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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein elektrisches Zweirad. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Antriebseinrichtung mit mehreren Gangstufen.
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Stand der Technik
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Ein elektrisches Zweirad umfasst ein Fahrrad mit einem elektrischen Hilfs-Antriebsmotor oder ein Kraftrad mit einem elektrischen Antriebsmotor. Der elektrische Antriebsmotor wird aus einem Energiespeicher betrieben, der üblicherweise aufgeladen werden kann, wenn das Zweirad abgestellt und mit einem elektrischen Versorgungsnetz verbunden ist. In einer Ausführungsform hat der elektrische Antriebsmotor eine elektrische Leistungsaufnahme im Bereich von ca. 4 bis 11 kW.
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Der elektrische Antriebsmotor kann als Direktantrieb als getriebeloser Radnaben-Motor ausgeführt sein. Daneben gibt es Antriebseinrichtungen, bei denen der Antriebsmotor an einem Rahmen oder einem Rahmenelement, insbesondere einer hinteren Schwinge des Zweirads, angebracht ist, wobei ein festes Untersetzungsgetriebe zwischen der Ausgangswelle des Antriebsmotors und dem Antriebsrad vorgesehen ist. Diese Konfiguration hat den entscheidenden Nachteil, dass zur Erreichung eines ausreichenden Drehmoments für ein Anfahren des Zweirads ein drehmomentstarker Antriebsmotor eingesetzt werden muss, der ein erhöhtes Gewicht aufweisen kann. Im üblichen Fahrbetrieb wird ein solcher Antriebsmotor üblicherweise im Teillastbereich betrieben, in dem er einen geringeren Wirkungsgrad als unter Volllast aufweist. Trotz eines Spitzenwirkungsgrads eines solchen Antriebsmotors von bis zu 95% kann der Wirkungsgrad über einen kompletten üblichen Fahrzyklus deutlich unter 80% liegen.
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Eine Antriebseinrichtung mit einem Mehrgang-Getriebe kann stirnverzahnte Räder umfassen, die üblicherweise zusammen mit dem Antriebsmotor unmittelbar am Antriebsrad positioniert sind. Bei dieser Anordnung liegt eine relativ große Masse seitlich einer Mittellinie des Zweirads, sodass die Gewichtsverteilung asymmetrisch ist. Das Auswählen bzw. Einlegen der Gänge kann darüber hinaus problematisch sein. In einer bekannten Ausführungsform kann eine der Gangstufen nur verwendet werden, wenn der für die Gangwahl verwendete Aktuator kontinuierlich mit einem Haltestrom beaufschlagt wird. Dies erhöht die Energieaufnahme der gesamten Antriebseinrichtung und kann einen verringerten Wirkungsgrad und eine verringerte Laufweite nach sich ziehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinrichtung für ein elektrisches Zweirad bereitzustellen, die eine verbesserte Energieausnutzung realisiert. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung für ein elektrisches Zweirad umfasst ein erstes Planetengetriebe mit einem ersten Sonnenrad, einem ersten Hohlrad und einem ersten Planetenrad sowie ein zweites Planetengetriebe mit einem zweiten Sonnenrad, einem zweiten Hohlrad und einem zweiten Planetenrad. Ferner vorgesehen sind ein Planetenradträger, auf dem das erste und das zweite Planetenrad drehbar gelagert sind, eine Eingangswelle, die mit den Sonnenrädern verbunden ist, eine Ausgangswelle, die mit dem Planetenradträger verbunden ist, und eine Schalteinrichtung zur drehfesten Abstützung eines der Hohlräder an einem Rahmenelement des Zweirads.
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Dadurch ergibt sich ein zweistufiges Planetengetriebe, das Platz sparend koaxial aufgebaut werden kann. Insbesondere können die Planetengetriebe koaxial mit einem Elektromotor angeordnet werden, der als elektrischer Antriebsmotor des elektrischen Zweirads vorgesehen sein kann. Das Getriebe wirkt in beide Richtungen, so dass eine Rekuperation, also ein Antrieb des Elektromotors durch kinetische Energie des Zweirads, ermöglicht ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schalteinrichtung ein erstes Eingriffselement zur Abstützung des ersten Hohlrads und ein zweites Eingriffselement zur Abstützung des zweiten Hohlrads sowie ein Betätigungselement, wobei das Betätigungselement in einer ersten Stellung das erste Eingriffselement, in einer zweiten Stellung des zweite Eingriffselement und in einer dritten Stellung, die zwischen der ersten und der zweiten Stellung liegt, keines der Eingriffselemente betätigt.
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Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein Gangwechsel stets über einen Leerlauf erfolgt, d.h., dass der gerade eingelegte Gang zuerst gelöst wird, bevor der andere Gang eingelegt wird. Dadurch ist ein schonendes und energieeffizientes Schalten zwischen den Gängen möglich.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist eine schaltbare Arretiereinrichtung zur drehfesten Abstützung der Ausgangswelle am Rahmenelement vorgesehen. Durch die Arretiereinrichtung kann eine Parkstellung realisiert sein, in der die Ausgangswelle der Antriebseinrichtung drehfest an dem Rahmenelement abgestützt ist. Ist eine starre Kopplung zwischen der Ausgangswelle der Antriebseinrichtung und einem Antriebsrad des elektrischen Zweirads vorgesehen, so kann dadurch das Antriebsrad gegen Drehen gesichert sein. Ein unbeabsichtigtes Rollen des elektrischen Zweirads, beispielsweise wenn das Zweirad abgestellt ist, kann so verhindert werden. Außerdem kann die Arretiereinrichtung als Feststellbremse bei einem vorübergehenden Anhalten des Zweirads verwendet werden. So kann beispielsweise ein Halten auf einem Gefälle oder an einer Steigung ermöglicht werden, ohne eine Bremse des Zweirads zu betätigen. Die Haltefunktion kann so einfach und ohne Verflechtung mit einem Bremssystem realisiert sein.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das Betätigungselement in einer vierten Stellung gleichzeitig beide Hohlräder am Rahmenelement abstützen, um die Ausgangswelle am Rahmenelement abzustützen. Auf diese Weise kann die Arretiereinrichtung integriert mit der Schalteinrichtung ausgeführt sein. So kann beispielsweise ein separater Aktuator für die Betätigung der Arretiereinrichtung eingespart werden. Die vierte Stellung liegt bevorzugterweise so, dass sie beim Wechsel zwischen der ersten und der zweiten Stellung nicht durchlaufen wird. In einer Ausführungsform können auch mehrere vierte Stellungen vorgesehen sein, um alternativ von der ersten oder von der zweiten Stellung aus in die vierte Stellung wechseln zu können.
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Alternativ dazu kann die Arretiereinrichtung ein gegenüber dem Rahmenelement gelagertes Eingriffselement zum Eingriff mit der Ausgangswelle aufweisen. Das Eingriffselement kann per Reibschluss, Formschluss oder Kraftschluss mit der Ausgangswelle eingreifen. Die Bewegung der Arretiereinrichtung kann dabei axial, radial oder tangential zu einer Drehachse der Ausgangswelle verlaufen. Dadurch kann ein großer konstruktiver Spielraum für die Realisierung einer einfachen Arretiereinrichtung gegeben sein.
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Bevorzugterweise ist eine Zwangsführung zur Betätigung der Arretiereinrichtung vorgesehen. Die Zwangsführung kann beispielsweise in Form einer Kulissensteuerung erfolgen. Im Gegensatz zu einer einseitigen Betätigung, die üblicherweise gegen die Kraft eines elastischen Elements erfolgt, kann so mit verbesserter Sicherheit ein unbeabsichtigtes Betätigen oder Lösen der Arretiereinrichtung vermieden werden.
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In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst die Antriebseinrichtung zusätzlich einen Elektromotor, der koaxial mit den Planetengetrieben angeordnet ist, wobei Durchmesser des Elektromotors und der Planetengetriebe nicht wesentlich voneinander abweichen. Die Abweichung der Durchmesser kann beispielsweise unterhalb von ca. 5 bis 10% liegen. So kann eine kompakte und separat handhabbare Antriebseinrichtung bereitgestellt werden, die einen vorhandenen Bauraum verbessert ausnutzen kann.
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In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst die Antriebseinrichtung ferner ein Transmissionsgetriebe zur Verbindung der Ausgangswelle mit einem Antriebsrad des Zweirads. Dadurch können die Planetengetriebe und gegebenenfalls auch der Elektromotor näher an einem Schwerpunkt des Zweirads montiert sein. Ferner kann dadurch eine ungefederte Masse im Bereich des Antriebsrads verringert sein. Das Transmissionsgetriebe umfasst bevorzugterweise als Ketten-, Riemen- oder Zahnriemengetriebe ausgeführt.
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In noch einer weiteren Ausführungsform sind elastische Elemente zur Vorspannung der Eingriffselemente der Schalteinrichtung jeweils entgegen ihrer Betätigungsrichtung vorgesehen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass bei Versagen eines der elastischen Elemente die gerade nicht eingelegte Gangstufe nur schwach mitläuft und so die Antriebseinrichtung nicht blockiert.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben, in denen:
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1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Zweirads mit einer Antriebseinrichtung;
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2 eine schematische Darstellung der Antriebseinrichtung von 1;
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3 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Antriebseinrichtung von 2, und
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4 eine Variante der Ausführungsform von 3
darstellt.
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Genaue Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein elektrisches Zweirad 100. Das Zweirad 100 ist vorliegend exemplarisch als elektrisch antreibbarer Motorroller oder so genannter Skooter dargestellt, kann jedoch auch ein Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb oder ein Elektrofahrrad umfassen. Das Zweirad 100 umfasst eine Antriebseinrichtung 105 zum Antrieb eines Antriebsrads 110. Die Antriebseinrichtung 105 kann unmittelbar am Antriebsrad 110 angeordnet sein oder an einem Rahmenelement des Zweirads 100. Das Rahmenelement kann einen Rahmen 115 oder eine Schwinge 120 umfassen. In diesem Fall ist die Antriebseinrichtung 105 bevorzugterweise mittels eines Transmissionsgetriebes 125 mit dem Antriebsrad 110 gekoppelt. Die Schwinge 120 kann eine Einarm- oder Zweiarmschwinge umfassen.
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2 zeigt die Antriebseinrichtung 105 von 1 als Schema. Ein Elektromotor 205 wirkt auf eine Eingangswelle 210 eines Getriebes 215. Das Getriebe 215 umfasst ein erstes Planetengetriebe 220 mit einem ersten Sonnenrad 225, einem ersten Hohlrad 230 und einem ersten Planetenrad 235. Bevorzugterweise sind mehrere erste Planetenräder 235 vorgesehen, beispielsweise drei oder vier. In bekannter Weise sind das erste Sonnenrad 225 und das erste Hohlrad 230 koaxial zueinander angeordnet und kämmen jeweils mit den ersten Planetenrädern 235. In entsprechender Weise ist ein zweites Planetengetriebe 240 vorgesehen, das ein zweites Sonnenrad 245, ein zweites Hohlrad 250 und wenigstens ein zweites Planetenrad 255 umfasst. Dabei sind die Durchmesser wenigstens eines korrespondierenden Räderpaars zwischen den Planetengetrieben 230 und 240 unterschiedlich gewählt.
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Die Planetenräder 235 und 255 sind drehbar auf einem Planetenradträger 260 gelagert, der mit einer Ausgangswelle 265 des Getriebes 215 verbunden ist. Der Planetenradträger 260 ist dabei konzentrisch zu den Sonnenrädern 225 und 245 bzw. den Hohlrädern 230 und 250 drehbar. Eine Schalteinrichtung 270 umfasst ein erstes Eingriffselement 275 zur Abstützung des ersten Hohlrads 230 und ein zweites Eingriffselement 280 zur Abstützung des zweiten Hohlrads 250 jeweils am Rahmenelement 115, 120. Die Eingriffselemente 275, 280 können beispielsweise jeweils ein Bremsband, eine Kupplung oder eine Bremse.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine Arretiereinrichtung 285 zur Abstützung der Ausgangswelle 265 bezüglich des Rahmenelements 215, 220 vorgesehen. Die Arretiereinrichtung 285 kann diskret aufgebaut sein und beispielsweise einen Schieber umfassen, der einen Form- oder Reibschluss mit der Ausgangswelle 265 eingehen kann. Dazu kann die Arretiereinrichtung 285 betätigt werden, beispielsweise durch axiales, radiales oder tangentiales Verschieben bezüglich der Ausgangswelle 265. Bevorzugterweise ist zur Betätigung einer Zwangsführung 290 vorgesehen, die beispielsweise als Kulissenführung ausgeführt sein kann.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Antriebseinrichtung 105 von 2. Zur verbesserten Darstellung sind Achsen zur Verbindung der Planetenräder 235 bzw. 255 am Planetenradträger 260 nicht dargestellt.
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Die Eingriffselemente 275 und 280 sind hierbei jeweils als Bremse ausgeführt. Jede Bremse umfasst zwei Anlageelemente 305, an denen Reibelemente 310 zur Herstellung eines Reibschlusses mit dem jeweiligen Hohlrad 230 bzw. 250 angebracht sind. In 3 unten dargestellte Enden der Anlageelemente 305 sind in einer radialen Richtung verschiebbar gelagert und die Reibelemente 310 sind so angebracht, dass bei Betätigung des jeweiligen Eingriffselements 275, 280 keine resultierenden radialen Kräfte auf das Hohlrad 230 bzw. 250 wirken. Dazu ist die dargestellte Anordnung von zwei Reibelementen 310 pro Anlageelement 305 bevorzugt.
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Die Arretiereinrichtung 285 umfasst einen Schieber zur radialen Bewegung in Richtung Ausgangswelle 265. Die Zwangsführung 290 ist als Kulissenführung ausgeführt. Am Schieber 315 und an einem Außenumfang der Ausgangswelle 265 bzw. des Planetenradträgers 260, ist eine Verzahnung 320 zum formschlüssigen Eingriff vorgesehen.
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Die Schalteinrichtung 270 zur Auswahl eines eingelegten Gangs kann eine Wippe, einen Schieber oder einen Wechsler umfassen. In der dargestellten Ausführungsform ist eine drehbare Betätigungswelle 325 vorgesehen, auf der zwei Ausrücker 330 mit einem Winkelversatz derart angebracht sind, dass je nach Drehstellung der Betätigungswelle 325 entweder das erste Eingriffselement 275 oder das zweite Eingriffselement 280 betätigt ist. Das jeweils nicht betätigte Eingriffselement 275, 280 wird jeweils mittels eines elastischen Elements 335 entlastet, sodass die Reibelemente 310 möglichst nicht mit dem jeweiligen Sonnenrad 225 bzw. 245 eingreifen. Bevorzugterweise sind ein Winkelversatz der Ausrücker 330 und Betätigungswege der Eingriffselemente 275 und 280 so bemessen, dass beim Übergang zwischen einer ersten Stellung, in der das erste Eingriffselement 275 betätigt und das zweite Eingriffselement 280 nicht betätigt ist und einer zweiten, in 3 dargestellten Stellung, in der das zweite Eingriffselement 280 betätigt ist, während das erste Eingriffselement 275 nicht betätigt ist, eine dritte Stellung liegt, in der keines der Eingriffselemente 275, 280 betätigt ist. Die erste Stellung 340, die zweite Stellung 345 und die dritte Stellung 350 sind mit Bezug auf einen Orientierungspfeil an der Betätigungswelle 325 als Detail unten rechts von 3 dargestellt.
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4 zeigt eine Variante der Antriebseinrichtung 105 der Ausführungsform von 3. Hier ist die Schalteinrichtung 270 integriert mit der Arretiereinrichtung 285 ausgeführt. Dazu sind auf der Betätigungswelle 325 im Bereich jedes der Eingriffselemente 275, 280 noch zusätzliche Ausrücker 330 angebracht, die in einer vierten Stellung der Betätigungswelle 325 beide Eingriffselemente 275 und 280 betätigen. Da die Planetengetriebe 220, 240 aufgrund ihrer unterschiedlichen Dimensionierungen unterschiedliche Untersetzungen bewirken, führt das solchermaßen bewirkte Einlegen beider Gänge zu einer Arretierung des Getriebes 215. Die Stellungen 340 bis 355 sind wieder mit Bezug auf einen Orientierungspfeil an der Betätigungswelle 325 in 4 unten rechts dargestellt.
