DE102011089559A1

DE102011089559A1 - Kurbeltrieb für ein Fahrrad

Info

Publication number: DE102011089559A1
Application number: DE102011089559A
Authority: DE
Inventors: Martin-Peter Bolz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-06-27
Also published as: CN103171732A; CN103171732B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb (1) für ein Fahrrad (2), umfassend eine Tretwelle (9) zum Anbringen von zwei Tretkurbeln (3) an die freien Enden (10, 11) der Tretwelle (9), ein Abtriebsrad (4) zur Kraftübertragung auf ein Rad (5) des Fahrrades (2), ein Planengetriebe (12) mit einem Sonnenrad (13), einem Hohlrad (14), zumindest einem Planetenrad (15) und einem Planetenträger (16), wobei der Planetenträger (16) rotationsfest auf der Tretwelle (9) fixiert ist, und einen am Hohlrad (14) angeordneten Sensor (19) zur Ermittlung des Abstützmomentes des Hohlrades (14).

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb für ein Fahrrad sowie ein Fahrrad mit diesem Kurbeltrieb und ein Steuergerät für ein Elektrofahrrad. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kurbeltrieb für Fahrräder mit elektrischem Hilfsantrieb.
Bei Fahrrädern ist es teilweise wünschenswert, das direkt vom Fahrer an den Pedalen erzeugte Moment zu messen. Insbesondere bei Fahrrädern mit elektrischem Hilfsantrieb kann der Fahrerwunsch nach Vortrieb direkt aus dem vom Fahrer an den Pedalen erzeugten Moment abgeleitet werden. Heute üblich sind hierfür Drehmomentensensoren direkt an der Tretwelle. Diese sind aufwändig und teuer. Bekannt sind auch Getriebe, die die Reaktionskraft in einer Vorgelegewelle, die einen Teil eines Getriebes zwischen Tretwelle und Abtriebskettenblatt bildet, ermitteln. Solch ein Getriebe führt dazu, dass das Kettenblatt nicht mehr mit der Drehzahl des Fahrrads rotiert. Die höhere Drehzahl des Kettenblattes wird durch ein kleineres Kettenblatt einfach kompensiert, so dass an der Kette die gleiche Zugkraft und die gleiche Geschwindigkeit wie ohne das Getriebe herrschen.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Kurbeltrieb für ein Fahrrad gemäß Anspruch 1 weist ein hochbelastbares und robustes Getriebe zwischen Tretwelle und Abtriebsrad, insbesondere Abtriebskettenrad, auf. Das vom Fahrer eingeleitete Drehmoment kann sehr genau und einfach gemessen werden. Durch den verwendeten Planetensatz lässt sich ein hohes Moment einfach übertragen. Die hohen Momente verteilen sich bevorzugt auf mehrere Planeten. Dabei sind in der z.B. Übersetzungen von größer 0 und kleiner 0,5 gut realisierbar. Durch den konzentrischen Aufbau des Planetengetriebes ist der Platzbedarf gering und da sowohl das Kraftübertragungsrad, welches vom Elektromotor angetrieben wird, als auch das Hohlrad des Planetengetriebes nur soweit über die Tretwelle aufbauen, wie es bei anderen Fahrrädern auch die Kettenblätter tun, lässt sich Kurbeltrieb gut in den Rahmen eines Fahrrads einfügen. Der erfindungsgemäße Kurbeltrieb für ein Fahrrad umfasst eine Tretwelle zum Anbringen von zwei Tretkurbeln an die freien Enden der Tretwelle und ein Abtriebsrad zur Kraftübertragung auf ein Rad, insbesondere Hinterrad, des Fahrrades. Des Weiteren umfasst der Kurbeltrieb ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem Hohlrad, zumindest einem Planetenrad und einem Planetenträger, wobei der Planetenträger rotationsfest auf der Tretwelle fixiert ist. Besonders bevorzugt kommen drei oder vier Planeten zum Einsatz. Ferner umfasst der erfindungsgemäße Kurbeltrieb einen am Hohlrad angeordneten Sensor zur Ermittlung des Abstützmomentes des Hohlrades. Erfindungsgemäße wird das vom Fahrer eingeleitete Moment hier als Abstützmoment des Hohlrades gemessen. Insbesondere wird über eine Standübersetzung eine Verstärkung des vom Fahrer eingeleiteten Moments erreicht, wodurch auch bei niedrigen Momenten eine hohe Auflösung am Sensor erreicht wird. Erfindungsgemäß muss somit nicht mehr das Moment direkt an der Tretwelle des Fahrrades gemessen werden und die Messsignale müssen nicht mehr aus der drehenden Tretwelle ausgekoppelt werden. Erfindungsgemäß wird das vom Fahrer eingeleitete Moment, das im Missbrauchsfall mehrere 100 Nm betragen kann, über das Planetengetriebe geleitet. Somit erfolgt keine Überbeanspruchung von Stirnradstufen wie in herkömmlichen Kurbeltrieben.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass die Bewegung des Hohlrades in Umfangsrichtung lediglich über den Sensor abgestützt ist. Der Sensor umfasst insbesondere einen Taster. Dieser Taster ist mit einem Ende mit dem Sensor verbunden und mit dem anderen Ende mit dem Hohlrad. Der Taster kann auch als Messbolzen bezeichnet werden. Bevorzugt ist das Hohlrad über zumindest ein elastisches Element in einem Gehäuse des Kurbeltriebs gelagert. Darüber hinaus ist bevorzugt das Hohlrad in einer Nut dieses Gehäuses eingesetzt.
Alternativ zu der Lagerung über die elastischen Elemente kann auch das Hohlrad lose in der Nut des Gehäuses gelagert sein. Besonders bevorzugt ist dann zwischen dem Gehäuse und der Außenfläche des Hohlrades ein dünner Schmierfilm vorgesehen.
Der Sensor ist bevorzugt als Kraftsensor ausgebildet. Es ist ausreichend, wenn das Hohlrad um wenige Winkelgrad drehbeweglich im Gehäuse geführt ist, so dass die zu messende Kraft über den Taster an den Sensor weitergegeben werden kann. Anhand der gemessenen Kraft am Hohlrad wird das Abstützmoment am Hohlrad und das vom Fahrer in die Tretwelle eingeleitete Moment berechnet.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass der Kurbeltrieb eine Hohlwelle umfasst. An dieser Hohlwelle ist das Abtriebsrad rotationsfest fixiert. Die Kraftübertragung von der Tretwelle auf die Hohlwelle erfolgt über das Sonnenrad. Hierzu ist das Sonnenrad koaxial zur Hohlwelle angeordnet und rotationsfest mit der Hohlwelle verbunden.
Bevorzugt umfasst der Kurbeltrieb einen Elektromotor zur Unterstützung des Antriebs des Fahrrades. Das Drehmoment des Elektromotors wird auf die Hohlwelle eingeleitet. Hierzu ist auf der Hohlwelle insbesondere ein Kraftübertragungsrad angeordnet. Das Drehmoment des Elektromotors wird auf dieses Kraftübertragungsrad eingeleitet. Insbesondere ist das Kraftübertragungsrad als Zahnrad ausgebildet. Somit wird das vom Fahrer erzeugte Drehmoment über die Tretwelle auf den Planetenträger übertragen. Der Planetenträger treibt die Planeten an. Die Planeten wiederum bewirken ein Abstützmoment im Hohlrad. Dieses Abstützmoment wird über den Sensor gemessen. Gleichzeitig bewegen die Planeten das Sonnenrad. Das Sonnenrad ist mit der Hohlwelle verbunden. Auf der Hohlwelle befindet sich das Abtriebsrad, so dass über das Abtriebsrad das Moment auf das Hinterrad des Fahrrads übertragen werden kann. An der Hohlwelle addiert sich das vom Elektromotor eingeleitete Drehmoment zu dem vom Fahrer erzeugten Drehmoment.
Für eine kompakte Bauweise des Kurbeltriebs ist die Tretwelle insbesondere in der Hohlwelle gelagert. Das Kraftübertragungsrad befindet sich bevorzugt zwischen dem Abtriebsrad und dem Planetengetriebe.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Fahrrad mit dem soeben beschriebenen Kurbeltrieb und zwei an den freien Enden der Tretwelle fixierten Tretkurbeln bzw. Pedalen. Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs beschriebenen Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das erfindungsgemäße Fahrrad.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein Steuergerät für ein Elektrofahrrad vorgesehen. Das Steuergerät ist zum Auswerten der Signale des oben beschriebenen Sensors und zum Ansteuern des oben beschriebenen Elektromotors ausgebildet. Anhand der Messwerte des Sensors wird mit dem Steuergerät das vom Fahrer eingeleitete Drehmoment bestimmt. Die unterstützende Kraft des Elektromotors wird basierend auf dem vom Fahrer eingeleiteten Drehmoment gesteuert bzw. geregelt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigt:
1 ein Fahrrad mit dem erfindungsgemäßen Kurbeltrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 den detaillierten Aufbau des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
3 eine Detailansicht eines Hohlrades mit Kraftsensor des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs gemäß dem Ausführungsbeispiel.
Ausführungsform der Erfindung
Im Folgenden wird anhand der 1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs 1 genauer erläutert.
1 zeigt ein Fahrrad 2 mit dem Kurbeltrieb 1. An dem Kurbeltrieb 1 befindet sich ein Abtriebsrad 4, ausgebildet als Kettenrad. Über dieses Abtriebsrad 4 wird mittels einer Kette ein Drehmoment auf ein Hinterrad 5 des Fahrrades 2 übertragen. An dem Kurbeltrieb 1 ist beidseitig jeweils eine Tretkurbel 3 montiert.
Über diese Tretkurbeln 3 kann der Fahrer Drehmoment in den Kurbeltrieb 1 einleiten. Zur Unterstützung des Fahrers umfasst der Kurbeltrieb 1 einen Elektromotor 6. Am Rahmen des Fahrrades 2 ist eine Batterie 7 befestigt. Diese Batterie 7 speist den Elektromotor 6 bzw. kann der Elektromotor 6 auch als Generator betrieben werden und so die Batterie 7 speisen. Des Weiteren befindet sich an dem Fahrrad 2 eine Steuer- und Auswerteeinheit 8. Am Lenker des Fahrrades 2 befindet sich eine Handsteuerung 9, an der der Fahrer den Elektromotor 6 zuschalten und regulieren kann.
Anhand der 2 wird der Aufbau des Kurbeltriebs 1 genauer erläutert. Der Kurbeltrieb 1 umfasst eine Tretwelle 9 mit einem ersten freien Ende 10 und einem zweiten freien Ende 11. An die beiden freien Enden 10, 11 werden die Tretkurbeln 3 montiert.
Ferner umfasst der Kurbeltrieb 1 ein Planetengetriebe 12. Das Planetengetriebe 12 setzt sich zusammen aus einem Sonnenrad 13, ausgebildet als Hohlsonnenrad, einem Hohlrad 14, vier Planetenrädern 15 und einem Planetenträger 16. Der Planetenträger 16 ist rotationsfest auf der Tretwelle 9 montiert. An dem Planetenträger 16 befinden sich mehrere Planetenwellen 18. Auf den Planetenwellen 18 stecken die einzelnen Planetenräder 15. Die Planetenräder 15 stehen in Eingriff mit dem Hohlrad 14 und mit dem Sonnenrad 13. Das Hohlrad 14 ist in einem Gehäuse 22 des Kurbeltriebs 1 geführt. Hierzu weist das Gehäuse 22 eine umlaufende Nut 23 auf. In dieser Nut 23 wird das Hohlrad 14 mittels vier um den Umfang des Hohlrades 14 verteilten elastischen Elementen 21 gehalten.
Des Weiteren ist in dem Gehäuse 22 ein Sensor 19 montiert. Der Sensor 19 umfasst einen Taster 20. Der Taster 20 ist mit einem Ende mit dem Hohlrad 14 verbunden. Das auf das Hohlrad 14 wirkende Moment wird über diesen Taster 20 am Sensor 19 abgestützt. Der Sensor 19 ist als Kraftsensor ausgebildet und kann somit die in Umfangsrichtung auf das Hohlrad 14 wirkende Kraft messen. Basierend auf dieser gemessenen Kraft wird das Moment am Hohlrad 14 und somit das über die Tretwelle 9 vom Fahrer eingeleitete Drehmoment ermittelt. Diese Auswertung erfolgt in der Steuer- und Auswerteeinheit 8.
Des Weiteren umfasst der Kurbeltrieb 1 eine Hohlwelle 24. Die Tretwelle 9 steckt in dieser Hohlwelle 24 und ist zum Teil gegenüber dieser Hohlwelle 24 gelagert. Das Sonnenrad 13 ist koaxial mit der Hohlwelle 24 angeordnet und fest mit der Hohlwelle 24 verbunden. Die Planetenräder 15 stehen im Eingriff mit dem Sonnenrad 13, wodurch das über die Tretwelle 9 eingeleitete Drehmoment über den Planetenträger 16 und die Planetenräder 15 auf das Sonnenrad 13 und somit auf die Hohlwelle 24 übertragen wird. Die Tretwelle 9 ist mit einem ersten Wälzlager 25 gegenüber dem Gehäuse 22 gelagert. Ein zweites Wälzlager 26 dient zur Lagerung der Tretwelle 9 gegenüber der Hohlwelle 24. Ein drittes Wälzlager 27 dient zur Lagerung der Hohlwelle 24 gegenüber dem Gehäuse 22. Mit einem vierten Lager 28, ausgebildet als Nadellager, ist die Tretwelle 9 gegenüber der Hohlwelle 24 gelagert.
Das Planetengetriebe 12 befindet sich auf einer Seite der Tretwelle 9 bzw. des Kurbeltriebs 1. Auf der anderen Seite des Kurbeltriebs 1 ist das Abtriebsrad 4 rotationsfest auf der Hohlwelle 24 fixiert. Zwischen dem Abtriebsrad 4 und dem Planetengetriebe 12 befindet sich im Gehäuse 22 ein Kraftübertragungsrad 34 auf der Hohlwelle 24. Das Kraftübertragungsrad 34 ist als Zahnrad ausgebildet und ist gegenüber der Hohlwelle 24 mit einem fünften Wälzlager 35 gelagert. Des Weiteren befindet sich zwischen dem Kraftübertragungsrad 34 und der Hohlwelle 24 ein Freilauf 36, so dass in einer Drehrichtung das Moment von dem Kraftübertragungsrad 34 auf die Hohlwelle 24 übertragen werden kann.
Ferner umfasst der Kurbeltrieb 1 einen Elektromotor 29 zur Unterstützung des Antriebes des Fahrrades 2. Der Elektromotor 29 umfasst einen Stator 30 und einen Rotor 31. Am einen Ende einer Ankerwelle 32 des Elektromotors 29 befindet sich ein Ritzel 33. Dieses Ritzel 33 steht im Eingriff mit der Verzahnung des Kraftübertragungsrades 34. Alternativ können sich zwischen dem Ritzel 33 auf der Ankerwelle 32 und dem Kraftübertragungsrad 34 noch weitere Getriebestufen befinden.
Auf der Hohlwelle 24 werden das vom Fahrer eingeleitete Drehmoment und das vom Elektromotor 29 erzeugte Drehmoment addiert. Das Gesamtdrehmoment dient sodann zum Antrieb des Abtriebsrades 4 und zum Antrieb des Fahrrades 2.
3 zeigt im Detail das Hohlrad 14 des Planetengetriebes 12 mit dem Sensor 19 und den elastischen Elementen 21. Wie 3 zeigt, können anstatt der vier elastischen Elemente 21 in 2 auch nur drei elastische Elemente 21 verwendet werden. 3 zeigt eine Bewegung des Hohlrades 14 in Umfangsrichtung 37. Diese Bewegung wird über den Taster 20 auf den Sensor 19 übertragen. Dadurch kann am Sensor 19 die resultierende Kraft 38 gemessen werden. Aus dieser Kraft 38 errechnet sich das vom Fahrer eingeleitete Drehmoment. Anstatt der elastischen Elemente 21 kann das Hohlrad 14 auch frei in der Nut 23 des Gehäuses 22 geführt sein. Ausschlaggebend ist, dass sich das Hohlrad 14 bei einer Bewegung in Umfangrichtung 37 lediglich am Sensor 19 abstützt.

Claims

Kurbeltrieb (1) für ein Fahrrad (2), umfassend – eine Tretwelle (9) zum Anbringen von zwei Tretkurbeln (3) an die freien Enden (10, 11) der Tretwelle (9), – ein Abtriebsrad (4) zur Kraftübertragung auf ein Rad (5) des Fahrrades (2), – ein Planengetriebe (12) mit einem Sonnenrad (13), einem Hohlrad (14), zumindest einem Planetenrad (15) und einem Planetenträger (16), wobei der Planetenträger (16) rotationsfest auf der Tretwelle (9) fixiert ist, und – einen am Hohlrad (14) angeordneten Sensor (19) zur Ermittlung des Abstützmomentes des Hohlrades (14).
Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (14) in Umfangsrichtung (37) nur über den Sensor (19) abgestützt ist.
Kurbeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (14) über zumindest eine elastisches Element (21) gelagert ist.
Kurbeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (14) in einer Nut (23) eines Gehäuses (22) gelagert ist.
Kurbeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (19) ein Kraftsensor ist.
Kurbeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch eine Hohlwelle (24), an der das Abtriebsrad (4) rotationsfest fixiert ist, wobei das Sonnenrad (13) rotationsfest mit der Hohlwelle (24) verbunden ist.
Kurbeltrieb nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Kraftübertragungsrad (34), insbesondere Zahnrad, auf der Hohlwelle (24) und einen Elektromotor (29), dessen Drehmoment auf das Kraftübertragungsrad (34) eingeleitet wird.
Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tretwelle (9) in der Hohlwelle (24) gelagert ist.
Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungsrad (34) zwischen dem Abtriebsrad (4) und dem Planetengetriebe (12) angeordnet ist.
Fahrrad (2) umfassend einen Kurbeltrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und zwei an den freien Enden (10, 11) der Tretwelle (9) fixierte Tretkurbeln (3).
Steuergerät für einen Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder für ein Fahrrad nach Anspruch 10, wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist anhand des Abstützmomentes des Hohlrades gemessen mit dem Sensor (19) ein vom Fahrer an der Tretwelle (9) eingeleitetes Drehmoment zu berechnen und basierend auf dem vom Fahrer eingeleiteten Drehmoment den Elektromotor (29) anzusteuern.