DE102009014246A1

DE102009014246A1 - Antriebssystem für ein motorisch unterstütztes Fahrrad

Info

Publication number: DE102009014246A1
Application number: DE200910014246
Authority: DE
Inventors: Thorsten Biermann; Markus Neubauer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2010-09-23
Also published as: WO2010105610A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein motorisch unterstütztes Fahrrad, umfassend eine mittels einer Kurbel (11) angetriebene Welle (1), eine Motoreinheit mit einem Rotor (17) und einem Stator (18), eine Planetengetriebeeinheit (5) mit einer Sonne (9), mindestens drei Planeten (8), einem Planetenträger (13) und einem Hohlrad (10), wobei die Sonne (9) von der Motoreinheit angetrieben ist. Die Aufgabe, eine Antriebseinheit für ein motorisch unterstütztes Fahrrad anzugeben, das dem Bediener ein verbessertes Fahrgefühl vermittelt, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das eine von Planetenträger (13) und Hohlrad drehfest mit einem Kettenblatt (12) des Fahrrades verbunden ist, und dass das andere von Planetenträger und Hohlrad (10) drehfest mit der Welle (1) verbunden ist. Die Erfindung betrifft weiter ein Fahrrad, insbesondere E-Bike oder Pedelec, umfassend ein derartiges Antriebssystem.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem nach Anspruch 1 für ein Fahrrad sowie ein Fahrrad, insbesondere ein E-Bike oder ein Pedelec nach Anspruch 5.
Aus dem Stand der Technik sind Antriebssysteme für motorisch unterstützte Fahrräder bekannt, wobei die Antriebssysteme eine Welle, eine Motoreinheit mit einem Rotor und einem Stator sowie eine Planetengetriebeeinheit umfassen. Dabei ist ein Kettenblatt des Fahrrades drehfest an der Welle angeordnet, so dass der Bediener das Drehmoment über eine Kurbel unmittelbar in die Welle und in das Kettenblatt einleitet. Das Hohlrad der Planetengetriebeeinheit ist mindestens mittelbar fest an dem Rahmen des Fahrrades befestigt. Die Motoreinheit leitet ein zusätzliches Drehmoment über die Planetengetriebeeinheit in Welle ein, so dass sich im Bereich der Welle die von dem Bediener und die von der Motoreinheit bereitgestellten Drehmomente überlagern und das resultierende Gesamtdrehmoment in das Kettenblatt eingeleitet wird. Der Bediener empfindet das Antriebssystem insbesondere bei geringen Drehzahlen der Welle als schwergängig.
Ein derartiges Antriebssystem ist beispielsweise in der Druckschrift US 6,296,072 B1 beschrieben.
WO 99/30960 A2 beschreibt ein Antriebssystem für ein motorisch unterstütztes Fahrrad, bei der der Rotor drehfest mit dem Kettenblatt verbunden ist, um einen Direktantrieb auszubilden. Dieses Antriebssystem überträgt insbesondere bei geringen Drehzahlen nur eine geringe Leistung auf das Kettenblatt.
DE 20 2004 010 269 U1 beschreibt ein Antriebssystem für ein motorisch unterstütztes Fahrrad, bei der die Welle axial dreigeteilt ausgebildet ist und einen Mittelteil umfasst, der mittig in der Ausgangswelle der Motoreinheit aufgenommen ist. Das Antriebssystem ist automatisch zwischen einem nur von dem Bediener bereitgestellten Antrieb und einem nur von der Motoreinheit bereitgestellten Antrieb schaltbar.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Antriebseinheit für ein motorisch unterstütztes Fahrrad anzugeben, das dem Bediener ein verbessertes Fahrgefühl vermittelt.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das eine von Planetenträger und Hohlrad drehfest mit dem Kettenblatt verbunden ist, und dass das andere von Planetenträger und Hohlrad drehfest mit der Welle verbunden ist.
Ist beispielsweise das Hohlrad der Planetengetriebeeinheit drehfest mit der Welle verbunden, die der Bediener direkt mittels der Kurbel antreibt, und dann der Planetenträger der Planetengetriebeeinheit drehfest mit dem Kettenblatt, wird das Kettenblatt von der Welle entkoppelt und damit auch von den von dem Bediener betätigten Kurbeln.
Im Bereich der Planetengetriebeeinheit überlagern sich die von dem Bediener an das Hohlrad und von der Motoreinheit an den Planetenträger übermittelten Drehmomente, wodurch ein sehr angenehmes Fahrgefühl entsteht.
Weiter erweist sich als Vorteil, dass eine Änderung der Drehzahl des Motors unmittelbar an das Kettenblatt unter Zwischenschaltung des von dem Bediener betätigten Hohlrades erfolgt, so dass ein stufenloses Getriebe realisiert wird und jede Änderung der Drehzahl der Motoreinheit für den Bediener unmittelbar spürbar ist.
Die genannten Vorteile ergeben sich ebenfalls für den Fall, dass der Planetenträger der Planetengetriebeeinheit drehfest mit der von dem Bediener betätigten Welle und das Hohlrad drehfest mit dem Kettenblatt ausgebildet wird.
In beiden Fällen überlagern sich die von dem Bediener und der Motoreinheit eingeleiteten Kräfte in der Planetengetriebeeinheit, nicht mehr in der Welle. Welche der beiden Alternativen verwirklicht wird, ist abhängig von der Kennlinie der Motoreinheit, so dass hier ein Freiheitsgrad entsteht, der ausgenutzt werden kann, um die Motoreinheit effizienter nutzen zu können.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher beschrieben und erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebssystem für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrrades.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein Antriebssystem für ein motorunterstütztes Fahrrad, insbesondere für ein E-Bike.
Das Antriebssystem umfasst eine mittels einer Kurbel 11 angetriebene Welle 1, wobei die Kurbel 11 drehfest mit der Welle 1 verbunden ist. Das Antriebssystem umfasst weiter eine Motoreinheit mit einem Rotor 17 und einem Stator 18. Der Rotor 17 ist mittels zweier Nadellager 4 an einer äußeren Mantelfläche einer Hülse 6 gelagert, während die Welle 1 an einer inneren Mantelfläche der Hülse 6 mittels zweier Kugellager 2 gelagert ist.
Die Hülse 6 ist Bestandteil eines Gehäuses, das weiter einen äußeren Gehäuseabschnitt 19 umfasst, der an dem bildlich nicht dargestellten Rahmen des E-Bikes festgelegt ist. An einer inneren Mantelfläche des Gehäuseabschnittes 19 ist der Stator 18 der Motoreinheit drehbar festgelegt.
Das Antriebssystem umfasst weiter eine Planetengetriebeeinheit 5 mit einer Sonne 9, mindestens drei Planeten 8, die mittels Nadellagern 3 drehbar um jeweils einen Bolzen 5 gelagert sind, wobei die Bolzen 5 an einem Planetenträger 13 der Planetengetriebeeinheit 5 feststehend angeordnet sind. Die Planetengetriebeeinheit 5 umfasst weiter ein Hohlrad 10, das drehfest mit der Welle 1 verbunden ist. Der Planetenträger 13 der Planetengetriebeeinheit 5 ist fest mit einem Kettenblatt 12 verbunden, über das der Antrieb an die Räder des Fahrrades weitergeleitet wird.
Die Planetengetriebeeinheit 5 ist als zweite, nachgeschaltete Planetenstufe eines zweistufigen Planetengetriebes ausgebildet.
Die erste Planetenstufe umfasst eine Sonne 14, die drehfest mit einem Ausgang des Rotors 17 der Motoreinheit verbunden ist, drei Planeten 15, die mit der Sonne 14 kämmen, wobei die drei Planeten 15 mittels Nadellagern 16 an jeweils einem Bolzen 21 an einem Planetenträger 22 drehbar gelagert sind. Die erste Planetenstufe umfasst weiter ein Hohlrad 20, das drehfest an der inneren Mantelfläche des Gehäuseabschnittes 19 befestigt ist.
Versetzt der Rotor 17 die Sonne 14 der ersten Planetenstufe in Drehung, dreht sich der Planetenträger 22 der ersten Planetenstufe. Mit dem Planetenträger 22 der ersten Planetenstufe ist die Sonne 9 der als zweite Planetenstufe ausgebildeten Planetengetriebeeinheit 5 drehfest verbunden. Der Rotor 17 der Motoreinheit treibt damit mindestens mittelbar die Sonne 9 der Planetengetriebeeinheit 5 an. Die Sonne 9 versetzt den Planetenträger 13 der Planetengetriebeeinheit 5 in Drehung, wobei dieser Planetenträger 13 mit dem Kettenblatt 12 drehfest verbunden ist.
Zusätzlich wird über das Hohlrad 10 der Planetengetriebeeinheit 5 das von dem Bediener mittels der Kurbel 11 in die Welle 1 eingebrachte Drehmoment in die Planetengetriebeeinheit 5 eingeleitet, innerhalb derer sich der von der Motoreinheit bereitgestellte Antrieb und der von dem Bediener über die Welle 1 eingeleitete Antrieb überlagern, so dass der resultierende Antrieb in das Kettenblatt 12 eingeleitet wird.
Das Hohlrad 10 der Planetengetriebeeinheit 5 weist einen axialen, sich im wesentlichen parallel zu einer Drehachse 23 der Welle 1 erstreckenden Abschnitt 24 auf, an dem die Zähnung vorgesehen ist, mit der die Gegenzähnung der Planeten 8 der Planetengetriebeeinheit 5 in kämmenden Eingriff steht, sowie einen radialen Abschnitt 25 auf. Der radiale Abschnitt 25 deckt das Gehäuse in Richtung zu der Kurbel 11 hin ab. Das Hohlrad 10 weist ein bezogen auf die Achse 23 der Welle 1 hohes Trägheitsmoment auf, so dass bereits bei geringen Drehzahlen ein hohes Drehmoment aufgenommen und in die Planetengetriebeeinheit 5 eingeleitet werden kann.
Der radiale Abschnitt 25 des Hohlrades 10 der Planetengetriebeeinheit 5 kann als an der Welle 1 drehfest verbundene Scheibe oder als geschlitzte oder gelochte Scheibe ausgebildet sein, um beispielsweise eine Lüftung des Innern des Gehäuses zu ermöglichen, aber zumindest grobe Partikel von dem Innern des Gehäuses fernzuhalten.
Das Kettenblatt 12 weist einen Abstand zu der Welle 1 auf, der ein Mehrfaches des Durchmessers der Welle 1 beträgt. Das Kettenblatt 12 ist dabei als Ringscheibe mit einem großen Innendurchmesser gefertigt, so dass das Kettenblatt 12 leichtbauend ausgestaltet ist.
Die Motoreinheit mit dem Rotor 17 und dem Stator 18 ist in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle 1 und von dem in die Welle 1 eingebrachten Drehmoment angesteuert. Hierzu ist nahe dem Korpus der Welle 1 in der Hülse 6 eine Sensorik 30 angeordnet, die das Drehmoment bzw. die Drehzahl der Welle 1 erfasst und an eine Steuer-Regeleinheit für die Motoreinheit weiterleitet, die wiederum die Motoreinheit ansteuert. Das Korpus der Welle 1 weist abschnittsweise eine Magnetisierung auf, die sich ändert und von der Sensorik 30 erfasst wird, wenn ein Drehmoment in der Welle 1 vorliegt. Das skizzierte Meßprinzip beruht auf dem magnetostriktiven Effekt, der in der WO 2008/138322 A1 , speziell S. 7, Zeile 7 bis S. 8, Z. 16 näher beschrieben ist. Auf die genannte WO-Schrift wird insoweit Bezug genommen. An der Oberfläche des Korpus der Welle 1 ist eine zweireihige Zähnung 31 vorgesehen, die mit der Welle 1 umläuft und von der Sensorik 30 ebenfalls erfasst wird, um die Drehzahl der Welle 1 zu ermitteln.
Der Planetenträger 13 der Planetengetriebeeinheit 5 weist bezogen auf die Achse 23 der Welle 1 einen ersten, sich radial erstreckenden Abschnitt 26 auf, der an dem Kettenblatt 12 mittels Schrauben oder einer Verschweißung drehfest festgelegt ist. Der Planetenträger 13 weist weiter einen axialen Abschnitt 27 auf, der mit der inneren Mantelfläche des äußeren Gehäuseabschnittes 19 einen Spalt ausbildet, der als Dichtspalt ein Eintreten von Verschmutzungen in das Innere des Gehäuses unterdrückt. Der Planetenträger 13 weist weiter einen zweiten, sich radial erstreckenden Abschnitt 28 auf, der abschnittsweise im wesentlichen parallel zu dem Planetenträger 22 der anderen, ersten Planetenstufe angeordnet ist. Die beiden Planetenträger 22, 13 sind in dem Bereich, in dem sich zueinander parallele Abschnitte aufweisen, mittels eines Axiallagers 29, beispielsweise mittels eines Axial-Nadellagers, aneinander gelagert. Es versteht sich, dass das Gehäuse einen sich radial erstreckenden Abschnitt, beispielsweise eine Rippe, aufweisen kann, an deren einer Seite der Planetenträger 22 der ersten Planetenstufe und an deren anderer Seite der Planetenträger 13 der anderen Planetenstufe gelagert ist.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war der Planetenträger 13 der Planetengetriebeeinheit 5 in einem Abstand zu der inneren Mantelfläche des Gehäuseabschnittes 19 angeordnet, um eine Drehung des Planetenträgers 13 relativ zu dem Gehäuseabschnitt 19 zu ermöglichen. Es versteht sich, dass der Planetenträger 13 auch an dem Gehäuseabschnitt 19 drehbar gelagert sein kann, beispielsweise mittels eines Gleit- oder Wälzlagers, wobei das genannte Lager eine Dichtung umfasst, die das Inneres des Gehäuses abdichtet. Es versteht sich, dass die Dichtung auch für den Fall vorgesehen sein kann, dass keine Lagerung des Planetenträgers 13 an dem Gehäuse, speziell an dem Gehäuseabschnitt 19, vorgesehen ist. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann beispielsweise ein Dichtelement zwischen dem ersten radialen Abschnitt 26 und dem Endabschnitt des Gehäuseabschnittes 19 vorgesehen sein.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war zwischen dem Hohlrad 10 und dem Planetenträger 13, im Bereich der radialen Abschnitte 24, 27, ein Abstand eingehalten, so dass das Hohlrad 10 und der Planetenträger 13 unabhängig voneinander drehbar sind. Es versteht sich, dass das Hohlrad 10 an dem Planetenträger 13 drehbar gelagert sein kann.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war das Hohlrad 10 mit der Welle 1 drehfest verbunden, und der Planetenträger 13 mit dem Kettenblatt 12. Es versteht sich, dass das Hohlrad 10 mit dem Kettenblatt 12 drehfest verbunden sein kann, und dass in diesem Fall der Planetenträger 13 mit der Welle 1 drehfest verbunden ist.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war die Sonne 9 der Planetengetriebeeinheit 5 nahe an, aber in einem Abstand zu der Hülse 6 angeordnet, in der die Welle 1 um die Achse 23 drehbar radial und axial gelagert war. Die Hülse 6 ist mit dem Gehäuse, insbesondere dem Gehäuseabschnitt 19, fest verbunden. Es versteht sich, dass die Sonne 9 auch nahe an einem anderen Abschnitt des Gehäuses, insbesondere an der inneren Mantelfläche des Gehäuseabschnittes 19, in einem Abstand angeordnet sein kann. Das Hohlrad 10 kann in diesem Fall nahe an die Achse 23 bzw. an die äußere Mantelfläche der Hülse 6 heranreichen, aber immer noch einen Abstand zu der Hülse 6 einhalten, so dass das Hohlrad 10 gegenüber dem Gehäuse bzw. der Hülse 6 drehbar bleibt. Die Sonne 9 bleibt in diesem Fall drehfest mit dem Planetenträger 22 der ersten Planetenstufe verbunden, so dass über den Planetenträger 22 der ersten Planetenstufe das Drehmoment der Motoreinheit durch die Sonne 9 der zweiten Plantetenstufe in die zweite Planetenstufe bzw. in die Planetengetriebeeinheit 5 eingeleitet wird. Über das Hohlrad 10 der zweiten Planetenstufe bzw. der Planetengetriebeeinheit 5 wird das Moment des Fahrers eingeleitet. Über die Planeten 8 der Planetengetriebeeinheit 5 und damit über den mit dem Kettenblatt 12 drehfest verbundenen Planetenträger 13 der Planetengetriebeeinheit 5 wird das Gesamtmoment abgeleitet.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war eine Hülse 6 vorgesehen, die die Welle 1 axial und radial um die Achse 23 drehbar gelagert aufgenommen hat. Es versteht sich, dass der Rotor 17 bzw. die Sonne 9 oder die Sonne 14 auch unmittelbar an der Oberfläche des Korpus der Welle 1 drehbar gelagert sein können.

1: Welle
2: Kugellager
3: Nadellager
4: Nadellager
5: Planetengetriebeeinheit
6: Hülse
7: Bolzen der Planetengetriebeeinheit 5
8: Planeten der Planetengetriebeeinheit 5
9: Sonne der Planetengetriebeeinheit 5
10: Hohlrad der Planetengetriebeeinheit 5
11: Kurbel
12: Kettenblatt
13: Planetenträger der Planetengetriebeeinheit 5
14: Sonne der ersten Planetenstufe
15: Planet der ersten Planetenstufe
16: Nadellager der ersten Planetenstufe
17: Rotor
18: Stator
19: Gehäuseabschnitt
20: Hohlrad der ersten Planetenstufe
21: Bolzen der ersten Planetenstufe
22: Planetenträger der ersten Planetenstufe
23: Drehachse
24: axialer Abschnitt des Hohlrades 10
25: radialer Abschnitt des Hohlrades 10
26: erster radialer Abschnitt des Planetenträgers 13
27: axialer Abschnitt des Planetenträgers 13
28: zweiter radialer Abschnitt des Planetenträgers
29: Axiallager
30: Sensorik
31: Zähnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6296072 B1 [0003]
- WO 99/30960 A2 [0004]
- DE 202004010269 U1 [0005]
- WO 2008/138322 A1 [0027]

Claims

Antriebssystem für ein motorisch unterstütztes Fahrrad, umfassend eine mittels einer Kurbel (11) angetriebene Welle (1), eine Motoreinheit mit einem Rotor (17) und einem Stator (18), eine Planetengetriebeeinheit (5) mit einer Sonne (9), mindestens drei Planeten (8), einem Planetenträger (13) und einem Hohlrad (10), wobei die Sonne (9) von der Motoreinheit angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das eine von Planetenträger (13) und Hohlrad drehfest mit einem Kettenblatt (12) des Fahrrades verbunden ist, und dass das andere von Planetenträger und Hohlrad (10) drehfest mit der Welle (1) verbunden ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Planetengetriebeeinheit (5) als nachgeschaltete Planetenstufe eines zweistufigen Planetengetriebes ausgebildet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoreinheit in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle (1) und von dem in die Welle (1) eingebrachten Drehmoment angesteuert ist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Planeten (8) mittels Nadellagern (3) an Bolzen (7) gelagert sind, und dass die Bolzen (7) an dem Planetenträger (13) befestigt sind.
Fahrrad, insbesondere E-Bike oder Pedelec, umfassend ein Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4.