DE10056597A1 - Schaltgetriebe für ein Fahrrad mit Elektromotor - Google Patents
Schaltgetriebe für ein Fahrrad mit ElektromotorInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein kleinbauendes, kostengünstiges und robustes Schaltgetriebe mit hoher Untersetzung für ein Fahrrad mit Elektromotor, das einen Schaltvorgang zwischen zwei Abtriebsdrehzahlen ermöglicht. Es ist ausgestattet mit einem gehäusefesten Innenzahnrad (18), DOLLAR A einem ersten Antriebszahnrad (23), das mit einer Antriebswelle (19) über eine ein- und ausschaltbare erste Freilaufkupplung (22) verbunden ist, DOLLAR A einem zweiten Antriebszustand (27), das über einen zweiten Freilauf (28) mit der Antriebswelle (19) verbunden ist, DOLLAR A mindestens zwei Umlaufzahnrädern (29), die jeweils mindestens zwei, vorzugsweise drei, rotationsfest miteinander gekoppelte Außenzahnräder (30, 31, 32) aufweisen, wobei ein erstes Außenzahnrad (30) jeweils in Eingriff mit dem ersten Antriebszahnrad (23) und einem abtriebsseitigen Innenzahnrad (35) ist und ein zweites Außenzahnrad (31) jeweils in Eingriff mit dem zweiten Antriebszahnrad (27) ist, und ein gehäusefestes Innenzahnrad (18) in Eingriff mit zum Beispiel einem dritten Außenzahnrad (32) ist, DOLLAR A wobei die Übersetzung vom ersten Antriebszahnrad zum ersten Außenzahnrad größer als vom zweiten Antriebszahnrad zum zweiten Außenzahnrad ist und die Zähnezahlen der beiden Innenzahnräder unterschiedlich sind und/oder die Zähnezahlen des ersten und dritten Außenzahnrades unterschiedlich sind.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltgetriebe für einen Elektroantrieb ei
nes Fahrrades, sowie einen Elektroantrieb mit einem derartigen Schaltgetrie
be.
Bei Fahrrädern mit einem Hilfsantrieb, wie zum Beispiel einem Elektroantrieb,
muss die komplette Antriebseinheit in der Radtrommel, an der die Radspei
chen befestigt sind, untergebracht werden.
Problematisch ist hier insbesondere die geringe axiale Erstreckung der Rad
trommel. Aufgrund des geringen Bauraums und aus Kostengründen besteht
ein Bedarf, kleinbauende, schnell laufende Elektromotoren zu verwenden.
Bei der Verwendung sehr kleinbauender, schnell laufender Elektromotoren
muss jedoch wiederum ein Untersetzungsgetriebe mit einer sehr hohen Un
tersetzung nachgeschaltet werden, um die erforderliche Drehzahl des Rades
und somit die gewünschte Fahrgeschwindigkeit zu erreichen. Da das Unter
setzungsgetriebe ebenfalls in der Radtrommel untergebracht werden muss,
steht wiederum nur ein geringer Bauraum zur Verfügung, so dass insbeson
dere die Unterbringung eines mehrstufigen Untersetzungsgetriebes proble
matisch ist. Weiterhin sind die Kosten eines Untersetzungsgetriebes mit sehr
hoher Untersetzung in der Regel ebenfalls beträchtlich. In der Praxis wird
somit oftmals eine Antriebseinheit verwendet, die einen Elektromotor und ein
nicht schaltbares Untersetzungsgetriebe verwendet.
Bei der Fahrt mit dem Fahrrad mit Elektroantrieb besteht weiterhin in der Re
gel ein Bedürfnis nach hohen Ausgangsleistungen des Elektroantriebs so
wohl bei kleinen Drehzahlen, wie zum Beispiel an einer Steigung, als auch
bei hohen Drehzahlen, zum Beispiel bei einer ebenen Fahrt mit Maximalge
schwindigkeit. Herkömmliche kleinbauende, schnell laufende Elektromotoren
mit Untersetzungsgetriebe ermöglichen jedoch nicht über den gesamten
Drehzahlbereich der Radtrommel eine befriedigende Arbeitsweise. Aufgrund
des begrenzten Bauraums und auch aus Kostengründen ist die Verwendung
eines Schaltgetriebes, mit dem wahlweise verschiedene Gänge mit unter
schiedlichen Übersetzungen eingestellt werden können, schwierig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik
Verbesserungen zu schaffen und insbesondere mit relativ geringem Aufwand
ein kleinbauendes, kostengünstiges und robustes Schaltgetriebe mit hoher
Untersetzung zu schaffen, das einen Schaltvorgang zwischen zwei Abtriebs
drehzahlen ermöglicht. Weiterhin soll eine Antriebseinheit unter Verwendung
eines derartigen Schaltgetriebes geschaffen werden, die kleinbauend, elekt
ronisch gesteuert schaltbar und kostengünstig ist und eine hohe Aus
gangsleistung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schaltgetriebe für ei
nen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche
beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Hierbei ist insbe
sondere eine Antriebseinheit nach Anspruch 14 mit einem derartigen Schalt
getriebe vorgesehen.
Erfindungsgemäß wird somit eine relative Verstellung eines ersten und zwei
ten Innenzahnrades erreicht, indem diese über gemeinsame Umlaufzahnrä
der verbunden sind, die von einer Antriebswelle angetrieben werden. Die Um
laufzahnräder weisen hierbei axial voneinander getrennte Außenzahnräder
auf, von denen jeweils eines mit einem der beiden Innenzahnrades in Eingriff
ist. Indem nunmehr die Zähnezahlen der ersten und zweiten Innenzahnräder
und/oder die Zähnezahlen der mit diesen in Eingriff stehenden Außenzahnrä
der jedes Umlaufzahnrades voneinander verschieden sind, weisen das aus
dem ersten Innenzahnrad und dem entsprechenden Außenzahnrad gebildete
erste Innenradpaarsystem und das aus dem zweiten Innenzahnrad und dem
entsprechenden Außenzahnrad gebildete zweite Innenradpaarsystem unter
schiedliche Übersetzungen auf. Da auf jedem der Umlaufzahnräder die Au
ßenzahnräder starr miteinander gekoppelt sind, werden die Verstellzahnräder
mit Innenverzahnung zu einer Relativverdrehung gezwungen.
Hierbei ist ein Innenzahnrad gehäuseseitig befestigt, so dass von dem ande
ren Innenzahnrad direkt ein Abtrieb genommen werden. Indem der Unter
schied der Zähnezahlen der Innenverzahnungen beziehungsweise der Au
ßenzahnräder im Verhältnis zu den Zähnezahlen relativ gering gewählt wird,
kann bei einer größeren Drehbewegung der Antriebswelle aufgrund des ge
ringen Zähnezahlunterschiedes eine sehr geringe Verdrehung der Innen
zahnräder zueinander erreicht werden, was zu einer hohen Untersetzung
führt. Hierbei kann beispielsweise ein Unterschied der Zähnezahl von 1 ge
wählt werden.
Erfindungsgemäß weisen vorteilhafterweise sowohl die erste und zweite In
nenverzahnung als auch die mit diesen in Eingriff stehenden Außenzahnrä
der jeweils unterschiedliche Zähnezahlen auf. Es ist jedoch auch die Ausbil
dung eines erfindungsgemäßen Getriebes möglich, bei denen die Zähnezah
len der Innenzahnräder gleich sind oder die Zähnezahlen der entsprechen
den Außenzahnräder gleich sind.
Die Umlaufzahnräder können jeweils aus zwei axial miteinander verbundenen
Einzelzahnrädern bestehen; vorteilhafterweise weisen sie jedoch jeweils zu
mindest drei miteinander verbundene Außenzahnräder auf. Hierdurch können
die gewünschten Untersetzungen besser eingestellt werden, da z. B. die ge
häuseseitige Anbindung über die dritten Außenzahnräder erfolgen kann, die
mit keinem der beiden Antriebszahnräder in Eingriff sind.
Eine hohe Untersetzung mit zwei unterschiedlichen Untersetzungsverhältnis
sen kann insbesondere erreicht werden, wenn der Abtrieb von dem ersten
Außenzahnrad abgenommen wird, das eine geringere Zähnezahl und einen
geringeren Arbeitsteilungsdurchmesser als das zweite Außenzahnrad auf
weist. Die gehäuseseitige Anbindung erfolgt über das dritte Außenzahnrad,
das mit einem kleineren Zähnezahlunterschied gegenüber dem ersten Au
ßenzahnrad eingestellt werden kann als das zweite Außenzahnrad, das in
Eingriff mit dem zweiten Antriebszahnrad ist.
Die Außenzahnräder jedes Umlaufzahnrades sind zum Beispiel aus Blech
oder Kunststoff hergestellt und miteinander verschweißt, vernietet, verkeilt,
verklebt, verschraubt oder spritzgusstechnisch als eine Einheit gefertigt.
Bei dem erfindungsgemäßen Schaltgetriebe ist eine Schaltung zwischen zwei
Untersetzungen möglich durch eine Schalteinrichtung, die zwischen dem Mo
tor und dem Zahnradgetriebe angeordnet ist. Sie weist einen schaltbaren
Freilauf zwischen der Antriebswelle und dem ersten Antriebszahnrad auf.
In einem ersten Fall, in dem der erste Freilauf in der ausgeschalteten Position
ist und somit kein Drehmoment überträgt, kann der Abtrieb über das zweite
Antriebszahnrad auf die zweiten Außenzahnräder der Umlaufzahnräder erfol
gen, die wiederum über die ersten Außenzahnräder mit dem abtriebsseitigen
Innenzahnrad in Eingriff sind. Hierbei kann eine hohe Untersetzung von z. B.
mehr als 1 : 30 eingestellt werden.
In einem zweiten Fall, in dem der erste Freilauf in der eingeschalteten Positi
on ist und somit ein Drehmoment überträgt, kann der Abtrieb über das erste
Antriebszahnrad auf die ersten Außenzahnräder der Umlaufzahnräder erfol
gen. Die zweiten Außenzahnräder drehen aufgrund der starren Kopplung mit
der gleichen Drehzahl. Da erfindungsgemäß die Übersetzung des ersten Au
ßenradpaarsystems größer als die Übersetzung des zweiten Außenradpaar
systems ist, wird das zweite Antriebszahnrad von den zweiten Außenzahnrä
dern schneller gedreht als von der Antriebswelle. Somit gibt der zweite Frei
lauf die Verbindung zwischen der Antriebswelle und dem zweiten Antriebs
zahnrad frei. Es wird über das abtriebsseitige Innenzahnrad eine geringere
Untersetzung von z. B. 1 : 15 bis 1 : 20 erzielt.
Der erfindungsgemäße schaltbare erste Freilauf kann insbesondere in einem
radialen Zwischenraum zwischen einer zylindrischen Außenfläche der An
triebswelle und einer zylindrischen Innenfläche des ersten Antriebszahnrades
vorgesehen sein und Mitnehmer - z. B. Walzen - aufweisen, die in der einge
schalteten Stellung zwischen diesen Flächen klemmen und in der ausgeschalteten
Stellung sich in einer zurückgezogenen Stellung, z. B. in einer ra
dialen Vertiefung, befinden.
Der Umschaltvorgang in die eingeschaltete Stellung kann durch einen Käfig
erfolgen, der die einzelnen Mitnehmer in die eingeklemmte Position befördert,
in der sie bei Drehmomentübertragung fest eingeklemmt bleiben. Hierzu kann
eine Schaltscheibe rotationsfest mit dem Käfig verbunden sein, die zwar mit
dem ersten Antriebszahnrad mitrotieren kann, jedoch diesem gegenüber um
einen Verstellwinkel gegen die Antriebsrichtung verstellt werden kann. Bei
dieser Verstellung schieben die Finger des Käfigs die Mitnehmer in die ein
geklemmte Position, so dass diese auch bei Rückstellung der Schaltscheibe
und des Käfigs eingeklemmt bleiben.
Der Verstellwinkel kann z. B. eingestellt werden, indem die Schaltscheibe ge
gen einen gehäuseseitig festen Anschlag geführt wird, durch den sie auf
grund der Reibung zumindest kurzzeitig abgebremst wird. Die Schaltscheibe
kann hierzu z. B. in axialer Richtung verschiebbar sein, ein ferromagnetisches
Material aufweisen und durch eine gehäuseseitig feste, stromdurchflossene
Schaltspule in axialer Richtung gegen den Anschlag gezogen werden.
Die Rückstellung von der eingeschalteten Stellung in die ausgeschaltete Stel
lung kann durch eine Federkraft erreicht werden, die dauerhaft auf die einge
klemmten Mitnehmer wirkt, diese jedoch unter Last nicht aus der einge
klemmten Stellung herausziehen kann. Hierzu kann eine Federkraft auf den
Käfig wirken, der die jeweiligen Mitnehmer wiederum aus der eingeklemmten
Stellung in die freigegebene Stellung zurückzieht. Indem zumindest kurzzeitig
der Antrieb ausgeschaltet wird, z. B. durch Ausschalten des Elektromotors,
können die Mitnehmer freigegeben werden, so dass sie von der Federkraft in
die zurückgezogene Stellung zurückgezogen werden.
Somit kann ein Schaltgetriebe geschaffen werden, das relativ kleinbauend,
insbesondere in axialer Richtung kleinbauend ist und dennoch eine freie
Wahl einer hohen und einer sehr hohen Untersetzung gewährleistet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an
einen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische, teilweise gebrochene Darstellung einer erfin
dungsgemäßen Antriebseinheit mit einem Elektromotor und einem erfin
dungsgemäßen Getriebe;
Fig. 2 einen Axialschnitt durch die Antriebseinheit von Fig. 1;
Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 1;
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Teils des Getriebes von Fig.
1;
Fig. 5 einen Radialschnitt durch das Getriebe der Fig. 1-4;
Fig. 6a, b einen Radialschnitt mit Detailvergrößerung der Freilaufkupplung
gemäß einer Ausführungsform in einer ersten ausgeschalteten Schaltstellung
ohne Drehmomentübertragung;
Fig. 7a, b einen Radialschnitt mit Detailvergrößerung der Freilaufkupplung
gemäß dieser Ausführungsform in einer zweiten, eingeschalteten Schaltstel
lung mit Drehmomentübertragung;
Fig. 8 eine perspektivische auseinandergezogene Darstellung der Freilauf
kupplung von Fig. 6, 7;
Fig. 9a, b einen Radialschnitt mit Detailvergrößerung der Freilaufkupplung
gemäß einer Ausführungsform in einer ersten ausgeschalteten Schaltstellung
ohne Drehmomentübertragung;
Fig. 10a, b einen Radialschnitt mit Detailvergrößerung der Freilaufkupp
lung gemäß dieser Ausführungsform in einer zweiten, eingeschalteten
Schaltstellung mit Drehmomentübertragung;
Fig. 11 eine perspektivische auseinandergezogene Darstellung der Frei
laufkupplung von Fig. 9, 10;
Gemäß den Fig. 1 und 2 ist ein Gehäuse 1 rotationsfest mit einer Achse 2
eines Rades eines mit Elektroantrieb versehenen Fahrrades verbunden.
Eine Trommel 4 mit Trommeldeckel 10 ist über Lager 3 und Lager 43 an
dem Gehäuse 1 beziehungsweise der Achse 2 gelagert. Am Außenumfang
der Trommel 4 sind hierbei in bekannter Weise Speichen des Rades direkt
oder über weitere Hilfsmittel befestigbar.
An dem Gehäuse ist zum Beispiel in Buchsen 5 eine Erregerspulenanord
nung 6 vorgesehen, die mit zeitlich veränderlichem Strom beaufschlagbar ist.
Ein Rotor 7 mit Dauermagneten 8 ist gegenüber dem Gehäuse 1 und der
Achse 2 über Lager 9 drehbar gelagert. Durch an sich bekannte Beaufschla
gung der Erregerspulenanordnung 6 mit Strom wird ein Drehmoment zwi
schen dem Gehäuse und dem Rotor erzeugt, durch das der Rotor angetrie
ben wird.
Gemäß Fig. 2, 3 wirken die Buchsen 5 als Magnetkern der Erregerspulen
anordnung 6, wobei die Dauermagnete 8 radial oberhalb der Erregerspulen
anordnung vorgesehen sind. Es sind alternativ hierzu auch andere, bekannte
Ausbildungen des Elektromotors möglich, durch die ein Rotor 7 gegenüber
Gehäuse 1 und Achse 2 gedreht wird. Insbesondere können die Dauermag
neten sowohl radial als auch axial zu der Spule beabstandet sein.
Der Rotor 7 ist über eine Antriebswelle 19 mit einem erfindungsgemäßen Ge
triebe verbunden. Mit der Antriebswelle 19 ist über eine erste, schaltbare
Freilaufkupplung 22 ein erstes Antriebszahnrad 23 verbunden. Axial neben
dem ersten Antriebszahnrad 23 ist ein zweites Antriebszahnrad 27 über einen
zweiten Freilauf 28 mit der Antriebswelle 19 verbunden. Das erste Antriebs
zahnrad 23 weist hierbei eine größere Zähnezahl und einen größeren Ar
beitsteilungsdurchmesser als das zweite Antriebszahnrad 27 auf.
Die erste Freilaufkupplung kann wahlweise eingeschaltet werden, so dass sie
Drehmomente von der Antriebswelle 19 auf das erste Antriebszahnrad 23
überträgt. Hierbei wird grundsätzlich ein Freilauf des ersten Antriebszahnra
des ermöglicht, wenn es eine höhere Drehzahl als die Antriebswelle 19 auf
weisen sollte. In ausgeschalteter Stellung der ersten Freilaufkupplung 22 ist
das erste Antriebszahnrad 23 von der Antriebswelle 19 entkoppelt.
Erfindungsgemäß sind Umlaufzahnräder 29 vorgesehen, die jeweils axial zu
einander versetzte erste Außenzahnräder 30, zweite Außenzahnräder 31 und
dritte Außenzahnräder 32 aufweisen, wobei die ersten Außenzahnräder je
weils axial in der Mitte angeordnet sind. Die Außenzahnräder bilden somit a
xial versetzte Außenverzahnungsbereiche der Umlaufzahnräder 29. Die Um
laufzahnräder weisen jeweils Achsen 33 auf, die zur Stabilisierung in einem
Steg 34 aufgenommen sind. Gemäß dieser Ausführungsform wird der Steg
nicht als Abtrieb benutzt; es ist jedoch auch eine abgewandelte Ausführungs
form möglich, gemäß der der Steg als Abtrieb benutzt wird.
Die ersten Außenzahnräder 30 jedes Umlaufzahnrades 29 sind jeweils mit
dem ersten Antriebszahnrad 23 und mit einem abtriebsseitigen Innenzahn
rad 35 in Eingriff. Die zweiten Außenzahnräder 31 sind jeweils mit dem zwei
ten Antriebszahnrad 27 in Eingriff. Die dritten Außenzahnräder sind mit einem
gehäusefesten Innenzahnrad 18 in Eingriff.
Somit bilden das erste Außenzahnrad 30 und das abtriebsseitige Innenzahn
rad 35 ein erstes Innenradpaarsystem und das dritte Außenzahnrad 32 und
das gehäusefeste Innenzahnrad 18 ein zweites Innenradpaarsystem. Indem
erfindungsgemäß die Zähnezahlen der beiden Innenzahnräder und/oder die
Zähnezahlen der ersten und dritten Außenzahnräder unterschiedlich sind,
weisen diese beiden Innenradpaarsysteme unterschiedliche Übersetzungen
auf. Da die Außenzahnräder starr miteinander gekoppelt sind, werden die In
nenzahnräder zu einer Relativverdrehung gezwungen. Indem der Unter
schied der Zähnezahlen der Innenverzahnungen bzw. der ersten und dritten
Außenzahnräder relativ gering gewählt wird, kann bei einer größeren Drehbewegung
der Welle aufgrund des relativ geringen Zähnezahlunterschieds
eine sehr geringe Verdrehung der Innenzahnräder zueinander erreicht wer
den, was zu einer hohen Untersetzung führt.
Erfindungsgemäß werden die Umlaufzahnräder 29 entweder über das erste
Antriebszahnrad 23 oder das zweite Antriebszahnrad 27 angetrieben. Hierbei
ist die Übersetzung des ersten Außenradpaarsystems 23,30 größer als die
Übersetzung des zweiten Außenradpaarsystems 27, 31 gewählt.
Bei ausgeschalteter Stellung der ersten Freilaufkupplung 22 erfolgt der An
trieb über das zweite Antriebszahnrad 27 auf die zweiten Außenzahnräder
31, die mit diesen starr gekoppelten ersten Außenzahnräder 30 auf das ab
triebsseitige Innenzahnrad 35 z. B. mit einer Untersetzung von 1: 16,7.
Bei eingeschalteter erster Freilaufkupplung 22 erfolgt der Antrieb über das
erste Antriebszahnrad 23 und das erste Außenzahnrad 30 auf das abtriebs
seitige Innenzahnrad 35 z. B. mit einer Untersetzung von 1: 30,33. Hierbei
werden die zweiten Außenzahnräder 31 aufgrund der starren Kopplung in
den Umlaufzahnrädern entsprechend mitgedreht und drehen das zweite An
triebszahnrad 27 mit einer höheren Drehzahl als die Antriebswelle 19, so
dass der zweite Freilauf das zweite Antriebszahnrad 27 von der Antriebswelle
19 entkoppelt.
Die Zähnezahlen der Zahnräder gemäß Fig. 4 können z. B. betragen:
erstes Antriebszahnrad 23: Z = 56, zweites Antriebszahnrad 27: Z = 40, erstes Außenzahnrad 30: Z = 24, zweites Außenzahnrad 31: Z = 40, dritte Außenzahn rad 32: Z = 30, gehäusefestes Innenzahnrad 18: Z = 110, abtriebsseitiges In nenzahnrad 35: Z = 104.
erstes Antriebszahnrad 23: Z = 56, zweites Antriebszahnrad 27: Z = 40, erstes Außenzahnrad 30: Z = 24, zweites Außenzahnrad 31: Z = 40, dritte Außenzahn rad 32: Z = 30, gehäusefestes Innenzahnrad 18: Z = 110, abtriebsseitiges In nenzahnrad 35: Z = 104.
Eine Ausführungsform des ersten Freilaufs ist in den Fig. 6, 7, 8 detaillier
ter dargestellt. Eine Außenfläche 37 der Antriebswelle 19 ist über einen radia
len Zwischenraum 16 von einer Innenfläche 38 des ersten Antriebszahnrades
23 getrennt. Als Mitnehmer dienende Walzen 25 sind in Fig. 6 in zurückge
zogener Stellung in einer radialen Vertiefung 39 des Antriebszahnrades 23
aufgenommen, so dass die Antriebswelle 19 und das erste Außenzahnrad 23
von einander entkoppelt sind. In einer in Fig. 7 gezeigten eingeklemmten
Stellung ist jede Walze 25 zwischen der Außenfläche 37, über die der Antrieb
erfolgt, und der Vertiefung 39 eingeklemmt, so dass eine starre Verbindung
mit Drehmomentübertragung gewährleistet wird.
Eine Schaltscheibe 26 weist gemäß Fig. 8 einen Käfig mit in axialer Rich
tung abstehenden, in Umfangsrichtung verteilten Fingern 24 auf. Die Schalt
scheibe 26 mit Käfig 24 dreht mit dem Antriebszahnrad 23 mit, ist diesem ge
genüber jedoch um einen Verstellwinkel verstellbar. Eine entsprechende rota
tionsweiche Kopplung kann beispielsweise über eine geeignete Feder, z. B.
eine Schraubenfeder 15 erfolgen, die an dem ersten Antriebszahnrad 23 und
der Schaltscheibe 26 befestigt ist. Weiterhin ist die Schaltscheibe 26 in axia
ler Richtung um einen vorgegebene Strecke verschiebbar. Die Schaltscheibe
weist ein ferromagnetisches Material, z. B. Eisen oder Stahl auf.
Bei Erregung einer in einer gehäuseseitigen Aufnahme 20 angebrachten
Schaltspule 21 wird die Schaltscheibe in axialer Richtung zu der Schaltspule
21 - in Fig. 2 nach links - gezogen, bis sie an einen gehäuseseitigen An
schlag 17 stösst. Hierzu ist ein kurzer Stromstoss durch die Schaltspule 21
ausreichend. Die mit der Antriebswelle rotierende Schaltscheibe wird durch
den Kontakt mit dem gehäuseseitigen Anschlag 17 kurzzeitig etwas abge
bremst. Hierdurch werden in Fig. 6 die Finger 24 des Käfigs relativ zu dem
Antriebszahnrad 23 verstellt und befördern die Walzen 25 in der radialen Ver
tiefung 39 von der Position der Fig. 6 in die Position der Fig. 7, so dass sie
zwischen der Vertiefung 39 des ersten Antriebszahnrades 23 und der Außen
fläche 37 der Antriebswelle 19 eingeklemmt werden. Somit wird duch den
Stromstoss durch die Schaltspule 21 die erste Freilaufkupplung 22 von der
ausgeschalteten, entkoppelten Stellung in die eingeschaltete, drehmoment
feste Stellung verstellt.
Eine Rückstellung erfolgt, indem der Antrieb von der Antriebswelle genom
men wird. Dies kann erfolgen, indem der Motor kurzzeitig ausgeschaltet wird,
d. h. die Erregerspulen 6 stromlos geschaltet werden. Hierdurch kann die Feder
15 wieder entspannen und hierbei die Schaltscheibe 26 und somit die
Finger 24 wieder in die Stellung der Fig. 6 ziehen, da die Walzen nicht mehr
fest eingeklemmt sind. Die Kraft der Feder ist hierbei so zu dimensionieren,
dass die Walzen hinreichend sicher und schnell in die zurückgezogene Stel
lung zurückgezogen werden, jedoch bei Antrieb über die Antriebswelle die
eingeklemmte Stellung auch bei anliegender Federkraft hinreichend sicher
gehalten werden kann.
Die Fig. 9 bis 11 zeigen eine alternative Ausbildung der erfindungsgemä
ßen Freilaufkupplung 22. Hierbei sind an einer radial inneren Seite des ersten
Antriebszahnrades 23 axial verlaufende, in Umfangsrichtung verteilte Zun
gen 41 vorgesehen, zwischen denen Schütze 42 ausgebildet sind. Zwischen
den Zungen 41 und einem radial außerhalb liegenden Kragen 44 des ersten
Antriebszahnrades 23 ist ein radialer Freiraum ausgebildet. In diesen radialen
Freiraum werden die mit der Schaltscheibe 26 verbundenen Finger 24 ge
führt. Elastische Körper 40, z. B. die in den Figuren gezeigten, leicht gewölb
ten Blechfedern oder Stahlfedern, sind gemäß Fig. 9b zwischen den Fingern
24 sowie in den Schlitzen 42 angeordnet. Alternativ zu den gezeigten Blech
federn können z. B. auch keilförmige elastische Körper eingefügt werden.
In der ausgeschalteten Stellung der Fig. 9 liegen die Federn 40 mit ihrer o
beren Kante an dem Innenumfang 38 des ersten Antriebszahnrades an und
in den Freiräumen zwischen den Fingern 24 und in den Schlitzen 42, wobei
ihre unteren Kanten 45 freiliegen.
Bei der Winkelverstellung der Schaltscheibe 26 durch den oben beschriebe
nen Schaltvorgang mit der Schaltspule 21 werden die Finger entgegen der
Drehrichtung des ersten Antriebszahnrades etwas abgebremst und gelangen
somit in die Stellung der Fig. 10b, bei der der Zwischenraum zwischen den
1 Fingern 24 gegenüber den Schlitzen 42 etwas verschoben ist. Hierdurch
werden die Federn wie in Fig. 10b gezeigt etwas gerader gebogen und ver
längern somit ihre radiale Erstreckung, so dass sie mit ihren unteren Kanten
45 gegen den Außenumfang 37 der Antriebswelle 19 stossen und somit
drehmomentfest in Eingriff gelangen. Somit wird in Fig. 7 10b die einge
schaltete Stellung mit Drehmomentübertragung erreicht.
Ein dritter Freilauf 39 zwischen dem abtriebsseitigen Innenzahnrad 35 und
der Radtrommel 4 ermöglicht bei allen Ausführungsformen eine höhere Dreh
zahl der Radtrommel 4 als das abtriebsseitige Innenzahnrad 35 und somit bei
ausgeschalteter Antriebseinheit einen Antrieb über die Pedalen.
Gemäß den Fig. 1, 2 ist die erfindungsgemäße Antriebseinheit mit einer in
axialer Richtung durchgängigen Radachse 2 ausgebildet, so dass herkömm
liche aufwendige, schwere Achskonstruktionen, die aufgrund des begrenzten
Bauraums im Getriebebereich eine außermittige Verbindung der axialen En
den der Radachse 2 vorsehen, vermieden werden können. Das erfindungs
gemäße Schaltgetriebe ist auch daher relativ kleinbauend, leicht und kosten
günstig herzustellen.
Somit wird erfindungsgemäß ein kleinbauendes, mit geringem Aufwand (im
wesentlichen einige Zahnräder und Freiläufe) und somit kostengünstig her
stellbares Getriebe mit zwei Abtriebswellen mit einer hohen sowie einer sehr
hohen Untersetzung gewährleistet, das den Einsatz kleinbauender und kos
tengünstiger schnell laufender Motoren ermöglicht. Dieses Getriebe kann
insbesondere bei dem gezeigten Elektroantrieb für ein Fahrrad eingesetzt
werden, da seine axiale Erstreckung im Wesentlichen über zwei Zahnräder
reicht und somit extrem kleinbauend ist. Weiterhin sind auch andere Anwen
dungen des Schaltgetriebes, z. B. in einem Gebläse oder Fön mit mindestens
zwei Untersetzungen möglich.
1
Gehäuse
2
Achse
3
Lager
4
Radtrommel
5
Buchse
6
Erregerspulenanordnung
7
Rotor
8
Dauermagnet
9
Lager
10
Trommeldeckel
11
-
12
-
13
-
14
-
15
Schraubenfeder
16
radialer Zwischenraum
17
gehäuseseitiger Anschlag
18
gehäusefestes Innenzahnrad
19
Antriebswelle
20
gehäuseseitige Aufnahme
21
Schaltspule
22
erster Freilauf, schaltbar
23
erstes Antriebszahnrad
24
Finger des Käfigs des ersten Freilaufs
25
Walzen des ersten Freilaufs
26
Schaltscheibe
27
zweites Antriebszahnrad
28
zweiter Freilauf
29
Umlaufzahnrad
30
erstes Außenzahnrad
31
zweites Außenzahnrad
32
drittes Außenzahnrad
33
Achse
34
Steg
35
abtriebseitiges Innenzahnrad
36
dritter Freilauf
37
Außenumfang der Antriebsweile
38
Innenumfang des ersten Antriebszahnrades
39
radiale Vertiefung
40
elastischer Körper
41
Zungen
42
Schlitze
43
Lager
44
Kragen
45
untere Kanten
Claims (19)
1. Schaltgetriebe für ein Fahrrad mit Elektromotor, mit:
einem gehäusefesten Innenzahnrad (18),
einem abtriebseitigen Innenzahnrad (35),
einem ersten Antriebszahnrad (23), das mit einer Antriebswelle (19) über einen schaltbare erste Freilaufkupplung (22) verbunden ist, die schaltbar ist zwischen einer ausgeschalteten Schaltposition ohne Drehmoment übertragung und einer eingeschalteten Schaltposition mit Drehmoment übertragung,
einem zweiten Antriebszahnrad (27), das über einen zweiten Freilauf (28) mit der Antriebswelle (19) verbunden ist, der eine höhere Drehzahl des zweiten Antriebszahnrades als die Drehzahl der Antriebswelle zulässt,
mindestens zwei Umlaufzahnrädern (29), die jeweils mindestens zwei Außenzahnräder (30,31, 32) aufweisen, die axial zueinander versetzt und rotationsfest miteinander gekoppelt sind, wobei ein erstes Außenzahnrad (30) jedes Umlaufzahnrades (29) jeweils in Eingriff mit dem ersten An triebszahnrad (23) und ein zweites Außenzahnrad (31) jedes Umlaufzahn rades (29) jeweils in Eingriff mit dem zweiten Antriebszahnrad (27) ist,
wobei das gehäusefeste Innenzahnrad (18) in Eingriff mit einem der Au ßenzahnräder (32) jedes Umlaufzahnrades ist, und das abtriebseitige In nenzahnrad (35) in Eingriff mit einem anderen der Außenzahnräder (30) jedes Umlaufzahnrades ist,
wobei ein Verhältnis der Zähnezahl des ersten Außenzahnrades (30) zu der Zähnezahl des ersten Antriebszahnrades (23) kleiner als ein Verhält nis der Zähnezahl des zweiten Außenzahnrades (31) zu der Zähnezahl des zweiten Antriebszahnrades (27) ist, und
wobei die Zähnezahlen der beiden Innenzahnräder (18, 35) unterschied lich sind und/oder die Zähnezahlen der mit den Innenzahnrädern (18, 35) in Eingriff stehenden Außenzahnräder (32, 30) unterschiedlich sind.
einem gehäusefesten Innenzahnrad (18),
einem abtriebseitigen Innenzahnrad (35),
einem ersten Antriebszahnrad (23), das mit einer Antriebswelle (19) über einen schaltbare erste Freilaufkupplung (22) verbunden ist, die schaltbar ist zwischen einer ausgeschalteten Schaltposition ohne Drehmoment übertragung und einer eingeschalteten Schaltposition mit Drehmoment übertragung,
einem zweiten Antriebszahnrad (27), das über einen zweiten Freilauf (28) mit der Antriebswelle (19) verbunden ist, der eine höhere Drehzahl des zweiten Antriebszahnrades als die Drehzahl der Antriebswelle zulässt,
mindestens zwei Umlaufzahnrädern (29), die jeweils mindestens zwei Außenzahnräder (30,31, 32) aufweisen, die axial zueinander versetzt und rotationsfest miteinander gekoppelt sind, wobei ein erstes Außenzahnrad (30) jedes Umlaufzahnrades (29) jeweils in Eingriff mit dem ersten An triebszahnrad (23) und ein zweites Außenzahnrad (31) jedes Umlaufzahn rades (29) jeweils in Eingriff mit dem zweiten Antriebszahnrad (27) ist,
wobei das gehäusefeste Innenzahnrad (18) in Eingriff mit einem der Au ßenzahnräder (32) jedes Umlaufzahnrades ist, und das abtriebseitige In nenzahnrad (35) in Eingriff mit einem anderen der Außenzahnräder (30) jedes Umlaufzahnrades ist,
wobei ein Verhältnis der Zähnezahl des ersten Außenzahnrades (30) zu der Zähnezahl des ersten Antriebszahnrades (23) kleiner als ein Verhält nis der Zähnezahl des zweiten Außenzahnrades (31) zu der Zähnezahl des zweiten Antriebszahnrades (27) ist, und
wobei die Zähnezahlen der beiden Innenzahnräder (18, 35) unterschied lich sind und/oder die Zähnezahlen der mit den Innenzahnrädern (18, 35) in Eingriff stehenden Außenzahnräder (32, 30) unterschiedlich sind.
2. Schaltgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl
die Zähnezahlen der beiden Innenzahnräder (18, 35) unterschiedlich sind
als auch die Zähnezahlen der mit den Innenzahnrädern (18, 35) in Eingriff
stehenden Außenzahnräder (32, 30) unterschiedlich sind.
3. Schaltgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Umlaufzahnräder (29) jeweils mindestens drei Außenzahnräder
(30,31, 32) aufweisen, die koaxial nebeneinander liegen und rotationsfest
miteinander gekoppelt sind.
4. Schaltgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes
erste Außenzahnrad (30) in Eingriff mit dem abtriebseitigen Innenzahnrad
(35) und jedes dritte Außenzahnrad (32) in Eingriff mit dem gehäusefes
ten Innenzahnrad (18) ist.
5. Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, dass das erste Antriebszahnrad (23) einen größeren Arbeitstei
lungsdurchmesser als das zweite Antriebszahnrad (27) und die ersten
Außenzahnräder (30) einen kleineren Arbeitsteilungsdurchmesser als die
zweiten Außenzahnräder (31) aufweisen.
6. Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Außenzahnräder (30, 31, 32) miteinander verkeilt,
verschweißt, verklebt, verschraubt oder als einheitliche Spritzgussteile
ausgebildet sind.
7. Schaltgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Freilaufkupplung (22) eine höhere Drehzahl des ersten An
triebszahnrades als die Drehzahl der Antriebswelle zulässt.
8. Schaltgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein dritter Freilauf (36) zwischen dem abtriebsseitigen Innenzahnrad
(35) und einer Radtrommel (4) vorgesehen ist, der eine höhere Drehzahl
der Radtrommel als die Drehzahl des abtriebsseitigen Innenzahnrades
(35) zulässt.
9. Schaltgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die erste Freilaufkupplung bei Betätigung einer Schaltein
richtung (21, 26) von der ausgeschalteten Schaltstellung in die einge
schaltete Schaltstellung verstellbar und bei einer Unterbrechung des An
triebs der Antriebswelle von der eingeschalteten in die ausgeschalteten
Schaltstellung verstellbar ist.
10. Schaltgetriebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Freilaufkupplung in einem radialen Zwischenraum (16) zwischen einem
Außenumfang der Antriebswelle und einem Innenumfang des ersten An
triebszahnrades vorgesehen ist und Mitnehmermittel (25) für eine dreh
momentfeste Verbindung aufweist, die bei eingeschalteter Freilaufkupp
lung zwischen dem Außenumfang der Antriebswelle und dem Innenum
fang des ersten Antriebszahnrades eingeklemmt und bei ausgeschalteter
Freilaufkupplung in einer zurückgezogenen Stellung sind, wobei die
Schalteinrichtung eine Schaltscheibe (26) und einen mit der Schaltschei
be starr verbundenen Käfig (24) aufweist, die relativ zu dem ersten An
triebszahnrad (23) verdrehbar sind, wobei bei Verdrehung der Schalt
scheibe gegenüber dem ersten Antriebszahnrad (23) die Mitnehmer durch
den Käfig in die eingeklemmte Position verstellbar sind.
11. Schaltgetriebe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der
Käfig in axialer Richtung verlaufende Finger (24) aufweist, die in dem ra
dialen Zwischenraum (16) vorgesehen sind und bei einer Relativverdre
hung der Schaltscheibe gegenüber der Antriebswelle die Mitnehmer in die
eingeklemmte Stellung befördern.
12. Schaltgetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Feder vorgesehen ist, die auf die Mitnehmer in der eingeklemmten Positi
on eine Kraft ausübt, die in die zurückgezogene Stellung weist.
13. Schaltgetriebe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schaltscheibe ein ferromagnetisches Material aufweist, und eine Schalt
spule an einer gehäuseseitigen Aufnahme (20) befestigt ist, die bei Erre
gung die Schaltscheibe zu einem gehäuseseitigen Anschlag (17) zieht.
14. Elektroantrieb für ein Fahrrad, mit einem Schaltgetriebe nach einem der
Ansprüche 1 bis 13, wobei die Antriebswelle (19) mit einem Rotor (7) ver
bunden ist, und ein mit dem Rotor zusammenwirkender Stator (5, 6) an
dem Gehäuse (1) befestigt ist.
15. Elektroantrieb nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass an
dem Rotor (7) Dauermagnete (8) befestigt sind und der Stator eine Erre
gerspulenanordnung (6), die mit zeitlich veränderlichem Erregerstrom
beaufschlagbar ist, aufweist.
16. Elektroantrieb nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die
Erregerspulenanordnung (6) radial oder axial zu den Dauermagneten (8)
versetzt, vorzugsweise radial innerhalb der Dauermagnete (8) angeordnet
ist.
17. Elektroantrieb nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekenn
zeichnet, dass er eine das Gehäuse (1) umfassende Abtriebstrommel (4)
zur Verbindung mit Speichen des Fahrrades aufweist.
18. Elektroantrieb nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekenn
zeichnet, dass während eines Umschaltvorgangs der Elektromotor
stromlos ist.
19. Elektroantrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekenn
zeichnet, dass eine mit dem Gehäuse (1) starr verbundene Radachse (2)
in axialer Richtung durchgängig ausgebildet ist.
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2000
- 2000-11-15 DE DE2000156597 patent/DE10056597A1/de not_active Withdrawn
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