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Die Erfindung betrifft die Gangschaltung eines mit Muskelkraft bewegten Wasserfahrzeuges oder ein- oder mehrspurigen Landfahrzeuges mit elektromotorischem Zusatzantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Beim ein- oder mehrspurigen Landfahrzeug mit elektromotorischem Zusatzantrieb handelt es sich insbesondere um die Auslegung eines Elektrofahrrades als geschwindigkeitsbegrenztes Pedelec oder als versicherungspflichtiges E-Bike. Eine Gangschaltung für ein solches Elektrofahrrad ist in der
DE 10 2016 014 066 B3 näher beschrieben. Im Antriebsstrang zum ausgangsseitigen Zugmittelrad kann eine Auswahl zwischen Zahnrad-Paarungen aus Ritzeln und Triebrädern unterschiedlich vorgegebener Übersetzungsverhältnisse getroffen werden. Dazu werden Klauenräder mit ihren achsparallelen Klauen durch Axialverlagerung in oder außer formschlüssigen Eingriff mit koaxial benachbarten Ritzeln gebracht. Diese Axialverlagerung erfolgt dort mittels zentrifugal achsparallel geführter Schaltgabeln, die mittels U-förmiger Schenkel die Peripherie der Klauenräder teilweise umgreifen. Die Schaltgabeln sind dazu biegesteif, wie dort skizziert mittels Ringen oder vorteilhafter mittels Kugelumlaufbuchsen, radialgelagert längs einer gerätefesten, zu den Zahnrad-Paarungen achsparallelen Säule linear verlagerbar geführt. Der Gangwechsel kann aber behindert oder gar unterbunden werden, wenn ein zu starkes Biegemoment zwischen Klauenrad und Führungs-Säule auf die den Radialabstand überbrückende Schaltgabel einwirkt; dann kann es zu Verkanten und damit zu Verklemmen des Eingriffes der Klauen in das Ritzel kommen.
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In Erkenntnis solcher Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die technische Aufgabenstellung zugrunde, das Auftreten derartiger Störungen beim Gangwechsel möglichst zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Zusammenwirken der im Hauptanspruch angegebenen wesentlichen Merkmale gelöst. Danach erfolgt pro Klauenrad die Querführung einer Schaltstange, die mit dem Klauenrad in Eingriff steht, längs der getriebefesten Säule mit erhöhter Lagerbreite, nämlich mittels eines hülsenförmigen Linearlagers, das zentrifugal biegesteif mit seiner Schaltstange und ihr diametral gegenüber mit der Schaltnocke bestückt ist. Bei der Schaltstange kann es sich gewissermaßen um einen Schenkel der vorbeschriebenen U-förmigen Schaltgabel handeln. Die Hülse des Linearlagers ist im Rahmen der räumlichen Gegebenheiten axial möglichst lang bemessen, um möglichst hohe Axialmomente aufnehmen und über die Säule in das Getriebe-Gehäuse der Gangschaltung ableiten zu können. Durch diese axial verlängerte Lagerung ist einem Verbiegen der Schaltstange und somit Verklemmen der zum Gangwechsel achsparallel aus dem Ritzel zu ziehenden Klauen wirksam vorgebeugt.
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Um die längs der Mantelfläche der Säule auftretende Reibung in der Hülse nicht entsprechend anwachsen zu lassen, trägt gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung nur der jeweilige Stirnbereich des hülsenförmigen Linearlagers; wozu die Hülse hier radial gestaucht oder mit kleinbauenden Radiallagern bestückt sein kann. Über das Linearlager im Übrigen herrscht ein hohlzylindrischer lichter radialer Freiraum zwischen der Außenmatelfläche der Säule und der Innenmatelfläche der längs der Säule verschiebbaren Hülse des Linearlagers. So wird ein vom Kippmoment der Schaltstange hervorgerufenes Axialmoment längs der Führungs-Säule durch zwei axial möglichst weit voneinander entfernte Radiallager bei den Stirnbereichen der Hülse aufgenommen, die vorzugsweise als flachbauende Wälzlager ausgelegt sind.
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Im Interesse gedrängten Aufbaues sind die axialen Abstände zwischen den Zahnrad-Paarungen der unterschiedlich wählbaren Gänge relativ gering. Entsprechend dicht einander axial benachbart sind die längs der Säule verlagerbaren, den Zahnrad-Paarungen zugeordneten Schaltstangen. Für wünschenswert lange Linearlager ist deshalb längs der Säule kaum Raum. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird wenigstens eine weitere Säule eingebaut, vorzugsweise eine Säule pro Schaltstange. Deren Axialbewegungen beim Umschalten der Gänge sind zwar der Eindringtiefe der Klauen entsprechend gering, aber den Schaltstangen steht nun jeweils die volle Länge einer Führungs-Säule für die Beabstandung der beiden Radiallager bei den Stirnbereichen einer Hülse zur Verfügung.
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Die Wandung der Hülse muss nicht über ihre ganze Länge rundum geschlossen sein. Es genügt grundsätzlich eine zur Säule parallele Stange, an deren beiden Stirnenden die Lagerstellen ausgebildet sind. Im Interesse höherer und symmetrischer Belastbarkeit sind aber geschlossene Hülsen für das Ausbilden der axial gespreizten Lagerstellen einer Schaltstange zu bevorzugen.
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Zusätzliche Weiterbildungen zur erfindungsgemäßen Lösung und deren Alternativen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung von deren Vorteilen, aus nachstehender Beschreibung einer skizzierten bevorzugten Realisierung zur Erfindung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt, unmaßstäblich auf das Funktionswesentliche abstrahiert und ohne Berücksichtigung von Wälzlagern und Freiläufen im Antriebsstrang bei in die Zeichenebene verlegten Parallelachsen:
- 1 Längs einer gehäusefesten Säule einander benachbarte, als Schaltgabeln ausgelegte, Schaltstangen; zum Gangwechsel längsgeführt mittels jeweils zweier axial gegeneinander versetzter Radial-Lagerstellen.
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Im skizzierten, eine Gangschaltung 10 aufnehmenden Antriebs-Gehäuse 11 eines ein- oder mehrspurigen Pedelec oder E-Bike beziehungsweise eines Tretbootes werden das mit Muskelkraft über Pedale 12 erzeugte Drehmoment und ein von einem Elektromotor 13 geliefertes Zusatz-Drehmoment einander getrieblich überlagert, etwa in einem Planetengetriebe als Überlagerungsgetriebe 14. Eine Steuerschaltung 15 bewirkt einen von der gerade eingebrachten Muskelkraft abhängigen Beitrag des Elektromotors 13; mit der Folge, dass der nur dann einen Antriebs-Beitrag liefert, wenn auch Muskelkraft eingebracht wird.
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Das Überlagerungsgetriebe 14 treibt eine Zentralwelle 16, die hier mit zwei Klauenrädern 17 drehfest aber axial verlagerbar bestückt ist. Denen ist koaxial je ein Ritzel 18 zugeordnet, das auf der Zentralwelle 16 axial fixiert aber verdrehbar ist. Bei der skizzierten Auslegung liegt (bezogen auf die Darstellung) jeweils mit gegenseitigem axialem Abstand eines der Klauenräder 17 über dem oberen Ritzel 18 und das weitere Klauenrad 17 unter dem unteren Ritzel 18. Von jedem Klauenrad 17 ragen Klauen in Form kurzer achsparalleler Zapfen 19 auf das benachbarte Ritzel 18 zu, deren axiale Länge kleiner ist, als der jeweilige axiale Abstand zwischen Klauenrad 17 und Ritzel 18. Wenn eines der Klauenräder 17 in Richtung auf das ihm axial benachbarte Ritzel 18 verschoben wird, dann greifen (erforderlichenfalls nach gewissem gegenseitigem Verdrehen von Klauenrad 17 und Ritzel 18) die Zapfen 18 in Ausnehmungen etwa in Form von achsparallelen Löchern 20, etwa Sackbohrungen, im Ritzel 18 ein. Die achsparallele Länge der Zapfen 19 ist vorzugsweise nicht größer, als die Tiefe der Löcher 20, damit in diesem eingekuppelten Zustand Klauenrad 17 und Ritzel 18 flach aufeinander zu liegen kommen.
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Dieses Zusammenwirken von Klauenrad 17 und Ritzel 18 hat so die Wirkung einer Kupplung im Antriebsstrang zwischen der angetrieben Zentralwelle 16 und einer, mit einem Zugmittelrad 21 drehfest bestückten, Abtriebswelle 22. Die trägt pro Ritzel 18, mit diesem stirnseitig kämmend, ein Triebrad 23.
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Die Ritzel-Triebrad-Paarungen 18-23 weisen, wie aus der Skizze ersichtlich, unterschiedliche Durchmesser und somit unterschiedliche Übersetzungen beim Antrieb des mit einer Kette oder einem Riemen bestückten Zugmittel rades 21 auf. In Bezug auf die Drehzahl der Zentralwelle 16 hängt also die Drehzahl des ausgangsseitigen Zugmittelrades 21 von der Gangschaltung in Form des Einkoppelns eines der Klauenräder 17 ab.
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Zum Umschalten auf einen anderen Gang werden die Klauenräder 17 axial verschoben. Das kann mittels jeweils einer Schaltstange 32 erfolgen, die dafür mit einem Klauenrad 17 in Eingriff steht und längs einer stationären, zur Drehachse des Klauenrades 17 parallelen Säule 26 geführt wird. Wenn das mittels einer Hülse 31 erfolgt, von deren Außenmatelfläche die Schaltstange 32 mittig zentrifugal vorkragt, ergibt sich eine axial lange oder eine axial weit beabstandete Lagerung der Hülse 31 auf der Säule 26. Deshalb kann ein großes Biegemoment aus der Beanspruchung der Schaltstange 32 beim Ein- und Auskuppeln der Zapfen 19 aufgenommen und als Axialmoment über die Säule 26 abgeleitet werden.
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Für einen symmetrischen Angriff gegen das axial zu verlagernde Klauenrad 17 bilden zwei Schaltstangen 32 die Schenkel 32 einer U-förmigen Schaltgabel 25. Das Klauenrad 17 ist mit einer stirnseitig umlaufenden Nut 24 ausgebildet, in welche zentripetal eingreifend das Klauenrad 17 von den biegesteif ausgelegten U-Schenkeln 32 der Schaltgabel 25 teilumfänglich umgriffen wird.
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Jedes Klauenrad 17 kann mittels seiner Schaltgabel 25 axial verschoben werden. Dabei wird die jeweilige Schaltgabel 25 längs der geräte-stationären, zur Zentralwelle 16 achsparallelen Säule 26 geführt. Diese Bewegung der Schaltgabeln 25 erfolgt mittels eines manuell oder von einem Servomotor 28 verdrehbaren oder verschiebbaren zylindrischen oder kubischen Kulissensteines 27, dargestellt als servogesteuerte Schaltwelle. In deren der Säule 26 zugewandten Oberfläche sind, teilweise gebogen verlaufende, Kulissen 29 eingelassen. In die greifen die Schaltgabeln 25, den U-Schenkeln 32 diametral gegenüber, mit kurzen biegesteifen Schaltnocken 30 ein. Bei Verlagern der Kulissen 29 relativ zur Säule 26 werden deshalb die Schaltgabeln 25, und mittels dieser deren Klauenräder 17, je nach der Kulissen-Neigung längs der Säule 26 in der einen oder in der anderen Axialrichtung verschoben oder in ihrer momentanen Längs-Stellung beibehalten. So wird vom Kulissenstein 27 über die Schaltgabeln 25 gesteuert, welches der Gang- oder Triebräder 23 mittels seines Klauenrades 17 über das Ritzel 18 mit der Zentralwelle 16 in Drehverbindung gebracht wird, welche Gang-Übersetzung im Antriebsstrang zum Zugmittelrad 21 also momentan wirksam ist.
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Zu solchem Gangwechsel müssen also zunächst mittels der exzentrisch gelagerten Schaltgabel 25 die Zapfen 19 des Klauenrades 17 aus dem Ritzel 18 achsparallel herausgezogen werden, um das bisherige Übersetzungsverhältnis zum Umschalten auf einen anderen Gang aufzuheben. Wenn während solchen Umschaltvorganges ein starkes Drehmoment über die Zentralwelle 16 auf das noch eingekoppelte Ritzel 18 einwirkt, kann über die Schaltgabel 25 ein Kipp- oder Axialmoment bei deren Führung längs der Säule 26 auftreten. Das verkippt und verklemmt auch die Zapfen 19 in ihren Löchern 20, und die eingeleitete Gangumschaltung erfolgt verzögert oder gar nicht.
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Um eine derartige Funktionsstörung beim insbesondere Trennen des Klauenrades 17 vom Ritzel 18 zu vermeiden, wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, dass die Säule 26 von der Schaltgabel 25 ein größeres Axialmoment aufnehmen kann. Dazu wird die Auflage der Schaltgabeln 25 längs der Führungs-Säule 26 verlängert. Das erfolgt mittels einer diese umgebenden, als Linearlager wirkenden länglichen Hülse 31. An die sind vorzugsweise mittig ein oder zwei Schaltstangen 32 (letztere als U-Schenkel 32 der Schaltgabel 25) und möglichst diametral gegenüber die Schaltnocke 30 biegesteif angeschlossen, etwa angeschweißt. Infolge der Länge der Hülse 31 kann über diese Axialführung ein großes Axialmoment aufgenommen und über die Säule 26 auf das Gehäuse 11 abgeleitet werden.
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Dabei braucht die Hülse 31 wie skizziert nur bei ihren beiden Stirnbereichen 33 radial gegen die Säule 26 abgestützt zu sein. Zwischen diesen beiden Lagerstellen 34, den möglichst weit axial voneinander beabstandeten Radiallagern, erstreckt die Hülse 31 sich über einen hohlzylindrischen Freiraum 35, wo deshalb keine Reibungsverluste beim Verlagern der Schaltgabel-Hülse 31 längs der Säule 26 auftreten.
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Um möglichst große Axialmomente zu beherrschen, werden die Hülsen 31 mit ihren mittig radial, zentrifugal abstehenden Schaltgabel-Schenkeln 34 bzw. Schaltnocken 30 axial so lang wie möglich gewählt. Diese Vorgabe stößt aber an ihre Grenze dadurch, dass auf der Säule 26 axial versetzt die Hülsen 31 der einander benachbarten Schaltgabeln 25 ruhen. Jeder der Schaltgabeln 25 steht deshalb nur ein Teilbereich der Länge der Säule 26 zur Verfügung. Zur Abhilfe können mehrere Säulen in das Gehäuse 11 eingebaut und jede über ihre gesamte Länge mit nur der Längsführungs-Hülse 31 einer der Schaltgabeln 25 bestückt werden (nicht dargestellt).
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Bei der Gangschaltung 10 etwa eines elektromotorischen Fahrrad-Zusatzantriebes mit einer längs einer gehäusefesten Säule 26 geführten Schaltstangen 32 für Axialversatz eines mit einem Ritzel 18 in Formschluss verbringbaren Klauenrades 17 kann also einem bei der Gangumschaltung unter Last möglichen Verklemmen zwischen dem Ritzel 18 und dem mittels der Schaltstangen 32 daraus axial hervorzuziehenden Klauenrad 17 erfindungsgemäß dadurch entgegengewirkt werden, dass die Lagerung der Schaltgabel 25 bzw. der Schaltstangen 32 längs der Säule 26 gespreizt wird. Dadurch wird das Axialmoment gegen Biegebeanspruchung der Schaltgabel 25 auf der Säule 26 erhöht. Dabei ist die Schaltgabel 25 biegesteif an einer von der Säule 26 getragenen Hülse 31 angeordnet, die vorzugsweise bei ihren Stirnbereichen 33, beiderseits eines hohlzylindrischen Freiraumes 35, mit Radial-Lagerstellen 34 als Zweipunktlager ausgestaltet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gangschaltung (in 11)
- 11
- Gehäuse
- 12
- Pedale
- 13
- Elektromotor
- 14
- Überlagerungsgetriebe (für 12 und 13)
- 15
- Steuerschaltung (für 13)
- 16
- Zentralwelle (aus 14)
- 17
- Klauenrad (an 16)
- 18
- Ritzel
- 19
- Zapfen (an 17)
- 20
- Löcher (für 19 in 18)
- 21
- Zugmittelrad (an 22)
- 22
- Abtriebswelle (mit 23)
- 23
- Triebrad (an 22)
- 24
- Nut (in 17, für 25/32))
- 25
- Schaltgabel (zwischen 27 und 17) mit 32 und 30
- 26
- Säule (für 25)
- 27
- Kulissenstein (mit 29)
- 28
- Servomotor (für 27)
- 29
- Kulisse (in 27, für 30)
- 30
- Schaltnocke (an 25, in 29)
- 31
- Hülse (an 25, auf 26 zwischen 33-33)
- 32
- Schenkel (an 25), oder Schaltstange mit 30
- 33
- Stirnbereich (von 31)
- 34
- Lagerstelle (an 33 und 36)
- 35
- Freiraum (zwischen 34-34)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016014066 B3 [0002]
