DE19625053A1 - Stufenlose und drehzahlabhängige Automatiknabengangschaltung für Fahrzeuge, insbesondere Fahrräder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine stufenlose und drehzahlabhängige Automatiknabengangschaltung für Fahrzeuge, insbesondere Fahrräder.

Gangschaltungen für Fahrzeuge, insbesondere Fahrräder, sind allgemein bekannt. Es werden dabei Ketten und Nabenschaltungen unterschieden.

In der DE OS 4227229 wird eine automatische lastabhängige Umschaltung einer Kettenschaltung beschrieben. Das Kettenrad wird von der Tretkurbel durch ein elastisches Element mechanisch gekoppelt. Dieses elastische Element dient in Verbindung mit einer Hebelmechanik der Ausführung der Schaltvorgänge.

Ein Getriebe mit regelbarem Übersetzungsverhältnis, insbesondere für Fahrräder wird in der DE OS 4041334 aufgeführt. Hierbei wird das Übersetzungsverhältnis in einem großen Bereich geändert, ohne daß die periodischen Schwankungen des Übersetzungsverhältnisses verstärkt werden. Grundlage dieser Lösung sind exzen­ trisch angeordnete Wellen, wobei eine Welle mit mehreren Armen ausgestattet ist und an denen sich Gleitelemente mit Einwegsperrung befinden.

Ein stufenlos einstellbares Übersetzungsverhältnis wird mit der Lösung entspre­ chend der EP 0528383 erreicht. Basis bilden Reibräder, die sich über dem Umfang verteilt an sich gegenüberliegenden Toroidscheiben befinden. Die Reibräder werden dabei von außen betätigt, um eine Übersetzungsänderung zu erzielen.

In der EP 0528382 wird eine Antriebsnabe für ein Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, mit stufenlos einstellbarem Übersetzungsverhältnis beschrieben. Grundlage bildet ein Kugelreibradgetriebe, wobei über eine Steuereinrichtung die Kugelachsen gemeinsam verschwenkt werden. Die stufenlose Einstellung des Übersetzungsverhältnisses des Reibradgetriebes erfolgt wiederum von außen.

Die angeführten Lösungen mit einer Nabenschaltung zeichnen sich durch ein stufenloses Einstellen des Übersetzungsverhältnisses aus, wobei die Änderung über eine Einstellung von außen auf die einzelnen Reibräder bzw. Reibkugeln erfolgt. Die erste Lösung beschreibt die Möglichkeit der automatischen Schaltung einer Kettenschaltung.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, automatisch die Übersetzung einer Nabengangschaltung für Fahrzeuge entsprechend der anliegenden Drehzahl zu ändern.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß entspre­ chend der Antriebsbewegung zum Beispiel eines Menschen auf einem Fahrrad und der zu fahrenden Strecke sich automatisch ein angepaßtes Übersetzungsverhältnis einstellt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die Beschaffenheit der Spiralfeder, die die Fliehgewichte zusammenhält, diese Automatiknabengangschaltung individuell auf das Leistungsvermögen des Menschen einstellbar ist. Weiterhin zeichnet sie sich durch einen einfachen Aufbau aus.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben. Diese führt zu der Anpassung der Betriebscharakteristik an bestimmte physische oder re­ gionale Bedingungen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Hälfte der stufenlosen und drehzahlabhängigen Automatiknabenschal­ tung im Schnitt,

Fig. 2 die Schnittdarstellung A-A,

Fig. 3 die Position der Fliehkörper (Auszug Fig. 2) und der Langsam- und Schnellschraubensteuerteile (Längsschnitt) bei Tretdrehzahl < Minimumsolldrehzahl,

Fig. 4 die Position der Fliehkörper (Auszug Fig. 2) und der Langsam- und Schnellschraubensteuerteile (Längsschnitt) bei Minimalübersetzung < Tretdrehzahl < Minimumsolldrehzahl,

Fig. 5 die Position der Fliehkörper (Auszug Fig. 2) und der Langsam- und Schnellschraubensteuerteile (Längsschnitt) bei Minimumdrehzahl < Tretdrehzahl < Maximumsolldrehzahl,

Fig. 6 die Position der Fliehkörper (Auszug Fig. 2) und der Langsam- und Schnellschraubensteuerteile (Längsschnitt) bei Tretdrehzahl < Minimumsolldrehzahl und

Fig. 7 die Position der Fliehkörper (Auszug Fig. 2) und der Langsam- und Schnellschraubensteuerteile (Längsschnitt) bei Tretdrehzahl < Maximumsolldrehzahl.

Der Grundaufbau der stufenlosen und drehzahlabhängigen Automatiknabengang­ schaltung für Fahrzeuge, insbesondere Fahrräder, ist in der (Fig. 1) dargestellt. Grundlage bildet eine Nabenachse 1. Auf dieser ist ein Zahnkranz 2 und ein damit fest verbundener Antreiber 3 über ein Kugellager 5 angeordnet. Der Antreiber 3 bildet im Zusammenhang mit Freilaufrollen 4 das Freilaufgetriebe. Die Mitnahme und damit der Antrieb der Nabenwand 6 erfolgt beim Verklemmen der Freilaufrollen 4 über ein Sonnenzahnrad 7 und ein Planetengetriebe. Dabei sind die Planetenachsen 8 mit der Nabenwand 6 fest verbunden. Das Sonnenzahnrad 7 treibt weiterhin ein weiteres Planetengetriebe an. Dazu ist ein Planetenhalter 15, der über ein Kugellager 16 auf der Nabenachse 1 positioniert ist, notwendig. Auf dem Planetenhalter 15 ist weiterhin eine Fliehgewichtachse 18 befestigt. Auf dieser sind frei bewegliche Fliehgewichte 17a und 17b angeordnet. Diese werden auf der Fliehgewichtachse 18 gegenüberliegenden Seite mit einem elastischen Element 19 in Form der Spiralfeder 19, die das gesamte Verhalten der Automatikgangschaltung bestimmt, zusammengehalten. Das eine Fliehgewicht 17a ist mit einem kurzen Zapfen 25 und das Fliehgewicht 17b mit einem langen Zapfen 26 versehen. Auf der Nabenachse 1 befindet sich ein hülsenförmiges Schnellschraubensteuerteil 21. Der lange Zapfen 26 weist dabei eine Form auf, die in Verbindung mit dem Schnellschraubensteuerteil 21 eine formschlüssige Verbindung bilden kann. Im Ausführungsbeispiel wurde eine konische Form gewählt (Fig. 2). Das das Schnellschraubensteuerteil 21 über einen Konus und eines gegenüberliegenden Anschlagrings 22, der in einer Nut der Nabenachse 1 einrastet, teilweise fest-, radial- und axialbeweglich angeordnet ist. Die Fliehgewichte 17a und 17b und das Schnellschraubensteuerteil 21 besitzen zueinander eine konische Form, so daß eine formschlüssige Verbindung dieser Teile bei einer großen Drehzahl auftritt. Weiterhin weist das Schnellschraubensteuerteil 21 bis zum Konus ein Außengewinde auf, worauf ein Langsamschraubensteuerteil 20 Lose aufgeschraubt ist.

Bei zu geringer Drehzahl (Drehzahl < Nenndrehzahl) dreht sich das Langsam­ schraubensteuerteil 20 durch das Einhaken des kurzen Zapfens 25 in die Nut des Langsamschraubensteuerteils 20 mit den Fliehgewichten 17a und 17b und führt auch eine axiale Bewegung in deren Richtung aus. Dies wir möglich, da sich das Schnellschraubensteuerteil 21 mit der Nabenachse 1 durch auftretende Gewindekräfte über den Konus verklemmt und radial feststeht (Fig. 4).

Bei zu großer Drehzahl (Drehzahl < Nenndrehzahl) erfolgt eine formschlüssige Verbindung zwischen dem langen Zapfen 26 des Fliehgewichtes 17b und dem Schnellschraubensteuerteil 21. Damit wird dieses von dem Konus der Nabenachse 1 weggedrückt und dreht sich mit der Drehzahl der Fliehgewichte 17a und 17b mit. Der kurze Zapfen 25 des Fliehgewichts 17a befindet sich dabei nicht mehr in der Nut des Langsamschraubensteuerteiles 20. Durch die lose Schraubverbindung von Schnellschraubensteuerteil 21 und Langsamschraubensteuerteil 20 bewegt sich das Lang­ samschraubensteuerteil 20 axial in Richtung zu den Fliehgewichten 17a und 17b hin (Fig. 6).

Das Langsamschraubensteuerteil 20 ist in Richtung Reibgetriebe zu eine Torus 27 und in Richtung Fliehgewichte mit einer Nut ausgebildet. Der Torus 27 greift in die Pfannen des Verstellringes 28 ein. Zusammen mit der Antriebskugelscheibe 23 und der Abtriebskugelscheibe 24 bildet die Pfanne 28 ein stufenloses verstellbares mechanisches Getriebe, das durch zwei freibewegliche Achsen radial über Bauteile und Lager mit der Nabe 1 verbunden ist. Der erste Kegel als Antriebskugelscheibe 23 wird durch die Antriebsscheibe 12, die sich auf dem Sonnenzahnrad 7 befindet, um dem Antriebsring 13 gebildet. Antriebskugelscheibe 23 und 24 sind fest miteinander verbunden. Der zweite Kegel als Abtriebskugelscheibe 24 treibt den Abtriebsring 29 an, der über einen Hülsendruckring 14, eine Hülse 11 und einem Innenzahnrad 10 wiederum durch das Planetenkugellager 9 und dessen Planetenachse 8 mit der Nabenwand 6 verbunden ist.

Die einzelnen Schaltzustände der stufenlosen und drehzahlabhängigen Automati­ knabengangschaltung werden nachfolgend an Hand der Fig. 3 bis 7 näher erläutert.

Der Schaltzustand entsprechend (Fig. 3) ergibt sich bei einer Tretdrehzahl, die kleiner als die Minimumsolldrehzahl und der kleinsten Übersetzung ist. Dieser Zu­ stand ergibt sich z. B. beim Anfahren, bei steilen Berganstiegen oder beim Abbremsen des Fahrrades bis zum Stillstand. Der kürzere Zapfen 25 des Fliehgewichtes 17a ist am Ende der Nut des Langsamschraubensteuerteils 20 ausgekoppelt. Damit kann die Automatiknabengangschaltung nicht weiter geschaltet werden, das heißt, daß Langsamschraubensteuerteil 20 von dem Zapfen 25 nicht weiter radial bewegt werden kann, was bedeutet, daß die axiale Verschiebung an ihren Endpunkt angelangt ist.

Wird die Tretdrehzahl weiter verlangsamt, ist hat aber noch nicht die Minimum­ solldrehzahl, so erreicht ergibt sich der Zustand entsprechend (Fig. 4). Durch die Spiralfeder 19 werden die Fliehgewichte 17a und 17b durch die geringen Fliehkräfte zusammengezogen. Der kürzere Zapfen 25 greift in die Nut ein. Damit wird das Langsamschraubensteuerteil 20 auf die Antriebsdrehzahl beschleunigt. Durch die radiale Bewegung ergibt sich ein axiale Bewegung weg von den Fliehgewichten 17a und 17b. Dies ist nur möglich, weil die Gewindekräfte des Schnellschraubensteuerteils 21 auf den Konus der Nabenachse 1 drückt und sich so verklemmt daß es sich nicht mitdreht. Das Langsamschraubensteuerteil 20 bewegt sich axial weiter von den Fliehgewichten 17a und 17b weg und die Übersetzung wird verkleinert.

Beim Erreichen der Nenndrehzahl entsprechend Fig. 5 nehmen die Fliehgewichte 17a und 17b eine Position ein, so daß keiner der Zapfen 25 und 26 an den Langsamschraubensteuerteil 20 bzw. Schnellschraubensteuerteil 21 einwirkt. Die Kraft der Spiralfeder 19 ist gleich den Fliehkräften an den Fliehgewichten 17a und 17b. Damit schaltet die Automatiknabenschaltung nicht.

Erhöht sich die Tretdrehzahl weiter, so wird der Zustand entsprechend Fig. 6 er­ reicht (Fliehkraft < Federkraft). Das Fliehgewicht 17b bildet mit dem Schnell­ schraubensteuerteil 21 über den längeren Zapfen 26 eine formschlüssige Verbin­ dung. Durch die Kräfte, die dieser und die durch das Gewinde auf das Schnell­ schraubensteuerteil 21 ausgeübt werden, wird dieses vom Konus der Nabenachse 1 weggedrückt und so kann sich das Schnellschraubensteuerteil 21 radial frei bewegen und nimmt über die Fliehgewichte 17 die Antriebsdrehzahl auf. Die Gewindekräfte und der Klemmkeil 30, der in einer Nut in der Nabenachse 1 geführt ist, verhindert durch Klemmkräfte, das das Langsamschraubensteuerteil 20 eine radiale Bewegung ausführt. Das Langsamschraubensteuerteil 20 führt eine axiale Bewegung in Richtung Fliehgewicht durch. Durch das Verstellen des Verstellringes 28 wir die Übersetzung vergrößert.

Erreicht die Tretdrehzahl einen Wert, der die größte Übersetzung übersteigt (Fig. 7), so verschrauben sich Langsamschraubensteuerteil 20 und Schnellschraubensteuerteil 21 und drehen gemeinsam auf der Nabenachse frei. Dabei sind, sie über den Zapfen 25 und Fliehgewicht 17 verbunden. Damit wird ein Verhaken der Automatknabengangschaltung bei zu hoher Tretdrehzahl vermieden.

Durch diese beschriebene Wirkungsweise ergibt sich ein weiterer wesentlicher Vorteil gegenüber den bekannten Nabenschaltungen, der darin besteht, daß durch die Beschaffenheit der Spiralfeder 19, der die Fliehgewichte 17a und 17b zusam­ menhält, diese Automatiknabengangschaltung individuell auf bestimmte Bevölke­ rungsgruppen einstellbar ist.

Claims (2)

1. Stufenlose und drehzahlabhängige Automatiknabengangschaltung für Fahrzeuge, insbesondere Fahrräder mit einem Zahnkranz und einer Nabe, in der sich eine Nabenachse, ein mit dem Zahnkranz verbundener Antreiber, ein Freilaufgetriebe und ein stufenlos verstellbares mechanisches Getriebe der Form Kegel-Kugelscheibe-Kegel befinden, gekennzeichnet dadurch, daß in der Nabe weiterhin eine Fliehgewichtachse (18) mit darauf frei beweglich angebrachten Fliehgewichten (17a) und (17b) befestigt ist, daß die Fliehgewichte (17a) und (17b) auf der der Fliehgewichtenachse (18) gegenüberliegenden Seite mit einem elastischen Element (19) zusammengehalten werden, daß jedes Fliehgewicht (17a) (17b) mit mindestens je einem Zapfen (25) und (26) versehen ist, daß auf der Nabenachse (1) ein aus mindestens zwei Hülsen bestehendes Steuerteil, wobei die erste Hülse als Schnellschraubensteuerteil (21) ein Außengewinde und die zweite Hülse als Langsamschraubensteuerteil (20) ein Innengewinde aufweist, daß beide Hülsen lose miteinander verschraubt sind, daß das Schnellsteuerteil (21) zu eine losen oder einer anderen fest mit der Nabenachse (1) verbunden ist, daß das Schnellschraubensteuerteil (21) in Richtung Fliehgewichte (17a) und (17b) so ausgebildet ist, daß bei einer Abweichung der Solldrehzahl nach oben einer der Zapfen (26) mit dem Langsamschraubensteuerteil (20) eine Verbindung bildet und daß dieses mit dem Reibkörpergetriebe die drehbar über Teil (31) und (32) mit der Nabenachse (1) verbunden ist so gekoppelt ist, daß bei axialer Verschiebung des Verstellringes (28) die Achse des Reibkörpergetriebes verändert wird.

2. Stufenlose und drehzahlabhängige Automatiknabengangschaltung für Fahrzeuge nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das elastische Element (19) die Betriebscharakteristik bestimmt.