DE69631853T2

DE69631853T2 - Hilfsantrieb für Fahrräder

Info

Publication number: DE69631853T2
Application number: DE69631853T
Authority: DE
Inventors: Kosaku Hamana-gun Yamauchi; Shinobu Hamamatsu-shi Tsutsumikoshi; Hisao Hamamatsu-shi Nagai
Original assignee: Suzuki Co Ltd; Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Co Ltd; Suzuki Motor Corp
Priority date: 1995-04-03
Filing date: 1996-04-02
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2016-04-03
Also published as: EP0736449B1; DE69631853D1; EP0736449A3; US5749429A; EP0736449A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Hilfskraftvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein mit Hilfskraft angetriebenes Fahrrad.
Eine Hilfskraftvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der JP-A-7081660 bekannt.
Die Hilfskraftvorrichtung eines solchen mit Hilfsmotor ausgestatteten Fahrrads besitzt eine Kraftkompositionseinrichtung, die die auf eine Kurbelwelle aufgebrachte Pedalkraft und die von einem Elektromotor aufgebrachte Hilfskraft zusammensetzt und die zusammengesetzte Kraft auf ein Antriebsrad überträgt. Für die Kraftkompositionseinrichtung verwendet man üblicherweise ein Planetengetriebe oder ein Differentialgetriebe.
Beim Zusammensetzen von Pedalkraft und Hilfskraft durch die Kraftkompositionseinrichtung ist es notwendig, eine Ausgangsgröße des Elektromotors derart zu steuern, daß ein Unterstützungs- oder Hilfsverhältnis seitens der Hilfskraft oder Hilfsleistung, das ist das Verhältnis der Pedalkraft zu der Hilfskraft, zu jeder Zeit konstant ist, vorzugsweise ein Hilfsverhältnis von 1 zu 1 erreicht wird, um hierdurch das eigene physische Empfinden beim Niederdrücken des Pedals zu erhalten und so ein angenehmes Gefühl beim Betätigen des mit Hilfskraft betriebenen Fahrrads zu gewinnen. Besonderes Augenmerk ist hierbei erforderlich, damit die Hilfskraft niemals die Pedalkraft übersteigt.
Bei einem herkömmlichen System wird die Pedalkraft durch eine besondere Detektoreinrichtung (das heißt einen Drehmomentfühler) ermittelt, und ein entsprechendes Signal wird in die Steuereinrichtung (eine kleine CPU) eingegeben. Die Steuereinrichtung setzt eine Stromstärke für den Elektromotor entsprechend der Pedalkraft fest und steuert damit die Ausgangsgröße des Elektromotors in der Weise, daß ein Hilfsverhältnis von 1 zu 1 zu jedem Zeitpunkt erreicht wird.
Allerdings gibt es bei jeder individuellen Einheit einen kleinen Unterschied, beispielsweise in der Genauigkeit der Detektoreinrichtung, die die Pedalkraft ermittelt, in der Ausgangskennlinie des Elektromotors bezüglich der Stromstärke, oder beim Reibungsverlust der Kraftkompositionseinrichtung und dergleichen. Wenn diese geringfügigen Unterschiede addiert werden, ändert sich das Unterstützungsverhältnis empfindlich.
Um also ein Hilfsverhältnis von 1 zu 1 zu erreichen, ist eine strenge Gesamtprüfung der Genauigkeit der Pedalkraft-Detektoreinrichtung, der Ausgangskennlinie des Elektromotors und der Reibungsverluste der Kraftkompositionseinrichtung und dergleichen unerläßlich. Nach dem Zusammenfassen all dieser Komponenten muß die Ausgangsgröße des Elektromotors erneut geprüft werden. Wenn diese Vorgehensweise gewählt wird, läßt sich eine starke Zunahme der Kosten ebenso wenig vermeiden wie eine geringere Produktivität.
Auch wenn das Hilfsverhältnis von 1 zu 1 bei einem neuen Fahrrad mit vollständig aufgeladener Batterie erreicht wird, so übersteigt die Hilfskraft die Pedalkraft dann, wenn die Ausgangsgröße des Elektromotors zunimmt, weil die Batterie zufällig überladen ist, oder das Ausgangsmoment des Elektromotors relativ zunimmt, wenn der Reibungsverlust der Kraftkompositionseinrichtung nach dem Einfahrvorgang geringer wird. Damit ist ein Unterstützungsverhältnis von 1 zu 1 nicht immer garantiert.
Eine Hilfs- oder Unterstützungsleistung, die die Pedalkraft übersteigt, führt nicht nur zu einem unnatürlichen Gefühl beim Fahren des mit Hilfsmotor ausgestatteten Fahrrads, sondern führt auch zu einer unerwarteten Beschleunigungskraft für den Fahrer. Um diesen Zustand zu vermeiden, muß man vorab das Ausgangsmoment des Elektromotors auf einem relativ geringen Pegel einstellen, damit die Hilfskraft die Pedalkraft auch dann nicht übersteigt, wenn die Batterie überladen ist oder die Reibungsverluste der Kraftkompositionseinrichtung geringer werden.
Wenn allerdings die Ausgangsgröße des Elektromotors auf einen relativ geringen Wert eingestellt wird als Maßnahme gegen eine überladene Batterie oder verringerte Reibungs verluste der Kraftkompositionseinrichtung, so wird die Ausgangsgröße des Elektromotors zu gering, wenn die Batterie korrekt aufgeladen ist oder das Fahrrad neu ist, also Reibungsverluste in der Kraftkompositionseinrichtung relativ groß sind. In diesem Fall läßt sich ein Unterstützungsverhältnis von 1 zu 1 nicht aufrecht erhalten. Es sei angemerkt, daß dann, wenn die Spannung der Batterie abgesunken ist, die Ausgangsgröße des Elektromotors weiter abnimmt und das Unterstützungsverhältnis weiter reduziert wird.
Zusätzlich zu den oben angesprochenen Problemen war die Kraftkompositionseinrichtung bei der herkömmlichen Hilfskraftvorrichtung kompliziert und im Aufbau teuer, da ein Planeten- oder ein Differentialgetriebe eingesetzt wurde, was den Nachteil hat, daß die Hilfskraftvorrichtung in ihrer Größe und in ihrem Gewicht zunimmt und ihre Herstellungskosten beträchtlich sind.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die in dem oben beschriebenen Stand der Technik anzutreffenden Probleme zu lösen, und es ist Aufgabe der Erfindung, eine Hilfskraftvorrichtung für ein mit Hilfskraft betriebenes Fahrrad anzugeben, bei der das Hilfsverhältnis der Hilfsleistung durch einen Elektromotor exakt auf 1 zu 1 oder auf ein optionales Verhältnis gesteuert werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Erfindung schafft außerdem ein mit Hilfsleistung angetriebenes Fahrrad, welches die Hilfskrafteinheit enthält.
Die Hilfskraftvorrichtung für ein mit Hilfskraft betriebenes Fahrrad kann die Produktivität und den Betrieb ebenso verbessern wie die Haltbarkeit einer Kraftkompositionseinrichtung, während eine Verringerung von Größe und Gewicht der Kraftkompositionseinrichtung dadurch angestrebt wird, daß man deren Struktur vereinfacht und gleichzeitig die Pedalkraft beim Fahren mit ausschließlich menschlicher Kraft weitestgehend reduziert.
Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau kann, weil das Hilfsverhältnis direkt und mechanisch an dem Teil der Kraftkompositionseinrichtung erfaßt wird, wo die Pedalkraft und die Hilfskraft zusammengesetzt werden, das Hilfsverhältnis ohne Fehler exakt bestimmt werden. Da außerdem das Hilfsverhältnis auf 1 zu 1 oder eine optionale Betragsdifferenz eingestellt wird aufgrund der Netto-Ausgangsgröße des Elektromotors, lassen sich Einflüsse auf das Hilfsverhältnis, beispielsweise durch die Streuung der Ausgangskennlinien des Elektromotors, den Ladezustand der Batterie oder eine Änderung der Reibungsverluste vor und nach dem Einfahren, vollständig ignorieren, so daß eine exakte Steuerung des Hilfsverhältnisses möglich ist.
In der Hilfskraftvorrichtung für das mit Hilfskraft betriebene Fahrrad gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält die Kraftkompositionseinrichtung ein Ausgangsdrehelement zum Übertragen einer Ausgangsgröße auf die Antriebsradseite, ein Kraftkompositions-Drehelement, welches drehfest mit dem Ausgangsdrehelement verbunden und gegenüber diesem axial beweglich ist, ein Pedalkraft-Übertragungselement und ein Hilfskraft-Übertragungselement, die auf zwei Seiten des Kraftkompositions-Drehelements angeordnet sind, um die Pedalkraft bzw. die Hilfsleistung zur Drehung in gleicher Richtung aufzunehmen, eine Drehmoment-Steuerkurve zum Übertragen der Drehkräfte des Pedalkraft-Übertragungselements und des Hilfskraft-Übertragungselements auf das Kraftkompositions-Drehelement und zur gleichzeitigen Veranlassung, daß zwei Axialkräfte mit einem Betrag proportional zur Pedalkraft bzw. der Hilfsleistung auf das Kraftkompositions-Drehelement aus zwei Seiten von diesem her einwirken, und eine Schraubenfeder, um das Kraftkompositions-Drehelement in eine neutrale Stellung auf dem Ausgangsdrehelement zu drängen. Die Axialkraftbetrags-Differenzdetektoreinrichtung dient als Stellungsfühler zum Nachweisen der Verlagerungsrichtung und des Verlagerungshubs des Kraftkompositions-Drehelements gegenüber der neutralen Stellung und zur Eingabe dieser Größen in die Steuereinrichtung.
Bei diesem Aufbau werden das Pedalkraft-Übertragungselement und das Hilfsleistungs-Übertragungselement, die auf den beiden Seiten des Kraftkompositionselements angeordnet sind, in die gleiche Richtung bei Aufnahme der Pedalkraft bzw. der Hilfskraft gedreht, so daß die Drehmomente über die Drehmoment-Steuerkurve auf das Kraftkompositionselement übertragen werden. Aus diesem Grund wird das Kraftkompositionselement zusammen mit der Ausgangswelle gedreht, und das Drehmoment der Ausgangswelle wird auf die Antriebsradseite als zusammengesetzte Kraft aus Pedalkraft und Hilfskraft übertragen.
Wenn bei einem vollständigen Halt das Kraftkompositionselement sich in der Neutralstellung auf der Ausgangswelle befindet, bedingt durch die Vorspannkraft der Schraubenfeder, werden gleichzeitig die Pedalkraft und die Hilfskraft übertragen, und es werden zwei Kraftkomponenten mit einem Betrag proportional zur Pedalkraft und zur Hilfskraft über die Drehmoment-Steuerkurve auf das Kraftkompositionselement als Schubkraft von den beiden Seiten des Kraftkompositionselements her aufgebracht.
Wenn das Hilfsverhältnis 1 zu 1 beträgt, das heißt, wenn die jeweiligen Beträge von Pedalkraft und Hilfskraft gleich groß sind, sind auch die Beträge der beiden Kraftkomponenten, die von beiden Seiten auf das Kraftkompositionselement einwirken, gleich groß und sind voneinander versetzt, so daß die Stellung des Kraftkompositionselements bei der neutralen Position verbleibt. Wenn allerdings das Hilfsverhältnis nicht 1 zu 1 beträgt, wird das Kraftkompositionselement in axialer Richtung der Ausgangswelle derjenigen Kraftkomponente bewegt, die stärker ausgeprägt ist, weil die Beträge der beiden Kraftkomponenten ungleich werden.
Somit ermittelt die Kraftkomponentenbetrag-Differenzdetektoreinrichtung als Stellungsfühler für das Kraftkompositionselement die Verlagerungsrichtung und den Verlagerungshub des Kraftkompositionselements aus dessen neutraler Stellung und gibt den entsprechenden Wert in die Steuereinrichtung ein. Basierend auf dieser Eingabe berechnet die Steuereingabeeinrichtung die Differenz zwischen den beiden Kraftkomponenten und steuert die Ausgangsgröße des Elektromotors so, daß die Differenz auf „0" oder einen optimalen Betragsdifferenzwert gebracht wird.
Da bei diesem Aufbau die Struktur der Kraftkompositionseinrichtung sehr einfach ist, kann man die Produktivität der Kraftkompositionseinrichtung erhöhen und gleichzeitig versuchen, Größe und Gewicht der Kraftkompositionseinrichtung zu verringern.
Bei der erfindungsgemäßen Hilfskraftvorrichtung eines mit Hilfskraft betriebenen Fahrrads ist das Ausgangsdrehelement in der Form eines Zylinders ausgebildet, der auf einem Außenumfang der Kurbelwelle angeordnet ist, um sich gegenüber diesem zu drehen.
Bei diesem Aufbau befindet sich die Kraftkompositionseinrichtung insgesamt in koaxialer Lage bezüglich der Kurbelwelle, so daß die Anordnung sehr kompakt ist. Darüber hinaus ist im Fall eines Antriebs durch ausschließlich menschliche Kraft ohne Einsatz des Elektromotors, weil die Ausgangswelle sich zusammen mit der Kurbelwelle dreht, deren Drehwiderstand kleiner als dann, wenn die Ausgangswelle an einer getrennten Achse gegenüber der Kurbelwelle angeordnet ist, was wiederum die Pedalkraft deutlich reduziert.
Da erfindungsgemäß der Aufbau durch die beanspruchte Konstruktion der Kraftkompositionseinrichtung sehr einfach ist, kann man eine Verbesserung der Produktivität und einen kompakten Aufbau für die Kraftkompositionseinrichtung erzielen.
Außerdem befindet sich bei der erfindungsgemäßen Hilfskraftvorrichtung des mit Hilfskraft betriebenen Fahrrads in einer Ausführungsform die Kugel-Keilverzahnung der Kraftkompositionseinrichtung an einem diametral gelegenen Außenumfang gegenüber der Drehmoment-Steuerkurve und der Schraubenfeder. Auf diese Weise läßt sich der Durchmesser der Kugel-Keilverzahnung vergrößern und demzufolge wird das Drehmoment, das auf die Kugel-Keilverzahnung einwirkt, verringert, so daß ein ruckfreier Betrieb der Kugel-Keilverzahnung möglich ist. Im Ergebnis wird auch die Arbeitsweise der Drehmoment-Steuerkurve glatt, die Betriebsfähigkeit und die Haltbarkeit der Kraftkompositionseinrichtung werden deutlich gesteigert.
Die Drehmoment-Steuerkurve kann eine Steuerrolle aufweisen, die drehbar an dem Pedalkraft-Übertragungselement und dem Hilfskraft-Übertragungselement angeordnet ist, wobei ihre Drehachse orthogonal zur Kurbelwelle verläuft, während eine in Spiralrichtung an dem Kraftkompositions-Drehelement verlaufende Steuernut mit der Steuerrolle zusammenwirkt.
Da auf diese Weise die Drehmoment-Steuerkurven zum Übertragen der Pedalkraft und der Hilfskraft auf das Kraftkompositions-Drehelement jeweils als Rolle ausgebildet sind, ist der Widerstand im Betrieb jeder Drehmoment-Steuerkurve sehr gering, was eine exaktere Steuerung des Hilfsverhältnisses ermöglicht.
Weiterhin ist die Hilfskraftvorrichtung derart aufgebaut, daß eine an dem Pedalkraft-Übertragungselement vorgesehene Lagerfläche und eine an dem Hilfskraft-Übertragungselement vorgesehene Lagerfläche so positioniert sind, daß sie in axialer Richtung der Kurbelwelle voneinander getrennt sind, wobei das Kraftkompositions-Drehelement so gelagert ist, daß es sich zwischen die beiden Lagerflächen erstreckt.
Auf diese Weise wird eine Verschiebung der Achse des Kraftkompositions-Drehelements in dessen Gesamtheit gegenüber der Kurbelwelle minimiert, so daß das Ermitteln der Lage des Kraftkompositions-Drehelements genauer ist. Hiermit ist es möglich, die Beträge von Pedalkraft und Hilfskraft, die auf die Kraftkompositionseinrichtung einwirken, exakter zu ermitteln.
Außerdem sind bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hilfskraftvorrichtung der die Kugel-Keilverzahnung bildende Teil und der die Steuerkurve bildende Teil des Kraftkompositions-Drehelements als voneinander getrennte Elemente ausgebildet, wobei der die Kugel-Keilverzahnung bildende Teil und der die Steuerkurve bildende Teil durch Befestigungsschrauben zusammengefügt sind.
In diesem Fall kann man unterschiedliche Werkstoffe für den die Kugel-Keilverzahnung bildenden Teil einerseits und den die Steuerkurve bildenden Teil andererseits verwenden, also ein passendes Material für jedes Teil verwenden, was die Haltbarkeit der Kraftkompositionseinrichtung deutlich verbessert. Da außerdem der die Kugel-Keilverzahnung bil dende Teil und der die Steuerkurve bildende Teil mit Schrauben zusammengefügt sind, lassen sich die Teile leicht zerlegen, und man kann verschiedene Werkstoffe für die verschiedenen Teile verwenden und dabei die Möglichkeit eines Auseinandernehmens und Zusammenbauens der Kraftkompositionseinrichtung erhalten.
Außerdem ist bei der Hilfskraftvorrichtung des mit Hilfskraft betriebenen Fahrrads der Teil zum Anschrauben des die Kugel-Keilverzahnung bildenden Teils und des die Steuerkurve bildenden Teils des Kraftkompositions-Drehelements an einem Außenumfang der Lagerfläche an dem Pedalkraft-Übertragungselement angeordnet. Hierdurch ist es möglich, in wirksamer Weise einen Totraum innerhalb der Kraftkompositionseinrichtung zu nutzen, um eine Zunahme der Größe der Kraftkompositionseinrichtung zu vermeiden.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform ist das Paar Schraubenfedern der Kraftkompositionseinrichtung in den Raum zwischen dem Kupplungsgehäuse des Pedalkraft-Übertragungselements und des Hilfskraft-Übertragungselements derart eingesetzt, daß sich der Lastteil des Kraftkompositions-Drehelements zwischen den beiden Schraubenfedern befindet. Hierdurch wirkt die Reaktionskraft der Schraubenfeder nicht auf die anderen Drehteile der Kraftkompositionseinrichtung ein, was Reibungsverluste der Kraftkompositionseinrichtung deutlich verringert.
Außerdem kann bei der Hilfskraftvorrichtung des mit Hilfskraft betriebenen Fahrrads gemäß der Erfindung das Ausgangsdrehelement an der Kurbelwelle nahe dem Pedalkraft-Übertragungselement gelagert werden, wobei letzteres mit dem Ausgangsdrehelement zur Relativdrehung gegenüber diesem verbunden ist, während es in axialer Richtung gegenüber diesem nicht getrennt wird.
Die Bewegung des Pedalkraft-Übertragungselements aufgrund von Spiel der Kurbelwelle in axialer Richtung läßt sich hierdurch verhindern, so daß eine Bewegung aufgrund von Spiel in axialer Richtung des Kraftkompositionsflansches des Kraftkompositions-Drehelements vermieden und damit eine genauere Steuerung des Hilfsverhältnisses möglich ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung deutlicher anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine längsseitige Ansicht eines Fahrrads mit Hilfsantrieb gemäß der Erfindung in einer Ansicht von links;
2 eine Querschnittansicht einer Hilfskraftvorrichtung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Längsschnittansicht der Hilfskraftvorrichtung entsprechend der Linie III-III in 2;
4 eine vergrößerte Schnittansicht, die ein erstes Beispiel für eine Kraftkompositionseinrichtung der Hilfskraftvorrichtung zeigt;
5 eine vergrößerte Schnittansicht eines zweiten Beispiels für die Kraftkompositionseinrichtung;
6 eine Ansicht entsprechend dem Pfeil VI in 4;
7 eine Ansicht entsprechend einem Pfeil VII in 5;
8 ein Blockdiagramm eines Steuersystems der in 2 gezeigten Hilfskraftvorrichtung;
9 eine Querschnittansicht einer Hilfskraftvorrichtung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
10 eine Längsschnittansicht der Hilfskraftvorrichtung entlang der Linie X-X in 9;
11 eine vergrößerte Längsschnittansicht der Kraftkompositionseinrichtung;
12 eine Teilschnittansicht, die den Aufbau einer Drehmoment-Steuerkurve der Kraftkompositionseinrichtung veranschaulicht;
13 ein Blockdiagramm des Steuersystems der in 9 gezeigten Hilfskraftvorrichtung;
14A eine Längsschnittansicht der Kraftkompositionseinrichtung in dem Fall, daß die Pedalkraft stärker ist als die Hilfskraft;
14B eine Längsschnittansicht der Kraftkompositionseinrichtung für den Fall, daß die Pedalkraft und die Hilfsleistung einander gleichen;
14C eine Längsschnittansicht der Kraftkompositionseinrichtung für den Fall, daß die Hilfskraft stärker ist als die Pedalkraft;
15A eine Teilschnittansicht der Kraftkompositionseinrichtung für den Fall, daß die Pedalkraft stärker als die Hilfskraft ist;
15B eine Teilschnittansicht der Kraftkompositionseinrichtung für den Fall, daß die Pedalkraft und die Hilfskraft einander gleichen;
15C eine Teilschnittansicht der Kraftkompositionseinrichtung für den Fall, daß die Hilfskraft stärker als die Pedalkraft ist;
16 eine Querschnittansicht einer Hilfskraftvorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
17 eine Längsschnittansicht der Hilfskraftvorrichtung entlang der Linie XVII-XVII in 16;
18 eine vergrößerte Querschnittansicht einer Kraftkompositionseinrichtung;
19 zeigt eine Steuerkurvenhülse allein, wobei ein Kraftkompositionsgehäuse von dem Kraftkompositions-Drehelement entfernt ist;
20 ist eine Draufsicht auf einen Stellungsfühler;
21 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems für die in 16 gezeigte Hilfskraftvorrichtung;
22A ist eine Längsschnittansicht der Kraftkompositionseinrichtung für den Fall, daß die Pedalkraft intensiver als die Hilfskraft ist;
22B ist eine Längsschnittansicht der Kraftkompositionseinrichtung für den Fall, daß die Pedalkraft und die Hilfskraft einander gleichen;
22C ist eine Längsschnittansicht der Kraftkompositionseinrichtung für den Fall, daß die Hilfskraft intensiver als die Pedalkraft ist;
23 ist eine Ansicht der in 16 gezeigten Hilfskraftvorrichtung von rechts;
24 ist eine Längsschnittansicht entlang der Linie XXIV-XXIV in 16;
25 ist eine vergrößerte Ansicht einer in 16 gezeigten Rückdrehsperre; und
26 ist eine Ansicht entlang der Linie XXVI-XXVI in 25.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.
Zunächst ist 1 eine Seitenansicht eines durch Hilfskraft unterstützten Fahrrads gemäß der Erfindung von links. Ein durch Hilfskraft unterstütztes Fahrrad 1 besitzt einen Rahmen 2, beispielsweise bestehend aus einem Metallrohr, und eine Hilfskraftvorrichtung 3, die an einem unteren Teil des Rahmens 2 gelagert ist.
Der Rahmen 2 besitzt ein Kopfrohr im vorderen Bereich, ein Oberrohr 5 und ein Unterrohr 6, die sich beide ausgehend von dem Kopfrohr 4 schräg nach unten und hinten erstrecken. Ein Zwischenbereich des Oberrohrs 5 und ein Abschnitt in der Nähe des hinteren Endes des Unterrohrs 6 sind miteinander über ein Brückenteil 7 verbunden, und der hintere Endbereich des Oberrohrs 5 ist über einen Sitzbügel 5 mit dem unteren Teil des Sattelrohrs 8 unter einem steilen Winkel verbunden. Ein Paar linker und rechter Verbindungsrohre 11 erstrecken sich von dem Sitzbügel 9 ausgehend nach unten. Die unteren Endbereiche der Verbindungsrohre 11 sind nach links und nach rechts geöffnet, und dort ist ein Kettenbügel 12 in Form eines Rohres angebracht, der sich in Richtung der Breite des Rahmens erstreckt. Ein Paar bildende linke und rechte Kettenstreben 13 erstrecken sich von dem Kettenbügel 12 aus nach hinten.
In der Nähe des oberen Endes des Sattelrohrs 8 setzt ein Paar linker und rechter Sattelstreben 14 an, die sich schräg nach unten und hinten erstrecken. Die unteren Endbereiche der Sattelstreben 14 sind mit einem Endbereich der Kettenstreben 13 über ein hinteres Endstück 15 verbunden.
An dem hinteren Endbereich des Unterrohrs 6, an einem Zwischenbereich des Verbindungsrohrs 11 und an einem unteren Bereich des Kettenbügels 12 sind Befestigungsträger 16, 17 bzw. 18 angebracht. Die oben beschriebene Hilfskraftvorrichtung 3 ist an den Befestigungsträgern 16, 17 und 18 mittels Bolzen befestigt. Damit ist der hintere Endbereich des Unterrohrs 6 mit dem Kettenbügel 12 über die Hilfskraftvorrichtung 3 derart verbunden, daß letztere auch als Strukturelement des Rahmens 2 fungiert.
An dem Kopfrohr 4 ist nach links und nach rechts drehbar eine Vordergabel 19 gelagert, an deren unterem Endbereich ein Vorderrad 20 gelagert ist. Ein Lenker 22 ist an dem oberen Teil der Vordergabel 19 mittels einer Lenkerstütze 21 befestigt. Weiterhin befindet sich an der Vordergabel 19, mit dieser eine starre Dreheinheit bildend, ein vorderes Schutzblech 23, welches das Vorderrad 20 abdeckt, weiterhin eine Vorderradbremse 24 und ein Körbchen zur Aufnahme von Gegenständen.
Ein Hinterrad 26 ist an dem oben erwähnten hinteren Endstück 15 am hinteren Endbereich des Rahmens 2 gehaltert. Ein hinteres Schutzblech 27 bedeckt das Hinterrad 26 und ist an der Kettenstrebe 13, der Sattelstrebe 14 und dem hinteren Endstück 15 fixiert. Eine Hinterradbremse 28 zum Abbremsen des Hinterrads befindet sich an der Sattelstrebe 14. Es sei angemerkt, daß ein Seitenständer 29 zum Abstützen des Rahmens in aufrechter Stellung bei alleinstehendem Fahrrad an dem hinteren Endstück 15 angebracht ist.
Eine Sattelstütze 31 ist in das Sattelrohr 8 von dessen Oberseite her eingeführt und fixiert, am oberen Ende der Sattelstütze 31 befindet sich ein Sattel 32. An der Hilfskraftvorrichtung 3 ist eine Kurbelwelle 33 gelagert, die sich in Breitenrichtung des Fahrrads erstreckt. An den beiden Enden der Kurbelwelle 33 sind drehfest eine Kurbel 34L und eine Kurbel 34R angebracht, an deren Enden sich wiederum Pedale 35 befinden, die drehbar gelagert sind.
Die Kurbelwelle 33 bildet außerdem eine Welle für ein Endantriebs-Kettenrad 36, das sich auf der rechten Seite der Hilfsvorrichtung 3 befindet, wobei eine Kette 38 um das Endantriebs-Kettenrad 36 und ein angetriebenes Kettenrad 37 am Hinterrad 26 geführt ist.
Die Kurbelwelle 33 wird drehend in Vorwärtsrichtung gemäß Pfeil F1 angetrieben, wenn das Pedal 35 von dem auf dem Sattel 32 sitzenden Fahrer mit dem Fuß niedergetreten wird. Dabei wird das Endantriebs-Kettenrad 36 in die gleiche Richtung wie die Kurbel welle 33 gedreht, und diese Drehung wird über die Kette 38 auf das angetriebene Kettenrad 37 zum Antreiben des Hinterrads 26 übertragen.
Eine Batterieeinheit 40 zum Speisen eines in die Hilfskraftvorrichtung 3 eingebauten Elektromotors ist an einem Bereich zwischen dem Oberrohr 5 und dem Unterrohr 6 des Rahmens 2 befestigt. Die Batterieeinheit 40 ist beispielsweise derart aufgebaut, daß mehrere kleine Batterien 41 und ein (nicht gezeigtes) Ladegerät in einem aus Kunstharz bestehenden Batteriegehäuse 42 untergebracht sind. Es sei angemerkt, daß die Steuereinrichtung 43 zum Steuern eines Ausgangsmoments des Elektromotors am oberen Teil der Hilfskraftvorrichtung 3 befestigt ist.
2 ist eine Querschnittansicht der Hilfskraftvorrichtung 3 einer ersten Ausführungsform der Erfindung, 3 ist eine Längsschnittansicht der Hilfskraftvorrichtung 3 entlang der Linie III-III. 2 ist eine Ansicht entlang der Linie II-II in 3.
Ein eine Außenhülle der Hilfskraftvorrichtung 3 bildendes Gehäuse 45 ist beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt und ist gemäß 2 durch eine Reihe von Elementen aufgebaut wie beispielsweise einem linksseitigen Gehäuseteil 46 und einem rechtsseitigen Gehäuseteil 47 an der Innenseite in Breitenrichtung des Rahmens, außerdem einer linken Gehäuseabdeckung 48 zum Abdecken der gesamten linken Seite des linksseitigen Gehäuseteils 46, und einer rechten Gehäuseabdeckung 49, die an der rechten Seite des rechtsseitigen Gehäuseteils 47 fixiert ist. 3 zeigt den Zustand, in welchem die linke Gehäuseabdeckung 48 abgenommen ist.
Die Kurbelwelle 33 ist drehbar am hinteren Teil des Gehäuses 45 mittels Lagern 51 und 52 gehaltert. Die Kurbeln 34L und 34R sind durch Bolzen 53 an den beiden Enden der Kurbelwelle 33 fixiert, die von dem Gehäuse 45 nach links und nach rechts abstehen.
Am vorderen Teil des Gehäuses 45 ist eine Elektromotorkammer 54 ausgebildet, in der in der oben beschriebenen Weise ein Elektromotor 55 untergebracht ist. Der Elektromotor 55 dient zum Erzeugen einer Hilfsleistung oder Hilfskraft, einer Hauptwelle 56 des Mo tors verläuft parallel zu der Kurbelwelle 33. Mehrere von der rechten Seite des Gehäuses 45 eingesetzte Schraubenbolzen 57 durchdringen die rechte Gehäuseabdeckung 49 und einen Außengehäuseteil 58 des Elektromotors 55, sie sind an dem linksseitigen Gehäuseteil 46 festgezogen. Die rechte Gehäuseabdeckung 49 und der Elektromotor 55 sind mit dem linksseitigen Gehäuseteil 46 durch Bolzen 57 fest verbunden.
Eine mit Wälzkörpern arbeitende Planeten-Untersetzungseinrichtung 60 befindet sich auf der linken Seite des Elektromotors 55. Ein Sonnenrad 51 der Untersetzungseinrichtung 60 ist mit einer Welle an dem linken Ende durch ein Lager 62 an der linken Gehäuseabdeckung 48 gelagert, während das rechte Ende von einem Lager 63 am linksseitigen Gehäuseteil 46 gehaltert wird. Gleichzeitig ist die Welle durch eine Keilverzahnung am linken Ende der Hauptwelle 56 des Elektromotors 55 drehfest angebracht.
Ein ringförmiger Kranz 64 ist mit Bolzen 65 am linksseitigen Gehäuseteil 46 fixiert, und ein Untersetzungsträger 66 ist an der linken Seite des Kranzes 64 über ein Lager 67 zur Drehung um das Sonnenrad 61 gehaltert. Vier Rollenwellen 68 parallel zu dem Sonnenrad 61 sind an dem Untersetzungsträger 66 ausgebildet, und an den Rollenwellen 68 sind Planetenrollen 69 drehbar gelagert. Die Außenumfangsfläche der vier Planetenrollen 69 steht in Berührung mit der Innenumfangsfläche des Kranzes 64 und der Außenumfangsfläche des Sonnenrads 61. Außerdem ist ein Primärantriebszahnrad 71 an der linksseitigen Oberfläche des Untersetzungsträgers 66 drehfest mit diesem vorgesehen. Wenn die Hauptwelle 56 des Elektromotors 55 sich dreht, dreht sich damit auch das Sonnenrad 61 der Planeten-Untersetzungseinrichtung 60, demzufolge jede Planetenrolle 69 sich um das Sonnenrad 61 dreht, während ihre eigene Achse sich zwischen dem feststehenden Kranz 64 und dem sich drehenden Sonnenrad 61 befindet. Hierdurch werden der Untersetzungsträger 66 und das Primärantriebszahnrad 71 mit einer reduzierten Drehzahl gedreht. Die Hauptwelle 56 des Sonnenrads 61 wird gemäß Pfeilrichtung F2 nach vorn gedreht, der Untersetzungsträger 66 und das Primärantriebszahnrad 71 drehen sich in dieselbe Richtung.
Obschon bei dieser Ausführungsform die Planeten-Untersetzungseinrichtung 60 als Wälzkörper-Einrichtung ausgebildet ist, kann die Planeten-Untersetzungseinrichtung 60 auch als beispielsweise Zahnradgetriebe ausgebildet sein, in welchem am Außenumfang des Sonnenrads 61 Ritzel angebracht sind, während der Kranz 64 als Zahnkranz (mit Innenverzahnung) ausgebildet ist und jede Planetenrolle 69 ein Planetenzahnrad ist, welches mit den Ritzeln und dem Zahnkranz kämmt.
Andererseits ist eine Zwischenwelle 73 drehbar von Lagern 74 und 75 zwischen dem Sonnenrad 61 und der Kurbelwelle 33 gehaltert. Die Zwischenwelle 73 verläuft parallel zur Kurbelwelle 33, und ein mit dem Primärantriebszahnrad 71 kämmendes primäres angetriebenes Zahnrad 76 mit großem Durchmesser befindet sich am linken Ende der Welle 73 unter Zwischenschaltung einer Einwegkupplung 77. Am rechten Ende ist drehfest ein zweites Antriebszahnrad 78 mit kleinem Durchmesser angebracht. Das primäre angetriebene Zahnrad 76 wird gemäß Pfeil R in Rückwärtsrichtung gedreht, wobei die Einwegkupplung 77 nur die in Richtung R verlaufende Drehung des Primärantriebszahnrads 76 auf die Zwischenwelle 73 überträgt.
Koaxial zu der Kurbelwelle 33 ist eine Kraftkompositionseinrichtung vorgesehen. 4 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die ein erstes Beispiel der Kraftkompositionseinrichtung 80A darstellt, die beispielsweise die im folgenden erläuterte Struktur besitzt.
Am Außenumfang der Kurbelwelle 33 ist über ein Metallager 82 ein zylindrisches Ausgangsdrehelement 81 drehbar gelagert. Ein rechter Endbereich des Ausgangsdrehelements 81 steht von dem Gehäuse 45 nach außen weg, und das Endantriebs-Kettenrad 36 ist an diesem vorstehenden Teil drehfest angebracht.
Ein kurzes zylindrisches Kraftkompositions-Drehelement 43 ist am Außenumfang des Ausgangsdrehelements 81 gelagert. Eine Kugel-Keilverzahnung 84 befindet sich zwischen dem Kraftkompositions-Drehelement 83 und dem Ausgangsdrehelement 81, so daß das Kraftkompositions-Drehelement 83 drehfest mit dem Ausgangsdrehelement 81 und axial beweglich gegenüber letzterem verbunden ist. Ein sich radial erstreckender flacher Flansch 85 ist einstückig am Mittelbereich des Kraftkompositions-Drehelements 83 ausgebildet.
Auf der linken Seite des Kraftkompositions-Drehelements 83 befindet sich ein Pedalkraft-Übertragungselement 87, welches an der Kurbelwelle 33 über eine Einwegkupplung 88 gelagert ist und einstückig mit einem Hülsenteil 89 ausgebildet ist, welches das Kraftkompositions-Drehelement 83 umgibt und einen sich radial erstreckenden Außenflansch 90 aufweist. Obschon die Einwegkupplung 88 die Drehung in Pfeilrichtung F1 der Kurbelwelle 33 auf das Pedalkraft-Übertragungselement 87 überträgt, löst sie diese Verbindung zwischen der Kurbelwelle 33 und dem Pedalkraft-Übertragungselement 87, um einen Freilauf der Kurbelwelle 33 zu ermöglichen, wenn sich diese in Rückwärtsrichtung dreht.
Auf der rechten Seite des Kraftkompositions-Drehelements 83 befindet sich ein Hilfskraft- oder Hilfsleistungs-Übertragungselement 91, welches drehbar am Außenumfang des Ausgangsdrehelements 81 gelagert und einstückig mit einem Hülsen- oder Buchsenteil 92 ausgebildet ist, welches das Kraftkompositions-Drehelement 83 umgibt. Außerdem ist es mit einem einen großen Durchmesser aufweisenden sekundären angetriebenen Zahnrad 93 ausgestattet. Da dieses sekundäre angetriebene Zahnrad 93 mit dem Sekundär-Antriebszahnrad 78 der Zwischenwelle 73 kämmt, empfängt das Hilfskraft-Übertragungselement 91 die von dem Elektromotor 55 aufgebrachte Hilfskraft, um in die gleiche Richtung F1 gedreht zu werden wie das Pedalkraft-Übertragungselement 87.
Zwischen dem Kraftkompositions-Drehelement 83 und dem Pedalkraft-Übertragungselement 87 befindet sich eine Drehmoment-Steuerkurvenanordnung (im folgenden: Drehmomentsteuerkurve) 95, und zwischen dem Kraftkompositions-Drehelement 83 und dem Hilfskraft-Übertragungselement 91 befindet sich eine Drehmomentsteuerkurve 96. Wenn beispielsweise gemäß 6 die Drehmomentsteuerkurve 95, 96 gebildet wird durch eine Innensteuerkurve 95a, 96a in Form eines Doppel-Schneckenrads an einer äußeren Umfangsfläche des Kraftkompositions-Drehelements 83, und durch eine Außensteuerkurve 95b, 96b an der Innenumfangsfläche des Buchsenteils 89, 92 des Pedalkraft-Übertragungselements 87 bzw. des Hilfskraft-Übertragungselements 91 für den Eingriff mit der Innensteuerkurve 95a, 96a, so verlaufen die jeweiligen Richtungen der Steuerkurven-Neigung der Drehmomentsteuerkurve 95 und der Drehmo mentsteuerkurve 96 symmetrisch bezüglich des Kraftkompositionsflansches 85, und die Neigungswinkel α und β haben die gleiche Winkelgröße.
Eine Schraubenfeder 97 ist in dem Raum zwischen dem Kraftkompositionsflansch 85 des Kraftkompositions-Drehelements 83 und dem Außenflansch 90 des Pedalkraft-Übertragungselements 87 angeordnet, während eine Schraubenfeder 98 sich in dem Raum zwischen dem Kraftkompositionsflansch 85 und dem sekundären angetriebenen Zahnrad 93 des Hilfskraft-Übertragungselements 91 befindet. Die beiden Schraubenfedern 97, 98 besitzen gleiche Abmessungen und gleiche Spannkraft.
Das Pedalkraft-Übertragungselement 87 und das Hilfskraft-Übertragungselement 91 sind in axialer Richtung der Kurbelwelle 33 und des Ausgangsdrehelements 81 ortsfest, während das Kraftkompositions-Drehelement 83 zwischen diesen Teilen axial beweglich ist. Wenn demnach der Kraftkompositionsflansch 85 des Kraftkompositions-Drehelements 83 von beiden Seiten her durch die Spannkraft der beiden Schraubenfedern 97, 98, die gleiche Kräfte aufbringen, zusammengedrückt wird, werden die Druckkräfte der beiden Schraubenfedern 97 und 98 ausbalanciert. Demzufolge wird das Kraftkompositions-Drehelement 83 angehalten, wenn der Kraftkompositionsflansch 85 sich am mittleren Punkt E zwischen dem Pedalkraft-Übertragungselement 87 und dem Hilfskraft-Übertragungselement 91 befindet, wobei diese Position E die neutrale Stellung des Kraftkompositions-Drehelements 83 ist.
Die Kraftkompositionseinrichtung 80A ist in der oben beschriebenen Weise aufgebaut. An dem Gehäuse 45 ist ein Stellungsfühler 100 angeordnet, beispielsweise in Form eines Sensors, bei dem ein Verlagerungshub eines Meßobjekts ermittelt wird durch Anlage eines elastisch expandierbaren/zusammenziehbaren Meßstücks 101 an dem Meßobjekt. Das Meßstück 101 wird dazu gebracht, leicht an einer Seite (zum Beispiel der linken Seite) des Kraftkompositionsflansches 85 anzuliegen, bei dem es sich um das Meßobjekt handelt.
Wie in 8 gezeigt ist, ist der Stellungsfühler 100 elektrisch mit der Steuereinrichtung 43 verbunden, so daß ein Axialbewegungshub des Kraftkompositions-Drehelements 83 aufgrund der Messung durch den Stellungsfühler 100 in die Steuereinrichtung 43 eingegeben wird. Die Batterieeinheit 40 und der Elektromotor 55 sowie ein Fahrrad-Geschwindigkeitssensor 102 sind elektrisch mit der Steuereinrichtung 43 verbunden.
Der Fahrrad-Geschwindigkeitssensor 102 ist an dem Gehäuse 45 befestigt, und die Drehgeschwindigkeit des Endantriebs-Kettenrads 36, das heißt, die Fahrradgeschwindigkeit des durch Hilfskraft unterstützten Fahrrads 1, wird ermittelt in der Weise, daß der Geschwindigkeitssensor 102 die Bewegung eines Vorsprungs 104 an einer ringförmigen Sensorplatte 103 erfaßt, die an der Innenfläche (der linken Fläche gemäß Darstellung) des Endantriebs-Kettenrads 36 abtastet. Während das durch Hilfskraft unterstützte Fahrrad 1 fährt, dreht sich die Kurbelwelle 33 zusammen mit dem Pedalkraft-Übertragungselement 87, wenn dieses Pedalkraft aufnimmt, in der Richtung F1, und außerdem wird das Hilfskraft-Übernagungselement 91 bei Empfang von Hilfsleistung seitens des Elektromotors 55 in Pfeilrichtung F1 gedreht. Die Drehkräfte des Pedalkraft-Übertragungselements 87 und des Hilfskraft-Übertragungselements 91 werden über die Drehmomentsteuerkurven 95, 96 auf das Kraftkompositions-Drehelement 83 übertragen, und dieses treibt das Ausgangsdrehelement 81 drehend in Richtung F1 an.
Die Drehkraft des Ausgangsdrehelements 81 setzt sich zusammen aus einer Pedalkraft und der Hilfsleistung. Diese zusammengesetzte Kraft wird über das Endantrieb-Kettenrad 36, die Kette 38 und das angetriebene Kettenrad 37 auf das als Antriebsrad fungierende Hinterrad 26 übertragen. Da hierdurch die Pedalkraft durch die Hilfsleistung seitens des Elektromotors 55 unterstützt wird, kann man mit relativ geringer Pedalkraft das einen Hilfsantrieb aufweisende Fahrrad 1 leicht fahren.
Da die Drehmomentsteuerkurven 95 und 96 in Form eines Doppel-Schraubenrads aufgebaut sind, bilden sie bei der Übertragung von Drehkräften über das Pedalkraft-Übertragungselement 87 und das Hilfskraft-Übertragungselement 91 auf das Kraftkompositions-Drehelement 83 Axialkraftkomponenten (im folgenden: Axialkräfte) p, m, deren Betrag proportional zur Pedalkraft P bzw. der Hilfskraft M ist, wie in 6 durch einen Vektor angegeben ist, um von zwei Seiten auf das Kraftkompositions-Drehelement 83 einzuwirken. Aus diesem Grund wird gleichzeitig mit der Übertragung der Pedalkraft und der Hilfsleistung das Kraftkompositions-Drehelement 83 von beiden Seiten durch die Axialkräfte p, m unter Druck gesetzt.
Wenn das Hilfsverhältnis den Wert 1 zu 1 hat, wenn Pedalkraft und Hilfskraft gleichen Betrag haben, bleibt das Kraftkompositions-Drehelement 83 an der neutralen Stelle E, da die Beträge der beiden Kraftkomponenten p, m, die von den beiden Seiten des Kraftkompositions-Drehelements 83 aufgebracht werden, gleich groß und gegeneinander gerichtet sind. Wenn aber das Hilfsverhältnis nicht 1 zu 1 beträgt, sind die Beträge der beiden Axialkräfte p, m ungleich, und das Kraftkompositions-Drehelement 83 wird in axialer Richtung des Ausgangsdrehelements 81 bewegt, bedingt dadurch, daß die Axialkraft p oder m dem Betrag nach größer ist. Wenn zum Beispiel die Pedalkraft stärker ist als die Hilfskraft, so hat die Axialkraft p der Pedalkraft einen größeren Wert als die Axialkraft m der Hilfskraft, demzufolge das Kraftkompositions-Drehelement 83 (der Kraftkompositionsflansch 85) von der Axialkraft p gedrückt wird und sich zur rechten Seite gegenüber der neutralen Stellung E bewegt.
Die Verlagerungsrichtung und der Verlagerungshub gegenüber der Neutralstellung E des Kraftkompositions-Drehelements 83 werden dann von dem Stellungsfühler 100 erfaßt und in die Steuereinrichtung 43 eingegeben. Die Steuereinrichtung 43 berechnet anhand dieser Eingabewerte die Differenz des Betrags zwischen den beiden Axialkräften p, m, und sie steuert die Ausgangsgröße des Elektromotors 55 derart, daß die Differenz zu „0" wird. Dann ergibt sich ein Hilfsverhältnis von 1 zu 1, wenn die Betragsdifferenz zwischen den beiden Kraftkomponenten p, m den Wert „0" hat. Auf diese Weise arbeitet der Stellungsfühler 100 als Axialkraftbetrags-Differenzdetektoreinrichtung zum Erfassen der Differenz der Beträge zwischen den zwei Axialkräften p, m.
Die Steuereinrichtung 43 ist im Stande, das Hilfsverhältnis nicht nur auf 1 zu 1 einzustellen, sondern auch auf einen optionalen Wert, indem die Differenz der Beträge zwischen den beiden Axialkräften p, m auf irgendeinen gewünschten Wert eingestellt wird. Wenn zum Beispiel die Betragsdifferenz zwischen den beiden Axialkräften p und m auf 1 zu 0,5 eingestellt wird, entspricht die Hilfsleistung der halben Pedalkraft.
Das Verhältnis der Betragsdifferenz läßt sich beim Fahren des Fahrrads kontinuierlich ändern. Basierend auf der über den Geschwindigkeitssensor 102 eingegebenen Fahrradgeschwindigkeit wird beispielsweise das Hilfsverhältnis auf ein Maximalverhältnis (beispielsweise 1 zu 1) eingestellt, wenn das mit Hilfskraft unterstützte Fahrrad 1 in Gang gesetzt wird, und das Hilfsverhältnis wird dann allmählich herabgesetzt, wenn die Geschwindigkeit des Fahrrads zunimmt. Auf diese Weise läßt sich der Leistungsverbrauch des Elektromotors 55 stark verringern bei gleichzeitiger Verminderung der Belastung für den Menschen, und man kann die Reichweite beträchtlich erhöhen, indem man die Entladung der Batterieeinheit 40 steuert.
Außerdem reduziert oder unterbindet die Steuereinrichtung 43 die Stromzufuhr zu dem Elektromotor 55 dann, wenn beispielsweise die Fahrradgeschwindigkeit einen gewissen Wert überschritten hat, so daß eine übermäßige Geschwindigkeit des Fahrrads vermieden wird.
5 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die ein zweites Beispiel für die Kraftkompositionseinrichtung zeigt. Der Aufbau und Arbeitsweise einer Kraftkompositionseinrichtung 80B mit Ausnahme von deren Drehmomentsteuerkurve 107, 108 identisch mit Aufbau und Arbeitsweise der Kraftkompositionseinrichtung 80A des ersten Beispiels, sind identische Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht noch einmal erläutert.
Wie in 7 zu sehen ist, ist die Drehmomentsteuerkurve 107, 108 der Kraftkompositionseinrichtung 80B durch eine Innenseitensteuerkurve 107a, 108a in Form einer geneigten Fläche an einem Außenumfang des Kraftkompositions-Drehelements 83, und einer Außenseite 107b, 108b an dem Pedalkraft-Übertragungselement 87 und dem Hilfskraft-Übertragungselement 91 zum Kämmen mit der Innenseite 107a, 108a ausgebildet. Die Drehmomentsteuerkurve 107 und die Drehmomentsteuerkurve 108 sind symmetrisch bezüglich des Kraftkompositionsflansches 85 unter gleichen Neigungswinkeln α und β geneigt.
Wenn die Drehmomente von dem Pedalkraft-Übertragungselement 87 und dem Hilfskraft-Übertragungselement 91 auf das Kraftkompositions-Drehelement 83 übertragen werden sollen, bewirken gleichzeitig die Übertragung der Pedalkraft P und der Hilfsleistung M auf die Innenseiten-Steuerkurve 107a, 108a bzw. die Außenseiten-Steuerkurve 107b, 108b Axialkräfte p, m mit jeweils einem Betrag proportional zur Pedalkraft P bzw. Hilfsleistung M, die von zwei Seiten her auf das Kraftkompositions-Drehelement 83 einwirken. Aufgrund der Axialkräfte p, m wird das Kraftkompositions-Drehelement 83 in axialer Richtung des Ausgangsdrehelements 81 bewegt, und ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform wird dabei das Hilfsverhältnis von dem Stellungsfühler 100 und der Steuereinrichtung 43 ermittelt.
Während die Kraftkompositionseinrichtungen 80A und 80B der ersten und der zweiten Ausführungsform beide derart ausgebildet sind, daß die Axialkräfte p, m das Kraftkompositions-Drehelement 83 von dessen beiden Seiten her andrücken, können die Einrichtungen auch so ausgebildet sein, daß die Axialkräfte p, m das Kraftkompositions-Drehelement 83 von dessen beiden Seiten her ziehen.
Gemäß dem Aufbau des Hilfskraft-Fahrrads 1 gemäß obiger Beschreibung wird das Hilfsverhältnis direkt und mechanisch im Bereich der Kraftkompositionseinrichtung 80A, 80B dort erfaßt, wo Pedalkraft und Hilfskraft zusammengesetzt werden, und daher ist es möglich, das Hilfsverhältnis fehlerfrei exakt zu bestimmen.
Da außerdem der Stellungssensor 100 lediglich die Differenz der Beträge zwischen den Axialkräften p und m erfassen muß, die viel kleiner ist als die Absolutwerte der Pedalkraft und der Hilfskraft, läßt sich ein Meßfehler des Stellungsfühlers 100 auf einen sehr geringen Wert drücken. Aus diesem Grund wird eine exakte Steuerung des Hilfsverhältnisses einfacher.
Da außerdem der Aufbau der Kraftkompositionseinrichtung 80A, 80B sehr einfach wird, kann man die Produktivität dieser Einrichtungen 80A und 80B verbessern und gleichzeitig eine Größen- und Gewichtsreduzierung der Einrichtungen 80A und 80B erreichen. Da weiterhin das Ausgangsdrehelement 81 die Form eines Zylinders hat, der drehbar an dem Außenumfang der Kurbelwelle 33 angeordnet ist, ist die Kraftkompositionseinrichtung 80A, 80B insgesamt axial bezüglich der Kurbelwelle 33 angeordnet. Aus diesem Grund kann man auch eine Reduzierung von Größe und Gewicht der Kraftkompositionseinrichtungen 80A, 80B erreichen.
Wenn es zu einer Differenz im Betriebsablauf zwischen der linksseitigen Drehmomentsteuerkurve 95, 107 und der rechtsseitigen Drehmomentsteuerkurve 96, 108 der Kraftkompositionseinrichtung 80A, 80B kommt, oder wenn es eine Abweichung der Spannkraft zwischen linker und rechter Schraubenfeder 97, 98 gibt, kann es zu einer geringfügigen Verschiebung der Neutralstellung E des Kraftkompositions-Drehelements 83 kommen, was eine Änderung des Hilfsverhältnisses zur Folge hat. In diesem Fall allerdings läßt sich das Hilfsverhältnis wieder in einfacher Weise dadurch auf ein Verhältnis von 1 zu 1 bringen, daß man an dem Stellungsfühler 100 eine Justierung durch Korrektur auf „0" gemäß der verschobenen Neutralstellung E vornimmt. Auf diese Weise läßt sich eine hervorragende Wartungsfreundlichkeit erreichen.
Wenn das Fahrrad ausschließlich durch menschliche Kraft ohne den Elektromotor 55 angetrieben wird, wird die Kurbelwelle 33 durch die Pedalkraft in Pfeilrichtung F1 gedreht, und die Kraftkompositionseinrichtung 80A oder 80B und das Endantriebs-Kettenrad 36 drehen sich zusammen mit der Kurbelwelle 33, so daß die Drehung des Endantriebs-Kettenrads 36 auf das Hinterrad 26 übertragen wird. Da jetzt das Ausgangsdrehelement 31 zusammen mit der Kurbelwelle 33 dreht, ist dessen Drehwiderstand kleiner als in dem Fall, in welchem das Ausgangsdrehelement 81 auf einer von der Kurbelwelle 33 getrennten Achse angeordnet wäre. Die Pedalkraft läßt sich dadurch beträchtlich reduzieren.
9 ist eine Querschnittansicht einer Hilfskraftvorrichtung 203 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und 10 ist eine Längsschnittansicht durch die Hilfskraftvorrichtung 203 entlang der Linie X-X in 9, die entlang der Linie IX-IX in 10 abgewickelt ist.
Ein eine Außenhülle der Hilfsvorrichtung 203 bildendes Gehäuse 245 besteht zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierung und ist gemäß 9 so aufgebaut, daß ein rechtsseitiger Gehäuseteil 247 mit mehreren Gehäuse-Fixierbolzen 248 an der rechten Seite eines Mittelgehäuseteils 246 fixiert ist, das sich in der Mitte der Breitenrichtung des Fahrrads befindet, während ein linksseitiger Gehäuseteil 249 mit mehreren Gehäuse-Fixierbolzen 250 an die linke Seite des Mittelgehäuses 246 angeschraubt ist. 11 zeigt einen Zustand, in welchem das linksseitige Gehäuseteil 249 abgenommen ist. Die Kurbelwelle 33 wird drehbar an einem hinteren Bereich des Gehäuses 245 mit Hilfe von Lagern 251, 252, 253 gehaltert, und Kurbeln 34L und 34R sind mit Bolzen 254 an den beiden Endbereichen der Kurbelwelle 33 befestigt, die nach links und nach rechts von dem Gehäuse 245 abstehen.
In einem vorderen Bereich des Gehäuses 245 ist eine Elektromotorkammer 255 ausgebildet, in deren Innerem ein Elektromotor 265 zum Erzeugen von Hilfsleistung untergebracht ist. Ein Außengehäuse 257 des Elektromotors 256 ist an dem Mittelgehäuseteil 246 durch mehrere Bolzen 258 fixiert, eine Hauptwelle 259 des Motors verläuft parallel zu der Kurbelwelle 33.
An der linken Seite des Elektromotors 256 befindet sich eine Planeten-Untersetzungseinrichtung 261, die einen ähnlichen Aufbau hat wie die Untersetzungseinrichtung 60 der ersten Ausführungsform nach den 2 und 3. Die Planeten-Untersetzungseinrichtung 261 enthält ein Sonnenrad 262, gehaltert von Lagern 263, 264 und drehfest verbunden mit der Hauptwelle 259 des Elektromotors 256, außerdem einen Rollkranz 265, der mit Bolzen 266 an dem Mittelgehäuse 246 fixiert ist, einen Untersetzungsträger 267, der drehbar um das Sonnenrad 262 mittels eines Lagers 268 an dessen linker Seite gelagert ist, und vier Planetenrollen, die drehbar auf vier Rollenwellen 269 gehaltert sind, die an dem Untersetzungsträger 267 fixiert sind.
Ein Primärantriebszahnrad 272 befindet sich an der linken Seitenfläche des Untersetzungsträgers 267 und dreht sich mit diesem. Wenn die Hauptwelle 269 des Elektromotors 256 dreht, dreht sich auch das Sonnenrad 262 der Planeten-Untersetzungseinrichtung 261, da es mit ihr drehfest verbunden ist, so daß jede Planetenrolle 271 um das Sonnenrad 262 umläuft, während sie mit der eigenen Achse zwischen dem festen Kranz 265 und dem sich drehenden Sonnenrad 262 umläuft. Der Untersetzungsträger 267 und das Primärantriebszahnrad 272 werden mit reduzierter Drehzahl gedreht. Die Hauptwelle 259 und das Sonnenrad 262 werden in Pfeilrichtung F2 gedreht, und der Untersetzungsträger 267 und das Primärantriebszahnrad 272 drehen sich in gleicher Richtung.
Weiterhin ist eine Zwischenwelle 273 drehbar mittels Lagern 274 und 275 zwischen dem Sonnenrad 262 der Planeten-Untersetzungseinrichtung 261 und der Kurbelwelle 33 gelagert. Die Zwischenwelle 273 erstreckt sich parallel zu der Kurbelwelle 33, und an dem linken Endbereich von ihr ist drehfest ein angetriebenes Primärzahnrad 276 mit großem Durchmesser angeordnet, das mit dem Primärantriebszahnrad 272 kämmt. Ein Sekundär-Antriebszahnrad 277 mit kleinem Durchmesser befindet sich auf der rechten Seite des angetriebenen Primärzahnrads 276.
Das Sekundärantriebszahnrad 277 umfaßt eine Zahnradbüchse 279 auf der Zwischenwelle 273 über eine Einwegkupplung 278. Wenn die Einwegkupplung 278 die Zahnradbüchse 279 und das Sekundärantriebszahnrad 277 zusammen mit der Zwischenwelle 273 zum Drehen bringt, wenn letztere und das angetriebene Primärzahnrad 276 in Pfeilrichtung R in 10 gedreht werden, so löst dies die Kupplungsverbindung und bewirkt einen Leerlauf des Sekundärantriebszahnrads 277 um die Zwischenwelle 273, beispielsweise dann, wenn die Drehzahl der Zahnradbüchse 279 und des Sekundärantriebszahnrads 277 die Drehzahl der Zwischenwelle 273 übersteigt.
Außerdem befindet sich das mit dem Sekundärantriebszahnrad 277 kämmende angetriebene Sekundärzahnrad 281 in der Nähe des linken Endes der Kurbelwelle 33. Ein Ansatz 282 des angetriebenen Sekundärzahnrads 281 ist drehbar an der Kurbelwelle 33 über ein Metallager 283 gelagert, und die Lager 251 und 252 befinden sich am Außenumfang des Ansatzes 282.
Die vier Zahnräder 272, 276, 277 und 281 bilden einen Untersetzungsstrang 284, so daß nach einer Stufe der Drehzahluntersetzung durch die Planeten-Untersetzungseinrichtung 261 die von dem Elektromotor 256 erzeugte Hilfskraft zwei Stufen der Drehzahluntersetzung durch den Untersetzungsstrang 284 unterzogen wird, das heißt insgesamt drei Stufen der Drehzahluntersetzung. Dann erfolgt die Übertragung auf eine im folgenden zu beschreibende Kraftkompositionseinrichtung 287.
Eine Kraftkompositionseinrichtungskammer 286 ist im hinteren Bereich des Gehäuses 245 ausgebildet, um die Kraftkompositionseinrichtung 287 aufzunehmen. 11 ist eine vergrößerte Längsschnittansicht der Kraftkompositionseinrichtung 287. Die Kraftkompositionseinrichtung 287 verläuft koaxial mit der Kurbelwelle 33 und ist beispielsweise folgendermaßen aufgebaut:
Zunächst ist ein im wesentlichen zylindrisches Pedalkraft-Übertragungselement 288 drehbar am Außenumfang eines Zwischenteils der Kurbelwelle 33 über ein Paar Metallager 289, 290 gelagert. Ein rechter Endbereich des Pedalkraft-Übertragungselements 288 ist im Durchmesser erweitert, um ein Kupplungsgehäuse 271 zu bilden, in dessen Innerem eine Einwegkupplung 292 untergebracht ist. Die Einwegkupplung 292 ist so aufgebaut, daß sie lediglich die Drehung in Vorwärtsdrehrichtung F1 der Kurbelwelle 33 auf das Pedalkraft-Übertragungselement 288 überträgt, während sie die Kupplungsverbindung trennt, wenn zum Beispiel die Kurbelwelle 33 rückwärts gedreht wird, oder wenn die Drehzahl des Pedalkraft-Übertragungselements 288 die Drehzahl der Kurbelwelle 33 übersteigt.
Außerdem ist ein ringförmiges Hilfskraft-Übertragungselement 293 an dem Außenumfang eines linken Endbereichs des Pedalkraft-Übertragungselements 288 angeordnet, um sich mit ihm zu drehen, wobei es aber an einer Axialbewegung durch einen Sprengring 294 gehindert wird. Eine ringförmige Verbindungsplatte 295 ist an der linken Oberfläche des Hilfskraft-Übertragungselements 293 mittels Schrauben 296 fixiert und ist mit ihm zusammen starr drehbar. An dem Innenumfang der Verbindungsplatte 295 ist eine Kerbverzahnung 297 in Form von Innenumfangszähnen gebildet. Die Kerbverzahnung 297 kämmt mit einer Kerbverzahnung 299 in Form von Außenumfangszähnen am Außenumfang des rechten Endabschnitts des Ansatzes 282 des angetriebenen Sekundärzahnrads 281. Aus diesem Grund wird die Drehung des angetriebenen Sekundärzahnrads 281, das ist die Drehung, die durch Reduzieren der Drehzahl der Hilfskraft des Elektromotors 256 gewonnen wird, so, wie sie ist, auf das Hilfskraft-Übertragungselement 293 übertragen.
Andererseits befindet sich in direkter Nachbarschaft des Kupplungsgehäuses 291 des Pedalkraft-Übertragungselements 288 an dessen rechter Seite ein Ausgangsdrehelement 300, welches drehbar mit einem Lager 301 an der Kurbelwelle 33 gelagert ist und auf seiner rechten Seite ein Ausgangsgehäuse 302 und auf seiner linken Seite eine Ausgangsbuchse 303 besitzt. Die Anordnung wird so zusammengebaut, daß die Verbindungsflansche 304, 305 am Verbindungsbereich der beiden Komponenten 302 und 303 durch mehrere Schrauben 306 zusammengehalten werden.
Ein rechter Endbereich des Ausgangsgehäuses 302 steht von der rechten Seite des Gehäuses 245 nach außen weg, und an dem vorstehenden Teil ist drehfest über eine Koppeleinrichtung 307, beispielsweise eine Keilverzahnung oder Schrauben, das Antriebskettenrad 36 fixiert. Da das Lager 253 an dem Gehäuse 245 zwischen dem Antriebskettenrad 36 und dem Ausgangsgehäuse 302 eingefaßt ist, kann das Ausgangsdrehelement 300 sich nicht in axialer Richtung der Kurbelwelle 33 bewegen.
Außerdem hält ein an dem Inneren des Ausgangsgehäuses 302 mit diesem drehfest über Schrauben 308 verbundene Haltering 309 einen Schubflansch 311 an einem rechten Endbereich des Pedalkraft-Übertragungselements 288. Der Haltering 309 ist eine Komponente zum Verbinden des Pedalkraft-Übertragungselements 288 mit dem Ausgangsdrehelement 300, damit die Teile sich zusammen drehen und gleichzeitig eine Relativbewegung der beiden Teile 288 und 300 in axialer Richtung verhindern, demzufolge sie sich nicht in axialer Richtung von der Kurbelwelle 33 trennen können.
Außerdem hält ein mit einer Schraube 308 am Inneren des Ausgangsgehäuses 302 drehfest fixierte Haltering 309 einen Schubflansch 311, der an einem rechten Endabschnitt des Pedalkraft-Übertragungselements 288 ausgebildet ist. Der Haltering 309 ist eine Komponente, die das Pedalkraft-Übertragungselement 388 mit dem Ausgangsdrehelement 300 drehbar verbindet und gleichzeitig verhindert, daß es zu einer Relativbewegung der beiden Teile 288 und 300 in deren axialer Richtung kommt, so daß die Teile sich in axialer Richtung der Kurbelwelle 33 nicht voneinander trennen.
Wie in 10 gezeigt ist, sind mehrere axial verlaufende Innenumfangs-Keilnuten 313 an einer inneren Umfangsfläche der Ausgangsbuchse 303 ausgebildet. Außerdem liegt eine aus Stahl gefertigte Anschlagplatte 314 zwischen dem Ausgangsgehäuse 302 und der Ausgangsbuchse 303, wobei letztere von einer gepreßten Stahlplatte abgedeckt ist, die eine Anschlagabdeckung 315 bildet. Die Anschlagplatte 314 und die Anschlagabdeckung 315 sind durch Verbindungsflansche 304 und 305 aneinander befestigt.
Ein Kraftkompositions-Drehelement 316 befindet sich in der Nachbarschaft des Ausgangselements 300, es enthält eine zylindrische Kraftkompositionsbuchse 317 an der Innenseite der Ausgangsbuchse 303 des Ausgangsdrehelements 300, außerdem einen Kraftkombinierflansch 318, der am linken Endabschnitt der Kraftkompositionsbuchse 316 fixiert ist. Der Kraftkompositionsflansch 318 ist eine Platte in Form eines Donats und besitzt einen Innendurchmesserbereich, in den das Pedalkraft-Übertragungselement 288 lose eingesetzt ist.
Mehrere axial verlaufende Außenumfangs-Keilnuten 319 sind an der Außenumfangsfläche der Kraftkompositionsbuchse 317 ausgebildet. Eine Kugel-Keilverzahnung 321 ist derart ausgebildet, daß Stahlkugeln 320 zwischen den Umfangs-Keilnuten 313 der Ausgangsbuchse 303 und den Außenumfangs-Keilnuten 319 der Kraftkompositionsbuchse 317 angeordnet sind. Die Reihe Stahlkugeln 320 wird an beiden Enden durch Klauen 322 und 323 gehalten, die an der Anschlagplatte 314 und der Anschlagabdeckung 315 gebildet sind, so daß ein Herausfallen der Stahlkugeln 320 aus den Innen- und Außenumfangs-Keilnuten 313 und 319 verhindert wird. Diese Kugel-Keilverzahnung 321 ermöglicht dem Kraftkompositions-Drehelement 316, gemeinsam mit dem Ausgangsdrehelement 300 als Bewegungseinheit umzulaufen und sich gleichzeitig axial zu diesem zu bewegen.
Wie außerdem in den 9, 11 und 12 zu sehen ist, befindet sich zwischen dem Kraftkompositionsflansch 318 des Kraftkompositions-Drehelements 316 und dem Kupplungsgehäuse 291 des Pedalkraft-Übertragungselements 288 eine Drehmomentsteuerkurve 325, und eine Drehmomentsteuerkurve 326 befindet sich zwischen dem Kraftkompositionsflansch 318 und dem Hilfskraft-Übertragungselement 293. Die Drehmomentsteuerkurven 325 und 326 befinden sich an der Innenumfangsseite der Kugel-Keilverzahnung 321.
Wie in 12 gezeigt ist, enthält die auf der rechten Seite befindliche Drehmomentsteuerkurve 325 eine innere Steuerkurve 327 in Form einer geneigten Steuerfläche, die an der rechtsseitigen Oberfläche des Kraftkompositionsflansches 318 ausgebildet ist, und eine Außensteuerfläche 328, die an der linksseitigen Oberfläche des Kupplungsgehäuses 291 ausgebildet ist, um mit der inneren Steuerfläche 227 zusammenzuwirken. Weiterhin enthält die linksseitige Steuerfläche 326 eine innere Steuerfläche 329 in Form einer geneigten Steuerfläche auf der linken Oberfläche des Kraftkompositionsflansches 318, und eine äußere Steuerfläche 330 auf der rechtsseitigen Oberfläche des Hilfskraft-Übertragungselements 293, die mit der inneren Steuerfläche 329 zusammenarbeitet.
Die Ausgestaltungen der Drehmomentsteuerkurve 325 und der Drehmomentsteuerkurve 326 sind symmetrisch in bezug auf den Kraftkompositionsflansch 318. Die Steuerkurven-Ausgestaltung der Drehmomentsteuerkurve 325 ist derart beschaffen, daß, wenn das Pedalkraft-Übertragungselement 288 sich bei Aufnahme einer Drehkraft (einer Pedalkraft P) der Kurbelwelle 33 in Pfeilrichtung F1 dreht, sie die Pedalkraft P auf den Kraftkompositionsflansch 318 des Kraftkompositions-Drehelements 316 überträgt und gleichzeitig eine Axialkraft p mit einem Betrag proportional zu der Pedalkraft P erzeugt, wie durch den Vektor angegeben ist. Der Kraftkompositionsflansch 318 wird von der Axialkraftkomponente p nach links gedrückt.
Andererseits ist die Ausgestaltung der Steuerkurve der Drehmomentsteuerkurve 326 derart beschaffen, daß, wenn das Hilfskraft-Übertragungselement 293 bei Aufnahme der Hilfsleistung M von dem Elektromotor 256 in Richtung F1 gedreht wird, sie die Hilfskraft M auf den Kraftkompositionsflansch 318 überträgt und gleichzeitig eine Axialkraft m mit einem Betrag proportional zur Hilfsleistung M erzeugt, wodurch der Kraftkompositionsflansch 318 von der Axialkraftkomponente m nach rechts gedrückt wird.
Eine rechte und eine linke Schraubenfeder 331 und 332 sind paarweise im Inneren der Kraftkompositionseinrichtung 287 vorgesehen. Diese Schraubenfedern 331 und 332 befinden sich an einer Innenumfangsseite der Drehmomentsteuerkurven 325 bzw. 326. Die rechte Schraubenfeder 331 ist in den Raum zwischen dem Kraftkompositionsflansch 318 und dem Kupplungsgehäuse 291 des Pedalkraft-Übertragungselements 288 eingesetzt, und die linke Schraubenfeder 332 ist in den Raum zwischen dem Kraftkompositionsflansch 318 und dem Hilfskraft-Übertragungselement 293 eingesetzt.
Die beiden Schraubenfedern 331 und 332 befinden sich also in dem Raum zwischen dem Kupplungsgehäuse 291 des Pedalkraft-Übertragungselements 288 und dem Hilfskraft-Übertragungselement 293, demzufolge der Kraftkompositionsflansch 318, bei dem es sich um ein Erregerteil des Kraftkompositions-Drehelements 316 handelt, zwischen den beiden Schraubenfedern 331 und 332 angeordnet ist. Man sieht, daß die Form und die Abmessungen sowie die Federkonstante der linken und der rechten Schraubenfeder 331, 332 identisch sind.
Das Pedalkraft-Übertragungselement 288 (das Kupplungsgehäuse 291) und das Hilfskraft-Übertragungselement 293 sind in axialer Richtung der Kurbelwelle 33 ortsfest, während der Kraftkompositionsflansch 318 in axialer Richtung der Kurbelwelle 33 beweglich ist. Wenn also der Kraftkompositionsflansch 318 durch die beiden Schraubenfedern 331 und 332 mit gleichen Spannkräften angedrückt wird, sind die Kräfte der beiden Schraubenfedern 331 und 332 ausgeglichen, und der Kraftkompositionsflansch 318 wird an der Stelle E angehalten, wobei die jeweiligen Längen der Schraubenfedern 331 und 332 identisch sind. Eine solche Stelle E bildet die Neutralstellung des Kraftkompositionsflansches 318 und bestimmt sich als Mittelpunkt in dem Bereich, in welchem das Kraftkompositions-Drehelement 316 sich in axialer Richtung der Kurbelwelle 33 bewegen kann.
Die Kraftkompositionseinrichtung 287 ist in der oben beschriebenen Weise aufgebaut. Wie aus den 9 bis 11 entnehmbar ist, sind die Schraubenfedern 331 und 332 der Kraftkompositionseinrichtung 287 am Umfang diametral innen bezüglich der Drehmomentsteuerkurven 325 und 326 angeordnet, wobei sich die Kugel-Keilverzahnung 331 auf der umfänglich diametral äußeren Seite bezüglich der Drehmomentsteuerkurven 325 und 326 und der Schraubenfedern 331, 332 befindet.
Am Außenumfangsbereich ist beispielsweise auf der linken Seite des Kraftkompositionsflansches 318 ein Stellungsfühler 334 vorgesehen, der einen Sensorhalter 336, fixiert mittels Schraube 335 an dem Gehäuse 245, einen in dem Sensorhalter 336 aufgenommenen Sensorkörper 337, ein von dem Sensorhalter 336 in Richtung des Außenumfangs des Kraftkompositionsflansches 318 ausfahrbares/rückziehbares Meßteil 338 und eine Feder 339 aufweist, die bewirkt, daß ein Abschlußende des Meßteils 338 an dem Kraftkompositionsflansch 318 anstößt. Eingebaut ist er in einem Zustand, in welchem eine Meßnadel 340, die sich von dem Sensorkörper 337 aus erstreckt, an einem hinteren Bereich des Meßteils 338 anschlägt.
Wenn der Kraftkompositionsflansch 318 (das Kraftkompositions-Drehelement 316) in axialer Richtung der Kurbelwelle 33 bewegt wird, fährt das Meßteil 338 des Stellungsfühlers 334 entsprechend aus dem Sensorhalter 336 aus oder zieht sich in diesen zurück. Diese Bewegung wird von dem Sensorkörper 337 erfaßt, um die Verlagerungsrichtung und den Verlagerungshub gegenüber der Neutralstellung E des Kraftkompositionsflansches 318 (des Kraftkompositions-Drehelements 316) zu erfassen.
Wie in 13 zu sehen ist, ist der Stellungsfühler 334 elektrisch mit der Steuereinrichtung 43 verbunden. Die Verlagerungsrichtung und der Verlagerungshub des Kraftkompositionsflansches 318 (des Kraftkompositions-Drehelements 316) entsprechend der Messung durch den Stellungsfühler 334 werden in die Steuereinrichtung 43 eingegeben. Die Batterieeinheit 40, der Elektromotor 256 und der Drehzahlfühler 342 sind elektrisch mit der Steuereinrichtung 43 verbunden. Der Drehzahlfühler 342 ist am Innenbereich des Gehäuses 245 mit einem Bolzen 343 befestigt, beispielsweise an einem Teil in der Nähe der Planeten-Untersetzungseinrichtung 261. Wenn der Untersetzungsträger 267 der Planeten-Untersetzungseinrichtung 261 durch den Elektromotor 256 gedreht wird, erfaßt er die Drehzahl des Elektromotors 256 und gibt die resultierenden Daten in die Steuereinrichtung 43 ein, wozu die Bewegung von Ausnehmungen 344 gelesen wird, die in gleichen Abständen an der Außenumfangsfläche des Untersetzungsträgers 267 ausgebildet sind.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der Hilfskraftvorrichtung mit dem oben erläuterten Aufbau beschrieben.
Wenn die Kurbelwelle 33 in Richtung F1 durch Pedalkraft bei fahrendem Hilfskraft-Fahrrad 1 gedreht wird, so überträgt sich die Drehung der Kurbelwelle 33 auf das Pedalkraft-Übertragungselement 288 über die Einwegkupplung 292 der Kraftkompositionseinrichtung 287, so daß das Pedalkraft-Übertragungselement 288 drehend in Richtung F1 angetrieben wird. Andererseits wird die Hilfskraft des Elektromotors 256 auf das Hilfskraft-Übertragungselement 293 übertragen, nachdem sie von der Planeten-Geschwindigkeitsuntersetzungseinrichtung 261 und dem Untersetzungsgetriebe 284 einer Untersetzung unterzogen wurde, so daß das Hilfskraft-Übertragungselement 293 ebenfalls in der gleichen Richtung F1 drehend angetrieben wird. Die Drehkräfte von dem Pedalkraft-Übertragungselement 288 und dem Hilfsleistungs-Übertragungselement 293 werden auf den Kraftkompositionsflansch 318 des Kraftkompositions-Drehelements 316 über die Drehmomentsteuerkurven 325 und 326 übertragen, wodurch das Kraftübertragungs-Drehelement 318 das Ausgangsdrehelement 300 veranlaßt, über die Kugel-Keilverzahnung 321 in Richtung F1 zu drehen.
Die Drehkraft des Ausgangsdrehelements 300 ist eine zusammengesetzte oder komponierte Kraft aus der Pedalkraft und der Hilfsleistung. Die zusammengesetzte Kraft wird über das Antriebskettenrad 36, die Kette 38 und das angetriebene Kettenrad 37 auf das Hinterrad 26 gegeben, bei dem es sich um das angetriebene Rad handelt. Im Ergebnis wird die Pedalkraft unterstützt von der Hilfsleistung seitens des Elektromotors 256, so daß es möglich ist, das Hilfskraft-Fahrrad 1 auch dann einfach zu fahren, wenn man eine relativ geringe Pedalkraft aufbringt.
Gleichzeitig mit der Übertragung der Drehkräfte des Pedalkraft-Übertragungselements 288 und des Hilfskraft-Übertragungselements 293 auf das Kraftkompositions-Drehelement 316 bewirkt die Drehmomentsteuerkurve 325, 326 zwei Axial-Kraftkomponenten p und m mit einem Betrag proportional zur Pedalkraft P und zur Hilfskraft M gemäß 12, die auf den Kraftkompositionsflansch 318 des Kraftkompositions-Drehelements 316 von der linken bzw. der rechten Seite her einwirken. Der Kraftkompositionsflansch 318 wird damit von den Axialkräften p und m von der linken bzw. der rechten Seite her angedrückt.
Wenn das Hilfsverhältnis 1 zu 1 beträgt, das heißt, wenn die Beträge der Pedalkraft P und der Hilfskraft M einander gleichen, sind die Beträge der beiden Axialkraftkomponenten p, m, die auf die beiden Seiten des Kraftkompositionsflansches 318 einwirken, ebenfalls gleich groß und sind gegeneinander derart versetzt, daß die Stellung des Kraftkompositions-Drehelements 316 bei der neutralen Stellung E verbleibt, die in den 12, 14-B und 15-B dargestellt ist.
Wenn allerdings das Hilfsverhältnis gegenüber dem Verhältnis von 1 zu 1 geändert wurde, werden die Beträge der beiden Axialkraftkomponenten p, m ungleich, demzufolge das Kraftkompositions-Drehelement 316 in axialer Richtung der Kurbelwelle 33 bewegt wird, gedrückt von der Axialkraftkomponente p oder m, je nachdem, welcher Betrag größer ist. Wenn zum Beispiel die Pedalkraft P stärker ist als die Hilfskraft M, wird die Axialkraftkomponente p entsprechend der Pedalkraft P intensiver als die Axialkraftkomponente m aus der Hilfskraft M, so daß das Kraftkompositions-Drehelement 316 von der Axialkraftkomponente p angedrückt wird und sich gegenüber der neutralen Stellung E nach links bewegt, wie in den 14-A und 15-A gezeigt ist.
Wenn weiterhin die Hilfskraft M stärker als die Pedalkraft P ist, wird die Axialkraftkomponente m der Hilfskraft M intensiver als die Axialkraftkomponente p entsprechend der Pedalkraft P, wodurch das Kraftkompositions-Drehelement 316 von der Axialkraftkomponente m angedrückt wird und sich gegenüber der neutralen Stellung E nach rechts bewegt, wie in den 14-C und 15-C gezeigt ist.
Eine Verlagerungsrichtung und der Verlagerungshub oder -betrag gegenüber der neutralen Stellung E des Kraftkompositions-Drehelements 316 werden anschließend von dem Stellungsfühler 334 erfaßt, und die daraus resultierenden Daten werden in die Steuereinrichtung 43 eingegeben, die die Differenz der Beträge zwischen den beiden Axialkraftkomponenten p, m basierend auf der Eingabe seitens des Stellungsfühlers 334 erfaßt und die Ausgangsgröße des Elektromotors 256 derart steuert, daß die Differenz auf „0" gebracht wird. In anderen Worten: wenn das Kraftkompositions-Drehelement 314 aus der neutralen Stellung E nach links bewegt wird, wie dies in den 14-A und 15-A gezeigt ist, wird die Ausgangsleistung des Elektromotors 256 erhöht. Wenn gemäß den 14-C und 15-C das Kraftkompositions-Drehelement 316 gegenüber der neutralen Stellung E nach rechts bewegt wird, wird die Ausgangsgröße des Elektromotors 256 verringert. Hierdurch wird die Kraftkompositionseinrichtung 287 wieder in den in den 14-B und 15-B gezeigten Zustand gebracht, so daß das Hilfsverhältnis immer auf einem Wert von 1 zu 1 gehalten wird.
Da bei der oben beschriebenen Hilfskraftvorrichtung 203 das Hilfsverhältnis direkt und mechanisch an einem Teil der Kraftkompositionseinrichtung 287 erfaßt wird, an welchem die Pedalkraft und die Hilfskraft zusammengesetzt werden, ähnlich wie bei der Hilfskraftvorrichtung 3 der ersten, in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsform, läßt sich das Hilfsverhältnis fehlerfrei exakt festlegen. Darüber hinaus wird das Hilfsverhältnis durch die Netto-Ausgangsgröße des Elektromotors 256 auf 1 zu 1 oder ein optionales Verhältnis eingestellt. Die Auswirkungen auf das Hilfsverhältnis, beispielsweise durch eine Streuung der Ausgangskennlinie des Elektromotors 256, dem Ladezustand der Batterieeinheit 40 oder eine Änderung der Reibungsverluste der Kraftkompositionseinrichtung 287 vor und nach dem Einfahren werden also vollständig ignoriert, so daß eine exakte und einfache Steuerung des Hilfsverhältnisses möglich ist.
Bei der Hilfskraftvorrichtung 203 befinden sich die Schraubenfedern 331 und 332 der Kraftkompositionseinrichtung 287 an einem diametral inneren Umfang gegenüber der Drehmomentsteuerkurve 325, 326, demzufolge der durchschnittliche Federdurchmesser d1 der Schraubenfedern 331, 332 kleiner ist. Aus diesem Grund läßt sich eine hohe Federkonstante auch dann erhalten, wenn ein Draht mit geringerem Durchmesser für die Schraubenfedern 331, 332 verwendet wird, so daß man eine kompakte Bauweise der Schraubenfedern 331 und 332 und damit der Kraftkompositionseinrichtung 287 erhält.
Da weiterhin die Kugel-Keilverzahnung 321 der Kraftkompositionseinrichtung 287 diametral am äußeren Umfang bezüglich der Drehmomentsteuerkurve 325, 326 und der Schraubenfedern 331, 332 liegt, ist der Durchmesser d2 der Kugel-Keilverzahnung 321 größer. Die Antriebskraft seitens des Kraftkompositions-Drehelements 316 und die Antriebs-Reaktionskraft vom Hinterrad 26 wirken fortdauernd auf die Kugel-Keilverzahnung 321 als Drehmomente in entgegengesetzter Richtung ein. Die Belastung aufgrund dieser Drehmomente ist kleiner bei erhöhtem Durchmesser d2 der Kugel-Keilverzahnung 321. Folglich wird der Gleitvorgang der Kugel-Keilverzahnung 321 möglichst glatt gestaltet, und im Ergebnis erfolgt ein glatter Arbeitsablauf an der Drehmomentsteuerkurve 325, 326 durch Steigerung des Durchmessers d2 der Kugel-Keilverzahnung 321 in der beschriebenen Weise. Damit wird die Betriebstüchtigkeit der Kraftkombiniereinrichtung 287 viel besser, und ihre Lebensdauer wird ebenfalls deutlich gesteigert.
16 zeigt einen Querschnitt einer Hilfskraftvorrichtung 400 einer dritten Ausführungsform der Erfindung, und 17 zeigt einen Längsschnitt der Hilfskraftvorrichtung 400 bei Betrachtung entlang der Linie XVII-XVII in 16.
Ein Gehäuse 425, welches eine Außenschale der Hilfskraftvorrichtung 400 bildet, besteht beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung, aufgebaut ist es gemäß 16 derart, daß ein linksseitiges Gehäuseteil 425L, ein mittleres Gehäuseteil 425M und ein rechtsseitiges Gehäuse 425R mit mehreren Fixierbolzen 426 zusammengefügt sind. 17 zeigt den Zustand, in welchem der linksseitige Gehäuseteil 425L entfernt wurde.
Die Kurbelwelle 33 ist auf einem hinteren Teil des Gehäuses 425 durch Lager 427, 428 drehbar gelagert, und Kurbeln 34L und 34R sind mit Bolzen 429 an den beiden Endabschnitten der Kurbelwellen 33 befestigt, die aus dem Gehäuse 245 nach links und nach rechts vorstehen.
Ein Elektromotor 431 zum Erzeugen einer Hilfsleistung befindet sich im vorderen Bereich des Gehäuses 425. Ein Außengehäuse 432 des Elektromotors 431 ist an dem Mittelgehäuse 425M durch mehrere Motor-Fixierbolzen 562 und Muttern 565 fixiert, was weiter unten noch erläutert wird.
Eine Hauptwelle 434 des Elektromotors 431 verläuft parallel zu der Kurbelwelle 33, und eine Antriebswelle 437 ist mit dem linken Ende der Hauptwelle 434 drehfest über ein rohrförmiges Verbindungsglied 436 gekoppelt, das von einem Lager 435 gelagert wird. Das linke Ende der Antriebswelle 437 wird von einem Lager 438 abgestützt, das sich an einer Seite des linksseitigen Gehäuseteils 425L befindet. Ein Primärantriebszahnrad 440 sitzt auf der Antriebswelle 437 und ist mit ihr drehfest verbunden.
Zwischen der Antriebswelle 437 und der Kurbelwelle 33 befinden sich weiterhin eine erste Zwischenwelle 441 und eine zweite Zwischenwelle 442. Ein angetriebenes Primärzahnrad 443, das mit dem Primärantriebszahnrad 440 kämmt, ist auf der ersten Zwischenwelle über eine Einwegkupplung 444 gelagert, wobei ein Ansatz 443a des angetriebenen Primärzahnrads 443 sich auf die rechte Seite erstreckt, um von einem an einer Seite des Mittelgehäuseteils 425M befindlichen Lager 446 abgestützt zu werden. Das linke Ende der ersten Zwischenwelle 441 wird von einem Lager 447 an einer Seite des linksseitigen Gehäuseteils 425L abgestützt, und ein Sekundär-Antriebszahnrad 448 befindet sich auf der ersten Zwischenwelle 441 drehfest mit dieser und zwischen dem Lager 447 und dem angetriebenen Primärzahnrad 443.
Ein angetriebenes Sekundärzahnrad 449, das mit dem Sekundär-Antriebszahnrad 448 kämmt, ist drehbar auf der zweiten Zwischenwelle 442 gelagert, und ein Ternär-Antriebszahnrad 450 auf der rechten Seite des angetriebenen Sekundärzahnrads 449, mit diesem drehfest verbunden, kämmt mit einem angetriebenen Ternärzahnrad 451, das drehbar auf der Kurbelwelle 33 gelagert ist.
Wie in 17 gezeigt ist, werden die Antriebswelle 437 und das Primärantriebszahnrad 440 in Pfeilrichtung R1 gedreht. Das angetriebene Primärzahnrad 443 und das Sekundär-Antriebszahnrad 448 werden in Drehrichtung F2 gedreht, und das angetriebene Sekundärzahnrad 449 und das Ternär-Antriebszahnrad 450 werden in Drehrichtung R2 gedreht. Das angetriebene Ternärzahnrad 451 wird in die gleiche Drehrichtung F1 wie die Kurbelwelle 33 gedreht.
Die Einwegkupplung 444 an dem angetriebenen Primärzahnrad 443 überträgt nur eine Drehung in Richtung F2 des angetriebenen Primärzahnrads 443 auf die erste Zwischenwelle 441 und das Sekundär-Antriebszahnrad 448. Wenn zum Beispiel die Drehzahl der ersten Zwischenwelle 441 und des angetriebenen Sekundärzahnrads 448 die Drehzahl des angetriebenen Primärzahnrads 443 übersteigt, wird die Verbindung der Einwegkupplung 444 unterbrochen, so daß die erste Zwischenwelle 441 und das Sekundär-Antriebszahnrad 448 leerlaufen.
Ein Untersetzungsgetriebe 452 wird durch fünf Zahnräder 440, 443, 448, 449 und 450 sowie zwei Zwischenwellen 441 und 442 gebildet. Eine von dem Elektromotor 431 erzeugte Hilfsleistung wird auf eine Kraftkompositionseinrichtung 455 übertragen, nachdem sie drei Stufen einer Drehzahluntersetzung mit Hilfe des Untersetzungsgetriebes 452 unterzogen wurde.
Die Kraftkompositionseinrichtung 455 befindet sich im hinteren Bereich des Gehäuses 425. 18 ist eine Querschnittansicht, die die Kraftkombiniereinrichtung 455 vergrößert, welche koaxial bezüglich der Kurbelwelle 33 angeordnet und beispielsweise folgendermaßen aufgebaut ist:
Erstens wird das im wesentlichen zylindrische Pedalkraft-Übertragungselement 456 drehbar mit einem Metallager 457 an der Kurbelwelle 33 gelagert. Ein rechter Endbereich des Pedalkraft-Übertragungselements 456 ist im Durchmesser vergrößert, um ein Kupplungsgehäuse 458 zu bilden, in dessen Innenraum eine Einwegkupplung 459 vorgesehen ist. Diese Einwegkupplung 459 ist so aufgebaut, daß sie nur Drehung in Vorwärtsrichtung F1 der Kurbelwelle 33 auf das Pedalkraft-Übertragungselement 456 überträgt und die Kupplungsverbindung trennt, wenn zum Beispiel die Kurbelwelle 33 rückwärts gedreht wird, oder wenn die Drehzahl des Pedalkraft-Übertragungselements 456 diejenige der Kurbelwelle 33 übersteigt. An dem Außenumfangsteil des Kupplungsgehäuses 458 befindet sich ein Steuerwalzenhalter 460, der sich auf die linke Seite erstreckt und die Form eines Kreiszylinders hat.
Außerdem befindet sich am Umfang eines linken Endbereichs des Pedalkraft-Übertragungselements 456 ein Hilfskraft-Übertragungselement 461, welches in seiner Bewegung zur linken Seite durch einen Sprengring 462 eingeschränkt ist. Ein Steuerwalzenhalter 463 erstreckt sich zur rechten Seite in Form eines Kreiszylinders und ist einstöckig an das Hilfskraft-Übertragungselement 461 angeformt, wobei das angetriebene Ternärzahnrad 451 sich starr an dem Außenumfang des Hilfskraft-Übertragungselements 461 befindet. Im Ergebnis wird die Drehung des angetriebenen Ternärzahnrads 451, das ist die Drehung, die erhalten wird durch die Hilfsleistung des Elektromotors 431, untersetzt durch die Drehzahluntersetzung mit den Zahnrädern 440, 443, 448, 449 und 450, so, wie sie ist, auf das Hilfskraft-Übertragungselement 461 übertragen.
Andererseits ist ein Ausgangsdrehelement 465 drehbar auf der Kurbelwelle 33 in der Nähe von deren rechtem Ende gelagert. Das Ausgangsdrehelement 465 besteht aus drei Teilen, nämlich einer Ausgangsscheibe 466 in Form einer Scheibe, eine zylindrische Ausgangsverbindung 467 und ein Ausgangsgleitstück 468, die in dieser Reihenfolge an der linken Seite der Ausgangsscheibe 466 gekoppelt angebracht sind. Die drei Komponententeile 466, 467 und 468 sind konzentrisch durch Schlagstifte 469, 470 positioniert und miteinander durch eine Schraube 471 gekoppelt.
Ein Ausgangsansatz 473 ist an dem rechten Ende der Ausgangsscheibe 466 ausgebildet, ein innerhalb des Ausgangsansatzes 473 befindliches Lager 474 trägt drehbar das Ausgangsdrehelement 465 in seiner Gesamtheit drehbar um die Kurbelwelle 33. Der Ausgangsansatz 473 steht von dem Gehäuse 425 (dem rechten Gehäuseteil 425R) vor, und dort ist das Antriebskettenrad 36 mit einer Koppeleinrichtung wie zum Beispiel einer Keilverzahnung oder einer Schraube drehfest angebracht. Weiterhin sind am Innenumfang der Ausgangsverbindung 467 und des Ausgangsgleitstücks 468 gemäß 17 mehrere axial verlaufende Innenumfangs-Keilnuten 476 gebildet.
Das Ausgangsdrehelement 465 wird an einer Bewegung in axialer Richtung von einem Sprengring 477 gehindert, und ein Sprengring 478 umschließt den rechten Endbereich des Pedalkraft-Übertragungselements 456 und ist hierzu zwischen der Ausgangsscheibe 466 und der Ausgangsverbindung 467 des Ausgangsdrehelements 465 angeordnet. Aus diesem Grund wird auch die axiale Bewegung des Pedalkraft-Übertragungselements 456 verhindert. Das Pedalkraft-Übertragungselement 456 und das Ausgangsdrehelement 465 sind gegeneinander drehbar.
Ein Kraftkompositions-Drehelement 480 befindet sich an einer Innenumfangsseite der Ausgangsscheibe 466 und der Ausgangsverbindung 467 des Ausgangsdrehelements 465. Das Kraftkompositions-Drehelement 480 enthält ein Kraftkompositionsgehäuse 481 etwa in Form eines Zylinders, eine Steuerhülse 482 ebenfalls etwa zylindrischer Form und an der Innenseite des Kraftkompositionsgehäuses 481 fixiert, und einen ringförmigen Stellungsfühlerring 483, der an der Außenseite des Kraftkompositionsgehäuses 481 angebracht ist. Im Außenumfang des Stellungsfühlerrings 483 befindet sich eine Ringnut 484.
Eine Lagerfläche 486 in Form einer Kreiszylinderfläche ist am Außenumfang des Kupplungsgehäuses 458 des Pedalkraft-Übertragungselements 456 ausgebildet, und eine Kreiszylindrische Lagerfläche 487 ist ebenfalls am Außenumfang des Hilfskraft-Übertragungselements 461 ausgebildet. Die beiden Lagerflächen 486, 487 sind mit einer Trennung zwischen ihnen in axialer Richtung der Kurbelwelle 33 versehen, wobei das Kraftkompositions-Drehelement 480 so gelagert ist, daß es sich zwischen den Lagerflächen 486, 487 erstreckt.
19 zeigt nur die Steuerkurvenbuchse 482, durch Entfernen des Kraftkompositionsgehäuses 481 von dem Kraftkompositions-Drehelement 480. Wie in dieser Figur zu sehen ist, ist am rechten Ende der Steuerkurvenbuchse 482 ein Außengewinde 488 ausgebildet, und die beiden Komponententeile 481, 482 sind zu einem integrierten starren Element vereint, wenn das Außengewinde 488 in das in 18 am rechten Ende des Innenumfangsteils des Kraftkompositionsgehäuses 481 befindliche Innengewinde 489 eingeschraubt ist. Die Steuerkurvenbuchse 482 ist so festgeschraubt, daß sie am rechten Ende von ihr an einem Innenflansch 490 anschlägt, der am rechten Ende des Kraftkompositionsgehäuses 481 ausgebildet ist. Das Außengewinde 488 und das Innengewinde 489 sind so angeordnet, daß sie sich an einem Außenumfang der Lagerfläche 486 des Pedalkraft-Übertragungselements 456 befinden. Weiterhin sind die Gewindeteile 488 und 489 als linksgängige Gewinde ausgebildet. Andererseits ist ein Stellungsfühlerring 483 auf einer Außenseite des Kraftkompositionsgehäuses 481 mit Fixiermitteln wie zum Beispiel Preßpassung oder Verstemmen befestigt.
Das Kraftkompositionsgehäuse 481 soll als Kugel-Keilverzahnungsteil dienen, wobei ein Außenumfang von ihm mehrere axial verlaufende, über den Außenumfang verteilte Keilnuten 491 besitzt, wie in 17 zu sehen ist. Zwischen der Außenumfangs-Keilnut 491 und der Innenumfangs-Keilnut 476 des Ausgangsdrehelements 465 sind Stahlkugeln 492 eingefügt, um eine Kugel-Keilverzahnung 493 zu bilden. Über diese Kugel-Keilverzahnung 493 ist das Kraftkompositions-Drehelement 480 drehfest mit dem Ausgangsdrehelement 465 gekoppelt und ist gleichzeitig axial zu diesem beweglich.
Außerdem dient die Steuerkurvenbuchse 482 des Kraftkompositions-Drehelements 480 als Steuerkurventeil. Wie in 19 gezeigt ist, verläuft ein Paar linker und rechter Steuernuten 495R, 495L gemäß einer V-Form in Spiralrichtung entlang der Steuerkurvenbuchse 482. Drei Gruppen von Steuernuten 495R, 495L sind beispielsweise mit einem Winkelabstand von 120° in Umfangsrichtung der Steuerkurvenbuchse 482 ausgebildet.
Die Steuernut 495R ist in Linksgewinderichtung geneigt, die Steuernut 495L ist gemäß einem rechtsgängigen Gewinde geneigt. Wie in den 16 und 18 gezeigt ist, ist zwischen den Steuernuten 495R, 495L ein nach innen gerichteter Mittelflansch 496 ausgebildet, und der Innendurchmesser dieses Mittelflansches 486 ist etwas größer als der Außendurchmesser eines Zwischenteils des Pedalkraft-Übertragungselements 456.
Andererseits sind Steuerwalzen 497R, 497L an den Außenumfangsflächen des Steuerwalzenhalters 460 vorgesehen, der an dem Pedalkraft-Übertragungselement 456 ausgebildet ist, außerdem an den Steuerwalzenhalter 463, der an dem Hilfskraft-Übertragungselement 461 ausgebildet ist, und zwar mit einem Winkelversatz von 120° in Umfangsrichtung. Diese Steuerwalzen oder -rollen 497R, 497L sind drehbar an Walzenzapfen 498 gelagert. Die Drehachse (die Achse des Walzenzapfens 498) jeder Steuerwalze 497R, 497L verläuft orthogonal zu der Kurbelwelle 33.
Die Steuerwalze 497R auf der Seite des Pedalkraft-Übertragungselements 456 steht in Eingriff mit dem Inneren der Steuernut 495R der Steuerkurvenbuchse 482, um eine Drehmomentsteuerkurve 499 zu bilden, und die Steuerkurve 497L auf der Seite des Hilfskraft-Übertragungselements 461 steht in Eingriff mit dem Inneren der Steuernut 495L der Steuerkurvenbuchse 482, um eine Drehmomentsteuerkurve 500 zu bilden. Der Durchmesser der Steuerwalze 497R, 497L ist so eingestellt, daß die Steuerwalzen 497R, 497L innerhalb der Steuernuten 495R, 495L rollend bewegbar sind, gleichzeitig aber nicht in Breitenrichtung der Steuernuten 495R, 495L schwingen können.
Wenn das Pedalkraft-Übertragungselement 456 bei Aufnahme einer Drehung (Pedalkraft) der Kurbelwelle 33 in Richtung F1 verschwenkt wird, überträgt die Drehmomentsteuerkurve 499 die Pedalkraft P auf das Kraftkompositions-Drehelement 480 (die Steuerkurvenbuchse 482) und erzeugt gleichzeitig eine Axialkraftkomponente p mit einem Betrag proportional zur Kraft P, wie in 19 durch den Vektor angedeutet ist. Aufgrund der Axialkraftkomponente p wird die Steuerkurvenbuchse 480 zu einer Seite hin gedrückt, beispielsweise nach links.
Wenn weiterhin das Hilfskraft-Übertragungselement 461 bei Aufnahme der Hilfskraft seitens des Elektromotors 431 in Richtung F1 gedreht wird, überträgt die Drehmomentsteuerkurve 500 die Hilfsleistung M auf die Steuerkurvenbuchse 482 und erzeugt gleichzeitig eine Axialkraftkomponente m mit einem Betrag proportional zur Hilfsleistung M, um die Steuerkurvenbuchse 482 in Richtung der anderen Seite zu drücken, beispielsweise nach rechts mit Hilfe der Axialkraftkomponente m.
Weiterhin ist ein Paar linker und rechter Schraubenfedern 501, 502 auf der Innenumfangsseite der Drehmomentsteuerkurve 499 und der Drehmomentsteuerkurve 500 angeordnet. Die rechte Schraubenfeder 501 ist in den Raum zwischen dem Mittelflansch 496 der Steuerkurvenbuchse 482 und dem Kupplungsgehäuse 458 des Pedalkraft-Übertragungselements 456 eingesetzt, und die linke Schraubenfeder 502 ist in den Raum zwischen dem Mittelflansch 496 und dem Hilfskraft-Übertragungselement 461 eingesetzt. Form und Größe sowie Federkonstante der linken und der rechten Schraubenfeder 501 bzw. 502 sind identisch.
Das Kupplungsgehäuse 458 des Pedalkraft-Übertragungselements 456 und das Hilfskraft-Übertragungselement 461 sind in axialer Richtung der Kurbelwelle 33 ortsfest, und der Mittelflansch 496 dazwischen ist in axialer Richtung der Kurbelwelle 33 beweglich. Im Ergebnis sind, wenn der Mittelflansch 496 von der linken und der rechten Seite her durch die beiden Schraubenfedern 501 und 502 mit gleichen Druckkräften beaufschlagt wird, die Kräfte ausbalanciert, so daß der Mittelflansch 496 an der Stelle E hält, an der die jeweiligen Längen der beiden Schraubenfedern 501 und 502 gleich groß sind. Die Stelle E wird zu einer Neutralstellung des Kraftkompositions-Drehelements 480 (des Mittelflansches 496), und die Stelle E ist derart festgelegt, daß sie dem Mittelpunkt des Bereichs entspricht, in welchem das Kraftkompositions-Drehelement 480 in axialer Richtung der Kurbelwelle 33 bewegbar ist.
Die Kraftkompositionseinrichtung 455 ist in der oben erläuterten Weise aufgebaut. Eine scheibenförmige Sensorplatte 503 ist drehfest mit der Kurbelwelle 33 in der Nähe der Kraftkompositionseinrichtung 455 auf deren linker Seite angebracht. Ausnehmungen und Vorsprünge 504 sind nach Art eines verzahnten Rads am Außenumfang der Sensorplatte 503 ausgebildet. Andererseits ist gemäß 17 ein Drehgeschwindigkeitssensor oder Drehzahlsensor 505 am Gehäuse 425 (425M) vorgesehen, und er liest die Bewegung der Ausnehmungen und Vorsprünge 504 am Außenumfang der Sensorplatte 503, um die Drehzahl der Kurbelwelle 33 zu erfassen.
Wie in 20 gezeigt ist, befindet sich ein Stellungsfühler 506 am unteren Teil der Kraftkompositionseinrichtung 455. Der Stellungsfühler 506 dient als Bewegungsdetektoreinrichtung. Der Stellungsfühler 506 ist an der Unterseite des Gehäuses 425 mit einem Bolzen 507 befestigt, und ein an einem Ende eines Schwenkarms 508 an einer Oberseite von ihm befindet sich ein Miniaturlager 509 in der Sensornut 484 des Stellungsfühlerrings 483, um in dieser Nut verschieblich zu sein.
Wenn das Kraftkompositions-Drehelement 480 sich in axialer Richtung der Kurbelwelle 33 bewegt, bewegt sich auch der Stellungsfühlerring 483 in axialer Richtung zusammen mit dem Kraftkompositions-Drehelement 480. Auf diese Weise wird der Schwenkarm 508 des Stellungsfühlers 506 verschwenkt, um die Verlagerungsrichtung und den Verlagerungshub des Kraftkompositions-Drehelements 480 gegenüber der Neutralstellung E zu messen.
Wie in 21 gezeigt ist, ist der Stellungssensor oder Stellungsfühler 506 elektrisch mit der Steuereinrichtung 43 verbunden. Die Verlagerungsrichtung und der Verlagerungshub des Kraftkombinier-Drehelements 480 entsprechend der Messung durch den Stellungsfühler 506 werden in die Steuereinrichtung 43 eingegeben, die elektrisch mit Anlagenteilen wie der Batterieeinheit 20, dem Elektromotor 431 und dem Drehzahlfühler 505 verbunden ist.
Die Arbeitsweise der Hilfsvorrichtung 400 mit dem oben beschriebenen Aufbau ist folgende:
Wenn die Kurbelwelle 33 in Richtung F1 bei Erhalt der Pedalkraft während des fahrenden Fahrrads 1 mit Hilfskraftunterstützung dreht, wird diese Drehung der Kurbelwelle 33 über die Einwegkupplung der Kraftkompositionseinrichtung 455 auf das Pedalkraft-Übertragungselement 456 übertragen, und dieses wird zum Drehen in Richtung F1 angetrieben. Andererseits wird die Hilfsleistung des Elektromotors 431 drei Stufen einer Drehzahluntersetzung mit Hilfe von sechs Zahnrädern 440, 443, 448, 449, 450 und 451 unterzogen und derart auf das Hilfskraft-Übertragungselement 461 übertragen, das dieses ebenfalls zum Drehen in Richtung F1 angetrieben wird.
Die Drehkräfte des Pedalkraft-Übertragungselements 456 und des Hilfskraft-Übertragungselements 461 werden über die Drehmomentsteuerkurve 499 bzw. die Drehmomentsteuerkurve 500 auf das Kraftkompositions-Drehelement 480 übertragen, welches das Ausgangsdrehelement 465 über die Kugel-Keilverzahnung 493 in Richtung F1 dreht. Die Drehkraft des Ausgangsdrehelements 465 ist eine zusammengesetzte Kraft aus der Pedalkraft und der Hilfskraft, und die zusammengesetzte (komponierte) Kraft wird auf das Hinterrad 36 als das angetriebene Rad über das Antriebskettenrad 36, die Kette 38 und das angetriebene Kettenrad 37 übertragen. Aus diesem Grund wird die Pedalkraft von der Hilfsleistung des Elektromotors 431 unterstützt. Die Drehmomentsteuerkurve 499 und die Drehmomentsteuerkurve 500 übertragen die Drehkräfte des Pedalkraft-Übertragungselements 456 bzw. des Hilfskraft-Übertragungselements 461 auf das Kraftkompositions-Drehelement 480 und bewirken gleichzeitig zwei Axialkraftkomponenten p, m mit einem Betrag proportional zu der Pedalkraft P bzw. der Hilfskraft M, wie in 19 zu sehen ist, um von links und von rechts her auf das Kraftkompositions-Drehelement 480 (die Steuerkurvenbuchse 482) einzuwirken. Das Kraftkompositions-Drehelement 480 erhält daher Andruck von der linken und der rechten Seite durch die Axialkraftkomponenten p, m.
Wenn das Hilfsverhältnis 1 zu 1 beträgt, das heißt, wenn die Beträge von Pedalkraft P und Hilfskraft M gleich groß sind, werden die Beträge der beiden Axialkraftkomponenten p, m, die auf das Kraftkompositions-Drehelement 480 von dessen beiden Seiten her einwirken, gleich groß und sind gegeneinander versetzt, so daß die Stellung des Kraftkompositi ons-Drehelements 480 (des Mittelflansches 496) gemäß 18 und 22-B an der neutralen Stelle E verbleibt.
Wenn das Hilfsverhältnis von 1 zu 1 geändert wird, werden die Beträge der beiden Axialkraftkomponenten ungleich. Das Kraftkompositions-Drehelement 480 wird in axialer Richtung der Kurbelwelle 33 bewegt, während es von der Axialkraftkomponente p oder m gedrückt wird, je nachdem, welche Komponente einen höheren Betrag hat. Wenn zum Beispiel die Pedalkraft P größer ist als die Hilfsleistung M, wird die Axialkraftkomponente p der Pedalkraft P intensiver als die Axialkraftkomponente m der Hilfsleistung M, so daß das Kraftkompositions-Drehelement 480 (der Mittelflansch 496) von der Axialkraftkomponente p angedrückt und aus der neutralen Stellung E gemäß 22-A nach links bewegt wird.
Wenn die Hilfsleistung M ausgeprägter ist als die Pedalkraft P, wird die Axialkraftkomponente m der Hilfsleistung M intensiver als die Axialkraftkomponente p der Pedalkraft P, so daß das Kraftkompositions-Drehelement 480 (der Mittelflansch 496) von der Axialkraftkomponente m gedrückt wird, um sich gegenüber der neutralen Stellung E nach 22-C nach rechts zu bewegen.
Die Verlagerungsrichtung und der Verlagerungshub gegenüber der neutralen Stellung E des Kraftkompositions-Drehelements 480 (des Mittelflansches 496) wird dann von dem Stellungsfühler 506 ermittelt, und die erhaltenen Daten werden in die Steuereinrichtung 43 eingegeben, die die Betragsdifferenz der beiden Axialkraftkomponenten p, m anhand der Eingaben des Stellungsfühlers 506 ermittelt und die Ausgangsgröße des Elektromotors 431 derart steuert, daß die erwähnte Differenz auf „0" gebracht wird. In anderen Worten: sie veranlaßt, daß die Ausgangsgröße des Elektromotors 431 gesteigert wird, wenn das Kraftkompositions-Drehelement 480 gegenüber der neutralen Stellung E gemäß 22-A nach links bewegt wird, und sie veranlaßt eine Verringerung der Ausgangsgröße des Elektromotors 431, wenn das Kraftkompositions-Drehelement 480 sich von der neutralen Stellung E gemäß 22-C nach rechts bewegt hat. Daher wird die Kraftkompositions einrichtung 455 in ihrem in 22-B dargestellten Zustand gehalten, und das Unterstützungs- oder Hilfsverhältnis wird immer auf 1 zu 1 gehalten.
Es sei angemerkt, daß das Einstellen eines optionalen Werts an der Steuereinrichtung 43 als Betragsdifferenz zwischen den Axialkraftkomponenten p, m das Hilfsverhältnis nicht nur auf 1 zu 1 eingestellt werden kann, sondern auch auf einen optionalen Verhältniswert. Wenn beispielsweise die Betragsdifferenz zwischen den beiden Axialkraftkomponenten p und m auf 1 zu 0,5 eingestellt wird, wird die Hilfskraft M halb so groß wie die Pedalkraft P.
Die Steuereinrichtung 43 ermittelt die Fahrradgeschwindigkeit anhand der Drehzahl der Kurbelwelle 33, die von dem Drehzahlfühler 505 eingegeben wird, und wenn zum Beispiel die Fahrradgeschwindigkeit einen gewissen Wert überschritten hat, bewirkt sie eine Verringerung der Leistungszufuhr zu dem Elektromotor 431 oder gar die Verringerung der Leistungszufuhr auf „0", um eine zu große Fahrradgeschwindigkeit zu vermeiden.
Mit der Hilfskraftvorrichtung 400 ist es auch möglich, das Fahrrad ausschließlich durch Pedalkraft ohne Betrieb des Elektromotors 431 zu fahren. In diesem Fall wird die Kraftkompositionseinrichtung 455 insgesamt in Richtung F1 zusammen mit dem Antriebskettenrad 36 bei Erhalt der Pedalkraft gedreht, und die Drehung des Antriebskettenrads 36 wird auf das Hinterrad 26 übertragen. Während dabei das angetriebene ternäre Zahnrad 451 ebenfalls zusammen mit der Kraftkompositionseinrichtung 455 in Richtung F1 gedreht wird, so daß das Ternär-Antriebszahnrad 450, das angetriebene Sekundärzahnrad 449, das Sekundärantriebszahnrad 448 und die erste Zwischenwelle 441 rückwärts angetrieben werden, werden das angetriebene Primärzahnrad 443 und das erste Antriebszahnrad 440 nicht gedreht aufgrund der Tatsache, daß die Verbindung der Einwegkupplung 444 unterbrochen ist. Ein Rückwärtsantrieb des Elektomotors 431 wird dadurch verhindert, so daß eine leichte Pedalkraft aufrecht erhalten bleibt.
Bei der Hilfskraftvorrichtung 400 mit dem oben beschriebenen Aufbau wird das Hilfsverhältnis direkt und mechanisch an dem Teil der Kraftkompositionseinrichtung 455 erfaßt, wo die Pedalkraft und die Hilfskraft zusammengesetzt werden, und zwar derart, daß die Hilfskraftvorrichtung 3 der ersten Ausführungsform oder die Hilfskraftvorrichtung 203 der zweiten Ausführungsform eingesetzt wird. Hierdurch ist es möglich, das Hilfsverhältnis fehlerfrei exakt zu bestimmen, und außerdem wird das Hilfsverhältnis auf ein Verhält nis von 1 zu 1 oder ein optionales Verhältnis anhand des Netto-Ausgangssignals des Elektromotors 431 eingestellt, so daß man das Hilfsverhältnis exakt und einfach steuern kann.
Da außerdem bei der Hilfskraftvorrichtung 400 die Drehmomentsteuerkurve 499 und die Drehmomentsteuerkurve 500 der Kraftkombiniereinrichtung 455 als Walzen- oder Rollentyp ausgebildet sind, ist ihr Widerstand während des Betriebs sehr gering, ihr Bewegungsablauf verläuft glatt. Selbst wenn also eine geringe Änderung des Verhältnisses der Kraftkomponente p der Pedalkraft P zu der Kraftkomponente m der Hilfskraft M gegeben ist, kann das Kraftkompositions-Drehelement 480 dies empfindlich erkennen und einer sehr geringen Änderung des Verhältnisses folgen. Dementsprechend läßt sich das Hilfsverhältnis exakter steuern. Da in den Steuernuten 495R, 495L Schmiermittel abgedichtet eingeschlossen ist, wird die Schmierfähigkeit und Haltbarkeit der beiden Drehmomentsteuerkurven 495, 500 gesteigert.
Da außerdem das Kraftkompositions-Drehelement 480 der Kraftkompositionseinrichtung 455 in einer Weise gelagert ist, die sich zwischen der Lagerfläche 486 des Pedalkraft-Übertragungselements 456 und der Lagerfläche 487 des Hilfskraft-Übertragungselements 461, die in axialer Richtung der Kurbelwelle voneinander getrennt sind, erstreckt, wird die Schwingung der Achse des Kraftkompositions-Drehelements 480 gegenüber der Kurbelwelle 33 insgesamt minimal, so daß die Schwinge des Stellungsfühlerrings 483 ebenfalls sehr klein wird. Daher wird das Erfassen der Stellung des Kraftkompositions-Drehelements 480 exakt, und man kann den Betrag der Pedalkraft und der Hilfskraft, die auf die Kraftkompositionseinrichtung 455 einwirken, genau ermitteln.
Da das Kraftkompositions-Drehelement 480 so aufgebaut ist, daß das Kraftkompositionsgehäuse 481 als Kugel-Keilverzahnungsteil fungiert und die Steuerkurvenbuchse 482 als Steuerkurventeil fungiert, und zwar jeweils als getrenntes Element, können die Werkstof fe für das Kraftkompositionsgehäuse 481 und die Steuerkurvenbuchse 482 verschieden voneinander sein, so daß die Haltbarkeit der Kraftkompositionseinrichtung 455 dadurch verbessert werden kann, daß man für das jeweilige Teil ein passendes Material wählt. Da außerdem die beiden Komponenten 481, 482 dadurch zusammengefügt werden, daß Schrauben angezogen werden, lassen sich die Teile leicht auseinandernehmen, der Werkstoff für jedes Teil kann von dem des anderen Teils verschieden sein, ohne dadurch die Fähigkeit der Kraftkompositionseinrichtung 455 (des Kraftkompositions-Drehelements 480) zum Auseinandernehmen und Zusammenbauen zu schmälern.
Da das Innengewinde 489 des Kraftkompositionsgehäuses 481 und das Außengewinde 488 der Steuerkurvenbuchse 482 als linksgängige Gewinde ausgebildet sind, wird die Steuerkurvenbuchse 482 nach und nach in dem Kraftkompositionsgehäuse 481 festgezogen, wenn sie in Pfeilrichtung F1 gedreht wird. Dadurch geht die Verbindung des Kraftkompositionsgehäuses 481 mit der Steuerkurvenbuchse 482 während des Betriebs nicht verloren.
Der Gewindebefestigungsteil des Kraftkompositionsgehäuses 481 und der Steuerkurvenbuchse 482 befindet sich am Außenumfang der Lagerfläche 486 des Pedalkraft-Übertragungselements 456. Damit läßt sich ein toter Spielraum am Außenumfang des Kupplungsgehäuses 458 des Pedalkraft-Übertragungselements 456 wirksam dazu nutzen, eine Zunahme der Größe der Kraftkompositionseinrichtung 455 zu vermeiden.
Das Gehäuse 425 der Hilfskraftvorrichtung 400 ist in der oben beschriebenen Weise derart gestaltet, daß das Mittelgehäuseteil 425M und das linke und das rechte seitliche Gehäuseteil 425L, 425R aneinander mit einem Gehäusefixierbolzen 426 befestigt sind. Wie in 23 gezeigt ist, werden beispielsweise sieben Gehäusefixierbolzen 426 verwendet, die von der Seitengehäuseteil-Seite in Richtung des Antriebskettenrads 36 eingeführt werden, das heißt von der Seite des Gehäuseteils 425R, um das Mittelgehäuse 425M zu durchdringen und in Innengewinde 535 einzugreifen, die an der Innenseite des Seitengehäuseteils 425L ausgebildet sind.
Wenn daher die Anzahl der Innengewinde an dem Gehäuse 425 im Vergleich zu einem herkömmlichen Aufbau, bei dem beispielsweise der linke und der rechte seitliche Gehäuseteil 425L, 425R durch eigene Fixierbolzen am mittleren Gehäuseteil 425M fixiert sind, um die Hälfte reduziert werden kann, lassen sich die Verarbeitungskosten für das Gehäuse 425 deutlich herabsetzen.
Außerdem erfordert der Zusammenbau des Gehäuses 425 nur das Anbringen des linken Gehäuseteils 425L an der Unterseite, wo sich das mittlere Gehäuseteil 425M und das rechte Gehäuseteil 425R überlappend befinden, um die Gehäusefixierbolzen 426 in die Innengewinde 535 des seitlichen Gehäuseteils 425L einzuführen, indem sie von der Seite des rechten Gehäuseteils 425R eingeschoben werden. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Ausführung besteht keine Notwendigkeit, das linke und das rechte Gehäuseteil in der Weise zu befestigen, daß das mittlere Gehäuseteil mit der Oberseite nach unten gedreht wird. Aus diesem Grund gestaltet sich der Zusammenbau des Gehäuses 425 beträchtlich.
Da außerdem die Fixierbolzen 426 von der Seite her in Richtung des Antriebskettenrads 36 in das Gehäuse 425 eingeführt und angezogen werden, sind die Köpfe der Hälfte der Anzahl der Gehäusefixierbolzen 426 von dem Antriebskettenrad 26 und dem Kettenschutz 532 abgedeckt. Deshalb wird in höchstmöglichem Maß verhindert, daß die Köpfe der Gehäusefixierbolzen 426 freiliegen, und somit wird auch ein verbessertes äußeres Erscheinungsbild des Gehäuses 425 erreicht. Außerdem kollidiert der Kopf des Gehäusefixierbolzens 426 weniger mit einem Fuß oder einem Bekleidungsteil des Fahrers.
Obschon einige der Gehäusefixierbolzen 426 nach außen hin freiliegen, sind sämtliche dieser Gehäusefixierbolzen 426 zu der Seite des Antriebskettenrads 36 gewandt, und diese Seite (die rechte Seite) liegt derjenigen Seite (der linken Seite) gegenüber, an der der Fahrer das Fahrrad besteigt und von ihm absteigt. Damit sind die Gehäusefixierbolzen 426 unauffällig und führen nicht zu einer Beeinträchtigung des Erscheinungsbilds.
Das Außengehäuse 432 des Elektromotors 431 ist so aufgebaut, daß ein Gehäusedeckel 432b auf einem Gehäusekörper 432a sitzt. Die Hauptwelle 434 ist von einem Lager 557 aufgenommen, das sich im Mittelbereich einer Befestigungssitzfläche 556 des Gehäusekörpers 432a befindet, außerdem von einem Gehäuse 558, das sich in dem Gehäusedeckel 432b befindet. Im Zwischenbereich der Hauptwelle 434 ist drehfest mit diesem eine Spule 559 angeordnet, und an dem Innenumfang des Gehäusekörpers 432a sind mehrere Magnete 560 befestigt.
Vier Motorfixierbolzen 562 (beispielsweise) sind von der Innenseite des Elektromotors 431 her in die Befestigungssitzfläche 556 des Außengehäuses 432 (des Gehäusekörpers 432a) eingesetzt. Diese Motorfixierbolzen 562 sind an einer Axialbewegung und einer Drehung gegenüber dem Außengehäuse 432 eingeschränkt.
Andererseits ist im Innenbereich des Gehäuses 425 (zum Beispiel im mittleren Gehäuseteil 425M) eine Elektromotor-Fixierwand 563 ausgebildet, und an der rechten Oberfläche der Elektromotor-Fixierwand 563 sind vier Befestigungsbasen 564 entsprechend der Lage der Motorfixierbolzen 562 ausgebildet.
Jeder Motorfixierbolzen 562 durchdringt die Elektromotor-Fixierwand 563 beim Einsetzen in die Befestigungsbasis 564. Die Mutter 565 ist an dem Motorfixierbolzen 562 von der abgewandten Seite der Elektromotor-Fixierwand 563 her angezogen. Deshalb läßt sich der Elektromotor 431 fest an der Elektromotor-Fixierwand 563 anbringen.
Jeder Motorfixierbolzen 562 befindet sich am äußerstem Umfangsbereich der Befestigungssitzfläche 556 und befindet sich gleichzeitig zwischen den mehreren Magneten 560 am Innenumfang des Gehäusekörpers 432a, wie in 24 gezeigt ist. Ein Kopfteil 562a des Motorfixierbolzens 562 ist beispielsweise rechteckig ausgebildet, und eine Seitenfläche 562b davon befindet sich in enger Nachbarschaft zu (in Anlage an) der Innenumfangsfläche der Außenumfangswand des Gehäusekörpers 432a, um dadurch die Drehung des Motorfixierbolzens 562 gegenüber dem Außengehäuse 432 zu beschränken.
Wenn der Elektromotor 431 auf diese Weise im Inneren des Gehäuses 425 befestigt ist, verbessert sich die Befestigungsgenauigkeit des Elektromotors 431, und es wird eine Neigung der Hauptwelle 434 verhindert, da die Befestigungssitzfläche 556 des Elektromotors 431 sich in der Nähe der Befestigungsbasis 554 der Elektromotor-Fixierwand 563 befindet. Aus diesem Grund kann man Nachteile wie zum Beispiel einen ungleichmäßigen Verschleiß, das Entstehen ungewöhnlicher Geräusche, eine Zunahme mechanischer Verluste im Verbindungsbereich (bei dem Verbindungselement 436) zwischen der Hauptwelle 434 und der Antriebswelle 437 vermeiden.
Da außerdem der Motorfixierbolzen 562 das Drehmoment aufgrund der Antriebsreaktionskraft des Elektromotors 431 als Scherbelastung, und nicht als Biegebelastung aufnimmt, gibt es einen beträchtlichen Vorteil hinsichtlich der Festigkeit. Aus diesem Grund läßt sich der Durchmesser des Motorfixierbolzens 562 kleiner machen, und dieser Umstand sorgt im Verein mit der Tatsache, daß der Motorfixierbolzen 562 sehr kurz ist, zu der Möglichkeit, den Motorfixierbolzen 562 äußerst kompakt auszugestalten.
Außerdem steht kein Bauteil wie zum Beispiel ein Befestigungsträger oder dergleichen, von dem Außenumfangsbereich des Elektromotors 431 weg, und es steht auch ein solches Bauteil nicht von der Kontur des Gehäuses 425 ab. Damit läßt sich eine Verringerung der Baugröße und eine Steigerung des ästhetischen Erscheinungsbilds des Gehäuses 425 erreichen.
Darüber hinaus ist der Motorfixierbolzen 562 an dem Außengehäuse 432 fixiert, und er wird nicht in das Innere des Außengehäuses 432 eingeführt oder aus ihm entfernt, wenn der Elektromotor befestigt bzw. ausgebaut wird. Man braucht sich also um keine Schwierigkeiten wie zum Beispiel ein Herabfallen von Fremdstoffen wie Metallpulver, das an dem Motorfixierbolzen 562 haften geblieben war, in das Außengehäuse 432 zu kümmern.
Da außerdem der Motorfixierbolzen 562 sich zwischen den mehreren Magneten 560 am Innenumfang des Außengehäuses 432 befindet, besteht die Möglichkeit, den Kopfteil des Motorfixierbolzens 562 und den Magneten 560 bei Betrachtung in der Ebene in 16 in Überlappung zu bringen. Aus diesem Grund kann der Motorfixierbolzen 562 angebracht werden, ohne dabei die Breite des Außengehäuses 432 (die Tiefe des Gehäusekörpers 432a) zu vergrößern, oder Breite für die Magnete 560 einzubüßen, womit sich eine Zunahme der Größe des Außengehäuses 432 ebenso verhindern läßt wie eine Einbuße der Leistungsfähigkeit des Elektromotors 431. Die eine Seitenfläche 562b des Kopfs 562a des Motorfixierbolzens 562 gelangt in enge Nachbarschaft (gerät in Anlage mit) der Innenumfangsfläche der Außenumfangswand des Gehäusekörpers 432a, wodurch eine Drehung des Motorfixierbolzens 562 gegenüber dem Außengehäuse 432 eingeschränkt wird. Hierdurch ist es möglich, die Drehung des Motorfixierbolzens 562 einzuschränken, ohne auf Verbindungsmittel wie beispielsweise Schweißen zurückgreifen zu müssen.
Eine Zunahme der Anzahl von Schritten bei der Verarbeitung des Außengehäuses 432 läßt sich also vermeiden, und gleichzeitig wird ein Verziehen des Außengehäuses 432 durch die beim Schweißen entstehende Wärme vermieden. Da außerdem die Möglichkeit besteht, den Motorfixierbolzen 562 zu plazieren, nachdem die Magnete 560 am Gehäusekörper 432a angebracht sind, wird der Freiheitsgrad bei der Fertigung des Elektromotors 431 erhöht. Die Beschränkung der Axialbewegung des Motorfixierbolzens 562 läßt sich in einfacher Weise beispielsweise durch Verstemmen de Motorfixierbolzens 562 gegenüber dem Außengehäuse 432 erreichen.
Andererseits erstreckt sich gemäß 25 der Ansatzteil 443a des angetriebenen Primärzahnrads 443, das an der ersten Zwischenwelle 441 gelagert ist, in Richtung des Lagers 446, welches ein Ende (zum Beispiel das rechte Ende) der ersten Zwischenwelle 441 haltert, und das rechte Ende des Ansatzteils 443a und das rechte Ende der ersten Zwischenwelle 441 haben eine gleichmäßige Länge. Das Lager 446 ist zum Beispiel ein Nadellager, das Lager 446 befindet sich am Außenumfang des Ansatzteils 443a. Der Außenumfang des Lagers 446 ist mit Preßsitz in ein Lagerloch 570 an der Innenwand 425Ma des Mittelgehäuseteils 425M eingebracht.
Die Einwegkupplung 444 befindet sich am Innenumfang des Ansatzteils 443a. Wie in 26 zu sehen ist, ist die Einwegkupplung 444 zum Beispiel vom Keilrollentyp, wobei die erste Zwischenwelle 441 drehbar in einem Mittelloch 572 eines Kupplungsaußenteils 571 eingeführt ist, welches mit Preßsitz im Innenumfang des Ansatzteils 443a sitzt zwecks starrer Drehverbindung mit diesem, und Kupplungswälzkörper 574 sich im Inneren von drei keilförmigen Kammern 573 befinden, die in der Innenumfangsfläche des Mittellochs 572 gebildet sind. Jede keilförmige Kammer 573 hat die Form eines Keils mit einer Decke, die in Drehrichtung F2 der ersten Zwischenwelle 441 höher gelegen ist.
Die Länge in axialer Richtung des Kupplungsaußenteils 571 entspricht der Gesamtlänge des Ansatzteils 443a, und die Länge des Kupplungswälzkörpers 574 und der keilförmigen Kammer 573 beträgt etwa die Hälfte der Gesamtlänge des Kupplungsaußenteils 571, wobei sich die Lagerwälzkörper 575, 576 sowohl auf der linken als auch auf der rechten Seite des Kupplungswälzkörpers 574 befinden. Das angetriebene Primärzahnrad 443 ist um die erste Zwischenwelle 441 von den linken und den rechten Lagerwälzkörpern 575, 576 drehbar gelagert und wird gleichzeitig von der Innenwand 425Ma des Mittelgehäuseteils 425M über das oben angegebene Lager 446 abgestützt.
Im Betrieb des Elektromotors wird das angetriebene Primärzahnrad 443 in Richtung F2 von dem Primärantriebszahnrad 440 gedreht, und jeder Kupplungswälzkörper 574 innerhalb der Einwegkupplung 444 dringt in den Raum zwischen der Decke der keilförmigen Kammer 573 und der Außenumfangsoberfläche der ersten Zwischenwelle 441 ein in dem Versuch, in der Richtung entlang der Decke der keilförmigen Kammer 573 zu rollen, in der sich diese absenkt, wobei das angetriebene Primärzahnrad 443 und die Primärzwischenwelle 441 aufgrund dieser Keilwirkung drehfest miteinander umlaufen. Die Drehung in Richtung F2 des angetriebenen Primärzahnrads 443 wird also über die Zahnräder des Sekundärantriebszahnrads und der nachgeordneten Zahnräder 448, 449, 450 und 451 auf die Kraftkombiniereinrichtung 455 übertragen.
Wenn das mit Hilfskraft unterstützte Fahrrad 1 nur durch Pedalkraft angetrieben wird, ohne daß der Elektromotor 431 arbeitet, werden die Kurbelwelle 33, die die Pedalkraft aufnimmt, die Kraftkompositionseinrichtung 455 und das angetriebene Ternärzahnrad 451 gemeinsam mit dem Antriebskettenrad 36 in Richtung F1 gedreht, um das Hinterrad 26 anzutreiben. Dabei werden das Ternärantriebszahnrad 451 und das angetriebene Sekundärzahnrad 449 in Richtung R2 rückwärts angetrieben, während das Sekundärantriebszahnrad 448 und die erste Zwischenwelle 441 in Richtung F2 nach hinten angetrieben werden.
Da aber der Elektromotor 431 nicht in Betrieb ist, stehen das Primärantriebszahnrad 440 und das angetriebene Primärzahnrad 443 still. Da jeder Kupplungswälzkörper 574 in der Einwegkupplung 444 in der Richtung abrollt, in der sich die Decke der keilförmigen Kammer 573 erhöht, gibt es nicht den Keileffekt des Kupplungswälzkörpers 574, und es läuft nur die erste Zwischenwelle 441 in Richtung F2 um, wodurch das angetriebene Primärzahnrad 443 und das Primärantriebszahnrad 440 in ihrem Stillstand gehalten werden und der Elektromotor 431 nicht in Rückwärtsrichtung angetrieben wird.
Auf diese Weise erstreckt sich der Ansatzteil 443a des angetriebenen Primärzahnrads 443 in Richtung des Lagers 446 der ersten Zwischenwelle 441, und dieses Lager 446 befindet sich am Außenumfang des Ansatzteils 443a, während sich die Einwegkupplung 444 am Innenumfang des Ansatzteils 443a befindet. Auf diese Weise läßt sich die erste Zwischenwelle 441 kürzer machen, indem man das Lager 446 und die Einwegkupplung 444 in axialer Richtung einander überlappen läßt, wodurch man die Breite des Untersetzungsgetriebes 452 verringern und damit die Gesamtbreite der Hilfskraftvorrichtung 400 reduzieren kann.
Da außerdem ein relativ breiter Raum für die Unterbringung der Einwegkupplung 444 zur Verfügung steht, können die Lagerwälzkörper 575 und 576 an den beiden Seiten der Kupplungswälzkörper 574 angeordnet werden, wodurch geringere mechanische Verluste erreicht werden, indem man den Rollwiderstand beim Leerlauf der ersten Zwischenwelle 441 in dem angetriebenen Primärzahnrad 443 deutlich senkt. Gleichzeitig läßt sich das Entstehen von Getriebegeräuschen senken, indem man eine Exzentrizität oder Neigung der ersten Zwischenwelle 441 und des Sekundärantriebszahnrads 448 vermeidet.

Claims

Hilfsantriebsvorrichtung (3; 203; 400) eines Fahrrads (1) mit Hilfsantrieb, umfassend: eine Kurbelwelle (33), die durch Pedalkraft gedreht wird; einen Elektromotor (55; 256; 461) zum Erzeugen einer Hilfskraft; eine Kraftkompositionseinrichtung (80A, 80B; 287; 455) zum Zusammensetzen von Pedalkraft und Hilfskraft, um eine Verbundkraft auf eine Antriebsradseite zu geben, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftkompositionseinrichtung (80A, 80B; 287; 455) beim Zusammensetzen von Pedalkraft und Hilfskraft gleichzeitig zwei einander entgegengesetzte Axialkräfte (p, m) mit Beträgen proportional zur Pedalkraft bzw. Hilfskraft (P, M) erzeugt; eine Axialkraftbetrags-Differenzdetektoreinrichtung (100; 334; 506) die Differenz der Beträge zwischen den beiden Axialkräften (p, m) erfaßt; und eine Steuereinrichtung (43) eine Ausgangsgröße des Elektromotors in der Weise steuert, daß die Differenz der Beträge zwischen den beiden Axialkräften (p, m) auf "0" oder auf eine optionale Betragsdifferenz gebracht wird, basierend auf einem Eingangssignal seitens der Axialkraftbetrags-Differenzdetektoreinrichtung (100; 334; 506).
Vorrichtung (3; 203; 400) nach Anspruch 1, bei der die Kraftkompositionseinrichtung (80A, 80B; 287, 455) aufweist: ein Ausgangsdrehelement (81; 300; 465) zum Übertragen einer Ausgangsgröße auf das Antriebsrad (36); ein Kraftkompositions-Drehelement (83; 316; 480), welches starr mit dem Ausgangsdrehelement drehbar und axial zu diesem beweglich ist; ein Pedalkraftübertragungselement (87, 288; 456) und ein Hilfskraftübertragungselement (91; 293; 461), die auf den beiden Seiten des Kraftkompositions-Drehelements (83; 216; 496) angeordnet sind und bei Aufnahme der Pedalkraft bzw. der Hilfskraft in die gleiche Richtung gedreht werden; Drehmoment-Steuerkurven (95, 96, 107, 108, 499, 500; 325–326) zum Übertragen der Drehkräfte des Pedalkraft-Übertragungselements (87; 288; 456) und des Hilfskraft-Übertragungselements (91; 293; 461) auf das Kraftkompositions-Drehelement (83; 316; 480), um gleichzeitig zu veranlassen, daß zwei Axialkräfte mit einem Betrag proportional zur Pedalkraft und der Hilfskraft auf das Kraftkompositions-Drehelement (83; 316; 480) von dessen zwei Seiten her einwirken; und Schraubenfedern (97, 98, 331, 332; 501, 502), die das Kraftkompositions-Drehelement (83; 316; 480) in eine neutrale Stellung an dem Ausgangsdrehelement drängt, wobei die Axialkraft-Differenzdetektoreinrichtung einen Stellungsfühler (100; 334; 506) aufweist, um Verlagerungsrichtung und Verlagerungshub des Kraftkompositions-Drehelements (83; 316; 480) gegenüber der neutralen Stellung zu erfassen und in die Steuereinrichtung (43) einzugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Ausgangsdrehelement (81; 300; 465) in der Form eines Zylinders aufgebaut ist, der auf einem Außenumfang der Kurbelwelle drehbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kraftkompositionseinrichtung (80A, 80B; 287; 455) aufweist: ein auf der Kurbelwelle gelagertes Ausgangsdrehelement (81; 300; 465), welches eine zusammengesetzte Kraft aus Pedalkraft und Hilfskraft auf die Antriebsradseite überträgt; ein Kraftkompositions-Drehelement (83; 316; 480), das an dem Ausgangsdrehelement (81; 300; 465) über eine Kugel-Keilverzahnung (84; 321; 493) drehfest mit dieser und axial beweglich gegenüber dieser angeordnet ist; Drehmoment-Steuerkurven (95, 96; 499, 500; 325, 326) zum Übertragen von Pedalkraft und Hilfskraft auf das Kraftkompositions-Drehelement (83; 316; 480) und zum gleichzeitigen Veranlassen, daß die beiden Axialkräfte (p, m) von zwei Seiten her auf das Kraftkompositions-Drehelement (83; 316; 480) entlang der Axialrichtung der Kurbelwelle (33) einwirken; und Schraubenfedern (97, 98; 331, 332; 501, 562) zum Halten des Kraftkompositions-Drehelements (83; 316; 480) an einer neutralen Stelle in dessen Bewegungsbereich in axialer Richtung, wobei die Schraubenfedern an einer Innen umfangsseite in diametraler Richtung bezüglich der Drehmoment-Steuerkurven angeordnet sind; und wobei die Axialkraftbetrag-Differenzdetektoreinrichtung (100; 334; 506) weiterhin aufweist: eine Bewegungsdetektoreinrichtung zum Erfassen einer Verlagerungsrichtung und eines Verlagerungshubs gegenüber der neutralen Stellung des Kraftkompositions-Drehelements (83; 316; 480), welches bei Aufnahme der beiden Axialkräfte in axialer Richtung bewegt wird.
Vorrichtung (203; 400) nach Anspruch 4, bei der die Kugel-Keilverzahnung (321; 493) der Kraftkompositionseinrichtung (287; 455) an einer Außenumfangsseite in radialer Richtung bezüglich der Drehmoment-Steuerkurven (325, 326; 499, 500) und der Schraubenfedern (331, 332; 501, 502) angeordnet ist.
Vorrichtung (400) nach Anspruch 1, bei der die Kraftkompositionseinrichtung (455) aufweist: ein Ausgangsdrehelement (465), das an der Kurbelwelle (33) gelagert ist, um eine aus der Pedalkraft und der Hilfskraft zusammengesetzte Kraft auf die Antriebsradseite zu übertragen; ein Kraftkompositions-Drehelement (480), das drehfest mit dem Ausgangsdrehelement (465) verbunden und gegenüber diesem über eine Kugel-Keilverzahnung (493) axial beweglich angeordnet ist; ein Pedalkraft-Übertragungselement (456) zum Übertragen einer Pedalkraft auf das Kraftkompositions-Drehelement (480); ein Hilfskraft-Übertragungselement (461) zum Übertragen einer Hilfskraft auf das Kraftkompositions-Drehelement (480); eine Drehmoment-Steuerkurve (499) zum Übertragen der Pedalkraft von dem Pedalkraft-Übertragungselement (456) auf das Kraftkompositions-Drehelement (480) und zum gleichzeitigen Veranlassen, daß eine der beiden Axialkräfte mit einem Betrag proportional zu der Pedalkraft von einer Seite her auf das Kraftkompositions-Drehelement (480) in axialer Richtung der Kurbelwelle (33) einwirkt; eine Drehmoment-Steuerkurve (500) zum Übertragen der Hilfskraft von dem Hilfskraft-Übertragungselement (461) auf das Kraftkompositions-Drehelement (480) und zum gleichzeitigen Veranlassen, daß die andere der Axialkräfte mit einem Betrag proportional zu der Hilfskraft von der anderen Seite her auf das Kraftkompositions-Drehelement (480) in axialer Richtung der Kurbelwelle (33) einwirkt; Schraubenfedern (501, 502) zum Halten des Kraftkompositions-Drehelements in einer neutralen Stellung innerhalb eines Bewegungsbereichs des Drehelements in axialer Richtung; und eine Bewegungsdetektoreinrichtung (506) zum Erfassen der Verlagerungsrichtung und des Verlagerungshubs gegenüber der neutralen Stellung des Kraftkompositions-Drehelements bei dessen Bewegung in axialer Richtung, wenn die beiden Axialkräfte aufgenommen werden; wobei die Steuereinrichtung (43) den Differenz des Betrags zwischen den beiden Axialkräften anhand einer Eingangsgröße von der Bewegungsdetektoreinrichtung (506) ermittelt, die Drehmoment-Steuerkurven (499, 500) Steuerrollen (497R, 497L) aufweisen, die drehbar an dem Pedalkraft-Übertragungselement (456) bzw. dem Hilfskraft-Übertragungselement (461) angeordnet sind, wobei ihre jeweilige Drehachse orthogonal zu der Kurbelwelle (33) verläuft und wobei Steuernuten (495L, 495R) in einer Spiralrichtung des Kraftkompositions-Drehelements (480) für das Zusammenwirken mit den Steuerrollen (497R, 497L) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der eine Lagerfläche an dem Pedalkraft-Übertragungselement (456) und eine weitere Lagerfläche an dem Hilfskraft-Übertragungselement (461) in axialer Richtung der Kurbelwelle (33) getrennt voneinander vorgesehen sind, wobei das Kraftkompositions-Drehelement (480) so gelagert ist, daß es sich zwischen die beiden Lagerflächen erstreckt.
Vorrichtung (400) nach Anspruch 6, bei der das Kraftkompositions-Drehelement (480) derart geformt ist, daß es einen eine Kugel-Keilverzahnung bildenden Teil (493) und einen eine Steuerkurve bildenden Teil (499, 500) als voneinander getrennte Elemente aufweist, wobei der die Kugel-Keilverzahnung bildende Teil und der die Steuerkurve bildende Teil durch Schrauben (488, 489) zusammengebaut sind.
Vorrichtung (400) nach Anspruch 8, bei der der die Kugel-Keilverzahnung bildende Teil (493) und ein Schraubbefestigungsteil des Kraftkompositions-Drehelements (480) an einem Außenumfang der Lagerfläche des Pedalkraft-Übertragungselements (456) angeordnet sind.
Vorrichtung (3; 203; 400) nach Anspruch 1, bei der die Kraftkompositionseinrichtung (80A, B; 287; 455) aufweist: ein im wesentlichen kreiszylindrisches Pedalkraft-Übertragungselement (87; 288; 456), welches drehbar und axial fest auf der Kurbelwelle (33) gelagert ist, und welches an einem Ende mit einem Kupplungsgehäuse (291, 458) ausgestattet ist; eine in dem Kupplungsgehäuse befindliche Einwegkupplung (88, 292, 459) zum Übertragen ausschließlich einer Drehung in Vorwärtsdrehrichtung der Kurbelwelle (33) auf das Pedalkraft-Übertragungselement (87; 288; 456); ein Hilfskraft-Übertragungselement (91; 293; 461), welches drehbar und axial fest am Außenumfang eines Endabschnitts auf der Seite abgewandt von der Seite des Kupplungsgehäuses des Pedalkraft-Übertragungselements (87; 288; 456) gelagert ist, um von dem Elektromotor Hilfskraft aufzunehmen; ein Ausgangsdrehelement (81; 300; 465), welches drehbar und axial fest an der Kurbelwelle (33) gelagert ist, um eine aus der Pedalkraft und der Hilfskraft zusammengesetzte Kraft auf die Antriebsradseite zu übertragen; ein Kraftkompositions-Drehelement (83; 316; 480), welches an dem Ausgangsdrehelement (81; 300; 465) über eine Kugel-Keilverzahnung (84; 321; 493) für eine gemeinsame Drehung mit dem Drehelement und eine Axialbewegung gegenüber dem Drehelement angeordnet ist; Drehmoment-Steuerkurven (95, 96, 107, 108; 325, 326; 499, 500) zum Übertragen der Pedalkraft und der Hilfskraft auf das Kraftkompositions-Drehelement und zum gleichzeitigen Veranlassen, daß die beiden Axialkräfte von zwei Seiten her entlang der Axialrichtung der Kurbelwelle (33) auf das Kraftkompositions-Drehelement (83; 316; 480) einwirken; ein Paar Schraubenfedern (97, 98; 331, 332; 501, 502) zum Halten des Kraftkompositions-Drehelements (83; 316; 480) in einer neutralen Stellung innerhalb des Axialbewegungsbereichs des Drehelements, in dem ein Erregerteil des Kraftkompositions-Drehelements (83; 316; 480) von dessen beiden Seiten her in axialer Richtung der Kurbelwelle beaufschlagt wird; und einen Stellungsfühler (100; 334; 506) zum Ermitteln des Verlagerungshubs und der Verlagerungsrichtung des bei Aufnahme der beiden Axialkräfte in axialer Richtung bewegten Kraftkompositions-Drehelements (83; 316; 480) gegenüber der neutralen Stellung, wobei das Paar Schraubenfedern (97, 98; 331, 332; 501, 502) in den Raum zwischen dem Kupplungsgehäuse des Pedalkraft-Übertragungselements (87; 288; 456) und des Hilfskraft-Übertragungselements (91; 293; 461) eingesetzt ist, um den Erregerteil des Kraftkompositions-Drehelements (83; 316; 480) zwischen den zwei Schraubenfedern zu positionieren, und wobei die Steuereinrichtung (43) die Betragsdifferenz zwischen den beiden Axialkräften anhand einer Eingangsgröße seitens des Stellungsfühlers (100; 334; 506) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der das Ausgangsdrehelement (81; 300; 465) an der Kurbelwelle (33) benachbart zu dem Pedalkraft-Übertragungselement (87; 288; 456) gelagert ist und letzteres mit dem Ausgangsdrehelement zur Relativdrehung gegenüber diesem bei ständiger Berührung zwischen ihnen in axialer Richtung verbunden ist.
Mit Hilfskraft unterstütztes Fahrrad, enthaltend eine Hilfskraftvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.