DE102021211737B3

DE102021211737B3 - Tretlagerantrieb, Fahrradtretlager, Elektrofahrrad sowie Verfahren zum Antrieb des Elektrofahrrades

Info

Publication number: DE102021211737B3
Application number: DE102021211737.6A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schraff
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-10-18
Filing date: 2021-10-18
Publication date: 2023-02-09
Anticipated expiration: 2041-10-19

Abstract

Tretlagerantrieb (1) für ein Fahrradtretlager eines Elektrofahrrades (4), umfassend einen Antriebsmotor (2) und ein Getriebe (3), wobei das Getriebe wenigstens einen Planetenradsatz (5) mit mehreren Radsatzelementen aufweist, wobei ein erstes Radsatzelement (6) des ersten Planetenradsatzes zumindest mittelbar mit einer Tretkurbelwelle (9) verbunden ist, wobei ein zweites Radsatzelement (7) des ersten Planetenradsatzes zumindest mittelbar mit einer Ritzelwelle (10) eines Ritzels (11) verbunden ist, wobei ein drittes Radsatzelement (8) des ersten Planetenradsatzes zumindest mittelbar ortsfest festgesetzt oder festsetzbar ist, wobei zwischen der Tretkurbelwelle und einem der Radsatzelemente des ersten Planetenradsatzes ein Freilauf (12) wirksam angeordnet und dazu eingerichtet ist, die Tretkurbelwelle und das jeweilige Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes zumindest mittelbar miteinander zu koppeln und voneinander zu entkoppeln, wobei der Freilauf (12) zur Rekuperation eingerichtet ist, wobei der Tretlagerantrieb ferner Mittel zur Zustandserfassung des Elektrofahrrades aufweist, die entsprechende Signale an eine Steuereinheit (13) senden, wobei die Steuereinheit in Abhängigkeit des Zustandes des Elektrofahrrades sowie bei Annäherung an eine eingestellte oder einstellbare maximale Geschwindigkeit einen Bremsvorgang durch Rekuperation einleitet. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrradtretlager (26) mit einem solchen Tretlagerantrieb sowie ein Elektrofahrrad.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tretlagerantrieb für ein Fahrradtretlager, umfassend einen Antriebsmotor und ein Getriebe, wobei das Getriebe wenigstens einen ersten Planetenradsatz mit mehreren Radsatzelementen aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Antrieb eines Elektrofahrrades, ein Fahrradtretlager sowie ein Elektrofahrrad.
Aus der DE 10 2009 045 447 A1 geht ein Elektrofahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb hervor, umfassend einen Elektromotor und eine Batterie, die zur Speicherung elektrischer Energie mit dem Elektromotor verbunden ist. Ferner ist ein Kurbeltrieb mit Tretkurbeln vorgesehen, die an einer Tretkurbelwelle befestigt sind und die um eine Kurbelachse drehbar angeordnet ist. Ein Planetengetriebe ist außerdem zum Antrieb des Elektrofahrrades sowohl durch den Elektromotor als auch durch Muskelkraft eines Fahrers vorgesehen, wobei das Planetengetriebe und der Elektromotor um die Tretkurbelwelle des Kurbeltriebs angeordnet sind.
Aus DE 10 2020 202 996 A1 ist eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Rades eines Fahrrads bekannt.
Aus DE 10 2019 214 583 A1 ist ein Tretlagerantrieb für ein Fahrradtretlager bekannt.
Aus DE 102019 109 419 A1 ist eine Steuervorrichtung für ein Fahrrad bekannt.
Aus WO 2018/ 226 095 A1 ist ein Getriebe für ein Fahrrad bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, einen Tretlagerantrieb dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine Rekuperation bei gleichzeitig kompakter Bauweise möglich ist. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1 sowie durch die Gegenstände von Patentanspruch 7, 11 und 12. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Nach einem ersten Erfindungsaspekt umfasst ein erfindungsgemäßer Tretlagerantrieb für ein Fahrradtretlager eines Elektrofahrrades einen Antriebsmotor und ein Getriebe, wobei das Getriebe wenigstens einen Planetenradsatz mit mehreren Radsatzelementen aufweist, wobei ein erstes Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes zumindest mittelbar mit einer Tretkurbelwelle verbunden ist, wobei ein zweites Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes zumindest mittelbar mit einer Ritzelwelle eines Ritzels verbunden ist, wobei ein drittes Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes zumindest mittelbar ortsfest festgesetzt oder festsetzbar ist, wobei zwischen der Tretkurbelwelle und einem der Radsatzelemente des ersten Planetenradsatzes ein Freilauf wirksam angeordnet und dazu eingerichtet ist, die Tretkurbelwelle und das jeweilige Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes zumindest mittelbar miteinander zu koppeln und voneinander zu entkoppeln, wobei der Freilauf dazu eingerichtet ist, zur Rekuperation eine kinematische Energie aus dem Ritzel zu entkoppeln, wobei der Tretlagerantrieb ferner Mittel zur Zustandserfassung des Elektrofahrrades aufweist, die den Zustand des Elektrofahrrades betreffende Signale an eine Steuereinheit senden, wobei die Steuereinheit in Abhängigkeit des Zustandes des Elektrofahrrades sowie bei Annäherung an eine eingestellte oder einstellbare maximale Geschwindigkeit einen Bremsvorgang durch Rekuperation einleitet.
Unter Elektrofahrrad kann hierbei ein E-Bike, ein Pedelec, ein S-Pedelec, ein Lastenfahrrad, ein Cargobike, etc. verstanden werden.
Der Antriebsmotor kann sowohl in einem Zugbetrieb als Motor aber auch als Generator in einem Schubbetrieb oder Generatorbetrieb betrieben werden, wobei der Zugbetrieb elektrischer Energie bedarf und der Schubbetrieb elektrische Energie erzeugt. Die benötigte beziehungsweis erzeugte elektrische Energie wird vorzugsweise in einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere in einer Batterie oder einem Akkumulator, eingespeist und vorgehalten.
Der Tretlagerantrieb ist insbesondere in einem Gehäuse eingehaust, wobei das Gehäuse in einem erfindungsgemäßen Fahrradtretlager angeordnet ist. Die Tretkurbelwelle verbindet zwei Pedale des Elektrofahrrades zumindest mittelbar miteinander, die auf gegenüberliegenden Seiten des Tretlagerantriebs angeordnet sind. Die Tretkurbelwelle kann dazu durch eine durch den Tretlagerantrieb hindurchgeführte Hohlwelle geführt sein, wobei an beiden Enden der Tretkurbelwelle je ein Pedal in bekannter Weise wirksam angeordnet ist. Die Tretkurbelwelle kann alternativ auch als zylindrischer Bolzen ausgebildet sein.
Das Getriebe ist als Umlaufrädergetriebe, insbesondere als Planetengetriebe, ausgebildet, das einen Planetenradsatz, vorzugsweise zwei Planetenradsätze, bevorzugt mehr als zwei Planetenradsätze aufweist. Unter einem „Planetenradsatz“ ist insbesondere eine Einheit mit einem Sonnenrad, einem Hohlrad und mit mehreren von einem Planetenträger auf einer Kreisbahn um das Sonnenrad geführten Planetenrädern zu verstehen. Vorteilhafterweise weist der jeweilige Planetenradsatz genau ein Standübersetzungsverhältnis auf. Mit anderen Worten sind das Sonnenrad, das Hohlrad sowie der Planetenträger als Radsatzelemente des jeweiligen Planetenradsatzes zu verstehen. Dabei kann die Nummerierung der Radsatzelemente dem jeweiligen Bauteil Sonnenrad, Hohlrad und Planetenträger je nach Ausbildung des Getriebes beliebig zugeordnet werden. Mittels des Getriebes ist jedenfalls ein Übersetzungsverhältnis für den Antrieb einstellbar. Je eines der Radsatzelemente des wenigsten ersten Planetenradsatzes bildet den Eingang, den Ausgang und ein ortsfest festgesetztes Element des Getriebes.
Der Freilauf ist bevorzugt im Übergangsbereich zwischen der Tretkurbelwelle und einem der Pedale angeordnet. Der Freilauf kann sowohl formschlüssig als auch reibschlüssig ausgeführt sein, d.h. eine Drehmomentübertragung durch den Freilauf kann durch eine Vielzahl von Sperrkörper erfolgen, die beispielsweise einen Innenring und einen Außenring des Freilaufs kraftschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbinden können. Ein Freilauf kann sich insbesondere dadurch auszeichnen, dass er jeweils in einer Richtung ein Drehmoment übertragen kann und in der entgegengesetzten Richtung nicht. Auf die Drehzahl bezogen bedeutet dies, dass eine Seite schneller drehen kann als die andere.
Unter einem Freilauf ist somit insbesondere eine Kupplung zu verstehen, welche lediglich in einer Drehrichtung Drehmomente überträgt. Handelt es sich beispielsweise um einen Freilauf, der einseitig sperrt, ist eine Verdrehung einer radial inneren ersten Komponente (zum Beispiel die Verdrehung eines Innenrings des Freilaufs), und einer radial äußeren Komponente (zum Beispiel die Verdrehung eines Außenrings des Freilaufs) um eine gemeinsame Drehachse relativ zueinander in einer ersten Drehrichtung möglich, in einer zweiten Drehrichtung, welche der ersten Drehrichtung entgegengesetzt ist, jedoch nicht. Mithin ist mittels des Freilaufs die Tretkurbelwelle und das jeweilige Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes zumindest mittelbar miteinander koppelbar sowie voneinander entkoppelbar.
Der Innenring des Freilaufs kann beispielsweise drehfest mit der Tretkurbelwelle des Pedals verbunden sein. Der Außenring des wenigstens einen Freilaufs kann demgegenüber zumindest mittelbar mit einem der Radsatzelemente, insbesondere mit dem Sonnenrad, und/oder mit einem drehangetriebenen Bauteil des Antriebsmotors verbunden sein. Alternativ kann der Innenring auch zumindest mittelbar mit der Radsatzelemente, insbesondere dem Sonnenrad, und/oder mit einem drehangetriebenen Bauteil des Antriebsmotors verbunden sein, wobei der Außenring drehfest mit der Tretkurbelwelle des Pedals verbunden sein kann.
Vorzugsweise ist der Antriebsmotor als Elektromotor beziehungsweise als elektrische Maschine ausgebildet, der einen gehäusefesten Stator und einen auf einer drehbaren Rotorwelle innerhalb des Stators angeordneten Rotor, umfasst. In diesem Fall kann der Innenring des Freilaufs mit dem Rotor des Elektromotors verbunden sein, wobei der Stator stationär am Gehäuse festgesetzt ist. Auf diese Weise kann ein Drehmoment von der manuell drehangetriebenen Tretkurbelwelle über den Innenring, die Sperrkörper und den Außenring des Freilaufs auf das jeweilige mit der Tretkurbelwelle zumindest mittelbar verbundenen Radsatzelement und/oder auf den Rotor des Elektromotors übertragen werden, wenn sich die Sperrkörper in ihrer sperrenden ersten Stellung befinden. Andererseits ist der Freilauf dazu eingerichtet, zu verhindern, dass ein Drehmoment von dem jeweiligen Radsatzelement oder dem Rotor des Antriebsmotors über den Außenring, die Sperrkörper und den Innenring des Freilaufs auf die Tretkurbelwelle übertragen wird.
Unter dem Begriff „zumindest mittelbar“ ist zu verstehen, dass zwei Bauteile über mindestens ein weiteres Bauteil, das zwischen den beiden Bauteilen angeordnet ist, miteinander (wirk-)verbunden sind oder direkt und somit unmittelbar miteinander verbunden sind. Mithin können zwischen dem Freilauf und dem jeweiligen Radsatzelement noch weitere Bauteile angeordnet sein, die mit dem Freilauf beziehungsweise dem jeweiligen Radsatzelement wirkverbunden sind.
Unter dem Begriff „wirkverbunden“ ist eine nicht schaltbare Verbindung zwischen zwei Bauteilen zu verstehen, welche zu einer permanenten Übertragung einer Antriebsleistung, insbesondere einer Drehzahl und/oder eines Drehmoments, vorgesehen ist. Die Verbindung kann dabei sowohl direkt oder über eine Festübersetzung erfolgen. Die Verbindung kann beispielsweise über eine feste Welle, eine Verzahnung, insbesondere eine Stirnradverzahnung, und/oder ein Umschlingungsmittel erfolgen.
Der Freilauf ist dazu eingerichtet, eine kinematische Energie aus dem Ritzel zu entkoppeln, wobei die kinematische Energie zur Rekuperation nutzbar ist. Anders gesagt ermöglicht der Freilauf eine Rekuperation des Tretlagerantriebs, wobei die Tretkurbelwelle über den Freilauf von der kinematischen Energie des Elektrofahrrades entkoppelt wird und diese kinematische Energie somit zur Energierückgewinnung verwendbar ist. Mithin kann elektrische Energie rückgewonnen werden, die im Schubbetrieb des Elektrofahrrades erzeugt und in den Energiespeicher eingespeist und dort gespeichert beziehungsweise vorgehalten wird. Insbesondere kann elektrische Energie gewonnen werden, wenn die Steuereinheit entsprechende Signale der Mittel zur Zustandserfassung des Elektrofahrrades empfängt, und eine entsprechende rekuperationsgestützte Verzögerung des Elektrofahrrades, insbesondere bei einer Bergabfahrt, einleitet, sodass eine eingestellte maximale Geschwindigkeit nicht überschritten wird. Dadurch werden die Sicherheit und der Fahrkomfort des Elektrofahrrades gesteigert. Zudem kann sich der Fahrer besser auf das Umfeld, den Verkehr und den befahrenen Untergrund konzentrieren und schneller auf entsprechende Änderungen oder plötzlich auftretende Ereignisse reagieren.
Unter einer Entkopplung mittels des Freilaufs ist die antriebstechnische Trennung der Tretkurbelwelle vom Getriebe zu verstehen. Im entkoppelten Zustand ist somit keine Antriebsleistung auf das jeweilige Radsatzelement des Getriebes übertragbar.
Zur Verwirklichung der Rekuperation kann der Antriebsmotor im Generatorbetrieb die Rotationsgeschwindigkeit beziehungsweise die Drehzahl des Ritzels beziehungsweise des Rotors reduzieren beziehungsweise verzögern, wobei infolgedessen elektrische Energie gewonnen wird, die in den Energiespeicher eingespeist und gespeichert wird.
Die für die Erkennung des Fahrradzustandes erforderlichen Informationen werden der Steuereinheit über die Mittel zur Zustandserfassung bereitgestellt. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Sensoren, insbesondere zumindest einen Sensor zur Erfassung einer Neigung des Elektrofahrrades relativ zu einer Horizontalen, einen Geschwindigkeitssensor, einen Drehzahlsensor und/oder einen Standortsensor. Die Sensoren sind beispielsweise am Rad oder am Rahmen des Elektrofahrrades wirksame angeordnet. Zudem können die Informationen über weitere Informationsquellen erfasst und bereitgestellt werden, insbesondere durch Smartphones. Ferner sind auch weitere Sensoren denkbar, beispielsweise eine Pedaltritterkennung, die erfasst, ob der Fahrradfahrer in die Pedale tritt oder nicht.
Ein Sensor zur Erfassung einer Neigung des Elektrofahrrades kann erfassen, ob sich das Elektrofahrrad in einer Bergabfahrt, in einer Bergauffahrt oder in der Ebene, also in der Horizontalen, befindet. Mittels der genannten Sensoren kann ebenfalls festgestellt werden, ob das Elektrofahrrad steht, ob es mit konstanter Geschwindigkeit fährt oder ob es beschleunigt oder abbremst. Beispielsweise wenn erkannt wird, dass sich das Elektrofahrrad in einer Bergabfahrt befindet, und gleichzeitig festgestellt wird, dass der Fahrradfahrer nicht mehr in die Pedale tritt, kann die Steuereinheit die Steuerung des Antriebs auf die maximale so gewählte Geschwindigkeit einleiten und ausführen.
Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, zum einen die von den Mitteln der Zustandserfassung erfassten und bereitgestellten Sensordaten zu empfangen und zu verarbeiten und zum anderen den Tretlagerantrieb, insbesondere den Antriebsmotor, derart zu steuern und zu regeln, dass Einfluss auf die Geschwindigkeit des Elektrofahrrades genommen werden kann. Ist eine maximale Geschwindigkeit vorab eingestellt oder durch den Fahrer entsprechend manuell ausgewählt, regelt die Steuereinheit den Antrieb derart, dass die maximale Geschwindigkeit im Wesentlichen gehalten wird. Außerdem regelt die Steuereinheit den Antrieb derart, dass das Elektrofahrrad verzögert, wenn sich die aktuelle Geschwindigkeit oberhalb der maximalen Geschwindigkeit befindet.
Die maximale Geschwindigkeit ist vorzugsweise in der Steuereinheit voreingestellt. Anders gesagt ist eine maximale Geschwindigkeit vorab in der Steuereinheit hinterlegt, wobei diese Vorgabe insbesondere bei einer Bergabfahrt des Elektrofahrrades aktiviert wird. Die Steuereinheit steuert und regelt den Antrieb sodann derart, dass die maximale Geschwindigkeit nicht überschritten wird und dass ein Verzögern des Elektrofahrrades mittels Rekuperation erfolgt, bis die maximale Geschwindigkeit erreicht ist. Der Tretlagerantrieb wird durch die Steuereinheit derart gesteuert, dass insbesondere kurz vor Erreichen der maximalen Geschwindigkeit das System selbstständig zu bremsen beginnt, und zwar mittels Rekuperation. Ergänzend kann auch ein Brake-by-Wire-System des Elektrofahrrades angesteuert werden, um ein Verzögern des Elektrofahrrades durch dessen Betriebsbremsen zu unterstützen. Die vorab eingestellte maximale Geschwindigkeit kann ferner durch den Fahrer manuell geändert werden. In diesem Sinn ist die maximale Geschwindigkeit durch einen Fahrer des Elektrofahrrades frei einstellbar.
Mittels des hier beschriebenen Tretlagerantriebs wird insbesondere eine Bergabfahrhilfe für die Mikromobilität vorgeschlagen und geschaffen, sodass insbesondere Lastenräder oder Elektrofahrräder mit Lastenanhängern sicher und komfortabel nutzbar sind.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, bei Erreichen der eingestellten maximalen Geschwindigkeit die maximale Geschwindigkeit im Wesentlichen zu halten. Unter dem Wortlaut „die maximale Geschwindigkeit im Wesentlichen halten“ ist zu verstehen, dass die Steuereinheit den Antrieb ständig nachregelt, insbesondere wenn sich die aktuelle Geschwindigkeit durch eine sich ändernde Topologie ändert, beispielsweise bei einer Bergabfahrt. Es kann eine Art Hysterese realisiert werden, wobei die Steuereinheit die aktuelle Geschwindigkeit des Elektrofahrrades, insbesondere wenn sie größer ist als die maximale Geschwindigkeit, durch entsprechende Ansteuerung des Antriebs herunterregelt. Mithin wird ein Einpendeln der aktuellen Geschwindigkeit auf die maximale Geschwindigkeit realisiert.
Bevorzugt ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die maximale Geschwindigkeit so lange im Wesentlichen zu halten, bis sich der Zustand des Elektrofahrrades in einen eine maximale Geschwindigkeit nicht erfordernden Zustand des Elektrofahrrades ändert. Beispielsweise wenn durch die Mittel zur Zustandserkennung erkannt wird, dass sich das Elektrofahrrad nicht mehr in einer Bergabfahrt befindet, die eine maximale Geschwindigkeit des Elektrofahrrades erfordert, kann die Vorgabe zum Einhalten der maximalen Geschwindigkeit deaktiviert werden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das System eine Geradeausfahrt oder Bergauffahrt des Elektrofahrrades erkennt und/oder wenn das System erkennt, dass der Fahrradfahrer wieder begonnen hat, in die Pedale zu treten und somit eine Antriebsleistung über die Tretkurbelwelle in den Tretlagerantrieb einleitet.
Vorzugsweise weist das Getriebe wenigstens einen zweiten Planetenradsatz mit mehreren Radsatzelementen auf, wobei zwei der Radsatzelemente des zweiten Planetenradsatzes mit jeweils einem der Radsatzelemente des ersten Planetenradsatzes drehfest verbunden sind, wobei ein drittes Radsatzelement des zweiten Planetenradsatzes zumindest mittelbar mit der Ritzelwelle verbunden ist. Der zweite Planetenradsatz ist im Kraftfluss zwischen dem ersten Planetenradsatz und dem Abtrieb beziehungsweise dem Ritzel angeordnet und ist dazu vorgesehen, eine Übersetzung des Antriebs einzustellen. Auch drei oder mehr Planetenradsätze sind denkbar. Außerdem ist denkbar, dass einzelne Radsatzelemente mit anderen Radsatzelementen oder mit dem Getriebegehäuse wahlweise koppelbar beziehungsweise drehfest verbindbar sind, um beispielsweise mehrere Gangstufen zu realisieren.
Nach einem Ausführungsbeispiel umfasst der Tretlagerantrieb ferner eine Bedieneinheit zur Einstellung von den Antrieb des Elektrofahrrades betreffenden Funktionen und/oder zur Navigation und Konfiguration von die Funktionen des Antriebs betreffenden Menüpunkten. Die Bedieneinheit kann ein Touch-Display und/oder Drucktasten umfassen, mit denen die jeweiligen Eingabebefehle erzeugbar sind. Die Bedieneinheit ist elektronisch mit der Steuereinheit verbunden und ist insbesondere vorgesehen, eine maximale Geschwindigkeit für das Elektrofahrrad einzustellen. Über die Bedieneinheit können ferner eine Gangstufe, eine Rekuperationsstufe oder eine Antriebsleistung eingestellt werden.
Unter dem Begriff „bedienen“ ist insbesondere zu verstehen, dass der Fahrradfahrer durch eine manuelle Einflussnahme auf die Bedieneinheit beliebig bestimmen kann, in welchem Umfang eine Unterstützung oder Übernahme des Antriebs durch den Antriebsmotor erfolgen soll. Mit anderen Worten kann der Fahrradfahrer bestimmen, mit welchem Drehmoment, mit welcher Drehzahl, in welcher Gangstufe und/oder mit welcher Rekuperationsleistung der Antrieb Elektrofahrrades erfolgen soll.
Vorzugsweise umfasst der Tretlagerantrieb eine Anzeigeeinheit, wobei die Anzeigeeinheit zur Darstellung von den Antrieb des Elektrofahrrades betreffenden Funktionen ausgebildet ist. Die Anzeigeeinheit kann ein Menü darstellen, durch das der Fahrer über die Bedieneinheit navigieren kann.
Über die Bedieneinheit kann ebenfalls die Deaktivierung der maximalen Geschwindigkeitsvorgabe erfolgen, insbesondere indem der Fahrradfahrer eine Anforderung einer Motorunterstützung tätigt oder indem er die Geschwindigkeitsbegrenzung manuell deaktiviert.
Nach einem Ausführungsbeispiel umfasst die Anzeigeeinheit wenigstens ein Leuchtelement. Das Leuchtelement ist insbesondere dazu vorgesehen, visuell anzuzeigen, dass ein Bremsvorgang des Elektrofahrrades stattfindet oder eingeleitet wird. Das Leuchtelement ist beispielsweise als Rückleuchte des Elektrofahrrades eingerichtet.
Nach einem zweiten Erfindungsaspekt werden in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Antrieb eines Elektrofahrrades durch Mittel zur Zustandserfassung des Elektrofahrrades den Zustand des Elektrofahrrades betreffende Signale an eine Steuereinheit gesendet, die in Abhängigkeit des Zustandes des Elektrofahrrades sowie bei Annäherung an eine eingestellte oder einstellbare maximale Geschwindigkeit einen Bremsvorgang durch Rekuperation einleitet. Die maximale Geschwindigkeit ist vorab eingestellt. Alternativ oder ergänzend wird eine gewünschte maximale Geschwindigkeit durch eine Bedieneinheit in der Steuereinheit eingestellt.
Bevorzugt wird die eingestellte maximale Geschwindigkeit im Schubbetrieb und im Zugbetrieb des Tretlagerantriebs im Wesentlichen gehalten. Mit anderen Worten wird ein Geschwindigkeitsbegrenzer realisiert. Das bedeutet, dass sowohl im Zug wie auch im Schub eine definierte Geschwindigkeit nicht überschritte werden kann. Insbesondere kann der Tretlagerantrieb derart ausgelegt sein, dass bei aktiviertem Geschwindigkeitsbegrenzer beziehungsweise bei aktivierter maximaler Geschwindigkeit auch ein Treten der Pedale keine Geschwindigkeitserhöhung über die maximale Geschwindigkeit bewirkt, da das System durch Rekuperation den Antrieb runterregelt.
Ein erfindungsgemäßes Fahrradtretlager umfasst einen Tretlagerantrieb gemäß der vorher beschriebenen Art, wobei die Tretkurbelwelle des Tretlagerantriebs zumindest mittelbar drehfest mit Pedalen des Fahrradtretlagers verbunden ist. Das Fahrradtretlager ist dazu ausgebildet, mit einem Hinterrad eines erfindungsgemäßen Elektrofahrrades zum Antrieb des Elektrofahrrades zusammenzuwirken. Ein solches Elektrofahrrad umfasst zumindest ein Vorder- und zumindest ein Hinterrad, wobei das jeweilige Hinterrad mit dem Fahrradtretlager wirkverbunden ist.
Das Vorderrad und/oder das Hinterrad können beispielsweise über eine Kette oder einen Riemen mit dem Ritzel des Tretlagerantriebs wirkverbunden sein. Das Ritzel ist entsprechend als Kettenritzel oder als Riemenritzel ausgebildet. Das Kettenritzel ist insbesondere als ein- oder mehrstufiges Kettenrad oder Kettenradscheibe ausgebildet, ist drehfest mit der Ritzelwelle verbunden und weist eine Außenverzahnung auf. Das Kettenritzel ist Teil eines Kettengetriebes beziehungsweise eines Zugmittelgetriebes und überträgt Drehkräfte mit festem oder wechselbarem Übersetzungsverhältnis über eine Kette an ein zweites ein- oder mehrstufiges Kettenritzel an einem jeweiligen anzutreibenden Rad des Elektrofahrrades, um dieses Rad in eine Rotationsbewegung zu versetzen und somit das Elektrofahrrad in eine Fahrtrichtung anzutreiben oder einen manuellen (muskelbetriebenen) Antrieb über die Pedale zu unterstützen. Analog dazu kann ein Riemenritzel dazu ausgebildet sein, eine Drehkraft über einen Riemen auf ein zweites Riemenritzel am anzutreibenden Rad des Elektrofahrrades zu übertragen. Mithin sind die Riemenritzel Teil eines Riemengetriebes.
Das Elektrofahrrad kann ein rein elektromotorisch angetriebenes Fahrrad, also ein E-Bike, oder ein teilweise mit Muskelkraft und teilweise elektromotorisch angetriebenes Fahrrad, also ein Pedelec, sein.
Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bedieneinrichtung gelten sinngemäß ebenfalls für den erfindungsgemäßen Tretlagerantrieb, für das erfindungsgemäße Verfahren zum Antrieb des Elektrofahrrades, für das erfindungsgemäße Fahrradtretlager sowie für das erfindungsgemäße Elektrofahrrad, und umgekehrt.
Im Folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiden Figuren näher erläutert. Hierbei zeigt

1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Elektrofahrrades mit einem erfindungsgemäßen Fahrradtretlager und einem erfindungsgemäßen Tretlagerantriebgemäß einer bevorzugten Ausführungsform, und
2 eine stark vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Tretlagerantriebs gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Gemäß 1 ist ein Elektrofahrrad 4 dargestellt, umfassend ein an einem Rahmen 16 drehbar angeordnetes Vorderrad 24 und Hinterrad 25, wobei das Hinterrad 25 über eine Kette 15 mit einem im Tretlagerbereich angeordneten Fahrradtretlager 26 wirkverbunden ist, das einen Tretlagerantrieb 1 umfasst. Der Tretlagerantrieb 1 wird zum Antrieb des Elektrofahrrades 4 über eine - hier ebenfalls nicht gezeigte - Batterie mit elektrischer Energie versorgt, die in nicht näher beschriebener Weise in den Tretlagerantrieb 1 eingespeist wird. Zudem kann über den Tretlagerantrieb 1 elektrische Energie in die Batterie gespeist und dort vorgehalten werden.
Das Elektrofahrrad 4 umfasst ferner einen Lenker 17, an dem eine Bedieneinheit 22 sowie eine Anzeigeeinheit 23 angeordnet sind, die mit einer Steuereinheit 13 des Tretlagerantriebs 1 elektronisch verbunden sind. Im Bereich des Sattels ist ein Leuchtelement 14 angeordnet, das Teil der Anzeigeeinheit 23 ist und zur visuellen Darstellung vorgesehen ist, insbesondere wenn ein Bremsvorgang des Elektrofahrrades 4 stattfindet oder eingeleitet wird.
Das Fahrradtretlager 26 mit dem Tretlagerantrieb 1 ist in 2 exemplarisch dargestellt. Der Tretlagerantrieb 1 umfasst einen als Elektromotor ausgebildeten Antriebsmotor 2 und ein als Planetengetriebe ausgebildetes Getriebe 3. Der - hier nicht detaillierter dargestellte - Elektromotor umfasst vorliegend einen gehäusefesten Stator und einen auf einer drehbaren Rotorwelle innerhalb des Stators angeordneten Rotor. Das Getriebe 3 weist eine Planetenstufe mit einem Planetenradsatz 5 mit mehreren Radsatzelementen 6, 7, 8 auf. Planetenräder 27 des Planetenradsatzes 5 sind an einem Planetenträger 28 drehbar angeordnet und stehen mit einem Sonnenrad 29 sowie mit einem gehäusefesten Hohlrad 30 im Zahneingriff. Vorliegend sind das Sonnenrad 29 das erste Radsatzelement 6, der Planetenträger 28 das zweite Radsatzelement 7 und das Hohlrad 30 das dritte Radsatzelement 8 im Sinne dieser Erfindung. Je nach Ausgestaltung des Getriebes 3 können auch weitere Planetenradsätze vorgesehen sein, die wiederum Radsatzelemente aufweisen und die an die Radsatzelemente des ersten Planetenradsatzes oder mit weiteren Elementen des Tretlagergetriebes 3 wirkverbunden sind. Ferner kann die Zuordnung der Radsatzelemente 6 - 8 zum Sonnenrad 29, Hohlrad 30 und Planetenträger 28 angepasst werden
Eine mit einem Pedal 31 drehfest verbundene Tretkurbelwelle 9 ist mit einem Freilauf 12 wirkverbunden, der dazu ausgebildet ist, ein Drehmoment in einer ersten Drehrichtung der Tretkurbelwelle 9 zu übertragen und in einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung nicht zu übertragen. Anders gesagt ist der Freilauf 12 antriebseitig mit der Tretkurbelwelle 9 verbunden und dazu eingerichtet, die Tretkurbelwelle 9 und das Sonnenrad 29 des Getriebes 3 zumindest mittelbar miteinander zu koppeln und voneinander zu entkoppeln. Auf einer dem Pedal 31 gegenüberliegenden Seite des Tretlagerantriebs 1 ist ein weiteres - hier nicht gezeigtes - Pedal angeordnet, wobei die Tretkurbelwelle 9 beispielsweise über eine Hohlwelle oder einen Bolzen mit dem weiteren Pedal verbunden sein kann, sodass der muskelbetätigte Antrieb des Elektrofahrrades 4 in der üblichen Weise möglich ist.
Der Freilauf 12 ist antriebseitig mit dem Sonnenrad 29 wirkverbunden, sodass bei einer Drehmomentübertragung von der Tretkurbelwelle 9 eine Rotation des Sonnenrades 29 erfolgt, die wiederum über die Planetenräder 27 den Planetenträger 28 relativ zum ortsfesten Hohlrad 30 in eine Drehbewegung versetzt. Der Rotor des Antriebsmotors 2 ist drehfest mit dem Planetenträger 28 sowie mit einer Ritzelwelle 10 eines Ritzels 11 verbunden. Anders gesagt ist der Antriebsmotor 2 vorliegend axial zwischen dem Planetenträger 28 und der Ritzelwelle 10 angeordnet. Das hier als Kettenritzel ausgebildete Ritzel 11 überträgt Drehkräfte mittels der Kette 15 auf ein in 1 gezeigtes Ritzel 32 am Hinterrad 25 des Elektrofahrrades 4, um dieses drehanzutreiben. Der Antriebsmotor 2 stellt eine Antriebsleistung bereit, die auf die Ritzelwelle 10 übertragbar ist. Je nach Anordnung des Antriebsmotors 2 kann die Antriebsleistung auch über das Getriebe 3 auf die Ritzelwelle 10 übertragen werden. Der Freilauf 12 ist außerdem dazu eingerichtet, zur Rekuperation eine kinematische Energie aus dem Ritzel 11 zu entkoppeln.
Der Tretlagerantrieb 1 umfasst ferner Mittel zur Zustandserfassung des Elektrofahrrades 4, die den Zustand des Elektrofahrrades 4 betreffende Sensorsignale an die Steuereinheit 13 senden. Bei den Mitteln zur Zustandserfassung handelt es sich um verschiedene Arten von Sensoren. Nach 1 sind ein Sensor 18 zur Erfassung einer Neigung des Elektrofahrrades 4 relativ zu einer Horizontalen sowie ein Standortsensor 21 zur Bestimmung von beispielsweise GPS-Koordinaten des Elektrofahrrades 4 am Rahmen 16 des Elektrofahrrades 4 angeordnet. Außerdem sind ein Drehzahlsensor 20 zur Bestimmung einer Raddrehzahl des Vorderrades 24 sowie ein Geschwindigkeitssensor 19 zur Bestimmung einer aktuellen Geschwindigkeit des Elektrofahrrades 4 im Bereich der Aufnahme des Vorderrades 24 am Rahmen 16 angeordnet, wobei die Sensoren 18 - 21 mit der Steuereinheit 13 kommunizieren und Sensordaten betreffend den aktuellen Zustand, insbesondere den Neigungswinkel, die Position und die Geschwindigkeit des Elektrofahrrades 4, bereitstellen.
Die Steuereinheit 13 kann anhand der Sensordaten insbesondere feststellen, ob sich das Elektrofahrrad 4 in einer Bergabfahrt befindet und wie hoch die aktuelle Geschwindigkeit des Elektrofahrrades 4 ist. Ferner ist auf der Steuereinheit 13 eine maximale Geschwindigkeit des Elektrofahrrades 4 für Bergabfahrten hinterlegt. Bei einer Bergabfahrt kann die Steuereinheit 13 die Vorgabe der maximalen Geschwindigkeit aktivieren, wobei in Abhängigkeit des jeweiligen Zustandes des Elektrofahrrades 4 sowie bei Annäherung an eine eingestellte oder einstellbare maximale Geschwindigkeit ein Bremsvorgang durch Rekuperation unter Zuhilfenahme des Freilaufs 12 eingeleitet werden kann. Mithin erfolgt über die Steuereinheit 13 eine Steuerung und Regelung des Antriebsmotors 2 des Elektrofahrrades 4. Die Rekuperation ist im Schubbetrieb realisierbar, indem der Antriebsmotor 2 die Drehbewegung des Ritzels 11 beziehungsweise des Rotors des Antriebsmotors 2 verzögert. Die dadurch gewonnene elektrische Energie wird in einen - hier nicht gezeigten - Akkumulator gespeist und dort gespeichert, wobei die gespeicherte elektrische Energie für einen späteren Einsatz des Antriebsmotors 2 vorgehalten wird.
Die Steuereinheit 13 ist ferner dazu eingerichtet, bei Erreichen der eingestellten maximalen Geschwindigkeit die maximale Geschwindigkeit im Wesentlichen zu halten. Dabei erfolgt eine derartige Regelung des Antriebsmotors 2, dass sich die aktuelle Geschwindigkeit, die bei einer Bergabfahrt höher sein kann als die maximale Geschwindigkeit, an die maximale Geschwindigkeit annähert. Dabei pendelt sich die aktuelle Geschwindigkeit auf die maximale Geschwindigkeit ein. Ein solcher Antrieb ist insbesondere vorteilhaft, um die Fahrt für den Fahrradfahrer sicherer zu gestalten, da er durch Begrenzung der Geschwindigkeit eine bessere Kontrolle über das Elektrofahrrad 4 behält, insbesondere bei Bergabfahrt.
Stellt die Steuereinheit 13 fest, dass eine maximale Geschwindigkeit für den Antrieb des Elektrofahrrades 4 nicht mehr erforderlich ist, beispielsweise bei einer Fahrt in der Ebene oder bei einer Bergauffahrt, kann die Steuereinheit 13 die Vorgabe der maximalen Geschwindigkeit deaktivieren, sodass der Fahrradfahrer durch eigene Muskelkraft und/oder durch die Unterstützung des Antriebsmotors 2 mit beliebiger Geschwindigkeit fahren kann, auch oberhalb der hinterlegten maximalen Geschwindigkeit, deren Vorgabe in diesem Fall deaktiviert wird. In diesem Sinne ist die Steuereinheit 13 dazu eingerichtet, die maximale Geschwindigkeit so lange im Wesentlichen zu halten, bis sich der Zustand des Elektrofahrrades 4 in einen eine maximale Geschwindigkeit nicht erfordernden Zustand des Elektrofahrrades 4 ändert.
Die Steuereinheit 13 kann zudem derart eingerichtet sein, dass die eingestellte maximale Geschwindigkeit im Schubbetrieb sowie im Zugbetrieb des Tretlagerantriebs 1 im Wesentlichen gehalten wird. Damit kann die maximale Geschwindigkeit auch durch zusätzliches Treten in die Pedale 31 nicht überschritten werden, ob im Zug- oder im Schubbetrieb.
Über die Bedieneinheit 22 können unterschiedliche den Antrieb des Elektrofahrrades 4 betreffende Funktionen eingestellt werden. Außerdem kann durch ein Menü navigiert werden, wobei ferner über die Bedieneinheit 22 eine manuelle Einstellung einer maximalen Geschwindigkeit vorgenommen werden kann. Dies wird über die Anzeigeeinheit 23 für den Fahrer visualisiert. Mithin ist die maximale Geschwindigkeit durch einen Fahrer des Elektrofahrrades 4 frei einstellbar. Werksseitig und/oder mit jedem Fahrbeginn kann jedoch auch eine maximale Geschwindigkeit voreingestellt und auf der Steuereinheit 13 hinterlegt sein. Die Anzeigeeinheit 23 ist ferner zur Darstellung von den Antrieb des Elektrofahrrades 4 betreffenden Funktionen ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Tretlagerantrieb
2: Antriebsmotor
3: Getriebe
4: Elektrofahrrad
5: Planetenradsatz
6: Erstes Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes
7: Zweites Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes
8: Drittes Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes
9: Tretkurbelwelle
10: Ritzelwelle
11: Ritzel
12: Freilauf
13: Steuereinheit
14: Leuchtelement
15: Kette
16: Rahmen
17: Lenker
18: Sensor zur Erfassung einer Neigung des Elektrofahrrades
19: Geschwindigkeitssensor
20: Drehzahlsensor
21: Standortsensor
22: Bedieneinheit
23: Anzeigeeinheit
24: Vorderrad
25: Hinterrad
26: Fahrradtretlager
27: Planetenrad
28: Planetenträger
29: Sonnenrad
30: Hohlrad
31: Pedal
32: Ritzel am Hinterrad des Elektrofahrrades

Claims

Tretlagerantrieb (1) für ein Fahrradtretlager eines Elektrofahrrades (4), umfassend einen Antriebsmotor (2) und ein Getriebe (3), wobei das Getriebe (3) wenigstens einen Planetenradsatz (5) mit mehreren Radsatzelementen aufweist, wobei ein erstes Radsatzelement (6) des ersten Planetenradsatzes (5) zumindest mittelbar mit einer Tretkurbelwelle (9) verbunden ist, wobei ein zweites Radsatzelement (7) des ersten Planetenradsatzes (5) zumindest mittelbar mit einer Ritzelwelle (10) eines Ritzels (11) verbunden ist, wobei ein drittes Radsatzelement (8) des ersten Planetenradsatzes (5) zumindest mittelbar ortsfest festgesetzt oder festsetzbar ist, wobei zwischen der Tretkurbelwelle (9) und einem der Radsatzelemente (6, 7, 8) des ersten Planetenradsatzes (5) ein Freilauf (12) wirksam angeordnet und dazu eingerichtet ist, die Tretkurbelwelle (9) und das jeweilige Radsatzelement (6, 7, 8) des ersten Planetenradsatzes (5) zumindest mittelbar miteinander zu koppeln und voneinander zu entkoppeln, wobei der Freilauf (12) dazu eingerichtet ist, zur Rekuperation eine kinematische Energie aus dem Ritzel (11) zu entkoppeln, wobei der Tretlagerantrieb (1) ferner Mittel zur Zustandserfassung des Elektrofahrrades (4) aufweist, die den Zustand des Elektrofahrrades (4) betreffende Signale an eine Steuereinheit (13) senden, wobei die Steuereinheit (13) in Abhängigkeit des Zustandes des Elektrofahrrades (4) sowie bei Annäherung an eine eingestellte oder einstellbare maximale Geschwindigkeit einen Bremsvorgang durch Rekuperation einleitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) dazu eingerichtet ist, bei Erreichen der eingestellten maximalen Geschwindigkeit die maximale Geschwindigkeit im Wesentlichen zu halten, und zwar so lange, bis sich der Zustand des Elektrofahrrades (4) in einen eine maximale Geschwindigkeit nicht erfordernden Zustand des Elektrofahrrades (4) ändert.
Tretlagerantrieb (1) nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Zustandserfassung des Elektrofahrrades (4) zumindest ein Sensor (18) zur Erfassung einer Neigung des Elektrofahrrades (4) relativ zu einer Horizontalen, ein Geschwindigkeitssensor (19), ein Drehzahlsensor (20) und/oder einen Standortsensor (21) umfassen.
Tretlagerantrieb (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner umfassend eine Bedieneinheit (22) zur Einstellung von den Antrieb des Elektrofahrrades (4) betreffenden Funktionen und/oder zur Navigation und Konfiguration von die Funktionen des Antriebs betreffenden Menüpunkten.
Tretlagerantrieb (1) nach Anspruch 3, wobei die maximale Geschwindigkeit durch einen Fahrer des Elektrofahrrades (4) frei einstellbar ist.
Tretlagerantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Anzeigeeinheit (23), wobei die Anzeigeeinheit (23) zur Darstellung von den Antrieb des Elektrofahrrades (4) betreffenden Funktionen ausgebildet ist.
Tretlagerantrieb (1) nach Anspruch 5, wobei die Anzeigeeinheit (23) wenigstens ein Leuchtelement (14) umfasst.
Verfahren zum Antrieb eines Elektrofahrrades (4) mit einem Tretlagerantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch Mittel zur Zustandserfassung des Elektrofahrrades (4) den Zustand des Elektrofahrrades (4) betreffende Signale an eine Steuereinheit (13) gesendet werden, die in Abhängigkeit des Zustandes des Elektrofahrrades (4) sowie bei Annäherung an eine eingestellte oder einstellbare maximale Geschwindigkeit einen Bremsvorgang durch Rekuperation einleitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, bei Erreichen der eingestellten maximalen Geschwindigkeit die maximale Geschwindigkeit im Wesentlichen zu halten, und zwar so lange, bis sich der Zustand des Elektrofahrrades (4) in einen eine maximale Geschwindigkeit nicht erfordernden Zustand des Elektrofahrrades (4) ändert.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die maximale Geschwindigkeit in der Steuereinheit (13) voreingestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine gewünschte maximale Geschwindigkeit durch eine Bedieneinheit (22) in der Steuereinheit (13) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die eingestellte maximale Geschwindigkeit im Schubbetrieb und im Zugbetrieb des Tretlagerantriebs (1) im Wesentlichen gehalten wird.
Fahrradtretlager (26), umfassend einen Tretlagerantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Elektrofahrrad (4), umfassend zumindest ein Vorderrad (24) sowie zumindest ein Hinterrad (25), wobei das Hinterrad (25) zumindest mittelbar mit einem Fahrradtretlager (26) nach Anspruch 11 wirkverbunden ist.