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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug, der mit einem Pedalantrieb und/oder mit einem (Zusatz-)Elektromotor antriebsseitig verbunden ist und an einem Antrieb ein durch Kupplungen schaltbares erstes Planetengetriebe enthält, dessen Abtrieb durch ein Zugmittel mit einem Hinterradgetriebe verbunden ist, das ein durch zweite Kupplungen schaltbares weiteres Getriebe umfasst, wobei die ersten und zweiten Kupplungen jeweils so korreliert so zu schalten sind, dass sich insgesamt annähernd gleiche Gangsprünge ergeben.
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Im vorbekannten Stand der Technik sind stets im ersten Planetengetriebe die niedrigen Gangsprünge und im Hinterradgetriebe die übergeordneten hohen Gangstufungen verwirklicht. Ein Zusatz-Elektromotor ist ggf. freilaufgesichert über ein Getriebe mit einer Tretlagerwelle verbunden.
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Bekanntlich werden solche Fahrzeuge mit einem Zusatz-Elektromotor ausgerüstet, der mit einem niedrigen Drehmoment hochtourig betrieben wird, weshalb gewöhnlich ein mehrstufiges Untersetzungsgetriebe eingesetzt wird, dessen letzte Getriebestufe ein derartig hohes Drehmoment erzeugt, das eine grenzwertige Belastung auftreten kann.
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Aus der
DE 10 2016 225 142 A1 ist ein Getriebe für ein Fahrrad bekannt, mit einer Eingangswelle, die mit einer Tretkurbelwelle drehfest verbindbar ist, und einer Ausgangswelle, die mit einem Abtriebsrad drehfest verbindbar ist, wobei es wenigsten drei Planetengetriebe aufweist, die mit der Eingangswelle und der Ausgangswelle wirkverbunden sind, wobei ein einziges der Planetengetriebe einen Stufenplaneten mit einem ersten Verzahnungsbereich mit einem ersten Durchmesser und einem zweiten Verzahnungsbereich mit einem zweiten Durchmesser aufweist.
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Die
DE 10 2016 113 871 A1 beschreibt ein Produkt, das einen Zahnradsatz und einen ersten, zweiten und dritten mechanischen Mechanismus umfasst, die jeweils abwechselnd geöffnet und geschlossen und jeweils mit dem Zahnradsatz verbunden sein können.
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Die
GB 658 966 A beschreibt Verbesserungen an einem Mechanismus von Fahrrädern, motorunterstützen Fahrrädern oder Motorrädern und die BE 477 707 A eine Tretlagerschaltung für Fahrräder, Motorräder und mechanische Maschinen.
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Aus der
CN 2 04 110 306 U ist ein Elektrofahrrad mit einem Mittelmotor bekannt, der an einer Halterung eines Elektrofahrradrahmens angeordnet ist.
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Die
WO 2022/ 029 539 A1 beschreibt eine Getriebevorrichtung für ein von Menschen angetriebenes Fahrzeug, mit einer ersten Planetengetriebe-Untereinheit mit mehreren Übersetzungsverhältnissen, die einen ersten Eingang aufweist, der mit einer Drehwelle gekoppelt ist, die ein von einem Benutzer aufgebrachtes Antriebsmoment aufnimmt, und die einen ersten Ausgang aufweist, eine zweite Planetengetriebe-Unterbaugruppe mit einer Vielzahl von Übersetzungsverhältnissen, die einen zweiten Eingang und eine Ausgangswelle aufweist, und ein Zwischengetriebeelement, das den ersten Ausgang mit dem zweiten Eingang drehbar verbindet. Kupplungsmittel übertragen ein auf der Welle eines Hilfsmotors erzeugtes Hilfsdrehmoment auf das Zwischenübertragungselement.
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Aus der
WO 98/ 029 296 A1 ist eine Vorrichtung zum Betätigen einer mit einem schaltbaren Tretlagergetriebe für ein Fahrrad oder dergleichen wirkverbundenen Schaltachse, welche koaxial in einer an mindestens einem Ende mit einer drehfest angeordneten Tretkurbel versehenen Antriebswelle angeordnet und gelagert ist. Zur Erreichung einer Drehzahländerung ist an der Antriebswelle ein erstes Kupplungsglied angeordnet, welches mittels der Schaltachse in axialer Richtung verschiebbar ist, wodurch die Kraftübertragungselemente des Tretlagergetriebes form- und kraftschlüssig miteinander in Eingriff bringbar sind.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antriebsstrang bereitzustellen, dessen erstes Planetengetriebe einfacher als das einleitend benannte ausgestaltet ist, indem es weniger Bauraum, insbesondere weniger Baubreite, beansprucht und demgemäß leichter ist, und dass es jeweils im Betrieb bei gleicher Antriebsleistung eine geringere Getriebelast und Zugmittelkraft aufweist. Zudem soll ein ggf. angeschlossener Zusatz-Elektromotor so tief untersetzt sein, dass er relativ hochtourig zu betreiben ist, wodurch vorteilhaft ein hoher Wirkungsgrad und eine niedrige Masse erreicht wird.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände aller unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Lösung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die Lösung besteht darin, dass vom ersten, kurbelseitigen Planetengetriebe in einer ersten Schaltstellung der Antrieb, beispielsweise der Kurbelantrieb, ausgangsseitig direkt an das Zugmittel gekoppelt ist und/oder ein (Zusatz-) Elektromotor über dieses Planetengetriebe untersetzend an das Zugmittel angekoppelt ist und dass in einer zweiten Schaltstellung der Kupplungen der Kurbelantrieb im Planetengetriebe ins Schnelle übersetzt und/oder ggf. der Motorantrieb direkt an das Zugmittel angekoppelt ist und dass der Gangsprung dieses ersten Planetengetriebes sämtliche feiner gestuften Gangsprünge des über das Zugmittel nachgeschalteten Getriebes umfasst.
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Vorteilhaft ist eine vorgelagerte Umsetzungsstufe des motorischen Antriebs ein Winkel-, Riemen- oder Stirnradgetriebe. Vergleichsweise zu entsprechend genutzten Getrieben im Stand der Technik wird neuerungsgemäß wegen der weiteren Untersetzung im praktischen Betrieb ein erheblich niedrigeres Drehmoment übertragen.
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In einer ersten Ausführung des kurbelseitigen Planetengetriebes ist dessen Hohlrad drehfest im Kurbelgehäuse gehalten, und das Sonnenrad ist zentriert im Hohlrad oder Gehäuse drehbar gelagert und mit einer steuerbaren Sonnenradkupplung an eine Abtriebswelle und damit an ein Zugmittelgetriebe ankuppelbar. Alternativ ist bei geöffneter Sonnenradkupplung und geschlossener Planetenträgerkupplung der Planetenträger an die Abtriebswelle gekoppelt, an den die Tretlagerwelle über eine Freilaufkupplung, die ein rückwärts pedalieren erlaubt, und einen Kurbeladapter angeschlossen ist. Die beiden Schaltstellungen der genannten Kupplungen werden durch ein axiales Verschieben von Koppelelementen in der einen bzw. anderen Richtung eingestellt, wodurch sie jeweils gegen in Schließrichtung der Kupplungen wirkende Federkräfte, die eine bzw. andere Kupplung geöffnet halten. Das Sonnenrad und die Planetenräder sind so dimensioniert, dass das Getriebe eine Übersetzung von etwa dem Faktor 2,5 bis 3 erbringt, wodurch ein jeweilig wirkendes Motordrehmoment mit der Ausgangsdrehzahl des Planetengetriebes direkt auf die Abtriebswelle übertragen wird. In dem angeschlossenen Zugmittelgetriebe, das auf die Hinterradnabe führt, dient vorzugsweise ein Riemen der Zugkraftübertragung, wobei eine Übersetzung des Zugmittelgetriebes von ca. 0.75 bis 1.5, vorzugsweise 1, vorgesehen ist. In der zweiten Schaltstellung ist das Getriebe wirkungslos.
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Die Zentrierung des Sonnenrades erfolgt zweckmäßig mit einem relativ kleinen Kugellager, auf dem Sonnenrad, von dem sich eine Zentrierscheibe zum Hohlrad erstreckt, in das sie begrenzt axial verschiebbar eingreift und neben der sie mit einer bis zum Gehäusedeckel reichenden Distanzhülse abgestützt ist.
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In einer für eine Ankopplung an einen Zusatz-Elektromotor vorbereitete Version ist der Zentrierring im Hohlrad drehbar gelagert, und er greift in das Sonnenrad begrenzt axial verschiebbar ein.
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In der Ausgestaltung mit dem Zusatz-Elektromotor ist ein Tellerrad eines Winkelgetriebes angeordnet, das einerseits als ein Zentrierring wirkt und andererseits durch einen Radkranz ein Getriebeelement ist, in das ein relativ kleines Ritzel des Motorantriebes eingreift. Dieses beschriebene Winkelgetriebe setzt die Motordrehzahl erheblich herab, die je nach der Stellung der Sonnenrad- und Planetenträgerkupplungen direkt bzw. im Planetengetriebe weiter herabgesetzt auf die Abtriebswelle übertragen wird. Das Winkelgetriebe ist entweder ein Kegelrad- oder Kronenradgetriebe.
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Durch eine Umschaltung der genannten Kupplungen lässt sich die Gangzahl des Hinterradgetriebes verdoppeln. Die Übersetzung des ersten Planetengetriebes wird entsprechend einer Potenz des Gangsprungs des zweiten Planetengetriebes, des Nabengetriebes, ausgewählt, dessen Gangsprünge weitgehend konstant sind. Die Übersetzung des ersten Planetengetriebes liegt vorzugsweise bei drei oder etwas darunter.
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Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass das erste Planetengetriebe immer höchstens von einer Drehmomentquelle belastet wird, wodurch geringe Übertragungsverluste sowie eine leichte Bauweise mit wenigen Zahnrädern und eine geringe Abnutzung dieses Getriebes erbracht werden.
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Der Motor wird mit seinem Voruntersetzungsgetriebe so eingekoppelt, dass die Motordrehzahl nur auf etwa das Dreifache der Kurbeldrehzahl untersetzt wird. In einem der hier angegebenen Beispiele beträgt der Untersetzungsfaktor ca. 2,9. Diesen Bereich füllen die feingestuften Gangsprünge des jeweils eingebauten Fünf-, Sechs- oder Sieben-Gang-Nabengetriebes aus, so dass insgesamt eine Übersetzungsbandbreite von ca. 6,87 oder 7,1 oder 7,2 gegeben ist, die den üblichen Ansprüchen genügt.
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Da das erste, kurbelseitige Planetengetriebe jeweils alternativ genutzt wird, indem es entweder das Antriebsmoment des Zusatz-Elektromotors oder das der Tretkurbel umsetzt, ist es äußerst platzsparend, so dass der Zusatz-Elektromotor mit seinem Getriebe vorteilhaft unmittelbar an dessen Planetengetriebe angeordnet ist, das je nach der Schaltstellung die Abtriebswelle direkt oder dessen Sonnenrad zur weiteren Herabsetzung der Drehzahl antreibt.
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In dem Antriebsstrang sind bevorzugt Hinterradnabengetriebe mit verschiedenen Übersetzungen durch beispielsweise 5, 6 oder 7 Gänge einsetzbar, bei denen sich insgesamt mit dem Tretlagergetriebe eine weitgehende Gangsprunggleichheit ergibt und eine durchgehende Fortschaltbarkeit erreicht ist. Dies wird aus den drei Schalttabellen, die Teil dieser Beschreibung sind, ersichtlich, die die Kupplungsstellungen der Gänge und die Zähnezahlen der Räder der Planetengetriebe übersichtlich zusammen mit den Gangstufungen zeigen.
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Aus der
EP 0 915 800 B1 ist ein 14-Ganggetriebe bekannt, das aus einem nachgeschalteten einfachen Planetengetriebe und aus einem zweifachen Planetengetriebe besteht; letzteres ist ein Siebenganggetriebe, bei dem die Planetenträger mittels Kupplungen wechselseitig mit einer Antriebshülse bzw. einer Abtriebshülse zu verbinden sind. Die Kupplungen sind Klinkenkupplungen, die bei einem Gangwechsel antriebslos sein müssen.
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Die vorzugsweise hier eingesetzten neuartigen Hinterradnabenschaltungen entsprechen in ihrer Baubreite in etwa der des vorgenannten Siebenganggetriebes; jedoch sind deren Planetenträger jeweils fest mit der Antriebshülse bzw. der Abtriebshülse verbunden. Zudem sind jeweils Teile der Kupplungen zwecks des Schaltens axial verschiebbar ausgebildet, wodurch sie unter Last geschaltet werden können, wie in der in der Anmeldeschrift eines Neunganggetriebes
DE 11 2019 001 604 B4 beschrieben ist.
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Die beiden neuartigen Planetenträger sind in erfinderischer Weise mit einem Kugellager axial und radial gegenseitig abgestützt. Hierdurch ist ein Zusammenbau des Getriebes erheblich vereinfacht und ein axialer bzw. auch radialer Versatz während des Betriebes ist unterbunden, ansonsten könnten Eingriffsstörungen auftreten. Die Teilgetriebe des Fünf-, Sechs- oder Siebenganggetriebe sind jeweils spiegelbildlich ausgebildet, so dass zur Fertigung zahlreiche Wiederholteile einsetzbar sind, was die Erstellung, deren Werkzeuge und die Herstellung dieser Teile sowie deren Lagerhaltung wesentlich vereinfacht.
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Des Weiteren ist das Hohlrad, das praktisch nur ein Hohlring mit einer Innenverzahnung ist und die beiden spiegelbildlich gestalteten Teilgetriebe verbindet, gewichtssparend ohne Wandung gestaltet und nur mittels beidseitigen Anlaufflächen axial in engen Grenzen geführt. Es können dazu Kufen am Hohlrad, Inlets im Gehäuse oder Führungselemente am Steg genutzt werden.
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In der eingangs gewürdigten
DE 10 2018 008 464 A1 sind die Mittel zu einer durchgehenden Fortschaltbarkeit und dafür geeignete Hinterradnabengetriebe offenbart. Diese dort beschriebenen bevorzugten zweiten Planetengetriebe bestehen jeweils aus zwei Teilgetrieben, deren An- und Abtrieb über deren Steg bzw. Hohlrad erfolgt, wobei die beiden Teilgetriebe über deren Stege gekoppelt sind. Aus der
DE 11 2019 001 604 B4 für ein Neunganggetriebe ist beschrieben, dass 8 Kupplungen für 9 Gänge in das Getriebe eingreifen. Die die Hohlräder steuernden Kupplungen sind von der zentralen Achse erheblich entfernt und in gesonderten zylindrischen Hülsen geführt angeordnet und werden mit verkoppelten Ansteuerungen betätigt, die eine hohe Fertigungsgenauigkeit erfordern.
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Erfindungsgemäß werden die einzelnen Getriebestufen durch Steuerungsmittel, umfassend Steuerungsaktoren genannt, welche den einzelnen Zahnrädern zugeordnete Kupplungen K20, K30, K40, K50, K70, KSR und KPT steuern, jeweils selektiv gesteuert. Eine Zuordnung der Steuerungszustände der einzelnen Kupplungen für Zahnräder mit beispielhaften Zahnzahlen zu den Gängen 1 bis 10 zeigt die folgende Tabelle:
| Gn | K20 | K30 | K40 | K50 | K70 | KSR | KHR | in | |
| 1 | 1 | - | | 1.538 | - | 1 | - | 1.538 | 1.241 |
| 2 | - | 0.806 | - | 1.538 | - | 1 | - | 1.239 |
| 1.239 |
| 3 | 1 | - | - | - | 1 | 1 | - | 1.000 |
| 1.241 |
| 4 | - | 0.806 | - | - | 1 | 1 | - | 0.806 |
| 1.239 |
| 5 | - | | 0.650 | - | 1 | 1 | - | 0.650 |
| 1.207 |
| 6 | 1 | - | - | 1.538 | - | - | 0.350 | 0.538 |
| 1241 |
| 7 | - | 0.806 | - | 1.538 | - | - | 0.350 | 0.434 |
| 1.239 |
| 8 | 1 | - | - | - | 1 | - | 0.350 | 0.350 |
| 1.241 |
| 8 | - | 0.806 | - | - | 1 | - | 0.350 | 0.282 |
| 1.239 |
| 10 | | | 0.650 | - | 1 | | 0.350 | 0.227 |
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Die Steuerungsaktoren können mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch angesteuert werden. Elektrische Steuerungsaktoren umfassen beispielsweise elektromagnetische Aktoren.
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Elektrische Steuerungsaktoren können beispielsweise in E-Bikes vorteilhaft zum Einsatz kommen, weil dort bereits eine elektrische Steuerung des Antriebs und der Ladezyklen und entsprechende elektrische Antriebsenergie vorhanden ist. Elektrisch gesteuerte Aktoren lassen sich besonders vorteilhaft mit der elektrischen Steuerung des Antriebes verbinden und ermöglichen eine optimale lastabhängige Steuerung als elektrisches „Automatik-Getriebe“. Diese Ausführungsform ist nicht näher dargestellt.
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Pneumatische oder hydraulische Aktoren können beispielsweise steuerbare Druckzylinder umfassen. Pneumatische oder hydraulische Aktoren können vorteilhaft in Systemen eingesetzt werden, in denen bereits beispielsweise zur Verstärkung der Bremswirkung oder zur aktiven Dämpfung von Stößen ein pneumatisches oder hydraulisches Drucksystem vorhanden ist. Diese Ausführungsformen sind nicht näher dargestellt.
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Eine Kombination von elektrischer und/oder pneumatischer und/oder hydraulischer und/oder mechanischer Ansteuerung der Aktoren ist jederzeit möglich. Beispielsweise können pneumatische oder hydraulische Steuerungsaktoren elektrisch über sogenannte Solenoide angesteuert werden, ebenso wie mechanische Schieber oder ein Schiebering. Die Steuerungsaktoren können dabei innerhalb oder teilweise außerhalb der Antriebsnabe angeordnet sein, welche das Getriebe umfasst. Beispielsweise kann vorteilhaft innerhalb der Antriebsnabe eine Stufensteuerung angebracht sein, welche nach Betätigung jeweils elektrisch, oder pneumatisch oder hydraulisch oder mechanisch um eine Gangstufe herauf oder herunter steuert.
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In der Folge wird als ein vorzugsweises Ausführungsbeispiel eine rein mechanische Steuerung der Aktoren beschrieben.
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Dank der neuen Gangverteilung im Antriebsstrang ist in den verschiedenen, alternativ einzubauenden, Hinterradnabengetrieben jeweils vorteilhaft nur ein Paar Planetengetriebe eingesetzt, wodurch die Baubreite und die Masse dieser Hinterradnaben gegen die vorbekannten erheblich verringert ist. Die Kupplungen sind achsnah angeordnet, indem nur Sonnenräder oder Planetenträger mit Kupplungen zu steuern sind. Deshalb genügen fünf Kupplungen für ein Fünfganggetriebe und sechs Kupplungen für ein Sechs- oder Siebenganggetriebe was die Fertigung und Schaltansteuerung vereinfacht. Außerdem ist nur ein beiden Planetengetrieben gemeinsames, relativ leichtes Hohlrad, das keine bis zur Achse reichende Stützwände hat, vorgesehen.
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Schalttabellen der drei Getriebevarianten sind hier eingefügt. Eine Legende der Angaben in den Tabellen ist hinzugefügt.
- TSG
- Tretlagerschaltgetriebe
- IGH
- Nabengetriebe im Hinterrad
- HR
- Hohlrad
- PR
- Planetenräder
- SR
- Sonnenräder
- Gn
- Gangnummer
- N
- Anzahl der Gänge
- S
- Übersetzungsbereich
- sn
- Schrittweite zwischen den Gängen
- in
- Umsetzungsverhältnis
- K20, K30, K40
- Kupplungen erstes Teilgetriebe der Nabe
- K50, K60, K70
- Kupplungen zweites Teilgetriebe der Nabe
- KSR
- Sonnenradkupplung im Tretlagergetriebe
- KPT
- Planetenträgerkupplung im Tretlagergetriebe
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In den oberen Tabellen sind jeweils beispielhaft solche Zähnezahlen der Zahnräder eingetragen, die eine annähernd gleiche Schrittweite erbringen.
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Aus der unteren Tabelle sind die angegebenen Kupplungen in ihrem Schaltzustand und der daraus folgenden Drehzahlumsetzung ersichtlich. Eine 1 bedeutet eine direkte Durchschaltung ohne Getriebeverluste. Man sieht weiterhin, dass im Nabengetriebe jeweils ein direkter Gang zu schalten ist und ansonsten maximal zwei Drehzahlumsetzungen stattfinden, wodurch nur geringe Verluste entstehen.
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Im Folgenden werden anhand von Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Diese Figuren zeigen:
- 1: ein Tretlager mit schaltbarem Planetengetriebe.
- 2: ein Tretlager gem. 1 mit Hohlradlager.
- 3: ein Tretlager gem. 2 mit Motor und Winkelgetriebe.
- 4: ein Tretlager gem. 3 mit die Motordrehzahl untersetzendem Planetengetriebe.
- 5: ein Tretlager gem. 3 mit die Pedaldrehzahl übersetzendem Planetengetriebe.
- 6a: einen feststehenden Ring mit Steuernuten.
- 6b: eine Schaltbaugruppe perspektivisch mit Quadrantenausschnitt.
- 6c: eine Schalttrommelabwicklung 5-Ganggetriebe.
- 6d: eine Schalttrommelabwicklung 11-, 12-, 13-Ganggetriebe.
- 7: ein 5-Gang-Nabengetriebe.
- 8: ein 6-Gang-Nabengetriebe.
- 9: ein 7-Gang-Nabengetriebe.
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Die Getriebe sind im radialen Halbschnitt schematisch dargestellt.
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Gleiche Bauteile weisen gleiche Bezugszeichen auf.
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1 zeigt eine Ausführung ohne Motorantrieb. Eine Tretlagerwelle 1 ist beidseitig mit Kurbeladaptern 4a, 4b, durch eine Spannschraube SS zusammengezogen, in einer Abtriebswelle 3 an ihren beiden Enden mit Wälzlagern L1, L2 gelagert, indem sie diese untergreift. Diese Wälzlager L1, L2 befinden sich vorteilhaft etwa in den Kurbeleben, so dass nur geringe Biegekräfte in der Tretlagerwelle 1 auftreten. Die Abtriebswelle 3 ist jeweils außenseitig beidseitig mittels weiterer Wälzlager L3, L4 in Gehäusedeckeln GD1, GD2 eines Getriebegehäuses G gelagert, die nur teilweise dargestellt sind. Die Abtriebswelle 3 trägt an einem Ende ein Ketten- oder Riemenrad, auch Ritzel R genannt, eines Zugmittelgetriebes ZG. Auf der Abtriebswelle 3 befinden sich jeweils drehfest zwei Kupplungsteile, nämlich der einer Planetenträgerkupplung KPT sowie der einer Sonnenradkupplung KSR. Der antriebsseitige Teil der Planetenträgerkupplung KPT schaltet den Planetenträger 7 mit der Antriebswelle 3 zusammen, wobei der drehfest mit der Abtriebswelle 3 verbundene Kupplungsteil auch axial festgesetzt ist und wobei die abtriebsseitige Sonnenradkupplung KSR das Sonnenrad 8 über ein axial verschiebbares Kupplungsteil mit der Abtriebswelle 3 verbindet.
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6a zeigt ausschnittweise herausgezogen und um 90 gedreht einen gehäusefesten Ring FR mit 3 um je 120 versetzten Schaltnuten, die jeweils in zwei axial versetzten, miteinander verbundenen Bahnen verlaufen, die die Umsteuerung der beiden Ganggruppen bei einer Verdrehung der damit korrespondierenden Bauteile bewirken.
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6b zeigt die gesamte Schaltbaugruppe mit der Sonnenradkupplung KSR sowie der Planetenträgerkupplung KPT, deren Schnittseite man im Ausschnitt sieht. Die beiden Kupplungen werden mit der Schaltkulisse SK wechselseitig geschaltet, die koaxial durch das Sonnenrad 8 führt. In den Kupplungen befinden sich Federtaschen FT, jeweils mit Druckfedern bestückt sind, die in Schließrichtung der Kupplungen wirken. Die zylinderförmigen Dorne auf den Federdornringen FD dienen der sicheren Führung der Druckfedern, die wiederum in die Federtaschen FT eintauchen.
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In die Schaltseilrolle 2 sind Seilnuten SN1, SN2 mit unterschiedlichen, den Verhältnissen angepassten Durchmessern für Schaltseile, die zu einem Gangeinstellgriff bzw. zu einer Hinterradnabenschaltung führen, eingebracht. Außerdem sind Kammern für Seilklemmen SLK für Justagezwecke gut zugänglich dort in die Schaltseilrolle 2 eingearbeitet. Axial ist die Schaltseilrolle zum Toleranzausgleich in engen Grenzen verschieblich gelagert; eine Anlaufscheibe AS begrenzt an einer Seite die Freiheit durch einen Anschlag an das Hohlrad 10.
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In der Schaltseilrolle 2 befindet sich durch einen Mitnehmer MN axial gekoppelt ein äußerer Schaltring SRA, der auf einem gehäusefesten Ring FR angeordnet ist, in dem sich ein innerer Schaltring SRI befindet, der mit ersten Schaltfingern SF1 durch die Schaltnuten im feststehenden Ring FR zum äußeren Schaltring SRA gemeinsam verschieblich verbunden ist. Von letzterem führen zweite Schaltfinger SF2 in eine umlaufende Nut in der Schaltkulisse SK. Auf diese Weise überträgt sich bei einer Verdrehung der Schaltseilrolle 2 der axiale Versatz der Schaltnuten SN jeweils auf die Schaltkulisse SK.
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6c zeigt die Abwicklungen der Steuernuten N2, N3, N4, N5, N7 in der Schalttrommel ST eines Fünf-Gang-Nabengetriebes zu den einzelnen Gangstellungen G1- G5 eines damit verbundenen rastenden Schaltrings.
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6d zeigt eine Schalttrommelabwicklung in einem 11-, 12-, 13-Ganggetriebe.
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2 zeigt ein Zentrierlager 11 im Hohlrad 10, von dem sich ein Zentrierring 12 zum Sonnenrad 8 erstreckt, auf dem dieser axial mit einem kleinen axialspiel begrenzten Bereich verschiebbar und drehfest gehalten ist. Von dem Zentrierlager 11 erstreckt sich eine Zentrierhülse ZH zum Gehäuse G.
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3 zeigt das Tretlagergetriebe mit einem angeschlossenen Zusatz-Elektromotor EM. Der Zusatz-Elektromotor EM des Antriebsmoduls ist mittels eines untersetzenden Motorgetriebes MG abtriebsseitig drehfest mit dem Sonnenrad 8 verbunden, dessen Abtriebsseite die zweite Hälfte der Sonnenradkupplung KSR trägt. Das Motorgetriebe ist hier beispielhaft durch ein Tellerrad 13 mit einem randseitigen Kegelzahnkranz, der sich neben dem Zentrierlager 11 befindet, und ein in den Kegelzahnkranz eingreifenden kleineres Kegelrad an der Motorwelle gebildet. Die beschriebenen Kupplungen KSR, KPT werden jeweils so geschaltet, dass alternativ die eine geschlossen und die andere geöffnet ist oder umgekehrt. Dadurch wird die voruntersetzte Motordrehzahl entweder direkt oder durch das Planetengetriebe weiter herabgesetzt an die Abtriebswelle 3 angekoppelt. Die Planetenträgerkupplung KPT durchläuft durch eine geeignete Spreizung jeweils beim Öffnen einen Freilaufmodus.
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In der ersten Gangstufe des Eingangs-Planetengetriebes EG, nämlich des Tretlagergetriebes, ist die Planetenträgerkupplung KPT geschlossen, so dass ein Kurbelmoment jeweils direkt auf die Abtriebswelle 3 übertragen wird, wobei die Sonnenradkupplung KSR geöffnet ist. Der eingekuppelte Zusatz-Elektromotor EM treibt dann das Sonnenrad 8 des Eingangs-Planetengetriebes EG an und untersetzt die Motordrehzahl jeweils auf die Kurbeldrehzahl. Da der Planetenträger 7 drehfest mit der Tretlagerwelle 1 verbunden ist, wird das Motordrehmoment ebenfalls über die geschlossene Planetenträgerkupplung KPT auf die Abtriebswelle 3 übertragen. Auf diese Weise sind die niedrigen Gangstufen des Antriebsstranges realisiert.
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In der zweiten Gangstufe des Eingangs-Planetengetriebes EG ist die Planetenträgerkupplung KPT offen, so dass die Kurbeldrehzahl über das Eingangs-Planetengetriebe EG auf die am Sonnenrad 8 vorliegende hohe Drehzahl übersetzt ist. Dabei ist die Sonnenradkupplung KSR geschlossen, so dass das Motordrehmoment und das reduzierte Kurbeldrehmoment mittels der Sonnenradkupplung KSR auf die Abtriebswelle 3 übertragen werden. Das gesamte Drehmoment wird also mit deutlich hochgesetzter Drehzahl und dadurch mit entsprechend verminderter Kraft über das Zugmittelgetriebe ZG mit dem Ritzel Z auf das Hinterrad-Nabengetriebe NG übertragen. Auf diese Weise ist die obere Hälfte der Gangstufen des Antriebsstranges verwirklicht.
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Die erfindungsgemäßen Vorteile bestehen u.a. darin, dass, je nach dem Schaltzustand des ersten Planetengetriebes EG, dieses keinesfalls als Untersetzungsgetriebe, 4, für den Elektromotorantrieb dient bzw. andernfalls als Übersetzungsgetriebe, 5, für den Kurbelantrieb dient, wobei niemals beide Drehmomente der beiden Antriebsmittel gleichzeitig durch dieses Planetengetriebe übertragen werden, wodurch geringere Übertragungsverluste sowie eine leichtere Bauweise und eine geringere Abnutzung dieses Getriebes erbracht sind. Die vereinfachten Ausgestaltungen gemäß 4 und 5 sind ohne die zu einer Umschaltung erforderlichen Kupplungen und deren Steuermittel gezeigt. In diesen Beispielen sind aus den Schalttabellen jeweils nur die erste oder die zweite Hälfte verwirklicht. Bei der dargestellten Kupplung handelt es sich um eine Rücklaufsperre RS, die eine Freilauffunktion bereitstellt, die ein rückwärts pedalieren ermöglicht, die auch in den anderen Figuren des Tretlagergetriebes dargestellt ist.
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Die in den zuvor tabellarisch gezeigten besonders günstigen Kombinationen jeweils eines Tretlagergetriebes und eines dazu in der Gangabstufung passenden und aufeinander abgestimmt steuerbaren Hinterrad-Nabengetriebes der hier beschriebenen Art sind bevorzugte Schutzgegenstände; die beschriebenen tretlagerseitigen und die hinterradnabenseitigen Getriebebaugruppen stellen jedoch auch aufgrund ihrer neuen und erfinderischen Konstruktion und Eigenschaften schutzwürdige eigenständige Handelsgegenstände dar, die auch jeweils ohne ein zweites Getriebe oder mit anders gestalteten Hinterrad- bzw. Tretlagergetrieben kombiniert eingesetzt werden können. Die Stufung der Gänge bei einem Einsatz ohne ein weiteres übergreifendes Getriebe, das die Getriebestufenzahl verdoppelt, werden vorteilhaft bei einem Sieben- bzw. Fünfganggetriebe mit einer größeren Spreizung ausgeführt, indem die Zahnradpaarungen anders gewählt werden, wie die folgenden Tabellen 4a und 4b zeigen.
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Die 7 bis 9 zeigen passend gestufte Hinterrad-Nabengetriebe. Bei einer bevorzugten Ausführung ist das Zugmittelgetriebe ZG mit einem Riemen bestückt und das Hinterrad-Nabengetriebe ein Fünf-. Sechs- oder Siebenganggetriebe, welches relativ wenig Baubreite benötigt. Diese Getriebe weisen stets zwei spiegelbildliche Planetengetriebe auf, deren Planetenträger PT1-2 oder PT3-4 mit einer Antriebshülse AH bzw. einer Abtriebshülse, nämlich der Nabenhülse NH, fest verbunden ist und deren Sonnenräder SR1 - SR4 mit zugehörigen achsnahen Kupplungen (20, 30, ... 70) jeweils entweder mit einer Hauptachse HA oder alternativ mit einem der dem eingangs- bzw. ausgangsseitigen Planetenträger PT1-2 oder PT3-4 gesteuert zu verkuppeln sind.
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Die Planetenträger der beiden Getriebe sind mit einem freien Zentrallager ZL axial und radial kraftschlüssig verbunden. Die Hohlräder HR2-3 beider Planetengetriebe sind fest miteinander verbunden und gegen ein Auswandern in ihrer axialen Freiheit durch Anschlagsflächen begrenzt.
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Die Steuerung der Kupplungen erfolgt analog zur Ausgestaltung, die in der
DE 11 2019 001 604 A1 beschrieben ist, mit einer genuteten Schalttrommel ST an deren einem Ende eine Seilrolle befestigt ist, die mit einem Seilzug in die einzelnen Gangeinstellungen rastend verdrehbar ist. Auch andere schrittweise arbeitenden Verdrehvorrichtungen, z.B. mit mindestens einem Magnetanker und ggf. mit einer Klinkensteuerung sind hier einsetzbar. In Steuernuten, die in die Schalttrommel ST eingearbeitet sind, greifen jeweils mindestens zwei Schaltfinger von axial beweglichen Kupplungsscheiben ein. In einer ersten bevorzugten Ausführung werden auf 180° des Umfanges der Schalttrommel ST Steuernuten für alle zu schaltenden Gänge ausgebildet, wie beispielhaft in den
6c und
6d dargestellt ist. In
6d zeigt die Markierung AA an, dass lediglich 12 der möglichen 13 Gänge geschaltet werden, was einen kleineren Schalttrommeldurchmesser ermöglicht. Die Markierung BB umfasst alle 13 Gänge. Diese Ausgestaltung ermöglicht, auch die in der parallelen Anmeldung (Hinterradnabe mit Mehrganggetriebe) beschriebenen weiteren 5-, 6- und 7-Gang-Eingansgetriebe in allen Varianten direkt als Nachschaltgetriebe zu verwenden.
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In einer bevorzugten zweiten Ausführung werden alle zu schaltenden 2 × N Gänge auf zwei mal 120° auf der Schaltrommel ausgebildet, wobei eine dritte Ausbildung der Schaltnuten der N Gänge auch auf den dritten 120° des Schalttrommelumfanges erfolgt. Die Nuten sind dann umlaufend durchgehend ausgebildet, so dass alle Gänge mit einer 2/3 Umdrehung geschaltet werden, wobei die axial beweglichen Steuerelemente jeweils drei um 120° versetzte Schaltfinger sind, so dass eine axiale Verschiebung der verschieblichen Kupplungsteile gegen Verkanten gesichert ist. Ein Überschalten von G2N nach G1 wird durch mindestens eine eigene Anschlagnut, die eine Rotation der Schaltrommel um 240° ermöglicht, verhindert; man kann also nicht vom höchsten Gang unmittelbar in den tiefsten Gang durchschalten. Werden insbesondere zwei Anschlagnuten verwendet, so werden diese so axial versetzt ausgeführt, dass sich diese nicht überlappen und zirkular gleich verteilt sind. Ein geeignetes Bauteil für die Aufnahme der Anschlagstifte ist der feststehende Teil der Kupplung K40/K50. Diese Variante erfordert kein weiteres Bauteil für die Anschlagstifte. Der Vorteil der zweiten bevorzugten Variante ist, dass die Schalttrommel und damit auch die diese umschließende Hauptachse im Durchmesser kleiner und leichter als bei einer 180 Grad-Version ausgeführt werden können und dabei genügend Übergangsraum für die Schaltfunktion der Schaltfinger besteht.
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Die Gangstufen der drei wahlweise einzubauenden Nachschaltgetriebe verbunden mit den beiden Tretlagereinstellungen sind in den obigen Tabellen ebenso wie die Zähnezahlen der verschiedenen Sonnen-, Planeten- und Hohlräder der drei beispielhaften Nabenausführungen und die sich daraus ergebenden Übersetzungsverhältnisse eingetragen. Die weiteren Tabellen der Varianten sind in der Parallelanmeldung (Hinterradnabe mit Mehrganggetriebe) als Eingangsgetriebe ersichtlich, die hier ausdrücklich zum Offenbarungsgegenstand zugehörig erklärt wird. Hierdurch wird eine noch größere Auswahl an Schrittweiten und Übersetzungsbereichen dargestellt, die bei unterschiedlichen Verhältnissen sinnvoll zum Einsatz kommen können.
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Die Anzahl der verschiedenen Zahnrädertypen und die Anzahl verschiedener Ausführungen der achsnahen Kupplungen zur Betätigung der Sonnenräder bzw. Planetenträger sind gering, was eine rationelle Fertigung und Lagerhaltung begünstigten. Die Lieferbarkeit der verschiedenen Versionen lässt sich durch das Baukastensystem stets der Nachfrage anpassen.
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Die Bezugszeichenliste bezieht sich auf die beigefügten Figuren.
| 1 | Tretlagerwelle | | |
| 2 | Schaltseilrolle | SN | Schaltnut |
| 3 | Abtriebswelle | RS | Rücklaufsperre (Freilauffunktion) |
| 4a, 4b | Kurbeladapter | | |
| KPT | Planetenträgerkupplung | | |
| KSR | Sonnenradkupplung | | |
| 7 | Planetenträger | | |
| 8 | Sonnenrad | | |
| 9 | Planetenrad | | |
| 10 | Hohlrad | HL | Hohlradlager |
| 11 | Zentrierlager | ZH | Zentrierhülse |
| 12 | Zentrierring | | |
| 13 | Tellerrad | | |
| EG | Eingangs-Planetengetriebe | |
| EM | Zusatz-Elektromotor | MG | Motorgetriebe |
| G | Gehäuse | GD1, GD2 | Gehäusedeckel |
| L1 - L4 | Wälzlager | GT1 | Gehäusetrennung von GD1 |
| SN | Steuernuten | | |
| SLK | Seilklemme | | |
| AS | Anlaufscheibe | | |
| FD | Federdornring | FT | Federtaschen |
| RST | Ring mit Steuernuten feststehend |
| SRA | Schaltring äußerer | SRI | Schaltring innerer |
| MN | Mitnehmer von 2 zu SRA | | |
| SF1 | Schaltfinger von SRA durch SF zu SRI |
| SF2 | Schaltfinger von SRI zu SK | |
| SK | Schaltkulisse | SSN1, SSN2 | Schaltseilnuten in 2 |
| FR | Feststehender Ring mit FT | | |
| NG | Hinterrad-Nabengetriebe Hinterrad-Nabengetriebe | | |
| R | Ritzel für Riemen oder Kette | SS | Spannschraube |
| ZG | Zugmittelgetriebe | ZL | Zentrierlager |
| HA | Hauptachse | NH | Nabenhülse |
| ST | Schalttrommel | | |
| SR1 - SR4 | Sonnenräder im Nabengetriebe | |
| PT1-2, PT3, PT3-4 | Planetenträger im Nabengetriebe | |
| PR1 - PR4 | Planetenräder im Nabengetriebe | |
| HR2-3 | Hohlrad im Nabengetriebe | |
| N20 - N70 | Schaltnuten | | |
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