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Getriebe mit variablem Ubersetzungsverhältnis Eine bekannte Freilaufkupplung
verwendet eine Vielzahl von Mitnehmern, die zwischen zwei konzentrisch gelagerten
drehbaren Teilen angeordnet sind, um Drehmoment in nur einer Richtung vom Antriebsteil
zum Abtriebsteil zu übertragen. Die verwendeten Mitnehmer sind so angeordnet und
haben derart geformte Reibungsilächen, dass sie die Belastung so gleichmässig wie
möglich auf die einzelnen Mitnehmer übertragen und eine ausreichende tangentiale
Reibung an jedem der Mitnehmer sicherstellen1 um die Drehmoment anforderungen zu
erfüllen. Durch die Vorsehung von Klemmwinkeln in solchen E'reilaufkupplungen ist
ein Schlupf vermieden und das Antriebsmoment ist so gross wie das Abtriebsmoment,
so dass die Kupplung nur dann stark belastet ist, wenn es erforderlich
ist0
Beim Getriebe-nacn der vorliegenden Erfindung wird von einigen Merkmalen solcher
FreilaufKupplungen, wie beispielsweise dem Klemmwinkel, Gebrauch gemacht.
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Weil die vorliegende Erfindung an einem Ausführungsbeispiel beschrieben
ist, das für ein Fahrrad gedacht ist, sei betont, dass eine Vielzahl von Antriebssystemen
jür Fahrrad vorgeschlagen und bei ihnen auch in Anwendung ist0 So gibt es ahrrader
mit Zwei-Gang- Drei-Gang- und Pünf-Gaiig-Wechselgetrieben, die in der tiinterradnaDe
untergebracht sind. Andere bekannte Gangschaltungen bei Fahrrädern sind die sogenannten
Kettenschaltungen, die mehrere nebeneinander angeordnete Kettenritzel verschiedenen
Durchmessers auf der Hinterradnabe und/oder am Tretlager verwenden, wobei die Kette
zum Gangwechsel von einem auf das andere Ritzel umgelegt werden muss. Ein Nachteil
dieser Kettenschaltungen liegt darin dass während des Wechselns vom einen Ritzel
aur das andere die Kette nicht belastet sein sollte. Auch müssen die Ketten solche
mit recht schmalen Gliedern sein0 Kettenschaltungen sind daher sehr empfindlich
und verlangen häufig Reparaturen und zeueinstellungen.
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Auch die üblichen Nabenschaltungen verlangen, dass sie während des
Gangwechsels nicht belastet sind0 Der vorliegenden Erfindung liegt daner die Autgabe
zugrunde, ein Getriebe mib variablem Übersetzungsverhältnis anzugeben, das unter
Last geändert werden kann0 Diese Aufgabe wird durcn die im Patentanspruch 1 angegebene
Erdindung gelost, Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfinaung verwendet somit das bekannte Merkmai der xlemmwlriel
zur Vermeidung von Schlupf, wäh£end Jedoch bei den bemannten Freilaufkupplungen
Antriebs teil unci abtriebsteil stets konzentrisch zueinander aijgeordnet sind,
können diese Zeile bei der Erfindung gewolltermassen exzentrisch zueinander angeordnet
sein. In diesem Zustand haben die btitne} er nicht alle die gleiche relative Lage
in bezug aut Antriebs- unci Abtriebsteil0 Wenn das System rotiert, dann bewegt sich
jeaer Mitnehmer durch die verschiedenen Lagen in Bezug aul- das Abtriebsteil, wobei
die kreisbogentormige Stirnfläche jedes Mitnehmers sich auf dem Abtriebsteil abwälzt
und hierdurch eine zusätzliche Drehbewegung aut eas Abtriebsteil überträgt. Die
Grösse dieser zusätzlichen Drehbewegung ist in gewissen Grenzen proportional der
Grösse der Exzentrizität, so dass durch Verändern der Exzentrizität zwischen Antriebs-
und Abtriebsteil das Übersetzungsverhältnis des Getriebes verändert werden kann.
Unter Beibehaltung des von den üblichen Preilaufkupplungen bekannten Gedankens des
Ivlenmwinkels kann so durch einfachen und einstellbaren Versatz der Achsen von Antriebsteil
und Abtriebsteil eine sehr einfache Veränderung des Übersetzungsverhältnisses erzielt
werden.
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Dem erfindungsgemässen Getriebe ist ein breites Anwendungsgebiet zugänglich,
zur leichteren Erläuterung von Aufbau und Funktion soll jedoch nachfolgend auf ein
Ausführungsbeispiel Bezug genommen werden, bei dem Antriebs- und Abtriebsteil trommelförmig
ausgebildet sind und Einrichtungen vorgesehen sind9 mit EIilfe derer die Achse einer
dieser Teile in Bezug auf die Achse des anderen Teils radial versetzt werden kann
um das Übersetzungsverhältnis zu verändern.
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Das erfindungsgemässe Getriebe kann durch einen einfachen Austausch
gegen vorhandene Teile in ein übliches Fahrrad eingesetzt werden. Iiierbei ist das
Abtriebsteil eine Trommel9
die mit der Nabe des IIinterrades verbunden
ist 9 und das Antriebsteil ist eine etwas grössere Trommel mit einem Kettenrad daran,
über das die Fahrradkette läuft. Ein Satz Mitnehmer ist zwischen dem Antriebs- und
dem Abtriebsteil eingebaut, wobei die einzelnen Mitnehmer um Stifte schweSobar angeordnet
sind, die auf einem Kreisbogen in äquidistanten Abständen am Antriebsteil befestigt
sind0 Die Mitnehmer werden durch Federkraft in Richtung auf die Abtriebstrommel
gedrückt. Weiterhin sind Einrichtungen vorgesehen, die eine unerwünschte Seitenbewegung
der Mitnehmer verhindern. Um die Exzentrizität der Achsen von Antriebs- und Abtriebsteil
einstellen zu können, ist ein Gleitmechanismus am Antriebsteil befestigt, der unter
dem Einfluss eines Stellhebels eine Verschiebebewegung hervorruft.
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Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf ein in den Zeichnungen
dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigt Fig. 1 eine Seitenansicht
eines erfindungsgemässen Getriebes an einem Fahrrad, teilweise weggebrochen, um
die inneren Teile freizulegen; Fig. 2 eine Draufsicht durch das Getriebe nach Fig.
1, teilweise im Schnitt; Fig. 3 ein Schema zur Erläuterung der Betriebsweise, und
Fig. 4 eine Detailansicht einer modifizierten Ausführungsform.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen ein erfindungsgemässes Getriebe 10, wie
es bei einem Fahrrad angewendet wird. Da zur Erläuterung der Erfindung dienlich,
sind die üblichen Teile des Fahrrad,
wie Rahmen, Speichen und Felge
nicht dargestellt. Die Rollenkette 11 ist eine gaiiz ubliche FahrradketteO Die Rollen
12 der Kette 11 greiten in die Zähne 13 eines Kettenritzels 14 üblicher Bauart ein,
Beim Treten der nicht dargestellten Pedale wird das Kettenritzel 14 im Uhrzeigersinn
in Umdrehung versetzt0 Wie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht, erstreckt sich das
Kettenritzel 14 radial an einem zylindrischen Stutzen 15 Am inneren Ende des Stutzens
15 ist eine Antriebstrommel 16 belestigt. Diese Trommel lb weist äussere und innere
Stirnflachen 1Y und 18 auf. Die Trommel i6 dreht sich mit dem xettenritzel 14 und
stellt das Antriebsteil beim ertindungsgemässen Getriebe dar.
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Durch die Antriebstrommel 16 erstreckt sich senkrecht zu ihren Stirnflächen
17 und 18 eine feste Achse 22, die in diesem Falle die Hinterachse des Fahrrads
ist Auf dieser festen Achse 22 ist eine Nabe 44 drehbar gelagert, von welcher in
Fig. 2 der eine Speichenbefestigungskranz zu sehen ist. Die Abtriebstrommel 23 ist
an dieser Nabe 44 festgeschraubt, wozu ein einen Zwischenraum freilassendes Loch
45 in der inneren Stirnwand 18 der Antriebstrommel 16 ausgebildet ist. Wenn die
Nabe 44 mit dem Zentrum der Trommel 16 verbunden wäre, dann würde das Fahrrad mit
einem festen Ubersetzungsverhältnis angetrieben werden, das allein von der Zähnezahl
auf dem Kettenritzel und dem Tretlagerritzel bestimmt ist.
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Die Nabe 44 ist Jedoch nicht mit dem Zentrum der Trommel 16 verbunden,
vielmehr kann sich das Zentrum der Trommel 16 radial gegenUber-der Achse 22 bewegen,
wobei sie parallel zu letzterer gehalten wird0 Die zylindrische Abtriebstrommel
23 ist koaxial mit der Nabe 44 verbunden und dreht sich mit ihr.
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Die Abtriebstrommel 23 wird von der Antriebstrommel 16 aufgenommen,
wie am besten aus Fig0 2 hervorgeht. Die äussere Umfangsfläche der Abtriebstrommel
23 muss einen hohen Reibungskoeffizienten aufweisen, was bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
durch eine Schicht 24 aus Kunstharzmaterial* wie beispielsweise Polyurethan, erreicht
wird.
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Die Drehmomentübertragung von der Antriebstrommel 16 zur Abtriebstrommel
23 und der Nabe 44 findet durch die Klemmwirkung mehrerer gleicher Mitnehmer 25
statt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs solcher Mitnehmer vorgesehen,
obgleich bei dieser und anderen Anwendungsformen auch eine grössere oder kleinere
Anzahl verwendet werden kann.
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Die Mitnehmer 25 sind flache Bauteile und jeweils schwenkbar um einen
Stift 26 an der einen Stirnseite 17 der Antriebstrommel 16 befestigt. Die Anordnung
ist in gleichmässiger Verteilung getroffen, d.h. mit dem Zentrum der Trommel 16
bilden zwei benachbarte der sechs Stifte jeweils einen Winkel von 600 aus.
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Um den Antrieb skont akt mit der Umfangs fläche 24 der Abtriebstrommel
23 hervorzurufen, ist jeder Mitnehmer 25 mit einer kreisbogenförmig gestalteten
Stirnfläche 27 versehen0 Auf der gegenüberliegenden Seite* d.h. jenseits der Stifte
26, sind die Mitnehmer 25 jeweils mit einer Nockenfläche 28 versehen0 Die Nockenflächen
28 der Mitnehmer arbeiten mit einem Federband 29 zusammen, das die Mitnehmer 25
mit ihren Stirnflächen 27 stets auf die Abtriebstrommel 23 drückt. Dieses Federband
kann eine in sich geschlossene Schraubenfeder sein oder ein 0-Ring aus elastischem
Material. Ein Anschlagstift 31 neben jedem Mitnehmer 25 verhindert eine Schwenkbewegung
des Mitnehmers über einen gewissen Punkt hinaus. Diese Anschlagstifte 31 sind im
dargestellten Beispiel an der Antriebstrommel t6 nahe den Punkten befestigt, an
denen die Lagerstifte
26 für die Mitnehmer angebracht sind, jedoch
etwas näher auf die Achse der Trommel 16 hingerückt. Die Spannung des Federbandes
29 drängt die Mitnehmer 25 in Richtung auf die zugehörigen Anschlagstifte 31.
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Zwei Führungsplatten 32 und 33 sind innerhalb der Antriebstrommel
16 an einander gegenüberliegenden Seiten der Mitnehmer 25 angeordnet und verhindern
eine seitliche Bewegung derselben, Diese Platten 32 und 33 sind geringfügig weiter
voneinander entfernt als die Mitnehmer 25 dick sind, so dass letztere sich ohne
Behinderung um ihre Stifte 26 drehen können.
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Wie beschrieben, ist die Abtriebstrommel 23 koaxial auf der Achse
22 gelagert, während die Antriebstrommel 16 in einer Ebene senkrecht zu deren Achse
verschiebbar ist0 Die relative Lage der Abtriebstrommel 23 in Bezug auf die Antriebs
trommel 16 bestimmt die Wirkung der Mitnehmer 25 an der Abtriebstrommel 23 und somit
das Übersetzungsverhältnis des Getriebes.
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Eine bevorzugte Ausführungsform zum Parallelhalten der Achse der Antriebstrommel
16 mit der Achse 22 und zum Verschieben der Trommel 16 relativ zur Achse 22 ist
in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Ein Steuerschieber 34 ist innerhalb der Antriebstrommel
drehbar und auf einem Gleitblock 35 verschiebbar befestigt. Die Antriebstrommel
16 kann sich so aus der in Fig. 1 dargestellten Lage nach oben und unten verschieben.
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Um diese Verschiebung einzustellen und die Antriebs trommel in einer
gewünschten Lage zu halten, wird vorteilhafterweise ein Schwenkhebel 36 verwendet.
Wie Fig. 1 zeigt, ist der Schwenkhebel 36 um einen Bolzen 37 gelagert. Ein Arm 38
des Hebels 36 ist mit einem Loch 39 versehen, an dem ein Kabelzug od.dgl zu seiner
Betätigung von der Lenkstange aus befestigt werden kann. Der andere Arm 41 des Hebels
36 erstreckt sich im wesentlichen senkrecht zum Arm 38 und ist mit einem Schlitz
42
versehen der über die Achse 22 greift. Zwischen der Achse 22
und dem Schlitz 42 ist eine Lagerhülse 43 angeordnet.
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Die Wirkungsweise des Getriebes nach den Figuren 1 und 2 ist schematisch
in Fig. 3 dargestellt. Es sei betont dass das Getriebe nach der Erfindung die vielfältigsten
Anwendungsmöglichkeiten hat und das hier an einem Fahrrad erläuterte Beispiel nur
ein Anwendungsbeispiel darstellt. Die nachfolgende Beschreibung soll daher ganz
allgemein gelten.
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Fig. 3 zeigt ein Antriebsteil 50 das exzentrisch zu einem Abtriebsteil
51 angeordnet ist. Die Exzentrizität ist mit 6 bezeichnet was in Bezug auf das Beispiel
nach den Figuren 1 und 2 der radiale Abstand zwischen Antriebs trommel und Abtriebstrommel
ist. Das Antriebsteil 50 trägt im gezeigten Beispiel sechs Mitnehmer die schwenkbar
auf im Kreisbogen gleichmässig verteilten Stiften 53 angeordnet sind. Weiterhin
sind Anschläge 54 jedem Mitnehmer zugeordnet* die die Schwenkbewegung* wie an den
mit II und III näher bezeichneten Mitnehmern 52 illustriert* begrenzend Weil das
Antriebsteil 50 in Bezug auf das Abtriebsteil 51 exzentrisch angeordnet ist* laufen
die einander zugekehrten Flächen dieser Teile an der rechten Seite der Fig. 3 aufeinander
zu* während sie auf der linken Seite voneinander divergieren* wenn das System im
Uhrzeigersinn rotiert. Das Antriebsteil bewegt die aufeinanderfolgenden Mitnehmer
in den konvergierenden Sektor hinein durch ihn hindurch und nachher aus dem divergierenden
Sektor hinaus. Die relativen Dimensionen der Teile sind so gewählt* dass wenn ein
Mitnehmer die Position des Mitnehmers I im konvergierenden Sektor einnimmt, er um
seinen Lagerstift 53 schwenken muss. Aufgrund der Gestalt des Mitnehmers verändert
dieses Schwenken den Winkel zwischen
der Stirnfläche des Mitnehmers
und der Umfangsfläche des Abtriebsteils nicht merklich* ruft aber eine zusätzliche
Bewegung auf das Abtriebsteil hervor* wenn sich die Stirn fläche des Mitnehmers
auf der Umfangs fläche des Abtriebsteils abwälzt0 Dieses Abwälzen vergrössert die
Rotationsgeschwindigkeit des Abtriebsteils 51 in Bezug auf die des Antriebsteils
50. Dieser Geschwindigkeitszuwachs ist innerhalb gewisser Grenzen proportional dem
Betrag der Exzentrizität 6.
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Bei der Ausführungsform nach Figo 3 sind Mitnehmer 32 mit einer abwälzenden
Stirnfläche vorgesehen* die um feste Punkte am Antriebsteil 50 schwenken. Diese
Ausführungsform ist hier gewählt statt solcher mit zwei Reibungsflächent um eine
Verdoppelung von Reibungsflächen zu vermeiden.
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Die Stirnflächen der Mitnehmer 52 beschreiben einen Radius r , dessen
Zentrum vom Lagerstift 53 um eine Distanz g versetzt ist, In Figo 3 steht der Mitnehmer
I im konvergierenden Sektor in Antriebsverbindung mit dem Abtriebsteil 9 wobei er
zwischen der Umfangsfläche des Abtriebsteils 51 und seinem Lagerstift 53 eingeklemmt
ist, und der Winkel A ist der sogenannte Antriebswinkel. Dieser Winkel aC 1 wie
er aus der Geometrie des Systems hervorgeht und auch bei den gewöhnlichen Freilaufkupplungen
vorhanden ist bleibt während der gesamten Zeit, in der die Stirnfläche des Mitnehmers
mit dem Abtriebsteil in Berührung steht, im wesentlichen konstant, was unter der
Klemmwirkung den Antrieb hervorruft0 Die Geometrie dieses Systems ist so gewählt*
dass sich ein Übersetzungsverhältnis von 1:2 ergibt, wenn der Radius r 5 der Stirnflächen
der Mitnehmer gleich dem Radius ro der
Reibungsfläche des Abtriebsteils
ist und der Versatz & zwischen dem Mittelpunkt des Radius o und dem Schwenkpunkt
des Mitnehmers genauso gross ist wie die Exzentrizität 6 zwischen dem Antriebs-
und dem Abtriebsteil. Eine Verminderung der Exzentrizität E vermindert das Übersetzungsverhältnis,
so dass ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 erreicht wird, wenn E gleich 0 ist, doh.
wenn Antriebsteil 50 und Abtriebsteil 51 konzentrisch sind0 Das Übersetzungsverhältnis
kann durch die Gleichung
angegeben werden.
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Wenn das Verhältnis 1:1 beträgt, ist der Antrieb perfekt, Der Antrieb
ist auch perfekt, wenn 6 = g, es besteht jedoch ein geringer Fehler im Übertragungsverhalten
im Zwischenbereich, d.h. wenn oca<50 Dieser Fehler hängt von der Anzahl der Mitnehmer
ab sowie von weiteren Variablen. Das Übersetzungsverhältnis ist, wie aus der Beschreibung
hervorgeht, durch Einstellung der Exzentrizität E stufenlos veränderbar.
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Man sieht auch, dass aufgrund der Exzentrizität einige der Mitnehmer,
nämlich die Mitnehmer II und III im Beispiel nach Fig. 32 mit dem Abtriebsteil 51
nicht in Berührung sind* was bei den gewöhnlichen Freilaufkupplungen nicht der Fall
ist, wo es in der Hauptsache auf die Übertragung grosser Drehmomente ankommt. Die
Mitnehmer II und III bleiben an ihren Anschlägen 54 liegen und stören so den Betrieb
des Getriebes nicht. Durch geeignete Lage der Anschläge 54 bietet jeder Mitnehmer
seine Stirnfläche dem Abtriebsteil 51 in dem Moments wo es mit letzterem in Berührung
gelangt ,unter dem Winkel an.
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Es sei hervorgehoben* dass in den gewöhnlichen Freilaufkupplungen
der Antriebswinkel oC in der Regel kleiner als 100 ist während er bei der vorliegenden
Erfindung in der Grössenordnung zwischen 10 und 200 liegt um die Kräfte auf die
Stifte in Grenzen zu halten. Es kommt daher bei der Erfindung im besonderen auf
hohe Reibungskoeffizienten zwischen den Mitnehmern und dem Abtriebsteil ano Die
Stirnflächen der Mitnehmer sollten daher ebenfalls mit einem Reibungsbelag versehen
sein0 Es ist auch möglich* auf den Mitnehmern eine Riffelung oder Zahnung anzubringen*
wie es Figo 4 zeigt 9 die mit einer entsprechenden Riffelung oder Zahnung am Abtriebsteil
zusammenwirkt. Die Verwendung von Zähnen bewirkt zwar* dass nur eine endliche Zahl
von Übersetzungsverhältnissen eingestellt werden kann und ruft gewisse Rauhigkeiten
im Betrieb hervor* dennoch hat die Vorsehung von Zähnen manche Vorteile. Die Zahnung
sollte daher entsprechend fein sein und mehr einer Riffelung gleichen.
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