DE102022208264B3

DE102022208264B3 - Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102022208264B3
Application number: DE102022208264.8A
Authority: DE
Inventors: Kevin Holder; Oliver Löchte; Thomas Merath
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-08-09
Filing date: 2022-08-09
Publication date: 2023-10-26
Anticipated expiration: 2042-08-10
Also published as: WO2024033264A1

Abstract

Eine Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug weist einen Elektromotor (3, 4) zum zumindest zeitweisen Antreiben des Fahrzeugs durch Zufuhr von elektrischer Leistung zu dem Elektromotor (3, 4), eine Tretkurbelwelle (2) zur Aufnahme von Muskelkraft zum zumindest zeitweisen Antreiben des Fahrzeugs durch Muskelkraft und ein Abtriebselement (14) auf, über das Antriebskraft zum Antreiben des Fahrzeugs von der Antriebseinrichtung abgebbar ist. Ein Getriebe mit einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis ist vorgesehen, das eingangsseitig mit einem Ausgangselement (5) des Elektromotors (3, 4) gekoppelt ist und das ausgangsseitig über ein Getriebeausgangselement (9) mit dem Abtriebselement (14) der Antriebseinrichtung koppelbar ist. Ferner ist ein mit der Tretkurbelwelle (2) gekoppeltes Tretkurbelwellenausgangselement (12) voregsehen, das mit dem Abtriebselement (14) der Antriebseinrichtung koppelbar ist. Die Antriebseinrichtung weist eine Drehmomentbegrenzungsbaugruppe (20) auf, die zum Begrenzen eines auf einen Rotor (3) des Elektromotors wirkenden Drehmoments eingerichtet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug, das zumindest zeitweise durch einen Elektromotor und zumindest zeitweise durch Muskelkraft angetrieben wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug, bei der Antriebsleistung eines Elektromotors und durch Muskelkraft erzeugte Antriebsleistung kombiniert und zum Antreiben des Fahrzeugs eingesetzt werden können. Dabei kann das Fahrzeug als E-Bike oder Pedelec ausgeführt sein, bei dem der Antrieb durch Muskelkraft durch den Antrieb des Elektromotors unterstützt werden kann.
Stand der Technik
Im Stand der Technik nach DE 10 2015 100 676 B3 ist eine Antriebseinrichtung für ein Fahrrad oder ein Pedelec beschrieben. Bei dieser Antriebseinrichtung wird ein Elektromotor verwendet, um Antriebskraft für das Fahrzeug zu erzeugen. Dabei ist der Elektromotor mit einem Ausgangselement der Antriebseinrichtung über ein Wellengetriebe gekoppelt.
Im Stand der Technik nach EP 2 976 551 B1 ist ein Pin-Ring-Getriebe beschrieben, das eine Bauform eines Wellengetriebes darstellt, mit dem ein vorbestimmtes Übersetzungsverhältnis zur Übertragung einer Antriebskraft bereitgestellt werden kann.
DE 10 2020 203 711 A1 offenbart eine gewöhnliche Antriebseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weitere gewöhnliche Antriebseinrichtungen sind in DE 10 2014 117 138 B3 , DE 10 2018 130 089 A1 , EP 2 502 819 A1 , DE10 2015 107 163 A1 , DE 10 2020 203 714 A1 und US 10 399 637 B2 offenbart.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Antriebsvorrichtung bereitzustellen, deren Elektromotor eine hohe Lebensdauer aufweist.
Die Erfindung löst die Aufgabe mit einer Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug, die Folgendes aufweist: einen Elektromotor zum zumindest zeitweisen Antreiben des Fahrzeugs durch Zufuhr von elektrischer Leistung zu dem Elektromotor, eine Tretkurbelwelle zur Aufnahme von Muskelkraft zum zumindest zeitweisen Antreiben des Fahrzeugs durch Muskelkraft und ein Abtriebselement, über das Antriebskraft zum Antreiben des Fahrzeugs von der Antriebseinrichtung abgebbar ist. Ferner weist die Antriebseinrichtung ein Getriebe mit einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis auf, das eingangsseitig mit einem Ausgangselement des Elektromotors gekoppelt ist und das ausgangsseitig über ein Getriebeausgangselement mit dem Abtriebselement der Antriebseinrichtung koppelbar ist. Außerdem weist die Antriebseinrichtung ein mit der Tretkurbelwelle gekoppeltes Tretkurbelwellenausgangselement auf, das mit dem Abtriebselement der Antriebseinrichtung koppelbar ist. Die Antriebseinrichtung weist eine Drehmomentbegrenzungsbaugruppe auf, die zum Begrenzen eines im Kraftübertragungspfad zwischen dem Elektromotor und dem Abtriebselement wirkenden Drehmoments eingerichtet ist. Das Getriebe ist als Wellengetriebe ausgebildet. Das Getriebeweist eine mit einer Außenverzahnung versehene und mit einem Getriebeausgangselement gekoppelte Innenbuchse, einen mit einer Innenverzahnung versehenen Außenring, der ein Abstützelement des Getriebes ist, und ein von dem Elektromotor über eine Eingangsseite des Getriebes antreibbares Buchsenlager zur umlaufenden Verformung der Innenbuchse auf. Dabei weist die Außenverzahnung der Innenbuchse eine geringere Anzahl von Zähnen auf als die Innenverzahnung des Außenrings und die umlaufende Verformung der Innenbuchse bewirkt eine Rotation der Innenbuchse relativ zu dem Außenring. Das Abstützelement ist mit einem Gehäuse der Antriebseinrichtung zur Abstützung eines Reaktionsmoments gekoppelt, wobei die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe im Kraftübertragungspfad zwischen dem Abstützelement und dem Gehäuse vorgesehen ist, um das Abstützmoment auf ein vorbestimmtes maximales Abstützmoment zu begrenzen.
Die Antriebseinrichtung kann an dem Fahrzeug fest montiert sein. Die Antriebseinrichtung kann derart als Baugruppe ausgebildet und an dem Fahrzeug montierbar sein, dass eine kompakte Ausgestaltung ermöglicht wird. Das Fahrzeug kann zum Transport von Personen vorgesehen sein. Ergänzend kann das Fahrzeug zum Transport von Gütern vorgesehen sein. Das Fahrzeug kann als Einspurfahrzeug ausgebildet sein. Alternativ kann das Fahrzeug als Mehrspurfahrzeug ausgebildet sein. Das Fahrzeug kann als E-Bike bzw. Pedelec ausgeführt sein, bei dem sowohl Muskelkraft als auch Antriebskraft eines elektrischen Antriebs zum Antreiben des Fahrzeugs eingesetzt werden kann. Eine elektrische Energiespeichereinrichtung kann vorgesehen sein, mit der der Elektromotor der Antriebseinrichtung betreibbar ist. Ferner kann eine Steuerungseinrichtung vorgesehen sein, mit der der Betrieb des Elektromotors gesteuert werden kann. Das Fahrzeug kann Pedale aufweisen, die an der Tretkurbelwelle montiert sind, um die Einleitung der Muskelkraft zu ermöglichen.
Gemäß einer Ausführungsform kann bei Überschreiten des vorbestimmten maximalen Abstützmoments durch die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe eine Rotation des Abstützelements des Getriebes relativ zu dem Gehäuse gestattet sein, so dass das auf den Rotor des Elektromotors aufgrund Reaktionsmoments wirkende Drehmoment auf ein zulässiges Drehmoment begrenzt werden kann.
Dabei kann sich das auf den Rotor des Elektromotors wirkende Drehmoment durch den Antrieb des Elektromotors und die Übertragungsfunktion des Getriebes ergeben. In diesem Fall entspricht das auf den Rotor des Elektromotors wirkende Drehmoment dem vorliegenden Antriebsmoment des Elektromotors. Das auf den Rotor des Elektromotors wirkende Drehmoment kann sich zusätzlich oder alternativ aus einer Einwirkung auf das Getriebe ergeben. Insbesondere wenn eine Einwirkung auf die Ausgangsseite des Getriebes vorliegt, wird diese über das Getriebe zumindest teilweise auf den Rotor des Elektromotors übertragen. Zusätzlich oder alternativ können Drehmomentstöße, die auf die Ausgangsseite des Getriebes einwirken, über das Getriebe auf den Rotor des Elektromotors übertragen werden.
Ferner kann sich das auf den Rotor des Elektromotors wirkende Drehmoment aus der dynamischen Betriebsweise der Antriebseinrichtung ergeben. Insbesondere kann sich das auf den Rotor des Elektromotors wirkende Drehmoment aus einer dynamischen Betriebsweise im Zusammenhang mit einer Massenträgheit der beteiligten bewegten Elemente ergeben. So kann das Drehmoment auf den Rotor des Elektromotors starken Schwankungen unterliegen, wenn starke Drehzahländerungen am Elektromotor vorliegen oder an der Ausgangsseite des Getriebes Drehzahlschwankungen induziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe eine Reibkupplungsanordnung aufweisen, die durch ein Vorspannelement derart vorgespannt ist, dass bei Überschreiten eines an der Drehmomentbegrenzungsbaugruppe anliegenden vorbestimmten maximalen Drehmoments ein Schlupf in der Reibkupplungsanordnung herbeigeführt wird, so dass durch die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe eine Relativbewegung zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite der Drehmomentbegrenzungsbaugruppe gestattet wird. Die Reibkupplungsanordnung kann aus einer oder mehreren Reibkupplungsscheiben ausgebildet sein. Alternativ kann die Reibkupplungsanordnung aus einem oder mehreren Kegelelementen ausgebildet sein. Die Reibkupplungsanordnung kann achsensymmetrisch zu einer Symmetrieachse der Antriebseinrichtung angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe eine Formschlusskupplungsanordnung mit einem Rastkörper und einer Rastkörperaufnahme aufweisen, die durch ein Vorspannelement zur Bildung eines Formschlusses derart aufeinander vorgespannt sind, dass bei Überschreiten eines an der Drehmomentbegrenzungsbaugruppe anliegenden vorbestimmten maximalen Drehmoments sich der Rastkörper von der Rastkörperaufnahme löst, so dass durch die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe eine Relativbewegung zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite der Drehmomentbegrenzungsbaugruppe gestattet wird. Der Rastkörper kann als Kugel ausgebildet sein. Die Rastkörperaufnahme kann als Körper mit einer Vertiefung ausgebildet sein, die zur Aufnahme des Rastkörpers ausgestaltet ist. Wenn der Rastkörper als Kugel ausgebildet ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Rastkörperaufnahme eine kreisförmige Vertiefung oder eine kugelförmige Vertiefung ist. Die Formschlusskupplungsbaugruppe kann achsensymmetrisch zu einer Symmetrieachse der Antriebseinrichtung angeordnet sein. Die Formschlusskupplungsbaugruppe kann eine Vielzahl von Rastelementen und entsprechend eine Vielzahl von den Rastelementen zugeordneten Rastkörperaufnahmen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Abtriebselement mit einem Abtriebsrad gekoppelt sein, das über ein Zugmittel mindestens ein angetriebenes Rad des Fahrzeugs antreibt. Dabei kann zwischen dem Abtriebsrad und dem mindestens einen angetriebenen Rad des Fahrzeugs ein Gangwechselmechanismus vorgesehen sein, der zum gestuften Ändern des Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Abtriebsrad und dem mindestens einen angetriebenen Rad eingerichtet ist.
Das Zugmittel kann eine Kette sein, die über eine Anordnung von Ritzeln bzw. Kettenblättern geführt wird. Wenn das Zugmittel als Kette ausgeführt ist, kann der Gangwechselmechanismus durch eine Kettenschaltung ausgebildet sein. Der als Kettenschaltung ausgebildete Gangwechselmechanismus kann mit Stelleinrichtungen versehen sein, die das als Kette ausgebildete Zugmittel auf Zahnräder mit verschiedenen Zähnezahlen führt. Insbesondere kann die Kettenschaltung am angetriebenen Rad eine Vielzahl von Ritzeln mit verschiedenen Zähnezahlen aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Kettenschaltung am Tretkurbelbereich eine Vielzahl von Kettenblättern mit unterschiedlichen Zähnezahlen aufweisen. Durch Führen der Kette auf eine vorbestimmte Kombination von Ritzeln bzw. Kettenblättern kann die Übersetzung zwischen dem Abtriebsrad der Antriebseinrichtung und dem angetriebenen Rad des Fahrzeugs diskret eingestellt werden.
Der Gangwechselmechanismus kann alternativ als Nabenschaltung am angetriebenen Rad des Fahrzeugs ausgebildet sein. In diesem Fall kann im Bereich einer Nabe des angetriebenen Rads des Fahrzeugs eine Zahnradgetriebeanordnung vorgesehen sein, mit der das Übersetzungsverhältnis zwischen dem angetriebenen Rad und einem mit der Nabenschaltung verbundenen Antriebselement diskret variabel ist. In diesem Fall kann das Zugmittel eine Kette sein. Alternativ kann das Zugmittel ein Riemen einschließlich eines Zahnriemens sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Kraftübertragungspfad zwischen dem Getriebeausgangselement und dem Abtriebselement ein Freilauf vorgesehen sein. Der Freilauf zwischen dem Getriebeausgangselement und dem Abtriebselement kann so ausgestaltet sein, dass eine Kraftübertragung von dem Getriebeausgangselement zu dem Abtriebselement für einen Antrieb des Fahrzeugs in Vorwärtsrichtung erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Kraftübertragungspfad zwischen dem Tretkurbelwellenausgangselement und dem Abtriebselement ein Freilauf vorgesehen sein. Der Freilauf zwischen dem Tretkurbelwellenausgangselement und dem Abtriebselement kann so ausgestaltet sein, dass eine Kraftübertragung von dem Tretkurbelwellenausgangselement zu dem Abtriebselement für einen Antrieb des Fahrzeugs in Vorwärtsrichtung erfolgen kann.
Das Fahrzeug der vorstehend genannten Ausführungsformen kann als E-Bike bzw. Pedelec ausgestaltet sein. Insbesondere kann das Fahrzeug als Einspurfahrzeug mit einem Vorderrad und einem Hinterrad ausgestaltet sein. Dabei kann das angetriebene Rad des Fahrzeugs das Hinterrad sein. Die Antriebseinrichtung kann an einem Rahmen des Fahrzeugs montiert sein. Das Fahrzeug kann ferner eine elektrische Energiespeichereinrichtung aufweisen, die zur Zufuhr von elektrischer Energie zu der Antriebseinrichtung vorgesehen sein kann. Das Fahrzeug kann ferner ein Bedienelement aufweisen, mit dem der Fahrer den Gangwechselmechanismus betätigen kann.
Kurze Beschreibung der Figuren

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform der Antriebseinrichtung; und
2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine abgewandelte Ausführungsform der Antriebseinrichtung.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen anhand der Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform der Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug. In der in 1 gezeigten Ansicht ist die Antriebseinrichtung entlang einer Symmetrieachse geschnitten dargestellt. Die Antriebseinrichtung von 1 weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Außenumfang der Antriebseinrichtung bildet. An dem Gehäuse 1 sind Befestigungsmittel vorgesehen, die zur Befestigung der Antriebseinrichtung an einem Fahrzeug ausgestaltet sind.
In dem Gehäuses 1 befindet sich eine Tretkurbelwelle 2, die sich in axialer Richtung durch das Gehäuse 1 erstreckt und an beiden axialen Enden aus dem Gehäuse 1 vorsteht. Die Tretkurbelwelle 2 ist innerhalb des Gehäuses 1 drehbar gelagert. An der Tretkurbelwelle 2 werden in 1 nicht gezeigte Tretkurbeln montiert, die zum Einleiten von Muskelkraft in die Tretkurbelwelle 2 ausgestaltet sind.
Die Tretkurbelwelle 2 weist ein Tretkurbelwellenausgangselement 12 auf, das in der vorliegenden Ausführungsform als radialer Ansatz an der Tretkurbelwelle 2 vorgesehen ist. Am Außenumfang des Tretkurbelwellenausgangselements 12 ist ein erster Freilauf 13 vorgesehen, mit dem das Tretkurbelwellenausgangselement 12 mit einem Abtriebselement 14 der Antriebseinrichtung koppelbar ist. Das Abtriebselement 14 ist in der vorliegenden Ausführungsform als hülsenförmiges Element ausgestaltet, an dessen Innenumfang der erste Freilauf 13 vorgesehen ist.
Das Abtriebselement 14 ist innerhalb des Gehäuses 1 drehbar gelagert und steht axial aus dem Gehäuse vor, wie in 1 gezeigt ist. An dem Abtriebselement 14 ist ein als Zahnrad ausgebildetes Abtriebsrad 15 vorgesehen. Eine Drehung des Abtriebselements 14 bewirkt somit eine Drehung des Abtriebsrads 15, das fest mit dem Abtriebselement 14 verbunden ist.
Bei einer Drehung der Tretkurbelwelle 2 in einer ersten Richtung, die einer Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs zugeordnet wird, überträgt der erste Freilauf 13 die Rotation des Tretkurbelwellenausgangselements 12 auf das Abtriebselement 14. Somit dreht sich das Abtriebsrad 15 in diesem Fall durch die Drehung der Tretkurbelwelle 2 in der Richtung, die der Vorwärtsfahrt des Fahrzeugs zugeordnet ist. Bei einer Drehung der Tretkurbelwelle 2 in entgegengesetzter Richtung relativ zu dem Abtriebselement 14 öffnet der erste Freilauf 13 und die Drehung der Tretkurbelwelle 2 wird nicht auf das Abtriebsrad 15 übertragen.
Auf der linken Seite in 1 ist ein Elektromotor in einem entsprechenden Hohlraum des Gehäuses 1 vorgesehen. Der Elektromotor weist einen Stator 4 auf, der stationär zum Gehäuse angebracht ist. Ferner weist der Elektromotor einen Rotor 3 auf, der radial außerhalb des Stators 4 angeordnet ist und der über eine entsprechende Lagerung drehbar am Gehäuse 1 gestützt ist. Der Motor mit dem innenliegenden Stator 4 und dem außenliegenden Rotor 3 ist somit als Außenläufer konstruiert. An dem in 1 links vom Elektromotor angeordneten Bereich ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, die der Bestromung des Stators 4 des Elektromotors aus einer externen Energiequelle dient. Bei Bestromung des Stators 4 wird die Wicklung des Stators 4 erregt und eine Rotation des Rotors 3 des Elektromotors herbeigeführt. Diese Rotation des Rotors 3 des Elektromotors wird auf ein Ausgangselement 5 des Elektromotors übertragen.
Auf der in 1 rechten Seite des Elektromotors ist ein Getriebe vorgesehen. Das in 1 gezeigte Getriebe ist in der vorliegenden Ausführungsform als Wellengetriebe ausgebildet. Dabei weist das Wellengetriebe eine Innenbuchse 7 auf, an deren Außenseite eine Verzahnung vorgesehen ist. Die Innenbuchse 7 ist als in Umfangsrichtung flexible Hülse ausgebildet. Außerhalb der Innenbuchse 7 ist ein Außenring 8 angeordnet. Der Außenring 8 weist eine Innenverzahnung auf, die selektiv mit der Außenverzahnung der Innenbuchse 7 in Eingriff gelangen kann. Innerhalb der Innenbuchse 7 ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Buchsenlager 6 vorgesehen. Das Buchsenlager 6 weist einen Außenring auf, der von der Kreisform abweicht. Insbesondere ist der Außenring des Buchsenlagers 6 ellipsenförmig. Der Innenring des Buchsenlagers 6 ist mit dem Ausgangselement 5 des Elektromotors gekoppelt.
Bei einer Rotation des Rotors 3 des Elektromotors wird das Buchsenlager 6 in Rotation versetzt. Aufgrund der von der Kreisform abweichenden Form des Außenrings des Buchsenlagers 6 und dessen Anlage an einem Innenumfang der Innenbuchse 7 wird die Innenbuchse 7 umlaufend verformt. Als für ein Wellengetriebe charakteristische Ausgestaltung weist die Innenbuchse 7 eine Anzahl von Zähnen auf, die geringer als die Anzahl der Zähne der Innenverzahnung des Außenrings 8 ist. Somit wird bei festliegendem Außenring 8 und bei Rotation des Buchsenlagers 6 die Innenbuchse 7 in Rotation versetzt. Dabei ist die Drehrichtung der Innenbuchse 7 entgegengesetzt zu der Drehrichtung des Rotors 3 des Elektromotors.
Aufgrund der besonderen Konstruktion des Wellengetriebes können bei kompakten Bauformen hohe Übersetzungsverhältnisse von 1:50 oder mehr erzielt werden. In der vorliegenden Anwendung kann somit ein Elektromotor eingesetzt werden, der aufgrund der relativ hohen Nenndrehzahlen eine kompakte Bauform hat. Insbesondere sind Elektromotoren einsetzbar, die eine Nenndrehzahl von 5.000 U/min oder darüber aufweisen. Die verringerte Drehzahl aufgrund des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes wird auf ein Abstützelement 10 des Wellengetriebes übertragen, das drehbar über Lagerungen am Gehäuse 1 abgestützt ist.
Mit dem Abstützelement 10 des Wellengetriebes ist ein Getriebeausgangselement 9 gekoppelt. Die Rotation des Abstützelements 10 wird auf das Getriebeausgangselement 9 übertragen, das radial außerhalb des Abstützelements 10 des Wellengetriebes liegt. Am radial äußeren Umfang des Getriebeausgangselements 9 ist ein zweiter Freilauf 11 vorgesehen. Der zweite Freilauf 11 liegt zwischen der radialen Außenumfangsfläche des Getriebeausgangselements 9 und der radialen Innenumfangsfläche des Abtriebselements 14 der Antriebseinrichtung. Der zweite Freilauf 11 ist so eingerichtet, dass er eine Rotation des Getriebeausgangselements 9, die einer Vorwärtsfahrt des Fahrzeugs zugeordnet ist, auf das Abtriebselement 14 überträgt. Eine Rotation des Getriebeausgangselements 9 relativ zu dem Abtriebselement 14 in einer Drehrichtung, die entgegengesetzt zu der Drehrichtung ist, die der Vorwärtsfahrt zugeordnet wird, wird nicht auf das Abtriebselement 14 übertragen.
Somit werden an dem Abtriebselement 14 die Rotationen der Tretkurbelwelle 2 und des Getriebeausgangselements 9 zusammengeführt. Auf diese Weise wird die Antriebseinrichtung mit einer Funktion zum Kombinieren der in die Tretkurbelwelle 2 eingeleiteten Muskelkraft und der von dem Rotor 3 des Elektromotors abgegebenen Antriebskraft ausgestaltet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Abtriebsrad 15 als Kettenblatt eines Fahrradantriebs ausgestaltet. Das als Kettenblatt ausgestaltete Abtriebsrad 15 trägt eine nicht gezeigte Kette als Zugmittel, die mit einem ebenfalls nicht gezeigten Ritzelpaket an einer Nabe eines Hinterrads des Fahrrads vorgesehen ist. In einer Ausführungsform weist das Fahrzeug eine Kettenschaltung auf, die über ein Schaltwerk die Kette auf Ritzel mit verschiedenen Zähnezahlen führen kann. Das Schaltwerk wird in der vorliegenden Ausführungsform über ein Bedienelement von dem Fahrer betätigt.
Im Betrieb des Fahrzeugs kann der Fahrer über die Tretkurbelwelle 2 Muskelkraft in die Antriebseinrichtung einleiten, die auf das Abtriebselement 14 über den ersten Freilauf 13 übertragen wird. Gleichzeitig oder zumindest zeitweise kann die Antriebskraft des Elektromotors über das in 1 gezeigte Getriebe sowie über den zweiten Freilauf 11 ebenfalls auf das Abtriebselement 14 übertragen werden. Wenn in einem solchen Betriebszustand der Fahrer das Bedienelement zum Wechseln der Position der Kette zur Veränderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen dem als Kettenblatt ausgeführten Abtriebsrad 15 und dem Hinterrad betätigt, treten dynamische Drehzahländerungen auf und werden aufgrund der Trägheit der massebehafteten Elemente regelmäßig Stöße verursacht. Ferner ergeben sich im Betrieb des Fahrzeugs beispielsweise beim Bremsen oder beim Fahren auf stark unebenem Untergrund starke Schwingungen und Stöße im Antriebsstrang zwischen dem Abtriebsrad 15 und dem Hinterrad des Fahrzeugs.
Zur Berücksichtigung dieser Zusammenhänge weist die Antriebseinrichtung eine in 1 gezeigte Drehmomentbegrenzungsbaugruppe 20 auf. Die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe 20 weist in der in 1 gezeigten Ausführungsform einen Rastkörper 23 in der Form einer Kugel auf. Der Rastkörper 23 ist, wie in 1 gezeigt ist, durch ein Vorspannelement 22 in 1 nach links in Richtung einer Rastkörperaufnahme 24 vorgespannt. Die Rastkörperaufnahme 24 weist eine Vertiefung auf, die zum teilweisen Aufnehmen des Rastkörpers 23 ausgestaltet ist.
Bei der in 1 gezeigten Drehmomentbegrenzungsbaugruppe 20 ist die Rastkörperaufnahme 24 konzentrisch aufgebaut und radial außerhalb des Außenrings 8 des Wellengetriebes an diesem angebracht. Auf der anderen Seite ist der Rastkörper 23 mit dem Vorspannelement 22 in einem Halter 25 vorgesehen, der konzentrisch am Innenumfang des Gehäuses 1 vorgesehen und an diesem befestigt ist. In dem in 1 gezeigten Zustand ragt der als Kugel ausgebildete Rastkörper 23 in die Vertiefung der Rastkörperaufnahme 24 und wird durch das als Feder ausgestaltete Vorspannelement 22 gegen die Rastkörperaufnahme 24 vorgespannt. Insofern wird in diesem Zustand eine formschlüssige Verbindung zwischen der Rastkörperaufnahme 24 und dem Halter 25 gebildet, so dass der Außenring 8 stationär bezüglich des Gehäuses 1 bleibt.
Für den Fall, dass im Betrieb der Antriebseinrichtung ein Relativdrehmoment zwischen der Rastkörperaufnahme 24 und dem Halter 25 auftritt, das so groß ist, dass der Rastkörper 23 sich gegen die Vorspannkraft des Vorspannelements 22 aus der Rastkörperaufnahme 24 bewegt, wird eine Relativdrehung zwischen der Rastkörperaufnahme 24 und dem Halter 25 ermöglicht. In dieser Situation kann der Außenring 8 sich relativ zu dem Gehäuse 1 drehen. Daher kann für den Fall, dass das Abstützmoment, das am Außenring 8 wirkt, ein maximales Moment übersteigt, das auf den Rotor 3 des Elektromotors wirkende Drehmoment begrenzt werden. Zu diesem Zweck wird die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe 20 und insbesondere die Federkraft des Vorspannelements 22, entsprechend den Vorgaben zum Schutz des Elektromotors ausgelegt.
Mit der vorliegenden Ausführungsform kann somit bewirkt werden, dass übermäßige Drehmomentschwankungen, Stöße sowie die Übertragung von starken Drehmomenten aufgrund der Trägheit des Gesamtsystems nur bis zu einem maximalen Auslegungswert auf den Rotor des Elektromotors übertragen werden. Somit können die Funktion und die Haltbarkeit des Elektromotors verbessert werden.
Im Folgenden wird eine weitere Ausführungsform der Antriebseinrichtung unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Die wesentlichen Elemente der in 2 gezeigten Antriebseinrichtung entsprechen denjenigen von 1 und im Folgenden werden lediglich die Unterschiede beschrieben. Während die Antriebseinrichtung von 1 eine Drehmomentbegrenzungsbaugruppe 20 aufweist, die den Rastkörper 23, die Rastkörperaufnahme 24 und den Halter 25 aufweist, ist in der Ausführungsform von 2 an der äquivalenten Position eine Drehmomentbegrenzungsbaugruppe 20a vorgesehen, die eine Reibkupplungsanordnung 21, Vorspannelement 22a und einen Halter 26 aufweist. In ähnlicher Weise wie in der Ausführungsform von 1 wird in der Ausführungsform von 2 der Außenring 8 über die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe 20a stationär am Gehäuse 1 gehalten. Die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe 20a von 2 weist die Feder 22a auf, die in einen Halter 26 untergebracht ist. Halter 26 ist am Innenumfang des Gehäuses 1 angebracht. Auf der anderen Seite ist am Außenumfang des Außenrings 8 die Reibkupplungsanordnung 21 vorgesehen, die aus mehreren Reibkupplungselementen besteht, die konzentrisch um den Außenumfang des Außenrings 8 angeordnet sind.
Die Reibkupplungselemente weisen stationäre Reibkupplungselemente, die drehfest an dem Gehäuse 1 angebracht sind, und bewegliche Reibkupplungselemente auf, die an dem Außenumfang des Außenrings 8 befestigt sind. Die stationären und beweglichen Reibkupplungselemente sind abwechselnd aufeinander geschichtet. Aufgrund der Federkraft des Vorspannelements 22a werden die stationären und die beweglichen Reibkupplungselemente der Reibkupplungsanordnung 21 zusammengepresst, so dass bis zu einem gewissen Drehmoment der Außenring 8 stationär zum Gehäuse 1 bleibt. Bei Überschreiten des maximalen Auslegungsdrehmoments wird an der Reibkupplungsanordnung 21 ein Schlupf erzeugt, so dass sich die stationären und die beweglichen Reibkupplungselemente der Reibkupplungsanordnung 21 relativ zueinander drehen können und sich somit der Außenring 8 relativ zum Gehäuse 1 drehen kann.
Somit wird in ähnlicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel von 1 in der Ausführungsform von 2 bewirkt, dass bei Überschreiten eines maximalen Abstützmoments sich der Außenring 8 relativ zum Gehäuse 1 drehen kann. Mit dieser Funktion wird bewirkt, dass das maximal auf den Rotor 3 des Elektromotors wirkende Drehmoment begrenzt werden kann.
In weiteren Ausführungsformen können die vorstehend beschriebenen Formen der Drehmomentbegrenzungsbaugruppen 20, 20a eingesetzt werden, sind jedoch die Drehmomentbegrenzungsbaugruppen 20, 20a an anderen Positionen in der Antriebseinrichtung vorgesehen.
In einer alternativen in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform wird die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe 20, 20a in das Ausgangselement 5 des Elektromotors integriert. Dabei wird bewirkt, dass bei Überschreiten eines maximalen auf die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe wirkenden Auslegungsdrehmoments eine relative Drehung zwischen dem Ausgangselement 5 des Elektromotors und der Eingangsseite des Getriebes bewirkt wird. Mit diesem Aufbau kann das maximale auf den Rotor 3 des Elektromotors wirkende Drehmoment begrenzt werden.
In einer alternativen in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform ist die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe 20, 20a in das Getriebeausgangselement 9 integriert. Insbesondere wird durch das Vorsehen der Drehmomentbegrenzungsbaugruppe 20, 20a an dem Getriebeausgangselement 9 bewirkt, dass bei Überschreiten eines maximalen auf die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe wirkenden Auslegungsdrehmoments eine relative Drehung zwischen dem Getriebeausgangselement 9 und dem Abtriebselement 14 der Antriebseinrichtung bewirkt wird. Mit diesem Aufbau kann das maximale auf den Rotor 3 des Elektromotors wirkende Drehmoment begrenzt werden.
In den vorliegenden Ausführungsformen wird die Antriebseinrichtung auf ein als E-Bike oder Pedelec ausgestaltetes Fahrrad angewendet. In alternativen Ausführungsformen wird die Antriebseinrichtung auf ein Mehrspurfahrzeug, insbesondere auf ein Fahrzeug mit drei oder vier Rädern angewendet.
Bezugszeichen

1: Gehäuse
2: Tretkurbelwelle
3: Rotor Elektromotor
4: Stator Elektromotor
5: Ausgangselement Elektromotor
6: Buchsenlager Wellengetriebe
7: Innenbuchse Wellengetriebe
8: Außenring Wellengetriebe
9: Getriebeausgangselement
10: Abstützelement Wellengetriebe
11: zweiter Freilauf
12: Tretkurbelwellenausgangselement
13: erster Freilauf
14: Abtriebselement
15: Abtriebsrad
20, 20a: Drehmomentbegrenzungsbaugruppe
21: Reibkupplungsanordnung
22, 22a: Vorspannelement
23: Rastkörper
24: Rastkörperaufnahme
25: Halter
26: Halter

Claims

Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug, mit einem Elektromotor (3, 4) zum zumindest zeitweisen Antreiben des Fahrzeugs durch Zufuhr von elektrischer Leistung zu dem Elektromotor (3, 4), einer Tretkurbelwelle (2) zur Aufnahme von Muskelkraft zum zumindest zeitweisen Antreiben des Fahrzeugs durch Muskelkraft und einem Abtriebselement (14), über das Antriebskraft zum Antreiben des Fahrzeugs von der Antriebseinrichtung abgebbar ist; einem Getriebe mit einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis, das eingangsseitig mit einem Ausgangselement (5) des Elektromotors (3, 4) gekoppelt ist und das ausgangsseitig über ein Getriebeausgangselement (9) mit dem Abtriebselement (14) der Antriebseinrichtung koppelbar ist; einem mit der Tretkurbelwelle (2) gekoppelten Tretkurbelwellenausgangselement (12), das mit dem Abtriebselement (14) der Antriebseinrichtung koppelbar ist; wobei die Antriebseinrichtung eine Drehmomentbegrenzungsbaugruppe (20; 20a) aufweist, die zum Begrenzen eines im Kraftübertragungspfad zwischen dem Elektromotor (3, 4) und dem Abtriebselement (14) wirkenden Drehmoments eingerichtet ist; und wobei das Getriebe als Wellengetriebe ausgebildet ist, das eine mit einer Außenverzahnung versehene und mit einem Getriebeausgangselement (9) gekoppelte Innenbuchse (7), einen mit einer Innenverzahnung versehenen Außenring (8) und ein von dem Elektromotor (3, 4) über eine Eingangsseite des Getriebes antreibbares Buchsenlager (6) zur umlaufenden Verformung der Innenbuchse (7) aufweist, wobei die Außenverzahnung der Innenbuchse (7) eine geringere Anzahl von Zähnen aufweist als die Innenverzahnung des Außenrings (8) und die umlaufende Verformung der Innenbuchse (7) eine Rotation der Innenbuchse (7) relativ zu dem Außenring (8) bewirkt dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (8) ein Abstützelement des Getriebes ist; und das Abstützelement mit einem Gehäuse (1) der Antriebsreinrichtung zur Abstützung eines Reaktionsmoments gekoppelt ist, wobei die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe (20; 20a) im Kraftübertragungspfad zwischen dem Abstützelement und dem Gehäuse (1) vorgesehen ist, um das Abstützmoment auf ein vorbestimmtes maximales Abstützmoment zu begrenzen.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des vorbestimmten maximalen Abstützmoments durch die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe (20; 20a) eine Rotation des Abstützelements des Getriebes (3, 4) relativ zu dem Gehäuse gestattet wird, so dass das auf den Rotor (3) des Elektromotors (3, 4) aufgrund des Reaktionsmoments wirkende Drehmoment auf ein zulässiges Drehmoment begrenzt wird.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe (20a) eine Reibkupplungsanordnung (21) aufweist, die durch ein Vorspannelement (22a) derart vorgespannt ist, dass bei Überschreiten eines an der Drehmomentbegrenzungsbaugruppe (20a) anliegenden vorbestimmten maximalen Drehmoments ein Schlupf in der Reibkupplungsanordnung (21) herbeigeführt wird, so dass durch die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe (20a) eine Relativbewegung zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite der Drehmomentbegrenzungsbaugruppe (20a) gestattet wird.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe (20) einen Rastkörper (23) und eine Rastkörperaufnahme (24) aufweist, die durch ein Vorspannelement (22) zur Bildung eines Formschlusses derart aufeinander vorgespannt sind, dass bei Überschreiten eines an der Drehmomentbegrenzungsbaugruppe (20) anliegenden vorbestimmten maximalen Drehmoments sich der Rastkörper (23) von der Rastkörperaufnahme (24) löst, so dass durch die Drehmomentbegrenzungsbaugruppe (20) eine Relativbewegung zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite der Drehmomentbegrenzungsbaugruppe (20) gestattet wird.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (14) mit einem Abtriebsrad (15) gekoppelt ist, das über ein Zugmittel mindestens ein angetriebenes Rad des Fahrzeugs antreibt, wobei zwischen dem Abtriebsrad (15) und dem mindestens einen angetriebenen Rad des Fahrzeugs ein Gangwechselmechanismus vorgesehen ist, der zum gestuften Ändern des Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Abtriebsrad (15) und dem mindestens einen angetriebenen Rad eingerichtet ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftübertragungspfad zwischen dem Getriebeausgangselement (9) und dem Abtriebselement (14) ein Freilauf (11) vorgesehen ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftübertragungspfad zwischen dem Tretkurbelwellenausgangselement (12) und dem Abtriebselement (14) ein Freilauf (13) vorgesehen ist.