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Die
Erfindung betrifft eine Naben-Gangschaltung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
bekannte Naben-Gangschaltung ist für die Ausgestaltung als Mehrgang-Schaltnabe
konzipiert, beispielsweise als 3-, 5- oder 7-Gang-Nabe, wobei gemäß dem vorbekannten
Stand der Technik jeder dieser Gänge
sowohl für
die Vorwärts-
als auch für
die Rückwärtsfahrt
genutzt werden kann.
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Bei
diesen gattungsgemäßen Naben
erfolgt der Antrieb über
ein Ritzel mit Hilfe einer Antriebskette, so dass die um eine zentrale
Achse umlaufende Nabenhülse
durch das mit dieser Nabenhülse
verbundene Antriebsritzel in Drehung versetzt wird.
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Im
Unterschied zu dieser Antriebstechnik sind aus der Praxis jedoch
auch so genannte „direkt angetriebene" Pedalfahrzeuge bekannt,
beispielsweise als Dreiräder
in Form von Kinder-Dreirädern oder
auch in Form von Rehabilitationsfahrzeugen für Erwachsene. Bei derartigen
Dreirädern
erfolgt der Pedalantrieb unmittelbar auf das sowohl gelenkte als auch
angetriebene Vorderrad. Als Direktantrieb wird dabei bezeichnet,
dass – häufig ohne
Zwischenschaltung eines Getriebes – die Drehbewegung der Pedale
unmittelbar auf das Rad übertragen
wird. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, beide am Fahrzeug
vorgesehene Pedalkurbeln durch eine einzige, durchlaufende und entsprechend
mehrfach abgewinkelte Stange auszubilden, die in ihrem mittleren Abschnitt
die das Rad durchquerende An triebsachse bzw. -welle ausbildet. Diese
Welle ist durch Verzahnung, Verstiftung oder ähnliche formschlüssige Maßnahmen
mit dem Rad verbunden, welches beispielsweise als speichenloses
Scheibenrad ausgestaltet sein kann.
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Bei
derartigen direkt angetriebenen Fahrzeugen besteht eine erhebliche
Verletzungsgefahr dadurch, dass sich die Pedale aufgrund der drehfesten Verbindung
zwischen Pedalen und Rad unabhängig von
der Beinbewegung des Benutzers bewegen, solange das Fahrzeug rollt.
Verletzungen im Bereich der Unterschenkel und Füße sind daher bei derartigen
Fahrzeugen nicht unüblich.
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Ein
weiterer Nachteil derartiger Fahrzeuge besteht darin, dass die Bremsleistung
dadurch aufgebracht werden muss, dass der Fahrer die Bewegung der
Pedale durch entsprechenden Anlagedruck an den Pedalen zu behindern
versucht und dabei das Vorderrad langsam abbremst. Die Effektivität dieser Bremsanordnung
ist unbefriedigend. Eine zweite Bremseinrichtung muss daher zusätzlich vorgesehen werden,
die manuell bedient wird und daher – insbesondere bei den Kindern
und Rehabilitanten als Fahrzeugbenutzern – die Sicherheit der Fahrzeugführung beeinträchtigt,
da zum Betätigen
der zweiten Bremseinrichtung die Lenkeinrichtung notwendigerweise nicht
mehr mit beiden Händen
sicher umgriffen werden kann.
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Durch
Anordnung einer an sich bekannten Ein-Gang-Nabe mit Rücktrittbremse,
wie sie aus beispielsweise dem Bereich der Fahrräder bekant ist, könnten die
beiden vorgenannten Nachteile der direkt angetriebenen Pedalfahrzeuge
ausgeräumt
werden. Allerdings besteht ein Nachteil der Anwendung derartiger
Ein-Gang-Naben bei
den direkt angetriebenen Pedalfahrzeugen darin, dass die zuvor mittels der
starren Pedalanbindung an das Rad vorhandene Rückwärts-Fahrfunktion nun entfällt und
durch die Rücktritts-Bremsfunktion
ersetzt ist. Insbesondere im Bereich der Rehabilitationsfahrzeuge
kann dies einen erheblichen Nachteil darstellen, je nach Einschränkung der
Bewegungsmöglichkeiten
der Fahrzeugbenutzer.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Naben-Gangschaltung
dahingehend abzuwandeln, dass diese bei direkt angetriebenen Pedalfahrzeugen
verwendbar ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein direkt angetriebenes Pedalfahrzeug zu schaffen, welches sowohl
Vorwärts- als auch Rückwärtsfahrt
sowie eine Rücktrittsbremsfunktion
ermöglicht
und somit besonders komfortabel sowie besonders unfallsicher benutzbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Naben-Gangschaltung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst sowie
durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
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Die
Erfindung schlägt
mit anderen Worten vor, die Vorteile der bekannten, gattungsgemäßen Naben-Gangschaltung
auch bei einer Nabenausgestaltung zu ermöglichen, bei der die zentrale
Welle innerhalb der Nabe nicht feststeht, sondern drehbar angeordnet
ist. Die gattungsgemäße Konstruktion
einer Naben-Gangschaltung
kann für
derartige Anwendungsfälle
nicht genutzt werden, da sie für
feststehende Achsen vorgesehen ist, die beispielsweise mit dem Fahrzeugrahmen
verschraubt sind. Demgegenüber
schlägt
die Erfindung vor, eine drehbare Welle anstelle der zentralen, feststehenden
Achse in der Nabe vorzusehen, wobei diese Welle mit den Pedalen
verbunden ist.
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Die
Rücktrittsbremse
weist einen Bremskonus auf, der sich wahlweise mit der zentralen
Welle mitdreht oder gegenüber
dieser frei drehbeweglich ist. Diese Drehbeweglichkeit des Bremskonus
gegenüber
der Welle wird ermöglicht
oder verhindert durch eine in nur einer Drehrichtung wirksame Freilaufeinrichtung,
so dass in Abhängigkeit
von der Relativbewegung zwischen Nabenhülse und Welle eine Bremswirkung
mittels des Bremskonus möglich
ist oder eine Rückwärts-Fahrfunktion
er möglicht
wird, bei welcher die Welle durch den noch in seiner Bremsfunktion
befindlichen Bremskonus und die zugehörigen Bremsklötze eine
Drehbewegung auf die Nabenhülse überträgt, so dass
mittels der Nabenhülse
das Rad rückwärts gedreht
wird.
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Wenn
die Nabe an einem kettengetriebenen Fahrzeug verwendet wird, läuft die
von den Pedalen angetriebene Kette um ein Ritzel um. Serienmäßig wird
daher die zum Bremsen erforderliche Relativbewegung zwischen Bremsbelägen und
Bremskonus über
das Ritzel in die Nabe eingeleitet. Aus der Praxis ist es bekannt,
als Betätigungselement
eine Getriebeschnecke zu verwenden, die gemeinsam mit dem Ritzel
um die feststehende Achse umläuft.
Die Getriebeschnecke ist als Betätigungselement
bezeichnet, weil sie – wenn
die Getriebeschnecke gegenüber
der Nabenhülse
rückwärts gedreht
wird – mittels
der Schneckenverzahnung eine axiale Relativbewegung zwischen den
Bremsbelägen
und dem Bremskonus bewirkt und damit die Bremsung einleitet. Für den Einsatz
der Nabe bei einem direkt-angetriebenen
Fahrzeug, bei dem die Pedale auf eine zentrale Welle des Rades einwirken,
also auf eine Welle, welche sich axial durch die Nabe erstreckt, sieht
die Erfindung in Abweichung von dieser serienmäßigen Ausgestaltung weiterhin
vor, dass das diese Relativbewegung auslösende Betätigungselement – wie die
erwähnte
Getriebeschnecke – drehfest
mit der Welle verbunden ist.
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Die
Freilaufeinrichtung kann vorzugsweise als Freilaufritzel ausgestaltet
sein. Hierdurch können handelsübliche und
durch große
Stückzahlen
preisgünstige
Bauteile Verwendung finden.
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Weiterhin
kann vorteilhaft die Freilaufeinrichtung, insbesondere ein Freilaufritzel,
durch eine Friktionsbremse bewusst schwergängig eingestellt sein. Hierdurch
ist sichergestellt, dass nach dem Abbremsen mittels der Rücktritts-Bremsfunktion
die Bremsklötze
noch der Nabenhülse
anliegen, wenn anschließend
durch weitere Rückwärtsbelastung
der Pedale die Rückwärts- Fahrfunktion eingeleitet
wird und die Kraft über
die Bremsklötze
auf die Nabenhülse übertragen
wird.
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Vorteilhaft
kann bei einer bekannten und handelsüblichen Ein-Gang-Nabe, wo die Welle mit einem Gewinde
versehen ist, der Bremskonus nicht unmittelbar auf dieser Welle
angeordnet sein, sondern auf einer Gleitbuchse drehbeweglich gelagert sein,
welche Gleitbuchse ihrerseits mit der Welle verbunden ist. Es ist
daher vorgesehen, gegenüber
der serienmäßigen Ausgestaltung
des Bremskonus dessen Innendurchmesser zu vergrößern, wobei das Gewinde entfällt, mittels
welches der Bremskonus ansonsten üblicherweise mit der Welle
verschraubt ist. Stattdessen wird der Bremskonus auf der Gleitbuchse
gelagert, welche ihrerseits mit der Welle verschraubt ist. Auf diese
Weise ist sichergestellt, dass in der einen, gewünschten Drehrichtung der Bremskonus
im Verhältnis
zur Welle drehbeweglich ist, während
in der anderen Drehrichtung, bedingt durch die Freilaufeinrichtung,
der Bremskonus gemeinsam mit der Welle gedreht wird, nämlich bei
der Rückwärtsfahrt.
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Um
einen möglichst
seriennahen Bremskonus zu verwenden, beispielsweise durch einfache Nachbearbeitung
des serienmäßig vorgesehenen Bremskonus,
und um andererseits ein serienmäßiges und
dementsprechend preisgünstiges
Freilaufritzel verwenden zu können,
kann vorteilhaft ein Adapter vorgesehen sein, mittels dessen der
Bremskonus drehfest mit dem Freilaufritzel verbunden werden kann.
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Ein
derartiger Adapter kann vorzugsweise einen inneren Freiraum zur
Aufnahme eines Axiallagers aufweisen, so dass die gesamte Baueinheit
bestehend aus Freilaufritzel, Adapter und Bremskonus mittels dieses
Axiallagers in einer bestimmten axialen Position gehalten werden
können.
Hierzu kann vorteilhaft die Gleitbuchse einen Kragen aufweisen, mit
welchem sie dem Axiallager anliegt. Durch die Gewindeverbindung
zwischen der Gleitbuchse und der Welle kann auf einfache Weise der
Brems konus und das damit verbundene Freilaufritzel axial positioniert
werden.
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Vorteilhaft
kann ein direkt angetriebenes Pedalfahrzeug mit einer derartigen
Naben-Gangschaltung ausgestattet werden, insbesondere Fahrzeuge mit
mehr als zwei Rädern,
so dass bei derartigen Fahrzeugen sowohl die Rückwärts- als auch die Vorwärtsfahrt
ermöglicht
ist, dies bei Anwendung einer Freilauffunktion, wie sie durch die
Ein-Gang-Nabe vorgesehen ist, so dass entsprechende Verletzungen bei
nicht angetriebenem, aber rollendem Fahrzeug reduziert werden, und
wobei eine Rückfahrfunktion die
Manövrierbarkeit
des Fahrzeugs verbessert.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand der Zeichnungen nachfolgend näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 in rein schematischer
Anordnung eine Ein-Gang-Nabe,
die in einem direkt angetriebenem Fahrzeug eingebaut ist, und die
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2–6 einige
Schritte bei der Umrüstung einer
serienmäßigen Ein-Gang-Nabe
zu einer erfindungsgemäßen Naben-Gangschaltung.
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In 1 ist mit 1 allgemein
eine Nabe bezeichnet, die als Ein-Gang-Nabe mit Rücktrittsfunktion im Wesentlichen
handelsüblich
ist. Eine Nabenhülse 2 weist
zwei Speichenflansche 3 auf, so dass die Nabe 1 in
einem Drahtspeichenrad verbaut werden kann. Alternativ kann jedoch
vorgesehen sein, einen der beiden Speichenflansche 3 der üblicherweise
lediglich mit der Nabenhülse 2 verpresst
ist, von der Nabenhülse 2 abzuziehen
und die. Nabe 1 in die zentrale Ausnehmung eines Scheibenrades
zu stecken. Anschließend
wird der zuvor demontierte Speichenflansch 3 wieder mit
der Nabenhülse 2 verpresst.
Die Speichenlöcher
in den Speichenflanschen 3 können nun dazu dienen, die Nabe 1 drehfest
mit dem Scheibenrad zu verbinden, beispiels weise mit Hilfe von entsprechenden
Schrauben, die durch die Speichenflansche 3 geführt und
in das Scheibenrad eingeschraubt werden.
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Die
Nabe 1 weist weiterhin Bremsklötze 4 auf. Diese können mittels
eines Betätigungselementes
in Form einer Gewindeschnecke 5 axial innerhalb der Nabenhülse 2 verschoben
werden. Das die Gewindeschnecke 5 aufweisende Bauteil ist
serienmäßig mit
einem Ritzel verbunden, welches mit einer Antriebskette des Fahrzeugs
zusammenwirkt. Gemeinsam mit diesem Ritzel dreht sich serienmäßig das
Schneckenbauteil um eine Achse, welche drehfest im Rahmen eines
Fahrzeugs montiert ist und durch die Nabe verläuft. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist das Schneckenbauteil um den Bereich gekürzt, welcher serienmäßig mit
dem Ritzel verbunden wäre,
und mit einer drehbaren Welle 7 verschweißt, so daß sich die
Gewindeschnecke 5 und die Welle 7 gemeinsam drehen.
Die Gewindeschnecke 5 kann abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel
auch auf andere Weise fest mit der Welle 7 verbunden sein,
z. B. können
die Gewindeschnecke 5 und die Welle 7 miteinander
verzahnt, verstiftet oder von vornherein als ein einziges Bauteil hergestellt
sein. Wenn die Bremsklötze 4 durch
die Gewindeschnecke 5 axial verschoben werden, laufen sie
auf einen Bremskonus 6 auf, werden gespreizt und führen so
zu einer Reibung mit der Nabenhülse 2.
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Die
Nabe 1 wird axial von der Welle 7 durchsetzt,
die an ihren beiden Enden jeweils mit einer Pedalkurbel 8 versehen
ist. Die Welle 7 ist mittels zweier Lager 9 in
einem Rahmen 10 eines Fahrzeugs gelagert, beispielsweise
in der Vordenadgabel eines Dreirad-Fahrzeugs. Wenn die Pedalkurbeln 8 und
dementsprechend die Welle 7 für eine Vorwärtsfahrt dieses Fahrzeugs in
Drehung versetzt werden, wird die Nabenhülse 2 mit gleicher
Geschwindigkeit mitgenommen und versetzt über die Speichenflansche 3 das
entsprechende Rad des Fahrzeugs in Drehung.
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Die
Freilauf- und Rücktritts-Bremsfunktionen der
Nabe 1 sind nach wie vor erfüllt.
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Für die Rücktritts-Bremsfunktion
ist wichtig, dass die Drehmomentenabstützung gegenüber dem Rahmen 10 erfolgt.
Zu diesem Zweck ist am Rahmen eine stiftartige Bremsmomentenstütze 11 vorgesehen,
welche sich in die Verzahnung eines Freilaufritzels 12 erstreckt.
Das Freilaufritzel 12 ist seinerseits drehfest mit dem
Bremskonus 6 verbunden. Während des Bremsvorganges besteht
eine Relativbewegung zwischen der sich – mit nachlassender Geschwindigkeit – drehenden
Nabenhülse 2 und
der Welle 7. Sobald das Fahrzeug zum Stillstand gekommen
ist, ist diese Relativbewegung beendet, die Bremsklötze 4 befinden
sich jedoch noch in ihrer Bremsstellung und liegen der Nabenhülse 2 an.
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Zum
Bremsen werden die Pedale und dementsprechend die Welle 7 in
eine Richtung beaufschlagt und geringfügig bewegt, welche der Vorwärts-Drehrichtung
dieser Bauteile entgegengesetzt ist. Nach Fahrzeugstillstand führt die
weitere, gleichartige Belastung der Pedalkurbeln 8 zu einer
dementsprechend rückwärtsgerichteten
Drehbewegung der Welle 7, welche aufgrund in ihrer Bremsstellung
befindlichen Bremsklötze 4 dazu
führt,
dass auch die Nabenhülse 2 und
dementsprechend über
die Speichenflansche 3 auch das gesamte Rad in dieser Rückwärts-Drehrichtung bewegt
wird. Da die beim Bremsen zuvor beschriebene Relativbewegung zwischen
der Nabenhülse 2 und
der Welle 7 nicht mehr besteht, sondern beide Bauteile
mit gleicher Winkelgeschwindigkeit bewegt werden, ermöglicht das
Freilaufritzel 12 durch seine Freilauffunktion diese Bewegungsrichtung,
die einer Rückwärtsfahrt
des Fahrzeugs entspricht.
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Zwischen
dem Bremskonus 6 und der Welle 7 ist eine Gleitbuchse 14 vorgesehen,
die an ihrem in der Zeichnung rechts dargestellten Ende einen Kragen 15 aufweist.
Mit diesem Kragen 15 liegt die Gleitbuchse 14 einem
Axiallager 16 an, welches seinerseits auf den Bremskonus 6 einwirkt,
so dass dieser axial fixiert ist.
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Während in 1 eine rein schematische Darstellung
der Nabe 1 vorgesehen ist, zeigt 2 eine teilweise demontierte Nabe 1 aus
der Praxis. Die Welle 7 ist als Gewindestange ausgestaltet
und der Bremskonus 6 weist ein Innengewinde 17 auf,
mit welchem er auf die Welle 7 geschraubt wird, wobei in der
dargestellten Demontagestellung der Bremskonus 6 von der
Welle 7 abgeschraubt ist.
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3 zeigt im Vergleich zwei
Bremskonen 6, wobei links der serienmäßige Zustand mit Innengewinde 17 dargestellt
ist und rechts eine überarbeitete Ausführung des
Bremskonus 6, bei dem eine zentrale Bohrung 18 vorgesehen
ist, die gegenüber
dem serienmäßigen Zustand
des Bremskonus 6 nicht nur gewindelos ist, sondern auch
einen größeren Innendurchmesser
aufweist als die mit dem Innengewinde 17 versehene serienmäßige Axialbohrung.
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4 zeigt den erfindungsgemäß überarbeiteten
Bremskonus 6 neben einem großserienmäßig hergestellten handelsüblichen
Freilaufritzel 12. Zur Verbindung des Bremskonus 6 mit
dem Freilaufritzel 12 ist ein Adapter 19 vorgesehen,
der einerseits eine formschlüssige
Aufnahme des Bremskonus 6 ermöglicht und andererseits ein
Außengewinde
aufweist, mit welchem er in das ein Innengewinde aufweisende Freilaufritzel 12 eingeschraubt
werden kann.
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5 zeigt die entsprechende
Baugruppe, die aus den drei miteinander verbundenen Bauteilen 6, 12 und 19 besteht,
wie sie zuvor einzeln in 4 dargestellt
waren. Es ist ersichtlich, dass der vergleichsweise große freie
Innenraum des Freilaufritzels 12 durch den Adapter 19 nur
teilweise ausgefüllt ist,
und dass der Adapter 19 seinerseits einen großen freien
Innenraum aufweist
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6 zeigt die Baugruppe der 5 während des Anbaus an die in 2 dargestellte Nabe 1. In
den Freiraum des Adapters 19 ist ein Axiallager 16 eingesetzt
und sowohl das Axiallager 16 als auch der Bremskonus 6 weisen
eine so große
zentrale Bohrung auf, dass ein ringförmiger Spalt zwischen der Welle 7 und
dem Bremskonus 6 bzw. dem Axiallager 16 verbleibt.
Dieser Ringspalt wird ausgefüllt
durch eine Gleitbuchse 14, welche ein Innengewinde 20 zum
Zusammenwirken mit dem Gewinde der Welle 7 aufweist. Die
Gleitbuchse 14 liegt mit ihrem Kragen 15 dem Axiallager 16 an,
wenn sie entsprechend weit auf die Welle 7 aufgeschraubt
wurde, so dass auf diese Weise das Lagerspiel innerhalb der Nabe 1 eingestellt
werden kann und der gewünschte
axiale Sitz des Bremskonus 6 auf der Welle 7 bestimmt
werden kann.
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In 1 ist schematisch eine Friktionsbremse 21 eingedeutet,
die als Federstahldraht, Federblechzunge oder ähnlich ausgestaltet dem Freilaufritzel 12 anliegt,
um dessen Beweglichkeit zu beschränken. Auf diese Weise wird
sichergestellt, dass die Bremsklötze 4 nach
Beendigung des Bremsvorganges und vor Einleiten der Rückwärtsfahrt
nicht versehentlich, den Kraftfluss zwischen Welle 7 und Nabenhülsen 2 unterbrechend,
in ihre Ruhestellung zurückbewegt
werden, sondern vielmehr in ihrer Bremsstellung, der Nabenhülse 2 anliegend,
verbleiben.