DE102017219606A1

DE102017219606A1 - Getriebe für ein Fahrrad

Info

Publication number: DE102017219606A1
Application number: DE102017219606.8A
Authority: DE
Inventors: Johannes Kaltenbach; Uwe Griesmeier
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-11-06
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2019-05-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Fahrrad, mit einer Eingangswelle, die mit einer Tretlagerkurbelwelle drehfest verbindbar ist, einer elektrischen Maschine und einer Ausgangswelle. Das Getriebe ist gekennzeichnet durch einen Planetenradsatz, wobei ein erstes Radsatzelement des Planetenradsatzes mit der elektrischen Maschine wirkverbunden ist, ein zweites Radsatzelement des Planetenradsatzes mit der Ausgangswelle drehfest verbunden ist und ein drittes Radsatzelement des Planetenradsatzes mit der Eingangswelle drehfest verbunden ist, und einen anderen Planetenradsatz und ein Schaltelement, wobei ein erstes anderes Radsatzelement des anderen Planetenradsatzes mit der Ausgangswelle drehfest verbunden ist, ein zweites anderes Radsatzelement des anderen Planetenradsatzes mit der Eingangswelle drehfest verbunden ist und ein drittes anderes Radsatzelement des anderen Planetenradsatzes mittels des Schaltelements mit einem Gehäuse drehfest verbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Fahrrad, mit einer Eingangswelle, die mit einer Tretlagerkurbelwelle drehfest verbindbar ist, einer elektrischen Maschine und einer Ausgangswelle.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Tretlager mit einem solchen Getriebe. Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrrad mit dem Tretlager oder dem Getriebe.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Getrieben bekannt, die eine elektrische Maschine aufweisen und die in einem Fahrrad eingesetzt werden. Dabei werden Fahrräder, bei dem der Fahrer beim Pedalieren von einem Elektroantrieb unterstützt wird, üblicherweise als Pedelecs bezeichnet. So ist beispielsweise aus der DE 10 2015 100 676 B3 ein Pedelec bekannt, das ein Wellgetriebe und eine mit dem Wellgetriebe wirkverbundene elektrische Maschine aufweist, wobei das Wellgetriebe als Überlagerungsgetriebe dient. Die elektrische Maschine muss im Fahrbetrieb ein Tretmoment des Fahrradfahrers abstützen, damit der Fahrradfahrer einen Wiederstand am Pedal spürt.
Das zuvor beschriebene Getriebe weist den Nachteil auf, dass die elektrische Maschine den Fahrradfahrer nur bis zu einer Fahrgeschwindigkeit von 25 km/h unterstützt. Bei Erreichen von 25 km/h nimmt die elektrische Maschine die Unterstützung zurück, so dass der Fahrer ohne Widerstand ins Leere tritt, was nachteilig hinsichtlich des Fahrgefühls ist. Außerdem besteht ein weiterer Nachteil darin, dass bei höheren Geschwindigkeiten als 25 km/h nicht mit Muskelkraft gefahren werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Getriebe bereitzustellen, bei dem ein muskelkraftbetriebener Fahrbetrieb auch bei Fahrgeschwindigkeiten oberhalb einer Abregelgeschwindigkeit möglich ist und bei dem oberhalb der Abregelgeschwindigkeit keine Verschlechterung des Fahrgefühls auftritt.
Diese Aufgabe wird durch ein Getriebe der eingangs genannten Art gelöst, das gekennzeichnet ist durch einen Planetenradsatz, wobei ein erstes Radsatzelement des Planetenradsatzes mit der elektrischen Maschine wirkverbunden ist, ein zweites Radsatzelement des Planetenradsatzes mit der Ausgangswelle drehfest verbunden ist und ein drittes Radsatzelement des Planetenradsatzes mit der Eingangswelle drehfest verbunden ist, und einen anderen Planetenradsatz und ein Schaltelement, wobei ein erstes anderes Radsatzelement des anderen Planetenradsatzes mit der Ausgangswelle drehfest verbunden ist, ein zweites anderes Radsatzelement des anderen Planetenradsatzes mit der Eingangswelle drehfest verbunden ist und ein drittes anderes Radsatzelement des anderen Planetenradsatzes mittels des Schaltelements mit einem Gehäuse drehfest verbindbar ist.
Das erfindungsgemäße Getriebe weist den Vorteil auf, dass durch das Vorsehen des anderen Planetenradsatzes und des Schaltelements ein schaltbarer mechanischer Gang realisiert werden kann. Durch den Gang ist es möglich, ein Fahrverhalten wie bei einem konventionellen Pedelec mit paralleler Anordnung der elektrischen Maschine zu realisieren. Insbesondere kann ein Getriebe realisiert werden, bei dem bei einer Fahrgeschwindigkeit oberhalb einer Abregelgeschwindigkeit, ein rein muskelkraftbetriebener Fahrbetrieb möglich ist. Bei einer Fahrgeschwindigkeit unterhalb einer Abregelgeschwindigkeit kann die elektrische Maschine, insbesondere wenn das Schaltelement geschlossen und somit der Gang eingelegt ist, mit variablem Drehmoment den Fahrbetrieb unterstützen. Somit wird ein Getriebe realisiert, das den Fahrradfahrer bis Erreichen der Abregelgeschwindigkeit unterstützt und bei dem keine Verschlechterung des Fahrgefühls oberhalb der Abregelgeschwindigkeit auftritt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Planetenradsatz als Überlagerungsgetriebe ausgeführt ist. Dies bietet den Vorteil, dass eine Unterstützung des Fahrradfahrers durch die elektrische Maschine auf ganz besonders einfache Art realisiert werden kann.
Die elektrische Maschine besteht zumindest aus einem drehfesten Stator und einem drehbar gelagerten Rotor und ist in einem motorischen Betrieb dazu eingerichtet, elektrische Energie in mechanische Energie in Form von Drehzahl und Drehmoment zu wandeln, sowie in einem generatorischen Betrieb mechanische Energie in elektrische Energie in Form von Strom und Spannung zu wandeln.
Unter einer Welle ist nicht ausschließlich ein beispielsweise zylindrisches, drehbar gelagertes Maschinenelement zur Übertragung von Drehmomenten zu verstehen, sondern vielmehr sind hierunter auch allgemeine Verbindungselemente zu verstehen, die einzelne Bauteile oder Elemente miteinander verbinden, insbesondere Verbindungselemente, die mehrere Elemente drehfest miteinander verbinden.
Als drehfeste Verbindung wird eine Verbindung zwischen zwei Bauteilen verstanden, die derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die beiden, miteinander verbundenen Bauteile stets die gleiche Drehzahl aufweisen. Dies ist nicht der Fall, wenn beispielsweise zwischen den beiden miteinander verbundenen Bauteilen ein Schaltelement angeordnet ist, dass sich im geöffneten Zustand befindet. Die drehfeste Verbindung kann beispielsweise durch eine Steckverzahnung realisiert werden. Als Wirkverbindung wird eine Verbindung zwischen zwei Elementen bezeichnet, die stets besteht. Derart ständig verbundene Elemente drehen stets mit der gleichen Abhängigkeit zwischen deren Drehzahlen. In einer Wirkverbindung zwischen zwei Elementen kann sich kein Schaltelement befinden. Eine Wirkverbindung ist daher von einer schaltbaren Verbindung zu unterscheiden.
Bei dem Gehäuse kann es sich um ein Getriebegehäuse handeln, das im Betrieb des Getriebes ortsfest ist. Alternativ kann das Gehäuse ein Teil des Tretlagergehäuses sein.
Bei einer besonderen Ausführung kann bei einer offenen Stellung des Schaltelements der andere Planetenradsatz leistungsfrei und bei einer geschlossenen Stellung des Schaltelements mittels des anderen Planetenradsatzes eine Leistungsübertragung an die Ausgangswelle erfolgt. Insbesondere kann die über das zweite andere Radsatzelement des anderen Planetenradsatzes zugeführte Leistung über das erste andere Radsatzelement des Planetenradsatzes abgeführt werden. Bei der geschlossenen Stellung des Schaltelements wird der Gang realisiert, bei dem ein muskelkraftbetriebener Fahrbetrieb oberhalb der Abregelgeschwindigkeit möglich ist. Dabei kann mittels des Gangs eine definierte Übersetzung zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle realisiert werden. Bei dem Gang handelt es sich um einen mechanischen Gang, der ohne Einwirken der elektrischen Maschine realisierbar ist.
Bei geöffnetem Schaltelement sind die Drehmomentverhältnisse am Planetenradsatz konstant, weil die elektrische Maschine an dem ersten Radsatzelement immer das mit Muskelkraft aufgebrachte Trittmoment abstützen muss. Jedoch ist das Drehzahlverhältnis variabel, so dass es möglich ist, dass mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit die Trittfrequenz konstant bleibt. Dazu muss die Drehzahl der elektrischen Maschine entsprechend erhöht werden, so dass die motorische Unterstützung durch die elektrische Maschine mit steigender Drehzahl der elektrischen Maschine automatisch immer höher wird. Hingegen ist beim eingelegten Schaltelement das Drehzahlverhältnis am Planetenradsatz konstant, während hingegen die Drehmomente variabel sind. Der Planetenradsatz kann für den Fahrer momenterhöhend wirken.
Der andere Planetenradsatz kann dabei derart ausgeführt sein, dass, insbesondere bei einem geschlossenen Schaltelement, eine Übersetzung ins Schnelle erfolgt. Somit kann erreicht werden, dass im Bereich der Abregelgeschwindigkeit eine angenehme Trittfrequenz für den Fahrer vorliegt. Bei einer Übersetzung ins Schnelle weist die Übersetzung einen Wert von kleiner als 1 auf.
Bei einer besonderen Ausführung kann der Planetenradsatz leistungsfrei sein, wenn die elektrische Maschine kein an dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes anliegendes Drehmoment bereitstellt. Dies bietet den Vorteil, dass der Kraftfluss vollständig am Planetenradsatz vorbei direkt zur Ausgangswelle geleitet wird. Daher ist der mechanische Gang als Umgehungsgang ausgeführt. Somit wird der Planetenradsatz auch bei sehr hohen an der Tretlagerkurbelwelle vorliegenden Drehmomenten nicht belastet.
Alternativ oder zusätzlich kann mittels des Planetenradsatzes eine Leistungsübertragung an die Ausgangswelle erfolgen, wenn ein von der elektrischen Maschine bereitgestelltes Drehmoment an dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes anliegt. In diesem Fall stützt die elektrische Maschine ein Trittmoment des Fahrers ab. Bei einer Ausführung, bei der das Schaltelement geschlossen ist und die Abregelgeschwindigkeit nicht erreicht wird, teilt sich der durch die Eingangswelle eingeleitete Kraftfluss auf den Planetenradsatz und den anderen Planetenradsatz auf, was insofern vorteilhaft ist, da es keine Blindleistung gibt.
Das Schaltelement kann als Bremse ausgeführt sein. Dies bietet den Vorteil, dass eine ortsfeste Aktuatorik vorgesehen sein kann, die das Schaltelement betätigt. Dabei kann eine Betätigung des Schaltelements mittels einer manuellen Betätigung durch den Fahrer erfolgen. Die manuelle Betätigung kann durch einen Drehgriff am Lenker und über einen Seilzug realisiert werden. Wie bereits zuvor ausgeführt wurde, erfolgt bei Erreichen einer Abregelgeschwindigkeit keine Unterstützung des Fahrbetriebs mehr durch die elektrische Maschine. Dies bedeutet, dass der Trittwiderstand für den Fahrer geringer wird und dadurch die Trittfrequenz tendenziell höher ist. Dies ist für den Fahrer ein Signal, dass er die Schaltbetätigung für den mechanischen Gang auslöst. Es entspricht nämlich dem gewohnten Fahrverhalten bei einem Fahrrad mit konventioneller Schaltung, das bei zunehmender Trittfrequenz eine Schaltung zu einem höheren Gang erfolgt.
Alternativ kann eine automatische Betätigung des Schaltelements mittels eines Aktuators, insbesondere eines elektromechanischen Aktuators, erfolgen. Das Schaltelement kann formschlüssig oder reibschlüssig sein. Bei einer automatischen Schaltbetätigung kann das Schaltelement in einem Synchronpunkt eingelegt werden, so dass ein Übergang des durch die elektrische Maschine unterstützten Fahrbetriebs in den mechanischen Gang für den Fahrer unmerklich erfolgt.
Bei einer besonderen Ausführung kann ein weiterer Planetenradsatz vorgesehen sein, der mit einer Rotorwelle der elektrischen Maschine und dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes wirkverbunden ist. Insbesondere kann ein Hohlrad des weiteren Planetenradsatzes mit dem Gehäuse drehfest verbunden sein und ein Steg des weiteren Planetenradsatzes kann mit einem Zahnrad drehfest verbunden sein. Ein Sonnenrad des weiteren Planetenradsatzes kann mit der Rotorwelle drehfest verbunden sein. Der weitere Planetenradsatz wirkt als eine Vorübersetzung, um genügend Drehmoment am ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes bereitstellen zu können.
Das Zahnrad kann mittels eines Zugmittels mit einem mit dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes drehfest verbundenen anderen Zahnrad wirkverbunden sein. Alternativ kann das Zahnrad mit einem mit dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes drehfest verbundenen anderen Zahnrad in Eingriff sein. Bei einer alternativen Ausführung kann das Zahnrad mit einem Zwischenzahnrad in Eingriff sein, wobei das Zwischenzahnrad mit einem mit dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes drehfest verbundenen anderen Zahnrad in Eingriff ist. Mittels des Zwischenzahnrads kann ein Achsabstand zwischen dem Zahnrad und dem anderen Zahnrad überbrückt werden. Bei dem Zugmittel kann es sich um einen Riemen oder eine Kette handeln.
Die elektrische Maschine, insbesondere eine Mittelachse der elektrischen Maschine, kann achsparallel zur Tretlagerkurbelwelle und/oder zu einer Mittelachse des Planetenradsatzes und des anderen Planetenradsatzes angeordnet sein. Die Übersetzungsstufe, die das Zahnrad und/oder das Zwischenzahnrad und/oder das Zugmittel und/oder das andere Zahnrad aufweisen kann, kann an einem Ende des Tretlagergehäuses angeordnet sein. Insbesondere kann die Übersetzungsstufe an dem dem Kettenrad zugewandten Ende des Tretlagergehäuses angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass in axialer Richtung bezogen auf eine Getriebemittelachse für die elektrische Maschine genügend Bauraum vorhanden ist.
Die Ausgangswelle kann mit einem Kettenrad oder Riemenrad drehfest verbunden sein. Dabei kann das Kettenrad oder das Riemenrad mittels des Zugmittels mit einem Hinterrad wirkverbunden sein. Dabei kann eine Endübersetzung zwischen dem Kettenrad oder Riemenrad und dem Hinterrad als Festübersetzung ohne Gangschaltung ausgeführt sein. Eine Gangschaltung ist nicht notwendig, weil die Trittfrequenz des Fahrers über die Fahrgeschwindigkeit mittels einer Änderung der Drehzahl der elektrischen Maschine angepasst werden kann. Die Endübersetzung ist so gewählt, dass ein ausreichendes Anfahrmoment vorgesehen wird. Dies kann dadurch realisiert werden, dass das Anfahrmoment einem ersten Gang einer konventionellen Ketten- oder Narbenschaltung entspricht.
Bei einer besonderen Ausführung kann ein erster Freilauf zwischen der Eingangswelle und der Tretlagerkurbelwelle angeordnet sein. Dadurch kann verhindert werden, dass bei einem Rückwärtstreten der Tretlagerkurbelwelle der Planetenradsatz und der andere Planetenradsatz und der weitere Planetenradsatz rückwärts angetrieben werden. Dementsprechend spürt der Fahrer bei einem Rückwärtstreten keinen Widerstand durch diese Bauteile gibt. Darüber hinaus kann mittels des ersten Freilaufs verhindert werden, dass der Fahrer aufgrund der Massenträgheit der anderen Bauteile eine Drehmomentnachwirkung auf der Tretlagerkurbelwelle spürt, wenn er plötzlich aufhört zu treten, oder einen Widerstand spürt, wenn er gar damit beginnt, rückwärts zu treten.
Ein zweiter Freilauf kann zwischen dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes und dem Steg des weiteren Planetenradsatzes angeordnet sein. Mittels des zweiten Freilaufs ist es möglich, die elektrische Maschine abzukoppeln, um dessen Schleppverluste zu vermeiden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein Fahren im mechanischen Gang erfolgt, ohne dass eine elektrische Unterstützung möglich oder sinnvoll ist. Ganz besonders vorteilhaft ist, wenn der Freilauf im Zahnrad oder im anderen Zahnrad angeordnet ist.
Darüber hinaus kann ein dritter Freilauf zwischen der elektrischen Maschine und dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes angeordnet sein. Mittels des dritten Freilaufs kann bei einer momentfreien elektrischen Maschine rein mechanisch gefahren werden, da der Freilauf in einem Betriebszustand, insbesondere indirekt, das erste Radsatzelement des Planetenradsatzes abstützt. Der Freilauf wirkt somit als eine Freilaufbremse zum Anfahren oder bei einer langsamen Fahrt. Dabei kann der Freilauf derart angeordnet sein, dass er bei einer Drehrichtung des Stegs des weiteren Planetenradsatzes diesen an einem Gehäuse abstützt. Hingegen sperrt der dritte Freilauf nicht, wenn sich der Steg des weiteren Planetenradsatzes in die entgegengesetzte Drehrichtung dreht. Gleichermaßen kann der dritte Freilauf alternativ derart angeordnet sein, dass er bei einer Drehrichtung des Sonnenrads des weiteren Planetenradsatzes dieses an dem Gehäuse abstützt. Hingegen sperrt der dritte Freilauf nicht, wenn sich das Sonnenrad des weiteren Planetenradsatzes in die entgegengesetzte Drehrichtung dreht. Alternativ kann der dritte Freilauf derart angeordnet sein, dass er bei einer Drehrichtung des ersten Radsatzelements des Planetenradsatzes dieses an dem Gehäuse abstützt. Hingegen sperrt der dritte Freilauf nicht, wenn sich das erste Radsatzelement des weiteren Planetenradsatzes in die entgegengesetzte Drehrichtung dreht.
Ganz besonders vorteilhaft ist eine Ausführung, bei der das erste Radsatzelement ein Sonnenrad, das zweite Radsatzelement ein Steg und das dritte Radsatzelement ein Hohlrad ist. Alternativ kann das erste Radsatzelement ein Sonnenrad, das zweite Radsatzelement ein Hohlrad und das dritte Radsatzelement ein Steg sein.
Das erste andere Radsatzelement kann ein Sonnenrad, das zweite andere Radsatzelement kann ein Steg und das dritte andere Radsatzelement kann ein Hohlrad sein. Alternativ kann das erste andere Radsatzelement ein Hohlrad, das zweite andere Radsatzelement ein Steg und das dritte andere Radsatzelement ein Sonnenrad sein. Bei einer alternativen Ausführung kann das erste andere Radsatzelement ein Steg, das zweite andere Radsatzelement ein Hohlrad und das dritte andere Radsatzelement ein Sonnenrad sein. Alternativ kann das erste andere Radsatzelement ein Sonnenrad, das zweite andere Radsatzelement ein Hohlrad und das dritte andere Radsatzelement kann ein Steg sein.
Der Planetenradsatz, der andere Planetenradsatz und der weitere Planetenradsatz können als Minus-Planetenradsatz ausgeführt sein. Alternativ kann der andere Planetenradsatz als Plus-Planetenradsatz ausgeführt sein. Natürlich ist auch nicht ausgeschlossen, dass alternativ der Planetenradsatz oder der weitere Planetenradsatz als Plus-Planetenradsatz ausgeführt sind.
Ein Minus-Planetenradsatz entspricht einem Planetenradsatz mit einem Steg, an dem die Planetenräder drehbar gelagert sind, einem Sonnenrad und einem Hohl-rad, wobei die Verzahnung zumindest eines der Planetenräder sowohl mit der Verzahnung des Sonnenrades als auch mit der Verzahnung des Hohlrades kämmt, wodurch das Hohlrad und das Sonnenrad in entgegengesetzter Richtung rotieren, wenn das Sonnenrad bei feststehendem Steg rotiert.
Im Gegensatz dazu unterscheidet sich ein Plus-Planetenradsatz von dem Minus-Planetenradsatz dahingehend, dass der Plus-Planetenradsatz innere und äußere Planetenräder aufweist, welche drehbar an dem Steg gelagert sind. Die Verzahnung der inneren Planetenräder kämmt dabei einerseits mit der Verzahnung des Sonnenrads und andererseits mit der Verzahnung der äußeren Planetenräder. Die Verzahnung der äußeren Planetenräder kämmt darüber hinaus mit der Verzahnung des Hohlrads. Dies hat zur Folge, dass bei feststehendem Steg das Hohlrad und das Sonnenrad in die gleiche Drehrichtung rotieren.
Von besonderem Vorteil ist ein Tretlager mit dem erfindungsgemäßen Getriebe. Bei dem Tretlager ist die Eingangswelle mit der Tretlagerkurbelwelle drehfest verbunden. Das Tretlagergehäuse kann einen Hohlraum aufweisen, in dem das Getriebe angeordnet ist. Dadurch lässt sich eine ganz besonders kompakte Ausführung realisieren. Auch ist von besonderem Vorteil ein Fahrrad mit dem Getriebe oder dem Tretlager.
In den Figuren ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt, wobei gleiche oder gleichwirkende Elemente zumeist mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt:

1 ein Tretlager mit einem erfindungsgemäßen Getriebe gemäß einer ersten Ausführung,
2 ein Tretlager mit einem erfindungsgemäßen Getriebe gemäß einer zweiten Ausführung,
3 ein Tretlager mit einem erfindungsgemäßen Getriebe gemäß einer dritten Ausführung,
4 ein Tretlager mit einem erfindungsgemäßen Getriebe gemäß einer vierten Ausführung,
5 ein Tretlager mit einem erfindungsgemäßen Getriebe gemäß einer fünften Ausführung,
6 ein Tretlager mit einem erfindungsgemäßen Getriebe gemäß einer sechsten Ausführung,
7 eine Gegenüberstellung von getriebespezifischen Daten einiger erfindungsgemäßer Getriebe bei einer Fahrradgeschwindigkeit von 25 km/h,
8 eine Gegenüberstellung von getriebespezifischen Daten einiger erfindungsgemäßer Getriebe bei langsamer Bergfahrt.

Das in 1 dargestellte Tretlager weist ein Tretlagergehäuse 9 auf, das einen Hohlraum 8 besitzt. In dem Hohlraum 8 ist das Getriebe angeordnet. Das Getriebe weist eine Eingangswelle 1 auf, die mit einer Tretlagerkurbelwelle 2 des Tretlagers drehfest verbunden ist. Darüber hinaus weist das Getriebe eine elektrische Maschine 3 und eine Ausgangswelle 4 auf. Die Ausgangswelle 4 ist mit einem nicht dargestellten Kettenrad oder Riemenrad drehfest verbunden und verläuft koaxial zu der Tretlagerkurbelwelle 2.
Darüber hinaus weist das Getriebe einen ersten Planetenradsatz RS1, einen anderen Planetenradsatz RS2 und einen weiteren Planetenradsatz RS3 auf. Die elektrische Maschine 3 ist achsparallel zu der Tretlagerkurbelwelle 2 angeordnet. Der Planetenradsatz RS1 und der andere Planetenradsatz RS2 sind koaxial zueinander angeordnet. Insbesondere sind die beiden Planetenradsätze koaxial zur Tretlagerkurbelwelle 2 angeordnet. Der Planetenradsatz RS1, der andere Planetenradsatz RS2 und der weitere Planetenradsatz RS3 sind jeweils als Minus-Planetenradsatz ausgeführt.
Ein Sonnenrad des Planetenradsatzes RS1 ist mit der elektrischen Maschine 3 wirkverbunden. Ein Steg des ersten Planetenradsatzes RS1 ist mit der Ausgangswelle 4 drehfest verbunden. Ein Hohlrad des Planetenradsatzes RS1 ist mit der Eingangswelle 1 drehfest verbunden. Ein Sonnenrad des anderen Planetenradsatzes RS2 ist mit der Ausgangswelle 4 drehfest verbunden. Ein Steg des anderen Planetenradsatzes RS2 ist mit der Eingangswelle 1 drehfest verbunden. Ein Hohlrad des anderen Planetenradsatzes RS2 ist mittels eines Schaltelements B mit einem Gehäuse G drehfest verbindbar. Das Gehäuse G ist mit dem Tretlagergehäuse 9 drehfest verbunden. Die Eingangswelle 1 ist derart ausgeführt, dass sie sich durch den anderen Planetenradsatz RS2 hindurch erstreckt, um am von der Tretlagerkurbelwelle 2 entfernten Ende mit dem Hohlrad des Planetenradsatzes RS1 drehfest verbunden zu werden. An den Enden der Tretlagerkurbelwelle 2 ist jeweils ein Pedal angeordnet.
Ein Sonnenrad des weiteren Planetenradsatzes RS3 ist mit einer Rotorwelle 5 der elektrischen Maschine 3 drehfest verbunden. Ein Steg des weiteren Planetenradsatzes RS3 ist mit einem Zahnrad 6 drehfest verbunden. Ein Hohlrad des weiteren Planetenradsatzes RS3 ist mit dem Gehäuse G drehfest verbunden. Das Zahnrad 6 ist mit einem anderen Zahnrad 7 wirkverbunden. Das andere Zahnrad 7 ist mit dem Sonnenrad des Planetenradsatzes RS1 drehfest verbunden. Die Wirkverbindung des Zahnrads 6 mit dem anderen Zahnrad 7 kann beispielsweise durch einen Riementrieb oder ein nicht dargestelltes Zwischenzahnrad erfolgen. Die Wirkverbindung zwischen dem Zahnrad 6 und dem anderen Zahnrad 7 ist gestrichelt dargestellt.
Die Übersetzung des anderen Planetenradsatzes RS2 bei geschlossenem Schaltelement B kann in einem Bereich zwischen 0,29 bis 0,4 liegen. Da die Sonne aufgrund der Bauweise um die Tretkurbelwelle 1 herum einen Mindestdurchmesser aufweist, sind betragsgemäß eher kleinere Übersetzungen Standübersetzungen sinnvoll. So kann der andere Planetenradsatz eine Standübersetzung in einem Bereich zwischen -2,5 bis -1,5 aufweisen. Die Standübersetzung entspricht bei einem Minus-Planetensatz dem negativen Zähnezahlverhältnis von Hohlrad und Sonne. Bei einem Plus-Planetensatz entspricht die Standübersetzung dem positiven Zähnezahlverhältnis von Hohlrad und Sonne. Eine solche Übersetzung ins Schnelle ist vor allem dann sinnvoll, wenn das Getriebe für eine gute Steigfähigkeit ausgelegt ist und daher die Endübersetzung eher kurz ist.
2 zeigt ein Tretlager mit einem Getriebe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das Getriebe unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Getriebe in der Anbindung des anderen Planetenradsatzes wie im Folgenden ausgeführt wird. Das Sonnenrad des anderen Planetenradsatzes RS2 ist analog zu der in 1 dargestellten Ausführung mittels des Schaltelements B mit dem Gehäuse G drehfest verbindbar. Jedoch ist der Steg des anderen Planetenradsatzes RS2 mit der Eingangswelle 1 drehfest verbunden. Das Hohlrad des anderen Planetenradsatzes RS2 ist mit der Ausgangswelle 4 drehfest verbunden. Die Eingangswelle 1 erstreckt sich weiterhin durch den anderen Planetenradsatz RS2 hindurch und ist an von der Tretlagerkurbelwelle 2 entfernten Ende mit dem Hohlrad des Planetenradsatzes RS1 drehfest verbunden.
Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn eine längere Endübersetzung vom Kettenrad zum Hinterrad gewählt wird, damit bei 25 km/h im mechanischen Gang eine geeignete Trittfrequenz möglich ist. Vorteilhaft bei dieser Ausführung ist, dass die Drehzahl der elektrischen Maschine 3 bei 25km/h geringer ist als bei der in 1 dargestellten Ausführung. Die Steigfähigkeit ist im Vergleich zu der in 1 dargestellten Ausführung verringert, jedoch für einen Stadtbetrieb ausreichend.
Die Übersetzung des anderen Planetenradsatzes RS2 bei geschlossenem Schaltelement B kann in einem Bereich zwischen 0,6 bis 0,71 liegen. Der andere Planetenradsatz kann eine Standübersetzung in einem Bereich zwischen -2,5 bis -1,5 aufweisen.
3 zeigt ein Tretlager mit einem Getriebe gemäß einer dritten Ausführung. Diese Ausführung unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführung in der Anbindung des anderen Planetenradsatzes RS2 an den Planetenradsatz RS1. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass der andere Planetenradsatz RS2 als Plus-Planetenradsatz ausgeführt ist.
Insbesondere ist das Sonnenrad des anderen Planetenradsatzes RS2 mittels des Schaltelements B mit dem Gehäuse G drehfest verbindbar. Der Steg des anderen Planetenradsatzes RS2 ist mit der Ausgangswelle 4 drehfest verbunden. Das Hohlrad des anderen Planetenradsatzes RS2 ist mit der Eingangswelle 1 drehfest verbunden. Dabei erstreckt sich die Ausgangswelle 4 durch den Planetenradsatz RS1 hindurch. Dies bedeutet, dass der Abtrieb über den Steg von dem Planetenradsatz RS1 geleitet wird, jedoch liegt kein Drehmoment an dem Planetenradsatz RS1 an, so dass die Verzahnung der Bauteile des Planetenradsatzes RS1 nicht belastet wird.
Die in 3 dargestellte Ausführung ist dann vorteilhaft, wenn eine mittlere Endübersetzung vom Kettenrad zum Hinterrad gewählt wird, damit bei 25 km/h im mechanischen Gang eine geeignete Trittfrequenz möglich ist.
Die Übersetzung des anderen Planetenradsatzes RS2 bei geschlossenem Schaltelement B kann in einem Bereich zwischen 0,41 bis 0,6 liegen. Der andere Planetenradsatz kann eine Standübersetzung in einem Bereich zwischen 1,7 bis 2,5 aufweisen.
4 zeigt ein Tretlager mit einem Getriebe gemäß einer vierten Ausführung. Dieses unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Getriebe in der Anbindung des anderen Planetenradsatzes RS2 mit dem Planetenradsatz RS1. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass der andere Planetenradsatz RS2 als Plus-Planetenradsatz ausgebildet ist.
Insbesondere ist das Sonnenrad des anderen Planetenradsatzes RS2 mit der Ausgangswelle 4 drehfest verbunden. Dabei erstreckt sich die Ausgangswelle 4 durch den Planetenradsatz RS1 hindurch um mit dem Sonnenrad des anderen Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden zu werden. Es liegt jedoch kein Drehmoment am Planetenradsatz RS1 vor, so dass die Verzahnungen der Bauteile des Planetenradsatzes RS1 nicht belastet werden. Der Steg des anderen Planetenradsatzes RS2 ist mittels des Schaltelements B mit dem Gehäuse G drehfest verbindbar. Das Hohlrad des anderen Planetenradsatzes RS2 ist mit einer weiteren Eingangswelle 10 drehfest verbunden. Das Hohlrad des Planetenradsatz RS1 ist weiterhin mit der Eingangswelle 1 drehfest verbunden.
Dieses Getriebe ist dann vorteilhaft, wenn eine mittlere Endübersetzung gewählt wird, damit bei 25 km/h im mechanischen Gang eine geeignete Trittfrequenz möglich ist.
Die Übersetzung des anderen Planetenradsatzes RS2 bei geschlossenem Schaltelement B kann in einem Bereich zwischen 0,4 bis 0,58 liegen. Der andere Planetenradsatz kann eine Standübersetzung in einem Bereich zwischen 1,7 bis 2,5 aufweisen.
5 zeigt ein Tretlager mit einem Getriebe gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel. Dieses unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführung in der Anbindung des Planetenradsatzes RS1 mit dem anderen Planetenradsatz, dem weiteren Planetenradsatz und der Ausgangswelle.
So ist das Sonnenrad des Planetenradsatzes RS1 mit der elektrischen Maschine 3 wirkverbunden. Der Steg des Planetenradsatzes RS1 ist mit der Eingangswelle 1 drehfest verbunden. Dabei erstreckt sich die Eingangswelle 1 ausgehend von der Tretlagerkurbelwelle 2 durch den anderen Planetenradsatz RS2 hindurch und ist an dem von der Tretlagerkurbelwelle 2 abgewandten Ende mit dem Steg des Planetenradsatzes RS1 drehfest verbunden. Das Hohlrad des Planetenradsatzes RS1 ist mit der Ausgangswelle 4 drehfest verbunden.
Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass an der Sonne weniger Drehmoment gestützt werden muss als bei der in 1 dargestellten Ausführung.
6 zeigt ein Tretlager mit einem Getriebe gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Das Getriebe entspricht im Wesentlichen dem in 1 dargestellten Getriebes.
Es unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Getriebe dadurch, dass zwischen der Eingangswelle 1 und der Tretlagerkurbelwelle 2 ein erster Freilauf F1 angeordnet ist. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass zwischen dem Zahnrad 6 und dem Steg des weiteren Planetenradsatzes RS3 ein zweiter Freilauf F2 angeordnet ist. Darüber hinaus besteht ein Unterschied darin, dass ein dritter Freilauf F3 vorgesehen ist, der derart ausgeführt ist, dass bei einer Drehrichtung des Stegs eine Abstützung des Stegs des weiteren Planetenradsatzes RS3 und somit des Sonnenrads des Planetenradsatzes RS1 am Gehäuse G erfolgt.
7 zeigt eine Gegenüberstellung einiger getriebespezifischer Daten der in den 1, 2 und 5 gezeigten Getriebe gemäß dem ersten, zweiten und fünften Ausführungsbeispiel. Die in der Tabelle angegeben Werte beziehen sich auf eine Fahrradgeschwindigkeit von 25 km/h (Kilometer pro Stunde). Es bleibt festzustellen, dass die angenommenen Werte beispielhaft sind und lediglich die Unterschiede zwischen den Getrieben zeigen und somit keine einschränkende Wirkung haben sollen.
Im Folgenden wird basierend auf der ersten Ausführung auf die Bedeutung der einzelnen in der Tabelle genannten Faktoren eingegangen. Für die restlichen Ausführungen können die Werte aus der in 7 gezeigten Tabelle entnommen werden. Der Radumfang eines Hinterrads des Fahrrads beträgt 2,1m (Meter). Somit weist das Hinterrad eine Drehzahl „n_Hinterrad“ in Höhe von 200 rpm (Umdrehung pro Minute) auf. Die Endübersetzung „i_end“ von dem Kettenrad oder Riemenrad auf das Hinterrad beträgt 0,75. Somit weist die Ausgangswelle 4 die Drehzahl „n_Ausgangswelle“ 150 rpm auf.
Die Standgetriebeübersetzung „i0_PS2“ für den anderen Planetenradsatz beträgt - 1,5. Die Übersetzung „i_mechanischer Gang“ des anderen Planetenradsatzes beträgt somit 0,4. Somit beträgt die Trittfrequenz „n_Trittfrequenz“ bei geschlossenem Schaltelement B und bei 25 km/h als Fahrradgeschwindigkeit 60 rpm.
Die Standgetriebeübersetzung „i0_PS1“ des Planetenradsatzes RS1 beträgt -2. Bei geschlossenem Schaltelement B weist der Steg des Planetenradsatzes RS1 eine Drehzahl „n_Steg1“ von 150 rpm auf und das Hohlrad des Planetenradsatzes RS1 weist eine Drehzahl „n_Hohlrad1“ von 60 rpm auf. Das Sonnenrad des Planetenradsatzes RS1 weist eine Drehzahl „n_Sonne 1“ von 330 rpm auf.
Die Standgetriebeübersetzung „i0_PS3“ des weiteren Planetenradsatzes beträgt -4. Somit beträgt die Übersetzung des weiteren Planetenradsatzes „i_PS3“ 5. Die Stirnradübersetzung „i_ST“ zwischen dem Zahnrad 6 und dem anderen Zahnrad 7 beträgt 2,5. Somit weist die Rotorwelle eine Drehzahl „n_EM“ von 4.125 rpm auf, wenn das Schaltelement B geschlossen ist.
Wenn das Schaltelement B offen ist, ist das Leistungsverhältnis zwischen der elektrischen Maschine und dem Fahrer bei 25 km/h gleich 2,75. Dies bedeutet, dass die elektrische Maschine 2,75 mal so viel Leistung erbringt wie der Fahrer. Dies entspricht einer sehr hohen Unterstützung bzw. der Fahrer steuert nur sehr wenig Leistung bei.
Beim Getriebe gemäß der zweiten Ausführung beträgt das Leistungsverhältnis der elektrischen Maschine zu dem Fahrer bei 25 km/h gleich 1,5. Somit erbringt die elektrische Maschine 1,5 mal so viel Leistung wie der Fahrer. Dies entspricht einer guten Unterstützung des Fahrers.
Beim Getriebe gemäß der fünften Ausführung beträgt das Leistungsverhältnis der elektrischen Maschine zu dem Fahrer bei 25 km/h gleich 1,33.
8 zeigt eine Gegenüberstellung getriebespezifischer Daten für die in den 1, 2 und 5 gezeigten Getriebe gemäß der ersten, zweiten und fünften Ausführung. Im Folgenden werden die in 8 genannten getriebespezifischen Faktoren anhand der ersten Ausführung erläutert. Auch hier sind die angenommenen Werte rein beispielhaft und sollen keine einschränkende Wirkung haben. Dabei wird von Drehzahlen ausgegangen, die bei langsamer Bergfahrt auftreten. Im Folgenden wird basierend auf der ersten Ausführung auf die Bedeutung der einzelnen in der Tabelle genannten Faktoren eingegangen. Für die restlichen Ausführungen können die Werte aus der in 7 gezeigten Tabelle entnommen werden.
Bei feststehender Sonne des Planetenradsatzes RS1 und offenem Schaltelement B ist die Übersetzung „i_üb“ von der Tretlagerkurbelwelle 1 zur Ausgangswelle 1,5 ins Langsame. Eine Umdrehung an der Tretlagerkurbelwelle entspricht dann einer Umdrehung am Hinterrad „Umdrehung Hinterrad“ von 0,89. Die Entfaltung des Fahrrads „Entfaltung“ ist dann 1,86. Dies entspricht einer geeigneten Übersetzung zur Bergauffahrt, wenn die elektrische Maschine keine Leistung beisteuert, sondern lediglich das Sonnenrad des Planetenradsatzes abstützt.
Das maximal mögliche Drehmoment „T_Max“ der elektrischen Maschine beträgt 2,7 Nm (Newtonmeter). Somit kann die elektrische Maschine an dem Sonnenrad des Planetenradsatz maximal ein Drehmoment „T_Sonne“ von 33,75 Nm abstützen. Der Fahrer hat einen maximalen Trittwiderstand „Tretwiderstand_max“ von 67,5 Nm, wenn das Schaltelement B geöffnet ist.
Beim Getriebe gemäß der zweiten Ausführung beträgt die Entfaltung 2,8 m (Meter). Dies entspricht einer geeigneten Übersetzung bei eher geringen Steigungen, wenn die elektrische Maschine keine Leistung beisteuert, sondern lediglich die Sonne abstützt.
Beim Getriebe gemäß der fünften Ausführung beträgt die Entfaltung 2,86m. Dies entspricht einer eher zu langen Übersetzung zur Bergauffahrt, wenn die elektrische Maschine keine Leistung beisteuert, sondern lediglich die Sonne abstützt. Somit ist diese Auslegung eher bei Anwendung mit wenig Steigungen vorteilhaft.
Bezugszeichenliste

1: Eingangswelle
2: Tretlagerkurbelwelle
3: elektrische Maschine
4: Ausgangswelle
5: Rotorwelle
6: Zahnrad
7: anderes Zahnrad
8: Hohlraum
9: Tretlagergehäuse
10: weitere Eingangswelle
B: Schaltelement
G: Gehäuse
F1: erster Freilauf
F2: zweiter Freilauf
F3: dritter Freilauf
RS1: Planetenradsatz
RS2: anderer Planetenradsatz
RS3: weiterer Planetenradsatz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015100676 B3 [0003]

Claims

Getriebe für ein Fahrrad, mit einer Eingangswelle (1), die mit einer Tretlagerkurbelwelle (2) drehfest verbindbar ist, einer elektrischen Maschine (3) und einer Ausgangswelle (4), gekennzeichnet durch einen Planetenradsatz (RS1), wobei ein erstes Radsatzelement des Planetenradsatzes (RS1) mit der elektrischen Maschine (3) wirkverbunden ist, ein zweites Radsatzelement des Planetenradsatzes (RS1) mit der Ausgangswelle (4) drehfest verbunden ist und ein drittes Radsatzelement des Planetenradsatzes (RS1) mit der Eingangswelle (1) drehfest verbunden ist, und einen anderen Planetenradsatz (RS2) und ein Schaltelement (B), wobei ein erstes anderes Radsatzelement des anderen Planetenradsatzes (RS2) mit der Ausgangswelle (4) drehfest verbunden ist, ein zweites anderes Radsatzelement des anderen Planetenradsatzes (RS2) mit der Eingangswelle (1) drehfest verbunden ist und ein drittes anderes Radsatzelement des anderen Planetenradsatzes (RS2) mittels des Schaltelements (B) mit einem Gehäuse (G) drehfest verbindbar ist.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer offenen Stellung des Schaltelements (B) der andere Planetenradsatz (RS2) leistungsfrei ist und bei einer geschlossenen Stellung des Schaltelements (B) mittels des anderen Planetenradsatzes (RS2) eine Leistungsübertragung an die Ausgangswelle (4) erfolgt.
Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des anderen Planetenradsatzes (RS2) eine Übersetzung ins Schnelle erfolgt.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass a. der Planetenradsatz (RS1) leistungsfrei ist, wenn die elektrische Maschine (3) kein an dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes (RS1) anliegendes Drehmoment bereitstellt und/oder dass b. mittels des Planetenradsatzes (RS1) eine Leistungsübertragung an die Ausgangswelle (4) erfolgt, wenn ein von der elektrischen Maschine (3) bereitgestelltes Drehmoment an dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes (RS1) anliegt.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen weiteren Planetenradsatz (RS3), der mit einer Rotorwelle (5) der elektrischen Maschine (3) und dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes (RS1) wirkverbunden ist.
Getriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlrad des weiteren Planetenradsatzes (RS3) mit einem Gehäuse (G) drehfest verbunden ist und ein Steg des weiteren Planetenradsatzes (RS3) mit einem Zahnrad (6) drehfest verbunden ist und ein Sonnenrad des weiteren Planetenradsatzes (RS3) mit der Rotorwelle (5) drehfest verbunden ist.
Getriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Zahnrad (6) mittels eines Zugmittels mit einem mit dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes (RS1) drehfest verbundenen anderen Zahnrad (7) wirkverbunden ist oder dass b. das Zahnrad (6) mit einem mit dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes (RS1) drehfest verbundenen anderen Zahnrad (7) in Eingriff ist oder dass c. das Zahnrad (6) mit einem Zwischenzahnrad in Eingriff ist, wobei das Zwischenzahnrad mit einem mit dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes (RS1) drehfest verbundenen anderen Zahnrad (7) in Eingriff ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass a. ein erster Freilauf (F1) zwischen der Eingangswelle (1) und der Tretlagerkurbelwelle (2) angeordnet ist und/oder dass b. ein zweiter Freilauf (F2) zwischen dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes (RS1) und dem Steg des weiteren Planetenradsatzes (RS3) angeordnet ist und/oder dass c. ein dritter Freilauf (F3) zwischen der elektrischen Maschine (3) und dem ersten Radsatzelement des Planetenradsatzes (RS1) angeordnet ist und derart ausgebildet ist, dass er in einem Betriebszustand das erste Radsatzelement des Planetenradsatzes (RS1) an einem Gehäuse (G) abstützt.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass a. das erste Radsatzelement ein Sonnenrad, das zweite Radsatzelement ein Steg und das dritte Radsatzelement ein Hohlrad ist oder dass b. das erste Radsatzelement ein Sonnenrad, das zweite Radsatzelement ein Hohlrad und das dritte Radsatzelement ein Steg ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass a. das erste andere Radsatzelement ein Sonnenrad, das zweite andere Radsatzelement ein Steg und das dritte andere Radsatzelement ein Hohlrad ist oder dass b. das erste andere Radsatzelement ein Hohlrad, das zweite andere Radsatzelement ein Steg und das dritte andere Radsatzelement ein Sonnenrad ist oder dass c. das erste andere Radsatzelement ein Steg, das zweite andere Radsatzelement ein Hohlrad und das dritte andere Radsatzelement ein Sonnenrad ist oder dass d. das erste andere Radsatzelement ein Sonnenrad, das zweite andere Radsatzelement ein Hohlrad und das dritte andere Radsatzelement ein Steg ist.
Tretlager mit einem Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (1) mit der Tretlagerkurbelwelle (2) drehfest verbunden ist.
Tretlager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe in einem Hohlraum (8) eines Tretlagergehäuses (9) angeordnet ist.
Fahrrad mit einem Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einem Tretlager nach Anspruch 11 oder 12.