EP4598804A1 - Antriebseinheit eines mit muskelkraft und/oder motorkraft betreibbaren fahrzeugs - Google Patents

Antriebseinheit eines mit muskelkraft und/oder motorkraft betreibbaren fahrzeugs

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Publication number
EP4598804A1
EP4598804A1 EP23786003.6A EP23786003A EP4598804A1 EP 4598804 A1 EP4598804 A1 EP 4598804A1 EP 23786003 A EP23786003 A EP 23786003A EP 4598804 A1 EP4598804 A1 EP 4598804A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drive unit
gear
crankshaft
transmission
motor
Prior art date
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Pending
Application number
EP23786003.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sigmund Braun
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102023204925.2A external-priority patent/DE102023204925A1/de
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4598804A1 publication Critical patent/EP4598804A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62J—CYCLE SADDLES OR SEATS; AUXILIARY DEVICES OR ACCESSORIES SPECIALLY ADAPTED TO CYCLES AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. ARTICLE CARRIERS OR CYCLE PROTECTORS
    • B62J45/00—Electrical equipment arrangements specially adapted for use as accessories on cycles, not otherwise provided for
    • B62J45/40—Sensor arrangements; Mounting thereof
    • B62J45/41—Sensor arrangements; Mounting thereof characterised by the type of sensor
    • B62J45/411—Torque sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62J—CYCLE SADDLES OR SEATS; AUXILIARY DEVICES OR ACCESSORIES SPECIALLY ADAPTED TO CYCLES AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. ARTICLE CARRIERS OR CYCLE PROTECTORS
    • B62J45/00—Electrical equipment arrangements specially adapted for use as accessories on cycles, not otherwise provided for
    • B62J45/40—Sensor arrangements; Mounting thereof
    • B62J45/42—Sensor arrangements; Mounting thereof characterised by mounting
    • B62J45/421—Sensor arrangements; Mounting thereof characterised by mounting at the pedal crank
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/55—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at crank shafts parts

Definitions

  • the present invention relates to a drive unit of a vehicle operable with muscle power and/or motor power, and to a vehicle operable with muscle power and/or motor power.
  • Drive units for vehicles that can be operated with muscle power and/or motor power, such as electric bicycles which comprise gears between a motor and a crankshaft.
  • An arrangement with spur gear teeth is often used with a motor whose output shaft is arranged parallel to the crankshaft and at a distance from it.
  • Drive units with a motor arranged coaxially to the crankshaft are also known, with a planetary gear being provided for torque transmission.
  • the drive unit according to the invention with the features of claim 1 is characterized by a particularly advantageous construction and high efficiency.
  • a particularly compact overall design of the drive unit can be made possible, while at the same time a high degree of efficiency of the power transmission can be made possible.
  • the transmission is designed and arranged for torque transmission between the output shaft of the motor and the crankshaft.
  • the output shaft, and preferably the motor is arranged coaxially to the crankshaft.
  • the transmission is designed as a spur gear transmission.
  • a coaxial arrangement of the engine output shaft and the crankshaft is provided, whereby a torque transmission between the output shaft and the crankshaft is enabled via the transmission designed as a spur gear.
  • a spur gear is considered to be a gear with several gears, wherein the teeth of all gears are each formed, in particular exclusively, on an outer circumference of the corresponding gear.
  • respective gears that are in engagement with one another are arranged to be rotatable about separate axes.
  • the drive unit thus offers the advantage that the coaxial arrangement of the output shaft and crankshaft, and preferably also of the motor and crankshaft, enables a particularly compact design of the drive unit.
  • This makes it possible for the motor, which often takes up a considerable proportion of the total installation space of the drive unit, to be placed optimally coaxially to the crankshaft.
  • this arrangement has a particularly advantageous effect on the compact overall design of the drive unit if the largest gear of the transmission is arranged on the crankshaft.
  • the remaining transmission volume can, for example, only extend slightly out of an axial projection surface of the motor, which enables this volume to be comparatively narrow and, in particular, to be arranged relatively centrally in the axial direction, which has a further advantageous effect on the design of the drive unit.
  • the drive unit is characterized by low costs due to fewer and relatively simple components. This also enables the drive unit to be light.
  • the transmission preferably has an intermediate shaft which is arranged parallel to the crankshaft. This means that in particular an intermediate shaft axis of the intermediate shaft is arranged parallel to a crankshaft axis of the crankshaft.
  • the transmission is designed to transmit torque between the output shaft and the crankshaft via the intermediate shaft. This means that the torque is transmitted from the output shaft of the engine to the crankshaft via the intermediate shaft.
  • the transmission can be provided with a predetermined gear ratio between the output shaft and the crankshaft in a particularly simple manner and with few components.
  • a gear ratio can be easily adjusted by scaling the intermediate shaft, in particular with corresponding gears.
  • the transmission particularly preferably has a first gear and a second gear.
  • the first gear and the second gear are each connected to the intermediate shaft in a rotationally fixed manner.
  • the first gear, the second gear and the intermediate shaft can be designed together as a one-piece component. This makes it possible to provide a simple, cost-effective and robust construction.
  • the transmission preferably has a first gear and a second gear and a freewheel.
  • One of the two gears i.e. the first gear or the second gear, is connected to the intermediate shaft in a rotationally fixed manner.
  • the freewheel is arranged between the other gear and the intermediate shaft.
  • the freewheel is designed to be able to switch between a rotationally fixed connection and a relatively freely rotatable connection between the corresponding gear and the intermediate shaft.
  • the freewheel preferably locks in the drive direction of the motor and opens when the motor is at a standstill or when the cranks are being operated.
  • the freewheel can be designed to be controllably actuated, for example by means of a control unit.
  • the motor can be decoupled from the crankshaft by means of the freewheel, for example to switch off the motor support, in particular when a predetermined speed of the vehicle is exceeded.
  • the gear unit preferably has a motor toothing which is formed on the output shaft.
  • a part of the output shaft is thus formed as a gear with the motor toothing.
  • the first gear is in engagement with the motor toothing.
  • the transmission preferably has a third gear which can be connected to the crankshaft in a rotationally fixed manner.
  • the third gear can also be arranged to be rotatable relative to the crankshaft in a freewheel mode.
  • the third gear is in engagement with the second gear of the intermediate shaft. In particular, the torque can thus be transmitted from the intermediate shaft to the crankshaft via the third gear.
  • the drive unit further comprises a freewheel between the third gear and the crankshaft.
  • the freewheel is designed to be able to switch between a rotationally fixed connection and a relatively freely rotatable connection between the third gear and the crankshaft.
  • the freewheel locks in the drive direction of the motor and opens when the motor is at a standstill and when the cranks are being operated.
  • the freewheel can be designed to be controllably operable, for example by means of a control unit.
  • the motor can thus be decoupled from the crankshaft by means of the freewheel, for example to switch off the motor support, in particular when a predetermined speed of the vehicle is exceeded.
  • the third gear can be designed to be non-rotatable with a hollow shaft on which the output interface is arranged.
  • the freewheel between the third gear and the crankshaft can act as a driver freewheel, i.e. to enable a non-rotatable or relatively freely rotatable connection between the output interface and the crankshaft.
  • the output shaft is preferably designed as a hollow shaft.
  • the crankshaft is rotatably mounted within the output shaft.
  • at least one bearing is provided between the crankshaft and drive shaft for rotatable mounting.
  • the bearing can be designed as a needle bearing for a particularly compact design in the radial direction.
  • the drive unit also preferably comprises two bottom brackets.
  • the crankshaft is rotatably mounted in a housing of the drive unit by means of the two bottom brackets.
  • the bearings can be designed, for example, as ball bearings, such as deep groove ball bearings, or the like.
  • the drive unit further comprises a detection device which is designed to detect a bearing force on the output-side bottom bracket.
  • the output-side bottom bracket is considered to be that of the two bottom brackets which is arranged closer to an output interface of the crankshaft to which an output element can be attached.
  • the output element is designed as a chainring.
  • another output element can preferably be provided which is designed to be connected to a transmission element in order to enable torque to be transmitted from the crankshaft to a drive wheel of the vehicle.
  • a pedal force and/or a pedal torque applied by the driver can preferably be determined from the bearing force determined. Based on this, a driver's request, on the basis of which the controlled generation of the motor-assisted motor torque of the drive unit takes place, can preferably be determined.
  • the detection device particularly preferably comprises two force sensors.
  • Each force sensor is designed to detect a force along a predetermined direction, in particular where the two directions of the force sensors are different.
  • the detection device is designed to determine a bearing force direction and a bearing force amount of the bearing force on the output-side bottom bracket based on the forces detected by the two force sensors.
  • the two force sensors are preferably arranged at different circumferential positions distributed around the circumference of the bottom bracket. This makes it easy to determine, for example, the direction and amount of a current bearing force on the output-side bearing. This determination of the direction and amount of the bearing force is preferably carried out based on a previously known relative installation position of the two force sensors to one another.
  • a wide variety of types of sensors can be used as force sensors, which are suitable for detecting mechanical forces that act in a predetermined direction.
  • the force sensors can be designed to detect tensile forces and/or compressive forces.
  • each of the two force sensors has a strain gauge and/or a piezo element. This makes it possible, for example, to detect a force in a tangential direction with respect to the crankshaft.
  • the bearing force can thus be detected in a particularly simple and cost-effective manner, as well as in a space-saving manner.
  • the drive unit further comprises a circuit board, which is preferably part of a control unit of the drive unit, or comprises a control unit.
  • the circuit board is arranged in the axial direction of the crankshaft between the motor and the transmission.
  • all elements of the transmission, i.e. gears, and the motor are arranged on opposite sides of the circuit board.
  • the circuit board is preferably arranged in the axial direction of the crankshaft between different gears of the transmission.
  • the circuit board can be arranged between the first gear and the third gear. More preferably, the circuit board can be arranged on a side of the drive unit facing away from the output, i.e. in particular on a side facing away from the output interface.
  • the circuit board can be arranged on a side facing the output, i.e. on the side of the drive unit on which the output interface is located. This means that the circuit board can be arranged on an end of the drive unit that is essentially outer in the axial direction.
  • the drive unit further comprises a connection element which is particularly designed for connecting a plug connection.
  • connection element can be designed as a plug element.
  • the connection element is connected to the circuit board, in particular electrically.
  • the connection element is arranged on a side of the circuit board facing away from the output interface.
  • the connection element is arranged on a side of the circuit board facing the output interface.
  • the connection element is designed as an element that protrudes from the circuit board essentially in the axial direction of the crankshaft.
  • Figure 1 is a simplified schematic view of a vehicle with a drive unit according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is a sectional view of the drive unit of Figure 1
  • FIG. 3 is a perspective detailed view of the drive unit of Figure 1,
  • FIG 4 is a further perspective detailed view of the drive unit of Figure 1,
  • Figure 5 is a simplified schematic view of a drive unit according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 6 is a simplified schematic view of a drive unit according to a third embodiment of the invention.
  • Figure 9 is a simplified schematic view of a drive unit according to a sixth embodiment of the invention.
  • Figure 10 is a simplified schematic view of a drive unit according to a seventh embodiment of the invention.
  • FIG. 11 is a simplified schematic view of a drive unit according to an eighth embodiment of the invention.
  • Figure 12 is a simplified schematic view of a drive unit according to a ninth embodiment of the invention.
  • Figure 13 is a simplified schematic view of a drive unit according to a tenth embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic view of a vehicle 100 that includes a drive unit 1 according to a first embodiment of the invention.
  • the vehicle 100 is a vehicle that can be operated with muscle power and/or motor power, in detail an electric bicycle.
  • the drive unit 1 comprises a motor 2 (see Figure 2), which is in particular an electric motor.
  • the motor 2 can be supplied with electrical energy by means of an electrical energy storage device 109 of the electric bicycle 100.
  • the drive unit 1 is arranged in the area of a bottom bracket of the electric bicycle 100.
  • a motor torque generated by the motor 2 can provide motor support for the pedaling force generated by muscle power of a rider of the electric bicycle 100.
  • the drive unit 1 is shown in detail in Figures 2 to 4 and is described in detail below.
  • the drive unit 1 comprises a crankshaft 3 that can be connected to cranks 104 of the electric bicycle 100. This means that the crankshaft 3 can be driven by the pedal force of the rider.
  • the crankshaft 3 has an output interface 35 to which an output element 107 of the electric bicycle 100 is connected in a rotationally fixed manner.
  • the output element 107 is designed as a chainring of a chain drive (see Figure 2).
  • the drive unit 1 also comprises a housing 9, within which preferably all components of the drive unit 1 are arranged, with the crankshaft 3 extending outwards from the interior of the housing 9.
  • the crankshaft 3 is rotatably mounted in the housing 9 of the drive unit 1 by means of two bottom brackets 61, 62.
  • the drive unit 1 comprises a transmission 4.
  • the transmission 4 is designed to transmit torque between an output shaft 22 of the engine 2 and the crankshaft 3.
  • the transmission 4 is arranged along the direction of the crank axis 30 between the motor 2 and the output interface 35.
  • the output interface 35 is therefore on the right side of the crankshaft 3 and the motor 2 on the left side.
  • the motor 2 forms the leftmost element of the drive unit 1.
  • the gear 4 is a two-stage spur gear. This means that the gear 4 comprises several gears designed as spur gears that mesh with one another to transmit torque. Their arrangement is described in more detail below.
  • the output shaft 22 of the motor 2 projects beyond the rotor 21 in the axial direction.
  • a motor toothing 44 is formed on this protruding area of the output shaft 22.
  • the motor gearing 44 is in engagement with a first gear 41 of the transmission 4.
  • the first gear 41 is connected in a rotationally fixed manner to an intermediate shaft 45 of the transmission 4.
  • the intermediate shaft 45 extends along an intermediate shaft axis 40 and is arranged to be freely rotatable about this intermediate shaft axis 40.
  • the transmission 4 comprises a second gear 42, which is also connected in a rotationally fixed manner to the intermediate shaft 45.
  • the first gear 41, the second gear 42 and the intermediate shaft 45 can be formed together as a one-piece component.
  • the transmission 4 comprises a third gear 43, which is arranged to be rotatable about the crank axis 30. Between the third gear 43 and the crankshaft 3 there is a freewheel 5, which enables either a rotationally fixed connection or an arrangement of the third gear 43 and the crankshaft 3 that can rotate freely relative to one another.
  • the drive unit 1 thus offers, through the coaxial arrangement of rotor 2 and
  • Crankshaft 3 has the advantage that a particularly compact design of the Drive unit 1 can be made possible.
  • the motor 2, which geometrically forms the largest element of the drive unit 1, can be positioned particularly advantageously due to the coaxial arrangement to the crankshaft 3.
  • the largest gear, namely the third gear 43, is also arranged on the crankshaft 3 due to the special design of the transmission 4, a particularly small extension of the other parts of the drive unit 1 in the radial direction with respect to the crank axis 30 can be made possible, since the remaining transmission volume only extends slightly out of an axial projection surface of the motor 2. This can be seen, for example, in Figure 4, which shows a plan view of the drive unit 1 along the axial direction.
  • a further advantage is that the special design of the drive unit 1 with the torque transmission via the intermediate shaft 45 makes it possible to use a spur gear as the gear 4.
  • a spur gear is characterized by a particularly high level of efficiency, which can ensure high efficiency when operating the drive unit 1.
  • the drive unit 1 can be provided in a simple manner with few and comparatively simple components, which in particular can reduce the costs for the drive unit 1. Furthermore, weight savings are possible due to the few and also compact components of the drive unit 1.
  • the drive unit 1 also includes a system by means of which a pedal force and/or a driver torque of the driver can be determined. This can be used, for example, to determine a driver's request, based on which the provision of the motor torque can be controlled.
  • the drive unit 1 comprises a detection device 8, which is designed to detect a bearing force on the output-side bottom bracket 62, that is, on that one of the two bottom brackets 61, 62 which is arranged closer to the output element 107.
  • the detection device 8 comprises two force sensors 81, 82, which are each set up to detect a force in the tangential direction with respect to the Crankshaft 3.
  • the two force sensors 81, 82 are attached to a slotted bearing shell 95, which is part of the housing 9.
  • the output-side bottom bracket 62 is attached in the housing 9 by means of the bearing shell 95.
  • the force sensors 81, 82 can be strain gauges or piezo elements, which enables a particularly simple and cost-effective design of the detection device 8.
  • the two force sensors 81, 82 are arranged in such a way that the respective forces to be detected are aligned orthogonally to one another. Based on a previously known relative installation position of the two force sensors 81, 82 to one another, and for example by means of a previous calibration, a direction and an amount of a current bearing force on the output-side bearing 62 can be determined. Based on this determined bearing force, and preferably based on the assumption that this bearing force is proportional to the pedal force that the driver of the electric bicycle 100 exerts on the crank drive, the current driver's request can thus be determined using particularly simple and cost-effective means, based on which, for example, the controlled actuation of the motor 2 can take place.
  • the special arrangement and design of the detection device 8 for determining the driver's request based on the measurement of the bearing force on the output-side bottom bracket 62 allows the compactness of the drive unit 1 to be further optimized.
  • no components required for detection are required in the area of the motor and/or transmission 4, so that an optimal space-saving design can be made possible in these areas, for example.
  • Figure 6 shows a simplified schematic view of a drive unit 1 according to a third embodiment of the invention.
  • the motor 2 and the gear 4 are arranged as in the second embodiment of Figure 5, i.e. the motor 2 is located between the output interface 35 and the gear 4.
  • the circuit board 7 is arranged within the gear 4, in detail in the axial direction between the first gear 41 and the third gear 43. This makes it possible, for example, to provide a particularly compact arrangement and mechanical protection for the circuit board 7.
  • Figure 7 shows a simplified schematic view of a drive unit 1 according to a fourth embodiment of the invention.
  • the fourth embodiment essentially corresponds to the second and third embodiments of Figures 5 and 6, respectively, with the difference of a further alternative arrangement of the circuit board 7.
  • the circuit board 7 is arranged between the gear 4 and the motor 2.
  • the circuit board 7 is arranged between the first gear 41 and the motor 2.
  • the circuit board 7 is also arranged in the axial direction between the motor teeth 44 and the motor 2. This enables a further advantageous geometry and arrangement of the drive unit 1.
  • FIG 8 shows a simplified schematic view of a drive unit 1 according to a fifth embodiment of the invention.
  • the motor 2 is arranged on the left side of the drive unit 1 with respect to the direction of travel A. That is, in the direction of The gear 4 is located between the motor 2 and the output interface 35 on the crank axis 30.
  • the circuit board 7 is arranged centrally, i.e. in the axial direction between the motor 2 and the gear 4, in detail between the rotor 2 and the first gear 41 or motor gearing 44. This makes it possible to provide a particularly advantageous arrangement in which, for example, next to the circuit board 7 in the axial direction at the level of the motor 2, space is available for further components and/or connections of the drive unit 1.
  • Figure 9 shows a simplified schematic view of a drive unit 1 according to a sixth embodiment of the invention.
  • the arrangement of motor 2 and gear 4 corresponds to the arrangement of the fifth embodiment of Figure 8.
  • the circuit board 7 is integrated into the gear 4, in detail in the axial direction between the first gear 41 and the third gear 43.
  • FIG 11 shows a simplified schematic view of a drive unit 1 according to an eighth embodiment of the invention.
  • the eighth embodiment of Figure 11 corresponds essentially to the fourth embodiment of Figure 7, wherein the drive unit 1 further comprises a connection element 6.
  • the connection element 6 is designed in particular for connecting a plug connection (not shown).
  • connection element 6 can be designed as a plug.
  • the connection element e is connected, in particular in an electrically conductive manner, to the circuit board 7 and is arranged on the latter.
  • the connection element 6 is arranged on the side of the circuit board 7 facing away from the output, i.e. in such a way that the connection element 6 protrudes from the circuit board 7 in the direction of the transmission 4.
  • Figure 12 shows a simplified schematic view of a drive unit 1 according to a ninth embodiment of the invention.
  • the ninth embodiment of Figure 12 corresponds essentially to the eighth embodiment of Figure 11, with the difference of an alternative arrangement of the connection element 6.
  • the connection element 6 is arranged on the side facing the output interface 35, i.e. such that the connection element 6 protrudes from the circuit board 7 in the direction of the motor 2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Transportation (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit (1) eines mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbaren Fahrzeugs (100), umfassend einen Motor (2) mit einer Abtriebswelle (22), eine Kurbelwelle (3), und ein Getriebe (4), wobei das Getriebe (4) eingerichtet ist zur Drehmomentübertragung zwischen der Abtriebswelle (22) und der Kurbelwelle (3), wobei die Abtriebswelle (22) koaxial zur Kurbelwelle (3) angeordnet ist, und wobei das Getriebe (4) als Stirnradgetriebe ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Antriebseinheit eines mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbaren Fahrzeugs
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit eines mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbaren Fahrzeugs, und ein mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Fahrzeug.
Bekannt sind Antriebseinheiten für mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbare Fahrzeuge, wie Elektrofahrräder, welche Getriebe zwischen einem Motor und einer Kurbelwelle umfassen. Häufig wird eine Anordnung mit Stirnradverzahnung verwendet mit einem Motor, dessen Abtriebswelle parallel zur Kurbelwelle und von dieser beabstandet angeordnet ist. Weiterhin bekannt sind Antriebseinheiten mit koaxial zur Kurbelwelle angeordnetem Motor, wobei ein Planetengetriebe zur Drehmomentübertragung vorgesehen ist.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich demgegenüber durch eine besonders vorteilhafte Konstruktion und eine hohe Effizienz aus. Insbesondere kann eine besonders kompakte Gesamtbauform der Antriebseinheit ermöglicht werden, wobei gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad der Kraftübertragung ermöglicht werden kann. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Antriebseinheit eines mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbaren Fahrzeugs, vorzugsweise eines Elektrofahrrads, umfassend einen Motor mit einer Abtriebswelle, eine Kurbelwelle, und ein Getriebe. Das Getriebe ist dabei eingerichtet und angeordnet zur Drehmomentübertragung zwischen der Abtriebswelle des Motors und der Kurbelwelle. Die Abtriebswelle, und bevorzugt der Motor, ist koaxial zur Kurbelwelle angeordnet. Zudem ist das Getriebe als ein Stirnradgetriebe ausgebildet.
Mit anderen Worten wird eine koaxiale Anordnung von der Abtriebswelle des Motors und der Kurbelwelle bereitgestellt, wobei über das als Stirnradgetriebe ausgebildete Getriebe eine Drehmomentübertragung zwischen der Abtriebswelle und der Kurbelwelle ermöglicht wird.
Insbesondere wird als Stirnradgetriebe ein Getriebe mit mehreren Zahnrädern angesehen, wobei die Verzahnungen sämtlicher Zahnräder jeweils, insbesondere ausschließlich, an einem Außenumfang des entsprechenden Zahnrads ausgebildet ist. Insbesondere sind jeweilige Zahnräder, die im Eingriff miteinander stehen, um separate Achsen rotierbar angeordnet.
Die Antriebseinheit bietet somit den Vorteil, dass durch die koaxiale Anordnung von Abtriebswelle und Kurbelwelle, sowie vorzugsweise damit auch des Motors und der Kurbelwelle, eine besonders kompakte Bauform der Antriebseinheit ermöglicht wird. Dabei kann ermöglicht werden, dass der Motor, welcher beispielsweise häufig einen erheblichen Anteil des gesamten Bauraums der Antriebseinheit beansprucht, optimal koaxial zur Kurbelwelle platziert werden kann. Insbesondere wirkt sich diese Anordnung besonders vorteilhaft auf die kompakte Gesamtbauform der Antriebseinheit auf, wenn auf der Kurbelwelle das größte Zahnrad des Getriebes angeordnet ist. Somit kann sich das verbleibende Getriebevolumen beispielsweise nur geringfügig aus einer axialen Projektionsfläche des Motors heraus erstrecken, wobei ermöglicht wird, dass dieses Volumen vergleichsweise schmal ist und insbesondere in axialer Richtung relativ mittig angeordnet ist, was sich weiter vorteilhaft auf die Konstruktion der Antriebseinheit auswirkt. Zudem zeichnet sich die Antriebseinheit durch geringe Kosten aufgrund weniger und relativ einfacher Bauteile aus. Außerdem kann dadurch ein geringes Gewicht der Antriebseinheit ermöglicht werden.
Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt. Bevorzugt weist das Getriebe eine Zwischenwelle auf, welche parallel zur Kurbelwelle angeordnet ist. Das heißt, insbesondere ist eine Zwischenwellen- Achse der Zwischenwelle parallel zu einer Kurbelwellen-Achse der Kurbelwelle angeordnet. Das Getriebe ist dabei eingerichtet zur Drehmomentübertragung zwischen der Abtriebswelle und der Kurbelwelle über die Zwischenwelle. Das heißt, die Drehmomentübertragung erfolgt von der Abtriebswelle des Motors über die Zwischenwelle auf die Kurbelwelle. Damit kann das Getriebe mit einer vorbestimmten Getriebeübersetzung zwischen Abtriebswelle und Kurbelwelle auf besonders einfache Weise und mit wenigen Bauteilen bereitgestellt werden. Zudem kann beispielsweise auf einfache Weise eine Getriebeübersetzung durch Skalierung der Zwischenwelle, insbesondere mit entsprechenden Zahnrädern, angepasst werden.
Besonders bevorzugt weist das Getriebe ein erstes Zahnrad und ein zweites Zahnrad auf. Das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad sind jeweils drehfest mit der Zwischenwelle verbunden. Beispielsweise können das erste Zahnrad, das zweite Zahnrad und die Zwischenwelle gemeinsam als ein einstückiges Bauteil ausgebildet sein. Damit kann eine einfache und kostengünstige sowie robuste Konstruktion bereitgestellt werden.
Alternativ bevorzugt weist das Getriebe ein erstes Zahnrad und ein zweites Zahnrad und einen Freilauf auf. Eines der beiden Zahnräder, das heißt das erste Zahnrad oder das zweite Zahnrad, ist dabei drehfest mit der Zwischenwelle verbunden. Zwischen dem jeweils anderen Zahnrad und der Zwischenwelle ist dabei der Freilauf angeordnet. Insbesondere ist der Freilauf eingerichtet, um zwischen einer drehfest in Verbindung und einer relativ frei drehbaren Verbindung zwischen dem entsprechenden Zahnrad und der Zwischenwelle wechseln zu können. Vorzugsweise sperrt der Freilauf in Antriebsrichtung des Motors und öffnet bei Stillstand des Motors um während einer Betätigung der Kurbeln. Alternativ oder zusätzlich kann der Freilauf beispielsweise steuerbar betätigbar ausgebildet sein, beispielsweise mittels einer Steuereinheit. Insbesondere kann dadurch mittels des Freilaufs der Motor von der Kurbelwelle entkoppelt werden, beispielsweise zur Abschaltung der Motorunterstützung, insbesondere bei Überschreiten einer vorbestimmten Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Vorzugsweise weist das Getriebe eine Motorverzahnung auf, welche an der Abtriebswelle ausgebildet ist. Insbesondere ist ein Teil der Abtriebswelle somit als Zahnrad mit der Motorverzahnung ausgebildet. Das erste Zahnrad steht dabei mit der Motorverzahnung in Eingriff. Somit kann weiter vorteilhaft eine kompakte, einfache und kostengünstige Konstruktion begünstigt werden.
Weiter bevorzugt weist das Getriebe ein drittes Zahnrad auf, welches drehfest mit der Kurbelwelle verbindbar ist. Insbesondere kann das dritte Zahnrad zusätzlich in einem Freilauf-Modus relativ zur Kurbelwelle rotierbar angeordnet sein. Das dritte Zahnrad steht dabei in Eingriff mit dem zweiten Zahnrad der Zwischenwelle. Insbesondere kann somit über das dritte Zahnrad die Drehmomentübertragung von der Zwischenwelle auf die Kurbelwelle erfolgen.
Besonders bevorzugt umfasst die Antriebseinheit ferner einen Freilauf zwischen dem dritten Zahnrad und der Kurbelwelle. Insbesondere ist der Freilauf eingerichtet, um zwischen einer drehfesten Verbindung und einer relativ frei drehbaren Verbindung zwischen drittem Zahnrad und Kurbelwelle wechseln zu können. Vorzugsweise sperrt der Freilauf in Antriebsrichtung des Motors und öffnet bei Stillstand des Motors und während einer Betätigung der Kurbeln. Alternativ oder zusätzlich kann der Freilauf beispielsweise steuerbar betätigbar ausgebildet sein, beispielsweise mittels einer Steuereinheit. Insbesondere kann mittels des Freilaufs somit der Motor von der Kurbelwelle entkoppelt werden, beispielsweise zur Abschaltung der Motorunterstützung, insbesondere bei Überschreiten einer vorbestimmten Geschwindigkeit des Fahrzeugs.
Beispielsweise kann in einer bevorzugten alternativen Ausführungsform das dritte Zahnrad drehfest mit einer Hohlwelle ausgebildet sein, an der die Abtriebsschnittstelle angeordnet ist. In diesem Fall kann der Freilauf zwischen dem dritten Zahnrad und der Kurbelwelle als Fahrerfreilauf, das heißt, zum Ermöglichen einer drehfesten oder einer relativ frei drehbaren Verbindung zwischen Abtriebsschnittstelle und Kurbelwelle, wirken.
Vorzugsweise ist das Getriebe als ein zweistufiges Stirnradgetriebe ausgebildet. Das heißt, es sind zwei Stirnradstufen vorgesehen, um eine vorbestimmte Getriebeübersetzung zwischen Abtriebswelle und Kurbelwelle bereitzustellen. Damit kann bei kompakter Konstruktion und einfachem Aufbau eine optimale Drehmomentübertragung der Antriebseinheit für den Einsatz in einem Elektrofahrrad bereitgestellt werden.
Besonders bevorzugt weist der Motor einen Rotor auf, der drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist. Insbesondere ist der Rotor koaxial zur Abtriebswelle ausgebildet. Beispielsweise können Rotor und Abtriebswelle als ein gemeinsames einstückiges Bauteil ausgebildet sein. Damit kann eine einfache und robuste Konstruktion mit wenigen Bauteilen und somit auch kostengünstig und leichtgewichtig bereitgestellt werden.
Bevorzugt ist die Abtriebswelle als Hohlwelle ausgebildet. Die Kurbelwelle ist dabei drehbar innerhalb der Abtriebswelle gelagert. Vorzugsweise ist zur drehbaren Lagerung zumindest ein Lager zwischen Kurbelwelle und Antriebswelle vorgesehen. Beispielsweise kann das Lager für eine in radialer Richtung besonders kompakte Bauweise als ein Nadellager ausgebildet sein. Durch die Ausgestaltung der Abtriebswelle als Hohlwelle und der durch diese durchgeführten Kurbelwelle kann eine besonders kompakte Geometrie der Antriebseinheit bereitgestellt werden. Zudem kann eine flexible relative Positionierung der Komponenten der Antriebseinheit entlang der Axialrichtung der Kurbelwelle ermöglicht werden.
Weiter bevorzugt umfasst die Antriebseinheit ferner zwei Tretlager. Die Kurbelwelle ist dabei mittels der beiden Tretlager in einem Gehäuse der Antriebseinheit drehbar gelagert. Die Lager können beispielsweise als Kugellager, wie insbesondere Rillenkugellager, oder dergleichen ausgebildet sein.
Vorzugsweise umfasst die Antriebseinheit ferner eine Erfassungseinrichtung, welche eingerichtet ist zur Erfassung einer Lagerkraft an dem Abtriebs-seitigen Tretlager. Als Abtriebs-seitiges Tretlager wird insbesondere dasjenige der beiden Tretlager angesehen, das näher an einer Abtriebsschnittstelle der Kurbelwelle, an der ein Abtriebselement befestigbar ist, angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Abtriebselement als ein Kettenblatt ausgebildet. Alternativ bevorzugt kann ein anderes Abtriebselement vorgesehen sein, das eingerichtet ist zur Verbindung mit einem Übertragungselement, um eine Drehmomentübertragung von der Kurbelwelle an ein Antriebsrad des Fahrzeugs zu ermöglichen. Anhand der ermittelten Lagerkraft kann vorzugsweise eine durch den Fahrer aufgebrachte Tretkraft und/oder ein durch den Fahrer aufgebrachtes Tretmoment ermittelt werden. Basierend darauf kann vorzugsweise ein Fahrerwunsch, basierend auf welchem das gesteuerte Erzeugen des motorisch unterstützenden Motormoments der Antriebseinheit erfolgt, ermittelt werden.
Besonders bevorzugt umfasst die Erfassungseinrichtung zwei Kraftsensoren. Jeder Kraftsensor ist dabei eingerichtet, jeweils eine Kraft entlang einer vorbestimmten Richtung zu erfassen, insbesondere wobei die beiden Richtungen der Kraftsensoren unterschiedlich sind. Die Erfassungseinrichtung ist dabei eingerichtet, um eine Lagerkraft-Richtung und einen Lagerkraft-Betrag der Lagerkraft am Abtriebs-seitigen Tretlager basierend auf den durch die beiden Kraftsensoren erfassten Kräften zu ermitteln. Vorzugsweise sind die beiden Kraftsensoren an unterschiedlichen Umfangspositionen um den Umfang des Tretlagers verteilt angeordnet. Dadurch kann auf einfache Weise beispielsweise die Richtung und der Betrag einer momentanen Lagerkraft am Abtriebs-seitigen Lager ermittelt werden. Vorzugsweise erfolgt diese Bestimmung von Richtung und Betrag der Lagerkraft basierend auf einer vorbekannten relativen Einbaulage der beiden Kraftsensoren zueinander. Als Kraftsensoren können dabei vielfältige Arten an Sensoren verwendet werden, welche geeignet sind, mechanische Kräfte, die in einer vorbestimmten Richtung wirken, zu erfassen. Beispielsweise können die Kraftsensoren ausgebildet sein, um Zugkräfte und/oder Druckkräfte zu erfassen. Besonders bevorzugt weist jeder der beiden Kraftsensoren einen Dehnmessstreifen und/oder ein Piezoelement auf. Dadurch kann beispielsweise eine Kraft in tangentialer Richtung bezüglich der Kurbelwelle erfasst werden. Zudem kann die Lagerkraft somit auf besonders einfache und kostengünstige Weise sowie platzsparend erfasst werden.
Bevorzugt weist die Kurbelwelle eine Abtriebsschnittstelle auf, welche eingerichtet ist zur Verbindung mit einem Abtriebselement. Vorzugsweise kann als Abtriebselement ein Kettenblatt vorgesehen sein. Alternativ bevorzugt kann ein anderes Abtriebselement vorgesehen sein, das eingerichtet ist zur Verbindung mit einem Übertragungselement, wie beispielsweise eine Kette, um eine Drehmomentübertragung von der Kurbelwelle an ein Antriebsrad des Fahrzeugs zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Abtriebsschnittstelle somit ein Aufnahmeelement für ein Abtriebselement, wie insbesondere ein Kettenblatt, sein. Der Motor ist dabei auf einer der Abtriebsschnittstelle zugewandten Seite des Getriebes angeordnet. Das heißt, der Motor ist in axialer Richtung der Kurbelwelle näher am Abtriebselement angeordnet als das Getriebe. Alternativ bevorzugt ist der Motor auf einer der Abtriebsschnittstelle abgewandten Seite des Getriebes angeordnet. Das heißt, in diesem Fall ist das Getriebe näher an der Abtriebsschnittstelle angeordnet als der Motor. Mit anderen Worten kann der Motor bezüglich einer Fahrtrichtung eines Fahrzeugs, an dem die Antriebseinheit angeordnet sein kann, rechts oder links angeordnet sein. Vorzugsweise bei einer Anordnung des Motors links, und wenn die Abtriebsschnittstelle beispielsweise als eine Hohlwelle ausgebildet ist, kann in einer alternativen Ausführungsform zwischen Kurbelwelle und Abtriebsschnittstelle ein Freilauf, insbesondere in Form eines Fahrerfreilaufs, vorgesehen sein.
Weiter bevorzugt umfasst die Antriebseinheit ferner eine Leiterplatte, welche vorzugsweise Teil einer Steuereinheit der Antriebseinheit ist, oder eine Steuereinheit umfasst. Die Leiterplatte ist dabei in axialer Richtung der Kurbelwelle zwischen dem Motor und dem Getriebe angeordnet. Insbesondere sind in diesem Fall sämtliche Elemente des Getriebes, das heißt Zahnräder, und der Motor auf gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte angeordnet. Alternativ bevorzugt ist die Leiterplatte in axialer Richtung der Kurbelwelle zwischen verschiedenen Zahnrädern des Getriebes angeordnet. Beispielsweise kann die Leiterplatte zwischen dem ersten Zahnrad und dem dritten Zahnrad angeordnet sein. Weiter bevorzugt kann die Leiterplatte auf einer Abtriebs-abgewandten Seite, das heißt insbesondere auf einer von der Abtriebsschnittstelle abgewandten Seite, der Antriebseinheit angeordnet sein. Weiter alternativ bevorzugt kann die Leiterplatte auf einer Abtriebs-zugewandten Seite, das heißt, auf derjenigen Seite der Antriebseinheit, auf der sich die Abtriebsschnittstelle befindet, angeordnet sein. Das heißt, die Leiterplatte kann an einem in axialer Richtung im Wesentlichen äußeren Ende der Antriebseinheit angeordnet sein.
Bevorzugt umfasst die Antriebseinheit ferner ein Anschlusselement, welches insbesondere ausgebildet ist zum Anschluss einer Steckverbindung.
Beispielsweise kann das Anschlusselement als Steckerelement ausgebildet sein. Das Anschlusselement ist dabei mit der Leiterplatte, insbesondere elektrisch, verbunden. Das Anschlusselement ist auf einer der Abtriebsschnittstelle abgewandten Seite der Leiterplatte angeordnet. Alternativ bevorzugt ist das Anschlusselement auf einer der Abtriebsschnittstelle zugewandten Seite der Leiterplatte angeordnet. Insbesondere ist das Anschlusselement dabei als von der Leiterplatte im Wesentlichen in axialer Richtung der Kurbelwelle vorstehendes Element ausgebildet.
Weiterhin führt die Erfindung zu einem mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbaren Fahrzeug, vorzugsweise einem Elektrofahrrad, das die beschriebene Antriebseinheit umfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:
Figur 1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einer Antriebseinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2 eine Schnittansicht der Antriebseinheit der Figur 1 ,
Figur 3 eine perspektivische Detailansicht der Antriebseinheit der Figur 1 ,
Figur 4 eine weitere perspektivische Detailansicht der Antriebseinheit der Figur 1,
Figur 5 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 6 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 7 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 8 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 9 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 10 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 11 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 12 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Figur 13 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht eines Fahrzeugs 100, das eine Antriebseinheit 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst. Bei dem Fahrzeug 100 handelt es sich um ein mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Fahrzeug 100, im Detail um ein Elektrofahrrad.
Die Antriebseinheit 1 umfasst einen Motor 2 (vgl. Figur 2), der insbesondere ein Elektromotor ist. Der Motor 2 kann mittels eines elektrischen Energiespeichers 109 des Elektrofahrrads 100 mit elektrischer Energie versorgt werden.
Die Antriebseinheit 1 ist im Bereich eines Tretlagers des Elektrofahrrads 100 angeordnet. Durch ein mittels des Motors 2 erzeugten Motordrehmoments kann eine durch Muskelkraft erzeugte Tretkraft eines Fahrers des Elektrofahrrads 100 motorisch unterstützt werden.
Die Antriebseinheit 1 ist detailliert in den Figuren 2 bis 4 dargestellt und wird im nachfolgenden im Detail beschrieben. Die Antriebseinheit 1 umfasst eine Kurbelwelle 3, die mit Kurbeln 104 des Elektrofahrrads 100 verbindbar ist. Das heißt, die Kurbelwelle 3 ist durch die Tretkraft des Fahrers antreibbar. Die Kurbelwelle 3 weist eine Abtriebsschnittstelle 35 auf, mit welcher ein Abtriebselement 107 des Elektrofahrrads 100 drehfest verbunden ist. Das Abtriebselement 107 ist im dargestellten Ausführungsbeispiels als Kettenblatt eines Kettenantriebs ausgebildet (vgl. Figur 2).
Die Antriebseinheit 1 umfasst zudem ein Gehäuse 9, innerhalb welchem vorzugsweise sämtliche Bauelemente der Antriebseinheit 1 angeordnet sind, wobei sich die Kurbelwelle 3 aus dem Inneren des Gehäuses 9 nach außen erstreckt. Die Kurbelwelle 3 ist dabei mittels zwei Tretlagern 61, 62 in dem Gehäuse 9 der Antriebseinheit 1 drehbar gelagert.
Zudem umfasst die Antriebseinheit 1 ein Getriebe 4. Das Getriebe 4 ist eingerichtet zur Drehmomentübertragung zwischen einer Abtriebswelle 22 des Motors 2 und der Kurbelwelle 3.
Das Getriebe 4 ist dabei entlang der Richtung der Kurbelachse 30 zwischen dem Motor 2 und der Abtriebsschnittstelle 35 angeordnet. In Bezug auf eine Fahrtrichtung A (vgl. Figur 1 und 2) befindet sich somit die Abtriebsschnittstelle 35 auf der rechten Seite der Kurbelwelle 3 und der Motor 2 auf der linken Seite. Mit anderen Worten bildet der Motor 2 das am weitesten links liegende Element der Antriebseinheit 1.
Bei dem Getriebe 4 handelt es sich um ein zweistufiges Stirnradgetriebe. Das heißt, das Getriebe 4 umfasst mehrere als Stirnräder ausgebildete Zahnräder, die zur Drehmomentübertragung ineinandergreifen. Deren Anordnung wird im Folgenden genauer beschrieben.
Bei der Antriebseinheit 1 sind die Abtriebswelle 22 des Motors 2 und die Kurbelwelle 3 koaxial zueinander angeordnet. Das heißt, die Abtriebswelle 22 und die Kurbelwelle 3 sind jeweils um eine gemeinsame Kurbelachse 30 rotierbar angeordnet. Hierfür ist die Abtriebswelle 22 des Motors 2, welche insbesondere drehfest mit einem Rotor 21 des Motors 2 verbunden ist, als Hohlwelle ausgebildet. Die Kurbelwelle 2 erstreckt sich durch die Abtriebswelle 22 hindurch. Kurbelwelle 3 und Abtriebswelle 22 sind relativ zueinander drehbar gelagert mittels Lagern 46, 47. Für eine kompakte Geometrie und eine robuste mechanische Abstützung kann beispielsweise das rechte der beiden Lager 47, das sich in axialer Richtung auf Höhe einer ersten Stirnradstufe des Getriebes 4 befindet, als ein Nadellager ausgebildet sein.
Die Abtriebswelle 22 des Motors 2 ragt dabei in axialer Richtung über den Rotor 21 hinaus. An diesem überstehenden Bereich der Abtriebswelle 22 ist eine Motorverzahnung 44 ausgebildet.
Die Motorverzahnung 44 steht im Eingriff mit einem ersten Zahnrad 41 des Getriebes 4. Das erste Zahnrad 41 ist drehfest mit einer Zwischenwelle 45 des Getriebes 4 verbunden. Die Zwischenwelle 45 erstreckt sich entlang einer Zwischenwellenachse 40 und ist um diese Zwischenwellenachse 40 frei rotierbar angeordnet.
Zusätzlich umfasst das Getriebe 4 ein zweites Zahnrad 42, das ebenfalls drehfest mit der Zwischenwelle 45 verbunden ist. Vorzugsweise können erstes Zahnrad 41 , zweites Zahnrad 42 und Zwischenwelle 45 gemeinsam als ein einstückiges Bauteil ausgebildet sein.
Zudem umfasst das Getriebe 4 ein drittes Zahnrad 43, das um die Kurbelachse 30 rotierbar angeordnet ist. Zwischen drittem Zahnrad 43 und Kurbelwelle 3 befindet sich dabei ein Freilauf 5, der entweder eine drehfeste Verbindung oder eine relativ zueinander frei rotierbare Anordnung von drittem Zahnrad 43 und Kurbelwelle 3 ermöglicht.
Die Drehmomentübertragung des mittels des Motors 2 erzeugten Motormoments kann somit von der Abtriebswelle 22 über die Motorverzahnung 44 und das erste Zahnrad 41 zur Zwischenwelle 45 und über das zweite Zahnrad 42 und das dritte Zahnrad 43 und den entsprechend geschalteten Freilauf 5 an die Kurbelwelle 3 erfolgen.
Die Antriebseinheit 1 bietet somit durch die koaxiale Anordnung von Rotor 2 und
Kurbelwelle 3 den Vorteil, dass eine besonders kompakte Bauform der Antriebseinheit 1 ermöglicht werden kann. Dabei kann der Motor 2, der geometrisch das größte Element der Antriebseinheit 1 bildet, durch die koaxiale Anordnung zur Kurbelwelle 3 besonders vorteilhaft positioniert werden. Da zudem durch die spezielle Ausgestaltung des Getriebes 4 das größte Zahnrad, nämlich das dritte Zahnrad 43, ebenfalls auf der Kurbelwelle 3 angeordnet ist, kann eine in radialer Richtung bezüglich der Kurbelachse 30 besonders geringe Erstreckung der weiteren Teile der Antriebseinheit 1 ermöglicht werden, da sich das verbleibende Getriebevolumen nur geringfügig aus einer axialen Projektionsfläche des Motors 2 heraus erstreckt. Dies ist beispielsweise in der Figur 4 ersichtlich, welche eine Draufsicht auf die Antriebseinheit 1 entlang der axialen Richtung zeigt.
Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die spezielle Konstruktion der Antriebseinheit 1 mit der Drehmomentübertragung über die Zwischenwelle 45 die Verwendung eines Stirnradgetriebes als Getriebe 4 möglich ist. Ein derartiges Stirnradgetriebe zeichnet sich durch einen besonders hohen Wirkungsgrad aus, wodurch eine hohe Effizienz beim Betrieb der Antriebseinheit 1 sichergestellt werden kann.
Weiterhin kann die Antriebseinheit 1 auf einfache Weise mit wenigen und vergleichsweise einfachen Bauteilen bereitgestellt werden, wodurch sich insbesondere die Kosten für die Antriebseinheit 1 verringern können. Ferner ist eine Gewichtseinsparung durch die wenigen und zudem kompakten Bauteile der Antriebseinheit 1 möglich.
Die Antriebseinheit 1 umfasst zudem ein System, mittels welchem eine Tretkraft und/oder ein Fahrermoment des Fahrers ermittelt werden kann. Hierdurch kann beispielsweise ein Fahrerwunsch ermittelt werden, basierend auf welchem die Bereitstellung des Motormoments gesteuert betätigt werden kann.
Die Antriebseinheit 1 umfasst hierbei eine Erfassungseinrichtung 8, welche eingerichtet ist zur Erfassung einer Lagerkraft an dem Abtriebs-seitigen Tretlager 62, das heißt an demjenigen der beiden T retlager 61 , 62, das näher am Abtriebselement 107 angeordnet ist.
Hierbei umfasst die Erfassungseinrichtung 8 zwei Kraftsensoren 81, 82, welche eingerichtet sind, um jeweils eine Kraft in tangentialer Richtung bezüglich der Kurbelwelle 3 zu erfassen. Die beiden Kraftsensoren 81, 82 sind dabei an einer geschlitzten Lagerschale 95, welche Teil des Gehäuses 9 ist, befestigt. Mittels der Lagerschale 95 ist das Abtriebs-seitige Tretlager 62 im Gehäuse 9 befestigt.
Beispielsweise kann es sich bei den Kraftsensoren 81 , 82 um Dehnmessstreifen oder Piezoelemente behandeln, wodurch eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltung der Erfassungseinrichtung 8 möglich ist.
Die beiden Kraftsensoren 81 , 82 sind dabei derart angeordnet, dass die jeweiligen zu erfassenden Kräfte orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Basierend auf einer vorbekannten relativen Einbaulage der beiden Kraftsensoren 81, 82 zueinander, und beispielsweise mittels einer vorherigen Kalibrierung, können eine Richtung und ein Betrag einer momentanen Lagerkraft am Abtriebsseitigen Lager 62 ermittelt werden. Anhand dieser ermittelten Lagerkraft, und vorzugsweise basierend auf der Annahme, dass diese Lagerkraft proportional zur Tretkraft, die der Fahrer des Elektrofahrrads 100 auf den Kurbeltrieb ausübt, kann somit mit besonders einfachen und kostengünstigen Mitteln der momentane Fahrerwunsch ermittelt werden, basierend auf welchem beispielsweise die gesteuerte Betätigung des Motors 2 erfolgen kann.
Durch die spezielle Anordnung und Ausgestaltung der Erfassungseinrichtung 8 zur Ermittlung des Fahrerwunsches basierend auf der Messung der Lagerkraft am Abtriebs-seitigen Tretlager 62 kann eine Kompaktheit der Antriebseinheit 1 weiter optimiert werden. Insbesondere sind somit beispielsweise keine für die Erfassung notwendigen Bauteile im Bereich von Motor und/oder Getriebe 4 erforderlich, sodass beispielsweise in diesen Bereichen eine optimale platzsparende Konstruktion ermöglicht werden kann.
Nachfolgend werden in Bezug auf die Figuren 5 bis 12 weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Jedes dieser Ausführungsbeispiele entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 4 mit dem Unterschied einer alternativen Anordnung der Komponenten der Antriebseinheit 1.
Figur 5 zeigt dabei eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im zweiten Ausführungsbeispiel befindet sich der Motor 2 bezüglich der Fahrtrichtung A auf der rechten Seite der Antriebseinheit 1. Das heißt, der Motor 2 ist in Richtung der Kurbelachse 30 zwischen Getriebe 4 und Abtriebsschnittstelle 35 angeordnet.
Ferner umfasst die Antriebseinheit 1 des zweiten Ausführungsbeispiels eine Leiterplatte 7, welche beispielsweise Teil einer Steuereinheit sein kann. Die Leiterplatte 7 ist dabei auf einer Abtriebs-abgewandten Seite des Getriebes 4 angeordnet. Das heißt, die Leiterplatte 7 befindet sich bezüglich der Fahrtrichtung A am linken Ende der Antriebseinheit 1. Beispielsweise kann dadurch eine gute Zugänglichkeit der Leiterplatte 7 ermöglicht werden.
Figur 6 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Motor 2 und Getriebe 4 sind im dritten Ausführungsbeispiel der Figur 6 angeordnet wie im zweiten Ausführungsbeispiel der Figur 5, das heißt, der Motor 2 befindet sich zwischen Abtriebsschnittstelle 35 und Getriebe 4. Im dritten Ausführungsbeispiel ist die Leiterplatte 7 innerhalb des Getriebes 4 angeordnet, im Detail in axialer Richtung zwischen dem ersten Zahnrad 41 und dem dritten Zahnrad 43. Dadurch kann beispielsweise eine besonders kompakte Anordnung und ein mechanischer Schutz der Leiterplatte 7 bereitgestellt werden.
Figur 7 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das vierte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel der Figuren 5 bzw. 6, mit dem Unterschied einer weiteren alternativen Anordnung der Leiterplatte 7. Im vierten Ausführungsbeispiel ist die Leiterplatte 7 zwischen Getriebe 4 und Motor 2 angeordnet. Im Detail ist die Leiterplatte 7 zwischen dem ersten Zahnrad 41 und dem Motor 2 angeordnet. Dabei ist die Leiterplatte 7 auch in axialer Richtung zwischen der Motorverzahnung 44 und dem Motor 2 angeordnet. Dadurch kann eine weitere vorteilhafte Geometrie und Anordnung der Antriebseinheit 1 ermöglicht werden.
Figur 8 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im fünften Ausführungsbeispiel der Figur 8 ist der Motor 2 bezüglich der Fahrtrichtung A auf der linken Seite der Antriebseinheit 1 angeordnet. Das heißt, in Richtung der Kurbelachse 30 befindet sich das Getriebe 4 zwischen dem Motor 2 und der Abtriebsschnittstelle 35. Die Leiterplatte 7 ist dabei mittig, das heißt in axialer Richtung zwischen Motor 2 und Getriebe 4, im Detail zwischen Rotor 2 und erstem Zahnrad 41 bzw. Motorverzahnung 44, angeordnet. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Anordnung bereitgestellt werden, bei der beispielsweise neben der Leiterplatte 7 in axialer Richtung auf Höhe des Motors 2 Platz für weitere Komponenten und/oder Anschlüsse der Antriebseinheit 1 zur Verfügung steht.
Figur 9 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im sechsten Ausführungsbeispiel entspricht die Anordnung von Motor 2 und Getriebe 4 der Anordnung des fünften Ausführungsbeispiels der Figur 8. Die Leiterplatte 7 ist im sechsten Ausführungsbeispiel der Figur 9 in das Getriebe 4 integriert, im Detail in axialer Richtung zwischen dem ersten Zahnrad 41 und dem dritten Zahnrad 43.
Figur 10 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit 1 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im siebten Ausführungsbeispiel sind Motor 2 und Getriebe 4 analog dem fünften und sechsten Ausführungsbeispiel der Figuren 8 bzw. 9 angeordnet. Die Leiterplatte 7 befindet sich bezüglich der Fahrtrichtung A rechts vom Getriebe 4. Das heißt, die Leiterplatte 7 ist zwischen dem Getriebe 4 und dem Abtriebselement 35 angeordnet.
Figur 11 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit 1 gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das achte Ausführungsbeispiel der Figur 11 entspricht im Wesentlichen dem vierten Ausführungsbeispiel der Figur 7, wobei die Antriebseinheit 1 ferner ein Anschlusselement 6 aufweist. Das Anschlusselement 6 ist insbesondere zum Anschluss einer (nicht dargestellten) Steckverbindung ausgebildet.
Beispielsweise kann das Anschlusselement 6 als Stecker ausgebildet sein. Das Anschlusselement e ist dabei, insbesondere elektrisch leitend, mit der Leiterplatte 7 verbunden und an dieser angeordnet. Das Anschlusselement 6 ist auf der Abtriebs-abgewandten Seite der Leiterplatte 7 angeordnet, das heißt derart, dass das Anschlusselement 6 in Richtung des Getriebes 4 von der Leiterplatte 7 vorsteht. Figur 12 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit 1 gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das neunte Ausführungsbeispiel der Figur 12 entspricht im Wesentlichen dem achten Ausführungsbeispiel der Figur 11, mit dem Unterschied einer alternativen Anordnung des Anschlusselements 6. Im neunten Ausführungsbeispiel der Figur 12 ist das Anschlusselement 6 auf der der Abtriebsschnittstelle 35 zugewandten Seite, das heißt, derart, dass das Anschlusselement 6 in Richtung des Motors 2 von der Leiterplatte 7 vorsteht, angeordnet.
Figur 13 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit 1 gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zehnte Ausführungsbeispiel der Figur 13 entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 4, mit dem Unterschied einer alternativen Anordnung des Motorfreilaufs. Im Detail ist im zehnten Ausführungsbeispiel ein Freilauf 48 zwischen dem ersten Zahnrad 41 um der Zwischenwelle 45 angeordnet. Dadurch kann eine Entkopplung bzw. Kopplung zwischen Motor 2 und Kurbelwelle 3 über den Freilauf 45 an der Zwischenwelle 45 erfolgen. Das dritte Zahnrad 43 ist dabei drehfest mittels einer drehfesten Verbindung 43a mit der Kurbelwelle 3 verbunden. Dadurch kann insbesondere im Bereich der Kurbelwelle eine besonders platzsparende Anordnung der Komponenten ermöglicht werden, um eine besonders kompakte Antriebseinheit 1 bereitstellen zu können.

Claims

Ansprüche
1. Antriebseinheit eines mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbaren Fahrzeugs (100), umfassend:
- einen Motor (2) mit einer Abtriebswelle (22),
- eine Kurbelwelle (3), und
- ein Getriebe (4),
- wobei das Getriebe (4) eingerichtet ist zur Drehmomentübertragung zwischen der Abtriebswelle (22) und der Kurbelwelle (3),
- wobei die Abtriebswelle (22) koaxial zur Kurbelwelle (3) angeordnet ist, und
- wobei das Getriebe (4) als Stirnradgetriebe ausgebildet ist.
2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, wobei das Getriebe (4) eine Zwischenwelle (45) aufweist, die parallel zur Kurbelwelle (3) angeordnet ist, und wobei das Getriebe (4) eingerichtet ist zur Drehmomentübertragung zwischen der Abtriebswelle (22) und der Kurbelwelle (3) über die Zwischenwelle (45).
3. Antriebseinheit nach Anspruch 2, wobei das Getriebe (4) ein erstes Zahnrad (41) und ein zweites Zahnrad (42) aufweist, wobei das erste Zahnrad (41) und das zweite Zahnrad (42) drehfest mit der Zwischenwelle (45) verbunden sind.
4. Antriebseinheit nach Anspruch 2, wobei das Getriebe (4) ein erstes Zahnrad (41) und ein zweites Zahnrad (42) und einen Freilauf (48) aufweist, wobei das erste Zahnrad (41) oder das zweite Zahnrad (42) drehfest mit der Zwischenwelle (45) verbunden ist, und wobei der Freilauf (48) zwischen der Zwischenwelle (45) und dem anderen Zahnrad (41, 42) angeordnet ist.
5. Antriebseinheit nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Getriebe (4) eine Motorverzahnung (44) aufweist, die an der Abtriebswelle (22) ausgebildet ist, und wobei das erste Zahnrad (41) mit der Motorverzahnung (44) in Eingriff steht.
6. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Getriebe (4) ein drittes Zahnrad (43) aufweist, das drehtest mit der Kurbelwelle (3) verbindbar ist, und wobei das dritte Zahnrad (43) mit dem zweiten Zahnrad (42) in Eingriff steht.
7. Antriebseinheit nach Anspruch 6, ferner umfassend einen Freilauf (5) zwischen dem dritten Zahnrad (43) und der Kurbelwelle (3).
8. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe (4) als ein zweistufiges Stirnradgetriebe ausgebildet ist.
9. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Motor (2) einen Rotor (21) aufweist, der drehfest mit der Abtriebswelle (22) verbunden ist.
10. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abtriebswelle (22) als Hohlwelle ausgebildet ist, und wobei die Kurbelwelle (3) drehbar innerhalb der Abtriebswelle (22) gelagert ist.
11. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend zwei Tretlager (61 , 62), wobei die Kurbelwelle (3) mittels der beiden Tretlager (61, 62) in einem Gehäuse (9) der Antriebseinheit (1) gelagert ist.
12. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Erfassungseinrichtung (8), welche eingerichtet ist zur Erfassung einer Lagerkraft an dem Abtriebs-seitigen Tretlager (62).
13. Antriebseinheit nach Anspruch 12, wobei die Erfassungseinrichtung (8) zwei Kraftsensoren (81 , 82) aufweist, wobei jeder Kraftsensor (81 , 82) eingerichtet ist, jeweils eine Kraft entlang einer vorbestimmten Richtung zu erfassen, und wobei die Erfassungseinrichtung (8) eingerichtet ist, eine Lagerkraft-Richtung und einen Lagerkraft-Betrag der Lagerkraft am Abtriebs-seitigen Tretlager (62) basierend auf den durch die Kraftsensoren (81, 82) erfassten Kräften zu ermitteln.
14. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kurbelwelle (3) eine Abtriebsschnittstelle (35) aufweist, welche eingerichtet ist zur Verbindung mit einem Abtriebselement (107), und wobei der Motor (2) auf einer der Abtriebsschnittstelle (35) abgewandten Seite des Getriebes (4) angeordnet ist, oder wobei der Motor (2) auf einer der Abtriebsschnittstelle (35) zugewandten Seite des Getriebes (4) angeordnet ist. Antriebseinheit nach Anspruch 14, ferner umfassend eine Leiterplatte (7), wobei die Leiterplatte (7) in axialer Richtung zwischen dem Motor (2) und dem Getriebe (4), oder zwischen Zahnrädern (41 , 43) des Getriebes (4), oder auf einer Abtriebs-abgewandten Seite, oder auf einer Abtriebs-zugewandten Seite der Antriebseinheit (1) angeordnet ist. Antriebseinheit nach Anspruch 15, ferner umfassend ein Anschlusselement (6), insbesondere zum Anschluss einer Steckverbindung, wobei das Anschlusselement (6) mit der Leiterplatte (7) verbunden ist, und wobei das Anschlusselement (6) auf einer der Abtriebsschnittstelle (35) abgewandten Seite der Leiterplatte (7) angeordnet ist, oder wobei das Anschlusselement (6) auf einer der Abtriebsschnittstelle (35) zugewandten Seite der Leiterplatte (7) angeordnet ist. Mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrrad, umfassend eine Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
EP23786003.6A 2022-10-07 2023-10-02 Antriebseinheit eines mit muskelkraft und/oder motorkraft betreibbaren fahrzeugs Pending EP4598804A1 (de)

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