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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Getriebenabe für ein Fahrrad,
auch als Schaltnabe bezeichnet. Insbesondere umfasst die Getriebenabe ein
bewegliches Kupplungselement, welches zur Auswahl der Gangstufe
betätigt
wird.
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Schaltnaben
umfassen im allgemeinen eine an einem Fahrradrahmen befestigte Nabenachse und
ein um die Nabenachse drehbares Nabengehäuse. In dem Nabengehäuse ist
ein Planetengetriebe untergebracht, mittels welchem über verschiedene Übertragungspfade,
welche durch das Planetengetriebe definiert werden, Antriebsdrehkraft
auf das Nabengehäuse übertragen
werden kann. Eine Kupplungsvorrichtung mit einem Kupplungselement
ist vorgesehen, um durch eine gezielte Axialbewegung des Kupplungselements,
beispielsweise mittels einer Schubstange, den Übertragungspfad auszuwählen.
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Eine
Getriebenabe der oben beschriebenen Art ist in der Europäischen Patentanmeldung
EP 0 876 953 offenbart,
wobei zusätzliche
Einrichtungen vorgesehen sind, um die Betätigung des Kupplungselements
zu erleichtern.
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Bei
dieser herkömmlichen
Getriebenabe ist das Antriebselement ständig mit dem Kupplungselement
in Eingriff, unabhängig
von der eingelegten Gangstufe, beispielsweise Schnellgang, Normalgang oder
Berggang. Beim Rückwärtstreten
der Pedale ist die Rückwärtsdrehung
des Antriebselements also immer mit einer Rückwärtsdrehung des Kupplungselements
verbunden. Wenn darüber
hinaus die Schnellgangstufe ausgewählt ist, dreht nicht nur das Kupplungselement,
sondern auch der Planetenradträger
beim Rückwärtsdrehen
der Pedale rückwärts. Wenn
das Kupplungselement und teilweise auch Elemente des Planetengetriebes
ebenfalls rückwärts gedreht
werden, erfolgt die Rückwärtsdrehung
also nicht gleichmäßig und
etwas schwergängig.
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Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung
einer verbesserten Getriebenabe, welche beim Rückwärtstreten einen gleichmäßigen und
leichten Rückwärtslauf
des Antriebselements und damit des Getriebes ermöglicht. Eine weitere Aufgabe
ist die Bereitstellung einer Getriebenabe mit integrierter Gangschalteinrichtung, wobei
mittels einer Kettenschaltung zusätzlich auch externer Gangwechsel
möglich
ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Getriebenabe entsprechend der Definition in
Anspruch 1 bereitgestellt. Ein in bezug auf eine Nabenachse drehbar
montiertes Antriebselement wird bereitgestellt. Ein Nabengehäuse ist
ebenfalls um die Nabenachse drehbar montiert, wobei ein Planetengetriebe
zum Übertragen
einer Vorwärtsdrehkraft vom
Antriebselement über
verschiedene Kraftübertragungspfade
auf das Nabengehäuse
vorgesehen ist. Das Planetengetriebe weist ein Planetenrad auf, welches
zur Rotation um die Nabenachse auf einem Planetenradträger gelagert
ist, sowie ein Tellerrad, welches in das Planetenrad eingreift sowie
ein auf der Nabenachse angeordnetes Sonnenrad. Ein in Axialrichtung
der Achse bewegliches Kupplungselement ist vorgesehen. Weiterhin
ist zwischen dem Antriebselement und dem Kupplungselement ein Klinkenkörper angeordnet.
Eine erste Einwegkupplung ist so angeordnet, dass sie Vorwärtsdrehkraft
von dem Antriebselement auf den Klinkenkörper überträgt.
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Bei
dieser Anordnung ist das Antriebselement mittels der ersten Einwegkupplung
stets im Eingriff mit dem Kupplungselement, so dass in jeder gewählten Gangstufe
Vorwärtsdrehkraft
auf das Kupplungselement übertragen
wird. Andererseits entkoppelt die erste Einwegkupplung das Antriebselement vom
Kupplungselement, wenn durch Rückwärtstreten
Rückwärtsdrehkraft
auf das Antriebselement aufgebracht wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird
dieser Vorteil durch die Bereitstellung eines Klinkenkörpers zwischen
dem Antriebselement und dem Kupplungselement erreicht, wobei die
erste Einwegkupplung vorzugsweise auf dem Klinkenkörper angeordnet
ist. Demzufolge läuft
das Antriebselement beim Rückwärtstreten
gleichmäßig und leicht,
weil die inneren Elemente der Getriebenabe im wesentlichen von dem
Antriebselement abgekoppelt sind. Daher kann ein gleichmäßiger Rückwärtslauf
der Getriebenabe erreicht werden, welcher beinahe so leicht ist
wie beispielsweise bei einer Freilaufnabe, wie sie üblicherweise
bei einer Kettenschaltung verwendet wird.
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Bei
einer Ausführungsform
ist das Kupplungselement am Außenumfang
mit einer Verzahnung oder einer Keilwellenprofilierung versehen,
welche zum gleitenden Eingreifen in eine Innenverzahnung oder -profilierung
des Klinkenkörpers
angeordnet ist. Auf diese Weise bleibt das Kupplungselement ständig mit
dem Klinkenkörper
verbunden, unabhängig
von der axialen Position des Kupplungselements.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
weist die erste Einwegkupplung wenigstens eine am Außenumfang
des Klinkenkörpers
montierte Sperrklinke auf, wobei am Innenumfang des Antriebselements komplementäre Rastzähne ausgebildet
sind. Vorzugsweise ist wenigstens eine Sperrklinke schwenkbar montiert
und federbelastet, so dass sie in die Rastzähne eingreift, wenn Vorwärtsdrehkraft
auf das Antriebselement aufgebracht wird. Die Rastzähne sind
so angeordnet, dass sie von der wenigstens einen Sperrklinke ausrücken, wenn
Rückwärtsdrehkraft
auf das Antriebselement aufgebracht wird. Daher kann ein freies
Rückwärtsdrehen
des Antriebselements durch eine relativ einfache Konstruktion des Klinkenkörpers und
der zugehörigen
ersten Einwegkupplung erreicht werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist zwischen dem Klinkenkörper
und dem Tellerrad des Planetengetriebes eine zweite Einwegkupplung
angeordnet, welche nur Vorwärtsdrehkraft
auf das Tellerrad überträgt. Vorzugsweise
weist die zweite Einwegkupplung wenigstens zwei schwenkbar am Außenumfang
des Klinkenkörpers
montierte Sperrklinken auf. Diese Sperrklinken sind vorzugsweise
federbelastet, um in komplementäre
Rastzähne
einzugreifen, welche am Innenumfang des Tellerrads ausgebildet sind.
Diese Anordnung ermöglicht
eine baulich geeignete Übertragung
der Vorwärtsdrehkraft
vom Antriebselement über
den Klinkenkörper
auf das Tellerrad, während
gleichzeitig keine Rückwärtsdrehkraft
auf das Tellerrad übertragen
wird.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist zwischen dem Tellerrad und dem Nabengehäuse eine dritte Einwegkupplung
angeordnet, wobei die dritte Einwegkupplung zwischen einem Kraftübertragungszustand,
in welchem die dritte Einwegkupplung in Rastzähne auf dem Nabengehäuse eingreift,
und einem Kraftunterbrechungszustand, in welchem die dritte Einwegkupplung
von den Rastzähnen
des Nabengehäuses
ausgerückt
ist, umschaltbar ist. Vorzugsweise weist das Kupplungselement einen
Umschaltabschnitt zum Umschalten der dritten Einwegkupplung zwischen
dem Kraftübertragungszustand und
dem Kraftunterbrechungszustand auf in Abhängigkeit von der axialen Position
des Kupplungselements.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann das Kupplungselement auch mit dem Planetenradträger eingreifen,
um einen Übertragungspfad
durch das Kupplungselement zum Planetenradträger für den Schnellgangübertragungspfad
zu definieren. Vorzugsweise weist das Kupplungselement an dem Ende
gegenüber
dem Antriebselement eine Kerbverzahnung zum Eingriff mit der Kerbverzahnung
am Umfang des Planetenradträgers
auf.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
schließlich
ist der Außenumfang
des Antriebselements zur Befestigung wenigstens eines Kettenrades
ausgelegt. Vorzugsweise weist der Außenumfang einen axialen Vorsprung
zur Montage mehrerer Kettenräder
auf. Bei dieser Ausführungsform
kann die vorliegende Getriebenabe in einer Kombination verwendet
werden, wobei eine Antriebskette von einem Zahnrad auf ein anderes
Zahnrad umgesetzt wird, um so eine externe Gangschaltung zur Verfügung zu
stellen. Ebenso kann eine Gangumschaltung im Inneren der vorliegenden
Getriebenabe stattfinden. Eine solche Kombination mit einer Mehrfachkettenradanordnung
führt zu
einer sehr vielseitig verwendbaren Gangschaltvorrichtung für ein Fahrrad.
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Weitere
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsformen
in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Getriebenabe mit dem Kupplungselement im Eingriff
zum Auswählen
des Schnellgang-Übertragungspfades.
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2 zeigt
die Ausführungsform
von 1, wobei das Kupplungselement axial zum Eingriff
mit dem Normalgang-Übertragungspfad
angeordnet ist.
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3 zeigt
die Ausführungsform
von 1, wobei das Kupplungselement axial zum Eingriff
mit dem Berggang-Übertragungspfad
angeordnet ist.
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Nun
wird auf 1 Bezug genommen; diese zeigt
eine Ausführungsform
der Getriebenabe mit einer Nabenachse 2, welche am hinteren
Ausfallende (nicht gezeigt) eines Fahrradrahmens anbringbar ist. Ein
Antriebselement 11 ist um den Außenumfang drehbar an einem
Ende der Nabenachse 2 angeordnet bzw. montiert. Ein Nabengehäuse 4 ist
drehbar an die Nabenachse 2 montiert, und ein Planetengetriebe 5 ist
in dem Nabengehäuse 4 untergebracht. Eine
Kupplungssteuerung 25 stellt eine Einrichtung zum Auswählen des
Kraftübertragungspfades
mittels axialer Einstellung des Kupplungselements 26 bereit.
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Wie
in 1 sowie in 2 und 3 gezeigt,
ist die Nabenachse 2 ein zylindrisches Element mit größerem Durchmesser
in der Mitte und kleinerem Durchmesser an beiden Enden. In der Mitte
der Achse 2 ist eine Bohrung zur Anordnung einer Schaltstange 3 vorgesehen.
Die Schaltstange 3 wird am rechten Ende in 1 durch
eine Betätigungseinrichtung
betätigt,
welche durch einen Steuerschaltzug (nicht gezeigt) gesteuert wird.
Axiale Bewegung der Schaltstange 3 wird mittels des Schaltkeils 7 übertragen,
welcher sich durch eine axiale Nut der Nabenachse erstreckt. Der Schaltkeil 7 greift
in das Kupplungselement 26 ein, wodurch das Kupplungselement
26 zum Auswählen
des Kraftübertragungspfades
axial positioniert wird.
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Das
Antriebselement 11 ist mittels einer Kugellageranordnung 8 drehbar
auf der Nabenachse 2 gelagert. Das Nabengehäuse 4 ist
zur Drehung um die Nabenachse 2 ebenfalls in Kugellageranordnungen
montiert und umfasst sich radial nach außen erstreckende Flansche zum
Anbringen von Speichen (nicht gezeigt) zur Befestigung am Laufrad
eines Fahrrads.
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Das
Planetengetriebe 5 umfasst ein auf der Nabenachse ausgebildetes
Sonnenrad, einen drehbar am Außenumfang
der Nabenachse 2 montierten Planetenradträger 52,
und normalerweise drei Planetenräder 51 (in 1 ist
nur ein Planetenrad gezeigt). Die Planetenräder kämmen mit dem Sonnenrad sowie
mit dem Innenumfang eines Tellerrades 34. Zusätzlich ist
der Planetenradträger 52 mit
Eingriffszähnen 52a versehen,
welche auf dem Umfang, vorzugsweise dem Innenumfang, des Planetenradträgers 52 an
dem dem Antriebselement 11 zugekehrten Ende ausgebildet
ist. Die Eingriffszähne 52a sind
zum Eingriff mit entsprechenden Eingriffskerbzähnen 26b des Kupplungselements 26 vorgesehen,
wie unten erläutert
wird.
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Nun
wird erneut auf 1 Bezug genommen; hier ist eine
erste Einwegkupplung 20 zwischen dem Antriebselement 11 und
einem Klinkenkörper 22 angeordnet.
Die erste Einwegkupplung weist wenigstens eine an dem Außenumfang
des Klinkenkörpers 22 montierte
Sperrklinke 20a auf. Eine Sperrklinke ist zur Übertragung
von Drehkraft ausreichend, jedoch können auch zwei oder mehr Sperrklinken
vorgesehen sein. Die Sperrklinken 20a sind schwenkbar am Außenumfang
des Klinkenkörpers 22 montiert
und sind zum Eingreifen in Rastzähne 11a am
Innenumfang des Antriebselements 11 federbelastet. Die Rastzähne 11a sind
so ausgebildet, dass eine auf das Antriebselement 11 aufgebrachte
Vorwärtsdrehkraft
auf den Klinkenkörper 22 übertragen
wird, während
die Klinken 20a von den Rastzähnen 11a ausrücken, wenn Rückwärtsdrehkraft
am Antriebselement vorliegt, z.B. beim Rückwärtstreten.
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Wie
in 1, 2 und 3 zu sehen
ist, bleibt die axiale Position des Klinkenkörpers 22 bezüglich des
Antriebselements 11 für
die Positionen Schnellgang, Normalgang und Berggang bei der Getriebenabe
unverändert.
Mit anderen Worten, es findet keine axiale Relativbewegung zwischen
dem Antriebselement 11 und dem Klinkenkörper 22 statt.
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Diese
Anordnung hat zur Folge, dass nur Varwärtsdrehkraft von dem Antriebselement 11 auf die
integrierten Komponenten in der Getriebenabe übertragen wird, während bei
Rückwärtsdrehung
des Antriebselements keine oder zumindest im wesentlichen keine
Rückwärtsdrehkraft übertragen
wird. Auf diese Weise wird in der vorliegenden Getriebenabe eine äußerst gleichmäßige und
leichte Laufeigenschaft während
des Rückwärtstretens
erreicht. Nur das Antriebselement selbst läuft rückwärts, während das Kupplungselement
mittels der Einwegkupplung 20 von dem Antriebselement 11 abgekoppelt
ist. Insbesondere in der in 1 gezeigten
Schnellgangstellung ist nicht nur das Kupplungselement von dem Antriebselement
abgekoppelt, sondern auch der Planetenradträger 51, welcher mit
dem Kupplungselement 26 im Eingriff ist. Der leichte Lauf
des Antriebselements ist wesentlich, wenn mehrere Kettenräder außen am Antriebselement
montiert sind.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
ist eine zweite Einwegkupplung 23 zwischen dem Klinkenkörper 22 und
dem Tellerrad 34 angeordnet, wie in 1 zu sehen.
Die zweite Einwegkupplung 23 weist wenigstens zwei schwenkbar
am Außenumfang
des Klinkenkörpers 22 montierte
Sperrklinken 23a auf. Die Sperrklinken 23a sind
federbelastet, um in Rastzähne 34a einzugreifen,
welche am Innenumfang des Tellerrads 34 ausgebildet sind.
Bei dieser Ausführungsform
werden zwei Sperrklinken 23a verwendet, während in
der Praxis vier Sperrklinken oder mehr vorgesehen sein können je nach
den Gegebenheiten, d.h. abhängig
von der zu übertragenden
Kraft.
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Wie
in 1, 2 und 3 zu sehen
ist, bleibt das Tellerrad 34 in Axialrichtung fixiert,
während
es drehbar um die Achse 2 montiert ist. Das Tellerrad 34 erstreckt
sich von einer Position der Planetenräder 51 an dem einen
Ende (links in 1) bis zu einer Position benachbart
zum Antriebselement 11 am anderen Ende. An dem einen Ende
des Tellerrades 34 sind Innenumfangszähne vorgesehen, welche mit
den Planetenrädern 51 kämmen. Das
Tellerrad 34 ist auch mit einer dritten Einwegkupplung 35 versehen,
welche wenigstens eine Kupplungsklinke 35a aufweist, welche
mittels einer Spiralfeder in stehender bzw. aufgerichteter Stellung
vorgespannt wird. Die Kupplungsklinke bzw. -klinken 35a greifen in
Rastzähne 4a am
Innenumfang des Nabengehäuses 4 ein.
Die Kupplungsklinke 35a kämmt mit den Rastzähnen 4a,
wenn das Tellerrad in Vorwärtsantriebsrichtung
dreht. Jedoch können
in dieser dritten Einwegkupplung die Kupplungsklinke bzw. -klinken 35a in
einen Kraftübertragungszustand
oder in einen Kraftunterbrechungszustand gebracht werden, wie unten
erläutert
wird. Im Kraftübertragungszustand wird
Vorwärtsdrehkraft
von dem Tellerrad auf die Kupplungsklinke 35a und die Rastzähne 4a auf
das Nabengehäuse 4 übertragen.
Im Kraftunterbrechungszustand wird die Kupplungsklinke 35a mittels eines
Schaltbereichs 26c des Kupplungselements 26 heruntergedrückt, wie
in 3 gezeigt. In diesem Kraftunterbrechungszustand
kann keine Vorwärts- oder
Rückwärtsdrehkraft
auf die Rastzähne 4a des Nabengehäuses übertragen
werden.
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Die
Arbeitsweise der Getriebenabe wird nun anhand der vorliegenden Ausführungsform
mit drei Vorwärtsgangstufen
beschrieben. Für
den Fachmann ist es jedoch klar, dass die Anordnung der vorliegenden
Einwegkupplung zwischen dem Antriebselement 11 und dem
Klinkenkörper 22 für Getriebenaben
mit jeder beliebigen Anzahl von Gängen vorgesehen sein kann.
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1 zeigt
den Schnellgang-Übertragungspfad.
Vorwärtsdrehkraft,
welche auf das Antriebselement 11 aufgebracht wird, wird über die
Einwegkupplung 20 auf den Klinkenkörper 22 übertragen,
welcher die Kraft wiederum über
die Kerbverzahnung 26a auf das Kupplungselement 26 überträgt. Das Kupplungselement 26 ist
durch die Kupplungssteuerung 25 in eine axiale Position
links in 1 gebracht worden. In dieser
Position greift die Eingriffskerbverzahnung 26b des Kupplungselements
mit der Kerbverzahnung 52a auf dem Planetenradträger 52 ein. Die
Drehung wird dann von dem Planetenradträger 52 über das
Planetengetriebe 5 auf das Tellerrad 34 übertragen
und danach auf die dritte Einwegkupplung 35, welche aufgerichtet
ist, d.h. im Kraftübertragungszustand.
Schließlich überträgt die Einwegkupplung 35 die
Vorwärtsantriebskraft
auf das Nabengehäuse 4.
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In
diesem Fall wird die Eingangsdrehung beschleunigt, worauf Abtrieb
erfolgt, abhängig
von dem Übersetzungsverhältnis, welches
durch die Anzahl der Zähne
auf dem Sonnenrad, den Planetenrädern 51 und
dem Tellerrad 34 vorgegeben ist. In dem Zustand gemäß 1 wird
Vorwärtsdrehung
des Antriebselements 1l auch auf die zweite Einwegkupplung 23 übertragen,
jedoch dreht das Tellerrad 34 schneller als das Antriebselement 11,
so dass über die
zweite Einwegkupplung 23 keine Drehung auf das Tellerrad 34 übertragen
wird.
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Der
Betriebszustand im Normalgang ist in 2 dargestellt.
Das Kupplungselement 26 wird mittels der Kupplungssteuerung 25 in
einer axialen Zwischenposition angeordnet. Vorwärtsdrehkraft vom Antriebselement 11 wird über die
Einwegkupplung 20 auf den Klinkenkörper 22 übertragen
und dann über
die zweite Einwegkupplung 23 direkt auf das Tellerrad 34.
Die dritte Einwegkupplung 35 ist immer noch im Kraftübertragungszustand,
so dass die Vorwärtsdrehkraft
des Tellerrades 34 direkt auf das Nabengehäuse 4 übertragen
wird. In diesem Zustand wird die Vorwärtsdrehkraft des Tellerrades 34 über die
Planetenräder 51 auch
auf den Planetenradträger 52 übertragen
und von dort zu einer Rolle 57, welche in die Nabenkappe 56 eingreift.
Die Nabenkappe 56 ist an dem Nabengehäuse 4 befestigt und
wirkt als weitere Einrichtung zum Übertragen von Drehkraft auf
das Nabengehäuse 4.
Die Umlaufgeschwindigkeit des Planetenradträgers 52 wird jedoch
durch die Planetenräder 51 reduziert,
so dass die durch die Rolle 57 und die Nabenkappe 56 übertragene
Drehung von der schnelleren Drehbewegung der dritten Einwegkupplung 35 überholt
wird.
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3 ist
eine Darstellung des Übertragungspfades
im Berggang, wobei das Kupplungselement 26 nun axial auf
der rechten Seite in Richtung des Antriebselements 11 angeordnet
ist. In dieser Position ist ein Umschaltabschnitt 26c des
Kupplungselements 26 mit den Kupplungsklinken 35a in
Eingriff gekommen, um sie herunterzudrücken, d.h. die dritte Einwegkupplung 35 ist
im Kraftunterbrechungszustand. Die Vorwärtsdrehung des Antriebselements 11 wird über die
Einwegkupplung 20 auf den Klinkenkörper 22 übertragen
und von dort über
die zweite Einwegkupplung 23 auf das Tellerrad 34.
Wie erwähnt, wird
die Einwegkupplung 35 heruntergedrückt, so dass in dieser Position
keine Drehung auf das Nabengehäuse übertragen
wird. Die Vorwärtsdrehung des
Tellerrades wird dann durch das Planetengetriebe 5 zum
Planetenradträger 52 übertragen
und von dort über
die Rolle 57 und die Nabenkappe 56 auf das Nabengehäuse 4.
Die Drehgeschwindigkeit des Tellerrades 34 wird durch die
Planetenräder 51 reduziert,
was zum Übertragungszustand
für den
Berggang führt.
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Ein
besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der Außenumfang
des Antriebselements 11, wie beispielsweise in 1 gezeigt,
mit einem axialen Vorsprung versehen werden kann, so dass mehrere
Kettenräder
(nicht gezeigt) am Außenumfang
befestigt werden können.
Damit ist es beispielsweise möglich,
mehrere Zahnräder
an das Antriebselement 11 zu montieren und eine Kettenschalteinrichtung
vorzusehen, wodurch eine Gangschaltung durch Versetzen der Kette
von einem auf das andere Zahnrad möglich wäre.
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Eine
vorteilhafte Anwendung der vorliegenden Getriebenabe ist dann eine
Kombination der vorliegenden Getriebenabe mit einer am Antriebselement 11 montierten
Mehrfachkettenradanordnung, um eine kombinierte Gangschaltvorrichtung
für ein Fahrrad
auszubilden.
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Die
vorliegende Getriebenabe ist vorteilhafterweise für eine solche
Vorrichtung ausgelegt, da die Bereitstellung des Klinkenkörpers 22 und
der ersten Einwegkupplung 20 einen gleichmäßigen und
leichten Lauf des Antriebselements 11 besonders bei Rückwärtsdrehung
ermöglicht.
In einer solchen Vorrichtung wäre
der gleichmäßige Lauf
des vorliegenden Antriebselements 11 vergleichbar mit einem
solchen, wie er üblicherweise
mittels einer Freilaufanordnung erreicht wird, wie sie allgemein
in Mehrfachkettenradanordnungen verwendet wird.