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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrisch betriebene Zweiräder, so genannte Elektroroller bzw. Scooter, und insbesondere elektrisch betriebene Zweiräder mit einem Schaltgetriebe.
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Stand der Technik
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Elektrisch betriebene Zweiräder, wie beispielsweise Elektroroller bzw. Scooter, können entweder mit einem in der Hinterradnabe vorgesehenen Antriebsmotor oder mit einem separaten rahmen- oder schwingenfest angeordneten Antriebsmotor realisiert sein. In letzterer Weise angeordnete Antriebsmotoren können dann mithilfe einer geeigneten Untersetzung mit dem Hinterrad gekoppelt sein.
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Derartige Untersetzungen bieten zumeist keinen Gangwechsel an, sondern sind als Ein-Gang-Versionen ausgeführt.
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Eingängig ausgeführte Elektroroller haben den Nachteil, dass zum Erreichen ausreichender Anfahrmomente drehmomentenstarke Antriebsmotoren eingesetzt werden müssen, die wiederum in mehr als 70% ihrer Zyklusbetriebszeiten in einem Teillastbereich betrieben werden müssen. In dem Teillastbereich weisen Elektroantriebe in der Regel einen geringen Wirkungsgrad auf, so dass trotz effizienter Elektromotoren mit Spitzenwirkungsgraden von bis zu 95% die erreichten Zykluswirkungsgrade deutlich unter 80% liegen.
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Durch Einsatz eines Zweiganggetriebes kann theoretisch, bei entsprechender Auslegung der Antriebsmotoren und der verfügbaren Untersetzungen, der Zykluswirkungsgrad und damit die Reichweite um bis zu 10% erhöht werden. Durch die dadurch mögliche höhere Untersetzung kann gleichzeitig der Antriebsmotor zum Bereitstellen eines geringeren Anfahrdrehmoments ausgelegt werden, was sowohl eine Gewichtseinsparung als auch eine Verbesserung des Zykluswirkungsgrads mit sich bringt.
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Man kann Elektroroller mit Zweiganggetrieben vorsehen, bei denen die Gangwahl in vorwiegend stirnverzahnten Getrieben erfolgt, die gemeinsam mit dem Antriebsmotor unmittelbar am Hinterrad positioniert sind. Eine solche Anordnung führt jedoch zu einer unerwünschten Asymmetrie der Gewichtsverteilung im Bereich des Hinterrads. Weiterhin kann nur eine der Fahrstufen verwendet werden, wenn der Aktuator mit einem kontinuierlichen Haltestrom beaufschlagt wird, wodurch die Energieaufnahme erhöht ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltanordnung für ein Zweirad zur Verfügung zu stellen, die einen geringen Bauraum benötigt und deren Anordnung eine Asymmetrie der Gewichtsverteilung am Hinterrad weitestgehend vermeidet.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Schaltanordnung für ein Antriebsrad eines Zweirads gemäß Anspruch 1 sowie durch die Antriebsanordnung das Zweirad und das Verfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Schaltanordnung für ein Antriebsrad eines Zweirads vorgesehen, umfassend:
- – ein erstes Planetengetriebe mit einem ersten Sonnenrad, ersten Planetenrädern und einem ersten Hohlrad, die sich miteinander in Eingriff befinden;
- – ein zweites Planetengetriebe mit einem zweiten Sonnenrad, zweiten Planetenrädern und einem zweiten Hohlrad, die sich miteinander in Eingriff befinden;
- – eine Motorwelle, die fest mit dem zweiten Sonnenrad gekoppelt ist;
- – eine Abtriebswelle, die fest mit den ersten und den zweiten Planetenrädern gekoppelt ist, so dass eine Umlaufbewegung der Planetenräder um das entsprechende Sonnenrad auf die Abtriebswelle übertragen wird; und
- – einen Freilauf, über den die Motorwelle mit dem ersten Sonnenrad gekoppelt ist, um in einer ersten Drehrichtung ein Drehmoment zu übertragen und in einer entgegengesetzten zweiten Drehrichtung einen Durchtrieb bereitzustellen.
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Eine Idee der obigen Schaltanordnung besteht darin, diese räumlich zwischen einer Motorwelle eines Antriebsmotors und der Abtriebswelle anzuordnen. Die Schaltanordnung ist als schaltbares Mehrganggetriebe, insbesondere als Zweiganggetriebe, ausgebildet und weist ein erstes Planetengetriebe und ein zweites Planetengetriebe auf. Weiterhin ist das Hohlrad des ersten Planetengetriebes dauerhaft festgelegt und das Hohlrad des zweiten Planetengetriebes zum Wechsel einer Fahrstufe frei dreh- und blockierbar. Die Planetenräder der Planetengetriebe sind jeweils zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad angeordnet und sowohl miteinander als auch fest mit einer Abtriebswelle der Getriebeeinheit gekoppelt. Die beiden Sonnenräder der Planetengetriebe sind über eine gemeinsame Motorwelle drehfest in einer festgelegten Vorwärts-Drehrichtung miteinander verbunden. Dazu ist das Sonnenrad des ersten Planetengetriebes über einen entsprechenden Freilauf mit der Motorwelle verbunden, so dass ein Durchtrieb in Rückwärtsrichtung gewährleistet ist.
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Die obige Schaltanordnung hat den Vorteil, dass nur die durch das zweite Planetengetriebe bewirkte höhere Fahrstufe aktiv eingekuppelt werden muss. Ein im Sinne der Vorwärts-Drehrichtung gegensinnig orientierter Freilauf im Drehmomentfluss der ersten niedrigen Fahrstufe bewirkt, dass sich bei ausgewählter (aktivierter) zweiter Fahrstufe, d. h. das entsprechende Hohlrad des zweiten Planetengetriebes ist blockiert, der Freilauf in der ersten Fahrstufe im Durchtrieb befindet und kein Moment übertragen kann. Ist das Hohlrad des zweiten Planetengetriebes dagegen freigegeben, so ist die zweite Fahrstufe entkuppelt und die aktive Drehung der Motorwelle durch den Antriebsmotor wird zum Sperrbetrieb des Freilaufs am ersten Planetengetriebe, und die erste Fahrstufe wird wirksam.
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Dadurch lässt sich eine Schaltanordnung mit einem geringen Bauraum realisieren. Das Vorsehen lediglich einer Kupplung zur Auswahl, ob die höhere Fahrstufe ausgewählt oder nicht ausgewählt ist, ermöglicht die sichere Vermeidung eines gleichzeitigen Einlegens beider Fahrstufen, das zum Blockieren des Antriebsrads führen könnte.
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Weiterhin kann das erste Hohlrad festgelegt sein und es kann eine Kupplung vorgesehen sein, um das zweite Hohlrad schaltbar zu blockieren oder freizugeben.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das erste Planetengetriebe eine erste Untersetzung aufweisen, die höher ist als eine zweite Untersetzung des zweiten Planetengetriebes.
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Es können ein oder mehrere weitere Planetengetriebe mit jeweils einem weiteren Sonnenrad, weiteren Planetenrädern und einem weiteren Hohlrad vorgesehen sein, deren Untersetzungen zwischen der ersten Untersetzung und der zweiten Untersetzung liegen, wobei weitere Kupplungen vorgesehen sind, um die weiteren Hohlräder schaltbar zu blockieren oder freizugeben, und wobei die weiteren Sonnenräder jeweils mit einem Freilauf versehen sind, über den die Motorwelle mit dem einen oder den mehreren weiteren Sonnenrädern gekoppelt ist, um in der ersten Drehrichtung ein Drehmoment zu übertragen und in der entgegengesetzten zweiten Drehrichtung einen Durchtrieb bereitzustellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Antriebsanordnung für ein Zweirad vorgesehen, umfassend:
- – einen Antriebsmotor;
- – die obige Schaltanordnung, die an dem Antriebsmotor angeordnet ist; und
- – eine Sekundäruntersetzung, um eine Abtriebswelle der Schaltanordnung mit einem Antriebsrad zu koppeln.
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Durch die Sekundäruntersetzung kann die Gesamtuntersetzung an unterschiedliche Durchmesser einer Antriebsradfelge angepasst werden, ohne dass dazu verschiedene Varianten von Schaltanordnungen vorgesehen werden müssen.
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Weiterhin ist es möglich die Antriebsanordnung versetzt zum Antriebsrad, beispielsweise an einer Hinterradtriebschwinge, anzuordnen und mithilfe der Sekundäruntersetzung, wie beispielsweise einer Kette oder eines Zahnriemens, mit dem Antriebsrad zu koppeln.
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Weiterhin kann die Antriebsanordnung an einer Hinterradschwinge, insbesondere zwischen Schwingarmen der Hinterradschwinge, angeordnet sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Zweirad mit einem an einer Hinterradschwinge angeordneten Antriebsrad vorgesehen, wobei das Antriebsrad mit der obigen Antriebsanordnung gekoppelt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Schalten der obigen Schaltanordnung vorgesehen, wobei zum Schalten zwischen einer ersten fahrstufe und einer zweiten Fahrstufe lediglich das zweite Hohlrad blockiert oder freigegeben wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Hinterradschwinge eines elektrisch betriebenen Zweirads;
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2 eine schematische Darstellung des Schaltgetriebes der Schaltanordnung bei ausgewählter erster Fahrstufe; und
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3 eine schematische Darstellung des Schaltgetriebes der Schaltanordnung bei einer ausgewählten zweiten Fahrstufe.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Hinterradschwinge 1 eines Zweirads, insbesondere eines elektrisch betriebenen Elektrorollers bzw. Scooters. Die Hinterradschwinge 1 weist eine Schwingachse 2 auf, um die die Hinterradschwinge 1 schwenkbar gelagert ist. Die Hinterradschwinge 1 ist mit einer Feder beaufschlagt, um eine Federung des Zweirads zu realisieren (nicht gezeigt).
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An einem der Schwingachse 2 gegenüberliegenden Ende der Hinterradschwinge 1 ist ein Antriebsrad 3 mit einer Radfelge 4 und einem Reifen 5 angeordnet. Das Antriebsrad 3 des Zweirads ist an einer Hinterradwelle 6 angeordnet, die zwischen zwei Schwingenarmen gelagert an der Hinterradschwinge 1 gehalten ist. Die Hinterradschwinge 1 ist im gezeigten Beispiel als Zweiarmschwinge ausgeführt, wobei in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung grundsätzlich auch Einarmschwingen eingesetzt werden können.
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Die Hinterradwelle 6 trägt axial versetzt zu dem Antriebsrad 3 weiterhin ein hinteres Kettenrad 7, das alternativ auch als eine hintere Riemenscheibe ausgebildet sein kann. Das hintere Kettenrad 7 ist über eine Kette 9 mit einem Ritzel 8 gekoppelt. Anstelle des Ritzels 8 kann eine vordere Riemenscheibe und anstelle der Kette 9 ein Zahnriemen vorgesehen sein. Das Ritzel 8 bzw. die vordere Riemenscheibe, die Kette 9 bzw. der Zahnriemen und das hintere Kettenrad 7 bzw. die hintere Riemenscheibe bilden eine Sekundäruntersetzung zur Kopplung des Antriebsmotors 10 mit dem Antriebsrad 3.
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Es ist ein Antriebsmotor 10 vorgesehen, der an der Hinterradschwinge 1 vorzugsweise zwischen den Schwingenarmen befestigt ist und eine Motorwelle 15 aufweist. Der Antriebsmotor 10 ist so angeordnet, dass die Motorwelle vorzugsweise achsparallel zur Hinterradwelle 6 angeordnet ist. Der Antriebsmotor 10 ist vorzugsweise als Elektromotor ausgebildet und wird von einer (nicht gezeigten) elektrischen Energiequelle über eine Steuereinheit zum Einstellen des bereitzustellenden Antriebsmoments gespeist. Zwischen dem Antriebsmotor 10 und dem Ritzel 8 ist unmittelbar am Antriebsmotor 10 ein Schaltgetriebe 11 (Schaltanordnung) vorgesehen, dessen Abtriebswelle 12 mit dem Ritzel 8 bzw. der vorderen Riemenscheibe verbunden ist.
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Das Schaltgetriebe 11 wird vorzugsweise kompakt mit dem Antriebsmotor 10 verbaut, wobei eine Anpassung des Antriebssystems an verschiedene Durchmesser eines Antriebsrads 3 durch Anpassung der Sekundäruntersetzung 7, 8, 9 vorgesehen wird.
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Das Schaltgetriebe 11 ist in der schematischen Darstellung der 2 detaillierter gezeigt. Das Schaltgetriebe 11 ist als Zweiganggetriebe ausgebildet, das ein erstes Planetengetriebe 20 und ein zweites Planetengetriebe 30 aufweist. Das erste Planetengetriebe 20 weist ein erstes Sonnenrad 21, mehrere das erste Sonnenrad 21 umlaufende erste Planetenräder 22 und ein erstes die ersten Planetenräder 22 umlaufendes Hohlrad 23 auf. Die ersten Planetenräder 22, das erste Sonnenrad 21 und das erste Hohlrad 23 sind als Zahnräder ausgebildet, wobei die ersten Planetenräder 22 mit dem ersten Sonnenrad 21 und dem ersten Hohlrad 23 in Eingriff stehen.
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Analog weist das zweite Planetengetriebe 30 ein zweites Sonnenrad 31, mehrere das zweite Sonnenrad 31 umlaufende zweite Planetenräder 32 und ein zweites die zweiten Planetenräder 32 umlaufendes Hohlrad 33 auf. Die zweiten Planetenräder 32, das zweite Sonnenrad 31 und das zweite Hohlrad 33 sind als Zahnräder ausgebildet, wobei die zweiten Planetenräder 32 mit dem zweiten Sonnenrad 31 und dem zweiten Hohlrad 33 in Eingriff stehen.
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Der Antriebsmotor 10 ist über seine Motorwelle 15 fest mit dem zweiten Sonnenrad 31 verbunden. Die Verbindung der Motorwelle 15 mit dem ersten Sonnenrad 21 erfolgt über einen Freilauf 24, der für eine Vorwärtsdrehrichtung sperrt und eine Momentenübertragung zulässt und in einer (der Vorwärtsrichtung entgegengesetzten) Rückwärtsdrehrichtung kein Moment auf das erste Sonnenrad 21 überträgt.
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Die Abtriebswelle 12 ist mit Achslöchern der ersten und zweiten Planetenräder 22, 32 fest gekoppelt, so dass ein Umlaufen der Planetenräder 22, 32 um das betreffende Sonnenrad 21, 31 eine Drehung der Abtriebswelle 12 bewirkt.
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Das erste Sonnenrad 21 weist einen kleineren Durchmesser auf als das zweite Sonnenrad 31. Entsprechend sind die ersten Planetenräder 22 mit größerem Durchmesser ausgebildet als die zweiten Planetenräder 32 und das erste Hohlrad 23 weist einen höheren Innendurchmesser auf als das zweite Hohlrad 33. Dadurch besteht für das erste Planetengetriebe 20 eine höhere Untersetzung als für das zweite Planetengetriebe 30. Folglich dient die Funktion des ersten Planetengetriebes 20 zur Realisierung einer ersten niedrigen Fahrstufe und die Funktion des zweiten Planetengetriebes 30 zur Realisierung einer zweiten höheren Fahrstufe.
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Das erste Hohlrad 23 ist fest, d. h. nicht drehbar, montiert, so dass bei entkoppeltem zweiten Planetengetriebe 30 der Freilauf 24 greift und das erste Planetengetriebe 20 ein Moment auf die Abtriebswelle 14 überträgt, das sich aus dem Antriebsmoment des Antriebsmotor 10 der ersten Untersetzung des ersten Planetengetriebes 20 ergibt. Der Momentenfluss ist durch Pfeile an der Motorwelle 15 über das erste Sonnenrad 21, die ersten Planetenräder 22 und die Abtriebswelle 12 schematisch dargestellt.
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Das zweite Hohlrad 33 des zweiten Planetengetriebes 30 ist mit einer schaltbaren Kupplung 34 versehen, die eine Drehung des zweiten Hohlrads 33 zulassen und im Falle eines Schaltens das zweite Hohlrad 33 blockieren kann. Dieser Fall ist in 3 schematisch dargestellt. In 3 ist das zweite Hohlrad 33 blockiert und das Antriebsmoment des Antriebsmotors 10 wird über das zweite Planetengetriebe 30, d. h. über die zweiten Planetenräder 32, auf die Abtriebswelle 12 übertragen. Der Momentenfluss für den Fall der 3 ist durch Pfeile an der Motorwelle 15 über das zweite Sonnenrad 31, die zweiten Planetenräder 32 und die Abtriebswelle 12 schematisch dargestellt.
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Für das erste Planetengetriebe 20 stellt sich bei blockiertem zweiten Hohlrad 33 ein Fall ein, in dem sich die ersten Planetenräder 22 mit der durch die zweiten Planetenräder 32 vorgegebenen Geschwindigkeit um das erste Sonnenrad 21 drehen und aufgrund der niedrigeren Untersetzung des zweiten Planetengetriebes 30 das erste Sonnenrad 21 schneller umlaufen, als es durch den Antrieb des ersten Sonnenrads 21 durch die Motorwelle 15 bewirkt wird. Dadurch findet effektiv eine Relativbewegung zwischen den ersten Planetenrädern 22 und dem ersten Sonnenrad 21 statt, die einer Rückwärtsdrehrichtung entspricht. Aufgrund des Freilaufs 24 ist dann das erste Sonnenrad 21 von der Motorwelle 15 des Antriebsmotors 10 entkoppelt, so dass keine momentenschlüssige Kopplung bewirkt wird. Mit anderen Worten dreht sich durch das Mitnehmen der ersten Planetenräder 22 durch die zweiten Planetenräder 32 das erste Sonnenrad 21 bezüglich der Drehung der Abtriebswelle 12 des Antriebsmotors 10 in Rückwärtsrichtung und läuft somit frei. Auf diese Weise muss zum Einlegen oder Auskoppeln des zweiten Ganges nur das Schalten, d. h. Blockieren oder Freigeben, des zweiten Hohlrads 33 vorgenommen werden, da sich bei blockiertem zweiten Hohlrad 33 der Freilauf 24 in dem ersten Planetengetriebe 20 im Durchtrieb befindet und kein Moment übertragen werden kann.
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Durch die Kombination von Kupplung 34 und Freilauf 24 in den beiden Planetengetrieben 20, 30 ist sicher ausgeschlossen, dass beide Fahrstufen gleichzeitig aktiviert werden können und dadurch das Schaltgetriebe 11 zum Blockieren kommt. Die erforderliche gegensinnige Orientierung des Freilaufs 24 ermöglicht einen Leerlauf bezüglich eines Rückwärtsrollens des Zweirads, ohne dass eine Fahrstufe "Leerlauf" ausgewählt werden muss.
