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Die
vorliegende Erfindung ist für
Fahrradschaltungen und insbesondere für interne Nabenschaltungen
bestimmt, welche Planetengetriebemechanismen verwenden.
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Eine
typische interne Nabenschaltung eines Fahrrades weist eine Nabenachse
zur Befestigung der Schaltung an einem Fahrradrahmen auf, einen relativ
zur Nabenachse drehbar gelagerten Antrieb, und einen relativ zur
Nabenachse drehbaren gelagerten Abtriebskörper. Am Antrieb ist üblicherweise ein
Zahnrad befestigt, auf den die treibende Kraft einer Kette übertragen
wird, die mit den Antriebskurbeln verbunden ist. Der Abtriebskörper wird üblicherweise
mit einem Nabengehäuse
montiert, an welchem die Speichen befestigt sind, welche wiederum mit
der Felge verbunden sind. Ein Planetengetriebemechanismus ist üblicherweise
zwischen dem Antrieb und Nabengehäuse angeordnet, um das Drehmoment
vom Antrieb auf das Nabengehäuse über eine
Mehrzahl von Übertragungswegen
zu übertragen.
Diese ändern
das Übersetzungsverhältnis der Schaltung.
In einer Dreigang-Nabe beispielsweise kann der Planetengetriebemechanismus
ein relativ zur Nabenachse drehbar gelagertes erstes und zweites
Sonnenrad aufweisen, eine relativ zur Nabenachse drehbar gelagerte
Planetenradeinheit, wobei die Planetenradeinheit in das erste und
das zweite Sonnenrad eingreift, und ein Hohlrad, welches in die
Planetenradeinheit eingreift.
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Um
das Übersetzungsverhältnis eines
Planetengetriebemechanismus zu ändern,
wird üblicherweise
die Drehung des ersten oder zweiten Sonnenrads relativ zur Nabenachse
unterbunden. Üblicherweise
wird das erste Sonnenrad mit der Nabenachse durch einen dazwischenliegenden
Koppelkörper
verbunden, und ebenso wird das zweite Sonnenrad mit der Nabenachse über einen
weiteren dazwischenliegenden Koppelkörper verbunden. Manchmal erfüllt ein
einzelner Koppelkörper
beide Aufgaben. Solch ein Koppelkörper hat üblicherweise eine längliche Gestalt
und ist entlang der Nabenachse verschiebbar. Zunächst greift der Koppelkörper in
einen ersten Stopper des ersten Sonnenrads und einen ersten Stopper
der Nabenachse ein. Wenn der Koppelkörper entlang der Nabenachse
verschoben wird, greift er anschließend in einen zweiten Stopper
des zweiten Sonnenrades und einen zweiten Stopper der Nabenachse
ein. Falls die Breite des Koppelkörpers geringer als der Abstand
zwischen dem ersten Stopper des ersten Sonnenrades und dem zweiten
Stopper des zweiten Sonnenrades ist, kann es während des Verschiebens des
Koppelkörpers
vom ersten Sonnenrad zum zweiten Sonnenrad einen kurzen Zeitraum
geben, in dem der Koppelkörper
weder in das erste Sonnenrad noch in das zweite Sonnenrad eingreift.
Dadurch kann der Kraftfluss zwischen dem Antrieb und dem Nabengehäuse unterbrochen
werden und das Nabengehäuse
kann freilaufen.
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Das
Patent
US 4,721,013 legt
eine Mehrgang-Nabenschaltung für
Fahrräder
entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offen, deren Antrieb über einen
Planetengetriebemechanismus mit einem Nabengehäuse verbunden ist. Auf der
Nabenachse sind Stopperelemente angeordnet, welche mit komplementären Stopperelementen
der Sonnenräder
im Eingriff stehen können,
wodurch die Sonnenräder
relativ zur Nabenachse fixiert sind oder frei rotieren können. Schaltende
Elemente sind in Form von hülsenartigen
Komponenten bereitgestellt, um die Sonnenräder in axialer Richtung zu
verschieben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist für
eine interne Nabenschaltung für
ein Fahrrad gemäß Anspruch
1 bestimmt. Ein Koppelkörper
greift wahlweise in ein Sonnenrad, wobei ein Leerlauf der Nabe während eines
Schaltvorgangs umgangen wird. Die vorliegende Erfindung beschreibt
eine interne Nabenschaltung für
ein Fahrrad, welche eine Nabenachse zum Befestigen der Schaltung
an einem Fahrradrahmen aufweist, wobei die Nabenachse eine Längsachse,
einen relativ zur Nabenachse drehbar gelagerten Antrieb, einen relativ
zur Nabenachse drehbar gelagerten Abtriebskörper und einen Planetengetriebemechanismus
aufweist. Der Planetengetriebemechanismus weist ein relativ zur
Nabenachse drehbar gelagertes und in Richtung der Längsachse
verschiebbares Sonnenrad auf, einen relativ zur Nabenachse drehbar
gelagerten Planetenradträger,
ein im Planetenradträger
drehbar gelagertes Planetenrad, wobei das Planetenrad und das Sonnenrad
ineinandergreifen, und ein in das Planetenrad eingreifendes Hohlrad.
Das Sonnenrad ist in Richtung der Längsachse verschiebbar zwischen
einer 1. Position, in der das erste Sonnenrad verdrehfest mit der
Nabenachse verbunden ist und einer 2. Position, in der das zweite Sonnenrad
verdrehfest mit dem Antrieb oder dem Planetenradträger verbunden
ist. Ein Stopperelement ist auf dem ersten Sonnenrad oder der Nabenachse
angeordnet und ein ergänzendes
Stopperelement ist auf dem jeweils anderen der beiden genannten
Körper
angeordnet. Wenigstens das erste Stopperelement oder das ergänzende Stopperelement weisen
eine Oberfläche
auf, welche das Sonnenrad vom Koppelkörper in Richtung der zweiten
Position drückt.
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In
einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist
eine interne Nabenschaltung für
ein Fahrrad eine Nabenachse zur Befestigung der Schaltung an einem
Fahrradrahmen auf, wobei die Nabenachse eine Längsachse aufweist, einen relativ
zur Nabenachse drehbar gelagerten Antrieb, einen relativ zur Nabenachse
drehbar gelagerten Abtriebskörper
und einen Planetengetriebemechanismus, der zwischen dem Antrieb
und dem Abtriebskörper
angeordnet ist. Der Planetengetriebemechanismus weist ein relativ
zur Nabenachse drehbar gelagertes erstes Sonnenrad, ein relativ
zur Nabenachse drehbar gelagertes zweites Sonnenrad, eine relativ
zur Nabenachse drehbar gelagerte Planetenradeinheit auf, wobei die
Planetenradeinheit mit dem ersten Sonnenrad und dem zweiten Sonnenrad im
Eingriff ist, und ein Hohlrad im Eingriff mit der Planetenradeinheit.
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Diese
Ausführungsform
stellt einen Stoppmechanismus für
ein Sonnenrad zur Verfügung,
welcher wahlweise wenigstens das erste Sonnenrad oder das zweite
Sonnenrad verdrehfest mit der Nabenachse verbindet. Der Stoppmechanismus
für das Sonnenrad
weist ein erstes Stopperelement auf, das mit einem ersten Abstand
von einem zweiten Stopperelement entfernt ist, wobei das erste und
das zweite Stopperelement entweder mit einem der beiden Sonnenräder oder
mit der Nabenachse verbunden sind. Der Stoppmechanismus für das Sonnenrad weist
auch ein ergänzendes
Stopperelement auf, wobei das ergänzende Stopperelement mit einem
der beiden Sonnenräder
oder der Nabenachse gekoppelt ist. Das ergänzende Stopperelement kann
sich zwischen dem ersten und dem zweiten Stopperelement bewegen,
um wahlweise in wenigstens eines der beiden Stopperelemente einzugreifen,
wobei ein Bereich des ergänzenden
Stopperelements, welches sich im Eingriff mit wenigstens einem der
beiden Stopperelemente befindet, eine zweite Breite aufweist, die
größer als
die genannte erste Breite ist.
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Abs.
8 In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind das erste und
das zweite Stopperelement mit der Nabenachse verbunden und die ergänzende Stoppereinheit
weist ein erstes ergänzendes
Stopperelement auf, das zwischen dem ersten Sonnenrad und der Nabenachse
angeordnet ist und ein zweites ergänzendes Stopperelement, das
zwischen dem zweiten Sonnenrad und der Nabenachse angeordnet ist,
wobei die ergänzende
Stoppereinheit in Richtung der Längsachse
verschiebbar ist. Um einen verlässlichen
Schaltvorgang zu gewährleisten, weisen
wenigstens das erste Stopperelement oder das zweite Stopperelement
oder die ergänzende Stoppereinheit
eine Fläche
auf, welche die ergänzende
Stoppereinheit von den wahlweise im Eingriff befindlichen ersten
oder zweiten Stopperelementen weg drückt.
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Beschreibung der Figuren
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1 stellt
eine Teilschnittansicht einer besonderen Ausführungsform einer Fahrradnabenschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung dar,
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2 stellt
einen Schnitt durch eine Fahrradnabenschaltung bei großer Übersetzung
dar,
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3 stellt
einen Schnitt durch eine Fahrradnabenschaltung bei mittlerer Übersetzung
dar,
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4A–4C stellen
den Vorgang des Entkoppelns eines ersten Sonnenrades durch ein erstes
Stopperelement der Nabenachse dar,
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5 stellt
einen Schnitt einer Fahrradnabenschaltung bei kleiner Übersetzung
dar und
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6A–6C zeigen
die Entkopplung eines zweiten Sonnenrades durch ein zweites Stopperelement
der Nabenachse dar.
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Beschreibung der Ausführungen
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1 stellt
eine Teilschnittansicht einer besonderen Ausführungsform einer Fahrradnabenschaltung
(10) gemäß der vorliegenden
Erfindung und 2 stellt eine Schnittansicht
der Schaltung (10) bei großer Übersetzung dar. Die Schaltung
(10) weist eine Nabenachse (14) auf, die sich
entlang einer Längsachse
X zum Befestigen der Schaltung (10) an einem Fahrradrahmen
(18) erstreckt. Die Lagerschalen (22, 24)
mit ihren Laufflächen
(26, 28) sind mit der Nabenachse (14)
verschraubt und durch Gewinderinge (32, 36) in
ihren Positionen fixiert. Ein Schaltstift (40) ist verschiebbar
in einer Zentralbohrung (44) der Nabenachse (14)
angeordnet. Ein Schaltfinger (48) ist am inneren Ende (52)
des Schaltstiftes (40) befestigt. Dieser erstreckt sich durch
eine Nut (56) in der Nabenachse (14) radial nach
außen,
um verschiedene Übersetzungen
auf die nachfolgend beschriebene Weise zu schalten.
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Ein
Antrieb (60) mit einer an seinem inneren Umfang ausgebildeten
Lagerlauffläche
(64) und einer an seinem äußeren Umfang ausgebildeten
Lagerlauffläche
(67) ist relativ zur Nabenachse (14) durch ein
Kugellager (68) drehbar gelagert, welches zwischen diesen
Lagerlaufflächen
(28, 64) angeordnet ist. Der Antrieb (60)
trägt ein
Zahnrad (72) auf einer üblichen
Freilaufeinrichtung (76), die für gewöhnlich einen Sperrklinkenmechanismus
verwendet, so dass das Zahnrad (72) den Antrieb (60)
in nur einer Drehrichtung antreiben kann. Eine Vielzahl von Planetenradstoppzähnen (78)
ist an der inneren Umfangsfläche
des Antriebs (60) zu den nachfolgenden Zwecken angebracht.
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Ein
Abtriebskörper
in Gestalt eines Nabengehäuses
(80) weist an seinem inneren Umfang die Lagerlaufflächen (84, 88)
auf, so dass das Nabengehäuse
(80) über
ein Kugellager (92) zwischen den Lagerlaufflächen (26, 84)
und ein Kugellager (96) zwischen den Lagerlaufflächen (67, 88)
relativ zur Nabenachse (14) gelagert ist. Die innere Mantelfläche des
Nabengehäuses
(80) weist eine Vielzahl von Zähnen entlang einer Umfangslinie
auf, wobei diese Zähne
ein Hohlrad (98) bilden. Das Nabengehäuse (80) weist die
Nabenflansche (100, 104) mit Speichenaufnahmen
(108, 112) auf, um Radspeichen (nicht dargestellt)
in bekannter Weise zu befestigen.
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Ein
Planetengetriebemechanismus (120) ist in einem Kraftübertragungsweg
zwischen Antrieb (60) und dem Nabengehäuse (80) angeordnet,
um ein Drehmoment vom Antrieb (60) auf das Nabengehäuse (80)
mit Hilfe einer Vielzahl von Kraftübertragungswegen zu übertragen,
wobei die Übersetzung geändert wird.
Der Planetengetriebemechanismus (120) weist ein relativ
zur Nabenachse (14) drehbar gelagertes Sonnenrad (124),
ein relativ zur Nabenachse (14) und dem ersten Sonnenrad
(124) drehbar gelagertes unabhängiges zweites Sonnenrad (128), eine
relativ zur Nabenachse (14) drehbar gelagerte Planetenradeinheit
(132) auf, wobei die Planetenradeinheit (132)
im Eingriff mit dem ersten Sonnenrad (124), dem zweiten
Sonnenrad (128) und dem Hohlrad (98) ist. Zu der Planetenradeinheit
(132) gehört ein
Planetenradträger
(136), der in dieser Ausführungsform als ein Teil des
Antriebs (60) ausgebildet ist. Ein kleines Planetenrad
(140) ist an ein großes Planetenrad
(144) angeformt und beide Planetenräder (140, 144)
sind drehbar auf einer Planetenradachse (148) des Planetenradträgers (136)
gelagert. Das kleine Planetenrad (140) ist im Eingriff
mit dem ersten Sonnenrad (124), das große Planetenrad (144)
ist im Eingriff mit dem zweiten Sonnenrad (128) sowie dem
Hohlrad (98). Obwohl diese in den Figuren nicht dargestellt
sind, sind drei solcher Einheiten bestehend aus Planetenrad und
Planetenradachse entlang eines Umfangs auf dem Planetenradträger in bekannter
Weise gelagert.
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Das
erste Sonnenrad (124) wird in Richtung des zweiten Sonnenrades
(128) durch eine Schraubenfeder (154) gedrückt, die
zwischen einem Absatz (158) des ersten Sonnenrades (124)
und einem Absatz (162) der Nabenachse (14) angeordnet
ist, so dass das erste Sonnenrad (124) das zweite Sonnenrad
(128) berührt.
Ebenso wird das zweite Sonnenrad (128) unabhängig gegen
das erste Sonnenrad (124) durch eine Schraubenfeder (166)
gedrückt,
welche zwischen einem Absatz (168) des Kugellagerrings (24)
und einem ersten Ende (174) des Axialrollenlagers (178)
angeordnet ist. Das andere Ende (182) des Axialrollenlagers
(178) lehnt sich an der Seitenfläche (186) des zweiten
Sonnenrades (128) an. Die Feder (154) weist eine
höhere
Federkonstante als die Feder (166) auf.
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Eine
Vielzahl von Stopperelementen (190) in Form eines Verbindungsprofils
ist in Umfangsrichtung auf der äußeren Mantelfläche der
Nabenachse (14) angeformt, um wahlweise in eine Vielzahl
von ergänzenden
und ebenfalls in Form eines Verbindungsprofils ausgebildeten Stopperelementen
(194) einzugreifen, die als unbewegliche Bestandteile entlang
des Umfangs der inneren Mantelfläche
des ersten Sonnenrades (124) angeformt sind. Ebenso ist eine
Vielzahl von Sonnenradstopperelementen (198) in Form eines
Verbindungsprofils in Umfangsrichtung auf der äußeren Mantelfläche der
Nabenachse (14) angeformt, um wahlweise in eine Vielzahl
von ergänzenden
Stopperelementen (202) in Form eines Verbindungsprofils
zu greifen, die als unbewegliche Bestandteile entlang des Umfangs
der inneren Umfangsfläche
des zweiten Sonnenrades (128) angeformt sind.
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Die
innere Mantelfläche
des zweiten Sonnenrades (128) weist auch eine Nut (210)
auf, in die ein Schaltfinger (48) greift. Durch das Verschieben des
Schaltstifts (40) nach rechts wird das zweite Sonnenrad
(128) nach rechts gezogen, wobei das erste Sonnenrad (124)
dem zweiten Sonnenrad (128) auf Grund der Vorspannung der
Feder (154) nach rechts folgt. Eine Bewegung des Schaltstifts
(40) nach links verschiebt das zweite Sonnenrad (128)
nach links, wobei das zweite Sonnenrad (128) auch das erste Sonnenrad
(124) nach links schiebt.
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Die 2–5 stellen
den Betrieb der Schaltung (10) dar, wobei 2 die
Schaltung (10) bei großer Übersetzung, 3 die
Schaltung (10) bei einer mittleren Übersetzung und 5 die
Schaltung (10) bei kleiner Übersetzung zeigen. Wenn, wie
in 2 dargestellt, die Schaltung (10) mit
großer Übersetzung
betrieben wird, greifen die Stopperelemente (190) für das erste
Sonnenrad in die ergänzenden
Stopperelemente (194) des ersten Sonnenrades (124)
und verbinden das erste Sonnenrad (124) drehfest mit der
Nabenachse (14). Die Stopperelemente (198) für das zweite
Sonnenrad sind von ihren ergänzenden
Stopperelementen (202) des zweiten Sonnenrades (128)
getrennt und so rotiert das zweite Sonnenrad (128) frei.
Als Folge wird die Leistung vom Antrieb (60) durch das
große
Planetenrad (144) und das Hohlrad (98) zum Nabengehäuse (80) mit
einer Übersetzung übertragen,
die durch die Zahl der Zähne
des ersten Sonnenrades (124) und die des kleinen Planetenrades
(140) bestimmt ist.
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Die
mittlere Übersetzung
der Schaltung (10) wird eingestellt, wie in 3 dargestellt,
indem der Schaltstift (40) nach rechts bewegt wird, wodurch
der Eingriff des Stopperelements für das erste Sonnenrad (190)
in das ergänzende
Stopperelement (194) des ersten Sonnenrades (124)
aufgehoben wird, so dass das erste Sonnenrad (124) sich
frei drehen kann. Gleichzeitig wird das Stopperelement (198)
für das
zweite Sonnenrad in Eingriff mit dem ergänzenden Stopperelement (202)
des zweiten Sonnenrades (128) gebracht, so dass das zweite
Sonnenrad (128) verdrehfest mit der Nabenachse (14)
verbunden ist. Als Folge wird die Leistung vom Antrieb (60) über die großen Planetenräder (144)
und das Hohlrad (98) auf das Nabengehäuse (80) mit einer Übersetzung übertragen,
die durch die Zahl der Zähne
des zweiten Sonnenrades (128) und des großen Planetenrades (144)
bestimmt wird.
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Wie
in 5 dargestellt, ist ein Abstand D zwischen den äußeren Kanten
der ergänzenden Stopperelemente
(194, 202) größer, als
ein Abstand d zwischen den inneren Kanten des Stopperelements (190)
für das
erste Sonnenrad und den Stopperelementen (198) für das zweite
Sonnenrad. Daher gibt es während
eines Schaltvorgangs von einer großen Übersetzung gemäß 2 zu
einer mittleren Übersetzung
gemäß 3 keinen
Zeitraum, zu dem gleichzeitig beide Sonnenräder (124, 128)
frei um die Nabenachse (14) rotieren können. Deswegen kann das Nabengehäuse (80)
während
eines Schaltvorgangs von großer Übersetzung
zu mittlerer Übersetzung
nicht frei laufen. Um sicherzustellen, dass nicht gleichzeitig beide
Sonnenräder
(124, 128) verdrehfest mit der Nabenachse (14)
verbunden sind, weisen die ergänzenden
Stopperelemente (194) des ersten Sonnenrades (124)
zugespitzte Flächen
(220) auf, wie in den 4A–4C dargestellt,
die in Richtung der Längsachse
X geneigt sind. Während
die ergänzenden
Stopperelemente (194) von ihrer Position für große Übersetzung
nach rechts bewegt werden, wie in 4A und 4B dargestellt,
wirken die schrägen
Flächen
(220) als treibende Flächen,
welche die Drehbewegung der ergänzenden
Stopperelemente (194) in Richtung des Pfeils A in eine
Axialbewegung in Richtung des Pfeils B wandeln, um sicherzustellen,
dass die ergänzenden
Stopperelemente (194) sich, wie in 4C dargestellt,
von den Stopperelementen (190) für das erste Sonnenrad trennen.
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Die
Schaltung (10) wird für
kleine Übersetzung
vorbereitet, wie in 5 dargestellt, indem der Schaltstift
(40) weiter nach rechts bewegt wird, um die Stopperelemente
(198) für
das zweite Sonnenrad von deren ergänzenden Stopperelementen (202)
des zweiten Sonnenrades (128) zu trennen, so dass das zweite
Sonnenrad (128) sich frei drehen kann. Die Stopperelemente
(190) für
das erste Sonnenrad bleiben ohne Eingriff mit ihren ergänzenden
Stopperelementen (194) des ersten Sonnenrades (124),
so dass das erste Sonnenrad (124) weiterhin frei rotieren kann.
In diesem Zustand greift das zweite Sonnenrad (128) sowohl
in das große
Planetenrad (144) als auch in die Planetenradstoppzähne (78)
auf Antrieb (60) und verbindet dadurch drehfest die großen Planetenräder (144)
mit dem Antrieb (60). Als Folge wird die Leistung direkt
vom Antrieb (60) über
die großen Planetenräder (144)
und das Hohlrad (98) auf das Nabengehäuse (80) übertragen
mit einer Übersetzung
von 1 : 1.
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Um
sicherzustellen, dass das zweite Sonnenrad (128) den Übergang
von seiner Position gemäß 3 zur
Position gemäß 5 vollendet,
weisen die ergänzenden
Stopperelemente (202) des zweiten Sonnenrades (128)
zugespitzte Flächen (224)
auf, wie dargestellt in 6A–6C,
die in Richtung der Längsachse
X geneigt sind. Während sich
die ergänzenden
Stopperelemente (202) von ihrer Position für mittlere Übersetzung
nach rechts bewegen, wie in 6A und 6B dargestellt,
wirken die geneigten Flächen
(224) als Antriebsflächen,
um die Drehbewegung der ergänzenden
Stopperelemente (202) in Richtung des Pfeils A in eine
axiale Bewegung in Richtung des Pfeils B zu wandeln. So wird sichergestellt,
dass sich die ergänzenden
Stopperelemente (202) von den Stopperelementen (198) für das zweite
Sonnenrad trennen, wie in 4C dargestellt.
Flächen,
die wie die geneigten Oberflächen (220, 224)
wirken, können
auf den Stopperelementen (190) für das erste Sonnenrad und/oder
den Stopperelementen (198) für das Sonnenrad in Ergänzung zu den
geneigten Flächen
(220, 224) angeformt werden. Das kann auch mit
den Zähnen
auf der äußeren Mantelfläche des
Sonnenrades geschehen. Die Erfindung kann auch bei Bewegung der
Sonnenräder nach
links entsprechend der Zeichnungen angewendet werden.
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Größe, Gestalt,
Ort oder Orientierung der verschiedenen Bestandteile können nach
Wunsch geändert
werden. Die Funktionen eines Elements können von zwei Elementen ausgeführt werden
und umgekehrt. Es ist nicht nötig,
dass eine Ausführungsform
gleichzeitig alle Vorteile aufweist.