DE69831485T2

DE69831485T2 - Antriebseinheit für elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE69831485T2
Application number: DE69831485T
Authority: DE
Inventors: A. Richard MAYER; S. Bruce WIDMANN; A. Seth TERR; S. Devin BANK; R. Malcolm CURRIE
Original assignee: CURRIE TECHNOLOGIES Inc VAN NUYS; Currie Tech Inc
Current assignee: CURRIE ACQUISITIONS, LLC.,, CHATSWORTH, CALIF., US
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2018-03-18
Also published as: ATE303935T1; CN1096376C; WO1998041438A1; BR9808403A; KR20000076415A; CN1242747A; TW402570B; EP0968113A4; US5937964A; EP0968113A1; EP0968113B1; DE69831485D1; AU6757398A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrrad mit Elektromotor und insbesondere ein unitäres in sich geschlossenes Direktantriebsmodul (oder "unitäres Antriebsmodul") für Elektrofahrräder und andere Fahrzeuge. Die Erfindung umfasst außerdem einen Bausatz zum Umwandeln eines Standardfahrrades in ein Elektrofahrrad unter Verwendung des unitären Antriebsmoduls.
Als Hintergrundinformationen zeigt 19(a) der Zeichnungen, denen wir uns nun zuwenden, ein Standardfahrrad 100 (oder "Fahrrad"), das ein Zweiradfahrzeug ist, das typischerweise aus einem lenkbaren Vorderrad 102 und einem Hinterrad 104 besteht, die mittels Schnelllöseeinheiten 105 am Rahmen angebracht sein können. Das Standardfahrrad 100 enthält eine Rahmenbaugruppe 106 mit einem Kopfrohr 108, das eine Vordergabel 110 lagert, zum Lenken über Lenkstangen 109 durch einen Fahrer des Fahrrades 100. Wie in 19(b) gezeigt, ist das Hinterrad 104 mittels eines Paares hintere Stützen (oder "Ausstiege") 112 am hinteren Ende des Rahmens 106 gelagert. Ein Sitzrohr 111 wird angrenzend an das Hinterrad 104 vom Rahmen 106 getragen, und darauf befindet sich eine Sitzsäule 113, auf der ein Sattel-Sitz 115 angeordnet ist, um einen Fahrer aufzunehmen.
Bei dem Standardfahrrad 100 ist ein horizontal ausgerichtetes Lager (oder Tretkurbellager) 117 unterhalb des Sitzrohrs 111 positioniert und lagert einen vom Fahrer "angetriebenen" Antriebsmechanismus 120. Der Antriebsmechanismus 120 umfasst im Allgemeinen eine Tretkurbel 123, die im Tretkurbellager 117 gelagert ist und ein Kettenrad 129 mit einer Mehrzahl von Zähnen zusammen mit der darin positionierten Tretkurbel 123 enthält, wobei an jedem Ende 127 der Tretkurbel 123 Pedale 125 drehbar gelagert sind.
Jedes Rad besteht typischerweise aus einem Reifen 114, der auf einer starren Felge 116 montiert ist, einer Achse 118, einem Nabenmechanismus (oder einer "Nabe") 122 und Speichen 124, die die starre Felge 116 mit der Nabe 122 verbinden, um eine Achse/Nabe-Baugruppe 121 auszubilden. Die Nabe 122 umgibt die Achse 118 und kann sich durch eine Lagerbaugruppe 126 (nicht gezeigt) frei um die Achse 118 drehen. Die Reifen/Felge-Baugruppe 128 ist durch eine Baugruppe der Speichen 124, die in einem Webmuster 130 zusammengebaut sind, an der Nabe 122 befestigt, um eine Rad/Nabe-Baugruppe 140 auszubilden. Dieses Webmuster 130 aus Speichen hat bei einer großen Menge von existenten Fahrradrädern relativ wenige Varianten, die gemeinhin dasselbe oder ein ähnliches Sechsundreißig- oder Vierunddreißig-Speichen-Webmuster 130 verwenden. Ein Zielkettenrad 150 ist am Hinterrad 104 montiert und ist mittels einer Kette 152 mit dem Tretkurbel-Kettenrad 129 verbunden, wodurch Kraftausübung durch den Fahrer auf die Pedale 125 das Fahrrad 100 vorwärtstreibt. Das einzelne Zielkettenrad 150 (oder Zielkettenrad) ist häufig durch eine Kettenschaltung 154 ersetzt, die eine Mehrzahl von Kettenrädern 156, 158, 160, 162, 164 und 166 (in 9 gezeigt) aufweisen kann, um eine variable Übersetzung für Fahrbequemlichkeit bereitzustellen, entweder beim Starten oder beim Erklimmen von Bergen oder für Fahrwirkungsgrad.
Eines der Merkmale eines Fahrrades ist, dass das Rad zur Wartung wie z.B. Reparatur eines Plattens abgenommen werden kann. Wie oben beschrieben, ist das typische Fahrrad-Rad aus einer Reifen/Felge-Baugruppe aufgebaut, die durch eine Reihe von gewebten Speichen mit der Nabe verbunden ist. Die Nabe sitzt mittels einer Lagerbaugruppe auf der Achse des Rades. Die Reifen/Felge-Baugruppe hat typischerweise ziemlich weite Fertigungstoleranzen und stellt als solche einen schlechten Bezugsrahmen für die Antriebselemente von bekannten Systemen dar. Dies liegt daran, dass Fahrräder typischerweise in hoher Stückzahl zu niedrigen Kosten gefertigte Konsumgüter sind, wodurch die Toleranzen der Komponenten nicht so gut wie bei einem Qualitätsmechanismus sind. Die Mehrzahl der in der Welt verkauften und in Gebrauch befindlichen Fahrräder liegen in den schlechteren oder weiteren Toleranzbereichen. Und wenn das Rad (oder der Reifen) repariert wird und dann wieder in die Ausstiege des Rahmens gesetzt wird, kann die Achse in Bezug auf den Rahmen etwas gekippt sein. Toleranzen für die Montageschlitze der Radachse ermöglichen als solche einen großen Spielraum der Baugruppe. Die weiten Fertigungstoleranten der Achse und Achse/Nabe-Lager sind für solche preiswerten Mechanismen typisch. Diese großen Toleranzen von Rad und Fahrradrahmen-Komponenten stellen ein erhebliches Problem bei der Konstruktion von zuverlässigen Direktantriebssystemen dar, bei denen verschiedene Komponenten des Systems an unterschiedlichen Teilen des Fahrrades montiert werden (z. B. am Rahmen, an der Achse, usw.).
Wenn die verschiedenen Komponenten des Antriebssystems an Fahrradkomponenten montiert werden, die weite Toleranzen in Bezug aufeinander haben, leiden die Antriebssysteme bei unsanftem Gebrauch früher oder später an ebendiesen schlechten Ausrichtungstoleranzen. Um übermäßigen Verschleiß, verminderten Wirkungsgrad und verminderte Leistung als Folge solcher weiten Toleranzen zu vermeiden, sollte ein effizientes Antriebssystem idealerweise eine Konstruktion verwenden, die von solchen weiten Toleranzen in der Achse/Nabe-Baugruppe des Fahrrades und auch den sich ändernden Toleranzen relativ zum Rahmen unabhängig sind. Es ist dieses Konstruktionskonzept, das diese Erfindung bildet.
In der Vergangenheit hat man durch mannigfache Verfahren elektrische Antriebssysteme für Fahrräder realisiert, die Elektromotorleistung verwenden, um den obigen Fahrerantriebsmechanismus beim Antrieb des Fahrrades zu ergänzen oder zu ersetzen. Zum Beispiel umfassen diese Verfahren Reibrollenantriebe, Riemenantriebe, Zahnradantriebe und Kettenantriebe. Zum Beispiel Reibungsantriebe umfassen typischerweise die Anwendung eines Elektromotors oder "der Antriebsquelle" auf ein Rad oder "den Zielmechanismus" durch einen Rollenmechanismus. Die Rolle kann direkt oder über einen Kupplungsmechanismus an der Antriebsquelle angebracht sein. Die Rolle überträgt die Antriebsquellenenergie durch den Kontakt der Rolle auf dem Zielrad durch Reibung zwischen deren jeweiligen Oberflächen. Diese Art von Antriebssystem leidet an mechanischen Verlusten in Verbindung mit Schlupf zwischen dem Rollenmechanismus und dem Zielrad als Folge von verminderter Reibung und an der Energie, die nötig ist, um den Gummireifen zusammenzudrücken. Die Leistung bei Feuchtigkeit, Regen, Schnee und Schlamm ist bestenfalls marginal.
Als weiteres Beispiel stellen Elektrofahrräder mit Direktantriebssystemen wie z.B. Riemen-, Zahnrad- und Kettenantrieben typischerweise höhere Energiekopplungswirkungsgrade als die Rollenreibungssysteme bereit. Diese Systeme erfordern jedoch ein hohes Maß an mechanischer Ganzheit in der Geometrie der Antriebskomponenten. Zum Beispiel muss es genügend Spannung in Riemen und Kette der Riemen- und Kettenantriebe und korrekte Ausrichtung oder korrektes Kämmen der Zahnräder bei den Zahnradantriebssystemen geben. Bei Stößen und vielen Reifen- und Radreparaturen muss die richtige und exakte mechanische Ausrichtung streng aufrechterhalten werden, um die Lebensdauer der Einheit zu verlängern.
Es gab eine Anzahl von Konstruktionen, die direkte Kopplung zwischen einem oder mehreren außen am Fahrradhinterrad montierten Elektromotoren und der Achse des Rades erzeugen können. Zum Beispiel kann ein Motor an den diagonalen oder an den horizontalen hinteren Gliedern (oder "Stützen") des Rahmens montiert werden. Eine direkte Kopplung kann in diesen Fällen durch ein 90-Grad-Kegelzahnrad zwischen einer Welle vom Motor und der Achse/Nabe-Baugruppe bewirkt werden. In diesem Fall werden äußere Stöße Verschleiß verursachen. Außerdem ist es schwierig, das Hinterrad für Reparatur zu entfernen. Der Antrieb kann durch eine Kette bewirkt werden, die besser, aber immer noch mechanisch kompliziert ist und derselben Art von Problemen ausgesetzt" ist. Außerdem ist es schwierig, die richtigen Übersetzungsverhältnisse zwischen der Drehzahl von typischen Motoren und derjenigen des Hinterrades, typischerweise zwischen 10:1 und 25:1, zu erreichen. Ein Motor kann oberhalb des Hinterrades montiert werden und ein sehr großes "Kettenrad" mit einem Durchmesser fast so groß wie der Raddurchmesser antreiben. Solche Systeme hat man demonstriert, sie wurden aber nicht akzeptiert, da sie plump, kopflastig und Relativverlagerung der Elemente ausgesetzt sind.
Man hat andere Direktantriebe in die Praxis umgesetzt, bei denen der Motor in der Nähe der Pedalkurbel montiert war. Diese können durch einen Zahnradantrieb mit geeigneten Kupplungen innerhalb des Tretkurbelgehäuses und daher durch die übliche Fahrradkette oder durch eine separate lange Kette zu einem separaten Kettenrad am Hinterrad mit dem Hinterrad gekoppelt werden. Sie können auch durch lange Wellen und Kegelzahnräder mit dem Hinterrad gekoppelt werden. Einige davon sind zwar betriebsfähig und praktisch, sie erfordern jedoch eine kundenspezifische Fahrradkonstruktion, die kostspieliger als gewünscht sein kann.
Für Konstruktionen, bei denen ein Motor außen am Hinterrad montiert ist, ist eine Verbesserung beschrieben in der Patentanmeldung Nr. 08/803,067 mit dem Titel "Precision Direct Drive Mechanism for a Power Assist Apparatus for a Bicycle" von Mayer et al., eingereicht am 20. Februar 1997. In diesem Konzept ist ein Motor auf einer Platte montiert, die getrennt zur Achse des Hinterrades registriert ist. Der Motor treibt ein Ritzel (oder Zahnritzel) an, das getrennt zur Achse des Hinterrades registriert ist und das durch ineinander greifende Zahnräder, eine Kette oder einen Riemen ein Zielzahnrad (oder Kettenrad) antreibt, das durch ein Lager oder eine Leerlaufkupp lungsanordnung ebenfalls an der Achse befestigt ist. Das heißt, die Motor/Ritzel-Baugruppe mit ihrem Montagerahmen und das Zielzahnrad (oder Kettenrad) sind getrennt entfernt von der Achse registriert, wobei das Zielzahnrad (Kettenrad) tatsächlich von der Nabe entfernt registriert ist. Eine ähnliche Anordnung ist im französischen Dokument FR A 2436036 offenbart.
Somit sind diese Elemente in einer günstigen Umgebung genau aufeinander ausgerichtet, wobei alle von voraussichtlich gemeinsamen und konzentrischen Punkten registriert sind. Auch bei dieser verbesserten und kompakteren Gestaltung haben wir in der Praxis jedoch festgestellt, dass für die meisten Fahrräder die Achslagertoleranzen und die Nabenlagertoleranzen bei realem unsanftem Gebrauch und Stößen sehr veränderlich sind. Mehr im Detail, wenn das Kämmen zwischen dem Zahnritzel (oder Zahnrad) und dem Zielkettenrad (oder Zahnrad) bei einem langen Hebelarm von der Achse stattfindet, kann die Lockerheit der Lager das Kämmen oder die Ausrichtung von Ritzel/Zielzahnrad ändern, was früher oder später zu Zahnradverschleiß, Zahnbruch oder Fehlausrichtung solcher Kettenräder führt. Zusätzliche Besorgnisse sind die Schwierigkeit, die Ausrichtung von Wellen zu erreichen (wie z.B. der Wellen des Motors oder des Zielzahnrades), und die Fertigungstoleranzen von Komponenten mit der Zeit und bei normalem unsanften Gebrauch.
Eine andere Klasse von Direktantriebssystemen basiert auf "Nabenmotoren", die in den Radnaben der Vorder- oder Hinterräder ausgeführt sind. Diese Klasse von Antrieben hat ihre eigenen Kostenaspekte und Leistungsmerkmale.
Keines der oben beschriebenen elektrischen Fahrradantriebssysteme liefert die wichtigen Vorteile des erfinderischen unitären Antriebsmoduls für ein elektrisches Fahrradantriebssystem, das ein hohes Maß an mechanischer Ganzheit in der Ausrichtungsgeometrie der Antriebskomponenten auch bei Stößen und unsanftem Gebrauch hat. Diese Vorteile werden erzielt, indem das unitäre Antriebsmodul einzigartig mit Antriebskomponenten gestaltet wird, die eine Antriebsquelle (oder einen Elektromotor), eine Ritzelantrieb-Kopplungskomponente (wie z.B. ein Zahnritzel, Zahnrad oder Riemenritzel oder eine Kombination davon), eine Zielmechanismus-Kopplungskomponente (oder ein Kettenrad, angetriebenes Zahnrad oder Riemenrad), den tatsächlichen mechanischen Kopplungsmechanismus zum Ziel oder Zielrad und das Ziel oder angetriebene Rad selbst aufweist, welches normalerweise das Hinterrad ist. Durch Verwendung von verschiedenen Kettenradverhältnissen kann die Erfindung einen weiten Bereich von Übersetzungsverhältnissen und daher Anpassbarkeit an einen weiten Bereich von Motoren erreichen. Durch die Verwendung einer im unitären Antriebsmodul eingebauten Leerlaufkupplung ist das Fahrrad in Abwesenheit von ausgeübter Kraft außerdem praktisch ohne Schleppen vollständig im Leerlauf. Und bei der Herstellung kann das unitäre Antriebsmodul als eine einstückige Betriebseinheit zusammengebaut und geprüft werden und dann leicht und einfach am Fahrradrahmen befestigt werden.
Insbesondere erzielt die vorliegende Erfindung diese Vorteile durch Verwendung eines unitären Antriebsmoduls mit einer Montagerahmen-Baugruppe, an der alle Antriebselemente montiert und auf ein Radanpass- (oder "Antriebs"-) -Kopplungselement ausgerichtet sind, das eine scheibenförmige Baugruppe mit einer großen zentralen Öffnung ist, die es zulässt, dass das Zielkopplungselement außerhalb des Nabendurchmessers um eine Radachse herum platziert wird. In der bevorzugten Ausführungsform hat das Zielkopplungselement ein Rillenmuster, das mit dem gewebten Speichenmuster eines Fahrradrades zusammenpasst, um es zu ermöglichen, das Zielkopplungselement durch Eingriff mit dem gewebten Speichenmuster mittels Befestigungselementen konzentrisch am Zielrad zu befestigen. Der Montagerahmen wird mittels eines Lagers oder dergleichen einschließlich einer Leerlaufkupplung am Zielkopplungselement befestigt. Die Montageplatte hat eine Öffnung (oder ein "Element") zur Aufnahme eines Elektromotors, um es zu ermöglichen, dass ein am Motor befestigtes Zahnritzel oder Zahnrad am Kettenrad und über eine Kette in das Zielkettenrad (oder Zahnrad) eingreift, um das Ziel-Fahrradrad bei geeigneter Kraftausübung durch einen Fahrer per Antriebskontrollen auf das Fahrrad zu drehen.
Somit liefert die vorliegende Erfindung die Vorteile, ein getrenntes unabhängiges in sich geschlossenes (oder selbstausgerichtetes) unitäres Antriebsmodul zu haben, das Fehlausrichtungsprobleme zwischen der Antriebsquelle und dem Ziel durch Verwendung eines gemeinsamen Bezugsrahmens überwindet. Die Ganzheit der Kettenausrichtung oder des Kämmens von Zahnrädern wird dadurch selbst in unebenem Gelände und bei unsanften Stößen und Gebrauch dauerhaft sichergestellt. Diese Erfindung kann somit vorteilhaft unter Verwendung eines Kettenantriebs-, Zahnradantriebs- oder Riemenan triebssystems realisiert werden, da einer ihrer wichtigen Vorteile ihre inhärente Vermeidung der gewöhnlichen Fehlausrichtungsursachen bei den obigen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik ist. Sie hat den zusätzlichen Vorteil, durch ein einzigartiges und getrennt beschriebenes mechanisches Kopplungselement an fast jedem Fahrradhinterrad leicht installiert zu werden. Sie arbeitet effizient, im Wesentlichen unabhängig von Rahmen und Achse/Nabe-Baugruppe und Rad/Nabe-Toleranzen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein unitäres Antriebsmodul für die Verwendung an einem Radfahrzeug bereitgestellt, das eine Radachse hat, die auf einem Rahmen gelagert ist, wobei ein Rad eine Nabe und Speichen hat, wobei das unitäre Antriebsmodul einen Elektromotor umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass es ein allgemein scheibenförmiges Zielkettenrad mit einer zentralen Öffnung hat, die es zulässt, dass das genannte Zielkettenrad auf einer Radnabe/Achse gelagert ist, die auf dem Rahmen des Fahrzeugs gelagert ist, wobei das genannte Zielkettenrad ein Zielkopplungselement aufweist, das so gestaltet ist, dass es in ein Rad des genannten Fahrzeugs eingreift, um es zu ermöglichen, dass das genannte Zielkettenrad im Wesentlichen konzentrisch an der/den genannten Radnabe/Speichen angebracht ist, einen Montagerahmen, der auf das genannte Zielkettenrad durch eine Verlängerung des genannten Zielkettenrades ausgerichtet und drehbar daran angebracht ist, um eine ausgerichtete Rotation des genannten Zielkettenrades um die genannte Radachse zuzulassen, wobei das Zielkettenrad einen Kragen aufweist, der mit einem Lager an dem genannten Montagerahmen befestigt wird, wobei der genannte Montagerahmen so angeordnet ist, dass er den Elektromotor aufnimmt, um es zu ermöglichen, dass ein an dem genannten Elektromotor befestigtes Zahnritzel das genannte Zielkettenrad antreibt und das genannte Rad dreht, wobei der genannte Montagerahmen einen einzelnen Bezugspunkt zum Ausrichten des genannten Zahnritzels auf das in das genannte Rad eingreifende Zielkettenrad bildet, wobei eine Leerlaufkupplung in der Nähe des Zahnritzels oder des Zielkettenrades positioniert ist.
Zweckmäßig ist der genannte Elektromotor durch einen Verbinder mit einer Batterie verbunden, wobei der genannte Elektromotor lösbar am Montagerahmen befestigt ist.
Das genannte Zielkopplungselement ist vorzugsweise einstückig mit dem genannten Zielkettenrad ausgebildet und für eine Befestigung an einem Flansch einer Nabe des Rades angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das genannte Zielkopplungselement ein Rillenmuster auf, das so angeordnet ist, dass es mit wenigstens einer Mehrzahl von Querschlitzen eines gewebten Speichenmusters des Rades zusammenpasst.
Alternativ ist das genannte Zielkopplungselement ein Kreuzwickelkoppler mit einem Rillenmuster, das so angeordnet ist, dass es mit wenigstens einem radialen Abschnitt eines gewebten Speichenmusters des Fahrradrades zusammenpasst.
Vorzugsweise ist die Leerlaufkupplung auf einem verlängerten Nabenflansch positioniert ist und ist eine zweite Leerlaufkupplung auf der gegenüber liegenden Seite des Rades auf einem zweiten verlängerten Nabenflansch positioniert.
Das genannte Zielkettenrad passt zweckmäßig mit einer Nabe des Fahrradrades zusammen, wobei die genannte Nabe verlängerte Flansche aufweist und wobei das genannte Zielkettenrad durch Befestigungselemente an dem genannten Flansch befestigt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform passt das genannte Zielkettenrad mit einer Nabe des Fahrrades zusammen, wobei die genannte Nabe verlängerte Flansche aufweist und wobei das genannte Zielkettenrad durch Befestigungselemente an den genannten Flanschen befestigt ist.
Vorzugsweise haben das genannte Zielkettenrad und das Zahnritzel jeweils eine Mehrzahl von Zähnen, die direkt ineinander greifen oder in eine mit den genannten Zähnen kämmende Antriebskette eingreifen können.
Alternativ haben das genannte Zielkettenrad und das Zahnritzel jeweils eine Oberfläche, in die ein Antriebsriemen eingreifen kann.
Der Motor ist vorzugsweise durch Schnelllösezungen am Montagerahmen befestigt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Leerlaufkupplung am Zielketten rad positioniert.
Wie nachfolgend detaillierter ausgeführt, liefern die Ausführungsformen der Erfindung eine Anzahl von bedeutsamen Vorteilen. Zum Beispiel umfassen die Schlüsselstellen der Erfindung die Einrichtung eines gemeinsamen Bezugs- oder Montagerahmens und einer Struktur, die unter allen Bedingungen präzise Ausrichtung für das gesamte Antriebssystem sicherstellt. Dieser Bezugsrahmen wird durch die Scheibe oder das Zielkettenrad zusammen mit dem hohlen Verlängerungskragen und der gerillten Oberfläche gebildet. Die Scheibe bildet durch die mit der Radnabe und den Speichen zusammenpassende gerillte Oberfläche einen festen Montagezusatz zum Rad. Die Scheibe wird konzentrisch mit der Radnabe gehalten, es ist aber keine große Exzentritätsgenauigkeit erforderlich. Das Zahnritzel ist entweder durch eine Leerlaufkupplung an der Bezugsrahmenscheibe befestigt oder direkt an der Bezugsrahmenscheibe befestigt. Der Motormontagerahmen ist durch ein Lager am hohlen Verlängerungskragen der Scheibe an der Bezugsrahmenscheibe befestigt. Der Motor ist am Motormontagerahmen befestigt, derart, dass für richtiges Kämmen des angetriebenen und des Zielzahnrades gesorgt wird, unabhängig von Achs- und Nabenlagertoleranzen. Das Triebkettenrad (oder -zahnrad) wird entweder direkt oder durch eine Einweg-Rollenkupplung mit dem Motor verbunden, je nachdem, ob das angetriebene (oder Kettenrad-) Zahnrad eine Leerlaufkupplung hat. Auf diese Weise sind das Zahnritzel, Zielkettenrad und irgendwelche Zwischenzahnräder präzise ausgerichtet, unabhängig davon, ob sie durch eine Kette, ein Zahnrad oder einen Riemen miteinander verbunden sind. Der Motormontagerahmen wird am Fahrradrahmen festgespannt, um Rotation des Montagerahmens zu verhindern, d.h. um Antriebsdrehkraft auf das Fahrrad zu übertragen.
Die Erfindung hält das ganze Antriebssystem innerhalb desselben Bezugsrahmens, wodurch die Antriebssystemtoleranzen innerhalb des Antriebssystems einschränkt werden. Diese Toleranzen werden durch die Fertigungstoleranzen der Antriebssystemkomponenten bestimmt, die unabhängig von den Fahrzeugfertigungstoleranzen konstruiert werden. Dadurch kann das Antriebssystem auf ein beliebiges Fahrzeug angewendet werden, wobei die Ganzheit und Leistung des Antriebssystems bewahrt wird. Die Erfindung selbst, zusammen mit weiteren Aufgaben und begleitenden Vorteilen, versteht man am besten unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung anhand der begleitenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Innen-Seitenansicht der vorliegenden Erfindung, die eine bevorzugte "Kettenantrieb"-Ausführungsform des unitären Antriebsmoduls veranschaulicht und den Montagerahmen mit Motor, Zahnritzel, Kette und Zielkettenrad zeigt.
2 ist eine allgemein entlang der Achse des Motors von 1 gewonnene erläuternde Querschnittsansicht.
3 ist eine entlang der Achse des Fahrradrades gewonnene Querschnitts-Erläuterungsansicht, die eine bevorzugte Ausführungsform des daran montierten Montagerahmens der vorliegenden Erfindung zeigt.
4(a) und 4(b) sind entlang der Achse des Fahrradrades gewonnene Querschnitts-Erläuterungsansichten, die den daran montierten Montagerahmen anderer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen.
5(a) und 5(b) sind Außen- und Innenansichten des Montagerahmens des unitären Antriebsmoduls der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Zahnradverbindung ohne den daran montierten Motor, und 5(c) ist eine vergrößerte Ansicht des ringförmigen Zielkopplungselement-Musters, das geeignet ist, in ein Radmuster aus 36 dreigekreuzten Speichen eines Fahrradrades einzugreifen.
6(a) und 6(b) sind Außen- und Innenansichten des Montagerahmen des unitären Antriebsmoduls der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Kettenverbindung zusammen mit einem Elektromotor, Zahnritzelkettenrad, Zielkettenrad und elektrischem Verbinder.
7 ist eine Außen-Seitenperspektivansicht des Montagerahmens und Zielkopplungselementes des unitären Antriebsmoduls der vorliegenden Erfindung, montiert an einem Fahrradhinterrad.
8 ist eine Außen-Seitenperspektivansicht des unitären Antriebsmoduls der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer an einem Fahrradhinterrad montierten Kettenverbindung.
9 ist eine Innen-Perspektivansicht des unitären Antriebsmoduls der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Zahnritzels und Zielkettenrades unter Verwendung einer am Hinterrad des Fahrrades angebrachten Kettenverbindung.
10(a) und 10(b) sind Querschnittsansichten von anderen bevorzugten Ausführungsformen des unitären Antriebsmoduls unter Verwendung eines zweiten Kettenrades mit Welle, die benutzt werden, um eine Herabsetzung der Motorumdrehungen pro Minute ("U.P.M.") zu erzielen.
11 ist eine erläuternde Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, des unitären Antriebsmoduls von 10(a).
12 ist eine andere Ausführungsform eines unitären Antriebsmoduls, das erste und zweite Motoren mit Zahnritzeln hat, um dem unitären Antriebsmodul Antriebskraft zuzuführen.
13 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Montage eines Motors an einem Montagerahmen unter Verwendung eines Kegelzahnrades.
14 ist eine Seitenaufrissansicht des unitären Antriebsmoduls der vorliegenden Erfindung, angebracht an einem Standardfahrrad, wobei das Fahrrad in Schattenlinien dargestellt ist.
15 ist eine Seitenaufrissansicht eines Fahrrades, das mit einem unitären Antriebsmodul der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist.
16(a), 16(b) und 16(c) sind erläuternde Querschnittsansichten von alternativen Ausführungsformen eines Zielkopplungselementes, das geeignet ist, das Zielkettenrad mit einem Fahrradrahmen zusammenzupassen.
17 ist eine Querschnittsansicht einer Schnelllöse-Motorhalterung, die bei dem unitären Antriebsmodul unter Verwendung eines Zahnradantriebs benutzt werden kann.
18(a), 18(b) und 18(c) veranschaulichen das Motormontagesystem von 17 außerdem in einer verriegelten und einer entriegelten Position.
19(a) ist eine Seitenaufrissansicht eines Standardfahrrades, und 19(b) ist eine vergrößerte Ansicht der gegenüber liegenden Seite des Hinterrades von 19(a).
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 betrifft ein Schlüsselaspekt des unitären Antriebsmoduls 200 (oder "unitären Vortriebsmoduls") die Bereitstellung eines (Zahlwort) Bezugsrahmens, um ein Zahnritzel auf ein Zielkettenrad auszurichten. Dies wird erreicht, indem ein "Montagerahmen" 204 des unitären Antriebsmoduls 200 verwendet wird, um ein Zahnritzel 242 eines Elektromotors 230 genau auf die Rad/Nabe-Baugruppe 140 (in 3 und 19 gezeigt) auszurichten. Da alle Antriebs- und Zielelemente des unitären Antriebsmoduls am Montagerahmen 204 montiert werden, stellt ein einzelner einstückiger und unabhängiger Bezugspunkt deren richtige Ausrichtung sicher. Die Befestigung des Montagerahmens 204 an der Rad/Nabe-Baugruppe 140 (und am Fahrradrahmen) ermöglicht einen stabilen Bezugsrahmen, da die Rad/Nabe-Baugruppe 140 direkt an der Reifen/Felge-Baugruppe 128 des Rades 104 (welches der Zielantriebsmechanismus des unitären Antriebsmoduls 200 ist) befestigt wird. Wie nachfolgend beschrieben, beseitigt dieser Bezugsrahmen die weiten oder veränderlichen Toleranzen der Rad/Nabe-Baugruppe 140 und der Reifen/Felge-Baugruppe 128 und der Achse 118 und Rahmenbaugruppe 106, wodurch eine starre Ausrichtung der Antriebs- und Zielelemente des unitären Antriebsmoduls 200 geschaffen wird, selbst bei den begleitenden Stößen und dem Verschleiß, denen solche Systeme unterliegen.
Unter Bezugnahme auf 1 ist in einer der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung der Montagerahmen 204 mit einem Motor verbunden, auf dem ein Zahnritzel 242 montiert ist, das über eine Kette 211 mit einem Zielkettenrad 202 verbunden ist, das ein Zielkopplungselement 203 mit einem Muster 205 (in 5(b) gezeigt) aufweist, das mit dem gewebten Speichermuster 130 des Fahrradrades (in 19 gezeigt) zusammenpasst. Ein Spannkettenrad (oder Zahnrad oder eine Riemenscheibe oder ein "Spanner") 288 kann verwendet werden, um Spannung in einer Kette 211 zu erzeugen, um Eingriff zwischen dem Zahnritzel 242 und dem Zielkettenrad 202 sicherzustellen.
Der Spanner 288 kann auch verwendet werden, damit die Kette 211 in mehr Zähne des Zahnritzels 242 eingreifen kann, so dass ein engerer Abstand zwischen dem Zahnritzel 242 und dem Zielkettenrad möglich wird. Der Montagerahmen 204, wenn durch ein Lager 206 wie z.B. ein Ringlager direkt am Zielkettenrad 202 befestigt, lässt es zu, dass sich der Bezugsrahmen des Zielkettenrades 202 innerhalb akzeptabler Toleranzen frei drehen kann, während seine mechanische Befestigung am Montagerahmen 204 aufrechterhalten wird. Außerdem enthält der Montagerahmen 204 eine in 2 und 3 gezeigte Motoröffnung 224 (oder ein anderes mechanisches Element zur Befestigung) für einen daran zu positionierenden Motor 230.
2 veranschaulicht die Position des Motors 230, der eine Motorwelle 244 hat, die in ein Planetengetriebe 246 eingreift, das für Untersetzung geeignet ist, wie z.B. von 5:1 oder 7:1 Drehzahlherabsetzung. Unter Verwendung dieser wichtigen Gestaltung ermöglicht es das Planetengetriebe-Untersetzungssystem zwischen der Motorwelle 244 und dem Zahnritzel 242 dem Benutzer, das bevorzugte Gesamt-Übersetzungsverhältnis zwischen Motor und Fahrradrad auszuwählen, welches über einen weiten Bereich von hohen Werten eingestellt werden kann. Das Planetengetriebe 246 wiederum greift in das Zahnritzel 242 ein, das durch eine Kette mit dem Zielkettenrad verbunden ist.
Diese einfache Gestaltung werden die geringsten Kosten mancher Anwendungen sein. Das Gesamt-Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl des Motors 230 und der Drehzahl des Fahrradrades 104 wird durch das Verhältnis der Durchmesser oder Zähnezahl zwischen dem Zahnritzel 242 und dem Zielkettenrad 202 leicht eingestellt. Ein Schnelllöseeinrichtung 500 für den Motor 230 wird bereitgestellt, indem eine Kerbverzahnung 245 auf der Motorwelle 244 vorgesehen wird, die mit dem Eingang des Planetengetriebesystems 246 verbindet. Natürlich ist in einer noch einfacheren Gestaltung die Planetengetriebeuntersetzung nicht notwendig. Zum Beispiel kann der Motor 230 direkt mit dem Zahnritzel verbunden sein, und das Gesamt-Übersetzungsverhältnis zwischen dem Motor 230 und dem Antriebsrad 104 (nicht gezeigt) ist kleiner. In diesem Fall ist ein Motor mit niedrigerer Drehzahl notwendig.
Wie außerdem in 3 dargestellt, nimmt der Montagerahmen 204 den Motor 230 auf, dessen Motorwelle 244 zum Montagerahmen 204 senkrecht ist. Durch den in 1 dargestellten Mechanismus ist der Motor 230 geeignet, das Zahnritzel 242 mit Kraft zu versorgen. Das Zielkettenrad 202 ist an einem hohlen Verlängerungskragen (oder Drehrohr) 207 oder dergleichen befestigt, welches mit einem Zielkopplungselement 203 verbunden ist, das um die Nabe 122 herum in die Speichen 124 des Fahrradrades 104 eingreift, aber außerhalb der Nabe 122 auf den Speichen 124 aufsitzt. Das Zielkopplungselement 203 hat dasselbe Radspeichenmuster 205 wie das Fahrradrad 104 und ist daran befestigt, wie außerdem in 8(b) dargestellt. Der Innendurchmesser dieser ganzen Baugruppe wird so groß gemacht, dass sie über praktisch alle Arten von Naben 122 passt. Das Kopplungselement befestigt an den Speichen und verteilt die Drehkraft auf typischerweise 16 oder 18 Speichen an deren stärkstem Punkt. Das Zielkopplungselement 203 ist starr mit dem Drehrohr 207 (oder einem Teil davon) verbunden, das sich wegen des Ringlagers 206 in Bezug auf den Montagerahmen 204 drehen kann. Wie beschrieben, stellt die Erfindung somit einen gemeinsamen Bezugspunkt für die verschiedenen Komponenten des Direktantriebssystems bereit, wodurch Toleranzen innerhalb des Antriebssystems kontrolliert und außerdem von den Toleranzen der Fahrradkomponenten getrennt werden können. Nur als Beispiel können das Zielkettenrad 202 und das Zielkopplungselement 203 (oder "Kreuzwickelkoppler") aus Aluminium oder aus gefertigtem Kunststoff, der geformt werden kann, konstruiert werden, und der Montagerahmen 204 ist vorzugsweise Aluminium, für sowohl leichtes Gewicht als auch relativ hohe Wärmeleitfähigkeit zu dem Zweck, die Motorwärme zu zerstreuen.
Wie oben ausgeführt, ist das Zielkettenrad 202, das vorzugsweise mittels einer Kette 211 vom Zahnritzel 242 angetrieben wird, durch eine Leerlaufkupplung 277 in der Nähe des Drehrohrs 207 montiert. Die Leerlaufkupplung lässt es zu, dass sich das Rad ohne das Schleppen des Elektromotors 230, wenn der Elektromotor nicht mit Strom versorgt wird, frei dreht. Diese Leerlaufkupplung 277 verbessert Radschleppen wesentlich, eine für den Fahrradfahrer erkennbare Wirkung, und verbessert die Reichweite des Fahrrades. Die Leerlaufkupplung 277 kann als Rollenkupplung oder "Freilauf" am Zahnritzel oder als Leerlaufkupplung am Zielkettenrad realisiert werden. Wenn sich das Zielkettenrad schneller als das Hinterrad dreht, greift es auf diese Weise ein und treibt das Rad an. Beim Ausrollen mit abgeschaltetem Motor lässt es der Freilauf zu, dass sich das Hinterrad dreht, wobei das Zielkettenrad 202 ausgerückt ist.
Eine geeignete "Freilauf"- oder "Einwegrollen"-Kupplung, die in das unitäre Antriebsmodul 200 eingebaut werden kann, wird von der Fa. Dicta Corp. oder Lida Machinery Co. in Tao Yuan, Taiwan, hergestellt, und ist ein Freilauf, der Sperrklinken in der Kup plung verwendet. Sie wird in dem Zielkettenrad positioniert, welches das Hinterrad antreibt. Sie wird in das Zahnrad oder Kettenrad eingegliedert und ist als Teil des Mechanismus mit der Radachse konzentrisch. Eine andere geeignete Einheit ist eine von der Fa. Torrington in Connecticut hergestellte Rollenkupplung, welche in die Zwischenwelle eingliedert werden kann, auf der in der Gestaltung mit zweistufiger Untersetzung zwei Kettenräder montiert sind. Wie nachfolgend beschrieben, gibt es mehrere Verfahren, ein Einwegkupplungs-Merkmal für das Antriebssystem zu realisieren, z.B. wäre es eine mögliche Methode, eine Rollenkupplung zwischen den Motor und das Ritzel zu setzen. Ein alternativer Mechanismus wäre es, eine Leerlaufkupplung zwischen das Rad und das Zielkettenrad oder -zahnrad zu setzen. Wird die Leerlaufkupplung zwischen dem Rad und dem angetriebenen Zahnrad platziert, würde die Leerlaufkupplung mit dem schon beschriebenen hohlen Verlängerungskragen der Bezugsrahmenscheibe verbunden werden. Andernfalls, wird eine Leerlaufkupplung zwischen dem Motor und dem Ritzel realisiert, würde das angetriebene Zahnrad direkt und fest an der Scheibe und dem hohlen Verlängerungskragen befestigt werden.
Wie dargestellt, lässt es ein Ringlager 206 zu, dass sich der Montagerahmen um ein Rohr dreht, das sich drehen kann. Das Drehrohr 207 ist starr am Zielkopplungselement 203 (oder Speichenkopplungselement oder Zielkopplungselement, welches wie dargestellt ein scheibenförmiges Glied ist, das kreisförmig ist, mit dem Rohr 207 (oder einem hohlen Kragen) im Zentrum) befestigt. Das Lager 206 ist am Zielkettenrad 202 befestigt und verbindet das Zielkettenrad 202, welches den hohlen Kragen 207 an einer zentral positionierten Öffnung 208 des Zielkettenrades 202 aufweist, und eine Öffnung 210 des Montagerahmens 204, die konzentrisch zueinander sind. Das Zielkopplungselement 203, das das Fahrradrad antreibt, ist ein scheibenförmiges Glied mit der zentralen Öffnung 208 und einer Außen- und Innenfläche 212, 214. In dieser Ausführungsform enthält das Zielkettenrad 202 eine Mehrzahl von Kettenzähnen 216, die geeignet sind, in die Kette 211 einzugreifen. Der hohle Kragen 207 lässt Spiel der Achse des Rades 104 zu. Die Leerlaufkupplung (oder der "Freilauf") kann auch montiert werden, wie vorher beschrieben, oder auf dem Zielkettenrad-Kopplungsmechanismus oder auf der Ausgangswelle des Planetengetriebes 246.
Das Zielkettenrad 202 ist mittels der Leerlaufkupplung (oder dem "Freilauf") oder der Einwegkupplung 277 um das Drehrohr 207 herum montiert. Der Freilauf 277 kann zwischen dem Zahnritzel 242 und der Motorwelle 244 auf der Motorwelle 244 montiert sein. Wie dargestellt, wenn der Motor 230 aus ist und die Welle drehfest ist, kann sich das Zahnritzel 242 zusammen mit der Kette 211 drehen. Das Drehrohr 207 ist mittels eines mit der Hinterachse konzentrischen Ringlagers 206 oder dergleichen präzise am Montagerahmen 204 montiert. Der Montagerahmen 204 ist mittels geeigneter Befestigungselemente 235 am Fahrradrahmen 106 montiert, wie in 14, 15 gezeigt. Wie zum Beispiel aus 14 und 15 erkennbar ist, kann die Schnelllöseeinrichtung (oder "Schnelllöseklemme") den Montagerahmen 204 an Stelle des Befestigungselementes 235 am Fahrradrahmen 106 festhalten (über die horizontalen oder die diagonalen hinteren Stützen 112). Auf diese Weise wird die Drehkraft vom Antriebssystem auf die Hinterräder übertragen, was natürlich jedwede Rotation zwischen dem Montagerahmen 204 und dem Fahrradrahmen 106 beseitigt. Wenn der Motor 230 aus ist, ist das Zielkettenrad 202 drehfest, und das Rohr/Kopplungselement/Fahrradrad kann sich wegen der Wirkung des Freilaufs 277 drehen. Wenn der Motor 230 ein ist, d.h. das Zielkettenrad 202 dreht sich schneller als das Kopplungselement/Fahrradrad, greift der Freilauf 277 ein, und das Zielkettenrad 202 treibt die Baugruppe Rohr/Kopplungselement/Fahrradrad an.
Wie in 1 bis 3 beschrieben, ist das gesamte unitäre Antriebsmodul 200 per se völlig unabhängig von dem Fahrrad, da es allein betrieben werden kann, z.B. auf einer Werkbank. Der Montagerahmen sorgt für starre Ausrichtung des vollständigen Antriebsmoduls und hält diese aufrecht, unabhängig von den Toleranzen Fahrrad/Nabe/Achse. Das unitäre Antriebsmodul, wenn an den Speichen angebracht, kann in Bezug auf die Achse sogar etwas dezentriert sein, mit wenig merkbarer Wirkung. Wie in 14 und 15 gezeigt, kann das unitäre Antriebsmodul 200 außerdem mittels der Schnelllöseeinrichtung 234 am Rahmen befestigt werden, um leichte Reparatur oder leichten Wechsel eines Reifens oder des Moduls selbst sicherzustellen.
Wenden wir uns nun 4(a) und (b) zu, kann die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden, wenn das Zielkopplungselement 203 und das Zielkettenrad 202 in einer einstückigen Einheit ausgebildet werden. Wie in 4(b) dargestellt, kann außerdem ein Riemen 278 wie z.B. ein "V"-Riemen 278 statt einer Kette verwendet werden, um das Zahnritzel 242 und das Zielkettenrad 202 zu verbinden. Wie dargestellt, ist eine "V"-Rille 284 sowohl im Zahnritzel 242 als auch im Zielkettenrad 202 (und Spannket tenrad 288) ausgebildet, um den "V"-Riemen aufzunehmen. Ähnlich definiert das Zielkettenrad 202 eine ähnliche Oberflächenrille 286 zur Aufnahme eines "V"-Riemens 278 oder dergleichen. Man kann leicht andere Formen von Riemengestaltungen verwenden, indem man das Zahnritzel 242 und Zielkettenrad 204 modifiziert, solche Riemen 278 aufzunehmen.
Nur zur Veranschaulichung zeigen 5(a) und 5(b) eine andere Ausführungsform des unitären Antriebsmoduls 200, die für Verwendung von ineinander greifenden Zahnrädern geeignet ist (mit dem Ritzelrad in Schattenlinien), wenn von der "Außenseite" des Fahrrades 100 betrachtet. Ineinander greifende Zahnräder haben im Gegensatz zu einer Kette und einem Kettenrad den Vorteil, dass sie sehr kompakt sind und bei diesem starren Ausrichtungskonzept des Montagerahmens 204 sehr gut funktionieren können. In dieser Ausführungsform muss das Zahnritzel 242 (in Schattenlinie gezeigt) oder die Ritzelriemenscheibe radial näher an dem Achsenloch liegen, so dass geeigneter Eingriff zwischen einem Zahnritzel und dem Zielkettenrad aufrechterhalten wird. Außerdem dreht sich der Motor in der entgegengesetzten Richtung wie die für den Kettenantrieb. Wie beschrieben, hat man den Montagerahmen 204 und das Zielkettenrad 202, die aufeinander ausgerichtet sind, mit einer dazwischen platzierten Leerlaufkupplung 277. Der Montagerahmen 204 wird durch eine Öffnung 210 im Montagerahmen 204 hindurch mittels Anbringung an einem hohlen Verlängerungsrohr 207 oder Kragen 207 ("Rohr 207") des Zielkettenrades 202, das am Fahrradrad 104 montiert ist, am Zielkettenrad 202 montiert, wie nachfolgend beschrieben. Auf der Montageplatte 204 kann ein Vorsprung 209 ausgebildet sein, um die Montageplatte 204 mittels einer Klemme oder dergleichen an der Rahmenbaugruppe (nicht gezeigt) zu befestigen.
Wenden wir uns 5(b) zu, enthält die Innenfläche 214 (nicht gezeigt) der anderen Seite des Zielkettenrades 202 einen ringförmigen Bereich 218, der allgemein konzentrisch auf der Zielkettenrad-Öffnung 208 positioniert ist. Der ringförmige Bereich 218 enthält eine Mehrzahl von Querschlitzen 220, die zu dem Speichenmuster eines Standardfahrrades passen (z.B. der gemeinsamen Gestaltung von 36 Speichen oder 34 Speichen, zu Hälfte an jedem Ende der Nabe 122). Eine Mehrzahl von Gewindelöchern 222 sind in Abständen rings um den ringförmigen Bereich 218 angeordnet und dienen zur Aufnahme von Schrauben (nicht gezeigt), um das Zielkopplungselement 203 an den Radspeichen 214 zu befestigen. Alternativ können Ansätze (nicht gezeigt) die Stelle von Löchern einnehmen, welche zu einer Platte (nicht gezeigt, aber in 6(b) dargestellt) passen. Der Montagerahmen 204 definiert eine zweite Öffnung 224 zur Aufnahme eines Elektromotors (nicht gezeigt). Wie in Schattenlinien dargestellt, wird das Zahnritzel 242 (S1) so positioniert, dass es in das Zielkettenrad 202 eingreift. Eine vergrößerte Ansicht des ringförmigen Zielkopplungselement-Musters, das geeignet ist, in die Speichen 124 eines Radmusters aus 36 dreigekreuzten Speichen eines Fahrradrades einzugreifen, ist in 5(c) gezeigt. Wie dargestellt, enthält das Zielkopplungselement 203 Querschlitze 224, die dafür ausgebildet sind, die Speichen 124 des Fahrradrades aufzunehmen, wodurch eine feste mechanische Kopplung des Zielkopplungselementes 203 mit dem Fahrradrad (nicht gezeigt) ermöglicht wird.
Während 5(a) und 5(b) ein Antriebssystem mit ineinander greifenden Zahnrädern zeigen, würde ein Kettenantriebssystem wie oben beschrieben nur beinhalten, das Zahnritzel von Kettenrad 202 weg zu bewegen und Zähne statt der Zahnräder auf dem Zielkettenrad 202 zu verwenden. Wie oben beschrieben, würde sich der Motor bei einem Kettenantrieb in der entgegengesetzten Richtung wie bei einem Antrieb mit ineinander greifenden Zahnrädern drehen, um dem Fahrradrad dieselbe Drehrichtung zu verleihen.
Wie in 6(a) dargestellt, ist das unitäre Antriebssystem 200 so gezeigt, dass es einen Elektromotor (oder Motor) 230 aufweist, wie er von der "Außenseite" des Fahrrades aussehen würde, wenn er am Rad (nicht gezeigt) befestigt wäre. Ein geeigneter Elektromotor 230 zur Verwendung mit der Erfindung ist ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einer Betriebsdrehzahl von ungefähr 3000 U.P.M. bis ungefähr 4000 U.P.M. zusammen mit integrierter Steuerelektronik. Bürstenmotoren in vielen Varianten können ebenfalls verwendet werden. Andere Motoren mit einem großen Bereich von Betriebsdrehzahlen können mit den hierin gelehrten Untersetzungsmechanismen verwendet werden. Der Motor 230 hat ein Elektrokabel 232, das zur Verbindung mit einer Batterie in einen Modulverbinder 231 gesteckt werden kann. Wie oben dargestellt, wird das Zielkettenrad 202 auf dem Montagerahmen 204 in der darin vorgesehenen zweiten Öffnung 244 montiert. Der große Durchmesser der Öffnung 210 im Montagerahmen 204 ist so bemessen, dass er über die ganze Rad/Nabe-Baugruppe 140 rutschen kann. Der Motor 230 kann mittels Schnelllösezungen 234 schnell am Montagerahmen 204 befestigt werden und kann durch Drehung der Zungen 234 oder ähnlicher Schnelllöse- Befestigungsmittel schnell entfernt werden. Wie dargestellt, wird das Zahnritzel 242 durch die Kette 211 mit dem Zielkettenrad 202 gekoppelt.
Auf diese Weise kann der Motor 230 schnell entfernt oder ausgetauscht werden, bloß indem die Zungen 234 gelöst werden und das Elektrokabel 232 vom Modulverbinder 231 innerhalb des Motors 230 gelöst wird. Wenden wir uns nun 6(b) zu, ist das Zielkettenrad 202 auf der entgegengesetzten Seite des Montagerahmens 204 von der Motorseite her montiert. Da dies ein einstückiges "unitäres Antriebsmodul" ist, bleiben das Zahnritzel 242 ("S1") und Zielkettenrad 204 (oder "S4") perfekt ineinander greifend oder aufeinander ausgerichtet, gleich ob das Modul exakt konzentrisch am Fahrradrad 104 angebracht ist oder nicht und unabhängig von irgendwelchen weiten Toleranzen und sich ändernden Toleranzen der Nabe oder Lager.
Weiterhin wird in Fällen, in denen das Fahrradrad verzogen ist, oder falls es auf andere Weise in einer weniger als ebenen Gestaltung ist, die Ausrichtung der Kette zwischen dem Zahnritzel 242 und dem Zielkettenrad genau aufrechterhalten. 6(b) zeigt auch die Verwendung des Montagerings 236, um das Zielkopplungselement 203 an der Fahrradrad-Nabe 122 zu befestigen. Die Innenfläche der anderen Seite des Zielkopplungselementes 203 enthält einen ringförmigen Bereich 218, der mit der Zielkettenrad-Öffnung 208 konzentrisch ist. Der ringförmige Bereich hat Querschlitze 220, die zu dem Speichenmuster 130 eines Standardfahrrades (nicht gezeigt) passen. Die Löcher 222 sind im ringförmigen Bereich 218 positioniert. Die Querschlitze 220 passen zu dem Speichenmuster 130 des Fahrradrades, wie z.B. dem Hinterrad von 19.
In 7 ist das Zielmodul 204 in Kombination mit dem Zielkettenrad 202 gezeigt, das das Zielkopplungselement 203 (in Schattenlinien gezeigt) aufweist, das in ein Radmuster aus sechsunddreißig dreigekreuzten Speichen eines Fahrradrades eingreift. Ein geeignetes Material zur Konstruktion des Zielkopplungselementes 203 wäre Al 6061 mit schwarzer Eloxierung oder dergleichen, oder es könnte aus einem Kunststoff mit geformten Metalleinsätzen hergestellt werden. Durch präzise Integration des Webmusters 130 eines Speichenrades liefert das Zielkopplungselement 203 eine stabile Konstruktion, die die auf das Zielkettenrad 202 ausgeübten Drehkräfte aufnehmen kann.
Wenden wir uns nun 8 zu, ist das unitäre Antriebsmodul 200, mit einem Motor 230 und Zahnritzel 242 unter Verwendung der Kette 211 zum Antrieb des Zielkettenrades 202, in einer Ansicht von "Außen" an einem Fahrradrad 104 angebracht gezeigt. Das Fahrradrad 104 enthält eine Achse 118, eine Nabe 122, eine Mehrzahl von Speichen 124, die um die Achse 118 herum positioniert sind (wie außerdem in 16(a)(b)(c) dargestellt) und mit der Reifen/Felge-Baugruppe 124 verbunden sind. Der Montagerahmen 204 und das Zielkettenrad 202 sind durch die Zielkettenrad-Öffnung 208 bzw. die Plattenöffnung 210 auf dem Zielkettenrad 202 und Montagerahmen 204 hindurch um die Achse 118 herum montiert.
Wie oben dargestellt, enthält das unitäre Antriebsmodul 200 eine Mehrzahl von Schnelllöse-Anschlussstücken wie z.B. die Zungen 234, so dass der Motor 230 schnell vom Montagerahmen abgenommen werden kann. Beim Wiedereingriff wird automatisch genaue Zahnradausrichtung hergestellt. Dieses Merkmal liefert wesentliche Vorteile, da es sowohl für leichte Reparaturen (Austausch) als auch zum Umwandeln des Fahrrades von elektrischen in konventionelle Gestaltungen und zurück nützlich ist. Außerdem kann eine Einweg-Rollenkupplung 240 entweder mit dem Zielkettenrad 202 und Lager 206 konzentrisch sein, oder sie kann an einem Zahnritzel 242 auf dem Motor angebracht sein. Wie ersichtlich, ist dies ein vollständiges Antriebsmodul oder ein "Bausatz" zum Verwandeln eines Fahrrades in ein Elektrofahrrad. Das heißt, wenn Spannung an den Motor angelegt wird, kann der Motor das Zahnritzel antreiben, welches wiederum das größere Zielkettenrad 202 antreiben kann, und es arbeitet als ein unitäres in sich geschlossenes Modul. Weiterhin kann dieses unitäre Antriebsmodul 200 am Außendurchmesser der Fahrradrad-Nabe 122 angebracht werden. Der Montagerahmen 204 wird leicht um die Radachse in irgendeine Position zur Befestigung des Rahmens 106 gedreht, welche die Fahrradrahmen-Stützen 112 nicht stört.
Wie in der "Innen"-Perspektivansicht in 9 dargestellt, wird das unitäre Antriebsmodul 200 mit dem Motor 230 und Zahnritzel 242 mittels eines Montagerings 236 am Fahrradrad 104 mit den Speichen 124 und der Nabe 122 montiert. Nur zur Veranschaulichung zeigt die "Innenseite" einen Kettenschaltungs-Radsatz 156 mit einer Mehrzahl von Kettenrädern 156, 158, 160, 162, 164 und 166, die für manuelle Gangeinstellung geeignet sind. Wie oben beschrieben, zeigt 9 die Befestigung des Zielkopplungselementes 203 (oder Zielkettenrades 202), das mit dem Fahrradrad 104 verbunden ist oder kämmt, auf die folgende Weise. Der durch zwei halbkreisförmige Stücke 238, 239 ausgebildete Montagering 236 passt eben an das Zielkettenrad 202 und hält es fest, um zur Aufnahme der Speichen 124 positioniert zu werden. Eine Mehrzahl von Schrauben 249 (oder Bolzen, wenn die Löcher 222 durch Ansätze ersetzt sind) oder dergleichen erstrecken sich durch die Radspeichen 124 und halten dann das Zielkettenrad 202 als eine Einheit am Fahrradrad 104 fest. Als Folge ist das Zielkettenrad 202 fest und präzise an der Rad/Nabe-Baugruppe des Rades 104 befestigt. Das Zielkettenrad 202 sitzt kraft der Rillen präzise am Rad 104 und hält Konzentrizität mit der Rad/Nabe-Baugruppe, obwohl keine perfekte Konzentrizität nötig ist. Auf diese Weise kann das Zielkettenrad 202 starr an den Speichen 124 eines Fahrradrades 104 montiert werden. Der Montagering 236 enthält eine Mehrzahl von Löchern 270, die mit den Löchern 222 des ringförmigen Bereichs 218 des Zielkettenrades 202 zusammenpassen, wie in 5 gezeigt.
Es ist wichtig, zu erkennen, dass das unitäre Antriebsmodul 200 automatisch auf vernünftige und zweckmäßige Toleranzen auf der Achse des Fahrrades 100 auf eine ziemlich enge Toleranz zentriert wird. Für perfekte Ausrichtung zwischen Ritzel und angetriebenem Zahnrad, die unabhängig am unitären in sich geschlossenen Modul aufrechterhalten wird, ist keine perfekte Zentrierung erforderlich. Es ist wichtig, zu beachten, dass die Plattenöffnung 210 im Montagerahmen viel größer als der Durchmesser von Radachse und Nabe ist. Somit kann die ganze Einheit für eine zweckmäßige Winkelstellung in Bezug auf die Glieder des Fahrradrahmens 106 um die Achse gedreht werden. Der Montagerahmen 204 wird dann durch einen Bügel oder Stift 235, wie in 14 gezeigt, oder eine Schnelllöseklemme wie z.B. eine "C"-Klemme (nicht gezeigt) mit dem Rahmen verbunden. Dies ist notwendig, um die Position der Einheit in Bezug auf den Rahmen 106 zu halten und um die Drehkraft auf den Rahmen zu übertragen. Da diese Verbindung die Schnelllöseklemme sein kann, erleichtert sie schnelles Lösen des Moduls 200 vom Rahmen 106 und schnelle Rad/Reifen-Reparatur.
10(a), 10(b) und 11, denen wir uns nun zuwenden, zeigen eine andere bevorzugte Ausführungsform des unitären Antriebsmoduls der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform enthält das unitäre Antriebsmodul ein Zielkettenrad 202 ("S4"), das ein scheibenförmiges Glied mit einer zentralen Öffnung 210 definiert, die es zulässt, das Zielkettenrad 202 um die Radachse 118 des Fahrrades herum zu platzieren. Wie vorher passt das Zielkettenrad 202 mit einem Fahrradrad 104 zusammen, damit das Zielkettenrad 202 durch Eingriff des Zielkopplungselementes 203 in das gewebte Speichenmuster 130 und die Befestigungselemente wie oben beschrieben im Wesentlichen konzentrisch am Rad angebracht werden kann. Der Montagerahmen 204 wird auf das Zielkettenrad 202 ausgerichtet und drehbar daran angebracht, um Rotation des Zielkettenrades 202 ("S4") um die Radachse 118 zuzulassen. Der Montagerahmen 204 hat eine Öffnung 224 zur Aufnahme eines Elektromotors 230, um es zu ermöglichen, dass ein über die Motorwelle 244 des Motors 230 befestigtes Zahnritzel 242 ("S1") über die Kette 211 in eine zweites Kettenrad 250 ("S2") eingreift. Der Montagerahmen 204 enthält den Vorsprung 209, der es ermöglicht, den Montagerahmen 204 am Rahmen zu befestigen. Das zweite Kettenrad S2 ist durch eine am Montagerahmen 204 positionierte zweite Welle 252 montiert und ist auf das Zahnritzel 242 ausgerichtet. Das dritte Kettenrad 264 ("S3") ist auch auf derselben zweiten Welle 252 wie das Kettenrad S2 montiert und ist auf das Zielkettenrad 202 ausgerichtet. Das dritte Kettenrad S3 ist positioniert, in das Zielkettenrad 202 einzugreifen, wie z.B. über die Kette 276, und das Zielkettenrad 202 zu drehen, so dass das Fahrradrad 104 gedreht wird.
In dieser "2-Ketten"-Ausführungsform gibt es zwei Kettenräder, S2 und S3, die auf einer Zwischenwelle montiert sind. Der Motor treibt das Zahnritzel 242 (S1) durch die erste Kette 211 an. Das Kettenrad S2, dass gewöhnlich größer als S1 ist, treibt wiederum S3 und das Schluss-Zielkettenrad 202 (S4) durch eine zweite Kette 276 an. Während die Kettenräder S1, S2 auf einer Seite des Montagerahmens 204 und die Kettenräder S3 und S4 auf der anderen Seite des Montagerahmens dargestellt sind, können die Paare Kettenräder S1, S2, S3 und S4 in verschiedenen Positionen im Hinblick auf den Montagerahmen 204 sein, z.B. S1 und S2 können auf derselben Seite des Montagerahmens 204 mit S3 und S4 sein. Durch Verwendung zweier Kettenantriebe kann das Gesamt-Übersetzungsverhältnis durch Einrichten der Zahl von Zähnen auf S1, S2 (oder den anderen Kettenrädern) leicht eingestellt werden. Außerdem können auf ähnliche Weise zwei oder mehr Riemenantriebssysteme verwendet werden. Dementsprechend kann dies größere Flexibilität und Kompaktheit liefern, da andere Motoren mit anderen Kosten, Drehzahlen usw. leicht als die Antriebsquellen angepasst werden können. Wie beschrieben, ist es offensichtlich, dass diese Gestaltung elegant und sehr kompakt ist. Außerdem kann in diesem Fall der Freilauf 277 entweder konzentrisch mit der Achse zwischen dem Zielkettenrad 202 und dem Kopplungselement 203 oder z.B. auf der Zwischenwelle zwischen S1 und S2 montiert werden.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wie in 12 dargestellt, kann der Montagerahmen 204 zusätzlich eine zweite Öffnung 270 (nicht dargestellt) enthalten, die geeignet ist, einen zweiten Elektromotor 272 mit einem zweiten Zahnritzel 274 aufzunehmen. Das zweite Zahnritzel 274 kann derart mit dem Zahnritzel 242 verbunden sein, dass das Zielkettenrad 202 mittels beider Elektromotoren 230, 272 angetrieben wird. Zum Beispiel sind das Zahnritzel 242 und das zweite Zahnritzel 274 mittels einer Kette 276 verbindbar und aufeinander ausgerichtet, um das Zielkettenrad mit Drehkraft zu versorgen. Außerdem kann einer der Motoren 230 eine Einweg-Rollenkupplung 240 enthalten und kann der andere Elektromotor 272 eine Rollenkupplung enthalten. Auf diese Weise kann ein Motor abgeschaltet werden, während der andere Motor für Fahren in der Ebene arbeitet, jedoch kann für steilere Steigungen der zweite Motor eingeschaltet werden, um die dem Zielkettenrad und dem Fahrradrad zur Verfügung stehende Leistung wirksam zu verdoppeln. Selbstverständlich können ein oder mehr unabhängige einstückige Antriebsmodule an einem Fahrrad montiert werden, was für optimale Drehkraftleistung und optimalen Wirkungsgrad bei relativ niedriger Drehzahl sorgt.
In einer anderen, in 13 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist der Motor 230 in einer zur Hauptachse des Montagerahmens 204 parallelen (oder horizontalen) Position am Montagerahmen 204 montiert. Unter Verwendung eines Paares Kegelzahnräder 290, 292 wird dem Zielkettenrad Antriebskraft vom Motor 230 zugeführt. Unter Verwendung dieser Gestaltung kann ein zylindrischer Motor 230 verwendet werden, dessen Achse zur Ebene des Montagerahmens parallel ist. Die Kegelzahnräder 290, 292, die Rotation einer Welle parallel zum Montagerahmen auf eine Welle senkrecht zur Platte übertragen, können wegen der starren "unitären" Baugruppe bei Stoß und Schwingung zuverlässig arbeiten. Alle anderen Antriebselemente sind dieselben. Dies sorgt für zusätzliche Anpassungsfähigkeit an längere zylindrische Motoren als Packungskonstruktionen. Auf diese Weise kann die Breite der Motorauskragung minimiert werden, und es kann ein anderer Motor mit einer langgestreckten Zylinderform verwendet werden, ohne dass der Motor eine wesentliche horizontale Strecke hervorsteht.
14 zeigt ein Standardfahrrad (in Schattenlinien gezeigt), das mit einem unitären Antriebsmodul 200 der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist. Das unitäre Antriebs modul kann leicht am Außendurchmesser ("O.D.") einer Fahrradrad-Nabe montiert oder befestigt werden und passt zu praktisch jedem Fahrrad und verwandelt es schnell in ein Hochleistungs-Elektrofahrrad. Gezeigt ist ein in ein Elektrofahrrad verwandeltes Standardfahrrad mit einem Rahmen 106 und dem Vorderrad 102 und dem Hinterrad 104, wobei das Hinterrad 104 eine Achse 118 und eine Nabe 122 zusammen mit einem Radmuster (oder Webmuster) 130 hat. Es gibt eine Batterie 300, die geeignet ist, am Fahrrad 100 befestigt zu werden, und einen Elektromotor 230 mit einem daran befestigten Zahnritzel 242, wobei der Elektromotor 230 geeignet ist, durch ein Batteriekabel 232 mit der Batterie 300 verbunden zu werden. Für Geschwindigkeitssteuerung sind Antriebssteuerungen 328 an den Lenkstangen 109 befestigt.
Wie in 14 (und 6(a), (b) und 8 oben) dargestellt, umfassen die Komponenten des unitären Antriebsmoduls 200 den Elektromotor 230, der am Montagerahmen 204 befestigt ist. Die Befestigung des Motors 230 lässt es zu, dass das Zahnritzel 242 richtig mit dem Zielkettenrad 202 kämmt, das mittels des Zielkopplungselementes 203 an einem Rad irgendeines Standardfahrrades befestigt ist, unabhängig von Achslager- und Nabenlagertoleranzen. An dem Vorsprung 209 des Motormontagerahmens 204 ist eine Montagerahmenklemme 235 befestigt, um zu verhindern, dass sich der Motor 230 und der Montagerahmen 204 um die Rahmenbaugruppe 106 drehen, und liefert somit einen stabilen Montagepunkt für das unitäre Antriebsmodul. Alternativ kann die Klemme 235 durch das vorher vorgeschlagene Schnelllöseelement ersetzt werden (wie z.B. die in 18(a), (b) und (c) gezeigte Schnelllöseeinrichtung 234), so dass das gesamte Hinterrad/Unitärantriebsmodulrad für Reifen-/Radreparatur schnell abgebaut werden kann. Diese Schnelllöseeinrichtung ist dem Schnelllöse-Anschlussstück ähnlich, das die Fahrradräder an den Ausstiegen des Fahrradrahmens festklemmt.
Wie oben dargestellt, enthält das unitäre Antriebsmodul 200 eine Mehrzahl von Schnelllöse-Anschlussstücken wie z.B. die Zungen 234, so dass der Motor 230 schnell vom Montagerahmen abgenommen werden kann. Beim Wiedereingriff wird automatisch genaue Zahnradausrichtung hergestellt. Dieses Merkmal liefert wesentliche Vorteile, da es sowohl für leichte Reparaturen (Austausch) als auch für wechselseitige Umwandlung des Fahrrades von elektrischen in konventionelle Gestaltungen und zurück nützlich ist. Außerdem kann eine Einweg-Rollenkupplung 240 entweder mit dem Zielkettenrad 202 und Lager 206 konzentrisch sein, oder sie kann an einem Zahnritzel 242 auf dem Motor angebracht sein. Wird Spannung an den Motor angelegt, kann der Motor das Zahnritzel antreiben, welches wiederum das größere Zielkettenrad 202 antreiben kann, und es arbeitet als unitäres in sich geschlossenes Modul. Weiterhin kann dieses unitäre Antriebsmodul 200 am Außendurchmesser der Fahrradrad-Nabe 122 angebracht werden. Der Montagerahmen 204 wird leicht um die Radachse in irgendeine Position zur Befestigung am Rahmen 106 gedreht, welche die Fahrradrahmen-Stützen 112 nicht stört.
15 zeigt ein Elektrofahrrad 400, das mit einem unitären Antriebsmodul 200 der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist und einen Rahmen 206 mit einem Fahrersitz 115 und daran angeordneten Antriebssteuerungen 328 aufweist. Ein mittels der Lenkstangen 109 lenkbares Vorderrad 102 hat eine Achse 118, die an einem vorderen Abschnitt des Rahmens 106 befestigt ist, und ein Hinterrad 104 hat eine Achse mit einem Radmuster, die am hinteren Abschnitt des Rahmens befestigt ist. Ein Antriebssystem 400 umfasst eine am Fahrrad 400 befestigte Batterie 300 und einen Elektromotor 230 mit einem daran befestigten Zahnritzel 242, wobei der Elektromotor 230 geeignet ist, durch ein Batteriekabel 232 mit der Batterie 300 verbunden zu werden.
Wie in 16(a), (b) und (c) dargestellt, ist der Gebrauch der Erfindung von 15 nicht auf ein Zielkopplungselement mit einem "Kreuzwickel"-Speichenmuster beschränkt, sondern kann verschiedene Ausführungsformen eines Zielkopplungselementes 203 zur Übertragung von Drehkraft auf das Hinterrad verwenden und ein unabhängiges selbstausrichtendes System bereitstellen. Wenden wird uns nun 16(a), (b) und (c) zu, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente darstellen, dreht sich die Nabe 122 um eine Lagerbaugruppe 126. Die Nabe 122 hat einen "verlängerten" Flansch 514 mit einer ausreichenden ringförmigen Verlängerung, um eine Mehrzahl von Öffnungen 516 um den Flansch 514 herum zur Aufnahme von Befestigungselementen 518 wie z.B. Ansätzen, Bolzen, Schrauben oder dergleichen auszubilden, die in einer passenden Mehrzahl von Öffnungen 522 auf dem oder innerhalb des Zielkettenrades 202 angeordnet sind. Auf diese Weise bildet das Zielkettenrad 202 in Kombination mit den Elementen 518 das Zielkopplungselement 203 aus. In dieser Ausführungsform ist die Leerlaufkupplung 277 auf dem Zahnritzel 242 angeordnet.
Wenden wir uns nun 16(b) zu, ist die Leerlaufkupplung zwischen dem Zielkettenrad 202 und der Nabe 122 angeordnet. Die Nabe 122 hat verlängerte Flansche 532, 534, die nahe am Zielkettenrad 202 liegen oder daran angrenzen, und einen Nabenflansch 514. Befestigungselemente 518 wie z.B. Ansätze, Bolzen, Schrauben oder dergleichen, die in einer passenden Mehrzahl von Öffnungen 522 auf dem oder innerhalb des Zielkettenrades 202 angeordnet sind, passen mit einer Mehrzahl von Öffnungen 536 im Leerlaufflansch 532 zusammen. Befestigungselemente 540 wie z.B. Ansätze, Bolzen, Schrauben oder dergleichen, die in einer passenden Mehrzahl von Öffnungen 538 auf oder innerhalb des Leerlaufflansches 534 angeordnet sind, passen mit einer Mehrzahl von Öffnungen 522 im Zielkettenrad zusammen. Auf diese Weise bildet die Kombination aus dem Zielkettenrad 202, den Flanschen 532, 534 auf der Leerlaufkupplung 277 und den Befestigungselementen 518 und 540 das Zielkopplungselement 203.
16(c) zeigt eine zweiseitige Nabe 550 mit einem Paar Leerlaufkupplungen 277 auf der Außenseite jedes verlängerten Nabenflansches 514 des Flansches 122, wobei das Zielkettenrad 202 in einer ringförmigen Gestaltung um die Leerlaufkupplungen 277 herum angeordnet ist. Die Leerlaufkupplungen 277 sind mittels eines darauf positionierten Gewindes 552 an der Achse befestigt. Auf diese Weise bildet die Kombination aus dem Zielkettenrad, den Leerlaufkupplungen 277 und dem Achsgewinde 552 das Zielkopplungselement 203.
Wenden wir uns nun 17 zu, ist eine Schnelllöse-Motorhalterung 500 dargestellt, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, entweder unter Verwendung eines Ketten- oder eines Riemenantriebs, wie dargestellt. Zum Beispiel wird das "Schnelllöse"-Merkmal für den Motor 230 in mehreren Anwendungen wie z.B. für Klappfahrräder oder auf Gebieten verwendet, in denen Sicherheit des Motors 230 erforderlich sein kann. Das "Schnelllöse"-Merkmal kann verwendet werden, wenn die Motorwelle 502 mit einer Kerbverzahnung endet, die in die und aus der Welle gleitet, auf der ein Kettenrad oder Kettenräder montiert ist/sind. Wie dargestellt, umfasst die Motorwelle eine äußere Kerbverzahnung 504, die in eine Welle 506 mit einer inneren Kerbverzahnung 508 eingreift, die durch zwei im Abstand auf dem Montagerahmen 204 angeordnete Lager 510, 512 gelagert ist. Das Motorgehäuse enthält Schnelllösezungen 234 oder dergleichen, die schnell verlagert werden können, wodurch die Motorwelle 502 innerhalb der inneren Kerbverzahnung 508 der Welle abgezogen oder eingeführt werden kann.
Wenden wir uns nun 18(a), (b) und (c) zu, kann eine Schnelllöse-Motorhalterung 600 unter Verwendung eines Zahnradantriebs mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Wegen des Zahnrad-zu-Zahnrad-Eingriffs zwischen dem Zahnritzel 242 und dem Zielkettenrad 202 erlaubt es bloßes Drehen der Zungen 234, wie in 18(a), (b) und (c) dargestellt, dass der Motor aus einer unverriegelten in eine verriegelte Position gebracht wird. Wie ersichtlich ist, indem der Montagerahmen 204 eine Welle enthält, die geeignet ist, entweder beim Eingriff oder beim Trennen des Motors 230 vom Montagerahmen aus einer Antriebs- in eine Nichtantriebsstellung in eine Motorwelle 244 einzugreifen und davon getrennt zu werden, kann der Motor 230 zur Aufbewahrung und sicheren Lagerung schnell entfernt werden, wenn nötig.
Nur zur Veranschaulichung geben die folgenden Beispiele typische Konstruktionsparameter an, um eine vorbestimmte Drehkraftleistung und einen vorbestimmten Wirkungsgrad zu erzielen.
BEISPIEL 1
Das unitäre Antriebsmodul kann optimale Fahrrad-Drehkraftleistung und optimalen Wirkungsgrad liefern, indem die Drehzahlen eines hochtourigen Motors auf eine relativ niedrige Umdrehungszahl pro Minute ("U.P.M.") herabgesetzt werden, die zum Antrieb des Fahrrades bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit geeignet ist. Zum Beispiel kann für ein gegebenes Ritzel mit dem bescheidensten Durchmesser 1'' (der nötig ist, um das unitäre Antriebsmodul insgesamt vernünftig klein zu halten), die Gesamtuntersetzung der Motordrehzahl durch Wahl des Zielkettenrades festgelegt werden. Für einen gegebenen Zielkettenrad-Durchmesser von 7'' und den Ritzeldurchmesser 1'' ist das resultierende Untersetzungsverhältnis 7:1. Wird ein Zahnritzel verwendet, muss sein Durchmesser in dieser Größenordnung liegen, damit für Geräuscharmut, Wirkungsgrad und Beanspruchung mindestens sieben Zähne in das angetriebene Rad eingreifen können. Bei 10 Meilen pro Stunde ("MPH") für ein Fahrrad mit 26''-Rädern ist die Drehzahl des Rades und des angetriebenen Zahnrades 155 U.P.M.. Dies würde für einen Motor mit 1085 U.P.M. gelten.
BEISPIEL 2
Da die meisten erhältlichen Motoren am wirkungsvollsten bei 3000 U.P.M. oder darüber laufen, ist ein viel höheres Untersetzungsverhältnis erforderlich. Wie in 10(a) und 10(b) dargestellt, kann das gewünschte Verhältnis mit dem unitären Antriebsmodul mit 2-Ketten und der Planetengetriebegestaltung wie vorher beschrieben leicht erreicht werden. Bei Verwendung eines Elektromotors mit einem optimalen Drehvermögen von ungefähr 3000 U.P.M. kann eine Fahrradgeschwindigkeit von ungefähr 12 MPH wie folgt erreicht werden. Unter Bezugnahme auf die obigen 10(a) und 10(b) ist S1 = 1'', S2 = 4'', S3 = 1'' und S4 = 4 1/2''. Somit wird ein Getriebeuntersetzungsverhältnis von ungefähr 18 oder 20 erreicht, und die obige Drehzahl für das Fahrradrad kann erreicht werden.
Selbstverständlich sind Veränderungen an den Ausführungsformen der Erfindung möglich. Zum Beispiel kann die Erfindung entweder auf das Vorderrad des Fahrrades oder auf das Hinterrad angewendet werden, auf eine ähnliche Wiese wie oben beschrieben durch Anwendung der Erfindung auf das Hinterrad. Dies erreicht man leicht, da das Stromkabel von der geeignet platzierten Batterie flexibel ist und leicht angepasst werden kann, um den Motor zu erreichen und darin einzugreifen.
In noch einer Variante kann der Montagerahmen einen hohlen Verlängerungskragen haben, der durch ein Lager an der Innenseite des Zielkettenrades befestigt werden kann, so dass sich das Zielkettenrad frei um den hohlen Verlängerungskragen dreht.
In einer anderen Variante kann die vorliegende Erfindung auf zahlreiche Anwendungen angewendet werden, in denen die Vorteile der Realisierung der Erfindung erzielt werden können, wie z.B. Mopeds, Roller und Motorfahrräder; dreirädrige Fahrzeuge einschließlich dreiradartiger Fahrzeuge; vierrädrige Fahrzeuge einschließlich Rollstühlen, Kutschenstil-, Golfwagenstil- und Lieferstil-Fahrzeugen; mehrrädrige Fahrzeuge, Materialtransportsysteme einschließlich Förder- sowie Be- und Entladestil-Systemen, und Roboter.
In einer weiteren Variante der Erfindung kann das Zielrad über ein Speichenrad hinaus zu irgendeinem Zielrad irgendeines Antriebssystems ausgedehnt werden. Die relative Gesamtheit von Speichenwebmuster und Gestaltung ist zwar wichtig, aber nicht kritisch zur Realisierung der Erfindung. Zum Beispiel bei einem massiven "Scheiben"-Rad würde die Scheibe Montagelöcher haben, die derart am Rad angebracht würden, dass Konzentrizität mit dem Rad aufrechterhalten wird.
In noch einer Variante kann die Erfindung auf verschiedene Antriebsquellen einschließlich Elektromotoren, Benzinmotoren oder irgendeine andere Art von Drehantriebsquelle angewendet werden, die für Montage an einem Montagerahmen der vorliegenden Erfindung geeignet wäre.
In noch einer weiteren Variante kann der Montagerahmen einen Aufnahmekragen, eine Kerbverzahnung oder eine andere geeignete mechanische Verbindung enthalten, die es zulässt, das Zielkopplungselement präzise auf den Montagerahmen auszurichten. Auf diese Weise ist nicht unbedingt eine Öffnung in der Montageplatte erforderlich.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen liefern eine Anzahl von wesentlichen Vorteilen. Zum Beispiel, da das Antriebssystem aus dem Motor, dem Zahnritzel, der Kupplung, dem Zielkettenrad und dem Zielrad besteht, hält diese Erfindung das gesamte Antriebssystems innerhalb desselben, durch die Montageplatte gebildeten Bezugsrahmens, wodurch Toleranzen des Antriebssystems auf das Antriebssystem beschränkt werden. Diese Toleranzen werden durch die Fertigungstoleranzen der unabhängig von den Fahrzeugfertigungstoleranzen konstruierten Antriebssystemkomponenten bestimmt. Dies erlaubt es, das Antriebssystem an einem beliebigen Fahrzeug anzubringen, während die Leistung des Antriebssystems aufrechterhalten wird.
Dieser Bezugsrahmen wird durch das Zielkettenrad oder die Scheibe mit dem hohlen Verlängerungskragen und der an ein Radmuster angepassten gerillten Oberfläche gebildet. Diese Scheibe ermöglicht feste Montagebefestigung am Rad durch die gerillte Oberfläche, die mit der Radnabe und den Speichen zusammenpasst. Die Scheibe wird konzentrisch mit der Radnabe gehalten. Das Kettenrad wird entweder durch eine Leerlaufkupplung an der Bezugsrahmenscheibe angebracht oder direkt an der Bezugsrahmenscheibe angebracht. Der Motormontagerahmen wird durch ein Lager auf dem hohlen Verlängerungskragen der Scheibe an der Bezugsrahmenscheibe angebracht. Der Motor wird am Motormontagerahmen angebracht, derart, dass für richtiges Kämmen des Ritzels und der angetriebenen Zahnräder (oder Kettenräder) gesorgt wird, unabhängig von Achs- und Nabenlagertoleranzen. Das Zahnritzel wird entweder direkt oder über eine Einweg-Rollenkupplung am Motor angebracht, je nachdem, ob das angetriebene Zahnrad (oder Kettenrad) eine Leerlaufkupplung hat. Der Motormontagerahmen wird am Fahrradrahmen festgeklemmt, um Rotation des Montagerahmens zu verhindern. Auf diese Weise werden die Antriebs- und Zielelemente richtig auf einen einzelnen Bezugsrahmen ausgerichtet. Das unitäre oder einstückige Merkmal des Antriebssystems, das in sich geschlossen ist, kann demonstriert werden, indem die gesamte Baugruppe mit der Hand gehalten und laufen gelassen wird. Man beachte, dass diese Erfindung die Achsbaugruppe des Rades vermeidet und als Folge die Toleranzenprobleme in Verbindung mit der Achse und dem Lager vermeidet. Dies ist ein wesentlicher, wichtiger Aspekt dieser Erfindung und trennt sie von anderen Systemen.
Ein anderer wichtiger Vorteil der Erfindung umfasst den Umstand, dass die Toleranzen des Antriebssystems vom Fahrzeug unabhängig sind. Das Zahnritzel wird mit den Toleranzen des Antriebssystems an das angetriebene Zahnrad halten und nicht mit den Toleranzen der Achse oder des Lagers eines Fahrradrahmens. Die Achsen des Zahnritzels und des Motors werden mit den Toleranzen des Antriebssystems, speziell des Montagerahmens und des Bezugs-Zielkettenrades, mit dem Rad und dem Zielkettenrad parallel gehalten. Im Falle der Verwendung von Zahnrädern werden das Kämmen des Zahnritzels (oder Ritzels) und der Zielkettenräder in den Toleranzen des Antriebssystems gehalten. Daher liefert die Bezugsrahmenscheibe die stabile Befestigung der Antriebsbaugruppe am Rad.
Natürlich erkennt man, dass ein weiter Bereich von Änderungen und Modifizierungen an der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform vorgenommen werden kann. Daher soll die vorhergehende detaillierte Beschreibung so zu verstehen sein, dass es die nachfolgenden Patentansprüche einschließlich aller Äquivalente sind, die den Schutzbereich dieser Erfindung definieren sollen.

Claims

Unitäres Antriebsmodul (200) für die Verwendung an einem Radfahrzeug (100), das eine Radachse (118) hat, die auf einem Rahmen (106) gelagert ist, wobei ein Rad (104) eine Nabe (122) und Speichen (124) hat, wobei das unitäre Antriebsmodul (200) einen Elektromotor (230) umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass es ein allgemein scheibenförmiges Zielkettenrad (202) mit einer zentralen Öffnung hat, die es zulässt, dass das genannte Zielkettenrad (202) auf einer Radnabe/Achse (122/118) gelagert ist, die auf dem Rahmen (106) des Fahrzeugs (100) gelagert ist, wobei das genannte Zielkettenrad (202) ein Zielkopplungselement (203) aufweist, das so gestaltet ist, dass es in ein Rad (104) des genannten Fahrzeugs (100) eingreift, um es zu ermöglichen, dass das genannte Zielkettenrad (202) im Wesentlichen konzentrisch an der/den genannten Radnabe/Speichen (122, 124) angebracht ist; einen Montagerahmen (204), der auf das genannte Zielkettenrad (202) durch eine Verlängerung des genannten Zielkettenrads (202) ausgerichtet und drehbar daran angebracht ist, um eine ausgerichtete Rotation des genannten Zielkettenrads (202) um die genannte Radachse (118) zuzulassen, wobei das Zielkettenrad (202) einen Kragen (207) aufweist, der mit einem Lager (206) an dem genannten Montagerahmen (204) befestigt wird, wobei der genannte Montagerahmen (204) so angeordnet ist, dass er den Elektromotor (230) aufnimmt, um es zu ermöglichen, dass ein an dem genannten Elektromotor (230) befestigtes Zahnritzel (242) das genannte Zielkettenrad (202) antreibt und das genannte Rad (104) dreht, wobei der genannte Montagerahmen (204) einen einzelnen Bezugspunkt zum Ausrichten des genannten Zahnritzels (242) auf das in das genannte Rad (104) eingreifende Zielkettenrad (202) bildet, wobei eine Leerlaufkupplung (277) in der Nähe des Zahnritzels (242) oder des Zielkettenrades (202) positioniert ist.
Unitäres Antriebsmodul (200) nach Anspruch 1, wobei der genannte Elektromotor (230) durch einen Verbinder (232) mit einer Batterie (300) verbunden ist, wobei der genannte Elektromotor (230) lösbar am Montagerahmen (204) befestigt ist.
Unitäres Antriebsmodul (200) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das genannte Zielkopplungselement (203) einstückig mit dem genannten Zielkettenrad (202) ausgebildet und für eine Befestigung an einem Flansch einer Nabe (122) des Rades (104) angeordnet ist.
Unitäres Antriebsmodul (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das genannte Zielkopplungselement (203) ein Rillenmuster (220) aufweist, das so angeordnet ist, dass es mit wenigstens einer Mehrzahl von Querschlitzen (220) eines gewebten Speichenmusters (130) des Rades (104) zusammenpasst.
Unitäres Antriebsmodul (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das genannte Zielkopplungselement (203) ein Kreuzwickelkoppler mit einem Rillenmuster (220) ist, das so angeordnet ist, dass es mit wenigstens einem radialen Abschnitt eines gewebten Speichenmusters (130) des Fahrrades (104) zusammenpasst.
Unitäres Antriebsmodul (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Leerlaufkupplung (277) auf einem verlängerten Nabenflansch (514) positioniert ist, und eine zweite Leerlaufkupplung (277) auf der gegenüber liegenden Seite des Rades (104) auf einem zweiten verlängerten Nabenflansch (514) positioniert sind.
Unitäres Antriebsmodul (200) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das genannte Zielkettenrad (202) mit einer Nabe (122) des Fahrrades (104) zusammenpasst, wobei die genannte Nabe (122) verlängerte Flansche (514) aufweist und wobei das genannte Zielkettenrad (203) durch Befestigungselemente (518) an dem genannten Flansch (514) befestigt ist.
Unitäres Antriebsmodul (200) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das genannte Zielkettenrad (202) mit einer Nabe (122) des Fahrrades (104) zusammenpasst, wobei die genannte Nabe (122) verlängerte Flansche (532, 534) aufweist und wobei das genannte Zielkettenrad (203) durch Befestigungselemente (518) an den genannten Flanschen (532, 534) befestigt ist.
Unitäres Antriebsmodul (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das genannte Zielkettenrad (202) und das Zahnritzel (242) jeweils eine Mehrzahl von Zähnen (216) haben, die direkt ineinander greifen oder in eine mit den genannten Zähnen (216) kämmende Antriebskette eingreifen können.
Unitäres Antriebsmodul (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das genannte Zielkettenrad (202) und das Zahnritzel (242) jeweils eine Oberfläche haben, in die ein Antriebsriemen (278) eingreifen kann.
Unitäres Antriebsmodul (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Motor (230) durch Schnelllösezungen (234) am Montagerahmen (204) befestigt ist.
Unitäres Antriebsmodul (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Leerlaufkupplung (277) am Zielkettenrad (202) positioniert ist.