专利名称：用于自行车的多挡传动轮毂的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括行星齿轮传动机构的自行车多挡传动轮毂。
背景技术：
行星齿轮传动机构已有很长的发展史并且当时配备有多达14个的挡位，每个挡 位对应于一个可接合并由此被选中的经过行星齿轮传动机构的力矩路线。自行车传动轮毂 相对自行车链条换挡机构的一个显著优点在于，其因为传动机构设在轮毂套内而维护简单 并且通过操作唯一的开关而具有简单操作性。另一方面，传动轮毂是复杂机械结构，这决定 了高昂的加工成本。
发明内容
本发明的目的是一种简化的结构，它对制造和安装的要求较低。该目的通过多个相互关联的解决手段来实现。在行星齿轮传动机构中通过不同的措施获得较多挡位。一个可行方式在于利用不同的传动件作为输入或输出，这对应于利用经过传动机 构的不同力矩路线。例如，行星齿轮架可作为带有至具有链条齿轮的驱动件的连接机构的 传动机构输入，其中，内齿圈具有至轮毂套的连接机构的传动机构输出。此传动机构的构造 是高速挡传动机构或增速传动机构。如果选择内齿圈作为传动机构输入并以行星齿轮架 作为传动机构输出的另一可选方式，则人们获得山路挡传动机构或减速传动机构。为了以 直接挡获得变速比1 1，从传动机构输入到传动机构输出的力矩路线经过了共同转动的 传动机构组成部件，或者传动机构将通过隔断机构而失效，此时，所有传动机构组成部件以 “单元”形式共同运转。作为隔断机构，考虑牙嵌离合器以及空程离合器中的棘爪。直接挡 一般作为一个可选方式。在一个只有唯一一组行星齿轮的传动机构中利用这三个可能性导 致具有常用结构形式的3挡轮毂。在单纯的增速行星齿轮传动机构例如EP0679570中，只能实现大约3到4个挡，其 要求在链条传动机构上在从踏板到传动轮毂驱动件的齿轮之间的1 1或甚至1 1.2的 主变速比。在传动机构展开大时，即踏板每圈走过的路程大时，由此出现很高的力矩。这只 能由传动轮毂中能承受高载荷的构件来承受，这些构件可通过较大的结构尺寸或能承受高 载荷的材料来实现。但是，这又因结构尺寸而限制挡数和/或提高生产成本。另一个获得较多挡位的可行方式在于，在一个行星齿轮架中使用多组行星齿轮。 此时，相邻的行星齿轮可以相互接合并构成所谓的级行星齿轮。一个行星齿轮组的行星齿 轮不一定同时与对应的太阳齿轮和对应的内齿圈啮合以及相互啮合。例如，一组级行星齿 轮的一个行星齿轮组与太阳齿轮啮合，而该级行星齿轮的另一行星齿轮与内齿圈啮合。在 此布置形式中，行星齿轮传动机构有两个传动级。最后，一个两级行星齿轮传动机构的不同行星齿轮组也可以与沿轴向相互分开的 不同内齿圈啮合。其一个例子就是US3973451的传动轮毂。
串联布置或以更复杂的连接结构形式布置多个传动机构模块是另一个可行方 式。此时，可以采用直接相连的所有可行方式，即行星齿轮架同行星齿轮架连接，就像在 DE4142867中那样，内齿圈同内齿圈以及内齿圈同行星齿轮架，就像在DE4142867中的替代 实施例中那样。传动级以模块形式分开，例如通过使用两个永久连接的行星齿轮架。设计成所谓的行星离合传动机构形式是一种特殊连接方式，此时，例如太阳齿轮 同时是内齿圈或轴向相连的传动齿轮组的行星齿轮架。其一个例子在DE1974M19中。在自行车传动轮毂领域，迄今为止放弃采用在行星齿轮和内齿圈之间或在行星齿 轮和太阳齿轮之间的中间齿轮。1.本发明的第一方面在于，与US3973451的两级解决方案相比，可以获得更多挡 数并在换挡时实现更好的操控性。这将通过布置更多行星齿轮组、仅通过将可相对轮毂轴 转动的太阳齿轮固定在带有适当的单向离合器的轮毂上和选择各行星齿轮组的适当齿数 的换挡过程来做到。2.本发明的第二方面在于为太阳齿轮选择如此多的齿，即，用于相对轮毂轴安装 太阳齿轮的控制件设置在其上还有行星齿轮齿部的同一轴向部分。这样，将获得轴向压缩 紧凑的结构。EP0383350.EP0679570 和 EP1132287 以及 DE41^867 公开了传动轮毂，其中，用于 相对轮毂轴安装太阳齿轮的机构设置在呈行星齿轮齿部形式的另一个轴向部分上。3.第三方面在于，一个传动级具有细挡位级，另一传动级具有粗挡位级。该方案是 如此做到的，分别由一个太阳齿轮、一个行星齿轮组的与太阳齿轮啮合的行星齿轮以及一 个对应的内齿圈组成的两个挡位I和II的齿数是相应选择的。此外，相邻传动比δ i之差作为分级数值，其也被称为挡位移并且以百分比表示。 在细分级时，该值小，在粗分级时，该值大。在传动级串联时，由相互组合的传动级变速比的乘积得到传动机构的总变速比。 在相应选择传动级变速比时，就所出现的总变速比没有出现相交或很少有相交。在理想情 况下，可采用所有的总变速比。这能够以其传动级变速比相互分开较远的一个传动级(粗 分级)和其传动级变速比挨得很近的另一传动级(细分级)来实现。DE4142867作为优选实施例示出一种7挡轮毂，该文献关注另一个解决手段，因为 此时没有传动级变速比的细分级和粗分级。相反，此时在两个传动级中的传动级变速比数 值大致同样远地相互分开。在包括3和4个传动级变速比的两个传动级中，只获得9个总 变速比，或者在各有三个传动级变速比的两个传动级中只得到7个总变速比，这是因为出 现了总变速比相交，本发明的第三方面尚未被采用。在EP1132^7中已经示出多挡传动轮毂，其具有传动级变速比的细分级和粗分 级。4.本发明的第四方面是，在一个具有细分级的传动级中，有意识放弃使用具有数 值1的传动级变速比，就是说放弃直接挡。如果当在一个传动级中根据本发明第三方面实现细分级时人们将具有变速比 1 1的直接挡考虑进来，则对于在直接挡和相邻挡位之间的第一分级的数值规定了该数 值也必须与其它分级的数值一样。如果该值较大，则人们在设计该具有细分级的传动级时 很快受到限制。
用于一个单独的行星齿轮组的传动级变速比的数值被限制，该行星齿轮组的行星 齿轮不仅与一个太阳齿轮啮合，而且与一个内齿圈啮合。在增速传动齿轮组的情况下，传动 级变速比在大于1且小于2的范围内，以及在减速传动齿轮组的情况下，在小于1但大于 0.5的范围内。因为近似极限值0. 5和2的传动级变速比要求非常小的地方，所以在此设立限制 条件，人们不能随意接近这些取值，并且人们要面对特殊的强制条件。通过在具有细分级的传动级中有意识避免传动级变速比1 1，部分省掉了这些 强制条件。关于减速传动级，这意味着不需要略小于1的传动级变速比，这将要求很小的太 阳齿轮。如果人们想得到3或4个均勻分级的传动级变速比，则能以较小间距得到它们。在 减速传动级中也可以采用第四方面。换句话说，一个具有多个细分级且未采用具有变速比1 1的直接挡传动级变速 比的传动级变速比的且所有紧邻的传动级变速比之间的间距不等于11的传动级具有比 变速比11和与变速比11相邻的传动级变速比之间的间距数值小许多的数值。通过与第三方面相关地实现第四方面，本发明的第二方面也可实现。太阳齿轮还 是沿径向如此大地构成，即在轮毂轴和太阳齿轮之间存在连接件，其中各太阳齿轮包括该 连接件在内地不必被构造成其轴向长度大于与太阳齿轮啮合的对应行星齿轮的齿部。根据第四方面提供的传动级变速比相互紧邻且本身很少用于自行车传动轮毂。变 速比范围将很窄。为了出现可有效使用的变速比范围，采用根据第一方面的传动机构结构。 在此传动机构结构中配有一个或多个行星齿轮组及被驱动的内齿圈和减速传动级变速比 的一个减速传动级或山路挡传动级与一个具有一个或多个行星齿轮组、被驱动的内齿圈和 减速传动级变速比的增速传动级或高速传动级组合。此时得到作为当时传动级变速比的乘 积的总变速比，其被良好分级并因而可被有利采用。5.本发明的第五方面在于，减速行星齿轮传动级设置在总传动机构的输入上，增 速行星齿轮传动级设置在其输出上。为此，山路挡传动级与驱动件连接，高速挡传动级与轮 毂套连接。随之而来的是，为了使第二传动级与轮毂套连接，除了可控的太阳齿轮离合器之 外，不需要其它的可控离合器。通过实现第五方面，本发明的传动轮毂与本发明的上述第一方面保持协调，其是 对US3973451所述的两个传动级的齿轮对可安装在一个独立的行星齿轮架中的解决方案 的改进。但是，用两个抗转动连接的行星齿轮架形成两个传动级也不脱离本发明的解决方 式。如果调换山路挡传动级和高速挡传动级的顺序，则必须采取在内齿圈上的离合机 构，或者必须形成一个共同的内齿圈。利用这样的结构，挡在内齿圈和轮毂轴之间的棘爪上 还必须有附加控制功能时，也可以利用本发明的优点。6.直接得自第四方面的第六方面在于，对于前进转动方向上的多个传动变速比中 的独立变速比，不一定例如像EP0383350和EP1132^7中那样设置能轴向移动的离合件。EP1132287示出一种传动轮毂，其具有一个具有较细分级的传动级(从动侧传动 级)和一个具有较粗分级的传动级(驱动侧传动级)。驱动侧传动级也利用直接挡，在此，在输入侧需要有选择地接合行星齿轮架或者内齿圈与驱动件。由此得到结构成本的降低， 沿轴向不需要结构空间。7.第七方面在于太阳齿轮和轮毂轴之间的离合件的转动控制。为了将接合运动引入传动轮毂，原则上可选择转动运动和平移运动。如果要求在 切换过程中操作既平移又转动的接合件或离合件，则必须发生运动转换。为此规定的机械 元件需要很大地方，这些地方无法再满足其它要求。因此有利的是，采用只能平移或只能转 动的接合件。该原理被用在本发明的轮毂中。只能转动的控制元件被用于棘爪，其沿径向 使待控的棘爪离开准备接合位置。为此也可以采取以下措施，将拉拽接合钢索的接合操作传递到在容纳轮毂轴的自 行车中断处内的轮毂。在接合操作中相对轮毂轴转动的部分在轴向上占地不大。该解决手段导致简单的传动机构构造，在这里，只沿径向控制太阳齿轮上的啮合 元件，其中防止其作用于齿。8.本发明的第八方面在于在太阳齿轮和轮毂轴之间利用离合件，其在要与轮毂轴 分离的太阳齿轮承受载荷时只需要小的操作力。
现在将结合附图来详细说明本发明的优选实施例的功能。图1表示具有9个挡位的本发明优选实施例的传动机构视图。图2表示轮毂轴中央轴线的纵截面，连带示出太阳齿轮和在太阳齿轮和轮毂轴之 间的离合机构。图3表示垂直于轮毂轴截取太阳齿轮连同相应离合机构和接合套的结构的截面 图。图4表示本发明传动轮毂的一个替代实施方式，此时第一传动级和第二传动级具 有一个共同的内齿圈。
具体实施例方式图1示出了本发明传动轮毂的优选实施方式的原理图，在此只示出了在轮毂轴7 上方的包括轮毂轴7在内的一半。未示出该轮毂轴。在驱动件1上引入驱动运动，在此，在前进转动运动时，转动通过驱动件空程离合 器11带动至在第一内齿圈3上的第一传动级I的输入。行星齿轮架加和2b上装有第一 级行星齿轮5以及第二级行星齿轮6。第一级行星齿轮5具有第一行星齿轮51、第二行星 齿轮52和第三行星齿轮53，它们抗转动地相互联接。在根据图2的截面图中，分别可以看 到一个行星齿轮51、52或53。当然还有其它周向间隔开的同属一个行星齿轮组的行星齿轮 容置在行星齿轮架加和2b中，它们均同时与同一个太阳齿轮啮合。行星齿轮51、52和53 分别对应第一太阳齿轮71、第二太阳齿轮72和第三太阳齿轮73。这些太阳齿轮能相对轮 毂轴7通过对应于太阳齿轮的且呈空程离合器形式的可控的太阳齿轮离合器81、82、83而 无法转动。由此一来，出现第一传动级I的相应变速比。因为在第一传动级I中驱动第一 内齿圈3在前进转动方向上转动，所以太阳齿轮离合器81、82和83必须相对沿向后转动方 向的转动来支撑太阳齿轮。
第一内齿圈3的齿数从行星齿轮51、52、53以及太阳齿轮71、72、73转入该变速比。最大太阳齿轮73上的离合器必须未被接合。当一个较小的太阳齿轮71、72的太 阳齿轮离合器81、82使太阳齿轮71、72无法相对轮毂轴7转动时，起到空程作用的太阳齿 轮离合器83被自动越过。因为在第一传动级I中没有利用变速比1 1并因而总是要有 一个传动级在工作，所以在所有接合状态中使至少一个太阳齿轮不相对轮毂轴7转动。此 时，它是最大的太阳齿轮81。第一传动级I是减速传动级，因为在第一内齿圈3上的转速大于在行星齿轮架加 上的转速。具有行星齿轮架2b、第二级行星齿轮6、太阳齿轮74、75和第二内齿圈4的第二传 动级II是与第一传动级I同样构成的。但是它是增速传动级，因为在传动机构输出即第二 内齿圈4上的从动转速大于在传动机构输入即行星齿轮架2b上的转速。变速比的调节出现通过可控的太阳齿轮离合器84、85来实现，它们同样为空程离 合器形式并且使得各太阳齿轮74、75不会关于前进转动方向相对轮毂轴7转动。当其中一 个太阳齿轮74或75无法相对轮毂轴7转动时，在第二内齿圈4上实现从动。如果两个太 阳齿轮能自由转动，则实现在行星齿轮架2b上的从动，该行星齿轮架具有朝向未示出的轮 毂套的行星齿轮空程离合器9。行星齿轮架2a、2b用于将向后转动传递给未示出的倒轮闸。倒轮操作与前进驱动 转动运动一样在驱动件1上被启动。向后接入的制动倒轮设置在驱动件1和行星齿轮架加 之间。比行星齿轮架更快速向后移动的第一内齿圈3在制动操作时为了不造成传动机构阻 断，驱动件空程离合器11在向后转动时则应被断开。如果传动轮毂被设计成没有倒轮闸，则不需要在向后转动时断开驱动件空程离合 器11。驱动件1随后能与第一内齿圈4 一起成一体件形式。在设计有倒轮间时，制动倒轮在向后转动方向上带动行星齿轮架，由此控制倒轮 闸。倒轮闸可以为滚轮闸，其中的滚轮在刚性弹簧上径向朝外推动闸瓦，或者为锥体制动 器，其中，一个被轴向推动的锥体沿径向撑开闸瓦。制动操作以与所选的前进转动的总变速比无关地直接传递驱动件上的操纵运动
来完成。图1的原理图表示带有倒轮闸的9挡实施方式。该实施方式的最高9挡源于减速 传动级I的3个传动级变速比与增速传动级II的3个可能状态的乘积。传动级I的3个接合状态为1.固定不动的第一太阳齿轮71 ；2.固定不动的第二太阳齿轮72 ；3.固定不动的第三太阳齿轮73。传动级II的3个接合状态为1.固定不动的第四太阳齿轮74;2.固定不动的第五太阳齿轮75 ；3.太阳齿轮74和75均非固定不动的。根据齿数和由此得到的挡位移，人们自然也可以有意识地不利用可能的状态，由此从9挡原理中得到7挡或8挡传动轮毂。如果例如将传动级I减少到两个行星级，人们获得进一步的简化，但最多有6个可 能的挡位分级。如果例如将传动级II扩展到三个行星级，则人们最多得到12个可能的挡位分级。 就是说，通过在两个传动级I和II中的挡位分级的数量，得到最多可能的挡。也可以想到 其它挡位设计。这个实施方式的优点是，在传动级I的输入和传动级II的输出上都不需要根据挡 来接通棘爪或其它离合元件的机构。由此，得到简单构成的切换机构。如果有利地选择两个传动级I和II的齿数，则在两个级中得到行星齿轮架的相同 分布圆直径。这样，唯一的行星齿轮架2就够了，不必设置两个行星齿轮架。而且，可以只 采用唯一的圆柱销，用于两个传动级I和II的所有轴向相邻的行星齿轮。如果可以，如此选择齿数，即不必采用具有不同工作直径和台肩的圆柱销。而且， 当一个行星齿轮组的所有与一个太阳齿轮啮合的行星齿轮关于该齿按照相同转动角度作 用于该太阳齿轮时，不需要传动级装配规范。这种简化设定当然总是对传动轮毂的总体发 展和挡位移的折中。以下举例说明9挡结构的设计，在此，所有行星齿轮级能支承在一个圆柱销上，唯 一的行星齿轮架就够用了，只有减速传动级需要装配规范。将从以下表中得到对应于实际 市场状况的挡位移和总体发展。在此太阳齿轮71和行星齿轮51属于减速1 ；太阳齿轮72和行星齿轮52和内齿圈3属于减速2 ；太阳齿轮73和行星齿轮53属于减速3 ；太阳齿轮74和行星齿轮64和内齿圈4属于增速1 ；太阳齿轮75和行星齿轮65属于增速2。
权利要求
1.一种用于自行车的多挡传动轮毂，具有多个串联布置的传动级I和II，所述传动级 分别具有行星齿轮传动机构，还具有可转动地支承在轮毂轴7上的传动件1和可转动支承 在轮毂轴7上的轮毂套筒，其中一个传动级是增速传动级，其在传动级输出上的转速高于 在传动级输入上的转速，另一个传动级是减速传动级，其在传动级输出上的转速低于在传 动级输入上的转速，增速传动级和减速传动级均具有至少一个可与轮毂轴7抗转动联接的 太阳齿轮71，72…75和抗转动联接该太阳齿轮和轮毂轴7的太阳齿轮离合器81，82···85以 及可转动地支承在行星齿轮架2中的行星齿轮51，52，53，64，65和作为行星齿轮传动机构 的组成部分的内齿圈，传动级I和II包括可与传动件1联接的传动级I和与轮毂套筒联接 的传动级II，其中一个传动级提供多个细分的传动级变速比，并且两个传动级中的另一个 传动级具有多个粗分的传动级变速比，其特征是，在传动级I和II的其中一个中，没有利用 具有变速比1 1的直接传动挡变速比。
2.根据权利要求1所述的用于自行车的多挡传动轮毂，其特征是，在具有多个细分的 传动级变速比的传动级中，没有采用具有变速比1 1的直接传动挡变速比。
3.根据权利要求1或2所述的用于自行车的多挡传动轮毂，其特征是，在具有多个细分 的传动级变速比的且未采用具有变速比1 1的直接传动挡变速比的传动级中，在所有紧 邻的且不等于1 1的传动级变速比之间的挡位移Si明显小于在变速比1 1和取值与 变速比1 1相近的传动级变速比之间的挡位移Si。
4.根据权利要求1至3之一所述的用于自行车的多挡传动轮毂，其特征是，与传动件1 连接的传动级I作为减速传动级，该传动级的行星齿轮架加与传动级II的行星齿轮架2b 连接。
5.根据权利要求1至3之一所述的用于自行车的多挡传动轮毂，其特征是，与传动件1 连接的传动级I作为增速传动级，该传动级的内齿圈3与传动级II的内齿圈4连接，或者 与之形成一个共同的内齿圈30。
6.根据权利要求4或5所述的用于自行车的多挡传动轮毂，其特征是，可切换的离合器 81，82··· 85是太阳齿轮71，72··· 75和轮毂轴7之间的离合器，以通过利用行星齿轮传动机 构中的不同力矩路线在前进转动方向上专门产生多个变速比，并用于不可相对轮毂轴7转 动地在一个转动方向上固定太阳齿轮71，72··· 75。
7.根据权利要求4所述的用于自行车的多挡传动轮毂，其特征是，传动级I和传动级 II的行星齿轮51，52，53，64，65容纳在同一个行星齿轮架2a, 2b中。
8.根据权利要求7所述的用于自行车的多挡传动轮毂，其特征是，各有一个行星齿轮 轴可相对行星齿轮架2a，2b能够转动地支承该传动级I和传动级II的行星齿轮51，52，53， 64，65于该同一个行星齿轮架h，2b中。
9.根据权利要求4或5所述的用于自行车的多挡传动轮毂，其特征是，一个传动级的所 有太阳齿轮71，72…75具有如此多的齿并因而具有如此大的直径，并且用于产生太阳齿轮 71，72···75和轮毂轴7之间的转动联接的且包含太阳齿轮离合器81，82…85在内的机构设 置在太阳齿轮71，72…75的相应的轴向部分中，在该轴向部分中还形成行星齿轮齿部。
10.根据权利要求6所述的用于自行车的多挡传动轮毂，其特征是，可接入的太阳齿轮 离合器81，82··· 85相对轮毂轴7沿周向支承并只能径向运动和进而接合，可绕轮毂轴7转 动地设置的接触凸轮套16用于控制所有可接合构成的太阳齿轮离合器。
11.根据权利要求10所述的用于自行车的多挡传动轮毂，其特征是，太阳齿轮离合器 通过在接触凸轮套16上的接触凸轮18径向朝外绕支承转动中心21转动，用于以其接合端 23插入沿径向靠外设置的太阳齿轮71，72…75的锁定齿19中，在锁定齿19相对太阳齿轮 离合器81，82…85在空转方向04)转动时，太阳齿轮离合器81，82…85绕其离合足22转 动并且越过锁定齿19。
12.根据权利要求4所述的用于自行车的多挡传动轮毂，其特征是，一个制动空程12就 功能而言设置在驱动件1和减速传动级的行星齿轮架2a，2b之间。
13.根据权利要求8所述的用于自行车的多挡传动轮毂，其特征是，减速传动级的设置 在行星齿轮轴上的行星齿轮的数量大于或者等于增速传动级的行星齿轮数量。
14.根据权利要求4或5所述的用于自行车的多挡传动轮毂，其特征是，离合器支架17 不可相对轮毂轴7转动地构成并且用作太阳齿轮离合器81，82…85的支架。
15.根据权利要求10所述的用于自行车的多挡传动轮毂，其特征是，接触凸轮套16沿 径向设置在轮毂轴7和离合器支架17之间。
全文摘要
本发明涉及用于自行车的多挡传动轮毂，具有两级传动机构结构。在形成有较多齿的太阳齿轮和轮毂轴之间的且在一个转动方向上相对轮毂轴固定太阳齿轮的离合器仅在轴向延伸方面要求如同行星齿轮齿的结构空间。由此，行星齿轮传动机构只需要小的轴向长度。由此可以实现这样的结构，在具有传动级变速比的细分级的传动级中未采用具有变速比1∶1的直接挡。尤其有利的是这样的实施方式，此时第一和第二传动级在行星齿轮架上被接合。
文档编号B62M11/16GK102092455SQ20101057326
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月29日 优先权日2009年11月28日
发明者约阿希姆·格贝尔 申请人:Sram德国有限公司