Beschreibung

Die vorgeschlagene Lösung betrifft eine Antriebseinheit für ein Elektrofahrrad sowie ein Steuerungsverfahren für eine solche Antriebseinheit.

Es ist bekannt, an einem Elektrofahrrad, mithin an einem sogenannten E-Bike oder Pedelec, wenigstens einen Elektromotor in Kombination mit einer, z.B. eine Planetenradstufe aufweisenden, Getriebeeinrichtung einzusetzen, um ein eine motorische Unterstützung beim Fahren des Elektrofahrrads bereitzustellen. Eine entsprechende Antriebseinheit weist hierbei zum einen eine Antriebswelle (typischerweise auch als Tretlagerwelle bezeichnet) auf, über die ein von einem Fahrer des Elektrofahrrads erzeugtes Antriebsdrehmoment eingeleitet werden kann und an der hierfür Pedale vorgesehen sind. Zusätzlich zu einem an der Antriebswelle muskelkraftbetätigt eingeleiteten ersten Antriebsdrehmoment kann fremdkraftbetätigt, z.B. mithilfe eines Elektromotors, ein zweites Antriebsdrehmoment bereitgestellt werden. Über die Getriebeeinrichtung der Antriebseinheit sind der mindestens eine Elektromotor und die Abtriebswelle miteinander gekoppelt, sodass über eine mit einem Rad des Elektrofahrrads zu koppelnde Abtriebswelle der Antriebseinheit ein Drehmoment an ein Rad, üblicherweise ein Hinterrad des Elektrofahrrads, übertragen werden kann, das auf das erste und zweite Antriebsdrehmoment zurückgeht. Regelmäßig werden bei derartigen Antriebseinheiten die Antriebswelle und die Abtriebswelle koaxial zueinander angeordnet. Die Abtriebswelle ist hierfür dann beispielsweise als Hohlwelle ausgeführt. Die Abtriebswelle ist dann aber vergleichsweise schwer und der Aufbau der Antriebseinheit ist vergleichsweise komplex. Zudem lässt sich ein kombiniertes, d.h., sich aus der Summe der muskelkraftbetätigt und fremdkraftbetätigt aufgebrachten Antriebsdrehmomente ergebendes Gesamtdrehmoment nicht ohne Weiteres sensorisch erfassen, beispielsweise aufgrund eines unterschiedlichen Krafteintrags an linken und rechten Ende der Antriebswelle, an denen die Pedale vorgesehen sind. Dies wird jedoch für eine vermeintlich kompaktere Bauform der Antriebseinheit in Kauf genommen.

Bei Antriebseinheiten für Elektrofahrräder, insbesondere Antriebseinheiten für sogenannte Mittelmotoren, besteht damit aber weiterhin Bedarf für verbesserte oder alternative Antriebseinheiten, beispielsweise Antriebseinheiten, bei denen Gewicht oder Kosten eingespart werden können.

Vor diesem Hintergrund sind die Antriebseinheit des Anspruchs 1 sowie das Steuerungsverfahren des Anspruchs 18 vorgeschlagen.

Eine vorgeschlagene Antriebseinheit für ein Elektrofahrrad umfasst dabei wenigstens das Folgende:

- ein Abtriebselement zur Bereitstellung eines Drehmoments zum Antreiben des Elektrofahrrads,

- eine Antriebswelle für eine muskelkraftbetätigte Erzeugung eines ersten Antriebsdrehmoments durch einen Fahrer des Elektrofahrrads,

- einen Elektromotor zur fremdkraftbetätigten Erzeugung eines zweiten Antriebsdrehmoments an einer mit dem Elektromotor gekoppelten Rotorwelle und

- eine Getriebeeinrichtung zur Übertragung des zweiten Antriebsdrehmoments an das Abtriebselement.

Entsprechend der vorgeschlagenen Lösung ist das Abtriebselement drehfest mit der Antriebswelle verbunden. Ferner umfasst die Antriebseinheit wenigstens zwei räumlich zueinander beabstandete Signalgeber an einer das Abtriebselement und die Antriebswelle umfassenden Antriebsbaugruppe, über die im Betrieb der Antriebseinheit zwei zeitlich aufeinanderfolgende Messsignale erzeugbar sind, deren zeitlicher Abstand zueinander in Abhängigkeit davon variiert, wie hoch die ersten und zweiten Antriebsdrehmomente sind. Die vorgeschlagene Lösung geht damit von dem Grundgedanken aus, zwei Signalgeber an einer Antriebsbaugruppe einer Antriebseinheit für ein Elektrofahrrad vorzusehen, bei der das Abtriebselement und die Antriebswelle drehfest miteinander verbunden sind, sodass die ersten und zweiten Antriebsdrehmomente (und damit ein sogenanntes Fahrermoment und ein Motormoment) auf dem Abtriebselement addiert werden, und wenigstens zwei Signalgeber zur Erzeugung von Messsignalen derart innerhalb einer solchen Antriebsbaugruppe vorzusehen, dass die von den Signalgebern erzeugten Messsignale in ihrem zeitlichen Abstand mit den Höhen der ersten und zweiten Antriebsmomente korrelieren respektive sich aus den Unterschieden in den zeitlichen Abständen zwischen den Messsignalen Rückschlüsse auf die Höhen der ersten und zweiten Antriebsmomente (absolut oder relativ zueinander) ziehen lassen. Der zeitliche Abstand der Messsignale der wenigstens zwei räumlich zueinander beabstandeten Signalgeber variiert somit in Abhängigkeit von den Höhen der ersten und zweiten Antriebsdrehmomente. Je nachdem, wie hoch die ersten und zweiten Antriebsdrehmomente absolut oder relativ zueinander sind, ergibt sich folglich ein anderer messbarer zeitlicher Abstand aufeinander folgender Messignale.

Bezogen auf eine Drehachse, um die die Antriebswelle und das hiermit drehfest verbundene, beispielsweise hieran drehfest fixierte oder einstückig hiermit ausgebildete Abtriebselement drehen, lässt sich somit eine Veränderung einer Phasenverschiebung zwischen den zwei mithilfe der Signalgeber bereitgestellter Messsignale auswerten. Hiermit kann elektronisch auf eine aktuelle Höhe eines (Gesamt-) Drehmoments zum Antreiben des Elektrofahrrads und/oder eine aktuelle Höhe des ersten Antriebsdrehmoments/Fahrermoments (absolut oder relativ) geschlossen und hierüber gegebenenfalls eine Steuerungsgröße bestimmt werden, mit der eine von dem Elektromotor bereitzustellende Unterstützungsleistung vorgegeben wird. So lässt sich über die ausgewertete Phasenverschiebung zwischen den Messsignalen beispielsweise bei bekanntem zweiten Antriebsmoment/Motormoment berechnen, wie hoch das erste muskelkraftbetätigte aufgebrachte Antriebsmoment/Fahrermoment ist. Auf dieser Basis kann dann eine Steuerungsgröße bestimmt werden, um die Unterstützungsleistung des Elektromotors anzupassen - beispielsweise in Abhängigkeit von einer nutzerseitig eingestellten Unterstützungsstufe.

In einer Ausführungsvariante sind die wenigstens zwei Signalgeber derart angeordnet, dass eine Veränderung des zeitlichen Abstands zwischen den von den Signalgebern erzeugten Messsignalen für eine elastische Verformung an der Antriebsbaugruppe infolge der erzeugten ersten und zweiten Antriebsdrehmomente repräsentativ ist. Die Antriebsbaugruppe mit den hieran vorgesehenen Signalgebern ist folglich derart ausgebildet, dass gezielt eine elastische Verformung an den Komponenten der Antriebsbaugruppe zugelassen und auswertet wird, wenn im Betrieb der Antriebseinheit zum Antreiben des Elektrofahrrads muskelkraftbetätigt und fremdkraftbetätigt erzeugte erste und zweite Antriebsmomente anliegen. Je nach Höhe des ersten Antriebsdrehmoments und des zweiten Antriebsdrehmoments variiert die Größe der elastischen Verformung und damit ein räumlicher Abstand zwischen den zwei Signalgebern. Diese Variation des räumlichen Abstands wiederum führt zu einer messbaren und auswertbaren Variation des zeitlichen Abstands, mit dem die über die die Signalgeber erzeugten Messsignalen erfasst werden.

Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass

- ein erster Signalgeber der wenigstens zwei Signalgeber an einer ersten Stelle a) an der Antriebswelle oder b) an einem der Antriebswelle zugeordneten Bereich des Abtriebselements vorgesehen ist und

- ein zweiter Signalgeber der wenigstens zwei Signalgeber an einer zweiten Stelle a) an einem der Getriebeeinrichtung zugeordneten Bereich des Antriebselements oder b) an einem einem Abtriebsrad des Abtriebselements zugeordneten Bereich des Abtriebselements vorgesehen ist.

Der erste Signalgeber ist hier folglich an einem Abschnitt der Antriebswelle oder einem antriebswellennahen Abschnitt des Abtriebselements vorgesehen, während der hierzu beabstandete zweite Signalgeber weiter abseits der Antriebswelle an dem Abtriebselement vorgesehen ist, mithin an einem Bereich des Abtriebselements, an dem das über den Elektromotor erzeugte zweite Antriebsdrehmoment anliegt oder in Richtung des Abtriebs weitergeleitet wird. Die zweite Stelle, an der der zweite Signalgeber vorgesehen ist, kann grundsätzlich bezogen auf eine Drehachse der Antriebswelle radial weiter außen liegen als die erste Stelle, an der der erste Signalgeber vorgesehen ist.

Je nach (Anbringungs-) Stelle, an der ein Signalgeber vorgesehen ist, insbesondere in Relation zu dem anderen Signalgeber, lassen sich unterschiedlich starke Veränderungen der zeitlichen Abstände zwischen den Signalen feststellen, da innerhalb der Antriebsbaugruppe zwischen den jeweiligen Abschnitten im Betrieb der Antriebseinheit unterschiedlich große elastische Verformungen auftreten können. So lassen sich beispielsweise je nach Position der wenigstens zwei Signalgeber innerhalb der Antriebsbaugruppe Phasenverschiebungen von (absolut) wenigstens 2° bis 4°, insbesondere im Bereich von 3° bis 5° beobachten respektive gezielt durch Auslegung der Antriebsbaugruppe und Einstellung einer bestimmten Torsionssteifigkeit zulassen. Dies schließt Phasenverschiebungen im Bereich von -5° bis +5° ein. Negative Phasenverschiebungen können hierbei beispielsweise im Zuge einer Rekuperation oder einer Rückwärtsfahrt mit dem Elektrofahrrad auftreten. Insbesondere bei einem als sogenanntes Cargobike ausgebildeten Elektrofahrrad ist eine elektromotorisch unterstützte oder angetrieben Rückwärtsfahrt nicht untypisch.

Ein Abtriebsrad des Abtriebselements kann grundsätzlich zum Antreiben des Elektrofahrrads mit dem sich aus den ersten und zweiten Antriebsdrehmomenten ergebenden (Gesamt-) Drehmoment mit einem Kraftübertragungsglied verbunden sein, das für die Übertragung des Drehmoments an ein Hinterrad des Elektrofahrrads vorgesehen ist. Ein solches Kraftübertragungsglied kann beispielsweise eine Kette oder eine Riemen sein. Ein Abtriebsrad für eine Kette weist dann beispielsweise Zähne auf, die in die Kette eingreifen. Bei dem Abtriebsrad kann es sich folglich insbesondere um ein Abtriebszahnrad oder ein Abtriebsriemenrad handeln.

In einer Ausführungsvariante umfasst die Antriebseinheit zur Erzeugung des ersten und/oder zweiten Messignals mindestens einen Hall-Sensor. Ein Signalgeber kann in einem solchen Fall folglich durch einen Hall-Sensor an der Antriebsbaugruppe gebildet sein oder durch ein Magnetelement, das mit wenigstens einem stationären Hall-Sensor der Antriebsbaugruppe bei Drehung der Antriebswelle und des Abtriebselements zusammenwirkt, um beim Passieren des Hall-Sensors ein Messignal zu erzeugen. Grundsätzlich erlaubt die vorgeschlagene Lösung auf Basis von vergleichsweise einfach aufgebauten Signalgebern und hierüber erzeugter Messignale auf die Höhe der Antriebsdrehmomente zu schließen, insbesondere in einer Ausführungsvariante auf die Höhe eines muskelkraftbetätigt aufgebrachten ersten Antriebsdrehmoments/Fahrermoments. Die Verwendung eines Drehmomentsensors an der Antriebsbaugruppe ist somit beispielsweise nicht nötig. Dies gestattet folglich dann aber eine entsprechende Messung mit vergleichsweise geringen Kosten und zudem auf minimalem Bauraum. Bei der Verwendung von kostengünstigen und vergleichsweise kleinen Hall-Sensoren lassen sich diese Kostenvorteile weiter vergrößern.

In einer Ausführungsvariante umfasst die Antriebseinheit eine elektronische Steuereinheit, die eingerichtet ist, unter Nutzung der ersten und zweiten Messsignale sowie unter Nutzung eines für das zweiten Antriebsdrehmoment repräsentativen Signals eine für die Höhe des ersten Antriebsdrehmoments repräsentative Steuerungsgröße zu bestimmen. Bei dem für das zweite Antriebsdrehmoment repräsentativen Signal kann es sich beispielsweise um ein Messsignal oder Motorsignal des Elektromotors handeln, da das zweite Antriebsdrehmoment von dem Elektromotor aufgebracht wird. So lässt sich bei bekanntem zweitem Antriebsdrehmoments/Motormoment aus einem zeitlichen Abstand der ersten und zweiten Messsignale besonders einfach auf die Höhe des ersten Antriebsdrehmoments und damit auf eine Steuerungsgröße schließen, über die eine Steuerung des Elektromotors und damit eventuelle Anpassung der Höhe des zu erzeugenden zweiten Antriebsdrehmoments möglich ist. So soll einem Nutzer des Elektrofahrrads zum Beispiel gerade eine Unterstützungsleistung zum Antreiben des Elektrofahrrads zur Verfügung gestellt werden, die von seiner muskelkraftbetätigt aufgebrachten Leistung abhängt. Die elektronische Steuereinheit ist folglich in dieser Ausführungsvariante eingerichtet, eine für die Höhe des ersten Antriebsdrehmoments repräsentative Steuerungsgröße zu berechnen. Hierbei kann die Steuerungsgröße ein für die Steuerung des Elektromotors noch weiter zu verarbeitender Wert oder ein unmittelbar zur Steuerung des Elektromotors nutzbares Steuerungssignal sein.

Beispielsweise ist in diesem Zusammenhang die elektronische Steuereinheit konfiguriert, für die Bestimmung der Steuerungsgröße wenigstens einen für die Torsionssteifigkeit der Antriebsbaugruppe, der Antriebswelle und/oder des Abtriebselements repräsentativen, in einem Speicher hinterlegten Steifigkeitswert zu nutzen. So kann insbesondere in einem Speicher der Steuereinheit ein entsprechender Steifigkeitswert hinterlegt sein. Der hinterlegte Steifigkeitswert ist dann folglich eine Steifigkeitskonstante, der für die jeweilige Torsionssteifigkeit repräsentativ ist. Insbesondere kann eine solche Steifigkeitskonstante nach Durchführung eines Kalibrierungsprozesses für die Antriebseinheit ermittelt und abgespeichert worden sein. Bei bekannter Torsionssteifigkeit der oder zumindest innerhalb der Antriebsbaugruppe lässt sich anhand einer Veränderung einer Phasenverschiebung zwischen den Messsignalen der wenigstens zwei Signalgeber auf eine verformungsbedingte Veränderung eines räumlichen Abstand zwischen den zweiten Signalgebern und damit auf die Höhen der anliegenden Antriebsdrehmomente schließen, mit denen die Verformung einhergeht.

In einer Ausführungsvariante umfasst das Abtriebselements wenigstens ein Federelement, das eine elastische Verformbarkeit des Abtriebselements in wenigstens einem Abschnitt des Abtriebselements vorgibt, an dem einer der Signalgeber vorgesehen ist. Über das wenigstens eine Federelement wird somit gezielt eine Elastizität vorab definierter Größe in das Abtriebselement eingebracht, beispielsweise um eine bestimmte Verformbarkeit an einem Abschnitt des Abtriebselements in einem bestimmten Maß zuzulassen. Das wenigstens eine Federelement kann hierbei zwei Abschnitte des Abtriebselements entsprechend elastisch miteinander verbinden. Alternativ kann das wenigstens eine Federelement auch in das Material des Abtriebselements integriert, insbesondere eingespritzt sein.

Über den wenigstens einen entgegen einer Rückstellkraft des wenigstens einen Federelements elastisch verformbaren Abschnitt des Abtriebselements, an dem einer der Signalgeber vorgesehen ist, wird somit eine räumliche Lageveränderung bezüglich des anderen Signalgebers beim Betrieb der Antriebseinheit gezielt zugelassen, und zwar in einem Maße, sodass mit einer räumlichen Lageveränderung auch eine signifikante, messbare Veränderung der zeitlichen Abfolge der Messignale einhergeht, wenn die sich mit der Antriebsbaugruppe drehenden Signalgeber an wenigstens einem stationären Sensorteil (wie einem Hall-Sensor) der Antriebseinheit vorbei geführt werden.

Um einen über das wenigstens eine Federelement vorgegebenen Verformungsweg für eine im Betrieb der Antriebseinheit auftretende elastische Verformung auf ein als zulässig eingestuftes Maß - auch beispielsweise im Hinblick auf die Vermeidung einer plastischen und damit irreversiblen Verformung - zu erreichen, kann die Antriebsbaugruppe in einer Weiterbildung eine Blockmechanik umfassen. Eine solche Blockmechanik kann insbesondere an dem Abtriebselement selbst integriert sein. Die Blockmechanik begrenzt eine über das wenigstens eine Federelement vorgegebene elastische Verformbarkeit des wenigstens einen den einen Signalgeber tragenden Abschnitts des Abtriebselements auf einen vordefinierten maximalen Verformungsweg. Auf diese Art und Weise wird erreicht, dass sich ein Abschnitt des Abtriebselements, an dem ein Signalgeber vorgesehen ist, (bei hieran angreifender, von den wenigstens einen Federelement aufgebrachter Rückstellkraft) im Betrieb der Antriebseinheit und für das Antreiben des Elektrofahrrads erzeugten ersten und zweiten Antriebsdrehmoments nur bis zu dem maximalen Verformungsweg und dabei insbesondere relativ zu dem anderen Signalgeber verformen kann. So ist ein beispielsweise ein bezüglich der Drehachse der Antriebswelle maximaler Verformungswinkel über die Blockmechanik vorgegeben sein. Ab Überbrücken des maximalen Verformungswegs sperrt folglich die Blockmechanik eine weitere Verformung des Abschnitts und begrenzt damit mechanisch die Verformbarkeit des den einen Signalgeber tragenden Abschnitts. Die Verformbarkeit des einen der Signalgeber tragenden Abschnitts ist hierbei beispielsweise derart eingestellt, dass eine elastische Verformung in einem bestimmten Betriebsbereich der Antriebseinheit auftritt, in dem ein Fahrer des Elektrofahrrads mit einer unterhalb eines Schwellwerts liegenden Kraft in mit der Antriebswelle verbundene Pedale tritt und damit ein unterhalb eines Momentenschwellwerts liegendes erstes Antriebsdrehmoment an der Antriebswelle erzeugt. Ein solcher Momentenschwellwert liegt beispielsweise bei 30 Nm. Der Momentenschwellwert ist hierbei beispielsweise derart gewählt, dass der Betriebsbereich einer typischen Normalfahrt des Elektrofahrrads mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit im Bereich von 5-25 km je Stunde entspricht. Unterhalb des Momentenschwellwerts ist folglich vorgesehen, dass der Antriebsbaugruppe eine größere elastische Verformbarkeit innewohnt, wodurch die hierüber elektronisch auswertbaren Veränderungen in den zeitlichen Abständen der Messsignale vergleichsweise groß werden. Im Bereich eines muskelkraftbetätigt aufgebrachten Antriebsdrehmoments von 0 bis 30 Nm liegt damit eine vergleichsweise geringe Torsionssteifigkeit der Antriebsbaugruppe vor und das bereitgestellte Messsystem ist vergleichsweise sensibel. Damit lässt sich motorseitig eine fein abgestufte Unterstützungsleistung bereitstellen, bei der beispielsweise die muskelkraftbetätigt aufgebrachte Leistung um den Faktor 3 oder 4 vergrößert wird. Oberhalb des Momentenschwellwerts wird wiederum eine maximal mögliche Unterstützungsleistung durch den wenigstens einen Motor zur Verfügung gestellt. Hier kommt es somit auf eine weitergehende Auswertung der Messsignale nicht mehr zwingend an.

Bei einer oberhalb des Momentenschwellwerts liegenden Kraft, mit der der Fahrer des Elektrofahrrads in die Pedale tritt, wird von einem atypischen Fahrzustand respektive Betriebsbereich ausgegangen, zum Beispiel einer Sprint- oder Testfahrt. Hierfür kann die Unterstützungsleistung des Elektromotors auf einen Maximalwert geregelt sein und die über die Signalgeber ausgewerteten Drehmomente müssen hier nicht zwingend eine feinstufige Anpassung steuern. Dementsprechend kann hier der Blockmechanismus aktiv sein. Ab dem maximalen Verformungsweg, der über den Blockmechanismus vorgegeben ist, wird folglich von einem Fahrzustand des Elektrofahrrads ausgegangen, bei dem ein Fahrer des Elektrofahrrads mit einer einen (Kraft-) Schwellwert übersteigenden Kraft in die Pedale tritt und damit der Elektromotor zum Bereitstellen einer bestimmten, festen Unterstützungsleistung anzusteuern ist.

Die Getriebeeinrichtung der Antriebseinheit kann grundsätzlich wenigstens ein Getrieberad, insbesondere ein Getriebezahnrad oder ein Getrieberiemenrad, umfassen, das über die Rotorwelle antreibbar ist und zur Übertragung des zweiten Antriebsdrehmoments an das Abtriebselements vorgesehen ist. Dabei kann auch das Getrieberad drehfest mit dem Abtriebselements verbunden sein. Dies schließt insbesondere die Möglichkeit ein, dass das Abtriebselement mit einem hieran integrierten Getrieberad und einem hieran integrierte Abtriebsrad einstückig mit der Antriebswelle ausgebildet ist.

Im Fall eines Getriebezahnrads weist folglich die Getriebeeinrichtung wenigstens ein weiteres Zahnrad auf, das mit dem drehfest mit dem Abtriebselement verbundenen Getriebezahnrad kämmt, um das zweite Antriebsdrehmoment an das Abtriebselement zu übertragen. Bei einer Ausführungsvariante mit einem Getrieberiemenrad (z.B. in Form einer Riemenscheibe) ist die Getriebeeinrichtung mit wenigstens einem Riemenelement, zum Beispiel in Form eines Keilriemens oder Zahnriemens, ausgebildet, um das zweite Antriebsdrehmoment an das Abtriebselement zu übertragen.

Grundsätzlich kann das Getrieberad beispielsweise für die drehfeste Verbindung mit dem Abtriebselement an dem Abtriebselement selbst ausgebildet sein. Dies schließt folglich ein, dass ein das Getrieberad bildender Abschnitt mit einem Träger- oder Stegabschnitt des Antriebselements stoffschlüssig verbunden ist. Alternativ kann das an dem Abtriebselement ausgebildete Getrieberad auch einstückig mit einem Träger- oder Stegabschnitt des Abtriebselements ausgebildet sein. Insbesondere kann das Getrieberad in einer Ausführungsvariante mit einem Abtriebsrad des Antriebselements einstückig ausgebildet sein, das für die Übertragung des sich aus den ersten und zweiten Antriebsdrehmomenten ergebenden Drehmoments vorgesehen ist. An dem Abtriebselement sind in einer solchen Ausführungsvariante folglich ein Getrieberad und ein Abtriebsrad Bestandteile ein und desselben Bauteils. Hierüber ist die Komplexität der Antriebseinheit weiter reduziert und im Übrigen auch eine Montage der Antriebseinheit vereinfacht. Das Abtriebsrad kann beispielsweise ebenfalls als Abtriebszahnrad oder als Abtriebsriemenrad ausgebildet sein.

Grundsätzlich kann das Abtriebselement ein Abtriebsrad umfassen, das zum Antreiben des Elektrofahrrads mit einem Kraftübertragungsglied der Antriebseinheit verbunden ist. Ein solches Kraftübertragungsglied stellt dann eine Kopplung zu einem Hinterrad des Elektrofahrrad her, sodass über das sich drehende Abtriebsrad ein sich aus den ersten und zweiten Antriebsdrehmomenten ergebendes Drehmoment zum Antreiben des Elektrofahrrads von dem Abtriebselement an das Hinterrad des Elektrofahrrads übertragen werden kann.

In einer Ausführungsvariante ist das Abtriebselement an der Antriebswelle selbst ausgeformt. Das Abtriebselement ist hier beispielsweise einstückig mit der Antriebswelle ausgebildet, sodass die Antriebswelle und das Abtriebselement Teile respektive Abschnitte eines einzelnen Bauteils sind. Alternativ kann das Abtriebselement an der Antriebswelle drehtest fixiert sein, sodass Antriebswelle und Abtriebselement eine wenigstens zweiteilige Antriebsbaugruppe bilden, bei der das separat gefertigte Abtriebselement unmittelbar an der Antriebswelle drehtest festgelegt ist. Beide vorstehend erläuterten Varianten bieten dabei den Vorteil, dass keine koaxial zu der Antriebswelle zu lagernde Abtriebswelle vorgesehen werden muss, insbesondere keine koaxial gelagerte Hohlwelle.

Die Antriebseinheit kann grundsätzlich ein Gehäuse umfassen, in dem der Elektromotor aufgenommen ist und die Antriebswelle drehbar gelagert ist. Dabei kann das Abtriebselement an einer Gehäuseöffnung des Gehäuses drehbar gelagert sein. Dies schließt insbesondere ein, dass ein Abtriebsrad des Antriebselements an der Gehäuseöffnung drehbar gelagert ist.

Mit der unmittelbaren drehbaren Lagerung eines mit einem Übertragungsglied verbundenen Abtriebsrads an der Gehäuseöffnung kann dabei auch einhergehen, dass die Antriebseinheit vollständig ohne Abtriebswelle auskommt. So kann hier dann beispielsweise das Getrieberad einstückig mit dem Abtriebsrad ausgebildet sein, wobei dann ein kreiszylindrischer Abschnitt des Abtriebsrads die drehbare Lagerung an dem Gehäuse der Antriebseinheit übernimmt.

Die vorgeschlagene Lösung betrifft ferner ein Elektrofahrrad mit einer Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Antriebseinheit.

Ein weiterer Aspekt der vorgeschlagenen Lösung betrifft ein Steuerungsverfahren zur Steuerung wenigstens eines Elektromotors einer Antriebseinheit für eine Elektrofahrrad. Eine Antriebseinheit eines im Rahmen des vorgeschlagenen Steuerungsverfahrens zu steuernder Elektromotors umfasst dabei wenigstens das Folgende:

- eine Antriebswelle für eine muskelkraftbetätigte Erzeugung eines ersten Antriebsdrehmoments durch einen Fahrer des Elektrofahrrads,

- ein mit der Antriebswelle drehfest verbundenes Abtriebselement zur Bereitstellung eines Drehmoments zum Antreiben des Elektrofahrrads,

- den wenigstens einen Elektromotor zur fremdkraftbetätigten Erzeugung eines zweiten Antriebsdrehmoments an einer mit dem Elektromotor gekoppelten Rotorwelle,

- eine Getriebeeinrichtung zur Übertragung des zweiten Antriebsdrehmoments an das Abtriebselement und - wenigstens zwei räumlich zueinander beabstandete Signalgebern an einer das Abtriebselement und die Antriebswelle umfassenden Antriebsbaugruppe, über die im Betrieb der Antriebseinheit zwei zeitlich aufeinanderfolgende Messsignale erzeugbar sind, deren zeitlicher Abstand zueinander in Abhängigkeit davon variiert, wie hoch die ersten und zweiten Antriebsdrehmomente sind.

Ein vorgeschlagenes Steuerungsverfahren verwendet dann zur Steuerung des wenigstens einen Elektromotors eine aus den ersten und zweiten Messsignalen bestimmte Steuerungsgröße.

Die Steuerung schließt dabei eine eventuelle Anpassung der Höhe des mit dem wenigstens einen Elektromotors zu erzeugenden zweiten Antriebsdrehmoments ein.

Ausführungsvarianten eines vorgeschlagenen Steuerungsverfahrens können insbesondere unter Nutzung von Ausführungsvarianten einer vorgeschlagenen Antriebseinheit umgesetzt werden. Vorstehend und nachstehend im Zusammenhang mit Ausführungsvarianten einer vorgeschlagenen Antriebseinheit erläuterte Merkmale und Vorteile gelten somit auch für entsprechende Ausführungsvarianten eines vorgeschlagenen Steuerungsverfahrens und umgekehrt.

Insbesondere kann im Rahmen einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Steuerungsverfahrens für die Bestimmung der Steuerungsgröße zusätzlich wenigstens ein für das zweite Antriebsdrehmoment repräsentatives (Mess- oder Motor-) Signal und/oder wenigstens ein für die Torsionssteifigkeit der Antriebsbaugruppe, der Antriebswelle und/oder des Antriebselement repräsentativer Steifigkeitswert verwendet werden. Der wenigstens eine Steifigkeitswert kann hierbei beispielsweise bei einer Kalibrierung der Antriebseinheit (d. h. einem mit der Antriebseinheit durchgeführten Kalibrierungsprozess) bestimmt und in einem Speicher gespeichert werden.

Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.

Hierbei zeigen:

Figur 1 schematisch eine erste Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen

Antriebseinheit für ein Elektrofahrrad, bei der eine Antriebswelle einstückig mit einem Abtriebselement ausgebildet ist, das ein Getriebezahnrad und ein Abtriebsrad integriert und an dem zwei zueinander radial versetzte Signalgeber für die Bestimmung eines muskelkraftbetätigt aufgebrachten ersten Antriebsdrehmoments (Fahrermoment) vorgesehen sind;

Figur 2 eine Weiterbildung der Ausführungsvariante der Figur 1, bei der die

Signalgeber an dem Abtriebselement abweichend zueinander positioniert sind;

Figur 3 eine Weiterbildung der Ausführungsvariante der Figur 2, bei der wenigstens ein Federelement an dem Abtriebselements vorgesehen ist, um eine elastische Verformung im Betrieb der Antriebseinheit vorzugeben und, im Zusammenspiel mit einer Blockmechanik, auf ein vordefinierte Maß zu begrenzen;

Figur 4 ein Elektrofahrrad mit einer Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Antriebseinheit.

Die Figur 4 zeigt exemplarisch ein Elektrofahrrad 1 , mit einem Rahmen 10, an dem ein Vorderrad 11 und ein Hinterrad 12 drehbar gelagert sind. Das Hinterrad 12 ist über eine Antriebseinheit A elektromotorisch unterstützt antreibbar. Hierfür weist die Antriebseinheit A wenigstens einen Elektromotor M auf. Ein von dem Elektromotor M erzeugtes Antriebsdrehmoment ist dabei - gegebenenfalls zusätzlich zu einem muskelkraftbetätigt über eine Antriebswelle/Tretlagerwelle T aufgebrachtes Antriebsdrehmoment - mithilfe eines Kraftübertragungsglieds, zum Beispiel in Form einer Kette oder eines Riemens, an das Hinterrad 12 übertragbar. An das Hinterrad 12 kann derart nicht nur ein erstes Antriebsdrehmoment übertragen werden, das über mit der Tretlagerwelle T verbundene Pedale von einem Fahrer des Elektrofahrrads 1 aufgebracht wird. Vielmehr kann das Hinterrad 12 auch über ein zweites Antriebsdrehmoment angetrieben werden, das von dem Elektromotor M erzeugt wird.

Eine von dem Elektromotor M aufgebrachte Antriebsleistung wird dabei über eine elektronische Steuereinheit SE der Antriebseinheit A vorgegeben. Diese elektronische Steuereinheit SE gibt beispielsweise in Abhängigkeit von nutzerseitig ausgewählten Unterstützungsstufen die elektromotorisch aufzubringende Antriebsleistung vor, mit der ein Fahrer des Elektrofahrrads 1 beim Treten in die Pedale unterstützt wird, vor. Eine entsprechende Unterstützungsstufe wird dann beispielsweise über eine Betätigungseinheit 2 vorgegeben. Diese mit der Steuereinheit SE gekoppelte Betätigungseinheit 2 ist bei dem Elektrofahrrad 1 der Figur 5 an einem Lenker des Elektrofahrrads 1 vorgesehen und mit einem Display 20 ausgestattet.

Im Unterschied zu bisher in der Praxis üblichen Konstruktionen ist bei der Antriebseinheit A der vorgeschlagenen Lösung eine drehfeste Kopplung eines mit dem Kraftübertragungsglied 13 verbundenen Abtriebselements 4 mit der Tretlagerwelle T vorgesehen.

Bei einer Ausführungsvariante der Figur 1 ist hierfür beispielsweise vorgesehen, dass die Tretlagerwelle T einstückig mit dem Abtriebselement 4 ausgebildet ist. Das Abtriebselement 4 ist dabei innerhalb eines Gehäuses G der Antriebseinheit A untergebracht, aus dem beidseitig die Tretlagerwelle T vorsteht, sodass an aus dem Gehäuse G vorstehenden Wellenenden E1 , E2 jeweils ein Pedal mit der Tretlagerwelle T verbunden werden kann. Das Abtriebselement 4 bildet ferner ein Abtriebsrad, beispielsweise in Form eines Abtriebsriemenrads oder - wie in der Figur 1 gezeigt - in Form eines Abtriebszahnrads 41 aus, mit dem das Kraftübertragungsglied 13 verbunden ist. Ferner kämmt vorliegend ein Getriebezahnrad 40, als Teil einer einstufigen Getriebeeinrichtung, mit einem Antriebszahnrad 30, das drehfest mit einer Rotorwelle 3 des Elektromotors M verbunden ist. Indem das Getriebezahnrad 40 integraler Bestandteil des Antriebselements 4 ist, kann ein von dem Elektromotor M erzeugtes (zweites) Antriebsdrehmoment in das Abtriebselement 4 eingeleitet werden kann. Damit erfolgt an dem Abtriebselement 4 eine Addition eines ersten muskelkraftbetätigt an der Tretlagerwelle T aufgebrachten Antriebsdrehmoments und des zweiten elektromotorisch aufgebrachten Antriebsdrehmoments und die Bereitstellung eines sich hieraus ergebenden Gesamtdrehmoments an dem Abtriebszahnrad 41. Das Abtriebszahnrad 41, an dem die addierten Antriebsdrehmomente anliegen, ist hierbei in einer Gehäuseöffnung O des Gehäuses G drehbar gelagert.

An einem sich radial bezüglich der Drehachse der Tretlagerwelle T nach außen erstreckenden Stegabschnitt 45 des Abtriebselements 4 sind radial zueinander versetzt zwei Signalgeber in Form von Magnetelementen 52 und 50 für Hall-Sensoren 62, 60 der Antriebseinheit A vorgesehen. Bei einer Drehung der Tretlagerwelle T und damit des drehfest hiermit verbundenen Abtriebselements 4 werden die Magnetelemente 50 und 52 an den Hall-Sensoren 60 und 62 vorbeigeführt und erzeugen dabei Messsignale, die mit der Drehgeschwindigkeit der mit der Tretlagerwelle T und dem Abtriebselements 4 definierten Antriebsbaugruppe korrelierten und mithin Winkelsignale darstellen. Das eine Magnetelement 52 ist vorliegend im Bereich der Tretlagerwelle T vorgesehen, während das andere Magnetelement 50 im Bereich des Getriebezahnrads 40 positioniert ist. Durch die entsprechende Positionierung der beiden Magnetelemente 52 und 50 sowie eine entsprechend ausgelegte Torsionssteifigkeit der Antriebsbaugruppe lässt sich bei einstückiger Ausbildung der Tretlagerwelle T mit dem Abtriebselements 4 beobachten, dass in Abhängigkeit von der Höhe der Antriebsdrehmomente und insbesondere der Höhen der Antriebsdrehmomente relativ zueinander eine elastische Verformung an dem Stegabschnitt 45 auftritt. Diese elastische Verformung hat eine Veränderung der räumlichen Lage der Magnetelemente 52 und 50 zueinander zur Folge, die auch Auswirkungen auf die bei Drehung der Tretlagerwelle T und des Abtriebselements 4 erfassten Messsignale hat, die über die Magnetelemente 52 und 50 an den Hall- Sensoren 62 und 60 erzeugt werden. So lässt sich beobachten, dass ein zeitlicher Abstand zwischen den erzeugten Messsignalen in Abhängigkeit davon variiert, wie hoch die ersten und zweiten Antriebsdrehmomente absolut oder relativ zueinander sind.

Hiermit kann sich dann beispielsweise zunutze gemacht werden, dass die Torsionssteifigkeit der Antriebsbaugruppe bekannt ist, beispielsweise durch Auslegung und/oder als Resultat eines zuvor durchgeführten Kalibrierungsprozesses mit der Antriebseinheit A, und zudem im Betrieb der Antriebseinheit A das von dem Elektromotor M an der Rotorwelle 3 erzeugte zweite Antriebsdrehmoment ebenfalls bekannt ist. Aus dem Auftreten oder einer Veränderung einer Phasenverschiebung der an den Hall- Sensoren 62 und 60 erzeugten Mess- respektive Winkelsignale lässt sich derart das muskelkraftbetätigt aufgebrachte erste Antriebsdrehmoment, mithin das sogenannte Fahrermoment, errechnen. Eine auf Basis dieses errechneten Antriebsdrehmoments bestimmte Steuerungsgröße kann der elektronischen Steuereinheit SE zur Verfügung gestellt werden, um die von dem Elektromotor M aufzubringende Unterstützungsleistung zu steuern. Im vorliegenden Fall werden hierzu von den Hall-Sensoren erzeugte Messsignale «Ges und «Basis an die elektronische Steuereinheit SE übertragen, die über eine integrierte elektronische Auswertelogik auf das derzeit anliegende Fahrermoment und hieraus wiederum auf die Steuerungsgröße zur Steuerung des Elektromotors M schließt.

Die differenzielle Messung mithilfe der zeitlichen Abstände zwischen den Messignalen □Ges und Oßasis der Hall-Sensoren 62 und 60, um auf das Fahrermoment zu schließen, lässt sich vergleichsweise kostengünstig und unter Nutzung von wenig Bauraum realisieren. Dabei ist die Messung auch ohne temperaturbedingte Schwankungen der Motoreinflüsse möglich. Darüber hinaus ist aufgrund der radialen Beabstandung der Magnetelemente 52 und 50 eine vergleichsweise große Messauflösung und damit eine gute Präzision gegeben.

Bei der Ausführungsvariante der Figur 2 ist ein radial weiter außen liegendes Magnetelement 51 im Bereich des Abtriebszahnrads 41 und damit - im Vergleich zu dem Magnetelement 52 der Figur 1 näher an der Tretlagerwelle T - positioniert. Hier wird das Fahrermoment aus einer differenzielle Messung von Mess- respektive Winkelsignalen □Fahrer und «Basis von Hallsensoren 61 und 60 ermittelt. Die entsprechende Messstrecke fokussiert sich dann folglich stärker auf den Einfluss des aufgebrachten Fahrermoments. Der geringere radiale Abstand führt zudem zu einer geringeren Verdrehung der Magnetelemente 52 und 51 als bei den Magnetelementen 52 und 50 der Figur 1. So kann beispielsweise bei einem typischen Aufbau der Antriebseinheit A als Mittelmotor für das Elektrofahrrad 1 ein maximaler Verformungsweg in Form eines maximalen Verdrehwinkels bei der Ausführungsvariante der Figur 1 bis zu ±5° bei der Ausführungsvariante der Figur 2 bis zu ±3° betragen.

Bei der Weiterbildung der Figur 3 wird die Elastizität an dem Stegabschnitt 45 durch ein Federelement 7 im Kraftfluss des ersten Antriebsdrehmoments erhöht und darüber hinaus durch eine Blockmechanik und mithin eine mechanische Verdrehsicherung auf einen Maximalwert begrenzt. So ist über das Federelement 7 gezielt eine vorgegebene elastische Verformbarkeit des Abtriebselements 4 in dem Stegabschnitt 45 vorgegeben und damit eine vergleichsweise große Verlagerbarkeit des dem Abtriebszahnrad 41 zugeordnete Magnetelements 51 (bezüglich der Drehachse der Tretlagerwelle T) relativ zu dem der Tretlagerwelle T zugeordneten Magnetelement 52. Die Blockmechanik an dem Stegabschnitt 45 stellt dabei sicher, dass eine über das wenigstens eine Federelement 7 vorgegebene elastische Verformbarkeit des Stegabschnitts 45 auf einen vordefinierten maximalen Verformungsweg begrenzt wird. Überschreitet ein von einem Fahrer des Elektrofahrrads 1 aufgebrachte Kraft, mit der der Fahrer in an den Wellenenden E1 und E2 angebrachte Pedale tritt, einen Schwellwert und erzeugt damit ein oberhalb eines Momentenschwellwerts liegendes erstes Antriebsdrehmoment, ist über die Blockmechanik sichergestellt, dass sich das Magnetelement 51 (oder in einer analogen Weiterbildung auf Basis der Ausführungsvariante der Figur 1 das Magnetelement 50) nicht über einen maximalen Verdrehwinkel hinaus relativ zu dem der Tretlagerwelle T zugeordneten Magnetelement 52 verlagern kann.

Die über das Federelement 7 (oder weitere Federelemente) vorgegebene elastische Verformbarkeit deckt dabei dann beispielsweise einen Normalbetrieb der Antriebseinheit A ab, in dem ein Fahrer des Elektrofahrrads 1 nicht übermäßig stark in die Pedale tritt. Bei einer Sprintfahrt oder einer Testfahrt, bei der dann mit über einen Schwellwert hinausgehender Kraft in die Pedale getreten wird, tritt keine (messbare) Veränderung zwischen den zeitlichen Abständen der apahrer und «Basis (OGes und Qßasis) auf und die errechnete Steuerungsgröße für die Steuerung des Elektromotors wird somit auf einen gleich bleibenden festen Wert eingestellt.

Bezugszeichenliste

1 Elektrofahrrad

10 Rahmen

11 Vorderrad

12 Hinterrad

13 Kraftübertragungsglied

2 Betätigungseinheit

20 Display

3 Rotorwelle

30 Antriebszahnrad

4 Abtriebselement

40 Getriebezahnrad

41 Abtriebszahnrad

45 Stegabschnitt

50, 51 , 52 Magnetelement (Signalgeber)

60, 61 , 62 Hall-Sensor

7 Federelement

A Antriebseinheit

E1, E2 Wellenende

G Gehäuse

M Elektromotor

O Gehäuseöffnung

SE Elektronische Steuereinheit

T Tretlager- / Antriebswelle

ClGes, ÖFahrer, □Basis Mess- / Winkelsignal