DE102009046867A1

DE102009046867A1 - Fahrrad

Info

Publication number: DE102009046867A1
Application number: DE102009046867A
Authority: DE
Inventors: Sigmund Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2011-05-26
Also published as: WO2011061048A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrrad, das einen Kurbeltrieb (6), einen Elektromotor (2), und eine Antriebswelle (3), die mit dem Kurbeltrieb (6) und dem Elektromotor (2) verbunden ist, umfasst, wobei die Antriebswelle (3) über ein Kegelgetriebe (4) mit einem Hinterrad () verbunden ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrrad mit einem Elektromotor und einem Kegelgetriebe.
Fahrräder mit und ohne Elektromotor des Standes der Technik werden ausschließlich über manuelle Fahrradschaltungen geschaltet. Bei manuellen Fahrradschaltungen sind die relativ schlechte Schaltbarkeit unter Last sowie ein zu hoher eingelegter Gang beim Anfahren aus dem Stillstand des Fahrrads besonders nachteilig.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Fahrrad mit Elektromotor bereitgestellt, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Hierbei sind der Kurbeltrieb und der Elektromotor mit einer gemeinsamen Antriebswelle verbunden, die über ein Kegelgetriebe mit einem Hinterrad verbunden ist. Das Kegelgetriebe weist auch unter Last eine gute Schaltbarkeit auf und kommt ohne motorische Betätigung aus. Erfindungsgemäß wird unter einem Kegelgetriebe ein Getriebe verstanden, welches mindestens ein kegelförmiges Kraftübertragungselement aufweist.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Kegelgetriebe einen Schaltkegel auf, der mit einem Schaltband verbunden ist. Weiterhin bevorzugt weist das Kegelgetriebe einen Antriebskegel auf, der mit dem Schaltband verbunden ist. Der Schaltkegel und der Antriebskegel können aufgrund der niedrigen Belastung entsprechend leicht und filigran ausgelegt und somit kostengünstig hergestellt werden. Im Vergleich zu Fahrradschaltungen des Standes der Technik werden ferner eine Reduzierung der Anzahl der Bauteile und eine kompakte Bauform erreicht.
Ferner bevorzugt weist der Schaltkegel eine Mehrzahl von drehbar gelagerten Fliehkrafthebeln auf, wobei jeweils ein Endbereich der Fliehkrafthebel mit dem Schaltband in Kontakt steht, um eine Verstellung des Schaltbandes auf dem Schaltkegel zu ermöglichen. Aufgrund der hohen Drehzahl des Schaltkegels und des geringen Gewichts der Fliehkrafthebel wird hierdurch eine schnelle und leichte Verschiebung des Schaltbandes zum Wechseln der Übersetzung ermöglicht. Die automatische Gangwahl über die Fliehkrafthebel ist wegen der direkten Übersetzung ohne Freilauf vom Schaltkegel zum Hinterrad direkt abhängig von der Fahrgeschwindigkeit. Demzufolge kann der Fahrer immer mit der gleichen Trittfrequenz bzw. Tretleistung treten.
Weiterhin bevorzugt weist der Schaltkegel eine Mehrzahl von federbelasteten Rückstellhebeln auf, welche sich mit dem Schaltband für eine Rückstellung in eine Ausgangsposition in Kontakt befinden. Hierdurch wird beim Anhalten bzw. Stillstand des Fahrrads das Schaltband durch die Rückstellhebel immer auf die Ausgangsposition mit der kleinsten Gangübersetzung zurückgeführt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen einem Abtriebszahnrad des Elektromotors und der Antriebswelle ein erstes Freilaufritzel und zwischen einem Kettenzahnrad des Kurbeltriebs und der Antriebswelle ein zweites Freilaufritzel vorgesehen. Aufgrund der beiden gleich drehenden Freilaufritzel auf der Antriebswelle können sowohl der Kurbeltrieb als auch der Elektromotor unabhängig voneinander betrieben werden und der Anteil der Motorunterstützung zwischen 0% und 100% betragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Schaltkegel auf seiner äußeren Mantelfläche mit einer Vielzahl von Mitnahmerillen versehen und das Schaltband weist vorzugsweise auf einer Innenseite eine Feinverzahnung auf. Durch die Feinverzahnung des Schaltbandes und der mit zunehmendem Durchmesser des Schaltkegels steigenden Anzahl von Mitnahmerillen wird eine besonders betriebssichere, stufenlose und geräuscharme Schaltung realisiert, die auch kleine Modulsprünge ausgleicht.
Weiterhin bevorzugt ist der Schaltkegel als Schaltglocke mit kugelförmigen Eingriffsausnehmungen ausgebildet. Diese Ausführungsform weist neben einer kostengünstigen Herstellbarkeit auch den Vorteil eines sehr geringen Gewichts auf.
Ferner bevorzugt ist das Schaltband ein Riemen mit auf seiner Innenseite hervorragenden Noppen, die mit den Eingriffsausnehmungen der Schaltglocke im Eingriff stehen, oder eine Kugelkette, deren Kugeln mit den Eingriffsausnehmungen der Schaltglocke im Eingriff stehen. Hierdurch wird ein betriebssicherer Gangwechsel mit geringem Schlupf zwischen Schaltglocke und Schaltband erreicht.
Weiterhin bevorzugt ist der Schaltkegel in Bezug auf das Schaltband verstellbar angeordnet. Aufgrund des geringen Gewichts der Schaltglocke und der niedrigen Anzahl der bewegten Teile kann hierdurch ein sehr leichtgängiger Gangwechsel erreicht werden.
Vorzugsweise umfasst das Fahrrad eine Steuereinheit, welche ausgelegt ist, den Elektromotor zu steuern, und welche mit einem am Kurbeltrieb angeordneten Drehmomentsensor zur Drehmomenterfassung eines vom Fahrer bereitgestellten Drehmoments verbunden ist und ausgelegt ist, ein Elektromotor-Drehmoment am Kurbeltrieb basierend auf dem Signal des Drehmomentsensors zu bestimmen. Mit dem eingesetzten Kegelgetriebe ist es möglich, den Elektromotor jederzeit an das aktuell erzeugte Drehmoment des Fahrers am Kurbeltrieb bzw. die Fahrgeschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt an die zur Verfügung stehende optimale Leistung vom Fahrer und/oder Elektromotor anzupassen. Durch die im Kegelgetriebe kontinuierlich angepasste Übersetzung kann der Elektromotor immer in seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden.
Weiter bevorzugt ist am Kegelgetriebe eine Einrichtung für einen Längenausgleich, z. B. eine federnde Lagerung oder eine Schaltbandspannung, vorgesehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Ansicht eines Fahrrads mit einem integrierten elektrischen Zusatzantrieb und einem Kegelgetriebe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Ansicht eines Kegelgetriebes des ersten Ausführungsbeispiels,
3 eine schematische Ansicht der Antriebs- und Getriebeanordnung des ersten Ausführungsbeispiels,
4 eine schematische Darstellung des Kegelgetriebes von 3 beim Stillstand des Fahrrads,
5 eine schematische Darstellung des Kegelgetriebes von 3 bei hoher Geschwindigkeit,
6 eine schematische Darstellung des Kegelgetriebes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
7 eine schematische Darstellung eines Schaltbands des zweiten Ausführungsbeispiels,
8 eine schematische Darstellung eines alternativen Schaltbands des zweiten Ausführungsbeispiels, und
9 eine schematische Darstellung einer alternativen Kegelgetriebeanordnung des zweiten Ausführungsbeispiels.
Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 bis 5 ein Fahrrad gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrrads 1 mit einem integrierten elektrischen Zusatzantrieb. Wie aus 1 ersichtlich, umfasst das Fahrrad 1 ferner einen Kurbeltrieb 6 und einen Elektromotor 2, die jeweils mit einer Antriebswelle 3 verbunden sind. Die Antriebswelle 3 ist über ein Kegelgetriebe 4 und eine Antriebskette 15 mit einem Kettenrad 8 an einem Hinterrad 7 verbunden. Ferner umfasst das Fahrrad 2 eine Steuereinheit 11, welche ausgelegt ist, den Elektromotor 2 zu steuern und welche mit einem am Kurbeltrieb 6 angeordneten Drehmomentsensor 40 zur Drehmomenterfassung eines Fahrer-Drehmoments verbunden ist. Die Steuereinheit bestimmt auf der Basis des Signals des Drehmomentsensors 40 ein Drehmoment des Elektromotors. Ferner ist eine Bedieneinheit 12 an einem Lenker 13 des Fahrrads 1 angeordnet sowie eine wiederaufladbare Energiequelle 10 im Rahmendreieck zwischen einem Sattelrohr 9 und einem Unterohr 14 des Rahmens 5 befestigt. Die Steuereinheit 11 ist am Unterohr 14 befestigt und mit dem Elektromotor 2 und der Bedieneinheit 12 verbunden, welche ausgelegt ist, Eingabebefehle eines Fahrers zu erfassen und an die Steuereinheit 11 auszugeben. Die Steuereinheit 11 ist zur Energieversorgung ebenso wie der Elektromotor 2 an der Energiequelle 10 angeschlossen.
Wie aus der schematischen Ansicht von 3 ersichtlich, weist das Kegelgetriebe 4 einen Antriebskegel 16 und einen Schaltkegel 17 auf, die über ein Schaltband 18 miteinander verbunden sind. Der Schaltkegel 17 ist über eine Antriebskette 15 mit einem Kettenrad 8 verbunden, das auf einer hier nicht dargestellten Nabe eines Hinterrads des Fahrrads 1 angeordnet ist. Wie aus 3 ersichtlich, ist der Antriebskegel 16 auf einer Antriebswelle 3 fixiert, auf der ein erstes Freilaufritzel 22 befestigt ist, das mit einem Antriebszahnrad 21 im Eingriff steht, das auf einer Ausgangswelle 20 des Elektromotors 2 angeordnet ist. Wie aus 3 weiter ersichtlich, ist auf der Antriebswelle 3 ferner ein zweites Freilaufritzel 26 befestigt, das mit einem Zahnrad 25 im Eingriff steht, das auf einer Tretkurbelwelle 24 des Kurbeltriebs 6 fixiert ist. Dadurch, dass sowohl der Elektromotor 2 als auch der Kurbeltrieb 6 über die beiden ersten und zweiten Freilaufritzel 22 bzw. 26 auf der gemeinsamen Antriebswelle 3 zusammengefasst werden, können beide Antriebe unabhängig voneinander betrieben werden. Die Übersetzung des Antriebszahnrads 21 und des ersten Freilaufritzels 22 bzw. des Zahnrads 25 und des zweiten Freilaufritzels 26 sind so gewählt, dass die Antriebswelle 3 und der daran befestigte Antriebskegel 16 mit hoher Drehzahl gedreht werden.
Wie aus der schematischen Darstellung von 4 ersichtlich, weisen sowohl eine äußere Mantelfläche 43 des Antriebskegels 16 als auch eine äußere Mantelfläche 31 des Schaltkegels 17 eine Vielzahl von Mitnahmerillen auf, von denen beispielhaft jeweils eine Mitnahmerille mit dem Bezugszeichen 30 gekennzeichnet ist. Das Schaltband 18 weist auf seiner Innenseite eine Feinverzahnung auf, die mit den Mitnahmerillen 30 im Eingriff steht. Wie aus 4 weiter ersichtlich, die eine Stellung beim Stillstand des Fahrrads 1 zeigt, nimmt die Anzahl der Mitnahmerillen 30 mit jeweils steigendem Kegeldurchmesser des Antriebskegels 16 und Schaltkegels 17 zu.
An einem Absatzbereich 37 des Schaltkegels 17 ist eine Mehrzahl von hier beispielhaft dargestellten vier federbelasteten Rückstellhebeln 29 befestigt, von denen in dieser Abbildung lediglich zwei sichtbar sind, die das Schaltband 18 vom Absatzbereich 37 weg in entgegengesetzter Richtung eines Pfeils P drücken bzw. verschieben. Im Innern des Schaltkegels 17 sind vier auf einer Achse A des Schaltkegels 17 drehbar befestigte Fliehkrafthebel 27 befestigt, von denen zwei in dieser Abbildung gestrichelt dargestellt sind. Die Fliehkrafthebel 27 weisen Endbereiche 36 auf, die aus in der Mantelfläche 31 ausgebildeten Schlitzen 44 herausragen und (z. B. jeweils paarweise oder alternativ alle gemeinsam) über eine Rückstellfeder 38 verbunden sind. Die Endbereiche 36 befinden sich mit einer Seite des Schaltbandes 18 in Kontakt. Die Rückstellfeder 38 und die Rückstellhebel 29 sind bei stillstehendem Schaltkegel 17 entlastet und das Kegelgetriebe 6 befindet sich in der kleinst möglichen Gangübersetzung. Wenn der Antriebskegel 16 durch die Antriebswelle 3 in Drehung versetzt wird und diese Drehung durch das Schaltband 18 auf dem Schaltkegel 17 übertragen wird, werden die Fliehkrafthebel 27 durch ihre Zentrifugalkräfte in radialer Richtung bewegt und ihre Endbereiche 36 in den Schlitzen 44 in Richtung des Pfeils P zum Absatzbereich 37 hin verschoben. Die Endbereiche 36 verschieben dabei das daran anliegende Schaltband 18, verändern dadurch die Übersetzung und drücken die federbelasteten Rückstellhebel 29 zusammen. Ferner wird die Rückstellfeder 38 gespannt. 5 zeigt die Position des Schaltbandes 18 sowie der Rückstellhebel 29 und Fliehkrafthebel 27 bei hoher Geschwindigkeit des Fahrrads 1. Das Kegelgetriebe 4 weist auch unter Last, zum Beispiel bei einer Bergauffahrt, eine leichte Schaltbarkeit auf und benötigt keine motorische Betätigung zum Ändern der Gangübersetzungen. Durch die automatische Rückführung des Schaltbandes 18 auf die der kleinsten Gangübersetzung entsprechende Ausgangsposition auf dem Schaltkegel 17 ist mit dem Fahrrad 1 zudem ein leichtes Anfahren aus dem Stand möglich.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 6 bis 9 ein Fahrrad gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind hier mit denselben Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Im Gegensatz zum zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel weist das Kegelgetriebe 4 bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel einen Antriebskegel und einen Schaltkegel auf, die jeweils als Schaltglocke 32 ausgebildet sind. Die Schaltglocke 32 weist auf ihrer Oberfläche eine Vielzahl von Eingriffsausnehmungen 33 auf, die kugelförmig ausgebildet sind und mit einem Noppenriemen 34 in Eingriff stehen, dessen Innenseite, wie in 7 gezeigt, halbkugelförmige Noppen 45 aufweist. Alternativ kann anstelle des Noppenriemens 34, auch eine in 8 dargestellte Kugelkette 35 eingesetzt werden. Der Noppenriemen 34 wird bei diesem Ausführungsbeispiel über eine Schaltgabel 39 in Richtung eines Doppelpfeils M1 auf den beiden Schaltglocken 32 verschoben. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel kann, wie in 9 dargestellt, alternativ auch lediglich eine Schaltglocke 32 zusammen mit einer Riemenscheibe 42 verwendet werden, wobei die Schaltglocke 32 relativ zum Riemen 34 in Richtung eines Doppelpfeils M2 verschoben wird, der von einem zur Riemenscheibe 42 fluchtend ausgerichtetem Führungselement 41 geführt wird.
Bei der Ausführung mit nur einer Schaltglocke ist vorzugsweise eine Einrichtung für einen Längenausgleich, z. B. eine Riemenscheibe, die federnd gelagert ist, vorgesehen.
Das automatisierte Kegelgetriebe des erfindungsgemäßen Fahrrads 1 passt die Fahrgeschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt an die zur Verfügung stehende Leistung von Fahrer und/oder Elektromotor an, so dass dieses Getriebe auch bei herkömmlichen Fahrrädern ohne Elektromotor sowie leichten Elektrofahrzeugen zukünftig eingesetzt werden kann.

Claims

Fahrrad, umfassend: – einen Kurbeltrieb (6), – einen Elektromotor (2), und – eine Antriebswelle (3), die mit dem Kurbeltrieb (6) und dem Elektromotor (2) verbunden ist, wobei die Antriebswelle (3) über ein Kegelgetriebe (4) mit einem Hinterrad (7) verbunden ist.
Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kegelgetriebe (4) einen Schaltkegel (17) aufweist, der mit einem Schaltband (18) verbunden ist.
Fahrrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kegelgetriebe (4) einen Antriebskegel (16) aufweist, der mit dem Schaltband (18) verbunden ist.
Fahrrad nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkegel (17) eine Mehrzahl von drehbar gelagerten Fliehkrafthebeln (27) aufweist, wobei jeweils ein Endbereich der Fliehkrafthebel (27) mit dem Schaltband (18) in Kontakt ist, um eine Verstellung des Schaltbandes (18) auf dem Schaltkegel (17) zu ermöglichen.
Fahrrad nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkegel (17) eine Mehrzahl von federbelasteten Rückstellhebeln (29) aufweist, welche sich mit dem Schaltband (18) für eine Rückstellung in eine Ausgangsposition in Kontakt befinden.
Fahrrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Abtriebszahnrad (21) des Elektromotors (2) und der Antriebswelle (3) ein erstes Freilaufritzel (22) vorgesehen ist, und zwischen einem Kettenzahnrad (25) des Kurbeltriebs (6) und der Antriebswelle (3) ein zweites Freilaufritzel (26) vorgesehen ist.
Fahrrad nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkegel (17) auf seiner äußeren Mantelfläche (31) mit einer Vielzahl von Mitnahmerillen (30) versehen ist.
Fahrrad nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltband (18) auf einer Innenseite eine Feinverzahnung aufweist.
Fahrrad nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkegel als Schaltglocke (32) mit kugelförmigen Eingriffsausnehmungen (33) ausgebildet ist.
Fahrrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltband ein Riemen (34) mit auf seiner Innenseite hervorragenden Noppen ist, die mit den Eingriffsausnehmungen (33) der Schaltglocke (32) im Eingriff stehen, oder dass das Schaltband eine Kugelkette (35) ist, deren Kugeln mit den Eingriffsausnehmungen (33) der Schaltglocke (32) im Eingriff stehen.
Fahrrad nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkegel (17) in Bezug auf das Schaltband (18) verstellbar ist.
Fahrrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Steuereinheit (11), welche ausgelegt ist, den Elektromotor (2) zu steuern, und welche mit einem am Kurbeltrieb (6) angeordneten Drehmomentsensor (40) zur Drehmomenterfassung eines vom Fahrer bereitgestellten Drehmoments verbunden ist und ausgelegt ist, ein Elektromotor-Drehmoment am Kurbeltrieb (6) basierend auf dem Signal des Drehmomentsensors (40) zu bestimmen.