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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Elektrorad, insbesondere für ein elektromotorisch und mit Muskelkraft hybrid betriebenes Pedelec, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
PCT/EP 2013/057811 ist eine Antriebseinrichtung
1 für ein Elektrorad bekannt, die in
1 teilweise geschnitten perspektivisch dargestellt ist. Die Antriebseinrichtung
1 wird elektromotorisch und mit Muskelkraft hybrid angetrieben und weist ein Antriebsgehäuse
7 auf, in dem für den elektromotorischen Antrieb ein Elektromotor
4 und ein zweistufiges Getriebe
5,
6 mit einem Planetengetriebe
5 und einem Riemengetriebe
6 angeordnet sind. Für den Antrieb mit Muskelkraft enthält die Antriebseinrichtung
1 eine Tretkurbelwelle
2, deren Kurbelzapfen
21,
22 mit nicht näher dargestellten Tretkurbeln verbunden werden, an deren Enden mit Muskelkraft zu betätigende Pedale vorgesehen sind, die über den Hebelarm der Tretkurbeln ein durch Muskelkraft bewirktes Drehmoment auf die Tretkurbelwelle
2 übertragen.
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Die Tretkurbelwelle 2 ist über eine als Klemmkörperfreilauf ausgebildete erste drehrichtungsabhängig geschaltete Kupplung 31 mit einer koaxial zur Tretkurbelwelle 2 angeordneten und drehbar im Antriebsgehäuse 7 gelagerten Hohlwelle 3 verbunden, an deren einem Ende ein Kettenradflansch 30 angeordnet ist, der mit einem Kettenrad verbunden wird, das die Antriebskraft bzw. das Antriebs-Drehmoment über eine Kette auf ein mit dem Hinterrad des Elektrorades verbundenes Kettenritzel bzw. eine Ketten- oder Nabenschaltung überträgt.
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Die elektromotorische Kraft wird von dem Elektromotor 4 erzeugt, der von einer Steuerelektronik angesteuert und mit elektrischer Energie aus einem nicht näher dargestellten Akkumulator versorgt wird.
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Das von der Motorwelle 40 des Elektromotors 4 abgegebene Drehmoment wird über das zweistufige Getriebe 5, 6 und eine als Klemmkörperfreilauf ausgebildete zweite drehrichtungsabhängig geschaltete Kupplung 32 auf die Hohlwelle 3 übertragen. Das zweistufige Getriebe 5, 6 bewirkt eine Übersetzung der Drehzahl des Elektromotors 4 ins Langsame, so dass ein schnell laufender Elektromotor 4 geringer Baugröße zur Minimierung sowohl des Gewichts als auch der Baugröße der Antriebseinrichtung 1 eingesetzt werden kann.
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Das zweistufige Getriebe 5, 6 weist in der ersten Getriebestufe das Planetengetriebe 5 und in der zweiten Getriebestufe das Riemengetriebe 6 auf. Das Planetengetriebe 5 enthält ein mit der Motorwelle 40 des Elektromotors 4 verbundenes, vorzugsweise schräg verzahntes Sonnenrad 50, drei um 120 ° zueinander versetzt drehbar an einem Planetenradträger 55 angeordnete und mit dem Sonnenrad 50 in Verzahnungseingriff stehende, schräg verzahnte Planetenräder 51, 52, 53 und ein mit dem Antriebsgehäuse 7 verbundenes, feststehendes Hohlrad 54, mit dessen schräg verzahnter Innenverzahnung die schräg verzahnten Außenverzahnungen der Planetenräder 51, 52, 53 kämmen. Die Planetenräder 51, 52, 53 sind auf Achsen des Planetenradträgers 55 drehbar gelagert.
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Der Planetenradträger 55 ist mit einem Riemenantriebsrad 61 des die zweite Getriebestufe bildenden Riemengetriebes 6 verbunden. In einer Bohrung des Riemenantriebsrades 61 ist die Motorwelle 40 des Elektromotors 4 drehbar gelagert.
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Das Riemengetriebe 6 enthält das mit dem Planetenradträger 55 fest verbundene Riemenantriebsrad 61 und ein mit einer Außenverzahnung versehenes Riemenabtriebsrad 62, das über die zweite drehrichtungsabhängig geschaltete Kupplung 82 mit der Hohlwelle 3 koppelbar ist. Mit den Außenverzahnungen des Riemenantriebsrades 61 und Riemenabtriebsrades 62 steht ein Zahnnriemen 60 in Eingriff. Da das Riemengetriebe 6 eine Untersetzung der Drehzahl des Elektromotors 4 bewirken soll, weist das Riemenantriebsrad 61 einen geringeren Durchmesser bzw. eine geringere Zähnezahl auf als das Riemenabtriebsrad 62. Das flexible Riemen 60 ist über eine zwischen der Achse des Riemenantriebsrades 61 und der Achse des Riemenabtriebsrades 62 angeordnete Umlenkrolle 63 gelegt, die derart zwischen dem Riemenantriebsrad 61 und dem Riemenabtriebsrad 62 angeordnet ist, dass der Umschlingungswinkel des flexiblen Riemens 60 um das Riemenantriebsrad 61 und Riemenabtriebsrad 62 vergrößert wird.
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Zur Erfassung der Drehzahl und Drehrichtung der Tretkurbelwelle 2 ist ein Sensor vorgesehen, der eine mit der Tretkurbelwelle 2 verbundene Zahnscheibe 10 zur Beeinflussung des magnetischen Widerstands und einen Hallsensor aufweist, der bei Drehung der Zahnscheibe 10 Sensorsignale an die Steuerelektronik des Hybridantriebs abgibt. Aus den sensorisch erfassten Drehmoment- und Drehzahlwerten wird über die Steuerelektronik die durch den Fahrer durch Muskelkraft aufgebrachte Leistung ermittelt und über die Steuerelektronik die vom Elektromotor 4 abzugebende elektromotorische Leistung zur Unterstützung des Fahrers gesteuert.
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Das Riemenantriebsrad und das Riemenabtriebsrad werden üblicherweise aus Stahl oder Aluminium im Spritzgussverfahren hergestellt, wofür zum Entformen der Werkstücke aus dem Spritzgusswerkzeug Schrägen in Kantenbereichen des Werkzeugs und entsprechende Entformschrägen im Werkstück erforderlich sind. Derartige Entformschrägen sind aber im Bereich der Außenverzahnung des Riemenantriebsrades und Riemenabtriebsrades wegen der erforderlichen Lauffläche für den Zahnriemen und dessen Führung auf deren Außenverzahnungen nicht zulässig. Aus diesem Grunde ist eine aufwendige Nachbearbeitung des Riemenantriebsrades und Riemenabtriebsrades beispielsweise durch Walzen oder Kalibrieren zum Entfernen der Entformschrägen erforderlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, die Herstellung zumindest des Riemenantriebsrades ohne Qualitätseinbußen zu vereinfachen und die Montage der Antriebseinrichtung zu erleichtern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Lösung vereinfacht die Herstellung zumindest des Riemenantriebsrades, da dessen Herstellung im Magnesium-Spritzgussverfahren ohne Entformschräge aufgrund der geringen Dichte des Magnesiums und dessen besonderer Eignung für die Anwendung des Spritzgussverfahrens realisierbar ist. Dadurch ist der Einsatz zumindest des Riemenantriebsrades, aber bei entsprechender Anwendung des Magnesium-Spritzgussverfahrens auch zur Herstellung des Riemenabtriebsrades ohne Nachbearbeitung zur Beseitigung von Entformschrägen gewährleistet.
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Bedingt durch die hohe werkzeugfallende Genauigkeit bei der Herstellung des Riemenantriebsrades im Magnesium-Spritzgussverfahren können in das Riemenantriebsrad aus Magnesium weitere Funktionen direkt in das Riemenantriebsrad bereits beim Spritzguss integriert werden, um das Riemenantriebsrad als vorteilhaftes Multifunktionsteil mit eine Außenverzahnung, einer Schnittstelle zu einer Labyrinthdichtung für eine Abdeckung des Planetengetriebes, einer Bundscheibe zur Führung und als Anlauf für den Zahnriemen und Zapfen zur Aufnahme der Planetenräder auszubilden.
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Dabei dient die Bundscheibe sowohl zum Anlauf und zur Führung des Zahnriemens des Riemengetriebes als auch zur Ausbildung einer Schnittstelle zu einer Labyrinthdichtung zwischen der Bundscheibe und einer Abdeckung für das Planetengetriebe, wobei die Bundscheibe axial abgestuft ist und einen an die Außenverzahnung angrenzenden ersten Scheibendurchmesser und einen zweiten Scheibendurchmesser aufweist, von dessen Oberfläche die Zapfen zur Aufnahme der Planetenräder senkrecht abstehen, und wobei der zweite Scheibendurchmesser zur Ausbildung einer Abstufung der Labyrinthdichtung größer ist als der erste Scheibendurchmesser.
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Vorzugsweise sind drei um jeweils 120 ° gegeneinander versetzte Zapfen vorgesehen, wobei die Zapfen auf radial endseitigen Aufdickungen radial ausgerichteter Speichen des zweiten Scheibendurchmessers angeordnet sind.
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Die Aufdickungen an den radialen Enden der radial ausgerichteten Speichen zur Aufnahme der Zapfen für die Planetenräder des Planetengetriebes gewährleisten eine hohe Stabilität der Anordnung der Zapfen und einen reibungsfreien Lauf der Planetenräder, während die Lücken zwischen den radial ausgerichteten Speichen der Werkstoffeinsparung und Gewichtsreduzierung dienen.
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In bevorzugter Ausführungsform ist zumindest das Riemenantriebsrad mit einer Hartoxidschicht beschichtet, durch die der Verschleiß des Riemenantriebsrades aus Magnesium im Betrieb verringert wird.
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Anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sollen die Merkmale der Erfindung sowie daraus ableitbare Varianten näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine teilweise geschnittene, perspektivische Darstellung einer Antriebseinrichtung mit einer Tretkurbelwelle, einem Elektromotor und einem zweistufigen, ein Planeten- und Riemengetriebe enthaltenden Getriebe;
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2 eine perspektivische Darstellung der in die erste Gehäuseschale eingesetzten Antriebseinrichtung bei abgenommener zweiter Gehäuseschale;
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3 eine perspektivische Darstellung der Antriebseinrichtung ohne Riemen und Riemenabtriebsrad des Riemengetriebes;
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4 eine perspektivische Darstellung der Antriebseinrichtung bei zusätzlich entferntem Riemenantriebsrad bzw. Koppelrad und Planetenradträger des Planetengetriebes;
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5 eine perspektivische Darstellung der Antriebseinrichtung gemäß 6 bei abgenommener Abdeckung;
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6 eine perspektivische Darstellung der Abdeckung und
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7 und 8 perspektivische Ansichten des aus Magnesium hergestellten und mit einer Hartoxidschicht versehenen Riemenantriebsrades.
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2 zeigt in perspektivischer Ansicht die Antriebseinrichtung bei abgenommener zweiter Gehäuseschale 73 und in die erste Gehäuseschale 72 eingesetzter Antriebseinrichtung, von der das über die Stirnwand 720 der ersten Gehäuseschale 72 überstehende Riemengetriebe 6 zu erkennen ist. Das Riemengetriebe 6 enthält ein Riemenantriebsrad 61, ein mit der Hohlwelle 3 verbundenes Riemenabtriebsrad 62, einen mit den Außenverzahnungen des Riemenantriebsrades 61 und Riemenabtriebsrades 62 kämmenden Zahnriemen 60 sowie eine Spann- und Umlenkrolle 63 zur Vergrößerung des Umschlingungswinkels des Zahnriemens 60 um das Riemenantriebsrad 61 und Riemenabtriebsrad 62 sowie zum Spannen des Zahnriemens 60.
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Aufgrund des unvermeidlichen Abriebs, der bei der Drehung des Riemengetriebes 6 trotz optimalen Verzahnungseingriffs des Zahnriemens 60 in die Außenverzahnungen des Riemenantriebsrades 61 und Riemenabtriebsrades 62 entsteht, ist eine Abdeckung 8 vorgesehen, die ein darunter liegendes, koaxial zum Riemenantriebsrad 61 angeordnetes Planetengetriebe abschirmt und gleichzeitig infolge der axialen Fixierung der Abdeckung 8 an der ersten Gehäuseschale 72 Funktionselemente des Planetengetriebes axial sichert.
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3 zeigt in perspektivischer Ansicht den Gehäuserahmen 70 der ersten Gehäuseschale 72 mit einer rohrförmigen Durchführung 74 mit axial abgestuften Durchmessern und daneben die mit dem Gehäuserahmen 70 formschlüssig mittels bajonettartiger Verriegelung verbundene Abdeckung 8, die koaxial zur Motorwelle 40 des in dieser Darstellung nicht erkennbaren Elektromotors sowie des infolge der Abdeckung 8 nicht erkennbaren Planetengetriebes angeordnet ist.
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Außerhalb der Abdeckung 8 befindet sich das Riemenantriebsrad 61, mit einem Planetenradträger des Planetengetriebes verbunden ist. Der Planetenradträger weist eine axial abgestufte Bundscheibe 55, 56 gemäß den 7 und 8 sowie Zapfen 510, 520, 530 zur Aufnahme von Planetenrädern 51 bis 53 gemäß 5 auf. Wie eingangs beschrieben, werden die Planetenräder 51, 52, 53 von dem mit der Motorwelle 40 des Elektromotors 4 verbundenen Sonnenrad 50 angetrieben.
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Der Übergang von der drehenden Bundscheibe 55, 56 des Planetenradträgers zum Innendurchmesser 81 der feststehenden, mit dem Gehäuserahmen 70 verbundenen Abdeckung 8 wird durch eine Labyrinthdichtung 80 gebildet, wobei der Innendurchmesser 81 der Abdeckung 8 der axial abgestuften Bundscheibe 55, 56 des Planetenradträgers unter Ausbildung eines sehr schmalen Spaltes dazwischen durch axial abgestufte Durchmesser angepasst ist, so dass keine Reibung zwischen der mit dem Riemenantriebsrad 61 mitdrehenden axial abgestuften Bundscheibe 55, 56 und dem feststehenden Innendurchmesser 81 der Abdeckung 8 auftritt, gleichwohl aber eine Abschirmung des Planetengetriebes gegenüber dem Riemengetriebe gewährleistet ist.
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Die Verbindung der Abdeckung 8 mit dem Gehäuserahmen 70 des Antriebsgehäuses 7 wird entsprechend den 2 bis 4 durch eine bajonettartige Verriegelung mit radialer Fixierung hergestellt. Die Bajonettverbindung enthält
- – einerseits am Außendurchmesser der Abdeckung 8 eine aus periodisch angeordneten Wellenbergen 85 und Wellentälern 86 bestehende wellenförmige Formschlusskontur,
- – andererseits am Innendurchmesser einer topfförmigen Ausnehmung 79 des Gehäuserahmens 70 zur Aufnahme des Planetengetriebes 5 eine aus periodisch angeordneten Wellenbergen 75 und Wellentälern 76 bestehende wellenförmige Gegenformschlusskontur sowie mit den Wellenbergen 75 der wellenförmigen, periodischen Gegenformschlusskontur 75, 76 des Gehäuserahmens 70 fluchtende Hinterschneidungen 77, die durch einen Spalt zur Aufnahme der Wellenberge 85 der Abdeckung 8 oberhalb der Oberkante der Wellenberge 75 der Gegenformschlusskontur 75, 76 des Gehäuserahmens 70 ausgebildet ist,
- – sowie eine von der Oberfläche der Abdeckung 8 abstehende Rastnase 88, die in der Verriegelungsposition in eine Rastnut 78 des Gehäuserahmens 70 eingreift.
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Zur manuellen Betätigung der Abdeckung 8 stehen von der Oberfläche der Abdeckung 8 gemäß 3 Montagedome 82, 83, 84 ab, die gleichmäßig, das heißt um jeweils 120° umfangsseitig gegeneinander versetzt angeordnet sind.
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Zur Verbindung der Abdeckung 8 mit dem Gehäuserahmen 70 bzw. dem Antriebsgehäuse 7 wird die Abdeckung 8 nach dem Einbau des Planetengetriebes 5 und des Elektromotors 4 in den Gehäuserahmen 70 in einer Einsetzposition, in der die Wellenberge 85 der Abdeckung 8 mit den Wellentälern 76 des Gehäuserahmens 70 sowie die Wellentäler 86 der Abdeckung 8 mit den Wellenbergen 75 des Gehäuserahmens 70 fluchten, in axialer Richtung in die topfförmige Ausnehmung 79 des Gehäuserahmens 70 eingesetzt. Durch Drehung der Abdeckung 8 mittels manueller Betätigung der Montagedome 82, 83, 84 werden die Wellenberge 85 der Abdeckung 8 in den die Hinterschneidungen 77 bildenden Spalt zwischen den Wellenbergen 75 des Gehäuserahmens 70 gedreht bis die Rastnase 88 der Abdeckung 8 in die Rastnut 78 des Gehäuserahmens 70 eingreift. In dieser Verriegelungsposition ist die Abdeckung 8 bajonettartig mit dem Gehäuserahmen 70 und damit mit dem Antriebsgehäuse 7 verriegelt.
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Durch die Labyrinthdichtung 80 zwischen dem Innendurchmesser 81 der Abdeckung 8 und der axial abgestuften Bundscheibe 55, 56 des mit dem Riemenantriebsrad 61 verbundenen Planetenradträgers wird das in der topfförmigen Ausnehmung 74 angeordnete Planetengetriebe 5 gegenüber Verschmutzungen abgeschirmt, die durch einen Abrieb des Riemengetriebes 6 auftreten können.
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Gleichzeitig bewirkt die bajonettartige Verriegelung der Abdeckung 8 mit dem Gehäuserahmen 70 eine axiale Fixierung des in 5 dargestellten Hohlrades 54 des Planetengetriebes 5. Das radial gesichert mit dem Gehäuserahmen 70 verbundene, feststehende Hohlrad 54 wird in die topfförmige Ausnehmung 79 des Gehäuserahmens 70 eingepresst, so dass es in Umfangsrichtung kraftschlüssig mit dem Gehäuserahmen 70 verbunden ist.
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Das in den 7 und 8 in perspektivischen Ansichten aus unterschiedlichen Blickrichtungen dargestellte Riemenantriebsrad 61 weist eine mit einer Außenverzahnung 610 versehene Außenverzahnung für einen Zahnriemen und axial daran angrenzend eine Bundscheibe 55, 56 mit axial abgestuften Durchmessern auf, die der Anlage und Führung des mit der Außenverzahnung 610 des Riemenantriebsrades 61 kämmenden Zahnriemens 60 gemäß 1 dienen. Die Bundscheibe 55, 56 setzt sich aus einem an die Außenverzahnung 610 angrenzenden ersten Scheibendurchmesser 55 und einem axial hierzu versetzten zweiten Scheibendurchmesser 56 größeren Durchmessers zusammen und bildet einen abgestuften Umfangsrand, der zusammen mit dem abgestuften Innendurchmesser der Abdeckung 8 die Labyrinthdichtung ausbildet, wobei zwischen den abgestuften Innendurchmessern der Abdeckung 8 und dem abgestuften Umfangsrand des Riemenantriebsrades 61 ein geringer Spalt vorgesehen ist, der eine Reibung zwischen den beiden Dichtungsteilen verhindert.
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Auf der der Außenverzahnung 610 abgewandten Seite weist die Bundscheibe 55, 56 die vom zweiten Scheibendurchmesser 56 abstehende, um jeweils 120 ° gegeneinander versetzten Zapfen 510, 520, 530 zur Aufnahme der Planetenräder 51, 52, 53 auf. Die Zapfen 510, 520, 530 stehen senkrecht von Verdickungen 564, 565, 566 ab, die am Ende radial ausgerichteter Speichen 561, 562, 563 des zweiten Scheibendurchmessers 56 angeordnet sind, zwischen denen Vertiefungen 560 zur Gewichtsreduzierung und Materialeinsparung ausgebildet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinrichtung
- 2
- Tretkurbelwelle
- 3
- Hohlwelle
- 4
- Elektromotor
- 5
- Planetengetriebe
- 6
- Riemengetriebe
- 7
- Antriebsgehäuse
- 8
- Abdeckung
- 10
- Zahnscheibe
- 21, 22
- Kurbelzapfen
- 30
- Kettenradflansch
- 31
- erste drehrichtungsabhängig geschaltete Kupplung
- 32
- zweite drehrichtungsabhängig geschaltete Kupplung
- 40
- Motorwelle
- 50
- Sonnenrad
- 51–53
- Planetenräder
- 54
- feststehendes Hohlrad
- 55, 56
- Bundscheibe mit axial abgestuften Durchmessern (Planetenradträger)
- 60
- Zahnriemen
- 61
- Riemenantriebsrad
- 62
- Riemenabtriebsrad
- 63
- Umlenkrolle
- 70
- Gehäuserahmen
- 71
- Gehäusedeckel
- 72
- Erste Gehäuseschale
- 73
- Zweite Gehäuseschale
- 74
- Rohrförmige Durchführung
- 75
- Wellenberge
- 76
- Wellentäler
- 77
- Hinterschneidungen
- 78
- Gegenformschlusselement (Rastnut)
- 79
- Topfförmige Ausnehmung
- 80
- Labyrinthdichtung
- 81
- Innendurchmesser
- 82–84
- Montagedome
- 85, 86
- Periodische Formschlusskontur
- 85
- Wellenberge
- 86
- Wellentäler
- 88
- Formschlusselement (Rastnase)
- 510, 520, 530
- Zapfen
- 560
- Vertiefung
- 561, 562, 563
- Speichen
- 564, 565, 566
- Aufdickungen
- 610
- Außenverzahnung
- 720
- Stirnwand der ersten Gehäuseschale
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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