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DE102024132940B3 - Drive unit for a vehicle that can be propelled at least partially by muscle power and vehicle with such a drive unit - Google Patents

Drive unit for a vehicle that can be propelled at least partially by muscle power and vehicle with such a drive unit

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Publication number
DE102024132940B3
DE102024132940B3 DE102024132940.8A DE102024132940A DE102024132940B3 DE 102024132940 B3 DE102024132940 B3 DE 102024132940B3 DE 102024132940 A DE102024132940 A DE 102024132940A DE 102024132940 B3 DE102024132940 B3 DE 102024132940B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
planetary gear
gear set
drive unit
vehicle
switchable planetary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102024132940.8A
Other languages
German (de)
Inventor
Peter Greb
Laszlo Man
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority to DE102024132940.8A priority Critical patent/DE102024132940B3/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102024132940B3 publication Critical patent/DE102024132940B3/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
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    • B62M6/00Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/60Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at axle parts
    • B62M6/65Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at axle parts with axle and driving shaft arranged coaxially
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein zumindest teilweise mit einer Muskelkraft antreibbares Fahrzeug (1), aufweisend ein Nabengehäuse (2), das dazu eingerichtet ist, mit einem Antriebsrad (3) des Fahrzeugs (1) drehfest verbunden zu sein, ein darin angeordneter schaltbarer Planetenradsatz (4) mit drei Wellen und eine damit antriebswirksam verbundene elektrische Maschine (5) mit einem Rotor (6) und einem Stator (7), wobei der schaltbare Planetenradsatz (4) radial innerhalb der elektrischen Maschine (5) sowie koaxial dazu angeordnet ist, eine Kupplungsvorrichtung (8) und ein Stellgewinde (9), die über eine Drehfeder (10) mit dem Rotor (6) antriebswirksam verbunden sind, wobei die Kupplungsvorrichtung (8) in einer geschlossenen Schaltstellung zwei der drei Wellen des schaltbaren Planetenradsatzes (4) drehfest miteinander verbindet, wodurch der Planetenradsatz (4) im Block umläuft, wobei die Kupplungsvorrichtung (8) in einer geöffneten Schaltstellung, die durch eine Drehmomentüberschreitung und Verdrehung der Drehfeder (10) eingeleitet wird, die beiden drehfest miteinander verbundenen Wellen des schaltbaren Planetenradsatzes (4) mittels Stellgewinde (9) voneinander entkoppelt, sodass die Antriebsleistung der elektrischen Maschine (5) nur noch über eine dieser beiden Wellen in den Planetenradsatz (4) eingeleitet wird, wobei eine dritte Welle des schaltbaren Planetenradsatzes (4) über eine Freilaufvorrichtung (11) an einem stationären Element abgestützt ist. The invention relates to a drive unit for a vehicle (1) that can be propelled at least partially by muscle power, comprising a hub housing (2) configured to be rotationally fixed to a drive wheel (3) of the vehicle (1), a switchable planetary gear set (4) with three shafts arranged therein, and an electric machine (5) with a rotor (6) and a stator (7) effectively connected thereto, wherein the switchable planetary gear set (4) is arranged radially within the electric machine (5) and coaxially thereto, a coupling device (8) and an adjusting thread (9) which are effectively connected to the rotor (6) via a torsion spring (10), wherein the coupling device (8) in a closed switching position connects two of the three shafts of the switchable planetary gear set (4) to each other in a rotationally fixed manner, whereby the planetary gear set (4) rotates as a unit, wherein the coupling device (8) in an open switching position, which is initiated by exceeding the torque and twisting the torsion spring (10), The two shafts of the switchable planetary gear set (4) which are connected to each other in a rotationally fixed manner are decoupled from each other by means of adjusting threads (9), so that the drive power of the electric machine (5) is introduced into the planetary gear set (4) only via one of these two shafts, wherein a third shaft of the switchable planetary gear set (4) is supported on a stationary element via a freewheel device (11).

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein zumindest teilweise mit einer Muskelkraft antreibbares Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Antriebseinheit. Insbesondere ist das Fahrzeug als Fahrrad oder E-Bike ausgebildet und weist mindestens zwei Räder auf.The invention relates to a drive unit for a vehicle that can be propelled at least partially by muscle power. Furthermore, the invention relates to a vehicle with such a drive unit. In particular, the vehicle is designed as a bicycle or e-bike and has at least two wheels.

Beispielsweise offenbart die DE 10 2019 114 120 A1 eine Antriebseinheit für ein Fahrzeug, umfassend zumindest ein Gehäuse, zumindest einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, und zumindest eine Getriebeeinheit, die mit dem Rotor im Wirkeingriff steht. Die Getriebeeinheit umfasst ein einstufiges oder zweistufiges Planetengetriebe.For example, the DE 10 2019 114 120 A1 A drive unit for a vehicle, comprising at least a housing, at least one electric motor with a stator and a rotor, and at least one gearbox unit engaged with the rotor. The gearbox unit comprises a single-stage or two-stage planetary gearbox.

Die DE 10 2014 107 382 A1 beschreibt einen elektrischen Radnabenantrieb mit Elektromotor, Freilauf, Planetengetriebe und lastschaltbare Reibungskupplung. Der Antrieb des Elektromotors ist bei offener Reibungskupplung über einen drehverbundenen Freilauf zum Sonnenrad des Planetengetriebes mit feststehendem Hohlrad über die Planetenräder und Planetenträger drehverbunden mit der Radnabe mit entsprechender Untersetzung. Bei geschlossener Reibungskupplung erfolgt der Antrieb des Elektromotors direkt zur Radnabe, und das Planetengetriebe dreht aufgrund der Entkoppelung des Freilaufs kraftlos mit.The DE 10 2014 107 382 A1 This describes an electric wheel hub drive with an electric motor, freewheel, planetary gear set, and load-shiftable friction clutch. With the friction clutch open, the electric motor is driven via a rotating freewheel to the sun gear of the planetary gear set, which has a stationary ring gear. This connection is then further linked to the wheel hub via the planet gears and planet carrier, providing the appropriate reduction ratio. With the friction clutch closed, the electric motor is driven directly by the wheel hub, and the planetary gear set rotates without power due to the decoupling of the freewheel.

Die CN 2 15 956 210 U beschreibt einen Radnabenmotor mit schaltbarer Drehzahl für ein zweirädriges Elektrofahrzeug.The CN 2 15 956 210 U describes a wheel hub motor with switchable speed for a two-wheeled electric vehicle.

Die DE 11 2011 104 916 T5 beschreibt eine motorangetriebene Nabe mit einer Getriebeanordnung, einem in zwei Richtungen drehbaren Elektromotor zum Antreiben der Getriebeanordnung. Es gibt einen ersten Betriebsmodus, wenn sich der Motor in einer ersten Richtung zum Bereitstellen wenigstens eines ersten Antriebsgangs in der Vorwärtsrichtung dreht, und einem zweiten Betriebsmodus, wenn der Motor sich in der zweiten Richtung zum Bereitstellen wenigstens eines zweiten Antriebsgangs in der Vorwärtsrichtung dreht. Einene Motorsteuerung schaltet den Motor zwischen den Drehrichtungen abhängig von einem Geschwindigkeitsparameter.The DE 11 2011 104 916 T5 This describes a motor-driven hub with a gear assembly and a bidirectionally rotatable electric motor for driving the gear assembly. There is a first operating mode, when the motor rotates in a first direction to provide at least one drive gear in the forward direction, and a second operating mode, when the motor rotates in the second direction to provide at least one second drive gear in the forward direction. A motor controller switches the motor between the directions of rotation depending on a speed parameter.

Die US 2011 / 0 034 283 A1 beschreibt einen Gangschaltungsmechanismus mit einem ersten und einem zweiten Planetengetriebesatz, einem Stromzufuhranschluss zur antreibenden Verbindung der ersten und zweiten Sonnenräder mit dem Output einer Stromquelle, einer Nabenhülse, die die Planetengetriebesätze umgibt. einer ersten und einer zweiten Einwegkupplung zur Übertragung des Antriebs von jeweils dem Output des Planetengetriebesatzes auf die Nabenhülse. In einem der Planetengetriebesätze ist der Trägerarm fixiert. Das Ringrad ist der Abtrieb. In dem anderen Planetengetriebesatz ist das Ringrad fixiert und der Trägerarm der Abtrieb.The US 2011 / 0 034 283 A1 This describes a gearshift mechanism with a first and a second planetary gear set, a power supply connection for driving the first and second sun gears to the output of a power source, a hub sleeve surrounding the planetary gear sets, and a first and a second one-way clutch for transmitting the drive from the output of each planetary gear set to the hub sleeve. In one of the planetary gear sets, the carrier arm is fixed. The ring gear is the output. In the other planetary gear set, the ring gear is fixed, and the carrier arm is the output.

Die US 2019 / 0 077 485 A1 beschreibt eine Motorkraftübertragungsvorrichtung, wobei die Rotation des Elektromotors auf ein Sonnenrad eines Planetenuntersetzungsgetriebes wirkt und dann die Drehung des Sonnenrades in die Drehung eines Planetenträgers umgewandelt wird. Zwischen diesem und der Abtriebswelle ist ein Drehmomentbegrenzungsmechanismus geschaltet, so dass selbst wenn ein übermäßiges Rückdrehmoment in die Abtriebswelle eingeleitet wird, die Übertragung des Rückdrehmoments auf das Untersetzungsgetriebe blockiert wird, um das Untersetzungsgetriebe zu schützen.The US 2019 / 0 077 485 A1 This describes a motor power transmission device in which the rotation of the electric motor acts on a sun gear of a planetary reduction gear, and the rotation of the sun gear is then converted into the rotation of a planet carrier. A torque limiting mechanism is interposed between this and the output shaft, so that even if excessive reverse torque is introduced into the output shaft, the transmission of the reverse torque to the reduction gear is blocked to protect the reduction gear.

Die DE 10 2012 216 132 A1 beschreibt einen Radnabenantrieb mit einem Antriebsstrang mit elektrischem Antriebsmotor und Getriebe zur Drehmomentwandlung mit mindestens zwei Gängen.The DE 10 2012 216 132 A1 describes a wheel hub drive with a drive train including an electric drive motor and a gearbox for torque conversion with at least two gears.

Die DE 10 2014 206 985 A1 beschreibt einen Kupplungsaktor zur Betätigung einer Reibungskupplung mit einem um die Drehachse angeordneten elektrischen Stellmotor mit einem um die Drehachse angetriebenen Rotor, einem eine Linearbewegung in eine Axialbewegung wandelnden Stellglied zur axialen Verlagerung eines Hebelelements der Reibungskupplung abhängig von einem Drehantrieb des Stellmotors sowie einem zwischen Stellglied und Stellmotor abhängig von einer Last des Kupplungsaktors automatisiert schaltenden zweistufigen Planetengetriebe mit einem mit dem Rotor drehschlüssig gekoppelten Sonnenrad, einem mittels eines Freilaufs gehäusefest aufgenommenen Hohlrads, zwischen Sonnenrad und Hohlrad kämmenden, auf einem Planetenträger verdrehbar aufgenommenen Planetenrädern und einer Sonnenrad und Planetenträger schaltbar verbindenden Schaltkupplung.The DE 10 2014 206 985 A1 describes a clutch actuator for actuating a friction clutch with an electric actuator motor arranged around the axis of rotation with a rotor driven around the axis of rotation, an actuating element that converts a linear motion into an axial motion for the axial displacement of a lever element of the friction clutch depending on a rotary drive of the actuating motor, and a two-stage planetary gear that switches automatically between the actuating element and the actuating motor depending on a load of the clutch actuator, with a sun gear rotationally coupled to the rotor, a ring gear fixed to the housing by means of a freewheel, planet gears meshing between the sun gear and the ring gear and rotatably mounted on a planet carrier, and a switching clutch that connects the sun gear and planet carrier in a switchable manner.

Die DE 10 2023 210 396 B3 beschreibt einen Nabenantrieb für ein Fahrzeug mit zwei Planetenradsätzen.The DE 10 2023 210 396 B3 describes a hub drive for a vehicle with two planetary gear sets.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine alternative Antriebseinheit für ein zumindest teilweise mit einer Muskelkraft antreibbares Fahrzeug zu schaffen. Insbesondere soll die Antriebseinheit zwei schaltbare Gänge aufweisen und kompaktbauend ausgebildet sein. Insbesondere sollen die Gänge automatisch schaltbar sein. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.The object of the invention is to create an alternative drive unit for a vehicle that is at least partially powered by muscle power. In particular, the drive unit should have two selectable gears and be of a compact design. Specifically, the gears should be selectable automatically. This object is achieved by the subject matter of claim 1. Preferred embodiments are described in the dependent claims, the description, and the figures.

Eine erfindungsgemäße Antriebseinheit für ein zumindest teilweise mit einer Muskelkraft antreibbares Fahrzeug umfasst ein Nabengehäuse, das dazu eingerichtet ist, mit einem Antriebsrad des Fahrzeugs drehfest verbunden zu sein, ein darin angeordneter schaltbarer Planetenradsatz mit drei Wellen und eine damit antriebswirksam verbundene elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei der schaltbare Planetenradsatz radial innerhalb der elektrischen Maschine sowie koaxial dazu angeordnet ist, eine Kupplungsvorrichtung und ein Stellgewinde, die über eine Drehfeder mit dem Rotor antriebswirksam verbunden sind, wobei die Kupplungsvorrichtung in einer geschlossenen Schaltstellung zwei der drei Wellen des schaltbaren Planetenradsatzes drehfest miteinander verbindet, wodurch der Planetenradsatz im Block umläuft, wobei die Kupplungsvorrichtung in einer geöffneten Schaltstellung, die durch eine Drehmomentüberschreitung und Verdrehung der Drehfeder eingeleitet wird, die beiden drehfest miteinander verbundenen Wellen des schaltbaren Planetenradsatzes mittels Stellgewinde voneinander entkoppelt, sodass die Antriebsleistung der elektrischen Maschine nur noch über eine dieser beiden Wellen in den Planetenradsatz eingeleitet wird, wobei eine dritte Welle des schaltbaren Planetenradsatzes über eine Freilaufvorrichtung an einem stationären Element abgestützt ist.A drive unit according to the invention for a device that is at least partially driven by muscle power The vehicle comprises a hub housing configured to be rotationally fixed to a drive wheel of the vehicle, a switchable planetary gear set with three shafts arranged therein, and an electric machine with a rotor and a stator effectively connected thereto, wherein the switchable planetary gear set is arranged radially within the electric machine and coaxially to it, a coupling device and an adjusting thread which are effectively connected to the rotor via a torsion spring, wherein in a closed switching position the coupling device non-rotatably connects two of the three shafts of the switchable planetary gear set to each other, causing the planetary gear set to rotate in the block, wherein in an open switching position, which is initiated by exceeding the torque and twisting the torsion spring, the coupling device decouples the two rotationally fixed shafts of the switchable planetary gear set from each other by means of the adjusting thread, so that the drive power of the electric machine is introduced into the planetary gear set only via one of these two shafts, wherein a third shaft of the switchable planetary gear set is supported on a stationary element via a freewheel device. is.

Die Kupplungsvorrichtung ermöglicht zusammen mit dem Stellgewinde und der Drehfeder eine Schaltung am Planetenradsatz, wobei die Kupplungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, zwei Wellen, insbesondere ein Sonnenrad und einen Planetenträger, des schaltbaren Planetenradsatzes zu koppeln und zu entkoppeln, wobei das Stellgewinde eine Rotation in einen Axialvorschub umwandelt, wobei die Drehfeder vorgespannt ist und als Drehmomentfühler eingerichtet ist. Insbesondere umfasst das Stellgewinde eine Gewindestange und eine axial dazu verlagerbare Gewindemutter.The coupling device, together with the adjusting thread and the torsion spring, enables switching on the planetary gear set, wherein the coupling device is configured to couple and decouple two shafts, in particular a sun gear and a planet carrier, of the switchable planetary gear set, wherein the adjusting thread converts a rotation into an axial feed, wherein the torsion spring is pre-tensioned and configured as a torque sensor. In particular, the adjusting thread comprises a threaded rod and a threaded nut axially displaceable therefrom.

Wenn ein Antriebsdrehmoment unterhalb eines Schwellwertes ist, verbleibt die Drehfeder in einer Ursprungsform, sodass die Antriebsleistung der elektrischen Maschine über die beiden drehfest miteinander verbundenen Wellen des schaltbaren Planetenradsatzes eingeleitet wird. Dadurch läuft der Planetenradsatz im Block um und weist eine Übersetzung von 1 auf. Durch diese Übersetzung wird ein Direktantrieb ermöglicht, der sich insbesondere zum Erreichen von hohen Geschwindigkeiten eignet.When the drive torque is below a certain threshold, the torsion spring remains in its original position, so the drive power of the electric machine is transmitted via the two rotationally fixed shafts of the switchable planetary gear set. This causes the planetary gear set to rotate in a single unit, resulting in a gear ratio of 1. This gear ratio enables a direct drive, which is particularly suitable for achieving high speeds.

Wenn das Antriebsdrehmoment einen Schwellwert erreicht, gibt die Drehfeder nach und verdreht, wobei das Stellgewinde diese Rotation in einen Axialvorschub umwandelt und dadurch die Kupplungsvorrichtung öffnet. Die Antriebsleistung der elektrischen Maschine wird dann nur noch über eine der zuvor drehfest miteinander verbundenen Wellen des Planetenradsatzes eingeleitet, beispielsweise über ein Sonnenrad. Dadurch verändert sich die Übersetzung, sodass die Drehzahl an einer Abtriebswelle, insbesondere an einem Planetenträger, des schaltbaren Planetenradsatzes verringert und gleichzeitig das Drehmoment erhöht wird. Dadurch kann beispielsweise eine Steigung, die ein höheres Antriebsdrehmoment benötigt, überwunden werden.When the drive torque reaches a threshold, the torsion spring yields and twists, with the adjusting thread converting this rotation into an axial feed, thereby opening the coupling device. The drive power of the electric machine is then introduced only via one of the previously rotationally fixed shafts of the planetary gear set, for example, via a sun gear. This changes the gear ratio, reducing the speed at an output shaft, particularly at a planet carrier, of the switchable planetary gear set, while simultaneously increasing the torque. This allows, for example, a gradient requiring higher drive torque to be overcome.

Mithin weist die Antriebseinheit zwei automatisch schaltbare Gänge auf, wodurch die Verwendung einer kompakten elektrischen Maschine möglich wird, sodass sowohl eine für hohe Geschwindigkeiten notwendige Antriebsdrehzahl als auch ein für große Steigungen benötigtes Antriebsdrehmoment bereitgestellt werden.Thus, the drive unit has two automatically shiftable gears, making it possible to use a compact electric machine, so that both a drive speed necessary for high speeds and a drive torque required for steep inclines are provided.

Sobald die Last am Antriebsrad wieder unter einem Schwellwert sinkt, verdreht sich die Drehfeder zurück in die Ursprungsform, wobei dadurch das Stellgewinde verdreht und somit die Kupplungsvorrichtung axial derart verschoben wird, dass die beiden Wellen des schaltbaren Planetenradsatzes wieder drehfest miteinander verbunden sind.As soon as the load on the drive wheel falls below a threshold value, the torsion spring twists back into its original shape, thereby twisting the adjusting thread and thus axially displacing the coupling device so that the two shafts of the switchable planetary gear set are again connected to each other in a rotationally fixed manner.

Unabhängig von der Schaltstellung der Kupplungsvorrichtung stützt sich in den beiden zuvor genannten Situationen die dritte Welle, vorzugsweise ein Hohlrad, des Planetenradsatzes über die Freilaufvorrichtung an dem stationären Element ab. Mithin verhindert die Freilaufvorrichtung eine Rotation des Hohlrades bei Vorwärtsfahrt des Fahrzeugs mit dem elektrischen Antrieb. Insbesondere ist das stationäre Element mit einer Radachse des Antriebsrades drehfest verbunden, wobei die Radachse drehfest mit einem Rahmen des Fahrzeugs verbunden ist.Regardless of the clutch's position, in both of the aforementioned situations, the third shaft, preferably a ring gear, of the planetary gear set is supported by the freewheel mechanism against the stationary element. Thus, the freewheel mechanism prevents the ring gear from rotating when the vehicle is moving forward with the electric drive. In particular, the stationary element is non-rotatably connected to a wheel axle of the drive wheel, which in turn is non-rotatably connected to a frame of the vehicle.

Insbesondere ist der Rotor radial innerhalb des Stators angeordnet, wobei der schaltbare Planetenradsatz radial innerhalb des Rotors angeordnet ist. Mithin sind der Stator, der Rotor und der schaltbare Planetenradsatz radial geschachtelt sowie axial überlappend angeordnet, wodurch die Antriebseinheit, die als Radnabenmotor für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrrad, eingerichtet ist, in axialer Richtung besonders kompaktbauend ist.In particular, the rotor is arranged radially within the stator, with the switchable planetary gear set also arranged radially within the rotor. Thus, the stator, the rotor, and the switchable planetary gear set are radially nested and axially overlapping, resulting in a particularly compact axial design for the drive unit, which is designed as a wheel hub motor for a vehicle, especially a bicycle.

Der schaltbare Planetenradsatz weist eine erste Welle, eine zweite Welle und eine dritte Welle auf, wobei die erste Welle des schaltbaren Planetenradsatzes vorzugsweise als Sonnenrad ausgebildet ist, wobei die zweite Welle des schaltbaren Planetenradsatzes vorzugsweise als Planetenträger mit mehreren daran angeordneten Planetenrädern ausgebildet ist, wobei die dritte Welle des schaltbaren Planetenradsatzes vorzugsweise als Hohlrad ausgebildet ist.The switchable planetary gear set has a first shaft, a second shaft and a third shaft, wherein the first shaft of the switchable planetary gear set is preferably designed as a sun gear, wherein the second shaft of the switchable planetary gear set is preferably designed as a planet carrier with several planet gears arranged on it, wherein the third shaft of the switchable planetary gear set is preferably designed as a ring gear.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Kupplungsvorrichtung einen Permanentmagneten und eine reibschlüssig damit zusammenwirkende Ankerplatte auf. Mithin ist die Kupplungsvorrichtung als Permanentmagnetkupplung ausgebildet, wobei die Ankerplatte in einer geschlossenen Schaltstellung der Kupplungsvorrichtung an dem Permanentmagneten reibschlüssig zur Anlage kommt, um zwei Wellen des Planetenradsatzes, insbesondere das Sonnenrad und den Planetenträger, drehfest miteinander zu verbinden. In einer geöffneten Schaltstellung der Kupplungsvorrichtung sind die Ankerplatte und der Permanentmagnet axial voneinander beabstandet, um die beiden zuvor drehfest miteinander verbundenen Wellen des Planetenradsatzes voneinander zu entkoppeln.According to one embodiment, the coupling device comprises a permanent magnet and an armature plate that frictionally engages with it. Thus, the coupling device is designed as a permanent magnet coupling, wherein, in a closed switching position of the coupling device, the armature plate frictionally engages with the permanent magnet to connect two shafts of the planetary gear set, in particular the sun gear and the planet carrier, in a rotationally fixed manner. In an open switching position of the coupling device, the armature plate and the permanent magnet are axially spaced apart to decouple the two shafts of the planetary gear set that were previously rotationally fixed to each other.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Ankerplatte über die Drehfeder mit dem Rotor verbunden und über das Stellgewinde mit der ersten Welle, insbesondere dem Sonnenrad, des schaltbaren Planetenradsatzes verbunden. Ferner ist der Permanentmagnet mit der zweiten Welle, insbesondere mit dem Planetenträger, des schaltbaren Planetenradsatzes verbunden. Beim Öffnen der Kupplungsvorrichtung verbleibt der Permanentmagnet am Planetenträger, wobei die Ankerplatte, an der die Gewindemutter und die Drehfeder angeordnet sind, von dem Permanentmagneten axial beabstandet wird, sodass ein Luftspalt dazwischen ausgebildet wird.According to one embodiment, the armature plate is connected to the rotor via the torsion spring and to the first shaft, in particular the sun gear, of the switchable planetary gear set via the adjusting thread. Furthermore, the permanent magnet is connected to the second shaft, in particular the planet carrier, of the switchable planetary gear set. When the coupling device is opened, the permanent magnet remains on the planet carrier, with the armature plate, on which the threaded nut and the torsion spring are arranged, being axially spaced from the permanent magnet, so that an air gap is formed between them.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Stellgewinde dazu eingerichtet, bei einer Rückwärtsbewegung des Fahrzeugs zumindest die Kupplungsvorrichtung und den schaltbaren Planetenradsatz derart axial zu verschieben, dass die Freilaufvorrichtung frei drehen kann. Dadurch wird verhindert, dass die elektrische Maschine bei einer Rückwärtsbewegung des Fahrzeugs mitgeschleppt wird. Die durch das Stellgewinde eingeleitete axiale Verschiebung des Planetenradsatzes führt dazu, dass die Freilaufvorrichtung ausspurt und dadurch keine Drehmomentabstützung mehr an der damit verbundenen dritten Welle, insbesondere am Hohlrad, des Planetenradsatzes erfolgt.According to one embodiment, the adjusting thread is designed to axially displace at least the clutch device and the switchable planetary gear set during a reverse movement of the vehicle, such that the freewheel device can rotate freely. This prevents the electric motor from being dragged along during a reverse movement of the vehicle. The axial displacement of the planetary gear set initiated by the adjusting thread causes the freewheel device to disengage, thereby eliminating torque support on the connected third shaft, in particular on the ring gear, of the planetary gear set.

Bevorzugt ist mindestens eine Rückstellfeder zur Rückstellung des schaltbaren Planetenradsatzes und der damit verbundenen Kupplungsvorrichtung im Nabengehäuse angeordnet. Insbesondere wirkt die Rückstellfeder auf eine Abtriebswelle, insbesondere auf den Planetenträger, des Planetenradsatzes oder einer drehfest damit verbundenen Welle. Die Rückstellfeder kann beispielsweise als Druckfeder ausgebildet und an einem stationär festgelegten Bauteil angeordnet sein. Insbesondere können mehrere Rückstellfedern vorgesehen sein. Beispielsweise umfasst die Freilaufvorrichtung mindestens eine Rückstellfeder.Preferably, at least one return spring is arranged in the hub housing to return the switchable planetary gear set and the associated clutch device to the center position. In particular, the return spring acts on an output shaft, especially on the planet carrier of the planetary gear set or on a shaft non-rotatably connected to it. The return spring can, for example, be designed as a compression spring and arranged on a stationary component. In particular, several return springs can be provided. For example, the freewheel device includes at least one return spring.

Gemäß einer Ausführungsform ist im Leistungsfluss zwischen dem Nabengehäuse und dem schaltbaren Planetenradsatz eine konstante Übersetzungsstufe angeordnet. Beispielsweise ist diese Übersetzungsstufe als Planetenradsatz ausgebildet und umfasst ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Planetenträger mit mehreren daran angeordneten Planetenrädern, die mit dem Sonnenrad und dem Hohlrad in Zahneingriff stehen. Beispielsweise ist das Sonnenrad der nachgelagerten Übersetzungsstufe mit dem Planetenträger des schaltbaren Planetenradsatzes drehfest verbunden. Ferner ist dann der Planetenträger der Übersetzungsstufe stationär festgelegt, wobei das Hohlrad der Übersetzungsstufe mit dem Nabengehäuse drehfest verbunden ist. Die konstante Übersetzungsstufe ermöglicht eine weitere Drehmomentanpassung, wodurch die elektrische Maschine kompakter und leistungsschwächer ausgebildet werden kann. Bevorzugt ist die konstante Übersetzungsstufe axial angrenzend an der elektrischen Maschine und dem schaltbaren Planetenradsatz angeordnet. Dadurch wird radialer Bauraum eingespart.According to one embodiment, a constant gear ratio stage is arranged in the power flow between the hub housing and the switchable planetary gear set. For example, this gear ratio stage is designed as a planetary gear set and comprises a sun gear, a ring gear, and a planet carrier with several planet gears arranged on it, which mesh with the sun gear and the ring gear. For example, the sun gear of the downstream gear ratio stage is rotationally fixed to the planet carrier of the switchable planetary gear set. Furthermore, the planet carrier of the gear ratio stage is then fixed in a stationary position, with the ring gear of the gear ratio stage being rotationally fixed to the hub housing. The constant gear ratio stage enables further torque adjustment, which allows the electric machine to be designed more compactly and with lower power consumption. Preferably, the constant gear ratio stage is arranged axially adjacent to the electric machine and the switchable planetary gear set. This saves radial installation space.

Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, das zumindest teilweise mit einer Muskelkraft antreibbar ist, umfassend zumindest zwei Räder und eine erfindungsgemäße Antriebseinheit. Insbesondere ist das Fahrzeug als Fahrrad oder E-Bike ausgebildet. Beispielsweise kann das Fahrzeug drei oder mehrere Räder aufweisen, wobei entweder ein Rad oder mehrere Räder elektrisch angetrieben werden können.The invention also relates to a vehicle that can be propelled at least partially by muscle power, comprising at least two wheels and a drive unit according to the invention. In particular, the vehicle is designed as a bicycle or e-bike. For example, the vehicle can have three or more wheels, wherein either one or more wheels can be electrically driven.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Fahrzeug einen Generator mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor des Generators drehfest mit einer Tretkurbelwelle des Fahrzeugs verbunden ist. Mithin ist der Generator als Pedalgenerator ausgebildet und wandelt die durch den Fahrer über die Pedalen eingeleitete kinetische Energie in elektrische Energie um. Je stärker der Fahrer pedaliert und je größer der Widerstand des Generators eingestellt ist, umso größer ist auch die erzeugte elektrische Leistung des Generators. Die als Radnabenmotor ausgebildete elektrische Maschine erzeugt nach Maßgabe einer elektrischen Leistung des Generators eine Antriebsleistung am Antriebsrad. Beispielsweise sind der Generator und der Radnabenmotor zumindest mittelbar oder unmittelbar miteinander verbunden. Insbesondere kann das Fahrzeug mehrere Radnabenmotoren aufweisen, die jeweils ein Antriebsrad antreiben. Wenn ein Pedalgenerator an der Tretkurbelwelle angeordnet ist, entfällt die Notwendigkeit einer mechanischen Verbindung zwischen der Tretkurbelwelle und dem Antriebsrad. Wenn eine mechanische Verbindung, beispielsweise ein Zugmitteltrieb, insbesondere ein Ketten- oder Riementrieb, zwischen der Tretkurbelwelle und dem Antriebsrad angeordnet ist, kann ein Pedalgenerator an der Tretkurbelwelle entfallen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Fahrzeug einen elektrischen Energiespeicher, der mit dem Generator und dem Radnabenmotor elektrisch verbunden ist. Der Energiespeicher dient einerseits zum Speichern von elektrischer Energie, insbesondere zum Aufnehmen der elektrischen Energie des Generators, und andererseits zum Bereitstellen von elektrischer Energie, insbesondere zum Einspeisen von elektrischer Energie in den Radnabenmotor und Antreiben des Antriebsrads.According to one embodiment, the vehicle comprises a generator with a rotor and a stator, the generator's rotor being non-rotatably connected to the vehicle's pedal crankshaft. Thus, the generator is designed as a pedal generator and converts the kinetic energy introduced by the rider via the pedals into electrical energy. The harder the rider pedals and the greater the generator's resistance, the greater the electrical power generated by the generator. The electric machine, designed as a wheel hub motor, generates drive power at the drive wheel according to the generator's electrical output. For example, the generator and the wheel hub motor are connected to each other, at least indirectly or directly. In particular, the vehicle can have several wheel hub motors, each driving a drive wheel. If a pedal generator is arranged on the pedal crankshaft, a mechanical connection between the pedal crankshaft and the drive wheel is unnecessary. If a mechanical connection, for example, a traction drive, in particular a chain or belt drive, is arranged between the pedal crankshaft and the drive wheel, a pedal generator on the pedal crankshaft can be omitted. According to a The vehicle's design includes an electrical energy storage system that is electrically connected to the generator and the wheel hub motor. The energy storage system serves, on the one hand, to store electrical energy, in particular to absorb the electrical energy from the generator, and on the other hand, to provide electrical energy, in particular to feed electrical energy into the wheel hub motor and drive the drive wheel.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt

  • 1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs gemäß einer ersten Ausführungsform,
  • 2 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs gemäß einer zweiten Ausführungsform,
  • 3 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform und
  • 4 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Further measures improving the invention are described in more detail below, together with a description of preferred embodiments of the invention, with reference to the figures.
  • 1 a highly simplified schematic representation of a vehicle according to the invention in a first embodiment,
  • 2 a highly simplified schematic representation of a vehicle according to the invention in a second embodiment,
  • 3 a highly simplified schematic representation of a drive unit according to the invention in a first embodiment and
  • 4 a highly simplified schematic representation of a drive unit according to a second embodiment of the invention.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 1 dargestellt, das zumindest teilweise mit einer Muskelkraft antreibbar ist, umfassend ein als Antriebsrad 3 ausgebildetes Hinterrad, ein Vorderrad 42, das über eine Gabel schwenkbar an einem Rahmen 43 angeordnet ist, und eine erfindungsgemäße Antriebseinheit. Das Fahrzeug 1 ist vorliegend als Fahrrad, insbesondere als E-Bike ausgebildet.In 1 Figure 1 shows a vehicle according to the invention, which can be propelled at least partially by muscle power, comprising a rear wheel designed as a drive wheel 3, a front wheel 42 which is pivotably arranged on a frame 43 via a fork, and a drive unit according to the invention. The vehicle 1 is presented here as a bicycle, in particular as an e-bike.

Eine Tretkurbelwelle 41 ist über Tretkurbeln 44 mit Pedalen 45 verbunden, wobei ein als Pedalgenerator ausgebildeter Generator 40, wirksam mit der Tretkurbelwelle 41 verbunden ist. Die Antriebseinheit umfasst eine als Radnabenmotor ausgebildete elektrische Maschine 5 und einen schaltbaren Planetenradsatz 4, die gemeinsam in einem Nabengehäuse 2 angeordnet und antriebswirksam mit dem Antriebsrad 3 des Fahrrads verbunden sind, um nach Maßgabe einer elektrischen Leistung des Generators 40 eine Antriebsleistung am Antriebsrad 3 zu erzeugen. Ein elektrischer Energiespeicher 46 ist am Rahmen 43 des Fahrrads angeordnet und mit dem Generator 40 und der elektrischen Maschine 5 elektrisch verbunden.A crankshaft 41 is connected to pedals 45 via crank arms 44, with a generator 40, designed as a pedal generator, being effectively connected to the crankshaft 41. The drive unit comprises an electric machine 5, designed as a wheel hub motor, and a switchable planetary gear set 4, which are jointly arranged in a hub housing 2 and effectively connected to the drive wheel 3 of the bicycle in order to generate drive power at the drive wheel 3 according to an electrical output of the generator 40. An electrical energy storage device 46 is arranged on the frame 43 of the bicycle and is electrically connected to the generator 40 and the electric machine 5.

Wenn der Fahrer pedaliert, erzeugt der Generator 40 eine elektrische Leistung, die als Maß für die in die elektrische Maschine 5 am Antriebsrad 3 eingespeiste elektrische Energie aus dem Energiespeicher 46 dient. Insbesondere ist die elektrische Antriebsleistung, die die elektrische Maschine 5 am Antriebsrad 3 bereitstellt, das Produkt aus der elektrischen Leistung des Generators 40 und einem Faktor, der vom Fahrer durch Auswahl des Fahrmodus wählbar ist. Zwischen der Radnabe, die das Antriebsrad 5 drehbar am Rahmen 43 lagert, und der Pedalkurbelwelle 41 ist keine mechanische Verbindung, insbesondere kein Ketten- oder Riementrieb angeordnet, sodass das Antriebsrad 3 nur durch die Antriebseinheit angetrieben werden kann.When the rider pedals, the generator 40 produces electrical power, which serves as a measure of the electrical energy from the energy storage device 46 fed into the electric machine 5 at the drive wheel 3. Specifically, the electrical drive power provided by the electric machine 5 at the drive wheel 3 is the product of the electrical power of the generator 40 and a factor selectable by the rider by choosing the driving mode. There is no mechanical connection, in particular no chain or belt drive, between the wheel hub, which rotatably mounts the drive wheel 5 on the frame 43, and the pedal crank shaft 41, so the drive wheel 3 can only be driven by the drive unit.

2 zeigt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 1, umfassend ein als Antriebsrad 3 ausgebildetes Hinterrad, ein Vorderrad 42 und eine erfindungsgemäße Antriebseinheit. Das Fahrzeug 1 ist wie in der Ausführungsform nach 1, auf die Bezug genommen wird, auch als Fahrrad, insbesondere als E-Bike ausgebildet. Der Unterschied zwischen diesen beiden Ausführungsformen besteht lediglich darin, dass der Generator an der Tretkurbelwelle 41 entfällt und die Tretkurbelwelle 41 eine mechanische Verbindung über einen Zugmitteltrieb 50 zur Antriebseinheit und somit auch zum Antriebsrad 3 aufweist. Mithin kann der Fahrer das Fahrrad bei entladenem Energiespeicher 46 mit Muskelkraft antreiben. Dadurch können Herstellungskosten gesenkt werden. 2 Figure 1 shows an alternative embodiment of a vehicle 1 according to the invention, comprising a rear wheel designed as a drive wheel 3, a front wheel 42, and a drive unit according to the invention. The vehicle 1 is as in the embodiment according to Figure 1. 1 The embodiment referred to is also designed as a bicycle, in particular as an e-bike. The only difference between these two embodiments is that the generator on the pedal crank 41 is omitted, and the pedal crank 41 has a mechanical connection via a traction drive 50 to the drive unit and thus also to the drive wheel 3. Therefore, the rider can propel the bicycle with muscle power when the energy storage 46 is depleted. This reduces manufacturing costs.

3 zeigt stark vereinfacht einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit, insbesondere die obere Hälfte von der Rotationsachse 47 aus gesehen. Ein Nabengehäuse 2 der Antriebseinheit ist über nicht näher dargestellte Speichen mit einer Felge des Antriebsrads 3 drehfest verbunden. Im Nabengehäuse 2 sind ein schaltbarer Planetenradsatz 4 und eine elektrische Maschine 5 mit einem Rotor 6 und einem Stator 7 angeordnet. Der Planetenradsatz 4 ist koaxial zur elektrischen Maschine 5 sowie radial innerhalb der elektrischen Maschine 5 angeordnet, wobei der Rotor 6 über den Planetenradsatz 4 antriebswirksam mit dem Nabengehäuse 2 verbunden ist und der Stator 7 über ein stationäres Element mit einer Radachse 19, die drehfest mit dem Rahmen des Fahrrads verbunden ist, drehfest verbunden ist. An einer Rotorwelle ist eine Rotorlagesensorik 31 angeordnet, die mit einer Platine 30 zusammenwirkt. Über die Platine 30 erfolgt ferner eine elektrische Energieübertragung. 3 Figure 1 shows a highly simplified section of a first embodiment of the drive unit according to the invention, in particular the upper half as seen from the axis of rotation 47. A hub housing 2 of the drive unit is non-rotatably connected to a rim of the drive wheel 3 via spokes (not shown in detail). A switchable planetary gear set 4 and an electric machine 5 with a rotor 6 and a stator 7 are arranged in the hub housing 2. The planetary gear set 4 is arranged coaxially with the electric machine 5 and radially within the electric machine 5, wherein the rotor 6 is effectively connected to the hub housing 2 via the planetary gear set 4, and the stator 7 is non-rotatably connected to a wheel axle 19, which is non-rotatably connected to the frame of the bicycle, via a stationary element. A rotor position sensor 31 is arranged on a rotor shaft, which interacts with a circuit board 30. Electrical energy transmission also takes place via the circuit board 30.

Der schaltbare Planetenradsatz 4 weist drei Wellen auf, nämlich eine erste Welle, die als Sonnenrad 14 ausgebildet ist, eine zweite Welle, die als Planetenträger 15 ausgebildet ist, und eine dritte Welle, die als Hohlrad 16 ausgebildet ist. Das Hohlrad 16 des Planetenradsatzes 4 ist über eine Freilaufvorrichtung 11 an dem stationären Element abgestützt. Im Leistungsfluss zwischen der elektrischen Maschine 5 und dem Planetenradsatz 4 sind eine Kupplungsvorrichtung 8 mit einem Stellgewinde 9 und eine Drehfeder 10 angeordnet.The switchable planetary gear set 4 has three shafts: a first shaft designed as a sun gear 14, a second shaft designed as a planet carrier 15, and a third shaft designed as a ring gear 16. The ring gear 16 of the planetary gear set 4 is supported on the stationary element via a freewheel device 11. In the power flow between the electrical A coupling device 8 with an adjusting thread 9 and a torsion spring 10 are arranged between machine 5 and the planetary gear set 4.

Die Kupplungsvorrichtung 8 ist als Permanentmagnetkupplung ausgebildet und weist einen Permanentmagneten 12 sowie eine reibschlüssig damit zusammenwirkende Ankerplatte 13 auf. Die Ankerplatte 13 ist über die Drehfeder 10 mit dem Rotor 6 verbunden und über das Stellgewinde 9 mit dem Sonnenrad 14 des Planetenradsatzes 4 verbunden. Der Permanentmagnet 12 ist mit dem Planetenträger 15 des Planetenradsatzes 4 verbunden.The coupling device 8 is designed as a permanent magnet coupling and comprises a permanent magnet 12 and an armature plate 13 that engages with it in a frictional manner. The armature plate 13 is connected to the rotor 6 via the torsion spring 10 and to the sun gear 14 of the planetary gear set 4 via the adjusting thread 9. The permanent magnet 12 is connected to the planet carrier 15 of the planetary gear set 4.

In einer geschlossenen Schaltstellung, die vorliegend dargestellt ist, verbindet die Kupplungsvorrichtung 8 über das Stellgewinde 9 das Sonnenrad 14 und den Planetenträger 15 drehfest miteinander, wodurch der Planetenradsatz 4 im Block umläuft und eine Direktübersetzung aufweist. Das Fahrrad kann dadurch eine maximale Geschwindigkeit erreichen.In a closed switching position, as shown here, the coupling device 8 connects the sun gear 14 and the planet carrier 15 to each other in a rotationally fixed manner via the adjusting thread 9, causing the planet gear set 4 to rotate in a block and provide a direct transmission. This allows the bicycle to reach a maximum speed.

Sobald die Last am Antriebsrad zunimmt, beispielsweise durch Befahren einer Fahrbahnsteigung, verdreht sich die Drehfeder 10, wobei das Stellgewinde 9 diese Rotation in einen Axialvorschub umwandelt und dadurch die Kupplungsvorrichtung 8 öffnet, also die Ankerplatte 13 vom Permanentmagneten 12 beabstandet. Die Antriebsleistung der elektrischen Maschine 5 wird dann über das Stellgewinde 9 in das Sonnenrad 14 des Planetenradsatzes 4 eingeleitet. Die Übersetzung erfolgt über die am Planetenträger 15 drehbar angeordneten Planetenräder 17, die mit dem Hohlrad 16 und dem Sonnenrad 14 kämmen. Über den Planetenträger 15, der als Abtriebswelle vorgesehen und drehfest mit dem Nabengehäuse 2 verbunden ist, wird die übersetzte Antriebsleistung am Antriebsrad bereitgestellt. Durch die automatisch geänderte Übersetzung kann das Antriebsrad ein maximales Drehmoment erreichen.As soon as the load on the drive wheel increases, for example when driving uphill, the torsion spring 10 twists, with the adjusting thread 9 converting this rotation into an axial feed and thereby opening the clutch device 8, thus separating the armature plate 13 from the permanent magnet 12. The drive power of the electric machine 5 is then introduced via the adjusting thread 9 into the sun gear 14 of the planetary gear set 4. The transmission is achieved via the planet gears 17, which are rotatably mounted on the planet carrier 15 and mesh with the ring gear 16 and the sun gear 14. The translated drive power is supplied to the drive wheel via the planet carrier 15, which serves as the output shaft and is rotationally fixed to the hub housing 2. The automatically changing transmission ratio allows the drive wheel to achieve maximum torque.

Wenn die Last am Antriebsrad unter einem Schwellwert sinkt, verdreht sich die Drehfeder 10 automatisch zurück in die Ursprungsform, wobei dadurch das Stellgewinde 9 verdreht und somit die Ankerplatte 13 wieder zurück zum Permanentmagneten 12 verschoben wird, sodass das Sonnenrad 14 und der Planetenträger 15 wieder drehfest miteinander verbunden sind. Dadurch, dass die Kupplungsvorrichtung 8 als Reibkupplung ausgebildet ist, verläuft der Schaltvorgang sanft, insbesondere vergleichbar mit einem Einkuppelvorgang. Dies verbessert den Fahr- und Schaltkomfort für den Fahrer. Ferner entsteht durch die Reibung des Stellgewindes 9 und der damit verbundenen Bauteile eine Schalthysterese, sodass im Bereich des Umschaltdrehmomentes kein ständiges hin- und herschalten erfolgt.When the load on the drive wheel falls below a threshold value, the torsion spring 10 automatically returns to its original shape, thereby rotating the adjusting thread 9 and thus moving the armature plate 13 back towards the permanent magnet 12, so that the sun gear 14 and the planet carrier 15 are once again rotationally fixed to each other. Because the clutch device 8 is designed as a friction clutch, the shifting process is smooth, particularly comparable to engaging a clutch. This improves driving and shifting comfort for the driver. Furthermore, the friction of the adjusting thread 9 and the associated components creates a shifting hysteresis, so that there is no constant back-and-forth switching in the range of the shifting torque.

4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit. Diese Antriebseinheit ist wie die Antriebseinheit gemäß 3, auf die Bezug genommen wird, als Radnabenantrieb ausgebildet. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zwischen diesen beiden Ausführungsformen erläutert. In 4 ist im Leistungsfluss zwischen dem Nabengehäuse 2 und dem schaltbaren Planetenradsatz 4 eine konstante Übersetzungsstufe 20 angeordnet. Die Übersetzungsstufe 20 ist vorliegend als Planetenradsatz ausgebildet und umfasst ein Sonnenrad 21, ein Hohlrad 23 und einen Planetenträger 22 mit mehreren daran angeordneten Planetenrädern 24, die mit dem Sonnenrad 21 und dem Hohlrad 23 in Zahneingriff stehen. Das Sonnenrad 21 der Übersetzungsstufe 20 ist mit dem Planetenträger 15 des schaltbaren Planetenradsatzes 4 drehfest verbunden. Der Planetenträger 22 der Übersetzungsstufe 20 ist an der Radachse 19 stationär festgelegt, wobei das Hohlrad 23 der Übersetzungsstufe 20 mit dem Nabengehäuse 2 drehfest verbunden ist. Die Übersetzungsstufe 20 ermöglicht eine Drehmomenterhöhung, wodurch die elektrische Maschine 5 kompakter ausgebildet werden kann. Vorliegend ist die Übersetzungsstufe 20 axial angrenzend an der elektrischen Maschine 5 und dem schaltbaren Planetenradsatz 4 im Nabengehäuse 2 angeordnet, wodurch radialer Bauraum eingespart wird. 4 shows a second embodiment of the drive unit according to the invention. This drive unit is similar to the drive unit according to 3 , to which reference is made, designed as a wheel hub drive. Only the differences between these two embodiments are explained below. 4 A constant gear stage 20 is arranged in the power flow between the hub housing 2 and the switchable planetary gear set 4. In this case, the gear stage 20 is designed as a planetary gear set and comprises a sun gear 21, a ring gear 23, and a planet carrier 22 with several planet gears 24 arranged on it, which mesh with the sun gear 21 and the ring gear 23. The sun gear 21 of the gear stage 20 is non-rotatably connected to the planet carrier 15 of the switchable planetary gear set 4. The planet carrier 22 of the gear stage 20 is fixed to the wheel axle 19, with the ring gear 23 of the gear stage 20 being non-rotatably connected to the hub housing 2. The gear stage 20 enables an increase in torque, which allows the electric machine 5 to be designed more compactly. In this case, the transmission stage 20 is arranged axially adjacent to the electric machine 5 and the switchable planetary gear set 4 in the hub housing 2, thereby saving radial installation space.

Ferner ist eine Rückstellfeder 18 zur Rückstellung des schaltbaren Planetenradsatzes 4 und der damit verbundenen Bauteile, insbesondere des Sonnenrades 21 der Übersetzungsstufe 20 und der Kupplungsvorrichtung 8 zwischen dem stationären Bauteil und dem Sonnenrad 21 der Übersetzungsstufe 20 angeordnet. Mithin wirkt die Rückstellfeder 18 über das Sonnenrad 21 der Übersetzungsstufe 20 auf den Planetenträger 15 des Planetenradsatzes 4. Das Stellgewinde 9 ist dazu eingerichtet, bei einer Rückwärtsbewegung des Fahrrads die Kupplungsvorrichtung 8 und den Planetenradsatz 4, insbesondere den Planetenträger 15 und das damit drehfest verbundene Sonnenrad 21, axial zu verschieben. Diese axiale Verschiebung wirkt auch auf das Hohlrad 16 und darüber auf die Freilaufvorrichtung 11, die aufgrund dessen ausspurt und frei drehen kann. Diese Funktion verhindert, dass die elektrische Maschine 5 bei einer Rückwärtsbewegung des Fahrrads mitgeschleppt wird. Sobald das Fahrrad wieder in Fahrtrichtung bewegt wird, drückt die Rückstellfeder 19 über das Sonnenrad 21 der Übersetzungsstufe 20 auf den Planetenträger 15 des Planetenradsatzes 4, um das Stellgewinde, den Planetenradsatz 4 und somit auch die Freilaufvorrichtung 11 in die Ausgangsposition zurückzustellen, sodass sich das Hohlrad 16 des Planetenradsatzes 4 beim Antrieb mittels der elektrischen Maschine 5 wieder mittelbar an der Radachse 19 abstützt.Furthermore, a return spring 18 is arranged between the stationary component and the sun gear 21 of the transmission stage 20 for returning the switchable planetary gear set 4 and the associated components, in particular the sun gear 21 of the transmission stage 20 and the clutch device 8. Thus, the return spring 18 acts via the sun gear 21 of the transmission stage 20 on the planet carrier 15 of the planetary gear set 4. The adjusting thread 9 is designed to axially displace the clutch device 8 and the planetary gear set 4, in particular the planet carrier 15 and the sun gear 21, which is non-rotatably connected to it, when the bicycle is moved backward. This axial displacement also acts on the ring gear 16 and, consequently, on the freewheel device 11, which disengages and can rotate freely. This function prevents the electric motor 5 from being dragged along when the bicycle is moved backward. As soon as the bicycle is moved in the direction of travel again, the return spring 19 presses via the sun gear 21 of the transmission stage 20 onto the planet carrier 15 of the planet gear set 4 in order to return the adjusting thread, the planet gear set 4 and thus also the freewheel device 11 to the starting position, so that the ring gear 16 of the planet gear set 4 is again indirectly supported on the wheel axle 19 when driven by the electric machine 5.

Ferner ist eine Raddrehzahlsensorik 32 vor Staub und Feuchtigkeit geschützt innerhalb des Nabengehäuses 2 angeordnet. Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß 4 dem Ausführungsbeispiel gemäß 3.Furthermore, a wheel speed sensor 32 is arranged inside the hub housing 2, protected from dust and moisture. Otherwise, the embodiment corresponds to the following. 4 according to the exemplary embodiment 3 .

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
Fahrzeugvehicle
22
NabengehäuseHub housing
33
Antriebsraddrive wheel
44
PlanetenradsatzPlanetary gear set
55
elektrische Maschineelectric machine
66
Rotorrotor
77
Statorstator
88
KupplungsvorrichtungCoupling device
99
StellgewindeAdjusting thread
1010
DrehfederTorsion spring
1111
FreilaufvorrichtungFreewheel device
1212
PermanentmagnetPermanent magnet
1313
AnkerplatteAnchor plate
1414
Sonnenradsun wheel
1515
PlanetenträgerPlanetary carrier
1616
Hohlradring gear
1717
Planetenradplanet gear
1818
RückstellfederReturn spring
1919
Radachsewheel axle
2020
ÜbersetzungsstufeTranslation stage
2121
Sonnenradsun wheel
2222
PlanetenträgerPlanetary carrier
2323
Hohlradring gear
2424
Planetenradplanet gear
3030
Platinecircuit board
3131
RotorlagesensorikRotor position sensor
3232
RaddrehzahlsensorikWheel speed sensor
4040
Generatorgenerator
4141
TretkurbelwelleCrankshaft
4242
Vorderradfront wheel
4343
RahmenFrame
4444
Tretkurbelcrank
4545
Pedalepedals
4646
EnergiespeicherEnergy storage
4747
Rotationsachseaxis of rotation
5050
ZugmitteltriebTraction drive

Claims (10)

Antriebseinheit für ein zumindest teilweise mit einer Muskelkraft antreibbares Fahrzeug (1), aufweisend ein Nabengehäuse (2), das dazu eingerichtet ist, mit einem Antriebsrad (3) des Fahrzeugs (1) drehfest verbunden zu sein, ein darin angeordneter schaltbarer Planetenradsatz (4) mit drei Wellen und eine damit antriebswirksam verbundene elektrische Maschine (5) mit einem Rotor (6) und einem Stator (7), wobei der schaltbare Planetenradsatz (4) radial innerhalb der elektrischen Maschine (5) sowie koaxial dazu angeordnet ist, eine Kupplungsvorrichtung (8) und ein Stellgewinde (9), die über eine Drehfeder (10) mit dem Rotor (6) antriebswirksam verbunden sind, wobei die Kupplungsvorrichtung (8) in einer geschlossenen Schaltstellung zwei der drei Wellen des schaltbaren Planetenradsatzes (4) drehfest miteinander verbindet, wodurch der Planetenradsatz (4) im Block umläuft, wobei die Kupplungsvorrichtung (8) in einer geöffneten Schaltstellung, die durch eine Drehmomentüberschreitung und Verdrehung der Drehfeder (10) eingeleitet wird, die beiden drehfest miteinander verbundenen Wellen des schaltbaren Planetenradsatzes (4) mittels Stellgewinde (9) voneinander entkoppelt, sodass die Antriebsleistung der elektrischen Maschine (5) nur noch über eine dieser beiden Wellen in den Planetenradsatz (4) eingeleitet wird, wobei eine dritte Welle des schaltbaren Planetenradsatzes (4) über eine Freilaufvorrichtung (11) an einem stationären Element abgestützt ist.Drive unit for a vehicle (1) that can be propelled at least partially by muscle power, comprising a hub housing (2) configured to be rotationally fixed to a drive wheel (3) of the vehicle (1), a switchable planetary gear set (4) with three shafts arranged therein, and an electric machine (5) with a rotor (6) and a stator (7) effectively connected thereto, wherein the switchable planetary gear set (4) is arranged radially within the electric machine (5) and coaxially thereto, a coupling device (8) and an adjusting thread (9) which are effectively connected to the rotor (6) via a torsion spring (10), wherein the coupling device (8) in a closed switching position connects two of the three shafts of the switchable planetary gear set (4) to each other in a rotationally fixed manner, whereby the planetary gear set (4) rotates in a block, wherein the coupling device (8) in an open switching position, which is initiated by exceeding the torque and twisting the torsion spring (10), the two The shafts of the switchable planetary gear set (4), which are connected to each other in a rotationally fixed manner, are decoupled from each other by means of adjusting threads (9), so that the drive power of the electric machine (5) is introduced into the planetary gear set (4) only via one of these two shafts, wherein a third shaft of the switchable planetary gear set (4) is supported on a stationary element via a freewheel device (11). Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsvorrichtung (8) einen Permanentmagneten (12) und eine reibschlüssig damit zusammenwirkende Ankerplatte (13) aufweist.drive unit according to Claim 1 , characterized in that the coupling device (8) has a permanent magnet (12) and an armature plate (13) which interacts with it in a frictional manner. Antriebseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerplatte (13) über die Drehfeder (10) mit dem Rotor (6) verbunden ist und über das Stellgewinde (9) mit der ersten Welle des schaltbaren Planetenradsatzes (4) verbunden ist.drive unit according to Claim 2 , characterized in that the anchor plate (13) is connected to the rotor (6) via the torsion spring (10) and is connected to the first shaft of the switchable planetary gear set (4) via the adjusting thread (9). Antriebseinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (12) mit der zweiten Welle des schaltbaren Planetenradsatzes (4) verbunden ist.drive unit according to Claim 2 or 3 , characterized in that the permanent magnet (12) is connected to the second shaft of the switchable planetary gear set (4). Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle des schaltbaren Planetenradsatzes (4) als Sonnenrad (14) ausgebildet ist, wobei die zweite Welle des schaltbaren Planetenradsatzes (4) als Planetenträger (15) ausgebildet ist, wobei die dritte Welle des schaltbaren Planetenradsatzes (4) als Hohlrad (16) ausgebildet ist.Drive unit according to one of the preceding claims, characterized in that the first shaft of the switchable planetary gear set (4) is designed as a sun gear (14), wherein the second shaft of the switchable planetary gear set (4) is designed as a planet carrier (15), wherein the third shaft of the switchable planetary gear set (4) is designed as a ring gear (16). Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellgewinde (9) dazu eingerichtet ist, bei einer Rückwärtsbewegung des Fahrzeugs (1) zumindest die Kupplungsvorrichtung (8) und den schaltbaren Planetenradsatz (4) derart axial zu verschieben, dass die Freilaufvorrichtung (11) frei drehen kann.Drive unit according to one of the preceding claims, characterized in that the adjusting thread (9) is arranged to axially displace at least the clutch device (8) and the switchable planetary gear set (4) during a reverse movement of the vehicle (1) in such a way that the freewheel device (11) can rotate freely. Antriebseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rückstellfeder (18) zur Rückstellung des schaltbaren Planetenradsatzes (4) und der damit verbundenen Kupplungsvorrichtung (8) im Nabengehäuse (2) angeordnet ist.drive unit according to Claim 6 , characterized in that the at least one return spring (18) for resetting the switchable planetary gear set (4) and the associated clutch device (8) is arranged in the hub housing (2). Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Leistungsfluss zwischen dem Nabengehäuse (2) und dem schaltbaren Planetenradsatz (4) eine konstante Übersetzungsstufe (19) angeordnet ist.Drive unit according to one of the preceding claims, characterized in that a constant transmission stage (19) is arranged in the power flow between the hub housing (2) and the switchable planetary gear set (4). Fahrzeug (1), das zumindest teilweise mit einer Muskelkraft antreibbar ist, umfassend zumindest zwei Räder und eine Antriebseinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.Vehicle (1) that can be propelled at least partially by muscle power, comprising at least two wheels and a drive unit according to one of the preceding claims. Fahrzeug (1) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Generator (40) mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor des Generators (40) drehfest mit einer Tretkurbelwelle (41) des Fahrzeugs (1) verbunden ist.Vehicle (1) after Claim 9 , characterized by a generator (40) with a rotor and a stator, wherein the rotor of the generator (40) is connected to a pedal crank shaft (41) of the vehicle (1) in a rotationally fixed manner.
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