DE4142867C2 - Mehrgangschaltnabe für ein Fahrrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrgang-Schaltnabe für ein Fahrrad entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine gattungsgemäße Mehrgang-Schaltnabe ist beispielsweise aus der EP-0 383 350 A2 bekannt. Diese weist ein einziges Planetengetriebe mit einer Vielzahl von Planetenrädern und einer Vielzahl von Sonnenrädern auf. Die Planetenräder stützen sich auf einem Planetenträger bzw. Steg ab und stehen mit einem Zahnkranz in Eingriff. Mit einer Antriebswahlkupplung wird der Planetenträger bzw. der Zahnkranz als Antriebselement zur Übernahme des Antriebsmoments vom Antreiber gewählt. Außerdem ist eine Abtriebswahlkupplung vorgesehen, mit welcher der Planetenträger oder der Zahnkranz als Abtriebselement zur Übertragung des Antriebsmoments auf die Nabenhülse angewählt wird.

Die Sonnenräder können durch das Schaltelement über Kupplungen betätigt werden, die von außen schaltbar und zwischen den Sonnenrädern und der feststehenden Welle angeordnet sind. Die Betätigung der Sonnenräder ist kompliziert, da je nach dem Antriebselement, das mittels der Antriebswahlkupplung angesteuert wurde, die Antriebskräfte in verschiedenen Richtungen aufgebracht werden, um die Drehbewegung der Sonnenräder anzuhalten. Infolgedessen ist der Aufbau des Schaltelements und der daran anschließenden Bauteile kompliziert. Insbesondere wird, wie Fig. 24a der Zeichnung zeigt, bei Einleitung einer Kraft F1 auf die Planetenräder 120b, die den Planetenträger abstützen, und bei Funktion des Zahnkranzes 150 als mit einer Last F2 beaufschlagtes Abtriebselement eine Reaktionskraft F3 entgegen einem Moment M1 erzeugt, welches sich aus F1 und F2 ergibt. Somit muß die Drehbewegung der Sonnenräder 120a im Uhrzeigersinn (in Fig. 24a) angehalten werden. Wird andererseits, wie Fig. 24b dies zeigt, der Zahnkranz 160 mit einer Kraft F1 beaufschlagt, wobei der Planetenträger als das mit der Last F2 beaufschlagte Abtriebselement fungiert, so wird eine Reaktionskraft F3 entgegen einem Moment M2 aufgebaut, welches sich aus F1 und F2 ergibt. In diesem Fall muß die Drehung des Sonnenrads 120a entgegen dem Uhrzeigersinn (in Fig. 24b) angehalten werden. Auf diese Weise wird eine Konstruktion benötigt, um die Drehbewegungen des Sonnenrads in entgegengesetzten Richtungen relativ zur Nabenachse zu stoppen. Zu diesem Zweck weist die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zwei in eine Richtung wirksame Kupplungen mit unterschiedlicher Übertragungsrichtung, sowie eine Einrichtung zum Unterbrechen der Kraftübertragung für den Antrieb in eine Richtung auf, genauer gesagt eine drehzahlveränderliche Übertragung des Antriebsmoments über das Planetengetriebe, wobei die Sonnenräder ortsfest bleiben. Dieses Problem ist besonders dann ernstzunehmen, wenn ein mehrstufiges Planetengetriebe verwendet wird, bei dem mehrere einzelne Planetengetriebe zur Bildung mehrerer Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsstufen miteinander verbunden sind. In den Fällen, in denen mehrere derartige Planetengetriebe einfach untereinander verbunden sind, sind auch mehrere Abtriebswahlkupplungen erforderlich, um das jeweilige Abtriebselement zur Übertragung des Antriebsmoments auf die Nabenhülse anzusteuern. Die Betätigung dieser Kupplungen ist kompliziert und erfordert außerdem eine Gesamtkonstruktion der Vorrichtung mit großen Abmessungen.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Mehrgang-Schaltnabe mit mehreren Drehzahlstufen zu verbessern und eine Vorrichtung zu schaffen, bei der die Betätigung der Sonnenräder und der Abtriebswahlkupplung vereinfacht wird; daneben soll erfindungsgemäß auch ein kompakter Aufbau der Mehrgang-Schaltnabe erreicht werden, die mehrere Planetengetriebe enthält.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Mehrgang-Schaltnabe mit mehreren Drehzahlstufen durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Bei diesem Aufbau ist es angemessen, die Drehbewegung der Sonnenräder nur in einer Richtung relativ zur Nabenachse zu verhindern. Deshalb ist es unnötig, auch in eine Richtung wirksame Kupplungen für die entgegengesetzten Richtungen vorzusehen, wie dies bei den bekannten Vorrichtungen der Fall ist. Somit wurde nun der Aufbau zur Betätigung der Sonnenräder dadurch vereinfacht, daß einseitig wirksame Kupplungen, also Kupplungen, die nur in einer Richtung wirken, und Einrichtungen zum Unterbrechen der Kraftübertragung in einer Richtung, beispielsweise ein drehbares Betätigungselement, ausreichen.

Bei dem Planetengetriebe handelt es sich um ein Übersetzungsgetriebe, dessen Planetenträger als Antriebselement fungiert. Somit kann die Abtriebswahlkupplung eine erste, in einer Richtung wirksame Abtriebskupplung aufweisen, die zwischen der Nabenhülse und dem Planetenträger des Planetengetriebes angeordnet ist, sowie eine zweite, ebenfalls nur in einer Richtung wirksame Abtriebskupplung, die zwischen der Nabenhülse und dem Zahnkranz des Planetengetriebes angeordnet ist. Diese einseitig wirksamen Kupplungen erfordern keinerlei Ansteuerung von außen, da beim Umschalten in einen anderen Gang mit Hilfe der Planetenräder durch Feststellen der Sonnenräder auf der feststehenden Welle die Winkelgeschwindigkeit des Zahnkranzes größer ist als die Winkelgeschwindigkeit des Planetenträgers, so daß die Kraft über die zweite einseitig wirkende Abtriebskupplung auf die Nabenhülse übertragen wird.

In den Fällen, in denen die erfindungsgemäße Mehrgang-Schaltnabe mit einem mehrfachen Planetengetriebe arbeitet, kann das zweite Planetengetriebe mit einer Übersetzung nach unten betreibbar sein, das den Planetenträger mit dem ersten Planetengetriebe gemeinsam hat. Bei dieser Bauform läßt sich das Verhältnis zwischen benachbarten Geschwindigkeitsstufen mit einem hohen Maß an Freiheit bestimmen, und darüberhinaus ist es auch noch möglich, die Abtriebswahlkupplung aus zwei einfachen, einseitig wirkenden Kupplungen zu bilden, die keinerlei außenliegende Betätigungselemente voraussetzen.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei jeweils mit einer Übersetzung nach oben betreibbaren Planetengetrieben weist das erste Planetengetriebe mehrere Sonnenräder auf, während die Sonnenradkupplung jeweils zwischen den Sonnenrädern und der Nabenachse angeordnet ist, wobei jede Sonnenradkupplung eine in einer Richtung wirksame Kupplungs- und Trenneinrichtung zum Unterbrechen des durch die einseitig wirkende Kupplung laufenden Antriebs aufweist.

Dabei ist eine erste einseitig wirkende Abtriebskupplung zwischen der Nabenhülse und dem Planetenträger des zweiten Planetengetriebes angeordnet, während zwischen der Nabenhülse und dem Zahnkranz des zweiten Planetengetriebes eine zweite Abtriebskupplung vorgesehen ist, die nur in einer Richtung wirksam ist.

Bei einer in vorstehend beschriebener Weise aufgebauten Konstruktion kann davon ausgegangen werden, daß nur eine Richtung zur Verhinderung einer Drehbewegung der Sonnenräder gegenüber der Nabenachse herangezogen wird. Dabei kann die Abtriebswahlkupplung aus zwei einfachen einseitig wirkenden Kupplungen aufgebaut sein, die keinerlei außenliegende Betätigungselemente benötigen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, bei der Fig. 1 bis 18 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 19 bis 23 weitere Ausführungsbeispiele und Fig. 24 den Stand der Technik veranschaulichen. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine Schnittansicht der drehzahlveränderlichen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Schnittansicht in einer senkrecht zur feststehenden Welle gelegten Ebene, welche eine Beziehung zwischen einer Bremskupplung und vierten Übertragungssperrklinken veranschaulicht;

Fig. 3 eine Schnittansicht in einer senkrecht zur feststehenden Welle verlaufenden Ebene, welche eine Beziehung zwischen einer vierten Übertragungssperrklinke und einem Sperrklinkengehäuse zeigt;

Fig. 4 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht der Muffen;

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Nockens;

Fig. 6 eine Vorderansicht des Nockens;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Lagerkonus;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Lagerkonus;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Schaltseilmitnehmers;

Fig. 10 eine Schnittansicht in einer zur Nabenachse senkrecht verlaufenden Ebene, welche die dritte Position der Sonnenradkupplungen bei hohem Gang zeigt;

Fig. 11 eine Schnittansicht in einer senkrecht zur feststehenden Welle gelegten Ebene, welche die zweite Position der Sonnenradkupplungen bei hohem Gang zeigt;

Fig. 12 eine Schnittansicht in einer senkrecht zur Nabenachse verlaufenden Ebene, welche die erste Position der Sonnenradkupplungen bei hohem Gang zeigt;

Fig. 13 eine Schnittansicht in einer senkrecht zur Nabenachse verlaufenden Ebene, welche die Stellung der Sonnenradkupplungen bei dazwischenliegendem Gang veranschaulicht;

Fig. 14 eine Schnittansicht in der zur Nabenachse senkrechten Ebene, welche die erste Position der Sonnenradkupplungen bei niedrigem Gang zeigt;

Fig. 15 eine Schnittansicht in der zur Nabenachse senkrechten Ebene mit der Darstellung der zweiten Position der Sonnenradkupplungen bei niedrigem Gang;

Fig. 16 eine Schnittansicht in einer senkrecht zur Nabenachse verlaufenden Ebene, welche die dritte Position der Sonnenradkupplungen bei niedrigem Gang veranschaulicht;

Fig. 17 ein Schema für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1;

Fig. 18 eine Darstellung der Übersetzungsverhältnisse;

Fig. 19 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig. 20 eine Darstellung der Übersetzungsverhältnisse bei dem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 21 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels;

Fig. 22 eine Darstellung der Übersetzungsverhältnisse bei dem dritten Ausführungsbeispiel;

Fig. 23 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels, und

Fig. 24a und 24b jeweils eine Ansicht zur Darstellung der Betätigungselemente für die Sonnenräder nach dem Stand der Technik.

Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 18 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.

Gemäß Fig. 1 weist die erfindungsgemäße Mehrgang-Schaltnabe eine Nabenachse 1 auf, die an einem Fahrradrahmen befestigt ist, sowie einem Antreiber 2 und eine drehbar auf der Nabenachse 1 angeordnete Nabenhülse 3, ferner eine Mechanik zur Übertragung des Antriebsmoments vom Antreiber 2 auf die Nabenhülse 3. Die Übertragungsmechanik umfaßt ein mit Übersetzung nach oben betreibbares Planetengetriebe 4 und ein zweites, mit Übersetzung nach unten betreibbares Planetengetriebe 5 auf, welches zwischen dem ersten Planetengetriebe 4 und dem Antreiber 2 angeordnet ist. Auf einer vom Antreiber 2 entfernten Seite, d. h. links in Fig. 1, ist eine Rücktrittbremse vorgesehen. Der Antreiber 2 weist ein Kettenrad 2a auf, während die Nabenhülse 3 eine Nabe 3a zur Anbringung von Speichen besitzt. Wie nachstehend noch im einzelnen erläutert wird, umfaßt die Antriebsmechanik eine Kupplungsschaltmechanik 7 zum Umschalten zwischen den verschiedenen Übertragungszügen bei der Übertragung des Antriebsmoments. Auf der Nabenachse 1 ist eine Steuereinrichtung 8 drehbar angeordnet, welche die Kupplungsschaltung 7 betätigt, während zwischen den Sonnenrädern der beiden Planetengetriebe und der Nabenachse 1 Sonnenradkupplungen angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sieben Gänge vorgesehen, wie nachstehend noch erläutert werden wird.

Das erste Planetengetriebe 4 umfaßt einen relativ drehsicheren ersten Planetenträger 4a auf, welcher mit einem als Träger für eine Rücktrittsbremse 6 dienenden Servoteil 9 in Eingriff steht. Das erste Planetengetriebe 4 umfaßt des weiteren ein erstes und ein zweites Sonnenrad 11a und 12a, die beide auf der Nabenachse 1 so gelagert sind, daß sie sich unabhängig voneinander drehen können und in axialer Richtung unbeweglich sind. Das erste und das zweite Sonnenrad 11a und 12a stehen jeweils mit einem ersten und zweiten Planetenrad 11b und 12b im Eingriff und sind auf dem ersten Planetenträger 4a gelagert, wobei jedes Paar erste und zweite Planetenräder integral ausgebildet ist. Die zweiten Planetenräder 12b stehen außerdem mit einem ersten Zahnkranz 15 in Eingriff. Das zweite Planetengetriebe 5 umfaßt einen zweiten Planetenträger 5a, der auf den ersten Planetenträger 4a so aufgekeilt ist, daß beide Teile gegen eine Drehbewegung relativ zueinander gesichert sind. Das zweite Planetengetriebe 5 weist des weiteren ein drittes und ein viertes Sonnenrad 13a und 14a auf, die auf der Nabenachse 1 so gelagert sind, daß sie unabhängig voneinander drehbar und in axialer Richtung unbeweglich sind. Das dritte und vierte Sonnenrad 13a und 14a steht jeweils in Eingriff mit einem dritten und vierten Planetenrad 13b und 14b, die beide integral ausgebildet und auf dem zweiten Planetenträger 5a gelagert sind. Die vierten Planetenräder 14b kämmen außerdem mit einem zweiten Zahnkranz 16.

Der Freilauf- und Verriegelungszustand der Sonnenräder 11a, 12a, 13a und 14a relativ zur Nabenachse erfolgt nach Wahl mit Hilfe der Steuereinrichtung 8, wie nachstehend noch erläutert wird.

Der erste Zahnkranz 15 und das Servoteil 9 können wahlweise als Abtriebselement des Doppelplanetengetriebes zur Beaufschlagung der Nabenhülse 3 verwendet werden. Der zweite Zahnkranz 16 und der zweite Planetenträger 5a werden selektiv als Antriebselement zur Übernahme des Antriebsmoments vom Antreiber 2 benutzt. Zur Herbeiführung dieser gezielten Antriebswahl zwischen den Bauteilen werden jeweils in eine Richtung wirksame Kupplungen eingesetzt. Im einzelnen umfassen die einseitig wirkenden Abtriebskupplungen eine erste Schaltkupplung 17 zwischen dem Servoteil 9 und der Nabenhülse 3, sowie eine zweite Schaltkupplung 18 zwischen dem ersten Zahnkranz 15 und der Nabenhülse 3. Zu den einseitig wirkenden Antriebskupplungen gehören eine dritte Schaltkupplung 19 zwischen dem zweiten Planetenträger 5a und dem Antreiber 2, sowie eine vierte Schaltkupplung 20 zwischen dem zweiten Zahnkranz 16 und dem Antreiber 2. Diese nur in einer Richtung wirkenden Kupplungen weisen erste bis vierte Schaltgesperreklinken 17a, 18a, 19a und 20a sowie erste bis vierte Schaltgesperrezähne 17b, 18b, 19b und 20b auf. Die Schaltklinken 17a, 18a, 19a und 20a werden laufend durch eine Feder in Eingriff mit den entsprechenden Schaltgesperrezähnen 17b, 18b, 19b und 20b gespannt. Die ersten Schaltgesperreklinken 17a sind am Servoteil 9 befestigt, die zweiten Schaltklinken 18a am ersten Zahnkranz 15, und die dritten und vierten Schaltklinken 18a und 19 am Antreiber 2. Die Schaltgesperreklinken 17a, 18a, 19a und 20a sind so ausgerichtet, daß die Nabenhülse 3 oder der zweite Planetenträger 5a bzw. der zweite Zahnkranz 16 nur dann angetrieben wird, wenn die Elemente, die die entsprechenden Klinken tragen, in Richtung des Pfeiles F in Fig. 1 gedreht werden. Die dritten Schaltklinken 19a stehen mit den dritten Schaltgesperrezähnen 19b über deren gesamte Breite in Eingriff, während die dritte Schaltkupplung 19 durch den Kupplungsschalter 7 in noch zu beschreibender Weise betätigt wird.

Wie Fig. 1 und 10 bis 16 zeigen, sind erste bis vierte Sonnenradkupplungen 21, 22, 23 und 24 als einseitig wirksame Kupplungen zwischen der Nabenachse 1 und dem ersten bis vierten Sonnenrad 11a, 12a, 13a und 14a angeordnet. Diese Sonnenradkupplungen 21, 22, 23 und 24 weisen erste bis vierte Sonnenradklinken 21a, 22a, 23a und 24a auf, die schwenkbar auf der jeweiligen peripheren Innenwandung des ersten bis vierten Sonnenrades 11a, 12a, 13a und 14a angesetzt sind und kontinuierlich zur Nabenachse 1 hin gespannt werden. Auf der Nabenachse 1 sind erste Hemmvorsprünge 21b ausgebildet, die mit den ersten Sonnenradklinken 21a in Eingriff bringbar sind, zweite Hemmvorsprünge 22b für den Eingriff mit den zweiten Sonnenradklinken 22a, sowie dritte Hemmvorsprünge 23b für den Eingriff sowohl mit den dritten als auch mit den vierten Sonnenradklinken 23a und 24a. Diese Sonnenradklinken und Hemmvorsprünge können in der Weise zusammenwirken, daß sie eine Drehung des jeweiligen Sonnenrads in eine Richtung um die Nabenachse 1 verhindern. Die erste und zweite Sonnenradkupplung 21 und 22 gestattet eine Drehbewegung entgegen der Antriebsrichtung F relativ zur Nabenachse 1. Die dritte und vierte Sonnenradkupplung 23 und 24 gestattet eine Drehbewegung in Antriebsrichtung F gegenüber der Nabenachse 1. Das erste Sonnenrad 11a besitzt einen kleinen Durchmesser und weist eine Erhebung auf, die sich zur Ausbildung der ersten Sonnenradkupplung 21 nach links erstreckt.

Die Planetengetriebe können so geschaltet werden, daß sie das Antriebsmoment in verschiedenen Gangstufen übertragen, während die Drehbewegung der Sonnenräder durch die Sonnenradkupplungen verhindert wird, die Sonnenräder also festgestellt sind. Die Übertragung in verschiedenen Geschwindigkeitsstufen bei drehgesicherten Sonnenrädern wird selektiv durch Betätigung der Steuereinrichtung 8 erreicht.

Wie Fig. 1, 4 und 8 zeigen, umfaßt die Steuereinrichtung 8 eine erste Muffe 25 und eine zweite Muffe 26, die drehbar auf der Nabenachse 1 angebracht und hintereinander von einer Position neben der Rücktrittbremse 6 aus angeordnet sind, und ferner einen Schaltseilmitnehmer 27 zum Erfassen eines Nippels eines Schaltseils C. An der ersten Muffe 25 ist eine erste axial verlaufende Gabel ausgebildet, also rechts in Fig. 4. An der zweiten Muffe 26 sind eine zweite und eine dritte Gabel ausgebildet, die sich axial von deren gegenüberliegenden Enden aus nach außen erstrecken. Die beiden Muffen 25 und 26 sind miteinander so verbunden, daß sie sich nicht gegeneinander drehen können. Die äußeren Enden 26a der dritten Gabel sind für den Eingriff mit Nuten 27b vorgesehen, die auf Vorsprüngen 27a ausgebildet sind, welche sich von den peripheren Innenwandungen des gemäß Fig. 8 ringförmigen Schaltseilmitnehmers 27 aus zur Mitte hin erstrecken. Die Steuereinrichtung 8 ist insgesamt gegenüber der Nabenachse 1 drehbar.

Der Freilauf- und Verriegelungszustand der Sonnenräder 11a, 12a, 13a und 14a relativ zur Nabenachse 1 erfolgt durch Drehen an der Steuereinrichtung 8 und damit durch Drehung der ersten und der zweiten Muffe 25 und 26. Wie Fig. 4 veranschaulicht, umfaßt die erste Muffe 25 Zungen, die sich axial von einem rohrförmigen Ende derselben erstrecken und als erstes Schaltglied 31 fungieren, sowie Zungen, die sich axial von einem radial verlaufenden Zwischenteil der ersten Muffe 25 aus erstrecken und als zweites Schaltglied 32 dienen. Die zweite Muffe 26 weist Zungen auf, die sich von einem Rohrabschnitt am vorderen Ende aus axial erstrecken und als drittes Schaltglied 33 fungieren. Gemäß Fig. 10 bis 16 lassen sich diese Schaltglieder mit den entsprechenden ersten bis dritten Hemmvorsprüngen 21b, 22b und 23b so kombinieren, daß ein Eingriff zwischen den Hemmvorsprüngen 21b, 22b und 23b einerseits und den ersten bis dritten Sonnenradklinken 21a, 22a und 23a jeweils verhindert wird, wodurch ein Freilaufzustand der Sonnenräder 11a, 12a und 13a möglich wird. Zu diesem Zweck sind, wie Fig. 10 bis 16 zeigen, an den Schaltgliedern Schrägflächen ausgebildet, welche die Sonnenradklinken zur Bewegung um die Nabenachse 1 veranlassen, um so die Hemmvorsprünge korrekt anzuordnen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist für die vierte Sonnenradkupplung 24 kein Schaltteil erforderlich.

Gemäß Fig. 1 und 7 bis 9 ist der Schaltseilmitnehmer 27 zwischen einem als Innenlaufring eines Lagers ausgebildeten Lagerkonus 34 und einer Drehhemmung 35 zur Kontaktierung der Vorsprünge 27a angebracht, um so den Drehwinkel der Steuereinrichtung 8 auf einen vorgegebenen Bereich einzuschränken. Der Lagerkonus 34 und die Drehhemmung 35 stehen mit einer Sicherungsnut 1a auf der Nabenachse 1 in Eingriff, so daß eine Drehbewegung relativ zur Nabenachse verhindert wird. Das Bezugszeichen 36 in Fig. 1 gibt eine Sicherungsmutter an, die die verschiedenen Elemente in ihrer Lage hält. Zwischen dem Lagerkonus 34 und dem Antreiber 2 sowie zwischen dem Antreiber 2 und der Nabenhülse 3 sind Kugeln angeordnet, um so eine relative Drehbewegung zu gestatten.

Wie Fig. 1, 5 und 6 zeigen, weist die Kupplungsschaltmechanik 7 zum Anheben der Schaltklinken der dritten Schaltkupplung 19, die als in nur einer Richtung wirksame Kupplung ausgebildet ist, um den dort durchlaufenden Kraftfluß zu unterbrechen, ein Kupplungsschaltelement 40 zur Betätigung der dritten Schaltkupplung 19, eine feststehende Scheibe 42 in Form einer perforierten Abdeckung, auf der sich das Kupplungsschaltelement 40 axial beweglich abstützt, und einen ringförmigen Nocken 41 auf, der drehbar innerhalb der feststehenden Scheibe 42 angeordnet ist. Der Nocken 41 weist eine Mittelöffnung auf, in der Nuten zur drehsicheren Aufnahme der dritten, auf der zweiten Muffe 26 des Schaltteils 8 gebildeten Gabel ausgebildet sind. Ein Teil der feststehenden Scheibe 42 steht mit der Sicherungsnut 1a so in Eingriff, daß sie sich nicht gegenüber der Nabenachse 1 drehen kann. Das Kupplungsschaltelement 40 ist relativ zur Nabenachse 1 nicht drehbar. Der Nocken 41 weist einen zylinderförmigen Abschnitt auf, der sich axial von einem äußeren Umfang aus erstreckt und so gekerbt ist, daß der Nocken radial profiliert ist. Somit sind gemäß Fig. 5 auf dem Nocken 41 Kupplungsausrückteile 41a und Kupplungseinrückteile 41b mit unterschiedlicher axialer Länge ausgebildet. Mit dem Nocken 41 kann über die feststehende Scheibe 42 der Lagerkonus 34 so in Berührung gebracht werden, daß seine Bewegung in Fig. 1 nach rechts begrenzt wird. Das Kupplungsschaltelement 40 weist Stifte 43 auf, die in radialer Richtung unter Preßpassung eingesetzt sind. Wenn auf die als Gleitstücke fungierenden Köpfe 43 ein Druck ausgeübt wird, bewegt sich das Kupplungsschaltteil 40 nach links. Das Kupplungsschaltelement 40 weist außerdem links von den Gleitstücken ausgebildete Kontaktbereiche 40a auf. Wird das Kupplungsschaltteil 40 bewegt, so gelangen die Kontaktbereiche 40a mit den dritten Schaltklinken 19a in Berührung und heben diese zum Außenumfang des Schaltelements 40 an. Der Nocken 41 ist so gespannt, daß er unter Einwirkung einer zwischen dem Nocken 41 und dem zweiten Planetenträger 5a angeordneten Druckfeder 44 nach rechts rückgestellt wird. Des weiteren ist eine Torsionsfeder 46 zwischen dem Nocken 41 und einer Federanschlagplatte 45 angeordnet, welche mit der Sicherungsnut 1a so in Eingriff steht, daß sie sich gegenüber der Nabenachse 1 nicht drehen kann. Die Torsionsfeder 46 spannt den Nocken 41 und die mit diesem In Eingriff stehende Steuereinrichtung 8 in die der Antriebsrichtung F entgegengesetzte Richtung zurück.

Die Rücktrittbremse 6 läßt sich dann betätigen, wenn der Antreiber 2 sich rückwärts dreht und damit über eine nur einseitig wirksame Bremskupplung 47, die zwischen dem Antreiber 2 und dem zweiten Planetenträger 5a angeordnet ist, die Planetenträger 4a und 5a rückwärts dreht. Die Rücktrittbremse 6 ist an sich bekannt und weist Bremsbacken 48 auf, die im Kreis gegenüber einer innenliegenden Bremsfläche 3b der Nabenhülse 3 angeordnet sind, sowie eine Vielzahl von Rollen 49, die auf den Innenflächen der Bremsbacken 48 angeordnet sind, und auf dem ersten Planetenträger 4a angeformte Nockenflächen, welche die Rollen 49 radial nach außen drücken, wenn sich der erste Planetenträger 4a rückwärts dreht.

Gemäß Fig. 1 bis 3 weist die Bremskupplung Bremsgesperreklinken 47a und die dritten Schaltgesperrezähne 19b auf. Die Bremsgesperreklinken 47a werden kontinuierlich zu den dritten Schaltgesperrezähnen 19b hin federgespannt und sind entgegengesetzt zur dritten Schaltkupplung 19 ausgerichtet. Die vierten Schaltgesperreklinken 29a stehen durch Ausschnitte 51a in einem ringförmigen Sperrklinkengehäuse 51 zu den vierten Schaltgesperrezähnen 29b hin vor. Das Sperrklinkengehäuse 51 ist außerdem mit vorspringenden Teilen versehen, die sich radial von einer Seitenfläche desselben zu Positionen hin erstrecken, die nahe den innenliegenden Enden der Bremsgesperreklinken 47a liegen. Die innenliegenden Enden der Bremsgesperreklinken 47a sind gegenüber dem Antreiber drehbar, wenn sie mit den dritten Schaltgesperrezähnen 19b in Eingriff stehen. Durch die Bewegung dieser innenliegenden Enden bewegt sich das Sperrklinkengehäuse 51 mit den Ausschnitten 51a relativ zum Antreiber 2 durch die vorspringenden Teile und dreht dabei die vierten Schaltgesperreklinken 20a nach unten. Damit wird die Kraftübertragung zwischen der vierten Schaltkupplung 20 und dem zweiten Zahnkranz 16 unterbrochen. Somit kann über die Bremskupplung 47 und die Planetenträger 4a und 5a die Rücktrittbremse 6 betätigt werden, wenn sich der Antreiber 2 rückwärts dreht, ohne daß eine Verriegelung durch die vierte Schaltkupplung 20 und die Bremskupplung 47 erfolgt. Das Bezugszeichen 52 in Fig. 1 gibt eine Torsionsfeder an, welche das Sperrklinkengehäuse 51 zurück in eine Position spannt, in der die vierte Schaltkupplung 20 wieder in Betriebsstellung gebracht wird.

Im Zusammenhang mit der Beschreibung der Schaltvorgänge für die Übertragungswege des Antriebsmoments, der Schaltelemente für die Sonnenräder 11a, 12a, 13a und 14a, sowie auf die Schaltung des ersten bis siebten Gangs infolge der Betätigung der Sonnenräder wird nun auf Tabelle 1 und die Zeichnungen Bezug genommen. In Tabelle 1 ist mit dem Zeichen "-" ein Zustand angegeben, in dem die einseitig wirkenden Kupplungen 17 bis 24 nicht in Betriebsstellung stehen, während deren relative Drehbewegung möglich ist; dieser Zustand wird nachstehend als "außer Betrieb" bezeichnet. Mit dem Zeichen "0" wird ein Zustand angegeben, bei dem die relative Drehbewegung der einseitig wirksamen Kupplungen gesperrt ist; dieser Zustand wird nachstehend als "Einrückzustand" bezeichnet. Mit dem Zeichen "X" ist ein Zustand angegeben, bei dem ein Eingriff der einseitig wirksamen Kupplungen durch Einwirkung von außen verhindert wird, um so deren relative Drehbewegung zu ermöglichen; dies wird im folgenden als "Ausrückzustand" bezeichnet. Die Kupplungen ohne die Kennzeichnung "X" erfordern keine außenliegenden Schaltelemente. Zum besseren Verständnis zeigt Fig. 17 ein Schema für das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel.

Tabelle 1

Zunächst werden die Funktionen des ersten Planetengetriebes 4 beschrieben. Da das erste Planetengetriebe 4 mit einer Übersetzung nach oben betreibbar ist, besitzt der erste Zahnkranz 15 eine größere Winkelgeschwindigkeit als das Servoteil 9, sobald die erste oder die zweite Sonnenradkupplung 21 bzw. 22 eingerückt ist. Somit ist die zweite Schaltkupplung 18 eingerückt, d. h. auf Kraftübertragung geschaltet, während die erste Schaltkupplung 17 außer Betrieb bzw. auf Freilaufzustand geschaltet ist. Anschließend wird der Kraftübertragungsweg zum Übersetzungsweg, der sich vom ersten Zahnkranz 15 über die zweite Schaltkupplung 18 zur Nabenhülse 3 erstreckt. Werden andererseits die erste und die zweite Sonnenradkupplung 21 und 22 ausgerückt, so wird die zweite Schaltkupplung 18 außer Betrieb bzw. auf Freilaufzustand geschaltet. Nun verläuft der Kraftfluß in direkter Linie vom Servoteil 9 über die erste Schaltkupplung 17 zur Nabenhülse 3. Somit läßt sich im ersten Planetengetriebe 4 der Kraftfluß der Antriebskraft dadurch umschalten, daß nur die erste und die zweite Sonnenradkupplung 21 und 22 betätigt werden. Für die erste und zweite Schaltkupplung 17 und 18 ist keine Betätigung von außen erforderlich, was sich daran ablesen läßt, daß in den diesen Kupplungen zugeordneten Spalten in Tabelle 1 die Angabe "X" fehlt.

Im zweiten Planetengetriebe 5, das bei diesem Ausführungsbeispiel mit einer Übersetzung nach unten betreibbar ist, wird bei eingerückter dritter Schaltkupplung 19 ein direkter Übertragungsweg vom Antreiber 2 über die dritte Schaltkupplung 19 zum Planetenträger 5a gebildet. Wird dagegen durch Betätigung der Kupplungsschaltung 7 die dritte Schaltkupplung 19 ausgerückt, so wird dadurch der Kraftfluß nach unten geschaltet, deren Übertragungsweg vom Antreiber 2 durch die vierte Schaltkupplung 20 und über den zweiten Zahnkranz 16 zum Planetenträger 5a verläuft. Auf diese Weise läßt sich beim zweiten Planetengetriebe 5 der Kraftfluß einfach durch Betätigung der Kupplungsschaltung 7 umschalten.

Beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem ersten und zweiten Planetengetriebe erfolgt die Umschaltung der Gänge durch Verlagerung des Schaltseils, um so die Steuereinrichtung 8 in Schritten zu je 15 Grad in Antriebsrichtung F zu drehen. Durch diesen Vorgang beeinflußt man das erste bis dritte Schaltglied und die Kupplungsschaltung 7, wodurch nun die Sonnenradkupplungen 21 bis 23 und die dritten Schaltgesperreklinken 19a betätigt werden. Durch die Umschaltung auf jeweils einen anderen Übertragungsweg sind nacheinander sieben Gänge vorgesehen, wie Fig. 18 zeigt, und zwar vom höchsten dritten Gang im oberen Geschwindigkeitsbereich bis zum langsamsten, dem dritten im unteren Geschwindigkeitsbereich. Insbesondere ist Beschleunigung aus einer Standardeinstellung, bei welcher sich das Schaltseil in neutraler Stellung entsprechend einer Gangstufe M befindet, bei welcher Antrieb und Abtrieb direkt miteinander verbunden sind, dadurch vorgesehen, daß das Schaltseil zur Rückstellung der Steuereinrichtung 8 unter der Spannkraft der Torsionsfeder in der zur Antriebsrichtung F entgegengesetzten Richtung gelockert wird, während eine Abbremsung dadurch möglich ist, daß auf das Schaltseil eine Zugkraft ausgeübt wird, um so die Steuereinrichtung 8 in die Antriebsrichtung F zu drehen. Fig. 10 bis 16 zeigen die jeweiligen Stellungen der ersten bis vierten Sonnenradkupplung 21 bis 24 entsprechend dem jeweiligen Schaltzustand vom schnellsten, dem dritten Gang im oberen Geschwindigkeitsbereich, bis zum langsamsten, dem dritten Gang im unteren Geschwindigkeitsbereich.

Zur Erläuterung der in Fig. 18 verwendeten Begriffe: das Übersetzungsverhältnis R bezeichnet die Anzahl der Drehungen des Abtriebsteils/Anzahl der Drehungen des Antriebsteils. Damit entspricht das Übersetzungsverhältnis R = 1 dem unbeschleunigten und ungebremsten Neutralzustand. Mit H1 bis H3 sind die oberen Gänge der gesamten Vorrichtung bezeichnet, während L1 bis L3 die unteren Gänge, und M dem Zustand der Vorrichtung bezeichnen, in dem weder beschleunigt noch gebremst wird. Bei dem "Zwischenübersetzungsverhältnis r" handelt es sich um das Übersetzungsverhältnis des höheren von zwei nebeneinanderliegenden Gängen, geteilt durch das für den niedrigeren Gang geltende. Beispielsweise beträgt das Zwischenübersetzungsverhältnis r5 etwa 1,14, abgeleitet aus 1,33 dividiert durch 1,16. Die in Fig. 18 angegebenen Werte R und r sind dabei Ergebnisse, die nur auf zwei Kommastellen genau ausgewiesen wurden, während bei der exakten Berechnung mehr Stellen hinter dem Komma vorhanden sind. Somit kommt es zu geringfügigen Abweichungen zwischen den aus den dargestellten Übersetzungsverhältnissen R tatsächlich errechneten Werten und den in der Zeichnung ausgewiesenen Zwischenübersetzungsverhältnissen r.

Aus Fig. 18 ergibt sich, daß die Zwischenübersetzungsverhältnisse r mit sehr großer Freiheit festgelegt werden können, indem die Übersetzungsverhältnisse R für die Planetengetriebe 4 und 5 unabhängig voneinander eingestellt und diese Übersetzungsverhältnisse dann miteinander kombiniert werden. Bei dem vorstehend erläuterten Aufbau wird einfach dadurch in einen anderen Gang geschaltet, daß die einzige Steuereinrichtung 8 gedreht wird, während die Sonnenradkupplungen nur auf Drehung in einer Richtung begrenzt werden können. Außerdem sind die einzigen axial beweglichen Teile diejenigen, die sich auf die Kupplungsschaltung 7 beziehen. Somit ist die gesamte Mehrgang-Schaltnabe sehr einfach aufgebaut, während sie gegen leicht auftretende Störungen recht gut geschützt ist.

Im folgenden werden nun weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Diese sind in der Zeichnung nur in ähnlich schematischer Form wie das erste Ausführungsbeispiel in Fig. 17 dargestellt, da die verschiedenen Bestandteile bei diesen Ausführungsformen im wesentlichen gleich oder ähnlich den Bauteilen sind, die beim ersten Ausführungsbeispiel verwendet wurden, so daß eine Wiederholung hier unnötig wäre. Aus Gründen der Vereinfachung der Darstellung wurde in allen nachstehend erläuterten schematischen Abbildungen die Rücktrittbremse weggelassen. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel ist auch bei diesen Ausführungsformen die Rücktrittbremse auf dem Planetenträger des ersten Planetengetriebes gesichert.

Fig. 19 zeigt nun ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in seinem grundlegenden Aufbau dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Hier allerdings sind die Größenverhältnisse der Sonnenräder und der Planetenräder im zweiten Planetengetriebe im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel vertauscht. Dies bedeutet, daß hier das dritte Sonnenrad 13a größer als das vierte Sonnenrad 14a ist, während die dritten Planetenräder 13b kleiner als die vierten Planetenräder 14b sind. Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt die Zustände der Kupplungen 21 bis 24 und 19 beim zweiten Ausführungsbeispiel, während die Beziehungen hinsichtlich der Übersetzungsverhältnisse in Fig. 20 dargestellt sind.

Tabelle 2

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist, was sich aus Fig. 20 leicht ersehen läßt, das Zwischenübersetzungsverhältnis r1 der untersten Stufe größer als die anderen Zwischenübersetzungsverhältnisse. Durch diese Anordnung läßt sich eine sehr feine Einstellung der Pedalbelastung in den Gängen im oberen Geschwindigkeitsbereich erzielen, in denen die Pedale kräftiger getreten werden müssen, während bei steiler Bergabfahrt eine geringe Pedalbelastung genügt.

Fig. 21 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mehrgang-Schaltnabe. Diese Ausführungsform entspricht in ihrem Grundaufbau dem ersten Ausführungsbeispiel, allerdings umfaßt das zweite Planetengetriebe 5 hier drei Sätze von Sonnenrädern, Planetenrädern und Sonnenradkupplungen zum Schalten der Sonnenräder. Dadurch, daß das zweite Planetengetriebe mehr Gänge bietet, besitzt die Mehrgang-Schaltnabe nun insgesamt neun Gänge. In der nachstehenden Tabelle 3 sind die Zustände der Kupplungen 21, 22, 61-63 und 19 ausgewiesen. Dabei lassen sich die erste, zweite, vierte und fünfte Sonnenradkupplung 21, 22, 62 und 63 von außen mittels der Steuereinrichtung 8 schalten, während für die dritte Sonnenradkupplung keine Einwirkung von außen erforderlich ist. Fig. 22 zeigt für dieses Ausführungsbeispiel die zugehörigen Beziehungen im Übersetzungsverhältnis.

Tabelle 3

Fig. 21 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mehrgang-Schaltnabe. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen darin, daß beide Getriebe, das erste und das zweite Planetengetriebe 4 und 5, mit Übersetzung nach oben betreibbar sind, wobei das erste Planetengetriebe 4 näher zum Antreiber 2 hin als das zweite angeordnet ist. Das zweite Planetengetriebe 5 umfaßt einen Satz Planetenräder mit einem Sonnenrad, während das erste Planetengetriebe 4 drei Sätze bestehend aus Planetenrädern und Sonnenrad aufweist. Der Antreiber 75a ist direkt mit einem Planetenträger 75b des ersten Planetengetriebes 4 gekoppelt, so daß das Antreiber 75a und der Planetenträger 75b integral miteinander ausgebildet werden können. Das zweite Planetengetriebe 5 weist einen Planetenträger 77 auf, der drehsicher mit einem Zahnkranz 76 des ersten Planetengetriebes 4 gekoppelt ist. Eine vierte Schaltkupplung 78 und eine Bremskupplung 79, die jeweils der vierten Schaltkupplung und Bremskupplung bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen entsprechen, sind zwischen die beiden Planetenträger 75b und 77 geschaltet. Die Bremskupplung 79 ist während des normalen Fahrbetriebs kontinuierlich ausgerückt und kann unter Kraftaufwand eingerückt werden, wenn der Antreiber rückwärts gedreht wird. In der nachfolgenden Tabelle 4 sind die Zustände der Sonnenradkupplungen 71 bis 74 bei diesem Ausführungsbeispiel ausgewiesen. Die Sonnenradkupplungen 71 bis 74 lassen sich durch die Steuereinrichtung 8 von außen schalten, während die für den zweiten Planetenträger 77 und den zweiten Zahnkranz 70 vorgesehenen einseitig wirksamen Abtriebskupplungen 17 und 18 keinerlei Schaltung von außen bedürfen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind alle Gänge mit Übersetzung nach oben betreibbar mit Ausnahme des langsamsten Gangs, bei dem Antrieb und Abtrieb direkt miteinander verbunden sind. Deshalb wird das Kettenrad so ausgebildet, daß es einen größeren Durchmesser aufweist, als dies normalerweise in der Standardversion üblich ist.

Tabelle 4

Jedes der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele besitzt zwei Planetengetriebe. Es liegt jedoch durchaus im Rahmen der Erfindung, eine Mehrgang-Schaltnabe auch mit drei und mehr Planetengetriebesätzen vorzusehen. Ein grundlegendes Merkmal der Erfindung liegt darin, eine Übertragung des Antriebsmoments in einer Richtung mit Hilfe der nur in einer Richtung wirksamen Kupplungen zwischen den Sonnenrädern und der Nabenachse zu ermöglichen, insbesondere die Sonnenräder durch Einwirkung von außen aus dem auf der Nabenachse gesicherten Zustand in den Freilaufzustand zu schalten, um so einen Abtriebs-Übertragungsweg zu wählen. Solange dieses Merkmal gewährleistet ist, stellt der Aufbau der Planetengetriebe keinerlei Einschränkung dar.

Die Ausführungsformen der Erfindung sind nicht an die aufgezeigten Konstruktionen gebunden. Es können die Bauteile, die jeweils die Kupplungsklinken bzw. die Kupplungszähne tragen, auch vertauscht werden. Beispielsweise kann die Nabenachse 1 die Sonnenradklinken 21a-21d der Sonnenradkupplungen 21-24 tragen, während die Hemmvorsprünge 21b-23b auf den Innenwandungen der Sonnenräder ausgebildet sind. Auch ist die Steuereinrichtung 8 nicht auf ein Drehteil beschränkt, sondern es kann auch beispielsweise als Schaltstange zur Betätigung der Kupplungen ausgebildet sein, die sich axial beweglich durch die Nabenachse 1 hindurch erstreckt.

Claims (8)

1. Mehrgangschaltnabe für ein Fahrrad, mit

• a) einer Nabenachse (1);
• b) einem Antreiber (2) und einer Nabenhülse (3), die beide drehbar auf der Nabenachse (1) abgestützt sind;
• c) einem ersten Planetengetriebe (4), welches im Kraftfluß zwischen dem Antreiber (2) und der Nabenhülse (3) angeordnet ist, umfassend von einem Planetenträger (4a) aufgenommene Planetenräder (11b, 12b), die im Eingriff mit auf der Nabenachse (1) angeordneten Sonnenrädern (11a, 12a) stehen, einen Zahnkranz (15), der mit den Planetenrädern (12b) im Eingriff ist;
• d) Schaltmitteln, um den Antrieb für die Nabenhülse (3) wahlweise vom Planetenträger (4a) oder vom Zahnkranz (15) abzuleiten;
• e) einer den Sonnenrädern (11a, 12a) zugeordneten Steuereinrichtung (8) zur Erzielung eines Freilauf- oder Verriegelungszustands durch ein- und ausschaltbare Sonnenradkupplungen;

dadurch gekennzeichnet, daß

• f) im Kraftfluß zwischen dem Antreiber (2) und der Nabenhülse (3) ein zweites Planetengetriebe (5) angeordnet ist, umfassend von einem Planetenträger (5a) aufgenommene Planetenräder (13b, 14b), die im Eingriff mit auf der Nabenachse (1) angeordneten Sonnenrädern (13a, 14a) stehen,
  einen Zahnkranz (16), der mit den Planetenrädern (14b) im Eingriff ist;
• g) wobei jedem der Sonnenräder (13a, 14a) eine durch dieselbe Steuereinrichtung (8) betätigbare Sonnenradkupplung (23, 24) zugeordnet ist, um die Sonnenräder (13a, 14a) in einen Freilauf- oder Verriegelungszustand zu bringen.

2. Mehrgangschaltnabe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das erste Planetengetriebe (4) als auch das zweite Planetengetriebe (5) wahlweise mit einer Übersetzung nach oben oder nach unten betreibbar ist.

3. Mehrgangschaltnabe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenträger (4a, 5a) beider Planetengetriebe (4, 5) drehfest miteinander verbunden sind.

4. Mehrgangschaltnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebswahleinrichtung (40) vorgesehen ist, die mittels der Steuereinrichtung (8) so betätigbar ist, daß sie selektiv zwischen der Übertragung des Antriebsmomentes von dem Antreiber (2) zum Zahnkranz (16) des zweiten Planetengetriebes (5) einerseits und der Übertragung des Antriebsmomentes von dem Antreiber (2) zum Planetenträger (5a) des zweiten Planetenträgers (5) andererseits umschaltbar ist.

5. Mehrgangschaltnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonnenräder (11a, 12a, 13a, 14a) beider Planetengetriebe (4, 5) im Verriegelungszustand jeweils in nur einer Richtung drehbar sind.

6. Mehrgangschaltnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Nabenhülse (3) und dem Planetenträger (77) des ersten Planetengetriebes (4) eine erste, in einer Richtung wirksame Abtriebskupplung (17) und zwischen der Nabenhülse (3) und dem Zahnkranz (70) des zweiten Planetengetriebes (5) eine zweite, in einer Richtung wirksame Abtriebskupplung (18) angeordnet ist.

7. Mehrgangschaltnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Planetenträger (75b) des ersten Planetengetriebes (4) mit dem Antreiber (75a) und der Zahnkranz (76) des ersten Planetengetriebes (4) mit dem Planetenträger (77) des zweiten Planetengetriebes (5) verbunden ist, wobei zwischen den beiden Planetenträgern (75b, 77) eine Antriebswahleinrichtung (78, 79) angeordnet ist.