DE102021112216A1

DE102021112216A1 - Generatormodul mit Nassraum für ein muskelbetriebenes Fahrzeug sowie Fahrzeug mit dem Generatormodul

Info

Publication number: DE102021112216A1
Application number: DE102021112216.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Greb; Laszlo Man; Viktor Franz; Eduard Müller; Julian Botiov
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2022-11-17

Abstract

Es wird ein Generatormodul 6 zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Antriebsmodul 7 eines muskelbetriebenen Fahrzeugs 1, mit einem durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft antreibbaren Generator 13, wobei der Generator 13 einen Rotor 17 und einen Stator 16 aufweist, mit einer Tretkurbelwelle 12 zur Übertragung einer Tretkraft von einer Tretkurbel 9 auf den Generator 13, mit einer Getriebeeinrichtung 14 zur Übersetzung der Tretkraft auf den Generator 13, wobei die Getriebeeinrichtung 14 ein drehfest mit der Tretkurbelwelle 12 verbundenes Eingangsorgan und ein drehfest mit dem Rotor 17 verbundenes Ausgangsorgan aufweist, mit einem Gehäuse 15, wobei das Gehäuse einen Generatorraum 27 zur Aufnahme des Generators 13 und einen Getrieberaum 28 zur Aufnahme der Getriebeeinrichtung 14 aufweist, vorgeschlagen, wobei der Generatorraum 27 und der Getrieberaum 28 einen gemeinsam Nassraum 32 bilden, wobei zumindest das Ausgangsorgan der Getriebeeinrichtung 14 innerhalb des Nassraums 32 dichtungsfrei angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Generatormodul für ein muskelbetriebenes Fahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit dem Generatormodul.
Es sind elektrische Fahrräder bekannt, welche ohne eine physikalische Antriebsverbindung zwischen Tretkurbel und Hinterrad angetrieben werden können. Der Fahrer treibt dabei mit den Tretkurbeln einen Generator zur Stromerzeugung an, um einen mit dem Hinterrad verbundenen Antriebsmotor mit Strom zu versorgen. Bei einem derartigen Antriebssystem kann somit die physikalische Antriebsverbindung, wie z.B. Kette, Zahnriemen, Kardanwelle etc. entfallen. Um die Drehzahl der Kurbelwelle zu erhöhen und das Drehmoment entsprechend zu reduzieren, kommen üblicherweise konventionelle Getriebetypen, wie z.B. ein- oder mehrstufige Planetengetriebe, Wolfromsatz etc., zum Einsatz, um einen Generator mit wenig Drehmoment und entsprechend kleiner Baugröße einsetzten zu können.
Die Druckschrift DE 59709997 D1 offenbart ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug, insbesondere Fahrrad. Das Fahrrad weist einen Generator, der zur Stromerzeugung durch einen Fahrzeugbenutzer antreibbar ist, und mindestens einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs, der mit dem Generator zur Übertragung elektrischer Leistung verbunden ist, auf. Insbesondere ist zwischen einer Tretkurbel für das Antreiben des Generators und dem Generator ein Übersetzungsgetriebe in größere Drehzahl vorgesehen ist, wobei das Getriebe ein Planetengetriebe ist, das vorzugsweise mindestens zum Teil im Inneren des Generators untergebracht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Generatormodul für ein muskelbetriebenes Fahrzeug vorzuschlagen, welches sich durch einen verbesserten Wirkungsgrad auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch ein Generatormodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und/oder den beigefügten Figuren.
Gegenstand der Erfindung ist ein Generatormodul, welches zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Antriebsmodul eines muskelbetriebenen Fahrzeugs ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere ist das Fahrzeug als ein elektrisches Fahrrad, auch als E-Bike bekannt, ausgebildet. Grundsätzlich kann das Fahrrad genau zwei Räder aufweisen. Alternativ kann das Fahrzeug jedoch auch mehr als zwei, insbesondere drei oder genau vier Räder aufweisen.
Das Antriebsmodul dient zur Erzeugung eines elektrischen Antriebsmoments. Das Antriebsmodul umfasst vorzugsweise mindestens einen Elektromotor, welcher elektrische Energie in ein elektrisches Antriebsmoment wandelt. Dabei ist das Antriebsmodul, insbesondere der Elektromotor, mit mindestens oder genau einem Antriebsrad des Fahrzeugs antriebstechnisch verbindbar und/oder verbunden. Prinzipiell ist das Antriebsmodul als ein Radnabenantrieb ausgebildet, welcher in das Antriebsrad des Fahrzeugs integriert ist. Alternativ kann das Antriebsmodul jedoch auch außerhalb des Antriebsrades angeordnet und/oder als zentraler Antriebsmotor für ein oder mehrere Antriebsräder dienen. Grundsätzlich ist das Antriebsrad als ein Hinterrad des Fahrzeugs ausgebildet. Alternativ kann das Antriebsrad jedoch auch als ein Vorderrad des Fahrzeugs ausgebildet sein.
Das Generatormodul ist insbesondere separat zu dem Antriebsmodul ausgebildet. Das Generatormodul weist hierzu einen Generator auf, der durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft antreibbar ist. Insbesondere erzeugt der Generator eine elektrische Leistung, welche aus der am Generator aufgebrachten Drehmomente und Drehzahlen resultiert. Vorzugsweise kann der Fahrzeugbenutzer die Größe der elektrischen Leistung in Abhängigkeit der Tretkraft bzw. Trittfrequenz variieren. Bevorzugt weist die Antriebsanordnung eine Steuerungseinrichtung auf, welche ausgebildet ist, das Antriebsmoment und/oder eine Antriebsdrehzahl des Antriebsmoduls in Abhängigkeit der Tretkraft und/oder Trittfrequenz zu steuern. Besonders bevorzugt ist der Generator nicht zur Umsetzung eines Betriebs als Antriebsmotor ausgebildet und/oder kann ausschließlich in einem Generatorbetrieb laufen. Alternativ kann der Generator elektromotorisch betrieben werden, um z.B. die Kurbeln in eine bestimmte Position zu bringen. Das Generatormodul weist einen Stator und einen Rotor auf.
Das Generatormodul weist eine Tretkurbelwelle auf, welche zur Übertragung der Tretkraft auf den Generator ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere sind an der Tretkurbelwelle endseitig jeweils eine Tretkurbel angeordnet, über welche die Tretkraft in die Tretkurbelwelle eingeleitet wird. Insbesondere ist die Tretkurbelwelle drehbar in dem Generatormodul gelagert. Bevorzugt definiert die Tretkurbelwelle mit ihrer Rotationsachse eine Hauptdrehachse des Generatormoduls. Die Tretkurbelwelle verläuft durchgängig von einer Tretkurbel zu der anderen Tretkurbel.
Das Generatormodul weist eine Getriebeeinrichtung auf, welche zur Übersetzung der Tretkraft auf den Generator ausgebildet und/oder geeignet ist. Die Tretkurbelwelle ist dabei über die Getriebebeinrichtung getriebetechnisch mit dem Generator verbunden. Insbesondere dient die Getriebeeinrichtung zur Übersetzung ins Schnelle (Betrag (i) < 1), wobei die Drehzahl am Generator vergrößert und das übertragene Drehmoment auf den Generator verkleinert wird. Die Tretkurbelwelle ist in axialer Richtung in Bezug auf die Hauptdrehachse bevorzugt durch die Getriebeeinrichtung geführt und/oder koaxial zu der Getriebeeinrichtung angeordnet. Somit wird ein Antriebsstrang gebildet, der von der Tretkurbelwelle zu dem Generator führt, wobei die Tretkurbelwelle und der Generator jeweils einen Teil des Antriebsstrangs bilden.
Die Getriebeeinrichtung weist ein drehfest mit der Tretkurbelwelle verbundenes Eingangsorgan und ein drehfest mit dem Rotor verbundenes Ausgangsorgan auf. Insbesondere bildet das Eingangsorgan einen Getriebeeingang und das Ausgangsorgan einen Getriebeausgang der Getriebeeinrichtung, wobei die Tretkurbelwelle eingangsseitig und der Generator ausgangsseitig angeordnet ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Getriebeeinrichtung ein Übersetzungsverhältnis zwischen Getriebeeingang und Getriebeausgang mit einem Betrag von weniger als 1:40, insbesondere 1:30 aufweist. Vorzugsweise weist die Getriebeeinrichtung ein Übersetzungsverhältnis zwischen 1:10, insbesondere 1:30 und 1:100, insbesondere 1:50 auf. Vorzugsweise weist die Getriebeeinrichtung ein Übersetzungsverhältnis von 1:50 auf. Auf diese Weise wird das durch den Fahrer erzeugte hohe Tretmoment (im Bereich bis ca. 200Nm) am Getriebeeingang mit geringen Drehzahlen (im Bereich 30 bis 120 1/min) in ein geringeres Drehmoment mit hohen Drehzahlen am Getriebeausgang gewandelt.
Das Generatormodul weist ein Gehäuse auf, welches insbesondere zur Aufnahme des Generators und des Exzentergetriebes ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere sind der Generator und das Exzentergetriebe vollständig in dem Gehäuse aufgenommen. Bevorzugt ist die Tretkurbelwelle abschnittsweise durch das Gehäuse geführt, wobei die Tretkurbelwelle über eine Lagereinrichtung, vorzugsweise ein Wälzlager, radial an dem Gehäuse abgestützt ist. Bevorzugt ist der Stator fest mit dem Gehäuse verbunden. Das Gehäuse weist einen Generatorraum zur Aufnahme des Generators und einen Getrieberaum zur Aufnahme der Getriebeeinrichtung auf.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Generatorraum und der Getrieberaum einen gemeinsam Nassraum bilden. Insbesondere ist unter einem Nassraum ein mit einer ÖI- oder Fettschmierung versehener Innenraum des Gehäuses zu verstehen, welcher vorzugsweise gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Insbesondere sind der Getrieberaum und der Generatorraum räumlich und/oder fluidtechnisch miteinander verbunden. Dabei ist vorgesehen, dass sich zumindest das Ausgangsorgan der Getriebeeinrichtung. Insbesondere ist „dichtungsfrei“ dahingehend zu verstehen, dass das Ausgangsorgan ausschließlich über eine Lager und/oder über eine berührungslose Dichtung bzw. ohne eine berührende Dichtung innerhalb des Nassraums angeordnet ist.
Aufgrund der hohen Übersetzung des Getriebes werden die an den Dichtstellen entstehenden Reibmomente bezogen auf das Ausgangsorgan mit dem Faktor der Übersetzung der Getriebeeinrichtung erhöht. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Bildung eines gemeinsamen Nassraums auf eine entsprechende Abdichtung innerhalb des Gehäuses verzichtet werden kann, sodass die Reibmomente an dem Ausgangsorgan deutlichen reduziert bzw. aufgehoben werden können. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Getriebeeinrichtung deutlich verbessert und die Gefahr einer Selbsthemmung reduziert werden. Ein weiterer Vorteil besteht zudem darin, dass durch die Anordnung des Generators im Nassraum, die Kühlleistung des Generators verbessert werden kann.
In einer konkreten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Nassraum mit einem Schmiermittel befüllt ist, wobei der Rotor außerhalb eines in einer Einbausituation gebildeten Schmiermittelsumpfs angeordnet ist. Anders ausgedrückt, wird ein Schmiermittelstand in dem Nassraum auf ein Niveau unterhalb eines Außendurchmessers des Rotors gehalten, so dass der Rotor im Betrieb nicht in das Schmiermittel eintaucht. Insbesondere dient das Schmiermittel zur Schmierung der Getriebekomponenten der Getriebeeinrichtung, wobei das Schmiermittel ein Schmieröl, vorzugsweise ein Getriebeöl ist. Durch den Betrieb des Rotors außerhalb des Schmiermittels können signifikante Planschverluste vermieden werden.
In einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Generatorraum und der Getrieberaum in axialer Richtung in Bezug auf die Hauptdrehachse durch eine Zwischenwand voneinander getrennt sind. Insbesondere ist die Zwischenwand an einer radialen Innenseite des Gehäuses angeordnet, wobei sich die Zwischenwand in radialer Richtung nach innen erstreckt. Besonders bevorzugt ist die Zwischenwand an dem Gehäuse befestigt. Die Zwischenwand ist über eine berührungslose Rotationsdichtung gegenüber dem Ausgangsorgan oder der Tretkurbelwelle abgedichtet. Vorzugsweise ist die berührungslose Rotationsdichtung als eine Spaltdichtung, auch als Labyrinthdichtung bekannt, ausgebildet. Insbesondere wird durch die Spaltdichtung ein Strömungsweg durch den abzudichtenden Spalt verlängert, wodurch der Strömungswiderstand wesentlich erhöht wird. Durch die Verwendung einer berührungslosen Rotationsdichtung wird eine reibungsarme Dichtung der Trennwand gegenüber dem Ausgangsorgan bzw. der Tretkurbelwelle erreicht. Beispielsweise kann die Zwischenwand als eine Art Schwallwand eingesetzt werden, um ein Aufschaukeln des Öls zu reduzieren und somit die Planschverluste innerhalb des Gehäuses weiter zu reduzieren.
In einer optionalen Konkretisierung ist vorgesehen, dass die Zwischenwand mindestens oder genau eine Rücklauföffnung aufweist, welche zur strömungstechnischen Verbindung des Generatorraums und des Getrieberaums ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere ist die Rücklauföffnung in einem Bodenbereich, vorzugsweise innerhalb des Ölsumpfs, angeordnet. Die Rücklauföffnung kann als eine Bohrung, ein Durchbruch oder dergleichen ausgebildet sein. Durch die Rücklauföffnung wird sichergestellt, dass eventuell in den Generatorraum gelangtes überschüssiges Öl wieder in den Getrieberaum zurückfließen kann und der Ölstand in dem Generatorraum und dem Getrieberaum ausgeglichen werden kann bzw. auf dem gleichen Niveau gehalten wird.
In einer weiteren möglichen Realisierung ist vorgesehen, dass das Gehäuse einen Elektronikraum aufweist, welcher zur Aufnahme von Elektronikbauteilen des Generatormoduls ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere ist in dem Elektronikraum eine Leistungselektronik des Generators angeordnet. Der Elektronikraum kann vorzugsweise benachbart zu dem Generatorraum und/oder dem Getrieberaum angeordnet sein. Im Speziellen ist der Elektronikraum in axialer Richtung benachbart zu dem Generatorraum angeordnet. Der Elektronikraum kann als ein Nassraum ausgebildet sein. Insbesondere ist der Elektronikraum strömungstechnisch und/oder räumlich mit dem Nassraum, insbesondere dem Generatorraum, verbunden. Anders ausgedrückt ist der Elektronikraum gegenüber dem Nassraum nicht oder nur teilweise abgedichtet. Insbesondere sind die Elektronikbauteile hinsichtlich Ölverträglichkeit entsprechend, z.B. durch eine Lackierung und/oder Umspritzung, ausgebildet. Alternativ ist der Elektronikraum als ein Trockenraum ausgebildet. Insbesondere ist der Elektronikraum strömungstechnisch und/oder räumlich von dem Nassraum, insbesondere dem Generatorraum, abgetrennt. Anders ausgedrückt ist der Elektronikraum gegenüber dem Nassraum abgedichtet.
In einer optionalen Ausführung ist vorgesehen, dass der Elektronikraum in axialer Richtung in Bezug auf die Hauptdrehachse über eine Trennwand von dem Generatorraum getrennt ist. Insbesondere dient die Trennwand dazu, um die empfindlichen Elektronikbauteile gegenüber dem Nassraum, insbesondere fluiddicht, abzuschirmen. Alternativ oder optional ergänzend dient die Trennwand als eine weitere Schwallwand, um ein Aufschaukeln des Öls und somit die Planschverluste innerhalb des Gehäuses weiter zu reduzieren. Insbesondere ist die Trennwand an einer radialen Innenseite des Gehäuses angeordnet, wobei sich die Trennwand in radialer Richtung nach innen erstreckt. Bevorzugt erstreckt sich die Trennwand gleichgerichtet zu der zwischen Generatorraum und Getrieberaum angeordneten Zwischenwand.
Bei einer Ausgestaltung des Elektronikraums als Trockenraum ist die Trennwand über eine berührende Rotationsdichtung gegenüber dem Ausgangsorgan und/oder der Tretkurbelwelle fluiddicht abgedichtet. Insbesondere ist die berührende Rotationsdichtung als ein Wellendichtring ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Ausgangsorgan und/oder die Tretkurbelwelle innerhalb des Gehäuses ausschließlich über die berührende Rotationsdichtung abgedichtet, sodass das Generatormodul innerhalb des Gehäuse nur eine Dichtstelle aufweist.
Bei einer Ausgestaltung des Elektronikraums als Nassraum ist die Trennwand über eine berührungslose Rotationsdichtung gegenüber dem Ausgangsorgan und/oder der Tretkurbelwelle abgedichtet. Insbesondere ist die berührungslose Rotationsdichtung als eine Spaltdichtung, wie zuvor beschrieben, ausgebildet. Besonders bevorzugt sind das Ausgangsorgan und/oder die Tretkurbelwelle innerhalb des Gehäuses ausschließlich über berührungsfreie Rotationsdichtungen abgedichtet, sodass das Generatormodul innerhalb des Gehäuses nur reibungsarme bzw. reibungsfreie Dichtstellen aufweist.
In einer möglichen Konkretisierung ist vorgesehen, dass eine Anschlussleitung zum elektrischen Anschluss des Generators als ein Elektronikbauteil von dem Elektronikraum in den Generatorraum geführt ist. Alternativ oder optional ergänzend ist eine Sensoreinrichtung zur Erfassung eines Generatorzustandes des Generators als ein weiteres Elektronikbauteil von dem Elektronikraum in den Generatorraum geführt. Vorzugsweise ist die Anschlussleitung gegenüber einer entsprechenden Anschlussschnittstelle des Generators in dem Elektronikraum angeordnet. Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung gegenüber einem entsprechenden Erfassungsbereich an dem Generator in dem Elektronikraum angeordnet. Insbesondere können die Anschlussleitung und/oder die Sensoreinrichtung direkt durch die Trennwand, vorzugsweise fluiddicht, geführt sein. Vorzugsweise sind die Anschlussleitung und/oder die Sensoreinrichtung getrennt voneinander durch die Trennwand geführt. Optional können weitere elektrische Leitungen, Einrichtungen oder dergleichen von dem Elektronikraum, vorzugsweise über die Trennwand, in den Generatorraum geführt sein. Es wird somit ein Generatormodul vorgeschlagen, welches sich durch eine besonders kompakte Ausgestaltung auszeichnet.
In einer weiteren möglichen Realisierung ist vorgesehen, dass der Generatorraum, der Getrieberaum und der Elektronikraum einen gemeinsam Nassraum bilden. Insbesondere sind der Getrieberaum, der Generatorraum und der Elektronikraum räumlich und/oder fluidtechnisch miteinander verbunden. Dabei ist vorgesehen, dass sich das Ausgangsorgan der Getriebeeinrichtung und die Tretkurbelwelle innerhalb des Getrieberaums, des Generatorraums und des Elektronikraums dichtungsfrei, wie zuvor definiert, erstrecken. Prinzipiell kann der Elektronikraum durch die Trennwand über eine berührungslose Rotationsdichtung gegenüber dem Generatorraum und dem Getrieberaum abgegrenzt sein, wobei der Elektronikraum über die berührungslose Rotationsdichtung und optional über mindestens eine weitere Rücklauföffnung mit dem Generatorraum fluidtechnisch verbunden ist. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Generatorraum und/oder der Getrieberaum unmittelbar, insbesondere ohne Trennwand, mit dem Elektronikraum verbunden sind. Es wird somit ein besonders reibungsarmer Betrieb des Generatormoduls realisiert. Zudem kann durch das Weglassen der Trennwand ein zusätzlicher axialer Bauraumvorteil erzielt werden.
In einer weiteren konkreten Umsetzung ist vorgesehen, dass die Getriebeeinrichtung als ein Exzentergetriebe ausgebildet ist. Insbesondere weist das Exzentergetriebe einen Getriebeeingang, insbesondere ein Eingangsorgan, und einen Getriebeausgang, insbesondere ein Ausgangsorgan, auf, wobei die Tretkurbelwelle eingangsseitig und der Generator ausgangsseitig angeordnet ist. In einem Fahrbetrieb wird somit das Tretmoment über das Exzentergetriebe auf den Rotor übertragen, sodass der Rotor relativ zu dem Stator um die Hauptdrehachse rotiert wird. Insbesondere verläuft ein Kraftübertragungsweg zur Übertragung der Tretkraft von der Tretkurbelwelle über das Exzentergetriebe zu dem Generator. Die Tretkurbelwelle ist hierzu in axialer Richtung in Bezug auf die Hauptdrehachse durch das Exzentergetriebe geführt und/oder koaxial zu dem Exzentergetriebe angeordnet. Bevorzugt sind das Exzentergetriebe, die Tretkurbelwelle und der Generator koaxial und/oder konzentrisch in Bezug auf die Hauptdrehachse angeordnet.
Gemäß dieser Ausgestaltung weist das Exzentergetriebe eine mit dem Rotor drehfest verbundene Hohlwelle als das Ausgangsorgan auf, wobei die Tretkurbelwelle koaxial durch die Hohlwelle geführt ist. Insbesondere ist die Hohlwelle formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Rotor, vorzugsweise zumindest drehfest, verbunden. Alternativ können die Hohlwelle und der Rotor auch aus einem gemeinsamen Materialabschnitt gebildet sein. Bevorzugt ist die Hohlwelle in Bezug auf die Hauptdrehachse koaxial und/oder konzentrisch zu dem Rotor angeordnet. Im Speziellen weist das Exzentergetriebe eine Exzenterwelle, einen Exzenterradträger mit mehreren Trägerbolzen sowie mindestens oder genau ein Exzenterrad mit mehreren Mitnahmeöffnungen für die Trägerbolzen und einer mittigen Exzenteraufnahmeöffnung für die Exzenterwelle auf, wobei jeweils ein Trägerbolzen in eine der Mitnahmeöffnungen und die Exzenterwelle in die mittige Exzenteraufnahmeöffnung eingreift. Das Exzentergetriebe weist zudem einen Hohlradabschnitt auf, wobei das mindestens eine Exzenterrad in einem Betrieb mit dem Außenumfang in dem Hohlradabschnitt abläuft. Prinzipiell bildet der Exzenterradträger das Eingangsorgan und die Exzenterwelle das Ausgangsorgan, wobei der Hohlradabschnitt fest mit dem Gehäuse verbunden ist bzw. stationär an dem Gehäuse verbleibt. Alternativ kann jedoch auch der Hohlradabschnitt das Eingangsorgan und die Exzenterwelle das Ausgangsorgan bilden, wobei der Exzenterradträger fest mit dem Gehäuse verbunden ist bzw. stationär an dem Gehäuse verbleibt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit dem Generatormodul wie dieses bereits zuvor beschrieben wurde. Insbesondere ist das Fahrzeug ein muskelbetriebenes Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, ausgebildet, welches durch einen Elektromotor angetrieben wird. Insbesondere zeichnet sich das Fahrzeug dadurch aus, dass die für den Elektromotor benötigte elektrische Energie zumindest teilweise mittels des Generatormoduls durch den Fahrer erzeugt wird. Besonders bevorzugt ist das Generatormodul zur Bereitstellung der elektrischen Energie über eine elektrische Leitung unmittelbar mit dem Antriebsmodul verbunden. Insbesondere kann der Elektromotor somit direkt durch den vom Generator erzeugten Strom gespeist werden. Alternativ oder optional ergänzend ist das Generatormodul zur Bereitstellung der elektrischen Energie mittelbar über ein Energiespeichermodul mit dem Antriebsmodul verbunden. Insbesondere ist das Energiespeichermodul als ein Akkumulator ausgebildet, welcher während der Fahrt vom Generator gespeist wird und zudem von einer externen Stromquelle geladen werden kann. Insbesondere kann der Elektromotor somit durch den in dem Energiespeichermodul gespeicherten Strom gespeist werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Antriebsanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Generatormoduls der Antriebsanordnung;
3 eine alterative Ausführung des Generatormoduls in gleicher Darstellung wie 2.

Einander entsprechende oder gleiche Teile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung ein muskelkraftbetriebenes Fahrzeug 1. Das Fahrzeug 1 ist als ein Fahrrad ausgebildet, welches im Wesentlichen aus einem Rahmen 2 sowie einem Vorderrad 3 und einem Hinterrad 4 gebildet ist.
Das Fahrzeug 1 weist eine Antriebsanordnung 5 auf, welche zum Antrieb des Hinterrads 4 dient. Das Hinterrad 4 bildet somit ein Antriebsrad des Fahrzeugs 1, wobei das Vorderrad 3 antriebslos bleibt. Optional kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Vorderrad 3 angetrieben wird.
Die Antriebsanordnung 5 umfasst ein Generatormodul 6, optional ein Antriebsmodul 7 und ein Energiespeichermodul 8. Das Generatormodul 6 ist im Bereich des Tretlagers angeordnet und kann durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft angetrieben werden, um elektrische Energie für das Antriebsmodul 7 zu erzeugen. Das Generatormodul 6 weist hierzu zwei diametral zueinander angeordnete Tretkurbeln 9 auf, welche per Tretkraft in Rotation versetzt werden, um elektrische Leistung in dem Generatormodul 6 zu erzeugen.
Das Fahrrad weist keine mechanische Antriebsverbindung zwischen den Tretkurbeln 9 und dem Antriebsrad 4 auf. Das Generatormodul 6 ist lediglich über eine elektrische Leitung 10 mit dem Antriebsmodul 6 und/oder dem Energiespeichermodul 8 elektrisch verbunden, um die für das Antriebsmodul 7 nötige elektrische Energie bereitzustellen. Das Antriebsmodul 7 kann beispielsweise als ein in das Hinterrad 4 integrierter Radnabenmotor ausgebildet sein, welcher ein elektrisches Antriebsmoment auf das Hinterrad 4 überträgt. Das Antriebsmodul 7 kann dabei direkt durch die von dem Generatormodul 6 erzeugte elektrische Energie oder mittelbar durch die in dem Energiespeichermodul 8 gespeicherte elektrische Energie versorgt werden. Das Energiespeichermodul 8 kann während der Fahrt von Generatormodul 6 gespeist werden und darüber hinaus von einer externen Stromquelle geladen werden. Optional kann die vom Generatormodul 6 bereitgestellte elektrische Energie einem Verbraucher 11, z.B. Licht, zur Verfügung gestellt werden.
Die 2 zeigt das Generatormodul 6 in einem schematischen Längsschnitt entlang einer Hauptdrehachse 100. Das Generatormodul 6 weist eine Tretkurbelwelle 12 auf, welche mit ihrer Rotationsachse die Hauptdrehachse 100 definiert. In einer Einbausituation sind an der Tretkurbelwelle 12 endseitig die Tretkurbeln 9 montiert.
Das Generatormodul 6 weist einen Generator 13 sowie eine Getriebeeinrichtung 14 auf, welche gemeinsam in einem Gehäuse 15 aufgenommen sind. Die Getriebeeinrichtung 14 dient dazu, ein in die Tretkurbelwelle 12 eingeleitetes Tretmoment über die Getriebeeinrichtung 14 auf den Generator 13 zu übersetzen. Beispielsweise ist die Getriebeeinrichtung 14 als ein Exzentergetriebe ausgebildet, welches in Bezug auf die Hauptdrehachse 100 koaxial zu dem Generator 13 und der Tretkurbelwelle 12 angeordnet ist. Der Generator 13 weist einen Stator 16 und einen Rotor 17 auf, wobei die Tretkurbelwelle 12 mit einem Getriebeeingang und der Rotor 17 mit einem Getriebeausgang der Getriebeeinrichtung 14 verbunden ist. Der Stator 16 hingegen ist gehäusefest mit dem Gehäuse 15 verbunden und verbleibt somit stationär.
Das Gehäuse 15 weist beidseitig jeweils eine zentrale Durchgangsöffnung 18, 19 auf, welche zur Durchführung der Tretkurbelwelle 12 durch das Gehäuse 15 dienen. Die Tretkurbelwelle 12 ist dabei jeweils über eine Lagereinrichtung 20, 21 relativ zu dem Gehäuse 15 gelagert. Hierzu ist die Tretkurbelwelle 12 in radialer Richtung über die Lagereinrichtungen 20, 21 in der jeweiligen Durchgangsöffnung abgestützt. Beispielsweise sind die Lagereinrichtungen 20, 21 als Wälzlager, insbesondere als Kugellager ausgebildet.
Zudem weist das Generatormodul 6 zwei Dichtungseinrichtungen 22, 23 auf, welche die Tretkurbelwelle 12 gegenüber dem Gehäuse 15 an den jeweiligen Durchgangsöffnungen 18, 19 abdichten. Die Dichtungseirichtungen 22, 23 sind dabei außenliegend angeordnet, sodass die beiden Lagereinrichtungen 20, 21 durch die jeweils zugehörige Dichtungseinrichtung 22, 23 gegenüber der Umgebung abgedichtet sind. Beispielsweise sind die beiden Dichtungseinrichtungen 22, 23 jeweils als ein Wellendichtring ausgebildet.
Ein Ausgangsorgan der Getriebeeinrichtung 14 ist als eine Hohlwelle 24 ausgebildet, wobei die Tretkurbelwelle 12 in Bezug auf die Hauptdrehachse 100 koaxial durch die Hohlwelle 24 geführt ist. Beispielsweise ist die Hohlwelle 24 als eine Exzenterwelle ausgebildet, welche mit ein oder mehreren Exzenterrädern des Exzentergetriebes in Wirkverbindung steht. Alternativ bildet die Hohlwelle 24 einen Teil eines Exzenterradträgers, welcher ein oder mehrere Exzenterräder des Exzentergetriebes trägt. Die Hohlwelle 24 ist drehfest mit dem Rotor 17 verbunden.
Die Tretkurbelwelle 12 ist relativ zu der Hohlwelle 24 und/oder zu dem Rotor 17 über eine Rotorlagereinrichtung 25 gelagert. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Rotorlagereinrichtung 25 im Endbereich des Rotors 17 angeordnet, wobei die Hohlwelle 24 über die Rotorlagereinrichtung 25 in radialer Richtung an einem Außenumfang der Tretkurbelwelle 12 abgestützt ist. Beispielsweise ist die Rotorlagereinrichtung 25 als eine Wälzkörperlagerung, z.B. ein Rollenlager, oder Wälzlager ausgebildet.
Dabei muss das durch die Tretkurbelwelle 12 vom Fahrer mit geringer Drehzahl eingeleitete hohe Drehmoment durch die Getriebeeinrichtung 14 in ein kleines Drehmoment mit hoher Drehzahl gewandelt werden, um einen kleinen Generator 13 einsetzen zu können. Bei einer Rotation der Tretkurbelwelle 12 wird die Drehbewegung über die Getriebeeinrichtung 14 vorzugsweise ins Schnelle übersetzt. Beispielsweise weist die Getriebeeinrichtung 14 ein Übersetzungsverhältnis zwischen 1:20 und 1:50, besonders bevorzugt 1:30 auf. Auf diese Weise wird das durch den Fahrer erzeugte hohe Tretmoment am Getriebeeingang/Eingangsorgan mit geringen Drehzahlen in ein geringeres Drehmoment mit hohen Drehzahlen am Getriebeausgang/Ausgangsorgan gewandelt.
Das Getriebemodul 6 weist eine Zwischenwand 26 auf, welche das Gehäuse 15 in einen Generatorraum 27 zur Aufnahme des Generators 13 und einen Getrieberaum 28 zur Aufnahme der Getriebeeinrichtung 14 unterteilt. Weiterhin weist das Getriebemodul 6 eine Trennwand 29 auf, welche einen in dem Gehäuse 15 angeordneten Elektronikraum 30 zur Aufnahme von Elektronikbauteilen von dem Generatorraum 27 abtrennt. Die Zwischenwand 26 und die Trennwand 29 sind jeweils an einer radialen Innenseite des Gehäuse 15 befestig und erstrecken sich in radialer Richtung gleichgerichtet zueinander, insbesondere jeweils in einer Radialebene der Hauptdrehachse 100.
Üblicherweise werden der Generatorraum 27 und der Elektronikraum 30 von dem Getrieberaum 28 öldicht abgetrennt. Hierzu sind in der Regel eine erste Dichtstelle zwischen Tretkurbelwelle 12 und Hohlwelle 24 und eine zweite Dichtstelle zwischen Hohlwelle 24 und Gehäuse 15, insbesondere der Zwischenwand 26, vorgesehen. Aufgrund der hohen Übersetzung der Getriebeeinrichtung 14 werden die an den Dichtstellen entstehenden Reibmomente bezogen auf die Tretkurbelwelle 12 mit dem Faktor der Übersetzung der Getriebeeinrichtung 14 erhöht. (Beispiel: Reibmoment an den Dichtstellen jeweils 0.1 Nm, Getriebeübersetzung 1:30, Getriebewirkungsgrad 50%; an der Tretkurbelwelle 12 wirkendes Reibmoment von 2 x 0.1 Nm x 30 : 0.5 = 12 Nm). Somit können die Reibmomente an den Dichtstellen im schlimmsten Fall zu einer Selbsthemmung des Getriebemoduls 6 führen.
Es wird daher vorgeschlagen, auf eine Abdichtung des Getrieberaums 28 gegenüber des Generatorraum 27 zu verzichten. Hierzu bilden der Generatorraum 27 und der Getrieberaums 28 gemeinsam einen mit Schmiermittel 31 gefüllten Nassraum 32. Beispielsweise ist das Schmiermittel 31 als ein Schmieröl oder ein Schmierfett ausgebildet. Bevorzugt wird ein Schmiermittel 31 verwendet, welches den Generator 13 bzw. dessen Bauteile nicht angreift.
Die Zwischenwand 26 ist über eine berührungslose Rotationdichtung 33 gegenüber der Hohlwelle 24 abgedichtet. Beispielsweise ist die berührungslose Rotationdichtung 33 als eine Spaltdichtung ausgebildet. Hierzu ist zwischen der Zwischenwand 26 und der Hohlwelle 24 ein Dichtspalt gebildet, welcher vorzugsweise einen Fremdpartikeleintrag von dem Getrieberaum 28 in den Generatorraum 27 bzw. von dem Generatorraum 27 in den Getrieberaum 28 verhindert.
Weiterhin weist die Zwischenwand 26 eine oder mehrere Rücklauföffnungen 34 auf, welche den Generatorraum 27 mit dem Getrieberaum 28 fluidtechnisch verbinden. Hierzu ist mindestens eine Rücklauföffnung 34 in einer bestimmungsgemäßen Einbaulage in einem Bodenbereich des Gehäuses 15 angeordnet. Die Rücklauföffnung 34 kann beispielsweise als ein Durchbruch oder eine Bohrung ausgebildet sein. Optional kann die Rücklauföffnung 34 mit einer Filtereinrichtung, z.B. ein Filtersieb, versehen sein, um einen Fremdpartikeleintrag zwischen Generatorraum 27 und Getrieberaum 28 zu verhindern. Durch die Rücklauföffnung 34 wird gewährleistet, dass evtl. überschüssiges in den Generatorraum 27 gelangtes Schmiermittel 31 wieder in den Getrieberaum 28 zurückfließen kann bzw. ein Füllstand des Schmiermittels 31 auf beiden Seiten der Zwischenwand 26 ausgeglichen wird.
Um signifikante Planschverluste durch den Rotor 17 des Generators 13 zu vermeiden, wird vorgeschlagen, den Füllstand des Schmiermittels 31 auf einem Niveau unterhalb eines Außendurchmessers des Rotors 17 an der Unterseite zu halten, so dass der Rotor 17 im Betrieb nicht in das Schmiermittel 17 eintaucht. Anders gesagt, wird der Nassraum 32 nur mit so viel Schmiermittel 31 befüllt, dass die Getriebeeinrichtung 14 bzw. die entsprechenden Getriebekomponenten in das Schmiermittel 31 eintauchen und der Rotor 17 zugleich außerhalb eines durch das Schmiermittel 31 gebildeten Schmiermittelsumpfs rotiert
Der Elektronikraum 30 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Trockenraum ausgebildet, wobei der Nassraum 32 gegenüber dem Elektronikraum 30 über eine berührende Rotationsdichtung 35 abgedichtet ist, welche radial zwischen Trennwand 29 und Tretkurbelwelle 12 angeordnet ist. Beispielsweise ist die berührende Rotationsdichtung 35 als ein weiterer Wellendichtring ausgebildet, welcher an einem Außenumfang der Tretkurbelwelle 12 dichtend anliegt.
In dem Elektronikraum 30 kann neben einer Anschlussleitung 36 für den Generator 13 auch mindestens eine Sensoreinrichtung 37 angeordnet sein, welche zur Erfassung eines Generatorzustandes dient. Die Anschlussleitung 36 und die Sensoreinrichtung 37 bilden einen Teil der Leistungselektronik 38, welche vereinfacht durch eine Platine dargestellt ist. Die Anschlussleitung 36, insbesondere drei Phasenleitungen, ist von dem Elektronikraum 30 über die Trennwand 29 in den Generatorraum 27 geführt. Dabei ist die Anschlussleitung 36 statisch abgedichtet durch die Trennwand 29 geführt und mit dem Stator 16 elektrisch verbunden. Die Sensoreinrichtung 37 kann als ein Rotorlagesensor ausgebildet sein, welcher von dem Elektronikraum 30 über die Trennwand 29 in den Generatorraum 27 geführt ist. Dabei ist der Rotorlagesensor abgedichtet durch die Trennwand 29 geführt und gegenüberliegend zu dem Rotor 17 angeordnet, um eine Lage des Rotors 17 zu erfassen.
Es wird somit ein Generatormodul 6 vorgeschlagen, bei dem auf die beiden Dichtstellen an der Hohlwelle 24 verzichtet werden kann, sodass die Hohlwelle 24 dichtfrei in dem Nassraum 32 angeordnet ist bzw. ausschließlich die Tretkurbelwelle 12 über die Dichtungseinrichtungen 22, 23 und die berührende Rotationsdichtung 34 gegenüber dem Gehäuse 15 abgedichtet ist. Durch das hohe Drehmoment an der Tretkurbelwelle 12 ist die an der Tretkurbelwelle 12 herrschende Dichtungsreibung der Dichtungseinrichtungen 22, 23 und der berührenden Rotationsdichtung 34 für den Fahrer kaum spürbar. Zudem kann die Gefahr einer Selbsthemmung reduziert bzw. verhindert werden und ist daher funktional unkritisch.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform des Generatormoduls 6 in gleicher Darstellung wie 2. Bei der gezeigten Ausführung wird zusätzlich auf eine Abdichtung des Generatorraums 27 gegenüber dem Elektronikraum 30 verzichtet, sodass der Generatorraum 27, der Getrieberaums 28 und der Elektronikraum 30 gemeinsam den Nassraum 32 bilden. Zudem kann auf die Trennwand 29, wie in 2 gezeigt, verzichtet werden, sodass eine weitere Dichtstelle zwischen Gehäuse 15 und der Tretkurbelwelle 12 eingespart werden kann. Somit kann die Tretkurbelwelle 12 dichtfrei in dem Nassraum 32 angeordnet sein bzw. ausschließlich über die Dichtungseinrichtungen 22, 23 gegenüber dem Gehäuse 15 abgedichtet sein. Entsprechend müssen die Elektronikbauteile 36, 37, 38 in dem Gehäuse 15 jedoch ölverträglich, z.B. lackierte oder umspritzte Platine, ausgebildet sein. Durch den Wegfall der Trennwand 29 kann axialer Bauraum eingespart und das Generatormodul 6 kompakter ausgestaltet werden. Optional kann auf die Zwischenwand 26 verzichtet werden, sodass zusätzlicher axialer Bauraum eingespart werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Rahmen
3: Vorderrad
4: Hinterrad
5: Antriebsanordnung
6: Generatormodul
7: Antriebsmodul
8: Energiespeichermodul
9: Tretkurbel
10: Leitung
11: Verbraucher
12: Tretkurbelwelle
13: Generator
14: Getriebeeinrichtung
15: Gehäuse
16: Stator
17: Rotor
18: Durchgangsöffnung
19: Durchgangsöffnung
20: erste Dichtungseinrichtung
21: zweite Dichtungseinrichtung
22: erste Lagereinrichtung
23: zweite Lagereinrichtung
24: Hohlwelle
25: Rotorlagereinrichtung
26: Zwischenwand
27: Generatorraum
28: Getrieberaum
29: Trennwand
30: Elektronikraum
31: Schmiermittel
32: Nassraum
33: berührungslose Rotationsdichtung
34: Rücklauföffnung
35: berührende Rotationsdichtung
100: Hauptdrehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 59709997 D1 [0003]

Claims

Generatormodul (6) zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Antriebsmodul (7) eines muskelbetriebenen Fahrzeugs (1), mit einem durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft antreibbaren Generator (13), wobei der Generator (13) einen Rotor (17) und einen Stator (16) aufweist, mit einer Tretkurbelwelle (12) zur Übertragung einer Tretkraft von einer Tretkurbel (9) auf den Generator (13), mit einer Getriebeeinrichtung (14) zur Übersetzung der Tretkraft auf den Generator (13), wobei die Getriebeeinrichtung (14) ein drehfest mit der Tretkurbelwelle (12) verbundenes Eingangsorgan und ein drehfest mit dem Rotor (17) verbundenes Ausgangsorgan aufweist, mit einem Gehäuse (15), wobei das Gehäuse einen Generatorraum (27) zur Aufnahme des Generators (13) und einen Getrieberaum (28) zur Aufnahme der Getriebeeinrichtung (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Generatorraum (27) und der Getrieberaum (28) einen gemeinsam Nassraum (32) bilden, wobei zumindest das Ausgangsorgan der Getriebeeinrichtung (14) innerhalb des Nassraums (32) dichtungsfrei angeordnet ist.
Generatormodul (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nassraum (32) mit einem Schmiermittel (31) befüllt ist, wobei der Rotor (17) außerhalb eines in einer Einbausituation gebildeten Schmiermittelsumpfs angeordnet ist.
Generatormodul (6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Getrieberaum (28) und der Generatorraum (27) in axialer Richtung in Bezug auf eine Hauptdrehachse (100) durch eine Zwischenwand (26) voneinander getrennt sind, wobei die Zwischenwand (26) über eine berührungslose Spaltdichtung (33) gegenüber dem Ausgangsorgan abgedichtet ist.
Generatormodul (6) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwand (26) eine Rücklauföffnung (34) zur strömungstechnischen Verbindung des Getrieberaums (28) und des Generatorraums (27) aufweist.
Generatormodul (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (15) einen Elektronikraum (30) zur Aufnahme von Elektronikbauteilen des Generatormoduls (6) aufweist, wobei der Elektronikraum (30) wahlweise als ein Nassraum (32) oder ein Trockenraum ausgebildet ist.
Generatormodul (6) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronikraum (30) in axialer Richtung über eine Trennwand (29) von dem Generatorraum (27) und/oder dem Getrieberaum (28) getrennt ist, wobei die Trennwand (29) bei einer Ausgestaltung des Elektronikraums (30) als Trockenraum über eine Berührungsdichtung (35) gegenüber dem Ausgangsorgan und/oder der Tretkurbelwelle (12) fluiddicht abgedichtet ist oder wobei die Trennwand (29) bei einer Ausgestaltung des Elektronikraums (30) als Nassraum (32) über eine berührungslose Spaltdichtung gegenüber dem Ausgangsorgan und/oder der Tretkurbelwelle (12) abgedichtet ist.
Generatormodul (6) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlussleitung (36) zum elektrischen Anschluss des Generators (12) als ein Elektronikbauteil und/oder eine Sensoreinrichtung (37) zur Erfassung eines Generatorzustandes des Generators (13) als ein weiteres Elektronikbauteil von dem Elektronikraum (30) in den Generatorraum (27) geführt ist.
Generatormodul (6) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Generatorraum (27), der Getrieberaum (28) und der Elektronikraum (30) einen gemeinsam Nassraum (32) bilden, wobei das Ausgangsorgan der Getriebeeinrichtung (14) und die Tretkurbelwelle (12) innerhalb des Nassraums (32) dichtungsfrei angeordnet sind.
Generatormodul (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (14) als ein Exzentergetriebe ausgebildet ist, wobei das Ausgangsorgan als eine mit dem Rotor (17) drehfest verbundene Hohlwelle (24) ausgebildet ist.
Fahrzeug (1) mit dem Generatormodul (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.