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Die Erfindung betrifft ein Exzentergetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft im Weiteren ein Generatormodul mit dem Exzentergetriebe sowie ein Fahrzeug mit dem Generatormodul.
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Es sind elektrische Fahrräder bekannt, welche ohne eine mechanische Antriebsverbindung zwischen Tretkurbel und Hinterrad angetrieben werden können. Der Fahrer treibt dabei mit den Tretkurbeln einen Generator zur Stromerzeugung an, um einen mit dem Hinterrad verbundenen Antriebsmotor mit Strom zu versorgen. Bei einem derartigen Antriebssystem kann somit die physikalische Antriebsverbindung, wie z.B. Kette, Zahnriemen, Kardanwelle etc. entfallen. Um die Drehzahl der Kurbelwelle zu erhöhen und das Drehmoment entsprechend zu reduzieren, kommen üblicherweise konventionelle Getriebetypen, wie z.B. ein- oder mehrstufige Planetengetriebe, Wolfromsatz etc., zum Einsatz, um einen Generator mit wenig Drehmoment und entsprechend kleiner Baugröße einsetzen zu können.
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Die Druckschrift
DE 196 00 698 A1 offenbart ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug, insbesondere Fahrrad. Das Fahrrad weist einen Generator, der zur Stromerzeugung durch einen Fahrzeugbenutzer antreibbar ist, und mindestens einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs, der mit dem Generator zur Übertragung elektrischer Leistung verbunden ist, auf. Insbesondere ist zwischen einer Tretkurbel für das Antreiben des Generators und dem Generator ein Übersetzungsgetriebe in größere Drehzahl vorgesehen ist, wobei das Getriebe ein Planetengetriebe ist, das vorzugsweise mindestens zum Teil im Inneren des Generators untergebracht ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Exzentergetriebe vorzuschlagen, welches sich durch einen reduzierten Verschleiß auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Exzentergetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Generatormodul mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Exzentergetriebe, wobei das Exzentergetriebe insbesondere für ein Generatormodul eines muskelbetriebenen Fahrzeugs geeignet und/oder ausgebildet ist.
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Das Exzentergetriebe weist einen Exzenterradträger mit mehreren Trägerbolzen auf. Insbesondere ist der Exzenterradträger als eine Trägerscheibe ausgebildet. Die Trägerbolzen sind vorzugsweise auf einem gemeinsamen Teilkreis um eine Hauptdrehachse regelmäßig in Umlaufrichtung verteilt. Bevorzugt erstrecken sich die Trägerbolzen in einer axialen Richtung und/oder parallel zu der Hauptdrehachse. Die Trägerbolzen können starr oder drehbar auf dem Exzenterradträger angeordnet sein.
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Das Exzentergetriebe weist eine Exzenterwelle mit einem ersten Exzenterabschnitt auf. Insbesondere weist der erste Exzenterabschnitt einen kreisrunden Querschnitt auf. Vorzugsweise sind die Exzenterwelle und der Exzenterradträger in Bezug auf die Hauptdrehachse koaxial und/oder konzentrisch zueinander angeordnet.
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Das Exzentergetriebe weist mehrere erste Lagerhülsen auf, wobei jeweils eine der ersten Lagerhülsen über eine erste Hülsenlagerung drehbar auf dem jeweiligen Trägerbolzen gelagert ist. Insbesondere sind die Lagerhülsen in Bezug auf eine Bolzenachse koaxial und/oder konzentrisch auf dem Trägerbolzen angeordnet. Prinzipiell kann die Hülsenlagerung als eine Gleitlagerung ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Hülsenlagerung jedoch als eine Wälzkörperlagerung ausgebildet. Vorzugsweise sind die Lagerhülsen in axialer Richtung in Bezug auf die Bolzenachse jeweils an einem zugehörigen Anlaufabschnitt, vorzugsweise einem Anlaufbund, abgestützt. Die Lagerhülse kann dabei in axialer Richtung in Bezug auf die Hauptdrehachse formschlüssig und/oder spielfrei zwischen dem Exzenterradträger und dem Anlaufabschnitt angeordnet sein. Insbesondere bildet der Anlaufabschnitt bei einer Ausgestaltung der Hülsenlagerung als Wälzkörperlagerung ein Bord für die Wälzkörper, wobei die Wälzkörper und/oder die Lagerhülse in einem Betrieb an der Anlauffläche anlaufen können.
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Das Exzentergetriebe weist mindestens ein erstes Exzenterrad mit einer mittigen ersten Exzenteraufnahmeöffnung für den ersten Exzenterabschnitt und mit mehreren ersten Mitnahmeöffnungen für die Trägerbolzen auf. Das erste Exzenterrad kann beispielsweise als eine Scheibe, vorzugsweise als eine Zahnradscheibe ausgebildet sein. Das erste Exzenterrad ist über die erste Exzenteraufnahmeöffnung an dem ersten Exzenterabschnitt der Exzenterwelle drehbar gelagert. Hierzu greift die Exzenterwelle mit dem ersten Exzenterabschnitt in die mittige erste Exzenteraufnahmeöffnung ein. Optional ist zwischen dem ersten Exzenterabschnitt und der ersten Exzenteraufnahmeöffnung eine erste Exzenterradlagereinrichtung angeordnet, um die Reibung zu verringern.
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Zudem ist das erste Exzenterrad über die ersten Mitnahmeöffnungen jeweils in einem ersten Hülsenlagerbereich an den ersten Lagerhülsen abgestützt. Hierzu greift jeweils ein Trägerbolzen exzentrisch in eine der ersten Mitnahmeöffnungen ein, wobei die ersten Lagerhülsen jeweils innerhalb der ersten Mitnahmeöffnungen in dem ersten Hülsenlagerbereich an dem ersten Exzenterrad abgestützt sind. Vorzugsweise ist der freie Durchmesser der Mitnahmeöffnungen größer ausgebildet als der Durchmesser der auf den Trägerbolzen angeordneten Lagerhülsen, wobei die Lagerhülsen in einem Betrieb an dem Innenumfang der Mitnahmeöffnungen ablaufen. Insbesondere dienen die ersten Lagerhülsen zur Übertragung des Drehmoments auf das erste Exzenterrad.
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Das Exzentergetriebe weist einen Hohlradabschnitt auf, wobei das erste Exzenterrad in einem Betrieb mit dem Außenumfang in dem Hohlradabschnitt abläuft. Der Hohlradabschnitt kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
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Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Lagerhülsen in dem ersten Hülsenlagerbereich ballig ausgebildet sind. Alternativ oder optional ergänzend sind die ersten Mitnahmeöffnungen zumindest in dem ersten Hülsenlagerbereich ballig ausgebildet. Insbesondere ist unter „ballig“, eine gerundete und/oder gekrümmte und/oder sphärische Form zu verstehen. Der Hülsenlagerbereich entspricht vorzugsweise einem im Betrieb auf dem Innenumfang der Mitnahmeöffnungen wandernden Kontaktzone der exzentrisch gelagerten Lagerhülsen. Die Kontaktzone ergibt sich gemäß der Hertz'schen Theorie aus der im Betrieb in Kontakt stehenden Flächen der Lagerhülsen. Je nach Belastung kann sich die Kontaktzone aufgrund der damit einhergehenden Verformung der Lagerhülse und/oder des Exzenterrads verändern.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass aufgrund von Bauteil- und Zusammenbautoleranzen sowie Verformungen unter Last im Betrieb durch zylindrisch ausgeführte Eingriffsbohrungen (Mitnahmeöffnungen) in den Exzenterrädern und zylindrisch ausgeführte Planetenhülsen (Lagerhülsen) ein sogenanntes Kantentragen auftritt. Dies kann einerseits zu erhöhtem Verschleiß durch größere Belastung und verkleinerte Kontaktbereiche (Kontaktzone) sowie andererseits zu akustischen Auffälligkeiten führen, da durch die winklige Anstellung der zylindrischen Hülsen an deren axialen Rand im Kontaktbereich zu den Exzenterrädern eine große Auslenkung stattfindet und somit die Eingriffsfrequenz ungünstig verstimmt wird.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die ballige Ausgestaltung der Lagerhülsen bzw. der Mitnahmeöffnungen in dem Hülsenlagerbereich die Kontaktfläche zwar gegenüber der theoretisch optimalen linienförmigen Kontaktgeometrie verringert ist, jedoch im Gegensatz zur minimierten Betriebs-Kontaktfläche bei Verwendung von zylindrischen Geometrien unter realen Toleranzen oder Betriebslast deutlich vergrößert ist. Weiterhin wird durch die ballige Ausführung eine Auslenkung der Lagerhülsen bei Verformung unter Last in den axialen Randbereichen verringert, was zu einer gleichmäßigeren Kraftverteilung der einzelnen Lagerhülsen und somit auch zu einem verbesserten Geräuschverhalten führt.
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In einer konkreten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das erste Exzenterrad innerhalb der ersten Mitnahmeöffnungen beidseitig in jeweils einem Randbereich unter Bildung eines Spaltes beabstandet zu den ersten Lagerhülsen angeordnet ist. Die Breite des Spaltes verläuft, insbesondere in einem Längsschnitt entlang der Bolzenachse betrachtet, zwischen der jeweiligen ersten Lagerhülse und der zugehörigen ersten Mitnahmeöffnung in dem Hülsenlagerbereich beginnend, beidseitig nach außen in Richtung des Randbereichs divergierend. Anders formuliert, weist der Spalt ausgehenden von dem Hülsenlagerbereich in Richtung des Randbereichs einen, insbesondere kontinuierlich größer werdenden Spaltverlauf auf. Der Spalt kann eine maximale Spaltbreite, insbesondere in dem Randbereich, von mehr als 0,1 mm, vorzugsweise mehr als 0,5 mm, im Speziellen mehr als 1 mm aufweisen. Durch den Abstand der Lagerhülsen in den Randbereichen der Mitnahmeöffnungen wird somit ein Kantentragen in den Randbereichen verhindert.
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In einer konkreten Umsetzung ist vorgesehen, dass die ersten Lagerhülsen jeweils an einem Außenumfang eine Lageraußenfläche und die ersten Mitnahmeöffnungen jeweils an einem Innenumfang eine Lagerinnenfläche aufweisen. Prinzipiell kann vorgesehen sein, dass sowohl die Außen- als auch die Lagerinnenflächen zumindest in dem ersten Hülsenlagerbereich ballig ausgebildet sind. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass wahlweise die Lageraußenflächen oder die Lagerinnenflächen in dem ersten Hülsenlagerbereich ballig ausgebildet sind. Insbesondere liegen die Lageraußenfläche und die zugehörige Lagerinnenfläche in dem Hülsenlagerbereich kontaktierend aneinander an. Die ballige Lageraußenfläche der Lagerhülsen ist vorzugsweise bezüglich der Bolzensachse der Trägerbolzen rotationssymmetrisch ausgebildet. Entsprechend kann die ballige Lagerinnenfläche der Mitnahmeöffnungen bezüglich einer Mittenachse der Mitnahmeöffnungen rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die ballige Lageraußenfläche bzw. die ballige Lagerinnenfläche bezüglich einer Radialebene der Bolzen- bzw. Mittenachse symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch, ausgebildet. Im Speziellen sind die Lageraußenflächen bzw. die Lagerinnenflächen in axialer Richtung in Bezug auf die Bolzenachse zumindest über die gesamte axiale Länge der Mitnahmeöffnungen ballig ausgebildet. Beispielsweise können die ballige Außen- bzw. Lagerinnenfläche durch Trennen, z.B. Spanen, und/oder durch Umformen erzeugt sein. Es wird somit ein Exzentergetriebe vorgeschlagen, welches sich durch eine besonders einfache und robuste Ausgestaltung auszeichnet.
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In einer weiteren Konkretisierung ist vorgesehen, dass die ballige Lageraußenfläche durch einen kalottenförmigen, konvexen Außenumfang gebildet ist. Alternativ oder optional ergänzend ist die ballige Lagerinnenfläche durch einen kalottenförmigen, konvexen Innenumfang gebildet ist. Im Speziellen weist der kalottenförmige Außenumfang der Lageraußenfläche bzw. der Lagerinnenfläche einen Krümmungsradius auf, dessen Mittelpunkt innerhalb der Radialebene, insbesondere der Symmetrieebene, liegt. Durch die kalottenförmige Ausgestaltung des Außenumfangs kann die Außen- bzw. Lagerinnenfläche fertigungstechnisch besonders einfach realisiert werden.
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In einer weiteren konkreten Realisierung ist vorgesehen, dass wahlweise die Lageraußenfläche oder die Lagerinnenfläche zumindest in dem ersten Hülsenlagerbereich zylindrisch ausgebildet ist. Vorzugsweise erstreckt sich die zylindrische Außen- bzw. Lagerinnenfläche gleichgerichtet und/oder parallel zur Bolzen- bzw. Mittenachse. Insbesondere sind die Lagerhülsen zur Bildung der zylindrischen Lageraußenfläche als Zylinderhülsen ausgebildet. Insbesondere sind die Mitnahmeöffnungen zur Bildung der zylindrischen Lagerinnenfläche als Zylinderbohrungen ausgebildet. Es wird somit ein Exzentergetriebe vorgeschlagen, welches sich durch einen besonders kostengünstigen Aufbau auszeichnet, da nur eine der Lagerflächen ballig ausgeführt werden muss.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Exzentergetriebe ein zweites Exzenterrad aufweist, welches diametral und/oder gegengleich, z.B. um 180° in Umlaufrichtung, versetzt zu dem ersten Exzenterrad angeordnet ist. Die Exzenterräder sind bevorzugt axial aneinandergrenzend angeordnet. Vorzugsweise sind die Exzenterräder kontaktierend zueinander angeordnet und/oder Gleiten im Betrieb aufeinander ab. Weiterhin weist das Exzentergetriebe mehrere zweite Lagerhülsen auf, wobei jeweils eine der zweiten Lagerhülsen über jeweils eine zweite Hülsenlagerung drehbar auf dem jeweiligen Trägerbolzen gelagert ist. Die Exzenterwelle weist mindestens oder genau einen zweiten Exzenterabschnitt auf. Das zweite Exzenterrad weist eine mittige zweite Exzenteraufnahmeöffnung sowie mehrere zweite Mitnahmeöffnungen auf, wobei das zweite Exzenterrad über die zweite Exzenteraufnahmeöffnung an dem zweiten Exzenterabschnitt der Exzenterwelle drehbar gelagert ist und über die ersten Mitnahmeöffnungen jeweils in einem zweiten Hülsenlagerbereich an den zweiten Lagerhülsen abgestützt ist.
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Optional kann das zweite Exzenterrad über eine zweite Exzenterradlagereinrichtung auf dem zweiten Exzenterabschnitt gelagert sein. Es ist vorgesehen, dass die zweiten Lagerhülsen und/oder die zweiten Mitnahmeöffnungen zumindest in dem zweiten Hülsenlagerbereich ballig ausgebildet sind. Insbesondere können das zweite Exzenterrad, insbesondere die zweiten Mitnahmeöffnungen, und die zweiten Lagerhülsen eine beliebige Auswahl der Merkmale des ersten Exzenterrads, insbesondere der ersten Mitnahmeöffnungen, und/oder der ersten Lagerhülen aufweisen.
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In einer ersten möglichen Umsetzung kann das mindestens eine, vorzugsweise beide Exzenterräder als Kurvenscheiben ausgebildet sein. Insbesondere ist die Kurvenscheibe als eine flache Scheibe ausgebildet, welche am Außenumfang eine Kurvenform aufweist. Die Kurvenform der mindestens einen Kurvenscheibe sowie die Innenkontur des Hohlradabschnitts können prinzipiell beliebig ausgebildet sein, solange diese die Funktion des Exzentergetriebes übernehmen können. Besonders bevorzugt ist das Exzentergetriebe jedoch als ein Zykloidengetriebe ausgebildet, wobei durch den Außenumfang der mindestens einen Kurvenscheibe eine Zykloidenform dargestellt ist.
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In einer zweiten möglichen Umsetzung kann das mindestens eine, vorzugsweise beide Exzenterräder als Zahnradscheiben ausgebildet sein. Insbesondere ist die Zahnradscheibe als eine flache Scheibe ausgebildet. Die Zahnradscheibe weist am Außenumfang eine Außenverzahnung und der Hohlradabschnitt am Innenumfang eine Innenverzahnung auf, wobei die Außenverzahnung mit der Innenverzahnung bereichsweise in Eingriff steht. Die jeweilige Verzahnung ist insbesondere als Evolventenverzahnung ausgeführt. Besonders bevorzugt unterscheiden sich die Anzahl der Zähne der Innenverzahnung und der Außenverzahnung um mindestens oder genau einen Zahn.
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In einer weiteren konkreten Realisierung ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Exzenterrad, jedoch in dem Exzentergetriebe um eine Achse, welche in einer Radialebene zu der Hauptdrehachse liegt, um 180° und/oder gegengleich zueinander montiert, als Gleichteile ausgebildet sind. Zudem sind die erste und die zweite Lagerhülse ebenfalls als Gleichteile ausgebildet. Durch die Ausgestaltung als Gleichteile können weitere Bauteile und damit Fertigungskosten eingespart sowie Montagefehler vermieden werden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Generatormodul, welches zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Antriebsmodul eines muskelbetriebenen Fahrzeugs ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere ist das Fahrzeug als ein elektrisches Fahrrad, auch als E-Bike bekannt, ausgebildet. Grundsätzlich kann das Fahrrad genau zwei Räder aufweisen. Alternativ kann das Fahrzeug jedoch auch mehr als zwei, insbesondere drei oder genau vier Räder aufweisen.
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Das Antriebsmodul dient zur Erzeugung eines elektrischen Antriebsmoments. Das Antriebsmodul umfasst vorzugsweise mindestens einen Elektromotor, welcher elektrische Energie in ein elektrisches Antriebsmoment wandelt. Dabei ist das Antriebsmodul, insbesondere der Elektromotor, mit mindestens oder genau einem Antriebsrad des Fahrzeugs antriebstechnisch verbindbar und/oder verbunden. Prinzipiell ist das Antriebsmodul als ein Radnabenantrieb ausgebildet, welcher in das Antriebsrad des Fahrzeugs integriert ist. Alternativ kann das Antriebsmodul jedoch auch außerhalb des Antriebsrades angeordnet und/oder als zentraler Antriebsmotor für ein oder mehrere Antriebsräder dienen. Grundsätzlich ist das Antriebsrad als ein Hinterrad des Fahrzeugs ausgebildet. Alternativ kann das Antriebsrad jedoch auch als ein Vorderrad des Fahrzeugs ausgebildet sein.
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Das Generatormodul ist insbesondere separat zu dem Antriebsmodul ausgebildet. Das Generatormodul weist hierzu einen Generator auf, der durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft antreibbar ist. Insbesondere erzeugt der Generator eine elektrische Leistung, welche aus der am Generator aufgebrachten Drehmomente und Drehzahlen resultiert. Vorzugsweise kann der Fahrzeugbenutzer die Größe der elektrischen Leistung in Abhängigkeit der Tretkraft bzw. Trittfrequenz variieren. Bevorzugt weist die Antriebsanordnung eine Steuerungseinrichtung auf, welche ausgebildet ist, das Antriebsmoment und/oder eine Antriebsdrehzahl des Antriebsmoduls in Abhängigkeit der Tretkraft und/oder Trittfrequenz zu steuern. Besonders bevorzugt ist der Generator nicht zur Umsetzung eines Betriebs als Antriebsmotor ausgebildet und/oder kann ausschließlich in einem Generatorbetrieb laufen. Alternativ kann der Generator elektromotorisch betrieben werden, um z.B. die Kurbeln in eine bestimmte Position zu bringen. Das Generatormodul weist einen Stator und einen Rotor auf.
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Das Generatormodul weist eine Tretkurbelwelle auf, welche zur Übertragung der Tretkraft auf den Generator ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere sind an der Tretkurbelwelle endseitig jeweils eine Tretkurbel angeordnet, über welche die Tretkraft in die Tretkurbelwelle eingeleitet wird. Insbesondere ist die Tretkurbelwelle drehbar in dem Generatormodul gelagert. Bevorzugt definiert die Tretkurbelwelle mit ihrer Rotationsachse eine Hauptdrehachse des Generatormoduls. Die Tretkurbelwelle verläuft durchgängig von einer Tretkurbel zu der anderen Tretkurbel.
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Das Generatormodul weist eine Getriebeeinrichtung auf, welche zur Übersetzung der Tretkraft auf den Generator ausgebildet und/oder geeignet ist. Die Tretkurbelwelle ist dabei über die Getriebebeinrichtung getriebetechnisch mit dem Generator verbunden. Insbesondere dient die Getriebeeinrichtung zur Übersetzung ins Schnelle (Betrag (i) < 1), wobei die Drehzahl am Generator vergrößert und das übertragene Drehmoment auf den Generator verkleinert wird. Die Tretkurbelwelle ist in axialer Richtung in Bezug auf die Hauptdrehachse bevorzugt durch die Getriebeeinrichtung geführt und/oder koaxial zu der Getriebeeinrichtung angeordnet. Somit wird ein Antriebsstrang gebildet, der von der Tretkurbelwelle zu dem Generator führt, wobei die Tretkurbelwelle und der Generator jeweils einen Teil des Antriebsstrangs bilden.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Getriebeeinrichtung als ein Exzentergetriebe ausgebildet ist, wie dies zuvor beschreiben wurde. Insbesondere weist das Exzentergetriebe einen Getriebeeingang, insbesondere ein Eingangsorgan, und einen Getriebeausgang, insbesondere ein Ausgangsorgan, auf, wobei die Tretkurbelwelle eingangsseitig und der Generator ausgangsseitig angeordnet ist. In einem Fahrbetrieb wird somit das Tretmoment über das Exzentergetriebe auf den Rotor übertragen, sodass der Rotor relativ zu dem Stator um die Hauptdrehachse rotiert wird. Insbesondere verläuft ein Kraftübertragungsweg zur Übertragung der Tretkraft von der Tretkurbelwelle über das Exzentergetriebe zu dem Generator. Die Tretkurbelwelle ist hierzu in axialer Richtung in Bezug auf die Hauptdrehachse durch das Exzentergetriebe geführt und/oder koaxial zu dem Exzentergetriebe angeordnet. Bevorzugt sind das Exzentergetriebe, die Tretkurbelwelle und der Generator koaxial und/oder konzentrisch in Bezug auf die Hauptdrehachse angeordnet. Nachdem gerade bei muskelbetriebenen Fahrzeugen der Benutzer besonders sensibel bei Störgeräuschen ist und zudem unnötige Reibung verhindert werden soll, ist das Exzentergetriebe besonders vorteilhaft einsetzbar.
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In einer möglichen Realisierung ist vorgesehen, dass der Exzenterradträger ein Eingangsorgan der Getriebeeinrichtung und die Exzenterwelle ein Ausgangsorgan der Getriebeeinrichtung bildet. Insbesondere ist der Exzenterradträger hierzu drehfest mit der Tretkurbelwelle verbunden und die Exzenterwelle drehfest mit dem Rotor verbunden. Dabei ist der Hohlradabschnitt fest oder zumindest drehfest mit dem Gehäuse verbunden.
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Alternativ bildet der Hohlradabschnitt das Eingangsorgan der Getriebeeinrichtung und die Exzenterwelle das Ausgangsorgan der Getriebeeinrichtung. Insbesondere ist der Hohlradabschnitt hierzu drehfest mit der Tretkurbelwelle verbunden und die Exzenterwelle drehfest mit dem Rotor verbunden. Dabei ist der Exzenterradträger fest oder zumindest drehfest mit dem Gehäuse verbunden.
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Insbesondere ist das Eingangsorgan formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit der Tretkurbelwelle, vorzugsweise zumindest drehfest, verbunden. Alternativ können das Eingangsorgan und die Tretkurbelwelle auch aus einem gemeinsamen Materialabschnitt gebildet sein. Insbesondere ist das Ausgangsorgan formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Rotor, vorzugsweise zumindest drehfest, verbunden. Alternativ können das Ausgangsorgan und der Rotor auch aus einem gemeinsamen Materialabschnitt gebildet sein. Bevorzugt ist das Eingangsorgan in Bezug auf die Hauptdrehachse koaxial und/oder konzentrisch zu der Tretkurbelwelle angeordnet und/oder das Ausgangsorgan in Bezug auf die Hauptdrehachse koaxial und/oder konzentrisch zu dem Rotor angeordnet.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit dem Generatormodul wie diese bereits zuvor beschrieben wurden. Insbesondere ist das Fahrzeug ein muskelbetriebenes Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, ausgebildet, welches durch einen Elektromotor angetrieben wird. Insbesondere zeichnet sich das Fahrzeug dadurch aus, dass die für den Elektromotor benötigte elektrische Energie zumindest teilweise mittels des Generatormoduls durch den Fahrer erzeugt wird.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Generatormodul als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine Schnittdarstellung des Generatormoduls mit einem Exzentergetriebe;
- 3 eine Detailansicht des Exzentergetriebes der 2.
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Einander entsprechende oder gleiche Teile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung ein muskelkraftbetriebenes Fahrzeug 1. Das Fahrzeug 1 ist als ein Fahrrad ausgebildet, welches im Wesentlichen aus einem Rahmen 2 sowie einem Vorderrad 3 und einem Hinterrad 4 gebildet ist.
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Das Fahrzeug 1 weist eine Antriebsanordnung 5 auf, welche zum Antrieb des Hinterrads 4 dient. Das Hinterrad 4 bildet somit ein Antriebsrad des Fahrzeugs 1, wobei das Vorderrad 3 antriebslos bleibt. Optional kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Vorderrad 3 angetrieben wird.
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Die Antriebsanordnung 5 umfasst ein Generatormodul 6, ein Antriebsmodul 7 und ein Energiespeichermodul 8. Das Generatormodul 6 ist im Bereich des Tretlagers angeordnet und kann durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft angetrieben werden, um elektrische Energie für das Antriebsmodul 7 zu erzeugen. Das Generatormodul 6 weist hierzu zwei diametral zueinander angeordnete Tretkurbeln 9 auf, welche per Tretkraft in Rotation versetzt werden, um elektrische Leistung in dem Generatormodul 6 zu erzeugen.
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Das Fahrrad weist keine mechanische Antriebsverbindung zwischen den Tretkurbeln 9 und dem Antriebsrad 4 auf. Das Generatormodul 6 ist lediglich über eine elektrische Leitung 10 mit dem Antriebsmodul 6 und/oder dem Energiespeichermodul 8 elektrisch verbunden, um die für das Antriebsmodul 7 nötige elektrische Energie bereitzustellen. Das Antriebsmodul 7 kann beispielsweise als ein in das Hinterrad 4 integrierter Radnabenmotor ausgebildet sein, welcher ein elektrisches Antriebsmoment auf das Hinterrad 4 überträgt. Das Antriebsmodul 7 kann dabei direkt durch die von dem Generatormodul 6 erzeugte elektrische Energie oder mittelbar durch die in dem Energiespeichermodul 8 gespeicherte elektrische Energie versorgt werden. Das Energiespeichermodul 8 kann während der Fahrt von dem Generatormodul 6 gespeist werden und darüber hinaus von einer externen Stromquelle geladen werden. Optional kann die vom Generatormodul 6 bereitgestellte elektrische Energie einem Verbraucher 11, z. B. Licht, zur Verfügung gestellt werden.
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Die 2 zeigt das Generatormodul 6 in einem Längsschnitt entlang einer Hauptdrehachse 100. Das Generatormodul 6 weist eine Tretkurbelwelle 12 auf, welche mit ihrer Rotationsachse die Hauptdrehachse 100 definiert. In einer Einbausituation sind an der Tretkurbelwelle 12 endseitig die Tretkurbeln 9 montiert.
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Das Generatormodul 6 weist einen Generator 13 sowie eine Getriebeeinrichtung 14 auf, welche gemeinsam in einem Gehäuse 15 aufgenommen sind. Die Getriebeeinrichtung 14 dient dazu, ein in die Tretkurbelwelle 12 eingeleitetes Tretmoment über die Getriebeeinrichtung 14 auf den Generator 13 zu übersetzen. Die Getriebeeinrichtung 14 ist dabei als ein Exzentergetriebe 16 ausgebildet, welches in Bezug auf die Hauptdrehachse 100 koaxial zu dem Generator 13 und der Tretkurbelwelle 12 und in axialer Richtung formschlüssig zwischen dem Generator 13 und dem Gehäuse 15 angeordnet ist.
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Der Generator 13 weist einen Stator 17 und einen Rotor 18 auf, wobei die Tretkurbelwelle 12 mit einem Getriebeeingang und der Rotor 18 mit einem Getriebeausgang des Exzentergetriebes 16 verbunden ist. Der Stator 17 hingegen ist gehäusefest mit dem Gehäuse 15 verbunden und verbleibt somit stationär.
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Das Gehäuse 15 weist beidseitig eine zentrale Durchgangsöffnung 19 auf, welche zur Durchführung der Tretkurbelwelle 12 durch das Gehäuse 15 dient.
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Das Exzentergetriebe 16 weist als Eingangsorgan einen Exzenterradträger 20 auf, welcher drehfest mit der Tretkurbelwelle 12 verbunden ist. Dabei ist der Exzenterradträger 20 mit einem Wellenfortsatz 21 der Tretkurbelwelle 12 einteilig ausgebildet, sodass eine Welle-Nabe-Verbindung zwischen der Tretkurbelwelle 12 und dem Exzentergetriebe 16 eingespart werden kann. Bei einer Rotation der Tretkurbelwelle 12 wird der Exzenterradträger 20 ebenfalls rotiert und die Drehbewegung ins Schnelle übersetzt.
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In einer bevorzugten Realisierung ist vorgesehen, dass das Exzentergetriebe 16 ein Übersetzungsverhältnis zwischen Getriebeeingang und Getriebeausgang mit einem Betrag von weniger als 1:30 aufweist. Vorzugsweise weist das Exzentergetriebe 16 ein Übersetzungsverhältnis zwischen 1:30 und 1:100 auf. Vorzugsweise weist das Exzentergetriebe 16 ein Übersetzungsverhältnis von 1:50 auf. Auf diese Weise wird das durch den Fahrer erzeugte hohe Tretmoment (im Bereich bis ca. 200 Nm) am Getriebeeingang/Eingangsorgan mit geringen Drehzahlen (im Bereich 30 bis 120 1/min) in ein geringeres Drehmoment mit hohen Drehzahlen am Getriebeausgang/Ausgangsorgan gewandelt.
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Ferner sind ein erstes und ein zweites Exzenterrad 22, 23 vorgesehen, wobei das erste Exzenterrad 22 eine erste Exzenteraufnahmeöffnung 24 und eine Mehrzahl von außermittigen ersten Mitnahmeöffnungen 26 aufweist und das zweite Exzenterrad 23 eine zweite Exzenteraufnahmeöffnung 25 und eine Mehrzahl von außermittigen zweiten Mitnahmeöffnungen 27 aufweist. Die Exzenterräder 22, 23 sind gegengleich zueinander angeordnet, um Querkräfte im Betrieb zu verkleinern.
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Der Exzenterradträger 20 weist eine Mehrzahl von Trägerbolzen 28 auf, wobei die Trägerbolzen 28 in die Mitnahmeöffnungen 25, 26 der Exzenterräder 22, 23 eingreifen, so dass diese in Umlaufrichtung von den Trägerbolzen 28 und damit von dem Exzenterradträger 20 mitgenommen werden. Die Trägerbolzen 28 sind hierzu an dem Exzenterradträger 20 festgelegt und erstrecken sich in axialer Richtung in Bezug auf die Hauptdrehachse 100 radial innerhalb eines Hohlradabschnitts 29, welcher drehfest mit dem Gehäuse 15 verbunden ist.
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Die Exzenterräder 22, 23 weisen an ihrem Außenumfang jeweils eine Außenverzahnung 30, 31 und der Hohlradabschnitt 29 an seinem Innenumfang eine Innenverzahnung 32 auf, wobei die Außenverzahnungen 30, 31 und die Innenverzahnung 32 ausschließlich abschnittsweise und zwar um 180° und/oder gegengleich versetzt ineinander eingreifen. Beispielsweise sind die Außenverzahnungen 30, 31 und die Innenverzahnung 32 als Stirnradverzahnung, insbesondere als Evolventenverzahnung, ausgebildet.
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Ein Ausgangsorgan des Exzentergetriebes 16 ist als eine Exzenterwelle 33 ausgebildet, wobei die Exzenterwelle 33 an ihrem Außenumfang einen ersten und einen zweiten Exzenterabschnitt 34, 35 aufweist. Das erste Exzenterrad 22 ist über eine erste Exzenterradlagereinrichtung 36 auf dem ersten Exzenterabschnitt 34 und das zweite Exzenterrad 23 ist über eine zweite Exzenterradlagereinrichtung 37 auf dem zweiten Exzenterabschnitt 35 gelagert. Die beiden Exzenterabschnitte 34, 35 greifen hierzu in die jeweilige Exzenteraufnahmeöffnung 24, 25 der Exzenterräder 22, 23 ein.
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Die Exzenterwelle 33 ist als eine Hohlwelle ausgebildet, welche drehfest mit dem Rotor 18 verbunden und in Bezug auf die Hauptdrehachse 100 koaxial zu der Tretkurbelwelle 12 angeordnet ist. Die Tretkurbelwelle 12 ist dabei relativ zu der Exzenterwelle 33 und/oder zu dem Rotor 18 über eine Rotorlagereinrichtung 38, beispielsweise eine Wälzkörperlagerung, gelagert.
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Die Trägerbolzen 28 sind endseitig jeweils mit einem Anlaufabschnitt 39 versehen, welcher eine Anlauffläche in axialer Richtung in Bezug auf eine Bolzenachse 101 bildet. Der Anlaufabschnitt 39 ist als eine Anlaufscheibe ausgebildet, welche an einer der dem Exzenterradträger 20 abgewandten axialen Stirnseite des Trägerbolzens 28 montiert ist. Dabei erstreckt sich der Anlaufabschnitt 39 in Bezug auf die Bolzenachse 101 in einer Radialebene. Das andere axiale Ende der Trägerbolzen 28 ist jeweils in eine entsprechende Bolzenaufnahme 40 des Exzenterradträgers 20 verliersicher, z.B. über eine Pressverbindung, montiert.
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Ferner ist zu erkennen, dass auf den Trägerbolzen 28 jeweils eine erste und eine zweite Lagerhülse 41, 42 koaxial zur Bolzenachse 101 aufgesetzt sind, welche axial benachbart und/oder angrenzend zueinander angeordnet und axial durch den Anlaufabschnitt 39 gesichert sind. Die Trägerbolzen 28 greifen dabei jeweils exzentrisch in jeweils eine der ersten und zweiten Mitnahmeöffnungen 26, 27 ein, wobei das Exzenterrad 22 über die ersten Lagerhülsen 41 und das zweite Exzenterrad 22 über die zweiten Lagerhülsen 42 an den Trägerbolzen 28 gelagert ist.
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Die erste Lagerhülse 41 ist hierzu auf dem Trägerbolzen 28 über eine erste Hülsenlagerung 43 und die zweite Lagerhülse 42 ist auf dem Trägerbolzen 28 über eine zweite Hülsenlagerung 44 drehbar gelagert. Die erste und die zweite Hülsenlagerung 43, 44 können jeweils als eine Gleitlagerung oder als eine Wälzkörperlagerung ausgebildet sein. Als Wälzkörperlagerung ausgebildet, weisen die Hülsenlagerungen 43, 44 jeweils mehrerer um die Bolzenachse 101 verteilte Wälzkörper auf, wobei der Anlaufabschnitt 39 einen seitlichen Bord für die Wälzkörper sowie die Lagerhülsen 41, 42, insbesondere die erste Lagerhülse 41, bildet.
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In einem Betrieb wird das über die Tretkurbelwelle 12 eingeleitete Tretmoment über den Exzenterradträger 20 und die Trägerbolzen 28 auf die beiden Exzenterräder 22, 23 übertragen, wobei die Lagerhülsen 41, 42 hierbei am Innenumfang der jeweils zugehörigen Mitnahmeöffnung 26, 27 exzentrisch ablaufen. Dabei ist das erste Exzenterrad 22 über die ersten Mitnahmeöffnungen 26 jeweils in einem ersten Hülsenlagerbereich 45 an den ersten Lagerhülsen 41 abgestützt und das zweite Exzenterrad 22 über die zweiten Mitnahmeöffnungen 27 jeweils in einem zweiten Hülsenlagerbereich 46 an den zweiten Lagerhülsen 42 abgestützt.
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Die ersten und die zweiten Lagerhülsen 41, 42 sind an ihrem Außenumfang zumindest in dem jeweiligen Hülsenlagerbereich 45, 46 ballig ausgestaltet. Dadurch kann die im Hülsenlagerbereich 46 wirksame Kontaktzone zwischen den Lagerhülsen 41, 42 und dem jeweiligen Exzenterrad 22, 23 im Gegensatz zur Ausgestaltung von zylindrischen Geometrien unter realen Toleranzen und/oder unter Betriebslast deutlich vergrößert werden. Weiterhin wird durch die ballige Ausführung der Lagerhülsen 41, 42 ein Kantentragen an den axialen Rändern verhindert, was zu einer gleichmäßigeren Kraftverteilung der einzelnen Lagerhülsen 41, 42 und somit auch zu einem verbesserten Geräuschverhalten führt.
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3 zeigt in gleicher Darstellung wie 2 eine Detailansicht des ersten Hülsenlagerbereichs 45. Es sei darauf hingewiesen, dass die nachfolgende Beschreibung analog für den zweiten Hülsenlagerbereich 46 bzw. das zweite Exzenterrad 23 sowie die zweiten Lagerhülsen 42 gilt.
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Die ersten Lagerhülsen 41 weisen jeweils an ihrem Außenumfang eine Lageraußenfläche 47 auf und die ersten Mitnahmeöffnungen 26 weisen jeweils an ihrem Innenumfang eine Lagerinnenfläche 48 auf, wobei jeweils die Lageraußenfläche 47 und die jeweils zugehörige Lagerinnenfläche 48 in dem Hülsenlagerbereich 46 miteinander kontaktieren und jeweils in einem axialen Randbereich 49 radial voneinander beabstandet sind. Die Lageraußenfläche 47 der Lagerhülsen 41 ist dabei ballig, insbesondere kalottenförmig, ausgebildet und weist eine konvexe Krümmung auf. Die Lagerinnenfläche 26 der Mitnahmeöffnungen 26 ist hingegen zylindrisch ausgebildet.
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Somit sind die Lageraußenfläche 47 und Lagerinnenfläche 48 in den axialen Randbereichen 49 unter Bildung eines Spaltes 50, insbesondere eines Luftspaltes, voneinander beabstandet. Die Breite des Spaltes 50 verläuft dabei in axialer Richtung in Bezug auf die Bolzenachse 101 in dem Hülsenlagerbereich 45 beginnend nach außen in Richtung des jeweiligen Randbereichs 49 vergrößernd bzw. divergierend.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Rahmen
- 3
- Vorderrad
- 4
- Hinterrad
- 5
- Antriebsanordnung
- 6
- Generatormodul
- 7
- Antriebsmodul
- 8
- Energiespeichermodul
- 9
- Tretkurbel
- 10
- Leitung
- 11
- Verbraucher
- 12
- Tretkurbelwelle
- 13
- Generator
- 14
- Getriebeeinrichtung
- 15
- Gehäuse
- 16
- Exzentergetriebe
- 17
- Stator
- 18
- Rotor
- 19
- Durchgangsöffnung
- 20
- Exzenterradträger
- 21
- Wellenfortsatz
- 22
- erstes Exzenterrad
- 23
- zweites Exzenterrad
- 24
- erste Exzenteraufnahmeöffnung
- 25
- zweite Exzenteraufnahmeöffnung
- 26
- erste Mitnahmeöffnung
- 27
- zweite Mitnahmeöffnung
- 28
- Trägerbolzen
- 29
- Hohlradabschnitt
- 30
- erste Außenverzahnung
- 31
- zweite Außenverzahnung
- 32
- Innenverzahnung
- 33
- Exzenterwelle
- 34
- erster Exzenterabschnitt
- 35
- zweiter Exzenterabschnitt
- 36
- erste Exzenterradlagereinrichtung
- 37
- zweite Exzenterradlagereinrichtung
- 38
- Rotorlagereinrichtung
- 39
- Anlaufabschnitt
- 40
- Bolzenaufnahme
- 41
- erste Lagerhülse
- 42
- zweite Lagerhülse
- 43
- erste Hülsenlagerung
- 44
- zweite Hülsenlagerung
- 45
- erster Hülsenlagerbereich
- 46
- zweite Hülsenlagerbereich
- 47
- Lageraußenfläche
- 48
- Lagerinnenfläche
- 49
- Randbereich
- 50
- Spalt
- 100
- Hauptdrehachse
- 101
- Bolzenachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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