DE102021001222A1 - Drive system for a light vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Leichtfahrzeug, umfassend ein Getriebe und einen Elektromotor, und ein Leichtfahrzeug.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem (1) für ein Leichtfahrzeug umfasst ein Getriebe (2) und einen Elektromotor (3), wobei
- das Getriebe (2) ein Gruppengetriebe mit einer ersten (4) und einer zweiten (5) Gruppe und eine Welle (6) umfasst,
- die erste Gruppe (4) ausgebildet ist, ein Eingangsdrehmoment aufzunehmen,
- die Welle (6) mit dem Elektromotor (3) so verbunden ist, dass die Welle (6) ein Drehmoment des Elektromotors (3) aufnehmen kann,
- die Welle (6) ausgebildet ist, die erste Gruppe (4) und den Elektromotor (3) mit der zweiten Gruppe (5) zu verbinden, so dass die Welle (6) das Eingangsdrehmoment von der ersten Gruppe (4) und das Drehmoment des Elektromotor (3) auf die zweite Gruppe (5) übertragen kann,
- die Welle (6) schaltbar ausgeführt ist, so dass durch ein Schalten der Welle (6) ein Übersetzungsverhältnis der ersten (4) und/oder der zweiten (5) Gruppe veränderbar ist und
- die zweite Gruppe (5) ausgebildet ist, das von der Welle (6) aufgenommene Eingangsdrehmoment und das von der Welle (6) aufgenommene Drehmoment vom Elektromotor (3) abzugeben.
The invention relates to a drive system for a light vehicle, comprising a transmission and an electric motor, and a light vehicle.
The drive system (1) according to the invention for a light vehicle comprises a transmission (2) and an electric motor (3), wherein
- the transmission (2) comprises a group transmission with a first (4) and a second (5) group and a shaft (6),
- The first group (4) is designed to absorb an input torque,
- the shaft (6) is connected to the electric motor (3) in such a way that the shaft (6) can absorb a torque from the electric motor (3),
- The shaft (6) is designed to connect the first group (4) and the electric motor (3) to the second group (5), so that the shaft (6) receives the input torque from the first group (4) and the torque of the electric motor (3) can be transferred to the second group (5),
- The shaft (6) is designed to be switchable, so that a transmission ratio of the first (4) and / or the second (5) group can be changed by switching the shaft (6) and
- The second group (5) is designed to output the input torque absorbed by the shaft (6) and the torque absorbed by the shaft (6) from the electric motor (3).
Description
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Leichtfahrzeug, umfassend ein Getriebe und einen Elektromotor, und ein Leichtfahrzeug.The invention relates to a drive system for a light vehicle, comprising a transmission and an electric motor, and a light vehicle.
Aus der
Das erfindungsgemäße Antriebssystem für ein Leichtfahrzeug umfasst ein Getriebe und einen Elektromotor, wobei
- - das Getriebe ein Gruppengetriebe mit einer ersten und einer zweiten Gruppe und eine Welle umfasst,
- - die erste Gruppe ausgebildet ist, ein Eingangsdrehmoment aufzunehmen,
- - die Welle mit dem Elektromotor so verbunden ist, dass sie ein Drehmoment des Elektromotors aufnehmen kann,
- - die Welle ausgebildet ist, die erste Gruppe und den Elektromotor mit der zweiten Gruppe zu verbinden, so dass die Welle das Eingangsdrehmoment von der ersten Gruppe und das Drehmoment des Elektromotors auf die zweite Gruppe übertragen kann,
- - die Welle schaltbar ausgeführt ist, so dass durch ein Schalten der Welle ein Übersetzungsverhältnis der ersten und/oder der zweiten Gruppe veränderbar ist und
- - die zweite Gruppe ausgebildet ist, das von der Welle aufgenommene Eingangsdrehmoment und das von der Welle aufgenommene Drehmoment vom Elektromotor abzugeben.
- - The transmission comprises a group transmission with a first and a second group and a shaft,
- - the first group is designed to absorb an input torque,
- - the shaft is connected to the electric motor in such a way that it can absorb a torque from the electric motor,
- - The shaft is designed to connect the first group and the electric motor to the second group, so that the shaft can transmit the input torque from the first group and the torque of the electric motor to the second group,
- - The shaft is designed to be switchable, so that a transmission ratio of the first and / or the second group can be changed by switching the shaft, and
- - The second group is designed to output the input torque absorbed by the shaft and the torque absorbed by the shaft from the electric motor.
Dadurch, dass die Welle ausgebildet ist, die erste Gruppe und den Elektromotor mit der zweiten Gruppe zu verbinden und das Eingangsdrehmoment und das Drehmoment des Elektromotors dadurch parallel angeordnet sind, ermöglicht die Erfindung, dass das Eingangsdrehmoment unabhängig vom Drehmoment des Elektromotors eingebracht werden kann. Gleichzeitig kann das Drehmoment des Elektromotors flexibel als Unterstützung zum Eingangsdrehmoment eingebracht werden ohne einen Fahrkomfort zu beeinträchtigen oder eine Beeinträchtigung eines Fahrkomforts zumindest zu reduzieren.Because the shaft is designed to connect the first group and the electric motor to the second group and the input torque and the torque of the electric motor are thereby arranged in parallel, the invention enables the input torque to be introduced independently of the torque of the electric motor. At the same time, the torque of the electric motor can be introduced flexibly as a support for the input torque without impairing driving comfort or at least reducing impairment of driving comfort.
Als Leichtfahrzeug werden hier Fahrzeuge wie Fahrräder, Lastenräder oder auch Rikschas verstanden. Sie umfassen in der Regel zwei Räder, können aber auch drei- oder vierrädrig ausgeführt sein.Light vehicles are understood here as vehicles such as bicycles, cargo bikes or rickshaws. They usually include two wheels, but can also be designed with three or four wheels.
Als Eingangsdrehmoment wird hier eine Last verstanden, die zum Antreiben des Leichtfahrzeugs aufgebracht wird. Üblicherweise wird diese durch einen Fahrenden auf einer Pedalwelle des Leichtfahrzeugs bereitgestellt.The input torque is understood here to be a load that is applied to drive the light vehicle. This is usually provided by a driver on a pedal shaft of the light vehicle.
Als Gruppengetriebe wird hier ein Getriebe verstanden, das mehr als eine Getriebegruppe umfasst. Hier umfasst das Gruppengetriebe eine erste und eine zweite Gruppe. Die erste und die zweite Gruppe umfassen jeweils zumindest zwei Zahnräder, so dass die erste und die zweite Gruppe jeweils zumindest ein Übersetzungsverhältnis aufweisen. Bevorzugt weist zumindest die erste oder die zweite Gruppe ein zweites Zahnradpaar auf, so dass es zwei Übersetzungsverhältnisse aufweist. Besonders bevorzugt weisen die erste und die zweite Gruppe zumindest zwei Übersetzungsverhältnisse auf.A group transmission is understood here to mean a transmission that comprises more than one transmission group. Here the group transmission comprises a first and a second group. The first and the second group each comprise at least two gears, so that the first and the second group each have at least one gear ratio. At least the first or the second group preferably has a second gear pair, so that it has two gear ratios. The first and the second group particularly preferably have at least two transmission ratios.
Als schaltbare Welle wird hier eine Welle verstanden, die verstellbar ist oder schaltbare Elemente aufweist. Hier ist zumindest jeweils ein Zahnrad der ersten und der zweiten Gruppe auf der schaltbaren Welle angeordnet. Durch Schalten der Welle oder der schaltbaren Elemente kann ein Kraftschluss zwischen der schaltbaren Welle und jeweils einem Zahnrad der ersten und der zweiten Gruppe hergestellt werden. Bevorzugt kann so, wenn die erste und die zweite Gruppe mehr als ein Zahnradpaar umfassen, durch Schalten der schaltbaren Welle ein anderes Übersetzungsverhältnis der ersten und/oder der zweiten Gruppe eingestellt werden.A switchable shaft is understood here to be a shaft that is adjustable or has switchable elements. Here at least one gear of the first and second group is arranged on the switchable shaft. By switching the shaft or the switchable elements, a frictional connection can be established between the switchable shaft and a respective gear wheel of the first and second group. Preferably, if the first and the second group comprise more than one gear pair, a different transmission ratio of the first and / or the second group can be set by switching the switchable shaft.
Als Ausgangsdrehmoment wird hier ein Drehmoment verstanden, das am Ausgang des Antriebssystems abgegeben werden kann. Üblicherweise wird dieses zum Antreiben einer Kette oder eines Riemens, die oder der wiederum ein Hinterrad des Leichtfahrzeugs in eine Rotationsbewegung versetzen kann, verwendet.An output torque is understood here to be a torque that can be output at the output of the drive system. Usually this is used to drive a chain or a belt, which in turn can set a rear wheel of the light vehicle in a rotational movement.
Bevorzugt ist das Antriebssystem so ausgeführt, dass das Eingangsdrehmoment und das Ausgangsdrehmoment koaxial aufgenommen beziehungsweise abgegeben werden können. Hierzu sind die Zahnräder der ersten und der zweiten Gruppe, die nicht auf der schaltbaren Welle angeordnet sind auf zwei axial fluchtenden Wellen angeordnet. Diese zwei axial fluchtenden Wellen sind dabei besonders bevorzugt als Hohlwellen ausgeführt.The drive system is preferably designed in such a way that the input torque and the output torque can be received or output coaxially. For this purpose, the gears of the first and the second group, which are not arranged on the switchable shaft, are arranged on two axially aligned shafts. These two axially aligned shafts are particularly preferably designed as hollow shafts.
Vorzugsweise umfasst die erste und/oder die zweite Gruppe zumindest drei Übersetzungsverhältnisse .The first and / or the second group preferably comprises at least three gear ratios.
Dadurch, dass die erste und/oder die zweite Gruppe zumindest drei Übersetzungsverhältnisse umfasst, ermöglicht die Erfindung, dass durch eine Multiplikation der Übersetzungsverhältnisse der ersten und zweiten Gruppe (3x3) mindestens ein 9-gängiges Getriebe und eine vorteilhafte Übersetzungsbandbreite erreicht werden kann.Because the first and / or the second group comprises at least three gear ratios, the invention enables at least one 9-gear transmission and an advantageous gear range to be achieved by multiplying the gear ratios of the first and second group (3x3).
Bevorzugt umfassen die erste und die zweite Gruppe drei Übersetzungsverhältnisse. Besonders bevorzugt ist die Übersetzungsbandbreite des Gruppengetriebes größer als 450 %.The first and the second group preferably comprise three gear ratios. The gear ratio bandwidth of the group transmission is particularly preferably greater than 450%.
Vorzugsweise umfasst das Getriebe ein Planetengetriebe, wobei
- - das Planetengetriebe einen Steg mit zumindest zwei Umlaufrädern, ein Hohlrad und ein Sonnenrad umfasst,
- - das Planetengetriebe der ersten Gruppe des Gruppengetriebes vorgeschaltet ist und
- - das Planetengetriebe ausgebildet ist, das Eingangsdrehmoment über den Steg aufzunehmen und über das Sonnenrad an die erste Gruppe abzugeben.
- - The planetary gear comprises a web with at least two planetary gears, a ring gear and a sun gear,
- - The planetary gear of the first group of the group gear is connected upstream and
- - The planetary gear is designed to absorb the input torque via the web and to deliver it to the first group via the sun gear.
Dadurch, dass das Getriebe ein der ersten Gruppe vorgeschaltetes Planetengetriebe umfasst und das Planetengetriebe das Eingangsdrehmoment über den Steg aufnimmt und über das Sonnenrad an die erste Gruppe abgibt, ermöglicht die Erfindung, dass eine Eingangsdrehzahl erhöht und das Eingangsdrehmoment verringert werden können.Because the transmission comprises a planetary gear connected upstream of the first group and the planetary gear absorbs the input torque via the web and outputs it to the first group via the sun gear, the invention enables an input speed to be increased and the input torque to be reduced.
Dies ist insbesondere vorteilhaft, da das von einem Fahrenden aufgebrachte Eingangsdrehmoment üblicherweise relativ hohe Spitzendrehmomente über 200 Nm bei niedrigen Drehzahlen von unter 150 U/min, meist sogar unter 100 U/min, aufweist. Da Getriebe kleiner dimensioniert werden können, wenn Spitzendrehmomente geringer sind, ist es daher vorteilhaft, das Eingangsdrehmoment zu reduzieren. Da Elektromotoren, insbesondere mit Spezifikationen wie sie in Fahrrädern verbaut werden, üblicherweise durch niedrige Drehmomente bei hohen Drehzahlen charakterisiert sind, wird so zusätzlich eine Verbindung zwischen Elektromotor und schaltbarer Welle vereinfacht, da eine geringere Drehzahldifferenz vorliegt und somit ein geringeres Übersetzungsverhältnis zwischen Elektromotor und schaltbarer Welle benötigt wird.This is particularly advantageous since the input torque applied by a driver usually has relatively high peak torques above 200 Nm at low speeds of below 150 rpm, usually even below 100 rpm. Since gearboxes can be made smaller when peak torques are lower, it is therefore advantageous to reduce the input torque. Since electric motors, especially those with specifications such as those built into bicycles, are usually characterized by low torques at high speeds, a connection between the electric motor and the switchable shaft is also simplified, since there is a lower speed difference and thus a lower gear ratio between the electric motor and the switchable shaft is needed.
Bevorzugt verringert das Planetengetriebe das Eingangsdrehmoment und erhöht die Eingangsdrehzahl um zumindest einen Faktor 2, besonders bevorzugt um zumindest einen Faktor 3.The planetary gear train preferably reduces the input torque and increases the input speed by at least a factor of 2, particularly preferably by at least a factor of 3.
Vorzugsweise ist die schaltbare Welle mit dem Elektromotor lösbar verbunden, so dass die schaltbare Welle von dem Elektromotor entkoppelbar ist.The switchable shaft is preferably detachably connected to the electric motor, so that the switchable shaft can be decoupled from the electric motor.
Dadurch, dass die schaltbare Welle von dem Elektromotor entkoppelbar ist, ermöglicht die Erfindung, dass die Antriebseinheit ohne Elektromotor betrieben werden kann und dabei hohe Verluste infolge eines Mitschleppens des Elektromotors verhindert oder zumindest reduziert werden können.Because the switchable shaft can be decoupled from the electric motor, the invention enables the drive unit to be operated without an electric motor and thereby preventing or at least reducing high losses as a result of the electric motor being dragged along.
Vorzugsweise ist das Hohlrad des Planetengetriebes gegen Verdrehen in zumindest eine Drehrichtung gesichert.The ring gear of the planetary gear is preferably secured against rotating in at least one direction of rotation.
Dadurch, dass das Hohlrad des Planetengetriebes gegen Verdrehen in zumindest eine Drehrichtung gesichert ist, ermöglicht die Erfindung, dass das Eingangsdrehmoment über das Sonnenrad an die erste Gruppe des Gruppengetriebes vorteilhaft übertragen werden kann.Because the ring gear of the planetary gear is secured against rotating in at least one direction of rotation, the invention enables the input torque to be advantageously transmitted to the first group of the group gear via the sun gear.
Bevorzugt ist das Hohlrad nur in eine Drehrichtung gegen Verdrehen gesichert, um so einen Freilauf zu ermöglichen. Besonders bevorzugt ist das Hohlrad gegen Verdrehen durch eine Sperrklinke gesichert und die Sperrklinke oder eine Halterung der Sperrklinke umfasst einen Kraftaufnehmer, zum Beispiel einen sogenannten Dehnungsmessstreifen, zum Messen des Eingangsdrehmoments.The ring gear is preferably secured against rotation in only one direction of rotation, in order to enable freewheeling in this way. The ring gear is particularly preferably secured against rotation by a pawl and the pawl or a holder of the pawl comprises a force transducer, for example a so-called strain gauge, for measuring the input torque.
Vorzugsweise umfasst das Antriebssystem eine elektrische Schaltvorrichtung, wobei die elektrische Schaltvorrichtung einen Stellmotor umfasst, die Welle elektrisch schaltbar ausgeführt ist und der Stellmotor ausgebildet ist, die Welle elektrisch über eine Spindel zu schalten.The drive system preferably comprises an electrical switching device, wherein the electrical switching device comprises a servomotor, the shaft is designed to be electrically switchable and the servomotor is designed to switch the shaft electrically via a spindle.
Dadurch, dass das Antriebssystem eine elektrische Schaltvorrichtung umfasst, ermöglicht die Erfindung, dass die schaltbare Welle elektrisch verstellt werden kann. Dadurch kann ein Komfort erhöht und ein automatisches Schalten ermöglicht werden.Because the drive system comprises an electrical switching device, the invention enables the switchable shaft to be adjusted electrically. This can increase comfort and enable automatic switching.
Das erfindungsgemäße Leichtfahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Antriebssystem.The light vehicle according to the invention comprises a drive system according to the invention.
Dadurch, dass das erfindungsgemäße Leichtfahrzeug ein erfindungsgemäßes Antriebssystem umfasst, ermöglicht die Erfindung, dass Getriebe und Elektromotor vorteilhaft integriert werden können. Bevorzugt ist das Antriebssystem als Mittelmotor umgesetzt, da das zu einem vorteilhaften Schwerpunkt führt.Because the light vehicle according to the invention comprises a drive system according to the invention, the invention enables the transmission and electric motor to be advantageously integrated. The drive system is preferably implemented as a mid-engine, since this leads to an advantageous center of gravity.
Weiterhin verringert die Erfindung gegenüber offenen Getrieben einen Wartungsaufwand und ermöglicht das Verwenden von Funktionen wie elektrisches Schalten, elektrisch unterstütztes Schalten, automatisches Schalten und/oder ein Rückgewinnen von Bremsenergie.Furthermore, the invention reduces maintenance costs compared to open transmissions and enables functions such as electrical shifting, electrically assisted shifting, automatic shifting and / or recovery of braking energy to be used.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.The dependent claims describe further advantageous embodiments of the invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines Antriebssystems für ein Fahrrad, -
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Antriebssystems für ein Fahrrad, -
3 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Antriebssystems für ein Fahrrad, -
4 ein Ausführungsbeispiel eines Antriebssystems für ein Fahrrad mit einer Sperrklinke, -
5 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltvorrichtung eines Antriebssystems für ein Fahrrad, -
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltvorrichtung eines Antriebssystems für ein Fahrrad, -
7 ein Ausführungsbeispiel einer Entkopplungsvorrichtung eines Antriebssystems für ein Fahrrad und -
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Entkopplungsvorrichtung eines Antriebssystems für ein Fahrrad.
-
1 an embodiment of a drive system for a bicycle, -
2 a schematic representation of an embodiment of a drive system for a bicycle, -
3rd a sectional view of an embodiment of a drive system for a bicycle, -
4th an embodiment of a drive system for a bicycle with a pawl, -
5 an embodiment of an electrical switching device of a drive system for a bicycle, -
6th another embodiment of an electrical switching device of a drive system for a bicycle, -
7th an embodiment of a decoupling device of a drive system for a bicycle and -
8th Another embodiment of a decoupling device of a drive system for a bicycle.
Da von einem Fahrenden aufgebrachte Drehmomente üblicherweise hohe Werte, die größer 200 Nm betragen können, bei niedrigen Drehzahlen, meist unter 100 U/min, aufweisen, umfasst das Getriebe am Eingang ein Planetengetriebe
Das Planetengetriebe
Die erste Gruppe
In
Die schaltbare Welle
Die zweite Gruppe
In
Die erste Gruppe
Durch Schalten der schaltbaren Welle
Am äußeren Ende der zweiten Hohlwelle
Die schaltbare Welle
Zum Verstellen des ersten 23 und des zweiten 24 Betätigungselements, also zum Schalten der schaltbaren Welle
Das Hohlrad
Zusätzlich wird so auch eine Rückgewinnung von Bremsenergie vorteilhaft umgesetzt. Für die Rückgewinnung von Bremsenergie wird das Getriebe
Eine Freilauffunktion ist für den Fahrer aber notwendig, da sich sonst die Pedale bei fahrendem Fahrzeug permanent mitdrehen würden. Diese Freilauffunktion ist vorteilhaft am Hohlrad
Die in
Die
Mit der elektrischen Schaltvorrichtung
Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel der elektrischen Schaltvorrichtung
Die schaltbare Welle
Die Entkopplungsvorrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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2021
- 2021-03-09 DE DE102021001222.4A patent/DE102021001222A1/en not_active Withdrawn
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