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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Fahrrad mit einem Mittelmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
EP 2 921 396 B1 ist eine Rekuperationsmöglichkeit für ein Elektrofahrrad mit Mittelmotorkonzept bekannt, wobei der Freilauf am Hinterrad über eine Kupplung gesperrt werden kann. Die Kupplung weist dabei in einer ersten Ausführungsform zwei Kupplungsscheiben und einen Aktor und in einer zweiten Ausführungsform ein sich verjüngendes Aktorelement und ein hohlförmiges Element auf. Die Kupplung wird dabei entweder rein mechanisch oder elektromechanisch geschlossen. Weitere elektrisch angetriebene Fahrräder mit einem Mittelmotor und Rekuperationsmöglichkeit sind in der
DE 10 2010 062 534 A1 , der
US 2004 / 0 231 905 A1 , der
CN 2 06 797 618 U oder der
WO 2021 / 084 396 A1 beschrieben.
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Ein elektrisches Bremssystem/ Rekuperationssystem ist vor allem bei längeren Bergabfahrten wirkungsvoll und somit besonders für elektrische Mountainbikes geeignet. Jedoch ist bei dieser Kategorie von Elektrofahrrädern der Elektromotor fast ausschließlich im Bereich des Kurbeltriebs und nicht bei der Fahrradnabe angeordnet, da sich eine solche Anordnung positiv auf den Drehzahlbereich des Elektromotors und auf das Fahrverhalten des Elektrofahrrads auswirkt.
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Insgesamt kann bei Elektrofahrrädern mit Nabenmotor ein elektrisches Bremsen/Rekuperieren relativ einfach steuerungstechnisch ausgeführt werden, da der Elektromotor direkt mit dem Hinterrad verbunden ist.
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Bei Elektrofahrrädern mit Mittelmotorkonzept muss für eine Rekuperation erst eine Verbindung zwischen dem Hinterrad und der elektrischen Maschine geschaffen werden. Der Elektromotor ist bei dem Mittelmotorkonzept über die Tretlagerwelle und die Kette oder den Riemen mit dem Hinterrad verbunden.
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Dabei ist zwischen dem Elektromotor und der Tretlagerwelle und zwischen dem Ritzelpaket und dem Hinterrad jeweils ein Freilauf angeordnet. Die beiden Freiläufe verhindern jeweils eine Übertragung der Antriebskraft des Hinterrades über die Kette oder den Riemen auf die elektrische Maschine.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde für ein möglichst einfaches elektrisches Bremssystem und/oder Rekuperationssystem für ein Elektrofahrrad mit Mittelmotorkonzept zu sorgen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisch angetriebenes Fahrrad mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Gemäß der Erfindung wird ein elektrisch angetriebenes Fahrrad vorgeschlagen, mit: einer in Mittelmotorposition angeordneten elektrischen Maschine, einer Pedalanordnung mit zwei Pedalen, die über eine Tretlagerwelle miteinander verbunden sind, und einem Hinterrad. Das Fahrrad umfasst ferner:
- • einen ersten Antriebsstrang zum Übertragen eines Antriebsmoments von der elektrischen Maschine auf das Hinterrad in einem Unterstützungsbetrieb, wobei der erste Antriebsstrang umfasst:
- - eine an der Tretlagerwelle angeordnete erste Kettenblatteinheit mit einem ersten Kettenblatt,
- - ein erstes Kraftübertragungselement, das sich vom ersten Kettenblatt zu einem am Hinterrad angeordneten ersten Ritzel erstreckt; und
- - das am Hinterrad angeordnete erste Ritzel,
wobei die erste Kettenblatteinheit über einen ersten Freilauf mit der Tretlagerwelle verbunden ist, der so ausgelegt ist, dass durch eine Fußbetätigung der Pedale in einer Vorwärtsdrehrichtung ein Antriebsmoment auf das Hinterrad übertragen werden kann und die Pedalanordnung bei einer Betätigung der Pedale in einer Rückwärtsdrehrichtung frei läuft; - • einen zweiten Antriebsstrang zum Übertragen eines Antriebsmoments vom Hinterrad auf die elektrische Maschine in einem Schubbetrieb, wobei der zweite Antriebsstrang umfasst:
- - eine zweite Kettenblatteinheit mit einem zweiten Kettenblatt,
- - ein zweites Kraftübertragungselement, das sich vom zweiten Kettenblatt zu einem am Hinterrad angeordneten zweiten Ritzel erstreckt; und
- - das am Hinterrad angeordnete zweite Ritzel;
wobei die elektrische Maschine sowohl mit der ersten Kettenblatteinheit als auch mit der zweiten Kettenblatteinheit antriebsmäßig gekoppelt ist.
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Im Rahmen dieser Anmeldung ist unter dem Begriff „Kettenblatt“ jedes scheiben- oder ringförmige Element zu verstehen, das zur Momentenübertragung dient. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Zahnrad, Kettenrad oder um eine Riemenscheibe handeln. Das vorstehend genannte Kraftübertragungselement ist vorzugsweise ein bandförmiges Element, wie zum Beispiel eine Kette oder ein Riemen. Ein „Ritzel“ ist ein Element, das am Hinterrad zum Zwecke einer Momentenübertragung montiert ist. Dabei kann es sich ebenfalls um ein Zahnrad, Kettenrad oder eine Riemenscheibe handeln.
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„Unterstützungsbetrieb“ ist ein Betriebsmodus, bei dem die elektrische Maschine den Fahrer unterstützt. „Schubbetrieb“ ist ein Betriebsmodus, bei dem die elektrische Maschine über das Hinterrad angetrieben wird. Die elektrische Maschine kann dabei in einem Generatorbetrieb betrieben werden und Strom erzeugen, der in der Fahrzeugbatterie gespeichert wird. Alternativ könnte die elektrische Maschine auch in einem Freilaufbetrieb mit offenem Stromkreis betrieben werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Kettenblatteinheit über einen zweiten Freilauf mit der elektrischen Maschine gekoppelt, wobei der zweite Freilauf so ausgelegt ist, dass bei einer Rotation der zweiten Kettenblatteinheit in der Vorwärtsdrehrichtung ein Antriebsmoment auf die elektrische Maschine übertragbar ist, und die zweite Kettenblatteinheit bei einer Rotation in der Rückwärtsdrehrichtung relativ zur elektrischen Maschine frei läuft.
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Die elektrische Maschine kann mit der ersten Kettenblatteinheit über eine feste Getriebeverbindung, die eine Momentenübertragung in beide Drehrichtungen zulässt, gekoppelt sein.
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Alternativ kann die elektrische Maschine auch über einen dritten Freilauf mit der ersten Kettenblatteinheit gekoppelt sein, wobei der dritte Freilauf so ausgelegt ist, dass im Unterstützungsbetrieb ein Antriebsmoment in der Vorwärtsdrehrichtung von der elektrischen Maschine auf die erste Kettenblatteinheit übertragbar ist, aber nicht in umgekehrter Richtung.
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Die erste Kettenblatteinheit umfasst vorzugsweise ein erstes Kettenblatt und eine erste Hülse, die auf der Tretlagerwelle angeordnet ist.
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Die zweite Kettenblatteinheit umfasst vorzugsweise ein zweites Kettenblatt und eine zweite Hülse, die auf der Tretlagerwelle angeordnet ist.
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Die elektrische Maschine kann ein Getriebe mit einer dritten Hülse umfassen, die sowohl mit der ersten Hülse als auch mit der zweiten Hülse antriebsmäßig gekoppelt ist. Die dritte Hülse ist vorzugsweise radial außerhalb der ersten und zweiten Hülse angeordnet.
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Anstelle eines Getriebes mit einer dritten Hülse kann das Getriebe der elektrischen Maschine auch eine Welle umfassen, die sowohl mit der ersten Hülse als auch mit der zweiten Hülse antriebsmäßig gekoppelt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die elektrische Maschine ein Getriebe mit wenigstens einem Zahnrad, das an der vorstehend genannten ersten Hülse, der dritten Hülse oder der genannten Welle angreift.
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Zwischen dem ersten Ritzel und der Nabe des Hinterrades ist vorzugsweise ein Freilauf vorgesehen.
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Das zweite Ritzel ist vorzugsweise drehfest auf der Nabe des Hinterrades angeordnet.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Kettenblatteinheit im Abstand zur Tretlagerwelle gelagert, das heißt die Rotationsachse der Tretlagerwelle und die Rotationsachse der zweiten Kettenblatteinheit sind parallel, im Abstand zueinander angeordnet.
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Die zweite Kettenblatteinheit ist vorzugsweise über ein Getriebe mit der ersten Kettenblatteinheit antriebsmäßig gekoppelt. Zwischen der zweiten Kettenblatteinheit und der ersten Kettenblatteinheit ist vorzugsweise ein Freilauf vorgesehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Kettenblatteinheit auf der Tretlagerwelle gelagert.
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Das zweite Kraftübertragungsmittel ist vorzugsweise auf der, dem ersten Kraftübertragungsmittel gegenüberliegenden Seite des Fahrradrahmens angeordnet.
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Insgesamt kann die elektrische Maschine entweder als Wirbelstrombremse und/ oder als Generator betrieben werden. Im Generatorbetrieb wird der Akku des Elektrofahrrads aufgeladen.
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Es existieren mehrere Ausführungsformen zur Steuerung des elektrischen Bremsmoments.
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Durch das vorgestellte elektrische Bremssystem/ Rekuperationssystem können die Vorteile des elektrischen Bremsens/ Rekuperierens mit den Vorteilen eines Elektrofahrrads mit Mittelmotor gegenüber einem Elektrofahrrad mit Nabenantrieb kombiniert werden. Die Vorteile eines Elektrofahrrads mit Mittelmotor sind der niedrigere Schwerpunkt, das höhere Drehmoment und der höhere Wirkungsgrad durch die nachgehende Schaltung.
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Der Hauptvorteil des elektrischen Bremssystems/ Rekuperationssytems besteht darin, dass bei einer längeren Bergabfahrt elektrisch gebremst und damit die mechanische Bremse geschont werden kann.
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Damit wird das Risiko einer Überhitzung der mechanischen Bremse mit einem möglichen Ausfall stark reduziert und für eine höhere Fahrsicherheit gesorgt.
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Zudem kann mit einem elektrischen Bremssystem/ Rekuperationssystem gleichmäßig gebremst werden, was den Fahrkomfort bei Bergabfahrten erhöht. Bei rein mechanischem Bremsen ist es bei längeren Bergabfahrten üblich schubweise zu bremsen, damit die mechanischen Bremsen nicht überhitzen.
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Durch das Rekuperationssystem und/oder das elektrische Bremssystem kann ein Teil der Bremsenergie zurückgewonnen und in den Akku zurückgespeist werden. Dadurch erhöht sich die Reichweite des Elektrofahrrads insbesondere bei Fahrten durch bergiges Gelände.
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Zusätzlich werden durch den Einsatz der elektrischen Bremse die Bremsbeläge der mechanischen Bremse weniger verschlissen und es fallen weniger Kosten für den Austausch der Bremsbeläge an.
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Die Erfindung wird nun beispielhaft durch Figuren veranschaulicht. Es zeigen:
- 1 ein Elektrofahrrad mit Mittelmotorkonzept und elektrischem Bremssystem/ Rekuperationssystem
- 2 den Aufbau mit dem Ritzel der zweiten Kette am Hinterrad
- 3 eine erste Ausführungsform des Kurbeltriebs
- 4 eine zweite Ausführungsform des Kurbeltriebs
- 5 eine dritte Ausführungsform des Kurbeltriebs
- 6 eine vierte Ausführungsform des Kurbeltriebs
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1 zeigt ein Elektrofahrrad 1 mit Mittelmotorkonzept und elektrischem Bremssystem/ Rekuperationssystem. 1 zeigt ein Elektrofahrrad 1 mit einer elektrischen Maschine 5, einem Energiespeicher 4, einer ersten Kette 2a und einer zweiten Kette 2b. Beide Ketten 2a, 2b verbinden den Kurbeltrieb mit dem Hinterrad 3.
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Über ein erstes Kettenblatt 15 am Kurbeltrieb und ein erstes Ritzel 11 am Hinterrad 3 verbindet die erste Kette 2a den Kurbeltrieb mit den Hinterrad 3.
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Die zweite Kette 2b ist auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Kette 2a angeordnet und mit einem zweiten Ritzel 7 an der Nabe 8 des Hinterrads 3 und mit einem zweiten Kettenblatt 12 am Kurbeltrieb verbunden. Das zweite Kettenblatt 12 ist über ein Getriebe 22 mit der elektrischen Maschine 5 verbunden. Eine Antriebskraft des Hinterrads 3 kann über das Ritzel 7 auf die zweite Kette 2b und von der zweiten Kette 2b über das Kettenblatt 12 und das Getriebe 22 auf die elektrische Maschine 5 übertragen werden.
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Darüber hinaus weist die zweite Kette 2b vorzugsweise einen Kettenschutz auf. Durch den Kettenschutz wird die zweite Kette 2b sauber gehalten und erscheint unauffälliger. Insgesamt kann statt einer zweiten Kette 2b auch ein Riemen als Kraftübertragungsmittel verwendet werden.
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Das Elektrofahrrad 1 weist zudem eine Betätigungsvorrichtung 6 am Lenker und eine Steuereinheit auf. Die Steuereinheit ist vorzugsweise am Lenker oder neben der elektrischen Maschine 5 angeordnet.
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Ein Aktivieren der Betätigungsvorrichtung 6 und/ oder die durch die Betätigungsvorrichtung 6 eingestellte Höhe der Bremskraft wird der Steuereinheit übermittelt. Die Steuereinheit kann anhand dieser Daten das passende Bremsmoment an der elektrischen Maschine 5 einstellen.
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Die elektrische Maschine 5 kann dabei entweder als Wirbelstrombremse und/ oder Generator betrieben werden. Die Bremskraft der elektrischen Maschine 5 wird über das Kettenblatt 12, die zweite Kette 2b und das Ritzel 7 auf das Hinterrad 3 übertragen.
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Es existieren mehrere Ausführungsformen der Betätigungsvorrichtung 6.
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Bei der ersten Ausführungsform wird das bereits vorhandene Betätigungssystems am Elektrofahrrad 1 zur Einstellung der Unterstützungsstufen, bestehend aus mehreren Tasten am Lenkergriff und einem Bediendisplay, auch zur Steuerung der elektrischen Bremse/ Rekuperation verwendet. Die Höhe des Bremsmoments an der elektrischen Maschine 5 wird stufenweise eingestellt.
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Bei der zweiten Ausführungsform werden die bereits vorhandenen Tasten und das Bediendisplay zur Steuerung der Unterstützung verwendet, um eine maximale Geschwindigkeit des Elektrofahrrads 1 einzustellen und ein elektrisches Bremsen/ Rekuperieren zu aktivieren.
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Dabei weist das Elektrofahrrad 1 zusätzlich einen Geschwindigkeitssensor an einem Rad auf. Bei einem Aktivieren der elektrischen Bremse/ der Rekuperation vergleicht die Steuereinheit die eingestellte maximale Geschwindigkeit mit der, von dem Geschwindigkeitssensor erfassten, tatsächlichen Geschwindigkeit des Elektrofahrrads 1. Das Bremsmoment an der elektrischen Maschine 5 wird durch die Steuereinheit in der Höhe eingestellt, dass das Elektrofahrrad 1 die eingestellte maximale Geschwindigkeit nach Möglichkeit nicht überschreitet.
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Bei der dritten Ausführungsform wird ebenso das vorhandene Betätigungssystem zur Einstellung der Unterstützungsstufen auch für die Steuerung des elektrischen Bremsmoments verwendet.
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Das Elektrofahrrad 1 weist neben einem Geschwindigkeitssensor einen Steigungssensor auf. Der Steigungssensor misst den Steigungswinkel bei der Abfahrt. Über die Tasten und das Bediendisplay lässt sich die maximale Geschwindigkeit des Elektrofahrrads 1 abhängig von verschiedenen Steigungen einstellen.
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Dazu kann eine erste Steigung bestimmt werden, ab der die elektrische Bremse/ Rekuperation aktiviert wird und die dazugehörige erste maximale Geschwindigkeit des Elektrofahrrads 1.
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Dazu können eine zweite Steigung und die dazugehörige zweite maximale Geschwindigkeit für alle Steigungen größer als die zweite Steigung, festgelegt werden.
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Bei Aktivieren der elektrischen Bremse/ Rekuperation durch die Betätigungsvorrichtung 6 wird die, von dem Steigungssensor gemessene, aktuelle Steigung durch die Steuereinheit mit der gespeicherten ersten und zweiten Steigung verglichen.
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Bei einer aktuellen Steigung zwischen der gespeicherten ersten und zweiten Steigung wird die vorgegebene maximale Geschwindigkeit anhand der gespeicherten Werte der Steigungen und maximalen Geschwindigkeiten berechnet. Bei einer Steigung über der gespeicherten zweiten Steigung wird die zweite maximale Geschwindigkeit vorgegeben.
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Die berechnete maximale Geschwindigkeit wird mit der, von dem Geschwindigkeitssensor erfassten tatsächlichen Geschwindigkeit verglichen. Das elektrische Bremsmoment wird daraufhin in der Höhe eingestellt, dass die Geschwindigkeit des Elektrofahrrads 1 nach Möglichkeit unterhalb der maximalen Geschwindigkeit liegt.
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Der Vorteil der dritten Ausführungsform ist der höhere Fahrkomfort. Bei steileren Abschnitten der Abfahrt wird automatisch eine geringere Geschwindigkeit beim Elektrofahrrad 1 eingestellt als bei flacheren Abschnitten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die elektrische Bremse/ Rekuperation automatisch ab einer bestimmten Steigung aktiviert werden kann.
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Bei der vierten Ausführungsform weist mindestens ein Bremshebel des Elektrofahrrads 1 einen Drehpositionssensor auf. Bei Betätigen des Bremshebels kann durch den Drehpositionssensor der Winkel des Bremshebels gemessen und der Steuereinheit übermittelt werden.
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Die Steuereinheit stellt anhand des gemessenen Winkels das passende elektrische Bremsmoment stufenlos ein. Der Winkel des Bremshebels ist für eine erste Bremshebelstellung kurz nach der Ausgangsstellung und für eine zweite Bremshebelstellung kurz vor Berühren der Bremsbeläge mit der Bremsscheibe gespeichert.
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Bei Betätigen des Bremshebels wird der gemessene Winkel mit dem gespeicherten Winkel der ersten und zweiten Bremshebelstellung durch die Steuereinheit verglichen. Die Steuereinheit berechnet daraufhin das passende Bremsmoment und stellt dies bei der elektrischen Maschine 5 ein.
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Die fünfte Ausführungsform weist einen Drehgriffschalter auf, der um einen Teil eines Griffes am Lenker angeordnet ist. Der Drehgriffschalter weist einen Drehpositionssensor auf, der den Drehwinkel misst und der Steuereinheit übermittelt. Wie bei der vierten Ausführungsform mit Bremshebel ist beim Drehgriffschalter der Drehwinkel bei einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung gespeichert.
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Bei Drehen des Drehgriffschalters wird der aktuelle Drehwinkel mit den gespeicherten Drehwinkeln der ersten und zweiten Stellung verglichen und daraufhin das passende elektrische Bremsmoment stufenlos von der Steuereinheit berechnet und eingestellt.
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2 zeigt den Aufbau der zweiten Kette mit dem Ritzel 7 am Hinterrad 3. 2 zeigt das Ritzel 7, das fest mit der Nabe 8 des Hinterrads 3 verbunden ist. Neben dem Ritzel 7 ist die Bremsscheibe 9 und der Bremssattel 10 der Hinterradbremse angeordnet. Zudem sind die Ritzel 11 der ersten Kette 2a dargestellt.
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Bei einer Rotation des Hinterrads 3 wird über die zweite Kette 2b auch die elektrische Maschine 5 angetrieben. Die elektrische Maschine 5 kann wiederum über die erste Kette 2a das Hinterrad 3 antreiben.
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Aus diesem Grund muss das Übersetzungsverhältnis von dem Hinterrad 3 über das Ritzel 7, der zweiten Kette 2b und dem Kettenblatt 12 auf die elektrische Maschine 5, mit der Drehzahl des Hinterrads 3 als Eingangsdrehzahl, größer sein als das Übersetzungsverhältnis von dem Hinterrad 3 über die erste Kette 2a auf die elektrische Maschine 5 bei eingelegtem höchstem Gang.
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Der höchste Gang ist eingelegt, wenn die erste Kette 2a in das größte Kettenblatt 15 am Kurbeltrieb und in das kleinste Ritzel 11 am Hinterrad 3 greift. Falls das Übersetzungsverhältnis über die zweite Kette 2b geringer ist als über die erste Kette 2a, würde das Hinterrad 3 sperren und nicht rotieren können.
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Angenommen das Übersetzungsverhältnis im höchsten Gang, also vom kleinsten Ritzel 11 bis zum größten Kettenblatt 15 ist 4:1 und die elektrische Maschine 5 ist über dasselbe interne Getriebe 22 sowohl mit der ersten Kette 2a als auch mit der zweite Kette 2b verbunden, dann beträgt beispielsweise das Übersetzungsverhältnis von dem Ritzel 7 zum Kettenblatt 12 4,1:1.
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3 zeigt die erste Ausführungsform des elektrischen Bremssystems/ Rekuperationssystems am Kurbeltrieb des Elektrofahrrads 1. 3 zeigt die Tretlagerwelle 23 und die beiden Tretkurbeln 24 mit Pedalen 25.
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Der Kurbeltrieb weist zusätzlich das, mit der zweiten Kette 2b verbundene zweite Kettenblatt 12 auf. Das zweite Kettenblatt 12 ist dabei mit einer zweiten Hülse 13 verbunden, die drehbar um die Tretlagerwelle 23 lagert. Zwischen der zweiten Hülse 13 und der Tretlagerwelle 23 sind Lager 14, vorzugsweise Kugellager 14 eingebaut.
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Zudem weist der Kurbeltrieb das, mit der ersten Kette 2a verbundene Kettenblatt 15 auf. Das erste Kettenblatt 15 ist mit einer ersten Hülse 16 verbunden, die um die Tretlagerwelle 23 und um einen Teil der zweiten Hülse 13 drehbar lagert.
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Zwischen der ersten Hülse 16 und der Tretlagerwelle 23 ist mindestens ein Freilauf 17 und mindestens ein Lager 27, vorzugsweise Kugellager 27 eingebaut. Durch den Freilauf 17 kann keine Vorwärtsdrehung des ersten Kettenblatts 15 mit zweiter Hülse 16 auf die Tretlagerwelle 23, jedoch eine Vorwärtsdrehung der Tretlagerwelle 23 mit Tretkurbeln 24 und Pedalen 25 auf die erste Hülse 16 übertragen werden.
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Auch zwischen der ersten Hülse 16 und der zweiten Hülse 13 ist mindestens ein Freilauf 19 eingebaut. Durch den Freilauf 19 kann keine Vorwärtsdrehung der ersten Hülse 16 auf die zweite Hülse 13 mit verbundenem Kettenblatt 12 und zweiter Kette 2b übertragen werden.
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Darüber hinaus weist die erste Hülse 16 ein Zahnrad 21 auf, das mit dem Getriebe 22 verbunden ist. Die erste Hülse 16 ist über das Zahnrad 21 und dem Getriebe 22 mit der elektrischen Maschine 5 verbunden. Die Hülsen 13, 16, das Getriebe 22 und die elektrische Maschine 5 lagern in einem Gehäuse 26.
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Beil allen Ausführungsformen des Kurbeltriebs sind zwischen den beiden Hülsen 13, 16 und dem Gehäuse 26 Lager, vorzugsweise Kugellager angeordnet. Durch die Lager wird die Tretlagerwelle 23 vom Gehäuse 26 gestützt.
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Durch ein Vorwärtsdrehen der Pedale 24, 25 kann das Elektrofahrrad 1 durch den Fahrer angetrieben werden. Dabei wird ein Vorwärtsdrehen der Pedalerie 24, 25 und damit der Tretlagerwelle 23 über den Freilauf 17 auf die erste Hülse 16 und das erste Kettenblatt 15 und über die erste Kette 2a und das Ritzel 11 auf das Hinterrad 3 übertragen.
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Die elektrische Maschine 5 kann dabei ebenso über das Getriebe 22 und das Zahnrad 21, die erste Hülse 16 mit dem ersten Kettenblatt 15 antreiben und den Fahrer in seiner Tretkraft unterstützen. Durch den Freilauf 19 wird dabei keine Vorwärtsdrehung von der elektrischen Maschine 5 auf das zweite Kettenblatt 12 mit zweiter Kette 2b übertragen.
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Während der Fahrt wird die zweite Hülse 13 von dem Hinterrad 3 über die zweite Kette 2b angetrieben. Über den Freilauf 19 treibt die zweite Hülse 13 auch die erste Hülse 16 und damit sowohl die elektrische Maschine 5 als auch das erste Kettenblatt 15 mit erster Kette 2a und eines der Ritzel 11 an.
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Durch den Freilauf 17 wird gewährleistet, dass sich die Tretlagerwelle 23 mit Pedalerie 24, 25 nicht mitdrehen kann. Wie bereits bei 2 verdeutlicht wurde, ist das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Hinterrad 3 und der elektrischen Maschine 5 über die zweite Kette 2b größer als das Übersetzungsverhältnis über die erste Kette 2a. Dadurch bewirkt ein Mitdrehen der ersten Kette 2a kein Sperren des Hinterrads 3 bei einem eingelegten höchsten Gang.
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Um die Drehzahl und das Drehmoment an der Pedalerie 24, 25 vom Fahrer zu messen, weist die zweite Hülse 13 einen ersten Drehsensor und die erste Hülse 16 einen zweiten Drehsensor und einen Drehmomentsensor auf. Der Drehsensor und der Drehmomentsensor können nicht bei der Tretlagerwelle 23 eingebaut werden, da die Hülsen 13, 16 um die Tretlagerwelle 23 angeordnet sind.
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Um zu bestimmen, wann der Fahrer durch eine Antriebskraft der elektrischen Maschine 5 unterstützt werden soll, wird die, von dem ersten Drehsensor gemessene Drehzahl der zweiten Hülse 13 mit der, von dem zweiten Drehsensor gemessenen Drehzahl der ersten Hülse 16 verglichen. Wenn die Drehzahl der ersten Hülse 16 größer ist als die Drehzahl der zweiten Hülse 13, stellt die die elektrische Maschine 5 eine Antriebskraft bereit.
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Um das Drehmoment an der Pedalerie 24, 25 zu ermitteln, wird das gesamte Drehmoment von dem Fahrer und der elektrischen Maschine 5 an der ersten Hülse 16 durch den Drehmomentsensor gemessen. Zudem kann das Drehmoment der elektrischen Maschine 5 berechnet und dadurch das Drehmoment an der Tretlagerwelle 23 berechnet werden. Die Drehzahl der Tretlagerwelle 23 entspricht der, von dem zweiten Drehsensor gemessenen Drehzahl der ersten Hülse 16.
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Falls der Fahrer elektrisch bremsen oder rekuperieren möchte, kann eine der, bei 1 vorgestellten Betätigungsvorrichtungen 6 aktiviert werden. Ein Aktivieren der Betätigungsvorrichtung 6 wird von der Steuereinheit erfasst und das passende Bremsmoment an der elektrischen Maschine 5 eingestellt. Über den Freilauf 19 kann das Bremsmoment der elektrischen Maschine 5 auf die zweite Kette 2b und das Hinterrad 3 übertragen werden.
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Vorzugsweise wird durch eine Pulsweitenmodulation das Bremsmoment der elektrischen Maschine 5 gesteuert. Durch die zweite Kette 2b wird die elektrische Maschine 5 und das Getriebe 22 fortlaufend angetrieben. Dies ist auch der Fall, wenn der Fahrer nicht unterstützt wird und das Elektrofahrrad 1 ausrollt.
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Dadurch entsteht beim Ausrollen des Elektrofahrrads 1 ein geringes Bremsmoment durch die elektrische Maschine 5 und das Getriebe 22. Bei einer Unterstützung des Fahrers durch die elektrische Maschine 5 entsteht dagegen kein Bremsmoment.
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Bei einer ersten Ausführungsform wird durch einen offenen Stromkreis bei der elektrischen Maschine 5 bei Ausrollen des Elektrofahrrads 1 das Bremsmoment minimiert. In den Spulen der elektrischen Maschine 5 wird dabei fast kein Strom induziert.
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Bei einer zweiten Ausführungsform wird die durch die Drehsensoren gemessene Drehzahl der ersten Hülse 16 mit der Drehzahl der zweiten Hülse 13 verglichen. Die Drehzahl der elektrischen Maschine 5 wird dabei so gesteuert, dass die Drehzahl der ersten Hülse 16 minimal höher ist als die Drehzahl der zweiten Hülse 13.
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Bei beiden Ausführungsformen wird ein Nichttreten des Fahrers/ ein Ausrollen des Elektrofahrrads 1 durch die beiden Drehsensoren an der ersten und zweiten Hülse 13, 16 zuvor erfasst. Durch einen offenen Stromkreis bei der elektrischen Maschine 5 wird das Bremsmoment bei leerem Akku verringert.
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4 zeigt die zweite Ausführungsform des elektrischen Bremssystems/ Rekuperationssystems am Kurbeltrieb. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform weist die zweite Ausführungsform zusätzlich eine dritte Hülse 18 auf, die um die zweite Hülse 13 und die erste Hülse 16 angeordnet ist. Die erste Hülse 16 ist dabei nur um die Tretlagerwelle 23 und nicht um die zweite Hülse 13 angeordnet.
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Zusätzlich weist die dritte Hülse 18 ein Zahnrad 21 auf, das mit dem Getriebe 22 der elektrischen Maschine 5 verbunden ist. Analog zur ersten Ausführungsform ist ein Freilauf 19 zwischen der zweiten und dritten Hülse 13, 18 eingebaut. Durch den Freilauf 19 kann keine Vorwärtsdrehung der elektrischen Maschine 5 auf das Kettenblatt 12 mit zweiter Kette 2b übertragen werden.
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Zudem ist ein Freilauf 20 zwischen der ersten und dritten Hülse 16, 18 eingebaut. Durch den Freilauf kann keine Vorwärtsdrehung der ersten Hülse 16 auf die dritte Hülse 18 und die elektrische Maschine 5 übertragen werden.
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Der Aufbau und die Funktion der zweiten Ausführungsform entspricht nahezu dem Aufbau und der Funktion der ersten Ausführungsform. Statt über die erste Hülse 16 wird bei der zweiten Ausführungsform die Antriebskraft des Hinterrades 3 von der zweiten Hülse 13 über die dritte Hülse 18 und das Zahnrad 21 auf das Getriebe 22 und die elektrische Maschine 5 übertragen.
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Der Vorteil einer Ausführungsform mit einer dritten Hülse 18 und einem Freilauf 20 besteht darin, dass das Bremsmoment der elektrischen Maschine 5 und des Getriebes 22 bei leerem Akku 6 verringert werden kann.
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Beträgt beispielsweise die Übersetzung bei einer Bergauffahrt von dem Kettenblatt 15 auf das Ritzel 11 1:1, dann ist die Übersetzung von dem Kettenblatt 15 über die erste Kette 2a, über das Hinterrad 3 und die zweite Kette 2b auf die dritte Hülse 18 größer als 4:1.
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Somit muss weniger als ein Viertel des Bremsmoments der elektrischen Maschine 5 und des Getriebes 22 bei leerem Akku überwunden werden. Bei einer starren Verbindung zwischen zweiter und dritter Hülse 16, 18 müsste das volle Bremsmoment überwunden werden.
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Eine Ausführungsform mit dritter Hülse 18 und Freilauf 20 ist nur sinnvoll, wenn das Bremsmoment der elektrischen Maschine 5 und des Getriebes 22 bei leerem Akku für den Fahrer stark spürbar ist.
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5 zeigt die dritte Ausführungsform des elektrischen Bremssystems/ Rekuperationssystems am Kurbeltrieb. Die dritte Ausführungsform weist einen ähnlichen Aufbau, wie die erste und die zweite Ausführungsform auf. Statt einer dritten Hülse 18 mit Zahnrad 21 weist die dritte Ausführungsform eine zweite Welle 30 auf, die parallel zur Tretlagerwelle 23 angeordnet ist.
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Zusätzlich ist ein erstes Zahnrad 28 um die zweite Hülse 13 und ein zweites Zahnrad 29 um die erste Hülse 16 angeordnet. Zwischen dem ersten Zahnrad 28 und der zweiten Hülse 13 befindet sich ein Freilauf 19. Durch den Freilauf 19 kann keine Vorwärtsdrehung des ersten Zahnrads 28 auf die zweite Hülse 13 übertragen werden. Zwischen dem zweiten Zahnrad 29 und der ersten Hülse 16 ist ebenso ein Freilauf 20 eingebaut. Durch den Freilauf 20 kann keine Vorwärtsdrehung der ersten Hülse 16 auf das zweite Zahnrad 29 übertragen werden.
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Darüber hinaus weist die zweite Welle 30 ein drittes und viertes Zahnrad 31, 32 auf. Das erste Zahnrad 28 ist dabei mit dem dritten Zahnrad 31 und das zweite Zahnrad 29 mit dem vierten Zahnrad 32 verbunden. Das zweite Zahnrad 29 ist zusätzlich über das Getriebe 22 mit der elektrischen Maschine 5 verbunden.
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Der Aufbau und die Funktion der dritten Ausführungsform bei 5 entspricht nahezu dem Aufbau und der Funktion der ersten und zweiten Ausführungsform. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Antriebskraft des Hinterrads 3 von der zweiten Hülse 13 nicht über die erste oder dritte Hülse 16, 18 mit Zahnrad 21, sondern über eine zweite Welle 30 mit vier Zahnrädern 28, 29, 31, 32 auf das Getriebe 22 und die elektrische Maschine 5 übertragen wird.
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Die Antriebskraft wird von der zweiten Hülse 13 über den Freilauf 19, das erste und dritte Zahnrad 28, 31, die zweite Welle 30, das zweite und vierte Zahnrad 29, 32 auf das Getriebe 22 und die elektrische Maschine 5 übertragen.
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Der Vorteil der dritten Ausführungsform besteht darin, dass der Drehsensor und der Drehmomentsensor zur Messung der Drehzahl und des Drehmoments der Pedalerie 24, 25 an der Tretlagerwelle 23 zwischen den Hülsen 13, 16 angeordnet werden können.
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Da die Übersetzung über die zweite Kette 2b sehr groß ist, kann bei jeder der vorgestellten Ausführungsformen statt einem großen Kettenblatt 12 auch ein kleines Kettenblatt 12 mit einem, bei der zweiten Hülse 13 angeordnetem Planetengetriebe verwendet werden.
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6 zeigt die vierte Ausführungsform des elektrischen Bremssystems/ Rekuperationssystems am Kurbeltrieb. Die vierte Ausführungsform weist einen ähnlichen Aufbau, wie die vorherigen Ausführungsformen auf. Statt einer zweiten Hülse 13 ist das zweite Kettenblatt 12 mit mit einer zweiten Welle 30 verbunden, die parallel zur Tretlagerwelle 23 angeordnet ist.
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Die zweite Welle 30 weist dabei ein Zahnrad 34 auf, wobei zwischen der zweiten Welle 30 und dem Zahnrad 34 ein Freilauf 33 eingebaut ist. Durch den Freilauf 33 kann nur eine Vorwärtsdrehung, jedoch keine Rückwärtsdrehung der zweiten Welle 30 auf das Zahnrad 34 übertragen werden. Das Zahnrad 34 ist über ein weiteres Zahnrad 35 mit dem Zahnrad 21 der ersten Hülse 16 verbunden.
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6 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Antriebskraft der zweiten Kette 2b über das zweite Kettenblatt 13, die zweite Welle 30 und die Zahnräder 34, 35, 21 auf das Getriebe 22 und die elektrische Maschine 5 übertragen wird.
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Zusätzlich kann in einer fünften, nicht dargestellten, Ausführungsform die zweite Hülse 13, statt über einer weiteren Hülse 16, 18 oder zweiten Welle 30, über einen Freilauf und ein zweites separates Getriebe mit der elektrischen Maschine 5 verbunden sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrofahrrad
- 2a
- erste Kette
- 2b
- zweite Kette
- 3
- Hinterrad
- 4
- Akku
- 5
- elektrische Maschine
- 6
- Betätigungsvorrichtung
- 7
- zweites Ritzel
- 8
- Nabe
- 9
- Bremsscheibe der Hinterradbremse
- 10
- Bremssattel der Hinterradbremse
- 11
- erstes Ritzel
- 12
- zweites Kettenblatt
- 13
- zweite Hülse
- 14
- Lager
- 15
- erstes Kettenblatt
- 16
- erste Hülse
- 17
- Freilauf zwischen Tretlagerwelle und erster Hülse
- 18
- dritte Hülse
- 19
- Freilauf zwischen zweiter und erster/ dritter Hülse
- 20
- Freilauf zwischen erster und dritter Hülse
- 21
- Zahnrad
- 22
- Getriebe
- 23
- Tretlagerwelle
- 24
- Tretkurbel
- 25
- Pedal
- 26
- Gehäuse
- 27
- Lager
- 28
- erstes Zahnrad bei zweiter Hülse
- 29
- zweites Zahnrad bei erster Hülse
- 30
- zweite Welle
- 31
- drittes Zahnrad bei zweiter Welle
- 32
- viertes Zahnrad bei zweiter Welle
- 33
- Freilauf
- 34
- Zahnrad bei zweiter Welle
- 35
- Verbindungszahnrad
- 36
- erster Antriebsstrang
- 37
- zweiter Antriebsstrang
