DE2938013A1 - Stufenloses getriebe fuer fahrraeder - Google Patents
Stufenloses getriebe fuer fahrraederInfo
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Description
GLAWE, DELFS, MOLL & PARTNER
NANKAI TEKKO CO., LTD., 9-8, 1-chome, Kohamanishi,
Suminoe-ku, Osaka, Japan
"Stufenloses Getriebe fUr Fahrräder11
PATENTANWÄLTE
nJGELASSE*« VEPTETER BEW
RICHARD GLAWE | KLAUS DELFS |
DR.-ING. | DIPL-ING |
ULRICH MENGDEHL | |
WALTER MOU | DIPL-CHEM DR. HER ΝΛΙ |
DII1L PHYS DR. RER NAl | HI INHICH Nil BUHII |
OFF BEST DOLMETSCHER | DIPL f 1HYS DR. PHL ΗΛΒΙΙ |
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MÜNCHEN | |
A 35 |
Die Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe für Fahrräder, bei dem mehrere Klinkenarme um eine am Kettenrad
befestigte Scheibe verteilt angeordnet sind und die Relativgeschwindigkeit zwischen Klinken an den Enden der
5 Arme und einem Klinkenrad durch Ändern des Schwenkwinkels der Arme verändertbar ist.
Stufenlose Getriebe für Fahrräder sind in verschiedenen Arten bekannt bzw. vorgeschlagen worden.
Aus der bekanntgemachten Japanischen Patentanmeldung 10 Nr. 4016/1960 ist ein Getriebe für ein Fahrrad bekannt,
bei dem mehrere Klinkenarme um eine Scheibe verteilt angeordnet sind, die am Kettenrad befestigt ist, und wobei
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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 zwisehen
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 gelagerter Rolle greift in einen Führungsring
ein, der durch 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 vervielfacht bzw. 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 bei jeder Änderung des Ubersetzungs-Verhältnisses.
Hierbei reibt oder schabt die Rolle gegen die
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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 viele 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
den ersten 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.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem stufenlosen Getriebe für ein Fahrrad, bei dem das Übersetzungsverhältnis
stufenlos änderbar ist durch Verändern des Schwenkwinkels von Klinkenarmen, die radial am Umfang
einer an der Kettenradwelle befestigte Scheibe gelagert sind, dadurch gelöst, daß die Klinkenarme, von denen jeder
mit einem Kurbelarm versehen ist, an dem Kettenrad in gleichmäßigem Abstand auf einem koaxialen Kreis gelagert sind,
und daß am einen Ende jedes Kurbelarmes ein Führungsstift vorgesehen ist, der in eine ringförmige Nut eingreift, die
koaxial in einem drehbaren Lagerring vorgesehen ist, dessen Exentrizität veränderbar 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 während einer Änderung des Ubersetzungsverhältnisses.
Versuche haben gezeigt, daß das er-
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findungsgemäße Getriebe auch bei nur sechs Klinkenarmen
sehr gleichmäßig ohne ruckartige Bewegungen arbeitet. Ein ganz besonders ruhiger und ruckfreier Lauf kann daher erwartet
werden, wenn mehr als acht Klinkenarme verwendet werden. Den 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 Notwenigkeit von Schaltvorgängen.
Ausf Uhrungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch den Hauptteil des Getriebes gemäß der Erfindung;
Fig. 2 zeigt das spektivisch einen Klinken- und Kugelarm;
Fig. 3 zeigt in Seitenansicht die Befestigung einer Klinke am Klinkenarm;
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Fig. 4 und 5 zeigen jeweils einen Teilschnitt des Getriebes in veränderter Ausführungsform
unter Hinzufügung eines Planetengetriebes;
Fig. 6 zeigt im Schnitt eine weitere, gegenüber Fig. abgewandelte Ausführungsform des Getriebes;
Fig. 7a und 7b zeigen Seitenansichten der Schaltvorrichtung des Getriebes zur Erläuterung
des Ubersetzungswechsels;
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung
der Wirkungsweise des Getriebes;
Fig. 9 zeigt eine Seitenansicht des Getriebes von der rechten Seite in Fig. 1;
Fig. 10 zeigt eine Seitenansicht eines inneren Lagerrings;
Fig. 11a zeigt im Axialschnitt eine andere AusfUhrungsform
des erfindungsgemäßen Getriebes;
Fig. 11b zeigt das Getriebe nach Fig. 11a von der rechten Seite gesehen;
Fig. 12 zeigt einen Klinken- und Kugelarm mit den zuj»-
hörigen Armen;
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17^06
Fig. 13 zeigt perspektivisch das Kettenrad mit einem daran gelagerten Klinken- und Kurbelarm.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Getriebe wird die Antriebskraft von den (nicht dargestellten) Pedalen Über die
Kette 17 auf das Kettenrad 1 und eine daran befestige Nabe 2 übertragen. Die Nabe 2 hat acht Löcher 2·, die in gleichen
Abständen auf einem koaxialen Kreise verteilt sind. In jedem Loch 2 ist eine Kurbelwelle 3 mit Gleitlagerung
gelagert. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist auf einem Ende jeder Welle 3 ein Klinkenarm 5 befestigt, der an seinem
Ende eine bewegliche Klinke 5* trägt. Am anderen Ende jeder Welle 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 Klinkenarm 5 hat an seinem Ende ein Loch 5a und einen keilförmigen Ausschnitt, wie
in Fig. 3 dargestellt, in welches eine Klinke 51 mit einer
dem Loch 5a entsprechenden Formgebung eingesetzt und durch
eine Feder 7 einer in Richtung des Pfeiles wirkenden Kraft ausgesetzt ist. Der Fünrungsstift 6 greift in eine ringförmige
Nut 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 einer Steuerscheibe 11 be-
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festigt und um einen Zapfen 10· schwenkbar, dej/an einer
Seltenplatte 1 befestigt 1st, die Ihrerseits am Fahrradrahmen
befestigt 1st. Wenn die Steuerscheibe 11 geschwenkt wird, kann dadurch der Innere Lagerring 8 mittels des
äußeren Lagerrings 9 exzentrisch Innerhalb eines vorgegebenen Bereichs relativ zum Mittelpunkt der Nabenachse
12 eingestellt werden.
Ein innen verzahntes Klinkenrad 13 ist koaxial an einem
Nabenflansch 11 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 13 abgedeckt, und der Spalt zwischen
dem Nabenteil 2 und der Abdeckung 15 ist durch eine 0*1-dichtung 16 abgedichtet, die in 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 tun die Nabenachse 12 längs
der Nut 8a um, und es wird keine Schwenkbewegung bewirkt, so daß alle Klinken 5* in die Zähne 13* des Klinkenrades
13 eingreifen. Somit ist die Drehgeschwindigkeit des Kettenrades 1 die gleiche wie die des Klinkenrades 13. (Fig. 7b).
Wenn dagegen den inneren Lagerring 8 eine Exzentrizität e gegeben wird (Fig. 7a), bewegen sich die Führungsstifte 6
längs der Nut 8a, so daß Jede Kurbelwelle 3 bei ihrem Umlauf um einen bestimmten Winkelbetrag hin und her schwingt.
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Hierbei greifen die Klinken 5' in die Zähne 13' nur zeitweise
antriebsübertragend ein, nämlich während desjenigen Teils des Umlaufs, in welchem sie eine vermehrte Umdrehung
des Rades 13 bewirken. Hierdurch dreht sich das Rad 13 schneller als das Kettenrad 1. Von den mehreren, an der Nabe
2 radial gelagerten Armen 5 wirkt immer jeweils der Arm antriebsübertragend mit den Zähnen 13 zusammen, der gerade
die größte Schwenkgeschwindigkeit aufweist. Der Eingriff zwischen den Klinken 5' und den Zähnen 13* ist, genauer gesagt,
intermetierend, 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 Prinzip der beschriebenen Wirkungsweise. Bei der Exzentrizität
Null, ist der Winkeltäter, um den sich die Welle 3 vom Punkt 3a bis zum Punkt 3b bewegt, immer gleich dem Winkeltäter1, um
den sich die Klinke 5' von dem Punkt 5a bis zum Punkt 5b beträgt.
Wenn dagegen der Mittelpunkt des inneren Lagerringes 8 vom Punkt 0 bis zu einem Punkt 0* bewegt wird, wird der
Winkel Jh ' größer als der Winkel Jl3 entsprechend dem Betrag
der Verschiebung des inneren Lagerrings 8 (d.h. der Exzentrizität e). Hit anderen Worten ist die Winkelgeschwindigkeit
der Klinken 5* die Summe aus den Geschwindigkeitskomponenten
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der Wellen 3 und der Arme 5. Hierdurch ergibt sich die Übersetzung
oder Drehzahlvergrößerung.
Das maximale Übersetzungsverhältnis der oben beschriebenen
Anordnung ist etwa 1 : 1,5» es kann aber ein Verhältnis von 1 : 2 erreicht werden, wenn ein Planetengetriebe
hinzugefügt wird. Fig. 4 und 5 zeigen derartige Ausführungsformen. Bei der AusfUhrungsform nach Fig. 4 wird die Umdrehung
des Kettenrades 5 über ein an der Nabe 2 befestigtes
Sonnenrad 18 auf Planetenräder 19 übertragen und dann auf
einen Träger 21. Der Träger 21 hat an seiner Innenfläche Zähne 21 *, und hierdurch wird die von den Klinkenarmen 5
erzeugte übersetzte Bewegung über das Innenrad 22 auf das
Rad des Fahrrades übertragen. Die gleiche Wirkungsweise wird erreicht bei der Ausführungsform nach Fig. 5» bei der das
Sonnenrad 18 auf der dem Rad zugeordneten Abtriebsseite des Getriebes angeordnet ist.
Bettler Ausführungsform nach Fig. 1 ist eine besonders
ausgebildete Nabe vorgesehen, jedoch kann die Erfindung auch bei einer Nabe von üblicher Form angewendet werden. Eine
derartige AusfUhrungsform zeigt Fig. 6. Die Einrichtung ist auf der rechten Seite des Hinterrades montiert mittels
eines Gewindes, welches in die Oberfläche 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 es auf den Nabenflansch 14 aufgeschraubt werden kann.
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Der Getriebemechanismus selbst ist der gleiche wie bei der AusfUhrungsform nach Fig. 1.
Das erfindungsgemäße Getriebe wird normalerweise in Form eines Automatikgetriebes verwendet. Fig. 7 zeigt
schematisch den zugehörigen Steuermechanismus. Ein freilaufendes Kettenrad 23 ist drehbar an einem Ende der Steuerscheibe
11 gelagert, die um den Zapfen 10* schwenkbar ist.
Die Steuerscheibe 11 wird normalerweise in der in Fig. 7a gezeigten Lage gehalten durch die Kraft einer Feder 24,
die am anderen Ende der Steuerscheibe 11 vorgesehen ist.
In dieser Stellung hat das Getriebe die vorstehend beschriebene, geschwindigkeitstibersetzende Wirkung. Beim Anfahren
oder beim Bergauffahren oder beim Fahren auf schlechter
Straße, wenn auf die Pedale eine größere Kraft ausgeübt wM, wird hierdurch die Kette 17 stärker gespannt und dadurch
das freilaufende Kettenrad 23 nach oben gedrückt. Hierdurch kommt die Steuerscheibe 11 in die Stellung gemäß
Fig. 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 Drahtzuges 25» der zu einem
an der Lenkstange oder am Rahmen angeordneten , von Hand betätigbaren Hebel führt.
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Fig. 11, 12 iind 13 zeigen eine andere Ausführungsform
der Erfindung. Die Antriebskraft von den (nicht dargestellten) Pedalen wird über die Kette 17 auf das Kettenrad 1 und eine
mit diesem verbundene Nabe 2 übertragen. Die Nabe 2 ist hohl ausgebildet und hat sechs Löcher 2·, 2U, die gleichmäßig
verteilt auf einem koaxialen Kreis angeordnet sind.
Ein Klinkenarm 5, der an seinem Ende eine bewegliche Klinke 51 aufweist, ist mit einem Kurbelarm A zu einer
Kurbeleinheit vereinigt (Fig. 12), und der Fußteil des Kurbeiarmes
4 bildet ein Kurbellager 3 mit einer Lageröffnung 31 für einen Zapfen 3".
In der Lageröffnung 3f ist der Kurbelzapfen 3" beweglich
gelagert, und die beiden Enden des Kurbelzapfens 3" sind in den sich gegenüberliegenden Löchern 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 5a mit seitlichem keilförmigen Ausschnitt
eingesetzt ist, und die Klinke 5' wird in der Pfeilrichtung durch die Kraft einer Feder 7 belastet, die in eine
quadratische Ausnehmung 5b eingesetzt ist und deren eines
Ende durch die Wand in die Öffnung 5a vorspringt.
Der Kurvenarm 4 hat an seinem Ende einen Führungszapfen
6 von dreieckigem Querschnitt mit abgerundeten Ecken. Die Führungszapfen 6 erstrecken sich durch bogenförmige Schlitze
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1, die in gleichmäßigen Winkelabständen im Kettenrad 1 ausgebildet
sind, hindurch bis in eine koaxial in einem inneren Lagerring 8 ausgebildete ringförmige Nut 8' , in der sie
gleitend geführt sind. Eine Feder 26 ist um jeden Kurbelzapfen 3* herum angeordnet, so daß der zugehörige Klinkenarm stets in Pfeilrichtung federbelastet ist, wodurch der
Führungszapfen 6 gegen die Innenwand der Nut 81 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 AusfUhrungsform nach Fig. 1.
Die Wirkungsweise der Klinkenarme dieser Ausführungsform ist die gleiche, wie anhand von Fig. 8 beschrieben. Der einige
Unterschied liegt darin, daß bei der vorherigen AusfUhrungsform
jeder Klinkenarm 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 in
einer Lageröffnung des Klinkenarmes gelagert ist und der Klinkenarm um den Kurbelzapfen geschwenkt wird. Da bei dieser
AusfUhrungsform jeder Kurbelzapfen lediglich durch die Nabe 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.
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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, sqtiaß eine Nachbearbeitung unnötig ist
und eine erhebliche Kostenverringerung erzielt werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der dargestellten
Ausführungsformen beschränkt. Abänderungen und Ausgestaltung liegen im Rahmen der Erfindung. Zum Beispiel
braucht die Steuerscheibe 10 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 Lagerstift 10* für die
Steuerscheibe eine Gummibuchse vorgesehen sein, um die bei den Übersetzungsänderungen auftretenden Stöße aufzufangen,
so daß sich eine stoßfreie Umschaltung des Übersetzungsverhältnisses ergibt und die Klinken 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.
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Leerseite
Claims (4)
- Patentansprüche(1.) Stufenloses Getriebe für ein Fahrrad zur stofenlosen Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen dem angetriebenen Kettenrad und dem Rad des Fahrrades durch Änderung des Schwenkwinkels von Klinkenarmen, die am Ket-5 tenrad oder einer mit diesem verbundenen Scheibe gelagert sind, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Klinkenarm (5) zusammen mit einem Kurbelarm (4) eine Einheit bildet, die schwenkbar an dea Kettenrad (1) in gleichmäßigen Winkelabständen gelagert ist, und daß ein am Ende 10 Jedes Kurbelarmes (4) angeordneter Führungszapfen (6) in einer ringförmigen Nut (81) geführt ist, die koaxial in einem drehbar gelagerten Lagerring (8) vorgesehen ist, dessen Exzentrizität bezüglich der Radachse veränderbar ist,030017/0646ORIGINAL INSPECTED
- 2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Exzentrizität des Lagerringes (8) mittels einer Steuerscheibe (iO) in Abhängigkeit von der Spannung der Antriebskette (17) veränderbar ist.
- 3. Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Kettenrad (1) mit der Radnabe Über ein Planetengetriebe (18, 19) verbunden ist.
- 4. Getriebe 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 (23) verstellbar ist,-Z-03001 7/06A6
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