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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrradantriebs, einen Fahrradantrieb sowie ein Fahrrad.
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Stand der Technik
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Fahrräder werden zusehends als primäres persönliches Transportmittel genutzt. Entsprechend gibt es hohe Anforderungen an Fahrkomfort und Leistungsfähigkeit von Fahrrädern. Beispielsweise wird mit Fahrrädern nicht nur gefahren, sondern auch Einkäufe und Kinder transportiert. Fahrräder werden auch als Sportgeräte genutzt. Um den Komfort und die Leistungsfähigkeit zu steigern, werden viele Fahrräder mit einem elektrischen Antriebsmotor ausgerüstet, welcher den Fahrer beim Antreiben des Fahrrads unterstützt. Solche Fahrräder werden auch als Pedelecs bezeichnet.
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Für ein möglichst effizientes Fahren sind Fahrräder üblicherweise mit einem Getriebe ausgerüstet, welches unterschiedliche Übersetzungen für eine Drehmomentübertragung einer Tretkurbel des Fahrrads und alternativ oder zusätzlich eines elektrischen Antriebsmotors ausgebildet ist. Wünschenswert ist dabei ein möglichst zuverlässiger und schneller Gangwechsel. Sofern das Getriebe bei einer Anforderung eines Gangwechsels nicht oder überraschend mit einer Verzögerung schaltet, können ansonsten unerwünschte Fahrzustände entstehen, welche den Fahrer behindern. Beispielsweise kann bei Beginn einer Steigung von dem Fahrer ein niedrigerer als der derzeitige Gang angefordert werden, sobald ein Tretwiderstand an der Tretkurbel zu groß wird. Sofern der Gangwechsel dann nicht rechtzeitig erfolgt, kann es für den Fahrer beispielsweise nicht mehr möglich sein weiter genug Muskelkraft an der Tretkurbel zur Verfügung zu stellen, um weiterzufahren. So kann es zu einem unerwünschten Stopp kommen.
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Ebenso kann es bei vielen Schaltvorgängen und einer anspruchsvollen Nutzung eines Fahrrads frühzeitig zu einem übermäßigen Verschleiß kommen, beispielsweise auch wenn der Fahrer beim Fahren durch einen Antriebsmotor unterstützt wird.
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Darstellung der Erfindung
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrradantriebs. Das Verfahren kann beispielsweise nur ein Verhalten des Fahrradantriebs während eines Gangwechselvorgangs betreffen. Der Fahrradantrieb kann dazu ausgebildet sein, das Fahrrad mittels Muskelkraft und alternativ oder zusätzlich einer elektrisch erzeugten Antriebskraft zu bewegen. Mittels des Fahrradantriebs kann beispielsweise ein Hinterrad des Fahrrads in Rotation versetzt werden. Der Fahrradantrieb kann beispielsweise als Antrieb eines Pedelecs ausgebildet sein.
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Der Fahrradantrieb weist eine Tretkurbelwelle auf. Die Tretkurbelwelle kann sich durch einen Rahmen des Fahrrads in Links-Rechts-Richtung erstrecken. Die Tretkurbelwelle kann für die Befestigung von jeweils einer Tretkurbel an jedem Ende ausgebildet sein. An jeder Tretkurbel kann ein Pedal befestigt sein. Die Tretkurbelwelle kann eine Eingangswelle des Fahrradantriebs bilden. An der Tretkurbelwelle kann beispielsweise eine Muskelkraft zum Antreiben des Fahrrads in den Fahrradantrieb eingeleitet werden.
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Der Fahrradantrieb weist einen elektrischen Antriebsmotor auf. Der elektrische Antriebsmotor kann dazu ausgebildet sein, elektrische Energie in rotatorische Energie zu wandeln. Der Antriebsmotor kann eine Abtriebswelle aufweisen, an welcher der Antriebsmotor ein Drehmoment bereitstellen kann. Der Antriebsmotor kann beispielsweise benachbart zu der Tretkurbel in dem Rahmen des Fahrrads angeordnet sein. Der Antriebsmotor kann beispielsweise mit der Tretkurbelwelle des Fahrradantriebs oder einem Abtrieb des Fahrradantriebs mechanisch wirkverbunden oder wirkverbindbar sein. Eine mechanische Wirkverbindung kann beispielsweise über eine Stirnradstufe, eine Kette oder einen Riemen gebildet werden, um ein Drehmoment zu übertragen. Wirkverbindbar kann bedeuten, dass die mechanische Wirkverbindung trennbar ist, beispielsweise mittels eines schaltbaren Elements wie einer Reibkupplung. Wirkverbunden kann bedeuten, dass keine Trennung möglich ist. Der Fahrradantrieb kann dazu ausgebildet sein, dass durch den Antriebsmotor nur eine Antriebskraft bereitgestellt wird, sofern der Fahrer dem Fahrradantrieb eine vorgegebene Mindestkraft zum Fahren mit Muskelkraft bereitstellt.
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Der Fahrradantrieb weist ein Getriebe auf. Die Tretkurbelwelle kann eine Welle des Getriebes sein, beispielsweise eine Eingangswelle. Die Tretkurbelwelle kann aber beispielsweise auch nicht Teil des Getriebes sein und mit einer Eingangswelle des Getriebes mechanisch wirkverbunden oder wirkverbindbar sein. Beispielsweise kann die Tretkurbelwelle permanent drehfest mit der Eingangswelle des Getriebes verbunden sein. Eine Ausgangswelle des Getriebes kann einen Abtrieb des Fahrradantriebs bilden oder mit dem Abtrieb des Fahrradantriebs mechanisch wirkverbunden oder wirkverbindbar sein. Der Abtrieb des Fahrradantriebs kann beispielsweise eine Antriebsleistung für das Fahrrad zur Verfügung stellen.
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Das Getriebe weist ein Schaltelement zum Übersetzungsstufenwechsel auf. Eine Übersetzungsstufe kann einem Gang des Getriebes und damit des Fahrrads entsprechen. Bei einem Gang des Getriebes kann ein festes Übersetzungsverhältnis zwischen einer Drehzahl und einem Drehmoment an der Tretkurbelwelle und dem Abtrieb vorliegen. Jeder Gang kann eine unterschiedliche Übersetzung bereitstellen. Jede Übersetzungsstufe kann aber auch einem Übersetzungsbereich entsprechen, wobei eine derzeitig vorliegende Übersetzung in Abhängigkeit von anderen Faktoren weiter angepasst werden kann.
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Mittels Betätigung des Schaltelements kann zwischen wenigstens zwei Übersetzungsstufen gewechselt werden. Das Getriebe ist dazu ausgebildet, ein Drehmoment von der Tretkurbelwelle an einen Abtrieb des Fahrradantriebs schaltbar mit wenigstens einer ersten Übersetzungsstufen und einer zweiten Übersetzungsstufe zu übertragen. Das Schaltelement kann beispielsweise als Reibkupplung oder Schaltklinke ausgebildet sein. Das Getriebe weist ein erstes Getriebeelement und ein zweites Getriebeelement auf. Das erste Getriebeelement ist mit dem zweiten Getriebeelement bei einer der zwei Übersetzungsstufen zur Drehmomentübertragung mittels des Schaltelements verbunden. Beispielsweise kann das Schaltelement die beiden Getriebeelemente drehfest miteinander verbinden. Das erste Getriebeelement kann von dem zweiten Getriebeelement bei einer anderen der zwei Übersetzungsstufen getrennt sein, beispielsweise durch Öffnen des Schaltelements und damit einhergehender Unterbrechung der Drehmomentübertragung. Beispielsweise kann das Getriebe trotzdem weiter ein Drehmoment von der Tretkurbelwelle an den Abtrieb übertragen, jedoch beispielsweise über andere Getriebeelemente und alternativ oder zusätzlich mit einer anderen Übersetzung. Bei der anderen der zwei Übersetzungsstufen kann das erste Getriebeelement und alternativ oder zusätzlich das zweite Getriebeelement auch mit einem weiteren Getriebeelement mittels des Schaltelements zur Drehmomentübertragung verbunden sein.
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Ein Getriebeelement kann beispielsweise ein Drehelement des Getriebes sein. Ein Getriebeelement kann beispielsweise als ein Zahnrad, eine Welle oder ein Drehelement eines Planetenradsatzes, wie ein Sonnenrad, Planetenträger oder Hohlrad, ausgebildet sein. Ein Getriebeelement kann beispielsweise auch als stationäres Bauteil, wie als Fahrradrahmen oder Getriebegehäuse, ausgebildet sein.
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Das Schaltelement kann beispielsweise durch eine Schaltvorrichtung, beispielsweise mittels eines Kabelzugs einer Handschaltung, aktiv betätigt werden. Das Schaltelement kann auch dazu ausgebildet sein, bei bestimmten Zuständen des Getriebes selbsttätig zu schalten und damit dessen Zustand zu wechseln. Das Schaltelement kann auch mittels eines Stellmotors betätigt werden, welcher durch ein elektrisches Signal gesteuert wird. Beispielsweise kann ein Fahrer einen Knopf oder Hebel betätigen, um eine motorische oder manuelle Betätigung des Schaltelements zu bewirken.
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Ist ein Schaltelement, beispielsweise eine Kupplung, zwischen zwei Getriebeelementen 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 Getriebeelemente 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 Getriebeelemente bestehen. Dieser gewollte oder auch ungewollte Zustand wird hier 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 Getriebeelementen vorliegen.
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Das Getriebe kann auch dazu ausgebildet sein, weitere Übersetzungsstufen bereitzustellen. Entsprechend können auch weitere Getriebeelemente und alternativ oder zusätzlich Schaltelemente vorgesehen sein. Das Verfahren kann dabei gleichermaßen Anwendung finden.
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Das Verfahren weist einen Schritt eines Erfassens einer Schaltstufenwechselanforderung auf. Die Schaltstufenwechselanforderung kann beispielsweise ein Betätigen des Schaltelements sein oder auch ein elektrisches Signal, beispielsweise bei einem motorisch betätigbaren Getriebe. Das Erfassen kann beispielsweise sensorisch erfolgen oder auch nur durch Empfangen eines Signals.
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Das Verfahren weist einen Schritt eines Steuerns des Antriebsmotors in Abhängigkeit von der erfassten Schaltstufenwechselanforderung, um eine an dem Schaltelement anliegende Last zu reduzieren. Die anliegende Last kann beispielsweise durch Verändern oder Bereitstellen eines Motordrehmoments, welches von dem Antriebsmotor auf eines der beiden Getriebeelemente wirkt, reduziert werden.
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Beispielsweise kann der Antriebsmotor so gesteuert werden, dass ein von dem Antriebsmotor bereitgestelltes Motordrehmoment gegenüber einem vor der Erfassung der Schaltstufenwechselanforderung bereitgestellten Motordrehmoment reduziert ist und alternativ oder zusätzlich weniger Gesamtdrehmoment auf eines oder beide der zwei Getriebeelemente wirkt. Beispielsweise kann temporär eine Unterstützung des Fahrers beim Antreiben des Fahrrads reduziert werden. Beispielsweise kann aber auch umgekehrt der Antriebsmotor so gesteuert werden, dass ein von dem Antriebsmotor bereitgestelltes Motordrehmoment gegenüber einem vor der Erfassung der Schaltstufenwechselanforderung bereitgestellten Motordrehmoment erhöht ist. Sofern vor der Erfassung der Schaltstufenwechselanforderung die Gesamtantriebskraft des Fahrrads nur durch Muskelkraft bereitgestellt wurde, also der Antriebsmotor beim Antreiben des Fahrrads nicht unterstützt hat, kann in Reaktion auf die erfasste Schaltstufenwechselanforderung temporär eine Antriebskraft auch mit dem Antriebsmotor bereitgestellt werden oder der Muskelkraft entgegengewirkt werden. Das Steuern des Antriebsmotors in Abhängigkeit von der erfassten Schaltstufenwechselanforderung, um eine an dem Schaltelement anliegende Last zu reduzieren, kann mit einer Steuerung zum Bereitstellen einer Antriebskraft mittels des Antriebsmotors überlagert werden.
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Der Antriebsmotor kann beispielsweise so gesteuert werden, dass die Last an dem Schaltelement auf null oder nahezu auf null reduziert wird, wodurch eine lastfreie Schaltung ermöglicht wird. Der Antriebsmotor kann beispielsweise nur solange in Abhängigkeit von der erfassten Schaltstufenwechselanforderung, um eine an dem Schaltelement anliegende Last zu reduzieren, gesteuert werden, bis die Übersetzungsstufe erfolgreich in Reaktion auf die Schaltstufenwechselanforderung gewechselt wurde. Das Steuern des Antriebsmotors in Abhängigkeit von der erfassten Schaltstufenwechselanforderung, um eine an dem Schaltelement anliegende Last zu reduzieren, kann ein Erzeugen eines schaltelemententlastenden Drehmoments bewirken.
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Den beiden zuvor genannten Schritten liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass nicht jedes Betätigen des Schaltelements auch immer bei einem Fahrrad gleichermaßen zu einer Zustandsänderung des Schaltelements führt. Beispielsweise kann ein als Sperrklinke ausgebildetes Schaltelement trotz dessen Betätigen bei bestimmten Zuständen nicht einen Eingriff mit einem der beiden Getriebeelemente lösen oder in Eingriff mit dem Getriebeelement gelangen. Beispielsweise kann ein Fahrer auf jeweilige Pedale einer Tretkurbel während eines gewünschten Schaltvorgangs weiterhin Kraft ausüben. Dadurch kann eine Last auf das Schaltelement wirken, welche ein Herausziehen der Sperrklinke aus dem Eingriff verhindert. Jeweilige Reaktionskräfte halten dann die Sperrklinke. Trotz eines also nicht mehr geschalteten Zustand springt die Sperrklinke beispielsweise nicht heraus. Solche Zustände treten beispielsweise häufig bei ungeübten Fahrern beim Schalten in einer Steigung auf. Ein solcher Zustand kann durch entsprechende Ansteuerung des Antriebsmotors zur Lastreduktion am Schaltelement verhindert oder aufgehoben werden.
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Den beiden zuvor genannten Schritten liegt unter anderem auch die Erkenntnis zugrunde, dass in bestimmten Fahrzuständen eine unnötig hohe Last auf das Schaltelement wirkt, welche den Verschleiß erhöhen kann. Beispielsweise kann es zu hohen Reibungen kommen, wenn eine Sperrklinke unter hoher Last in Eingriff oder aus einem Eingriff gebracht wird. Ebenso kann so eine hohe Reibleistung an einer reibschlüssigen Kupplung entstehen, wenn noch vor einem vollständigen Schließen oder Öffnen bereits eine hohe Last auf eine Kupplungshälfte wirkt. Dies kann durch entsprechende Ansteuerung des Antriebsmotors zur Lastreduktion am Schaltelement verhindert oder zumindest reduziert werden.
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Das Verfahren kann ferner einen Schritt eines Unterbrechens der Drehmomentübertragung zwischen dem ersten Getriebeelement und dem zweiten Getriebeelement mittels des Schaltelements aufweisen, beispielsweise durch Öffnen des Schaltelements. Dadurch kann die Übersetzungsstufe gewechselt werden. Das Unterbrechen der Drehmomentübertragung kann aufgrund der Entlastung durch entsprechende Steuerung des Antriebsmotors erfolgen, nachdem die Stufenwechselanforderung erfolgt ist.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Steuern des Antriebsmotors, um eine an dem Schaltelement anliegende Last zu reduzieren, nur erfolgt, wenn die erfasste Schaltstufenwechselanforderung eine Wechselanforderung von einer höheren Übersetzungsstufe zu einer niedrigeren Übersetzungsstufe ist. Beispielsweise kann dies eine Anforderung für einen Wechsel von der zweiten Übersetzungsstufe zu der ersten Übersetzungsstufe sein. Eine höhere Übersetzungsstufe kann einem höheren Gang entsprechen. Eine niedrigere Übersetzungsstufe kann einem niedrigeren Gang entsprechen. Der höhere Gang kann beispielsweise eine bestimmte Rotation der Tretkurbelwelle in eine schnellere Rotation des Abtriebs übersetzen als der niedrigere Gang die gleiche Rotation der Tretkurbelwelle. Damit kann berücksichtigt werden, dass gegebenenfalls nur für ein Herunterschalten eine Entlastung des Schaltelements notwendig ist, um einen Schaltvorgang erfolgreich durchzuführen. Bei einem Hochschalten kann dagegen bereits die veränderte Übersetzung eine Entlastung bewirken und alternativ oder zusätzlich das Schaltelement nicht mehr durch Reaktionskräfte am Öffnen gehindert sein.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, dass der Antriebsmotor dazu ausgebildet ist, antriebsseitig zu dem Schaltelement ein Motordrehmoment in den Fahrradantrieb einzuleiten. Beispielsweise kann der Antriebsmotor mit der Tretkurbelle mechanisch wirkverbunden sein und alternativ oder zusätzlich mit dem im Drehmomentfluss tretkurbelwellenseitigen Getriebeelement. Das vom Antriebsmotor bereitgestellte Drehmoment kann beispielsweise über das Getriebe an den Abtrieb übertragen werden. Der Antriebsmotor kann aufgrund des Steuerns, um eine an dem Schaltelement anliegende Last zu reduzieren, eines der zwei Getriebeelemente mit dem Motordrehmoment als ein bremsendes Motordrehmoment beaufschlagen. Das bremsende Motordrehmoment kann einem Antreiben des Fahrrads in Vorwärtsrichtung entgegenwirken. Beispielsweise kann das im Drehmomentfluss tretkurbelwellenseitige Getriebeelement aufgrund des Steuerns gegenüber einer vorher unveränderten Motorsteuerung mit weniger oder einem dem Antrieb des Fahrrads entgegenwirkenden Drehmoment beaufschlagen. Das Drehmoment an der Abtriebswelle des Antriebsmotors kann sich beispielsweise aus einem Antriebsdrehmoment zum Unterstützen des Fahrers und einem entlastenden Motordrehmoment zusammensetzen, wobei der Antriebsmotor zur Bereitstellung des entsprechenden Drehmoments an der Abtriebswelle des Antriebsmotors gesteuert wird. Beispielsweise kann die Abtriebswelle des Antriebsmotors kurzfristig zur Entlastung des Schaltelements abgebremst werden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, dass der Antriebsmotor dazu ausgebildet ist, abtriebsseitig zu dem Schaltelement ein Motordrehmoment in den Fahrradantrieb einzuleiten. Beispielsweise kann der Antriebsmotor mit dem Abtrieb mechanisch wirkverbunden sein, beispielsweise unter Umgehung des Getriebes und alternativ oder zusätzlich mit dem im Drehmomentfluss abtriebsseitigen Getriebeelement. Der Antriebsmotor kann aufgrund des Steuerns, um eine an dem Schaltelement anliegende Last zu reduzieren, eines der zwei Getriebeelemente mit dem Motordrehmoment als ein beschleunigendes Motordrehmoment beaufschlagen. Beispielsweise kann aufgrund dieser Steuerung eine durch den Antriebsmotor bereitgestellte Antriebsleistung erhöht werden. Beispielsweise kann die Abtriebswelle des Antriebsmotors kurzfristig zur Entlastung des Schaltelements beschleunigt werden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Steuern des Antriebsmotors in Abhängigkeit von der erfassten Schaltstufenwechselanforderung, um eine an dem Schaltelement anliegende Last zu reduzieren, für eine vorgegebene Zeitdauer erfolgt. Dadurch kann eine dauerhafte Reduktion einer Antriebsleistung verhindert werden, auch wenn der Schaltstufenwechsel trotz Lastreduktion fehlschlagen sollte. Zudem ist eine solche Steuerung einfach und kostengünstig zu implementieren. Beispielsweise kann die Zeitdauer konstant sein oder in Abhängigkeit von einem Fahrantriebszustand vorgegeben werden. Beispielsweise kann die Zeitdauer in Abhängigkeit von einer Drehzahl einer der beiden Getriebeelemente, einer Drehzahl des Abtriebs, einer Drehzahl der Abtriebswelle des Antriebsmotors, einer Drehzahl der Tretkurbelwelle und alternativ oder zusätzlich einer derzeitigen Übersetzungsstufe und alternativ oder zusätzlich einer gewünschten Übersetzungsstufe bestimmt werden. Jeweilige Werte für die Bestimmung der vorgegebenen Zeitdauer können aus anderen Fahrantriebszuständen berechnet werden oder auch sensorisch erfasst werden. Ebenso kann in Abhängigkeit von diesen Werten auch eine Größe einer Drehmomentänderung an der Abtriebswelle des Antriebsmotors zur Entlastung des Schaltelements bestimmt werden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Verfahren ferner einen Schritt eines Erfassens eines Schaltstufenwechsels aufweist. Beispielsweise kann erfasst werden, wenn die Übersetzungsstufe erfolgreich gewechselt wurde. Die Erfassung kann mittelbar in Abhängigkeit von einem Zustand des Fahrantriebs, wie in Abhängigkeit von einer Drehzahl einer der beiden Getriebeelemente, einer Drehzahl des Abtriebs, einer Drehzahl der Abtriebswelle des Antriebsmotors, einer Drehzahl der Tretkurbelwelle und alternativ oder zusätzlich einer Veränderung dieser Werte erfolgen. Die Erfassung kann auch direkt mittels eines Sensors erfolgen. Das Steuern des Antriebsmotors in Abhängigkeit von der erfassten Schaltstufenwechselanforderung, um eine an dem Schaltelement anliegende Last zu reduzieren, kann erfolgen, bis der Schaltstufenwechsel erfasst wurde. Dadurch kann die Steuerung des Antriebsmotors in Abhängigkeit von der erfassten Schaltstufenwechselanforderung zu einem besonders effizienten Zeitpunkt wieder beendet werden
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Verfahren ferner einen weiteren Schritt eines Steuerns des Antriebsmotors aufweist, um ein durch den Antriebsmotor verursachtes Schleppmoment zu reduzieren, sofern keine Antriebsunterstützung bei dem Antriebsmotor angefordert ist. Dieser Schritt kann einen erhöhten Fahrwiderstand vermeiden, wenn der Antriebsmotor permanent mit dem restlichen Fahrantrieb mechanisch wirkverbunden ist, um das Schaltelement beim Übersetzungsstufenwechsel entlasten zu können. So benötigt der Fahrradantrieb nur wenige Schaltelemente, wodurch dieser besonders leicht und kostengünstig sein kann. Dennoch kann ein übermäßig starker Tretwiderstand aufgrund eines Schleppwiderstands des Antriebsmotors vermieden werden, wenn eigentlich nur ein Antreiben des Fahrrads mit Muskelkraft ohne motorische Unterstützung gewünscht ist. Bei der Bauweise mit permanent mechanisch wirkverbundenem Antriebsmotor ist zudem eine Rekuperation mit dem Antriebsmotor einfach möglich. Beispielsweise kann der Antriebsmotor so gesteuert werden, dass ein Schleppmoment des Antriebsmotors vollständig kompensiert und damit aufgehoben wird. Das Fahrgefühl und die erforderliche Kraft zum Antreiben des Fahrrads können in einem solchen Modus also im Wesentlichen einem ansonsten gleichen Fahrantrieb mit jedoch ausgekuppeltem Antriebsmotor entsprechen. Diese Kompensierung des Schleppmoments kann beispielsweise immer erfolgen, sofern keine Schaltstufenwechselanforderung vorliegt oder auch sofern keine Schaltstufenwechselanforderung von einer niedrigen Schaltstufe zu einer höheren Schaltstufe vorliegt. Der Antriebsmotors kann aufgrund dessen des Steuerns, um eine an dem Schaltelement anliegende Last zu reduzieren, eines der zwei Getriebeelemente mit dem Motordrehmoment als einem bremsenden Motordrehmoment beaufschlagen, indem das Schleppmoment nicht mehr oder weniger stark kompensiert wird. Dadurch kann das Verfahren besonders stromsparend sein.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Getriebe ein schaltbares Freilaufelement aufweist, wobei der Antriebsmotor mittels des Freilaufelements zur Drehmomentübertragung mit dem Getriebe verbindbar ist. Das Freilaufelement kann selbsttätig zwischen einem Überholtriebzustand und einem Sperrrichtungszustand schalten. Dadurch kann der Antriebsmotor selbsttätig entkoppelt werden, sobald dieser keine Antriebsleistung zum Antreiben des Fahrrads bereitstellt. Dadurch können Schleppverluste durch Mitschleppen des Antriebsmotors vermieden werden, beispielsweise wenn das Fahrrad nur mit Muskelkraft bewegt werden soll.
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Das Verfahren kann ferner einen Schritt eines Herstellens einer Drehmomentübertragung zwischen dem Antriebsmotor und dem Abtrieb mittels des Freilaufelements aufweisen, sofern der Antriebsmotor in Abhängigkeit von der erfassten Schaltstufenwechselanforderung gesteuert wird, um eine an dem Schaltelement anliegende Last zu reduzieren. Dies kann beispielsweise durch Schalten des Freilaufelements erfolgen. Das Freilaufelement kann also geschlossen werden, um das Schaltelement während des Schaltvorgangs entlasten zu können. Beispielsweise kann so ein Überholtriebzustand aufgehoben werden, um eines der beiden Getriebeelemente mittels des Antriebsmotors abbremsen zu können.
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Das Verfahren kann ferner einen Schritt eines Unterbrechens einer Drehmomentübertragung zwischen dem Antriebsmotor und dem Abtrieb mittels des Freilaufelements aufweisen, sofern keine Antriebsunterstützung bei dem Antriebsmotor angefordert ist und sofern der Antriebsmotor nicht in Abhängigkeit von der erfassten Schaltstufenwechselanforderung gesteuert wird, um eine an dem Schaltelement anliegende Last zu reduzieren. Das Freilaufelement kann dann also beispielsweise so geschaltet werden, dass es wieder selbsttätig zwischen dem Überholtriebzustand und dem Sperrrichtungszustand wechselt. Ein Freilauf des schaltbaren Freilaufelements kann auch blockiert werden, um eine Rekuperation mit dem Antriebsmotor zu ermöglichen.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Fahrradantrieb. Der Fahrradantrieb kann dazu ausgebildet sein, mit dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt betrieben zu werden. Die sich aus dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Aspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts und umgekehrt anzusehen sind.
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Der Fahrradantrieb weist wenigstens eine Tretkurbelwelle, einen elektrischen Antriebsmotor, eine Steuervorrichtung und ein Getriebe mit einem Schaltelement zum Übersetzungsstufenwechsel, mit einem ersten Getriebeelement und mit einem zweiten Getriebeelement auf. Das Getriebe ist dazu ausgebildet, ein Drehmoment von der Tretkurbelwelle an einen Abtrieb des Fahrradantriebs schaltbar mit wenigstens einer ersten Übersetzungsstufen und einer zweiten Übersetzungsstufe zu übertragen. Das erste Getriebeelement ist mit dem zweiten Getriebeelement bei einer der zwei Übersetzungsstufen zur Drehmomentübertragung mittels des Schaltelements verbunden. Der Fahrradantrieb kann einen Energiespeicher für elektrische Energie, wie eine Batterie, aufweisen. Der Energiespeicher kann den Antriebsmotor und optional auch die Steuervorrichtung mit elektrischer Energie versorgen. Der Fahrantrieb weist einen Abtrieb auf, welcher beispielsweise durch eine Abtriebswelle des Getriebes gebildet sein kann.
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Die Steuervorrichtung ist dazu ausgebildet, eine Schaltstufenwechselanforderung zu erfassen und den Antriebsmotor in Abhängigkeit von der erfassten Schaltstufenwechselanforderung zu steuern, um eine an dem Schaltelement anliegende Last zu reduzieren. Die Steuervorrichtung kann für das Erfassen dazu ausgebildet sein, elektrische Signale zu empfangen, beispielsweise von einem Schalter oder einem Sensor. Die Steuervorrichtung kann einen Inverter zum Steuern des Antriebsmotors aufweisen. Die Steuervorrichtung kann programmierbar ausgebildet sein und beispielsweise einen Mikroprozessor aufweisen. Die Steuervorrichtung kann dafür sorgen, dass Schaltstufenwechselanforderungen zuverlässig und schnell umgesetzt werden und ein Fahrantriebsverschleiß gering ist.
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Der Antriebsmotor kann permanent mechanisch mit dem Abtrieb des Fahrantriebs zur Drehmomentübertragung wirkverbunden sein, beispielsweise mit einer Stirnradstufe. Der Fahrradantrieb kann frei von einem Freilauf oder Schaltelement zwischen dem Antriebsmotor und dem Getriebe und alternativ oder zusätzlich dem Antriebsmotor und dem Abtrieb sein. Der Antriebsmotor kann beispielsweise mit der Tretkurbelwelle und alternativ oder zusätzlich dem Abtrieb mechanisch wirkverbunden oder wirkverbindbar sein. Beispielsweise kann der Antriebsmotor mit dem Abtrieb und alternativ oder zusätzlich dem Getriebe mittels eines schaltbaren Freilaufelements mechanisch wirkverbunden sein.
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In einer Ausführungsform des Fahrradantriebs ist es vorgesehen, dass das Schaltelement als formschlüssiges oder reibschlüssiges Schaltelement ausgebildet ist. Ein Beispiel für ein formschlüssiges Schaltelement ist eine Schaltklinke oder Schaltklaue.
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Durch die Entlastung aufgrund der Steuerung des Antriebsmotors kann eine Verbindung der zwei Getriebeelemente über das Schaltelement besonders zuverlässig aufgehoben werden, auch wenn der Fahrer des Fahrrads unvermindert in die Pedale der Tretkurbel beim Schaltstufenwechsel tritt. Das reibschlüssige Schaltelement kann beispielsweise als Einscheibentrockenkupplung ausgebildet sein. Durch die Entlastung aufgrund der Steuerung des Antriebsmotors kann eine Reibleistung an dem reibschlüssigen Schaltelement reduziert sein, auch wenn der Fahrer des Fahrrads unvermindert in die Pedale der Tretkurbel beim Schaltstufenwechsel tritt. Dadurch kann das reibschlüssige Schaltelement für eine kleine Reibleistung ausgelegt werden, wodurch der Fahrantrieb kompakt, leicht und kostengünstig sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann ein Verschleiß des reibschlüssigen Schaltelements besonders gering sein.
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Ein dritter Aspekt betrifft ein Fahrrad. Das Fahrrad kann einen Fahrradantrieb gemäß dem zweiten Aspekt aufweisen. Die sich aus dem Fahrradantrieb gemäß dem zweiten Aspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Aspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Aspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts und umgekehrt anzusehen sind.
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Figurenliste
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- 1 veranschaulicht schematisch ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrradantriebs.
- 2 veranschaulicht schematisch einen Fahrradantrieb, der mit dem Verfahren gemäß 1 betrieben werden kann.
- 3 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein Getriebe, welches einen Teil des Fahrradantriebs gemäß 2 bilden kann.
- 4 zeigt in einer ersten schematischen Perspektivansicht zwei Getriebeelemente und ein Schaltelement des Getriebes gemäß 3.
- 5 zeigt in einer zweiten schematischen Perspektivansicht die zwei Getriebeelemente und das Schaltelement des Getriebes gemäß 3.
- 6 zeigt in einer schematischen seitlichen Schnittansicht das Schaltelement des Getriebes gemäß 3 in einem geöffneten Zustand.
- 7 zeigt in einer schematischen seitlichen Schnittansicht das Schaltelement des Getriebes gemäß 3 in einem geschlossenen Zustand.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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2 veranschaulicht schematisch einen Fahrradantrieb 10. Der Fahrradantrieb 10 weist eine Tretkurbelwelle 12 auf, an deren zwei entgegengesetzten axialen Enden jeweils eine Tretkurbel 14 mit einem Pedal 16 befestigt ist. Durch Treten der Pedale 16 kann ein Fahrer mit Muskelkraft eine Antriebskraft in den Fahrradantrieb 10 einleiten.
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Der Fahrradantrieb 10 weist ein Getriebe 18 auf. In der 2 ist eine sehr einfache Bauweise des Getriebes veranschaulicht. Das Getriebe 18 kann aber auch wie in 3 komplexer ausgebildet sein, wobei dieses komplexere Getriebe 18 nur teilweise dargestellt ist. Das Getriebe 18 weist wenigstens ein erstes Getriebeelement 20 auf, welches als Eingangswelle ausgebildet ist. Das erste Getriebeelement 20 ist permanent drehfest oder über einen nicht dargestellten Freilauf mit der Tretkurbelwelle 12 verbunden. Das mit Muskelkraft erzeugte Antriebsmoment kann so über das erste Getriebeelement 20 in das Getriebe 18 eingeleitet werden.
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Das Getriebe 18 ist dazu ausgebildet, ein Drehmoment von der Tretkurbelwelle 12 an einen Abtrieb 22 des Fahrradantriebs 10 schaltbar mit wenigstens einer ersten Übersetzungsstufe, welche einem ersten Gang entspricht, und einer zweiten Übersetzungsstufe, welches einem zweiten Gang entspricht, zu übertragen. Das in 3 gezeigte komplexere Getriebe 18 kann weitere Übersetzungsstufen bereitstellen. Der Abtrieb 22 des Fahrradantriebs 10 wird durch ein Ritzel gebildet und ist mit einer Nabe eines Hinterrads des Fahrrads mechanisch wirkverbunden, in der veranschaulichten Ausführungsform mittels einer Fahrradkette.
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Das Getriebe 18 weist ein zweites Getriebeelement 24 in Form eines Zahnrads auf. Zudem weist das Getriebe 18 ein Schaltelement 26 auf. Das in 3 gezeigte komplexere Getriebe 18 weist weitere Schaltelemente zum Bereitstellen jeweiliger zugeordneter Übersetzungsstufen auf. Das Schaltelement 26 ist dazu ausgebildet, das zweite Getriebeelement 24 mit dem ersten Getriebeelement 20 drehfest zu verbinden. Dazu wird das Schaltelement 26 in den geschlossenen Zustand verstellt, um so den zweiten Gang als Übersetzungsstufe einzulegen. Das mit Muskelkraft erzeugte Antriebsmoment kann so von der Tretkurbel 12 über das erste Getriebeelement 20 an das zweite Getriebeelement 24 übertragen werden.
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Das zweite Getriebeelement 24 bildet mit einem an einer Zwischenwelle 28 permanent drehfest verbundenen weiteren Zahnrad 30 eine Stirnradstufe. Eine weitere Stirnradstufe mit weiteren Zahnrädern 32, 34 überträgt das Drehmoment im zweiten Gang an eine Abtriebswelle 36. Die Abtriebswelle 36 ist permanent drehfest mit dem Abtrieb 22 verbunden und bildet diesen somit mit aus. In dem zweiten Gang wird als das durch Muskelkraft erzeugte Antriebsmoment über zwei Stirnradstufe des Getriebes 18 an den Abtrieb 22 übertragen.
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Um den ersten Gang als Übersetzungsstufe einzulegen, kann bei dem komplexeren Getriebe 18 gemäß 3 ein anderes Schaltelement geschlossen werden und das Schaltelement 26 geöffnet werden. Bei dem in 2 gezeigten Getriebe 18 wird das Schaltelement 26 so betätigt, dass die Verbindung zwischen dem ersten Getriebeelement 20 und dem zweiten Getriebeelement 24 gelöst wird. Diese Verbindung wird also bei dem Schaltelement 26 geöffnet. Das Schaltelement 26 wird dann so verstellt, dass das erste Getriebeelement 20 mit der Abtriebswelle 36 als drittes Getriebeelement drehfest verbunden wird. In dem ersten Gang wird als das durch Muskelkraft erzeugte Antriebsmoment ohne Stirnradstufen des Getriebes 18 an den Abtrieb 22 übertragen. Die Übersetzung ist im ersten Gang des Getriebes 18 kleiner als im zweiten Gang.
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Weiterhin weist der Fahrradantrieb 10 einen elektrischen Antriebsmotor 38 auf. Der Antriebsmotor 38 ist mit einer weiteren Stirnradstufe 40 mit dem Abtrieb 22 permanent mechanisch wirkverbunden, wobei in weiteren Ausführungsformen eine aktiv und alternativ oder zusätzlich selbsttätig schaltbare Verbindung zu dem Abtrieb 22 vorgesehen ist. Der Antriebsmotor 38 kann eine elektrische Energie in eine motorisch bereitgestellte Antriebskraft wandeln, welche ebenfalls an den Antrieb 22 übertragen wird und den Fahrer des Fahrrads beim Antreiben des Fahrrads unterstützen kann.
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Sofern beispielsweise von dem zweiten Gang in den ersten Gang gewechselt werden soll, kann der Fahrer einen entsprechenden Schalthebel zum Verstellen des Schaltelements 26 betätigen. Es ergibt sich eine Schaltstufenwechselanforderung. Sofern an dem Schaltelement 26 jedoch weiter eine Last anliegt, beispielsweise weil der Fahrer weiterhin fest in die Pedale 16 tritt, können jeweilige Reaktionskräfte jedoch ein Lösen der Verbindung des ersten Getriebeelements 20 mit dem zweiten Getriebeelement 24 durch das Schaltelement 26 blockieren. Entsprechend kommt es nicht oder nur verspätet zu einem Gangwechsel, was für den Fahrer unangenehm sein kann.
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Um dies zu verhindern, weist der Fahrradantrieb 10 eine Steuervorrichtung 42 auf, welche eine Antriebskraft des Antriebsmotors 38 steuert. Der Fahrradantrieb 10 ist zudem dazu ausgebildet, mit einem in 1 veranschaulichten Verfahren betrieben zu werden.
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In einem ersten Schritt 44 wird die Schaltstufenwechselanforderung, also bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel die Betätigung des Schalthebels, durch die Steuervorrichtung 42 erfasst. Die Steuervorrichtung 42 steuert in einem zweiten Schritt 46 den Antriebsmotor 38 in Abhängigkeit von der erfassten Schaltstufenwechselanforderung, um eine an dem Schaltelement 26 anliegende Last zu reduzieren. Beispielsweise wird eine Rotation einer Abtriebswelle 48 des Antriebsmotors 38 beschleunigt gegenüber einer Rotation vor Erfassen der Schaltstufenwechselanforderung. Dadurch kann eine Last an dem Schaltelement 26 reduziert werden, indem das zweite Getriebeelement 24 nun trotz weiteren Tretens des Fahrers in die Pedale 16 annähernd so schnell dreht oder sogar schneller dreht wie das erste Getriebeelement 20. Dadurch werden jeweilige Reaktionskräfte an dem Schaltelement 26 reduziert und die Verbindung des ersten Getriebeelements 20 mit dem zweiten Getriebeelement 24 kann zuverlässig durch das Schaltelement 26 gelöst werden.
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Die Steuerung des Antriebsmotors 38 in Abhängigkeit von der erfassten Schaltstufenwechselanforderung, um eine an dem Schaltelement 26 anliegende Last zu reduzieren, erfolgt in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel für eine vorgegebene Zeitdauer. Anschließend wird der Antriebsmotor 38 wieder mit einem normalen Modus gesteuert, welcher beispielsweise die Motorunterstützung beim Antreiben des Fahrrads in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Tretkurbelwelle 12 und optional einem eingelegten Gang sowie weiter optional einer Unterstützungsstufe steuert. Das Verfahren gemäß 1 wird in einer anderen Ausführungsform nur zur Steuerung des Antriebsmotors 38 genutzt, sofern das Fahrrad rein mit Muskelkraft angetrieben werden soll.
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In den 3, 4 und 5 ist gezeigt, dass das erste Getriebeelement 24 eine Außenverzahnung an der Welle aufweist. Koaxial mit der Welle sind jeweilige weitere Getriebeelemente axial nebeneinander angeordnet, darunter auch das zweite Getriebeelement 26. Das Schaltelement 26 ist als formschlüssige Sperrklinke ausgebildet, was gut in 6 und 7 zu erkennen ist.
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Das Schaltelement 26 weist eine Scheibe 50 auf, durch deren Betätigung eine Klinke 52 in Eingriff mit der Verzahnung des ersten Getriebeelements 24 gebracht wird. Der Zustand mit Eingriff und damit die Verbindung zur Drehmomentübertragung zwischen dem ersten Getriebeelement 20 und dem zweiten Getriebeelement 24 ist in 7 gezeigt. Der offene Zustand ohne Eingriff und damit ohne Verbindung zur Drehmomentübertragung zwischen dem ersten Getriebeelement 20 und dem zweiten Getriebeelement 24 ist in 6 gezeigt.
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In 7 ist eine Reaktionskraft 56 veranschaulicht, welche auf die Klinke 52 wirkt und wie oben beschrieben das Verstellen in den offenen Zustand verhindern kann. Eine Feder 54 des Schaltelement 26 hat dann nicht mehr ausreichend Federkraft, die Klinke 52 vom Eingriff zu lösen. Entsprechend dem Verfahren gemäß 1 kann der Antriebsmotor 38 derart gesteuert werden, dass das Schaltelement 26 nicht mehr unter so hoher Last steht, dass die Feder 54 den Eingriff nicht lösen kann.
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In einer anderen Ausführungsform leitet der Antriebsmotor 38 seine Antriebskraft im Drehmomentfluss tretkurbelseitig in den Fahrradantrieb 10 ein, indem der Antriebsmotor 38 mit der Tretkurbelwelle 12 oder dem ersten Getriebeelement 20 mechanisch wirkverbunden ist. Zur Lastreduktion an dem Schaltelement 26 wird dann nicht mehr das zweite Getriebeelement 24 mit dem Antriebsmotor 38 beschleunigt, sondern das erste Getriebeelement 20 gebremst.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrradantrieb
- 12
- Tretkurbelwelle
- 14
- Tretkurbel
- 16
- Pedal
- 18
- Getriebe
- 20
- erstes Getriebeelement
- 22
- Abtrieb
- 24
- zweites Getriebeelement
- 26
- Schaltelement
- 28
- Zwischenwelle
- 30
- Zahnrad
- 32
- Zahnrad
- 34
- Zahnrad
- 36
- Abtriebswelle
- 38
- elektrischer Antriebsmotor
- 40
- Stirnradstufe
- 42
- Steuervorrichtung
- 44
- erster Schritt
- 46
- zweiter Schritt
- 48
- Abtriebswelle des Antriebsmotors
- 50
- Scheibe
- 52
- Klinke
- 54
- Feder
- 56
- Reaktionskraft
