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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Fahrrades, aufweisend einen Antriebsmotor, der mit einem Getriebe in Wirkverbindung steht, und mit einem Zugmittelträger für ein Zugmittelgetriebe, und mit einer Elektronik, insbesondere mit Sensoren. Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von unterschiedlich ausgebildeten Antriebsvorrichtungen zum Antreiben eines Fahrrads bekannt.
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CN 202449162 U offenbart ein Fahrrad mit einem Motor und einem Spannungswellengetriebe, wobei das Fahrrad ausschließlich durch den Motor oder ausschließlich durch den Benutzer oder durch die Kombination der beiden Antriebsarten angetrieben werden kann.
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CN 101857063 A offenbart ein Fahrrad mit einem Spannungswellengetriebe, wobei zwei ineinander geschachtelte Freilaufkupplungen zwischen einem Getriebeabtrieb und einem Kettenträger vorgesehen sind.
CN 101 121427 A und
CN 2894047 Y beschreiben jeweils eine ähnliche Vorrichtung.
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CN 201385751 Y offenbart ein Elektro-Fahrrad mit einem Harmonic-Drive Getriebe, das einen Flextopf aufweist. Auch
CN 2714417 Y offenbart ein Elektro-Fahrrad mit einem Harmonic-Drive Getriebe.
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CN 2312173 Y beschreibt ein E-Fahrrad mit E-Motor, einem Harmonic-Drive Getriebe und einer elektronischen Steuerung. Der Motor und das Getriebe sind gekoppelt.
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DE 10 2007 062 156 A1 offenbart ein Tretlager mit einer Drehmomentsensorik. Das Tretlager umfasst mindestens eine Tretkurbel und eine Welle, die mit der mindestens einen Tretkurbel drehfest verbunden ist. Ferner umfasst es eine Drehmomenterfassungsvorrichtung zur Erfassung eines Drehmomentes im Bereich der Welle. Die Drehmomenterfassungsvorrichtung umfasst eine erste Magnetisierung und einen Sensor, wobei der Sensor eine Änderung der ersten Magnetisierung aufgrund des in die Welle eingeleiteten Drehmomentes erfasst.
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CN 200988539Y offenbart ein Fahrrad mit einem Spannungswellengetriebe. Das Fahrrad wird sowohl von einem Motor angetrieben, als auch durch das Pedalieren des Benutzers. Ein Hall-Sensor misst beim Pedalieren des Benutzers die Änderung des Magnetfeldes und sendet ein Signal zur Steuerung des Motors, um diesen in seiner Leistung anzupassen. Somit kann die Gesamtantriebsenergie, bestehend aus Leistung des Motors und des Krafteinsatzes durch den Benutzer, konstant gehalten werden.
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WO 2012/010344 A1 offenbart ein Tretlager für ein Fahrrad. Das Tretlager umfasst eine Tretlagerwelle und ein Tretlagergehäuse mit zwei an den seitlichen Enden des Tretlagergehäuses angeordneten Wälzlagern zur Lagerung der Tretlagerwelle. Ferner umfasst es einen innerhalb des Tretlagergehäuses angeordneten Drehmomentsensor zur Erfassung eines auf die Tretlagerwelle ausgeübten Drehmomentes. Der Drehmomentsensor umfasst einen Hallsensor, einen Dauermagneten und einen ferromagnetischen Metallstift, wobei der Dauermagnet und der Metallstift radial voneinander beabstandet an der Tretlagerwelle angeordnet sind. Der Hallsensor erfasst eine Lageveränderung zwischen dem Dauermagneten und dem Metallstift bei einer Torsion der Tretlagerwelle, welche durch die Einleitung des Drehmomentes erfolgt.
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CN 101879929 A offenbart ein Spannungswellengetriebe für ein E-Fahrrad, welches sowohl durch einen E-Motor, als auch durch einen Benutzer angetrieben werden kann. Das Spannungswellengetriebe weist einen topfförmigen Flexspline auf.
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DE 10 2010 028 667 A1 offenbart eine Getriebeanordnung für ein Elektrofahrrad. Die Getriebeanordnung umfasst eine Tretkurbelwelle, ein Elektroantriebsrad und ein Abtriebsrad. Die Getriebeanordnung weist ferner eine zu der Tretkurbelwelle parallele Kurbelantriebübersetzungswelle auf, sowie eine Abtriebswelle, die die Tretkurbelwelle umgibt. Auf der Tretkurbelwelle ist ein Tretkurbelantriebsrad angeordnet. Das Tretkurbelantriebsrad ist im Eingriff mit einem ersten Übersetzungsrad, das auf der Kurbelantriebübersetzungswelle angeordnet ist. Ein zweites, auf der Kurbelantriebübersetzungswelle angeordnetes Übersetzungsrad, ist im Eingriff mit einem ersten Abtriebsammelrad, das auf der Abtriebswelle angeordnet ist. Das Elektroantriebsrad ist im Eingriff mit einem zweiten Abtriebsammelrad, das auf der Abtriebswelle angeordnet ist. Die Kurbelantriebübersetzungswelle und das Elektroantriebsrad sind zueinander in umfänglicher Richtung bezogen auf die Tretkurbelwelle versetzt. Die ersten und zweiten Übersetzungsräder sind in axialer Richtung bezogen auf die Tretkurbelwelle gegenüber dem Elektroantriebsrad versetzt.
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CN 101508324 A offenbart eine Freilaufkupplung für ein elektrisches Fahrrad, welches Bewegungsenergie eines Motors über eine Innenkupplung auf eine Antriebskette überträgt, und gleichzeitig Pedalierungsenergie auf die Antriebskette überträgt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antriebsvorrichtung bereitzustellen, die gegenüber den bekannten Antriebsvorrichtungen verbessert ist.
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Die Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung gemäß dem Hauptanspruch sowie ein Tretlager gemäß Anspruch 15 und ein Fahrrad gemäß Anspruch 16 gelöst.
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Das Vorsehen eines, beispielsweise von dem Antriebsmodul separaten, Elektronikmoduls oder mehrerer, miteinander verbindbarer Elektronikmodule bietet insbesondere den Vorteil, dass bei einem Defekt der Elektronik nicht mehr die gesamte Antriebsvorrichtung ausgebaut werden muss, sondern nur noch das Elektronikmodul.
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Ein Elektronikmodul kann vorteilhafter Weise separat als eigenständige Baueinheit, die die Elektronikbauteile in fertig verschalteter Weise beinhaltet, hergestellt und bevorratet werden. Darüber hinaus ist ein Elektronikmodul besser handhabbar als einzelne elektronische Bauteile, die erst beim Einbau in ein Fahrrad miteinander verschaltet werden.
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Darüber hinaus kann in ganz besonders vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass das Elektronikmodul (bzw. wenigstens eines der Elektronikmodule, falls mehrere Elektronikmodule vorhanden sind) zusätzlich auch mechanische Bauelemente, wie beispielsweise ein Lager zum rotierbaren Lagern einer Welle, beinhaltet.
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In besonders vorteilhafter Weise kann das Elektronikmodul (bzw. können die Elektronikmodule, falls mehrere Elektronikmodule vorhanden sind), elektrische und/oder mechanische Schnittstellen an andere Bauteile und/oder andere Module, wie beispielsweise elektrische Steckverbinder oder mechanische Führungen und Anschläge, aufweisen. Diese sind vorzugsweise derart ausgebildet und positioniert, dass während des Einfügens des Elektronikmoduls (bzw. der Elektronikmodule) automatisch eine mechanische und/oder elektrische Verbindung hergestellt wird. Auf diese Weise sind aufwendige Montagearbeiten in engem Bauraum beim Herstellen eines Fahrrades mit einer Antriebsvorrichtung vermieden.
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Das Elektronikmodul kann beispielsweise mit dem Antriebsmotor verbunden werden. Für den Fall, dass eine Steuervorrichtung zum Steuern des Antriebsmotors nicht in dem Elektronikmodul integriert ist, kann das Elektronikmodul mit der Steuervorrichtung, die nach einem eigenständigen Erfindungsgedanken ebenfalls als Modul ausgebildet sein kann, verbunden sein. Die Verbindung kann insbesondere in der zuvor beschriebenen Weise über Steckverbinder hergestellt sein, die automatisch in Kontakt kommen, wenn die Module in ihre Einbauposition verbracht werden. Das Elektronikmodul kann ein eigenes Elektronikmodulgehäuse aufweisen, das die Elektronikbauteile ganz oder teilweise einhaust und/oder umschließt. Es ist insbesondere auch möglich, dass die Bauteile des Elektronikmoduls in Kunststoff eingebettet, insbesondere eingespritzt oder eingegossen sind, und dass der Kunststoff wenigstens einen Teil eines Elektronikmodulgehäuses bildet.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Elektronikmodul, bereits beim Einschieben, vorzugsweise automatisch mittels Führungen und/oder Anschlägen, drehfest in dem Gehäuse fixiert wird. Ein zusätzlicher Arbeitsschritt zum Fixieren ist hierdurch vorteilhaft vermieden. Auch ist, beispielsweise im Falle einer Reparatur, die Demontage wesentlich erleichtert.
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Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass ein Motor-Getriebe-Modul und das Elektronikmodul von unterschiedlichen Seiten in ein Gehäuse des Fahrrads, insbesondere in ein Tretlagergehäuse, eingeführt, insbesondere eingeschoben, werden können und/oder an sich gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses angeordnet sind. Im Ergebnis ist sichergestellt, dass ein einfacher Einbau oder Ausbau des Elektronikmoduls möglich ist.
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Bei einer besonderen Ausführung ist vorgesehen, dass ein Getriebeabtrieb unabhängig von seiner Drehrichtung drehfest mit dem Zugmittelträger verbunden ist.
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Der Getriebeabtrieb kann direkt oder indirekt mit dem Zugmittelträger verbunden sein. Durch die zuvor genannte drehfeste Verbindung des Getriebeabtriebs mit dem Zugmittelträger ist sichergestellt, dass sich der Getriebeabtrieb unabhängig von der Drehrichtung des Zugmittelträgers mit diesem in die gleiche Drehrichtung dreht.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die zuvor genannte Verbindung des Getriebeabtriebs mit dem Zugmittelträger im motorseitigen Antriebsstrang eine Freilaufkupplung entfallen kann bzw. von vornherein unnötig ist, wodurch sich der technische Aufbau der Antriebsvorrichtung vereinfacht und die Antriebsvorrichtung kompakter ausgebildet ist. Insbesondere ist es durch die Erfindung in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass die Vereinigung des vom Antriebsmotor erzeugten Drehmoments mit dem vom pedalierenden Fahrer aufgebrachten Drehmoment erst unmittelbar vor dem Zugmittelträger erfolgt. Hierbei kann vorgesehen sein, dass im tretkurbelseitigen Antriebsstrang ein Freilauf vorhanden ist, um zu verhindern, dass sich die Tretkurbeln motorgetrieben auch dann mitdrehen, wenn der Fahrer gerade nicht pedaliert.
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Natürlich ist es nicht ausgeschlossen, dass auch im motorseitigen Antriebsstrang eine Freilaufkupplung angeordnet ist. Vielmehr ist nach einem besonderen Erfindungsgedanken im motorseitigen Antriebsstrang eine Freilaufkupplung vorgesehen oder eine schaltbare Kupplung vorgesehen, durch die das Getriebe von dem Zugmittelträger und dem fahrerseitigen Antriebsstrang abkoppelbar ist oder, vorzugsweise automatisch, abgekoppelt ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der pedalierende Fahrer bei abgeschaltetem Antriebsmotor das Getriebe nicht zurücktreiben muss. In einem solchen Fall ist es sogar möglich, ein selbsthemmendes Getriebe zu verwenden.
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In einer bevorzugten Ausführung ist das Getriebe als nicht selbsthemmendes Getriebe ausgebildet. Dadurch ist sichergestellt, dass sich der Getriebeabtrieb bei abgeschaltetem Antriebsmotor drehen kann. Insbesondere ist sichergestellt, dass sich der Getriebeabtrieb durch einen Teil des von pedalierenden Fahrer aufgebrachten Drehmoments in die gleiche Richtung wie der Zugmittelträger drehen kann, wenn dazwischen keine Kupplung vorgesehen ist.
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Der Zugmittelträger kann ein Kettenblatt für eine Kette als Zugmittel aufweisen. Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass der Zugmittelträger mehrere unterschiedlich große Kettenblätter aufweist. Alternativ kann der Zugmittelträger eine Riemenscheibe und das Zugmittel ein Riemen, wie beispielsweise ein Keilriemen, Zahnriemen, Rippenriemen oder ein Flachriemen sein. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass an einem Rad des Fahrrades wenigstens ein weiterer Zugmittelträger vorhanden ist, der über das Zugmittel, mit dem Zugmittelträger in Wirkverbindung steht.
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Das Getriebe kann ein Spannungswellengetriebe, insbesondere mit einem topfförmigen Flexspline, oder ein Planetengetriebe oder ein Zykloidgetriebe aufweisen.
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Insbesondere kann das Getriebe ein flextopffreies Spannungswellengetriebe aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Getriebe ein Spannungswellengetriebe aufweisen, dessen Flexspline, insbesondere ausschließlich, ringförmig ausgebildet ist. Ein derart ausgebildetes Getriebe bietet den Vorteil, dass die Antriebsvorrichtung besonders kompakt ausgebildet sein kann und insbesondere mehr Bauraum für andere Bauteile, wie beispielsweise einen Antriebsmotor oder ein Elektronikmodul oder für Drehmoment- und/oder Drehzahlsensoren, zur Verfügung steht. Daher eignet sich ein solches Spannungswellengetriebe erfindungsgemäß insbesondere zum Einsatz in Bereichen eines Fahrrades, wie beispielsweise in Tretlagern von Fahrrädern, wo wenig Platz zum Einbau des Getriebes zur Verfügung steht.
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Der Getriebeabtrieb kann einen Dynamic Spline und/oder einen Circular Spline aufweisen.
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Diese Bauteile können insbesondere als Hohlräder mit einer Innenverzahnung sein, welche im Zahneingriff mit der Außenverzahnung eines flexiblen Getriebebauteils stehen. Dieses Getriebebauteil (Flexspline) ist elastisch verformbar.
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Der Zugmittelträger kann unabhängig von seiner Drehrichtung drehfest mit dem Dynamic Spline oder dem Circular Spline, insbesondere eines Spannungswellengetriebes, verbunden sein. Der Dynamic Spline oder der Circular Spline des Getriebes können relativ zu einem Gehäuse der Antriebsvorrichtung oder eines Fahrrads, insbesondere eines Tretlagergehäuses, ortsfest angeordnet sein. Dies bedeutet, dass sich eines der beiden Bauteile im Betrieb nicht dreht. Die ortsfeste Anordnung kann durch Verbinden des Dynamic Splines oder des Circular Splines mit dem Gehäuse mittels eines Verbindungsmittels, wie beispielsweise eine Schraube, erreicht werden. Natürlich ist auch jede andere Verbindungsart möglich. So könnte das Dynamic Spline oder das Circular Spline in das Gehäuse eingepresst werden.
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Alternativ oder zusätzlich können der Dynamic Spline oder der Circular Spline des Getriebes einstückig mit einem Gehäuse der Antriebsvorrichtung oder eines Fahrrads, insbesondere eines Tretlagergehäuses, ausgebildet sein. Im Ergebnis lässt sich auf einfache Weise eine genaue, spielfreie Drehmomentübertragung von dem Antriebsmotor, insbesondere Elektromotor, der Antriebsvorrichtung auf den Zugmittelträger erreichen.
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Die Antriebsvorrichtung kann nach einem unabhängigen Erfindungsgedanken als Antriebsmodul ausgebildet sein, das in ein Gehäuse eines Fahrrads, vorzugsweise in ein Tretlagergehäuse oder einen Rahmen oder einen Flansch des Fahrrades, einschiebbar ist. Es ist auch möglich, dass das Antriebsmodul an einen Fahrradrahmen angeflanscht wird.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Antriebsmodul, bereits beim Einschieben, vorzugsweise automatisch mittels Führungen und/oder Anschlägen, drehfest in dem Gehäuse fixiert wird. Ein zusätzlicher Arbeitsschritt zum Fixieren ist hierdurch vorteilhaft vermieden. Auch ist, beispielsweise im Falle einer Reparatur, die Demontage wesentlich erleichtert.
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Im Sinne der Erfindung wird als Einschieben des Antriebsmoduls jede mögliche Art eines Einbringens eines Antriebsmoduls in ein Gehäuse des Fahrrads verstanden. Dabei kann ein Antriebsvorrichtungsgehäuse bzw. ein Gehäuse des Antriebsmoduls zusammen mit dem Gehäuse des Fahrrads einen Raum im Gehäuse abschließen, in den das Antriebsmodul eingeschoben wurde.
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Das Elektronikmodul kann über die Schnittstelle mit auf dem Antriebsmodul angeordneten Bauteilen verbunden werden.
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Das Gehäuse des Fahrrads kann rohrförmig ausgebildet sein. Im Sinne der Erfindung wird als ein rohrförmiges Gehäuse ein Gehäuse verstanden, das ein Profil aufweist, das im Querschnitt in sich geschlossen ist. Bei dem Gehäuse kann es sich um Tretlagergehäuse eines Fahrrads handeln. Das Ausbilden der Antriebsvorrichtung als Antriebsmodul bietet den Vorteil, dass der Einbau oder Ausbau der Antriebsvorrichtung in das Gehäuse des Fahrrads, insbesondere auch im Nachrüstverfahren, einfach ist und schnell erfolgen kann. Darüber hinaus besteht der besondere Vorteil, dass das Antriebsmodul insgesamt sowohl räumlich, als auch zeitlich separat vormontiert und vormontierte Baugruppe vorgehalten und bei Bedarf verbaut werden kann.
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Die Antriebsvorrichtung kann insbesondere modular aufgebaut sein und kann beispielsweise ein Motor-Getriebe-Modul beinhalten.
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Zusätzlich kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Motor-Getriebe-Modul und/oder das Elektronikmodul jeweils einen Verschluss zum Verschließen des Gehäuses aufweisen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass in das Motor-Getriebe-Modul und/oder das Elektronikmodul jeweils einen Verschluss zum Verschließen des Gehäuses integriert ist. Insbesondere kann alternativ oder zusätzlich auch vorgesehen sein, dass das Motor-Getriebe-Modul und/oder das Elektronikmodul, ggf. durch deren Verschlüsse, als Axialsicherung für mindestens eine Welle der Antriebsvorrichtung dienen.
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Die Elektronik kann einen Sensor, wie beispielsweise einen Drehmomentsensor, aufweisen. Ferner kann die Elektronik eine Leistungseinheit, einen Speicher, eine Steuervorrichtung oder dergleichen aufweisen.
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Das Elektronikmodul kann in vorteilhafter Weise ein Lager, insbesondere ein Drehlager zum rotierbaren Lagern einer Welle, insbesondere einer Tretlagerkurbelwelle, beinhalten. Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung ist das Lager in Kunststoff eingebettet, insbesondere eingespritzt. Alternativ oder zusätzlich können wenigstens zwei Bauteile des Elektronikmoduls gemeinsam in Kunststoff eingebettet, insbesondere eingespritzt, sein. Insbesondere können beispielsweise wenigstens ein Lager und wenigstens eine Elektronik, insbesondere ein Sensor, im Kunststoff eingebettet sein.
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Nach einem unabhängigen, besonders vorteilbehafteten Erfindungsgedanken, ist ein modularer Aufbau der Antriebsvorrichtung in der Weise verwirklicht, dass mehrere Module, wie beispielsweise ein Motor-Getriebe-Modul und ein Elektronikmodul und ggf. weitere Module, zur Herstellung der Antriebsvorrichtung zusammengefügt werden, wobei die einzelnen Module jeweils aus einer Vielzahl zuvor bereitgestellter, unterschiedlicher Module desselben Modultyps individuell und abgestimmt auf die Anforderungen an die gerade herzustellende Antriebsvorrichtung ausgewählt werden. Beispielsweise ist es möglich, zur Herstellung unterschiedlicher Antriebsvorrichtungen unterschiedlicher Antriebsleistung, unterschiedliche Motor-Getriebe-Modul aus der Vielzahl zuvor bereitgestellter Motor-Getriebe-Module auszuwählen und jeweils mit einem geeigneten, ebenfalls aus einer Vielzahl zuvor bereitgestellter Elektronikmodule ausgewählten Elektronikmodul zu kombinieren. Hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Schnittstellen aller Module eines Modultyps stets gleich sind, so dass die individuelle Kombinierbarkeit ermöglicht ist. Darüber hinaus kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Module eines Modultyps äußerlich dieselbe Form aufweisen und/oder denselben Bauraum beanspruchen, um eine Kombinierbarkeit auch dann zu gewährleisten, wenn lediglich ein vordefinierter Bauraum, beispielsweise in einem Tretlagergehäuse, zur Verfügung steht.
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Die Antriebsvorrichtung kann nach einem unabhängigen Erfindungsgedanken eine räumlich integrierte Steuervorrichtung zum Erfassen von Sensorsignalen und/oder zum Steuern, insbesondere zur Steuerung der Kommutierung, des Antriebsmotors aufweisen. Die Steuervorrichtung kann insbesondere in die Elektronik und/oder ein Elektronikmodul integriert sein. Die Steuervorrichtung kann unmittelbar an einem Elektronikgehäuse bzw. Elektronikmodulgehäuse angeordnet sein. Durch das Anordnen der Steuervorrichtung in dem Elektronikmodul ist beispielsweise sichergestellt, dass ein Austausch einer beispielsweise defekten Steuervorrichtung auf einfache Weise, nämlich durch Austausch des gesamten Moduls, möglich ist.
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Durch das Vorsehen der Steuervorrichtung in der Antriebsvorrichtung kann vermieden werden, dass zusätzlich zu Leitungen zum Übertragen von elektrischer Antriebsenergie zusätzliche Steuerleitungen aus der Antriebsvorrichtung hinaus geführt werden müssen.
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Die Antriebsvorrichtung, insbesondere die Elektronik der Antriebsvorrichtung, kann wenigstens einen Drehzahlsensor und/oder wenigstens einen Drehmomentsensor aufweisen. Der Drehmomentsensor kann derart ausgebildet sein, dass er nach dem magnetostriktiven Prinzip arbeitet.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Drehmomentsensor – direkt oder indirekt – das auf eine Welle, insbesondere eine Welle, die eine Tretlagerkurbelwelle aufweist, oder Teile einer solchen Welle wirkenden Drehmoments ermittelt. Eine indirekte Messung eines auf eine Tretlagerkurbelwelle, die mit Tretkurbeln verbindbar ist oder mit Tretkurbeln verbunden ist, kann dadurch erfolgen, dass eine Torsion gemessen wird.
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Es kann in vorteilhafter Weise jedoch auch vorgesehen sein, dass die Torsion einer Welle gemessen wird, die nicht als Hohlwelle ausgebildet ist. Insbesondere kann, nach einem unabhängigen Erfindungsgedanken, auch vorgesehen sein, dass eine solche Welle mehrere Komponenten aufweist. Die Ermittlung der Drehzahl kann durch aktive oder passive Sensoren erfolgen. Insbesondere kann zum Ermitteln der Drehzahl beispielsweise ein induktiver Sensor oder eingesetzt werden, der die periodischen Feldänderungen einer rotierenden Welle erfasst, die am Außenumfang eine magnetische Markierung, beispielsweise eine Nut, einen Vorsprung oder einen Magneten, aufweist.
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Die Steuervorrichtung kann nach einem unabhängigen Erfindungsgedanken in einem Raum, insbesondere einem Raum innerhalb eines rohrförmigen Tretlagergehäuses, angeordnet sein, in dem anstatt der Steuervorrichtung eine Tretlagerkurbelwelle anordenbar ist, oder umgekehrt. Eine Anordnung der Steuervorrichtung in dem zuvor genannten Raum bietet sich beispielsweise bei Fahrrädern an, die keinen Kurbelantrieb und damit keine Tretlagerkurbelwelle aufweisen (sogenannte E-Bikes). Insoweit kann der benötigte, eigentlich für eine Tretlagerkurbelwelle vorgesehene, Bauraum, den zuvor erwähnten und erläuterten Modulgedanken weiter ausbildend, je nach individuelle Anforderung der gerade benötigten Antriebsvorrichtung, anderweitig genutzt werden. Bei Fahrrädern, die einen Kurbelantrieb und damit eine Tretlagerkurbelwelle aufweisen, kann die Steuervorrichtung beispielsweise in dem Elektronikmodul oder an anderer Stelle angeordnet sein.
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Auf diese Weise ist es ermöglicht, unter Verwendung derselben übrigen Bauteile und/oder Module entweder ein Fahrrad mit Tretunterstützung (in diesem Fall ist in dem besagten Raum die Tretlagerkurbelwelle angeordnet) oder ein Fahrrad ohne Tretunterstützung ((in diesem Fall ist in dem besagten Raum die Steuervorrichtung angeordnet) herzustellen.
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Die Antriebsvorrichtung kann eine Tretlagerkurbelwelle aufweisen, die mit Tretkurbeln verbindbar ist oder verbunden ist. Die Tretlagerkurbelwelle kann über ein Lager des Getriebes an einem Gehäuse der Antriebsvorrichtung oder an einem, insbesondere rohrförmigen, Gehäuse des Fahrrades, insbesondere an einem Tretlagergehäuse des Fahrrades, abgestützt sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass kein Lager vorhanden ist, das ausschließlich die Tretlagerkurbelwelle direkt gegenüber dem Tretlagergehäuse abstützt, wie des insbesondere bei Fahrrädern ohne Antriebsmotor seit Jahrzehnten üblich ist. Vielmehr wird nach diesem Erfindungsgedanken die Tatsache ausgenutzt, dass im Antriebsstrang eines Motorantriebes ohnehin Lager vorhanden sein müssen und dass, in synergetische Weise, eine Lagerung der Tretlagerkurbelwelle über und/oder durch diese (ohnehin nötigen) Lager erfolgen kann. Auf diese Weise kann sowohl Bauraum, als auch Material eingespart werden.
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Das Lager des Getriebes kann beispielsweise einen Getriebeabtrieb lagern. Alternativ oder zusätzlich kann die Tretlagerkurbelwelle über zwei in Reihe geschaltete Lager an einem Gehäuse der Antriebsvorrichtung oder an einem, insbesondere rohrförmigen, Gehäuse des Fahrrades, insbesondere an einem Tretlagergehäuse des Fahrrades, abgestützt sein. Wie bereits erwähnt, kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass durch das Lager auch noch weitere Bauteile gelagert sind.
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In einer besonderen Ausführung kann der Antriebsmotor eine als Hohlwelle ausgebildete Abtriebswelle aufweisen, die die Eingangswelle des Getriebes ist. Die Hohlwelle kann koaxial zu einer Tretlagerkurbelwelle angeordnet sein. Insbesondere kann die Hohlwelle die Tretlagerkurbelwelle wenigstens teilweise umschließen. Durch die koaxiale Anordnung das Umschließen der Tretlagerkurbelwelle durch die Abtriebswelle lässt sich ein kompakter Aufbau der Antriebsvorrichtung realisieren.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Tretlager für ein Fahrrad vorgesehen, das eine zuvor beschriebene Antriebsvorrichtung aufweist. Das Tretlager weist eine Welle auf, die – mittelbar oder unmittelbar – drehfest mit Tretkurbeln verbindbar ist oder verbunden ist. Zudem weist das Tretlager einen Drehmomentsensor auf, der eine Torsion der Welle erfasst.
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Insbesondere und nach einem unabhängigen Erfindungsgedanken kann vorgesehen sein, dass die Welle nicht als Hohlwelle, sondern als, insbesondere mehrkomponentige, Vollwelle ausgebildet ist. Durch das Vorsehen einer nicht hohlförmigen Welle kann im Ergebnis die Genauigkeit der Drehmomenterfassung verbessert werden, was im Folgenden kurz erläutert wird.
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Beispielsweise kann die Welle als einzelne Komponenten eine äußere Übertragungswelle, einen Zwischenabschnitt und eine innere Tretlagerkurbelwelle aufweisen, wobei die Komponenten vorzugsweise koaxial zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise ist die äußere Übertragungswelle aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material gefertigt, während der Zwischenabschnitt vorzugsweise aus einem unmagnetischen Material besteht und vorzugsweise zumindest teilweise relativ zu der Übertragungswelle und/oder zu der Tretlagerkurbelwelle beweglich angeordnet ist. Zumindest sollte die Beweglichkeit derart sein, dass die Übertragungswelle unabhängig von der Tretlagerkurbelwelle tordiert werden kann. Dadurch, dass sich die Übertragungswelle über den Zwischenabschnitt an der Tretlagerkurbelwelle abstützen kann und daher nicht oder wenig biegebelastet ist, kann die Übertragungswelle besonderes dünnwandig und damit besonderes gut tordierbar ausgebildet sein. Hierdurch wird die auf eine Torsionsmessung (beispielsweise nach dem magnetostriktiven Prinzip) an der Übertragungswelle zurückgehende Drehmomentmessung hierdurch genauer, weil demselben einwirkenden Drehmoment eine größere und damit mit größerer Genauigkeit messbare Torsion zugeordnet ist.
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Wie erwähnt, kann ganz allgemein vorgesehen sein, dass der Drehmomentsensor eine Torsion der Übertragungswelle erfasst. Die Übertragungswelle kann aus einem ersten Material und der Zwischenabschnitt aus einem zweiten, vom ersten Material verschiedenen Material, insbesondere vollständig bestehen. Beispielsweise kann der Zwischenabschnitt aus einem, vorzugsweise unmagnetischem, Material mit geringer Haft- und Gleitreibung, beispielsweise einem Kunststoff, insbesondere Teflon, bestehen.
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Die Übertragungswelle kann, wie ebenfalls bereits erwähnt, den Zwischenabschnitt umgeben. Der Zwischenabschnitt kann die Tretlagerkurbelwelle wenigstens teilweise umgeben. Dabei kann die Übertragungswelle eine andere Elastizität und/oder Torsionssteifigkeit aufweisen als der Zwischenabschnitt. Ferner können die Übertragungswelle und der Zwischenabschnitt relativ zueinander beweglich, insbesondere verdrehbar, sein, so dass eine Drehmomenterfassung möglich ist. In einer alternativen Ausführung kann der Zwischenabschnitt ein Luftspalt sein, der die Übertragungswelle von der Tretlagerkurbelwelle wenigstens in einem Teilbereich trennt.
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Nach einem besonderen, unabhängigen Erfindungsgedanken ist vorgesehen, dass die Welle, die eine Tretlagerkurbelwelle aufweist und/oder als Tretlagerkurbelwelle ausgebildet ist, mittels eines Lagers abgestützt sein, das mit dem Zugmittelträger in einer gemeinsamen Ebene angeordnet ist. Das Anordnen des Lagers und des Zugmittelträgers in einer gemeinsamen Ebene bietet den Vorteil, dass auf das Lager kein durch den Zugmittelträger bewirktes Drehmoment wirkt und dass mehr Bauraum für andere Bauteile innerhalb eines Gehäuses, insbesondere eines Tretlagergehäuses, zur Verfügung steht. Bei dem Lager kann es sich insbesondere auch um ein Lager handeln, das zusätzlich andere Bauteile der Antriebsvorrichtung, insbesondere des Getriebes, lagert, wie dies bereits weiter oben beschrieben ist.
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Das Lager und der Zugmittelträger weisen auch dann eine gemeinsame Ebene auf, wenn die Mittelebene des Lagers bezüglich der Ebene versetzt ist. Insbesondere können das Lager und der Zugmittelträger eine gemeinsame Ebene aufweisen, solange das Lager bezüglich des Zugmittelträgers nicht soweit versetzt ist, dass kein Bestandteil des Lagers durch die Ebene geschnitten wird. In einer besonderen Ausführung weisen eine Vertikalachse des Lagers und der Zugmittelträger eine gemeinsame Ebene auf. Die Mittelebene des Lagers steht zu der Wellenachse senkrecht.
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Die Antriebsvorrichtung kann in einem, insbesondere rohrförmigen, Tretlagergehäuse des Tretlagers angeordnet sein. Zudem kann in dem Tretlagergehäuse eine Steuervorrichtung zum Erfassen von Sensorsignalen und/oder zum Steuern, insbesondere zur Steuerung der Kommutierung, des Antriebsmotors angeordnet sein.
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Die zuvor beschriebene Antriebsvorrichtung und das zuvor beschriebene Tretlager können in einem Fahrrad eingesetzt werden. Natürlich ist der Einsatz der Antriebsvorrichtung und des Tretlagers nicht auf das Fahrrad begrenzt.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleiche oder gleich wirkende Elemente zumeist mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Tretlagers gemäß einer ersten Ausführung mit einer Antriebsvorrichtung, in der ein Getriebeabtrieb unabhängig von der Drehrichtung drehfest mit einem Zugmittelträger verbunden ist,
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2 eine schematische Darstellung eines Tretlagers gemäß einer zweiten Ausführung mit einer Antriebsvorrichtung, in der keine Kupplung zwischen der Welle und dem Getriebeabtrieb vorgesehen ist,
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3 eine schematische Darstellung eines Tretlagers gemäß einer dritten Ausführung mit einer Antriebsvorrichtung mit einer schaltbaren Kupplung zwischen dem Getriebeabtrieb und dem Zugmittelträger,
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4 eine schematische Darstellung eines Tretlagers gemäß einer vierten Ausführung mit einer Antriebsvorrichtung, die einen topfförmigen Flexspline als Getriebeabtrieb aufweist,
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5 eine schematische Darstellung eines Tretlagers gemäß einer fünften Ausführung mit einer Antriebsvorrichtung, die keine Elektronik aufweist,
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6 eine schematische Darstellung eines Tretlagers gemäß einer sechsten Ausführung mit einer Antriebsvorrichtung, wobei ein Lager für eine Kurbelwelle und ein Zugmittelträger in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind,
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7 eine perspektivische Darstellung eines Elektronikmoduls.
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Das in 1 gezeigte Tretlager 1 nach einer ersten Ausführung weist eine Antriebsvorrichtung 2 mit einem in dieser Figur nicht dargestellten Elektronikmodul 5 auf, die als ein Antriebsmodul ausgebildet ist und in ein nicht dargestelltes Tretlagergehäuse eingeschoben wurde. Das Tretlager 1 kommt beispielsweise bei Fahrädern zum Einsatz.
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Die Antriebsvorrichtung 2 weist einen Antriebsmotor 20 auf, der über eine Außenverzahnung einer Motorabtriebswelle 21 mit einem nicht selbsthemmenden Getriebe wirkverbunden ist. Das Getriebe weist einen ringförmigen Flexspline 22 auf, der über eine Innenverzahnung mit der Motorabtriebswelle 21 verbunden ist. Die Motorabtriebswelle 21 ist über eine Außenverzahnung mit einem Circular Spline 23 und einem Getriebeabtrieb in Form eines Dynamic Splines 24 verbunden.
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Das Circular Spline 23 ist mit einem nicht dargestellten Antriebsvorrichtungsgehäuse verbunden und relativ zu diesem ortsfest angeordnet, während hingegen das Dynamic Spline 24 drehbar angeordnet ist. Das Dynamic Spline 24 ist direkt und drehfest mit einem Zugmittelträger 4 eines Zugmittelgetriebes verbunden. Dabei ist das Dynamic Spline 24 derart mit dem Zugmittelträger 4 verbunden, dass sich das Dynamic Spline 24 zusammen mit dem Zugmittelträger 4 in beide Drehrichtungen drehen kann.
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Das Tretlager 1 weist eine Welle 3 auf, die durch das nicht dargestellte Tretlagergehäuse und Antriebsvorrichtungsgehäuse erstreckt. Die Welle 3 weist eine Übertragungswelle 31, einen Zwischenabschnitt 32 und eine Tretlagerkurbelwelle 33 auf. Die Tretlagerkurbelwelle 33 ist an ihren beiden Enden jeweils mit einer Tretkurbel 30 verbunden. Die Übertragungswelle 31 ist mit der Tretlagerkurbelwelle 33 drehfest verbunden und verläuft im Wesentlichen parallel zu dieser. Die Übertragungswelle 31 umschließt den Zwischenabschnitt 32 und der Zwischenabschnitt 32 umschließt einen Teil der Tretlagerkurbelwelle 33. Der Zwischenabschnitt 32 kann aus einem festen, insbesondere unmagnetischen und unmagnetisierbaren, Material bestehen, das eine andere Torsionssteifigkeit und/oder Elastizität als ein Material der Übertragungswelle 31 besitzt. Alternativ kann der Zwischenabschnitt ein Luftspalt sein, der die Übertragungswelle von der Tretlagerkurbelwelle 33 trennt.
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Die Übertragungswelle 31 kann sich relativ zu dem Zwischenabschnitt 32 verdreht und vorzugsweise unabhängig von dem Zwischenabschnitt tordiert werden. Dabei korreliert die Torsion der Übertragungswelle 31 mit dem auf die Tretlagerkurbelwelle 33 anliegenden Drehmoment und wird durch einen Drehmomentsensor 52 erfasst.
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Zudem wird die Drehzahl der Tretlagerkurbelwelle 33 erfasst. Dazu sind ein an der Tretlagerkurbelwelle 33 angeordneter Drehzahlgeber 50 und ein ortsfest angeordneter Drehzahlsensor 51 vorgesehen. Die durch die Sensoren ermittelten Werte werden an eine nicht dargestellte Steuervorrichtung übermittelt.
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Die Übertragungswelle 31 ist über eine Kupplung 6 mit dem Getriebeabtrieb bzw. dem Dynamic Spline 24 und somit mit dem Zugmittelträger 4 gekoppelt. Die Freilauf-Kupplung 6 ist derart ausgebildet, dass von der Übertragungswelle 31 ein Drehmoment in einer einzigen Drehrichtung auf den Zugmittelträger 4 übertragen wird.
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Die Tretlagerkurbelwelle 33 wird durch ein erstes Lager 70, insbesondere einen Innenring des ersten Lagers 70, gelagert. Der Getriebeabtrieb ist ebenfalls durch das erste Lager 70, insbesondere einen Außenring des ersten Lagers 70, gelagert. Zudem wird der Getriebeabtrieb durch ein zweites Lager 71 gelagert.
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Im Folgenden wird der Betriebsablauf des in 1 dargestellten Tretlagers 1 erläutert. Bei Betätigen der Tretkurbeln 30 durch einen Fahrradfahrer wird die Tretlagerkurbelwelle 33 gedreht. Infolge der Drehung der Tretlagerkurbelwelle 33 dreht sich auch die Übertragungswelle 31. Durch das Vorsehen der Freilauf-Kupplung 6 ist sichergestellt, dass ein Drehmoment in nur einer bestimmten Richtung auf den Getriebeabtrieb bzw. auf den Dynamic Spline 24 und damit den Zugmittelträger 4 übertragen wird.
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Der Drehmomentsensor 52 und der Drehzahlsensor 51 erfassen die Drehzahl und das Drehmoment und übermitteln dieses an die Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung bestimmt basierend auf diesen Werten das durch den Antriebsmotor 20 aufzubringende Drehmoment und bewirkt eine Bestromung von diesem. Das Drehmoment von der Abtriebswelle 21 des Motors 20 wird über den Flexspline 22 auf den Getriebeabtrieb bzw. den Dynamic Spline 24 übertragen. Im Ergebnis wird zusätzlich zu dem vom Fahrradfahrer aufgebrachten Drehmoment ein von dem Antriebsmotor 20 aufgebrachtes Drehmoment auf den Zugmittelträger 4 übertragen.
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Der Drehmomentsensor 52, der Drehzahlsensor 51 und ein Elektronikmodullager 72 sind in einem Elektronikmodul angeordnet, das lösbar mit der Antriebsvorrichtung 2 verbunden ist.
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Das in 2 dargestellte Tretlager 1 gemäß einer zweiten Ausführung entspricht im Wesentlichen dem in 1 dargestellten Tretlager gemäß der ersten Ausführung. Im Folgenden wird daher nur auf den Unterschied zwischen den beiden Tretlagern eingegangen. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Tretlagern besteht darin, dass in dem in 2 dargestellten Tretlager keine Kupplung zwischen der Übertragungswelle 31 und dem Getriebeabtrieb bzw. der Dynamic Spline 24 angeordnet ist. Dies bedeutet, dass in dieser Ausführung das von der Übertragungswelle 31 zur Verfügung gestellte Drehmoment unabhängig von der Drehrichtung der Übertragungswelle 31 auf den Getriebeabtrieb und damit den Zugmittelträger 4 übertragen wird.
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Das in 3 dargestellte Tretlager 1 gemäß einer dritten Ausführung unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Tretlager 1 darin, dass zwischen dem Dynamic Spline 24 und dem Zugmittelträger 4 eine weitere, insbesondere schaltbare, Kupplung 60 angeordnet ist. In einer ersten Schaltstellung der weiteren Kupplung 60 kann ein Drehmoment von der Abtriebswelle 21 über den Getriebeabtrieb bzw. den Dynamic Spline 24 auf den Zugmittelträger 4 übertragen werden. In einer zweiten Schaltstellung ist eine Drehmomentübertragung von dem Getriebeabtrieb auf den Zugmittelträger 4 nicht möglich. Die zweite Schaltstellung bietet sich an, wenn der Antriebsmotor 20 kein Drehmoment zur Verfügung stellt.
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Somit wird in der zweiten Schaltstellung der weiteren Kupplung 60 das von der Übertragungswelle 31 über die Kupplung 6 übertragene Drehmoment vollständig auf den Zugmittelträger 4 übertragen. Daher besteht im Gegensatz zu den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungen kein Drehmomentverlust in der Form, dass ein Teil des von der Welle auf den Getriebeabtrieb übertragenen Drehmoments einen eigentlich unerwünschten Antrieb der Motorabtriebswelle 21 bewirkt.
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Das in 4 dargestellte Tretlager 1 nach einer vierten Ausführung unterscheidet sich von den in den 1 bis 3 dargestellten Tretlagern in der Ausbildung des Getriebeabtriebs. So ist in dem in 4 dargestellten Tretlager 1 kein Dynamic Spline vorgesehen. Die Motorabtriebswelle 21 ist über eine Außenverzahnung mit einem topfförmigen Flexspline 22‘ verbunden, wobei der Flexspline 22‘ drehbar ausgebildet ist. Der topfförmige Flexspline 22‘ ist über eine Außenverzahnung mit dem Cirular Spline 23 verbunden.
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Ferner ist der topfförmige Flexspline an einem Topfboden mit dem Zugmittelträger 4 verbunden und überträgt somit das von der Antriebsmotorwelle 21 bereitgestellte Drehmoment auf den Zugmittelträger 4. An dem Topfboden ist die Kupplung 6 vorgesehen, über die sichergestellt wird, dass ein von der Übertragungswelle 31 bereitgestelltes Drehmoment nur in einer Richtung auf den topfförmigen Flexspline 22‘ übertragen wird. Natürlich könnte die Kupplung 6 auch in einem Bereich zwischen dem Topfboden und einem Kupplungsbereich zwischen der Übertragungswelle 31 und der Tretlagerkurbelwelle 33 angeordnet sein, was in der Figur nicht dargestellt ist.
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Das in 5 gezeigte Tretlager 1 gemäß einer fünften Ausführung unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Tretlager darin, dass keine Drehmoment- und Drehzahlerfassung erfolgt. Dementsprechend weist das in 5 dargestellte Tretlager auch keinen Drehmomentsensor und keinen Drehzahlsensor auf. Dies bedeutet, dass in der in 5 dargestellten Ausführung kein Elektronikmodul vorhanden ist. Die Ansteuerung des Antriebsmotors 20 kann beispielsweise mittels einer hinterlegten Kennlinie erfolgen.
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6 zeigt ein Tretlager 1 gemäß einer sechsten Ausführung. Das in 6 gezeigte Tretlager unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Tretlager darin, dass das erste Lager 70‘ derart angeordnet ist, dass das erste Lager und der Zugmittelträger 4 eine gemeinsame Ebene E besitzen. Das erste Lager 70 dient zum Lagern des Getriebabtriebs bzw. Dynamic Splines 24 und der Tretlagerkurbelwelle 33.
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7 zeigt ein Elektronikmodul 5, das mit dem Antriebsmodul verbunden werden kann. Das Elektronikmodul 5 weist den Drehzahlsensor 51 und den Drehmomentsensor 52 auf. Diese sind über eine Verbindungsleitung 53 mit einer nicht dargestellten Steuervorrichtung verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tretlager
- 2
- Antriebsvorrichtung
- 3
- Welle
- 4
- Zugmittelträger
- 5
- Elektronikmodul
- 6
- Kupplung
- 20
- Antriebsmotor
- 21
- Abtriebswelle
- 22
- Flexspline
- 22‘
- topfförmiger Flexspline
- 23
- Circular Spline
- 24
- Dynamic Spline
- 30
- Tretkurbeln
- 31
- Übertragungswelle
- 32
- Zwischenabschnitt
- 33
- Tretlagerkurbelwelle
- 50
- Drehzahlgeber
- 51
- Drehzahlsensor
- 52
- Drehmomentsensor
- 53
- Verbindungsleitung
- 60
- schaltbare Kupplung
- 70, 70‘
- erstes Lager
- 71
- zweites Lager
- 72
- Elektronikmodullager
- E
- Ebene
