DE102022109482A1 - Electric bicycle drive unit with torque measuring device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrische Fahrrad-Antriebseinheit (Du) zur tretlager-koaxialen Anordnung in einem Tretlagerbereich eines Fahrradrahmens. Die Antriebseinheit (Du) umfasst eine Drehmoment-Sensoreinrichtung (ST) zur Messung eines Fahrer-Drehmoments TR, eine Tretlagerwelle (SB), eine koaxial zur Tretlagerwelle (SB) angeordnete elektrische Motoreinrichtung (ME), eine Ausgangshohlwelle (So) zur Übertragung des Motordrehmoments (TM) und des Fahrer-Drehmoments (TR) auf einen Fahrrad-Antriebsstrang sowie eine Fahrermoment-Einkopplungseinrichtung (DCR) zur Einkopplung eines Fahrer-Drehmoments (TR) von der Tretlagerwelle (SB) auf die Ausgangshohlwelle (So) und eine Motormoment-Einkopplungseinrichtung (DCM) zur Einkopplung eines Motor-Drehmoments (TM) auf die Ausgangshohlwelle (So).Die Drehmoment-Sensoreinrichtung (ST) ist in einem von einem Ausgangshohlwellenabschnitt (Sos) definierten axialen Bereich (PA) der Antriebseinheit angeordnet, wobei der axiale Bereich (PA) zur Durchleitung sowohl des Fahrer-Drehmoments (TR) als auch des Motordrehmoments (TM) eingerichtet ist.The invention relates to an electric bicycle drive unit (Du) for arrangement coaxially with the bottom bracket in a bottom bracket area of a bicycle frame. The drive unit (Du) comprises a torque sensor device (ST) for measuring a driver's torque TR, a bottom bracket shaft (SB), an electric motor device (ME) arranged coaxially with the bottom bracket shaft (SB), a hollow output shaft (So) for transmitting the motor torque (TM) and the driver's torque (TR) to a bicycle drive train and a driver's torque input device (DCR) for coupling a driver's torque (TR) from the bottom bracket shaft (SB) to the output hollow shaft (So) and a motor torque input device (DCM) for coupling an engine torque (TM) to the output hollow shaft (So).The torque sensor device (ST) is arranged in an axial area (PA) of the drive unit defined by an output hollow shaft section (Sos), the axial area ( PA) is configured to pass both driver torque (TR) and motor torque (TM).
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Fahrrad-Antriebseinheit nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to an electric bicycle drive unit according to the preamble of
In der nachfolgenden Beschreibung stellenweise verwendete Orts- bzw. Richtungsangaben wie „links“, „rechts“, „vorne“, „hinten“, „oben“, „unten“ usw. entsprechen der Fahrerperspektive auf einem Fahrrad.Location and direction information such as “left”, “right”, “in front”, “back”, “up”, “down” etc. used in places in the following description correspond to the rider’s perspective on a bicycle.
Geländegängige Fahrräder mit elektrischem Unterstützungsantrieb erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Diese auch als E-Mountainbike oder abgekürzt E-MTB bezeichneten Fahrräder werden in Kategorien wie beispielsweise „Cross-Country“, „Trail“, „Enduro“ und „Downhill“ eingeteilt bzw. auch sportlich eingesetzt.All-terrain bicycles with an electric support drive are enjoying increasing popularity. These bicycles, also known as e-mountain bikes or e-MTBs for short, are divided into categories such as “cross-country”, “trail”, “enduro” and “downhill” and are also used for sporting purposes.
Bei solchen Einsätzen treten hohe Anforderungen an Robustheit, Rahmensteifigkeit und „Handling“ des E-MTB auf. Beim Handling des E-MTB ist vor allem die Schwerpunktlage des Fahrrads von Bedeutung. Ein hoher Schwerpunkt des Fahrrads beeinträchtigt die Kurvenlage und erhöht das Risiko von Überschlägen bei starker Bremsverzögerung oder in steilen Abfahrtspassagen.Such uses place high demands on the robustness, frame rigidity and "handling" of the E-MTB. When handling the E-MTB, the center of gravity of the bike is particularly important. A high center of gravity of the bike impairs cornering and increases the risk of rollovers when braking hard or on steep descents.
Von besonderer Bedeutung ist auch die Distanz zwischen dem Fahrrad-Schwerpunkt und der Hinterradachse. Je weiter sich der Schwerpunkt des Fahrrads in Fahrtrichtung vorne befindet, desto höher ist die Gefahr von Überschlägen, und desto schwieriger wird es für den Fahrer, das Vorderrad anzuheben, insbesondere in Fällen ohne Unterstützung eines Antriebsdrehmoments.The distance between the bike's center of gravity and the rear wheel axle is also of particular importance. The further forward the center of gravity of the bicycle is in the direction of travel, the greater the risk of rollover and the more difficult it becomes for the rider to lift the front wheel, especially in cases without drive torque assistance.
Das Anheben des Vorderrades ist eine der wichtigsten Fahrtechniken, die in den unterschiedlichsten Fahrsituationen angewandt wird. Auf diese Weise lassen sich größere Hindernisse und Stufen überwinden, oder mit hoher Geschwindigkeit Bodenwellen überfahren.Lifting the front wheel is one of the most important riding techniques used in a wide variety of riding situations. In this way, larger obstacles and steps can be overcome, or bumps can be driven over at high speed.
Weiterhin ist bei E-Mountainbikes der Abstand zwischen Hinterradachse und Tretlagerwelle im Vergleich zum Mountainbike ohne Zusatzantrieb tendenziell vergrößert, da der Elektromotor auch Bauraum im Bereich der Tretlagerwelle einnimmt, und da dort somit weniger radialer Freiraum für den Hinterradreifen zur Verfügung steht.Furthermore, the distance between the rear wheel axle and the bottom bracket shaft tends to be larger on e-mountain bikes compared to mountain bikes without an additional drive, since the electric motor also takes up space in the area of the bottom bracket shaft, and there is less radial space available there for the rear wheel tire.
Bei vollgefederten Fahrrädern wird durch den elektrischen Zusatzantrieb auch der Bauraum für die aus Stabilitätsgründen üblicherweise erforderliche Brücke zwischen den Kettenstreben des Hinterbaurahmens im Bereich des Tretlagers beeinträchtigt. In Abhängigkeit von der für die Hinterradfederung verwendeten Hinterbaukinematik kann auch ein Bauraumkonflikt mit im Tretlagerbereich angeordneten Drehgelenken der Hinterradfederung entstehen.In the case of full-suspension bicycles, the installation space for the bridge between the chainstays of the rear frame in the area of the bottom bracket, which is usually required for reasons of stability, is also affected by the additional electric drive. Depending on the rear kinematics used for the rear wheel suspension, there can also be a space conflict with the pivot joints of the rear wheel suspension arranged in the bottom bracket area.
Weiterhin benötigen E-Mountainbikes, allgemeiner gefasst auch sonstige Fahrradmodelle mit den Fahrer unterstützendem elektrischem Zusatzantrieb, im Markt auch bezeichnet als Pedelecs, zur Motorsteuerung die Erfassung der Eingangsleistung des Fahrers. Der Motor soll die Leistung des Fahrers mit einem entsprechenden Multiplikator lediglich unterstützen. Aus gesetzlichen ebenso wie aus Sicherheitsgründen soll der Elektromotor ohne vom Fahrer über die Pedale aufgebrachtes Drehmoment nicht antreibend wirken.Furthermore, e-mountain bikes, or more generally other bicycle models with an additional electric drive that supports the rider, also referred to on the market as pedelecs, require the rider's input power to be recorded for motor control. The engine is only intended to support the driver's performance with a corresponding multiplier. For legal as well as safety reasons, the electric motor should not have a driving effect without torque applied by the driver via the pedals.
Für E-Mountainbikes ist eine schnelle und akkurate Messung des vom Fahrer aufgebrachten Drehmoments von besonderer Bedeutung, da viele Fahrsituationen im Gelände eine schnelle Reaktionszeit und gute Dosierbarkeit des Antriebs erfordern.Fast and accurate measurement of the torque applied by the rider is of particular importance for e-mountain bikes, as many off-road riding situations require a fast reaction time and good controllability of the drive.
Im Markt haben sich hierzu im Wesentlichen die Drehmomentmessung über Dehnmesstreifen und die berührungslose magnetostriktive Drehmomentmessung etabliert. Um bei der Messung mit Dehnmesstreifen, welche an einer vom Drehmoment durchflossenen, rotierenden Welle erfolgt, die Notwendigkeit von Schleifkontakten zu vermeiden, wird die Energieversorgung des Dehnmessstreifen-Sensors zumeist induktiv realisiert, die Signalübertragung vom Sensor auf die Auswerteelektronik erfolgt dann ebenfalls drahtlos.Torque measurement using strain gauges and non-contact magnetostrictive torque measurement have essentially become established on the market. In order to avoid the need for sliding contacts when measuring with strain gauges, which is carried out on a rotating shaft through which the torque flows, the energy supply of the strain gauge sensor is usually implemented inductively, the signal transmission from the sensor to the evaluation electronics is then also wireless.
Bei den nicht konzentrisch zur Tretlagerwelle aufgebauten Mittelmotoren, die den E-Mountainbike-Markt aktuell zum größten Teil dominieren, wird das Drehmoment des Elektromotors von einer zur Tretlagerwelle parallelen Motorwelle auf die Ausgangshohlwelle der Antriebseinheit und damit auf das Kettenrad des Fahrrad-Antriebsstrangs übertragen. Diese Drehmomentübertragung vom Elektromotor auf die Ausgangshohlwelle erfolgt häufig mittels eines Stirnradgetriebes oder über einen Zahnriemen. Bei einem solchen Aufbau kann eine Einrichtung zur Drehmomentmessung auf einfache Weise so in der Antriebseinheit platziert werden, dass unabhängig vom aktuellen Motordrehmoment nur das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment gemessen wird.In the case of the mid-mounted motors that are not concentric to the bottom bracket shaft, which currently dominate the e-mountain bike market for the most part, the torque of the electric motor is transmitted from a motor shaft parallel to the bottom bracket shaft to the hollow output shaft of the drive unit and thus to the chain wheel of the bicycle drive train. This torque transmission from the electric motor to the output hollow shaft often takes place by means of a spur gear or a toothed belt. With such a structure, a device for measuring torque can easily be placed in the drive unit in such a way that only the torque applied by the driver is measured, regardless of the current engine torque.
Hierzu wird das Motordrehmoment zwischen dem Bereich der Fahrer-Drehmomentmessung und einem Kettenblattanschlussbereich, bezüglich des Momentflusses also stromabwärts von der Fahrer-Drehmomentmessung, in die Ausgangshohlwelle eingeleitet, wodurch die Fahrer-Drehmomentmessung nicht durch das Motordrehmoment verfälscht wird.For this purpose, the engine torque is introduced into the hollow output shaft between the area of the driver's torque measurement and a chainring connection area, i.e. downstream of the driver's torque measurement with regard to the torque flow, so that the driver's torque measurement is not falsified by the engine torque.
Nachteilig bei derartigen, nicht konzentrisch aufgebauten Mittelmotor-Antriebseinheiten ist, dass die Antriebseinheit zumindest in einer Richtung eine große Ausdehnung senkrecht zur Motorachse bzw. zur Tretlagerwelle aufweist. Auch die Ausdehnung in Richtung der Motorachse bzw. Tretlagerwelle ist erheblich, da Untersetzungsgetriebe bzw. Übertragungsgetriebe zur Tretlagerwelle Bauraum zusätzlich zur Breite des Motors beanspruchen. Daraus resultiert eine zumeist wenig kompakte und oft zerklüftete Antriebseinheit. Damit ist eine optimale Integration der Antriebseinheit in den Fahrradrahmen schwer zu realisieren.The disadvantage of such non-concentrically constructed central motor drive units is that the drive unit has a large extent perpendicular to the motor axis or to the bottom bracket shaft, at least in one direction. The expansion in the direction of the motor axis or bottom bracket shaft is also considerable, since reduction gears or transmission gears to the bottom bracket shaft take up space in addition to the width of the motor. This results in a mostly less compact and often jagged drive unit. This makes it difficult to optimally integrate the drive unit into the bicycle frame.
Konzentrisch zur Tretlagerwelle angeordnete Mittelmotor-Antriebseinheiten können kompakter gestaltet und damit besser in den Fahrradrahmen integriert werden. Ein Beispiel für eine Antriebseinheit dieser Bauart ist in Fachkreisen unter der Bezeichnung TQ HPR 120s, sowie aus der Druckschrift
Um genügend radialen Freiraum für das Hinterrad zu gewährleisten, sollte der Außendurchmesser eines konzentrisch zur Tretlagerwelle aufgebauten Mittelmotors idealerweise nicht mehr als 100 mm betragen. Ein zu großer Außendurchmesser des Mittelmotors kann auch die Positionierung der für die Eigenschaften der Hinterbaufederung wichtigen, tretlagernahen Drehpunkte an gefederten Fahrradrahmen erschweren.In order to ensure sufficient radial clearance for the rear wheel, the outer diameter of a center motor that is concentric to the bottom bracket shaft should ideally not be more than 100 mm. If the outer diameter of the mid-motor is too large, it can also make it difficult to position the pivot points near the bottom bracket on sprung bicycle frames, which are important for the properties of the rear suspension.
Bei der vorgenannten, bekannten konzentrischen Antriebseinheit leistet die Einrichtung zur Messung des Fahrer-Drehmoments einen wesentlichen Beitrag zu dem relativ großen Gehäusedurchmesser. Diese bekannte konzentrische Antriebseinheit verwendet eine beispielsweise von der NCTE AG bereitgestellte Sensor-Einheit zur magnetostriktiven Messung des Fahrer-Drehmoments. Bei dieser Sensoreinheit wird das Fahrer-Drehmoment an einer eigens zur Messung vorgesehenen, die Tretlagerwelle umschließenden Torsions-Messhohlwelle gemessen.In the aforementioned, known concentric drive unit, the device for measuring the driver's torque makes a significant contribution to the relatively large housing diameter. This known concentric drive unit uses a sensor unit provided by NCTE AG, for example, for the magnetostrictive measurement of the driver's torque. With this sensor unit, the driver's torque is measured on a hollow torsion measuring shaft that is specially provided for measurement and encloses the bottom bracket shaft.
Hierzu ist die Torsions-Messhohlwelle an ihrem einen axialen Ende drehmomentfest mit der Tretlagerwelle verbunden. An ihrem anderen axialen Ende ist die Torsions-Messhohlwelle rotatorisch relativ zur Tretlagerwelle frei, jedoch drehrichtungsgebunden über einen Freilauf mit einer Ausgangshohlwelle der Antriebseinheit verbunden.For this purpose, the torsion measuring hollow shaft is connected to the bottom bracket shaft in a torque-proof manner at one of its axial ends. At its other axial end, the torsion measuring hollow shaft is free to rotate relative to the bottom bracket shaft, but is connected to a hollow output shaft of the drive unit via a freewheel in a direction-dependent manner.
Mit dieser bekannten Anordnung kann das vom Fahrer auf beide Pedale bzw. Kurbelarme aufgebrachte Drehmoment isoliert vom Motor-Drehmoment und von etwaigen Biegemomenten gemessen werden. Wie bereits eingangs erwähnt, wird das Motordrehmoment bei dieser Antriebseinheit bezüglich des Momentflusses erst stromabwärts von der Drehmomentmessung in die Ausgangshohlwelle der Antriebseinheit eingeleitet. Die Einrichtung zur Drehmomentmessung befindet sich in diesem Fall radial innerhalb von Motor und Getriebe.With this known arrangement, the torque applied by the driver to both pedals or crank arms can be measured in isolation from the engine torque and from any bending moments. As already mentioned at the outset, the motor torque in this drive unit is introduced into the hollow output shaft of the drive unit only downstream of the torque measurement with regard to the torque flow. In this case, the device for measuring the torque is located radially inside the engine and transmission.
Diese bekannte Anordnung zur Messung des Fahrer-Drehmoments führt jedoch, insbesondere aufgrund der eigens zur Messung zusätzlich erforderlichen Torsions-Messhohlwelle, zu einem vergleichsweise großen Gesamtdurchmesser der Antriebseinheit. Aufgrund des damit ebenfalls vergrößerten Durchmessers einer Mehrzahl von Baugruppen der Antriebseinheit, darunter vergrößerte Wellendurchmesser und entsprechend große Lagerdurchmesser, ergibt sich ein entsprechend deutlich erhöhtes Gewicht der Antriebseinheit. Schließlich ist auch die Kabelführung von der Drehmoment-Messeinrichtung zum elektronischen Motorcontroller bei dieser Antriebseinheit tendenziell aufwändig und damit teilweise problematisch.However, this known arrangement for measuring the driver's torque leads to a comparatively large overall diameter of the drive unit, in particular due to the hollow torsion measuring shaft that is additionally required for the measurement. Due to the increased diameter of a plurality of assemblies of the drive unit, including increased shaft diameters and correspondingly large bearing diameters, the weight of the drive unit is significantly increased. Finally, the cable routing from the torque measuring device to the electronic motor controller in this drive unit tends to be complex and therefore sometimes problematic.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Fahrrad-Antriebseinheit bereitzustellen, mit der sich die vorstehend beschriebenen Nachteile überwinden lassen. Insbesondere soll eine Messung des Fahrer-Drehmoments bei einem konzentrisch zum Tretlager aufgebauten Fahrrad-Mittelmotor möglich gemacht werden, die eine geringere radiale Baugröße der Antriebseinheit erlaubt.Proceeding from this prior art, it is the object of the present invention to provide an electric bicycle drive unit with which the disadvantages described above can be overcome. In particular, a measurement of the driver's torque should be made possible in a bicycle center motor that is constructed concentrically to the bottom bracket, which allows a smaller radial size of the drive unit.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Fahrrad-Antriebseinheit zur tretlager-koaxialen Anordnung in einem Tretlagerbereich eines Fahrradrahmens mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by an electric bicycle drive unit for arrangement coaxially with the bottom bracket in a bottom bracket area of a bicycle frame with the features of
Gattungsgemäß umfasst die Antriebseinheit eine Drehmoment-Sensoreinrichtung zur Messung eines aus einem linksseitigen Fahrer-Drehmoment und einem rechtsseitigen Fahrer-Drehmoment bestehenden Fahrer-Summendrehmoments, eine Tretlagerwelle, eine koaxial zur Tretlagerwelle angeordnete elektrische Motoreinrichtung, eine Ausgangshohlwelle zur Übertragung des Motordrehmoments und des Fahrer-Drehmoments auf einen Fahrrad-Antriebsstrang, sowie eine Fahrermoment-Einkopplungseinrichtung zur Einkopplung des Fahrer-Drehmoments von der Tretlagerwelle auf die Ausgangshohlwelle und eine Motormoment-Einkopplungseinrichtung zur Einkopplung des Motor-Drehmoments ebenfalls auf die Ausgangshohlwelle.According to the generic type, the drive unit comprises a torque sensor device for measuring a driver's total torque consisting of a driver's left-hand torque and a driver's right-hand torque, a bottom bracket shaft, an electric motor device arranged coaxially with the bottom bracket shaft, a hollow output shaft for transmitting the motor torque and the driver's torque on a bicycle drive train, and a driver torque coupling device for coupling the driver torque from the bottom bracket shaft to the Output hollow shaft and an engine torque coupling device for coupling the engine torque also on the output hollow shaft.
Bei den Einkopplungseinrichtungen für das Fahrer-Drehmoment bzw. für das Motordrehmoment handelt es sich üblicherweise jeweils um Freiläufe, beispielsweise Klemmkörperfreiläufe. Für spezifische Einsatzzwecke sind jedoch auch rotatorisch in beide Richtungen starre Einkopplungseinrichtungen oder geschaltete Kupplungen denkbar.The coupling devices for the driver torque or for the engine torque are usually freewheels, for example sprag freewheels. For specific purposes, however, coupling devices that are rigid in terms of rotation in both directions or switched clutches are also conceivable.
Je nach Ausführung des Elektromotors umfasst eine gattungsgemäße Antriebseinheit zumeist auch ein Untersetzungsgetriebe zur Übertragung des unterstützenden Motordrehmoments auf die Tretlagerwelle, wobei jedoch auch getriebelose Antriebseinheiten zum Direktantrieb der Tretlagerwelle bekannt sind.Depending on the design of the electric motor, a generic drive unit usually also includes a reduction gear for transmitting the supporting motor torque to the bottom bracket shaft, but gearless drive units for directly driving the bottom bracket shaft are also known.
Erfindungsgemäß zeichnet sich die Antriebseinheit dadurch aus, dass die Drehmoment-Sensoreinrichtung in einem axialen Bereich der Antriebseinheit angeordnet ist, welcher von einem Abschnitt der Ausgangshohlwelle definiert und von der Ausgangshohlwelle durchgriffen wird, wobei der axiale Bereich im Betrieb der Antriebseinheit sowohl von dem gesamten Fahrer-Summendrehmoment als auch von dem gesamten Motordrehmoment durchflossen wird.According to the invention, the drive unit is characterized in that the torque sensor device is arranged in an axial area of the drive unit, which is defined by a section of the output hollow shaft and penetrated by the output hollow shaft, the axial area during operation of the drive unit being used both by the entire driver Total torque and the total engine torque flows through it.
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Messung des Fahrer-Drehmoments dank der Erfindung an der Ausgangshohlwelle erfolgen kann. Diese aus dem Stand der Technik für nicht konzentrische Mittelmotoren bekannte Positionierung der Fahrer-Drehmomentmessung war bisher nicht für gattungsgemäße, Tretlager-konzentrisch ausgebildete Antriebseinheiten anwendbar, da eine Motor- bzw. Getriebeabtriebshohlwelle dort aus Gründen der Geometrie grundsätzlich die Ausgangshohlwelle der Antriebseinheit umschließt, zumindest in demjenigen Bereich, in welchem lediglich das Fahrer-Drehmoment und noch nicht das Motor-Drehmoment auf die Ausgangshohlwelle wirkt. Der direkte Zugriff auf die das zu messende Fahrer-Drehmoment führende Welle war daher bisher nicht möglich.In other words, this means that the driver's torque can be measured at the output hollow shaft thanks to the invention. This positioning of the driver's torque measurement, which is known from the prior art for non-concentric central motors, was previously not applicable for generic, bottom bracket-concentric drive units, since a motor or transmission output hollow shaft there basically encloses the output hollow shaft of the drive unit for reasons of geometry, at least in the area in which only the driver torque and not the engine torque acts on the hollow output shaft. Direct access to the shaft carrying the driver torque to be measured was therefore not previously possible.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Fahrermoment-Einkopplungseinrichtung in dem axialen Bereich sowie radial innerhalb der Ausgangshohlwelle angeordnet. Dabei ist die Drehmoment-Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Durchmesseränderung oder einer Umfangsspannung der Ausgangshohlwelle in dem Ausgangshohlwellenabschnitt und/oder einer Durchmesseränderung oder Umfangsspannung der Fahrermoment-Einkopplungseinrichtung im Bereich des Ausgangshohlwellenabschnitts eingerichtet.According to a preferred embodiment of the invention, the driver torque coupling device is arranged in the axial area and radially inside the hollow output shaft. The torque sensor device is set up to detect a change in diameter or circumferential stress of the hollow output shaft in the hollow output shaft section and/or a change in diameter or circumferential stress of the driver torque coupling device in the region of the hollow output shaft section.
Hierzu können beispielsweise mitrotierende Dehnmessstreifen auf einem Außendurchmesser der Ausgangshohlwelle im Bereich des Ausgangshohlwellenabschnitts angeordnet werden, oder die Messung kann durch magnetostriktive oder magnetoelastische Ermittlung der Umfangsspannung der Ausgangshohlwelle, also der Materialspannung in Umfangsrichtung der Ausgangshohlwelle erfolgen. Für den Fall dass, anstelle einer Durchmesseränderung oder Umfangsspannung der Ausgangshohlwelle, durch die Ausgangshohlwelle hindurch eine Durchmesseränderung oder Umfangsspannung der Fahrermoment-Einkopplungseinrichtung ermittelt werden soll, kann hierzu die Ausgangshohlwelle zumindest in dem Ausgangshohlwellenabschnitt aus einem für magnetische Feldlinien bzw. Magnetfelder durchlässigen Material, beispielsweise aus Aluminium, und insbesondere dünnwandig ausgebildet sein.For this purpose, co-rotating strain gauges can be arranged on an outer diameter of the output hollow shaft in the area of the output hollow shaft section, or the measurement can be carried out by magnetostrictive or magnetoelastic determination of the circumferential stress of the output hollow shaft, i.e. the material stress in the circumferential direction of the output hollow shaft. In the event that, instead of a diameter change or circumferential stress of the output hollow shaft, a diameter change or circumferential stress of the driver torque coupling device is to be determined through the output hollow shaft, the output hollow shaft can be made of a material that is permeable to magnetic field lines or magnetic fields, at least in the output hollow shaft section, for example Aluminum, and in particular be thin-walled.
Diese Ausführungsform macht sich zunutze, dass sich die Fahrermoment-Einkopplungseinrichtung, insbesondere wenn diese als Freilauf, beispielsweise als Klemmrollenfreilauf oder allgemeiner als Klemmkörperfreilauf ausgebildet ist, bei Beaufschlagung durch das Fahrer-Drehmoment radial elastisch aufweitet, wobei diese Aufweitung sich auch dem Ausgangshohlwellenabschnitt mitteilt, innerhalb welchem sich die Fahrermoment-Einkopplungseinrichtung befindet. Diese radiale elastische Aufweitung sowie die damit verbundene Durchmesservergrößerung führt zu Materialspannungen in Umfangsrichtung in der Fahrermoment-Einkopplungseinrichtung sowie in dem Ausgangshohlwellenabschnitt.This embodiment makes use of the fact that the driver torque coupling device, especially if it is designed as a freewheel, for example as a clamping roller freewheel or more generally as a sprag freewheel, expands radially and elastically when acted upon by the driver torque, with this expansion also being communicated to the output hollow shaft section, inside which the driver torque coupling device is located. This radial elastic widening and the increase in diameter associated with it leads to material stresses in the circumferential direction in the driver torque coupling device and in the hollow output shaft section.
Diese in Umfangsrichtung verlaufenden Materialspannungen werden in dem Ausgangshohlwellenabschnitt zwar von Scherspannungen überlagert, welche durch das Motordrehmoment hervorgerufen sind. Aufgrund des physikalischen Superpositionsprinzips beeinflussen sich die in Umfangsrichtung verlaufenden Zugspannungen und die Scherspannungen gegenseitig jedoch nicht, zumindest nicht in erster Ordnung bzw. Näherung, sondern sind voneinander unabhängig. Auf diese Weise ist es also möglich, das Fahrer-Summendrehmoment in dem Ausgangshohlwellenabschnitt unabhängig vom Motordrehmoment zu messen.These material stresses running in the circumferential direction are indeed superimposed by shear stresses in the output hollow shaft section, which are caused by the motor torque. Due to the physical principle of superposition, however, the tensile stresses running in the circumferential direction and the shear stresses do not influence each other, at least not to the first order or approximation, but are independent of one another. In this way it is therefore possible to measure the total driver torque in the output hollow shaft section independently of the engine torque.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Antriebseinheit eine zwischen der Motoreinrichtung und der Motormoment-Einkopplungseinrichtung angeordnete Getriebe- bzw. Motor-Abtriebshohlwelle, welche in dem axialen Bereich koaxial zu dem Ausgangshohlwellenabschnitt sowie radial außerhalb des Ausgangshohlwellenabschnitts angeordnet und für Magnetfelder durchlässig ausgebildet ist, wobei die Drehmoment-Sensoreinrichtung zur berührungslosen Erfassung des Fahrer-Summendrehmoments in dem Ausgangshohlwellenabschnitteingerichtet ist. Für eine möglichst genaue Messung des Fahrer-Summendrehmoments ist dabei die Motor-Abtriebshohlwelle in dem axialen Bereich vorzugsweise zudem möglichst dünnwandig ausgebildet.According to a further preferred embodiment of the invention, the drive unit comprises a transmission or motor output hollow shaft which is arranged between the motor device and the motor torque coupling device, which is arranged in the axial region coaxially with the output hollow shaft section and radially outside the output hollow shaft section and is designed to be permeable to magnetic fields. wherein the torque sensor device for non-contact sen detection of the driver's total torque is set up in the output hollow shaft section. For the most accurate possible measurement of the driver's total torque, the hollow motor output shaft is preferably also designed with the thinnest possible walls in the axial area.
Bei dieser Ausführungsform wird somit das Motordrehmoment separat von dem Fahrer-Drehmoment durch den axialen Bereich hindurchgeleitet, und zwar mittels der Motor-Abtriebshohlwelle, und das Fahrer-Drehmoment wird durch berührungslose Messung der Materialspannungen in dem Ausgangshohlwellenabschnitt durch die Motor-Abtriebshohlwelle hindurch ermittelt.In this embodiment, the motor torque is thus passed through the axial region separately from the driver torque, namely by means of the motor output hollow shaft, and the driver torque is determined by non-contact measurement of the material stresses in the output hollow shaft section through the motor output hollow shaft.
Die Messung der Materialspannungen in dem Ausgangshohlwellenabschnitt kann dabei entweder durch eine berührungslos ausgebildete Dehnmessstreifen-Anordnung oder durch berührungslose magnetostriktive Messung erfolgen.The material stresses in the output hollow shaft section can be measured either by a non-contact strain gauge arrangement or by non-contact magnetostrictive measurement.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Messung des Fahrer-Summendrehmoments durch Differenzbildung aus einem von der Drehmoment-Sensoreinrichtung in dem Ausgangshohlwellenabschnitt gemessenen Gesamtdrehmoment und dem Motordrehmoment. Das Motordrehmoment kann dabei separat im Motor gemessen werden. Vorzugsweise wird das Motordrehmoment jedoch auf Basis der vom Motor aufgenommenen elektrischen Stromstärke bzw. Leistung errechnet und sodann vom gemessenen Gesamtdrehmoment subtrahiert.According to a further embodiment, the driver's total torque is measured by forming the difference between a total torque measured by the torque sensor device in the output hollow shaft section and the engine torque. The engine torque can be measured separately in the engine. However, the motor torque is preferably calculated on the basis of the electric current strength or power consumed by the motor and then subtracted from the total torque measured.
Die Erfindung ist prinzipiell unabhängig von der konstruktiven Ausbildung der Motoreinrichtung, also unabhängig von der Art des Elektromotors sowie unabhängig von einem in der Motoreinrichtung ggf. enthaltenen Untersetzungsgetriebe sowie von dessen konstruktiver Gestaltung.In principle, the invention is independent of the structural design of the motor device, ie independent of the type of electric motor and independent of a reduction gear that may be contained in the motor device and of its structural design.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Motoreinrichtung eine Zykloidgetriebeeinrichtung oder Dehnwellengetriebeeinrichtung, letztere auch als Harmonic Drive bekannt, umfasst. Derartige Getriebeeinrichtungen haben insbesondere den Vorteil, sehr hohe Übersetzungsverhältnisse in nur einer Getriebestufe zu realisieren, bei gleichzeitig äußerst kompakten Abmessungen und hoher Drehmomentbelastbarkeit.According to a further embodiment of the invention, it is preferably provided that the motor device comprises a cycloidal gear device or expansion shaft gear device, the latter also known as a harmonic drive. Transmission devices of this type have the particular advantage of realizing very high transmission ratios in just one transmission stage, while at the same time having extremely compact dimensions and high torque capacity.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren beispielhaft beschrieben.Embodiments of the invention are described below by way of example with reference to the figures.
Es zeigt:
-
1 : ein E-Mountainbike nach dem Stand der Technik in einer antriebsseitigen Seitenansicht; -
2 : ineiner 1 entsprechenden Ansicht und in schematisierter Darstellung ein E-Mountainbike mit einer Ausführungsform einer Antriebseinheit nach der vorliegenden Offenbarung; -
3 : in höchst schematisierter Darstellung das Wirkprinzip einer aus dem Stand der Technik bekannten Tretlager-koaxialen Antriebseinheit im Längsschnitt; -
4 : in einer3 entsprechenden, schematischen Darstellung ein Wirkprinzip einer Antriebseinheit nach der vorliegenden Offenbarung ähnlich den nachstehenden ersten und fünften Ausführungsformen; -
5 : eine erste Ausführungsform in geschnittener perspektivischer Explosionsdarstellung; -
6 : die Ausführungsform gemäß5 im Längsschnitt; -
7 : eine zweite Ausführungsform im Längsschnitt; -
8 : eine dritte Ausführungsform im Längsschnitt; und -
9A-9C : eine vierte Ausführungsform im Längsschnitt.
-
1 : an e-mountain bike according to the prior art in a drive-side side view; -
2 : in a1 corresponding view and in a schematic representation of an e-mountain bike with an embodiment of a drive unit according to the present disclosure; -
3 : in a highly schematic representation of the operating principle of a bottom bracket coaxial drive unit known from the prior art, in longitudinal section; -
4 : in a3 corresponding, schematic representation of an operating principle of a drive unit according to the present disclosure similar to the following first and fifth embodiments; -
5 : a first embodiment in a sectioned perspective exploded view; -
6 : according to the embodiment5 in longitudinal section; -
7 : a second embodiment in longitudinal section; -
8th : a third embodiment in longitudinal section; and -
9A-9C : a fourth embodiment in longitudinal section.
Weiterhin ist das Mountainbike mit einer den Fahrer unterstützenden elektrischen Antriebseinheit Du ausgestattet, die als sog. Mittelmotor ausgebildet ist, also im Bereich der Tretlagerbaugruppe AB angeordnet ist, und die eine elektrische Motoreinrichtung MEA gemäß dem Stand der Technik umfasst. Der Antriebseinheit Du ist eine Energiespeichereinrichtung SE zugeordnet.Furthermore, the mountain bike is equipped with an electric drive unit Du that supports the rider, which is designed as a so-called center motor, i.e. is arranged in the area of the bottom bracket assembly AB , and which includes an electric motor device MEA according to the prior art. An energy storage device S E is assigned to the drive unit Du.
Die Energiespeichereinrichtung SE zum Antrieb der Motoreinrichtung MEA der Antriebseinheit Du ist im Unterrohr TL des Fahrradrahmens 1 angeordnet. Aufgrund der Positionierung der Motoreinrichtung MEA sowie der Energiespeichereinrichtung SE vor sowie oberhalb der Tretlagerwelle SB, welche eine in
Neben der schematisierten Darstellung der meisten Komponenten sind der Einfachheit und besseren Deutlichkeit halber in
Das Motorgehäuse HM, und damit auch das an dem Motorgehäuse HM befestigte Akkugehäuse HB der Energiespeichereinrichtung SE ist vorliegend an zwei Rahmenschnittstellen bzw. Befestigungsachsen FM1 und FM2 mit dem Rahmen 1 verbindbar bzw. verbunden. Die Energiespeichereinrichtung SE bzw. das Akkugehäuse HB ist mittels zweier Befestigungspunkte bzw. Befestigungsachsen FB1 und FB2 mit dem Motorgehäuse HM verbunden.The motor housing H M , and thus also the battery housing H B of the energy storage device SE attached to the motor housing H M , can be or is connected to the
Hierdurch erübrigen sich die beim Stand der Technik gemäß
Im Vergleich zu
Der Einsatz einer koaxial zur Tretlagerwelle SB ausgebildeten Antriebseinheit Du, bei der somit die Längsachse der Motorwelle SM mit der Längsachse der Tretlagerwelle SB zusammenfällt, ermöglicht ferner eine besonders kompakte Gestaltung der Antriebseinheit Du, so dass gegenüber einer nicht koaxial ausgebildeten Antriebseinheit wie beispielsweise gemäß
Auch kann die Kettenstrebenlänge bzw. der Abstand zwischen Hinterradachse AR und Tretlagerwelle SB aufgrund der insbesondere im Durchmesser sehr kompakten, koaxialen Antriebseinheit Du wünschenswert kurz gehalten werden, und es steht genügend radialer Freiraum im Tretlagerbereich D1 für den Hinterreifen zur Verfügung.The length of the chainstay or the distance between the rear wheel axle A R and the bottom bracket shaft S B can also be kept as short as possible due to the coaxial drive unit Du, which is particularly compact in diameter, and there is sufficient radial clearance in the bottom bracket area D 1 for the rear tire.
Man erkennt, dass diese bekannte Antriebseinheit Du zur Messung des Fahrer-Summendrehmoments TR, welches sich aus dem vom Fahrer auf die linksseitige Pedalkurbel aufgebrachten Drehmoment TRL und dem vom Fahrer auf die rechtsseitige Pedalkurbel aufgebrachten Drehmoment TRR zusammensetzt, eigens eine Torsions-Messhohlwelle SH benötigt. Das Fahrer-Summendrehmoment TR wird hierzu durch die zeichnungsbezogen rechtsseitig mit der Tretlagerwelle SB fest verbundene Torsions-Messhohlwelle SH durchgeleitet, wobei das Fahrer-Summendrehmoment TR mittels des radial außerhalb der Torsions-Messhohlwelle SH angeordneten Drehmomentsensor ST beispielsweise berührungslos gemessen wird. Anschließend wird das Fahrer-Summendrehmoment TR über eine als Freilauf DCR ausgebildete Fahrermoment-Einkopplungseinrichtung auf die Ausgangshohlwelle So der Antriebseinheit Du geleitet.It can be seen that this known drive unit Du for measuring the total driver torque T R , which is made up of the torque T RL applied by the driver to the left-hand pedal crank and the torque TRR applied by the driver to the right-hand pedal crank, has its own torsion measuring hollow shaft S H required. For this purpose, the total rider torque T R is passed through the hollow torsion measurement shaft S H which is firmly connected to the bottom bracket shaft S B on the right-hand side in the drawing, with the total rider torque T R being measured, for example without contact, by means of the torque sensor S T arranged radially outside of the hollow torsion measurement shaft S H becomes. The driver's total torque T R is then conducted to the output hollow shaft So of the drive unit Du via a driver torque coupling device designed as a freewheel D CR .
Auf der Ausgangshohlwelle So vereinigt sich das Fahrer-Summendrehmoment TR sodann mit dem über eine ebenfalls als Freilauf DCM ausgebildete Motormoment-Einkopplungseinrichtung zu einem Gesamt-Antriebsmoment TT. Das Gesamt-Antriebsmoment TT wird durch einen - in einem axialen Bereich PA der Ausgangshohlwelle So gelegenen - Ausgangshohlwellenabschnitt Sos auf das (nicht dargestellte) Kettenrad RC und damit in den Antriebsstrang 3 des Fahrrads geleitet.On the hollow output shaft So, the driver's total torque T R then combines with the engine torque coupling device, also designed as a freewheel D CM , to form a total drive torque T T . The total drive torque T T is passed through an output hollow shaft section Sos to the (not shown) sprocket R C and thus into the drive train 3 of the bicycle - located in an axial region P A of the output hollow shaft So.
In
Im Unterschied dazu zeigt
Man erkennt zunächst den nochmals als strichlierte Linie eingezeichneten Umriss der Motoreinrichtung MEB der Antriebseinheit Du nach dem Stand der Technik gemäß
Die Zusammenschau von
Man erkennt, dass diese im Stand der Technik übliche Methode zur Messung des Fahrer-Drehmoments TR dazu führt, dass in einem mittleren Bereich der Tretlagerwelle SB drei koaxial ineinander verschachtelte Hohlwellen erforderlich sind, die Tretlagerwelle SB nicht mitgezählt: Erstens die Torsions-Messhohlwelle SH, zweitens eine koaxial zur Torsions-Messhohlwelle SH angeordnete Welle zur Aufnahme der Sensoreinrichtung ST, und als dritte in demselben axialen Bereich der Tretlagerachse SB angeordnete Welle schließlich die Motorwelle SM.It can be seen that this method of measuring the driver's torque T R , which is common in the prior art, means that in a central area of the bottom bracket shaft SB , three coaxially nested hollow shafts are required, not counting the bottom bracket shaft SB: First, the torsional Measuring hollow shaft S H , secondly a shaft arranged coaxially to the torsion measuring hollow shaft S H for receiving the sensor device S T , and finally the motor shaft S M arranged as a third shaft in the same axial area of the bottom bracket axis S B .
Wenn auch
Dies kann auch den
Bei der Ausführungsform der Antriebseinheit Du gemäß
Bei den Ausführungsformen gemäß
Durch diese radiale Aufweitung der Ausgangshohlwelle So in deren Abschnitt Sos werden in der Ausgangshohlwelle So in Umlaufrichtung verlaufende Materialspannungen erzeugt, welche mit der den Abschnitt Sos der Ausgangshohlwelle So umgreifenden Sensoreinrichtung ST vorzugsweise berührungslos gemessen werden. Diese Messung des Fahrer-Drehmoments TR durch Erfassung der von einem Radialfreilauf DCR induzierten Umfangsspannungen der Ausgangshohlwelle So wird faktisch auch nicht beeinträchtigt oder nennenswert verfälscht durch das Motordrehmoment TM, welches denselben Abschnitt Sos der Ausgangshohlwelle So ebenfalls durchfließt, da das Motordrehmoment TM lediglich Scherspannungen in Umlaufrichtung in dem Abschnitt Sos der Ausgangshohlwelle So erzeugt.This radial widening of the output hollow shaft So in its section Sos generates material stresses running in the direction of rotation in the output hollow shaft So, which are preferably measured without contact using the sensor device S T enclosing the section Sos of the output hollow shaft So. This measurement of the driver's torque T R by detecting the circumferential stresses of the hollow output shaft So induced by a radial freewheel D CR is in fact not affected or significantly falsified by the engine torque T M , which also flows through the same section Sos of the hollow output shaft So, since the engine torque T M only shear stresses are generated in the circumferential direction in the section Sos of the hollow output shaft So.
Die vom Motordrehmoment TM in dem Abschnitt Sos der Ausgangshohlwelle So hervorgerufenen Scherspannungen und die vom Fahrer-Drehmoment TR ebenfalls in dem Abschnitt Sos hervorgerufenen Umfangsspannungen verlaufen in aufeinander senkrecht stehenden Raumrichtungen, und sind daher aufgrund des physikalischen Superpositionsprinzips voneinander unabhängig zumindest in erster Ordnung bzw. Näherung, welche für die üblicherweise erforderliche Genauigkeit der Messung des Fahrer-Drehmoments TR vollkommen ausreicht. Eine höhere Genauigkeit ist dennoch möglich, indem das Motordrehmoment TM entweder im Motor gemessen oder aus dem Motorstrom berechnet wird, und sodann ein entsprechender Korrekturfaktor auf den Messwert des Fahrer-Drehmoments TR angewandt wird.The shear stresses caused by the motor torque T M in the section Sos of the hollow output shaft So and the circumferential stresses also caused by the driver torque T R in the section Sos run in mutually perpendicular spatial directions and are therefore independent of one another at least in the first order or , Approximation, which is completely sufficient for the usually required accuracy of the measurement of the driver's torque T R . Greater accuracy is still possible by either measuring the motor torque T M in the motor or calculating it from the motor current and then applying an appropriate correction factor to the measured driver torque T R .
Es wird bei den Ausführungsformen gemäß
Mit dem Entfall der Torsionshohlwelle SH gemäß
Wie insbesondere in
Auf Basis der vorliegenden Offenbarung lassen sich somit elektrische Fahrrad-Antriebseinheiten Du insbesondere der koaxialen Bauform darstellen, die bedeutend kompakter und leichter ausgebildet werden können als die aus dem Stand der Technik bekannten Antriebseinheiten.On the basis of the present disclosure, it is thus possible to present electric bicycle drive units, in particular of the coaxial design, which can be made significantly more compact and lighter than the drive units known from the prior art.
Man erkennt eine Motoreinrichtung ME, welche einen nur schematisch angedeuteten Elektromotor M sowie ein hier als Zykloidgetriebe GC ausgebildetes Untersetzungsgetriebe umfasst. Das Zykloidgetriebe GC umfasst zwei Zykloidenräder Wc, welche über Lagereinrichtungen B, beispielsweise Kugellager, auf zwei exzentrisch sowie rotatorisch phasenverschoben auf der Motorwelle SM angeordneten Lagersitzen FE gelagert sind. Die Zykloidenräder WC besitzen entlang ihres Außenumfangs zykloidenförmige Zähne bzw. Nocken, welche in entsprechend formkorrespondierend ausgebildete, in
Die aufgrund der vorgenannten Zähnezahlverhältnisse relativ zur Motordrehzahl sehr langsam um die eigene Achse rotierenden Zykloidenräder WC teilen diese Rotationsbewegung über die Übertragungsstifte PT einem Abtriebsflansch Fo mit. Die Rotation des Abtriebsflanschs Fo wird sodann über den Motorfreilauf DCM auf die Ausgangshohlwelle So der Antriebseinheit Du geleitet.The cycloidal gears W C , which rotate very slowly about their own axis relative to the engine speed due to the aforementioned tooth number ratios, communicate this rotational movement to an output flange Fo via the transmission pins P T . The rotation of the output flange Fo is then transmitted to the output hollow shaft So of the drive unit Du via the motor freewheel D CM .
Das über die Tretlagerwelle SB eingeleitete Fahrer-Drehmoment wird, über den Fahrerfreilauf DCR, ebenfalls auf die Ausgangshohlwelle So geleitet. Die dergestalt vereinigten Drehmomente von Fahrer und Motor werden sodann als Gesamtdrehmoment TT auf das Kettenrad RC und von dort in den Antriebsstrang 3 des Fahrrads geleitet.The driver's torque introduced via the bottom bracket shaft S B is also routed to the hollow output shaft So via the driver's freewheel D CR . The combined torques of the rider and motor are then transmitted as the total torque T T to the sprocket R C and from there to the drive train 3 of the bicycle.
Dennoch kann das Fahrer-Summendrehmoment TR unabhängig und zumindest in erster Näherung unbeeinflusst von dem Motordrehmoment TM gemessen werden aufgrund der Anordnung der Drehmoment-Sensoreinrichtung ST in dem axialen Bereich PA, in dem sich bei dieser Ausführungsform auch die Fahrermoment-Einkopplungseinrichtung, vorliegend also der Freilauf DCR für das Fahrer-Drehmoment TR befindet.Nevertheless, the driver's total torque T R can be measured independently and at least in a first approximation unaffected by the engine torque T M due to the arrangement of the torque sensor device S T in the axial area P A , in which the driver's torque coupling device is also located in this embodiment in this case the freewheel D CR for the driver's torque T R is located.
Für diese Messung wird die radiale Verformung der Ausgangshohlwelle So im Bereich des Ausgangshohlwellenabschnitts Sos, bzw. die sich dadurch ergebenden, in Umfangsrichtung des Ausgangshohlwellenabschnitts Sos verlaufenden Materialspannungen durch die Sensoreinrichtung ST gemessen, die bei der Durchleitung der Fahrer-Drehmomente TRL bzw. TRR durch die beispielsweise als Klemmrollen- oder allgemeiner Klemmkörperfreilauf DCR ausgebildete Fahrermoment-Einkopplungseinrichtung auftretende Durchmesseraufweitung des Klemmrollenfreilaufs DCR entsteht.For this measurement, the radial deformation of the output hollow shaft So in the area of the output hollow shaft section Sos, or the resulting material stresses running in the circumferential direction of the output hollow shaft section Sos, are measured by the sensor device S T , which occurs when the driver torques T RL or TRR the diameter expansion of the clamping roller freewheel D CR occurring, for example, as a clamping roller or general clamping body freewheel D CR embodied as a driver torque coupling device.
Mit anderen Worten wird bei dieser Ausführungsform also die Umfangsspannung am Außendurchmesser des Ausgangshohlwellenabschnitts Sos im Bereich des Klemmkörperfreilaufs DCR gemessen. Diese in Umfangsrichtung verlaufenden Materialspannungen sind proportional zum Fahrer-Drehmoment TR, so dass die Sensoreinrichtung ST entsprechend dem tatsächlichen Fahrer-Drehmoment TR herstellerseitig kalibriert werden kann.In other words, in this embodiment the circumferential stress is measured on the outer diameter of the output hollow shaft section Sos in the area of the sprag freewheel D CR . These material stresses running in the circumferential direction are proportional to the driver's torque T R , so that the sensor device S T can be calibrated by the manufacturer according to the actual driver's torque T R .
Die in dem Ausgangshohlwellenabschnitt Sos ebenfalls auftretenden Torsions- bzw. Scherspannungen, die sich durch das über den Motorfreilauf DCM in die Ausgangshohlwelle So eingeleitete und durch die Ausgangshohlwelle So durchgeleitete Motordrehmoment TM ergeben, verfälschen dabei aufgrund des physikalischen Superpositionsprinzips nicht die Messwerte für das Fahrer-Drehmoment TR, zumindest nicht in erster Ordnung bzw. Näherung. Zudem kann die elastische Verformung aufgrund der motormomentbedingten Torsions- bzw. Scherspannungen mittels entsprechender Dimensionierung der Ausgangshohlwelle So, im Vergleich zu der erheblichen radialen Aufspreizung des Ausgangshohlwellenabschnitts Sos durch den Klemmkörperfreilauf DCR, vernachlässigbar gering gehalten werden.The torsional or shearing stresses that also occur in the output hollow shaft section Sos, which result from the motor torque T M being introduced into the output hollow shaft So via the motor freewheel D CM and conducted through the output hollow shaft So, do not falsify the measured values for the driver due to the physical superposition principle -Torque T R , at least not in the first order or approximation. In addition, the elastic deformation due to the torsional or shearing stresses caused by the engine torque can be kept negligibly small by means of appropriate dimensioning of the output hollow shaft So, compared to the considerable radial expansion of the output hollow shaft section Sos by the sprag freewheel D CR .
Durch gezielte Messung ausdrücklich nur der Umfangsspannung durch die Sensoreinrichtung ST kann die Messgenauigkeit bzw. die Isolation des Fahrer-Drehmoments TR vom Motordrehmoment TM noch weiter verbessert werden. Für eine Messung mit Dehnmessstreifen werden diese hierzu in Umfangsrichtung auf dem Ausgangshohlwellenabschnitt Sos angeordnet und ausgerichtet, so dass die Scherspannung durch Torsion kaum mehr in die Messung eingeht. Äquivalent kann eine entsprechende magnetische Feldeinbringung durch die Sensoreinrichtung ST die Messgenauigkeit bei der Variante mit magnetostriktiver Messung optimieren.The measurement accuracy or the isolation of the driver torque T R from the engine torque T M can be further improved by specifically measuring only the hoop stress by the sensor device S T . For a measurement with strain gauges, these are arranged and aligned in the circumferential direction on the output hollow shaft section Sos, so that the shear stress due to torsion is hardly included in the measurement. Equivalently, a corresponding introduction of a magnetic field through the sensor device S T can optimize the measurement accuracy in the variant with magnetostrictive measurement.
Zusammenfassend wird bei dieser Ausführungsform somit die Material-Verformungsrichtung des Ausgangshohlwellenabschnitts Sos in dem axialen Bereich PA genutzt und von der Sensoreinrichtung unterschieden, um das Fahrer-Drehmoment TR von dem Motordrehmoment TM bei der Messung zu isolieren.In summary, in this embodiment the direction of material deformation of the output hollow shaft section Sos in the axial area P A is used and distinguished by the sensor device in order to isolate the driver torque T R from the motor torque T M during measurement.
Um die Genauigkeit des dergestalt gemessenen Fahrer-Drehmoments TR noch weiter verbessern zu können, kann aus der vom Motor M aufgenommenen elektrischen Leistung bzw. aus dem Arbeitspunkt des Motors M (Motordrehmoment in Abhängigkeit z.B. von Strom, Spannung, Drehzahl, Temperatur) näherungsweise das Motordrehmoment bestimmt werden, um eine etwaige, jedoch erst in höherer Ordnung mögliche Verfälschung des Messwertes für das Fahrer-Drehmoment TR durch die Scherspannungen des Motordrehmoments TM zu korrigieren.In order to be able to further improve the accuracy of the driver torque T R measured in this way, the electrical power consumed by the motor M or the operating point of the motor M (motor torque as a function of e.g. current, voltage, speed, temperature) can be approximately determined Engine torque can be determined in order to correct any falsification of the measured value for the driver torque T R due to the shear stresses of the engine torque T M , which is only possible to a higher order.
Der radial zwischen der Sensoreinrichtung ST und dem Antriebsgehäuse HD erkennbare Freiraum kann für andere Baugruppen genutzt werden, beispielsweise für Teile des Untersetzungsgetriebes Gc, für elektronische Komponenten wie Motor- und Batteriecontroller oder für Energiespeicher.The free space that can be seen radially between the sensor device S T and the drive housing H D can be used for other assemblies, for example for parts of the reduction gear Gc, for electronic components such as motor and battery controllers or for energy stores.
Hierzu umfasst die Antriebseinheit Du gemäß
Dieser paramagnetische und vorzugsweise dünnwandige Abschnitt SOM der Motor-Abtriebshohlwelle ist derart dimensioniert, dass in dem axialen Bereich PA ausreichend axialer Bauraum für einen magnetostriktiven Sensor ST vorhanden ist. Auf diese Weise kann mittels der Sensoreinrichtung ST durch die Motor-Abtriebshohlwelle SOM hindurch berührungslos das dort lediglich aus dem Fahrer-Drehmoment TR bestehende Drehmoment in dem Ausgangshohlwellenabschnitt Sos gemessen werden.This paramagnetic and preferably thin-walled section S OM of the hollow motor output shaft is dimensioned such that there is sufficient axial space for a magnetostrictive sensor S T in the axial area P A . In this way, the torque consisting only of the driver torque T R in the output hollow shaft section Sos can be measured without contact by means of the sensor device S T through the motor output hollow shaft S OM .
Die Einleitung des Motordrehmoments TM auf die Ausgangshohlwelle So über den Motorfreilauf DCM erfolgt bezüglich des Momentflusses hier somit erst stromabwärts von der Drehmomentmessung (in Richtung zum Kettenrad RC). Auf diese Weise kann also das Fahrer-Drehmoment TR vollständig isoliert vom Motordrehmoment TM gemessen werden. Die Drehmomentmessung an der Ausgangshohlwelle So kann bei dieser Anordnung in einem axialen Bereich des Fahrerfreilaufs DCR, oder auch in einem ganz oder vorwiegend nur durch Torsion belasteten axialen Abschnitt Sos der Ausgangshohlwelle So gemessen werden.The introduction of the motor torque T M to the output hollow shaft So via the motor freewheel D CM therefore only takes place downstream of the torque measurement (in the direction of the chain wheel R C ) with regard to the torque flow. In this way, the driver's torque T R can be measured completely isolated from the motor torque T M . With this arrangement, the torque measurement at the hollow output shaft So can be measured in an axial region of the driver freewheel D CR , or also in an axial section Sos of the hollow output shaft So that is loaded entirely or predominantly only by torsion.
Um aus dieser Messung ein geeignetes Signal hinsichtlich des Fahrer-Drehmoments TR für die Motorsteuerung ableiten zu können, wird das Motordrehmoment TM vorzugsweise in Echtzeit bzw. in sehr kurzen Zeitabständen ermittelt und von dem jeweils gemessenen Gesamtdrehmoment TT subtrahiert.In order to be able to derive a suitable signal regarding the driver's torque T R for the engine control from this measurement, the engine torque T M is preferably determined in real time or at very short time intervals and subtracted from the respectively measured total torque T T .
Um Bauraum und Kosten zu sparen, wird das Motordrehmoment TM dabei bevorzugt nicht direkt gemessen, sondern aus der vom Motor aufgenommenen elektrischen Leistung errechnet. Die Genauigkeit der Ermittlung des Fahrer-Drehmoments TR wird durch die Berechnung und Subtraktion des Motordrehmoments TM etwas verringert, kann jedoch durch die hier gut zugängliche Drehmomentmessung in Bereich des Ausgangshohlwellenabschnitts Sos zumindest teilweise wieder kompensiert werden.In order to save installation space and costs, the motor torque T M is preferably not measured directly, but calculated from the electrical power consumed by the motor. The accuracy of determining the driver torque T R is somewhat reduced by the calculation and subtraction of the motor torque T M , but can be at least partially compensated for by the easily accessible torque measurement in the area of the output hollow shaft section Sos.
Auch erlaubt diese Anordnung eine besonders kostengünstige Fertigung, so dass geringe Kompromisse bei der Messgenauigkeit des Fahrer-Drehmoments TR gerechtfertigt werden können.This arrangement also allows particularly cost-effective production, so that small compromises in the measurement accuracy of the driver's torque T R can be justified.
Im Unterschied zu den Ausführungsformen gemäß
Weiterhin verläuft die Blickrichtung auf die Schnittebene in
Hingegen befindet sich das Kettenrad RC in den Darstellungen von
Die vierte Ausführungsform gemäß
Ebenso wie in
Die Motorwelle SM wirkt auf ein Zykloidgetriebe Gc, welches zusammen mit der Motorwelle SM rotierende exzentrische Lagersitze FE, mit einem Innenverzahnungsbereich Si kämmende, außenverzahnte Zykloidenräder Wc, ferner Übertragungsstifte PT, sowie einen Abtriebsflansch Fo umfasst.The motor shaft S M acts on a cycloidal gear Gc which, together with the motor shaft S M , comprises rotating eccentric bearing seats F E , externally toothed cycloidal wheels Wc meshing with an internal toothing area Si, further transmission pins P T , and an output flange Fo.
Aufgrund des systembedingt hohen Übersetzungsbereichs von Zykloidgetrieben genügt das einstufige Zykloidgetriebe GC für die erforderliche Reduktion der vergleichsweise hohen Drehzahl eines Motor-Rotors MR auf die vergleichsweise niedrige Drehzahl eines Kettenrads RC an einem Fahrrad-Antriebsstrang 3.Due to the system-related high transmission range of cycloidal gears, the single-stage cycloidal gear G C is sufficient for the required reduction of the comparatively high speed of a motor rotor M R to the comparatively low speed of a chain wheel R C on a bicycle drive train 3.
Dem Kraftfluss von Motordrehmoment TM und Fahrer-Summendrehmoment TR in
Bei der Ausführungsform gemäß
Dabei wird durch den axialen Bereich PA und den dort angeordneten Ausgangshohlwellenabschnitt Sos, soweit zunächst wie beim Stand der Technik gemäß
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird jedoch die Größe des Fahrer-Summendrehmoments TR, anders als beim Stand der Technik gemäß
Dies ist insbesondere in
Dies erfolgt ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß
Sobald der Fahrer über die Pedalkurbeln CP ein Fahrer-Drehmoment TRR oder TRL auf die Tretlagerwelle SB aufbringt, beginnen die Pedalkurbeln CP und die Tretlagerwelle SB zu rotieren, wodurch der Klemmkörperfreilauf DCR aktiviert wird und sich zu schließen beginnt.As soon as the rider applies a rider torque TRR or T RL to the bottom bracket spindle S B via the pedal cranks C P , the pedal cranks C P and the bottom bracket spindle S B begin to rotate, whereby the sprag clutch D CR is activated and begins to close.
Dieses Schließen des Klemmkörperfreilaufs DCR erfolgt immer dann, wenn die Tretlagerwelle SB schneller rotiert als der Motor- bzw. Getriebe-Abtriebsflansch Fo und damit schneller als die die Ausgangshohlwelle So. Diese Differenz in der Rotationsgeschwindigkeit von Tretlagerwelle SB und Ausgangshohlwelle So ist jedoch stets Voraussetzung dafür, dass ein Fahrer-Drehmoment überhaupt in den Antriebsstrang 3 eingeleitet werden kann, und liegt immer dann vor, wenn der Fahrer aktiv bzw. mit einer gewissen Kraft in die Pedale tritt.This closing of the sprag freewheel D CR always occurs when the bottom bracket shaft S B rotates faster than the motor or transmission output flange Fo and thus faster than the output hollow shaft So. However, this difference in the rotational speed of the bottom bracket shaft S B and the output hollow shaft So is always a prerequisite for a driver's torque being able to be introduced into the drive train 3 at all, and is always present when the driver pedals actively or with a certain force.
Aufgrund des geschlossenen Klemmkörperfreilaufs DCR wird sodann das Fahrer-Summendrehmoment TR durch den Klemmkörperfreilauf DCR hindurchgeleitet. Durch die Klemmung der Freilaufkörper zwischen dem Freilauf-Innenring und dem Freilauf-Außenring entstehen in dem Klemmkörperfreilauf erhebliche Kräfte in radialer Richtung. Diese Kräfte teilen sich dem Ausgangshohlwellenabschnitt Sos mit, wodurch dieser in Radialrichtung elastisch aufgeweitet wird. Hierdurch werden wiederum Materialspannungen induziert, welche in Umfangsrichtung des Ausgangshohlwellenabschnitts Sos verlaufen.Because of the closed sprag freewheel D CR , the driver's total torque T R is then passed through the sprag freewheel D CR . Due to the clamping of the freewheel body between the freewheel inner ring and the freewheel outer ring, considerable forces arise in the radial direction in the sprag freewheel. These forces are shared with the output hollow shaft section Sos, as a result of which it is elastically expanded in the radial direction. This in turn induces material stresses which run in the circumferential direction of the output hollow shaft section Sos.
Diese in Umfangsrichtung des Ausgangshohlwellenabschnitts Sos verlaufenden Materialspannungen sind in
Wie in
Aufbau, Funktionsprinzip und Auswertungselektronik der in
Von den drei Messspulen CW1, CW2 und CW3 dient die zeichnungsbezogen linksseitige Messspule CW1 der Erfassung der Änderung von Magnetfeldern in dem Ausgangshohlwellenabschnitt Sos, um daraus auf die Materialspannungen in dem Ausgangshohlwellenabschnitt Sos zu schließen. Die zeichnungsbezogen mittlere Messspule CW2 dient der Anregung von Wirbelströmen und/oder von Magnetfeldern in dem Ausgangshohlwellenabschnitt Sos. Gemäß der Lehre der Magnetoelastizität bestehen bei ferromagnetischen Materialien, wie vorliegend bei der vorzugsweise aus Stahl gefertigten Ausgangshohlwelle So, Abhängigkeiten zwischen mechanischen und magnetischen Eigenschaften. Bei Materialbelastungen und damit verbundenen geometrischen Verformungen (hier die radiale Aufweitung des Ausgangshohlwellenabschnitts Sos, ändern sich die magnetischen Eigenschaften des Ausgangshohlwellenabschnitts Sos.Of the three measuring coils C W1 , C W2 and C W3 , the measuring coil C W1 on the left in relation to the drawing is used to detect the change in magnetic fields in the output hollow shaft section Sos in order to draw conclusions about the material stresses in the output hollow shaft section Sos. The middle measurement coil C W2 in relation to the drawing is used to excite eddy currents and/or magnetic fields in the output hollow shaft section Sos. According to the theory of magnetoelasticity, there are dependencies between mechanical and magnetic properties in the case of ferromagnetic materials, such as the present hollow output shaft So, which is preferably made of steel. Material loads and the associated geometric deformations (here the radial expansion of the output hollow shaft section Sos) change the magnetic properties of the output hollow shaft section Sos.
Die zeichnungsbezogen linksseitige Messspule CW1 erfasst die durch die Spannungen bzw. Verformungen des Ausgangshohlwellenabschnitts bewirkten Änderungen der durch die zeichnungsbezogen mittlere Messspule CW2 induzierten Ströme bzw. Magnetfelder in dem Ausgangshohlwellenabschnitt Sos. Die zeichnungsbezogen rechtsseitige Messspule CW3 dient der Temperaturkompensation der Messung. Dies ist erforderlich, da im Bereich der Sensoreinrichtung ST Temperaturschwankungen in der Größenordnung von 100 K auftreten können, insbesondere aufgrund der Wärmeentwicklung des Elektromotors M, Ms, MR.The measurement coil C W1 on the left in relation to the drawing detects the changes caused by the stresses or deformations of the output hollow shaft section in the currents or magnetic fields induced by the drawing-related middle measurement coil C W2 in the output hollow shaft section Sos. The measurement coil C W3 on the right-hand side of the drawing is used for temperature compensation of the measurement. This is necessary because temperature fluctuations of the order of magnitude of 100 K can occur in the area of the sensor device S T , in particular due to the heat generated by the electric motor M, Ms, M R .
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Messspulen CW1, CW2, CW3, wie in
Der Ausgangshohlwellenabschnitt Sos weist bei der dargestellten Ausführungsform zwei umlaufende Ausnehmungsnuten GR1 und GR2 auf. Das Vorhandensein und/oder die Wahl der Größe und der geometrischen Ausformung einer oder beider Ausnehmungsnuten GR1 und GR2 beeinflusst die Kennlinie der Messung durch die Sensoreinrichtung ST. Insbesondere lässt sich durch geeignete Wahl und Ausbildung einer oder beider Ausnehmungsnuten GR1 und GR2 die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung des Fahrer-Drehmoments TR durch die Sensoreinrichtung ST optimieren.In the illustrated embodiment, the output hollow shaft section Sos has two circumferential recessed grooves G R1 and G R2 . The presence and/or the selection of the size and the geometric shape of one or both recess grooves G R1 and G R2 influence the characteristic curve of the measurement by the sensor device S T . In particular, the sensitivity and accuracy of the measurement of the driver's torque T R by the sensor device S T can be optimized by a suitable choice and design of one or both recess grooves G R1 and G R2 .
Bei der in
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 202014010823 U1 [0015]DE 202014010823 U1 [0015]
- US 63/286370 [0110]US63/286370 [0110]
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