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Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrrad mit einem mit dem Pedal-Tretantrieb gekuppelten Schaltgetriebe und einem Elektroantrieb, wobei ein Getriebemotor des Elektroantriebs mit dem Schaltgetriebe und dieses über eine Freilaufeinrichtung mit dem Tretantrieb des Fahrrades in Antriebsverbindung steht und eine Schaltungsanordnung zur Optimierung des Schaltgetriebezustandes vorgesehen ist, an deren Ausgang ein in Abhängigkeit vom Belastungszustand des Getriebemotors erzeugtes Signal zur Veränderung des Schaltgetriebezustandes anliegt.
Bei Elektrofahrrädern, die in der erwähnten Weise ausgebildet sind, wird das für die Übertragung der Pedalkräfte vorhandene Getriebe auch für die Übertragung des Drehmomentes des Elektromotors verwendet.
Durch die AT-E-44 922 B wurde ein derartiges Fahrrad mit Elektroantrieb bekannt, wobei die Antriebseinheit einerseits als Motor und andererseits als Generator -zur Aufladung der Antriebsbatterienbetrieben werden kann. Zur Verbindung des Motors mit dem Tretantrieb ist ein separates Getriebe vorgesehen, das mit dem vorderen Kettenrad des Tretantriebes verbindbar ist. Eine Veränderung des Übersetzungsverhältnisses des zwischen Elektromotor und Hinterrad angeordneten Getriebes ist dabei allerdings nicht vorgesehen.
Gerade durch die Veränderung des Übersetzungsverhältnisses könnte der Elektromotor im wesentlichen stets in ein und demselben Arbeitspunkt betrieben werden, in dem er den grössten Wirkungsgrad erreicht ; die Anpassung der Drehzahl und des Drehmomentes des gesamten Antriebes auf die unterschiedlichen Anforderungen während des Fahrbetriebes erfolgt durch das Schaltgetriebe. Wird z. B. wie beim Anfahren eine geringe Drehzahl und ein hohes Drehmoment des Antriebes benötigt, wird eine kleine Übersetzung des Schaltgetriebes gewählt, wird umgekehrt, z. B. beim Fahren auf Ebenen eine grosse Drehzahl bei geringem Drehmoment benötigt, wird eine grosse Übersetzung des Schaltgetriebes gewählt ; der Elektromotor wird jedoch in allen Fällen in seinem effizientesten Arbeitspunkt betrieben.
Als entscheidender Nachteil bei der Verwendung von oben beschriebenen Elektrofahrrädern ergibt sich, dass der Benützer allein entscheiden muss, wann er den Zustand des Schaltgetriebes ändert. Eine Einschätzung, wann der Elektromotor überlastet bzw. nicht optimal ausgenützt ist, erfolgt dabei meist durch Beurteilung des vom Elektromotor erzeugten Geräusches in Verbindung mit der momentanen Fahrgeschwindigkeit. Diese Methode liefert jedoch nur relativ unzuverlässige Ergebnisse, sodass der Elektromotor trotz der Ankopplung an das Schaltgetriebe nicht immer optimal ausgenützt ist.
Eine Lösung, bei der dieses Problem vermieden wird zeigt die DE 30 24 398 A1. Hier ist ein Fahrradantrieb beschrieben, der einen Elektromotor mit angekuppeltem schaltbaren Getriebe umfasst. Das in seinem Übersetzungsverhältnis veränderbare Getriebe ist direkt an den Motor angeflanscht, also stets zusätzlich zu einem eventuell vorhandenen Schaltgetriebe des Tretantriebes vorgesehen.
Zur Erfassung der momentanen Belastung des Motors wird seine Stromaufnahme bestimmt, welcher Messwert automatisch bewertet und unmittelbar zur Veränderung des Getriebeübersetzungs-Verhältnisses verwendet wird.
Erwähnte Bewertung erfolgt durch ein Relais, deren Wicklung vom Motorstrom durchflossen ist.
Entsprechend der Höhe dieses Motorstromes wird der Relais-Anker mehr oder weniger weit ausgelenkt, durch welche Auslenkung die Umschaltung des Getriebe-Übersetzungsverhältnisses bewirkt wird.
Dadurch ergeben sich allerdings folgende Nachteile : Der Motorstrom muss zur Erreichung einer für ein Fahrrad notwendigen Antriebsleistung realtiv hoch sein (Spannungsniveau bei dieser Anwendung üblicherweise vergleichsweise niedrig), sodass eine vom Motorstrom durchf ! ossene Messanordnung (z. B. die vorgeschlagen Relais-Spule, Shuntwiderstand od. dgl.) entsprechend den zu erwartenden thermischen Belastungen relativ gross und schwer dimensioniert sein müsste. Darüberhinaus ist durch die Serienschaltung der Messanordnung zum Antriebsmotor bedingt, dass die Energie der Batterie nur teilweise dem Antriebsmotor zugeführt werden kann, ein Teil geht in der Messanordnung verloren.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung für Fahrräder der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, mit deren Hilfe es möglich ist, den Elektromotor stets optimal auszunützen, weiche jedoch möglichst gennge elektrische Verluste erzeugt und darüberhinaus kleine Abmasse und geringes Gewicht aufweist.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Schaltungsanordnung zur Optimierung des Schaltgetriebezustandes durch den Getriebemotor selbst gebildet ist, indem dieser durch eine Konstantstromquelle angesteuert ist und zur Erfassung der Getriebemotorbelastung die an diesem anstehende Spannung dient, weiche zumindest einen Pegeldiskriminator ansteuert, an dessen (deren) Ausgang (Ausgängen) das Signal zur Veränderung des Schaltgetriebezustandes abgreifbar ist.
Die vorgeschlagene Spannungsmessung ist mit den heute bekannten Möglichkeiten (V-Meter, Operationsverstärker) nahezu ohne elektnscher Belastung des Messobjektes-also lelstungsfrel- möglich ; die notwendigen Bauteile können aufgrund der nahezu leistungsfreien Messung sehr klein und leicht gehalten
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werden.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Pegeldiskriminatoren durch zwei Komparatoren gebildet sind, wobei die zur Erfassung der Getriebemotorbelastung herangezogene Spannung an den einen Eingängen der beiden Komparatoren anliegt, an dem anderen Eingang des ersten Komparators eine erste Referenzspannung, die der Belastungsobergrenze des Getriebemotors entspricht, an dem anderen Eingang des zweiten Komparators eine zweite Referenzspannung, die der Belastungsuntergrenze des Getriebemotors entspricht, anliegt und dass das Ausgangsignal des ersten Komparators das Signal zur Erniedrigung der Übersetzung und das Ausgangssignal des zweiten Komparators das Signal zur Erhöhung der Übersetzung darstellt.
Für die Erzeugung der beiden notwendigen Signale sind nur zwei Komparatoren und zwei Konstantspannungsquellen zusätzlich zur Ansteuereinheit notwendig. Damit kann die Schaltung sehr klein, störsicher und mechanisch robust ausgeführt werden.
Weiters kann vorgesehen sein, dass an den Ausgang der Schaltungsanordnung zur Optimierung des Schaltgetriebezustandes eine Stelleinrichtung zur automatischen Veränderung des Schaltgetriebezustandes angeschlossen ist.
Durch diese Einrichtung ist der Lenker überhaupt nicht mehr mit den notwendigen Schaltvorgängen konfrontiert, diese passieren vollautomatisch und genau zum richtigen Zeitpunkt ; der Antrieb ist also immer optimal ausgelastet.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erklärt. Dabei zeigt :
Fig. 1 bis Fig. 3 verschiedene Ausführungsformen eines Fahrrad-Elektroantriebes, bei denen die erfin- dungsgemässe Schaltungsanordnung anwendbar ist im Überblick und
Fig. 4 eine erfindungsgemässe Schaltungsanordnung zur Erfassung der Getriebemotorbelastung.
Vorerst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Sie zeigt einen Getriebemotor 1 des Elektroantriebs, der durch eine erste Freilaufeinrichtung 2 mit dem Schaltgetriebe und dieses über eine zweite Freilaufeinrich- tung 3 mit dem Tretantrieb des Fahrrades in Antriebsverbindung steht. Der Getriebemotor 1 wird vorzugsweise auf das untere Rahmenrohr 5 des Fahrrades montiert, da es hier den Lenker am wenigsten bei seinen Tretbewegungen stört. Es ist jedoch auch durchaus vorstellbar, den Getriebemotor 1 auf das vertikale Sattelstützrohr anzuordnen, was allerdings den Nachteil hätte, dass der Schwerpunkt des Fahrrades etwas höher liegen würde als bei Montage des Getriebemotors 1 auf dem Rahmenrohr 5, wodurch der Fahrradständer stärker belastet werden würde und das Fahrrad instabiler abgestützt werden könnte.
Der Getriebemotor 1 kann verschiedene Bauformen aufweisen. So können beispielsweise Motoren mit Stirnrad-, Kegelrad- sowie Schneckengetrieben oder ähnliche zweckgemässe Ausführungsformen eingesetzt werden.
Direkt an der Pedalachse 4 ist die zweite Freilaufeinrichtung 3 und diese umgebend die erste Freilaufeinrichtung 2 angeordnet. Mit dieser platzsparenden Anordnung ist es möglich, die Tretachse 4 relativ kurz zu halten und somit den vom Lenker am deutlichsten spürbaren Unterschied zu einem normalen Fahrrad ohne Elektroantrieb, nämlich den horizontalen Pedalabstand. klein zu halten.
Die Antriebsverbindung des Getriebemotors 1 mit der ersten Freilaufeinrichtung 2 ist durch einen Zahnriemenantrieb 7, 8,9 gebildet, wobei das angetriebene Zahnrad 7 desselben über die erste Freilaufeinrichtung 2 das bzw. die vorderen Kettenräder 15 des Schaltgetriebes antreibt. Die weitere Kraftübertragung erfolgt wie beim normalen Fahrrad über eine Rollerkette zunächst auf die hinteren Kettenzahnräder 11 und von diesen über einen hinteren Freilauf 14 auf das Hinterrad 12.
Der Getriebemotor 1 steht mit dem treibenden Zahnrad 8 des Zahnriemenantriebs über eine Fliehkraftkupplung 16 in Antriebsverbindung.
Die Notwendigkeit der Fliehkraftkupplung 16 erklärt sich, wenn man überlegt, was In allen möglichen Betriebssituationen mit den einzelnen Kraftübertragungsteilen passiert. Im Tretbetrieb, in dem der Getriebemotor 1 stillsteht, wird das mit den Pedalen 6 erzeugte Drehmoment über die Tretachse 4 und den zweiten Freilauf 3 auf die vorderen Kettenräder 15 übertragen. Der erste Freilauf 2 kann kein Drehmoment übertragen und läuft somit frei, wodurch auch der Zahnriemenantrieb 7, 8, 9 nicht bewegt wird. Der Tretbetneb wird durch den stillstehenden Getreibemotor 1 also nicht gestört, das Schaltgetriebe kann wie üblich benützt werden.
Wird das Fahrrad in Fahrrichtung geschoben oder rollt es antriebslos nach vorne, so läuft, wie bei normalen Fahrrädern, der hintere Freilauf 14 frei.
Beim Schieben des Fahrrades gegen die normale Fahrrichtung läuft keiner der drei Freiläufe 2, 3, 14 frei, das gesamte Schaltgetriebe und der Zahnriemenantrieb 7,8, 9 dreht sich mit dem Hinterrad 12 mit. Für diesen Fall ist die Fliehkraftkupplung 16 vorgesehen, die bei diesem Schlebebetneb rückwärts ein Mitdrehen des Getriebemotors 1 verhindert.
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Im Motorbetrieb bildet die Fliehkraftkupplung 16 eine kraftschlüssige Verbindung mit dem treibenden Zahnrad 8 und das Drehmoment des Getriebemotors 1 wird auf dem schon beschriebenen Weg auf das Hinterrad 12 übertragen.
Für die Anwendung einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung ist die eben beschriebene Ausführungsform des Elektroantriebes jedoch nicht zwingende Voraussetzung.
In Fig. 2 ist eine Variante der Ausführungsform des Elekroantriebes nach Fig. 1 dargestellt, wobei zu Fig. 1 equivalente Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
Dabei ist das vom Getriebemotor 1 angetriebene Zahnrad 7 direkt mit den vorderen Kettenrädern 15 verbunden. Nachteilig ergibt hier jedoch, dass im normalen Tretbetrieb bei stillstehendem Elektromotor 1 der Zahnriemenantrieb 7,8, 9 mitbewegt. also zusätzlicher Widerstand überwunden werden muss.
Eine weitere Variante des Elektroantriebes zeigt Fig. 3. Zu Fig. 1 equivalente Bauteile sind wiederum mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Hier wird einerseits das Zahnrad 7 starr mit den vorderen Kettenrädern 15 verbunden und andererseits die Getriebeabtriebswelle 17 starr mit dem Zahnrad 8 verbunden. Im Tretbetrieb muss dann jedoch der Zahnriemenantrieb 7,8, 9, das Getriebe und der Anker des Elektromotors 1 mitbewegt werden.
Um die Energie der Antriebsbatterie 20 optimal auszunützen, ist es wichtig, dass der Getriebemotor 1 immer günstig ausgelastet ist. Um diese Vorgabe zu erreichen, ist unabhängig von der Ausführungsform des Elektroantriebes eine Schaltungsanordnung zur Optimierung des Schaltgetriebezustandes an deren Ausgang ein in Abhängigkeit vom Belastungszustand des Getriebemotors 1 erzeugtes Signal zur Veränderung des Schaltgetriebezustandes anliegt, vorgesehen.
Eine Ausführungsform einer solchen erfindungsgemässen Schaltungsanordnung ist in Fig. 4 dargestellt.
Sie ist durch den Getriebemotor 1 selbst gebildet, indem dieser durch eine Konstantstromquelle 21 angesteuert ist und zur Erfassung der Getriebemotorbelastung die an diesem anstehende Spannung dient, welche zumindest einen Pegeldiskriminator ansteuert, an dessen (deren) Ausgang (Ausgängen) das Signal zur Veränderung des Schaltgetriebezustandes abgreifbar ist.
Wird ein gewöhnlicher Gleichstrommotor mit Permanentmagneterregung, wie er hier eingesetzt werden könnte, mit einem konstanten Strom versorgt, so wird in den Ankerwicklungen des Motors eine gewisse drehzahlabhängige Spannung induziert. Wird der Motor belastet, also abgebremst, so sinkt die induzierte und somit an den Anschlussklemmen messbare Spannung ab. Bei Entlastung steigt die Drehzahl und mit ihr die induzierte Spannung wieder geringfügig an. Diese elektrische Eigenschaft eines Gleichstrommotors wird bei dieser Erfindung vorzugsweise verwendet.
Dieses Verfahren ist jedoch beispielhaft zu verstehen. Genauso wäre es vorstellbar, den Getriebemotor 1 über eine Konstantspannungsquelle anzusteuern und die dabei auftretende Stromaufnahme des Getriebemotors 1 zur Erfassung der Getriebemotorbelastung heranzuziehen. Auch die Messung und Bewertung der aktuellen Drehzahl stellt ein mögliches Verfahren dar.
Bei der In der Zeichnung dargestellten Ausführungsform sind die Pegeldiskriminatoren durch zwei Komparatoren 24, 25 gebildet, wobei die zur Erfassung der Getriebemotorbelastung herangezogene Spannung an den einen Eingänge der beiden Komparatoren 24,25 anliegt, an dem anderen Eingang des ersten Komparators 24 eine erste Referenzspannung, die der Belastungsobergrenze des Getriebemotors 1 entspricht anliegt und an dem anderen Eingang des zweiten Komparators 25 eine zweite Referenzspannung, die der Belastungsuntergrenze des Getriebemotors 1 entspricht, anliegt. Das Ausgangsignal des ersten Komparators 24 stellt das Signal zur Erniedrigung der Übersetzung und das Ausgangssignal des zweiten Komparators 25 stellt das Signal zur Erhöhung der Übersetzung dar.
Bei der In der Zeichnung dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung sind die beiden Signale mit Anzeigeeinnchtungen 26,27, 28 verbunden, die dem Lenker auf akustischem oder optischem Wege zu entsprechender Veränderung des Schaltgetriebezustandes auffordern. Für solche Anzeigeeinrichtungen 26, 27,28 können Leuchtdioden, Lampen, LC-Displays, Summer mit verschiedenen Tonlagen o. ä. eingesetzt werden. Für das Anzeigeelement 28, das das Erreichen des optimalen Schaltgetnebezustandes anzeigt, sind die beiden Ausgangssignale der beiden Komparatoren 24, 25 über einen NOR-Baustein 29 logisch verknüpft.
Dieser NOR-Baustein 29 liefert an seinem Ausgang nur dann einen "Hlgh"-Pegel und somit das Anzeigeelement 28 eine Anzeige, wenn seine beiden Eingangssignale einen"Low"-Pegei. d. h. weder die obere noch die untere Belastungsgrenze des Getriebemotors 1 überschritten ist, aufweisen.
Das Tiefpasselement 23 glättet die abgegriffene Spannung, damit kurzzeitig auftretende Spannungsspitzen oder-einbrüche nicht zu verwirrenden Anzeigen führen können.
Weiters ist es möglich, dass an den Ausgang der Schaltungsanordnung zur Optimierung des Schaltgetriebezustandes eine Stelleinrichtung zur automatischen Veränderung des Schaltgetnebezustandes angeschlossen ist.
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Dazu werden leaiglich die Ausgangssignale der Komparatoren 24, 25 nicht an Anzeigeelemente 26, 27, 28 sondern an eine elektrisch betätigbare Stelleinrichtung zur automatischen Veränderung des Schaltgene- bezustandes angeschlossen. Bei dieser Variante müssen aber zusätzlich Betätigungselemente, wie z. B : Taster o. ä. vorgesehen sein, mit denen der Lenker die Stelleinrichtung des Schaltgetriebes im Tretbetrieb auch händisch betätigen kann.