WO2024008376A1 - Antriebsvorrichtung für ein elektrofahrrad und elektrofahrrad - Google Patents

Antriebsvorrichtung für ein elektrofahrrad und elektrofahrrad Download PDF

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WO2024008376A1
WO2024008376A1 PCT/EP2023/065123 EP2023065123W WO2024008376A1 WO 2024008376 A1 WO2024008376 A1 WO 2024008376A1 EP 2023065123 W EP2023065123 W EP 2023065123W WO 2024008376 A1 WO2024008376 A1 WO 2024008376A1
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WO
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gear element
shaft
gear
drive device
axis
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Application number
PCT/EP2023/065123
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English (en)
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Inventor
Stephan Happ
Original Assignee
Porsche Ebike Performance Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • 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
    • B62M11/00—Transmissions characterised by the use of interengaging toothed wheels or frictionally-engaging wheels
    • B62M11/02—Transmissions characterised by the use of interengaging toothed wheels or frictionally-engaging wheels of unchangeable ratio
    • 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
    • B62M11/00—Transmissions characterised by the use of interengaging toothed wheels or frictionally-engaging wheels
    • B62M11/04—Transmissions characterised by the use of interengaging toothed wheels or frictionally-engaging wheels of changeable ratio
    • B62M11/10—Transmissions characterised by the use of interengaging toothed wheels or frictionally-engaging wheels of changeable ratio with bevel gear wheels

Definitions

  • the invention relates to a drive device for an electric bicycle and an electric bicycle with such a drive device.
  • Bicycles are cost-effective, easy-to-use and emission-free means of transport. They have also become widespread as sports or fitness equipment and types that are particularly suitable for different sporting uses have emerged.
  • One task to be solved is to create a reliable drive device for electric bicycles, in particular a drive device with a simple structure in which the forces that occur are optimally supported. Another task is to provide an electric bicycle with such a drive device.
  • the drive device for an electric bicycle has a shaft and a deflection gear.
  • the deflection gear is set up, on the one hand, to be coupled to an electric motor and, on the other hand, to be coupled to the shaft, so that a torque can be transferred from the electric motor to the shaft via the deflection gear.
  • the deflection gear has a first gear element that can be rotated about a first axis and a second gear element coupled to the first gear element.
  • the second gear element can be rotated about a second axis which runs obliquely to the first axis.
  • the drive device is set up to transmit a torque from the first gear element to the shaft through a coupling between the first gear element and the shaft and is also set up to rotate the shaft in a first rotation direction relative to the first gear element.
  • the first gear element is also axially displaceable relative to the second gear element, parallel to the first axis, within predetermined limits, with the gear elements remaining coupled to one another within the predetermined limits.
  • the present invention is based in particular on the finding that when the shaft is driven via the electric motor, a reliable coupling between the first gear element and the shaft should be ensured.
  • the shaft if the shaft is not driven by the electric motor, the shaft should rotate at least in one direction of rotation independently of the electric motor.
  • the first gear element is arranged to be axially movable, with the axial movement only being released within predetermined limits. As a result, the first gear element is optimally positioned on the one hand and, on the other hand, forces occurring are optimally supported.
  • the shaft can be rotated relative to the first gear element in the first direction of rotation and is therefore decoupled in front of all gear stages and the electric motor with respect to this first direction of rotation.
  • the pedaling resistance is low, for example if the electric motor assistance is omitted.
  • the shaft of the drive device is mounted, for example, rotatable about an axis parallel to the first axis, in particular rotatable about the first axis.
  • the deflection gear also called an angular gear, is designed in particular to be coupled to the electric motor on the drive side and to the shaft on the output side.
  • the second gear element is set up for (direct) coupling with the electric motor.
  • the deflection gear can have a ratio of at least a factor of 1, 5 or 2, for example a factor of 5, so that the outgoing speed is unequal to the incoming speed.
  • the first and second gear elements of the deflection gear are coupled to one another, in particular so that a torque can be transferred from the second gear element to the first gear element and/or vice versa.
  • the coupling is such that each rotation of the second gear element about the second axis leads to a rotation of the first gear element about the first axis and/or vice versa.
  • the transmission elements are in particular directly coupled to one another.
  • the coupling between the first and the second gear element is realized, for example, by a toothed interface between the first and the second gear element.
  • the first and second gear elements engage directly with one another.
  • an interface of a coupling is understood to mean in particular the area in which a force or torque is transmitted between two elements, such as the gear elements.
  • This area includes in particular the contact points between two components that are movable relative to one another and/or the intermediate area between the components that are movable to one another.
  • the second axis, about which the second gear element is rotatable runs obliquely to the first axis about which the first gear element is rotatable.
  • the second axis intersects the first axis at a point or is skewed to the first axis.
  • the first axis and the second axis can run perpendicular to one another or run at an angle of less than 90° to one another.
  • an angle between the first axis and the second axis is at least 30° or at least 45°.
  • the drive device is set up to apply a torque from the first gear element to the shaft through a coupling between the first gear element and the shaft transferred to .
  • a torque can be transmitted from the first gear element to the shaft, which supports rotation of the shaft in the first direction of rotation.
  • a coupling is established between the first gear element and the shaft, through which a torque can be or is transmitted from the first gear element to the shaft.
  • a rotation of the shaft in the first direction of rotation is supported or caused by a rotation of the first gear element.
  • the shaft and the first gear element rotate together about the first axis without rotating relative to each other, that is, with the same rotational speed or angular speed.
  • the drive device is also set up to rotate the shaft in the first direction of rotation and relative to the second gear element.
  • the drive device is set up so that the shaft can be rotated at least in the first direction of rotation independently of the first gear element.
  • the shaft can rotate in the first direction of rotation without the first gear element rotating.
  • the drive device can be operated in a second operating state in which the shaft rotates in the first direction of rotation relative to the first gear element. In the second operating state, the shaft rotates, for example, independently of the first gear element, for example by more than 360°.
  • Shaft is in particular such that a rotation of the first gear element is blocked in the first direction of rotation relative to the shaft and rotation of the shaft is released relative to the first gear element in the first direction of rotation.
  • the drive device is, for example, set up to switch back and forth or be switched back and forth between the first and second operating states. Switching from the first to the second operating state and/or vice versa takes place automatically, for example. For example, a switchover occurs automatically from the first operating state to the second operating state when the rotational speed of the first gear element in the first direction of rotation is lower than the rotational speed of the shaft in the first direction of rotation. In addition, it is possible to automatically switch from the second operating state to the first operating state when the first gear element rotates faster in the first rotation direction than the shaft.
  • a rotation of an element means a rotation about the axis around which the respective element can be rotated. This means that a rotation about the first axis is meant for the first gear element and/or the shaft.
  • rotation means rotation about the second axis.
  • the first rotation direction is, for example, clockwise or counterclockwise rotation. Unless otherwise stated, here and in the following, rotation also means rotation relative to a housing of the drive device.
  • the first gear element is also axially displaceable relative to the second gear element.
  • the first gear element can be axially displaceable relative to the shaft.
  • the axial direction is a direction parallel to the first axis.
  • the term ff axial refers to this first axis.
  • the azimuthal direction means an azimuthal direction with respect to the first axis, i.e. along a circular line around the first axis.
  • the term radial direction here and below means a radial direction in relation to the first axis, i.e. a direction perpendicular to the first axis and perpendicular to the azimuthal direction. The terms azimuthal and radial are to be understood accordingly.
  • the first gear element is displaceable within predetermined limits relative to the second gear element and/or relative to the shaft. This means that the first gear element is displaceable relative to the second gear element and/or relative to the shaft in a limited range or over a limited distance, for example at least 0.01 mm or at least 0.1 mm. In particular, axial displacement of the first gear element beyond these limits is blocked.
  • a torsional backlash between the first and second gear elements is, for example, at least 0.01 mm and at most 0.1 mm.
  • the first and second gear elements remain coupled to one another within the specified limits. This means that the axial movement of the first gear element relative to the second gear element and/or the shaft is limited in such a way that even with maximum axial displacement/movement of the first gear element Coupling is retained. For example, the toothed interface always remains within the specified limits during axial movement.
  • the axial movement of the first gear element relative to the second gear element in a first axial direction is limited by the second gear element.
  • the axial movement of the first gear element relative to the second gear element in an opposite, second axial direction is limited by a limiting means.
  • the limitation in the first axial direction can be realized, for example, in that the first gear element abuts the second gear element.
  • a damping element for example a spring, can limit the movement of the first gear element in the first axial direction.
  • the limiting means can be a stop surface against which the first gear element abuts when moving in the second axial direction.
  • the limiting means can be a damping element, for example a spring, which limits the movement of the first gear element in the second axial direction.
  • the limiting means is fixed axially to the shaft and/or axially to the second gear element. This means that at least part of the limiting means is arranged to be immovable in the axial direction relative to the shaft and/or the second gear element.
  • the limiting means can be fixed azimuthally and/or radially.
  • the drive device is set up so that an axial force acts on the first gear element when torque is transmitted from the second gear element to the first gear element.
  • This axial force is diverted via the limiting means, for example either onto the shaft or an element of the drive device fixed axially to the shaft. For example, the axial force is then absorbed, in particular completely absorbed, by the shaft or the element.
  • the axial force acts in particular in the second axial direction, for example in the direction away from the second gear element.
  • the axial force can be derived from the limiting means in such a way that it no longer results in axial movement of the first gear element relative to the second gear element.
  • the first gear element abuts against the limiting means and the axial force presses the first gear element against the limiting means.
  • the limiting means dissipates the axial force and preferably dissipates it onto the shaft or the element, the coupling between the first gear element and the shaft for torque transmission is axially relieved. This is advantageous because many couplings for torque transmission are not designed to absorb large axial forces.
  • the drive device has at least one bearing.
  • the first gear element is mounted so that it can rotate relative to the shaft about the first axis.
  • the bearing can be a rolling bearing, in particular a cylindrical roller bearing or a ball bearing.
  • the bearing can be one of the shaft and the
  • the first gear element can be a separate element that is arranged between the shaft and the first gear element, for example radially between the first gear element and the shaft.
  • the shaft and/or the limiting means and/or the first gear element can be part of the bearing.
  • the shaft forms the inner ring of the bearing and/or the first gear element forms the outer ring of the bearing or vice versa.
  • an interface of the coupling between the first gear element and the shaft is arranged axially between two bearings.
  • Each of these bearings can be formed like the previously mentioned bearing.
  • the coupling between the first gear element and the shaft can be realized by a mechanical interface at which two elements for torque transmission touch each other (for example in the area of contact points).
  • the interface of the coupling can then be a gear interface.
  • the coupling can also be an electromagnetic coupling, for example, in which the torque is transmitted, for example, by magnetic forces, in particular without direct contact.
  • the coupling between the first gear element and the shaft can take place, for example, via a coupling of the drive device.
  • the coupling can be arranged axially between the two bearings.
  • the coupling can also be formed as a unit with the bearing(s).
  • the clutch can be a separate element from the first gear element and the shaft.
  • the first gear element and/or the shaft can be part of the clutch.
  • the term “coupling” means the state of being coupled, whereas the term “coupling” means the physical means for producing the coupling.
  • the coupling between the first gear element and the shaft is a freewheel coupling, also called an overrunning coupling.
  • the clutch can be a freewheel clutch or an overrunning clutch.
  • the one-way clutch is, for example, a sprag one-way clutch or sleeve one-way clutch.
  • the deflection gear is a bevel gear.
  • the first gear element is then, for example, a ring gear and the second gear element is a bevel pinion.
  • the deflection gear has a transmission ratio of at least 2 or at least 4.
  • the gear ratio is at most 8 or at most 6.
  • the gear ratio is at least 5 and at most 6.
  • the deflection gear and the mounting of the first gear element are in particular selected so that the radial force F_R transmitted from the second to the first gear element results in a friction force F_RE for an axial displacement of the first gear element relative to the second gear element, which is smaller than that from the second the first gear element transmitted axial force F_A. So the following applies: F_RE ⁇ FA. This will result in When the second gear element rotates, the first gear element is axially displaced and, for example, pressed against the limiting means.
  • the interface of the coupling between the ring gear and the bevel pinion is tilted by a tilting angle with respect to the first axis.
  • This tilt angle is also called the taper angle.
  • the tilt angle is, for example, at least 45° or at least 60°.
  • the angle of the interface with respect to the first axis corresponds in particular to the angle of the lateral surface of the bevel pinion with respect to the first axis.
  • the resulting force encloses, for example, an angle of at least 45° or at least 60° with the first axis.
  • a tilt angle of at least 45° is advantageous because the radial force component transmitted to the first gear element is relatively small and the radial force acting on the bearings or the coupling can therefore be kept low.
  • the axial force is dissipated by the limiting means.
  • the shaft is a chainring shaft, that is to say a shaft on which a chainring is mounted or can be mounted.
  • the shaft is in particular a hollow shaft.
  • the limiting means is a stop surface.
  • the stop surface is axially fixed to the second gear element and/or to the shaft.
  • the stop surface can be a surface of the shaft or an element that is, for example, axial to the shaft is fixed.
  • the stop surface is fixed axially, radially and azimuthally to the shaft, i.e. in particular immovable to the shaft.
  • a further stop surface is assigned to the first gear element.
  • the further stop surface is, for example, fixed axially and/or radially and/or azimuthally to the first gear element, i.e. in particular arranged immovably relative to the first gear element.
  • the further stop surface is a surface of the first gear element.
  • the stop surfaces lie opposite one another in the axial direction.
  • the stop surfaces overlap with one another, for example, radially and azimuthally, that is, they overlap in the radial direction and azimuthal direction.
  • the stop surfaces preferably face each other.
  • the stop surfaces are designed to abut against one another in order to limit the axial movement of the first gear element. This means that the axial movement of the first gear element in the second axial direction relative to the second gear element is limited by the further stop surface striking the stop surface.
  • the Stops include the stop surface and the other
  • Stop surface in direct contact with each other.
  • the stop surfaces are positioned axially between the second gear element and the interface of the coupling between the first gear element and the shaft.
  • the stop surfaces are positioned axially between the second gear element and the clutch.
  • the area in which the stop surfaces abut one another is offset radially with respect to the first axis to the interface of the coupling between the first gear element and the shaft or to the coupling.
  • the interface of the coupling and the area in which the stop surfaces abut each other do not overlap radially.
  • the area and the interface can overlap azimuthally.
  • the area is, for example, offset radially inwards relative to the interface or the coupling.
  • the stop surfaces are metallic, for example made of aluminum or stainless steel.
  • a lubricant is applied to the stop surfaces.
  • the lubricant facilitates relative rotation between the stop surfaces about the first axis.
  • the first gear element partially or completely surrounds the shaft radially.
  • the interface of the coupling between the first gear element and the shaft is arranged in the radial direction between the shaft and the first gear element. In the axial direction, the interface can be arranged to overlap with the first gear element and the shaft.
  • the clutch is arranged radially between the first gear element and the shaft and is arranged to overlap axially with the shaft and the first gear element.
  • the electric bicycle for example, is a so-called pedelec.
  • the electric bicycle comprises a drive device according to one of the embodiments described here.
  • the electric bicycle includes an electric motor, wherein the electric motor is coupled to the deflection gear, so that a torque of the electric motor is transmitted to the first gear element via the second gear element.
  • the electric bicycle can have control electronics to control the electric motor.
  • Figure 1 shows an exemplary embodiment of an electric bicycle
  • Figure 2 shows an exemplary embodiment of the drive device in a cross-sectional view
  • Figure 3 is an enlarged detail from the exemplary embodiment of Figure 2
  • Figures 4 and 5 show the exemplary embodiment of the drive device of Figure 2 in different operating states.
  • Figure 1 shows schematically an electric bicycle 100 with a bicycle frame 50, which, among other things, has a lower frame section 60, which forms a down tube.
  • the frame section 60 extends in the direction of a bottom bracket, which includes a pedal crank 40 which is coupled or can be coupled to a drive device 1 for the electric bicycle 100.
  • the drive device 1 is coupled or can be coupled to an electric motor.
  • the electric motor is arranged here, for example, in the down tube of the frame 50. Alternatively, the electric motor could also be arranged in the seat tube.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of the drive device 1 is shown in a cross-sectional view in FIG. For example, it is the drive device 1 from Figure 1.
  • Figure 3 shows an enlarged section of Figure 2.
  • the drive device 1 includes a housing 4.
  • a deflection gear 2 is arranged within the housing 4.
  • the deflection gear 2 includes a first gear element 21 and a second gear element 22.
  • the deflection gear 2 is a bevel gear.
  • the first gear element 21 is a ring gear and the second gear element 22 is a bevel pinion.
  • Axes Al and A2 are also shown in FIG.
  • the ring gear 21 is rotatably mounted (relative to the housing 4) about the first axis Al
  • the bevel pinion 22 is rotatably mounted (relative to the housing 4) about the axis A2.
  • the axes Al and A2 are perpendicular to one another.
  • a radial direction R and an azimuthal direction C with respect to the first axis Al are also shown in FIG.
  • the radial direction R is a direction perpendicular to the first axis Al and the azimuthal direction C is a direction around the axis Al. In the illustration in Figure 2, the azimuthal direction C points into the paper plane.
  • the ring gear 21 surrounds a shaft 3 of the drive device 1 in the radial direction R.
  • the shaft 3 is also mounted so that it can rotate about the axis Al.
  • Shaft 3 is a hollow shaft.
  • the shaft 3 is led out of the housing 4 and can be connected to a chainring.
  • the drive device 1 of FIG. 2 is set up so that the bevel pinion 22 can be coupled to an electric motor for the electric bicycle.
  • a direction of rotation of the rotor of the electric motor can run parallel to the axis A2 and/or parallel to the longitudinal axis of the down tube.
  • the bevel pinion 22 is driven by the energy provided by the electric motor, namely rotated about the second axis A2.
  • the bevel pinion 22 is coupled to the ring gear 21 via an interface 212.
  • the interface 212 is a gear interface. Due to the coupling via the interface 212, a rotation of the bevel pinion 22 leads to a rotation of the ring gear 21 about the first axis Al.
  • a clutch 230 is provided between the ring gear 21 and the shaft 3 (see FIG. 3).
  • the clutch 230 is, for example, a one-way clutch.
  • another mechanical clutch or an eddy current clutch could also be used.
  • the one-way clutch enables the shaft 3 to rotate in a first direction of rotation, for example clockwise or counterclockwise, relative to the ring gear 21. Conversely, the ring gear 21 cannot rotate relative to the shaft 3 in the first direction of rotation. At most, the ring gear 21 can rotate together with the shaft, i.e. at the same speed as the shaft 3, in the first direction of rotation.
  • a coupling between the ring gear 21 and the shaft 3, provided by the clutch 230 transmits a rotation-supporting torque from the ring gear 21 to the shaft. This will be explained in more detail in connection with Figures 4 and 5.
  • the drive device 1 is shown in a first operating state, in which all of the elements shown rotate except for the black colored element 41.
  • the element 41 is a housing element of the housing 4. The rest of the housing 4 has been omitted for reasons of clarity.
  • the bevel pinion 22 rotates about the second axis A2.
  • a torque is transmitted to the ring gear 21 and is thereby forced to rotate about the first axis Al in the first direction of rotation.
  • a torque is transmitted from the ring gear 21 to the shaft 3, so that the shaft 3 rotates at the same rotational speed in the first rotation direction about the first axis Al as the ring gear 21.
  • This first operating state is in particular the state in which the electric motor transmits a supporting torque to the shaft 3.
  • this first operating state is set when the electric bicycle travels below a predetermined maximum speed, such as 25 km/h, and the driver pedals. These two requirements are recorded, for example, with sensors on the electric bicycle.
  • the drive device 1 is shown in a second operating state.
  • the black colored elements are those that do not rotate.
  • the shaft 3 rotates in the first direction of rotation about the first axis Al.
  • the bevel pinion 22 and the ring gear 21 do not rotate.
  • This second operating state corresponds, for example, to the operating state in which the electric motor is switched off or the electric bicycle exceeds the specified maximum speed.
  • the drive device 1 comprises two bearings 231, 232 (see Figure 3).
  • the one-way clutch 230 is arranged axially, in the direction parallel to the first axis Al, between the two bearings 231, 232.
  • the bearings 231, 232 are rolling bearings, for example ball bearings.
  • the ring gear 21 is arranged to be axially movable relative to the shaft 3 and the bevel pinion 22, within predetermined limits.
  • the axial movement of the ring gear 21 in a first axial direction, namely towards the bevel pinion 22, is limited by a stop on the bevel pinion 22.
  • the movement of the ring gear 21 is limited by abutment against a limiting means 30 in the form of a stop surface 30.
  • the stop surface 30 is part of an element 32 that is axially fixed on the shaft 3 .
  • the stop surface 30 could also be part of the shaft 3, i.e. formed integrally or in one piece with the shaft 3.
  • the ring gear 21 has a further stop surface 210 which faces the stop surface 30 and overlaps with the stop surface 30 both radially and azimuthally.
  • the stop surfaces 30 and 210 are made, for example, of metal and covered with a lubricant.
  • the axial force F_A is transferred to the shaft 3 via the stop surface 30.
  • the axial force F_A is greater than a friction force F_RE caused by the radial force F_R, which acts against displacement of the ring gear 21 along the axis Al.
  • the axially acting force F_A would be diverted to the bearings 231, 232 and/or the one-way clutch 230.
  • these elements are often not designed to absorb large axial forces and could be damaged by them.
  • the service life of the drive device 1 is increased by the stop surface 30 or the limitation of the freedom of movement of the ring gear 21 in the axial direction.
  • the axial mobility of the ring gear 21 is also advantageous in the second operating state in which the shaft 3 rotates relative to the ring gear 21 .
  • this operating state for example, the bevel pinion 22 is not driven, so that no axial force F_A presses the ring gear 21 against the stop surface 30.
  • the ring gear 21 can move at least a little away from the stop surface 30. This allows the two stop surfaces 30, 210 to slide past each other relatively friction-free. This can be further improved by the lubricant provided on the stop surfaces 30, 210 or the lubricant between them.
  • the bevel gear 2 of the present drive device 1 is designed such that the interface 212 between the bevel pinion 22 and the ring gear 21 is tilted with respect to the axis Al in such a way that the tilt angle a between the interface 212 and the axis Al is at least 45 °.
  • the arrangement of the stop surfaces 30, 210 axially between the one-way clutch 230 or the bearings 231, 232 and the bevel pinion 22 is advantageous with regard to possible tilting between the ring gear 21 and the bevel pinion 22.
  • the risk of tilting between the bevel pinion 22 and the ring gear 21 is additionally reduced by the fact that the second bearing 232 is used.

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Abstract

In mindestens einer Ausführungsform weist die Antriebsvorrichtung (1) für einen Elektrofahrrad (100) eine Welle (3) und ein Umlenkgetriebe (2) auf. Das Umlenkgetriebe ist einerseits zur Kopplung mit einem Elektromotor und andererseits zur Kopplung mit der Welle eingerichtet, sodass ein Drehmoment vom Elektromotor über das Umlenkgetriebe auf die Welle übertragbar ist. Das Umlenkgetriebe weist ein um eine erste Achse (A1) rotierbares erstes Getriebeelement (21) und ein mit dem ersten Getriebeelement gekoppeltes zweites Getriebeelement (22) auf. Das zweite Getriebeelement (22) ist um eine schräg zur ersten Achse verlaufende zweite Achse (A2) rotierbar. Die Antriebsvorrichtung ist dazu eingerichtet, durch eine Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle ein Drehmoment von dem ersten Getriebeelement auf die Welle zu übertragen und ist außerdem dazu eingerichtet, die Welle in eine erste Rotationsrichtung relativ zum ersten Getriebeelement zu rotieren. Das erste Getriebeelement ist außerdem relativ zum zweiten Getriebeelement axial, parallel zur ersten Achse, innerhalb vorgegebener Grenzen verschiebbar, wobei innerhalb der vorgegebenen Grenzen die Getriebeelemente miteinander gekoppelt bleiben.

Description

Beschreibung
Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrrad und Elektrofahrrad
Die Erfindung betri f ft eine Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrrad und ein Elektrofahrrad mit einer solchen Antriebsvorrichtung .
Fahrräder realisieren kostengünstige , leicht zu handhabende und emissions freie Fortbewegungsmittel . Sie haben auch als Sport- beziehungsweise Fitnessgeräte Verbreitung gefunden und es haben sich für unterschiedliche sportliche Einsatz felder besonders geeignete Typen herausgebildet .
In den letzten Jahren wächst die Begeisterung für Elektrofahrräder ( insbesondere sogenannte " Pedelecs" ) und das auch trotz der für Fahrräder hohen Gewichte und Preise . Bei Elektrofahrrädern ist es ein Anliegen, ein zuverlässig unterstützendes Antriebssystem bereitzustellen, welches eine hohe Leistungsübertragung ermöglicht .
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine zuverlässige Antriebsvorrichtung für Elektrofahrräder zu schaf fen, insbesondere eine Antriebsvorrichtung mit einfachem Aufbau, bei der die auftretenden Kräfte optimal abgestützt werden . Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Elektrofahrrad mit einer solchen Antriebsvorrichtung bereitzustellen .
Diese Aufgaben werden unter anderem durch die Gegenstände der Patentansprüche 1 und 15 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen, abhängigen Patentansprüche und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren hervor . Zunächst wird die Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrrad angegeben .
In mindestens einer Aus führungs form weist die Antriebsvorrichtung für einen Elektrofahrrad eine Welle und ein Umlenkgetriebe auf . Das Umlenkgetriebe ist einerseits zur Kopplung mit einem Elektromotor und andererseits zur Kopplung mit der Welle eingerichtet , sodass ein Drehmoment vom Elektromotor über das Umlenkgetriebe auf die Welle übertragbar ist . Das Umlenkgetriebe weist ein um eine erste Achse rotierbares erstes Getriebeelement und ein mit dem ersten Getriebeelement gekoppeltes zweites Getriebeelement auf . Das zweite Getriebeelement ist um eine schräg zur ersten Achse verlaufende zweite Achse rotierbar . Die Antriebsvorrichtung ist dazu eingerichtet , durch eine Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle ein Drehmoment von dem ersten Getriebeelement auf die Welle zu übertragen und ist außerdem dazu eingerichtet , die Welle in eine erste Rotationsrichtung relativ zum ersten Getriebeelement zu rotieren . Das erste Getriebeelement ist außerdem relativ zum zweiten Getriebeelement axial , parallel zur ersten Achse , innerhalb vorgegebener Grenzen verschiebbar, wobei innerhalb der vorgegebenen Grenzen die Getriebeelemente miteinander gekoppelt bleiben .
Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zu Grunde , dass , bei einem Antrieb der Welle über den Elektromotor, eine zuverlässige Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle gewährleistet sein sollte . Andererseits soll , falls die Welle nicht durch den Elektromotor angetrieben wird, die Welle zumindest in eine Rotationsrichtung unabhängig vom Elektromotor rotieren . Um eine aufwändige axiale Positionierung des ersten Getriebeelements zu vermeiden, wird bei der vorliegenden Erfindung das erste Getriebeelement axial beweglich angeordnet , wobei die axiale Bewegung nur innerhalb vorgegebener Grenzen freigegeben ist . Dadurch ist das erste Getriebeelement zum einen optimal positioniert , andererseits werden auf tretende Kräfte optimal abgestützt . Vorteilhaft ist die Welle relativ zum ersten Getriebeelement in die erste Rotationsrichtung rotierbar und damit vor allen Getriebestufen und dem Elektromotor bezüglich dieser ersten Rotationsrichtung entkoppelt . Dadurch ist der Tretwiderstand, zum Beispiel bei Weglassen der Elektromotorunterstützung, gering .
Die Welle der Antriebsvorrichtung ist zum Beispiel rotierbar um eine Achse parallel zur ersten Achse , insbesondere um die erste Achse rotierbar, gelagert .
Das Umlenkgetriebe , auch Winkelgetriebe genannt , ist insbesondere dazu eingerichtet , antriebsseitig mit dem Elektromotor und abtriebsseitig mit der Welle gekoppelt zu werden . Zum Beispiel ist das zweite Getriebeelement zur ( direkten) Kopplung mit dem Elektromotor eingerichtet . Das Umlenkgetriebe kann ein übersetzungs freies Umlenkgetriebe sein, das heißt die ausgehende Drehzahl des Umlenkgetriebes ist gleich der eingehenden Drehzahl (Übersetzung = 1 ) . Alternativ kann das Umlenkgetriebe eine Übersetzung von mindestens einem Faktor von 1 , 5 oder 2 , zum Beispiel einem Faktor von 5 aufweisen, so dass die ausgehende Drehzahl ungleich der eingehenden Drehzahl ist .
Das erste und zweite Getriebeelement des Umlenkgetriebes sind miteinander gekoppelt , insbesondere so , dass ein Drehmoment vom zweiten Getriebeelement auf das erste Getriebeelement übertragbar ist und/oder umgekehrt . Beispielsweise ist die Kopplung derart , dass j ede Rotation des zweiten Getriebeelements um die zweite Achse zu einer Rotation des ersten Getriebeelements um die erste Achse und/oder umgekehrt führt . Die Getriebeelemente sind insbesondere direkt miteinander gekoppelt . Die Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Getriebeelement ist beispielsweise durch eine verzahnte Schnittstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Getriebeelement realisiert . Beispielsweise grei fen das erste und das zweite Getriebeelement direkt ineinander .
Unter eine Schnittstelle einer Kopplung wird hier und im Folgenden insbesondere der Bereich verstanden, in dem eine Kraft oder ein Drehmoment zwischen zwei Elementen, wie den Getriebeelementen, übertragen wird . Dieser Bereich umfasst insbesondere die Kontaktpunkte zwischen zwei zueinander beweglichen Komponenten und/oder den Zwischenbereich zwischen den zueinander beweglichen Komponenten .
Die zweite Achse , um die das zweite Getriebeelement rotierbar ist , verläuft schräg zur ersten Achse , um die das erste Getriebeelement rotierbar ist . Beispielsweise schneidet die zweite Achse die erste Achse in einem Punkt oder verläuft windschief zur ersten Achse . Die erste Achse und die zweite Achse können senkrecht aufeinander verlaufen oder unter einem Winkel von kleiner 90 ° zueinander verlaufen . Beispielsweise ist ein Winkel zwischen der ersten Achse und der zweiten Achse zumindest 30 ° oder zumindest 45 ° .
Die Antriebsvorrichtung ist dazu eingerichtet , durch eine Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle ein Drehmoment von dem ersten Getriebeelement auf die Welle zu übertragen . Zum Beispiel kann ein Drehmoment von dem ersten Getriebeelement auf die Welle übertragen werden, das eine Rotation der Welle in die erste Rotationsrichtung unterstützt . Anders ausgedrückt ist zumindest in einem ersten Betriebs zustand der Antriebsvorrichtung eine Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle hergestellt , durch welche ein Drehmoment vom ersten Getriebeelement auf die Welle übertragbar ist oder übertragen wird . Im ersten Betriebs zustand wird dann zum Beispiel eine Rotation der Welle in die erste Rotationsrichtung durch eine Rotation des ersten Getriebeelements unterstützt oder bewirkt . Zum Beispiel rotieren im ersten Betriebs zustand die Welle und das erste Getriebeelement gemeinsam um die erste Achse , ohne relativ zueinander zu rotieren, das heißt mit der geleichen Rotationsgeschwindigkeit beziehungsweise Winkelgeschwindigkeit .
Die Antriebsvorrichtung ist außerdem dazu eingerichtet , die Welle in die erste Rotationsrichtung und relativ zum zweiten Getriebeelement zu rotieren . Insbesondere ist die Antriebsvorrichtung so eingerichtet , dass die Welle unabhängig von dem ersten Getriebeelement zumindest in die erste Rotationsrichtung rotierbar ist . Beispielsweise kann die Welle in die erste Rotationsrichtung rotieren, ohne dass das erste Getriebeelement rotiert . Anders ausgedrückt , ist die Antriebsvorrichtung in einem zweiten Betriebs zustand betreibbar, in dem die Welle in der ersten Rotationsrichtung relativ zum ersten Getriebeelement rotiert . Die Welle rotiert im zweiten Betriebs zustand zum Beispiel unabhängig vom ersten Getriebeelement , zum Beispiel um mehr als 360 ° .
Die Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der
Welle ist insbesondere dergestalt , dass eine Rotation des ersten Getriebeelements in die erste Rotationsrichtung relativ zur Welle blockiert ist und eine Rotation der Welle relativ zum ersten Getriebeelement in die erste Rotationsrichtung freigegeben ist .
Die Antriebsvorrichtung ist beispielsweise dazu eingerichtet , zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebs zustand hin und her zu schalten oder hin und her geschaltet zu werden . Das Umschalten von dem ersten in den zweiten Betriebs zustand und/oder umgekehrt erfolgt zum Beispiel automatisch . Beispielsweise wird automatisch vom ersten Betriebs zustand in den zweiten Betriebs zustand umgeschaltet , wenn die Rotationsgeschwindigkeit des ersten Getriebeelements in die erste Rotationsrichtung geringer ist als die Rotationsgeschwindigkeit der Welle in die erste Rotationsrichtung . Außerdem kann automatisch von dem zweiten Betriebs zustand in den ersten Betriebs zustand umgeschaltet werden, wenn das erste Getriebeelement schneller in die erste Rotationsrichtung rotiert als die Welle .
Hier und im Folgenden ist mit einer Rotation eines Elements eine Rotation um die Achse gemeint , um die das j eweilige Element rotierbar ist . Das heißt , für das erste Getriebeelement und/oder die Welle ist eine Rotation um die erste Achse gemeint . Für das zweite Getriebeelement meint Rotation eine Rotation um die zweite Achse . Die erste Rotationsrichtung ist zum Beispiel eine Rotation mit oder gegen den Uhrzeigersinn . Falls nicht anders angegeben, ist hier und im Folgenden mit Rotation außerdem eine Rotation relativ zu einem Gehäuse der Antriebsvorrichtung gemeint .
Das erste Getriebeelement ist außerdem relativ zum zweiten Getriebeelement axial verschiebbar . Alternativ oder zusätzlich kann das erste Getriebeelement relativ zur Welle axial verschiebbar sein . Hier und im Folgenden wird, falls nicht anders angegeben, als axiale Richtung eine Richtung parallel zur ersten Achse bezeichnet . Entsprechend bezieht sich der Begri f f axial eben auf diese erste Achse . Außerdem ist hier und im Folgenden, falls nicht anders angegeben, mit der azimutalen Richtung eine azimutale Richtung in Bezug auf die erste Achse gemeint , also entlang einer Kreislinie um die erste Achse . Mit radialer Richtung ist , falls nicht anders angegeben, hier und im Folgenden eine radiale Richtung in Bezug auf die erste Achse gemeint , also eine Richtung senkrecht zur ersten Achse und senkrecht zur azimutalen Richtung . Entsprechend sind die Begri f fe azimutal und radial zu verstehen .
Das erste Getriebeelement ist relativ zum zweiten Getriebeelement und/oder relativ zur Welle innerhalb vorgegebener Grenzen verschiebbar . Das heißt , das erste Getriebeelement ist relativ zum zweiten Getriebeelement und/oder relativ zur Welle in einem begrenzten Bereich oder über eine begrenzte Distanz verschiebbar, beispielsweise zumindest 0 , 01 mm oder zumindest 0 , 1 mm . Insbesondere ist eine axiale Verschiebung des ersten Getriebeelements über diese Grenzen hinaus blockiert . Ein Verdrehflankenspiel zwischen dem ersten und zweiten Getriebeelement beträgt beispielsweise zumindest 0 , 01 mm und maximal 0 , 1 mm .
Innerhalb der vorgegebenen Grenzen bleiben das erste und das zweite Getriebeelement miteinander gekoppelt . Das heißt , die axiale Bewegung des ersten Getriebeelements relativ zum zweiten Getriebeelement und/oder zur Welle ist derart begrenzt , dass auch bei maximaler axialer Verschiebung/Bewegung des ersten Getriebeelements die Kopplung erhalten bleibt . Beispielsweise bleibt die verzahnte Schnittstelle während einer axialen Bewegung innerhalb der vorgegebenen Grenzen stets erhalten .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist die axiale Bewegung des ersten Getriebeelements relativ zum zweiten Getriebeelement in eine erste axiale Richtung durch das zweite Getriebeelement begrenzt . Alternativ oder zusätzlich ist die axiale Bewegung des ersten Getriebeelements relativ zum zweiten Getriebeelement in eine entgegengesetzte , zweite axiale Richtung durch ein Begrenzungsmittel begrenzt .
Die Begrenzung in der ersten axialen Richtung kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass das erste Getriebeelement an das zweite Getriebeelement anschlägt . Alternativ kann ein Dämpfungselement , zum Beispiel eine Feder, die Bewegung des ersten Getriebeelements in der ersten axialen Richtung begrenzen . Das Begrenzungsmittel kann eine Anschlagfläche sein, an die das erste Getriebeelement bei Bewegung in der zweiten axialen Richtung anschlägt . Alternativ kann das Begrenzungsmittel ein Dämpfungselement , zum Beispiel eine Feder, sein, das die Bewegung des ersten Getriebeelements in der zweiten axialen Richtung begrenzt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist das Begrenzungsmittel axial zu der Welle und/oder axial zu dem zweiten Getriebeelement fixiert . Das heißt , zumindest ein Teil des Begrenzungsmittels ist in axialer Richtung unbeweglich zur Welle und/oder dem zweiten Getriebeelement angeordnet . Zusätzlich kann das Begrenzungsmittel azimutal und/oder radial fixiert sein . Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist die Antriebsvorrichtung so eingerichtet , dass bei einer Drehmomentübertragung von dem zweiten Getriebeelement auf das erste Getriebeelement eine axiale Kraft auf das erste Getriebeelement wirkt . Diese axiale Kraft wird über das Begrenzungsmittel abgeleitet , beispielsweise entweder auf die Welle oder ein axial zur Welle fixiertes Element der Antriebsvorrichtung . Zum Beispiel wird die axiale Kraft dann von der Welle oder dem Element aufgenommen, insbesondere vollständig aufgenommen .
Die axiale Kraft wirkt insbesondere in die zweite axiale Richtung, zum Beispiel in Richtung weg von dem zweiten Getriebeelement . Die axiale Kraft kann von dem Begrenzungsmittel derart abgeleitet werden, dass aus ihr keine axiale Bewegung des ersten Getriebeelements relativ zum zweiten Getriebeelement mehr resultiert . Zum Beispiel schlägt das erste Getriebeelement gegen das Begrenzungsmittel an und die axiale Kraft drückt das erste Getriebeelement gegen das Begrenzungsmittel . Dadurch dass das Begrenzungsmittel die axiale Kraft ableitet und bevorzugt auf die Welle oder das Element ableitet , wird die Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle für die Drehmomentübertragung axial entlastet . Dies ist vorteilhaft , weil viele Kopplungen für die Drehmomentübertragung nicht für die Aufnahme großer axialer Kräfte eingerichtet sind .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Antriebsvorrichtung zumindest ein Lager auf . Mithil fe des Lagers ist das erste Getriebeelement relativ zur Welle rotierbar um die erste Achse gelagert . Das Lager kann ein Wäl zlager, insbesondere ein Zylinderrollenlager oder ein Kugellager sein . Das Lager kann ein von der Welle und dem ersten Getriebeelement separates Element sein, das zwischen der Welle und dem ersten Getriebeelement angeordnet ist , beispielsweise radial zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle . Alternativ können die Welle und/oder das Begrenzungsmittel und/oder das erste Getriebeelement Teil des Lagers sein . Beispielsweise bildet die Welle den Innenring des Lagers und/oder das erste Getriebeelement den Außenring des Lagers oder umgekehrt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist eine Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle axial zwischen zwei Lagern angeordnet . Jedes dieser Lager kann wie das zuvor genannte Lager gebildet sein .
Die Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle kann durch eine mechanische Schnittstelle realisiert sein, an der zwei Elemente zur Drehmomentübertragung sich berühren ( zum Beispiel im Bereich von Kontaktpunkten) . Die Schnittstelle der Kopplung kann dann eine Verzahnungsschnittstelle sein . Alternativ kann die Kopplung zum Beispiel auch eine elektromagnetische Kopplung sein, bei der das Drehmoment beispielsweise durch magnetische Kräfte , insbesondere ohne direkten Kontakt , übertragen wird .
Die Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle kann beispielsweise über eine Kupplung der Antriebsvorrichtung erfolgen . Insbesondere kann die Kupplung axial zwischen den zwei Lagern angeordnet sein . Die Kupplung kann auch als Einheit mit dem oder den Lagern gebildet sein . Die Kupplung kann ein von dem ersten Getriebeelement und der Welle separates Element sein . Alternativ können das erste Getriebeelement und/oder die Welle Teil der Kupplung sein . Mit dem Begri f f „Kopplung" ist in der vorliegenden Anmeldung der Zustand des Gekoppeltsein gemeint , wohingegen mit dem Begri f f „Kupplung" die gegenständlichen Mittel zur Herstellung der Kopplung gemeint sind .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist die Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle eine Freilauf kopplung, auch Überholkopplung genannt . Entsprechend kann die Kupplung eine Freilaufkupplung beziehungsweise Überholkupplung sein . Die Freilaufkupplung ist zum Beispiel eine Klemmkörper-Freilaufkupplung oder Hülsenfreilaufkupplung .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist das Umlenkgetriebe ein Kegelradgetriebe . Das erste Getriebeelement ist dann beispielsweise ein Tellerrad und das zweite Getriebeelement ein Kegelritzel .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist das Umlenkgetriebe ein Übersetzungsverhältnis von mindestens 2 oder mindestens 4 auf . Alternativ oder zusätzlich ist das Übersetzungsverhältnis höchstens 8 oder höchstens 6 . Zum Beispiel ist das Übersetzungsverhältnis zumindest 5 und höchstens 6 .
Das Umlenkgetriebe und die Lagerung des ersten Getriebeelements sind insbesondere so gewählt , dass die vom zweiten auf das erste Getriebeelement übertragene radiale Kraft F_R in einer Reibungskraft F_RE für eine axiale Verschiebung des ersten Getriebeelements relativ zum zweiten Getriebeelement resultiert , die kleiner ist als die vom zweiten auf das erste Getriebeelement übertragene axiale Kraft F_A. Es gilt also : F_RE < FA. Dadurch wird beim Rotieren des zweiten Getriebeelements das erste Getriebeelement axial verschoben und zum Beispiel gegen das Begrenzungsmittel gedrückt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist die Schnittstelle der Kopplung zwischen dem Tellerrad und dem Kegelritzel bezüglich der ersten Achse um einen Kippwinkel gekippt .
Dieser Kippwinkel wird auch als Kegelwinkel bezeichnet . Der Kippwinkel beträgt beispielsweise zumindest 45 ° oder zumindest 60 ° . Der Winkel der Schnittstelle bezüglich der ersten Achse entspricht insbesondere dem Winkel der Mantel fläche des Kegelritzels bezüglich der ersten Achse . Insbesondere schließt die Kraftresultierende zum Beispiel einen Winkel von zumindest 45 ° oder zumindest 60 ° mit der ersten Achse ein .
Ein Kippwinkel von zumindest 45 ° ist insofern vorteilhaft , weil dadurch die auf das erste Getriebeelement übertragene radiale Kraf tkomponente verhältnismäßig gering ist und damit die radial wirkende Kraft auf die Lager beziehungsweise die Kupplung gering gehalten werden kann . Die axiale Kraft wird durch das Begrenzungsmittel abgeleitet .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist die Welle eine Kettenblattwelle , das heißt eine Welle , an der ein Kettenblatt montiert ist oder montierbar ist . Die Welle ist insbesondere eine Hohlwelle .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist das Begrenzungsmittel eine Anschlagfläche . Beispielsweise ist die Anschlagfläche zum zweiten Getriebeelement und/oder zur Welle axial fixiert . Die Anschlagfläche kann eine Fläche der Welle sein oder eines Elements , das beispielsweise axial zur Welle fixiert ist . Zum Beispiel ist die Anschlagfläche axial , radial und azimutal zur Welle fixiert , also insbesondere unbeweglich zur Welle .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist dem ersten Getriebeelement eine weitere Anschlagfläche zugeordnet . Die weitere Anschlagfläche ist beispielsweise axial und/oder radial und/oder azimutal zum ersten Getriebeelement fixiert , also insbesondere unbeweglich zum ersten Getriebeelement angeordnet . Beispielsweise ist die weitere Anschlagfläche eine Fläche des ersten Getriebeelements .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form liegen sich die Anschlagflächen in axialer Richtung gegenüber . Die Anschlagflächen überlappen beispielsweise radial und azimutal miteinander, das heißt , sie überlappen in radialer Richtung und azimutaler Richtung . Außerdem sind die Anschlagflächen bevorzugt einander zugewandt .
Dass zwei Elemente in einer Richtung überlappen, meint hier, dass die Koordinaten der beiden Elemente für diese Richtung einen überlappenden Wertebereich haben . Anders ausgedrückt sind die Elemente in dieser Richtung dann zueinander ausgerichtet .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form sind die Anschlagflächen dazu eingerichtet , zur Begrenzung der axialen Bewegung des ersten Getriebeelements aneinander anzuschlagen . Das heißt , die axiale Bewegung des ersten Getriebeelements in die zweite axiale Richtung relativ zum zweiten Getriebeelement ist durch das Anschlägen der weiteren Anschlagfläche an die Anschlagfläche begrenzt . Beim Anschlägen kommen die Anschlagfläche und die weitere
Anschlagfläche in direkten Kontakt miteinander .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form sind die Anschlagflächen axial zwischen dem zweiten Getriebeelement und der Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle positioniert . Insbesondere sind die Anschlagflächen also axial zwischen dem zweiten Getriebeelement und der Kupplung positioniert .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist der Bereich, in dem die Anschlagflächen aneinander anschlagen, in Bezug auf die erste Achse radial zur Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle beziehungsweise zur Kupplung versetzt . Zum Beispiel überlappen die Schnittstelle der Kopplung und der Bereich, in dem die Anschlagfläche aneinander anschlagen, radial nicht miteinander . Der Bereich und die Schnittstelle können j edoch azimutal miteinander überlappen . Der Bereich ist zum Beispiel relativ zur Schnittstelle beziehungsweise zur Kupplung radial nach innen versetzt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form sind die Anschlagflächen metallisch, zum Beispiel aus Aluminium oder Edelstahl .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist auf den Anschlagflächen ein Schmiermittel aufgetragen . Das Schmiermittel erleichtert eine relative Rotation zwischen den Anschlagflächen um die erste Achse .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umgibt das erste Getriebeelement die Welle radial teilweise oder vollständig . Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist die Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle in radialer Richtung zwischen der Welle und dem ersten Getriebeelement angeordnet . In axialer Richtung kann die Schnittstelle überlappend mit dem ersten Getriebeelement und der Welle angeordnet sein . Beispielsweise ist die Kupplung radial zwischen dem ersten Getriebeelement und der Welle angeordnet und axial mit der Welle und dem ersten Getriebeelement überlappend angeordnet .
Als nächstes wird das Elektrofahrrad angegeben . Bei dem Elektrofahrrad handelt es sich beispielsweise um ein so genanntes Pedelec .
In mindestens einer Aus führungs form umfasst das Elektrofahrrad eine Antriebsvorrichtung gemäß einer der hier beschriebenen Aus führungs formen . Darüber hinaus umfasst das Elektrofahrrad einen Elektromotor, wobei der Elektromotor mit dem Umlenkgetriebe gekoppelt ist , so dass ein Drehmoment des Elektromotors über das zweite Getriebeelement auf das erste Getriebeelement übertragen wird . Ferner kann das Elektrofahrrad eine Steuerelektronik aufweisen, um den Elektromotor anzusteuern .
Nachfolgend wird eine hier beschriebene Antriebsvorrichtung sowie ein hier beschriebenes Elektrofahrrad unter Bezugnahme auf Zeichnungen anhand von Aus führungsbeispielen näher erläutert . Gleiche Bezugs zeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an . Soweit Elemente oder Bauteile in den verschiedenen Figuren in ihrer Funktion übereinstimmen, wird ihre Beschreibung nicht für j ede der folgenden Figuren wiederholt . Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind Elemente möglicherweise nicht in allen Abbildungen mit entsprechenden
Bezugs zeichen versehen .
Es zeigen :
Figur 1 ein Aus führungsbeispiel eines Elektrofahrrads ,
Figur 2 ein Aus führungsbeispiel der Antriebsvorrichtung in einer Querschnittsansicht ,
Figur 3 ein vergrößerter Ausschnitt aus dem Aus führungsbeispiel der Figur 2 , und
Figuren 4 und 5 das Aus führungsbeispiel der Antriebsvorrichtung der Figur 2 in unterschiedlichen Betriebs zuständen .
Figur 1 zeigt schematisch ein Elektrofahrrad 100 mit einem Fahrradrahmen 50 , welcher unter anderem einen unteren Rahmenabschnitt 60 aufweist , welcher ein Unterrohr ausbildet . Der Rahmenabschnitt 60 erstreckt sich in Richtung eines Tretlagers , welches eine Tretkurbel 40 umfasst , die mit einer Antriebsvorrichtung 1 für das Elektrofahrrad 100 gekoppelt oder koppelbar ist . Die Antriebsvorrichtung 1 ist mit einem Elektromotor gekoppelt oder koppelbar . Der Elektromotor ist hier beispielsweise im Unterrohr des Rahmens 50 angeordnet . Alternativ könnte der Elektromotor auch im Sitzrohr angeordnet sein .
In der Figur 2 ist ein Aus führungsbeispiel der Antriebsvorrichtung 1 in Querschnittsansicht gezeigt . Beispielsweise handelt es sich um die Antriebsvorrichtung 1 aus der Figur 1 . Die Figur 3 zeigt einen Ausschnitt der Figur 2 vergrößert .
Die Antriebsvorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 4 . Innerhalb des Gehäuses 4 ist ein Umlenkgetriebe 2 angeordnet . Das Umlenkgetriebe 2 umfasst ein erstes Getriebeelement 21 und ein zweites Getriebeelement 22 . Vorliegend handelt es sich bei dem Umlenkgetriebe 2 um ein Kegelradgetriebe . Das erste Getriebeelement 21 ist ein Tellerrad und das zweite Getriebeelement 22 ein Kegelritzel .
In der Figur 2 sind außerdem Achsen Al und A2 eingezeichnet . Das Tellerrad 21 ist ( relativ zum Gehäuse 4 ) rotierbar um die erste Achse Al gelagert , das Kegelritzel 22 ist ( relativ zum Gehäuse 4 ) rotierbar um die Achse A2 gelagert . Die Achsen Al und A2 stehen senkrecht aufeinander . In der Figur 2 sind auch eine in Bezug auf die erste Achse Al radiale Richtung R und azimutale Richtung C eingezeichnet . Bei der radialen Richtung R handelt es sich um eine Richtung senkrecht zur ersten Achse Al und bei der azimutalen Richtung C um eine Richtung um die Achse Al . In der Darstellung der Figur 2 zeigt die azimutale Richtung C in die Papierebene .
Das Tellerrad 21 umgibt in radialer Richtung R eine Welle 3 der Antriebsvorrichtung 1 . Die Welle 3 ist ebenfalls rotierbar um die Achse Al gelagert . Bei der Welle 3 handelt es sich um eine Hohlwelle . Die Welle 3 ist aus dem Gehäuse 4 herausgeführt und ist mit einem Kettenblatt verbindbar .
Die Antriebsvorrichtung 1 der Figur 2 ist so eingerichtet , dass das Kegelritzel 22 mit einem Elektromotor für das Elektrofahrrad koppelbar ist . Eine Drehrichtung des Rotors des Elektromotors kann parallel zur Achse A2 und/oder parallel zur Längsachse des Unterrohrs verlaufen .
Durch die vom Elektromotor bereitgestellte Energie wird das Kegelritzel 22 angetrieben, nämlich um die zweite Achse A2 rotiert . Das Kegelritzel 22 ist über eine Schnittstelle 212 mit dem Tellerrad 21 koppelt . Bei der Schnittstelle 212 handelt es sich um eine Verzahnungsschnittstelle . Durch die Kopplung über die Schnittstelle 212 führt eine Rotation des Kegelritzels 22 zu einer Rotation des Tellerrads 21 um die erste Achse Al .
Zwischen dem Tellerrad 21 und der Welle 3 ist eine Kupplung 230 vorgesehen ( siehe Figur 3 ) . Bei der Kupplung 230 handelt es sich vorliegend zum Beispiel um eine Freilaufkupplung . Es könnte aber auch eine andere mechanische Kupplung oder eine Wirbelstromkupplung verwendet sein .
Die Freilaufkupplung ermöglicht es , dass die Welle 3 in eine erste Rotationsrichtung, beispielsweise im oder gegen den Uhrzeigersinn, relativ zum Tellerrad 21 rotieren kann . Andersherum kann das Tellerrad 21 aber in der ersten Rotationsrichtung nicht relativ zur Welle 3 rotieren . Maximal kann das Tellerrad 21 zusammen mit der Welle , also gleichschnell wie die Welle 3 , in der ersten Rotationsrichtung rotieren . Dabei wird durch eine Kopplung zwischen dem Tellerrad 21 und der Welle 3 , bereitgestellt durch die Kupplung 230 , eine die Rotation unterstützendes Drehmoment von dem Tellerrad 21 auf die Welle übertragen . Dies wird im Zusammenhang mit den Figuren 4 und 5 näher erläutert . In der Figur 4 ist die Antriebsvorrichtung 1 in einem ersten Betriebs zustand gezeigt , bei dem alle gezeigten Elemente bis auf das schwarz eingefärbte Element 41 rotieren . Das Element 41 ist ein Gehäuseelement des Gehäuses 4 . Der Rest des Gehäuses 4 ist aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen .
In dem ersten Betriebs zustand rotiert das Kegelritzel 22 um die zweite Achse A2 . An der Schnittstelle 212 wird ein Drehmoment auf das Tellerrad 21 übertragen und dadurch zu einer Rotation um die erste Achse Al in der ersten Rotationsrichtung gezwungen . Durch die Freilaufkupplung 230 wird ein Drehmoment von dem Tellerrad 21 auf die Welle 3 übertragen, so dass die Welle 3 mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit in die erste Rotationsrichtung um die erste Achse Al rotiert wie das Tellerrad 21 . Dieser erste Betriebs zustand ist also insbesondere der Zustand, in dem der Elektromotor ein unterstützendes Drehmoment auf die Welle 3 überträgt . Zum Beispiel wird dieser erste Betriebs zustand eingestellt , wenn das Elektrofahrrad unter einer vorgegebenen Maximalgeschwindigkeit , wie 25 km/h, fährt und der Fahrer in die Pedale tritt . Diese beiden Voraussetzungen werden beispielsweise mit Sensoren des Elektrofahrrads erfasst .
In der Figur 5 ist die Antriebsvorrichtung 1 in einem zweiten Betriebs zustand gezeigt . Wieder sind die schwarz eingefärbten Elemente solche , die nicht rotieren . Hier rotiert also nur die Welle 3 und zwar in die erste Rotationsrichtung um die erste Achse Al . Das Kegelritzel 22 und das Tellerrad 21 rotieren nicht . Das heißt , die Welle 3 rotiert relativ zum Tellerrad 21 in die erste Rotationsrichtung, was durch die Freilaufkupplung 230 zwischen dem Tellerrad 21 und der Welle 3 ermöglicht ist . Dieser zweite Betriebs zustand entspricht beispielsweise dem Betriebs zustand, in dem der Elektromotor ausgeschaltet ist oder das Elektrofahrrad die vorgegebene Maximalgeschwindigkeit überschreitet .
Um im zweiten Betriebs zustand die Rotation der Welle 3 relativ zum Tellerrad 21 zu erleichtern, um eine spezielle Höhe für den Freilauf zu definieren, um radial Kräfte auf zunehmen und um das Tellerrad 21 in Position zu halten, umfasst die Antriebsvorrichtung 1 zwei Lager 231 , 232 ( siehe Figur 3 ) . Die Freilaufkupplung 230 ist axial , in Richtung parallel zur ersten Achse Al , zwischen den beiden Lagern 231 , 232 angeordnet . Bei den Lagern 231 , 232 handelt es sich um Wäl zlager, zum Beispiel Kugellager .
Bei der Antriebsvorrichtung 1 des in den Figuren 2 bis 5 gezeigten Aus führungsbeispiels ist das Tellerrad 21 relativ zur Welle 3 und zum Kegelritzel 22 axial beweglich angeordnet und zwar innerhalb vorgegebener Grenzen . Zum einen ist die axiale Bewegung des Tellerrads 21 in eine erste axiale Richtung, nämlich auf das Kegelritzel 22 zu, durch ein Anschlägen an das Kegelritzel 22 begrenzt . In die entgegengesetzte , zweite axiale Richtung ist die Bewegung des Tellerrads 21 durch ein Anschlägen an ein Begrenzungsmittel 30 in Form einer Anschlagfläche 30 begrenzt . Die Anschlagfläche 30 ist Teil eines Elements 32 , das an der Welle 3 axial fixiert ist . Es könnte die Anschlagfläche 30 aber auch Teil der Welle 3 sein, also integral oder einstückig mit der Welle 3 geformt sein .
Das Tellerrad 21 weist eine weitere Anschlagfläche 210 auf , die der Anschlagfläche 30 zugewandt ist und sowohl radial als auch azimutal mit der Anschlagfläche 30 überlappt . Die Anschlagflächen 30 und 210 sind beispielsweise aus Metall gebildet und mit einem Schmiermittel bedeckt . Ein Vorteil der Beschränkung der axialen Bewegung des Tellerrads 21 mithil fe der Anschlagfläche 30 wird deutlich, wenn man das Kräftediagramm in der Figur 3 betrachtet . Beim Antrieb des Tellerrads 21 durch das Kegelritzel 22 wird eine Kraft F an der Schnittstelle 212 auf das Tellerrad 21 übertragen . Diese Kraft F teilt sich in eine radiale Komponente F_R und eine axiale Komponente F_A auf . Beim Antreiben wird das Tellerrad 21 also mit seiner weiteren Anschlagfläche 210 in axialer Richtung gegen die Anschlagfläche 30 gedrückt . Die axiale Kraft F_A wird dabei über die Anschlagfläche 30 auf die Welle 3 abgeleitet . Insbesondere ist die axiale Kraft F_A größer als eine durch die radiale Kraft F_R verursachte Reibungskraft F_RE , die gegen ein Verschieben des Tellerrads 21 entlang der Achse Al wirkt .
Ohne diese Anschlagfläche 30 würde die axial wirkende Kraft F_A auf die Lager 231 , 232 und/oder die Freilaufkupplung 230 abgeleitet werden . Diese Elemente sind häufig j edoch nicht für die Aufnahme großer axialer Kräfte eingerichtet und könnten durch solche beschädigt werden . Insofern wird durch die Anschlagfläche 30 beziehungsweise die Begrenzung der Bewegungs freiheit des Tellerrads 21 in axialer Richtung die Lebensdauer der Antriebsvorrichtung 1 erhöht .
Die axiale Beweglichkeit des Tellerrads 21 ist darüber hinaus im zweiten Betriebs zustand vorteilhaft , in dem die Welle 3 relativ zum Tellerrad 21 rotiert . In diesem Betriebs zustand wird beispielsweise das Kegelritzel 22 nicht angetrieben, so dass keine axiale Kraft F_A das Tellerrad 21 gegen die Anschlagfläche 30 drückt . Das Tellerrad 21 kann sich zumindest ein Stück weg von der Anschlagfläche 30 bewegen . Dadurch können die beiden Anschlagflächen 30 , 210 verhältnismäßig reibungs frei aneinander vorbei gleiten . Dies kann durch das auf den Anschlagflächen 30 , 210 beziehungsweise das dazwischen vorgesehene Schmiermittel weiter verbessert werden .
Aus den gemachten Erläuterungen wird deutlich, dass die axiale Verschiebbarkeit des Tellerrads 21 relativ zum Kegelritzel 22 beziehungsweise relativ zur Welle 3 vorteilhaft ist verglichen mit einer axialen Fixierung des Tellerrads 21 . Zudem ist eine axiale Fixierung eines Tellerrad 21 sehr aufwändig und wird hier vorteilhaft vermieden .
Wie außerdem aus der Figur 3 hervorgeht , ist das Kegelradgetriebe 2 der vorliegenden Antriebsvorrichtung 1 so gestaltet , dass die Schnittstelle 212 zwischen dem Kegelritzel 22 und dem Tellerrad 21 bezüglich der Achse Al gekippt ist und zwar derart , dass der Kippwinkel a zwischen der Schnittstelle 212 und der Achse Al zumindest 45 ° ist .
Die Anordnung der Anschlagflächen 30 , 210 axial zwischen der Freilaufkupplung 230 beziehungsweise den Lagern 231 , 232 und dem Kegelritzel 22 ist im Hinblick auf ein mögliches Verkanten zwischen dem Tellerrad 21 und dem Kegelritzel 22 vorteilhaft . Die Gefahr des Verkippens zwischen dem Kegelritzel 22 und dem Tellerrad 21 ist zusätzlich dadurch reduziert , dass das zweite Lager 232 verwendet ist .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Aus führungsbeispiele auf diese beschränkt . Vielmehr umfasst die Erfindung j edes neue Merkmal sowie j ede Kombination von Merkmalen, was insbesondere j ede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
1 Antriebsvorrichtung
2 Umlenkgetriebe
3 Welle
4 Gehäuse
21 erstes Getriebeelement
22 zweites Getriebeelement
30 Begrenzungsmittel
32 Element
40 Tretkurbel
41 Gehäuseelement
50 Fahrradrahmen
60 Rahmenabschnitt
100 Elektrofahrrad
210 weitere Anschlagfläche
212 Schnittstelle
230 Kupplung
231 Lager
232 Lager
Al erste Achse
A2 zweite Achse
R radiale Richtung
C azimutale Richtung
F Kraft
F_R radiale Komponente der Kraft F_A axiale Komponente der Kraft F_RE Reibungskraft a Kippwinkel

Claims

Patentansprüche
1. Antriebsvorrichtung (1) für ein Elektrofahrrad (100) , aufweisend :
- eine Welle ( 3 ) ,
- ein Umlenkgetriebe (2) zur Kopplung mit einem Elektromotor einerseits und der Welle (3) andererseits, sodass ein Drehmoment vom Elektromotor über das Umlenkgetriebe (2) auf die Welle (3) übertragbar ist, wobei
- das Umlenkgetriebe (20) ein um eine erste Achse (Al) rotierbares erstes Getriebeelement (21) und ein damit gekoppeltes zweites Getriebeelement (22) aufweist, das um eine schräg zur ersten Achse (Al) verlaufende zweite Achse (A2) rotierbar ist,
- die Antriebsvorrichtung (1) dazu eingerichtet ist,
- durch eine Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement (21) und der Welle (3) ein Drehmoment von dem ersten Getriebeelement (21) auf die Welle (3) zu übertragen,
- die Welle (3) in eine erste Rotationsrichtung relativ zum ersten Getriebeelement (21) zu rotieren,
- das erste Getriebeelement (21) relativ zum zweiten Getriebeelement (22) axial, parallel zur ersten Achse (Al) , innerhalb vorgegebener Grenzen verschiebbar ist, wobei innerhalb der vorgegebenen Grenzen die Getriebeelemente (21, 22) miteinander gekoppelt bleiben.
2. Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei
- die axiale Bewegung des ersten Getriebeelements (21) in eine erste axiale Richtung durch das zweite Getriebeelement (22) und in eine entgegengesetzte, zweite axiale Richtung durch ein Begrenzungsmittel (30) begrenzt ist, - das Begrenzungsmittel (30) zu der Welle (3) und/oder zu dem zweiten Getriebeelement (22) axial fixiert ist.
3. Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei
- die Antriebsvorrichtung (1) so eingerichtet ist, dass bei einer Drehmomentübertragung von dem zweiten Getriebeelement (22) auf das erste Getriebeelement (21) eine axiale Kraft auf das erste Getriebeelement (21) wirkt und diese axiale Kraft über das Begrenzungsmittel (30) auf die Welle (3) oder ein axial zur Welle (3) fixiertes Element abgeleitet wird.
4. Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend
- zumindest ein Lager (231, 232) , mithilfe dessen das erste Getriebeelement (21) relativ zur Welle (3) rotierbar um die erste Achse (Al) gelagert ist.
5. Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei
- eine Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement (21) und der Welle (3) axial zwischen zwei Lagern (231, 232) angeordnet ist.
6. Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement (21) und der Welle (3) eine Freilauf kopplung ist.
7. Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- das Umlenkgetriebe (2) ein Kegelradgetriebe ist, bei dem das erste Getriebeelement (21) ein Tellerrad ist und das zweite Getriebeelement (22) ein Kegelritzel ist.
8. Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- das Umlenkgetriebe (2) ein Übersetzungsverhältnis von zumindest 4 und höchstens 6 aufweist.
9. Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die Welle (3) eine Kettenblattwelle ist.
10. Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 9 im Rückbezug auf Anspruch 2, wobei
- das Begrenzungsmittel (30) eine Anschlagfläche (30) ist,
- dem ersten Getriebeelement (21) eine weitere Anschlagfläche (210) zugeordnet und zu diesem axial fixiert ist,
- die Anschlagflächen (30, 210) sich in axialer Richtung gegenüber liegen, radial und azimutal miteinander überlappen und einander zugewandt sind,
- die Anschlagflächen (31, 210) dazu eingerichtet sind, zur Begrenzung der axialen Bewegung des ersten Getriebeelements (21) aneinander anzuschlagen.
11. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei
- die Anschlagflächen (30, 210) axial zwischen dem zweiten Getriebeelement (22) und der Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement (21) und der Welle (3) positioniert sind.
12. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei
- der Bereich, in dem die Anschlagflächen (30, 210) aneinander anschlagen, radial zur Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement (21) und der Welle (3) versetzt ist.
13. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei
- die Anschlagflächen (30, 210) metallisch sind,
- auf den Anschlagflächen (30, 210) ein Schmiermittel auf getragen ist.
14. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- das erste Getriebeelement (21) die Welle (3) zumindest teilweise radial umgibt,
- die Schnittstelle der Kopplung zwischen dem ersten Getriebeelement (21) und der Welle (3) in radialer Richtung zwischen der Welle (3) und dem ersten Getriebeelement (21) angeordnet ist und in axialer Richtung mit dem ersten Getriebeelement (21) und der Welle (3) überlappend angeordnet ist .
15. Elektrofahrrad (100) mit
- einer Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- einem Elektromotor, wobei
- der Elektromotor mit dem Umlenkgetriebe (2) gekoppelt ist, sodass ein Drehmoment des Elektromotors über das zweite Getriebeelement (22) auf das erste Getriebeelement (21) übertragen wird.
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