DE102020200677A1

DE102020200677A1 - Drive device for a bicycle driven by muscle power with an electrical auxiliary drive and method for controlling the drive device

Info

Publication number: DE102020200677A1
Application number: DE102020200677.6A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Doerr; Kim Führer; Peter Ziemer; Christoph Margraf; Hagen Doepfert; Thomas Riedisser; Reinhard Deppert
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-07-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrrad mit einem elektrischen Hilfsantrieb (2), umfassend eine Antriebseinheit (1) mit einem durch eine Schalteinrichtung (6) schaltbaren Tretlagergetriebe (3), das sowohl durch wenigstens eine mit einer Tretkurbelwelle (4) wirkverbundene Tretkurbel (5) als auch durch den Hilfsantrieb (2) mit einem jeweiligen Antriebsdrehmoment beaufschlagbar ist, ferner umfassend eine Sensorik (7) zur Erfassung von antriebsspezifischen Zustandsgrößen der Antriebseinheit (1), wobei die Sensordaten der Sensorik (7) an eine Auswerte- und Steuereinrichtung (8) übermittelbar sind, die dazu eingerichtet ist, einen Schaltbefehl zu empfangen und anhand der erfassten antriebsspezifischen Zustandsgrößen einen optimalen Schaltzeitpunkt zu bestimmen und die Schalteinrichtung (6) in Abhängigkeit des optimalen Schaltzeitpunkts zu steuern. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Antriebsvorrichtung sowie ein Fahrrad mit einer solchen Antriebsvorrichtung.The invention relates to a drive device for a bicycle driven by muscle power with an electrical auxiliary drive (2), comprising a drive unit (1) with a bottom bracket gear (3) which can be shifted by a shifting device (6) and which is supported by at least one with a pedal crankshaft (4) The operationally connected pedal crank (5) as well as the auxiliary drive (2) can be acted upon with a respective drive torque, further comprising a sensor system (7) for the detection of drive-specific state variables of the drive unit (1), the sensor data of the sensor system (7) being transmitted to an evaluation and control device (8) can be transmitted which is set up to receive a switching command and to determine an optimal switching time based on the detected drive-specific state variables and to control the switching device (6) as a function of the optimal switching time. The invention also relates to a method for controlling the drive device and a bicycle with such a drive device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrrad mit einem elektrischen Hilfsantrieb sowie ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Antriebsvorrichtung. Ein weiterer Anspruch ist auf ein Fahrrad mit der vorstehend genannten Antriebsvorrichtung gerichtet.The invention relates to a drive device for a bicycle driven by muscle power with an electrical auxiliary drive and a method for controlling such a drive device. Another claim is directed to a bicycle with the aforementioned drive device.

Beispielsweise ist aus der EP 2 862 788 A1 eine Steuereinheit zur Verwendung in einem von einem Fahrer antreibbaren Fahrrad bekannt. Das Fahrrad umfasst eine elektrische Antriebseinheit, eine durch Muskelkraft betreibbare mechanische Antriebseinheit, und mindestens ein durch mindestens ein Schaltmittel schaltbares Getriebe. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, das Schaltmittel und die elektrische Antriebseinheit zu steuern. Das schaltbare Getriebe ist dazu ausgebildet, ein von dem Fahrer auf die mechanische Antriebseinheit aufgebrachtes erstes Drehmoment in ein zweites Drehmoment umzusetzen. Das Fahrrad ist unter Wirkung des zweiten Drehmoments und eines von der elektrischen Antriebseinheit aufgebrachten dritten Drehmoments bewegbar.For example, from the EP 2 862 788 A1 a control unit for use in a bicycle that can be driven by a rider is known. The bicycle comprises an electric drive unit, a mechanical drive unit that can be operated by muscle power, and at least one transmission that can be shifted by at least one switching means. The control unit is designed to control the switching means and the electric drive unit. The shiftable transmission is designed to convert a first torque applied by the driver to the mechanical drive unit into a second torque. The bicycle can be moved under the action of the second torque and a third torque applied by the electric drive unit.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antriebsvorrichtung für ein muskelbetriebenes Fahrrad mit einem Hilfsantrieb vorzuschlagen, das einen Bauteil schonenden Schaltvorgang realisiert. Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figur.The object of the present invention is to propose a drive device for a muscle-powered bicycle with an auxiliary drive that implements a switching process that is gentle on the components. The object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims, the following description and the figure.

Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrrad mit einem elektrischen Hilfsantrieb umfasst eine Antriebseinheit mit einem durch eine Schalteinrichtung schaltbaren Tretlagergetriebe, das sowohl durch wenigstens eine mit einer Tretkurbelwelle wirkverbundene Tretkurbel als auch durch den elektrischen Hilfsantrieb mit einem jeweiligen Antriebsdrehmoment beaufschlagbar ist, ferner umfassend eine Sensorik zur Erfassung von antriebsspezifischen Zustandsgrößen der Antriebseinheit, wobei die Sensordaten der Sensorik an eine Auswerte- und Steuereinrichtung übermittelbar sind, die dazu eingerichtet ist, einen Schaltbefehl zu empfangen und anhand der erfassten antriebsspezifischen Zustandsgrößen einen optimalen Schaltzeitpunkt zu bestimmen und die Schalteinrichtung in Abhängigkeit des optimalen Schaltzeitpunkts zu steuern.A drive device according to the invention for a bicycle driven by muscle power with an electrical auxiliary drive comprises a drive unit with a bottom bracket gear which can be switched by a switching device and which can be acted upon with a respective drive torque by at least one pedal crank that is operatively connected to a pedal crankshaft as well as by the electrical auxiliary drive, further comprising a Sensor system for the detection of drive-specific state variables of the drive unit, the sensor data of the sensor system being able to be transmitted to an evaluation and control device which is set up to receive a switching command and to determine an optimal switching point in time based on the recorded drive-specific state variables and the switching device as a function of the optimal one To control switching time.

Die Antriebsvorrichtung ist somit insbesondere als Mittelmotorantrieb ausgebildet, wobei die Summe des über die Tretkurbelwelle mechanisch eingebrachten ersten Antriebsdrehmoments sowie des mittels des elektrischen Hilfsantriebs eingebrachten zweiten Antriebsdrehmoments in Summe ein Gesamtantriebsdrehmoment ergibt, welches über das Tretkurbelgetriebe beispielsweise über ein Ritzel und eine Antriebskette zu wengistens einem Hinterrad des Fahrrads weitergeleitet wird, um das Fahrrad entsprechend fortzubewegen. Das Gesamtantriebsdrehmoment besteht somit aus einem aus Muskelkraft mechanisch eingebrachten Antriebsdrehmoment sowie aus einem Motordrehmoment des elektrischen Hilfsantriebs. Der Hilfsantrieb ist beispielsweise ein Elektroantrieb bzw. eine elektrische Maschine, die durch eine Energieversorgungseinheit, z.B. eine Batterie oder einen Akku, mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei die elektrische Maschine einen stationär an einem Gehäuse festgelegten Stator und einen relativ dazu drehantreibbaren Rotor umfasst. Das Eingangsdrehmoment des elektrischen Hilfsantriebs ist demnach das von dem Rotor erzeugte Drehmoment, das in geeigneter Weise in das Tretlagergetriebe eingeleitet wird.The drive device is thus designed in particular as a mid-motor drive, the sum of the first drive torque mechanically introduced via the crankshaft and the second drive torque introduced by means of the electrical auxiliary drive totaling a total drive torque which, via the crank mechanism, for example, a pinion and a drive chain to at least one rear wheel of the bike is forwarded to move the bike accordingly. The total drive torque thus consists of a drive torque mechanically introduced from muscle power and a motor torque of the electrical auxiliary drive. The auxiliary drive is, for example, an electric drive or an electric machine that is supplied with electrical energy by an energy supply unit, e.g. a battery or a rechargeable battery, the electrical machine comprising a stator fixed to a housing in a stationary manner and a rotor which can be driven in rotation relative thereto. The input torque of the electrical auxiliary drive is accordingly the torque generated by the rotor, which is introduced into the bottom bracket transmission in a suitable manner.

Die Sensorik zur Erfassung der antriebsspezifischen Zustandsgrößen umfasst einen, bevorzugt mehrere Sensoren, der bzw. die an der Schalteinrichtung, am Hilfsantrieb, am Tretlagergetriebe und/oder an der Tretkurbel angeordnet sein können. Der oder die Sensoren an der Schalteinrichtung können insbesondere die Winkelposition einer Schaltwalze der Schalteinrichtung und/oder die Position von mit der Schaltwalze wirkverbundenen Schaltklinken relativ zur Schaltwalze detektieren. Jedoch ist auch denkbar, die Position der Schaltwalze ohne einen oder mehrere Sensoren zu erfassen. Es ist dabei möglich, die Schaltwalzenposition durch das Anfahren eines Nullpunkts, beispielsweise einem Endanschlag zu erfassen. Dabei kann sich bei Erreichen des Endanschlags ein Motorstrom eines die Schaltwalze in eine Rotation versetzenden Aktuators erhöhen, sodass dadurch eine Referenz zur Bestimmung eines Nullpunkts der Schaltwalze gesetzt wird. Die Erhöhung des Motorstroms wird dabei von der Auswerte- und Steuereinrichtung erkannt.The sensor system for detecting the drive-specific state variables comprises one, preferably several sensors, which can be arranged on the switching device, on the auxiliary drive, on the bottom bracket gear and / or on the pedal crank. The sensor (s) on the shifting device can in particular detect the angular position of a shift drum of the shifting device and / or the position of shift pawls that are operatively connected to the shift drum relative to the shift drum. However, it is also conceivable to detect the position of the shift drum without one or more sensors. It is possible to detect the shift drum position by approaching a zero point, for example an end stop. When the end stop is reached, a motor current of an actuator that sets the shift drum into rotation can increase, so that a reference for determining a zero point of the shift drum is set. The increase in the motor current is recognized by the evaluation and control device.

Der oder die Sensoren am elektrischen Hilfsantrieb können das Antriebs- bzw. Eingangsdrehmoment des Hilfsantriebs und/oder die Drehzahl des Rotors oder einer damit wirkverbundenen Welle detektieren. Der oder die Sensoren am Tretlagergetriebe können außerdem die Drehzahl der vom Fahrradfahrer mit Muskelkraft angetriebenen Tretkurbel und/oder das vom Fahrradfahrer eingebrachte Antriebs- bzw. Eingangsdrehmoment erfassen. Zudem kann ein Ausgangsdrehmoment bzw. ein Abtriebsdrehmoment bzw. das Gesamtantriebsdrehmoment am Tretlagergetriebe erfasst werden. Des Weiteren kann der oder die Sensoren an wenigstens einer Tretkurbel des Fahrrads angeordnet sein, um eine Kurbelposition bzw. einen Kurbeldrehwinkel der jeweiligen Tretkurbel zu bestimmen. Demnach umfasst die Sensorik vorzugsweise wengistens einen Lagesensor, einen Drehwinkelsensor, einen Wegsensor, einen Drehmomentsensor und/oder einen Drehzahlsensor.The sensor or sensors on the electrical auxiliary drive can detect the drive or input torque of the auxiliary drive and / or the speed of the rotor or a shaft that is operatively connected to it. The sensor or sensors on the bottom bracket gear can also detect the speed of the pedal crank driven by the cyclist with muscle power and / or the drive or input torque introduced by the cyclist. In addition, an output torque or an output torque or the total drive torque on the bottom bracket gear can be recorded. Furthermore, the sensor or sensors can be arranged on at least one pedal crank of the bicycle in order to determine a crank position or a crank angle of rotation of the respective pedal crank. Accordingly, the sensor system preferably comprises at least one position sensor, one Angle of rotation sensor, a displacement sensor, a torque sensor and / or a speed sensor.

Unter antriebsspezifischen Zustandsgrößen sind vorzugsweise eine Drehzahl einer Antriebswelle des Hilfsantriebs und/oder der Tretkurbelwelle, ein Eingangsdrehmoment des Hilfsantriebs und/oder der Tretkurbelwelle, ein Abtriebsdrehmoment des Tretlagergetriebes, eine Kurbelposition der jeweiligen Tretkurbel und/oder eine aktuelle Gangstufe des Tretlagergetriebes zu verstehen, wobei diese Zustandsgrößen durch einen der vorgenannten Sensoren oder durch Kombination von mehreren der vorgenannten Sensoren erfassbar sind.Drive-specific state variables are preferably a speed of a drive shaft of the auxiliary drive and / or the pedal crankshaft, an input torque of the auxiliary drive and / or the pedal crankshaft, an output torque of the pedal bearing, a crank position of the respective pedal crank and / or a current gear stage of the pedal bearing State variables can be detected by one of the aforementioned sensors or by a combination of several of the aforementioned sensors.

Das Tretkurbelgetriebe ist mittels der Schalteinrichtung schaltbar, wobei ein Schaltbefehl, der als Befehlssignal an die Auswerte- und Steuereinrichtung gesendet wird, von der Auswerte- und Steuereinrichtung empfangen und ausgewertet wird, wobei in Folge des Schaltbefehles ein optimaler Schaltzeitpunkt der Schalteinrichtung ermittelt wird und ein Schaltvorgang des Tretkurbelgetriebes durch einen entsprechenden Befehl an die Schalteinrichtung entsprechend umgesetzt bzw. ausgeführt wird. Mit anderen Worten besteht die Steuerung der Schalteinrichtung unter anderem in der Durchführung eines Wechsels von einer Gangstufe in eine andere Gangstufe, wobei das Tretkurbelgetriebe vorzugsweise mehrere Gangstufen umfasst. Unter der jeweiligen Gangstufe ist in diesem Zusammenhang eine bestimmte Übersetzung des Tretkurbelgetriebes zu verstehen, wobei durch einen Gangwechsel in bekannter Weise von einer Gangstufe mit einer ersten Übersetzung in eine weitere Gangstufe mit einer höheren bzw. einer niedrigeren Übersetzungsstufe gewechselt wird.The pedal crank gear can be shifted by means of the shifting device, with a shift command, which is sent as a command signal to the evaluation and control device, being received and evaluated by the evaluation and control device, with an optimal shift time of the shifting device being determined as a result of the shift command and a shifting process of the pedal crank gear is implemented or executed accordingly by a corresponding command to the switching device. In other words, the control of the switching device consists, inter alia, in the implementation of a change from one gear stage to another gear stage, the pedal crank gear preferably comprising several gear stages. In this context, the respective gear stage is to be understood as a specific gear ratio of the pedal crank gear, with a gear change in a known manner from a gear stage with a first gear ratio to a further gear stage with a higher or a lower gear stage.

Das Fahrrad weist Mittel auf, um den Schaltbefehl an die Auswerte- und Steuereinrichtung zu übermitteln. Vorzugsweise umfasst die Antriebsvorrichtung einen Schalter, der dazu ausgebildet ist, durch manuelle Betätigung den Schaltbefehl zur Auswerte- und Steuereinrichtung zu übermitteln. Der Schaltbefehl wird folglich vom Schalter an die Auswerte- und Steuereinrichtung gesendet. Am Lenker des Fahrrades ist beispielsweise eine Betätigungsmöglichkeit gegeben, durch dessen Betätigung der Schaltbefehl erzeugt und entsprechend an die Auswerte- und Steuereinrichtung gesendet werden kann. Der Schalter kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass eine gewünschte Gangstufe beliebig wählbar ist. Insbesondere ist denkbar, dass über den Schaltbefehl eine nächsthöhere Gangstufe oder eine nächstniedrigere Gangstufe wählbar ist, oder dass mehrere Gangstufen übersprungen werden. Der Schalter kann als Drückknopf, Trigger oder als Drehhebel ausgebildet sein, wobei auch weitere Mittel zur Übermittlung des Schaltbefehls an die Auswerte- und Steuereinrichtung denkbar sind.The bicycle has means to transmit the shift command to the evaluation and control device. The drive device preferably comprises a switch which is designed to transmit the switching command to the evaluation and control device by manual actuation. The switch command is consequently sent from the switch to the evaluation and control device. On the handlebars of the bicycle, for example, there is an actuation option, through the actuation of which the switching command can be generated and sent accordingly to the evaluation and control device. The switch can in particular be designed in such a way that any desired gear step can be selected. In particular, it is conceivable that a next higher gear step or a next lower gear step can be selected via the shift command, or that several gear steps are skipped. The switch can be designed as a push button, trigger or as a rotary lever, further means for transmitting the switching command to the evaluation and control device are also conceivable.

Alternativ ist ein Automatikbetrieb bzw. ein wenigstens (teil-)automatisierter Fahrbetrieb des Fahrrades möglich, wobei dazu eine Steuerungselektronik vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, beispielsweise ein Eingangsdrehmoment des Hilfsantriebs und/oder ein Eingangsdrehmoment aus der Tretkurbelwelle zu überwachen und anhand dieser Informationen bzw. Daten einen Schaltbefehl zu generieren und diesen an die Auswerte- und Steuereinrichtung zu senden.Alternatively, an automatic mode or an at least (partially) automated driving mode of the bicycle is possible, with control electronics being provided that are set up to monitor, for example, an input torque of the auxiliary drive and / or an input torque from the crankshaft and based on this information or Generate a switching command data and send this to the evaluation and control device.

Infolge des Schaltbefehls wird ein Gangwechsel von einer ersten Gangstufe mit einem ersten Übersetzungsverhältnis des Tretlagergetriebes in eine zweite Gangstufe mit einem zweiten Übersetzungsverhältnis eingeleitet. Bei Gangwechseln können Drehmomentspitzen auftreten, die zu hohem Verschleiß und deshalb zu einer kürzeren Lebensdauer der antriebsrelevanten Bauteile der Antriebsvorrichtung führen können. Um den Verschleiß zu reduzieren, werden die von der Sensorik erfassten antriebsspezifischen Zustandsgrößen verwendet, um einen Gangwechsel durch Ermittlung eines optimalen Schaltzeitpunkts möglichst lastfrei zu gestalten.As a result of the shift command, a gear change is initiated from a first gear stage with a first gear ratio of the bottom bracket transmission to a second gear stage with a second gear ratio. When changing gears, torque peaks can occur, which can lead to high wear and therefore to a shorter service life of the drive-related components of the drive device. In order to reduce wear, the drive-specific state variables recorded by the sensors are used to make a gear change as load-free as possible by determining an optimal shift point.

Dazu wird beispielsweise die genaue Position bzw. der genaue Drehwinkel der jeweiligen Tretkurbel oder der Tretkurbelwelle bestimmt. Anhand dieser Geometriedaten sowie unter Berücksichtigung der vorliegenden Antriebsdrehmomente kann von der Auswerte- und Steuereinrichtung für jede Gangstufe der genaue Zeitpunkt bzw. ein exakter Schaltweg bestimmt werden, ab wann der Gangwechsel mittels der Schalteinrichtung zu erfolgen hat. Dadurch können die Schaltvorgänge besonders verschleißarm realisiert werden.For this purpose, for example, the exact position or the exact angle of rotation of the respective pedal crank or the pedal crankshaft is determined. On the basis of this geometric data and taking into account the drive torques present, the evaluation and control device can determine the exact point in time or an exact shift path from when the gear change has to take place by means of the shift device for each gear step. As a result, the switching processes can be implemented with a particularly low level of wear.

Jede Tretkurbel ist zum mit Muskelkraft erfolgenden Antrieb des Fahrradantriebs um 360° drehbar bzw. manuell drehantreibbar, wobei eine Tretkurbelposition der Tretkurbel von 0° dann vorliegt, wenn die erste Tretkurbel ausgehend von der Pedalachse bzw. der Tretkurbelwelle vertikal nach oben absteht. Gleichzeitig liegt die zweite Tretkurbel in bekannter Weise gegenüber zur ersten Tretkurbel bei einer Tretkurbelposition von 180° vor, also wenn die zweite Tretkurbel ausgehend von der Pedalachse bzw. der Tretkurbelwelle vertikal nach unten absteht. Bei einer jeweiligen Tretkurbelposition von 0° bzw. 180° ist mangels Hebelarmes kein Drehmoment durch die Tretkurbeln auf das Tretlagergetriebe übertragbar. Mithin liegt kein oder nur ein geringfügiges aus Muskelkraft resultierendes Antriebsdrehmoment am Tretkurbelgetriebe an.Each pedal crank can be rotated through 360 ° or manually driven to rotate by means of muscle power, the pedal crank position being 0 ° when the first pedal crank protrudes vertically upwards from the pedal axis or the pedal crankshaft. At the same time, the second pedal crank is in a known manner opposite the first pedal crank at a pedal crank position of 180 °, that is, when the second pedal crank protrudes vertically downwards from the pedal axis or the pedal crankshaft. With a respective pedal crank position of 0 ° or 180 °, no torque can be transmitted through the pedal cranks to the bottom bracket transmission due to the lack of a lever arm. As a result, there is little or no drive torque resulting from muscle power on the crank mechanism.

Bei einer Vorwärtsfahrt des Fahrrades wird das erste Pedal vom Fahrradfahrer derart angetreten, dass die damit verbundene erste Tretkurbel aufgrund der darauf einwirkenden Schubbelastung durch den Fahrradfahrer in Fahrtrichtung nach vorne verschwenkt. Bei einer Tretkurbelposition von 90°, also wenn die erste Tretkurbel horizontal in Fahrtrichtung nach vorne ausgerichtet ist, ist der Hebelarm am größten, sodass bei konstanter Tretkraft des Fahrradfahrers bei der Tretkurbelposition von 90° ein erstes maximales Drehmoment auf das Tretkurbelgetriebe einwirkt. Gleichzeitig verschwenkt die zweite Tretkurbel nach hinten von einer Tretkurbelposition von 180° zu einer Tretkurbelposition von 270°, wobei dabei auf die zweite Tretkurbel eine Zugbelastung durch den Fahrradfahrer einwirkt, die bei der Tretkurbelposition von 270° ein zweites maximales Drehmoment erzeugt. Die Zugbelastung kann insbesondere dann eingebracht werden, wenn die Beine des Fahrradfahrers mit den Pedalen der Tretkurbeln wirkverbunden sind. Dies kann beispielsweise durch fest mit den Pedalen verbundene Schuhe erfolgen. Somit kann ein optimaler Schaltzeitpunkt insbesondere dann gegeben sein, wenn die Tretkurbeln aufgrund des geringen Antriebsdrehmoments in oder bei einer Tretkurbelposition von 0° bzw. 180° vorliegen. Anders gesagt ist ein optimaler Schaltzeitpunkt insbesondere dann gegeben, wenn ein Gangwechsel besonders lastarm, im Optimalfall lastfrei eingeleitet und durchgeführt werden kann.When the bicycle is traveling forwards, the first pedal is pressed by the cyclist in such a way that the first pedal crank connected to it is forward in the direction of travel due to the thrust load acting on it by the cyclist pivoted. At a pedal crank position of 90 °, i.e. when the first pedal crank is oriented horizontally forward in the direction of travel, the lever arm is greatest, so that with constant pedaling force of the cyclist at the pedal crank position of 90 °, a first maximum torque acts on the pedal crank gear. At the same time, the second pedal crank swings backwards from a pedal crank position of 180 ° to a pedal crank position of 270 °, whereby a tensile load from the cyclist acts on the second pedal crank, which generates a second maximum torque at the pedal crank position of 270 °. The tensile load can be applied in particular when the legs of the cyclist are operatively connected to the pedals of the cranks. This can be done, for example, by shoes that are firmly connected to the pedals. Thus, an optimal switching point in time can be given in particular when the pedal cranks are in or at a pedal crank position of 0 ° or 180 ° due to the low drive torque. In other words, an optimal switching point in time is given, in particular, when a gear change can be initiated and carried out with a particularly low load, in the best case without load.

Vorzugsweise umfasst die Schalteinrichtung eine Schaltwalze zur Einstellung einer Gangstufe des Tretlagergetriebes. Die Schaltwalze ist insbesondere dazu ausgebildet, eine oder mehrere Schaltklinken zu betätigen, die in Richtung der Schaltwalze vorgespannt ist bzw. sind. Dazu ist die Schaltwalze insbesondere elektrisch von der Auswerte- und Steuereinrichtung steuerbar bzw. zumindest mittelbar mittels eines Aktuators um dessen Längsachse drehantreibbar. Je nach Drehwinkel der Schaltwalze werden eine oder mehrere Schaltklinken derart betätigt, dass ein gewünschter Gang am Tretlagergetriebe eingestellt wird bzw. ein Gangwechsel von einer Gangstufe in eine andere Gangstufe erfolgt. Im Kontaktbereich zu den jeweiligen Schaltklinken weist die Schaltwalze eine derartige Außenumfangsgeometrie auf, die die jeweilige Schaltklinke je nach Drehwinkel der Schaltwalze relativ zur Längsachse von der Schaltwalze wegdrücken oder durch Entspannung der Vorspannungselemente eine Bewegung der Schaltklinken zur Längsachse zulassen. Anders gesagt weist die Schaltwalze in der Kontaktfläche zur jeweiligen Schaltklinke am Umfang abwechselnd verteilte Vorsprünge und Täler auf, an denen die vorgespannten Schaltklinken bei einer Betätigung bzw. Rotation der Schaltwalze abgleiten.The shifting device preferably comprises a shift drum for setting a gear stage of the bottom bracket transmission. The shift drum is designed, in particular, to actuate one or more shift pawls that are pretensioned in the direction of the shift drum. For this purpose, the shift drum can be controlled in particular electrically by the evaluation and control device or at least indirectly driven to rotate about its longitudinal axis by means of an actuator. Depending on the angle of rotation of the shift drum, one or more shift pawls are actuated in such a way that a desired gear is set on the bottom bracket gear or a gear change takes place from one gear to another. In the contact area to the respective pawls, the shift drum has such an outer circumferential geometry that, depending on the angle of rotation of the shift drum relative to the longitudinal axis, push the respective shift pawl away from the shift drum or allow the shift pawls to move towards the longitudinal axis by relieving the biasing elements. In other words, in the contact surface with the respective pawl, the shift drum has projections and valleys alternately distributed on the circumference, on which the pretensioned shift pawls slide when the shift drum is actuated or rotated.

Je mehr Schaltklinken die Schalteinrichtung aufweist, desto größer ist die Anzahl der möglichen Gangstufen bzw. der verschiedenen Übersetzungen des Tretlagergetriebes. Somit ist die Schaltwalze insbesondere dazu eingerichtet, eine Übersetzung des Tretlagergetriebes einzustellen. Die erforderliche Verdrehwinkel der Schaltwalze zur Betätigung der Schaltklinken kann sowohl gleich groß als auch unterschiedlich groß gewählt werden. Dies ist in der Auswerte- und Steuereinrichtung entsprechend hinterlegt und somit bekannt. Durch die Sensorik kann zudem ein Drehwinkel der Schaltwalze bestimmt werden. Durch Bestimmung des Drehwinkels der Schaltwalze können somit wenigstens mittelbar Information über die aktuelle Gangstufe gewonnen werden. Alternativ ist denkbar, dass die Schalteinrichtung eine Ketten- oder Nabenschaltung zur Einstellung einer Gangstufe des Tretlagergetriebes umfasst, wobei die Ketten- oder Nabenschaltung dabei elektrisch oder mechanisch, beispielsweise durch einen Seilzug, betätigbar ausgebildet ist.The more pawls the shifting device has, the greater the number of possible gear steps or the different ratios of the bottom bracket gear. Thus, the shift drum is set up in particular to set a translation of the bottom bracket gear. The required angle of rotation of the shift drum for actuating the pawls can be selected to be either the same or different. This is stored accordingly in the evaluation and control device and is therefore known. The sensor system can also determine an angle of rotation of the shift drum. By determining the angle of rotation of the shift drum, information about the current gear step can thus be obtained at least indirectly. Alternatively, it is conceivable that the shifting device comprises a chain or hub gear for setting a gear stage of the bottom bracket transmission, the chain or hub gear being designed to be electrically or mechanically actuated, for example by a cable.

Vorzugsweise ist die Auswerte- und Steuereinrichtung dazu ausgebildet, ein Eingangsdrehmoment des elektrischen Hilfsantriebs zu steuern. Unter einer Steuerung des Eingangsdrehmoments des elektrischen Hilfsantriebs ist ein Motoreingriff zu verstehen, bei dem das Eingangsdrehmoment des Rotors erhöht oder reduziert wird. Insbesondere wird während des Schaltvorgangs ein Gegenmoment an der Antriebsseite des Tretlagergetriebes erzeugt, welches vorteilhafterweise so hoch ist, wie das Muskelkraftmoment an der Tretkurbelwelle. Mithin wird das Tretlagergetriebe in einen annähernd lastfreien Zustand versetzt, sodass der Schaltvorgang möglichst schonend erfolgt. Die Auswerte- und Steuereinrichtung ist nach Eingang des Schaltbefehles und vor der Einleitung des Schaltvorgangs folglich in der Lage, ein Antriebsdrehmoment des elektrischen Hilfsantriebs anzupassen, um den Schaltvorgang möglichst lastfrei zu gestalten.The evaluation and control device is preferably designed to control an input torque of the electrical auxiliary drive. A control of the input torque of the electrical auxiliary drive is to be understood as an engine intervention in which the input torque of the rotor is increased or reduced. In particular, during the shifting process, a counter-torque is generated on the drive side of the bottom bracket gear, which is advantageously as high as the muscle power torque on the pedal crankshaft. As a result, the bottom bracket gear is put in an almost load-free state, so that the shifting process takes place as gently as possible. After receiving the switching command and before initiating the switching process, the evaluation and control device is consequently able to adapt a drive torque of the electrical auxiliary drive in order to make the switching process as load-free as possible.

Bevorzugt wird ein Eingangsdrehmoment des elektrischen Hilfsantriebs während des Schaltvorganges reduziert. Insbesondere wenn eine Tretkurbelposition der Tretkurbeln von 0° bzw. 180° vorliegt, kann das Eingangsdrehmoment des Hilfsantriebs vor oder während des Schaltvorgangs zusätzlich reduziert werden. Dadurch wird der Schaltvorgang lastfrei gestaltet. Zudem kann ein Zeitpunkt für das anschließende Erhöhen des Eingangsdrehmoments des elektrischen Hilfsantriebs ermittelt werden. Anders gesagt kann ein Zeitpunkt für einen erneuten Motoreingriff des Hilfsantriebs angepasst werden.An input torque of the electrical auxiliary drive is preferably reduced during the switching process. In particular, if the pedal crank position is 0 ° or 180 °, the input torque of the auxiliary drive can be additionally reduced before or during the shifting process. As a result, the switching process is made load-free. In addition, a point in time for the subsequent increase in the input torque of the electrical auxiliary drive can be determined. In other words, a point in time for a renewed engine intervention of the auxiliary drive can be adapted.

Ferner bevorzugt wird ein negatives Eingangsdrehmoment des elektrischen Hilfsantriebs während eines Schaltvorganges erzeugt. Unter einem negativen Eingangsdrehmoment ist ein dem Antriebsdrehmoment aus den Tretkurbeln entgegenwirkendes Antriebsdrehmoment zu verstehen, welches das Gesamtantriebsdrehmoment reduziert. Anders gesagt wirken das Antriebsdrehmoment aus dem Hilfsantrieb und das Antriebsdrehmoment aus den Tretkurbeln in entgegengesetzte Richtungen. Ein solches Vorgehen ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein optimaler Schaltzeitpunkt zu einem solchen Zeitpunkt gewählt wird, an dem die Tretkurbelposition der Tretkurbeln nicht bei im Wesentlichen 0° bzw. 180° vorliegen. Somit kann der Schaltvorgang in einer beliebigen Kurbelposition der Tretkurbeln eingeleitet und die Schalteinrichtung entsprechend gesteuert werden. Zudem wird ein Schaltvorgang für den Fahrradfahrer besonders weich gestaltet, obwohl der Schaltvorgang unter Belastung des Tretlagergetriebes durch die Tretkurbelwelle erfolgt.Furthermore, a negative input torque of the electrical auxiliary drive is preferably generated during a switching process. A negative input torque is to be understood as a drive torque which counteracts the drive torque from the pedal cranks and which reduces the overall drive torque. In other words, the drive torque from the auxiliary drive and the drive torque from the pedal cranks work in opposite directions. Such a procedure is particularly advantageous if if an optimal switching point in time is selected at such a point in time at which the pedal crank position of the pedal cranks is not essentially at 0 ° or 180 °. The switching process can thus be initiated in any crank position of the pedal cranks and the switching device can be controlled accordingly. In addition, a shifting process is made particularly soft for the cyclist, although the shifting process takes place under load on the bottom bracket transmission by the pedal crankshaft.

Alternativ ist die Auswerte- und Steuereinrichtung dazu ausgebildet, ein Abtriebsdrehmoment des Tretlagergetriebes zu steuern. Unter einer Steuerung des Abtriebsdrehmoments des Tretlagergetriebes ist ein Motoreingriff zu verstehen, bei dem das Abtriebsdrehmoment am Tretlagergetriebe erhöht oder reduziert wird. Mit anderen Worten kann ein zusätzliches Abtriebsdrehmoment in Richtung des durch Muskelkraft in die Tretkurbelwelle eingeleiteten Muskelkraftmoments erzeugt werden, um das Tretlagergetriebe durch das Aufbringen des Abtriebsdrehmoments während des Schaltvorgangs in einen annähernd lastfreien Zustand zu versetzen, sodass der Schaltvorgang möglichst schonend erfolgt. Die Auswerte- und Steuereinrichtung ist nach Eingang des Schaltbefehles und vor der Einleitung des Schaltvorgangs folglich in der Lage, ein Abtriebsdrehmoment des Tretlagergetriebes anzupassen, um den Schaltvorgang möglichst lastfrei zu gestalten.Alternatively, the evaluation and control device is designed to control an output torque of the bottom bracket gear. Controlling the output torque of the bottom bracket gear is to be understood as an engine intervention in which the output torque on the bottom bracket gear is increased or reduced. In other words, an additional output torque can be generated in the direction of the muscle force introduced into the crankshaft by muscle power in order to put the bottom bracket gearbox into an approximately load-free state by applying the output torque during the shifting process, so that the shifting process takes place as gently as possible. After receiving the shift command and before initiating the shifting process, the evaluation and control device is consequently able to adjust an output torque of the bottom bracket transmission in order to make the shifting process as load-free as possible.

Der Auswerte- und Steuereinrichtung werden über die Sensorik die antriebsspezifischen Zustandsgrößen bereitgestellt, woraus die Auswerte- und Steuereinrichtung bestimmen kann, welche Gangstufe aktuell vorliegt. Zudem kann sie anhand der Drehrichtung der jeweiligen drehenden Bauteile bestimmen, welche Gangstufe als nächstes und zu welchem Schaltzeitpunkt eingelegt werden soll. Mit anderen Worten ist die Auswerte- und Steuereinrichtung dazu ausgebildet, den Motoreingriff des Hilfsantriebs und/oder den Schaltvorgang der Schalteinrichtung gangstufenindividuell durchzuführen. Durch die von der Auswerte- und Steuereinrichtung bestimmten Gangstufeninformationen ist folglich eine Elektrifizierung und Automatisierung der Schaltung des Tretlagergetriebes möglich. Zudem kann durch die Auswerte- und Steuereinrichtung nicht nur der optimale Schaltzeitpunkt bestimmt werden, sondern der Schaltvorgang kann ferner herausgezögert oder beschleunigt werden. Ferner kann über die Lebensdauer der Vorrichtung der Verschleiß von Schaltklauen, Rollenfreiläufen, Schaltzügen etc. der Antriebsvorrichtung von der Auswerte- und Steuereinrichtung festgestellt werden und damit die Schaltvorgänge entsprechend gestaltet werden.The drive-specific state variables are made available to the evaluation and control device via the sensor system, from which the evaluation and control device can determine which gear step is currently present. In addition, based on the direction of rotation of the respective rotating components, it can determine which gear step is to be engaged next and at which shift time. In other words, the evaluation and control device is designed to carry out the engine intervention of the auxiliary drive and / or the shifting process of the shifting device for individual gear stages. The gear step information determined by the evaluation and control device consequently enables electrification and automation of the shifting of the bottom bracket transmission. In addition, the evaluation and control device can not only determine the optimum switching time, but the switching process can also be delayed or accelerated. Furthermore, over the service life of the device, the wear of shifting claws, roller freewheels, shifting cables, etc. of the drive device can be determined by the evaluation and control device and the shifting processes can be designed accordingly.

Vorzugsweise ist die Auswerte- und Steuereinrichtung dazu ausgebildet, Sensordaten der Sensorik zu speichern und diese mit neu erfassten Sensordaten zu vergleichen. Durch das Speichern der Sensordaten kann die Auswerte- und Steuereinrichtung lernend ausgebildet werden, wobei neu erfasste Sensordaten zu antriebsspezifischen Zustandsgrößen mit bereits in einer Datenbank abgelegten bzw. abgespeicherten Sensordaten, die zu einer bestimmten Schaltung des Tretlagergetriebes genutzt wurden, verglichen werden, um basierend darauf einen optimalen Schaltzeitpunkt zu wählen. Eine Neuermittlung eines optimalen Schaltzeitpunkts ist in diesem Fall nicht mehr erforderlich, sondern der optimale Schaltzeitpunkt kann bei wiederkehrenden Antriebssituationen direkt gewählt werden.The evaluation and control device is preferably designed to store sensor data from the sensor system and to compare it with newly acquired sensor data. By storing the sensor data, the evaluation and control device can be designed to be learning, with newly acquired sensor data relating to drive-specific state variables being compared with sensor data already stored or stored in a database, which were used for a specific shifting of the bottom bracket transmission, in order to generate a to choose the optimal switching time. In this case, it is no longer necessary to re-determine an optimal switching time, but the optimal switching time can be selected directly for recurring drive situations.

Bevorzugt ist die Auswerte- und Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die gespeicherten Sensordaten der Sensorik durch die neu erfassten Sensordaten zu ersetzen. Bereits abgespeicherte Sensordaten können folglich von neu erfassten Sensordaten zu den antriebsspezifischen Zustandsgrößen ersetzt werden, um zur Bestimmung des optimalen Schaltzeitpunkts aktuelle Daten, die beispielsweise einen Verschleiß der Antriebsvorrichtung berücksichtigen, vorhalten zu können.The evaluation and control device is preferably designed to replace the stored sensor data of the sensor system with the newly acquired sensor data. Already stored sensor data can consequently be replaced by newly recorded sensor data for the drive-specific state variables in order to be able to keep current data available for determining the optimal switching time, which take into account, for example, wear on the drive device.

Am Lenker des Fahrrades kann eine Ausgabeeinheit angeordnet sein, die dem Fahrradfahrer bestimmte antriebsspezifische Informationen in geeigneter Weise, und zwar insbesondere visuell bereitstellen kann. Auch ein akustisches und/oder haptisches Feedback ist denkbar. So kann dem Fahrradfahrer beispielsweise ausgegeben werden, welche Gangstufe bzw. welche Übersetzung, welche Wirkungsgrad des Tretlagergetriebes und/oder welche Antriebseffizienz aktuell vorliegt. Auch weitere an- bzw. abtriebsrelevante Größen können an der Ausgabeeinheit ausgegeben werden.An output unit can be arranged on the handlebar of the bicycle, which can provide the cyclist with certain drive-specific information in a suitable manner, in particular visually. Acoustic and / or haptic feedback is also conceivable. For example, the cyclist can see which gear step or which gear ratio, which efficiency of the bottom bracket transmission and / or which drive efficiency is currently available. Other input or output-related variables can also be output on the output unit.

Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung einer Antriebsvorrichtung, wobei die Antriebsvorrichtung eine Antriebseinheit mit einem von einer Schalteinrichtung schaltbaren Tretlagergetriebe und einen elektrischen Hilfsantrieb umfasst, wobei das Tretlagergetriebe sowohl durch wenigstens eine mit einer Tretkurbelwelle wirkverbundene Tretkurbel als auch durch den elektrischen Hilfsantrieb mit einem jeweiligen Antriebsmoment beaufschlagbar ist, werden antriebsspezifische Zustandsgrößen der Antriebseinheit mittels einer Sensorik erfasst, wobei die Sensordaten der Sensorik an eine Auswerte- und Steuereinrichtung übermittelt werden, wobei durch die Auswerte- und Steuereinrichtung ein Schaltbefehl empfangen wird, wobei anhand der erfassten antriebsspezifischen Zustandsgrößen ein optimaler Schaltzeitpunkt des Tretlagergetriebes bestimmt wird, und wobei die Schalteinrichtung in Abhängigkeit des ermittelten optimalen Schaltzeitpunkts gesteuert wird. Unter einer Steuerung der Schalteinrichtung ist zu verstehen, dass ein Schaltvorgang zum optimalen Schaltzeitpunkt eingeleitet und durchgeführt wird, wobei zwischen einer ersten Gangstufe in einer zweiten Gangstufe geschaltet wird. Die Schalteinrichtung umfasst vorzugsweise mehrere Gangstufen, wobei beliebig zwischen den Gangstufen, die unterschiedliche Übersetzungen umfassen, geschaltet werden kann.According to a method according to the invention for controlling a drive device, the drive device comprising a drive unit with a bottom bracket gear that can be shifted by a switching device and an electrical auxiliary drive, the bottom bracket gear being able to be acted upon by a respective drive torque both by at least one pedal crank that is operatively connected to a pedal crankshaft and by the electrical auxiliary drive is, drive-specific state variables of the drive unit are recorded by means of a sensor system, the sensor data of the sensor system being transmitted to an evaluation and control device, a shift command being received by the evaluation and control device, an optimal switching point in time of the bottom bracket gear being determined on the basis of the drive-specific state variables recorded is, and wherein the switching device is controlled as a function of the determined optimal switching time. A control of the switching device is to be understood as meaning that a switching process occurs at the optimum switching point in time is initiated and carried out, shifting between a first gear stage in a second gear stage. The switching device preferably comprises a plurality of gear stages, it being possible to switch between the gear stages which include different gear ratios as desired.

Ein erfindungsgemäßes Fahrrad umfasst eine Antriebsvorrichtung der vorbeschriebenen Art. Unter einem solchen Fahrrad ist insbesondere ein Pedelec oder ein S-Pedelec mit wenigstens einem Hinterrad und wenigstens einem Vorderrad zu verstehen, bei dem der mit Muskelkraft erfolgende Antrieb des Pedelecs bzw. S-Pedelecs wenigstens teilweise von einem elektrischen Hilfsantrieb unterstützt wird, um den Fahrradfahrer zu entlasten. Eine vollständige Übernahme des Fahrradantriebs durch den Hilfsantrieb ist ferner zumindest temporär möglich.A bicycle according to the invention comprises a drive device of the type described above. Such a bicycle is to be understood in particular as a pedelec or an S-Pedelec with at least one rear wheel and at least one front wheel, in which the pedelec or S-Pedelec is at least partially driven by muscle power is supported by an electrical auxiliary drive to relieve the cyclist. A complete takeover of the bicycle drive by the auxiliary drive is also possible, at least temporarily.

Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen der Vorrichtung gelten sinngemäß ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren sowie für das erfindungsgemäße Fahrrad.The above definitions and statements on technical effects, advantages and advantageous embodiments of the device also apply mutatis mutandis to the method according to the invention and to the bicycle according to the invention.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der einzigen schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the single schematic drawing, the same or similar elements being provided with the same reference symbols. Here, the single figure shows a schematic representation of a drive device according to the invention.

Gemäß der einzigen Figur umfasst eine Antriebsvorrichtung für ein - hier nicht dargestelltes - Fahrrad eine Antriebseinheit 1 mit einem durch eine Schalteinrichtung 6 schaltbaren Tretlagergetriebe 3 und einen elektrischen Hilfsantrieb 2. Der Hilfsantrieb 2 ist beispielsweise als elektrische Maschine mit einem stationär festgelegten - hier nicht gezeigten - Stator sowie einem relativ dazu drehantreibbaren - hier ebenfalls nicht gezeigten - Rotor ausgebildet. Der Rotor ist über eine Welle 13 mit dem Tretlagergetriebe 3 wirkverbunden. Der elektrische Hilfsantrieb 2 ist mit einer - hier nicht gezeigten - Batterie verbunden, die den Hilfsantrieb 2 mit elektrischer Energie versorgt.According to the single figure, a drive device for a bicycle (not shown here) comprises a drive unit 1 with one through a switching device 6th switchable bottom bracket gear 3 and an electrical auxiliary drive 2 . The auxiliary drive 2 is designed, for example, as an electrical machine with a stationary stator - not shown here - and a rotor that can be driven in rotation relative thereto - also not shown here - rotor. The rotor is on a shaft 13th with the bottom bracket gear 3 effectively connected. The electric auxiliary drive 2 is connected to a battery - not shown here - that powers the auxiliary drive 2 supplied with electrical energy.

Die Schalteinrichtung 6 besteht im Wesentlichen aus einer Schaltwalze 9 zur Einstellung einer Gangstufe des Tretlagergetriebes 3. Die Schalteinrichtung 6 kann mehrere in Richtung der Schaltwalze 9 vorgespannte - hier nicht abgebildete - Schaltklinken umfassen, die mit der Schaltwalze 9 derart wirkverbunden sind, dass durch Betätigung, das heißt durch Verdrehung der Schaltwalze 9 eine oder mehrere Schaltklinken betätigt werden, um zumindest mittelbar eine Übersetzung des Tretlagergetriebes 3 einzustellen. Mit anderen Worten wird über die Schaltklinken zwischen den Gangstufen geschaltet, wobei jede Gangstufe eine jeweilige Übersetzung des Tretlagergetriebes 3 einstellt.The switching device 6th consists essentially of a shift drum 9 for setting a gear stage of the bottom bracket transmission 3 . The switching device 6th can be several in the direction of the shift drum 9 Pre-tensioned - not shown here - include pawls with the shift drum 9 are operatively connected in such a way that by actuation, that is, by rotating the shift drum 9 one or more pawls are operated to at least indirectly a translation of the bottom bracket gear 3 to adjust. In other words, the shift pawls are used to switch between the gear steps, each gear step having a respective gear ratio of the bottom bracket gear 3 adjusts.

Das Tretlagergetriebe 3 ist durch zwei mit einer Tretkurbelwelle 4 wirkverbundenen Tretkurbeln 5, das heißt im Wesentlichen durch Muskelkraft, als auch durch den elektrischen Hilfsantrieb 2 mit einem jeweiligen Antriebsdrehmoment beaufschlagbar. Vorliegend ist lediglich eine Tretkurbel 5 dargestellt, wobei die zweite Tretkurbel in bekannter Weise um 180° relativ zur Tretkurbelwelle 4 versetzt ist. Mit anderen Worten liegt die erste Tretkurbel 5 bei einer Tretkurbelposition von 90° vor, wenn die andere - hier nicht gezeigte - Tretkurbel bei einer Tretkurbelposition von 270° vorliegt. Durch das Treten des Fahrradfahrers in die mit den Tretkurbeln 5 wirkverbundenen Pedale 12 wird über die drehfest damit verbundene und räumlich dazwischen angeordnete Tretkurbelwelle 4 das muskelkraftabhängige Antriebsdrehmoment in das Tretlagergetriebe 3 eingeleitet.The bottom bracket gear 3 is through two with one crankshaft 4th connected cranks 5 , i.e. mainly through muscle power, as well as through the electrical auxiliary drive 2 can be acted upon with a respective drive torque. There is only one crank 5 shown, the second crank in a known manner by 180 ° relative to the crankshaft 4th is offset. In other words, there is the first crank 5 at a crank position of 90 ° when the other crank - not shown here - is present at a crank position of 270 °. By stepping the cyclist into the one with the cranks 5 connected pedals 12th is via the non-rotatably connected and spatially arranged between the crankshaft 4th the muscle power-dependent drive torque into the bottom bracket gear 3 initiated.

In der Antriebseinheit 1 ist eine Sensorik 7 mit mehreren als Lagesensor, Wegsensor, Drehwinkelsensor, Drehmomentsensor und/oder Drehzahlsensor ausgebildeten Sensoren 11a, 11b, 11c, 11 d vorgesehen, wobei die Sensorik 7 dazu vorgesehen ist, antriebsspezifische Zustandsgrößen der Antriebseinheit 1 zu erfassen. Solche Zustandsgrößen sind beispielsweise eine Drehzahl einer Antriebswelle des elektrischen Hilfsantriebs 2 und/oder der Tretkurbelwelle 4, ein Eingangsdrehmoment des elektrischen Hilfsantriebs 2 und/oder der Tretkurbelwelle 4, eine Kurbelposition der jeweiligen Tretkurbel 5 und/oder eine aktuelle Gangstufe des Tretlagergetriebes 3.In the drive unit 1 is a sensor system 7th with several sensors designed as position sensors, displacement sensors, rotation angle sensors, torque sensors and / or speed sensors 11a , 11b , 11c , 11 d provided, the sensors 7th it is provided for this purpose, drive-specific state variables of the drive unit 1 capture. Such state variables are, for example, a speed of a drive shaft of the electrical auxiliary drive 2 and / or the crankshaft 4th , an input torque of the auxiliary electric drive 2 and / or the crankshaft 4th , a crank position of the respective crank 5 and / or a current gear of the bottom bracket transmission 3 .

Die Sensordaten der Sensorik 7 werden an eine Auswerte- und Steuereinrichtung 8 übermittelt, die ebenfalls von der Batterie mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Auswerte- und Steuereinrichtung 8 ist dazu eingerichtet, einen von einem Schalter 10 versendeten Schaltbefehl zu empfangen und infolge des Schaltbefehles anhand der empfangenen und erfassten antriebsspezifischen Zustandsgrößen einen optimalen Schaltzeitpunkt der Schalteinrichtung 6 bzw. des Tretlagergetriebes 3 zu bestimmen und die Schalteinrichtung 6 und dadurch die Antriebseinheit 1 in Abhängigkeit des optimalen Schaltzeitpunkts zu steuern. Der Schalter 10 ist beispielsweise an einem - nicht gezeigten - Lenker des Fahrrades angeordnet und kann vom Fahrradfahrer manuell, z.B. durch Druckbetätigung betätigt werden, um den Schaltbefehl in geeigneter Weise an die Auswerte- und Steuereinrichtung 8 zu senden. Alternativ ist denkbar den Schalter als Trigger oder als Drehgriff auszubilden, durch deren Betätigung der Schaltbefehl an die Auswerte- und Steuereinrichtung 8 übermittelt wird.The sensor data of the sensor system 7th are sent to an evaluation and control device 8th transmitted, which is also supplied with electrical energy by the battery. The evaluation and control device 8th is set up to one of a switch 10 to receive the sent switching command and as a result of the switching command based on the received and recorded drive-specific state variables an optimal switching time of the switching device 6th or the bottom bracket gear 3 to determine and the switching device 6th and thereby the drive unit 1 to be controlled depending on the optimal switching time. The desk 10 is arranged, for example, on a handlebar of the bicycle (not shown) and can be actuated manually by the cyclist, for example by pressing the button, to send the switching command to the evaluation and control device in a suitable manner 8th to send. Alternatively, it is conceivable to design the switch as a trigger or as a rotary handle, the actuation of which sends the switching command to the evaluation and control device 8th is transmitted.

Die erfassten Sensordaten der Sensorik 7 können auf der Auswerte- und Steuereinrichtung 8 gespeichert werden. Zudem können die neuen Sensordaten mit bereits hinterlegten bzw. gespeicherten Sensordaten verglichen werden, wobei die gespeicherten Sensordaten gegebenenfalls ersetzt werden können, wenn sich die Daten beispielsweise infolge von Verschleiß oder sonstiger Umstände verändert haben.The recorded sensor data of the sensor system 7th can on the evaluation and control device 8th get saved. In addition, the new sensor data can be compared with already stored or stored sensor data, with the stored sensor data being able to be replaced if necessary if the data have changed, for example as a result of wear and tear or other circumstances.

Unter einem optimalen Schaltzeitpunkt ist ein Zeitpunkt zu verstehen, bei dem ein Schaltvorgang von einer ersten Gangstufe in eine zweite Gangstufe im Wesentlichen lastfrei erfolgt. Eine erste Gangstufe kann dabei jede beliebige Gangstufe sein, wobei die zweite Gangstufe in diesem Zusammenhang eine von der ersten Gangstufe abweichende Gangstufe ist. Mit anderen Worten erfolgt bei einem Gangwechsel ein Übersetzungswechsel des Getriebes.An optimal shift point in time is to be understood as a point in time at which a shift from a first gear stage to a second gear stage takes place essentially without load. A first gear step can be any gear step, the second gear step in this context being a gear step that deviates from the first gear step. In other words, a gear ratio change of the transmission takes place when changing gears.

Der Schaltvorgang kann beispielsweise dann eingeleitet und durchgeführt werden, wenn die Tretkurbeln 5 in einer Tretkurbelposition von im Wesentlichen 0° bzw. 180°, wobei in diesen Tretkurbelposition mangels Hebelarmes kein Antriebsdrehmoment in das Tretlagergetriebe 3 eingeleitet wird. In der Tretkurbelposition von im Wesentlichen 0° bzw. 180°, das heißt in einem jeweiligen Drehmoment-Totpunkt, kann die Auswerte- und Steuereinrichtung 8 bei Einleitung des Schaltvorgangs ferner ein Eingangsdrehmoment des elektrischen Hilfsantrieb 2 bzw. das Antriebsdrehmoment des Hilfsantriebs 2 steuern. Vorliegend wird das Antriebsdrehmoment des Hilfsantriebs 2 reduziert, um einen lastfreien Schaltvorgang des Tretlagergetriebes 3 zu ermöglichen. Anders gesagt wird in dieser Situation sowohl von der Tretlagerwelle 4 als auch vom Hilfsantrieb 2 kein Antriebsdrehmoment in das Tretlagergetriebe 3 übertragen. Ein lastfreier Schaltvorgang reduziert den Verschleiß der für den Antrieb eingesetzten Bauteile der Antriebseinheit 1. Je nach Dauer des Schaltvorgangs, kann der Schaltvorgang kurz vor Erreichen des Totpunkts durch die jeweilige Tretkurbel 5 eingeleitet werden und/oder kurz nach Erreichen des Totpunkts ausklingen. Im Anschluss an den Schaltvorgang der Schalteinrichtung 6 kann ein erneuter Motoreingriff durch den elektrischen Hilfsantrieb 2 begonnen werden bzw. das Antriebsdrehmoment des Hilfsantriebs 2 wird wieder auf die ursprüngliche Höhe gesteigert.The switching process can be initiated and carried out, for example, when the pedal cranks 5 in a pedal crank position of essentially 0 ° or 180 °, whereby in this pedal crank position, due to the lack of a lever arm, there is no drive torque in the bottom bracket gear 3 is initiated. In the pedal crank position of essentially 0 ° or 180 °, that is to say in a respective torque dead center, the evaluation and control device 8th an input torque of the electrical auxiliary drive when the switching process is initiated 2 or the drive torque of the auxiliary drive 2 steer. The drive torque of the auxiliary drive is used here 2 reduced to a load-free shifting of the bottom bracket gear 3 to enable. In other words, in this situation both of the bottom bracket shaft 4th as well as from the auxiliary drive 2 no drive torque in the bottom bracket gear 3 transfer. A load-free switching process reduces the wear and tear on the drive unit components used for the drive 1 . Depending on the duration of the shifting process, the shifting process can be started shortly before reaching the dead center using the respective pedal crank 5 are initiated and / or fade away shortly after reaching dead center. Following the switching process of the switching device 6th a renewed engine intervention by the electrical auxiliary drive 2 started or the drive torque of the auxiliary drive 2 is increased again to the original height.

Liegt die erste Tretkurbel 5 in einer Tretkurbelposition zwischen 0° und 180° und demnach die zweite Tretkurbel in einer Tretkurbelposition zwischen 180° und 360° vor, so ist die Auswerte- und Steuereinrichtung 8 ferner dazu eingerichtet, ein negatives Eingangsdrehmoment des elektrischen Hilfsantriebs 2 während eines Schaltvorganges zu erzeugen, um das Tretlagergetriebe 3 während des Schaltvorgangs in einen lastfreien Zustand zu versetzen. Je nach Anordnung ist auch denkbar, ein positives Abtriebsdrehmoment am Tretlagergetriebe zu erzeugen. Mit anderen Worten ermittelt die Auswerte- und Steuerungseinheit 8 einen optimalen Schaltzeitpunkt, während der Fahrradfahrer durch das Treten in die Pedale ein Antriebsdrehmoment auf das Tretlagergetriebe 3 überträgt. Darunter ist zu verstehen, dass in einer von 0° bzw. 180° abweichenden Tretkurbelposition ein Antriebsdrehmoment durch den Fahrradfahrer von der Tretkurbelwelle 4 in das Tretlagergetriebe 3 eingeleitet wird. Ein Schaltvorgang kann in diesen Tretkurbelposition insbesondere dann lastfrei erfolgen, wenn der Hilfsantrieb 2 derart von der Auswerte- und Steuereinrichtung 8 gesteuert wird, dass mit dem Hilfsantrieb 2 ein dem ersten Antriebsdrehmoment der Tretkurbelwelle 4 entgegengesetzt wirkendes zweites Antriebsdrehmoment erzeugt wird, wobei sich die beiden Antriebsdrehmoments dadurch im Wesentlichen aufheben, sodass auch unter Belastung der Tretkurbelwelle 4 ein weicher bzw. verschleißarmer Schaltvorgang der Schaltwalze 9 realisiert wird. Im Anschluss an den Schaltvorgang der Schalteinrichtung 6 kann ein erneuter Motoreingriff durch den elektrischen Hilfsantrieb 2 begonnen werden bzw. das Antriebsdrehmoment des Hilfsantriebs 2 wird wieder in positive Richtung geschaltet und auf die ursprüngliche Höhe gesteigert.Is the first crank 5 in a pedal crank position between 0 ° and 180 ° and accordingly the second pedal crank in a pedal crank position between 180 ° and 360 °, the evaluation and control device is in front 8th also set up a negative input torque of the electrical auxiliary drive 2 to generate during a shift to the bottom bracket gear 3 to put in a load-free state during the switching process. Depending on the arrangement, it is also conceivable to generate a positive output torque on the bottom bracket gear. In other words, the evaluation and control unit determines 8th an optimal switching point, while the cyclist applies torque to the bottom bracket gear by stepping on the pedals 3 transmits. This means that in a pedal crank position deviating from 0 ° or 180 °, a drive torque is generated by the cyclist from the pedal crankshaft 4th into the bottom bracket gear 3 is initiated. A shifting process can take place without load in this pedal crank position, especially when the auxiliary drive 2 such from the evaluation and control device 8th is controlled that with the auxiliary drive 2 on the first drive torque of the crankshaft 4th oppositely acting second drive torque is generated, the two drive torques thereby essentially canceling each other out, so that even when the pedal crankshaft is loaded 4th a soft or low-wear shifting process of the shift drum 9 is realized. Following the switching process of the switching device 6th a renewed engine intervention by the electrical auxiliary drive 2 started or the drive torque of the auxiliary drive 2 is switched back in the positive direction and increased to the original height.

Zur Ermöglichung eines verschleißarmen bzw. lastfreien Schaltvorgangs gemäß den vorherigen Beispielen werden mittels der Sensorik 7 die antriebsspezifischen Zustandsgrößen detektiert und an die Auswerte- und Steuerungseinrichtung 8 übermittelt. Der erste Sensor 11a am elektrischen Hilfsantrieb 2 kann das Antriebs- bzw. Eingangsdrehmoment des Hilfsantriebs 2 und/oder die Drehzahl des Rotors oder einer damit wirkverbundenen Welle 13 detektieren, die wiederum ein Drehmoment sowie eine Drehzahl auf das Tretlagergetriebe 3 übertragen kann. Der zweite Sensor 11b an der Schalteinrichtung 6 kann insbesondere die Winkelposition der Schaltwalze 9 und/oder die Position - hier nicht dargestellter - Schaltklinken relativ zur Schaltwalze 9 detektieren. Der dritte Sensor 11c am Tretlagergetriebe 3 kann außerdem die Drehzahl der vom Fahrradfahrer mit Muskelkraft angetriebenen Tretkurbelwelle 4 und/oder das vom Fahrradfahrer eingebrachte Antriebs- bzw. Eingangsdrehmoment erfassen. Zudem kann über die Sensorik 7 zumindest mittelbar ein Ausgangsdrehmoment bzw. das Gesamtantriebsdrehmoment am Tretlagergetriebe 3 erfasst werden. Des Weiteren ist der vierte Sensor 11d an der Tretkurbel 5 des Fahrrads angeordnet, um die Tretkurbelposition bzw. einen Kurbeldrehwinkel der jeweiligen Tretkurbei 5 zu bestimmen.To enable a low-wear or load-free switching process according to the previous examples, the sensors 7th the drive-specific state variables are detected and sent to the evaluation and control device 8th transmitted. The first sensor 11a on the electrical auxiliary drive 2 can be the drive or input torque of the auxiliary drive 2 and / or the speed of the rotor or a shaft that is operatively connected to it 13th detect, which in turn a torque as well as a speed on the bottom bracket gear 3 can transfer. The second sensor 11b at the switching device 6th can in particular the angular position of the shift drum 9 and / or the position - not shown here - switching pawls relative to the switching drum 9 detect. The third sensor 11c on the bottom bracket gear 3 can also control the speed of the crankshaft driven by the cyclist with muscle power 4th and / or detect the drive or input torque introduced by the cyclist. In addition, the sensors 7th at least indirectly an output torque or the total drive torque on the bottom bracket gear 3 are recorded. Furthermore, the fourth sensor 11d is on the pedal crank 5 of the bicycle arranged to the pedal crank position or a crank angle of rotation of the respective pedal crank 5 to determine.

Anhand der Sensordaten bestimmt die Auswerte- und Steuereinrichtung 8 den optimalen Schaltzeitpunkt, das heißt den optimalen Zeitpunkt zur Betätigung bzw. zur Verdrehung der Schaltwalze 9 um einen bestimmten Winkel, der derart gewählt ist, dass die Schaltklinken der Schalteinrichtung 6 entsprechend betätigt werden, um das Tretlagergetriebe 3 von einer ersten Gangstufe in eine zweite Gangstufe bzw. von einer ersten Übersetzung in einer zweite Übersetzung zu schalten. Dieser optimale Schaltzeitpunkt kann, wie zuvor beschrieben, an jeder beliebigen Tretkurbelposition der Tretkurbeln 5 erfolgen.The evaluation and control device determines on the basis of the sensor data 8th the optimum switching point in time, i.e. the optimum point in time for actuating or rotating the shift drum 9 at a certain angle, which is chosen such that the ratchets of the switching device 6th operated accordingly to the bottom bracket gear 3 to shift from a first gear to a second gear or from a first gear to a second gear. As described above, this optimum switching point can be at any pedal crank position of the pedal cranks 5 respectively.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: AntriebseinheitDrive unit
22: HilfsantriebAuxiliary drive
33: TretlagergetriebeBottom bracket gear
44th: TretkurbelwelleCrankshaft
55: TretkurbelCrank
66th: SchalteinrichtungSwitching device
77th: SensorikSensors
88th: Auswerte- und SteuereinrichtungEvaluation and control device
99: SchaltwalzeShift drum
1010: Schaltercounter
11a11a: Erster SensorFirst sensor
11 b11 b: Zweiter SensorSecond sensor
11c11c: Dritter SensorThird sensor
1212th: Pedalpedal
1313th: Wellewave

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 2862788 A1 [0002]

Claims

Drive device for a bicycle driven by muscle power with an electrical auxiliary drive (2), comprising a drive unit (1) with a bottom bracket gear (3) which can be shifted by a shifting device (6) and which is operated by at least one pedal crank (5) that is operatively connected to a pedal crankshaft (4) ) and the electrical auxiliary drive (2) can be acted upon with a respective drive torque, further comprising a sensor system (7) for detecting drive-specific state variables of the drive unit (1), the sensor data of the sensor system (7) being sent to an evaluation and control device ( 8) can be transmitted, which is set up to receive a switching command and to determine an optimal switching time based on the detected drive-specific state variables and to control the switching device (6) as a function of the optimal switching time.

Device according to Claim 1 , characterized in that the shifting device comprises a shift drum (9) for setting a gear of the bottom bracket gear (3).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor system (7) comprises at least one position sensor, one displacement sensor and / or one rotation angle sensor.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor system (7) comprises at least one torque sensor and / or one speed sensor.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation and control device (8) is designed to store sensor data from the sensor system (7) and to compare this with newly acquired sensor data.

Device according to Claim 5 , characterized in that the evaluation and control device (8) is designed to replace the stored sensor data of the sensor system (7) with the newly acquired sensor data.

Device according to one of the preceding claims, characterized by a switch (10) which is designed to transmit the switching command to the evaluation and control device (8) by manual actuation.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation and control device (8) is designed to control an input torque of the electrical auxiliary drive (2).

Device according to one of the Claims 1 until 7th , characterized in that the evaluation and control device (8) is designed to control an output torque of the bottom bracket gear (3).

Method for controlling a drive device according to one of the Claims 1 until 9 , wherein the drive device comprises a drive unit (1) with a bottom bracket gear (3) that can be shifted by a switching device (6) and an electrical auxiliary drive (2), the bottom bracket gear (3) both by means of at least one pedal crank (4) operatively connected to a pedal crankshaft (4). 5) as well as by the electrical auxiliary drive (2) can be acted upon with a respective drive torque, comprising the steps: - Detecting drive-specific state variables of the drive unit (1) by means of a sensor system (7), - Transmitting the sensor data of the sensor system (7) to a Evaluation and control device (8), - Receipt of a shift command by the evaluation and control device (8), - Determination of an optimal switching time of the bottom bracket gear (3) on the basis of the recorded drive-specific state variables, and - Control of the switching device (6) depending on the determined optimal switching time.

Procedure according to Claim 10 , characterized in that the drive-specific state variables are a speed of a drive shaft of the electrical auxiliary drive (2) and / or the pedal crankshaft (4), an input torque of the electrical auxiliary drive (2) and / or the pedal crankshaft (4), an output torque of the bottom bracket gear (3 ), a crank position of the respective pedal crank (5) and / or a current gear stage of the bottom bracket gear (3).

Method according to one of the Claims 10 or 11 , characterized in that an input torque of the electrical auxiliary drive (2) is reduced during a switching process or that a negative input torque of the electrical auxiliary drive (2) is generated during a switching process.

Method according to one of the Claims 9 until 11 , characterized in that a positive output torque of the bottom bracket gear (3) is generated during a shifting process.

Method according to one of the Claims 9 until 13th , characterized in that the switching command is sent from a switch (10) to the evaluation and control device (8).

Bicycle comprising a drive device according to one of the Claims 1 until 9 .