandert nun nicht das Zugmittel über die Zugmittelräder, sondern alle einer bestimmten Zugmittelradgröße zugehörigen Zugmittelradsegmente werden einzeln während einer kompletten Umdrehung unter das Zugmittel geschoben. 1.0 zeigt wie im zugmittelfreien Bereich eine Mechanik bspw. über Bowdenzüge angesteuert wird, die die einzelnen Radsegmente in dem Moment, in dem sie unbelastet sind senkrecht zur Rotation nach links oder rechts verschiebt, je nachdem ob man ein kleineres oder größeres Zugmittelrad einbringen möchte. Die Schaltmechanik lässt sich sowohl am Antriebsrad (1) als auch am angetriebenen Rad (2) realisieren (siehe 1.1). Die Segmente können aber auch mit Hilfe gängiger Getriebeschalttechniken über die Nabe geschaltet werden statt über externe Umwerfer (siehe 1.2).
In 2.0 bis 2.4 wird ein Schaltvorgang dargestellt, bei dem ein größeres Zugmittelrad durch ein kleineres Zugmittelrad ersetzt wird und die Zugmittelräder in vier gleich große Segmente aufgeteilt sind. Nach jeder Teildrehung – in diesem Fall 90° – wird ein weiteres Segment im unbelasteten Bereich eingeschoben. Das Verschieben des neuen einzuschiebenden Segments beginnt in dem Moment, wenn das ursprüngliche Segment, keinen Kontakt mehr zum Zugmittel hat und muss abgeschlossen sein bevor das neue Segment Kontakt zum Zugmittel bekommt. Nach einer kompletten Umdrehung befindet sich dann das ehemals benachbarte Zugmittelrad exakt an der Stelle des vorherigen Zugmittelrads, wodurch sich die gewünschte neue Übersetzung ergibt. Das Zugmittel selbst wird also nicht aktiv über die Zugmittelräder bewegt werden und es verändert seine Lage nicht.
Als Zugmittel können alle gängigen Arten wie bspw. Ketten, Zahnriemen, Keilriemen oder Rundriemen eingesetzt werden. Abhängig vom Zugmittel, der gewünschten Baubreite und Schaltkonzept bestehen verschiedene Möglichkeiten die Zugmittelradsegmente zu bewegen:

1. Zugmittelradsegmente können untereinander in Kassettenform verbunden werden, beim Schaltvorgang wird das komplette Kassettensegment im unbelasteten Bereich verschoben. 3: das zweite von vier Kassettensegmenten wurde eingeschoben bei Drehung im Gegenuhrzeigersinn. Vorteil der Kassettenform ist die höhere Stabilität der Segmente, sowie die Möglichkeit beliebig kleiner Übersetzungssprünge.
2. Zugmittelradsegmente sind frei beweglich und werden beim Schaltvorgang segmentweise übereinander verschoben und können sich so gegenseitig abstützen. Diese Variante ist ähnlich der in DE 4321912 beschriebenen, hat aber den Vorteil einer höheren Stabilität. Die Zugmittelraddurchmesser müssen ausreichend gross sein, um übereinander geschoben werden zu können. Eine Vielzahl von Varianten sind realisierbar wie bspw.: – Die Zugmittelradsegmente bauen aufeinander auf. Zum Ändern der Übersetzung werden entweder die oben aufsitzenden Segmente in 4 nacheinander eingebracht, so dass das Zugmittel auf das nächsthöhere Zugmittelrad gehoben wird oder das aktuell genutzte Zugmittelrad wird seitlich weg bewegt, so dass das Zugmittel auf das darunter liegende kleinere Zugmittelrad fällt. – Die Zugmittelradsegmente werden seitlich von links oder rechts eingeschoben (5), um ein größeres Zugmittelrad einzubringen oder nach aussen bewegt, wenn das darunter liegende kleinere Zugmittelrad benutzt werden soll. Die Zugmittelradsegmente rasten ggfs. ineinander ein und stabilisieren sich dadurch gegenseitig. – Zugmittelradsegmente laufen auf Wellen und werden seitlich übereinander verschoben (6) Das Zugmittel befindet sich jeweils an der mit (1) gekennzeichneten Position.
3. Zugmittelradsegmente werden einzeln – aber nicht übereinander – verschoben. Nur wenn das Zugmittel breiter als das Zugmittelrad ist, muss zum nächst höheren Zugmittelradsegment eine Lücke bleiben (7), damit das Zugmittel frei laufen kann. Bei jedem Schaltvorgang wandert die Lücke um ein Zugmittelrad weiter. Erfordert das Zugmittel keine Lücke bspw. weil es schmaler ist als das Zugmittelrad, können wie unter 1. die Zugmittelradsegmente untereinander verbunden werden.

Allen Vorrichtungen gemeinsam ist das Versetzen der Zugmittelradsegmente im vom Zugmittel unbelasteten Bereich. Grundsätzlich sind beliebige Kombinationen der oben beschriebenen Varianten möglich. Je nachdem welche Zugmittel zum Einsatz kommen, besteht u. U. die Notwendigkeit zwischen die Zugmittelrädern Distanzringe zu platzieren (bspw. beim Einsatz von Ketten als Zugmittel). Die Baubreite lässt sich bei allen Konstruktionen dadurch verkleinern, dass man das Zugmittel (2) nicht stationär belässt, sondern innerhalb eines Bereichs, in dem der Wirkungsgrad ausreichend hoch ist, mit dem jeweiligen Zugmittelrad (3) nach links oder rechts bewegt. In 8.1 ist das Zugmittel stationär mittig verlegt, beim größten Zugmittelrad befindet sich die Kassette ganz links und beim kleinsten Zugmittelrad ganz rechts. Um die Baubreite zu verringern kann das Zugmittel deshalb leicht ausserhalb der Mittelachse betrieben werden wie dies beispielsweise heute bei Fahrradantrieben üblich ist, wenn die kleinen oder großen Ritzel benutzt werden (siehe 8.2).
Gewerbliche Anwendung: Obiges Verfahren bzw. Vorrichtung lässt sich immer dann sinnvoll in Zugmittelgetrieben einsetzen, wenn niedriger Verschleiss, hoher Schaltkomfort, geringes Gewicht und reduzierte Baubreite benötigt werden. In Fahrradantrieben könnte man bspw. auf die Distanzhülsen zwischen den Zugmittelrädern verzichten und deutlich niedrigere Baubreiten als bei heutigen Zahnkränzen erzielen. Zudem verschleisst das Zugmittel deutlich weniger da es weniger schräg läuft als bei den heute üblichen Zahnradkombimationen. Aber auch in der Automobilbranche lassen sich obige Getriebe einsetzen, da der Wirkungsgrad höher ist als bei klassischen Schaltgetrieben, da dort die Antriebskraft über mehrere unterschiedlich große Zahnräder umgelenkt werden muss.

Claims

Verfahren zum Schalten von Zugmittelgetrieben, bestehend aus zwei Zugmittelrädern und einem Zugmittel, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Zugmittelrad segmentweise geteilt ist und dessen Segmente durch Drehung des Zugmittelrades nacheinander aus dem vom Zugmittel unbelasteten Bereich in den Wirkungsbereich des Zugmittels gebracht werden, während die dort befindlichen Segmente gleichzeitig zeitlich versetzt aus dem Wirkungsbereich heraus befördert werden und ein Gangwechsel durch zeitlich versetzte axiale Verschiebung der Segmente des mindestens einen Zugmittelrades erfolgt, wobei die Verschiebung der Segmente immer daß erfolgt, wenn dieselben sich nicht in dem Wirkungsbereich, sprich nicht in dem Eingriff des Zugmittels befinden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmittelradsegmente einzeln und unabhängig voneinander geschaltet und bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmittelradsegmente formschlüssig arbeiten und somit die Zugmittelräder Verzahnungen aufweisen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmittel seitliche Stifte besitzen, die in Aussparungen von konisch ausgebildeten Zugmittelradsegmenten eingreifen können, die mit passenden Aussparungen zur Übersetzungsänderung versehen sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnungen der Zugmittelradsegment so gestaltet sind, dass sie einen formschlüssigen Übergag des Zugmittels von einer Schaltstufe zur nächsten gestattet.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Zugmittelräder so zueinander ausgelegt sind, dass bei Heraufschalten des einen und dem gleichzeitigen Herunterschalten des anderen durch Profilverschiebung der Zugmittelradverzahnung die Zugmittellänge nahezu unverändert bleibt, ein Zugmittelspanner somit überflüssig wird.
Verfahren nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstufen formschlüssig und zwangsweise unverändert gehalten werden und nur in einem genau definierten Schaltbereich verändert werden können.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Zugmittelradsegmente zentral gelagert sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geraden und ungeraden Schaltstufen jeweils für sich zentral gelagert sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmittelradsegmente auf je einem Torus um eine zentrale Welle gelagert sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nah einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmittelradsegmente auf speziellen Trägern beweglich zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Verfahrensansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Zugmittelradsegmente 1 bis 9, platzsparend ineinander verschachtelt sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Verfahrensansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung der Zugmittelradsegmente aus bistabilen Federelementen besteht.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Schalterleichterung während der Schaltstufenveränderung die Zugmittelradsegmente durch fixierende Federn entlastet werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmittelradsegmente fest miteinander verbunden sind und um eine zentrale Welle gelagert sind.