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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrrad und ein Fahrrad mit einer solchen.
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Fahrräder erfreuen sich seit langem als leicht zu handhabende und emissionsfreie Fortbewegungsmittel großer Beliebtheit. Über viele Jahre haben sie auch als Sport- beziehungsweise Fitnessgeräte massenhafte Verbreitung gefunden und es haben sich für unterschiedliche sportliche Einsatzfelder besonders geeignete Typen herausgebildet.
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Seit einigen Jahren wächst auch die Begeisterung für Elektrofahrräder (insbesondere sogenannte „Pedelecs“). Potenzielle Nutzer*innen sind nicht nur ältere, weniger konditionsstarke oder von sportlichen Ambitionen freie Radfahrer*innen, sondern auch sportliche, jüngere Fahrer*innen, sei es zur Nutzung auf dem Arbeitsweg oder wegen der Möglichkeit, mit ihnen ohne Überbeanspruchung der eigenen Physis den Aktionsradius zu erweitern und/oder die Reisegeschwindigkeit zu erhöhen. Gerade bei Mountainbiker*innen und Rennradfahrer*innen scheint das Interesse an elektrisch unterstützten Fahrrädern zu wachsen.
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Aus dem Stand der Technik sind Systeme bei Elektrofahrrädern bekannt, bei denen eine Gesamtdrehzahlübersetzung, d.h. von Motor auf die Fahrradkurbel) über zwei oder mehrere Getriebestufen bewerkstelligt wird.
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DE 20 2019 103 283 U1 betrifft die Antriebseinheit des Fahrrads, welche dem Radfahrer bei der Radfahrt durch den Drehmomentbeitrag seitens des Elektromotors mit dem Auftreiben des Übersetzers hilft, welche sonst durch das Drehmoment des Radfahrers durch das Treten in die Pedale aufgetrieben wird.
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US 2010 / 0 307 851 A1 betrifft ein motorunterstütztes Antriebssystem für ein Fahrrad.
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Es ist die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, ein Konzept für eine Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrrad anzugeben, welches eine besondere Effizienz und Effektivität ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 8.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrrad offenbart. Die Antriebsvorrichtung weist ein Getriebe auf, welches ausgebildet ist, mit einem Elektromotor gekoppelt zu werden, so dass ein Drehmoment des Elektromotors mittels des Getriebes übersetzbar und auf eine Antriebskomponente des Fahrrads übertragbar ist. Das Getriebe weist zumindest eine erste Getriebestufe und eine zweite Getriebestufe auf. Die Antriebsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Getriebestufe als reines Übersetzungsgetriebe und die zweite Getriebestufe als reines Umlenkgetriebe sind, wobei keine Übersetzung bei der zweiten Getriebestufe stattfindet.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Aufteilung zwischen einer Übersetzung des Drehmoments des Elektromotors und einer Umlenkung des Drehmoments vorgesehen ist. Mit anderen Worten findet mittels der ersten Getriebestufe zuerst eine Übersetzung des Drehmoments vom Elektromotor statt und mittels der zweiten Getriebestufe wird das übersetzte Drehmoment lediglich entsprechend umgelenkt, um auf eine Antriebskomponente des Fahrrads zu wirken. Bei der zweiten Getriebestufe findet keine Übersetzung oder nur mehr eine geringe Übersetzung statt. Mit anderen Worten ist das Drehmoment bei der zweiten Getriebestufe antriebsseitig und abtriebsseitig im Wesentlichen gleich.
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Die Erfindung ermöglicht unter anderem große Dimensionierungen der Verzahnungsbauteile, wodurch die Verwendung von Kunststoff- oder Leichtmetallwerkstoffen (Dichte weniger als ca. 5 g/cm3) an Stelle von herkömmlichen Metallwerkstoffen wie Stahl möglich ist. Beispielsweise kann die zweite Getriebestufe mit großen Wälzkreisdurchmessern ausgelegt werden, beispielsweise sowohl beim Rad als auch beim Ritzel. Durch derartige Werkstoffe weist die Antriebsvorrichtung vergleichsweise weniger Gewicht auf. Weiterhin wird eine günstigere Herstellung ermöglicht, da beispielsweise Kunststoffteile im Spritzgießprozess herstellbar sind. Dies ermöglicht signifikanten Spielraum und Verbesserungspotential bezüglich Wirkungsgrad, Gewicht, Geräuschverhalten, Schmierung, Herstellbarkeit der Verzahnungsteile und damit einhergehende Kosteneinsparungen in der Herstellung und dem Betrieb bei gleichbleibenden Übersetzungsleistungen gegenüber konventionellen Verzahnung, etwa Stahlverzahnungen.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine besonders kompakte Bauweise für die Antriebsvorrichtung ermöglicht ist. Beispielsweise eine Kombination eines Zykloid- oder Harmonic Drive-Getriebes mit dem Umlenkgetriebe, etwa als einfachübersetzendes Getriebe, ermöglicht eine besonders platzsparende und wenig raumgreifende Konstruktion. Dies liegt beispielsweise daran, dass die Dimensionen eines Abtriebs der ersten Getriebestufe und eines Antriebs der zweiten Getriebestufe gleich oder ähnlich sind. Weiterhin wird ermöglicht, dass der Abtrieb der ersten Getriebestufe und der Antrieb der zweiten Getriebestufe als ein Teil ausgelegt werden können.
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Bei einem sogenannten Harmonic Drive-Getriebe handelt es sich um ein Wellgetriebe mit einem elastischen Übertragungselement, das sich durch hohe Übersetzung und Steifigkeit auszeichnet.
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Weiterhin ermöglicht die Erfindung, dass die zweite Getriebestufe als Kronenradgetriebe ausgelegt werden kann, was wiederum ein leichteres Lagerkonzept des Kronenrads und des Ritzels erlaubt, da axiale Kräfte bei diesem Getriebetypen nahezu entfallen.
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Weiterhin wird durch die Erfindung ermöglicht, dass in einer Getriebestufe eine Drehzahlübersetzung und eine Umlenkung kombiniert werden, wie es beispielsweise bei einem Kegelradgetriebe mit Übersetzung der Fall wäre.
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Es ist bei der zweiten Getriebestufe keine Übersetzung vorzusehen, eine geringe Übersetzung wäre auch im Rahmen der Erfindung denkbar, falls bauraumtechnische Anforderungen das verlangen.
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Die zweite Getriebestufe ist beispielsweise am oder im Tretlager- oder Tretlagergetriebe angeordnet.
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Bei einer Umlenkung sind Abtriebs- und Antriebsdrehachsen einer Getriebestufe in einem Winkel zueinander ausgerichtet. Liegt keine Umlenkung vor, so liegen die Drehachsen abtriebsseitig und antriebsseitig koaxial oder zumindest parallel versetzt. Beispielsweise wird eine Umlenkung von 90° erreicht.
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Bei der Antriebskomponente des Fahrrads handelt es sich beispielsweise um eine Tretkurbel beziehungsweise Tretkurbelachse, ein Kettenblatt oder eine Abtriebswelle, an welcher beispielsweise ein Kettenblatt drehfest gekoppelt ist.
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Die beiden Getriebestufen sind nacheinander geschaltet, insbesondere sind die erste und die zweite Stufe direkt miteinander mechanisch gekoppelt. In Ausführungsformen sind genau zwei Getriebestufen vorgesehen, wodurch keine weiteren Stufen vonnöten sind und dadurch unter anderem die Komplexität, Verschleiß et cetera des Getriebes reduziert oder vermieden sind. Beispielsweise sind die Rotationsachsen von Elektromotor und erster Getriebestufe in Fahrtrichtung des Fahrrads ausgerichtet, während die Rotationsachse der zweiten Getriebestufe in Tretlagerachs-Richtung ausgerichtet ist.
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Die Antriebsvorrichtung weist beispielsweise eine Energiespeichervorrichtung auf. Bei der Energiespeichervorrichtung handelt es sich beispielsweise um eine Batterievorrichtung oder eine Akkuvorrichtung. Der Elektromotor ist eingerichtet zum Antreiben des Fahrrads.
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Die Antriebsvorrichtung ist nicht für den Einsatz bei einem Fahrrad beschränkt, sondern ist auch für andere elektrisch angetriebene Fahrzeuge zur Personenbeförderung und/oder zur Lastenbeförderung denkbar, wie bei einem Anhänger, einem Roller und/oder einem Scooter.
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Erfindungsgemäß ist die erste Getriebestufe ein reines Übersetzungsgetriebe. Mit anderen Worten wird keine Umlenkung bewirkt. Dies ermöglicht die obigen Vorteile und Funktionen.
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Erfindungsgemäß ist die die zweite Getriebestufe ein reines Umlenkgetriebe. Es findet folglich keine Übersetzung statt. Beispielsweise handelt es sich um ein Winkelgetriebe oder dergleichen.
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Gemäß einer Ausführungsform sind ein Abtrieb der ersten Getriebestufe und ein Antrieb der zweiten Getriebestufe ein gemeinsames Bauteil. Beispielsweise handelt es sich bei dem Bauteil um ein Kronenrad beziehungsweise ein Kronenzahnrad. Dies trägt dazu bei, dass eine Gesamtgröße und ein Gewicht reduziert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform bewirkt die zweite Getriebestufe maximal ein Übersetzungsverhältnis von 2. Die zweite Getriebestufe sorgt dafür für ein Übersetzungsverhältnis von 2 oder weniger, wodurch diese im Rahmen des vorliegenden Kontexts als im Wesentlichen ein Umlenkgetriebe verstanden wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Getriebestufe ein harmonic drive oder ein Zykloidgetriebe. Gerade derartige Getriebe tragen im besonderen Maße zu den obigen Vorteilen und Funktionen bei. Insbesondere wird dadurch eine besonders kompakte und verschleißarme Bauweise für die Antriebsvorrichtung ermöglicht.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Getriebestufe ein Kronenradgetriebe. Dies ermöglicht die obigen Vorteile und Funktionen. Dadurch werden nur axiale Lasten übertragen. Dies ermöglicht die Verwendung kleinerer Lager. Dadurch wird zu vergleichsweise weniger Gewicht und weniger Kosten beigetragen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Getriebestufe fest mit dem Elektromotor gekoppelt oder integraler Bestandteil des Elektromotors.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Getriebestufe ausgebildet, abtriebsseitig auf eine Tretkurbelachse beziehungsweise Tretkurbel, ein Kettenblatt oder eine Abtriebswelle des Fahrrads zum Antreiben dessen zu wirken. Die Abtriebswelle ist beispielsweise mit einem Kettenblatt drehfest verbunden. Beispielsweise sitzt die zweite Getriebestufe im Tretlager oder im Tretlagergetriebe.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrrad, insbesondere eine Elektrofahrrad, offenbart. Das Fahrrad weist einen Fahrradrahmen mit einem Rahmenabschnitt auf. Der Rahmenabschnitt erstreckt sich beispielsweise zu einem Tretlager und weist beispielsweise einen geschwungenen oder winkligen Verlauf auf. Das Fahrrad weist eine Antriebsvorrichtung nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf, die an oder in dem Rahmenabschnitt angeordnet ist. Die Antriebsvorrichtung ist ausgebildet, ein Drehmoment auf eine Antriebskomponente des Fahrrads zu übertragen. Die Antriebsvorrichtung überträgt das Drehmoment auf ein Kettenblatt, eine Tretkurbel beziehungsweise Tretkurbelachse oder eine Abtriebswelle, an welcher ein Kettenblatt drehfest verbunden ist.
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Das Fahrrad ermöglicht im Wesentlichen die zuvor genannten Vorteile und Funktionen.
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Die Rotationsachsen des Elektromotors und der ersten Getriebestufe verlaufen in axialer Richtung entlang des Rahmenabschnitts.
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Zur Anbringung der Antriebsvorrichtung an dem Rahmenabschnitt weist dieser beispielsweise eine Aussparung aus. Beispielsweise ist der Rahmenabschnitt grundsätzlich hohlförmig, etwa als Rohrkörper, ausgebildet, wobei der Rohrkörper im Bereich der Aussparung teilweise aufgebrochen ist, so dass die Antriebsvorrichtung aufgenommen werden kann. Die Aussparung kann auch so ausgebildet sein, dass der Rahmenabschnitt als Träger verbleibt, wobei der Träger als flaches Profil ausgeführt ist. Es sei angemerkt, dass die Aussparung auch auf der Oberseite des Rahmenabschnitts ausgebildet sein kann.
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Die oben beschriebenen Weiterbildungen bezüglich der Antriebsvorrichtung gelten analog. Die Antriebsvorrichtung weist beispielsweise eine Energiespeichervorrichtung in Form einer Batterievorrichtung oder Akkuvorrichtung auf.
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Bei dem Rahmenabschnitt handelt es sich beispielsweise um das Unterrohr oder das Sitzrohr des Fahrrads.
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Weitere Ausführungsformen, Vorteile und Funktionen werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren erläutert. Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente können in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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In den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Fahrrads mit einer montierten Antriebsvorrichtung,
- 2 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Antriebsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 3 eine schematische Schnittansicht der Antriebsvorrichtung.
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1 zeigt exemplarisch ein schematisches Fahrrad 1, bei welchem es sich um ein Elektrofahrrad handelt. Das Fahrrad 1 hat einen Fahrradrahmen 2, welcher unter anderem durch einen Rahmenabschnitt 3 gebildet ist. Bei dem Rahmenabschnitt 3 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein Unterrohr. Der Rahmenabschnitt 3 beziehungsweise das Unterrohr erstreckt sich vom Steuerrohr (entspricht dem Rahmenabschnitt, an dem das Lenkrad gelagert ist, in 1 nur angedeutet und ohne Bezugszeichen) in Richtung eines Tretlagers 4 und hat einen geschwungenen Verlauf.
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An und/oder in dem Unterrohr 3 ist eine Antriebsvorrichtung 5 angeordnet. Die Antriebsvorrichtung 5 ist beispielsweise in einer Aussparung an einer Unterseite des Unterrohrs 3 montiert. Die Antriebsvorrichtung 5 weist mehrere Komponenten auf, die in der vorliegenden Offenbarung nicht alle im Detail beschrieben werden. Unter anderem umfasst die Antriebsvorrichtung eine Energiespeichervorrichtung 6 in Form einer Batteriespeichervorrichtung beziehungsweise eines Akkus, einen Elektromotor 7 und ein Getriebe 8, die miteinander elektrisch und/oder mechanisch gekoppelt sind. Die Antriebsvorrichtung 5 ist derart am Unterrohr 3 und dem Tretlager 4 angeordnet und ausgebildet, dass diese eine Kraft des Elektromotors 7, der mit Energie der Energiespeichervorrichtung 6 gespeist wird, über das Getriebe 8 auf eine Abtriebswelle zum Antrieb des Fahrrads 1 übertragen kann (nicht dargestellt). Die Abtriebswelle ist beispielsweise drehfest mit einem Kettenblatt zum Antrieb des Fahrrads verbunden. Die Abtriebswelle ist beispielsweise eine Hohlwelle, die um die Tretkurbel herum, d.h. koaxial zur Tretkurbelachse 9, angeordnet ist. Das Fahrrad 1 hat auch eine Tretkurbelachse 9 zum manuellen Antriebs des Fahrrads 1.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass weitere Details des Fahrrads 1 nicht beschrieben werden. Das dargestellte Fahrrad 1 kann andere Ausgestaltungen haben. Auch die Anordnung und Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung 5 ist in anderen Ausführungen andersartig, so lange diese dem Antrieb des Fahrrads 1 dient. Beispielsweise kann diese den Antrieb eines Kettenblattes bewirken. Weiterhin kann die Energiespeichervorrichtung 6 an anderer Stelle platziert sein.
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Nachfolgend wird im Detail die Antriebsvorrichtung 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der 2 und 3 genauer im Folgenden beschrieben. Dabei wird im Wesentlichen auf das Getriebe 8 und die Übertragung des Drehmoments des Elektromotors 7 auf die Antriebskomponente des Fahrrads 1 (Abtriebswelle, Kettenblatt, Tretkurbel, et cetera) eingegangen.
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2 und 3 zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel der Antriebsvorrichtung 5, einmal perspektivisch und einmal in einer Schnittansicht.
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Die Antriebsvorrichtung 5 zeichnet sich dadurch aus, dass das Getriebe 8 zweistufig ausgebildet ist, wobei die erste Getriebestufe 10 ein reines Übersetzungsgetriebe ist, während die zweite Getriebestufe 11 ein reines Umlenkgetriebe ist.
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Die erste Getriebestufe 10 ist als Wellgetriebe (etwa ein Harmonic-Drive Getriebe) ausgebildet und antriebsseitig mit einer Welle 12 des Elektromotors mechanisch fest verbunden. Die erste Getriebestufe 10 kann auch integraler Bestandteil des Elektromotors 7 sein. Die erste Getriebestufe 10 überträgt das Drehmoment des Elektromotors 7 an den Abtrieb 13 der ersten Getriebestufe 10, der als ein Zahnrad, insbesondere ein Kronenrad, ausgebildet ist. Die erste Getriebestufe 10 ist koaxial zum Elektromotor 7 angeordnet, d.h. die Drehachsen beziehungsweise Rotationsachsen der Welle 12 und des Abtriebzahnrads (Abtrieb 13) sind koaxial zueinander.
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Die zweite Getriebestufe 11 ist durch einen Antrieb 14 gebildet, der der Abtrieb 13 der ersten Getriebestufe 10 ist. Damit sind der Abtrieb 13 der ersten Getriebestufe 10 und der Antrieb 14 der zweiten Getriebestufe 11 ein gemeinsames Bauteil. Das auf den Antrieb 14 der zweiten Getriebestufe 11 abgegebene Drehmoment der ersten Stufe 11 wird auf den Abtrieb 15 der zweiten Stufe 11 umgelenkt, der als ein Ritzel ausgebildet ist. Bei der zweiten Getriebestufe 11 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein Winkelgetriebe in Form eines Kronenradgetriebes, bei dem eine Umlenkung um 90° stattfindet. Die zweite Stufe 11 bewirkt keine Übersetzung, sondern lediglich eine Umlenkung des Drehmoments. Über den Abtrieb 15 der zweiten Stufe 11 wird das Drehmoment zum Antrieb des Fahrrads 1 abgegeben.
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Die beschriebene Ausführungsform ermöglicht die eingangs genannten Vorteile und Funktionen.
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Entsprechend der eingangs genannten Varianten kann die beschriebene Antriebsvorrichtung abgewandelt sein. Beispielsweise ist anstelle des Harmonic-Drive Getriebes auch ein Zykloidgetriebe und/oder ein Planetengetriebe denkbar, insbesondere ein Getriebe, bei dem Antrieb und Antrieb koaxial angeordnet sind. Auch kann bei der zweiten Getriebestufe 11 ein kleines Übersetzungsverhältnis von maximal 2 vorliegen, wenn dies bauraumtechnisch nötig wäre.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrrad
- 2
- Fahrradrahmen
- 3
- Rahmenabschnitt
- 4
- Tretlager
- 5
- Antriebsvorrichtung
- 6
- Energiespeichervorrichtung
- 7
- Elektromotor
- 8
- Getriebe
- 9
- Tretkurbelachse
- 10
- erste Getriebestufe
- 11
- zweite Getriebestufe
- 12
- Welle
- 13
- Abtrieb der ersten Getriebestufe
- 14
- Antrieb der zweiten Getriebestufe
- 15
- Abtrieb der zweiten Getriebestufe
