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Die
Erfindung betrifft ein mechanisches Nabenschaltgetriebe zum Übertragen
einer Drehbewegung mit stufenlos veränderlichem Übersetzungsverhältnis, insbesondere
zur Anwendung als Hinterradnabengetriebe für Fahrräder.
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Stand der Technik
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Die
ersten Nabenschaltungen wurden bereits um 1900 patentiert (z. B.
Fichtel & Sachs)
und waren damit trotz komplizierterer Bauart um Jahrzehnte früher auf
dem Markt als Kettenschaltungen. Aufgebaut als Planetenumlaufgetriebe
waren mit diesem Nabengetriebe drei Gänge möglich.
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Um
mehr als drei Übersetzungen
in der Nabe unterzubringen, sind weitere Getriebe notwendig, die über Planetenräder gekoppelt
oder hintereinander geschaltet sind. Zur Steuerung bewegt man meist
einen Schubklotz im Innern der Achse, der in verschiedene Sonnenräder greifen
und sie damit blockieren kann. Die Weiterleitung der Drehung an
die Nabenhülse
erfolgt je nach Gang über
verschiedene Sperrklinkenpaare, die – wenn nicht aktiv – teils
aus der Verzahnung ausrücken
oder festgehalten werden können.
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Der
Nachteil dieser Getriebe besteht, außer das sie nur in Stufen schaltbar
sind, in ihrem hohen Gewicht und den Reibungsverlusten, die zunehmen, je
mehr Übersetzungsstufen
angestrebt werden.
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Des
Weiteren sind so genannte PV- oder PIV- Getriebe bekannt, die mit
Kette oder Keilriemen arbeiten. Derartige Getriebe sind für ein nahezu
stufenloses Schalten relativ kompliziert und materialintensiv im
Aufbau und benötigen
eine hohe Schaltkraft.
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Aus
der
EP 0 432 742 A1 ist
ein stufenlos arbeitendes Nabengetriebe, insbesondere für Fahrräder, in
Form eines Reibrad getriebes bekannt. Über eine Nabenhülse wird
das Reibradgetriebe angetrieben, dessen erste Toroidscheibe fest
auf der Nabenachse sitzt, dessen mit mehreren Reibrädern versehener
Reibradträger
von einem Antreiber aus angetrieben wird und dessen zweite Toroidscheibe über ein
Planetengetriebe und eine dem Planetengetriebe zugeordnete Freilaufkupplung
mit der Nabenhülse verbunden
ist. Das stufenlos einstellbare Übersetzungsverhältnis des
Reibradgetriebes wird vom Inneren der Nabenachse gesteuert, welches über einen Kupplungsring
die schwenkbar gelagerten Achszapfen der Reibräder, mitnimmt.
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Derartige
Getriebe sind zwar klein und robust im Aufbau, besitzen aber einen
Schlupf und eine hohe Reibung, wodurch eine große Kraft für das Verstellen des Getriebes
notwendig ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Nabenschaltgetriebe zum Übertragen
einer Drehbewegung mit stufenlos veränderlichem Übersetzungsverhältnis zu
schaffen, das klein und robust im Aufbau ist, keinen Schlupf besitzt
und eine geringe Verstellkraft benötigt.
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Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte
Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein
im Rahmen, insbesondere Fahrradrahmen gehaltenes Rad, welches vorzugsweise
das Hinterrad ist, besitzt eine durch den Rahmen gehaltene Nabenachse,
die von einer relativ zur Nabenachse drehbar angeordneten Nabenhülse umschlossen
wird.
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Innerhalb
der Nabenhülse
ist ein Planetengetriebe angeordnet, das ein Sonnenrad, mehrere das
Sonnenrad umlaufende und durch einen Planetenträger gehaltene Planetenräder sowie
ein die Planetenräder
umschließendes
und auf diesen umlaufendes Hohlrad umfasst.
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Das
Planetengetriebe ist antriebsseitig mit einem auf der Nabenachse
gelagerten Antriebsritzel und abtriebsseitig mit der Nabenhülse verbunden.
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Das
Sonnenrad, die Planetenräder
und das Hohlrad sind dabei als Scheiben ausgebildet, von denen eine
Scheibe eine Bolzenscheibe ist, die mit den beiden anderen Scheiben,
die als Keilscheiben ausgebildet sind, in Eingriff steht.
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Oder
zwei Scheiben sind als Bolzenscheiben ausgebildet, die mit einer,
dazwischen angeordneten Keilscheibe in Eingriff stehen.
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Die
Bolzenscheibe ist eine Scheibe, die eine Vielzahl von Bolzen trägt, die
auf dem Umfang der Bolzenscheibe axial beweglich angeordnet sind.
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Die
mit der Bolzenscheibe in Eingriff stehende Keilscheibe besteht aus
zwei auf einer Welle gegeneinander beweglichen Teilscheiben, wobei
die einander zugewandten Flächen
der Teilscheiben eine zur Welle hin zunehmende Wölbung aufweisen und die Flächen radial
angeordnete Nuten und Stege besitzen.
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Durch
die Wölbung,
die vorzugsweise kegel- oder kegelstumpfförmig ausgeführt ist, bekommt die Keilscheibe
im Querschnitt einen keilförmigen
Spalt zwischen den Teilscheiben, der diese als Keilscheibe kennzeichnet.
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Die
beiden Teilscheiben sind außerdem
in Umlaufrichtung derart gegeneinander versetzt angeordnet, dass
immer einem Steg der einen Teilscheibe eine Nut der anderen Teilscheibe
gegenübersteht,
so dass bei einem Eingriff der Bolzenscheibe die Bolzen wechselseitig
durch den Steg der einen Teilscheibe in die Nut der anderen Teilscheibe
gedrückt
werden.
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Beim
Schalten des Getriebes wird die Bolzenscheibe mehr oder weniger
stark zwischen die beiden Teilscheiben der Keilscheibe gedrückt und
so ein unterschiedliches Übersetzungsverhältnis hergestellt.
Die Teilscheiben, die dazu auf ihrer gemeinsamen Achse verschiebbar
angeordnet sind, stehen unter einem leichten Federdruck, so dass
diese bei jedem Übersetzungsverhältnis derart
gegen die Bolzenscheibe drücken,
dass immer ein, in eine Nut eingelaufener Bolzen sicher gegen eine
Stegkante drückt
und so eine kraftschlüssige
Verbindung zwischen der Bolzenscheibe und der Keilscheibe herstellt
ist.
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In
der erfinderischen Anordnung des Planetengetriebe mit Bolzenscheiben
und Keilscheiben sind die Planetenräder am Planetenträger in Schwingen
gelagert angeordnet, wodurch die Achsen der Planetenräder gegenüber der
gemeinsamen ortsfesten Achse von Sonnenrad und Hohlrad verschiebbar und
somit stufenlos schaltbar sind.
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Das
Verschieben der Achsen der Planetenräder, bzw. das Ein- und Ausschwenken
der Schwingen wird durch eine Steuerscheibe bewirkt, die relativ zum
Planetenträger
verdrehbar ist. Die Schwingen, die am Planetenträger gelagert sind, werden dazu
mit ihren freien Enden, die die Achsen der Planetenräder halten,
in einer entsprechenden Führung
(z.B. Malteserkreuzführung
bei vier Planetenradachsen) der Steuerscheibe geführt.
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Das
Verdrehen der Steuerscheibe wird durch Schaltstifte erreicht, die
gleichzeitig das Planetengetriebe mit seinen grundsätzlich drei Übersetzungsmöglichkeiten
in bekannter Weise schalten, wobei das Sonnenrad fest mit der Nabenachse
verbunden ist:
- 1. Der Planetenträger wird
mit dem Ritzel verbunden und das Hohlrad treibt die Nabenhülse und somit
das Rad an,
- 2. das Hohlrad wird mit dem Ritzel verbunden und der Planetenträger treibt
die Nabenhülse
an oder
- 3. das Getriebe wird blockiert und das Ritzel treibt die Nabenhülse direkt
an.
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Ferner
wird das Nabenschaltgetriebe für
einen Fahrradantrieb in bekannter Weise mit einer Freilaufkupplung
ausgerüstet.
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An
Hand von Zeichnungen werden der Aufbau und die Wirkungsweise der
Erfindung erläutert und
eine Ausführungsform
für ein
Fahrradnabengetriebe dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 Eine
Schnittdarstellung des Nabenschaltgetriebes für die Anordnung in einer Fahrrad- Hinterradnabe,
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2 einen
Schnitt A – A
des Nabenschaltgetriebes gemäß 1,
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3 eine
Darstellung eines in der Nabenschaltung verwendeten Scheibenpaares
bei geringer Übersetzung,
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4 eine
Darstellung eines in der Nabenschaltung verwendeten Scheibenpaares
bei hoher Übersetzung,
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5 das
Prinzip des wechselseitigen Einlaufens der Bolzen der ersten Scheibe
in die Nuten der beiden Teilscheiben der Keilscheibe gemäß 3 und
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6 das
Prinzip des wechselseitigen Einlaufens der Bolzen der ersten Scheibe
in die Nuten der beiden Teilscheiben der Keilscheibe gemäß 4.
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Eine
Ausführung
des erfindungsgemäßen Nabenschaltgetriebes
zum Übertragen
einer Drehbewegung auf ein in einem Fahrradrahmen gehaltenem Hinterrad
zeigt 1 in einem Schnitt.
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Das
Rad besitzt eine im Fahrzeugrahmen gehaltene Nabenachse 10,
die von einer Nabenhülse 12 gleichachsig
und relativ zu dieser drehbar umschlossen ist.
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Innerhalb
der Nabenhülse 12 ist
ein Planetengetriebe angeordnet, das ein Sonnenrad 13,
mehrere das Sonnenrad 13 umlaufende und durch einen Planetenträger 14 gehaltene
Planetenräder 15 und ein
die Planetenräder 15 umschließendes und
auf diesen umlaufendes Hohlrad 11 umfasst.
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Das
Planetengetriebe ist antriebsseitig mit einem auf der Nabenachse 10 gelagerten
Antriebsritzel 16 und abtriebsseitig mit der Nabenhülse 12 verbunden.
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Das
Sonnenrad 13 ist als Keilscheibe 2 gemäß 3 bis 6,
die Planetenräder 15 als
Bolzenscheiben 1 (3 bis 6)
und das Hohlrad 11 in Form einer Hohlkeilscheibe, analog
zur Keilscheibe 2 ausgebildet.
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Die
Planetenräder 15 sind
auf Achsen 18 am Planetenträger 14 in Schwingen 17 gelagert
angeordnet, wodurch die Achsen 18 der Planetenräder 15 gegenüber einer
gemeinsamen ortsfesten Achse 19 von Sonnenrad 13 und
Hohlrad 11 verschiebbar sind.
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Die
Achsen 18 der Planetenräder 15 sind
in einer Steuerscheibe 20 geführt, so dass durch ein Verdrehen
des Planetenträgers 14 relativ
zur Steuerscheibe 20 die Achsen 18 der Planetenräder 15 gegenüber der
gemeinsamen Achse 19 von Sonnenrad 13 und Hohlrad 11 verschiebbar
sind.
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Aus
dieser grundsätzlichen
Anordnung ergeben sich, wie bei Planetengetrieben allgemein bekannt,
zunächst
drei schaltbare Übersetzungsstufen, wobei
das Sonnenrad 13 immer fest mit der Nabenachse 10 verbunden
ist:
- 1. Das Ritzel 16 treibt den Planetenträger 14 und die
Planetenräder 15 das
Hohlrad 11 an, das mit der Nabenhülse 12 verbunden ist.
- 2. Das Ritzel 16 ist mit dem Hohlrad 11 verbunden und
der Planetenträger 14 treibt
die Nabenhülse 12 an.
- 3. Die Nabenhülse 12 ist
direkt mit dem Ritzel verbunden und der Planetenträger 14 und
das Sonnenrad 13 sind blockiert.
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Das
Schalten des Nabenschaltgetriebes erfolgt über Schaltstifte 21,
wobei eine axiale Bewegung der Schaltstifte 21 die drei
Gänge des
Planetengetriebes und eine radiale Bewegung das erfindungsgemäße Bolzengetriebe
stufenlos schaltet.
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2 zeigt
das Nabenschaltgetriebe in einen Schnitt A – A gemäß 1. Im Zentrum
der Abbildung ist die Nabenachse 10 zu erkennen, auf der das
Sonnenrad 13, das als Keilrad 2 ausgebildet ist, fest
angeordnet ist.
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Um
das Sonnenrad 13 laufen vier Planetenräder 15, die als Bolzenscheiben 1 ausgebildet
und durch einen Planetenträger 14 gehalten
sind.
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Die
Planetenräder 15 sind
in Schwingen 17 am Planetenträger 14 gelagert,
so dass die Achsen 18 der Planetenräder 15 gegenüber der
Achse 19 des Sonnenrades 13, die gleichzeitig
die Nabenachse 10 ist, verschiebbar sind.
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Das
Hohlrad 11 des Planetengetriebes, das die Planetenräder 15 umschließt, besteht
wieder aus einem Keilrad 2, in das die Bolzen 5 der
Planetenräder 15 im
gleichen Verhältnis
eindringen, wie sie aus dem Keilrad 2 des Sonnenrades 13 herausgezogen werden.
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In
bzw. an der Nabenachse 10 werden die Schaltstifte 21 geführt, die
sowohl axial zur Nabenachse 10 als auch radial in einem
bestimmten Kreissektor um die Nabenachse 10 verschiebbar
sind.
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Das
gesamte Getriebe wird außen
von der Nabenhülse 12 umhüllt.
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Die
Abbildungen 3 und 4 zeigen das
Grundprinzip des Getriebes, das aus mindestens einer ersten Scheibe 1 und
einer zweiten Scheibe 2 besteht, die paarweise angeordnet
sind und ähnlich wie
zwei Zahnräder
ineinander greifende Mittel besitzen.
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Die
erste Scheibe 1, die eine Bolzenscheibe ist, besitzt eine
Vielzahl von Bolzen 5, die am Umfang der Scheibe 1 axial
beweglich angeordnet sind und die zweite Scheibe 2, die
eine Keilscheibe ist, besteht aus zwei auf einer Achse 4 gegeneinander
beweglichen Teilscheiben 2.1 und 2.2. Die einander
zugewandten Flächen 8 der
Teilscheiben 2.1 und 2.2 sind kegelförmig geformt
und besitzen radial angeordnete Nuten 6 und Stege 7.
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Die
beiden Teilscheiben 2.1 und 2.2 der zweiten Scheibe 2 sind
derart in Umlaufrichtung gegeneinander versetzt angeordnet, dass
immer einem Steg 7 der einen Teilscheibe 2.1 oder 2.2 eine
Nut 6 der anderen Teilscheibe 2.1 oder 2.2 gegenübersteht,
so dass die Bolzen 5 der Bolzenscheibe 1 wechselseitig
durch einen Steg 7 der einen Teilscheibe 2.1 oder 2.2 in
die Nut 6 der anderen Teilscheibe 2.1 oder 2.2 gedrückt werden.
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Die
Nuten 6 und die Stege 7 sind radial angeordnet
und dementsprechend nach außen,
zum Rand der Scheibe hin, strahlenförmig erweitert.
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Je
nach Übersetzung
werden die Bolzen 5 der ersten Scheibe 1 wechselseitig
in die Nuten 6 der Teilscheiben 2.1 und 2.2 der
zweiten Scheibe 2 gedrückt.
Je nach dem, wie tief die Bolzen 5 zwischen die Teilscheiben 2.1 und 2.2 eindringen,
werden gleichzeitig die beiden Teilscheiben 2.1 und 2.2 durch die
Kegelform ihrer Flächen 8 auseinandergedrückt.
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Dabei
stehen die Teilscheiben 2.1 und 2.2 unter einem
Federdruck, durch den die Teilscheiben 2.1, 2.2 beim
Herausfahren der Bolzen 5 wieder zusammengedrückt werden.
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Entsprechend 3 befinden
sich bei geringer Übersetzung
mehrere Bolzen 5 in einer Nut 6 und bei hoher Übersetzung,
wie in 4 dargestellt, nur noch ein Bolzen 5.
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Abweichend
von einer geradlinigen radialen Ausrichtung können die Stege 7 und
die Nuten 6 auch von einer radialen Linie kurvenförmig abweichen.
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Das
Prinzip des wechselseitigen Einlaufens der Bolzen 5 der
ersten Scheibe 1 in die Nuten 6 der beiden Teilscheiben 2.1 und 2.2 der
zweiteiligen Keilscheibe 2 ist in 5 bei einem
geringen Übersetzungsverhältnis gemäß 3 und
in 6 bei einem hohen Übersetzungsverhältnis gemäß 4 dargestellt.
Beim Einlaufen eines Bolzens 5 in die Keilscheibe 2 wird
dieser zunächst
von einer Einlaufkante 9 eines Steges 7 der einen
Teilscheibe 2.1 erfasst und anschließend in die Nut 6 der
anderen Teilscheibe 2.2 gedrückt. Befindet sich der Bolzen 5 vollständig in
der Nut 6, drückt
er gegen die Arbeitskante eines Steges 7 der Teilscheibe 2.2 und
nimmt diese mit. Der Bolzen 5 drückt solange gegen diese Kante bis
er die Keilscheibe 2 verlassen bzw. bei tiefer eingedrungenen
Bolzen 5 durch die Kegelform der Teilscheiben 2.1, 2.2 keine
Berührung
mehr mit der Keilscheibe 2 hat. Dieser Vorgang findet abwechselnd zwischen
den Stegen 7 und Nuten 6, mal an der einen Teilscheibe 2.1 und
mal an der anderen Teilscheibe 2.2 statt. Je nach Eindringtiefe
der Bolzenscheibe 1 in die Keilscheibe 2 können sich
ein Bolzen 5 (6) oder mehrere Bolzen 5 (5)
gleichzeitig in einer Nut 6 befinden.
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- 1
- erste
Scheibe, Bolzenscheibe
- 2
- zweite
Scheibe, zweiteilige Keilscheibe
- 2.1
- rechte
Teilscheibe
- 2.2
- linke
Teilscheibe
- 3
- Welle
der Bolzenscheibe
- 4
- Welle
der Keilscheibe
- 5
- Bolzen
- 6
- Nuten
- 7
- Stege
- 8
- kegelförmig gewölbte Flächen der
Keilscheibe
- 9
- stirnseitige
Einlauf kante
- 10
- Nabenachse
- 11
- Hohlrad
- 12
- Nabenhülse
- 13
- Sonnenrad
- 14
- Planetenträger
- 15
- Planetenräder
- 16
- Ritzel
- 17
- Schwinge
- 18
- Planetenradachsen
- 19
- Achse
von Sonnenrad und Hohlrad
- 20
- Steuerscheibe
- 21
- Schaltstifte