DE102019108746A1 - Elektrisches Assistenzsystem für Zweirad - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Assistenzsystem für ein Zweirad (1) mit elektrischer Unterstützung, wobei es eine Getriebeeinrichtung (100) aufweist, welche eingerichtet ist, um eine Drehkraft zwischen einem Antriebselement (201), welches in Drehung durch einen elektrischen Motor (200) des Zweirads (1) angetrieben wird, und einer Tretlagerwelle (11) des Zweirads zu übertragen, wobei die Drehachse des Antriebselements senkrecht zu der Drehachse der Tretlagerwelle (11) ist, wobei die Getriebeeinrichtung (100) ausgebildet ist, um der Tretlagerwelle (11) ein größeres Moment als dasjenige zu liefern, welches von dem Antriebselement (201) erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (100) mindestens ein Planetengetriebe aufweist, welches koaxial zu der Drehachse der Tretlagerwelle (11) ist.

Description

• Technisches Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von elektrischen Unterstützungen für Zweiräder. Sie findet insbesondere eine vorteilhafte, jedoch nicht beschränkende Anwendung bei den Zweirädern vom Typ Straßenfahrrad oder Geländefahrrad (häufig mit der englischen Bezeichnung als „mountain bike“ bezeichnet) mit elektrischer Unterstützung.
• Stand der Technik
• Es gibt zahlreiche Lösungen für Zweiräder mit elektrischer Unterstützung (herkömmlicherweise bezeichnet mit der Abkürzung VAE (frz.: vélo à assistance électrique) oder durch den englischen Begriff „electric bike“ oder „E-bike“).
• Eine Kategorie von diesen Lösungen, welche als eine elektrische Unterstützung mit Zentralmotor eingeordnet wird, besteht darin, dass ein Motor in Drehung die Tretlagerwelle des Zweirads antreibt.
• Diese Kategorie an Lösungen weist als Vorteil auf, im Vergleich zu Lösungen, bei welchen die Unterstützung in einem Rad integriert ist, von einem Untersetzungsverhältnis des Getriebes des Zweirads zu profitieren. Diese Kategorie an Lösungen erlaubt es somit, erhöhte Übertragungsmomente zu dem Rückrad auf kleinsten Verhältnissen zu erzeugen oder erhöhte Drehgeschwindigkeiten bei größeren Verhältnissen bzw. Übersetzungsverhältnissen zu erzeugen.
• Diese Kategorie an Lösungen weist häufig als Nachteil auf, in beträchtlichem Maße das Gewicht des Zweirads zu erhöhen und die Handhabbarkeit zu verschlechtern. Die Präzision und die Steuerungswahrnehmungen, welche beim Straßenfahrrad oder beim Mountainbike besonders wichtig sind, sind damit verschlechtert.
• Um diesen Nachteil zu reduzieren, sieht eine Lösung unter der Kategorie von elektrischen Unterstützungen mit zentralem Motor vor, den Motor in einem Rohr aufzunehmen, welches den Rahmen des Zweirads ausbildet. Die Ausgangswelle des Motors ist somit senkrecht zu der Drehwelle des Tretlagers. Der Antrieb des Tretlagers über den Motor erfolgt über eine konische Verzahnung, von welcher ein Ritzel mit dem Ausgang des Motors gekoppelt ist und von welcher ein Zahnrad oder ein Zahnkranz fest mit dem Tretlager verbunden ist. Diese Lösung ist in dem Dokument EP 1 878 650 beschrieben.
• In der Praxis ist, da das Moment, welches zu der Achse des Tretlagers übertragen wird, welches durch eine konische Verzahnung übertragen wird, deren mittlerer Durchmesser des Zahnkranzes durch den radial verfügbaren Raum begrenzt ist, die tangentiale Kraft auf die in Eingriff stehenden Zähne sehr erhöht, wobei es erhöhte Beanspruchungen auf die Zähne des konischen Ritzels erzeugt, was es erfordert, das Ritzel in einem behandelten Stahlwerkstoff zu realisieren, der sehr widerstandsfähig ist, mit einem ausreichend großen Modul der Verzahnung, um dem durch den Motor übertragenen Moment standzuhalten. Die Vergrößerung des Moduls ist schädlich gegenüber dem Leichtermachen und verschlechtert den mechanischen Wirkungsgrad von diesem Verzahnungspaar. Des Weiteren ruft, da das konische Ritzel als eine Art Ausleger an dem Ende der Welle des Getriebemotors montiert ist, die durch die Verzahnung erzeugte Kraft ein beträchtliches Biegemoment an der Achse des Getriebemotors hervor und dadurch große Kräfte auf die Lager der Welle, was ebenso Kräfteverluste und somit eine Verschlechterung des mechanischen Wirkungsgrads hervorruft über die Reibungen, welche durch diese beträchtlichen Lasten hervorgerufen werden.
• Dieses Paar an konischen Ritzeln, welches aus Stahl realisiert ist, erfordert eine gute Schmierung, um das Phänomen einer Passungskorrosion bzw. eines Passungsrosts zu vermeiden, wobei diese Schmierung ebenso zu einem Hervorrufen von schnell sich mit der Drehzahl erhöhenden viskosen Reibungen führt.
• Es erweist sich ebenso, dass diese Lösung eine sehr genaue Einstellung der relativen Positionierung von Zähnen des Ritzels und des Rads bzw. Zahnrads erfordert. Dies zwingt einen dazu, regelmäßig Wartungsarbeiten auszuführen, welche komplex und schwierig sind. Diese Wartungsarbeiten werden in der Praxis von spezialisierten Geschäften ausgeführt.
• Diese Art einer Lösung bringt somit starke Einschränkungen im Hinblick auf eine Verwendung mit sich.
• Es wäre somit besonders vorteilhaft, eine Lösung vorzuschlagen, welche es erlaubt, die oben erwähnten Nachteile hinsichtlich der elektrischen Unterstützungen mit zentralem Motor zu reduzieren, ja sogar zu unterdrücken.
• Dies ist die Aufgabe bzw. Problemstellung der vorliegenden Erfindung.
• Die anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Studium der nachfolgenden Beschreibung und der angefügten Zeichnungen offenbar werden. Es sollte verstanden werden, dass weitere Vorteile mit einbezogen werden können.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Um diese Aufgabe zu lösen, sieht gemäß einer Ausführungsform die vorliegende Erfindung ein elektrisches Assistenzsystem für Zweiräder mit elektrischer Unterstützung vor, wobei es eine Getriebeeinrichtung aufweist, um eine Drehkraft zwischen einem Antriebselement, welches in Drehung durch einen elektrischen Motor des Zweirads angetrieben wird, und einer Welle des Tretlagers des Zweirads zu übertragen. Die Drehachse des Antriebselements ist senkrecht zu der Drehachse der Welle des Tretlagers. Die Getriebeeinrichtung ist ausgebildet, um an der Welle des Tretlagers ein größeres Moment als dasjenige zu liefern, welches von dem Antriebselement empfangen wird.
• Die Getriebeeinrichtung weist mindestens ein Planetengetriebe auf, welches koaxial zu der Achse ist, um welche sich die Tretlagerwelle dreht.
• Diese Ausführungsform weist als Vorteil auf, sehr robust zum Übertragen von erhöhten Drehmomenten zu sein. Die tangentiale Kraft, welche an das Tretlager übertragen wird, findet tatsächlich durch den Planetenträger, die Planetenräder des Planetengetriebes und zahlreiche Zähne statt, welche zum Übertragen der Übertragungskraft beitragen.
• Das Untersetzungsverhältnis, welches durch dieses elektrische Assistenzsystem ermöglicht wird, erlaubt es, die Drehgeschwindigkeit des Motors beträchtlich abzusenken, und reduziert das Moment hinsichtlich der Verzahnung, welche durch das Antriebselement, das durch den Motor angetrieben wird, und durch den beweglichen Zahnkranz gebildet wird. Üblicherweise ist diese Verzahnung durch ein konisches Paar gebildet. Da das Moment von dieser Verzahnung beträchtlich reduziert ist, sind die Drücke, welche auf die Zähne und auf diese Verzahnung ausgeübt werden, ebenso reduziert. Die Einschränkungen einer Positionierung von Zähnen bzw. Verzahnungen können somit gelockert werden, und die Biegekräfte, welche in der Welle und den Lagern des Motors erzeugt werden, sind beträchtlich reduziert, und es ist somit nicht notwendig, Einstellungen durchzuführen und eine ebenso komplexe wie häufige Wartung durchzuführen wie mit der Lösung, welche in dem Dokument EP 1 878 650 beschrieben ist und in dem Abschnitt betreffend den Stand der Technik erwähnt ist.
• Außerdem ist es, da das durch diese Verzahnung übertragene Moment beträchtlich reduziert ist, durchaus realisierbar, sie aus einem thermoplastischen Material herzustellen, insbesondere für die Realisierung des konischen Zahnkranzes, wobei dies ermöglicht, seine Herstellungskosten deutlich zu reduzieren, den Wirkungsgrad zu verbessern unter einem Reduzieren des Reibungskoeffizienten des Materialpaars, welches die Verzahnung zusammensetzt, wobei es dennoch erlaubt wird, dass sie ohne Schmierung funktionieren kann, unter einem Begrenzen der Abnutzung und einem Reduzieren von durch die Verzahnung abgegebenen Geräuschen, wobei so beträchtlich der Komfort des Nutzers verbessert ist.
• Darüber hinaus ermöglicht es dies, das Gewicht des Assistenzsystems im Verhältnis zu Lösungen stark zu reduzieren, welche Materialien wie Stahl einbauen. Das Gewicht ist jedoch bei den Leistungen des Zweirads ein ausschlaggebender Parameter.
• Darüber hinaus ermöglicht es die Lösung gemäß der Erfindung, einen reduzierten Raumbedarf beizubehalten. Dies erlaubt es, die Handhabbarkeit des Zweirads zu verbessern.
• Darüber hinaus ermöglicht es dies, dem Zweirad mit elektrischer Unterstützung einen ästhetischen Aspekt nahe zu, ja sogar identisch zu demjenigen eines Zweirads mit lediglich muskulärem Antrieb zu verleihen.
• Die als „ohne Eisen“ bezeichneten Motoren sind dafür bekannt, sehr leicht zu sein und einen exzellenten Wirkungsgrad aufzuweisen. Sie hätten somit eine natürliche Alternative für Lösungen wie zum Beispiel diejenige, welche in dem Dokument EP 1 878 650 beschrieben ist, darstellen können.
• Jedoch erzeugt diese Art von Motor sehr stark erhöhte Drehzahlen und niedrige Momente. Es wäre somit notwendig gewesen, sehr erhöhte Untersetzungsverhältnisse für die erhöhten Drehzahlen vorzusehen, was zu geringen Wirkungsgraden geführt hätte und somit zu einem übermäßigen Verbrauch von Batterien oder zu geringen Momenten.
• Des Weiteren umfasst die in dem Dokument EP 1 878 650 beschriebene Lösung ein Motorgetriebe, welches aus einem Motor zusammengesetzt ist, zu welchem ein Getriebe bzw. Untersetzungsgetriebe mit vermutlich drei Stufen hinzugefügt ist, welches ein Untersetzungsverhältnis von etwa 1/50 aufweist, wobei der Wirkungsgrad von dieser Art eines Getriebes in etwa bei 70 % liegt, was in der gleichen Größenordnung ist wie der Wirkungsgrad des Motors, wobei somit das Getriebe im Wesentlichen genauso viel Wärme wie der Motor erzeugen wird, die Tatsache eines Zusammenfügens des einen mit dem anderen es nicht erlaubt, die Abkühlung des Motors zu optimieren, dessen Eigenschaften sich sehr schnell mit der Temperatur verschlechtern, aufgrund der Erhöhung des Widerstands des Kupfers mit der Temperatur und der Absenkung des magnetischen Felds mit der Temperatur, wobei es somit vorzuziehen ist, das Getriebe von dem Motor zu trennen, damit die thermische Leistung des Motors auf wirksamere Art und Weise abgeleitet wird.
• Auf fakultative Art und Weise kann die Erfindung des Weiteren mindestens eines von irgendeinem der nachfolgenden Merkmale aufweisen:
• Gemäß einem Beispiel mindestens ein Planetengetriebe, welches aufweist:
• - mindestens einen beweglichen Zahnkranz, welcher ausgebildet ist, um mit dem Antriebselement in Eingriff zu sein;
• - mindestens zwei und vorzugsweise mindestens drei Planetenräder, welche jedes mindestens ein Ritzel aufweisen;
• - mindestens einen Planetenträger, an welchem die Planetenräder bzw. Planetenradritzel in Drehung montiert sind;
• - mindestens einen festen Zahnkranz, welcher fest mit einem Gehäuse des Tretlagers, mindestens wenn der Motor aktiviert ist, verbunden ist, welches ausgebildet ist, mit einem Ritzel eines Planetenrads in Eingriff zu sein;
• - mindestens ein Antriebsteil des Tretlagers, welches ausgebildet ist, um in Drehung durch den Planetenträger angetrieben zu sein.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind der bewegliche Zahnkranz, der Planetenträger, der feste Zahnkranz, das Antriebsteil beweglich in Drehung um die gleiche Drehachse wie diejenige der Welle des Tretlagers. Darüber hinaus ist der feste Zahnkranz gemäß einem Ausführungsbeispiel an der Drehachse des Tretlagers zentriert.
• Somit kann diese Getriebeeinrichtung als koaxial im Verhältnis zu der Tretlagerwelle bezeichnet werden. Im Sinne des Patents ist ein Zahnkranz vorzugsweise ein Teil, welches eine innere Verzahnung aufweist.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Planetenräder in einer gleichen Ebene enthalten.
• Vorteilhafterweise bildet oder trägt das Antriebselement, welches in Drehung durch den Elektromotor angetrieben ist, ein konisches Ritzel.
• Somit ist das Moment, welches durch die Verzahnung, welche durch das Antriebselement und den beweglichen Zahnkranz, üblicherweise eine konische Verzahnung, gebildet wird, übertragen wird, im Verhältnis von im Wesentlichen gleich zu einem Verhältnis von Drehzahlen des Koaxialgetriebes reduziert.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der feste Zahnkranz eine innere Verzahnung auf.
• Vorzugsweise ist das Gehäuse des Tretlagers fest mit dem Rahmen des Zweirads verbunden.
• Vorzugsweise weist der bewegliche Zahnkranz eine konische Verzahnung auf, welche ausgebildet ist, um mit dem Antriebselement in Eingriff zu sein.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der bewegliche Zahnkranz und die Planetenräder beiderseits einer Richtung angeordnet, um welche sich das Antriebselement dreht. Diese Ausführungsform erlaubt es, den axialen Raumbedarf in dem Gehäuse des Tretlagers zu reduzieren.
• Auf alternative Weise ist der bewegliche Zahnkranz axial zwischen einer Richtung, um welche sich das Antriebselement dreht, und den Planetenrädern angeordnet, d. h. der Ebene senkrecht zu der Drehachse der Tretlagerwelle und in welcher sich die Planetenräder drehen. Vorzugsweise ist eine Freilaufeinrichtung ausgebildet, um eine Drehung des Tretlagers unabhängig von der Drehung des Motors zu ermöglichen.
• Vorzugsweise ist der Freilauf in solch einer Art und Weise ausgebildet, um es dem Nutzer zu erlauben, das Tretlager ohne ein Antreiben in Drehung des Motors drehen zu lassen und vorzugsweise ohne das gesamte oder einen Teil von dem Planetengetriebe in Drehung anzutreiben.
• Vorteilhafterweise ist die Freilaufeinrichtung an mindestens einer von den nachfolgenden Stellen angeordnet:
• - an dem Antriebselement;
• - an dem beweglichen Zahnkranz;
• - an dem Planetenträger;
• - an dem festen Zahnkranz;
• - zwischen der Tretlagerwelle und dem Antriebsteil des Tretlagers.
• Gemäß einer Ausführungsform ist der bewegliche Zahnkranz fest in Drehung mit dem Planetenträger verbunden.
• Somit bildet der Eingang des Planetengetriebes den Planetenträger.
• Diese Ausführungsform weist insbesondere als Vorteil auf, dass der äußere Durchmesser der Welle des Tretlagers keine mit Zähnen versehenen Zahnkränze trägt. Daraus folgt, dass der äußere Durchmesser der Welle des Tretlagers erhöht werden kann, ohne das Untersetzungsverhältnis der Getriebeeinrichtung zu reduzieren. Um die Leistungen des Zweirads, insbesondere beim Straßenfahrrad, zu erhöhen, ermöglicht es nämlich die Erhöhung des äußeren Durchmessers der Welle des Tretlagers, stark die Festigkeit des Tretlagers zu erhöhen, ohne hierdurch das Gewicht von diesem letzteren kaum negativ zu beeinträchtigen, damit die Tretlagerwelle hohl sein kann.
• Gemäß einer Ausführungsform ist die Welle des Tretlagers hohl.
• In der vorliegenden Patentanmeldung wird angenommen, dass der Motor aktiviert ist, wenn er ein Moment an die Getriebeeinrichtung liefert.
• Vorzugsweise weist jedes Planetenrad zwei Ritzel auf. Diese Art eines Getriebes hat den Vorteil, ein sehr großes Untersetzungsverhältnis zu bieten. Gemäß einem Beispiel sind die zwei Ritzel eines gleichen Planetenrads angrenzend zueinander.
• Vorzugsweise ist ein erstes Ritzel von jedem Planetenrad ausgebildet, um mit dem festen Zahnkranz in Eingriff zu sein, und ein zweites Ritzel von jedem Planetenrad ist ausgebildet, um mit einem Zahnkranz in Eingriff zu sein, welcher fest mit der Tretlagerwelle verbunden ist.
• Es sei daran erinnert, dass der Teilkreisdurchmesser bzw. Flankendurchmesser eines Ritzels das Ergebnis seiner Anzahl an Zähnen Z durch sein Modul, welches bezeichnet ist mit m ist (D_Teilkreis = m.Z).
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die zwei Ritzel eines gleichen Planetenrads jeweils Teilkreisdurchmesser D₁₃₁ und D₁₃₂ auf mit D₁₃₁ > D₁₃₂, die Zahnkränze, an welchen sie in Eingriff stehen, weisen Teilkreisdurchmesser D₁₂₀ und D₁₅₀ auf, wobei man anmerken kann, dass der Abstand Δ = D₁₃₁ - D₁₃₂ = D₁₂₀ - D₁₅₀, wobei das Untersetzungsverhältnis von diesem Getriebe also beträgt: $$R=\frac{D_{150}.D_{131}}{D_{150}.D_{131}-D_{120}.D_{132}}=\frac{1}{1-\frac{D_{132}}{D_{131}}\frac{D_{120}}{D_{150}}}$$

  
• In diesem Ausdruck wird das Untersetzungsverhältnis in Richtung unendlich gehen, wenn der Nenner in Richtung null geht, wenn das Verhältnis zwischen D₁₃₁ und D₁₃₂ und zwischen D₁₂₀ und D₁₅₀ in Richtung 1 geht, wird somit das Untersetzungsverhältnis in Richtung unendlich gehen.
• Wenn man das Verhältnis k₁ definiert als k₁ = D₁₃₁/D₁₃₂ mit 1 ≤ k₁ ≤ 1,7, vorzugsweise 1 ≤ k₁ ≤ 1,3, vorzugsweise 1 ≤ k₁ ≤ 1,2 und vorzugsweise 1 ≤ k₁ ≤ 1,1 und vorzugsweise 1 ≤ k₁ ≤ 1,07. Man kann feststellen, dass der relative Abstand Δ/D₁₃₂ = K₁ - 1 ist.
• Somit weisen die zwei benachbarten Ritzel einen sehr naheliegenden Teilkreisdurchmesser auf. Das Untersetzungsverhältnis ist somit sehr groß.
• Gemäß einer anderen Ausführungsform bildet der bewegliche Zahnkranz ein Sonnenzahnrad, welches ausgebildet ist, um mit den Planetenrädern in Eingriff zu sein.
• Vorteilhafterweise ist der Planetenträger fest mit der Tretlagerwelle, mindestens wenn der Motor aktiviert ist, verbunden.
• Diese Ausführungsform ist besonders einfach herzustellen. Sie ermöglicht es, die Konstruktionskosten zu senken, besitzt jedoch ein begrenztes Untersetzungsverhältnis, was es erforderlich machen kann, auf eine Zwischenuntersetzungsstufe zurückzugreifen, welche zum Beispiel zwischen der Ausgangswelle des Motors und dem kleinen konischen Ritzel angeordnet ist.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Getriebeeinrichtung mindestens zwei Stufen eines Planetengetriebes auf, welche in Serie montiert sind, wobei jede Stufe ein Paar an Planetenrädern umfasst, welche in einer gleichen Ebene enthalten sind, sowie einen Planetenträger.
• Diese Ausführungsform ermöglicht es, ein größeres Untersetzungsverhältnis als mit der vorherigen Ausführungsform mit einer einzigen Stufe zu erhalten und besonders erhöhte Momente zu übertragen.
• Gemäß einer ersten Variante dieser Ausführungsform sind die zwei Stufen axial an einer gleichen Seite einer Richtung angeordnet, um welche sich das Antriebselement dreht. Diese Lösung weist als Vorteil auf, leicht herzustellen zu sein, insbesondere im Hinblick auf die Drehzapfenverbindungen zwischen den fest verbundenen Ritzeln und der Tretlagerwelle.
• Gemäß einer anderen Variante dieser Ausführungsform umfasst das System gemäß der Erfindung zwei Stufen eines Planetengetriebes, wobei die zwei Stufen axial beiderseits einer Richtung angeordnet sind, um welche sich das Antriebselement dreht. Diese Ausführungsform erlaubt es, den axialen Raumbedarf in dem Gehäuse des Tretlagers zu reduzieren. Sie ermöglicht es, ein kompakteres System zu konstruieren. Außerdem kann dieses Getriebesystem symmetrisch im Verhältnis zu der Drehachse des Motors sein.
• Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Zweirad, z. B. ein Straßenfahrrad oder ein Geländefahrrad (Mountainbike), welches mit einem elektrischen Assistenzsystem gemäß der Erfindung ausgestattet ist.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Zweirad den Motor.
• Vorteilhafterweise ist der Motor teilweise und vorzugsweise vollständig in einem Teil eines Rahmens des Zweirads aufgenommen, wobei der Teil ein Teil ist unter:
• - einem Sattelrohr;
• - einem Schrägrohr, welches sich ausgehend von einem Tretlagergehäuse erstreckt;
• - einem Basisrohr, welches ein Tretlagergehäuse mit einer Radnabe eines Hinterrads verbindet.
• Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der Motor in einem Gehäuse aufgenommen, welches an einem Rahmen des Zweirads angefügt ist.
• Figurenliste
• Die Aufgaben, Gegenstände sowie die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden besser aus der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen von dieser letzteren offenbar werden, welche durch die beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, gemäß welchen:
• 1 eine Gesamtansicht eines Fahrrads ist, welches ein elektrisches Assistenzsystem gemäß einem Beispiel der Erfindung integriert;
• 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils aus der 1 ist, welche auf das Tretlagergehäuse hin zentriert ist;
• 3 bis 6 eine erste Ausführungsform eines elektrischen Assistenzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen. 3 ist eine Schnittansicht gemäß der Achse des Tretlagers. 4 bis 6 sind Explosionsansichten gemäß verschiedenen Sichtwinkeln von dem elektrischen Assistenzsystem, welches in der 3 dargestellt ist;
• 7 bis 9 stellen eine zweite Ausführungsform eines elektrischen Assistenzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung dar. 7 ist eine Schnittansicht gemäß der Achse des Tretlagers. 8 und 9 sind Explosionsansichten gemäß verschiedenen Sichtwinkeln von dem elektrischen Assistenzsystem, welches in der 7 dargestellt ist.
• Die Zeichnungen werden lediglich als Beispiele gegeben und sind nicht für die Erfindung beschränkend. Sie stellen schematische Darstellungen eines Prinzips dar, welche dazu bestimmt sind, das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zu praktischen Anwendungen.
• Detaillierte Beschreibung der Erfindung
• Mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter einer Bezugnahme auf die 1 bis 9 beschrieben werden.
• Die 1 stellt ein Zweirad 1 mit elektrischer Unterstützung dar, in welchem ein Assistenzsystem gemäß der vorliegenden Erfindung integriert ist. Man stellt fest, dass bei diesem Beispiel der ästhetische Eindruck bzw. Aspekt des Zweirads 1 nahe ist zu, ja sogar identisch ist zu demjenigen eines Zweirads mit lediglich muskulärem Antrieb.
• Bei diesem Beispiel ist der Motor 200 im Inneren eines Elements aufgenommen, welches den Rahmen des Zweirads bildet. Er kann zum Beispiel im Inneren des Sattelrohrs 2 aufgenommen sein, wie es in den 3 bis 7 dargestellt ist, oder in dem Schrägrohr 3 oder in einem der Basisrohre 4, welche das Tretlager mit der hinteren Radnabe 5 verbinden. Auf alternative Art und Weise kann der Motor an dem Rahmen angefügt sein, z. B. indem er an einem dieser Rohre 2, 3, 4 befestigt ist oder in einem Gehäuse 10 des Tretlagers befestigt ist.
• Der Motor 200 ist ein Elektromotor. Er wird vorzugsweise durch eine Batterie versorgt, welche an dem Rahmen angebracht ist oder welche im Inneren des Rahmens aufgenommen ist oder sogar durch den Nutzer getragen wird. Der Motor 200 treibt in Drehung ein Antriebselement 201 an. Dieser Antrieb kann direkt sein. Auf alternative Art und Weise ermöglicht es ein Getriebe, getrennt von dem Motor 200, welches an einer Ausgangswelle des Motors 200 angekoppelt ist, das Antriebselement 201 bei einer reduzierteren Geschwindigkeit zu drehen und mit einem erhöhten Drehmoment als die Austriebswelle des Motors 200. Gemäß noch einer weiteren Alternative ist der Motor 200 ein Motorgetriebe, d. h. ein Motor, welcher eine Getriebeeinrichtung integriert.
• Aus Gründen der Klarheit betrifft in den Figuren das Bezugszeichen 200 ebenso die Ausgangswelle des Motors wie auch das Getriebe oder den Ausgang eines Getriebemotors. Gleichermaßen ist gemäß der vorliegenden Patentanmeldung in Betracht zu ziehen, dass das Antriebselement 201 entweder durch den Motor 200 gebildet sein kann oder direkt durch den Motor 200 angetrieben sein kann oder durch den Motor 200 unter einem Zwischenschalten eines anderen Elements, wie z. B. eines Getriebes, angetrieben ist.
• Vorzugsweise wird das Antriebselement 201 in Drehung um die gleiche Drehachse wie der Ausgang des Motors angetrieben. Diese Drehachse ist senkrecht zu derjenigen, um welche sich die Welle 11 des Tretlagers dreht. Die Drehachse des Tretlagers 11 und die Drehachse des Motors 200 entsprechen jeweils den Achse X und Z des Koordinatensystems, welches in der 3 dargestellt ist. Die Drehachse des Motors Z ist somit senkrecht zu derjenigen X der Welle 11 des Tretlagers.
• Das Tretlager 11 ist aufgenommen in einem oder durchquert ein Gehäuse 10 des Tretlagers.
• Vorzugsweise ist das Antriebselement 201, welches durch den Motor 200 angetrieben wird, im Inneren des Gehäuses 10 angeordnet.
• Gemäß einer optionalen Ausführungsform, welche in den 3 bis 6 dargestellt ist, weist das Gehäuse 10 auf:
• - einen äußeren Körper 12a, welcher eine Hülse oder zylindrische äußere Hülle bildet, und
• - einen inneren Körper 12b, welcher ausgebildet ist, um in dem Inneren des äußeren Körpers 12a aufgenommen zu sein.
• Außerdem bildet der innere Körper 12b einen Verschlussflansch des Gehäuses 10. Das Gehäuse 10 umfasst ebenso eine Abdeckung 13, welche sich an dem Körper 12b abstützt. Die Körper 12a und 12b umfassen mit Gewinde versehene Bohrungen 321, welche gegenüberliegend angeordnet sind und welche gegenüber von Durchgangslöchern 320 für Schrauben angeordnet sind, deren Köpfe sich an der Abdeckung 13 abstützen.
• Das Gehäuse 10 weist eine durchgehende Öffnung 16 auf, welche das Hindurchgehen der Tretlagerwelle 11 ermöglicht. Um eine präzise Führung und eine gute Festigkeit der Welle 11 des Tretlagers im Inneren des Gehäuses 10 zu ermöglichen, kann man zwei Lagerelemente 301, 304, üblicherweise Lager mit Kugeln, vorsehen.
• Das Gehäuse 10 weist ebenso einen Durchgang 15 auf, welcher es dem Antriebselement 201 erlaubt, in das Innere des Gehäuses 10 einzutreten. Gemäß einer optionalen Ausführungsform, welche in den 3 bis 6 dargestellt ist, weist die äußere Wand des Gehäuses 10 eine Abflachung 14 auf, welche es erlaubt, die Positionierung und das In-Position-Halten des Antriebselements 201 im Verhältnis zu einer Getriebeeinrichtung 100, welche im Inneren des Gehäuses 10 angeordnet ist, zu erleichtern.
• Die Getriebeeinrichtung 100 ermöglicht es, die Kräfte ausgehend von dem Antriebselement 201 bis zu der Tretlagerwelle 11 zu übertragen.
• Eine erste Ausführungsform einer Getriebeeinrichtung wird nun im Detail unter einer Bezugnahme auf die 3 bis 6 beschrieben werden.
• Das Antriebselement 201 ist ein Ritzel bzw. kleines Zahnrad, welches mit einem beweglichen Zahnkranz 110 in Drehung um eine Achse identisch zu derjenigen Achse X der Welle 11 des Tretlagers in Eingriff ist.
• Vorzugsweise ist das Antriebselement 200 ein konisches Ritzel, und der bewegliche Zahnkranz 110 trägt eine konische Verzahnung 111, welche komplementär ist zu dem Antriebselement 200.
• Der Zahnkranz 110 ist frei in Drehung um die Tretlagerwelle 11 herum montiert. Hierfür kann man Lagerelemente, wie zum Beispiel Kugellager 302, 305, vorsehen, welche zwischen der Welle 11 und dem Zahnkranz 110 angeordnet sind. Um den beweglichen Zahnkranz 110 axial in Position zu halten, kann man elastische Ringe 310, wie zum Beispiel Sprengringe, vorsehen, welche in Nuten bzw. Rillen 11d der Welle 11 montiert sind.
• Bei dieser nichtbeschränkenden Ausführungsform ist der bewegliche Zahnkranz 110 fest in Drehung mit einem Planetenträger 140 verbunden, mindestens wenn der Motor 200 aktiviert ist. Vorzugsweise und wie es in der 3 dargestellt ist, bilden der bewegliche Zahnkranz 110 und der Planetenträger 140 ein gleiches Teil, vorzugsweise ein Teil aus einem Stück. Auf alternative Art und Weise kann man vorsehen, dass der Zahnkranz und der Planetenträger unterschiedliche Teile sind, welche miteinander fest verbunden sind.
• Der Planetenträger 140 weist Aufnahmen 142 auf, welche ausgebildet sind, um Planetenräder 130 aufzunehmen. Diese Planetenräder 130 sind in der Anzahl mindestens zwei, vorzugsweise in der Anzahl mindestens drei und gegebenenfalls in der Anzahl vier. In dem dargestellten Beispiel umfasst die Getriebeeinrichtung 100 drei Planetenräder, welche ausgebildet sind, um sich in einer gleichen Ebene senkrecht zu der Achse X des Tretlagers 11 zu bewegen.
• Bei diesem nichtbeschränkenden Beispiel ist jedes Planetenrad fest mit einer Welle 141 verbunden, welche in Drehung in einer Aufnahme 142 montiert ist, die durch den Planetenträger 140 getragen ist. Zu diesem Zweck sieht man Lager 306, üblicherweise Kugellager, vor, welche zwischen der Welle 141 und der Aufnahme 142 montiert sind. Gemäß einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform ist die Welle 141 fest mit dem Planetenträger 142 verbunden, und jedes Planetenrad 130 ist in Drehung um die Welle 141 herum montiert.
• Bei diesem nichtbeschränkenden Beispiel und auf besonders vorteilhafte Art und Weise umfasst jedes Planetenrad 130 zwei Ritzel 131, 132. Die zwei Ritzel 131, 132 von jedem Planetenrad 130 sind parallel zueinander angeordnet und sind miteinander fest in ihrer Bewegung verbunden. Es kann sich um zwei Ritzel handeln, welche unabhängig realisiert sind und zuvor bei der Montage des Getriebes zusammengebaut sind, oder auch um zwei unterschiedliche Abschnitte eines gleichen einheitlichen Teils, welches einstückig ist, wie es das Planetenrad ist.
• Ein erstes Ritzel 131 steht mit einem festen Zahnkranz 120 in Eingriff, welcher fest mit dem Gehäuse 10 verbunden ist und somit fest mit dem Rahmen des Zweirads 1. Dieser feste Zahnkranz 120 trägt eine innere Verzahnung 121. Dieser feste Zahnkranz 120 ist zum Beispiel im Inneren des Gehäuses 10 angefügt, indem er in Drehung an diesem letzteren fest verbunden ist, z. B. mittels einer Passfeder bzw. Keilverbindung (frz.: clavette). Auf alternative Weise ist dieser feste Zahnkranz 120 durch eine innere Wand des Gehäuses 10 gebildet. Diese letztere Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die innere Verzahnung 121 aus dem gleichen thermoplastischen Material wie die innere Wand des Gehäuses 10 gebildet ist. Die Verzahnung kann somit zum Beispiel durch ein Spritzgießformen gebildet sein.
• Ein zweites Ritzel 132 steht mit einer Verzahnung 151 in Eingriff, welche durch ein Antriebselement 150 getragen ist. Vorzugsweise handelt es sich um eine innere Verzahnung 151, welche durch einen Zahnkranz getragen ist, der durch das Antriebsteil 150 getragen ist. Das Antriebsteil 150 ist in Drehung fest mit der Welle 11 des Tretlagers über einen Freilauf 160 (3) verbunden, wenn der Motor aktiviert ist, wenn im Gegensatz dazu der Motor angehalten ist oder das Antriebsteil 150 weniger schnell als die Welle 11 drehen lässt, wird somit der Freilauf entkuppelt, wobei er so keinen Widerstand zur Pedalbetätigung des Fahrradfahrers entgegensetzt, welcher sich so in einer nicht unterstützten und nicht durch den Motor gebremsten Pedalbetätigung befindet. Der Freilauf, welcher in der 3 dargestellt ist, ist ein Freilauf mit Nadeln (frz.: roue libre à aiguille), er kann ebenso ein Freilauf mit Nocken oder ein Freilauf mit Sperrklinke sein.
• Die Welle 11 weist eine Schulter 11e auf, welche einen axialen Anschlag für das Antriebsteil 150 in einer ersten Richtung bildet. Ein elastischer Ring 310 ermöglicht den axialen Halt des Antriebsteils 150 in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung. Das Lager 305 einer Führung des Planetenträgers 140 gelangt gegen diesen elastischen Ring 310 in Anschlag. Somit wird das Teil, welches durch den beweglichen Zahnkranz 110 und den Planetenträger 140 gebildet ist, axial durch zwei elastische Ringe 310 gehalten.
• Somit umfasst bei dieser Ausführungsform die Getriebeeinrichtung 100 ein Planetengetriebe, welches koaxial mit dem Tretlager 1 ist, dessen Eingang der Planetenträger 140 ist und dessen Planetenräder 130 jedes zwei Ritzel 131, 132 aufweist.
• Vorzugsweise weisen die Ritzel 131, 132 der Planetenräder 130 einen nahe beieinanderliegenden Teilkreisdurchmesser auf, wobei dies ermöglicht, das Untersetzungsverhältnis stark zu erhöhen. Um die Herstellung und die Montage dieser doppelten Planetenradritzel zu erleichtern, deren Teilkreisdurchmesser nahe beieinanderliegend sind, ist es klug, diese Ritzel mit einer gleichen Anzahl an Zähnen zu realisieren, jedoch leicht ihr Ausgangsmodul derart variieren zu lassen, dass die Teilkreisdurchmesser nahe beieinanderliegend sind, jedoch die Zähne dieses doppelten Ritzels leichter gegossen werden können oder gesintert werden können, ohne dass die Zähne der Ritzel axial miteinander in Störung gelangen, des Weiteren wird, wenn die zwei Ritzel die gleiche Anzahl an Zähnen aufweisen, die Montage auch sehr erleichtert sein, da die Ritzel in irgendeiner winkelbezogenen Position in Eingriff gelangen können, während, wenn sie das gleiche Modul beibehalten unter einem Variierenlassen der Anzahl der Zähne, nur eine einzige Montageposition besteht und dies eine winkelbezogene Indexierung von jedem Ritzel erfordert, was sehr einschränkend bzw. zwingend für die Montage ist.
• Wenn man das Modul m₁ des ersten Getriebestrangs D₁₂₀/D₁₃₁ festlegt, kann man somit das Modul m₂ des zweiten Strangs D₁₅₀/D₁₃₂ wie folgt berechnen: $$m_2=m_1.\frac{\left(Z_{150}-Z_{132}\right)}{\left(Z_{120}-Z_{131}\right)}$$

  

  mit in unserem Fall Z₁₃₁ = Z₁₃₂
• Wenn zum Beispiel das erste Ritzel 131 und das zweite Ritzel 132 eines gleichen Planetenrads 130 einen Teilkreisdurchmesser D₁₃₁ und D₁₃₂ jeweils aufweisen, hat man D₁₃₁ = k₁ × D₁₃₂ mit 1 ≤ k₁ ≤ 1,7, vorzugsweise 1 ≤ k₁ ≤ 1,3, vorzugsweise 1 ≤ k₁ ≤ 1,2 und vorzugsweise 1 ≤ k₁ ≤ 1,1 und vorzugsweise 1 ≤ k₁ ≤ 1,07.
• Um das Untersetzungsverhältnis zu berechnen, kann man die unten angegeben Formel anwenden: $$r=\frac{w_{Eingang}}{w_{Ausgang}}=\frac{D_{150}.D_{131}}{D_{150}.D_{131}-D_{120}.D_{132}}=\frac{1}{1-\frac{D_{132}}{D_{131}}\frac{D_{120}}{D_{150}}}$$

  

  mit:
• r = Untersetzungsverhältnis
• w_Eingang = Drehzahl am Eingang, d. h. Drehzahl des beweglichen Zahnkranzes 110, welcher den Planetenträger 140 bildet
• w_Ausgang = Drehzahl der Welle 11 des Tretlagers
• D₁₂₀ = Teilkreisdurchmesser des festen Zahnkranzes 120
• D₁₅₀ = Teilkreisdurchmesser des Zahnkranzes, welcher durch das Antriebsteil 150 getragen ist
• D₁₃₁ = Teilkreisdurchmesser des Ritzels 131 in Eingriff mit dem festen Zahnkranz 120
• D₁₃₂ = Teilkreisdurchmesser des Ritzels 132 in Eingriff mit dem Antriebsteil 150
• Beispiel A:

• Wenn	D120 = 60 mm	mit Z 120 = 120 Zähne des Moduls 0,5
  	D150 = 58,935 mm	mit Z150 = 126 Zähne des Moduls 0,4677 $\mathrm{0,4677}=\mathrm{0,5.}\frac{\left(120-33\right)}{\left(126-33\right)}$
  	D131 = 16,5 mm	mit Z131 = 33 Zähne des Moduls 0,5
  und	D132 = 15,435 mm	mit Z132 = 33 Zähne des Moduls 0,4677
  K1 = 16,5/15,435 = 1,069

  $$r=\frac{\mathrm{58,935}x\mathrm{16,5}}{\mathrm{58,935}x\mathrm{16,5}-60x\mathrm{15,435}}=21$$

  
• In diesem Beispiel A sind die Anzahl der Zähne der zwei Zahnkränze beide durch 2 und durch 3 derart teilbar, dass es empfehlenswert ist, zum Beispiel drei Planetenräder mit 120° oder zwei Planetenräder mit 180° anzuordnen. Das Eingangsmoment, welches durch das konische Paar übertragen wird, wird somit im Wesentlichen durch ein Verhältnis 21 geteilt, was die Zahnkräfte quasi vernachlässigbar macht.
• Beispiel B:

• Wenn	D120 = 60 mm	mit Z120 = 120 Zähne des Moduls 0,5
  	D150 = 59,45 mm	mit Z150 = 123 Zähne des Moduls $\mathrm{0,4833}=\mathrm{0,5.}\frac{\left(120-33\right)}{\left(123-33\right)}$
  	D131 = 16,5 mm	mit Z131 = 33 Zähne des Moduls 0,5
  und	D132 = 15,95 mm	mit Z132 = 33 Zähne des Moduls 0,4833
  K2 = 16,5/15,95 = 1,034

  $$r=\frac{\mathrm{59,4}x\mathrm{16,5}}{\mathrm{59,45}x\mathrm{16,5}-60x\mathrm{16,5}}=41$$

  
• Bei diesem Beispiel B sind die Anzahl der Zähne der beiden Zahnkränze beide durch 3 teilbar, es ist somit empfehlenswert, drei Planetenräder mit 120° anzuordnen.
• Es ist anzumerken, dass es gemäß der oben angegebenen Formel des Untersetzungsverhältnisses und gemäß den zwei Beispielen A und B empfehlenswert ist, dass der Teilkreisdurchmesser D₁₂₀ des festen Zahnkranzes leicht größer ist als der Teilkreisdurchmesser D₁₅₀ des Antriebszahnkranzes 150, wobei diese Feststellung auch aufgrund der Tatsache standhält, dass die Beziehung, welche die zwei Umlaufdurchmesser (frz.: diamètres d'orbites) der Planetenräder verbindet, wie folgt beschrieben werden kann: $$Umlaufdurchmesser={\text{D}}_{120}-{\text{D}}_{131}={\text{D}}_{150}-{\text{D}}_{132}$$

  

  $$\text{Was bedeutet}\to {\text{D}}_{120}-D_{150}=D_{131}-D_{132}=\left(K_1-1\right).D_{132}$$

  
• Man findet also wieder: $$D_{120}=D_{150}+\left(K_1-1\right).D_{132}=D_{150}\left(1+\left(K_1-1\right).\frac{D_{132}}{D_{150}}\right)=K_1^{\text{'}}.D_{150}$$

  

  mit $$K_1^{\text{'}}=1+\left(K_1-1\right).\frac{D_{132}}{D_{150}}$$

  

  oder wie $$\frac{D_{132}}{D_{150}}<\frac{1}{2}$$

  
• Man kann eine Ungleichung ableiten, welche das Verhältnis der Durchmesser der beiden Zahnkränze K'₁ relativ im Verhältnis des Durchmessers der Planetenräder K₁ verbindet: $$\frac{D_{120}}{D_{150}}=K_1^{\text{'}}<1+\frac{K_1-1}{2}$$

  
• Was man an dem Beispiel A überprüfen kann: $$K_1^{\text{'}}=\frac{60}{\mathrm{59,45}}=\mathrm{1,009}<1+\frac{\mathrm{1,034}-1}{2}=\mathrm{1,017}$$

  
• Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung weisen die Ritzel 131, 132 der Planetenräder 130 eine nahe beieinanderliegende Anzahl an Zähnen auf. Wie man es weiter unten feststellen kann, ermöglicht dies ebenso, das Untersetzungsverhältnis sehr stark zu erhöhen. Mann kann somit diese Planetenräder als Zwillingsplanetenräder bezeichnen.
• Zum Beispiel, wenn das erste Ritzel 131 und das zweite Ritzel 132 eines gleichen Planetenrads 130 eine Anzahl von Zähnen Z₁₃₁ und Z₁₃₂ jeweils aufweisen, hat man Z₁₃₁ = k₂ * Z₁₃₂ mit 1 ≤ k₂ ≤ 1,7, vorzugsweise 1 ≤ k₂ ≤ 1,3, vorzugsweise 1 ≤ k₂ ≤ 1,2 und vorzugsweise 1 ≤ k₂ ≤ 1,1 und vorzugsweise 1 ≤ k₂ ≤ 1,07
• Um das Untersetzungsverhältnis zu berechnen, kann man die unten angegebene Formel anwenden: $$r=\frac{w_{Eingang}}{w_{Ausgang}}=\frac{\frac{Z_{150}}{Z_{120}}x\frac{Z_{131}}{Z_{132}}}{\frac{Z_{150}}{Z_{120}}x\frac{Z_{131}}{Z_{132}}-1}=\frac{Z_{150}{Z}_{131}}{Z_{150}{Z}_{131}-Z_{120}{Z}_{132}}$$

  

  mit:
• r = Untersetzungsverhältnis
• W_Eingang = Drehzahl am Eingang, d. h. Drehzahl des beweglichen Zahnkranzes 110, welcher den Planetenträger 140 bildet
• W_Ausgang = Drehzahl der Welle 11 des Tretlagers
• Z₁₂₀ = Anzahl der Zähne des festen Zahnkranzes 120
• Z₁₅₀ = Anzahl der Zähne des Zahnkranzes, welcher durch das Antriebsteil 150 getragen ist
• Z₁₃₁ = Anzahl der Zähne des Ritzels 131 in Eingriff mit dem festen Zahnkranz 120
• Z₁₃₂ = Anzahl der Zähne des Ritzels 132 in Eingriff mit dem Antriebsteil 150
• Beispiel C:
• Wenn Z₁₂₀ = 60, Z₁₅₀ = 59, Z₁₃₁ = 21 und Z₁₃₂ = 20, somit r = 31,8 $$r=\frac{58x51}{21-60x20}=\mathrm{31,8}$$

  
• Beispiel D:
• Wenn Z₁₂₀ = 60, Z₁₅₀ = 58, Z₁₃₁ = 20 und Z₁₃₂ = 18, somit r = 14,5 $$r=\frac{58x20}{58x20-60x18}=\mathrm{14,5}$$

  
• Somit erlaubt es, wie man es gut mit den oben gegebenen Beispielen zeigen kann, ein derartiges Assistenzsystem, sehr große Untersetzungsverhältnisse in einem begrenzten Raumbedarf bereitzustellen.
• Bei dem Ausführungsbeispiel, welches in den 3 bis 6 dargestellt ist, sind die Verzahnung 111 und die Planetenräder 130 beiderseits der Achse angeordnet, um welche sich das Antriebselement 201 dreht. Dies weist als Vorteil auf, den axialen Raumbedarf des Gehäuses 10 des Tretlagers zu reduzieren.
• Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann man vorsehen, dass die Verzahnung 111 und die Planetenräder 130 auf einer gleichen Seite der Achse angeordnet sind, um welche sich das Antriebselement 201 dreht.
• Man wird feststellen, dass man bei dieser Ausführungsform den äußeren Durchmesser der Welle 11 erhöhen kann, ohne auf nachteilige Weise die Anzahl an Zähnen der verschiedenen Verzahnungen der Ritzel 131 zu reduzieren. Dies ermöglicht es, von einem sehr guten Untersetzungsverhältnis zu profitieren, wobei es gleichzeitig ermöglicht wird, einen beträchtlichen äußeren Durchmesser der Welle 11 des Tretlagers zu haben. Dies erlaubt es, eine besonders feste bzw. steife Welle 11 zu haben, was besonders dafür geschätzt wird, dass es eine gute Übertragung an Kräften, welche durch den Radfahrer geliefert werden, aufweist und somit eine Übertragung von Tretkurbelkräften mit einem guten Wirkungsgrad. Außerdem wird bei einem Vorsehen einer hohlen Welle 11, wie es in den Figuren dargestellt ist, die Erhöhung des Durchmessers im Hinblick auf das Gewicht nicht nachteilig sein.
• Des Weiteren kann man gemäß einer nichtdargestellten Variante vorsehen, dass in der hohlen Welle 11 direkt unter den Planetenrädern eine lokale Rille ausgearbeitet ist, um das Hindurchgehen der verschiedenen Planetenradritzel zu erlauben, wobei sich diese aufgrund dieser Tatsache näher an der Achse befinden. Diese Rille ist sehr lokal vorgesehen, sie schwächt nicht erheblich die Steifigkeit bzw. Festigkeit der Achse. Direkt unter dieser Rille wird der innere Durchmesser reduziert sein, jedoch aufgrund ihres lokalen Charakters ist es nichtdestotrotz möglich, Enden der Achse mit großem Durchmesser beizubehalten, welche besonders angepasst sind, einen robusten und leichten Einbau der Tretkurbel zu realisieren. Eine derartige Anordnung von Planetenradritzeln, welche durch die Rille der Achse 111 hindurchgehen, stellt nicht besondere Probleme hinsichtlich ihrer Montage dar.
• Bei dieser Art eines Planetengetriebes ist es sehr ratsam, Kugellager oder Nadellager anzuordnen, welche deutlich axial hinsichtlich der Planetenradritzel entfernt sind, tatsächlich wie die zwei Zahnkränze 120 und 150 axial versetzt sind, wobei die zwei Resultierenden der Zähne ein orthoradiales Moment erzeugen, welches umso besser aufgenommen wird, wie die zwei Lager voneinander entfernt sind, die Lösung, welche angenommen wird, welche in den 3 bis 6 dargestellt ist, besteht darin, eine ziemlich lange Achse in die Planetenradritzel einzubauen und ein Kugellager an jedem ihrer Enden anzuordnen, wobei es so ermöglicht wird, die Reibungsverluste in den Lagern, welche insbesondere mit dem Aufnehmen des orthoradialen Moments und der Resultierenden der Kräfte der Zähne verbunden sind, zu minimieren.
• Vorteilhafterweise weist diese Art eines Untersetzungsgetriebes Planetenräder mit doppelten Ritzeln auf, welche zwei, drei oder vier an der Zahl sind, was einen guten Kompromiss zwischen dem Untersetzungsverhältnis und dem Raumbedarf ermöglicht. Des Weiteren ist es, da der Eingang des Untersetzungsgetriebes durch den Planetenträger erfolgt, möglich, eine hohle Welle vorzusehen, deren innerer Durchmesser relativ groß ist auf der gesamten Länge oder mindestens auf dem hauptsächlichen Teil ihrer Länge und einschließlich ihrer Endabschnitte. Schließlich ist der äußere Durchmesser des Gehäuses 10 reduziert. Der Raumbedarf des elektrischen Assistenzsystems ist somit reduziert.
• Die Verringerung des Raumbedarfs ermöglicht es, die hintere Nabe der Achse des Tretlagers anzunähern, was sehr deutlich die Handhabbarkeit des Zweirads verbessert. Die Steuerung des Zweirads 1 ist somit leistungsfähiger. Außerdem weist das Gehäuse 10 des Tretlagers einen reduzierten Raumbedarf auf, das Zweirad 1 kann eine Ästhetik nahe zu Zweirädern mit muskulärem Antrieb aufweisen.
• Üblicherweise kann das koaxiale Untersetzungsgetriebe des Assistenzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Gehäuse aufgenommen sein, dessen äußerer Durchmesser geringer ist als 90 mm, vorzugsweise geringer als 80 mm, für ein Untersetzungsverhältnis von mindestens gleich zu 2,6, vorzugsweise mindestens gleich zu 8. Man stellt fest, dass dieser minimale Wert des Untersetzungsverhältnisses dem Untersetzungsverhältnis des Planetengetriebes alleine entspricht und nicht das Untersetzungsverhältnis des konischen Paares mit integriert. Man kann in Betracht ziehen, ein Untersetzungsverhältnis zu haben, welches den Wert von 50 erreicht, ohne auf zu beträchtliche Art und Weise den Wirkungsgrad zu verschlechtern.
• Bei der hier als ein Beispiel beschriebenen Ausführungsform ist der äußere Durchmesser des Gehäuses des Tretlagers in etwa gleich zu 75 mm, und das Untersetzungsverhältnis des Planetengetriebes kann gemäß den gewählten Konfigurationen 21 oder 40 betragen (s. oben).
• Eine andere Ausführungsform wird nun unter einer Bezugnahme auf die 7 bis 9 beschrieben werden.
• Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der mit Bezugnahme auf die 3 bis 6 beschriebenen Ausführungsform hauptsächlich darin, dass der bewegliche Zahnkranz 110 nicht als Planetenträger fungiert. Der Planetenträger 140 ist fest verbunden mit oder ist gebildet durch, mindestens wenn der Motor aktiviert ist, das Antriebsteil 150. Diese zwei Teile können zum Beispiel aus einem Block gegossen sein. Der Planetenträger 140 ist somit in Drehung mit der Welle 11 des Tretlagers fest verbunden. Außerdem weisen die Planetenräder 130 jedes ein einziges Ritzel 131 auf. Man kann ebenso den Planetenträger 140 und die Welle 11 durch einen Freilauf vorsehen, ähnlich zu dem Freilauf 160, welcher mit der Ausführungsform der 3 beschrieben ist, und somit die gleiche Funktionalität einer Entkopplung im nichtunterstützen Modus gewährleisten.
• Noch genauer fungiert bei dieser Ausführungsform der bewegliche Zahnkranz 110 als Sonnenritzel 113 bzw. Sonnenrad. Die Ritzel 131 der Planetenräder 130 stehen im Eingriff mit dem Sonnenritzel 113. Das Sonnenritzel 113 weist somit eine umgekehrte Verzahnung in Richtung nach der Außenseite hin auf. Die Planetenräder 131 sind in Drehung an dem Planetenträger 140 montiert und stehen ebenso mit dem Zahnkranz 120 in Eingriff. Dieser Zahnkranz 120 ist fest mit dem Gehäuse 10 verbunden, mindestens wenn der Motor aktiviert ist. Dieser Zahnkranz 120 weist eine innere Verzahnung 121 auf.
• Bei der dargestellten Ausführungsform, welche nicht beschränkend ist, sind die Planetenräder 131 über Lager 306 in Drehung an einer Welle 141 montiert, wobei diese Welle 141 im Verhältnis zu dem Planetenträger 140 fest ist.
• Bei dieser Ausführungsform sind, ebenso wie bei der Ausführungsform, welche in Bezug auf die 3 bis 6 beschrieben ist, der bewegliche Zahnkranz 110, der Planetenträger 140 und der feste Zahnkranz 120 koaxial zu der Drehachse der Welle 11 des Tretlagers.
• Bei dieser Ausführungsform ist der bewegliche Zahnkranz 110 frei in Drehung an der Welle 11 des Tretlagers montiert, vorzugsweise über Lager 302, 305, welche in einem Abstand zueinander gehalten sind durch einen Abstandhalter 322. Darüber hinaus hält ein elastischer Ring 110, welcher in einer Rille 11d der Welle 11 montiert ist, das Lager 302 in Position.
• Bei dieser Ausführungsform wird die Kraft, welche hinsichtlich des Antriebselements 201 erzeugt wird, zu dem beweglichen Zahnkranz 110, dann zu den Planetenrädern 130 übertragen, welche mit dem Sonnenritzel 113 und dem festen Zahnkranz 120 in Eingriff stehen. Die Verstellung der Planetenräder 130 um die Achse X treibt in Drehung den Planetenträger 140 an, welcher fest mit der Welle 11 des Tretlagers verbunden ist. Diese Ausführungsform weist als Vorteil auf, sehr robust zu sein zum Übertragen von erhöhten Drehmomentübertragungen. Die tangentiale Kraft, welche an die Tretkurbel übertragen wird, erfolgt durch den Planetenträger und eine Vielzahl von Zähnen, welche dazu beitragen, die Übertragungskraft zu übertragen.
• Das Untersetzungsverhältnis von solch einer Getriebeeinrichtung bzw. Untersetzungsgetriebeeinrichtung berechnet sich auf die nachfolgende Art und Weise: $$\frac{we}{ws}=1+\frac{Z_{120}}{Z_{113}}$$

  
• Z₁₂₀ = Anzahl der Zähne der Verzahnung des festen Zahnkranzes 120
• Z₁₁₃ = Anzahl der Zähne des Sonnenritzels 113, welches in Drehung fest mit dem beweglichen Zahnkranz 110 verbunden ist, mindestens wenn der Motor aktiviert ist
• Zum Beispiel ist, wenn Z₁₂₀ = 124 und Z₁₁₃ = 30 ist, das Untersetzungsverhältnis in etwa 5,13.
• Weiter noch ermöglicht bei diesem Beispiel dieses Untersetzungsverhältnis, die Drehzahl des Motors abzusenken und das Moment hinsichtlich des konischen Paares, welches durch das Antriebselement 201 und den beweglichen Zahnkranz 110 gebildet wird, zu reduzieren. Dieses konische Paar kann somit aus einem nichtmetallischen Material, wie zum Beispiel einem Thermoplastikmaterial, realisiert werden, mit den Vorteilen, welche unten erläutert werden.
• Bei jeder der Ausführungsformen, welche zuvor beschrieben sind und durch die vorliegende Erfindung abgedeckt sind, ist es möglich, auf leichte Materialien zurückzugreifen, um die verschiedenen Verzahnungen zu bilden. Die zu übertragenden Kräfte, insbesondere zwischen dem Antriebselement 201 und dem beweglichen Zahnkranz 110, sind beträchtlich im Verhältnis zu Lösungen des Standes der Technik reduziert, welche nicht das mit der Welle 11 des Drehlagers koaxiale Planetengetriebe aufweisen. Dank der Erfindung kann man zum Beispiel thermoplastische Materialien auswählen. Dies ermöglicht es, beträchtlich das elektrische Assistenzsystem leichter zu machen. Außerdem ermöglicht es dies, Verzahnungen zu bilden, die nicht durch eine Bearbeitung, sondern durch andere Techniken, beispielsweise durch Spritzgießen, durch Formgebung, gebildet sind, welche sehr viel weniger kostenträchtig sind.
• Des Weiteren ermöglicht es die Verwendung dieser Materialien, deutlich das Geräusch zu reduzieren und somit den Komfort des Nutzers zu gewährleisten.
• Man kann zum Beispiel auf thermoplastische Materialien, wie zum Beispiel PEEK (Polyetherketon), zurückgreifen, welches insbesondere angepasst ist, um sehr erhöhten Temperaturen standzuhalten, oder PBT (Polybutylenterephthalat), welches gut angepasst ist, um Zwischentemperaturen standzuhalten, oder Polyacetal oder die Polyamide, welche weniger teure thermoplastische Materialien sind.
• Des Weiteren ermöglicht es die Verwendung von diesen thermoplastischen Materialien häufig, sich von jeder Schmierung mit Schmierstoff freizumachen, was es somit erlaubt, den Unterhalt und die viskosen Reibungen von Schmierstoffen, insbesondere bei geringen Momenten, zu reduzieren.
• Es kann besonders ratsam sein, das kleine konische Ritzel 202 aus einem metallischen Material zu realisieren, da es nur sehr wenige Zähne aufweist und der Belastungszyklus dieser Zähne somit schneller ist, was sie somit anfälliger gegenüber der Erhitzung macht, indem man sie aus einem metallischen Material realisiert, stellt man somit eine gute Widerstandsfähigkeit des Ritzels gegenüber der Temperatur sicher, jedoch ebenso eine gute thermische Abführung durch eine Leitung zu der Motorwelle, wobei das Ritzel ebenso einen kleinen Ventilator aufweisen kann, der es ermöglicht, seine Erhitzung durch eine erzwungene Konvektion im Inneren des Gehäuses zu begrenzen.
• Bei jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann man mindestens eine Freilaufeinrichtung 160 vorsehen, welche es dem Nutzer ermöglicht, ohne ein Antreiben des Motors 200 Rad zu fahren, was der Fall ist, wenn der Fahrradfahrer entscheidet, das elektrische Assistenzsystem zu deaktivieren, oder wenn das Zweirad 1 eine vordefinierte Schwelle einer Geschwindigkeit überschreitet. Zum Beispiel kann mindestens ein Freilauf in Bezug auf das eine der nachfolgenden Teile angeordnet sein:
• - zwischen der Welle 11 und dem Antriebsteil 150. Diese Ausführungsform entspricht derjenigen, welche in den 3 bis 6 dargestellt ist. Der Freilauf 160 ist in einer Art und Weise ausgebildet, dass, wenn der Motor aktiviert ist, das Antriebsteil 150 die Welle 11 in Drehung antreibt. Wenn umgekehrt der Fahrradfahrer es wünscht, den Motor zu deaktivieren, oder wenn die Geschwindigkeit des Zweirads eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, treibt die Drehwelle 11 nicht mehr die Drehung des Teils 150 an.
• - zwischen dem Gehäuse 10 und dem Zahnkranz 120.
• - in dem beweglichen Zahnkranz 110 oder in dem Planetenträger 140: Man kann zum Beispiel vorsehen, dass das eine von diesen Teilen zwei Teile aufweist, welche fest verbunden sind durch den Freilauf in einer ersten Drehrichtung und in Drehung freigehalten sind in einer zweiten Drehrichtung, welche zu der ersten entgegengesetzt ist.
• - in dem Antriebselement 14 oder zwischen Antriebselement 14 und dem Motor 200.
• Die Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und erstreckt sich auf alle Ausführungsformen, welche durch die Ansprüche abgedeckt sind.
• Somit können zahlreiche Varianten in Betracht gezogen werden.
• Zum Beispiel kann man eine Ausführungsform vorsehen, welche nahe zu derjenigen ist, welche in den 7 bis 9 dargestellt ist, jedoch zwei Stufen des Planetengetriebes aufweist, welche in Reihe montiert sind (welche man ebenso als zwei in Reihe montierte Planetengetriebe definieren kann). Jede Stufe des Planetengetriebes umfasst einen Planetenträger und einen Satz von zwei, drei, vier oder mehr Planetenrädern. Noch genauer umfasst die erste Stufe Planetenräder 130, welche mit dem Sonnenritzel 113 einerseits und an dem festen Zahnkranz mit innerer Verzahnung, welcher fest mit dem Gehäuse 10 verbunden ist, in Eingriff sind, wie es in der 7 dargestellt ist. Im Gegensatz dazu ist der Planetenträger dieser ersten Stufe, auf welchem diese Planetenräder 130 montiert sind, in Drehung um die Welle 11 des Tretlagers montiert. Die zweite Stufe ist gebildet durch:
• - ein zweites Sonnenritzel, welches getragen wird durch oder fest verbunden ist mit dem Planetenträger der ersten Stufe;
• - einen zweiten festen Zahnkranz, vorzugsweise mit innerer Verzahnung, welcher in Drehung fest verbunden ist mit dem Gehäuse 10 des Tretlagers, mindestens wenn der Motor aktiviert ist;
• - einen zweiten Satz an Planetenrädern, wobei jedes Planetenrad von diesem zweiten Satz einerseits mit dem zweiten Sonnenritzel und andererseits mit dem zweiten festen Zahnkranz angetrieben wird;
• - einen zweiten Planetenträger, an welchem der zweite Satz an Planetenrädern montiert ist. Dieser zweite Planetenträger ist fest mit der Welle 11 des Tretlagers verbunden, mindestens wenn der Motor aktiviert ist.
• Das gesamte Untersetzungsverhältnis eines derartigen Getriebes ist das Produkt des Untersetzungsverhältnisses von jeder der zwei Stufen. Man kann somit ein Verhältnis von 25 erreichen, wenn jede der Stufe ein Verhältnis von 5 aufweist.
• Vorzugsweise wird man einen inneren Zahnkranz mit einem einzigen Profil vorsehen, um den festen Zahnkranz von jeder der zwei Stufen zu bilden. Dies ermöglicht die erleichterte Realisierung von einem gleichen Teil.
• Bei dieser Ausführungsform mit zwei Stufen kann man vorsehen, dass die zwei Stufen beiderseits der Richtung angeordnet sind, um welche sich das Antriebselement 201 dreht, d. h. dass die eine der Stufen axial rechts von der Richtung angeordnet ist, wohingegen die andere Stufe links von der Richtung angeordnet ist. Dies ermöglicht es, eine symmetrische Konstruktion und einen reduzierten Raumbedarf zu haben.
• Auf alternative Weise kann man vorsehen, dass die zwei Stufen axial auf einer gleichen Seite im Verhältnis zu der Richtung angeordnet sind, um welche sich das Antriebselement 201 dreht.
• Bezugszeichenliste

1

Zweirad

2

Sattelrohr

3

Schrägrohr

4

Basisrohr

10

Gehäuse des Tretlagers

11

Welle des Tretlagers

11a

Abschnitt

11b

äußerer reduzierter Querschnittsabschnitt

11c

Abschnitt

11d

Rille

11e

Schulter

12a

äußerer Körper

12b

innerer Körper

13

Abdeckung

14

Abflachung

15

Durchgang

16

Öffnung

100

Getriebeeinrichtung

110

Beweglicher Zahnkranz

111

konische Zähne

113

Sonnenritzel

120

fester Zahnkranz

121

innere Verzahnung

130

Planetenrad

131

Planetenradritzel

132

Planetenradritzel

140

Planetenträger

141

Welle des Planetenrads

142

Aufnahme für Planetenrad

150

Antriebsteil

151

Innere Verzahnung

160

Freilauf

200

Motor

201

Antriebselement

202

konisches Ritzel

301

Lager

302

Lager

304

Lager

305

Lager

306

Lager

310

elastischer Ring

320

Loch für Schraube

321

mit Gewinde versehene Bohrung

322

Abstandhalter

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 1878650 [0006, 0017, 0022, 0024]

Claims (13)

1. Elektrisches Assistenzsystem für ein Zweirad (1) mit elektrischer Unterstützung, welches eine Getriebeeinrichtung (100) aufweist, welche eingerichtet ist, um eine Drehkraft zwischen einem Antriebselement (201), welches in Drehung durch einen elektrischen Motor (200) des Zweirads (1) angetrieben wird, und einer Tretlagerwelle (11) des Zweirads (1) zu übertragen, wobei die Drehachse (Z) des Antriebselements senkrecht zu der Drehachse (X) der Tretlagerwelle (11) ist, wobei die Getriebeeinrichtung (100) ausgebildet ist, um der Tretlagerwelle (11) ein größeres Moment als dasjenige zu liefern, welches von dem Antriebselement (201) erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (100) mindestens ein Planetengetriebe aufweist, welches koaxial zu der Drehachse der Tretlagerwelle (11) ist, wobei das Planetengetriebe mindestens aufweist: - mindestens einen beweglichen Zahnkranz (110), welcher ausgebildet ist, um mit dem Antriebselement (201) in Eingriff zu sein; - mindestens zwei und vorzugsweise mindestens drei Planetenräder (130), welche jedes zwei Ritzel (131, 132) aufweisen; - mindestens einen Planetenträger (140), auf welchem die Planetenräder (130) in Drehung montiert sind; - mindestens einen festen Zahnkranz (120), welcher fest mit einem Gehäuse (10) des Tretlagers mindestens dann verbunden ist, wenn der Motor (200) aktiviert ist, welcher Zahnkranz ausgebildet ist, um mit einem ersten Ritzel (131) des Planetenrads (130) in Eingriff zu sein; - mindestens ein Antriebsteil (150) des Tretlagers, welches fest mit dem Tretlager mindestens dann verbunden ist, wenn sich der Motor (200) dreht, welches Antriebsteil ausgebildet ist, um durch ein zweites Ritzel (132) der Planetenräder (130) angetrieben zu sein.
2. System nach Anspruch 1, bei welchem das Antriebselement (201), welches durch den elektrischen Motor (200) in Drehung angetrieben ist, ein konisches Ritzel (202) trägt.
3. System nach Anspruch 1, bei welchem der bewegliche Zahnkranz (110) eine konische Verzahnung aufweist, um mit dem Antriebselement (201) in Eingriff zu stehen.
4. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 3, bei welchem der bewegliche Zahnkranz (110) und die Planetenräder (130) beiderseits einer Richtung angeordnet sind, um welche sich das Antriebselement (201) dreht.
5. System nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 4, bei welchem der bewegliche Zahnkranz (110) axial zwischen einer Richtung, um welche sich das Antriebselement (201) dreht, und den Planetenrädern (130) angeordnet ist.
6. System nach irgendeinem der Ansprüche 4 oder 5, wobei es mindestens eine Freilaufeinrichtung (160) aufweist, welche ausgebildet ist, um eine Drehung des Tretlagers unabhängig von der Drehung des Motors (200) zu erlauben.
7. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche in Kombination mit Anspruch 1, bei welchem die Freilaufeinrichtung an wenigstens einer der nachfolgenden Stellen angeordnet ist: - an dem Antriebselement (201); - an dem beweglichen Zahnkranz (110); - an dem Planetenträger (140); - an dem festen Zahnkranz (120); - zwischen der Tretlagerwelle (11) und dem Antriebsteil (150) des Tretlagers.
8. System nach irgendeinem der Ansprüche 1, 3, 4, 5 oder 7, bei welchem der bewegliche Zahnkranz (110) in Drehung fest mit dem Planetenträger (140) verbunden ist, mindestens wenn der Motor aktiviert ist.
9. System nach dem vorangegangenen Anspruch, bei welchem jedes Planetenrad (130) zwei Ritzel (131, 132) aufweist.
10. System nach dem vorangegangenen Anspruch, bei welchem ein erstes Ritzel (131) von jedem Planetenrad (130) ausgebildet ist, um mit dem festen Zahnkranz (120) in Eingriff zu sein, und ein zweites Ritzel (132) von jedem Planetenrad (130) ausgebildet ist, um mit einem Zahnkranz (131) in Eingriff zu sein, welcher durch das Antriebsteil (150) getragen ist, welcher fest mit der Tretlagerwelle (11), mindestens wenn der Motor (200) aktiviert ist, verbunden ist.
11. System nach irgendeinem der beiden vorangegangenen Ansprüche, bei welchem die zwei Ritzel (131, 132) eines gleichen Planetenrads (130) jeweils einen Teilkreisdurchmesser D₁₃₁ und D₁₃₂ wie D₁₃₁ = k₁ x D₁₃₂ mit 1 ≤ k₁ ≤ 1,7, vorzugsweise 1 ≤ k₁ ≤ 1,3, vorzugsweise 1 ≤ k₁ ≤ 1,2 und vorzugsweise 1 ≤ k₁ ≤ 1,1 und vorzugsweise 1 ≤ k₁ ≤ 1,07 aufweisen.
12. Zweirad (1) mit elektrischer Unterstützung, wobei es ein System nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche aufweist.
13. Zweirad (1) nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei es den Motor (200) aufweist, wobei der Motor (200) teilweise und vorzugsweise vollständig in einem Teil eines Rahmens des Zweirads (1) aufgenommen ist, wobei der Teil enthalten ist unter: - einem Sattelrohr (2); - einem Schrägrohr (3), welches sich ausgehend von einem Gehäuse (10) des Tretlagers erstreckt; - einem Basisrohr, welches ein Gehäuse (10) des Tretlagers mit einer hinteren Radnabe verbindet; - einem Gehäuse, welches an dem Rahmen des Zweirads (1) angefügt ist.

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