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Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein muskelbetriebenes Fahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit der Antriebsanordnung.
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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.
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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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung vorzuschlagen, welche sich durch ein verbessertes Herstellungsverfahren sowie geringe Fertigungskosten auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsanordnung 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.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Antriebsanordnung, welche für ein muskelbetriebenes Fahrzeug 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 Fahrrad jedoch auch mehr als zwei, insbesondere genau drei oder vier Räder aufweisen.
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Die Antriebsanordnung weist ein Generatormodul auf, welches zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Antriebsmodul ausgebildet und/oder geeignet ist. Das Generatormodul ist insbesondere separat zu dem Antriebsmodul ausgebildet. Das Generatormodul weist eine durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft antreibbaren Generator auf. Insbesondere dient der Generator dazu, ein mechanisches Tretmoment in elektrische Energie zu wandeln. 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 eine Getriebeeinrichtung auf, welche zur Übersetzung der Tretkraft auf den Generator ausgebildet und/oder geeignet ist. 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.
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Die Antriebsanordnung weist ein Antriebsmodul auf, welches zur Erzeugung eines elektrischen Antriebsmoments ausgebildet und/oder geeignet ist. Das Antriebsmodul weist den Elektromotor auf, welcher mit mindestens oder genau einem Antriebsrad des Fahrzeugs antriebstechnisch verbindbar und/oder verbunden ist. Insbesondere dient Elektromotor dazu, elektrische Energie in ein elektrisches Antriebsmoment zu wandeln. 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 Antriebsmodul weist eine weitere Getriebeeinrichtung auf, welche zur Übersetzung des elektrischen Antriebsmoments auf das Antriebsrad ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere dient die weitere Getriebeeinrichtung zur Übersetzung ins Langsame (Betrag (i) > 1), wobei die Drehzahl am Antriebsrad verkleinert und das übertragene Drehmoment auf das Antriebsrad vergrößert wird.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zumindest die Getriebeeinrichtung und die weitere Getriebeeinrichtung im Wesentlichen, vorzugsweise sogar vollständig baugleich ausgebildet sind. Insbesondere ist „im Wesentlichen baugleich“ im Sinne der Erfindung dahingehend zu verstehen, dass zumindest die angetriebenen und/oder drehmomentübertragenden Getriebekomponenten der beiden Getriebeeinrichtungen baugleich sind und/oder als Gleichteile ausgebildet sind. Prinzipiell können alle Getriebekomponenten der beiden Getriebeeinrichtungen baugleich bzw. als Gleichteile ausgebildet sein. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen, dass ausschließlich die miteinander in Wirkverbindung stehenden Getriebekomponenten der beiden Getriebeeinrichtungen baugleich ausgebildet sind, wobei die mechanischen Anbindungsschnittstellen, wie z.B. Motor-Getriebeschnittstelle, Antriebsrad-Getriebeschnittstelle bzw. Tretkurbel-Getriebeschnittstelle, unterschiedlich ausgebildet sein können. Optional kann vorgehen sein, dass weitere Komponenten des Antriebsmoduls und des Generatormoduls baugleich ausgebildet sind. Beispielsweise können Lagereinrichtungen, Gehäuse und/oder die elektrischen Maschinen (Generator/Elektromotor) zumindest teilweise baugleich ausgebildet sein.
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Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass aufgrund der baugleichen Ausbildung der Getriebeeinrichtungen eine besonders kostengünstige Fertigung der Antriebsanordnung realisiert werden kann, da die Getriebekomponenten im Wesentlichen gleich hergestellt werden. Somit kann ein Stückzahleffekt bezüglich Kosten erzielt werden, da pro Antriebsanordnung doppelt so viele gleiche Einheiten zum Einsatz kommen, die alle auch auf der gleichen Fertigungsanlage hergestellt werden können. Dadurch lassen sich die Herstellungskosten und der fertigungstechnische Aufwand insgesamt geringhalten. Weiterhin können Entwicklungskosten und -zeit für eine spezielle Motor-Getriebeeinheit eingespart werden.
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In einer konkreten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die beiden Getriebeeinrichtungen jeweils als ein Exzentergetriebe ausgebildet sind. Insbesondere ist unter einem Exzentergetriebe ein hochübersetzendes Getriebe zu verstehen, welches beispielsweise ein durch den Fahrer erzeugtes hohes 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 wandelt. Beispielsweise weist das Exzentergetriebe ein Übersetzungsverhältnis zwischen Getriebeeingang und Getriebeausgang mit einem Betrag von weniger als 1:40, insbesondere 1:30 aufweist. Vorzugsweise weist das Exzentergetriebe ein Übersetzungsverhältnis zwischen 1:10 und 1:100, insbesondere zwischen 1:20 und 1:40, auf. Vorzugsweise weist das Exzentergetriebe ein Übersetzungsverhältnis mit einem Betrag von 1:30 auf. Prinzipiell kann das Exzentergetriebe als ein Wellgetriebe, auch als „harmonic drive“ oder „strain wave gear (SWG)“ bekannt, ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Exzentergetriebe jedoch als ein Zahnrad- oder Zykloiden-Exzentergetriebe oder ein Akbargetriebe ausgebildet. Es wird somit eine Getriebeeinrichtung vorgeschlagen, welche eine hohe Übersetzung bei geringem Bauraum auszeichnet, sodass das Generatormodul und das Antriebsmodul besonders kompakt und bauraumsparend ausgebildet werden können.
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In einer weiteren Konkretisierung ist vorgesehen, dass das Exzentergetriebe einen Exzenterradträger mit mehreren Trägerbolzen aufweist. Insbesondere ist der Exzenterradträger als eine Trägerscheibe ausgebildet. Die Trägerbolzen sind vorzugsweise auf einem gemeinsamen Teilkreis um eine Hauptdrehachse regelmäßig in Umlaufrichtung verteilt. Bevorzugt erstrecken sich die Trägerbolzen in einer axialen Richtung und/oder parallel zu der Hauptdrehachse.
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Das Exzentergetriebe weist zudem mindestens oder genau ein Exzenterrad mit mehreren Mitnahmeöffnungen für die Trägerbolzen und einer mittigen Exzenteraufnahmeöffnung auf, wobei jeweils ein Trägerbolzen in eine der Mitnahmeöffnungen eingreift. Insbesondere ist der freie Durchmesser der Mitnahmeöffnungen größer ausgebildet als der Durchmesser der Trägerbolzen. Insbesondere ist das mindestens eine Exzenterrad als eine flache Scheibe ausgebildet. An dem Außenumfang weist das Exzenterrad eine Außenkontur auf. Vorzugsweise ist das Exzentergetriebe als ein Zweischeiben-Exzentergetriebe ausgebildet. Hierzu weist das Exzentergetriebe zwei in der Scheibenebene diametral und/oder gegengleich, z.B. um 180° in Umlaufrichtung, versetzte Exzenterräder auf. Die Exzenterräder sind bevorzugt axial aneinandergrenzend angeordnet. Vorzugsweise sind die Exzenterräder kontaktierend zueinander angeordnet und/oder gleiten im Betrieb aufeinander ab oder sind axial zueinander wälzgelagert. Durch diese Realisierung werden Querkräfte in dem Exzentergetriebe reduziert.
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Das Exzentergetriebe weist weiterhin einen Hohlradabschnitt auf, wobei das mindestens eine Exzenterrad in einem Betrieb mit dem Außenumfang in dem Hohlradabschnitt abläuft. Der Hohlradabschnitt kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. In einer ersten möglichen Umsetzung kann das mindestens eine, vorzugsweise beide Exzenterräder als Kurvenscheiben ausgebildet sein. Insbesondere ist die Kurvenscheibe als eine flache Scheibe ausgebildet, welche am Außenumfang eine Kurvenform aufweist. Die Kurvenform der mindestens einen Kurvenscheibe sowie die Innenkontur des Hohlradabschnitts können prinzipiell beliebig ausgebildet sein, solange diese die Funktion des Exzentergetriebes übernehmen können. Besonders bevorzugt ist das Exzentergetriebe jedoch als ein Zykloidengetriebe ausgebildet, wobei durch den Außenumfang der mindestens einen Kurvenscheibe eine Zykloidenform dargestellt ist. In einer zweiten möglichen Umsetzung kann das mindestens eine, vorzugsweise beide Exzenterräder als Zahnradscheiben ausgebildet sein. Insbesondere ist die Zahnradscheibe als eine flache Scheibe ausgebildet. Die Zahnradscheibe weist am Außenumfang eine Außenverzahnung und der Hohlradabschnitt am Innenumfang eine Innenverzahnung auf, wobei die Außenverzahnung mit der Innenverzahnung bereichsweise in Eingriff steht. Die jeweilige Verzahnung ist insbesondere als Evolventenverzahnung ausgeführt. Besonders bevorzugt unterscheiden sich die Anzahl der Zähne der Innenumfangsstirnradverzahnung und der Außenumfangsstirnradverzahnung um mindestens oder genau einen Zahn.
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Ferner weist das Exzentergetriebe eine Exzenterwelle auf, wobei die Exzenterwelle in die mittige Exzenteraufnahmeöffnung eingreift. Insbesondere weist die Exzenterwelle mindestens oder genau einen Exzenterabschnitt auf, wobei der Exzenterabschnitt einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Vorzugsweise greift die Exzenterwelle über den Exzenterabschnitt in die mittige Exzenteraufnahmeöffnung ein. Optional ist zwischen dem Exzenterabschnitt und der Exzenteraufnahmeöffnung eine Exzenterradlagereinrichtung angeordnet, um die Reibung zu verringern. Insbesondere sind der Exzenterradträger und/oder das mindestens eine Exzenterrad und/oder der Hohlradabschnitt und/oder die Exzenterwelle der beiden Getriebeeinrichtungen baugleich ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass der Elektromotor und der Generator jeweils einen Stator und einen Rotor aufweisen. Um variablen Drehmomentanforderungen am Antriebsrad gerecht werden, kann entweder der komplette Stator und/oder der komplette Rotor des Antriebsmoduls ausgetauscht werden. Prinzipiell können der Stator und/oder der Rotor der beiden elektrischen Maschinen vollständig oder zumindest teilweise baugleich ausgebildet sein. Beispielsweise können unterschiedliche Spulendrähte und/oder eine geänderte Verschaltung (Parallelschaltung/Reihenschaltung) verwendet werden, wobei zumindest der Statorkörper und/oder der Rotorkörper des Antriebsmoduls baugleich zu dem Statorkörper bzw. Rotorkörper des Generatormoduls bleibt.
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Gemäß dieser Ausführung ist der Rotor des Generatormoduls mit einem Getriebeausgang der Getriebeeinrichtung und der Rotor des Antriebsmoduls mit einem Getriebeeingang der weiteren Getriebeeinrichtung verbunden. Insbesondere verläuft somit ein Kraftübertragungsweg zur Übertragung der Tretkraft von den Tretkurbeln über die Getriebeeinrichtung zu dem Generator und ein weiterer Kraftübertragungsweg zur Übertragung des Antriebsmoments von dem Elektromotor über die weitere Getriebeeinrichtung zu dem Antriebsrad. Es wird somit eine Getriebeeinrichtung vorgeschlagen, welche sowohl für einen Antriebsbetrieb als auch einen Generatorbetrieb verwendet werden kann.
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In einer weiteren Konkretisierung ist vorgesehen, dass die Exzenterwelle des Generatormoduls den Getriebeausgang bildet und dass die Exzenterwelle des Antriebsmoduls den Getriebeeingang bildet. Anders ausgedrückt bildet die Exzenterwelle der Getriebeeinrichtung eine Abtriebswelle des Generatormoduls und die Exzenterwelle der weiteren Getriebeeinrichtung eine Antriebswelle des Antriebsmoduls. Insbesondere ist die Exzenterwelle formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig, vorzugsweise zumindest drehfest, mit dem jeweils zugehörigen Rotor verbunden. Alternativ können die Exzenterwelle und der jeweils zugehörige Rotor auch aus einem gemeinsamen Materialabschnitt gebildet sein. Bevorzugt ist die Exzenterwelle der Getriebeeinrichtung in Bezug auf eine Hauptdrehachse koaxial und/oder konzentrisch zu dem Rotor des Generators bzw. die Exzenterwelle der weiteren Getriebeeinrichtung in Bezug auf eine weitere Hauptdrehachse koaxial und/oder konzentrisch zu dem Rotor des Elektromotors angeordnet. Es wird somit ein Generatormodul und ein Antriebsmodul vorgeschlagen, welches sich jeweils durch einen kompakten und zugleich symmetrischen Aufbau auszeichnen.
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In einer konstruktiven Umsetzung ist vorgesehen, dass das Antriebsmodul eine Radachse und ein Antriebsgehäuse zur Übertragung des Antriebsmoments auf das Antriebsrad aufweist. Das Antriebsgehäuse ist mit einem Getriebeausgang der weiteren Getriebeeinrichtung verbunden und die Radachse verbleibt relativ zu dem Antriebsgehäuse drehfest. Insbesondere dient die Radachse zur Anbindung des Antriebsrades mit dem Antriebsmodul an einem Rahmen des Fahrzeugs. Die Radachse ist in axialer Richtung in Bezug auf die weitere Hauptdrehachse bevorzugt durch die weitere Getriebeeinrichtung geführt und/oder koaxial zu der weiteren Getriebeeinrichtung angeordnet. Beispielsweise ist die Radachse als Steckachse oder Schnellspannachse ausgebildet. Das Antriebsgehäuse dient insbesondere zur Aufnahme der weiteren Getriebeeinrichtung und des Elektromotors, wobei das Antriebsgehäuse zugleich drehfest mit dem Antriebsrad des Fahrzeugs verbunden ist. Das Antriebsgehäuse ist dabei über die weitere Getriebebeinrichtung getriebetechnisch mit dem Elektromotor verbunden. Somit wird ein Antriebsstrang gebildet, der von dem Elektromotor zu dem Antriebsgehäuse führt, wobei der Elektromotor und das Antriebsgehäuse jeweils einen Teil des Antriebsstrangs bilden. Bevorzugt ist die Radachse abschnittsweise durch das Antriebsgehäuse geführt, wobei das Antriebsgehäuse über mindestens eine Lagereinrichtung, vorzugsweise ein Wälzlager, radial an der Antriebsachse drehbar abgestützt ist. Insbesondere sind die weitere Getriebeeinrichtung und der Elektromotor in axialer und/oder radialer Richtung in Bezug auf die weitere Hauptdrehachse formschlüssig in dem Antriebsgehäuse aufgenommen. Bevorzugt ist der Stator des Elektromotors fest mit dem Antriebsgehäuse verbunden.
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In einer weiteren konstruktiven Umsetzung ist vorgesehen, dass das Generatormodul ein Generatorgehäuse und eine Tretkurbelwelle zur Übertragung der Tretkraft auf den Generator aufweist. Die Tretkurbelwelle ist mit einem Getriebeeingang der Getriebeeinrichtung verbunden und das Generatorgehäuse verbleibt relativ zu der Tretkurbelwelle drehfest. Insbesondere ist das Generatorgehäuse fest an einem Rahmen des Fahrzeugs montiert. An der Tretkurbelwelle sind endseitig vorzugsweise jeweils eine Tretkurbel angeordnet, über welche die Tretkraft in die Tretkurbelwelle eingeleitet wird. Insbesondere ist die Tretkurbelwelle drehbar in dem Generatormodul gelagert. Die Tretkurbelwelle ist in axialer Richtung in Bezug auf die Hauptdrehachse bevorzugt durch die Getriebeeinrichtung geführt und/oder koaxial zu der Getriebeeinrichtung angeordnet. Die Tretkurbelwelle ist dabei über die Getriebebeinrichtung getriebetechnisch mit dem Generator verbunden. Somit wird ein Antriebsstrang gebildet, der von der Tretkurbelwelle zu dem Generator führt, wobei die Tretkurbelwelle und der Generator jeweils einen Teil des weiteren Antriebsstrangs bilden. Das Generatorgehäuse dient insbesondere zur Aufnahme der Getriebeeinrichtung und des Generators. Bevorzugt ist die Tretkurbelwelle abschnittsweise durch das Generatorgehäuse geführt, wobei die Tretkurbelwelle über mindestens eine Lagereinrichtung, vorzugsweise ein Wälzlager, radial an dem Generatorgehäuse drehbar abgestützt ist. Insbesondere sind die Getriebeeinrichtung und der Generator in axialer und/oder radialer Richtung in Bezug auf die Hauptdrehachse formschlüssig in dem Gehäuse aufgenommen. Bevorzugt ist der Stator des Generators fest mit dem Generatorgehäuse verbunden.
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In weiteren konkreten Realisierung ist vorgesehen, dass der Hohlradabschnitt das Ausgangsorgan der weiteren Getriebeeinrichtung bildet. Insbesondere ist der Hohlradabschnitt hierzu drehfest mit dem Antriebsgehäuse verbunden, wobei der Exzenterradträger fest oder zumindest drehfest mit der Radachse verbunden ist. Alternativ bildet der Exzenterradträger das Ausgangsorgan der weiteren Getriebeeinrichtung. Insbesondere ist der Exzenterradträger hierzu drehfest mit dem Antriebsgehäuse verbunden, wobei der Hohlradabschnitt fest oder zumindest drehfest mit der Radachse verbunden ist. Alternativ oder optional ergänzend ist vorgesehen, dass der Exzenterradträger das Eingangsorgan der Getriebeeinrichtung bildet. Insbesondere ist der Exzenterradträger hierzu drehfest mit der Tretkurbelwelle verbunden, wobei der Hohlradabschnitt fest oder zumindest drehfest mit Generatorgehäuse verbunden ist. Alternativ bildet der Hohlradabschnitt das Eingangsorgan der Getriebeeinrichtung. Insbesondere ist der Hohlradabschnitt hierzu drehfest mit Tretkurbelwelle verbunden, wobei der Exzenterradträger fest oder zumindest drehfest mit dem Generatorgehäuse verbunden ist. Somit kann der Drehsinn der Getriebeeinrichtungen in einfacher Weise umgekehrt werden, wobei sich die Übersetzungsverhältnisse nur geringfügig ändern.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Generatormodul zur Bereitstellung der elektrischen Energie über eine elektrische Leitung unmittelbar mit dem Antriebsmodul verbunden ist. 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.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit der Antriebsanordnung wie diese 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 Generators durch den Fahrer erzeugt wird.
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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 Schnittdarstellung eines Antriebsmoduls der Antriebsanordnung;
- 3 eine Schnittdarstellung eines Generatormoduls der Antriebsanordnung.
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Einander entsprechende oder gleiche Teile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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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.
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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.
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Die Antriebsanordnung 5 umfasst ein Generatormodul 6, 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.
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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.
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Die 2 zeigt das Generatormodul 6 in einem 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 mit daran befestigten Pedalen 41 montiert.
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Das Generatormodul 6 weist einen Generator 13 sowie eine Getriebeeinrichtung 14 auf, welche gemeinsam in einem an dem Rahmen 2 befestigbaren Generatorgehäuse 15 aufgenommen sind. 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 Generatorgehäuse 15 verbunden und verbleibt somit stationär. Die Getriebeeinrichtung 14 dient dazu, ein in die Tretkurbelwelle 12 eingeleitetes Tretmoment auf den Generator 13 zu übersetzen. Die Getriebeeinrichtung 14 ist in Bezug auf die Hauptdrehachse 100 koaxial zu dem Generator 13 und der Tretkurbelwelle 12 und in axialer Richtung formschlüssig zwischen dem Generator 13 und dem Generatorgehäuse 15 angeordnet.
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Das Generatorgehäuse 15 ist zweiteilig ausgebildet, wobei das Gehäuse 15 einen Gehäusegrundkörper 18 aufweist, welcher in axialer Richtung durch einen Gehäusedeckel 19 abgeschlossen ist. Dabei weisen der Gehäusegrundkörper 18 und der Gehäusedeckel 19 jeweils eine zentrale Durchgangsöffnung 20, 21 auf, welche zur Durchführung der Tretkurbelwelle 12 durch das Gehäuse 15 dienen.
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Die Getriebeeinrichtung 14 ist als ein Exzentergetriebe 22 ausgebildet. Das Exzentergetriebe 22 weist als Eingangsorgan einen Exzenterradträger 23 auf, welcher drehfest mit der Tretkurbelwelle 12 verbunden ist. Bei einer Rotation der Tretkurbelwelle 12 wird der Exzenterradträger 23 ebenfalls rotiert und die Drehbewegung ins Schnelle übersetzt. In einer bevorzugten Realisierung ist vorgesehen, dass das Exzentergetriebe 14 ein Übersetzungsverhältnis zwischen Getriebeeingang und Getriebeausgang mit einem Betrag von weniger als 1:30 aufweist. Vorzugsweise weist das Exzentergetriebe 14 ein Übersetzungsverhältnis zwischen 1:30 und 1:100 auf. Vorzugsweise weist das Exzentergetriebe 14 ein Übersetzungsverhältnis von 1:50 auf. Auf diese Weise wird das durch den Fahrer erzeugte hohe Tretmoment (im Bereich bis ca. 200 Nm) am Getriebeeingang/Eingangsorgan mit geringen Drehzahlen (im Bereich 30 bis 120 1/min) in ein geringeres Drehmoment mit hohen Drehzahlen am Getriebeausgang/Ausgangsorgan gewandelt.
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Ferner sind zwei Exzenterräder 24, 25 vorgesehen, wobei die Exzenterräder 24, 25 jeweils eine Exzenteraufnahmeöffnung 26 und eine Mehrzahl von außermittigen Mitnahmeöffnungen 27 aufweisen. Die Exzenterräder 24, 25 sind gegengleich zueinander angeordnet, um Querkräfte im Betrieb zu verkleinern.
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Der Exzenterradträger 22 weist eine Mehrzahl von Trägerbolzen 28 auf, wobei die Trägerbolzen 28 in die Mitnahmeöffnungen 27 der Exzenterräder 24, 25 eingreifen, so dass diese in Umlaufrichtung von den Trägerbolzen 28 und damit von dem Exzenterradträger 23 mitgenommen werden. Die Trägerbolzen 28 sind hierzu an dem Exzenterradträger 23 festgelegt und erstrecken sich in axialer Richtung in Bezug auf die Hauptdrehachse 100 radial innerhalb eines Hohlradabschnitts 29, welcher drehfest mit dem Generatorgehäuse 15 verbunden ist.
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Die Exzenterräder 24, 25 weisen an ihrem Außenumfang eine Außenverzahnung 30 und der Hohlradabschnitt 29 an seinem Innenumfang eine Innenverzahnung 31 auf, wobei die Außenverzahnung 30 und die Innenverzahnung 31 ausschließlich abschnittsweise und zwar um 180° und/oder gegengleich versetzt ineinander eingreifen. Beispielsweise sind die Außenverzahnung 30 und die Innenverzahnung 31 als Stirnradverzahnung, insbesondere als Evolventenverzahnung, ausgebildet.
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Ein Ausgangsorgan des Exzentergetriebes 22 ist als eine Exzenterwelle 32 ausgebildet, wobei die Exzenterwelle 32 zwei Exzenterabschnitte 33, 34 aufweist, wobei die Exzenterabschnitte 33, 34 über jeweils eine Exzenterradlagereinrichtung 35 in die Exzenteraufnahmeöffnung 26 der Exzenterräder 24, 25 eingreifen. Die Exzenterwelle 32 ist als eine Hohlwelle ausgebildet. Die Exzenterwelle 32 ist drehfest mit dem Rotor 17 verbunden. Die Tretkurbelwelle 12 ist in Bezug auf die Hauptdrehachse 100 koaxial zu der Exzenterwelle 32 angeordnet, wobei die Tretkurbelwelle 12 relativ zu der Exzenterwelle 32 und/oder zu dem Rotor 17 über eine Rotorlagereinrichtung 36 gelagert ist und beispielsweise als eine Wälzkörperlagerung ausgebildet ist.
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Das Generatormodul 6 weist Lagereinrichtungen 37 auf, wobei die Lagereinrichtungen 37 als Wälzlagereinrichtungen, insbesondere als Kugellagereinrichtung ausgebildet sind. Die Lagereinrichtungen 37 lagern die Tretkurbelwelle 12 relativ zu dem Generatorgehäuse 15. Dabei weist das Generatormodul 6 zwei Wellenfortsätze 38, 39 auf, welche endseitig an der Tretkurbelwelle 12 aufgesetzt sind. Auf der axialen Außenseite der Wellenfortsätze 38, 39 sind die Tretkurbeln 9 aufgesetzt und über jeweils ein Schraubmittel 40 befestigt. Die Wellenfortsätze 38, 39 sind jeweils als Lagerpartner der Lagereinrichtungen 37 ausgebildet und tragen jeweils einen Innenring der Lagereinrichtungen 37 an deren Außenumfang. Der jeweilige Außenring ist in dem Generatorgehäuse 15 angeordnet.
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Es ist eine Antriebsanordnung 5 zu finden, bei welcher in dem Generatormodul 6 und dem Antriebsmodul 7 weitgehend baugleiche bzw. identische Komponenten verwendet werden können. Es wird daher vorgeschlagen, auch für das Antriebsmodul 7 die bekannten Komponenten des Generatormoduls 6 zu verwenden.
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3 zeigt das Antriebsmodul 7 in einem Längsschnitt entlang einer weiteren Hauptdrehachse 101. Das Antriebsmodul 7 weist eine Radachse 42 auf, welche mit ihrer Längsachse die weitere Hauptdrehachse 101 definiert. In einer Einbausituation ist die Radachse 42 endseitig an dem Rahmen 2 des Fahrzeugs 1 befestigt.
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Das Antriebsmodul 7 weist einen Elektromotor 43 sowie eine weitere Getriebeeinrichtung 44 auf, welche gemeinsam in einem drehfest mit dem Hinterrad 4 verbundenen Antriebsgehäuse 45 aufgenommen sind. Der Elektromotor 43 weist einen Stator 46 und einen Rotor 47 auf, wobei der Rotor 47 mit einem Getriebeeingang und das Antriebsgehäuse 45 mit einem Getriebeausgang der weiteren Getriebeeinrichtung 44 verbunden ist. Der Stator 46 hingegen ist relativ zz dem Antriebsgehäuse 45 fest mit der Radachse 42 verbunden und verbleibt somit bei einer Rotation des Antriebsgehäuses 45 stationär. Die weitere Getriebeeinrichtung 44 dient dazu, ein von dem Elektromotor 43 erzeugtes Antriebsmoment auf das angetriebene Hinterrad 4 zu übersetzen. Die weitere Getriebeeinrichtung 44 ist in Bezug auf die weitere Hauptdrehachse 101 koaxial zu dem Elektromotor 43 und der Radachse 42 und in axialer Richtung formschlüssig zwischen dem Elektromotor 43 und dem Antriebsgehäuse 45 angeordnet.
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Das Antriebsgehäuse 45 ist zweiteilig ausgebildet, wobei das Antriebsgehäuse 45 einen Gehäusegrundkörper 48 aufweist, welcher in axialer Richtung durch einen Gehäusedeckel 49 abgeschlossen ist. Dabei weisen der Gehäusegrundkörper 48 und der Gehäusedeckel 49 jeweils eine zentrale Durchgangsöffnung 50, 51 auf, welche zur Durchführung der Radachse 42 durch das Antriebsgehäuse 45 dienen.
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Die weitere Getriebeeinrichtung 44 ist im Wesentlichen baugleich zu der Getriebeeinrichtung 14, wie in 2 beschrieben, ausgebildet. Die weitere Getriebeeinrichtung 44 ist somit ebenfalls als das Exzentergetriebe 22 ausgebildet, wobei zumindest der Exzenterradträger 23, die zwei Exzenterräder 24, 25, der Hohlradabschnitt 29 sowie die Exzenterwelle 32 der Getriebeeinrichtung 14 und der weiteren Getriebeeinrichtung 44 als Gleichteile ausgeführt sind.
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Dabei bildet jedoch der Hohlradabschnitt 29 des Antriebsmodul 7 ein Ausgangsorgan der weiteren Getriebeeinrichtung 44 und ist hierzu drehfest mit dem Antriebsgehäuse 45 verbunden. Der Exzenterradträger 23 ist drehfest mit der Radachse 42 verbunden und verbleibt somit relativ zu dem Antriebsgehäuse 45 stationär. Bei einer Rotation der Exzenterwelle 32 wird der Hohlradabschnitt 29 ebenfalls rotiert und die Drehbewegung ins Langsame übersetzt. Auf diese Weise wird ein durch den Elektromotor 43 erzeugtes geringes Antriebsmoment mit hoher Drehzahl am Getriebeeingang/Eingangsorgan in ein hohes Antriebsmoment mit geringer Drehzahl am Getriebeausgang/Ausgangsorgan gewandelt.
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Wahlweise können die Anschlüsse von Exzenterradträger 23 und Hohlradabschnitt 29 auch vertauscht werden, wobei somit der Exzenterradträger 23 drehfest mit dem Antriebsgehäuse 45 verbunden ist und der Hohlradabschnitt 29 drehfest mit der Radachse 42 verbunden ist. Dabei kehrt sich der Drehsinn um und die Übersetzung ändert sich geringfügig. Bei den hohen verwendeten Übersetzungen im Getriebe ist der Einfluss jedoch sehr gering (z.B. 1 :-29 wird zu 1:30).
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Die Exzenterwelle 32 bildet das Eingangsorgan der weiteren Getriebeeinrichtung 44 und ist hierzu mit dem Rotor 47 des Elektromotors 43 verbunden. Die Radachse 42 ist in Bezug auf die weitere Hauptdrehachse 101 koaxial zu der Exzenterwelle 32 angeordnet, wobei die Exzenterwelle 32 relativ zu der Radachse 42 und/oder dem Rotor 47 über eine weitere Rotorlagereinrichtung 52 gelagert ist. Die Rotorlagereinrichtung 36 und die weitere Rotorlagereinrichtung 52 können dabei ebenfalls baugleich ausgebildet sein.
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Das Antriebsmodul 7 weist weitere Lagereinrichtungen 53 auf, welche das Antriebsgehäuse 45 relativ zu der Radachse 42 lagern. Beispielsweise können die Lagereinrichtungen 37 und die weiteren Lagereinrichtungen 53 ebenfalls baugleich ausgebildet sein.
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Weiterhin weist das Antriebsmodul 7 zwei weitere Wellenfortsätze 54, 55 auf, durch welche die Radachse 42 geführt ist. Die weiteren Wellenfortsätze 54, 55 sind jeweils als Lagerpartner der weiteren Lagereinrichtungen 53 ausgebildet und tragen jeweils einen Innenring der weiteren Lagereinrichtungen 53 an deren Außenumfang. Der jeweilige Außenring ist in dem Antriebsgehäuse 45 angeordnet. Beispielsweise können Wellenfortsätze 38, 39 und die weiteren Wellenfortsätze 54, 55 ebenfalls baugleich ausgebildet sein. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist zumindest jeweils der Wellenfortsatz 38 des Generatormoduls 6 und der weitere Wellenfortsatz 54 des Antriebsmoduls 7 einstückig, insbesondere aus einem gemeinsamen Materialabschnitt hergestellt, mit dem jeweils zugehörigen Exzenterradträger 23 verbunden.
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Um variablen Drehmomentanforderungen am Antriebsrad 4 gerecht werden zu können (z.B. aufgrund unterschiedlicher Fahrzeuggewichte oder anderen Raddurchmessern), kann entweder im Vergleich zum Generatormodul 6 der komplette Stator 45 des Antriebsmoduls 7 ausgetauscht werden oder ggf. auch nur die Spulendrähte oder die Verschaltung (Parallelschaltung/Reihenschaltung) und/oder der Rotor 47 geändert werden. Somit können beispielsweise der Generator 13 und der Elektromotor 43 zumindest teilweise baugleich ausgeführt werden. Zudem können die Bauelemente des Generators 13 und des Elektromotors 43 im Gegensatz zu den Getriebeeinrichtungen 14, 44 mit vergleichsweise wenig Entwicklungsaufwand schnell angepasst werden.
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Es wird somit eine Antriebsanordnung 5 vorgeschlagen, bei der unter Verwendung baugleicher Komponenten ein Stückzahleffekt bezüglich Kosten erzielt werden kann, da pro Gesamtfahrrad doppelt so viele gleiche Komponenten zum Einsatz kommen und somit auf der gleichen Fertigungsanlage hergestellt werden können. Besonders bei aktuell noch geringen zu erwartenden Stückzahlen verkaufter Fahrräder wirkt sich dieser Umstand besonders positiv aus. Weiterhin können Entwicklungskosten und - zeit für eine spezielle Motor-Getriebeeinheit eingespart werden. Zudem kann auf zugekaufte Radnabenmotoren verzichtet werden um externe Abhängigkeiten zu reduzieren und den Eigenfertigungsanteil zu erhöhen.
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Bezugszeichenliste
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- 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
- Generatorgehäuse
- 16
- Stator
- 17
- Rotor
- 18
- Gehäusegrundkörper
- 19
- Gehäusedeckel
- 20
- Durchgangsöffnung
- 21
- Durchgangsöffnung
- 22
- Exzentergetriebe
- 23
- Exzenterradträger
- 24
- erstes Exzenterrad
- 25
- zweites Exzenterrad
- 26
- Exzenteraufnahmeöffnung
- 27
- Mitnahmeöffnungen
- 28
- Trägerbolzen
- 29
- Hohlradabschnitt
- 30
- Außenverzahnung
- 31
- Innenverzahnung
- 32
- Hohlwelle
- 33
- erster Exzenterabschnitt
- 34
- zweiter Exzenterabschnitt
- 35
- Exzenterradlagereinrichtung
- 36
- Rotorlagereinrichtung
- 37
- Lagereirichtungen
- 38
- Wellenfortsatz
- 39
- Wellenfortsatz
- 40
- Schraubmittel
- 41
- Pedal
- 42
- Radachse
- 43
- Elektromotor
- 44
- weitere Getriebeeinrichtung
- 45
- Antriebsgehäuse
- 46
- Stator
- 47
- Rotor
- 48
- Gehäusegrundkörper
- 49
- Gehäusedeckel
- 50
- Durchgangsöffnung
- 51
- Durchgangsöffnung
- 52
- weitere Rotorlagereinrichtung
- 53
- weitere Lagereirichtungen
- 54
- weiterer Wellenfortsatz
- 55
- weiterer Wellenfortsatz
- 100
- Hauptdrehachse
- 101
- Hauptdrehachse
