DE102011120675B4

DE102011120675B4 - Getriebeeinheit

Info

Publication number: DE102011120675B4
Application number: DE102011120675.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Schmitz; Christoph Lermen
Original assignee: Pinion GmbH
Current assignee: Pinion GmbH
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2031-12-03
Also published as: DE102011120675A1

Abstract

Getriebeeinheit (110) für ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrzeug, mit- einer Eingangswelle (34), die als Durchgangswelle ausgebildet ist und an ihren Enden mit Kurbeln (16, 16') zum Antreiben der Eingangswelle (34) verbindbar ist, wobei über die Eingangswelle (34) ein zu erfassendes Drehmoment (M) zum Antreiben des Fahrzeuges übertragbar ist,- wenigstens einem Antriebsrad (36, 38, 40, 64), das an der Eingangswelle (34) gelagert ist und das zum Übertragen des Drehmomentes (M) mit einem angetriebenen Rad (42, 44, 46) drehfest verbunden oder verbindbar ist,- einem elektrischen Antrieb (108), der mit einer Welle (32, 48, 112) der Getriebeeinheit (110) verbindbar ist, wobei dem elektrischen Antrieb (108) eine Steuereinheit (130) zugeordnet ist, und- einer Drehmomenterfassungsanordnung (30), die (i) ein Drehfederelement (50) aufweist, mittels dessen das Antriebsrad (36, 38, 40, 64) und die Eingangswelle (34) in Rotationsrichtung federnd miteinander verbunden sind, wobei das Antriebsrad (36, 38, 40, 64) an der Eingangswelle (34) um einen vordefinierten Leerweg (72) verdrehbar gelagert ist, wobei zwischen dem Antriebsrad (36, 38, 40, 64) und der Eingangswelle (34) in der Rotationsrichtung ein Anschlag (88) gebildet ist, der den Leerweg (72) und einen Federweg des Drehfederelements (50) begrenzt, und (ii) Drehwinkelerfassungsmittel (54) aufweist, die dazu ausgebildet sind, eine Verdrehung des Antriebsrads (36, 38, 40, 64) gegenüber der Eingangswelle (34) zu erfassen, wobei die Steuereinheit (130) dazu ausgebildet ist, den elektrischen Antrieb (108) auf der Grundlage der von den Drehwinkelerfassungsmitteln (54) erfassten Verdrehung anzusteuern, um ein entsprechendes Drehmoment (ME) in die Getriebeeinheit (110) einzukoppeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit für ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrzeug mit einer Eingangswelle, die als Durchgangswelle ausgebildet ist und die an ihren Enden mit Kurbeln zum Antreiben der Durchgangswelle verbindbar ist, wobei über die Eingangswelle ein zu erfassendes Drehmoment zum Antreiben des Fahrzeuges übertragbar ist, und mit wenigstens einem Antriebsrad, das an der Eingangswelle gelagert ist und das zum Übertragen des Drehmomentes mit einem angetriebenen Rad drehfest verbunden oder verbindbar ist, und mit einer Drehmomenterfassungsanordnung.
Derartige Drehmomenterfassungsanordnungen dienen dazu, ein Drehmoment, das durch Muskelkraft zum Antreiben eines Fahrzeugs bereitgestellt wird, zu erfassen.
Es ist allgemein bekannt, Fahrräder mit Hilfsmotoren auszurüsten, die als Nabenmotor im Bereich der Vorderrad- beziehungsweise der Hinterradnabe angeordnet sind oder als Mittelmotor im Bereich des Tretlagers angeordnet sind, um als alleiniger Antrieb das Fahrrad anzutreiben oder aber ein durch Muskelkraft bereitgestelltes Antriebsmoment zu unterstützen.
Sofern das durch Muskelkraft bereitgestellte Antriebsmoment mittels des Hilfsmotors unterstützt werden soll, um den Antrieb des Fahrrads zu erleichtern, ist es notwendig, das durch Muskelkraft eingeleitete Drehmoment zu erfassen.
Ein derartiger Drehmomentsensor für ein Fahrrad ist beispielsweise bekannt aus der WO 99 / 30 960 A2 Dieser Drehmomentsensor ist zusammen mit einem Elektromotor in einem Tretlager des Fahrrads integriert und weist zwei bandförmige Magnetpole auf, die durch Torsion gegeneinander verschoben werden, wodurch sich das zwischen den Magnetpolen ausbildende Magnetfeld ändert und dadurch die Verdrehung der Magnetpole zueinander mittels zweier Induktionsspulen erfasst werden kann. Auf diese Weise wird das über die Tretkurbeln eingeleitete Drehmoment erfasst und der Elektromotor entsprechend angetrieben, um die Tretkraft zu unterstützen.
Nachteilig bei diesem Drehmomentsensor ist, dass der Aufbau und die Erfassung der Verdrehung mittels der Induktionsspulen technisch aufwendig sind und der Sensor einen großen Bauraum innerhalb des Tretlagers erfordert.
Weiterhin ist es denkbar, einen Drehmomentsensor mittels einer mechanischen Feder zu realisieren, wobei zwei mittels einer Torsionsfeder federnd miteinander verbundene Elemente gegeneinander verdreht werden und über den zu erfassenden Verdrehwinkel das eingeleitete Drehmoment erfasst werden kann. Nachteilig dabei ist es, dass zur präzisen Erfassung des Drehmomentes eine sehr geringe Federkonstante der Torsionsfeder notwendig ist und eine Torsionsfeder mit einer geringen Federkonstante einen großen Verdrehweg der beiden Elemente zulässt, wodurch ein Antreiben des Fahrzeugs mit Muskelkraft unkomfortabel wird. Ferner kann die Torsionsfeder bei großen Drehmomenten überlastet werden, wodurch die Feder dauerhaft beschädigt werden kann.
Aus dem Dokument DE 699 00 619 T2 ist eine Eingangsdrehmomenterfassungsvorrichtung für ein Hilfskraftfahrzeug bereit, wobei ein Eingangsdrehmoment in Eingangsbetätigungselemente auf der Grundlage einer Drehphasendifferenz zwischen einem ersten Rotator, der synchron mit der Drehung der Eingangsbetätigungselemente gedreht wird, und einem zweiten Rotator erfasst wird, der synchron mit der Drehung eines Antriebsrads gedreht wird, wobei die Vorrichtung dazu bestimmt ist, ein Eingangsdrehmoment genau zu erfassen, selbst wenn eine axiale Abweichung zwischen beiden Rotatoren auftritt. Um dies zu erreichen, wird ein erster Magnetring durch Bereitstellen von N-Polen und S-Polen in einer Ringform auf einem aus Kunstharz hergestellten ersten Halteelement gebildet, das sich mit einem ersten Rotator dreht. Ein zweiter Magnetring wird durch Bereitstellen von N-Polen und S-Polen in einer Ringform auf einem aus Kunstharz hergestellten zweiten Halteelement gebildet, das sich mit einem zweiten Rotator dreht. Der innere Umfang oder der äußere Umfang des ersten Halteelements ist in Kontakt mit dem anderen des inneren Umfangs und des äußeren Umfangs des zweiten Halteelements an mehreren Positionen, die in Umfangsrichtung in Intervallen beabstandet sind.
Aus dem Dokument US 6 851 497 B1 ist ein motorunterstütztes Fahrrad mit einem Drehmomenterfassungssystem bekannt. Eine Einwegkupplung dient zum Übertragen nur der Drehung der Antriebswelle auf das Kettenrad in der Richtung, in der das Fahrrad fährt und ist innerhalb eines hohlen zylindrischen Abschnitts des Kettenrads angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Kettenradfläche steht ein Lager mit einem Außenumfang des zylindrischen Abschnitts in Eingriff, und eine elastische Tellerfeder hält das Kettenrad mit Hilfe des Lagers. Die Tellerfeder ist an dem Fahrradkörper befestigt und ein Dehnungsmesser zum Erfassen einer Spannungsverformung der Tellerfeder ist auf deren Oberfläche angebracht. Wenn die Antriebswelle mit Hilfe des Tretdrehmoments gedreht wird, übt die Einwegkupplung eine axiale Druckkraft auf das Kettenrad aus, um die Tellerfeder zu verformen, und der Dehnungsmesser erfasst die Spannungsverformung der Tellerfeder.
Aus dem Dokument WO 2011 / 074 947 A1 ist eine Messvorrichtung zum Messen des Drehmoments zwischen zwei ringförmigen Elementen bekannt, die koaxial zueinander angeordnet und durch Speichen miteinander verbunden sind. Die Messvorrichtung beinhaltet: eine Anordnung von ersten Befestigungselementen zur Befestigung an einem der ringförmigen Elemente; eine Anordnung von zweiten Befestigungselementen zur Befestigung an dem anderen der ringförmigen Elemente; ein Zwischenringelement, das zwischen den ersten Befestigungselementen und den zweiten Befestigungselementen angeordnet ist; mehrere erste Kopplungselemente zum mechanischen Koppeln der ersten Befestigungselemente mit dem Zwischenringelement; eine Vielzahl von zweiten Kopplungselementen zum mechanischen Koppeln der zweiten Befestigungselemente mit dem Zwischenringelement. Die ersten Kopplungselemente haben im Vergleich zu den zweiten Kopplungselementen eine hohe radiale Steifigkeit und im Vergleich zu den zweiten Kopplungselementen eine geringe tangentiale Steifigkeit.Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Getriebeeinheit für ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrzeug bereitzustellen, die mittels einer Drehmomenterfassungsanordnung mit technisch geringem Aufwand und hoher Genauigkeit ein eingeleitetes Drehmoment erfassen kann und gleichzeitig eine komfortable Nutzung des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Getriebeeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Dadurch, dass der Federweg des Drehfederelementes durch den Anschlag begrenzt ist, kann ein Drehfederelement mit einer beliebigen Federkonstante verwendet werden, wodurch bei geeigneter Wahl der Federkonstante die Präzision der Drehmomenterfassungsanordnung erhöht werden kann und das zu erfassende Drehmoment mit einer entsprechenden Empfindlichkeit bestimmt werden kann. Dadurch, dass der Leerweg durch den Anschlag begrenzt ist, weist die Drehmomenterfassungsanordnung ein übliches Ansprechverhalten auf, da bei einem entsprechend großen Drehmoment nach einer geringen Rotation der Eingangswelle gegenüber dem Antriebsrad das Drehmoment direkt übertragen wird. Ferner ist dadurch eine Überlastung des Drehfederelementes ausgeschlossen. Dadurch, dass im Wesentlichen mechanische Elemente zum Einstellen des Verdrehwinkels verwendet werden, kann die Drehmomenterfassungsanordnung mit technisch einfachen Mitteln realisiert werden. Im Ergebnis wird somit durch die vorliegende Erfindung eine Drehmomenterfassungsanordnung und eine entsprechende Getriebeeinheit bereitgestellt, die ein Drehmoment mit einfachen Mitteln präzise erfassen kann und gleichzeitig ein komfortables und übliches Ansprechverhalten aufweist.
Bei der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit ist der elektrische Antrieb mit einer Welle der Getriebeeinheit verbindbar ist, wobei dem elektrischen Antrieb eine Steuereinheit zugeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, den elektrischen Antrieb auf der Grundlage der erfassten Verdrehung anzusteuern, um ein entsprechendes Drehmoment in die Getriebeeinheit einzukoppeln.
Dadurch kann präzise und individuell ein zusätzliches Antriebsmoment zum Antreiben des Fahrzeugs bereitgestellt werden, wodurch das Fahren mit dem Fahrzeug besonders komfortabel wird.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Eingangswelle der Drehmomenterfassungsanordnung als Durchgangswelle ausgebildet ist und an ihren Enden mit Kurbeln zum Antreiben der Eingangswelle verbindbar ist.
Dadurch kann das Drehmoment, das mittels der Kurbeln bereitgestellt wird, direkt erfasst werden, wodurch eine Umrechnung eines Übersetzungsverhältnisses entfällt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird somit vollständig gelöst.
Vorzugsweise weist die Eingangswelle eine Außenverzahnung auf, die in eine mit dem Antriebsrad drehfest verbundene Innenverzahnung greift, wobei der Leerweg als Spiel zwischen der Außenverzahnung und der Innenverzahnung ausgebildet ist.
Dadurch kann der Leerweg mit technisch einfachen Mitteln und in kompakter Bauweise realisiert werden.
Es ist ferner besonders bevorzugt, wenn an der Eingangswelle eine Hohlwelle gelagert ist, die die Innenverzahnung aufweist, wobei das Antriebsrad drehfest an der Hohlwelle gelagert ist.
Dadurch kann der Leerweg je nach Anwendungsfall eingestellt werden, indem lediglich die Hohlwelle ausgetauscht beziehungsweise vor dem Zusammenbau ausgewählt wird.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn das Drehfederelement umfänglich zu der Eingangswelle angeordnet ist und axial versetzt zu dem Antriebsrad an der Eingangswelle gelagert ist.
Dadurch können das Drehfederelement und das Antriebsrad als separate Bauteile gefertigt und montiert werden, wodurch sowohl die Herstellung der Elemente als auch die Montage der Elemente einfacher und kostengünstiger werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn das Drehfederelement einen Innenring und einen Außenring aufweist, die mittels eines Federgliedes in der Rotationsrichtung federnd miteinander verbunden sind.
Dadurch kann mit einfachen Mitteln ein Drehfederelement realisiert werden, das in beliebiger Weise mit anderen Elementen der Drehmomenterfassungsanordnung montiert werden kann.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Innenring drehfest mit der Eingangswelle verbunden ist.
Dadurch kann das Drehfederelement mit einfachen Mitteln mit der Eingangswelle verbunden werden, um die entsprechende Verdrehung zu erfassen.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Außenring verdrehfest mit dem Antriebsrad verbunden ist.
Dadurch kann mit einfachen Mitteln das Drehfederelement zum Erfassen der Relativverdrehung mit dem Antriebsrad verbunden werden.
In einer besonderen Ausführungsform ist der Innenring drehfest mit der Hohlwelle verbunden.
Dadurch kann der Innenring mit technisch geringem Aufwand drehfest mit den Antriebsrädern verbunden werden.
Es ist dabei von besonderem Vorzug, wenn das Federglied eine Mehrzahl von Blattfederelementen aufweist, die sich in radialer Richtung erstrecken und S-förmig miteinander verbunden sind.
Dadurch kann ein Drehfederelement bereitgestellt werden, das eine besonders kompakte Bauform aufweist.
Es ist alternativ bevorzugt, wenn das Federglied wenigstens eine Spiralfeder aufweist, dessen Hauptachse im Wesentlichen in tangentialer Richtung zu dem Innenring angeordnet ist.
Dadurch kann mit technisch einfachen Mitteln ein Drehfederelement bereitgestellt werden, das eine präzise einstellbare Federkonstante aufweist.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Verdrehwinkelerfassungsmittel ein erstes Detektorrad aufweisen, das mit dem Außenring verbunden ist.
Dadurch kann in kompakter Bauform eine Drehwinkelerfassung bereitgestellt werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Verdrehwinkelerfassungsmittel ein zweites Detektorrad aufweisen, das drehfest an der Eingangswelle gelagert ist.
Dadurch kann mit einfachen Mitteln die Rotationsposition der Eingangswelle erfasst und der Verdrehwinkel bestimmt werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn das erste Detektorrad und das zweite Detektorrad axial nebeneinander angeordnet sind und umfänglich Detektionsabschnitte aufweisen.
Alternativ ist es bevorzugt, wenn das erste Detektorrad das zweite Detektorrad wenigstens teilweise umfänglich umgibt beziehungsweise das zweite Detektorrad in dem ersten Detektorrad aufgenommen ist. Dabei sind die Umfangsflächen des ersten Detektorrades und des zweiten Detektorrades radial versetzt zueinander angeordnet.
Dadurch ist eine in axialer Richtung besonders kompakte Bauform möglich.
Dadurch kann mit einfachen Mitteln die Relativverdrehung von außen erfasst werden, wodurch gleichzeitig eine einfache Montage möglich ist.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn den Detektionsrädern Detektionsmittel zugeordnet sind, die die Rotationsposition der Detektionsabschnitte erfassen, um die Relativdrehung und/oder eine Drehzahl der Detektionsräder zu erfassen.
Dadurch kann die relative Verdrehung der beiden Detektorräder mit technisch einfachen Mitteln erfasst und in kompakter Bauform realisiert werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn das angetriebene Rad an einer Vorgelegewelle der Getriebeeinheit gelagert ist und mit dem Antriebsrad ein Radpaar bildet.
Dadurch lässt sich mit einfachen Mitteln ein Stirnradgetriebe bilden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Seitenansicht eines Fahrradrahmens mit einem Mehrganggetriebe und einem elektrischen Antrieb;
2 in schematischer Darstellung einen Schaltplan einer Drehmomenterfassungsanordnung in einem Mehrganggetriebe;
3 eine perspektivische Darstellung der Drehmomenterfassungsanordnung;
4 eine Durchgangswelle mit einer Hohlwelle, die mit einem Leerweg an der Durchgangswelle gelagert ist;
5 zeigt eine schematische Schnittansicht der Drehmomenterfassungsanordnung;
6 eine Explosionsdarstellung der Drehmomenterfassungsanordnung;
7 die Drehmomenterfassungsanordnung in axialer Blickrichtung;
8 eine perspektivische Darstellung der Drehmomenterfassungsanordnung mit einer ersten Ausführungsform eines Drehfederelementes;
9 eine perspektivische Darstellung der Drehmomenterfassungsanordnung mit einer zweiten Ausführungsform des Drehfederelementes;
10 einen Schaltplan einer Getriebeeinheit mit einer Drehmomenterfassungsanordnung und einer elektrischen Maschine als Hilfsantrieb; und
11 eine perspektivische Darstellung der Getriebeeinheit mit Drehmomenterfassungsanordnung.

In 1 ist eine Getriebeeinheit für ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrzeug gezeigt und allgemein mit 10 bezeichnet.
1 zeigt eine Seitenansicht eines Fahrradrahmens 12, der ein Getriebegehäuse 14 aufweist, in dem die Getriebeeinheit 10 aufgenommen ist. Die Getriebeeinheit 10 ist in dieser Darstellung schematisch angedeutet und ist als kompakte Einheit ausgebildet. Die Getriebeeinheit 10 wird hierbei beispielsweise für den Einsatz bei einem Zweirad beschrieben, wobei allerdings auch der Einsatz bei anderen mit Muskelkraft angetriebenen Fahrzeugen möglich ist.
Die Getriebeeinheit 10, das Getriebegehäuse 14 bilden zusammen mit Tretkurbeln 16, 16' ein Mehrganggetriebe 18. Das Fahrrad 12 weist einen elektrischen Antrieb 20 auf, der mit dem Mehrganggetriebe 18 verbunden ist, um das Fahrzeug zusätzlich zu dem Antrieb über die Tretkurbeln 16, 16' anzutreiben. Der elektrische Antrieb 20 ist mit einer elektrischen Energiequelle 21 verbunden, die den elektrischen Antrieb 20 mit elektrischer Energie versorgt. Die Energiequelle 21 ist vorzugsweise als Akkumulator ausgebildet.
In 2 ist ein Drehmomentsensor dargestellt und allgemein mit 30 bezeichnet.
Der Drehmomentsensor 30 ist in der Darstellung von 2 beispielhaft als Teil eines Wechselgetriebes 32 dargestellt.
Der Drehmomentsensor weist eine Eingangswelle 34 auf, über die ein zu messendes Drehmoment M übertragbar ist. An der Eingangswelle sind Antriebsräder 36, 38, 40 gelagert, die drehfest miteinander verbunden sind. Die Antriebsräder 36, 38, 40 kämmen mit angetriebenen Rädern 42, 44, 46, die jeweils Radpaare bilden. Die angetriebenen Räder 42, 44, 46 sind an einer Vorgelegewelle 48 gelagert. Die Antriebsräder 36, 38, 40 und die angetriebenen Räder 42, 44, 46 bilden zusammen das Wechselgetriebe 32.
Alternativ kann der Drehmomentsensor 30 auch lediglich mit einem Antriebsrad 36 ausgebildet sein, das mit einem angetriebenen Rad 42 verbunden oder verbindbar ist, um ein Drehmoment M von der Eingangswelle 34 zu übertragen.
Die Antriebsräder 36, 38, 40 sind drehfest miteinander verbunden und mittels eines Torsionsfederelementes 50 in Rotationsrichtung federnd mit der Eingangswelle 34 verbunden. Die Antriebsräder 36, 38, 40 sind ferner mittels einer Drehwinkelbegrenzung 52 an der Eingangswelle 34 gelagert. Die Drehwinkelbegrenzung 52 weist in der Rotationsrichtung zwischen der Eingangswelle 34 und den Antriebsrädern 36, 38, 40 einen Leerweg auf, um den die Eingangswelle 34 relativ zu den Antriebsrädern 36, 38, 40 drehbar gelagert ist. Der Drehwinkel, um den die Eingangswelle 34 relativ zu den Antriebsrädern verdrehbar gelagert ist, ist durch den Leerweg begrenzt. Der Drehmomentsensor 30 weist Verdrehwinkelerfassungsmittel 54 auf, um eine Verdrehung zwischen der Eingangswelle 34 und den Antriebsrädern 36, 38, 40 zu erfassen. Die Verdrehwinkelerfassungsmittel 54 weisen ein erstes Detektorrad 56 auf, das mit den Antriebsrädern 36, 38, 40 drehfest verbunden ist. Die Verdrehwinkelerfassungsmittel 54 weisen ferner ein zweites Detektorrad 58 auf, das verdrehfest mit der Eingangswelle 34 verbunden ist. Die Detektorräder 56, 58 weisen einen identischen Durchmesser auf und sind axial nebeneinander angeordnet. Dem ersten Detektorrad 56 ist ein erster Drehwinkelsensor 60 zugeordnet und dem zweiten Detektorrad 58 ist ein zweiter Drehwinkelsensor 62 zugeordnet.
Durch die Drehwinkelbegrenzung 52 ist die Eingangswelle 34 relativ zu den Antriebsrädern 36, 38, 40 um den vordefinierten Drehwinkel verdrehbar gelagert, wobei der vordefinierte Verdrehwinkel durch einen Leerweg der Drehwinkelbegrenzung 52 gebildet ist. Wenn das zu messende Drehmoment über die Eingangswelle 34 übertragen wird, kann die Eingangswelle 34 um den Leerweg relativ zu den Antriebsrädern 36, 38, 40 verdreht werden, wodurch das Torsionsfederelement 50 gespannt wird. Je nach Größe des eingeleiteten Drehmomentes stellt sich der Verdrehwinkel in Abhängigkeit einer Federkonstante des Torsionsfederelementes 50 ein. Der Verdrehwinkel kann durch die Drehwinkelsensoren 60, 62 der Verdrehwinkelerfassungsmittel 54 erfasst werden und ist proportional zu dem eingeleiteten Drehmoment M.
Sofern das Drehmoment einen vorbestimmten Wert überschreitet, sodass der Verdrehwinkel den durch den Leerweg vordefinierten Verdrehwinkel überschreitet, schlägt die Eingangswelle 34 an einem Anschlag an, der den Leerweg begrenzt, sodass das eingeleitete Drehmoment direkt auf die Antriebsräder 36, 38, 40 übertragen wird.
Durch die Drehwinkelbegrenzung 52 beziehungsweise den Leerweg kann das Torsionsfederelement 50 ferner derart vorgespannt werden, dass das Torsionsfederelement 50 in einem unbelasteten Zustand, also wenn das eingeleitete Drehmoment M gleich Null ist oder einen vorbestimmten Wert unterschreitet, zunächst nicht weiter belastet wird. Erst wenn das Drehmoment M den vorbestimmten Wert überschreitet, wird das Torsionsfederelement 50 durch das Drehmoment M belastet, bis das Drehmoment M einen zweiten vorbestimmten Wert erreicht, so dass die Eingangswelle 34 an dem Anschlag anschlägt. Dadurch kann ein bestimmter Drehmomentbereich definiert werden, in dem das Drehmoment M von dem Drehmomentsensor 30 erfasst werden soll.
Dadurch, dass der Verdrehwinkel durch die Drehwinkelbegrenzung 52 begrenzt ist, kann die Federkonstante des Torsionsfederelementes 50 sehr klein gewählt werden, wodurch die Empfindlichkeit des Drehmomentsensors 30 erhöht wird. Dadurch kann mit technisch einfachen Mitteln ein präziser und empfindlicher Drehmomentsensor 30 bereitgestellt werden, der durch die Drehwinkelbegrenzung 52 ein normales und akzeptables Ansprechverhalten zeigt.
Es versteht sich, dass die Anwendung des Drehmomentsensors 30, die in 2 mit dem Wechselgetriebe 32 dargestellt ist, lediglich beispielhaft ist. Alternativ kann der Drehmomentsensor 30 auch mit einem einzelnen Antriebsrad verbunden sein, das mit einem angetriebenen Rad verbunden oder verbindbar ist, wobei das angetriebene Rad auch koaxial zu dem Antriebsrad angeordnet sein kann.
In einer weiteren Ausführungsform kann das einzelne Antriebsrad auch Teil eines Planetengetriebes sein oder mit einem Planetengetriebe verbunden oder verbindbar sein. Dabei kann das einzelne Antriebsrad drehfest verbunden oder verbindbar sein mit einem Sonnenrad, einem Planetenträger oder einem Hohlrad des Planetengetriebes.
In 3 ist der Drehmomentsensor 30 perspektivisch dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind. Die Eingangswelle 34 weist an ihren axialen Enden Verbindungsabschnitte 63, 63' auf, um die Eingangswelle 34 mit den Kurbeln 16, 16' zu verbinden. Der Drehmomentsensor 30 weist die Antriebsräder 36, 38, 40 und ein zusätzliches Antriebsrad 64 auf. Die Antriebsräder 36, 38, 40, 64 sind drehfest an einer Hohlwelle 66 gelagert. Die Hohlwelle 66 ist koaxial zu der Eingangswelle 34 angeordnet und an der Eingangswelle 34 gelagert. Die Hohlwelle weist eine Innenverzahnung 68 auf, die in eine Außenverzahnung 70 der Eingangswelle 34 greift. Die Innenverzahnung 68 und die Außenverzahnung 70 weisen zueinander ein Spiel auf, das einen Leerweg 72 in der Rotationsrichtung bildet. Wie oben erläutert, kann somit die Eingangswelle 34 relativ zu den Antriebsrädern um einen vordefinierten Verdrehwinkel verdreht werden, um so das Torsionsfederelement 50 zu verspannen. Die Detektorräder 56, 58 sind axial neben den Antriebsrädern angeordnet und weisen an ihrer äußeren Umfangsfläche Detektorelemente 74 auf, über die die Drehwinkelsensoren 60, 62 die Drehposition der Detektorräder 56, 58 erfassen und somit eine Relativdrehung der Detektorräder 56, 58 zueinander und eine Relativverdrehung der Eingangswelle zu den Antriebsrädern 36, 38, 40, 64 ermitteln können. Weiterhin kann über die Drehwinkelsensoren 60, 62 auch die Drehzahl der Eingangswelle 34 ermittelt werden. Dabei wird über die Positionsänderung in Abhängigkeit der Zeit die Drehzahl bestimmt.
In 4 ist die Eingangswelle 34 zusammen mit der Hohlwelle 66 perspektivisch dargestellt. Die Hohlwelle 66 ist koaxial zu der Eingangswelle 34 gelagert. Die Hohlwelle 66 weist die Innenverzahnung 68 auf, die in die Außenverzahnung 70 der Eingangswelle 34 greift. Die Innenverzahnung 68 und die Außenverzahnung 70 weisen in der Rotationsrichtung ein Spiel auf, das den Leerweg 72 bildet. Der Leerweg 72 bildet den Verdrehwinkel, um den die Eingangswelle 34 relativ zu der Hohlwelle 66 verdreht werden kann, um das Torsionsfederelement 50 zu verspannen. Die Hohlwelle 66 weist eine zweite Außenverzahnung 76 auf, mittels der die Antriebsräder 36, 38, 40, 64 verdrehfest an der Hohlwelle 66 gelagert sind. Die Eingangswelle 34 weist ferner eine Außenverzahnung 78 auf, mittels der das Torsionsfederelement 50 verdrehfest an der Eingangswelle 34 gelagert ist, wie im Weiteren näher erläutert wird.
Durch die Hohlwelle 66 können die Antriebsräder 36, 38, 40, 64 verdrehfest miteinander verbunden werden und in ihrer Gesamtheit an der Eingangswelle mit dem Leerweg 72 gelagert werden.
In 5 ist eine schematische Schnittansicht des Drehmomentsensors 30 dargestellt. Die Antriebsräder 36, 38, 40, 64 sind verdrehfest miteinander verbunden und an der Hohlwelle 66 verdrehfest gelagert. Die Antriebsräder 36, 38, 40, 64 sind axial nebeneinander an der Hohlwelle 66 gelagert. Die Hohlwelle 66 ist koaxial an der Eingangswelle 34 gelagert. Das Antriebsrad 40 ist verdrehfest mit dem ersten Detektorrad 56 verbunden, das koaxial zu der Eingangswelle 34 angeordnet ist. Das erste Detektorrad 56 ist axial neben dem Antriebsrad 40 angeordnet. In dem Antriebsrad 40 ist das Torsionsfederelement 50 aufgenommen und verbindet das Antriebsrad 40 mit der Eingangswelle 34 federnd. Mit anderen Worten ist das Torsionsfederelement 50 in radialer Richtung zwischen einem Zahnabschnitt des Antriebsrades 40 und der Eingangswelle 34 angeordnet. Das zweite Detektorrad 58 ist axial neben dem ersten Detektorrad 56 angeordnet. Das zweite Detektorrad 58 ist verdrehfest mit der Eingangswelle 34 verbunden.
Die Verdrehwinkelerfassungsmittel 54 können unterschiedlich ausgeführt sein. In einer ersten Ausführungsform sind die Drehwinkelsensoren 60, 62 als Hall-Sensoren ausgebildet und das erste und das zweite Detektorrad 56, 58 weisen an ihrer Umfangsfläche magnetisierte Bereiche auf, deren Position durch die Hall-Sensoren erfasst werden können. Dadurch ist eine berührungslose Erfassung des Drehwinkels und der Drehzahl möglich. In einer alternativen Ausführungsform sind die Drehwinkelsensoren 60, 62 als optische Sensoren ausgebildet, die eine Rotationsposition der Detektorräder 56, 58 optoelektronisch erfassen. Vorteil dabei ist es, dass diese Erfassung berührungslos erfolgt. In einer weiteren Ausführungsform sind die Drehwinkelsensoren 60, 62 als Sinusgeber ausgebildet und die Detektorelemente 74 als magnetisierbare Elemente, so dass über eine Änderung des magnetischen Flusses des Sinusgebers die Rotationsposition und die Drehzahl erfasst werden kann. In einer weiteren Ausführungsform sind die Drehwinkelsensoren 60, 62 als elektromechanische Sensoren ausgebildet, die mechanisch über die Detektorelemente 74 die Rotationsposition der Detektorräder 56, 58 erfassen und die Drehzahl bestimmen.
In einer alternativen Ausführungsform weisen die Drehwinkelerfassungsmittel 54 lediglich einen Drehwinkelsensor 60, 62 auf, der drehfest mit einem der Detektorräder 56, 58 verbunden ist und über die Detektorelemente 74 des anderen Detektorrades 56, 58 die Relativverdrehung der Detektorräder 56, 58 gegeneinander erfassen. Dadurch kann mit einfachen Mitteln eine Relativdrehung der Detektorräder 56, 58 zueinander und somit eine Relativdrehung der Eingangswelle 34 zu den Antriebsrädern 36, 38, 40, 64 ermittelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die Detektorräder 56, 58 unterschiedliche Durchmesser auf und sind ineinander angeordnet, so dass die Umfangsflächen der Detektorräder 56, 58 radial zueinander versetzt angeordnet sind. In dieser Ausführungsform ist einer der Drehwinkelsensoren 60, 62 oder beide Drehwinkelsensoren 60, 62 radial zwischen den Umfangsflächen der Detektorräder 56, 58 angeordnet, um die Relativdrehung zu erfassen. Dadurch ist eine in axialer Richtung besonders kompakte Bauform möglich.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist das erste Detektorrad 56 axial neben dem Antriebsrad 40 angeordnet und wie das Antriebsrad 40 drehfest mit der Hohlwelle 66 verbunden.
In 6 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des Drehmomentsensors 30 dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind. Die Hohlwelle 66 weist die Innenverzahnung 68 auf, die im zusammengebauten Zustand in die Außenverzahnung 70 der Eingangswelle 34 greift. Die Antriebsräder 36, 38, 40, 64 sind verdrehfest miteinander verbunden und werden an der Außenverzahnung 76 der Hohlwelle 66 angeordnet und mit dieser drehfest verbunden. Das Detektorrad 56 weist in axialer Richtung einen Fortsatz 80 auf, der in einen hier nicht gesondert dargestellten Hohlraum des Antriebsrades 40 hineinragt, um das Detektorrad 56 mit dem Antriebsrad 40 drehfest zu verbinden. Das Antriebsrad 40 ragt im zusammengebauten Zustand in axialer Richtung über die Außenverzahnung 78 der Eingangswelle 34. Mit anderen Worten ist das Antriebsrad 40 im zusammengebauten Zustand in radialer Richtung umfänglich um die Außenverzahnung 78 angeordnet. Im zusammengebauten Zustand wird das Torsionsfederelement 50 mit einer Innenverzahnung 82 mit der Außenverzahnung 78 der Eingangswelle 34 verdrehfest verbunden, sodass das Torsionsfederelement 50 von dem Antriebsrad 40 umfänglich umgeben ist. In diesem zusammengebauten Zustand wird das Torsionsfederelement 50 mit dem Antriebsrad verdrehfest verbunden, sodass die Eingangswelle 34 und das Antriebsrad 40 mittels des Torsionsfederelements 50 in der Rotationsrichtung zueinander federnd gelagert sind.
In 7 ist der Drehmomentsensor 30 in einer axialen Blickrichtung auf eine Stirnfläche des Antriebsrads 64 dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind.
Das Antriebsrad 64 ist an der Hohlwelle 66 gelagert und drehfest mit dieser verbunden. Das Antriebsrad 64 weist eine Innenverzahnung 84 auf, die in die Außenverzahnung 76 der Hohlwelle 66 greift. Die Hohlwelle 66 ist an der Eingangswelle 34 gelagert. Die Hohlwelle 66 weist die Innenverzahnung 68 auf, die in die Außenverzahnung 70 der Eingangswelle 34 greift. Zwischen der Innenverzahnung 68 und der Außenverzahnung 70 ist der Leerweg 72 gebildet, der eine Relativdrehung zwischen der Hohlwelle 66 und der Eingangswelle 34 um einen Verdrehwinkel 86 ermöglicht. Mit anderen Worten ist an der Eingangswelle 34 dadurch ein Anschlag 88 gebildet, der den Leerweg 72 begrenzt.
Dadurch, dass der Leerweg 72 den Verdrehwinkel 86 zwischen der Eingangswelle 34 und der Hohlwelle 66 und somit den Verdrehwinkel 86 zwischen den Antriebsrädern und der Eingangswelle 34 bildet, kann mittels des Torsionsfederelements 50 das eingeleitete Drehmoment M bestimmt werden, wobei der Federweg des Torsionsfederelements 50 durch den Leerweg 72 und den Anschlag 88 begrenzt ist. Dadurch kann eine geringe Federkonstante des Torsionsfederelements 50 und gleichzeitig ein normales Ansprechverhalten des Drehmomentsensors realisiert werden.
In 8 ist der Drehmomentsensor 30 mit einer ersten Ausführungsform des Torsionsfederelements 50 perspektivisch dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind.
Das Torsionsfederelement 50 ist ringförmig ausgebildet und radial zwischen dem Antriebsrad 40 und der Hohlwelle 66 beziehungsweise der Eingangswelle 34 angeordnet. Das Torsionsfederelement 50 weist einen Außenring 90 und einen Innenring 92 auf. Der Innenring 92 weist die Innenverzahnung 82 auf, die verdrehfest mit der Außenverzahnung 76 der Hohlwelle 66 verbunden ist. Der Außenring 90 und der Innenring 92 sind mittels einer Torsionsfeder 94 miteinander verbunden. Die Torsionsfeder 94 weist eine Mehrzahl von im Wesentlichen radial verlaufenden Blattfederelementen 96 auf, die mittels Tangentialabschnitten 98 zu S-förmigen Federgliedern 100 verbunden sind. Dadurch kann in kompakter Bauform das Torsionsfederelement 50 zwischen dem Antriebsrad 40 und der Eingangswelle 34 gebildet werden.
In 9 ist eine alternative Ausführungsform des Torsionsfederelementes 50' perspektivisch dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind.
Das Torsionsfederelement 50' weist den Außenring 90' und den Innenring 92' auf. Der Außenring 90' weist nach innen ragende Anlageabschnitte 102 auf und der Innenring 92' weist nach außen ragende Anlageabschnitte 104 auf. Zwischen den Anlageabschnitten 102, 104 ist jeweils ein Spiralfederelement 106 angeordnet. Der Außenring 90' und der Innenring 92' sind gegeneinander verdrehbar gelagert, wobei die Federelemente 106 den Außenring 90' und den Innenring 92' federnd miteinander verbinden. Dadurch kann mit einfachen Mitteln das Torsionsfederelement 50' realisiert werden.
In 10 ist eine Getriebeeinheit mit dem Drehmomentsensor 30 und einem elektrischen Antrieb 108 schematisch dargestellt und allgemein mit 110 bezeichnet. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind.
Die Eingangswelle 34 bildet die Eingangswelle der Getriebeeinheit 110 und ist als Durchgangswelle ausgebildet. Zum Antreiben des Fahrzeugs ist die Eingangswelle 34 an ihren axialen Enden mit den Kurbeln 16, 16' verbindbar. Koaxial zu der Eingangswelle 34 ist eine Ausgangswelle 112 angeordnet, die ein Ausgangsglied 114 aufweist, das vorzugsweise als Kettenblatt ausgebildet ist. Die angetriebenen Räder 42, 44, 46 sind als schaltbare Losräder an der Vorgelegewelle 48 gelagert, sodass durch wechselndes Verbinden der angetriebenen Räder 42, 44, 46 mit der Vorgelegewelle 48 das Wechselgetriebe 32 als erstes Teilgetriebe der Getriebeeinheit 110 gebildet wird. An der Vorgelegewelle 48 sind ferner Antriebsräder 116, 118 als Losräder gelagert, die Räder eines zweiten Teilgetriebes 120 bilden. Die Antriebsräder 116, 118 bilden zusammen mit angetriebenen Rädern 122, 124 Radpaare des zweiten Teilgetriebes 120. Die angetriebenen Räder 122, 124 sind drehfest an der Ausgangswelle 112 gelagert. Durch die zwei Teilgetriebe kann in diesem Fall die Getriebeeinheit 110 mit sechs schaltbaren Gangstufen gebildet werden.
Der Elektromotor 108 weist eine Motorwelle 126 auf, die drehfest verbunden ist mit einem angetriebenen Rad 128, das als Losrad an der Vorgelegewelle 48 gelagert ist. In einer besonderen Ausführungsform kann das angetriebene Rad 128 auch als Festrad an der Vorgelegewelle 48 gelagert sein. Dem Elektromotor ist eine Steuereinheit 130 zugeordnet, die den Elektromotor 108 ansteuert und ein entsprechendes Drehmoment M_E an der Motorwelle 126 einstellt.
Der Drehmomentsensor 30 beziehungsweise die Verdrehwinkelerfassungsmittel 54 des Drehmomentsensors 30 sind mit der Steuereinheit 130 verbunden. Die Steuereinheit 130 bestimmt auf der Grundlage der Messwerte der Verdrehwinkelerfassungsmittel 54 das über die Eingangswelle 34 eingeleitete Drehmoment M und stellt entsprechend des Drehmomentes M das Drehmoment M_E an der Motorwelle 126 bereit. Vorzugsweise wird das Motormoment M_E proportional eingestellt mit dem über die Eingangswelle 34 eingeleiteten Drehmoment M. Dadurch kann das mit Muskelkraft eingeleitete Drehmoment M über den Elektromotor 108 unterstützt werden, und zwar präzise auf der Grundlage der von dem Drehmomentsensor 30 bereitgestellten Messwerte. Ferner ist es bevorzugt, wenn eine Drehzahl, die über den Elektromotor 108 auf die Vorgelegewelle 48 übertragen wird, identisch ist mit der Drehzahl, die durch die Muskelkraft auf die Vorgelegewelle 48 übertragen wird.
In 11 ist die Getriebeeinheit 110 schematisch perspektivisch dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Eingangswelle 34 und die Vorgelegewelle 48 sind parallel versetzt zueinander angeordnet. Das angetriebene Rad 128, über das das Drehmoment ME des Elektromotors 108 eingekoppelt wird, ist axial zwischen den beiden Teilgetrieben angeordnet. Die Verdrehwinkelerfassungsmittel 54 mit den Detektorrädern 56, 58 sind axial zwischen den beiden Teilgetrieben angeordnet.

Claims

Getriebeeinheit (110) für ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrzeug, mit - einer Eingangswelle (34), die als Durchgangswelle ausgebildet ist und an ihren Enden mit Kurbeln (16, 16') zum Antreiben der Eingangswelle (34) verbindbar ist, wobei über die Eingangswelle (34) ein zu erfassendes Drehmoment (M) zum Antreiben des Fahrzeuges übertragbar ist, - wenigstens einem Antriebsrad (36, 38, 40, 64), das an der Eingangswelle (34) gelagert ist und das zum Übertragen des Drehmomentes (M) mit einem angetriebenen Rad (42, 44, 46) drehfest verbunden oder verbindbar ist, - einem elektrischen Antrieb (108), der mit einer Welle (32, 48, 112) der Getriebeeinheit (110) verbindbar ist, wobei dem elektrischen Antrieb (108) eine Steuereinheit (130) zugeordnet ist, und - einer Drehmomenterfassungsanordnung (30), die (i) ein Drehfederelement (50) aufweist, mittels dessen das Antriebsrad (36, 38, 40, 64) und die Eingangswelle (34) in Rotationsrichtung federnd miteinander verbunden sind, wobei das Antriebsrad (36, 38, 40, 64) an der Eingangswelle (34) um einen vordefinierten Leerweg (72) verdrehbar gelagert ist, wobei zwischen dem Antriebsrad (36, 38, 40, 64) und der Eingangswelle (34) in der Rotationsrichtung ein Anschlag (88) gebildet ist, der den Leerweg (72) und einen Federweg des Drehfederelements (50) begrenzt, und (ii) Drehwinkelerfassungsmittel (54) aufweist, die dazu ausgebildet sind, eine Verdrehung des Antriebsrads (36, 38, 40, 64) gegenüber der Eingangswelle (34) zu erfassen, wobei die Steuereinheit (130) dazu ausgebildet ist, den elektrischen Antrieb (108) auf der Grundlage der von den Drehwinkelerfassungsmitteln (54) erfassten Verdrehung anzusteuern, um ein entsprechendes Drehmoment (M_E) in die Getriebeeinheit (110) einzukoppeln.
Getriebeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (34) eine Außenverzahnung (70) aufweist, die in eine mit dem Antriebsrad (36, 38, 40, 64) drehfest verbundene Innenverzahnung (68) greift, wobei der Leerweg (70) als Spiel zwischen der Außenverzahnung (70) und der Innenverzahnung (68) ausgebildet ist.
Getriebeeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Eingangswelle (34) eine Hohlwelle (66) gelagert ist, die die Innenverzahnung (68) aufweist, wobei das wenigstens eine Antriebsrad drehfest an der Hohlwelle (66) gelagert ist.
Getriebeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehfederelement (50) umfänglich zu der Eingangswelle angeordnet ist und axial versetzt zu dem Antriebsrad (36, 38, 40, 64) an der Eingangswelle (34) gelagert ist.
Getriebeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehfederelement (50) einen Innenring (92) und einen Außenring (90) aufweist, die mittels eines Federgliedes (94) in der Rotationsrichtung federnd miteinander verbunden sind.
Getriebeeinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring drehfest mit der Eingangswelle (34) verbunden ist.
Getriebeeinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (90) drehfest mit dem Antriebsrad (36, 38, 40, 64, 64) verbunden ist.
Getriebeeinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Federglied (94) eine Mehrzahl von Blattfederelementen (96) aufweist, die sich in radialer Richtung erstrecken.
Getriebeeinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Federglied wenigstens eine Spiralfeder aufweist, dessen Hauptachse im Wesentlichen in tangentialer Richtung zu dem Innenring (90') angeordnet ist.
Getriebeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelerfassungsmittel (54) ein erstes Detektorrad (56) aufweisen, das mit dem Außenring (90) verbunden ist.
Getriebeeinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelerfassungsmittel (54) ein zweites Detektorrad (58) aufweisen, das drehfest mit der Eingangswelle (34) verbunden ist.
Getriebeeinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Detektorrad (56, 58) axial nebeneinander angeordnet sind und umfänglich angeordnete Detektionsabschnitte (74) aufweisen.
Getriebeeinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass den Detektorrädern (56, 58) Detektionsmittel (60, 62) zugeordnet sind, die eine Rotationsposition der Detektionsabschnitte (74) erfassen, um die Relativverdrehung und/oder eine Drehzahl der Detektionsräder (54, 56) erfassen.
Getriebeeinheit nach einem der Ansprüche 1-13, wobei das angetriebene Rad (42, 44, 46) an einer Vorgelegewelle der Getriebeeinheit (110) gelagert ist und mit dem Antriebsrad (36, 38, 40, 64) ein Radpaar bildet.