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Fahrräder mit Elektroantrieb, sogenannte eBikes, erfreuen sich stetig wachsender Beliebtheit. Sie beinhalten i. d. R. ein mehrstufiges, formschlüssig arbeitendes Getriebe (Nabengetriebe mit einem oder mehreren Planetenradsätzen/Tretlagergetriebe mit mehreren Stirnradstufen/oder die klassische Kettenschaltung mit einem bis mehreren Kettenblättern am Tretlager und mehreren Ritzeln an der Hinterradnabe) und einen Elektromotor (E-Motor), welcher i. d. R. als bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) ausgeführt ist. Dabei sitzt der E-Motor i. d. R. entweder in der Vorderradnabe, in der Nähe des Tretlagers oder in der Hinterradnabe.
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Die gemeinsamen Anforderungen an den E-Motor und das Getriebe bei einem Einsatz in einem eBike sind u. a. kostengünstiger Aufbau, geringes Gewicht, hoher Wirkungsgrad, Robustheit, Wartungsarmut bzw. Wartungsfreiheit und einfache Bedienbarkeit bzw. Einstellbarkeit. Der E-Motor sollte zudem ein fahrradspezifisches Drehmoment von rund 50 Nm am antreibenden Rad zur Verfügung stellen und das Getriebe sollte einen möglichst großen Stellbereich (Differenz zwischen kleinstem und größtem Gang) aufweisen um in jeder Fahrsituation (am Berg und in der Ebene) dem Fahrer und E-Motor einen günstigen Drehzahl- bzw. Trittfrequenzbereich zu gestatten.
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Unter den oben aufgeführten, gemeinsamen Anforderungen an Getriebe und E-Motor, ist die nach einem hohen Wirkungsgrad eine der wichtigsten, da man mit einem hohen Wirkungsgrad des Antriebsstranges hohe Reichweiten des Elektroantriebes erzielt bzw. die Baugröße und damit die Kosten und das Gewicht des Akkus bei gleichbleibender Reichweite reduzieren kann. Zudem erzeugt der Antriebsstrang aus E-Motor und Getriebe weniger Abwärme, welche zum Überhitzen des E-Motors und damit zu dessen Abschaltung führen kann.
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In der
deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2013 015 210.0 ist ein stufenloses Getriebe vorgestellt, welches auf dem von Jean-Kopp am 07.07.1956 zum Patent angemeldeten, stufenlos regelbaren Reibungsgetriebe aufbaut und obige Anforderungen weitestgehend erfüllt. Jedoch ist eine Kapselung des Reibgetriebebereiches und damit eine Abdichtung gegen das zu verwendende Reibgetriebeöl bauartbedingt nicht bzw. nur sehr aufwendig möglich. Das heißt, etwaige im gleichen Bauraum befindliche anderen Komponenten, insbesondere ein Elektromotor, dessen Steuerelektronik und dessen Zugmitteltrieb, müssen ölbeständig ausgeführt sein. Dies kann als Nachteil verstanden werden.
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Aufgabenstellung dieser Erfindung war es demgemäß eine Reibgetriebeanordnung auf Basis des von Jean-Kopp am 07.07.1956 zum Patent angemeldeten, stufenlos regelbaren Reibungsgetriebes zu entwickeln, welches eine öldichte Kapselung des Reibgetriebebereiches erlaubt und zudem weitergehend verlustoptimiert ist. Betrachtet man das von Jean-Kopp entwickelte Getriebe hinsichtlich seiner Wirkungsgradverluste fällt auf, dass neben den Bohr-Schlupf- und Rollreibungsverlusten in den Reibstellen, insbesondere die Verluste in den die Axialkräfte aufnehmenden Wälzlagern hoch sind. In der ursprünglichen Anmeldung von Kopp sind dies die Lager 18 und 19. Aufgabenstellung war es demgemäß zudem, mindestens eines dieser Lager einzusparen.
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Realisiert werden beide Ansprüche aus der Aufgabenstellung durch Kapselung des Getriebes in einem Gehäuse, welches sich mit An- oder Abtriebsdrehzahl dreht. Dadurch kann ein Axiallager zur Aufnahme der durch die Spreizkupplungen erzeugten, axial wirkenden Anpresskräfte eingespart werden. Dabei ist das Gehäuse direkt mit dem Andruckring einer der beiden Spreizkupplungen drehfest verbunden, die andere Spreizkupplung stützt sich über das verbleibende Axiallager im Gehäuse ab, wodurch die entgegengerichteten Axialkräfte aus den beiden Spreizkupplungen im Gehäuse kurzgeschlossen werden. Daneben kann über den Gehäusekörper rotatorische Antriebsenergie in das Getriebe eingeleitet bzw. rotatorische Abtriebsenergie aus dem Getriebe ausgeleitet werden. Zur Einleitung bzw. Ausleitung der An- bzw. Abtriebsenergie dient eine weitere Welle, welche aus dem Inneren des Gehäuses nach außen führt. Zudem führt eine weitere Hohlachse nach außen, auf welcher das Differenzdrehmoment aus An- und Abtriebsmoment abgestützt werden kann. Bevorzugt weisen Welle und Hohlachse einen kleinstmöglichen Außendurchmesser auf, um die Dichtungsverluste klein zu halten. Innerhalb der Hohlachse führt eine Gewindespindel nach außen, welche zur axialen Verlagerung des Doppelkegelrollenkäfigs des Reibgetriebes dient und damit zur Veränderung des Übersetzungsverhältnisses.
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Beschreibung einer möglichen Funktionsweise insbesondere in einem Fahrrad:
Eine, in einem bevorzugten Anwendungsfall, von einem Fahrer über Tretkurbeln rotatorisch angetriebene Welle (1) treibt, in einer bevorzugten Ausgestaltung über einen Freilauf (7), das in einer bevorzugten Ausgestaltung große Zahnrad (3a) einer Stirnradstufe (3) an. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Freilauf (7) gleichzeitig radiales und axiales Lager des großen Zahnrades (3a). Das große Zahnrad (3a) treibt in einer bevorzugten Ausgestaltung ein kleines Zahnrad (3b) an, welches in einer bevorzugten Ausgestaltung dreh- und achsfest mit einem inneren Gehäusedeckel (8) verbunden ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das kleine Zahnrad (3b) radial über ein Wälzlager (9) auf einer Ritzelwelle (10) gelagert. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das kleine Zahnrad (3b) axial nicht gelagert. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Außenring des Wälzlagers (9) zwischen zwei Sicherungsringen (12) und zwei Wellenfedern (13) im kleinen Zahnrad (3b) eingespannt. (1 und 2)
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Ritzelwelle (10) und die Welle (1) in einem äußeren Gehäuse (30) axial und radial wälzgelagert. (1)
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Der innere Gehäusedeckel (8) ist dreh und achsfest mit dem inneren Gehäuse (40) verbunden, in bevorzugten Ausgestaltungen mit diesem verschraubt, verstemmt oder verschweißt und das innere Gehäuse (40) ist in einer bevorzugten Ausgestaltung drehfest mit dem großen Andruckring (16a) der großen Spreizkupplung (16) verbunden. (1)
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In einer bevorzugten Ausgestaltung hat der große Andruckring (16a) radiales Spiel von wenigen zehntel Millimetern gegenüber dem inneren Gehäuse (40). In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Andruckring (16a) über eine Zapfen-/Nutenverbindung mit dem inneren Gehäuse (40) drehfest verbunden.
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Eine große Spreizkupplung (16) bestehend aus großem Andruckring (16a), großem Reibring (2c) und einer Anzahl von mindestens 3 rotationssymmetrischen Andruckkörpern (6) erzeugt dabei eine zum Drehmoment am inneren Gehäuse (40), respektive großen Andruckring (16a), proportionale Axialkraft (F) auf den großen Reibring (2c), in Richtung der Rotationsachse (RA), welche durch das Abrollen der Andruckkörper (6) zwischen Rampen (RAMP) des großen Andruckrings (16a) und großen Reibrings (2c) entsteht. Gleichzeitig versetzt der rotierende große Andruckring (16a) den großen Reibring (2c) über die Andruckkörper (6) in Drehung. Die Andruckkörper (6) sind dabei radial in einem Doppelkäfig (16DK) geführt (16DK in 3 nicht dargestellt). (1, 2 und 3)
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Die axial auf den großen Reibring (2c) wirkende Kraft (F) erzeugt eine jeweils normal auf die Kegeloberflächen (Kegelmantellinien) der Doppelkegelrollen (2b) wirkende Reaktionskraft (FNR) oder Anpresskraft, welche auf Grund des Keilwinkels (η) größer ist als die Axialkraft (F). Diese Anpresskraft ermöglicht eine reibschlüssige Kraftübertragung, der durch das Antriebsdrehmoment eingebrachten Umfangskräfte, zwischen großem Reibring (2c) und Doppelkegelrollen (2b). Der rotierende große Reibring (2c) treibt damit über die Reibkontakte (2c–2b) die Doppelkegelrollen (2b) rotatorisch an. (3)
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Innerer Gehäusedeckel (8), inneres Gehäuse (40) und große Spreizkupplung (16) sowie die Andruckkörper (6) und deren Doppelkäfig (16DK) rotieren dadurch mit der Drehzahl des kleinen Zahnrades (3b). Diese ist, in einer bevorzugten Ausgestaltung, um den Übersetzungsfaktor zwischen großem (3a) und kleinem (3b) Zahnrad größer als die Drehzahl der Welle (1). In einer bevorzugten Ausgestaltung bewegt sich dieser Faktor zwischen 3 und 5. (1 und 2)
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Auf der jeweils anderen Kegeloberfläche der Doppelkegelrollen (2b), stehen diese in reibschlüssigem Kontakt mit dem kleinen Reibring (2d), welcher durch Druckfedern (17d), zwischen kleinem Reibring (2d) und kleinem Andruckring (17a) gegen die Kegeloberflächen gepresst wird. Dadurch werden Anpresskräfte zwischen kleinem Reibring (2d) und den Kegeloberflächen realisiert, welche es erlauben eine Umfangskraft zwischen den Doppelkegelrollen (2b) und dem kleinen Reibring (2d) zu übertragen. Diese Umfangskraft erzeugt ihrerseits ein Drehmoment auf den kleinen Reibring (2d). Dieses Drehmoment wiederum erzeugt gemäß dem oben Dargestellten eine diesem Drehmoment proportionale Axialkraft auf den kleinen Reibring (2d), in Richtung der gemeinsamen Rotationsachse (RA) der beiden Reibringe (2c, 2d), entgegengerichtet zu (F), welche durch das Abrollen von rotationssymmetrischen Andruckkörpern (6) zwischen Rampen (RAMP) des kleinen Andruckrings (17a) und kleinen Reibrings (2d) entsteht. Gemeinsam bilden der kleine Andruckring (17a), der kleine Reibring (2d) und die mindestens 3 rotationssymmetrischen Andruckkörper (6) eine weitere, kleine Spreizkupplung (17). Die Andruckkörper (6) sind dabei radial in einem Doppelkäfig (17DK) – in 4 nicht dargestellt – gelagert. (4)
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Die axial auf den kleinen Reibring (2d) wirkende Kraft erzeugt eine normal auf die Kegeloberflächen (Kegelmantellinien) der Doppelkegelrollen (2b) wirkende Reaktionskraft oder Anpresskraft, welche auf Grund des Keilwinkels (n) größer ist als die Axialkraft. Diese Anpresskraft ermöglicht eine reibschlüssige Kraftübertragung zwischen den Doppelkegelrollen (2b) und dem kleinen Reibring (2d) und ist FNR entgegengerichtet. Die rotierenden Doppelkegelrollen (2b) treiben damit über die Reibkontakte (2b–2d) den kleinen Reibring (2d) rotatorisch an. (4)
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Die während der Leistungsübertragung auftretenden Axialkräfte entlang RA, erzeugt durch die beiden Spreizkupplungen (16 und 17), werden über das innere Gehäuse (40) und den mit ihm dreh- und achsfest verbundenen inneren Gehäusedeckel (8) kurzgeschlossen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Doppelkegelrollen (2b) im Doppelkegelrollenträger (2a) auf Achsen (2e) wälzgelagert. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Achsen (2e) in den Doppelkegelrollenträger (2a) eingepresst. (3)
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Die Reibringe (2c und 2d) sind im Ruhezustand axial, in Richtung der gemeinsamen Rotationsachse (RA) des großen und kleinen Reibringes (2c und 2d), gegen die Doppelkegelrollenmantelflächen angefedert. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird dies durch mehrere (mindestens 2) Druckfedern (16d und 17d) realisiert, welche jeweils zwischen den Andruckringen (16a bzw. 17a) und den Reibringen (2c bzw. 2d) angeordnet sind. Die Druckfedern (16d und 17d) werden dabei von den Doppelkäfigen (16DK und 17DK) geführt bzw. gehalten. Die axiale Anfederung der Reibringe (2c, 2d) gegen die Doppelkegelrollenoberflächen sorgt dabei dafür, dass die Doppelkegelrollen (2b) während des Drehmoment- und damit Axialkraft- und damit Anpresskraftaufbaus nicht zwischen den beiden Reibringen (2c, 2d) durchrutschen, sondern auf Ihnen abwälzen. (3 und 4)
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Doppelkegelrollenträger (2a) zur Abstützung des durch die Doppelkegelrollen (2b) eingebrachten Drehmomentes mit einer Führungs- und Lagerhülse (14) verpresst bzw. dreh- und achsfest mit dieser verbunden. In einer bevorzugten Ausgestaltung hat diese Führungs- und Lagerhülse (14) sowohl einer innere Verzahnung (iZ) bevorzugt eine Evolventenverzahnung als auch ein Innengewinde (iG), bevorzugt ein Trapezgewinde. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist diese Hülse (14) durch deren Innenverzahnung (iZ) drehfest aber axial beweglich auf der außenverzahnten Hohlachse (15) (15 in 5 nicht dargestellt) gelagert, welche ihrerseits dreh- und achsfest mit dem äußeren Gehäuse (30) verbunden ist. (2 und 5)
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Hülse (14) und somit der Doppelkegelrollenträger (2a) axial durch eine Gewindespindel (18) bewegt. Diese ist in einer bevorzugten Ausgestaltung in der außenverzahnten Hohlachse (15) radial wälzgelagert und axial gleitgelagert. Eine Abdichtung, zum Beispiel durch einen O-Ring (19) verhindert das Ausdringen von Reiböl, welches sich im Inneren des inneren Gehäuses (40) befindet. Die Gewindespindel (18) führt nach außen und kann dort zur Verstellung der axialen Position des Doppelkegelrollenträgers (2a) und damit zur Überstezungsveränderung des Reibgetriebes, rotatorisch angetrieben werden. (2)
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In einer bevorzugten Ausgestaltung stützt sich die kleine Spreizkupplung (17) axial am inneren Gehäusedeckel (8) über ihren kleinen Laufring (17b) ab. In einer bevorzugten Ausgestaltung haben der kleine Laufring (17b) und der kleine Andruckring (17a) jeweils eine Laufrinne (17aLr und 17bLr), in welchen Wälzkörper (17WK) in einem Käfig (17K) geführt die Axialkräfte aufnehmen, welche durch die Spreizkupplungen (16 und 17) erzeugt werden (4 ohne Käfig (17K) dargestellt). Kleiner Laufring (17b), kleiner Andruckring (17a) und die Wälzkörper (17WK) bilden folglich ein Axialwälzlager. (2 und 4)
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In bevorzugten Ausgestaltungen bildet der kleine Andruckring (17a) entweder eine Einheit mit der Ritzelwelle (10) oder ist mit dieser drehfest oder dreh- und achsfest verbunden. (1)
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Ritzel bzw. Zahnriemenrad (11) dreh- und achsfest mit der Ritzelwelle (10) verbunden. Es treibt in einer bevorzugten Ausgestaltung über eine Kette oder einen Zahnriemen das Kettenblatt bzw. Zahnriemenrad, eines mit diesen dreh- und achsfest verbundenen Antriebsrades, eines insbesondere Fahrrades an. (1)
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein E-Motor (20) im äußeren Gehäuse (30) integriert. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Rotationsachse des E-Motors (RAM) achsparallel zur gemeinsamen Rotationsachse (RA) der beiden Reibringe (2c, 2d). In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Stator (20a) des E-Motors (20) dreh- und achsfest im äußeren Gehäuse (30) gelagert. Der Rotor (20b) ist in bevorzugten Ausgestaltungen mit der Riemenradnabe (21) dreh- und achsfest verbunden oder über einen Freilauf und eine axiale und radiale Wälzlagerung auf dieser gelagert. In einer bevorzugten Ausgestaltung treibt der Rotor (20b) die kleine Riemenradnabe (21) an, welche in einer bevorzugten Ausgestaltung axial und radial auf einem mit dem äußeren Gehäuse (30) dreh- und achfest verbundenen Zapfen (30Z) wälzgelagert ist. Ein Riemen- bzw. Zahnrad (21Rr), welches in einer bevorzugten Ausgestaltung dreh- und achsfest mit der Riemenradnabe (21) verbunden ist, treibt über einen Zahn- oder Flachriemen oder eine Kette oder sonstiges Zugmittel (24) oder durch Zahneingriff das innere Gehäuse (40) rotatorisch an und überträgt damit die Antriebsleistung des E-Motors (20) auf das Doppelkegel-Ring-Regelreibgetriebe (2).
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Der Leistungsfluß erfolgt in dieser bevorzugten Ausgestaltung über das Gehäuse (40) auf den großen Andruckring (16a), über die Andruckkörper (6) auf den großen Reibring (2c), auf die Doppelkegelrollen (2b), auf den kleinen Reibring (2d), auf die Andruckkörper (6), den kleinen Andruckring (17a), auf die Ritzelwelle (10) und von dort über ein bevorzugt Zugmittelgetriebe auf das Antriebsrad eines bevorzugt Fahrrades. Eine Spannvorrichtung für den Flach- bzw- Zahnriemen (24) entsprechend dem Stand der Technik ist hier nicht dargestellt aber in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen. (6)
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das innere Gehäuse (40) auf einer Dichthülse (22) über das Wälzlager (4) radial wälzgelagert. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das innere Gehäuse (40) auf der Dichthülse (22) mittels eines bevorzugt Radialwellendichtringes (5) dynamisch abgedichtet. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Dichthülse (22) auf der Hohlachse (15) mittels eines bevorzugt O-Ringes statisch abgedichtet. (3)
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das kleine Zahnrad (3b) und damit das mit Reibgetriebeöl teilweise befüllte Getriebeinnere gegen die Abstands- und Dichthülse (27) mittels eines Radialwellendichtringes (26) abgedichtet.
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7 und 8 ohne äußeres Gehäuse (30), inneres Gehäuse (40) und inneren Gehäusedeckel (8) dargestellt.
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Für weitere Anwendungsfälle ist für den Fachmann ersichtlich, dass das oben als Standgetriebe eingesetzte Getriebe, mit der Hohlachse (
15) als Stegwelle, dem Gehäuse (
40) und inneren Gehäusedeckel (
8) als Welle 1 und der Ritzelwelle (
10) als Welle 2, auch als Umlaufgetriebe eingesetzt werden kann. Demnach ist es möglich über alle drei Wellen (Stegwelle, Welle 1 und 2) rotatorische An- bzw. Abtriebsenergie zu- bzw. abzuführen bzw. ein Differenzdrehmoment aus An- und Abtriebsmoment abzustützen.
| Bezugszeichen | Bezeichnung |
| 1 | Welle |
| 2 | Doppelkegelring-Regel-Reibgetriebe (stufenloses Getriebe) |
| 2a | Doppelkegelrollenträger |
| 2b | Doppelkegelrolle |
| 2c | großer Reibring |
| 2d | kleiner Reibring |
| 2e | Lagerachse (Doppelkegelrolle) |
| 3 | Stirnradstufe |
| 3a | großes Zahnrad |
| 3b | kleines Zahnrad |
| 4 | Wälzlager |
| 5 | Radialwellendichtring |
| 6 | Andruckkörper |
| 7 | Freilauf |
| 8 | innerer Gehäusedeckel |
| 9 | Wälzlager |
| 10 | Ritzelwelle |
| 11 | Ritzel bzw. Zahnriemenrad |
| 12 | Sicherungsring |
| 13 | Wellenfeder |
| 14 | Führungs- und Lagerhülse |
| 15 | Hohlachse außenverzahnt |
| 16 | große Spreizkupplung |
| 16a | großer Andruckring |
| 16aLR | Laufrinne in großem Andruckring |
| 16b | großer Laufring (nicht dargestellt) |
| 16bLR | Laufrinne in großem Laufring |
| 16d | Druckfeder zwischen großem Andruckring und großem Reibring |
| 16DK | Doppelkäfig |
| 16K | Wälzkörperkäfig (nicht dargestellt) |
| 16WK | Wälzkörper zwischen großem Andruckring und großem Laufring (nicht dargestellt) |
| 17 | kleine Spreizkupplung |
| 17a | kleiner Andruckring |
| 17aLR | Laufrinne in kleinem Andruckring |
| 17b | kleiner Laufring |
| 17bLR | Laufrinne in kleinem Laufring |
| 17d | Druckfeder zwischen kleinem Andruckring und kleinem Reibring |
| 17DK | Doppelkäfig |
| 17K | Wälzkörperkäfig |
| 17WK | Wälzkörper zwischen kleinem Andruckring und kleinem Laufring |
| 18 | Gewindespindel |
| 19 | O-Ring |
| 20 | E-Motor |
| 20a | Stator |
| 20b | Rotor |
| 21 | Riemenradnabe |
| 21Rr | kleines Riemen- bzw Zahnrad |
| 22 | Dichthülse |
| 23 | Freilauf |
| 24 | Flach- oder Zahnriemen |
| 25 | O-Ring |
| 26 | Radialwellendichtring |
| 27 | Abstands- und Dichthülse |
| 30 | äußeres Gehäuse |
| 30Z | Zapfen |
| | |
| 40 | inneres Gehäuse |
| η | Keilwinkel |
| F | Axialkraft |
| FNR | normal auf die Kegeloberfläche wirkende Reaktionskraft (Anpresskraft) |
| RA | gemeinsame Rotationsachse der Reibringe (2c, 2d) |
| RAM | Rotationsachse des E-Motors |
| RAMP | Rampen |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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