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Die Erfindung betrifft eine Gangschaltung für einen elektromotorischen F ahrrad-Zusatzantrieb.
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DE 10 2016 014 066 B3 beschreibt eine Gangschaltung für einen elektromotorischen Fahrrad-Zusatzantrieb, bei dem Drehmomentbeiträge einer Kurbelwelle und einer Antriebswelle einander überlagert ein Zugmittelrad antreiben. Hierbei ist eine von den beiden Drehmomentbeiträgen beaufschlagte Zentralwelle mit jeweils einem Ritzel pro Gangstufe ausgestattet. Zum Gangwechsel wird ein Klauenrad mit dem jeweiligen Ritzel in Eingriff gebracht. Dieses Klauenrad wiederum wird mittels einer Schaltgabel betätigt. Hierzu lagern die Schaltgabeln mit jeweils einem Bolzen in einer gewindeähnlich in einer Schaltwelle verlaufenden Kulisse. Durch Verdrehen dieser Schaltwelle, beispielsweise durch einen Servomotor, erfolgt eine Linearbewegung der Schaltgabeln und damit ein Eingriff und Ausgriff der Klauen der jeweiligen Klauenräder in bzw. aus dem jeweiligen Ritzel.
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Nachteilig an der oben beschriebenen Lösung ist, dass durch die Führung sämtlicher Schaltgabeln in einer gemeinsamen Schaltwelle alle schaltbaren Gänge gleichzeitig angesteuert werden. Eine getrennte Ansteuerung der einzelnen Gänge ist nicht möglich. Durch den begrenzten Winkelbereich der Schaltwelle ist die Anzahl der Gänge begrenzt. Zum Schalten der Gänge ist eine definierte Axialbewegung der Klauenräder notwendig, welche eine große Steigung innerhalb der Kulisse der Schaltwelle zur Folge hat. Daher ist beim Schalten unter hohen Lasten ein hohes Drehmoment an der Schaltwelle notwendig. Daraus resultieren sehr hohe Oberflächenanforderungen an die Kulisse der Schaltwelle. Des Weiteren nehmen das Lagerkonzept der Schaltgabeln und die Schaltwelle großen Bauraum ein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kleinbauende und konstruktiv einfach aufgebaute Gangschaltung für einen elektromotorischen Fahrrad-Zusatzantrieb anzubieten, in der eine getrennte Ansteuerung der einzelnen Gangstufen möglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gangschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Gangschaltung für einen elektromotorischen Fahrrad-Zusatzantrieb, bei dem Drehmomentbeiträge einer Kurbelwelle und einer Antriebswelle einander überlagert ein Zugmittelrad antreiben, mit mehreren Gangstufen weist eine von den beiden Drehmomentbeiträgen beaufschlagte Zentralwelle auf, die mit einem Ritzel pro Gangstufe ausgestattet ist, wobei für mindestens zwei Gangstufen das jeweilige Ritzel jeweils mit einem mittels einer Schaltgabel axial auf der Zentralwelle verschiebbaren Kopplungsrad in Kupplungseingriff bringbar ist. Zumindest zwei oder mehrere der Gangstufen sind mit jeweils einer motorisierten Kupplungsbaugruppe ausgestattet.
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Auf diese Weise ist eine getrennte Ansteuerung der einzelnen Gangstufen möglich. Je nach Bedarf kann die jeweilige motorisierte Kupplungsbaugruppe unabhängig von der oder den anderen Kupplungsbaugruppen betätigt werden. Außerdem entfällt die bisher nötige gemeinsame Schaltwelle, was zu einer vereinfachten und kleinbauenden Konstruktion führt.
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Unter einer motorisierten Kupplungsbaugruppe wird hierbei eine Baugruppe verstanden, die mit Hilfe eines Motors die jeweilige Schaltgabel betätigen kann, sodass diese Schaltgabel dann das Kopplungsrad in Kupplungseingriff bzw. Kupplungsausgriff bringen kann. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines Servomotors herausgestellt. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Motortypen einsetzbar.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist jede der motorisierten Kupplungsbaugruppen ferner ein zwischen dem jeweiligen Motor und der jeweiligen Schaltgabel angeordnetes Untersetzungsgetriebe auf. Auf diese Weise kann die vom Motor (insbesondere von einem Servomotor) zur Verfügung gestellte Drehzahl an die gewünschte Bewegung der Schaltgabel angepasst werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Kupplungsbaugruppe zwischen dem Untersetzungsgetriebe und der Schaltgabel eine Gewindespindel zur Betätigung der jeweiligen Schaltgabel auf. Die Verwendung einer Gewindespindel anstelle der Schaltwelle mit ihrer Schaltkulisse sorgt für niedrigere Schalt-Drehmomente, was wiederum das Schalten auch unter hohen Lasten ermöglicht. Zusätzlich kann der Arbeitspunkt der Gangschaltung im Vergleich zu Lösungen mit einer herkömmlichen Schaltwelle flexibler eingestellt werden, da dieser - anders als die Steigung der Schaltkulisse in der Schaltwelle - nicht durch einen bestimmten Winkelbereich vorgegeben ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Gewindespindel in einer Hülse der Schaltgabel aufgenommen und steht mit einer Gewindemutter der Schaltgabel in Gewindeeingriff. Auf diese Weise kann eine besonders kompakte Bauweise erreicht werden. Durch Abstützen bzw. Lagern der Gewindespindel durch Gleitlager innerhalb der Hülse der Schaltgabel kann die Schaltpräzision gesteigert werden. Anstelle von Gleitlagern kann die Abstützung auch mittels Wälzlagern erfolgen.
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Sind eine Abtriebswelle des Motors der Kupplungsbaugruppe und die Gewindespindel achsparallel zueinander angeordnet, kann der Raumbedarf der Kupplungsbaugruppe weiter verringert und die Montagefreundlichkeit erhöht werden. Es sind jedoch auch andere Anordnungen möglich.
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Das Untersetzungsgetriebe der motorisierten Kupplungsbaugruppe ist vorteilhafterweise als mehrstufiges Getriebe ausgestaltet, wobei insbesondere die an den Motor der Kupplungsbaugruppe anschließende erste Getriebestufe als Schneckengetriebe und die sich an diese erste Getriebestufe anschließende zweite Getriebestufe als Kegelradgetriebe ausgebildet ist. Obwohl es sich bei der Ausgestaltung als mehrstufiges Getriebe um eine vorteilhafte Ausführungsform handelt, ist auch ein einstufiges Getriebe denkbar. Des Weiteren haben sich Schneckengetriebe und Kegelradgetriebe zwar als besonders vorteilhaft herausgestellt, es sind jedoch auch andere Getriebeformen denkbar, wie beispielsweise ein Stirnradgetriebe, ein Planetengetriebe oder ein Riemenantrieb.
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In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen kann die jeweilige Schaltgabel in eine längs der Stirn des jeweiligen Kopplungsrades umlaufende Nut eingreifen und/oder die Kopplungsräder sind jeweils als Klauenrad ausgebildet, welches mit Klauen zum Eingriff in das jeweilige Ritzel ausgestattet ist.
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Nicht sämtliche Gangstufen müssen mit einer motorisierten Kupplungsbaugruppe ausgestattet sein. Vielmehr können einzelne Gangstufen durch ein kupplungslos drehfest mit der Zentralwelle verbundenes Ritzel gebildet werden. Insbesondere kann das Ritzel für die niedrigste Gangstufe kupplungslos drehfest mit der Zentralwelle verbunden sein.
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Zusätzliche Weiterbildungen und Abwandlungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung von deren Vorteilen, aus nachstehender Beschreibung eines unter Abstraktion auf das Funktionswesentliche skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zu dieser Erfindung. Es zeigen:
- 1 eine schematische und vereinfachte Darstellung einer Dreigangschaltung für einen elektromotorischen Fahrrad-Zusatzantrieb;
- 2 eine Schaltgabel mit motorisierter Kupplungsbaugruppe in perspektivischer Ansicht; und
- 3 die Schaltgabel und motorisierte Kupplungsbaugruppe aus 2 in einer Schnittansicht.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform übernimmt ein stabiles Umgehäuse 11 des elektromotorischen Zusatzantriebes 12, wie an einem Fahrradrahmen (nicht dargestellt), die Aufnahme eines Tretlagers 13 für die beidseitig aus dem Umgehäuse 11 hervorstehende Kurbelwelle 14 mit ihren Pedalen (nicht dargestellt) zum Muskelantrieb des Fahrrades.
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Die Drehzahl der Kurbelwelle 14, die drehfest mit einem Stirnrad 16 bestückt ist, wird mittels eines Übersetzungsgetriebes 15 heraufgesetzt.
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Das Übersetzungsgetriebe 15 treibt ein Koppelrad 25 samt seiner Zentralwelle 40 an. Wenn es sich beim Übersetzungsgetriebe 15 um ein Planetengetriebe handelt, dann steht vorzugsweise dessen Hohlrad mit dem Stirnrad 16 in Eingriff, während die Sonne mit dem Koppelrad 25 und der Zentralwelle 40 koaxial in starrer Drehverbindung steht. Der Planetenträger dieses Planetengetriebes ist dann vorzugsweise über einen Stützarm stillgesetzt, unter Einwirkung auf ein gehäusefestes Messwerk 42 (nicht näher dargestellt).
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Das Umgehäuse 11 beherbergt außerdem einen vorzugsweise hochtourigen elektromotorischen Antriebsmotor 31. Dessen Drehzahl wird erforderlichenfalls mittels eines Antriebsmotor-Untersetzungsgetriebes 32 herabgesetzt. Bei dem kann es sich insbesondere um ein Stirnradgetriebe handeln, oder um eine Transmission mit einem Zugmittel wie einer Kette, einem Zahnriemen oder einem Profilriemen. Auch ein Planetengetriebe mit unmittelbar auf der Antriebswelle 35 des Antriebsmotors 31 sitzender Sonne kann Bestandteil dieses Antriebsmotor-Untersetzungsgetriebes 32 sein.
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Sowohl das Übersetzungsgetriebe 15 als auch das Antriebsmotor-Untersetzungsgetriebe 32 stehen ausgangsseitig in Eingriff mit dem Koppelrad 25; so dass hier die Drehmomenten-Beiträge von der Kurbelwelle 14 und von der Antriebswelle 35 einander für das Drehen der Zentralwelle 40 überlagert werden.
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Die Zentralwelle 40 ist mit einem stirnverzahnten Ritzel 43 drehfest bestückt. Als dieses Ritzel 43 kann grundsätzlich auch das Koppelrad 25 dienen; zumal wenn es als Planetensonne ausgelegt ist, so dass nur eines der Übersetzungsgetriebe 15 oder Antriebsmotor-Untersetzungsgetriebe 32 mit der Stirnverzahnung des Koppelrades 25 kämmt. Im Interesse einer übersichtlicheren Beschreibung der Erfindung wird nachstehend aber an jener Stelle wie skizziert von einem separaten, dem Koppelrad 25 gegenüber axial versetzten Ritzel 43 ausgegangen, das - wie das Koppelrad 25 - drehfest mit der Zentralwelle 40 verbunden oder zum Betrieb verbindbar ist.
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In einer ersten Gangstufe der Drehmomentübertragung vom Koppelrad 25 auf ein Zugmittelrad 28 kämmt ein Ritzel 43.1 relativ kleinen Durchmessers mit einem dagegen relativ großen Triebrad 26.1, mit welchem eine Hohlwelle 27 bestückt ist. Die Hohlwelle 27 ist mittels Wälzlagern 44 konzentrisch auf der Kurbelwelle 14 gelagert. Axial gegen das Triebrad 26 verlagert ist auf der Hohlwelle 27 das erwähnte Zugmittelrad 28 drehfest angeordnet. Das dient in konventioneller Weise dem Antrieb eines dem Umgehäuse 11 gegenüber versetzt am Fahrradrahmen gelagerten Hinterrades (nicht dargestellt) über ein Zugmittel 29, etwa über eine Kette, einen Zahnriemen oder einen Profilriemen.
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Insoweit eine änderbare Übersetzung zwischen Zentralwelle 40 und Hohlwelle 27 vorliegt, handelt es sich hier um eine Gangschaltung 45. Da deren erster Gang nicht der größte ist, ist zwischen dem Triebrad 26.1 und seiner Hohlwelle 27 ein Freilauf 56 vorgesehen.
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Für den zweiten Gang mit seiner höheren Stirnrad-Übersetzung steht ein zweites Ritzel 43 in Eingriff mit einem weiteren Triebrad 26.2 .Zwischen dem Triebrad 26.2 und seiner Hohlwelle 27 liegt ebenfalls ein Freilauf 56.
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Dieses weitere, zweite Ritzel 43 ruht mittels eines Wälzlagers 61 auf der Zentralwelle 40. Es steht deshalb an sich nicht in Drehverbindung mit der Zentralwelle 40, es kann aber mittels eines Kupplungsrades, nämlich eines Klauenrades 48.2, drehfest an sie angekuppelt (und auch wieder von ihr getrennt) werden; was nachstehend als Umsteuern des Kupplungseingriffes bezeichnet wird.
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Solch ein Klauenrad 48.2 ist längs der Zentralwelle 40 axial verlagerbar, rotiert aber mit dieser. Vor einer axialen Stirnfläche weist das hierbevorzugt eingesetzte Klauenrad 48.2 achsparallel orientierte Klauen 47 auf. Für deren Axialverlagerung, zu formschlüssigem Eingriff in das axialbenachbarte Ritzel 43, ist eine radial zur Zentralwelle 40 sich erstreckende Schaltgabel 49.2 (in 1 lediglich schematisch dargestellt) vorgesehen. Deren u-ähnlich berandete Gabelöffnung greift zentripetal in eine Nut 60 ein, die um das Klauenrad 48.2 längs der Stirn umläuft. Am der Gabelöffnung entgegengesetzten Ende steht die Schaltgabel 49.2 unter Zwischenschaltung eines Servomotor-Untersetzungsgetriebes 50.2 mit einem Servomotor 51.2 in Wirkverbindung.
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Das Servomotor-Untersetzungsgetriebe 50.2 und der Servomotor 51.2 bilden eine motorisierte Kupplungsbaugruppe 52.2 für einen zweiten Gang. Durch Ansteuern des Servomotors 51.2 kann die Schaltgabel 49.2 betätigt und auf diese Weise die Kupplungsklauen des Klauenrades 48.2 in Eingriff mit dem Ritzel 43 bzw. in Ausgriff mit diesem gebracht werden.
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Auf diese Weise ist mit der Räderpaarung 43.2-26.2 der zweite Gang der Gangschaltung 45 aktivierbar. Für einen dritten Gang ist ein drittes Räderpaar 43.3 - 26.3 mit eigener motorisierter Kupplungsbaugruppe 52.3 mit einem weiteren Servomotor-Untersetzungsgetriebe 50.3 und einem weiteren Servomotor 51.3 vorgesehen, die über eine Schaltgabel 49.3 eine Axialverschiebung eines Klauenrades 48.3 vornimmt.
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Die motorisierten Kupplungsbaugruppe 52.2, 52.3 sowie die Schaltgabeln 49.2 und 49.3 für den zweiten bzw. dritten Gang sind jeweils im Wesentlichen baugleich ausgeführt und werden in den nachfolgenden Figuren noch näher beschrieben.
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Die entsprechende Ansteuerung der Servomotoren 51.2, 51.3 erfolgt aus einer, auch den Drehmomenten-Beitrag des Antriebsmotors 31 abrufenden, zentralen, in das Umgehäuse 11 integrierten Steuerschaltung 58 nach Maßgabe einer Auswertung des vom Messwerk 42 erfassten Drehmomentenverlaufes an der Kurbelwelle 14, um möglichst stets mit gleicher Muskelleistung bei angepasster, deshalb angenehmer Trittfrequenz zu pedalieren.
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2 und 3 zeigen eine Ausführungsform einer motorisierten Kupplungsbaugruppe 52, die als Kupplungsbaugruppe 52.2 und 52.3 in 1 dienen kann und mit der jeweiligen Schaltgabel 49.2 bzw. 49.3 in Wirkverbindung steht.
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Die Kupplungsbaugruppe 52 weist einen Servomotor 51 auf, der drehfest im Umgehäuse 11 gelagert ist. Die Abtriebswelle (in 2 nicht dargestellt und in 1 nicht mit einem gesonderten Bezugszeichen versehen) des Servomotors 51 geht in eine Schnecke 71 eines Schneckengetriebes 72 über. Die Schnecke 71 steht in Eingriff mit einem korrespondierenden Schneckenrad 73. Das Schneckengetriebe 72 bildet somit eine erste Getriebestufe des Untersetzungsgetriebes 50. Auf der als Zylinderstift 74 (vgl. 3) ausgebildeten Achse des Schneckenrades 73 ist ein erstes Kegelrad 75 angeordnet. Dieses erste Kegelrad 75 steht in Eingriff mit einem zweiten Kegelrad 76 und bildet zusammen mit diesem ein Kegelradgetriebe 77. Das Kegelradgetriebe 77 stellt damit eine zweite Getriebestufe des Untersetzungsgetriebes 50 dar.
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Zur Vibrationsdämpfung ist das zweite Kegelrad 76 mit einem Dämpfungselement 78 versehen, das ringförmig zwischen einem Innenteil 79 des Kegelrades 76 und einem Außenteil 80 des Kegelrades 76 angeordnet ist.
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Als Abtriebswelle des Kegelradgetriebes 77 dient eine Gewindespindel 81, die drehfest mit dem zweiten Kegelrad 76 verbunden ist. Die Gewindespindel 81 weist in einem Teilbereich ein Gewinde, insbesondere ein Trapezgewinde (in 3 nicht mit einem gesonderten Bezugszeichen versehen), auf. Eine Lagerung der Gewindespindel 81 im Umgehäuse 11 erfolgt durch ein erstes Wälzlager 82 und ein zweites Wälzlager 83.
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In funktionaler Hinsicht dient die Gewindespindel 81 zur Betätigung der Schaltgabel 49. Hierzu weist die Schaltgabel 49 eine Hülse 84 auf, durch die die Gewindespindel 81 geführt ist. Eine in der Hülse 84 ausgebildet Gewindemutter 85 steht in Gewindeeingriff mit dem Gewinde der Gewindespindel 81. Durch Betätigung des Servomotors 51 erfolgt damit ein Verschwenken der u-ähnlich berandeten Gabelöffnung der Schaltgabel 49 (d.h. des in 2 im unteren Bildbereich angeordneten Ende der Schaltgabel 49) und ein Eingriff und Ausgriff der Klauen 47 der jeweiligen Klauenräder 48 in bzw. aus dem jeweiligen Ritzel 43.
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Die Gewindespindel 81 ist ferner über ein erstes Gleitlager 86 und ein zweites Gleitlager 87 innerhalb der Hülse 84 abgestützt. Ein Verschluss 88 sichert die Lage der Gewindemutter 85 innerhalb der Hülse 85. Ein an der Schaltgabel 49 angebrachter Magnet 89 dient ferner einem nicht näher dargestellten Sensor zur Ermittlung der Schaltgabelstellung bzw. zur Gangerkennung.
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Die dargestellte Gangschaltung weist somit eine Zentralwelle 40 auf, die mit einem Ritzel 43 pro Gangstufe ausgestattet ist, wobei für zwei Gangstufen das jeweilige Ritzel (43.2, 43.3) jeweils mit einem mittels einer Schaltgabel 49 axial auf der Zentralwelle 40 verschiebbaren Klauenrad 48 in Kupplungseingriff bringbar ist. Jede dieser zwei Gangstufen ist mit einer motorisierten Kupplungsbaugruppe 52 ausgestattet. Die motorisierte Kupplungsbaugruppe 52 weist jeweils einen Servomotor 51 zur Betätigung der jeweiligen Schaltgabel 49, ein zwischen dem Servomotor 51 und der jeweiligen Schaltgabel angeordnetes Untersetzungsgetriebe 50 sowie ein Gewindespindel 81 auf. Das Untersetzungsgetriebe ist als zweistufiges Getriebe mit einem Schneckengetriebe 72 als erste Gangstufe und einem Kegelradgetriebe 77 als zweite Gangstufe ausgebildet. Die Gewindespindel 81 wird in einer Hülse 84 der Schaltgabel 49 aufgenommen und steht mit einer in der Hülse 84 ausgebildeten Gewindemutter 85 in Gewindeeingriff. Die Abtriebswelle des Servomotors 51 ist achsparallel zur Gewindespindel 81 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Umgehäuse
- 12
- Zusatzantrieb
- 13
- Tretlager
- 14
- Kurbelwelle
- 15
- Übersetzungsgetriebe
- 16
- Stirnrad
- 25
- Koppelrad
- 26, 26.1, 26.2, 26.3
- Triebrad
- 27
- Hohlwelle
- 28
- Zugmittelrad
- 29
- Zugmittel
- 31
- Antriebsmotor
- 32
- Antriebsmotor-Untersetzungsgetriebe
- 35
- Antriebswelle
- 40
- Zentralwelle
- 42
- Messwerk
- 43, 43.1, 43,2, 43.3
- Ritzel
- 44
- Wälzlager
- 45
- Gangschaltung
- 47
- Klauen
- 48, 48.2, 48.3
- Klauenrad
- 49, 49.2, 49.3
- Schaltgabel
- 50, 50.2, 50.3
- Untersetzungsgetriebe
- 51, 51.2, 51.3
- Servomotor
- 52, 52.2, 52.3
- Kupplungsbaugruppe
- 56
- Freilauf
- 58
- Steuerschaltung
- 60
- Nut
- 71
- Schnecke
- 72
- Schneckengetriebe
- 73
- Schneckenrad
- 74
- Zylinderstift
- 75
- Erstes Kegelrad
- 76
- Zweites Kegelrad
- 77
- Kegelradgetriebe
- 78
- Dämpfungselement
- 79
- Innenteil des Kegelrades
- 80
- Außenteil des Kegelrades
- 81
- Gewindespindel
- 82
- Erstes Wälzlager
- 83
- Zweites Wälzlager
- 84
- Hülse
- 85
- Gewindemutter
- 86
- Erstes Gleitlager
- 87
- Zweites Gleitlager
- 88
- Verschluss
- 89
- Magnet
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016014066 B3 [0002]
