DE102021116701B3 - Driving device for an electric bicycle and electric bicycle - Google Patents
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Abstract
Eine Antriebsvorrichtung (5) für ein Elektrofahrrad (1) weist eine Motoreinheit mit einem Elektromotor zum Antreiben des Elektrofahrrads (1) auf. Die Antriebsvorrichtung (5) umfasst ferner eine Tretkurbelwelle (6), die um eine Rotationsachse (R) drehbar ist und sich durch ein Motorgehäuse (7) der Motoreinheit erstreckt. Antriebsvorrichtung (5) weist weiter ein Kettenblattsystem (11) auf, das zum Antreiben des Elektrofahrrads (1) mit der Tretkurbelwelle (6) gekoppelt ist. Außerdem umfasst die Antriebsvorrichtung (5) eine Drehmomentsensoreinheit (10), die in Bezug auf die Rotationsachse (R) außerhalb des Motorgehäuses (7) zwischen dem Kettenblattsystem (11) und dem Motorgehäuse (7) angeordnet ist und die zum Messen eines Drehmoments des Kettenblattsystems (11) eine Abnehmereinheit (14) mit Abnehmerelektronik (16) und einen radialen Messbereich (20) umfasst. Die Abnehmereinheit (14) und der Messbereich sind so ausgerichtet, dass eine Messrichtung zwischen ihnen entlang der Rotationsachse (R) ausgebildet ist. A drive device (5) for an electric bicycle (1) has a motor unit with an electric motor for driving the electric bicycle (1). The drive device (5) also includes a pedal crankshaft (6) which is rotatable about an axis of rotation (R) and extends through a motor housing (7) of the motor unit. The drive device (5) also has a chainring system (11) which is coupled to the pedal crankshaft (6) in order to drive the electric bicycle (1). In addition, the drive device (5) includes a torque sensor unit (10), which is arranged with respect to the axis of rotation (R) outside of the motor housing (7) between the chain ring system (11) and the motor housing (7) and for measuring a torque of the chain ring system (11) comprises a pickup unit (14) with pickup electronics (16) and a radial measuring area (20). The pickup unit (14) and the measuring section are aligned so that a measuring direction is formed between them along the axis of rotation (R).
Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrrad und ein Elektrofahrrad mit einer solchen Antriebsvorrichtung.The invention relates to a drive device for an electric bicycle and an electric bicycle with such a drive device.
Fahrräder realisieren kostengünstige, leicht zu handhabende und emissionsfreie Fortbewegungsmittel. Sie haben auch als Sport- beziehungsweise Fitnessgeräte Verbreitung gefunden, und es haben sich für unterschiedliche sportliche Einsatzfelder besonders geeignete Typen herausgebildet.Bicycles are a cost-effective, easy-to-handle and emission-free means of transportation. They have also been used as sports or fitness equipment, and types that are particularly suitable for different sports applications have emerged.
In den letzten Jahren wächst die Begeisterung für Elektrofahrräder (insbesondere sogenannte „Pedelecs“), und das auch trotz der für Fahrräder hohen Gewichte und Preise. Potenzielle Kunden sind nicht nur ältere, weniger konditionsstarke oder von sportlichen Ambitionen freie Radfahrer, sondern auch sportliche, jüngere Fahrer, sei es zur Nutzung auf dem Arbeitsweg oder wegen der Möglichkeit, mit ihnen ohne Überbeanspruchung der eigenen Physis den Aktionsradius zu erweitern und/oder die Reisegeschwindigkeit zu erhöhen. Gerade bei Mountainbikern scheint das Interesse an elektrisch unterstützten Mountainbikes zu wachsen. Bei Elektrofahrrädern ist es ein Anliegen, ein zuverlässig unterstützendes Antriebssystem bereitzustellen, welches eine hohe Leistungsübertragung ermöglicht.In recent years, enthusiasm for electric bicycles (especially so-called "pedelecs") has been growing, despite the high weight and price of bicycles. Potential customers are not only older, less fit cyclists or cyclists who are free from sporting ambitions, but also sporty, younger cyclists, whether for use on the way to work or because of the possibility of using them to extend the radius of action without overstraining one's own physique and/or the increase cruising speed. Interest in electrically assisted mountain bikes seems to be growing, especially among mountain bikers. In the case of electric bicycles, it is important to provide a reliably supporting drive system that enables high power transmission.
Es ist die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ein Antriebskonzept für Elektrofahrräder zu schaffen, welches einen übersichtlichen und platzsparenden Aufbau aufweist und eine zuverlässige Unterstützung ermöglicht.It is the object on which the invention is based to create a drive concept for electric bicycles that has a clear and space-saving design and enables reliable support.
Die Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und durch ein Elektrofahrrad mit den Merkmalen gemäß Anspruch 12 gelöst.The object is achieved by a drive device having the features of
Gemäß einem Aspekt wird eine Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrrad offenbart. Die Antriebsvorrichtung weist eine Motoreinheit mit einem Elektromotor zum Antreiben des Elektrofahrrads auf, der in einem Motorgehäuse angeordnet ist. Die Antriebsvorrichtung weist weiter eine Tretkurbelwelle auf, die um eine Rotationsachse drehbar ist und die sich durch das Motorgehäuse erstreckt. Die Antriebsvorrichtung umfasst weiter ein Kettenblattsystem, das zum Antreiben des Elektrofahrrads mit der Tretkurbelwelle gekoppelt ist, und eine Drehmomentsensoreinheit, die zum Messen eines Drehmoments des Kettenblattsystems ausgebildet ist. Die Drehmomentsensoreinheit ist in Bezug auf die Rotationsachse außerhalb des Motorgehäuses zwischen dem Kettenblattsystem und dem Motorgehäuse angeordnet und umfasst zum Messen eines Drehmoments des Kettenblattsystems einen radialen Messbereich und eine Abnehmereinheit mit einer Abnehmerelektronik. Die Abnehmereinheit und der radiale Messbereich sind so ausgerichtet, dass eine Messrichtung zwischen ihnen entlang der Rotationsachse ausgebildet ist.According to one aspect, a drive device for an electric bicycle is disclosed. The drive device has a motor unit with an electric motor for driving the electric bicycle, which is arranged in a motor housing. The drive device further has a pedal crankshaft which is rotatable about an axis of rotation and which extends through the motor housing. The drive device further includes a chainring system, which is coupled to the pedal crankshaft for driving the electric bicycle, and a torque sensor unit, which is designed to measure a torque of the chainring system. The torque sensor unit is arranged with respect to the axis of rotation outside of the motor housing between the chainring system and the motor housing and comprises a radial measuring area and a pickup unit with pickup electronics for measuring a torque of the chainring system. The pickup unit and the radial measuring portion are aligned so that a measuring direction is formed between them along the axis of rotation.
Mittels der beschriebenen Antriebsvorrichtung ist ein zuverlässiges Antriebskonzept für Elektrofahrräder realisierbar, welches einen platzsparenden Aufbau ermöglicht. Insbesondere aufgrund der externen Anordnung der Drehmomentsensoreinheit und der eingerichteten radialen Drehmomentmessung ist ein kompakter axialer Aufbau der Antriebsvorrichtung realisierbar, welcher dazu beiträgt, einen benötigten Bauraum in dem Motorgehäuse gering zu halten und das Motorgehäuse entsprechend schlank gestalten zu können. Die beschriebene Antriebsvorrichtung ist insbesondere als elektrisches Fahrradantriebssystem zur Montage an ein Unterrohr oder an ein Sitzrohr des Elektrofahrrads geeignet.A reliable drive concept for electric bicycles can be implemented by means of the drive device described, which enables a space-saving design. In particular, due to the external arrangement of the torque sensor unit and the set up radial torque measurement, a compact axial design of the drive device can be implemented, which helps to keep the space required in the motor housing small and to be able to make the motor housing correspondingly slim. The drive device described is particularly suitable as an electric bicycle drive system for mounting on a down tube or on a seat tube of the electric bicycle.
Der radiale Messbereich erstreckt sich um die Rotationsachse herum und kann diese vollständig umlaufen oder auch nur abschnittsweise auf einen Kreissegment vorgegeben ausgebildet sein. Die Messrichtung zwischen der Abnehmereinheit und dem Messbereich ist im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse orientiert. Dies kann aber auch eine relativ geringe Neigung der Messrichtung im Hinblick auf die Rotationsache umfassen, sodass die Messrichtung jeweils überwiegend entlang der Rotationsachse ausgebildet und nicht senkrecht zu dieser eingerichtet ist.The radial measuring range extends around the axis of rotation and can completely encircle it or can also be configured only in sections on a segment of a circle. The measurement direction between the pickup unit and the measurement area is oriented essentially parallel to the axis of rotation. However, this can also include a relatively slight inclination of the measurement direction with regard to the rotation object, so that the measurement direction is in each case predominantly formed along the rotation axis and not set up perpendicular to it.
Der radiale Messbereich bildet den auszumessenden Abschnitt, um ein Drehmoment, das zum Beispiel auf ein Kettenblatt des Kettenblattsystems wirkt, zu ermitteln. Er entspricht zum Beispiel einer Torsionsfläche, die mittels der Abnehmereinheit messtechnisch beobachtet oder überwacht wird. Demgemäß ist eine rotatorische Messtrecke auf die Rotation der Tretkurbelwelle und einen Betrieb eines Elektrofahrrads abgestimmt eingerichtet und folgt einem vorgegebenen radialen Verlauf.The radial measuring range forms the section to be measured in order to determine a torque that acts on a chainring of the chainring system, for example. It corresponds, for example, to a torsion surface that is metrologically observed or monitored by means of the pickup unit. Accordingly, a rotary measuring section is set up in a way that is coordinated with the rotation of the pedal crankshaft and the operation of an electric bicycle and follows a predetermined radial course.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Antriebsvorrichtung umfasst das Kettenblattsystem ein Kettenblatt und einen Kettenblatt-Spider, die miteinander und mittels einer Motorabtriebswelle mit der Tretkurbelwelle gekoppelt sind. Die Abnehmereinheit ist zwischen dem Kettenblatt und der Motorabtriebswelle angeordnet. Auf diese Weise kann ein Bereich in der Antriebsvorrichtung gezielt für die Drehmomentsensoreinheit beziehungsweise die Abnehmereinheit genutzt werden, welcher üblicherweise ungenutzt frei verbleibt. Somit kann ein besonders platzsparender Aufbau der Antriebsvorrichtung realisiert werden.According to a preferred embodiment of the drive device, the chainring system comprises a chainring and a chainring spider, which are coupled to one another and to the pedal crankshaft by means of a motor output shaft. The pickup unit is arranged between the chainring and the engine output shaft. In this way, an area in the drive device that usually remains unused can be used specifically for the torque sensor unit or the pickup unit. A particularly space-saving design of the drive device can thus be implemented.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Antriebsvorrichtung ist der radiale Messbereich in oder an dem Kettenblatt-Spider ausgebildet. Der Messbereich kann als auszumessender Abschnitt an dem Spider angeordnet sein oder auch als Torsionsfläche, die sich zumindest abschnittsweise radial entlang eines vorgegebenen Kreissegments erstreckt, mit dem Spider integriert ausgebildet sein.According to a further preferred embodiment of the drive device is the radial Measuring range formed in or on the chain ring spider. The measuring area can be arranged as a section to be measured on the spider or also as a torsion surface, which at least partially extends radially along a predetermined segment of a circle, integrated with the spider.
Der Kettenblatt-Spider oder in Kurzform, der Spider, ist üblicherweise ein mehrarmiges Bauteil, an dem ein oder mehrere Kettenblätter montiert sind. Der Spider bildet somit ein Kopplungselement zwischen einem Kettenblatt und der Tretkurbelwelle aus. Er ist zum Beispiel mit anderen Komponenten verpresst oder als ein integraler Bestandteil einer Kurbel ausgebildet. Das Kettenblattsystem kann daher ferner zu den beschriebenen Elementen eine Mehrzahl von miteinander gekoppelten Kettenblättern oder Zahnrad-förmigen Elementen aufweisen.The chainring spider, or in short the spider, is usually a multi-armed component on which one or more chainrings are mounted. The spider thus forms a coupling element between a chainring and the pedal crankshaft. For example, it is pressed together with other components or designed as an integral part of a crank. In addition to the elements described, the chainring system can therefore also have a plurality of chainrings or gear-shaped elements coupled to one another.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Antriebsvorrichtung ist die Abnehmereinheit an dem Motorgehäuse angeordnet und in Bezug auf die Rotationsachse stationär ausgebildet ist. Alternativ ist die Abnehmereinheit an oder in dem Kettenblattsystem, insbesondere dem Kettenblatt-Spider, angeordnet und in Bezug auf die Rotationsachse rotatorisch um diese drehbar ausgebildet. According to a further preferred embodiment of the drive device, the pickup unit is arranged on the motor housing and is designed to be stationary in relation to the axis of rotation. Alternatively, the pickup unit is arranged on or in the chainring system, in particular the chainring spider, and is designed to be rotatable about the axis of rotation in relation to the axis of rotation.
Ferner kann die Antriebsvorrichtung auch eine stationär und eine rotatorisch montierte Abnehmereinheit umfassen.Furthermore, the drive device can also include a stationary and a rotary mounted pickup unit.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Antriebsvorrichtung umfasst die Abnehmerelektronik eine Mehrzahl von Spulen, die in einem Abnehmergehäuse beabstandet von dem Messbereich angeordnet sind, sodass ein Drehmoment des Kettenblattsystems auf Basis von Magnetostriktion berührungslos messbar ist. Somit umfasst die Drehmomentsensoreinheit vorzugsweise einen magnetorestriktiven Drehmomentsensor, welcher eine robuste, langlebige und wartungsfreundliche Erfassung des Drehmoments ermöglicht, die zudem sehr präzise und verschleißfrei durchführbar ist.According to a further preferred embodiment of the drive device, the pick-up electronics comprise a plurality of coils, which are arranged in a pick-up housing at a distance from the measuring area, so that a torque of the chain ring system can be measured without contact on the basis of magnetostriction. Thus, the torque sensor unit preferably comprises a magneto-restrictive torque sensor, which enables the torque to be detected in a robust, durable and maintenance-friendly manner, which can also be carried out very precisely and without wear.
Zur Kraftmessung auf Basis der Magnetostriktion wird mittels der Abnehmereinheit eine Torsion oder mechanische Spannung, die auf das Element mit dem radialen Messbereich wirkt, gemessen und ermöglicht dadurch ein präzises Ermitteln eines wirkenden Drehmoments. Magnetostriktion ist zum Beispiel als Deformation magnetischer Materialien infolge eines magnetischen Feldes erklärbar und führt zu einer elastischen Geometrieänderung des Material beziehungsweise des entsprechenden Körpers. Beispielsweise ist der Messbereich als Torsionsfläche des Kettenblatt-Spiders vorgesehen, welche vorgegeben magnetisch codiert ist. Durch ein wirkendes Drehmoment kommt es zu geometrischen Änderungen des Spiders, die mit Änderungen der magnetischen Codierung der Torsionsfläche einhergehen. Diese Änderungen sind messbar und es kann auf das Drehmoment rückgeschlossen werden. Der Spider ist demgemäß magnetisch passiv und die messende Abnehmereinheit ist magnetisch aktiv.To measure force based on magnetostriction, the pick-off unit is used to measure torsion or mechanical stress that acts on the element with the radial measuring area, thereby enabling an effective torque to be precisely determined. Magnetostriction can be explained, for example, as a deformation of magnetic materials as a result of a magnetic field and leads to an elastic change in geometry of the material or the corresponding body. For example, the measuring area is provided as a torsion surface of the chain ring spider, which is magnetically encoded in a predetermined manner. An acting torque leads to geometric changes in the spider, which are accompanied by changes in the magnetic coding of the torsion surface. These changes can be measured and conclusions can be drawn about the torque. Accordingly, the spider is magnetically passive and the measuring pickup unit is magnetically active.
Der magnetorestriktive Drehmomentsensor ist zum Beispiel einige Zehntel-Millimeter von dem Messbereich entfernt und ermöglicht aufgrund der Magnetfeldverzerrungen eine kontaktlose Messung. Eine solche Drehmomenterfassung geht ohne mechanische, thermische und/oder chemische Beanspruchung einher und bedarf zudem keiner zusätzlichen Messelemente, wie Dehnmessstreifen, die mit der Zeit abfallen können. Darüber hinaus kann aber auch die Drehmomentsensoreinheit mit einem konventionellen Drehmomentsensor in der beschriebenen Antriebsvorrichtung vorgesehen sein.The magnetostrictive torque sensor, for example, is a few tenths of a millimeter away from the measuring area and allows contactless measurement due to the magnetic field distortions. Such a torque detection is accompanied by no mechanical, thermal and/or chemical stress and also does not require any additional measuring elements, such as strain gauges, which can fall off over time. In addition, however, the torque sensor unit can also be provided with a conventional torque sensor in the drive device described.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Antriebsvorrichtung ist die Abnehmereinheit zur elektrischen Versorgung der Abnehmerelektronik drahtgebunden und/oder drahtlos mit einer Energiequelle gekoppelt. Zum Beispiel weist die Antriebsvorrichtung einen Energiespeicher in Form einer Batterie zur elektrischen Versorgung der Abnehmerelektronik auf. Vorzugsweise ist die Batterie als Akku realisiert und wiederaufladbar. Somit kann die Drehmomentsensoreinheit autark betrieben werden und benötigt keine kabelgebundene Energieversorgung von außen.According to a further preferred embodiment of the drive device, the pickup unit is coupled to an energy source in a wired and/or wireless manner for the electrical supply of the pickup electronics. For example, the drive device has an energy store in the form of a battery for the electrical supply of the consumer electronics. The battery is preferably implemented as an accumulator and is rechargeable. Thus, the torque sensor unit can be operated independently and does not require a wired power supply from the outside.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Antriebsvorrichtung umfasst die Drehmomentsensoreinheit eine Induktionseinheit, die zur elektrischen Versorgung der Abnehmereinheit mit dieser energetisch gekoppelt ist. Demgemäß kann eine elektrische Versorgung drahtlos oder kabellos eingerichtet sein und zu einem übersichtlichen Aufbau beitragen. Zum Beispiel weist die Induktionseinheit in Bezug auf die Rotationsachse eine stationäre Induktionsspule und eine rotatorische beziehungsweise drehbar gelagerte Induktionsspule auf. Die stationäre Induktionsspule kann mit dem Motorgehäuse gekoppelt sein und beispielsweise an einer Außenseite des Motorgehäuses angeordnet sein, welche dem Kettenblattsystem zugewandt ist. Die rotatorische Induktionsspule ist dann zum Beispiel mit dem Kettenblattsystem, insbesondere dem Kettenblatt-Spider, gekoppelt und der stationären Induktionsspule zugewandt. Durch eine Relativbewegung der beiden Induktionsspulen zueinander kann somit auf Basis von Induktion Energie zur elektrischen Versorgung der Drehmomentsensoreinheit während eines Betriebs des Elektrofahrrads bereitgestellt werden.According to a further preferred embodiment of the drive device, the torque sensor unit comprises an induction unit, which is energetically coupled to the pickup unit in order to supply it with electricity. Accordingly, an electrical supply can be set up wirelessly or wirelessly and contribute to a clear structure. For example, the induction unit has a stationary induction coil and a rotary or rotatably mounted induction coil with respect to the axis of rotation. The stationary induction coil can be coupled to the motor housing and can be arranged, for example, on an outside of the motor housing that faces the chainring system. The rotary induction coil is then coupled, for example, to the chainring system, in particular the chainring spider, and faces the stationary induction coil. By moving the two induction coils relative to one another, energy for the electrical supply of the torque sensor unit can thus be provided on the basis of induction during operation of the electric bicycle.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Antriebsvorrichtung ist die Abnehmerelektronik dazu eingerichtet, ein Messsignal, das repräsentativ für ein gemessenes Drehmoment des Kettenblattsystems ist, drahtgebunden und/oder drahtlos an eine Motorelektronik der Motoreinheit zu übertragen. Eine draht- oder kabelgebundene Ausführung kann zum Beispiel vorgesehen sein, wenn die Abnehmereinheit stationär ausgebildet und mit dem Motorgehäuse gekoppelt ist. Eine kabel- oder drahtlose Datenübertragung ist vorzugsweise ausgebildet, wenn Abnehmereinheit rotatorisch und somit drehbar ausgebildet und zum Beispiel mit dem Kettenblatt-Spider gekoppelt ist. Eine solche drahtlose Datenübertragung kann zum Beispiel mittels Bluetooth oder einem anderen Nahfeldkommunikationsstandard eingerichtet sein.According to a further preferred embodiment of the drive device, the pick-up electronics are set up to transmit a measurement signal, which is representative of a measured torque of the chainring system, by wire and/or wirelessly to motor electronics of the motor unit. A wired or cabled version can be provided, for example, if the pickup unit is designed to be stationary and is coupled to the motor housing. Cable or wireless data transmission is preferably implemented if the pick-up unit is designed to be rotatory and thus rotatable and is coupled to the chain ring spider, for example. Such wireless data transmission can be set up, for example, using Bluetooth or another near-field communication standard.
Das Motorgehäuse der Antriebsvorrichtung kann zusätzlich zu dem Elektromotor ein Getriebe beherbergen, welches zum Beispiel als Riemengetriebe oder als Planetengetriebe ausgebildet ist. Insbesondere können der Elektromotor und/oder das Getriebe so eingerichtet sein, dass sie in Bezug auf die Rotationsachse die Tretkurbelwelle koaxial umgeben. Die Motoreinheit beziehungsweise der Elektromotor ist zum Beispiel als Ringmotor ausgebildet und ist in Bezug auf die Rotationsachse der Tretkurbelwelle koaxial um diese angeordnet. Somit kann die Antriebsvorrichtung besonders schlank und platzsparend ausgebildet werden. Ferner kann die Tretkurbelwelle einstückig oder mehrteilig ausgebildet sein. Zum Beispiel ist die Tretkurbelwelle zweiteilig ausgebildet und weist ein erstes und ein separates zweites Teilelement auf, die miteinander gekoppelt sind.In addition to the electric motor, the motor housing of the drive device can accommodate a gear, which is designed, for example, as a belt gear or as a planetary gear. In particular, the electric motor and/or the transmission can be set up in such a way that they coaxially surround the pedal crankshaft with respect to the axis of rotation. The motor unit or the electric motor is designed, for example, as a ring motor and is arranged coaxially around the pedal crankshaft in relation to the axis of rotation of the same. The drive device can thus be designed to be particularly slim and space-saving. Furthermore, the pedal crankshaft can be designed in one piece or in several parts. For example, the pedal crankshaft is designed in two parts and has a first and a separate second partial element that are coupled to one another.
Die beschriebenen Ausführungsformen der Antriebsvorrichtung ermöglichen jeweils ein kompaktes und zuverlässiges elektrisches Antriebssystem für ein Elektrofahrrad. Die Drehmomentsensoreinheit überwacht eine Relativbewegung von ineinandergreifenden Strukturen des Kettenblattsystems und ermöglicht ein sicheres Betreiben des Elektrofahrrads mit verbessertem Fahrtkomfort.The described embodiments of the drive device each enable a compact and reliable electric drive system for an electric bicycle. The torque sensor unit monitors a relative movement of interlocking structures of the chainring system and enables safe operation of the electric bicycle with improved ride comfort.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Elektrofahrrad offenbart, das einen Fahrradrahmen mit einem unteren Rahmenabschnitt aufweist, der sich zu einem Tretlager mit einer Tretkurbel erstreckt. Das Elektrofahrrad weist eine Antriebsvorrichtung nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf, die in oder an dem Rahmenabschnitt angeordnet ist, sodass die Tretkurbelwelle mit der Tretkurbel gekoppelt ist. Das Elektrofahrrad ermöglicht im Wesentlichen die zuvor genannten Eigenschaften, Vorteile und Funktionen.In another aspect, an electric bicycle is disclosed having a bicycle frame with a lower frame portion that extends to a bottom bracket with a crank. The electric bicycle has a drive device according to one of the previously described embodiments, which is arranged in or on the frame section, so that the pedal crankshaft is coupled to the pedal crank. Essentially, the electric bicycle enables the aforementioned properties, advantages and functions.
Zur Anbringung an dem Rahmenabschnitt weist dieser beispielsweise eine Aussparung aus, sodass die Antriebsvorrichtung zuverlässig aufgenommen werden kann. Gemäß einer Ausführungsform ist die Antriebsvorrichtung zum Beispiel als Baugruppe im bereits gekoppelten Zustand an dem Rahmenabschnitt angeordnet, insbesondere montiert.For attachment to the frame section, the latter has a recess, for example, so that the drive device can be reliably accommodated. According to one embodiment, the drive device is arranged, in particular mounted, for example as an assembly in the already coupled state on the frame section.
Die Antriebsvorrichtung ermöglicht ein effizientes und platzsparendes mechanisches System zum Unterstützen beim Fahrradfahren. Dies wird insbesondere durch die extern angeordnete Drehmomentsensoreinheit ermöglicht, sodass die Antriebsvorrichtung im Bereich des Motorgehäuses deutlich schmaler realisierbar ist.The drive device enables an efficient and space-saving mechanical system to support cycling. This is made possible in particular by the externally arranged torque sensor unit, so that the drive device can be made significantly narrower in the area of the motor housing.
Somit erfolgt die bevorzugt berührungslose Drehmomentmessung außerhalb des Motorgehäuses. Eine Drehmomenterfassung innerhalb des Motorgehäuses kann daher eingespart werden, welche üblicherweise auf einem Abtasten einer Messwelle über die axiale Erstreckung basiert. Eine solche interne Messung erfordert eine relativ komplexe Anordnung aus Kurbelwelle-Freilauf-Messwelle, um die Drehmomente auf beiden Kurbelarmen der Tretkurbelwelle messen zu können.Thus, the preferably non-contact torque measurement takes place outside of the motor housing. Torque detection within the motor housing can therefore be saved, which is usually based on scanning a measuring shaft over the axial extent. Such an internal measurement requires a relatively complex arrangement of crankshaft freewheel measuring shaft in order to be able to measure the torques on both crank arms of the pedal crankshaft.
Mittels der beschriebenen Antriebsvorrichtung kann insbesondere in dem Motorgehäuse zu einem übersichtlichen Aufbau beigetragen werden und die Drehmomentsensoreinheit kann ferner auch an bestehenden Antriebssystemen nachgerüstet werden, um eine Ausführung der beschriebenen Antriebsvorrichtung auszubilden. Die Antriebsvorrichtung kann einen oder mehrere Drehmomentsensoren umfassen. Ferner kann die Antriebsvorrichtung auch einen Drehzahlsensor und/oder weitere Sensoren aufweisen, die zu einem komfortablen Betrieb des Elektrofahrrads beitragen können.The drive device described can contribute to a clear structure, particularly in the motor housing, and the torque sensor unit can also be retrofitted to existing drive systems in order to form an embodiment of the drive device described. The drive device may include one or more torque sensors. Furthermore, the drive device can also have a speed sensor and/or other sensors that can contribute to comfortable operation of the electric bicycle.
Bevorzugt ist die Antriebsvorrichtung gemäß einer oder mehrerer der folgenden Varianten ausgebildet:
- • Variante A: Messtrecke sitzt im/am Kettenblatt-Spider; die Abtastelektronik der Abnehmereinheit ist stationär an dem Motorgehäuse verbaut; Messsignale werden drahtgebunden an die Motorelektronik der Motoreinheit übertragen.
- • Variante B: Messstrecke sitzt im/am Kettenblatt-Spider und die Abtastelektronik der Abnehmereinheit ist an dem Kettenblatt-Spider angeordnet; Messsignale werden drahtlos an die Motorelektronik der Motoreinheit übertragen, elektrische Versorgung der Sensorelektronik der Abnehmereinheit erfolgt mittels einer Batterie.
- • Variante C: wie Variante B, aber eine elektrische Versorgung der Sensorelektronik der Abnehmereinheit erfolgt durch Induktion.
- • Variante D: wie Variante B, aber die elektrische Versorgung der Sensorelektronik der Abnehmereinheit erfolgt durch einen Schleifkontakt mittels einer radialen und/oder axialen Schleifkontaktierung.
- • Variant A: measuring section is in/on the chain ring spider; the scanning electronics of the pickup unit are installed stationary on the motor housing; Measurement signals are wired to the motor electronics of the motor unit.
- • Variant B: the measuring section is located in/on the chain ring spider and the scanning electronics of the pickup unit are arranged on the chain ring spider; Measuring signals are transmitted wirelessly to the motor electronics of the motor unit, the electrical supply of the sensor electronics of the pick-up unit is provided by a battery.
- • Variant C: like variant B, but the electrical supply of the sensor electronics of the pickup unit is provided by induction.
- • Variant D: like variant B, but the electrical supply of the sensor electronics of the pickup unit is provided by a sliding contact using a radial and/or axial sliding contact.
Insbesondere in Ausführung der Drehmomentsensoreinheit mit einem berührungslosen Drehmomentsensor kann ein komfortables und zuverlässiges elektrisches Antriebssystem, vorzugsweise für einen Mittelmotor, für Elektrofahrräder realisiert werden. Der Drehmomentsensor beziehungsweise die Abnehmereinheit wird außerhalb des Motorgehäuses zwischen einer Abtriebswelle und einem Kettenblatt in den Kettenblatt-Spider des Kettenblattsystems integriert. Die vorgesehene Messstrecke erstreckt sich radial um die Rotationsachse. Die beschriebene Antriebsvorrichtung ermöglicht in ihren Ausführungen einen oder mehrere der folgenden Vorteile:
- - ein Bauraum in dem Motorgehäuse kann verringert werden.
- - eine radiale Erstreckung der Messstrecke ermöglicht besonders vorteilhaft, eine axiale Länge der Motoreinheit zu reduzieren.
- - aufwändige Messwellen und Schnittstellen innerhalb des Motorgehäuses entfallen.
- - eine Ausstattung der Antriebsvorrichtung mit der Drehmomentsensoreinheit oder der Abnehmereinheit ist optional ab Werk durchführbar oder sogar nachrüstbar.
- - verschiedene Sensorklassen sind für die Abnehmereinheit möglich und können an eine gewünschte Qualität und an vorgesehene Anwendungsbereiche angepasst werden: zum Beispiel kann ein relativ günstiger Street-Sensor, ein hochsensibler Trail-Sensor und/oder ein hochauflösender Road-Sensor für die Drehmomentsensoreinheit und die Abnehmereinheit vorgesehen werden.
- - Kostenersparnis in einer Grundkonfiguration der Antriebsvorrichtung ist auch ohne Sensor möglich.
- - Servicebarkeit und Wartungszugänglichkeit des Drehmomentsensors und der Abnehmereinheit sind ohne Öffnen der Motoreinheit durchführbar.
- - eine elektrische Versorgung kann mittels induktiver Spannungsversorgung erfolgen.
- - ein Weiterleiten von Messsignalen kann mittels drahtloser Datenübertragung erfolgen.
- - A space in the motor housing can be reduced.
- - A radial extent of the measuring section makes it particularly advantageous to reduce an axial length of the motor unit.
- - Complex measuring shafts and interfaces within the motor housing are no longer necessary.
- - An equipment of the drive device with the torque sensor unit or the pickup unit is optionally feasible ex works or can even be retrofitted.
- - Different sensor classes are possible for the pick-up unit and can be adapted to a desired quality and to the intended areas of application: for example, a relatively inexpensive street sensor, a highly sensitive trail sensor and/or a high-resolution road sensor for the torque sensor unit and the pick-up unit be provided.
- - Cost savings in a basic configuration of the drive device is also possible without a sensor.
- - Serviceability and maintenance accessibility of the torque sensor and the pickup unit can be carried out without opening the motor unit.
- - An electrical supply can take place by means of inductive voltage supply.
- - Measurement signals can be forwarded by means of wireless data transmission.
Ausführungsformen, Vorteile und Funktionen werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren erläutert. In den Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Elektrofahrrads mit einer montierten Antriebsvorrichtung, -
2-3 schematische Schnittdarstellungen eines Ausführungsbeispiels der Antriebsvorrichtung für das Elektrofahrrad in verschiedenen Ansichten, -
4-5 schematische Schnittdarstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels der Antriebsvorrichtung für das Elektrofahrrad in verschiedenen Ansichten, -
6-7 schematische Schnittdarstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels der Antriebsvorrichtung für das Elektrofahrrad in verschiedenen Ansichten, und -
8 schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Antriebsvorrichtung für das Elektrofahrrad.
-
1 a schematic view of an electric bicycle with a mounted drive device, -
2-3 schematic sectional views of an embodiment of the drive device for the electric bicycle in different views, -
4-5 schematic sectional views of another embodiment of the drive device for the electric bicycle in different views, -
6-7 schematic sectional representations of a further embodiment of the drive device for the electric bicycle in different views, and -
8th schematic sectional view of another embodiment of the drive device for the electric bicycle.
Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind gegebenenfalls nicht in sämtlichen Figuren alle dargestellten Elemente mit zugehörigen Bezugszeichen gekennzeichnet.Identical, similar or equivalent elements are provided with the same reference symbols in the figures. For reasons of clarity, not all of the elements shown are identified with associated reference symbols in all of the figures.
Anhand der nachfolgenden
Das Kettenblattsystem 11 umfasst ein Kettenblatt 12 und einen Kettenblatt-Spider 13, die miteinander und mittels einer Abtriebswelle 8 mit der Tretkurbelwelle 6 gekoppelt sind. Die Drehmomentsensoreinheit 10 ist extern zu dem Motorgehäuse 7 zwischen dem Kettenblatt 12 und der Abtriebswelle 8 angeordnet. Die Drehmomentsensoreinheit 10 umfasst zum Messen eines Drehmoments des Kettenblattsystems 11 eine Abnehmereinheit 14 mit einer Abnehmerelektronik 16 und einen radialen Messbereich 20, die so ausgerichtet sind, dass eine Messrichtung zwischen der Abnehmereinheit 14 und dem radialen Messbereich 20 überwiegend entlang der Rotationsachse R ausgebildet ist.The
Der radiale Messbereich 20 ist als Torsionsfläche in oder an dem Kettenblatt-Spider 13 ausgebildet und der Abnehmereinheit 14 zugewandt. Der Messbereich 20 erstreckt sich um die Rotationsachse R herum und kann diese vollständig umlaufen oder auch nur abschnittsweise auf einen Kreissegment vorgegeben ausgebildet sein. Entsprechend kann die Abnehmereinheit 14 ringförmig ausgebildet sein und einen in sich geschlossenen Messring ausbilden oder als ein Ringabschnitt ausgestaltet sein. Der radiale Messbereich 20 bildet den auszumessenden Abschnitt, um ein Drehmoment, das in einem Betrieb des Elektrofahrrads 1 auf das Kettenblattsystem 11 wirkt, zu ermitteln. Der Messbereich 20 wird mittels der Abnehmereinheit 14 messtechnisch beobachtet oder überwacht und die rotatorische Messtrecke in einem Betrieb des Elektrofahrrads 1 zyklisch oder fortlaufend ausgemessen.The
Die
Die Abnehmerelektronik 16 umfasst zum Beispiel eine Mehrzahl von Spulen, die in einem Abnehmergehäuse 15 beabstandet von dem Messbereich 20 angeordnet sind, sodass ein Drehmoment des Kettenblattsystems 11 auf Basis von Magnetostriktion berührungslos messbar ist. Somit umfasst die Drehmomentsensoreinheit 10 vorzugsweise einen oder mehrere magnetorestriktive Drehmomentsensoren. Zur Kraftmessung auf Basis der Magnetostriktion wird mittels der Abnehmereinheit 14 eine Torsion oder mechanische Spannung, die auf den Kettenblatt-Spider 13 und den daran ausgebildeten radialen Messbereich 20 wirkt, gemessen und ermöglicht dadurch ein präzises und kontaktfreies Ermitteln eines wirkenden Drehmoments.The pick-up
Die
Die
Die Induktionseinheit 17 ist zwischen dem Motorgehäuse 7 und dem Kettenblattsystem 11 angeordnet und weist in Bezug auf die Rotationsachse R eine stationäre Induktionsspule 18 und eine rotatorische Induktionsspule 19 auf. Die stationäre Induktionsspule 18 an einer Außenseite des Motorgehäuses 7 angeordnet und der Abnehmereinheit 14 zugewandt. Die rotatorische Induktionsspule 19 ist mit dem Kettenblattsystem 11 gekoppelt und an der Abnehmereinheit 14 angeordnet oder in dieser integriert ausgebildet. Zum Beispiel ist die rotatorische Induktionsspule 19 in dem Abnehmergehäuse 15 vorgegeben eingebracht, sodass sie der stationären Induktionsspule 18 zugewandt ist. Wie auch die Abnehmereinheit 14, kann die Induktionseinheit 17 somit einen üblicherweise vorhandenen Freiraum zwischen dem Motorgehäuse 7 und dem Kettenblattsystem 11 vorteilhaft nutzen.The
Die Abnehmerelektronik 16 der Antriebsvorrichtung 5 ist ferner dazu eingerichtet, ein Messsignal, das repräsentativ für ein gemessenes Drehmoment des Kettenblattsystems 11 ist, drahtgebunden und/oder drahtlos an eine Motorelektronik der Motoreinheit zu übertragen.The pick-up
Gemäß den illustrierten Ausführungsbeispielen sitzt die radiale Messtrecke jeweils im oder am Kettenblatt-Spider 13. Eine Abtastelektronik der Abnehmereinheit 14 kann gemäß den
Alternativ kann die Abtastelektronik der Abnehmereinheit 14 gemäß den
Alternativ oder zusätzlich kann eine elektrische Versorgung der Abnehmereinheit 16 gemäß den
Mittels der beschriebenen Ausgestaltungen der Antriebsvorrichtung 5 ist jeweils ein zuverlässiges Antriebskonzept für Elektrofahrräder realisierbar, welches einen besonders und platzsparenden Aufbau ermöglicht. Die jeweilige Antriebsvorrichtung 5 ist insbesondere zur Montage an ein Unterrohr oder an ein Sitzrohr des Elektrofahrrads 1 geeignet und ermöglicht ein vorteilhaftes Antriebssystem insbesondere hinsichtlich einer hohen Effizienz, einer kleinen Baugröße und eines verbesserten Fahrkomforts.A reliable drive concept for electric bicycles can be implemented by means of the described configurations of the
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Elektrofahrradelectric bike
- 22
- Fahrradrahmenbike frame
- 33
- Rahmenabschnittframe section
- 44
- Tretkurbelcrank
- 55
- Antriebsvorrichtungdrive device
- 66
- Tretkurbelwellepedal crankshaft
- 77
- Motorgehäusemotor housing
- 88th
- Motorabtriebswelleengine output shaft
- 1010
- Drehmomentsensoreinheittorque sensor unit
- 1111
- Kettenblattsystemchainring system
- 1212
- Kettenblattchainring
- 1313
- Kettenblatt-SpiderChainring Spider
- 1414
- Abnehmereinheitpickup unit
- 1515
- Abnehmergehäusepickup housing
- 1616
- Abnehmerelektronikpickup electronics
- 1717
- Induktionseinheitinduction unit
- 1818
- stationäre Induktionsspulestationary induction coil
- 1919
- rotatorische Induktionsspulerotary induction coil
- 2020
- Messbereichmeasuring range
- 2121
- Schleifringkontaktslip ring contact
- 2222
- Schleifringelement slip ring element
- RR
- Rotationsachse der Tretkurbel / TretkurbelwelleAxis of rotation of the pedal crank / pedal crankshaft
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021116701.9A DE102021116701B3 (en) | 2021-06-29 | 2021-06-29 | Driving device for an electric bicycle and electric bicycle |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021116701.9A DE102021116701B3 (en) | 2021-06-29 | 2021-06-29 | Driving device for an electric bicycle and electric bicycle |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102021116701B3 true DE102021116701B3 (en) | 2022-09-29 |
Family
ID=83192382
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102021116701.9A Active DE102021116701B3 (en) | 2021-06-29 | 2021-06-29 | Driving device for an electric bicycle and electric bicycle |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102021116701B3 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102022105883A1 (en) | 2022-03-14 | 2023-09-14 | Melectric Systems GmbH | AUTOMATIC MEASURING DEVICE FOR TORQUE MEASURING USING MAGNETOSTRICTION |
Citations (3)
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EP1298051A2 (en) | 2001-09-28 | 2003-04-02 | Kabushiki Kaisha Moric | Electrically assisted unit |
DE102007021972A1 (en) | 2007-05-10 | 2008-11-20 | Schaeffler Kg | Drive device with a drive shaft and drive cranks |
WO2015120644A1 (en) | 2014-02-11 | 2015-08-20 | 苏州工业园区同盛车业有限公司 | Central shaft torque sensing device of electric bicycle |
-
2021
- 2021-06-29 DE DE102021116701.9A patent/DE102021116701B3/en active Active
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R012 | Request for examination validly filed | ||
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R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
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