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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrrad und ein Fahrrad mit einer solchen Antriebsvorrichtung.
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Stand der Technik
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Um einen Fahrradfahrer beim Treten zu unterstützen, insbesondere bei einer Steigung oder bei starkem Gegenwind, wird üblicherweise ein elektrischer Antrieb, insbesondere elektrische Hilfsmotoren verwendet. Fahrräder mit elektrischen Hilfsmotoren werden im Allgemeinen auch als Pedalec bezeichnet. Hierbei treibt der Hilfsmotor entweder die Kette zusätzlich zum Kettenblatt, beispielsweise beim sogenannten Panasonic-Antrieb, die Tretlagerwelle, beispielsweise beim sogenannten Gruber-Assist-Antrieb, das Kettenblatt, beispielsweise beim sogenannten Opti-Bike-LLC-Antrieb, oder das Hinterrad an entweder direkt mittels eines Nabenantriebs, mittels eines Zahnriemens oder einer Kette.
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Bei den vorgenannten Antrieben wird direkt in den Kettentrieb oder das Hinterrad eingegriffen, das heißt, dass die Hinterrad- oder Kettengeschwindigkeit starr mit dem elektrischen Antrieb verknüpft ist. Deshalb ist eine Leistung des elektrischen Antriebs direkt mit der von einer Rollgeschwindigkeit des Rads bzw. der vom Fahrer vorgegebenen Kadenz bzw. Trittfrequenz gekoppelt. Nachteilig hieran ist aber, dass eine Unterstützung des Fahrers nur in dem Maße erfolgt, wie der Fahrer selber eine mechanische Antriebsleistung erzeugt. Das heißt, wenn der Fahrer eine hohe mechanische Antriebsleistung erzeugt, dann wird er durch den elektrischen Antrieb mehr unterstützt, als wenn er nur eine geringe mechanische Antriebsleistung erzeugt. Insbesondere bei langen Anstiegen wird der Fahrer nur eine geringe Antriebsleistung erzeugen können, wodurch er dann mittels des elektrischen Antriebs nur wenig unterstützt wird.
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Des Weiteren ermöglichen die vorgenannten Antriebe keine besonders kompakte und integrierte Bauweise, da der Hilfsmotor in der Regel an das Fahrrad anmontiert wird. Hierdurch steigt aber ein Luftwiderstand, wodurch es für den Fahrer noch schwieriger wird, eine mechanische Antriebsleistung zu erzeugen. Wünschenswert wäre insofern eine Integration des elektrischen Hilfsmotors mit den bereits am Fahrrad vorhandenen Antriebselementen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrrad und ein Fahrrad zu schaffen, welche die obigen Nachteile überwindet und eine kompakte Bauweise und eine Unterstützung des Fahrers mittels eines elektrischen Hilfsmotors unabhängig von einer von dem Fahrer erzeugten mechanischen Antriebsleistung ermöglicht.
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Die Aufgabe wird von der Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 und von dem Fahrrad nach Anspruch 6 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
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Die Erfindung umfasst den Gedanken eine vom Fahrer erzeugte mechanische Antriebsleistung mit der vom Motor erzeugten mechanischen Antriebsleistung mittels eines Planetengetriebes, insbesondere eines 3-Wellen-Planetengetriebes, zu koppeln, so dass die beiden Antriebsleistungen aufsummiert werden. Das Planetengetriebe ist eines kompakt bauenden Zahnradgetriebes, welches in der Regel drei koaxial angeordnete Wellen mit jeweils einem Zahnrad aufweist. Das innere Zahnrad wird auch das Sonnenrad oder die Sonne genannt, das äußere Zahnrad wird als Hohlrad bezeichnet, welches bevorzugterweise eine Außenverzahnung aufweist, und das zwischen Sonne und Hohlrad angeordnete dritte Zahnrad ist das Planetenrad, welches auf einem Planetenträger, auch Steg genannt, gelagert ist, insbesondere ist das Planetenrad mittels eines Planetenbolzens an dem Steg gelagert. In der Regel sind mehrere Planetenräder vorgesehen, vorzugsweise zwei Planetenräder, insbesondere drei Planetenräder.
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Das Kettenblatt ist erfindungsgemäß mit dem Planetenradträger bzw. Steg verbunden, so dass sich das Kettenblatt dreht, wenn sich der Steg dreht, was insbesondere der Fall sein wird, wenn sich das oder die Planetenräder drehen. Weiterhin sind erfindungsgemäß entweder die Tretkurbel mit der Sonne und der Motor mit dem Hohlrad oder die Tretkurbel mit dem Hohlrad und der Motor mit der Sonne gekoppelt. Mittels dieser Kopplung treiben die Tretkurbel und der Motor das Hohlrad und die Sonne an. Als Folge treiben dann das Hohlrad und die Sonne das Planetenrad oder auch die Planetenräder an, so dass sich auch der Steg und das mit dem Steg verbundene Kettenblatt drehen. Das Kettenblatt kann dann beispielsweise mittels einer Kette Ritzel eines Hinterrads antreiben.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Koppelung mittels eines Planetengetriebes ist ein außerordentlich kompakter und integrierter Aufbau ermöglicht. Dadurch wird ein Luftwiderstand des Fahrrads deutlich verringert, das Fahrrad weist insofern eine besonders windschnittige und sportliche Form auf.
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Weiterhin ergibt sich aufgrund des kompakten Aufbaus eine sehr günstige Schwerpunktslage des Fahrrads, so dass das Fahrrad eine sichere Straßenlage aufweist und ein Umkippen des Fahrrads, insbesondere in gefährlichen Situationen wie beispielsweise während einer Notbremsung mit gleichzeitigem Ausweichen, deutlich verringert ist.
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Des Weiteren ermöglicht die Erfindung in vorteilhafter Weise, Motoren mit wesentlich kleineren Arbeitsgebieten bzw. Arbeitsfeldern als Antriebsmotoren zu verwenden, da erfindungsgemäß die vom Motor erzeugte Antriebsleistung nicht mehr starr mit einer Hinterrad- oder Kettengeschwindigkeit verknüpft ist.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Freilaufeinrichtung vorgesehen. Beispielsweise kann der Motor eine Freilaufeinrichtung umfassen. Es kann aber insbesondere auch vorgesehen sein, dass das Planetengetriebe eine Freilaufeinrichtung umfasst. Das heißt, dass das vom Motor angetriebene Element des Planetengetriebes, also entweder die Sonne oder das Hohlrad, eine Freilaufeinrichtung aufweist. Vorzugsweise umfasst sowohl der Motor als auch das angetriebene Element jeweils eine Freilaufeinrichtung. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ein Zurückdrehen des Motors bei einem Motorausfall, beispielsweise aufgrund einer leeren Batterie, verhindert.
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In einer anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltungsform umfasst das Planetengetriebe ein verlagerbares Verbindungselement zum mechanischen Verbinden des Stegs bzw. des Planetenradträgers mit der Tretkurbel. Der Fahrer kann das Verbindungselement von einer Normalposition, in welcher die Tretkurbel die Sonne bzw. das Hohlrad antreibt, in eine Sperrposition verlagern, in welcher der Steg mit der Tretkurbel direkt mechanisch verbunden ist. In der Sperrposition treibt also der Fahrer das Kettenblatt direkt an. Das Planetengetriebe ist gesperrt, das Verbindungselement ist insofern eine mechanische Sperre. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass der Fahrer nicht eine Unter- bzw. Übersetzung des Planetengetriebes nutzen muss, wenn der Motor keine mechanische Antriebsleistung mehr erzeugt, weil er ausgefallen ist oder weil er vom Fahrer abgeschaltet wurde.
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Bevorzugterweise kann bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sowohl ein verlagerbares Verbindungselement als auch eine Freilaufeinrichtung vorgesehen sein. Durch die Kombination von Freilauf und mechanischer Sperre kann in vorteilhafter Weise verhindert werden, dass der Fahrer ins „Leere” tritt, wenn der Motor abgeschaltet wird oder ausfällt, und weiterhin wird ermöglicht, dass der Fahrer mittels des Verbindungselementes mindestens zwei Gänge schalten kann.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Motor zumindest ein Motorritzel auf. Das Motorritzel kann insbesondere direkt in die Zähne der Sonne oder in eine Außenverzahnung des Hohlrads eingreifen, so dass eine direkte und effiziente Kopplung zwischen Motor und dem Planetengetriebe ermöglicht ist.
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Ein erfindungsgemäße Fahrrad kann in einer beispielhaften Ausgestaltung eine elektrische Gangschaltung umfassen, welche mit einer mit dem Motor gekoppelten Regelungseinrichtung zum Regeln der ersten mechanischen Antriebsleistung verbunden ist. Hierdurch kann eine Unterstützung eines Schaltvorgangs in vorteilhafter Weise erreicht werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer Antriebsvorrichtung,
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2 eine Konstruktionszeichnung der in 1 gezeigten Antriebsvorrichtung,
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3 eine schematische Darstellung einer weiteren Antriebsvorrichtung und
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4 eine Konstruktionszeichnung der in 3 gezeigten Antriebsvorrichtung.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Antriebsvorrichtung 1 für ein Fahrrad. Die Antriebsvorrichtung 1 umfasst einen Motor 2. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Motor 2 ein Elektromotor. Der Elektromotor weist insbesondere einen Stator und einen in dem Stator angeordneten Rotor auf. Der Rotor weist eine Spule mit einem Eisenkern, welcher auch als Anker bezeichnet wird, auf. In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Elektromotor einen Akkumulator, eine Brennstoffzelle oder eine Batterie. Beispielsweise kann der Elektromotor auch Solarzellen umfassen, die den Akkumulator oder die Brennstoffzelle aufladen oder den elektrischen Motor direkt mit Strom versorgen. Hierdurch wird auf eine besonders umweltfreundliche, da kein CO2 oder gesundheitsschädliche Abgase ausstoßend, Art und Weise der für den Elektromotor benötigte elektrische Strom erzeugt.
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In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann auch vorgesehen sein, dass der Motor 2 beispielsweise ein Benzin- oder ein Dieselmotor ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Motor 2 ein Hybridmotor ist.
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Die Antriebsvorrichtung 1 umfasst weiterhin eine Tretkurbel 3, welche mit einem Tretlager 8 verbunden ist. Das Tretlager 8 ist in einem Gehäuse 9 angeordnet. Mittels dieser Anordnung wird das Tretlager 8 in vorteilhafter Weise vor Verschmutzungen und Nässe geschützt. Vorzugsweise ist das Gehäuse in einen Fahrradrahmen integriert. Das Tretlager 8 weist ferner eine Freilaufeinrichtung 10 auf. Weiterhin umfasst die Antriebsvorrichtung 1 ein Kettenblatt 4, welches mittels einer Kette (nicht gezeigt) ein Hinterrad eines Fahrrads antreiben kann. In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform kann das Kettenblatt 4 auch mittels eines Riemens das Hinterrad antreiben.
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Die Tretkurbel 3, der Motor 2 und das Kettenblatt 4 sind mittels eines Planetengetriebes wie folgt miteinander gekoppelt. Die Tretkurbel 3 ist mit einer Sonne 5 des Planetengetriebes gekoppelt, so dass ein Fahrer beim Treten die Sonne 5 antreibt. Der Motor 2 ist mittels eines Motorritzel 11 mit einem Hohlrad 6 des Planetengetriebes gekoppelt. Hierfür weist das Hohlrad 6 eine Außenverzahnung auf, welche in das Motorritzel 11 eingreifen (siehe 2). Das Kettenblatt 4 ist mit einem ein Stegkugellager 15 aufweisenden Steg 7, welcher ein Planetenrad 12 (siehe 2) lagert, verbunden. Eine mittels des Motors 2 erzeugte erste mechanische Antriebsleistung wird das Hohlrad 6 des Planetengetriebes antreiben. Eine zweite mechanische Antriebsleistung, welche mittels der Tretkurbel erzeugt wird, treibt die Sonne 5 des Planetengetriebes an. Diese beiden mechanischen Antriebsleistungen werden auf das Planetenrad 12 des Planetengetriebes übertragen. Da das Kettenblatt 4 mit dem Steg 7 verbunden ist, wird, wenn sich das Planetenrad 12 und damit der Steg 7 drehen, auch das Kettenblatt 4 drehen. Die beiden mechanischen Antriebsleistungen werden insofern mittels des Planetengetriebes auf das Kettenblatt 4 aufsummiert.
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Das Motorritzel kann alternativ auch direkt in die Zähne der Sonne eingreifen. Beispielsweise kann aber auch vorgesehen sein, dass das Motorritzel mittels eines formschlüssigen Zahnriemens mit den Zähnen der Sonne oder der Außenverzahnung des Hohlrads gekoppelt ist. Auch kann ein Riemengetriebe oder ein Stirnradgetriebe den Motor mit der Sonne oder dem Hohlrad koppeln.
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2 zeigt eine Konstruktionszeichnung der in 1 schematisch gezeigten Antriebsvorrichtung 1. Zusätzlich zu den bereits in 1 gezeigten Elementen zeigt 2 das Planetenrad 12, welches ein Planetenkugellager 13 aufweist. Das Planetenrad 12 ist mittels eines Planetenbolzens 14 an dem Planetenträger bzw. dem Steg 7 gelagert. An dem Planetenbolzen 14 ist das Kettenblatt 4 angeordnet. In der in 2 gezeigten Ausführungsform bildet das Tretlager 8 die Welle der Sonne 5. Das hat insbesondere den Vorteil, dass zum einen so eine direkte und effiziente Kopplung der vom Fahrer erzeugten Antriebsleistung mit der Sonne erreicht wird. Zum anderen ist der damit erreichte Aufbau besonders kompakt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Antriebsvorrichtung 30, welche in 4 anhand einer Konstruktionszeichnung detaillierter gezeigt ist. Die Antriebsvorrichtung 30 umfasst einen Motor 32 mit mehreren Motorritzeln 41.
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Weiterhin umfasst die Antriebsvorrichtung 30 eine Tretkurbel 33, welche mit einem Tretlager 38 verbunden ist. Das Tretlager 38 weist eine Freilaufeinrichtung 40 auf. Ferner ist ein Gehäuse 39 vorgesehen, in welchem das Tretlager 38 angeordnet ist. Im Gegensatz zu der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist in der in 3 gezeigten Ausführungsform die Tretkurbel 33 mit einem Hohlrad 36 eines Planetengetriebes und der Motor 32 mit einer Sonne 35 gekoppelt. Die Koppelung zwischen dem Motor 32 und der Sonne 35 erfolgt dadurch, dass die Motorritzel 41 des Motors 32 mit einer Außenverzahnung der Sonne 35 zusammenerwirken. Die jeweiligen Zähne greifen insofern ineinander. Ferner ist an dem Planetengetriebe ein Kettenblatt 34 mit einem Steg 37 des Planetengetriebes verbunden. Der Steg lagert in diesem Ausführungsbeispiel zwei Planetenräder 42a und 42b (siehe 4) mittels eines gemeinsamen Planetenbolzens 44. Beide Planetenräder 42a und 42b weisen ein Planetenkugellager 43 auf. Die Zähne des Planetenrads 42a greifen in die Zähne der Sonne 35 ein und die Zähne des Planetenrads 42b greifen in die Innenverzahnung des Hohlrads 36 ein. Wenn der Motor 32 die Sonne 35 und die Tretkurbel 33 das Hohlrad 36 antreiben, drehen sich beide Planetenräder 42a und 42b, und damit auch der Steg 37, so dass sich die vom Motor erzeugte Antriebsleistung mit der vom Fahrer erzeugten Antriebsleistung aufsummiert und die aufsummierte Antriebsleistung auf das Kettenblatt 34 übertragen wird. Das Kettenblatt 34 kann dann mittels einer Kette (nicht gezeigt) ein Hinterrad eines Fahrrads antreiben.
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Die in den 3 und 4 gezeigte Ausführungsform mit den zwei Planetenrädern 42a und 42b weist insbesondere den Vorteil auf, dass sich ein Untersetzungsbereich des Planetengetriebes erweitern lässt, insbesondere wenn von einander abgestufte Planeten verwendet werden.
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Obwohl hier nicht explizit gezeigt, kann der Motor 2, 32 nicht nur in den hier gezeigten Ausführungsformen achsparallel zu dem Tretlager 8, 38 angeordnet werden. Eine solche Anordnung weist insbesondere den Vorteil, dass damit eine optimale Anordnung des Motors an dem Fahrrad bezüglich einer Bodenfreiheit, einer Lage des Vorder-/Hinterrads und des Schwerpunkts des Fahrrads erzielt ist.
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In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform kann der Motor 2, 32 auch konzentrisch um das Tretlager 8, 38 angeordnet werden, wobei dann eine oder mehrere Planetengetriebestufen für eine besonders vorteilhafte Untersetzung einer Ankerdrehzahl des Motors 2, 32 vorgesehen sein können.
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Ein erfindungsgemäßes Fahrrad kann eine elektrische Gangschaltung umfassen, welche mit einer mit dem Motor 2 gekoppelten Regelungseinrichtung (nicht gezeigt) zum Regeln der ersten mechanischen Antriebsleistung verbunden ist. Hierdurch ist eine Unterstützung eines Schaltvorgangs in vorteilhafter Weise dadurch ermöglicht, dass die Regelungseinrichtung kurz vor dem Schaltvorgang die erste mechanische Antriebsleistung reduziert. Nach dem Schaltvorgang erhöht die Regelungseinrichtung die erste mechanische Antriebsleistung wieder. Insbesondere bei einer Ketten- und Nabenschaltung wird dadurch der Schaltvorgang besonders unterstützt. Bei einer Kettenschaltung kann die Regelungseinrichtung die erste mechanische Antriebsleistung kurz vor dem Schaltvorgang erhöhen und nach dem Schaltvorgang wieder reduzieren, so dass ein kurzzeitiges Drehen des Kettenzentrums der Kettenschaltung erfolgt. Die Regelungseinrichtung ermöglicht weiterhin in vorteilhafter Weise, dass die vom Motor erzeugte Antriebsleistung nicht abrupt auf Null fällt, wenn der Fahrer den Motor ausschaltet. Hier regelt die Regelungseinrichtung die Antriebsleistung kontinuierlich auf Null runter, so dass ein Rückwärtsdrehen des Antriebs im Fall eines abrupten Abstellens des Motors, wobei dieses Rückwärtsdrehen nachteilig die vom Fahrer erzeugte Antriebsleistung aufnimmt, verhindert wird, der Fahrer also nicht ins Leere tritt, insbesondere wenn keine Freilaufeinrichtung vorgesehen ist.
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Das Fahrrad kann verschiedene, im Folgenden aufgezählte Getriebestufen aufweist:
- – Schaltgetriebe, beispielsweise eine Nabenschaltung oder eine Kettenschaltung
- – Untersetzung im Kettentrieb zwischen Ritzel im Hinterrad und im Kettenblatt
- – Standuntersetzung des Planetengetriebes
- – Untersetzung des Motors, insbesondere eines elektrischen Motors, zwischen Anker und Sonne oder zwischen Anker und Hohlrad.
