AT501842B1 - Fahrzeug - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, mit mindestens einem Antriebsrad, einem Elektromotor, der mit dem Antriebsrad verbunden ist, einem Stromspeicher zur Versorgung des Elektromotors, einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung des Elektromotors und mit einer Tretkurbel, die unabhängig vom Antriebsrad bewegbar ist.

Es sind verschiedene Fahrzeuge bekannt, die einerseits mit Muskelkraft und andererseits mit einem Zusatzantrieb angetrieben werden können. Es handelt sich dabei zumeist um Elektro-fahrräder, die eine Tretkurbel aufweisen, die über eine Antriebskette mit dem Hinterrad verbunden ist und zusätzlich mit einem Elektromotor ausgestattet sind, der alternativ oder zusätzlich zum Muskelantrieb eingesetzt werden kann. Nachteilig bei solchen Lösungen ist, dass bei gemischtem Betrieb die Fahrgeschwindigkeit nicht oder nur indirekt mit dem Antriebsmoment zusammenhängt, das an der Tretkurbel aufgebracht wird. Der Fahrer eines solchen Fahrrades muss daher sowohl den Elektromotor über einen Regler steuern, als auch eine entsprechende Anpassung der Tretleistung vornehmen, um die jeweils gewünschte Geschwindigkeit in Abhängigkeit von Steigungen, Gefällen und Windbedingungen hersteilen zu können. Weiters ist aus der US 3,884,317 A ein Fahrrad bekannt geworden, das einen elektrischen Antrieb und eine Tretkurbel aufweist, die jedoch einen Generator antreibt und nicht mehr mit einem der Räder verbunden ist. Zusätzlich dazu kann Strom aus einer Batterie in das System eingespeist werden, so dass der elektrische Antriebsmotor teilweise mit dem Strom versorgt wird, den der Fahrer über die Tretkurbel am Generator erzeugt und teilweise aus dem der Batterie entnommenen Strom. Mit einem solchen Fahrrad lässt sich die Fahrgeschwindigkeit innerhalb vorgegebener Grenzen weitgehend durch die an der Tretkurbel aufgebrachten Leistung steuern. Was einen für den Anwender im Vergleich zur vorigen Lösung vereinfachten Betrieb ergibt. Durch eine entsprechende Schaltung des Generators wird versucht, ein annähernd natürliches Verhalten eines solchen Fahrrades im Vergleich zu einem mechanisch angetriebenen Fahrzeug herzustellen, das heißt, dass innerhalb einer Schaltstellung die Drehzahl der Antriebskurbel der Drehzahl des Antriebsrads entspricht. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Forderung nur im stationären oder annähernd stationären Betrieb einigermaßen zu erreichen ist. In Übergangszuständen, das heißt, im transienten Betrieb, unterscheidet sich ein Fahrrad dieser Art erheblich von einem herkömmlichen Fahrrad, was sich unangenehm auf die Fahrbarkeit auswirkt.

Um diese bestehenden Nachteile insbesondere beim Anfahren auszugleichen, ist in der WO 00/59773 A eine Lösung vorgeschlagen worden, bei der der Generator durch eine Steuerungseinrichtung so angesteuert wird, dass ein hohes Widerstandsmoment beim Anfahren die Tretkurbel bremst. Auf diese Weise kann das Verhalten eines Fahrzeugs, dem eines mechanischen angetriebenen Fahrzeugs angenähert werden. Um eine ausreichend genaue und realitätsnahe Anpassung erreichen zu können, wird bei dieser Lösung jedoch ein sehr hoher Aufwand benötigt, der insbesondere eine aufwendige Leistungselektronik zur Ansteuerung des Generators umfasst. Um die entsprechenden Widerstandsmomente aufbringen zu können, muss der Generator entsprechend groß und leistungsstark ausgebildet sein. Aufgrund des erforderlichen Aufwands haben sich solche Lösungen nicht durchgesetzt.

Eine weitere bekannte Lösung ist in der EP 0 784 008 A beschrieben. Auch hier wird von der Tretkurbel ein Generator angetrieben, um elektrischen Strom für den Vortrieb eines Fahrrades zu gewinnen. Zusätzliche Stromquellen wie ein von einer Brennkraftmaschine angetriebener Generator, Solarzellen oder wiederaufladbare Batterien können hier ebenfalls vorgesehen sein. Auch diese Lösung erfordert eine aufwändige Leistungselektronik, um einerseits das am Generator jeweils aufzubringende Drehmoment und andererseits den Antrieb entsprechend zu steuern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fahrzeug der oben beschriebenen Art so weiterzubilden, dass mit vertretbarem Aufwand eine möglichst realitätsnahe Abbildung des Verhaltens eines mechanisch angetriebenen Fahrzeugs erreicht werden kann. 3 AT 501 842 B1

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein weitgehend natürliches Verhalten eines solchen Fahrzeuges im Vergleich zu einem mechanisch angetriebenen Fahrzeug herzustellen, d.h., dass innerhalb einer Schaltstellung die Drehzahl der Tretkurbel mit der Fahrgeschwindigkeit in einer für den Benutzer des Fahrzeuges nachvollziehbaren Weise zusammenhängt. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere bei leistungsstarken Antrieben in Übergangszuständen, d.h. im transienten Betrieb, hohe Schwankungen des Antriebsmomentes zu beobachten sind, die das Fahrverhalten negativ beeinflussen. Solche Schwankungen sollen bei der erfindungsgemäßen Lösung weitgehend vermieden werden.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass die Tretkurbel mit einer mechanisch und/oder hydrodynamisch wirkenden Bremseinrichtung verbunden ist, die der Drehung der Tretkurbel ein Widerstandsmoment entgegensetzt und dass das Widerstandsmoment der Bremseinrichtung von der Steuerungseinrichtung gesteuert ist. Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Bremseinrichtung vorgesehen ist, die zumindest einen Teil der an der Tretkurbel aufgebrachten Energie dissipiert. Im Gegensatz zu den Vorrichtungen des Standes der Technik dient somit die Tretkurbel nicht primär dazu, einen Teil der Antriebsenergie zu erzeugen, sondern in erster Linie dazu, die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs zu steuern. Wenn es erforderlich ist, können mit relativ einfachen Mitteln relativ hohe Widerstandsmomente an der Tretkurbel zur Verfügung gestellt werden, um beispielsweise das Anfahren am Berg realitätsnah simulieren zu können. Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die Bremseinrichtung eine Schwungmasse in der Form eines Schwungrads umfasst. Durch das Vorsehen einer Schwungmasse wird die Steuerung wesentlich vereinfacht, da die Schwungmasse durch ihre Trägheit einer Änderung der Drehzahl der Tretkurbel selbsttätig Widerstand entgegensetzt. Die Masse der Schwungmasse kann in besonders vorteilhafter Weise dadurch verkleinert werden, dass die Schwungmasse mit der Tretkurbel über ein die Drehzahl erhöhendes Getriebe verbunden ist, das vorzugsweise ein Übersetzungsverhältnis von mindestens 1:3 aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, das Fahrzeug besonders leicht auszubilden.

Eine besonders realitätsnahe Nachbildung eines herkömmlichen Fahrrads kann dadurch erreicht werden, dass die Steuerungseinrichtung so ausgebildet ist, dass das Verhältnis der Drehzahl der Tretkurbel zu der Drehzahl des Antriebsrades stufenweise konstant ist. Die einzelnen Gangstufen werden dabei durch eine Schaltung angesteuert, die in der gleichen Weise betätigt werden kann, wie die Gangschaltung eines mechanisch angetriebenen Fahrrads. Unterschiedlich dabei ist jedoch, dass die Schaltung nicht das Übersetzungsverhältnis des mechanischen Getriebes verändert, sondern lediglich das Verhalten der Steuerungseinrichtung beeinflusst. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Steuerungseinrichtung so ausgebildet ist, dass das Verhältnis der Drehzahl der Tretkurbel zu der Drehzahl des Antriebsrades stufenweise variabel einem vorgegebenen Wert entspricht. Auf diese Weise kann ein Fahrzeug mit stufenlos variablem Getriebe simuliert werden.

Eine besonders begünstigte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die an der Tretkurbel aufgebrachte Leistung in einem konstanten Verhältnis zu der am Antriebsrad abgegebenen Leistung zu halten. Bei einer Steuerung dieser Art ist am Widerstand, der an der Tretkurbel anliegt, der jeweilige Fahrzustand des Fahrzeugs erkennbar. Dies bedeutet, dass bei der Bergauffahrt ein höherer Widerstand an der Tretkurbel feststellbar ist als etwa bei Rückenwind. Diese ermöglicht eine noch weitergehende Übereinstimmung des Fahrgefühls mit mechanisch angetriebenen Fahrzeugen als dies bei den oben beschriebenen Lösungen der Fall ist.

In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Bremseinrichtung einen Generator umfasst. Der im Generator erzeugte Strom kann beispielsweise für die Beleuchtung oder aber zur Einspeisung in den Stromspeicher verwendet werden. In jedem Fall ist jedoch der Generator nur zusätzlich zu eigentlichen mechanischen oder hydrodynamischen Bremse vorgesehen. 4 AT 501 842 B1

Ein Zusatznutzen, der den Betrieb dieses erfindungsgemäßen Fahrzeugs weiter vereinfacht kann dadurch erzielt werden, dass die Steuerungseinrichtung auch zum Bremsen des Fahrzeuges dient.

Weiters ist es von besonderem Vorteil, wenn die Bremseinrichtung als Kombination aus einer mechanischen Bremse und einer hydrodynamischen oder elektrischen Bremse ausgebildet ist und dass die mechanische Bremse primär beim Anfahren oder bei starkem Beschleunigen eingesetzt wird und dass die hydrodynamische oder elektrische Bremse primär im kontinuierlichen Betrieb und bei leichten Beschleunigungen oder Verzögerungen eingesetzt wird. Diese Zweiteilung entspricht zum einen der unterschiedlichen Steuerbarkeit der Bremssysteme, da sich mechanische Bremsen punktgenau mit sehr hohem Moment steuern lassen, jedoch bei längerer Beanspruchung heiß laufen, während hydrodynamische oder elektrische Bremsen weniger genau gesteuert werden können, aber für Dauerbelastungen gut geeignet sind.

In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßen Fahrzeug in einer seitlichen Darstellung und Fig. 2 zeigt ein Detail von Fig. 1 im Schnitt.

Das Fahrzeug ist als Fahrrad ausgebildet, das in herkömmlicher weise ein Hinterrad 1, das das Antriebsrad darstellt, sowie ein Vorderrad 2 aufweist. Ein Elektromotor 3 treibt über eine Kette 4 das Hinterrad 1 an. Dabei wird der Elektromotor 3 über einen Stromspeicher 5 in der Form von wiederaufladbaren Batterien mit Energie versorgt. Ein Steuergerät 6 steuert den Elektromotor 3 beispielsweise über einen Frequenzumrichter, so dass eine jeweils vorgegebene Fahrgeschwindigkeit erreicht wird.

Wie bei einem herkömmlichen Fahrrad ist eine Tretkurbel 7 vorgesehen, die jedoch mechanisch nicht mit dem Antriebsrad 1 verbunden ist.

In Fig. 2 ist der mechanische Aufbau im Bereich der Tretkurbel 7 näher dargestellt. Die Tretkurbel 7 ist auf einer Welle 8 befestigt, die über Lager 9, 10 an einer gehäusefesten Halterung 11 angebracht sind. Verdrehfest mit der Welle 8 ist ein Hohlrad 12 verbunden, in das ein Zwischenzahnrad 13 eingreift, das auf einem Vorsprung 14 der Halterung 11 gehalten ist. Das Zwischenzahnrad 13 treibt ein Schwungrad 15 mit einem Übersetzungsverhältnis von etwa 3:1 an, das über weitere Lager 16, 17 drehbar auf der Welle 8 gelagert ist. Am Schwungrad 15 ist ein Scheibenläufer 18 angebracht, der mit einer feststehenden Wicklung 19 zusammenwirkt und einerseits als Drehzahlsensor dient, und andererseits Strom erzeugt, der Verbrauchern zugeführt werden kann.

Schematisch dargestellt ist eine Bremsbacke 20, die auf die äußere Umfangsfläche des Hohlrades 12 einwirkt und durch einen Elektromagnet 21 mit variabler Anstellkraft in Eingriff gebracht werden kann.

Die Steuerungseinrichtung 6 arbeitet bei dieser Ausführungsvariante in der folgenden Weise: Über den Scheibenläufer 18 wird die jeweilige Drehzahl der Tretkurbel 7 erfasst. Der Elektromotor 3 wird in der Folge so angesteuert, dass die Drehzahl des Antriebsrades 1 stets in einem festen Verhältnis zu der Drehzahl der Tretkurbel 7 ist. Dieses Drehzahlverhältnis kann entweder stufenlos oder in vorbestimmten Stufen durch einen nicht dargestellten Hebel am Lenker verstellt werden. Rein kinematisch verhält sich das Fahrrad somit exakt gleichartig, wie ein herkömmliches Fahrrad mit Gangschaltung. Die Fahrgeschwindigkeit ist direkt proportional zu der Drehzahl der Tretkurbel 7, wobei der Proportionalitätsfaktor vom jeweils gewählten Gang abhängt. Um nun eine geeignete und realitätsnahe Rückmeldung an den Fahrer zu verwirklichen, wird die Bremse durch die Steuereinrichtung 6 so gesteuert, dass das auf der Tretkurbel aufzubringende Moment proportional dem am Antriebsrad 1 aufgebrachten Moment ist. Dies bedeu-

Claims (10)

1. 5 AT 501 842 B1 tet, dass auch die Leistung, die der Fahrer an der Tretkurbel 7 an das Fahrrad abgibt, proportional zu der erforderlichen Vortriebsleistung ist. Sofern der Proportionalitätsfaktor 1 ist, würde sich das Fahrrad im Prinzip völlig wie ein konventionelles Fahrrad verhalten. In der Praxis wird der Proportionalitätsfaktor jedoch wesentlich kleiner als 1 aber über 0 sein und beispielsweise 0,1 betragen. Dies bedeutet, dass die an der Tretkurbel 7 aufgebrachte Leistung einen Bruchteil, zum Beispiel ein Zehntel der tatsächlich erforderlichen Leistung beträgt. Der Proportionalitätsfaktor kann auch in den einzelnen Gängen unterschiedlich sein, so dass bei Auswahl eines größeren Übersetzungsverhältnisses, das heißt, eines schnelleren Ganges, ein größerer Verstärkungsfaktor für die Leistung vorliegt. Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Fahrrad zu realisieren, das sich im Betrieb weitgehend wie ein herkömmliches Fahrrad verhält, mit dem Unterschied, dass die tatsächlich zum Vortrieb eingesetzte Leistung gegenüber der an der Tretkurbel 7 aufgebrachten Leistung verstärkt wird. Es kann damit bei geringem körperlichen Aufwand eine hohe Fahrgeschwindigkeit erreicht werden, ohne dass grundsätzliche Verhalten des Fahrrads zu verändern. Prinzipiell ist anzumerken, dass die oben beschriebenen Eigenschaften, wie die Proportionalität der Drehzahlen von Tretkurbel 7 und Antriebsrad 1 nur solange erhalten bleiben, als die Leistung des Elektromotors 3 ausreicht, die von der Steuerungseinrichtung 6 vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit zu realisieren. Sobald der Elektromotor 3 an seine Leistungsgrenze 3 gelangt, kann durch einen zusätzlichen Widerstand an der Tretkurbel 7 eine entsprechende Rückmeldung an den Fahrer abgegeben werden. Dadurch kann eine besondere Realitätsnähe erzeugt werden. Patentansprüche: 1. Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, mit mindestens einem Antriebsrad (1), einem Elektromotor (3), der mit dem Antriebsrad (1) verbunden ist, einem Stromspeicher <5) zur Versorgung des Elektromotors (3), einer Steuerungseinrichtung (6) zur Steuerung des Elektromotors (3) und mit einer Tretkurbel (7), die unabhängig vom Antriebsrad (1) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tretkurbel (7) mit einer mechanisch und/oder hydrodynamisch wirkenden Bremseinrichtung (20, 21) verbunden ist, die der Drehung der Tretkurbel (7) ein Widerstandsmoment entgegensetzt und dass das Widerstandsmoment der Bremseinrichtung (20, 21) von der Steuerungseinrichtung (6) gesteuert ist.
2. 2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (20, 21) ein Schwungrad (15) umfasst.
3. 3. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad (15) mit der Tretkurbel (7) über ein die Drehzahl erhöhendes Getriebe verbunden ist, das vorzugsweise ein Übersetzungsverhältnis von mindestens 1:3 aufweist.
4. 4. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass das Verhältnis der Drehzahl der Tretkurbel (7) zu der Drehzahl des Antriebsrades (1) stufenweise konstant ist.
5. 5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass das Verhältnis der Drehzahl der Tretkurbel (7) zu der Drehzahl des Antriebsrades (1) stufenweise variabel einem vorgegebenen Wert entspricht.
6. 6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, die an der Tretkurbel (7) aufgebrachte Leistung in einem konstanten Verhältnis zu der am Antriebsrad (1) abgegebenen Leistung zu halten.
7. 7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsein- 6 AT 501 842 B1 richtung einen Generator umfasst.
8. 8. Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator von der Steuerungseinrichtung (6) angesteuert ist.
9. 9. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (6) auch zum Bremsen des Fahrzeuges dient.
10. 10. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (20, 21) als Kombination aus einer mechanischen Bremse und einer hydrodynamischen oder elektrischen Bremse ausgebildet ist und dass die mechanische Bremse primär beim Anfahren oder bei starkem Beschleunigen eingesetzt wird und dass die hydrodynamische oder elektrische Bremse primär im kontinuierlichen Betrieb und bei leichten Beschleunigungen oder Verzögerungen eingesetzt wird. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen