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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung und ein mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Antriebsanordnung eines mit Motorkraft antreibbaren Fahrzeuges, eines zusätzlich mit Muskelkraft antreibbaren Fahrzeuges, eines Elektrofahrrades, eBikes, Pedelecs oder dergleichen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere ein mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug, welches zusätzlich mit Muskelkraft antreibbar ist, vorzugsweise ein Elektrofahrrad, ein eBike, Pedelec oder dergleichen.
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Beim Antrieb von Fahrzeugen und insbesondere von mit Muskelkraft und/oder Motorkraft antreibbaren Fahrzeugen werden teilweise Reibringgetriebe eingesetzt und z.B. im Zusammenhang mit einem Mittelmotorantrieb bei Elektrofahrrädern, eBikes oder Pedelecs als stufenlos verstellbare Fahrradschaltgetriebe verwendet. Sie können aber auch bei Fahrzeugen eingesetzt werden, bei denen der Antrieb direkt auf ein Fahrzeugrad zugreift.
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Bei diesem Konzept werden im Reibringgetriebe Kugeln mittels einer Stützanordnung und einer zugehörigen Lagerung gehaltert. Die Kugeln des Reibringgetriebes bewirken beim Lauf über die Stützanordnung den notwendigen Reibschluss zwischen einem Eingangsreibelement und einem Ausgangsreibelement des Reibringgetriebes. Der Reibschluss zwischen Eingangsreibelement und Ausgangsreibelement passt in Abhängigkeit von einer Achsenstellung der Drehachsen der umlaufenden Kugeln des Reibringgetriebes eine kontinuierlich variierbare Übersetzung mit entsprechender Drehmomentübertragung an.
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Bei einem derartigen Antrieb bei Verwendung eines Elektromotors oder dergleichen wird ein Kennungswandler, zum Beispiel im Sinne eines Getriebes benötigt, um die Leistungscharakteristik an den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen.
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Das bedeutet, dass am Eingang zum Reibringgetriebe zur Eingabe des Motordrehmomentes bisher entsprechende Aggregate vorgesehen werden müssen. Dies ist nachteilig, weil eine Mehrzahl von Komponenten mit einer entsprechenden Systemschnittstelle ineinandergreifen. Dies ist mit einem erhöhten Aufwand beim Herstellen, Montieren und auch bei Wartung und Reparatur verbunden. Zusätzlich besteht bei einer Mehrzahl von Komponenten, die an getrennten Stellen des Fahrzeugs vorgesehen werden, die Gefahr eines Verlusts im Wirkungsgrad der Gesamteinrichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Anzahl notwendiger Komponenten für das Gesamtsystem des Antriebes vergleichsweise verringert ist. Dadurch stellt sich eine Vereinfachung bei Herstellung, Montage, Reparatur und Wartung ein. Darüber hinaus wird eine Verringerung der Verluste und somit eine Steigerung des Wirkungsgrads der Gesamtanordnung erzielt. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 erreicht, indem eine Antriebsanordnung eines mit Motorkraft antreibbaren Fahrzeuges und insbesondere eines zusätzlich mit Muskelkraft antreibbaren Fahrzeuges, eines Elektrofahrrades, eBikes, Pedelecs oder dergleichen geschaffen wird mit einem elektrischen Antrieb zur Erzeugung eines Motordrehmoments und mit einem Reibringgetriebe, welches ein Eingangsreibelement, eine Mehrzahl von Kugeln und ein Ausgangsreibelement aufweist, bei welchem zumindest ein Teil des elektrischen Antriebes direkt mit dem Reibringgetriebe gekoppelt und insbesondere an und/oder in dem Reibringgetriebe und/oder als Teil von diesem ausgebildet ist. Indem zumindest ein Teil des elektrischen Antriebes direkt mit dem Reibringgetriebe gekoppelt und insbesondere an oder in dem Reibringgetriebe oder als Teil davon ausgebildet ist, können bisher notwendige Komponenten zur Ankopplung bei voneinander räumlich separiert vorgesehenen Einheiten entfallen. Dadurch wird die Anzahl der zu montierenden, zu wartenden und gegebenenfalls zu reparierenden Komponenten verringert. Durch die direkt Kopplung und räumliche Nähe steigt auch der Wirkungsgrad, weil Verluste bei der Übertragung von Kraft, Energie und Drehmoment reduziert werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung kann weiter gesteigert werden, indem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrische Antrieb als eine oder mit einer permanent erregten Synchronmaschine und insbesondere als EC-Motor ausgebildet ist.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ist der elektrische Antrieb mit einem Magnetkreis ausgebildet und insbesondere teilweise oder vollständig am und/oder im Eingangsreibelement des Reibringgetriebes oder als Teil von diesem. Durch das Zusammenführen des Magnetkreises mit dem Eingangsreibelement des zu Grunde liegenden Reibringgetriebes werden – durch Vermeiden sonst notwendig werdender Zwischenelemente zur Übertragung von Kraft, Energie und Drehmoment – Übertragungsverluste reduziert.
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Eine besonders kompakte Struktur ergibt sich für die erfindungsgemäße Antriebsanordnung dann, wenn das Eingangsreibelement des Reibringgetriebes ein oder mehrere Permanentmagnete aufweist und so einen Rotor des elektrischen Antriebes bildet.
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Eine besonders stabile Ausgestaltung für die erfindungsgemäße Antriebsanordnung ergibt sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dann, wenn das Reibringgetriebe ein drehfestes Gehäuseteil aufweist, welches das Eingangsreibelement und/oder das Ausgangreibelement trägt, lagert und/oder zumindest teilweise umschließt.
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Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung kann besonders kompakt ausgebildet werden, wenn gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der elektrische Antrieb einen Erregerkreis aufweist, welcher insbesondere teilweise oder vollständig am und/oder im Gehäuseteil des Reibringgetriebes oder als Teil von diesem ausgebildet ist. Gerade durch Kombination des vorgesehenen Erregerkreises mit dem Gehäuseteil des Reibringgetriebes kann die Zahl der zu montierenden, zu wartenden und gegebenenfalls zur reparierenden Komponenten der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung – bei gesenkten Verlusten während des Betriebes – weiter verringert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung weist das Gehäuseteil des Reibringgetriebes ein oder mehrere Spulenwicklungen auf und bildet so einen Stator des elektrischen Antriebes. Dabei können die Spulenwicklungen in das Material des Gehäuseteiles integriert ausgebildet sein. Sie können zum Beispiel wie bei einem Spritzgusselement eingegossen oder umspritzt sein. Dadurch werden die Spulenwicklungen gegenüber mechanischen und Umwelteinflüssen besonders gut geschützt.
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Eine weitere Konpaktifizierung der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung stellt sich dann ein, wenn der elektrische Antrieb eine Steuereinheit aufweist, welche insbesondere teilweise oder vollständig am und/oder im Gehäuseteil des Reibringgetriebes oder als Teil von diesem ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung kann mit einer Vielzahl von Funktionen ausgestattet werden, um den Betrieb besonders günstig und energiesparend zu gestalten. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ist daher vorgesehen, dass die Steuereinheit integriert (i) Erfassungsfunktionen und insbesondere entsprechende Sensoren zur Umwelterfassung, (ii) Kommunikationsfunktionen und/oder (iii) Steuerfunktionen aufweist, insbesondere als oder unter Verwendung von Softwarefunktionen und/oder Betriebssystemfunktionen zum Ausführen von Anwendungssoftware.
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Für den Anwender gestaltet sich die Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung besonders vorteilhaft, wenn der elektrische Antrieb einen Aktuator aufweist, welcher zum Verstellen eines Übersetzungsverhältnisses des Reibringgetriebes und insbesondere teilweise oder vollständig am und/oder im Gehäuseteil des Reibringgetriebes oder als Teil von diesem ausgebildet ist.
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Eine weiter bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ist zu einer selbständigen Optimierung des Wirkungsgrades ausgebildet, insbesondere durch eine geeignete Kombination von Drehzahl und Übersetzung im elektrischen Antrieb und/oder mittels der Steuereinheit.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug und insbesondere ein zusätzlich mit Muskelkraft antreibbares Fahrzeug, ein Elektrofahrrad, eBike, Pedelec oder dergleichen.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist mit mindestens einem Rad und einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ausgebildet. Durch die Antriebsanordnung ist das mindestens eine Rad antreibbar.
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Die Antriebsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf unterschiedliche Art und Weise für den Antrieb des Fahrzeuges eingesetzt werden. Dabei ist es gemäß bevorzugten Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Fahrzeuges vorgesehen, dass das Ausgangsreibelement des Reibringgetriebes mit oder ohne Freilauf mit einem Abtriebselement verbunden oder verbindbar ist, insbesondere mit (i) einer Felge des Rades des Fahrzeuges, (ii) einem Kettenblatt und/oder (iii) einer Welle für mindestens ein nachgeschaltetes Aggregat.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges nach Art eines Elektrofahrrades, bei welchem eine erste Ausführungsform der Erfindung realisiert ist
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2 ist eine schematische und teilweise geschnittene Vorderansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung.
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3 zeigt in schematischer Seitenansicht eine herkömmliche Antriebsanordnung, von welcher die vorliegende Erfindung ausgeht.
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4 zeigt in schematischer Seitenansicht eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 und 2 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.
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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.
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Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 beispielhaft ein Elektrofahrrad als eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeuges 1 im Detail beschrieben.
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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 Ritzel 6 angeordnet, dieses kann auch Teil einer Gangschaltung sein.
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Der Kurbeltrieb 2 bildet zusammen mit dem elektrischen Antrieb 3 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80.
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Ein Antriebsmoment, welches durch den Fahrer und/oder durch den elektrischen Antrieb 3 bereitgestellt wird, wird hier von einem Kettenblatt 4 am Kurbeltrieb 2 über eine Kette 5 auf das Ritzel 6 übertragen. Dies ist jedoch nicht zwingend; es können Fahrzeuge 1 erfindungsgemäß auch mit direkt einer an einem der Räder 9-1, 9-2 sitzenden und dort angreifenden Antriebsanordnung 80 ausgebildet sein.
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Am Lenker des Fahrzeuges 1 ist eine Steuereinheit 10 angeordnet, welche mit dem elektrischen Antrieb 3 verbunden ist. Im oder am Rahmen 12 ist Batterie 11 ausgebildet, welche zur Stromversorgung des elektrischen Antriebes 3 dient.
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Im Rahmen 12 integriert ist ein Kurbellager 13 oder Tretlager, welches ein Kurbelgehäuse 14 und eine Kurbelwelle 15 aufweist.
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Beim erfindungsgemäßen Fahrzeug 1 gemäß 1 wird die erfindungsgemäße Antriebsanordnung 80 gebildet von dem elektrischen Antrieb 3 und dem Kurbeltrieb 2, die als solche z.B. innerhalb des Kurbelgehäuses 14 unter Verwendung eines Reibringgetriebes 50 zusammenwirken, welches z.B. in 2 gezeigt ist.
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In 1 ist das Fahrzeug 1 mit seiner Längserstreckungsrichtung X in der x-Richtung ausgerichtet, vertikal parallel zur z-Richtung orientiert und liegt somit im Wesentlichen in der xz-Ebene. Die Querrichtung Y des Fahrzeuges 1 erstreckt sich parallel zur y-Richtung.
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2 zeigt im Detail eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80 mit dem Reibringgetriebe 50 in einem Schnitt parallel zur yz-Ebene und zentral durch die Kurbelwelle 15 innerhalb des Kurbelgehäuses 14.
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Es werden zunächst einige Details des Reibringgetriebes 50 erläutert:
Das Reibringgetriebe 50 der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsordnung 80 aus 1 besteht dem Kern nach aus einem Eingangsreibelement 51, einem Ausgangsreibelement 53 und dazwischen vorgesehenen Kugeln 52. Das Eingangsreibelement 51 und das Ausgangsreibelement 53 können in Ringform ausgebildet sein. Die Kugeln 52 haben eine identische Gestalt und Größe. Die Eingangs- und Ausgangsreibelemente 51 bzw. 53 besitzen innen bzw. außen umlaufende Umfangsflächen 51-1 bzw. 53-1 zur Reibkopplung mit den umlaufenden Kugeln 52 des Reibringgetriebes 50.
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Je nach Aufbau des Reibringgetriebes 50 können als Stützmechanismus z.B. ein Stützring oder eine Mehrzahl von Stützringen für die Kugeln 52 des Reibringgetriebes 50 oder z.B. auch ein Aufnahme- und Stützkäfig oder dergleichen vorgesehen sein. Ein derartiger Stützmechanismus ist in 2 nicht explizit dargestellt.
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Ist ein Stützring vorgesehen, so kann dieser eine zentrale Öffnung besitzen, welche berührungsfrei von der Kurbelwelle 15 durchmessen wird. Ein solcher Stützring weist gegebenenfalls des Weiteren eine in radial umlaufender Außenumfangsfläche auf. Die radial umlaufende Außenumfangsfläche bildet eine Lauffläche für die Mehrzahl der Kugeln 52 des Reibringantriebes 50 und liefert somit jeweils lokal eine Kontaktfläche für jede der Kugeln 52.
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Jede Kugel 52, hier als Vollkugel, ist mit einer Oberfläche oder Kugelfläche 56 ausgebildet, besitzt darüber hinaus eine die Kugel 52 zentral durchlaufende Kugelwelle 55, welche eine jeweilige Drehachse 54 für die Kugel 52 definiert. Die Kugelwelle 55 kann mit dem Körper der Kugel 52 drehfest verbunden sein. Die Kugelwelle 55 wird in diesem entsprechend am Koppelelement 45 gelagert und ist so zur Rotation fähig, so dass mit der Rotation der Kugelwelle 55 auch der Körper der Kugel 52 mitrotiert. Alternativ kann die Kugel 52 auf der Kugelwelle 55 gelagert und auf diese Weise zu Rotation fähig sein.
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Der gegebenenfalls vorgesehene Stützring wird bei der Anordnung des Reibringgetriebes 50 aus 2 innen durch die zentrale Öffnung von der Kurbelwelle berührungsfrei durchmessen. Die Kugeln 52 umlaufen mit ihren Kugelflächen 56 den Stützring außen auf dessen äußerer Umfangsfläche.
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Andererseits tritt jede Kugelfläche 56 auch mit den Umfangsflächen 51-1 und 53-1 der Eingangs- und Ausgangsreibelemente 51 und 53 in reibenden mechanischen Kontakt.
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Insgesamt werden die Kugeln 52 des Reibringgetriebes 50 von einem innen liegenden Stützmechanismus, sei diese eine Stützring, ein Käfig oder dergleichen, einerseits und den außen und seitlich versetzt liegenden Eingangs- und Ausgangsreibelementen 51 und 53 gehaltert, so dass die Kugeln 52 auf der Außenumfangsfläche des inneren Stützmechanismus laufen und dabei über den Reibschluss mit den Innenumfangsflächen 51-1 und 53-1 der Eingangs- und Ausgangsreibelemente 51 und 53 die Reibkopplung zwischen den Eingangs- und Ausgangsreibelementen 51 bzw. 53 erzeugen.
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Über das Verstellen der Orientierung der Drehachsen 54, der Kugeln 52 und der Kugelwellen 55, zum Beispiel relativ zur y-Richtung und insbesondere zur Orientierung der Drehachse 15-1 der Kurbelwelle 15, und über den reibenden Kontakt mit den Umfangsflächen 51-1 und 53-1 der Eingangs- und Ausgangsreibelemente 51 und 53 und den Reibschluss der Oberfläche 56 der Kugeln 52 wird das Maß an Über- oder Untersetzung des Reibringgetriebes 50 variiert.
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Kernaspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80 aus 2 durch Kombination von Antriebs- und Steuerelementen, die herkömmlicher Weise an vom eigentlichen Antrieb räumlich getrennten Positionen vorgesehen werden, wie dies im Folgenden erläutert wird:
Der Antriebsanordnung 80 aus 2 ist eine so genannte permanent erregte Synchronmaschine im Sinne eines EC-Motors als elektrischer Antrieb 3 zu Grunde gelegt. Dieser besteht aus einem Magnetkreis 33 und einem Erregerkreis 34.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80 sowohl der Magnetkreis 33 als auch der Erregerkreis 34 in direkter Kopplung mit dem Reibringgetriebe 50 ausgebildet.
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Bei der Ausführungsform gemäß 2 bedeutet dies, dass Permanentmagnete 35 des Magnetkreises 33 des elektrischen Antriebes 3 unmittelbar am ringförmigen Eingangsreibelement 51 angebracht sind, nämlich an dessen äußerer Mantelfläche 51-2, und zwar abgewandt zur inneren Umfangsfläche 51-1 des Eingangsreibelementes 51, welche der Reibkopplung mit der Mehrzahl von Kugeln 52 dient. Auf diese Weise bildet das Eingangsreibelement 51 bestückt mit den Permanentmagneten 35 den Rotor 31 des elektrischen Antriebes 3. Das heißt, dass die Permanentmagnete 35 sind drehfest am Eingangsreibelement 51 angebracht und rotieren bei dessen Rotation im Betrieb mit.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80 aus 2 dadurch verwirklicht, dass das Gehäuse 14 ein Gehäuseteil 90 aufweist, welches in dem Fall der 2 das Eingangsreibelement 51 und die Kugeln 52 sowie den inneren Bereich des Ausgangsreibelements 53 umgibt. In unmittelbarer Nachbarschaft zu den Permanentmagneten 35 auf der Außenumfangsfläche 51-2 des Eingangsreibelementes 51 sind an einer Innenumfangsfläche 90-2 Elemente des Erregerkreises 34 des elektrischen Antriebes 3 in Form von Spulenwicklungen 36 angeordnet. Im Betrieb wird die Spulenanordnung mit den Spulenwicklungen 36 mit einem mehrphasigen elektrischen Strom erregt, so dass in magnetischer Wechselwirkung mit der Anordnung aus Permanentmagneten 35 entsprechende Kräfte und somit im Zusammenhang mit der Drehachse 15-1 der zu Grunde liegenden Kurbelwelle 15 ein Drehmoment entsteht, welches über die Reibkopplung im Reibringgetriebe 50 an das Abtriebselement 4 übertragen wird.
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Zur weiteren Konpaktifizierung der Antriebsanordnung 80 gemäß 2 ist an der Stirnseite 90-1 des Gehäuseteils 90 eine Steuereinheit 60 angebracht. Diese dient unter anderem dazu, die Aktuatoreinheit 40 mit dem eigentlichen Aktuator 41 zu steuern. Der Aktuator 41 kann zum Beispiel aus einem Motor bestehen, der einen Spindeltrieb 42 antreibt und diesen in Drehung versetzt. Der Spindeltrieb 42 kann dann in eine drehfeste aber translatorisch in der y-Richtung verschiebliche Spindelmutter 43 eingreifen, die ihrerseits mit einem Verstellelement 44, welches auch als Idler bezeichnet wird, gekoppelt ist, um bei Translation das Verstellelement 44 mit zu verschieben. Über ein Koppelelement 45 am Verstellelement 44 werden die Kugelwellen 55 der Kugeln 52 des Reibringgetriebes 50 und somit deren Drehachsen 54 verstellt. Dadurch wird eine kontinuierliche Anpassung des Übersetzungsverhältnisses des Reibringgetriebes 50 bewirkt.
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Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Antriebsanordnungen, die beispielhaft in den 3 dargestellt ist, werden bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80 sämtliche mit dem elektrischen Antrieb 3 im Zusammenhang stehenden Komponenten, nämlich die Steuereinheit 60, der Magnetkreis 33 und der Erregerkreis 34 mit den Permanentmagneten 35 bzw. den Spulenwicklungen 36 und deren Steuerelemente in unmittelbarer Kopplung zum Reibringgetriebe 50 ausgebildet und insbesondere als Teil davon dort angebracht. Dies erfolgt insbesondere innerhalb des Gehäuses 14 und am Gehäuseteil 90 der Antriebsanordnung 80 sowie am Eingangsreibelement 51.
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Bei den herkömmlichen Antriebsanordnungen 80‘ gemäß 3 sind die Steuereinheit 60‘, der herkömmliche elektrische Antrieb 3‘ und das herkömmlichem Reibringgetriebe 50‘ nicht in einer Einheit verschmolzen, sondern an voneinander räumlich separierten Stellen am herkömmlichen Fahrzeug 1‘ angebracht. Dies ist mit einem vergleichsweise erhöhten Raum-, Montage- und Wartungsbedarf und der Notwendigkeit verbunden, zusätzliche Kommunikationsschnittstellen 46‘ und Energie vorsehen zu müssen.
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Diese Nachteile werden bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80, wie sie beispielhaft in 2 und 4 und in einem erfindungsgemäßen Fahrzeug 1 in 1 integriert dargestellt ist, vermieden.
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Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden auch an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Elektrische Antriebe benötigen einen Kennungswandler – z.B. in Form von Getrieben – um die Leitungscharakteristik an die jeweilige Anwendung anzupassen. Bei vielen Anwendungen sind die Kennungswandler mehrstufig oder stufenlos verstellbar, um den Wirkungsgrad und das nutzbare Drehzahlband zu erweitern.
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Z.B. können sich bei einem eBike ein Getriebe mit fester Übersetzung im Antrieb und ein schaltbares Getriebe im Hinterrad befinden. Aktuelle eBike-Modelle kombinieren stufenlos verstellbare Getriebe im Hinterrad mit einer elektrischen Verstelleinheit, die ihrerseits eine Kommunikationsschnittstelle zum eBike-Antrieb – der Drive-Unit – hat. Dies ermöglicht eine vollautomatische Schaltung, die über die Drive-Unit gesteuert wird.
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Solche Systeme können aus mehreren Einzelkomponenten bestehen, die im Fahrzeug 1 verteilt untergebracht sind.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Antrieb mit einer Antriebsanordnung 80, bei welcher der Motor 3, ein verstellbares Getriebe 50 und dazugehörige Stellglieder 40 in einer Einheit zusammenfasst. Dies liefert Vorteile hinsichtlich der Anzahl der Systemschnittstellen, des Wirkungsgrades, des Fertigungs- und des Wartungsaufwandes sowie des Gewichtes.
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Erfindungsgemäß wird dies insbesondere erreicht durch eine Vereinfachung des Systemaufbaus durch Integration eines Reibringgetriebes 50 und eines EC-Motors als elektrischem Antrieb 3.
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Als vorteilhafte Verbesserungen ergeben sich unter anderem
- – eine Reduktion der Anzahl von Systemschnittstellen,
- – ein Wegfall von Systemkomponenten – z.B. von Kabeln, Gehäusen und verteilter Elektronik,
- – ein reduzierter Fertigungs- und Wartungsaufwand,
- – eine selbstständige Optimierung des Wirkungsgrades durch eine geeignete Kombination von Motordrehzahl und Übersetzung in der Antriebsanordnung 80 mit dem Reibringgetriebe 50, z.B. mit einem stufenlosen Übersetzungsverhältnis z.B. von etwa 0,5 bis etwa 1,8 mit einer Spreizung von 360%.
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Die Vorteile entspringen erfindungsgemäß unter anderem der Integration eines Reibringgetriebes 50 mit einem Aktuator 40 zu dessen Verstellung, einer Elektronische Steuereinheit 60 in einen EC-Motor als elektrischem Antrieb 3, insbesondere in einer mechatronische Antriebseinheit.
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Diese Vorteile umfassen:
- – eine Reduktion oder Minimierung des Aufwandes für Systemdesign, Fertigung und Wartung,
- – eine auf den elektrischen Antrieb 3 abgestimmte Leistungselektronik, z.B. mit Verbesserung oder Optimierung der Motorperformance,
- – ggf. den Wegfall einer Getriebestufe, z.B. bei einem eBike und
- – den Wegfall von externen Systemkomponenten und deren Montage.
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Der Wegfall von externen Systemkomponenten betrifft z.B.
- – Getriebe im Hinterrad,
- – Getriebesteller,
- – die Verkabelung zwischen Motor, Getriebe und Getriebesteller
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Wie in 2 dargestellt ist, ist an der Eingangsscheibe als Eingangsreibelement 51 eines Reibringgetriebes 50 direkt der Magnetkreis einer permanent erregten Synchronmaschine oder eines EC-Motors als elektrischem Antrieb 3 angebracht.
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Es werden Magnete 35 werden auf der Eingangsscheibe befestigt. Diese bildet somit den Rotor 31 der Maschine als elektrischem Antrieb 3.
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Der Stator 32 mit dem Erregerkreis 34 wird z.B. als tragendes Teil der Antriebsanordnung 80 um den Rotor 31 positioniert. In 2 ist das tragende Teil als Gehäuseteil 90 des Gehäuses 14 ausgebildet.
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Der Stator 32 enthält einen Aktuator 41 der den ldler als Verstellelement 44 des Reibringgetriebes 50 und damit dessen Übersetzungsverhältnis verstellen kann.
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An der Ausgangsscheibe als Ausgangsreibelement 53 des Reibringgetriebes 50 wird ein Abtriebselement 4 montiert.
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Es bieten sich verschieden Ausführungsvarianten des Abtriebselementes 4 an, z.B.:
- – als Felge mit oder ohne Freilauf, z.B. bei einem Hub-Anrieb, einem Smart-Wheel, einem Segway oder der gleichen,
- – als Freilauf mit Kettenblatt, z.B. bei einem Elektrofahrrad, eBike, Pedelec oder dergleichen oder
- – als Welle für nachgeschaltete Aggregate.
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Der elektrische Antrieb kann eine Antriebsbatterie mit einem elektronischen Batteriemanagementsystem – z.B. für ein Smart-Wheel oder einen Krankenfahrstuhl aufweisen.
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Die Steuereinheit 60, die auch als Steuerelektronik bezeichnet werden kann, kann folgende Komponenten aufweisen und/oder Funktionen realisieren:
- – Leistungsteile für den EC-Motor und Aktuator,
- – Sensoren für Betrieb des EC-Motors als elektrischem Antrieb 3 und/oder Aktuators 41, z.B. für die Position des Rotor 31, für bestimmte Betriebsgrößen des elektrischen Antriebes 3, z.B. für Strom, Spannung und dergleichen,
- – Sensoren für die Umwelterfassung, z.B. im Sinne eines 3-Achsen-Gyros, einer Mehrachsenbeschleunigung, Lagesensoren, MEMS, Magnetfeld, Temperatur, Luftdruck und dergleichen,
- – Kommunikationsschnittstelle, z.B. leitungsgebunden oder leitungslos,
- – Steuereingang ggf. mit Stellgrößenvorgabe,
- – Anschluss für Energiezufuhr,
- – Batterie und/oder Batterie im Zusammenhang mit einem Leistungsteil,
- – Rechner zur Ansteuerung der Leistungsteile,
- – Auswertung und Sensorik und
- – Schnittstellen, z.B. Funk, WiFi oder dergleichen.
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Insbesondere sind im Zusammenhang mit der Steuereinheit Softwarefunktionen realisierbar, z.B.:
- – die Steuerung des EC-Motors als elektrischem Antrieb 3, Aktuators 41 und Batteriesystems,
- – ein Algorithmus zur Optimierung Wirkungsgrad, Leistung, Drehzahl oder Drehmoment,
- – die Bedienung der Kommunikationsschnittstelle,
- – ein Betriebssystem zum Ausführen von Anwendungssoftware, z.B. für Fahrregler, Positionsregler, Neigungsregler und dergleichen,
- – Monitoring der Schaltungs- und Motorfunktionalität, z.B. Diagnose,
- – Bootloader für Firmwareupdate.
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2 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 80 am Beispiel eines Hub-Antriebes oder Smart-Wheels.
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Die vorliegende Erfindung ist z.B. bei Elektrofahrrädern, eBikes, Pedelec, Motorrädern und dergleichen, jeweils mit Mittelantrieb oder mit Hub-Drive, bei Segways, elektrischen Rädern allgemein, bei Smart-Wheels, elektrischen Krankenfahrstühlen als erfindungsgemäßen Fahrzeugen und auch bei anderen elektrischen Vorrichtungen anwendbar, z.B. bei Motorkühlgebläsen, Klimakompressoren, Zusatzverdichtern, Anlassern, elektrisch betriebenen Nebenaggregaten und Stellern, z.B. im Off-Highway- oder Industriebereich.
