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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein muskelbetriebenes Fahrzeug mit einem Generatormodul zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Antriebsmodul zur Erzeugung eines elektrischen Antriebsmoments, wobei das Generatormodul einen Generator aufweist, der durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft antreibbar ist, wobei das Generatormodul eine Tretkurbelwelle zur Übertragung der Tretkraft von einer Tretkurbel auf den Generator aufweist, wobei das Generatormodul eine Getriebeeinrichtung zur Übersetzung der Tretkraft auf den Generator aufweist, wobei die Tretkurbelwelle über die Getriebeeinrichtung getriebetechnisch mit dem Generator verbunden ist, und die Getriebeeinrichtung als ein Exzentergetriebe ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein muskelbetriebenes Fahrzeug.
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Es sind elektrische Fahrräder bekannt, welche ohne eine physikalische Antriebsverbindung zwischen Tretkurbel und Hinterrad angetrieben werden können. Der Fahrer treibt dabei mit den Tretkurbeln einen Generator zur Stromerzeugung an, um einen mit dem Hinterrad verbundenen Antriebsmotor mit Strom zu versorgen. Bei einem derartigen Antriebssystem kann somit die physikalische Antriebsverbindung, wie z.B. Kette, Zahnriemen, Kardanwelle etc. entfallen. Um die Drehzahl der Kurbelwelle zu erhöhen und das Drehmoment entsprechend zu reduzieren, kommen üblicherweise konventionelle Getriebetypen, wie z.B. ein- oder mehrstufige Planetengetriebe, Wolfromsatz etc., zum Einsatz, um einen Generator mit wenig Drehmoment und entsprechend kleiner Baugröße einsetzten zu können.
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Die Druckschrift
DE 196 00 698 A1 offenbart ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug, insbesondere Fahrrad. Das Fahrrad weist einen Generator, der zur Stromerzeugung durch einen Fahrzeugbenutzer antreibbar ist, und mindestens einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs, der mit dem Generator zur Übertragung elektrischer Leistung verbunden ist, auf. Insbesondere ist zwischen einer Tretkurbel für das Antreiben des Generators und dem Generator ein Übersetzungsgetriebe in größere Drehzahl vorgesehen ist, wobei das Getriebe ein Planetengetriebe ist, das vorzugsweise mindestens zum Teil im Inneren des Generators untergebracht ist.
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DE 10 2021 102 992 A1 beschreibt ein Exzentergetriebe, bei dem die Übertragung des Drehmomentes von der Antriebswelle des Getriebes (konzentrisch) auf ein Exzenterrad (exzentrisch/achsversetzt umlaufend) oder umgekehrt über Planetenbolzen und Bohrungen im Exzenterrad erfolgt. Der Aufbau mit einer Vielzahl von Planetenbolzen ist jedoch hinsichtlich des Montageaufwands und der Fertigungskosten nicht optimal. Aus der
DE 10 2021 112 782 A1 ist ferner ein Exzentergetriebe bekannt, was jedoch einen vergleichsweise komplexen und fertigungstechnisch nicht optimierten Aufbau aufweist.
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Die
DE 10 2021 117 436 A1 beschreibt ein Exzentergetriebe für ein Generatormodul eines Fahrzeugs mit einem Exzenterradträger mit mindestens einem Exzenterrad, einem Hohlradabschnitt, einer Exzenterwelle und einer Wälzkörperanordnung zur axialen Lagerung des Exzenterrads an einer anderen Komponente des Exzentergetriebes. Dabei weist die Waelzkoerperanordnung mehrer Wälzkörper und mehrere Laufbahnen an dem Exzenterrad auf.
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Die
WO 2020/144 419 A1 beschreibt eine in einem Tretlagergehäuse untergebrachte Assistenzvorrichtung mit einem Motor, einem Untersetzungsgetriebe, einem aus mehreren zwischen dem Motor und der Welle angeordneten Komponenten bestehenden Freilauf und einer Welle, die sich mit zwei Tretkurbeln fest dreht. Der Motor überträgt ein Unterstützungsmoment über den Freilauf auf die Welle, die sich aufgrund zweier Wälzlager relativ zu einer Schale dreht. Ein Drehmomentübertragungsring ermöglicht, eine der Komponenten des Freilaufs an der Welle oder an einer der Kurbeln zu befestigen, und ist zumindest teilweise unter einem der beiden Wälzlager angeordnet.
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Die
EP 3 406 511 B1 beschreibt einen elektrischen Fahrrad-Tretkurbelantrieb mit einem elektrischen Antriebsmotor, der über eine Niedrigübersetzungs-Getriebestufe und über eine Hochübersetzungs-Getriebestufe mit einer Tretkurbelwelle gekoppelt ist. Die Hochübersetzungs-Getriebestufe ist ein Exzentergetriebe und ist kinematisch hinter der Niedrigübersetzungs-Getriebestufe angeordnet ist. Die
DE 10 2021 102 989 A1 beschreibt eine Antriebsanordnung für ein muskelbetriebenes Fahrzeug mit einem Generatormodul zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Antriebsmodul zur Erzeugung eines elektrischen Antriebsmoments. Das Generatormodul umfasst einen durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft antreibbaren Generator und hat eine Tretkurbelwelle zur Übertragung der Tretkraft von einer Tretkurbel auf den Generator. Das Generatormodul weist eine Getriebeeinrichtung zur Übersetzung der Tretkraft auf den Generator auf. Die Tretkurbelwelle ist über die durch ein Exzentergetriebe gebildete Getriebeeinrichtung getriebetechnisch mit dem Generator verbunden.
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Die
DE 10 2021 118 294 A1 beschreibt ein Exzentergetriebe für ein Generatormodul mit einem Exzenterradträger mit mehreren Trägerbolzen.
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Ein erstes Exzenterrad weist mehrere Mitnahmeöffnungen und eine mittige Exzenteraufnahmeöffnung auf. Jeweils ein Trägerbolzen greift in eine der Mitnahmeöffnungen. Das Exzenterrad läuft in einem Hohlradabschnitt ab. Eine Exzenterwelle weist einen ersten Exzenterabschnitt und greift in die mittige Exzenteraufnahmeöffnung. Eine erste Exzenterradlagereinrichtung ist auf dem ersten Exzenterabschnitt angeordnet. Das erste Exzenterrad ist über die erste Exzenterradlagereinrichtung auf dem ersten Exzenterabschnitt gelagert. Der erste Exzenterabschnitt hat eine erste innere Anlauffläche und das erste Exzenterrad eine erste äußere Anlauffläche für die erste Exzenterradlagereinrichtung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung für ein muskelbetriebenes Fahrzeug vorzuschlagen, welche kompakt ist und sich durch einen einfachen und kostengünstig herzustellenden Aufbau auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebsanordnung für ein muskelbetriebenes Fahrzeug mit einem Generatormodul zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Antriebsmodul zur Erzeugung eines elektrischen Antriebsmoments, wobei das Generatormodul einen Generator aufweist, der durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft antreibbar ist, wobei das Generatormodul eine Tretkurbelwelle zur Übertragung der Tretkraft von einer Tretkurbel auf den Generator aufweist, wobei das Generatormodul eine Getriebeeinrichtung zur Übersetzung der Tretkraft auf den Generator aufweist, wobei die Tretkurbelwelle über die Getriebeeinrichtung getriebetechnisch mit dem Generator verbunden ist, und die Getriebeeinrichtung als ein Exzentergetriebe ausgebildet ist, wobei das Exzentergetriebe eine mit der Tretkurbelwelle drehfest verbundene Antriebswelle mit einer Außenverzahnung aufweist, welche abschnittsweise in ein eine Innenverzahnung aufweisendes, exzentrisch zur Antriebswelle angeordnetes erstes Hohlrad eingreift, oder das Exzentergetriebe eine mit der Tretkurbelwelle drehfest verbundene exzentrisch zu dieser angeordnete Antriebswelle mit einer Außenverzahnung aufweist, welche abschnittsweise in ein eine Innenverzahnung ausweisendes erstes Hohlrad eingreift, wobei die Innenverzahnung und die Außenverzahnung die gleiche Zähnezahl aufweist.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, die getriebliche Kopplung und Drehmomentübertragung mittels eines direkten Verzahnungseingriffs zu realisieren, was zu einer deutlichen Vereinfachung des konstruktiven Aufbaus des Exzentergetriebes führt und somit auch zu einer Verringerung der Herstellkosten und Ausfallwahrscheinlichkeit. Erfindungsgemäß wird dieser Verzahnungseingriff über den Eingriff einer Außenverzahnung einer Antriebswelle und einer Innenverzahnung an einem Hohlrad realisiert, wobei deren Zähnezahl gleich ist.
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Bevorzugt besitzt hierbei die Außenverzahnung einen (ca. um die Exzentrizität) kleineren Außendurchmesser als die Innenverzahnung einen Innendurchmesser und die Zahnlücken der Innenverzahnung sind breiter ausgeführt als die Zahnbreite der Außenverzahnung, so dass beispielsweise das durch den Exzenter auf eine umlaufend achsversetzte Bahn gezwungene Hohlrad an genau einer Winkelposition (dort über ggf. mehrere Zähne verteilt) in die Außenverzahnung der Antriebswelle eingreift.
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Es ist höchst bevorzugt, dass die Außenverzahnung in der Innenverzahnung bei einer Umdrehung mit einer Übersetzung von 1:1 in dieser formschlüssig eingreift sowie an dieser Stelle das Antriebsdrehmoment überträgt. Hierdurch kann die Verzahnung besonders stabil ausgebildet werde. Ferner besitz die Antriebsanordnung durch dieses Exzentergetriebe auch deutlich geringere Anforderungen an die Fertigungstoleranzen, was die Herstellungskosten entsprechend positiv beeinflusst.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Antriebsanordnung, welche für ein muskelbetriebenes Fahrzeug ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere ist das Fahrzeug als ein elektrisches Fahrrad, auch als E-Bike bekannt, ausgebildet. Grundsätzlich kann das Fahrrad genau zwei Räder aufweisen. Alternativ kann das Fahrzeug jedoch auch mehr als zwei, insbesondere drei oder genau vier Räder aufweisen.
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Die Antriebsanordnung ist mit einem Antriebsmodul koppelbar, alternativ bildet das Antriebsmodul eine Komponente der Antriebsanordnung. Das Antriebsmodul dient zur Erzeugung eines elektrischen Antriebsmoments. Das Antriebsmodul umfasst vorzugsweise mindestens einen Elektromotor, welcher elektrische Energie in ein elektrisches Antriebsmoment wandelt. Dabei ist das Antriebsmodul, insbesondere der Elektromotor, mit mindestens oder genau einem Antriebsrad des Fahrzeugs antriebstechnisch verbindbar und/oder verbunden. Prinzipiell ist das Antriebsmodul als ein Radnabenantrieb ausgebildet, welcher in das Antriebsrad des Fahrzeugs integriert ist. Alternativ kann das Antriebsmodul jedoch auch außerhalb des Antriebsrades angeordnet und/oder als zentraler Antriebsmotor für ein oder mehrere Antriebsräder dienen. Grundsätzlich ist das Antriebsrad als ein Hinterrad des Fahrzeugs ausgebildet. Alternativ kann das Antriebsrad jedoch auch als ein Vorderrad des Fahrzeugs ausgebildet sein.
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Die Antriebsanordnung weist ein Generatormodul auf, welches zur Erzeugung elektrischer Energie für den Elektromotor ausgebildet und/oder geeignet ist. Das Generatormodul ist insbesondere separat zu dem Antriebsmodul ausgebildet. Das Generatormodul weist hierzu einen Generator auf, der durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft antreibbar ist. Insbesondere erzeugt der Generator eine elektrische Leistung, welche aus der am Generator aufgebrachten Drehmomente und Drehzahlen resultiert. Vorzugsweise kann der Fahrzeugbenutzer die Größe der elektrischen Leistung in Abhängigkeit der Tretkraft bzw. Trittfrequenz variieren. Bevorzugt weist die Antriebsanordnung eine Steuerungseinrichtung auf, welche ausgebildet ist, das Antriebsmoment und/oder eine Antriebsdrehzahl des Antriebsmoduls in Abhängigkeit der Tretkraft und/oder Trittfrequenz zu steuern. Besonders bevorzugt ist der Generator nicht zur Umsetzung eines Betriebs als Antriebsmotor ausgebildet und/oder kann ausschließlich in einem Generatorbetrieb laufen. Alternativ kann der Generator elektromotorisch betrieben werden, um z.B. die Kurbeln in eine bestimmte Position zu bringen.
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Das Generatormodul weist eine Tretkurbelwelle auf, welche zur Übertragung der Tretkraft auf den Generator ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere sind an der Tretkurbelwelle endseitig jeweils eine Tretkurbel angeordnet, über welche die Tretkraft in die Tretkurbelwelle eingeleitet wird. Insbesondere ist die Tretkurbelwelle drehbar in dem Generatormodul gelagert. Bevorzugt definiert die Tretkurbelwelle mit ihrer Rotationsachse eine Hauptdrehachse des Generatormoduls. Die Tretkurbelwelle verläuft durchgängig von einer Tretkurbel zu der anderen Tretkurbel.
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Das Generatormodul weist eine Getriebeeinrichtung auf, welche zur Übersetzung der Tretkraft auf den Generator ausgebildet und/oder geeignet ist. Die Tretkurbelwelle ist dabei über die Getriebebeinrichtung getriebetechnisch mit dem Generator verbunden. Insbesondere dient die Getriebeeinrichtung zur Übersetzung ins Schnelle (Betrag (i) < 1), wobei die Drehzahl am Generator vergrößert und das übertragene Drehmoment auf den Generator verkleinert wird.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Getriebeeinrichtung als ein Exzentergetriebe ausgebildet ist. Insbesondere weist das Exzentergetriebe eine Eingangswelle und eine Abtriebswelle auf, wobei die Tretkurbelwelle eingangsseitig und der Generator ausgangsseitig angeordnet ist. Insbesondere verläuft ein Kraftübertragungsweg zur Übertragung der Tretkraft von der Tretkurbelwelle über das Exzentergetriebe zu dem Generator. Die Tretkurbelwelle ist hierzu in axialer Richtung in Bezug auf die Hauptdrehachse durch das Exzentergetriebe geführt und/oder koaxial zu dem Exzentergetriebe angeordnet.
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Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere auch darin, dass durch die Verwendung eines Exzentergetriebes ein besonders geräuscharmes Getriebe mit einer kompakten Bauform vorgeschlagen wird. Somit kann ein Generatormodul realisiert, welches sich durch einen geringen Bauraum auszeichnet. Im Gegensatz zu anwendungsspezifisch ausgelegten Planetengetriebestufen entfallen entsprechende Entwicklungsaufwände, wie Zeit, Kosten, Risiko etc. Weiterhin erlauben Exzentergetriebe im Zentrum eine durchgehende Welle, was für den Einsatz im Fahrrad mit beidseitig angeordneten Tretkurbeln eine Grundvoraussetzung darstellt.
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In einer weiteren konkreten Umsetzung ist vorgesehen, dass das Generatormodul ein Gehäuse aufweist, welches zur Aufnahme des Generators und des Exzentergetriebes ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere sind der Generator und das Exzentergetriebe vollständig in dem Gehäuse aufgenommen. Bevorzugt ist die Tretkurbelwelle abschnittsweise durch das Gehäuse geführt, wobei die Tretkurbelwelle über mindestens eine weitere Lagereinrichtung, vorzugsweise ein Wälzlager, radial an dem Gehäuse abgestützt ist. Das Gehäuse kann mehrteilig, vorzugsweise zweiteilig ausgebildet sein. Insbesondere weist das Gehäuse einen Aufnahmeraum zur Aufnahme des Exzentergetriebes und des Generators auf, wobei das Exzentergetriebe und der Generator in axialer und/oder radialer Richtung in Bezug auf die Hauptdrehachse formschlüssig in dem Gehäuse aufgenommen sind. Bevorzugt ist der Stator fest mit dem Gehäuse verbunden.
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In einer weiteren Konkretisierung ist vorgesehen, dass das Exzentergetriebe, die Tretkurbelwelle und der Generator koaxial und/oder konzentrisch in Bezug auf die Hauptdrehachs angeordnet sind. Es wird somit ein Exzentergetriebe vorgeschlagen, welcher sich durch eine geringe axiale Baubreite und zugleich einen rotationsymmetrischen Aufbau auszeichnet.
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In einer bevorzugten Realisierung ist vorgesehen, dass das Exzentergetriebe ein Übersetzungsverhältnis zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle mit einem Betrag von weniger als 1:30 aufweist. Vorzugsweise weist das Exzentergetriebe ein Übersetzungsverhältnis zwischen 1:30 und 1:100 auf. Vorzugsweise weist das Exzentergetriebe ein Übersetzungsverhältnis von 1:50 auf. Auf diese Weise wird das durch den Fahrer erzeugte hohe Tretmoment (im Bereich bis ca. 200Nm) an der Antriebswelle mit geringen Drehzahlen (im Bereich 30 bis 120 1/min) in ein geringeres Drehmoment mit hohen Drehzahlen an der Abtriebswelle gewandelt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Antriebswelle und die Tretkurbelwelle einstückig, insbesondere auch monolithisch, ausgeformt sind, was zu einer weiteren Kostenoptimierung sowie zur Reduktion von Toleranzen beitragen kann.
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In einer weiteren konkreten Realisierung kann vorgesehen sein, dass die Antriebswelle einen Hohlwellenabschnitt zur Durchführung der Tretkurbelwelle aufweist, wobei die Tretkurbelwelle an einem Innenumfang des Hohlwellenabschnitts drehbar gelagert ist. Insbesondere weist der Hohlwellenabschnitt an seinem Innenumfang mindestens einen Lagersitz für eine Lagereinrichtung, vorzugsweise ein Wälzlager, auf, über welche die Tretkurbelwelle drehbar an dem Hohlwellenabschnitt abgestützt ist.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Antriebswelle ein erstes mit der Außenverzahnung versehenes Stirnzahnrad umfasst, dass über eine Mehrzahl an von sich axial erstreckenden und auf einer Kreisbahn angeordneten Zylinderstiften drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist. Es kann hierdurch erreicht werden, dass das Exzentergetriebe fertigungstechnisch vereinfacht werden kann.
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Bevorzugt sind die Zylinderstifte axial ausgerichtet und in Umlaufrichtung regelmäßig verteilt. Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die mindestens ein Stirnzahnrad auf den Zylinderstiften abläuft. Besonders bevorzugt sind die Zylinderstifte als gehärtete Zylinderstifte ausgebildet, welche zum Beispiel in Bohrungen eines oder des Gehäuses des Generatormoduls oder alternativ in einen drehbaren Träger (Eingangswelle) eingesteckt werden können.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Stirnzahnrad eine Mehrzahl von auf einer Kreisbahn angeordneten kreisförmigen Öffnungen aufweist, die jeweils von einem der Zylinderstifte durchgriffen sind.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Exzentergetriebe ein zweites Stirnzahnrad mit einer Außenverzahnung aufweist, dass von den Zylinderstiften durchgriffen wird und welches in der Innenverzahnung eines zweiten Hohlrads wälzt.
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Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung weist das Exzentergetriebe zwei in der Scheibenebene diametral und/oder gegengleich, z.B. um 180° in Umlaufrichtung, versetzte Stirnzahnräder auf. Die Stirnzahnräder sind bevorzugt axial aneinandergrenzend angeordnet. Vorzugsweise sind die Stirnzahnräder kontaktierend zueinander angeordnet und/oder Gleiten im Betrieb aufeinander ab. Durch diese Realisierung werden Querkräfte in dem Exzentergetriebe reduziert.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das erste Hohlrad und das zweite Hohlrad einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet sind, was ebenfalls zu einer Montagevereinfachung und weiteren Kostensenkungen beitragen kann.
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Bei einer bevorzugten Umsetzung bildet die Eingangswelle mit den Zylinderstiften den Eingang des Exzentergetriebes. Insbesondere ist die Eingangswelle mit den Zylinderstiften mit der Tretkurbelwelle drehfest verbunden. In dieser Ausgestaltung ist das Generatormodul besonders kompakt zu realisieren. Damit wird das Exzentergetriebe zwar quasi „rückwärts“ betrieben, dies ist jedoch möglich, da das Exzentergetriebe keine Selbsthemmung aufweist. In dieser Ausgestaltung ist das Hohlrad drehfest angeordnet. Beispielsweise ist das Hohlrad drehfest in dem Gehäuse festgelegt oder durch das Gehäuse gebildet.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Zähnezahl des ersten Hohlrads von der Zähnezahl des zweiten Hohlrads verschieden ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass Zwei unterschiedliche Verzahnungen bereitgestellt werden, welche belastungsspezifisch ausgelegt werden können, Somit kann beispielsweise Baubreite gespart werden, so dass z.B. für das zweite Hohlrad stattdessen mehr radialer Bauraum genutzt werden kann.
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In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung kann es bevorzugt sein, dass das erste Hohlrad und das erste Stirnzahnrad einstückig, insbesondere monolithisch ausgebildet sind, was ebenfalls zu einer Reduktion der Bauteilanzahl und/oder - komplexität führt, was sich dann wiederum positiv auf die Herstellkosten auswirken kann.
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Auch kann es bevorzugt sein, dass das erste Stirnzahnrad in die Innverzahnung eines dritten Hohlrads zumindest abschnittsweise eingreift, wobei das erste Stirnzahnrad und das dritte Hohlrad exzentrisch zueinander angeordnet sind.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das erste Stirnzahnrad und das zweite Stirnzahnrad an einer Abtriebswelle gelagert sind, wobei die Abtriebswelle drehmomentübertragend mit einem Rotor des Generators verbunden ist.
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In einer weiteren Konkretisierung ist vorgesehen, dass das Generatormodul einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei die Abtriebswelle drehfest mit dem Rotor verbunden. In einem Fahrbetrieb wird somit das Tretmoment über das Exzentergetriebe auf den Rotor übertragen, sodass der Rotor relativ zu dem Stator um die Hauptdrehachse rotiert wird. Insbesondere ist die Abtriebswelle formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Rotor, vorzugsweise zumindest drehfest, verbunden. Alternativ können die Abtriebswelle und der Rotor auch aus einem gemeinsamen Materialabschnitt gebildet sein. Bevorzugt ist die Abtriebswelle in Bezug auf die Hauptdrehachse koaxial und/oder konzentrisch zu dem Rotor angeordnet. Es wird somit ein Generatormodul vorgeschlagen, welches sich durch eine besonders kompakte Bauform auszeichnet.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Innenverzahnung des ersten Hohlrads als Evolventen-Verzahnung und die Außenverzahnung des ersten Stirnrads als Evolventen-Verzahnung ausgeführt ist. Hierdurch kann eine fertigungstechnisch besonders günstige Verzahnung realisiert werden.
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Grundsätzlich kann es aber auch vorgesehen sein, dass die Innenverzahnung des ersten Hohlrads als Zykloiden-Verzahnung und die Außenverzahnung des ersten Stirnrads als Zykloiden-Verzahnung ausgeführt ist, wodurch sich eine besonders gute Bauraumausnutzung erreichen lässt.
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Die Kurvenform eines Stirnzahnrads sowie die Innenkontur des Hohlrads können prinzipiell beliebig ausgebildet sein, solange diese die Funktion des Exzentergetriebes übernehmen können. Besonders bevorzugt ist das Exzentergetriebe jedoch als ein Zykloidengetriebe ausgebildet, wobei durch den Außenumfang eines Stirnzahnrads eine Zykloidenform dargestellt ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Generatormodul zur Bereitstellung der elektrischen Energie über eine elektrische Leitung unmittelbar mit dem Antriebsmodul verbunden ist. Insbesondere kann der Elektromotor somit direkt durch den vom Generator erzeugten Strom gespeist werden. Alternativ oder optional ergänzend ist das Generatormodul zur Bereitstellung der elektrischen Energie mittelbar über ein Energiespeichermodul mit dem Antriebsmodul verbunden. Insbesondere ist das Energiespeichermodul als ein Akkumulator ausgebildet, welcher während der Fahrt vom Generator gespeist wird und zudem von einer externen Stromquelle geladen werden kann. Insbesondere kann der Elektromotor somit durch den in dem Energiespeichermodul gespeicherten Strom gespeist werden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit der Antriebsanordnung wie diese bereits zuvor beschrieben wurde. Insbesondere ist das Fahrzeug ein muskelbetriebenes Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, ausgebildet, welches durch einen Elektromotor angetrieben wird. Insbesondere zeichnet sich das Fahrzeug dadurch aus, dass die für den Elektromotor benötigte elektrische Energie zumindest teilweise mittels des Generatormoduls durch den Fahrer erzeugt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert.
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Es zeigt:
- 1 ein muskelkraftbetriebenes Fahrzeug mit einer Antriebsanordnung in einer schematischen Darstellung,
- 2 eine Ausführungsform eines Generatormoduls in einer schematischen perspektivischen Axialschnittdarstellung,
- 3 eine Ausführungsform eines Generatormoduls in einer Frontalansicht aus der Richtung a (Siehe 2).
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Die 1 zeigt eine Antriebsanordnung 1 für ein muskelbetriebenes Fahrzeug 2 mit einem Generatormodul 3 zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Antriebsmodul 4 zur Erzeugung eines elektrischen Antriebsmoments.
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Das Fahrzeug 2 ist in der gezeigten Ausführungsform als ein Fahrrad ausgebildet, welches im Wesentlichen aus einem Rahmen sowie einem Vorderrad und einem Hinterrad gebildet ist. Das Fahrzeug 2 weist eine Antriebsanordnung 1 auf, welche zum Antrieb des Hinterrads dient. Das Hinterrad bildet somit ein Antriebsrad des Fahrzeugs 2, wobei das Vorderrad antriebslos bleibt. Optional kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Vorderrad angetrieben wird.
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Die Antriebsanordnung 1 umfasst ein Generatormodul 3, optional ein Antriebsmodul 4 und ein Energiespeichermodul 25. Das Generatormodul 3 ist im Bereich des Tretlagers angeordnet und kann durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft angetrieben werden, um elektrische Energie für das Antriebsmodul 4 zu erzeugen. Das Generatormodul 3 weist hierzu zwei diametral zueinander angeordnete Tretkurbeln 6 auf, welche per Tretkraft in Rotation versetzt werden, um elektrische Leistung in dem Generatormodul 3 zu erzeugen.
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Das Fahrrad weist keine mechanische Antriebsverbindung zwischen den Tretkurbeln 6 und dem Antriebsrad auf. Das Generatormodul 3 ist lediglich über eine elektrische Leitung 26 mit dem Antriebsmodul 4 und/oder dem Energiespeichermodul 25 elektrisch verbunden, um die für das Antriebsmodul 4 nötige elektrische Energie bereitzustellen. Das Antriebsmodul 4 kann beispielsweise als ein in das Hinterrad integrierter Radnabenmotor ausgebildet sein, welcher ein elektrisches Antriebsmoment auf das Hinterrad überträgt. Das Antriebsmodul 4 kann dabei direkt durch die von dem Generatormodul 3 erzeugte elektrische Energie oder mittelbar durch die in dem Energiespeichermodul 25 gespeicherte elektrische Energie versorgt werden. Das Energiespeichermodul 25 kann während der Fahrt von dem Generatormodul 3 gespeist werden und darüber hinaus von einer externen Stromquelle geladen werden. Optional kann die vom Generatormodul 3 bereitgestellte elektrische Energie einem Verbraucher, z.B. Licht, zur Verfügung gestellt werden.
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Anhand der 2 ist nachvollziehbar, dass das Generatormodul 3 einen Generator aufweist, der durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft antreibbar ist, wobei das Generatormodul 3 eine Tretkurbelwelle 5 zur Übertragung der Tretkraft von einer Tretkurbel 6 auf den Generator aufweist.
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Das Generatormodul 3 besitzt ferner eine Getriebeeinrichtung 7 zur Übersetzung der Tretkraft auf den Generator, wobei die Tretkurbelwelle 5 über die Getriebeeinrichtung 7 getriebetechnisch mit dem Generator verbunden ist, und die Getriebeeinrichtung 7 als ein Exzentergetriebe 8 ausgebildet ist.
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Im Grunde ist dieser Aufbau eines Generatormoduls 3 bereits grundsätzlich aus der
DE 10 2021 112 782 A1 bekannt, so dass bezüglich der weiteren grundsätzlichen Funktionsweise des Generatormoduls 3 die
DE 10 2021 112 782 A1 durch Referenzierung dem Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung hinzugefügt und auf diesen verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Das Exzentergetriebe 8 weist ferner eine mit der Tretkurbelwelle 5 drehfest verbundene Antriebswelle 9 mit einer Außenverzahnung 10 auf, welche abschnittsweise in ein eine Innenverzahnung 11 aufweisendes, exzentrisch zur Antriebswelle angeordnetes erstes Hohlrad 12 eingreift. Alternativ wäre es auch möglich, dass das Exzentergetriebe 8 eine mit der Tretkurbelwelle 5 drehfest verbundene exzentrisch zu dieser angeordnete Antriebswelle 9 mit einer Außenverzahnung 10 aufweist, welche abschnittsweise in ein eine Innenverzahnung 11 ausweisendes erstes Hohlrad 12 eingreift.
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In der gezeigten Ausführungsform weist die Innenverzahnung 11 und die Außenverzahnung 10 die gleiche Zähnezahl auf, woraus eine 1:1 Übersetzung resultiert. Der 2 ist auch gut entnehmbar, dass die Antriebswelle 9 ein erstes mit der Außenverzahnung 10 versehenes Stirnzahnrad 13 umfasst, dass über eine Mehrzahl an von sich axial erstreckenden und auf einer konzentrisch zur Tretkurbelwelle 5 verlaufenden Kreisbahn angeordneten Zylinderstiften 14 drehfest mit der Antriebswelle 9 verbunden ist. Das exzentrisch an der Abtriebswelle 21 auf dem Exzentersitz 31 positionierte Stirnzahnrad 13 besitzt eine Mehrzahl von auf einer Kreisbahn angeordneten kreisförmigen Öffnungen 18, die jeweils von einem der Zylinderstifte 14 durchgriffen sind. Die auf einem gemeinsamen Teilkreis positionierten Zylinderstifte 14 sind dabei fest mit der Antriebswelle 9 verbunden, was sich gut anhand der 2 nachvollziehen lässt. Die Öffnungen 18 sind dabei so konfiguriert, dass sich die zu der Antriebswelle 9 exzentrisch angeordneten Stirnzahnräder 13,15 in den Öffnungen 18 bewegen können, um eben diese exzentrische Bewegung der Stirnzahnräder 13,15 gegenüber der Antriebswelle 9 zu erlauben.
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Das erste Hohlrad 12 ist in der gezeigten Ausführungsform einstückig mit dem ersten Stirnzahnrad 13 ausgeformt, was sich insbesondere gut anhand der 3 nachvollziehen lässt. Das erste Stirnzahnrad 13 wälzt seinerseits in der Innenverzahnung 28 eines zur Tretkurbelwelle 5 exzentrisch angeordneten dritten Hohlrads 27, was sich gut anhand der Exzentersitzes 29 in der 2 erkennen lässt.
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Das Exzentergetriebe 8 verfügt, wie bereits erläutert, über ein zweites Stirnzahnrad 15 mit einer Außenverzahnung 16, das ebenfalls an hierfür vorgesehenen Öffnungen 22 von den Zylinderstiften 14 durchgriffen wird und welches in der Innenverzahnung des dritten Hohlrads 27 wälzt. Die Beiden Stirnzahnräder 13,15 sind zum Ausgleich von Querkräften um 180° exzentrisch versetzt zueinander angeordnet und können sich relativ zueinander in Umfangsrichtung drehen. Das zweite Stirnzahnrad 15 sitzt auf dem zweiten Exzentersitz 30, der exzentrisch zu der Tretkurbelwelle 5 an der Abtriebswelle 21 ausgebildet ist. Analog zum ersten Stirnzahnrad 13, ist auch beim zweiten Stirnzahnrad 15 ein Hohlrad 19 mit einer Innenverzahnung 20 mit diesem ausgebildet.
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Die beiden Stirnzahnräder 13,15 sind jeweils über ein Lager 23,24 an der Abtriebswelle 21 gelagert.
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Die Antriebswelle 9 und die Tretkurbelwelle 5 sind einstückig, insbesondere auch monolithisch, ausgeformt. Das erste Stirnzahnrad 13 und das zweite Stirnzahnrad 15 sind an einer Abtriebswelle 21 gelagert, wobei die Abtriebswelle 21 drehmomentübertragend mit einem Rotor 17 des Generators verbunden ist. Die Drehmomentübertragung zwischen den Stirnzahnrädern 13,15 und der Abtriebswelle 21 erfolgt aufgrund der Exzentrizität der Stirnzahnräder 13,15, wie es auch in der
DE 10 2021 112 782 A1 erläutert ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsanordnung
- 2
- Fahrzeug
- 3
- Generatormodul
- 4
- Antriebsmodul
- 5
- Tretkurbelwelle
- 6
- Tretkurbel
- 7
- Getriebeeinrichtung
- 8
- Exzentergetriebe
- 9
- Antriebswelle
- 10
- Außenverzahnung
- 11
- Innenverzahnung
- 12
- Hohlrad
- 13
- Stirnzahnrad
- 14
- Zylinderstiften
- 15
- Stirnzahnrad
- 16
- Außenverzahnung
- 17
- Rotor
- 18
- Öffnungen
- 19
- Hohlrad
- 20
- Innenverzahnung
- 21
- Abtriebswelle
- 22
- Öffnungen
- 23
- Lager
- 24
- Lager
- 25
- Energiespeichermodul
- 26
- Leitungen
- 27
- Hohlrad
- 28
- Innenverzahnung
- 29
- Exzentersitz
- 30
- Exzentersitz
- 31
- Exzentersitz
