DE69818924T2

DE69818924T2 - Antriebsnabe für Fahrrad

Info

Publication number: DE69818924T2
Application number: DE69818924T
Authority: DE
Inventors: Koshi Sakai-shi Tabe
Original assignee: Shimano Inc
Current assignee: Shimano Inc
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1998-08-05
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2018-08-06
Also published as: DE69818924D1; TW404910B; CN1084693C; CN1207999A; JP3204930B2; EP0895927B1; JPH1149074A; EP0895927A3; EP0895927A2; US6013005A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltnabe und insbesondere auf eine innere Fahrradschaltnabe zum Ändern der Drehgeschwindigkeit einer Eingabeeinheit bei einem ausgewählten Übersetzungsverhältnis und zur Übertragung des resultierenden Drehmoments auf eine Ausgabeeinheit und zur Ermöglichung des Schattens dieses Übersetzungsverhältnisses durch Zentrifugalkraft.
Kleine Fahrräder (als „BMX" bezeichnet), die 20 Zoll große Räder aufweisen, werden bei Oft-Road-Motocross-Rennen verwendet. Bei derartigen BMX-Fahrrädern für Motocross-Rennen wird das Hinterrad herkömmlicherweise bei einem festen Übersetzungsverhältnis von ungefähr 43 Zähnen auf dem Kettenrad und ungefähr 16 Zähnen auf dem Nabenzahnrad des Hinterrads angetrieben.
Beim BMX-Motocross-Rennen ist ein schneller Startsprint ein wichtiges Element. Während des Anfahrens wird das Herunterschalten zu einem etwas kleineren Übersetzungsverhältnis als während des normalen Fahrens empfohlen, um eine höhere Startbeschleunigung zu erzielen. Aus diesem Grund sind BMX-Fahrräder, die bei Motocross-Rennen verwendet werden, mit einem äußeren Schalthebel (der einen hinteren Umwerter und ein Nabenzahnrad mit zwei Doppelverhältnis-Zahnkränzen aufweist) und einem durch ein Kabel mit dem hinteren Umwerter verbundenen Umstellhebel ausgestattet.
Das Installieren eines äußeren Schalthebels macht es jedoch notwendig, dass dieser Schalthebel vom Fahrer gesteuert wird, indem ein Umstellhebel bedient wird. Da BMX-Motocross-Rennen das Fahren einer Strecke mit einer Abfolge von kleinen Unebenheiten und Kurven mit sich bringt, ist der Fahrer mit dem Lenken beschäftigt und hat nur wenig Zeit zum Schalten. Demzufolge ist es sehr schwierig, während eines Rennens die Gänge zu schalten.
Angesichts dessen ist es möglich, eine Vorgehensweise einzuführen, wodurch das Hinterrad mit einer inneren Schaltnabe ausgestattet ist, und die Gänge infolge der Tatsache geschaltet werden, dass die Geschwindigkeit der inneren Schaltnabe durch Zentrifugalkraft gemäß der Fahrradgeschwindigkeit automatisch geschaltet wird. Eine derartige innere Schaltnabe ist in der Japanischen Patenveröffentlichung 49-20656 beschrieben. Diese innere Schaltnabe weist eine Nabenachse, einen Mitnehmen, der sich um die Nabenachse drehen kann, ein Nabengehäuse, einen Planetengetriebemechanismus zum Ändern der Drehgeschwindigkeit des Mitnehmers und Übertragen des resultierenden Drehmoments auf das Nabengehäuse, einen Kupplungsmechanismus zum Übertragen der Ausgabe des Planetengetriebemechanismus auf das Nabengehäuse oder Unterbrechung einer derartigen Übertragung und eine zwischen dem Planetengetriebemechanismus und dem Nabengehäuse angeordnete Stützmuffe.
Der Planetengetriebemechanismus weist ein inneres Zahnrad, ein Sonnenrad, eine Vielzahl von Planetenrädern zum Ineinandergreifen mit dem inneren Zahnrad und dem Sonnenrad, und einen Träger zur Lagerung der Vielzahl von Planetenrädern. Der Kupplungs-Umschaltmechanismus weist ein Gewichtselement auf, das sich unter dem Einfluss einer Zentrifugalkraft bewegt, und ein Steuerungselement, das sich in Reaktion auf die Bewegung des Gewichtselements in einem Kreis bewegt. Das Gewichtselement und das Steuerungselement sind an einer Gewichtshalterung angebracht, welche ihrerseits in der Stützmuffe drehbar montiert ist. Die Gewichtshalterung ist mit dem inneren Zahnrad verbunden und der Kupplungsmechanismus weist eine kippbare Kupplungsklinke auf, die in der Gewichtshalterung untergebracht ist.
In einer derartigen inneren Schaltnabe wird der Kupplungsmechanismus durch den Kupplungs-Umschaltmechanismus in einem ausgekuppelten Zustand gehalten, wobei die Drehung des Mitnehmers über den Träger und eine Stützmuffe auf das Nabengehäuse übertragen wird, und das Nabengehäuse solange direkt angetrieben wird, bis eine vorgeschriebene Zentrifugalkraft erzeugt wird. Das Gewichtselement des Kupplungs-Umschaltmechanismus bewegt sich und das Steuerungselement wird aus dem ausgekuppelten Zustand in einen verbundenen Zustand geschaltet, wenn die Nabe gedreht wird und die Zentrifugalkraft ein vorgeschriebenes Niveau überschreitet. Geschieht dies, wird die Drehung des Mitnehmers über den Träger, die Planetenräder und das innere Zahnrad an die Gewichtshalterung ausgegeben, Kraft wird von der Gewichtshalterung über den Kupplungsmechanismus auf das Nabengehäuse übertragen, und das Nabengehäuse wird in einem hochgeschalteten Modus angetrieben.
Bei der oben beschriebenen herkömmlichen Struktur wird das Fahrrad mittels eines Planetengetriebemechanismus während des normalen Fahrens aufgrund eines Schattens vom direkt verbundenen Antrieb zum übersetzten Antrieb in einem hochgeschalteten Modus angetrieben. Durch den Planetengetriebemechanismus wird die Kraftübertragungseffizienz gesenkt, da die Kraft über eine Vielzahl von Zahnrädern übertragen wird. Demzufolge verrichtet die oben beschriebene herkömmliche Struktur während des normalen Fahrens einen übersetzten Antrieb, und die Kraftübertragungseftizienz wird deshalb während des normalen Fahrens im Vergleich zu der zu Beginn der Fahrt erzielten Effizienz gesenkt.
Um die Kraftübertragungseffizienz während des normalen Fahrens zu erhöhen, sollte mit Hilfe des Planetengetriebemechanismus während des Starts ein Herunterschalten durchgeführt werden, und der Mitnehmen und das Nabengehäuse sollten direkt verbunden werden, sobald die Zentrifugalkraft ein vorgeschriebenes Niveau überschritten hat. Zwei Kraftübertragungspfade sollten zur Verwirklichung dieses Konzepts existieren: ein untersetzter Pfad zur Übertragung der Drehung vom Mitnehmen über das innere Zahnrad, die Planetenräder und den Träger auf das Nabengehäuse; und ein direkt verbundener Pfad zur Übertragung der Drehung vom Mitnehmen direkt auf das Nabengehäuse. Diese zwei Pfade sollten durch den Kupplungsmechanismus geschaltet werden. Angesichts dessen ist eine Struktur vorgeschlagen worden, bei der die Gewichtshalterung der oben beschriebenen herkömmlichen inneren Schaltnabe nicht drehbar mit dem Nabengehäuse verbunden ist, zwischen dem Mitnehmen und der Gewichtshalterung ein Kupplungsmechanismus vorgesehen ist und die Gewichtshalterung mit dem Träger verbunden ist. Bei dieser Struktur wird Kraft über den Mitnehmen, das innere Zahnrad, die Planetenräder, den Träger und die Gewichtshalterung, im Falle des untersetzten Pfads, und über den Mitnehmen, das Steuerungselement und die Gewichtshalterung, im Falle des direkt verbundenen Pfads, auf das Nabengehäuse übertragen.
Um zu einer derartigen Struktur verbunden zu werden, werden die Gewichtshalterung und das Nabengehäuse herkömmlich durch Schweißen, Vernieten oder ein anderes Befestigungsmittel zusammengefügt. Werden die Gewichtshalterung und das Nabengehäuse durch ein derartiges Befestigungsmittel verbunden, können sie leicht ausgerichtet werden, und die Genauigkeit der Ausrichtung verschlechtert sich nicht. Das Drehgleichgewicht der zwei sich bei hoher Geschwindigkeit drehenden Teile ist deshalb schwer zu stören. Es ist jedoch unmöglich, die zwei durch ein Befestigungsmittel verbundenen Teile auseinander zu nehmen. Die fehlende Möglichkeit, das Gewichtselement und das Nabengehäuse auseinander zu bauen, erschwert es, das Gewichtselement zu ersetzen oder einzustellen. Die fehlende Möglichkeit, das Gewichtselement zu ersetzen oder einzustellen, macht es unmöglich, die Schaltzeit zu ändern oder sie gemäß dem Streckenprofil oder den Vorlieben des Fahrers während eines Motocross einzustellen.
Angesichts dessen ist ein Vorschlag gemacht worden, das Nabengehäuse und das Gewichtselement mit Hilfe einer Vielzahl von Bolzen zu verbinden. Werden das Gewichtselement und das Nabengehäuse jedoch mit Hilfe einer Vielzahl von Bolzen verbunden, ist beim Festziehen der Bolzen während des Zusammenbauens oder bei deren Entfernung während des Auseinanderbauens viel Arbeit involviert, was es notwendig macht, die zwei Teile jedes Mal, wenn diese zusammengebaut werden, auszurichten und zu verbinden, und die Vorgänge des Zusammenbauens weiter kompliziert.
Mittlerweile ist in der Japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung 1-13605 eine Struktur als mögliche Lösung für eine freie Fahrradnabe beschrieben, bei der das Nabengehäuse und der Nehmerzylinder der freien Nabe mit Hilfe eines zylindrischen Bolzens befestigt werden. Das Verbinden der zwei Teile mit einem derartigen einzelnen zylindrischen Bolzen erleichtert das Auseinander- und Zusammenbauen und macht es möglich, die zwei Teile auszurichten. Eine ähnliche Anordnung ist aus der DE-C-3346 794 bekannt.
Die US-A-4 229 997 oder die US-A-3 603 178 offenbaren ein Gewichtshalterungselement, das entsprechend entweder mit der Abtriebsseite des Planetengetriebemechanismus verbunden ist oder direkt mit dem Mitnehmen ohne Zwischenkupplung verbunden ist. Bei beiden Dokumenten ist zwischen der Gewichtshalterung und dem Nehmer keine direkte Befestigungsverbindung vorgesehen. DE-A-1 750 897 zeigt Gewichtselemente, die entweder mit dem Mitnehmen, dem Hohlrad, dem Getriebeträger oder dem Nabengehäuse verbunden sind.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das Zusammenbauen und Auseinanderbauen einer inneren Schaltnabe, bei der das Übersetzungsverhältnis durch Zentrifugalkraft geschaltet werden kann, zu erleichtern.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das Ausrichten von zwei demontierbaren Teilen zu vereinfachen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine innere Fahrrad-Schaltnabe gemäß Anspruch 1 und weist eine Nabenachse, einen Mitnehmen, einen Nehmer, einen Kraftübertragungsmechanismus, ein Steuerungselement, einen Kupplungs-Umschaltmechanismus und einen zylindrischen Bolzen auf. Die Nabenachse ist eine auf einem Fahrradrahmen fixierbare Achse. Der Mitnehmen kann sich um die Nabenachse drehen und kann mit der Eingabeeinheit verbunden werden. Der Nehmer kann sich um die Nabenachse drehen und kann mit der Ausgabeeinheit verbunden werden. Der Kraftübertragungsmechanismus ist ein Mechanismus, der zwischen dem Mitnehmer und dem Nehmer angeordnet ist und der ausgestaltet ist, um die vom Mitnehmen empfangene Drehgeschwindigkeit zu ändern und das resultierende Drehmoment auf den Nehmer zu übertragen. Der Kupplungsmechanismus ist ein Mechanismus zum Verbinden und Auskuppeln des Nehmers und des Mitnehmers. Der Kupplungs-Umschaltmechanismus weist ein Gewichtselement auf, das sich durch Zentrifugalkraft von einer ersten Position auf dem inneren Umfang in eine zweite Position auf dem äußeren Umfang bewegt, ein Steuerungselement, das sich in einem Kreis um die Nabenachse zwischen einer verbundenen Position, in welcher sich der Kupplungsmechanismus in einem verbundenen Zustand befindet, und einer ausgekuppelten Position, in welcher sich der Mechanismus in einem ausgekuppelten Zustand befindet, bewegen kann, und das sich in einem Kreis als Reaktion auf die Bewegung des Gewichtselements bewegen kann, und eine Gewichtshalterung, die das Gewichtselement und das Steuerungselement trägt, die sich um die Nabenachse drehen kann, welche über den Kupplungsmechanismus mit dem Mitnehmer verbunden ist, und die mit der Abtriebsseite des Kraftübertragungsmechanismus verbunden ist. Der zylindrische Bolzen ist koaxial mit der Nabenachse angeordnet und verbindet und befestigt die Gewichtshalterung und den Nehmer.
Bei dieser inneren Schaltnabe bewegt sich das Gewichtselement von der ersten Position in die zweite Position, wenn die Eingabeeinheit sich zu drehen beginnt, und eine vorgeschriebene Zentrifugalkraft auf das Gewichtselement wirkt. Das Steuerungselement ist in einer ausgekuppelten oder verbundenen Position angeordnet, wenn sich das Gewichtselement in der ersten Position befindet. Der Kupplungsmechanismus nimmt einen ausgekuppelten Zustand an, wobei der Mitnehmer und die Gewichtshalterung ausgekuppelt werden, und die Drehgeschwindigkeit des Mitnehmers verändert und durch den Kraftübertragungsmechanismus ausgegeben und über die Gewichtshalterung auf den Nehmer übertragen wird, wenn das Steuerungselement die ausgekuppelte Position erreicht hat. Zusätzlich nimmt der Kupplungsmechanismus einen verbundenen Zustand an, wobei der Mitnehmer und die Gewichtshalterung verbunden werden und die Drehung des Mitnehmers über die Gewichtshalterung unverändert an den Nehmer ausgegeben wird, wenn das Steuerungselement die verbundene Position erreicht hat. Das Steuerungselement dreht sich aus der ausgekuppelten Position in die verbundene Position oder aus der verbundenen Position in die ausgekuppelte Position, wenn sich das Gewichtselement aus der ersten Position in die zweite Position bewegt. Infolgedessen tritt eine Umschaltung durch Schalten des Kraftübertragungsmechanismus zur direkten Verbindung auf, wenn sich das Steuerungselement aus der ausgekuppelten Position in die verbundene Position bewegt hat, und es tritt eine Umschaltung von der direkten Verbindung zum Schalten des Kraftübertragungsmechanismus auf, wenn sich das Steuerungselement aus der verbundenen Position in die ausgekuppelte Position bewegt. Hier sind die Gewichtshalterung und der Nehmer koaxial mit der Nabenachse angeordnet und durch den zylindrischen Bolzen verbunden und können somit lediglich durch Festziehen oder Lösen des zylindrischen Bolzens leicht zusammen- oder auseinandergebaut werden. Zusätzlich kann die Ausrichtung der zwei demontierbaren Teile durch Versehen des zylindrischen Bolzens mit einer sich verjüngenden Fläche oder dergleichen erleichtert werden.
Vorzugsweise sind die Gewichtshalterung und der Nehmer durch ein gezahntes Verbindungsstück nicht drehbar verbunden. In diesem Fall sind die zwei Teile durch ein gezahntes Verbindungsstück verbunden und können somit in gleicher Winkelstellung ausgerichtet und nicht drehbar fest verbunden werden.
Vorzugsweise weist die Gewichtshalterung einen geneigten Abschnitt auf der inneren Umfangsfläche des Montagelochs für den zylindrischen Bolzen auf; und der zylindrische Bolzen weist auf der äußeren Umfangsfläche eines seiner Enden einen vorstehenden Abschnitt auf, der mit einer geneigten Fläche zum Verriegeln mit dem geneigten Abschnitt versehen ist. In diesem Fall können die zwei Teile lediglich durch Festziehen des zylindrischen Bolzens ausgerichtet werden, weil der geneigte Abschnitt mit der geneigten Fläche kontert.
Vorzugsweise ist die Gewichtshalterung aus einem legiertem Stahl und der Nehmer aus einem Leichtmetall gefertigt. In diesem Fall kann das Gewicht der ganzen Nabe durch Konstruieren allein der Gewichtshalterung (die eine angemessene Festigkeit haben sollte) aus einem legierten Stahl mit hohem spezifischem Gewicht reduziert werden.
Vorzugsweise weist der Kupplungsmechanismus ein Verbindungs-Klinkenelement auf, das auf der äußeren Umfangsfläche der Gewichtshalterung angebracht ist, während es sich zwischen dem verbundenen Zustand und dem ausgekuppelten Zustand bewegen kann, und das durch das Steuerungselement zwischen dem verbundenen Zustand und dem ausgekuppelten Zustand geschaltet wird; ein Verbindungs-Zahnelement, das auf der inneren Umfangsfläche des Mitnehmers vorgesehen ist und welches das Verbindungs-Klinkenelement in dem verbundenen Zustand halten kann; und ein Spannelement, um das Verbindungs-Klinkenelement in Richtung des verbundenen Zustands zu drücken. In diesem Fall wird das Verbindungs-Klinkenelement in den ausgekuppelten Zustand gebracht und die Drehung des Mitnehmers wird nicht auf den Nehmer übertragen, wenn das Steuerungselement durch Drehung die ausgekuppelte Position erreicht hat. Das Verbindungs-Klinkenelement wird durch das Spannelement in Richtung des verbundenen Zustands gedrückt, und die Spitze dieses Elements wird durch das Verbindungs-Zahnelement gestoppt, wenn der verbundene Zustand hergestellt ist. Demzufolge wird die Drehung des Mitnehmers direkt auf die Gewichtshalterung übertragen. Hier kann ein Kupplungsmechanismus, der in der Lage ist, einen verbundenen oder ausgekuppelten Zustand anzunehmen, mit Hilfe einer einfachen Anordnung, bei der ein Verbindungs-Klinkenelement eine Schwenkbewegung durchführt, erzielt werden.
Vorzugsweise weist der Nabenschalthebel eine Ein-Wege-Kupplung auf, die zwischen der Gewichtshalterung und der Abtriebsseite des Kraftübertragungsmechanismus angeordnet ist und die das Drehen der Gewichtshalterung in Bewegungsrichtung als Reaktion auf die Drehung des Kraftübertragungsmechanismus in Bewegungsrichtung bewirkt. In diesem Fall kann allein die Drehung in Bewegungsrichtung von der Abtriebsseite auf die Gewichtshalterung übertragen werden, wenn sich der Kupplungsmechanismus in einem ausgekuppelten Zustand befindet, und keine Drehung wird von der Abtriebsseite auf die Gewichtshalterung übertragen, wenn sich der Kupplungsmechanismus in einem verbundenen Zustand befindet und sich die Gewichtshalterung bei höherer Geschwindigkeit als die Abtriebsseite in Bewegungsrichtung dreht.
Vorzugsweise ist der Kraftübertragungsmechanismus ein Planetengetriebemechanismus, der ein inneres, mit dem Mitnehmen versehenes Zahnrad, eine mit einem Sonnenrad versehene Nabenachse, eine Vielzahl von Planetenrädern, die in das innere Zahnrad und das Sonnenrad eingreifen, und einen Rahmenkörper, der sich um die Nabenachse drehen kann und der auf den Planetenrädern drehbar gelagert ist, aufweist. In diesem Fall wird die Drehung des Mitnehmers vom inneren Zahnrad auf den Planetengetriebemechanismus übertragen, die Geschwindigkeit reduziert und an den Nehmer vom Rahmenkörper ausgegeben. Aufgrund dessen wird die Geschwindigkeit der Drehung des Mitnehmers reduziert und über den Nehmer während des Starts übertragen, wodurch es möglich wird, leicht auf die Pedale zu treten und den Startsprint zu beschleunigen, indem der Kupplungsmechanismus anfangs in einen ausgekuppelten Zustand gebracht wird und mit Hilfe einer Zentrifugalkraft ein verbundener Zustand aufgebaut wird. Ein anderes Merkmal ist, dass die Drehung durch den Planetengetriebemechanismus hoch effizient ohne Reduzierung der Übertragungseffizienz übertragen werden kann, weil ein verbundener Zustand aufgebaut wird und während des normalen Fahrens eine direkte Verbindung erzielt wird. Zusätzlich können Übersetzungsverhältnisse, die von großen Übersetzungsverhältnissen bis zu kleinen Übersetzungsverhältnissen reichen, innerhalb eines engen Bereichs mit Hilfe des Planetengetriebemechanismus leicht erzielt werden.
1 zeigt eine Seitenansicht eines Fahrrads gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
2 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen inneren Schaltnabe.
3 zeigt einen bruchstückartigen Querschnitt der erfindungsgemäßen inneren Schaltnabe.
4a und 4b zeigen schematische Darstellungen eines Planetengetriebemechanismus.
5 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht der inneren Schaltnabe.
6 zeigt Querschnitt VI-VI aus 3, wobei sich die Kupplung in einem ausgekuppelten Zustand befindet.
7 zeigt eine Vorderansicht einer Steuerplatte, wobei sich die Kupplung in einem ausgekuppelten Zustand befindet.
8 zeigt einen Querschnitt VI-VI aus 3, wobei sich die Kupplung in einem verbundenen Zustand befindet.
9 zeigt eine Vorderansicht einer Steuerplatte, wobei sich die Kupplung in einem verbundenen Zustand befindet.
10a zeigt Querschnitt VI-VI aus 3, wobei sich die Kupplung in einem ausgekuppelten Zustand befindet, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10b zeigt Querschnitt VI-VI aus 3, wobei sich die Kupplung in einem verbundenen Zustand befindet, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist das durch Einsatz einer erfindungsgemäßen Ausführungsform erhaltene Fahrrad ein BMX-Fahrrad, das einen Rahmen 1, der aus einem diamantförmigen Rahmenkörper 2 und einer Vordergabel 3 zusammengesetzt ist, einen Lenker 4, eine Mitnehmereinheit 5, ein Vorderrad 6, ein mit einer inneren Schaltnabe 10 mit zwei Gängen versehenes Hinterrad 7 und eine auslegerförmige hintere Seitenzug-Bremsvorrichtung 9 zum Bremsen des Hinterrads 7 aufweist.
Komponenten, wie etwa ein Sattel 11, die Lenker 4, das Vorderrad 6 und das Hinterrad 7, sind an dem Rahmen 1 montiert.
Die Lenker 4 weist einen Lenkerschaft 14 auf, der oben an der Vordergabel 3 befestigt ist, und eine Lenkstange 15, die an dem Lenkerschaft 14 befestigt ist. Ein Bremshebel 16 und ein Grift 17, welche die hintere Bremsvorrichtung 9 darstellen, sind auf dem rechten Ende der Lenkstange 15 montiert.
Die Mitnehmereinheit 5 weist ein Kettenrad 18 auf, das im unteren Teilabschnitt (unterer Träger) des Rahmenkörpers 2 montiert ist, eine um das Kettenrad 18 gewickelte Kette 19 und eine mit einem Zahnkranz 20 ausgestattete innere Schaltnabe 10 aufweist.
Die innere Schaltnabe 10 ist eine Zwei-Schritt-Nabe, die einen heruntergeschalteten und einen direkt verbundenen Kraftübertragungspfad aufweist. Diese innere Schaltnabe 10 ist zwischen ein paar hinteren Gabelenden 2a des Fahrradrahmenkörpers 2 montiert, wie in 2 gezeigt. Die innere Schaltnabe 10 weist eine in den hinteren Gabelenden 2a fixierte Nabenachse 21 auf, einen Mitnehmen 22, der um die Außenseite auf einem Ende der Nabenachse 21 montiert ist, während er sich in einem Kreis um die Nabenachse drehen kann, einen Nehmer 23, der weiter außen um die Außenseite der Nabenachse 21 und des Mitnehmers 22 angeordnet ist und der mit dem Hinterrad 7 verbunden ist, einen Planetengetriebemechanismus 24, der um die Innenseite des Mitnehmers 22 angeordnet ist, einen Kupplungsmechanismus 25 zum Verbinden und Auskuppeln des Mitnehmers 22 und des Nehmers 23, einen Kupplungs-Umschaltmechanismus 26 zum Schalten des Kupplungsmechanismus 25 und einen Ein-Wege-Kupplungsmechanismus 27 zur Übertragung der Drehung in Bewegungsrichtung allein vom Planetengetriebemechanismus 24 auf den Nehmer 23. Das rechte Ende des Mitnehmers 22 (2) ist durch eine Lagerkomponente 31 auf der Nabenachse 21 drehbar gelagert, und das linke Ende ist durch eine Lagerkomponente 32 in der Nehmer 23 drehbar gelagert. Die zwei Enden des Nehmers 23 sind durch Lagerkomponenten 33 und 34 auf der Nabenachse 21 drehbar gelagert.
Die Nabenachse 21 ist ein Element, das an den hinteren Gabelenden 2a des Fahrradrahmenkörpers 2 fixiert ist. Gewindeteilabschnitte zum Fixieren oder zum anderweitigen Sichern der Achse in den hinteren Gabelenden 2a sind auf beiden Enden der Nabenachse 21 gebildet. Ein Teilabschnitt 21a mit großem Durchmesser ist auf der Nabenachse 21 etwas rechts (in 2) des mittleren Abschnitts gebildet und das Sonnenradgetriebe 50 des Planetengetriebemechanismus 24 ist auf der rechten Seite des Teilabschnitts 21a mit großem Durchmesser gebildet. Die Nabenkonuselemente 37 und 38 weisen jeweils armförmige Nabenkonusflächen 31a und 34a für die Lagerkomponenten 31 und 34 auf und sind auf die Montageteilabschnitte der Nabenachse 21, die in Bezug auf die hinteren Gabelenden 2a nach innen liegen, geschraubt.
Der Mitnehmen 22 ist ein Element zur Übertragung der Drehung des Zahnkranzes 20. Wie in 3 gezeigt, weist der Mitnehmen 22 eine erste zylindrische Komponente 40 auf (wobei das rechte Ende dieser Komponente durch die Lagerkomponente 31 drehbar gelagert ist) und eine zweite zylindrische Komponente 41, die mit der ersten zylindrischen Komponente 40 verbunden ist (wobei das linke Ende der zweiten zylindrischen Komponente durch die Lagerkomponente 32 drehbar gelagert ist).
Die erste zylindrische Komponente 40 weist einen Teilabschnitt 42 mit kleinem Durchmesser auf der rechten Seite der 3 und einen Teilabschnitt 43 mit großem Durchmesser auf, der auf der linken Seite des Teilabschnitts 42 mit kleinem Durchmesser konisch erweitert ist. Ein Gehäusezwischenraum 44 zum Unterbringen des Planetengetriebemechanismus 24 ist innen in der ersten zylindrischen Komponente 40 gebildet. Die äußere Umfangsfläche am Ende des Teilabschnitts 42 mit kleinem Durchmesser ist mit einem Außengewinde 42a versehen, und eine Gegenmutter 45 zum Fixieren des Zahnkranzes 20 ist darauf geschraubt. Ein aus äußeren Verzahnungen zusammengesetzter Zahnkranz-Befestigungsabschnitt 42b ist auf der äußeren Umfangsfläche des Teilabschnitts 42 mit kleinem Durchmesser in der Nähe des Außengewindes 42a gebildet, wobei der Zahnkranz 20 nicht drehbar befestigt ist. Das innere Zahnradgetriebe 51 des Planetengetriebemechanismus 24 ist auf der inneren Umfangsfläche des Teilabschnitts 42 mit kleinem Durchmesser auf der Seite, die dem Teilabschnitt 43 mit großem Durchmesser zugewandt ist, gebildet. Ein armförmiger Kugelhalter 31b für die Lagerkomponente 31 ist auf der inneren Umfangsfläche am Ende des Teilabschnitts 42 mit kleinem Durchmesser gebildet. Die Lagerkomponente 31 weist den Kugelhalter 31b auf, die Nabenkonusfläche 31a und eine Vielzahl von Kugeln 31c, die zwischen dem Kugelhalter 31b und der Nabenkonusfläche 31a liegt.
Ein Innengewinde 43a, das auf der inneren Umfangsfläche am Ende des Teilabschnitts 43 mit großem Durchmesser gebildet ist, ist auf ein Außengewinde 41a auf der Endseite der zweiten zylindrischen Komponente 41 geschraubt, wobei es die zweite zylindrische Komponente 41 nicht drehbar verbindet. Ein Dichtungsring 28 zum Abdichten der von dem Nehmer 23 gebildeten Lücke ist über die äußere Umfangsfläche des Teilabschnitts 43 mit großem Durchmesser eingepasst.
Die zweite zylindrische Komponente 41 ist ein Element, dessen Durchmesser kleiner ist als derjenige der ersten zylindrischen Komponente 40 in Gewindeeingriff mit der inneren Umfangsfläche der ersten zylindrischen Komponente. Das Außengewinde 41a, das mit dem Innengewinde 43a gewindeartig verbunden werden soll, ist auf der äußeren Umfangsfläche des Endabschnitts gebildet. Ein Stoppen 41b, der gegen die Spitze des Teilabschnitts 43 mit großem Durchmesser der ersten zylindrischen Komponente 40 in der Nähe des Außengewindes 41a lehnt, ist auf der äußeren Umfangsfläche der zweiten zylindrischen Komponente 41 gebildet. Der Außendurchmesser des Stoppers 41b ist im Wesentlichen genauso groß wie der Außendurchmesser des Teilabschnitts 43 mit großem Durchmesser der ersten zylindrischen Komponente 40. Die Lagerkomponente 32 und der Kupplungsmechanismus 25 sind um das Innere der zweiten zylindrischen Komponente 41 angeordnet. Aufgrund dessen sind der Kugelhalter 32b der Lagerkomponente 32 und die Sperrklinkenzähne 70 des Kupplungsmechanismus 25 auf der inneren Umfangsfläche der zweiten zylindrischen Komponente 41 gebildet. Die Lagerkomponente 32 weist den Kugelhalter 32b auf, eine Nabenkonusfläche 32a, die auf der äußeren Umfangsfläche am Ende eines Kraftübertragungskörpers 61 (siehe unten) für den Nehmer 23 gebildet ist, und eine Vielzahl von Kugeln 32c, die zwischen dem Kugelhalter 32b und der Nabenkonusfläche 32a liegt.
Die derartige Bildung des Mitnehmers 22 aus einer zweiteiligen Struktur, die aus der ersten zylindrischen Komponente 40 und der zweiten zylindrischen Komponente 41 zusammengesetzt ist, macht es möglich, den Planetengetriebemechanismus 24 entlang der Nabenachse 21 zu montieren, ohne den Außendurchmesser des Abschnitts, der von der zweiten zylindrischen Komponente 41 gebildet wird, im Vergleich zum Außendurchmesser des Abschnitts, der von der ersten zylindrischen Komponente 40 gebildet wird, zu vergrößern, selbst wenn eine Lagerkomponente 32 vorgesehen ist. Der Außendurchmesser der ganzen Nabe kann deshalb reduziert werden.
Wie in 2 gezeigt, ist der Nehmer 23 ein zylindrisches Element, das durch den Mitnehmen 22 angetrieben wird und zur Drehung des Hinterrads 7 ausgestaltet ist. Der Nehmer 23 weist ein Nabengehäuse 60 auf, das teilweise um die Außenseite des Mitnehmers 22 angeordnet ist, und einen Kraftübertragungskörper 61, der durch einen Fixierbolzen 66 an dem Nabengehäuse 60 befestigt ist und der um die Innenseite des Mitnehmers 22 angeordnet ist. Dieser Kraftübertragungskörper 61 funktioniert, zusätzlich zum Fungieren als ein Körper zum Übertragen von Kraft vom Mitnehmen 22 oder dem Planetengetriebemechanismus 24 auf das Nabengehäuse 60, auch als eine Gewichtshalterung für den unten beschriebenen Kupplungs-Umschaltmechanismus 26.
Das Nabengehäuse 60, das ein aus Aluminium gefertigtes zylindrisches Element sein kann, weist ein Mechanismusgehäuse 62 mit großem Durchmesser zur Unterbringung des Mitnehmers 22, des Kupplungs-Umschaltmechanismuses 26 und dergleichen auf, und eine schmale zylindrische Komponente 63 mit kleinem Durchmesser, die mit dem Mechanismusgehäuse 62 integral gebildet ist. Nabenflansche 64 und 65 zur Befestigung der Speichen (nicht gezeigt) des Hinterrads 7 sind auf den äußeren Umfangsflächen des Mechanismusgehäuses 62 und der schmalen zylindrischen Komponente 63 integral gebildet. Wie in 3 gezeigt, ist das rechte Ende der schmalen zylindrischen Komponente 63 zur nicht drehbaren Befestigung des Kraftübertragungskörpers 61 mit äußeren Verzahnungen 63a versehen, und die innere Umfangsfläche ist mit einem Innengewinde 63b zum Gewindeeingriff mit dem Fixierbolzen 66 versehen. Ein Zwischenraum zum Unterbringen der Lagerkomponente 34 ist im linken Ende (2) der schmalen zylindrischen Komponente 63 gebildet, und ein Kugelhalterelement 35, das mit einer Kugelhalterfläche 34b (die ein Element der Lagerkomponente 34 ist) versehen ist, ist in diesem Zwischenraum gesichert. Die Lagerkomponente 34 weist die Nabenkonusfläche 34a auf, die Kugelhalter 34b und eine Vielzahl von Kugeln 34e, die zwischen der Kugelhalterfläche 34b und der Nabenkonusfläche 34a liegt. Eine Staubkappe 36 ist über die Lagerkomponente 34 eingepasst.
Der Kraftübertragungskörper 61 kann ein aus Chrom-Molybdän-Stahl gefertigtes gestuftes zylindrisches Element sein. Wie in 3 gezeigt, sind auf der inneren Umfangsfläche des linken Endes innere Verzahnungen 61a zum Eingreifen in die äußeren Verzahnungen 63a der schmalen zylindrischen Komponente 63 gebildet. Die Nabenkonusfläche 32a für die Lagerkomponente 32 ist auf der äußeren Umfangsfläche am rechten Ende des Kraftübertragungskörpers 61 gebildet, und Sperrklinkenzähne 80, die einen Teil des Ein-Weg-Kupplungsmechanismus 27 darstellen, sind auf der inneren Umfangsfläche des rechten Endes gebildet. Zusätzlich ist auf der inneren Umfangsfläche in der Nähe der Sperrklinkenzähne 80 ein Kugelhalter 33b für die Lagerkomponente 33 gebildet. Die Lagerkomponente 33 weist den Kugelhalter 33b, eine Nabenkonusfläche 33a, die in Form eines Arms auf dem linken Ende des Teilabschnitts 21a mit großem Durchmesser der Nabenachse 21 gebildet ist, und eine Vielzahl von Kugeln 33c auf, die zwischen der Nabenkonusfläche 33a und dem Kugelhalter 33b liegt. Ein sich verjüngender Abschnitt 61b ist auf der inneren Umfangsfläche des Kraftübertragungskörpers 61 in der Nähe des Abschnitts, der den Kugelhalter 33b darstellt, gebildet.
Wie in 2 gezeigt, ist der Fixierbolzen 66 ein hohler zylindrischer Bolzen, und das Nabengehäuse 60 und der Kraftübertragungskörper 61 sind auf konzentrische Weise sicher befestigt. Der Kopf 66a des Fixierbolzens 66 ist mit einer sich verjüngenden Fläche 66b zum Verriegeln mit dem sich verjüngenden Abschnitt 61b versehen, was ermöglicht, dass der Kraftübertragungskörper 61 und das Nabengehäuse 60 ausgerichtet und befestigt werden können.
Wie in 3 gezeigt, weist der Planetengetriebemechanismus 24 das auf der Nabenachse 21 gebildete Sonnenrad 50 auf, das innere Zahnrad 51, das auf dem Teilabschnitt 42 mit kleinem Durchmesser der ersten zylindrischen Komponente 40 des Mitnehmers 22 gebildet ist, einen Träger 52, der auf dem Teilabschnitt 21a mit großem Durchmesser der Nabenachse 21 drehbar montiert ist, und drei auf dem Träger 52 drehbar gelagerte Planetenräder 53. Der Träger 52 ist ein mit der Nabenachse 21 als Winkelflansch geformtes Element, das durch diese verläuft; und die drei Getriebegehäuse 52a, die in regelmäßigen Intervallen in Umfangsrichtung mit Abstand angeordnet sind, sind auf der äußeren Umfangsfläche dieses Elements gebildet. Drei Getriebeachsen 54 zur drehbaren Lagerung der Planetenräder 53 sind am Träger 52 befestigt. Die Planetenräder 53 weisen ein erstes Zahnradelement 53a mit kleinem Durchmesser zum Eingreifen in das innere Zahnrad 51 und ein zweites Zahnradelement 53b mit großem Durchmesser zum Eingreifen in das Sonnenrad 50 auf. Das erste Zahnradelement 53a und das zweite Zahnradelement 53b sind angrenzend aneinander in axialer Richtung gebildet. Die Planetenräder 53 sind somit aus zwei Zahnradelementen 53a und 53b zusammengesetzt, was es möglich macht, ein Übersetzungsverhältnis zu erzielen, das einem Doppelverhältnis mit einer kleineren Anzahl von Zähnen auf dem inneren Zahnradgetriebe, als dies bei einem einzigen Zahnradelement der Fall ist, entspricht.
Hier kann, wie in 4a gezeigt, das Übersetzungsverhältnis G_R für eine Untersetzung zwischen dem Antrieb des inneren Zahnrads und dem Trägerabtrieb durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: GR = 1/(1 + (Zs/Zr) × (Zp2/Zp1)),wobei Z_s die Anzahl von Zähnen auf dem Sonnenrad 50 ist, Z_r die Anzahl von Zähnen auf dem inneren Zahnrad 51 ist, Z_p1 die Anzahl von Zähnen auf dem ersten Zahnradelement 53a eines Planetenrades 53 ist und Z_p2 die Anzahl von Zähnen auf dem zweiten Zahnradelement 53b ist.
Hier kann, wenn die Anzahl von Zähnen Z_s auf dem Sonnenrad auf 15, die Anzahl von Zähnen Z_r auf dem inneren Zahnrad auf 57, die Anzahl von Zähnen Z_p1 auf dem ersten Zahnradelement auf 28 und die Anzahl von Zähnen Z_p2 auf dem zweiten Zahnradelement auf 13 festgesetzt wird, das folgende Ergebnis erhalten werden: GR = 1/(1 + (15/57) × (13/28)) = 0,891
Demzufolge beträgt das Übersetzungsverhältnis G_R 0,891 und ein einzelner Umlauf des Mitnehmers 22 wird auf den Nehmer 23 übertragen, nachdem dessen Geschwindigkeit auf 0,891 Umdrehungen reduziert worden ist.
Das Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebemechanismus 24 sollte innerhalb eines Bereichs von 0,8–9,5 fallen. In diesem Fall kann der Startsprint beschleunigt werden und der Außendurchmesser der inneren Schaltnabe 10 kann reduziert werden, selbst wenn ein Herunterschalten bei einem Doppelverhältnis durchgeführt wird.
Das Übersetzungsverhältnis G_R kann, wenn ein Herunterschalten mit Hilfe des aus einem einzelnen Zahnradelement bestehenden Planetenrads durchgeführt wird, durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. GR = 1/ (1 + (Zs/Zr))
In diesem Fall wird das Übersetzungsverhältnis G_R lediglich durch die Anzahl von Zähnen Z_r auf dem inneren Zahnrad und die Anzahl von Zähnen Z_s auf dem äußeren Zahnrad bestimmt. Nun soll die Gleichung 0,891 = 1/(1 + (15/Z_r)) in einem Versuch gelöst werden, ein Übersetzungsverhältnis von 0,891 mit dem zuvor erwähnten Doppelverhältnis zu erhalten, indem angenommen wird, dass die Anzahl von Zähnen Z_s auf dem Sonnenrad 15 ist. Infolgedessen beträgt die Anzahl von Zähnen Z_r auf dem inneren Zahnrad 123, und der Außendurchmesser des Mitnehmers 22 wird mindestens um das Doppelte im Vergleich zu einem Fall, bei dem das Zahnrad zwei Zahnradelemente aufweist, vergrößert.
Wie in 3, 5 und 6 gezeigt, weist der Kupplungsmechanismus 25 Sperrklinkenzähne 70 (die auf der inneren Umfangsfläche der zweiten zylindrischen Komponente 41 des Mitnehmers 22 gebildet sind), zwei Kupplungsklinken 71, die in die Sperrklinkenzähne 70 eingreifen können, und ein Federelement 72 zum Spannen der Kupplungsklinken 71 auf. Die Sperrklinkenzähne 70 sind als Sägezähne auf der inneren Umfangsfläche der zweiten zylindrischen Komponente 41 gebildet. Die Kupplungsklinken 71 sind auf der äußeren Umfangsfläche des Kraftübertragungskörpers 61 montiert, während sie zwischen einem verbundenen Zustand, in dem sie in die Sperrklinkenzähne 70 eingreifen, und einem ausgekuppelten Zustand, in dem sie von den Sperrklinkenzähnen 70 getrennt sind, wechseln können.
Klinkengehäuse 73 zum Unterbringen der Kupplungsklinken 71 sind an zwei Positionen auf der äußeren Umfangsfläche des Kraftübertragungskörpers 61 vorgesehen. Das Federelement 72, das in einem gewickelten Zustand in einer Rille 74, die in der äußeren Unfangsfläche des Kraftübertragungskörpers 61 ausgebildet ist, positioniert ist, drückt die Kupplungsklinken 71 in einen verbundenen Zustand. Erst wenn sich die Kupplungsklinken 71 in einem verbundenen Zustand befinden und sich der Mitnehmen 22 in Bewegungsrichtung dreht, wird die Drehung des Kupplungsmechanismus 25 auf den Kraftübertragungskörper 61 des Nehmers 23 übertragen.
Der Kupplungs-Umschaltmechanismus 26 weist eine Steuerplatte 75 zum Schalten der Kupplungsklinken 71 zwischen einem verbundenen Zustand und einem ausgekuppelten Zustand auf, einen Bewegungsmechanismus 76 zur Bewegung der Steuerplatte 75 auf hin- und hergehende Weise um die Nabenachse und eine Gewichtshalterung, die gleichfalls als Kraftübertragungskörper 61 wirkt.
Wie in 7 gezeigt, ist die Steuerplatte 75 ein flaches Element, das als modifizierter Ring geformt ist und in seinem mittleren Abschnitt durch den Kraftübertragungskörper 61 drehbar gelagert wird. Ein sich radial nach außen erstreckender Haken 75a ist auf der Außenkante der Steuerplatte 75 gebildet. Zusätzlich sind zwei Steuerfenster 75b zum Steuern der Kupplungsklinken 71 zwischen dem inneren und äußeren Umfang gebildet. Die Kupplungsklinken 71 sind derart angeordnet, dass sie sich von den Steuerfenstern 75b in Richtung des Bewegungsmechanismus 76 erstrecken. Die Steuerfenster 75b sind mit Auskupplungsrahmen 75d zum Halten der Kupplungsklinken 71 in einem ausgekuppelten Zustand sowie mit Verbindungsrahmen 75e zum Schalten der Klinken in einen verbundenen Zustand versehen. Die durch das Federelement 72 gespannten Kupplungsklinken 71 können in einen verbundenen Zustand angehoben werden, indem die Verbindungsrahmen 75e derart geformt sind, dass sie sich von den Auskupplungsrahmen 75d radial nach außen erstrecken. Der Haken 75a, die Steuerfenster 75b und alle anderen Komponenten sind 180 Grad voneinander entfernt platziert (je nach Anzahl der Elemente), um eine ausgewogene Drehung zu erzielen. Zusätzlich sind zwischen dem inneren und äußeren Umfang zwei Durchgangslöcher 75c gebildet, welche die kippbaren Achsen 87 der Gewichtshalterung 85 (siehe unten) unterbringen. Die Steuerplatte 75 wird normalerweise durch den unten beschriebenen Federmechanismus 79 in einer ausgekuppelten Position (in 6 und 7 gezeigt) gehalten. Zu diesem Zeitpunkt werden die Spitzen der Kupplungsklinken 71 durch die Auskupplungsrahmen 75d der Steuerfenster 75b gestoppt und die Klinken werden in einem ausgekuppelten Zustand gehalten.
Wie in 5 gezeigt, weist der Bewegungsmechanismus 76, der auf der linken Seite der Steuerplatte 75 angeordnet ist, zwei kippbare Gewichtselemente 77, Verbindungen 78 zum Verbinden der zwei jeweiligen Gewichtselemente 77 und der Steuerplatte 75 sowie einen Federmechanismus 79 zum Spannen der Steuerplatte 75 im Uhrzeigersinn in 6 auf.
Die Gewichtselemente 77 weisen zwei Gewichtshalter 85 auf, die auf der Endseite 61c des Kraftübertragungskörpers 61 schwenkbar montiert sind, sowie Gewichte 86, die an den Spitzen der Gewichtshalter 85 montiert sind. Die zwei Gewichtshalterungen 85 können aus einem Polyacetalharz gefertigt sein. Die Gewichtshalterungen 85 sind derart geformt, dass sie einen Bogen um den Kraftübertragungskörper 61 bilden, und sind auf die gleiche Weise 180 Grad voneinander entfernt um den Kraftübertragungskörper 61 positioniert. Ansätze 85a sind mit den Basen der Gewichtshalterung 85 integral ausgebildet, und aus zwei vorstehenden Stiften zusammengesetzte Gewichtshalterungskomponenten 85b sind mit den Spitzen der Gewichtshalterung integral ausgebildet. Die kippbaren Achsen 87 verlaufen durch die Ansätze 85a. Die kippbaren Achsen 87 verlaufen ebenfalls durch die Durchgangslöcher 75c, und die Spitzen dieser Achsen sind am Kraftübertragungskörper 61 fixiert. Zusätzlich sind auf den Seiten, die den Gewichtshalterungskomponenten 85b gegenüberliegen, Verbindungsstifte 85d mit den Spitzen der Gewichtshalterung 85 integral gebildet. Die Verbindungsstifte 85d werden zum drehbaren Montieren der Verbindungselemente 78 verwendet. Die Gewichte 86, die aus Blei oder Stahl gefertigte fächerförmige Elemente sein können, sind durch zwei Stifte der Gewichtshalterungskomponenten 85c fixiert.
Die Verbindungselemente 78 sind Elemente zum Drehen des Bremsteils 75 als Reaktion auf die Bewegung der Spitzen der Gewichtselemente 78, die um ihre Basen schwenken. Die Steuerplatte 75 und die Spitzen der Gewichtshalterung 85 sind an beiden Enden davon verbunden. Die V Verbindungselemente 78 sind aus Metall gefertigte flache Elemente. Ein Ende jedes Verbindungselements ist mit einem runden Loch zum Einführen der Verbindungsstifte 85d versehen, und das andere Ende ist mit einem runden Loch zum Einführen eines Verbindungsstifts 78a versehen, der verwendet wird, um eine Verbindung mit der Steuerplatte 75 zu erzielen.
Wie in 6 gezeigt, weist der Federmechanismus 79 eine Schraubenfeder 88, deren eines Ende am Haken 75a befestigt ist, sowie einen Federkrafteinstellmechanismus 89 zum Einstellen der Federkraft der Schraubenfeder 88 auf. Die Schaltzeit kann durch Einstellen der Federkraft der Schraubenfeder 88 eingestellt werden. Die Schaltzeit kann auch durch Ersetzen der Gewichte 86 variiert werden.
Wie in 6 gezeigt, weist eine Ein-Wege-Kupplung 27 auf, die eine Art Klinke sein kann, Sperrklinkenzähne 80, die auf der inneren Umfangsfläche des Kraftübertragungskörpers 61 ausgebildet sind, Kupplungsklinken 81, die auf der äußeren Umfangsfläche des Trägers 52 des Planetengetriebemechanismus 24 montiert sind, während sie zwischen einem verbundenen Zustand und einen ausgekuppelten Zustand wechseln können, sowie einen Federteil (nicht gezeigt) zum Spannen der Kupplungsklinken 81 in einen verbundenen Zustand. Bei der Ein-Wege-Kupplung 27 werden die Kupplungsklinken 81 normalerweise in einen verbundenen Zustand angehoben, und die Drehung des Trägers 52 wird auf den Kraftübertragungskörper 61 übertragen, wenn sich dieser Träger in Bewegungsrichtung dreht. Wenn sich der Kraftübertragungskörper 61 mit höherer Geschwindigkeit als der Träger 52 in Bewegungsrichtung dreht, wird keine Drehung übertragen.
Die innere Schaltnabe 10 weist, aufgrund des Vorhandenseins eines derartigen Planetengetriebemechanismus 24, Kupplungsmechanismus 25, Kupplungs-Umschaltmechanismus 26 und einer Ein-Wege-Kupplung 27, die folgenden Pfade auf:
einen untersetzten Kraftübertragungspfad, der sich aus dem Mitnehmen 22, dem inneren Zahnradgetriebe 50, dem Planetengetriebemechanismus 24, dem Träger 52 und dem Nehmer 23 zusammensetzt; und
einen direkt verbundenen Kraftübertragungspfad, der sich aus dem Mitnehmen 22, dem Kupplungsmechanismus 25 und dem Nehmer 23 zusammensetzt.
Wenn der Fahrer während des Starts auf die Pedale tritt und das Fahrrad vorantreibt, wird die sich daraus ergebende Drehung über den Zahnkranz 20 auf den Mitnehmen 22 übertragen. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Steuerplatte 75 in einer ausgekuppelten Position, und die Kupplungsklinken 71 werden durch die Steuerplatte 75 in einem ausgekuppelten Zustand gehalten. Demzufolge besteht zwischen dem Mitnehmen 22 und dem Kraftübertragungskörper 61 keine Verbindung, und die Drehung des Mitnehmers 22 wird entlang des untersetzten Kraftübertragungspfads auf den Kraftübertragungskörper 61 übertragen. Infolgedessen wird die Drehung des Zahnkranzes 20 während des Starts auf das Nabengehäuse 60 übertragen, nachdem seine Geschwindigkeit zum Beispiel auf 0,891 reduziert wurde. Es ist deshalb möglich, während des Starts leicht auf die Pedale zu treten und einen Startsprint zu erzielen.
Wie in 8 und 9 gezeigt, schwenken die Gewichtselemente 77 nach außen gegen die Wirkung der durch die Schraubenfeder 88 der Steuerplatte 75 ausgeübten Spannkraft, wenn der Kraftübertragungskörper 61 eine Drehgeschwindigkeit über einem bestimmten Niveau erzielt. Dieses Niveau wird durch das Einstellen des Federmechanismus 79, die Masse der Gewichte oder dergleichen bestimmt. Wenn sich die Gewichtselemente 77 auf diese Weise bewegen, wird die Steuerplatte 75 entgegen dem Uhrzeigersinn in 8 mittels der Verbindungselemente 78 gedreht, bis sie eine verbundene Position erreicht. Wenn die Steuerplatte 75 die verbundene Position erreicht hat, positionieren sich die Verbindungsrahmen 75e des Steuerfensters 75b an den Spitzen der Kupplungsklinken 71, und die Kupplungsklinken 71 werden durch die Spannkraft des Federelements 72 in einen verbundenen Zustand angehoben. Infolgedessen wird die Drehung des Mitnehmers 22 in Bewegungsrichtung direkt auf den Kraftübertragungskörper 61 entlang des direkt verbundenen Kraftübertragungspfads übertragen, und die Drehung des Zahnkranzes 20 wird unverändert auf das Hinterrad 7 übertragen. Demzufolge wird ein Hochschalten durchgeführt, sobald die Drehgeschwindigkeit ein bestimmtes Niveau überschritten hat. Während dieses regulären Fahrens gibt es in der Übertragungseffizienz des Planetengetriebemechanismus 24 keine Reduzierung, weil der Mitnehmen 22 und der Nehmer 23 direkt verbunden werden.
Wenn die Drehgeschwindigkeit des Kraftübertragungskörpers 61 während des Kurvenfahrens oder dergleichen unter ein vorgeschriebenes Niveau fällt, werden die Gewichtselemente 77 durch die Schraubenfeder 88 in ihren anfänglichen ausgekuppelten Zustand zurückgeführt, und die Drehung des Mitnehmers 22 wird auf den Nehmer 23 entlang des untersetzten Kraftübertragungspfads übertragen.
Die Anzahl der Gewichtselemente oder Kupplungsklinken ist nicht auf zwei begrenzt. Es können auch ein Element oder eine Klinke sowie drei oder mehr Elemente oder Klinken verwendet werden. Wenn drei oder mehr Elemente oder Klinken verwendet werden, sollten diese in regelmäßigen Intervallen gemäß ihrer Anzahl angeordnet sein. Wenn es zum Beispiel drei Gewichtselemente 77 gibt, sollten diese auf die gleiche Weise 120 Grad voneinander entfernt um die Nabenachse angeordnet werden, wie in 10a gezeigt. Des Weiteren können eine einzige Kupplungsklinke 71 sowie eine Vielzahl von derartigen Klinken verwendet werden. In diesem Fall schwenken die Gewichtselemente 77 nach außen, wenn die Drehgeschwindigkeit eine bestimmte Grenze überschritten hat (wie in 10b gezeigt), wobei die Steuerplatte 75 mittels der Verbindungselemente 78 gedreht wird, und sich die Kupplungsklinken 71 aus dem ausgekuppelten Zustand in einen verbundenen Zustand heben. Somit erhöht sich die Zentrifugalkraft bei Zunahme der Anzahl von Gewichtselementen 77, und die Steuerplatte 75 dreht sich mit mehr Stabilität.
Die Struktur des Kraftübertragungsmechanismus ist nicht auf einen Planetengetriebemechanismus allein begrenzt und kann auch Cyclo Shifters (eingetragener Markenname) und andere Schaltmechanismen aufweisen.
In Hinblick auf die Montagerichtung ist der zylindrische Bolzen nicht auf die der Gewichtshalterung zugewandten Seite begrenzt und kann auf der dem Nabengehäuse 60 zugewandten Seite installiert werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde die Gangstufe von der Untersetzung zur direkten Verbindung geändert, doch das Ändern der Gangstufe von der direkten Verbindung zur Übersetzung ist auch möglich. In diesem Fall sollte der Mitnehmer 22 mit dem Träger 52 verbunden werden, und die Kraft sollte vom Träger 52 auf das innere Zahnrad 51 übertragen werden, wie in 4b gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt kann mit einem inneren Zahnrad, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der eines einzelnen Zahnradelements, ein großes Übersetzungsverhältnis erzielt werden, wenn bewirkt wird, dass das zweite Zahnradelement 53b (das von den zwei Zahnradelementen 53a und 53b den größeren Durchmesser aufweist) in das innere Zahnrad 51 eingreift, und bewirkt wird, dass das erste Zahnradelement 53a in das Sonnenrad 50 eingreift. Zusätzlich sollten der Träger 52 und der Mitnehmen 22 mit Hilfe der in 4a gezeigten Struktur miteinander verbunden werden, wenn es das Ziel ist, ein einem Doppelverhältnis entsprechendes Übersetzungsverhältnis zu erzielen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Gewichtshalterung und der Nehmer durch einen koaxial mit der Nabenachse angeordneten zylindrischen Bolzen verbunden, was es ermöglicht, das Zusammenbauen oder Auseinanderbauen der Gewichtshalterung und des Nehmers lediglich durch Festziehen oder Lösen des zylindrischen Bolzens zu erleichtern. Zusätzlich wird das Ausrichten der zwei demontierbaren Teile vereinfacht, indem der zylindrische Bolzen mit einer sich verjüngenden Fläche oder dergleichen versehen wird.

Claims

Innere Fahrrad-Schaltnabe (10) zum Ändern der Drehgeschwindigkeit einer Eingabeeinheit bei einem ausgewählten Übersetzungsverhältnis und zur Übertragung des resultierenden Drehmoments auf eine Ausgabeeinheit und Ermöglichung des Schattens des Übersetzungsverhältnisses durch Zentrifugalkraft, wobei die innere Fahrrad-Schaltnabe Folgendes aufweist: eine an einem Fahrradrahmen fixierbare Nabenachse (21); einen Mitnehmen (22), der sich um die Nabenachse drehen kann und der mit der Eingabeeinheit verbunden werden kann; einen Nehmer (23), der sich um die Nabenachse drehen kann und mit der Ausgabeeinheit verbunden werden kann; einen Kraftübertragungsmechanismus (24), der zwischen dem Mitnehmer und dem Nehmer angeordnet ist und ausgestaltet ist, um die von dem Mitnehmen empfangene Drehgeschwindigkeit zu ändern und das resultierende Drehmoment auf den Nehmer zu übertragen; einen Kupplungsmechanismus (25) zum Verbinden und Auskuppeln des Nehmers und des Mitnehmers; einen Kupplungs-Umschaltmechanismus (26) mit einem Gewichtselement (77), der sich durch Zentrifugalkraft von einer ersten Position auf dem inneren Umfang in eine zweite Position auf dem äußeren Umfang bewegt, ein Steuerungselement (75), das sich in einem Kreis um die Nabenachse zwischen einer verbundenen Position, in welcher sich der Kupplungsmechanismus in einem verbundenen Zustand befindet, und einer ausgekuppelten Position, in welcher sich der Mechanismus in einem ausgekuppelten Zustand befindet, bewegen kann, und der sich in einem Kreis als Reaktion auf die Bewegung des Gewichtselements bewegen kann, und einer Gewichtshalterung (61), die das Gewichtselement und das Steuerungselement trägt, die sich um die Nabenachse drehen kann, die über den Kupplungsmechanismus mit dem Mitnehmer verbunden ist und die mit der Ausgabeseite des Kraftübertragungsmechanismus verbunden ist; und einen zylindrischer Bolzen (66), der koaxial mit der Nabenachse angeordnet ist und der die Gewichtshalterung und den Nehmer verbindet und befestigt.
Innere Fahrrad-Schaltnabe gemäß Anspruch 1, wobei die Gewichtshalterung (61) und der Nehmer (23) nicht drehbar durch ein gezahntes Verbindungsstück verbunden sind.
Innere Fahrrad-Schaltnabe gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Gewichtshalterung (61) einen geneigten Abschnitt (61b) auf der inneren Umfangsfläche des Montagelochs für den zylindrischen Bolzen aufweist; und der zylindrische Bolzen (66) auf der äußeren Umfangsfläche eines seiner Enden einen mit einer geneigten Fläche (66a) versehenen vorstehenden Abschnitt zum Verriegeln mit dem geneigten Abschnitt aufweist.
Innere Fahrrad-Schaltnabe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gewichtshalterung (61) aus einem legierten Stahl gefertigt ist und der Nehmer (23) aus einem Leichtmetall gefertigt ist.
Innere Fahrrad-Schaltnabe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kupplungsmechanismus (25) Folgendes aufweist: ein Verbindungs-Klinkenelement (71), das auf der äußeren Umfangsfläche der Gewichtshalterung (61) montiert ist, während es sich zwischen dem verbundenen Zustand und dem ausgekuppelten Zustand bewegen kann, und das durch das Steuerungselement (75) zwischen dem verbundenen Zustand und dem ausgekuppelten Zustand geschaltet wird; ein Verbindungs-Zahnelement (70), das auf der inneren Umfangsfläche des Mitnehmers (22, 41) vorgesehen ist und das das Verbindungs-Klinkenelement in dem verbundenen Zustand halten kann; und ein Spannelement (72), um das Verbindungs-Klinkenelement in Richtung des verbundenen Zustands zu drücken.
Innere Fahrrad-Schaltnabe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Ein-Wege-Kupplung (27), die zwischen der Gewichtshalterung (61) und der Ausgabeseite des Kraftübertragungsmechanismus (24) angeordnet ist, und die das Drehen der Gewichtshalterung in Bewegungsrichtung als Reaktion auf das Drehen des Kraftübertragungsmechanismus in Bewegungsrichtung bewirkt, aufweist.
Innere Fahrrad-Schaltnabe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kraftübertragungsmechanismus ein Planetengetriebemechanismus (24) ist, der einen inneren, mit einem Zahnrad versehenen Mitnehmen, eine mit einem Sonnenrad versehene Nabenachse, eine Vielzahl von Planetenrädern, die in das innere Zahnrad und das Sonnenrad eingreifen, und einen Rahmenkörper, der sich um die Nabenachse drehen kann und der auf den Planetenrädern drehbar gelagert ist, aufweist.