DE10056597A1 - Schaltgetriebe für ein Fahrrad mit Elektromotor - Google Patents

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.

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.

Bezugszeichenliste

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.

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.