DE19745419A1

DE19745419A1 - Mehrgang-Getriebenabe

Info

Publication number: DE19745419A1
Application number: DE1997145419
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schievelbusch
Original assignee: SCHIEVELBUSCH ULRICH UNIV PROF
Current assignee: SCHIEVELBUSCH ULRICH UNIV PROF
Priority date: 1996-10-16
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 1998-04-23

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrgang-Getriebenabe für Fahrräder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mehrgang-Getriebenaben für Fahrräder sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Sie dienen wie Kettenschaltungen dem Zweck, mehrere wählbare Gangstufen bzw. Übersetzungen zur Verfügung zu stellen. Bisher können mit derartigen Getriebenaben bis zu zwölf Gangstufen realisiert werden. Ein Problem dabei besteht allerdings darin, daß die im Einzelfall gewünschte Abstufung zwischen den einzelnen Gangstufen allenfalls mit hohem konstruktivem Aufwand oder nur für eine geringe Anzahl von Gangstufen optimal gestaltet werden kann. Für Sporträder sind z. B. möglichst gleiche Sprünge zwischen den einzelnen Gangstufen erwünscht, während bei Tourenrädern häufig in den schnellen Gängen engere Sprünge zwischen den einzelnen Gangstufen als in den langsameren Gängen gewünscht werden. Nachteilig ist außerdem, daß die bekannten Getriebenaben geringe Wirkungsgrade und eine Vielzahl von Bauelementen aufweisen und daß an der Herstellung der den wählbaren Gangstufen entsprechenden Übersetzungen Zahnräder mit zahlreichen unterschiedlichen Zähnezahlen beteiligt sind.

Eine bekannte Getriebenabe der eingangs bezeichneten Gattung (DE 42 03 509 A1) weist ein nachfolgend kurz als Planetengetriebe bezeichnetes Planetenradgetriebe mit zweifach gestuften Planetenrädern, drei mit der Getriebeachse kuppelbaren Sonnenrädern und einem Hohlrad auf. Drei Gangstufen mit einer Übersetzung ins Schnelle werden dadurch erreicht, daß der nachfolgend kurz als Planetenträger bezeichnete Planetenradträger mit den Stufenplanetenrädern als Antriebsglied und das Hohlrad als Abtriebsglied dient, wobei jedes der drei Sonnenräder mit der feststehenden Achse gekoppelt werden kann. Erfolgt der Antrieb über das Hohlrad und der Abtrieb über den Planetenträger, sind drei Gang stufen mit einer Übersetzung ins Langsame möglich. Zusammen mit dem direkten Gang ergeben sich somit sieben Gangstufen.

Eine andere bekannte Getriebenabe (DE 41 42 867 A1) erreicht sieben bis neun Gang stufen durch die Verwendung von vier geschalteten Sonnenrädern, zwei miteinander gekoppelten Planetenträgern mit einfach gestuften Planetenrädern sowie zwei Hohlrädern. Ein besonderes Merkmal dieser Getriebenabe ist, daß in der ersten, zweiten, sechsten und siebten Gangstufe jeweils ein Planetensatz aktiv und damit verlustbehaftet ist, in der dritten, vierten und fünften Gangstufe jedoch zwei Planetensätze hintereinander geschaltet sind und jeweils die volle Leistung übertragen.

Schließlich ist eine Mehrgang-Getriebenabe bekannt (DE 43 42 347 C1), bei der das Schaltgetriebe durch drei Planetengetriebe gebildet ist, die in der nachfolgend beschriebe nen Weise zusammenarbeiten. Der Planetenträger des ersten Getriebes ist mit dem Antreiber verbunden; das jeweilige Sonnenrad wird mit der Nabenachse gekuppelt; das Hohlrad ist mit dem Sonnenrad des dritten Planetengetriebes fest verbunden. Der Plane tenträger des zweiten Getriebes ist mit dem Planetenträger des ersten Getriebes und damit auch mit dem Antreiber verbunden und treibt bei festgesetztem Sonnenrad das Hohlrad an, welches mit dem Planetenträger des dritten Planetengetriebes drehfest verbunden ist. Den Antrieb der Nabenhülse übernimmt das Hohlrad des dritten Getriebes über eine Kupp lungseinrichtung, beispielsweise einen Freilauf. Für das erste und das zweite Planetenge triebe gilt also, daß außer dem möglichen direkten Antrieb für weitere zwei Übersetzun gen, die hierbei nur ins Schnelle möglich sind, einfach gestufte Planetenräder mit den zugehörigen zwei Sonnenrädern erforderlich sind. Für drei weitere Übersetzungen sind dementsprechend zweifach gestufte Planetenräder mit den zugehörigen drei Sonnenrädern erforderlich. Wird z. B. das erste Planetengetriebe mit einfach gestuften und das zweite Planetengetriebe mit zweifach gestuften Planetenrädern ausgestattet, sind insgesamt drei mal vier, also zwölf Gangstufen möglich. Ein wichtiges Merkmal dieser Getriebenabe ist, daß die Abtriebsdrehzahl des zweiten Planetengetriebes, die gleich oder größer als die Antriebsdrehzahl der Getriebenabe ist, im dritten Planetengetriebe für eine weitere Übersetzung ins Schnelle sorgen würde, wohingegen die Abtriebsdrehzahl des ersten Planetengetriebes, die ebenfalls gleich oder größer als die Antriebsdrehzahl der Getrieben abe ist, gegenläufig wirkt und für eine Rückdrehung des Hohlrades des dritten Planetenge triebes gegenüber dem zugehörigen Planetenträger sorgt, so daß sich insgesamt eine geringere Drehzahl des Hohlrades des dritten Planetengetriebes und damit der Nabenhülse ergibt, als wenn das Sonnenrad des dritten Planetengetriebes fest wäre. Da sich am dritten Planetengetriebe durch den Antrieb des Planetenträgers über das zweite Planetengetriebe eine Leistungsverzweigung auf das Hohlrad und das Sonnenrad entsprechend den jeweili gen Drehzahlen ergibt, wird über das zweite Planetengetriebe eine Leistung geleitet, die der Summe aus der Ausgangsleistung und der über das erste Planetengetriebe zurückgelei teten Leistung entspricht.

Eine Variante dieser Getriebenabe besteht darin, daß das Hohlrad des ersten Planetenge triebes mit dem Hohlrad des dritten Planetengetriebes verbunden ist, so daß der Antrieb der Nabenhülse über das Sonnenrad des dritten Planetengetriebes erfolgen muß.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Mehrgang-Getriebenabe der eingangs bezeichneten Gattung zu schaffen, die mit geringerem konstruktivem Aufwand herstellbar ist, einen hohen Wirkungsgrad besitzt und leicht an unterschiedliche gewünschte Betriebsbedingungen angepaßt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Mehrgang-Getriebenabe, die mit einem Schaltgetriebe für die Erzielung von bis zu sieben Gangstufen versehen ist, und

Fig. 2 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Mehrgang-Getriebenabe, die unter Anwendung des Schaltgetriebes nach Fig. 1 für die Erzielung von bis zu zehn Gangstufen eingerichtet ist.

Eine übliche Mehrgang-Getriebenabe enthält nach Fig. 1 eine Nabenachse 1, die an einem nicht dargestellten Fahrradrahmen drehfest montiert wird und auf der Antriebsseite mit einem axial und drehfest auf ihr angeordneten ersten Ring 2 versehen ist. Auf dem Ring 2 ist mittels eines Lagers 3 ein fest mit einem Antriebsritzel 4 für eine Kette od. dgl. verbundener Antreiber 5 drehbar gelagert. Mit Abstand vom Ring 2 ist auf der Abtriebs seite der Getriebenabe ein zweiter Ring 6 axial unverschiebbar und drehfest auf der Nabenachse 1 befestigt. Auf dem Antreiber 5 und dem zweiten Ring 6 ist mittels Lagern 7 und 8 eine Nabenhülse 9 drehbar gelagert. Dabei liegen das Antriebsritzel 4, der An treiber 5 und die Nabenhülse 9 koaxial zur Nabenachse 1, und die Ringe 2 und 6 können direkt als Lager-Innenringe der Lager 3 bzw. 7 ausgebildet sein oder separate Innenringe für die Lager 3, 7 aufweisen. Außerdem kann ein drehfest mit dem Ring 6 verbundener und mit dem Fahrradrahmen zu verbindender Hebel 10 vorgesehen sein, der zur Ab stützung der Differenz zwischen dem vom Antreiber 5 in die Getriebenabe eingeleiteten Drehmoment und dem über die Nabenhülse 9 an ein Hinterrad des Fahrrads weitergeleite ten Drehmoment dient, wobei das nicht dargestellte Hinterrad in üblicher Weise über Speichen od. dgl. mit der Nabenhülse 9 verbunden ist. Sofern die Getriebenabe mit einer nicht dargestellten Rücktrittbremse versehen ist, übernimmt der Hebel 10 auch die Abstützung des Bremsmoments.

In der Nabenhülse 9 ist ein Schaltgetriebe angeordnet, das ein erstes Planetengetriebe 11 mit einem ersten Sonnenrad 12, einem ersten Hohlrad 13 und einem ersten Planetenträger 14 mit wenigstens einem ersten Planetenrad 15 und ein zweites Planetengetriebe 16 mit einem zweiten Sonnenrad 17, einem zweiten Hohlrad 18 und einem zweiten Planetenträger 19 mit wenigstens einem zweiten Planetenrad 20 enthält. Das Schaltgetriebe ist schließlich mit seiner Antriebsseite zugeordneten Kupplungselementen 21, 22 und 23 und seiner Abtriebsseite zugeordneten Kupplungselementen 24, 25 und 26 versehen, die mit je einem weiteren, mit dem Antreiber 5 bzw. der Nabenhülse 9 verbundenen Kupplungselement 27 bzw. 28 verbindbar sind. Zu diesem Zweck und zur Übertragung des Antriebsdrehmo ments vom Antreiber 5 auf das Schaltgetriebe bzw. zur Übertragung des Antriebsdrehmo ments vom Schaltgetriebe auf die Nabenhülse 9 dient eine Schalteinrichtung, die z. B. je einen von außerhalb der Getriebenabe mit üblichen Schalthebeln od. dgl. steuerbaren, parallel zur Nabenachse 1 verschiebbaren Kupplungsring 29 bzw. 30 enthält. Durch Verschiebung der Kupplungsringe 29, 30 können ausgewählte Kupplungselemente 21 bis 26 mit dem Antreiber 5 bzw. der Nabenhülse 9 gekoppelt und dadurch ausgewählte Gang stufen hergestellt bzw. Übersetzungen zwischen der Antriebs- und der Abtriebsdrehzahl vorgewählt werden.

Ist zusätzlich ein Freilauf für die Nabenhülse 9 erwünscht, wird das Kupplungselement 28 mit einem Klinkenradträger 31 verbunden, der Freilaufklinken 32 trägt, die mit einer entsprechenden Verzahnung 33 in der Nabenhülse 9 derart zusammenwirken, daß eine Drehmomentübertragung nur in einer Richtung erfolgen kann.

Für Fahrräder bestimmte Mehrgang-Getriebenaben dieser Art sind dem Fachmann allgemein bekannt und brauchen daher nicht näher erläutert werden. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird insoweit z. B. auf die Druckschriften DE 41 42 687 A1, DE 42 03 509 A1 und DE 43 42 347 C1 verwiesen, die hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht werden.

Für das Schaltgetriebe der Mehrgang-Getriebenabe nach Fig. 1 werden erfindungsgemäß lediglich die beiden zu einem Planeten-Koppelgetriebe verbundenen Planetengetriebe 11 und 16 benötigt. Ein besonderes Merkmal dieser Anordnung liegt darin, daß außer dem wegen der geringen Zahl von Zahnrädern geringen Bauaufwand eine Gangabstufung möglich ist, die der beim Antrieb von Fahrrädern in den meisten Fällen vorteilhaften geometrischen Gangabstufung sehr nahe kommt. Zu diesem Zweck sind die beiden Planetengetriebe 11, 16 des Schaltgetriebes erfindungsgemäß derart zu einem Planeten- Koppelgetriebe zusammengefaßt, daß drei um die Nabenachse 1 drehbare Baueinheiten vorhanden sind, von denen mittels der Schalteinrichtung jeweils eine mit dem Antreiber 5 und dieselbe oder eine andere mit der Nabenhülse 9 koppelbar ist, ggf. über den Freilauf 31 und 32. Dabei ist das erste Sonnenrad 12 stets fest mit der Nabenachse 1 verbunden und somit im Stillstand. Je nachdem, welche der Baueinheiten mit dem Antreiber 5 bzw. der Nabenhülse 9 gekoppelt ist, ergeben sich individuelle Übersetzungen.

Beim in Fig. 1 dargestellten, derzeit als am besten empfundenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die erste, äußere Baueinheit durch das zweite Hohlrad 18 und vorzugs weise durch das antriebsseitige Kupplungselement 21 und das abtriebsseitige Kupplungs element 26 gebildet. Die zweite, mittlere Baueinheit besteht aus dem ersten Hohlrad 13 und dem zweiten Planetenträger 19 und vorzugsweise aus dem antriebsseitigen Kupplungs element 22 und dem abtriebsseitigen Kupplungselement 25. Schließlich enthält die dritte, innere Baueinheit den ersten Planetenträger 14 und vorzugsweise das antriebsseitige Kupplungselement 23, wobei unter der Bezeichnung "Baueinheit" jeweils verstanden wird, daß die ihr zugeordneten Bauelemente fest miteinander verbunden sind und sich gemein sam um die Nabenachse 1 drehen können.

Das insoweit beschriebene Schaltgetriebe kann auf unterschiedliche Weise angewendet werden. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die dritte Baueinheit aus Planetenträger 14 und Kupplungselement 23 zusätzlich das zweite Sonnenrad 17 und vorzugsweise das abtriebsseitige Kupplungselement 24 enthält, die beide mit dem Planetenträger 14 drehfest verbunden sind. Dabei sind die beiden Planeten getriebe 11, 16 und die Schalteinrichtung so eingerichtet, daß sich die folgenden sieben unterschiedlichen Gangstufen bzw. Übersetzungen zwischen dem Antreiber 5 und der Nabenhülse 9 herstellen lassen.

Eine direkte Übertragung i = 1 : 1 zwischen der Antriebsdrehzahl und der Abtriebs drehzahl wird erhalten, wenn das Kupplungselement 21 über den Kupplungsring 29 mit dem Kupplungselement 27 des Antreibers 5 und das Kupplungselement 26 über den Kupplungsring 30 mit dem Kupplungselement 28 der Nabenhülse 9 gekoppelt wird. Entsprechendes gilt, wenn die beiden Kupplungselemente 22, 25 bzw. 23, 24 der zweiten bzw. dritten Baueinheit mit den Kupplungselementen 27 bzw. 28 gekoppelt werden.

Zwei weitere Übersetzungen werden dadurch erhalten, daß ein Kupplungselement der zweiten Baueinheit, z. B. das Kupplungselement 22, mit dem Antreiber 5 und ein Kupp lungselement der dritten Baueinheit, z. B. das Kupplungselement 24, mit der Nabenhülse 9 oder umgekehrt ein Kupplungselement der zweiten Baueinheit, z. B. das Kupplungselement 25, mit der Nabenhülse 9 und ein Kupplungselement der dritten Baueinheit, z. B. das Kupplungselement 23, mit dem Antreiber 5 gekoppelt wird. Für die erhaltenen Über setzungen ist in diesem Fall allein das erste Planetengetriebe 11 verantwortlich.

Je zwei weitere Übersetzungen ergeben sich durch Kopplung eines Kupplungselements 21 (bzw. 26) der ersten Baueinheit mit dem Antreiber 5 (bzw. der Nabenhülse 9) und eines Kupplungselements 25 (bzw. 22) der zweiten Baueinheit mit der Nabenhülse 9 (bzw. dem Antreiber 5) oder durch Kupplung eines Kupplungselements 21 (bzw. 26) der ersten Baueinheit mit dem Antreiber 5 (bzw. der Nabenhülse 9) und eines Kupplungselements 24 (bzw. 23) der dritten Baueinheit mit der Nabenhülse 9 (bzw. dem Antreiber 5). Am Zustandekommen dieser Übersetzungen wirken somit jeweils beide Planetengetriebe 11 und 16 mit, wobei das treibende Teil entweder das zweite Hohlrad 18, der erste Planeten träger 14 oder das erste Hohlrad 13 ist und sich die Drehzahl des getriebenen Teils (Planetenträger 14, Hohlrad 13 bzw. Hohlrad 18) aufgrund der Kopplung zwischen dem ersten Planetenträger 14 und dem zweiten Sonnenrad 17 einerseits und dem ersten Hohlrad 13 und dem zweiten Planetenträger 20 andererseits einstellt. Insgesamt werden somit sieben Übersetzungen bzw. Gangstufen erhalten, die auch aus der weiter unten abgebilde ten Tabelle 1 ersichtlich sind.

Mit besonderem Vorteil sind die Planetengetriebe 11, 16 durch entsprechende Wahl der Zähnezahlen der verschiedenen Zahnräder so eingerichtet, daß sich zwischen den einzel nen Gangstufen im wesentlichen gleiche Stufensprünge c ergeben, wobei als Stufensprung c das Verhältnis der Übersetzung einer Gangstufe zur Übersetzung der jeweils schnelleren Gangstufe definiert ist. Werden die Zähnezahlen für die Sonnenräder 12, 17 mit Z₁₂ und Z₁₇ und die Zähnezahlen für die Hohlräder 13, 18 mit Z₁₃ und Z₁₈ bezeichnet, dann ergeben sich konstante Stufensprünge c, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:

1. Planetengetriebe 11: Z₁₂/Z₁₃ ≈ c² - 1,
und
2. Planetengetriebe 16: Z₁₇/Z₁₂ ≈ (c-1)(1+Z₁₃Z₁₂).

Diese Bedingungen lassen sich z. B. mit Z₁₂ = 25, Z₁₃ = 71, Z₁₇ = 45 und Z₁₈ = 72 erfüllen. Da die Planetenräder 15, 20 im beschriebenen Ausführungsbeispiel nur als Zwischenräder wirken, sind ihre Zähnezahlen unbedeutend. Sie betragen im Ausführungs beispiel Z₁₅ = 23 und Z₂₀ = 13.

Für das derart bemessene Schaltgetriebe ergibt sich somit, daß mit i als Verhältnis von Antriebs- und Abtriebsdrehzahl und c als Stufensprung zwischen irgendeiner Gangstufe und der jeweils schnelleren Gangstufe die aus der nachfolgenden Tabelle 1 ersichtlichen Werte erhalten werden, wobei in den ersten beiden Spalten jeweils die miteinander verbundenen Kupplungselemente auf der Antriebs- bzw. Abtriebsseite angegeben sind, die dritte und vierte Spalte die Werte für i und c zeigen und der erste Gang die große Übersetzung ins Langsame bzw. der siebte Gang die größte Übersetzung ins Schnelle ist.

Tabelle 1

Wie Tabelle 1 zeigt, sind die Stufensprünge c zwischen allen Gängen jeweils im wesentli chen gleich.

Weiter ist es mit der beschriebenen Siebengang-Getriebenabe möglich, die Gesamtüber setzung zu variieren, wobei die Gesamtübersetzung als das Verhältnis der größten Übersetzung zur kleinsten Übersetzung definiert ist. Wenn für die Zähnezahlen Z₁₂/Z₁₃ = 1/i (01) und für Z₁₇/Z₁₈ = 1/i (02) gesetzt wird, lassen sich z. B. die in der nachfolgenden Tabelle 2 angegebenen Werte für Gesamtübersetzungen zwischen 2 : 1 = 200% und 3 : 1 = 300% berechnen:

Tabelle 2

Den Zahlenwerten für die Zähnezahlverhältnisse kann entnommen werden, daß es in diesem Übersetzungsbereich in der Regel nicht erforderlich ist, die Planetenräder als Stufenplanetenräder auszubilden. Bei Verwendung von Stufenplanetenrädern in besonderen Fällen wäre das Verhältnis der Zähnezahlen der Stufenplanetenräder wie üblich zu berücksichtigen.

Bei der Festlegung der Übersetzungen für ein Siebengang-Planetengetriebe in der vor geschlagenen Anordnung ist es von Vorteil, daß lediglich die Wahl der vier Zähnezahlen Z₁₂, Z₁₃, Z₁₇ und Z₁₈ erforderlich ist. Hingegen sind bei den beiden eingangs beschriebe nen bekannten Siebengang-Getrieben sieben bzw. zehn und bei dem bekannten Zwölfgang- Getriebe 14 Zähnezahlen festzulegen. Dies führt dazu, daß die angestrebten Übersetzungen und Stufensprünge nur unzureichend erreicht werden können, insbesondere dann, wenn Planeten- und Sonnenräder mit kleinen Zähnezahlen Verwendung finden.

Ein weiteres Merkmal der vorgeschlagenen Anordnung besteht darin, daß keines der Sonnenräder durch eine Kupplungseinrichtung mit der Nabenachse verbunden werden muß. Dies ist besonders deswegen von Vorteil, weil bei kleinen Sonnenrädern, die mit der Nabenachse gekuppelt werden müssen, die entsprechenden Schalteinrichtungen meist ebenfalls klein und damit empfindlich gegen Überlastungen sind.

Vorteilhaft gegenüber Planetengetrieben, die Stufenplaneten mit in der Regel kleinen Zähnezahlen bzw. Durchmessern aufweisen und bei denen der Platz zwischen Zahnradkör per und Planetenradachse für die Unterbringung genügend tragfähiger Wälzkörper nicht ausreicht, ist auch der geringere Aufwand für eine Wälzlagerung, die hier bei den Planetenrädern mindestens eines Planetensatzes möglich ist. Eine Berechnung ergibt, daß bei der Gleitlagerung von Planetenrädern die Reibungsverluste an den Achsen der Planetenräder ungefähr doppelt so groß sind wie die Zahnreibungsverluste, wohingegen bei der Wälzlagerung diese Verluste vernachlässigbar gering sind.

Da die drei Baueinheiten des Planeten-Koppelgetriebes sich unabhängig davon, welche Baueinheit zum Antrieb und welche Baueinheit zum Abtrieb benutzt wird, in festen Drehzahlverhältnissen um das feststehende Sonnenrad 12 des ersten Planetengetriebes 11 bewegen, wird eine Gleichheit der Stufensprünge zwischen allen sieben Gängen nur dann erreicht, wenn der Quotient aus der Drehzahl der äußeren Baueinheit mit dein Hohlrad 18 und den Kupplungen 21, 26 und der Drehzahl der mittleren Baueinheit mit dem Planeten träger 19, dem Hohlrad 13 und den Kupplungen 22, 25 der Quadratwurzel des Quotienten aus der Drehzahl der mittleren Baueinheit und der inneren Baueinheit mit dem Sonnenrad 12, dem Planetenträger 14 und den Kupplungen 23, 24 entspricht. Die Stufensprünge zwischen den Gängen 1./2., 3./4., 4./5. und 6./7. sind in allen Fällen gleich.

Für das oben beschriebene Siebengang-Schaltgetriebe nach Fig. 1 war vorausgesetzt worden, daß das zweite Sonnenrad 17 mit dem ersten Planetenträger 14 fest verbunden ist. Dagegen zeigt Fig. 2, in der gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind, drei weitere Varianten für zweckmäßige Schaltgetriebe.

Bei einer ersten Variante sind die beiden Planetengetriebe 11 und 16 und die Schalt einrichtung so eingerichtet, daß lediglich drei Übersetzungen herstellbar sind. Hierzu ist das Schaltgetriebe nach Fig. 2 bis auf den Umstand mit dem Schaltgetriebe nach Fig. 1 identisch, daß ein zweites Sonnenrad 37 des zweiten Planetengetriebes 16 nicht mit dem ersten Planetenträger 14, sondern fest mit der Nabenachse 1 verbunden ist. Für diesen Fall lassen sich drei günstige Übersetzungen herstellen.

Eine erste Übersetzung wird dadurch erhalten, daß das Kupplungselement 23 der dritten Baueinheit mit dem entsprechend Fig. 1 angeordneten Kupplungselement 27 des An treibers 5 und das Kupplungselement 26 der ersten Baueinheit mit dem Kupplungselement 28 der Nabenhülse 9 gekoppelt wird. Da beide Sonnenräder 12, 37 stillstehen, legt die Drehzahl des ersten, antreibenden Planetenträgers 14 die Drehzahl des ersten Hohlrads 13 und des zweiten Planetenträgers 19 direkt fest, während der letztere die Drehzahl des abtreibenden zweiten Hohlrads 18 bestimmt. Beide Planetengetriebe 11, 16 sind somit hintereinander geschaltet und es ergibt sich eine Übersetzung ins Schnelle. Alternativ könnte umgekehrt das Kupplungselement 26 mit dem Antreiber 5 und das Kupplungs element 23 mit der Nabenhülse 9 verbunden werden, um eine Übersetzung ins Langsame zu erhalten.

Eine weitere Übersetzung ins Schnelle ergibt sich, wenn das Kupplungselement 22 der zweiten Baueinheit mit dem entsprechend Fig. 1 angeordneten Kupplungselement 27 und das Kupplungselement 26 der ersten Baueinheit mit dem Kupplungselement 28 gekoppelt ist. In diesem Fall legt der getriebene zweite Planetenträger 19 unmittelbar die Drehzahl des abtreibenden zweiten Hohlrads fest. Die Übersetzung ist daher allein durch das zweite Planetengetriebe 16 bestimmt.

Eine entsprechende Übersetzung ins Langsame ergibt sich schließlich für den Fall, daß das Kupplungselement 21 der ersten Baueinheit mit dem entsprechend Fig. 1 angeordneten Kupplungselement 27 und das Kupplungselement 25 der mittleren Baueinheit mit dem Kupplungselement 28 gekoppelt ist. In diesem Fall legt wegen der feststehenden Sonnenrä der 12, 37 die Drehzahl des antreibenden zweiten Hohlrads 13 unmittelbar die Drehzahl des zweiten Planetenträgers 19 fest. Auch in diesem Fall ist die Übersetzung daher allein durch das zweite Planetengetriebe 16 bestimmt.

Bei einer zweiten Variante, die sich mit dem Schaltgetriebe nach Fig. 2 realisieren läßt, sind das zweite Sonnenrad 37 und der erste Planetenträger 14 mit je einem Kupplungs element 38 bzw. 39 versehen, wobei das Kupplungselement 38 gleichzeitig die Funktion des Kupplungselements 24 nach Fig. 1 hat. Ein weiteres Kupplungselement 40 ist mit der Nabenachse 1 fest verbunden. Außerdem weist die Schalteinrichtung einen weiteren Kupplungsring 41 auf, der über einen Schalthebel od. dgl. von außen her so geschaltet werden kann, daß das Kupplungselement 38 entweder mit dem Kupplungselement 39 oder mit dem Kupplungselement 40 gekoppelt ist. Sind die Kupplungselemente 38, 39 mitein ander gekoppelt, ergibt sich das Schaltgetriebe nach Fig. 1. Sind dagegen die Kupplungs elemente 38, 40 gekoppelt, dann ergibt sich die oben anhand der Fig. 2 beschriebene erste Variante. Insgesamt werden somit mit der zweiten Variante zehn verschiedene Gangstufen ermöglicht, wobei die drei oben erläuterten, durch Kopplung der Kupplungselemente 38 und 40 erhaltenen zusätzlichen Gangstufen bei Kombination mit dem Schaltgetriebe nach Fig. 1 den zehnten, siebten und dritten Gang bilden.

Eine Eigenart der beschriebenen Zehngang-Getriebenabe besteht darin, daß konstante Stufensprünge zwischen allen zehn Gangstufen nur dann erreicht werden, wenn der Stufensprung C folgende Bedingung erfüllt:

c³-1/c = 1.

Daraus errechnet sich für den Fall konstanter Stufensprünge ein Wert von c ≈ 1,221 mit einem Übersetzungsbereich als Verhältnis der größten zur kleinsten Übersetzung von ungefähr 6,19 entsprechend 619%. Ferner ergibt sich, daß das Zähnezahlverhältnis für die beiden Planetengetriebe 11, 16 folgende Bedingungen erfüllen muß

i(01) = Z₁₃/Z₁₂ bzw. (Z₁₃/Z₁₂ × (Z'_P1/_P1) ≈ 1,221
i(02) = Z₁₈/Z₁₇ bzw. (Z₁₈/Z₁₇) × (Z'_P2/Z_P2) ≈ 2,040.

Hierbei sind Z'_P1/Z_P1 bzw. Z'_P2/Z_P2 die Verhältnisse der Zähnezahlen je eines mit dem Hohlrad 13 bzw. 18 kämmenden Planetenrades zur Zähnezahl eines mit dem Sonnenrad 12 bzw. 37 kämmenden Planetenrades, wenn diese Planetenräder zu je einem zwei Stufen aufweisenden Stufenplanetenrad verbunden sind. Bei einem Planeten-Koppelgetriebe gemäß Fig. 2 ist es sinnvoll, nur das erste Planetengetriebe 11 mit Stufenplanetenrädern 15a, 15b zu versehen. Das größere Planetenrad 15b arbeitet dabei mit dem Hohlrad 13 und das kleinere Planetenrad 15a mit dem Sonnenrad 12 zusammen.

Da der bei konstanten Stufensprüngen erhaltene Übersetzungsbereich von ungefähr 619% für einen Fahrradantrieb sehr viel größer als erforderlich ist, wird nach der dritten durch Fig. 2 möglichen Variante vorgeschlagen, diesen Übersetzungsbereich durch ein zwischen das Planeten-Koppelgetriebe 11, 16 und den Antreiber 5 geschaltetes Verteilergetriebe sinnvoll zu verkleinern. Dieses Verteilergetriebe ist vorzugsweise ein drittes Planetenge triebe mit je einem dritten Sonnenrad 43, einem dritten Hohlrad 44 und einem dritten Planetenträger 45 mit wenigstens einem dritten Planetenrad 46. Dabei ist vorzugsweise der dritte Planetenträger 45 drehbar mit dem Antreiber 5, das dritte Sonnenrad 43 drehfest mit der Nabenhülse 9 und das dritte Hohlrad 44 anstelle des Antreibers 5 drehfest mit dem Kupplungselement 27 verbunden, wobei das Sonnenrad 43 auch über Freilaufklinken 47 mit der Nabenhülse 9 gekoppelt sein kann. In diesem Fall wird somit durch Bettigung des Kupplungsrings 29 nicht der Antreiber 5, sondern das dritte Hohlrad 44 wahlweise mit den Kupplungselementen 21, 22 bzw. 23 verbunden. Die beschriebene Anordnung des dem Planeten-Koppelgetriebe vorgeschalteten, dritten Planetengetriebes 42 bewirkt, daß eine Verzweigung der über den Antreiber 5 eingeleiteten Leistung derart erfolgt, daß nur ein Teil des Antriebsmoments über das Planeten-Koppelgetriebe geleitet wird, während der Rest des Antriebsmoments die Nabenhülse 9 direkt antreibt.

Durch die Verzweigung mit Hilfe des dritten Planetengetriebes 42 ändert sich einerseits in gewünschter Weise der Übersetzungsbereich. Andererseits werden aber auch die Stufen sprünge zwischen den einzelnen Gangstufen kontinuierlich und derart verändert, daß sich der große Stufensprung zwischen dem ersten und dem zweiten Gang und der kleinste Stufensprung zwischen dem neunten und dem zehnten Gang ergibt. Dies ist in einer Vielzahl von Fällen bei Fahrradantrieben durchaus erwünscht, insbesondere z. B. im City- oder Reisebereich.

Die unten stehende Tabelle 3 zeigt analog zu Tabelle 1 ein Beispiel für ein Planeten- Koppelgetriebe 11, 16 mit einem zur Leistungsverzweigung vorgeschalteten Planetengetrie be 42 nach Fig. 2, bei dem ein Übersetzungsbereich von nur 342,5% erreicht wird. Bei diesem Beispiel wurden die folgenden Zähnezahlen zugrunde gelegt:

Hohlrad 44: Z = 70
Sonnenrad 43: Z = 29
Hohlrad 13: Z = 72
Planetenrad 15a: Z = 14
Planetenrad 15b: Z = 28
Sonnenrad 12: Z = 30
Hohlrad 18: Z = 72
Sonnenrad 37: Z = 36.

Tabelle 3

Die Zahlenwerte der Tabellen 1 bis 3 zeigen, daß es mit Hilfe eines verhältnismäßig einfach aufgebauten Planeten-Koppelgetriebes, welches wahlweise sieben oder zehn sinnvoll abgestufte Gänge erlaubt, möglich ist, Getriebenaben für den Antrieb von Fahr rädern zu bauen, die in hervorragender Weise den Anforderungen entsprechen, wie sie beispielsweise von Radsportlern einerseits und Fahrern andererseits gestellt werden, die das Fahrrad für den City- oder Reisebereich nutzen wollen. Dies gilt sowohl für die erreichbaren Übersetzungsbereiche als auch für die Stufensprünge und insbesondere dann, wenn gemäß Fig. 2 zwischen dem Antreiber 5 und dem Planeten-Koppelgetriebe ein Verteilergetriebe 42 liegt, das die Antriebsmomente entsprechend den Zähnezahlen von Hohlrad 44 und Sonnenrad 43 auf das Planeten-Koppelgetriebe und die Nabenhülse 9 verteilt.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die sich auf vielfache Weise abwandeln lassen. Insbesondere ist aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, daß das Planeten-Koppelgetriebe 11, 16 auch in der Weise betrieben werden kann, daß die in Fig. 1 gezeigte, die Kupplungselemente 21 bis 23 aufweisende Antriebsseite als Abtriebs seite und umgekehrt die die Kupplungselemente 24 bis 26 aufweisende Abtriebsseite als Antriebsseite verwendet wird. Weiter könnten das erste Sonnenrad 12 und ggf. das Kupplungselement 40 mit einem anderen feststehenden Teil als der Nabenachse 1 ver bunden sein. Weiterhin können andere als die angegebenen Zähnezahlen gewählt werden, die nur als Beispiele aufzufassen sind. Ferner ergeben sich die angeführten Vorteile unabhängig davon, welche Art von Schalteinrichtungen für die Verbindung des Antreibers 5 mit dem Planeten-Koppelgetriebe 11, 16 und für die Verbindung des Planeten-Koppelge triebes 11, 16 mit der Nabenhülse 9 Verwendung finden. Insbesondere können für diesen Zweck z. B. Zahnkupplungen, Klauenkupplungen, Klinkenfreiläufe, Klemmrollenfreiläufe und/oder Klemmkörperfreiläufe eingesetzt werden, die auch unabhängig davon wirksam sind, ob sich innerhalb der Getriebenabe Bauteile wie z. B. eine Rücktrittbremse befinden, die zusätzliche Funktionen bewirken. Ein weiteres derartiges Bauteil kann z. B. aus einem weiteren, der Getriebenabe nach Fig. 1 vor- oder nachgeschalteten Planetengetriebe bestehen, das der Vervielfachung der möglichen Übersetzungen dient und mit der beschriebenen Siebengang-Getriebenabe z. B. 14 Gangstufen ermöglicht. Dabei ist vor allem zu beachten, daß es für die erfindungsgemäße Funktion des Getriebes vor allein darauf ankommt, mit welchen Baueinheiten jeweils die Antriebs- bzw. Abtriebsseite verbunden wird, d. h. die den Baueinheiten zugeordneten Kupplungselemente 21 bis 26 können auch anders als dargestellt ausgebildet und/oder angeordnet sein. Weiter wäre es möglich, die anhand der Fig. 2 beschriebenen Varianten dadurch abzuwandeln, daß das zweite Planetengetriebe 16 auf der Antriebsseite angeordnet ist und im ersten Gang die beiden Planetengetriebe 16, 11 hintereinander geschaltet sind, in welchem Fall der sechste Gang der direkte Gang wäre. Schließlich versteht sich, daß die verschiedenen Merkmale auch in anderen als in den beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Kom binationen angewendet werden können.

Claims

1. Mehrgang-Getriebenabe für Fahrräder, enthaltend: eine an einem Fahrradrahmen drehfest montierbare Nabenachse (1), einen auf der Nabenachse (1) drehfest angeordneten ersten Ring (2), einen mittels des ersten Rings (2) drehbar auf der Nabenachse (1) gelagerten Antreiber (5), einen auf der Nabenachse (1) drehfest angeordneten zweiten Ring (6), eine mittels des zweiten Rings (6) und des Antreibers (5) drehbar gelagerte Nabenhülse (9), ein mit einem ersten und einem zweiten Planetengetriebe (11, 16) versehenes, in der Nabenhülse (9) angeordnetes Schaltgetriebe zur Bereitstellung von mehreren Übersetzungen zwischen dem Antreiber (5) und der Nabenhülse (9), wobei die Planetengetriebe (11, 16) je ein erstes bzw. zweites, zur Nabenachse (1) koaxiales Sonnenrad (12, 17, 37), ein erstes bzw. zweites Hohlrad (13, 18) und einen ersten bzw. zweiten Planetenträger (14, 19) mit wenigstens je einem Planetenrad (15, 20) aufweisen, und eine Schalteinrichtung (29, 30, 41) zur Auswahl der Übersetzungen, dadurch gekenn zeichnet, daß das erste Sonnenrad (12) drehfest zur Nabenachse (1) angeordnet ist und das als Planeten-Koppelgetriebe ausgebildete Schaltgetriebe wenigstens drei um die Na benachse (1) drehbare Baueinheiten aufweist, von denen mittels der Schalteinrichtung (29, 30, 41) zur Auswahl der Übersetzungen jeweils eine mit dem Antreiber (5) und dieselbe oder eine andere mit der Nabenhülse (9) koppelbar ist.

2. Getriebenabe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es drei Baueinheiten hat und eine erste Baueinheit das zweite Hohlrad (18), eine zweite Baueinheit das erste Hohlrad (13) und den zweiten Planetenträger (19) und eine dritte Baueinheit den ersten Planetenträger (14) aufweist.

3. Getriebenabe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Baueinheit auch das zweite Sonnenrad (17) enthält, das mit dem ersten Planetenträger (14) fest verbunden ist.

4. Getriebenabe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Planetenge triebe (11, 16) und die Schalteinrichtung (29, 30, 41) derart eingerichtet sind, daß sieben unterschiedliche Übersetzungsstufen zwischen dem Antreiber (5) und der Nabenhülse (9) herstellbar sind.

5. Getriebenabe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetengetriebe (11, 16) so eingerichtet sind, daß zwischen den sieben Übersetzungen im wesentlichen gleiche Stufensprünge bestehen.

6. Getriebenabe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine direkte Übersetzung dadurch einstellbar ist, daß eine der drei Baueinheiten sowohl mit dem Antreiber (5) als auch mit der Nabenhülse (9) gekoppelt wird.

7. Getriebenabe nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Übersetzungen dadurch einstellbar sind, daß die zweite Baueinheit mit dem Antreiber (5) bzw. der Nabenhülse (9) und die dritte Baueinheit mit der Nabenhülse (9) bzw. dem Antreiber (5) gekoppelt wird, so daß die beiden Übersetzungen allein durch das erste Planetengetriebe (11) bestimmt sind.

8. Getriebenabe nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Übersetzungen dadurch einstellbar sind, daß die erste Baueinheit mit dem Antreiber (5) bzw. der Nabenhülse (9) und die zweite Baueinheit mit der Nabenhülse (9) bzw. dem Antreiber (5) gekoppelt wird.

9. Getriebenabe nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Übersetzungen dadurch einstellbar sind, daß die erste Baueinheit mit dem Antreiber (5) bzw. der Nabenhülse (9) und die dritte Baueinheit mit der Nabenhülse (9) bzw. dem Antreiber (5) gekoppelt wird.

10. Getriebenabe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Sonnenrad (37) drehfest zur Nabenachse (1) angeordnet ist.

11. Getriebenabe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Planetenge triebe (11, 16) und die Schalteinrichtung (29, 30, 41) so eingerichtet sind, daß drei unter schiedliche Übersetzungen herstellbar sind.

12. Getriebenabe nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Übersetzungen dadurch herstellbar sind, daß die erste Baueinheit mit dem Antreiber (5) bzw. der Nabenhülse (9) und die zweite Baueinheit mit der Nabenhülse (9) bzw. dem Antreiber (5) gekoppelt wird, so daß die beiden Übersetzungen allein durch das zweite Planetenge triebe (16) bestimmt sind.

13. Getriebenabe nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Übersetzung dadurch herstellbar ist, daß die dritte Baueinheit mit dem Antreiber (5) bzw. der Nabenhülse (9) und die erste Baueinheit mit der Nabenhülse (9) bzw. dem Antreiber (5) gekoppelt wird, so daß die Übersetzung durch das Produkt der Über setzungen der beiden Planetengetriebe (11, 16) bestimmt ist.

14. Getriebenabe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung Mittel (41) zur wahlweisen Umschaltung des zweiten Sonnenrads (37) auf eine Verbindung mit dem ersten Planetenträger (14) oder einem feststehenden Teil (40) aufweist.

15. Getriebenabe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetengetriebe (11, 16) so eingerichtet sind, daß zwischen den durch die Umschaltung einstellbaren zehn Übersetzungen im wesentlichen gleiche Stufensprünge bestehen.

16. Getriebenabe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Schaltgetriebe (11, 16) und den Antreiber (5) und/oder die Nabenhülse (9) ein zur Verringerung des Übersetzungsbereichs des Schaltgetriebes eingerichtetes Vertei lergetriebe geschaltet ist.

17. Getriebenabe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilergetriebe ein drittes Planetengetriebe (42) mit einem dritten Sonnenrad (43), einem dritten Hohlrad (44) und einem wenigstens ein Planetenrad (46) aufweisenden dritten Planetenträger (45) ist.

18. Getriebenabe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Sonnenrad (43) mit der Nabenhülse (9), der dritte Planetenträger (45) mit dem Antreiber (5) und das dritte Hohlrad (44) mit einem Kupplungselement (27) verbunden ist und zur Auswahl der Übersetzungen jeweils eine der drei Baueinheiten mit dem dritten Hohlrad (44) und dieselbe oder eine andere Baueinheit mit der Nabenhülse (9) koppelbar ist.

19. Getriebenabe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Sonnenrad (43) über einen Freilauf (47) mit der Nabenhülse (9) verbunden ist.

20. Getriebenabe nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Planetengetriebe (42) so eingerichtet ist, daß sich die Stufensprünge zwischen den einzelnen Übersetzungen kontinuierlich und so ändern, daß der größte Stufensprung zwischen den beiden größten und der kleinste Stufensprung zwischen den beiden kleinsten Übersetzungen erhalten wird.

21. Getriebenabe nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgetriebe mit der Nabenhülse (9) über einen Freilauf (31, 32) verbunden ist, der ein Kupplungselement (28) aufweist, das wahlweise mit einer der Baueinheiten koppelbar ist.

22. Getriebenabe nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Planetenträger (14) mit wenigstens einem zwei unterschiedlich große Stufen (15a, 15b) aufweisenden Planetenrad versehen ist, dessen größere Stufe (15b) dem ersten Hohlrad (13) und dessen kleinere Stufe (15a) dem ersten Sonnenrad (12) zugeordnet ist.