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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrrad, insbesondere eine Antriebsvorrichtung, die einen Fahrradmittelmotor und einen Nabenmotor mit leistungssummierendem Getriebe aufweist.
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Elektromotorische Antriebe für Fahrräder sind bereits bekannt. Sie können als alleiniger Antrieb oder als Hilfsantrieb zur Unterstützung des Fahrers bei E-Bikes oder Pedelecs eingesetzt werden. Sie können auch bei Lastenrädern mit zwei oder mehr Rädern verwendet werden.
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Bekannte elektrische Fahrradantriebe, die als Fahrradmittelmotor verwendet werden, haben eine feste Übersetzung zwischen einem Elektromotor und einer Kurbelwelle des Fahrrads. Nachteile einer derartigen festen Übersetzung ergeben sich durch eine große Bandbreite der Fahrgeschwindigkeit bei normalem Einsatz und insbesondere auch bei Steigungen und unterschiedlichen Gewichten des Fahrers und der Lasten des Fahrrads.
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Bei festen Übersetzungen ist es in der Regel erforderlich, außerhalb des Antriebsmotors Übersetzungen anzubringen, beispielsweise innerhalb der Hinterradnabe oder beispielsweise durch Kettenradschaltungen mit sehr vielen Kettenrädern am Hinterrad oder an der Tretkurbel. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass beim Hochschalten und Herunterschalten sowohl der Fahrer als auch der Hilfsantrieb kurzeitig das Antriebsmoment unterbrechen muss. Dies gilt auch für bekannte Mittelmotoren mit eingebautem Schaltgetriebe.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrrad anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung weist eine Kurbelwelle und einen elektromotorischen Antrieb auf und zeichnet sich dadurch aus, dass
- - der elektromotorische Antrieb einen ersten und einen zweiten Elektromotor aufweist, wobei
- - der erste Elektromotor direkt dem Vortrieb des Fahrzeugs dient,
- - der zweite Elektromotor zwei Betriebsarten aufweist,
- - der zweite Elektromotor in seiner ersten Betriebsart gleichfalls wie der erste Elektromotor dem Vortrieb des Fahrzeugs dient und
- - der zweite Elektromotor in seiner zweiten Betriebsart zu einer stufenlosen und leistungsunterbrechungsfreien Übersetzungserhöhung ausgebildet ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist ein Elektromotor vorgesehen, der zusammen mit einem Summiergetriebe für eine stufenlose und leistungsunterbrechungsfreie Änderung der Übersetzung der Kurbeldrehzahl sorgt. Ein zusätzlicher Elektromotor, wie er bei bereits bekannten elektromotorischen Antrieben für Fahrräder zum Einsatz kommt, dient der weiteren Unterstützung des Fahrers ohne Einfluss auf die Übersetzung. Die beiden Elektromotoren ergänzen somit einen Antrieb des Fahrrads mittels einer Kurbel, so dass insgesamt eine Leistungssummierung von drei Leistungsquellen erfolgt.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele für die Erfindung anhand der 1 - 13 näher erläutert. Es zeigt
- - 1 eine Schnittdarstellung eines Mittelmotors,
- - 2 eine Skizze des in der 1 gezeigten doppelten Planetengetriebes,
- - 3 eine Prinzipdarstellung des doppelten Planetengetriebes mit zwei Elektromotoren,
- - 4 Skizzen eines Teilbereichs von 1, die das Zusammenwirken des Planetenträgers mit Bremsklinken veranschaulichen,
- - 5 eine Skizze, in welcher der Ringschieber und der Hohlradrotor im nicht eingerasteten Zustand gezeigt sind,
- - 6 eine Skizze, in welcher der Ringschieber und der Hohlradrotor im eingerasteten Zustand gezeigt sind,
- - 7 eine Skizze, die eine Verbindung eines elektromotorischen Antriebs, der die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist, mit einem Antriebsrad zeigt,
- - 8 eine Skizze, die eine weitere Ausführungsform des zweiten Planetengetriebes veranschaulicht,
- - 9 eine Schwalbenschwanzbefestigung eines Mittelmotors,
- - 10, 11 und 12 Schnittdarstellungen einer weiteren Ausführungsform eines Mittelmotors, welcher eine kleine Tretlagernabe und zwei außenliegenden Motoren aufweist, und
- - 13 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für einen Doppelmotorantrieb mit stufenlosem Summierungsgetriebe als Radnabe für Speichenräder oder sonstige Räder.
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Die 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Mittelmotor für ein Fahrrad. Bei diesem Mittelmotor handelt es sich um einen elektromotorischen Antrieb für ein e-Bike oder Pedelec mit zwei oder mehr Rädern. Dieser elektromotorische Antrieb kann als alleiniger Antrieb oder als Hilfsantrieb zur Unterstützung des Fahrers eingesetzt werden. Er kann im Zusammenhang mit normalen bekannten Fahrrädern und auch im Zusammenhang mit Lastenrädern mit unterschiedlicher Radanordnung und Radanzahl verwendet werden.
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Der Einbau des genannten elektromotorischen Antriebs erfolgt dort, wo sich auch koaxial dazu das Tretlager der Fahrerkurbel befindet. Bei einem Handbike wäre dies das Kurbelzentrum der Handkurbel.
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Bei dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel enthält der elektromotorische Antrieb eine Kurbelwelle 2, die koaxial in einem Gehäuse 1 angeordnet ist. Die Kurbelwelle 2 ist über einen Freilauf 3 mit einem Planetenträger 4 verbunden. Dieser Freilauf 3 wirkt im Uhrzeigersinn.
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Auf dem Planetenträger 4 sind zwei oder mehr Planetenräder 5 vorgesehen. Diese Planetenräder 5 kämmen einen Hohlradrotor 6, bei welchem es sich um den Rotor eines ersten Elektromotors handelt. Dieser Rotor weist an seinem Außenumfang Dauermagnete auf. Der erste Elektromotor hat einen Stator, bei dem es sich um eine elektrische Magnetspule 7 handelt. Die Dauermagnete des Hohlradrotors 6 erzeugen in Verbindung mit der elektrischen Magnetspule 7 Drehmomente des ersten Elektromotors.
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Der Hohlradrotor 6 ist koaxial mit einem Motorabtriebsrad 8 drehfest verbunden. Das Motorabtriebsrad 8 stellt über eine nicht gezeichnete Kette oder einen Zahnriemen oder eine Kardanwelle eine Drehverbindung zu einem Antriebsrad des Fahrrads her.
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Innerhalb der Planetenräder 5 ist ein Sonnenrad 9 vorgesehen. Zwischen dem Sonnenrad 9 und einer festen Hohlachse 30 ist ein Freilauf 10 vorgesehen, der ein koaxiales Innenlager bildet. Dieser Freilauf 10 stützt das Sonnenrad 9 gegen Drehung im Uhrzeigersinn an der festen Hohlachse 30 ab, die mit dem Gehäuse 1 drehfest verbunden ist.
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Das Sonnenrad 9 nimmt bei einer Einleitung von Drehmomenten durch die Kurbelwelle 2 und die Planetenräder 5 ein jeweils entstehendes Rückstellmoment über den Freilauf 10 und die feste Hohlachse 30 gegen das Gehäuse 1 auf.
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Bei dem Sonnenrad 9 handelt es sich um einen Verbund, der aus einem Rad und einem mit dem Rad drehfest verbundenen Sonnenrad 11 besteht. Dieses Sonnenrad 11 kämmt mit zwei oder mehr Planetenrädern 12. Diese Planetenräder 12 kämmen ebenso wie die Planetenräder 5 den Hohlradrotor 6.
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Der Sonnenradverbund, der aus den Sonnenrädern 9 und 11 besteht, bildet zu einer Seite hin eine Hohlwelle 13, welche über einen Freilauf 14 mit einem Rotor 15 gekoppelt ist, bei welchem es sich um den Rotor eines zweiten Elektromotors handelt. Im Inneren des Rotors 15 sind ortsfest angeordnete Dauermagnete vorgesehen. Diese wirken mit elektrischen Magnetspulen 16 zusammen und bilden zusammen mit diesen elektrischen Magnetspulen einen zweiten Elektromotor.
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Die Planetenräder 12 sitzen drehbar gelagert auf einem als Steg ausgebildeten Planetenträger 17. Dieser ist drehbar auf der Hohlwelle 13 gelagert. An den Außenseiten des Planetenträgers 17 sind Vertiefungen 18 vorgesehen, die in Radialrichtung einen Formschluss erlauben.
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Bremsklinken 19, die schwenkbar im Gehäuse 1 gelagert sind, werden -wie es in der 4 dargestellt ist- über Langlöcher 19/1, die in einer runden Drehscheibe 21 vorgesehen sind, und Bolzen 20 geführt. Die Bremsklinken 19 können im Uhrzeigersinn den Planetenträger 17 gegen das Gehäuse 1 hemmen.
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An der Außenseite des Rotors 15 des zweiten Elektromotors ist ein Ringschieber 22 vorgesehen. Dieser ist über nicht gezeichnete Elemente über eine Umlaufnut 23, die aus den 5 und 6 ersichtlich ist, axial verschiebbar. Durch die Ausgestaltung von Langlöchern 24 und Bolzen 25, die ebenfalls in den 5 und 6 dargestellt sind und mit dem Rotor 15 des zweiten Elektromotors fest verbunden sind, ergibt sich bei einer kleinen relativen Winkelverschiebung des Rotors 15 im Uhrzeigersinn gegen den Ringschieber 22 eine Verschiebung des Ringschiebers in Richtung zum Hohlradrotor 6.
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An der dem Ringschieber 22 zugewandten axialen Außenseite des Hohlradrotors 6 sind Formschlusselemente 26 vorgesehen.
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Befindet sich der Ringschieber 22 in einer verschobenen Position, dann liegt ein axialer Formschluss zwischen den Formschlusselementen 26 des Hohlradrotors 6 und zugehörigen Ausformungen 27 des Ringschiebers 22 vor. Dadurch ist eine Drehverbindung zwischen den Rotoren 6 und 15 der beiden Elektromotoren gebildet.
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Nachfolgend wird die Arbeitsweise des in der 1 dargestellten elektromotorischen Antriebs, der als Mittelmotor eines Fahrrads verwendet wird, näher beschrieben:
- Der Mittelmotor mit seinem runden Gehäuse 1 weist eine Kurbelwelle 2 auf, die in ihren aus der 1 nicht ersichtlichen links- und rechtsseitigen Endbereichen mit Tretkurbeln ausgestattet ist. Drehbewegungen der Tretkurbeln im Uhrzeigersinn seitens des Fahrers bewirken über den Freilauf 3 eine Mitnahme des Planetenträgers 4. Dieser Planetenträger 4 weist zwei oder mehr Planetenräder 5 auf, die mit dem Hohlradrotor 6 und dem Sonnenrad 9 kämmen. Das Sonnenrad 9 wird über den Freilauf 10 und die feststehende Hohlachse 30 gegen eine Rückdrehung im Uhrzeigersinn gehalten. Der Hohlradrotor 6 dreht im Uhrzeigersinn und nimmt über eine koaxiale Verbindung das Motorabtriebsrad 8 mit. Die Drehübersetzung Tretkurbel zu Motorabtriebsrad geht dabei ins Schnelle. Dies ermöglicht eine kleinere Dimensionierung hinsichtlich der Drehfestigkeit aller beteiligten Bauteile. Ein in der 1 nicht gezeichneter Drehmomentsensor an der Kurbelwelle 2 oder am Planetenträger 4 leitet einer Steuereinheit ein drehmomentproportionales Signal zu. Dieses Signal versetzt den Hohlradrotor 6 des ersten Elektromotors in eine Drehbewegung. Diese Drehbewegung des Hohlradrotors 6 erzeugt durch die Bewegung der Tretkurbel und die vom ersten Elektromotor bereitgestellte Antriebsenergie eine Drehbewegung des Motorabtriebsrades 8. Von dort aus erfolgt eine Übertragung der zur Verfügung gestellten Energie mittels einer nicht gezeichneten Kette oder eines Zahnriemens oder eines anderen Übertragungsmittels.
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Durch die Anzahl der Zähne des Planetengetriebes, das den Planetenträger 4, das Planetenrad 5, den Hohlradrotor 6 und das Sonnenrad 9 aufweist, ergibt sich bei stillstehendem Sonnenrad 9 eine feste Übersetzung ins Schnelle, welche eine kleinste Übersetzung darstellt.
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Der zweite Elektromotor, der den Rotor 15 und als Stator die ortsfesten Magnetspulen 16 aufweist, kann nun über den Freilauf 14 die Hohlwelle 13 gegen den Uhrzeigersinn antreiben. Dadurch dreht das Sonnenrad 9 gegen den Uhrzeigersinn und erhöht über die Planetenräder 5 die Drehzahl des Hohlradrotors 6. Dadurch ändert sich das Übersetzungsverhältnis der Kurbelwelle 2 zum Motorabtriebsrad 8 nach dem Prinzip der bei Planetenradgetrieben möglichen Drehzahladdition von Kurbeldrehzahl und Drehzahl des zweiten Elektromotors.
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In Abhängigkeit von der eingestellten oder abgerufenen Drehzahl des zweiten Elektromotors ergibt sich eine stufenlos variable Übersetzung zwischen der Drehzahl der Kurbelwelle 2 und der Drehzahl des Motorabtriebsrades 8.
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Es ist entweder ein Vorwahlschalter vorgesehen, an welchem der Fahrer einen gewünschten Gang und somit die Dreheigenschaft des zweiten Elektromotors vorgibt, oder es ist vorgesehen, dass ein elektronisches Automatikprogramm die Dreheigenschaft des zweiten Elektromotors vorgibt. Dieses elektronische Automatikprogramm kann verschiedene einstellbare Fahrprogramme beinhalten.
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Durch die vorstehend beschriebene Ausgestaltung und Arbeitsweise der einzelnen Komponenten des elektromotorischen Antriebs ist eine Übersetzungsanpassung bzw. Spreizung im Bereich von 100 % bis über 1000 % möglich.
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Bei der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise wirkt in Abhängigkeit von einer jeweils vorgenommenen Programmeinstellung und dem vom Drehmomentsensor bereitgestellten Ausgangssignal oder der Fahrgeschwindigkeit auch der erste Elektromotor mit. Es ergibt sich eine Leistungssummierung aus der Fahrerpedalleistung, der Leistung des ersten Elektromotors und der Leistung des zweiten Elektromotors. In Abhängigkeit von der jeweiligen Verwendung und der jeweiligen Gesetzeslage für e-Bikes und Pedelecs ist eine gewünschte Leistungssummierung einstellbar und elektronisch regelbar.
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Beispielsweise kann in dem Fall, dass ab einer Fahrgeschwindigkeit von 25 km/h die Elektromotoren abschalten müssen, vorgesehen sein, dass das zweite Planetengetriebe, welches das mit dem Sonnenrad 9 verbundene Sonnenrad 11, den Planetenträger 17 und das Planetenrad 12 aufweist, mitwirkt.
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Damit der durch den zweiten Elektromotor 15, 16 angetriebene Sonnenradverbund 9, 11 nach einem Abschalten des zweiten Elektromotors weiterdreht, kommt mindestens eine Bremsklinke 19, wie sie in der 4 dargestellt ist, zum Einsatz.
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Diese Bremsklinke 19 rastet am Umfang des Planetenträgers 17 in die dort vorgesehenen Vertiefungen 18 formschlüssig ein. Dadurch wird der Planetenträger 17 in seiner Lage ortsfest und drehfest gehalten, da die Bremsklinken 19 ortsfest am Gehäuse 1 drehschwenkend gelagert sind. Dadurch ist gewährleistet, dass eine nötige Übersetzung nach einem Ausschalten des zweiten Elektromotors 15, 16 erhalten bleibt und nicht die kleinstmögliche Übersetzung alleine aus dem ersten Planetengetriebe wirksam wird.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass das Abbremsen des Planetenträgers 17 durch die Bremsklinken 19 ausbleibt, wenn der Fahrer dies so möchte. Dann ist beispielsweise bei einer Bergfahrt die kleinste Übersetzung wirksam. Somit hat der Fahrer bei Wegfall der elektromotorischen Unterstützung die Wahl zwischen zwei fixen Übersetzungen.
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Die vorstehend beschriebene mechanische Überbrückung unter Verwendung von Bremsklinken kann gemäß einer alternativen Ausführungsform auch wie folgt vorgeschlagen gelöst werden:
- Damit nach dem Erreichen einer gegebenenfalls gesetzlich begrenzten Geschwindigkeit die Übersetzung durch einen Stillstand des zweiten Elektromotors 15, 16 nicht in die für den Fahrer kleinste Übersetzung gerät, wird die erzeugte elektrische Energie des ersten Elektromotors 6, 7, die der Fahrer mittels der Tretkurbel aufbringt, wie folgt genutzt: Die hierbei generatorisch erzeugte Energie speist geregelt über einen elektronischen Controller den zweiten Elektromotor 15, 16 und treibt somit das Sonnenrad an. Je nach elektronischer Einstellung ergibt sich eine Übersetzungserhöhung im Planetengetriebe in Relation zur Kadenz des Fahrers. Dies geschieht ohne Verwendung von Fremdenergie aus einem Akku. Die mechanischen Teile der oben beschriebenen mechanischen Überbrückung sind bei dieser alternativen Ausführungsform nicht notwendig.
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Die 2 zeigt eine Skizze des in der 1 gezeigten doppelten Planetengetriebes. Dieses doppelte Planetengetriebe weist den Planetenträger 4, drei Planetenräder 5, den Hohlradrotor 6, das Sonnenrad 9 und das drehfest mit dem Sonnenrad 9 verbundene Sonnenrad 11 auf. Es ist ersichtlich, dass die Planetenräder 5 mit dem Hohlradrotor 6 und dem Sonnenrad 9 kämmen, wie es bereits oben beschrieben wurde.
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Die 3 zeigt eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen elektromotorischen Antriebs, welcher das doppelte Planetengetriebe und die beiden Elektromotoren aufweist. Insbesondere sind in der 3 die folgenden Komponenten veranschaulicht:
- - das Gehäuse 1 des elektromotorischen Antriebs,
- - die Kurbelwelle 2,
- - der Freilauf 3,
- - der Planetenträger 4,
- - ein Planetenrad 5,
- - der Hohlradrotor 6 des ersten Elektromotors,
- - der Stator 7 des ersten Elektromotors,
- - das Motorabtriebsrad 8,
- - das Sonnenrad 9,
- - der Freilauf 10,
- - das Sonnenrad 11,
- - die Hohlwelle 13,
- - der Freilauf 14,
- - der Rotor 15 des zweiten Elektromotors,
- - der Stator 16 des zweiten Elektromotors,
- - der Planetenträger 17,
- - eine Bremsklinke 19 und
- - die feststehende Hohlachse 30.
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Das Motorabtriebsrad 8 ist unter Verwendung einer in der 3 nicht dargestellten Kette oder eines Zahnriemens oder einer Kardanwelle mit einem Antriebsrad des Fahrrads verbunden.
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Die 4 zeigt Skizzen eines Teilbereichs von 1, die das Zusammenwirken des Planetenträgers 17 mit Bremsklinken 19 veranschaulichen. Aus 4 ist ersichtlich, dass die Bremsklinken 19, die schwenkbar im Gehäuse 1 gelagert sind, unter Verwendung von Langlöchern 19/1 und Bolzen 20 gesteuert werden. Die Langlöcher 19/1 sind in einer runden Drehscheibe 21 vorgesehen. Die Bremsklinken 19 können den Planetenträger 17 gegen das Gehäuse 1 hemmen, wenn die Bremsklinken 19 in Vertiefungen 18 des Planetenträgers 17 eingreifen. In der oberen Skizze von 4 ist der in der unteren Skizze eingekreiste Teilbereich vergrößert dargestellt.
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Die 5 zeigt eine Skizze, in welcher der Ringschieber 22 und der Hohlradrotor 6 im nicht eingerasteten Zustand dargestellt sind. In dieser Skizze sind des Weiteren die Kurbelwelle 2, das Motorabtriebsrad 8, der Planetenträger 17, die Umlaufnut 23, Langlöcher 24, Bolzen 25, Formschlusselemente 26 des Hohlradrotors 6 und Ausformungen 27 am Ringschieber 22 veranschaulicht.
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Der Ringschieber 22, der die Langlöcher 24 aufweist, ist auf dem Rotor 15 des zweiten Elektromotors koaxial und drehbeweglich zu diesem angeordnet. In diese Langlöcher 24 greifen die Bolzen 25 ein, die am Rotor 15 befestigt sind. Wird in der Umlaufnut 23 ein nicht gezeichnetes Reibelement verwendet oder ein axial verschiebbares Element eingesetzt, dann kann der Ringschieber 22 in Richtung zum Hohlradrotor 6 verschoben werden. Dabei sind die Langlöcher 24 und die Bolzen 25 mit im Einsatz. Die schräge Ausbildung der Langlöcher 24 bewirkt, dass der Ringschieber 22 in Richtung zum Hohlradrotor 6 gleiten kann. Dies erfolgt zum einen dann, wenn der zweite Elektromotor 15, 16 seine Drehrichtung gesteuert in den Uhrzeigersinn ändert und eine Reibkraft in der Umlaufnut 23 bewirkt, dass sich der Ringschieber 22 über die Langlöcher 24 in Richtung zum Hohlradrotor 6 bewegt. Zum anderen kann ein mit dem Gehäuse 1 verbundenes, nicht gezeichnetes Steuerelement vorgesehen sein, welches in der Umlaufnut die Bewegung der Ringschiebers 22 in Richtung zum Hohlradrotor 6 verursacht.
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Die Bewegung des Ringschiebers 22 in Richtung zum Hohlradrotor 6 erfolgt so lange, bis die Ausformungen 27 des Ringschiebers 22 in die Formschlusselemente 26 des Hohlradrotors 6 formschlüssig eingerastet sind.
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Dies schafft eine Voraussetzung dafür, dass der zweite Elektromotor 15, 16 nach einem elektronisch gesteuerten Drehrichtungswechsel den ersten Elektromotor 5, 6 mit antreiben kann. Dies ist beispielsweise für Lastenräder mit dann ja kleinster Übersetzung hilfreich. Dabei sorgt ein Freilauf 14 im Rotor 15 des zweiten Elektromotors für die notwendige Trennung vom Sonnenradverbund 9/11.
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Die 6 zeigt eine Skizze, in welcher der Ringschieber 22 und der Hohlradrotor 6 im eingerasteten Zustand gezeigt sind. In diesem eingerasteten Zustand, in welchem sich der Ringschieber 22 in seiner ausgefahrenen Position befindet, ist ein axialer Formschluss zwischen den Formschlusselementen 26 des Hohlradrotors 6 und den Ausformungen 27 des Ringschiebers 22 gebildet. Aufgrund dieses Formschlusses besteht zwischen den Rotoren 6 und 15 der beiden Elektromotoren eine Drehverbindung.
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Die 7 zeigt eine Skizze, die eine Verbindung eines elektromotorischen Antriebs, der die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist, mit einem Antriebsrad eines Fahrrads veranschaulicht. Der elektromotorische Antrieb, der wie oben beschrieben eine in einem Gehäuse 1 angeordnete koaxiale Einheit mit zwei koaxialen Elektromotoren und zwei koaxialen Planetengetrieben aufweist, treibt beim dargestellten Ausführungsbeispiel über das Motorabtriebsrad 8 und eine Kette 101 ein Übertragungsrad 102 an, welches zentrisch in einem Fahrradantriebsrad eines Fahrrads, beispielsweise eines e-Bikes, angeordnet ist.
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Im Umkehrsinn kann das Übertragungsrad 102 bei einer Überbrückung eines nicht gezeichneten schaltbaren Freilaufs in der Nabe 103 oder im Übertragungsrad 102 bei Bremsvorgängen des Fahrzeugs oder bei Bergabfahrten für Rekuperationszwecke genutzt werden. Dabei treibt das Motorabtriebsrad 8 den ersten Elektromotor 6, 7 an. Dabei induzieren die Dauermagnete des Rotors in den Magnetspulen des Stators 7 eine Spannung und es kann unter Verwendung einer Steuereinheit Energie in einen Akkumulator des Fahrrads übertragen und dort gespeichert werden. Proportional wird die kinetische Energie des Fahrrads ohne Reibbremse verringert. Die Höhe der Energierekuperation kann über einen Regelsteller an Bremsbedienteilen abgenommen werden und kann zwischen 0% und 100% liegen.
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Die 8 zeigt eine Skizze, die unter anderem eine weitere Ausführungsform des zweiten Planetengetriebes veranschaulicht, d.h. des Planetengetriebes des zweiten Elektromotors. Dieses zweite Planetengetriebe, das einer mechanischen Übersetzungserhöhung dient, weist gestufte Planetenräder 200, 201 auf, die drehfest miteinander verbunden sind und einen Planetenradverbund bilden. Dieser Planetenradverbund kämmt den Hohlradrotor 6. Die Planetenzwischenräder 201 kämmen das Sonnenrad 202, welches mit dem Sonnenrad 9 drehfest verbunden ist.
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Ein Vorteil einer derartigen Ausführungsform besteht darin, dass die notwendige Übersetzung der mechanischen Getriebestufe breiter gestaltet werden kann.
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Die 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Schwalbenschwanzbefestigung eines Mittelmotors am Umfang eines Antriebsmotors. Bei diesem Ausführungsbeispiel sitzen als Schwalbenschwanz ausgebildete Elemente 152 am Umfang des Antriebsmotors. Ebenfalls sitzen solche als Schwalbenschwanz ausgebildete Elemente 154 konkav am Fahrradrahmen 150. Metrische, nicht gezeichnete gewindefurchende Klemmschrauben sitzen in Bohrungen 151. Dadurch erfahren die Flügel 153 der Schwalbenschwänze am Fahrradrahmen 150 eine leichte Schwenkung in Richtung zu den Schwalbenschwänzen 152 am Motor. Es ergibt sich eine kraftschlüssige Verbindung der gegenüberliegenden formschlüssigen Schwalbenschwänze. Eine derartig ausgebildete Schwalbenschwanzbefestigung ermöglicht eine Motormontagezeit von wenigen Sekunden.
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Nachfolgend werden anhand der 10 bis 12 Schnittdarstellungen einer weiteren Ausführungsform eines Mittelmotors, welcher eine kleine Tretlagernabe und zwei außenliegenden Motoren aufweist, näher erläutert. Diese weitere Ausführungsform hat den Vorteil, dass beide Motoren V-förmig in den Rahmenrohren des jeweiligen Fahrrads untergebracht werden können und dass das Tretlagergehäuse des jeweiligen Fahrrads klein bleiben kann.
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Die 10 zeigt eine erste Schnittdarstellung des Mittelmotors. Aus dieser ersten Schnittdarstellung sind insbesondere ein Motor 262 und sein Antriebsrad 263 sowie eine Verzahnung 261 in einem Hohlrad 254 sichtbar.
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Die 11 zeigt eine zweite Schnittdarstellung des Mittelmotors. Aus dieser zweiten Schnittdarstellung sind insbesondere ein Motor 264 und sein Antriebsrad 265 sichtbar, welches eine Verzahnung eines Rotors 266 kämmt.
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Die 12 zeigt eine Draufsicht des Mittelmotors. Ersichtlich sind insbesondere die beiden Motoren 262 und 264.
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Damit das sichtbare Tretlagergehäuse klein bleiben kann und keine Motoren nach außen sichtbar sind, sind diese Motoren in die Rahmenrohre des Fahrrads eingebaut. Des Weiteren treibt eine Tretkurbelwelle 250 über einen Freilauf 251 einen Radträger 252 an. Auf dem Radträger 252 sitzt mindestens ein Planetenrad 253. Dieses kämmt nach außen das Hohlrad 254. Nach innen kämmt es ein Sonnenrad 255. Bei einer Momenteneinleitung über die Tretkurbelwelle 250 wird das Sonnenrad 255 mit einem gesperrten Freilauf 256 gegen Rückdrehung an einem Stützrohr 257 gehalten. Das Stützrohr sitzt koaxial drehfest in einem Tretlagergehäuse 258. Wird die Tretkurbelwelle 250 gedreht, wird dies mit den nach Planetengetrieben bekannten Übersetzungen auf das Hohlrad 254 und das über einen Freilauf 259 verbundene Antriebsrad 260 übertragen. Das Hohlrad 254 hat an seinem äußeren Rand eine Kegelrad- oder Kronenrad-Verzahnung 261. Diese wird vom Elektromotor 262 über das Antriebsrad 263 angetrieben. Somit wird die Leistung des Fahrers über die Kurbel um die Antriebsleistung des Motors 262 erhöht.
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Kommt nun vom Fahrer oder von einer automatischen Übersetzungs-Steuerung das Signal, eine höhere Übersetzung von Kurbel 250 zu Abtriebsrad 260 zu erzielen, beginnt der Antriebsmotor 264 über sein Antriebsrad 265 den Rotor 266 zu drehen. Dadurch dreht sich nun über den Freilauf 267 das Sonnenrad 255 entgegen der Tretkurbelrichtung 250. Durch die bekannten Gesetze von Planetengetrieben ergibt sich dadurch eine Drehzahlerhöhung des Planentenrades 253 und somit eine Erhöhung der Drehzahl des Hohlrades 254 und des Abtriebs 260. Bei beispielsweise gleichbleibender Drehzahl der Tretkurbelwelle 250 erhöht sich die Fahrgeschwindigkeit, was eine Erhöhung der Übersetzung Kurbel zu Abtriebsrad 260 ergibt. Je nach Drehzahlverhältnis der Fahrerkurbel 250 zur Drehzahl des Motors 264 ergibt sich eine rechnerische Übersetzung. Die Drehzahl des Motors 262 ist immer proportional zur Drehzahl des Hohlrades 254 und somit auch zur Drehzahl des Abtriebsrades 260. Für den Fall, dass beim Anfahren oder am Berg oder bei Lastenfahrrädern die kleinste Übersetzung zusammen mit der Leistung des Motors 262 nicht ausreicht, um genügend Fahrt aufzunehmen, kann Folgendes vom Fahrer oder von einer Motorsteuerung eingeleitet werden:
- Der Antriebsmotor 264 mit seinem Antriebsrad 265 wechselt seine Drehrichtung in Kurbeldrehrichtung 250. Nun greift der Freilauf 268 und der Rotor 266 treibt somit die Ringverzahnung 270 an. Diese Ringverzahnung kämmt wiederum mindestens ein Antriebsrad 271. Dieses hat koaxial ein verbundenes Antriebsrad 272, welches ein weiteres Rad 273 kämmt. Das Rad 273 sitzt auf einer ortsfesten Achse und treibt nun über einen Radring 275 und einen Freilauf 274 das Hohlrad 254 an. Nun ist die kleinste Übersetzung Kurbel zu Abtriebsrad vorliegend. Die Leistungen des Fahrers, des Motors 264 und des Motor 262 wirken gemeinsam für den Vortrieb des Fahrzeugs. Ist genügend Fahrgeschwindigkeit vorhanden und wird die notwendige Antriebsleistung des Fahrzeugs geringer, dann ändert Motor 264 wiederum seine Drehrichtung. Jetzt kommt wieder die Steuerung zur Wirkung und regelt je nach Fahrerwunsch oder einem vorgegebenen Programm die Drehzahl des Motors 264. Je nach Drehzahl des Motors 264 ergibt sich eine variable Übersetzung von Tretkurbelwelle 250 zu Abtriebsrad 260. Der Unterschied von der kleinsten Übersetzung zu einer größten Übersetzung kann 1000 % und mehr betragen.
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Eine Weiterbildung besteht darin, dass mindestens einer der Motoren 262 und 264 mit einem nicht gezeichneten mechanischen Element am Außenradius vom Tretlagergehäuse 258 verschoben werden kann, um damit unterschiedliche Winkelstellungen der Fahrradrahmen abdecken zu können.
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Die 13 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für einen Doppelmotorantrieb mit stufenlosem Verzweigungsgetriebe als Radnabe für Speichenräder oder sonstige Räder. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine ortsfeste Achse 210 in einer Schwinge eines Fahrrades nichtdrehend befestigt. Um diese Achse 210 kann sich die Radnabe 211 drehen. Ein Antriebsrad 212, welches von den Pedalen des Fahrradfahrers über eine nicht gezeichnete Kette oder einen Riemen bzw. Kardanwelle angetrieben wird, treibt nun über einen Freilauf 213 einen Planetenträger 214 an. Auf diesem Planetenträger 214 sitzt mindestens ein Planetenrad 215. Dieses kämmt nach außen ein Hohlrad 216, welches fest mit der Radnabe 211 verbunden ist. Nach innen kämmt das Planetenrad 215 ein Sonnenrad 217. Damit sich dieses bei Leistungseinbringung in das Planetenrad 215 nicht zwangsweise zurückdreht, hemmt dies ein Freilauf 218 gegen die feste Achse 210. Somit rotiert die Radnabe bei Einbringung von Bioleistung seitens des Fahrers in Fahrtrichtung mit einer Übersetzung ins Schnelle bezogen auf das Antriebsrad 212 zur Radnabe 211. Zur Leistungsunterstützung kann hier ein Elektromotor 219 mitwirken. Über in die Nabe 211 eingebrachte Magnete 220 wird bei Bestromung des Motors 219 die Nabe 211, welche hier den Motorrotor darstellt, direkt in Fahrtdrehrichtung angetrieben.
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Bei dieser bisherigen Beschreibung ist die kleinste Übersetzung Bioleistung vorliegend. Für den Fall, dass bei dieser Fahrsituation beispielsweise beim Anfahren oder an Steigungen die Leistung von Bio und dem Elektromotor 219 nicht genügt, tritt Folgendes durch Fahrerwunsch eingeleitet oder durch einen automatischen Eingriff ein:
- Ein Antriebsmotor 221 ist mit seinem Rotor 222 über einen Freilauf 223 mit dem Rad 229 verbunden, welches in Blockierrichtung des Freilaufs 228 ein Planetenrad 224 antreibt. Dieses Planetenrad 224 treibt nun mit seinem zentrisch kleineren Zahnkranz ein weiteres Zahnrad 225 an. Dieses kämmt ein Hohlrad 226 und treibt über einen Freilauf 227 die Nabe 211 in Laufrichtung an. Nun wirken die Leistungen von Fahrer, Motor 219 und Motor 221 zusammen.
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Ist die Anfahrgeschwindigkeit des Fahrrades erreicht und die Übersetzung zu klein bzw. die Radkurbeldrehzahl zu hoch, dann tritt Folgendes ein:
- Der Motor 219 und die Fahrerleistung treiben weiter an. Der Motor 221 ändert mit seinem Rotor 222 elektronisch gesteuert seine Drehrichtung. Der Rotor 222 treibt nun über den Freilauf 228 das Sonnenrad 217 in Gegendrehrichtung zum Planetenträger 214 an. Dadurch erhöht sich die Drehzahl des Planetenrades 215 nach den bekannten Gesetzen von Planetengetrieben. Gleichfalls nach diesen Gesetzen erhöht sich nun auch die Drehzahl des Sonnenrades 216 und der Radnabe 211 und somit die Fahrgeschwindigkeit des Fahrrades. Für den Fahrer, der den Planetenträger 214 antreibt, stellt sich durch den Eingriff des Motors 221 eine Erhöhung der Übersetzung Pedal zu Radnabe ein. Mit anderen Worten erhöht sich die sogenannte Entfaltung des Antriebs (Fahrstrecke pro Kurbelumdrehung).
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Der Fahrer gibt über einen Wahlschalter eine gewünschte Übersetzung vor. Alternativ dazu kann eine Schaltelektronik die Drehzahl des Motors 221 steuern und somit die Übersetzung so verändern, wie es die Fahrsituation verlangt. Je nach Trittfrequenz des Fahrers, der Fahrgeschwindigkeit und der Drehzahl des Motors 221 ergibt sich die sogenannte Spreizung des Antriebs (Übersetzungsverhältnis von kleinstem zu größtem Gang).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Tretkurbelwelle
- 3
- Freilauf
- 4
- Planetenträger
- 5
- Planetenrad
- 6
- Hohlradrotor
- 7
- Stator
- 8
- Motorabtriebsrad
- 9
- Sonnenrad
- 10
- Freilauf
- 11
- Sonnenrad
- 12
- Planetenrad
- 13
- Hohlwelle
- 14
- Freilauf
- 15
- Rotor
- 16
- Stator
- 17
- Planetenträger
- 18
- Vertiefung
- 19
- Bremsklinke
- 19/1
- Langloch
- 20
- Bolzen
- 21
- Drehscheibe
- 22
- Ringschieber
- 23
- Umlaufnut
- 24
- Langloch
- 25
- Bolzen
- 26
- Formschlusselement am Hohlradrotor
- 27
- Ausformung am Ringschieber
- 30
- feststehende Hohlachse
- 101
- Kette
- 102
- Übertragungsrad
- 103
- Nabe
- 150
- Fahrradrahmen
- 151
- Bohrung
- 152
- Schwalbenschwanzelement
- 153
- Flügel
- 154
- Schwalbenschwanzelement
- 200
- Planetenrad
- 201
- Planetenrad
- 202
- Sonnenrad
- 210
- ortsfeste Achse
- 211
- Radnabe
- 212
- Antriebsrad
- 213
- Freilauf
- 214
- Planetenträger
- 215
- Planetenrad
- 216
- Hohlrad
- 217
- Sonnenrad
- 218
- Freilauf
- 219
- Elektromotor
- 220
- Magnet
- 221
- Antriebsmotor
- 222
- Rotor
- 223
- Freilauf
- 224
- Planetenrad
- 225
- Zahnrad
- 226
- Hohlrad
- 227
- Freilauf
- 228
- Freilauf
- 229
- Rad
- 250
- Tretkurbelwelle
- 251
- Freilauf
- 252
- Radträger
- 253
- Planetenrad
- 254
- Hohlrad
- 255
- Sonnenrad
- 256
- Freilauf
- 257
- Stützrohr
- 258
- Tretlagergehäuse
- 259
- Freilauf
- 260
- Abtriebsrad
- 261
- Verzahnung
- 262
- Elektromotor
- 263
- Antriebsrad
- 264
- Motor
- 265
- Antriebsrad
- 266
- Rotor
- 267
- Freilauf
- 268
- Freilauf
- 270
- Ringverzahnung
- 271
- Antriebsrad
- 272
- Antriebsrad
- 273
- Rad
- 274
- Freilauf
- 275
- Radring
