DE102015107163A1

DE102015107163A1 - Drive a muscle-powered vehicle with integrated and decoupled electric drive

Info

Publication number: DE102015107163A1
Application number: DE102015107163.0A
Authority: DE
Inventors: Erhard WISSLER; Thomas Leschik; Michael Randt
Original assignee: CARBOFIBRETEC GmbH
Current assignee: CARBOFIBRETEC GmbH
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2016-11-10

Abstract

Antrieb (1) eines muskelbetriebenen Fahrzeugs, wie ein Fahrrad (2), mit einer Tretlagerwelle (3), die über eine Antriebswelle (5), wie eine Kardanwelle, mit einer Radnabe (4) wirkgekoppelt ist und mit einem Elektroantrieb (9), der wahlweise auf die Antriebswelle (5) eine Antriebskraft anlegt, wobei der Antrieb (1) eine wahlweise ein- und/oder ausrückbare Kupplung (10) zwischen der Tretlagerwelle (3) und der Antriebswelle (5) aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrrad (2) mit einem erfindungsgemäßen Antrieb (1).Drive (1) of a muscle-operated vehicle, such as a bicycle (2), with a bottom bracket shaft (3) which is operatively coupled to a wheel hub (4) via a drive shaft (5), such as a cardan shaft, and an electric drive (9), which selectively applies a drive force to the drive shaft (5), wherein the drive (1) has a selectively engageable and / or disengageable clutch (10) between the bottom bracket (3) and the drive shaft (5). The invention also relates to a bicycle (2) with a drive (1) according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft Antrieb eines muskelbetriebenen Fahrzeugs, wie ein Fahrrad, mit einer Tretlagerwelle, die über eine Antriebswelle, wie eine Kardanwelle, mit einer Radnabe wirkgekoppelt ist und mit einem Elektroantrieb, der wahlweise auf die Antriebswelle eine Antriebskraft anlegt.The invention relates to driving a muscle-powered vehicle, such as a bicycle, with a bottom bracket shaft, which is operatively coupled via a drive shaft, such as a cardan shaft, with a hub and an electric drive, which selectively applies a drive force to the drive shaft.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der internationalen Offenlegungsschrift WO 2014/005590 A1 , die ein Fahrzeug mit einer Wellenübertragung und einem Elektroantrieb beschreibt, bekannt. Darin wird ein Fahrzeug offenbart, das ein Antriebswellenübertragungssystem umfasst, das aus einer Antriebswelle, und verschiedenen, um die Antriebswelle herum angeordneten Elementen, aufgebaut ist. Der Antrieb kann sowohl von Muskelkraft, als auch durch Strom angetrieben werden. Ein mit Windungen versehener Stator ist hierbei radial innerhalb eines Rotors mit magnetischen Eigenschaften angeordnet.A generic device is known from the international publication WO 2014/005590 A1 , which describes a vehicle with a shaft transmission and an electric drive known. Therein is disclosed a vehicle comprising a drive shaft transmission system composed of a drive shaft and various elements disposed about the drive shaft. The drive can be driven by muscle power as well as by electricity. A coiled stator is arranged radially inside a rotor with magnetic properties.

Weiterhin ist die internationale Offenlegungsschrift WO 2007/013742 A2 auf diesem Bereich der Technik anzusiedeln. Sie beschreibt einen Motor mit einer integrierten Leistungsübertragung. In der Offenlegungsschrift ist eine Vorrichtung offenbart, die einen ersten und einen zweiten Stator aufweist, wobei auf den Statoren Windungen angebracht sind, so dass auf ihnen ein elektrischer Strom fließen kann. Weiterhin dienen zwei Rotoren, die radial innerhalb der Statoren angeordnet sind, als Magneten. Furthermore, the international publication is WO 2007/013742 A2 in this field of technology. It describes a motor with an integrated power transmission. The publication discloses a device having first and second stators, with windings mounted on the stators, so that an electric current can flow on them. Furthermore, two rotors arranged radially inside the stators serve as magnets.

Somit sind aus dem Stand der Technik bereits Vorrichtungen bekannt, bei denen die Antriebswelle eines muskelbetriebenen Fahrzeugs in einen Elektroantrieb integriert ist.Thus, devices are already known from the prior art, in which the drive shaft of a human-powered vehicle is integrated in an electric drive.

Die Nachteile des in diesen Druckschriften offenbarten Standes der Technik liegen darin, dass die Tretlagerwelle und die Antriebswelle stets miteinander gekoppelt sind. Weiterhin weisen die genannten Druckschriften hinsichtlich der Kompaktheit der darin offenbarten Vorrichtungen durchaus Verbesserungsbedarf auf.The disadvantages of the prior art disclosed in these documents are that the bottom bracket shaft and the drive shaft are always coupled together. Furthermore, the cited documents definitely need to be improved with regard to the compactness of the devices disclosed therein.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beheben, und insbesondere eine Vorrichtung zu offenbaren, die bei hoher Kompaktheit eine Zwangskopplung der Wellen, die Teil des Antriebs sind, zu umgehen / vermeiden.It is thus the object of the present invention to overcome the disadvantages of the prior art, and in particular to disclose a device which at high compactness bypass / avoid a forced coupling of the shafts forming part of the drive.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Antrieb eine wahlweise ein- und/oder ausrückbare Kupplung zwischen der Tretlagerwelle und der Antriebswelle aufweist. Somit wird eine Trennung der beiden Wellen ermöglicht. Diese Trennung zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen axialen Versatz der beiden zu koppelnden Wellen nach sich zieht. Dadurch bietet sich der Vorteil, dass der Kraftfluss bei Bedarf in beide Richtungen unterbunden werden kann. So wird sowohl ein unerwünschtes, von Seiten des Elektroantriebs forciertes, Rotieren der Pedale vermieden, als auch eine zu hohe Geschwindigkeit der Radnabe, die aus der Überlagerung der Leistungen des Elektroantriebs und eines Fahrers resultieren. Dies wirkt sich positiv auf den Komfort und auf die Betriebssicherheit des Antriebs aus.This is inventively achieved in that the drive has an optional on and / or disengageable coupling between the bottom bracket and the drive shaft. Thus, a separation of the two waves is made possible. This separation is characterized by the fact that it causes an axial offset of the two waves to be coupled. This offers the advantage that the power flow can be prevented if necessary in both directions. Thus, both an undesirable, forced by the electric drive, rotating the pedals is avoided, as well as excessive speed of the wheel hub, resulting from the superposition of the performance of the electric drive and a driver. This has a positive effect on the comfort and reliability of the drive.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.Advantageous embodiments are claimed in the subclaims and are explained in more detail below.

So ist es vorteilhaft, wenn die Kupplung als Freilauf ausgebildet ist, also zusätzlich eine Freilauffunktion erfüllt. Der Freilauf, der auch als Überholkupplung bezeichnet werden kann, ist eine nur in einer Drehrichtung wirkende Kupplung. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine Drehmomentübertragung nur von der Tretlagerwelle auf die Antriebswelle stattfindet. Hier tritt demnach eine Richtungsabhängigkeit der Drehmomentübertragung auf. Da jener Kraftfluss von Seiten der Antriebswelle auf die Tretlagerwelle in keiner Betriebsstellung erwünscht ist, bietet sich der Freilauf als konstruktiv einfache, zuverlässige und platzsparende Einheit an.Thus, it is advantageous if the clutch is designed as a freewheel, so additionally fulfills a freewheeling function. The freewheel, which can also be referred to as an overrunning clutch, is a clutch acting only in one direction of rotation. In this way it is ensured that a torque transmission takes place only from the bottom bracket to the drive shaft. Accordingly, a directional dependence of the torque transmission occurs here. Since that power flow from the drive shaft to the bottom bracket shaft is desired in no operating position, the freewheel offers a structurally simple, reliable and space-saving unit.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Stator (elektro-)magnetische Eigenschaften aufweist und an einem konzentrisch zum Stator innerhalb oder außerhalb dessen angeordneten Rotor Drahtspulen angeordnet sind. So ist ein elektrischer Strom an den Drahtspulen am Rotor anlegbar, der im Zusammenspiel mit den magnetischen Eigenschaften des Stators eine Bewegung des Rotors bewirkt. Da das Gewicht der Magnete in der Regel das Gewicht der Drahtspulen übersteigt, zieht die Anordnung der Spulen am Rotor und der Magnete am Stator eine hohe Effizienz nach sich, da so weniger Masse rotiert wird, die Trägheit der Anordnung also abnimmt.A further advantageous embodiment is characterized in that a stator has (electro) magnetic properties and are arranged on a rotor coil arranged concentrically to the stator inside or outside the rotor. Thus, an electric current to the wire coil on the rotor can be applied, which causes in conjunction with the magnetic properties of the stator, a movement of the rotor. Since the weight of the magnets usually exceeds the weight of the wire coils, the arrangement of the coils on the rotor and the magnets on the stator causes a high efficiency, since so less mass is rotated, so the inertia of the assembly decreases.

Wenn es sich beim Rotor und der Antriebswelle um das identische Bauteil handelt, die beiden Bauteile also einstückig miteinander verbunden sind bzw. ein integrales Bauteil formen, so zieht dies ebenfalls positive Aspekte nach sich. Neben der erhöhten Kompaktheit, was sich positiv auf den Bauraum und somit auch auf die Optik des Antriebs auswirkt, sinkt das Gewicht des Antriebs, was bei Fahrzeugen und insbesondere Fahrrädern ein ausschlaggebendes Qualitätsmerkmal ist. So erhöht sich bei geringerem Gewicht die Akkumulatorlaufzeit und es ist für die gleiche Geschwindigkeit des Fahrrads weniger Leistung von Seiten des Fahrers aufzubringen. Zudem entfällt ein zusätzliches Bauteil, was hinsichtlich der Kosten, des Montageaufwands und der Logistik offensichtliche Vorteile bietet.If the rotor and the drive shaft are the identical component, ie the two components are connected to one another in one piece or form an integral component, this also has positive aspects. In addition to the increased compactness, which has a positive effect on the installation space and thus also on the appearance of the drive, the weight of the drive decreases, which is a decisive quality feature in vehicles and especially bicycles. So increases the battery life with less weight and it is for the same speed of the bicycle less power to be applied by the driver. In addition, an additional component is eliminated, which offers obvious advantages in terms of cost, installation effort and logistics.

Es ist auch vorteilhaft, wenn die Antriebswelle als Kardanwelle ausgestaltet ist. So ist es möglich, die Drehmomentübertragung über mindestens ein Kreuzgelenk zu übermitteln. Somit ist die Kupplung im Bereich des Tretlagers anbringbar. Die Anordnung einer Kardanwelle ermöglicht im Bereich des Tretlagers eine Antriebswelle, die quer zur Fahrtrichtung angeordnet ist und im Bereich zwischen dem Tretlager und der Radnabe eine Antriebswelle, die längs zur Fahrtrichtung angeordnet ist. It is also advantageous if the drive shaft is designed as a propeller shaft. So it is possible to transmit the torque transmission via at least one universal joint. Thus, the coupling in the area of the bottom bracket is attachable. The arrangement of a cardan shaft allows in the region of the bottom bracket a drive shaft which is arranged transversely to the direction of travel and in the region between the bottom bracket and the wheel hub, a drive shaft which is arranged longitudinally to the direction of travel.

Auch von Vorteil ist es, wenn die Antriebswelle als Stirnradwelle ausgestaltet ist, ergo einen Stirnradabschnitt aufweist oder ein separates Stirnrad drehfest besitzt. Auf diese Weise findet die Kraftübertragung mittels eines Stirnradgetriebes statt, das hinsichtlich seiner Momentübertragung eine sehr effiziente und hinsichtlich seiner Herstellungskosten eine günstige Lösung bietet. Weiterhin liefert das Ausführungsbeispiel der Stirnradwelle die Flexibilität, die Kupplung vor oder nach oder integral mit dem Stirnradgetriebe zu konstruieren.It is also advantageous if the drive shaft is designed as a spur gear, ergo has a spur gear or has a separate spur gear rotatably. In this way, the power transmission takes place by means of a spur gear, which offers a very efficient in terms of its torque transmission and a favorable solution in terms of its manufacturing costs. Furthermore, the embodiment of the spur gear shaft provides the flexibility to construct the clutch before or after, or integrally with, the spur gear.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die Antriebswelle, beispielsweise in der Ausführungsform als Kardanwelle, auch im Bereich des Tretlagers angeordnet ist und um die Antriebswelle im Bereich des Tretlagers herum ein Generator angeordnet ist, der von Seiten der Antriebswelle antreibbar ist. Auf diese Weise ist in der Anordnung eine Möglichkeit zur Rekuperation realisiert, was die Effizienz / den thermischen Wirkungsgrad des Antriebs erhöht. So ermöglicht es die Rekuperation, einen Akkumulator mit Leistung zu versorgen, wenn es die Betriebsbedingungen erlauben, Leistung von Seiten der Radnabe über die Antriebswelle zum Generator zu übertragen. Die Anordnung des Generators im Bereich des Tretlagers stellt eine kompakte Lösung dar, aus der zum einen optische Vorteile resultieren. Zum anderen ist diese Anordnung sinnvoll hinsichtlich des Schwerpunktes der gesamten Einheit. Dadurch, dass der Generator die Sagittalebene des Fahrrades durchlaufend angeordnet ist, liegt er ideal, um keine Störmomente oder Unwuchten nach sich zu ziehen.A further advantageous embodiment is characterized in that the drive shaft, for example in the embodiment as a cardan shaft, is also arranged in the region of the bottom bracket and a generator is arranged around the drive shaft in the region of the bottom bracket, which can be driven from the side of the drive shaft. In this way, a possibility for recuperation is realized in the arrangement, which increases the efficiency / thermal efficiency of the drive. Thus, recuperation allows power to be supplied to an accumulator when the operating conditions allow power to be transmitted from the wheel hub to the generator via the drive shaft. The arrangement of the generator in the area of the bottom bracket is a compact solution, resulting in the one optical advantages. On the other hand, this arrangement makes sense in terms of the center of gravity of the entire unit. Due to the fact that the generator is arranged continuously through the sagittal plane of the bicycle, it is ideally located so as not to draw any disturbing torques or imbalances.

Wenn das Gehäuse und/oder die Antriebswelle aus kohlefaserverstärktem Kunststoff gefertigt sind, zieht dies weitere Vorteile nach sich. Mit seiner geringen Masse und der hohen Steifigkeit eignet sich der kohlefaserverstärkte Kunststoff ideal für eine solche Anwendung. Während Gewichtseinsparungen die Effizienz des Systems optimieren, führt die überdurchschnittlich hohe Festigkeit zu einer hohen Sicherheit und einer langen Lebensdauer.If the housing and / or the drive shaft are made of carbon fiber reinforced plastic, this has further advantages. With its low mass and high rigidity, the carbon fiber reinforced plastic is ideal for such an application. While weight savings optimize the efficiency of the system, the above-average strength leads to a high level of safety and a long service life.

Von Vorteil ist es auch, wenn der kohlefaserverstärkte Kunststoff eine Kohlefaserausrichtung zur Längsachse der Welle von ca. 45° oder 40° oder 50° aufweist. Somit sind die Kohlefasern, die die wirkende Last zu einem großen Teil aufnehmen, ideal ausgerichtet, um die auf die Welle wirkende Torsion aufzunehmen. Weiterhin handelt es sich bei der Kohlefaserausrichtung zur Längsachse der Welle von plus/minus 45° um eine solche Ausrichtung, die Kosten reduzieren hilft.It is also advantageous if the carbon fiber reinforced plastic has a carbon fiber alignment to the longitudinal axis of the shaft of about 45 ° or 40 ° or 50 °. Thus, the carbon fibers, which largely absorb the acting load, are ideally aligned to accommodate the torsion acting on the shaft. Furthermore, the carbon fiber orientation to the longitudinal axis of the shaft of plus / minus 45 ° is such an orientation that helps reduce costs.

Die Erfindung betrifft auch ein Fahrrad mit einem erfindungsgemäßen Antrieb.The invention also relates to a bicycle with a drive according to the invention.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn an einem Rahmen des Fahrrads ein Akkumulator angeordnet ist, der sowohl dafür geeignet ist, den Elektroantrieb mit Strom zu versorgen, als auch dafür geeignet ist, vom Generator mit Strom versorgt zu werden. So ist der Akkumulator dazu in der Lage, mit Strom geladen zu werden und so bei Bedarf elektrische Energie an den Elektroantrieb zu übertragen, der diese in mechanische Energie wandelt, um den Fahrer zu unterstützen. Weiterhin ermöglicht es die Umkehrung des Elektroantriebs in einen Generator, dass die mittels der Rekuperation gewonnene elektrische Leistung speicherbar ist. So steigt die Flexibilität des Fahrrads und die Laufzeit des Akkumulators wird verlängert.It is advantageous if a battery is arranged on a frame of the bicycle, which is both suitable for supplying the electric drive with electricity, as well as being suitable to be supplied with power from the generator. Thus, the accumulator is able to be charged with power and so to transmit electrical energy to the electric drive when needed, which converts them into mechanical energy to assist the driver. Furthermore, the reversal of the electric drive into a generator makes it possible to store the electrical power obtained by means of the recuperation. This increases the flexibility of the bicycle and extends the life of the battery.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt mit einem Durchmesser von ca. 60mm bis ca. 80mm, vorzugsweise etwa 70mm, aufweist und die Antriebswelle einen Durchmesser von ca. 20mm bis ca. 30mm, vorzugsweise etwa 25mm, aufweist. Aus dem im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt folgt neben einer ansprechenden Optik ein geringer Materialaufwand, was wiederum ein geringes Gewicht impliziert. Die Maße von rund 70mm Durchmesser für das Gehäuse und rund 25mm für die Antriebswelle ergeben eine überdurchschnittlich kompakte Einheit. Darüber hinaus ist eine solche Antriebswelle massiv genug, um den auf sie wirkenden Kräften standhalten zu können.Furthermore, it is advantageous if the housing has a substantially circular cross section with a diameter of about 60mm to about 80mm, preferably about 70mm, and the drive shaft has a diameter of about 20mm to about 30mm, preferably about 25mm. From the substantially circular cross-section next to an attractive appearance, a low cost of materials, which in turn implies a low weight follows. The dimensions of about 70mm diameter for the housing and about 25mm for the drive shaft result in an above-average compact unit. In addition, such a drive shaft is massive enough to withstand the forces acting on it.

Ist der Stator mittels Magneten, etwa Permanentmagneten oder bestrombarer Elektromagneten, realisiert, die an der radial inneren Seite des Gehäuses angebracht sind, sodass ein Statorrahmen und das Gehäuse das identische Bauteil sind, resultieren daraus weitere Vorteile. Durch das Wegfallen eines zusätzlichen Bauteils, des Statorrahmens, werden das Gesamtgewicht, der Bauraum und vor allem auch die Komplexität in der Montage gesenkt. If the stator realized by means of magnets, such as permanent magnets or energizable electromagnet, which are mounted on the radially inner side of the housing, so that a stator frame and the housing are the identical component, resulting in further advantages. The omission of an additional component, the stator frame, reduces the overall weight, the installation space and, above all, the complexity of assembly.

Es ist auch von Vorteil, wenn der Stator radial außerhalb des Rotors angeordnet ist. Daraus resultiert, dass das radial äußerste Bauelement des Antriebs nicht rotiert. Dadurch wird das Risiko, dass ein Gegenstand außerhalb des Antriebs mit einem rotierenden Gegenstand des Antriebs in Kontakt gerät ausgeschlossen. Das abgeschlossene System des Antriebs stellt somit kein Sicherheitsrisiko für die Umgebung dar.It is also advantageous if the stator is arranged radially outside the rotor. As a result, the radially outermost component of the drive does not rotate. This eliminates the risk of an object outside the drive being in contact with a rotating object of the drive. The closed system of the drive thus does not represent a safety risk for the environment.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtspulen auf der Antriebswelle festsitzen, sodass ein Rotorrahmen und die Antriebswelle das identische Bauteil sind. Durch das Wegfallen eines weiteren zusätzlichen Bauteils, des Rotorrahmens, werden erneut das Gesamtgewicht, der Bauraum und vor allem auch die Komplexität in der Montage gesenkt. A further advantageous embodiment is characterized in that the wire coils are stuck on the drive shaft, so that a rotor frame and the drive shaft are the identical component. By eliminating another additional component, the rotor frame, the overall weight, the installation space and, above all, the complexity in assembly are again reduced.

Ein weiterer positiver Aspekt einer Ausführungsform besteht darin, dass die Drahtspulen dazu geeignet sind, von Seiten des Akkumulators mit elektrischem Strom versorgt zu werden, wobei die Übertragung des Stroms auf die rotierenden Drahtspulen mittels Schleifkontakten / Gleitkontakten realisiert wird. Diese Schleifkontakte / Gleitkontakte ermöglichen es, eine elektrische Verbindung, zwischen den lokal festsitzenden Leitungen, die den Antrieb mit dem Akkumulator verbinden, und den mit dem Rotor rotierenden Drahtspulen herzustellen. Aufgrund ihrer weiten Anwendungsgebiete stellen die Schleifkontakte / Gleitkontakte eine Standardkomponente dar, die sowohl zuverlässig ist, als auch mit geringen Kosten verbunden ist.Another positive aspect of an embodiment is that the wire coils are adapted to be supplied from the side of the accumulator with electrical current, wherein the transmission of the current is realized on the rotating wire coils by means of sliding contacts / sliding contacts. These sliding contacts / sliding contacts make it possible to establish an electrical connection between the locally fixed lines connecting the drive to the accumulator and the wire coils rotating with the rotor. Due to their wide range of applications, the sliding contacts / sliding contacts are a standard component that is both reliable and associated with low costs.

Wenn die Kupplung als Sicherheitskupplung, insbesondere als Rutschkupplung, ausgestaltet ist, die ab einem (vorher) festgelegten / bestimmten Drehmoment kein Drehmoment mehr überträgt, wodurch bei zu hohen Drehmomenten der Kraftfluss unterbunden wird, stellt sich das ebenfalls als positiv heraus. So wird vermieden, dass zu hohe Drehmomente / Drehzahlen an der Radnabe anliegen, wodurch die Sicherheit des Antriebs und des gesamten Fahrrads erhöht wird.If the clutch is designed as a safety clutch, in particular as a slip clutch, which transmits no more torque from a (previously) fixed / determined torque, which is suppressed at too high torques of the power flow, which also turns out to be positive. This avoids that too high torques / speeds are applied to the wheel hub, whereby the safety of the drive and the entire bike is increased.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Gehäuse neben seiner Funktion als Stator einer lasttragenden Funktion des Rahmens nachgeht. So trägt das Gehäuse dazu bei, dass die statische und die dynamische Lastverteilung des Fahrrads auf alle Komponenten verteilt wird. Daraus resultiert wieder ein Potential zur Gewichtseinsparung, was die Effizienz der gesamten Einheit erhöht.It is furthermore advantageous if, in addition to its function as a stator, the housing pursues a load-bearing function of the frame. In this way, the housing helps to distribute the static and dynamic load distribution of the bicycle to all components. This again results in a potential for weight savings, which increases the efficiency of the entire unit.

In anderen Worten kann gesagt werden, dass die Erfindung einen gekapselten Leichbau-Kardanantrieb für Zweiräder mit integrierter Elektroantriebfunktion betrifft. Eine Besonderheit besteht hierbei darin, dass die Möglichkeit zur Rekuperation besteht, da ein Leistungsfluss von der Radnabe zum Akkumulator stattfinden kann.In other words, the invention relates to an encapsulated lightweight cardan drive for bicycles with integrated electric drive function. A special feature here is that there is the possibility of recuperation, since a power flow from the hub to the accumulator can take place.

Weiterhin kann das Gehäuse des Kardan-Elektroantriebs neben seiner Funktion als Stator auch noch eine lasttragende Funktion des Zweiradrahmens übernehmen. Darüber hinaus gilt, dass die Kupplung neben anderen Funktionen auch eine Sicherheitsfunktion erfüllt. Furthermore, the housing of the cardan electric drive in addition to its function as a stator can also take a load-bearing function of the bicycle frame. In addition, the clutch fulfills a safety function in addition to other functions.

Dadurch, dass ein Faserverbundwerkstoff bei Transmissionswellen alle Fasern in einem Winkel von plus/minus 45° ideal in der Kraftflussrichtung anordnet, ergibt sich weiterhin ein sehr großes Potential für einen erfindungsgemäßen Kardanantrieb und Leichtbaumotor.The fact that a fiber composite in transmission waves all fibers at an angle of plus / minus 45 ° ideal order in the direction of force flow, further results in a very large potential for a shaft drive and lightweight motor according to the invention.

Sobald es sich bei den am Stator angeordneten Magneten um Elektromagnete handelt, zieht dies positive Aspekte nach sich. Denn auf diese Weise ist garantiert, dass ein Magnetfeld, das für die Funktionsweise des elektrischen Antriebes unumgänglich ist, nur dann induziert wird, wenn ein entsprechender Strom von Seiten des Akkumulators fließt. Die Induktion eines unerwünschten Widerstands, der bei einem Permanentmagnet auftreten könnte, kann somit vermieden werden. Dies bewirkt eine energetisch effiziente Umsetzung des Antriebs.As soon as the magnets arranged on the stator are electromagnets, this has positive aspects. Because in this way it is guaranteed that a magnetic field, which is essential for the operation of the electric drive, is only induced when a corresponding current flows from the side of the accumulator. The induction of an undesirable resistance, which could occur in a permanent magnet, can thus be avoided. This causes an energetically efficient implementation of the drive.

Die Erfindung wird nachfolgend mittels Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of figures.

Es zeigen:Show it:

1: eine schematische Darstellung des Abschnitts zwischen der Radnabe und dem Tretlager; 1 a schematic representation of the portion between the hub and the bottom bracket;

2: ein Querschnitt durch die Antriebswelle entlang der Linie II-II aus 1; 2 : A cross section through the drive shaft along the line II-II 1 ;

3: eine schematische Ansicht eines den Antrieb enthaltendes gesamtes Fahrrad. 3 : A schematic view of an entire bicycle containing the drive.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.The figures are merely schematic in nature and are for the sole purpose of understanding the invention. The same elements are provided with the same reference numerals.

In 1 ist ein Antrieb 1 eines muskelbetriebenen Fahrzeugs, wie eines Fahrrades 2 dargestellt. Der Antrieb 1 umfasst eine Tretlagerwelle 3 und eine Radnabe 4. Zwischen der Tretlagerwelle 3 und der Radnabe 4 ist eine Antriebswelle 5 angeordnet, die von einem Gehäuse 6 beherbergt wird. Das Gehäuse 6 umfasst zusätzlich einen Stator 7 und einen Rotor 8, die so mit elektrischem Strom versorgt werden können, dass sie einen Elektroantrieb 9 ausbilden. Jener Elektroantrieb 9 ist dazu in der Lage, die Antriebswelle 5 des Antriebs 2 zur Rotation zu bringen. In 1 is a drive 1 a muscle-powered vehicle, such as a bicycle 2 shown. The drive 1 includes a bottom bracket shaft 3 and a wheel hub 4 , Between the bottom bracket shaft 3 and the wheel hub 4 is a drive shaft 5 arranged by a housing 6 is housed. The housing 6 additionally includes a stator 7 and a rotor 8th that can be supplied with electricity so that they have an electric drive 9 form. That electric drive 9 is capable of doing that, the drive shaft 5 of the drive 2 to rotate.

Zusätzlich bietet das Fahrrad 2 die Möglichkeit, mittels Pedalen die Tretlagerwelle 3 und somit die Antriebswelle 5 muskulär zu betreiben. Der Elektroantrieb 9 kann somit auf der einen Seite die Funktion erfüllen, die von Seiten eines Fahrers aufgebrachte Leistung zu unterstützen oder gänzlich alleine die für eine Bewegung des Fahrrads 2 notwendige Leistung zur Verfügung zu stellen. Über das Maß an Leistung, das von Seiten des Elektroantriebs 9 bereitgestellt wird, entscheidet der Fahrer. Die hierfür notwendige Steuerung ist nicht Gegenstand der Erfindung und soll deshalb nicht tiefergehend beschrieben werden.In addition, the bike offers 2 the possibility of pedals the bottom bracket 3 and thus the drive shaft 5 to operate muscularly. The electric drive 9 Thus, on the one hand, it can fulfill the function of supporting the power applied by a driver or entirely alone on the movement of the bicycle 2 to provide necessary service. About the level of power that comes from the electric drive 9 is provided, the driver decides. The necessary control is not the subject of the invention and should therefore not be described in more detail.

Weiterhin ist im Antrieb 1 eine Kupplung 10 angeordnet. Diese ist in der Lage, die Antriebswelle 5 von der Tretlagerwelle 3 zu entkoppeln. Der Drehmomentfluss kann hierbei in beiden Richtungen unterbunden werden. In dem in 1 dargstellten Ausführungsbeispiel ist die Kupplung 10 an dem Teil der Antriebswelle 5 angeordnet, der längs zur Fahrtrichtung verläuft. Dies ist in anderen Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht der Fall. Durch die Möglichkeit, die Antriebswelle 5 als Kardanwelle auszubilden, kann die Kupplung 10 auch im Bereich des Tretlagers angeordnet sein. Furthermore, in the drive 1 a clutch 10 arranged. This is capable of the drive shaft 5 from the bottom bracket shaft 3 to decouple. The torque flow can be prevented in both directions. In the in 1 dargstellten embodiment is the coupling 10 at the part of the drive shaft 5 arranged, which runs longitudinally to the direction of travel. This is not the case in other embodiments of the device according to the invention. By the possibility of the drive shaft 5 as a propeller shaft, the clutch can 10 be arranged in the area of the bottom bracket.

Diese Anordnung der Kupplung im Bereich des Tretlagers wirkt sich günstig darauf aus, dass ein Generator im Bereich des Tretlagers angebracht ist. Denn der Generator wird um zumindest einen Teil der Antriebswelle 5 herum ausgestaltet. Da zwischen der Antriebswelle 5 und der Tretlagerwelle 3 eine Kupplung 10 mit integrierter Freilauffunktion angebracht ist, kann der Generator seine Funktion nur dann erfüllen, wenn er um die Antriebswelle 5 herum angeordnet ist. Mittels der Ausgestaltung der Antriebswelle 5 als Kardanwelle ist dies leicht realisierbar.This arrangement of the coupling in the region of the bottom bracket has a favorable effect that a generator is mounted in the area of the bottom bracket. Because the generator is around at least part of the drive shaft 5 designed around. Because between the drive shaft 5 and the bottom bracket shaft 3 a clutch 10 with integrated freewheeling function, the generator can only fulfill its function when it is around the drive shaft 5 is arranged around. By means of the design of the drive shaft 5 as a propshaft, this is easily realizable.

In 1 ist außerdem die Schnittlinie II-II eingezeichnet, die die Schnittebene aus 2 definiert.In 1 In addition, the section line II-II is drawn, which is the cutting plane 2 Are defined.

In 2 ist ein Querschnitt dargestellt, der den schematischen Aufbau des Antriebs 1 zeigt. Auf dem Rotor 8 sind hier Drahtspulen 11 angeordnet. Diese können mit elektrischem Strom versorgt werden. Weiterhin sind an der Innenseite des Gehäuses 6 (Elektro-)Magnete 12 angeordnet. Diese bilden den Stator 7. Die Drahtspulen 11 sind anhand mehrerer Einheiten aufgebaut, die jeweils mehrere Windungen aufweisen. Auf diese Weise wird garantiert, dass das Magnetfeld, das bei einem Stromdurchfluss der Drahtspulen 11 entsteht, stark genug ist, die Antriebswelle 5 rotieren zu lassen. 2 verdeutlicht, welch hohes Maß an Kompaktheit durch die erfindungsgemäße Vorrichtung realisiert werden kann. Dadurch, dass sowohl der Stator 7, als auch der Rotor 8, neben ihrer Funktion im Rahmen des Elektroantriebs 9 auch eine weitere Funktion, nämlich die des Gehäuses 6 respektive die der Antriebswelle 5 wahrnehmen, ist die Funktionsdichte des Antriebs 1 sehr hoch.In 2 is a cross section shown, the schematic structure of the drive 1 shows. On the rotor 8th There are wire coils here 11 arranged. These can be supplied with electric current. Furthermore, on the inside of the housing 6 (Electro) magnets 12 arranged. These form the stator 7 , The wire spools 11 are built on the basis of several units, each having several turns. In this way it is guaranteed that the magnetic field, that at a current flow of the wire coils 11 Strong enough is the drive shaft 5 to rotate. 2 illustrates which high degree of compactness can be realized by the device according to the invention. Because both the stator 7 , as well as the rotor 8th , in addition to its function in the electric drive 9 also another function, namely that of the housing 6 respectively the drive shaft 5 perceive, is the functional density of the drive 1 very high.

In 3 ist schematisch ein Fahrrad 2 dargestellt. Aus dieser Darstellung geht hervor, dass der Antrieb 1 sehr wenig Bauraum einnimmt, verglichen zur Größe des Fahrrads 2. Ebenfalls dargestellt sind die mit der Tretlagerwelle 3 verbundenen Pedale, die von einem Fahrer muskelbetrieben werden können. Überdies ist an einem Rahmen 13 ein Akkumulator 14 befestigt. Die Position des Akkumulators 14 ist nicht festgelegt. Der Akkumulator 14 kann an jeder Stelle des Rahmens 13 oder auch an einer anderen Position des Fahrrads 2 angebracht werden. Die in 3 dargestellte Ausführungsform ist demnach nur beispielhaft.In 3 is schematically a bicycle 2 shown. From this representation it appears that the drive 1 takes up very little space compared to the size of the bike 2 , Also shown are those with the bottom bracket 3 Connected pedals that can be operated by a driver muscle. Moreover, it is on a frame 13 an accumulator 14 attached. The position of the accumulator 14 is not set. The accumulator 14 can be anywhere on the frame 13 or at another position of the bicycle 2 be attached. In the 3 illustrated embodiment is therefore only exemplary.

Auch hinsichtlich der Gestalt des Rahmens 13 ist das erfindungsgemäße Fahrrad keineswegs auf die in 3 dargestellte Ausführung beschränkt. Also regarding the shape of the frame 13 is the bicycle according to the invention by no means on in 3 illustrated embodiment limited.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Antrieb drive
22: Fahrrad bicycle
33: Tretlagerwelle bottom bracket
44: Radnabe wheel hub
55: Antriebswelle drive shaft
66: Gehäuse casing
77: Stator stator
88th: Rotor rotor
99: Elektroantrieb electric drive
1010: Kupplung clutch
1111: Drahtspulen wire coils
1212: Magnete magnets
1313: Rahmen frame
1414: Akkumulator accumulator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2014/005590 A1 [0002]
WO 2007/013742 A2 [0003]

Claims

Drive ( 1 ) of a muscle-operated vehicle with a bottom bracket shaft ( 3 ), which via a drive shaft ( 5 ) with a wheel hub ( 4 ) is operatively coupled and with an electric drive ( 9 ), which can be mounted on the drive shaft ( 5 ) applies a driving force, characterized by an optionally on and / or disengageable coupling ( 10 ) between the bottom bracket ( 3 ) and the drive shaft ( 5 ).

Drive ( 1 ) according to claim 1, characterized in that, the coupling ( 10 ) is designed as a freewheel.

Drive ( 1 ) according to one of claims 1 to 2, characterized in that a stator ( 7 ) has magnetic properties and / or concentric with the stator ( 7 ) arranged rotor ( 8th ) Wire coils ( 11 ) are arranged.

Drive ( 1 ) according to one of claims 1 and 3, characterized in that the rotor ( 8th ) and the drive shaft ( 5 ) is the identical component.

Drive ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the drive shaft ( 5 ) is designed as a propeller shaft.

Drive ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the drive shaft ( 5 ) is configured as Stirnradwelle.

Drive ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the drive shaft ( 5 ) is arranged in the region of the bottom bracket and / or about the drive shaft ( 5 ) in the region of the bottom bracket around a generator is arranged, from the side of the drive shaft ( 5 ) is drivable.

Drive ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that a housing ( 6 ) and / or the drive shaft ( 5 ) are made of carbon fiber reinforced plastic.

Drive ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the carbon fiber reinforced plastic has a carbon fiber alignment to a longitudinal axis of the shaft of about 45 °.

Bicycle ( 2 ) with a drive ( 1 ) according to one of claims 1 to 9.