DE68923612T2

DE68923612T2 - Kontinuierlich veränderliches getriebe.

Info

Publication number: DE68923612T2
Application number: DE68923612T
Authority: DE
Inventors: Sen Maurice C Terry
Original assignee: TERRY SEN
Current assignee: TERRY SEN
Priority date: 1988-05-18
Filing date: 1989-05-16
Publication date: 1996-02-29
Anticipated expiration: 2009-05-17
Also published as: JPH02504301A; DE68923612D1; AU3765089A; ATE125604T1; KR900702266A; EP0408670B1; AU626556B2; EP0408670A1; EP0408670A4; CA1314415C; US4909101A; WO1989011604A1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft kontinuierlich veränderliche Getriebe. Im besonderen betrifft sie ein Getriebe, das über einen vorgegebenen Bereich kontinuierlich veränderbar ist.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen dieser Erfindung sind besonders für die Verwendung als Fahrradgetriebe geeignet, obwohl für Fachleute auch andere Anwendungsarten für das Getriebe ersichtlich sind. Im allgemeinen bezieht sich diese Erfindung auf eine Familie von Vorrichtungen, die als Geschwindigkeitswandler oder Getriebe bezeichnet werden, und im besonderen auf eine Gruppe innerhalb der Klasse von Getrieben, die kontinuierlich veränderliche Getriebe genannt werden. Derartige Getriebe liefern unendlich viele Übersetzungsverhältnisse, wenn sie von einem Ende ihrer Grenzen des Übersetzungsverhältnisses zum anderen verändert werden. Bei den Getrieben, die in die Familie der kontinuierlich veränderlichen Getriebe fallen, kann es sich um einen hydraulischen Antrieb, einen mechanischen Direktantrieb oder um einen impulsgesteuerten Antrieb handeln.
Das kontinuierlich veränderliche Getriebe dieser Erfindung ist ein mechanischer Antrieb mit einem einzigen, gepulsten Drehzahlvervielfacher, der diesem überlagert ist. Das kontinuierlich veränderliche Getriebe vervielfacht die Grundantriebsdrehzahl von einem Verhältnis von 1:1 bis zu jenem oberen Verhältnis, das für das Getriebe vorgesehen ist. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen so beschrieben wird, daß sie für ein Fahrradgetriebe geeignet ist, kann die Grundlage auch für irgendeine Anwendungsart verwendet werden, bei der die Drehzahl des Motorantriebs eine kontinuierlich veränderliche Abtriebsdrehzahl für die Last liefern soll. Derartige zusätzliche Verwendungsarten können Getriebe für Mopeds, Motorräder, Kraftfahrzeuge, Wechselstrom-Elektromotoren sowie andere Fahrzeugarten und industrielle Vorrichtungen sein.

Beschreibung des Stands der Technik

Es wurde eine Vielzahl von kontinuierlich veränderlichen Getrieben vorgeschlagen, doch waren derartige Getriebe relativ kompliziert, da sie eine große Anzahl beweglicher Bauteile besaßen oder hinsichtlich der Leistungsaufnahme stark beschränkt waren (z.B. Traktionsantriebe). Früher vorgeschlagene kontinuierlich veränderliche Getriebe mit gepulstem Antrieb konnten die mechanischen Impulse oder die Drehmomentamplitude (Welligkeit), die derartigen Systemen eigen ist, über das Übersetzungsverhältnis nicht auf ein annehmbares Niveau bringen. Weiters konnte keines dieser Getriebe ein Übersetzungsverhältnis liefern, das für viele Anwendungsarten breit genug war, beispielsweise für das generelle "Mountain-Bike" oder moderne Kraftfahrzeuge. Einige von ihnen sind in den US-Patentschriften 3,803.931, 3,229.549, 3,073.173, 2,199.051, 4,181.043 und 4,194.407 sowie in der italienischen Patentschrift 462.666 beschrieben.

Gegenstände der Erfindung

Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein kontinuierlich veränderliches Getriebe zu liefern, das ein breites Übersetzungsverhältnis liefern kann, das für die Verwendung in Fahrrädern und Kraftfahrzeugen geeignet ist.
Ein weiterer Gegenstand ist es, ein kontinuierlich veränderliches Getriebe mit einem gepulsten Antriebssystem zu liefern, das die mechanischen Impulse oder die Drehmomentamplitude (Welligkeit) praktisch beseitigt, die derartigen Systemen gemäß dem Stand der Technik eigen sind.
Ein zusätzlicher Gegenstand ist es, ein kontinuierlich veränderliches Getriebe zu liefern, das eine minimale Anzahl von beweglichen Teilen besitzt und eine große Leistung aufnehmen kann.
Ein weiterer Gegenstand ist es, ein kontinuierlich veränderliches Getriebe zu liefern, das die Antriebsdrehzahl von einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 (Direktantrieb) bis zu einem vorgegebenen maximalen Übersetzungsverhältnis exponentiell vervielfacht.
Noch ein weiterer Gegenstand ist es, ein kontinuierlich veränderliches Getriebe zu liefern, bei dem das Übersetzungsverhältnis jederzeit geändert werden kann, egal ob es sich unter Vollast befindet, freiläuft oder stillsteht.
Weitere Gegenstände der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Merkmale der Erfindung sind im Anspruch 1 beschrieben.
Die Erfindung kann so ausgeführt werden, daß durch die passende Wahl der internen Übersetzungsverhältnisse die Antriebsdrehzahl von einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 bis zu einem bestimmten maximalen Übersetzungsverhältnis exponentiell vervielfacht wird. Beim niedrigsten Verhältnis der Antriebs- zur Abtriebsdrehzahl (d.h. 1:1) wird die Vorrichtung in einem Abtriebsgehäuse verriegelt, wobei sie als Direktantrieb mit einer einzigen Drehzahl arbeitet, wobei das gesamte Getriebe auf Lagerflächen um eine Hauptwelle frei umläuft. Die passende Anordnung einer mittig liegenden Exzentereinrichtung, mit der das Drehverhältnis eines Planetengetriebes gesteuert wird, ermöglicht, daß Änderungen im Übersetzungsverhältnis in stufenlos veränderlichen Schritten vorgenommen werden können. Die Planetenräder sind auf Überrollkupplungselementen befestigt, mit denen der Umlauf der Planetenräder auf nur eine Richtung begrenzt wird. Die Größe der Exzentrizität der Exzentereinrichtung relativ zur Hauptwelle ändert die Ausrichtung der Planetenräder relativ zum Exzenter. Dadurch kann jene Abtriebsdrehzahl, die dem Getriebegehäuse von den Planetenrädern aufgeprägt wird, größer als die Antriebsdrehzahl sein. Diese zusätzliche Drehzahl wird sequentiell, ratschenartig aufgeprägt, um die Anzahl von Umläufen eines Planetenradträgers im Verhältnis zu einem Antriebssonnenrad zu erhöhen. Dadurch wird die Antriebsdrehzahl des Getriebes exponentiell erhöht.
Die Erfindung liefert eine Anzahl von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik. Diese Vorteile enthalten die Lieferung eines Getriebes, das bis zum vollen Antrieb/Abtrieb-Verhältnis kontinuierlich und stufenlos veränderlich ist. Dies erreicht man ohne jegliche Bewegung der Antrieb/Abtrieb-Vorrichtung oder einem Ausrücken des Getriebes vom Antrieb.
Weiters ermöglicht das Getriebe dann eine Veränderung der Abtriebsdrehzahl, wenn das Getriebe unter Vollast arbeitet. Dies stammt daher, da das Getriebe bei allen Abtriebsdrehzahlen über den gesamten Bereich des Übersetzungsverhältnisses einen zwangsläufigen Antrieb liefert. Zusätzlich sind die Abtriebsdrehzahl und das Drehmoment über das gesamte Übersetzungsverhältnis stoßfrei und frei von Welligkeiten, wenn die Antriebsdrehzahl und das aufgebrachte Drehmoment stoßfrei und konstant sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen zeigt:
Fig. 1 die Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung von rechts;
Fig. 2 die Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 3 die Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung von links;
Fig. 4 den Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des zusammengebauten Getriebes;
Fig. 5 den Schnitt entlang der Achse 5 - 5 von Fig. 4;
Fig. 6A den Schnitt entlang der Achse 6A+6B - 6A+6B von Fig. 4, wobei die Exzenterschalteinrichtung in einer konzentrischen Stellung dargestellt ist;
Fig. 6B den Schnitt entlang der Achse 6A+6b - 6A+6B von Fig. 4, wobei die Exzenterschalteinrichtung in einer exzentrischen Stellung dargestellt ist;
Fig. 7 den Schnitt entlang der Achse 7 - 7 von Fig. 4;
Fig. 8 den Grundriß der Exzenterschalteinrichtung einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 9-11 Schnitte und Grundrisse der Planetenradwelle einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 12 den ausführlichen Grundriß eines Nockenstößels einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung sowie eine Tabelle, in der die Herleitung von kritischen Abmessungen für die Nockenfläche dargestellt ist;
Fig. 13 die vereinfachte Darstellung der prinzipiellen Arbeitsweise des Getriebes dieser Erfindung; und
Fig. 14 den Schnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des zusammengebauten Getriebes.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Nunmehr wird auf die Zeichnungen und anfangs auf Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Das Getriebe 1 dieser Erfindung wird als bevorzugte Ausführungsform für ein Fahrrad (nicht dargestellt) gezeigt. Dabei ist es in der Hinterradgabel 5 des Fahrrads (nicht dargestellt) als Mittelnabe für das Hinterrad des Fahrrads (nicht dargestellt) angebracht. Die Mittel- oder Hauptwelle 2 ist in der Hinterradgabel 5 des Fahrrads auf herkömmliche Art mit Muttern 88 bzw. 90 befestigt. Die Speichen 96 verlaufen von Speichenringen 16 an der linken und rechten Seite des Getriebegehäuseaufbaus 100 radial nach außen, wobei sie auf herkömmliche Art an einer Normfelge (nicht dargestellt) des Hinterrads befestigt sind. Eine Fahrradkette (nicht dargestellt) steht mit einem Antriebskettenrad 4 im Eingriff, um dem Getriebe 1 eine Drehbewegung aufzuprägen. Schließlich wird die Antriebsdrehbewegung dem Getriebegehäuseaufbau 100 aufgeprägt, um das Hinterrad des Fahrrads in Drehung zu versetzen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist das Getriebe 1 so aufgebaut, daß das Verhältnis der Antriebs- zur Abtriebsdrehzahl von einem 1:1-Verhältnis bis zu einem maximalen Verhältnis in der Größenordnung von 3:1 oder 4:1 verändert wird (größere Verhältnisse sind durch die Auswahl von geeigneten inneren Getriebeelementen möglich). Die Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 1 erfolgt stoßfrei und gleichmäßig durch die Einstellung einer Exzentersteuerung (in Fig. 13 vereinfacht dargestellt). Das Steuerkabel 104, das von der Steuereinrichtung gespannt wird, dient dazu, um eine Exzenterschalteinrichtung 102 (die später ausführlich beschrieben wird) zu drehen und damit deren Ausrichtung zu verändern.
Nunmehr wird auf Fig. 13 Bezug genommen, um die Theorie der Arbeitsweise des Getriebes 1 gemäß der Erfindung kurz zu beschreiben. In Fig. 13 ist das Antriebsdrehmoment für das Getriebe 1, das vom Antriebskettenrad 4 der Kettenradnabe 8 aufgeprägt wird, mit einem Pfeil 62 bezeichnet. Diese Drehung wird schließlich über eine flexible Kupplung 82 einem Sonnenrad 10 aufgeprägt. Eine Vielzahl von Planetenrädern 12 a, b, usw. steht zwischen dem Sonnenrad 10 und einem innenverzahnten Nabenrad 14 im Eingriff (in den beiliegenden Fig. ist ein System mit vier Planetenrädern dargestellt. Bei bestimmten Anwendungsarten ist ein System mit sechs Planetenrädern wirkungsvoller, wobei schließlich praktisch jede Anzahl von Planetenrädern verwendet werden kann). Jedes Planetenrad 12 a, b, usw. sitzt auf einer getrennten Planetenradwelle 24 a, b, usw., wobei jedes Ende der Welle in einem Planetenradträger 22 gelagert ist. Durch eine Drehung des Antriebskettenrads 4 wird über die flexible Kupplung 82 das Sonnenrad 10 um die Hauptwelle 2 in Drehung versetzt. Das Sonnenrad 10 dreht die Planetenräder 12 a, b, usw., die ihrerseits das innenverzahnte Nabenrad 14 in Drehung versetzen (das ein gemeinsamer Teil der Gehäusenabe 15 ist). Die Drehung der Gehäusenabe 15 und damit des übrigen Getriebegehäuses 100 treibt das Hinterrad an, dessen Speichen damit verbunden sind.
Jedes Planetenrad 12 a, b, usw. ist auf seiner entsprechenden Welle 24 a, b, usw. über seine entsprechende Überrollkupplung 46 a, b, usw. befestigt. Durch die Kupplung 46 a, b, usw. kann sich jedes Planetenrad 12 a, b, usw. um seine Welle 24 a, b, usw. nur in die Richtung entgegen sowie gegen jene Kraft drehen, die vom Antrieb des Sonnenrads 10 aufgebracht wird, wenn sich das Getriebe 1 in Richtung eines Antriebszustands dreht. Jede Planetenradwelle 24 a, b, usw. besitzt einen integrierten Drehmomentenarm 126 a, b, usw., der ihr zugeordnet ist. Jeder integrierte Drehmomentenarm 126 a, b, usw. ist mit einem Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. flexibel verbunden, der auf der äußeren Laufbahn 124 der Exzenterschalteinrichtung 102 läuft. Wenn die Exzenterschalteinrichtung 102 mittig angeordnet ist, so daß im wesentlichen keine Exzentrizität zur Hauptwelle 2 besteht, ist jedes Planetenrad 12 a, b, usw. gegen eine Drehung in die Antriebsrichtung verriegelt. Damit ist jedes Planetenrad 12 a, b, usw. mit dem Sonnenrad 10 und dem innenverzahnten Nabenrad 14 verriegelt. Zwischen dem Antriebskettenrad 4 und der Getriebegehäusenabe 15 entsteht ein Übersetzungsverhältnis von 1:1.
Das innenverzahnte Nabenrad 14 steht mit den Planetenrädern 12 a, b, usw. im Eingriff, wobei es über die Planetenräder 12 a, b, usw. vom Sonnenrad 10 angetrieben wird. Durch die Einstellung der Lage der Exzenterschalteinrichtung 102 ändert sich die Lage der Exzenternockenstößel 26 a, b, usw., um zu veranlassen, daß jedes Planetenrad 12 a, b, usw. der Reihe nach mit einer größeren Geschwindigkeit um das Sonnenrad 10 "läuft", als sich das Sonnenrad 10 dreht. Dadurch wird die dem innenverzahnten Nabenrad 14 aufgeprägte Abtriebsdrehzahl um den Betrag oder die Geschwindigkeit des "Laufs" (Drehung) exponentiell erhöht. Die Übersetzungsverhältnis-Schaltnabe 64 ist vereinfacht mit dem Doppelpfeil 60 dargestellt, dessen Bewegung den Betrag oder die Amplitude der Bewegung der Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. in jene Richtung steuert, die vereinfacht mit dem Pfeil 61 dargestellt ist.
Nunmehr wird auf Fig. 4 Bezug genommen, um das zusammengebaute Getriebe 1 dieser Erfindung zu beschreiben. Die Hauptwelle 2 verläuft durch den gesamten Getriebeaufbau 1, wobei sie darin geeignet gelagert ist. Die Hauptwelle 2 ist zu allen inneren Bauteilen des Getriebes 1 zentral angeordnet. Dadurch kann das Hinterrad des Fahrrads "freilaufen", wenn über die Antriebskette kein Drehmoment aufgebracht wird.
Der Kettenradantrieb 116 dreht sich um die Hauptwelle 2, wobei er darauf mit einer Sicherungsmutter 50 gehalten wird. Ein Lager 38 liegt zwischen dem Kettenradantrieb 116 und der Sicherungsmutter 50. Das Antriebskettenrad 4 sitzt auf einem Kettenrad-Nabenring 6, wobei es von einem Kettenrad-Sprengring 56 an seiner Stelle gehalten wird. Der gesamte Aufbau 116 wirkt über die flexible Kupplung 82 mit Verlängerungsfingern 13 a, b und c zusammen. Die Verlängerungsfinger 13a, b und c sind gemeinsam mit den Sonnenrad 10 ausgebildet. Wenn sich der Kettenradantrieb 116 dreht, wird somit auch das Sonnenrad 10 in Drehung versetzt.
Radspeichen 96 sind an den Speichenringen 16 befestigt, die gemeinsam mit der Gehäusenabe 15 des Getriebes 1 aufgebaut sind. Die Gehäusenabe 15, die ein integriertes innenverzahntes Nabenrad 14 besitzt, liegt an zwei Stirnplatten 18R und 20L. Diese Bauelemente bilden zusammen den Getriebegehäuseaufbau 100.
Wie bereits oben erwähnt wurde, wird durch eine Drehung des Antriebkettenrads 4 das Sonnenrad 10 mit einem festen 1: 1-Übersetzungsverhältnis in Drehung versetzt. Die Drehung des Sonnenrads 10 verursacht ihrerseits, daß jedes Planetenrad 12 a, b, usw., wenn es verriegelt ist, synchron mit dem Sonnenrad 10 in Drehung versetzt wird. Die Drehung der Planetenräder 12 a, b, usw. versetzt dann das innenverzahnte Nabenrad 14 direkt in Drehung, wodurch sich die Gehäusenabe 15 synchron mit dem Sonnenrad 10 dreht. Ein Übersetzungsverhältnis, das größer als 1:1 ist, kann man dadurch erhalten, daß die Exzenterschalteinrichtung 102 eingestellt wird (wie dies später beschrieben wird). Diese Exzentereinstellung verändert den Betrag der Drehung der Planetenräder 12 a, b, usw. zum Sonnenrad 10, so daß jedes Planetenrad 12 a, b, usw. dem innenverzahnten Nabenrad 14 der Reihe nach einen größeren Betrag der Drehung aufprägt, als dies nur mit dem Sonnenrad 10 allein der Fall wäre. Im wesentlichen "läuft" das Antriebsplanetenrad 12 a, b, usw. schneller um das Sonnenrad 10, als sich das Sonnenrad 10 dreht. Auf diese Weise wird die Drehzahl des Antriebs exponentiell vervielfacht, wobei dies von der "Lauf"-Geschwindigkeit des Planetenrads 12 a, b, usw. abhängt, die ihrerseits vom Grad oder Betrag der Exzentrizität abhängt, die mit der Exzentersteuerung (nicht dargestellt) ausgewählt wurde.
Nunmehr wird auf Fig. 5 bis 11 Bezug genommen, um die Arbeitsweise der Exzenterschalteinrichtung 102 zu beschreiben. Jedes Planetenrad 12 a, b, usw. ist über eine Überrollkupplung 46 a, b, usw. auf einer inneren Laufbahn 122 der Planetenradwelle 24 a, b, usw. befestigt. Damit ändert eine kleine Drehung der Planetenradwelle 24 a, b, usw. das Verhältnis zwischen dem Sonnenrad 10 und dem zugeordneten Planetenrad 12 a, b, usw.
Jede Planetenradwelle 24 a, b, usw. besitzt einen entsprechenden Exzenternockenstößel 26 a, b, usw., der die Oberfläche des Exzenterrings 28 berührt. Wenn die Stellung der Exzenterschalteinrichtung 102 verändert wird, um den Betrag der Exzentrizität und damit das Übersetzungsverhältnis zu ändern, wird die Ausrichtung der Exzenternokkenstößel 26 a, b, usw. verändert, um den Planetenradwellen 24 a, b, usw. eine gleichartige Veränderung aufzuprägen.
Bei einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung weist jede Planetenradwelle 24 a, b, usw. ein erstes Ende 118, das im Planetenradträger 22 gelagert ist, einen Zwischenteil 120, der die Kupplungslaufbahn 128 enthält, sowie einen Drehmomentenarm 126 auf, der das vom Nockenstößel 26 a, b, usw. angelegte Drehmoment über die flexible Kupplung der Planetenradwelle 80 a, b, usw. überträgt. Jeder Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. wird von einer am Planetenradträger 22 verankerten Zugfeder 48 so vorgespannt, daß er mit der Außenfläche eines Exzenternockenrings 28 in Berührung tritt.
Bei einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung (siehe Fig. 14) ist jede Planetenradwelle 24a', b', usw. an ihrem ersten Ende 118' in einer Stirnplatte 18R' und an ihrem zweiten Ende 140' in einer Endplatte 20L' gelagert. Dabei ist weder ein Planetenradträger 22 noch ein innenverzahntes Nabenrad 14 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform wird der Getriebegehäuseaufbau 100' direkt von den gelagerten Planetenradwellen 24a', b', usw. angetrieben, wenn sich die Planetenräder 12a', b', usw. drehen.
Wenn mit der Exzentersteuerung ein bestimmter Exzentrizitätsgrad gewählt wird, und wenn jedes Planetenrad 12 a, b, usw. vom Sonnenrad 10 in Drehung versetzt wird, schwingt sein Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. um den Exzenterring 28 nach innen und außen. Wenn der Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. nach innen schwingt, dreht sich die Innenlaufbahn der Planetenräder 122 in die entgegengesetzte Richtung (gegen den Uhrzeigersinn) und "läuft im Freilauf", da sie an einer Drehung in diese Richtung nicht gehindert wird. Wenn jedoch der Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. nach außen (im Uhrzeigersinn) schwingt, wird die Innenlaufbahn der Planetenräder 122 von einer Drehung innerhalb des Planetenrads durch die Überrollkupplung 46 a, b, usw. ausgeschlossen. Jedes Planetenrad 12 a, b, usw., das sich in der verriegelten Stellung befindet, wird ratschenartig dazu gezwungen, im Uhrzeigersinn um das Sonnenrad 10 zu "laufen", das sich ebenfalls im Uhrzeigersinn dreht. Der Betrag oder die Größe des "Laufs" ist ein zusätzlicher Geschwindigkeitsfaktor, der die Grunddrehzahl des Sonnenrads 10 vervielfacht.
Die Exzenterschalteinrichtung 102 weist einen Innenexzenter 32, einen Außenexzenter 30, ein Nadellager 66 sowie einen äußeren Exzenterring 28 auf. Der Innenexzenter 32, der gemeinsam mit einer Übersetzungsverhältnis-Schaltnabe 68 aufgebaut ist, ist auf einer Laufbahn 130 gelagert. Die Übersetzungsverhältnis-Schaltnabe 68 ist mechanisch mit Steuerkabeln 104 und 106 verbunden. Der Innenexzenter 32 wird daher durch eine Bewegung des Kabels 104 in eine Richtung und durch eine Bewegung des Kabels 106 in die entgegengesetzte Richtung gedreht. Der Außenexzenter 30 ist auf der Laufbahn 130 des Innenexzenters gelagert.
Wie bereits oben erwähnt, ist der Außenexzenter 30 auf der Laufbahn 130 des Innenexzenters 32 gelagert. Die Außenfläche des Außenexzenters 30 enthält ihrerseits eine Laufbahn 132, auf der das Exzenternadellager 66 und der Exzenterring 28 gelagert sind. Die linke Seite des Außenexzenters 30 (von Fig. 8 aus gesehen) weist einen Vorsprung 108 auf, dessen Querschnitt die Form eines 300º -Kreises besitzt und dessen Innenende mit einem äußeren Exzentersteg 110 gemeinsam ausgebildet ist. Der Vorsprung 108 ist so aufgebaut, daß er in eine entsprechende Keilnut 112 einrastet, die in einem Jochsegment 114 ausgebildet ist, das im oder in der Nähe des Mittelpunkts der Hauptwelle 2 gemeinsam ausgebildet ist. Da der Außenexzenter 30 im Joch 114 verriegelt ist und sich um die Laufbahn 130 des Innenexzenters 32 frei drehen kann, wird eine Drehung des Innenexzenters 32, die von der Übersetzungsverhältnis-Schaltnabe 68 hervorgerufen wird, den Außenexzenter 30 um die Mittellinie des Vorsprungs 108 um den gleichen Betrag aber in die entgegengesetzte Richtung verschwenken, als sich der Innenexzenter 32 dreht. Dadurch wird das Verhältnis zwischen dem Innenexzenter 32 und dem Außenexzenter 30 um genau den doppelten Betrag jener Drehung verändert, die der Antrieb der Übersetzungsverhältnis- Schaltnabe 68 dem Innenexzenter 32 aufprägt. Wenn die geschachtelten Exzenter 30 und 32 auf diese Weise in Drehung versetzt werden, verursacht die auf den äußeren Exzenterring 28 von den Exzenternockenstößeln 26 a, b, usw. ausgeübte Lastkraft eine Reaktion der Exzenter 30 und 32 auf diese Kraft gegeneinander, wodurch das Übersetzungsverhältnis auch unter Last geändert werden kann. Eine derartige Gegendrehung des Innen- und Außenexzenters (30 und 32) wird den Abstand zwischen der Mittellinie des Außenexzenters 30 und der Hauptwelle 2 vergrößern oder verkleinern.
In der Stellung ohne Exzentrizität liegt die Hauptwelle 2 konzentrisch zum Exzenterring 28. In dieser Stellung ist das Getriebe 1 mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 verriegelt. Ein Weiterdrehen des Innenexzenters 32 zu seinem maximalen Betrag der Drehung (der maximale Betrag der Exzentrizität zwischen der Mittellinie der Hauptwelle 2 und dem Umfang des Exzenterrings 28) führt zu einer relativen Ausrichtung, wobei der Abstand von der Mittellinie der Hauptwelle 2 die größte Abmessung besitzt, da die Exzentrizität ihren maximalen Betrag aufweist.
Wenn, wie Fig. 6B zeigt, der Innenexzenter 32 gedreht wurde, um zwischen der Achse der Hauptwelle 2 und dem Exzenterring 28 eine Exzentrizität aufzuprägen, liegt jeder Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. in einem verschiedenen Winkelverhältnis. Wenn die Hauptwelle 2 konzentrisch zur Außenfläche des Exzenterrings 28 liegt, besitzen alle Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. die gleiche Winkelausrichtung (siehe Fig. 6A). Da Federn 48 a, b, usw. die Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. mit dem Exzenterring 28 in Berührung drücken, wird die Ausrichtung eines jeden Exzenternockenstößels 26 a, b, usw. fortlaufend verändert, wobei dies von seiner Stellung am Umfang während der Drehung abhängt. Wenn ein bestimmter Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. in seine Stellung mit maximaler Auslenkung bewegt wird, wurde sein entsprechendes Planetenrad 12 a, b, usw. auf ähnliche Art um den gleichen Bogen gedreht, wodurch das innenverzahnte Nabenrad 14 um einen proportionalen Betrag vorgeschoben wird.
Da alle Planetenräder 12 a, b, usw. mit dem selben Sonnenrad 10 und dem innenverzahnten Nabenrad 14 im Eingriff stehen, drehen sich alle Planetenräder 12 a, b, usw. immer gleich schnell. Jeder Exzenternokkenstößel 26 a, b, usw. und das ihm zugeordnete Planetenrad 12 a, b, usw. nehmen der Reihe nach die Antriebsfunktion vom unmittelbar vorhergehenden auf und treiben den Getriebenabenaufbau 100 um das Sonnenrad 10 mit konstanter Drehzahl weiter an. Da die Planetenradträger-Stirnplatte 22 durch die gepulste, ratschenartige Wirkung der Planetenräder 12 a, b, usw. mit einer höheren Drehzahl um das Sonnenrad 10 angetrieben wird, wird die Drehzahl des Getriebenabenaufbaus 100 proportional erhöht. Je schneller sich die Planetenradträger- Stirnplatte 22 dreht, umso öfter drehen sich die Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. um die Exzenterschalteinrichtung 102 und umso öfter laufen die Planetenräder 12 a, b, usw. um die Hauptwellen. Dies führt zu einer größeren Anzahl von Impulsen, mit denen die Planetenradträger-Stirnplatte schneller angetrieben wird, usw. Das Endergebnis besteht in einer exponentiellen Vervielfachung, da jede Zunahme der Grunddrehzahl des Sonnenrads 10 zugeschlagen wird.
Das Planetenrad 12 a, b, usw., dem ein zwangsweise ausgelenkter Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. zugeordnet ist, wird immer dann zu einem Antriebsrad, wenn seine Winkelgeschwindigkeit im Uhrzeigersinn größer als die irgendeines anderen Planetenrads 12 a, b, usw. ist. Wenn sich das Getriebe nicht im 1:1-Übersetzungsverhältnis befindet, prägt jedes Planetenrad, wenn es sich im Antriebszustand befindet, der Planetenradträger-Stirnplatte 22 und dem innenverzahnten Nabenrad 14 eine höhere Drehzahl als das Sonnenrad 10 auf. Der Betrag der Zunahme der Abtriebsdrehzahl ist ein Vielfaches der Antriebsdrehzahl. Wenn sich das Rad des fahrrads dreht, übernimmt das nächste Planetenrad 12 a, b, usw. der Reihe nach die Antriebswirkung, um den Abtrieb durch eine Reihe von "gepulsten" Ratschenbewegungen zu vergrößern. Die Abtriebsdrehzahl des Antriebs hängt selbstverständlich vom Betrag der Exzentrizität ab, die den Exzenternockenstößeln 26 a, b, usw. aufgeprägt wurde, da sie den Betrag (Grad) der Drehzahlvervielfachung steuern, die den Planetenrädern 12 a, b, usw. aufgeprägt wird.
Alle Nockenstößel 26 a, b, usw. werden von Federn 48 a, b, usw. weiter nach innen (gegen den Uhrzeigersinn) vorgespannt als jener, der das innenverzahnte Nabenrad antreibt. Durch dies Vorspannung nach innen kann sich jedes zugeordnete Planetenrad 12 a, b, usw. in die entgegengesetzte Richtung frei drehen. Dadurch entriegeln die Überrollkupplungen 46 a, b, usw., wodurch ihre entsprechenden Planetenräder ihre Kupplungslaufbahnen 128 a, b, usw. überrollen können.
Nunmehr wird auf Fig. 12 Bezug genommen, in der Einzelheiten der Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. zusammen mit einer Tabelle von kritischen Abmessungen dargestellt sind. Es wurde festgestellt, daß bei jedem Berührungspunkt des Exzenternockenstößels 26 a, b, usw. mit der zylindrischen Außenfläche des Exzenterrings 28 ein kritisches Verhältnis besteht. Der kritische Faktor liegt darin, daß die Winkelgeschwindigkeit des Planetenrads 12 a, b, usw. über den Drehbogen um die Exzenter konstant bleiben muß, wenn sich das bestimmte Planetenrad 12 a, b, usw. im Antriebszustand befindet. Wenn die Winkelgeschwindigkeit nicht konstant ist, wird ein unregelmäßiger oder "gepulster" Antrieb aufgeprägt. Damit ist die Form der Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. an jener Stelle kritisch, wo sie die zylindrische Außenfläche des Exzenterrings 28 berühren.
Ein gleich kritische Bedingung besteht darin, daß das Abtriebsdrehmoment des Planetenrads 12 a, b, usw. über die gesamte Antriebsphase eines jeden Planetenrads 12 a, b, usw. auf einem konstanten Pegel gehalten werden muß. Andernfalls würde eine ungleichmäßige oder gepulste Reaktionskraft durch das System zu den Pedalen (nicht dargestellt) reflektiert werden, die bei bestimmten harmonischen Frequenzen die Wirkung durch jene Hysterese verstärken kann, die das System besitzt. Daher müssen sowohl die Winkelgeschwindigkeit als auch die Kraft (Drehmoment) in der empirische Gleichung enthalten sein, mit der die Abmessungen der Berührungsfläche der Exzenternockenstößel festgelegt werden.
In Fig. 12 ist ein Exzenternockenstößel mit einer Tabelle von Abmessungen dargestellt, die unter Verwendung eines Exzenterrings berechnet wurden, der einen Außendurchmesser von 4,605 cm (1,813 inches) und einen Planetenradwellen-Bolzenkreis mit einem Durchmesser von 7,727 cm (3,042 inches) besitzt. Ausgehend von der gezeigten X- und Y-Bezugslinie, die in jenen Winkelverhältnissen liegen, die bezogen auf die Achse des Exzenternockenstößels angegeben sind, besitzen die X- und Y-Koordinaten die in der Tabelle angeführten Werte.
Im wesentlichen verläuft die Berührungsfläche eines jeden Exzenternockenstößels 26 a, b, usw. bei maximaler Exzentrizität im allgemeinen vom Punkt B zum Punkt A. Ausgehend von B gibt es ein gerades Segment, das unter einem Winkel von 55,34º zur Bezugslinie Y zu einem abgerundeten Teil verläuft, der bei C beginnt, wobei die kritische Form des Stößels jene Form bestimmt, die für eine konstante Drehzahl der Planetenradwelle 24 a, b, usw. über die Antriebsphase des Bereichs C erforderlich ist, worauf eine kleine Krümmung nach oben zu A beibehalten wird. Von A zum Ende der Fläche besteht grob gesagt eine geradlinige Fläche, die unter 11,64º zur Bezugslinie bis zu einem Punkt verläuft, der 6,12 mm (0,241 inches) von der Bezugslinie Y entfernt an jener Stelle liegt, wo diese die Bezugslinie X schneidet.
Nunmehr wird auf Fig. 7 Bezug genommen, um die flexible Kupplung 82 zu beschreiben. In das Antriebskettenrad 4 sind geschlitzte Bögen 134 a, b und c eingelassen, die Neoprenfedern 82 a, b, c und Verlängerungsfinger 13 a, b, c aufnehmen, die gemeinsam mit dem Sonnenrad 10 ausgebildet sind. Die Schlitze 134 a, b und c, die in die Kettenradnabe 8 eingelassen sind, sind so aufgebaut, daß sie eine diskrete Anzahl von Drehwerten zwischen der Kettenradnabe 8 und dem Sonnenrad 10 zulassen. Dies dient dazu, um unregelmäßige Spitzenkräfte aufzunehmen, die vom Sonnenrad 10 über die flexible Kupplung 82 zur Kettenradnabe 8 übertragen werden können. Anders ausgedrückt: dieser Aufbau entfernt oder absorbiert alle Welligkeits- oder Schlagwirkungen zu den Pedalen, die über die Kettenglieder (nicht dargestellt) übertragen werden können.
Nunmehr wird auf Fig. 4, 6A und 6B Bezug genommen, um die flexible Kupplung 80 zwischen dem Planetenrad-Drehmomentenarm 126 und den Exzenternockenstößeln 26 a, b, usw. zu beschreiben. Jeder Exzenternokkenstößel 26 a, b, usw. wird in einen Schlitz 138 a, b, usw. in den Planetenradwellen 24 a, b, usw. eingesetzt und in eine Stellung gedreht, in der er mit den Wellen 24 a, b, usw. verriegelt ist. In dieser Stellung wird die flexible Kupplung 80 zwischen dem Planetenradwellen-Drehmomentenarm 126 a, b, usw. und dem Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. befestigt. Wenn die Exzenternockenstößel 26 a, b, usw. geschwenkt werden, um die Planetenräder 12 a, b, usw. ratschenartig vorwärts anzutreiben, wird der Stoß beim Kuppeln und Entkuppeln der Überrollkupplungen 46 a, b, usw. von ihren entsprechenden Laufbahnen von den Exzenternockenstößeln 26 a, b, usw. unterbrochen. Die Federn der flexiblen Kupplung 80a, b und c können gleichfalls Ungenauigkeiten in den Fertigungstoleranzen kompensieren, die andernfalls als Unregelmäßigkeiten in den Winkelgeschwindigkeiten oder Drehmomentkräften während der Antriebsphase des Planetenrads reflektiert werden können.
Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung ein einmaliges und besonders anpassungsfähiges, kontinuierlich veränderliches Getriebe liefert, das die Abtriebsdrehzahl stufenlos über einen breiten Bereich von Übersetzungsverhältnissen wirkungsvoll verändern kann, wenn das Getriebe unter Last steht, sich nicht dreht oder stillsteht, ohne daß der Fahrer über die Pedale irgendwelche Welligkeitskräfte oder Unregelmäßigkeiten vom Antriebskettenrad fühlt. Das Getriebe verwendet eine ratschenartige Wirkung, um der Reihe nach eine Vielzahl von Planetenrädern, die in einem Planetenradträger gelagert sind, um das Sonnenrad "laufen" zu lassen. Während die Planetenräder um das Sonnenrad laufen, bringen sie die Abtriebsnabe mit einer erhöhten Drehzahl gegenüber dem Planetenradträger zum Laufen. Das Sonnenrad wird direkt in Drehung versetzt und wirkt als Antriebselement. Beim niedrigsten Übersetzungsverhältnis (1:1) treibt das Sonnenrad den Planetenradträger und die Abtriebsnabe. Die Bewegung einer Reihe von geschachtelten Exzentern verändert das Verhältnis der Planetenräder der Reihe nach, während das Sonnenrad veranlaßt, daß sich die Planetenräder um den festen Exzenteraufbau drehen, wodurch der Getriebeabtriebsnabe ein zusätzlicher Geschwindigkeitsfaktor aufgeprägt wird.

Claims

1. Kontinuierlich veränderliches Getriebe, das enthält:

einen Antrieb (4, 8), der eine Antriebswelle aufweist, mit der ein Sonnenrad (10) drehbar ist,

eine Abtriebsdrehzahlsteuerung (102), die betriebsmäßig mit dem Antrieb verbunden ist,

einen Kraftabtrieb, der eine Vielzahl von Planetenrädern (12a, b, c, d) aufweist, die beabstandet sind und mit dem Sonnenrad (10) im Eingriff stehen, wobei der Kraftabtrieb betriebsmäßig mit der Abtriebsdrehzahlsteuerung verbunden ist,

wobei die Abtriebsdrehzahlsteuerung eine Exzentereinrichtung (30, 32, 102) aufweist, die in stufenlosen Schritten von einer ersten Stellung, in der der Kraftantrieb und der Kraftabtrieb konzentrisch liegen, wobei das Verhältnis der Abtriebs- zur Antriebsdrehzahl gleich 1:1 ist, zu einer Vielzahl von wählbaren exzentrischen Stellungen bewegbar ist, wobei das Verhältnis der Abtriebszur Antriebsdrehzahl fortlaufend größer als 1:1 ist, wenn die gewählten exzentrischen Stellungen fortlaufend vergrößert werden, wobei jedes Planetenrad (12a, b, c, d) auf einer Planetenradwelle (24a, b, c, d) über eine Überrollkupplung (46a, b, c, d) befestigt ist, die ermöglicht, daß sich jedes Planetenrad in eine Richtung um seine jeweilige Welle frei drehen kann, und die ausschließt, daß es sich um diese Welle in die entgegengesetzte Richtung drehen kann, sowie

eine Einrichtung, um die Winkelgeschwindigkeit jedes Planetenrads über seinen Drehbogen um die Exzentereinrichtung relativ konstant zu halten, wenn sich das Planetenrad im Antriebszustand befindet, um auszuschließen, daß jener Einrichtung eine gepulster Antrieb aufgeprägt wird, die ein Nockenstößelelement (26a, b, c, d) auf jeder Planetenradwelle (24a, b, c, d) besitzt, das betriebsmäßig in eine Fläche auf der Exzentereinrichtung (28, 30, 32, 102) eingreift, wobei das Nockenstößelelement so ausgelegt und geformt ist, um über die Antriebsphase seines entsprechenden Planetenrads eine relativ konstante Drehzahl für seine entsprechende Planetenradwelle zu liefern,

wobei eine Bewegung der Exzentereinrichtung (30, 32, 102) aus ihrer ersten exzentrischen Stellung in irgendeine exzentrische Stellung das geometrische Verhältnis zwischen den Nockenstößelelementen (26a, b, c, d) eines jeden Planetenrads (12a, b, c, d) so verändert, daß bei einer Drehung des Sonnenrads (10) ausgewählte Planetenräder der Reihe nach von ihrem entsprechenden Nockenstößelelement bewegt werden, um sich in diskreten Drehbögen gegenüber dem Sonnenrad (10) zu drehen und dadurch die dem Kraftabtrieb aufgeprägte Antriebsgeschwindigkeit um einen Faktor zu vervielfachen, der dem Betrag der Bewegung entspricht, die den Nockenstößeln aufgeprägt wurde.

2. Kontinuierlich veränderliches Getriebe gemäß Anspruch 1, wobei es eine Einrichtung (82) aufweist, um irgendwelche Welligkeiten oder Stöße zu absorbieren, die dem Antrieb aufgeprägt werden.

3. Kontinuierlich veränderliches Getriebe gemäß Anspruch 2, wobei die Einrichtung zum Absorbieren von irgendwelchen Welligkeiten oder Stößen, die dem Antrieb aufgeprägt werden, eine flexible Kupplung (82) aufweist, die zwischen einem äußeren Kraftantrieb und dem Antrieb liegt.

4. Kontinuierlich veränderliches Getriebe gemäß Anspruch 1, wobei das Getriebe eine Einrichtung (80) aufweist, die zwischen jeder Planetenradwelle und deren entsprechender Einrichtung liegt, um die Winkelgeschwindigkeit eines jeden Planetenrads über seinen Drehbogen um die Exzentereinrichtung relativ konstant zu halten, um den Stoß beim Einkuppeln und Auskuppeln der Überrollkupplungen zu unterbrechen.

5. Kontinuierlich veränderliches Getriebe gemäß Anspruch 4, wobei die Einrichtung, um den Stoß beim Einkuppeln und Auskuppeln zu unterbrechen, eine flexible Kupplung (80a, b, c, d) aufweist, die zwischen jeder Planetenradwelle und der Exzentereinrichtung angebracht ist.

6. Kontinuierlich veränderliches Getriebe gemäß Anspruch 1, wobei der Kraftabtrieb ein innenverzahntes Nabenradelement (14) aufweist, das mit jedem Planetenrad (12a, b, c, d) im Eingriff steht, wobei eine Drehung der Planetenräder das innenverzahnte Nabenradelement in Drehung versetzt.

7. Kontinuierlich veränderliches Getriebe gemäß Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Abtriebs- zur Antriebsdrehzahl bei einer Stellung mit maximaler Exzentrizität bis zu einem Verhältnis von zumindest 4:1 erhöht werden kann.

8. Kontinuierlich veränderliches Getriebe gemäß Anspruch 1, wobei die Exzentereinrichtung ein inneres Exzenterelement (32), ein äußeres Exzenterelement (30), ein Nadellager (66), das am äußeren Exzenter gelagert ist, sowie einen äußeren Exzenterring (28) aufweist, der im Nadellager gelagert ist, wobei der innere Exzenter ein zylindrisches Segment aufweist, das im äußeren Exzenterelement gelagert ist, wobei eine Drehung des inneren Exzenterelements eine Drehung des äußeren Exzenterelements und des äußeren Exzenterrings von einer ersten Stellung, in der die Achse des inneren Exzenterelements koaxial zur Achse des äußeren Exzenterelements liegt, zu einer Vielzahl von Stellungen hervorruft, in denen die Achsen fortlaufend voneinander ausgelenkt werden.

9. Kontinuierlich veränderliches Getriebe gemäß Anspruch 8, wobei jeder Nockenstößel in eine Berührung mit dem äußeren Exzenterring (28) vorgespannt wird.