DE102014009833A1

DE102014009833A1 - Antriebseinheit für ein elektrisch unterstütztes Fahrrad.

Info

Publication number: DE102014009833A1
Application number: DE102014009833.8A
Authority: DE
Inventors: Auf Teilnichtnennung Antrag; Ling He
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2034-07-03
Also published as: DE102014009833B4; CN106660608A; CN106660608B; WO2016000809A1; EP3164326A1

Abstract

Die technische Lösung für eine im Tretlagerbereich angeordneter Antriebseinheit mit der Integration einer mindestens zweistufigen umschaltbaren Übersetzung welche sowohl für den Pedalantrieb als auch für den unterstützenden Motor wirksam ist sowie einer Rücktrittbremsfunktion bietet viele Vorteile gegenüber vorhandenen Lösungen. Die Motorkraft wird wie die Pedalkraft optimal an die Fahrgeschwindigkeit angepasst. Ein zusätzliches Getriebe im Hinterrad kann entfallen. Die Umschaltung der Getriebestufen kann mit einem Aktuator wahlweise per Hand und oder vollautomatisch elektrisch betätigt, abhängig von der Geschwindigkeit des Fahrrades erfolgen. Durch die zusätzlich integrierten Funktionen entsteht eine kompakte Antriebseinheit welche keinerlei zusätzliche externe Sensorik oder Eingabegeräte benötigt.

Description

Stand der Technik
Es ist bekannt, Elektrofahrräder mit einem Elektromotor auszustatten, der an dem Tretlager des Fahrradrahmens angeordnet ist. Hierbei ist der Elektromotor und die zugehörige Getriebeeinheit im Tretlagerbereich des Rahmens gruppiert (Mittelmotor), wobei eine drehmomentübertragende mechanische Verbindung zwischen Elektromotoreinheit und Tretlager bzw. einem Abtrieb hergestellt wird.
Zusätzlich ist bei diesen Fahrzeugen eine Getriebeeinheit (Nabenschaltung bzw. Kettenschaltung) im Hinterrad montiert, um ein optimales Drehmoment und Drehzahlverhältnis bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu erreichen. Dies führt zu zusätzlichen Kosten und Gewicht. Zusätzlich ändert sich die Abschaltdrehzahl des Motors in Abhängigkeit vom jeweils eingelegten Gang. Zur Überwachung der maximal zulässigen Motorunterstützungsdrehzahl ist deswegen eine zusätzliche Geschwindigkeitsmessung erforderlich.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Antriebseinheit gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung ermöglicht es, eine zusätzliche Getriebeeinheit im Hinterrad und externe Sensorik wegzulassen und damit ein kostengünstigeres, leichteres und wartungsarmes elektrisch unterstütztes Fahrrad zu produzieren.
Die Erfindung sieht vor, dass in der Antriebseinheit, welche an den Fahrradrahmen zu montieren ist, nicht nur die bekannten Komponenten (Elektromotor, Getriebe, Pedalantrieb und Steuerung) untergebracht sind, sondern zusätzlich ein mindestens zweistufiges schaltbares Getriebe zwischen den zusammengeführten Strängen von Pedalantrieb, Motor und dem an der Antriebseinheit angeordnetem Abtrieb, und eine Rücktrittbremsfunktion.
Für den Anwendungsfall eines e-Bikes mit einer maximal zulässigen motorisch unterstützten Höchstgeschwindigkeit von 25 km/h ist eine 2-stufige Übersetzung ausreichend. Für höhere Geschwindigkeiten sind entsprechend weitere Stufen einbaubar.
Die weiter technische Beschreibung beschränkt sich auf ein 2-stufiges Getriebe.
Zur Vereinfachung sind alle Komponenten in einer Ebene dargestellt.
Die Pedalkraft wird in die Einheit über die Kurbelarme (1a) und (1b) auf die im Gehäuse gelagerte Kurbelwelle (2) übertragen. Das in die Kurbelwelle integrierte Stirnrad treibt den mit einer Stirnradverzahnung versehenen Planetenradträger (3) eines auf der Achse (19) montierten Planetengetriebes an. Über die mittels Achsen (4) mit dem Planetenradträger (3) verbundenen Planetenräder (5) wird die Kraft auf das Hohlrad (8) übertragen.
Der Abtrieb erfolgt über das Hohlrad (8). Das Sonnenrad (6) ist mit einer Hülse (7) verbunden und drehbar auf der Achse (19) gelagert. Das an der Hülse (7) auftretende Drehmoment ist proportional der Pedalkraft und wird zur Ansteuerung des Elektromotors verwendet. Die Messung des Drehmoments kann über Dehnmessstreifen, Winkelgeber oder sonstige direkte und indirekte bekannte Verfahren erfolgen.
Am Hohlrad (8) ist eine zusätzlich äußere Stirnradverzahnung angebracht welche das Stirnrad (9) antreibt und über einen Freilauf (10) die erste auf den auf der Kurbelwelle drehbar gelagerten Abtriebsflansch (11) wirkende Getriebestufe bildet.
Die zweite Getriebestufe besteht aus dem über einen steuerbaren Freilauf (13), (14) zuschaltbaren Stirnrad (12) welches das fest mit dem Abtriebsflansch (11) verbundene Stirnrad antreibt. Durch die jetzt höhere Drehzahl des Abtriebsflansches wird der Freilauf (10) überholt. Wird das Stirnrad (12) wieder abgeschaltet übernimmt der Freilauf (10) automatisch wodurch ein Unterbrechen des Kraftflusses zwischen Pedalantrieb (1a), (1b) und Abtriebsflansch (11) sicher verhindert wird.
Der Motor (18) treibt über das Stirnrad (17) das große Stirnrad der Stirnradkombination (16). Das kleine Stirnrad der Stirnradkombination (16) treibt das große Stirnrad der Stirnradkombination (15). Das kleine Stirnrad der Stirnradkombination (15) treibt das Hohlrad (8). Dadurch addiert sich die Kraft des Motors (18) zur Pedalkraft bevor diese über die Stirnräder (9) bzw. (12) auf den Abtiebsflansch übertragen wird.
Damit beim Fahrradfahren ohne Motorunterstützung der Motor nicht mitgedreht werden muss, kann zwischen Motor (18) und Hohlrad (8) ein Freilauf angeordnet werden. Die Anordnung des Motors (18) ist sowohl Achsparallel wie in Bild 1 als auch um 90 Grad versetzt, wie in Bild 2 ersichtlich möglich.
Zur besseren Platzausnutzung ist es auch denkbar 2 kleinere Motoren einzusetzen welche das große Stirnrad von Stirnradkombination (16) antreiben.
In der einfachsten Form der Drehmomenterfassung dreht die Hülse (7) gegen eine vorgespannte Feder und betätigt einen ersten Kontakt welcher die Elektronik einschaltet und eine Grundlast für die Motoransteuerung freigibt. Ein zweiter Kontakt wird bei weiterer Verdrehung der Hülse betätigt und gibt die maximale Motorunterstützung frei. Damit wird eine einfache 2-stufige Motorunterstützung erreicht. Zwischenstufen sind durch weitere Kontakte einfach zu realisieren. Durch eine geeignete Übersetzung zwischen Hülse (7) und Winkelerfassung kann der auswertbare Drehwinkel vergrößert werden.
Die maximale Motordrehzahl muss bei e-Bikes einer Geschwindigkeit von 25 km/h bei größtmöglicher Übersetzung entsprechen.
Üblich ist es, für jeden Raddurchmesser eine entsprechend programmierte Antriebseinheit zu verwenden. Bei der oben beschriebenen Antriebseinheit wird die Übersetzung der Antriebseinheit so gewählt, dass bei 28 Zoll Fahrrädern ein 28 zahniges Ritzel verwendet wird. Entsprechend bei 24 Zoll 24 Zähne usw. Dadurch ist die Verwendung einer Antriebseinheit für alle Raddurchmesser und eine einfache Überprüfung von Manipulation durch die Exekutive möglich.
Das Abtriebskettenblatt (20) kann Aufgrund der internen Übersetzungen klein gehalten werden und in einem geschützten Bereich des Antriebs untergebracht werden. Ein herkömmlicher Kettenschutz kann dadurch entfallen.
Zusätzlich kann eine Rücktrittbremsfunktion integriert werden.
Bei Rückwärtstreten wird über das mit der Kurbelwelle (2) verbundene Stirnrad das auf der Achse (21) drehbar gelagerte Stirnrad (22) in Vorwärtsrichtung betätigt. Durch einen geeigneten Kopplungsmechanismus (23) wird das normalerweise frei laufende Stirnrad (24) angetrieben und dreht den Abtriebsflansch (11) rückwärts. Das dadurch ebenfalls rückwärts drehende Verbindungselement zwischen Abtriebsflansch und Hinterradnabe kann eine in der Hinterradnabe integrierte Rücktrittbremse betätigen.

Claims

Antriebseinheit für ein elektrisch unterstütztes Fahrrad, wobei die Antriebseinheit einen Elektromotor (18) und ein Gehäuse umfasst, in dem der Elektromotor untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit ferner eine Pedalkurbelwelle (2) einen darauf gelagerten Abtriebsflansch (11) und eine auf einer zweiten Achse gelagerte Planetengetriebeeinheit umfasst, die ebenfalls in dem Gehäuse untergebracht sind, wobei der Planetenradträger (3) dieser Planetengetriebeeinheit mit der Pedalkurbelwelle (2) drehmomentübertragend verbunden ist und das Hohlrad (8) der Planetengetriebeeinheit über innerhalb des Gehäuses installierte Komponenten mit dem Abtriebsflansch (11) drehmomentübertragend verbunden ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1, wobei die Antriebseinheit ferner ein Getriebe (15), (16), (17) zur Verbindung des Elektromotors (18) mit dem Hohlrad der Planetengetriebeeinheit aufweist, wobei das Getriebe (15), (16), (17) ebenfalls in dem Gehäuse untergebracht ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die drehmomentübertragenden Komponenten (8), (9), (10), (11), (12), (13) zwischen Planetengetriebeeinheit und Abtriebsflansch als mindestens 2-stufiges, schaltbares Stirnradgetriebe ausgeführt sind.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Hohlrad (8) der Planetengetriebeeinheit eine über der Innenverzahnung liegende Außenverzahnung trägt, welche das auf dem Abtriebsflansch (11) mittels Freilauf (10) verbundene Stirnrad (9) antreibt.
Antriebseinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das am Sonnenrad (6) der Planetengetriebeeinheit anliegende Drehmoment zur Ansteuerung und Regelung des Motors verwendet wird.
Antriebseinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Umschaltung zwischen den Getriebestufen automatisch abhängig von der Pedaldrehzahl erfolgt.
Antriebseinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Umschaltung zwischen den Getriebestufen manuell, per Funk oder Seilzug erfolgt.
Antriebseinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei vor dem Umschaltvorgang ein Warnsignal ertönt um den Benutzer auf die bevorstehende Pedaldrehzahländerung hinzuweisen.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die interne Übersetzung der Antriebseinheit so gewählt wird, dass die Zähne Zahl des im Hinterrad verbauten Ritzels entsprechend dem Raddurchmesser in Zoll ist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zusätzliche Rücktrittbremsfunktion integriert ist.