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Die Erfindung betrifft ein unter Last schaltbares Getriebe für Fahrzeuge mit einer in einem Getriebegehäuse gelagerter Eingangswelle und Abtriebswelle.
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Stand der Technik:
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Schaltbare Getriebe sind seit den letzten 100 Jahren aus dem Bereich der motorisierten Kraftfahrzeuge nicht mehr wegzudenken. Ebenso finden sie in der Antriebstechnik an zahlreichen Maschinen ihre Verwendung. Sehr oft handelt es sich um Getriebekonstruktionen, die mit Hilfe von Zahnrädern als Stirnradgetriebe oder Umlaufgetriebe (Planetengetriebe) arbeiten. Die Fertigungstechnik dieser Getriebe ist jedoch meist sehr aufwendig und teuer. Da diese kraftübertragenden Getriebebauteile meist aus Stahl gefertigt sind, rückt das Gewicht momentan immer weiter in den Focus der Kritik und ist als Nachteil zu werten. Leichtere Getriebe würden zum Beispiel den Energieverbrauch senken. Die im Folgenden zu beschreibende Neuheit ist in allen denkbaren Produktzweigen einsetzbar und besonders in Bezug auf das geringe Gewicht hervorragend geeignet für den Einsatz in Fahrzeugen, da die Anzahl der Zahnräder insgesamt reduziert werden konnte. Beispielhaft für den Einsatz sind hier Landfahrzeuge, Luftfahrzeuge und Wasserfahrzeuge zu sehen, die mit Verbrennungsmotoren, Elektromotoren oder auch anderen Aggregaten ausgestattet sein können. Ebenfalls ist ein Einsatz in Fahrzeugen denkbar, die mit Muskelkraft angetrieben werden. Um leichten Vortrieb zu gewährleisten, müssen die Fahrzeuge außergewöhnlich leicht sein. Die Funktionsbeschreibung des Getriebes soll nun aus diesem Grunde beispielhaft an einem Fahrrad vorgenommen werden.
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Die Erfindung betrifft ein Schaltgetriebe zum Beispiel für ein Fahrrad mit in einem Getriebegehäuse gelagerter Eingangswelle und Abtriebswelle, wobei die Eingangswelle zur Aufnahme von Tretkurbeln ausgestaltet und mit ihren beiden Enden aus dem Getriebegehäuse herausgeführt ist und die Ausgangswelle mit einem ihrer Enden aus dem Getriebegehäuse herausgeführt und an diesem Ende zur Aufnahme eines Abtriebsritzel ausgestaltet ist.
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Ein solches Getriebe ist beispielsweise aus der
US 5,553,510 bekannt. Auf beiden Wellen sind Zahnräder angeordnet, die jeweils über einen Freilauf drehfest mit der jeweiligen Welle verbindbar sind. Zum Schalten des Getriebes sind schwenkbare Verbindungsritzel vorgesehen, die jeweils mit zwei gegenüberliegenden Zahnrädern kämmen können. Ein solches Getriebe ist nicht nur baulich sehr aufwendig gestaltet, sondern auch störungsanfällig, da nicht sichergestellt ist, dass die Zahnräder still stehen, wenn das Kupplungsrad eingekuppelt wird. Laute Schaltgeräusche sind unvermeidbar.
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In den vergangenen vierzig Jahren hat sich bei Fahrrädern der Kettenantrieb mit einer Schaltmöglichkeit an der Hinterradachse durchgesetzt. Dazu wird am Rahmen, der den tragenden Bestandteil des Fahrrades mit all seinen Aufnahmepunkten für die Vorderradgabel, die Sattelstütze sowie das Hinterrad bildet, eine drehbar gelagerte Tretlagerwelle mit einem oder mehreren Kettenblättern montiert. Auf der Nabe des Hinterrades befindet sich eine aus bis zu elf verschieden großen Ritzeln bestehende Kassette. An einem Ausfallende des Fahrradrahmens, 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 muss. Um die Funktion zu gewährleisten ist es erforderlich, dass die Komponenten der Kettenschaltung regelmäßig gewartet werden, das umfasst die Reinigung und das Fetten der Komponenten genauso wie die penible Einstellung. Diese kann sich zum Beispiel bei Stürzen oder Kontakt mit Gegenständen (Steine, Äste etc.) leicht verändern. Da auch bei intensiver Wartung immer kleine 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 Ästen beschädigt oder vom Rahmen abgerissen werden.
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Alternativ zur „Kettenschaltung” wurde die so genannte „Nabenschaltung” entwickelt, bei der die Schaltvorgänge in einem Getriebe innerhalb 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 negativ bemerkbar. Dies gilt vor allem für Fahrräder mit Hinterradfederung. Für das Fahrverhalten eines gefederten Rades ist das Verhältnis von gefederter zu ungefederter Masse von großer 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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Bei einem bekannten Fahrrad (vergl.
DE 103 39 207 ) befindet sich das Getriebe innerhalb des Fahrradrahmens. Das Tretlagergehäuse des klassischen Fahrradrahmens fällt weg und wird durch ein 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. So kann man die Hinterradnabe sehr leicht bauen, was eine leistungsfähigere Hinterradfederung zur Folge hat. Hinzu kommt, dass sich der Schwerpunkt in die Mitte des Rades, direkt unter den Fahrer, verlagert was ein agileres und kontrollierteres Fahrverhalten zur Folge hat. Des Weiteren lässt sich mit Hilfe des in dem Rahmen integrierten Getriebes die so genannte „Plattformstrategie” einsetzen. War es im Fahrradbau bisher üblich, zunächst einen Rahmen zu bauen und diesen dann nachträglich mit seinen Komponenten auszurüsten, ist es mit dem Konzept des im Rahmen integrierten Getriebes möglich, die aus dem Automobilbau bekannte Plattformstrategie in der Fahrradherstellung einzusetzen. In dem Getriebegehäuse als Plattform werden zum Beispiel Komponenten wie Schaltung, Federung, die komplette Kraftübertragung, aber auch Bremsen, Dynamo und Beleuchtung oder sogar ein zusätzlicher Elektroantrieb fest angebracht. An dem so ausgerüsteten Getriebe werden dann die kundenspezifischen Teile montiert, die das Fahrrad nach Kundenwunsch vervollständigen. Diese Art von Getriebe in der Nähe des Tretlagers wird auch als „Rahmenschaltung” bezeichnet.
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Betrachtet man den Stand der Technik der Rahmenschaltungen gemäß
DE10 2007 013 444 ,
DE10 2004 045 364 ,
DE10 2011 106 107 oder
DE10 2008 064 514 , so kann man erkennen, dass ein großer technischer Aufwand betrieben werden muss: Das vom Benutzer aufgebrachte Drehmoment muss von einer Welle auf unterschiedliche Zahnräder mit Hilfe von schaltbaren Freiläufen so übertragen werden, dass zwischen zwei Gangstufen kein Leerlauf entsteht. Ein Leerlauf würde ein leeres Durchtreten beim Radfahren bewirken. Hieraus können Knieverletzungen resultieren und deswegen ist dieser Betriebszustand zu vermeiden. Neben der komplexen Bauweise ist bei dieser Bauart als weiterer Nachteil zu werten, dass der Nutzer beim Schaltvorgang die Trittlast auf der Pedale immer ein wenig reduzieren muss, um den Schaltvorgang zu ermöglichen. Ein dritter Nachteil ist der Umstand, dass aufgrund der Gehäusegröße der bekannten Rahmenschaltungen der Abstand vom Tretlager zur Hinterradachse immer ein bestimmtes Mindestmaß haben muss, um genügend Abstand vom Reifen zum Getriebegehäuse zu gewährleisten. Ist dieser Abstand zu groß, so kann ein solches Fahrrad schlechte dynamische Fahreigenschaften besitzen.
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Ein weiterer Nachteil bei vielen der den oben angeführten Rahmenschaltungen, aber auch bei manchen Nabenschaltungen (z. B.:
DE000019720796 ) ist der Umstand, dass die Energie, die für den Schaltvorgang benötigt wird, durch die Hände des Benutzers aufgebracht werden muss. Meist werden die Bewegungen der Schaltkomponenten innerhalb des Getriebes durch Seilzüge gesteuert, die der Nutzer in Bewegung setzen muss. Falls ein Schalten unter Pedallast vom Nutzer durchgeführt wird, können die Kräfte in den Seilzügen so hoch werden, dass ein hoher Verschleiß oder sogar ein Defekt auftreten kann. Dieser Umstand ist als Nachteil der bekannten Konstruktionen zu werten. Auch ist aufgrund dieses Umstands der Bau von elektrisch betriebenen und angesteuerten Schaltsystemen schwierig, da nicht unerhebliche Mengen an Energie für den Schaltvorgang aufgewendet wird. Eine kurze Betriebszeit der verwendeten Akkus ist die Folge.
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Betrachtet man den Stand der Technik der Rahmenschaltungen gemäß
DE10 2007 013 444 ,
DE10 2004 045 364 ,
DE10 2011 106 107 oder
DE10 2008 064 514 , so kann man erkennen, dass die Eingangswelle des Getriebes immer durch die sogenannte Tretlagerwelle gebildet wird. Die Abtriebswelle des Getriebes ist entweder als Hohlwelle koaxial zur Tretlagerwelle ausgeführt oder in einem gewissen Abstand parallel zu Tretlagerwelle ausgeführt. Beide Ausführungen haben Vor- und Nachteile: Wenn die Ausgangswelle des Getriebes als Hohlwelle koaxial zur Tretlagerwelle ausgeführt ist, entspricht der Aufbau der Konstruktion eines klassischen Fahrrades und die Konstruktion des Fahrradrahmens ist relativ einfach. Falls die Ausgangswelle des Getriebes nicht koaxial nur in einem gewissen Abstand parallel zu Tretlagerwelle ausgeführt ist, so ist diese Ausführung vorteilhaft innerhalb der Verwendung von gefederten Fahrrädern.
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Betrachtet man den Stand der Technik der Rahmenschaltungen gemäß
DE10 2007 013 444 ,
DE10 2004 045 364 ,
DE10 2011 106 107 oder
DE10 2008 064 514 , so kann man ebenfalls erkennen, dass alle Zahnräder ständig miteinander im Eingriff stehen und sich während des Betriebs ständig in Bewegung befinden, obwohl immer nur wenige Zahnradpaarungen unter Last aktiv sind. Hierdurch entstehen sogenannte Schleppverluste, die den Gesamtwirkungsgrad dieser Getriebe verschlechtern. Dieser Umstand ist als Nachteil zu werten.
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Aufgabenstellung:
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Von diesen Problemstellungen ausgehend sollen die eingangs beschriebenen Schaltgetriebe mit einer in einem Getriebegehäuse (7) gelagerter Eingangswelle (11) und Ausgangswelle (12) verbessert werden:
Zur Problemlösung zeichnet sich das gattungsgemäße Schaltgetriebe durch folgende Merkmale aus:
Im Getriebegehäuse (7) befindet sich mindestens ein Kronenrad (25), welches mit mindestens einem Kronenradritzel (23) ständig im Zahneingriff steht. Durch diesen Umstand kann die vorteilhafte besondere Eigenschaft von Kronenrädern genutzt werden, daß ein Kronenradritzel axial unter Last verschoben werden kann.
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Mindestens ein Kronenrad (25) und mindestens ein Kronenradritzel (23) steht mittelbar mit der Abtriebswelle (12) und Eingangswelle (11) in Verbindung. Dieses Merkmal beschreibt die Notwendigkeit, daß die Drehmomente durch die Kronenradstufe durchgeleitet werden müssen.
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Während einer Umdrehung eines Kronenrades (25) ist das Kronenradritzel (23) nicht mit jedem Zahn des Kronenrades (25) im Eingriff. Dieses ist ein sehr wichtiges Merkmal der Neuheit und beschreibt den Umstand, daß ein einzelnes Kronenradritzel (23) mit unterschiedlichen Übersetzungen auf einem einzigen Kronenrad (25) laufen kann. Man erreicht somit mit nur zwei Bauteilen mehrere formschlüssige Übersetzungsstufen mit einem sehr guten Wirkungsgrad und ohne jegliche Gefahr eines Durchrutschens.
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Während mehr als einer Umdrehung eines Kronenrades (25) kann das Kronenradritzel (23) mit jedem Zahn des Kronenrades (25) in Eingriff gelangen. Dieses ist ein weiteres sehr wichtiges Merkmal der Neuheit und beschreibt den Umstand, daß ein einzelnes Kronenradritzel (23) während mehrerer Umdrehungen des Kronenrades unterschiedliche Positionen mit unterschiedlichen Übersetzungen auf einem einzigen Kronenrad (25) einnehmen kann. Durch diesen Umstand kann das Schaltgetriebe unter Last geschaltet werden ohne daß zwischen zwei Gängen die Last getrennt werden muß. Die Neuheit nutzt hierbei den Umstand, daß unterschiedliche Kronenräder mit unterschiedlichen Zähnenzahlen vorteilhaft so ausgelegt werden können, daß sie sich räumlich überschneiden und man auf diese Weise die Laufbahnen der Kronenradritzel so auslegen kann, daß Kronenradritzel auf bogenförmigen Bahnen sich so bewegen, daß unterschiedliche Übersetzungen erreicht werden können.
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Mindestens ein Kronenradritzel (23) kann relativ zum Kronenrad (25) über eine Strecke verschoben werden, die größer ist als die doppelte Zahnbreite des Kronenradritzels (23). Dieses ist ein weiteres sehr wichtiges Merkmal der Neuheit und beschreibt im Resultat den Vorteil, daß mit nur zwei Bauteilen mehrere Gangstufen realisiert werden können. Ein solches Getriebe baut sehr leicht und es müssen auch nur wenige Bauteile gefertigt werden. Ein geringer Fertigungspreis ist die Folge. In der vorteilhaften Ausführung erreicht man durch die axiale Verschiebung über eine Strecke größer ist als die doppelte Zahnbreite des Kronenradritzels (23) genau zwei Gangstufen. Mit größeren Strecken erreicht man dann weitere Gangstufen, ohne weitere Bauteile zur Hilfe nehmen zu müssen. Ein weiterer Vorteil ist, daß keine Gangstufen inaktiv sind und Schleppverluste hervorrufen.
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Wenn das neuheitsgemäße Schaltgetriebe dadurch gekennzeichnet ist, daß auf dem Kronenrad (25) Zähne angeordnet sind, die eine unterschiedliche Breite und eine unterschiedliche Zahnform aufweisen, kann ein Aufbau erreicht werden, der alle Schaltvorgänge ohne Eingriffsstörungen zwischen dem Kronenrad und dem Kronenradritzel zulässt. Auf diese vorteilhafte Weise kann in jeder Situation ein Schaltvorgang durchgeführt werden.
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Wenn das neuartige Schaltgetriebe dadurch gekennzeichnet ist, daß die unterschiedlichen Zähne des Kronenrades (25) sich in einem unterschiedlichen Abstand zur Drehachse des Kronenrades (25) befinden, so ist man in der Lage, viele unterschiedliche Übersetzungen mit nur wenigen Bauteilen zu realisieren. Auf diese Weise können die Fertigungskosten gering gehalten werden. Durch neuartige Fertigungsmethoden ist man heute in der Lage ein komplexes Bauteil wie das Kronenrad (23) der Neuheit preiswert zu fertigen.
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Wenn das neuartige Schaltgetriebe dadurch gekennzeichnet ist, daß das Kronenrad (25) nicht vollständig mit Zahnen bedeckt ist, dann können Eingriffsstörungen der Verzahnung während des Schaltvorgangs verhindert werden und auch die Schaltkräfte gering gehalten werden.
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Wenn das neuartige Schaltgetriebe dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen den Zähnen auf dem Kronenrad (25) sichelförmige Freiräume angeordnet sind, dann können Eingriffsstörungen der Verzahnung während des Schaltvorgangs verhindert werden und auch das Gewicht des Bauteils reduziert werden.
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Durch den Umstand, daß sich im neuartigen Schaltgetriebe das Kronenradritzel (23) auf unterschiedlichen kreisförmigen Bahnen relativ zur Drehachse des Kronenrades (25) bewegt, kann das Schaltgetriebe mit einem guten Wirkungsgrad und konstanter Übersetzung in der jeweiligen Gangstufe betrieben werden.
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Durch den zusätzlichen Umstand, daß sich im neuartigen Schaltgetriebe das Kronenradritzel (23) während des Schaltvorgangs auf bogenförmigen Bahnen bewegt, wobei diese Bahnen keinen konstanten Abstand zu Drehachse des Kronenrades (25) aufweisen, ist der Nutzer des Getriebes in der Lage das Getriebe auch unter voller Last in vorteilhafter Weise ohne Schlupf von einer Übersetzungsstufe zur nächsten Übersetzungsstufe zu bringen. Ein störungsfreier Betrieb ist die Folge.
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Setzt man das Kronenrad des neuartigen Getriebes. aus Kronenrädern mit gleichem Modul und unterschiedlichen Zähnezahlen einstückig oder mehrteilig zusammen, so können bekannte Berechnungs- und Herstellungsmethoden für die Produktentwicklung eingesetzt werden.
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Neuartige Schaltgetriebe in der beschriebenen Ausführung können vorteilhaft in Fahrräder eingebaut werden, wenn die Eingangswelle (11) beidseitig zur Aufnahme von Tretkurbeln (6) ausgestaltet ist und mit ihren beiden Enden aus dem Getriebegehäuse (7) herausgeführt ist und die Abtriebswelle (12) mit einem ihrer Enden aus dem Getriebegehäuse (7) herausgeführt und an diesem Ende zur Aufnahme eines Abtriebsritzels (13) ausgestaltet ist. Auf diese Weise können Rahmenschaltungen aufgebaut werden, die viele der vorab beschriebenen Nachteile von Rahmenschaltungen abstellen.
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Wenn das neuartige Schaltgetriebe im Fahrrad eingebaut ist und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Eingangswelle (11) und Abtriebswelle (12) parallel zueinander angeordnet sind, so können verbesserungen beim Bau von gefederten Fahrrädern erzielt werden
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Wenn das neuartige Schaltgetriebe im Fahrrad eingebaut ist und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Eingangswelle (11) und Abtriebswelle (12) koaxial zueinander sind, so können Rahmenschaltungen aufgebaut werden, die sich sehr einfach in bestehende Fahrradkonstruktionen integrieren lassen.
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Wenn das neuartige Schaltgetriebe dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Kronenrad (25) ständig im Zahneingriff mit zwei Kronenradritzeln (23, 24) steht, dann kann mit nur drei Bauteilen (ein Kronenrad und zwei Ritzeln) die Anzahl der Schaltstufen noch weiter erhöht werden. Dieses ist von Vorteil, wenn mit der Neuheit sehr hochwertige Fahrradschaltungen auf den Markt gebracht werden sollen.
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Das Merkmal der Neuheit, daß mindestens eine Zwischenwelle (21) im Gehäuse (7) angeordnet ist und daß diese mindestens in einem Bereich eine Verzahnung (22) aufweist, führt unter anderem dazu, daß die Momente auch während der für den Schaltvorgang notwendigen axialen Verschiebung weitergeleitet werden können und auf diese Weise die Baugröße des Getriebes relativ klein gehalten werden kann.
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Wird das neuartige Schaltgetriebe so aufgebaut, daß die Verzahnung (22) der Zwischenwelle (21) mit einem Kronenradritzel (23) mindestens mittelbar in Verbindung steht, so führt auch dieses Merkmal dazu, daß die Momente auch während der für den Schaltvorgang notwendigen axialen Verschiebung weitergeleitet werden können und auf diese Weise die Baugröße des Getriebes relativ klein gehalten werden kann.
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Betrachtet man den Stand der Technik der Rahmenschaltungen gemäß
DE10 2007 013 444 ,
DE10 2004 045 364 ,
DE10 2011 106 107 oder
DE10 2008 064 514 , so kann man ebenfalls erkennen, dass viel Zahnräder ständig im Eingriff stehen und sich während des Betriebs ständig in Bewegung befinden, obwohl immer nur wenige Zahnradpaarungen unter Last aktiv sind. Wenn das neuartige Schaltgetriebe dadurch gekennzeichnet ist, daß das Kronenradritzel (
23) relativ zu einer Zwischenwelle (
21) axial verschoben werden kann, so kann man im Vergleich zum Stand der Technik viele Bauteile sparen. Ein günstiger Fertigungspreis und ein geringes Gewicht sind Vorteile die hieraus resultieren.
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Wenn das neuartige Schaltgetriebe dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zahnbreite eines Kronenradritzels (23) geringer ist als die Zahnbreite vieler Zähne, die auf dem Kronenrad (25) angeordnet sind, dann kann in jeder Betriebssituation des Getriebes sichergestellt werden, daß laute Schaltgeräusche nicht entstehen können.
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Beispielsweise werden für den Einsatz der Neuheit im Fahrrad besonders sinnvolle Schaltstufen immer dann erreicht, wenn mindestens eine Zwischenwelle (21) in mindestens zwei Bereichen Verzahnungen (22) aufweist, die unterschiedliche Durchmesser haben.
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Die Baugröße der neuartigen Getriebe kann noch weiter verringert werden, wenn diese Schaltgetriebe dadurch gekennzeichnet sind, daß zwei Zwischenwellen (21, 48) koaxial zueinander angeordnet sind.
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Das Gehäuse der neuartigen Getriebe kann sehr einfach gestaltet werden, wenn die Schaltgetriebe dadurch gekennzeichnet sind, daß die Drehachsen von zwei Kronenradritzeln (23, 24) parallel zueinander angeordnet sind.
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Ausführungsbeispiel
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Mit Hilfe von Zeichnungen sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigt:
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1 ein Fahrrad mit einem im Rahmen integrierten Schaltgetriebe;
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2 eine Ansicht einer beispielhaften Ausführung des Schaltgetriebes im Fahrrad eingebaut von schräg hinten;
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3 eine weitere Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausführung des Schaltgetriebes im Fahrrad eingebaut von schräg hinten;
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4 eine beispielhafte Ausführung der Zahnradbauteile des Schaltgetriebes, dargestellt mit geschnittenem Gehäuse in perspektivischer Darstellung;
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5 eine beispielhafte Ausführung der Zahnradbauteile und der Schaltansteuerungsbauteile des Schaltgetriebes, dargestellt mit geschnittenem Gehäuse in perspektivischer Darstellung;
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6 eine beispielhafte Ausführung des Schaltgetriebes, dargestellt ohne Gehäuse in schematischer Darstellung
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7 eine Draufsicht auf ein beispielhaft neuheitsgemäß ausgestaltetes Kronenrad.
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8 eine weitere beispielhafte Ausführung des Schaltgetriebes, dargestellt ohne Gehäuse in schematischer Darstellung
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9 eine weitere beispielhafte Ausführung des Schaltgetriebes, dargestellt ohne Gehäuse in schematischer Darstellung.
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1 zeigt die Seitenansicht eines Fahrrades, in dessen Rahmen 1 das Schaltgetriebe 5 mit den Tretkurbeln 6 integriert ist.
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Der Benutzer des Fahrrades kann an einer Lenkerbedieneinheit 16 die benötigte Gangstufe einstellen. Diese Information wird mechanisch oder elektronisch an das Schaltgetriebe 5 weitergeleitet. Dort dreht dann das Abtriebsritzel 13 mit der vom Benutzer gewünschen Übersetzung relativ zur Tretlagerwelle 11. Über eine Kette 14 oder ein anderes Zugmittel wird das Drehmoment an das Hinterradritzel 10 zum Hinterrad 15 weitergeleitet. Über ein Gelenk 3 und ein Feder-Dämpfer-Element 4 ist am Rahmen 1 eine Hinderradschwinge 2 angeordnet. Das Hauptgehäuse 7 des Schaltgetriebes 5 ist ebenfalls in dem Rahmen 1 eingeschraubt.
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2 stellt eine beispielhafte Ausführung des Schaltgetriebes 5 mit Rahmen 1 und Hinterradschwinge 2 dar. Man erkennt hier eine mögliche Ausgestaltung des Hauptgehäuses 7 mit den Rahmenbefestigungspunkten 8 sowie dem Gehäusedeckel 9. Die Tretlagerwelle 11 ist im Hauptgehäuse 7 gelagert. Die Abtriebswelle 12 überträgt das Drehmoment über ein Abtriebsritzel 13 und über eine, hier im Bild nicht dargestellte, Kette 14 zum Hinterrad 15. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Hauptgehäuses 7 ist so ausgeführt, dass das Gelenk 3 räumlich sehr nahe an der Tretlagerwelle 11 angeordnet ist. Bei erfindungsgemäßer Neuheit, ist dies besser umsetzbar als bei anderen Konstruktionen nach dem Stand der Technik. Die Abtriebswelle 12 ist als Hohlwelle ausgeführt und koaxial zur Tretlagerwelle 11 ausgeführt. Für bestimmte Einsatzbereiche ist diese Ausführung vorteilhaft.
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3 stellt eine andere beispielhafte Ausgestaltung der Neuheit dar. Hier ist die Abtriebswelle 12 nicht koaxial zur Tretlagerwelle 11, sondern parallel zur Tretlagerwelle 11 angeordnet. Die in 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen sind für unterschiedliche Einsatzgebiete des Radsports sowie für elektrisch angetriebene Fahrräder geeignet und können mit Hilfe der Neuheit umgesetzt werden.
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4 eine beispielhafte Ausführung der Zahnradbauteile des Schaltgetriebes, dargestellt im Schnitt in perspektivischer Darstellung. Das Hauptgehäuse 7, die Abtriebswelle 12 und das Abtriebsritzel 13 ist in geschnittener Darstellung abgebildet. Die Tretlagerwelle 11 ist auf der linken Seite über das Kugellager 17 im Hauptgehäuse 7 gelagert. Auf der rechten Seite ist die Tretlagerwelle 11 mit zwei Kugellagern 18 innerhalb der Abtriebswelle 12 gelagert. Die Abtriebswelle 12 ist als Hohlwelle ausgeführt. Innerhalb des Hauptgehäuses 7 befindet sich eine weitere Zwischenwelle 21, die über ein Kugellager vorne 19 und ein Kugellager hinten 20 im Hauptgehäuse 7 drehbar gelagert ist. In dieser Darstellung kann man ein Eigenschaften dieser Zwischenwelle 21 erkennen: Sie ist nicht parallel zur Tretlagerwelle 11 und nicht parallel zur Abtriebswelle 12 angeordnet. Eine weitere in der Darstellung erkennbare Eigenschaft ist, daß die Drehachse der Zwischenwelle 21 nicht in der Ebene liegt, in welcher die Drehachse der Tretlagerwelle 11 liegt. Man erkennt in der Darstellung, daß die Zwischenwelle 21 mindestens in einem Teilbereich eine Verzahnung 22 aufweist. Auf der Zwischenwelle 21 sind zwei Ritzel 23, 24 so verschieblich angeordnet, daß sie Drehmomente auf die Zwischenwelle übertragen können. Dieses kann man beispielweise erreichen, indem man die Bohrungen der Ritzel 23, 24 mit einem Zahnwellenprofil gemäß DIN5480 ausführt und zusätzlich die Zwischenwelle 21 ebenfalls mit einem Zahnwellenprofil gemäß DIN5480 ausführt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt die Drehachse der Zwischenwelle 21 im Betrieb unterhalb der Drehachse der Tretlagerwelle 11, da auf diese Weise der Schwerpunkt des Fahrzeugs niedrig gehalten werden kann und die Befestigung des Getriebes 5 im Fahrradrahmen 1 einfach in der Fertigung gehalten werden kann. Die Tretlagerwelle 11 ist auf der linken Seite mit einem Kronenrad 25 verbunden, welches im folgenden auch als Primärkronenrad 25 bezeichnet werden soll. Die Ritzel 23 und 24 sollen im folgenden als Kronenradritzel 23 und 24 bezeichnet werden. Das Primärkronenrad 23 hat bestimmte wichtige Eigenschaften, die man in der Darstellung erkennen kann: Mindestens ein Kronenradritzel befindet sich im Betrieb ständig mit bestimmten Zähnen im Eingriff, die auf dem Primärkronenrad 25 angeordnet sind. Die Zähne sind auf dem Kronenrad 25 so angeordnet, daß das Kronenradritzel 23 während einer Umdrehung des Kronenrads 25 nicht mit allen Zähnen des Kronenrades 25 in Kontakt steht. Zusätzlich sind die Zähne auf dem Kronenrad 25 so angeordnet, daß das Kronenradritzel 23 während mehrerer Umdrehungen des Kronenrads 25 mit allen Zähnen des Kronenrades 25 in Kontakt stehen kann. Damit das Kronenradritzel 23 mit allen Zähnen des Kronenrades 25 in Kontakt kommen kann, ist eine axiale Verschiebung des Kronenradritzels notwendig. Die Bauteile, die für eine axiale Verschiebung der Kronenradritzel 23 und 24 auf der Zwischenwelle 21 sorgen, sind in 4 nicht dargestellt. Durch die axiale Bewegung des Kronenradritzels 23 auf der Zwischenwelle 21 werden unterschiedliche Getriebeübersetzungen erreicht.
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5 zeigt eine schematische Darstellung des Schaltgetriebes aus in 4. Hier kann man die Funktion der unterschiedlichen Übersetzungsstufen näher beschreiben: Steht das Kronenradritzels 23 auf Position A so dreht die Zwischenwelle 21 beispielweise mit der 3,57-fachen Geschwindigkeit wie die Tretlagerwelle 11.
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Steht das Kronenradritzels 23 auf Position B so dreht die Zwischenwelle 21 beispielweise mit der 2-fachen Geschwindigkeit wie die Tretlagerwelle 11.
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Steht das Kronenradritzels 23 auf Position B so dreht die Zwischenwelle 21 beispielweise mit der 2-fachen Geschwindigkeit wie die Tretlagerwelle 11.
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Um die Drehmomente des Fahrers nun auf die Abtriebswelle 12 weiterzuleiten, befindet sich ein weiteres Kronenradritzel 24 auf der Zwischenwelle 21. Dieses ist in dieser beispielhaften Ausführung ebenfalls verschieblich auf der Zwischenwelle 21 angeordnet. Durch die Verzahnung 22 werden auch hier die Drehmomente von der Zwischenwelle 21 auf das Kronenradritzel 24 weitergegeben. Das Kronenradritzel 24 steht auch hier in Verbindung zu einem Kronenrad 26, welches im folgenden als Sekundärkronenrad 26 bezeichnet werden soll. Das Sekundärkronenrad 26 hat bestimmte wichtige Eigenschaften, die man in der Darstellung erkennen kann: Mindestens ein Kronenradritzel 24 befindet sich im Betrieb ständig mit bestimmten Zähnen im Eingriff, die auf dem Sekundärkronenrad 26 angeordnet sind. Die Zähne sind auf dem Kronenrad 26 so angeordnet, daß das Kronenradritzel 24 während einer Umdrehung des Kronenrads 26 nicht mit allen Zähnen des Kronenrades 26 in Kontakt steht. Zusätzlich sind die Zähne auf dem Kronenrad 26 so angeordnet, daß das Kronenradritzel 24 während mehrerer Umdrehungen des Kronenrads 26 mit allen Zähnen des Kronenrades 26 in Kontakt stehen kann. Damit das Kronenradritzel 24 mit allen Zähnen des Kronenrades 26 in Kontakt kommen kann, ist eine axiale Verschiebung des Kronenradritzels notwendig. Die Bauteile, die für eine axiale Verschiebung der Kronenradritzel 24 auf der Zwischenwelle 21 sorgen, sind in 4 und 5 nicht dargestellt. Durch die axiale Bewegung des Kronenradritzels 24 auf der Zwischenwelle 21 werden unterschiedliche Getriebeübersetzungen erreicht.
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Steht das Kronenradritzels 24 auf Position D so dreht die Zwischenwelle 21 beispielweise mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Abtriebswelle 12. Das entspricht einer Übersetzung 1 zu 1.
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Steht das Kronenradritzels 24 auf Position E so dreht die Zwischenwelle 21 beispielweise mit der 1,14-fachen Geschwindigkeit wie die Abtriebswelle 12.
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Steht das Kronenradritzels 24 auf Position F so dreht die Zwischenwelle 21 beispielweise mit der 1,32-fachen Geschwindigkeit wie die Abtriebswelle 12.
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Steht das Kronenradritzels 24 auf Position F so dreht die Zwischenwelle 21 beispielweise mit der 1,55-fachen Geschwindigkeit wie die Abtriebswelle 12.
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Es wird deutlich, daß durch die unterschiedlichen Positionen A, B und C des Kronenradritzels 23 und durch die unterschiedlichen Positionen D, E, F und G des Kronenradritzels 24 insgesamt 12 unterschiedliche Gangstufen möglich sind. Es handelt sich somit bei diesem Schaltgetriebe um ein 12-Gang Getriebe mit formschlüssiger Kraftübertragung. Im Vergleich zu kraftschlüssigen Verstellgetrieben hat diese Neuheit einen sehr guten Wirkungsgrad. Ebenfalls sind die Schleppverluste sehr gering und es kann aufgrund der Wirkprinzipien kein Leerlauf auftreten. Alle diese Punkte sind Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik. Eine vereinfachte Bauart dieses Schaltgetriebes hätte weniger Gänge. Dieses kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß nur ein Kronenradritzel 23 oder 24 verschieblich angeordnet wird und die Drehmomente von der Zwischenwelle nur mit einem einfachen Winkelgetriebe von der Zwischenwelle 21 auf die Tretlagerwelle 11 übertragen werden.
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Um die Funktion einer möglichen Schaltansteuerung näher zu erläutern, zeigt 6 die beispielhafte Ausführung der Neuheit in Schnittdarstellung. Die Kronenradritzel 23, 24 werden durch die Schaltgabeln 37, 38 axial auf der Zwischenwelle 21 fixiert. Die Schaltgabeln 37, 38 sind auf Gewindestangen 31, 32 befestigt und werden bei einer Rotation der Gewindestangen axial verschoben. Die Gewindestange 31 des Kronenradritzels 23 ist durch das Lager 33 und Lager 34, welches nicht dargestellt ist, im Gehäuse gelagert. Die Gewindestange 32 sorgt für die axiale Verstellung des Kronenradritzels 24 und ist durch das Lager 35 und Lager 36, welches ebenfalls nicht dargestellt ist, im Gehäuse gelagert. Die Gewindestangen werden durch die Verstellmotoren 29, 30 In Drehbewegung versetzt. Um die 12 dargestellten Schaltkombinationen zu erreichen, verarbeitet eine elektronische Motorsteuerung die Signale eines Drehwinkelgebers 27 für das Kronenrad 25 und ebenfalls die Signale eines weiteren Drehwinkelgebers 28 für das Kronenrad 26 in einer Weise, daß die Kronenradritzel 23 und 24 ohne Eingriffsstörungen auf Kronenradbahnen geleitet werden. Der Nutzer des Fahrrades stellt an der Lenkerbedieneinheit 16 den gewünschen Gang ein, und die Verstellmotoren 29 und 30 bewegen die Kronenradritzel auf bestimmten Bahnen auf die relevanten Positionen A, B, C und D, E, F, sowie G. Damit dieser Vorgang ohne Eingriffstörungen an der Verzahnung erfolgen kann, muß das Kronenrad weitere Eigenschaften aufweisen, die im folgenden schematisch dargestellt werden.
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7 zeigt das Kronenrad 25 schematisch in der Draufsicht auf die Verzahnung. Die Zähne sind nicht dargestellt. Man erkennt die Laufbahn Ap des Kronenradritzels, wenn es sich in Position A gemäß 6 befindet. Man erkennt die Laufbahn Bp des Kronenradritzels, wenn es sich in Position B gemäß 6 befindet. Man erkennt die Laufbahn Cp des Kronenradritzels, wenn es sich in Position C gemäß 6 befindet. Die Laufbahn Ap befindet sich ausschlieslich in einem Teilbereich 39 des Kronenrades, auf dem 50 Zähne über dem Umfang verteilt sind. Die Laufbahn Bp befindet sich ausschlieslich in einem Teilbereich 41 des Kronenrades, auf dem 28 Zähne über dem Umfang verteilt sind. Die Laufbahn Cp befindet sich ausschlieslich in einem Teilbereich 43 des Kronenrades, auf dem 16 Zähne über dem Umfang verteilt sind. Man kann also festhalten, daß das Kronenradritzel, wenn keine Schaltvorgänge gewünscht sind, unterschiedliche kreisförmige Relativbewegungen zum Kronenrad ausführt, wobei die jeweils einzelnen Bahnbewegungen im gleichen Abstand zur Drehachse des Kronenrades angeordnet sind. Falls das Kronenradrizel von seiner Laufbahn Ap zur Laufbahn Bp geschoben werden soll, so geschieht das ausschließlich über die Laufbahn Dp1, die hier gepunktet dargestellt ist. Ebenfalls gepunktet dargestellt sind die Laufbahnen Dp2, Ep1 und Ep2, die es dem Kronenradritzel ermöglichen, auf die unterschiedlichen Laufbahnen Ap, Bp und Cp zu gelangen. Einen elektronische oder mechanische Schaltansteuerung stellt sicher, daß sich das Kronenradritzel nur auf den erlaubten Bahnen Ap, Bp, Cp, Dp1, Dp2, Ep1 und Ep2 bewegen kann. Die elektronische oder mechanische Schaltansteuerung ist hier nicht dargestellt. Man kann also zusätzlich festhalten, daß das Kronenradritzel während der Schaltfunktion unterschiedliche kreisförmige Relativbewegungen zum Kronenrad ausführt, wobei die jeweils einzelnen Bahnbewegungen sich im Abstand zur Drehachse des Kronenrades ändern. Um eine Bewegung der Kronenradritzel ohne Eingriffstörungen auf den beschriebenen Laufbahnen Dp1 und Dp2 zu ermöglichen, so ist es notwendig, Teilbereiche 40 des Kronenrades so auszugestalten, daß die Verzahnung einem Kronenrad mit 40 Zähnen über dem Umfang entspricht. Um eine Bewegung der Kronenradritzel ohne Eingriffstörungen auf den beschriebenen Laufbahnen Ep1 und Ep2 zu ermöglichen, so ist es notwendig, Teilbereiche 42 des Kronenrades so auszugestalten, daß die Verzahnung einem Kronenrad mit 20 Zähnen über dem Umfang entspricht. Man kann also zusätzlich festhalten, daß das Kronenrad der Neuheit aus verschiedenen unterschiedlichen Kronenrädern mit gleichem Modul und unterschiedlichen Zähnezahlen einteilig oder mehrteilig zusammengesetzt sein kann. Zusätzlich darf die Fläche des Kronenrades nicht vollständig mit Zähnen besetzt sein. Es muß Freiflächen 44 geben, die dafür Sorge tragen, daß das Kronenradritzel während seiner Abrollbewegung nicht mit 2 unterschiedlichen Zähnen des Kronenrades gleichzeitig so im Eingriff steht, daß eine Eingriffstörung auftreten würde.
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In 8 ist eine weitere beispielhafte Ausführung der Neuheit schematisch dargestellt. Die Fertigung der Kronenräder 25 und 26 ist einfacher, wenn die Achse der Kronenradritzel 23 und 24 im rechten Winkel zu der Drehachse der Kronenräder steht. Es ist ebenfalls erkennbar, daß die Zwischenwelle 21 auch im rechten Winkel zu der Drehachse der Kronenräder steht. Ach hier ist erkennbar, daß mindestens ein Kronenradritzel relativ zum Kronenrad über eine Strecke verschoben werden, die größer ist als die doppelte Zahnbreite des Kronenradritzels. Das Kronenradritzel wird hier nicht wir in den vorher beschriebenen Anordnungen über eine verzahnte Welle geschoben, sondern befindet sich frei drehbar und axial verschiebbar auf einer Linearachse 45 angeordnet. Die Drehmomente des Fahrers gelangen von der Abtriebswelle 11 über das Primärkronenrad 25 auf der Kronenradritzel 23, um dann direkt auf die Aussenverzahnung 22 der Zwischenwelle 21 übertragen zu werden. Nachfolgend werden die Drehmomente von der Zwischenwelle 21 über die Verzahnung 22 auf das Kronenradritzel 24 geleitet, welches dann die Übertragung auf das Sekundärkronenrad 26 übernimmt. Analog zu 4 wird von dort das Dremoment über eine Abtriebswelle 12 auf das Abtriebsritzel 13 weitergeleitet. Die Schaltfunktion wird erreicht, indem die Kronenradritzel 23, und 24 die relevanten Positionen A, B und C sowie D, E, F und G auf der Linearachse 45 einnehmen. In vorteilhafter Ausgestaltung haben die Verzahnungen 22 auf der Zwischenwelle 21 unterschiedliche Zähnezahlen, weil nur auf diese Weise die richtigen Stufensprünge für die Übersetzungstufen erreicht werden können Auf die Ansteuerung der Kronenradritzel soll in dieser Darstellung nicht eingegangen werden. Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle angemerkt, daß in 6 und 8 und 9 die Lagerungen der Achsen und Wellen durch Rechtecke mit Kreuzen gekennzeichnet sind und der Umstand, daß die Lager sich im Gehäuse befinden, durch eine angeliederte Schraffur dargestellt wurde.
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In 9 ist eine weitere beispielhafte vorteilhafte Ausführung der Neuheit schematisch dargestellt. Um Leichtbau zu betreiben und die Spannungen unter Last in den Zähnen des Kronenrades und im Kronenradritzel zu reduzieren, wird hier auf der Eingangswelle 11 ein Antriebswellenzahnrad 46 angeordnet, das mit einem verzahnten Bereich 22 der Zwischenwelle 21 in Verbindung steht. Die Zwischenwelle 21 mit dem axial verschieblich angeordneten Kronenradritzel 23 dreht dann circa mit der dreifachen Drehzahl der Eingangswelle 11. Man erkennt, daß die Zwischenwelle 21 und die zweite Zwischenwelle 48 in zwei Bereichen Verzahnungen 22 aufweisen, die unterschiedliche Durchmesser haben. Der Kraftfluß durch diese Ausgestaltung der Neuheit findet somit wie folgt statt: Von der Eingangswelle 11 über das Antriebswellenzahnrad 46 auf die erste Zwischenwelle 21. Das axial verschiebbare Kronenrad 23 ist drehfest zur Zwischenwelle 21 verbunden. Die Drehmomente werden so vom Kronenradritzel 23 auf das Kronenrad 25 weitergeleitet um von dort sogleich wieder auf das zweite Kronenradritzel 24 geleitet zu werden. Das zweite axial verschiebbare Kronenradritzel 24 ist ebenfalls drehfest zur zweiten Zwischenwelle 48 verbunden und leitet dann final das Drehmoment auf ein Abtriebswellenzahnrad 47, welches auf der bereits beschriebenen Abtriebswelle 12 angeordnet ist. Auf diese Weise gelangt das Drehmoment bis zum Abtriebsritzel 13. Diese Ausführung ist auch insofern vorteilhaft, da eine große Anzahl an Schaltstufen nur mit einem Kronenrad erreicht werden kann. Ebenfalls kann das Getriebe leicht gebaut werden, da die Drehzahl durch das Antriebswellenzahnrad 46 erhöht wurde. Die Schaltfunktion des Schaltgetriebes ist auch hier in dieser Darstellung nicht weiter dargestellt und kann mechanisch oder elektromechanisch wie beispielhaft in 5 beschrieben erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rahmen
- 2
- Hinterradschwinge
- 3
- Gelenk
- 4
- Feder-Dämpfer-Element
- 5
- Schaltgetriebe
- 6
- Tretkurbel
- 7
- Hauptgehäuse
- 8
- Rahmenbefestigungspunkten
- 9
- Gehäusedeckel
- 10
- Hinterradritzel
- 11
- Eingangswelle, Tretlagerwelle
- 12
- Abtriebswelle
- 13
- Abtriebsritzel
- 14
- Kette
- 15
- Hinterrad
- 16
- Lenkerbedieneinheit
- 17
- Kugellager
- 18
- Kugellager
- 19
- Kugellager
- 20
- Kugellager
- 21
- Zwischenwelle
- 22
- Verzahnung
- 23
- Ritzel
- 24
- Ritzel
- 25
- Primärkronenrad
- 26
- Sekundärkronenrad
- 27
- Drehwinkelgeber
- 28
- Drehwinkelgeber
- 29
- Verstellmotor
- 30
- Verstellmotor
- 31
- Gewindestange
- 32
- Gewindestange
- 33
- Lager
- 34
- Lager
- 35
- Lager
- 36
- Lager
- 37
- Schaltgabel
- 38
- Schaltgabel
- 39
- Teilbereich Kronenrad 50 Zähne
- 40
- Teilbereich Kronenrad 40 Zähne
- 41
- Teilbereich Kronenrad 28 Zähne
- 42
- Teilbereich Kronenrad 20 Zähne
- 43
- Teilbereich Kronenrad 16 Zähne
- 44
- Freifläche
- 45
- Linearachse
- 46
- Antriebswellenzahnrad
- 47
- Abtriebswellenzahnrad
- 48
- zweite Zwischenwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5553510 [0004]
- DE 10339207 [0008]
- DE 102007013444 [0009, 0011, 0012, 0031]
- DE 102004045364 [0009, 0011, 0012, 0031]
- DE 102011106107 [0009, 0011, 0012, 0031]
- DE 102008064514 [0009, 0011, 0012, 0031]
- DE 000019720796 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN5480 [0050]
- DIN5480 [0050]
