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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 als Riemengetriebe ausgebildeten Zugmittelgetriebe
6 angeordnet sind. Für den Antrieb mit Muskelkraft enthält die Antriebseinrichtung
1 eine Tretkurbelwelle
2, deren Tretkurbelzapfen
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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Zur Erfassung der Drehzahl und Drehrichtung der Tretkurbelwelle 2 ist ein Sensor vorgesehen, der eine mit der Tretkurbelwelle 2 verbundene Metallringscheibe 8 zur Beeinflussung des magnetischen Widerstands und einen Hallsensor aufweist, der bei Drehung der sternförmigen Metallringscheibe 8 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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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Impulsrad für den Hall-Sensor zur Erfassung der Drehzahl und gegebenenfalls der Drehrichtung der Tretkurbelwelle verdrehsicher und radial zentriert auf der Tretkurbelwelle zu positionieren und die Montage eines Kugellagers der Tretkurbelwelle zu erleichtern und dessen exakte Ausrichtung zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Lösung, das Impulsrad aus einer mit Kunststoff umspritzten, sternförmigen Metallringscheibe und beidseitig der mit Kunststoff umspritzten Metallringscheibe Naben aus Kunststoff nach Art eines Doppelrohrflansches auszubilden und auf einen Wellenabschnitt der Tretkurbelwelle aufzustecken, gewährleistet einerseits eine verdrehsichere und radial zentrierte Positionierung des Impulsrades für den Hall-Sensor zur Erfassung der Drehzahl und gegebenenfalls der Drehrichtung der Tretkurbelwelle als auch eine leichte Montage und exakte Ausrichtung eines Kugellagers der Tretkurbelwelle.
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Zudem kann als Impulsrad eine sehr dünne, sternförmige Metallringscheibe ohne Stabilitätseinbuße verwendet werden, da infolge der Kunststoffumspritzung der sternförmigen Metallringscheibe eine hinreichende Stabilität des Impulsrades gewährleistet ist.
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Durch die Ausbildung zweier Naben beidseitig des Impulsrades dient die Stirnseite der wellenbundseitigen Nabe axial als Anschlag an einen Wellenbund der Tretkurbelwelle, während die auf der anderen Seite vom Impulsrad abstehende kugellagerseitige Nabe als Anschlag für den Lagerinnenring eines Kugellagers dient, so dass das Kugellager bei der Montage auf Anschlag gegen das als Doppelrohrflansch ausgebildete Impulsrad auf die Tretkurbelwelle gepresst werden kann und dadurch eine exakte Position einnimmt.
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Die Anordnung von beidseitig des Impulsrades bzw. der mit Kunststoff umspritzten sternförmigen Metallringscheibe stellt eine vergrößerte Verbindungsfläche der Welle-Naben-Verbindung für die exakte radiale Zentrierung des Impulsrades bereit und schafft die Voraussetzung für eine exakte axiale Positionierung des Impulsrades durch einen stirnseitigen Anschlag der wellenbundseitigen Nabe an den Wellenbund der Tretkurbelwelle.
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Zur Sicherung der Verbindung der sternförmigen Metallringscheibe mit dem Kunststoff und zur Erleichterung des Einsetzens der sternförmigen Metallringscheibe in eine Spritzform stehen vom Innenumfang der Metallringscheibe Nasen zur formschlüssigen Verbindung der Metallringscheibe und des Kunststoffs ab.
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Vorzugsweise sind die gesamte sternförmige Metallringscheibe einschließlich der vom Innenumfang der Metallringscheibe abstehenden Nasen und der Zähne am Außenumfang der Metallringscheibe mit Kunststoff umspritzt, so dass einerseits eine feste formschlüssige Verbindung zwischen der Metallringscheibe und dem Kunststoff infolge der mit Kunststoff umspritzten Nasen am Innenumfang der Metallringscheibe und der Zähne am Außenumfang der Metallringscheibe und andererseits eine korrekte Erfassung der Drehzahl und ggf. der Drehrichtung der Tretkurbelwelle durch die geschützte Einbettung der Zähne in Kunststoff gewährleistet ist.
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In bevorzugter Ausführungsform stehen vom Innenumfang mindestens einer der beiden Naben axial ausgerichtete Zentrierstege ab, die den Kontakt zum Wellenabschnitt herstellen. Die Zentrierstege ermöglichen eine leicht kraftschlüssige Verbindung aber auch ein leicht kraftschlüssiges Lösen der Verbindung mit der Tretkurbelwelle und ein leichtes Zentrieren des Impulsrades bzw. ein leichtes Nacharbeiten zur Zentrierung des Impulsrades gegenüber einer vollflächigen Anlage des Innenumfangs des Impulsrades am Wellenabschnitt der Tretkurbelwelle.
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Zur Verdrehsicherung des Impulsrades wird eine radial formschlüssige Verbindung und damit drehfeste Positionierung des Impulsrades auf der Tretkurbelwelle durch ein im Innenumfang der Naben und am Außenumfang der Tretkurbelwelle axial ausgerichtete Passfedernuten hergestellt, in die eine Passfeder zur formschlüssigen Welle-Naben-Verbindung eingelegt ist.
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Alternativ kann im Innenumfang der Naben eine Passfeder aus Kunststoff ausgebildet werden, die zur formschlüssigen Welle-Naben-Verbindung und Verdrehsicherung des Impulsrades in eine Passfedernut der Tretkurbelwelle einsteckbar ist.
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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, einer Hohlwelle, einem Elektromotor, einer außenverzahnten Metallringscheibe für einen Hall-Sensor und einem zweistufigen Getriebe;
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2 eine perspektivische Darstellung der Tretkurbelwelle mit endseitigen Kurbelzapfen und einer Passfedernut zur Verdrehsicherung eines Impulsrades;
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3 eine perspektivische Darstellung der sternförmigen Metallringscheibe mit einer Außenringverzahnung und am Innenring ausgebildeten Nasen;
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4 eine perspektivische Darstellung des Impulsrades mit kunststoffumspritzter, sternförmiger Metallringscheibe und wellenbundseitiger Nabe;
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5 eine perspektivische Darstellung des Impulsrades mit kunststoffumspritzter, sternförmiger Metallringscheibe und kugellagerseitiger Nabe;
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6 und 7 eine perspektivische Ansicht und Sprengzeichnung der Tretkurbelwelle, des Impulsrades und eines Kugellagers zur Lagerung der Tretkurbelwelle;
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8 eine perspektivische Ansicht der Tretkurbelwelle, eines Teilschnitts des auf einem Wellenabschnitt der Tretkurbelwelle montierten Impulsrades mit beidseitigen Naben und eines Teilschnitts des Kugellagers und
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9 eine perspektivische Ansicht der Tretkurbelwelle, des auf dem Wellenabschnitt der Tretkurbelwelle montierten Impulsrades mit beidseitigen Naben und des Kugellagers.
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Die in 2 perspektivisch dargestellte Tretkurbelwelle 2 weist an ihren beidseitigen Enden gezahnte Tretkurbelzapfen 21, 22, einen Wellenbund 23 und Wellenabschnitte 24, 25 zur Aufnahme eines mit Kunststoff umspritzten Impulsrades 9 für einen Hall-Sensor gemäß den 4 und 5 und eines Kugellagers 10 zur Lagerung der Tretkurbelwelle 2 gemäß den 6 bis 9 sowie eine Passfedernut 26 zur Aufnahme einer Passfeder 11 gemäß 4 zur Verdrehsicherung des Impulsrades auf.
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3 zeigt in ebenfalls perspektivischer Ansicht eine sternförmige Metallringscheibe 8 mit einer Außenringverzahnung 80 und drei um jeweils 120 ° gegeneinander versetzte, nach innen gerichteten Nasen 81. Zur Erzeugung eines Drehzahlsignals der Tretkurbelwelle 2 ist ein insbesondere als integrierter Schaltkreis ausgebildeter Hall-Sensor mit integrierten Magneten vorgesehen, der den magnetischen Fluss der vorbeilaufenden Außenverzahnung 80 der sternförmigen Metallringscheibe 8 entsprechend gepulst wird, so dass ein Sensorsignal an eine Steuer- und Regeleinrichtung einer Antriebseinrichtung abgegeben wird, die der Drehzahl und gegebenenfalls der Drehrichtung des Impulsrades entspricht.
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In den 4 und 5 ist in perspektivischer Ansicht aus entgegen gesetzten Blickrichtungen das Impulsrad 9 dargestellt, das aus einer mit Kunststoff 90 umspritzten sternförmigen Metallringscheibe 8 gemäß 3 und beidseitig von der mit Kunststoff 90 umspritzten sternförmigen Metallringscheibe 8 abstehenden Naben 91, 92 aus Kunststoff 90 besteht, die beim Umspritzen der sternförmigen Metallringscheibe 8 in einer Spritzgussform mit angespritzt werden.
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Dabei sind sowohl die Außenringverzahnung 80 als auch die drei um jeweils 120 ° gegeneinander versetzten, nach innen gerichteten Nasen 81 der sternförmigen Metallringscheibe 8 mit Kunststoff 90 umspritzt, so dass sowohl die Lücken zwischen der Außenverzahnung 80 als auch die Segmente zwischen den nach innen gerichteten Nasen 81 der sternförmigen Metallringscheibe 8 mit Kunststoff 90 ausgefüllt sind und am Außenumfang ein flächenförmiges umfangsseitig geschlossenes Impulsrad 9 mit abwechselnd Metallzähnen und mit Kunststoff 90 ausgefüllten Lücken ergeben.
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Die drei um jeweils 120 ° gegeneinander versetzten, nach innen gerichteten Nasen 81 dienen im Wesentlichen zur Sicherung der Verbindung der sternförmigen Metallringscheibe 8 mit dem Kunststoff 90 und zur Erleichterung des Einsetzens der sternförmigen Metallringscheibe 8 in eine Spritzgussform zum Umspritzen der sternförmigen Metallringscheibe 8.
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Zusätzlich zu der Umspritzung der sternförmigen Metallringscheibe 8 bildet der Kunststoff 90 beidseitig der mit Kunststoff 90 umspritzten sternförmigen Metallringscheibe 8 Naben 91, 92 nach Art eines Doppelrohrflansches aus. An den Außenflächen der Naben 91, 92 sind sternförmig Verstärkungsrippen 93, 94 angeordnet. Die Stirnseite 910 der einen, wellenbundseitigen Nabe 91 dient einerseits als Anschlag an die Stirnfläche 230 des Wellenbundes 23 der Tretkurbelwelle 2 und die Stirnseite 920 der anderen, kugellagerseitigen Nabe 92 als Anschlag für den Lagerinnenring 100 eines auf dem Wellenabschnitt 25 anzuordnenden Kugellagers 10 gemäß den 6 bis 9 zur Lagerung der Tretkurbelwelle 2.
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4 zeigt in perspektivischer Ansicht die dem Wellenbund 23 der Tretkurbelwelle 2 zugewandte Seite des Impulsrades 9 mit der wellenbundseitigen Nabe 91 und deren Stirnseite 910, die im montierten Zustand an die Stirnseite 230 des Wellenbundes 23 anschlägt. An die Innenfläche des Impulsrades 9 ist eine axial ausgerichtete Passfeder 11 angeformt. Alternativ zu einer an die Innenfläche des Impulsrades 9 angeformten Passfeder 11 kann eine gesonderte Passfeder in eine Passfedernut in den Innenumfang des Impulsrades 9 eingesetzt werden.
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Der perspektivischen Darstellung gemäß 5 ist die kugellagerseitige Nabe 92 des Impulsrades 9 zu entnehmen, das auf seinem Innenumfang mehrere radial gegeneinander versetzte, axial ausgerichtete Zentrierstege 95 aufweist, die sich mit leichtem Kraftschluss an den Umfang des Lagerabschnitts 25 der Tretkurbelwelle 2 anlegen. Die Zentrierstege 95 mit rechteckförmigem Querschnitt erleichtern die Montage des Impulsrades 9, bewirken aber eine spielfreie Anlage des Impulsrades 9 am Umfang des Lagerabschnitts 25 der Tretkurbelwelle 2 und dienen der Zentrierung des Impulsrades 9 durch eine abschnittweise Anlage am Umfang des Lagerabschnitts 25 der Tretkurbelwelle 2, so dass mit geringem Aufwand auch eine Nacharbeitung bei nicht zentrischer Ausrichtung des Impulsrades 9 oder eines zu starken Kraftschlusses mit dem Umfang des Lagerabschnitts 25 der Tretkurbelwelle 2 vorgenommen werden kann.
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Die 6 und 7 zeigen in perspektivischer Sprengdarstellung aus verschiedenen Blickrichtungen die Tretkurbelwelle 2, das Impulsrad 9 mit der wellenbundseitigen Nabe 91 und der kugellagerseitigen Nabe 92 sowie das Kugellager 10 vor dem Aufstecken des Impulsrades 9 und des Kugellagers 10 auf die Wellenabschnitte 24, 25 der Tretkurbelwelle 2 und die radiale Festlegung bzw. Verdrehsicherung des Impulsrades 9 mittels der in die Passfedernut 26 eingesteckte Passfeder 11 am Innenumfang der Naben 91, 92.
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Zur Montage des Impulsrades 9 wird dieses auf die Wellenabschnitte 24, 25 der Tretkurbelwelle 2 aufgesteckt, bis die Stirnseite 910 der wellenbundseitigen Nabe 91 an die Stirnfläche 230 des Wellenbundes 23 der Tretkurbelwelle 2 anschlägt. Dabei greift die Passfeder 11 in die Passfedernut 25 der Tretkurbelwelle 2 zur Verdrehsicherung des Impulsrades 9 ein. Anschließend wird das Kugellager 10 auf den verbleibenden Teil des Wellenabschnitts 25 der Tretkurbelwelle 2 aufgesteckt und der Innenring 100 des Kugellagers 10 bis zum Anschlag gegen die Stirnseite 920 der kugellagerseitigen Nabe 92 gepresst, wobei durch den Anschlag der Stirnseite 910 der wellenbundseitigen Nabe 91 des Impulsrades 9 an der Stirnfläche 230 des Wellenbundes 23 der Tretkurbelwelle 2 und den Anschlag des Innenrings 100 des Kugellagers 10 an der Stirnseite der kugellagerseitigen Nabe 92 eine exakte axiale Positionierung des Kugellagers 10 gewährleistet ist.
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Die Passfeder-Nut-Verbindung zwischen dem Impulsrad 9 und der Tretkurbelwelle 2 gewährleistet eine exakte, formschlüssige radiale Positionierung bzw. Verdrehsicherung des Impulsrades 9 sowie infolge des durchgehenden Kraft- und Formschlusses vom Wellenbund 23 der Tretkurbelwelle 2 zum Kugellager 10 eine exakte axiale Ausrichtung des Impulsrades.
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In den 8 und 9 ist in perspektivischen Ansichten und einem Teilschnitt das mit der Tretkurbelwelle 2 verbundene Impulsrad 9 sowie das auf den Wellenabschnitt 25 aufgesteckte Kugellager 10 dargestellt und verdeutlicht in dem Teilschnitt gemäß 8 den durchgehenden Kraft- und Formschluss vom Wellenbund 23 der Tretkurbelwelle 2 zum Kugellager 10.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinrichtung
- 2
- Tretkurbelwelle
- 3
- Hohlwelle
- 4
- Elektromotor
- 5
- Planetengetriebe
- 6
- Zugmittelgetriebe
- 7
- Antriebsgehäuse
- 8
- sternförmige Metallringscheibe
- 9
- Impulsrad
- 10
- Kugellager
- 11
- Passfeder
- 21, 22
- Tretkurbelzapfen
- 23
- Wellenbund
- 24, 25
- Wellenabschnitte
- 26
- Passfedernut
- 30
- Kettenradflansch
- 80
- Außenringverzahnung
- 81
- Nasen
- 90
- Kunststoff
- 91
- wellenbundseitige Nabe
- 92
- kugellagerseitige Nabe
- 93, 94
- Verstärkungsrippen
- 95
- Zentrierstege
- 100
- Lagerinnenring
- 230
- Stirnfläche des Wellenbundes
- 910, 920
- Stirnseiten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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