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Title:
DRIVE UNIT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/190843
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a drive unit (10) for a manually driven vehicle, in particular a bicycle or an EPAC, comprising a housing (12), an electric motor (18) with a rotor (44), a bottom bracket shaft (14), a harmonic drive (20) which is coupled to the rotor (44), and an output shaft (22), wherein the harmonic drive (20) has an outer bushing with an inner toothing, and the outer bushing (38) of the harmonic drive (20) is coupled to the housing (12) via a buffer (64).

Inventors:
KRAFT STEFFEN (DE)
PERCIC MIRAN (DE)
NIERESCHER RÜDIGER (DE)
KRAFT KLAUS (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/054259
Publication Date:
September 30, 2021
Filing Date:
February 22, 2021
Export Citation:
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Assignee:
ZAHNRADFABRIK FRIEDRICHSHAFEN (DE)
International Classes:
F16H49/00; B62M6/55
Foreign References:
CN102069889A2011-05-25
US20200003289A12020-01-02
DE102015223903A12017-06-01
DE102015100676B32016-06-09
EP2724926A12014-04-30
DE102014108611A12014-12-18
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Claims:
Patentansprüche

1 . Antriebseinheit (10) für ein manuell angetriebenes Fahrzeug, insbesondere ein Fahrrad oder ein EPAC, mit einem Gehäuse (12), einem Elektromotor (18) mit einem Rotor (44), einer Tretkurbelwelle (14), einem mit dem Rotor (44) gekoppelten Wellge triebe (20) und einer Abtriebswelle (22), wobei das Wellgetriebe (20) eine Außen buchse (38) mit einer Innenverzahnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenbuchse (38) des Wellgetriebes (20) über einen Puffer (64) mit dem Gehäuse (12) gekoppelt ist.

2. Antriebseinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellge triebe (20) einen Wellgenerator (34) und eine verformbare Innenbuchse (36) mit einer Außenverzahnung.

3. Antriebseinheit (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenbuchse (38) des Wellgetriebes (20) drehfest mit dem Gehäuse (12) gekoppelt ist.

4. Antriebseinheit (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Tretkurbelwelle (14) und das Wellgetriebe (20) jeweils mittels einer Freilaufkupplung (40, 42) mit der Abtriebswelle (22) gekoppelt sind, wobei das Well getriebe (20), die Freilaufkupplungen (40, 42) und die Abtriebswelle (22) koaxial zuei nander im Gehäuse (12) angeordnet sind.

5. Antriebseinheit (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Außenbuchse (38) des Wellgetriebes (20) und der Puffer (64) als vormontierbare Einheit (66) ausgebildet sind, so dass die vormontierte Einheit (66) in das Gehäuse (12) der Antriebseinheit (10) montiert werden kann.

6. Antriebseinheit (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Puffer (64) einen metallischen Innenring (68) und einen metalli schen Außenring (70) aufweist, wobei radial zwischen Innenring (68) und Außenring (70) ein Elastomerkörper (72) angeordnet ist.

7. Antriebseinheit (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außen buchse (38) des Wellgetriebes (20) mittels eines Passsitzes mit dem Innenring (68) des Puffers (64) gekoppelt ist.

8. Antriebseinheit (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (70) des Puffers (64) aus dem gleichen Material wie das Gehäuse (12) der Antriebseinheit (10) oder aus einem Material mit einem gleichen Ausdehnungskoeffi zienten wie das Gehäuse (12) der Antriebseinheit (10) ausgebildet ist.

9. Antriebseinheit (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (68) des Puffers (64) aus dem gleichen Material wie die Außen buchse (38) des Wellgetriebes (20) oder aus einem Material mit einem gleichen Aus dehnungskoeffizienten wie die Außenbuchse (38) des Wellgetriebes (20) ausgebildet ist.

10. Antriebseinheit (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (68) aus Stahl ausgebildet ist und/oder dass der Außenring (70) aus Aluminium ausgebildet ist.

11. Antriebseinheit (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeich net, dass der Elastomerkörper (72) eine erste Stirnseite (74) und eine gegenüberlie gende zweite Stirnseite (76) aufweist, wobei zumindest an einer der Stirnseiten (74, 76) eine vorzugsweise umlaufende Aussparung (78, 80) ausgebildet ist.

Description:
Antriebseinheit

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein manuell angetriebenes Fahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 .

DE 10 2015 100 676 A1 offenbart eine Antriebsbaugruppe mit einem manuellen An trieb, einem elektrischen Hilfsantrieb, und einem gemeinsamen Abtriebselement. Die Antriebseinheit weist einen komplexen Aufbau mit einer Vielzahl an einzelnen Kom ponenten und Lagerstellen auf.

EP 2 724 926 A1 offenbart eine zentrale Antriebseinheit mit einer Tretlagerwelle für einen manuellen Antrieb und einen Hilfsantrieb mit einem nachgeschalteten Plane tengetriebe. Auch diese Antriebseinheit weist einen vergleichsweise komplexen Auf bau mit einer Vielzahl einzelner Komponenten auf.

DE 10 2014 108 611 A1 offenbart eine Fahrradantriebsvorrichtung mit einem An triebsgehäuse zur Aufnahme einer Tretkurbelwelle, einem Spannungswellengetriebe, das innerhalb des Antriebsgehäuses angeordnet und mit einem Zugmittelträger trieb technisch in Verbindung bringbar ist. Diese Fahrradantriebsvorrichtung verfügt eben falls über einen komplexen Aufbau.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Antriebs einheit bereitzustellen. Insbesondere sind eine kompakte Bauweise, eine zuverläs sige Funktion und eine hohe Laufruhe wünschenswert.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Die Antriebseinheit ist für ein manuell angetriebenes Fahrzeug einge richtet, insbesondere für ein Fahrrad oder ein EPAC (Electrically Power Assisted Cycle) wobei als manuell angetriebenes Fahrzeug insbesondere ein muskelkraftbe triebenes Fahrzeug bezeichnet wird. Die Antriebseinheit weist ein Gehäuse, einen Elektromotor mit einem Rotor, eine Tretkurbelwelle, ein mit dem Rotor gekoppeltes Wellgetriebe und eine Abtriebswelle auf. Das Wellgetriebe weist eine Außenbuchse mit einer Innenverzahnung auf, wobei die Außenbuchse des Wellgetriebes über ei nen Puffer, bspw. ein Gummi-Metall-Lager, mit dem Gehäuse gekoppelt ist.

Auf diese Weise kann insbesondere eine vorteilhafte akustische Entkopplung von Außenbuchse und Gehäuse erfolgen. Unabhängig davon kann ein Ausgleich von bspw. durch Achsversatz und/oder Verkippung hervorgerufenen Exzentrizitäten er reicht werden.

Die Antriebseinheit weist für einen elektrischen Antrieb einen elektrischen Antriebs zweig auf, wobei vorgesehen ist, dass der Rotor des Elektromotors über das Wellge triebe und eine erste Freilaufkupplung mit der Abtriebswelle gekoppelt ist. Das Dreh moment des Elektromotors wird über das Wellgetriebe und die erste Freilaufkupplung auf die Abtriebswelle übertragen.

Die Antriebseinheit weist für einen manuellen Antrieb einen mechanischen bzw. ma nuellen Antriebszweig auf, wobei vorgesehen ist, dass die Tretkurbelwelle mittels ei ner weiteren zweiten Freilaufkupplung mit der Abtriebswelle gekoppelt ist. Das auf die Tretkurbelwelle aufgebrachte Drehmoment wird über die zweite Freilaufkupplung auf die Abtriebswelle übertragen.

In zweckmäßiger Weise kann das Wellgetriebe einen Wellgenerator und eine ver formbare, bspw. zylindrische Innenbuchse mit einer Außenverzahnung (Flexspline) aufweisen. Wie oben erläutert, weist das Wellgetriebe zudem eine, bspw. zylindri sche und vorzugsweise starre, Außenbuchse mit einer Innenverzahnung auf. Hiermit ist eine kompakte Getriebeeinheit mit vergleichsweise hohen Übersetzungsverhält nissen geschaffen. Dies trägt zu einer strikt koaxialen Anordnung des Wellgetriebes und der Antriebseinheit insgesamt bei.

In vorteilhafter Weise kann die Außenbuchse des Wellgetriebes drehfest mit dem Ge häuse gekoppelt sein. Somit kann die Außenbuchse als Drehmomentabstützung re lativ zum Gehäuse dienen. Durch die drehfeste Außenbuchse kommt es zu keiner Überlagerung mit der Drehbewegung des Flexsplines. In zweckmäßiger Weise können die Tretkurbelwelle und das Wellgetriebe jeweils mit tels einer Freilaufkupplung mit der Abtriebswelle gekoppelt sein, wobei das Wellge triebe, die Freilaufkupplungen und die Abtriebswelle koaxial zueinander im Gehäuse angeordnet sein können. Durch die Ausgestaltung mit einem Wellgetriebe als einstu fige Getriebeeinheit, ist eine koaxiale und besonders kompakte Getriebeeinheit er möglicht, die wiederum eine kompakte und platzsparende Ausgestaltung der An triebsbaugruppe begünstigt. Durch Kopplung mit der Abtriebswelle sind ein manueller Antrieb und ein elektrisch unterstützter Antrieb ermöglicht. Eine Momentenaddition, d.h. eine Addition der Drehmomente von Tretkurbelwelle und Elektromotor, erfolgt an der Abtriebswelle. Die Abtriebswelle kann als Hohlwelle ausgebildet sein.

In vorteilhafter Weise kann die Außenbuchse des Wellgetriebes und der Puffer, ggf. mit Innenring, Elastomerkörper und/oder Außenring, als vormontierbare Einheit aus gebildet sein, so dass die vormontierte Einheit, als Ganzes in das Gehäuse der An triebseinheit montiert werden kann. Dadurch wird die Montage begünstigt, da Kom ponenten nicht einzeln im Gehäuse montiert werden müssen, sondern als vormon tierte Einheit, d.h. als Baugruppe, eingebracht werden können. Dadurch kann der Zeitbedarf für eine Endmontage ggf. verkürzt werden.

In zweckmäßiger Weise kann der Puffer einen metallischen Innenring und einen me tallischen Außenring aufweisen, wobei radial zwischen Innenring und Außenring ein Elastomerkörper, bspw. ein ringförmiger Elastomerkörper, angeordnet sein kann. Ne ben einer akustischen Entkopplung kann damit auch eine Dämpfung von durch den Motor eingeleiteten Drehmomentspitzen erfolgen. Der Puffer kann somit als Torsi onsfeder wirken. Der Außenring kann mit seiner äußeren Umfangsfläche an einer in neren Umfangsfläche des Gehäuses anliegen. Die Außenbuchse des Wellgetriebes kann mit ihrer äußeren Umfangsfläche an einer inneren Umfangsfläche des Innen rings des Puffers anliegen. Ebenfalls denkbar ist, dass der Elastomerkörper eine nicht ringförmige Geometrie aufweist. Bspw. kann zwischen Innenring und Außenring eine Verzahnungsgeometrie mit einem definierten Zwischenraum ausgebildet sein, welcher durch den Puffer elastisch verbunden wird. Der Puffer kann dann optional so ausgebildet sein, dass er akustisch dämpft und einen Toleranzausgleich in Maß und Einbaulage gewährleistet. In vorteilhafter Weise kann die Außenbuchse des Wellgetriebes mittels eines Passsit zes mit dem Innenring des Puffers gekoppelt sein. Dies erlaubt eine konstruktiv einfa che und präzise Befestigung der Außenbuchse am Innenring. Eine Montage der Komponenten aneinander, bspw. auch einer vormontierbaren Einheit ist hiermit be günstigt.

In zweckmäßiger Weise kann der Außenring des Puffers aus dem gleichen Material wie das Gehäuse der Antriebseinheit oder aus einem Material mit einem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Gehäuse der Antriebseinheit ausgebildet sein.

Auf diese Weise kann ein Materialausdehnungsausgleich erfolgen. Der Außenring ist auch beim Auftreten von thermischen Einflüssen noch sicher mit dem Gehäuse ge koppelt.

In vorteilhafter Weise kann der Innenring des Puffers aus dem gleichen Material wie die Außenbuchse des Wellgetriebes oder aus einem Material mit einem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Außenbuchse des Wellgetriebes ausgebildet sein. Auf diese Weise kann ein Materialausdehnungsausgleich erfolgen. Der Innenring und die Außenbuchse sind auch beim Auftreten von thermischen Einflüssen noch si cher miteinander gekoppelt.

In zweckmäßiger Weise kann der Innenring des Puffers aus Stahl ausgebildet sein und/oder der Außenring des Puffers kann aus Aluminium ausgebildet sein. Dadurch ist eine stabile Bauweise bei vergleichsweise geringem Gewicht möglich. Es ergibt sich ein besonders vorteilhafter Materialausdehnungsausgleich. Das Gehäuse der Antriebseinheit kann aus Aluminium ausgebildet sein. Die Außenbuchse des Wellge triebes kann aus Stahl ausgebildet sein.

In vorteilhafter Weise weist der Elastomerkörper eine erste Stirnseite und eine ge genüberliegende zweite Stirnseite, wobei zumindest an einer der Stirnseiten, insbe sondere an beiden Stirnseiten, eine vorzugsweise ringförmige umlaufende Ausspa rung ausgebildet ist. Dadurch kann der sich durch den Puffer ergebende Dämpfungs- effekt beeinflusst werden. Es kann eine Auslegung des Lagers hinsichtlich eines Op timums an axialer, radialer und/oder rotatorischer Steifigkeit erfolgen. Die stirnseitig ausgebildeten Aussparungen können bspw. einen dreieckförmigen Querschnitt auf weisen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert, wobei gleiche oder funktional gleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind.

Es zeigen:

Fig.1 eine Ausführungsform einer Antriebseinheit in einer Schnittansicht; und

Fig.2 das Gehäuse, den Puffer, die Außenbuchse und den Flexspline des

Wellgetriebes der Antriebseinheit aus Fig.1 in einer schematischen Dar stellung.

Figur 1 zeigt eine Antriebseinheit für ein manuell angetriebenes Fahrzeug, insbeson dere ein Fahrrad oder ein EPAC, wobei die Antriebseinheit insgesamt mit dem Be zugszeichen 10 versehen ist.

Die Antriebseinheit 10 weist ein Gehäuse 12 auf, an oder in dem die Komponenten der Antriebseinheit 10 angeordnet sind. Die Antriebseinheit 10 weist für einen manu ellen muskelkraftbetriebenen Antrieb eine Tretkurbelwelle 14 auf, die im Gehäuse 12 drehbar gelagert ist. Zudem weist die Antriebseinheit 10 einen elektrischen Hilfsan trieb 16 auf, der einen Elektromotor 18 und ein Wellgetriebe 20 aufweist, wobei der Elektromotor 18 mit dem Wellgetriebe 20 mechanisch gekoppelt ist. Die Tretkurbel welle 14 und der Hilfsantrieb 16 sind mit einer Abtriebswelle 22 gekoppelt, an der ein Kettenblattträger oderein Kettenblatt befestigbar ist (nicht dargestellt).

Die Tretkurbelwelle 14 ist mittels eines ersten Wälzlagers 24 an einem Gehäusede ckel 26 gelagert, der das Gehäuse 12 der Antriebseinheit 10 zu einer Seite hin (in Fig.1 nach links) verschließt. Zudem ist die Tretlagerwelle 14 mittels eines zweiten Wälzlagers 28 an der als Hohlwelle ausgebildeten Abtriebswelle 22 drehbar gelagert. Die Abtriebswelle 22 ist mittels eines dritten Wälzlagers 30 und eines vierten Wälzla gers 32 relativ zum Gehäuse 12 drehbar gelagert.

Das Wellgetriebe 20 weist einen Wellgenerator 34, eine verformbare Innenbuchse 36 mit Außenverzahnung (Flexspline) und eine Außenbuchse 38 mit Innenverzahnung auf. Das Wellgetriebe 20 ist eingangsseitig mit dem Elektromotor 18 und ausgangs seitig mit der Abtriebswelle 22 gekoppelt, und zwar mittels einer ersten Freilaufkupp lung 40.

Die Tretkurbelwelle 14 ist mittels einer zweiten Freilaufkupplung 42 mit der Ab triebswelle 22 gekoppelt. An dieser Stelle kann die Tretkurbelwelle 14 einen radial nach außen abragenden Wellenabsatz 43 aufweisen, der mit der zweiten Freilauf kupplung 42 in Kontakt ist. Das Wellgetriebe 20, die Freilaufkupplungen 40, 42 und die Abtriebswelle 22 sind koaxial zueinander im Gehäuse 12 angeordnet.

Der Elektromotor 18 weist einen Stator 44 mit Statorspulen 45 und einen Rotor 46 auf. Der Rotor 46 ist mit dem Wellgetriebe 20, insbesondere mit dessen Flexspline 36, gekoppelt. Das Wälzlager 39 des Flexsplines 36 (Flexlager) ist an einem bspw. hülsenförmigen Verbindungsabschnitt des Rotors 46 gelagert.

Die Antriebseinheit 10 weist weiter einen Statorträger 48 und eine Elektronikeinheit auf, die als Elektronikplatine 50 ausgebildet sein kann. Der Statorträger 48 weist ei nen, bspw. hülsenförmigen, Trageabschnitt 52 und einen, bspw. scheibenförmigen, Befestigungsabschnitt 54 auf.

An dem Trageabschnitt 52 ist der Stator 44 befestigt und der Rotor 46 ist mittels ei nes Wälzlagers 58 drehbar am Trageabschnitt 52 gelagert. Über den Befestigungs abschnitt 54 kann der Statorträger 48 mit dem Gehäuse 12 der Antriebseinheit 10 verbunden werden.

Die Antriebseinheit 10 weist für einen elektrischen Antrieb einen elektrischen An triebszweig 60 auf, wobei der Rotor 46 des Elektromotors 18 über das Wellgetriebe 20 und die erste Freilaufkupplung 40 mit der Abtriebswelle 22 gekoppelt ist. Das Drehmoment des Elektromotors 18 wird über das Wellgetriebe 20 und die erste Frei laufkupplung 40 auf die Abtriebswelle 22 übertragen.

Die Antriebseinheit 10 weist einen mechanischen bzw. manuellen Antriebszweig 62 auf, wobei die Tretkurbelwelle 14 mittels der zweiten Freilaufkupplung 42 mit der Ab triebswelle 22 gekoppelt ist. Das auf die Tretkurbelwelle 14 aufgebrachte Drehmo ment wird über die zweite Freilaufkupplung 42 auf die Abtriebswelle 22 übertragen.

Die Außenbuchse 38 des Wellgetriebes 20 ist drehfest mit dem Gehäuse 12 gekop pelt. Somit kann die Außenbuchse 38 als Drehmomentabstützung relativ zum Ge häuse 12 dienen. Die Außenbuchse 38 des Wellgetriebes 20 ist über einen, vorzugs weise mehrteilig ausgebildeten, Puffer 64, bspw. ein Gummi-Metall-Lager, mit dem Gehäuse 12 gekoppelt.

Die Außenbuchse 38 des Wellgetriebes 20 und der Puffer 64 sind als vormontierbare Einheit 66 ausgebildet (Fig.2), so dass die vormontierbare Einheit 66 im vormontier ten Zustand als Ganzes in das Gehäuse 12 der Antriebseinheit 10 montiert werden kann.

Der Puffer 64 weist einen metallischen Innenring 68 und einen metallischen Außen ring 70 auf, wobei radial zwischen Innenring 68 und Außenring 70 ein bspw. ringför miger Elastomerkörper 72 angeordnet ist. Der Außenring 70 liegt mit seiner äußeren Umfangsfläche an einer innen Umfangsfläche des Gehäuses 12 an. Die Außen buchse 38 des Wellgetriebes 20 liegt mit ihrer äußeren Umfangsfläche an einer inne ren Umfangsfläche des Innenrings 68 an.

Die Außenbuchse 38 des Wellgetriebes 20 ist mittels eines Passsitzes mit dem In nenring 68 des Puffers 64 gekoppelt.

Der Außenring 70 ist aus dem gleichen Material wie das Gehäuse 12 der Antriebs einheit 10 oder aus einem Material mit einem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Gehäuse 12 der Antriebseinheit 10 ausgebildet. Der Außenring 70 und/oder das Gehäuse 12 können aus Aluminium ausgebildet sein. Der Innenring 68 ist aus dem gleichen Material wie die Außenbuchse 38 des Wellge triebes 20 oder aus einem Material mit einem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Außenbuchse 38 des Wellgetriebes 20 ausgebildet. Der Innenring 68 und/oder die Außenbuchse 38 können aus Stahl ausgebildet sein.

Der Elastomerkörper 72 weist eine erste Stirnseite 74 und eine gegenüberliegende zweite Stirnseite 76 auf. An den Stirnseiten 74, 76 ist jeweils eine umlaufende Aus sparung 78, 80 ausgebildet. Die Aussparungen 78, 80 können bspw. einen dreieck förmigen Querschnitt aufweisen.

Bezuqszeichen Antriebseinheit Gehäuse Tretkurbelwelle Hilfsantrieb, elektrisch Elektromotor Wellgetriebe Abtriebswelle erstes Wälzlager Gehäusedeckel zweites Wälzlager drittes Wälzlager viertes Wälzlager Wellgenerator Innenbuchse Außenbuchse Wälzlager (Flexlager) erste Freilaufkupplung zweite Freilaufkupplung Wellenabsatz Stator Rotor Statorträger Elektronikplatine, - einheit Trageabschnitt Befestigungsabschnitt Wälzlager elektrischer Antriebszweig manueller Antriebszweig Puffer vormontierbare Einheit Innenring Außenring Elastomerkörper erste Stirnseite zweite Stirnseite Aussparung Aussparung




 
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