DE102009045813A1

DE102009045813A1 - Antrieb für ein Radfahrzeug

Info

Publication number: DE102009045813A1
Application number: DE200910045813
Authority: DE
Inventors: Philippe Kohlbrenner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2011-04-21

Abstract

Antrieb für ein Radfahrzeug, der Antrieb umfassend f) eine Tretkurbel (1, 2) zur Umwandlung von Muskelkraft in Drehmoment, g) ein Kurbelritzel (3), das zur Übertragung des Drehmoments der Tretkurbel (1, 2) mit einem Zugmittel (4) in einem Eingriff ist, h) einen Elektromotor (10) mit einem Stator (11) und einem Rotor (12), i) ein Motorritzel (5), das zur Übertragung des Drehmoments des Elektromotors (10) mit dem gleichen Zugmittel (4) oder einem optionalen anderen Übertragungsmittel, vorzugsweise weiteren Zugmittel, in einem Eingriff ist, j) wobei der Elektromotor (10) ein Außenläufermotor ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb, mittels dem ein Radfahrzeug sowohl durch Muskelkraft als auch elektromotorischer Kraft antreibbar ist. Die Erfindung hat einen Hybridantrieb dieser Art im eingebauten Zustand, also ein mit dem Antrieb ausgestattetes Radfahrzeug, und auch den Antrieb als solchen zum Gegenstand.
Die EP 0 743 238 A1 beschreibt eine Kombination aus einem Tretkurbelantrieb und einem Elektromotor, die über Freiläufe ein gemeinsames Ritzel antreiben. In einer ersten Ausführung sind der Elektromotor und die Tretkurbel nebeneinander angeordnet und treiben jeweils über ein Getriebe das Ritzel an. In einer zweiten Ausführung sind die Tretkurbel und der Elektromotor koaxial angeordnet, und das gemeinsame Ritzel wird vom Elektromotor direkt und von der Tretkurbel über ein Getriebe angetrieben.
Auch die JP 2007-7176221 A beschreibt einen Antrieb mit einer Tretkurbel und einem Elektromotor, der über eine Getriebestufe untersetzt wird. Um Gewicht und Geräusche zu reduzieren, ist das Ausgangsrad einer Untersetzungsstufe des Getriebes in Kunststoff ausgeführt.
Ein aus der WO 99/30960 A2 bekannter Antrieb weist eine Tretkurbel und einen Elektromotor auf, denen ebenfalls ein Antriebsritzel gemeinsam zugeordnet ist. Die Tretkurbel, der Rotor des Elektromotors und das Antriebsritzel sind jeweils in beide Drehrichtungen drehmomentfest mit einer Tretkurbelwelle oder zumindest über Freiläufe in eine Antriebsrichtung drehmoment fest mit der Tretkurbelwelle verbunden. Die Drehzahl des Motors ist daher mit der Drehzahl der durch Muskelkraft betätigten Tretkurbel identisch.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Antrieb der genannten Art zu schaffen, dessen elektromotorischer Teil einfach und robust ist, ein hohes Leistungs/Gewichts-Verhältnis aufweist und leise arbeitet.
Gegenstand der Erfindung ist ein Antrieb für ein Radfahrzeug, der eine Tretkurbel zur Umwandlung von Muskelkraft in Drehmoment und einen Elektromotor mit einem Stator und einem durch elektromagnetische Wechselwirkung drehangetriebenen Rotor aufweist. Das Drehmoment der Tretkurbel wird mittels eines Kurbelritzels auf ein Zugmittel des Antriebs übertragen. Das Drehmoment des Elektromotors wird mittels eines Motorritzels auf das Zugmittel übertragen. Das Kurbelritzel und das Motorritzel sind in bevorzugten ersten Ausführungen mit dem Zugmittel jeweils in einem Eingriff, Tretkurbel und Motor arbeiten daher nicht auf das gleiche Ritzel, sondern übertragen ihr Drehmoment mittels je eines eigenen Ritzels auf das gleiche Zugmittel. In zweiten Ausführungen, in denen das Tretkkurbelritzel mit einem ersten Zugmittel und das Motorritzel mit einem anderen Übertragungsmittel, vorzugsweise einem zweiten Zugmittel in Eingriff ist, werden die über das erste Zugmittel und das andere Übertragungsmittel übertragenen Drehmomente auf ein gemeinsames Abtriebsglied, vorzugsweise eine Abtriebswelle, übertragen. Jeder der Antriebsteile, der mit Muskelkraft betreibbare Antriebsteil mit Tretkurbel und Kurbelritzel und der elektromotorische Antriebsteil mit Elektromotor und Motorritzel, kann in beiden Ausführungen deshalb der jeweiligen Eigenart entsprechend optimiert werden.
Nach der Erfindung ist der Elektromotor ein Außenläufermotor, der Stator befindet sich dementsprechend im Inneren des Motors und wird vom Rotor, dem Außenläufer, umgeben. Der Außenläufermotor kann ein Asynchronmotor sein, bevorzugt handelt es sich um einen Gleichstrommotor, der einen den Stator umgebenden Polring mit Dauermagneten aufweist. Die Erfindung vereint die charakteristische Eigenschaft von Außenläufermotoren mit der Einleitung des Drehmoments über ein eigenes Motorritzel. Außenläufermotoren haben im Vergleich zu Innenläufern einen hohen Wirkungsgrad und ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Allerdings sind diese Drehzahlen immer noch höher als die Drehzahl der Tretkurbel bei üblichen Tretfrequenzen des Fahrers. Aufgrund der Einleitung des Drehmoments über das eigene Motorritzel kann jedoch das Verhältnis der Drehzahl des Elektromotors zur Drehzahl der Tretkurbel entsprechend dem Verhältnis der Durchmesser des Kurbelritzels und des Motorritzels soweit erhöht werden, dass der Außenläufermotor in einem in Bezug auf sein Drehmoment und seinen Wirkungsgrad günstigen Drehzahlbereich arbeitet, während er auf das gleiche Zugmittel wie das Kurbelritzel wirkt.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass die Drehzahl des Elektromotors zum Motorritzel hin nicht untersetzt werden muss, auf ein Getriebe zwischen dem Rotor des Elektromotors und dem Motorritzel also verzichtet werden kann. Wird dennoch ein Getriebe zwischengeschaltet, kann dieses Getriebe mit einem deutlich geringeren Untersetzungsverhältnis als bei Verwendung eines Innenläufermotors ausgeführt sein. Besonders bevorzugten Ausführungen entspricht es jedoch, auf die Zwischenschaltung eines Getriebes zu verzichten, so dass der Elektromotor das Motorritzel direkt antreibt, das Motorritzel also mit der Drehzahl des Rotors angetrieben wird. Das Motorritzel ist in derartigen Ausführungen auf der Rotorachse angeordnet, d. h. koaxial zum Rotor.
Der elektromotorische Teil des Antriebs weist im Ergebnis ein verbessertes Leistungs/Gewichts-Verhältnis auf und entwickelt weniger Geräusche, wobei diese Vorteile dann besonders groß sind, wenn auf ein Getriebe zwischen dem Elektromotor und dem Motorritzel gänzlich verzichtet wird. Vorhanden sind die Vorteile jedoch auch bei Verwendung eines Getriebes, wenn auch nur in verringertem Umfang, weil dieses Getriebe mit einem gegenüber dem Stand der Technik deutlich geringeren Untersetzungsverhältnis ausgeführt werden kann. Hinzu kommt noch der Vorteil eines verringerten Bauvolumens, wobei auch hier gilt, dass in Ausführungen mit auf der Rotorachse angeordnetem Motorritzel eine besonders kompakte Bauweise erzielt wird.
In einer Weiterentwicklung wird die Drehzahl der Tretkurbel vor der Überlagerung der Drehmomente von Tretkurbel und Elektromotor mittels eines Übersetzungsgetriebes ins Schnelle übersetzt. Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl der Tretkurbelwelle und dem Ausgang des Übersetzungsgetriebes beträgt vorzugsweise wenigstens 1:1,5, bevorzugter wenigstens 1:2 und kann durchaus bis beispielsweise 1:3 oder gar 1:4 betragen. Die Übersetzung und damit verbunden das per Muskelkraft aufzubringende, entsprechend größere Drehmoment spielt keine entscheidende Rolle, zumindest dann nicht, wenn dem durch Muskelkraft erzeugten Drehmoment das Drehmoment des elektromotorischen Antriebsteils überlagert wird, der Elektromotor also unterstützend läuft.
Vorzugsweise ist das Übersetzungsgetriebe zwischen der Tretkurbelwelle und dem Kurbelritzel angeordnet. Das Übersetzungsgetriebe, das auch als Vorgelege bezeichnet werden kann, ist in bevorzugten Ausführungen ein zur Tretkurbelwelle koaxiales Planetengetriebe. Das Übersetzungsgetriebe ist vorzugsweise außerhalb des Tretlagergehäuses angeordnet. Insbesondere kann eine Lagerschale des Tretlagergehäuses, die nachfolgend noch in anderem Zusammenhang erläutert wird, ein rahmenseitiges, feststehendes Getriebeglied des Übersetzungsgetriebes bilden. Insbesondere kann ein Sonnenrad des bevorzugterweise als Planetengetriebe ausgeführten Übersetzungsgetriebes dieses relativ zum Rahmen des Radfahrzeugs nicht bewegliche Getriebeglied bilden. Bei einem Planetengetriebe kann insbesondere das Hohlrad das Abtriebsglied bilden, indem es mit dem Kurbelritzel verdrehgesichert verbunden ist, was auch den Fall einschließen kann, dass das Hohlrad in einem Stück auch das Kurbelritzel bildet. Die Tretkurbel bzw. die Tretkurbelwelle kann in Antriebsdrehrichtung drehmomentübertragend mit einem Planetenträger des Planetengetriebes verbunden sein, vorzugsweise über einen Freilauf. Ein Freilauf, der das Kurbelritzel seiner Antriebsdrehrichtung entgegen von der Tretkurbelwelle entkoppelt, ist aber auch bei der Gestaltung des Planetengetriebes oder eines andersartig gebildeten Übersetzungsgetriebes zwischen Tretkurbelwelle und Kurbelritzel von Vorteil. Solch ein Freilauf kann insbesondere im Bereich der Tretkurbelwelle, also neben oder grundsätzlich im Tretlagergehäuse angeordnet sein. Bevorzugt ist der Freilauf auf der Tretkurbelwelle außerhalb des Tretlagergehäuses, dicht neben diesem, angeordnet. Vorzugsweise ist der Freilauf unmittelbar auf der Tretkurbelwelle und nicht nur koaxial mit dieser angeordnet. Grundsätzlich kann der Freilauf aber auch auf einer anderen Welle im Antriebszug zwischen der Tretkurbel und dem angetriebenen Rad des Radfahrzeugs angeordnet sein, beispielsweise auf oder nahe bei der Motorwelle.
Besonders bevorzugten Ausführungen entspricht es, wie bereits erwähnt, wenn das Motorritzel auf der Rotorachse, d. h. an oder auf der Motorwelle angeordnet und bei der Übertragung des Motordrehmoments verdrehgesichert mit der Motorwelle verbunden ist. Das Motorritzel kann mit der Motorwelle im und gegen den Uhrzeigersinn drehfest verbunden sein. Bevorzugter ist das Motorritzel mit der Motorwelle jedoch nur in eine Antriebsrichtung drehfest verbunden, während eine relative Drehbewegung in die Gegenrichtung möglich ist. Die Antriebsrichtung ist diejenige Drehrichtung, in die das Drehmoment des Elektromotors auf das Motorritzel und von diesem auf das Zugmittel übertragen werden soll. Um dies zu erreichen, ist zwischen der Motorwelle und dem Motorritzel ein Freilauf angeordnet. Der Fahrer kann somit über die Tretkurbel das Radfahrzeug antreiben ohne den Elektromotor mitzuschleppen. Der Elektromotor kann im Gegenteil in solchen Phasen des Fahrbetriebs stillstehen, was Energie spart. Bei mittlerer Belastung kann er beispielsweise den Fahrer unterstützen, indem die Drehmomente der Tretkurbel und des Elektromotors auf dem gemeinsamen Abtriebsglied, vorzugsweise dem Zugmittel des Tretkurbelantriebs, überlagert werden.
Als Motorwelle wird im Sinne der Erfindung wie üblich die Ausgangswelle des Motors verstanden. Die Motorwelle dreht um die Rotorachse, d. h. um die gleiche Achse wie der Rotor. Die Motorwelle kann bezüglich beider Drehrichtungen des Rotationsfreiheitsgrads des Rotors fest mit dem Rotor verbunden sein, wobei als feste Verbindung im Sinne der Erfindung auch stets die Formung in einem Stück, im Falle des Rotors also die Formung eines Rotorrings und der Rotorwelle in einem Stück umfasst. Die Motorwelle und die Rotorwelle können daher identisch sein. Ist die Motorwelle gleichzeitig auch die Rotorwelle und treibt der Elektromotor das Motorritzel über einen Freilauf an, so ist dieser Freilauf entsprechend zwischen der Motorwelle und dem Ritzel angeordnet. Im Falle der bevorzugten Anordnung des Motorritzels auf der Motorachse, in Antriebsrichtung verdrehgesichert, ist der Freilauf vorzugsweise in einem von der Motorwelle und dem Motorritzel begrenzten Ringspalt angeordnet.
Die Motorwelle und die Rotorwelle können vorteilhafterweise aber auch verschieden sein, wobei die beiden Wellen selbstverständlich um die gemeinsame Rotordrehachse drehbar sind. Die Motorwelle und die Rotorwelle sind vorzugsweise konzentrisch zueinander angeordnet, d. h. die eine der beiden Wellen umgibt die andere zumindest in einem axialen Abschnitt. Bevorzugt werden Ausführungen, in denen die Rotorwelle die Motorwelle umgibt. Die Motorwelle und die Rotorwelle sind relativ zueinander drehbar gelagert, d. h. zwischen den beiden Wellen ist ein oder sind vorzugsweise zwei oder gegebenenfalls noch mehr Drehlager in einem axialen Abstand voneinander angeordnet. Ein Freilauf der genannten Art kann mit Vorteil zwischen der Rotorwelle und der Motorwelle wirken, also die Motorwelle in die Antriebsrichtung verdrehgesichert mit der Rotorwelle verbinden und in die Gegendrehrichtung von dieser entkoppeln. Ein Vorteil solch einer Anordnung ist, dass das Motorritzel nicht erst über den Freilauf mit der Motorwelle verbunden wird, sondern beispielsweise wie bevorzugt direkt auf der Motorwelle oder an der Motorwelle angeordnet und drehsteif mit dieser verbunden sein kann. Von Vorteil ist, wenn der Freilauf in einem von den beiden Wellen begrenzten Ringspalt angeordnet wird, insbesondere kann der Freilauf zwischen zwei axial beabstandeten Drehlagern, die die Wellen relativ zueinander drehbar lagern, angeordnet werden.
In bevorzugten Ausführungen erstreckt sich die Motorwelle in den Stator. Noch bevorzugter erstreckt sie sich nicht nur in, sondern durch den Stator. Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, den Rotorring, der den Stator umgibt, an einer Seite des Stators mittels eines Verbindungskörpers mit der Rotorwelle zu verbinden und die Rotorwelle an der gleichen Seite vom Stator wegzuführen, so dass die Rotorwelle axial neben dem Stator angeordnet wäre. Bevorzugter wird jedoch das Drehmoment des Elektromotors an einer axialen Seite des Stators in die Rotorwelle eingeleitet, die Rotorwelle durch einen zentralen Hohlraum des Stators zu dessen anderen axialen Seite geführt und dort das Motorritzel angeordnet. Ragt die Rotorwelle oder, im Falle einer von der Rotorwelle separaten Motorwelle, die Motorwelle in oder vorzugsweise durch den Stator, kann vorteilhafterweise wenigstens ein Drehlager der betreffenden Welle innerhalb des Stators angeordnet werden. Das Wort ”oder” wird hier wie auch an jeder anderen Stelle im üblichen logischen Sinne gebraucht, es handelt sich also um ein ”inklusiv oder”, das die Bedeutung von ”entweder.....oder” und auch die Bedeutung von ”und” umfasst, soweit sich aus dem jeweils konkreten Zusammenhang nicht ausschließlich eine eingeschränkte Bedeutung nur ergeben kann. In Bezug auf die von der Rotorwelle verschiedene Motorwelle bedeutet dies, dass entweder nur die Rotorwelle oder nur die Motorwelle in oder durch den Stator ragt oder aber, wie dies bevorzugten Ausführungen entspricht, beide Wellen in oder durch den Stator ragen.
Falls die Rotorwelle nicht gleichzeitig auch die Motorwelle bildet und beide Wellen in oder durch den Stator ragen, kann zumindest ein Axialabschnitt des Freilaufs oder vorzugsweise der Freilauf über seine gesamte axiale Länge in dem Hohlraum des Stators angeordnet sein, vorzugsweise in einem Ringraum zwischen der Rotorwelle und der Motorwelle, und die Motorwelle in Antriebsrichtung verdrehgesichert mit der Rotorwelle verbinden und in die Gegendrehrichtung von der Rotorwelle entkoppeln. Insbesondere solch ein Freilauf kann zwischen axial beabstandeten Drehlagern, die die beiden Wellen relativ zueinander drehbar lagern, angeordnet sein. Eines dieser Drehlager oder beide Drehlager können ebenfalls in dem Hohlraum des Stators angeordnet sein. Bevorzugter sind diese Drehlager jedoch zumindest teilweise axial außerhalb des Hohlraums angeordnet, wobei das eine dieser Drehlager axial an derjenigen Position angeordnet ist, an der der Rotorring sich über einen Verbindungskörper an der Rotorwelle abstützt. Ein anderes Drehlager, das die Anordnung aus Rotorwelle und Motorwelle an dieser Seite des Stators relativ zu einem Gestell des Radfahrzeugs drehbar abstützt, ist vorzugsweise axial eingerückt in dem Hohlraum des Stators angeordnet.
Zum Elektromotor ist noch nachzutragen, dass er in der bevorzugten Ausführung als Gleichstrommotor über den Rotorring in Umfangsrichtung verteilt vorteilhafterweise wenigstens 28 Magnetpole aufweist, es sich also um einen hochpoligen Elektromotor handelt. Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn der auf das Zugmittel wirkende effektive Durchmesser des Kurbelritzels vier bis acht Mal so groß wie der effektive Durchmesser des Motorritzels ist, ein Optimum liegt bei etwa dem Sechsfachen. Als praktisch vorteilhaft hat sich jedoch durchaus auch noch ein Durchmesserverhältnis Kurbelritzel/Motorritzel von wenigstens drei erwiesen.
Die Tretkurbel umfasst wenigstens eine Pedale, bevorzugter zwei Pedale, und eine Tretkurbelwelle, die mit dem Pedal oder den Pedalen nicht verdrehbar verbunden ist. Das Kurbelritzel kann insbesondere nicht verdrehbar mit der Tretkurbelwelle verbunden sein. Grundsätzlich ist jedoch auch denkbar, das Kurbelritzel über ein Getriebe mit der Tretkurbelwelle zu verbinden.
Das Radfahrzeug kann insbesondere ein Zweirad sein, das in der bei Fahrrädern üblichen Weise per Muskelkraft über die Tretkurbel angetrieben wird. Es kann sich auch um ein Radfahrzeug mit mehr als zwei Rädern handeln, beispielsweise einen Rollstuhl, ein Radfahrzeug mit drei Rädern oder ein Radfahrzeug mit noch mehr Rädern für insbesondere mehr als eine Person.
In bevorzugten Ausführungen ist ein Drehmomentsensor oder Drehzahlsensor zur Ermittlung des Drehmoments oder der Drehzahl der Tretkurbel vorgesehen und mit einer Steuerung des Elektromotors verbunden. Vorzugsweise steuert oder regelt die Steuerung den Elektromotor in Abhängigkeit von einem Messsignal des Drehmomentsensors oder Drehzahlsensors. Der Drehmomentsensor oder Drehzahlsensor ist vorzugsweise in einem Tretlagergehäuse angeordnet, durch das sich eine Tretkurbelwelle der Tretkurbel erstreckt.
Wird das Drehmoment der Tretkurbelwelle ermittelt, wie dies in bevorzugten Ausführungen der Fall ist, kann der Elektromotor vorteilhafterweise in Abhängigkeit vom Drehmoment der Tretkurbelwelle gesteuert oder geregelt werden. In solchen Ausführungen ist ein Drehmomentsensor in eine Steuerung des Elektromotors integriert. Die Steuerung entscheidet beispielsweise, ob der Elektromotor überhaupt eingeschaltet wird und Drehmoment in das Zugmittelgetriebe einleitet. Bedingung für das Einschalten ist vorzugsweise, dass die Einleitung eines Drehmoments über die Tretkurbelwelle mittels des Sensors festgestellt wird. An einem Bedienteil kann ein Bedienelement vorgesehen sein, mit dem der Fahrer auswählen kann, ob der Elektromotor nur unterstützt oder ständig Drehmoment einleitet. Am Bedienteil kann stattdessen oder vorzugsweise zusätzlich die Möglichkeit der Einstellung des vom Elektromotor erzeugten Drehmoments gegeben sein. Die Einstellmöglichkeit kann so verwirklicht sein, dass das Drehmoment des Elektromotors unabhängig vom Drehmoment der Tretkurbelwelle einstellbar ist, der Motor also einfach das eingestellte Motordrehmoment erzeugt. Alternativ kann die Einstellmöglichkeit so verwirklicht sein, dass der Elektromotor ein Drehmoment erzeugt, das in Kombination mit dem Drehmoment der Tretkurbelwelle das eingestellte Drehmoment ergibt, der Elektromotor also die Differenz aus eingestelltem Drehmoment und dem Drehmoment der Tretkurbelwelle erzeugt.
Der Drehmomentsensor ist vorzugsweise in einem Tretlagergehäuse angeordnet, das in herkömmlicher Weise ein Tretlagerrohr sein kann, aber nicht unumgänglich sein muss. Der Sensor kann zur Ermittlung des Drehmoments insbesondere die Drehwinkelposition erfassen, die ein Abtriebsende der Tretkurbelwelle relativ zu einem Antriebsende der Tretkurbelwelle einnimmt. Der Sensor ist bevorzugt ein Magnetpolsensor. Zu diesen beiden Aspekten der Erfindung, der Anordnung im Tretlagergehäuse und der Ausführung als Magnetpolsensor, werden im Folgenden Merkmale offenbart, die jeweils einzeln und auch in jeder Kombination die Erfindung vorteilhaft weiterbilden.
Der Sensor kann in Doppelfunktion auch zur Ermittlung der Drehzahl der Tretkurbelwelle dienen. Ist er als Magnetpolsensor ausgeführt, so kann er Bestandteil eines Drehzahlsensors sein, der ferner einen Hallsensor aufweist. Der Hallsensor tastet eines der Polglieder des Magnetpolsensors oder beide Polglieder, vorzugsweise das im Magnetfluss des Drehmomentsensors aufwärtige Polglied ab. Der Hallsensor detektiert die Durchgänge der Magnetfeldelemente oder nur eines bestimmten Magnetfeldelements des betreffenden Polglieds oder der Polglieder, woraus mittels eines nachgeschalteten Zählglieds und eines Zeitglieds die Drehzahl bestimmt wird. Der Hallsensor ist vorzugsweise in einer Öffnung am Umfang des Tretlagergehäuses radial gegenüber dem betreffenden Polglied angeordnet.
Bevorzugte Merkmale werden auch in den Unteransprüchen und den Kombinationen der Unteransprüche beschrieben.
Die Erfindung betrifft ferner auch eine Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments einer Tretkurbelwelle eines Radfahrzeugs, vorzugsweise eines Fahrrads. Bevorzugt findet sie Verwendung bei Radfahrzeugen mit Hybridantrieben, die mit Muskelkraft betreibbar sind und zur Unterstützung einen motorischen Antrieb aufweisen, beispielsweise einen elektromotorischen Antrieb. Sie kann mit Vorteil aber auch im Radsportbereich, auch im Hobbysportbereich und grundsätzlich überall da zum Einsatz gelangen, wo das per Muskelkraft erzeugte Drehmoment von Interesse ist.
Bei Hybridantrieben kann die Drehmomenterfassung beispielsweise zur Steuerung oder Regelung des Zusatzantriebs verwendet werden. Beispiele hierfür sind aus der EP 0 743 238 A1 , der JP 2007176221 A und insbesondere der WO 99/30960 A2 bekannt. In den dort beschriebenen Ausführungsformen wird der Zusatzmotor unmittelbar auf oder auch neben der Tretkurbelwelle angeordnet, jedenfalls sind für die beiden Antriebsteile, den Tretkurbelteil und den Motorteil, angepasste Gehäuse vorgesehen, die dem Einzelfall entsprechend speziell konstruiert werden müssen, was Kosten verursacht.
Es ist daher auch eine Aufgabe der Erfindung, die Anordnung eines Sensors zur Erfassung des Drehmoments einer Tretkurbelwelle in einem üblichen Tretlagergehäuse, vorzugsweise auch eine einfache Nachrüstung zu ermöglichen.
Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments einer Tretkurbelwelle eines Radfahrzeugs aus, die ein Tretlagergehäuse, eine durch das Tretlagergehäuse erstreckte Tretkurbelwelle, ein erstes Drehlager und wenigstens ein weiteres, zweites Drehlager für die Drehlagerung der Tretkurbelwelle, ferner eine Übertragungsstruktur und einen Drehmomentsensor aufweist. Die Übertragungsstruktur ist in dem Tretlagergehäuse drehfest mit der Tretkurbelwelle verbunden, drehfest zumindest in einer Antriebsdrehrichtung der Tretkurbelwelle, vorzugsweise drehfest in Bezug auf beide Drehrichtungen um eine Drehachse der Tretkurbelwelle. Der Bereich der Verbindung mit der Tretkurbelwelle bildet ein Antriebsende der Übertragungsstruktur. Die Übertragungsstruktur weist ferner ein Abtriebsende auf, an dem das am Antriebsende eingeleitete Drehmoment weitergeleitet wird, vorzugsweise auf ein Kurbelritzel eines Zugmittelgetriebes des Radfahrzeugs. Das Kurbelritzel kann insbesondere drehfest mit dem Abtriebsende der Übertragungsstruktur verbunden sein, drehfest zumindest in die Antriebsdrehrichtung, vorzugsweise drehfest in Bezug auf beide Drehrichtungen um die Drehachse der Tretkurbelwelle. Der Sensor ist ebenfalls in dem Tretlagergehäuse angeordnet und erfasst das Drehmoment über die Drehwinkelposition, die das Abtriebsende der Übertragungsstruktur relativ zu dem Antriebsende einnimmt. Änderungen der relativen Drehwinkelposition sind gleichbedeutend mit Änderungen des durch die Übertragungsstruktur übertragenen Drehmoments, das wiederum dem Drehmoment der Tretlagerwelle entspricht, zumindest in bevorzugten Ausführungen, in denen die Übertragungsstruktur das Drehmoment der Tretkurbelwelle schlupffrei überträgt.
Nach der Erfindung ist radial zwischen der Tretkurbelwelle und dem Tretlagergehäuse eine Lagerschalenstruktur angeordnet, die kippfest mit dem Tretlagergehäuse verbunden ist und die Tretkurbelwelle außerhalb des Tretlagergehäuses mittels des ersten Drehlagers drehbar lagert, indem die Tretkurbelwelle über das erste Drehlager radial nach außen, d. h. in radialer Richtung bezüglich der Drehachse, abgestützt ist. Vorzugsweise stützt die Lagerschalenstruktur die Tretlagerwelle auch in wenigstens eine axiale Richtung ab. Mittels der Lagerschalenstruktur wird somit das erste Drehlager aus dem Tretlagergehäuse nach außen verlagert, wodurch im Tretlagergehäuse entsprechend Platz für den Sensor und die zur Anordnung des Sensors gegebenenfalls erforderlichen Halteeinrichtungen geschaffen wird.
Die Lagerschalenstruktur kann insgesamt oder gegebenenfalls auch nur in einem oder mehreren Axialabschnitt(en) insbesondere hülsenförmig sein, die Tretkurbelwelle also in Umfangsrichtung umlaufend umgeben. Sie kann auch aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sein, die erst in der Gesamtheit im eingebauten Zustand solch eine Hülse ergeben. Grundsätzlich muss sie jedoch nur die Funktion der Drehlagerung erfüllen und eine hierfür geeignete Form aufweisen.
Die Lagerschalenstruktur weist außerhalb der Tretkurbelwelle vorzugsweise einen radial vergrößerten Axialabschnitt auf, in dem das erste Drehlager angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist die Lagerschalenstruktur zumindest in diesem Axialabschnitt als Hülse gebildet, wobei die Hülse vorzugsweise um die Drehachse der Tretkurbelwelle einen geschlossenen Mantel aufweist, grundsätzlich aber auch Durchbrechungen haben kann. Der in radialer Richtung vergrößerte Axialabschnitt, erweitert im Vergleich zu einem in das Tretlagergehäuse ragenden Axialabschnitt, schafft in radialer Richtung Raum für die Anordnung des ersten Drehlagers. Ist die Lagerschalenstruktur wie bevorzugt in dem radial vergrößerten Axialabschnitt als Hülse gebildet, bedeutet dies, dass sie dort einen größeren freien Innenquerschnitt, vorzugsweise kreiszylindrischen Innenquerschnitt aufweist. Grundsätzlich genügt es jedoch, die zur radialen Abstützung erforderlichen Stützstellen für das erste Drehlager zu bilden. Die Lagerschalenstruktur kann in dem radial vergrößerten Axialabschnitt so weit vergrößert sein, vorzugsweise solch einen kreiszylindrischen Innenquerschnitt aufweisen, dass er radial weiter ist als ein größter Innenquerschnitt des Tretlagergehäuses. Der Innenquerschnitt des Tretlagergehäuses ist in bevorzugten Ausführungen zumindest im Wesentlichen durchgehend kreiszylindrisch.
Das Tretlagergehäuse ist in bevorzugten Ausführungen ein Standard-Tretlagergehäuse, wie es bei Fahrrädern üblicherweise vorzufinden ist. Das Standardgehäuse ist dementsprechend im Wesentlichen ein Rohr mit der üblichen Befestigungseinrichtung für eine Standard-Tretkurbelwelle ohne Drehmomenterfassung. In derartigen Ausführungen kann die Lagerschalenstruktur vorteilhafterweise so ausgeführt sein, dass sie wie die herkömmlichen Lagereinsätze links- und rechtsseitig in das Tretlagergehäuse eingesetzt und fest mit diesem verbunden wird, um die Tretkurbelwelle zu lagern. Die Lagerschalenstruktur ersetzt den links- und rechtsseitigen Lagereinsatz herkömmlicher Anordnungen aus Tretlagergehäuse und Tretlagerwelle. So kann die Lagerschalenstruktur in vorteilhaften Ausführungen beispielsweise in das Tretlagergehäuse eingeschraubt sein oder eingeschraubt werden, wobei das Tretlagergehäuse an dem betreffenden Stirnende ein Innengewinde und die Lagerschalenstruktur ein passendes Außengewinde aufweist.
Obgleich es im Hinblick auf die Gewinnung von Raum innerhalb des Tretlagergehäuses bereits vorteilhaft ist, wem die Lagerschalenstruktur nur an einer Stirnseite aus dem Tretlagergehäuse ragt und an der betreffenden Stirnseite außen die Lagerstelle schafft, entspricht es bevorzugteren Ausführungen, wenn die Lagerschalenstruktur auch auf der anderen Stirnseite aus dem Tretlagergehäuse ragt und dort mittels des zweiten Drehlagers ebenfalls für die Drehlagerung der Tretkurbelwelle sorgt, indem sie das zweite Tretlager nach radial außen stützt. In solchen Ausführungen ist die Lagerschalenstruktur zweckmäßigerweise mehrteilig und umfasst eine erste Lagerschale und wenigstens eine weitere, zweite Lagerschale, wovon die eine zur einen Stirnseite und die andere zur anderen Stirnseite aus dem Tretlagergehäuse ragt, um an der jeweiligen Stirnseite drehbar zu lagern. Das zur Lagerschalenstruktur Gesagte gilt vorzugsweise für jede dieser Lagerschalen. Die Lagerschalen sind vorzugsweise dafür eingerichtet, dass die eine von links und die andere von rechts in das Tretlagergehäuse einsetzbar bzw. bereits eingesetzt sind. Bevorzugt sind oder werden sie von der jeweiligen Stirnseite her in das Tretlagergehäuse eingeschraubt, vorzugsweise durch eine Schraubverbindung unmittelbar mit einem Rohrmantel des Tretlagergehäuses.
In bevorzugten Ausführungen dient die Lagerschalenstruktur nicht nur der Drehlagerung der Tretkurbelwelle, sondern gleichzeitig auch der Lagerung des Sensors oder eines Teils des Sensors. Die Lagerschalenstruktur kann insbesondere einen relativ zum Tretlagergehäuse nicht bewegten oder zumindest nicht für die Erfassung notwendig bewegten Sensorteil lagern.
Das Drehmoment wird wie bereits erwähnt über die relative Drehwinkelposition zwischen dem Antriebs- und dem Abtriebsende der Übertragungsstruktur erfasst. Die Übertragungsstruktur wird zwischen ihrem Antriebsende und ihrem Abtriebsende in Abhängigkeit von der Größe des Drehmoments belastet. Die Belastung kann eine Zugbelastung, eine Druckbelastung und grundsätzlich jede Art von Belastung sein, solange das Drehmoment übertragen wird. Bevorzugt wird die Übertragungsstruktur auf Torsion belastet, ist also als Torsionsstruktur geformt und angeordnet. Sie weist dementsprechend eine axial erstreckte Torsionsstrecke auf, die sich bis zum Antriebsende und von dort in Richtung auf das Abtriebsende erstreckt. Vorzugsweise ist die Torsionsstrecke hülsenförmig, die Übertragungsstruktur dementsprechend eine Torsionshülse. Noch bevorzugter ist die Übertragungsstruktur im Ganzen hülsenförmig, weist also ein hülsenförmiges Antriebsende, daran axial anschließend die hülsenförmige Torsionsstrecke und ein daran anschließendes hülsenförmiges Abtriebsende auf. Im Bereich des Abtriebsendes wird solch eine Übertragungsstruktur vorzugsweise zur Tretkurbelwelle bin radial abgestützt, was insbesondere mittels einer Gleitlagerbuchse vorgenommen werden kann, vorzugsweise einer Gleitlagerbuchse, die in einem unmittelbar zwischen der Tretkurbelwelle und der Übertragungsstruktur gebildeten Ringspalt angeordnet ist. Von einschließlich solch einer Drehlagerung auf der Tretkurbelwelle ist die Übertragungsstruktur bis zu dem Antriebsende im Rahmen der Torsionsbeabsatzung frei beweglich.
Der Sensor kann beispielsweise als Dehnmesssensor mit einem oder mehreren Dehnmessstreifen ausgeführt sein. In Frage kommen auch kapazitive Messaufnehmer. Bevorzugt ist der Sensor als Magnetpolsensor ausgeführt. Der Sensor umfasst in bevorzugten Ausführungen ein Eingangsglied zum Einkoppeln eines Eingangssignals, ein Ausgangsglied zum Auskoppeln eines entsprechend dem Eingangssignal und dem Drehmoment erzeugten Ausgangssignal und zwischen dem Eingangsglied und dem Ausgangsglied ein oder mehrere Übertragungsglied(er). Bevorzugten Ausführungen entspricht es, wenn in der Messstrecke ein erstes Übertragungsglied und ein zweites Übertragungsglied angeordnet sind, von denen das eine näher bei dem Antriebsende und das andere näher bei dem Abtriebsende angeordnet ist. Die Übertragungsglieder sind in Bezug auf die Richtung der Beabsatzung, die die Übertragungsstruktur durch die Übertragung des Drehmoments erfährt, unbeweglich mit der Übertragungsstruktur verbunden. Bei Änderungen des Drehmoments ändert sich daher die relative Drehwinkelposition, die die Übertragungsglieder relativ zueinander aufweisen. Das Eingangsglied und das Ausgangsglied werden vorzugsweise von der Lagerschalenstruktur gelagert, vorzugsweise sind sie relativ zu der Lagerschalenstruktur nicht beweglich.
In Ausführungen, in denen die Lagerschalenstruktur den Sensor oder vorzugsweise eine oder mehrere Komponenten eines mehrteiligen Sensors lagert, wobei die betreffende Komponente oder die mehreren Komponenten an der Lagerschalenstruktur oder durch Einbettung in der Lagerschalenstruktur angeordnet ist oder sind, umfasst die Lagerschalenstruktur vorzugsweise eine der Lagerung des Sensors oder einer oder mehrerer Sensorkomponente(n) dienende Trägerschale. In Ausführungen, in denen die Lagerschalenstruktur eine erste Lagerschale und eine zweite Lagerschale aufweist, kann die Trägerschale insbesondere axial zwischen den Lagerschalen angeordnet sein. Die Anordnung des Sensors oder eines Sensorteils an oder in der Trägerschale erleichtert vorteilhafterweise den Einbau des Sensors, insbesondere in Ausführungen, in denen die Lagerschalenstruktur in das Tretlagergehäuse eingeschraubt wird. Die Lagerschalen sind in Ausführungen, in denen für den Einbau eine Drehbewegung erforderlich ist, wie beispielsweise im Falle der genannten Schraubverbindung, von der Trägerschale in Bezug auf die Drehbewegung vorzugsweise entkoppelt, relativ zur Trägerschale also drehbar. Die Trägerschale wird im Tretlagergehäuse vorzugsweise angeordnet, bevor die Lagerschalen montiert werden. Ist die Trägerschale hinsichtlich einer Montierdrehbewegung der Lagerschalen von diesen entkoppelt, kann die Trägerschale bei der Montage der Lagerschalen relativ zum Tretlagergehäuse ruhen, was vorteilhaft beispielsweise dann ist, wenn der von der Trägerschale gelagerte Sensor oder Sensorteil einen oder mehrere Kabelanschluss oder -anschlüsse aufweist, der oder die bei Drehung verdrillen könnte(n).
Nachfolgend sind bevorzugte Merkmale der weiteren Erfindung zusammengestellt. Dabei werden Bezugszeichen von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen verwendet. Die Bezugszeichen dienen nur der rascheren Orientierung. Die zur Anordnung des Sensors offenbarten Merkmale können mit Vorteil in Kombination mit den zum Antrieb offenbarten Merkmalen zur Anwendung gelangen.

I) Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments einer Tretkurbelwelle eines Radfahrzeugs, die Vorrichtung umfassend: a) ein Tretlagergehäuse (8), b) eine durch das Tretlagergehäuse (8) erstreckte Tretkurbelwelle (2) zur Umwandlung von Muskelkraft in Drehmoment, c) ein erstes Drehlager (27) und ein zweites Drehlager (28) jeweils für die Tretkurbelwelle (2), d) eine Übertragungsstruktur (35), die zur Übertragung des Drehmoments in dem Tretlagergehäuse (8) an einem Antriebsende (36) drehfest mit der Tretkurbelwelle (2) verbunden ist und ein Abtriebsende (37) für die Übertragung des Drehmoments auf ein Rad des Radfahrzeugs aufweist, e) und einen in dem Tretlagergehäuse (8) angeordneten Sensor (40), der zur Ermittlung des Drehmoments die Drehwinkelposition erfasst, die das Abtriebsende (37) relativ zu dem Antriebsende (36) der Übertragungsstruktur (35) einnimmt. f) In bevorzugten Ausführungen ist radial zwischen der Tretkurbelwelle (2) und dem Tretlagergehäuse (8) eine Lagerschalenstruktur (30) angeordnet, die kippfest mit dem Tretlagergehäuse (8) verbunden ist und aus dem Tretlagergehäuse (8) ragt, g) wobei die Tretkurbelwelle (2) außerhalb des Tretlagergehäuses (8) mittels des ersten Drehlagers (27) drehbar von der Lagerschalenstruktur (30) gelagert wird.
II) Vorrichtung nach dem vorhergehenden Absatz, wobei das Tretlagergehäuse (8) längs der Tretkurbelwelle (2) eine innere Weite von maximal 60 mm aufweist, vorzugsweise rohrförmig ist, vorzugsweise einen für Fahrräder standardmäßigen Innenquerschnitt aufweist.
III) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Absätze, wobei die Lagerschalenstruktur (30) die Übertragungsstruktur (35) umgibt, wenigstens in einem axialen Abschnitt, vorzugsweise innerhalb und außerhalb des Tretlagergehäuses (8).
IV) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Absätze, wobei die Lagerschalenstruktur (30) außerhalb des Tretkurbelgehäuses (8) einen radial vergrößerten Axialabschnitt aufweist, in dem das erste Drehlager (27) angeordnet ist und der die Tretkurbelwelle (2) vorzugsweise umlaufend umgibt.
V) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Absätze, wobei die Übertragungsstruktur (35) mit dem Abtriebsende (37) aus dem Tretlagergehäuse (8) ragt und das erste Drehlager (27) in eine radiale Richtung an dem Abtriebsende (37) der Übertragungsstruktur (35) und in die radiale Gegenrichtung an der Lagerschalenstruktur (30) abgestützt ist.
VI) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Absätze, wobei die Tretkurbelwelle (2) auch mittels des zweiten Drehlagers (28) drehbar von der Lagerschalenstruktur (30) gelagert wird, vorzugsweise ebenfalls außerhalb des Tretlagergehäuses (8).
VII) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Absätze, wobei die Lagerschalenstruktur (30) eine erste Lagerschale (31) und eine zweite Lagerschale (32) aufweist, die jeweils radial zwischen der Tretkurbelwelle (2) und dem Tretlagergehäuse (8) angeordnet sind, die erste Lagerschale (31) an einer Stirnseite des Tretlagergehäuses (8) axial aus dem Tretlagergehäuse (8) und die zweite Lagerschale (32) an der axial gegenüberliegenden Stirnseite des Tretlagergehäuses (8) axial aus dem Tretlagergehäuse (8) ragt, die Lagerschalen (31, 32) jeweils kippfest mit dem Tretlagergehäuse (8) verbunden sind und die Tretkurbelwelle (2) mittels des ersten Drehlagers (27) von der ersten Lagerschale (31) und mittels des zweiten Drehlagers (28) von der zweiten Lagerschale (32) jeweils außerhalb des Tretlagergehäuses (8) drehbar gelagert wird.
VIII) Vorrichtung nach dem vorhergehenden Absatz, wobei jede der Lagerschalen (31, 32) außerhalb des Tretlagergehäuses (8) einen radial vergrößerten Axialabschnitt aufweist, in dem das jeweils zugeordnete Drehlager (27, 28) angeordnet ist.
IX) Vorrichtung nach dem vorhergehenden Absatz und wenigstens einem der folgenden Merkmale: – die Lagerschalen (31, 32) sind einzeln kippfest mit dem Tretlagergehäuse (8) verbunden; – die Lagerschalen (31, 32) sind einzeln drehfest mit dem Tretlagergehäuse (8) verbunden; – die Lagerschalen (31, 32) sind einzeln axial unbeweglich mit dem Tretlagergehäuse (8) verbunden; – die Lagerschalen (31, 32) sind von der jeweiligen Stirnseite aus axial aufeinander zu in das Tretlagergehäuse (8) eingesetzt; – die Lagerschalen (31, 32) sind von den Stirnseiten her in das Tretlagergehäuse (8) eingeschraubt.
X) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Absätze, wobei ein Eingang (41) oder Ausgang (42) des Sensors (40) in dem Tretlagergehäuse (8) in oder an der Lagerschalenstruktur (30) angeordnet ist oder sind.
XI) Vorrichtung nach dem vorhergehenden Absatz, wobei die Lagerschalenstruktur (30) eine Lagerschale (31) und eine Trägerschale (33) aufweist, die Lagerschale (31) und die Trägerschale (33) radial zwischen der Tretkurbelwelle (2) und dem Tretlagergehäuse (8) angeordnet sind, die Lagerschale (31) kippfest mit dem Tretlagergehäuse (8) verbunden ist und an einer Stirnseite des Tretlagergehäuses (8) axial aus dem Tretlagergehäuse (8) ragt und dort die Tretkurbelwelle (2) mittels des ersten Drehlagers (27) lagert, die Trägerschale (33) in dem Tretlagergehäuse (8) angeordnet ist und von der Lagerschale (31) in wenigstens eine der zwei axialen Richtungen festgelegt wird und der Eingang (41) oder Ausgang (42) des Sensors (40) in oder an der Trägerschale (33) angeordnet ist oder sind.
XII) Vorrichtung nach dem vorhergehenden Absatz in Kombination mit Absatz VII, wobei die Trägerschale (33) axial zwischen den Lagerschalen (31, 32) angeordnet ist und von den Lagerschalen (31, 32) axial festgelegt wird.
XIII) Vorrichtung nach einem der zwei vorhergehenden Absätze, wobei die Trägerschale (33) einen größeren Innenquerschnitt als die Lagerschale(n) (31, 32) aufweist und der Eingang (41) oder Ausgang (42) des Sensors (40) im Bereich des größeren Innenquerschnitts angeordnet ist oder sind.
XIV) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Absätze, wobei die Übertragungsstruktur (30) mit dem Abtriebsende (37) aus dem Tretlagergehäuse (8) ragt und das erste Drehlager (27) außerhalb des Tretlagergehäuses (8) radial in Richtung auf eine Drehachse (R₂) der Tretkurbelwelle (2) stützt.
XV) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Absätze, wobei die Tretkurbelwelle (2) in einem ersten Axialabschnitt (2a), über den sich die Übertragungsstruktur (35) erstreckt, schlanker ist als in einem zweiten Axialabschnitt (2b), der axial unmittelbar neben oder zumindest nahe bei dem Antriebsende (36) der Übertragungsstruktur (35) angeordnet ist.
XVI) Vorrichtung nach einer Kombination der Absätze VI, XIV und XV, wobei das erste Drehlager (27) und das zweite Drehlager (28) jeweils den gleichen Innendurchmesser und jeweils den gleichen Außendurchmesser aufweisen und die Lagerschalenstruktur (30) in ihren Axialabschnitten, in denen das jeweilige Drehlager (27, 28) angeordnet ist, jeweils einen entsprechend gewählten Innendurchmesser und die Übertragungsstruktur (35) am Abtriebsende (37) und die Tretkurbelwelle (2) in dem zweiten Axialabschnitt (2b) jeweils einen entsprechenden Außendurchmesser aufweist.

Schließlich betrifft die Erfindung auch den bereits erwähnten Magnetpolsensor als solchen und im eingebauten Zustand. Bevorzugte Merkmale dieser weiteren Erfindung sind in den nachfolgenden Absätzen zusammengestellt. Dabei werden Bezugszeichen von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen verwendet. Die Bezugszeichen dienen nur der rascheren Orientierung. Die zum Magnetpolsensor offenbarten Merkmale können mit Vorteil in Kombination mit den zum Antrieb offenbarten Merkmalen oder den zur Anordnung im Tretlagergehäuse offenbarten Merkmalen zur Anwendung gelangen.

1) Magnetpolsensor zur Erfassung eines Drehmoments einer Welle, der Sensor (40) umfassend: a) eine Übertragungsstruktur (35) mit einem Antriebsende (36) zur Einleitung eines Drehmoments um eine Längsachse (R₂) der Übertragungsstruktur (35) und einem von dem Antriebsende (36) axial beabstandeten Abtriebsende (37) zur Weiterleitung des Drehmoments, b) ein aufwärtiges Polglied (43), das in eine Antriebsdrehrichtung drehmomentfest mit dem Antriebsende (36) verbunden ist und in Umfangsrichtung voneinander beabstandete aufwärtige Magnetfeldelemente (48) mit jeweils wenigstens einem Pol (45) und wenigstens einem bezüglich der Polarität entgegensetzten Gegenpol (46) aufweist, c) ein abwärtiges Polglied (44), das in die Antriebsdrehrichtung drehmomentfest mit dem Abtriebsende (37) verbunden ist und in Umfangsrichtung voneinander beabstandete abwärtige Magnetfeldelemente (48) mit jeweils wenigstens einem Pol (45) und wenigstens einem bezüglich der Polarität entgegensetzten Gegenpol (46) aufweist, d) wobei die Polglieder (43, 44) axial nebeneinander angeordnet und um die Längsachse (R₂) relativ zueinander drehbar sind. e) In bevorzugter Ausführung liegen sich bei jedem der Magnetfeldelemente (48) der Pol (45) und der Gegenpol (46) einander radial gegenüber, so dass ein magnetisches Feld bei jedem der Magnetfeldelemente (48) zumindest im Wesentlichen radial gerichtet ist.
2) Magnetpolsensor nach dem vorhergehenden Absatz, wobei die Magnetfeldelemente (48) jeweils zwischen dem wenigstens einen Pol (46) und dem wenigsten einen Gegenpol (46) einen Isolator (47) aufweisen.
3) Magnetpolsensor nach dem vorhergehenden Absatz, wobei die Magnetfeldelemente (48) von wenigstens einem der Polglieder (43, 44) eine den wenigstens einen Pol (45) bildende Polschicht (45a), eine den wenigstens einen Gegenpol (46) bildende Gegenpolschicht (46a) und radial zwischen der Polschicht und der Gegenpolschicht eine den Isolator (47) bildende Isolatorschicht (47a) aufweisen und diese Schichten aufeinander angeordnet sind.
4) Magnetpolsensor nach dem vorhergehenden Absatz, wobei bei den Magnetfeldelementen (48) des wenigstens einen der Polglieder (43, 44) in einem Längsschnitt der wenigstens eine Pol (45) einen axial langen Schenkel (45a) mit einem an einem axialen Ende radial abragenden Flansch (45b) aufweist, der Isolator (47) einen radial dünneren Axialabschnitt (47a) und einen radial dickeren Axialabschnitt (47b) aufweist, der wenigstens eine Gegenpol (46) auf dem radial dünneren Axialabschnitt (47a) und der radial dickere Axialabschnitt (47b) des Isolators (47) axial zwischen dem Flansch (45b) des wenigstens einen Pols (45) und dem wenigstens einen Gegenpol (46) angeordnet ist.
5) Magnetpolsensor nach einem der vorhergehenden Absätze, wobei die Magnetfeldelemente (48) von einander zugewandten Stirnseiten der Polglieder (43, 44) abragen und axial aufeinander zu ragen und dass bei jedem der Polglieder (43, 44) die Magnetfeldelemente (48) in Umfangsrichtung durch Lücken (49) voneinander magnetisch getrennt sind.
6) Magnetpolsensor nach dem vorhergehenden Absatz in Kombination mit Absatz 2), wobei die Magnetfeldelemente (48) von wenigstens einem der Polglieder (43, 44) aus aufeinander geschobenen Hülsenkörpern (45', 46', 47') geformt sind, wobei ein erster der Hülsenkörper (45', 46', 47') den wenigstens einen Pol (45) jedes Magnetfeldelements (48), ein zweiter der Hülsenkörper (45', 46', 47') den Isolator (47) und ein dritter der Hülsenkörper (45', 46', 47') den wenigstens einen Gegenpol (46) jedes Magnetfeldelements (48) bildet, und dass die Lücken (49) in den aufeinander angeordneten Hülsenkörpern (45', 46', 47') geformt sind.
7) Magnetpolsensor nach dem vorhergehenden Absatz, wobei von den Hülsenkörpern (45', 46', 47') nach dem Einarbeiten der Lücken (49) axial neben den Lücken (49) jeweils noch ein Hülsenabschnitt verbleibt, der eine Längsachse umgibt.
8) Magnetpolsensor nach einem der vorhergehenden Absätze, ferner umfassend eine Primärspule (41), die einer Umfangsfläche des aufwärtigen Polglieds (43) radial zugewandt ist, von dieser Umfangsfläche umgeben wird oder diese Umfangsfläche vorzugsweise umgibt, und eine Sekundärspule (42), die einer Umfangsfläche des abwärtigen Polglieds (44) radial zugewandt ist, von dieser Umfangsfläche umgeben wird oder diese Umfangsfläche vorzugsweise umgibt.
9) Magnetpolsensor nach einer Kombination der Absätze 4) und 8), wobei der Magnetfluss der Primärspule (41) in den Flansch (45b) des Pols (45) und an einem axialen Ende einer Umfangsfläche des Gegenpols (46) in die Magnetfeldelemente (48) eingekoppelt wird.
10) Magnetpolsensor nach einem der vorhergehenden Absätze, wobei wenigstens eines der Polglieder (43, 44) eine Trägerhülse (51, 52) aufweist und die Magnetfeldelemente (45, 46, 47) dieses Polglieds (43, 44) jeweils als Schichtelemente in einem axialen Abschnitt der Trägerhülse (51, 52) angeordnet sind.
11) Magnetpolsensor nach einem der vorhergehenden Absätze und wenigstens einem der nachfolgenden Merkmale: – der Pol (45) im Längsschnitt wie ein liegendes ”L” geformt ist; – der Gegenpol (46) im Längsschnitt wie ein liegendes ”I” geformt ist; – der Isolator (47) nach Absatz 2) einen radial dünneren Axialbschnitt (47a) und einen radial dickeren Axialabschnitt (47b) aufweist.
12) Magnetpolsensor nach dem vorhergehenden Absatz, wobei der Gegenpol (46) axial mit dem langen Schenkel (45a) des ”L” überlappt, vorzugsweise radial über dem langen Schenkel des liegenden ”L” des Pols (45) angeordnet ist.
13) Magnetpolsensor nach einem der zwei vorhergehenden Absätze, wobei der Gegenpol (46) axial mit dem langen Schenkel (45a) des ”L” überlappt, vorzugsweise radial über dem dünneren Axialabschnitt (47a) des Isolators (47) angeordnet ist, wobei vorzugsweise der Isolator (47) mit dem dickeren Axialabschnitt (47b) bei dem kurzen Schenkel des Pols (45) angeordnet ist.
14) Magnetpolsensor nach einem der vorhergehenden Absätze, wobei der Pol (45), der Gegenpol (46) und der Isolator (47) separat geformt, übereinander, vorzugsweise aufeinander angeordnet und aneinander und vorzugsweise an einer Trägerhülse (51, 52) befestigt, vorzugsweise reibschlüssig oder stoffschlüssig befestigt sind.
15) Magnetpolsensor nach einem der vorhergehenden Absätze, wobei wenigstens eines der Polglieder (43, 44) Bestandteil eines Drehzahlsensors ist, der ferner einen Hallsensor aufweist, der relativ zu dem wenigstens einen der Polglieder (43, 44) so angeordnet ist, dass durch eine magnetische Wechselwirkung des Hallsensors und des wenigstens einen der Polglieder (43, 44) eine Drehzahl des wenigstens einen der Polglieder (43, 44) ermittelbar ist.
16) Verfahren zur Herstellung eines Magnetpolsensors zur Erfassung eines Drehmoments einer Welle, vorzugsweise eines Magnetpolsensors nach einem der vorhergehenden Absätze, bei dem a) ein erster Hülsenkörper (45') aus magnetisierbarem Material und ein zweiter Hülsenkörper (47') aus elektrisch isolierendem Material mit jeweils einem ersten Hülsenabschnitt (45a, 46a) und einem zweiten Hülsenabschnitt (45b, 47b), der über eine Schulter (45c, 47c) auf den ersten Hülsenabschnitt (45a, 47a) abfällt, hergestellt werden, b) der zweite Hülsenkörper (47') auf den ersten Hülsenabschnitt (45a) des ersten Hülsenkörpers (45') geschoben und der erste und der zweite Hülsenkörper (45', 46') miteinander gefügt werden, c) ein dritter Hülsenkörper (46') aus magnetisierbarem Material auf den ersten Hülsenabschnitt (47a) des zweiten Hülsenkörpers (47') geschoben und der zweite und der dritte Hülsenkörper (47', 46') miteinander gefügt werden, d) und in den Verbund der miteinander gefügten Hülsenkörper (45', 46', 47) an einer Stirnseite Lücken (49) eingearbeitet werden, so dass in Umfangsrichtung um eine zentrale Längsachse (R₂) des Verbunds eine alternierende Anordnung von Lücken (49) und in Umfangsrichtung erstreckten Magnetfeldelementen (48) erhalten wird, wobei die Magnetfeldelemente (48) jeweils einen von dem ersten Hülsenkörper (45') gebildeten radial inneren Pol (45), einen von dem dritten Hülsenkörper (46') gebildeten, radial äußeren Gegenpol (46) und radial dazwischen einen von dem zweiten Hülsenkörper (47') gebildeten Isolator (47) aufweisen.

Auch die folgenden Merkmale sind vorteilhaft, sowohl in Kombination mit wenigstens einem der in den Ansprüchen oder der vorstehend offenbarten Merkmale:

(i) So kann eine Energiequelle zur Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie ist an einem Sattelrohr des Radfahrzeugs angeordnet sein und sich längs des Sattelrohrs erstrecken, vorzugsweise von nahezu einem oberen Ende des Sattelrohrs bis vorzugsweise wenigstens nahezu auf die Höhe einer Tretwelle der Tretkurbel, wobei die Energiequelle vorzugsweise von dem Sattelrohr weg beweglich angeordnet ist;
(ii) Es kann eine Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung des über die Tretkurbel erzeugten Drehmoments vorgesehen und mit einer Steuerung des Elektromotors verbunden sein, wobei die Steuerung das von der Ermittlungseinrichtung ermittelte Drehmoment mit einem fest oder einstellbar vorgegebenen Sollwert vergleicht und den Elektromotor nur einschaltet, wenn das ermittelte Drehmoment den Sollwert übersteigt;
(iii) Für den Elektromotor kann eine Steuerung vorgesehen sein, mittels der das Drehmoment des Elektromotors eingestellt werden kann;
(iv) Für den Elektromotor kann eine Steuerung vorgesehen sein, mittels der zwischen wenigstens zwei Betriebsmodi für den Elektromotor ausgewählt werden kann, nämlich einem ersten Modus, in dem der Elektromotor nur eingeschaltet ist, wenn das Drehmoment der Tretkurbel einen fest oder einstellbar vorgegebenen Sollwert größer Null übersteigt, und einem zweiten Modus, in dem der Elektromotor ständig dreht.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren erläutert. An den Ausführungsbeispielen offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:
1 ein Radfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antrieb,
2 einen den Antrieb enthaltenden Teil des Radfahrzeugs,
3 den Antrieb mit einem elektromotorischen Antriebsteil eines ersten Ausführungsbeispiels in einem in 2 eingetragenen Schnitt A-A,
4 den elektromotorischen Antriebsteil des ersten Ausführungsbeispiels,
5 den Antrieb mit einem elektromotorischen Antriebsteil eines zweiten Ausführungsbeispiels in dem Schnitt A-A der 2,
6 den elektromotorischen Antriebsteil des zweiten Ausführungsbeispiels,
7 ein Tretkurbellager mit integrierter Drehmomenterfassung,
8 einen Bereich des Tretkurbellagers mit einem Drehmomentsensor in vergrößerter Darstellung,
9 Polglieder des Drehmomentsensors der 8,
10 vorgeformte Hülsenkörper, die zu einem der Polglieder der 9 zusammengesetzt werden können,
11 eines der Polglieder der 9, und
12 einen modifizierten Tretkurbelantrieb.
1 zeigt ein Radfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antrieb. Das Radfahrzeug ist ein Fahrrad mit einem Gestell, von dem ein Unterteil mit 8a und ein Sattelrohr mit 8b bezeichnet sind. Der Antrieb umfasst ein Zugmittelgetriebe mit zwei Antriebsrädern 3 und 6, einem Umlenkrad 7, einem Abtriebsrad 5 und einem um diese Räder endlos umlaufenden Zugmittel 4. Das Zugmittelgetriebe ist wie für Zweiräder bzw. Fahrräder üblich als Kettentrieb gebildet, könnte alternativ aber beispielsweise auch als Zahnriementrieb oder grundsätzlich auch als kraftschlüssiger Riementrieb gebildet sein. Die Räder des Zugmittelgetriebes sind im Ausführungsbeispiel Kettenräder. Sie weisen alle eine an das Zugmittel 4 angepasste Verzahnung auf.
Der Antrieb umfasst ferner eine per Muskelkraft antreibbare Tretkurbel mit einer linken und einer rechten Pedale 1 und einer Tretkurbelwelle 2, mit der die Pedalen 1 drehsteif, vorzugsweise lösbar verbunden sind. Das vom Fahrer mittels der Tretkurbel 1, 2 erzeugte Drehmoment wird über das Antriebsrad 3, das im folgenden als Kurbelritzel 3 bezeichnet wird, in das Zugmittelgetriebe eingeleitet. Das Kurbelritzel 3 ist auf der Drehachse der Tretkurbelwelle 2 angeordnet und mit dieser drehsteif verbunden.
Der Antrieb umfasst auch einen elektromotorischen Antriebsteil mit einem Elektromotor 10, dessen Drehmoment mittels des weiteren Antriebsrads 6 – im folgenden Motorritzel 6 – in das Zugmittelgetriebe eingeleitet wird. Das Kurbelritzel 3 und das Motorritzel 6 sind jeweils direkt im Eingriff mit dem gleichen Zugmittel 4. Das Motorritzel 6 weist einen im Vergleich zum Kurbelritzel 3 deutlich geringeren Durchmesser auf, hat über den Umfang verteilt daher entsprechend weniger Zähne. Im Ausführungsbeispiel ist das Kurbelritzel 3, bei gleicher Zahnteilung, mit etwa sechsmal so viel Zähnen ausgeführt wie das Motorritzel 6. Das Zähnezahlverhältnis sollte wenigstens 3:1 (Kurbelritzel:Motorritzel), vorzugsweise wenigstens 4:1, und kann durchaus bis 8:1 betragen. Das Abtriebsrad 5 – im folgenden Abtriebsritzel 5 – ist auf der Drehachse des Hinterrads angeordnet und mit diesem drehsteif verbunden. Das Motorritzel 6 ist mit dem Untertrum des Zugmittels 4 im Eingriff. Es ist zwischen dem Kurbelritzel 3 und dem Umlenkrad 7 ein Stück weit eingerückt angeordnet, damit das Zugmittel 4 das im Vergleich zum Kurbelritzel 3 kleine Motorritzel 6 mit großem Winkel umschlingt. Im Falle der Drehmomenteinleitung über das Motorritzel 6 erstreckt sich das Lasttrum des Zugmittels 4 bis zu diesem und das Leertrum reicht nur von dem Motorritzel 6 bis zum Abtriebsritzel 5.
Zu dem elektromotorischen Antriebsteil gehört schließlich auch noch eine Quelle 8c für elektrische Energie, im Ausführungsbeispiel ein elektrischer Akkumulator, d. h. eine wiederaufladbare Batterie. Obgleich weniger bevorzugt, könnte statt eines Akkumulators auch eine einfache, nicht wieder aufladbare Batterie als Energiequelle 8c verwendet werden. In einer anderen bevorzugten Alternative kann eine Brennstoffzelle als Energiequelle 8c zum Einsatz gelangen. Die Energiequelle 8c ist ergonomisch und aerodynamisch günstig am Sattelrohr 8b angeordnet, im Ausführungsbeispiel längs der Rückseite des Sattelrohrs 8b. Sie versperrt somit keinen Platz im Innenbereich des rahmenförmigen Gestells zwischen dem Unterteil 8a und dem Sattelrohr 8b und fährt aerodynamisch günstig im Windschatten des Sattelrohrs 8b mit. Im Hinblick auf den Fahrkomfort ist ferner von Vorteil, wenn die Energiequelle 8c, wie im Ausführungsbeispiel zwischen einer rechten und linken Hinterradschwinge angeordnet ist. Die Energiequelle 8c oder ein Kompartment, in dem die Energiequelle aufgenommen ist, erstreckt sich über eine größtmögliche Länge von nahezu dem oberen Ende des Sattelrohrs 8b bis über die Höhe der Tretkurbelwelle 2 hinaus nach unten. Hierdurch wird eine vorteilhaft langgestreckte schlanke Form erhalten mit geringstmöglicher Breite, gemessen parallel zu beispielsweise der Tretkurbelwelle 2 und geringer Tiefe, gemessen in Längsrichtung des Radfahrzeugs. Die Energiequelle 8c oder ein die Energiequelle 8c aufnehmendes Kompartment ist mit dem Gestell beweglich verbunden, beispielsweise noch im unteren Bereich des Sattelrohrs 8b oder sogar noch tiefer, um den Zugang zur Energiequelle 8c für Wartungsarbeiten zu erleichtern. Vorzugsweise ist die bewegliche Verbindung derart, dass die Energiequelle 8c oder das sie aufnehmende Kompartment vom Sattelrohr 8b auch dann wegbewegt werden kann, vorzugsweise weggeklappt werden kann, wenn der Sattel seine tiefste Position einnimmt. So kann die Energiequelle 8c oder ein sie aufnehmendes Kompartment insbesondere mit Zwangsführung abklappbar sein, beispielsweise zunächst ein Stück weit von dem Sattelrohr 8b wegziehbar und in einer ausgezogenen Position dann abklappbar sein.
2 zeigt den für die Erfindung wesentlichen Bereich, in dem der Antrieb das Drehmoment in das Zugmittelgetriebe einleitet. Ein Motorgehäuse des elektromotorischen Antriebsteils ist mit 9 bezeichnet. In 2 ist der Verlauf eines Schnitts A-A eingetragen.
3 zeigt den Schnitt A-A der 2. Der Schnitt enthält die Drehachse R₂ der Tretkurbelwelle 2 und die Drehachse R₁₀ des Elektromotors 10, d. h. die Motorachse. Der Elektromotor 10 ist in dem Motorgehäuse 9 aufgenommen, das fest mit einem Tretlagergehäuse 8 verbunden ist. Das Tretlagergehäuse 8 steht stellvertretend für das Gestell des Radfahrzeugs. Im Bereich des Tretlagergehäuses 8 laufen das Unterteil 8a des Rahmens und das Sattelrohr 8b zusammen. Das Tretkurbelgehäuse 8 stützt die Tretkurbelwelle 2 im Tretkurbellager radial und axial ab.
Der Elektromotor 10 ist als Außenläufermotor ausgeführt. Er umfasst eine in Bezug auf das Motorgehäuse 9 ortsfest und nicht beweglich angeordnete Feldwicklung als Stator 11 und einen Rotor 12 mit einem Rotorring, der den Stator 11 umgibt. Der Rotorring ist drehsteif mit einer Rotorwelle 20 verbunden, die durch den Stator 11 geführt ist. Die Motorachse R₁₀ ist die Drehachse des Rotors 12. Der Elektromotor 10 umfasst ferner eine Motorwelle 16, die um die Motorachse R₁₀ drehbar ist. Die Wellen 16 und 20 sind auf der Motorachse R₁₀ konzentrisch angeordnet, wobei die Motorwelle 16 die innenliegende und die Rotorwelle 20 die außenliegende Welle der geschachtelten Anordnung bildet. Die Motorwelle 16 ragt mit einem Abtriebsende aus der Rotorwelle 20 heraus. Das Motorritzel 6 ist an dem Abtriebsende verdrehgesichert mit der Motorwelle 16 verbunden, nämlich in Bezug auf beide Richtungen einer relativen Drehbewegung um die Motorachse R₁₀.
4 zeigt den Elektromotor 10 alleine, losgelöst von dem Antriebsteil mit der Tretkurbel 1, 2. Das Motorgehäuse 9 ist nur angedeutet. Der Rotor 12 umfasst wie bereits erwähnt einen Rotorring, der aus einem Rückschlussring 14 und einem Polring 13 besteht. Der Polring 13 wird von einer Mehrzahl von Dauermagneten gebildet, die über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Der Polring 13 umgibt unmittelbar den Stator 11, d. h. die Feldwicklung, unter Freilassung eines möglichst schmalen Ringspalts. Der Rückschlussring 14 ist an einem axialen Ende über einen Verbindungskörper 15 mit der Rotorwelle 20 drehfest in Bezug auf beide Richtungen einer relativen Drehbewegung um die Motorachse R₂₀ verbunden. Der Rotor 12 weist im Ganzen gesehen die Form eines Ringtopfs auf mit dem Rotor 13, 14 als äußerer Topfwand, der Verbindungsstruktur 15 als Topfboden und der hohlen Rotorwelle 20 als innerer Topfwand. Dieser Ringtopf ist sozusagen über den Stator 11 gestülpt, wobei die Rotorwelle 20 den Stator durchragt.
Der Rotor 20 ist in einem linken Drehlager 17 und einem rechten Drehlager 18 drehbar abgestützt, wobei das linke Drehlager 17 im Stator 11, in dem dort zwischen dem Stator 11 und der Rotorwelle 20 verbleibenden Ringspalt angeordnet ist. Das rechte Drehlager 18 ist außerhalb des Stators 11 axial auf der Seite des Motorritzels 6 und nahe bei diesem angeordnet. Die Feldwicklung des Stators 11 ist auf einem hülsenförmigen Statorträger 11a angeordnet, der an der Seite des Motorritzels 6 radial verbreitert ist und im verbreiterten Bereich das rechte Drehlager 18 aufnimmt. Der Statorträger 11a ist mit dem Motorgehäuse 9 unbeweglich verbunden, beispielhaft mittels stift- oder bolzenförmiger Befestigungsmittel 1lb. Das linke Drehlager 17 ist nahe bei dem anderen axialen Ende des Stators 11 radial an dem Statorträger 11a abgestützt.
Die Motorwelle 16 erstreckt sich vom Motorritzel 6 aus gesehen in die Rotorwelle 20 und dementsprechend auch in den Hohlraum 11c des Stators 11. Sie durchragt den Stator 11, im Ausführungsbeispiel auch die Rotorwelle 20. Sie ist über ein linkes Drehlager 21 und ein rechtes Drehlager 22, die axial voneinander beabstandet sind, drehbar an der Rotorwelle 20 abgestützt. Die Drehlager 21 und 22 sind wie auch die Drehlager 17 und 18 nahe bei den axialen Enden des Stators 11 angeordnet, das linke Drehlager 21 mit einem kurzen Axialabschnitt noch in den Stator 11 hineinragend und das rechte Drehlager 22 gerade außerhalb des Stators 11. Auf diese Weise entsteht einerseits eine axial kompakte Bauweise, andererseits verbleibt jedoch zwischen den Drehlagern 21 und 22 ein vergleichsweise langer axialer Ringspalt zwischen den Wellen 16 und 20.
In dem Ringspalt radial zwischen der Motorwelle 16 und der Rotorwelle 20 und axial zwischen dem linken Drehlager 21 und dem rechten Drehlager 22 ist ein Freilauf 23 gebildet. Der Freilauf 23 verbindet die Wellen 16 und 20 verdrehgesichert in Antriebsrichtung des Elektromotors 10, wenn nämlich der Elektromotor 10 ein Drehmoment in das Zugmittelgetriebe einleiten soll, entkoppelt die Motorwelle 16 jedoch in Bezug auf die Gegendrehrichtung, um das Radfahrzeug mit Muskelkraft antreiben zu können. Der Freilauf 23 ist als Hülsenfreilauf gebildet. Er ist aus mehreren Freilaufeinheiten 23i zusammengesetzt. Die Freilaufeinheiten 23i sind jeweils als separat montierbare Freilaufhülsen ausgeführt. Das vom Freilauf 23 in die Antriebsrichtung übertragbare Drehmoment entspricht der Summe der von den einzelnen Freilaufeinheiten 23i übertragbaren Einzelmomente. Im Ausführungsbeispiel sind fünf Freilaufeinheiten 23i axial nebeneinander im Ringspalt angeordnet. In Abhängigkeit vom zu übertragenden Drehmoment können weniger Hülseneinheiten 23i vorgesehen sein, beispielsweise nur drei oder vier. Die Aufspaltung in mehrere Einheiten ermöglicht eine flexible Anpassung an den Drehmomentbedarf.
Die Drehlager 21 und 22 zwischen den Wellen 16 und 17 sind Nadellager und können daher vorteilhafterweise als in radialer Richtung schlanke ringförmige Lager gebildet sein. Das innerhalb des Stators 11 angeordnete Drehlager 17, das die gesamte Wellenanordnung der beiden Wellen 16 und 20 drehbar lagert, kann vorteilhafterweise ebenfalls als Nadellager ausgeführt sein. Außerhalb des Stators 11 steht mehr Raum zur Verfügung, das rechte Drehlager 18 der Wellenanordnung 16, 20 kann daher wie im Ausführungsbeispiel als Kugellager ausgeführt sein. Die Anordnung der Drehlager ist ferner so, dass auf der Abtriebsseite beim Motorritzel 6 die Lager 18 und 22 axial auf im Wesentlichen der gleichen Höhe angeordnet sind. Das Drehlager 21 ist auf der anderen axialen Seite im Wesentlichen auf der Höhe der Verbindungsstruktur 15 angeordnet.
5 zeigt den Antrieb des Radfahrzeugs, allerdings mit einem elektromotorischen Antriebsteil nach einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Antriebsteil mit der Tretkurbel 1, 2 ist unverändert. Auch hinsichtlich der räumlichen Anordnung des elektromotorischen Antriebsteils hat sich nichts geändert. Ein Unterschied besteht bei den beiden elektromotorischen Antriebsteilen auch nur hinsichtlich des Freilaufs, der im zweiten Ausführungsbeispiel zwischen der Motorwelle 16 und dem Motorritzel 6 wirkt. Die Komponenten des zweiten Ausführungsbeispiels sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel versehen, soweit sie die gleiche Funktion erfüllen. Soweit nachfolgend Unterschiede nicht erläutert werden, kann der elektromotorische Antriebsteil als mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch angesehen werden.
6 zeigt den elektromotorischen Antriebsteil des zweiten Ausführungsbeispiels im gleichen Schnitt wie 5, allerdings alleine und in vergrößerter Darstellung sowie lediglich mit nur einer Andeutung des Motorgehäuses 9. Im zweiten Ausführungsbeispiel wird die Motorwelle 16 von der Rotorwelle gebildet, d. h. die Motorwelle 16 ist gleichzeitig auch die Rotorwelle, indem sie in Bezug auf beide Richtungen einer relativen Drehbewegung um die Motorachse R₁₀ drehfest mit dem Rotorring 13, 14 verbunden ist. Die Motorwelle 16 ist allerdings wie im ersten Ausführungsbeispiel durch den Stator 11 geführt, d. h. das Drehmoment des Rotorrings 13, 14 wird wie im ersten Ausführungsbeispiel an einer axialen Seite des Stators 11 in die Motorwelle 16 eingeleitet und von der Motorwelle 16 durch den Hohlraum 11c des Stators 11 hindurch zum Abtriebsende der Motorwelle 16 auf die andere Seite des Stators 11 übertragen. Da die Motorwelle 16 fester Bestandteil des Rotors 11 ist, ist ein Freilauf 19, der das Motorritzel 6 nur bezüglich der Antriebsdrehrichtung mit der Motorwelle 16 koppelt, aber in die Gegendrehrichtung von dieser entkoppelt, zwischen dem Motorritzel 6 und der Motorwelle 16 angeordnet. Es handelt sich um einen Freilauf 19, der wieder als Hülsenfreilauf gebildet ist. Der Freilauf 19 umgibt das Abtriebsende der Motorwelle 16. Das Motorritzel 6 ist am äußeren Umfang des Freilaufs 19 angeordnet.
Vorzugsweise sind das Motorritzel 6 und der Freilauf 19 bezüglich beider Richtungen einer relativen Drehbewegung unbeweglich miteinander verbunden, die Relativdrehbewegung zum Abkoppeln des Elektromotors 10 kann nur zwischen dem Freilauf 19 und der Motorwelle 16 stattfinden.
Im Vergleich zum zweiten Ausführungsbeispiel kann das Motorritzel 6 im ersten Ausführungsbeispiel axial näher bei der zugewandten Seite des Stators 11 angeordnet werden. Dies liegt darin begründet, dass der Freilauf, nämlich der Freilauf 23 im ersten und der Freilauf 19 im zweiten Ausführunsbeispiel, zur Übertragung eines bestimmten Drehmoments eine axiale Mindestlänge benötigt, die im ersten Ausführungsbeispiel innerhalb des Stators 11 zur Verfügung gestellt werden kann. Desweiteren kann die radiale Dicke des Freilaufs 19 des zweiten Ausführungsbeispiels im ersten Ausführungsbeispiel, das an dieser Stelle keinen Freilauf aufweist, dazu genutzt werden, den Durchmesser der Bohrung des Motorritzels 6 zu verringern. Dieser Vorteil wird umso gravierender, je kleiner der effektive Durchmesser des Motorritzels 6 ist, d. h. je kleiner der Durchmesser ist, mit dem das Zugmittel 4 das Motorritzel 6 umschlingt. Ein kleiner effektiver Durchmesser des Motorritzels 6 ist erwünscht, um den Elektromotor 10 mit möglichst hoher Drehzahl betreiben zu können.
In 7 ist das in beiden Ausführungsbeispielen für den elektromotorischen Antriebsteil gleiche Tretkurbellager der 3 und 5 vergrößert dargestellt. Die Tretkurbelwelle 2 erstreckt sich durch das rohrförmige Tretlagergehäuse 8 und ist in einem ersten Drehlager 27 und einem zweiten Drehlager 28 drehbar gelagert und mittels der Drehlager 27 und 28 radial und axial am Tretlagergehäuse 8 abgestützt. Das Tretlagergehäuse 8 ist wie bei Radfahrzeugen, insbesondere Fahrrädern, üblich ausgeführt. Es kann sich wie bevorzugt und im Ausführungsbeispiel verwirklicht um ein dem Standard entsprechendes Tretlagerrohr handeln mit einem über den größeren Teil seiner Länge außen und innen glatten, innen und außen vorzugsweise kreiszylindrischen Rohrmantel. Am Außenumfang des Tretlagergehäuses 8 setzt der das Unterteil 8a und das Sattelrohr 8b umfassende Rahmen des Radfahrzeugs an, der dort insbesondere angeschweißt oder anderweitig fest, vorzugsweise stoffschlüssig mit dem Tretlagergehäuse 8 verbunden sein kann. An den beiden axialen Enden ist vom jeweiligen Stirnende her an der Mantelinnenfläche je ein Innengewinde geformt. Auch insoweit kann das Tretlagergehäuse 8 vorteilhafterweise dem Standard entsprechen.
Im Unterschied zu herkömmlichen Tretkurbellagern sind die Drehlager 27 und 28 jedoch nicht in dem Tretlagergehäuse 8 angeordnet, sondern axial daneben, außerhalb des aus dem Rahmen des Radfahrzeugs zerstörungsfrei nicht lösbaren Tretlagergehäuses 8. Statt der üblichen Lagereinsätze ist im Tretlagergehäuse 8 eine Lagerschalenstruktur 30 angeordnet, die sich aus mehreren Schalenteilen zusammensetzt. Sie umfasst eine erste Lagerschale 31 und eine zweite Lagerschale 32. Die Lagerschalen 31 und 32 sind an jeweils einer der Stirnseiten in das Tretlagergehäuse 8 eingeschraubt und unmittelbar mit dem jeweiligen Innengewinde des Tretlagergehäuses 8 verschraubt, die Lagerschale 31 von rechts und die Lagerschale 32 von links. Die Lagerschalen 31 und 32 sind Hülsenkörper. Sie umgeben die Tretlagerwelle 2 und weisen jeweils einen ersten Axialabschnitt auf, der zwischen der Tretlagerwelle 2 und dem Tretlagergehäuse 8 angeordnet und mit diesem am Stirnende verschraubt ist. An den ersten Axialabschnitt schließt sich jeweils ein am Stirnende aus dem Tretlagergehäuse 8 ragender radial erweiterter zweiter Axialabschnitt an, der einen größeren Außen- und einen größeren Innequerschnitt als der erste Axialabschnitt hat. Die beiden Abschnitte sind über einen Ringflansch miteinander verbunden. Im erweiterten Axialabschnitt der Lagerschale 31 ist das Drehlager 27 und im erweiterten Axialabschnitt der Lagerschale 32 ist das Drehlager 28 angeordnet. Die Lagerschalen 31 und 32 stützen die Drehlager 27 und 28 radial nach außen, d. h. in die von der Drehachse R₂ weg weisende Richtung, und axial an ihrem jeweiligen Ringflansch in Richtung auf das Tretlagergehäuse 8 ab. Die Anordnung der Drehlager 27 und 28 außerhalb des Tretlagergehäuses 8 schafft Raum im Inneren, im Spalt zwischen der Tretkurbelwelle 2 und dem Tretlagergehäuse 8, der für eine Erfassung des von der Tretkurbelwelle 2 übertragenen Drehmoments genutzt wird.
Eine Übertragungsstruktur 35 erstreckt sich über den größten Teil ihrer axialen Länge in dem Tretlagergehäuse 8. Sie ist an einem Antriebsende 36 drehmomentfest mit der Tretkurbelwelle 2 und an einem axial von dem Antriebsende 36 beabstandeten freien Abtriebsende 37 über einen Freilauf 38 in Antriebsdrehrichtung drehmomentfest mit dem Kurbelritzel 3 verbunden. Die Übertragungsstruktur 35 ist vom Antriebsende 36, ausschließlich des Antriebsendes, bis zum Abtriebsende 37, einschließlich des Abtriebsendes, relativ zu der Tretkurbelwelle 2 im Rahmen ihrer Torsionssteifigkeit verdrehbar. Das Antriebsende 36 ist im Pfad des Drehmoments so angeordnet, dass das Drehmoment beider Pedalen 1, nämlich das auf der Tretkurbelwelle 2 vereinigte Drehmoment, durch die Übertragungsstruktur 35 auf das Kurbelritzel 3 übertragen wird. Das Antriebsende 36 ist im Tretlagergehäuse 8 und dort vorteilhafterweise wie im Ausführungsbeispiel nahe bei dem Stirnende angeordnet, das von dem Kurbelritzel 3 entfernt ist. Am Abtriebsende 37 ragt die Übertragungsstruktur 35 für die Verbindung mit dem Kurbelritzel 3 aus dem Tretlagergehäuse 8 heraus.
Die Übertragungsstruktur 35 wird bei der Übertragung des Drehmoments zwischen dem Antriebsende 36 und dem Abtriebsende 37 elastisch auf Torsion beansprucht. Sie weist zwischen dem Antriebsende 36 und dem Abtriebsende 37 einen axialen Torsionsabschnitt 35a auf, an den sich an der vom Antriebsende 36 abgewandten Seite ein axialer Lagerabschnitt 35b anschließt, der bereits zum Abtriebsende 37 gerechnet wird. Der Torsionsabschnitt 35a bildet eine Torsionsmessstrecke für die Ermittlung des Drehmoments. Der Lagerabschnitt 35b ist steifer als der Torsionsabschnitt 35a und mit einem größeren Außenumfang ausgeführt. Die Torsion ist überwiegend auf den Torsionsabschnitt 35a konzentriert. Demgegenüber kann eine Torsion des Lagerabschnitts 35b vernachlässigt werden. Im Bereich des Lagerabschnitts 35b ist das Drehlager 27 radial an der Übertragungsstruktur 35 abgestützt. Dargstellt ist beispielhaft eine bevorzugte Anordnung unmittelbar zwischen radial außen der Lagerschalenstruktur 30 und radial innen der Übertragungsstruktur 35. Im Bereich des Lagerabschnitts 35b verbleibt zur Tretkurbelwelle 2 ein schmaler Ringspalt für eine Gleitlagerbuchse 39, durch die die Übertragungsstruktur 35 radial unter dem Drehlager 27 und auch noch unter dem Kurbelritzel 3 gleitbeweglich drehbar auf der Tretkurbelwelle 2 unterstützt wird.
Die Übertragungsstruktur 35 ist ein Hülsenkörper, d. h. sie wirkt bei der Übertragung und Erfassung des Drehmoments als Torsionshülse. Der Axialabschnitt mit dem Antriebsende 36 und dem Torsionsabschnitt 35a hat einen Innenquerschnitt mit enger radialer Passung zum Außenquerschnitt der Tretkurbelwelle 2. Im Lagerabschnitt 35b ist der Innenquerschnitt zur Bildung des Spalts für die Gleitlagerbuchse 39 erweitert.
Die Tretlagerwelle 2 weist einen schlankeren Axialabschnitt 2a und daran angrenzend einen dickeren Axialabschnitt 2b auf. Der Aaxialabschnitt 2a ertreckt sich durch das Tretlagergehäuse 8. Die Übertragungsstruktur 35 ist in dem schlankeren Axialabschnitt 2a angeordnet, in der beispielhaft dargestellten und bevorzugten Hülsenform umgibt sie ihn. Der dickere Axialabschnitt 2b erstreckt sich außerhalb des Tretlagergehäuses 8, beispielhaft bis zu dem Stirnende des Tretlagergehäuses 8. Das zweite Drehlager 28 ist axial im Bereich des Axialabschnitts 2b angeordnet und an diesem abgestützt. Die Anordnung ist vorzugsweise wie dargestellt so gewählt, dass das Drehlager 28 radial außen unmittelbar an der Lagerschale 32 abgestützt ist. Die Anordnung entspricht in Bezug auf die Lagerschale 32 derjenigen des ersten Drehlagers 27. Radial innen ist das Drehlager 28 an der Tretkurbelwelle 2 abgestützt, vorzugsweise wie dargestellt unmittelbar an dieser.
Die Lagerschalen 31 und 32 weisen für die Abstützung der Drehlager 27 und 28 im jeweils verdickten axialen Endabschnitt den gleichen Innenquerschnitt auf. Die Lagerschalen 31 und 32 sind vorzugsweise auch im Übrigen identisch. Der Außenquerschnitt des dickeren Axialabschnitts 2b der Tretkurbelwelle 2 entspricht dem Außenquerschnitt des Laberabschnitts 35b der Übertragungsstruktur 35. Die Drehlager 27 und 28 können daher identisch sein. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um Standard-Käfiglager, dargestellt sind Kugellager.
Die Tretkurbelwelle 2 entspricht mit Ausnahme des verdickten Abschnitts 2b vorteilhafterweise einer herkömmlichen Tretkurbelwelle. Insbesondere kann der im Tretkurbelgehäuse 8 ertreckte Abschnitt 2a einen üblichen Durchmesser aufweisen. Das Gleiche gilt für den Innendurchmesser des Tretkurbelgehäuses 8. Bevorzugt ist der Abschnitt 2a kreizylindrisch mit einem Durchmesser aus dem Bereich von 30 bis 40 mm, noch bevorzugter 33 bis 36 mm. Der Innendurchmesser des bevorzugt ebenfalls kreiszylindrischen Tretlagergehäuses 8 beträgt vorzugsweise zwischen 40 und 70 mm, noch bevorzugter zwischen 45 und 55 mm.
Die Lagerschalenstruktur 30 erfüllt nicht nur eine Lagerungsfunktion für die Tretkurbelwelle 2, sondern dient auch der Anordnung des Sensors 40, obgleich nur für einen Teil des Sensors 40.
Der Sensor 40 ist ein Magnetpolsensor. Er weist eine Primärspule 41 als Eingangsglied, eine Sekundärspule 42 als Ausgangsglied und Polglieder 43 und 44 als Messstrecke auf. Die Spulen 41 und 42 sind relativ zu dem Tretlagergehäuse 8 nicht beweglich. Sie sind an der Lagerschalenstruktur 30 angeordnet, die zu diesem Zweck auch noch eine Trägerschale 33 umfasst, die im Tretlagergehäuse 8 axial zwischen den Lagerschalen 31 und 32 angeordnet ist und die beiden Spulen 41 und 42 trägt. Die Spulen 41 und 42 könnten hinsichtlich ihrer axialen Anordnung vertauscht werden. Die Trägerschale 33 ist mittels der Lagerschalen 31 und 32 im Tretlagergehäuse 8 axial positioniert. Vorteilhaft für die Anordnung der Spulen 41 und 42 ist wegen der auch radial beengten Platzverhältnisse, dass die Trägerschale 33 einen größeren Innenquerschnitt als die Lagerschalen 31 und 32 hat, was nicht zuletzt dadurch ermöglicht wird, dass die Trägerschale 33 keine Funktion für die Lagerung der Tretkurbelwelle 2 erfüllen muss.
Die Lagerschalen 31 und 32 sind während der Montage relativ zur Trägerschale 33 um die Drehachse R₂ drehbar. Die Trägerschale 33 kann daher im Gehäuse 8 ruhen, während die Lagerschalen 31 und 32 eingeschraubt werden. Der Zusammenbau des Tretlagers mit integrierter Drehmomenterfassung wird erleichtert. Ein Dichtring 34 zwischen der Trägerschale 33 und der Lagerschale 31 und ein weiterer solcher Dichtring 34 zwischen der Trägerschale 33 und der Lagerschale 32 verhindern in Verbindung mit nicht dargestellten Dichtungen bei den Drehlagern 27 und 28, dass Feuchtigkeit eindringen kann.
Die Polglieder 43 und 44 sind verdrehfest, aber voneinander separat mit der Übertragungsstruktur 35 verbunden. Das Polglied 43 ist mit dem Antriebsende 36 und das Polglied 44 ist mit einem dem Abtriebsende 37 nahen Ende des Torsionsabschnitts 35a nicht verdrehbar verbunden. Die Polglieder 43 und 44 sind über den Torsionsabschnitt 35a miteinander verbunden, von dieser Verbindung abgesehen aber relativ zueinander um die Drehachse R₂ frei drehbar. Bei Übertragung eines Drehmoments wird der Torsionsabschnitt 35a axial zwischen den Orten der Befestigung der Polglieder 43 und 44 tordiert, wodurch sich die Drehwinkelposition, die die Polglieder 43 und 44 relativ zueinander aufweisen der Torsion und somit der Größe des Drehmoments entsprechend verändert. Fließt durch die Primärspule 41 ein elektrischer Strom, wird die Sekundärspule 42 erregt und erzeugt ein Ausgangssignal, das sich in Abhängigkeit von der relativen Drehwinkelposition der Polglieder 43 und 44 ändert. Aus dem Ausgangssignal wird das Drehmoment abgeleitet.
8 zeigt den Sensor 40 im gleichen Längsschnitt wie 7, nur in vergrößerter Darstellung. Die Spulen 41 und 42 weisen je ein im Längsschnitt U-förmiges Joch 41a und 42a aus magnetisierbarem Material auf, beispiesweise Magneteisen. Im jeweiligen Joch 41a und 42a sind die Wicklungen 41b und 42b der Spulen 41 und 42 aufgenommen. Die Wicklungen 41a und 42a, das Joch 41b und das Joch 42b erstrecken sich um die Drehachse R₂ umlaufend, die Joche 41b und 42b mit gleichbleibendem Profilquerschnitt.
Die Polglieder 43 und 44 weisen Magnetfeldelemente 48 auf jeweils mit Polen 45 und Gegenpolen 46 entgegengesetzter Polarität. Die Pole 45 und Gegenpole 46 erstrecken sich um die Drehachse R₂ mit zumindest im Wesentlichen gleichbleibendem Profilquerschnitt. Die Paare jeweils aus einem Pol 45 und einem Gegenpol 46 jedes der Magnetfeldelemente 48 überlappen einander axial und in Umfangsrichtung, liegen sich also radial gegenüber, so dass die magnetischen Feldlinien jedes der Magnetfeldelemente 48 radial verlaufen. Zwischen den Paaren aus Pol 45 und Gegenpol 46 jedes der Magnetfeldelemente 48 ist ein Isolator 47 angeordnet. Die Magnetfeldelemente 48 des Polglieds 43 sind der Spule 41 und die Magnetfeldelemente 48 des Polglieds 44 sind der Spule 42 radial gegenüberliegend angeordnet und von der jeweils auf gleicher axialen Höhe angeordneten und dadurch zugeordneten Spule 41 bzw. 42 nur durch einen um die Drehachse R₂ umlaufenden, radial schmalen Luftspalt getrennt. Die Schenkel des Jochs 41a enden an einer inneren Umfangsfläche der Spule 41. Die Pole 45 des Polglieds 43 enden an der äußeren Umfangsfläche des Polglieds 43 radial exakt gegenüber dem Ende des einen Schenkels des Jochs 41a, und die Gegenpole 46 enden an der äußeren Umfangsfläche radial exakt gegenüber dem Ende des anderen Schenkels des Jochs 41a. Bei der Sekundärspule 42 und dem zugeordneten Polglied 44 ist die Geometrie die gleiche.
Die Polglieder 43 und 44 sind einander mit ihren Magnetfeldelementen 48 axial zugewandt. Zwischen den Polgliedern 43 und 44 verbleibt um die Drehachse R₂ umlaufend ein axial schmaler Luftspalt. Die Pole 45 und Gegenpole 46 enden bei jedem der Polglieder 43 und 44 an der dem jeweils anderen Polglied axial zugewandten Stirnseite. Die Pole 45 des Polglieds 43 sind radial auf gleicher Höhe wie die Pole 45 des Polglieds 44 angeordnet. Ebenso sind die Gegenpole 46 des Polglieds 43 radial auf gleicher Höhe wie die Gegenpole 46 des Polglieds 44 angeordnet.
9 zeigt die Polglieder 43 und 44 in einer perspektivischen Sicht, in der die umgebenden Spulen 41 und 42 nicht dargestellt sind. Die Magnetfeldelemente 48, die jeweils ein Paar von radial einander zugewandten Polen 45 und 46 und radial dazwischen einen Isolator 47 aufweisen, sind am jeweiligen Polglied 41 und 42 in der Art eines Zahnkranzes angeordnet, indem sie von einer Trägerhülse 51 des Polglieds 43 und einer Trägerhülse 52 des Polglieds 44 axial frei vorragen. Zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Magnetfeldelementen 48 verbleibt jeweils eine Lücke 49. Die Lücken 49 sind frei, könnten grundsätzlich aber von Isolatormaterial gebildet werden. Bleiben die Lücken 49 frei, erleichtert dies jedoch die Fertigung der Polglieder 43 und 44. Die Polglieder 43 und 44 sind relativ zueinander so angeordnet, dass jedem Magnetfeldelement 48 des einen der Polglieder 43 und 44 eine der Lücken des anderen axial gegenüberliegt, wenn die Übertragungsstruktur 35 nicht auf Torsion beansprucht wird, also kein Drehmoment überträgt. Die Magnetfeldelemente 48 sind in Umfangsrichtung jeweils so breit wie die im drehmomentfreien Zustand gegenüberliegende Lücke 49. Sie sind ferner alle gleich breit, was für die Funktion jedoch nicht entscheidend ist. Der Versatz ist ferner so gewählt, das die Magnetfeldelemente 48 der Polglieder 43 und 44 sich im torsionsfreien Zustand in Umfangsrichtung nicht überlappen, um in diesem Zustand einen minimalen, aber doch messbaren magnetischen Fluss zwischen den Polgliedern 43 und 44 zu erhalten.
Fließt in der Primärspule 41 ein Erregerstrom, wird in deren Joch 41a ein Magnetfeld induziert. Die Schenkel des Jochs 41a werden zu Magnetpolen, der eine Schenkel zu einem magnetischen Pluspol, der andere zum Minuspol. Aufgrund eines magnetischen Flusses über den radialen Spalt zwischen der Spule 41 und den Magnetfeldelementen 48 wird an der axialen Stirnfläche des zugeordneten Polglieds 43 ein radial gerichtetes magnetisches Feld erzeugt. Dieses Magnetfeld ruft in den axial gegenüberliegenden Magnetfeldelementen 48 des anderen Polglieds 44 ein ebenfalls radial gerichtetes Magnetfeld hervor, dessen Größe sich in Abhängigkeit von der in Umfangsrichtung gemessenen Gesamtlänge der Überlappung der Magnetfeldelemente 45, 46, 47 der beiden Polglieder 43 und 44, also in Abhängigkeit von der relativen Drehwinkelposition der Polglieder 43 und 44 ändert.
Die Magnetfeldelemente 48 sind Schichtelemente. Die Pole 45 und Gegenpole 46 und der radial dazwischen angeordnete Isolator 47 sind aufeinander angeordnet. Im Schnitt entsteht ein Schichtaufbau mit einer unteren Polschicht 45 einer mittleren Isolatorschicht 47 und einer äußeren Gegenpolschicht 46. Die jeweilige Trägerhülse 51 oder 52 bildet für die Magnetfeldelemente 48 eine unterste Schicht, die Trägerschicht. Die Polglieder 43 und 44 sind gleich, d. h. sowohl die Trägerhülsen 51 und 52 als auch die Magnetfeldelemente 48 und auch deren Anordnung zu einer Art Zahnkranz sind gleich.
Die Anordnung der Pole 45 und Gegenpole 46 radial übereinander ist nicht nur für eine besonders effiziente Erzeugung des Magnetfelds von Vorteil, sondern begünstigt auch eine einfache Fertigung der Polglieder 43 und 44. Im Vergleich mit einer alternierenden Polarität in Umfangsrichtung findet der magnetische Fluss von dem aufwärtigen Polglied 43 zum abwärtigen Polglied 44 über eine größere Fläche statt, da im jeweils gleichen Längsschnitt gesehen, beispielsweise im Schnitt der 7 und 8, der magnetische Fluss über die Pole 45 und die Gegenpole 46 übertritt. Das Ausgangssignal des Sensors 40 ist bei sonst gleichen Verhältnissen entsprechend stärker. Der schichtweise Aufbau der Magnetfeldelemente 48 ist insbesondere für die Fertigung von Vorteil.
10 zeigt vorgeformte Hülsenkörper 45', 46', 47' und 51' längs der gemeinsamen Längsachse aufgereiht für den Zusammenbau. Die Hülse 51' bildet im herzustellenden Polglied 43 die Trägerhülse 51, die Polhülse 45' die Pole 45, die Isolatorhülse 47' den Isolator 47 und die Gegenpolhülse 46' die Gegenpole 46. Die Hülse 51' weist einen axialen Endabschnitt 51a mit einem ersten Außendurchmesser und einen axialen Abschnitt 51b mit einem größeren zweiten Außendurchmesser auf. Der Innendurchmesser kann überall gleich sein. Die Polhülse 45' wird auf den Endabschnitt 51a bis gegen eine Schulter 51c, die zwischen den Abschnitten 51a und 51b gebildet ist, geschoben, gegebenenfalls unter Pressung, und vorzugsweise stoffschlüssig auf dem Endabschnitt 51a befestigt. Die Polhülse 45' weist einen glatten Mantel 45a und an dem axialen Ende, das der Schulter 51c zugewandt ist, umlaufend einen radial nach außen abragenden, axial schlanken Flansch 45b auf, der nach dem Zusammenbau an der Schulter 51c anliegt. Die Isolatorhülse 47' weist einen axialen Endabschnitt 47a mit einem ersten Außendurchmesser und einen axialen Endabschnitt 47b mit einem größeren zweiten Außendurchmesser auf. Der Innendurchmesser kann überall gleich sein. Der Abschnitt 47b fällt über eine Schulter 47c auf den Durchmesser des Abschnitts 47a ab. Die Isolatorhülse 47' wird auf den Abschnitt 45a bis gegen den Flansch 45b geschoben, gegebenenfalls unter Pressung, und vorzugsweise stoffschlüssig auf dem Abschnitt 45a befestigt. Schließlich wird die Gegenpolhülse 46' auf den Endabschnitt 47a bis gegen die Schulter 47c geschoben, gegebenenfalls unter Pressung, und vorzugsweise stoffschlüssig auf dem Endabschnitt 47a befestigt. Die Gegenpolhülse 46' ist axial vergleichsweise schmal. Sie ist einfach glatt. Der Innenquerschnitt kann bei allen Hülsen 45', 46', 47' und 51' einfach kreiszylindrisch glatt sein. Das Gleiche gilt für den Außenquerschnitt jedes einzelnen der Axialabschnitte.
Nach diesem Zusammenbau werden die Magnetfeldelemente 48 durch Herausarbeiten, vorzugsweise Fräsen, der Lücken 49 geschaffen, so dass das in 11 dargestellte Polglied 43 erhalten wird. Im Ausführungsbeispiel sind die Lücken 49 an der jeweiligen Stirnseite axial so tief eingearbeitet, dass von den vormaligen Hülsenkörpern 45', 46' und 47' (10) jeweils nur noch Umfangssegmente im Bereich der Magnetfeldelemente 48 stehen bleiben. In einer vorteilhaften Variante werden die Lücken 49 von der Stirnseite des jeweiligen Verbunds der Hülsenkörper 45', 46' und 47' axial nur so tief eingearbeitet, dass von allen Hülsenkörpern 45', 46' und 47' jeweils noch ein die gemeinsame Längsachse umgebender Hülsenabschnitt verbleibt. In der Variante können die Hülsenkörper 45', 46' und 47' allein durch Presssitz, also rein reibschlüssig, miteinander zu dem Verbund gefügt sein. Ein stoffschlüssiges Fügen, beispielsweise durch Kleben, ist in der Variante nicht erforderlich, wird vorzugsweise auch nicht durchgeführt, obgleich ein stoffschlüssiges Fügen auch für die Variante nicht ausgeschlossen werden soll.
Der Sensor 40 wird in Doppelfunktion auch zur Ermittlung der Drehzahl der Tretkurbelwelle 2 verwendet. Er ist Bestandteil eines Drehzahlsensors, der ferner einen Hallsensor aufweist. Der Hallsensor tastet eines der Polglieder 43 und 44 oder beide Polglieder 43 und 44, vorzugsweise das im Magnetfluss des Drehmomentsensors 40 aufwärtige Polglied 43 ab. Der Hallsensor detektiert die Durchgänge der Magnetfeldelemente 48 oder nur eines bestimmten Magnetfeldelements 48, woraus mittels eines nachgeschalteten Zählglieds und eines Zeitglieds die Drehzahl bestimmt wird. Der Hallsensor ist vorzugsweise in einer nicht dargestellten Öffnung am Umfang des Tretlagergehäuses 8 radial gegenüber dem betreffenden Polglied, vorzugsweise 43, angeordnet.
Der Sensor 40 ist in eine Steuerung des Elektromotors 10 integriert. Die Steuerung entscheidet beispielsweise, ob der Elektromotor 10 überhaupt eingeschaltet wird und Drehmoment in das Zugmittelgetriebe einleitet. Bedingung für das Einschalten ist vorzugsweise, dass die Einleitung eines Drehmoments über die Tretkurbelwelle 2 festgestellt wird. Gegebenenfalls kann an einem Bedienteil, beispielsweise dem Bedienteil 25 (1), ein Bedienelement vorgesehen sein, mit dem der Fahrer auswählen kann, ob der Elektromotor 10 nur unterstützt oder ständig Drehmoment einleitet. Ferner kann am Bedienteil die Möglichkeit der Einstellung des vom Motor 10 erzeugten Drehmoments gegeben sein.
12 zeigt einen modifizierten Tretkurbelantrieb in einem die Tretkurbelachse R₂ enthaltenden Mittellängsschnitt. Ein Drehmomentsensor ist hier nicht vorhanden, kann aber grundsätzlich in der erläuterten Art realisiert werden. Im Unterschied zum vorstehend beschriebenen Tretkurbelantrieb ist beim modifizierten Tretkurbelantrieb die Tretkurbelwelle 2 mittels eines Übersetzungsgetriebes 60 mit dem Kurbelritzel 3 gekoppelt. Das Übersetzungsgetriebe 60 überträgt die Drehzahl der Tretkurbelwelle 2 ins Schnelle, so dass das Kurbelritzel 3 mit einer gegenüber der Drehzahl der Tretkurbelwelle 2 erhöhten Kurbelritzeldrehzahl dreht. Das Übersetzungsgetriebe 60 ist im Ausführungsbeispiel nicht schaltbar, könnte aber auch zu einem Schaltgetriebe, insbesondere einem zweistufigen Schaltgetriebe weiterentwickelt werden, mit einer ersten Schaltstufe, in der die Drehzahl der Tretkurbelwelle 1:1 und wenigstens einer zweiten Schaltstufe, in der die Drehzahl der Tretkurbelwelle 2 entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes 60 erhöht auf das Kurbelritzel 3 übertragen wird.
Das Übersetzungsgetriebe 60 ist ein einstufiges Planetengetriebe mit einem zentralen Sonnenrad 61, einem Hohlrad 62, mehreren Planetenrädern 63 und einem Planetenträger 64, der die Planetenräder 63 einzeln drehbar lagert und selbst um die Tretkurbelachse R₂ drehbar gelagert ist. Das Sonnenrad 61 ist relativ zum fest mit dem Rahmen verbundenen Tretlagergehäuse 8 nicht beweglich, bildet also das Gestellglied des Getriebes 60. Im ausgeführten Beispiel ist die Lagerschale 31 zum Sonnenrad 61 weitergebildet. Das Hohlrad 62 ist drehmomentfest mit dem Kurbelritzel 3 verbunden. Der Planetenträger 64 ist über den Freilauf 38 mit der Tretkurbelwelle 2 gekoppelt, so dass deren Drehmoment in die Antriebsdrehrichtung auf den Planetenträger 64 und über diesen dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes 60 entsprechend auf das Hohlrad 62 und somit auf das Kurbelritzel 3 übertragen wird. In die Gegendrehrichtung entkoppelt der Freilauf 38 die Tretkurbelwelle 2 vom Kurbelritzel 3, so dass die Tretkurbelwelle 2 und die Tretkurbel 1 nicht im Schlepp vom Motor 10 angetrieben werden können. Der Freilauf 38 ist außerhalb des Tretlagergehäuses 8 unmittelbar auf der Tretkurbelwelle 2 angeordnet und mit dem Planetenträger 64 gekoppelt. Das Hohlrad 62 und damit gemeinsam das Kurbelritzel 3 sind mittels eines Drehlagers 65 auf dem Planetenträger 64 drehbar gelagert.
Zu den Lagerschalen 31 und 32 gelten die zuvor gemachten Ausführungen. In 12 sind zwar beide Drehlager 27 und 28 in der axialen Überlappung mit dem Tretlagergehäuse 8 angeordnet, vorteilhafterweise kann das Tretlager jedoch wie zuvor erläutert modifiziert werden, also wenigstens eines der Drehlager 27 und 28, vorzugsweise wenigstens das vom Getriebe 60 abgewandte Drehlager 28, axial zum Tretlagergehäuse 8 versetzt werden. Grundsätzlich gilt dies auch für das rechte Drehlager 27. Diesbezüglich wird auf die vorstehend erläuterten Beispiele verwiesen.
Der Tretkurbelantrieb der 12 kann auch um einen Drehmomentsensor, beispielsweise den vorstehend erläuterten Drehmomentsensor, ergänzt werden. Falls ein Drehmomentsensor vorhanden ist, kann das Drehmomentmanagement zwischen Tretkurbelantrieb und Elektroantrieb wie zu den anderen Ausführungsbeispielen geschildert ausgeführt sein. In Ausführungen ohne Drehmomentsensor wird das Drehmoment des Elektromotors 10 dem Drehmoment der Tretkurbelwelle 2 entweder stets überlagert, oder es kann auch für den Benutzer ein Schalter vorgesehen sein, so dass der Benutzer den Elektromotor 10 entweder ausschaltet oder einschaltet, je nach Wunsch.
Bezugszeichenliste

1: Tretkurbel, Pedale
2: Tretkurbel, Tretkurbelwelle
2a: Axialabschnitt
2b: Axialabschnitt
3: Kurbelritzel
4: Zugmittel
5: Abtriebsritzel
6: Motorritzel
7: Umlenkrad
8: Tretlagergehäuse
8a: Rahmenunterteil
8b: Sattelrohr
8c: Energiequelle
9: Motorgehäuse
10: Elektromotor
11: Stator
11a: Statorträger
11b: Befestigungselement
11c: Statorhohlraum
12: Rotor
13: Polring
14: Rückschlussring
15: Verbindungsstruktur
16: Motorwelle
17: Drehlager
18: Drehlager
19: Freilauf
20: Rotorwelle
21: Drehlager
22: Drehlager
23: Freilauf
23i: Freilaufeinheiten
24
25: Steuerungs-Bedieneinheit
26
27: erstes Drehlager
28: zweites Drehlager
29
30: Lagerschalenstruktur
31: Lagerschale
32: Lagerschale
33: Trägerschale
34: Dichtring
35: Übertragungsstruktur
35a: Torsionsabschnitt
35b: Lagerabschnitt
36: Antriebsende
37: Abtriebsende
38: Freilauf
39: Distanzring
40: Sensor
41: Eingangsglied, Spule
41a: Joch
41b: Wicklung
42: Ausgangsglied, Spule
42a: Joch
42b: Wicklung
43: Polglied
44: Polglied
45: Pol
47': Polhülse
46: Gegenpol
46': Gegenpolhülse
47: Isolator
47': Isolatorhülse
48: Magnetfeldelement
49: Lücke
50
51: Trägerhülse
52: Trägerhülse
53–59
60: Getriebe
61: Gestellglied, Sonnenrad
62: Abtriebsglied, Hohlrad
63: Planetenrad
64: Antriebsglied, Planetenträger
65: Drehlager
R2: Tretkurbelachse
R10: Motorachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0743238 A1 [0002, 0026]
JP 2007-7176221 A [0003]
WO 99/30960 A2 [0004, 0026]
JP 2007176221 A [0026]

Claims

Antrieb für ein Radfahrzeug, der Antrieb umfassend a) eine Tretkurbel (1, 2) zur Umwandlung von Muskelkraft in Drehmoment, b) ein Kurbelritzel (3), das zur Übertragung des Drehmoments der Tretkurbel (1, 2) mit einem Zugmittel (4) in einem Eingriff ist, c) einen Elektromotor (10) mit einem Stator (11) und einem Rotor (12), d) ein Motorritzel (5), das zur Übertragung des Drehmoments des Elektromotors (10) mit dem gleichen Zugmittel (4) oder einem optionalen anderen Übertragungsmittel, vorzugsweise weiteren Zugmittel, in einem Eingriff ist, e) wobei der Elektromotor (10) ein Außenläufermotor ist.
Antrieb nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment der Tretkurbel (1, 2) und das Drehmoment des Elektromotors (10) auf ein gemeinsames Abtriebsglied, vorzugsweise das Zugmittel (4) des Kurbelritzels (3), übertragen werden und die Tretkurbel (1, 2) zur Übersetzung der Tretkurbeldrehzahl ins Schnelle über ein dem Zugmittel (4) oder dem optionalen anderen Übertragungsmittel vor- oder nachgeordnetes Übersetzungsgetriebe (60) mit dem gemeinsamen Abtriebsglied (4), vorzugsweise mit dem Kurbelritzel (3), gekoppelt ist.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment der Tretkurbel (1, 2) über ein Übersetzungsgetriebe (60) auf ein Abtriebsglied (4) übertragen wird und das Drehmoment der Tretkurbel (1, 2) und das Drehmoment des Elektromotors (10) vorzugsweise auf diesem Abtriebsglied (4) überlagert werden, wobei das Übersetzungsgetriebe (60) vorzugsweise ein zu einer Tretkurbelwelle (2) koaxiales Planetengetriebe ist.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment des Elektromotors (10) über eine mit dem Rotor (12) koaxiale Motorwelle (16) und einen Freilauf (19; 23) nur in eine durch den Freilauf (19; 23) vorgegebene Antriebsrichtung auf das Motorritzel (6) übertragbar ist und der Freilauf (19; 23) das Motorritzel (6) in eine gegen die Antriebsrichtung weisende Drehrichtung von dem Rotor (12) entkoppelt, wobei der Rotor (12) bei der Übertragung des Drehmoments des Elektromotors (10) über den Freilauf (23) vorzugsweise mit der Motorwelle (16) verbunden ist.
Antrieb nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf (23) zumindest mit einem Teilabschnitt, vorzugsweise im Ganzen, in einem zentralen Hohlraum (11c) des Stators (11) angeordnet ist.
Antrieb nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorwelle (16) und die Rotorwelle (20) konzentrisch sind, vorzugsweise die Rotorwelle (20) die Motorwelle (16) umgibt, wobei wenigstens eines der folgenden Merkmale verwirklicht ist: – der Freilauf (23) ist zumindest mit einem Teilabschnitt, vorzugsweise gänzlich, in einem Ringspalt zwischen der Motorwelle (16) und der Rotorwelle (20) angeordnet; – der Freilauf (19; 23) ist ein Hülsenfreilauf, der vorzugsweise mehrere separate, axial nebeneinander angeordnete Hülsenfreilaufeinheiten (23i) aufweist.
Antrieb nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche und wenigstens einem der folgenden Merkmale: – der Freilauf (23) ist zwischen einem linken Drehlager (21) und einem rechten Drehlager (22) der Motorwelle (16) angeordnet; – der Freilauf (23) ist axial von dem Motorritzel (6) beabstandet angeordnet; – ein Drehlager (22) der Motorwelle (16) ist axial zwischen dem Motorritzel (6) und dem Freilauf (23) angeordnet.
Antrieb nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (10) eine mit dem Rotor (12) koaxiale Motorwelle (16) aufweist, über die das Drehmoment des Elektromotors (10) auf das Motorritzel (6) übertragbar ist, und die Motorwelle (16) über den Freilauf (19) mit dem Motorritzel (6) oder bezüglich beider Drehrichtungen verdrehgesichert mit dem Rotor (12) verbunden ist.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorritzel (5) koaxial mit dem Rotor (12) angeordnet und bei der Übertragung des Drehmoments des Elektromotors (10) verdrehgesichert mit dem Rotor (12) verbunden ist.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (10) eine mit dem Rotor (12) koaxiale Motorwelle (16) aufweist, über die das Drehmoment des Elektromotors (10) auf das Motorritzel (6) übertragbar ist, und die Motorwelle (16) sich zumindest in, vorzugsweise durch den Stator (11) erstreckt, wobei vorzugsweise ferner wenigstens eines der folgenden Merkmale verwirklicht ist: – der Rotor (12) leitet das Drehmoment des Elektromotors (10) an der dem Motorritzel (6) gegenüberliegenden Seite des Stators (11) in eine mit dem Rotor (12) drehmomentfest verbundene Rotorwelle (16; 20) ein; – der Rotor (12) weist einen den Stator (11) umgebenden Rotorring (13, 14), eine Rotorwelle (16; 20) und eine Verbindungsstruktur (15) auf, die den Rotorring (13, 14) verdrehgesichert mit der Rotorwelle (16; 20) verbindet, wobei das Motorritzel (6) und die Verbindungsstruktur (15) axial an unterschiedlichen Seiten des Stators (11) angeordnet sind; – wenigstens ein Drehlager (17) der Motorwelle (16) ist in einem zentralen Hohlraum (11c) des Stators (11) angeordnet; – die Motorwelle (16) ist mittels eines linken Drehlagers (17) und eines rechten Drehlagers (18) relativ zum Stator (11) drehbar gelagert und eines dieser Drehlager (17, 18) ist in einem zentralen Hohlraum (11c) des Stators (11) und das andere axial außerhalb des Stators (11) angeordnet.