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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit eines Elektrofahrrads, und ein die Antriebseinheit umfassendes Elektrofahrrad.
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Bekannt sind Antriebseinheiten für Elektrofahrräder in orthogonaler Bauart. Dabei ist eine Motorwelle eines Motors der Antriebseinheit orthogonal zu einer Abtriebswelle der Antriebseinheit angeordnet. Derartige Antriebseinheiten weisen üblicherweise ein mehrteiliges Gehäuse auf, innerhalb welchem Komponenten der Antriebseinheit untergebracht sind. Die Herstellung der meist großen Gehäuseteile ist häufig aufwendig und komplex. Insbesondere wenn Gießverfahren als Urformverfahren zur Herstellung der Gehäuseteile verwendet werden, können dabei häufig Verzug und Lunkerbildung auftreten, was zu großen Toleranzabweichungen führen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, dass auf einfache Weise eine Antriebseinheit mit einem Bauraum-optimierten Gehäuse bereitgestellt werden kann, das sich durch eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit auszeichnet. Das Gehäuse der Antriebseinheit erlaubt zudem eine besonders leichtgewichtige Konstruktion und eine hohe Maßgenauigkeit. Dies wird erreicht durch eine Antriebseinheit eines Elektrofahrrads, umfassend eine Tretwelle, einen Motor mit einer Motorwelle, ein Getriebe, welches Tretwelle und Motorwelle, insbesondere drehmomentübertragend, miteinander verbindet, und ein Gehäuse. Die Tretwelle und die Motorwelle sind orthogonal zueinander angeordnet. Das heißt, es handelt sich um eine Antriebseinheit in orthogonaler Bauart. Das Gehäuse weist dabei mindestens zwei Gehäuseteile auf, welche in einer ersten Trennebene aneinandergefügt sind. Die erste Trennebene ist orthogonal zur Tretwelle angeordnet.
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Mit anderen Worten ist das Gehäuse der Antriebseinheit mindestens zweiteilig ausgebildet, wobei die erste Trennebene orthogonal zur Tretwelle und damit parallel zur Motorwelle angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine Art Halbschalenstruktur des Gehäuses. Da insbesondere das Gehäuse eine Längserstreckung entlang einer Motorachse, entlang welcher sich die Motorwelle erstreckt, größer ist als eine Erstreckung in Breitenrichtung entlang einer Tretachse, entlang welcher sich die Tretwelle erstreckt, ergibt sich eine besonders vorteilhafte Konstruktion der Gehäuseteile. Vorzugsweise ist ein Motorbereich des Gehäuses, innerhalb welchen sich der Motor mit der Motorwelle befindet, im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet. Weiter bevorzugt ist ein Tretlagerbereich, innerhalb welchem sich der Teil der Tretwelle befindet, ebenfalls im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet. Insbesondere erlaubt die Längsaufteilung des Gehäuses in zwei oder mehr Halbschalen eine Konstruktion der Gehäuseteile mit besonders einfacher Geometrie, die insbesondere in Gießverfahren zur Herstellung der Gehäuseteile vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Dabei können beispielsweise Wandstärken gleichmäßiger ausgestaltet und Materialanhäufungen vermieden werden. Zudem kann eine Entformung nach dem Gießen durch eine einfachere Geometrie ohne Hinterschneidungen verbessert werden.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt trennt die erste Trennebene das Gehäuse mittig in die beiden Gehäuseteile, und ist derart angeordnet, dass eine Motorachse der Motorwelle in der Trennebene liegt. Somit liegt eine Fügefläche, an welcher die beiden Gehäuseteile aneinandergefügt sind, insbesondere an der breitesten Stelle des Gehäuses. Dadurch kann eine besonders einfache und leichte Montage der Antriebseinheit erfolgen, da die Komponenten der Antriebseinheit einfach in den Halbschalen-förmigen Gehäuseteilen angeordnet werden können.
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Besonders bevorzugt sind die beiden Gehäuseteile im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der ersten Trennebene ausgebildet. Als im Wesentlichen symmetrisch wird dabei auch eine geringfügige Abweichung der Konstruktion der Gehäuseteile von einer exakt symmetrischen Konstruktion angesehen, welche beispielsweise aus Gründen der Montage, zum Beispiel durch Anschraubpunkte auf einem der Gehäuseteile, erforderlich ist. Vorzugsweise können die beiden Gehäuseteile auch exakt symmetrisch bezüglich der ersten Trennebene ausgebildet sein. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung können die beiden Gehäuseteile identisch ausgebildet sein. Dadurch kann eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung der Antriebseinheit ermöglicht werden.
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Vorzugsweise weist das Gehäuse mehr als zwei Gehäuseteile auf, bevorzugt insgesamt vier Gehäuseteile. Mindestens zwei der mehreren Gehäuseteile sind dabei zusätzlich in einer zur Motorwelle orthogonalen zweiten Trennebene aneinandergefügt. Dadurch kann eine noch weitere Vereinfachung des Gehäuses zur weiter vereinfachten Herstellung bereitgestellt werden. Zudem kann die Montage der Antriebseinheit weiter vereinfacht werden.
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Bevorzugt ist die zweite Trennebene derart angeordnet, dass die zweite Trennebene die Motorwelle oder alternativ das Getriebe schneidet. Das heißt, eine zweite Teilung des Gehäuses liegt im Bereich zwischen Motor und Tretwelle vor. Besonders bevorzugt liegt die zweite Trennebene derart, dass diese jeweilige im Wesentlichen zylindrische Bereiche des Gehäuses, welche orthogonal zueinander angeordnet sind, insbesondere der Motorbereich und der Tretlagerbereich, voneinander trennt. Dadurch kann eine besonders einfache und vorteilhafte Aufteilung des Gehäuses erfolgen, wobei beispielsweise komplexe und schwierig zu gießende Geometrien der Gehäuseteile vermieden werden können.
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Vorzugsweise sind die Gehäuseteile mittels einer kraftschlüssigen Verbindung miteinander, insbesondere lösbar, verbunden. Dadurch kann eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung und Montage der Antriebseinheit ermöglicht werden.
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Weiter bevorzugt weist die kraftschlüssige Verbindung mehrere Schraubenverbindungen auf, wobei jede Schraubenverbindung jeweils eine Schraube aufweist, welche tangential bezüglich der Motorwelle ausgerichtet ist. Insbesondere sind die Schrauben senkrecht zur ersten Trennebene ausgerichtet. Bevorzugt erfolgt dabei eine Verschraubung der Gehäuseteile an jeweiligen radial außen liegenden Bereichen, bevorzugt an entsprechenden Schraubenflanschen, der Gehäuseteile. Dadurch kann eine besonders einfache, kostengünstige und platzsparende Verbindung der Gehäuseteile ermöglicht werden.
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Vorzugsweise umfasst die Antriebseinheit ferner eine Dichtung, welche zwischen den Gehäuseteilen angeordnet ist. Insbesondere ist die Dichtung eine Elastomerdichtung. Bevorzugt kann die Dichtung als O-Ring-Dichtung ausgebildet sein, welche um die gesamte Kontaktfläche zwischen den Gehäuseteilen verläuft. Damit kann auf einfache und kostengünstige Weise eine Abdichtung des Gehäuses, beispielsweise gegen Schmutz und Wasser, bereitgestellt werden.
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Besonders bevorzugt ist die Dichtung in zumindest einer Dichtungsnut, welche in zumindest einem der Gehäuseteile ausgebildet ist, angeordnet. Bevorzugt kann in den beiden Gehäuseteilen, zwischen welchen die Dichtung angeordnet ist, jeweils eine Dichtungsnut ausgebildet sein. Dadurch kann eine einfache und definierte Anordnung der Dichtung bei zuverlässiger Dichtigkeit des Gehäuses bereitgestellt werden.
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Bevorzugt sind die Gehäuseteile des Gehäuses Druckgussbauteile, bevorzugt aus einem Leichtmetall, besonders bevorzugt aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung. Dadurch kann ein besonders leichtgewichtiges und außerdem kostengünstiges Gehäuse mit optimal anpassbarer Geometrie bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise umfasst die Antriebseinheit ferner eine Steuereinheit, welche innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Die Steuereinheit ist vorzugsweise ausgebildet zum Betätigen des Motors. Insbesondere umfasst die Steuereinheit eine Leistungselektronik und ist besonders bevorzugt mit einem elektrischen Energiespeicher des Elektrofahrrads verbindbar. Vorzugsweise ist die Steuereinheit an einer der Tretwelle gegenüberliegenden Seite des Motors angeordnet, also insbesondere an einer Stirnseite des Motorbereichs des Gehäuses.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Elektrofahrrad, welches die beschriebene Antriebseinheit umfasst. Ein durch den Motor der Antriebseinheit erzeugtes Drehmoment ist dabei vorgesehen zur Unterstützung einer durch Muskelkraft erzeugten manuellen Tretkraft eines Fahrers des Elektrofahrrads.
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Bevorzugt umfasst das Elektrofahrrad einen Fahrradrahmen, wobei zumindest ein Teilbereich der Antriebseinheit innerhalb eines rohrförmigen Bereichs des Fahrradrahmens angeordnet ist. Als rohrförmiger Bereich wird zumindest ein Abschnitt eines Rohrs des Fahrradrahmens angesehen. Der Teilbereich der Antriebseinheit ist dabei derart innerhalb des rohrförmigen Bereichs angeordnet, dass der Teilbereich in Umfangsrichtung vollständig vom rohrförmigen Bereich umschlossen ist. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte und platzsparende Anordnung der Antriebseinheit am Elektrofahrrad sowie außerdem ein mechanischer Schutz der Antriebseinheit erreicht werden.
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Besonders bevorzugt ist der Motor, insbesondere vollständig, innerhalb des rohrförmigen Bereichs des Fahrradrahmens angeordnet. Alternativ bevorzugt sind Motor und Getriebe, insbesondere vollständig, innerhalb des rohrförmigen Bereichs des Fahrradrahmens angeordnet. Dadurch kann ein optimaler Schutz des Motors vor Beschädigungen und Umwelteinflüssen ermöglicht werden.
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Vorzugsweise ist der rohrförmige Bereich eine Sattelstütze des Fahrradrahmens. Alternativ bevorzugt ist der rohrförmige Bereich ein Unterrohr des Fahrradrahmens. Insbesondere ist die Antriebseinheit jeweils an einem unteren Ende des Fahrradrahmens angeordnet, im Bereich des Tretlagers. Somit kann eine besonders flexible Anordnung und Ausrichtung der Antriebseinheit am Fahrradrahmen ermöglicht werden.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:
- 1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Elektrofahrrads mit einer Antriebseinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine vereinfachte schematische Ansicht der Antriebseinheit der 1, und
- 3 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht eines Elektrofahrrads 10, welches eine Antriebseinheit 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst.
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Die Antriebseinheit 1 des ersten Ausführungsbeispiels ist vergrößert in der 2 dargestellt. Die Antriebseinheit 1 umfasst einen Motor 25, welcher als Elektromotor ausgebildet ist. Der Motor 25 wird von einem elektrischen Energiespeicher 106 (vergleiche 1) mit elektrischer Energie versorgt.
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Der Motor 25 ist dabei vorgesehen, um eine mittels Pedalen 4 aufgebrachte manuelle Tretkraft eines Fahrers des Elektrofahrrads 10 durch ein elektromotorisch erzeugtes Drehmoment zu unterstützen.
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Der elektrische Energiespeicher ist in ein Unterrohr 103 eines Fahrradrahmens 101 des Fahrrads 10 integriert. An einem unteren Ende des Unterrohrs 103 im Bereich des Tretlagers befindet sich die Antriebseinheit 1. Die Antriebseinheit 1 ist dabei teilweise innerhalb eines rohrförmigen Bereichs 105 des Fahrradrahmens 101, nämlich in einem Teil des Unterrohrs 103 angeordnet. Im Detail ist die Antriebseinheit 1 teilweise in das untere Ende des Unterrohrs 103 eingeschoben, derart, dass ein Motorbereich 11 der Antriebseinheit 1, innerhalb welchem sich der Motor 25 befindet (vergleiche 2), vollständig innerhalb des rohrförmigen Bereichs 105 angeordnet ist.
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Zusätzlich zum Motorbereich 11 weist die Antriebseinheit 1 einen Tretlagerbereich 12 auf, innerhalb welchem sich eine Tretwelle 21 der Antriebseinheit 1 befindet. Die Tretwelle 21 erstreckt sich dabei entlang einer Tretachse 20.
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Der Motor 25 umfasst zudem eine Motorwelle 22, über welche ein durch den Motor 25 erzeugtes Drehmoment übertragen wird. Die Motorwelle 22 erstreckt sich entlang einer Motorachse 27. Insbesondere ist auch der Motor 25 koaxial zur Motorachse 27 ausgebildet. Motorwelle 22 und Tretwelle 21 sind über ein Getriebe 26 drehmomentübertragend miteinander verbunden.
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Die Motorachse 27 und die Tretachse 20 sind orthogonal zueinander angeordnet. Somit handelt es sich bei der Antriebseinheit 1 um einen Antrieb in orthogonaler Bauart.
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Weiterhin umfasst die Antriebseinheit 1 eine Steuereinheit 29, welche eingerichtet ist, den Motor 25 steuerbar zu betätigen. Insbesondere steuert die Steuereinheit 29 eine Bereitstellung des elektrischen Stroms vom elektrischen Energiespeicher 106. Die Steuereinheit 29 ist an den Motor 25 angrenzend und auf einer der Tretwelle 21 abgewandten Seite des Motors 25 angeordnet.
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Die Antriebseinheit 1 umfasst weiterhin ein Gehäuse 30, innerhalb welchem die Steuereinheit 29, der Motor 25, die Motorwelle 22, das Getriebe 26, und ein Teil der Tretwelle 21 angeordnet sind. Vorzugsweise sind zudem (nicht dargestellte) Tretlager zur Lagerung der Tretwelle 21 innerhalb des Gehäuses 30 angeordnet.
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Das Gehäuse 30 ist zweiteilig ausgebildet und umfasst einen ersten Gehäuseteil 31 und einen zweiten Gehäuseteil 32. Die beiden Gehäuseteile 31, 32 sind als Halbschalen ausgebildet, welche in einer zur Tretwelle 21 bzw. zur Tretachse 20 orthogonalen ersten Trennebene 35 aneinandergefügt sind. Die erste Trennebene 35 liegt dabei mittig im Gehäuse 30, derart, dass die Motorachse 27 in der ersten Trennebene 35 liegt.
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Das Gehäuse 30 ist im Motorbereich 11 und im Tretlagerbereich 12 jeweils im Wesentlichen hohlzylindrisch bezüglich der Motorachse 27 bzw. der Tretachse 20 ausgebildet. Dadurch ist das Gehäuse 30 im Wesentlichen T-förmig ausgebildet. Eine axiale Länge des Motorbereichs 11 ist dabei länger, insbesondere mindestens 20 % länger, als eine axiale Länge des Tretlagerbereichs 12.
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Die beiden Gehäuseteile 31, 32 bilden damit schalenförmige Bauteile, welche besonders einfach und kostengünstig herstellbar sind. Insbesondere bei einer Herstellung mittels Druckgießen können Wandstärken auf einfache Weise gießtechnisch vorteilhaft gleichmäßig ausgestaltet werden. Zudem kann eine Entformung durch einfache Geometrie ohne Hinterschneidungen verbessert werden. Dadurch können zudem Kosten und Gewicht bei dem Gehäuse 30 eingespart werden. Zudem erlaubt die Längsaufteilung des Gehäuses 30 eine besonders einfache Montage der Antriebseinheit 1.
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In montiertem Zustand der Antriebseinheit 1 sind die beiden Gehäuseteile 31, 32 des Gehäuses 30 mittels einer kraftschlüssigen Verbindung miteinander verbunden. Die kraftschlüssige Verbindung wird dabei durch mehrere Schraubenverbindungen hergestellt. Jede Schraubenverbindung weist eine Schraube 40 und jeweils einen Schraubenflansch 41 pro Gehäuseteil 31, 32 auf. Die Schraubenflansche 41 liegen dabei beidseitig der ersten Trennebene 35.
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Die Schrauben 40 sind jeweils so eingeschraubt, dass diese in tangentialer Richtung bezüglich des Motorbereichs 11 bzw. der Motorachse 27 angeordnet sind. Das heißt, die Schraubenverbindungen befinden sich jeweils an den radial äußersten Bereichen der Gehäuseteile 31, 32. Bevorzugt sind die Schraubenflansche 41 als radial nach außen vorstehende Flansche ausgebildet.
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Alternativ zu den Schraubenflanschen 41 können die Schrauben 40 direkt in Wände der Gehäuseteile 31, 32 eingeschraubt sein, um eine besonders platzsparende Konstruktion der Antriebseinheit 1 zu ermöglichen.
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Wie in der 2 zu erkennen, sind die Schrauben 40 entlang einer Richtung der Motorachse 27 jeweils aus unterschiedlichen Richtungen, also entgegengesetzt, eingeschraubt, um eine optimale Verschraubung und gleichmäßige Kraftverteilung zu erzielen.
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Dargestellt ist dabei in der 2 nur die Verschraubung auf einer Seite der Antriebseinheit 1, nämlich auf der betrachteten Vorderseite. Insbesondere erfolgt auf der nicht sichtbaren Rückseite eine Verschraubung auf die gleiche Weise, sodass die Gehäuseteile 31, 32 in dem dargestellten ersten Ausführungsbeispiel mit insgesamt sechs Schrauben 40 miteinander verschraubt sind.
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Ferner umfasst die Antriebseinheit 1 eine Dichtung 50, welche zwischen den Gehäuseteilen 31, 32 angeordnet ist. Die Dichtung 50 ist dabei eine Elastomerdichtung, insbesondere um eine Abdichtung des Gehäuses gegenüber einem Flüssigkeitseintritt zu bewirken.
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Die Dichtung 50 ist in einer Dichtungsnut 51 des zweiten Gehäuseteils 32 angeordnet, um eine einfache Anordnung der Dichtung 50 und damit eine einfache Montage der Antriebseinheit 1 zu ermöglichen.
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3 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Antriebseinheit 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 und 2 mit dem Unterschied, dass das Gehäuse 30 der Antriebseinheit 1 eine zusätzliche zweite Trennebene 36 aufweist. Dadurch ist das Gehäuse 30 im zweiten Ausführungsbeispiel vierteilig ausgebildet.
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Die zweite Trennebene 36 ist dabei orthogonal zur Motorachse 27 und auch orthogonal zur ersten Trennebene 35 angeordnet und liegt im Bereich des Übergangs zwischen Motorbereich 11 und Tretlagerbereich 12. Im Detail trennt die zweite Trennebene 36 Motorbereich 11 und Tretlagerbereich 12 voneinander.
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Ein erster Gehäuseteil 31 und ein zweiter Gehäuseteil 32 bilden dabei zusammen ein Gehäuse des Motorbereichs 11. Ein dritter Gehäuseteil 33 und eine vierter Gehäuseteil 34 bilden zusammen ein Gehäuse des Tretlagerbereichs 12. Eine Verbindung von den entsprechenden Gehäusen des Motorbereichs 11 und des Tretlagerbereichs 12 erfolgt über zusätzliche Schraubenverbindungen mit Schrauben 40`, welche entweder ebenfalls über Schraubenflansche oder alternativ direkt in die Wände der entsprechenden Gehäuseteile 31, 32, 33, 34 eingeschraubt sind.
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Durch die Aufteilung des Gehäuses 30 mittels der weiteren zusätzlichen zweiten Trennebene 36 kann eine weitere Vereinfachung der Gehäuseteile 31, 32, 33, 34 des Gehäuses 30 hinsichtlich Herstellung und Kosten erreicht werden. Zudem kann durch eine verbesserte Zugänglichkeit eine Montage der Antriebseinheit 1 weiter vereinfacht werden.
