DE19526382A1 - Schaltbares Kettengetriebe für Fahrräder - Google Patents

Description

Bei einem schaltbaren Kettengetriebe üblicher Bauart sind auf der antreibenden und auf der getriebenen Achse mehre­ re Zahnräder mit unterschiedlichem Durchmesser nebenein­ ander angeordnet. Je eine Kettenführung auf der Seite, wo die Kette zu der Zahnradgruppe hinläuft, bestimmt, über welches Zahnrad die Kette läuft. Für das Schalten in bei­ den Drehrichtungen muß jede Führung beide von einem Zahn­ rad wegführenden Kettenläufe federnd umfassen. Der Über­ sichtlichkeit wegen ist im Folgenden, wie bei Fahrrädern üblich, nur eine Drehrichtung berücksichtigt.

Die Lage der Kettenführungen wird gemäß dem Stand der Technik über Züge von mechanischen Gangspeichern, meist von Rastwerken bestimmt, oder von elektronischen Spei­ chern über elektrische Antriebe.

Es ist üblich, die Zahnräder so anzuordnen, daß sich das größte Zahnrad der Antriebsgruppe auf derselben Seite wie das kleinste der angetriebenen Gruppe befindet, um wenigstens bei einigen Übersetzungsverhältnissen einen geraden Kettenverlauf mit wenig Verlusten zu erreichen. Bei einer getrennten Betätigungen der beiden Führungen können viele Zahnradkombinationen gewählt werden, die einen stark abgeknickten Kettenverlauf zur Folge haben. Ganz ohne solche kann man bei Schaltungen mit vielen Gängen auch dann nicht auskommen, wenn die Führungen von einer einzigen zentralen Steuerung bewegt werden.

Der abgeknickte Kettenverlauf hat zwei Folgen: Kann man, wie bei der getrennten Betätigung, ein Abknicken zum be­ nachbarten größeren Zahnrad nicht ausschließen, muß man den Abstand zwischen den Zahnrädern vergrößern, damit die Kette nicht am Nachbarzahnahnrad schleift. Zweitens muß die vordere Führung, die üblicherweise par­ allel zu den Zahnrädern ausgerichtet und seitlich bewegt wird, eine dem wechselnden Durchtritt der Kette angpaßte, breitere Öffnung haben. Ihre Wirkung ist daher ungenauer, so daß ebenfalls ein vergrößerter Abstand der Zahnräder erforderlich ist. Störender ist die Auswirkung auf die Schaltzuverlässigkeit bei Anwendung einer zentralen Steu­ erung, denn dabei lassen sich Ungenauigkeiten oder ein zu hoher Kettenzug nicht durch einen Überhub ausgleichen.

Diese Probleme werden durch die im Anspruch 1 aufgeführ­ ten Merkmale gelöst.

Durch ihre Verbindung wird eine Führung nicht wie üblich nur zum Schalten bewegt, sondern folgt der Kette durch eine zusätzliche Korrekturbewegung, wenn die andere Führung geschaltet wird. Das erlaubt es, die Führungs­ öffnung schmaler zu gestalten, ohne daß die Kette häufi­ ger an den Führungsblechen schleift.

Die Anzahl der Einzelteile ist geringer: Statt der üb­ lichen Paare von Parallelogrammhebeln wird nur je ein Lenkhebel benötigt. Auch die Schubführung bedeutet keinen wesentlichen Mehraufwand, erlaubt aber für alle Gänge eine Optimierung des Abstandes zwischen einer Führung und dem Punkt, wo die Kette auf das Zahnrad aufläuft.

Wegen der kettenparallelen Ausrichtung dürfen seitliche Bleche die Kette auf eine längere Strecke führen. Zusammen mit dem geringen Abstand vom Zahnrad ergibt das eine Genauigkeit, die einen der Kettenbreite ent­ sprechenden Zahnradabstand erlaubt.

Der bei Fahrrädern knapp bemessene Einbauraum auf der Antriebsachse kann so statt der üblichen drei Zahnräder fünf aufnehmen. Die Stufung wird so halbiert, und das Klettern der Kette schneller. Beschränkt man sich gemäß Anspruch 2 auf Gänge mit einem nur um ein halbes Raster abgeknickten Kettenverlauf, erhält man zwar nur zehn Gänge, diese aber mit optimalem Wirkungsgrad. Der Ket­ tenlängenausgleich kann kleiner, die Kette kürzer sein.

Von den vielen möglichen Prinzipien, ein mechanisches Steuerwerk zu realisieren, hat das in Anspruch 3 genannte den Vorteil der leichten Anpassung an Anwenderwünsche, weil die Kurvenscheiben leicht ausgetauscht werden können. Es paßt wegen der Bowdenzüge gut zu der bei Fahrrädern üblichen Bauteilauswahl. Die bekannten Ausführungen be­ nötigen aber viel Platz, weil der Scheibenradius größer als der Weg des Zuges sein muß. Das Steuerwerk nach An­ spruch 3 läßt sich wesentlich kleiner realisieren.

Wenn Zähnezahlen und Schaltzeitpunkte gemäß Anspruch 4 gewählt werden, läßt sich das Schaltverhalten antriebs­ seitig verbessern.

Die Ausführung gemäß Anspruch 5 hat den Vorteil, daß die zum Schalten benötigten Kräfte nur zu einem geringen Teil von den bedienenden Fingern aufzubringen sind.

Zum besseren Verständnis der Funktionsbeschreibungen dienen folgende Bilder:

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein schalt­ bares Kettengetriebe gemäß Anspruch 1.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Verteilung der Gänge auf die Zahnräder gemäß Anspruch 2.

Fig. 3 zeigt die zu Fig. 2 gehörenden Lageveränderungen der Führungen.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Steuerwerk gemäß den Ansprüchen 3 bis 5.

Anhand des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels sollen nun die Teile der Schaltung erklärt werden:
Die Bedienung erfolgt mittels eines Knebeldrehknopfes (1), dessen Stellung über einer Skala den gewählten Gang an­ zeigt. Zur Speicherung des Ganges nach dem Loslassen des Knopfes dient das Rastwerk (2). Auf derselben Achse sind mit Knopf und Rastwerk zwei Kurvenscheiben (3 und 4) ver­ bunden. Durch Hebel (5 und 6) werden die von den Kurven­ scheiben abgegriffenen Wege über Züge (7 und 8) auf die Kettenführungen (9 und 10) übertragen. Lenkhebel (11 und 12) erzwingen eine Bewegung der Kettenführungen auf Raum­ kurven in der Nähe der Zahnradgruppen (13 und 14) auf der Seite, wo die Kette (15) zu den Zahnrädern hinläuft. Sie übernehmen auch die Ausrichtung der Führungen in zwei Raumrichtungen, während die dritte Raumrichtung durch die teleskopartige Verbindungsstange (16) bestimmt wird.

Der Kettenlängenausgleich (17) ist nur angedeutet. Er kann wie üblich in die hintere Führung (9) integriert sein, so daß das nahe bei den Zahnrädern laufende kleine Rad die Führungsfunktion übernimmt. Die seitlichen Leitbleche die­ nen dazu nur bei starken Stößen. Diese hintere Anordnung erfüllt bereits die für eine zentrale Steuerung erforder­ liche Genauigkeit, während die vordere zu verbessern ist.

Bei üblichen Fahrrädern fluchtet das innerste vordere Zahnrad etwa mit dem vierten hinteren, von innen gezählt. Auch wenn die zentrale Steuerung eine Kombination des in­ nersten hinteren mit dem mittleren oder äußeren vorderen Zahnrad unterbindet, muß also ein um vier Raster abge­ knickter Kettenverlauf berücksichtigt werden. Daher wird die Öffnung der vorderen Führung meist etwa vier Millime­ ter breiter als die Kette dimensioniert.

Weil mit der Annäherung der Führungen an die Zahnräder der störende Bewegungsspielraum der Kette sinkt,optimiert man die Bahnen durch das Kippen der Lenkhebelachsen oben nach hinten und innen, wie es bei der hinteren Führung schon üblich ist. Die so erzielbare Verringerung der Führungsbreite ist allerdings nicht ausreichend.

Die engste Führungsöffnung läßt sich anwenden, wenn ihre Stellung beim Schalten der anderen Führung seitlich um soviel korrigiert wird, daß die Kette wieder mittig hin­ durchläuft. Das wird durch eine Verbindungsstange zwi­ schen den Führungen erreicht. Sie bewirkt gleichzeitig eine zum Sollverlauf der Kette parallele Ausrichtung, so daß auch kein Breitenzuschlag wegen diagonalen Ketten­ durchtritts berücksichtigt werden muß.

Eine genaue Korrektur wird erreicht, wenn die Angriffs­ punkte der vom Steuerwerk kommenden Züge direkt über oder unter den Punkten liegen, wo die Kette auf die Zahn­ räder aufläuft. Die Führungen liegen also zwischen ihnen.

Um diese Bedingung für die ganze Zahnradgruppe zu er­ füllen, muß die Achse zwischen Lenkhebel und Führung geneigt sein und nahe beim Angriffspunkt des Zuges lie­ gen. Wenn der Zug am Lenkhebel angreift, wie es bisher bei Umwerfern üblich ist,, muß sie nahe bei dem Punkt liegen, wo die Kette auf das Zahnrad läuft.

Die Verbindungsstange muß sich an den veränderlichen Abstand zwischen den Führungen anpassen. In Fig. 1 ist daher ein teleskopartiger Schubbereich dargestellt. Dieser kann an beliebiger Stelle der Verbindung liegen. Vorteilhaft ist die Kombination einer üblichen hinteren Führung mit einer kettenparallel korrigierten vorderen Führung. Dann braucht die fest mit der vorderen Führung verbundene Stange lediglich längsverschiebbar durch eine an der hinteren Führung befestigte Öse zu laufen.

Wenn der Platz ausreicht, kann gemäß Anspruch 2 eine Zahnradgruppierung N zu N+1 gewählt werden. Dann ist eine abwechselnde, gleichgerichtete Bewegung der Führungen vorteilhaft. Fig. 2 zeigt das Schaltschema und Fig. 3 die zu den Gängen (18) gehörenden Wege (19, 20) der Führungen.

Das im unteren Teil von Fig. 1 dargestellte Steuerwerk üb­ licher Bauart kann durch das Ausführungsbeispiel nach An­ spruch 3 ersetzt werden, das in Fig 4 dargestellt ist. Wie in Fig. 3 zu sehen, setzen sich die Wege der Führungen aus zwei Anteilen zusammen:

Der für beide Führungen gleiche oder ähnliche Teil (unter­ brochene Linie in Fig. 3) ist proportional zur Gangnummer, kann also direkt aus der Ganginformation hergeleitet wer­ den, wenn diese in Wegform vorliegt. In Fig. 4 werden dazu die Züge auf eine Trommel (21) aufgewickelt.

Der für die beiden Führungen unterschiedliche Anteil wird von Kurvenscheiben geliefert. Die Addition der Anteile erfolgt mittels der Bowdenzüge (22, 23). Wenn beim Aufwickeln des Zuges gleichzeitig der Außenmantel um denselben Weg zur Achse verschoben wird, bleibt die Kettenführung un­ bewegt. In Fig. 4 ist das auf der rechten Seite gezeichnet. Auf der linken Seite ist hier beim Aufwickeln die Bewegung von Zug und Mantel entgegengesetzt gerichtet, so daß die linke Führung um einen Schritt bewegt wird.

Ein ruckfreies Überleiten der Kette auf ein größeres Nach­ barzahnrad läßt sich nur erzielen, wenn die Rollen des ersten, über das gewünschte Zahnrad eingeschwenkten Ket­ tengliedes Zahnzwischenräume vorfinden. Unterscheiden sich die Zahnräder z. B. um zwei Zähne, gibt es am Umfang zwei Stellen, die diese Bedingung erfüllen. Damit diese Stellen bei allen Zahnrädern einer Gruppe auf gleichen Drehwinkel gelegt werden können, müssen alle um dieselbe Zähnedif­ ferenz abgestuft sein. Zu dem Zeitpunkt,an dem der Antrieb diesen Drehwinkel erreicht, wird die Führung bewegt.

Um eine Schaltung ähnlich der in Fig. 1 dargestellten ge­ mäß Anspruch 4 zu ergänzen, wird auf der Antriebsachse ein Nockenrad angebracht. Eine Klinke, die in ein mit den Kurvenscheiben verbundenes Zahnrad eingreift, ver­ hindert deren Betätigung, bis sie durch einen Nocken herausgehoben wird. In Fig. 4 ist ein anderes Prinzip mit derselben Wirkung dargestellt: Auf der Antriebsachse befindet sich ein Zahnrad, das auf z. B. zwei schmale Sek­ toren reduziert ist. Durch eine nicht dargestellte Fern­ bedienung wird eines der beiden Ritzel (24, 25) in Ein­ griffsstellung zum Sektorzahnrad (26) gebracht, so daß die Kurvenscheiben beim richtigen Drehwinkel des Antriebs um ein Raster weitergeschaltet werden.

Mit diesem Prinzip wird auch eine Servounterstützung ge­ mäß Anspruch 5 realisiert, denn die zum Überwinden der Rast und für die Kettenüberleitung erforderlichen Kräfte werden vom Tretantrieb abgezweigt.

Claims (5)

1. Schaltbares Kettengetriebe für Fahrräder, bestehend aus zwei Zahnradgruppen, aus zwei Kettenführungen, die beim Schalten die Kette zu einem anderen Zahnrad überleiten, indem sie von Lenkungselementen positioniert werden, die in der Nähe der Punkte angreifen, wo die Kette auf die Zahnräder aufläuft, weiter bestehend aus einem Ketten­ längenausgleich, aus Bedien- und Speicherelementen, und aus einem oder mehreren Steuerwerken, die für den gewünschten Gang die Stellungen der Kettenführungen er­ mitteln und diese beim Durchschalten der Gangfolge in einer vorprogrammierten Abfolge von Schritten bewegen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine Verbindungsstange zwischen den Kettenführungen eine oder beide Kettenführungen zueinander fluchtend und annähernd parallel und mittig zum Sollverlauf der Kette ausrichtet,
• - eine Schubführung in der Stange oder zwischen der Stange und einer Kettenführung Abstandsänderungen der Kettenführungen auffängt.

2. Schaltbares Kettengetriebe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Anzahl der Zahnräder der beiden Gruppen gleich oder maximal um Eins verschieden ist,
• - ein gemeinsames Steuerwerk die beiden Kettenführungen beim Durchschalten der Gangfolge abwechselnd um einen Schritt in einheitlicher Richtung weiterbewegt.

3. Schaltbares Kettengetriebe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Relativbewegung zwischen Innenzug und Außenmantel eines Bowdenzuges die Kettenführung steuert,
• - ein gleichgerichteter, der Gangfolge proportionaler Weganteil, und ein wechselnder Korrekturanteil in be­ liebiger Zuordnung in den Innenzug und den Außenman­ tel geleitet werden,wobei der Korrekturanteil von auf Kurvenscheiben laufenden Wegaufnehmern erzeugt wird.

4. Schaltbares Kettengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Differenzen der Zähnezahlen benachbarter Zahnräder der Antriebsgruppe gleich sind.
• - das Steuerwerk die Ausführung eines vom Bediener ein­ geleiteten Schaltvorgangs solange verzögert, bis es von der Antriebsachse die Information erhält, daß die Stellung der Zahnräder ein optimales Überleiten der Kette auf das Nachbarzahnrad erlaubt.

5. Schaltbares Kettengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Schalten benötigte Arbeit von der Antriebs­ achse des Kettengetriebes abgezweigt wird, indem beim manuellen Ändern des Gangspeichers gleichzeitig eine Kupplung zwischen Antriebsachse und Steuerwerk einge­ legt wird, die nach Ausführung des Gangwechsels selbst­ tätig getrennt wird.