„Im Zuge der Diplomarbeit an der HTL Rennweg habe ich mich zusammen mit meinen Kommilitonen Stefan Neunteufl und Philipp Kraftl entschlossen, ein automatisches Getriebe für ein Fahrrad zu entwickeln“, schildert Thomas Wendl, Projektleiter des sogenannten CVT-Bike. „Unser Ziel ist es, ein CVT-Getriebe in der gewünschten Größe und Übersetzung zu konstruieren und zu fertigen.“ Mit einem CVT-Getriebe lässt sich die Übersetzung stufenlos ändern. Es besteht aus vier keilförmigen Scheiben, zwischen denen ein Schubgliederband bzw. im vorliegenden Fall ein Keilriemen verläuft. Wenn sich der Abstand zwischen dem ersten Scheibenpaar verkleinert, wird er auf der anderen Seite größer. So kann die Übersetzung stufenlos geändert werden.
„Der Fahrer kann über einen Schalter am Lenker zwischen Manuell- und Automatikbetrieb wählen, wobei sich im manuellen Betrieb die Übersetzung per Hand einstellen lässt“, so Stefan Neunteufl. „Im Automatikbetrieb schaltet das Getriebe automatisch, der Fahrer muss sich darum nicht mehr kümmern.“ Die elektrisch betriebene Lösung nutzt Parameter wie Trittfrequenz, Kraftaufwand, Radgeschwindigkeit und Neigung, um jeweils die passende Übersetzung zu ermitteln. Ein integrierter Akku speichert Energie aus der Fahrleistung, lässt sich aber auch über eine Steckdose laden. Das Getriebe selbst ist im Bereich der Trinkflaschenhalterung befestigt, komplizierte konstruktive Änderungen am Fahrrad sind somit nicht nötig. Für die Installation wird die Kette ausgespannt, das Getriebe eingebaut und zwei neue Ketten eingespannt. Dieser einfache Prozess erleichtert das Umrüsten auf das stufenlose Automatik-Getriebe, das bei fast allen Fahrradtypen zum Einsatz kommen kann.
Gesucht: Lager mit einer besonders kompakten Bauform
Als im Zuge des Entwicklungsprozesses die Beschaffung der Komponenten für das Automatikgetriebe anstand, entdeckten die Studenten die Dünnringlager von Rodriguez im Internet und stellten eine Anfrage. Insgesamt werden in dem CVT-Getriebe zwei Wälzlager benötigt: Eines der Lager ist im Verschubglied des Getriebes verbaut. Dort ist es dafür zuständig, dass die rotierende Scheibe durch den stillstehenden Getriebe-Servo verschoben werden kann. Im Getriebe befindet sich ein Breitkeilriemen zur Übertragung des Drehmoments. Durch eine Druckfeder wird eine „durchrutschfreie“ Übertragung gewährleistet. Der Servo muss die Scheibe entgegen dem Druck der Feder verschieben, wodurch der Federdruck auf dem Dünnringlager lastet. Das zweite Lager ist für die Stabilisierung der Trapezspindel zuständig, die mit dem Servo verbunden ist. Auf ihr befindet sich eine Mutter, die für das Verschieben der Scheibe zuständig ist.
Bei beiden Lagern war eine geringe Einbaugröße besonders wichtig: Das Größere der beiden Lager muss bei einer relativ geringen Drehzahl von maximal 120 U/min sowohl axiale Kräfte im Bereich von 800N als auch in geringerem Maße radiale Kräfte aufnehmen. Allerdings ist eine besonders geringe Einbaubreite wichtig, weshalb eine Kombination aus Radial- und Axiallagern ausgeschlossen ist. Das kleinere Lager muss zwar nur axiale Kräfte aufnehmen, aber auch an dieser Einbaustelle ist nur ein geringer Bauraum vorhanden. Die Dünnringlager von Rodriguez stellten mit ihrer besonders kompakten Bauform die ideale Lösung dar. Bei den HTL-Studenten fiel die Wahl auf Kaydon REALI-SLIM® Dünnringlager der Typen KA 025 AR0 bzw. KAA 10 AGO. Diese ungedichteten Schrägkugellager mit Kugeltaschenkäfigen haben einen Querschnitt von nur 6,350 mm bzw. 4,7625 mm.
Klein und leicht – bei voller Leistungsfähigkeit
„Es handelt sich hierbei um ein Schulterlager mit 30° Druckwinkel, tiefer Laufbahn am Innenring und einem einseitig zurückgeschliffenen Außenring“, erklärt Ulrich Schroth, Geschäftsbereichsleiter VAP bei Rodriguez. Der Außenring lässt sich mit leichtem Druck über den mit Kugeln und Käfig befüllten Innenring schieben. Diese Schnapp-Montage erlaubt die Verwendung eines einteiligen Kugeltaschenkäfigs mit einer höheren Anzahl von Kugeln. „Diese Lager können trotz ihrer kompakten Bauform sowohl radiale als auch einseitig wirkende axiale Kräfte aufnehmen und eignen sich somit perfekt für den Einsatz im CVT-Bike.“
Generell gilt für die Dünnringlager des Herstellers Kaydon, dass die Lösungen trotz Miniaturisierung eine vergleichbare Leistungsfähigkeit und Lebensdauer erreichen wie normale Wälzlager. Jede Serie hat einen gleichbleibenden Querschnitt über alle Größen. Das heißt, der Querschnitt bleibt mit steigendem Bohrungsdurchmesser konstant. Dank dieses konstruktiven Kniffs können Vollwellen durch Hohlwellen ersetzt werden. Oft kann ein REALI-SLIM®-Dünnringlager in der Bauform eines Vierpunktlagers sogar zwei Kugellager ersetzen. Dadurch wird die Bauweise kompakter und die Montage des Kugellagers einfacher. Mit mehr als 250 unterschiedlichen Dünnringlager-Typen bis hin zu Hybridausführungen mit Keramikkugeln bietet Rodriguez für jedes konstruktive Problem die optimale Lösung.
Die Studenten erhielten die Dünnringlager von Rodriguez zum Selbstkostenpreis. „Innovative Ideen fördern wir gerne, unter anderem haben wir jahrelang das Formula-Student-Team der Hochschule Coburg unterstützt“, so Ulrich Schroth. „Die Talente von heute sind schließlich die Fachkräfte von morgen.“
