DE19927700A1 - Mehrgangnabe für Fahrräder - Google Patents

Abstract

Mehrgangnabe mit einem Planentengetriebe und mehreren feststellbaren Sonnenrädern mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung mehrerer Gangstufen, wobei mehrere Sonnenräder nach Art eines Ziehkeilgetriebes nacheinander durch die axiale Verschiebung einer Schaltstange mit Erhebungen festsetzbar sind. Der Vorteil einer Nabe mit den oben beschriebenen Merkmalen liegt in ihrer Schaltbarkeit unter Last, wobei durch die spezielle Ausbildung der Keile und der Nuten in den Sonnenrädern ein Festklemmen des Planetengetriebes durch eine Restkomponente verhindert wird, die bei einem nicht mehr benötigten Eingriff zwischen einem Keil und einem Sonnenrad den Keil zuverlässig in seine Ruhestellung und außer Eingriff mit einem der Sonnenräder bringt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrgangnabe für Fahrräder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der US 3,366,206 ist eine Mehrgangnabe bekannt geworden, die einen Schaltmechanismus zum Schalten von drei Gangstufen aufweist, der durch Rückwärtstreten betätigt wird und der Kugeln aufweist, die durch eine axial ver­ schiebbare innere Hülse mit Erhebungen in axialer Richtung bewegbar sind, wo­ durch Klinken ausgesteuert werden, die in einem Ring außerhalb der Kugeln an­ geordnet sind und in Verzahnungen eingreifen, die an Getriebeteilen angeordnet sind, in welche der Kraftfluß eingeleitet werden soll. Da durch Rückwärtstreten geschaltet wird, können die Kugeln jeweils in für diese vorgesehene Aussparun­ gen eingreifen, da im Schaltungsfalle keine Last übertragen werden kann. Nach beendetem Schaltvorgang, also wenn die Kugeln bereits unter den Klinken ihren Platz eingenommen haben, kommt durch Vorwärtstreten wieder Last in das Ge­ triebe der Mehrgangnabe und eine der noch in Eingriff befindlichen Klinken der Dreigangnabe nimmt die Übertragung des Drehmomentes auf.

Die vorgeschlagene Mehrgangnabe weist demgegenüber eine ziehkeilähnliche Schaltung auf, die anstelle von Kugeln Keile aufweist, welche mit Erhebungen auf einer Schaltstange zusammenwirken. Die Keile sind in einem Schlitz der Na­ benachse eingelassen und werden von den Erhebungen der Schaltstange nach radial außen gesteuert. Die einzelnen Sonnenräder weisen Nuten auf, in welche die äußeren Bereiche der Keile eingreifen können, sofern sie den Schlitz der Na­ benachse an dieser Stelle überfahren. Wird die Schaltstange mit den Erhebungen gegen die Keile geschoben, so kann die Schaltstange durch eine Feder vorge­ spannt werden, so daß der Keil blitzschnell in die Nut des Sonnenrades eintau­ chen kann, wenn diese sich über den Keil dreht, während sich die Erhebung der Schaltstange unter den Keil schiebt und das Sonnenrad auf der Nabenachse fest­ setzt. Die Nut in den Sonnenrädern ist etwas breiter als der in diese Nut eingrei­ fende Keil ausgeführt, so daß insbesondere bei schneller Fahrweise ausreichend Zeit bleibt, den Keil in die Nut zu schieben und die Erhebung voll unter den Keil zu bringen. Die Schaltung kann auch unter Last vollzogen werden, was bedeutet, daß andere noch im Eingriff befindliche Teile mit anderen Sonnenrädern außer Eingriff gebracht werden müssen, da die Konstruktion so ausgeführt ist, daß zur gleichen Zeit, wenn die Erhebung unter den Keil geschoben wird, eine andere Er­ hebung einen anderen Keil unter einem anderem Sonnenrad verlassen haben muß. Ein dann im Eingriff befindlicher Keil wird durch die besondere Geometrie von Schrägen am äußeren Bereich des Keils sowie durch Schrägen an den Rän­ dern der Nuten im Sonnenrad derart unterstützt, daß sich immer eine kleine Kraftkomponente beim Antrieb in Richtung zur Nabenachsenmitte bildet, die im Falle des Fehlens des Widerlagers durch die Erhebung unter dem Keil zur soforti­ gen Verschiebung des Keils nach radial innen führen wird. Die nach radial innen gerichtete Kraftkomponente über die noch im Eingriff befindlichen Keile darf je­ doch nicht so groß sein, daß die Schaltstange nicht durch Steuerkraft noch schaltbar wäre. Sollte sich ein Keil durch schlechte Schmierung oder längere Standzeit der Nabe nicht aus seinem Eingriff mit der Nut eines Sonnenrades lö­ sen, so wird der Keil spätestens durch die Flankenkräfte an der Nut durch die Dif­ ferenzgeschwindigkeit der Sonnenräder untereinander herausgepreßt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen unter Last schaltbaren Schaltme­ chanismus in einer Mehrgangnabe unterzubringen, bei welchem sichergestellt ist, daß beim Gangwechsel geringe Steuerkräfte entstehen, wobei die Schaltkräfte automatisch durch die eingeleiteten Drehmomentkräfte des Fahrers eingeleitet werden.

Die Lösung der Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 beschrieben; Aus­ gestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand mehrerer Teilschnittzeichnungen wird die Funktionsweise einer unter Last schaltbaren Ziehkeilschaltanordnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Planetengetriebe mit einem Hohlrad, Planetenrädern und auf einer Nabenachse drehbaren Sonnenrädern, welche durch Keile abwechselnd auf der Nabenachse festsetzbar sind;

Fig. 2 die Keile in einem Schlitz der Nabenachse mit einer Darstellung des Planetengetriebes;

Fig. 3 die Nabenachse mit einem Sonnenrad, welches Nuten zur Aufnahme der äußeren Bereiche der Keile aufweist;

Fig. 4 die Schaltstange mit Erhebungen, die mit seitlich angeordneten Schrä­ gen um die Schaltstange herum angeordnet sind;

Fig. 5 eine Schaltbetätigung der Keile durch mindestens einen Nocken auf einer drehbaren Schaltstange;

Fig. 6 die geometrische Form der Nut mit ihren Schrägen sowie des Keiles mit der Ausgestaltung seines äußeren Bereiches.

Wird mit 1 eine Nabenachse für eine Mehrgangnabe bezeichnet, so sind um diese herum konzentrisch mehrere Sonnenräder 5a, 5b, 5c drehbar angeordnet. Die drehfest miteinander verbundenen Sonnenräder 5a, 5b, 5c sind im Dauereingriff mit Planetenrädern 4a, 4b, 4c, die in einem Planetenradträger 6 gelagert sind und über eines der Planetenräder, beispielsweise über das Planetenrad 4b, im Dauereingriff mit einem Hohlrad 3 stehen. Die vorbeschriebenen Elemente des Planetengetriebes sind innerhalb einer hier nicht gezeigten Nabenhülse angeord­ net und bilden die Grundlage für die Darstellung mehrerer Gangstufen zur Erzie­ lung unterschiedlicher Fahrgeschwindigkeiten des Fahrrades bei gleichbleibenden Drehzahlen des Tretantriebes.

Die unterschiedlichen Gangstufen werden durch das abwechselnde Stillsetzen der einzelnen Sonnenräder 5a oder 5b oder 5c auf der Nabenachse bewirkt.

Gemäß Fig. 1 ist jedem Sonnenrad 5a oder 5b oder 5c ein Keil 11 zugeordnet, welcher jeweils mit einer Schaltstange 9 einer Steuereinrichtung 8 in Wirkverbin­ dung steht. Es ist ersichtlich, daß der zum Sonnenrad 5c gehörende Keil 11 ge­ genüber den anderen Keilen 11 eine Position eingenommen hat, welche das Son­ nenrad 5c blockieren kann. Erreicht wird dies durch eine Erhebung 10, die an der Schaltstange 9 angeordnet ist und den Keil 11 am Zurückfahren in seine ur­ sprüngliche Lage hindert. Es wird ferner ersichtlich, daß bei einer Verschiebung der Schaltstange 9 nach rechts die Erhebung 10 unter dem Keil 11 wegwandert und für diesen den Weg nach radial innen in die Ruheposition freigibt. Bei dieser Verschiebung der Schaltstange 9 nach rechts wird aber eine zweite Erhebung 10 unter den Keil 11 für das mittlere Sonnenrad 5b geschoben, wodurch sich durch Veränderung des Kraftflusses im Planetengetriebe die Übersetzung der Mehr­ gangnabe ändert.

Fig. 2 und 3 sind Schnittzeichnungen durch das Planetengetriebe in einer Ebene senkrecht zur Mitte der Nabenachse 1. Es wird die Position des Hohlrades 3 mit dem mittleren Planetenrad 4b und dem mittleren Sonnenrad 5b gezeigt, wobei ersichtlich ist, die Keile 11 noch nicht in Wirkverbindung mit dem mittleren Son­ nenrad 5b getreten sind. Das Sonnenrad 5b kann somit um die Nabenachse frei drehen. Wie oben bereits erwähnt, kann ein äußerer Bereich 14 des Keiles 11, der in einem Schlitz 12 der Nabenachse 1 geführt ist, mit einer Nut 13 im Son­ nenrad 5b zusammenwirken, sofern die Erhebung 10 unter den Keil 11 gescho­ ben wird.

Aus Fig. 6 geht hervor, daß die Nut an ihrer seitlichen Begrenzung einen Winkel 16 aufweist, der mit einem Winkel 15 des äußeren Bereiches 14 des Keiles 11 insbesondere dann zusammenwirken kann, wenn die Erhebung 10 der Schalt­ stange 9 unter dem Keil 11 weggezogen wird. Die Größe der Winkel 15 und 16 ist abhängig von dem Durchmesser der Nabenachse 1 sowie dem Schmierzu­ stand der Oberflächen um das Sonnenrad 5b und den Keil 11. Die Größe der Winkel 15 und 16 wird experimentell festgelegt, damit bei der tangentialen Kraftübertragung von einer Flanke 18 auf den äußeren Bereich 14 des Keiles 11 immer eine Restkomponente in Richtung nach radial innen übrigbleibt, die den Keil 11 im Falle des Entfernens der Erhebung 10 aus dem Sonnenrad 5b aussteu­ ert. Die Erhebung 10 ist mit der Schaltstange 9 über mindestens eine Schräge 19 verbunden, welche mit einer Schräge 17 am Keil 11 zusammenwirkt für den Fall, daß der Keil 11 in die Nut 13 eines der Sonnenräder 5a, 5b, 5c eingreifen soll. Die Schrägen 17 und 19 laufen aufeinander ab, wobei die Schrägen 17 und 19 einen Winkel von etwa 45° aufweisen.

Gemäß Fig. 5 wird eine Schaltstange 9a gezeigt, die mindestens einen Nocken 10a aufweist, der unter einen Keil 11a gedreht werden kann. Eine solche Varian­ te kann zum Schalten eines Getriebes 2 herangezogen werden, wenn es aus kon­ struktiven Gründen keine Möglichkeit für die Axialbewegung einer Schaltstange 9 gibt.

Der Vorteil einer Nabe mit den oben beschriebenen Merkmalen liegt in ihrer Schaltbarkeit unter Last, wobei durch die spezielle Ausbildung der Keile 11 und der Nuten 13 in den Sonnenrädern 5a, 5b, 5c ein Festklemmen des Planetenge­ triebes durch eine Restkomponente verhindert wird, die bei einem nicht mehr be­ nötigten Eingriff zwischen einem Keil und einem Sonnenrad den Keil 11 zuver­ lässig in seine Ruhestellung und außer Eingriff mit einem der Sonnenräder 5a, 5b, 5c bringt.

Claims (10)

1. Mehrgangnabe für Fahrräder, umfassend

• - eine Nabenachse (1);
• - ein Getriebe, insbesondere mindestens ein Planetengetriebe (2), jedes um­ fassend die klassischen Elemente, nämlich mindestens ein Hohlrad (3), mindestens einen Planetenradträger (6), Planetenräder (4) und mindestens ein Sonnenrad (5a, 5b, 5c);
• - eine das Getriebe (2) umgreifende Nabenhülse;
• - einen Antreiber, der zum Antrieb der Nabenhülse antriebswirksam mit mindestens einem der Elemente des Planetengetriebes (2) verbindbar ist,
• - eine Steuereinrichtung (8) zur Steuerung mehrerer Gangstufen,
• - mit welcher mindestens eines der Elemente des Planetengetriebes (2) fest gesetzt oder in seiner Lage im Getriebe verändert werden kann,

dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sonnenräder (5a, 5b, 5c) nach Art eines Ziehkeilgetriebes nach­ einander durch die axiale Verschiebung einer Schaltstange (9) mit mindestens einer Erhebung (10) festsetzbar sind, wobei jeweils mindestens ein Keil (11) für jedes Sonnenrad (5a, 5b, 5c) vorgesehen ist, der durch einen Schlitz (12) in der Nabenachse (1) nach radial außen in mindestens eine Nut (13) des Sonnenrades (5a, 5b, 5c) geschoben wird, um dieses Sonnenrad (5a, 5b, 5c) festzusetzen.

2. Mehrgangnabe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keil (11) an seinem äußeren Bereich (14), der in die Nut (13) bei­ spielsweise des zweiten Sonnenrades (5b) eindringt, eine geometrische Form auf mindestens einer Seite, insbesondere einen Winkel (15), aufweist.

3. Mehrgangnabe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Form, insbesondere der Winkel (15), so gestaltet ist, daß bei Einleitung von Drehmoment in das zweite Sonnenrad (5b) der Keil (11) nach radial innen bewegt wird, wenn die Erhebung (10) unter dem Keil (11) entfernt wird.

4. Mehrgangnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (13) Flanken (18) aufweist, die durch ihre tangentiale Berührung mit dem Keil (11), dessen radiale Bewegung nach innen bewirken, wobei diese Flanken (18) eine geometrische Form, insbesondere einen Winkel (16) aufweisen, der mit der geometrischen Form, insbesondere mit dem Win­ kel (15) des Keils (11) zusammenwirkt.

5. Mehrgangnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (10) zur Steuerung der Keile (11) durch Verschieben der Schaltstange (9) bewegt werden, wobei die Erhebungen (10) umlaufend an­ geordnet sind.

6. Mehrgangnabe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Erhebung (10) an ihrer Kontaktstelle mit dem Keil (11) minde­ stens eine geometrische Form, insbesondere eine Schräge (19) aufweist, de­ ren Anstieg im Falle einer Schaltung zur Erzielung kurzer Schaltwege mög­ lichst steil ist, sich jedoch unter Einbeziehung eines Reibungswiderstandes an allen an der Schaltbewegung beteiligten Teilen in einem Bereich ohne Selbsthemmung bewegt.

7. Mehrgangnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Keil (11) an seiner Berührungsstelle mit der Schaltstange (9) dach­ förmig ausgebildet ist, wobei diese dachförmige Ausbildung einer geometri­ schen Form, insbesondere einer Schräge (17), entspricht, die mit der Schrä­ ge (19) der Erhebung (10) zur Erzielung kurzer Schaltwege zusammenwirkt, wobei unter Berücksichtigung des Reibungswiderstandes keine Selbsthem­ mung auftritt.

8. Mehrgangnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (10) zur Steuerung der Keile (11a) durch Verdrehen einer Schaltstange (9a) bewegt werden, wobei die Erhebungen (10) als Noc­ ken (10a) ausgestaltet sind.

9. Mehrgangnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonnenräder (5a, 5b, 5c) auf der Nabenachse (1) axial festgelegt sind.

10. Mehrgangnabe nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel (15 und 16) eine Größe aufweisen, die im Falle einer Schal­ tung unter Last von einer Tangentialkraft, die vom Sonnenrad (5b) auf den Keil (11) wirkt, eine im Keil (11) verlaufende nach radial innen gerichtete Kraftkomponente auf die Erhebung (10) der Schaltstange (9) erzeugt, die un­ ter Berücksichtigung von Reibung außerhalb des Bereichs von Selbsthem­ mung liegt und mindestens 5% der Tangentialkraft ausmacht.