DE102020211139A1

DE102020211139A1 - Motoreinheit für fahrradumwerfer

Info

Publication number: DE102020211139A1
Application number: DE102020211139.1A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Hasegawa; Naoki Fujimoto; Katsuhiro Tachibana; Yutaro Yamada
Original assignee: Shimano Inc
Current assignee: Shimano Inc
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2021-12-30
Also published as: TW202210355A; CN114132425A; CN114132425B; CN117048766A

Abstract

Eine Motoreinheit 14 für einen Fahrradumwerfer 10 umfasst eine Abtriebswelle 24, einen Motor 26, ein Antriebszahnrad 28, ein Abtriebszahnrad 30, eine Zwischenzahnradstruktur 32 und einen Winkelsensor 34. Der Motor 26 enthält eine Motorwelle 36. Das Antriebszahnrad 28 befindet sich auf der Motorwelle 36 des Motors 26, und das Abtriebszahnrad 30 befindet sich auf der Abtriebswelle 24. Die Zwischenzahnradstruktur 32 ist in einem Lastpfad zwischen dem Antriebszahnrad 28 und dem Abtriebszahnrad 30 angeordnet, und die Zwischenzahnradstruktur 32 umfasst mindestens ein Untersetzungsgetriebe 38 und einen Drehgeber 40. Das Drehzahlverhältnis zwischen dem Drehgeber 40 und dem Abtriebszahnrad 30 ist so gewählt, dass sich der Drehgeber 40 um weniger als 360 Grad dreht.

Description

Viele Fahrräder haben kettengetriebene Getriebesysteme, die eine Vielzahl von vorderen und eine Vielzahl von hinteren Kettenrädern umfassen. Die Fahrer können das Übersetzungsverhältnis des Getriebesystems durch einen Schaltvorgang, bei dem eine Kette durch einen Umwerfer von einem Kettenrad auf ein anderes Kettenrad umgeschaltet wird, erhöhen oder verringern. Bei elektronischen Umwerfersystemen wird die Bewegung des Umwerfers durch eine Motoreinheit gesteuert. Um die Kette von einem Kettenrad auf ein anderes Kettenrad umzuschalten, bestimmt die Motoreinheit auf der Grundlage der Position des Umwerfers sowie der zum Erreichen des gewünschten Gangs erforderlichen Bewegung, welches Kettenrad gerade mit der Kette in Eingriff ist. In einigen Situationen, wie z.B. bei einer Stromunterbrechung, einem Zurückspringen oder dem Überspringen eines Gangs, kann die Motoreinheit Informationen verlieren, die zur Bestimmung der Position des Umwerfers erforderlich sind. Eine Herausforderung besteht darin, eine Motoreinheit für einen elektronischen Fahrradumwerfer zu entwerfen, welche die Position des Umwerfers im Falle einer Stromunterbrechung, eines Zurückspringens oder des Überspringens von Gängen bestimmen kann.
Eine Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer, die zur Lösung der oben genannten Probleme entwickelt wurde, wird hier offenbart. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer eine Abtriebswelle, einen Motor, ein Antriebszahnrad, ein Abtriebszahnrad, eine Zwischenzahnradstruktur und einen Winkelsensor. Der Motor umfasst eine Motorwelle. Das Antriebszahnrad befindet sich auf der Motorwelle des Motors. Das Abtriebszahnrad befindet sich auf der Abtriebswelle. Die Zwischenzahnradstruktur befindet sich in einem Lastpfad zwischen dem Antriebs- und dem Abtriebszahnrad, und die Zwischenzahnradstruktur umfasst mindestens ein Untersetzungsgetriebe und einen Drehgeber. Das Drehzahlverhältnis zwischen dem Drehgeber und dem Abtriebszahnrad ist so gewählt, dass der Drehgeber sich um weniger als 360 Grad dreht.
Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem ersten Aspekt ist es möglich, eine kompakte Motoreinheit bereitzustellen, bei der sich das Abtriebszahnrad über seinen gesamten Bereich dreht, während sich der Drehgeber um weniger als 360 Grad dreht, wodurch die Drehung des Drehgebers nach einer Stromunterbrechung bestimmt werden kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem ersten Aspekt so konfiguriert, dass ein Drehbereich des Abtriebszahnrades durch eine Drehbeschränkungsstruktur der Fahrradumwerfer eingeschränkt ist.
Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem zweiten Aspekt ist es möglich, den Drehbereich des Abtriebszahnrades zu begrenzen, um zu verhindern, dass sich der Drehgeber um mehr als 360 Grad dreht.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer gemäß dem zweiten Aspekt so konfiguriert, dass ein Körper des Fahrradumwerfers und die Motoreinheit mit einem Verbindungsglied des Fahrradumwerfer verbunden sind und eine Beschränkung des Drehbereichs mechanisch erfolgt. Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem dritten Aspekt ist es möglich, im Falle einer Stromunterbrechung ein Verbindungsglied des Fahrradumwerfers zu drehen und den Drehbereich einzuschränken.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer gemäß dem zweiten Aspekt so konfiguriert, dass das Abtriebszahnrad ein Gehäuse der Motoreinheit berührt und eine Beschränkung des Drehbereichs des Abtriebszahnrades elektrisch erfolgt. Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem vierten Aspekt ist es möglich, die Beschränkung des Drehbereichs des Abtriebszahnrades elektrisch einzustellen.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach einem des ersten bis vierten Aspekts so konfiguriert, dass das Abtriebszahnrad nicht kreisförmig ist. Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem fünften Aspekt ist es möglich, den Wirkungsgrad und die Batterielebensdauer der Motoreinheit zu erhöhen, indem mit dem Abtriebszahnrad ein variables Drehzahlverhältnis übertragen wird.
Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach einem des ersten bis fünften Aspekts so konfiguriert, dass das Abtriebszahnrad ein Sektorzahnrad ist. Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem sechsten Aspekt ist es möglich, die Größe und das Gewicht des Abtriebszahnrades zu reduzieren.
Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach einem des ersten bis sechsten Aspekts so konfiguriert, dass eine Drehkraft der Abtriebswelle auf ein Verbindungsglied des Fahrradumwerfers übertragen wird. Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem siebten Aspekt ist es möglich, das Verbindungsglied des Fahrradumwerfers zu bewegen, um die Kette auf ein gewünschtes Zahnrad zu bringen.
Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach einem des ersten bis siebten Aspekts so konfiguriert, dass der Fahrradumwerfer ein vorderer Fahrradumwerfer mit einem Basiselement, einem Verbindungsmechanismus und einer Kettenführung ist. Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem achten Aspekt ist es möglich, nach einer Stromunterbrechung die Position des vorderen Fahrradumwerfers in Bezug auf die Vielzahl der vorderen Kettenräder zu bestimmen.
Gemäß einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach einem des ersten bis siebten Aspekts so konfiguriert, dass der Fahrradumwerfer einen hinteren Fahrradumwerfer mit einem Basiselement, einem beweglichen Element, einem Verbindungsmechanismus und einer Kettenführung ist. Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem neunten Aspekt ist es möglich, nach einer Stromunterbrechung den Zustand des Fahrradumwerfers in Bezug auf die Vielzahl der hinteren Kettenräder zu bestimmen.
Gemäß einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Motoreinheit für den Fahrradumwerfer nach einem des ersten bis neunten Aspekts so konfiguriert, dass die Motoreinheit innerhalb eines Basiselements des Fahrradumwerfers angeordnet ist. Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem zehnten Aspekt ist es möglich, die Motoreinheit vor Beschädigungen zu schützen und gleichzeitig einen aerodynamisch und ästhetisch ansprechenden Fahrradumwerfer zu schaffen.
Gemäß einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Motoreinheit für den Fahrradumwerfer nach einem des ersten bis zehnten Aspekts so konfiguriert, dass der Fahrradumwerfer einen Stromversorgungsanschluss aufweist, der so konfiguriert ist, dass er mit einer Batterie verbunden werden kann, und der Stromversorgungsanschluss elektrisch mit dem Motor verbunden ist. Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem elften Aspekt ist es möglich, die Motoreinheit mit einer am Fahrrad vorgesehenen Batterie zu betreiben.
Gemäß einem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Motoreinheit für den Fahrradumwerfer nach einem des ersten bis elften Aspekts ferner ein Gehäuse und eine drahtlose Kommunikationseinheit. Der Motor, mindestens ein Teil der Abtriebswelle und die Zwischenzahnradstruktur sind im Gehäuse der Motoreinheit angeordnet. Die drahtlose Kommunikationseinheit ist so konfiguriert, dass sie mit einer zusätzlichen drahtlosen Kommunikationseinheit kommuniziert, die auf einer zusätzlichen Fahrradkomponente angeordnet ist. Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem zwölften Aspekt ist es möglich, die Motoreinheit vor Beschädigung zu schützen und die drahtlose Kommunikation zwischen der Motoreinheit und einer zusätzlichen Fahrradkomponente zu erleichtern.
Gemäß einem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Motoreinheit für den Fahrradumwerfer nach einem des ersten bis zwölften Aspekts ferner eine Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie einen Winkel des Abtriebszahnrades oder der Abtriebswelle gemäß einem erfassten Wert des Winkelsensors berechnet. Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem dreizehnten Aspekt ist es möglich, den Winkel des Abtriebszahnrades oder der Abtriebswelle aus dem Wert des Winkelsensors zu bestimmen.
Gemäß einem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Motoreinheit für den Fahrradumwerfer nach einem des ersten bis dreizehnten Aspekts so konfiguriert, dass der Winkelsensor ein Magnetsensor ist. Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem vierzehnten Aspekt ist es möglich, einen Wert des Winkelsensors unter extremen Umweltbedingungen, wie z.B. hohen Temperaturen, zu bestimmen.
Gemäß einem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Motoreinheit für den Fahrradumwerfer nach einem des ersten bis dreizehnten Aspekts so konfiguriert, dass der Winkelsensor ein optischer Sensor ist. Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer nach dem fünfzehnten Aspekt ist es möglich, einen Wert des Winkelsensors schnell und präzise und in Situationen mit einer magnetischen Umgebungsstörung zu bestimmen.
Gemäß einem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Motoreinheit für den Fahrradumwerfer nach einem des ersten bis fünfzehnten Aspekts so konfiguriert, dass sich der Drehgeber als Reaktion auf eine Drehung der Motorwelle des Motors dreht. Mit der Motoreinheit für den Fahrradumwerfer nach dem sechzehnten Aspekt ist es möglich, die Position des Abtriebszahnrades in Abhängigkeit von der Drehung der Motorwelle zu steuern.
Gemäß einem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Motoreinheit für den Fahrradumwerfer nach einem des ersten bis sechzehnten Aspekts so konfiguriert, dass der Drehgeber drehbar auf einer ersten Achse der Zwischenzahnradstruktur angeordnet ist, das Abtriebszahnrad drehbar auf einer zweiten Achse angeordnet ist und die zweite Achse an die erste Achse angrenzt, ohne dass sich eine weitere Achse dazwischen befindet. Mit der Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer gemäß dem siebzehnten Aspekt ist es möglich, die Größe der Motoreinheit zu minimieren und gleichzeitig die Fähigkeit zur genauen Bestimmung der Position der Abtriebswelle und/oder des Abtriebszahnrades beizubehalten.
Diese Zusammenfassung soll in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorstellen, die weiter unten in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Diese Zusammenfassung ist nicht dazu gedacht, Schlüsselmerkmale oder wesentliche Eigenschaften des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch ist sie dazu gedacht, den Umfang des beanspruchten Gegenstands einzuschränken. Darüber hinaus ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die einige oder alle in irgendeinem Teil dieser Offenbarung festgestellten Nachteile lösen. Der Begriff „Klein- und/oder Leichtfahrzeug“, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf elektrische und nichtelektrische Fahrzeuge unabhängig von der Anzahl ihrer Räder, umfasst jedoch nicht vierrädrige Fahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor als Antriebsquelle für die Räder oder vierrädrige Elektrofahrzeuge, die eine Lizenz für den Betrieb auf öffentlichen Straßen benötigen.
Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung und vieler der damit verbundenen Vorteile ist leicht zu erreichen, wenn man sich auf die folgende detaillierte Beschreibung bezieht, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, wobei:

1 eine Draufsicht von rechts auf ein beispielhaftes Fahrrad ist, das eine Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
2 ein schematischer Umriss des Fahrrads ist;
3A eine Seitenansicht eines hinteren Fahrradumwerfers ist, der eine Kette führt, die gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem hinteren Kettenrad eines Fahrrads im Eingriff steht;
3B eine schematische Darstellung eines vorderen Fahrradumwerfers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine Explosionsdarstellung einer Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine Seitenansicht einer Zahnradstruktur in einer Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine Draufsicht auf eine Zahnradstruktur in einer Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
7A-7C schematische Darstellungen einer Zahnradstruktur in einer Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
8 eine schematische Darstellung einer Motoreinheit für einen Fahrradumwerfer gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

Ausgewählte Ausführungsformen werden nun anhand der Zeichnungen erläutert, wobei in den verschiedenen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen entsprechende oder identische Elemente bezeichnen. Für den Fachmann wird aus dieser Offenbarung ersichtlich, dass die folgenden Beschreibungen der Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung und nicht zum Zweck der Beschränkung der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche und ihre Entsprechungen definiert ist, gegeben werden.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 ein beispielhaftes Fahrrad 1 mit einem Fahrradumwerfer 10 mit einer Motoreinheit 14 gemäß mindestens einer offenbarten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Fahrrad 1 ist z.B. ein Geländefahrrad, wie z.B. ein Cyclocross-Fahrrad oder Mountainbike. Alternativ kann das Fahrrad 1 ein Straßenfahrrad sein. Wie in der schematischen Darstellung von 2 gezeigt ist, kann das Fahrrad 1 eine axiale Mittelebene P1 haben, welche die linke und rechte Hälfte des Fahrrads 1 definiert. Die folgenden Richtungsbegriffe „vorne“, „hinten“, „vorwärts“, „rückwärts“, „links“, „rechts“, „quer“, „aufwärts“ und „abwärts“ sowie alle anderen ähnlichen Richtungsbegriffe beziehen sich auf diejenigen Richtungen, die auf der Grundlage eines Fahrers bestimmt werden, der aufrecht auf einem Sattel des Fahrrads 1 sitzt, während er z.B. einem Lenker zugewandt ist.
Fortfahrend mit 1 umfasst das Fahrrad 1 einen Rahmen 2, der an einem Hinterrad 3 befestigt ist. Eine Vordergabel 4 verbindet ein Vorderrad 5 mit dem Rahmen 2. Die Pedale 6 auf beiden Seiten des Fahrrads 1 sind an den entsprechenden Kurbelarmen 7 befestigt. Die Kurbelarme 7 sind auf beiden Seiten des Rahmens 2 in einem Winkel von 180 Grad zueinander montiert und durch eine Kurbelachse 8 (durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet) verbunden. Das Fahrrad 1 der vorliegenden Ausführung wird von einem Kettenantriebssystem angetrieben, das eine Fahrradkette 9, eine Fahrradumwerfer 10 und ein Fahrradkettenrad 12 umfasst. Es sei angemerkt, dass der hier beschriebene Fahrradumwerfer 10 entweder als ein hinterer Fahrradumwerfer 10A und/oder als ein vorderer Fahrradumwerfer 10B oder als beide konfiguriert werden kann. In ähnlicher Weise kann sich ein hier beschriebenes Fahrradkettenrad 12 auf eines von mehreren hinteren Kettenrädern 12A und/oder eines von mehreren vorderen Kettenrädern 12B beziehen.
Die Fahrradkette 9 greift in einem Eingriffszustand in eines der mehreren vorderen Kettenräder 12B und eines der mehreren hinteren Kettenräder 12A ein, wie unten mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben wird. Eine auf die Pedale 6 ausgeübte Antriebskraft dreht die Kurbelachse 8 und das vordere Kettenrad 12B. Während sich das vordere Kettenrad 12B dreht, wird die Fahrradkette 9 um das hinteren Kettenrad 12A, welches die Kraft auf das Hinterrad 3 überträgt, um das Fahrrad 1 anzutreiben, herum angetrieben. Dementsprechend schaltet der vordere Fahrradumwerfer 10B die Fahrradkette 9 zwischen den vorderen Kettenrädern 12B um, und der hintere Fahrradumwerfer 10A schaltet die Fahrradkette 9 zwischen den hinteren Kettenrädern 12A um. Wie nachfolgend im Detail beschrieben wird, kann das Umschalten der Fahrradkette durch den hinteren und/oder vorderen Fahrradumwerfer 10A, 10B durch eine elektronische Motoreinheit 14, die in einem oder beiden der hinteren und/oder vorderen Fahrradumwerfer 10A, 10B enthalten ist, erleichtert werden. Durch das Umschalten der Fahrradkette 9 wird das Übersetzungsverhältnis der Kettenantriebsgetriebes geändert, um die zurückgelegte Strecke bei jeder Umdrehung der Pedale 6 zu erhöhen oder zu verringern. Andere Teile des Fahrrads 1 sind gut bekannt und werden hier nicht beschrieben.
3A zeigt eine Seitenansicht eines hinteren Fahrradumwerfers 10A gemäß der vorliegenden Erfindung. Der hintere Fahrradumwerfer 10A umfasst ein Basiselement 16A, ein bewegliches Element 18A, einen Verbindungsmechanismus 20A und eine Kettenführung 22A. In der unten im Detail beschriebenen Konfiguration ist die Motoreinheit 14 innerhalb des Basiselements 16 des hinteren Fahrradumwerfers 10 angeordnet, obwohl die Motoreinheit 14 alternativ dazu so konfiguriert werden kann, dass sie innerhalb anderer Komponenten des Umwerfers angeordnet werden kann. Die Motoreinheit 14 kann an einem des beweglichen Elements 16A und des Verbindungsmechanismus 20A angeordnet werden. 3B zeigt eine schematische Darstellung eines vorderen Fahrradumwerfers 10B. Der Fahrradumwerfer 10 kann ein vorderer Fahrradumwerfer 10B sein, der ein Basiselement 16B, einen Verbindungsmechanismus 20B und eine Kettenführung 22B umfasst.
Unter Bezugnahme auf 4 und 8 enthält der Fahrradumwerfer 10 eine drahtlose Kommunikationseinheit 62, die so konfiguriert ist, dass sie mit einer zusätzlichen drahtlosen Kommunikationseinheit 64 kommuniziert, die sich auf einer zusätzlichen Fahrradkomponente 66 befindet. Die Motoreinheit 14 kann die drahtlose Kommunikationseinheit 62 enthalten, obwohl die drahtlose Kommunikationseinheit 62 alternativ auch innerhalb anderer Komponenten des Fahrradumwerfers 10 angeordnet sein kann. Es sei angemerkt, dass bei den hier beschriebenen Ausführungsformen die drahtlose Kommunikationseinheit 62 sowohl im hinteren Fahrradumwerfer 10A als auch im vorderen Fahrradumwerfer 10B enthalten sein kann.
4 ist eine Explosionsdarstellung der Motoreinheit 14 für den Fahrradumwerfer 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Motoreinheit 14 umfasst eine Abtriebswelle 24, einen Motor 26, ein Antriebszahnrad 28, ein Abtriebszahnrad 30, eine Zwischenzahnradstruktur 32 und einen Winkelsensor 34. Der Motor 26 enthält eine Motorwelle 36, auf welcher das Antriebszahnrad 28 angeordnet ist. Das Abtriebszahnrad 30 ist auf der Abtriebswelle 24 angeordnet. Die Zwischenzahnradstruktur 32 ist in einem Lastpfad zwischen dem Antriebszahnrad 28 und dem Abtriebszahnrad 30 angeordnet. Die Zwischenzahnradstruktur 32 umfasst mindestens ein Untersetzungsgetriebe 38 und einen Drehgeber 40. In der hier beschriebenen Ausführungsform enthält die Zwischenzahnradstruktur 32 zwei Untersetzungsgetriebe 38A, 38B und einen Drehgeber 40. Es sei jedoch angemerkt, dass die Zwischenzahnradstruktur 32 so konfiguriert werden kann, dass sie ein Untersetzungsgetriebe, drei Untersetzungsgetriebe oder eine beliebige andere geeignete Anzahl von Untersetzungsgetrieben enthält. In der abgebildeten Ausführungsform ist der Winkelsensor 34 als magnetischer Sensor konfiguriert. Es sei angemerkt, dass der Winkelsensor alternativ als optischer Sensor oder als jeder andere geeignete Sensortyp konfiguriert werden kann.
Jedes Zahnrad in der Zwischenzahnradstruktur 32 ist drehbar auf einer entsprechenden Achse angeordnet. Der Drehgeber 40 ist drehbar auf einer ersten Achse 42 der Zwischenzahnradstruktur 32 und das Abtriebszahnrad drehbar auf einer zweiten Achse 44 angeordnet. Wie in der in 4-6 gezeigten Motoreinheit 14 dargestellt ist, ist die zweite Achse 44 so konfiguriert, dass sie an die erste Achse 42 angrenzt, ohne dass sich eine weitere Achse dazwischen befindet. Es sei jedoch angemerkt, dass die erste Achse 42 und die zweite Achse 44 alternativ so konfiguriert sein können, dass sie durch ein oder mehrere Zahnräder und Achsen der Zwischenzahnradstruktur getrennt sind. Die Achsen werden durch ein oberes Zahnradachsenstützelement 46 und ein unteres Zahnradachsenstützelement 48 gestützt. Wie in der Explosionszeichnung von 4 unter Bezugnahme auf 8 dargestellt ist, umfasst die Motoreinheit 14 ferner ein Gehäuse 50, in dem der Motor 26, mindestens ein Teil der Abtriebswelle 24 und die Zwischenzahnradstruktur 32 angeordnet sind. Das Gehäuse 50 enthält ein Substrat. Im zusammengebauten Zustand ist die drahtlose Kommunikationseinheit 62 in dem Substrat angeordnet. Die Zwischenzahnradstruktur 32 ist in Bezug auf das Substrat an einer ersten Seite des Gehäuses 50 angeordnet, und die drahtlose Kommunikationseinheit 62 ist in Bezug auf das Substrat an einer zweiten Seite des Gehäuses 50 angeordnet, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt.
In der hier beschriebenen Konfiguration der Motoreinheit 14 wird ein Drehbereich des Abtriebszahnrades 30 durch eine Drehbeschränkungsstruktur 52 des Fahrradumwerfers 10 eingeschränkt. Der Winkelsensor 34 ist so konfiguriert, dass er die Drehung des Drehgebers 40 erfasst, und ein Drehzahlverhältnis zwischen dem Drehgeber 40 und dem Abtriebszahnrad 30 ist so gewählt, dass der Drehgeber 40 sich um weniger als 360 Grad dreht. Eine allgemeine Formel für diese Konfiguration ist unten in Gleichung 1 dargestellt, in welcher G das Zahnrad, n die Zahnradnummer, R das Drehzahlverhältnis zwischen dem n-ten Zahnrad und dem n'-ten Zahnrad und θ_n der Drehwinkel des n-ten Zahnrads ist. $θ_{n} \times R (G_{n :} G_{n'}) = θ_{n'} < 360 °$
Nachfolgend sind beispielhaft Gleichungen für verschiedene Positionen des Drehgebers 40 in Bezug auf das Abtriebszahnrad 30 dargestellt. In den hier gezeigten beispielhaften Formeln wird das Abtriebszahnrad 30 als Go dargestellt und θ₀ ist der Drehwinkel des Abtriebszahnrades 30. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Drehzahlverhältnis zwischen dem Abtriebszahnrad 30 und dem Drehgeber 40 in einem Bereich zwischen 4,5 und 7. Wenn der Drehgeber 40 ein Zahnrad (G₁) ist oder auf einem Zahnrad (G₁) neben dem Abtriebszahnrad 30 angeordnet ist, lautet die Gleichung wie unten in Gleichung 2 dargestellt ist. $θ_{0} \times R (G_{0} : G_{1}) = θ_{1} < 360 °$
Wenn der Drehgeber 40 ein Zahnrad (G₂) ist oder auf einem Zahnrad (G₂) angeordnet ist, welches zwei Zahnräder vom Abtriebszahnrad 30 entfernt ist, lautet die Gleichung wie unten in Gleichung 3 dargestellt ist. $θ_{0} \times [R (G_{0} : G_{1}) \times R (G_{1} : G_{2})] = θ_{2} < 360 °$
Wenn der Drehgeber 40 ein Zahnrad (G₃) ist oder auf einem Zahnrad (G₃) angeordnet ist, welches drei Zahnräder vom Abtriebszahnrad 30 entfernt ist, lautet die Gleichung wie unten in Gleichung 4 dargestellt ist. $θ_{0} \times [R (G_{0} : G_{1}) \times R (G_{1} : G_{2}) \times R (G_{2} : G_{3})] = θ_{3} < 360 °$
Wenn ein Teil des Körpers des Fahrradumwerfers 10, wie z.B. das Basiselement 16 oder das bewegliche Element 18, und die Motoreinheit mit einem Verbindungsglied des Fahrradumwerfers 10 verbunden sind, kann eine Beschränkung des Drehbereichs mechanisch bedingt sein. Wenn das Abtriebszahnrad 30 das Gehäuse 50 der Motoreinheit 14 berührt, kann die Beschränkung des Drehbereichs des Abtriebszahnrades 30 auch elektrisch erfolgen.
Wie unten mit Bezug auf 8 beschrieben wird, umfasst die Motoreinheit 14 außerdem eine Steuerung 60, die so konfiguriert ist, dass sie den Winkel eines der Abtriebszahnräder 30 und der Abtriebswelle 24 gemäß einem erfassten Wert des Winkelsensors 34 berechnet. Da der Drehgeber auf weniger als eine 360-Grad-Drehung beschränkt ist, kann die Steuerung 60 den Zustand (z.B. die relative Position des Basiselements und des beweglichen Elements) des Fahrradumwerfers 10 und damit das Übersetzungsverhältnis des Getriebesystems aus dem Drehzahlverhältnis zwischen dem Drehgeber 40 und dem Abtriebszahnrad 30 bestimmen, selbst für den Fall, dass Daten bezüglich der Position des Fahrradumwerfers 10 verloren gehen, wie z.B. bei einer Stromunterbrechung, einem Zurückspringen oder einem Überspringen eines Gangs.
5 und 6 zeigen eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf eine Getriebekonstruktion der Motoreinheit 14. Der Motor 26, einschließlich der Motorwelle 36, treibt das Antriebszahnrad 28 an. Das Antriebszahnrad 28 treibt das mindestens eine Untersetzungsgetriebe 38 an, das wiederum den Drehgeber 40 antreibt. Somit ist der Drehgeber 40 so konfiguriert, dass er sich als Reaktion auf eine Drehung der Motorwelle 36 des Motors 26 dreht. Der Drehgeber 40 treibt das Abtriebszahnrad 30 an, welches wiederum die Abtriebswelle antreibt, und eine Drehkraft der Abtriebswelle wird auf ein Verbindungsglied des Fahrradumwerfers 10 übertragen, um den Umwerfer 10 zu bewegen. Der Drehgeber 40 kann über eine Untersetzungsgetriebefunktion verfügen, so dass der Drehgeber 40 die vom Untersetzungsgetriebe 38 übertragene Drehgeschwindigkeit verlangsamt.
Zu 7A wird eine schematische Darstellung des Getriebeaufbaus in der Motoreinheit 14 für den Fahrradumwerfer 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie oben beschrieben, treibt der Motor 26 einschließlich der Motorwelle 36 das Antriebszahnrad 28 an. In der in 7A dargestellten Getriebestruktur ist das Antriebszahnrad 28 ein Schneckengetriebe. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Antriebszahnrad ein kreisförmiges Zahnrad, ein nicht-kreisförmiges Zahnrad, ein Sektorzahnrad oder jeder andere geeignete Zahnradtyp sein. Der Winkelsensor 34 ist so konfiguriert, dass er die Drehung des Drehgebers 40 erfasst, der das Abtriebszahnrad 30 und die Abtriebswelle antreibt. In der gezeigten Darstellung von 7A ist das Abtriebszahnrad 30 kreisförmig, es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Abtriebszahnrad alternativ als nicht-kreisförmiges Abtriebszahnrad 130, wie in 7B gezeigt ist, als Sektorzahnrad 230, wie in 7C gezeigt ist, oder als jeder andere geeignete Zahnradtyp konfiguriert werden kann.
Bezugnehmend auf 8 wird ein schematisches Schema einer Motoreinheit 14 für einen Fahrradumwerfer 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Um den Motor 26 anzutreiben, enthält der Fahrradumwerfer 10 einen Stromversorgungsanschluss 56, der für den Anschluss einer Batterie 58 konfiguriert ist, und der Stromversorgungsanschluss 56 ist elektrisch mit dem Motor 26 verbunden. Wie oben beschrieben und in 8 schematisch dargestellt ist, enthält die Motoreinheit 14 auch die Steuerung 60, welche den Winkel des Abtriebszahnrades 30 oder der Abtriebswelle 24 entsprechend dem erfassten Wert des Winkelsensors 34 berechnet, der auf dem Drehgeber 40 angeordnet ist. Wie oben mit Bezug auf 3B beschrieben ist, ist die drahtlose Kommunikationseinheit 62 so konfiguriert, dass sie mit der zusätzlichen drahtlosen Kommunikationseinheit 64 kommuniziert, die auf einer zusätzlichen Fahrradkomponente 66 angeordnet ist. Die zusätzliche Fahrradkomponente 66 kann z.B. eine zusätzliche Steuerung sein und mit einem oder mehreren Schaltern 68 in Kommunikation stehen. Obwohl 8 die zusätzliche Fahrradkomponente 66 so darstellt, dass sie von derselben Batterie 58 gespeist wird, die auch die Motoreinheit 14 versorgt, sei darauf hingewiesen, dass die zusätzliche Fahrradkomponente 66 in einer anderen Konfiguration von einer separaten Batterie gespeist werden kann. Der eine oder die mehreren Schalter 68 sind so konfiguriert, dass sie einen Schaltbefehl des Fahrers empfangen, um den Schaltvorgang einzuleiten. Dementsprechend können der eine oder die mehreren Schalter 68 als am Lenker des Fahrrads 1 montierte Schalter ausgebildet werden. Während oben beschrieben ist, dass die zusätzliche Fahrradkomponente 66 eine zusätzliche Steuerung sein kann, sei darauf hingewiesen, dass die zusätzliche drahtlose Kommunikationseinheit 64 an jeder geeigneten zusätzlichen Fahrradkomponente angebracht werden kann.
Obwohl nur ausgewählte Ausführungsformen ausgewählt wurden, um die vorliegende Erfindung zu veranschaulichen, wird es für den Fachmann aus dieser Offenbarung ersichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. Zum Beispiel kann die Größe, Form, Lage oder Ausrichtung der verschiedenen Komponenten nach Bedarf und/oder Wunsch geändert werden. Komponenten, die direkt miteinander verbunden sind oder sich berühren, können mit Zwischenstrukturen zwischen ihnen vorgesehen werden. Die Funktionen eines Elements können von zwei Elementen erfüllt werden und umgekehrt. Die Strukturen und Funktionen einer Ausführungsform können in eine andere Ausführungsform übernommen werden. Es ist nicht notwendig, dass alle Vorteile in einer bestimmten Ausführungsform gleichzeitig vorhanden sind. Jedes Merkmal, das allein oder in Kombination mit anderen Merkmalen gemäß dem Stand der Technik einzigartig ist, sollte auch als getrennte Beschreibung weiterer Erfindungen durch den Anmelder betrachtet werden, einschließlich der strukturellen und/oder funktionellen Konzepte, die durch dieses Merkmal oder diese Merkmale verkörpert werden. Die vorstehenden Beschreibungen der Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung dienen daher nur der Veranschaulichung und nicht dem Zweck, die Erfindung im Sinne der beigefügten Patentansprüche und ihrer Äquivalente einzuschränken.
Bezugszeichenliste

1: Fahrrad
2: Rahmen
3: Hinterrad
4: Vordergabel
5: Vorderrad
6: Pedale
7: Kurbelarme
8: Kurbelachse
9: Fahrradkette
10: Fahrradumwerfer
10A: hinterer Fahrradumwerfer
10B: vorderer Fahrradumwerfer
12: Fahrradkettenrad
12A: hinteres Kettenrad
12B: vorderes Kettenrad
14: elektronische Motoreinheit
16A: Basiselement
16B: Basiselement
18A: bewegliches Element
20A: Verbindungsmechanismus
20B: Verbindungsmechanismus
22A: Kettenführung
22B: Kettenführung
24: Abtriebswelle
26: Motor
28: Antriebszahnrad
30: Abtriebszahnrad
32: Zwischenzahnradstruktur
34: Winkelsensor
36: Motorwelle
38: Untersetzungsgetriebe
38A: erstes Untersetzungsgetriebe
38B: zweites Untersetzungsgetriebe
40: Drehgeber
42: erste Achse
44: zweite Achse
46: oberes Zahnradachsenstützelement
48: unteres Zahnradachsenstützelement
50: Gehäuse
52: Drehbeschränkungsstruktur
56: Stromversorgungsanschluss
58: Batterie
60: Steuerung
62: drahtlose Kommunikationseinheit
64: zusätzliche drahtlose Kommunikationseinheit
66: zusätzliche Fahrradkomponente
68: Schalter
130: nicht-kreisförmiges Abtriebszahnrad
230: Sektorzahnrad
P1: axiale Mittelebene

Claims

Eine Motoreinheit (14) für einen Fahrradumwerfer (10), umfassend: eine Abtriebswelle (24); einen Motor (26) mit einer Motorwelle (36); ein Antriebszahnrad (28) auf der Motorwelle (36) des Motors (26); ein Abtriebszahnrad (30) auf der Abtriebswelle (24); eine Zwischenzahnradstruktur (32), die in einem Lastpfad zwischen dem Antriebszahnrad (28) und dem Abtriebszahnrad (30) angeordnet ist, wobei die Zwischenzahnradstruktur (32) mindestens ein Untersetzungsgetriebe (38) und einen Drehgeber (40) aufweist; und einen Winkelsensor (34), der so konfiguriert ist, dass er die Drehung des Drehgebers (40) erfasst, wobei ein Drehzahlverhältnis zwischen dem Drehgeber (40) und dem Abtriebszahnrad (30) so ist, dass der Drehgeber (40) sich um weniger als 360 Grad dreht.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach Anspruch 1, wobei ein Drehbereich des Abtriebszahnrades (30) durch eine Drehbeschränkungsstruktur (52) des Fahrradumwerfers (10) begrenzt ist.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach Anspruch 2, wobei in einer Konfiguration, in der ein Körper des Fahrradumwerfers (10) und die Motoreinheit (14) mit einem Verbindungsglied des Fahrradumwerfers (10) verbunden sind, eine Begrenzung des Drehbereichs mechanisch ist.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach Anspruch 2, wobei in einer Konfiguration, in welcher das Abtriebszahnrad (30) ein Gehäuse (50) der Motoreinheit (14) berührt, eine Beschränkung des Drehbereichs des Abtriebszahnrades (30) elektrisch ist.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Abtriebszahnrad (30) nicht kreisförmig ist.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Abtriebszahnrad (30) ein Sektorzahnrad ist.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Drehkraft der Abtriebswelle (24) auf ein Verbindungsglied des Fahrradumwerfers (10) übertragen wird.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Fahrradumwerfer (10) ein vorderer Fahrradumwerfer (1 0B) ist, der ein Basiselement (16B), einen Verbindungsmechanismus (20B) und eine Kettenführung (22B) umfasst.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Fahrradumwerfer (10) ein hinterer Fahrradumwerfer (10A) ist, der ein Basiselement (16A), ein bewegliches Element (18A), einen Verbindungsmechanismus (20A) und eine Kettenführung (22A) umfasst.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Motoreinheit (14) innerhalb eines Basiselements (16A, 16B) des Fahrradumwerfers (10) angeordnet ist.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Fahrradumwerfer (10) einen Stromversorgungsanschluss (56) aufweist, der so konfiguriert ist, dass er mit einer Batterie (58) verbunden werden kann, und der Stromversorgungsanschluss (56) elektrisch mit dem Motor (26) verbunden ist.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ferner umfassend: ein Gehäuse (50), in welchem der Motor (26), mindestens ein Teil der Abtriebswelle (24) und die Zwischenzahnradstruktur (32) angeordnet sind; und eine drahtlose Kommunikationseinheit (62), die konfiguriert ist, um mit einer zusätzlichen drahtlosen Kommunikationseinheit (64), die auf einer zusätzlichen Fahrradkomponente (66) angeordnet ist, zu kommunizieren.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ferner umfassend: eine Steuerung (60), die so konfiguriert ist, dass sie einen Winkel entweder des Abtriebszahnrades (30) oder der Abtriebswelle (24) gemäß einem erfassten Wert des Winkelsensors (34) berechnet.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Winkelsensor (34) ein magnetischer Sensor ist.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Winkelsensor (34) ein optischer Sensor ist.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Drehgeber (40) so konfiguriert ist, dass er sich als Reaktion auf eine Drehung der Motorwelle (36) des Motors (26) dreht.
Die Motoreinheit (14) für den Fahrradumwerfer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Drehgeber (40) drehbar auf einer ersten Achse (42) der Zwischenzahnradstruktur (32) angeordnet ist; das Abtriebszahnrad (30) drehbar auf einer zweiten Achse (44) angeordnet ist; und die zweite Achse (44) an die erste Achse (42) angrenzt, ohne dass sich dazwischen eine weitere Achse befindet.