DE102015106564B3

DE102015106564B3 - Antriebsanordnung für ein Fahrrad

Info

Publication number: DE102015106564B3
Application number: DE102015106564.9A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2035-04-29

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist eine Antriebsanordnung für ein Fahrrad, mit einem Kurbelantrieb, der eine Antriebskraft von einem kurbelantriebsnahen Kettenblatt auf ein hinterradnahes Ritzel mittels eines endlos umlaufenden Zugmittels, wie Kette oder Zahnriemen, überträgt und ein Hinterrad des Fahrrades zur Fortbewegung in Rotation versetzt, mit einer ersten Übersetzung zwischen Kettenblatt und dem Ritzel, welche ausschließliche ein Übersetzungsverhältnis von i < 1 aufweist, mit einem stufenlos schaltbaren Hauptgetriebe, welches am Hinterrad angeordnet ist und eine Übersetzung der vom Ritzel aus auf das Hinterrad wirkenden Antriebskraft ermöglicht, mit einer zweiten Übersetzung, welche ausschließlich durch das Hauptgetriebe realisiert wird, mit einem am Hinterrad angeordneten, der ersten Übersetzung im Kraftfluss nachgeschalteten Hilfsmotor, wobei im Kraftfluss zwischen Hilfsmotor und Hauptgetriebe ein Reduziergetriebe angeordnet ist, über welches die Antriebsenergie des Hilfsmotors in das Hauptgetriebe eingebracht ist, wobei das Reduziergetriebe eine Reduzierübersetzung von ausschließlich i > 1 aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Fahrrad, mit einem Kurbelantrieb, der eine Antriebskraft von einem kurbelantriebsnahen Kettenblatt auf ein hinterradnahes Ritzel mittels eines endlos umlaufenden Zugmittels, wie Kette oder Zahnriemen, überträgt und ein Hinterrad des Fahrrades zur Fortbewegung in Rotation versetzt, mit einer ersten Übersetzung zwischen Kettenblatt und dem Ritzel, welche ausschließliche ein Übersetzungsverhältnis von i < 1 aufweist, mit einem insbesondere stufenlos schaltbaren Hauptgetriebe, welches am Hinterrad angeordnet ist und eine Übersetzung der vom Ritzel aus auf das Hinterrad wirkenden Antriebskraft ermöglicht, mit einer zweiten Übersetzung, welche ausschließlich durch das Hauptgetriebe realisiert wird und mit einem am Hinterrad angeordneten, der ersten Übersetzung im Kraftfluss nachgeschalteten Hilfsmotor.
Aus dem alltäglichen Gebrauch sind Getriebe für Fahrräder, die sich gestuft schalten lassen, in im Wesentlichen zwei unterschiedlichen Bauformen bekannt. Es existiert zunächst die sogenannte Nabenschaltung, bei welcher die Getriebebauteile in der Radnabe des Hinterrades eines Fahrrades angeordnet sind. Daneben existiert die sogenannte Kettenschaltung, bei welcher am Hinterrad mehrere Zahnräder – die sogenannten Ritzel – mit unterschiedlicher Zahnanzahl und unterschiedlichem Außenumfang angeordnet sind. Über eine Mechanik lässt sich die Kette je nach gewünschtem Übersetzungsverhältnis über eines der Ritzel führen.
Mit dem Aufkommen von Fahrrädern mit insbesondere elektrischem Hilfsantrieb, den sogenannten Pedelecs, haben stufenlos schaltbare Fahrradgetriebe an Bedeutung gewonnen. Ein solches Fahrradgetriebe ist beispielsweise in DE 10 2012 022 953 A1 offenbart. Auf einer starren Achse ist ein Ritzel angeordnet, über welches die Vortriebskraft in das Getriebe eingeleitet wird. Über ein innerhalb eines Getriebegehäuses angeordnetes Doppelkegel-Ring-Getriebe und ein diesem Reibgetriebe nachgeordnetes Zahnrad-Planetengetriebe wird das als Radnabe dienende Getriebegehäuse in Rotation versetzt.
Bei Fahrrädern im Allgemeinen, auch bei der Unterkategorie der Pedelecs, ist der Bauraum für Getriebe und Hilfsmotoren naturgemäß eingeschränkt. Das Fahrrad soll ein möglichst geringes Eigengewicht haben, da die Benutzer die Fahrräder regelmäßig anheben müssen, beispielsweise bei der Anreise mit dem PKW zum Ausgangspunkt einer Radfahrstrecke. Deshalb müssen Getriebe wie auch Hilfsmotoren nach Möglichkeit ein geringes Eigengewicht aufweisen.
Dem stehen die physikalischen Anforderungen jedoch entgegen. Die auf das Getriebe wirkende Drehzahl ist vergleichsweise gering, da die Bewegungsgeschwindigkeit der menschlichen Beine limitiert ist. Daraus folgt zwangsläufig eine vergleichsweise hohe Drehmomentbelastung der Komponenten, insbesondere dann, wenn das Nutzergewicht für den Antrieb des Fahrrads mitgenutzt wird, wie es beispielsweise beim sogenannten Wiegetritt der Fall ist. Ein durchschnittlicher Radfahrer erzeugt Drehmomente von etwa 50 Nm, beim Wiegetritt können Drehmomente von 180 Nm auftreten, im Leistungssport sind noch höhere Drehmomente möglich. Um solchen Drehmomenten standzuhalten, müssen entsprechend stabile Komponenten im Getriebe verbaut werden, was den Anforderungen an Bauraum- und Gewichtsersparnis entgegengesetzt ist.
Vergleichbar widerstreitende Anforderungen werden an den Hilfsmotor gestellt. Je nach Anordnung als Nabenmotor oder Mittelmotor – der Mittelmotor wirkt auf Rotationsachse des Kurbelantriebs – müssen insbesondere zur Anfahrunterstützung wie auch zur Unterstützung bei Gegenwind und Bergauffahrt hohe Drehmomente bei vergleichsweise geringer Motordrehzahl bereitgestellt werden, was eine Mindestmotorgröße erfordert. Unter der Prämisse einer Gewichts- und Bauraumoptimierung wären jedoch kleine Motoren wünschenswert, die mit einem geringen Drehmoment, jedoch hoher Drehzahl den Vortrieb des Fahrrades unterstützen.
Mit den Patentanmeldungen DE 10 2014 117 137 A1 , DE 10 2014 117 138 B3 und DE 10 2014 117 140 B3 hat sich die Anmelderin dieser Probleme angenommen. Durch die geschickte Anordnung untersetzender und übersetzender Getriebe werden die Eingangsdrehzahlen von Kurbeltrieb und Hilfsmotor derart erhöht, dass ein kompakt gestaltetes, stufenlos schaltbares Hauptgetriebe einsetzbar ist. Zusätzlich ist es möglich, die vorgenannten Komponenten innerhalb eines Nabengehäuses am Hinterrad zu integrieren.
Die DE 197 02 872 A1 zeigt, dass eine Motorausgangsdrehzahl durch ein Reduziergetriebe verringert werden kann, um die Antriebsenergie des Motors zum Vortrieb eines Fahrrades zu nutzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Bauraum und das Gewicht einer derart integrierten Antriebsanordnung am Hinterrad eines Fahrrades weiter zu reduzieren.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst von einem stufenlosen Fahrradgetriebe mit den Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere mit den kennzeichnenden Merkmalen, wonach im Kraftfluss zwischen Hilfsmotor und Hauptgetriebe ein Reduziergetriebe angeordnet ist, über welches die Antriebsenergie des Hilfsmotors in das Hauptgetriebe eingebracht ist, wobei das Reduziergetriebe eine Reduzierübersetzung von ausschließlich i > 1 aufweist.
Weiterhin ist vorgesehen, dass zwischen der ersten und der zweiten Übersetzung eine dritte Übersetzung angeordnet ist, deren Übersetzungsverhältnis ausschließlich i deutlich kleiner 1 ist. Diese erhöht die vom Kurbeltrieb des Fahrrads eingehende Drehzahl um ein Vielfaches, um das auf das Hauptgetriebe wirkende Drehmoment zu reduzieren.
Die Erfindung hat zunächst erkannt, dass der integrierte Motor eines der Bauteile ist, welches durch geschickte Gestaltung großes Potenzial zur Bauraum- und Gewichtsminimierung besitzt. Um einen möglichst schmalen und leichten Motor einsetzen zu können, ergänzt die Erfindung die Antriebsanordnung um ein weiteres Getriebe mit fester Übersetzung, nämlich das erfindungsgemäße Reduziergetriebe. Dies ist Voraussetzung dafür, dass ein axial schmal bauender Motor mit hoher Umdrehungszahl eingesetzt werden kann, dessen Drehmomentschwäche sodann durch das Reduziergetriebe kompensiert wird. Hierzu weist das Reduziergetriebe eine Übersetzung von ausschließlich i > 1 auf, wobei der Motor als Antriebsseite zur Bestimmung des Übersetzungsverhältnisses anzusehen ist. Das Reduziergetriebe vermindert die hohe Motordrehzahl und koppelt den Hilfsmotor so in den Kraftfluss zum Hauptgetriebe ein.
Dabei macht sich die Erfindung den Umstand zu Nutze, dass ein schaltbares Hauptgetriebe, dessen Übersetzungsverhältnisse i > 1 sind, die Grundvoraussetzung dafür schafft, hohe Eingangsdrehzahlen mit geringem Drehmoment am Getriebe anstehen zu lassen. Gleichzeitig bietet das wie vorgenannt ausgestaltete Hauptgetriebe die Möglichkeit, Ausgangsdrehzahlen und -drehmomente bereitzustellen, die für den Vortrieb des Fahrrades günstig sind. Das erfindungsgemäße Hauptgetriebe ist also die unbedingte Voraussetzung, um durch eine Veränderung der ersten Übersetzung das Antriebsdrehmoment reduzieren zu können. Besonders bevorzugt ist ein Hauptgetriebe, welches als stufenlos schaltbares Reibrad-Umlaufgetriebe ausgebildet ist.
Ein vergleichbares Getriebe ist in der DE 106 72 74 für industrielle Zwecke offenbart. Es ist – wie die Erfindung erkannt hat – als Ansatz zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besonders gut geeignet, da das Getriebegehäuse rotationslos gehalten werden kann und deshalb als Träger für diverse Antriebskomponenten eines Fahrradhinterrades dienen kann.
Die Erfindung hat weiterhin erkannt, dass – ausgehend vom Ritzel als Ausgangspunkt des Kraftflusses – zunächst die durch ein erstes Zahnrad-Umlaufgetriebe realisierte dritte Übersetzung drehzahlerhöhend wirkt. Hinter dem ersten Zahnrad-Umlaufgetriebe ist das Reduziergetriebe in Form eines zweiten Zahnrad-Umlaufgetriebes angeordnet. Über dieses wird die Antriebsenergie des Hilfsmotors in den Kraftfluss eingespeist. Sodann ist dem Kraftfluss folgend das Hauptgetriebe angeordnet, welches mit einer Übersetzung von i > 1 die hohen Drehzahlen innerhalb der Antriebsordnung in adäquate Ausgangsdrehzahlen für den Vortrieb des Fahrrades wandelt.
Die gestaffelte Anordnung der Zahnrad-Umlaufgetriebe erlaubt es, ein gemeinsames Hohlrad für beide Getriebe vorzusehen und damit zunächst den Bauraum zu optimieren. Weiterhin ergeben sich hierdurch steuerungstechnische Vorteile, da am Hohlrad das gemeinsame Drehmoment von Kurbelantrieb und Hilfsmotor erfasst werden kann.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher der Motor innerhalb des feststehenden Getriebegehäuses angeordnet ist. Hierzu trägt das feststehende Getriebegehäuse innenumfänglich den Stator, dem ein Rotor zugeordnet ist. Hierbei ist vorgesehen, den Rotor mit dem Reduziergetriebe zu koppeln.
Das als Reibrad-Umlaufgetriebe ausgestaltete Hauptgetriebe weist eine variable Übersetzung mit einem Übersetzungsverhältnis i > 1 über den gesamten Verstellbereich auf und wandelt so die hohen Eingangsdrehzahlen in adäquate Ausgangsdrehzahlen zum Antrieb des Hinterrades des Fahrrades.
Weitere Vorteile der Erfindung sowie ein besseres Verständnis derselben folgen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Es zeigt:
1: einen Längsschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung.
In den Figuren ist eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung insgesamt mit der Bezugsziffer 10 versehen.
Die Antriebsanordnung 10 wird im Folgenden anhand der 1 in seinem Aufbau erläutert.
Die Erfindung geht von einem Fahrrad aus, wie es allgemein in Form eines Zweirades – als Sonderform dreirädrig – bekannt ist. Ein Rahmen trägt ein Vorderrad und ein Hinterrad, wobei ein Kurbelantrieb vorgesehen ist, der mittels einer Kette oder eines Zahnriemens über ein vorderes Kettenblatt die Antriebskraft auf ein am Hinterrad angeordnetes Ritzel aufbringt. In der Regel ist das Kettenblatt von seinem Umfang her größer als das Ritzel am Hinterrad. Deshalb stellt sich zwischen Kettenblatt und Ritzel ein erstes Übersetzungsverhältnis ein. Die Übersetzung ist definiert als i = Abtrieb / Antrieb , wobei für Abtrieb und Antrieb wahlweise die Anzahl der Zähne bzw. der wirksame Radumfang anzusetzen ist. Das Übersetzungsverhältnis zwischen Kettenblatt und hinterem Ritzel ist also in der Regel i < 1.
Eine starre, das heißt rotationslos in der hinteren Gabel gehaltene Achse 11 – auch Tragachse 11 genannt – trägt erste Lager 12, mittels derer eine Hülse 13 – auch Antriebshülse 13 genannt – auf der Achse 11 gehalten ist. Die Hülse 13 kann dank der Lager 12 um die Achse 11 rotieren. Ein Zahnrad, das sogenannte Ritzel 14 ist drehfest mit der Antriebshülse 13 verbunden.
Das Ritzel 14 stellt für die folgenden Betrachtungen die Antriebsseite des erfindungsgemäßen Fahrradgetriebes dar.
Am axial dem Ritzel 14 gegenüberliegenden Ende der Achse 11 ist die Radnabe 17 angeordnet. Sie ist über zweite Lager 18 rotativ an der Achse 11 festgelegt, kann sich also um die Achse 11 herum drehen.
Dem Ritzel 14 im Kraftfluss nachgeordnet ist ein erstes Zahnrad-Umlaufgetriebe 19. Dieses umfasst – im Kraftfluss gesehen – zunächst einen ersten Planetenträger 20, der Planetenräder in Form von Zahnrädern 21 trägt und drehfest auf der Hülse 13 angeordnet ist. Infolgedessen dreht sich der Planetenträger 20 mit derselben Umdrehungszahl wie die Hülse 13.
Das erste Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 beinhaltet ferner ein Innenrad 22 mit einer Außenverzahnung, um welches die Zahnrad-Planeten 21 – in die Verzahnung eingreifend – herumlaufen. Ferner umfasst das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 ein äußeres Hohlrad 23 mit einer Innenverzahnung, welches die Planetenräder 21 umgibt.
Das Innenrad 22 weist ein Koppelglied 24 auf, mit welchem es rotationsbeweglich auf der Hülse 13 gelagert ist. Infolgedessen kann sich das Innenrad 22 relativ zur Hülse 13 drehen. Das Hohlrad 23 hingegen ist rotationsstarr angeordnet vom Gehäuse 41 gehalten und dreht sich in Bezug auf die Hülse 13 bzw. die Achse 11 nicht. Das erste Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 realisiert die dritte Übersetzung.
Die Antriebsanordnung 10 beinhaltet ferner ein insgesamt mit der Bezugsziffer 25 versehenes Reibrad-Umlaufgetriebe. Das Reibrad-Umlaufgetriebe 25 beinhaltet zunächst eine Außensonne 26, die von zwei Außenlaufringen 27 gebildet ist. Die Außenlaufringe 27 sind zueinander beabstandet angeordnet und bilden zwischen sich einen ersten Spalt 28. Ein Außenlaufring 27 lässt sich in Längsrichtung der Achse 11 verschieben. Die Außenlaufringe 27 sind hinsichtlich der Achse 11 rotationsfest am Getriebegehäuse 41 angeordnet. Eine Rotation der Außenlaufringe 27 bzw. der Außensonne 26 um die Achse 11 herum findet grundsätzlich nicht statt. Eine Ausnahme besteht lediglich bei einer Verstellung des verschieblichen Laufrings 27, die mit einer Schraubbewegung einhergeht.
Das Reibrad-Umlaufgetriebe 25 umfasst ferner eine Innensonne 29. Die Innensonne 29 wird von zwei zueinander beabstandet angeordneten Innenlaufringen 30 gebildet. Die Innenlaufringe 30 bilden zwischen sich einen zweiten Spalt 31 und sind hinsichtlich der Achse 11 in Axialrichtung verschieblich gelagert. Sie sind außerdem rotativ hinsichtlich der Achse 11 gelagert, rotieren demnach um die Achse 11. Die Innenlaufringe 30 sind zueinander drehfest gekoppelt, beispielsweise über Stifte oder eine gemeinsame, verzahnte Hülse. Die Spaltweite des zweiten Spaltes 31 wird über eine Drehmomentkupplung gesteuert, die unter anderem einen Koppelring 33 beinhaltet, der rotationsfest mit dem Innenrad 22, insbesondere dessen Koppelglied 24 verbunden ist. Eine Tellerfeder 67 dient als Vorspannelement der Drehmomentkupplung.
Die Drehmomentkupplung hält die Innensonne 29, ist zudem rotationsgekoppelt auf dem Koppelglied 24 des Innenrades 22 angeordnet und dreht sich demzufolge mit der gleichen Umdrehungszahl wie das Innenrad 22. Das Koppelglied 24 ist gleichsam die Verbindung zwischen Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 und der Innensonne des Reibrad-Umlaufgetriebes 25.
Zwischen der Innensonne 29 und der Außensonne 26 des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 sind Doppelkegelräder 34 angeordnet. Das Doppelkegelrad 34 ist dabei so aufgebaut, dass die Kegelbasen aneinander anliegen und in den ersten Spalt 28 zwischen den Außenlaufringen 27 und den zweiten Spalt 31 zwischen den Innenlaufringen 30 eintauchen, so dass die Kegelumfangsflächen an den Außenlaufringen 27 und Innenlaufringen 30 abrollen.
Die Doppelkegelräder 34 sind ihrerseits mit einem zweiten Planetenträger 38 verbunden, der die Doppelkegelräder 34 hält. Der zweite Planetenträger 38 umfasst Schwingen 36, die einerseits jeweils eine Achse 56 eines Doppelkegelrades 34 halten und andererseits über einen Bolzen an dem Planetenträger 38 festgelegt sind. Die Schwingen 36 sind in bevorzugter Ausführungsform einteilig und aus einem Sintermetall gefertigt, welches als Lager für den Bolzen und die Achse 56 dient.
Dieser Aufbau des zweiten Planetenträgers 38 ermöglicht eine Radialbewegung der Doppelkegelräder 34 in Bezug auf die Achse 11. 7 zeigt den zweiten Planetenträger 38 in seiner Anordnung im Getriebegehäuse 41.
Der zweite Planetenträger 38 rotiert um die Achse 11 und ist mit einer Abtriebshülse 39 über einen Freilauf 66 in Vortriebsrichtung rotationsfest verbunden, das heißt, dass sich die Abtriebshülse 39 in Vortriebsrichtung mit der gleichen Umdrehungszahl wie der Planetenträger um die Achse 11 dreht. Die Abtriebshülse 39 ist zudem drehfest mit der Radnabe 17 gekoppelt, so dass diese sich mit derselben Umdrehungszahl wie die Abtriebshülse 39 um die Achse 11 dreht.
Zum Reibrad-Umlaufgetriebe 25 gehört schließlich noch eine Verstelleinrichtung 40, mit welcher die axiale Spaltweite des ersten Spaltes 28 verändert werden kann. Das Reibrad-Umlaufgetriebe 25 bildet das Hauptgetriebe.
Innerhalb des Getriebegehäuses 41 ist im Kraftfluss zwischen dem ersten Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 und dem Reibrad-Umlaufgetriebe 25 ein Reduziergetriebe 42 angeordnet, welches als zweites Zahnrad-Umlaufgetriebe ausgebildet ist. Der Ausgang des Reduziergetriebes 42 wird durch einen dritten Planetenträger 43 gebildet, der mit dem Koppelglied 24 drehfest verbunden ist. Dieser Planetenträger 43 hält Planetenzahnräder 44, die sich das Hohlrad 23 mit dem ersten Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 teilen. Das Innenrad 45 ist über ein Lager 46 rotationsbeweglich auf dem Koppelglied 24 angeordnet und somit zu diesem relativ drehbar. Über einen Rotorträger 47 ist das Innenrad 45 mit dem Rotor 48 eines Hilfsmotors 50 gekoppelt, dessen Stator 51 am Getriebegehäuse 41 angeordnet ist. Das Reduziergetriebe 42 weist, ausgehend vom Hilfsmotor, eine Übersetzung von i > 1 auf. Es reduziert folglich die Motordrehzahl zur Übertragung an das Hauptgetriebe 25.
Das Getriebegehäuse 41 ist über eine nicht dargestellte Drehmomentstütze fest mit dem Rahmen des Fahrrades verbunden. Infolgedessen ist das Getriebegehäuse 41 rotationsfest, also starr am Fahrradrahmen angeordnet und dreht sich nicht um die Achse 11. Sowohl das Hohlrad 23 des Zahnrad-Umlaufgetriebes 19 bzw. des Reduziergetriebes 42 wie auch die Außensonne 26 des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 sind deshalb rotationsfest am Getriebegehäuse 41 festgelegt.
Funktion des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels:
Über einen nicht dargestellten Kurbelantrieb, der ein vorderes Kettenblatt aufweist, wird über ein Zugmittel, beispielsweise eine Kette, eine Antriebskraft auf das hintere Ritzel 14 übertragen. Alternativ zu einem gängigen Kettenantrieb, bei welchem das vordere Kettenblatt sowie das Ritzel 14 als Zahnrad ausgebildet und über eine Kette miteinander verbunden sind, ist der Antrieb über einen Zahnriemen denkbar und hat aufgrund einer geringeren Geräuschentwicklung sowie eines Betriebes ohne Schmiermittel nicht unerhebliche Vorteile.
Das vordere Kettenblatt ist größer als das hintere Kettenblatt, so dass zusammen mit dem Zugmittel eine erste Übersetzung gebildet ist. Diese kann auch als Zugmittelgetriebe bezeichnet werden. Diese erste Übersetzung weist meistens ein Übersetzungsverhältnis von i deutlich kleiner 1 auf. Eine relative langsame Umdrehung des vorderen Kettenblattes wird so in eine hierzu schnellere Umdrehung des hinteren Ritzels 14 gewandelt. Das auf die Antriebshülse 13 wirkende Drehmoment wird entsprechend reduziert. Diese erste Übersetzung ist im vorliegenden Fall nicht schaltbar.
Die in den Figuren dargestellte, Antriebsanordnung 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel Bestandteil des Hinterrades, welches mittels der starren Achse 11 in der hinteren Gabel des Fahrradrahmens eingespannt ist. Die über das Zugmittelgetriebe auf das Hinterrad zu übertragende Vortriebskraft wird von der drehfest mit dem Ritzel 14 verbundenen, jedoch rotationsbeweglich auf der Achse 11 gelagerten Antriebshülse 13 – hierzu dienen die ersten Lager 12 – in das Getriebegehäuse 41 geführt. Das Getriebegehäuse 41 ist über eine Drehmomentstütze rotationsfest mit dem Rahmen verbunden und hält die Antriebshülse 13 rotationsbeweglich.
Die Antriebskraft in Form einer Rotationsbewegung wird von der Antriebshülse 13 auf das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 weitergeleitet, dessen Planetenträger 20 hierfür drehfest auf der Antriebshülse 13 angeordnet ist. Er rotiert folglich mit der Antriebshülse 13. Das außenliegende Hohlrad 23 des Zahnrad-Umlaufgetriebes 19 bildet den drehfesten Bestandteil, da es rotationslos mit dem Getriebegehäuse 41 verbunden ist. Infolgedessen wird die Drehbewegung über die am Planetenträger 20 gehaltenen Planetenzahnräder 21 an das Innenrad 22 weitergegeben, wobei hier eine weitere Übersetzung mit einem Übersetzungsverhältnis i < 1 realisiert ist. Diese Übersetzung wird im Folgenden sprachlich als dritte Übersetzung definiert und durch das erste Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 realisiert. Durch das Übersetzungsverhältnis i < 1 wird damit die Umdrehungsgeschwindigkeit gegenüber dem Ritzel 14 weiter erhöht. Hierdurch findet eine weitere Drehmomentreduzierung gegenüber dem auf den Kurbelantrieb wirkenden Drehmoment statt. Die dritte Übersetzung ist nicht schaltbar.
Das Innenrad 22 des ersten Zahnrad-Umlaufgetriebes 19 ist rotationsbeweglich auf der Antriebshülse 13 gelagert, es kann sich demzufolge relativ zur Antriebshülse 13 drehen.
An das Innenrad 22 ist ein Koppelglied 24 angesetzt, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch die Lagerung des Innenrades 22 auf der Antriebshülse 13 realisiert. Über das Koppelglied 24 wird die Antriebskraft in Form der erheblich gesteigerten Antriebsdrehzahl bei entsprechender Drehmomentreduktion in das Reibrad-Umlaufgetriebe 25 eingeleitet, welches eine stufenlose Übersetzung der in das Getriebegehäuse 41 eingebrachten Eingangsrotationsbewegung in eine das Rad antreibende Ausgangsrotationsbewegung ermöglicht.
Einen Bestandteil des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 bildet die feststehende Außensonne 26, die aus zwei Ringen, nämlich den Außenlaufringen 27 gebildet ist. Diese sind rotationsfest am rotationslos gehaltenen Getriebegehäuse 41 festgelegt. Die Axialverschiebung eines Außenlaufringes 27 ist über eine Verstelleinrichtung 40 möglich. Doppelkegelräder 34 – wenigstens drei, bevorzugt 6 an der Zahl – laufen mit ihren Kegelflächen an den Innenlaufringen 30 und Außenlaufringen 27 ab, die hierzu jeweils einen ersten Spalt 28 bzw. zweiten Spalt 31 zwischen sich bilden. Da die Innensonne 29 über die Bewegungskopplung mit dem Koppelglied 24 rotiert und die Außensonne 26 drehfest angeordnet ist, wird die Rotationsbewegung der Innensonne 29 auf die Doppelkegelräder 34 übertragen, die diese auf ihren Planetenträger 38 weitergeben, so dass dieser ebenfalls rotiert. Die Übersetzung im Reibrad-Umlaufgetriebe 25 – sprachlich als zweite Übersetzung definiert – weist ein Übersetzungsverhältnis von i > 1 auf, welches über den gesamten Verstellbereich des stufenlos verstellbaren Reibrad-Umlaufgetriebes 25 gewährleistet ist.
Um das Übersetzungsverhältnis i des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 zu verändern, wird über die aktiv regelbare Verstelleinrichtung 40 – auch erste Verstelleinrichtung 40 genannt – die Spaltweite des ersten Spaltes 28 verändert. Um das Übersetzungsverhältnis zu vergrößern, wird der erste Spalt 28 geweitet, so dass die Doppelkegelräder 34 tiefer in den Spalt 28 eintauchen und Ihre Bewegungsbahn um die Innensonne 29 einen größeren Umfang erhält. Bei einer Weitung des ersten Spaltes 28 führt die Drehmomentkupplung der Innensonne 29 den zweiten Spalt 31 nach und verengt diesen. Hierdurch werden die Doppelkegelräder 34 auf ihre neue Umlaufbahn bewegt und tiefer in den erweiterten ersten Spalt 28 hineinbewegt. Die Drehmomentkupplung bildet in diesem Sinne eine zweite, passiv nachführende Verstelleinrichtung. Sie übt eine zum Antriebsmoment proportional wirkende Anpresskraft auf den linken Innenlaufring 30 aus. Die Reaktionskraft wirkt über das Koppelglied 24 auf den rechten Innenlaufring 30.
Selbstverständlich ist es in der Umkehrung des Verstellprinzips möglich, die Spaltbreite des zweiten Spaltes 31 aktiv durch eine Verstelleinrichtung zu beeinflussen und die Spaltweite des ersten Spaltes 28 passiv nachzuführen.
Um die Radialbewegung der Doppelkegelräder 34 zu ermöglichen, sind diese über Schwingen 36 mit dem Planetenträgerring 38 verbunden. Je weiter innen die Doppelkegelräder 34 laufen, desto kleiner ist das Übersetzungsverhältnis im Reibrad-Umlaufgetriebe 25, je weiter außen die Kegelräder 34 laufen, desto größer ist das Übersetzungsverhältnis. Dabei bleibt jedoch eine Grundvoraussetzung bestehen; das Übersetzungsverhältnis im Reibrad-Umlaufgetriebe 25 ist immer i > 1. Wurde also die Umdrehungsgeschwindigkeit ausgehend vom Kurbelantrieb bis zum Eingang in das stufenlos verstellbare Reibrad-Umlaufgetriebe 25 kontinuierlich erhöht, um das Drehmoment zu reduzieren, fand also eine Übersetzung ins Schnelle statt, so kehrt das Reibrad-Umlaufgetriebe 25 dies unter Erhöhung des Drehmomentes um und übersetzt ins Langsame. Durch die massive Reduzierung des Antriebsdrehmomentes bei Erhöhung der Drehzahl ist es möglich, ein kleinbauendes Getriebe zu schaffen, welches auf seiner Abtriebsseite dennoch ausreichend Drehmoment zur Fortbewegung des Fahrrades liefert.
Der zweite Planetenträger 38 des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 ist drehfest mit der Abtriebshülse 39 verbunden, an welcher – ebenfalls drehfest – die hier glockenförmig ausgebildete Radnabe 17 befestigt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird hierzu die Radnabe 17 an der Abtriebshülse 39 schraubbefestigt. Infolgedessen wird die Abtriebshülse 39 und die Radnabe 17 mit der Ausgangsumdrehungszahl des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 bewegt.
Die Radnabe 17 weist außenumfänglich zwei voneinander beabstandete, umlaufende Kränze 55 auf, die als Speichenträger für das Hinterrad des Fahrrades dienen.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Antriebsanordnung 10 ist weiterhin die Nutzung des Reibrad-Umlaufgetriebes 25 als stufenlos verstellbare Getriebeeinheit, die ein Übersetzungsverhältnis von ausschließlich i > 1 aufweist. Dies ermöglicht es, hohe Eingangsdrehzahlen mit niedrigen Drehmomenten über ein kompakt bauendes Getriebe in für den Fahrradvortrieb günstige Ausgangsdrehzahlen zu wandeln. Je nach Fahrradgröße ist die dritte Übersetzung durch das hier im Beispiel genutzte Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 nicht erforderlich. Die erste Übersetzung vom Kettenblatt auf das Ritzel 14 kann ausreichend hohe Drehzahlen erzeugen, so dass auf diese dritte Übersetzungsstufe verzichtet werden kann.
Das starre Getriebegehäuse 41 ermöglicht es, das wie beschrieben funktionierende Reibrad-Umlaufgetriebe auszubilden und bietet gleichzeitig die Voraussetzungen, das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 und das Reduziergetriebe 42 zu integrieren.
Erfindungsgemäß weist die Antriebsordnung einen innerhalb des Getriebegehäuses 41 angeordneten, vorzugsweise elektrischen, Hilfsmotor 50 auf, der den Kurbelantrieb unterstützen soll. Um einen kompakten und leichten Hilfsmotor 50 einsetzen zu können, ist der Hilfsmotor 50 über das Reduziergetriebe 42 in den Kraftfluss geschaltet. Das Reduziergetriebe 42 mit seiner Übersetzung i > 1 – ausgehend vom Motor 50 als Antrieb – vermindert die Drehzahl eines kleinen, schnell drehenden Hilfsmotor unter gleichzeitiger Drehmomenterhöhung. Auf diese Weise lässt sich das Gewicht wie auch der axiale Bauraum der Antriebsanordnung erheblich reduzieren.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik kommt demnach durch das Reduziergetriebe 42 zustande, welcher die Integration eines schmalen, schnell drehenden Motors in die auf der Achse 11 des Hinterrades angeordnete Antriebseinheit 10 ermöglicht.
Am Hohlrad 23, welches Bestandteil des Reduziergetriebes 42 wie auch des ersten Zahnrad-Umlaufgetriebes 19 ist, kann besonders vorteilhaft das gemeinsame Drehmoment des Kurbeltriebes und des Hilfsmotors 42 erfasst werden, um die erforderlichen Informationen für eine Steuerung zu erhalten.
Das Reibrad-Umlaufgetriebe 25 ermöglicht eine Verstellung des Übersetzungsverhältnisses um das ca. 1,5 bis 6-fache zwischen seiner kleinsten und seiner größten Übersetzung.
Bei Fahrrädern zwischen 26 und 29 Zoll Größe unter Verwendung der Erfindung wird über Kettenblatt und Ritzel 14 oder über vordere und hintere Riemenscheiben ein Übersetzungsverhältnis von i = 0,5 bis 0,7 angestrebt. Ein Übersetzungsverhältnis von i = 0,59 wird beispielsweise realisiert, indem das Kettenblatt des Kurbelantriebs 34 Zähne und das Ritzel 20 Zähne aufweist.
Weiterhin empfiehlt die Erfindung, das im Ausführungsbeispiel dargestellte Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 einzusetzen und hier ein Übersetzungsverhältnis von i ca. 0,34 anzustreben, so dass die Gesamtübersetzung aus erster Übersetzung und dritter Übersetzung durch das Zugmittelgetriebe und das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 i etwa 0,2 ergibt. Die Kurbeldrehzahl wird so fünffach erhöht. Alternativ lässt sich selbstverständlich ein Übersetzungsverhältnis von i 0,2 auch allein über Kettenblatt und Ritzel 14 und deren Dimensionierung realisieren.
Die zweite Übersetzung, realisiert durch das Reibrad-Umlaufgetriebe 25, weist in jedem Fall Übersetzungsverhältnisse i > 1 auf, wobei ein Übersetzungsverhältnis von i = 1,5 bis i = 6 oder mehr und somit ein vierfacher Verstellbereich angestrebt ist.
Die Übersetzung i > 1 des Reduziergetriebes ist so zu wählen, dass die Drehzahl des Motors zur harmonischen Eingliederung in den Kraftfluss reduziert wird.
In einem praktischen Beispiel liegt die maximale Kurbelumdrehung des Kurbelantriebs bei ca. 100 U/min. Diese wird durch die erste Übersetzung und das Zahnrad-Umlaufgetriebe 19 auf eine Eingangsdrehzahl für das Hauptgetriebe von etwa 500 U/min angehoben. Der Hilfsmotor 50 läuft mit eine maximalen Drehzahl von 1500 U/min, also dem 15-fachen der Kurbelumdrehung. Dies ermöglicht einen axial schmal bauenden, kleinen und leichten Hilfsmotor 50 einzusetzen. Die Drehzahl des Hilfsmotors (50) wird durch das Reduziergetriebe 42 auf 500 U/min abgesenkt, so dass Motor und Kurbeltrieb hinsichtlich ihrer Eingangsdrehzahl für das Hauptgetriebe synchronisiert werden. Am gemeinsamen Koppelglied 24 addiert sich dann die Leistung von Hilfsmotor 50 und Kurbelantrieb.
Bezugszeichenliste

10: Antriebsordnung
11: starre Achse
12: erstes Lager
13: Hülse
14: Ritzel
17: Radnabe
18: zweites Lager
19: erstes Zahnrad-Umlaufgetriebe
20: Planetenträger von 19
21: Planetenrad, Zahnrad von 19
22: Innenrad von 19
23: Hohlrad von 19
24: Koppelglied
25: Reibrad-Umlaufgetriebe
26: Außensonne
27: Außenlaufring
28: erster Spalt
29: Innensonne
30: Innenlaufring
31: zweiter Spalt
33: Koppelring
34: Doppelkegelrad
36: Schwinge
38: zweiter Planetenträger
39: Abtriebshülse
40: Verstelleinrichtung von 25
41: Getriebegehäuse
42: Reduziergetriebe
43: dritter Planetenträger
44: Planetenzahnräder
45: Innenrad
46: Lager
47: Rotorträger
48: Rotor
50: Hilfsmotor
51: Stator
55: Kranz / Speichenträger
56: Achse von 34
66: Freilauf
67: Tellerfeder

Claims

Antriebsanordnung (10) für ein Fahrrad, – mit einem Kurbelantrieb, der eine Antriebskraft von einem kurbelantriebsnahen Kettenblatt auf ein hinterradnahes Ritzel (14) mittels eines endlos umlaufenden Zugmittels, wie Kette oder Zahnriemen, überträgt und ein Hinterrad des Fahrrades zur Fortbewegung in Rotation versetzt, – mit einer ersten Übersetzung zwischen Kettenblatt und dem Ritzel, welche ausschließliche ein Übersetzungsverhältnis von i < 1 aufweist, – mit einem stufenlos schaltbaren Hauptgetriebe (25), welches am Hinterrad angeordnet ist und eine Übersetzung der vom Ritzel (14) aus auf das Hinterrad wirkenden Antriebskraft ermöglicht, – mit einer zweiten Übersetzung, welche ausschließlich durch das Hauptgetriebe (25) realisiert wird, – mit einem am Hinterrad angeordneten, der ersten Übersetzung im Kraftfluss nachgeschalteten Hilfsmotor (50), dadurch gekennzeichnet, dass – im Kraftfluss zwischen Hilfsmotor (50) und Hauptgetriebe (25) ein Reduziergetriebe angeordnet ist, über welches die Antriebsenergie des Hilfsmotors in das Hauptgetriebe eingebracht ist, wobei das Reduziergetriebe (42) eine Reduzierübersetzung von ausschließlich i > 1 aufweist, – eine dritte Übersetzung von i < 1 im Kraftfluss nach der ersten Übersetzung und vor dem Hauptgetriebe (25) angeordnet ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, ausschließlich über das Hauptgetriebe (25) realisierte Übersetzung lediglich Übersetzungsverhältnisse von i > 1 realisiert.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Übersetzung von einem Zahnrad-Umlaufgetriebe (19) mit fester Übersetzung realisiert ist, dessen Getriebeausgang dem Reduziergetriebeausgang des Hilfsmotors (50) im Kraftfluss vorgeordnet ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduziergetriebe (42) und das die dritte Übersetzung realisierende, erste Zahnradumlaufgetriebe (19) ein gemeinsames, feststehendes Hohlrad (23) teilen.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebeausgang des Zahnradumlaufgetriebes (19) und der Reduziergetriebeausgang an einem gemeinsamen Koppelglied (24) zusammengeführt sind.
Antriebsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsdrehzahl des Kurbelantriebs mittels des Zahnrad-Umlaufgetriebes (19) und die Eingangsdrehzahl des Hilfsmotors mittels des Reduziergetriebes (42) auf eine identische Drehzahl gebracht werden.
Antriebsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung von Kurbelantrieb und Hilfsmotor (50) am Koppelglied (24) addiert wird.