DE102016200264A1

DE102016200264A1 - Antriebsanordnung und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102016200264A1
Application number: DE102016200264.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Kimmich; Markus Hinterkausen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-01-13
Publication date: 2017-07-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung (80) eines mit Muskelkraft antreibbaren Fahrzeuges (1), insbesondere eines zusätzlich mit Motorkraft antreibbaren Fahrzeuges (1), eines Elektrofahrrades, eBikes, Pedelecs oder dergleichen, mit (i) einer um eine Drehachse (16) drehbaren Kurbelwelle (15) zum Aufnehmen eines ersten und mit Muskelkraft erzeugten Drehmomentes und (ii) einer Übertragungseinrichtung (20) zum Übertragen des ersten Drehmomentes von der Kurbelwelle (15) an ein mit einem Antriebsrad (9-2) des Fahrzeuges (1) koppelbares Abtriebselement (4), wobei die Übertragungseinrichtung (20) ein – insbesondere automatisch – schaltbares mehrstufiges Planetengetriebe (21) ist oder aufweist, welches im Wesentlichen koaxial zur Drehachse (16) der Kurbelwelle (15) ausgebildet ist und eine variable Übersetzung vermittelt.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung und ein Fahrzeug und insbesondere eine Antriebsanordnung eines mit Muskelkraft antreibbaren und vorzugsweise zusätzlich mit Motorkraft antreibbaren Fahrzeuges, eines Elektrofahrrades, eBikes, Pedelecs oder dergleichen sowie ein mit Muskelkraft und insbesondere zusätzlich mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug, ein Elektrofahrrad, eBike, Pedelec oder dergleichen.
Oft werden Fahrräder, Elektrofahrräder und dergleichen am angetriebenen Hinterrad mit einer Ketten- oder Nabenschaltung ausgebildet. Alternativ dazu können auch Tretlagerantriebe mit einem integrierten Schaltgetriebe ausgebildet werden.
Problematisch ist bei bekannten Antriebsanordnungen mit am Tretlager angeordneten Schaltgetrieben deren gesteigerte Größe und/oder ihr mangelnder Wirkungsgrad. Dies betrifft insbesondere am Tretlagerantrieb ausgebildete Reibringgetriebe, Schaltgetriebe mit Hohlwellenmotor oder dergleichen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass bei vergleichsweise kleinem Bauraum im Bereich des Tretlagers die Drehmomentübertragung mit einem vergleichsweise hohen Wirkungsgrad, das heißt bei reduzierten Verlusten, erfolgt. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, dass eine Antriebsanordnung eines mit Muskelkraft antreibbaren Fahrzeuges und insbesondere eines zusätzlich mit Motorkraft antreibbaren Fahrzeuges, eines Elektrofahrrades, eBikes, Pedelecs oder dergleichen geschaffen wird mit einer um eine Drehachse drehbaren Kurbelwelle zum Aufnehmen eines ersten und mit Muskelkraft erzeugten Drehmomentes und einer Übertragungseinrichtung zum Übertragen des ersten Drehmomentes von der Kurbelwelle an ein mit einem Antriebsrad des Fahrzeuges koppelbares Abtriebselement, wobei die Übertragungseinrichtung ein – insbesondere automatisch – schaltbares mehrstufiges Planetengetriebe ist oder aufweist, welches im Wesentlichen koaxial zur Drehachse der Kurbelwelle ausgebildet ist und eine variable Übersetzung vermittelt. Die Verwendung eines Planetengetriebes als formschlüssiges Getriebe erzielt einen besonders hohen Wirkungsgrad beim Übertragen des Drehmoments in Abtriebsrichtung. Des Weiteren ist die koaxiale Anordnung zur Drehachse und somit zur Kurbelwelle besonders platzsparend und führt zu einer vergleichsweise kompakten Bauform.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Die kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung im Sinne eines Tretlagerschaltgetriebes kann weiter gesteigert werden, indem das Planetengetriebe auch zu dem rotationssymmetrisch ausgebildeten Abtriebselement koaxial ausgebildet wird, so dass sich eine Anordnung ergibt, bei welcher das Abtriebselement als rotationssymmetrische Komponente koaxial zur Drehachse der Kurbelwelle und zum Planetengetriebe ausgebildet ist. Das Abtriebselement kann vorzugsweise als Kettenblatt oder Zahnriemenblatt, je nach Antriebsart, ausgebildet sein.
Eine besonders bequeme Handhabung ergibt sich für den Anwender dann, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung das Planetengetriebe eine Mehrzahl von Gängen definiert, insbesondere mit einer Anzahl von neun Gängen, mit Gangsprüngen, die konstant sind, nicht mehr als 22 % betragen und/oder eine Gesamtspreizung von 492 % definieren. Jedoch sind auch andere Ausgestaltungen denkbar.
Verluste auf Grund von Reibung und dergleichen lassen sich in geeigneter Weise kontrollieren, z.B. indem das Planetengetriebe höchstens fünf Schaltgetriebeschaltstufen aufweist.
Bei einer konkreten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ist es vorgesehen, dass die Getriebeschaltstufen gebildet werden von (i) einem ersten und insbesondere dreistufigen Planetengetriebe mit Gesamtübersetzung ins Schnelle und (ii) einem dazu in Reihe geschalteten zweiten und insbesondere zweistufigen Planetengetriebe mit Gesamtübersetzung ins Langsame.
Dabei kann den Getriebeschaltstufen insbesondere (iii) eine Hochtreiberstufe mit einem oder in Form eines Planetengetriebes mit Übersetzung ins Schnelle zur Reduktion eines hohen Fahrerdrehmomentes eingangsseitig vorgeschaltet sein.
Alternativ oder zusätzlich können (iv) die beiden in Reihe geschalteten Planetengetriebe der Getriebeschaltstufen über ein gemeinsames Hohlrad miteinander gekoppelt sein.
Besonders geringe mechanische Verluste und ein leiser Lauf der Antriebsanordnung im Betrieb stellen sich bei bequemer Handhabung durch den Anwender dann ein, wenn die Übersetzung des Planetengetriebes über einen Gangwechsel und durch gesteuertes Verbinden und/oder Freigeben jeweiliger Sonnenräder entsprechender Planetenstufen über Sperrklinken verstellbar ist, z.B. in automatischer Weise und/oder durch einen Stellantrieb.
Die Komponenten im Zusammenhang mit den Sperrklingen, die Sperrlinken selbst und/oder die Stelleinrichtung zum Gangwechsel und/oder zum Sperren/Freigeben eines Ganges können insbesondere mit oder aus Kunststoffmaterial ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung lässt sich nicht nur bei rein mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeugen, z.B. bei klassischen Fahrrädern, anwenden, sondern insbesondere bei Elektrofahrrädern, eBikes, Pedelecs oder dergleichen, wie dies eingangs bereits erwähnt wurde.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ist es daher vorgesehen, dass ein elektrischer Antrieb zum Erzeugen eines Motordrehmoments ausgebildet ist und dass der elektrische Antrieb zum Übertragen des Motordrehmomentes über das Planetengetriebe steuerbar an das Abtriebselement koppelbar ist.
Dabei können die Ankopplung des elektrischen Antriebes und somit die Übertragung des Motordrehmomentes von der Motorwelle auf das Planetengetriebe in verschiedener Art und Weise realisiert sein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ist es daher vorgesehen, dass zwischen dem elektrischen Antrieb und dem Planetengetriebe ein Motorreduziergetriebe in Form eines mehrstufigen Stirnradgetriebes ausgebildet ist.
Besonders günstige Betriebsverhältnisse hinsichtlich des Wirkungsgrades und des Auftretens von Betriebsgeräuschen stellen sich dann ein, wenn gemäß einer alternativen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung zwischen dem elektrischen Antrieb und dem Planetengetriebe ein Motorreduziergetriebe in Form eines innenverzahnten Evoloidgetriebes ausgebildet ist.
Unabhängig von der Art und Weise, wie das Motorreduziergetriebe konfiguriert ist, ist es von besonderem Vorteil, wenn ein, mehrere oder sämtliche Komponenten des jeweiligen Motorreduziergetriebes mit oder aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sind. Damit lassen sich die Betriebsgeräusche und/oder deren Übertragung bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung weiter reduzieren.
Besonders bevorzugt ist eine Antriebsanordnung, welche den Aufbau eines Mittelmotorantriebs aufweist und insbesondere ein gemeinsames Gehäuse umfasst, in welchem das Planetengetriebe, der Stellantrieb, der elektrische Antrieb, das Motoreduziergetriebe und – zumindest teilweise – die Kurbelwelle aufgenommen sind.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein mit Muskelkraft und insbesondere zusätzlich mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug, ein Elektrofahrrad, eBike, Pedelec oder dergleichen. Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist mindestens ein Rad auf sowie eine erfindungsgemäß ausgebildete Antriebsanordnung, mit welcher das mindestens eine Rad des Fahrzeuges antreibbar ist.
Kurzbeschreibung der Figuren
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung eines Beispieles eines Fahrzeuges nach Art eines Elektrofahrrades, bei welchem eine erste Ausführungsform der Erfindung realisiert ist.
2 ist eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung mit Kurbeltrieb und mit elektrischem Antrieb.
3 ist eine perspektivische Querschnittsansicht auf eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung mit Kurbeltrieb und mit elektrischem Antrieb.
4 bis 6 sind schematische und teilweise perspektivische Querschnittsansichten einer erfindungsgemäß verwendeten Hochtreiberstufe.
7 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung mit Kurbeltrieb und mit elektrischem Antrieb.
8 und 9 sind perspektivische Seitenansichten nach Art einer Explosionsdarstellung, die eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung mit Fokus auf das Schaltgetriebe und die Hochtreiberstufe zeigen.
10 und 11 sind perspektivische Seitenansichten einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung mit Fokus auf das Schaltgetriebe.
12 bis 14 sind perspektivische Seitenansichten, welche Aspekte eines Schaltgetriebes einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung zeigen.
15 ist eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des elektrischen Antriebes mit Evoloidritzel.
16 ist eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung mit Fokus auf den elektrischen Antrieb mit innenverzahntem Evoloidgetriebe als Motorreduziergetriebe.
17 und 18 sind schematische Seitenansichten, welche Aspekte eines Schaltgetriebes einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung illustrieren.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 18 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form von einander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 beispielhaft ein Elektrofahrrad als eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 1 im Detail beschrieben.
Das Fahrzeug 1 umfasst als Elektrofahrrad einen Rahmen 12, an dem ein Vorderrad 9-1, ein Hinterrad 9-2 und ein Kurbeltrieb 2 mit zwei Kurbeln 7, 8 mit Pedalen 7-1 und 8-1 angeordnet sind. Ein elektrischer Antrieb 3 ist in den Kurbeltrieb 2 integriert. Am Hinterrad 9-2 ist ein Ritzel 6 angeordnet.
Ein Antriebsmoment, welches durch den Fahrer und/oder durch den elektrischen Antrieb 3 bereitgestellt wird, wird von einem Kettenblatt 4 am Kurbeltrieb 2 über eine Kette 5 auf das Ritzel 6 übertragen.
Am Lenker des Fahrzeuges 1 ist ferner eine Steuereinheit 10 angeordnet, welche mit dem ggf. Ausgebildeten elektrischen Antrieb 3 verbunden ist. Im oder am Rahmen 12 ist ferner Batterie 11 ausgebildet, welche zur Stromversorgung des elektrischen Antriebes 3 dient.
Im Rahmen 12 integriert ist ferner ein Kurbellager 13 oder Tretlager, welches ein Kurbelgehäuse 14 und eine Kurbelwelle 15 aufweist.
Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung 80 des erfindungsgemäßen Fahrzeuges 1 aus 1 weist den Kurbeltrieb 2 und den elektrischen Antrieb 3 auf, wobei die von diesen erzeugbaren Drehmomente über eine entsprechende und in 1 nicht dargestellte Übertragungseinrichtung 20 mit einem schaltbaren mehrstufigen Planetengetriebe 21 aufnehmbar und an das Kettenblatt als Abtriebselement 4 übertragbar sind.
2 ist eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsordnung 80 mit einem elektrischen Antrieb 3 und einem Kurbeltrieb 2.
Zur Übertragung von Drehmomenten vom Kurbeltrieb 2 und vom elektrischen Antrieb 3 ist eine Übertragungseinrichtung 20 ausgebildet, welche ein mit einem koaxial zu der durch die Kurbelwelle 15 definierten Drehachse Y angeordnetes Planetengetriebe 21 aufweist.
Das Planetengetriebe 21 besteht aus einer Hochtreiberstufe 40 mit einem Planetengetriebe 41 der Hochtreiberstufe 40 einerseits und einem mehrstufigen Schaltgetriebe 50 mit einem ersten und hier dreistufigen Planetengetriebe 51, nämlich eingangsseitig, der Hochtreiberstufe 40 zugewandt und dem Abtriebselement 4 abgewandt, und einem zweiten und hier zweistufigen Planetengetriebe 56, nämlich ausgangsseitig, dem Abtriebselement 4 zugewandt und der Hochtreiberstufe 40 abgewandt.
Die ersten und zweiten Planetengetriebe 51 und 52 des Schaltgetriebes 50 weisen entsprechende erste und zweite Sonnenräder 55 bzw. 56 und den Sonnenrädern 55, 56 zugeordnete Planetenräder 57 bzw. 58 auf, die an Planetenstegen 22, 23 gelagert und über ein gemeinsames Hohlrad 53 gekoppelt sind.
Über lösbare Verbindungen 54-1 und 54-2 wird die Verbindung der Sonnenräder 55, 56 mit den Planetenstegen 22 und 23 einerseits und mit dem Gehäuse 14 der Antriebsordnung 80 andererseits in gesteuerter Art und Weise bewirkt.
Die Hochtreiberstufe 40 mit dem Planetengetriebe 41 zum Einbringen des mit Muskelkraft erzeugten Drehmomentes weist ein Hohlrad 42, ein innenlaufendes Sonnenrad 43 sowie einen dazwischen laufenden Planetensteg 45 mit Planeten 44 der Hochtreiberstufe 40 auf.
Auf der anderen Seite wird das vom elektrischen Antrieb 3 erzeugte Motordrehmoment durch die Motorwelle 31 an das Motorreduziergetriebe 30 abgegeben und letztlich an ein Stirnrad 35 übertragen, welches materiell verbunden ist mit dem eingangsseitigen Planetensteg 22 des Schaltgetriebes 50.
In dem in 2 dargestellten Fall besteht das Motorreduziergetriebe 30 aus einer Anordnung mehrerer Stirnräder 32 bis 34, die das Motordrehmoment auf das mit dem eingangsseitigen Planetensteg 22 gekoppelte Stirnrad 35 übertragen.
3 zeigt eine perspektivische Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80.
Bei dieser besteht das Motorreduziergetriebe 30 aus einem innenverzahnten Evoloidgetriebe 37 mit einem Evoloidritzel 36 auf der Motorwelle 31, welches mit einem innenverzahnten Evoloidhohlrad 38 kämmt.
Der elektrische Antrieb 3 ist mit wesentlichen Komponenten des Motorreduziergetriebes 30 in einem Gehäuse 39 untergebracht, welches seinerseits am Tretlagergehäuse 14 montiert ist oder einen Teil davon bildet.
Zusätzlich zu der in 2 gezeigten Darstellung sind bei der Ausführungsform gemäß 3 noch Komponenten der Verstelleinheit 60 und der Verriegelung dargestellt, nämlich die Sperrklinken 61 der lösbaren Verriegelung 54-2 und die Verstellscheibe 62 für den Gang- oder Übersetzungswechsel.
Des Weiteren sind bei der Ausführungsform der 3 noch Dichtringe 71 im Zusammenhang mit der Lagerung der Kurbelwelle 15 im Gehäuse 14 gezeigt.
Der elektrische Antrieb 3 bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80 gemäß 3 besitzt noch die Besonderheit eines Freilaufes 75 mit Freilauflager 76.
Die 4 bis 6 zeigen in geschnittener und teilweise perspektivischer Seitenansicht Details des Planetengetriebes 41 der Hochtreiberstufe 40.
Zu erkennen ist die koaxiale Anordnung der Hochtreiberstufe 40 zur Achse Y der Kurbelwelle 15. Das Planetengetriebe 41 der Hochtreiberstufe 40 ist in den Darstellungen der 4 bis 6 ebenfalls gekennzeichnet durch die Planeten 44, welche am Planetensteg 45 angeordnet sind und das Sonnenrad 43 umlaufen können. Eingefasst wird die gesamte Anordnung vom gemeinsamen Hohlrad 42 mit Innenverzahnung.
Ferner sind Verbindungen 46 und 47 in Form von Steckverzahnungen zum Verbinden mit der Kurbelwelle 15 einerseits bzw. mit dem eingangsseitigen Planetensteg 22 andererseits ausgebildet.
Die 7 zeigt in teilweiser Explosionsdarstellung und perspektivischer Seitenansicht eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80 mit Kurbeltrieb 2 und elektrischem Antrieb 3.
Neben dem Schaltgetriebe 50 mit dem ersten dreistufigen Planetengetriebe 51 und dem zweiten zweistufigen Planetengetriebe 52 sowie dem gemeinsamen Hohlrad 53 sind ferner die Hochtreiberstufe 40 mit dem entsprechenden Planetengetriebe 41 und insbesondere die Verstelleinheit 60 zu erkennen, die auch als Stellantrieb aufgefasst werden kann und zum Gangwechsel mit Verstellscheibe 62 und Verstellhebel 63 ausgebildet ist.
Ferner ist zu erkennen, dass das Motorreduziergetriebe 30 ausgebildet ist, mit einem Stirnrad 35 in materieller Verbindung mit dem eingangsseitigen Planetensteg 22 das Motordrehmoment in das Schaltgetriebe 50 einzukoppeln.
Die 8 und 9 zeigen ebenfalls in explosionsartiger Seitenansicht andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80, wobei in diesen Fällen der elektrische Antrieb 3 nicht explizit dargestellt wurde.
Gezeigt ist die koaxiale Anordnung des gesamten Planetengetriebes 21 der Übertragungseinrichtung 20 zu der von der Kurbelwelle 15 definierten Kurbelachse Y. Insbesondere sind die Hochtreiberstufe 40 mit ihrem Planetengetriebe 41 sowie das Schaltgetriebe 50 mit seinen ersten und zweiten Planetengetrieben 51 und 52 koaxial zur Achse Y angeordnet, um dadurch den erfindungsgemäß kompakten Aufbau der Antriebsanordnung 80 zu erreichen.
Dargestellt sind insgesamt das erste dreistufige Planetengetriebe 51 mit Sonnenrädern 55 und umlaufenden Planeten 57 und das zweite zweistufige Planetengetriebe 52 des Schaltgetriebes 50 mit Sonnenrädern 56 und umlaufenden Planeten 58, wobei die ersten und zweiten Planetengetriebe 51 und 52 über das gemeinsame Hohlrad 53 miteinander gekoppelt sind.
Die 10 und 11 zeigen in perspektivischer Seitenansicht Details einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80, und zwar im Hinblick auf den Verriegelungsmechanismus mit einer Anordnung von Sperrklinken 61 zur Realisierung der lösbaren Verbindung 54-2 zwischen den Sonnenrädern 55, 56 und den Planetenstegen 22, 23.
Auch die 12 bis 14 zeigen in perspektivischer Seitenansicht Details der lösbaren Verriegelung 54-2 im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Schaltgetriebe 50 zur lösbaren Verriegelung der Sonnenräder 55, 56 mit den Planetenstegen 22, 23, wobei wiederum lösbar verriegelbare Sperrklinken 61, hier im Zusammenhang mit betätigenden Schubkeilen 64 zum Tragen kommen.
15 zeigt in perspektivischer Seitenansicht eine Ausführungsform eines elektrischen Antriebes 3 mit Gehäuse 39 und um die Motorwelle 31 ausgebildetem Evoloidritzel 36, welches vorzugsweise mit fünf bis sechs Zähnen ausgebildet ist.
16 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung mit Fokus auf dem elektrischen Antrieb 3 im Gehäuse 39. Dargestellt sind neben dem Evoloidgetriebe 37 mit Innenverzahnung, bestehend aus Evoloidritzel 36 auf der Motorwelle 31 und innenverzahntem Hohlrad 38, der Freilauf 75 des elektrischen Antriebes 3 mit Freilauflager 76 und Kunststoffring 77 zur Körperschalldämpfung.
Die 17 und 18 zeigen andere Ausführungsformen des erfindungsgemäß eingesetzten Schaltgetriebes 50 mit Fokus auf die lösbare Verbindung 54-2 zwischen den Sonnenrädern 55, 56 und den Planetenstegen 22, 23. Bei der lösbaren Verbindung 54-2 gemäß den 17 und 18 kommen wiederum durch entsprechende Schubkeile 64 betätigbare Sperrklinken 61 zum Einsatz. Bei der Ausführungsform gemäß den 17 und 18 ist jedoch zusätzlich ein Kunststoffring 67 ausgebildet, durch welchen die Entwicklung und Ausbreitung von Schall während des Betriebes gedämpft werden können.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Die Erfindung betrifft insbesondere Elektrofahrräder, Pedelecs, eBikes und dergleichen, insbesondere mit Mittelmotorantrieb und einer Fahrradschaltung zur Anpassung der begrenzten Antriebskraft des Fahrers an die unterschiedlichen Fahrwiderstände.
Eine Zielsetzung der Erfindung ist die Schaffung einer Fahrradschaltung z.B. nach dem Grundprinzip einer Nabenschaltung und, diese in eine Antriebsanordnung 80 am Tretlager 13 eines Pedelecs oder dergleichen zu integrieren.
Eine übliche Schaltvorrichtung am Hinterrad 9-2 kann dann erfindungsgemäß entfallen.
Dabei soll eine besonders kompakte Konfiguration der Antriebsanordnung 80 erzielt werden.
Die Erfindung erreicht dieses Ziel mit dem Einsatz und der Integration eines automatisch schaltbaren mehrstufigen Planetengetriebes 50 in koaxialer Anordnung zur Tretkurbelwelle 15 und zum Kettenblatt als Abtriebselement 4.
Das schaltbare Planetengetriebe 50 übernimmt die Aufgabe einer Fahrradschaltung bzw. der variablen Übersetzung für die Antriebskraft des Fahrers.
Dabei können z.B. bis zu neun Gänge – insbesondere mit konstanten Gangsprüngen – von z.B. nicht mehr als 22 % und/oder einer Gesamtspreizung des Schaltgetriebes 50 von bis zu 492 % realisiert werden.
Durch die Ausführung als formschlüssiges Getriebe ist der Wirkungsgrad z.B. gegenüber integrierten reibschlüssigen Getrieben verbessert.
Durch die erfindungsgemäß besonders kompakte Auslegung des integrierten Planetengetriebes 50 einschließlich Verstellmechanik 60 und insbesondere durch koaxiale Anordnung von Schaltgetriebe 50, Kurbelwelle 15 und Kettenblatt als Abtriebselement 4, mit z.B. nicht mehr als fünf Schaltgetriebestufen und eine besonders kompakte Auslegung und Anordnung des Motorreduziergetriebes 30 mit Integration des Schaltgetriebes 50 in das Motorgetriebe 30 lässt sich eine am Tretlager 13 besonders kompakte Antriebsanordnung 80 als Einheit mit integrierter Fahrradschaltung erzielen.
Eine besonders kompakte Auslegung des Motorreduziergetriebes 30 erfolgt erfindungsgemäß durch den Einsatz eines innenverzahnten Evoloidgetriebes.
Des Weiteren kann durch den Einsatz eines innenverzahnten Evoloidgetriebes die Geräuschentwicklung gegenüber einem konventionellen Stirnradgetriebe vermindert werden.
Die Verstellung der Übersetzung erfolgt z.B. durch Verbinden oder Freigeben der jeweiligen Sonnenräder 55, 56 der Planetenstufen 50 und insbesondere mittels Sperrklinken.
Dies kann automatisch beispielsweise mit einem Stellantrieb bewerkstelligt werden. Durch automatisches Schalten können in der integrierten Bauweise Schaltung und Antrieb optimal aufeinander abgestimmt werden.
Durch die Verwendung von Kunststoff in der Verstellmechanik sowie im Motorreduziergetriebe 30 kann eine besonders geräuscharme Auslegung der Antriebsanordnung 80 erzielt werden.
Weitere Vorteile der integrierten Bauweise sind

– eine Gewichts- und Kosteneinsparung und ein verbesserter Wirkungsgrad durch die gemeinsame Nutzung von Bauteilen, z.B. Gehäuse, Lager, Wellen, Dichtungen usw.,
– eine verbesserte Massenverteilung durch einen tieferen und zentraler gelegenen Schwerpunkt und ein leichteres Hinterrad 9-2 für ein verbessertes Handling, Federung und Fahrdynamik mit vereinfachter Demontage und Montage des Hinterrads 9-2,
– für den Fahrradhersteller ist eine Komponente weniger zu verbauen und dem Kunden kann ein einheitliches Modul aus Übersetzungs- und Antriebssteuerung präsentiert werden.

In 2 ist schematische der Aufbau einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80 nach Art einer Tretlagerantriebs mit integriertem 9-Gang-Planetenschaltgetriebe 50 in koaxialer Anordnung zur Kurbelwelle 15 und Kettenblatt als Abtriebselement 4 dargestellt.
Für eine kompakte Konfiguration des Schaltgetriebes 50 ist dem Schaltgetriebe ein Planetengetriebe 41 als Hochtreiberstufe 40 mit Übersetzung ins Schnelle zur Reduzierung des hohen Fahrerdrehmoments vorgeschaltet.
Das Schaltgetriebe 50 wird von zwei in Reihe angeordneten Planetengetrieben 51 und 52 mit Stufenplaneten 57, 58 gebildet. Dabei verfügt das der Hochtreiberstufe 40 zugewandte Planetengetriebe 51 über einen dreistufigen Stufenplaneten 57 mit Gesamtübersetzung ins Schnelle und das dem Kettenblatt 4 zugewandte Planetengetriebe 52 über einen zweistufigen Stufenplaneten 58 mit Gesamtübersetzung ins Langsame.
Beide sind über ein gemeinsames Hohlrad 53 miteinander verbunden.
Der 22 Planetensteg der Hochtreiberstufe 40 ist mit der Tretkurbelwelle 15 verbunden und stellt damit den Eingang der Getriebeeinheit für das Lastkollektiv des Fahrers dar.
Der Getriebeausgang der Hochtreiberstufe 40 erfolgt über das Sonnenrad 43, welches wiederum mit dem Eingang des Schaltgetriebes 50 verbunden ist. Das Hohlrad 42 der Hochtreiberstufe 40 ist festgehalten.
Eingang des Schaltgetriebes 50 ist der Planetensteg 22 des Planetengetriebes 51, welches der Hochtreiberstufe 40 zugewandt ist. Der Planetensteg 22 ist zudem Teil des Radkörpers des großen Abtriebszahnrades 35 des Motorreduziergetriebes 30 und damit in das Motorreduziergetriebe 30 integriert. Hierdurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise des Antriebsanordnung 80 als Tretlagerantrieb.
Mit der Verbindung von Planetensteg 22 und Motorgetriebezahnrad 35 erfolgt an dieser Stelle die Summation von Fahrer- und Motordrehmoment für die Unterstützungsleistung des Motors 3.
Das Motorgetriebe 30 in 2 ist beispielhaft ein zweistufiges Stirnradgetriebe. Durch seine Anordnung nach der Hochtreiberstufe 40 kann das Motorgetriebe 30 besonders kompakt ausgelegt werden, da an dieser Stelle die Abtriebsdrehzahl für das Motorgetriebe 30 durch die Hochtreiberstufe 40 erhöht ist und somit die erforderliche Übersetzung für die Reduzierung der Motordrehzahl um den Übersetzungsfaktor der Hochtreiberstufe 40 geringer ausfallen kann.
Alle fünf Sonnenräder 55, 56 des Schaltgetriebes 50 können über eine erste lösbare Verbindung 54-1 drehfest mit dem Gehäuse 14 verbunden werden und Zwei der Sonnenräder 55, 56 können über eine zweite lösbare Verbindung 54-2 auch mit dem Planetensteg 22 verbunden werden.
Durch das wahlweise Verbinden einzelner Sonnenräder 55, 56 mit dem Gehäuse 14 oder dem Planetensteg 22 können bei der Ausführungsform gemäß 2 insgesamt neun Schaltgetriebeübersetzungen eingestellt bzw. Gänge geschaltet werden. Dabei ergeben sich die einzelnen Übersetzungen oder Gänge aus der Kombination von zwei der Sonnenräder 55, 56, die gleichzeitig jeweils entweder mit dem Gehäuse 14 oder dem Planetensteg 22 verbunden sind.
Es erfolgt immer eine Kombination eines der Sonnenräder 55 aus dem ersten Planetengetriebe 51 mit dreistufigem Stufenplaneten 57 mit einem der Sonnenräder 56 aus dem zweiten Planetengetriebe 52 mit zweistufigem Stufenplaneten 58.
Auf diese Weise können besonders kompakt insgesamt neun Gänge mit fünf Schaltgetriebestufen 50 dargestellt werden. Die Schaltgetriebestufen 50 sind bevorzugt so ausgelegt, dass die Gangsprünge konstant sind und beispielsweise nicht größer als 22% wie dies in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet ist.
Für die Gesamtspreizung des Schaltgetriebes können in diesem Beispiel bis zu 492% erzielt werden. Wird ein Sonnenrad 55, 56 mit dem Planetensteg 22 verbunden, ergibt sich für dieses Planetengetriebe 50, 51, 52 eine Gesamtübersetzung von 1:1.

Gang Übersetzung Gangsprung / %

1 1,82

2 1,49 22

3 1,22 22

4 1,00 22

5 0,82 22

6 0,67 22

7 0,55 22

8 0,45 22

9 0,37 22

Spreizung: 492 %
3 zeigt den Aufbau einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung als Tretlagerantrieb, und zwar mit integriertem 9-Gang-Planetenschaltgetriebe 50 in koaxialer Anordnung zur Kurbelwelle 15 und Kettenblatt als Abtriebselement 40 im Schnittbild.
Das Motorgetriebe 30 ist besonders kompakt und geräuscharm als innenverzahntes Evoloidgetriebe ausgeführt. Bevorzugt ist das Ritzelzahnrad des Evoloidgetriebes mit 5 bis 6 Zähnen ausgestattet, wie dies in den 3 und 15 gezeigt ist.
Auf Grund der geringen Zähnezahl kann gegenüber einer konventionellen Stirnradstufe 32–34 die Übersetzung bei gleichem Bauraum deutlich höher ausfallen. Zudem ist eine lnnenverzahnung gegenüber einer Außenverzahnung radial kompakter. Neben der Schrägverzahnung und einer Abschirmung der Schallausbreitung durch die Form der Einfassung der lnnenverzahnung als einseitig geschlossener Hohlzylinder ist zur weiteren Geräuschminimierung das Hohlrad der lnnenverzahnung aus Kunststoff ausgeführt.
Alternativ kann, wie in 16 dargestellt, mittels eines Kunststoffringes die lnnenverzahnung in Bezug auf Körperschallausbreitung entkoppelt werden. Damit kann das Hohlrad trotz größerer Geräuschentwicklung aus Metall ausgeführt werden und eine noch kompaktere Darstellung des Motorgetriebes 30 ist möglich. Zwischen der lnnenverzahnung bzw. dem Hohlrad und der zweiten Motorgetriebestufe ist ein Freilauf mit zugehöriger Lagerung angeordnet. Der Freilauf ist ein Überholfreilauf und dient der Entkopplung des Motors 3 in dem Fall, in welchem der Fahrer den Motor „überholt“, d.h. beispielsweise bei Ausfall des Motors 30 oder bei Geschwindigkeiten über 25 km/h.
Die zweite Motorgetriebestufe ist eine geradverzahnte Stirnradstufe aus Metall. Auf Grund der Geradverzahnung und der Verwendung von Metallzahnrädern ist eine besonders kompakte Auslegung der Verzahnung in axialer Richtung möglich und damit eine besonders kompakte Darstellung des Tretlagerantriebs bei koaxialer Anordnung des Schaltgetriebes zur Tretkurbel.
Die 3, 8 und 9 zeigen die Anordnung des mit dem Planetensteg 22 des Schaltgetriebes 50 verbundenen großen Abtriebszahnrades 35 der zweiten Getriebestufe des Motorgetriebes 30.
Wie in 3 gezeigt, sind die beiden mit dem Hohlrad 53 verbundenen Getriebestufen des Schaltgetriebes 50 bis auf den Durchmesser der Planetenbolzen, den Durchmesser des Planetensteges 22 und den Leistungsfluss identisch.
Damit lässt sich ein besonders kompakter, einfacher und kostengünstiger Aufbau des Schaltgetriebes 50 erzielen.
Beispielhaft beträgt gemäß obiger Tabelle die Übersetzung der der Hochtreiberstufe 40 zugewandten Getriebestufe 51 mit Hohlrad 0,67 ins Schnelle und der zweite Getriebestufe 52 mit Hohlrad 1/0,67 = 1,49 ins Langsame.
Beide Planetenstege des Schaltgetriebes 50 sind beidseitig ausgeführt. Damit lässt sich ebenfalls eine kompakte Konfiguration des Schaltgetriebes 50 erzielen.
Die 3 bis 6 zeigen eine besonders kompakte Darstellung des axialen Bauraums der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80 als Tretlagerantrieb durch eine axial versetzte Wellenverbindung von Planetensteg 22 und Sonnenrad 43 der Hochtreiberstufe 40. Damit ist es möglich, an der Stelle der Hochtreiberstufe 40 unterhalb von Planetensteg und Sonnenrad 43 der Hochtreiberstufe 40 die Lagerung der Tretkurbelwelle 15 zum Gehäuse 14 anzubringen. Die Verbindung von Planetensteg der Hochtreiberstufe 40 zur Tretkurbelwelle 15 und Sonnenrad 43 der Hochtreiberstufe 40 zum Planetensteg 22 des Schaltgetriebes 50 erfolgt jeweils über eine Steckverzahnung.
In den 3 und 7 bis 14 ist beispielhaft eine Verstelleinheit 60 dargestellt, diese weist auf: Verstellscheibe 62 mit Verstellhebel 63, Sperrklinke 61, Schubkeil 64 und Zahnkranz 65 dargestellt.
Um die Übersetzung des Schaltgetriebes 50 zu verstellen, werden zwei Sonnenräder 55, 56 des Schaltgetriebes 50 mittels Klinken 61 mit dem Gehäuse 14 oder mit dem Planetensteg 22 verbunden. Dabei werden bei der Verbindung des Sonnenrades 55, 56 mit dem Gehäuse 14 durch Rotationsbewegung der Verstellscheibe 62 die Schubkeile 64 unter die Klinken 61 geschoben und damit die mit dem Gehäuse 14 verbundenen Klinken 61 angehoben und in den Zahnkranz 65 gedrückt, siehe 12 bis 14.
Werden durch eine weitere Rotationsbewegung der Verstellscheibe 62 die Schubkeile 64 wieder unter den Klinken 61 weggezogen, so springen die Klinken 61 aus dem Zahnkranz 65 heraus und die Verbindung des Sonnenrades 55, 56 mit dem Gehäuse 14 wird gelöst.
Mittels Federn 66 werden die Klinken 61 in der nicht ausgerückten Position außerhalb des Zahnkranzes 65 gehalten. Durch über den Umfang versetzt angeordnete Klinken 61 können die Sonnenräder 55, 56 nacheinander mit dem Gehäuse 14 verbunden und wieder freigegeben werden.
Auf diese Weise ist ein sequenzielles Durchschalten der Gänge möglich. Die Verstellscheiben 62 sind mit einem Verstellhebel 63 versehen, über den ein Verstellmotor angebunden werden kann. Damit kann das Verstellen der Übersetzung bzw. das Schalten der Gänge automatisch erfolgen.
Bei einer Verbindung des Sonnenrads 55, 56 mit dem Planetensteg 22 kann dies beim Planetengetriebe 51 mit dreistufigem Stufenplaneten 57 und Übersetzung ins Schnelle ohne aktiven Schaltvorgang geschehen: 10.
Die Klinken 61 befinden sich hier immer im ausgerückten Zustand. Werden alle drei Sonnenräder 55, 56 vom Gehäuse 14 gelöst, will sich das Sonnenrad 55, 56 mit den Klinken 61 schneller drehen als der Planetensteg 22. Dadurch greifen die Klinken 61 in den Zahnkranz des Planetenstegs 22 und es entsteht eine drehfeste Verbindung zwischen Sonnenrad 55, 56 und Planetensteg 22.
Mit der Verbindung der beiden Wellen, Sonnenrad 55, 56 und Planetensteg 22, des Planetengetriebes 21 ergibt sich eine Übersetzung des Planetengetriebes 21 von 1:1.
Dagegen muss bei einer Verbindung des Sonnenrads 55, 56 mit dem Planetensteg 22 beim Planetengetriebe 52 mit zweistufigem Stufenplaneten 58 auf Grund der Übersetzung ins Langsame der Schaltvorgang analog zur Verbindung eines Sonnenrads 55, 56 mit dem Gehäuse 14 aktiv geschehen: 11.
Zur Geräuschminimierung kann, wie in den 17 und 18 gezeigt ist, der Zahnkranz 65 für die Iösbaren Sperrklinkenverbindungen aus Kunststoff gefertigt sein.
Insbesondere für die selbsttätig schaltende Sperrklinkenverbindung beim Planetengetriebe 51 mit dreistufigem Stufenplaneten 57, welche sich permanent im ausgerückten Zustand befindet und damit insbesondere bei einer Relativbewegung zwischen Planetensteg 22 und Sonnenrad 55, 56 mit den Klinken 61 den Zahnkranz 65 berührt, kann dadurch eine besonders geräuscharme Auslegung erreicht werden.

Claims

Antriebsanordnung (80) eines mit Muskelkraft antreibbaren Fahrzeuges (1), insbesondere eines zusätzlich mit Motorkraft antreibbaren Fahrzeuges (1), eines Elektrofahrrades, eBikes, Pedelecs oder dergleichen, mit: – einer um eine Drehachse (16) drehbaren Kurbelwelle (15) zum Aufnehmen eines ersten und mit Muskelkraft erzeugten Drehmomentes und – einer Übertragungseinrichtung (20) zum Übertragen des ersten Drehmomentes von der Kurbelwelle (15) an ein mit einem Antriebsrad (9-2) des Fahrzeuges (1) koppelbares Abtriebselement (4), wobei die Übertragungseinrichtung (20) ein – insbesondere automatisch – schaltbares mehrstufiges Planetengetriebe (21) ist oder aufweist, welches im Wesentlichen koaxial zur Drehachse (16) der Kurbelwelle (15) ausgebildet ist und eine variable Übersetzung vermittelt.
Antriebsanordnung (80) nach Anspruch 1, bei welchem das Abtriebselement (4) rotationssymmetrisch und koaxial zur Drehachse (16) der Kurbelwelle (15) und zum Planetengetriebe (21) ausgebildet ist und insbesondere ein Ketten- oder Zahnriemenblatt ist oder aufweist.
Antriebsanordnung (80) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Planetengetriebe (21) eine Mehrzahl von Gängen definiert, insbesondere mit einer Anzahl von neun, mit Gangsprüngen, die konstant sind, nicht mehr als 22 % betragen und/oder eine Gesamtspreizung von 492 % definieren.
Antriebsanordnung (80) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Planetengetriebe (21) höchstens fünf Schaltgetriebeschaltstufen (50) aufweist.
Antriebsanordnung (80) nach Anspruch 4, bei welchem – die Getriebeschaltstufen (50) gebildet werden von (i) einem ersten und insbesondere dreistufigen Planetengetriebe (51) mit Gesamtübersetzung ins Schnelle und (ii) einem dazu in Reihe geschalteten zweiten und insbesondere zweistufigen Planetengetriebe (51) mit Gesamtübersetzung ins Langsame, und – insbesondere (iii) den Getriebeschaltstufen (50) eine Hochtreiberstufe (40) mit einem oder in Form eines Planetengetriebes (41) mit Übersetzung ins Schnelle zur Reduktion eines hohen Fahrerdrehmomentes eingangsseitig vorgeschaltet ist und/oder (iv) die beiden in Reihe geschalteten Planetengetriebe (51, 52) der Getriebeschaltstufen (50) über ein gemeinsames Hohlrad (53) miteinander gekoppelt sind.
Antriebsanordnung (80) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Übersetzung des Planetengetriebes (21) über einen Gangwechsel und durch gesteuertes Verbinden und/oder Freigeben jeweiliger Sonnenräder (55, 56) entsprechender Planetenstufen (57, 58) über Sperrklinken (61) verstellbar ist, in automatischer Weise und/oder durch einen Stellantrieb (60), insbesondere mit oder aus Kunststoffmaterial.
Antriebsanordnung (80) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher – ein elektrischer Antrieb (3) zum Erzeugen eines Motordrehmoments ausgebildet ist und – der elektrische Antrieb (3) zum Übertragen des Motordrehmomentes über das Planetengetriebe (21) steuerbar an das Abtriebselement (4) koppelbar ist.
Antriebsanordnung (80) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher zwischen dem elektrischen Antrieb (3) und dem Planetengetriebe (21) ein Motorreduziergetriebe (30) in Form eines mehrstufigen Stirnradgetriebes (32–34) oder eines innenverzahnten Evoloidgetriebes (36) und insbesondere mit oder aus Kunststoffmaterial ausgebildet ist.
Antriebsanordnung (80) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche den Aufbau eines Mittelmotorantriebs aufweist und insbesondere ein gemeinsames Gehäuse (14), in welchem das Planetengetriebe (21), der Stellantrieb (60), der elektrische Antrieb (3), das Motorreduziergetriebe (30) und – zumindest teilweise – die Kurbelwelle (15) aufgenommen sind.
Mit Muskelkraft und insbesondere zusätzlich mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug (1), Elektrofahrrad, eBike, Pedelec oder dergleichen, mit: – mindestens einem Rad (9-1, 9-2) und – einer Antriebsanordnung (80) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher das mindestens eine Rad (9-1, 9-2) durch die Antriebsanordnung (80) antreibbar ist.