WO2009132605A1 - Mehrfachgetriebe mit magnetischer ansteuerung - Google Patents

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WO2009132605A1
WO2009132605A1 PCT/DE2008/000777 DE2008000777W WO2009132605A1 WO 2009132605 A1 WO2009132605 A1 WO 2009132605A1 DE 2008000777 W DE2008000777 W DE 2008000777W WO 2009132605 A1 WO2009132605 A1 WO 2009132605A1
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WO
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multiple transmission
transmission according
coupling means
output shaft
shaft
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PCT/DE2008/000777
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karlheinz Nicolai
Original Assignee
Karlheinz Nicolai
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H3/00—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion
    • F16H3/02—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion without gears having orbital motion
    • F16H3/08—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion without gears having orbital motion exclusively or essentially with continuously meshing gears, that can be disengaged from their shafts
    • F16H3/083—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion without gears having orbital motion exclusively or essentially with continuously meshing gears, that can be disengaged from their shafts with radially acting and axially controlled clutching members, e.g. sliding keys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M11/00—Transmissions characterised by the use of interengaging toothed wheels or frictionally-engaging wheels
    • B62M11/04—Transmissions characterised by the use of interengaging toothed wheels or frictionally-engaging wheels of changeable ratio
    • B62M11/06—Transmissions characterised by the use of interengaging toothed wheels or frictionally-engaging wheels of changeable ratio with spur gear wheels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H9/00—Gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio, or for reversing rotary motion, by endless flexible members
    • F16H9/02—Gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio, or for reversing rotary motion, by endless flexible members without members having orbital motion
    • F16H9/04—Gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio, or for reversing rotary motion, by endless flexible members without members having orbital motion using belts, V-belts, or ropes

Definitions

  • the invention relates to a multiple transmission with magnetic drive for vehicles or for use in propulsion technology with a mounted on a frame input shaft and output shaft, wherein the input shaft and the output shaft are led out of the frame, with the following features:
  • a) between the input shaft and the output shaft are gear ratios with gear wheels that can be designed as a gear or Switzerlandstoffgetriebe, b) are rotatably mounted on the input shaft or the output shaft gear wheels, which are rotatably connected by positive coupling means with the shaft, c d) Within the coupling means, at least one component is rotatably or displaceably mounted relative to a toothing; e) Within the coupling means, at least one component can assume a form-fitting position in a toothing; of the coupling means, at least one component can assume a position at a distance relative to a toothing.
  • Switchable transmissions have become indispensable in the field of motorized vehicles for the past 100 years. They are also used in drive technology on numerous machines. Very often, these are gearbox designs that work with the help of gears as a spur gear or epicyclic gear (planetary gear). However, the production technology of this transmission is usually very complicated and expensive. Since these power-transmitting gear components are usually made of steel, the weight is currently always in the focus of criticism and is to be regarded as a disadvantage. For example, lighter transmissions would Lower energy consumption.
  • the novelty to be described below can be used in all imaginable product branches and, especially with regard to the low weight, is excellently suitable for use in vehicles, since fiber-reinforced plastics are used as force-transmitting components.
  • land vehicles, aircraft and watercraft can be seen, which can be equipped with internal combustion engines, electric motors or other units.
  • a use in vehicles is conceivable, which are powered by muscle power.
  • the vehicles must be exceptionally light. The functional description of the transmission should be made for this reason, for example, on a bicycle.
  • a rotatable bottom bracket with one or more chainrings is mounted on the frame, which forms the main component of the bicycle with all its mounting points for the front fork, the seat post and the rear wheel.
  • a cassette consisting of up to ten different sized pinions.
  • a derailleur is mounted, whose task is to guide the chain on the pinions of the cassette and to enable switching operations.
  • Bicycles with a shifting system as described above are generally referred to as derailleur bicycles.
  • the planetary gear is brought by the primary drive to a higher speed to withstand the forces acting.
  • this design reduces the efficiency of the drive. This is to be seen as a disadvantage compared to the invention.
  • similar transmissions are known for example from US 5553510, US4955247, US5924950, DE20201787U1, WO2006 / 039880 A1, US2004 / 0067804A1 and US2004 / 0066017A1.
  • Their structure is usually very difficult and complex.
  • the invention provides a lightweight and simply built solution for the cited type of transmission. Put all these gearboxes different translations between two parallel waves ago.
  • one of the shafts is usually the drive shaft and another shaft is the output shaft.
  • the drive shaft is referred to below as the input shaft.
  • the output shaft is referred to below as the output shaft. If in the following only the term wave is used, then the input or the output wave is meant.
  • the invention thus improves multiple transmission with input shaft and output shaft, wherein the input shaft is configured to receive the input torque and the output shaft is usually led out of the gear housing and is configured at this end for forwarding the torque to the wheels of the vehicle.
  • the housing for example, Zaffenson are mounted in parallel on the input shaft and the output shaft and connected in pairs with traction means. With the help of a shift control the Glasstofftex can be coupled to the output shaft.
  • the vehicle may be, for example, a bicycle, where the input shaft for receiving cranks is designed there and guided out with its two ends from the transmission housing.
  • the output shaft has at its end a pinion for transmitting torque to the rear wheel.
  • the vehicle may be a motorcycle in which the transmission is advantageously located behind the crankcase.
  • the input shaft is suitably connected to the crankshaft.
  • the output shaft transmits the torque through another machine element (eg chain, timing belt, cardan) to the rear wheel.
  • Another machine element eg chain, timing belt, cardan
  • Such a traction mechanism is known for example from US4,158,316.
  • This gear several sprockets with different diameters are rotatable on the
  • the so-called secondary ratio is formed by two further Buchstoffmanner that transmit the torque from the transmission to the rear wheel. It is beneficial if this
  • Traction drives generally have a discrete center distance, which depends solely on the pitch and the length of the traction device, and the diameter or the number of teeth of the Switzerlandstoffmannmann used.
  • This center distance can be described by the following formula:
  • At least one component within the coupling means has the properties of a permanent magnet with a magnetic north and south pole
  • the state of the coupling means changes by the variation of an additional magnetic field within or in the immediate vicinity of the coupling means, and i) during at least one switching operation the state of at least two coupling means changes simultaneously
  • At least one component within the coupling means has the properties of a permanent magnet with a magnetic north and south pole and the state of the coupling means by changing an additional magnetic field within or in the immediate vicinity of the coupling means changes and that during at least one switching operation of the Condition of at least two coupling means changes simultaneously and that at least one coupling means can only transmit torques in one direction of rotation, it is impossible that is switched by a switching errorrucdlich in an idle position of the transmission, causing damage to the gearbox and possibly Injuries in a cyclist can occur. Since only magnetic fields are changed for a gear change, switching changes under load and in the state are possible.
  • At least one component assumes a position at a distance relative to a toothing of a coupling body after two identically poled magnetic fields have moved toward one another, it is possible to ensure that the switching forces are reduced in comparison to the prior art.
  • the positive coupling means is formed by freewheel teeth, which can engage in a toothing, the overall structure can be kept very simple ..
  • a very space-saving design results when the teeth are designed as internal teeth within the coupling means.
  • the freewheel teeth are arranged symmetrically to the toothing within the coupling means in order to transmit the forces uniformly.
  • An advantageous control of the transmission is implemented when the change in the magnetic field is achieved by axial displacement of permanent magnets along the axis of rotation of the shaft, which is the coupling means.
  • gearbox without space-related access to the interior of the waves can be constructed according to the novelty, when the axial displacement of the permanent magnet outside the input shaft is completed.
  • the permanent magnets are inserted in different polarity in the spool component, so by the use of many equal parts the manufacturing costs can be kept low.
  • a very inexpensive solution for the axial movement of the spool component is achieved when the spool component communicates with a traction means.
  • the spool component assumes detent points within its axial movement relative to the shaft to reproducibly alter the magnetic field within or in the immediate vicinity of the coupling means.
  • the switching precision is improved.
  • the necessary switching forces are kept low if the positive non-rotatable connection between the shaft and the gear can be canceled with the help of the energy that was stored in the magnetic field prior to decoupling.
  • a fully electronic control of the state of the coupling means can be achieved when the change of an additional magnetic field within or in the immediate vicinity of the coupling means is accomplished by electromagnets. This may be advantageous in some applications of the transmission.
  • the gearbox is protected against external contamination if the frame of the gearbox is designed as a closed housing.
  • the dead weight is greatly reduced when the gear ratios located between the input shaft and the output shaft are designed as traction drives with toothed belts as traction means and with toothed belt pulleys as gears.
  • the traction means are reinforced by aramid, kevlar or carbon fiber materials.
  • a particularly low wear on the traction means is obtained when the fiber materials of the toothed belt are coated with polyurethane.
  • the skipping of the toothed belt on the toothed belt pulleys can be achieved in an advantageous manner, if the kidney-like shape of the traction means is formed under load by a straight shape of the load strand and by an increased concave curvature of the empty strand.
  • the friction can be additionally reduced if at least one component that presses the traction means in a kidney-shaped form, is designed as a roller.
  • Figure 1 shows a motorcycle in side view and with the integrated in the frame
  • Figure 4a shows the traction mechanism in an exploded view Figure 4b, the traction mechanism in a perspective view of Figure 5a, the traction mechanism without switching control, housing, traction means and Switzerlandstoffinn
  • Figure 5b the traction mechanism without switching control, housing, traction means and
  • Figure 1 shows a motorcycle with the novel transmission in side view. It recognizes the internal combustion engine 44 installed in the classic position below the tank 45 and enclosed by a tubular frame 46. On the tube frame 46, the rocker 2 is mounted. At the end of the rocker 2 is the rear wheel 12. All the usual parts of a motorcycle can be seen in the sketch, which will not be discussed in more detail below.
  • the novel transmission within the transmission housing 43 is located behind the crankshaft in the direction of travel.
  • the input shaft 7 is connected via a primary drive, not shown, with the crankshaft lying parallel.
  • the output shaft 8 has a not shown output pinion 4, which transmits the torque via the chain 11 to the rear wheel 12.
  • FIG. 2 shows the implementation of the invention within a motor vehicle.
  • the drive components are shown schematically.
  • a classic engine 44 installed transversely to the direction of travel.
  • the novel transmission within the transmission housing 43 is connected to the input shaft 7 directly to the crankshaft.
  • the output shaft 8 passes the torque in a differential gear 47. From this, both front wheels 48 are driven.
  • ancillaries 49 such as alternator, hydraulic pump for power steering, cooling fans and the like can be operated via the new traction mechanism. All these applications have been difficult to implement in the past as a switchable traction mechanism, since suitable traction means were not available.
  • Figure 3 shows a bicycle in side view, in the frame 1, the novel traction mechanism is disposed within the gear housing 43 with the pedal cranks 5.
  • the rear swing arm 2 and a damper element 3 is attached to the frame or on the gear housing.
  • the input shaft 7 is connected to the cranks 5.
  • an output pinion 4 is fixed on the output shaft 8, with the rear wheel 12 is driven via the chain 11.
  • the housing part 43 is here attached by way of example between the seat tube 10 and the down tube 9.
  • the rear wheel 12 is mounted in the dropout of the rocker 2 in the usual manner.
  • the novel traction mechanism 18 is housed in a multi-part housing 43, which, as Figure 4a and 4b shows, consists of a right and a left housing cover 13 and 14 and a middle part 15 of the housing.
  • the output pinion assembly 6 is rotatably mounted thereon. Outside the output pinion assembly 6, the two switching actuators 16 and 17 are located.
  • the bottom bracket eccentrics 21 and 22 are mounted in the housing parts 13 and 14 and coaxial with the input shaft 7, the bottom bracket eccentrics 21 and 22 are mounted. Left and right of the bottom bracket eccentric 21 and 22 are the pedal cranks 5, which are secured against rotation with a hexagonal receptacle with the traction mechanism 18 and thus can transmit the torque.
  • FIG. 5 shows the housing mounting of the new traction mechanism transmission in detail.
  • ball bearings 26 On the input shaft 7 ball bearings 26 is arranged which in turn in the Bottom cam eccentric 50 and 51 are arranged.
  • the contact pressure rings 27 and 28 which serve as spacers of the ball bearing 26.
  • located on the left side of a locking ring 37 which secures the ball bearings against lateral slipping.
  • seals 40 and seal rings 39 are mounted on the bottom bracket nuts 36, which protect the traction mechanism 18 from environmental influences.
  • the eccentric housing 50, 51 is fastened with 5 screws 29 to the housing covers 13 and 14 (not visible). Due to the rotatable mounting of the bottom bracket eccentric 21 and 22, the axis distance from input shaft 7 to output shaft 8 can be varied.
  • the drive cranks 5 On both sides of the drive cranks 5 are secured by a hexagonal Aufhahme on the shaft and also fixed by long nuts 35 and a pull rod 24 located in the shaft.
  • the output shaft 8 is located within the novel traction mechanism 18 and is mounted on both sides by deep groove ball bearings 25 and a bearing pressure ring 55 within the Schwingenlageraufhahmegephin 52 and 53.
  • Five screws 38 attach the two swing bearing receptacles 19 and 20 to the housing covers 13 and 14, not shown.
  • FIG. 6a and Figure 6b the structure of the traction pulleys 60 and 61 on the Drive shaft 7 and output shaft 8 shown.
  • the bottom bracket 7 is rotatably connected by the spline shaft with the drive pulley 60 and thus secured against radial displacement.
  • the flanged wheels 59 serve as spacers and secure the axial position of the drive pulley pulleys 60 relative to the traction means 66 during operation.
  • the output traction pulleys 61 are mounted congruently with the drive traction pulleys 60 on the output shaft 8.
  • the traction mechanism assemblies 56 enclose the respectively associated traction pulleys 60 and 61.
  • the pulleys 60 and 61 are chosen in size and arrangement so that a uniform gradation of the individual gears is possible.
  • On the bottom bracket 7 are in each case the drive pulleys 60 in the following order and number of teeth 34, 31, 41, 38, 40, 45 and 49.
  • the output pulleys 61 are in the following order and number of teeth: 34, 27, 31, 25, 23, 23 and 22 attached. These numbers of teeth are chosen only as an example to explain the construction and can also be chosen differently. Depending on which output pulley is coupled to the output shaft through a mechanism to be described, one obtains a different ratio between the drive shaft and output shaft.
  • the traction means are designed as fiber-reinforced toothed belts.
  • the structure of the output shaft assembly 65 is shown in Figure 7a and Figure 7b.
  • freewheel teeth 58 are each mounted between the Abtriebszugstoffin.
  • the movement of the freewheel teeth 58 on the multi-tooth axis 23 is controlled by the switching part 87, which is not visible in this figure.
  • axial wedges 96 are recessed to axially secure the inner rings of deep groove ball bearings 62 and to keep at a distance at certain positions of the shaft.
  • the output shaft has 8 recesses in which the freewheel teeth 58 can perform tilting movements. By this tilting movement, a positive connection between the freewheel teeth and an internal toothing of freewheel bodies 63 are made.
  • the detailed view of the Buchstoffbaueria 56 can be seen in Figure 8a and Figure 8b.
  • the Buchstoff Entry 68 presses, for example with the aid of Andschreiblagern 69, the traction means 66 in the direction of Switzerlandstoffin 60 and 61. Washers 69 secure the distance to the attachment 68 and screws 67 fix the Andschreiblager 69 to the Buchstoff entry 68.
  • the traction means in their construction designed so that only one Andschreiblager is necessary to press the traction means in the kidney contour.
  • Both cables 76 and 77 extend in two parallel grooves on the circumference of the tension coil 72 and are secured by a clamping screw 88 or by a cylindrical end body.
  • a clamping screw 88 By rotation of the tension coils in this way the trains up or unwound and it comes here to an axial movement of the switching member 87 within the output shaft 8, not shown. So that the switching member 87 can take only certain and reproducible positions within the output shaft 8 is located on the peripheral surface of the tension coils 72 locking recesses for the locking lever 73.
  • the leg spring 74 presses the radial ball bearing 75 on the locking lever 73 against the undulating surface of the tension coil 72. Through the troughs on the tension coil 72 it can take a rest position only at certain angular positions.
  • the leg spring 74 is located on a slide bearing 83 on a pin 81.
  • a washer 84 secures the distance of the radial ball bearing 75 to the Werner 80, which is fastened with screws 82 on the Wergeophen 86.
  • the radial ball bearing 70 in the interior of the tension coil 72 allows the rotational movement of the coil and a retaining ring 71 secures these bearings against displacement. Since the cable 76 must also be guided by the output pinion assembly 6, not shown, a hollow special screw 34 is necessary, which is located within the seal ring 85 and is secured by a nut 33.
  • the user can thus use the cables 77 to move the shifting part 87 axially within the output shaft 8, not shown, to seven reproducible positions. If one observes the fact that five magnets 19 are additionally located on the switching part 87 on three sides, the user can adjust seven reproducible magnetic fields within the output shaft 8.
  • the switching part 87 including the magnets 79 located thereon is also referred to below as a control slide 100.
  • FIG. 7B the sectional plane A is shown.
  • Figure 10 a illustrates a section through the output shaft in this plane A between two traction pulleys 61.
  • a freewheel body 63 Per toothed belt pulley 61, a freewheel body 63 is mounted with internal teeth. It can be seen three freewheel teeth 58 arranged symmetrically within the freewheel body 63 and mounted on the multi-tooth axes 23 tilted.
  • the freewheel teeth 58 are shown in this figure 10a in a non-engaged state.
  • the contact surface B of the freewheeling tooth 58 is "decoupled" at a certain distance from the internal teeth of the freewheel body 63.
  • the cut output shaft 8 carries on the abutment surfaces between output shaft 8 and freewheeling gear 58 small holding magnets 92, which ensure that the freewheel teeth even at External disturbances (vibrations, etc.) constantly remain in a decoupled state.
  • the prerequisite here is, of course, that the freewheeling tooth 51 is made of a magnetic material.
  • the switching part 87 can be seen in the middle of the figure and shown without cable 76. Also symmetrical to the center are located within the switching member 87, the rectangular magnets 79. Your Magnetic field in this configuration pushes the three freewheel tooth magnets 91 outward. Since the freewheel tooth magnets 91 are firmly embedded in the freewheel teeth 58, the tilting movement of the three freewheel teeth 58 is driven in this way.
  • the multi-tooth axes are preferably made of steel and transmit the torque directly to the output pinion assembly 6. As a result, excessive material stresses are kept out of the output shaft.
  • the two-sided negative polarity of the freewheeling toothed magnets 91 and the magnets 79 is shown within the figure 10a by a minus sign. This state of Figure 10a can thus be referred to as "magnetically decoupled".
  • Figure IQb also represents a section through the output shaft in the plane A between two traction pulleys 61. It can be seen here, the three freewheel teeth 58 arranged symmetrically within the freewheel body 63 and mounted on the multi-tooth axes 23 tilted. The freewheel teeth 58 are shown in this figure 10b, however, in an engaged state. The contact surface B of the freewheel tooth 58 is "coupled” in a form-locking connection with the internal toothing of the freewheel body 63.
  • the holding magnets 92 arranged within the output shaft 8 do not touch the freewheel teeth in this position Their magnetic field, in this configuration, pulls the three freewheel tooth magnets 91 inwardly, symmetrically about the center point, and because the freewheel tooth magnets 91 are firmly embedded in the freewheel teeth 58, the tilting motion of the three
  • the internal teeth of the freewheel body 63 are designed so that the freewheel teeth can transmit only a torque, if the pulley 61 rotates clockwise.With a counterclockwise rotation of the structure works as a freewheelMagnets attract each other, is shown in Figure 10b by a plus and a minus sign. This state of Figure 10b can thus be referred to as "magnetically coupled".
  • Figure IOC also provides a section through the output shaft in the plane A between Two traction pulleys 61 dar. It can be seen here, the three freewheel teeth 58 arranged symmetrically within the freewheel body 63 and mounted on the multi-tooth axes 23 tilted. The freewheel teeth 58 are shown in this figure 10c, however, as in Fig. 10a, in a disengaged state. The contact surface B of the freewheeling tooth 58 is "decoupled a distance from the internal toothing of the freewheel body 63. The arranged within the output shaft 8 holding magnets 92 touch the made of steel and thus magnetic freewheel teeth 58 and hold them firmly in position. The switching part is here This state of Figure 10c can thus be referred to as “freely decoupled.” It should be noted that this coupling means can in principle be arranged on each shaft of a gearbox Coupling means shown on the output shaft.
  • FIG. 11a shows the output shaft 8 with the 7 coupling means cut longitudinally without the freewheel bodies 63 and without the traction means disks 61.
  • the switching drive already described in FIG. 9 is limited to the illustration of the switching part 87 in that the magnets 79 are inserted.
  • the polarity of the magnets is represented by a plus and a minus sign.
  • at least one component is mounted rotatably or displaceably within a toothing.
  • the middle magnet 97 is located with its positive side facing the freewheel tooth firmly inserted into the switching part 87.
  • the switching member 87 is located in the illustration exactly centered under the engaged freewheel tooth 93.
  • the freewheel magnet 91 is directed with its negative pole to the switching member 97 and is thus tightened.
  • the contact surface B from the representation in FIG. 10 a does not become in the internal toothing of the teeth pressed freewheel body pressed. In this way, a rotationally fixed connection is made between the input shaft and the output shaft by this positive coupling means.
  • at least one component in a toothing can assume a positive-locking position within the coupling means.
  • Figure IIb shows the shift from this gear two into gear three.
  • the engagement process of gear three is synonymous with the tilting movement of this freewheel tooth 94.
  • the switching member 87 during its movement to the right.
  • the overlapping magnets 99 already effect the engagement process of the freewheel tooth 94.
  • the freewheel tooth 93 is still in engagement. Since due to the different ratios within the individual gear stages not both freewheel teeth can transmit forces, working in this moment one of the two freewheel teeth 93 and 94 in its freewheeling function and imperceptible jumps for the user in the internal teeth.
  • FIG. 11c shows the completed shifting process from gear two into gear three. Considering the second freewheel tooth 93 from the left side, it has been pushed out of the negative pole magnet on the scarf part of the positive locking of the freewheel body. Generally speaking, within the coupling means, at least one component can hereby assume a position at a distance relative to a toothing. It can also be seen in Figurl lc the switching member 87 again exactly in the middle in its latching position under the third freewheel tooth 94.
  • FIG. 11 thus shows by way of example that the novelty is advantageously additionally characterized in that at least one component assumes a position at a distance relative to a toothing, after two identically poled magnetic fields have moved towards one another.
  • Figure 12 shows a gear ratio with a traction means 66 and a pulley 60 for the drive and a pulley 61 for the output.
  • the traction means 66 is formed as a toothed belt and the traction pulleys 60 and 61 as a toothed belt pulleys.
  • FIG. 12a shows the gear ratio in the loaded state. It can be seen that the Andschreiblager 9 do not touch the traction means in this load condition. This prevents a skipping of the toothed belt on the toothed belt pulleys, because an increase in the load leads to an increase in the wrap angle and also to an increased concave curvature of the empty strand.
  • the toothed belt tries to form a convex shape by its residual stress in the load and the return strand. However, this is prevented on the empty strand side by the Andrücklager.
  • the traction means is thus pressed into a kidney-like shape during load-free rotation by at least one component. On the load side, the belt clearly reaches its convex shape in FIG. 12b.
  • the skipping of the toothed belt on the pulleys is thus advantageously prevented by the kidney-like shape of the traction means is formed under load by a straight shape of the load strand and by an increased concave curvature of the empty strand.

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Abstract

Mehrfachgetriebe mit magnetischer Ansteuerung für Fahrzeuge oder für den Einsatz in der Antriebstechnik mit einer an einem Gestell gelagerten Eingangswelle und Ausgangswelle, wobei die Eingangswelle an mindestens einem Ende und die Ausgangswelle an einem Ende aus dem Gestell herausgeführt ist, mit den folgenden Merkmalen: a) zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle befinden sich Getriebeübersetzungen mit Getrieberädern, die als Zahnrad- oder Zugmittelgetriebe ausgeführt sein können, b) auf der Eingangswelle oder der Ausgangswelle befinden sich Getrieberäder drehbar gelagert, die durch formschlüssige Kupplungsmittel drehfest mit der Welle verbindbar sind, c) alle Getrieberäder befinden sich während des Betriebs ständig in Rotation, d) Innerhalb des Kupplungsmittels ist mindestens ein Bauteil relativ zu einer Verzahnung drehbar oder verschiebbar gelagert, e) Innerhalb des Kupplungsmittels kann mindestens ein Bauteil in einer Verzahnung eine formschlüssige Position einnehmen, f) Innerhalb des Kupplungsmittels kann mindestens ein Bauteil eine Position in einem Abstand relativ zu einer Verzahnung einnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß g) mindestens ein Bauteil innerhalb des Kupplungsmittels die Eigenschaften eines Permanentmagneten mit einem magnetischen Nord- und Südpol besitzt, und h) der Zustand der Kupplungsmittel sich durch die Veränderung eines zusätzlichen Magnetfelds innerhalb öder in der unmittelbaren Nähe der Kupplungsmittel verändert, und i) während mindestens eines Schaltvorgangs sich der Zustand von mindestens zwei Kupplungsmitteln gleichzeitig ändert, und k) mindestens ein Kupplungsmittel nur Drehmomente in eine Drehrichtung übertragen kann.

Description

Mehrfachgetriebe mit magnetischer Ansteuerung
Die Erfindung betrifft ein Mehrfachgetriebe mit magnetischer Ansteuerung für Fahrzeuge oder für den Einsatz in der Antriebstechnik mit einer an einem Gestell gelagerten Eingangswelle und Ausgangswelle, wobei die Eingangswelle und die Ausgangswelle aus dem Gestell herausgeführt sind, mit den folgenden Merkmalen:
a) zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle befinden sich Getriebeübersetzungen mit Getrieberädern, die als Zahnrad- oder Zugmittelgetriebe ausgeführt sein können, b) auf der Eingangswelle oder der Ausgangswelle befinden sich Getrieberäder drehbar gelagert, die durch formschlüssige Kupplungsmittel drehfest mit der Welle verbindbar sind, c) alle Getrieberäder befinden sich während des Betriebs ständig in Rotation, d) Innerhalb des Kupplungsmittels ist mindestens ein Bauteil relativ zu einer Verzahnung drehbar oder verschiebbar gelagert, e) Innerhalb des Kupplungsmittels kann mindestens ein Bauteil in einer Verzahnung eine formschlüssige Position einnehmen, f) Innerhalb des Kupplungsmittels kann mindestens ein Bauteil eine Position in einem Abstand relativ zu einer Verzahnung einnehmen.
Stand der Technik
Schaltbare Getriebe sind seit den letzten 100 Jahren aus dem Bereich der motorisierten Kraftfahrzeuge nicht mehr wegzudenken. Ebenso finden sie in der Antriebstechnik an zahlreichen Maschinen ihre Verwendung. Sehr oft handelt es sich um Getriebekonstruktionen, die mit Hilfe von Zahnrädern als Stirnradgetriebe oder Umlaufgetriebe (Planetengetriebe) arbeiten. Die Fertigungstechnik dieser Getriebe ist jedoch meist sehr aufwendig und teuer. Da diese kraftübertragenden Getriebebauteile meist aus Stahl gefertigt sind, rückt das Gewicht momentan immer weiter in den Focus der Kritik und ist als Nachteil zu werten. Leichtere Getriebe würden zum Beispiel den Energieverbrauch senken. Die im folgenden zu beschreibende Neuheit ist in allen denkbaren Produktzweigen einsetzbar und besonders in Bezug auf das geringe Gewicht hervorragend geeignet für den Einsatz in Fahrzeugen, da faserverstärkte Kunststoffe als kraftübertragende Bauteile eingesetzt werden. Beispielhaft sind hier Landfahrzeuge, Luftfahrzeuge und Wasserfahrzeuge zu sehen, die mit Verbrennungsmotoren, Elektromotoren oder auch anderen Aggregaten ausgestattet sein können. Ebenfalls ist ein Einsatz in Fahrzeugen denkbar, die mit Muskelkraft angetrieben werden. Um leichten Vortrieb zu gewährleisten, müssen die Fahrzeuge außergewöhnlich leicht sein. Die Funktionsbeschreibung des Getriebes soll aus diesem Grunde beispielhaft an einem Fahrrad vorgenommen werden.
In den vergangenen vierzig Jahren hat sich bei Fahrrädern der Kettenantrieb mit einer Schaltmöglichkeit an der Hinterachse durchgesetzt. Dazu wird am Rahmen, der den tragenden Bestandteil des Fahrrades mit all seinen Aufnahmepunkten für die Vorderradgabel, die Sattelstütze sowie das Hinterrad bildet, ein drehbares Tretlager mit einem oder mehreren Kettenblättern montiert. Auf der Nabe des Hinterrades befindet sich eine aus bis zu zehn verschieden großen Ritzeln bestehende Kassette. An einem Ausfallende, das sich unmittelbar an der Hinterachse befindet, wird ein Schaltwerk angebracht, dessen Aufgabe es ist, die Kette auf den Ritzeln der Kassette zu führen und Schaltvorgänge zu ermöglichen. Durch einen meist am Sitzrohr angebrachten Umwerfer kann am Tretlager zwischen den verschiedenen Kettenblättern gewechselt werden.
Durch die Möglichkeit des Schaltens kann der Fahrer die Übersetzung seines Antriebes auf die jeweilige Fahrsituation anpassen. Fahrräder mit einem Schaltungssystem wie oben beschrieben, werden im Allgemeinen als Fahrräder mit Kettenschaltung bezeichnet.
Da bei einem Rad mit Kettenschaltung konstruktionsbedingt die Komponenten außen am
Rahmen montiert sind, sind sie Umwelteinflüssen besonders stark ausgesetzt. So kommen
Schmutz und Wasser ungehindert an Schaltwerk, Kette, Kassette und sonstige Bauteile. Hierdurch verringert sich der zunächst sehr gute Wirkungsgrad einer Kettenschaltung drastisch, so dass ein nicht unerheblicher Teil der Kraft zur Überwindung der Widerstände innerhalb der Schaltung aufgewendet werden muss. Um die Funktion zu gewährleisten ist es erforderlich, dass die Komponenten der Kettenschaltung regelmäßig gewartet werden; das umfasst die Reinigung und das Fetten der Komponenten genauso wie die penible Einstellung. Diese kann sich zum Beispiel bei Stürzen oder Kontakt mit Gegenständen (Steine, Äste etc.) leicht verändern. Da auch bei intensivster Wartung immer kleinste Schmutzpartikel in der Schaltung und insbesondere in den Lagern zurück bleiben, müssen einige Teile regelmäßig ausgetauscht werden. Gerade die verschleißanfälligen Teile wie Kettenblätter und Kette erfordern einen jährlichen Wechsel, mit dem wiederum zusätzliche Kosten verbunden sind.
Das Schalten bei der Kettenschaltung ist nur bei drehenden Ritzeln möglich, da sonst die Kette nicht umgeworfen werden kann. Daher ist es als weiterer Nachteil zu sehen, dass durch den konstruktiven Aufbau Schalten im Stand unmöglich ist. Des Weiteren können Komponenten bei einem Sturz oder einer Berührung mit Steinen oder Ästen beschädigt oder vom Rahmen abgerissen werden. Die angeführten Umstände sind als Nachteil der Kettenschaltung zu sehen.
Alternativ zur "Kettenschaltung" wurde die so genannte "Nabenschaltung" entwickelt, bei der die Schaltvorgänge in einem Getriebe in der Hinterradnabe stattfinden. Die bei der Kettenschaltung benötigten Teile Schaltwerk, Umwerfer und Kassette fallen somit weg. Solche Fahrräder heißen im Allgemeinen Fahrräder mit Nabenschaltung. Eine Nabenschaltung vermeidet also die Nachteile einer Kettenschaltung. Durch das in die Hinterradnabe integrierte Getriebe steigt jedoch das Gewicht des Hinterrades. Insbesondere bei so genannten Mountainbikes, die im Gelände bewegt werden, macht sich eine Erhöhung der Masse am Hinterrad sehr stark bemerkbar. Dies gilt vor allem für solche mit Hinterrad- Federung. Für das Fahrverhalten eines gefederten Rades ist das Verhältnis von gefederter zu ungefederter Masse von entscheidender Bedeutung. Je größer die ungefederter Masse im Verhältnis zur gefederten Masse ist, desto kritischer ist das Fahrverhalten des Rades. Stöße, verursacht durch Fahrbahnunebenheiten, können bei hoher ungefederter Masse (schweres Hinterrad) nicht optimal vom Fahrwerk abgefangen werden.
Bei einem bekannten Fahrrad (vergl. DE 103 39 207) befindet sich das Getriebe innerhalb des Fahrradrahmens. Das Tretlagergehäuse des klassischen Fahrradrahmens fallt weg und wird durch das Getriebegehäuse ersetzt. Hierbei handelt es sich um ein gemeinsames Gehäuse für Getriebe und Tretlager. Ähnlich den Fahrrädern mit Getriebenabe wird die Kraft bei Getrieberädern über eine Kette oder einen Zahnriemen zum Hinterrad übertragen. Die Kette und die Hinterradnabe haben bei diesem System keine Schaltfunktion. So kann man die Hinterradnabe sehr leicht bauen, was eine leistungsfähigere Hinterrad-Federung zur Folge hat. Hinzu kommt, dass sich der Schwerpunkt in der Mitte des Rades, direkt unter dem Fahrer befindet. Ein agileres und kontrollierteres Fahrverhalten ist die Folge. Des Weiteren lässt sich mit Hilfe des im Rahmen integrierten Getriebes die so genannte "Plattformstrategie" einsetzen. War es im Fahrradbau bisher üblich, zunächst einen Rahmen zu bauen und diesen dann nachträglich mit seinen Komponenten auszurüsten, ist es mit dem Konzept des im Rahmen integrierten Getriebes erstmals möglich, die Plattformstrategie aus dem Automobilbau in der Fahrradherstellung einzusetzen. In dem Getriebegehäuse als Plattform werden zum Beispiel Komponenten wie Schaltung, Federung, die komplette Kraftübertragung, aber auch Bremsen, Dynamo und Beleuchtung fest angebracht. An dem so ausgerüsteten Getriebe werden dann die kundenspezifischen Teile montiert, die das Fahrrad nach Kunden- oder Herstellerwunsch vervollständigen. Das Getriebe nach DE 103 39 207 besteht aus einem Planetengetriebe und einem Primärantrieb. Der Primärantrieb ist notwendig, weil das für den Einsatz in einer Getriebenabe entwickelte Planetengetriebe den hohen im Tretlager wirkenden Momenten nicht standhält. Das Planetengetriebe wird durch den Primärantrieb auf eine höhere Drehzahl gebracht, um den wirkenden Kräften standzuhalten. Durch diese Konstruktion sinkt jedoch der Wirkungsgrad des Antriebs. Dies ist als Nachteil gegenüber der Erfindung zu sehen. Ebenso sind ähnliche Getriebe beispielweise aus US 5553510, US4955247, US5924950, DE20201787U1, WO2006/039880 Al, US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 bekannt. Ihr Aufbau ist meist sehr schwer und komplex. Durch die Erfindung wird eine leichte und einfach gebaute Lösung für den angeführten Getriebetyp geliefert. Alle diese Getriebe stellen verschiedene Übersetzungen zwischen zwei parallelen Wellen her. Hierbei ist meist eine der Wellen die Antriebswelle und eine andere Welle die Abtriebswelle. Die Antriebswelle sei im folgenden auch als Eingangswelle bezeichnet. Die Abtriebswelle sei im folgenden auch als Ausgangwelle bezeichnet. Wenn im folgenden nur der Begriff Welle verwendet wird, so sei die Eingangs- oder die Ausgangswelle gemeint.
Die Erfindung verbessert somit Mehrfachgetriebe mit Eingangswelle und Ausgangswelle, wobei die Eingangswelle zur Aufnahme des Eingangsdrehmoment ausgestaltet ist und die Ausgangswelle meist aus dem Getriebegehäuse herausgeführt ist und an diesem Ende zur Weiterleitung des Drehmomentes bis zu den Rädem des Fahrzeugs ausgestaltet ist. Im Gehäuse sind beispielsweise auf der Eingangswelle und der Ausgangswelle Zugmittelräder parallel angebracht und mit Zugmitteln paarweise verbunden. Mit Hilfe einer Schaltansteuerung können die Zugmittelräder zur Ausgangswelle gekoppelt werden. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Fahrrad sein, wobei dort die Eingangswelle zur Aufnahme von Tretkurbeln ausgestaltet und mit ihren beiden Enden aus dem Getriebegehäuse herausgeführt ist. Die Ausgangswelle besitzt an ihrem Ende ein Ritzel zur Drehmomentübertragung zum Hinterrad. Ebenso kann das Fahrzeug ein Motorrad sein, bei welchem sich das Getriebe vorteilhafterweise hinter dem Kurbelgehäuse befindet. Die Eingangswelle ist in geeigneter Weise mit der Kurbelwelle verbunden. Die Ausgangswelle überträgt das Drehmoment durch ein weiteres Maschinenelement (beispielsweise Kette, Zahnriemen, Kardan) zum Hinterrad. Auch ist der Einsatz in einem Kraftfahrzeug in vorteilhafter Weise denkbar.
Ein solches Zugmittelgetriebe ist beispielsweise aus der US4,158,316 bekannt. Bei diesem Getriebe sind mehrere Kettenräder mit unterschiedlichen Durchmessern drehbar auf der
Achse gelagert. Durch eine Kupplung können die Kettenräder mit der Welle drehfest verbunden werden und somit ein Drehmoment übertragen. Der Nachteil dieser Erfindung liegt einerseits im hohen Gewicht, insbesondere durch die Benutzung einer Stahlkette, andererseits im großen Platzbedarf, der Komplexität der Kupplungen sowie der Kupplungsansteuerung. Ein ähnliches Zugmittelgetriebe ist beispielsweise aus der US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 bekannt. Bei diesen Fahrradgetrieben sind auf der Antriebs- und Abtriebswelle verschiedene Zugmittelräder angebracht, die paarweise mit Zugmitteln verbunden sind. Unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse werden dadurch erreicht, dass ein Schaltelement innerhalb der Abtriebswelle mit Hilfe eines Seilzugs axial verschoben wird. Ein Verbindungselement am Schaltelement kuppelt in das gewünschte Zugmittelrad ein und erzeugt eine drehfeste Verbindung zwischen Abtriebswelle und Zugmittelrad. Der beschriebene Aufbau hat jedoch Nachteile, die im Folgenden näher erläutert werden.
Beide Patente führen in ihrem Hauptanspruch an, dass die Zugmittelräder so nebeneinander verbaut sind, dass sie die Form einer konischen Umhüllung bilden. Die Form einer konischen Umhüllung wird dann gebildet, wenn die Durchmesser der Zugmittelräder von klein nach groß auf der Welle ansteigt. Genau diese Eigenart von US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 ist als ein Nachteil zu sehen:
Übersetzungen an Fahrrädern sollten im Bereich von 0.7-4.0 ins Schnelle übersetzen. Betrachtet man in US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 die Größe der Kettenräder und ihre Zähnezahl, so ist diese Übersetzungsbandbreite im Gegensatz zur Neuheit nur schwer zu erreichen. Weiterhin sind, von der sportbiologischen Seite gesehen, nur Gangsprünge, die weniger als 15% ausmachen, durch den menschlichen Organismus gut zu bewältigen.
Die so genannte Sekundärübersetzung wird durch zwei weitere Zugmittelräder gebildet, die das Drehmoment vom Getriebe zum Hinterrad übertragen. Es ist vorteilhaft, wenn diese
Zugmittelräder durch ihre Proportionen die Funktion der Tretkurbeln und der
Hinterradnabe nicht beeinträchtigen. Der Aufbau gemäß US2004/0067804A1 und
US2004/0066017A1 würde sehr groß und voluminös bauen, falls die Randbedingungen im
Bezug auf Sekundärübersetzung, Gesamtübersetzung und Gangsprung erreicht werden sollen. Die Neuheit baut im Vergleich zu den angeführten Konstruktionen sehr viel kleiner. Zugmittelgetriebe haben im Allgemeinen einen diskreten Achsabstand, der ausschließlich von der Teilung und der Länge des Zugmittels, sowie dem Durchmesser beziehungsweise der Zähnezahl der verwendeten Zugmittelräder abhängt.
Man kann diesen Achsabstand durch die folgende Formel beschreiben:
a =p/4[X - (zx + 22)/2 + Λ/[X - (^ + z2)/2? - 8[(z2 - zx) l(2π)f\
a = Achsabstand p = Kettenteihmg der Kette
X= Gliederzahl der Kette
Zi = Zähnezahl des kleinen Kettenrades
Z2 = Zähnezahl des großen Kettenrades
Wendet man diese Formel auf US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 an, so findet man heraus, dass nicht jedes einzelne Zugmittelrad den richtigen Achsabstand besitzt. Ein Aufbau gemäß US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 ist somit nachteilig, da manche Ketten gespannt sind und andere zu locker sind. Dies ist als großer Nachteil gegenüber der Neuheit zu sehen, da falsch gespannte Zugmittel einen zu hohen Verschleiß besitzen. Dieser Nachteil sei im Folgenden als "nur diskrete Achsabstände möglich" bezeichnet. Auch bei US4,158,316 sind aufgrund der verwendeten Zugmittel nur diskrete Achsabstände möglich. Auch dieses ist als Nachteil zu sehen. Zusätzlich ist anzumerken, daß auch bei Zahnradgetrieben dieser Nachteil der diskreten Achsabstände auftritt.
Ein weiterer großer Nachteil ist bei US4,158,316 , US2004/0067804A1 und US2004/0066017A1 innerhalb der Schaltansteuerung zu finden. Falls ein Gangwechsel durchgeführt werden soll, so wird zunächst ein Zugmittelrad von der Abtriebswelle abgekoppelt und darauf folgend erst ein weiteres Zugmittelrad zur Welle eingekoppelt. Dies hat zur Folge, dass bei diesen Antrieben eine ständige drehfeste Verbindung zwischen der Welle und einem Zahnrad nicht gewährleistet ist. Es kann während eines Gangwechsels eine Leerlaufstellung eintreten. Für den Radfahrer bedeutet das ein plötzliches "ins Leere" treten. Hierdurch können Verletzungen, besonders im Kniebereich, auftreten. Die Neuheit ist so aufgebaut, dass kein Leerlauf zwischen einzelnen Gängen während des Gangwechsels auftreten kann. Dies ist als großer Vorteil zu werten.
In der Vergangenheit sind immer wieder Zugmittelgetriebe mit parallel laufenden Zugmitteln anzutreffen, bei denen die Zugmittelräder zu einer Achse eingekoppelt werden (siehe auch CH 167367, US6146296 und US5871412). Alle diese Konstruktionen weisen jedoch den Nachteil auf, dass zwischen zwei eingekoppelten Übersetzungen immer ein kleines Zeitfenster mit einem Leerlauf entstehen könnte. Insbesondere unter Last ist nicht sicherzustellen, dass es während dieses Zeitfensters zu einem kurzzeitigen Durchrutschen kommen könnte. Ebenfalls führt solch ein Durchrutschen zu enormen Verschleiß an den Kupplungen. Langfristig sind unter Umständen Schädigungen nicht auszuschließen. Die Neuheit hat den Vorteil, dass zwischen zwei Gängen während des Gangwechsels immer ein drehmomentübertragendes Bauteil in Eingriff ist.
Zusammenfassend gesagt haben viele Getriebe nach dem Stand der Technik Probleme in Bezug auf Gewicht, Fertigungskosten, Schaltbarkeit unter Last, Leerlauf und der Schaltbarkeit im Stand.
Aufgabenstellung:
Von dieser Problemstellung ausgehend sollen die eingangs beschriebenen Mehrfachgetriebe verbessert werden.
Zur Problemlösung ist ein gattungsgemäßes Mehrfachgetriebe dadurch gekennzeichnet, dass
g) mindestens ein Bauteil innerhalb des Kupplungsmittels die Eigenschaften eines Permanentmagneten mit einem magnetischen Nord- und Südpol besitzt, und h) der Zustand der Kupplungsmittel sich durch die Veränderung eines zusätzlichen Magnetfelds innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe der Kupplungsmittel verändert, und i) während mindestens eines Schaltvorgangs sich der Zustand von mindestens zwei Kupplungsmitteln gleichzeitig ändert, und k) mindestens ein Kupplungsmittel nur Drehmomente in eine Drehrichtung übertragen kann.
Dadurch, dass mindestens ein Bauteil innerhalb des Kupplungsmittels die Eigenschaften eines Permanentmagneten mit einem magnetischen Nord- und Südpol besitzt und sich der Zustand der Kupplungsmittel durch die Veränderung eines zusätzlichen Magnetfelds innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe der Kupplungsmittel verändert und dass während mindestens eines Schaltvorgangs sich der Zustand von mindestens zwei Kupplungsmitteln gleichzeitig ändert und dass mindestens ein Kupplungsmittel nur Drehmomente in eine Drehrichtung übertragen kann, ist es ausgeschlossen, daß durch einen Schaltfehler versehendlich in eine Leerlaufstellung des Getriebes geschaltet wird, wodurch Beschädigungen am Getriebe und u.U. Verletzungen bei einem Radfahrer auftreten können. Da für einen Gangwechsel nur Magnetfelder verändert werden , sind Schaltwechsel unter Last und auch im Stand möglich.
Wenn mindestens ein Bauteil eine Position in einem Abstand relativ zu einer Verzahnung eines Kupplungsmiteis einnimmt, nachdem sich zwei gleich gepolte Magnetfelder aufeinander zu bewegt haben, kann sichergestellt werden, dass die Schaltkräfte im Vergleich zum Stand der Technik reduziert sind.
Da das formschlüssige Kupplungsmittel durch Freilaufzähne gebildet wird, die in eine Verzahnung eingreifen können, kann der Gesamtaufbau sehr einfach gehalten werden..
Ein sehr platzsparender Aufbau ergibt sich, wenn die Verzahnung innerhalb des Kupplungsmittels als Innenverzahnung ausgeführt ist . Vorzugsweise sind innerhalb des Kupplungsmittels die Freilaufzähne symmetrisch zur Verzahnung angeordnet, um die Kräfte gleichmäßig zu übertragen.
Wenn die Freilaufzähne kippbar auf Stahlachsen innerhalb der Welle gelagert sind, auf der sich das Kupplungsmittel befindet, dann wird das Drehmoment in vorteilhafter Weise weitergeleitet.
Niedrige Herstellungskosten werden unter anderem dadurch erreicht, wenn mindestens ein Kupplungsmittel aus einem Permanentmagneten und einem Stahlbauteil zusammengefugt sind.
Derselbe Vorteil ergibt sich, wenn die Permanentmagneten, die axial verschoben werden, hierzu in ein Steuerschieberbauteil eingefügt werden.
Eine vorteilhafte Ansteuerung des Getriebes wird umgesetzt, wenn die Veränderung des Magnetfelds durch axiale Verschiebung von Permanentmagneten entlang der Drehachse der Welle erreicht wird, aufweicher sich das Kupplungsmittel befindet.
Überflüssiges Gewicht wird vermieden, wenn die axiale Verschiebung von Permanentmagneten innerhalb einer hohlen Abtriebswelle vollzogen wird.
Auch Getriebe ohne bauraumbedingten Zugang zum Inneren der Wellen können gemäß der Neuheit aufgebaut werden, wenn die axiale Verschiebung der Permanentmagneten außerhalb der Eingangswelle vollzogen wird.
Niedrige Herstellungskosten werden unter anderem dadurch erreicht, wenn die Permanentmagneten, die axial verschoben werden, hierzu in ein Steuerschieberbauteil eingefügt werden.
Vorzugsweise sind die Permanentmagneten in unterschiedlicher Polung in das Steuerschieberbauteil eingefügt, damit durch die Verwendung von vielen gleichen Teilen die Herstellungskosten niedrig gehalten werden können.
Es ergibt sich eine vorteilhaft einfache Schaltansteuerung, wenn sich innerhalb des Steuerschieberbauteils eine Lagerung befindet , um das Schaltsignal von einem drehenden auf einen stehendes Bauteil zu übertragen.
Eine sehr preisgünstige Lösung zur axialen Bewegung des Steuerschieberbauteil wird erreicht, wenn das Steuerschieberbauteil mit einem Zugmittel in Verbindung steht.
Vorzugsweise nimmt das Steuerschieberbauteil innerhalb seiner axialen Bewegung gegenüber der Welle Rastpunkte ein, um in reproduzierbar gleicher Weise das Magnetfeld innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe der Kupplungsmittel zu verändern. Hierdurch wird die Schaltpräzision verbessert.
Störungsfreiheit bei Vibrationen von aussen wird erreicht, wenn eine gekippte Lage des Freilaufzahns auf der Stahlachse durch einen Permanentmagneten gehalten wird. Der Einbau dieses Permanentmagneten ist besonders einfach, wenn der Permanentmagnet in die Welle eingefügt ist, aufweicher sich das Kupplungsmittel befindet
Die notwendigen Schaltkräfte werden niedrig gehalten, wenn die formschlüssige drehfeste Verbindung zwischen Welle und Getrieberad mit Hilfe der Energie aufgehoben werden kann, die zeitlich vor dem Entkoppeln im Magnetfeld gespeichert wurde.
Eine vollständig elektronische Ansteuerung des Zustands der Kupplungsmittel kann erreicht werden, wenn die Veränderung eines zusätzlichen Magnetfelds innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe der Kupplungsmittel durch Elektromagneten vollzogen wird. Dieses kann in manchen Einsatzbereichen des Getriebes von Vorteil sein.
Das Getriebe ist vor äußerer Verschmutzung geschützt, wenn das Gestell des Getriebes als geschlossenes Gehäuse ausgeführt ist. Das Eigengewicht verringert sich stark, wenn die zwischen der Emgangswelle und der Ausgangswelle befindlichen Getriebeübersetzungen als Zugmittelgetriebe mit Zahnriemen als Zugmittel und mit Zahnriemenscheiben als Getrieberäder ausgeführt sind.
Besonders hohe Leistungen und Drehmomente können übertragen werden, wenn die Zugmittel durch Aramid, Kevlar oder Kohlefaserwerkstoffe verstärkt sind.
Einen besonders geringen Verschleiß an den Zugmitteln erhält man, wenn die Faserwerkstoffe der Zahnriemen mit Polyurethan umhüllt sind.
Eine geringe Reibung erhält man, wenn das Zugmittel während lastfreier Rotation auf den Zahnriemenrädern durch mindestens ein Bauteil in eine nierenähnliche Form gedrückt wird und dass unter Lasteinwirkung dieses Bauteil das Zugmittel nicht berührt. Zusatzlich ist es dann optimal, wenn die nierenähnliche Form der Zugmittel während lastfreier Rotation durch eine konvexe Wölbung des Lasttrums und durch eine konkave Wölbung des Leertrums gebildet wird.
Das Überspringen des Zahnriemens auf den Zahnriemenscheiben kann auf vorteilhafte Weise dadurch erreicht werden, wenn die nierenähnliche Form der Zugmittel unter Last durch eine gerade Form des Lasttrums und durch eine verstärkte konkave Wölbung des Leertrums gebildet wird.
Zusätzlich kann man die Reibung der Zahnriemen senken, wenn die Zugmittel während des Schaltvorgangs ihre Riemenspannung ändern.
Mehr Sicherheit gegen Überspringen des Zahnriemens auf den Zahnriemenscheiben wird erreicht, wenn die Zugmittel während des Schaltvorgangs ihren Umschlingungswinkel auf dem Zahnriemenrad ändern. Die Reibung kann zusätzlich gesenkt werden, wenn mindestens ein Bauteil, daß das Zugmittel in eine nierenförmige Form drückt, als Rolle ausgebildet ist.
Werden auf der Leertrumseite zusätzliche Führungen berührungslos in unmittelbarer Nahe der Zahnriemen angeordnet, die ähnlich der Außenkontur des Zahnriemens geformt sind, so wird auf diese Weise mehr Sicherheit gegen Überspringen des Zahnriemens auf den Zahnriemenscheiben bei Laststößen und Störgrößen von außen erreicht, ohne die Reibung zusätzlich zu erhöhen.
Ausführungsbeispiel :
Mit Hilfe einer Zeichnung sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigt:
Figur 1 ein Motorrad in Seitenansicht und mit dem im Rahmen integrierten
Zugmittelgetriebe Figur 2 ein Kraftwagen in Seitenansicht und mit dem im Rahmen integrierten
Zugmittelgetriebe Figur 3 ein Fahrrad in Seitenansicht und mit dem im Rahmen integrierten
Zugmittelgetriebe
Figur 4a das Zugmittelgetriebe in Explosionsansicht Figur 4b das Zugmittelgetriebe in perspektivischer Darstellung Figur 5a das Zugmittelgetriebe ohne Schaltansteuerung, Gehäuse, Zugmittel und Zugmittelscheiben
Figur 5b das Zugmittelgetriebe ohne Schaltansteuerung, Gehäuse, Zugmittel und
Zugmittelscheiben in Explosionsansicht
Figur 6a Aufbau der Abtriebswellenbaugruppe in Explosionsansicht Figur 6b Aufbau der Abtriebswellenbaugruppe in perspektivischer Ansicht Figur 7a Aufbau der Zugmittelscheiben auf Antriebswelle und Abtriebswelle in
Explosionsansicht Figur 7b Aufbau der Zugmittelscheiben auf Antriebswelle und Abtriebswelle in perspektivischer Darstellung
Figur 8a Zugmittelbaugruppe in Explosionsansicht Figur 8b Zugmittelbaugruppe in perspektivischer Darstellung Figur 9a Schaltung in Explosionsansicht Figur 9b Schaltung in perspektivischer Darstellung Figur 10a Schaltvorgang im Inneren der Abtriebswelle - 1.Position Figur 1 Ob Schaltvorgang im Inneren der Abtriebswelle - 2.Position Figur 10c Schaltvorgang im Inneren der Abtriebswelle - 3. Position Figur I Ia Stellung der Freilaufzähne - ausgekuppelt Figur 1 Ib Stellung der Freilaufzähne - eingekuppelt Figur l lc Stellung der Freilaufzähne - Ausgangsstellung
Die nachfolgend beschriebene Ausführung verwendet als Getriebestufen beispielhaft Zugmittelgetriebe. Die beschriebenen Mechanismen können jedoch ebenfalls für Zahnradgetriebe verwendet werden.
Figur 1 zeigt ein Motorrad mit dem neuartigen Getriebe in Seitenansicht. Man erkennt den Verbrennungsmotor 44 in klassischer Position unterhalb des Tanks 45 eingebaut und durch einen Rohrrahmen 46 umschlossen. Am Rohrrahmen 46 ist die Schwinge 2 gelagert. Am Ende der Schwinge 2 befindet sich das Hinterrad 12. Alle üblichen Teile eines Motorrades sind in der Skizze zu erkennen, auf die jedoch im Weiteren nicht näher eingegangen werden soll. Das neuartige Getriebe innerhalb des Getriebegehäuses 43 befindet sich in Fahrtrichtung hinter der Kurbelwelle. Die Eingangswelle 7 ist über einem nicht dargestellten Primärtrieb mit der parallel liegenden Kurbelwelle verbunden. Die Ausgangswelle 8 besitzt ein nicht dargestelltes Abtriebsritzel 4, welches das Drehmoment über die Kette 11 zum Hinterrad 12 überträgt.
Figur 2 zeigt die Umsetzung der Erfindung innerhalb eines Kraftwagens. Die Antriebskomponenten sind schematisch dargestellt. In der Ansicht von oben befindet sich ein klassischer Motor 44 quer zur Fahrtrichtung eingebaut. Das neuartige Getriebe innerhalb des Getriebegehäuses 43 ist mit der Eingangswelle 7 direkt zur Kurbelwelle verbunden. Die Ausgangswelle 8 übergibt das Drehmoment in ein Differentialgetriebe 47. Von hieraus werden beide Vorderräder 48 angetrieben. Auch Nebenaggregate 49 wie Lichtmaschine, Hydraulikpumpe für Servolenkung, Kühlventilatoren und ähnliches können über das neuartige Zugmittelgetriebe betrieben werden. Alle diese Einsatzbereiche sind in der Vergangenheit nur schwer als schaltbare Zugmittelgetriebe umsetzbar gewesen, da geeignete Zugmittel nicht zur Verfügung standen. Durch die Einführung neuartiger Zugmittel, insbesondere die Einführung von neuartigen Zahnriemen, ist es nun möglich Getriebe mit einem Leistungsgewicht herzustellen, welche den klassisch aus Stahl gebauten Stirnradgetriebe oder Planetengetriebe ebenbürtig und sogar überlegen sind. Eine detaillierte technische Ausführung sei im folgenden anhand eines Fahrrades dargestellt.
Figur 3 zeigt ein Fahrrad in Seitenansicht, in dessen Rahmen 1 das neuartige Zugmittelgetriebe innerhalb des Getriebegehäuses 43 mit den Tretkurbeln 5 angeordnet ist. An einem Gelenk ist die Hinterradschwinge 2 und ein Dämpferelement 3 ist am Rahmen oder am Getriebegehäuse befestigt. Aus dem Getriebegehäuseteil 43 herausgeführt sind die Eingangs welle 7 und die Ausgangs welle 8. Die Eingangs welle 7 ist mit den Tretkurbeln 5 verbunden. Außerhalb des Gehäuseteils 43 ist auf der Ausgangswelle 8 ein Abtriebsritzel 4 befestigt, mit dem über die Kette 11 das Hinterrad 12 angetrieben wird. Das Gehäuseteil 43 ist hier beispielhaft zwischen dem Sattelrohr 10 und dem Unterrohr 9 angebracht. Das Hinterrad 12 ist im Ausfallende der Schwinge 2 in üblicher Art und Weise gelagert.
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführung des neuartigen Zugmittelgetriebes mit Hilfe von Figur 4 bis Figur 12 näher beschrieben.
Das neuartige Zugmittelgetriebe 18 ist in einem mehrteiligen Gehäuse 43 untergebracht, das, wie Figur 4a und 4b zeigt, aus einem rechten und einem linken Gehäusedeckel 13 und 14 sowie einen Gehäusemittelteil 15 besteht. In den Gehäusedeckeln 13 und 14 sind Schwingenlageraufhahmen 20 und 19 angeordnet, die die Verbindung zur Hinterradschwinge 2 (nicht sichtbar) darstellen. Darauf drehbar gelagert ist die Abtriebsritzelbaugruppe 6. Außerhalb der Abtriebsritzelbaugruppe 6 befindet sich die beiden Schaltansteuerungen 16 und 17. In den Gehäuseteilen 13 und 14 und koaxial mit der Eingangswelle 7, sind die Tretlagerexzenter 21 und 22 gelagert. Links und rechts der Tretlagerexzenter 21 und 22 befinden sich die Tretkurbeln 5, die mit einer Sechskantaufnahme verdrehfest mit dem Zugmittelgetriebe 18 befestigt sind und somit das Drehmoment übertragen können.
Figur 5 zeigt die Gehäuselagerung des neuartigen Zugmittelgetriebes im Detail. Auf der Eingangswelle 7 befindet sich Kugellager 26 angeordnet wobei diese wiederum in den Tretlagerexzentergehäuse 50 und 51 angeordnet sind. Innerhalb der Exzentergehäuse 50 und 51 befinden sich die Anpressringe 27 und 28, die als Abstandhalter des Kugellagers 26 dienen. Außerdem befindet sich auf der linken Seite ein Sicherungsring 37, der die Kugellager gegen seitliches Verrutschen sichert. Auf beiden Seiten sind Dichtungen 40 und Dichtungslaufringe 39 auf den Tretlagermuttern 36 angebracht, die das Zugmittelgetriebe 18 vor Umwelteinflüssen schützen. Das Exzentergehäuse 50, 51 ist mit 5 Schrauben 29 an den Gehäusedeckeln 13 und 14 (nicht sichtbar) befestigt. Durch die drehbare Befestigung der Tretlagerexzenter 21 und 22 kann der Achsenabstand von Eingangswelle 7 zu Ausgangswelle 8 variiert werden. Auf beiden Seiten sind die Antriebskurbeln 5 durch eine Sechskantaufhahme an der Welle befestigt und außerdem durch Langmuttern 35 und einer in der Welle befindlichen Zugstange 24 fixiert.
Die Abtriebswelle 8 befindet sich innerhalb des neuartigen Zugmittelgetriebes 18 und ist auf beiden Seiten durch Rillenkugellager 25 und einen Lagerdruckring 55 innerhalb der Schwingenlageraufhahmegehäusen 52 und 53 gelagert. Fünf Schrauben 38 befestigen die zwei Schwingenlageraufnahmen 19 und 20 an den nicht dargestellten Gehäusedeckeln 13 und 14.
Einen Schutz gegen äußere Umwelteinflüsse wie Schmutz und Wasser wird durch eine Dichtung 40 und einen Dichtungslaufring 39 erreicht die sich ebenfalls in den Schwingenlageraufiiahmegehäusen 52 und 53 befinden. Innerhalb der Abtriebswelle 8 befinden sich die drei in Figur 5 a nur teilweise sichtbaren Mehrzahnachsen 23, die das Drehmoment über den Ritzelflansch 31 auf das Abtriebsritzel 4 weitergeben. Die Verbindung von Abtriebsritzel 4 zu Ritzelflansch 31 erfolgt über drei Schrauben 30. Damit die Abtriebswelle 8 im Gehäuse 43 axial fixiert ist, befestigt eine Abschlusskappe 54 auf der linken Seite das Rillenkugellager 25 sowie den Lagerdruckring 41 zur Schwingenlageraufhahmegehäuse 52 und 53 mit Hilfe von drei Muttern 32 die auf die bereits erwähnten Mehrzahnachsen 23 geschraubt werden.
In Figur 6a und Figur 6b ist der Aufbau der Zugmittelscheiben 60 und 61 auf der Antriebswelle 7 und Abtriebswelle 8 dargestellt. Die Tretlagerwelle 7 ist durch das Keilwellenprofil verdrehfest mit den Antriebszugmittelscheiben 60 verbunden und somit gegen radiale Verschiebung gesichert. Die Bordscheiben 59 dienen als Abstandhalter und sichern die axiale Position der Antriebszugmittelscheiben 60 gegenüber den Zugmitteln 66 während des Betriebs. Die Abtriebszugmittelscheiben 61 sind deckungsgleich zu den Antriebszugmittelscheiben 60 auf der Ausgangswelle 8 gelagert. Die Zugmittelbaugruppen 56 umschließen die jeweils dazugehörigen Zugmittelscheiben 60 und 61 . Die Zugmittelscheiben 60 und 61 sind in Größe und Anordnung so gewählt, dass eine gleichmäßige Abstufung der einzelnen Gänge möglich ist. Auf der Tretlagerwelle 7 befinden sich jeweils die Antriebszugmittelscheiben 60 in folgender Reihenfolge und Zähnezahl 34, 31, 41, 38, 40, 45 und 49. Die Abtriebszugmittelscheiben 61 sind in folgender Reihenfolge und Zähnezahl: 34, 27, 31, 25, 23, 23 und 22 befestigt. Diese Zähnezahlen sind nur beispielhaft zur Erläuterung der Konstruktion gewählt und können ebenfalls anders gewählt werden. Je nachdem, welche Abtriebszugmittelscheibe mit der Abtriebswelle durch einen noch zu beschreibenden Mechanismus eingekoppelt wird, erhält man eine unterschiedliche Übersetzung zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle. In vorteilhafter Ausgestaltung werden die Zugmittel als faserverstärkte Zahnriemen ausgeführt.
Der Aufbau der Abtriebs Wellenbaugruppe 65 ist in Figur 7a und Figur 7b gezeigt. Auf den drei Mehrzahnachsen 23 sind jeweils zwischen den Abtriebszugmittelscheiben 61 Freilaufzähne 58 gelagert. Die Bewegung der Freilaufzähne 58 auf der Mehrzahnachse 23 wird durch das in dieser Figur nicht sichtbare Schaltteil 87 gesteuert. In die Abtriebswelle 8 sind Axialkeile 96 eingelassen, um die Innenringe von Rillenkugellager 62 axial zu sichern und auf Abstand an bestimmten Positionen der Welle zu halten. Zwischen den Innenringen der Kugellager besitzt die Abtriebswelle 8 Vertiefungen in denen die Freilaufzähne 58 Kippbewegungen ausführen können. Durch diese Kippbewegung kann eine formschlüssige Verbindung zwischen den Freilaufzähnen und einer Innenverzahnung von Freilaufkörpern 63 hergestellt werden.Diese Freilaufkörper 63 sind mit den Außenringen der Kugellager 62 verbunden und auf diese Weise drehbar auf der Welle gelagert. Die Freilaufkörper 63 selbst sind wiederum drehfest und mit den Abtriebszugmittelscheiben 61 verbunden. Auf diese Weise wird das Drehmoment von der Antriebswelle 7 wählbar über die unterschiedlichen Zugmittel 66 an die Abtriebswelle 8 weitergeleitet.
Die detaillierte Ansicht der Zugmittelbaugruppe 56 ist in Figur 8a und Figur 8b zu sehen. Die Zugmittelführung 68 drückt beispielsweise mit Hilfe von Andrücklagern 69 das Zugmittel 66 in Richtung der Zugmittelscheiben 60 und 61. Beilagscheiben 69 sichern den Abstand zur Befestigung 68 und Schrauben 67 fixieren die Andrücklager 69 an der Zugmittelführung 68. In vorteilhafter Ausführung sind die Zugmittel in ihrem Aufbau so ausgestaltet, daß nur ein Andrücklager notwendig ist, um das Zugmittel in die nierenfoπnige Kontur zu drücken.
In Figur 9a und Figur 9b wird der Aufbau der Schaltansteuerung 16, 17 näher erläutert. Zwei Zuggehäuse 86, die außen am Getriebegehäuse 43 angeschraubt und durch die Zugdeckel 80 verschlossen sind, stehen durch einen Seilzug 76 in Verbindung. Das Schaltteil 87 ist mittig mit dem Seilzug 76 axial verbunden und , um Drehbarkeit des Schaltteils zu gewährleisten , mit zwei Radialkugellagern 89 gelagert . Der Seilzug 76 wird über die auf Stiften 78 gelagerten Umlenkrollen 90 innerhalb der nicht dargestellten Abtriebswelle 8 beidseitig zu den Zugspulen 72 geleitet. Die Zugspulen 72 befinden sich gelagert innerhalb der beiden Zuggehäuse 86. Zwei weitere Seilzüge 77 und 76 werden ebenfalls in das Zuggehäuse 86 eingeführt und dienen zur Ansteuerung der Schaltung vom Lenker. Beide Seilzüge 76 und 77 verlaufen in zwei parallel Rillen auf dem Umfang der Zugspule 72 und sind durch eine Klemmschraube 88 beziehungsweise durch einen zylinderförmigen Endkörper befestigt. Durch Drehung der Zugspulen werden auf diese Weise die Züge auf- bzw. abgewickelt und es kommt hierbei zu einer axialen Bewegung des Schaltteils 87 innerhalb der nicht dargestellten Abtriebswelle 8. Damit das Schaltteil 87 innerhalb der Abtriebswelle 8 nur bestimmte und reproduzierbare Positionen einnehmen kann, befindet sich auf der Umfangsfläche der Zugspulen 72 Rastvertiefungen für den Rasthebel 73. Die Schenkelfeder 74 drückt das Radialkugellager 75 auf dem Rasthebel 73 gegen die wellenförmige Oberfläche der Zugspule 72. Durch die Mulden an der Zugspule 72 kann dieselbe nur an bestimmten Winkelpositionen eine Ruheposition einnehmen. Die Schenkelfeder 74 befindet sich auf einem Gleitlager 83 auf einem Stift 81. Eine Beilagscheibe 84 sichert den Abstand des Radialkugellagers 75 zum Zugdeckel 80, welcher mit Schrauben 82 am Zuggehäuse 86 befestigt ist. Erläuternd ist anzumerken, daß das Radialkugellager 70 im Inneren der Zugspule 72 die Drehbewegung der Spule ermöglicht und ein Sicherungsring 71 diese Lager gegen Verschieben sichert. Da der Seilzug 76 auch durch die nicht dargestellte Abtriebsritzelbaugruppe 6 geführt werden muß, ist eine hohle Spezialschraube 34 notwendig, die sich innerhalb des Dichtungsrings 85 befindet und über eine Mutter 33 befestigt wird. Durch diesen Gesamtaufbau kann der Benutzer mit Hilfe der Seilzüge 77 somit das Schaltteil 87 innerhalb der nicht dargestellten Abtriebswelle 8 axial auf sieben reproduzierbare Positionen bewegen. Beachtet man den Umstand, daß sich auf dem Schaltteil 87 zusätzlich auf drei Seiten jeweils fünf Magneten 19 befinden, so kann der Benutzer innerhalb der Abtriebswelle 8 sieben reproduzierbare Magnetfelder einregeln. Das Schaltteil 87 inclusive der darauf befindlichen Magnete 79 sei im Folgenden auch als Steuerschieber 100 bezeichnet.
Innerhalb von Figur 7B ist die Schnittebene A dargestellt. Figur 10 a stellt einen Schnitt durch die Abtriebswelle in dieser Ebene A zwischen zwei Zugmittelscheiben 61 dar. Pro Zahnriemenscheibe 61 ist ein Freilaufkörper 63 mit Innenverzahnung montiert. Man erkennt drei Freilaufzähne 58 symmetrisch innerhalb des Freilaufkörpers 63 angeordnet und auf den Mehrzahnachsen 23 kippbar gelagert. Die Freilaufzähne 58 sind in dieser Figur 10a in einem nicht eingekuppelten Zustand dargestellt. Die Kontaktfläche B des Freilaufzahns 58 befindet sich "entkoppelt" in einer gewissen Entfernung von der Innenverzahnung des Freilaufkörpers 63. Die geschnittene Abtriebswelle 8 trägt an den Anschlagflächen zwischen Abtriebs welle 8 und Freilaufzahn 58 kleine Haltemagnete 92, die dafür sorgen, daß die Freilaufzähne selbst bei Störungen von außen (Vibrationen etc.) ständig in einem entkoppelten Zustand bleiben. Voraussetzung ist hierbei natürlich, daß der Freilaufzahn 51 aus einem magnetischem Material gefertigt ist. Das Schaltteil 87 ist mittig in der Figur erkennbar und ohne Seilzug 76 dargestellt. Ebenfalls symmetrisch zum Mittelpunkt befinden innerhalb der Schaltteils 87 die rechteckigen Magnete 79. Ihr Magnetfeld stößt in dieser Konfiguration die drei Freilaufzahnmagneten 91 nach außen. Da die Freilaufzahnmagneten 91 fest in die Freilaufzähne 58 eingebettet sind, wird auf diese Weise die Kippbewegung der drei Freilaufzähne 58 angesteuert. Die Mehrzahnachsen sind vorzugsweise aus Stahl gefertigt und übertragen das Drehmoment direkt bis zur Abtriebsritzelbaugruppe 6. Hierdurch werden übermäßige Materialspannungen aus der Abtriebswelle ferngehalten. Die beidseitige negative Polung der Freilaufzahnmagnete 91 und der Magnete 79 ist innerhalb der Figur 10a durch eine Minuszeichen dargestellt. Diesen Zustand aus Figur 10a kann man somit als "magnetisch entkuppelt" bezeichnen.
Figur IQb stellt ebenfalls einen Schnitt durch die Abtriebswelle in der Ebene A zwischen zwei Zugmittelscheiben 61 dar. Man erkennt auch hier die drei Freilaufzähne 58 symmetrisch innerhalb des Freilauf körpers 63 angeordnet und auf den Mehrzahnachsen 23 kippbar gelagert. Die Freilaufzähne 58 sind in dieser Figur 10b jedoch in einem eingekuppelten Zustand dargestellt. Die Kontaktfläche B des Freilaufzahns 58 befindet sich "gekoppelf'in formschlüssiger Verbindung mit der Innenverzahnung des Freilaufkörpers 63. Die innerhalb der Abtriebswelle 8 angeordneten Haltemagnete 92 berühren die Freilaufzähne in dieser Position nicht. Das Schaltteil 87 ist mittig in der Figur erkennbar und ohne Seilzug 76 dargestellt. Ebenfalls symmetrisch zum Mittelpunkt befinden innerhalb der Schaltteils 87 die rechteckigen Magnete 79. Ihr Magnetfeld ist zieht in dieser Konfiguration die drei Freilaufzahnmagneten 91 nach innen. Da die Freilaufzahnmagneten 91 fest in die Freilaufzähne 58 eingebettet sind, wird auf diese Weise die Kippbewegung der drei Freilaufzähne 58 angesteuert. Die Innenverzahnung des Freilaufkörpers 63 ist so gestaltet, daß die Freilaufzähne nur ein Drehmoment übertragen können, falls die sich die Zugmittelscheibe 61 im Uhrzeigesinn dreht. Bei einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn arbeitet der Aufbau als Freilauf. Der Umstand, daß sich die Magneten gegenseitig anziehen, ist in Figur 10b durch ein Plus und ein Minuszeichen dargestellt. Diesen Zustand aus Figur 10b kann man somit als "magnetisch gekuppelt" bezeichnen.
Figur IOC stellt ebenfalls einen Schnitt durch die Abtriebswelle in der Ebene A zwischen zwei Zugmittelscheiben 61 dar. Man erkennt auch hier die drei Freilaufzähne 58 symmetrisch innerhalb des Freilauf körpers 63 angeordnet und auf den Mehrzahnachsen 23 kippbar gelagert. Die Freilaufzähne 58 sind in dieser Figur 10c jedoch, genau wie in 10a , in einem ausgekuppelten Zustand dargestellt. Die Kontaktfläche B des Freilaufzahns 58 befindet sich "entkoppelten einem Abstand von der Innenverzahnung des Freilaufkörpers 63. Die innerhalb der Abtriebs welle 8 angeordneten Haltemagnete 92 berühren die aus Stahl gefertigten und somit magnetischen Freilaufzähne 58 und halte diese fest in Position.Das Schaltteil befindet sich hier nicht unter den Freilaufzähnen 58, sondern axial verschoben innerhalb einer anderen Zugmittelscheibe. Diesen Zustand aus Figur 10c kann man somit als "frei entkuppelt" bezeichnen. Erläuternd ist anzumerken, daß diese Kupplungsmittel grundsätzlich auf jeder Welle eines Getriebes angeordnet werden kann. Beispielhaft ist hier das Kupplungsmittel auf der Ausgangswelle dargestellt.
Der Schaltvorgang im Detail ist beispielhaft in Figur 1 Ia5IIb und 11c dargestellt. Figur IIa stellt die Abtriebswelle 8 mit den 7 Kupplungsmitteln längs geschnitten ohne die Freilaufkörper 63 und ohne die Zugmittelscheiben 61 dar. Die bereits in Figur 9 beschriebene Schaltansteuerung beschränkt sich auf die Darstellung des Schaltteils 87, indem die Magneten 79 eingefügt sind. Die Polung der Magneten ist durch ein Plus- und ein Minuszeichen dargestellt. Ebenfalls erkennbar sind zwei von drei Mehrzahnachsen 23, die im folgenden oft auch als Stahlachsen bezeichnet werden. Auf diesen Mehrzahnachsen 23 können die Freilaufzähne 58 Kippbewegungen ausführen. Allgemein gesagt ist hier innerhalb mindestens ein Bauteil relativ zu einer Verzahnung drehbar oder verschiebbar gelagert.
Der mittlere Magnet 97 befindet sich mit seiner Positiven Seite zum Freilaufzahn ausgerichtet fest in das Schaltteil 87 eingefügt. Das Schaltteil 87 befindet sich in der Darstellung genau mittig unter dem eingekuppelten Freilaufzahn 93. Der Freilaufzahnmagnet 91 ist mit seinem negativem Pol zum Schaltteil 97 gerichtet und wird somit angezogen . Durch die Wippenform der Freilaufzähne wird hierdurch die Kontaktfläche B aus der Darstellung in Figur 10a in die Innenverzahnung des nicht dargestellten Freilaufkörpers gedrückt. Auf diese Weise wird zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle durch dieses formschlüssige Kupplungsmittel eine drehfeste Verbindung hergestellt. Oder allgemein gesagt kann innerhalb des Kupplungsmittels mindestens ein Bauteil in einer Verzahnung eine formschlüssige Position einnehmen. An beiden Aussenkanten des Schaltteils 87 sind ebenfalls Magneten 98 eingefügt, die jedoch mit ihrer negativen Seite in Richtung der Freilaufzähne 93 ausgerichtet sind. Durch diese Ausrichtung wird der Freilaufzahnmagnet 91 ist mit seinem negativem Pol vom Schaltteil 91 abgestoßen und auf diese Weise aktiv entkoppelt. Direkt neben den negativ gepolten Magneten 98 befinden sich die sogenannten Überschneidungsmagneten 99, die mit ihrer positiven Seite zum Freilaufzahn ausgerichtet fest in das Schaltteil 87 eingefügt sind. Die Überschneidungsmagneten 99 haben in dieser Figur I Ia keinen Einfluß auf die Freilaufzähne 58,93 und 94. In dieser Figur I Ia ist somit der zweite Gang von links eingelegt.Zusätzlich ist anzumerken, daß sich das Schaltteil in dieser Figur I Ia an einem Rastpunkt befindet und deswegen der zweite Gang in einem eingerasteten Zustand befindet.
Figur IIb zeigt den Schaltvorgang von diesem Gang zwei in den Gang drei. Betrachtet man den dritten Freilaufzahn 94 von der linken Seite, so ist der Einkuppelvorgang von Gang drei gleichbedeutend mit der Kippbewegung dieses Freilaufzahnes 94. Man erkennt ebenfalls in der Figurl lb das Schaltteil 87 während seiner Bewegung nach rechts. Sobald das Schaltteil 87 bereits einen gewissen Weg zuückgelegt hat, bewirken die Überschneidungsmagneten 99 bereits den Einkuppelvorgang des Freilaufzahnes 94. In dieser Situation befindet sich der Freilaufzahn 93 jedoch noch immer im Eingriff. Da aufgrund der unterschiedlichen Übersetzungen innerhalb der einzelnen Getriebestufen nicht beide Freilaufzähne Kräfte übertragen können , arbeitet in diesem Moment einer der beiden Freilaufzähne 93 und 94 in seiner Freilauffunktion und springt für den Nutzer unmerklich in der Innenverzahnung über. An dieser Stelle ist es jedoch wichtig herauszustellen, daß das Getriebe aus diesem Grunde nicht in der Lage ist, eine Leerlaufposition einzunehmen. Zusätzlich ist anzumerken, daß sich das Schaltteil in dieser Figur I Ib nicht an einem Rastpunkt befindet und durch den in Figur 9 beschriebenen Mechanismus gezwungen wird, die in Figur 1 Ic dargestellte Position einzunehmen. Figur llc zeigt den abgeschlossenen Schaltvorgang von Gang zwei in Gang drei. Betrachtet man den zweiten Freilaufzahn 93 von der linken Seite, so ist er von dem negativ gepolten Magneten auf dem Schalteil aus dem Formschluß des Freilaufkörpers herausgedrückt worden. Allgemein gesagt kann hier innerhalb des Kupplungsmittels mindestens ein Bauteil eine Position in einem Abstand relativ zu einer Verzahnung . Man erkennt ebenfalls in der Figurl lc das Schaltteil 87 wieder genau mittig in seiner Rastposition unter dem dritten Freilaufzahn 94. Der Schaltprozeß ist somit abgeschlossen. Hiermit sei beispielhaft an diesem 7-Gang Mehrfachgetriebe gezeigt, daß durch die Neuheit eine Schaltbarkeit unter Last sowie eine Schaltbarkeit im Stand erreicht werden kann. Ebenso wird deutlich, daß das unbeabsichtliche Einlegen eines Leerlaufs ebenfalls unmöglich ist. Die Figur 11 zeigt somit beispielhaft, daß die Neuheit vorteilhaft zusätzlich dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens ein Bauteil eine Position in einem Abstand relativ zu einer Verzahnung einnimmt, nachdem sich zwei gleich gepolte Magnetfelder aufeinander zu bewegt haben.
Figur 12 zeigt eine Getriebeübersetzung mit einem Zugmittel 66 und einer Zugmittelscheibe 60 für den Antrieb und einer Zugmittelscheibe 61 für den Abtrieb. Vorzugsweise ist das Zugmittel 66 als Zahnriemen sowie die Zugmittelscheiben 60 und 61 als Zahnriemenscheiben ausgebildet. Dieser Umstand ist jedoch in der Figur nicht dargestellt. Die Figur 12a zeigt die Getriebeübersetzung im belasteten Zustand. Man erkennt, daß die Andrücklager 9 in diesem Lastzustand das Zugmittel nicht berühren. Dieses verhindert ein Überspringen des Zahnriemens auf den Zahnriemenscheiben, denn eine Verstärkung der Last führt zu einer Erhöhung des Umschlingungwinkels und auch zu einer verstärkte konkave Wölbung des Leertrums . Ohne Last jedoch versucht der Zahnriemen, wie in Figur 12b dargestellt , durch seine Eigenspannung im Last- und im Leertrum eine konvexe Form zu bilden. Dieses jedoch wird auf der Leertrumseite durch das Andrücklager verhindert. Allgemein gesagt wird so während lastfreier Rotation durch mindestens ein Bauteil das Zugmittel in eine nierenähnliche Form gedrückt. Auf der Lasttrumseite erreicht der Riemen in der Figur 12b deutlich sichtbar seine konvexe Form. Das Überspringen des Zahnriemens auf den Zahnriemenscheiben wird so auf vorteilhafte Weise verhindert, indem die nierenähnliche Form der Zugmittel unter Last durch eine gerade Form des Lasttrums und durch eine verstärkte konkave Wölbung des Leertrums gebildet wird. Wenn Laststöße und Störgrößen von außen auf das Getriebe wirken, kann dieses zu einem Abheben des Zahnriemens von den Zahnriemenrädern führen. In Figur 12a und 12b sind Bereiche schraffiert gezeichnet, die auf der Leertrumseite zusätzliche Führungen berührungslos in unmittelbarer Nahe der Zahnriemen bilden und ähnlich der Außenkontur des Zahnriemens geformt sind. Diese Führungen verhindern das vollständige Austreten der Zahnriemen aus den Zahnriemenscheiben und verhindern somit Beschädigungen am Riemen durch Quetschwirkung zwischen Andrückrolle und Zahnriemenscheibe.
Bezugszeichenhste:
1 Hauptrahmen
2 Hinterradschwinge
3 Dämpferelement
4 Abtriebsritzel
5 Tretkurbeln
6 Abtriebsritzelbaugruppe
7 Antriebswelle/Eingangswelle
8 Abtriebswelle/Ausgangswelle
9 UnteiTohr
10 Sattelrohr
11 Kette
12 Hinterrad
13 Gehäusedeckel rechts
14 Gehäusedeckel links
15 Gehäuseteil Mitte
16 Schaltansteuerung rechts
17 Schaltansteuerung links
18 Zugmittelgetriebe
19 Schwingenlageraufhahme links
20 Schwingenlageraufhahme rechts
21 Tretlagerexzenter rechts
22 Tretlagerexzenter links
23 Mehrzahnachsen
24 Zugstange
25 Rillenkugellager
26 Rillenkugellager
27 Anpressring rechts
28 Anpressring links 29 Schraube
30 Schraube
31 Ritzelflansch
32 Mutter
33 Mutter (Schaltung)
34 Spezialschraube (Schaltung)
35 Langmutter
36 Tretlagermutter
37 Sicherungsring
38 Schraube
39 Dichtungslaufring
40 Dichtung
41 Lagerdruckring
42 Rillenkugellager
43 Zugmittel-/Getriebegehäuseteil
44 Verbrennungsmotor
45 Tank
46 Rohrrahmen
47 Differentialgetriebe
48 Vorderrad
49 Nebenaggregate
50 Tretlagerexzentergehäuse rechts
51 Tretlagerexzentergehäuse links
52 Schwingenlageraufhahmegehäuse rechts
53 Schwingenlageraufhahmegehäuse links
54 Abschlusskappe
55 Lagerdurckring
56 Zugmittelbaugruppe
57 Schraube
58 Freilaufzahn 59 Bordscheibe
60 Zugmittelscheibe (Antrieb)
61 Zugmittelscheibe (Abtrieb)
62 Rillenkugellager
63 Freilaufkörper
64 Abtriebswellenbaugruppe
65 Antriebswellenbaugruppe
66 Zugmittel
67 Schraube
68 Zugmittelführung
69 Andrücklager
70 Radialkugellager
71 Sicherungsring
72 Zugspule
73 Rasthebel
74 Schenkelfeder
75 Radialkugellager (klein)
76 Seilzug (Getriebe)
77 Seilzug (Schalthebel)
78 Stift
79 Magnet (Schaltteil)
80 Zugführungsdeckel
81 Stift
82 Schraube
83 Gleitlager
84 Beilagscheibe
85 Dichtungsring
86 Zuggehäuse
87 Schaltteil
88 Klemmschraube 89 Radialkugellager
90 Umlenkrolle
91 Freilaufzahnmagnet
92 Haltemagnet
93 Freilaufzahn
94 Freilaufzahn
95 Magnet
96 Axialkeil
97 Magnet mit Pluspol
98 Magnet mit Minuspol
99 Überschneidungsmagnet
100 Steuerschieber

Claims

Patentansprüche:
1)
Mehrfachgetriebe mit magnetischer Ansteuerung für Fahrzeuge oder für den Einsatz in der Antriebstechnik mit einer an einem Gestell gelagerten Eingangswelle und Ausgangswelle, wobei die Eingangswelle an mindestens einem Ende und die Ausgangswelle an einem Ende aus dem Gestell herausgeführt ist, mit den folgenden Merkmalen:
a) zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle befinden sich Getriebeübersetzungen mit Getrieberädern, die als Zahnrad- oder Zugmittelgetriebe ausgeführt sein können, b) auf der Eingangswelle oder der Ausgangswelle befinden sich Getrieberäder drehbar gelagert, die durch formschlüssige Kupplungsmittel drehfest mit der Welle verbindbar sind, c) alle Getrieberäder befinden sich während des Betriebs ständig in Rotation, d) Innerhalb des Kupplungsmittels ist mindestens ein Bauteil relativ zu einer Verzahnung drehbar oder verschiebbar gelagert, e) Innerhalb des Kupplungsmittels kann mindestens ein Bauteil in einer Verzahnung eine formschlüssige Position einnehmen, f) Innerhalb des Kupplungsmittels kann mindestens ein Bauteil eine Position in einem Abstand relativ zu einer Verzahnung einnehmen,
dadurch gekennzeichnet, daß
g) mindestens ein Bauteil innerhalb des Kupplungsmittels die Eigenschaften eines Permanentmagneten mit einem magnetischen Nord- und Südpol besitzt, und h) der Zustand der Kupplungsmittel sich durch die Veränderung eines zusätzlichen Magnetfelds innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe der Kupplungsmittel verändert, und i) während mindestens eines Schaltvorgangs sich der Zustand von mindestens zwei Kupplungsmitteln gleichzeitig ändert, und k) mindestens ein Kupplungsmittel nur Drehmomente in eine Drehrichtung übertragen kann.
2. Mehrfachgetriebe nach Anspruch I5 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bauteil eine Position in einem Abstand relativ zu einer Verzahnung einnimmt, nachdem sich zwei gleich gepolte Magnetfelder aufeinander zu bewegt haben.
3. Mehrfachgetriebe nach Anspruch I5 dadurch gekennzeichnet, dass das formschlüssige Kupplungsmittel durch Freilaufzähne gebildet wird, die in eine Verzahnung eingreifen können.
4. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung als Innenverzahnung ausgeführt ist .
5. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufzähne symmetrisch zur Verzahnung angeordnet sind.
6. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufzähne kippbar auf Stahlachsen innerhalb der Welle gelagert sind, auf der sich das Kupplungsmittel befindet
7. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kupplungsmittel aus einem Permanentmagneten und einem Stahlbauteil zusammengefügt sind.
8. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Magnetfelds durch axiale Verschiebung von Permanentmagneten entlang der Drehachse der Welle erreicht wird, aufweicher sich das Kupplungsmittel befindet.
9. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verschiebung von Permanentmagneten innerhalb einer hohlen Abtriebswelle vollzogen wird.
10. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verschiebung von Permanentmagneten außerhalb der Eingangswelle vollzogen wird.
11. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten, die axial verschoben werden, hierzu in ein Steuerschieberbauteil eingefügt werden.
12. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten in unterschiedlicher Polung in das Steuerschieberbauteil eingefügt werden
13. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb des Steuerschieberbauteils eine Lagerung befindet
14. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerschieberbauteil für die axiale Bewegung mit einem Zugmittel in Verbindung steht.
15. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerschieberbauteil innerhalb seiner axialen Bewegung gegenüber der Welle Rastpunkte einnimmt.
16. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine gekippte Lage des Freilaufzahns auf der Stahlachse durch einen Permanentmagneten gehalten wird.
17. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet in die Welle eingefügt ist, auf welcher sich das Kupplungsmittel befindet.
18. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige drehfeste Verbindung zwischen Welle und Getrieberad mit Hilfe der Energie aufgehoben werden kann, die zeitlich vor dem Entkoppeln im Magnetfeld gespeichert wurde.
19. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Veränderung eines zusätzlichen Magnetfelds innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe der Kupplungsmittel durch Elektromagneten vollzogen wird.
20. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell des Getriebes als geschlossenes Gehäuse ausgeführt ist.
21. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle befindlichen Getriebeübersetzungen als Zugmittelgetriebe mit Zahnriemen als Zugmittel und mit Zahnriemenscheiben als Getrieberäder ausgeführt sind.
22. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmittel durch Aramid, Kevlar oder Kohlefaserwerkstoffe verstärkt sind.
23. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserwerkstoffe mit Polyurethan umhüllt sind.
24. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel während lastfreier Rotation auf den Zahnriemenrädern durch mindestens ein Bauteil in eine nierenähnliche Form gedrückt wird und dass unter Lasteinwirkung dieses Bauteil das Zugmittel nicht berührt.
25. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die nierenähnliche Form der Zugmittel während lastfreier Rotation durch eine konvexe Wölbung des Lasttrums und durch eine konkave Wölbung des Leertrums gebildet wird.
26. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass sich die nierenähnliche Form der Zugmittel unter Last durch eine gerade Form des Lasttrums und durch eine verstärkte konkave Wölbung des Leertrums gebildet wird.
27. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmittel während des Schaltvorgangs ihre Riemenspannung ändern.
28. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmittel während des Schaltvorgangs ihren Umschlingungswinkel auf dem Zahnriemenrad ändern.
29. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bauteil, daß das Zugmittel in eine nierenförmige Form drückt, als Rolle ausgebildet ist.
30. Mehrfachgetriebe nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, das sich auf der Leertrumseite zusätzliche Führungen berührungslos in unmittelbarer Nähe der Zahnriemen befinden und ähnlich der Außenkontur des Zahnriemens geformt sind.
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DE102022001734A1 (de) 2022-05-17 2023-11-23 Karlheinz Nicolai Tretlagerschaltung mit Hilfsantrieb für ein Fahrrad und ein Fahrrad mit einer solchen Tretlagerschaltung
WO2023222262A1 (de) 2022-05-17 2023-11-23 Karlheinz Nicolai Tretlagerschaltung mit sensoranordnung für ein elektrofahrrad und elektrofahrrad mit einer solchen tretlagerschaltung
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