DE102014108612A1

DE102014108612A1 - Fahrradantriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102014108612A1
Application number: DE102014108612.0A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Ovalo GmbH
Current assignee: Ovalo GmbH
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2014-12-18
Also published as: DE102014108611A1; DE102014108611B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrradantriebsvorrichtung mit einem Antriebsgehäuse zur Aufnahme einer Tretlagerkurbelwelle. Die Fahrradantriebsvorrichtung weist zudem eine Hohlwelle, die innerhalb des Antriebsgehäuses angeordnet und mit der Tretlagerkurbelwelle drehrichtungsunabhängig drehfest verbindbar oder verbunden ist, und eine elektrische Antriebseinheit auf, die innerhalb des Antriebsgehäuses angeordnet und mit einem Zugmittelträger triebtechnisch in Verbindung bringbar ist. Zudem weist die Fahrradantriebsvorrichtung eine erste Freilaufkupplung zur Kopplung der Hohlwelle mit einem Zugmittelträger und eine zweite Freilaufkupplung zur Kopplung der elektrischen Antriebseinheit mit dem Zugmittelträger auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrradantriebsvorrichtung.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von unterschiedlich ausgebildeten Fahrradantriebsvorrichtungen bekannt, bei denen ein Motordrehmoment über ein Getriebe an einen Zugmittelträger, der beispielsweise ein Kettenblatt aufweist, übertragen wird. Zudem sind Fahrradantriebsvorrichtungen bekannt, die einen Freilauf zur Kopplung einer Tretlagerkurbelwelle mit dem Zugmittelträger aufweisen.
Bei einem Drehen der Tretlagerkurbelwelle durch den Fahrer in Antriebsrichtung stellt der Freilauf eine drehfeste mechanische Verbindung zum Zugmittelträger her, wodurch das Fahrrad angetrieben wird. Ein Antriebsmotor kann den Fahrer unterstützen, indem die von dem Antriebsmotor bereitgestellte Leistung an den Zugmittelträger abgegeben wird.
Pedaliert der Fahrer in umgekehrter Richtung entkoppelt der Freilauf die Tretlagerkurbelwelle vom Zugmittelträger. Dies ist ein Sicherheitsmerkmal, um die Tretkurbeln in eine der Fahrsituation entsprechende optimale Position zu stellen, ohne das Fahrrad anzutreiben. Dabei ist der Freilauf derart ausgebildet und angeordnet, dass ein Antreiben der Tretlagerkurbelwelle durch den Antriebsmotor nicht möglich ist. Der Nachteil der bekannten Fahrradantriebsvorrichtung besteht darin, dass, das Getriebe und der Antriebsmotor beim Fahren durch den Fahrer zurückgetrieben werden müssen, wenn der Antriebsmotor keine Leistung an den Zugmittelträger abgibt. Dies kann dann auftreten, wenn ein den mit Strom versorgender Akku leer ist und/oder der Antriebsmotor defekt ist. Im Ergebnis ist der reine Pedalierbetrieb durch die Fahrradantriebsvorrichtung erschwert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Fahrradantriebsvorrichtung anzugeben, die einen einfachen Pedalierantrieb ermöglicht, unabhängig davon, ob von dem Antriebsmotor eine Leistung an den Zugmittelträger abgegeben wird oder nicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Fahrradantriebsvorrichtung gelöst, die ein Antriebsgehäuse zur Aufnahme einer Tretlagerkurbelwelle und eine Hohlwelle aufweist, die innerhalb des Antriebsgehäuses angeordnet und mit der Tretlagerkurbelwelle drehrichtungsunabhängig drehfest verbindbar oder verbunden ist. Zudem weist die Fahrradantriebsvorrichtung eine elektrische Antriebseinheit, die innerhalb des Antriebsgehäuses angeordnet und mit einem Zugmittelträger triebtechnisch in Verbindung bringbar ist, und eine erste Freilaufkupplung zur Kopplung der Hohlwelle mit einem Zugmittelträger auf. Darüber hinaus weist die Fahrradantriebsvorrichtung eine zweite Freilaufkupplung zur Kopplung der elektrischen Antriebseinheit mit dem Zugmittelträger auf.
Die erfindungsgemäße Fahrradantriebsvorrichtung weist den Vorteil auf, dass die zweite Freilaufkupplung sicherstellt, dass keine Kraft zum Rücktreiben der elektrischen Antriebseinheit aufzubringen ist, wenn der Zugmittelträger allein durch die Tretlagerkurbelwelle angetrieben wird. Dies erleichtert den reinen Pedalierbetrieb ganz erheblich.
Bei einer besonderen Ausführung ist das Antriebsgehäuse das Tretlagergehäuse eines Fahrradrahmens. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass eine ein Antriebsgehäuse aufweisende Fahrradantriebsvorrichtung, insbesondere als vorgefertigtes Modul, in ein Tretlagergehäuse eines Fahrradrahmens eingebaut wird.
Die erste Freilaufkupplung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine triebtechnische Kopplung der Tretlagerkurbelwelle mit dem Zugmittelträger nur bei einer bestimmten Bewegungsrichtung, insbesondere Drehrichtung, der Tretlagerkurbelwelle erfolgt. Im Sinne der Erfindung liegt eine triebtechnische Kopplung durch die erste Freilaufkopplung vor, wenn über die erste Freilaufkupplung ein Drehmoment von der Tretlagerkurbelwelle auf den Zugmittelträger übertragen wird. Insbesondere kann die erste Freilaufkupplung derart angeordnet und ausgebildet sein, dass ein durch die Tretlagerkurbelwelle übertragenes Drehmoment in lediglich einer Drehrichtung der Hohlwelle ausschließlich auf den Zugmittelträger übertragen wird. Zudem kann die erste Freilaufkupplung derart ausgebildet sein, dass diese verhindert, dass das von der elektrischen Antriebseinheit, insbesondere einem Getriebeabtrieb, auf den Zugmittelträger übertragene Drehmoment auf die Hohlwelle übertragen wird.
Die zweite Freilaufkupplung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine triebtechnische Kopplung der elektrischen Antriebseinheit, insbesondere des Getriebeabtriebs, mit dem Zugmittelträger nur bei einer bestimmten Bewegungsrichtung, insbesondere Drehrichtung, der elektrischen Antriebseinheit, insbesondere des Getriebeabtriebs, erfolgt. Die zweite Freilaufkupplung kann zudem derart ausgebildet sein, dass diese verhindert, dass das von der Hohlwelle auf den Zugmittelträger übertragene Drehmoment auf die elektrische Antriebseinheit, insbesondere den Getriebeabtrieb, übertragen wird. Im Sinne der Erfindung liegt eine triebtechnische Kopplung durch die zweite Freilaufkopplung vor, wenn über die zweite Freilaufkupplung ein Drehmoment von dem Getriebeabtrieb auf den Zugmittelträger übertragen wird.
Im Sinne der Erfindung bedeutet eine drehrichtungsunabhängige Verbindung der Hohlwelle mit der Tretlagerkurbelwelle, dass die Hohlwelle unabhängig von der Drehrichtung der Tretlagerkurbelwelle mit dieser verbunden ist und somit das von der Tretlagerkurbelwelle bereitgestellte Drehmoment unabhängig von der Drehrichtung der Tretlagerkurbelwelle auf die Hohlwelle übertragen wird.
Mittels der erfindungsgemäßen Fahrradantriebsvorrichtung kann ein multipler Betrieb als reiner Motorantrieb, reiner Pedalierantrieb oder als eine synergetische Kombination von Elektroantrieb und Pedalierantrieb, insbesondere als Pedelec-Antrieb (Motorantrieb ausschließlich als Tretunterstützung) realisiert werden.
Bei einer besonderen Ausführung kann die elektrische Antriebseinheit ein Spannungswellengetriebe und einen mit dem Spannungswellengetriebe gekoppelten Antriebsmotor aufweisen. In diesem Fall kann die zweite Freilaufkupplung verhindern, dass von der Hohlwelle auf den Zugmittelträger übertragene Drehmoment auf einen Flexspline oder einen Dynamicspline des Spannungswellengetriebes übertragen wird. Dies hat den Vorteil, dass der Nutzer bei einem Ausfall des elektrischen Antriebs, beispielsweise aufgrund eines leeren Akkus, nicht mit Muskelkraft das Spannungswellengetriebe und den Antriebsmotor zurücktreiben muss. Zudem bietet der Einsatz eines Spannungswellengetriebes den Vorteil, dass dieses aufgrund seiner Spielfreiheit geeignet ist, den wechselnden Belastungsverhältnissen, die beim Betrieb der Fahrradantriebsvorrichtung auftreten, langfristig Stand zu halten.
Die erste und/oder zweite Freilaufkupplung können innerhalb des Antriebsgehäuses und/oder außerhalb eines Getriebebauteils, insbesondere des Flexsplines, der elektrischen Antriebseinheit angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass das Antriebsgehäuse die Freilaufkupplungen vor Verschmutzungen oder Beschädigungen schützt, so dass ein sicherer Betrieb der Fahrradantriebsvorrichtung unabhängig von der Art des Fahrgrunds gewährleistet ist. Ein Verklemmen der Freilaufkupplungen aufgrund eines schlammigen Fahrgrunds kann somit nicht auftreten.
Zudem bietet die Anordnung wenigstens einer der Freilaufkupplungen außerhalb des Flexsplines den Vorteil, dass der Durchmesser der außerhalb des Flexsplines befindlichen Freilaufkupplung durch die Dimension des Flexsplines nicht beschränkt ist. Dadurch kann die Freilaufkupplung beliebig ausgebildet sein, so dass der zur Verfügung stehende Bauraum optimal ausgenutzt werden kann, was wiederum eine kompakte Ausbildung der Fahrradantriebsvorrichtung ermöglicht.
Im Sinne der Erfindung befindet sich die Freilaufkupplung innerhalb des Getriebebauteils, wenn die Freilaufkupplung in einem durch eine Getriebebauteilwand, eingeschlossenen Raum angeordnet ist. Die Freilaufkupplung befindet sich außerhalb des Getriebebauteils, wenn die Freilaufkupplung außerhalb des durch die Getriebebauteilwand, eingeschlossenen Raums angeordnet ist.
Die Freilaufkupplung befindet sich innerhalb des Antriebsgehäuses, wenn sie innerhalb eines Raumes angeordnet ist, der durch die Wände des Antriebsgehäuses definiert ist. Zu dem Antriebsgehäuse gehören, insbesondere ausschließlich, diejenigen Wände, die einen Raum definieren, in dem die elektrische Antriebseinheit, die Hohlwelle, die zwei Freilaufkupplungen und Sensoren zum Ermitteln von Zustandswerten der Fahrradantriebsvorrichtung angeordnet sind. Zu dem Antriebsgehäuse gehören keine weiteren Bauteile, wie beispielsweise ein Schutzblech für den Zugmittelträger, die an das Antriebsgehäuse angebaut werden. Die zuvor genannte Definition der Bezeichnungen „innerhalb“ und „außerhalb“ bezieht sich auf den zusammengebauten Zustand der Fahrradantriebsvorrichtung.
Bei einer Ausführung kann die Hohlwelle ausschließlich innerhalb des Antriebsgehäuses angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Hohlwelle eine für eine Drehmomentmessung bestimmte und/oder geeignete tordierbare Hohlwelle sein. Darüber hinaus kann die Hohlwelle die Tretlagerkurbelwelle in Umfangsrichtung teilweise oder vollständig umschließen und/oder koaxial zu der Tretlagerkurbelwelle angeordnet sein. Eine derart ausgebildete Hohlwelle weist vorteilhaftweise zwei Funktionen auf. Die Hohlwelle kann zum Übertragen eines Drehmoments von der Tretlagerkurbelwelle auf den Zugmittelträger und zum Messen von verschiedenen Betriebszuständen der Fahrradantriebsvorrichtung dienen.
Die Hohlwelle kann zum Erfassen von einem Drehmoment und/oder einer Drehzahl und/oder einer Drehrichtung verwendet werden. Insbesondere die Ausbildung der Hohlwelle als tordierbare Hohlwelle ermöglicht das Erfassen des an der Hohlwelle anliegenden Drehmoments auf einfache Weise. Die tordierbare Hohlwelle kann derart ausgebildet sein, dass durch die im Betrieb auftretenden Drehmomente jeweils eine ausreichend große Torsion erzeugt wird, um diese beispielsweise mit optisch oder magnetisch arbeitenden Positionssensoren oder magnetostriktiv messen zu können, um dann auf das anliegende Drehmoment rückschließen zu können.
Die Fahrradantriebsvorrichtung kann zum Messen des an der Tretlagerkurbelwelle und/oder der Hohlwelle anliegenden Drehmoments einen Drehmomentsensor aufweisen. Zudem kann die Fahrradantriebsvorrichtung einen Drehzahlsensor zum Erfassen der Drehzahl der Tretlagerkurbelwelle und/oder Hohlwelle aufweisen. Darüber hinaus kann die Fahrradantriebsvorrichtung einen Drehrichtungssensor zum Erfassen der Drehrichtung der Tretlagerkurbelwelle und/oder Hohlwelle aufweisen.
Der Drehmomentsensor und/oder der Drehzahlsensor und/oder der Drehrichtungssensor können in einem, insbesondere von dem Antriebsgehäuse separat ausgebildeten, Elektronikmodul angeordnet sein. Das Elektronikmodul kann mit dem Antriebsgehäuse verbunden sein und/oder in das Antriebsgehäuse eingeschoben sein. Das Anordnen der Sensoren auf dem Elektronikmodul bietet den Vorteil eines einfacheren Zusammenbaus der Fahrradantriebsvorrichtung. Zudem können defekte Sensoren auf einfache Weise ausgetauscht werden, indem nicht die gesamte Fahrradantriebsvorrichtung auseinandergebaut werden muss, sondern lediglich das Elektronikmodul aus dem Antriebsgehäuse herausgezogen wird.
Der Zugmittelträger kann über unterschiedliche Freilaufkupplungen, insbesondere die erste und zweite Freilaufkupplung, mit dem Spannungswellengetriebeabtrieb und der Hohlwelle verbunden sein. Insbesondere kann die Tretlagerkurbelwelle über die Hohlwelle und die erste Freilaufkupplung triebtechnisch mit dem Zugmittelträger verbunden werden. Im Sinne der Erfindung bedeutet eine triebtechnische Verbindung, dass die Bauteile derart miteinander verbunden sind, dass ein Drehmoment von einem Bauteil, wie der Hohlwelle, auf ein anderes Bauteil, wie den Zugmittelträger, übertragen wird.
Der Zugmittelträger kann ein Kettenblatt und eine mit dem Kettenblatt verbundene Zugmittelträgerwelle aufweisen. Die Zugmittelträgerwelle kann, insbesondere über die zweite Freilaufkupplung, mit dem Getriebe verbunden oder verbindbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Zugmittelträgerwelle, insbesondere über die erste Freilaufkupplung, mit der Hohlwelle verbindbar oder verbunden sein. 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.
Bei einer Ausführung kann der Antriebsmotor der elektrischen Antriebseinheit, insbesondere eine Rotorwelle des Antriebsmotors, koaxial zu der Tretlagerkurbelwelle und/oder der Hohlwelle angeordnet sein. Dies erlaubt eine besonders kompakte Anordnung der Komponenten der Fahrradantriebsvorrichtung und ermöglicht eine Verringerung des benötigten Einbauraums der Fahrradantriebsvorrichtung, beispielsweise in einem Tretlagergehäuse eines Fahrrads.
Die Rotorwelle kann in radialer Richtung beabstandet zu der Hohlwelle und/oder der Tretlagerkurbelwelle angeordnet sein. Insbesondere kann die Rotorwelle bezüglich der Tretlagerkurbelwelle in radialer Richtung weiter entfernt angeordnet sein als die Hohlwelle. Die Rotorwelle kann hohl ausgebildet sein und/oder die Hohlwelle in Umfangsrichtung umschließen. Durch eine derartige Anordnung des Antriebsmotors kann eine geringe und kompakte Baugröße der Fahrradantriebsvorrichtung in axialer Richtung erreicht werden. Die Hohlwelle kann bezüglich der Tretlagerkurbelwelle in radialer Richtung derart angeordnet sein, dass ein Luftspalt zwischen der Hohlwelle und der Tretlagerkurbelwelle vorhanden ist.
Das Spannungswellengetriebe kann einen ringförmigen oder einen topfförmigen Flexspline aufweisen. Ein ringförmiger Flexspline bietet den Vorteil, dass ein schmaler Aufbau des Spannungswellengetriebes in axialer Richtung, also einer Richtung entlang der Tretlagerkurbelwelle, realisiert werden kann. Bei einer ringförmigen Ausbildung des Flexsplines kann ein Circularspline zur Übertragung des Drehmoments auf den Zugmittelträger eingesetzt werden. Der Vorteil des Einsatzes eines Circularsplines besteht darin, dass dessen Geometrie auf den zur Verfügung stehenden Bauraum angepasst werden kann. Dadurch kann der zur Verfügung stehende Bauraum optimal genutzt werden.
Die Innenverzahnungen des Circularsplines und des Dynamicsplines unterscheiden sich in der Zähnezahl voneinander. Zudem unterscheidet sich die Zähnezahl des Circularsplines von der Zähnezahl des Flexsplines. Der Dynamicspline kann genauso viele Zähne aufweisen wie der Flexspline. Der Circularspline kann weniger oder mehr Zähne aufweisen als der Flexspline.
Bei einer Ausführung können die Hohlwelle und/oder der Getriebeabtrieb und/oder der Zugmittelträger über separate Verbindungsmittel mit der ersten und/oder zweiten Freilaufkupplung verbunden sein.
Bei einer alternativen Ausführung kann ein Teil der Hohlwelle Bestandteil der ersten Freilaufkupplung sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Getriebeabtrieb der elektrischen Antriebseinheit, wie beispielsweise der Circularspline oder der Flexspline, Bestandteil der zweiten Freilaufkupplung sein. Ein Teil des Zugmittelträgers, insbesondere die Zugmittelträgerwelle, kann Bestandteil der ersten und/oder zweiten Freilaufkupplung sein. Eine derartige Ausbildung der ersten und/oder zweiten Freilaufkupplung ermöglicht einen kompakten Aufbau der Fahrradantriebsvorrichtung, da keine Verbindungsmittel notwendig sind, um die erste und/oder zweite Freilaufkupplung mit den zuvor genannten Bauteilen der Fahrradantriebsvorrichtung zu verbinden.
Bei einer ringförmigen Ausbildung des Flexsplines kann der Circularspline mit dem Flexspline, insbesondere unmittelbar, in Zahneingriff sein und der Circularspline kann Bestandteil der zweiten Freilaufkupplung sein. Bei einer topfförmigen Ausbildung des Flexsplines kann der Flexspline Bestandteil der zweiten Freilaufkupplung sein. Im Ergebnis kann unabhängig davon, ob der Flexspline ringförmig oder topfförmig ausgebildet ist, eine kompakte Bauweise realisiert werden.
Die Drehrichtung der Hohlwelle, bei der ein Drehmoment auf den Zugmittelträger übertragen wird, kann zu der Drehrichtung des Getriebeabtriebs gleichgerichtet sein, bei der ein Drehmoment von dem Getriebeabtrieb auf den Zugmittelträger übertragen wird. In der der jeweiligen Drehrichtung entgegengesetzten Richtung laufen die erste und zweite Freilaufkopplung frei, so dass in dieser Richtung keine Drehmomente auf den Zugmittelträger übertragen werden. Es erfolgt durch einen solchen doppelten Freilauf somit eine drehrichtungsabhängige Kopplung des Getriebes mit dem Zugmittelträger sowie eine drehrichtungsabhängige Kopplung der Tretlagerkurbelwelle mit dem Zugmittelträger.
Die erste und zweite Freilaufkupplung können koaxial zueinander angeordnet sein. Zudem können die erste und zweite Freilaufkupplung in axialer Richtung beabstandet zueinander angeordnet sein. Natürlich können in einer alternativen Ausführung die erste und zweite Freilaufkupplung in axialer Richtung nicht zueinander beabstandet angeordnet sein. In diesem Fall sind die erste und zweite Freilaufkupplung, insbesondere ausschließlich, in radialer Richtung beabstandet zueinander angeordnet. Im Ergebnis ergibt sich eine kompakte Ausbildung der beiden Freilaufkupplungen.
Bei einer besonderen Ausführung kann ein Lager vorhanden sein, dass die Tretlagerkurbelwelle am Antriebsgehäuse abstützt. Das Lager kann direkt oder indirekt mit dem Antriebsgehäuse in Kontakt stehen.
Die Lagerung der Tretlagerkurbelwelle und/oder der Hohlwelle kann ausschließlich auf einer Seite erfolgen. Insbesondere kann die Lagerung der Tretlagerkurbelwelle und/oder der Hohlwelle durch ausschließlich eine einzige Lagereinheit, insbesondere ein einziges Hauptlager, erfolgen, wenn die auf die Tretlagerkurbelwelle wirkende Last, die beispielsweise von einem Fahrer beim Pedalieren auf die Tretlagerkurbelwelle ausgeübt wird, kleiner ist als ein vorgegebener Lastschwellwert. Das Hauptlager kann an einer von dem Zugmittelträger entfernten Seite des Antriebsgehäuses angeordnet sein. Eine einseitige Lagerung hat den Vorteil, dass zumindest unterhalb des Lastschwellwerts der Radfahrer entlastet ist, weil der Drehung der Tretlagerkurbelwelle nur eine einzige Lagereinheit, insbesondere ein Reibmoment wenigstens eines Lagers der Lagereinheit, gegenwirkt. Die Lagereinheit kann ein einziges oder mehrere Lager aufweisen. Bei mehreren Lagern können diese in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Lagerung der Tretlagerkurbelwelle und/oder der Hohlwelle durch zwei Lagereinheiten erfolgen, wenn die auf die Tretlagerkurbelwelle wirkende Last größer ist als ein vorgegebener Lastschwellwert. In diesem Fall erfolgt die Lagerung der Tretlagerkurbelwelle und/oder der Hohlwelle auf zwei Seiten. Insbesondere kann bei einem Überschreiten des Lastschwellwerts die Lagerung zusätzlich zu der Lagereinheit durch eine andere Lagereinheit erfolgen, die ein einziges Lager, insbesondere ein Nebenlager, oder mehrere, in axialer Richtung nebeneinander angeordnete Lager aufweist. Vorzugsweise kann bei einem Überschreiten des Lastschwellwerts die Lagerung zusätzlich zu dem Hauptlager durch das Nebenlager erfolgen. Ein derartiger Zustand kann eintreten, wenn der Fahrer besonders stark in die mit der Tretlagerkurbelwelle verbundene Pedale tritt und/oder stehend fährt, da in diesen Fällen ein hohes Biegemoment auf die Tretlagerkurbelwelle wirkt, die eine weitere Lagerung der Tretlagerkurbelwelle notwendig macht.
Das Nebenlager kann an einer dem Zugmittelträger nahen Seite des Antriebsgehäuses angeordnet sein. Zudem kann das Nebenlager ein Gleitlager sein. Das Nebenlager kann derart ausgebildet sein, dass ein Spalt zwischen dem Nebenlager und der Tretlagerkurbelwelle existiert, solange der Lastschwellwert nicht überschritten ist. Eine Lagerung der Tretlagerkurbelwelle durch das Nebenlager erfolgt vorzugsweise erst wenn der Lastschwellwert überschritten ist. Bei Erreichen des Lastschwellwertes ist die Tretlagerkurbelwelle so weit gebogen und/oder hat das Hauptlager, bedingt durch ein zwangsläufig immer vorhandenes Spiel, so weit nachgegeben, dass die Tretlagerkurbelwelle sich an dem Nebenlager abstützen kann. Sowohl das Hauptlager als auch das Nebenlager können sich in radialer Richtung an deren von der Tretlagerkurbelwelle entfernten Seite an dem Antriebsgehäuse abstützen.
Die Fahrradantriebsvorrichtung kann modulartig ausgebildet sein. Eine modulartig ausgebildete Fahrradantriebsvorrichtung kann vorteilhaft als vormontierte Einheit in ein Tretlagergehäuse des Fahrrads eingeschoben und dort befestigt werden. Die modulartige Ausbildung der Fahrradantriebsvorrichtung bietet den Vorteil, dass eine separate Herstellung der Fahrradantriebsvorrichtung und beispielsweise des Fahrradrahmens durch unterschiedliche Hersteller möglich ist. Ein Fahrradhersteller kann somit die modulartig ausgebildete Fahrradantriebsvorrichtung zukaufen und einbauen. Ein aufwändiges, sukzessives Montieren von Einzelkomponenten der Fahrradantriebsvorrichtung in das Tretlagergehäuse ist damit vermieden. Es ist vorteilhaft auch möglich, dass das Tretlagergehäuse eines Fahrradrahmens als Antriebsgehäuse fungiert und dass die bis auf das Antriebsgehäuse vormontierte Fahrradantriebsvorrichtung als Modul ausgebildet ist, das beim Zusammenbau des Fahrrades in das als Antriebsgehäuse fungierende Tretlagergehäuse eingeschoben wird
In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleiche oder gleichwirkende Elemente zumeist mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Tretlagers mit einer erfindungsgemäßen Fahrradantriebsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführung,
2 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Tretlagers mit einer erfindungsgemäßen Fahrradantriebsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführung,
3 eine schematische Darstellung von zwei Freilaufkupplungen.
Das in 1 gezeigte Tretlager 1 eines Fahrrads weist eine Fahrradantriebsvorrichtung 2, eine mit der Fahrradantriebsvorrichtung 2 gekoppelte Tretlagerkurbelwelle 3 und einen mit der Fahrradantriebsvorrichtung 2 gekoppelten Zugmittelträger 5 auf. Die Fahrradantriebsvorrichtung 2 weist ein Antriebsgehäuse 20 und eine elektrische Antriebseinheit auf, die innerhalb des Antriebsgehäuses 20 angeordnet ist.
Die elektrische Antriebseinheit weist einen Antriebsmotor und ein mit dem Antriebsmotor gekoppeltes Spannungswellengetriebe auf, das die nachstehend näher erörterten Bauteile Wellengenerator 24, Flexspline 25, Circularspline 26 und Dynamicspline 27 aufweist. Der Antriebsmotor weist einen Stator 21 und einen mit einer Rotorwelle 22 verbundenen Rotor 23 auf. Die Rotorwelle 22 weist an einem Ende den Wellengenerator 24 auf, der eine elliptische Scheibe und ein verformbares Kugellager aufweist. Das nicht dargestellte in radialer Richtung verformbare Kugellager umschließt die elliptische Scheibe des Wellengenerators 24 vollständig. Ein Innenring des Kugellagers kann an dem Wellengenerator 24 drehfest angeordnet sein.
Der in radialer Richtung verformbare Flexspline 25 kann an einem Außenring des Kugellagers angeordnet sein. Der Flexspline 25 ist ringförmig ausgebildet und steht über eine Außenverzahnung in Wirkverbindung mit dem Dynamicspline 27, der wiederum mit dem Antriebsgehäuse 20 verbunden oder Teil des Antriebsgehäuses ist. Zudem ist der Flexspline 25 über die Außenverzahnung mit dem Circularspline 26 verbunden, wobei der Circularspline 26 relativ zu dem Antriebsgehäuse 20 drehbar ausgebildet ist. Sowohl der Circularspline 26 als auch der Dynamicspline 27 weisen zur Kopplung mit dem Flexspline 25 eine Innenverzahnung auf.
Das Antriebsgehäuse 20 weist an zwei sich gegenüberliegenden Seiten Öffnungen 28 auf, wobei die Tretlagerkurbelwelle 3 über eine Öffnung 28 in das Antriebsgehäuse 25 eindringt und über eine andere Öffnung 28 aus dem Antriebsgehäuse 20 austritt. Die Tretlagerkurbelwelle 3 ist durch zwei Lager 40, 41 gelagert. Dabei sind ein erstes und zweites Lager 40, 41 in den die Öffnungen 28 beinhaltenden Seiten des Antriebsgehäuses 20 angeordnet.
Eine Hohlwelle 29 der Fahrradantriebsvorrichtung 2 ist mit der Tretlagerkurbelwelle 3 drehfest und drehrichtungsunabhängig verbunden. Die Hohlwelle 29 ist, insbesondere vollständig, innerhalb des Antriebsgehäuses 20 angeordnet. Zudem umschließt die Hohlwelle 29 die Tretlagerkurbelwelle 3 in Umfangsrichtung und erstreckt sich innerhalb des Antriebsgehäuses 20 parallel zu der Tretlagerkurbelwelle 3.
Der Zugmittelträger 5 ist mit der Hohlwelle 29 und/oder einem Getriebeabtrieb, insbesondere dem Circularspline 26, verbunden. Der Zugmittelträger 5 weist eine Zugmittelträgerwelle 50 und ein mit der Zugmittelträgerwelle 50 verbundenes Kettenblatt 51 auf. Die Zugmittelträgerwelle 50 dient zum Antreiben des Kettenblatts 51 und ist durch ein drittes Lager 42 gelagert, das sich am Antriebsgehäuse 20 abstützt. Das Kettenblatt 51 ist außerhalb des Antriebsgehäuses 20 angeordnet.
Die Fahrradantriebsvorrichtung 2 weist zwei, insbesondere drehrichtungsabhängige, Freilaufkupplungen 6, 7 auf. Eine erste Freilaufkupplung 6 dient zur Kopplung der Hohlwelle 29 mit der Zugmittelträgerwelle 50. Eine zweite Freilaufkupplung 7 dient zur Kopplung des Circularsplines 26 mit der Zugmittelträgerwelle 50 des Zugmittelträgers 5.
Die erste und zweite Freilaufkupplung 6, 7 liegen beide außerhalb des Flexsplines 25 aber innerhalb des Antriebsgehäuses 20. Die erste Freilaufkupplung 6 stellt sicher, dass eine Drehmomentübertragung von der Hohlwelle 29 auf die Zugmittelträgerwelle 50 bei nur einer einzigen Drehrichtung der Hohlwelle 29 erfolgen kann. Die zweite Freilaufkupplung 7 stellt sicher, dass eine Drehmomentübertragung von dem Circularspline 26 auf die Zugmittelträgerwelle 50 bei nur einer einzigen Drehrichtung des Circularsplines 26 erfolgen kann.
Die Fahrradantriebsvorrichtung 2 weist darüber hinaus einen Drehmomentsensor 80 auf. Der Drehmomentsensor 80 dient zum Messen des an der Tretlagerkurbelwelle 3 und damit an der Hohlwelle 29 anliegenden Drehmoments. Für die Drehmomentmessung wird ausgenutzt, dass die Hohlwelle 29 abhängig von dem anliegenden Drehmoment unterschiedlich stark tordiert. Zudem ist zur Messung der Drehzahl der Tretlagerkurbelwelle 3 an dieser ein Drehzahlgeber 81 und innerhalb des Antriebsgehäuses 20 ein ortsfest vorgesehener Drehzahlsensor 82 angeordnet. Die durch die Sensoren ermittelten Werte werden an eine nicht dargestellte Steuervorrichtung übermittelt.
Im Folgenden wird der Betriebsablauf des in 1 dargestellten Tretlagers 1 erläutert. Bei Betätigen von mit der Tretlagerkurbelwelle 3 gekoppelten Pedalen durch einen Fahrer wird die Tretlagerkurbelwelle 3 gedreht. Infolge der Drehung der Tretlagerkurbelwelle 3 dreht sich auch die Hohlwelle 29. Die erste Freilaufkupplung 6 stellt sicher, dass ein Drehmoment in nur einer bestimmten Drehrichtung von der Hohlwelle 29 auf die Zugmittelträgerwelle 50 übertragen wird.
Der Drehmomentsensor 80 erfasst das an der Hohlwelle 29 anliegende Drehmoment und der Drehzahlsensor erfasst die Drehzahl der Hohlwelle, wobei die erfassten Werte an die Steuervorrichtung übermittelt werden. Die Steuervorrichtung bestimmt basierend auf den übermittelten Werten das durch den Antriebsmotor aufzubringende Drehmoment und bewirkt eine Bestromung von diesem. Das Drehmoment der Rotorwelle 22 wird über den Wellengenerator 24 und den Flexspline 25 auf den Circularspline 26 übertragen. Die zweite Freilaufkupplung 7 stellt sicher, dass das Drehmoment des Circularsplines 26 in nur einer bestimmten Drehrichtung auf die Zugmittelträgerwelle 50 übertragen wird. Im Ergebnis wird zusätzlich zu dem vom Fahrer über die Tretlagerkurbelwelle 3 aufgebrachten Drehmoment ein von dem Antriebsmotor aufgebrachtes Drehmoment auf den Zugmittelträger 5, insbesondere das Kettenblatt, übertragen.
Wie zuvor bereits ausgeführt, sind die erste und zweite Freilaufkupplung 6, 7 derart ausgebildet, dass diese ein Drehmoment bei einer einzigen Drehrichtung übertragen. Die erste Freilaufkupplung 6 ist zudem derart ausgebildet und angeordnet, dass das von dem Circularspline 26 auf die Zugmittelträgerwelle 50 übertragene Drehmoment keine Drehung der Hohlwelle 29 bewirkt. Die zweite Freilaufkupplung 7 stellt sicher, dass das von der Hohlwelle auf die Zugmittelträgerwelle 50 übertragene Drehmoment keine Drehung des Spannungswellengetriebes, insbesondere des Circularsplines 26, bewirkt. Somit entfällt ein kraftaufwendiges zurücktreiben des Spannungswellengetriebes durch den Fahrer, wenn der Antriebsmotor nicht unterstützend verwendet werden kann oder soll.
Das in 2 dargestellte Tretlager 1 mit einer erfindungsgemäßen Fahrradantriebsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführung entspricht im Wesentlichen der in 1 dargestellten Ausführung des Tretlagers. Im Folgenden wird daher nur auf den Unterschied zwischen den beiden Tretlagern eingegangen.
Ein Unterschied zwischen den beiden Tretlagern besteht darin, dass in der in 2 dargestellten Fahrradantriebsvorrichtung 2 kein sich drehender, sondern ein ortsfest angeordneter Circularspline 26' vorhanden ist und der Flexspline 25' nicht ringförmig, sondern topfförmig ausgebildet ist. Bei der in 2 gezeigten Ausführung wird das an dem Flexspline 25' anliegende Drehmoment über die zweite Freilaufkupplung 7 unmittelbar auf die Zugmittelträgerwelle 50 des Zugmittelträgers 5 übertragen. Somit ist in dieser Ausführung lediglich die erste Freilaufkupplung 6 außerhalb des Flexsplines 25' und innerhalb des Antriebsgehäuses 20 angeordnet.
3 zeigt eine schematische Darstellung der beiden Freilaufkupplungen 6 und 7. Die nachfolgend erläuterte Funktionsweise der Freilaufkupplungen gilt unabhängig davon, ob die beiden Freilaufkupplungen in axialer Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind oder nicht.
Die beiden Freilaufkupplungen 6, 7 weisen mehrere Segmente 60, 61, 62 auf. Ein inneres Segment 60, das ein Bestandteil der Hohlwelle 29 ist, ist von einem mittleren Segment 61, das ein Bestandteil der Zugmittelträgerwelle 50 ist, in Umfangsrichtung vollständig umschlossen. Sowohl das innere Segment 60 als auch das mittlere Segment 61 sind von einem äußeren Segment, das ein Bestandteil des Getriebeabtriebs, wie beispielsweise des Circularsplines 26 oder des Flexsplines 25', ist, in Umfangsrichtung vollständig umschlossen. Die Zugmittelträgerwelle 50 bzw. das mittlere Segment 61 ist somit Bestandteil beider Freilaufkupplungen 6, 7. Das innere Segment 60 und das mittlere Segment 61 sind durch nicht dargestellte Kopplungsmittel miteinander verbunden. Gleichermaßen sind das mittlere Segment 61 und das äußere Segment 62 durch nicht dargestellte Kopplungsmittel miteinander verbunden.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführung können die beiden Freilaufkupplungen derart ausgebildet sein, dass ein Teil der Zugmittelträgerwelle einen Teil des Spannungswellengetriebeabtriebs in Umfangsrichtung umschließen. Zudem kann ein Teil der Zugmittelträgerwelle einen Teil der Hohlwelle in Umfangsrichtung umschließen. Die Zugmittelträgerwelle kann somit Bestandteil beider Freilaufkupplungen sein.
Eine Übertragung des Drehmoments von der Hohlwelle 29 auf die Zugmittelträgerwelle 50 erfolgt nur dann, wenn die Hohlwelle 29 die Drehrichtung D1 aufweist. Eine Übertragung des Drehmoments von dem Getriebeabtrieb auf die Zugmittelträgerwelle 50 erfolgt nur dann, wenn der Getriebeabtrieb die Drehrichtung D2 aufweist, wobei die Drehrichtung D2 gleichgerichtet ist wie die Drehrichtung D1 der Hohlwelle 29.
Bezugszeichenliste

1: Tretlager
2: Fahrradantriebsvorrichtung
3: Tretlagerkurbelwelle
5: Zugmittelträger
6: erste Freilaufkupplung
7: zweite Freilaufkupplung
20: Antriebsgehäuse
21: Stator
22: Rotorwelle
23: Rotor
24: Wellengenerator
25, 25': Flexspline
26, 26': Circularspline
27: Dynamicspline
28: Öffnungen
29: Hohlwelle
40: erstes Lager
41: zweites Lager
42: drittes Lager
50: Zugmittelträgerwelle
60: inneres Segment
61: mittleres Segment
62: äußeres Segment
80: Drehmomentsensor
81: Drehzahlgeber
82: Drehzahlsensor

Claims

Fahrradantriebsvorrichtung mit einem Antriebsgehäuse zur Aufnahme einer Tretlagerkurbelwelle, einer Hohlwelle, die innerhalb des Antriebsgehäuses angeordnet und mit der Tretlagerkurbelwelle drehrichtungsunabhängig drehfest verbindbar oder verbunden ist, einer elektrischen Antriebseinheit, die innerhalb des Antriebsgehäuses angeordnet und mit einem Zugmittelträger triebtechnisch in Verbindung bringbar ist, und einer ersten Freilaufkupplung zur Kopplung der Hohlwelle mit einem Zugmittelträger, wobei die Fahrradantriebsvorrichtung eine zweite Freilaufkupplung zur Kopplung der elektrischen Antriebseinheit mit dem Zugmittelträger aufweist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Hohlwelle eine für eine Drehmomentmessung eine tordierbare Hohlwelle ist und/oder b. die Hohlwelle die Tretlagerkurbelwelle, insbesondere in Umfangsrichtung vollständig, umschließt und/oder c. die Hohlwelle koaxial zu der Tretlagerkurbelwelle angeordnet ist.
Fahrradantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinheit ein Spannungswellengetriebe aufweist.
Fahrradantriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Freilaufkupplung innerhalb des Antriebsgehäuses und außerhalb des Flexsplines des Spannungswellengetriebes angeordnet ist.
Fahrradantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass a. ein Teil der Hohlwelle Bestandteil der ersten Freilaufkupplung ist und/oder b. ein Teil des Zugmittelträgers Bestandteil der ersten und/oder zweiten Freilaufkupplung ist und/oder c. ein Getriebeabtrieb der elektrischen Antriebseinheit Bestandteil der zweiten Freilaufkupplung ist.
Fahrradantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Freilaufkupplung eine Klinke und/oder einen Klemmkörper aufweist.
Fahrradantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinheit einen Antriebsmotor aufweist, der koaxial zu der Tretlagerkurbelwelle und/oder der Hohlwelle angeordnet ist.
Fahrradantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch a. einen Drehmomentsensor zum Erfassen des auf die Tretlagerkurbelwelle und/oder Hohlwelle übertragenen Drehmoments und/oder b. einen Drehzahlsensor zum Erfassen der Drehzahl der Tretlagerkurbelwelle und/oder Hohlwelle und/oder c. einen Drehrichtungssensor zum Erfassen der Drehrichtung der Tretlagerkurbelwelle und/oder Hohlwelle.
Fahrradantriebsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor und/oder der Drehzahlsensor und/oder der Drehrichtungssensor in einem Elektronikmodul angeordnet sind, das mit dem Antriebsgehäuse verbindbar, insbesondere verbunden ist, und/oder das in das Antriebsgehäuse einschiebbar, insbesondere angeordnet ist.
Fahrradantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hohlwelle über eine Lagereinheit auf dem Antriebsgehäuse abstützt.
Fahrradantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Lagerung der Hohlwelle durch ausschließlich ein einzige Lagereinheit erfolgt, wenn die auf die Tretlagerkurbelwelle wirkende Last kleiner ist als ein vorgegebener Lastschwellwert und/oder b. die Lagerung der Hohlwelle durch zwei Lagereinheiten ausschließlich dann erfolgt, wenn die auf die Tretlagerkurbelwelle wirkende Last größer ist als ein vorgegebener Lastschwellwert.
Fahrradantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsgehäuse das Tretlagergehäuse eines Fahrradrahmens ist.
Fahrrad mit einer Fahrradantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Fahrrad nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Fahrradantriebsvorrichtung in ein Tretlagergehäuse eines Fahrradrahmens einschiebbar, insbesondere eingeschoben, ist, oder dass b. ein Tretlagergehäuse eines Fahrradrahmens das Antriebsgehäuse bildet.