DE2938013C2 - Stufenloses Nabengetriebe für ein Fahrrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein stufenloses Nabengetriebe für ein Fahrrad, mit am Antreiber in gleichmäßigen Winkelabständen schwenkbar gelagerten Klinkenarmen, die den Antrieb auf einen Zahnkranz der Nabe übertragen und je einen zu ihrer Schwenkachse exzentrischen Führungszapfen aufweisen, der in einer kreisförmigen Führungsnut geführt ist, die an einem quer zu Nabenachse verschiebbaren Steuerteil vorgesehen ist derart, daß die Kurbelarme bei jedem Umlauf eine der einstellbaren Exzentrizität der Führungsnut entsprechende Schwingbewegung ausführen.

Aus der bekanntgemachten japanischen Patentanmeldung 4 016/1960 ist ein Getriebe dieser Art für ein Fahrrad bekannt, bei dem mehrere Klinkenarme um eine Scheibe verteilt angeordnet sind, die am Kettenrad befestigt ist, und wobei ein innen verzahntes Klinkenrad, welches mit gleicher Geschwindigkeit wie das Rad des Fahrrades umläuft, durch Ändern des Schwenkwinkels der Klinkenarme veränderlich antreibbar ist. Es wird also das Drehzahlverhältnis zwischen dem Rad und dem Kettenrad stufenlos geändert, indem der Drehbewegung der Klinkenarme eine zusätzliche im Antriebssinne wirkende Geschwindigkeitskomponente hinzugefügt wird. Bei diesem bekannten Getriebe sind mehrere Klinkenarme schwenkbar an einer Scheibe gelagert, die auf der Welle des Kettenrades befestigt ist, und eine am Ende des jeweiligen Klinkenarmes gelagerte Rolle greift in einen Führungsring ein, der durjh eine von außen wirkende Kraft in einer Richtung senkrecht zu der Welle bewegt werden kann, so daß eine Klinke am Ende des Klinkenarmes eine Schwingbewegung aufgrund der ringförmigen Führungsnut ausführt und auch eine Drehbewegung, wenn der Ring aus seiner normalen Stellung verschoben wird. Da die Amplitude der Schwingbewegung des Armes proportional zu der Verschiebung des Rings ist, wird die Umdrehungsgeschwindigkeit des Kettenrades stufenlos übersetzt und auf das Rad übertragen.

Das vorstehend beschriebene bekannte Getriebe hat eine einfache Konstruktion und ein geringes Gewicht Die Rollen stehen jedoch während der Fahrt unter Belastung und werden besonders stark belastet t°i jeder Änderung des Übersetzungsverhältnisses. Hierbei reibt oder schabt die Rolle gegen die Nut, wodurch die Lebensdauer und der mechanische Wirkungsgrad beeinträchtigt werden. Ferner können nur wenige Klinkenarme in dem Getriebe untergebracht werden, so daß eine stoßweise Bewegung erzeugt wird jedes Mal, wenn ein Arm die Kraftübertragung auf das Klinkenrad übernimmt Diese ruckartige Bewegung ist lästig und führt zu unerwünschten Stoßbelastungen des Getriebes.

Aufgrund dieser Nachteile ist diese schon seit 20 Jahren bekannte Konstruktion nicht in die Praxis umgesetzt worden.

Auch vieie andere Erfindungen von stufenlosen Übersetzungsgetrieben für Fahrräder haben sich in der Praxis nicht durchsetzen können. Diese Tatsache zeigt, daß es sehr schwierig ist, ein tatsächlich brauchbares derartiges Getriebe für ein Fahrrad zu entwickeln, auch wenn dies auf dm pasten Blick einfach erscheint Die Gründe für diese Schwierigkeit liegen hauptsächlich darin, daß das Getriebe ein geringes Gewicht und eine einfache Konstruktion haben muß, um für ein Fahrrad geeignet zu sein, und daß es eine ausreichende Haltbarkeit und Lebensdauer haben muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein stufenloses Getriebe der eingangs genannten Art für Fahrräder zu schaffen, welches eine ausreichende Haltbarkeit und einen gleichmäßigen Lauf gewährleistet

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Führungsnut an einem am Steuerteil drehbar gelagerten Lagerring vorgesehen ist

Bei dem erfindungsgemäßen Getriebe läuft der Lagerring mit etwa der gleichen Geschwindigkeit um wie das Kettenrad, obwohl er exzentrisch ist Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer übermäßigen Reibung zwischen der Innenfläche der Nut und jedem Führungsstift (oder einer auf diesem gelagerten Rolle) herabgesetzt, und die Breite des Getriebes kann verringert werden, da das Kettenrad selbst das Teil ist, an dem die Arme schwenkbar gelagert sind. Wichtig ist außerdem, daß es nun möglich ist, mehr als acht Klinkenarme anzuordnen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung zur Erzielung einer gleichmäßigen Kraftübertragung auch wahrend einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses. Versuche haben gezeigt, daß das erfindungsgemäße Getriebe auch bei nur sechs Klinkenarmen sehr gleichmäßig und ohne ruckartige Bewegungen arbeitet. Ein ganz besonders ruhiger und ruckfreier Lauf kann daher erwartet werden, wenn mehr als acht Klinkenarme verwendet werden. Im praktischen Test über mehr als 1000 Kilometer hat das Getriebe eine ausreichende Haltbarkeit bewiesen. Das erfindungsgemäße Getriebe kann auch gemäß einer weiteren Ausgestaltung besonders gut in Verbindung mit einer automatischen Betätigungsvorrichtung verwendet werden, die eine automatische Änderung des Übersetzungsverhältnisses in Abhängigkeit von den jeweiligen Straßen- oder Fahrtverhältnissen bewirkt. Hierdurch ergibt sich ein bequemes Fahren mit gleichmäßigem Kraftaufwand ohne die Notwendigkeit von Schaltvorgängen.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert

Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch den Hauptteil eines Getriebes gemäß der Erfindung;

F i g. 2 zeigt spektivisch einen Klinken- und Kurbelarm;

Fig-3 zeigt in Seitenansicht die Befestigung einer Klinke am KJinkenarm;

Fig.4 und 5 zeigen jeweils einen Teilschnitt des Getriebes in veränderter Ausführungsform unter Hinzufügung eines Planetengetriebes;

F i g. 6 zeigt im Schnitt eine weitere, gegenüber F i g. 1 abgewandelte Äusführungsform des Nabengetriebes;

F i g. 7a und 7b zeigen Seitenansichten der Schaltvorrichtung des Getriebes zur Erläuterung des Übersetzungswechsels;

F i g. 8 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise des Getriebes;

F i g. 9 zeigt eine Seitenansicht des Getriebes von der rechten Seite in F i g. 1;

F i g. 1Ό zeigt eine Seitenansicht eines inneren Lagerrings;

Fig. 1 la zeigt im Axialschnitt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes;

Fig. lib zeigt das Getriebe nach Fig. 11a von der rechten Seite gesehen;

Fig. 12 zeigt einen Klinken- und Kurbelarm mit den zugehörigen Bauteilen;

F i g. 13 zeigt perspektivisch das Kettenrad mit einem daran gelagerten Klinken- und Kurbelarm.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Getriebe wird die Antriebskraft von den (nicht dargestellten) Pedalen über die Antriebskette 17 auf das Kettenrad 1 und eine daran befestigte Nabe 2 fibertragen. Die Nabe 2 hat acht Bohrungen T, die in gleichen Abständen auf einem koaxialen Kreise verteilt sind. In jeder Bohrung 2 ist eine Kurbelwelle 3 mit Gleitlagerung gelagert Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist auf einem Ende jeder Kurbelwelle 3 ein Klinker .irm 5 befestigt, der an seinem Ende eine bewegliche Klinke 5' trägt Am anderen Ende jeder Kurbelwelle 3 ist ein Kurbelarm 4 befestigt, der an seinem Ende einen Führungsstift 6 trägt Klinkenarm 5 und Kurbelarm 4 sind im rechten Winkel zueinander in zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet Der Kiinkenarm 5 hat an seinem Ende eif.e Bohrung 5c, die sich in einen keilförmigen Ausschnitt öffnet, wie in F i g. 3 dargestellt In diese Bohrung 5c ist eine Klinke 5' mit einer entsprechenden Formgebung eingesetzt und durch eine Feder 7 eine, in Richtung des Pfeiles in F i g. 2 wirkenden Kraft ausgesetzt Der Führungsstift 6 greift in eine ringförmige Führungsnut 8' ein, die konzentrisch in einem inneren Lagerring 8 ausgebildet ist Der innere Lagerring 8 ist drehbar in einem äußeren Lagerring 9 mittels Kugeln gelagert Der äußere Lagerring 9 ist an einem Steuerteil 11 befestigt und um einen Zapfen 10' schwenkbar, der an einer Endscheibe 10 befestigt ist, die ihrerseits am Fahrradrahmen befestigt ist Wenn das Steuerteil 11 geschwenkt wird, kann dadurch der innere Lagerring 8 mittels des äußeren Lagerrings 9 exzentrisch innerhalb eines vorgegebenen Bereichs radial zur Nabenachse 12 eingestellt werden.

Ein innen verzahntes Klinkenrad 13 ist koaxial an einem Nabenflansch 14 befestigt. Die Klinken 5' der Klinkenarme 5 stehen mit den Zähnen 13' des Klinkenrades 13 stets in einer Drehrichtung in Antriebsverbindung. Das Klinkenrad 13 und die Klinkenarme 5 werden auf der Kettenradseite durch eine Abdeckung 15 abgedeckt, und der Spalt zwischen der Nabe 2 und der Abdeckung 15 ist durch eine öldichtung 16 abgedichtet, die den Austritt von Schmieröl und das Eindringen von Staub und Feuchtigkeit verhindert

Wenn die Exzentrizität des inneren Lagerrings 8 Null beträgt, läuft jeder Kurbelarm 3 nur um die Nabenachse 12 längs der Führungsnut 8' um, und es wird keine Schwenkbewegung bewirkt, so daß alle Klinken 5' in die

i» Zähne 13' des Klinkenrades 13 eingreifen. Somit ist die Drehgeschwindigkeit des Kettenrades 1 die gleiche wie die des Klinkenrades 13 (F i g. 7b). Wenn dagegen dem inneren Lagerring 8 eine Exzentrizität e gegeben wird (F i g. 7a), bewegen sich die Führungsstifte 6 längs der Führungsnut 8', so daß jede Kurbelwelle 3 bei ihrem Umlauf um einen bestimmten Winkelhetrag hin und her schwingt

Hierbei greifen die Klinken 5' in die Zähne 13' nur zeitweise antriebsübertragend ein, rrimlich während desjenigen Teils des I TmImIfS₁ in weichem sie eine vermehrte Umdrehung des Rades 13 bewirken. Hierdurch dreht sich das Klinkenrad 13 schneller als das Kettenrad 1. Von den mehreren, an der Nabe 2 radial gelagerten Klinkenannen 5 wirkt immer jeweils derjenige antriebsübertragend mit den Zähnen 13' zusammen, der gerade die größte Schwenkgeschwindigkeit aufweist Der Eingriff zwischen den Klinken 5' und den Zähnen 13' ist intermittierend, wodurch sich ein Drehantrieb des Klinkenrades 13 in der Weise ergibt,

daß sich sinusförmige Kraftverläufe mit entsprechender Phasendifferenz überlagern. Praktisch fühlbar ist jedoch nur eine völlig gleichmäßige Vergrößerung der Drehzahl des Rades 13. Zu diesem Zweck soll die Anzahl der Klinkenarme 5 mindestens sechs betragen,

vorzugsweise aber mehr als acht Fig.8 zeigt schematisch das Wirkprinzip. Bei der Exzentrizität Null ist der Winkel φ um den sich die Kurbelwelle 3 vom Punkt 3a bis zum Punkt 36 bewegt, immer gleich dem Winkel φ', um den sich die Klinke 5' von dem Punkt 5a

■»ο bis trum Punkt 5b bewegt Wenn dagegen der Mittelpunkt des inneren Lagerringes 8 vom Punkt O bis zu einem Punkt O' bewegt wird, wird der Winkel φ' größer als der Winkel φ entsprechend dem Betrag der Verschiebung des inneren Lagerrings 8 (d.h. der Exzentrizität e). Mit anderen Worten ist die Winkelgeschwindigkeit der Klinken 5' die Summe aus den Geschwindigkeitskomponenten der Kurbelwellen 3 und der Klinkenarme 5. Hierdurch ergibt sich die Übersetzung oder Drehzahlvergrößerung.

Das maximale Übersetzurfgsverhältnis der oben beschriebenen Anordnung ist etwa 1 : IA es kann aber ein Verhältnis von 1 :2 erreicht werden, wenn ein Planetengetriebe hinzugefügt wird. F i g. 4 und 5 zeigen derartige Ausführunpsformen. Bei der Ausfühnmgsforrn nach F i g. 4 wird die Umdrehung des Kettenrades 1 über ein an der Nabe 2 befestigtes Sonnenrad 18 auf Planetenräder 19 übertragen und dann auf einen Planetenträger 21. Per Planetenträger 21 hat an seiner Innenfläche Zähne 21', und hierdurch wird die von den Klinkenarmen 5 erzeugte übersetzte Bewegung über das Hohlrad 22 auf das Rad des Fahrrades übertragen. Die gleiche Wirkungsweise wird erreicht bei der Ausführungsform nach F i g. 5, bei der das Sonnenrad 18 auf der dem Rad zugeordneten Abtriebsseite des

Getriebes angeordnet ist.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 ist eine besonders ausgebildete Nabe vorgesehen, jedoch kann die Erfindung auch bei einer Nabe von üblicher Form

angewendet werden. Eine derartige Ausführungsform zeigt Fig.6. Die Einrichtung ist auf der rechten Seite des Hinterrades mittels eines Gewindes montiert, welches am äußeren Ende des Nabenflansches 14 eingeschnitten ist. Eine Ausnehmung ist im Mittenbereich des Klinkenrades 13 vorgesehen, und ein Innengewinde 14' ist in die innere Fläche dieser Ausnehmung eingeschnitten, so daß das Klinkenrad 13 auf den Nabenflansch 14 aufgeschraubt werden kann.

Der Getriebemechanismus selbst ist der gleiche wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1.

Das erfindungsgemäße Getriebe wird normalerweise in Form eines Automatikgetriebes verwendet. Die F i g. 7a und b zeigen schematisch den zugehörigen Steuermechanismus. Ein freilaufendes Kettenrad 23 ist drehbar an einem Ende des Steuerteils 11 gelagert, das um den Zapfen 10' schwenkbar ist. Das Steuerteil 11 wird normalerweise in der in F i g. 7a gezeigten Lage gehalten durch die Kraft einer Feder 24, die am anderen Ende des Steuerteils 11 vorgesehen ist. In dieser Stellung hat das Getriebe die vorstehend beschriebene, geschwindigkeitsübersetzende Wirkung. Beim Anfahren oder beim Bergauffahren oder beim Fahren auf schlechter Straße, wenn auf die Pedale eine größere Kraft ausgeübt wird, wird hierdurch die Kette 17 stärker gespannt und dadurch das freilaufende Kettenrad 23 nach oben gedrückt. Hierdurch kommt das Steuerteil 11 in die Stellung gemäß F i g. 7b, wodurch die Exzentrizität Null wird, so daß das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen dem Kettenrad und dem angetriebenen Rade des Fahrrades etwa 1 :1 wird. Außerdem kann aber die Exzentrizität und damit das Übersetzungsverhältnis auch willkürlich von Hand eingestellt werden, und zwar mittels eines Kabelzuges 25, der zu einem an der Lenkstange oder am Rahmen angeordneten, von Hand betätigbaren Hebe! führt,

Fig. 11, 12 und 13 zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung. Die Antriebskraft von den (nicht dargestellten) Pedalen wird über die Antriebskette 17 auf das Kettenrad 1 und eine mit diesem verbundene Nabe 2 übertragen. Die Nabe 2 ist hohl ausgebildet und hat sechs Bohrungen 2', 2", die gleichmäßig verteilt auf einem koaxialen Kreis angeordnet sind.

Ein Klinkenarm 5, der an seinem Ende eine bewegliche Klinke 5' aufweist, ist mit einem Kurbelarm 4 zu einer Kurbeleinheit vereinigt (Fig. 12), und der Fußteil des Kurbelarmes 4 bildet eine Kurbelwelle 3 mit einer Lageröffnung 3' für einen Kurbelzapfen 3".

In der Lageröffnung 3' ist der Kurbelzapfen 3" beweglich gelagert, und die beiden Enden des Kurbelzapfens 3" sind in den sich gegenüberliegenden Bohrungen 2' bzw. 2" der Nabe 2 bzw. des Kettenrades 1 gelagert. Die bewegliche Klinke 5' hat einen Fußteil von kreisförmigen Querschnitt, der beweglich in ein Loch 5c mit seitlichem keilförmigen Ausschnitt eingesetzt ist, und die Klinke 5' wird in der Pfeiirichtung durch die Kraft einer Feder 7 (Fig.2) belastet, die in eine quadratische Ausnehmung 5d eingesetzt ist und deren eines Ende durch die Wand in die öffnung 5c vorspringt.

Der Kurbelarm 4 hat an seinem Ende einen Führungsstift 6 von dreieckigem Querschnitt mit abgerundeten Ecken. Die Führungsstifte 6 erstrecken sich durch bogenförmige Schlitze 1'. die in gleichmäßigen Winkelabständen im Kettenrad 1 ausgebildet sind, hindurch bis in eine koaxial in dem inneren Lagerring 8 ausgebildete ringförmige Führungsnut 8', in der sie gleitend geführt sind. Eine Feder 26 (Fig. Ha) ist um jeden Kurbelzapfen 3' herum angeordnet, so daß der ίο zugehörige Klinkenarm 5 stets in Pfeilrichtung federbelastet ist, wodurch der Führungsstift 6 gegen die Innenwand der Führungsnut 8' gedrückt wird, so daß ein übermäßiges, durch Abnutzung entstehendes Spiel vermieden wird. Der innere Lagerring 8 ist drehbar in dem äußeren Lagerring 9 kugelgelagert in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1.

Die Wirkungsweise der Klinkenarme 5 dieser Aüsiührüngs'önTi ist die gleiche, wie anhand von F i g. S beschrieben. Der einzige Unterschied liegt darin, daß bei der vorherigen Ausführungsform jeder Klinkenarm 5 starr mit dem Kurbelzapfen verbunden ist, der in der Nabe des Kettenrades gelagert ist und die Schwenkbewegung auf den Klinkenarm überträgt, während bei der vorliegenden Ausführungsform der Kurbelzapfen 3" in einer Lageröffnung des Klinkenarmes gelagert ist und der Klinkenarm > um den Kurbelzapfen 3" geschwenkt wird. Γ3.» bei dieser Ausführungsform jeder Kurbelzapfen 3" lediglich durch die Nabe 2 gestützt ist, kann der Durchmesser des Kurbelzapfens groß gemacht werden, so daß er eine ausreichende Festigkeit hat, und auch die Breite des gesamten Getriebes kann klein gemacht werden, so daß sich eine kompakte Bauweise ergibt.

Jedes Teil des erfindungsgemäßen Getriebes kann

einfach aus geeignetem Material wie z. B. Leichtmetall, Sintermetall, Kunststoff und dergleichen hergestellt werden. Hierdurch ergibt sich geringes Gewicht und lange Lebensdauer. Insbesondere können die Teile

durch Präzisionsguß aus Hartkunststoff hergestellt werden, so daß eine Nachbearbeitung unnötig ist und eine erhebliche Kostenverringerung erzielt werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der dargestellten Ausführungsformen beschränkt Zum Beispiel braucht der Steuerteil 11 nicht direkt mit dem äußeren Lagerring 9 an dessen Umfang verbunden zu sein, sondern sie können auch miteinander über Kugellager od. dgl. drehbar verbunden sein. Ferner kann auch dem Zapfen 10' für den Steuerteil 11 eine Gummibuchse vorgesehen sein, um die bei den Übersetzungsänderungen auftretenden Stöße aufzufangen, so daß sich eine stoßfreie Umschaltung des Übersetzungsverhältnisses ergibt und die Klinken 5' nicht beschädigt werden.

Man erkennt, daß die Erfindung ein stufenloses Übersetzungsgetriebe für ein Fahrrad schafft, welches sich durch einfache Konstruktion, gleichmäßigen Lauf, hohe Wirksamkeit und lange Lebensdauer auszeichnet, wie dies einem seit lange bestehenden Bedürfnis der Fahrradindustrie entspricht

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Stufenloses Nabengetriebe für ein Fahrrad, mit am Antreiber in gleichmäßigen Winkelabständen schwenkbar gelagerten Klinkenarmen, die den Antrieb auf einen Zahnkranz der Nabe fibertragen und je einen zu ihrer Schwenkachse exzentrischen Führungszapfen aufweisen, der in einer kreisförmigen Führungsnut geführt ist, die an einem quer zur Nabenachse verschiebbaren Steuerteil vorgesehen ι ο ist derart, daß die Kurbelarme bei jedem Umlauf eine der einstellbaren Exzentrizität der Führungsnut entsprechende Schwingbewegung ausführen, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsnut (8') an einem am Steuerteil (11) drehbar is gelagerten Lagerring (8) vorgesehen ist

2. Stufenloses Nabengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität des Lagerringes (8) mittels einer Steuerscheibe (10) in Abhängigkeit von der Spannung der Antriebskette (17) veränderbar ist.

3. Stufenloses Nabengetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kettenrad (1) mit der Radnabe über ein Planetengetriebe (18, 19) verbunden ist -

4. Stufenloses Nabengetrie^e nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Exzentrizität des Lagerringes (8) steuernde Steuerscheibe (10) mittels eines Handhebels über einen Kabelzug (25) verstellbar ist