DE102019211390A1

DE102019211390A1 - Kupplung, insbesondere für ein Elektrofahrrad

Info

Publication number: DE102019211390A1
Application number: DE102019211390.7A
Authority: DE
Inventors: Johannnes Unhold
Original assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2039-08-01
Also published as: DE102019211390B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kupplung (10), umfassend eine drehbare Eingangswelle (1), eine drehbare Ausgangswelle (2), eine drehbare Hülse (3) und mindestens eine Feder (4), wobei die Eingangswelle (1) über die mindestens eine Feder (4) mit der Ausgangswelle (2) elastisch rotatorisch gekoppelt ist, wobei die Hülse (3) um die mindestens eine Feder (4) angeordnet ist.

Description

Elektrofahrräder mit Rücktrittbremse haben im Normalfall keinen Freilauf zum Entkoppeln der Pedale vom Motor. Durch den Freilauf kann der Motor nach dem Abschalten auslaufen ohne dass es der Fahrer spürt. Alternativ wird dem Motor die Möglichkeit gegeben, diesen Auslauf zu kompensieren. Erreicht wird das über eine formschlüssige Kupplung, die einen gewissen Freiwinkel zulässt.
Der Motor kann unangenehm für den Fahrer auf die Pedale wirken da keine Entkopplung mehr stattfinden kann. Sobald der Motor angetrieben wird, müssen sich die Pedale mitdrehen. Bei Verwendung der Kupplung mit Freiwinkel muss nach dem Bremsvorgang mit dem Pedal der Freiwinkel überbrückt werden. Das Fahrgefühl verschlechtert sich in beiden Fällen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kupplung anzugeben, mit der das Entkoppeln des Motors eines Elektrofahrrads von den Pedalen möglich ist.
Eine erfindungsgemäße Kupplung umfasst eine drehbare Eingangswelle, eine drehbare Ausgangswelle, eine drehbare Hülse und mindestens eine Feder. Dabei ist die Eingangswelle über die mindestens eine Feder mit der Ausgangswelle elastisch rotatorisch gekoppelt. Die Hülse ist um die mindestens eine Feder angeordnet. Insbesondere sind die Eingangswelle, die Ausgangswelle und die Hülse voneinander unabhängig drehbar gelagert.
In einer Ausführungsform sind die Hülse, die Eingangswelle und die Ausgangswelle koaxial angeordnet.
In einer Ausführungsform weisen die Eingangswelle und die Ausgangswelle den gleichen Durchmesser auf.
In einer Ausführungsform ist die Feder um die Eingangswelle und die Ausgangswelle gewickelt.
In einer Ausführungsform ist die Feder so ausgebildet, dass sie sich bei Aufbringen eines Moments an der Eingangswelle abhängig von einer Drehrichtung aufweitet, um die Hülse reibschlüssig in Eingriff zu nehmen, oder zusammenzieht, um einen Reibschluss zur Hülse zu unterbrechen.
In einer Ausführungsform ist die Feder als eine Schraubenfeder oder als eine Schenkelfeder ausgebildet.
In einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Feder mehrere ineinander verdrehte Federn.
In einer Ausführungsform ist die Feder aus einem Federdraht mit einem runden oder rechteckigen Querschnitt gebildet.
In einer Ausführungsform liegt die Feder in einer Ruheposition an der Eingangswelle und/oder Ausgangswelle an. In einer alternativen Ausführungsform liegt die Feder mit einer Vorspannung an der Hülse an.
Die Kupplung kann in einem Elektrofahrrad verwendet werden, ferner umfassend einen Motor und einen Kurbeltrieb mit Pedalen, wobei der Kurbeltrieb mit der Eingangswelle gekoppelt ist, wobei der Motor mit der Hülse gekoppelt ist, wobei die Ausgangswelle mit einem Rad des Elektrofahrrads gekoppelt ist.
Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt bei Elektrofahrrädern mit Mittelmotoren das Betätigen einer Rücktrittbremse, wobei für den Fahrer keine oder nahezu keine Komforteinbuße eintritt.
Bedingt durch die Schlingfeder ist ein Zurücktreten möglich, wobei der Motor komplett entkoppelt wird. Dies geschieht aufgrund der Unterbrechung der Momentübertragung vom Motor zum Abtrieb. Die Steuerung der Kupplung erfolgt mechanisch und automatisch. Das Kriterium für die Steuerung ist das Moment, welches der Fahrer an den Pedalen einbringt. Sobald der Fahrer ein Moment erbringt, schaltet die Kupplung kraftschlüssig den Motor dazu. Die Verbindung ist selbstverstärkend. Allerdings löst sie sich mit einer sehr geringen Kraft, wenn der Fahrer aufhört zu treten. Vorteilhaft ist ebenfalls, dass die Motorunterstützung mechanisch unterbunden wird, sobald ein Widerstandsmoment die Pedale bremst. Dies wäre der Fall, sobald die Pedale blockieren und der Motor trotzdem antreiben würde.
Die Sicherheit des Antriebes wird erhöht, da zu der elektronischen Steuerung des Motors eine mechanische Steuerung hinzukommt. Beide verhindern, dass der Motor ohne eingebrachte Leistung des Fahrers betrieben wird.
Die erfindungsgemäße Lösung ist auch einsetzbar für schaltbare Freilaufkupplungen mit verschiedenen Eingangs- und Ausgangsmomenten sowie Drehzahlen, deren Entkopplung unter bestimmten Umständen nötig ist, beispielsweise in Verpackungs-, Förder- und Produktionsanlagen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Kupplung,
2 eine schematische Ansicht eines Elektrofahrrads, und
3 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Kupplung.

1 ist eine schematische Ansicht einer Kupplung 10, mit einer Eingangswelle 1, über die beispielsweise ein Moment eingeleitet werden kann, und einer Ausgangswelle 2, über die beispielsweise ein Moment ausgeleitet werden kann. Eine Hülse 3 umgibt die Eingangswelle 1 und die Ausgangswelle 2. Die Hülse 3, die Eingangswelle 1 und die Ausgangswelle 2 sind koaxial angeordnet. Über die Hülse 3 kann ebenfalls ein Moment eingeleitet werden.
Die Eingangswelle 1 und die Ausgangswelle 2 weisen einander zugewandte Enden auf, die Stoß an Stoß liegen oder einen geringen Abstand aufweisen, jedoch so, dass hierdurch keine mechanische Verbindung entsteht. Die Eingangswelle 1 und die Ausgangswelle 2 weisen beispielsweise den gleichen Außendurchmesser auf. Die Hülse 3, die Eingangswelle 1 und die Ausgangswelle 2 sind unabhängig voneinander gelagert. Um die Eingangswelle 1 und die Ausgangswelle 2 ist eine Feder 4 gewickelt, wobei ein Ende der Feder 4 auf der Eingangswelle 1 und ein anderes Ende der Feder 4 auf der Ausgangswelle 2 befestigt ist. Die Feder 4 ist beispielsweise eine Schraubenfeder oder eine Schenkelfeder. Durch die Befestigung auf der Eingangswelle 1 und der Ausgangswelle 2 dient die Feder 4 der Momentübertragung zwischen der Eingangswelle 1 und der Ausgangswelle 2.
Abhängig von einer Wickelrichtung der Feder 4 und von einer Richtung eines eingebrachten Moments wird die Feder 4 radial geweitet oder zusammengezogen. Durch diese Aufweitung oder Zusammenzug, bedingt durch den Momentübertrag, entsteht zwischen der Eingangswelle 1 und der Ausgangswelle 2 ein Differenzwinkel. Dieser Differenzwinkel bzw. die Ausdehnung der Feder 4 nach außen wird durch die Hülse 3 begrenzt. Nach innen liegt die Feder 4 auf der Eingangswelle 1 und der Ausgangswelle 2 auf. Durch die Anpressung der Feder 4 an die Hülse 3 kann ebenfalls ein Moment übertragen werden. Die Kupplung 10 arbeitet richtungsabhängig und wird von dem Moment, das von der der Eingangswelle 1 auf die Ausgangswelle 2 oder umgekehrt übertragen wird, gesteuert.
Zusätzlich wirkt für die Übertragung eines Momentes von der Hülse 3 auf die Eingangswelle 1 und/oder auf die Ausgangswelle 2 in eine Richtung eine Selbstverstärkung des Mechanismus. Dies liegt an der Wickelart der Feder 4, welche sich umso mehr aufweitet, je mehr Moment von der Eingangswelle 1 und/oder von der Hülse 3 eingeleitet wird. Sobald keine Drehung mehr von der Eingangswelle 1 getätigt wird, zieht sich die Feder 4 zusammen. Dies ist auch dann der Fall, wenn noch ein Moment von der Hülse 3 aus auf die Ausgangswelle 2 übertragen wird. Die Selbstverstärkung, die dort eigentlich wirkt, wird dabei aufgehoben.
In einer alternativen Ausführungsform können statt einer Feder 4 mehrere ineinander verdrehte Federn 4 benutzt werden. Die Lasten werden dadurch gleichmäßiger verteilt. Die Feder 4 oder die Federn 4 können aus einem Federdraht mit rundem, insbesondere kreisförmigen, Querschnitt gebildet sein. Alternativ kann ein rechteckiger oder quadratischer Querschnitt gewählt werden. Die Flächenpressung wird dabei durch die größere Auflagefläche verkleinert.
2 ist eine schematische Ansicht eines Elektrofahrrads 20, umfassend einen Motor 21, beispielsweise einen Elektromotor, insbesondere einen Mittelmotor, und einen Kurbeltrieb 22 mit Pedalen 23 sowie eine Kupplung 10, wobei der Kurbeltrieb 22 mit der Eingangswelle 1 gekoppelt ist, wobei der Elektromotor 21 mit der Hülse 3 gekoppelt ist, wobei die Ausgangswelle 2 mit einem Rad 24, beispielsweise einem Hinterrad des Elektrofahrrads 20 gekoppelt ist.
Das Elektrofahrrad 20 kann insbesondere mit einer Rücktrittbremse ausgestattet sein. Auf die Eingangswelle 1 wirkt ein Antriebsmoment, das von einem Fahrer über die Pedale 23 aufgebracht wird. Die Ausgangswelle 2 dient als Abtrieb. Beispielsweise ist die Ausgangswelle 2 mit einem Kettenblatt 25 zum Antrieb des Elektrofahrrads 20 oder mit einem Kardan oder mit einer Riemenscheibe verbunden. Über die Hülse 3 wirkt das Antriebsmoment des Motors 21.
In einer Ausführungsform kann die Feder 4 so ausgelegt sein, dass sie in einer Ruheposition an der Eingangswelle 1 und/oder Ausgangswelle 2 anliegt.
In diesem Zustand kann kein Moment vom Motor 21 übertragen werden. Erst wenn ein Moment von den Pedalen 23 über die Eingangswelle 1 und die Feder 4 auf die Ausgangswelle 2 übertragen wird, dehnt sich die Feder 4 aus, wodurch der Reibschluss zur Hülse 3 hergestellt wird. In diesem Zustand kann ein Moment vom Motor 21 in die Kupplung 10 eingebracht werden. Mit dieser Ausführungsform wird eine Entkopplung der Pedale 23 vom Motor 21 erreicht, so dass kein Nachlauf des Motors 21 zurück auf die Pedale 23 übertragen wird. Allerdings kann eine Schiebehilfe durch den Motor 21 erschwert sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Feder 4 mit einer gewissen Vorspannung in der Hülse 3 montiert. Der Motor 21 kann daher ein gewisses Moment übertragen, da bereits ein Reibschluss zwischen der Hülse 3 und der Feder 4 besteht. Die Schiebehilfe durch den Elektromotor 21 ist daher ohne weiteres möglich. Bei Widerstand an den Pedalen 23 wird das Motormoment nicht mehr übertragen, da die Feder 4 sich zusammenziehen würde. Hierfür ist ein bestimmtes Mindestwiderstandsmoment an den Pedalen erforderlich.
Bei dieser Ausführungsform besteht immer ein gewisses Reibmoment, welches der Motor 21 auf die Pedale 23 übertragen kann.
Mit der Kupplung 10 können folgende Betriebsfälle unterschieden werden:

Antrieb:
- Es wird ein Moment über die Pedale 23 eingeleitet. Die Feder 4 dehnt sich aus und wird gegen die Hülse 3 gedrückt. Zwischen der Feder 4 und der Hülse 3 entsteht ein Reibschluss. Der Motor 21 kann ein Moment einleiten.
Anhalten:
- Der Fahrer hält die Pedale 23 still. Die Feder 4 zieht sich zusammen. Der Kraftschluss zwischen Hülse 3 und Feder 4 hebt sich auf. Wenn die Feder 4 mit einer gewissen Vorspannung in der Hülse 3 montiert ist bleibt ein Restreibmoment vorhanden. Dieses wird an den Pedalen 23 spürbar sein.
Bremsen:
- Der Fahrer tritt zurück. Die Feder 4 zieht sich zusammen. Der Kraftschluss von der Feder 4 zur Hülse 3 löst sich. Wenn die Feder 4 mit einer gewissen Vorspannung in der Hülse 3 montiert ist, so zieht sich die Feder 4 erst zusammen, wenn sie durch das Rücktrittmoment aktiv aufgewunden wird. Der Motor 21 ist entkoppelt und kann kein Moment mehr auf die Ausgangswelle 2 übertragen.

Der Motor 21 kann nun auslaufen, ohne dass dies durch den Fahrer spürbar ist.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Kupplung 10, wobei die Eingangswelle 1 und die Ausgangswelle 2 in einem Stück gefertigt sind. Die einzelne Welle kann man dabei in drei Sektionen trennen. Eine erste Sektion ist die Eingangswelle 1. Eine zweite Sektion ist der Teil mit der Feder 4. Eine dritte Sektion ist die Ausgangswelle 2. Die Kontur der Feder 4 ist in die zweite Sektion der Welle geschnitten. Technisch gibt es eine Entkopplung. Das Material sollte elastisch genug sein, um die Zyklen der Feder 4 auszuhalten. Zusätzlich soll es der Flächenpressung standhalten, die in Richtung Hülse 3 wirkt.
Bezugszeichenliste

1: Eingangswelle
2: Ausgangswelle
3: Hülse
4: Feder
10: Kupplung
20: Elektrofahrrad
21: Motor
22: Kurbeltrieb
23: Pedale
24: Rad
25: Kettenblatt

Claims

Kupplung (10), umfassend eine drehbare Eingangswelle (1), eine drehbare Ausgangswelle (2), eine drehbare Hülse (3) und mindestens eine Feder (4), wobei die Eingangswelle (1) über die mindestens eine Feder (4) mit der Ausgangswelle (2) elastisch rotatorisch gekoppelt ist, wobei die Hülse (3) um die mindestens eine Feder (4) angeordnet ist.
Kupplung (10) nach Anspruch 1, wobei die Hülse (3), die Eingangswelle (1) und die Ausgangswelle (2) koaxial angeordnet sind.
Kupplung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Eingangswelle (1) und die Ausgangswelle (2) den gleichen Durchmesser aufweisen.
Kupplung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder (4) um die Eingangswelle (1) und die Ausgangswelle (2) gewickelt ist.
Kupplung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder (4) so ausgebildet ist, dass sie sich bei Aufbringen eines Moments an der Eingangswelle (1) abhängig von einer Drehrichtung aufweitet, um die Hülse (3) reibschlüssig in Eingriff zu nehmen, oder zusammenzieht um einen Reibschluss zur Hülse (3) zu unterbrechen.
Kupplung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder (4) als eine Schraubenfeder oder als eine Schenkelfeder ausgebildet ist.
Kupplung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Feder (4) mehrere ineinander verdrehte Federn (4) umfasst.
Kupplung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder (4) aus einem Federdraht mit einem runden oder rechteckigen Querschnitt gebildet ist.
Kupplung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8, wobei die Feder (4) in einer Ruheposition an der Eingangswelle (1) und/oder Ausgangswelle (2) anliegt oder wobei die Feder (4) mit einer Vorspannung an der Hülse (3) anliegt.
Elektrofahrrad (20), umfassend einen Motor (21) und einen Kurbeltrieb (22) mit Pedalen (23) sowie eine Kupplung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kurbeltrieb (22) mit der Eingangswelle (1) gekoppelt ist, wobei der Motor (21) mit der Hülse (3) gekoppelt ist, wobei die Ausgangswelle (2) mit einem Rad (24) des Elektrofahrrads (20) gekoppelt ist.