DE102022212175A1

DE102022212175A1 - Drive arrangement of a vehicle that can be operated with muscle power and/or motor power

Info

Publication number: DE102022212175A1
Application number: DE102022212175.9A
Authority: DE
Inventors: Sigmund Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-16
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2024-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung (1) eines mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbaren Fahrzeugs (100), umfassend einen Motor (2), ein Abtriebselement (3), und eine Kupplung (4), wobei die Kupplung (4) ein Kupplungselement (41) mit einer Kupplungsverzahnung (45) aufweist, wobei der Motor (2) eine Motorverzahnung (25) aufweist, wobei das Abtriebselement (3) eine Abtriebsverzahnung (35) aufweist, und wobei das Kupplungselement (41) in einen eingekuppelten und einen ausgekuppelten Zustand bewegbar ist, derart, dass im eingekuppelten Zustand die Kupplungsverzahnung (45) gleichzeitig in Eingriff mit der Motorverzahnung (25) und der Abtriebsverzahnung (35) steht, zur Drehmomentübertragung zwischen Motor (2) und Abtriebselement (3) über die Kupplung (4), und im ausgekuppelten Zustand die Kupplungsverzahnung (45) zumindest eine von Motorverzahnung (25) und Abtriebsverzahnung (35) freigibt.

The invention relates to a drive arrangement (1) of a vehicle (100) that can be operated with muscle power and/or motor power, comprising an engine (2), an output element (3), and a clutch (4), wherein the clutch (4) has a clutch element (41) with a clutch toothing (45), wherein the engine (2) has a motor toothing (25), wherein the output element (3) has an output toothing (35), and wherein the clutch element (41) can be moved into a coupled and a disengaged state, such that in the coupled state the clutch toothing (45) is simultaneously in engagement with the motor toothing (25) and the output toothing (35) for torque transmission between the engine (2) and the output element (3) via the clutch (4), and in the disengaged state the clutch toothing (45) engages at least one of the motor toothing (25) and the output toothing (35) released.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung eines mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbaren Fahrzeugs, ein mit Muskelkraft und/Motorkraft betreibbares Fahrzeug, und ein Verfahren zum Betreiben eines mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbaren Fahrzeugs.The present invention relates to a drive arrangement of a vehicle operable with muscle power and/or motor power, a vehicle operable with muscle power and/or motor power, and a method for operating a vehicle operable with muscle power and/or motor power.

Bekannt sind mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbare Fahrzeuge, wie Elektrofahrräder, die eine Antriebseinheit zur Unterstützung einer mit Muskelkraft erzeugten Tretkraft eines Fahrers des Fahrzeugs aufweisen. Üblicherweise ist dabei vorgesehen und/oder erforderlich, beispielsweise aufgrund gesetzlicher Vorgaben zur Abschaltung einer Motorunterstützung ab bestimmten Geschwindigkeiten, dass die Antriebseinheit vom Antriebstrang abkoppelbar ist. Häufig erfolgt dies mittels eines Freilaufs, welcher beispielsweise passiv die Drehmomentübertragung zwischen Antriebseinheit und einer Abtriebswelle unterbricht.Vehicles that can be operated using muscle power and/or motor power are known, such as electric bicycles, which have a drive unit to support the pedal power generated by the vehicle's driver using muscle power. It is usually intended and/or necessary, for example due to legal requirements to switch off motor support at certain speeds, that the drive unit can be decoupled from the drive train. This is often done using a freewheel, which, for example, passively interrupts the transmission of torque between the drive unit and an output shaft.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bietet demgegenüber den Vorteil, dass bei einfacher und kostengünstiger Konstruktion aktiv eine Kopplung und Entkopplung eines Motors vom Antriebsstrang ermöglicht werden kann. Insbesondere können somit auf einfache Weise und zuverlässig verschiedene Betriebszustände der Antriebsanordnung ermöglicht werden. Besonders vorteilhaft ist, dass mittels der Antriebsanordnung auf einfache Weise je nach Fahrerwunsch wahlweise eine Rekuperation von Antriebsenergie bereitgestellt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Antriebsanordnung eines mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbaren Fahrzeugs, umfassend einen Motor, ein Abtriebselement, und eine Kupplung. Insbesondere ist die Kupplung zwischen Motor und Abtriebselement angeordnet. Die Kupplung weist dabei ein Kupplungselement mit einer Kupplungsverzahnung auf. Der Motor weist eine Motorverzahnung auf, und das Abtriebselement weist eine Abtriebsverzahnung auf. Dabei ist das Kupplungselement in einen eingekuppelten Zustand und in einen ausgekuppelten Zustand bewegbar. Im eingekuppelten Zustand ist das Kupplungselement derart angeordnet, dass die Kupplungsverzahnung gleichzeitig in Eingriff mit der Motorverzahnung und der Abtriebsverzahnung steht, um eine Drehmomentübertragung zwischen Motor und Abtriebselement über die Kupplung, insbesondere das Kupplungselement, zu bewirken. Im ausgekuppelten Zustand gibt die Kupplungsverzahnung zumindest eine der beiden anderen Verzahnungen, das heißt Motorverzahnung oder Abtriebsverzahnung, frei, sodass keine Drehmomentübertragung zwischen Motor und Abtriebselement über die Kupplung vorliegt.The drive arrangement according to the invention with the features of claim 1 offers the advantage that, with a simple and cost-effective construction, a motor can be actively coupled and uncoupled from the drive train. In particular, different operating states of the drive arrangement can thus be enabled in a simple and reliable manner. It is particularly advantageous that, depending on the driver's wishes, recuperation of drive energy can be provided in a simple manner using the drive arrangement. This is achieved according to the invention by a drive arrangement of a vehicle that can be operated with muscle power and/or motor power, comprising a motor, an output element, and a clutch. In particular, the clutch is arranged between the motor and the output element. The clutch has a clutch element with clutch teeth. The motor has motor teeth, and the output element has output teeth. The clutch element can be moved into a coupled state and into a disengaged state. In the engaged state, the clutch element is arranged such that the clutch teeth are simultaneously in engagement with the motor teeth and the output teeth in order to effect a torque transmission between the motor and the output element via the clutch, in particular the clutch element. In the disengaged state, the clutch teeth release at least one of the other two teeth, i.e. the motor teeth or the output teeth, so that there is no torque transmission between the motor and the output element via the clutch.

Mit anderen Worten wird eine Antriebsanordnung bereitgestellt, die eine Kupplung zwischen einem Motor und einem Abtriebselement aufweist. Insbesondere ist das Abtriebselement vorgesehen, um im eingekuppelten Zustand der Kupplung ein Drehmoment vom Motor beispielsweise an weitere Elemente, wie einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs oder dergleichen zu übertragen. Die Kupplung kann dabei über die Bewegung des Kupplungselements aktiv geschaltet werden. Dadurch können verschiedene Betriebszustände auf einfache Weise ermöglicht werden. Beispielsweise kann eine Drehmomentübertragung flexibel in beide Richtungen ermöglicht werden. Das heißt einerseits vom Motor, wenn dieser in einem Motorbetrieb ein Drehmoment erzeugt, an die Abtriebswelle, und andererseits von der Abtriebswelle an den Motor, um diesen beispielsweise in einem generatorischen Betrieb zu betreiben. Dabei bietet die Antriebsanordnung insbesondere den Vorteil, dass gezielt von außen eine Schaltung der Kupplung in den eingekuppeltem und in den ausgekuppelten Zustand möglich ist. Dies kann hierbei unabhängig von weiteren Faktoren, wie beispielsweise einer Antriebseinrichtung und/oder Betriebszuständen von Teilen der Antriebsanordnung oder des Fahrzeugs erfolgen. Das heißt, es kann von außen entschieden werden, ob ein Drehmoment zwischen Motor und Abtriebselement übertragen werden soll oder nicht. Beispielsweise kann dieses jederzeit mögliche gezielte Schalten bei einem klassischen Freilauf nicht erreicht werden. Diese Unabhängigkeit der Schaltbarkeit der Kupplung ist insbesondere von Vorteil, wenn der Fahrer beispielsweise bei leichter Bergabfahrt keine Bremsfunktion wünscht und die Rekuperation ausschalten möchte. Zudem bietet die Antriebsanordnung durch die Schaltbarkeit der Kupplung mittels der ineinandergreifenden oder ausgerückten Verzahnungen einen besonders einfachen, kostengünstigen und leichtgewichtigen Aufbau, mittels welchem zuverlässig die Schaltbarkeit und eine Drehmomentübertragung ermöglicht werden kann.In other words, a drive arrangement is provided which has a clutch between a motor and an output element. In particular, the output element is provided to transmit a torque from the motor, for example to other elements, such as a drive train of a vehicle or the like, when the clutch is engaged. The clutch can be actively switched via the movement of the clutch element. This makes it easy to enable different operating states. For example, torque transmission can be made possible flexibly in both directions. This means on the one hand from the motor, when it generates a torque in motor operation, to the output shaft, and on the other hand from the output shaft to the motor, in order to operate it in generator mode, for example. The drive arrangement offers the particular advantage that the clutch can be switched from the outside into the engaged and disengaged states. This can take place independently of other factors, such as a drive device and/or operating states of parts of the drive arrangement or the vehicle. This means that a decision can be made from the outside as to whether or not a torque should be transmitted between the motor and the output element. For example, this targeted switching, which is possible at any time, cannot be achieved with a classic freewheel. This independence of the clutch's switchability is particularly advantageous if the driver does not want the braking function when driving downhill, for example, and wants to switch off recuperation. In addition, the drive arrangement offers a particularly simple, cost-effective and lightweight structure due to the clutch's switchability using the intermeshing or disengaged gears, which can reliably enable switchability and torque transmission.

Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.The subclaims contain preferred developments of the invention.

Bevorzugt sind Motor und Abtriebselement koaxial zueinander angeordnet. Insbesondere können somit das Abtriebselement und der Motor bzw. eine Abtriebswelle des Motors um eine gemeinsame Achse rotieren. Damit kann eine einfache, kostengünstige und kompakte Konstruktion der Anordnung ermöglicht werden.Preferably, the motor and the output element are arranged coaxially to one another. In particular, the output element and the motor or an output shaft of the motor can thus rotate about a common axis. This enables a simple, cost-effective and compact design of the arrangement.

Besonders bevorzugt ist das Kupplungselement koaxial zu Motor und Abtriebselement angeordnet. Dabei ist das Kupplungselement entlang der gemeinsamen Achse von Motor, Abtriebselement, und Kupplungselement axial verschiebbar. Insbesondere ist das Kupplungselement in axialer Richtung zwischen Motor und Abtriebselement angeordnet. Damit kann eine besonders einfache und kompakte Anordnung bereitgestellt werden. Beispielsweise kann dadurch als Kupplungselement ein einfach und kostengünstig herzustellendes, beispielsweise ringförmiges, Ritzel verwendet werden. Durch die lineare Verschiebbarkeit des Kupplungselements entlang der Achse kann das Einkuppeln und Auskuppeln zudem auf besonders einfache Weise umgesetzt werden.Particularly preferably, the coupling element is arranged coaxially to the motor and output element net. The coupling element can be moved axially along the common axis of the motor, output element and coupling element. In particular, the coupling element is arranged in the axial direction between the motor and output element. This makes it possible to provide a particularly simple and compact arrangement. For example, a pinion that is easy and inexpensive to manufacture, for example a ring-shaped pinion, can be used as the coupling element. The linear displacement of the coupling element along the axis also makes it particularly easy to engage and disengage the clutch.

Vorzugsweise ist die Kupplungsverzahnung als Außenverzahnung ausgebildet. Dabei sind jeweils die Motorverzahnung und die Abtriebsverzahnung als Innenverzahnungen ausgebildet. Vorteilhafterweise sind Motorverzahnung und Abtriebsverzahnung dabei im Wesentlichen identisch ausgebildet. Bevorzugt sind Motorverzahnungen Abtriebsverzahnung dabei in axialer Richtung benachbart zueinander angeordnet, wobei das Kupplungselement innerhalb der beiden Innenverzahnungen verschiebbar ist, sodass die Kupplungsverzahnung entweder in eine der beiden Innenverzahnungen, oder gleichzeitig in beide eingreifen kann.The clutch teeth are preferably designed as external teeth. The motor teeth and the output teeth are each designed as internal teeth. Advantageously, the motor teeth and output teeth are designed to be essentially identical. The motor teeth and output teeth are preferably arranged adjacent to one another in the axial direction, with the clutch element being displaceable within the two internal teeth, so that the clutch teeth can engage either in one of the two internal teeth or in both at the same time.

Weiter bevorzugt umfasst die Antriebsanordnung ferner einen Aktuator, der eingerichtet ist zum steuerbar betätigbaren Bewegen des Kupplungselements. Insbesondere ist der Aktuator eingerichtet, um eine lineare Verschiebung des Kupplungselements entlang der Achse zu ermöglichen. Beispielsweise kann der Aktuator einen Elektromagneten umfassen, um beispielsweise einen elektromagnetisch verschiebbaren Kolben axial zu bewegen, an dem das Kupplungselement fixiert ist. Mittels eines Aktuators kann eine besonders flexible Betriebsweise der Antriebsanordnung ermöglicht werden. Insbesondere kann durch den Aktuator, der die steuerbar betätigbare Bewegung des Kupplungselements ermöglicht, besonders einfach und gezielt der Vorteil der Schallbarkeit der Kupplung unabhängig von der Antriebseinrichtung bereitgestellt werden. Dabei kann die Ansteuerung des Aktuators auf vielfältige Weise erfolgen. Beispielsweise können vielfältige Signale verwendet werden, basierend auf welchen das Einkuppeln oder Auskuppeln erfolgt. Vorzugsweise kann der Aktuator unmittelbar durch eine manuelle Nutzereingabe des Fahrers betätigbar ausgebildet sein, insbesondere sodass der Fahrer gezielt entscheiden kann, ob eingekuppelt oder ausgekuppelt wird.The drive arrangement preferably further comprises an actuator which is designed to controllably actuate the movement of the clutch element. In particular, the actuator is designed to enable a linear displacement of the clutch element along the axis. For example, the actuator can comprise an electromagnet in order to axially move an electromagnetically displaceable piston to which the clutch element is fixed. An actuator can enable a particularly flexible mode of operation of the drive arrangement. In particular, the actuator, which enables the controllably actuated movement of the clutch element, can provide the advantage of the clutch being able to be operated independently of the drive device in a particularly simple and targeted manner. The actuator can be controlled in a variety of ways. For example, a variety of signals can be used on the basis of which the clutch is engaged or disengaged. The actuator can preferably be designed to be actuated directly by a manual user input from the driver, in particular so that the driver can specifically decide whether to engage or disengage the clutch.

Bevorzugt ist die Motorverzahnung und/oder die Abtriebsverzahnung und/oder die Kupplungsverzahnung als Rechteckverzahnung ausgebildet. Als Rechteckverzahnung wird insbesondere eine Verzahnung mit mehreren radial vorstehenden Zähnen angesehen, wobei die Zähne Zahnflanken aufweisen, welche parallel zueinander sind, oder alternativ in radialer Richtung ausgerichtet sind. Beispielsweise kann eine Rechteckverzahnung analog einer Keilwellenverbindung mit geraden Zahnflanken ausgebildet sein. Damit kann bei einfacher und kostengünstiger Herstellbarkeit der Antriebsanordnung eine besonders robuste Konstruktion zur Übertragung hoher Drehmomente bereitgestellt werden. Beispielsweise können die Rechteckverzahnungen derart ausgebildet sein, dass der Zahneingriff zwischen Kupplungsverzahnung und Motorverzahnung und zwischen Kupplungsverzahnung und Abtriebsverzahnung spielbehaftet ist, das heißt insbesondere ein Spiel in Umfangsrichtung aufweist. Beispielsweise kann dadurch eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung und eine einfache Montage ermöglicht werden.Preferably, the motor gearing and/or the output gearing and/or the clutch gearing are designed as rectangular gearing. Rectangular gearing is considered to be a gearing with a plurality of radially protruding teeth, wherein the teeth have tooth flanks that are parallel to one another or, alternatively, are aligned in the radial direction. For example, rectangular gearing can be designed analogously to a splined shaft connection with straight tooth flanks. This makes it possible to provide a particularly robust construction for transmitting high torques while the drive arrangement can be manufactured simply and inexpensively. For example, the rectangular gearing can be designed in such a way that the tooth engagement between the clutch gearing and motor gearing and between the clutch gearing and output gearing has play, i.e. in particular has play in the circumferential direction. For example, this can enable particularly simple and inexpensive production and simple assembly.

Vorzugsweise umfasst die Antriebsanordnung ferner eine Welle, welche koaxial zu Motor und Abtriebselement angeordnet ist. Motor und Abtriebselement sind dabei jeweils relativ zur Welle drehbar angeordnet, beispielsweise mittels mehrerer Lager. Insbesondere ragt die Welle dabei sowohl durch Motor, als auch Abtriebselement hindurch. Vorzugsweise ist das Kupplungselement ebenfalls relativ zur Welle drehbar angeordnet, beispielsweise kann das Kupplungselement auf einem Außenumfang der Welle angeordnet sein, wobei ein Aktuator zur Betätigung des Kupplungselements insbesondere innerhalb der Welle angeordnet sein kann, um eine besonders platzsparende Konstruktion zu ermöglichen. Die Welle kann beispielsweise als feststehende Welle, beispielsweise an einer Hinterachse eines Elektrofahrrads ausgebildet sein.Preferably, the drive arrangement further comprises a shaft which is arranged coaxially to the motor and the output element. The motor and the output element are each arranged to be rotatable relative to the shaft, for example by means of several bearings. In particular, the shaft protrudes through both the motor and the output element. Preferably, the coupling element is also arranged to be rotatable relative to the shaft, for example, the coupling element can be arranged on an outer circumference of the shaft, wherein an actuator for actuating the coupling element can be arranged in particular within the shaft in order to enable a particularly space-saving design. The shaft can be designed, for example, as a fixed shaft, for example on a rear axle of an electric bicycle.

Weiterhin führt die Erfindung zu einem mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbaren Fahrzeug, insbesondere einem Elektrofahrrad, umfassend die beschriebene Antriebsanordnung. Insbesondere ist der Motor der Antriebsanordnung dabei eingerichtet, um ein Motormoment zu erzeugen, das zum Vortrieb des Fahrzeugs vorgesehen ist.Furthermore, the invention leads to a vehicle that can be operated with muscle power and/or motor power, in particular an electric bicycle, comprising the drive arrangement described. In particular, the motor of the drive arrangement is designed to generate a motor torque that is intended to propel the vehicle.

Bevorzugt ist das Abtriebselement eine Nabe eines Rades des Fahrzeugs. Das heißt, bei der Antriebsanordnung handelt es sich insbesondere um einen Nabenantrieb des Fahrzeugs. Vorzugsweise kann somit mittels der Kupplung im eingekuppelten Zustand von dem Motor unmittelbar die Nabe des Rades des Fahrzeugs angetrieben werden. Ferner kann vorteilhafterweise im eingekuppelten Zustand, und wenn der Motor nicht aktiv antreibt, dieser in einem generatorischen Betrieb von der Nabe angetrieben werden, beispielsweise um eine Rekuperation von Antriebsenergie zu ermöglichen.The output element is preferably a hub of a wheel of the vehicle. This means that the drive arrangement is in particular a hub drive of the vehicle. Preferably, the hub of the wheel of the vehicle can thus be driven directly by the motor by means of the clutch in the engaged state. Furthermore, in the engaged state and when the motor is not actively driving, it can advantageously be driven by the hub in a generator mode, for example to enable recuperation of drive energy.

Vorzugsweise ist die Antriebsanordnung an einem Hinterrad des Fahrzeugs angeordnet. Beispielsweise bei einem Elektrofahrrad kann die Nabe somit über einen Kettenantrieb von einer Tretkraft des Fahrers und/oder von dem Motor der Antriebsanordnung angetrieben werden.Preferably, the drive arrangement is arranged on a rear wheel of the vehicle. In the case of an electric bicycle, for example, the hub can thus be driven via a chain drive by the pedal force of the rider and/or by the motor of the drive arrangement.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbaren Fahrzeugs. Insbesondere handelt es sich dabei um das beschriebene Fahrzeug, das die oben beschriebene Antriebsanordnung umfasst. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Bewegen oder Halten des Kupplungselements im eingekuppelten Zustand, und
- Betreiben des Motors.

The invention further relates to a method for operating a vehicle that can be operated using muscle power and/or motor power. In particular, this is the vehicle described, which comprises the drive arrangement described above. The method comprises the steps:

- moving or holding the coupling element in the engaged state, and
- Operating the engine.

In diesem Betriebsmodus, der beispielsweise als Normalbetriebs-Modus mit Motorunterstützung bezeichnet werden kann, erfolgt somit eine Drehmomentübertragung vom aktiv drehmomenterzeugenden Motor an das Abtriebselement. Insbesondere erfolgt die Drehmomenterzeugung des Motors dabei nur, wenn gleichzeitig ein Tretmoment von einem Fahrer des Fahrzeugs erzeugt wird, das heißt nur zur Unterstützung des Fahrerdrehmoments.In this operating mode, which can be referred to as normal operating mode with motor support, for example, torque is transferred from the actively torque-generating motor to the output element. In particular, the motor only generates torque when a pedal torque is generated by a driver of the vehicle at the same time, i.e. only to support the driver torque.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Bewegen des Kupplungselements in den ausgekuppelten Zustand in Abhängigkeit einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Bevorzugt erfolgt das Bewegen des Kupplungselements in den ausgekuppelten Zustand, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs eine vorbestimmte Maximal-Geschwindigkeit überschreitet. Mit anderen Worten wird bei Überschreiten der Maximal-Geschwindigkeit die Motorunterstützung durch das Auskuppeln des Kupplungselements unterbrochen. Damit kann der Motor besonders einfach und zuverlässig vom Antriebsstrang getrennt werden.Preferably, the method further comprises the step of moving the clutch element into the disengaged state depending on a speed of the vehicle. Preferably, the clutch element is moved into the disengaged state when the speed of the vehicle exceeds a predetermined maximum speed. In other words, when the maximum speed is exceeded, the engine support is interrupted by disengaging the clutch element. This allows the engine to be separated from the drive train particularly easily and reliably.

Weiter bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Betreiben der Antriebsanordnung in einem manuellen Betriebsmodus, in welchem das Kupplungselement in den ausgekuppelten Zustand bewegt oder gehalten wird während der Motor inaktiv ist. Insbesondere ist im manuellen Betriebsmodus somit der Motor vom Antriebsstrang getrennt, sodass beispielsweise ein Vortrieb des Fahrzeugs ausschließlich durch die manuelle Tretkraft des Fahrers erzeugt werden kann.More preferably, the method further comprises the step of operating the drive arrangement in a manual operating mode in which the coupling element is moved or held in the disengaged state while the motor is inactive. In particular, in the manual operating mode, the motor is thus separated from the drive train, so that, for example, propulsion of the vehicle can be generated exclusively by the manual pedal force of the driver.

Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Betreiben der Antriebsanordnung in einem Rekuperationsmodus. Im Rekuperationsmodus wird das Kupplungselement in den eingekuppelten Zustand bewegt oder gehalten während eine Fortbewegung des Fahrzeugs stattfindet. Dadurch wird der Motor in einem generatorischen Betrieb betrieben. Insbesondere kann im generatorischen Betrieb ein elektrischer Strom mittels des Motors erzeugt werden, wobei der erzeugte Strom beispielsweise in einen elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs eingespeichert werden kann. Dadurch kann ein besonders effizienter Betrieb des Fahrzeugs ermöglicht werden, indem beispielsweise Antriebsenergie zurückgewonnen werden kann.Particularly preferably, the method further comprises the step of operating the drive arrangement in a recuperation mode. In recuperation mode, the clutch element is moved or held in the engaged state while the vehicle is moving. This means that the motor is operated in generator mode. In particular, in generator mode, an electric current can be generated by means of the motor, whereby the generated current can be stored, for example, in an electrical energy storage device of the vehicle. This enables particularly efficient operation of the vehicle, for example by recovering drive energy.

Bevorzugt wird der Rekuperationsmodus im Ansprechen auf ein Rekuperationssignal aktiviert. Vorzugsweise wird das Rekuperationssignal im Ansprechen auf eine Bremsbetätigung erzeugt. Das heißt, bei einer Bremsbetätigung kann automatisch in den Rekuperationsmodus geschaltet werden, sodass die Bewegungsenergie des Fahrzeugs rekuperiert werden kann. Insbesondere kann dabei zudem eine Bremsverzögerung durch den generatorischen Betrieb des Motors erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Rekuperationssignal im Ansprechen auf eine Nutzereingabe erzeugt werden. Das heißt, der Fahrer des Fahrzeugs kann aktiv den Rekuperationsmodus aktivieren.Preferably, the recuperation mode is activated in response to a recuperation signal. Preferably, the recuperation signal is generated in response to a brake application. This means that when the brakes are applied, the system can automatically switch to recuperation mode so that the vehicle's kinetic energy can be recuperated. In particular, a braking deceleration can also be generated by the generator operation of the motor. Alternatively or additionally, the recuperation signal can be generated in response to a user input. This means that the driver of the vehicle can actively activate the recuperation mode.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:

1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einer Antriebsanordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine Schnittansicht der Antriebsanordnung der 1,
3 eine Detailansicht einer Kupplung der Antriebsanordnung der 1 und 2 im ausgekuppelten Zustand,
4 eine Detailansicht der Kupplung der 3 im eingekuppelten Zustand, und
5 eine weitere Detailansicht der Kupplung der 3 im eingekuppelten Zustand.

The invention is described below using exemplary embodiments in conjunction with the figures. In the figures, functionally identical components are each identified with the same reference numerals. In the following:

1 a simplified schematic view of a vehicle with a drive arrangement according to a preferred embodiment of the invention,
2 a sectional view of the drive arrangement of the 1 ,
3 a detailed view of a clutch of the drive assembly of the 1 and 2 in the disengaged state,
4 a detailed view of the coupling of the 3 in the engaged state, and
5 another detailed view of the coupling of the 3 in the engaged state.

Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention

1 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht eines Fahrzeugs 100, das eine Antriebsanordnung 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst. Eine Schnittansicht der Antriebsanordnung 1 ist in der 2 dargestellt. 1 shows a simplified schematic view of a vehicle 100 comprising a drive arrangement 1 according to a preferred embodiment of the invention. A sectional view of the drive arrangement 1 is shown in the 2 shown.

Bei dem Fahrzeug 100 handelt es sich um ein mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Fahrzeug 100, im Detail um ein Elektrofahrrad.The vehicle 100 is a vehicle 100 that can be operated with muscle power and/or motor power, in detail an electric bicycle.

Die Antriebsanordnung 1 umfasst einen Motor 2, der insbesondere ein Elektromotor ist. Der Motor 2 kann mittels eines elektrischen Energiespeichers 109 des Fahrzeugs 100 mit elektrischer Energie versorgt werden.The drive arrangement 1 comprises a motor 2, which is in particular an electric motor. The motor 2 can be supplied with electrical energy by means of an electrical energy storage device 109 of the vehicle 100.

Die Antriebsanordnung 1 ist an einer Nabe eines Hinterrads 110 des Fahrzeugs 100 angeordnet. Insbesondere handelt es sich somit um ein Elektrofahrrad mit einem Nabenantrieb.The drive arrangement 1 is arranged on a hub of a rear wheel 110 of the vehicle 100. In particular, it is therefore an electric bicycle with a hub drive.

Durch ein mittels des Motors 2 erzeugten Motordrehmoments kann eine durch Muskelkraft erzeugte Tretkraft eines Fahrers des Elektrofahrrads 100 motorisch unterstützt werden.By means of a motor torque generated by the motor 2, a pedal force generated by muscle power of a rider of the electric bicycle 100 can be motor-assisted.

Die Muskelkraft des Fahrers kann dabei über einen Kurbeltrieb 104 aufgebracht werden. Der Kurbeltrieb 104 ist über einen Kettentrieb mit der Nabe des Hinterrads 110 verbunden.The driver's muscle power can be applied via a crank drive 104. The crank drive 104 is connected to the hub of the rear wheel 110 via a chain drive.

Die Antriebsanordnung 1 umfasst ferner ein Abtriebselement 3, das Teil der Nabe des Hinterrads 110 ist. Insbesondere kann somit unmittelbar vom Abtriebselement 3 eine Drehmomentübertragung an das Hinterrad 110 erfolgen, um das Fahrzeug 100 anzutreiben.The drive arrangement 1 further comprises an output element 3, which is part of the hub of the rear wheel 110. In particular, torque can thus be transmitted directly from the output element 3 to the rear wheel 110 in order to drive the vehicle 100.

Motor 2 und Abtriebselement 3 sind koaxial zueinander angeordnet. Dabei sind Motor 2 und Abtriebselement 3 auf einer gemeinsamen Welle 5 angeordnet, die sich entlang einer Achse 15 erstreckt. Motor 2 und Abtriebselement 3 sind dabei relativ zur Welle 5 drehbar mittels mehrerer Lager angeordnet. Die Welle 5 kann beispielsweise eine zu einem Fahrzeugrahmen des Fahrzeugs 100 drehfest angeordnete Welle sein.Motor 2 and output element 3 are arranged coaxially to one another. Motor 2 and output element 3 are arranged on a common shaft 5 that extends along an axis 15. Motor 2 and output element 3 are arranged so that they can rotate relative to shaft 5 by means of several bearings. Shaft 5 can, for example, be a shaft that is arranged in a rotationally fixed manner to a vehicle frame of vehicle 100.

Zudem umfasst die Antriebsanordnung 1 eine Kupplung 4 zwischen Motor 2 und Abtriebselement 3. Die Kupplung 4 umfasst ein Kupplungselement 41 das ebenfalls koaxial zu Motor 2 und Abtriebselement 3 und damit zur Achse 15 angeordnet ist. Das Kupplungselement 41 ist auf einem Außenumfang der Welle 5 angeordnet und ebenfalls relativ zur Welle 5 rotierbar.In addition, the drive arrangement 1 comprises a coupling 4 between the motor 2 and the output element 3. The coupling 4 comprises a coupling element 41 which is also arranged coaxially to the motor 2 and the output element 3 and thus to the axis 15. The coupling element 41 is arranged on an outer circumference of the shaft 5 and is also rotatable relative to the shaft 5.

Das Kupplungselement 41 der Kupplung 4 kann dabei eine Drehmomentübertragung zwischen Motor 2 und Abtriebselement 3 herstellen und freigeben. Dies wird nachfolgend in Bezug auf die 2 bis 5 beschrieben.The coupling element 41 of the clutch 4 can establish and release a torque transmission between the engine 2 and the output element 3. This will be explained below with reference to the 2 to 5 described.

Das Kupplungselement 41 weist eine Kupplungsverzahnung 45 auf, die an einem Außenumfang des Kupplungselements 41, das heißt als Außenverzahnung, ausgebildet ist.The coupling element 41 has a coupling toothing 45 which is formed on an outer circumference of the coupling element 41, i.e. as an external toothing.

Der Motor 2 weist einen Abtriebsbereich 21 auf, mittels welchem das vom Motor 2 erzeugte Motordrehmoment an die Kupplung 4, insbesondere das Kupplungselement 41 übertragen werden kann. Der Abtriebsbereich 21 weist eine Motorverzahnung 25 auf, die als Innenverzahnung ausgebildet ist, und die mit der Kupplungsverzahnung 45 eingreifen kann.The motor 2 has an output region 21, by means of which the motor torque generated by the motor 2 can be transmitted to the clutch 4, in particular the clutch element 41. The output region 21 has a motor toothing 25, which is designed as an internal toothing and which can engage with the clutch toothing 45.

Ferner weist das Abtriebselement 3 eine Abtriebsverzahnung 35 auf, die ebenfalls als Innenverzahnung ausgebildet ist, die mit der Kupplungsverzahnung 45 eingreifen kann.Furthermore, the output element 3 has an output toothing 35, which is also designed as an internal toothing that can engage with the coupling toothing 45.

Die Motorverzahnung 25 und die Abtriebsverzahnung 35 sind in axialer Richtung unmittelbar benachbart zueinander angeordnet, und insbesondere nur durch einen kleinen Spalt, der eine relative Rotation von Rotor 2 und ab Piezoelement 3 erlaubt, voneinander getrennt.The motor gearing 25 and the output gearing 35 are arranged directly adjacent to one another in the axial direction and, in particular, are separated from one another only by a small gap which allows a relative rotation of the rotor 2 and the piezo element 3.

Die Motorverzahnung 25, die Abtriebsverzahnung 35 und die Kupplungsverzahnung 45 sind jeweils als Rechteckverzahnung mit im Wesentlichen radial angeordneten Zahnflanken ausgebildet (vgl. 5). Die Innenverzahnungen von Motorverzahnung 25 und Abtriebsverzahnung 45 sind dabei identisch ausgebildet. Zudem sind die Verzahnungen derart ausgebildet, dass zwischen den Zahnflanken der Zähne der Kupplungsverzahnung 45 und den Zähnen der beiden Innenverzahnungen ein radialer Spalt 40 vorliegt.The motor gearing 25, the output gearing 35 and the clutch gearing 45 are each designed as rectangular gearing with essentially radially arranged tooth flanks (cf. 5 ). The internal gears of the motor gear 25 and the output gear 45 are identical. In addition, the gears are designed in such a way that there is a radial gap 40 between the tooth flanks of the teeth of the clutch gear 45 and the teeth of the two internal gears.

Das Kupplungselement 41 ist dabei derart ausgebildet und angeordnet, dass die Kupplungsverzahnung 45 je nach Schaltzustand entweder nur im Eingriff mit der Motorverzahnung 25 (vgl. 2 und 3), oder gleichzeitig im Eingriff mit der Motorverzahnung 25 und mit der Abtriebsverzahnung 35 ist (vgl. 4).The coupling element 41 is designed and arranged in such a way that the coupling teeth 45, depending on the switching state, are either only in engagement with the motor teeth 25 (cf. 2 and 3 ), or is simultaneously in engagement with the motor gearing 25 and with the output gearing 35 (cf. 4 ).

Die 2 und 3 zeigen dabei einen ausgekuppelten Zustand der Kupplung 4, das heißt, wenn keine Drehmomentübertragung zwischen Motor 2 und Abtriebselement 3 möglich ist. Im ausgekuppelten Zustand befindet sich das Kupplungselement 41 in axialer Richtung vollständig innerhalb des Motorbereichs 21, sodass die Kupplungsverzahnung 45 nicht mit der Abtriebsverzahnung 35 eingreifen kann.The 2 and 3 show a disengaged state of the clutch 4, that is, when no torque transmission is possible between the motor 2 and the output element 3. In the disengaged state, the clutch element 41 is located completely within the motor area 21 in the axial direction, so that the clutch teeth 45 cannot engage with the output teeth 35.

Ausgehend vom ausgekuppelten Zustand kann das Kupplungselement 41 durch Verschieben in axialer Richtung entlang des Pfeils A (vgl. 2 und 3) in den eingekuppelten Zustand der Kopplung 4 überführt werden, der in 4 dargestellt ist. Im eingekuppelten Zustand ist das Kupplungselement 41 derart angeordnet, dass die Kupplungsverzahnung 45 teilweise jeweils mit der Motorverzahnung 25 und mit der Abtriebsverzahnung 35 im Eingriff steht. Dadurch werden Motorbereich 21 und Abtriebselement 3 drehfest miteinander verbunden, sodass eine Drehmomentübertragung zwischen Motor 2 und Abtriebselement 3 möglich ist.Starting from the disengaged state, the coupling element 41 can be displaced in the axial direction along the arrow A (cf. 2 and 3 ) into the engaged state of the coupling 4, which is in 4 is shown. In the coupled state, the coupling element 41 is arranged in such a way that the coupling teeth 45 are partially in engagement with the motor teeth 25 and with the output teeth 35. As a result, the motor area 21 and the output element 3 are connected to one another in a rotationally fixed manner, so that torque transmission between motor 2 and output element 3 is possible.

Die Verschiebung des Kupplungselements 41 erfolgt dabei mittels eines Aktuators 6. Der Aktuator 6 umfasst einen Elektromagneten 61, der innerhalb der Welle 5 angeordnet ist. Innerhalb des Elektromagneten 61 ist eine Stange 62 des Aktuators 6 angeordnet, die durch Betätigung des Elektromagneten 61 in axialer Richtung verschoben werden kann. Mit der Stange 62 verbunden ist ein Betätigungselement 63, das in axialer Richtung mit dem Kupplungselement 41 in Eingriff steht, um das Kupplungselement 61 in beide Richtungen axial steuerbar betätigbar verschieben zu können.The displacement of the coupling element 41 takes place by means of an actuator 6. The actuator 6 comprises an electromagnet 61, which is arranged inside the shaft 5. A rod 62 of the actuator 6 is arranged inside the electromagnet 61, which can be displaced in the axial direction by actuating the electromagnet 61. Connected to the rod 62 is an actuating element 63, which is in engagement with the coupling element 41 in the axial direction in order to be able to displace the coupling element 61 in both directions in an axially controllable manner.

Die Betätigung des Aktuators 6 kann dabei automatisch und/oder manuell betätigbar erfolgen.The actuator 6 can be operated automatically and/or manually.

In einem Normal-Betriebsmodus, in dem ein Vortrieb des Fahrzeugs 100 gleichzeitig durch die Muskelkraft des Fahrers und durch die Motorunterstützung mittels des Motors 2 erfolgt, befindet sich das Kupplungselement 41 im eingekuppelten Zustand. Durch den Betrieb des Motors 2 kann die Muskelkraft des Fahrers dabei durch das Motormoment unterstützt werden.In a normal operating mode, in which the vehicle 100 is propelled simultaneously by the muscle power of the driver and by the motor support by means of the motor 2, the coupling element 41 is in the engaged state. By operating the motor 2, the muscle power of the driver can be supported by the motor torque.

Die Motorunterstützung erfolgt dabei nur bis zu einer vorbestimmten Maximal-Geschwindigkeit. Wenn eine, beispielsweise mittels eines (nicht dargestellten) Geschwindigkeitssensors erfassbare, Geschwindigkeit des Fahrzeugs 100 die vorbestimmte Maximal-Geschwindigkeit überschreitet, so wird automatisch betätigt das Kupplungselement 41 in den ausgekuppelten Zustand bewegt, um die Drehmomentübertragung zwischen Motor 2 und Abtriebselement 3 zu unterbrechen. Dadurch kann oberhalb der Maximal-Geschwindigkeit der Vortrieb des Fahrzeugs 100 ausschließlich durch die Muskelkraft des Fahrers erzeugt werden. Bei einem nachfolgenden Unterschreiten der Maximal-Geschwindigkeit kann beispielsweise das Kupplungselement 41 wieder in den eingekuppelten Zustand bewegt werden, um die Drehmomentübertragung zwischen Motor 2 und Abtriebselement 3 wieder herzustellen.The motor support only occurs up to a predetermined maximum speed. If a speed of the vehicle 100, which can be detected, for example, by means of a speed sensor (not shown), exceeds the predetermined maximum speed, the clutch element 41 is automatically actuated and moved into the disengaged state in order to interrupt the torque transmission between the engine 2 and the output element 3. As a result, above the maximum speed, the propulsion of the vehicle 100 can be generated exclusively by the muscle power of the driver. If the maximum speed is subsequently undershot, the clutch element 41 can, for example, be moved back into the engaged state in order to restore the torque transmission between the engine 2 and the output element 3.

Weiterhin kann in einem manuellen Betriebsmodus, in welchem ausschließlich ein Antrieb des Fahrzeugs 100 mittels Muskelkraft erfolgt, das Kupplungselement 41 im ausgekuppelten Zustand angeordnet sein. Der Motor 2 ist in diesem manuellen Betriebsmodus inaktiv.Furthermore, in a manual operating mode in which the vehicle 100 is driven exclusively by muscle power, the coupling element 41 can be arranged in the disengaged state. The motor 2 is inactive in this manual operating mode.

Ferner kann die Antriebsanordnung 1 in einem Rekuperationsmodus betrieben werden. Im Rekuperationsmodus bewegt sich das Fahrzeug 100 fort und der Motor 2 ist inaktiv, das heißt erzeugt kein antreibendes Motormoment. Im Rekuperationsmodus befindet sich das Kupplungselement 41 im eingekuppelten Zustand, sodass das rotierende Abtriebselement 3 den Motor 2 in einem generatorischen Betrieb antreibt. Dadurch kann mittels des Motors 2 ein elektrischer Strom erzeugt werden, der beispielsweise in den elektrischen Energiespeicher 109 eingespeichert werden kann.Furthermore, the drive arrangement 1 can be operated in a recuperation mode. In recuperation mode, the vehicle 100 moves forward and the motor 2 is inactive, i.e. it does not generate any driving motor torque. In recuperation mode, the clutch element 41 is in the engaged state, so that the rotating output element 3 drives the motor 2 in a generator mode. As a result, an electric current can be generated by means of the motor 2, which can be stored, for example, in the electrical energy storage device 109.

Der Rekuperationsmodus kann beispielsweise automatisch, vorzugsweise im Ansprechen auf eine Bremsbetätigung, und/oder durch eine manuelle Nutzereingabe mittels der Eingabeeinheit 107 aktiviert werden.The recuperation mode can, for example, be activated automatically, preferably in response to a brake application, and/or by a manual user input using the input unit 107.

Claims

Drive arrangement of a vehicle (100) that can be operated with muscle power and/or motor power, comprising: - an engine (2), - an output element (3), and - a clutch (4), - wherein the clutch (4) has a clutch element (41) with a clutch toothing (45), - wherein the engine (2) has a motor toothing (25), - wherein the output element (3) has an output toothing (35), and - wherein the clutch element (41) can be moved into a coupled and a disengaged state, such that in the coupled state the clutch toothing (45) is simultaneously in engagement with the motor toothing (25) and the output toothing (35) for torque transmission between the engine (2) and the output element (3) via the clutch (4), and in the disengaged state the clutch toothing (45) has at least one of the motor toothing (25) and Output gearing (35) is released.

Drive arrangement according to Claim 1 , wherein the motor (2) and the output element (3) are arranged coaxially to one another.

Drive arrangement according to Claim 2 , wherein the coupling element (41) is arranged coaxially to the motor (2) and the output element (3), and wherein the coupling element is displaceable along the common axis (15).

Drive arrangement according to one of the preceding claims, wherein the clutch toothing (45) is designed as external toothing, and wherein the motor toothing (25) and the output toothing (35) are each designed as internal toothing.

Drive arrangement according to one of the preceding claims, further comprising an actuator (6) which is arranged to controllably actuatable movement of the coupling element (41).

Drive arrangement according to one of the preceding claims, wherein the motor toothing (25) and/or the output toothing (35) and/or the clutch toothing (45) is designed as rectangular toothing.

Drive arrangement according to one of the Claims 2 until 6 , further comprising a shaft (5) which is arranged coaxially to the motor (2) and the output element (3), wherein the motor (2) and the output element (3) are arranged rotatably relative to the shaft (5).

Vehicle operable with muscle power and/or motor power, in particular an electric bicycle, comprising a drive arrangement (1) according to one of the preceding claims.

Vehicle that can be operated with muscle power and/or motor power according to Claim 8 , wherein the output element (3) is a hub of a wheel (110) of the vehicle (100).

Method for operating a vehicle (100) operable with muscle power and/or motor power according to one of the Claims 8 or 9 , comprising the steps: - moving or holding the coupling element (41) in the engaged state, and - operating the motor (2).

Procedure according to Claim 10 , further comprising the step: - moving the coupling element (41) into the disengaged state depending on a speed of the vehicle (100), in particular when the speed exceeds a predetermined maximum speed.

Method according to one of the Claims 10 or 11 , further comprising the step: - operating the drive arrangement (1) in a manual operating mode in which the clutch element (41) is moved or held in the disengaged state while the motor (2) is inactive.

Method according to one of the Claims 10 until 12 , further comprising the step: - operating the drive arrangement (1) in a recuperation mode in which the clutch element (41) is moved or held in the engaged state during movement of the vehicle (100), in order to operate the engine (2) in a generator mode.

Procedure according to Claim 13 , wherein the recuperation mode is activated in response to a recuperation signal, in particular wherein the recuperation signal is generated in response to a brake application and/or a user input.