DE102021000585A1

DE102021000585A1 - Modulares Antriebssystem

Info

Publication number: DE102021000585A1
Application number: DE102021000585.6A
Authority: DE
Inventors: auf Antrag nicht genannt. Erfinder
Original assignee: Egs Entw Fuer Getriebesysteme Mbh; EGS Entwicklungsgesellschaft fur Getriebesysteme mbH
Current assignee: Egs Entw Fuer Getriebesysteme Mbh; EGS Entwicklungsgesellschaft fur Getriebesysteme mbH
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2022-08-11
Anticipated expiration: 2041-02-06
Also published as: DE102021000585B4; WO2022167038A1

Abstract

Modulares Antriebssystem 1, vorzugsweise für teilelektrisch angetriebene Kleinfahrzeuge, mit einer von Personen mit Muskelkraft angetriebenen Pedaleinheit 2 und einer an der angetriebenen Fahrzeugachse oder einem angetriebenen Rad angeordneten Radachseinheit 7 und mit einer Batterie 14 als Speicher elektrischer Energie und einem damit über einen Gleichstromzwischenkreis verbundenen Umrichtersystem 10 zur Ansteuerung mindestens eines ersten Elektromotors 11, wobei die Pedaleinheit 2 eine Tretkurbelwelle 3 direkt oder über eine Pedalgetriebesystem 4 mit einer ersten Zwischenwelle 5 verbindbar macht, und wobei die Radachseinheit 7 eine zweite Zwischenwelle 6 direkt oder über ein Radachsgetriebesystem 8 mit einer Radachswelle 9 verbindet, die das Fahrzeug antriebt, und wobei die erste und die zweite Zwischenwelle 5 und 6 ein Zwischengetriebe 15 in Verbindung stehen. Der erste Elektromotor 11 ist ein Teil der Radachseinheit 7 und über eine erste Motorgetriebestufe 21 mit der ersten Koppelwelle 17 eines vierwelligen Überlagerungsgetriebes 16 mit kinematischem Freiheitsgrad 2 verbunden, das noch eine zweite, dritte und vierte Koppelwelle 18, 19, 20 aufweist, wobei die zweite Koppelwelle 18 mit der zweiten Zwischenwelle 6 in Verbindung steht und wobei die dritte Koppelwelle 19 mit der Radachswelle 9 verbunden ist und wobei die vierte Koppelwelle 20 über einen ersten Freilauf 26 mit einem am Fahrzeugrahmen 25 befestigten Abstützelement 24 verbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein modulares Antriebssystem, vorzugsweise für teilelektrisch angetriebene Kleinfahrzeuge, mit einer von Personen mit Muskelkraft angetriebenen Pedaleinheit und einer an einer angetriebenen Fahrzeugachse oder einem angetriebenen Rad angeordneten Radachseinheit und mit einer Batterie als Speicher elektrischer Energie und einem damit über einen Gleichstromzwischenkreis verbundenen Umrichtersystem zur Ansteuerung mindestens eines ersten Elektromotors, wobei die Pedaleinheit eine Tretkurbelwelle direkt oder über ein Pedalgetriebesystem mit einer ersten Zwischenwelle verbindbar macht, und wobei die Radachseinheit eine zweite Zwischenwelle direkt oder über ein Radachsgetriebesystem mit einer Radachswelle verbindet, die direkt oder über weitere Getriebestufen, wie z.B. einen Endantrieb mit Differenzial, das Fahrzeug antreibt, und wobei die erste Zwischenwelle und die zweite Zwischenwelle über ein Zwischengetriebe in Verbindung stehen.
Modulare Antriebssysteme nach diesem Oberbegriff sind in großer Zahl aus dem Stand der Technik bekannt. In der US 425,390 aus 1890 ist schon ein sehr einfaches Antriebssystem dieser Art für Fahrräder mit angetriebenem Hinterrad beschrieben. In den 3 bis 5 ist darin eine Pedaleinheit gezeigt, die die Tretkurbelwelle mittels eines Pedalgetriebesystems mit der Zwischenwelle verbindet. Das Pedalgetriebesystem weist eine Hohlwelle auf, die axial verschieblich über eine Keilwellenverbindung mit der Tretkurbelwelle verbunden ist und über Federkraft eine darauf befestigte Kegelscheibe eines ersten Kegelscheibenpaares gegen die andere Kegelscheibe drückt, die drehfest mit der Tretkurbelwelle verbunden ist. Die erste Zwischenwelle ist über ein Zwischengetriebe in Form einer Umschlingungsgetriebestufe mit einem Keilriemen mit der zweiten Zwischenwelle verbunden, die ein zweites Kegelscheibenpaar trägt. Die zweite Zwischenwelle mit dem zweiten Kegelscheibenpaar ist nach 6 direkt mit der Radachswelle verbunden, die das Hinterrad antreibt. Das in diesem alten Stand der Technik dargestellte Umschlingungsgetriebe ermöglicht schon eine stufenlose Verstellung der Übersetzung zwischen Tretkurbelwelle und Radachswelle.
In Kleinfahrzeugen, die von Personen mit Muskelkraft angetrieben werden, haben diese Personen sehr individuell bevorzugte Tretkurbelfrequenzen, um abhängig von Fahrwiderstand und Geschwindigkeit die geforderten Leistungen ausdauernd aufbringen zu können. Um diese bevorzugten Tretkurbelfrequenzen möglichst genau mit den verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten koppeln zu können, wurden dann bald für solche Kleinfahrzeuge Getriebe mit variablen Übersetzungen in einem größeren Stellbereich nötig. Diese wurden entweder in die Radachseinheit integriert oder in das Zwischengetriebe, das die erste und die zweite Zwischenwelle verbindet. In der DE19720796B4 ist so ein Radachsgetriebesystem mit 14 Gängen beschrieben. In der US 4,121,474 ist ein vielgängiges Kettenschaltgetriebe als Zwischengetriebe beschrieben. Aus der DE102010051727A1 ist auch ein Pedalgetriebesystem mit vielen Gängen bekannt.
Seit etwas mehr als zehn Jahren werden in den Antriebssystemen für pedalgetriebene Kleinfahrzeuge elektrische Teilantriebe mit einer Batterie, einem Umrichter und einem Elektromotor verbaut, um die antreibenden Personen bei Steigungsfahrten, bei hohen Beschleunigungen oder beim Transport schwerer Güter zu entlasten. Dazu gibt es mittlerweile Lösungen mit Elektromotoren, die in der Pedaleinheit verbaut sind ( DE 102012103355 A1 ), und auch Lösungen mit Elektromotoren, die in der Radachseinheit verbaut sind ( CN 106100218 A ). Ein Elektromotor in der Radachseinheit bietet die Möglichkeit, beim Abbremsen des Fahrzeugs mit einem Teil der Bremsleistung die Batterie zu laden und damit die elektrische Reichweite eines damit angetriebenen Fahrzeugs zu erhöhen.
Bei der Integration von Elektromotoren in die oben beschriebenen modularen Antriebsstränge ist zu beachten, dass die Tretkurbelwellen meist mit Drehzahlen von 50/min bis 100/min betrieben werden. Kleine Elektromotoren mit Dauer- und Spitzenleistungen von 250W bzw. 500W erreichen diese Leistungen erst ab Drehzahlen von z.B. 1000/min. Die Radachswellen drehen je nach Reifengrößen bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 25 km/h mit Drehzahlen zwischen 190/min und 260/min. Es sind also große Übersetzungen zwischen den Rotoren der Elektromotoren und den anderen Wellen des Antriebssystems nötig. Dafür sind dann Getriebesysteme mit möglichst wenigen Verlustquellen wie Lagerungen und Zahneingriffen, etc. vorteilhaft.
Seit kurzen gibt es auch Vorschläge für solche modularen Antriebssysteme mit zwei Elektromotoren, die über ein mindestens dreiwelliges Überlagerungsgetriebe, meist in Form einer Planetenradstufe oder mehrerer gekoppelter Planetenradstufen, zusammenwirken und dann ein stufenlos elektrisch leistungsverzweigendes Getriebe bilden. In den Schriften DE102018001795A1 , US 9,254,890 B2 , WO 2020/240094 A1 , DE102018217093A1 sind solche Systeme beschrieben, bei denen diese beiden Elektromotoren Teile der Pedaleinheit sind. In der EP 1642820 B1 ist so ein Antriebssystem mit zwei Elektromotoren beschrieben, die dort als Teile der Radachseinheit sind. Der Vorteil dieser Antriebssysteme mit zwei Elektromotoren liegt darin, dass der elektrische Teilantrieb zum einen die elektrische Unterstützungsfunktion über-nimmt, zum anderen aber auch eine stufenlose Einstellung der Drehzahlübersetzung zwischen Tretkurbelwelle und Radachswelle. Dadurch kann er andere Teile der Getriebesysteme zur Darstellung vieler Getriebeübersetzungen ersetzen. Zwei Elektromotoren im Pedal- oder im Radachsgetriebesystem führen aber zu körperlich großen und schweren Pedaleinheiten bzw. Radachseinheiten. In der Pedaleinheit verbaut dürfen die beiden Elektromotoren zudem derzeit nicht zur Energierekuperation benutzt werden.
In elektrisch leistungsverzweigenden Getrieben der oben beschriebenen Art wirkt ohne Unterstützungsleistung von der Batterie ein Elektromotor als Motor und der andere als Generator. Die Unterstützungsleistung aus der Batterie kann je nach Systemauslegung über den einen oder den anderen Elektromotor ins System eingespeist werden. Für einen optimalen Systemnutzen wäre es hier vorteilhaft, wenn im Hauptgeschwindigkeitsbereich von z.B. 12 km/h bis 25 km/h beide Elektromotoren Unterstützungsleistung zur Radachswelle übertragen können.
Auf Basis der Würdigung dieses Standes der Technik liegt dieser Erfindung folgende Aufgabenstellung zugrunde. Es soll eine Lösung für ein modulares Antriebssystem mit einem stufenlos elektrisch leistungsverzweigenden Getriebesystem gefunden werden, bei dem mindestens ein Elektromotor in der Radachseinheit sitzt und dort auch teilelektrisch bremsen kann. Wenn das Antriebssystem mehr als einen Elektromotor aufweist, sollen im Hauptgeschwindigkeitsbereich mindestens zwei Elektromotoren Unterstützungsleistung zur Radachswelle des Fahrzeugs übertragen. Im teilelektrischen Leistungspfad sollen möglichst wenige Getriebestufen verbaut sein, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad und eine geringe Baugröße zu erreichen. Die Pedaleinheit und die Radachseinheit sollen möglichst wenige einzelne Gehäuseteile und Gehäusedeckel aufweisen, um die zu dichtenden Gehäuseflächen zu minimieren. Und dabei soll natürlich auch die Montage einfach sein. Außerdem sollen sich die Module des modularen Antriebssystems möglichst einfach an verschiedene Kleinfahrzeuge und unterschiedliche Lastkollektive für diese Kleinfahrzeuge anpassen lassen.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben nach den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche gelöst.
Nach dem Hauptanspruch der Erfindung besteht die Hauptinnovation darin, dass der erste Elektromotor ein Teil der Radachseinheit ist und über eine erste Motorgetriebestufe mit der ersten Koppelwelle eines vierwelligen Überlagerungsgetriebes mit kinematischem Freiheitsgrad 2 verbunden ist, das noch eine zweite Koppelwelle, eine dritte Koppelwelle und eine vierte Koppelwelle aufweist, wobei die zweite Koppelwelle direkt oder über einen weitere Getriebestufe mit der zweiten Zwischenwelle verbunden ist und wobei die dritte Koppelwelle mit der Radachswelle verbunden ist und wobei die vierte Koppelwelle über einen ersten Freilauf mit einem Abstützelement verbindbar ist, das seinerseits fest mit dem Fahrzeugrahmen in Verbindung steht, und wobei der erste Freilauf für die vierte Koppelwelle nur Drehzahlen mit dem Vorzeichen zulässt, das die Drehzahlen an der dritten Koppelwelle bei Vorwärtsfahrt des Kleinfahrzeugs aufweisen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zudem nach dem zweiten Anspruch vorgesehen, dass dass in dem vierwelligen Überlagerungsgetriebe das Verhältnis der Differenz der Drehzahlen der zweiten Koppelwelle und der dritten Koppelwelle zur Differenz der Drehzahlen der vierten Koppelwelle und der dritten Koppelwelle negativ ist und dass das Verhältnis der Differenz der Drehzahlen der zweiten Koppelwelle und der vierten Koppelwelle zur Differenz der Drehzahlen der ersten Koppelwelle und der vierten Koppelwelle ebenfalls negativ ist.
Ein vierwelliges Überlagerungsgetriebe mit kinematischem Freiheitsgrad 2 nach dem ersten Anspruch mit der Detailauslegung nach dem zweiten Anspruch bewirkt vorteilhaft, dass das Fahrzeug auch allein von der zweiten Zwischenwelle aus mit einer mechanischen Übersetzung größer als i=1 vorwärts angetrieben werden kann. Ein Reaktionsdrehmoment wird dann an der vierten Koppelwelle über den ersten Freilauf gegenüber dem Fahrzeugrahmen abgestützt. Zusätzlich kann dann auch noch der erste Elektromotor unabhängig vom Drehmoment an der zweiten Zwischenwelle das Fahrzeug vorwärts antreiben. Dann wird noch eine weiteres Reaktionsdrehmoment über den ersten Freilauf am Fahrzeugrahmen abgestützt. Dieser Aufbau der Überlagerungsgetriebes im Radachsgetriebesystem ermöglicht somit große Fahrzeugantriebsdrehmomente bei relativ kleinen Drehmomenten am ersten Elektromotor und an der zweiten Zwischenwelle.
An diesen Anfahrzustand für höchste Zugkräfte am Fahrzeug knüpft ein Fahrbereich mit stufenloser Einstellung der Übersetzung zwischen der zweiten Zwischenwelle und der Radachswelle an. Das Radachsgetriebesystem kann dann so ausgelegt werden, dass bei mittleren Fahrgeschwindigkeiten alle Koppelwellen der Überlagerungsgetriebes gleich schnell drehen. Dann wird das Fahrzeug zu einem Teil (35% bis 65%) positiv von der zweiten Zwischenwelle aus angetrieben und zu dem ergänzenden Teil positiv vom ersten Elektromotor. Zu höheren Fahrgeschwindigkeiten hin steigt dann der Anteil der Antriebsleistung, die der erste Elektromotor beisteuert. Da die Fahrzeugleistung mit zunehmender Geschwindigkeit steigt, steigt die erforderliche Antriebsleistung an der zweiten Zwischenwelle nur noch wenig.
Für eine sehr kompakte Ausgestaltung des Überlagerungsgetriebes ist nach dem dritten Anspruch vorgesehen, dass das vierwellige Überlagerungsgetriebe als Ravigneaux-Planetenradsatz aufgebaut ist mit einem Rav-Hohlrad an der vierten Koppelwelle, einem ersten Rav-Sonnenrad an der ersten Koppelwelle, einem zweiten Rav-Sonnenrad an der zweiten Koppelwelle und einem Rav-Planetenträger an der dritten Koppelwelle, wobei der Rav-Planetenträger erste Rav-Planetenräder und zweite Rav-.Planetenräder trägt, von denen die zweiten Rav-Planetenräder gleichzeitig mit dem Rav-Hohlrad und dem zweiten Rav-Sonnenrad und den ersten Rav-Planetenrädern in Eingriff stehen, und wobei die ersten Rav-Planetenräder zusätzlich noch mit dem ersten Rav-Sonnenrad in Eingriff stehen.
In dieser Auslegung treibt der erste Elektromotor über die erste Motorgetriebestufe das erste Rav-Sonnenrad und die zweite Zwischenwelle das zweite Rav-Sonnenrad. Wenn der erste Freilauf offen ist und das Rav-Hohlrad ohne Drehmoment frei rotiert, addieren sich die beiden Rav-Sonnenraddrehmomente bis auf kleine Verlustdrehmomente zum Abtriebsdrehmoment am Rav-Planetenträger.
Diese Ausgestaltung des Überlagerungsgetriebes ist insbesondere für Kleinfahrzeuge mit einer angetriebenen Achse vorteilhaft, die über ein Differenzial und ein weitere Getriebestufe mit dem Rav-Planetenträger verbunden ist.
Wenn nur ein Rad eines Fahrzeugs angetrieben werden soll, ist alternativ dazu nach dem vierten Anspruch eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des vierwelligen Überlagerungsgetriebe möglich, bei der das vierwellige Überlagerungsgetriebe aus einer dreiwelligen ersten Koppel-Planetenradstufe mit einfachen Planetenrädern und einer dreiwelligen zweiten Koppel-Planetenradstufe mit einfachen Planetenrädern aufgebaut ist, wobei die erste Koppelplanetenradstufe ein erstes Koppel-Sonnenrad aufweist, das mit der zweiten Koppelwelle verbunden ist, und einen ersten Koppel-Planetenträger aufweist, der mit der dritten Koppelwelle verbunden ist, und ein erstes Koppelhohlrad aufweist, das mit der vierten Koppelwelle verbunden ist, und wobei die zweite Koppel-Planetenradstufe ein zweites Koppel-Sonnenrad aufweist, das ebenfalls mit der zweiten Koppelwelle verbunden ist, und einen zweiten Koppel-Planetenträger aufweist, der ebenfalls mit der vierten Koppelwelle verbunden ist, und ein zweites Koppelhohlrad aufweist, das mit der ersten Koppelwelle verbunden ist.
In dieser Ausführungsvariante des vierwelligen Überlagerungsgetriebes kann die vierte Koppelwelle über den ersten Freilauf auch in einfacher Weise mit einem innenliegenden Abstützelement verbunden werden, das seinerseits fest mit dem Fahrzeugrahmen in Verbindung steht. Das ist dann besonders vorteilhaft, wenn das angetriebene Rad direkt auf einer außen laufenden, das Überlagerungsgetriebe umfassenden Radachswelle sitzt, die von der dritten Koppelwelle am ersten Koppel-Planetenträger angetrieben wird.
Nach dem fünften Anspruch wird diese Ausgestaltung noch weiter dadurch präzisiert, dass die zwei Koppel-Sonnenräder Teile einer gemeinsamen, in einem Prozess hergestellten Verzahnung sind, und dass die beiden Koppelhohlräder ebenfalls gleiche Verzahnungsdaten aufweisen. Die konstruktive Umsetzung dieser Ausführungsvariante wird dadurch erheblich einfacher und kostengünstiger, als wenn die beiden Koppel-Sonnenräder und die beiden Koppel-Hohlräder jeweils unterschiedliche Verzahnungsgeometrien hätten.
Das in den ersten vier Ansprüchen beschriebene Antriebssystem bietet bereits eine stufenlose Übersetzungseinstellung zwischen der zweiten Zwischenwelle und der Radachswelle. Der erste Elektromotor bezieht seine Leistung dabei aber immer aus der Batterie.
Für eine Leistungsübertragung ohne Nutzung einer Batterie ist ein zweiter Elektromotor nötig, so dass dann ein elektrischer Leistungsfluss zwischen einem Elektromotor im Motorbetrieb und einem Elektromotor im Generatorbetrieb möglich wird. Die Batterie kann dann für die Bereitstellung einer Unterstützungsleistung oder zur Aufnahme einer Bremsleistung reserviert werden.
Zur Erweiterung des bisher beschriebenen modularen Antriebssystems ist nach dem sechsten Anspruch vorgesehen, dass die Pedaleinheit einen zweiten Elektromotor aufweist, der über eine zweite Motorgetriebestufe auf die erste Zwischenwelle wirkt.
Durch diese Ergänzung der Pedaleinheit summieren sich die Leistungen von der Tretkurbelwelle und vom zweiten Elektromotor auf der ersten Zwischenwelle, die von dort über das Zwischengetriebe zur zweiten Zwischenwelle übertragen wird. In dieser Anordnung ist es nun auch möglich, dass der zweite Elektromotor als Generator wirkt und einen Teil der Tretkurbelleistung abzweigt und über das Umrichtersystem zum ersten Elektromotor schickt. So entsteht ein klassisches leistungsverzweigendes Antriebssystem mit elektrischem Teilgetriebe, das auch ohne angeschlossene Batterie funktioniert.
Als Alternative zum Einbau eines zweiten Elektromotors in die Pedaleinheit ist nach dem siebten Anspruch vorgesehen, dass die Radachseinheit einen dritten Elektromotor aufweist, der über eine dritte Motorgetriebestufe auf die zweite Zwischenwelle wirkt. Diese Anbindung ist physikalisch gleichwertig mit der Ausgestaltung der Erfindung nach dem sechsten Anspruch. Für Fahrzeuge mit einer angetriebenen Achse und damit mehr Platz für die Radachseinheit kann es aber bzgl. Bauraum und Gewicht vorteilhaft sein, den zum ersten Elektromotor zusätzlichen Elektromotor in der Radachseinheit unterzubringen.
Nach dem achten Anspruch ist dann noch vorgesehen, dass die Pedaleinheit einen zweiten Elektromotor aufweist, der über eine zweite Motorgetriebestufe auf die erste Zwischenwelle wirkt und dass die Radachseinheit einen dritten Elektromotor aufweist, der über eine dritte Motorgetriebestufe auf die zweite Zwischenwelle wirkt.
In dieser Ausgestaltungsvariante des modularen Antriebssystems kann man auf ein mechanisches Zwischengetriebe zwischen der ersten und der zweiten Zwischenwelle verzichten. Der zweite Elektromotor an der Pedaleinheit und der dritte Elektromotor an der Radachseinheit bilden zusammen mit dem Umrichtersystem ein stufenlos elektrisches Zwischengetriebe zwischen der ersten und der zweiten Zwischenwelle. So eine Lösung ist insbesondere für solche Kleinfahrzeuge interessant, bei denen mehrere Personen über mehrere Pedaleinheiten das Fahrzeug antreiben oder bei denen die Pedaleinheiten größere Abstände zu der Radachseinheit haben. In solchen Fällen bauen mehrere elektrische Zwischengetriebe kleiner und leichter als mehrere mechanische Zwischengetriebe.
In einem modularen Antriebssystem mit einem zweiten Elektromotor in der Pedaleinheit und einer Radachseinheit in einer der o.a. Ausgestaltungsvarianten ist es sinnvoll, das Pedalgetriebesystem in der Pedaleinheit so auszugestalten, dass der Hauptleistungsfluss über möglichst wenig Getriebestufen führt. In teilelektrisch betriebenen Kleinfahrzeugen überwiegt zunehmend der elektrische Leistungsanteil. Deshalb wäre es vorteilhaft, wenn das Pedalgetriebesystem nur eine Getriebestufe zwischen dem zweiten Elektromotor und der ersten Zwischenwelle aufweist.
Um das zu erreichen, ist nach dem neunten Anspruch vorgesehen, dass die zweite Motorgetriebestufe eine einstufige Winkelgetriebestufe mit einem Winkelgetrieberitzel und einem Winkelgetrieberad ist, wobei das Winkelgetrieberitzel mit dem Rotor des zweiten Elektromotors verbunden ist und wobei das Winkelgetrieberad mit der ersten Zwischenwelle verbunden ist.
Mit so einem Winkelgetriebe lassen sich leicht Übersetzungen zwischen der Rotorwelle des zweiten Elektromotors und der ersten Zwischenwelle im Bereich i=7 bis i=10 realisieren.
Dann fehlt aber noch eine Übersetzung zwischen der Tretkurbelwelle und der ersten Zwischenwelle, damit bei den bevorzugten Tretkurbelfrequenzen der zweite Elektromotor in einem Drehzahlbereich laufen kann, bei dem er seine Spitzenleistungen erreicht.
Um das zu erreichen, ist nach dem zehnten Anspruch vorgesehen, dass das Pedalgetriebesystem eine dreiwellige Antriebs-Planetenradstufe aufweist mit einem Antriebs-Planetenträger, der mit der Tretkurbelwelle verbunden ist, mit einem Antriebs-Hohlrad, das über einen Drehmoment-Messflansch mit dem Gehäuse der Pedaleinheit verbunden ist, und mit einem Antriebs-Sonnenrad, das über einen zweiten Freilauf mit der ersten Zwischenwelle in der Art verbindbar ist, dass die Drehzahl des Antriebs-Sonnenrades betragsmäßig nur kleiner als die Drehzahl der ersten Zwischenwelle sein kann.
Die dreiwellige Antriebs-Planetenradstufe hat hier den Vorteil, dass das mit dem Gehäuse der Pedaleinheit verbundene Antriebs-Hohlrad ein zum Tretkurbeldrehmoment proportionales Abstützdrehmoment zum Gehäuse überträgt. Das Tretkurbeldrehmoment kann somit aus einer Belastungsmessung an einem nicht rotierenden Bauteil sehr einfach und sehr genau bestimmt werden. Der zweite Freilauf ist aber auch deshalb wichtig, damit die Tretkurbel nicht mitdrehen muss, wenn der zweite Elektromotor in bestimmten Betriebssituationen das Fahrzeug allein oder zusammen mit anderen Elektromotoren treibt.
Die Erfindung ist nicht nur auf die Merkmale ihrer Ansprüche beschränkt. Denkbar und vorgesehen sind auch Kombinationsmöglichkeiten einzelner Anspruchsmerkmale und Kombinationsmöglichkeiten einzelner Anspruchsmerkmale mit dem in den Vorteilsangaben und zu den Ausgestaltungsbeispielen Offenbarten.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auch auf nach dem Stand der Technik gleichwirkende Lösungen. So sind zum Beispiel für die Motorgetriebestufen Planetenradstufen, Stirnradstufen oder Winkelgetriebestufen vorgesehen, je nach verfügbarem Bauraum in der Anwendung dieser Erfindung. Freiläufe können reibschlüssige Klemmkörper-, Klemmrollen- oder auch formschlüssige Freiläufe sein. Kugellager für eine gekoppelte Abstützung von Radial- und Axialkräften sind auch durch eine Kombination eines reinen Radiallagers und eines Axiallagers ersetzbar. Wälzlager sind durch Gleitlager ersetzbar und umgekehrt.
In den Figuren sind mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen modularen Antriebssystems mit einem, zwei oder drei Elektromotoren und verschiedenen Pedal- und Radachsgetriebesystemen dargestellt, und zwar in Anordnungs-Grafiken bzgl. des physikalischen Zusammenwirkens der Elemente, in einem prinzipiellen Drehzahlplan zu den Drehzahlbeziehungen im Überlagerungsgetriebe, in Strukturbildern, die die Art und Anordnungen der einzelnen Elektromotoren, Getriebestufen und Freiläufe erläutern, sowie in 2D-Konstruktionsentwürfen. Dabei zeigen:

1 eine Anordnungsgrafik zu einer grundlegenden ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen modularen Antriebssystems mit nur einem ersten Elektromotor in der Radachseinheit,
2 eine Erweiterung der Anordnungsgrafik nach 1 um einen weiteren Elektromotor in der Pedaleinheit, der hier als zweiter Elektromotor bezeichnet ist, für eine zweite Ausführungsvariante,
3 eine Erweiterung der Anordnungsgrafik nach 1 um einen weiteren Elektromotor in der Radachseinheit, der hier als dritter Elektromotor bezeichnet ist, für eine dritte Ausführungsvariante,
4 eine Erweiterung der Anordnungsgrafik nach 2 mit schon zwei Elektromotoren um den dritten Elektromotor in der Radachseinheit, für eine vierte Ausführungsvariante,
5 einen Drehzahlplan zur Verdeutlichung der linearen Drehzahlbeziehungen in dem vierwelligen Überlagerungsgetriebe und zur Umsetzung dieser physikalischen Zusammenhänge in zwei konstruktive Detailausführungen für das Überlagerungsgetriebe,
6 ein Strukturbild zu der Anordnungsgrafik nach 2, das die Art und die räumliche Anordnung der Elektromotoren sowie der Getriebestufen und Freiläufe offenbart,
7 ein vergleichbares Strukturbild zu der Anordnungsgrafik nach 3,
8 ein vergleichbares Strukturbild zu der Anordnungsgrafik nach 4,
9 ein 2D-Konstruktionsentwurf für die Ausführungsvariante nach 6,
10 ein 2D-Konstruktionsentwurf für die Ausführungsvariante nach 8.

1 zeigt eine Anordnungsgrafik der antriebstechnischen Elemente einer grundlegenden ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen modularen Antriebssystems 1. In der Reihenfolge von oben nach unten sieht man in dieser Figur die Pedaleinheit 2, darunter das Zwischengetriebe 15, darunter die Radachseinheit 7, darunter das Umrichtersystem 10 für einen oder mehrere Elektromotoren und darunter die Batterie 14. In der Pedaleinheit 2 ist die Tretkurbelwelle 3 gelagert und über das Pedalgetriebesystem 4 mit der Antriebs-Planetenradstufe 50 und dem zweiten Freilauf 27 mit der ersten Zwischenwelle mit einer festen Übersetzung verbindbar. Die erste Zwischenwelle 5 ist über das Zwischengetriebe 15 mit der zweiten Zwischenwelle 6 verbunden. In der Radachseinheit 7 stellt im Radachsgetriebesystem 8 das vierwellige Überlagerungsgetriebe 16 die zentrale Funktionseinheit dar. Das Überlagerungsgetriebe 16 koppelt die erste Koppelwelle 17, die zweite Koppelwelle 18, die dritte Koppelwelle 19 und die vierte Koppelwelle 20. Ein erster Elektromotor 11 regelt über eine erste Motorgetriebestufe 21 die Drehzahl der ersten Koppelwelle 17. Die zweite Koppelwelle 18 ist direkt oder über weitere Getriebestufen im Radachsgetriebesystem 8 mit der zweiten Zwischenwelle 6 verbunden. Somit wird über mehrere Getriebestufen die Drehzahl der zweiten Koppelwelle 18 über die Drehzahl der Tretkurbelwelle 3 festgelegt. Die dritte Koppelwelle 19 ist mit der Radachswelle 9 verbunden und treibt direkt oder über weitere Getriebestufen, wie z.B. einen Endantrieb mit Differenzial 28, das Fahrzeug. Die vierte Koppelwelle 20 kann sich mit seinem Drehmoment über einen ersten Freilauf 26 am einem Abstützelement 24 abstützen, das mit dem Fahrzeugrahmen 25 verbunden ist.
Das vierwellige Überlagerungsgetriebe 16 hat einen kinematischen Freiheitsgrad 2. Das bedeutet, dass an zwei der vier Koppelwellen die Drehzahlen vorgegeben werden müssen, damit die Drehzahlen aller vier Koppelwellen eindeutig definiert sind. Dies ist z.B. bei Vorgabe der Drehzahl an der ersten Koppelwelle 17 durch den ersten Elektromotor 11 und an der zweiten Koppelwelle 18 durch die Tretkurbelwelle 3 der Fall. Dies ist aber auch bei Vorgabe der Drehzahl 0 an der vierten Koppelwelle 20 durch den ersten Freilauf 26 und an der zweiten Koppelwelle 18 durch die Tretkurbelwelle 3 der Fall. Auf diese Drehzahlbeziehungen wird später noch genauer eingegangen.
In 2 ist eine gegenüber 1 leicht erweiterte Anordnungsgrafik der antriebstechnischen Elemente einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen modularen Antriebssystems 1 gezeigt. Die Pedaleinheit 2 weist nun einen weiteren Elektromotor auf, der hier als zweiter Elektromotor 12 bezeichnet ist und der über eine zweite Motorgetriebestufe 22 auf die erste Zwischenwelle 5 wirkt. Wenn die Tretkurbelwelle 3 das Fahrzeug antreibt und dann auch der zweite Freilauf 27 geschlossen ist, kann dieser zweite Elektromotor 12 zu der Antriebsleistung von der Tretkurbelwelle 3 eine Unterstützungsleistung addieren. Er könnte aber auch in einem generatorischen Betrieb von der Antriebsleistung von der Tretkurbelwelle 3 eine Teilleistung abzweigen und diese über das Umrichtersystem 10 zum ersten Elektromotor 11 oder auch zur Batterie 14 schicken.
In 3 ist ebenfalls eine gegenüber 1 leicht erweiterte Anordnungsgrafik der antriebstechnischen Elemente einer dritten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen modularen Antriebssystems 1 gezeigt. Die Radachseinheit 7 weist nun einen weiteren Elektromotor auf, der hier als dritter Elektromotor 13 bezeichnet ist und der über eine dritte Motorgetriebestufe 23 auf die zweite Zwischenwelle 6 wirkt. Wenn die Tretkurbelwelle 3 das Fahrzeug antreibt und dann auch der zweite Freilauf 27 geschlossen ist, kann auch dieser dritte Elektromotor 13 zu der Antriebsleistung von der Tretkurbelwelle 3, die in diesem Fall von der ersten Zwischenwelle 5 über das Zwischengetriebe 15 zur zweiten Zwischenwelle 6 übertragen wurde, eine Unterstützungsleistung addieren. Er könnte aber auch in einem generatorischen Betrieb von der Antriebsleistung von der Tretkurbelwelle 3 eine Teilleistung abzweigen und diese wieder über das Umrichtersystem 10 zum ersten Elektromotor 11 oder auch zur Batterie 14 schicken.
In 4 ist dann noch eine vierte Anordnungsgrafik der antriebstechnischen Elemente einer vierten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen modularen Antriebssystems 1 gezeigt. Diese Ausführungsvariante weist drei Elektromotoren auf, den ersten Elektromotor 11, der in der Radachseinheit 7 die erste Koppelwelle 17 antreibt, den dritten Elektromotor 13, der ebenfalls in der Radachseinheit 7 sitzt und dort über die dritte Motorgetriebestufe 23 und die zweite Zwischenwelle 6 die zweite Koppelwelle 18 antreibt, und den zweiten Elektromotor 12, der in der Pedaleinheit 2 sitzt und dort von der Tretkurbelwelle 3 über die erste Zwischenwelle 5 und die zweite Motorgetriebestufe 22 angetrieben wird und generatorisch die Antriebsleistung von der Tretkurbelwelle 3 zum Umrichtersystem 10 leitet, von wo sie in von der Systemregelung zu definierenden Anteilen zu den beiden anderen Elektromotoren 11 und 13 und zur Batterie 14 geleitet wird. Das Zwischengetriebe 15 zwischen der ersten Zwischenwelle 5 und der zweiten Zwischenwelle 6 ist in dieser Ausführungsvariante im Wesentlichen ein elektrisches Getriebe zwischen dem zweiten Elektromotor 12 und dem dritten Elektromotor 13. So eine Ausführungsvariante ist insbesondere für solche Kleinfahrzeuge interessant, bei denen die Pedaleinheit 2 und die Radachseinheit 7 so weit auseinander liegen, dass ein mechanisches Zwischengetriebe 15 zu komplex, zu groß und zu schwer würde. Das wäre zum Beispiel auch in Kleinfahrzeugen der Fall, bei denen mehrere Personen über mehrere Pedaleinheiten 2 das Fahrzeug zusammen oder abwechselnd antreiben.
In 5 ist ein sogenanntes Drehzahlleiterdiagramm für die vier Drehzahlen der vier Koppelwellen 17, 18, 19, 20 dargestellt. Zu jeder Koppelwelle gehört eine Drehzahlleiter, auf der nach oben hin die Drehzahl dieser Koppelwelle in jedem Betriebspunkt dargestellt werden kann, und zwar auf allen Drehzahlleitern in der gleichen Skalierung. Die Abstände zwischen den Drehzahlleitern ergeben sich aus den linearen Drehzahlbeziehungen zwischen den Wellen des Überlagerungsgetriebes, die sich bei Ausführungen mit Zahnrädern aus den Zähnezahl-Verhältnissen ergeben.
Ein wesentliches Merkmal dieser Erfindung betrifft die Drehzahldifferenz-Verhältnisse im vierwelligen Überlagerungsgetriebe 16. Diese werden durch die Bedingungen $\frac{n_{18} - n_{19}}{n_{20} - n_{19}} < 0$
und $\frac{n_{18} - n_{20}}{n_{17} - n_{20}} < 0$
beschrieben. Dadurch wird eindeutig definiert, welche Drehzahlleiter neben welcher anderen Drehzahlleiter liegt. In 5 liegt die Drehzahlleiter der ersten Koppelwelle 17 ganz links. Von links nach rechts folgen dann die Drehzahlleitern der vierten Koppelwelle 20, dann der dritten Koppelwelle 19 und ganz rechts die der zweiten Koppelwelle 18.
In diesem Drehzahlleiterdiagramm sind auch noch drei beispielshafte kinematische Betriebszustände 31, 32 und 33 durch gestrichelte Linien dargestellt. Für den Betriebszustand 32 ist klar erkennbar, dass die Drehzahldifferenz (n₁₈-n₁₉) > 0 und die Drehzahldifferenz (n₂₀-n₁₉) < 0 ist. Das Verhältnis dieser beiden Drehzahldifferenzen ist dann negativ. Es ist ebenfalls zu erkennen, dass die Drehzahldifferenz (n₁₈-n₂₀) > 0 und die Drehzahldifferenz (n₁₇-n₂₀) < 0 ist. Auch das Verhältnis dieser beiden Drehzahldifferenzen ist dann negativ. Für den Betriebspunkt 33 sind die Vorzeichen der entsprechenden Drehzahldifferenzen genau umgekehrt. Die Verhältnisse dieser Drehzahldifferenzen sind aber auch im Betriebszustand 33 negativ.
Der Betriebszustand 31 gehört zum Stillstand des Fahrzeugs, also auch zum Stillstand der dritten Koppelwelle 19, bei dem dann zusätzlich auch alle anderen Koppelwellen stillstehen.
Im Betriebszustand 32 treibt die Tretkurbelwelle 3 über die erste Zwischenwelle 5, das Zwischengetriebe 15 und die zweite Zwischenwelle 6 die zweite Koppelwelle 18 mit einer bestimmten Drehzahl. Der Fahrwiderstand will das Fahrzeug abbremsen und drückt die vierte Koppelwelle 20 über den ersten Freilauf 26 gegen das Abstützelemente 24. In diesem Betriebszustand gibt es dann eine feste Übersetzung zwischen der zweiten Koppelwelle 18 und der dritten Koppelwelle 19. Es gibt dann aber auch eine feste Übersetzung zwischen der ersten Koppelwelle 17 und der dritten Koppelwelle 19. In diesem Betriebszustand können dann die Tretkurbelwelle 3 und der erste Elektromotor gemeinsam und mit individuellen Drehmomenten das Fahrzeug mit höchsten Drehmomenten an der Radachswelle 9 antreiben. In einem ersten Fahrbereich zwischen den Betriebszuständen 31 und 32 kann man somit das Fahrzeug mit höchsten Drehmomenten und konstanten Drehzahlverhältnissen zwischen allen Koppelwellen antreiben, bis z.B. an der Tretkurbelwelle 3 eine Zieldrehzahl vorliegt.
An den ersten Fahrbereich schließt sich ein zweiter Fahrbereich zwischen den Betriebszuständen 32 und 33 an. Mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. Drehzahl an der dritten Koppelwelle 19 steigt die Drehzahl an der zweiten Koppelwelle 18, weil die meisten Personen eine mit der Fahrgeschwindigkeit leicht ansteigende Drehzahl an der Tretkurbel 3 bevorzugen. Die erforderliche Übersetzungsregelung erfolgt dann durch eine Drehzahlregelung des erstes Elektromotors 11, der mit konstanter Übersetzung der ersten Motorgetriebestufe 21 mit der ersten Koppelwelle 17 in Verbindung steht.
Bei rotierender vierter Koppelwelle 20 können dort über den ersten Freilauf 26 keine Drehmomente abgestützt werden. Zwischen den anderen drei Koppelwellen 17, 18 und 19 liegen dann folgende Drehmomentverhältnisse vor. An der dritten Koppelwelle 19, deren Drehzahlleiter zwischen den Drehzahlleitern der ersten Koppelwelle 17 und der zweiten Koppelwelle 18 liegt, liegt dann das betragsmäßig größte Drehmoment vor, das auch als Summendrehmoment bezeichnet wird. Die beiden Drehmomente an der ersten Koppelwelle 17 und der zweiten Koppelwelle 18 haben dann das gleiche Vorzeichen und stellen zusammen das Drehmoment an der dritten Koppelwelle 19 ins Gleichgewicht. Das Verhältnis der beiden gleichgerichteten Drehmomente an der ersten Koppelwelle 17 und der zweiten Koppelwelle 18 ergibt sich dann bis auf geringe Verlustdrehmomente aus dem umgekehrten Verhältnis der betragsmäßigen Abstände der Drehzahlleitern dieser Koppelwellen 17 und 18 zu der Drehzahlleiter der dritten Koppelwelle 19.
Aus dieser Betrachtung wird klar, dass es eine mittlere Geschwindigkeit gibt, bei der die Antriebsleistung zu 50% über die erste Koppelwelle 17 und zu 50% über die zweite Koppelwelle 18 in das Überlagerungsgetriebe eingespeist wird. Daraus wird dann auch klar, dass es bei allen Ausführungsvarianten mit zwei Elektromotoren viele solcher Betriebspunkte im Hauptnutzungsbereich des Kleinfahrzeugs gibt, bei denen beide Elektromotoren annähernd die gleiche Unterstützungsleistung aus der Batterie zum Abtrieb übertragen können.
In 5 sind auch noch zwei konstruktive Ausführungsvarianten für das vierwellige Überlagerungsgetriebe erläutert.
Zum Beispiel kann man einen Ravigneaux-Planetenradsatz 34 für so ein vierwelliges Überlagerungsgetriebe auslegen. Dann würde die erste Koppelwelle 17 ein erstes Rav-Sonnenrad 35 tragen und die zweite Koppelwelle 18 ein zweites Rav-Sonnenrad, die dritte Koppelwelle 19 einen Rav-Planetenträger und die vierte Koppelwelle 20 ein Rav-Hohlrad. Der Rav-Planetenträger 37 trägt erste Rav-Planetenräder 38 und zweite Rav-Planetenräder 39, von denen die ersten Rav-Planetenräder 38 mit dem ersten Rav-Sonnenrad 35 und den zweiten Rav-Planetenrädern 39 kämmen und von denen die zweiten Rav-Planetenräder 39 zusätzlich mit dem zweiten Rav-Sonnenrad 36 und dem Rav-Hohlrad 40 kämmen. Diese Ausführungsvariante ist dann auch wieder in den 7, 8 und 10 zu sehen.
Alternativ dazu kann man das vierwellige Überlagerungsgetriebe 10 auch aus zwei einfachen dreiwelligen Koppel-Planetenradstufen 41 und 45 aufbauen. Die erste Koppel-Planetenradstufe 41 hat ein erstes Koppel-Sonnenrad 42, das auf der zweiten Koppelwelle 18 sitzt, einen ersten Koppel-Planetenträger 43, der mit der dritten Koppelwelle 19 verbunden ist, und ein erstes Koppelhohlrad 44, das mit der vierten Koppelwelle 20 verbunden ist. Die zweite Koppel-Planetenradstufe 46 hat ein zweites Koppel-Sonnenrad 46, das auch auf der zweiten Koppelwelle 18 sitzt, einen zweiten Koppel-Planetenträger 47, der mit dem ersten Koppelhohlrad 44 und der vierten Koppelwelle 20 verbunden ist, und ein zweites Koppelhohlrad 48, das mit der ersten Koppelwelle 17 verbunden ist. Diese Ausführungsvariante ist dann wieder in den 6 und 9 zu sehen.
Für das in 5 gezeigte Drehzahlleiterdiagramm gibt es je nach den Abständen zwischen den Drehzahlleitern auch noch weitere konstruktive Ausgestaltungen. So kann zum Beispiel ein modifizierter Ravigneaux-Planetenradsatz mit nur einem Sonnenrad, aber zwei Hohlrädern zum Einsatz kommen, wenn der Abstand zwischen den Drehzahlleitern der Koppelwellen 17 und 20 ungefähr so groß ist wie der Abstand zwischen den Drehzahlleitern der Koppelwellen 20 und 19. Dann sitzen das Sonnenrad auf der Koppelwelle 18, die beiden Hohlräder auf den Koppelwellen 17 und 19 und der Planetenträger auf der Koppelwelle 20.
6 zeigt ein Strukturbild zu der Anordnungsgrafik nach 2, das die Art und die räumliche Anordnung der Elektromotoren sowie der Getriebestufen und Freiläufe für die zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen modularen Antriebssystems 1 offenbart.
Das modulare Antriebssystem 1 besteht aus einer Pedaleinheit 2 und einer Radachseinheit 7, die über ein Zwischengetriebe 15 verbunden sind. Die Pedaleinheit 2 verbindet die Tretkurbelwelle 3 über ein Pedalgetriebesystem 4 mit der ersten Zwischenwelle 5. Die Radachseinheit 7 verbindet die zweite Zwischenwelle 6 über das Radachsgetriebesystem 8 mit der Radachswelle 9. Das Zwischengetriebe 15 verbindet die erste Zwischenwelle 5 mit der zweiten Zwischenwelle 6 und ist in dieser Ausführungsvariante durch ein Umschlingungsgetriebe realisiert.
Der erste Elektromotor 11 treibt in der Radachseinheit 7 über die erste Motorgetriebestufe 21 die erste Koppelwelle 17 des vierwelligen Überlagerungsgetriebes 16. Die zweite Koppelwelle 18 des Überlagerungsgetriebes 16 ist hier direkt mit der zweiten Zwischenwelle 6 verbunden. Die dritte Koppelwelle 19 ist fest mit der Radachswelle 9 verbunden, die hier als Hohlwelle ausgeführt die Radachseinheit 7 wie ein drehendes Gehäuse umfasst. Die vierte Koppelwelle 20 stützt sich hier über den ersten Freilauf 26 an dem Abstützelement 24 ab, das komplett durch die hohle Radachswelle 9 hindurchgeht und auf beiden Seiten fest mit dem Fahrzeugrahmen 25 verbunden ist. Auf diesem Abstützelement 24 sind zudem mehrere Bauteile der Radachseinheit 7 gelagert.
Das Überlagerungsgetriebe 16 besteht hier aus zwei gekoppelten dreiwelligen Koppel-Planetenradstufen 41 und 45 mit einfachen Planetenrädern. Die erste Koppel-Planetenradstufe 41 hat ein erstes Koppel-Sonnenrad 42, das mit der zweiten Koppelwelle 18 verbunden ist, und einen ersten Koppel-Planetenträger 43, der mit der dritten Koppelwelle 19 verbunden ist, und ein erstes Koppelhohlrad 44, das mit der vierten Koppelwelle 20 verbunden ist. Die zweite Koppel-Planetenradstufe 45 hat ein zweites Koppel-Sonnenrad 46, das ebenfalls mit der zweiten Koppelwelle 18 verbunden ist, und einen zweiten Koppel-Planetenträger 47, der ebenfalls mit der vierten Koppelwelle 20 verbunden ist, und ein zweites Koppelhohlrad 48, das mit der ersten Koppelwelle 17 verbunden ist.
Besonders vorteilhaft ist so eine Ausgestaltung, wenn die beiden Koppel-Planetenradstufen identische Standübersetzungen haben, und dafür dann auch noch die zwei Koppel-Sonnenräder 42 und 46 Teile einer gemeinsamen, in einem Prozess hergestellten Verzahnung sind, und dass die beiden Koppelhohlräder 44 und 48 ebenfalls in Stirnschnitt gleiche Verzahnungsdaten aufweisen.
Das Abstützelement 24 ist in dieser Ausführungsvariante nach 6 zweigeteilt ausgeführt, damit es den Stator des ersten Elektromotors 11 von beiden Seiten außen umfassen kann. Der Rotor dieses ersten Elektromotors 11 ist in dem Abstützelement 24 gelagert, um ein im Durchmesser sehr kleines Ritzel der ersten Motorgetriebestufe 21 antreiben zu können.
Die erste Motorgetriebestufe 21 ist als eine Planetenradstufe ausgeführt, deren Sonnenrad auf der Rotorwelle des ersten Elektromotors 11 sitzt, deren Hohlrad mit der ersten Koppelwelle 17 verbunden ist und deren Planetenträger auf dem Abstützelement 24 sitzt und damit keine Drehzahl hat. Das Abstützelement 24 geht somit durch die Motorgetriebestufe 21 hindurch.
Wenn es dann noch gelingt, dass das Hohlrad der Motorgetriebestufe 21 im Stirnschnitt die gleichen Verzahnungsdaten hat, wie das zweite Koppelhohlrad 48, ist auch an dieser Stelle eine sehr einfache und kostengünstige konstruktive Umsetzung möglich.
Bei einem Drehmoment von 4 Nm am ersten Elektromotor 11 und einer Übersetzung von i=7,5 in der ersten Motorgetriebestufe 21 treibt das elektrische Teilsystem die erste Koppelwelle 17 mit max. 30 Nm an. Das Überlagerungsgetriebe ist z.B. so ausgelegt, dass dann bei offenem ersten Freilauf 26 im zweiten Fahrbereich an der zweiten Koppelwelle ein Antriebsdrehmoment von ca. 47 Nm nötig ist. Daraus ergibt sich dann an der mit der dritten Koppelwelle 19 verbundenen Radachswelle 9 ein Abtriebsdrehmoment von -77 Nm. Das Reaktionsdrehmoment am Abstützelement 24 wäre dann 26 Nm.
Im ersten Fahrbereich mit geschlossenem ersten Freilauf 26 wir ein Drehmoment von 30 Nm an der ersten Koppelwelle 17 in einer Beispielauslegung mit einem Faktor von 1,67 erhöht zur Radachswelle übertragen. Ein Drehmoment von 47 Nm an der zweiten Koppelwelle 18 wird bei dieser Beispielauslegung mit dem Faktor 2,67 erhöht zur Radachswelle 9 übertragen. Das ergibt dann ein sehr großes Abtriebsdrehmoment an der Radachswelle von -174 Nm, das aber nur selten in extremen Fahrsituationen nötig sein wird. Das Reaktionsdrehmoment am Abstützelement 24 beträgt dann 123 Nm.
Das Drehmoment an der zweiten Koppelwelle 18 gelangt von der Pedaleinheit 2 über das Zwischengetriebe 15 dorthin. In der Pedaleinheit 2 gibt es die Tretkurbelwelle 3, auf die eine Person über Muskelkraft ein Tretkurbeldrehmoment aufprägt. Dieses Drehmoment wird in dieser Ausführungsvariante über die dreiwellige Antriebs-Planetenradstufe 50 und den zweiten Freilauf 27 auf die erste Zwischenwelle 5 und von dort in das Zwischengetriebe 15 eingespeist.
Der Planetenträger dieser Antriebs-Planetenradstufe 50 ist mit der Tretkurbelwelle verbunden. Das Sonnenrad dieser Antriebs-Planetenradstufe 50 wirkt über den zweiten Freilauf 27 auf die erste Zwischenwelle 5. Das Hohlrad dieser Antriebs-Planetenradstufe stützt sich über einen Drehmoment-Messflansch 49 am Gehäuse der Pedaleinheit 2 ab. Mit einer Standübersetzung von z.B. i0=-2,5 erhöht die Antriebs-Planetenradstufe eine Tretkurbeldrehzahl von z.B. 60/min um den Faktor 3,5 auf 210/min. Im Zwischengetriebe 15 wird diese Drehzahl z.B. um den Faktor 1,42 wieder auf 148/min an der zweiten Zwischenwelle 6 und an der zweiten Koppelwelle 18 reduziert.
Die Pedaleinheit 2 weist einen zweiten Elektromotor 12 auf, der über eine zweite Motorgetriebestufe 22 auf die erste Zwischenwelle 5 wirkt. In dieser Ausführungsvariante ist diese Motorgetriebestufe 22 eine Winkelgetriebestufe 55 mit einem Winkelgetrieberitzel 56 und einem Winkelgetrieberad 57 mit einer Übersetzung von z.B. i=7,1. In dem oben angeführten beispielhaften Betriebspunkt dreht dann der Rotor des zweiten Elektromotors 12 mit fast 1500/min.
Um in dieser beispielhaften Auslegung ein Drehmoment von 47 Nm an der zweiten Koppelwelle 18 zu erzeugen, benötigt man ein Drehmoment von 33 Nm an der ersten Zwischenwelle 5. Das könnte sich z.B. aus einem Tretkurbeldrehmoment von 20 Nm und einem Drehmoment von 3,85 Nm vom zweiten Elektromotor 12 jeweils multipliziert mit den zughörigen Übersetzungen bis zur ersten Zwischenwelle 5 zusammensetzen.
Für die Regelung so eines modularen Antriebssystems bzgl. der Antriebsunterstützung aus der Batterie ist eine Messung des Drehmoments an der Tretkurbelwelle 3 erforderlich. In dieser Ausführungsvariante wird dieses Drehmoment in vorteilhafter Weise über einen Drehmoment-Messflansch 49 an einer nicht rotierenden Stelle über das Reaktionsdrehmoment am Hohlrad der Antriebs-Planetenradstufe 50 bestimmt. Ein Austausch von Energie und Signalen zwischen einem gehäusefesten Sensorteil und einem mit einer Welle mitdrehenden Sensorteil kann dann entfallen. Die Drehzahl der Tretkurbelwelle 3 kann in bekannter Weise direkt an dieser Welle oder auch an einer anderen drehenden Welle gemessen werden, die über eine konstante Übersetzung permanent mit der Tretkurbelwelle verbunden ist.
Ein teilelektrisches Bremsen erfolgt in dem modularen Antriebssystem nach 6 nur über den ersten Elektromotor 11, wenn dabei die Anschlusswellen des Zwischengetriebes 15 stehen sollen. Der zweite Elektromotor 12 hält dann die erste Zwischenwelle 5 und dann über die weitere Wirkkette auch die zweite Koppelwelle 18 fest und stütz dabei das aus dem Bremsvorgang resultierende Reaktionsdrehmoment ab. Zur Entlastung des zweiten Elektromotors 12 in diesem Betriebszustand wäre auch ein dritter Freilauf zwischen der zweiten Koppelwelle 18 und dem Abstützelement 24 vorteilhaft einsetzbar.
Rein technisch ist es aber auch möglich, mit so einem Antriebssystem in dieser Ausführungsvariante immer dann eine regelbare elektrische Bremswirkung zu erzeugen, wenn der zweite Freilauf 27 in der Pedaleinheit 2 wegen zu geringer Drehmomente an der Tretkurbelwelle 3 öffnet. Solche automatische Bremsregelungen gehören heute schon in zahlreichen E-Fahrzeugen zum Stand der Technik und werden gerne genutzt.
7 zeigt ein Strukturbild zu der Anordnungsgrafik nach 3, das die Art und die räumliche Anordnung der Elektromotoren sowie der Getriebestufen und Freiläufe für die dritte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen modularen Antriebssystems 1 offenbart.
Das modulare Antriebssystem 1 besteht wieder aus einer Pedaleinheit 2 und einer Radachseinheit 7 sowie einem Zwischengetriebe 15. Die Radachswelle 9 der Radachseinheit 7 treibt hier nicht direkt ein Rad des Kleinfahrzeugs, sondern über einen Endantrieb mit einem Differenzial 28 eine Achse des Kleinfahrzeugs. Der einstufige Endantrieb bewirkt eine Drehzahlumkehr, die durch eine weitere Getriebestufe im Zwischengetriebe 15 kompensiert wird.
Ein dritter Elektromotor 13 wirkt in dieser Ausführungsvariante über eine dritte Motorgetriebestufe 23 auf die zweite Zwischenwelle 6 und von dort auf die zweite Koppelwelle 18. Der dritte Elektromotor 13 übernimmt hier die gleiche physikalische Funktion wie der zweite Elektromotor 12 in der zweiten Ausführungsvariante nach 6. Deshalb können hier in der Pedaleinheit 2 der zweite Elektromotor 12 und die zweite Motorgetriebestufe 22 entfallen. Die Pedaleinheit 2 ist ansonsten genauso aufgebaut wie im modularen Antriebssystem nach 6, vereinfacht sich aber durch den Wegfall des zweite Elektromotors 12 und der zweiten Motorgetriebestufe 22 deutlich.
Das vierwellige Überlagerungsgetriebe 16 hat auch in dieser Ausführungsvariante die vier Koppelwellen 17, 18, 19 und 20, die hier aber über eine andere getriebetechnische Ausgestaltung verbunden sind. In dieser Ausführungsvariante kommt ein nach dem Stand der Technik bekannter Ravigneaux-Planetenradsatz 34 (Rav-Planetenradsatz) zur Anwendung, der ein erstes Rav-Sonnenrad 35 an der ersten Koppelwelle 17, ein zweites Rav-Sonnenrad 36 an der zweiten Koppelwelle 18, einen Rav-Planetenträger 37 an der dritten Koppelwelle 19 und ein Rav-Hohlrad 40 an der vierten Koppelwelle 20 aufweist.
Der Rav-Planetenträger 37 trägt erste Rav-Planetenräder 38 und zweite Rav-Planetenräder 39. Die ersten Rav-Planetenräder 38 kämmen mit dem ersten Rav-Sonnenrad 35 und den zweiten Rav-Planetenrädern 39, die ihrerseits noch mit dem Rav-Hohlrad 40 und dem zweite Rav-Sonnenrad 36 kämmen.
Die Motorgetriebestufen 21 und 23 sind in dieser Ausführungsvariante als einfache dreiwellige Planetenradstufen mit gehäusefesten Planetenträgern ausgeführt. Das ermöglicht eine am Gehäuse 58 der Radachseinheit befestigte Gehäuseachse 59 durch das Überlagerungsgetriebe 16 hindurch zu führen, über die vom Gehäuse 58 aus Schmierstoff ins Überlagerungsgetriebe 16 eingebracht werden kann. Außerdem können die Hohlräder dieser Planetenradstufen und die damit verbundenen Rav-Sonnenräder 35 und 36 auf dieser Gehäuseachse 59 stabil gelagert werden.
Der erste Freilauf 26 sitzt in dieser Ausführungsvariante zwischen dem Rav-Hohlrad 40 und dem Abstützelement 24, auf dem sich auch Lagerkräfte abstützen und das über das Getriebegehäuse 58 mit dem Fahrzeugrahmen verbunden ist.
Sollte diese Ausführungsvariante des modularen Antriebssystems in einem Fahrzeug mit geringem max. Zugkraftbedarf zur Anwendung kommen, so könnte man das Rav-Hohlrad 40 und den ersten Freilauf 26 entfallen lassen. Dann gibt es in diesem Antriebssystem zwar keinen ersten Fahrbereich für sehr hohe Zugkräfte mehr, der zweite Fahrbereich wäre aber voll umfänglich verfügbar, weil in dem so gestalteten Überlagerungsgetriebe das Rav-Hohlrad 40 ausschließlich im ersten Fahrbereich belastet wird.
Kombiniert man die Radachseinheit 7 aus dem modularen Antriebssystem 1 nach 6 mit der Pedaleinheit 2 und dem Zwischengetriebe 15 aus dem modularen Antriebssystem 1 nach 7 dann erhält man eine erste Ausführungsvariante des modulares Antriebssystem 1, das zu der Anordnungsgrafik nach 1 passt. Auch ohne den zweiten Elektromotor 12 liegt dann ein stufenlos elektrisch leistungsverzweigendes Getriebe vor.
In der Beschreibung des modularen Antriebssystem 1 nach 6 ist ein Betriebszustand erwähnt, beim dem die Tretkurbelwelle 3 mit 60/min rotiert und dann die zweite Koppelwelle 18 mit 148/min. Wenn dann noch das Überlagerungsgetriebe 16 mit gleichen Drehzahlen an allen Koppelwellen umläuft und das angetriebene Rad einen Durchmesser an der Lauffläche von 650 mm aufweist, dann fährt das Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit von ca. 18 km/h. In diesem Betriebszustand würde 60% der Antriebsleistung über die Pedaleinheit 2 und die zweite Koppelwelle 18 eingespeist und der erste Elektromotor 12 müsste 40% der Antriebsleistung über die erste Koppelwelle 17 beisteuern, die dann in der ersten Ausführungsvariante nach 1 komplett aus der Batterie aufgebracht werden müsste. Die elektrische Unterstützungsleistung wäre dann ca. 67% der Antriebsleistung aus der dann nur mit Muskelkraft angetriebenen Pedaleinheit 2. Das ist ein häufig von Nutzern klassischer Antriebe mit elektrischer Unterstützung gewählter Unterstützungsgrad, der sich über die Detailauslegung der Getriebestufen im modularen Antriebssystem 1 variieren lässt. Mit steigenden Fahrgeschwindigkeiten und konstanter Tretkurbel-drehzahl steigt dann automatisch der Unterstützungsgrad, was meistens von den Nutzern auch gewünscht wird. Bei dieser Auslegung und einer Fahrgeschwindigkeit von 25 km/h wäre der Unterstützungsgrad schon auf 130% gestiegen.
8 zeigt ein Strukturbild zu der Anordnungsgrafik nach 4, das die Art und die räumliche Anordnung der Elektromotoren sowie der Getriebestufen und Freiläufe für die vierte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen modularen Antriebssystems 1 offenbart.
In dieser vierten Ausführungsvariante fehlen jetzt viele der vorher gesehenen mechanischen Teile des Zwischengetriebes 15. Das Zwischengetriebe 15 ist hier ein elektrisches Getriebe zwischen der Pedaleinheit 2 und der Radachseinheit 7. Die Pedaleinheit 2 weist hier wieder den zweiten Elektromotor 12 und die zweite Motorgetriebestufe 22 auf und die Radachseinheit 7 weist den dritten Elektromotor 13 und die dritte Motorgetriebestufe 23 auf.
Die Tretkurbelwelle 3 treibt in dieser Ausführungsvariante über die Antriebs-Planetenradstufe 50 und den zweiten Freilauf 27 die erste Zwischenwelle 5. Diese treibt den zweiten Elektromotor 12, der über das Umrichtersystem 10 den dritten Elektromotor 13 treibt. Von dort fließt die Leistung über die dritte Motorgetriebestufe 23 zur zweiten Zwischenwelle 6 und dann zur zweiten Koppelwelle 18.
Da dieses hauptsächlich elektrische Zwischengetriebe 15 das Drehzahlverhältnis zwischen dem zweiten und dem dritten Elektromotor 12 und 13 stufenlos verändern kann, ist auch das Drehzahlverhältnis zwischen der Tretkurbel 3 und der zweiten Koppelwelle 18 variabel. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad ermöglicht eine noch bessere Regelung der Radachseinheit hinsichtlich max. verfügbarem Abtriebsdrehmoment, Wirkungsgrad und Fahrgefühl. Insbesondere der Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Fahrbereich kann dann noch komfortabler geregelt werden. Das Überlagerungsgetriebe 16 mit dem ersten Freilauf 26 kann dann nicht nur für eine stufenlose Übersetzungsverstellung genutzt werden, sondern wie ein 2-Gang-Getriebe mit schnellem stufenlos geregelten Gangwechsel ohne Zugkraftunterbrechung.
Die elektrische Kopplung zwischen Pedaleinheit 2 und Radachseinheit 7 bietet zudem mehr Freiheiten bei der geometrischen Zuordnung dieser Baugruppen im Fahrzeugrahmen. Außerdem lassen sich dann auch sehr einfach mehrere Pedaleinheiten 2 mit einer Radachseinheit 7 verbinden.
Die 9 und 10 zeigen noch konstruktive Ausgestaltungen der zweiten Ausführungsvariante des modularen Antriebssystems 1 nach 6 und der vierten Ausführungsvariante nach 8.
In 9 ist die Pedaleinheit 2 in der maximalen Ausbaustufe mit dem zweiten Elektromotor 12, der zweiten Motorgetriebestufe 22 und der ersten Zwischenwelle 5 mit der Schnittstelle zu einem Umschlingungsgetriebe als Zwischengetriebe 15 zu sehen.
Das Gehäuse 54 der Pedaleinheit 2 hat einen Hauptteil 60 mit zwei Kammern 61 und 62 und zwei Deckeln 63 und 64. In die erste Kammer 61 werden die Tretkurbelwelle 3, die Antriebs-Planetenradstufe 50, der Drehmoment-Messflansch 49, der zweite Freilauf 27 und die erste Zwischenwelle 5 mit dem Winkelgetrieberad 57 der zweiten Motorgetriebestufe 22 montiert. Dann wird diese erste Kammer 61 durch einen ersten Deckel 63 auf der Seite des Drehmoment-Messflansches 49 verschlossen. In die zweite Kammer 62 werden der zweite Elektromotor 12 samt Schnittstelle zum Umrichter und samt der Rotorwelle mit dem darauf sitzenden Winkelgetrieberitzel 56 montiert. Diese zweite Kammer 62 wird durch einen zweiten Deckel 64 verschlossen.
Die Bauteile der Radachseinheit 7 werden in dieser Ausführungsvariante in der zweigeteilten Radachswelle 9 aufgenommen, die hier wie sonst übliche Gehäusebauteile ausgeformt sind. Das erste gehäuseähnliche Radachsteil 67 der Radachswelle 9 liegt auf der Seite des ersten Elektromotors 11 und ist kurz ausgeführt. Das zweite gehäuseähnliche Radachsteil 68 liegt auf der Seite der ersten Motorgetriebestufe 21 und des Überlagerungsgetriebes 16 und ist hier länger ausgeführt. Das Rad eines Fahrzeugs kann direkt, z.B. über Speichen, mit dieser Radachswelle 9 verbunden sein.
Aus 9 wird nochmals der konstruktive Vorteil deutlich, wenn die beiden Sonnenräder des Überlagerungsgetriebes 16 gleiche Stirnschnittgeometrien aufweisen und wenn dies auch für die beiden Hohlräder des Überlagerungsgetriebes 16 und das Hohlrad der ersten Motorgetriebestufe 21 gilt.
In 10 ist die Pedaleinheit 2 bis auf das Zahnriemenrad oder das Kettenrad als Schnittstelle zwischen der ersten Zwischenwelle 5 und dem Zwischengetriebe 15 identisch zu der Ausführung in 9.
Das Gehäuse 58 der Radachseinheit 7 ist zweigeteilt. In dieser Ausführungsvariante umschließt das erste Gehäuseteil 65 der Radachseinheit 7 den ersten Elektromotor 11 und weitere Antriebsbauteile. Das zweite Gehäuseteil 66 der Radachseinheit 7 umschließt den dritten Elektromotor 13 und weitere Antriebsbauteile. Der hier gut zu erkennende Endantrieb mit Differenzial 28 ist zum Teil im ersten Gehäuseteil 65 der Radachseinheit 7 und zum Teil im zweiten Gehäuseteil 66 der Radachseinheit 7 gelagert.
Aus beiden 9 und 10 wird deutlich, dass die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen des modularen Antriebssystem 1 in allen Ausführungsvarianten zu sehr kompakten Konstruktionen führen, bei denen alle Bauteile auf engstem Bauraum mit höchster Packungsdichte bei ausreichenden Lebensdauern zusammenwirken. Alle Wellen lassen sich statisch bestimmt lagern. Fertigungsbedingte Bauteiltoleranzen können über Einstellsysteme ausgeglichen werden.
Aus 9 wird nochmals klar, dass die vom ersten Elektromotor 11 in das modulare Antriebssystem 1 eingespeiste Leistung nur über eine einfache Planetenradstufe als erster Motorgetriebestufe 21 zum Überlagerungsgetriebe 16 fließt und dass die vom zweiten Elektromotor 12 eingespeiste Leistung nur über den einen Zahneingriff der als Winkelgetriebestufe 55 ausgeführten zweiten Motorgetriebestufe 22 und ein verlustarmes Umschlingungsgetriebe als Zwischengetriebe 15 zum Überlagerungsgetriebe 16 fließt. Diese Ausgestaltung führt zu maximalen Wirkungsgraden im mechanischen Leistungsstrang für die elektrischen Leistungsanteile.
Aus allen Figuren wird klar, wie man mit den wenigen Varianten des Moduls Pedaleinheit 2 und den wenigen Varianten des Moduls Radachseinheit 7 sowie wenigen Varianten des Modules Zwischengetriebe für viele geometrisch unterschiedliche Kleinfahrzeuge mit darüber hinaus sehr unterschiedlichen Lastkollektiven maßgeschneiderte Antriebssysteme zusammenstellen kann.
Bezugszeichenliste

1: Modulares Antriebssystem
2: Pedaleinheit
3: Tretkurbelwelle
4: Pedalgetriebesystem
5: erste Zwischenwelle
6: zweite Zwischenwelle
7: Radachseinheit
8: Radachsgetriebesystem
9: Radachswelle
10: Umrichtersystem
11: erster Elektromotor
12: zweiter Elektromotor
13: dritter Elektromotor
14: Batterie
15: Zwischengetriebe
16: Überlagerungsgetriebe
17: erste Koppelwelle
18: zweite Koppelwelle
19: dritte Koppelwelle
20: vierte Koppelwelle
21: erste Motorgetriebestufe
22: zweite Motorgetriebestufe
23: dritte Motorgetriebestufe
24: Abstützelement
25: Fahrzeugrahmen
26: erste Freilauf
27: zweiter Freilauf
28: Endantrieb mit Differenzial
29: Drehzahlleiterplan
30: Drehzahlbezugslinie
31: erster Betriebspunkt
32: zweiter Betriebspunkt
33: dritter Betriebspunkt
34: Rav-Planetenradsatz
35: erstes Rav-Sonnenrad
36: zweites Rav-Sonnenrad
37: Rav-Planetenträger
38: erste Rav-Planetenräder
39: zweite Rav-Planetenräder
40: Rav-Hohlrad
41: erste Koppel-Planetenradstufe
42: erstes Koppel-Sonnenrad
43: erster Koppel-Planetenträger
44: erstes Koppel-Hohlrad
45: zweite Koppel-Planetenradstufe
46: zweites Koppel-Sonnenrad
47: zweiter Koppel-Planetenträger
48: zweites Koppel-Hohlrad
49: Drehmoment-Messflansch
50: Antriebs-Planetenradstufe
51: Antriebs-Sonnenrad
52: Antriebs-Planetenträger
53: Antriebs-Hohlrad
54: Gehäuse der Pedaleinheit
55: Winkelgetriebestufe
56: Winkelgetrieberitzel
57: Winkelgetrieberad
58: Gehäuse der Radachseinheit
59: Gehäuseachse
60: Hauptgehäuse Pedaleinheit
61: erste Gehäusekammer
62: zweite Gehäusekammer
63: erster Deckel Pedalgehäuse
64: zweiter Deckel Pedalgehäuse
65: erstes Gehäuseteil der Radachseinheit
66: zweites Gehäuseteil der Radachseinheit
67: erstes gehäuseähnliches Radachsteil
68: zweites gehäuseähnliches Radachsteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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DE 19720796 B4 [0003]
US 4121474 [0003]
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US 9254890 B2 [0006]
WO 2020/240094 A1 [0006]
DE 102018217093 A1 [0006]
EP 1642820 B1 [0006]

Claims

Modulares Antriebssystem (1), vorzugsweise für teilelektrisch angetriebene Kleinfahrzeuge, mit einer von Personen mit Muskelkraft angetriebenen Pedaleinheit (2) und einer an einer angetriebenen Fahrzeugachse oder einem angetriebenen Rad angeordneten Radachseinheit (7) und mit einer Batterie (14) als Speicher elektrischer Energie und einem damit über einen Gleichstromzwischenkreis verbundenen Umrichtersystem (10) zur Ansteuerung mindestens eines ersten Elektromotors (11), wobei die Pedaleinheit (2) eine Tretkurbelwelle (3) direkt oder über eine Pedalgetriebesystem (4) mit einer ersten Zwischenwelle (5) verbindbar macht, und wobei die Radachseinheit (7) eine zweite Zwischenwelle (6) direkt oder über ein Radachsgetriebesystem (8) mit einer Radachswelle (9) verbindet, die direkt oder über weitere Getriebestufen, wie z.B. einen Endantrieb mit Differenzial (28), das Fahrzeug antriebt, und wobei die erste Zwischenwelle (5) und die zweite Zwischenwelle (6) über ein Zwischengetriebe (15) in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elektromotor (11) ein Teil der Radachseinheit (7) ist und über eine erste Motorgetriebestufe (21) mit der ersten Koppelwelle (17) eines vierwelligen Überlagerungsgetriebes (16) mit kinematischem Freiheitsgrad 2 verbunden ist, das noch eine zweite Koppelwelle (18), eine dritte Koppelwelle (19) und eine vierte Koppelwelle (20) aufweist, wobei die zweite Koppelwelle (18) direkt oder über eine weitere Getriebestufe mit der zweiten Zwischenwelle (6) verbunden ist und wobei die dritte Koppelwelle (19) mit der Radachswelle (9) verbunden ist und wobei die vierte Koppelwelle (20) über einen ersten Freilauf (26) mit einem Abstützelement (24) verbindbar ist, das seinerseits fest mit dem Fahrzeugrahmen (25) in Verbindung steht, und wobei der erste Freilauf (26) für die vierte Koppelwelle (20) nur Drehzahlen mit dem Vorzeichen zulässt, das die Drehzahlen an der dritten Koppelwelle (19) bei Vorwärtsfahrt des Kleinfahrzeugs aufweisen.
Modulares Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem vierwelligen Überlagerungsgetriebe (16) das Verhältnis der Differenz der Drehzahlen der zweiten Koppelwelle (18) und der dritten Koppelwelle (19) zur Differenz der Drehzahlen der vierten Koppelwelle (20) und der dritten Koppelwelle (19) negativ ist und dass das Verhältnis der Differenz der Drehzahlen der zweiten Koppelwelle (18) und der vierten Koppelwelle (20) zur Differenz der Drehzahlen der ersten Koppelwelle (17) und der vierten Koppelwelle (20) ebenfalls negativ ist.
Modulares Antriebssystem (1) nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vierwellige Überlagerungsgetriebe (16) als Ravigneaux-Planetenradsatz (34) aufgebaut ist mit einem Rav-Hohlrad (40) an der vierten Koppelwelle (20), einem ersten Rav-Sonnenrad (35) an der ersten Koppelwelle (17), einem zweiten Rav-Sonnenrad (36) an der zweiten Koppelwelle (18) und einem Rav-Planetenträger (37) an der dritten Koppelwelle (19), wobei der Rav-Planetenträger (37) erste Rav-Planetenräder (38) und zweite Rav-.Planetenräder (39) trägt, von denen die zweiten Rav-Planetenräder (39) gleichzeitig mit dem Rav-Hohlrad (40) und dem zweiten Rav-Sonnenrad (36) und den ersten Rav-Planetenrädern (38) in Eingriff stehen, und wobei die ersten Rav-Planetenräder (38) zusätzlich noch mit dem ersten Rav-Sonnenrad (35) in Eingriff stehen.
Modulares Antriebssystem (1) nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vierwellige Überlagerungsgetriebe (16) aus einer dreiwelligen ersten Koppel-Planetenradstufe (41) mit einfachen Planetenrädern und einer dreiwelligen zweiten Koppel-Planetenradstufe (45) mit einfachen Planetenrädern aufgebaut ist, wobei die erste Koppelplanetenradstufe (41) ein erstes Koppel-Sonnenrad (42) aufweist, das mit der zweiten Koppelwelle (18) verbunden ist, und einen ersten Koppel-Planetenträger (43) aufweist, der mit der dritten Koppelwelle (19) verbunden ist, und ein erstes Koppelhohlrad (44) aufweist, das mit der vierten Koppelwelle (20) verbunden ist, und wobei die zweite Koppel-Planetenradstufe (45) ein zweites Koppel-Sonnenrad (46) aufweist, das ebenfalls mit der zweiten Koppelwelle (18) verbunden ist, und einen zweiten Koppel-Planetenträger (47) aufweist, der ebenfalls mit der vierten Koppelwelle (20) verbunden ist, und ein zweites Koppelhohlrad (48) aufweist, das mit der ersten Koppelwelle (17) verbunden ist.
Modulares Antriebssystem (1) nach den Ansprüchen 1 und 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Koppel-Sonnenräder (42 und 46) Teile einer gemeinsamen, in einem Prozess hergestellten Verzahnung sind, und dass die beiden Koppelhohlräder (44 und 48) ebenfalls im Stirnschnitt gleiche Verzahnungsdaten aufweisen.
Modulares Antriebssystem (1) nach den Ansprüchen 1 und 2 und einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pedaleinheit (2) einen zweiten Elektromotor (12) aufweist, der über eine zweite Motorgetriebestufe (22) auf die erste Zwischenwelle (5) wirkt.
Modulares Antriebssystem (1) nach den Ansprüchen 1 und 2 und einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Radachseinheit (7) einen dritten Elektromotor (13) aufweist, der über eine dritte Motorgetriebestufe (23) auf die zweite Zwischenwelle (6) wirkt.
Modulares Antriebssystem (1) nach den Ansprüchen 1 und 2 und einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pedaleinheit (2) einen zweiten Elektromotor (12) aufweist, der über eine zweite Motorgetriebestufe (22) auf die erste Zwischenwelle (5) wirkt und dass die Radachseinheit (7) einen dritten Elektromotor (13) aufweist, der über eine dritte Motorgetriebestufe (23) auf die zweite Zwischenwelle (6) wirkt.
Modulares Antriebssystem (1) nach den Ansprüchen 1 und 2 und einem der Ansprüche 3 oder 4 und einem der Ansprüche 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Motorgetriebestufe (22) eine einstufige Winkelgetriebestufe (55) mit einem Winkelgetrieberitzel (56) und einem Winkelgetrieberad (57) ist, wobei das Winkelgetrieberitzel (56) mit dem Rotor des zweiten Elektromotors (12) verbunden ist und wobei das Winkelgetrieberad (57) mit der ersten Zwischenwelle (5) verbunden ist.
Modulares Antriebssystem (1) nach den Ansprüchen 1 und 2 und einem der Ansprüche 3 oder 4 und einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Pedalgetriebesystem (4) eine dreiwellige Antriebs-Planetenradstufe (50) aufweist mit einem Antriebs-Planetenträger (52), der mit der Tretkurbelwelle (3) verbunden ist, mit einem Antriebs-Hohlrad (53), das über einen Drehmoment-Messflansch (49) mit dem Gehäuse (54) der Pedaleinheit (2) verbunden ist, und mit einem Antriebs-Sonnenrad (51), das über einen zweiten Freilauf (27) mit der ersten Zwischenwelle (5) in der Art verbindbar ist, dass die Drehzahl des Antriebs-Sonnenrades (51) betragsmäßig nur kleiner als die Drehzahl der ersten Zwischenwelle (5) sein kann.