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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Getriebe für ein Fahrrad mit einer Planetenbaugruppe sowie auf ein Fahrrad.
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Die
DE 10 2016 225 169 und
DE 10 2016 225 145 beschreiben jeweils ein Getriebe für ein Fahrrad mit wenigstens vier Schaltelementen. Wenigstens einer der Planetenradsätze des jeweils darin beschriebenen Getriebes ist als Plus-Planetenradsatz ausgebildet.
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Die Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Fahrrad. Das Getriebe kann als Fahrradgetriebe ausgebildet sein, beispielsweise als Tretlagergetriebe. Das Getriebe kann zum Bereitstellen verschiedener Gänge ausgebildet sein. Das Getriebe weist eine Planetenbaugruppe auf. Die Planetenbaugruppe kann zum Bereitstellen einer Übersetzung und jeweiliger Gänge dienen. Die Planetenbaugruppe kann beispielsweise einen oder mehrere Planetenradsätze aufweisen. Mit dem Getriebe kann ein Drehmoment von einem Eingang des Getriebes zu einem Ausgang des Getriebes übertragen werden. Beispielsweise ermöglicht es das Getriebe, eine langsame Rotation an einem Eingang, beispielsweise von einer Tretkurbel, in eine schnellere Rotation an dem Ausgang des Getriebes und damit beispielsweise an einem angetriebenen Rad des Fahrrads zu übersetzen. Jeder Gang des Getriebes kann eine Übersetzungsstufe bereitstellen. Bei jedem Gang kann ein festes mechanisches Übersetzungsverhältnis zwischen Eingang und Ausgang des Getriebes vorliegen. Das Getriebe kann eine hohe Getriebespreizung bei hohem Wirkungsgrad ermöglichen.
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Das Getriebe ist dazu ausgebildet, wenigstens vier Gänge bereitzustellen. Das Getriebe ist beispielsweise dazu ausgebildet, nur vier Gänge bereitzustellen. Diese Gänge können beispielsweise durch eine Betätigung jeweiliger Schaltelemente und alternativ oder zusätzlich jeweiliger Bremsen geschaltet werden. Einige der Schaltelemente können aber auch selbsttätig ihren Zustand wechseln, so dass bei diesen keine aktive Betätigung für einen Gangwechsel notwendig ist.
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Die Planetenbaugruppe des Getriebes weist einen Antrieb auf, an welchem beispielsweise die zu übersetzende Größe in das Getriebe eingespeist werden kann. Die Planetenbaugruppe des Getriebes weist einen Abtrieb auf, an welchem beispielsweise die durch das Getriebe übersetzte Größe ausgegeben werden kann. Der Abtrieb kann beispielsweise mit einem Hinterrad des Fahrrads mechanisch wirkverbunden sein, beispielsweise mittels einer Fahrradkette oder eines Riemens. Das Getriebe kann eine Antriebswelle aufweisen, die an einem Ende den Antrieb ausbilden kann. Der Abtrieb kann durch eine Abtriebswelle ausgebildet sein, die achsparallel oder auch koaxial zum Antrieb vorgesehen sein kann. Die Abtriebswelle kann an einem Ende den Abtrieb ausbilden. Der Antrieb der Planetenbaugruppe kann einem Eingang oder Antrieb des Getriebes entsprechen und der Abtrieb der Planetenbaugruppe einem Ausgang oder Abtrieb des Getriebes. Die Planetenbaugruppe kann dazu ausgebildet sein, ein Drehmoment vom Antrieb zum Abtrieb zu übertragen.
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Üblicherweise ist ein Fahrradgetriebe nur für das Bereitstellen eines Antriebsmoments in eine Drehrichtung ausgebildet, da mit einem Fahrrad nur vorwärtsgefahren wird. Insofern unterscheidet sich ein Fahrradgetriebe bereits von üblichen Kraftfahrzeuggetrieben. Das Getriebe kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, in eine entgegengesetzte Drehrichtung kein Drehmoment übertragen zu können. Beispielsweise weist das Fahrradgetriebe auch keine Möglichkeit auf, eine Drehrichtung des Abtriebs relativ zum Antrieb, beispielsweise durch Schaltung einer Fahrtrichtungswechselbaugruppe, wechseln zu können.
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Das Getriebe weist ein stationäres Bauteil auf. Das stationäre Bauteil kann beispielsweise ein Gehäuse des Getriebes oder auch ein Abschnitt eines Fahrradrahmens sein. Ein stationäres Bauteil kann beispielsweise ein relativ zu den Drehelementen des Getriebes unbewegliches Bauteil sein. Das stationäre Bauteil kann auch durch mehrere voneinander beabstandete Elemente gebildet sein.
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Das Getriebe weist eine erste Bremse, eine zweite Bremse, ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement auf. Die beiden Bremsen und die beiden Schaltelemente können auch als Teil der Planetenbaugruppe ausgebildet sein. Eine Bremse kann ein reibschlüssiges Schaltelement sein, wie beispielsweise eine Lamellenkupplung. Die jeweiligen Bremsen können dazu ausgebildet sein, eine Rotation eines damit verbundenen Drehelements zu verhindern oder, beispielsweise bis zu einem Stopp, zu reduzieren. Ein Schaltelement kann dazu ausgebildet sein, zwei Drehelemente schaltbar drehfest miteinander zu verbinden. Ist ein Schaltelement, beispielsweise eine Kupplung, zwischen zwei Elementen des Getriebes vorgesehen, so sind diese Drehelemente nicht permanent drehfest miteinander verbunden, jedoch über das Schaltelement drehfest miteinander verbindbar. Eine drehfeste Verbindung wird erst durch Betätigung oder selbsttätigen Zustandswechsel des zwischenliegenden Schaltelements herbeigeführt. Dabei kann eine Betätigung des Schaltelements bedeuten, dass dieses in einen geschlossenen Zustand überführt wird, sodass die an das Schaltelement unmittelbar angekoppelten Bauelemente in ihren Drehbewegungen aneinander angeglichen werden. Ist das betroffene Schaltelement als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet, werden die hierüber unmittelbar drehfest miteinander verbundenen Bauelemente unter gleicher Drehzahl laufen. Ein Beispiel für ein formschlüssiges Schaltelement ist eine Klauenkupplung. Im Falle eines reibschlüssigen Schaltelements können, auch nach einem Betätigen desselbigen, Drehzahlunterschiede zwischen den Bauelementen bestehen. Dieser gewollte oder auch ungewollte Zustand wird im Rahmen der Erfindung dennoch als drehfeste Verbindung der jeweiligen Bauelemente bezeichnet. Bei einer reibschlüssigen Verbindung kann beispielsweise aufgrund eines Schlupfs eine gewisse Drehzahldifferenz zwischen den zwei miteinander verbundenen Elementen vorliegen. Die Schaltelemente und alternativ oder zusätzlich Bremsen können durch eine Schaltvorrichtung, beispielsweise mittels eines Kabelzugs einer Handschaltung, aktiv betätigt werden. Die jeweiligen Schaltelemente können auch dazu ausgebildet sein, bei bestimmten Zuständen des Getriebes selbsttätig zu schalten und damit deren Zustand zu wechseln.
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Das Getriebe kann dazu ausgebildet sein, ein Drehmoment von dem Antrieb über die jeweiligen Radsätze an den Abtrieb zu übertragen. Zum Übertragen eines Drehmoments kann es erforderlich sein, dass ein oder mehrere Schaltelemente und alternativ oder zusätzlich Bremsen betätigt werden müssen.
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Die Planetenbaugruppe weist einen ersten Minus-Planetenradsatz und einen zweiten Minus-Planetenradsatz auf. Die Minus-Planetenradsätze sind beispielsweise als Einzelplanetenradsätze ausgebildet. Jeder Planetenradsatz weist drei Drehelemente auf, nämlich ein Sonnenrad, einen Planetenträger und ein Hohlrad. An dem Planetenträger können jeweilige Planetenräder drehbar gelagert sein. Ein Minus-Planetenradsatz hat eine negative Standübersetzung. Im Vergleich hierzu hat ein Plus-Planetenradsatz eine positive Standübersetzung. Die Standübersetzung beschreibt ein Drehzahlverhältnis des Sonnenrads und des Hohlrads bei festgehaltenem Planetenträger. Bei dem Minus-Planetenradsatz drehen diese beiden Drehelemente dann in entgegengesetzter Richtung. Je nach Bauweise kann ein Radsatz ein oder mehrere Sätze von Planetenrädern aufweisen. Jeweilige Planetenräder eines Satzes von Planetenrädern können identisch ausgebildet sein. Bei Minus-Planetenradsätzen ist ein Satz von Planetenrädern üblicherweise ausreichend, wodurch sich Kosten- und Reibungsvorteile ergeben können. Jeweilige Planetenräder eines Planetenradsatzes können mit dessen Hohlrad und dessen Sonnenrad kämmen. Dies ist die übliche Konfiguration bei Minus-Planetenradsätzen. Sofern mehrere Sätze von Planetenrädern vorgesehen sind, können jeweils auch nur die Planetenräder eines Satzes mit dem Sonnenrad und die Planetenräder eines anderen Satzes mit dem Hohlrad kämmen. Jeweilige Planetenräder der zwei Planetenradsätze können dann paarweise miteinander kämmen. Dies ist die übliche Konfiguration bei Plus-Planetenradsätzen. Hierdurch kann bei Plus-Planetenradsätzen zusätzlich Reibung entstehen.
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Der erste Minus-Planetenradsatz weist ein erstes Sonnenrad, einen ersten Planetenträger und ein erstes Hohlrad auf. Der zweite Minus-Planetenradsatz weist ein zweites Sonnenrad, einen zweiten Planetenträger und ein zweites Hohlrad auf. Die Nummerierung kann dabei lediglich der Zuordnung dienen. Insofern können erste Drehelemente Teil des ersten Planetenradsatzes und zweite Drehelemente Teil des zweiten Planetenradsatzes sein. Entsprechend kann der erste Minus-Planetenradsatz einen ersten Satz von Planetenrädern aufweisen, welche auch jeweils als erste Planetenräder bezeichnet werden können. Entsprechend kann der zweite Minus-Planetenradsatz einen zweiten Satz von Planetenrädern aufweisen, welche auch jeweils als zweite Planetenräder bezeichnet werden können. Der zweite Minus-Planetenradsatz kann dagegen frei von einem ersten Satz von Planetenrädern sein. Jeweilige in dieser Anmeldung beschriebene Planetenradsätze können frei von zusätzlichen, nicht beschriebenen Elementen sein. Die Planetenbaugruppe kann frei von zusätzlichen, nicht beschriebenen Elementen sein. Das Getriebe kann frei von zusätzlichen, nicht beschriebenen Planetenradsätzen, Schaltelementen und Bremsen sein.
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Das erste Hohlrad ist mittels der zweiten Bremse an dem stationären Bauteil festsetzbar. Ein Festsetzen kann beispielsweise durch ein drehfestes Verbinden erfolgen. Das zweite Sonnenrad ist mit dem Abtrieb permanent drehfest verbunden. Für ein permanentes drehfestes Verbinden können jeweilige Drehelemente einstückig ausgebildet sein, miteinander verschraubt oder auch mittels einer Verbindungswelle, beispielsweise als Hohlwelle ausgebildet, miteinander verbunden sein. Der zweite Planetenträger ist mit dem Antrieb permanent drehfest verbunden. Der zweite Planetenträger kann einen Eingang des Getriebes bilden. Der zweite Planetenträger kann beispielsweise mit einer Antriebswelle permanent drehfest verbunden sein oder als Antriebswelle ausgebildet sein. Der erste Planetenträger ist permanent drehfest mit dem zweiten Hohlrad verbunden. Das erste Sonnenrad ist mittels des ersten Schaltelements mit einem des zweiten Sonnenrads und des zweiten Planetenträgers und das erste Hohlrad mittels des zweiten Schaltelements mit dem anderen des zweiten Sonnenrads und des zweiten Planetenträgers drehfest verbindbar. Sofern in einer Ausführungsform das erste Sonnenrad mittels des ersten Schaltelements mit dem zweiten Sonnenrad drehfest verbindbar ist, ist das erste Hohlrad mittels des zweiten Schaltelements mit dem zweiten Planetenträgers drehfest verbindbar. Sofern in einer Ausführungsform das erste Sonnenrad mittels des ersten Schaltelements mit dem zweiten Planetenträgers drehfest verbindbar ist, ist das erste Hohlrad mittels des zweiten Schaltelements mit dem zweiten Sonnenrad drehfest verbindbar.
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Unter einer permanent drehfesten Verbindung zweier Elemente wird eine Verbindung verstanden, bei welcher die beiden Elemente zu allen bestimmungsgemäßen Zuständen des Getriebes im Wesentlichen starr miteinander gekoppelt sind. Die Elemente können dabei als drehfest miteinander verbundene Einzelkomponenten oder auch einstückig vorliegen. Sind zwei Elemente hingegen mechanisch wirkverbunden, so sind diese unmittelbar oder mittelbar derart miteinander gekoppelt, dass eine Bewegung des einen Elements eine Reaktion des anderen Elements bewirkt. Zwischen den Elementen können dabei weitere Elemente, beispielsweise eine oder mehrere Stirnradstufen, vorgesehen sein. Sind zwei Elemente miteinander verbindbar, können diese Elemente mittels eines Schaltelements, beispielsweise durch dessen Betätigung, wahlweise voneinander getrennt oder miteinander verbunden werden.
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Durch die Nutzung der Minus-Planetenradsätze weist das Getriebe einen hohen Wirkungsgrad und eine einfache Bauweise auf. Im Vergleich hierzu kann beispielsweise ein Wirkungsgrad eines ähnlichen Getriebes mit einem oder mehreren Plus-Planetenradsätzen schlechter sein, da die positive Standübersetzung durch eine zusätzliche Kämmung von Planetenrädern in einem Planetenradsatz und der damit einhergehenden Verluste erreicht wird. Außerdem benötigen Plus-Planetenradsätze im Vergleich zu Minus-Planetenradsätzen mehr Bauteile und sind damit aufwendiger. Der Einsatz von den Minus-Planetenradsätzen bei gleichzeitigem Bereitstellen von vier Gängen mit einer für Fahrräder, wie Citybikes, üblichen Getriebespreizung im Bereich von etwa 2,2 bis etwa 2,6 wird durch die zuvor beschriebene Verbindung jeweiliger Elemente, die Schaltelemente und die Bremsen ermöglicht. Zudem werden so gleichmäßige Gangsprünge, beispielsweise von 1,37, erreicht. Gleichmäßige Gangsprünge werden bei Fahrradgetrieben von einem Radfahrer als besonders angenehm empfunden. Der Gangsprung bezeichnet ein Übersetzungsverhältnis jeweiliger Übersetzungen von zwei aufeinanderfolgenden Gängen.
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Das Getriebe kann eine Schaltvorrichtung aufweisen. Die Schaltvorrichtung kann beispielsweise einen Kabelzug und einen Schalthebel aufweisen, womit an dem Kabelzug zum Schalten beispielsweise gezogen werden kann. Die Schaltvorrichtung kann aber auch elektrische Stellmotoren zum Betätigen jeweiliger Bremsen und alternativ oder zusätzlich jeweiliger Schaltelemente aufweisen. Beispielsweise kann die Schaltvorrichtung eine Steuervorrichtung mit einem Mikrocontroller aufweisen.
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In einer Ausführungsform des Getriebes ist es vorgesehen, dass das erste Sonnenrad mittels des ersten Schaltelements mit dem zweiten Sonnenrad drehfest verbindbar ist und das erste Hohlrad mittels des zweiten Schaltelements mit dem zweiten Planetenträger drehfest verbindbar ist. Dadurch ist eine einfache Geometrie jeweiliger Wellen möglich.
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In einer Ausführungsform des Getriebes ist es vorgesehen, dass das erste Sonnenrad mittels des ersten Schaltelements mit dem zweiten Planetenträger drehfest verbindbar ist und das erste Hohlrad mittels des zweiten Schaltelements mit dem zweiten Sonnenrad drehfest verbindbar ist. Dies kann eine antriebsseitige Verbindung mit einem Elektromotor bei Einsatz in einem Pedelec vereinfachen.
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In einer Ausführungsform des Getriebes ist es vorgesehen, dass wenigstens eines der beiden Schaltelemente als Freilaufkupplung ausgebildet ist. Beispielsweise können auch sowohl das erste als auch das zweite Schaltelement jeweils als Freilaufkupplung ausgebildet sein. Durch die Ausführung als Freilaufkupplung ist kein aktives Schalten eines solchen Schaltelements notwendig. Dadurch kann das Getriebe verschachtelter und kompakter sein. Eine Freilaufkupplung wird beispielsweise nicht aktiv betätigt und muss deshalb nicht zum Betätigen zugänglich sein. Dadurch kann eine Freilaufkupplung bei dem Getriebe radial von außen von einer Hohlwelle oder einem Drehelement eingefasst sein. Das Getriebe kann dazu ausgebildet sein, dass von dem Antrieb zu dem Abtrieb in jedem Gang ins Schnelle übersetzt wird. Entsprechend können jeweilige Freilaufkupplungen orientiert sein.
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Eine Freilaufkupplung ist eine nur in eine Drehrichtung wirkende Kupplung. Zwei miteinander mittels einer Freilaufkupplung drehfest verbindbare Elemente sind in einer Drehrichtung dieser beiden Elemente relativ zueinander permanent drehfest miteinander verbunden. In einer entgegengesetzten relativen Drehrichtung, was auch einem Überholen des antreibenden Elements durch das angetriebene Element entsprechen kann, sind die beiden Elemente nicht mittels der Freilaufkupplung miteinander verbunden bzw. voneinander entkoppelt. Bei einer Umkehr der relativen Drehrichtung von einer Freilaufrichtung in eine Kupplungsrichtung kann die Freilaufkupplung selbsttätig sperren. Die Freilaufkupplung kann beispielsweise als Sperrklingenfreilauf oder Klemmrollenfreilauf ausgebildet sein.
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In einer Ausführungsform des Getriebes ist es vorgesehen, dass jeweilige Planetenräder von wenigstens einem der Planetenradsätze als Stufenplanetenräder ausgebildet sind. Beispielweise können die jeweiligen Planetenräder des ersten Minus-Planetenradsatzes, die jeweiligen Planetenräder des zweiten Minus-Planetenradsatzes oder von beiden Minus-Planetenradsätzen als Stufenplanetenräder ausgebildet sein. Ein Stufenplanetenrad kann ein Planetenrad sein, welches einen ersten axialen Zahnbereich und einen zweiten axialen Zahnbereich aufweist. Der erste axiale Zahnbereich kann an einem Ende des Stufenplanetenrads und der zweite axiale Zahnbereich an einem gegenüberliegenden Ende des Stufenplanetenrads ausgebildet sein. Die beiden Zahnbereiche können unterschiedlich sein. Beispielsweise kann der erste Zahnbereich einen größeren Wirkdurchmesser als der zweite Zahnbereich aufweisen. Das Getriebe mit Stufenplanetenrädern kann besonders kompakt und robust sein.
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Die jeweiligen Stufenplanetenräder können beispielsweise asymmetrisch ausgebildet sein. Bei einem asymmetrischen Stufenplanetenrad kann der erste Zahnbereich eine andere Übersetzung bereitstellen als der zweite Zahnbereich. Entlang seiner axialen Erstreckung ist das Stufenplanetenrad damit asymmetrisch. Der erste Zahnbereich kann bei dem asymmetrischen Stufenplanetenrad beispielsweise nur mit dem korrespondierenden Sonnenrad des jeweiligen Planetenradsatzes kämmen. Der zweite Zahnbereich kann bei dem asymmetrischen Stufenplanetenrad beispielsweise nur mit dem korrespondierenden Hohlrad des jeweiligen Planetenradsatzes kämmen. Dadurch kann beispielsweise bei gleichem Bauraum eine größere Übersetzung erreicht werden.
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In einer Ausführungsform des Getriebes ist es vorgesehen, dass die Stufenplanetenräder von wenigstens einem der Planetenradsätze als symmetrisch aufgebaute Stufenplanetenräder ausgebildet sind. Das symmetrisch aufgebaute Stufenplanetenrad kann einen axialen dritten Zahnbereich aufweisen. Der zweite Zahnbereich kann axial zwischen dem ersten Zahnbereich und dem zweiten Zahnbereich angeordnet sein. Bei einem symmetrisch aufgebauten Stufenplanetenrad können der erste und der dritte Zahnbereich identisch oder spiegelsymmetrisch ausgebildet sein, beispielsweise zu einer das Stufenplanetenrad in seiner axialen Mitte positionierten zur Längsachse orthogonalen Ebene. Der zweite Zahnbereich kann sich beispielsweise von dem ersten Zahnbereich und dem dritten Zahnbereich unterscheiden. Der erste Zahnbereich und der dritte Zahnbereich können mit dem gleichen Drehelement und der zweite Zahnbereich mit einem anderen Drehelement kämmen. Der erste Zahnbereich und der dritte Zahnbereich kann bei dem symmetrischen Stufenplanetenrad beispielsweise nur mit dem korrespondierenden Sonnenrad des jeweiligen Planetenradsatzes kämmen. Der zweite Zahnbereich kann bei dem symmetrischen Stufenplanetenrad beispielsweise nur mit dem korrespondierenden Hohlrad des jeweiligen Planetenradsatzes kämmen. Der zweite Zahnbereich kann axial in der Mitte des Stufenplanetenrads angeordnet sein. Durch das symmetrische Stufenplanetenrad kann eine höhere Traglast erreicht und eine Kipplast vermieden werden.
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Beispielsweise kann der erste Minus-Planetenradsatz einen Satz von symmetrischen Stufenplanetenrädern und der zweite Minus-Planetenradsatz einen Satz von asymmetrischen Stufenplanetenrädern, oder umgekehrt, aufweisen. Beispielsweise können auch beide Minus-Planetenradsätze einen Satz von asymmetrischen Stufenplanetenrädern aufweisen. Beispielsweise können auch beide Minus-Planetenradsätze einen Satz von symmetrischen Stufenplanetenrädern aufweisen. Beispielsweise kann auch nur einer der Planetenradsätze Stufenplanetenräder aufweisen.
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In einer Ausführungsform des Getriebes ist es vorgesehen, dass das Getriebe einen Elektromotor aufweist. Das Getriebe kann auch als Antriebsvorrichtung mit einem Elektromotor ausgebildet sein. Das Getriebe mit Elektromotor kann ein motorisch unterstütztes Fahrrad ermöglichen und beispielsweise in einem Pedelec verwendet werden. Der Elektromotor kann dazu ausgebildet sein, eine elektrische Energie in ein Antriebsmoment umzuwandeln. Das Getriebe kann auch eine Steuervorrichtung und eine Stromquelle, wie eine Batterie, für den Elektromotor aufweisen. Das Getriebe kann dazu ausgebildet sein, dass ein Drehmoment von dem Elektromotor an die Planetenbaugruppe übertragbar ist. Beispielsweise kann der Elektromotor mit dem Antrieb oder dem Abtrieb der Planetenbaugruppe mechanisch wirkverbunden oder wirkverbindbar sein. Beispielsweise kann der Elektromotor mittels eines weiteren Schaltelements mit der Planetenbaugruppe wirkverbindbar sein. Dadurch kann der Elektromotor bei Nichtbenutzung abgekoppelt werden, sodass dieser nicht mitgeschleppt werden muss. Wenn das weitere Schaltelement als Kupplung ausgebildet ist, kann der Elektromotor auch rekuperieren. Alternativ kann der Elektromotor auch permanent drehfest mit einem Drehelement der Planetenbaugruppe ausgebildet sein. Dann ist ebenfalls eine Rekuperation möglich und die Verbindung des Elektromotors ist einfach und robust. Der Elektromotor kann für eine Rekuperation ausgebildet sein. Das weitere Schaltelement kann als Freilaufkupplung ausgebildet sein. Dann ist keine Betätigung des Schaltelements notwendig, um den Elektromotor mit der Planetenbaugruppe zu verbinden. Zudem kann der Elektromotor selbsttätig an- und abgekoppelt werden. Beispielsweise kann so auch ein Schleppverlust bei schneller Bergabfahrt, bei welcher der Elektromotor nicht mehr unterstützend arbeiten kann, vermieden werden. Es ist dann auch keine Betätigung eines Schaltelements durch den Fahrradfahrer notwendig, was komfortabel ist.
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In einer Ausführungsform des Getriebes ist es vorgesehen, dass das Getriebe eine Tretkurbelwelle aufweist. Die Tretkurbelwelle kann beispielsweise in einem Tretlagergehäuse des Fahrrads gelagert sein. Die Tretkurbelwelle kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, dass an der Tretkurbelwelle jeweilige Kurbeln mit Pedalen zum Antrieben des Fahrrads wenigstens teilweise mittels Muskelkraft befestigbar sind. Die Tretkurbelwelle kann beispielsweise permanent mit dem Antrieb mechanisch wirkverbindbar sein oder mit dem Antrieb permanent mechanisch wirkverbunden sein. Beispielsweise kann der Antrieb durch die gleiche Welle gebildet sein, wie die Tretkurbelwelle. Die Tretkurbelwelle kann als der Antrieb ausgebildet sein. Die Tretkurbelwelle kann aber beispielsweise auch mittels eines weiteren Schaltelements, wie einer Freilaufkupplung, und alternativ oder zusätzlich einer Stirnradstufe mit dem Antrieb verbunden bzw. verbindbar sein. Das Getriebe kann dazu ausgebildet sein, dass ein Drehmoment von der Tretkurbelwelle an die Planetenbaugruppe übertragbar ist. Die Tretkurbelwelle kann sich axial auf einer zentralen Drehachse des Getriebes zentral vollständig durch das Getriebe erstrecken.
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Das Getriebe kann einen Drehmomentsensor aufweisen. Der Drehmomentsensor kann zur Erfassung eines an der Tretkurbelwelle anliegenden Drehmoments ausgebildet sein. Der Drehmomentsensor kann alternativ oder zusätzlich zur Erfassung eines an dem Antrieb anliegenden Drehmoments ausgebildet sein. Die Gänge und alternativ oder zusätzlich eine Antriebsleistung des Elektromotors können in Abhängigkeit von jeweiligen erfassten Drehmomenten gesteuert werden.
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Die Planetenbaugruppe kann frei von weiteren als den in den beiden oberen Ausführungsformen genannten Radsätzen sein. Die jeweiligen Radsätze können frei von weiteren Elementen, wie weiteren Hohlrädern, Planetenträgern, Planetenrädern und Sonnenrädern, sein. Beispielsweise weist die Planetenbaugruppe und auch das Getriebe in einer Ausführungsform keine weiteren außer den hier beschriebenen Planetenradsätzen auf. Ebenso kann das Getriebe in einer Ausführungsform keine weiteren Stirnradstufen außer den jeweiligen hier beschriebenen Stirnradstufen aufweisen. Die jeweiligen Hohlräder können als Gehäuseelemente des Getriebes oder der Planetenbaugruppe ausgebildet sein. Bei dem Getriebe kann es vorgesehen sein, dass dessen gesamte Planetenbaugruppe oder zumindest alle Planetenradsätze gemeinsam als Planetenwalze ausgebildet sind und somit nur koaxiale Elemente aufweist.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrrad. Das Fahrrad weist ein Getriebe gemäß dem ersten Aspekt auf. Jeweilige weitere Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Aspekts zu entnehmen.
- 1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine erste Ausführungsform eines Getriebes für ein Fahrrad.
- 2 zeigt in einer schematischen Ansicht eine zweite Ausführungsform eines Getriebes für ein Fahrrad.
- 3 zeigt in einer schematischen Ansicht eine dritten Ausführungsform eines Getriebes für ein Fahrrad.
- 4 veranschaulicht eine Schaltmatrix der Getriebe gemäß 1 bis 3.
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1 veranschaulicht in einer schematischen Ansicht eine erste Ausführungsform eines Getriebes 100 für ein Fahrrad, welches in einem Tretkurbelgehäuse angeordnet ist. Das Getriebe weist eine Planetenbaugruppe mit einem Antrieb 102 und einem Abtrieb 104 auf. Der Antrieb 102 ist durch eine Tretkurbelwelle 106 gebildet. Die Planetenbaugruppe ist dazu ausgebildet, ein Drehmoment von dem Antrieb 102 an den Abtrieb 104 zu übertragen, wobei der Abtrieb 104 mit einem Rad des Fahrrads mechanisch wirkverbunden ist. Die Tretkurbelwelle 106 erstreckt sich axial auf einer zentralen Drehachse des Getriebes 100 zentral vollständig durch das Getriebe 100. Dadurch können Pedale beidseitig an der Tretkurbelwelle 106 montiert werden, wodurch das Getriebe 100 quer in einen Fahrradrahmen eingebaut werden kann.
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Sofern jeweilige Elemente als antriebsseitig beschrieben sind, sind diese bezüglich des Drehmomentflusses im Getriebe näher am Antrieb 102 angeordnet. Sofern jeweilige Elemente als abtriebsseitig beschrieben sind, sind diese bezüglich des Drehmomentflusses im Getriebe näher am Abtrieb 104 angeordnet. Axial abtriebsseitig bedeutet, dass jeweilige Elemente axial entlang der zentralen Drehachse des Getriebes näher am Abtrieb 104 sind. Axial antriebsseitig bedeutet, dass jeweilige Elemente in die entgegengesetzte Richtung positioniert sind, also axial weiter weg vom Abtrieb 104.
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Die Planetenbaugruppe weist einen ersten Minus-Planetenradsatz 160 und einen zweiten Minusplanetenradsatz 180 auf. Der erste Minus-Planetenradsatz 160 weist ein erstes Sonnenrad 162, einen ersten Planetenträger 164 und ein erstes Hohlrad 166 auf. Der zweite Minus-Planetenradsatz 180 weist ein zweites Sonnenrad 182, einen zweiten Planetenträger 184 und ein zweites Hohlrad 186 auf. An dem ersten Planetenträger 164 sind jeweilige ungestufte erste Planetenräder 168 und an dem zweiten Planetenträger 184 jeweilige ungestufte zweite Planetenräder 188 drehbar gelagert. Die jeweiligen Planetenräder 168, 188 weisen einen Zahnbereich auf, welcher sowohl mit dem korrespondierenden Sonnenrad 162 bzw. 182 als auch mit dem korrespondierenden Hohlrad 166 bzw. 186 kämmt.
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Das Getriebe 100 ist zum Bereitstellen von vier Gängen ausgebildet, mit welchen ein Antriebsmoment von dem Antrieb 102 zu dem Abtrieb 104 übertragbar ist. Zu diesem Zweck weist das Getriebe 100 eine erste Bremse B1 und eine zweite Bremse B2 auf. Mit den beiden Bremsen B1, B2 sind jeweilige Drehelemente an einem stationären Bauteil 108 festsetzbar. Das stationäre Bauteil 108 ist in der gezeigten Ausführungsform als Getriebegehäuse ausgebildet. Zudem weist das Getriebe 100 zu diesem Zweck ein erstes Schaltelement F1 und ein zweites Schaltelement F2 auf, welche beide als Freilaufkupplung ausgebildet sind und deshalb auch als erste Freilaufkupplung F1 bzw. zweite Freilaufkupplung F2 bezeichnet werden. Die Planetenbaugruppe übersetzt eine Drehung an dem Antrieb 102 in allen Gängen bei dem Abtrieb 104 ins Schnelle. Entsprechende Freilaufrichtungen der beiden Freilaufkupplung F1, F2 sind der Schaltmatrix gemäß 4 zu entnehmen. Die beiden Planetenradsätze 160, 180, die beiden Bremsen B1, B2 und die beiden Schaltelemente F1, F2 sind koaxial zueinander angeordnet und bilden eine Planetenwalze.
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Das erste Sonnenrad 162 ist mittels der ersten Bremse B1 an dem stationären Bauteil 108 festsetzbar. Das erste Hohlrad 166 ist mittels der zweiten Bremse B2 an dem stationären Bauteil 108 festsetzbar ist. Das zweite Sonnenrad 182 ist mit dem Abtrieb 104 permanent drehfest verbunden. Der zweite Planetenträger 184 ist mit dem Antrieb 102 permanent drehfest verbunden. Der erste Planetenträger 164 ist permanent drehfest mit dem zweiten Hohlrad 186 verbunden.
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Das erste Sonnenrad 162 ist mittels des ersten Schaltelements F1 mit dem zweiten Sonnenrad 182 drehfest verbindbar. Das erste Hohlrad 166 ist mittels des zweiten Schaltelements F2 mit dem zweiten Planetenträger 184 drehfest verbindbar.
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Der Antrieb 102 und der zweite Planetenträger 184 sind permanent drehfest mit dem zweiten Schaltelement F2 verbunden. Das erste Hohlrad 166 und die zweite Bremse B2 sind mittels einer Hohlwelle 130 mit dem zweiten Schaltelement F2 verbunden. Die Hohlwelle 130 ist radial zwischen dem zweiten Planetenradsatz 180 und dem stationären Bauteil 108 angeordnet. Das zweite Hohlrad 186 und der erste Planetenträger 164 sind mittels einer Hohlwelle 132 permanent drehfest miteinander verbunden, welche radial innenseitig zu der Hohlwelle 130 angeordnet ist. Das zweite Sonnenrad 182 ist mit einer Hohlwelle 134 permanent drehfest verbunden. Die Hohlwelle 134 ist auch mit dem ersten Schaltelement F1 und dem Abtrieb 104 permanent drehfest verbunden. Die Hohlwelle 134 ist radial innenseitig zu der Hohlwelle 132 angeordnet. Das erste Sonnenrad 162 ist mittels einer Hohlwelle 136 mit dem ersten Schaltelement F1 und der ersten Bremse B1 permanent drehfest verbunden. Die Hohlwelle 136 ist radial außenseitig zu der Hohlwelle 134 angeordnet.
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Das Getriebe 100 weist zudem einen Elektromotor EM auf. Der Elektromotor EM ist mittels einer Stirnradstufe ST1 permanent mechanisch mit dem Abtrieb 104 wirkverbunden. Dadurch kann der Elektromotor EM mit einem festen Übersetzungsverhältnis ein Antriebsmoment an dem Abtrieb 104 bereitstellen. Der Elektromotor EM ist zur Rekuperation ausgebildet.
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Das zweite Schaltelement F2 bildet wenigstens in einem radialen Teilbereich ein axial antriebseitiges Ende der Planetenbaugruppe, wodurch eine Drehmomentsensierung am zweiten Planetenträger 184 leicht zugänglich ist. Das zweite Schaltelement F2 ist axial antriebsseitig zu dem zweiten Planetenradsatz 180 angeordnet. Der zweite Planetenradsatz 180 ist axial antriebsseitig zu dem ersten Planetenradsatz 160 angeordnet, wobei die Hohlwelle 132 axial zwischen den beiden Planetenradsätzen 160, 180 angeordnet ist. Die zweite Bremse B2 ist axial auf der Position des ersten Planetenradsatzes 160 angeordnet. Der erste Planetenradsatz 160 ist axial antriebsseitig zu der ersten Bremse B1 angeordnet. Das erste Schaltelement F1 ist axial zwischen dem ersten Planetenradsatz 160 und der ersten Bremse B1 angeordnet. Der erste Planetenradsatz 160 und die erste Bremse B1 sind axial antriebsseitig zu der Stirnradstufe ST1 angeordnet. Die Stirnradstufe ST1 ist axial antriebsseitig zu dem Abtrieb 104 angeordnet.
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Bei dem Getriebe 100 beträgt eine Standübersetzung des ersten Planetenradsatzes 160 vorliegend -3,27 und eine Standübersetzung des zweiten Planetenradsatzes 180 vorliegend -1,60. Es ergibt sich mit den vier Gängen eine Getriebespreizung von 2,6 mit jeweiligen Gangsprüngen von 1,37.
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Die 2 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform eines Getriebes 200. Es wird dabei nur auf jeweilige relevante Unterschiede zu der ersten Ausführungsform gemäß 1 eingegangen. Dementsprechend werden Bauteile mit gleicher Funktion und gegebenenfalls gleicher Gestaltung mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ansonsten nicht weiter beschrieben. Die zweite Ausführungsform wird mit der gleichen Schaltmatrix wie Getriebe 100 geschaltet, welche in 4 veranschaulicht ist.
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Bei dem Getriebe 200 ist das erste Sonnenrad 162 mittels des ersten Schaltelements F1 mit dem zweiten Planetenträger 184 drehfest verbindbar. Das erste Hohlrad 166 ist mittels des zweiten Schaltelements F2 mit dem zweiten Sonnenrad 182 drehfest verbindbar.
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Zudem ist eine andere axiale Anordnung der beiden Planetenradsätze 160, 180 vorgesehen. Der Elektromotor EM ist zudem nicht abtriebsseitig, sondern antriebsseitig mit der Planetenbaugruppe mechanisch wirkverbunden. Außerdem sind die ersten Planetenräder 168 des ersten Planetenradsatzes 160 anders ausgeführt.
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Die ersten Planetenräder 168 sind als symmetrische Stufenplanetenräder bei dem Getriebe 200 ausgebildet. Jedes erste Planetenrad 168 hat einen ersten axialen Zahnbereich 202, einen zweiten axialen Zahnbereich 204 und einen dritten axialen Zahnbereich 206. Der erste Zahnbereich 202 und der dritte Zahnbereich 206 sind gleich ausgebildet und kämmen nur mit dem ersten Sonnenrad 162. Der zweite Zahnbereich 204 kämmt nur mit dem ersten Hohlrad 168 und ist im Vergleich zu dem ersten Zahnbereich 202 und dem dritten Zahnbereich 206 anders ausgebildet, hier mit einem größeren Wirkdurchmesser. Eine Symmetrieebene verläuft durch den zweiten Zahnbereich 204 in einer axialen Mitte des ersten Planetenrads 168 und orthogonal zu einer Längsachse des ersten Planetenrads 168. Der zweite Zahnbereich 204 ist axial zwischen dem ersten Zahnbereich 202 und dem dritten Zahnbereich 206 angeordnet, wodurch sich die Symmetrie der ersten Planetenräder 168 ergibt. Durch diese Bauweise ergibt sich ein kompakter und sehr tragfähiger erster Planetenradsatz 160. Dies ist hier insofern besonders vorteilhaft, als sich bei, im Vergleich zum Getriebe 100, gleicher Standübersetzung des zweiten Planetenradsatzes 180, gleicher Getriebespreizung und gleichen Gangsprüngen für den ersten Planetenradsatz 160 eine vergleichsweise kleine Standübersetzung von -1,26 ergibt. Durch die symmetrische Bauweise kann über die gestuften ersten Planetenräder 168 trotz eines geringen Durchmessers eine hohe Übersetzung bei hoher Tragfähigkeit ohne Kipplasten realisiert werden.
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Aufgrund der anderen Anordnung ist das erste Schaltelement F1 nunmehr permanent über eine Hohlwelle 208 mit dem Antrieb 102 und der Tretkurbelwelle 106 verbunden. Die Hohlwelle 208 ist auch permanent drehfest mit dem ersten Schaltelement F1 und dem zweiten Planetenträger 184 verbunden. Die Hohlwelle 208 ist radial innenseitig zu dem ersten Planetenradsatz 160 angeordnet. Zudem ist der Elektromotor EM über die Stirnradstufe ST1 mit der Hohlwelle 208 antriebsseitig mit dem Antrieb 102 mechanisch wirkverbunden. Entsprechend ist die Hohlwelle 134 durch eine Hohlwelle 210 ersetzt. Das zweite Sonnenrad 182 ist mittels der Hohlwelle 210 mit dem zweiten Schaltelement F2 und dem Abtrieb 104 permanent drehfest verbunden. Die Hohlwelle 210 ist radial innenseitig zu der Hohlwelle 130 angeordnet.
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Bei dem Getriebe 200 ist die Stirnradstufe ST1 axial antriebsseitig zu dem ersten Planetenradsatz 160 angeordnet. Die erste Bremse B1 ist axial antriebsseitig zu dem ersten Planetenradsatz 160 und axial abtriebsseitig zu der Stirnradstufe ST1 angeordnet. Das erste Schaltelement F1 ist axial zwischen der ersten Bremse B1 und dem ersten Planetenradsatz 160 angeordnet. Der erste Planetenradsatz 160 ist axial antriebsseitig zu dem zweiten Planetenradsatz 180 angeordnet, wobei die Hohlwelle 132 axial zwischen den beiden Planetenradsätzen 160, 180 angeordnet ist. Die zweite Bremse B2 ist erneut axial auf Position des ersten Planetenradsatzes 160 angeordnet. Das zweite Schaltelement F2 ist axial zwischen dem zweiten Planetenradsatz 180 und dem Abtrieb 104 angeordnet.
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Die 3 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform eines Getriebes 300. Es wird dabei nur auf jeweilige relevante Unterschiede zu der ersten Ausführungsform gemäß 1 eingegangen. Dementsprechend werden Bauteile mit gleicher Funktion und gegebenenfalls gleicher Gestaltung mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ansonsten nicht weiter beschrieben. Die dritte Ausführungsform wird mit der gleichen Schaltmatrix wie Getriebe 100 geschaltet, welche in 4 veranschaulicht ist.
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Bei dem Getriebe 300 ist im Vergleich zu dem Getriebe 100 lediglich der Elektromotor EM anders angebunden und die zweiten Planetenräder 188 sind anders ausgeführt.
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Bei dem Getriebe 300 ist die Stirnradstufe ST1 mittels eines weiteren als Freilaufkupplung F3 ausgebildeten Schaltelements mit dem Abtrieb 104 drehfest verbindbar und der Elektromotor EM demnach nicht permanent mechanisch wirkverbunden, sondern mechanisch wirkverbindbar. Entsprechend ist die Hohlwelle 134 auch nicht permanent mit der Stirnradstufe ST1 wirkverbunden, sondern nur mit der weiteren Freilaufkupplung F3. Die Freilaufkupplung F3 verbindet den Elektromotor EM, sobald von diesem ein Antriebsmoment an dem Abtrieb 104 bereitgestellt wird. Im Überholbetrieb, beispielsweise wenn der Elektromotor EM abgeschaltet ist, entkoppelt die weitere Freilaufkupplung F3 selbsttätig die Stirnradstufe ST1 und den Elektromotor EM von dem Abtrieb 104 und damit auch von der Planetenbaugruppe, sodass die Stirnradstufe ST1 und der Elektromotor EM nicht mitgeschleppt werden müssen.
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Zudem sind die jeweiligen zweiten Planetenräder 188 des zweiten Planetenradsatzes 180 als asymmetrische Stufenplanetenräder ausgebildet. Die zweiten Planetenräder 188 weisen einen ersten axialen Zahnbereich 302 und einen zweiten axialen Zahnbereich 304 auf. Der erste Zahnbereich 302 kämmt nur mit dem zweiten Hohlrad 186. Der zweite Zahnbereich 304 kämmt nur mit dem zweiten Sonnenrad 182 und hat einen kleineren Wirkdurchmesser als der erste Zahnbereich 302.
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Bei dem Getriebe 300 beträgt eine Standübersetzung des ersten Planetenradsatzes 160 vorliegend -2,95 und eine Standübersetzung des zweiten Planetenradsatzes 180 vorliegend -1,20. Es ergibt sich eine Getriebespreizung von 2,2 mit jeweiligen Gangsprüngen von 1,30.
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4 veranschaulicht eine Schaltmatrix der Getriebe 100, 200 und 300. Die jeweiligen Spalten zeigen einen Schaltzustand der beiden Bremsen B1, B2 und der beiden Schaltelemente F1, F2 in einem jeweiligen Gang an. Das Getriebe 100 weist vier Gänge auf, welche mit G1, G2, G3 und G4 bezeichnet sind, welche in ihrer Übersetzung entsprechend aufeinander folgen. In den Spalten der Schaltmatrix sind die jeweiligen Schaltzustände der verschiedenen schaltbaren Elemente veranschaulicht. In der Schaltmatrix zeigt ein „X“ einen geöffneten bzw. weggeschalteten Zustand einer Bremse an. Ein „0“ zeigt bei jeweiligen Bremsen einen geschlossenen Zustand an. Ein „-“ zeigt bei Freilaufkupplungen einen Überholtriebzustand an. Ein „0“ zeigt bei jeweiligen Freilaufkupplungen einen Sperrrichtungszustand an.
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Im ersten Gang G1 sind die erste Bremse B1 und die zweite Bremse B2 geöffnet und setzen so jeweils kein Element an dem stationären Bauteil 108 fest. Das erste Schaltelement F1 und das zweite Schaltelement F2 sind in einem Sperrrichtungszustand und verbinden so zwei Elemente drehfest miteinander. Die beiden Schaltelemente F1, F2 wechseln selbsttätig in den Sperrrichtungszustand, sofern die beiden Bremsen B1, B2 geöffnet sind und ein Antriebsmoment an dem Antrieb 102 anliegt. Im Sperrrichtungszustand sind zwei Elemente drehfest miteinander verbunden.
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Im zweiten Gang G2 ist die erste Bremse B1 geschlossen worden und setzt somit ein Element an dem stationären Bauteil 108 fest. Die zweite Bremse B2 bleibt dagegen geöffnet. Das erste Schaltelement F1 wechselt selbsttätig in den Überholtriebzustand, sofern ein Antriebsmoment an dem Antrieb 102 anliegt, womit zwei Elemente nicht mehr drehfest miteinander verbunden sind. Das zweite Schaltelement F2 ist weiterhin im Sperrrichtungszustand, sofern ein Antriebsmoment an dem Antrieb 102 anliegt.
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Im dritten Gang G3 ist die zweite Bremse B2 geschlossen worden und setzt somit ein Element an dem stationären Bauteil 108 fest. Die erste Bremse B1 wird dagegen wieder geöffnet. Das zweite Schaltelement F2 wechselt selbsttätig in den Überholtriebzustand, sofern ein Antriebsmoment an dem Antrieb 102 anliegt, womit zwei Elemente nicht drehfest miteinander verbunden sind. Das erste Schaltelement F1 wechselt wieder selbsttätig in den Sperrrichtungszustand, sofern ein Antriebsmoment an dem Antrieb 102 anliegt.
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Im vierten Gang G4 sind die erste Bremse B1 und die zweite Bremse B2 geschlossen. Das erste Schaltelement F1 und das zweite Schaltelement F2 sind selbsttätig in den Überholtriebzustand gewechselt, sofern ein Antriebsmoment an dem Antrieb 102 anliegt.
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Die jeweiligen Getriebe 100, 200 und 300 erlauben es, eine Schaltlogik voll auszunutzen. Durch das Betätigen von nur zwei Elementen, nämlich der ersten Bremse B1 und der zweiten Bremse B2, kann für jeden der vier möglichen Schaltzustände ein Gang bereitgestellt werden. Sofern die beiden Schaltelemente F1, F2 nicht als Freilaufkupplungen ausgebildet sind, können jeweilige Gänge auch durch ein dem Sperrrichtungszustand korrespondierendes Schließen und ein dem Überholtriebzustand korrespondierendes Öffnen eingelegt werden. Im Überholtriebzustand dreht eine Abtriebshälfte der jeweiligen Freilaufkupplung schneller als eine Antriebshälfte.
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Bezugszeichenliste
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- 100; 200; 300
- Getriebe
- 102
- Antrieb
- 104
- Abtrieb
- 106
- Tretkurbelwelle
- 108
- stationäres Bauteil
- 130, 132, 134, 136; 208, 210
- Hohlwelle
- 160
- erster Minus-Planetenradsatz
- 162
- erstes Sonnenrad
- 164
- erster Planetenträger
- 166
- erstes Hohlrad
- 168
- erste Planetenräder
- 180
- zweiter Minus-Planetenradsatz
- 182
- zweites Sonnenrad
- 184
- zweiter Planetenträger
- 186
- zweites Hohlrad
- 188
- zweite Planetenräder
- 202; 302
- erster axialer Zahnbereich
- 204; 304
- zweiter axialer Zahnbereich
- 206
- dritter axialer Zahnbereich
- B1, B2
- Bremse
- EM
- Elektromotor
- F1, F2, F3
- Freilaufkupplung
- G1, G2, G3, G4
- Gang
- ST1
- Stirnradstufe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016225169 [0002]
- DE 102016225145 [0002]
