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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltnabe und insbesondere
eine Nabenschaltung für Fahrräder in Form einer
Hinterradnabe, die an einem hinteren Teil eines Fahrradrahmens angeordnet ist.
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Eine
Nabenschaltung zum Schalten einer Vielzahl von Gangstufen ist allgemein
als Hinterradnabe bekannt, die am hinteren Teil eines Fahrradrahmens
anzuordnen ist. Eine derartige Nabenschaltung ist versehen mit:
einer an einem hinteren Teil des Fahrradrahmens montierbaren Nabenachse;
einem um die Nabenachse drehbaren Nabengehäuse; einer Antriebseinheit;
einem Rotationsübertragungsmechanismus mit Planetengetriebe;
und einem Umschaltmechanismus (siehe zum Beispiel die
Japanische Offenlegungsschrift Nr. H04-231763 ).
Die Antriebseinheit ist derart zwischen der Nabenachse und dem Nabengehäuse
montiert, dass sie bezüglich der Nabenachse als auch bezüglich
des Nabengehäuses drehbar ist. Das Planetengetriebe des
Rotationsübertragungsmechanismus kann die Rotation der
Antriebseinheit in eine der vielen hohen bzw. niedrigen Schaltstufen
umschalten und die Rotation zum Nabengehäuse übertragen.
Der Umschaltmechanismus schaltet den Rotationsübertragungsmechanismus
zu einer der vielen Schaltstufen um.
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Eine
herkömmliche Nabenschaltung ist so gestaltet, dass sie
die Rotation der Antriebseinheit in einer mittleren Schaltstufe
aus der Vielzahl der Schaltstufen unverändert zum Nabengehäuse
weiterleitet, wobei die Geschwindigkeit auf der Hochgeschwindigkeitsseite
der mittleren Schaltstufe erhöht und auf der Niedergeschwindigkeitsseite
der mittleren Schaltstufe verringert wird.
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In
den letzten Jahren haben Fahrräder mit Hilfsmotor zur Unterstützung
beim Treten weite Verbreitung erlangt. Der Einsatz einer Nabenschaltung bei
einem solchen Fahrrad mit Hilfsmotor führt zu einem erhöhten
Drehmoment. Daher bietet eine herkömmliche Nabenschaltung
nicht unbedingt ausreichende Lebensdauer.
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Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine hohe Lebensdauer
einer Fahrrad-Nabenschaltung zu erreichen.
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1 ist
eine Seitenansicht eines Fahrrades, das eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet.
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2 ist
ein Längsschnitt einer Schaltnabe gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht einer entsprechenden Nabenachse.
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer ersten Freilaufkupplung.
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5 ist
eine Querschnittsansicht einer zweiten Freilaufkupplung.
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6 ist
eine Querschnittsansicht einer dritten Freilaufkupplung.
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7 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Umschaltmechanismus.
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8 ist
eine Stirnansicht eines Nockenaufnahmeelements.
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9 ist
eine Halbschnittansicht eines Nockenaufnahmeelements.
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10 ist
eine Querschnittsansicht eines zweiten Kupplungsmechanismus in eingekuppeltem Zustand.
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11 ist
eine Querschnittsansicht des zweiten Kupplungsmechanismus in ausgekuppeltem Zustand.
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12 ist
eine Querschnittsansicht und zeigt den Bereich der relativen Drehbewegung
eines ersten Betätigungsteils und eines zweiten Betätigungsteils.
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Eine
erfindungsgemäße Nabenschaltung für ein
Fahrrad ist eine Nabe, die durch Bedienung einer manuellen Schaltvorrichtung
betätigt wird, die an einem Fahrrad anbringbar ist, und
umfasst eine an dem Fahrrad montierbare Nabenachse, ein Nabengehäuse,
eine zylindrische Antriebseinheit, einen Rotationsübertragungsmechanismus
sowie einen Umschaltmechanismus. Die Nabenachse ist an dem Fahrrad
montierbar. Das Nabengehäuse ist um die Nabenachse drehbar.
Die zylindrische Antriebseinheit ist derart zwischen der Nabenachse
und dem Nabengehäuse montiert, dass sie bezüglich
der Nabenachse als auch bezüglich des Nabengehäuses drehbar
ist. Der Rotationsübertragungsmechanismus ist ein Mechanismus
mit einem Planetengetriebe mit einem Übertragungspfad für
gleiche Geschwindigkeit, der die Drehung der Antriebseinheit mit
der gleichen Drehgeschwindigkeit zum Nabengehäuse übertragen
kann, sowie mit zwei Übertragungspfaden zur Untersetzung,
welche die Drehung der Antriebseinheit in zwei unterschiedlichen,
langsameren Drehgeschwindigkeiten zum Nabengehäuse übertragen können.
Der Umschaltmechanismus ist ein Mechanismus, der den Rotationsübertragungsmechanismus
zu dem Übertragungspfad für gleiche Geschwindigkeit
bzw. zu einem der beiden Übertragungspfade zur Untersetzung
umschaltet.
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Das
Planetengetriebe umfasst: ein Hohlrad, das auf der Innenumfangsfläche
der Antriebseinheit vorgesehen ist; ein erstes um die Nabenachse
drehbares Sonnenrad; ein zweites um die Nabenachse drehbares Sonnenrad,
das eine größere Anzahl von Zähnen als
das erste Sonnenrad aufweist; wenigstens ein erstes Planetenrad,
das mit dem Hohlrad und dem ersten Sonnenrad kämmt; wenigstens
ein zweites Planetenrad, das einstückig mit dem ersten Planetenrad
dreht und mit dem zweiten Sonnenrad kämmt; und einen Träger,
auf dem das erste und das zweite Planetenrad drehbar gelagert sind
und der um die Nabenachse drehbar ist.
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Der
Rotationsübertragungsmechanismus umfasst: eine erste Freilaufkupplung,
die nur in einer bestimmten Richtung eine Drehung des Trägers
zum Nabengehäu se überträgt, und eine
zweite Freilaufkupplung, die eine Drehung des ersten Rades nur in einer
bestimmten Richtung sperrt.
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Der
Umschaltmechanismus umfasst: ein bewegliches Element, das mittels
eines Verbindungselements mit der Schaltvorrichtung verbindbar ist
und das durch manuelle Betätigung der Schaltvorrichtung bewegbar
ist; einen ersten Kupplungsmechanismus, der die Antriebseinheit
und den Träger zwischen einem eingekuppelten Zustand und
einem ausgekuppelten Zustand umschalten kann, als Reaktion auf eine
Bewegung des beweglichen Elements; einen zweiten Kupplungsmechanismus,
der eine Drehung des zweiten Sonnenrades in einer bestimmten Richtung
zwischen einem Freigabezustand und einem gesperrten Zustand umschalten
kann, als Reaktion auf eine Bewegung des beweglichen Elements; und einen
Bedienmechanismus, der zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungsmechanismus
umschalten kann, als Reaktion auf eine Bewegung des beweglichen
Elements.
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Bei
dieser Nabenschaltung wird Drehkraft von der Antriebseinheit zum
Rotationsübertragungsmechanismus übertragen, wenn
die Pedale getreten werden und die Drehung eines Pedals zur Antriebseinheit übertragen
wird. Der Rotationsübertragungsmechanismus wird durch den
Umschaltmechanismus entweder zu dem Übertragungspfad für
gleiche Geschwindigkeit oder zu einem der beiden Übertragungspfade
zur Untersetzung umgeschaltet, wodurch die Drehkraft über
einen der Übertragungspfade zum Nabengehäuse übertragen
wird. Hierbei wird in der höchsten Gangstufe die Rotation
der Antriebseinheit über den Übertragungspfad
für gleiche Geschwindigkeit zum Nabengehäuse übertragen,
wodurch die Rotation der Antriebseinheit unverändert zum
Nabengehäuse übertragen wird, ohne dass das Planetengetriebe
betätigt wird. In diesem Fall wird in der höchsten
Geschwindigkeitsstufe das Planetengetriebe nicht eingesetzt, das
bei einem herkömmlichen Fahrrad mit Hilfsmotor relativ
häufig verwendet wird. Daher wird das komplex gestaltete
Planetengetriebe weniger häufig eingesetzt, wodurch eine
hohe Lebensdauer erreicht wird.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird in der höchsten Geschwindigkeitsstufe
das Planetengetriebe nicht eingesetzt, das bei einem herkömmlichen
Fahrrad mit Hilfsmotor relativ häufig verwendet wird. Daher
wird das komplex gestaltete Planetengetriebe weniger häufig
eingesetzt, wodurch eine hohe Lebensdauer erreicht wird.
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Gemäß 1 umfasst
ein Fahrrad 101, das eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung verwendet: einen Rahmen 102 mit
einer Vordergabel 102a; einen Lenker 104; einen
Antriebsteil 105 bestehend aus einer Kette 110,
einer Kurbel 112 mit einem daran montierten Pedal 111 und
dergleichen; ein Vorderrad 106; sowie ein Hinterrad 107.
Eine Nabenschaltung 10 ist in dem Hinterrad 107 des
Fahrrades 101 eingebaut. Der Antriebsteil 105 umfasst:
einen Hilfsmechanismus 105a mit einem Motor; und eine anbringbare
und entfernbare aufladbare Batterie 105b als Energiequelle
für den Hilfsmechanismus 105a. Der Hilfsmechanismus 105a erzeugt
ein bestimmtes Drehmoment zusätzlich zu dem Drehmoment,
das durch menschliche Kraft auf die Kurbel aufgebracht wird und
die Kurbel dreht. Der Antriebsteil 105 überträgt
Kraft auf die Nabenschaltung 10 über die Kette 110.
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Wie
in 2 gezeigt, umfasst die Nabenschaltung 10:
eine Nabenachse 12, die drehfest an einen hinteren Teil
des Rahmens 102 montierbar ist; ein Nabengehäuse 14;
eine zylindrische Antriebseinheit 16; einen Rotationsübertragungsmechanismus 18;
sowie einen Umschaltmechanismus 20. Ein Ende (das linke
Ende in 2) des Nabengehäuses 14 ist mittels
Lager 22a drehbar auf der Nabenachse 12 gelagert.
Die Antriebseinheit 16 ist mittels Lager 22b drehbar
auf der Nabenachse 12 gelagert. Das andere Ende (das rechte
Ende in 2) des Nabengehäuses 14 ist
mittels Lager 22c drehbar auf der Antriebseinheit 16 gelagert.
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Das
Lager 22a umfasst: ein Kugelandrückelement 23a,
das mit einem zweiten Gewindeabschnitt 26, weiter unten
beschrieben, der Nabenachse 12 verschraubbar ist; eine
Kugelhalterung 23b, die auf der Innenumfangsfläche
eines Endes des Nabengehäuses 14 gebildet ist;
sowie eine Stahlkugel 23c, die zwischen dem Kugelandrückelement 23a und
der Kugelhalterung 23b angeordnet ist. Das Lager 22b umfasst:
ein Kugelandrückelement 23d, das mittels einer
Drehblockiernut 27b, weiter unten beschrieben, der Nabenachse 12 am
Drehen gehindert wird; eine Kugelhalterung 23e, die auf
der Innenumfangsfläche eines Endes der Antriebseinheit 16 gebildet
ist; sowie eine Stahlkugel 23f, die zwischen dem Kugelandrückelement 23d und
der Kugelhalterung 23e angeordnet ist. Das Lager 22c umfasst:
ein Kugelandrückelement 23g, das auf der Außenumfangsfläche
der Antriebseinheit 16 gebildet ist; eine Kugelhalterung 23h, die
auf der Innenumfangsfläche des anderen Endes des Nabengehäuses 14 gebildet
ist; sowie eine Stahlkugel 23i, die zwischen dem Kugelandrückelement 23g und
der Kugelhalterung 23h angeordnet ist.
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Wie
in 3 gezeigt, ist die Nabenachse 12 an den
Enden jeweils mit einem ersten Gewindeabschnitt 24a bzw. 24b versehen,
zur Befestigung an einem (nicht gezeigten) hinteren Klinkenabschnitt,
der durch eine (nicht gezeigte) Mutter an einem hinteren Teil des
Rahmens 102 gebildet ist. Parallel ausgebildete Drehblockierabschnitte 25a bzw. 25b,
deren Drehung durch den hinteren Klinkenabschnitt gehindert wird,
sind jeweils auf dem ersten Innengewindeabschnitt 24a bzw. 24b gebildet.
Der zweite Gewindeabschnitt 26 zum Montieren des Lagers 22a ist
auf der axialen Innenseite des ersten Innengewindeabschnitts 24a gebildet.
Zwei verschieden breite Drehblockiernuten 27a bzw. 27b zum
Verhindern einer Drehung des Lagers 22b und der Teile des
Umschaltmechanismus 20 sind entlang der Axialrichtung um jeweils
180° beabstandet auf der axialen Innenseite des ersten
Innengewindeabschnitts 24b gebildet. Ein erster Vorsprung 28,
der als Freilaufkupplung des Umschaltmechanismus 20 wirkt,
und ein zweiter Vorsprung 29, der als Drehblockierteil
wirkt, sind axial in der Mitte der Nabenachse 12 um jeweils
180° beabstandet gebildet, so dass sie jeweils in Radialrichtung hervorstehen.
Eine Positionierausnehmung 29a ist axial in der Mitte des
zweiten Vorsprungs 29 gebildet.
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Das
Nabengehäuse 14 ist um die Nabenachse 12 drehbar.
Wie in 2 gezeigt, ist das Nabengehäuse 14 ein
zylindrisches Element, dessen Durchmesser sich treppenartig von
dem einen Ende (dem linken Ende in 2) zu dem
anderen Ende (dem rechten Ende in 2) verbreitert.
Zwei Nabenflansche 30a bzw. 30b, die zum Anbringen
von Speichen des Hinterrades 107 vorgesehen sind, sind axial
so voneinander beabstandet, dass sie auf der Außenumfangsfläche
des Nabengehäuses 14 einstückig rotieren.
Ein Bremsmontierabschnitt 14a beispielsweise in Keilform
zum Montieren einer Hinterradbremsvorrichtung 31 ist an
einem Ende des Nabengehäuses 14 gebildet.
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Die
Antriebseinheit 16 ist ein zylindrisches Element, das derart
zwischen der Nabenachse 12 und dem Nabengehäuse 14 montiert
ist, dass sie bezüglich der Nabenachse 12 als
auch bezüglich des Nabengehäuses 14 drehbar
ist. Der Durchmesser der Antriebseinheit 16 nimmt treppenartig
zu einem Ende hin ab (dem rechten Ende in 2). Ein
Kettenradmontierabschnitt 16a zum Montieren eines Kettenrades 33,
mit dem die Kette 110 kämmt, ist beispielsweise
in Keilform auf der Außenumfangsfläche eines Endes
der Antriebseinheit 16 gebildet.
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Der
Rotationsübertragungsmechanismus 18 hat ein Planetengetriebe 32,
das die Rotation der Antriebseinheit 16 zu einer Vielzahl
(z. B. drei) Schaltstufen umschalten und diese zum Nabengehäuse 14 übertragen
kann. Das Planetengetriebe 32 umfasst: ein Hohlrad 34;
ein erstes Planetenrad 36; ein zweites Planetenrad 38;
einen Träger 40, der das erste bzw. zweite Planetenrad 36 bzw. 38 drehbar
lagert; ein erstes Sonnenrad 42, das mit dem ersten Planetenrad 36 kämmt;
und ein zweites Sonnenrad 44, das mit dem zweiten Planetenrad 38 kämmt.
Das Hohlrad 34 ist auf der Innenumfangsfläche
auf der anderen Endfläche (die linke Seite in 2)
der Antriebseinheit 16 gebildet. Das erste Planetenrad 36 ist
wenigstens ein Rad, das mit dem Hohlrad 34 kämmt.
Das zweite Planetenrad 38 ist einstückig mit dem
ersten Planetenrad 36 drehbar und ist wenigstens ein (z.
B. 30) Rad, das eine größere Anzahl von
Zähnen als das erste Planetenrad 36 aufweist.
Das erste Planetenrad 36 und das zweite Planetenrad 38 sind
in der vorliegenden Ausführungsform zwar einstückig
ausgebildet, jedoch können sie auch separat gebildet sein.
Der Träger 40 stützt jeweils drei erste
bzw. zweite Planetenräder 36 bzw. 38 ab,
die auf dem Umfang gleichmäßig beabstandet sind,
und ist um die Nabenachse 12 drehbar. Das erste Sonnenrad 42 ist
ein Rad, das um die Nabenachse 12 rotiert und mit dem ersten
Planetenrad 36 kämmt. Das zweite Sonnenrad 44 ist
ein Rad, das um die Nabenachse 12 rotiert und mit dem zweiten
Planetenrad 38 kämmt. Der Träger 40 stützt
das erste bzw. zweite Planetenrad 36 bzw. 38 ab,
mittels einer Vielzahl (z. B. drei) Stützwellen 40a,
die parallel zur Nabenachse 12 angeordnet sind.
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Darüber
hinaus weist der Rotationsübertragungsmechanismus 18 weiterhin
eine erste Freilaufkupplung 50 und eine zweite Freilaufkupplung 52 auf.
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Die
erste Freilaufkupplung 50 weist einen zylindrischen ersten
Sperrklinkenlagerabschnitt 54 auf, der drehbar an der Nabenachse 12 montiert
ist. Der erste Sperrklinkenlagerabschnitt 54 ist mit dem
Träger 40 verbunden, mit dem er somit einstückig
drehbar ist. Der erste Sperrklinkenlagerabschnitt 54 weist eine
Vielzahl (z. B. sechs) erster Montierausnehmungen 54a auf,
die am Umfang voneinander beabstandet sind und welche Außenumfangsflächen
aufweisen, auf denen eine erste Kupplungsklinke 55, weiter unten
beschrieben, auslegerartig montierbar ist. Darüber hinaus
ist eine Verbindungsausnehmung 54b vorgesehen, die mit
dem Träger 40 zur einstückigen Drehung
zu verbinden ist, benachbart zu den ersten Montierausnehmungen 54a an
dem einen Ende (das rechte Ende in 2). Wie in 2 gezeigt,
wird die Axialbewegung des ersten Sperrklinkenlagerabschnitts 54 durch
einen Haltering 53 begrenzt, der an der Außenumfangsfläche
der Nabenachse 12 montiert ist. Wie in 4 gezeigt, überträgt
die erste Freilaufkupplung 50 zur Nabenachse 14 nur
die Rotation in Bewegungsrichtung, wie durch den Pfeil A gezeigt, des
ersten Sperrklinkenlagerabschnitts 54, der mit dem Träger 40 verbunden
ist.
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Die
erste Freilaufkupplung 50 umfasst ferner: eine Vielzahl
(z. B. sechs) erste Kupplungsklinken 55, die auslegerartig
an den ersten Montierausnehmungen 54a montiert sind; und
erste Rastzähne 56, die auf der Innenumfangsfläche
des Nabengehäuses 14 gebildet sind und mit den
ersten Kupplungsklinken 55 kämmen. Die ersten
Kupplungsklinken 55 sind in die aufgerichtete Position
vorgespannt, die mit den ersten Rastzähnen 56 kämmt,
mittels eines ringförmigen ersten Federelements 57,
das auf der Außenumfangsfläche des ersten Klinkenbefestigungsabschnitts 54 montiert
ist.
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Wie
in 5 gezeigt, verhindert die zweite Freilaufkupplung 52 eine
Drehung des ersten Planetenrades 42 in Richtung des Pfeils
B, also entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung. Wie in 2 gezeigt,
weist die zweite Freilaufkupplung 52 einen zylindrischen
zweiten Sperrklinkenlagerabschnitt 58 auf, der drehfest
mit der Nabenachse 12 verbunden ist. Wie in 5 gezeigt,
ist ein Drehblockierabschnitt 58b mit einer Eingriffsausnehmung 58a,
die mit dem zweiten Vorsprung 29 der Nabenachse 12 eingreift,
auf der Innenumfangsfläche des zweiten Sperrklinkenlagerabschnitts 58 gebildet,
so dass er radial nach innen vorsteht. Die Bewegung des zweiten
Sperrklinkenlagerabschnitts 58 in Richtung der Nabenachse 12 wird
durch einen Positionierstift 59 begrenzt, der in die Positionierausnehmung 29a eingreift.
Der Positionierstift 59 ist in einem Befestigungsloch 58c angeordnet,
das in Radialrichtung des zweiten Sperrklinkenlagerabschnitts 58 angeordnet ist.
Dementsprechend ist der zweite Sperrklinkenlagerabschnitt 58 mit
der Nabenachse 12 verbunden, so dass er drehfest und axial
unbeweglich ist.
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Der
zweite Sperrklinkenlagerabschnitt 58 weist eine Vielzahl
(z. B. zwei) zweiter Montierausnehmungen 58d auf, die am
Umfang voneinander beabstandet sind und die Außenumfangsflächen
aufweisen, auf denen eine zweite Kupplungsklinke 60, weiter
unten beschrieben, auslegerartig montierbar ist. Darüber
hinaus ist ein Federeinrastloch 58e vorgesehen, in welches
das andere Ende 97b einer ersten Tor sionsfeder 97,
weiter unten beschrieben, des Umschaltmechanismus 20 auf
der Außenumfangsfläche des zweiten Sperrklinkenlagerabschnitts 58 einrastet.
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Die
zweite Freilaufkupplung 52 umfasst ferner: eine Vielzahl
(z. B. zwei) zweite Kupplungsklinken 60, die an der zweiten
Montierausnehmung 58d angeordnet und auslegerartig daran
montiert sind; und zweite Rastzähne 61, die auf
der Innenumfangsfläche des ersten Sonnenrades 42 gebildet
sind und mit den zweiten Kupplungsklinken 60 kämmen.
Die zweiten Kupplungsklinken 60 sind in die aufgerichtete
Position vorgespannt, welche mit den zweiten Rastzähnen 61 kämmt,
mittels eines ringförmigen zweiten Federelements 62,
das auf der Außenumfangsfläche des zweiten Sperrklinkenlagerabschnitts 58 montiert
ist.
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Wie
in 2 gezeigt, umfasst der Umschaltmechanismus 20 ein
bewegliches Element 63, das aufgrund einer Bewegung eines
(nicht gezeigten) Schaltzugs beweglich ist als Verbindungselement, das
mit einer (nicht gezeigten) Schaltvorrichtung verbunden ist, die
beispielsweise am Lenker 104 montiert ist. Darüber
hinaus umfasst der Umschaltmechanismus 20 ferner: einen
ersten Kupplungsmechanismus 64, der die Antriebseinheit 16 und
den Träger 40 zwischen dem eingekuppelten Zustand
und dem ausgekuppelten Zustand umschalten kann, als Reaktion auf
eine Bewegung des beweglichen Elements 63; einen zweiten
Kupplungsmechanismus 66, der das zweite Planetenrad 44 zwischen
dem drehbaren Zustand und dem drehfesten Zustand umschalten kann,
als Reaktion auf eine Bewegung des beweglichen Elements 63;
und einen Bedienmechanismus 70, der zwischen dem ersten
und dem zweiten Kupplungsmechanismus 64 bzw. 66 umschalten
kann, als Reaktion auf die Bewegung des beweglichen Elements 63.
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Wie
in 2 und 7 gezeigt, umfasst das bewegliche
Element 63: eine Seilzugbefestigung 88 (2),
die mit dem Schaltkabel verbindbar ist; ein erstes Betätigungsteil 90,
das mit der Seilzugbefestigung 88 verblocken kann; und
ein zweites Betätigungsteil 92, das mit dem ersten
Betätigungsteil 90 verblocken kann.
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Die
Seilzugbefestigung 88 ist so angeordnet, dass sie auf der
Außenumfangsflache der Nabenachse 12 drehbeweglich
ist, wobei sie mittels einer Mutter 99, die an den ersten
Gewindeabschnitt 24b anschraubbar ist, an das Kugelandrückelement 23d des
Lagers 22b gedrückt wird. Der Schaltzug ist an der
Seilzugbefestigung 88 befestigbar. Die Seilzugbefestigung 88 verdreht
sich entsprechend der Bewegung des Schaltzugs aufgrund der Betätigung
der Schaltvorrichtung. Die Seilzugbefestigung 88 wird mittels
der Schaltvorrichtung in drei Stellungen positioniert, nämlich
eine hohe Gangstufe, eine mittlere Gangstufe, sowie eine niedrige
Gangstufe. Wenn der Schaltzug angezogen wird, verdreht sich die
Seilzugbefestigung 88 in die niedrige Gangstufe, und wenn die
Spannung auf den Schaltzug gelockert wird, verdreht sich die Seilzugbefestigung 88 aufgrund
der Wirkung der ersten Torsionsfeder 97, die weiter unten beschrieben
wird, in die hohe Gangstufe.
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Das
erste Betätigungsteil 90 ist so angeordnet, dass
es auf der Außenumfangsfläche der Nabenachse 12 rotationsbeweglich
ist. Wie in 7 gezeigt, ist das erste Betätigungsteil 90 an
dem einen Ende vorgesehen (das rechte Ende in 7)
mit zwei bogenartigen Eingriffsvorsprüngen 90a,
die in die Seilzugbefestigung 88 eingreifen und sich axial erstrecken.
An der Spitze der Eingriffsvorsprünge 90a sind
Befestigungsabschnitte 90c ausgebildet, die in die Seilzugbefestigung 88 eingreifen
und deren Umfangslänge etwas geringer ist. Wenn die Befestigungsabschnitte 90c mit
der Innenumfangsfläche der Seilzugbefestigung 88 eingreifen,
verblockt das erste Betätigungsteil 90 mit der
Drehbewegung der Seilzugbefestigung 88 und ist in einer
der vorgenannten drei Stellungen positioniert. Die Eingriffsvorsprünge 90a werden
durch eine Durchgangsausnehmung 80b eines Nockenelements 80 geführt,
weiter unten beschrieben, und durch die Seilzugbefestigung 88 fixiert.
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Zwei
erste Verbindungsstücke 90b zur Verbindung mit
dem zweiten Betätigungsteil 92 sind am anderen
Ende (das linke Ende in 7) des ersten Betätigungsteils 90 gebildet.
Der distale Endabschnitt 90d des ersten Verbindungsstücks 90b ist jeweils
kürzer im Umfang als der proximale Endabschnitt. Darüber
hinaus ist ein Federeinrastloch 90e vorgesehen, in welches
ein Ende (das rechte Ende in 7) 98a einer
zweiten Torsionsfeder 98, weiter unten beschrieben, einrastet,
und das auf der Außenumfangsfläche des ersten
Betätigungsteils 90 gebildet ist.
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Das
zweite Betätigungsteil 92 ist an einem Ende (das
rechte Ende in 7) mit zwei bogenartigen zweiten
Verbindungsstücken 92a versehen, die in die ersten
Verbindungsstücke 90b des ersten Betätigungsteils 90 eingreifen.
Der distale Endabschnitt 92b des zweiten Verbindungsstücks 92a ist
jeweils kürzer im Umfang als der proximale Endabschnitt. Wie
in 12 gezeigt, ist das erste Verbindungsstück 90b bzw.
das zweite Verbindungsstück 92a jeweils so ausgebildet,
dass eine relative Drehbewegung etwa um einen vorgegebenen Winkel α (z.
B. 40 Grad) möglich ist. Darüber hinaus sind zwei
zweite Steuerelemente 85 zum Steuern des zweiten Kupplungsmechanismus 66 am
anderen Ende (das linke Ende in 7) des zweiten
Betätigungsteils 92 einstückig angeformt.
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Wie
in 2, 6 und 7 gezeigt,
umfasst der erste Kupplungsmechanismus 64: eine dritte
Freilaufkupplung 72, die zwischen der Antriebseinheit 16 und
dem Träger 40 angeordnet ist; und ein erstes Steuerelement 73,
das die dritte Freilaufkupplung 72 einkuppelt bzw. auskuppelt.
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Die
dritte Freilaufkupplung 72 überträgt
eine Rotation der Antriebseinheit 16 nur in Bewegungsrichtung,
wie durch den Pfeil C angedeutet, zum Träger 40.
Wie in 6 gezeigt, umfasst die dritte Freilaufkupplung 72:
dritte Kupplungsklinken 74, die auslegerartig an eine Vielzahl
(z. B. zwei) dritter Montierausnehmungen 16b montiert sind,
welche auf der Innenumfangsfläche der Antriebseinheit 16 ausgebildet
sind; und dritte Rastzähne 75, die auf der Außenumfangsfläche
des einen Endes (das rechte Ende in 2) des Trägers 40 gebildet
sind und mit den dritten Kupplungsklinken 74 kämmen.
Die dritten Kupplungsklinken 74 sind in die aufgerichtete
Position vorgespannt, die mit den dritten Rastzähnen 75 kämmt, mittels
eines ringförmigen dritten Federelements 76, das
auf eine Innenumfangsfläche der Antriebseinheit 16 montiert
ist.
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Wie
in 7 gezeigt, umfasst das erste Steuerelement 73:
ein Nockenelement 80, das drehfest mit der Nabenachse 12 verbunden
ist; und ein Nockenaufnahmeelement 81, das um die Nabenachse
drehbar ist.
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Das
Nockenelement 80 ist ein unten geschlossenes rohrförmiges
Element und ist an seiner Innenumfangsfläche mit einem
Sperrvorsprung 80a versehen, der in die Drehblockiernut 27a der
Nabenachse 12 eingreift. Darüber hinaus ist an
der Innenumfangsfläche eine bogenartige Durchgangsausnehmung 80b vorgesehen,
welche den Durchgang der Eingriffsvorsprünge 90a des
ersten Betätigungsteils 90 ermöglicht.
Die Durchgangsausnehmung 80b ist im Umfang länger
als die Eingriffsvorsprünge 90a, um eine Rotationsbewegung
des ersten Betätigungsteils 90 über einen
vorgegebenen Bereich (beispielsweise etwa 40 Grad) zu ermöglichen.
Zwei geneigte Nocken 80c, die in das Nockenaufnahmeelement 81 eingreifen,
sind auf einer Endfläche des rohrförmigen Abschnitts
des Nockenelements 80 ausge bildet. Die geneigten Nocken 80c sind
aus Schrägflächen gebildet, die bezüglich
der Umfangsrichtung geneigt sind.
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Wie
in 8 und 9 gezeigt, ist das Nockenaufnahmeelement 81 ein
ringartiges Element. Zwei Nockenaufnahmestifte 81a, welche
in die geneigten Nocken 80c eingreifen, sind auf der Innenumfangsfläche
des Nockenaufnahmeelements 81 geformt, so dass sie radial
nach innen ragen. Darüber hinaus sind an einer Endfläche
(die innerste Endfläche in 7) eine
Vielzahl (z. B. acht) Steuerflächen 81b ausgebildet,
welche die dritten Kupplungsklinken 74 zwischen der aufgerichteten
Position, die mit den dritten Rastzähnen 75 kämmt,
und der umgelegten Position von den dritten Rastzähnen 75 weg, umschalten.
Die Steuerflächen 81b weisen Nockenflächen
auf, die über den Umfang voneinander beabstandet sind sowie
in Umfangsrichtung und radial geneigt sind.
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Wie
in 2 gezeigt, ist das Nockenaufnahmeelement 81 mittels
der Spiralfeder 83 zwischen dem Träger 40 bezüglich
der Nabenachse (nach rechts in 2) axial
nach außen vorgespannt. Eine Drehbewegung im Uhrzeigersinn
(wie in 7 gezeigt) eines drehbeweglichen
Elements 94, weiter unten beschrieben, des Bedienmechanismus 70 bringt
die Nockenaufnahmestifte 81a in Eingriff mit den schrägen
Nocken 80c des Nockenelements 80 und verschiebt
das Nockenaufnahmeelement 81 bezüglich der Nabenachse
axial nach innen (nach links in 2) entgegen
der Vorspannkraft der Spiralfeder 83. Die axiale Bewegung
nach innen bezüglich der Nabenachse bewirkt, dass die Steuerflächen 81b die dritten
Kupplungsklinken 71 von der aufgerichteten Position in
die umgelegte Position drücken. Demzufolge kommt die dritte
Freilaufkupplung 72 in einen ausgekuppelten Zustand. Weiterhin
bewirkt eine Drehbewegung des drehbeweglichen Elements 94 entgegen
dem Uhrzeigersinn (wie in 7 gezeigt) eine
Rückkehr zum eingekuppelten Zustand.
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Wie
in 10 und 11 gezeigt,
umfasst der zweite Kupplungsmechanismus 66: eine vierte Freilaufkupplung 84,
die zwischen der Nabenachse 12 und dem zweiten Sonnenrad 44 angeordnet
ist; sowie zweite Steuerelemente 85, die die vierte Freilaufkupplung 84 einkuppelt
bzw. auskuppelt.
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In
dem eingekuppelten Zustand, der in 10 gezeigt
ist, verhindert die vierte Freilaufkupplung 84 eine Drehung
des zweiten Sonnenrades 44 in Richtung des Pfeils D, der
die Bewegungsrichtung zeigt. Die vierte Freilaufkupplung 84 umfasst:
vierte Kupplungsklinken 86, die auslegerartig an eine Vielzahl
(z. B. zwei) vierter Montierausnehmungen 44a montiert sind,
welche auf der Innenumfangsfläche des zweiten Sonnenrades 44 ausgebildet
sind; und einen ersten Vorsprung 28, der auf der Außenumfangsfläche
der Nabenachse 12 gebildet ist und mit den vierten Kupplungsklinken 86 kämmt.
Die vierten Kupplungsklinken 86 sind in die aufgerichtete
Position vorgespannt, die mit dem ersten Vorsprung 28 mittels
eines ringförmigen vierten Federelements 87 kämmt,
das auf der Innenumfangsfläche des zweiten Sonnenrades 44 montiert
ist.
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Die
zweiten Steuerelemente 85 sind zwei Elemente mit jeweils
bogenartigem Querschnitt und einstückig mit dem zweiten
Betätigungsteil 92 ausgebildet. Die zweiten Steuerelemente 85 sind
proximal zu der in 2 rechten Fläche eines
ersten Vorsprungs 28 der Nabenachse 12 gebildet.
Mittels einer Drehbewegung des zweiten Betätigungsteils 92 um die
Nabenachse führt das zweite Steuerelement 85 jeweils
eine Drehbewegung zwischen einer eingekuppelten Stellung, wie in 10 gezeigt,
und einer ausgekuppelten Stellung aus, wie in 11 gezeigt. Wenn
die zweiten Steuerelemente 85 sich in die ausgekuppelte
Position verdrehen, werden die vierten Kupplungsklinken 86 in
die umgelegte Stellung gedrückt; die vierte Freilaufkupplung 84 wechselt
zum ausgekuppelten Zustand; und das zweite Sonnenrad 44 ist
in Bewegungsrichtung drehbar.
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Wie
in 2 und 7 gezeigt, umfasst der Bedienmechanismus 70:
ein drehbewegliches Element 94, das sich zusammen mit dem
zweiten Betätigungsteil 92 verdreht; und ein Rückstellelement 96, das
sich zusammen mit dem zweiten Betätigungsteil 92 verdreht.
Darüber hinaus weist der Bedienmechanismus 70 eine
erste Torsionsfeder 97 und eine zweite Torsionsfeder 98 auf.
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Das
drehbewegliche Element 94 ist scheibenförmig und
wird aus einem Metallblech gepresst. Das drehbewegliche Element 94 dient
dazu, das Nockenaufnahmeelement 81 als Reaktion auf die
Drehbewegung der Seilzugbefestigung 88 zu verdrehen. Das
drehbewegliche Element 94 umfasst: einen etwa scheibenförmigen
Hauptteil 94a; und zwei Eingriffslaschen 94b,
die um 90 Grad gebogen sind und von beiden Seiten des Außenumfangsbereichs
des Hauptteils 94a vorstehen. Eine erste Eingriffsausnehmung 94c,
die in die distalen Endbereiche 90d der ersten Verbindungsstücke 90b des
ersten Betätigungsteils 90 eingreift, und eine
zweite Eingriffsausnehmung 94d, die mit den distalen Endbereichen 92b der
zweiten Verbindungsstücke 92a des zweiten Betätigungsteils 92 eingreift,
sind an der Innenumfangsflache des Hauptteils 94a ausgebildet.
Eine Haltenut 94e, die die Nockenaufnahmestifte 81a des Nockenaufnahmeelements 81 bezüglich
der Nabenachse axial beweglich hält, ist im mittleren Bereich
einer der Eingriffslaschen 94b ausgebildet. Ein Federeinrastloch 94f,
in welches das andere Ende 98b der zweiten Torsionsfeder 98 einrastet,
ist an der anderen Eingriffslasche 94b ausgebildet.
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Das
Rückstellelement 96 ist scheibenförmig und
wird aus einem Metallblech gepresst. Das Rückstellelement 96 dient
dazu, die Vorspannkraft der ersten Torsionsfeder 97 auf
das erste bzw. zweite Betätigungsteil 90 bzw. 92 zu übertragen,
um das erste bzw. zweite Betätigungsteil 90 bzw. 92 im
Gegenuhrzeigersinn zu verdrehen, wie in 7 gezeigt.
Eine erste Eingriffsausnehmung 96a, die mit den distalen Endbereichen 90d der
ersten Verbindungsstücke 90b des ersten Betätigungsteils 90 eingreift,
und eine zweite Eingriffsausnehmung 96b, die mit den distalen Endbereichen 92b der
zweiten Verbindungsstücke 92a des zweiten Betätigungsteils 92 eingreift,
sind an der Innenumfangsseite des Rückstellelements 96 ausgebildet.
Darüber hinaus ist auf einer Seitenfläche ein
Federeinrastloch 96c ausgebildet, in das ein Ende (das
linke Ende in 7) 97a der ersten Torsionsfeder 97 einrastet.
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Die
erste Torsionsfeder 97 ist beispielsweise eine Torsionsschraubenfeder
und wirkt als Rückstellfeder des ersten bzw. zweiten Betätigungsteils 90 bzw. 92.
Mit anderen Worten, wenn die Spannung des Seilzugs gelockert wird,
werden das erste und das zweite Betätigungsteil 90 bzw. 92 und
die Seilzugbefestigung 88 im Gegenuhrzeigersinn verdreht, wie
in 7 gezeigt. Wie oben beschrieben, wird ein Ende 97a der
ersten Torsionsfeder 97 durch das Rückstellelement 96 festgehalten,
während das andere Ende 97b durch den zweiten
Sperrklinkenlagerabschnitt 58 festgehalten wird, welcher
bezüglich der Nabenachse 12 drehfest ist.
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Die
zweite Torsionsfeder 98 ist beispielsweise eine Torsionsschraubenfeder
und verblockt das erste Betätigungsteil 90 mit
dem zweiten Betätigungsteil 92. Die zweite Torsionsfeder 98 ist
insbesondere dafür vorgesehen, um das zweite Betätigungsteil 92 nach
Lösen eines Kraftübertragungszustands zu verdrehen,
wenn entweder die dritte Freilaufkupplung 72 oder die vierte
Freilaufkupplung 82 im Kraftübertragungszustand
ist und ein Umschalten nicht durchführbar ist. Wie oben
be schrieben, wird ein Ende 98a der zweiten Torsionsfeder 98 durch
das erste Betätigungsteil 90 und das andere Ende
durch das drehbewegliche Element 94 fixiert. Daher wird die
Drehbewegung des ersten Betätigungsteils 90 über
die zweite Torsionsfeder 98 und das drehbewegliche Element 94 zum
zweiten Betätigungsteil 92 übertragen.
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Als
nächstes wird die Funktion des Umschaltmechanismus 20 durch
Betätigung der Schaltvorrichtung beschrieben.
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Wenn
die Seilzugbefestigung 88 mittels der Schaltvorrichtung
in einer hohen Gangstufe positioniert ist, am ersten Kupplungsmechanismus 64,
ist das Nockenaufnahmeelement 81 des ersten Steuerelements 73 von
den dritten Kupplungsklinken 74 der dritten Freilaufkupplung
getrennt angeordnet. Demzufolge wird die dritte Freilaufkupplung
eingekuppelt und die Drehung der Antriebseinheit 16 wird
zum Träger 40 übertragen. Daher wird
das Planetengetriebe 32 nicht betätigt, und die
Drehung der Antriebseinheit 16 wird unverändert über
den Träger 40 und die erste Freilaufkupplung 50 zum
Nabengehäuse 14 übertragen. Der Pfad,
auf dem die Übertragung von der Antriebseinheit 16 zum
Nabengehäuse 14 über den Träger 40 erfolgt,
ist der Übertragungspfad für gleiche Geschwindigkeit,
der das Planetengetriebe 32 nicht einsetzt.
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Wenn
die Seilzugbefestigung 88 durch die Schaltvorrichtung von
der hohen Gangstufe zur mittleren Gangstufe versetzt wird, verdreht
sich die Seilzugbefestigung 88, und als Reaktion darauf
verdreht sich das erste Betätigungsteil 90 im
Gegenuhrzeigersinn, wie in 7 gezeigt.
Demzufolge bewegt sich das Nockenaufnahmeelement 81 des
ersten Steuerelements 73 am ersten Kupplungsmechanismus 64 nach
links, wie in 2 gezeigt, und verdreht sich dabei
um Uhrzeigersinn, wie in 7 gezeigt, und versucht die
dritten Kupplungsklinken 74 der dritten Freilaufkupplung 72 hinunterzudrücken.
Wenn jedoch der Radfahrer das Pedal 111 tritt, da die dritten Kupplungsklinken 74 der
dritten Freilaufkupplung 72 im Kraftübertragungszustand
sind, kann das Nockenaufnahmeelement 81 die dritten Kupplungsklinken 74 nicht
drücken. Daher drehen sich das drehbewegliche Element 94 und
das zweite Betätigungsteil 92 nicht, obwohl sich
das erste Betätigungsteil 90 verdreht, und die
zweite Torsionsfeder 98 federt ein und die Kraft wird gespeichert.
Wenn dann der Fahrer das Pedal 111 nicht mehr tritt, bewirkt
die Vorspannkraft der zweiten Torsionsfeder 98, dass sich
das drehbewegliche Element 94 und das zweite Betätigungsteil 92 im
Uhrzeigersinn drehen. Demzufolge wird der erste Kupplungsmechanismus 64 ausgekuppelt,
und das Planetengetriebe 32 wird aufgrund des an der Antriebseinheit 16 vorgesehenen
Hohlrades 34 betätigt.
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In
der mittleren Gangstufe ist der zweite Kupplungsmechanismus 66 eingekuppelt,
wie in 10 gezeigt. Daher dreht sich
das zweite Sonnenrad 44 nicht, wenn die Drehung in der
entgegengesetzten Richtung verhindert wird und das Hohlrad 34 sich
in Bewegungsrichtung dreht, und das zweite Sonnenrad 44 bremst
die Drehung der Antriebseinheit 16 in einem Abbremsverhältnis,
das durch das Kämmen des zweiten Planetenrades 38 und
des zweiten Sonnenrades 44 bestimmt wird, und dreht den
Träger 40 in der Bewegungsrichtung. Diese Drehung
wird über die erste Freilaufkupplung 50 zum Nabengehäuse 14 übertragen.
Daher wird die Drehung des Nabengehäuses 14 gegenüber
der hohen Gangstufe abgebremst. Außerdem, wenn der Fahrer das
Pedal 111 nicht tritt, verdrehen sich das drehbewegliche
Element 94 und das zweite Betätigungsteil 92 zusammen
mit dem ersten Betätigungsteil 90.
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Der
Pfad, auf dem das Abbremsen von der Antriebseinheit 16 zum
Träger 40 aufgrund der Wirkung des zweiten Planetenrades 38 und
des zweiten Sonnenrades 44 stattfindet, ist von den beiden
Untersetzungspfaden der Untersetzungspfad auf der Seite des hohen
Gangs.
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Wenn
die Seilzugbefestigung 88 durch die Schaltvorrichtung von
der mittleren Gangstufe in die niedrige Gangstufe verschoben wird,
bleibt der erste Kupplungsmechanismus 64 ausgekuppelt.
Wie in 11 gezeigt, beginnt das zweite
Steuerelement 85 am zweiten Kupplungsmechanismus 66 den
ersten Vorsprung 28 der Nabenachse 12 in Drehbewegungsrichtung
zu überlappen. Folglich können die vierten Kupplungsklinken 86 nicht
mehr in den ersten Vorsprung 28 eingreifen, und der zweite
Kupplungsmechanismus 66 wird ausgekuppelt. Deshalb kann sich
das zweite Sonnenrad 44 nun in beide Richtungen verdrehen
und kann nicht mehr als Sonnenrad wirken. Demzufolge wird die Drehung
der Antriebseinheit 16 um ein Verzögerungsverhältnis
reduziert, das durch das Kämmen des ersten Planetenrades 36 und
des ersten Sonnenrades 42 bestimmt wird, und dreht den
Träger 40 in der Bewegungsrichtung. Da das erste
Sonnenrad 42 mehr Zähne als das zweite Sonnenrad 44 aufweist,
findet an dieser Stelle eine Verzögerung an der mittleren
Gangstufe vorbei statt und der Träger 40 wird
in der Bewegungsrichtung gedreht.
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Der
Pfad, auf dem das weitere Abbremsen von der Antriebseinheit 16 zum
Träger 40 aufgrund der Wirkung des ersten Planetenrades 36 und
des ersten Sonnenrades 42 stattfindet, ist von den beiden Untersetzungspfaden
der Untersetzungspfad auf der Seite des niedrigen Gangs.
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Wenn
andererseits der Schaltzug durch die Schaltvorrichtung in Spannungsfreigaberichtung
betätigt wird, bewirkt die Vorspannkraft der ersten Torsionsfeder 97,
dass das zweite Betätigungsteil 92 wie in 7 gezeigt
durch das Rückstellelement 96 im Uhrzeigersinn
verdreht wird, und als Reaktion darauf werden auch das erste Betätigungsteil 90 und
das drehbewegliche Element 94 entgegen dem Uhrzeigersinn
verdreht, wie in 7 gezeigt, und eine Schaltung
zur Seite der hohen Gangstufe findet statt.
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In
diesem Fall wird während des manuellen Schaltens der Übertragungspfad
zur Untersetzung des Planetengetriebes 32 nicht in der
höchsten Gangstufe eingesetzt, der bei einem herkömmlichen Fahrrad
mit Hilfsmotor relativ häufig verwendet wird. Daher wird
das komplex gestaltete Planetengetriebe weniger häufig
eingesetzt, wodurch eine hohe Lebensdauer erreicht wird.
- (a) Bei der obigen Ausführungsform
wurde die vorliegende Erfindung zwar anhand eines Beispiels einer
Schaltnabe der Art beschrieben, bei welcher die Seilzugbefestigung 88 und
das erste und das zweite Betätigungsteil um die Nabenachse
rotieren, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt.
Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auch bei einer Schaltnabe eingesetzt
werden, welche einen Winkelhebel und eine Schubstange aufweist,
die mittels des Winkelhebels gegenüber einer Nabenachse
axial bewegt wird.
- (b) Bei der obigen Ausführungsform wird zwar das zweite
Sonnenrad 38 durch den zweiten Kupplungsmechanismus 66 zwischen
einem betriebsbereiten und einem nicht betriebsbereiten Zustand
verschoben, jedoch ist auch eine Ausgestaltung möglich,
bei welcher das erste Sonnenrad durch den zweiten Kupplungsmechanismus verschoben
wird.
- (c) Die vorliegende Erfindung wurde zwar in der obigen Ausführungsform
beispielhaft anhand einer Dreigangschaltnabe beschrieben, jedoch
ist die Anzahl der Schaltstufen einer Schaltnabe nicht auf die obige
Ausführungsform beschränkt.
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- 10
- Nabenschaltung
- 12
- Nabenachse
- 14
- Nabengehäuse
- 16
- Antriebseinheit
- 18
- Rotationsübertragungsmechanismus
- 20
- Umschaltmechanismus
- 32
- Planetengetriebe
- 34
- Hohlrad
- 36
- Erstes
Planetenrad
- 38
- Zweites
Planetenrad
- 40
- Träger
- 42
- Erstes
Sonnenrad
- 44
- Zweites
Sonnenrad
- 50
- Erste
Freilaufkupplung
- 52
- Zweite
Freilaufkupplung
- 64
- Erster
Kupplungsmechanismus
- 66
- Zweiter
Kupplungsmechanismus
- 70
- Bedienmechanismus
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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