DE102021003258A1

DE102021003258A1 - Schaltbare Welle für ein Getriebe

Info

Publication number: DE102021003258A1
Application number: DE102021003258.6A
Authority: DE
Inventors: Gereon Hellenbroich
Original assignee: FEV Group GmbH
Current assignee: FEV Group GmbH
Priority date: 2021-06-24
Filing date: 2021-06-24
Publication date: 2021-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine schaltbare Welle für ein Getriebe, umfassend einen Betätigungskolben und zumindest zwei Sperrklinken, wobei die Sperrklinken durch den Betätigungskolben aktuierbar sind und in einem verriegelnden Zustand ein verdrehbar auf der Welle angeordnetes Losrad an einem Verdrehen gegenüber der Welle in zumindest einer Richtung hindern, ein Antriebssystem für ein Leichtfahrzeug und ein Leichtfahrzeug.Die erfindungsgemäße schaltbare Welle (6) für ein Getriebe (2), wobei zumindest zwei schaltbare Losräder (31,32,33,34,35,36) des Getriebes (2) verdrehbar nebeneinander auf der schaltbaren Welle (6) angeordnet sind, umfasst einen Betätigungskolben (23,24) und zumindest zwei Sperrklinken (39,40,41,42), wobei- der Betätigungskolben (23,24) koaxial in der schaltbaren Welle (6) angeordnet ist,- der Betätigungskolben (23,24) in axialer Richtung der schaltbaren Welle (6) verschiebbar ausgeführt ist,- die Sperrklinken (39,40,41,42) in der schaltbaren Welle (6) angeordnet sind,- die Sperrklinken (39,40,41,42) ausgebildet sind, jeweils ein Losrad (31,32,33,34,35,36) zu verriegeln oder zu entriegeln und- die Sperrklinken (39,40,41,42) durch den Betätigungskolben (23,24) aktuierbar sind, so dass die Sperrklinken (39,40,41,42) abhängig von der axialen Position des Betätigungskolbens (23,24) jeweils ein Losrad (31,32,33,34,35,36) verriegeln oder entriegeln und- die Sperrklinken (39,40,41,42) in einem verriegelnden Zustand ein Losrad (31,32,33,34,35,36) an einem Verdrehen gegenüber der schaltbaren Welle (6) in zumindest einer Richtung hindern.

Description

Die Erfindung betrifft eine schaltbare Welle für ein Getriebe, umfassend einen Betätigungskolben und zumindest zwei Sperrklinken, wobei die Sperrklinken durch den Betätigungskolben aktuierbar sind und in einem verriegelnden Zustand ein verdrehbar auf der Welle angeordnetes Losrad an einem Verdrehen gegenüber der Welle in zumindest einer Richtung hindern, ein Antriebssystem für ein Leichtfahrzeug und ein Leichtfahrzeug.
Aus der DE 10 2018 104 692 A1 ist eine Kupplungsanordnung zum Kuppeln von Gliedern, insbesondere als Gangschaltkupplung in einer Getriebeeinheit, mit einer Sperrkörperanordnung bekannt, wobei die Sperrkörperanordnung in eine Kupplungsposition verschwenkbar ist, bei der ein Mitnahmeabschnitt der Sperrkörperanordnung in eine Kupplungsverzahnung greift, um ein erstes Glied mit einem zweiten Glied gegenüber einer Relativbewegung in einer ersten Richtung formschlüssig zu koppeln, und wobei die Sperrkörperanordnung in eine Freigabeposition verschwenkbar ist, bei der der Mitnahmeabschnitt der Sperrkörperanordnung nicht in die Kupplungsverzahnung greift.
Die erfindungsgemäße, schaltbare Welle für ein Getriebe, wobei zumindest zwei schaltbare Losräder des Getriebes verdrehbar nebeneinander auf der Welle angeordnet sind, umfasst einen Betätigungskolben und zumindest zwei Sperrklinken, wobei

- der Betätigungskolben koaxial in der Welle angeordnet ist,
- der Betätigungskolben in axialer Richtung der Welle verschiebbar ausgeführt ist,
- die Sperrklinken in der Welle angeordnet sind,
- die Sperrklinken ausgebildet sind, jeweils ein Losrad zu verriegeln oder zu entriegeln und
- die Sperrklinken durch den Betätigungskolben aktuierbar sind, so dass die Sperrklinken abhängig von der axialen Position des Betätigungskolbens jeweils ein Losrad verriegeln oder entriegeln und
- die Sperrklinken in einem verriegelnden Zustand ein Losrad an einem Verdrehen gegenüber der Welle in zumindest einer Richtung hindern.

Dadurch, dass die Sperrklinken in einem verriegelnden Zustand ein Losrad an einem Verdrehen gegenüber der Welle in zumindest einer Richtung hindern, ermöglicht die Erfindung, ein Drehmoment von dem am Verdrehen gehinderten Losrad auf die Welle und/oder von der Welle auf das am Verdrehen gehinderte Losrad zu übertragen.
Als Losrad wird hier ein drehbares Rad verstanden, das in einem entriegelten Zustand gegenüber der schaltbaren Welle frei drehen kann und in einem verriegelten Zustand zumindest in einer Richtung an einem Verdrehen gegenüber der Welle gehindert wird. Hier wird als Losrad insbesondere ein Zahnrad verstanden.
Als Betätigungskolben wird hier ein Kolben verstanden, der ausgebildet ist, die Sperrklinken zu aktuieren und hierzu koaxial in der Welle angeordnet und in axialer Richtung verschiebbar ausgeführt ist. Insbesondere kann der Kolben als zylindrischer Körper ausgeführt sein.
Als Sperrklinke wird hier ein Bauteil verstanden, das das Verdrehen einer drehbaren Komponente, hier eines Losrads, in zumindest einer Richtung verhindert.
Bevorzugt sind beide Sperrklinken je einem Losrad zugeordnet, so dass beiden Losrädern eine Sperrklinke zugeordnet ist. Weiterhin bevorzugt ist der Betätigungskolben ausgebildet, immer nur die Sperrklinke eines Losrads so zu aktuieren, dass sie ein Verdrehen des Losrads gegenüber der Welle verhindert. Das hat den Vorteil, dass immer zwischen einem Losrad und der Welle ein Drehmoment übertragen werden kann, wohingegen das andere Losrad gegenüber der Welle frei drehen kann.
Bevorzugt umfasst die Welle zwei Sperrklinken je Losrad. Dadurch ermöglicht die Erfindung, dass ein Drehen eines Losrads gegenüber der Welle in einem verriegelten Zustand in beide Richtungen verhindert wird. Dadurch kann zwischen dem verriegelten Losrad und der Welle in beide Drehrichtungen ein Drehmoment übertragen werden, so dass beispielsweise eine Drehmomentrichtung für einen Antrieb bei Vorwärtsfahrt und die andere Drehmomentrichtung für Rückwärtsfahrt oder zur Energierekuperation genutzt werden kann. Besonderes bevorzugt sind die Sperrklinken auf umfangsseitig gegenüberliegenden Seiten der Welle angeordnet. Hierbei ist der Betätigungskolben bevorzugt ausgebildet, immer nur die beiden Sperrklinken eines Losrads so zu aktuieren, dass sie ein Verdrehen des Losrads gegenüber der Welle verhindert, so dass immer zwischen einem Losrad und der Welle ein Drehmoment übertragen werden kann, wohingegen das andere Losrad gegenüber der Welle frei drehen kann.
Weiterhin bevorzugt sind mehr als zwei schaltbare Losräder, besonders bevorzugt drei schaltbare Losräder verdrehbar nebeneinander auf der Welle angeordnet. Auch bei mehr als zwei Losrädern ist der Betätigungskolben bevorzugt ausgebildet, immer nur die Sperrklinke oder die Sperrklinken eines Losrads so zu aktuieren, dass ein Verdrehen dieses einen Losrads gegenüber der Welle in zumindest einer Richtung verhindert wird.
Vorzugsweise umfasst der Betätigungskolben zumindest eine Feder und zumindest ein Betätigungselement, wobei die Feder und das Betätigungselement ausgebildet sind, die Sperrklinken zu aktuieren.
Dadurch, dass die Feder und das Betätigungselement ausgebildet sind, die Sperrklinken zu aktuieren, ermöglicht die Erfindung, dass durch das Betätigungselement ein definierter Kontakt mit einer Sperrklinke hergestellt werden kann und durch die Feder eine einfache Kraftaufbringung erfolgen kann. Aufgrund der Elastizität der Feder wird auch ein Entriegeln vereinfacht und erfordert keine aufwendige mechanische Vorrichtung.
Als Betätigungselement werden hier Bauteile verstanden, die an einem den Sperrklinken zugewandten Ende der Feder angeordnet sind und ausgebildet sind, die Sperrklinken zu aktuieren.
Bevorzugt sind die Betätigungselemente als Kugeln ausgeführt, da so ein Aktuieren mit reduzierten Reibungsverlusten ermöglicht wird.
Wenn die schaltbare Welle zwei Sperrklinken je Losrad umfasst, umfasst der Betätigungskolben bevorzugt zwei Betätigungselemente je Feder. Besonders bevorzugt sind auch hier die Betätigungselemente als Kugeln ausgeführt und an den gegenüberliegenden Enden der Feder angeordnet, so dass jede Kugel eine der Sperrklinken des Losrads aktuieren kann. Dadurch ermöglicht die Erfindung, dass beide Sperrklinken eines Losrads simultan durch eine Feder und mit einer identischen Kraft aktuiert werden können.
Vorzugsweise umfasst der Betätigungskolben drei Federn und sechs Betätigungselemente, wobei jeweils einer Feder zwei Betätigungselemente zugeordnet sind, wobei eine der drei Federn, bezogen auf die Längsachse der Welle, zu den anderen beiden Federn versetzt angeordnet ist und wobei die versetzt angeordnete Feder ausgebildet ist, die Sperrklinken in einen verriegelnden Zustand zu bringen und die anderen zwei Federn ausgebildet sind, die Sperrklinken in einen entriegelnden Zustand zu bringen.
Dadurch, dass eine der drei Federn ausgebildet ist, die Sperrklinken in einen verriegelnden Zustand zu bringen und die anderen zwei Federn ausgebildet sind, die Sperrklinken in einen entriegelnden Zustand zu bringen, ermöglicht die Erfindung eine definierte Positionierung der Sperrklinken, da so verhindert werden kann, dass sich mehr als ein Losrad in einem verriegelten Zustand befindet und so unter Umständen eine Funktionalität des Getriebes eingeschränkt werden würde.
Wenn mehr als zwei Losräder verdrehbar nebeneinander auf der Welle angeordnet sind, sind die Federn und Betätigungselemente, die ausgebildet sind, die Sperrklinken in einen entriegelten Zustand zu bringen, bevorzugt so ausgebildet, dass sie zwei nebeneinander angeordnete Sperrklinken zwei unterschiedlicher Losräder gemeinsam entriegeln können. Dadurch können Bauteile und somit auch Kosten eingespart werden.
Vorzugsweise sind die Sperrklinken um einen zentralen Drehpunkt gelagert.
Dadurch, dass die Sperrklinken um einen zentralen Drehpunkt gelagert sind, ermöglicht die Erfindung, dass die Sperrklinken durch ein einfaches Drehen um den Drehpunkt geschaltet werden können. Insbesondere ist es so möglich mit zwei Federn und zwei Betätigungselementen, wobei die Federn, bezogen auf die Längsachse der Welle, zueinander versetzt angeordnet sind, die Sperrklinken definiert zu schalten, indem die Betätigungselemente links beziehungsweise rechts des Drehpunkts auf die Sperrklinken wirken.
Bevorzugt sind die Sperrklinken von verdrehbar nebeneinander auf der Welle angeordneten Losrädern um einen gemeinsamen Drehpunkt angeordnet. Dies ermöglicht das gemeinsame Entriegeln zweier nebeneinander angeordneter Sperrklinken durch eine Feder und ein Betätigungselement.
Vorzugsweise ist der Betätigungskolben durch ein Stellelement des Getriebes betätigbar.
Dadurch, dass der Betätigungskolben durch ein Stellelement des Getriebes betätigbar ist, ermöglicht die Erfindung ein direktes Stellen des Betätigungskolbens, ohne dass eine zusätzliche Komponente erforderlich ist.
Bevorzugt umfasst der Betätigungskolben eine Umfangsnut, in die das Stellelement zum Betätigen des Betätigungskolbens eingreifen kann. Die Umfangsnut ermöglicht, dass das Stellelement auch bei einem Verdrehen des Betätigungskolbens den Betätigungskolben sicher verstellen kann.
Vorzugsweise umfasst die Welle eine Schalthülse, ist der Betätigungskolben mit der Schalthülse verbunden und ist der Betätigungskolben durch die Schalthülse betätigbar.
Dadurch, dass der Betätigungskolben durch die Schalthülse betätigbar ist, ermöglicht die Erfindung ein präzises Stellen des Betätigungskolbens, da die Schalthülse nicht oder nur minimal gegenüber der Welle axial verkippen kann und somit ein Blockieren verhindert oder die Wahrscheinlichkeit eines Blockierens zumindest reduziert werden kann.
Bevorzugt weist die Schalthülse eine Umfangsnut auf, in die ein Stellelement eingreifen kann. Die Umfangsnut ermöglicht, dass das Stellelement auch bei einem Verdrehen der Schalthülse die Schalthülse sicher verstellen kann.
Vorzugsweise sind auf der schaltbaren Welle zumindest zwei schaltbare Losräder einer ersten Zahnradgruppe des Getriebes und zumindest zwei schaltbare Losräder einer zweiten Zahnradgruppe des Getriebes jeweils verdrehbar nebeneinander auf der schaltbaren Welle angeordnet, wobei die schaltbare Welle einen ersten und einen zweiten Betätigungskolben umfasst, die schaltbare Welle zumindest vier Sperrklinken umfasst und wobei der erste Betätigungskolben ausgebildet ist zumindest zwei Sperrklinken, die den Losrädern der ersten Zahnradgruppe zugeordnet sind, zu aktuieren, und der zweite Betätigungskolben ausgebildet ist die zumindest zwei anderen Sperrklinken, die den Losrädern der zweiten Zahnradgruppe zugeordnet sind, zu aktuieren.
Dadurch, dass der erste Betätigungskolben ausgebildet ist zumindest zwei Sperrklinken, die den Losrädern der ersten Zahnradgruppe zugeordnet sind, zu aktuieren, und der zweite Betätigungskolben ausgebildet ist die zumindest zwei anderen Sperrklinken, die den Losrädern der zweiten Zahnradgruppe zugeordnet sind, zu aktuieren, ermöglicht die Erfindung, Losräder zweier Zahnradgruppen unabhängig voneinander zu aktuieren. Dadurch kann die schaltbare Welle beispielsweise das Getriebe schalten und dabei sowohl ein sequentielles Schalten als auch Schaltsprünge umsetzen.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem für ein Leichtfahrzeug umfasst ein Getriebe und einen Elektromotor, wobei

- das Getriebe ein Gruppengetriebe mit einer ersten und einer zweiten Gruppe und eine erfindungsgemäße, schaltbare Welle umfasst,
- die erste Gruppe ausgebildet ist, ein Eingangsdrehmoment aufzunehmen,
- die schaltbare Welle mit dem Elektromotor so verbunden ist, dass die schaltbare Welle ein Drehmoment des Elektromotors aufnehmen kann,
- die schaltbare Welle ausgebildet ist, die erste Gruppe und den Elektromotor mit der zweiten Gruppe zu verbinden, so dass die Welle das Eingangsdrehmoment von der ersten Gruppe und das Drehmoment des Elektromotors auf die zweite Gruppe übertragen kann,
- durch ein Schalten der schaltbaren Welle ein Übersetzungsverhältnis der ersten und/oder der zweiten Gruppe veränderbar ist und
- die zweite Gruppe ausgebildet ist, das von der schaltbaren Welle aufgenommene Eingangsdrehmoment und das von der schaltbaren Welle aufgenommene Drehmoment vom Elektromotor abzugeben.

Dadurch, dass die Welle ausgebildet ist, die erste Gruppe und den Elektromotor mit der zweiten Gruppe zu verbinden und das Eingangsdrehmoment und das Drehmoment des Elektromotors dadurch parallel angeordnet sind, ermöglicht die Erfindung, dass das Eingangsdrehmoment unabhängig vom Drehmoment des Elektromotors eingebracht werden kann. Gleichzeitig kann das Drehmoment des Elektromotors flexibel als Unterstützung zum Eingangsdrehmoment eingebracht werden ohne einen Fahrkomfort zu beeinträchtigen oder eine Beeinträchtigung eines Fahrkomforts zumindest zu reduzieren. Weiterhin ermöglicht die schaltbare Welle ein Schalten des Getriebes, wobei sowohl sequentielles Schalten als auch Schaltsprünge möglich sind.
Als Leichtfahrzeug werden hier Fahrzeuge wie Fahrräder, Lastenräder oder auch Rikschas verstanden. Sie umfassen in der Regel zwei Räder, können aber auch drei- oder vierrädrig ausgeführt sein.
Das erfindungsgemäße Leichtfahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Antriebssystem.
Dadurch, dass das Leichtfahrzeug ein erfindungsgemäßes Antriebssystem umfasst, ermöglicht die Erfindung, dass Getriebe und Elektromotor vorteilhaft integriert werden können und dabei sequentielles Schalten sowie Schaltsprünge möglich sind. Bevorzugt ist das Antriebssystem als Mittelmotor umgesetzt, da das zu einem vorteilhaften Schwerpunkt führt.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

1 ein Ausführungsbeispiel eines Antriebssystems für ein Fahrrad,
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Antriebssystems für ein Fahrrad,
3 ein Ausführungsbeispiel einer schaltbaren Welle für ein Getriebe,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer schaltbaren Welle für ein Getriebe,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer schaltbaren Welle für ein Getriebe und
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer schaltbaren Welle für ein Getriebe.

1 zeigt ein Antriebssystem 1 für ein Leichtfahrzeug, insbesondere ein Fahrrad. Das Antriebssystem 1 umfasst ein Getriebe 2 und einen Elektromotor 3. Da sowohl Getriebe 2 als auch Elektromotor 3 als eine Einheit in dem Antriebssystem 1 integriert sind, weist das Antriebssystem 1 kompakte und damit platzsparende Abmaße, vergleichbar zu aktuellen, leistungsfähigeren E-Fahrrad-Mittelmotoren, auf. Das hier gezeigte Antriebssystem 1 ist in einem nicht dargestellten Fahrrad als Mittelmotor verbaut.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Antriebssystems 1. Ein Eingangsdrehmoment eines Fahrenden des Fahrrads wird über eine Pedalwelle 20 an das Getriebe 2 übertragen. Das Eingangsdrehmoment setzt sich dabei aus zwei Drehmomenten (M_ein,L, M_ein,R) einer in Fahrtrichtung gesehenen linken und einer in Fahrtrichtung gesehenen rechten Tretkurbel zusammen.
Da von einem Fahrenden aufgebrachte Drehmomente üblicherweise hohe Werte, die größer 200 Nm betragen können, bei niedrigen Drehzahlen, meist unter 100 U/min, aufweisen, umfasst das Getriebe 2 am Eingang ein Planetengetriebe 7. Das Planetengetriebe 7 ist ausgebildet, das Eingangsdrehmoment zu reduzieren und die Eingangsdrehzahl entsprechend zu erhöhen. Das Planetengetriebe 7 ist dabei einem Gruppengetriebe des Getriebes 2 vorgeschaltet, wobei das Gruppengetriebe eine erste 4 und eine zweite 5 Gruppe umfasst. Das Getriebe 2 umfasst weiterhin eine schaltbare Welle 6, die ausgebildet ist, die erste Gruppe 4 sowie den Elektromotor 3 mit der zweiten Gruppe 4 zu verbinden.
Die schaltbare Welle 6 umfasst einen ersten 23 und einen zweiten 24 Betätigungskolben sowie zwölf, in den 3 und 4 gezeigte, Sperrklinken 39,40,31,42. Die Betätigungskolben 23,24 sind koaxial in der schaltbaren Welle 6 angeordnet und in axialer Richtung der schaltbaren Welle 6 verschiebbar ausgeführt. Die Sperrklinken 39,40 sind durch den ersten Betätigungskolben 23 und die Sperrklinken 41,42 durch den zweiten Betätigungskolben 24 aktuierbar. Durch ein Verschieben zumindest eines Betätigungskolbens 23,24 werden die entsprechenden Sperrklinken 39,40,41,42 aktuiert und ein Schalten des Getriebes 2 ermöglicht.
Das Planetengetriebe 7 umfasst einen Steg 8 mit drei Umlaufrädern 9, ein Hohlrad 10 und ein Sonnenrad 11. Das Planetengetriebe 7 nimmt das Eingangsdrehmoment über den Steg 8 auf und gibt es über das Sonnenrad 11 and die erste Gruppe 4 ab. Das Planetengetriebe 7 weist hier ein Übersetzungsverhältnis von etwa 0,3 auf, so dass die Eingangsdrehzahl ungefähr verdreifacht und das Eingangsdrehmoment ungefähr gedrittelt werden.
Die erste Gruppe 4 ist ausgebildet, das Eingangsdrehmoment des Sonnenrads 11 aufzunehmen. Hierzu weist die erste Gruppe 4 drei Zahnradpaare 21 auf, wobei ein Zahnrad jeden Zahnradpaars 21 mit einer ersten Hohlwelle 22 verbunden ist, mit der auch das Sonnenrad 11 verbunden ist. Das andere als Losrad 31,32,33 ausgeführte Zahnrad jedes Zahnradpaars 21 ist auf der schaltbaren Welle 6 angeordnet. Jedem Zahnrad 31,32,33 sind zwei der sechs Sperrklinken 39,40 zugeordnet. Diese zwei Sperrklinken 39,40 sind jeweils ausgebildet, abhängig von der axialen Position des ersten Betätigungskolben 23 eines der Zahnräder 31,32,33 zu verriegeln oder zu entriegeln. In einem verriegelnden Zustand hindern zwei Sperrklinken 39,40 das ihnen zugeordnete Zahnrad 31,32,33 an einem Verdrehen gegenüber der Welle 6 in beide Richtungen, wodurch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der schaltbaren Welle 6 und einem Zahnradpaar 21 besteht.
In 2 ist der erste Betätigungskolben 23 so geschaltet, dass die schaltbare Welle 6 und das Zahnrad 32 des mittleren Zahnradpaars 21 durch die zwei Sperrklinken 40 kraftschlüssig verbunden sind. Somit wird das Eingangsdrehmoment über das mittlere Zahnradpaar 21 auf die schaltbare Welle 6 übertragen, da die beiden Zahnräder eines jeden Zahnradpaares 21 miteinander in Eingriff sind. Die beiden Zahnräder 31,33 der äußeren Zahnradpaare 21 drehen hier ohne ein Drehmoment zu übertragen mit, da sie von der Hohlwelle 20 angetrieben werden, jedoch mit der schaltbaren Welle 6 nicht durch die Sperrklinken 39 kraftschlüssig verbunden sind.
Die schaltbare Welle 6 ist mit dem Elektromotor 3 so verbunden, dass die schaltbare Welle 6 ein Drehmoment des Elektromotors 3 aufnehmen kann. Um ein Drehmoment des Elektromotors 3 zu erhöhen und eine Drehzahl zu verringern, sind die schaltbare Welle 6 und der Elektromotor 3 über zwei Zahnradpaare 25, 26, die miteinander in Eingriff stehen, verbunden. Durch das Anpassen von Drehmoment und Drehzahl des Elektromotors 3 wird ein Angleichen an Eingangsdrehmoment und -drehzahl erreicht, so dass Eingangsdrehmoment und Drehmoment vom Elektromotor 3 über die schaltbare Welle 6 an die zweite Gruppe 5 übertragen werden können.
Die zweite Gruppe 5 ist ausgebildet, das von der schaltbaren Welle 6 aufgenommene Eingangsdrehmoment und das von der schaltbaren Welle 6 aufgenommene Drehmoment vom Elektromotor 3 abzugeben. Hierzu umfasst die zweite Gruppe 5 wie die erste Gruppe 4 drei Zahnradpaare 27. Ein Zahnrad jedes Zahnradpaars 27 ist dabei mit einer zweiten Hohlwelle 28 kraftschlüssig verbunden. Das andere als Losrad 34,35,36 ausgeführte Zahnrad eines jeden Zahnradpaares 27 ist auf der schaltbaren Welle 6 angeordnet. Jedem Zahnrad 34,35,36 sind zwei der sechs Sperrklinken 41,42 zugeordnet. Diese zwei Sperrklinken 41,42 sind jeweils ausgebildet, abhängig von der axialen Position des zweiten Betätigungskolben 24 eines der Zahnräder 34,35,36 zu verriegeln oder zu entriegeln. In einem verriegelnden Zustand hindern zwei Sperrklinken 41,42 das ihnen zugeordnete Zahnrad 34,35,36 an einem Verdrehen gegenüber der Welle 6 in beide Richtungen, wodurch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der schaltbaren Welle 6 und einem Zahnradpaar 27 besteht.
In 2 ist der zweite Betätigungskolben 24 so geschaltet, dass die schaltbare Welle 6 und das Zahnrad 35 des mittleren Zahnradpaars 27 durch die zwei Sperrklinken 42 kraftschlüssig verbunden sind. Somit werden das Eingangsdrehmoment und das Drehmoment vom Elektromotor 3 über das mittlere Zahnradpaar 27 auf die zweite Hohlwelle 28 übertragen, da die beiden Zahnräder eines jeden Zahnradpaares 27 miteinander in Eingriff sind. Die beiden Zahnräder 34,36 der äußeren Zahnradpaare 27 drehen hier ohne ein Drehmoment zu übertragen mit, da sie von der zweiten Hohlwelle 28 angetrieben werden, jedoch mit der schaltbaren Welle 6 nicht durch die Sperrklinken 41 kraftschlüssig verbunden sind.
Dadurch, dass jedem Zahnrad 31,32,33,34,35,36 jeweils zwei Sperrklinken 39,40,41,42 zugeordnet sind, ermöglicht es die schaltbare Welle 6, die Zahnräder 31,32,33,34,35,36 an einem Verdrehen in beide Richtungen zu hindern. Dadurch wird eine Rekuperationsfähigkeit des Getriebes 2 ermöglicht, da es in beide Richtungen ein Drehmoment übertragen kann. Auch eine Lastschaltfähigkeit wird so erreicht.
Die erste Gruppe 4 und die zweite Gruppe 5 weisen hier Übersetzungsverhältnisse auf, so dass eine Spreizung beziehungsweise eine Entfaltung von 450% verteilt über neun weitgehend gleichmäßig gestufte Gangstufen erreicht wird. In anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen weisen die erste 4 und die zweite 5 Gruppe je nach Anwendung höhere oder niedrigere Entfaltungen auf.
Durch Schalten der schaltbaren Welle 6, also durch axiales Verschieben des ersten 23 und/oder des zweiten 24 Betätigungskolbens, kann ein Übersetzungsverhältnis der ersten 4 und/oder der zweiten 5 Gruppe verändert werden, indem unterschiedliche Zahnradpaare 21,27 der ersten 4 und/oder der zweiten 5 Gruppe kraftschlüssig mit der schaltbaren Welle 6 verbunden werden.
Am äußeren Ende der zweiten Hohlwelle 28 ist ein Zahnkranz 29 kraftschlüssig angeordnet, der als Abtrieb dient. Hier wird das vom mittleren Zahnradpaar 27 auf die zweite Hohlwelle 28 übertragene Eingangsdrehmoment und das Drehmoment des Elektromotors 3 als Abtriebsdrehmoment M_ab von dem Zahnkranz 29 über eine Kette an ein Hinterrad des Fahrrads übertragen. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Riemen statt einer Kette verwendet und eine Riemenscheibe statt des Zahnkranzes 29.
Die erste 22 und die zweite 28 Hohlwelle sind koaxial zueinander angeordnet. Die Pedalwelle 20 ist innerhalb der ersten 22 und der zweiten 28 Hohlwelle gelagert.
Das Hohlrad 10 des Planetengetriebes 7 ist, da Steg 8, Umlaufräder 9 und Sonnenrad 11 beweglich sind und ein Drehmoment übertragen werden soll, gegen ein Verdrehen zu sichern. Dies erfolgt hier durch eine nicht gezeigten Sperrklinke. Durch das Sichern des Hohlrads 10 gegen Verdrehen in eine Drehrichtung wird ein Freilauf ermöglicht. Alternativ zu der Sperrklinkenlösung ist auch ein Klemmkörperfreilauf denkbar.
In Kombination mit der wie oben beschrieben ausgeführten schaltbaren Welle 6, sodass ein Zahnradpaar 21,27 der ersten 4 und der zweiten 5 Gruppe in einem verriegelnden Zustand an einem Verdrehen in beide Richtungen gehindert wird, wird eine Rückgewinnung von Bremsenergie vorteilhaft umgesetzt. Für die Rückgewinnung von Bremsenergie wird die Kraftflussrichtung des Getriebes 2 umgekehrt. Die Bremsenergie wird also über den Zahnkranz 29 in die zweite Gruppe 5 eingebracht, über ein kraftschlüssig mit der schaltbaren Welle 6 verbundenes Zahnradpaar 27 auf die schaltbare Welle 6 übertragen und über die Zahnradpaare 25,26 dem Elektromotor 3 zugeführt, der dann als Generator genutzt werden kann. Zur Darstellung dieser Funktion darf sich im Kraftfluss zwischen dem angetriebenen Rad des Fahrzeugs und dem Elektromotor 3 aber kein Freilauf befinden.
Eine Freilauffunktion ist für den Fahrer aber notwendig, da sich sonst die Pedale bei fahrendem Fahrzeug permanent mitdrehen würden. Diese Freilauffunktion ist vorteilhaft am Hohlrad 10 umgesetzt. Alternativ müsste der erste Betätigungskolben 23 eine zusätzliche Schaltposition umfassen, in der keines der Zahnradpaare 21 kraftschlüssig mit der schaltbaren Welle 6 verbunden ist, wodurch eine Komplexität des Getriebes 2 erhöht werden würde, insbesondere in Bezug auf eine Ansteuerung. Durch den Freilauf wird hingegen eine einfach umsetzbare Entkopplung von Getriebe 2 und Pedalbewegung umgesetzt.
Alternativ können für die Losräder 31,32,33 der ersten Gruppe 4 ausschließlich Sperrklinken 39,40 für eine Sperr- beziehungsweise Drehrichtung vorgesehen sein. In diesem Fall bilden die Sperrklinken 39,40 der ersten Gruppe 4 die Freilauffunktion aus und das Hohlrad 10 kann ohne Freilauffunktion ausgeführt werden.
Die 3 und 4 zeigen die schaltbare Welle 6 ohne verdrehbar nebeneinander auf der Welle 6 angeordnete Zahnräder 31,32,33,34,35,36, so dass ein Aufbau der schaltbaren Welle 6 zu erkennen ist. 4 zeigt die beiden Betätigungskolben 23,24 und die zwölf Sperrklinken 39,40,41,42. Die Betätigungskolben 23,24 sind koaxial in der Welle 6 angeordnet und in axialer Richtung der Welle 6 verschiebbar ausgeführt.
Die Sperrklinken 39,40,41,42 sind in der Welle 6 angeordnet und paarweise ausgebildet, jeweils ein Zahnrad 31,32,33,34,35,36 zu verriegeln oder zu entriegeln. Hierbei sind jeweils drei Sperrklinken 39,40,41,42, die zu einem Betätigungskolben 23,24 gehören und auf einer Seite der schaltbaren Welle 6 angeordnet sind, um einen zentralen Drehpunkt 51,52,53,54 gelagert.
Der erste 23 und der zweite 24 Betätigungskolben umfassen jeweils drei Federn 43,44,45,46 und sechs als Kugeln ausgeführte Betätigungselemente 47. Jeder Feder 43,44,45,46 sind zwei Kugeln 47 zugeordnet, die an den gegenüberliegenden Enden der Federn angeordnet sind. Die Federn 43,44,45,46 und die Kugeln 47 sind ausgebildet die Sperrklinken 39,40,41,42 zu aktuieren.
Die Federn 43,44 und 45,46 sind bezogen auf die Längsachse der Welle 6, zueinander versetzt angeordnet. Dabei sind die vier Federn 43,45 ausgebildet, die Sperrklinken 39,40,41,42 in einen entriegelnden Zustand zu bringen und die beiden Federn 44,46 ausgebildet, die Sperrklinken 39,40,41,42 in einen verriegelnden Zustand zu bringen.
Die 5 und 6 zeigen zwei weitere Ansichten der schaltbaren Welle 6. In 5 ist der zweite Betätigungskolben 24 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Dabei befindet er sich in einer Position, in der die Sperrklinke 42 durch die Feder 46 und die ihr zugeordneten Kugeln 47 verriegelt ist. Das Zahnrad 35 wird dadurch an einem Verdrehen gehindert. Die Zahnräder 35 und 36 können hingegen frei drehen.
6 zeigt ebenfalls den zweiten Betätigungskolben in einer Schnittdarstellung.
Auch hier befindet er sich in der Position, in der die Sperrklinke 42 durch die Feder 46 und die ihr zugeordneten Kugeln 47 verriegelt ist. Dadurch, dass die Schnittposition leicht verschoben ist, ist allerdings erkennbar, dass die Feder 45 mit den ihr zugeordneten Kugeln 47 die Sperrklinke 41 entriegelt. Durch dieses aktive Entriegeln wird gewährleistet, dass eine Sperrklinke 41,42 nicht ungewollt ein Zahnrad 31,32,33,34,35,36 verriegelt.
Zum Verstellen des ersten 23 und des zweiten 24 Betätigungselements, also zum Schalten der schaltbaren Welle 6, umfasst das in 1 gezeigte Antriebssystem 1 eine elektrische Schaltvorrichtung 15 mit zwei Stellmotoren 16 und zwei Spindeln 17. Eine der Spindeln 17 betätigt einen ersten Schalthebel 61, über den das erste Betätigungselement 23 bewegt wird. Die andere Spindel 17 betätigt einen zweiten Schalthebel 62, über den das zweite Betätigungselement 24 bewegt wird.
Die in 3 gezeigte schaltbare Welle 6 umfasst eine Schalthülse 55, wobei der Betätigungskolben 23 mit der Schalthülse 55 über einen Stift 56 verbunden ist und der Betätigungskolben 23 durch die Schalthülse 55 betätigbar ist. Die Schalthülse 55 weist eine Umfangsnut 57 auf, in die der erste Schalthebel 61 eingreifen und so die Schalthülse 55 verstellen kann.
Der zweite Betätigungskolben 24 ist durch den zweiten Schalthebel 62 direkt betätigbar, indem der zweite Schalthebel 62 in eine nicht gezeigte Umfangsnut des zweiten Betätigungskolben 62 eingreift.
Die schaltbare Welle 6 des in den 1, 2 und 3 gezeigten Antriebssystems 1 ist mit dem Elektromotor 3 lösbar verbunden. Hierzu umfasst das Antriebssystem eine nicht dargestellte Entkopplungsvorrichtung 40, durch die die schaltbare Welle 6 von dem Elektromotor 3 entkoppelbar ist. Das hat den Vorteil, dass das Fahrrad auch ohne Unterstützung des Elektromotors 3 gefahren werden kann. Der Elektromotor 3 muss so nicht mitgeschleppt werden, so dass Reibungsverluste reduziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018104692 A1 [0002]

Claims

Schaltbare Welle (6) für ein Getriebe (2), wobei zumindest zwei schaltbare Losräder (31,32,33,34,35,36) des Getriebes (2) verdrehbar nebeneinander auf der schaltbaren Welle (6) angeordnet sind, wobei die schaltbare Welle (6) einen Betätigungskolben (23,24) und zumindest zwei Sperrklinken (39,40,41,42) umfasst und wobei - der Betätigungskolben (23,24) koaxial in der schaltbaren Welle (6) angeordnet ist, - der Betätigungskolben (23,24) in axialer Richtung der schaltbaren Welle (6) verschiebbar ausgeführt ist, - die Sperrklinken (39,40,41,42) in der schaltbaren Welle (6) angeordnet sind, - die Sperrklinken (39,40,41,42) ausgebildet sind, jeweils ein Losrad (31,32,33,34,35,36) zu verriegeln oder zu entriegeln und - die Sperrklinken (39,40,41,42) durch den Betätigungskolben (23,24) aktuierbar sind, so dass die Sperrklinken (39,40,41,42) abhängig von der axialen Position des Betätigungskolbens (23,24) jeweils ein Losrad (31,32,33,34,35,36) verriegeln oder entriegeln und - die Sperrklinken (39,40,41,42) in einem verriegelnden Zustand ein Losrad (31,32,33,34,35,36) an einem Verdrehen gegenüber der schaltbaren Welle (6) in zumindest einer Richtung hindern.
Schaltbare Welle (6) nach Anspruch 1, wobei der Betätigungskolben (23,24) zumindest eine Feder (43,44,45,46) und zumindest ein Betätigungselement (47) umfasst, wobei die Feder (43,44,45,46) und das Betätigungselement (47) ausgebildet sind, die Sperrklinken (39,40,41,42) zu aktuieren.
Schaltbare Welle (6) nach Anspruch 1, wobei der Betätigungskolben (23,24) zumindest zwei Federn (43,44,45,46) und zumindest zwei Betätigungselemente (47) umfasst, wobei jeweils einer Feder (43,44,45,46) zumindest ein Betätigungselement (47) zugeordnet ist, wobei die Federn (43,44,45,46), bezogen auf die Längsachse der schaltbaren Welle (6), zueinander versetzt angeordnet sind und wobei zumindest eine der Federn (43,44,45,46) ausgebildet ist, die Sperrklinken (39,40,41,42) in einen verriegelnden Zustand zu bringen und zumindest eine andere der Federn (43,44,45,46) ausgebildet ist, die Sperrklinken (39,40,41,42) in einen entriegelnden Zustand zu bringen.
Schaltbare Welle (6) nach Anspruch 1, wobei der Betätigungskolben (23,24) drei Federn (43,44,45,46) und sechs Betätigungselemente (47) umfasst, wobei jeweils einer Feder (43,44,45,46) zwei Betätigungselemente (47) zugeordnet sind, wobei eine der drei Federn (44,46), bezogen auf die Längsachse der schaltbaren Welle (6), zu den anderen beiden Federn (43,45) versetzt angeordnet ist und wobei die versetzt angeordnete Feder (44,46) ausgebildet ist, die Sperrklinken (39,40,41,42) in einen verriegelnden Zustand zu bringen und die anderen zwei Federn (43,45) ausgebildet sind, die Sperrklinken (39,40,41,42) in einen entriegelnden Zustand zu bringen.
Schaltbare Welle (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sperrklinken (39,40,41,42) um einen zentralen Drehpunkt (51,52,53,54) gelagert sind.
Schaltbare Welle (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest die Sperrklinken (39,40,41,42) eines Losrads (31,32,33,34,35,36) in einem verriegelnden Zustand das Losrad (31,32,33,34,35,36) an einem Verdrehen gegenüber der schaltbaren Welle (6) in beide Drehrichtungen hindern.
Schaltbare Welle (6) nach Anspruch 6, wobei zumindest die Sperrklinken (39,40,41,42) einer zweiten Gruppe von Losrädern (34,35,36) in einem verriegelnden Zustand das Losrad (31,32,33,34,35,36) an einem Verdrehen gegenüber der schaltbaren Welle (6) in beide Drehrichtungen hindern.
Schaltbare Welle (6) nach Anspruch 6, wobei die Sperrklinken (39,40,41,42) aller Losräder (31,32,33,34,35,36) in einem verriegelnden Zustand das Losrad (31,32,33,34,35,36) an einem Verdrehen gegenüber der schaltbaren Welle (6) in beide Drehrichtungen hindern.
Schaltbare Welle (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Betätigungskolben (23,24) durch ein Stellelement (61,62) des Getriebes (2) betätigbar ist.
Schaltbare Welle (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Welle eine Schalthülse (55) umfasst, der Betätigungskolben (23,24) mit der Schalthülse (55) verbunden ist und der Betätigungskolben (23,24) durch die Schalthülse (55) betätigbar ist.
Schaltbare Welle (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf der schaltbaren Welle (6) zumindest zwei schaltbare Losräder (31,32,33) einer ersten Zahnradgruppe (21) des Getriebes (2) und zumindest zwei Losräder (34,35,36) einer zweiten Zahnradgruppe (27) des Getriebes (2) jeweils verdrehbar nebeneinander auf der schaltbaren Welle (6) angeordnet sind, wobei die schaltbare Welle (6) einen ersten (23) und einen zweiten (24) Betätigungskolben umfasst, die schaltbare Welle (6) zumindest vier Sperrklinken (39,40,41,42) umfasst und wobei der erste Betätigungskolben (23) ausgebildet ist zumindest zwei Sperrklinken (39,40), die den Losrädern (31,32,33) der ersten Zahnradgruppe (21) zugeordnet sind, zu aktuieren, und der zweite Betätigungskolben (24) ausgebildet ist die zumindest zwei anderen Sperrklinken (41,42), die den Losrädern (34,35,36) der zweiten Zahnradgruppe (27) zugeordnet sind, zu aktuieren.
Antriebssystem (1) für ein Leichtfahrzeug, umfassend ein Getriebe (2) und einen Elektromotor (3), wobei - das Getriebe (2) ein Gruppengetriebe mit einer ersten (4) und einer zweiten (5) Gruppe und eine schaltbare Welle (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, - die erste Gruppe (4) ausgebildet ist, ein Eingangsdrehmoment aufzunehmen, - die schaltbare Welle (6) mit dem Elektromotor (3) so verbunden ist, dass die schaltbare Welle (6) ein Drehmoment des Elektromotors (3) aufnehmen kann, - die schaltbare Welle (6) ausgebildet ist, die erste Gruppe (4) und den Elektromotor (3) mit der zweiten Gruppe (5) zu verbinden, so dass die schaltbare Welle (6) das Eingangsdrehmoment von der ersten Gruppe (4) und das Drehmoment des Elektromotors (3) auf die zweite Gruppe (5) übertragen kann, - durch ein Schalten der schaltbaren Welle (6) ein Übersetzungsverhältnis der ersten (4) und/oder der zweiten (5) Gruppe veränderbar ist und - die zweite Gruppe (5) ausgebildet ist, das von der schaltbaren Welle (6) aufgenommene Eingangsdrehmoment und das von der schaltbaren Welle (6) aufgenommene Drehmoment vom Elektromotor (3) abzugeben.
Leichtfahrzeug, umfassend ein Antriebssystem (1) nach Anspruch 12.