EP3856627A1

EP3856627A1 - Antriebsanordnung für ein fahrrad oder pedelec

Info

Publication number: EP3856627A1
Application number: EP19753059.5A
Authority: EP
Inventors: Johannes Kaltenbach; Uwe Griesmeier
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2021-08-04
Also published as: CN112770967A; TW202023890A; US11884362B2; CN112770967B; TWI807098B; WO2020064197A1; DE102018217883A1; DE102018217883B4; US20220048595A1

Abstract

Antriebsanordnung für ein Fahrrad oder Pedelec Es wird eine Antriebsanordnung für ein Fahrrad oder Pedelec mit einer manuellen Antriebswelle (1) in einem Gehäuse, mit einem achsparallel zu der manuellen Antriebswelle (1) angeordneten Rotor (3) eines ersten elektrischen Antriebes (EM 1) und mit einem koaxial zu der manuellen Antriebswelle (1) angeordneten Rotor (4) eines zweiten elektrischen Antriebes (EM 2) vorgeschlagen, wobei der Rotor (3) des ersten elektrischen Antriebes (EM 1) über eine erste Festübersetzung mit einem ersten Planetenradsatz (PS 1) als Überlagerungsgetriebe gekoppelt ist, wobei der Rotor (4) des zweiten elektrischen Antriebes (EM 2) über eine zweite Festübersetzung mit der manuellen Antriebswelle (1) gekoppelt ist, wobei die manuelle Antriebswelle (1) mit dem ersten Planetenradsatz (PS 1) als Überlagerungsgetriebe gekoppelt ist, und wobei der erste Planetenradsatz (PS 1 ) als Überlagerungsgetriebe mit einem Abtrieb (5) gekoppelt ist.

Description

Antriebsanordnung für ein Fahrrad oder Pedelec

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein elektromotorisch unterstütz- tes Fahrrad oder Pedelec mit einer manuellen Antriebswelle in einem Gehäuse und mit ei- nem ersten, größer dimensionierten elektrischen Antrieb sowie mit einem zweiten, kleiner dimensionierten elektrischen Antrieb. Ferner betrifft die Erfindung ein elektromotorisch unter- stütztes Fahrrad oder Pedelec mit der Antriebsanordnung.

Beispielsweise ist aus der Druckschrift WO 2016/034574 eine Antriebsanordnung für ein Pedelec bekannt, bei der ein erster, größer dimensionierter elektrischer Antrieb und ein zwei- ter, kleiner dimensionierter elektrischer Antrieb vorgesehen ist. Der größere Antrieb ist koa- xial zur Tretlagerkurbelwelle angeordnet, während der kleinere Antrieb achsparallel zur Tret- lagerkurbelwelle vorgesehen ist. Als Überlagerungsgetriebe ist ein Planetengetriebe vorge- sehen, welches einen großen Bauraumbedarf beansprucht, da das Überlagerungsgetriebe eine große Übersetzung darstellen muss. Der erste Antrieb ist mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes direkt verbunden. Da das Sonnenrad durch die Tretlagerkurbelwelle hin- durch geht ist ein Mindestdurchmesser des Sonnenrades erforderlich. Zur Abstützung des Sonnenrades des groß bauenden Planetengetriebes ist ebenfalls ein entsprechend groß dimensionierter erster Antrieb erforderlich, um ein notwendiges Abstützmoment für die Tret- kraft des Fahrers und gegebenenfalls ein Unterstützungsmoment für den zweiten elektri schen Antrieb zu realisieren. In nachteiliger Weise ist der Bauraumbedarf sowohl in axialer als auch in radialer Richtung bei der bekannten Antriebsanordnung erheblich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung und ein Fahrrad oder Pedelec der eingangs beschriebenen Gattung vorzuschlagen, mit denen eine Überlagerungsfunktion bei möglichst minimalem Bauraumbedarf realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 14 gelöst, wobei sich vorteilhafte und beanspruchte Weiterbildungen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung sowie den Zeichnungen ergeben.

Somit wird ein Antriebsstrang für ein motorisch unterstütztes Fahrrad oder Pedelec mit einer manuellen Antriebswelle in einem Gehäuse vorgeschlagen. Um eine bauformoptimierte An- ordnung zu schaffen, ist vorgesehen, dass ein achsparallel zu der manuellen Antriebswelle angeordneter Rotor eines ersten elektrischen Antriebes und ein koaxial zu der manuellen Antriebswelle angeordneter Rotor eines zweiten elektrischen Antriebes vorgesehen sind, wobei der Rotor des ersten elektrischen Antriebes über eine erste Festübersetzung mit ei- nem ersten Planetenradsatz als Überlagerungsgetriebe gekoppelt ist, wobei der Rotor des zweiten elektrischen Antriebes über eine zweite Festübersetzung mit der manuellen An- triebswelle gekoppelt ist, wobei die manuelle Antriebswelle mit den ersten Planetenradsatz als Überlagerungsgetriebe gekoppelt oder verbunden ist und wobei der erste Planetenrad- satz als Überlagerungsgetriebe mit einem Abtrieb gekoppelt oder verbunden ist.

Aufgrund der vorgeschlagenen Anbindung und Anordnung der elektrischen Antriebe und weiterer Getriebebauteile gegenüber bekannten Antriebsanordnungen wird eine bauraumop- timierte Antriebsanordnung geschaffen.

Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass der erste elektrische Antrieb größer als der zweite elektrische Antrieb dimensioniert ist. Somit ist der erste elektrische Antrieb größer dimensioniert und der zweite elektrische Antrieb kleiner dimensioniert ist. Eine be- sonders bauraumoptimierte Antriebsanordnung wird dadurch geschaffen, indem der größere der beiden Antriebe bzw. der groß dimensionierte elektrische Antrieb, welcher eine Trittfre- quenz variieren kann, achsparallel angeordnet ist, während der kleinere bzw. klein dimensio- nierte Antrieb, welcher fest mit der manuellen Antriebswelle verbunden ist, koaxial zur ma- nuellen Antriebswelle angeordnet ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass im Bereich der manuellen Antriebswelle weniger Bauraum benötigt wird, da dort der kleiner dimensionierte zweite elektrische Antrieb angeordnet ist. Da der größere elektrische Antrieb achsparallel angeordnet ist, ergibt sich auf dieser Achse mehr Bauchraum in axialer Richtung, weil bei dem größeren ersten Antrieb in diesem Bereich nur die erste Fest Übersetzung angeordnet ist.

Durch das Überlagerungsgetriebe wird eine Überlagerungsfunktion realisiert, welche eine Drehzahlvariabilität ermöglicht, d. h. die Trittfrequenz kann durch Änderung der Drehzahl des ersten elektrischen Antriebes bei gegebener Fahrgeschwindigkeit durch die Überlagerungs- funktion des Überlagerungsgetriebes variiert werden. Aus diesem Grund ist keine konventio- nelle mechanische Übersetzungseinrichtung erforderlich. Demzufolge wird mit der erfin- dungsgemäßen Antriebsanordnung quasi ein CVT-Getriebe realisiert, sodass keine konven- tionelle mechanische Übersetzungsverstelleinrichtung, wie zum Beispiel eine Kettenschal- tung oder Nabenschaltung erforderlich ist. Mit dem Begriff CVT wird allgemein ein stufenlos verstellbares Getriebe bezeichnet.

Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als erste Fe- stübersetzung für den ersten elektrischen Antrieb eine ein-oder mehrstufige Stirnradüberset- zung vorgesehen ist. Unter dem Begriff Festübersetzung versteht der Fachmann eine Über- Setzung mit konstantem Übersetzungswert. Die Stirnradübersetzung kann beispielsweise in Vorgelegebauweise, also mit einer Vorgelegewelle ausgeführt werden. Anstelle einer Stirn radübersetzung kann jedoch auch ein zusätzliches Planetengetriebe bzw. ein Planetenrad- satz vorgesehen sein. Die Stirnradübersetzung oder der Planetenradsatz können beispiels- weise über einen Ketten-oder Riementrieb oder auch über ein Zwischenrad mit dem Überla- gerungsgetriebe verbunden sein, sodass die Antriebsleistung des ersten elektrischen Antrie- bes mit konstanter Übersetzung auf das Überlagerungsgetriebe wirkt.

Eine nächste Ausführung der Erfindung kann vorsehen, dass als zweite Festübersetzung ein Wellgetriebe oder dergleichen vorgesehen ist. Das Wellgetriebe kann in seiner Funktion mit einem einfachen Plus-Planetenradsatz verglichen werden. Ein Element des Wellgetriebes ist gehäusefest, sodass eine konstante Übersetzung des zweiten Antriebes auf die manuelle Antriebswelle wirkt. Anstelle eines Wellgetriebes kann auch ein Planetengetriebe bzw. Pla- netenradsatzes 1 als zweite Festübersetzung für den zweiten elektrischen Antrieb vorgese- hen sein. Unabhängig von der jeweiligen Ausführung wirkt die zweite Festübersetzung auf die manuelle Antriebswelle, die dann mit dem Überlagerungsgetriebe verbunden ist.

Unabhängig von den jeweiligen Ausführungen der Erfindung ist bei der Antriebsanordnung vorgesehen, dass die erste Festübersetzung mit einem Sonnenrad des ersten Planetenge- triebes als Überlagerungsgetriebe direkt oder indirekt verbunden. Somit wird die jeweilige Antriebsleistung des ersten elektrischen Antriebes mit konstanter Übersetzung auf das Über- lagerungsgetriebe übertragen. Die manuelle Antriebswelle ist mit einem Planetenradträger und der Abtrieb der Antriebsanordnung mit einem Hohlrad des Überlagerungsgetriebes di- rekt oder indirekt verbunden oder die manuelle Antriebswelle ist mit dem Hohlrad und der Abtrieb mit dem Planetenradträgers des Überlaufgetriebes direkt oder indirekt verbunden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass die manuelle Antriebswelle als Tretlagerkurbelwelle und das Gehäuse als Tretlagerge- häuse ausgeführt sind. Demzufolge wird die vorgeschlagene Antriebsanordnung in einen Tretlagergehäuse des Pedelecs als Mittelmotor untergebracht.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein motorunterstütztes Fahrrad oder ein Pedelec mit der vorbeschriebenen Antriebsanordnung zu beanspruchen. Somit wird ein Pedelec mit elektrischem CVT mit eingangs gekoppeltem elektrischem Antrieb koaxial zur Tretlagerkurbelwelle vorgeschlagen. Hierbei ergeben sich die bereits beschriebenen und weitere Vorteile. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsvariante einer

erfindungsgemäßen Antriebsanordnung;

Figur 2 eine schematische Seitenansicht der ersten Ausführungsvariante gemäß

Figur 1 ;

Figur 3 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsvariante der

Antriebsanordnung;

Figur 4 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsvariante der Antriebs- anordnung;

Figur 5 eine schematische Seitenansicht der dritten Ausführungsvariante gemäß

Figur 4;

Figur 6 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsvariante der Antriebs- anordnung;

Figur 7 eine schematische Ansicht einer fünften Ausführungsvariante der Antriebs- anordnung;

Figur 8 eine schematische Ansicht einer sechsten Ausführungsvariante der

Antriebsanordnung; und

Figur 9 eine schematische Ansicht einer siebten Ausführungsvariante der Antriebs- anordnung.

In den Figuren 1 bis 9 sind verschiedene Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung für ein Fahrrad oder Pedelec ausschließlich beispielhaft dargestellt und beschränken somit nicht die verschiedenen vorbeschriebenen und beanspruchten konstruk- tiven Alternativen.

Die Antriebsanordnung umfasst eine manuelle Antriebswelle 1 in einem Gehäuse 2, wobei die Antriebswelle 1 bei den gezeigten Ausführungsvarianten beispielhaft als Tretlagerkurbel- welle ausgeführt ist und in einem Tretlagergehäuse als Gehäuse 2 angeordnet ist. In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff manuelle Antriebswelle 1 , dass es sich um eine An- triebswelle handelt, die mittels Muskelkraft angetrieben oder betrieben werden kann. Die Tretkurbelwelle, also eine durch den Fuß angetretene Kurbelwelle ist somit eine beispielhafte Ausführung für die manuelle Antriebswelle 1

Die Antriebsanordnung umfasst einen achsparallel zu der manuellen Antriebswelle 1 ange- ordneten Rotor 3 eines ersten, z. B. größeren elektrischen Antriebes EM 1 und einen koaxial zu der manuellen Antriebswelle 1 angeordneten Rotor 4 eines zweiten, z. B. kleineren elektrischen Antriebes EM 2. In diesem Zusammenhang bezieht sich die Bezeichnung größe- re auf größer dimensioniert und die Bezeichnung kleinere auf kleiner dimensioniert. Demzu- folge weist der erste elektrische Antrieb EM 1 eine höhere Leistung und/oder größere Ab- messungen als der zweite elektrische Antrieb EM 2 auf. Der erste elektrische Antrieb EM 1 und der zweite elektrische Antrieb EM 2 sind bevorzugt jeweils als elektrische Maschinen ausgeführt, die sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar sind.

Bei der vorgeschlagenen Antriebsanordnung ist ferner vorgesehen, dass der Rotor 3 des ersten elektrischen Antriebes EM 1 über eine erste Festübersetzung mit einem ersten Plane- tenradsatz PS 1 als Überlagerungsgetriebe gekoppelt ist. Der Rotor 4 des zweiten elektri- schen Antriebes EM 2 ist über eine zweite Festübersetzung mit der manuellen Antriebswelle gekoppelt. Demzufolge ist der zweite elektrische Antrieb EM 2 über die zweite Festüberset- zung an die Tretlagerkurbelwelle bzw. manuelle Antriebswelle 1 eingangsgekoppelt. Die ma- nuelle Antriebswelle 1 ist mit dem ersten Planetenradsatz PS 1 als Überlagerungsgetriebe verbunden, wobei der erste Planetenradsatz PS 1 als Überlagerungsgetriebe mit einem Ab- trieb 5 der Antriebsanordnung verbunden ist. Der Abtrieb 5 kann vorzugsweise als Ketten- oder Riemenrad des Fahrrades bzw. Pedelecs ausgeführt und außerhalb oder innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sein. Der erste Planetenradsatz PS 1 als Überlagerungsgetriebe ist somit koaxial zur Tretlagerkurbelwelle bzw. manuellen Antriebswelle 1 angeordnet.

In Figur 1 ist beispielhaft eine erste Ausführungsvariante der Antriebsanordnung gezeigt, bei der als erste Festübersetzung eine 2-stufige Stirnradübersetzung dem ersten elektrischen Antrieb EM 1 zugeordnet ist. Der Rotor 3 des ersten elektrischen Antriebes EM 1 ist mit ei- nem ersten Zahnrad Z 2 einer ersten Stufe der Stirnradübersetzung verbunden. Das erste Zahnrad Z 2 steht in Eingriff mit einem zweiten Zahnrad Z 3 der ersten Stufe der Stirnrad- Übersetzung und ist mit einer Vorgelegewelle 9 drehfest verbunden. Ein erstes Zahnrad Z4 einer zweiten Stufe der Stirnradübersetzung ist ebenfalls drehfest mit der Vorgelegewelle 9 verbunden und ist über einen Riemen- oder Kettentrieb 10 mit einem zweiten Zahnrad Z 1 der zweiten Stufe der Stirnradübersetzung gekoppelt, welches mit einem Sonnenrad 1 1 des ersten Planetenradsatzes PS 1 als Überlagerungsgetriebe verbunden. Ein Planetenradträger 12 des ersten Planetenradsatzes PS 1 ist mit der manuellen Antriebswelle 1 verbunden. Ein Hohlrad 13 des ersten Planetenradsatzes PS 1 ist mit dem Abtrieb 5 verbunden.

Als zweite Festübersetzung ist ein Wellgetriebe WG dem zweiten elektrischen Antrieb EM 2 zugeordnet. Das Wellgetriebe WG wird unter anderem auch als Spannungswellengetriebe oder Gleitkeilgetriebe bezeichnet. Das Wellgetriebe WG weist einen Wellengenerator 6, eine Innenbuchse 7 und eine Außenbuchse 8 auf. Die Außenbuchse 8 weist eine Innenverzah- nung und die Innenbuchse 7 weist eine Außenverzahnung auf, die über z. B. zwei Umfangs- abschnitte miteinander in Eingriff stehen. Der Querschnitt der Außenbuchse 8 ist kreisförmig. Die Innenbuchse 7 ist verformbar ausgebildet. Durch den Wellengenerator 6, der eine längs- gestreckte oder elliptische Form aufweist, wird die Innenbuchse 7 mit ihrer Außenverzah- nung über z. B. zwei Umfangsabschnitte in die Innenverzahnung der Außenbuchse 8 ge- drückt. Die Zähnezahl der Außenverzahnung der Innenbuchse 7 und der Innenverzahnung der Außenbuchse 8 sind verschieden voneinander.

Der Wellengenerator 6 des Wellgetriebes WG ist mit dem Rotor 4 des zweiten elektrischen Antriebes EM 2 verbunden und bildet aus Sicht des zweiten elektrischen Antriebes EM 2 den Antrieb. Die verformbare Innenbuchse 7 mit Außenverzahnung des Wellgetriebes WG ist mit der manuellen Antriebswelle 1 verbunden und bildet aus Sicht des zweiten elektrischen An- triebes EM 2 den Abtrieb. Die Außenbuchse 8 mit Innenverzahnung des Wellgetriebes WG ist gehäusefest. Somit dient das Wellgetriebe WG als zweite Festübersetzung des zweiten elektrischen Antriebes EM 2.

Demzufolge wird der kleinere zweite elektrische Antrieb EM 2 koaxial zur Tretlagerkurbelwel- le bzw. manuellen Antriebswelle 1 angeordnet. Das Wellgetriebe WG dient nur als zweite Festübersetzung für den zweiten elektrischen Antrieb EM 2 zur manuellen Antriebswelle 1. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Wellgetriebe WG nur durch den zweiten elektri schen Antrieb EM 2 belastet wird und nicht durch die Tretkraft des Fahrers. Demzufolge kann das Wellgetriebe WG entsprechend geringer dimensioniert werden und stellt eine hohe Übersetzung bei vorteilhaft geringem Bauraumbedarf dar. Die manuelle Antriebswelle 1 wird weiterhin an den ersten Planetenradsatz PS 1 als Überlagerungsgetriebe beispielsweise über den Steg bzw. über den Planetenradträger 12 angebunden. Der Antrieb erfolgt über das Hohlrad 13 des ersten Planetenradsatzes PS 1 . Das Sonnenrad 1 1 des ersten Planetenrad- satzes PS 1 wird über die 2-stufige Stirnradübersetzung an den ersten elektrischen Antrieb EM 1 angebunden. Hierbei ergibt sich gegenüber bekannten Antriebsanordnungen der Vor- teil , dass an dem Sonnenrad 1 1 weniger Drehmoment von der Tretlagerkurbelwelle bzw. manuellen Antriebswelle 1 abgestützt werden muss, weil die manuelle Antriebswelle 1 mit dem Planetenradträger 12 verbunden ist. Der größere erste elektrische Antrieb EM 1 ist achsparallel angeordnet und über die 2-stufige Stirnradübersetzung als erste Festüberset- zung an das Sonnenrad 11 des ersten Planetenradsatzes PS 1 angebunden, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass somit mehr axialer Bauraum für den größeren, ersten elektrischen Antrieb EM 1 zur Verfügung steht als für den kleineren, zweiten elektrischen Antrieb EM 2.

Für den ersten elektrischen Antrieb EM 1 ist keine so hohe Festübersetzung, wie für den zweiten elektrischen Antrieb EM 2 möglich, da der erste elektrische Antrieb EM 1 ein höhe- res Drehzahlband abdecken muss, als der zweite elektrische Antrieb EM 2. Über die Dreh- zahl des ersten elektrischen Antriebes EM 1 wird die Trittfrequenz bei verschiedenen Fahr- geschwindigkeiten variiert. Der zweite elektrische Antrieb EM 2 dreht immer im gleichen Ver- hältnis zur manuellen Antriebswelle 1 , deren Drehzahl durch die mögliche Tretkurbeldreh- zahl, die von dem Fahrer erreicht werden kann, begrenzt ist. Somit ist eine 2-stufige Stirn radübersetzung für den ersten elektrischen Antrieb EM 1 als erste Festübersetzung ausrei- chend. Der erste elektrische Antrieb EM 1 benötigt mehr Drehmoment als der zweite elektri sche Antrieb EM 2, welches beispielsweise durch eine größere Länge der elektrischen Ma- schine erreicht werden kann. Bei dem dargestellten Beispiel besteht die 2-stufige Stirnrad- Übersetzung für den ersten Antrieb EM 1 aus dem ersten Zahnradpaar Z2/Z3 und dem zwei- ten Zahnradpaar Z4/Z1. Zur Überwindung des Achsabstandes kann eine Kette oder ein Zahnriemen als Ketten-oder Riementrieb 10 verwendet werden.

In Figur 2 ist eine Seitenansicht der ersten Ausführungsvariante von rechts gemäß Figur 1 dargestellt, aus der die äußeren Umfänge der verschiedenen Getriebebauteile deutlich wer- den. Mit einer durchgezogenen Linie sind die in der Seitenansicht vorne liegenden Bauteile gekennzeichnet, während gestrichelte Linien die Bauteile einer dahinterliegenden Ebene andeuten. Gepunktete Linien stellen wiederum Bauteile einer weiteren dahinterliegenden Ebene dar. Ferner ist durch einen Pfeil die Fahrtrichtung des Pedelecs angegeben. Aus die- ser Ansicht wird ein beispielhaftes Schmierölkonzept deutlich. Die Zahnräder Z 1 und Z 3 können beispielsweise in einen Ölsumpf des Gehäuses 2 eintauchen und dadurch Schmieröl in den jeweiligen Zahnkontakt bzw. Kettenkontakt einbringen.

Nachfolgend wird ein Zahlenbeispiel beschrieben. Als Übersetzung des Wellgetriebes WG kann ein Wert von 50 angenommen werden. Die Standübersetzung des ersten Planetenrad- satzes PS 1 als Überlagerungsgetriebe kann minus 2 betragen. Dadurch ist die Drehmomen- tübersetzung von dem Sonnenrad 1 1 zum Planetenradträger 12 etwa 3 und die Drehmomen- tübersetzung vom Hohlrad 13 zum Planetenradträger 12 ist 1 , 5. Die Übersetzung vom Ab- trieb zum Hinterrad des Pedelecs beträgt 1 , 125. Der Radumfang des Hinterrades beträgt 2,1 m. Die 2-stufige Stirnradübersetzung von dem ersten elektrischen Antrieb EM 1 zum Sonnenrad 1 1 beträgt 17. Wirkungsgrade sind bei den nachfolgenden Zahlenbeispielen ver- nachlässigt. Die Angaben sind nicht exakt.

Eine beispielhafte Fahrsituation beim Anfahren mit hohem Drehmoment an der manuellen Antriebswelle 1 von 150 Nm, welche durch den Fahrer aufgebracht werden. Sämtliche Dreh- zahlen sind 0. Das Drehmoment an dem zweiten elektrischen Antrieb EM 2 ist Null, da keine Unterstützung vorliegt, da der Fahrer eine hohe Pedalkraft aufbringt. Das Drehmoment an dem Sonnenrad 1 1 liegt bei 50 Nm. Das Drehmoment an dem ersten elektrischen Antrieb EM 1 liegt bei 3 Nm. Das Drehmoment an dem Hohlrad 13 liegt bei 100 Nm. Das Drehmo- ment am Hinterrad liegt bei 1 13 Nm.

Eine gleiche Farbsituation nur mit Unterstützung durch den zweiten elektrischen Antrieb EM 2 wird nachfolgend beschrieben. Das Drehmoment an der manuellen Antriebswelle 1 , wel- ches durch den Fahrer aufgebracht wird, liegt bei 50 Nm. Das Drehmoment an den zweiten elektrischen Antrieb EM 2 liegt bei 2 Nm und ergibt 100 Nm nach dem Wellgetriebe WG als Festübersetzung. Zusammen mit dem Fahrer werden wieder 150 Nm aufgebracht. Das Drehmoment an dem zweiten elektrischen Antrieb EM 2 und am Hinterrad ist identisch.

Bei einer weiteren Fahrsituation bei einer Fahrt mit zum Beispiel 25 km/h mit hoher Leistung, zum Beispiel 350 Watt Gesamtleistung, beispielsweise bergauf ergibt sich eine Trittfrequenz 60 rpm, ein Trittmoment 16 Nm, d. h. der Fahrer leistet 101 Watt. Der zweite elektrische An- trieb EM 2 unterstützt leicht mit 0, 13 Nm bei 3000 rpm, d. h. eine Leistung von 40 W. Die Drehzahl am Hinterrad beträgt 198 rpm, am Hohlrad 13, etwa 223 rpm, an dem Sonnenrad 1 1 etwa minus 266 rpm (rückwärtsdrehend) und an dem ersten elektrischen Antrieb EM 1 etwa minus 4530 rpm (rückwärtsdrehend). Das Drehmoment an den Planetenradträger 12 ergibt sich aus der Summe der Drehmomente des zweiten elektrischen Antriebes EM 2 und des Fahrers von 6, 5 Nm plus 16 Nm gleich 22, 5 Nm. Das Drehmoment am Sonnenrad 1 1 beträgt 7, 5 Nm, d. h. das Drehmoment an dem ersten elektrischen Antrieb EM 1 beträgt 0, 43 Nm. Das Drehmoment am Hohlrad 13 beträgt 15 Nm und das Drehmoment am Hinterrad beträgt 17 Nm. Die Leistung des ersten elektrischen Antriebes EM 1 liegt bei 209 W. Die Gesamtleistung von Fahrer und ersten elektrischen Antrieb EM 1 sowie zweiten elektrischen Antrieb EM 2 liegt bei 350 W. Bei einer weiteren Fahrsituation zum Beispiel beim Fahren oberhalb von 25 km/h ist keine elektrische Unterstützung erlaubt. Der erste elektrische Antrieb EM 1 muss an dem Sonnen- rad 1 1 des Überlagerungsgetriebes das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment abstützen und bringt somit zwingend elektrische Leistung ein. Genau diese Leistung muss mit dem zweiten elektrischen Antrieb EM 2 generatorisch erzeugt werden, da diese Leistung nicht aus der Batterie entnommen werden darf. Dies entspricht einem batterieneutralen, leistungs- verzweigte Betriebsmodus, bei dem der zweite elektrische Antrieb EM 2 bremsend wirkt.

Ein Zahlenbeispiel hierzu: Annahmen 30 km/h, 200 W Fahrleistung, 70 rpm Trittfrequenz, Tretmoment des Fahrers 27 Nm (ergibt 200 W Leistung), Drehzahl des ersten elektrischen Antriebes EM 1 minus 5540 rpm, Drehmoment des ersten elektrischen Antriebes EM 1 ca. 0, 21 Nm, Leistung des ersten elektrischen Antriebes EM 1 ca. 121 W, zu erzeugende Leistung des zweiten elektrischen Antriebes EM 2 ca. minus 121 W, Drehzahl des zweiten elektri- schen Antriebes EM 2 ca., 3500 rpm und ein Drehmoment von minus 0, 33 Nm, abzugeben- de Leistung des zweiten elektrischen Antriebes EM 2 ca. minus 121 W.

In Figur 3 ist eine zweite Ausführungsvariante der Antriebsanordnung beispielhaft dargestellt. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsvariante gemäß Figur 1 wird das zweite Zahnrad Z 1 der zweiten Stufe des 2-stufigen Stirnradgetriebe bzw. 2-stufigen Stirnradübersetzung ra- dial über dem ersten Planetenradsatz P S 1 geschachtelt angeordnet. Auf diese Weise ergibt sich eine verkürzte Baulänge in axialer Richtung der manuellen Antriebswelle 1. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass das größere Zahnrad Z 3 der zweiten Stufe der Stirnradüber- setzung im Vergleich zu dem Zahnrad Z4 der ersten Stufe weiter innen am Gehäuse 2 liegt und das Gehäuse 2 nach außen hin etwas abgeschrägt werden kann.

In Figur 4 ist eine dritte Ausführungsvariante der Antriebsanordnung beispielhaft dargestellt. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsvariante gemäß Figur 1 wird anstelle des Ketten- oder Riementrieb 10 ein Zwischenrad Z 6 verwendet. Das Zwischenrad Z 6 kann beispiels- weise auf der Rotorwelle bzw. dem Rotor 3 des ersten elektrischen Antriebes EM 1 gelagert werden.

Figur 5 zeigt eine Seitenansicht der dritten Ausführungsvariante, aus der das vorteilhafte Schmierkonzept hervorgeht, welches bereits anhand von Figur 2 beschrieben worden ist.

Figur 6 zeigt eine vierte Ausführungsvariante der Antriebsanordnung, bei der im Unterschied zur ersten Ausführungsvariante die manuelle Antriebswelle 1 an dem Hohlrad 13 des ersten Planetenradsatzes PS 1 als Übertragungsgetriebe und der Abtrieb 5 an dem Planetenradträ- ger 12 angebunden ist. Demzufolge wird die Anbindung vertauscht. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Verbindung zwischen der manuellen Antriebswelle 1 und dem Hohlrad 13 und die Verbindung zwischen der manuellen Antriebswelle 1 und dem Wellgetriebe WG in einem gemeinsamen Bauteil ausgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass das größere erste Zahnrad Z 3 der zweiten Stufe der Stirnradübersetzung als erste Festübersetzung im Vergleich zu dem zweiten Zahnrad Z 4 weiter innen an dem Ge- häuse 2 liegt und das Gehäuse 2 nach außen hin etwas abgeschrägt werden kann. Um ein an dem Sonnenrad 1 1 des ersten Planetenradsatzes PS 1 höheres Drehmoment abzustüt- zen, kann über die erste Festübersetzung eine höhere Übersetzung dargestellt werden oder der erste elektrische Antrieb EM 1 wird mit einem höheren Drehmoment ausgelegt.

In Figur 7 ist eine fünfte Ausführungsvariante der Antriebsanordnung dargestellt. Im Unter- schied zur ersten Ausführungsvariante gemäß Figur 1 wird anstelle eines Wellgetriebes WG als zweite Festübersetzung für den zweiten elektrischen Antrieb EM 2 ein Planetengetriebe bzw. ein zweiter Planetenradsatz PS2 verwendet. Bei dem gezeigten Beispiel wird der zwei- te Planetenradsatz PS2 mit einem Stufenplaneten ausgeführt, um eine möglichst hohe Über- setzung darzustellen. Der Stufenplanet weist bei dieser Ausführung zwei auf einem Plane- tenradträger 14 gelagerte Planeten auf, wobei der eine Planet mit einem Hohlrad 16 und der andere Planet mit einem Sonnenrad 15 des zweiten Planetenradsatzes PS 2 kämmt. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass ein Planetenradträger 14 des zweiten Planetenradsatzes PS2 und das Hohlrad 13 des ersten Planetenradsatzes PS 1 als gemeinsames Bauteil ausgeführt werden können und an die manuelle Antriebswelle 1 angebunden werden können. Das Son- nenrad 15 des zweiten Planetenradsatzes PS2 ist mit dem Rotor 4 des zweiten elektrischen Antriebes EM 2 verbunden, während das Hohlrad 16 des zweiten Planetenradsatzes PS2 gehäusefest ist.

Gemäß Figur 8 wird eine sechste Ausführungsvariante der Antriebsanordnung dargestellt. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsvariante gemäß Figur 1 wird als erste Festüberset- zung des ersten elektrischen Antriebes EM 1 ein dritter Planetenradsatz PS3 verwendet. Ein Sonnenrad 17 des dritten Planetenradsatzes PS3 ist mit dem Rotor 3 des ersten elektrischen Antriebes EM 1 verbunden. Ein Hohlrad 18 des dritten Planetenradsatzes PS3 ist gehäuse- fest, während ein Planetenradträger 19 des dritten Planetenradsatzes PS3 mit dem ersten Zahnrad Z 4 der zweiten Stufe der Stirnradübersetzung verbunden ist.

In Figur 9 ist eine siebente Ausführungsvariante der Antriebsanordnung dargestellt, bei der im Unterschied zur zweiten Ausführungsvariante gemäß Figur 3 eine einstufige Stirnrad- Übersetzung als erste Festübersetzung dem ersten elektrischen Antrieb EM 1 zugeordnet ist. Die Übersetzungsstufe ist an das Sonnenrad 1 1 des ersten Planetenradsatzes PS 1 ange- bunden. Dafür wird der erste elektrische Antrieb EM 1 mit mehr Drehmoment ausgelegt. Aufgrund der einstufigen Stirnradübersetzung ist mehr Baulänge für den ersten elektrischen Antrieb EM 1 verfügbar, da die zweite Stirnradstufe entfällt. In vorteilhafter weise ergibt sich eine einfachere Mechanik. Das Zahnrad Z 2 der Stirnradstufe kann mit einem Ketten-oder Riementrieb mit dem Zahnrad Z 1 verbunden werden. Alternativ kann auch ein Zwischenrad 6 vorgesehen werden.

Bezuaszeichen

1 manuelle Antriebswelle bzw. Tretlagerkurbelwelle

2 Gehäuse bzw. Tretlagergehäuse

3 Rotor des ersten elektrischen Antriebes

4 Rotor des zweiten elektrischen Antriebes

5 Abtrieb bzw. Ketten- oder Riemenrad

6 Wellengenerator

7 Innenbuchse

8 Außenbuchse

9 Vorgelegewelle

10 Riemen-oder Kettentrieb

11 Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes

12 Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes

13 Hohlrad des ersten Planetenradsatzes

14 Planetenradträger des zweiten Planetenradsatzes

15 Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes

16 Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes

17 Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes

18 Hohlrad des dritten Planetenradsatzes

19 Planetenradträger des dritten Planetenradsatzes

EM 1 erster größer dimensionierter elektrischer Antrieb

EM 2 zweiter kleiner dimensionierter elektrischer Antrieb

WG Wellgetriebe als zweite Festübersetzung

PS 1 erster Planetenradsatz als Überlagerungsgetriebe

PS 2 zweiter Planetenradsatz als zweite Festübersetzung PS 3 dritter Planetenradsatz als erste Festübersetzung

Z 1 zweites Zahnrad der zweiten Stufe der Stirnradübersetzung Z 2 erstes Zahnrad der ersten Stufe der Stirnrad Übersetzung Z 3 zweites Zahnrad der ersten Stufe der Stirnradübersetzung

Z 4 erstes Zahnrad der zweiten Stufe der Stirnradübersetzung

Z 6 Zwischen rad

Claims

Patentansprüche

1. Antriebsanordnung für ein Fahrrad oder Pedelec, mit einer manuellen Antriebswelle (1 ) in einem Gehäuse (2), mit einem achsparallel zu der manuellen Antriebswelle (1) angeordneten Rotor (3) eines ersten elektrischen Antriebes (EM 1 ) und mit einem koaxial zu der manuellen Antriebswelle (1 ) angeordneten Rotor (4) eines zweiten elektrischen Antriebes (EM 2), wobei der Rotor (3) des ersten elektrischen Antriebes (EM 1 ) über eine erste Festübersetzung mit einem ersten Planetenradsatz (PS 1 ) als Überlagerungsgetriebe gekoppelt ist, wobei der Rotor (4) des zweiten elektrischen Antriebes (EM 2) über eine zweite Festübersetzung mit der manuellen Antriebswelle (1 ) gekoppelt ist, wobei die manuelle Antriebswelle (1 ) mit dem ersten Planetenradsatz (PS 1 ) als Überlagerungsgetriebe gekoppelt ist, und wobei der erste Planetenradsatz (PS 1 ) als Überlagerungsgetriebe mit einem Abtrieb (5) gekoppelt ist.

2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste elektrische Antrieb (EM 1 ) größer als der zweite elektrische Antrieb (EM2) dimensioniert ist.

3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Fe- stübersetzung eine ein- oder mehrstufige Stirnradübersetzung vorgesehen ist.

4. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das als erste Fe- stübersetzung ein dritter Planetenradsatz (PS 3) vorgesehen ist.

5. Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Festübersetzung über ein Zwischenrad (Z 6) oder einen Ketten-oder Riemen- trieb (10) mit dem ersten Planetenradsatz (PS 1 ) als Überlagerungsgetriebe gekoppelt ist.

6. Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Festübersetzung ein Wellgetriebe (WG) vorgesehen ist.

7. Antriebsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellengenerator (6) des Wellgetriebes (WG) mit dem Rotor (4) des zweiten elektrischen Antriebes (EM 2) verbunden ist, dass eine verformbare Innenbuchse (7) mit Außenverzahnung des Wellge- triebes (WG) mit der manuellen Antriebswelle (1 ) verbunden ist und dass eine Außenbuchse (8) mit Innenverzahnung des Wellgetriebes (WG) gehäusefest ist.

8. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Festübersetzung ein zweiter Planetenradsatz (PS 2) vorgesehen ist.

9. Antriebsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Planeten- radsatz (PS 2) mit einem Stufenplaneten ausgeführt ist.

10. Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die erste Festübersetzung mit einem Sonnenrad (1 1 ) des ersten Planetengetriebes (PS 1 ) als Überlagerungsgetriebe verbunden ist, dass die manuelle Antriebswelle (1 ) mit einem Planetenradträger(12) und der Abtrieb (5) mit einem Hohlrad (13) des ersten Plane- tengetriebes (PS 1 ) als Überlagerungsgetriebe verbunden ist oder dass die manuelle An- triebswelle (1 ) mit dem Hohlrad (13) und der Abtrieb (5) mit dem Planetenradträger (12) des ersten Planetengetriebes (PS 1 ) als Überlagerungsgetriebe verbunden ist.

1 1. Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die manuelle Antriebswelle (1 ) als Tretlagerkurbelwelle und das Gehäuse(2) als Tretlagergehäuse ausgeführt sind.

12. Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass der Abtrieb (5) als Ketten- oder Riemenrad ausgeführt ist.

13. Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass der erste elektrische Antrieb (EM 1 ) und der zweite elektrische Antrieb (EM 2) je- weils als elektrische Maschine ausgeführt sind, die sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ist.

14. Fahrrad oder Pedelec mit einer Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden An- sprüche.