DE60216002T3

DE60216002T3 - Automatische Schaltung für Fahrrad

Info

Publication number: DE60216002T3
Application number: DE60216002T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Shimonoseki-shi Okochi
Original assignee: Shimano Inc
Current assignee: Shimano Inc
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2022-05-11
Also published as: EP1258422A2; EP1258422A3; JP2003026071A; EP1258422B1; CZ20021684A3; CN1251921C; DE60216002D1; TW541262B; DE60216002T2; JP3604136B2; CZ303289B6; US6558288B2; CN1386671A; US20020183159A1; EP1258422B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf Fahrradgetriebe und, genauer noch, auf interne Getriebevorrichtungen und eine Methode, die automatisch in Übereinstimmung mit der Drehung der Nabenkomponenten Gänge umschaltet.
Es ist manchmal schwierig mit einem Fahrrad aus einer Ruhestellung heraus mit dem Pedalieren anzufangen, denn die Fahrer lassen oftmals im Fahrrad einen relativ hohen Gang nach dem Abstellen des Fahrrades eingestellt und vergessen dabei das Herunterschalten in einen niedrigeren Gang. Zur Lösung dieses Problems wurden zwei Arten von Lösungen vorgeschlagen. Eine davon ist eine elektrische Lösung und die zweite ist eine mechanische Lösung. Elektrische Lösungen beinhalten typischer Weise einen Motor, elektrische Schaltungen, eine Batterie und eine Steuervorrichtung mit einem Schaltmechanismus. Die Steuervorrichtung schaltet dabei elektronisch in ein niedriges Übersetzungsverhältnis, wenn das Fahrrad angehalten wird. Aber diese Lösung ist teuer und der Fahrer muss die Batterien oft wechseln.
Die meisten mechanischen Lösungen umfassen einen Zentrifugalkraftmechanismus in der Nabe, welcher das Übersetzungsverhältnis auf einen niedrigen Gang setzt, wenn das Fahrrad angehalten wird und ändern das Übersetzungsverhältnis wieder, nachdem eine vorbestimmte Radgeschwindigkeit erreicht wird. Das US-Patent Nr. 3,603,178 zeigt ein Fahrrad, welches mit einer internen Getriebeeinrichtung ausgerüstet ist, wobei das Übersetzungsverhältnis automatisch in Übereinstimmung mit einer Zentrifugalkraft, welche vom sich drehenden Rad erzeugt wird, umgeschaltet werden kann. Solch eine Fahrradnabeninnenschaltung umfasst eine Nabenachse, einen Antrieb, der sich um die Nabenachse drehen kann, ein Nabengehäuse, einen Planetengetriebemechanismus zur Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Antriebs und zur Übertragung des Ergebnis auf das Nabengehäuse, einen Kupplungsmechanismus zur Übertragung der Abgabe des Planetengetriebemechanismus auf das Nabengehäuse oder zum Beenden solcher Übertragungen, einen Kupplungsschaltmechanismus zum Schalten des Kupplungsmechanismus durch Zentrifugalkraft und eine Trägerhülse, welche zwischen dem Planetengetriebemechanismus und dem Nabengehäuse angeordnet ist.
Der Planetengetriebemechanismus umfasst eine innere Kerbverzahnung, ein Sonnenrad, eine Vielzahl von Planetenrädern, welche mit der inneren Kerbverzahnung und dem Sonnenrad kämmen und einen Planetengetriebeträger zur Lagerung der Vielzahl von Planetenrädern. Der Planetengetriebeträger ist integral mit dem Antrieb ausgebildet. Die Trägerhülse ist drehbar auf der Nabenachse gelagert und über eine Verzahnung mit dem Planetengetriebeträger verbunden. Eine Freilaufkupplung ist zwischen der Trägerhülse und dem Nabengehäuse montiert.
Der bekannte Kupplungsmechanismus hat eine Sperrklinke, welche zwischen der inneren Kerbverzahnung und dem Nabengehäuse angeordnet ist und die beiden verbindet, wenn die Sperrklinke eingerückt ist und welche die beiden trennt, wenn die Sperrklinke ausgerückt. Das Nabengehäuse wird angetrieben in einem Schnellgangmodus über den Planetengetriebemechanismus, wenn der Kupplungsmechanismus sich in einer gekuppelten Stellung befindet, und das Nabengehäuse wird angetrieben, während es direkt mit dem Antrieb verbunden ist, wenn die Sperrklinke sich in einer ausgekuppelten Stellung befindet.
Der bekannte Kupplungsschaltmechanismus von US 3,603,178 umfasst ein Gewichtselement, welches mittels Zentrifugalkraft schwingt und ein Steuerteil, das sich in Abhängigkeit des Schwingens des Gewichtsteils dreht. Das Gewichtsteil und das Steuerteil sind auf einem Gewichtslager befestigt, welches selbst drehbar auf der Trägerhülse befestigt ist. Das Gewichtslager ist nicht drehbar mit der Innenkerbverzahnung verbunden.
Das Steuerteil verwendet umlaufende Bewegungen, um die Sperrklinke des Kupplungsmechanismus zwischen der gekuppelten Stellung und der getrennten Stellung umzuschalten. Ein vertikaler Steuerstift zur Verriegelung mit dem Steuerteil besitzt einen Spalt zum Verriegeln mit dem Steuerstift und mit einer Kontrollaussparung zur Steuerung der Sperrklinke. Das Verriegeln des Steuerstifts und des Spalts wandelt die schwingende Bewegung des Gewichtsteils in eine umlaufende Bewegung des Steuerteils um.
In solch einer konventionellen internen Getriebeeinrichtung wird die Sperrklinke des Kupplungsmechanismus über das Steuerloch des Steuerteils in einer Stellung gehalten, bei der die Klinke vom Nabengehäuse so lange getrennt wird, bis eine Drehgeschwindigkeit erreicht wird, welche eine nach außen gerichtete Schwingbewegung des Gewichtsteils begünstigt. Während dieser Zeit wird eine Drehbewegung, welche vom Kettenrad auf den Antrieb übertragen wird, vom Träger auf das Nabengehäuse übertragen über die Trägerhülse und der Freilaufkupplung, und das Nabengehäuse wird dabei im direkt gekuppelten Modus angetrieben. Wenn eine bestimmte Drehgeschwindigkeit erreicht wird und das Gewichtsteil nach außen geschwungen ist, dreht sich der Steuerstift, während er relativ zum Spalt gleitet und sorgt dafür, dass das Steuerteil sich dreht. Wenn dies passiert, erhebt sich die Sperrklinke in die eingerückte Stellung, welche gesteuert wird durch das Steuerloch, bei der sie mit dem Nabengehäuse verriegelt ist. In diesem Zustand wird die Drehung, die vom Kettenrad auf den Antrieb übertragen wurde, in den Schnellgang geschaltet und wird vom Träger auf die innere Kerbverzahnung über das Planetengetriebe abgegeben und anschließend auf das Nabengehäuse über den Kupplungsmechanismus übertragen, wodurch das Nabengehäuse in einem Schnellgangmodus angetrieben wird.
In dieser bekannten Anordnung, worin der Kupplungsmechanismus geschaltet wird und die Geschwindigkeit über Zentrifugalkraft geändert wird, schwingt das Gewichtsteil nur sehr wenig, denn das Gewichtsteil hat ein begrenztes Gehäuse. Zusätzlich besitzt der Steuerstift einen kurzen Umlaufpfad in Bezug auf das Schwingen des Gewichtsteils, denn der Steuerstift ist in der Nähe des Zentrums der Schwingbewegung des Gewichtslagers angeordnet. Das Steuerteil kann sich deshalb nicht über signifikante Entfernungen drehen, weshalb es notwendig ist, dass die Sperrklinke zwischen der eingerückten Stellung und der ausgerückten Stellung über einen sehr kleinen Betrag einer umlaufenden Bewegung umgeschaltet wird.
Ein weiterer Nachteil ist, dass große Zentrifugalkräfte nur schwierig zu erzielen sind, weil das Gehäuse für das Gewichtsteil begrenzt ist. Es ist deshalb notwendig, die Effizienz zu erhöhen, mit der die schwingende Bewegung in eine umlaufende Bewegung im Kupplungswechselmechanismus umgewandelt wird. Jedoch ist die Effizienz der oben beschriebenen konventionellen Anordnung gering, mit der die schwingende Bewegung in eine umlaufende Bewegung umgewandelt wird, die umlaufende Bewegung des Steuerteils wird in Relation zum Schwingen des Gewichtsteils behindert und ein weiches Schalten lässt sich schwer erreichen, denn der Steuerstift, welcher mit dem Spalt verriegelt ist, muss entlang des Spalts gleiten, um die schwingende Bewegung des Gewichtsteils in eine Drehbewegung des Steuerteils umzuwandeln.
Dementsprechend wird angestrebt, eine Nabenschaltungsvorrichtung für ein Fahrrad zur Verfügung zu stellen, die einfach im Aufbau ist, ein geringes Gewicht besitzt und die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine interne Getriebeeinrichtung für ein Fahrrad vorgestellt, wie in Anspruch 1 definiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus ein zweites Anschlagelement, welches an der inneren Umfangsfläche des Nachläufers angeordnet ist. Das zweite Anschlagelement ist vorzugsweise daran angrenzend und mit dem ersten Anschlagelement etwas versetzt angeordnet. Das erste Anschlagelement ist so angeordnet, dass es von der ersten Freilaufkupplung gekuppelt wird und das zweite Anschlagelement ist so angeordnet, dass es von dem Kupplungssteuerungselement gekuppelt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Kupplungssteuerungselement einen Kupplungskäfig, wie zum Beispiel einen Klinkenkäfig, und kann sich relativ zum Planetengetriebemechanismus drehen und kann sich ebenfalls mit dem Nachläufer drehen. Vorzugsweise besitzt das Kupplungssteuerungselement ein Ende, welches radial nach außen abgewinkelt ist. Im Betrieb dreht sich ein spitzes Ende der ersten Freilaufkupplung vorzugsweise in entgegengesetzter Richtung zur Fahrtrichtung. Der Planetengetriebemechanismus kann in radialer Richtung innen liegend vom Nachläufer oder des Antriebs/Hohlrads angeordnet sein oder es kann seitlich angrenzend an den Nachläufer angeordnet sein.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Vorrichtung einen Kupplungskörper, der sich um die Achse drehen kann und in axialer Richtung beweglich ist. Der Kupplungskörper kann ein Schaltelement enthalten und von außen über eine Schubstange betätigt werden und kann in mindestens einer ersten, einer mittel- und einer zweiten Stellung sich befinden, wobei das Übersetzungsverhältnis unveränderlich ist, wenn der Kupplungskörper sich in der ersten Stellung befindet, das Übersetzungsverhältnis wird automatisch aus einem niedrigen Übersetzungsverhältnis in ein mittleres Übersetzungsverhältnis in der Mittelstellung verändert, und worin das Übersetzungsverhältnis automatisch von einem mittleren Übersetzungsverhältnis in ein hohes Übersetzungsverhältnis in der zweiten Stellung verändert wird.
Das automatische Schaltsteuerungsteil kann relativ zum Drehwinkel des Antriebs in Fahrtrichtung betätigt werden mit unterschiedlichen Drehwinkeln zwischen dem Hohlrad und dem Nachläufer.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet der Antrieb eine erste Sperrklinke, welche drehbar daran befestigt ist, welche sich zwischen einer eingerückten Stellung und einer ausgerückten Stellung dreht. Der Nachläufer besitzt einen Satz von Zähnen, welche an der inneren Fläche davon ausgebildet sind. Der Planetengetriebemechanismus beinhaltet ein Hohlrad mit einem ersten und zweiten Satz einer inneren Verzahnung, ein Planetenrad und einen Träger, der drehbar auf der Nabenachse montiert ist und der das Planetenrad trägt. Das Planetenrad ist zwischen dem Sonnenrad und dem zweiten Satz der Zähne auf dem Hohlrad angeordnet und der Träger hat eine zweite Sperrklinke, welche daran drehbar befestigt ist, zum Kuppeln des Satz von Zähnen an der inneren Fläche des Nachläufers. Der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus umfasst eine dritte Sperrklinke, welche am Hohlrad montiert ist, ein Kupplungssteuerungselement, welches an einem Ende radial nach außen abgewinkelt ist und eine definierte Aussparung darin aufweist, und ein erstes Anschlagelement, welches an der inneren Umfangsfläche des Nachläufers angeordnet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Methode der Kraftübertragung einer Getriebeeinrichtung, wie in Anspruch 33 definiert, vorgestellt. Die Methode beinhaltet die Schritte für den rotatorischen Antrieb eines Antriebs, wobei der Antrieb ein Hohlrad mittels Drehbewegung antreibt, wobei das Hohlrad einen Planetengetriebeträger mittels Drehbewegung antreibt, wobei der Planetengetriebeträger einen Nachläufer mittels Drehbewegung antreibt, welcher einen selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus betätigt, durch das Einkuppeln einer ersten Freilaufkupplung an das Hohlrad mit dem Nachläufer, und wobei die erste Freilaufkupplung den Nachläufer mittels Drehbewegung antreibt, unabhängig vom Planetengetriebeträger. Der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus wird relativ zu einem Drehwinkel des Antriebs in Fahrtrichtung betätigt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine interne Getriebeeinrichtung vorgestellt, welche eine niedrige Getriebekonfiguration besitzt, wobei das Hohlrad über den Planetengetriebeträger Kraft auf den Nachläufer überträgt, und eine Hochgangkonfiguration, wobei das Hohlrad Kraft direkt auf den Nachläufer überträgt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine interne Getriebeeinrichtung für ein Fahrrad vorgestellt, welche einen Antrieb, einen Nachläufer mit einem ersten Bereich, einen Planetengetriebemechanismus, welcher zwischen dem Antrieb und dem ersten Bereich des Nachläufers angeordnet ist und einen selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus, welcher relativ zu einem Drehwinkel des Antriebs in Fahrtrichtung betätigt wird. Der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus umfasst eine erste Freilaufkupplung, ein Kupplungssteuerungselement und ein erstes Anschlagelement. Das Kupplungssteuerungselement umfasst teilweise den ersten Bereich des Nachläufers und ist davon drehbar unabhängig.
In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine interne Getriebeeinrichtung für ein Fahrrad vorgestellt, welche einen Kupplungskörper, der in axialer Richtung beweglich ist und positionierbar in mindestens einer ersten, mittel- und dritten Stellung und einen selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus, welcher relativ zu einem Drehwinkel des Antriebs in Fahrtrichtung betätigt wird, umfasst. Der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus umfasst eine erste Freilaufkupplung, ein Kupplungssteuerungselement und ein erstes Anschlagelement. Der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus wird nicht betätigt, wenn der Kupplungskörper sich in der ersten Stellung befindet. Der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus schaltet zwischen einem niedrigen Übersetzungsverhältnis und einem mittleren Übersetzungsverhältnis um, wenn der Kupplungskörper sich in der Mittelstellung befindet. Der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus wechselt zwischen einem mittleren Übersetzungsverhältnis und einem hohen Übersetzungsverhältnis, wenn der Kupplungskörper in der zweiten Stellung ist.
Andere Gegenstände und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann offensichtlich aus den folgenden detaillierten Beschreibungen der Ausführungsformen. Es versteht sich jedoch, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, welche bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verdeutlichen, nur zur Illustration dienen und diese damit nicht begrenzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung lässt sich leichter verstehen, indem auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen wird mit:
1 ist eine teilweise Halbschnittansicht einer internen Getriebeeinrichtung, welche Sperrklinke 60 in der ausgerückten Stellung zeigt, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine teilweise Halbschnittansicht der internen Getriebeeinrichtung von 1, welche Sperrklinke 60 in der eingerückten Stellung zeigt.
3 ist eine teilweise Halbschnittansicht einer internen Getriebeeinrichtung, welche den Kupplungskörper in der ersten Stellung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine teilweise Halbschnittansicht der internen Getriebeeinrichtung von 3, welche den Kupplungskörper in der Mittelstellung zeigt.
5 ist eine teilweise Halbschnittansicht der internen Getriebeeinrichtung von 3, welche den Kupplungskörper in der zweiten Stellung zeigt.
6a ist eine Seitenansicht des selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus, inklusive des Nachläufers, Kupplungssteuerungselement und Sperrklinke in einer ersten Anfahrtsstellung, wobei die Sperrklinke mit dem Kupplungssteuerungselement im Eingriff ist, aber nicht mit der ersten Verzahnung.
6b ist eine Seitenansicht des selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus, inklusive des Nachläufers, Kupplungssteuerungselement und Sperrklinke in einer Schnellgangstellung, wobei die Sperrklinke mit dem Kupplungssteuerungselement und der ersten Verzahnung im Eingriff ist, nachdem sich der Nachläufer relativ zum Hohlrad und Kupplungssteuerungselement gedreht hat (ausgehend von der ersten Anfahrtsstellung).
7a ist eine Seitenansicht des selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus, inklusive des Nachläufers, Kupplungssteuerungselement und Sperrklinke in einer zweiten Anfahrtsstellung, wobei die Sperrklinke nicht mit dem Kupplungssteuerungselement oder der ersten Verzahnung im Eingriff ist, aber radial innenliegend vom Kupplungssteuerungselement angeordnet ist.
7b ist eine Seitenansicht des selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus, inklusive des Nachläufers, Kupplungssteuerungselement und Sperrklinke in einer Stellung, in der die Sperrklinke nicht mit dem Kupplungssteuerungselement oder der ersten Verzahnung im Eingriff ist, aber radial innenliegend von dem Kupplungssteuerungselement angeordnet ist. Das Kupplungssteuerungsele ment ist mit der zweiten Verzahnung im Eingriff, nachdem der Nachläufer sich relativ zum Hohlrad und Kupplungssteuerungselement gedreht hat (ausgehend von der zweiten Anfahrtsstellung).
7c ist eine Seitenansicht des selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus, inklusive des Nachläufers, Kupplungssteuerungselement und Sperrklinke in einer Schnellgangstellung, wobei die Sperrklinke mit dem Kupplungssteuerungselement und der ersten Verzahnung im Eingriff ist, nachdem der Nachläufer sich mit dem Kupplungssteuerungselement gedreht hat.
8a ist eine teilweise perspektivische Ansicht der Sperrklinke 60 im Eingriff mit dem Kupplungssteuerungselement, wie in den 6a, 6b und 7c dargestellt.
8b ist eine teilweise perspektivische Ansicht der Sperrklinke 60, die nicht im Eingriff mit dem Kupplungssteuerungselement ist, wie in den 7a und 7b dargestellt.
9 ist eine teilweise Halbschnittansicht einer internen Getriebeeinrichtung, welche Sperrklinke 60 in einer ausgerückten Stellung zeigt, gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine teilweise Halbschnittansicht einer internen Getriebeeinrichtung von 9, welche Sperrklinke 60 in einer eingerückten Stellung zeigt.
Gleiche Nummern beziehen sich auf die gleichen Bauteile über sämtliche Ansichten der Zeichnungen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Allgemeinen sorgt die vorliegende Erfindung für ein niedriges Übersetzungsverhältnis in der hinteren Nabe eines Fahrrades oder dergleichen, wenn das Fahrrad anfährt oder abgestellt ist. Sobald der Fahrer das Kettenrad in Fahrtrichtung eine vorbestimmte Anzahl gedreht hat (typischerweise nur wenige mal), wird das Übersetzungsverhältnis automatisch auf ein höheres Verhältnis umgeschalten. Es versteht sich, dass Ausdrücke wie ”oben”, ”rechts”, ”unten”, ”im Uhrzeigersinn”, ”gegen den Uhrzeigersinn”, ”vorne”, ”oberhalb”, ”nach vorne” und andere Positionsangaben, die hierin verwendet werden, nur zur leichteren Beschreibung verwendet werden und sich auf die Orientierung der Komponenten gemäß den Figuren beziehen. Es ist verständlich, dass jede Orientierung der Elemente, welche hierbei beschrieben werden, sich auf den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung erstreckt.
Bezugnehmend auf 1–2 wird eine erste Ausführungsform der Erfindung für eine interne Getriebeeinrichtung 10 für ein Fahrrad gezeigt. Wie in 1 dargestellt, umfasst die interne Getriebeeinrichtung 10 eine Nabenachse 12, welche an den hinteren Gabelenden 14 befestigt ist, einen Antrieb 16, welcher drehbar um die Außenseite von einem Ende der Nabenachse 12 montiert ist, einen Nachläufer 18, welcher weiter außenliegend um die Außenseite der Nabenachse 12 angeordnet ist und den Antrieb 16, der mit dem Hinterrad (nicht dargestellt) verbunden ist und welcher einen Nachläufer-Innenraum 20 festlegt, einen Planetengetriebemechanismus 22, welcher im Nachläufer-Innenraum 20 angeordnet ist, und ein Kettenrad 24, welches drehbar mit dem Antrieb 16 gekoppelt ist. Der Nachläufer 18 umfasst ein Nabengehäuse 19. Das rechte Ende des Nachläufers 18 ist drehbar gelagert über eine Lagerungskomponente 25, welche auf dem Antrieb 16 sitzt, und das linke Ende des Nachläufers 18 ist drehbar gelagert über eine Lagerungskomponente 26, welche auf einem kegelförmigen Bauteil 30a sitzt, welches an der Nabenachse 12 befestigt ist. Der Antrieb 16 ist drehbar gelagert über eine Lagerungskomponente 27, welche auf einem konischen Bauteil 30b sitzt, welches mit der Nabenachse 12 verbunden ist.
Wie obenstehend beschrieben ist die Nabenachse 12 an den hinteren Gabelenden 14 des Fahrradrahmens (nicht dargestellt) befestigt. Das Sonnenrad 32 des Planetengetriebemechanismus 22 (untenstehend beschrieben) ist auf der Nabenachse 12 angeordnet und wird dort vorzugsweise integral ausgebildet. Die Nabenkegelbauteile 30a und 30b besitzen armförmige Nabenkegelsitze 26a und 27a für die Lagerungskomponenten 26 und 27 und sind entsprechend auf den Montagebereichen der Nabenachse 12 verschraubt, welche innenliegend in Bezug zu den hinteren Gabelenden 14 liegen. Die Lagerungskomponente 25 umfasst Kugellaufflächen 25a und 25b und eine Vielzahl von Kugeln 25c, welche zwischen den Kugellaufflächen 25a und 25b eingefügt sind. Die Lagerungskomponente 26 umfasst die Nabenkegelfläche 26a, eine Kugellauffläche 26b und eine Vielzahl von Kugeln 26c, welche zwischen der Kugellauffläche 26b und der Nabenkegelfläche 26a eingefügt sind. Die Lagerungskomponente 27 umfasst die Nabenke gelfläche 27a, eine Kugellauffläche 27b und eine Vielzahl von Kugeln 27c, welche zwischen der Kugellauffläche 27b und der Nabenkegelfläche 27a eingefügt sind.
Antrieb 16 ist ein Bauteil zur Übertragung der Drehung von dem Kettenrad 24. Wie in 1 dargestellt, umfasst der Antrieb 16 einen ersten Bereich 16a, an dem das Kettenrad 24 nicht drehbar angebracht ist und einen zweiten Bereich 16b, an dem eine Freilaufkupplung (vorzugsweise Sperrklinke 36) angebracht ist. Die Sperrklinke 36 ist ein Teil des Kupplungsmechanismus 64, wie untenstehend beschrieben. Sperrklinke 36 ist vorgesehen zur Einrückung in einen Satz von Zähnen 38 auf der rechten Seite des Hohlrades 40 des Planetengetriebemechanismus 22 (untenstehend beschrieben). Das rechte Ende des ersten Bereichs 16a von Antrieb 16 ist auf der Lagerungskomponente 27 drehbar gelagert.
Abdichtungen 42 umgeben die äußeren Bereiche rund um den Antrieb 16, Kegel 30b und Kettenrad 24 zum Schutz vor fremden Objekten, wie z. B. Staub, Nässe und dergleichen, damit diese nicht in den Nachläufer-Innenraum 20 gelangen.
Der Nachläufer 18, welcher als zylinderförmiges Teil ausgebildet sein kann und aus Stahl oder einem anderen unnachgiebigen Werkstoff besteht, weist vorzugsweise eine abgestufte Gestalt auf, wobei ein Ende 18a einen größeren Durchmesser und ein Ende 18b einen kleineren Durchmesser besitzt. Der Antrieb 16 ist vorzugsweise im Ende 18a mit dem großen Durchmesser angeordnet und der Planetengetriebemechanismus 22 erstreckt sich vom Ende 18a mit dem größeren Durchmesser bis zum Ende 18b mit dem kleineren Durchmesser. Es ist verständlich, dass in einer anderen Ausführungsform der Nachläufer 18 über seine gesamte Länge einen konstanten Durchmesser besitzen kann. Nabenflansche 44a und 44b zur Sicherung der Speichen (nicht dargestellt) des Hinterrades (nicht dargestellt) werden auf den äußeren Umfangsflächen des Mechanismusgehäuses 46 integral ausgebildet.
Der Planetengetriebemechanismus 22 umfasst das Sonnenrad 32, welches auf der Nabenachse 12 ausgebildet ist, das Hohlrad 40, einen Planetenträger 48, welcher drehbar auf der Nabenachse 12 befestigt ist und mindestens ein Planetenrad 50, welches auf dem Träger 48 drehbar gelagert ist. Vorzugsweise umfasst der Planetengetriebemechanismus 22 drei Planetenräder 50, welche rings um das Sonnenrad 32 angeordnet sind. Der Träger 48 besitzt vorzugsweise die Gestalt eines Überwurfflansches, wobei die Nabenachse 12 durch ihn hindurchgeht. Eine Getriebeachse 52 zur drehbaren Lagerung des Planetenrades 50 ist auf dem Träger 48 befestigt. Das Planetenrad 50 kämmt mit einem Satz von Zähnen 54 auf der linken Seite des Hohlrades 40 und dem Sonnenrad 32. Der Träger 48 beinhaltet eine Freilaufkupplung (vorzugsweise Sperrklinke 56), welche wahlweise mit einer Innenverzahnung 58, welche sich auf der inneren Umfangsfläche des Nachläufers 18 befindet, kämmt. Die Sperrklinke 56 ist ein Teil des Kupplungsmechanismus 68, wie untenstehend beschrieben.
Wie am besten aus den 6a und 6b ersichtlich wird, ist ein selbsttätiger Schaltsteuerungsmechanismus 59 radial innerhalb des Nachläufers 18 angeordnet. Der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus 59 umfasst vorzugsweise eine Freilaufkupplung (vorzugsweise eine Sperrklinke 60), ein Anschlagselement 62, welches sich auf der inneren Umfangsfläche des Nachläufers 18 befindet und ein Kupplungssteuerungselement oder Klinkenkäfig 72. Ein federartiges Bauteil 70 (dargestellt in 1) ist ebenso zum Vorspannen der Sperrklinke 60 beinhaltet. Die Sperrklinke 60 kann zwischen einem eingekuppelten Zustand, wie in 6a gezeigt (es ist verständlich, dass der eingekuppelte Zustand bedeutet, dass die Sperrklinke 60 sich in einer Stellung befindet, in der sie mit der ersten Verzahnung 62 verbunden ist, aber das heißt nicht notweniger Weise, dass die Sperrklinke 60 mit der ersten Verzahnung 62 im Eingriff ist, wie 6a verdeutlicht), und einem ausgekuppelten Zustand, wie in 7a gezeigt, wechseln. Die Sperrklinke 60 ist normalerweise im Eingriff vorgespannt. Die Funktionsweise der Elemente des selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus 59 wird untenstehend ausführlicher beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sperrklinke 60 auf dem Hohlrad 40 angeordnet. Vorzugsweise ist die Sperrklinke 60 drehbar gegen das Hohlrad 40 auf einer Achse 40a gesichert, so dass sie wahlweise mit dem Anschlagelement 62 kämmen kann, welches sich auf der inneren Umfangsfläche des Nachläufers 18 befindet. Vorzugsweise ist das Anschlagelement 62 eine erste Verzahnung 62.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, beinhaltet die interne Getriebeeinrichtung 10 ebenfalls Kupplungsmechanismen 64 und 68. Der Kupplungsmechanismus 64 beinhaltet eine Verzahnung 38, welche mit Sägezähnen auf der inneren Umfangsfläche des Hohlrads 40 ausgebildet ist, die Sperrklinke 36 und ein federartiges Bauteil 70 zur Vorspannung der Sperrklinke 36. Die Sperrklinke 36 ist auf der äußeren Umfangsfläche des zweiten Bereichs 16b vom Antrieb 16 befestigt und kann zwischen einem eingekuppelten Zustand, in dem sie mit der Verzahnung 38 kämmt, und einem ausgekuppelten Zustand, in dem sie von der Verzahnung 38 getrennt ist, wechseln. Die Sperrklinke 36 ist normalerweise im eingekuppelten Zustand vorgespannt.
Der Kupplungsmechanismus 68 beinhaltet eine Verzahnung 58, welche auf der inneren Umfangsfläche des Nachläufers 18 mittels Sägezähnen ausgebildet ist, eine Sperrklinke 56 und ein federartiges Bauteil 70 zur Vorspannung der Sperrklinke 56. Die Sperrklinke 56 ist auf der äußeren Umfangsfläche des Trägers 48 befestigt und kann zwischen einem eingekuppelten Zustand, bei dem sie mit der Verzahnung 58 kämmt, und einem ausgekuppelten Zustand, in dem sie von der Verzahnung 58 getrennt ist, wechseln. Im Kupplungsmechanismus 68 wird normalerweise die Sperrklinke 56 im Eingriff aufgestellt und die Drehung des Trägers 48 wird auf den Nachläufer 18 übertragen, wenn sich der Träger in Fahrtrichtung dreht. Keine Drehung wird übertragen, wenn der Nachläufer 18 sich in Fahrtrichtung mit einer höheren Geschwindigkeit dreht als diejenige des Trägers 48 (was sich ergibt aus dem Antrieb des Nachläufers 18 über die Sperrklinke 60, wie untenstehend beschrieben).
Wie in den 1, 2 und 6–8 dargestellt, umgibt ein Kupplungssteuerungselement 72 teilweise das Hohlrad 40. Das Kupplungssteuerungselement 72 besitzt eine kreisförmige Gestalt mit einer Lücke 72b zwischen seinen Enden. Eines der Enden 72a ist radial nach außen abgewinkelt und hat eine Aussparung 74 darin ausgebildet. Wie sich am besten in 8a zeigt, kann die Sperrklinke 60 mit der Aussparung 74 verbunden sein (der entsprechende Zweck wird unten noch ausführlicher beschrieben). Das Kupplungssteuerungselement 72 kann sich unabhängig vom Hohlrad 40 drehen.
Bezugnehmend auf die 1–2 und 6a–6b ist die erste Ausführungsform der internen Getriebeeinrichtung 10 im Betrieb ein automatischer Zweigang-Schaltmechanismus. 1 zeigt die Sperrklinke 60, welche nicht mit der ersten Verzahnung 62 im Eingriff ist. In diesem Zustand besitzt die interne Getriebeeinrichtung 10 ein niedriges Übersetzungsverhältnis. 2 zeigt die Sperrklinke 60 im Eingriff mit der ersten Verzahnung 62. In diesem Zustand besitzt die interne Getriebeeinrichtung 10 ein hohes Übersetzungsverhältnis.
Wie in 6a dargestellt, beinhaltet die innere Umfangsfläche des Nachläufers 18 eine zweite Verzahnung 76, welche an die erste Verzahnung 62 angrenzt. Wie oben erläutert ist die erste Verzahnung 62 dafür vorgesehen, mit der Sperrklinke 60 in Eingriff zu sein (z. B. Sperrklinke 60 fluchtet mit der ersten Verzahnung 62 in Umfangsrichtung). Die zweite Verzahnung 76 ist vorgesehen, mit dem Ende 72a des Kupplungssteuerungselements 72 im Eingriff zu sein (z. B. fluchtet das Ende 72a mit der zweiten Verzahnung 76 in Umfangsrichtung). Wird das Fahrrad angehalten, so kann der Nachläufer 18 frei gedreht werden, während die zweite Verzahnung 76 mit dem Ende 72a des Kupplungssteuerungselements 72 im Eingriff ist, dadurch dreht sich das Kupplungssteuerungselement 72 im Uhrzeigersinn, so dass das Kupplungssteuerungselement 72 wie in 6a platziert ist, was hierbei als die erste Anfahrtsstellung bezeichnet werden soll, in der die Sperrklinke 60 gegen die zweite Verzahnung 76 steht.
Tritt der Fahrer während des Anfahrens in die Pedale und treibt das Fahrrad voran, wird die resultierende Drehung auf den Antrieb 16 über das Kettenrad 24 übertragen. Zu diesem Zeitpunkt besitzt die interne Getriebeeinrichtung 10 ein niedriges Übersetzungsverhältnis. Der Antrieb 16 treibt das Hohlrad 40 drehend an, weil Sperrklinke 36 mit den Zähnen 38 des Hohlrads 40 in einer eingerückten Stellung ist. Das Hohlrad 40 treibt das Planetenrad 50 drehend an und folglich den Planetengetriebeträger 48. Die Drehung des Planetengetriebeträgers 48 über die Sperrklinke 56 führt zu einer Drehung des Nachläufers 18. Wie in 6a dargestellt, ist in diesem Zustand die Sperrklinke 60 nicht mit der ersten Verzahnung 62 im Eingriff. Folglich ist das Hohlrad 40 nicht mit dem Nachläufer 18 verbunden.
In diesem niedrigen Gang drehen sich der Antrieb 16 und das Hohlrad 40 schneller als der Nachläufer 18. Nachdem der Fahrer die Kurbeln (und folglich den Antrieb 16 und das Hohlrad 40) eine vorbestimmte Anzahl in Fahrtrichtung gedreht hat, wird sich der Nachläufer 18 folglich in einer Richtung entgegen des Uhrzeigersinns bewegen (siehe hierzu Pfeil D in 6a), relativ zum Hohlrad 40, dem Kupplungssteuerungselement 72 und der Sperrklinke 60, bis die Sperrklinke 60 mit der ersten Verzahnung 62 eingerückt ist. Es ist verständlich, dass sich der Nachläufer 18 nicht tatsächlich entgegen dem Uhrzeigersinn bewegt, aber weil das Hohlrad 40 sich im Uhrzeigersinn schneller als der Nachläufer 18 bewegt, dreht sich der Nachläufer 18 relativ zum Hohlrad 40 in eine Richtung, welche entgegen dem Uhrzeigersinn weist. Sobald die Sperrklinke 60 mit der ersten Verzahnung 62 im Eingriff ist, treibt das Hohlrad 40 den Nachläufer 18 rotatorisch an, wodurch automatisch in ein höheres Übersetzungsverhältnis (was hierin als die Schnellgangstellung bezeichnet werden soll) umgeschalten wird. Weil sich der Nachläufer 18 schneller als der Planetenträger 48 dreht, trennt sich die Sperrklinke 56 dementsprechend von der Verzahnung 58, welche ein Teil des Nachläufers 18 ist, und sich somit mit der selben Geschwindigkeit des Hohlrads 40 dreht.
Zur Ausbildung von Übersetzungsverhältnissen besitzen die verschiedenen Elemente des Planetengetriebemechanismus 22 eine geeignete Anzahl von Zahnradzähnen. Beispielhaft soll nur ein niedriges Übersetzungsverhältnis von 1:0,73 betrachtet werden. Mit anderen Worten dreht sich der Nachläufer 18 0,73 mal für jeden einzelnen Umlauf des Antriebs 16 und des Hohlrads 40. Ein derart niedriges Übersetzungsverhältnis kann erreicht werden, wenn das Sonnenrad 32 16 Zähne besitzt, der linke Satz von Zähnen 54 auf dem Hohlrad 40 hat 44 Zähne, das Planetenrad 50 hat 13 Zähne und der Satz von Zähnen 58 auf dem Nachläufer 18 umfasst 16 Zähne.
Wenn das Fahrrad aus der ersten Anfahrtsstellung bewegt wird, beträgt das Übersetzungsverhältnis 1:0,73. Dementsprechend drehen sich das Hohlrad 40 und der Antrieb 16 in Fahrtrichtung, aber der Nachläufer 18 dreht sich relativ langsamer als das Hohlrad 40. Für dieses Beispiel, wie es in 6b dargestellt ist, nehmen wir an, dass die Entfernung, die sich der Nachläufer 18 relativ zum Hohlrad 40 aus der Anfangsstellung heraus (6a) bewegen muss, bis er in der ersten Verzahnung 62 (6b) eingerückt ist, sei ungefähr 335° (noch genauer 335° 18' und 23''). Eine Umdrehung des Hohlrads 40 sorgt dabei für 0,73 Umdrehungen des Nachläufers 18. Dies bedeutet, dass der Nachläufer 18 sich 0,2666 mal in Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn dreht (relativ zum Hohlrad 40). 0,2666 × 360° = 96°. Mit anderen Worten dreht sich der Nachläufer 18 96° weniger als das Hohlrad 40 mit jeder einzelnen Umdrehung des Hohlrads 40. 335°/96° = 3,49. Deshalb muss sich das Hohlrad 40 in diesem Beispiel aus der ersten Anfahrtsstellung 3,49 mal drehen, bevor sich die erste Verzahnung 62 relativ zum Hohlrad die erforderlichen 335° dreht, damit die Sperrklinke 60 mit der ersten Verzahnung 62 eingerückt ist. Bei einem typischen Fahrrad beträgt das Übersetzungsverhältnis zwischen dem vorderen Kettenrad und dem hinteren Kettenrad 24 ungefähr 2:1. 3,49/2 = 1,75. Deshalb sorgen 1,75 Drehungen des vorderen Kettenrades für 3,49 Umdrehungen des hinteren Kettenrades 24. Anders gesagt, sobald der Fahrer anfängt zu treten, wird die interne Getriebeeinrichtung 10 nach 1,75 Umdrehungen der Kurbeln aus einem niedrigen Übersetzungsverhältnis in ein hohes Übersetzungsverhältnis umschalten.
Es ist verständlich, dass die oben angegebenen Zahlen nur beispielhaft sind und dazu dienen, den Leser mit einem besseren Verständnis für die Erfindung zu versehen. Der Fachmann wird in der Lage sein, sich das Übersetzungsverhältnis und die Getriebegröße auf eine bestimmte Anwendung hin zuzuschneiden. Dementsprechend sind die Zah len und Abmaße, welche hierin dargelegt wurden, keine Begrenzung der vorliegenden Erfindung.
Sobald ein Fahrrad angehalten wird, sogar nachdem der Nachläufer 18 frei gedreht sein kann, befindet sich die Sperrklinke 60 nicht immer in einer Stellung gemäß 6a, sondern kann statt dessen wie in 7a positioniert sein, wo die Sperrklinke 60 radial innenliegend von dem Kupplungssteuerungsteil 72 angeordnet ist. Diese Stellung (die Stellung, wie in 7a dargestellt) wird hierin als die zweite Anfahrtsstellung bezeichnet. In dieser Situation, nachdem der Antrieb 16 und das Hohlrad 40 3,49 Umdrehungen (wie obenstehend beschrieben) absolviert haben, erreicht der Nachläufer 18 die Stellung gemäß 7b. In dieser Stellung ist die Sperrklinke 60 jedoch noch immer radial innenliegend vom Kupplungssteuerungselement 72 (siehe 8b) positioniert. Würden das Kupplungssteuerungselement 72 und das Hohlrad 40 sich weiterhin mit der selben Drehgeschwindigkeit drehen, dann wäre die erste Verzahnung 62 nie im Eingriff mit der Sperrklinke 60 und der höhere Gang würde nie erreicht werden. Nachdem der Nachläufer 18 die Position, wie in 7b dargestellt, einnimmt, hakt das abgewinkelte Ende 72a des Kupplungssteuerungselements ein und ist mit der zweiten Verzahnung 76 im Eingriff (siehe 7b). Dadurch dreht sich das Kupplungssteuerungselement 72 gleichzeitig mit dem Nachläufer 18. Deshalb wird das Kupplungssteuerungselement 72, welches sich mit der selben Drehgeschwindigkeit wie das Hohlrad 40 gedreht hat, anfangen sich mit der selben Drehgeschwindigkeit wie der Nachläufer 18 zu drehen (für eine Umdrehung des Hohlrads 40 ergeben sich 0,73 Umdrehungen des Kupplungssteuerungselements 72).
Aus der gemeinsamen Drehung des Nachläufers 18 mit dem Kupplungssteuerungselement 72 folgt, dass es einen Zeitpunkt geben wird, an dem die Sperrklinke 60 die Lücke 72b erreichen wird, welche sich zwischen den Enden des Kupplungssteuerungselements 72 befindet. Da die Sperrklinke 60 gegenüber dem eingerückten Stellung vorgespannt ist, wird sie in die Lücke 72b hinein ragen und dadurch mit der inneren Fläche des Nachläufers 18 Kontakt aufnehmen. Die Sperrklinke gleitet dann entlang der inneren Fläche des Nachläufers 18 so lange, bis sie in der Aussparung 74 aufgenommen ist und mit der ersten Verzahnung 62 (siehe 7c) eingerückt ist, wodurch in einen höheren Gang umgeschalten wird.
Wie in 7c dargestellt, welche die Zahlen und Abmaße gemäß dem obigen Beispiel enthält, müssen sich das Kupplungssteuerungselement 72 und der Nachläufer 18 335° relativ zum Hohlrad 14 bewegen, bevor die Sperrklinke 60 mit der ersten Verzahnung 62 eingerückt ist und ein Umschalten stattfindet. Nimmt man diese Zahlen, dann können wir berechnen, wie viele Umdrehungen der Kurbeln notwendig sind, damit ein Antrieb aus einem niedrigen in einen hohen Gang schaltet. 335° (aus der ersten Anfahrtsstellung bis zur Position dargestellt in 7b) + 355° (aus der Position, wie in 7b dargestellt bis zur Schnellgangstellung) = 690°. Deshalb muss der Nachläufer 18 um 690° zum Schalten gedreht werden (355° kommen aus der Drehung mit dem Kupplungssteuerungselement 72), und zwar relativ zum Hohlrad 40. 690°/96° = 7,2 Umdrehungen für das Hohlrad 40, Antrieb 16 und Kettenrad 24. 7,2/2 = 3,6. Dem entsprechend sind 3,6 Umdrehungen der Kurbeln notwendig, damit der selbsttätige Schaltungssteuerungsmechanismus 59 aus einem niedrigen in einen hohen Gang umschaltet, wenn man aus der zweiten Anfahrtsstellung losfährt.
Die interne Getriebeeinrichtung 10 besitzt die folgenden Kraftübertragungspfade aufgrund der Anwesenheit des Antriebs 16, des Planetengetriebemechanismus 22, des selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus 59 und des Nachläufers 18:
Einen Berggangübersetzungspfad (niedriger Gang), gebildet aus dem Kettenrad 24, Antrieb 16, Kupplungsmechanismus 64, Hohlrad 40, Planetenrad 50, Träger 48, Kupplungsmechanismus 68 und Nachläufer 18; und
einen direkt gekoppelten Kraftübertragungspfad (hoher Gang), gebildet aus dem Kettenrad 24, Antrieb 16, Kupplungsmechanismus 64, Hohlrad 40, Freilaufkupplung 60 und Nachläufer 18.
Bezugnehmend auf die 3–4 wird eine interne Getriebeeinrichtung 100 für ein Fahrrad gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform arbeitet ähnlich der ersten Ausführungsform, besitzt jedoch einen niedrigen, mittleren und hohen Gangübersetzungspfad. Die Nabe 100 umfasst ein Schaltelement 102 und einen Kupplungskörper 104, welche in eine erste Stellung (3), eine Mittelstellung (4) und eine zweiten Stellung (5) in der Axialrichtung der Achse 12 unter Verwendung des Kupplungsbetätigers 106 gesetzt werden können. Der Kupplungskörper 104 kann sich entlang der Achse A bewegen und kann sich um die Nabenachse 12 drehen. Der Kupplungskörper 104 besitzt eine äußere Verzahnung 108, welche mit der inneren Verzahnung 110 im Eingriff ist und um die innere Umfangsfläche des Antriebs ausgebildet ist. Daraus folgt, dass sich der Kupplungskörper 104 mit dem Antrieb 16 integral dreht und in Richtung der Achse A bezüglich des Antriebs 16 gleiten kann.
Mindestens eine Zahneingriffskomponente 112 (und vorzugsweise eine Vielzahl von Zahneingriffskomponenten 112) ragt nach außen aus dem linken Ende des Kupplungskörpers 104 heraus. Die Zahneingriffskomponente 112 ist vorgesehen, mit der Sperrklinke 60 im Eingriff zu sein, wenn sich der Kupplungskörper 104 in der ersten Stellung befindet und eine Senke 116 wird im Träger 48 ausgebildet, wenn sich der Kupplungskörper 104 in der zweiten Stellung befindet. Der Kupplungskörper 104 umfasst ebenso ein Anschlagende 114, welches davon gegen den Anschlag 102 in der ersten, mittel- und zweiten Stellung angrenzt. Ein Paar Federn 118 und 120 sorgen dafür, dass der Anschlag 102 in entgegen gesetzten Richtungen vorgespannt wird.
Zur neuen Positionierung des Kupplungskörpers 104 wird der Kupplungsbetätiger 106, welcher eine Druckstange sein kann, die sich entlang einer Öffnung in der Achse 12 erstreckt, gedrückt oder vom Fahrer gezogen, zur Neupositionierung des Anschlags 102 und damit des Kupplungskörpers 104. Wird der Kupplungsbetätiger 106 gedrückt, so muss das Drängen der Feder 120 überwunden werden, damit der Anschlag neu positioniert wird. Beim Ziehen des Kupplungsbetätigers muss das Drängen der Feder 118 überwunden werden, um den Anschlag neu zu positionieren.
Wird der Kupplungskörper 104 in die erste Stellung gebracht, so ist die Zahneingriffskomponente 112 mit einer abgeschrägte Senke 60a (siehe 6a) in der Sperrklinke 60 eingerückt, wodurch sich die Sperrklinke 60 in die ausgerückte Stellung dreht, in dem die Sperrklinke 60 keinen Kontakt zur ersten Verzahnung 62 besitzt. In diesem Zustand ist die Sperrklinke 60 nicht im Eingriff mit der ersten Verzahnung 62. Dementsprechend ist der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus 59 nie in der Schnellgangstellung und die Nabe 100 verbleibt in einem niedrigen Übersetzungsverhältnis (1:0,73 im obigen Beispiel).
Wenn der Kupplungskörper 104 in die Zwischenstellung gesetzt wird, wie in 4 dargestellt, ist die Zahneingriffskomponente 112 mit nichts in Kontakt, wodurch das Getriebe 100 in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform (Getriebe 10) betrieben werden kann.
Befindet sich der Kupplungskörper 104 in der zweiten Stellung, wie in 5 dargestellt, so ist die Zahneingriffskomponente 112 in Kontakt mit Senke 116 im Träger 48 und die nach vorne gerichtete Antriebsleistung des Antriebs 16 wird auf den Träger 48 übertra gen. Wenn das Getriebe 100 in seiner Anfangsstellung ist (wie in 6a dargestellt), in der die Sperrklinke 60 nicht mit der ersten Verzahnung 62 eingerückt ist, kämmt der Träger 48 über den Kupplungsmechanismus 68 mit dem Nachläufer 18, dadurch dreht sich der Nachläufer 18 mit der gleichen Drehgeschwindigkeit wie der Antrieb und stellt ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 (was hierin als mittleres Übersetzungsverhältnis bezeichnet werden soll) ein.
Es ist verständlich, dass in der zweiten Stellung, während der Antrieb 16 (über den Kupplungskörper 104) den Träger 48 antreibt, der Träger 48 im Gegenzug dafür sorgt, dass sich das Hohlrad 40 und die Sperrklinke 60 dreht. Wie obenstehend beschrieben, wenn der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus 59 nicht im Eingriff ist (6a), bringt die Sperrklinke 60 den Nachläufer 18 nicht dazu, sich zu drehen. Sobald der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus 59 jedoch die Schnellgangstellung (6b) erreicht und die Sperrklinke 60 mit der ersten Verzahnung 62 im Eingriff ist, dreht sich der Nachläufer 18 synchron mit dem Hohlrad 40 in einem Übersetzungsverhältnis, welches höher als 1:1 ist. In diesem Zustand wird die nach vorne gerichtete Antriebsleistung, welche vom Antrieb 16 über das Kettenrad 24 und die Kette aufgenommen wird, über den Kupplungskörper 104 auf den Träger 48 übertragen, wie obenstehend beschrieben. Da die Sperrklinke 60 mit der ersten Verzahnung 62 im Eingriff ist, wird die nach vorne gerichtete Antriebsleistung, die auf den Träger 48 weitergegeben wird, über die Arbeit des Planetenrads 50 und des Sonnenrads 32 verstärkt, bevor sie auf das Hohlrad 40 übertragen wird, und wird dann auf den Nachläufer 18 über die Sperrklinke 60 übertragen. Mit den beispielhaften Zahlen, welche oben dargelegt wurden, beträgt das hohe Übersetzungsverhältnis 1:1,36. Wenn dies eintritt, so drehen sich Hohlrad 40 und Nachläufer 18 schneller als der Antrieb 16 und der Träger 48 und somit sind die Sperrklinken 36 und 56 ausgerückt von den Zähnen 38 und 58 und überlaufen diese jeweils.

Die Nabe 100 stellt die folgenden Übersetzungsverhältnisse bereit (die Übersetzungen in runden Klammern ergeben sich unter Anwendung der beispielhaften Zahlen, wie oben beschrieben):

Kupplungskörperstellung	Übersetzungsverhältnis
Erste	Immer niedriger Gang (1:0,73)
Mittel	Fängt niedrig an (1:0,73) und schaltet automatisch in
	den mittleren (1:1) um
Zweite	Fängt im mittleren an (1:1) und schaltet automatisch
	zu höherem (1:1,36) um

Befindet sich der Kupplungskörper 104 in der ersten Stellung, so besitzt die interne Getriebeeinrichtung 100 nur einen Kraftübertragungspfad durch die Anwesenheit eines Antriebs 16, Planetengetriebemechanismus 22, Kupplungskörper 104 und Nachläufer 18. Dieser Übertragungspfad lautet:
Ein niedriger Getriebekraftübertragungspfad (niedriger Gang), bestehend aus dem Kettenrad 24, Antrieb 16, Kupplungsmechanismus 64, Hohlrad 40, Planetenrad 50, Träger 48, Kupplungsmechanismus 68 und Nachläufer 18 (1:0,73).
Wenn sich der Kupplungskörper 104 in der mittleren Stellung befindet, so besitzt die interne Getriebeeinrichtung 100 die folgenden Kraftübertragungspfade durch die Anwesenheit eines Antriebs 16, selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus 59, Planetengetriebemechanismus 22, Kupplungskörper 104 und Nachläufer 18:
Ein niedriger Getriebekraftübertragungspfad (niedriger Gang), bestehend aus dem Kettenrad 24, Antrieb 16, Kupplungsmechanismus 64, Hohlrad 40, Planetenrad 50, Träger 48, Kupplungsmechanismus 68 und Nachläufer 18 (1:0,73); und
einen mittleren Getriebeübertragungspfad bestehend aus dem Kettenrad 24, Antrieb 16, Kupplungsmechanismus 64, Hohlrad 40, selbsttätigem Schaltsteuerungsmechanismus 59 und Nachläufer 18 (1:1).
Wenn der Kupplungskörper 104 in der zweiten Stellung ist, so besitzt die interne Getriebeeinrichtung 100 die folgenden Kraftübertragungspfade durch die Anwesenheit eines Antriebs 16, selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus 59, Planetengetriebemechanismus 22, Kupplungskörper 104 und Nachläufer 18:
Einen mittleren Getriebeübertragungspfad, bestehend aus dem Kettenrad 24, Antrieb 16, Kupplungskörper 104, Träger 48, Kupplungsmechanismus 68 und Nachläufer 18 (1:1); und
einen hohen Getriebekraftübertragungspfad, bestehend aus dem Kettenrad 24, Antrieb 16, Kupplungskörper 104, Träger 48, Planetenrad 50, Hohlrad 40, selbsttätigem Schaltsteuerungsmechanismus 59, Kupplungsmechanismus 68 und Nachläufer 18.
Bezugnehmend auf die 9–10 wird eine interne Getriebeeinrichtung 150 für ein Fahrrad gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform sind das Hohlrad 40 und Antrieb 16 der ersten Ausführungsform als ein integrales Teil ausgebildet. Mit anderen Worten besitzt Antrieb 16 einen Satz von Zähnen 54 auf einer inneren Fläche davon, wodurch der Antrieb 16 im Wesentlichen ein Hohlrad bildet. Da das Hohlrad und der Antrieb integral miteinander ausgebildet sind, entfällt der Kupplungsmechanismus 64. Der Planetengetriebemechanismus 22 ist seitlich angrenzend dazu angeordnet und auf der rechten Seite des Nachläufers 18 davon, wodurch insgesamt weniger Komponenten in der internen Getriebeeinrichtung 150 benötigt werden. Die meisten der Komponenten in der dritten Ausführungsform (Getriebe 150) sind die selben wie in der ersten Ausführungsform (Getriebe 10). Deswegen erhalten die Komponenten die gleichen Zahlen in 9 und 10 wie in 1 und 2. Dies gilt ebenso für die 6a bis 7b der dritten Ausführungsform, wie in der ersten und zweiten Ausführungsform.
Radial innenliegend vom Hohlrad 40 angeordnet und drehbar um die Nabenachse 12 gelagert befindet sich ein erster Bereich 152 des Nachläufers 18. Der erste Bereich 152 ist drehbar auf der Nabenachse 12 über Lagerungskomponenten 154 und 156 gelagert. Lagerungskomponente 154 umfasst Nabenkegelfläche 26a, Kugellauffläche 154a und eine Vielzahl von Kugeln 154b, welche zwischen der Nabenkegelfläche 26a und der Kugellauffläche 154a eingefügt sind. Die Lagerungskomponente 156 umfasst die Kugellaufflächen 156a und 156b und eine Vielzahl von Kugeln 156c, welche zwischen den Kugellaufflächen 156a und 156b eingefügt sind. Der erste Bereich 152 steht auch in einer drehbaren Verbindung mit dem Antrieb 16 über Lagerungskomponente 158, welche die Kugellaufflächen 158a und 158b und eine Vielzahl an Kugeln 158c, welche zwischen den Kugellaufflächen 158a und 158b eingefügt sind, umfasst.
Der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus 59 ist zwischen dem ersten Bereich 152 und Hohlrad 40 angeordnet, wie in den 9 und 10 dargestellt. Die erste und zweite Verzahnung 62, 76 sind auf der inneren Fläche von Antrieb 16/Hohlrad 40 angeord net. Freilaufkupplung 60 ist auf dem ersten Bereich 152 des Nachläufers 18 montiert. Das Kupplungssteuerungselement 72 umgibt teilweise den ersten Bereich 152 und wirkt mit diesem rotatorisch zusammen. Kupplungsmechanismus 68 ist zwischen Träger 48 und erstem Bereich 152 angeordnet. Es versteht sich, dass der erste Bereich 152 direkt mit dem Rest des Nachläufers 18 verbunden ist. Deshalb dreht sich der Nachläufer 18 immer synchron mit dem ersten Bereich 152.
Die interne Getriebeeinrichtung 150 hat die folgenden Kraftübertragungspfade:
Einen Berggangkraftübertragungspfad (niedriger Gang), bestehend aus dem Kettenrad 24, Antrieb 16 (Hohlrad 40), Planetenrad 50, Träger 48, Kupplungsmechanismus 68 und Nachläufer 18 (erster Bereich 152); und
einen direkt gekoppelten Kraftübertragungspfad (hoher Gang), bestehend aus dem Kettenrad 24, Antrieb 16 (Hohlrad 40), selbsttätigem Schaltsteuerungsmechanismus 59 und Nachläufer 18 (erster Bereich 152).
Die hierin vorgetragenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen nur beispielhaft sein und der Fachmann kann eine Vielzahl von Veränderungen daran vornehmen, ohne dabei den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie in den angehängten Ansprüchen festgelegt.

Claims

Eine interne Getriebeeinrichtung für ein Fahrrad, diese Einrichtung umfasst: eine Nabenachse (12), ein Antriebselement (16) und einen Nachläufer (18), welcher drehbar auf der Nabenachse (12) gelagert ist, ein Planetengetriebe (22), umfassend ein Hohlrad (40), ein Sonnenrad (32), ein Planetenrad (50) und einen Planetenträger (48), drehbar auf der Nabenachse (12) gelagert und das Planetenrad (50) tragend und einen selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus (59), umfassend eine erste Freilaufkupplung (60), ein Kupplungssteuerungselement (72) und ein erstes Anschlagelement (62), diese erste Freilaufkupplung (60) auf dem Hohlrad (40) sitzt, das erste Anschlagelement (62) auf der inneren Umfangsfläche des Nachläufers (18) angeordnet ist, um wahlweise in die erste Freilaufkupplung (60) ein- oder auszurücken, das Kupplungssteuerungselement umschließt das Hohlrad (40) teilweise und ist unabhängig von dem Hohlrad (40) drehbar, wobei das Kupplungssteuerungselement betätigt wird, sobald sich der Nachläufer (18) bezüglich des Antriebselements (16) um einen vorbestimmten Winkel dreht, um einen Eingriff der ersten Freilaufkupplung (60) mit dem ersten Anschlagelement (62) zu bewirken und wobei die Getriebeeinrichtung entsprechend der Drehung der Nabenkomponenten selbsttätig Gänge schaltet, und dieser selbsttätige Schaltungssteuerungsmechanismus nur ein erstes Anschlagelement (62) aufweist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus (59) ferner ein zweites Anschlagelement (76) umfasst.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das erste Anschlagelement (62) bezüglich des zweiten Anschlagelements (76) versetzt angeordnet ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus (59) nur ein zweites Anschlagelement (76) umfasst.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 4, wobei das erste Anschlagelement (62) neben dem zweiten Anschlagelement (76) ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das erste Anschlagelement (62) mit dem zweiten Anschlagelement (74) ausgerichtet ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß irgend einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die erste Freilaufkupplung (60) eine erste Klinke umfasst.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kupplungssteuerungselement einen Klinkenträger (72) umfasst.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Kupplungssteuerungselement (72) bezüglich des Planetengetriebes (22) drehbar ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Kupplungssteuerungselement (72) mit dem Nachläufer (18) drehbar ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Kupplungssteuerungselement (72) bezüglich des Hohlrads (40) drehbar ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Kupplungssteuerungselement (72) ein Ende (72a) aufweist, welches radial nach außen abgewinkelt ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein Ende der ersten Freilaufkupplung (60) in einer der Antriebsrichtung entgegengesetzten Richtung dreht.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei eine zweite Freilaufkupplung (56) auf dem Planetenträger (48) angeordnet ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 14 weiterhin einen Kupplungskörper (104) umfassend, wobei der Kupplungskörper drehbar um die Nabenachse (12) und in einer axialen Richtung beweglich gelagert ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 15, wobei der Kupplungskörper (104) ein Schaltelement (102) umfasst, und wobei der Kupplungskörper und das Schaltelement von außen durch eine Schubstange (106) betätigt werden.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 15, wobei der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus (59) relativ zum Drehwinkel des Antriebselements (16) in der Antriebsrichtung betätigt wird, sobald der Kupplungskörper (104) an einer vorbestimmten Stelle positioniert ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Planetengetriebe (22) radial innerhalb des Antriebselements (16) angeordnet ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 18, wobei das Planetengetriebe (22) seitlich neben dem Nachläufer (18) angeordnet ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei das Hohlrad (40) einstückig mit dem Antriebselement (16) ausgebildet ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei der Drehwinkel des Antriebselements (16) bezüglich des Nachläufers (18) in Antriebsrichtung weniger als 720°, insbesondere weniger als 360° beträgt.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus (59) eine Startposition und eine hochgeschaltete Position umfasst, und wobei ein Startübersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebselement (16) und dem Nachläufer (18) in der Startposition etwa 1:0,73 beträgt.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 22, wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebselement (16) und dem Nachläufer (18) in der hochgeschalteten Position etwa 1:1 beträgt.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 15, wobei der Kupplungskörper (104) in zumindest eine erste, eine mittlere und eine zweite Position gebracht werden kann worin das Übersetzungsverhältnis feststeht, sobald der Kupplungskörper (104) in der ersten Position ist, ist das Übersetzungsverhältnis selbsttätig schaltbar von einem niedrigen Übersetzungsverhältnis in ein mittleres Übersetzungsverhältnis in der mittleren Position, und wobei das Übersetzungsverhältnis selbsttätig von einem mittleren Übersetzungsverhältnis zu einem hohen Übersetzungsverhältnis in der zweiten Position schaltbar ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der Nachläufer (18) ein Nabengehäuse (19) umfasst.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus (59) bei verschiedenen relativen Drehwinkeln zwischen dem Hohlrad (40) und dem Nachläufer (18) betätigt wird.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 12, wobei das Ende (72a) des Kupplungssteuerungselements (72), welches radial nach außen abgewinkelt ist, eine in diesem liegende Aussparung (74) aufweist, wobei diese Aussparung geeignet ist, die erste Freilaufkupplung (60) zu erfassen.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 14, wobei eine dritte Freilaufkupplung (36) auf dem Antriebselement (16) angeordnet ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Antriebselement (16) und der Nachläufer (18) sich ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit drehen, sobald die erste Freilaufkupplung (60) in das erste Anschlagelement (62) eingreift und wobei der Nachläufer (18) sich mit einer zum Antriebselement (16) unterschiedlichen Geschwindigkeit dreht, sobald die erste Freilaufkupplung (60) nicht in das erste Anschlagelement (62) eingreift.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Antriebselement (16) und der Nachläufer (18) zur gemeinsamen Drehung verbunden sind, sobald die erste Freilaufkupplung (60) in das erste Anschlagelement (62) eingreift, und wobei das Antriebselement (16) und der Nachläufer (18) sich relativ zueinander drehen, sobald die erste Freilaufkupplung (60) nicht im Eingriff mit dem ersten Anschlagelement (62) ist.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 12, wobei das Ende des Kupplungssteuerungselements (72), welches radial nach außen abgewinkelt ist, dafür geeignet ist, in das zweite Anschlagelement (76) einzugreifen.
Die interne Getriebeeinrichtung gemäß Anspruch 18, wobei das Hohlrad (40) erste und zweite innere Verzahnungen aufweist.
Ein Verfahren zur Kraftübertragung in einer internen Getriebeeinrichtung für ein Fahrrad gemäß Anspruch 1, die Getriebeeinrichtung beinhaltet ein Antriebselement (16) und einen Nachläufer (18) drehbar auf einer Nabenachse (12) gelagert, ein Planetengetriebe (22), welches ein Hohlrad (40), ein Sonnenrad (32), ein Planetenrad (50) und einen Planetenträger (48) aufweist sowie einen selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus (59), welcher eine erste Freilaufkupplung (60), ein Kupplungssteuerungselement (72) und ein erstes Anschlagelement (62), welches auf einer Innenfläche des Nachläufers (18) angeordnet ist, aufweist wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Drehkraftübertragung vom Antriebselement (16) zum Nachläufer (18) über einen Übertragungspfad vom Antriebselement (16) zum Hohlrad (50) zum Planetenträger (48) und vom Planetenträger (48) zum Nachläufer (18), b) Betätigung des selbsttätigen Schaltsteuerungsmechanismus (59), sobald sich der Nachläufer (18) relativ zum Antriebselement (16) um einen vorbestimmten Winkel gedreht hat, wobei diese Betätigung die Freilaufkupplung (60) auf dem Hohlrad (40) dazu veranlasst, in den Nachläufer (18) einzugreifen, und wobei die Freilaufkupplung (60) den Nachläufer (18) unabhängig vom Planetenträger (48) drehend antreibt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei das Antriebselement (16) und das Hohlrad (50) zusammen einstückig ausgebildet sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei das Kupplungssteuerungselement (72) ein Ende (72a) aufweist, welches radial nach außen abgewinkelt ist, und wobei dieses Ende eine darin enthaltene Aussparung (74) umgrenzt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 35, wobei vor Schritt (a) die erste Freilaufkupplung (60) in der Aussparung (74) eingerückt ist, aber nicht in Eingriff mit dem ersten Anschlagelement (62) ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 36, wobei zwischen den Schritten (a) und (b) die erste Freilaufkupplung (60) in das erste Anschlagelement (62) eingreift.
Das Verfahren gemäß Anspruch 35, wobei der selbsttätige Schaltsteuerungsmechanismus (59) erste und zweite Anschlagelemente (62, 76) aufweist, welche auf einer Innenfläche des Nachläufers (18) angeordnet sind, und wobei vor Schritt (a) die erste Freilaufkupplung (60) ausgerückt aus der Aussparung (74) und ausgerückt aus dem ersten Anschlagelement (62) ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 38, wobei zwischen den Schritten (a) und (b) das Ende (72a) des Kupplungssteuerungselements (72), welches radial nach außen abgewinkelt ist, in das zweite Anschlagelement (76) eingreift, und dabei das Kupplungssteuerungselement und den Nachläufer (18) nahezu gleichlaufend dreht, bis die erste Freilaufkupplung (60) in das erste Anschlagelement (62) eingreift.
Das Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei eine zweite Freilaufkupplung (36) zwischen dem Antriebselement (16) und dem Hohlrad (40) angeordnet ist, um Drehkraft vom Antriebselement zum Hohlrad zu übertragen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 40, wobei eine dritte Freilaufkupplung (56) zwischen dem Planetenträger (48) und dem Nachläufer (18) angeordnet ist, um Drehkraft vom Planetenträger auf den Nachläufer zu übertragen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 41, wobei das Hohlrad (40) Drehkraft auf das Planetenrad (50) überträgt und wobei das Planetenrad (50) Drehkraft auf den Planetenträger (48) überträgt.