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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromotorische Antriebsvorrichtung für ein Fahrrad mit unterstützendem Elektromotor und einem, dem Elektromotor nachgeschalteten Übersetzungstrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Unter anderem sind elektromotorische Antriebsvorrichtungen für Fahrräder bekannt, bei denen ein Elektromotor in der Regel über einen einstufigen Übersetzungstrieb entweder unterstützend (sogenannte Pedelecs) oder auch dauerhaft ein Antriebsmoment geschwindigkeits- und/oder beschleunigungsabhängig ausübt und damit den Fahrer/ die Fahrerin entlastet.
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Aus der
DE 20 2004 010 269 U1 ist eine gattungsgemäße elektromotorische Antriebsvorrichtung für ein Fahrrad bekannt. Die elektromotorische Antriebsvorrichtung weist einen Elektromotor und einen, dem Elektromotor nachgeschalteten Übersetzungstrieb auf. Der Übersetzungstrieb ist als ein Planetengetriebe ausgeführt. Aus der
US 3 721 135 A ist allgemein ein Ravigneauxsatz bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektromotorische Antriebsvorrichtung für ein Fahrrad bereitzustellen, die in größerem Umfang eine Anpassung der zur Verfügung stehenden Antriebskapazität auf Drehzahl- und Drehmomentanforderungen im Fahrbetrieb ermöglicht.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Übersetzungstrieb zumindest durch einen Ravigneauxsatz mit bis zu vier schaltbaren Übersetzungsstufen gebildet ist, wobei die Übersetzungsstufen mittels zweier in den Kraftfluss integrierter Freiläufe und zweier Schaltkupplungen schaltbar sind. Ein derartiges Planetengetriebe benötigt unter Berücksichtigung relativ niedriger Antriebsleistungen einen sehr geringen Bauraum und ermöglicht bei nur wenigen Getriebeelementen eine hervorragende Anpassung an gegebene Drehzahl- und Antriebsmomentenverhältnisse. Die Verwendung zweier Freiläufe stellt zudem eine beachtliche Vereinfachung in der Umschaltung der Übersetzungsstufen dar, indem nur zwei Schaltkupplungen zur Verwirklichung von bis zu vier Übersetzungsstufen zu betätigen sind.
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Besonders vorteilhaft können dabei die Schaltkupplungen mit Vorsynchronisierungseinrichtungen versehen sein, die ruckfreie, gleitende Gangwechsel ermöglichen.
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Die oben beschriebene Antriebsvorrichtung ist automatikfähig. Weitere wichtige Erfindungsaspekte werden nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Diese betreffen einen innenliegenden Doppel-Verstellmechanismus, einen elektrischen Aktuator für den Verstellmechanismus sowie einen Aktuator mit Selbsthemmung zur Vermeidung von Haltekräften. Zudem eine, um eine Fahrrad-Tretkurbel herum bauende Anordnung sowie eine axiale Anordnung mit E-Maschine zwischen den Kurbelarmen der Tretkurbel bei klassischem Kurbelabstand.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können die beiden Schaltkupplungen über einen innenliegenden Doppel-Verstellmechanismus betätigbar sein, der eine gemeinsame, verdrehbar angeordnete Nockenscheibe aufweist. Die Nockenscheibe wirkt über voneinander separate, axial gerichtete Profilkonturen und daran anlaufende Druckstücke auf die Schaltkupplungen. Daraus resultiert eine deutlich vereinfachte, funktionell sichere Schaltbetätigung ohne die Gefahr von Fehlschaltungen. Idealerweise wiederholt sich die Profilkontur mindestens dreimal über den Umfang der Nockenscheibe, so dass eine konzentrische Abstützung der Schaltlasten gewährleistet und eine entsprechende Verkippung dieser verhindert wird.
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Insbesondere kann die Nockenscheibe mittels eines elektromotorischen Aktuators verstellbar sein, der vorteilhaft selbsthemmend ausgeführt ist. Der Stellmotor muss dann nur zur Umschaltung der Übersetzungsstufen bestromt sein, während im stromlosen Zustand die eingestellte Übersetzungsstufe stabil gehalten ist. Die Selbsthemmung kann innerhalb des Aktuators (durch eine geeignete Kontur der Nockenscheibe) oder aber durch ein selbsthemmendes Getriebe (zum Beispiel einem Schneckentrieb) bewirkt sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der eine Freilauf zwischen die Antriebswelle des Ravigneauxsatzes und eines der Sonnenräder geschaltet sein. Ferner kann über den zweiten Freilauf der Planetenradträger des Ravigneauxsatzes gehäusefest abstützbar sein.
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Des Weiteren kann die eine Schaltkupplung im geschlossenen Zustand die Antriebswelle des Ravigneauxsatzes mit dem Planetenradträger koppeln und über die zweite Schaltkupplung das zweite Sonnenrad des Ravigneauxsatzes festbremsbar sein.
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Zur Erzielung größerer Freiheitsgrade in der Übersetzungsauslegung des Ravigneauxsatzes können ferner die mit dem einen Sonnenrad und den Planetenrädern am zweiten Sonnenrad in Eingriff befindlichen Planetenräder als Stufenplanetenräder ausgeführt sein.
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In baulich besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Nockenscheibe und die eine Schaltkupplung einerseits des Ravigneauxsatzes positioniert sein, während die zweite Schaltkupplung gegenüberliegend dazu angeordnet und über ein Gestänge mit der Nockenscheibe trieblich verbunden ist. Dabei kann in besonders zweckmäßiger Weise in das Gestänge ein das korrespondierende Druckstück in Umfangsrichtung entkoppelndes Axiallager eingeschaltet sein.
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Bei einer Antriebsvorrichtung an einem eine Tretlagerwelle mit Kurbelarmen aufweisenden, zumindest temporär elektromotorisch angetriebenen Fahrrad wird zudem vorgeschlagen, dass der Elektromotor und der nachgeschaltete Ravigneauxsatz koaxial zur Tretlagerwelle und zwischen den Kurbelarmen positioniert sind. Der axial extrem kurz bauende Ravigneauxsatz ermöglicht dabei in vorteilhafter Weise die Einhaltung eines bei Pedelecs üblichen Kurbelabstandes.
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Schließlich können zumindest die Schaltkupplungen des Ravigneauxsatzes drehzahl- und/oder drehmomentabhängig über eine elektronische Steuereinheit automatisch geschaltet sein und damit die Bedienung des Fahrrads bei weitgehendst optimaler Fahrleistung wesentlich vereinfachen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einem halbseitigen Längsschnitt durch eine elektromotorische Antriebsvorrichtung für Fahrräder mit unter anderem einem dem Elektromotor nachgeschalteten, als Ravigneauxsatz ausgeführten Planetengetriebe;
- 2 eine Abwicklung einer zum Schalten der Übersetzungsstufen des Ravigneauxsatzes mit Profilkonturen ausgestatteten Nockenscheibe; und
- 3 eine Gangtabelle der über die Nockenscheibe geschalteten vier Übersetzungsstufen, das heißt Gänge.
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Die Antriebsvorrichtung 10 gemäß 1 weist einen Elektromotor 12, einen ersten Übersetzungstrieb 14 (eine Primärstufe) und einen im Kraftfluss nachgeschalteten Ravigneauxsatz 16 an sich bekannter Bauart auf.
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Der Ravigneauxsatz 16 setzt sich im Wesentlichen aus zwei Sonnenrädern S1, S2, einem Hohlrad 18 und einem Planetenradträger 20 mit Planetenrädern P1 und P2 zusammen. Die Planetenräder P2 sind Stufenplanetenräder mit durchmesserkleineren Planetenrädern 21 und durchmessergrößeren Planetenrädern 23, die jeweils unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen.
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Das kleinere Sonnenrad S1 ist mit den Planetenrädern P1 (es ist nur ein Planetenrad P1 ersichtlich) in Eingriff, die wiederum mit der Innenverzahnung des Hohlrads 18 kämmen.
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Das größere Sonnenrad S2 ist mit den größeren Planetenrädern 23 der Stufenplanetenräder P2 in Eingriff. Dessen kleinere Planetenräder 21 kämmen mit den Planetenrädern P1. Die Planetenräder P1 sowie die Stufenplanetenräder P2 sind dabei mit ihren Drehachsen 22, 24 entsprechend umfangsversetzt am Planetenradträger 20 drehgelagert.
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Die hohle Antriebswelle 26 des dem Elektromotor 12 und dem Übersetzungstrieb 14 nachgeschalteten Ravigneauxsatzes 16 kann über einen in das Sonnenrad S2 eingeschaltbaren Freilauf K2 auf das Sonnenrad S2 abtreiben oder alternativ über eine Schaltkupplung K1 auf den Planetenradträger 20 geschaltet sein.
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Ferner kann der Planetenradträger 20 über einen Freilauf B2 gehäusefest abgestützt werden, wobei der Freilauf B2 zwischen dem umgebenden Gehäuse 28 des Ravigneauxsatzes 16 und einem Ringflansch 20a des Planetenradträgers 20 eingefügt ist.
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Des Weiteren kann das Sonnenrad S1 über eine Schaltkupplung B1 gehäusefest geschaltet werden, wobei die Schaltkupplung B1 das Sonnenrad S1 mit einer Gehäusewand 28a verbindet.
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Die nur skizzenhaft dargestellten Schaltkupplungen K1 und B1 sind jeweils als Klauenkupplungen (durch Punkte 30 angedeutet) ausgeführt, die mit Vorsynchronisierungseinrichtungen zusammenwirken. Diese sind in der 1 jeweils durch Reibscheiben 32 gebildet, die beim Umschalten durch Tellerfedern 34 beaufschlagt einen Gleichlauf der Kupplungselemente herstellen.
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Der Abtrieb des Ravigneauxsatzes 16 erfolgt über das Hohlrad 18, das topfförmig ausgebildet und über mehrere Wälzlager (allgemein mit 38 bezeichnet) im Gehäuse 28 und auf der Antriebswelle 26 drehbar gelagert ist und dessen hohle Abtriebswelle 18a in nicht dargestellter Weise die axial benachbarte Ketten- oder Riemenscheibe 60 der radial innerhalb der Antriebswelle 26 angeordnete Tretkurbelwelle eines Fahrrads antreibt.
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Die Betätigung der Schaltkupplungen K1, B1 wird über eine Nockenscheibe 40 bewirkt, die drehbar gelagert und benachbart der Gehäusewand 28a positioniert ist und die über einen Aktuator 42 und einen Stirnzahnradtrieb 44 gezielt verdrehbar ist. Der Aktuator 42 mit einem elektrischen Stellmotor ist mit einer innenliegenden Bremse (nicht dargestellt) versehen, die den Stellmotor im unbestromten Zustand festbremst. Gegebenenfalls kann anstelle des dargestellten Stirnzahnradtriebs 44 auch ein selbsthemmender Schneckentrieb vorgesehen sein.
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Die Nockenscheibe 40 weist axial ausgerichtet zwei radial benachbarte Profilkonturen 40a, 40b auf, an denen Druckstücke 46, 48 zur Betätigung der Schaltkupplungen K1, B1 anlaufen. Dabei wirkt das Druckstück 46 unmittelbar auf das verschiebbare Kupplungselement der Schaltkupplung B1, während das Druckstück 48 über ein an den Sonnenrädern S1, S2 seitlich vorbeigeführtes Gestänge 50 auf das verschiebliche Schaltelement der auf der gegenüber liegenden Stirnseite des Ravigneauxsatzes 16 angeordneten Schaltkupplung K1 wirkt.
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In das nur skizzenhaft dargestellte Gestänge 50 ist ein Axialwälzlager 52 als Entkopplungselement zwischen dem drehenden Gestängeabschnitt 51 und dem nichtdrehenden Gestängeabschnitt 53 des Gestänges 50 integriert.
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Die 2 zeigt eine Abwicklung der an der Nockenscheibe 40 axial ausgerichteten Profilkonturen 40a, 40b zur Betätigung der Schaltkupplungen B1, K2 über das Druckstück 46 oder das Druckstück 48 und das Gestänge 50 beispielsweise gemäß der Schaltmatrix nach 3.
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Die Profilkonturen 40a, 40b sind über einen Umfangsbereich der Nockenscheibe 40 mit axial vorragenden, zueinander winkelversetzten Abschnitten ausgeführt, in denen die Schaltkupplungen B1, K1 über die Druckstücke 46, 48 in eine geschlossene Position geschaltet werden.
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In Verbindung mit den Freiläufen B2 und K2 können vier Übersetzungsstufen bzw. die Gänge 1 bis 4 geschaltet werden, bei denen die Schaltelemente B1, K1, B2, K2 wie folgt zusammenwirken, das heißt in den Momenten- oder Kraftfluss eingebunden sind:
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Im ersten Gang sind beide Schaltkupplungen B1, K1 geöffnet und die beiden Freiläufe B2 und K2 aktiv, so dass eine Momentenübertragung über die beiden Freiläufe B2 und K2 erfolgt. Das heißt dass das Sonnenrad S2 über den Freilauf K2 angetrieben ist und der Planetenradträger 20 über den als Momentenstütze wirkenden Freilauf B2 festgebremst ist. Der Kraftfluss verläuft somit über das Sonnenrad S2, die Planetenstufenräder P2 und die Planetenräder P1 auf das Hohlrad 18 sowie dessen Abtriebswelle 18a, wobei der festgebremste Planetenradträger 20 das Reaktionselement bildet.
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Im zweiten Gang bleibt der Freilauf K2 aktiv und die Schaltkupplung B1 wird geschlossen. Demzufolge ist das Sonnenrad S1 über die Schaltkupplung B1 festgebremst und erfolgt eine Momentenübertragung über den Freilauf K2. Der Freilauf B2 ist, entsprechend der Drehzahl- und Momentenverhältnisse im Ravigneauxsatz, inaktiv und wirkt daher nicht mehr als eine Momentenstütze für den Planetenradträger 20, so dass dieser entsprechend rotieren kann. Im zweiten Gang verläuft somit der Kraftfluss über das Sonnenrad S2, die Planetenstufenräder P2 und die Planetenräder P1 auf das Hohlrad 18 sowie dessen Abtriebswelle 18a, wobei nunmehr das mittels der Schaltkupplung B1 festgestellte Sonnenrad S1 das Reaktionselement bildet.
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Im dritten Gang ist die Schaltkupplung K1 geschlossen und der Freilauf K2 aktiv. Das heißt, dass das Sonnenrad S2 über den Freilauf K2 und über die Schaltkupplung K1 mit dem Planetenradträger 20 zusammengeschaltet sind, und zwar unter Bildung einer Direktübersetzung, bei der das Sonnenrad S2, der Planetenradträger 20, die Planetenstufenräder P2 und das Hohlrad 18 als eine drehfeste Baueinheit drehen (das heißt der Ravigneauxsatz 16 in sich blockiert ist).
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Im vierten Gang schließlich sind, wie aus der Gangtabelle gemäß der 3 ersichtlich ist, sowohl die Schaltkupplung K1 als auch die Schaltkupplung B1 zur Erzielung der höchsten Übersetzungsstufe des Ravigneauxsatzes 16 geschlossen, während die beiden Freiläufe B2, K2 entsprechend der Drehzahl- und Momentenverhältnisse im Ravigneauxsatz inaktiv sind. Das heißt, dass der Kraftfluss von der Antriebswelle 26 den Planetenradträger 20, die Planetenräder P2 und P1 auf das Hohlrad 18 sowie dessen Abtriebswelle 18a verläuft. In diesem Fall wirkt das mittels der Schaltkupplung B1 festgestellte Sonnenrad S1 als Reaktionselement.
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Die Ansteuerung des Aktuators 42 zur Verstellung der Nockenscheibe 40 erfolgt über ein elektronisches Steuergerät 54. Diese erhält über nicht gezeigte Sensoren geschwindigkeits- und drehmomentabhängige Parameter, auf deren Grundlage das Steuergerät 54 Stellsignale generiert und über eine Signalleitung 55 zum Aktuator 42 leitet, der nach Maßgabe der Parameter die Gänge 1 bis 4 schaltet.
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Die dargestellte Antriebsvorrichtung 10 ist bevorzugt radial um die Tretkurbelwelle eines Fahrrads mit axial äußeren Tretkurbeln angeordnet. Die Antriebsvorrichtung 10 kann gegebenenfalls aber auch für rein elektrische Antriebe von Fahrrädern und gegebenenfalls an anderer Stelle (zum Beispiel bei einem Nabenantrieb) verwendet sein. Der dem Ravigneauxsatz 16 vorgeschaltete Übersetzungstrieb 14 kann gegebenenfalls auch entfallen.
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Sonstige getriebeseitige Lagerungen sind bildlich nicht dargestellt.
