DE102022116830A1

DE102022116830A1 - Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrrad und Elektrofahrrad

Info

Publication number: DE102022116830A1
Application number: DE102022116830.1A
Authority: DE
Inventors: Stephan Happ
Original assignee: Porsche eBike Performance GmbH
Current assignee: Porsche eBike Performance GmbH
Priority date: 2022-07-06
Filing date: 2022-07-06
Publication date: 2024-01-11
Also published as: WO2024008376A1

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform weist die Antriebsvorrichtung (1) für einen Elektrofahrrad (100) eine Welle (3) und ein Umlenkgetriebe (2) auf. Das Umlenkgetriebe ist einerseits zur Kopplung mit einem Elektromotor und andererseits zur Kopplung mit der Welle eingerichtet, sodass ein Drehmoment vom Elektromotor über das Umlenkgetriebe auf die Welle übertragbar ist. Das Umlenkgetriebe weist ein um eine erste Achse (A1) rotierbares erstes Getriebeelement (21) und ein mit dem ersten Getriebeelement gekoppeltes zweites Getriebeelement (22) auf. Das zweite Getriebeelement (22) ist um eine schräg zur ersten Achse verlaufende zweite Achse (A2) rotierbar. Die Antriebsvorrichtung ist dazu eingerichtet, durch eine Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle ein Drehmoment von dem ersten Getriebeelement auf die Welle zu übertragen und ist außerdem dazu eingerichtet, die Welle in eine erste Rotationsrichtung relativ zum ersten Getriebeelement zu rotieren. Das erste Getriebeelement ist außerdem relativ zum zweiten Getriebeelement axial, parallel zur ersten Achse, innerhalb vorgegebener Grenzen verschiebbar, wobei innerhalb der vorgegebenen Grenzen die Getriebeelemente miteinander gekoppelt bleiben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrrad und ein Elektrofahrrad mit einer solchen Antriebsvorrichtung.
Fahrräder realisieren kostengünstige, leicht zu handhabende und emissionsfreie Fortbewegungsmittel. Sie haben auch als Sport- beziehungsweise Fitnessgeräte Verbreitung gefunden und es haben sich für unterschiedliche sportliche Einsatzfelder besonders geeignete Typen herausgebildet.
In den letzten Jahren wächst die Begeisterung für Elektrofahrräder (insbesondere sogenannte „Pedelecs“) und das auch trotz der für Fahrräder hohen Gewichte und Preise. Bei Elektrofahrrädern ist es ein Anliegen, ein zuverlässig unterstützendes Antriebssystem bereitzustellen, welches eine hohe Leistungsübertragung ermöglicht.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine zuverlässige Antriebsvorrichtung für Elektrofahrräder zu schaffen, insbesondere eine Antriebsvorrichtung mit einfachem Aufbau, bei der die auftretenden Kräfte optimal abgestützt werden. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Elektrofahrrad mit einer solchen Antriebsvorrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch die Gegenstände der Patentansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen, abhängigen Patentansprüche und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren hervor.
Zunächst wird die Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrrad angegeben.
In mindestens einer Ausführungsform weist die Antriebsvorrichtung für einen Elektrofahrrad eine Welle und ein Umlenkgetriebe auf. Das Umlenkgetriebe ist einerseits zur Kopplung mit einem Elektromotor und andererseits zur Kopplung mit der Welle eingerichtet, sodass ein Drehmoment vom Elektromotor über das Umlenkgetriebe auf die Welle übertragbar ist. Das Umlenkgetriebe weist ein um eine erste Achse rotierbares erstes Getriebeelement und ein mit dem ersten Getriebeelement gekoppeltes zweites Getriebeelement auf. Das zweite Getriebeelement ist um eine schräg zur ersten Achse verlaufende zweite Achse rotierbar. Die Antriebsvorrichtung ist dazu eingerichtet, durch eine Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle ein Drehmoment von dem ersten Getriebeelement auf die Welle zu übertragen und ist außerdem dazu eingerichtet, die Welle in eine erste Rotationsrichtung relativ zum ersten Getriebeelement zu rotieren. Das erste Getriebeelement ist außerdem relativ zum zweiten Getriebeelement axial, parallel zur ersten Achse, innerhalb vorgegebener Grenzen verschiebbar, wobei innerhalb der vorgegebenen Grenzen die Getriebeelemente miteinander gekoppelt bleiben.
Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zu Grunde, dass, bei einem Antrieb der Welle über den Elektromotor, eine zuverlässige Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle gewährleistet sein sollte. Andererseits soll, falls die Welle nicht durch den Elektromotor angetrieben wird, die Welle zumindest in eine Rotationsrichtung unabhängig vom Elektromotor rotieren. Um eine aufwändige axiale Positionierung des ersten Getriebeelements zu vermeiden, wird bei der vorliegenden Erfindung das erste Getriebeelement axial beweglich angeordnet, wobei die axiale Bewegung nur innerhalb vorgegebener Grenzen freigegeben ist. Dadurch ist das erste Getriebeelement zum einen optimal positioniert, andererseits werden auftretende Kräfte optimal abgestützt. Vorteilhaft ist die Welle relativ zum ersten Getriebeelement in die erste Rotationsrichtung rotierbar und damit vor allen Getriebestufen und dem Elektromotor bezüglich dieser ersten Rotationsrichtung entkoppelt. Dadurch ist der Tretwiderstand, zum Beispiel bei Weglassen der Elektromotorunterstützung, gering.
Die Welle der Antriebsvorrichtung ist zum Beispiel rotierbar um eine Achse parallel zur ersten Achse, insbesondere um die erste Achse rotierbar, gelagert.
Das Umlenkgetriebe, auch Winkelgetriebe genannt, ist insbesondere dazu eingerichtet, antriebsseitig mit dem Elektromotor und abtriebsseitig mit der Welle gekoppelt zu werden. Zum Beispiel ist das zweite Getriebeelement zur (direkten) Kopplung mit dem Elektromotor eingerichtet. Das Umlenkgetriebe kann ein übersetzungsfreies Umlenkgetriebe sein, das heißt die ausgehende Drehzahl des Umlenkgetriebes ist gleich der eingehenden Drehzahl (Übersetzung = 1). Alternativ kann das Umlenkgetriebe eine Übersetzung von mindestens einem Faktor von 1,5 oder 2, zum Beispiel einem Faktor von 5 aufweisen, so dass die ausgehende Drehzahl ungleich der eingehenden Drehzahl ist.
Das erste und zweite Getriebeelement des Umlenkgetriebes sind miteinander gekoppelt, insbesondere so, dass ein Drehmoment vom zweiten Getriebeelement auf das erste Getriebeelement übertragbar ist und/oder umgekehrt. Beispielsweise ist die Kopplung derart, dass jede Rotation des zweiten Getriebeelements um die zweite Achse zu einer Rotation des ersten Getriebeelements um die erste Achse und/oder umgekehrt führt. Die Getriebeelemente sind insbesondere direkt miteinander gekoppelt. Die Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Getriebeelement ist beispielsweise durch eine verzahnte Schnittstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Getriebeelement realisiert. Beispielsweise greifen das erste und das zweite Getriebeelement direkt ineinander.
Unter eine Schnittstelle einer Kopplung wird hier und im Folgenden insbesondere der Bereich verstanden, in dem eine Kraft oder ein Drehmoment zwischen zwei Elementen, wie den Getriebeelementen, übertragen wird. Dieser Bereich umfasst insbesondere die Kontaktpunkte zwischen zwei zueinander beweglichen Komponenten und/oder den Zwischenbereich zwischen den zueinander beweglichen Komponenten.
Die zweite Achse, um die das zweite Getriebeelement rotierbar ist, verläuft schräg zur ersten Achse, um die das erste Getriebeelement rotierbar ist. Beispielsweise schneidet die zweite Achse die erste Achse in einem Punkt oder verläuft windschief zur ersten Achse. Die erste Achse und die zweite Achse können senkrecht aufeinander verlaufen oder unter einem Winkel von kleiner 90° zueinander verlaufen. Beispielsweise ist ein Winkel zwischen der ersten Achse und der zweiten Achse zumindest 30° oder zumindest 45°.
Die Antriebsvorrichtung ist dazu eingerichtet, durch eine Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle ein Drehmoment von dem ersten Getriebeelement auf die Welle zu übertragen. Zum Beispiel kann ein Drehmoment von dem ersten Getriebeelement auf die Welle übertragen werden, das eine Rotation der Welle in die erste Rotationsrichtung unterstützt. Anders ausgedrückt ist zumindest in einem ersten Betriebszustand der Antriebsvorrichtung eine Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle hergestellt, durch welche ein Drehmoment vom ersten Getriebeelement auf die Welle übertragbar ist oder übertragen wird. Im ersten Betriebszustand wird dann zum Beispiel eine Rotation der Welle in die erste Rotationsrichtung durch eine Rotation des ersten Getriebeelements unterstützt oder bewirkt. Zum Beispiel rotieren im ersten Betriebszustand die Welle und das erste Getriebeelement gemeinsam um die erste Achse, ohne relativ zueinander zu rotieren, das heißt mit der geleichen Rotationsgeschwindigkeit beziehungsweise Winkelgeschwindigkeit.
Die Antriebsvorrichtung ist außerdem dazu eingerichtet, die Welle in die erste Rotationsrichtung und relativ zum zweiten Getriebeelement zu rotieren. Insbesondere ist die Antriebsvorrichtung so eingerichtet, dass die Welle unabhängig von dem ersten Getriebeelement zumindest in die erste Rotationsrichtung rotierbar ist. Beispielsweise kann die Welle in die erste Rotationsrichtung rotieren, ohne dass das erste Getriebeelement rotiert. Anders ausgedrückt, ist die Antriebsvorrichtung in einem zweiten Betriebszustand betreibbar, in dem die Welle in der ersten Rotationsrichtung relativ zum ersten Getriebeelement rotiert. Die Welle rotiert im zweiten Betriebszustand zum Beispiel unabhängig vom ersten Getriebeelement, zum Beispiel um mehr als 360°.
Die Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle ist insbesondere dergestalt, dass eine Rotation des ersten Getriebeelements in die erste Rotationsrichtung relativ zur Welle blockiert ist und eine Rotation der Welle relativ zum ersten Getriebeelement in die erste Rotationsrichtung freigegeben ist.
Die Antriebsvorrichtung ist beispielsweise dazu eingerichtet, zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand hin und her zu schalten oder hin und her geschaltet zu werden. Das Umschalten von dem ersten in den zweiten Betriebszustand und/oder umgekehrt erfolgt zum Beispiel automatisch. Beispielsweise wird automatisch vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand umgeschaltet, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des ersten Getriebeelements in die erste Rotationsrichtung geringer ist als die Rotationsgeschwindigkeit der Welle in die erste Rotationsrichtung. Außerdem kann automatisch von dem zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand umgeschaltet werden, wenn das erste Getriebeelement schneller in die erste Rotationsrichtung rotiert als die Welle.
Hier und im Folgenden ist mit einer Rotation eines Elements eine Rotation um die Achse gemeint, um die das jeweilige Element rotierbar ist. Das heißt, für das erste Getriebeelement und/oder die Welle ist eine Rotation um die erste Achse gemeint. Für das zweite Getriebeelement meint Rotation eine Rotation um die zweite Achse. Die erste Rotationsrichtung ist zum Beispiel eine Rotation mit oder gegen den Uhrzeigersinn. Falls nicht anders angegeben, ist hier und im Folgenden mit Rotation außerdem eine Rotation relativ zu einem Gehäuse der Antriebsvorrichtung gemeint.
Das erste Getriebeelement ist außerdem relativ zum zweiten Getriebeelement axial verschiebbar. Alternativ oder zusätzlich kann das erste Getriebeelement relativ zur Welle axial verschiebbar sein. Hier und im Folgenden wird, falls nicht anders angegeben, als axiale Richtung eine Richtung parallel zur ersten Achse bezeichnet. Entsprechend bezieht sich der Begriff axial eben auf diese erste Achse. Außerdem ist hier und im Folgenden, falls nicht anders angegeben, mit der azimutalen Richtung eine azimutale Richtung in Bezug auf die erste Achse gemeint, also entlang einer Kreislinie um die erste Achse. Mit radialer Richtung ist, falls nicht anders angegeben, hier und im Folgenden eine radiale Richtung in Bezug auf die erste Achse gemeint, also eine Richtung senkrecht zur ersten Achse und senkrecht zur azimutalen Richtung. Entsprechend sind die Begriffe azimutal und radial zu verstehen.
Das erste Getriebeelement ist relativ zum zweiten Getriebeelement und/oder relativ zur Welle innerhalb vorgegebener Grenzen verschiebbar. Das heißt, das erste Getriebeelement ist relativ zum zweiten Getriebeelement und/oder relativ zur Welle in einem begrenzten Bereich oder über eine begrenzte Distanz verschiebbar, beispielsweise zumindest 0,01 mm oder zumindest 0,1 mm. Insbesondere ist eine axiale Verschiebung des ersten Getriebeelements über diese Grenzen hinaus blockiert. Ein Verdrehflankenspiel zwischen dem ersten und zweiten Getriebeelement beträgt beispielsweise zumindest 0,01 mm und maximal 0,1 mm.
Innerhalb der vorgegebenen Grenzen bleiben das erste und das zweite Getriebeelement miteinander gekoppelt. Das heißt, die axiale Bewegung des ersten Getriebeelements relativ zum zweiten Getriebeelement und/oder zur Welle ist derart begrenzt, dass auch bei maximaler axialer Verschiebung/Bewegung des ersten Getriebeelements die Kopplung erhalten bleibt. Beispielsweise bleibt die verzahnte Schnittstelle während einer axialen Bewegung innerhalb der vorgegebenen Grenzen stets erhalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die axiale Bewegung des ersten Getriebeelements relativ zum zweiten Getriebeelement in eine erste axiale Richtung durch das zweite Getriebeelement begrenzt. Alternativ oder zusätzlich ist die axiale Bewegung des ersten Getriebeelements relativ zum zweiten Getriebeelement in eine entgegengesetzte, zweite axiale Richtung durch ein Begrenzungsmittel begrenzt.
Die Begrenzung in der ersten axialen Richtung kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass das erste Getriebeelement an das zweite Getriebeelement anschlägt. Alternativ kann ein Dämpfungselement, zum Beispiel eine Feder, die Bewegung des ersten Getriebeelements in der ersten axialen Richtung begrenzen. Das Begrenzungsmittel kann eine Anschlagfläche sein, an die das erste Getriebeelement bei Bewegung in der zweiten axialen Richtung anschlägt. Alternativ kann das Begrenzungsmittel ein Dämpfungselement, zum Beispiel eine Feder, sein, das die Bewegung des ersten Getriebeelements in der zweiten axialen Richtung begrenzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Begrenzungsmittel axial zu der Welle und/oder axial zu dem zweiten Getriebeelement fixiert. Das heißt, zumindest ein Teil des Begrenzungsmittels ist in axialer Richtung unbeweglich zur Welle und/oder dem zweiten Getriebeelement angeordnet. Zusätzlich kann das Begrenzungsmittel azimutal und/oder radial fixiert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Antriebsvorrichtung so eingerichtet, dass bei einer Drehmomentübertragung von dem zweiten Getriebeelement auf das erste Getriebeelement eine axiale Kraft auf das erste Getriebeelement wirkt. Diese axiale Kraft wird über das Begrenzungsmittel abgeleitet, beispielsweise entweder auf die Welle oder ein axial zur Welle fixiertes Element der Antriebsvorrichtung. Zum Beispiel wird die axiale Kraft dann von der Welle oder dem Element aufgenommen, insbesondere vollständig aufgenommen.
Die axiale Kraft wirkt insbesondere in die zweite axiale Richtung, zum Beispiel in Richtung weg von dem zweiten Getriebeelement. Die axiale Kraft kann von dem Begrenzungsmittel derart abgeleitet werden, dass aus ihr keine axiale Bewegung des ersten Getriebeelements relativ zum zweiten Getriebeelement mehr resultiert. Zum Beispiel schlägt das erste Getriebeelement gegen das Begrenzungsmittel an und die axiale Kraft drückt das erste Getriebeelement gegen das Begrenzungsmittel. Dadurch dass das Begrenzungsmittel die axiale Kraft ableitet und bevorzugt auf die Welle oder das Element ableitet, wird die Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle für die Drehmomentübertragung axial entlastet. Dies ist vorteilhaft, weil viele Kopplungen für die Drehmomentübertragung nicht für die Aufnahme großer axialer Kräfte eingerichtet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Antriebsvorrichtung zumindest ein Lager auf. Mithilfe des Lagers ist das erste Getriebeelement relativ zur Welle rotierbar um die erste Achse gelagert. Das Lager kann ein Wälzlager, insbesondere ein Zylinderrollenlager oder ein Kugellager sein. Das Lager kann ein von der Welle und dem ersten Getriebeelement separates Element sein, das zwischen der Welle und dem ersten Getriebeelement angeordnet ist, beispielsweise radial zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle. Alternativ können die Welle und/oder das Begrenzungsmittel und/oder das erste Getriebeelement Teil des Lagers sein. Beispielsweise bildet die Welle den Innenring des Lagers und/oder das erste Getriebeelement den Außenring des Lagers oder umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle axial zwischen zwei Lagern angeordnet. Jedes dieser Lager kann wie das zuvor genannte Lager gebildet sein.
Die Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle kann durch eine mechanische Schnittstelle realisiert sein, an der zwei Elemente zur Drehmomentübertragung sich berühren (zum Beispiel im Bereich von Kontaktpunkten). Die Schnittstelle der Kopplung kann dann eine Verzahnungsschnittstelle sein. Alternativ kann die Kopplung zum Beispiel auch eine elektromagnetische Kopplung sein, bei der das Drehmoment beispielsweise durch magnetische Kräfte, insbesondere ohne direkten Kontakt, übertragen wird.
Die Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle kann beispielsweise über eine Kupplung der Antriebsvorrichtung erfolgen. Insbesondere kann die Kupplung axial zwischen den zwei Lagern angeordnet sein. Die Kupplung kann auch als Einheit mit dem oder den Lagern gebildet sein. Die Kupplung kann ein von dem ersten Getriebeelement und der Welle separates Element sein. Alternativ können das erste Getriebeelement und/oder die Welle Teil der Kupplung sein.
Mit dem Begriff „Kopplung“ ist in der vorliegenden Anmeldung der Zustand des Gekoppeltsein gemeint, wohingegen mit dem Begriff „Kupplung“ die gegenständlichen Mittel zur Herstellung der Kopplung gemeint sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle eine Freilaufkopplung, auch Überholkopplung genannt. Entsprechend kann die Kupplung eine Freilaufkupplung beziehungsweise Überholkupplung sein. Die Freilaufkupplung ist zum Beispiel eine Klemmkörper-Freilaufkupplung oder Hülsenfreilaufkupplung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Umlenkgetriebe ein Kegelradgetriebe. Das erste Getriebeelement ist dann beispielsweise ein Tellerrad und das zweite Getriebeelement ein Kegelritzel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Umlenkgetriebe ein Übersetzungsverhältnis von mindestens 2 oder mindestens 4 auf. Alternativ oder zusätzlich ist das Übersetzungsverhältnis höchstens 8 oder höchstens 6. Zum Beispiel ist das Übersetzungsverhältnis zumindest 5 und höchstens 6.
Das Umlenkgetriebe und die Lagerung des ersten Getriebeelements sind insbesondere so gewählt, dass die vom zweiten auf das erste Getriebeelement übertragene radiale Kraft F_R in einer Reibungskraft F_RE für eine axiale Verschiebung des ersten Getriebeelements relativ zum zweiten Getriebeelement resultiert, die kleiner ist als die vom zweiten auf das erste Getriebeelement übertragene axiale Kraft F_A. Es gilt also: F_RE < FA. Dadurch wird beim Rotieren des zweiten Getriebeelements das erste Getriebeelement axial verschoben und zum Beispiel gegen das Begrenzungsmittel gedrückt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schnittstelle der Kopplung zwischen dem Tellerrad und dem Kegelritzel bezüglich der ersten Achse um einen Kippwinkel gekippt. Dieser Kippwinkel wird auch als Kegelwinkel bezeichnet. Der Kippwinkel beträgt beispielsweise zumindest 45° oder zumindest 60°. Der Winkel der Schnittstelle bezüglich der ersten Achse entspricht insbesondere dem Winkel der Mantelfläche des Kegelritzels bezüglich der ersten Achse. Insbesondere schließt die Kraftresultierende zum Beispiel einen Winkel von zumindest 45° oder zumindest 60° mit der ersten Achse ein.
Ein Kippwinkel von zumindest 45° ist insofern vorteilhaft, weil dadurch die auf das erste Getriebeelement übertragene radiale Kraftkomponente verhältnismäßig gering ist und damit die radial wirkende Kraft auf die Lager beziehungsweise die Kupplung gering gehalten werden kann. Die axiale Kraft wird durch das Begrenzungsmittel abgeleitet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Welle eine Kettenblattwelle, das heißt eine Welle, an der ein Kettenblatt montiert ist oder montierbar ist. Die Welle ist insbesondere eine Hohlwelle.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Begrenzungsmittel eine Anschlagfläche. Beispielsweise ist die Anschlagfläche zum zweiten Getriebeelement und/oder zur Welle axial fixiert. Die Anschlagfläche kann eine Fläche der Welle sein oder eines Elements, das beispielsweise axial zur Welle fixiert ist. Zum Beispiel ist die Anschlagfläche axial, radial und azimutal zur Welle fixiert, also insbesondere unbeweglich zur Welle.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist dem ersten Getriebeelement eine weitere Anschlagfläche zugeordnet. Die weitere Anschlagfläche ist beispielsweise axial und/oder radial und/oder azimutal zum ersten Getriebeelement fixiert, also insbesondere unbeweglich zum ersten Getriebeelement angeordnet. Beispielsweise ist die weitere Anschlagfläche eine Fläche des ersten Getriebeelements.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen sich die Anschlagflächen in axialer Richtung gegenüber. Die Anschlagflächen überlappen beispielsweise radial und azimutal miteinander, das heißt, sie überlappen in radialer Richtung und azimutaler Richtung. Außerdem sind die Anschlagflächen bevorzugt einander zugewandt.
Dass zwei Elemente in einer Richtung überlappen, meint hier, dass die Koordinaten der beiden Elemente für diese Richtung einen überlappenden Wertebereich haben. Anders ausgedrückt sind die Elemente in dieser Richtung dann zueinander ausgerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Anschlagflächen dazu eingerichtet, zur Begrenzung der axialen Bewegung des ersten Getriebeelements aneinander anzuschlagen. Das heißt, die axiale Bewegung des ersten Getriebeelements in die zweite axiale Richtung relativ zum zweiten Getriebeelement ist durch das Anschlagen der weiteren Anschlagfläche an die Anschlagfläche begrenzt. Beim Anschlagen kommen die Anschlagfläche und die weitere Anschlagfläche in direkten Kontakt miteinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Anschlagflächen axial zwischen dem zweiten Getriebeelement und der Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle positioniert. Insbesondere sind die Anschlagflächen also axial zwischen dem zweiten Getriebeelement und der Kupplung positioniert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Bereich, in dem die Anschlagflächen aneinander anschlagen, in Bezug auf die erste Achse radial zur Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle beziehungsweise zur Kupplung versetzt. Zum Beispiel überlappen die Schnittstelle der Kopplung und der Bereich, in dem die Anschlagfläche aneinander anschlagen, radial nicht miteinander. Der Bereich und die Schnittstelle können jedoch azimutal miteinander überlappen. Der Bereich ist zum Beispiel relativ zur Schnittstelle beziehungsweise zur Kupplung radial nach innen versetzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Anschlagflächen metallisch, zum Beispiel aus Aluminium oder Edelstahl.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf den Anschlagflächen ein Schmiermittel aufgetragen. Das Schmiermittel erleichtert eine relative Rotation zwischen den Anschlagflächen um die erste Achse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umgibt das erste Getriebeelement die Welle radial teilweise oder vollständig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle in radialer Richtung zwischen der Welle und dem ersten Getriebeelement angeordnet. In axialer Richtung kann die Schnittstelle überlappend mit dem ersten Getriebeelement und der Welle angeordnet sein. Beispielsweise ist die Kupplung radial zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle angeordnet und axial mit der Welle und dem ersten Getriebeelement überlappend angeordnet.
Als nächstes wird das Elektrofahrrad angegeben. Bei dem Elektrofahrrad handelt es sich beispielsweise um ein so genanntes Pedelec.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Elektrofahrrad eine Antriebsvorrichtung gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen. Darüber hinaus umfasst das Elektrofahrrad einen Elektromotor, wobei der Elektromotor mit dem Umlenkgetriebe gekoppelt ist, so dass ein Drehmoment des Elektromotors über das zweite Getriebeelement auf das erste Getriebeelement übertragen wird. Ferner kann das Elektrofahrrad eine Steuerelektronik aufweisen, um den Elektromotor anzusteuern.
Nachfolgend wird eine hier beschriebene Antriebsvorrichtung sowie ein hier beschriebenes Elektrofahrrad unter Bezugnahme auf Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Soweit Elemente oder Bauteile in den verschiedenen Figuren in ihrer Funktion übereinstimmen, wird ihre Beschreibung nicht für jede der folgenden Figuren wiederholt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind Elemente möglicherweise nicht in allen Abbildungen mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines Elektrofahrrads,
2 ein Ausführungsbeispiel der Antriebsvorrichtung in einer Querschnittsansicht,
3 ein vergrößerter Ausschnitt aus dem Ausführungsbeispiel der 2, und
4 und 5 das Ausführungsbeispiel der Antriebsvorrichtung der 2 in unterschiedlichen Betriebszuständen.

1 zeigt schematisch ein Elektrofahrrad 100 mit einem Fahrradrahmen 50, welcher unter anderem einen unteren Rahmenabschnitt 60 aufweist, welcher ein Unterrohr ausbildet. Der Rahmenabschnitt 60 erstreckt sich in Richtung eines Tretlagers, welches eine Tretkurbel 40 umfasst, die mit einer Antriebsvorrichtung 1 für das Elektrofahrrad 100 gekoppelt oder koppelbar ist. Die Antriebsvorrichtung 1 ist mit einem Elektromotor gekoppelt oder koppelbar. Der Elektromotor ist hier beispielsweise im Unterrohr des Rahmens 50 angeordnet. Alternativ könnte der Elektromotor auch im Sitzrohr angeordnet sein.
In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Antriebsvorrichtung 1 in Querschnittsansicht gezeigt. Beispielsweise handelt es sich um die Antriebsvorrichtung 1 aus der 1. Die 3 zeigt einen Ausschnitt der 2 vergrößert.
Die Antriebsvorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 4. Innerhalb des Gehäuses 4 ist ein Umlenkgetriebe 2 angeordnet. Das Umlenkgetriebe 2 umfasst ein erstes Getriebeelement 21 und ein zweites Getriebeelement 22. Vorliegend handelt es sich bei dem Umlenkgetriebe 2 um ein Kegelradgetriebe. Das erste Getriebeelement 21 ist ein Tellerrad und das zweite Getriebeelement 22 ein Kegelritzel.
In der 2 sind außerdem Achsen A1 und A2 eingezeichnet. Das Tellerrad 21 ist (relativ zum Gehäuse 4) rotierbar um die erste Achse A1 gelagert, das Kegelritzel 22 ist (relativ zum Gehäuse 4) rotierbar um die Achse A2 gelagert. Die Achsen A1 und A2 stehen senkrecht aufeinander. In der 2 sind auch eine in Bezug auf die erste Achse A1 radiale Richtung R und azimutale Richtung C eingezeichnet. Bei der radialen Richtung R handelt es sich um eine Richtung senkrecht zur ersten Achse A1 und bei der azimutalen Richtung C um eine Richtung um die Achse A1. In der Darstellung der 2 zeigt die azimutale Richtung C in die Papierebene.
Das Tellerrad 21 umgibt in radialer Richtung R eine Welle 3 der Antriebsvorrichtung 1. Die Welle 3 ist ebenfalls rotierbar um die Achse A1 gelagert. Bei der Welle 3 handelt es sich um eine Hohlwelle. Die Welle 3 ist aus dem Gehäuse 4 herausgeführt und ist mit einem Kettenblatt verbindbar.
Die Antriebsvorrichtung 1 der 2 ist so eingerichtet, dass das Kegelritzel 22 mit einem Elektromotor für das Elektrofahrrad koppelbar ist. Eine Drehrichtung des Rotors des Elektromotors kann parallel zur Achse A2 und/oder parallel zur Längsachse des Unterrohrs verlaufen.
Durch die vom Elektromotor bereitgestellte Energie wird das Kegelritzel 22 angetrieben, nämlich um die zweite Achse A2 rotiert. Das Kegelritzel 22 ist über eine Schnittstelle 212 mit dem Tellerrad 21 koppelt. Bei der Schnittstelle 212 handelt es sich um eine Verzahnungsschnittstelle. Durch die Kopplung über die Schnittstelle 212 führt eine Rotation des Kegelritzels 22 zu einer Rotation des Tellerrads 21 um die erste Achse A1.
Zwischen dem Tellerrad 21 und der Welle 3 ist eine Kupplung 230 vorgesehen (siehe 3). Bei der Kupplung 230 handelt es sich vorliegend zum Beispiel um eine Freilaufkupplung. Es könnte aber auch eine andere mechanische Kupplung oder eine Wirbelstromkupplung verwendet sein.
Die Freilaufkupplung ermöglicht es, dass die Welle 3 in eine erste Rotationsrichtung, beispielsweise im oder gegen den Uhrzeigersinn, relativ zum Tellerrad 21 rotieren kann. Andersherum kann das Tellerrad 21 aber in der ersten Rotationsrichtung nicht relativ zur Welle 3 rotieren. Maximal kann das Tellerrad 21 zusammen mit der Welle, also gleichschnell wie die Welle 3, in der ersten Rotationsrichtung rotieren. Dabei wird durch eine Kopplung zwischen dem Tellerrad 21 und der Welle 3, bereitgestellt durch die Kupplung 230, eine die Rotation unterstützendes Drehmoment von dem Tellerrad 21 auf die Welle übertragen. Dies wird im Zusammenhang mit den 4 und 5 näher erläutert.
In der 4 ist die Antriebsvorrichtung 1 in einem ersten Betriebszustand gezeigt, bei dem alle gezeigten Elemente bis auf das schwarz eingefärbte Element 41 rotieren. Das Element 41 ist ein Gehäuseelement des Gehäuses 4. Der Rest des Gehäuses 4 ist aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen.
In dem ersten Betriebszustand rotiert das Kegelritzel 22 um die zweite Achse A2. An der Schnittstelle 212 wird ein Drehmoment auf das Tellerrad 21 übertragen und dadurch zu einer Rotation um die erste Achse A1 in der ersten Rotationsrichtung gezwungen. Durch die Freilaufkupplung 230 wird ein Drehmoment von dem Tellerrad 21 auf die Welle 3 übertragen, so dass die Welle 3 mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit in die erste Rotationsrichtung um die erste Achse A1 rotiert wie das Tellerrad 21. Dieser erste Betriebszustand ist also insbesondere der Zustand, in dem der Elektromotor ein unterstützendes Drehmoment auf die Welle 3 überträgt. Zum Beispiel wird dieser erste Betriebszustand eingestellt, wenn das Elektrofahrrad unter einer vorgegebenen Maximalgeschwindigkeit, wie 25 km/h, fährt und der Fahrer in die Pedale tritt. Diese beiden Voraussetzungen werden beispielsweise mit Sensoren des Elektrofahrrads erfasst.
In der 5 ist die Antriebsvorrichtung 1 in einem zweiten Betriebszustand gezeigt. Wieder sind die schwarz eingefärbten Elemente solche, die nicht rotieren. Hier rotiert also nur die Welle 3 und zwar in die erste Rotationsrichtung um die erste Achse A1. Das Kegelritzel 22 und das Tellerrad 21 rotieren nicht. Das heißt, die Welle 3 rotiert relativ zum Tellerrad 21 in die erste Rotationsrichtung, was durch die Freilaufkupplung 230 zwischen dem Tellerrad 21 und der Welle 3 ermöglicht ist. Dieser zweite Betriebszustand entspricht beispielsweise dem Betriebszustand, in dem der Elektromotor ausgeschaltet ist oder das Elektrofahrrad die vorgegebene Maximalgeschwindigkeit überschreitet.
Um im zweiten Betriebszustand die Rotation der Welle 3 relativ zum Tellerrad 21 zu erleichtern, um eine spezielle Höhe für den Freilauf zu definieren, um radial Kräfte aufzunehmen und um das Tellerrad 21 in Position zu halten, umfasst die Antriebsvorrichtung 1 zwei Lager 231, 232 (siehe 3). Die Freilaufkupplung 230 ist axial, in Richtung parallel zur ersten Achse A1, zwischen den beiden Lagern 231, 232 angeordnet. Bei den Lagern 231, 232 handelt es sich um Wälzlager, zum Beispiel Kugellager.
Bei der Antriebsvorrichtung 1 des in den 2 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiels ist das Tellerrad 21 relativ zur Welle 3 und zum Kegelritzel 22 axial beweglich angeordnet und zwar innerhalb vorgegebener Grenzen. Zum einen ist die axiale Bewegung des Tellerrads 21 in eine erste axiale Richtung, nämlich auf das Kegelritzel 22 zu, durch ein Anschlagen an das Kegelritzel 22 begrenzt. In die entgegengesetzte, zweite axiale Richtung ist die Bewegung des Tellerrads 21 durch ein Anschlagen an ein Begrenzungsmittel 30 in Form einer Anschlagfläche 30 begrenzt. Die Anschlagfläche 30 ist Teil eines Elements 32, das an der Welle 3 axial fixiert ist. Es könnte die Anschlagfläche 30 aber auch Teil der Welle 3 sein, also integral oder einstückig mit der Welle 3 geformt sein.
Das Tellerrad 21 weist eine weitere Anschlagfläche 210 auf, die der Anschlagfläche 30 zugewandt ist und sowohl radial als auch azimutal mit der Anschlagfläche 30 überlappt. Die Anschlagflächen 30 und 210 sind beispielsweise aus Metall gebildet und mit einem Schmiermittel bedeckt.
Ein Vorteil der Beschränkung der axialen Bewegung des Tellerrads 21 mithilfe der Anschlagfläche 30 wird deutlich, wenn man das Kräftediagramm in der 3 betrachtet. Beim Antrieb des Tellerrads 21 durch das Kegelritzel 22 wird eine Kraft F an der Schnittstelle 212 auf das Tellerrad 21 übertragen. Diese Kraft F teilt sich in eine radiale Komponente F_R und eine axiale Komponente F_A auf. Beim Antreiben wird das Tellerrad 21 also mit seiner weiteren Anschlagfläche 210 in axialer Richtung gegen die Anschlagfläche 30 gedrückt. Die axiale Kraft F_A wird dabei über die Anschlagfläche 30 auf die Welle 3 abgeleitet. Insbesondere ist die axiale Kraft F_A größer als eine durch die radiale Kraft F_R verursachte Reibungskraft F_RE, die gegen ein Verschieben des Tellerrads 21 entlang der Achse A1 wirkt.
Ohne diese Anschlagfläche 30 würde die axial wirkende Kraft F_A auf die Lager 231, 232 und/oder die Freilaufkupplung 230 abgeleitet werden. Diese Elemente sind häufig jedoch nicht für die Aufnahme großer axialer Kräfte eingerichtet und könnten durch solche beschädigt werden. Insofern wird durch die Anschlagfläche 30 beziehungsweise die Begrenzung der Bewegungsfreiheit des Tellerrads 21 in axialer Richtung die Lebensdauer der Antriebsvorrichtung 1 erhöht.
Die axiale Beweglichkeit des Tellerrads 21 ist darüber hinaus im zweiten Betriebszustand vorteilhaft, in dem die Welle 3 relativ zum Tellerrad 21 rotiert. In diesem Betriebszustand wird beispielsweise das Kegelritzel 22 nicht angetrieben, so dass keine axiale Kraft F_A das Tellerrad 21 gegen die Anschlagfläche 30 drückt. Das Tellerrad 21 kann sich zumindest ein Stück weg von der Anschlagfläche 30 bewegen.
Dadurch können die beiden Anschlagflächen 30, 210 verhältnismäßig reibungsfrei aneinander vorbei gleiten. Dies kann durch das auf den Anschlagflächen 30, 210 beziehungsweise das dazwischen vorgesehene Schmiermittel weiter verbessert werden.
Aus den gemachten Erläuterungen wird deutlich, dass die axiale Verschiebbarkeit des Tellerrads 21 relativ zum Kegelritzel 22 beziehungsweise relativ zur Welle 3 vorteilhaft ist verglichen mit einer axialen Fixierung des Tellerrads 21. Zudem ist eine axiale Fixierung eines Tellerrad 21 sehr aufwändig und wird hier vorteilhaft vermieden.
Wie außerdem aus der 3 hervorgeht, ist das Kegelradgetriebe 2 der vorliegenden Antriebsvorrichtung 1 so gestaltet, dass die Schnittstelle 212 zwischen dem Kegelritzel 22 und dem Tellerrad 21 bezüglich der Achse A1 gekippt ist und zwar derart, dass der Kippwinkel α zwischen der Schnittstelle 212 und der Achse A1 zumindest 45° ist.
Die Anordnung der Anschlagflächen 30, 210 axial zwischen der Freilaufkupplung 230 beziehungsweise den Lagern 231, 232 und dem Kegelritzel 22 ist im Hinblick auf ein mögliches Verkanten zwischen dem Tellerrad 21 und dem Kegelritzel 22 vorteilhaft. Die Gefahr des Verkippens zwischen dem Kegelritzel 22 und dem Tellerrad 21 ist zusätzlich dadurch reduziert, dass das zweite Lager 232 verwendet ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsvorrichtung
2: Umlenkgetriebe
3: Welle
4: Gehäuse
21: erstes Getriebeelement
22: zweites Getriebeelement
30: Begrenzungsmittel
32: Element
40: Tretkurbel
41: Gehäuseelement
50: Fahrradrahmen
60: Rahmenabschnitt
100: Elektrofahrrad
210: weitere Anschlagfläche
212: Schnittstelle
230: Kupplung
231: Lager
232: Lager
A1: erste Achse
A2: zweite Achse
R: radiale Richtung
C: azimutale Richtung
F: Kraft
F_R: radiale Komponente der Kraft
F_A: axiale Komponente der Kraft
F_RE: Reibungskraft
α: Kippwinkel

Claims

Antriebsvorrichtung (1) für ein Elektrofahrrad (100), aufweisend: - eine Welle (3), - ein Umlenkgetriebe (2) zur Kopplung mit einem Elektromotor einerseits und der Welle (3) andererseits, sodass ein Drehmoment vom Elektromotor über das Umlenkgetriebe (2) auf die Welle (3) übertragbar ist, wobei - das Umlenkgetriebe (20) ein um eine erste Achse (A1) rotierbares erstes Getriebeelement (21) und ein damit gekoppeltes zweites Getriebeelement (22) aufweist, das um eine schräg zur ersten Achse (A1) verlaufende zweite Achse (A2) rotierbar ist, - die Antriebsvorrichtung (1) dazu eingerichtet ist, - durch eine Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement (21) und der Welle (3) ein Drehmoment von dem ersten Getriebeelement (21) auf die Welle (3) zu übertragen, - die Welle (3) in eine erste Rotationsrichtung relativ zum ersten Getriebeelement (21) zu rotieren, - das erste Getriebeelement (21) relativ zum zweiten Getriebeelement (22) axial, parallel zur ersten Achse (A1), innerhalb vorgegebener Grenzen verschiebbar ist, wobei innerhalb der vorgegebenen Grenzen die Getriebeelemente (21, 22) miteinander gekoppelt bleiben.
Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei - die axiale Bewegung des ersten Getriebeelements (21) in eine erste axiale Richtung durch das zweite Getriebeelement (22) und in eine entgegengesetzte, zweite axiale Richtung durch ein Begrenzungsmittel (30) begrenzt ist, - das Begrenzungsmittel (30) zu der Welle (3) und/oder zu dem zweiten Getriebeelement (22) axial fixiert ist.
Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei - die Antriebsvorrichtung (1) so eingerichtet ist, dass bei einer Drehmomentübertragung von dem zweiten Getriebeelement (22) auf das erste Getriebeelement (21) eine axiale Kraft auf das erste Getriebeelement (21) wirkt und diese axiale Kraft über das Begrenzungsmittel (30) auf die Welle (3) oder ein axial zur Welle (3) fixiertes Element abgeleitet wird.
Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend - zumindest ein Lager (231, 232), mithilfe dessen das erste Getriebeelement (21) relativ zur Welle (3) rotierbar um die erste Achse (A1) gelagert ist.
Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei - eine Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement (21) und der Welle (3) axial zwischen zwei Lagern (231, 232) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement (21) und der Welle (3) eine Freilaufkopplung ist.
Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Umlenkgetriebe (2) ein Kegelradgetriebe ist, bei dem das erste Getriebeelement (21) ein Tellerrad ist und das zweite Getriebeelement (22) ein Kegelritzel ist.
Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Umlenkgetriebe (2) ein Übersetzungsverhältnis von zumindest 4 und höchstens 6 aufweist.
Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Welle (3) eine Kettenblattwelle ist.
Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 9 im Rückbezug auf Anspruch 2, wobei - das Begrenzungsmittel (30) eine Anschlagfläche (30) ist, - dem ersten Getriebeelement (21) eine weitere Anschlagfläche (210) zugeordnet und zu diesem axial fixiert ist, - die Anschlagflächen (30, 210) sich in axialer Richtung gegenüber liegen, radial und azimutal miteinander überlappen und einander zugewandt sind, - die Anschlagflächen (31, 210) dazu eingerichtet sind, zur Begrenzung der axialen Bewegung des ersten Getriebeelements (21) aneinander anzuschlagen.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei - die Anschlagflächen (30, 210) axial zwischen dem zweiten Getriebeelement (22) und der Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement (21) und der Welle (3) positioniert sind.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei - der Bereich, in dem die Anschlagflächen (30, 210) aneinander anschlagen, radial zur Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement (21) und der Welle (3) versetzt ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei - die Anschlagflächen (30, 210) metallisch sind, - auf den Anschlagflächen (30, 210) ein Schmiermittel aufgetragen ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das erste Getriebeelement (21) die Welle (3) zumindest teilweise radial umgibt, - die Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement (21) und der Welle (3) in radialer Richtung zwischen der Welle (3) und dem ersten Getriebeelement (21) angeordnet ist und in axialer Richtung mit dem ersten Getriebeelement (21) und der Welle (3) überlappend angeordnet ist.
Elektrofahrrad (100) mit - einer Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - einem Elektromotor, wobei - der Elektromotor mit dem Umlenkgetriebe (2) gekoppelt ist, sodass ein Drehmoment des Elektromotors über das zweite Getriebeelement (22) auf das erste Getriebeelement (21) übertragen wird.