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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Fahrrad mit einer derartigen Antriebseinheit.
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Derartige Antriebseinheiten dienen dazu, mit Muskelkraft angetriebene Fahrzeuge anzutreiben und die Antriebskraft entsprechend zu über- oder zu untersetzen.
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Aus der
DE 10 2008 064 514 A1 ist eine Getriebeeinheit für ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrzeug bekannt, bei der eine Durchgangswelle, die mit Tretkurbeln zum Antreiben des Fahrzeugs verbunden ist und eine Vorgelegewelle vorgesehen sind, wobei an der Vorgelegewelle schaltbare Losräder gelagert sind, die mit Zahnrädern der Durchgangswelle und mit Zahnrädern einer Ausgangswelle jeweils ein Teilgetriebe bilden, wobei die Ausgangswelle koaxial zu der Durchgangswelle angeordnet ist. Durch eine derartige Getriebeeinheit lassen sich bis zu 18 Gänge realisieren. Nachteilig bei dieser Getriebeeinheit ist es, dass kein Hilfsmotor vorgesehen ist, um den Muskelantrieb zu unterstützen.
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Ferner ist es bekannt, Fahrräder mit Hilfsmotoren auszurüsten, die als Nabenmotor im Bereich der Vorderrad- bzw. der Hinterradnabe angeordnet sind. Derartige Nabenmotoren werden üblicherweise in Kombination mit Kettenschaltungen angeboten. Insbesondere bei Hinterradnabenmotoren ist die Kombination mit einer Nabenschaltung kompliziert, da der Motor einen großen Bauraum beansprucht. Nachteilig bei den Nabenmotoren ist u. a. das große Gewicht und die ungünstige Gewichtsverteilung, da der Anteil der ungefederten Masse des Fahrrades im Vorder- bzw. Hinterrad zunimmt. Da derartige Nabenmotoren direkt mit dem Laufrad verbunden sind, müssen sie in langsamen Drehzahlbereichen arbeiten. Langsam drehende Elektromotoren, die ein relativ hohes Drehmoment liefern, sind üblicherweise sehr groß, weisen ein hohes Gewicht auf, das bis zu 4,5 kg erreichen kann, und haben einen niedrigen Wirkungsgrad. Aus Gewichts- und Platzgründen sind derartige Nabenmotoren eher nachteilig.
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Um diesem Nachteil zu begegnen, werden derartige Hilfsmotoren auch als Mittelmotor im Bereich des Tretlagers verbaut, bei denen die Kraft direkt auf die Kette übertragen wird. Nachteilig dabei ist es, dass die Kette dadurch im Tretlagerbereich nicht von einem Zahnkranz auf den anderen umgeworfen werden kann, wodurch die Verwendung einer Kettenschaltung eingeschränkt ist. Bei der Verwendung von Hinterradkassetten oder gewöhnlichen Nabenschaltungen in Verbindung mit derartigen Mittelmotoren ist allerdings lediglich eine Gangzahl von bis zu zehn Gängen realisierbar.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebseinheit bereitzustellen, die Muskelkraft und Antriebskraft eines Hilfsmotors verbindet und gleichzeitig ein geringes Gewicht bei einer gewohnt hohen Gangzahl und einer gewohnten Spreizung aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Antriebseinheit dadurch gelöst, dass eine der Getriebewellen mit einer Motorwelle einer elektrischen Maschine verbunden oder verbindbar ist, um ein Drehmoment in das Getriebe ein- oder aus dem Getriebe auszukoppeln.
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Diese Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Fahrrad mit einer derartigen Antriebseinheit.
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In der allgemeinsten Form der Erfindung wird eine Antriebseinheit für ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrzeug bereitgestellt mit einer ersten Welle, an der eine Mehrzahl von Zahnrädern gelagert ist, und einer zweiten Welle, an der eine entsprechende Mehrzahl von Zahnrädern gelagert ist, wobei eine der Wellen mit einer Motorwelle einer elektrischen Maschine verbunden oder verbindbar ist.
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Vorteil der Erfindung ist es, dass die elektrische Maschine mit einer der Getriebewellen verbunden bzw. verbindbar ist und somit in kompakter Bauform eine elektrische Traktion in das Getriebe eingeleitet werden kann und auf anfällige Anbauten verzichtet werden kann. Durch die Verbindung des elektrischen Antriebs mit einer mehrstufigen Getriebeeinheit und durch die Verbindung des elektrischen Antriebs mit einer der Getriebewellen ist eine Kombination mit jeder Ketten oder Nabenschaltung möglich und eine beliebige Anzahl von schaltbaren Gängen realisierbar.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird somit vollständig gelöst.
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Vorzugsweise wird eine Antriebseinheit für ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrzeug bereitgestellt, mit einer Antriebswelle, die zum Antreiben des Fahrzeugs mit einer Antriebsquelle verbindbar ist, einer Vorgelegewelle, an der eine Mahrzahl von Zahnrädern gelagert ist, und einer Ausgangswelle, wobei die an der Vorgelegewelle gelagerten Zahnräder jeweils mit einem Zahnrad kämmen, das an der Antriebswelle oder der Ausgangswelle gelagert ist, wobei eine der Getriebewellen mit einer Motorwelle einer elektrischen Maschine verbunden oder verbindbar ist, um ein Drehmoment in das Getriebe ein- oder aus dem Getriebe auszukoppeln.
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Vorzugsweise ist die Getriebewelle die Antriebswelle.
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Dadurch kann die elektrische Maschine unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit in einem schmalen Drehzahlbereich betrieben werden, da die elektrische Maschine am Eingang des Getriebes antreibt und somit immer nahe des optimalen Betriebspunktes betrieben werden kann. Durch diesen schmalen Betriebsbereich, in dem die elektrische Maschine betrieben wird, kann ein besserer. Wirkungsgrad erreicht werden und eine kompaktere Bauform der elektrischen Maschine realisiert werden.
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Alternativ ist es bevorzugt, wenn die Getriebewelle die Vorgelegewelle ist.
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Dadurch wird die übertragene Motorkraft lediglich über ein Radpaar übertragen, wodurch die Reibverluste reduziert sind und durch die Übersetzung des Radpaars ein schnell laufender Motor mit geringem Gewicht und kleiner Bauform verwendet werden kann. Weiterhin ermöglicht die Ankopplung der elektrischen Maschine an der Vorgelegewelle eine Rekuperation, also eine Bremskraftrückgewinnung, im Schubbetrieb des Fahrzeugs.
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Alternativ ist es bevorzugt, wenn die Getriebewelle die Ausgangswelle ist.
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Dadurch wird die Motorkraft nicht durch Reibverluste im Getriebe reduziert. Weiterhin ist eine Rekuperation möglich, da der Motor mit der Abtriebswelle verbunden ist, die über das Kettenrad mitläuft.
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Vorzugsweise ist an der Ausgangswelle eine Mehrzahl von Zahnrädern gelagert, die mit Zahnrädern der Vorgelegewelle ein Teilgetriebe bilden, wobei die Zahnräder der Vorgelegewelle als Losräder ausgebildet sind, die mittels Schaltmitteln mit der Vorgelegewelle drehfest verbindbar sind. Dadurch lässt sich in einfacher und kompakter Bauweise ein mehrstufiges Teilgetriebe realisieren.
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Vorzugsweise ist an der Antriebswelle eine Mehrzahl von Zahnrädern gelagert, die mit Zahnrädern der Vorgelegewelle ein Teilgetriebe bilden, wobei die Zahnräder als Losräder ausgebildet sind, die mittels Schaltmitteln mit der Vorgelegewelle drehfest verbindbar sind. Dadurch, das das zweite Teilgetriebe als Wechselgetriebe ausgebildet ist, erhöht sich die Gesamtgangzahl der Antriebseinheit.
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Vorzugsweise weisen die Schaltmittel schaltbare Freiläufe auf, die mittels einer in der als Hohlwelle ausgebildeten Vorgelegewelle gelagerten Nockenwelle betätigbar sind. Dadurch ist das entsprechende Teilgetriebe in kompakter Bauform als Lastschaltgetriebe realisierbar.
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Vorzugsweise sind zwei Nockenwellen zum Schalten der beiden Teilgetriebe bereitgestellt, wobei die zweite Nockenwelle von der in der Vorgelegewelle gelagerten ersten Nockenwelle mittels eines Mitnehmers betätigbar ist. Dadurch lässt sich die Getriebeeinheit über einen einzelnen Schalthebel komfortabel schalten.
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Vorzugsweise ist die elektrische Maschine über ein Untersetzungsgetriebe mit der jeweiligen Getriebewelle verbindbar. Dadurch können schnell laufende elektrische Maschinen verwendet werden, die gegenüber langsam laufenden elektrischen Maschinen einen geringeren Bauraum benötigen und ein geringeres Gewicht aufweisen.
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Weiterhin ist bevorzugt, wenn die elektrische Maschine mittels einer Kupplung, insbesondere einer Schaltkupplung oder eines schaltbaren Freilaufs mit der jeweiligen Getriebewelle verbindbar ist. Dadurch kann die elektrische Maschine mechanisch an das Getriebe an- oder von dem Getriebe abgekoppelt werden, so dass die Motorwelle der elektrischen Maschine im reinen Muskelantrieb nicht mitgedreht werden muss.
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Weiterhin ist bevorzugt, wenn das Untersetzungsgetriebe wenigstens ein, vorzugsweise zwei oder mehr Planetengetriebe aufweist. Dadurch ist das Untersetzungsgetriebe mit einem hohen Untersetzungsverhältnis in kompakter Bauform realisierbar.
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Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Motorwelle der elektrischen Maschine mit einem der Zahnräder der Getriebewellen drehfest verbindbar ist. Dadurch ist das Einkoppeln und das Auskoppeln des Drehmomentes einfach und kompakt realisierbar, da ein vorhandenes Zahnrad genutzt werden kann.
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Weiter ist es bevorzugt, wenn die Motorwelle mittels eines Schaltrades, das an der Getriebewelle gelagert ist, wenigstens in einer Drehrichtung drehfest mit der Getriebewelle verbindbar ist. Dadurch lässt sich das Drehmoment in einfacher Bauweise auf die Getriebewelle übertragen.
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Es ist dabei bevorzugt, wenn das Schaltrad mittels eines Freilaufs, insbesondere eines schaltbaren Freilaufs, in einer Antriebsrichtung mit der Getriebewelle verbindbar ist. Dadurch lässt sich die elektrische Maschine mit der Getriebewelle in Antriebsrichtung verbinden und wechselt automatisch in den Freilaufbetrieb, sobald die Getriebewelle eine höhere Drehzahl aufweist als die elektrische Maschine.
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Weiterhin ist bevorzugt, wenn das Schaltrad mittels eines schaltbaren Freilaufs in einer der Antriebsrichtung entgegengesetzten Richtung drehfest mit der Getriebewelle verbindbar ist. Dadurch lässt sich mit einfachen Mitteln vom Antriebsbetrieb in den Rekuperationsbetrieb umschalten.
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Weiterhin ist bevorzugt, wenn die schaltbaren Freiläufe mittels einer in der Getriebewelle angeordneten Nockenwelle betätigbar sind. Dadurch lassen sich in einfacher und kompakter Bauweise die schaltbaren Freiläufe des Schaltrades schalten, wodurch ein einfaches Umschalten vom Antriebs- in den Rekuperationsbetrieb ermöglicht wird.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn die Nockenwelle zum Schalten der Freiläufe relativ zu der Getriebewelle rotierbar ist, wobei die Nockenwelle mittels eines Drehzahlüberlagerungsgetriebes, insbesondere mittels zweiter Planetengetriebe, relativ zu der Getriebewelle rotierbar ist. Dadurch lässt sich eine in axialer Richtung besonders kompakte Bauweise realisieren.
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Allgemein ist es bevorzugt, wenn die Motorwelle der elektrischen Maschine parallel zu den Getriebewellen angeordnet ist. Dadurch lässt sich die Motorwelle der elektrischen Maschine in einfacher Bauweise mittels eines Zwischenrades bzw. eines Stirnradgetriebes mit der entsprechenden Welle des ersten oder des zweiten Teilgetriebes verbinden.
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Alternativ ist es bevorzugt, wenn die Welle der elektrischen Maschine in einem Winkel von 90° zu den Getriebewellen angeordnet ist. Dadurch lässt sich die elektrische Maschine in einem Rohr des Fahrradrahmens montieren, wodurch insgesamt eine kompakte Bauform realisierbar ist.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn die Motorwelle der elektrischen Maschine mittels eines Kronenrads oder eines Kegelrads mit einer der Getriebewellen verbindbar ist. Dadurch lässt sich in einfacher Bauform eine abgewinkelte Anordnung der Motorwelle der elektrischen Maschine zu einer der Wellen der Teilgetriebe realisieren.
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Insgesamt ist es bevorzugt, wenn die Welle der elektrischen Maschine einstückig mit einer der Getriebewellen ausgebildet ist. Dadurch lässt sich eine besonders kompakte und leichte Bauform realisieren, weil die entsprechende Getriebewelle zweifach genutzt wird.
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Im Allgemeinen ist es bevorzugt, wenn bei dem Schaltvorgang von einer Gangstufe in die nächste Gangstufe zunächst die Schaltklinken der entsprechenden Losräder in einem Zwischenzustand gleichzeitig nach radial außen geschwenkt sind. Dadurch kann ein Lastschaltgetriebe realisiert werden, wodurch gleichzeitig die Sicherheit vor einem Durchdrehen der Tretkurbel im Falle eines Schaltklinkenbruchs erhöht ist.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines Fahrradrahmens mit einem Mehrganggetriebe und einem elektrischen Antrieb;
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2a–c eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine und eine Ankopplung mittels Kupplung und Untersetzungsgetriebe;
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3 einen Schaltplan einer Antriebseinheit mit Mehrganggetriebe und elektrischem Antrieb;
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4 einen Schaltplan einer Antriebseinheit mit einem Mehrganggetriebe und einem elektrischen Antrieb, der an der Antriebswelle angekoppelt ist;
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5 einen Schaltplan einer Antriebseinheit mit einem Mehrganggetriebe und einem elektrischen Antrieb, der an der Antriebswelle angekoppelt ist;
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6 einen Schaltplan einer Antriebseinheit mit einem Mehrganggetriebe und einem elektrischen Antrieb, der an der Ausgangswelle des Mehrganggetriebes angekoppelt ist;
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7 einen Schaltplan einer Antriebseinheit mit einem Mehrganggetriebe und elektrischem Antrieb, der an der Ausgangswelle des Mehrganggetriebes angekoppelt ist;
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8 einen Schaltplan einer Antriebseinheit mit einem Mehrganggetriebe und einem elektrischen Antrieb, der an der Vorgelegewelle angekoppelt ist;
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9 einen Schaltplan einer Antriebseinheit mit einem Mehrganggetriebe und einem elektrischen Antrieb, der an der Vorgelegewelle angekoppelt ist;
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10 einen Schaltplan einer Antriebseinheit mit einem Mehrganggetriebe und einem elektrischen Antrieb, bei der die Motorwelle des elektrischen Antriebs orthogonal zu den Getriebewellen angeordnet ist und über ein Kronenrad an der Vorgelegewelle angekoppelt ist;
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11 einen Schaltplan einer Antriebseinheit mit einem Mehrganggetriebe und einem elektrischen Antrieb, bei der die Motorwelle des elektrischen Antriebs orthogonal zu den Getriebewellen angeordnet ist und über ein Kegelrad mit der Ausgangswelle verbunden ist; und
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12 eine schematische Schnittansicht einer Welle mit einem in beide Drehrichtungen verbindbaren Losrad in axialer Blickrichtung.
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In 1 ist eine Getriebeeinheit für ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrzeug gezeigt und allgemein mit 10 bezeichnet.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines Fahrradrahmens 12, der ein Getriebegehäuse 14 aufweist, in dem die Getriebeeinheit 10 aufgenommen ist. Die Getriebeeinheit 10 ist in dieser Darstellung schematisch angedeutet und ist als kompakte Einheit ausgebildet, die vorzugsweise in einem hier nicht dargestellten Getriebekäfig angeordnet ist. Die Getriebeeinheit 10 wird hierbei beispielhaft für den Einsatz bei einem Zweirad beschrieben, wobei allerdings auch der Einsatz bei anderen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeugen möglich ist.
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Die Getriebeeinheit 10, das Getriebegehäuse 14 bilden zusammen mit Tretkurbeln 16 und 16' ein Mehrganggetriebe 18. Der Fahrradrahmen 12 weist einen elektrischen Antrieb 20 auf, der mit dem Mehrganggetriebe 18 verbunden ist, um das Fahrzeug zusätzlich zu dem Antrieb über die Tretkurbeln 16, 16' anzutreiben. Der elektrische Antrieb 20 ist mit einer elektrischen Energiequelle 21 verbunden, die den elektrischen Antrieb 20 mit elektrischer Energie versorgt. Die Energiequelle 21 ist vorzugsweise als Akkumulator 21 ausgebildet.
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In den 2a bis 2c ist der elektrische Antrieb 20 mit unterschiedlichen Ankopplungsmöglichkeiten schematisch dargestellt.
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2a zeigt den elektrischen Antrieb 20, der die Motorwelle 22 aufweist, die mit einem Zahnrad 24 verbunden ist. Das Zahnrad 24 dient dazu, das von dem elektrischen Antrieb 20 erzeugte Drehmoment, das über die Motorwelle 22 auf das Zahnrad 24 übertragen wird, auf andere Zahnräder der Getriebeeinheit 10 zu übertragen. Als elektrischer Antrieb 20 ist jede elektrische Maschine einsetzbar, insbesondere Gleichstrommotoren mit und ohne Kommutatorschleifkontakten.
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In 2b ist der elektrische Antrieb 20 mit einem Untersetzungsgetriebe 26 dargestellt. Das Zahnrad 24 ist über das Untersetzungsgetriebe 26 mit der Motorwelle 22 verbunden. Das Untersetzungsgetriebe 26 ist gebildet durch zwei hintereinander geschaltete Planetengetriebe, wobei die Motorwelle 22 mit einem Sonnenrad des ersten Planetengetriebes verbunden ist. Als Abtrieb ist ein Planetenträger des ersten Planetengetriebes mit einem Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes verbunden. Das Zahnrad 24 ist mit einem Planetenträger des zweiten Planetengetriebes verbunden. Hohlräder der Planetengetriebe sind drehfest bzw. gehäusefest gelagert. Dadurch kann mit einfachen Mitteln die Drehzahl des elektrischen Antriebs 20 untersetzt werden, wodurch der elektrische Antrieb für einen höheren Nenndrehzahlbereich ausgelegt werden kann, und wodurch sich Gewicht und Baugröße des elektrischen Antriebs 20 stark reduzieren.
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In 2c ist der elektrische Antrieb 20 mit dem Untersetzungsgetriebe 26 dargestellt, wobei die Welle 22 eine Kupplung 28 aufweist, um den elektrischen Antrieb 20 mit dem Untersetzungsgetriebe 26 lösbar zu verbinden. Die Kupplung 28 kann als schaltbare Kupplung oder als schaltbarer Freilauf, insbesondere als Klemmkörperfreilauf, als axiale Freilaufkupplung mit stirnseitiger Verzahnung, als Klinkenfreilauf oder als schaltbare Reibschlusskupplung ausgebildet sein.
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Die Kupplung 28 kann an einer beliebigen Stelle im Kraftfluss zwischen dem elektrischen Antrieb 20 und der Getriebeeinheit 10 angeordnet sein. Die Anordnung zwischen elektrischem Antrieb 20 und der Untersetzungsstufe 26 ist vorteilhaft, da das anliegende Drehmoment gering ist und somit die Kupplung geringer dimensioniert werden kann. Nachteilig dabei ist es jedoch, dass die Übersetzungsstufe 26 auch in Muskelkraftbetrieb mitgedreht und beschleunigt wird, wodurch sich der Fahrwiderstand erhöht. Sofern die Kupplung 28 weiter hinten im Kraftfluss zwischen dem elektrischen Antrieb 20 und der Getriebeeinheit 10 angeordnet ist, also bspw. zwischen einem Zwischenrad und einem Gangrad der Getriebeeinheit 10, werden weniger Zahnräder mitgedreht, wodurch der Fahrwiderstand reduziert ist. In diesem Fall muss jedoch die Kupplung 28 ein größeres Drehmoment übertragen und daher größer dimensioniert werden. Weiterhin dürfen Elektrofahrräder nur bis zu einer bestimmten Höchstgeschwindigkeit elektrisch angetrieben werden, wobei es aber möglich sein muss, mit Muskelkraft schneller zu fahren. Dafür muss der elektrische Antrieb 20 von der Getriebeeinheit 10 abkoppelbar sein.
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Grundsätzlich kann bei elektrischem Antrieb zwischen einem Niedrigdrehzahlkonzept und einem Hochdrehzahlkonzept unterschieden werden. Bei dem Niedrigdrehzahlkonzept liegt der Nenndrehzahlbereich des elektrischen Antriebs in etwa in dem Arbeitsbereich des Getriebes und kann direkt oder mit einer Untersetzungsstufe mit geringer Untersetzung mit dem Getriebe in Eingriff stehen. Elektrische Antriebe, die in einem niedrigen Drehzahlbereich arbeiten und ein hohes Drehmoment aufbringen, sind relativ groß und weisen ein großes Gewicht auf und haben zum Teil einen schlechten Wirkungsgrad. Vorteil dieses Konzeptes ist es jedoch, dass auf eine aufwändige Untersetzungsstufe verzichtet werden kann, um die Motordrehzahl auf eine entsprechende Getriebedrehzahl zu untersetzen. Für den Fall, dass der elektrische Antrieb 20 zur Energierückgewinnung generatorisch betrieben werden soll, muss lediglich die Schwungradmasse des Motors beschleunigt werden und nicht die Schwungmasse der Untersetzungsstufe.
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Bei dem Hochdrehzahlkonzept liegt der Nenndrehzahlbereich deutlich über dem Drehzahlbereich des Getriebes. Diese Motoren sind mit einer hohen Leistungsdichte relativ klein und leicht, was zu einer kompakten Bauform der gesamten Antriebseinheit beiträgt. Die hohe Motordrehzahl muss durch das Untersetzungsgetriebe 26 auf den Drehzahlbereich des Getriebes untersetzt werden. Bei einem mehrstufigen Planetengetriebe, wie es bei 26 gezeigt ist, ist eine Untersetzung mit dem Faktor 25 realisierbar. Nachteil dieser Ausführungsform ist neben der aufwändigen Übersetzungsstufe das Verhalten im generatorischen Betrieb, das verhältnismäßig schwerfällig ist und sogar zur Selbsthemmung führen kann. Bei großen Übersetzungsverhältnissen der Untersetzungseinheit 26 lässt sich der elektrische Antrieb 20 aufgrund des Motorwiderstandes und der Reibung der Untersetzungsstufe 26 nicht mitdrehen. Ein weiterer Nachteil der schnell drehenden Motoren und Getriebestufen ist eine erhöhte Geräuschentwicklung.
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In 3 ist eine Antriebseinheit zum Antreiben eines Fahrzeugs dargestellt und allgemein mit 30 bezeichnet.
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Die Antriebseinheit 30 weist die Getriebeeinheit 10 und den elektrischen Antrieb 20 auf.
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Die Getriebeeinheit 10 weist eine Antriebswelle 32 und eine Ausgangswelle 34 auf. Die Antriebswelle 32 ist als Durchgangswelle ausgebildet und bildet die Eingangswelle 32 der Getriebeeinheit 10. Die Ausgangswelle 34 ist als Hohlwelle ausgebildet. Die Antriebswelle 32 und die Ausgangswelle 34 sind koaxial zueinander angeordnet. Die Ausgangswelle 34 ist mit einem Kettenblatt 36 drehfest verbunden, das ein Ausgangsglied der Getriebeeinheit 10 bildet. Die Antriebswelle 32 ist auf gegenüberliegenden Seiten mit den Tretkurbeln 16, 16' verbindbar, um die Antriebswelle 32 anzutreiben.
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An der Antriebswelle 32 ist ein erstes Zahnrad 38 gelagert, das mit einem Zwischenrad 40 in Eingriff steht. Das Zwischenrad 40 steht in Eingriff mit dem Zahnrad 24, das über die Motorwelle 22 mit dem elektrischen Antrieb 20 verbunden ist. Das Zahnrad 24 ist somit über das Zwischenrad 40 und das Zahnrad 38 drehfest mit der Antriebswelle 32 verbunden. Dadurch ist die Antriebswelle 32 durch den elektrischen Antrieb 20 antreibbar.
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Die Getriebeeinheit 10 weist ein erstes Teilgetriebe 42 und ein zweites Teilgetriebe 44 auf. An der Antriebswelle 32 ist eine Mehrzahl von Antriebsrädern 46, 47, 48, 49, 50 gelagert. Die Antriebswelle 32 bildet die Eingangswelle des ersten Teilgetriebes 42. Das erste Teilgetriebe 42 weist eine Vorgelegewelle 52 auf, an der angetriebene Räder 54, 55, 56, 57, 58 gelagert sind. Die angetriebenen Räder 54 bis 58 sind als Losräder ausgebildet.
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Die angetriebenen Räder 54 bis 58 sind mittels Schaltmitteln 61 mit der Vorgelegewelle 52 verbindbar. Die angetriebenen Räder 54 bis 58 und die Antriebsräder 46 bis 50 bilden Radpaare, die unterschiedliche Übersetzungen aufweisen, so dass durch selektives Verbinden der angetriebenen Räder 54 bis 58 mit der Vorgelegewelle 52 unterschiedliche Gangstufen realisiert werden können.
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Das zweite Teilgetriebe 44 weist eine Eingangswelle 60 und die Ausgangswelle 34 auf. Die Eingangswelle 60 ist einstückig mit der Vorgelegewelle 52 ausgebildet. In einer alternativen Ausführungsform kann die Eingangswelle 60 separat von der Vorgelegewelle 52 ausgebildet sein und über ein Getriebe mit der Vorgelegewelle 52 drehfest verbindbar sein.
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An der Eingangswelle 60 ist ein Zahnrad 62 gelagert. An der Ausgangswelle 35, die sowohl die Ausgangswelle des zweiten Teilgetriebes 44 als auch die Ausgangswelle der Getriebeeinheit 10 bildet, ist ein Zahnrad 64 gelagert. Die Zahnräder 62 und 64 bilden einen Konstantenradsatz und verbinden die Eingangswelle 60 mit der Ausgangswelle 34 drehfest. In einer Ausführungsform der Getriebeeinheit 10 weist das zweite Teilgetriebe 44 eine Mehrzahl von Radpaaren auf, die unterschiedliche Übersetzungen aufweisen. Dabei sind vorzugsweise die Zahnräder, die an der Eingangswelle 60 gelagert sind, als Losräder ausgebildet, so dass durch selektives Verbinden der Zahnräder mit der Eingangswelle 60 unterschiedliche Gangstufen des zweiten Teilgetriebes 44 realisiert werden können. In einer besonderen Ausführungsform kann dabei das erste Teilgetriebe 42 durch einen Konstantenradsatz gebildet sein.
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Die in 3 dargestellte Getriebeeinheit 10 weist fünf unterschiedliche Gangstufen auf, die durch die Radpaare des ersten Teilgetriebes 42 realisierbar sind. Da der elektrische Antrieb 20 mit der Antriebswelle 32 drehfest verbindbar ist, treibt der elektrische Antrieb 20 auf der gleichen Antriebswelle 32 die Getriebeeinheit 10 an, wie der Radfahrer über die Tretkurbeln 16, 16. Dadurch, dass der elektrische Antrieb 20 vor der Getriebeeinheit 10 mit der Antriebswelle 32 verbunden ist, kann der elektrische Antrieb 20 unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit in einem schmalen Drehzahlbereich betrieben werden mit einer Drehzahl von ca. 70–100 U/min. Der elektrische Antrieb 20 kann somit immer nahe des optimalen Betriebspunktes betrieben werden, wodurch ein verbesserter Wirkungsgrad und eine kompakte Bauweise realisierbar sind. Die Motorwelle 22 des elektrischen Antriebs 20 ist in dieser Ausführungsform parallel zu den Getriebewellen 32, 34, 52, 60 angeordnet. Alternativ zu der parallel versetzten Anordnung des elektrischen Antriebs 20 kann der elektrische Antrieb 20 auch koaxial zu der Antriebswelle 32 angeordnet sein, insbesondere zwischen den Zahnrädern 46 bis 50, wobei die Antriebswelle 32 in dieser Ausführungsform die Motorwelle 22 bildet und somit den Läufer des elektrischen Antriebs 20.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das Zahnrad 24 direkt mit dem Zahnrad 38 kämmen. Alternativ kann das Zwischenrad 40 auch als Zugmittel bzw. als Kette ausgebildet sein. Um einen gewünschten Achsabstand zwischen der Motorachse 22 und der Getriebewelle zu erreichen, kann eine Radpaarung aus dem Zahnrad 24 und dem Zwischenrad 40 mit großem Teilkreisdurchmesser verwendet werden.
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In 4 ist eine alternative Ausführungsform der Antriebseinheit 30 dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei hier lediglich die Unterschiede erläutert sind.
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An der Antriebswelle 32 sind die Antriebsräder 45 bis 51 gelagert und an der Vorgelegewelle 52 sind die angetriebenen Räder 53 bis 59 gelagert. Die Antriebszahnräder 45 bis 51 bilden mit den angetriebenen Rädern 53 bis 59 Radpaare, die unterschiedliche Übersetzungen aufweisen. Die angetriebenen Räder 53 bis 59 sind als Losräder ausgebildet und mittels Schaltmitteln 61 mit der Vorgelegewelle 52 drehfest verbindbar. die Vorgelegewelle 52 ist als Hohlwelle ausgebildet, in der eine Nockenwelle 66 drehbar gelagert ist. Die Nockenwelle 66 weist unterschiedliche Nocken auf, mittels derer die Schaltmittel 61 der Losräder 53 bis 59 betätigbar sind, um die Losräder 53 bis 59 mit der Vorgelegewelle 52 selektiv drehfest zu verbinden. Die Nockenwelle 66 ist über ein Drehzahlüberlagerungsgetriebe 68 mit der Vorgelegewelle 52 verbunden. Das Drehzahlüberlagerungsgetriebe 68 ist koaxial zu der Vorgelegewelle 52 angeordnet. Das Drehzahlüberlagerungsgetriebe ist durch ein erstes Planetengetriebe 70 und ein zweites Planetengetriebe 72 gebildet. Das erste Planetengetriebe 70 weist eine Zugscheibe 74 auf, die mit einem Hohlrad des Planetengetriebes 70 verbunden ist. Das Drehzahlüberlagerungsgetriebe 68 ist dazu ausgebildet, die Nockenwelle 66 synchron zu der Vorgelegewelle 52 zu rotieren und eine Rotation der Zugscheibe 74 als eine Relativbewegung der Nockenwelle 66 zu der Vorgelegewelle 52 auf die Nockenwelle 66 zu übertragen. Dadurch können die Losräder 53 bis 59 durch die Relativbewegung der Nockenwelle 66 zu der Vorgelegewelle 52 mit der Vorgelegewelle 52 verbunden werden, wodurch selektiv unterschiedliche Gänge bzw. Übersetzungsverhältnisse realisierbar sind. Die Losräder 53 bis 59 sind mittels schaltbarer Freiläufe 61 in einer Antriebsrichtung mit der Vorgelegewelle 52 drehfest verbindbar.
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Das Zahnrad 24 ist über das Zwischenrad 40 mit dem angetriebenen Rad 59 drehfest verbunden. Dadurch kann die Rotation des elektrischen Antriebs 20 auf das angetriebene Rad 59 übertragen werden. Sofern das angetriebene Rad 59 nicht drehfest mit der Vorgelegewelle 52 verbunden ist, treibt das angetriebene Rad 59 das Antriebsrad 51 der Antriebswelle 32 an, so dass ein Moment von dem elektrischen Antrieb 20 auf die Antriebswelle 32 übertragen wird. Dadurch ist der elektrische Antrieb mit der Antriebswelle 32 verbunden und der Getriebeeinheit 10 vorgeschaltet. Eine elektrische Traktion kann somit auf die Antriebswelle 32 übertragen werden.
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Es versteht sich, dass das Zahnrad 24 auch direkt mit dem angetriebenen Rad 59 in Eingriff stehen kann. Es versteht sich, dass der elektrische Antrieb 20 koaxial zu der Antriebswelle 32 angeordnet sein kann. Die Antriebswelle 32 kann mit der Motorwelle 22 einstückig verbunden sein und den Läufer des elektrischen Antriebs 20 bilden. Der elektrische Antrieb 20 kann auch zwischen den Antriebsrädern 45 bis 51 angeordnet sein. Vorteil der in 4 dargestellten Ausführungsform ist es, dass das angetriebene Rad 59 und das Antriebsrad 51 sowohl zum Einleiten der elektrischen Traktion als auch als Radpaar des ersten Teilgetriebes dienen. Weiterhin überlagern sich die Momente des elektrischen Antriebs 20 und des Muskelantriebs durch die drehfeste Verbindung der Antriebswelle 32 mit der Motorwelle 22.
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Die schaltbaren Freiläufe 61 weisen vorzugsweise Schaltklinken auf, die in Innenverzahnungen der Losräder 53–59 greifen, um diese drehfest mit der Vorgelegewelle 52 zu verbinden. Die innen liegende Nockenwelle 66 bewegt die Schaltklinken nach innen, um sie außer Eingriff mit der Innenverzahnung zu bringen. Die Schaltklinken sind mittels einer Feder vorgespannt, die die Schaltklinken nach außen bewegt, um die Schaltklinken mit der Innenverzahnung in Eingriff zu bringen. Beim Schalten ist es bevorzugt, wenn die Schaltklinken von zwei aufeinander folgenden Gangstufen in einem Zwischenzustand gleichzeitig nach radial außen geschwenkt werden. Da die jeweils höhere Gangstufe ein kleineres Übersetzungsverhältnis aufweist, greifen die Schaltklinken des höheren Ganges in die Verzahnung ein und treiben die Vorgelegewelle mit einer Rotationsgeschwindigkeit an, die größer ist als die Rotationsgeschwindigkeit des Losrades des niedrigeren Ganges. Die Schaltklinke des niedrigeren Ganges wechselt dann in den Freilauf, so dass der höhere Gang sofort eingelegt ist. In einem weiteren Schritt wird die Schaltklinke des niedrigeren Ganges betätigt, also nach innen bewegt, um den höheren Gang vollständig einzulegen. Dadurch kann ein Lastschaltgetriebe realisiert werden, wodurch ein Leerlaufzustand vermieden werden und die Sicherheit des Fahrers erhöht werden kann.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Antriebseinheit 30, bei der der elektrische Antrieb 20 der Getriebeeinheit 10 vorgeschaltet ist. Es wird Bezug genommen auf die 3 und 4, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und hier lediglich die Unterschiede erläutert sind.
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Das erste Teilgetriebe 42 weist die Antriebsräder 45 bis 50 und die angetriebenen Räder 53 bis 58 auf, die Radpaare mit unterschiedlichen Übersetzungen bilden. Die angetriebenen Räder 53 bis 58 sind als Losräder ausgebildet und mittels der Schaltmittel 61 mit der Vorgelegewelle 52 verbindbar. Die Schaltmittel 61 sind mittels der in der Vorgelegewelle 52 angeordneten Nockenwelle 66 selektiv betätigbar. Die Nockenwelle 66 ist mit dem Drehzahlüberlagerungsgetriebe 68 verbunden, um synchron mit der Vorgelegewelle 52 zu rotieren und zum Umschalten von einer Gangstufe in eine andere relativ zu der Vorgelegewelle 52 rotiert zu werden.
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Das zweite Teilgetriebe 44 weist die Eingangswelle 60 auf, an der Antriebsräder 76, 78 gelagert sind. Die Antriebsräder 76, 78 kämmen mit angetriebenen Rädern 80, 82, die an der Ausgangswelle 34 gelagert sind. Die Antriebsräder 76, 78 sind als Losräder ausgebildet und mittels Schaltmitteln 79 mit der Eingangswelle 60 drehfest verbindbar. Die miteinander kämmenden Antriebsräder 76, 78 und angetriebenen Räder 80, 82 bilden Radpaare, die unterschiedliche Übersetzungen aufweisen. Die Schaltmittel 79, die die Antriebsräder 76, 78 mit der Eingangswelle 60 verbinden, sind selektiv durch eine in der Eingangswelle 60 drehbar gelagerte Nockenwelle 84 betätigbar. Durch das selektive Verbinden der Antriebsräder 76, 78 mit der Eingangswelle 60 werden unterschiedliche Gangstufen des zweiten Teilgetriebes 44 realisiert. Dadurch, dass das erste Teilgetriebe 42 und das zweite Teilgetriebe 44 hintereinander geschaltet sind, multiplizieren sich die Gangstufen der beiden Teilgetriebe 42, 44 zu einer Gesamtganganzahl der Getriebeeinheit 10. In diesem Falle sind zwölf Gangstufen realisiert.
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Die Nockenwelle 84 rotiert wie die Nockenwelle 66 synchron zu der Eingangswelle 60, um einen eingestellten Schaltzustand beizubehalten und wird relativ zu der Eingangswelle 60 rotiert, um den Schaltzustand des zweiten Teilgetriebes 44 zu wechseln. Die Nockenwelle 84 ist über einen Mitnehmer 86 mit der Nockenwelle 66 verbunden. Der Mitnehmer 86 überträgt eine Relativdrehung auf die Nockenwelle 84, wenn der höchste Gang des ersten Teilgetriebes 42 erreicht ist, um von dem in diesem Falle sechsten Gang in den folgenden siebten Gang zu schalten.
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Der Mitnehmer 86 rotiert in diesem Fall die Nockenwelle 84 so, dass von dem ersten Gang des zweiten Teilgetriebes 44 in den zweiten Gang geschaltet wird. Gleichzeitig wird durch Rotation der Nockenwelle 66 das erste Teilgetriebe 42 vom sechsten Gang in den ersten Gang geschaltet. Dadurch lassen sich beide Teilgetriebe 42, 44 durch Betätigen der Zugscheibe 74 des Drehzahlüberlagerungsgetriebes 68 schalten.
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Das Zahnrad 24 des elektrischen Antriebs 20 ist über das Zwischenrad 40 drehfest mit dem Antriebsrad 45 verbunden. Dadurch lässt sich eine elektrische Traktion über die Antriebswelle 32 in die Getriebeeinheit 10 einleiten. Vorteil dabei ist es, dass das Antriebsrad 45 sowohl Teil eines Radpaares des ersten Teilgetriebes 42 ist als auch zum Einleiten der elektrischen Traktion des elektrischen Antriebs 20 dient.
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Es versteht sind, dass der elektrische Antrieb auch koaxial zu der Antriebswelle 32 angeordnet sein kann, wobei vorzugsweise die Motorwelle 22 einstückig mit der Antriebswelle 32 ausgebildet ist und den Läufer des elektrischen Antriebs 20 bildet.
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Im Allgemeinen muss beim Einleiten der elektrischen Traktion über die Eingangswelle beim Herunterschalten unter Last der elektrische Antrieb unterbrochen werden, um das Schaltverhalten zu verbessern.
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In 6 ist die Antriebseinheit 30 dargestellt, bei der die elektrische Traktion des elektrischen Antriebs 20 über die Ausgangswelle 34 in die Getriebeeinheit 10 eingeleitet wird. Die Getriebeeinheit 10 in 6 ist identisch mit der in 5 dargestellten Getriebeeinheit 10. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Unterschiede dargestellt sind.
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Das Zahnrad 24 ist über das Zwischenrad 40 drehfest mit dem angetriebenen Rad 78 verbunden. Dadurch ist über das Zwischenrad 40 und das Radpaar, das durch das Antriebsrad 78 und das angetriebene Rad 82 gebildet ist, eine drehfeste Verbindung zwischen dem elektrischen Antrieb 20 und der Ausgangswelle 34 gebildet. Das Antriebsrad 78 ist über einen schaltbaren Freilauf 79 mit der Eingangswelle 60 verbindbar, so dass das Antriebsrad 78 auf der Eingangswelle 60 gleitet, sofern die Rotation der Eingangswelle 60 größer ist als die des Antriebsrades 78.
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Die elektrische Traktion über die Ausgangswelle 34 einzuleiten, ist vorteilhaft, da die Getriebeeinheit 10 lediglich die Muskelkraft des Fahrers übertragen muss, wodurch die Dimensionierung des Getriebes in Bezug auf Haltbarkeit und Gewicht reduziert werden kann. Weiterhin ist ein Rekuperationsbetrieb problemlos möglich, da der elektrische Antrieb 20 mit der Ausgangswelle 34 verbunden ist und die Rotation der Ausgangswelle 34 nicht durch die Getriebeeinheit übersetzt wird. Voraussetzung für den Rekuperationsbetrieb ist es jedoch, dass das Kettenblatt 36 drehfest mit der Ausgangswelle 34 verbunden ist. Weiterhin ist es notwendig, dass im Hinterrad kein Freilauf realisiert ist, also dass das Hinterrad mit einem Starrgang ausgebildet ist.
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Weiterhin ist das Schaltverhalten der Getriebeeinheit 10 in diesem Fall verbessert, da die Motorkraft im Kraftfluss nach den schaltbaren Freiläufen 61, 79 eingeleitet wird und somit ohne Leistungsreduktion des Motors geschaltet werden kann.
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In 6 ist der elektrische Antrieb 20 parallel zu den Getriebewellen angeordnet. Der elektrische Antrieb 20 kann in einer besonderen Ausführungsform auch koaxial zu der Ausgangswelle 34 angeordnet sein. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Motorwelle 22 einen Teil der Ausgangswelle 34 bildet und insbesondere einstückig mit dieser ausgebildet ist.
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In 7 ist eine weitere Ausführungsform der Antriebseinheit 30 dargestellt. Die Getriebeeinheit 10 entspricht im Wesentlichen der Getriebeeinheit 10, die in 6 dargestellt ist. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei lediglich die Unterschiede erläutert sind.
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Das Zwischenrad 40 kämmt mit einem Losrad 88, das mittels eines Lagers 90 an der Eingangswelle 60 gelagert ist. Das Losrad 88 ist über eine Kupplung 92 mit dem Antriebsrad 78 verbindbar. Die Kupplung 92 kann als Freilaufkupplung oder als schaltbare Kupplung ausgebildet sein, die in einer oder in beiden Drehrichtungen das Losrad 88 mit dem Antriebsrad 78 drehfest verbindet. Dadurch kann wie bei der Ausführungsform gemäß 6 die Traktion des elektrischen Antriebs 20 über das Antriebsrad 78 und das angetriebene Rad 82 auf die Ausgangswelle 34 übertragen werden. Vorteil bei dieser Ausführungsform ist es, dass das Zwischenrad 40 und das Zahnrad 24 von der Getriebeeinheit 18 abkoppelbar sind, so dass diese Zahnräder im reinen Muskelbetrieb nicht permanent mitrotieren. Bei dieser Ausführungsform kann weiterhin auf eine separate Kupplung am bzw. im elektrischen Antrieb 20 verzichtet werden. Die Kupplung 92 kann bspw. über die Nockenwelle 84 in der Welle 60 betätigt werden.
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Im Allgemeinen ist es bei diesem Konzept nachteilig, dass der elektrische Antrieb 20 nicht in einem engen Drehzahlbereich betrieben werde kann, sondern den gesamte Drehzahlbereich abdecken muss.
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Die Kupplung 92 kann im Allgemeinen als schaltbare Kupplung oder schaltbarer Freilauf, insbesondere als Klemmkörperfreilauf, als axiale Freilaufkupplung mit stirnseitiger Verzahnung, als Klinkenfreilauf oder als schaltbare Reibschlusskupplung ausgebildet sein.
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In 8 ist die Antriebseinheit 30 dargestellt, bei der die elektrische Traktion über die Vorgelegewelle 52 bzw. die Eingangswelle 60 des zweiten Teilgetriebes 44 eingeleitet wird. Die Getriebeeinheit 10 entspricht im Wesentlichen der Getriebeeinheit aus 5 und 6. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Unterschiede dargestellt sind.
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An der Eingangswelle 60 des zweiten Teilgetriebes 44 ist ein Freilaufrad 94 gelagert. Das Freilaufrad 94 blockiert in einer Antriebsrichtung des elektrischen Antriebs 20 mit der Eingangswelle 60 und gleitet auf der Eingangswelle 60 in einer entgegengesetzten Drehrichtung. Dadurch wird die elektrische Traktion des elektrischen Antriebs 20 von dem Zahnrad 24 über das Zwischenrad 40 und das Freilaufrad 94 auf die Vorgelegewelle 52 bzw. die Eingangswelle 60 übertragen. Sofern die Eingangswelle 60 schneller rotiert als das Freilaufrad 94, gleitet das Freilaufrad 94 auf der Eingangswelle 60 bzw. gleitet die Eingangswelle 60 unter dem Freilaufrad 94 durch. Der elektrische Antrieb 20 ist somit den Freiläufen 61 des ersten Teilgetriebes 42 nachgeschaltet und den Freiläufen 79 des zweiten Teilgetriebes 44 vorgeschaltet. Dadurch wird vorteilhafterweise die Antriebskraft des elektrischen Antriebs 20 nicht durch das erste Teilgetriebe 42 übertragen, sondern lediglich durch das zweite Teilgetriebe 44, wodurch das erste Teilgetriebe 42 entsprechend geringer dimensioniert werden kann. Dadurch, dass der elektrische Antrieb 20 dem zweiten Teilgetriebe 44 vorgeschaltet ist, kann der Drehzahlbereich des elektrischen Antriebs 20 entsprechend schmaler dimensioniert sein, wodurch die Bauform des elektrischen Antriebs 20 kleiner und leichter dimensioniert sein kann. Im Allgemeinen ist es dabei bevorzugt, wenn die Traktion des elektrischen Antriebs 20 auf die Vorgelegewelle 52 bzw. die Eingangswelle 60 in axialer Richtung möglichst nahe an dem zweiten Teilgetriebe 44 eingeleitet wird. Es ist besonders bevorzugt, wenn die Traktion des elektrischen Antriebs auf die Eingangswelle 60 an einem axialen Ende der Eingangswelle 60, und zwar auf einer der Vorgelegewelle 52 gegenüberliegenden Seite, eingeleitet wird. Dadurch wird die Torsionsbelastung der Vorgelegewelle 52 bzw. der Eingangswelle 60 reduziert, was zu einer längeren Lebensdauer der Welle führt.
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Bei der Rekuperation wird beim Bremsen des Fahrzeugs Energie zurück gewonnen, die zum Laden des Akkumulators 21 oder einer Batterie genutzt werden kann, um die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen. Dazu kann ein separater Generator in das System integriert werden, der in der Antriebseinheit 30 verbaut ist oder als externe Komponente an dem Fahrzeug angeordnet ist und separat vergleichbar mit einem Dynamo zugeschaltet werden kann. Es besteht grundsätzlich die Möglichkeit, den elektrischen Antrieb 20 in den Bremsphasen des Fahrzeugs als Generator zu nutzen. Dies ist jedoch lediglich dann möglich, wenn der elektrische Antrieb 20 nach den Freiläufen des zweiten Teilgetriebes 44 angekoppelt ist, da diese ein Mitdrehen des elektrischen Antriebs 20 während der Roll- bzw. Bremsphasen nicht zulassen, sondern in den Freilauf wechseln. Eine derartige Rekuperation mittels des elektrischen Antriebs 20 ist somit möglich, wenn die Motorwelle 22 mit der Ausgangswelle 34 drehfest verbunden ist oder wenn die Motorwelle 22 mit der Eingangswelle 60 bzw. der Vorgelegewelle 52 drehfest verbindbar ist und das zweite Teilgetriebe 44 als Konstantenradsatz ausgebildet ist. Weiter ist es notwendig für den Rekuperationsbetrieb, dass die Ausgangswelle 34 im Ausrollen oder beim Bremsen angetrieben wird, d. h. das Fahrrad muss eine starre bzw. schaltbare Hinterradnabe aufweisen, so dass die Kette bzw. die Ausgangswelle 34 im Schubbetrieb mitläuft.
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Wie oben beschrieben, ist zwischen dem elektrischen Antrieb 20 und der Getriebeeinheit 10 vorzugsweise die Kupplung 28 angeordnet, damit das Fahrzeug mit reinem Muskelkraftantrieb angetrieben werden kann, ohne dass der Motor mitdreht. Im Falle der Rekuperation muss die Kupplung 28 das Drehmoment, also das Bremsmoment, in die entgegengesetzte Drehrichtung übertragen, so dass eine einfache Freilaufkupplung für den Rekuperationsbetrieb ungeeignet ist. In einer Variante der Antriebseinheit 30 ist daher die Kupplung 28 als schaltbare Kupplung ausgebildet, die während der Antriebs bzw. Bremsphase des Motors eingeschaltet bzw. drehfest verbunden ist und in den Phasen des Muskelkraftbetriebs geöffnet ist.
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Bei dem Freilaufrad 94 gemäß 8 ist demnach eine Rekuperation ohne weitere Maßnahmen nicht möglich.
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In 9 ist eine Ausführungsform der Antriebseinheit 30 mit schaltbarem Freilaufrad schematisch dargestellt. Die Getriebeeinheit 10 ist im Wesentlichen identisch mit der Getriebeeinheit 10 aus 8. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Unterschiede erläutert sind.
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An der Eingangswelle 60 ist anstelle des Freilaufrads 94 ein Schaltrad 96 gelagert. Das Schaltrad 96 ist als Losrad ausgebildet und mittels Sperrklinken 99 mit der Eingangswelle 60 drehfest verbindbar. Die Sperrklinken 99 sind derart ausgebildet, dass sie das Schaltrad 96 in einer Richtung mit der Eingangswelle 60 drehfest verbinden und in einer entgegengesetzten Richtung in den Freilauf schalten. Das Schaltrad 96 weist die Sperrklinken 99 auf, die in Antriebsrichtung das Schaltrad 96 mit der Eingangswelle 60 drehfest verbinden, und weitere Sperrklinken 101, die das Schaltrad 96 in der entgegengesetzten Drehrichtung mit der Eingangswelle 60 drehfest verbinden. Die Sperrklinken 99, 101 sind durch eine Nockenwelle 98 selektiv betätigbar. Die Nockenwelle 98 ist mit einem Drehzahlüberlagerungsgetriebe 100 verbunden, das dazu ausgebildet ist, die Nockenwelle 98 synchron zu der Eingangswelle 60 zu rotieren und auf eine Betätigung des Drehzahlüberlagerungsgetriebes 100 relativ zu der Eingangswelle 60 zu rotieren. Durch die relative Rotation der Nockenwelle 98 werden die Sperrklinken 99, 101 selektiv betätigt, so dass die entsprechende Sperrrichtung des Schaltrads 96 gewechselt werden kann. Dadurch können entweder die in der ersten Richtung oder die in der entgegengesetzten Richtung angeordneten Schaltklinken 99, 101 geschaltet werden. So kann zwischen einem Antriebsbetrieb, bei dem Traktion von dem elektrischen Antrieb 20 in die Getriebeeinheit 10 eingeleitet wird, in einen Rekuperationsbetrieb umgeschaltet werden, bei dem im Schubbetrieb Drehmoment auf den elektrischen Antrieb 20 übertragen und entsprechend in elektrische Energie umgewandelt wird. Alternativ wird lediglich die Schaltklinke 101 zur Rekuperation durch die Nockenwelle 98 betätigt, wobei die Schaltklinke 99 immer ausgeschwenkt bleibt und im Antriebsbetrieb die Eingangswelle 60 mit dem Schaltrad 96 drehfest verbindet und im Rekuperationsbetrieb in den Freilauf schaltet.
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Das Drehzahlüberlagerungsgetriebe 100 ist baugleich mit dem Drehzahlüberlagerungsgetriebe 68. Das Drehzahlüberlagerungsgetriebe 100 weist ein erstes Planetengetriebe 102 auf, dessen Sonnenrad mit der Nockenwelle 98 verbunden ist und dessen Hohlrad mit einer Zugscheibe 104 verbunden ist. Der Planetenträger des Planetengetriebes 102 ist mit einem Planetenträger eines zweiten Planetengetriebes 106 verbunden, dessen Sonnenrad mit der Eingangswelle 60 verbunden ist und dessen Hohlrad gehäusefest gelagert ist.
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Durch Rotation der Zugscheibe 104 wird die Nockenwelle 98 relativ zu der Eingangswelle 60 rotiert, so dass die Sperrklinken 99, 101 des Schaltrades 96 umgeschaltet werden. Dadurch ist die Sperrrichtung des Schaltrades 96 umkehrbar, wodurch vom elektrischen Antrieb in den Rekuperationsbetrieb umgeschaltet werden kann. Die Zugscheibe 104 wird vorzugsweise mittels eines Bowdenzuges betätigt. Die Zugscheibe 104 ist in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Bowdenzug der Bremsanlage des Fahrzeugs verbunden, so dass die Antriebseinheit 30 bei jedem Bremsvorgang in den Rekuperatonsbetrieb umgeschaltet wird.
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Das Drehzahlüberlagerungsgetriebe 100 kann in einer alternativen Ausführungsform mit einem Aktuator verbunden sein, der in einen Regelkreis des Fahrzeugs eingebunden ist. Dabei kann der Aktuator als Elektromotor ausgebildet sein, der mit der außenverzahnten Zugscheibe 104 verbunden ist. So kann automatisch zwischen Fahrbetrieb und Rekuperationsbetrieb umgeschaltet werden. Der Regelkreis des Fahrzeugs erkennt dabei vorzugsweise automatisch, ob sich das Fahrzeug im Schubbetrieb befindet. Das Drehzahlüberlagerungsgetriebe 100 kann auch durch einen entsprechenden Aktuator ersetzt werden, der sowohl mit der Eingangswelle 60 als auch mit der Nockenwelle 98 verbunden ist.
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In einer alternativen Ausführungsform kann das Schaltrad 96 in identischer Form an der Ausgangswelle 34 gelagert sein.
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Bei Einleiten der elektrischen Traktion über die Vorgelegewelle 52 oder die Eingangswelle 60 des zweiten Teilgetriebes 44 wird zum Schalten des zweiten Teilgetriebes 44 der elektrische Antrieb unterbrochen.
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In 10 ist eine alternative Ausführungsform der Antriebseinheit 30 aus 8 und 9 schematisch dargestellt, bei der die Motorwelle 22 des elektrischen Antriebs 20 orthogonal zu den Getriebewellen angeordnet ist. Die Getriebeeinheit 10 ist dabei im Wesentlichen identisch mit der Getriebeeinheit aus 8 und 9. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Unterschiede erläutert sind.
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Anstelle des Freilaufrades 94 ist bei der Antriebseinheit 30 in 10 ein Kronenrad 108 mit der Eingangswelle 60 verbunden. Das Kronenrad 108 ist mit dem Zwischenrad 40 drehfest verbunden, das um eine Achse orthogonal zu den Getriebewellen rotiert. Das Zwischenrad 40 ist mit dem Zahnrad 24 des elektrischen Antriebs 20 verbunden, wobei die Motorwelle 22 orthogonal zu den Getriebewellen ausgerichtet ist. Durch die orthogonale Anordnung der Motorwelle 22 kann der elektrische Antrieb 20 in einem Rohr des Rahmens 12 eingebaut werden, wodurch der elektrische Antrieb 20 platzsparend in dem Rahmen 12 eingebaut werden kann. Das Kronenrad 108 kann drehfest mit der Eingangswelle 60 verbunden sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kronenrad 108 mittels einer Freilaufkupplung mit der Eingangswelle 60 verbindbar. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Kronenrad 108 als Schaltrad ausgebildet und selektiv in beide Drehrichtungen mit der Eingangswelle 60 verbindbar, wie es in Bezug auf das Schaltrad 96 zu 9 im Detail beschrieben ist.
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In 11 ist eine weitere Ausführungsform der Antriebseinheit 30 schematisch dargestellt, bei der die Motorwelle 22 orthogonal zu den Getriebewellen ausgerichtet ist und die elektrische Traktion über die Ausgangswelle 34 in die Getriebeeinheit 10 eingeleitet wird. Die Getriebeeinheit 10 ist im Wesentlichen identisch mit der in 6 dargestellten Getriebeeinheit 30. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Unterschiede erläutert sind.
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Das Antriebsrad 76 des zweiten Teilgetriebes 44 ist über eine Kegelradpaarung 110 mit der Motorwelle 22 drehfest verbunden. Die Kegelradpaarung 110 weist ein Kegelrad 112 auf, das drehfest mit der Motorwelle 22 verbunden ist, und einen Kegelradabschnitt 114, der drehfest mit dem Antriebsrad 76 verbunden ist. Durch die Kegelradpaarung 110 ist das Antriebsrad 76 mit der Motorwelle 22 verbunden, die orthogonal zu den Getriebewellen angeordnet ist. Dadurch kann wie bei der Ausführungsform aus 10 der elektrische Antrieb 20 in einem Rohr des Rahmens 12, z. B. im Unterrohr oder im Sattelrohr, verbaut werden.
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Zusätzlich zu der kompakten Bauform des Fahrrades ist der elektrische Antrieb 20 bei der Unterbringung in einem Rahmenrohr vor Stößen und Witterungseinflüssen geschützt und das Erscheinungsbild des Fahrrades wird kompakter und sportlicher, da der elektrische Antrieb 20 von außen nicht sichtbar ist.
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In 12 ist das Antriebsrad 78 in einer schematischen Schnittansicht in axialer Blickrichtung mit den Sperrklinken 99, 101 gezeigt.
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Das Antriebsrad 78 weist eine Innenverzahnung 116 auf, in die die Sperrklinken 99, 101 eingreifen können, um das Antriebsrad 78 mit der Eingangswelle 60 in der entsprechenden Drehrichtung drehfest zu verbinden. Dabei ist die Sperrklinke 99 so ausgerichtet, dass sie das Antriebsrad 78 in Antriebsrichtung der elektrischen Maschine 20 drehfest mit der Eingangswelle 60 verbindet. Die Sperrklinke 101 ist so ausgerichtet, dass sie das Antriebsrad in der entgegengesetzten Richtung, der Rekuperationsrichtung, drehfest mit der Eingangswelle 60 verbindet. Die Sperrklinke 101 ist an der Eingangswelle 60 schwenkbar gelagert und weist einen inneren Abschnitt 118 und einen äußeren Abschnitt 120 auf. Der innere Abschnitt 118 ist von der Nockenwelle 98 derart betätigbar, dass der in die Innenverzahnung 116 eingreifende äußere Anschnitt 120 nach innen geschwenkt wird, um die Sperrklinke 101 außer Eingriff der Innenverzahnung 116 zu bringen. Um die Sperrklinke 101 mit der Innenverzahnung 116 in Eingriff zu bringen weist die Nockenwelle 98 eine Ausnehmung 122 auf, in die der innere Abschnitt 118 der federnd vorgespannten Sperrklinke 101 nach innen einschwenkt. Dadurch schwenkt der äußere Abschnitt 120 nach außen und greift in die Innenverzahnung 116, wodurch die Eingangswelle 60 mit dem Antriebsrad 78 in Rekuperationsrichtung drehfest verbunden wird. Die Sperrklinke 99 für die Antriebsrichtung wird in dieser Ausführungsform durch die Nockenwelle 98 nicht betätigt und läuft im Rekuperationsbetrieb im Freilauf mit und verbindet das Antriebsrad 78 mit der Eingangswelle 60 in Antriebsrichtung drehfest. Alternativ können die Sperrklinken 99, 101 abwechselnd von der Nockenwelle 98 betätigt werden, sodass entweder die Sperrklinke 99 oder die Sperrklinke 101 ausgeschwenkt ist.
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Durch die in 12 dargestellten Sperrklinken 99, 101 ist durch Rotation der Nockenwelle 98 ein Umschalten in den Rekuperationsbetrieb möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008064514 A1 [0004]
