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Die
Erfindung betrifft ein mechanisches Nabenschaltgetriebe zum Übertragen
einer Drehbewegung mit stufenlos veränderlichem Übersetzungsverhältnis, insbesondere
zur Anwendung als direkten Tretkurbel-Vorderradantrieb für Fahrräder.
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[Stand der Technik]
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Die
ersten Nabenschaltungen wurden bereits um 1900 patentiert (z. B.
Fichtel & Sachs)
und waren damit trotz komplizierter Bauart um Jahrzehnte früher auf
dem Markt als Kettenschaltungen. Aufgebaut als Planetenumlaufgetriebe
waren mit diesem Nabengetriebe drei Gänge möglich.
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Um
mehr als drei Übersetzungen
in der Nabe unterzubringen, sind weitere Getriebe notwendig, die über Planetenräder gekoppelt
oder hintereinander geschaltet sind. Zur Steuerung bewegt man meist
einen Schubklotz im Innern der Achse, der in verschiedene Sonnenräder greift
und sie damit blockieren kann. Die Weiterleitung der Drehung an
die Nabenhülse
erfolgt je nach Gang über
verschiedene Sperrklinkenpaare, die – wenn nicht aktiv – teils
aus der Verzahnung ausrücken
oder festgehalten werden können.
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Der
Nachteil dieser Getriebe besteht, außer dass sie nur in Stufen
schaltbar sind, in ihrem hohen Gewicht und den Reibungsverlusten,
die zunehmen, je mehr Übersetzungsstufen
angestrebt werden.
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Des
Weiteren sind so genannte PV- oder PIV-Getriebe bekannt, die mit
Kette oder Keilriemen arbeiten. Derartige Getriebe sind für ein nahezu
stufenloses Schalten relativ kompliziert und materialintensiv im
Aufbau und benötigen
eine hohe Schaltkraft.
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Aus
der
EP 0 432 742 A1 ist
ein stufenlos arbeitendes Nabengetriebe, insbesondere für Fahrräder, in
Form eines Reibrad getriebes bekannt. Über eine Nabenhülse wird
das Reibradgetriebe angetrieben, dessen erste Toroidscheibe fest
auf der Nabenachse sitzt, dessen mit mehreren Reibrädern versehener
Reibradträger
von einem Antreiber aus angetrieben wird und dessen zweite Toroidscheibe über ein
Planetengetriebe und eine dem Planetengetriebe zugeordnete Freilaufkupplung
mit der Nabenhülse verbunden
ist. Das stufenlos einstellbare Übersetzungsverhältnis des
Reibradgetriebes wird vom Inneren der Nabenachse gesteuert, welches über einen Kupplungsring
die schwenkbar gelagerten Achszapfen der Reibräder, mitnimmt.
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Derartige
Getriebe sind zwar klein und robust im Aufbau, besitzen aber einen
Schlupf und eine hohe Reibung, wodurch eine große Kraft für das Verstellen des Getriebes
notwendig ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Nabenschaltgetriebe mit Tretkurbelantrieb
zum Übertragen einer
Drehbewegung mit stufenlos veränderlichem Übersetzungsverhältnis zu
schaffen, das einen direkten Tretkurbelantrieb ermöglicht,
klein und robust im Aufbau ist, keinen Schlupf besitzt und eine
geringe Verstellkraft benötigt.
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Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte
Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
Nabenschaltgetriebe mit Tretkurbelantrieb und stufenlos veränderlichem Übersetzungsverhältnis dient
zum Übertragen
einer Drehbewegung auf ein in einem Rahmen gehaltenes Rad, z. B.
Vorderrad eines Fahrrades. Das Rad besitzt dafür eine Nabenhülse, in
der eine Nabenwelle drehbar gelagert ist.
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An
der Nabenwelle sind zum direkten Antrieb des Vorderrades Tretkurbeln
befestigt.
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Innerhalb
der Nabenhülse
sind zur Kraftübertragung
und Drehwandlung zwei Planetengetriebe angeordnet, die einen gemeinsamen
Planetenträger
besitzen, der fest mit dem Rahmen des Fahrrades verbunden ist.
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Die Übertragungsglieder
des Getriebes bestehen aus ineinander greifenden Bolzen- und Keilscheiben,
so dass vielfache Übersetzungsverhältnisse
nahezu stufenlos erreichbar sind.
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Die
zweistufige Ausführung
des Planetengetriebes dient nicht nur einer hohen Übersetzung,
sondern ist auch notwendig, damit die Tretkurbel die gleiche Drehrichtung
wie die Nabenhülse
hat.
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Das
erste Planetengetriebe besitzt ein erstes Sonnenrad, das fest auf
der Nabenwelle angeordnet und als Bolzenscheibe ausgebildet ist.
Demgegenüber
sind die mit dem ersten Sonnenrad in Eingriff stehenden Planetenräder als
Keilscheiben ausgebildet.
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Das
zweite Planetengetriebe besitzt ein zweites Sonnenrad, das als Keilscheibe
ausgebildet und mittels einer Freilaufhülse, die mit der Nabenhülse über eine
Freilaufkupplung verbunden ist, auf der Nabenwelle gelagert ist.
Hier sind die mit dem zweiten Sonnenrad in Eingriff stehenden Planetenräder als
Bolzenscheiben ausgebildet.
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Für eine Untersetzung
ist auch der umgekehrte Fall denkbar, indem das erste Sonnenrad
als Keilscheibe und das zweite Sonnenrad als Bolzenscheibe ausgebildet
ist und die mit dem ersten Sonnenrad in Eingriff stehenden Planetenräder als
Bolzenscheiben und die mit dem zweiten Sonnenrad in Eingriff stehenden
Planetenräder
als Keilscheiben ausgebildet sind.
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Eine
Bolzenscheibe trägt
eine Vielzahl von Bolzen, die auf dem Umfang der Bolzenscheiben
axial beweglich angeordnet sind.
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Eine
Keilscheibe besteht aus zwei auf einer Welle gegeneinander beweglichen
Teilscheiben, wobei die einander zugewandten Flächen der Teilscheiben eine
zur Welle hin zunehmende Wölbung
aufweisen und radial angeordnete Nuten und Stege besitzen. Die beiden
Teilscheiben der Keilscheibe sind derart in Umlaufrichtung gegeneinander
versetzt angeordnet, dass immer einem Steg der einen Teilscheibe
eine Nut der anderen Teilscheibe gegenübersteht, so dass die Bolzen
der Bolzenscheiben wechselseitig durch den Steg der einen Teilscheibe
in die Nut der anderen Teilscheibe gedrückt werden.
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In
dem Nabenschaltgetriebe, in dem vorzugsweise vier Planetenräder auf
einer Umlaufbahn angeordnet sind, ist jeweils ein Planetenrad eines Planetengetriebes
mit einem Planetenrad des anderen Planetengetriebes auf einer gemeinsamen
Welle angeordnet. Die Wellen der so paarweise angeordneten Planetenräder sind
auf Achsen gelagert, die am Planetenträger in Schwingen drehbar angeordnet sind,
wodurch die Wellen der Planetenräder
gegenüber
den Wellen der Sonnenräder
in ihrem Abstand zueinander verschoben werden können.
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Zur
Steuerung des Nabenschaltgetriebes werden die Achsen der Planetenräder an den
freien Enden der Schwingen in einer Steuerscheibe geführt, so
dass durch ein Verdrehen des Planetenträgers relativ zur Steuerscheibe
die Achsen der Planetenräder
gegenüber
der gemeinsamen Achse der Sonnenräder verschiebbar sind.
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Die
Stirnkanten der Bolzen der Bolzenscheibe sowie die Anlaufkanten
der Stege der Keilscheibe sind etwas abgeschrägt, so dass ein einwandfreies Ein-
und Auslaufen der Bolzen in und aus den Nuten gewährleistet
ist. Außerdem
wird das Ein- und Auslaufen der Bolzen durch die Kegelform der Innenflächen der
Teilscheiben der Keilscheibe unterstützt.
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Beim
Schalten des Getriebes wird somit die Bolzenscheibe mehr oder weniger
stark zwischen die beiden Teilscheiben der Keilscheibe gedrückt und
so ein unterschiedliches Übersetzungsverhältnis hergestellt.
Die Teilscheiben sind dazu auf ihrer gemeinsamen Achse verschiebbar
angeordnet und stehen unter einem leichten Federdruck, der die Teilscheiben derart
gegen die Bolzenscheibe drückt,
dass ein in eine Nut der Teilscheiben der Keilscheibe eingelaufener
Bolzen der Bolzenscheibe sicher gegen eine Stegkante drückt und
so eine kraftschlüssige
Verbindung zwischen der Bolzenscheibe und der Keilscheibe herstellt.
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Je
nach Übersetzungsverhältnis und
Größe der Scheiben
befinden sich ein oder mehrere Bolzen gleichzeitig in einer Nut.
Bei einem kleinen Übersetzungsverhältnis befindet
sich die Bolzenscheibe am äußeren Rand
der Keilscheibe in Eingriff und mehrere Bolzen befinden sich gleichzeitig
in einer Nut. Bei einem großen,
maximal möglichen Übersetzungsverhältnis ist
die Bolzenscheibe soweit zwischen die beiden Teilscheiben der Keilscheibe
gedrückt,
dass sich nur noch ein Bolzen in einer Nut befindet.
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An
Hand von Zeichnungen werden der Aufbau und die Wirkungsweise der
Erfindung erläutert und
eine Ausführungsform
für ein
Fahrradnabengetriebe dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 Eine
Schnittdarstellung des Nabenschaltgetriebes für die Anordnung in einer Fahrrad-Vorderradnabe,
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2 einen
Schnitt A-A durch das Nabenschaltgetriebe gemäß 1,
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3 einen
Schnitt B-B durch das Nabenschaltgetriebe gemäß 1,
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4 einen
Schnitt C-C durch das Nabenschaltgetriebe gemäß 1,
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5 eine
Darstellung eines in der Nabenschaltung verwendeten Scheibenpaares
bei geringer Übersetzung,
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6 eine
Darstellung eines in der Nabenschaltung verwendeten Scheibenpaares
bei hoher Übersetzung,
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7 das
Prinzip des wechselseitigen Einlaufens der Bolzen der ersten Scheibe
in die Nuten der beiden Teilscheiben der Keilscheibe gemäß 5 und
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8 das
Prinzip des wechselseitigen Einlaufens der Bolzen der ersten Scheibe
in die Nuten der beiden Teilscheiben der Keilscheibe gemäß 6.
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Der
prinzipielle Aufbau des Nabenschaltgetriebes mit Tretkurbelantrieb
ist in 1 dargestellt. Es dient zum Übertragen einer Drehbewegung
mit einem stufenlos veränderlichen Übersetzungsverhältnis auf
ein in einem Rahmen gehaltenes Rad, z. B. Vorderrad eines Fahrrades.
Das Rad besitzt dafür eine
Nabenhülse 12,
in der eine Nabenwelle 10 drehbar gelagert ist.
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Innerhalb
der Nabenhülse 12 ist
das Getriebe in einer erfindungsgemäßen Bolzen-Keilscheibenkombination
als doppeltes Planetengetriebe aufgebaut. Der grundsätzliche
Aufbau dieser Kombination und das Zusammenwirken von Bolzenscheibe 1 und Keilscheibe 2 ist
aus den Zeichnungen 5 bis 8 zu entnehmen.
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Die
Kraftübertragung
erfolgt von der die Antriebswelle bildenden Nabenwelle 10,
die gleichzeitig die Tretkurbelachse ist. Die Tretkurbeln (nicht
dargestellt) werden mittels einer Verschraubung 11 befestigt.
Um eine erste Bolzenscheibe 1, die in 1 als ein
erstes Sonnenrad 13 ausgebildet ist, laufen vier Planetenräder 16 in
Form von Keilscheiben 2 um.
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Jedes
auf dem ersten Sonnenrad 13 umlaufende Keilscheiben-Planetenrad 16 ist über eine
gemeinsame Welle 19 mit jeweils einem zweiten Planetenrad 17,
das eine Bolzenscheibe 1 ist, verbunden, die ihrerseits
planetenartig auf einer Keilscheibe 2 umlaufen, die ein
zweites Sonnenrad 14 bildet.
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Das
zweite Sonnenrad 14 ist auf einer Hohlwelle 21 angeordnet,
die auf der Nabenwelle 10 gelagert ist und als Abtriebswelle
fest mit der Nabenhülse 12 verbunden
ist. Die Hohlwelle 21 dient gleichzeitig als Freilaufhülse.
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Der
Umlaufradius der vier Wellen 19 mit den paarweise angeordneten
Planetenräder 16, 17 wird relativ
zu der Achse der Sonnenräder 13, 14,
die durch die Wellen 10, 21 verläuft, durch
steuerbare Schwingen 18 verändert. Die Schwingen 18 sind
am Planetenträger 15 gelagert
und halten an ihren freien Enden Achsen 20, auf denen die
Wellen 19 für
die Planetenräder 16, 17 gelagert
sind.
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Die
Achsen 20 der Planetenräder 16, 17 sind außerdem an
den freien Enden der Schwingen 18 in einer Steuerscheibe 22 geführt, so
dass durch ein Verdrehen des Planetenträgers 15 relativ zur
Steuerscheibe 22 die Achsen 20 der Planetenräder 16, 17 gegenüber der
gemeinsamen Achse der Sonnenräder 13, 14 verschiebbar
sind und somit die Tiefe des Eindringens der Bolzenscheiben 13 und 17 (bzw.
Bezugszeichen 1 in 5 bis 8)
in die Kegelscheiben 14 und 16 (bzw. Bezugszeichen 2 in 5 bis 8)
verändert
werden kann.
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2 zeigt
einen Schnitt A-A durch das Nabenschaltgetriebe gemäß 1.
Der Schnitt verläuft durch
die Plane tengetriebeanordnung in der das erste Sonnenrad 13 eine
Bolzenscheibe 1 ist.
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Um
das Sonnenrad 13 kreisen vier Planetenräder 16, deren Achsen 20 gegenüber der
Achse des Sonnenrades 13, die durch die Nabenwelle 10 verläuft, mittels
Schwingen 18 verschiebbar sind.
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Die
Schwingen 18 sind am Planetenträger 15 gelagert und
tragen an ihren freien Enden die Achsen 20 auf denen mittels
Wellen 19 die Planetenräder 16 gelagert
sind.
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3 zeigt
einen Schnitt B-B durch das Nabenschaltgetriebe gemäß 1.
Der Schnitt verläuft durch
die Planetengetriebeanordnung in der das zweite Sonnenrad 14 eine
Keilscheibe 2 ist.
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Um
das Sonnenrad 14 kreisen vier Planetenräder 17, deren Achsen 20 gegenüber der
Achse des Sonnenrades 14, die durch die Nabenwelle 10 verläuft, mittels
Schwingen 18 verschiebbar sind. Das Sonnenrad 14 ist
mittels einer Hohlwelle 21 auf der Nabenwelle 10 gelagert.
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Die
Schwingen 18 sind am Planetenträger 15 gelagert und
tragen an ihren freien Enden die Achsen 20 auf denen mittels
Wellen 19 die Planetenräder 17 gelagert
sind.
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Zur
Erläuterung
des Steuermechanismus zeigt 4 einen
Schnitt C-C durch das Nabenschaltgetriebes gemäß 1.
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Die
Steuerscheibe 22, die gegenüber dem Planetenträger 15 drehbar
angeordnet ist, ist zusammen mit dem Planetenträger 15 auf der Nabenwelle 10 gelagert.
Am Umfang der Steuerscheibe 22 sind Steuernuten 23 bogenförmig angeordnet,
die bei einem Drehen der Steuerscheibe 22 Steuerbolzen 24 mit nehmen,
die an den Enden der Schwingen 18 in der Nähe der Achsen 20 der
Planetenräder 16, 17 angebracht
sind.
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Die
Abbildungen 5 und 6 zeigen das
Grundprinzip des Getriebes, das aus mindestens einer ersten Scheibe 1 und
einer zweiten Scheibe 2 besteht, die paarweise angeordnet
sind und ähnlich wie
zwei Zahnräder
ineinander greifen.
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Die
erste Scheibe 1, die eine Bolzenscheibe ist, besitzt eine
Vielzahl von Bolzen 5, die am Umfang der Scheibe 1 axial
beweglich angeordnet sind und die zweite Scheibe 2, die
eine Keilscheibe ist, besteht aus zwei auf einer Achse 4 gegeneinander
beweglichen Teilscheiben 2.1 und 2.2. Die einander
zugewandten Flächen 8 der
Teilscheiben 2.1 und 2.2 sind kegelförmig geformt
und besitzen radial angeordnete Nuten 6 und Stege 7.
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Die
beiden Teilscheiben 2.1 und 2.2 der zweiten Scheibe 2 sind
derart in Umlaufrichtung gegeneinander versetzt angeordnet, dass
immer einem Steg 7 der einen Teilscheibe 2.1 oder 2.2 eine
Nut 6 der anderen Teilscheibe 2.1 oder 2.2 gegenübersteht,
so dass die Bolzen 5 der Bolzenscheibe 1 wechselseitig
durch einen Steg 7 der einen Teilscheibe 2.1 oder 2.2 in
die Nut 6 der anderen Teilscheibe 2.1 oder 2.2 gedrückt werden.
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Die
Nuten 6 und die Stege 7 sind radial angeordnet
und dementsprechend nach außen,
zum Rand der Scheibe hin, strahlenförmig erweitert.
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Je
nach Übersetzung
werden die Bolzen 5 der ersten Scheibe 1 wechselseitig
in die Nuten 6 der Teilscheiben 2.1 und 2.2 der
zweiten Scheibe 2 gedrückt.
Je nach dem, wie tief die Bolzen 5 zwischen die Teilscheiben 2.1 und 2.2 eindringen,
werden gleichzeitig die beiden Teilscheiben 2.1 und 2.2 durch die
Kegelform ihrer Flächen 8 auseinandergedrückt.
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Dabei
stehen die Teilscheiben 2.1 und 2.2 unter einem
Federdruck, durch den die Teilscheiben 2.1, 2.2 beim
Herausfahren der Bolzen 5 wieder zusammengedrückt werden.
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Entsprechend 5 befinden
sich bei geringer Übersetzung
mehrere Bolzen 5 in einer Nut 6 und bei hoher Übersetzung,
wie in 6 dargestellt, nur noch ein Bolzen 5.
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Abweichend
von einer geradlinigen radialen Ausrichtung können die Stege 7 und
die Nuten 6 auch von einer radialen Linie kurvenförmig abweichen.
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Das
Prinzip des wechselseitigen Einlaufens der Bolzen 5 der
ersten Scheibe 1 in die Nuten 6 der beiden Teilscheiben 2.1 und 2.2 der
zweiteiligen Keilscheibe 2 ist in 7 bei einem
geringen Übersetzungsverhältnis gemäß 5 und
in 8 bei einem hohen Übersetzungsverhältnis gemäß 6 dargestellt.
Beim Einlaufen eines Bolzens 5 in die Keilscheibe 2 wird
dieser zunächst
von einer Einlaufkante 9 eines Steges 7 der einen
Teilscheibe 2.1 erfasst und anschließend in die Nut 6 der
anderen Teilscheibe 2.2 gedrückt. Befindet sich der Bolzen 5 vollständig in
der Nut 6, drückt
er gegen die Arbeitskante eines Steges 7 der Teilscheibe 2.2 und
nimmt diese mit. Der Bolzen 5 drückt solange gegen diese Kante bis
er die Keilscheibe 2 verlassen bzw. bei tiefer eingedrungenen
Bolzen 5 durch die Kegelform der Teilscheiben 2.1, 2.2 keine
Berührung
mehr mit der Keilscheibe 2 hat. Dieser Vorgang findet abwechselnd zwischen
den Stegen 7 und Nuten 6, mal an der einen Teilscheibe 2.1 und
mal an der anderen Teilscheibe 2.2 statt. Je nach Eindringtiefe
der Bolzenscheibe 1 in die Keilscheibe 2 können sich
ein Bolzen 5 (8) oder mehrere Bolzen 5 (7)
gleichzeitig in einer Nut 6 befinden.
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- 1
- erste
Scheibe, Bolzenscheibe
- 2
- zweite
Scheibe, zweiteilige Kegelscheibe
- 2.1
- rechte
Teilscheibe
- 2.2
- linke
Teilscheibe
- 3
- Welle
der Bolzenscheibe
- 4
- Welle
der Kegelscheibe
- 5
- Bolzen
- 6
- Nuten
- 7
- Stege
- 8
- kegelförmig gewölbte Flächen der
Keilscheibe
- 9
- stirnseitige
Einlauf kante
- 10
- Nabenwelle,
Tretlagerachse
- 11
- Verschraubung
zur Befestigung der Tretkurbeln
- 12
- Nabenhülse
- 13
- Erstes
Sonnenrad
- 14
- Zweites
Sonnenrad
- 15
- Planetenträger
- 16
- Planetenräder des
ersten Planetengetriebes
- 17
- Planetenräder des
zweiten Planetengetriebes
- 18
- Schwinge
- 19
- gemeinsame
Welle für
die paarweise Anordnung der
-
- Planetenräder
- 20
- Planetenradachsen
- 21
- Welle
des zweiten Sonnenrades
- 22
- Steuerscheibe
- 23
- Steuernuten
- 24
- Steuerbolzen