DE102017111770A1

DE102017111770A1 - Antriebseinheit für ein Fahrrad

Info

Publication number: DE102017111770A1
Application number: DE102017111770.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2018-12-06
Also published as: WO2018219597A1; EP3630593A1; DE202017006777U1

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Antriebseinheit für ein Fahrrad mit einem Gehäuse, welches einen nassen, mit einem Schmiermittel gefüllten Raum ausbildet, mit einer Welle, rotationsgelagert vom Gehäuse, mittels derer ein erstes Drehmoment eingeleitet wird, mit einem im Gehäuse koaxial um die Welle herum angeordneten Elektromotor, mittels dessen ein zweites Drehmoment eingeleitet wird, mit einem im Abtriebsglied, welches der Addition des ersten und des zweiten Drehmomentes dient, mit einem zumindest einstufigen, im Gehäuse angeordneten Getriebe, welches im Kraftfluss zwischen Elektromotor und Abtriebsglied angeordnet ist, mit einer zwischen Motor und Welle angeordneten Sensoreinheit, welche Messwerte der Welle, wie Drehmoment und/oder Drehzahl, erfasst, wobei ein zusätzlicher, trockener Raum vorgesehen ist, in welchem elektronische Komponenten, insbesondere die Steuerelektronik für den Elektromotor angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Fahrrad mit einem Gehäuse, welches einen nassen, mit einem Schmiermittel gefüllten Raum ausbildet, mit einer Welle, rotationsgelagert vom Gehäuse, mittels derer ein erstes Drehmoment eingeleitet wird, mit einem im Gehäuse koaxial um die Welle herum angeordneten Elektromotor, mittels dessen ein zweites Drehmoment eingeleitet wird, mit einem im Abtriebsglied, welches der Addition des ersten und des zweiten Drehmomentes dient, mit einem zumindest einstufigen, im Gehäuse angeordneten Getriebe, welches im Kraftfluss zwischen Elektromotor und Abtriebsglied angeordnet ist, mit einer zwischen Motor und Welle angeordneten Sensoreinheit, welche Messwerte der Welle, wie Drehmoment und/oder Drehzahl, erfasst.
Derartige Antriebseinheiten für Fahrräder zur elektromotorischen Unterstützung der Fortbewegung sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie können Teil des Vorderrades oder des Hinterrades sein. Zudem gibt es Lösungen, bei denen der Antrieb im Bereich des Tretlagers bzw. des vorderen Kettenblattes des Fahrrades angeordnet ist und vermittels des vorderen Kettenblattes antriebsunterstützend wirkt. Letztere Antriebseinheiten werden häufig auch als Mittelmotor bezeichnet, da sie am Rahmen zwischen Vorderrad und Hinterrad etwa mittig angeordnet sind.
Aus der anmeldereigenen DE 10 2014 117 137 B4 geht beispielsweise eine Antriebseinheit für ein elektromotorisch unterstütztes Fahrrad hervor. Das Ausführungsbeispiel zeigt hier einen sogenannten Nabenantrieb, bei welchem in einer im Durchmesser vergrößerten Radnabe ein Elektromotor nebst Getriebe und Steuereinheit untergebracht wird. Bei diesem Antrieb ist vorgesehen, dass die vom Radfahrer über den Kurbelantrieb bereitgestellte Antriebskraft mit der elektromotorisch bereitgestellten Antriebskraft innerhalb der Radnabe des Hinterrades zusammengeführt wird und auf das Hinterrad antriebsfördernd wirkt. Der Elektromotor sowie das ebenfalls vorgesehene Getriebe sind konzentrisch zur Radachse und zur Drehachse des Rades bzw. koaxial um die Radachse herum angeordnet.
Aus der DE 10 2009 014 246 A1 ist eine Antriebseinheit für elektromotorisch unterstützte Fahrräder bekannt, welche auf das vordere Kettenblatt wirkt. Auch hier ist ein koaxial um die Tretkurbelwelle herum angeordneter Elektromotor mit Übersetzungsgetrieben vorgesehen. Die von der Tretkurbel auf das vordere Kettenblatt ausgeübte Antriebskraft sowie die vom Elektromotor bereitgestellte Antriebskraft werden innerhalb des Tretkurbelwellengehäuses zusammengeführt.
Technisch Ähnliches ist offenbart auch die DE 10 2013 108 549 B4 , wobei hier auch abweichende Ausführungsbeispiele mit alternativen Mittelmotoranordnungen gezeigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Antriebseinheit mit einer kompakten Bauform zu schaffen.
Gelöst wird die Erfindung durch eine Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere mit dessen kennzeichnenden Merkmalen, wonach ein zusätzlicher, trockener Raum vorgesehen ist, in welchem elektronische Komponenten, insbesondere die Steuerelektronik für den Elektromotor angeordnet sind.
Durch die Schaffung eines zweiten, schmiermittelfreien, trockenen Bauraumes gewährleistet die Erfindung eine weitere Integration von Bauelementen in die Antriebseinheit, hier insbesondere die Integration von elektronischen Komponenten, die zur Steuerung des Elektromotors und der Anpassung der abgegebenen Leistung auf die jeweilige Fahrsituation dient. Eine derart hochgradige Integration vereinfacht die Montage eines Fahrrades, weil die Antriebseinheit alle wesentlichen Komponenten umfasst und lediglich noch in eine dafür vorgesehene Halterung, beispielsweise eine entsprechend ausgeformte Radnabe oder ein entsprechend ausgeformtes Tretlagergehäuse eingesetzt werden muss. An das Montagepersonal werden keine hohen Anforderungen hinsichtlich des Umgangs mit Elektronikkomponenten gestellt. Separate Arbeitsgänge zur Montage von Elektronikkomponenten entfallen.
Die Wartung wird erheblich vereinfacht, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der trockene Raum konzentrisch um die Welle herum ausgebildet ist und insbesondere eine axial weisende, mit einem Deckel verschließbare Öffnung aufweist.
Vorgesehen ist weiterhin, dass das Gehäuse einen konzentrisch um die Welle herum angeordneten, hülsenartigen Einzug ausbildet, der einen zwischen Welle und Elektromotor angeordneten Ringraum begrenzt.
Der hülsenartige Einzug ist gegenüber der Welle drehfest, so dass für verschiedene Sensoren, beispielsweise Drehzahlsensoren, ein ortsfester Bezugspunkt für eine Messung zur Verfügung steht und sowohl rotierende wie ortsfest anzuordnende Sensoren Verwendung finden können. Besonders bevorzugt ist die Anwendung eines Drehmomentsensors im Bereich des hülsenartigen Einzugs. Darüber hinaus werden keine separaten Bauteile benötigt, da der hülsenartige Einzug Teil des Gehäuses der Antriebseinheit ist.
Es ist vorgesehen, dass das Gehäuse durch zumindest eine radiale Trennebene mehrteilig aufgebaut ist. Mit diesen erfindungswesentlichen Merkmalen ist sichergestellt, dass das Gehäuse aus hinterschnittfrei herstellbaren Einzelteilen zusammensetzbar ist. Dies ist insbesondere dann von erheblichem Vorteil, wenn zumindest Teile des Gehäuses in Gießverfahren hergestellt werden.
Vorgesehen ist weiter, dass der Ringraum gegenüber axial gegenüber dem sich anschließenden nassen Raum getrennt ist.
Auf diese Weise kann ein zweiter, im Zweifel trockener, also schmiermittelfreier Raum bereitgestellt werden, sofern die verwendeten Sensoreinheiten, welche innerhalb des Ringraumes anzuordnen sind, dies erfordern.
Vorgesehen ist ferner, dass der Rotor des Elektromotors außenumfänglich um den hülsenartigen Gehäuseeinzug herum angeordnet ist. Umgekehrt bedeutet dies, dass der Ringraum für die Sensorik innerhalb einer Ausnehmung des Rotors des Elektromotors angeordnet ist und somit eine bauraumoptimierte Anordnung der Sensoreinheiten bzw. des dafür vorgesehenen Raumes ermöglicht ist. Die axial notwendige Länge der Antriebseinheit wird so reduziert.
Ferner ist vorgesehen, dass ein Getriebeeingangsglied konzentrisch und rotieren gelagert auf der Welle angeordnet ist und dass der Rotor des Elektromotors am Getriebeeingangsglied und vermittels dieses auf der Welle gelagert ist.
Der wesentliche Vorteil dieses Erfindungsmerkmales ist darin zu sehen, dass der Rotor keine separate Lagerung gegenüber der Welle bzw. des hülsenartigen Gehäuseeinzugs erfordert. Hierdurch wird Bauraum gewonnen.
Vorgesehen ist ferner, dass das Getriebeeingangsglied axial verschieblich auf der Welle gelagert ist.
Die axiale Verschiebbarkeit des Getriebeeingangsgliedes auf der Welle, welche durch entsprechende Anschläge begrenzt sein kann, gewährleistet eine optimale, Fertigungstoleranzen ausgleichende Ausrichtung von Stator und Rotor des Elektromotors und somit einen besonders effizienten Betrieb des Elektromotors.
Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, die sich dadurch kennzeichnet, dass die den nassen Raum umgebende Gehäusewandung im Bereich des Abtriebsgliedes durchmesserverjüngt ist und der trockene Raum um diesen durchmesserverjüngten Bereich herum angeordnet ist.
Gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform wird der für die Steuerelektronik vorgesehene trockene Raum in einem Radialraum um die Welle herum angeordnet, so dass eine ausgesprochen kompakte Antriebseinheit ermöglicht ist.
Schließlich ist vorgesehen, dass die Antriebseinheit Teil der Vorderrades, des Hinterrades oder im Tretlagergehäuse des Fahrrades angeordnet ist.
Weitere Vorteile der Erfindung sowie ein besseres Verständnis derselben gibt die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels:

1 Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit.

Eine erfindungsgemäße Antriebseinheit ist in der 1 insgesamt mit der Bezugsziffer 10 versehen.
Die Antriebseinheit 10 umfasst zunächst ein insgesamt mit der Bezugsziffer 11 bezeichnetes Gehäuse, welches entlang radialer Trennebenen R in insgesamt drei Gehäuseteile getrennt ist. Das Gehäuse 11 verfügt über eine zentrale Durchgangsbohrung 12, durch welche eine Welle 13 geführt ist, bei welcher es sich im vorliegenden Beispiel um die Tretkurbelwelle eines nicht dargestellten Fahrrades handelt.
Das entlang radialer Trennebenen R geteilte Gehäuse 11 verfügt zunächst über ein erstes Gehäuseteil 14, welches einen Raum 15 für einen Elektromotor 16 ausbildet, dessen Stator 17 an einer Außenumfangswand 18 des ersten Gehäuseteiles 14 befestigt ist. Der Rotor 19 des Elektromotors ist nahe einer Innenumfangswand 20 des ersten Gehäuseteils 14 angeordnet, welche, ausgehend von einer Radialwand 21 in den Gehäuseinnenraum eingezogen ist und hülsenartig die Welle 13 umgibt.
Die Welle 13 ist mittels eines ersten Lagers 22 an der Innenumfangswand 20 abgestützt. Der durch die Innenumfangswand 20 gebildete Hülsenabschnitt 23 hält gegenüber der Welle 13 einen Abstand, so dass zwischen Hülsenabschnitt 23 der Innenumfangswand 20 und der Welle 13 ein Bauraum 24 entsteht. Dieser Bauraum 24 wird gemäß Vorschlag der Erfindung zur Anordnung wenigstens einer hier nicht dargestellten Sensoreinheit genutzt. Mittels solcher Sensoreinheiten werden relevante Steuerwerte für die Steuerung des Elektromotors 16 erfasst. Hierbei handelt es sich beispielsweise um das an der Welle 13 anliegende Drehmoment, die Drehzahl der Welle 13 und ähnliches. Der Bauraum 24 kann gegenüber dem übrigen Gehäuseinnenraum mittels einer hier nicht dargestellten Radialwand abgetrennt sein, sofern dies erforderlich ist.
Ein zweites Gehäuseteil 25 bildet einen Getrieberaum 26 aus, der der Aufnahme eines Getriebes 27 sowie eines Abtriebgliedes 28 dient. Der Getrieberaum 26 geht dabei in den Motorraum 15 über, so dass der Motorraum 15 und der Getrieberaum 26 gemeinsam einen Gehäuseinnenraum bilden. Dieser Gehäuseinnenraum ist mit einem geeigneten Schmiermittel für insbesondere das Getriebe 27 gefüllt und ist somit als „nasser Raum“ zu bezeichnen.
Das Getriebe 27 verfügt über eine Eingangswelle 28, welche als Hohlwelle ausgebildet ist. Diese Hohlwelle ist über zweite Lager 29 auf der Welle 13 gehalten, wobei es sich hierbei beispielsweise um Nadellager handeln kann. An der Außenwand 30 des zweiten Gehäuseteils 25 ist ein Hohlrad 31 festgelegt, welches den rotationsfesten Teil des Getriebes 27 bildet. Zwischen der Eingangswelle 28 und dem Hohlrad 31 ist zu mindestens ein Übersetzungslied 32 angeordnet, mit Hilfe dessen die Drehzahl und das Drehmoment des Elektromotors 16 in geeigneter Weise gewandelt wird. Bei dem Getriebe 27 handelt es sich vorzugsweise um ein einstufiges Getriebe, wobei mehrstufige Getriebe nicht ausgeschlossen sind. Die Erfindung schlägt hier Zykloidgetriebe oder Planetengetriebe als besonders bevorzugte Getriebevarianten vor.
Besondere Beachtung ist der Eingangswelle 28 des Getriebes 27 zu schenken. Diese ist mit dem Rotor 19 verbunden, so dass der Rotor 19 vermittels der Eingangswelle 28 und deren zweiten Lagern rotativ auf der Welle 13 gehalten ist. Eine separate Lagerung des Rotors 19 gegenüber der Welle 13 bzw. dem Hülsenabschnitt 23 der Innenumfangswand 20 ist somit überflüssig. Dies gewährleistet die Möglichkeit, den Bauraum 24 zwischen Motor 16 und Welle 13 zu schaffen. Die Getriebeeingangswelle ist zumindest in Grenzen axial schwimmend gelagert und somit axial verschieblich. Hierdurch kann sich der Rotor 19 selbsttätig zum Stator 17 ausrichten. Fertigungs- und Montagetoleranzen lassen sich auf diese Weise kompensieren.
Das im Getrieberaum 26 angeordnete Abtriebsglied 33 ist als die Welle 13 umgebende Abtriebshülse 34 gebildet. Sie wird über dritte Lager 35 auf der Welle 13 und über fünfte Lager 43 am Gehäuse 11 abgestützt. Die Welle 13 ist über einen ersten Freilauf 36 drehrichtungsdefiniert mit der Welle 13 rotationsgekoppelt. Eine Rotation der Welle 13 wird somit über den Freilauf 36 in einer definierten Rotationsrichtung auf die Abtriebshülse 34 übertragen. Ein Wellenstillstand oder eine gegensinnige Drehung der Welle 13 hat aufgrund des Freilaufes 36 auf die Rotationsrichtung der Abtriebshülse 34 keinen Einfluss.
Das Untersetzungsglied 32 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei welchem das Getriebe 27 als Zykloidgetriebe ausgebildet ist, mittels einer Getriebeausgangswelle 37 mit der Abtriebshülse 34 rotationsgekoppelt. Dabei ist auch die Getriebeausgangswelle 37 als Hohlwelle ausgebildet. Die Abtriebshülse 34 ist innerhalb der Getriebeausgangswelle 37 gehalten. Die Getriebeausgangswelle 37 stützt sich über vierte Lager 38 an der der Abtriebshülse 34 ab und ist über einen zweiten Freilauf 39 mit der Abtriebshülse 34 richtungsdefiniert rotationsgekoppelt. Auf diese Weise dient die Abtriebshülse 34 gleichsam als Summierglied, an welcher die Antriebskräfte des Motors 16 und der Welle 13 zusammengeführt werden.
Auf der Abtriebshülse 34 ist sodann außerhalb des Gehäuses 11 ein Kettenblatt 40 angeordnet, mittels dessen in gewohnter Weise die summierte Antriebskraft auf das Hinterrad eines Fahrrades abgegeben wird.
Ohne weiteres kann die Antriebseinheit 10 gemäß vorhergehender Beschreibung auch als Hinterrad- bzw. Vorderradantrieb für ein Fahrrad konzipiert werden. In diesem Fall wäre eine Radachse innerhalb der Welle 13 anzuordnen. Die Antriebskräfte der Welle 13 und des Motors 16 würden wiederum über die Abtriebshülse 34 zusammengeführt. Anstelle des Kettenblattes 40 würde eine Radnabe anzusetzen sein.
Wie der 1 zu entnehmen ist, verfügt das erste Gehäuseteil über einen Radius D, wohingegen das zweite Gehäuseteil 25 sich über seine Axialerstreckung von einem Radius D auf einen Radius d verjüngt. Hierdurch wird Platz geschaffen, um ein drittes Gehäuseteil 41 an das zweite Gehäuseteil 25 anzusetzen, welches wiederum den Radius D aufweist und somit konzentrisch um den im Radius verengten Abschnitt des zweiten Gehäuseteils 25 herum angeordnet ist. Zwischen dem dritten Gehäuseteil 41 und dem zweiten Gehäuseteil 25 wird so im verjüngten Bereich ein Aufnahmeraum 42 geschaffen, der gegenüber dem nassen Gehäuseinnenraum, bestehend aus Motorraum 15 und Getrieberaum 26 abgegrenzt ist. Es handelt sich hierbei somit um einen „trockenen Raum“ der nicht mit Getriebeschmiermittel gefüllt ist und so zur Anordnung der Steuerelektronik für den Motor 16 dient. Das dritte Gehäuseteil 41 kann in Gänze axial demontierbar ausgestaltet sein. Alternativ kann das dritte Gehäuseteil 41 eine axialweisende, mit einem Deckel verschließbare Öffnung aufweisen. Hierdurch lässt sich auf einfache Weise die Steuerelektronik einsetzen und es wird zudem ein Wartungszugang geschaffen.
Insgesamt schlägt die Erfindung eine optimierte Antriebseinheit 10 vor, welche durch eine optimierte Anordnung der Motor- und Getriebebauteile sowie eine angepasste Ausformung des Gehäuses 11 zusätzliche Räume 24 und 41 zur Aufnahme von Sensoren und Steuerungselektronik schafft. Die axial schwimmende Lagerung des Rotors 19 erlaubt zudem eine Fertigungs- und Montagetoleranzen korrigierende, sich selbst optimierende Ausrichtung des Rotors 19 zum Stator 17 und somit eine optimierte Motorleistung.
Insgesamt kann so eine Antriebseinheit 10 geschaffen werden, welche bei einer kompakten Bauform alle relevanten Bauteile enthält und sich vormontiert optimiert in einer Fahrradfertigung handhaben lässt.
Bezugszeichenliste

10: Antriebseinheit
11: Gehäuse
12: Durchgangsbohrung
13: Welle
14: erstes Gehäuseteil
15: Motorraum
16: Elektromotor
17: Stator
18: Außenumfangswand
19: Rotor
20: Innenumfangswand
21: Radialwand
22: erstes Lager
23: Hülsenabschnitt
24: Bauraum
25: zweites Gehäuseteil
26: Getrieberaum
27: Getriebe
28: Getriebeeingangswelle
29: zweites Lager
30: Außenwand
31: Hohlrad
32: Untersetzungsglied
33: Abtriebsglied
34: Abtriebshülse
35: drittes Lager
36: erster Freilauf
37: Getriebeausgangswelle
38: viertes Lager
39: zweiter Freilauf
40: Kettenblatt
41: drittes Gehäuseteil
42: Aufnahmeraum
43: fünftes Lager
R: radiale Trennebene
D: Radius
d: Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014117137 B4 [0003]
DE 102009014246 A1 [0004]
DE 102013108549 B4 [0005]

Claims

Antriebseinheit (10) für ein Fahrrad - mit einem Gehäuse (11), welches einen nassen, mit einem Schmiermittel gefüllten Raum (26/15) ausbildet, - mit einer Welle (13), rotationsgelagert vom Gehäuse (11), mittels derer ein erstes Drehmoment eingeleitet wird, - mit einem im Gehäuse koaxial um die Welle (13) herum angeordneten Elektromotor (16), mittels dessen ein zweites Drehmoment eingeleitet wird, - mit einem im Abtriebsglied (33/34), welches der Addition des ersten und des zweiten Drehmomentes dient, - mit einem zumindest einstufigen, im Gehäuse (11) angeordneten Getriebe (27), welches im Kraftfluss zwischen Elektromotor (16) und Abtriebsglied (33/34) angeordnet ist, - mit einer zwischen Motor (16) und Welle (13) angeordneten Sensoreinheit, welche Messwerte der Welle (13), wie Drehmoment und/oder Drehzahl, erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass - ein zusätzlicher, trockener Raum (42) vorgesehen ist, in welchem elektronische Komponenten, insbesondere die Steuerelektronik für den Elektromotor (16) angeordnet sind.
Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der trockene Raum (42) konzentrisch um die Welle (13) herum ausgebildet ist und insbesondere eine axial weisende, mit einem Deckel verschließbare Öffnung aufweist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) einen konzentrisch um die Welle (13) herum angeordneten, hülsenartigen Einzug (20/23) ausbildet, der einen zwischen Welle und Elektromotor (16) angeordneten Ringraum (24) begrenzt.
Antriebseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (24) der Aufnahme der Sensoreinheit dient.
Antriebseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (24) gegenüber axial dem sich anschließenden nassen Raum (15/26) getrennt ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (19) des Elektromotors (16) außenumfänglich um den hülsenartigen Gehäuseeinzug (23) angeordnet ist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Getriebeeingangsglied (28) konzentrisch und rotieren gelagert auf der Welle (13) angeordnet ist und dass der Rotor (19) des Elektromotors (16) am Getriebeeingangsglied (28) und vermittels dessen auf der Welle (13) gelagert ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebeeingangsglied (28) axial verschieblich auf der Welle (13) gelagert ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die den nassen Raum (15/26) umgebende Gehäusewandung im Bereich des Abtriebsgliedes (33/34) durchmesserverjüngt ist und der trockene Raum (42) um diesen durchmesserverjüngten Bereich herum angeordnet ist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) durch zumindest eine radiale Trennebene (R) mehrteilig aufgebaut ist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (10) Teil der Vorderrades, des Hinterrades oder im Tretlagergehäuse des Fahrrades angeordnet ist.