Auf
diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt,
einen Fahrradanhänger mit
Motorbremse und Regelgerät
für die
Ansteuerung zu schaffen, der an beliebigen Fahrrädern angehängt werden kann, durch die
Anzahl und Orientierung seiner Räder
ein hohes Maß an
Eigenstabilität
aufbringt, ohne die Kurvenbewegung des Fahrrades gegen die Intuition
des Fahrers zu beeinflussen, und in einer Ausführungsvariante nur über die
Bewegungen des Fahrrades beschleunigt oder auf gleichmäßiger Geschwindigkeit
gehalten oder abgebremst wird und in der Summe seiner Eigenschaften
insbesondere für Personen
geeignet sein soll, die nur ein geringes Interesse oder nur noch
begrenzte Fähigkeiten
haben, sich auf wesentliche Änderungen
bei der Benutzung eines Fahrrades einzustellen, dennoch aber Fahrradfahren
wollen oder sollen. Gedacht ist hierbei vor allem an Senioren sowie
an Personen mit begrenzten Behinderungen.
Zur
Lösung
dieser Aufgabe beschreibt die Erfindung einen Fahrradschubanhänger mit
einem Elektromotor, einer Batterie und einem Regelgerät zur Ansteuerung
des Elektromotors, dadurch gekennzeichnet, dass am Rahmen vier Achsschwingen,
die je eine Rad tragen, quer zur Fahrtrichtung verschwenkbar sind
und über
je eine Feder am Rahmen abgestützt
sind, wobei die vier Räder
an den Ecken eines Rechtecks als so genannte Tandemachse angeordnet
sind.
Das
besondere Merkmal der Erfindung ist, dass der Fahrradschubanhänger mit
vier Rädern ausgerüstet ist,
die in Form einer sogenannten „Tandemachse" angeordnet sind,
d.h. die vier Räder
sind an den Ecken eines Rechteckes angeordnet, bilden also seitlich
gesehen je zwei Radpaare mit einer gemeinsamen Achslinie und in
Fahrt richtung gesehen je zwei Achspaare, die sich in der gleichen
Spurlinie bewegen.
Diese
Anordnung von Achsen ist im Bereich von Fahrradanhängern bisher
unbekannt und wird nur im Bereich größerer Anhänger für PKW und LKW genutzt. Die
in dieser Größenordnung
und die für
diese Gewichtsklasse gültigen
Vorzüge
lassen sich jedoch auch auf einen Anhänger am Fahrrad übertragen.
Im Vergleich zu einer einzigen Achse wird bei einer Tandemachse
eine gegebene Last aufgeteilt und pro Achse halbiert, wodurch die
Verwendung von einfacher aufgebauten Rädern und Achsen möglich wird.
Da in der Praxis häufig
Standardteile aus großen
Serien benutzt werden, ist damit bei der Dimensionierung ein Sprung
in niedrigere Gewichtsklassen meist möglich. Da in der Praxis die
Stückzahlen
bei kleineren Gewichtsklassen meist erheblich höher als bei größeren Ausführungen
sind, entsteht dadurch ein weiterer, stückzahlbezogener Preisvorteil,
sodass in der Praxis die Aufteilung einer einzigen Achse auf eine
Tandemachse oft nahezu kostenneutral ist.
Im
Vergleich zu Anhängern
mit zwei getrennten Achsen, von denen eine am hinteren Ende fest montiert
ist und die andere nahe dem vorderen Ende als Drehschemel angeordnet
ist, ermöglicht
eine Tandemachse einen geringeren Abstand zwischen Zugfahrzeug und
Anhänger,
da der effektive Radius, um den sich der Anhänger bei Kurvenfahrt verschwenkt, bei
der Tandemachsausführung
von der Kupplung bis zur Mitte der Tandemachse erstreckt. Bei einem Anhänger mit
einer drehschemelgelenkten Achse ist der Radius jedoch erheblich
kürzer.
Zusammen mit der Verschwenkung zwischen der Längsachse des Drehschemels und
der Längsachse
des Anhängers ergibt
sich ein größerer Abstand
zwischen Zugfahrzeug und Anhänger.
Der
entscheidende Vorzug eines Tandemachsanhängers ist jedoch die erheblich
größere Fahrstabilität. Vom physikalischen
her ist ein Fahrzeug, das vier Räder
aufweist, die an den Ecken eines Rechteckes angeordnet sind, eigentlich
nicht in der Lage, eine Kurve zu durchfahren. Wird es dennoch an
seiner Deichsel in eine Kurve hineinbewegt, so sind dazu Kräfte an der
Deichsel erforderlich, die quer zur Fahrtrichtung orientiert sind.
Sie überwinden den
Schlupf der Räder
in seitliche Richtung. Dieser Schlupf besteht aus einer Rollkomponente
in Fahrtrichtung und einer quer dazu ausgerichteten Gleitkomponente.
Bei Gummireifen gemäß aktuellem Stand
der Profil-Ausbildung
weist die Lauffläche
sogenannte Stollen auf, also voneinander getrennte Profilblöcke, die
sich radial über
die Lauffläche
des Reifens hinaus erheben. Diese Profilblöcke können sich je nach ihrer Größe quer
zur Laufrichtung des Reifens um ein geringes Maß verbiegen. Diese Bewegung
erleichtert das seitliche Gleiten des Reifens bei der Kurvenfahrt
eines Anhängers
mit Tandemachse. Dadurch wird erreicht, dass die quer zur Fahrtrichtung
auftretenden Kräfte
in einer Kurve erheblich geringer sind als die Zugkräfte.
Dieser
Effekt sorgt dafür,
dass ein Tandemachsanhänger
sein Zugfahrzeug nie in eine einmal eingeschlagene Kurve weiter
hineindrängen wird,
sondern auf das Zugfahrzeug dahingehend einwirken wird, dass sich
der Kurvenradius etwas vergrößert. Diese
Einwirkung des Anhängers
muss natürlich
vom Fahrer des Zugfahrzeuges kompensiert werden. Im Vergleich zu
einer Kurvenfahrt ohne Anhänger
muss der Fahrer des Zugfahrzeuges seine Einwirkungen zur Einleitung
einer Kurvenfahrt verstärken.
Zahlreiche praktische Vergleiche haben nachgewiesen, dass diese
Mühe jedoch
subjektiv als bei weitem geringer eingestuft wird, als wie das „Zurücknehmen" der kurveneinleitenden
Maßnahmen bei
einem Anhänger
nach anderem Prinzip, der das Zugfahrzeug nach Einleitung einer
Kurve noch weiter in diese Kurve hineindrängt.
Ein
Fahrradanhänger
mit einer Tandemachse sorgt also für eine Stabilisierung des Fahrrades
in Kurvenfahrt und erfüllt
dadurch die Aufgabenstellung einer möglichst einfachen Benutzung
von Fahrrad und Fahrradschubanhänger.
Der stabilisierende Effekt ist beim Schieben eines Fahrrades noch
sehr viel bedeutsamer als beim Schieben eines zweispurigen Zugfahrzeuges,
da – wie
bereits geschildert – das einspurige
Fahrrad stets in Kurven bewegt werden muss, um das Umkippen zu verhindern.
Bei zweispurigen Fahrzeugen ist also die Geradeausfahrt der häufigste
Betriebzustand; bei einspurigen Fahrzeugen hingegen die Kurvenfahrt.
Ein
weiterer Vorzug der Erfindung ist, dass die Erfindung die Anordnung
der Kupplung für
den Fahrradschubanhänger
auf der Höhe
der Hinterachse vorsieht. Dadurch greift die Schubkraft des Anhängers in
oder sehr nahe zu der (gedachten) vertikalen Achse an, um welche
das Hinterrad bei Kurvenfahrt gegenüber der Fahrbahn verschwenkt
wird. Dank des sehr kleinen oder fehlenden Hebelarmes zwischen Schubkraft
und vertikaler Verschwenkachse des Fahrradhinterrades entsteht deshalb
nur ein sehr kleines oder gar kein Drehmoment, welches das Fahrrad
in die Kurve hineindrückt.
Der
Fahrer des Fahrrades hat also bei Kurvenfahrt nur diejenigen Komponenten
der Schubkraft zu kompensieren, die sich durch die Höhe der Kupplung
gegenüber
der Fahrbahn ergeben: Wenn sich die Längsachse des ziehenden Fahrrades
gegenüber
der Schubkraft des Anhängers
in einer abgewinkelten Position befindet, wirkt die von der Fahrtrichtung
des Fahrers abweichende Kraftkomponente mit der Höhe der Kupplung
oberhalb von der Fahrbahn als effektiver Hebelarmlänge auf
das Fahrrad ein und erzeugt ein Kippmoment. Um dieses zu kompensieren,
muss der Fahrer das Fahrrad noch etwas weiter neigen. Oder – in umgangssprachlicher
Formulierung – muss
der Fahrer „sich
nur etwas mehr in die Kurve legen". Vorteilhafterweise entspricht diese
Kompensationsbewegung in ihrer Richtung der zur Einleitung der Kurve
sowieso erforderlichen Orientierung, weshalb sie in der Fahrpraxis
subjektiv nicht als störend empfunden
wird.
Diese
Erläuterungen
des physikalischen Wirkungsprinzips machen plausibel, dass eine
bezogen auf die Fahrbahn möglichst
tiefe Anbringung der Kupplung am Fahrrad ein Vorteil in Bezug auf
die fahrdynamische Stabilität
ist und damit ein Beitrag zur Erfüllung der Aufgabenstellung
dieser Erfindung.
Ein
weiterer, wesentlicher Kerngedanke der Erfindung ist die selbsttätige Ansteuerung
der Bremsung des Anhängers
durch eine Trägheitsmasse
auf dem Anhänger.
Dazu bietet sich vor allem die Batterie an, die einen relativ großen Anteil
am Gesamtgewicht des Fahrradschubanhängers hat. Es ist vom Prinzip
her jedoch auch eine andere, gewichtige Baugruppe – wie zum
Beispiel der Nutzlastträger – oder sogar
der Fahrradschubanhänger
als Gesamteinheit geeignet. In jedem Fall muss die Trägheitsmasse
gegenüber
der Kupplung oder gegenüber
einem mit der Kupplung fest verbundenen Punkt in Fahrtrichtung verschiebbar
oder verschwenkbar sein. In jedem Fall muss eine in Fahrtrichtung
ausgerichtete Rückhaltekraft
dafür sorgen,
dass bei einer konstanten Verzögerung
des Fahrradschubanhängers
die dadurch eingeleitete Bewegung der Trägheitsmasse in Fahrtrichtung
gestoppt wird und zwar in einer Position die direkt proportional
zur Höhe
der Verzögerung
steht. Die Rückhaltekraft
kann z.B. durch eine Regelbegrenzungsfeder oder einen Pneumatikzylin der
oder eine gegen die Fahrrichtung nach oben gerichtete, die Trägheitsmasse
anhebende, mechanische Führung
der Bewegung erreicht werden, z.B. durch eine Kulisse oder einen
Verschwenkhebel mit kurzem Radius.
Bei
einer starken Bremsung wird sich also die Trägheitsmasse weiter aus ihrer
Ruheposition heraus entfernen als bei einer schwachen Bremsung.
Die
Erfindung schlägt
vor, dass zwischen der Trägheitsmasse
einerseits und einem mit der Kupplung des Anhängers fest verbundenen Punkt
andererseits ein Steuerhebel jeweils gelenkig eingebunden wird.
Dadurch verschwenkt sich der Steuerhebel und zwar proportional zum
Wert der aktuellen Verzögerung.
Je stärker
die Bremsung ist, desto größer ist der
Verdrehwinkel des Steuerhebels. Am Steuerhebel werden entweder weitere
Hebel und oder Bowdenzüge
und/oder Druckzylinder und Druckleitungen angekuppelt, die wenigstens
zwei Reibungsbremsen aktivieren. Jede Reibungsbremse ist an einem
anderen Rad angeordnet.
Dabei
ist der Abstand des Befestigungspunktes am Steuerhebel wählbar, der
Steuerhebel wird dadurch zu einer mechanischen Übersetzung zwecks Anpassung
von Arbeitshub- und Betätigungskraft
der Bremse auf die Dimensionierung der Bewegung der Trägheitsmasse.
In jedem Fall muss die in der Trägheitsmasse
speicherbare, kinetische Energie ausreichend hoch sein, um die zur
Betätigung
der Bremse erforderliche Energie aufbringen zu können und zusätzlich noch
die auf dem Übertragungsweg
dorthin auftretenden Reibungsverluste zu kompensieren. Deshalb kann
es bei einer gegebenen Größe der Trägheitsmasse
vorteilhaft sein, dass die Bremsen des Fahrradschubanhängers als
Trommelbremsen ausgeführt
werden, weil diese aufgrund ihres Wirkungsprinzips ihre Bremswirkung
selbst verstärken.
Ebenso erlaubt das Prinzip des Steuerhebels eine Anpassung an den
vergleichsweise kurzen Hub und die vergleichsweise großen Betätigungskräfte für Scheibenbremsen.
Da
Scheibenbremsen ein lineares Verhältnis zwischen Betätigungskraft
und erzeugtem Bremsdrehmoment aufweisen, kann ihre Anwendung regelungstechnische
Vereinfachungen bewirken.
Das
von der Erfindung beschriebene Prinzip der automatischen Ansteuerung
der Bremse ermöglicht
durch die Proportionalität
des Verdrehwinkels vom Steuerhebel zur Bremskraft eine stufenlose
Ansteuerung der Bremse, die in Bezug auf die Bremsung des gesamten
Fahrzuges aus Fahrrad und Fahrradschubanhänger wie eine Servoeinrichtung wirkt,
also als selbsttätig
wirkende Verstärkung
der vom Fahrradfahrer erzeugten Bremsung arbeitet. Damit wird konsequent
das Ziel der Aufgabenstellung umgesetzt, nämlich eine einfache und problemlose
Nutzung des Fahrradschubanhängers.
Um
diesem Ziel noch näher
zu kommen, schlägt
die Erfindung in einer weiteren Ausführungsform vor, dass die aktuelle
Position des Steuerhebels mit einem Positionsistwertgeber erfasst
wird, der seine Meldungen an den Richtungseingang des Regelgerätes weitergibt.
Damit wird es möglich,
auch die Beschleunigung des Fahrrades durch den Fahrradschubanhänger nach
gleichem Prinzip wie die Bremsung zu regeln. Wenn das ziehende Fahrrad
eine Beschleunigungskraft auf den Fahrradschubanhänger ausübt, wird
dadurch die Trägheitsmasse
aus ihrer Ruheposition heraus in Fahrtrichtung gesehen nach hinten
bewegt und der Steuerhebel verschwenkt. Sobald die Beschleunigung
soweit angestiegen ist, dass über
den Steuerhebel im Positionsistwertgeber derjenige elektrische Kontakt
erreicht ist, über
den der Beschleunigungseingang vom Regelgerät aktiviert wird, lässt das
Regelgerät
einen Strom von der Batterie in den Elekt romotor fließen. Dadurch übt der Elektromotor
ein Drehmoment auf wenigstens ein Rad des Fahrradschubanhängers aus,
welcher daraufhin über
die Kupplung eine Schubkraft auf das Fahrrad ausübt. Dadurch steigert sich die
Geschwindigkeit des Fahrrades, d.h. das Fahrrad wird also beschleunigt.
Durch
die Beschleunigung ändert
sich auch die Drehzahl der Tretkurbel des Fahrrades, woran sich
der Fahrradfahrer jedoch – innerhalb
bestimmter Grenzen – anpassen
kann. Reflexhaft wird er weiterhin diejenige Trittkraft auf die
Pedale ausüben,
die er auch zur Einleitung der Beschleunigung aufgebracht hat. Über die
Tretkurbel entsteht dadurch weiterhin ein Antriebsdrehmoment, das über das
Hinterrad des Fahrrades eine Schubkraft erzeugt, die zu der Schubkraft
des Fahrradschubanhängers
hinzuaddiert wird. Damit wird aber auch der Fahrradschubanhänger weiter
beschleunigt, sodass die Trägheitsmasse
weiter in einer ausgelenkten Position hinter der Normalposition
verharrt, wodurch der Positionsistwertgeber am Steuerhebel weiterhin
den Beschleunigungseingang des Regelgerätes aktiviert. Dieser Regelkreis
ist solange aktiv, wie der Fahrradfahrer eine zusätzliche
Trittkraft auf die Pedale aufbringt.
Sobald
der Fahrradfahrer eine Geschwindigkeit erreicht hat, die er nicht
mehr weiter erhöhen kann
oder will, wird er reflexhaft damit aufhören, eine Trittkraft auf die
Pedale aufzubringen, wodurch die Beschleunigung absinkt. Sinnvollerweise
sollte in diesem Zustand auch der Fahrradschubanhänger nicht
mehr weiter antreiben, sondern in eine konstante Fahrt übergehen.
Dementsprechend
bewegt sich die Trägheitsmasse
wieder näher
an ihre Nulllage heran und der Steuerhebel schwenkt ebenfalls näher an seine Nullposition
zurück.
Dadurch verändert
sich auch die Winkelstellung des Positionswertgebers Für die Reaktion
auf diese veränderte
Winkelstellung sind verschiedene Ausführungsvarianten denkbar. Möglich ist,
dass unterhalb dieses Grenzwertes das Regelgerät dafür sorgt, dass der Antriebsmotor
vom Strom abgeschaltet wird. In dieser Konfiguration würde darauf
hin das Erzeugen eines Drehmomentes schlagartig abgebrochen. Es
wäre denkbar,
einen Freilauf zwischen Motor und Fahrradschubanhänger vorzusehen,
sodass in diesem Fall die im Fahrradschubanhänger noch gespeicherte kinetische
Energie weiter für
eine Bewegung sorgt.
Es
gehört
zum Charakteristikum einer solchen, einfachen Aus-Ein-Steuerung, dass sie
mit einem „Ruck" also einem sprunghaften
Einsetzen des Drehmomentes ihre Wirkung aufnimmt. Aktueller Stand
der Technik bei Elektrofahrzeugen, wie z. B. Flurförderfahrzeugen
oder Rollstuhlantrieben ist jedoch, dass der Stromfluss durch den
Elektromotor geregelt wird. Das dafür übliche Regelprinzip ist die Puls-Weiten-Modulation
(PWM). Dafür
weist das Regelgerät
einen Leistungshalbleiter auf, der den Strom zum Motor in schneller
Folge aus und einschaltet. Ein nach derzeitigem Stand der Technik üblicher
Frequenzwert für
diese Taktung liegt im Bereich von 2000-8000 Herz.
Beim
Maximalwert des Stromes ist der Leistungshalbleiter während der
gesamten Periode jeder Taktung auf leitend geschaltet. Eine Reduzierung
des effektiven Stromwertes wird dadurch erreicht, dass nur während eines
Teiles jeder Periode ein Strom fließt und während der übrigen Zeit einer jeden Regelperiode
der Stromfluss unterbrochen ist. Es bildet sich ein rechteckförmiges Stromsignal
aus, dass durch die Induktivität
des Motors sowie die Trägheit der
rotierenden und sich bewegenden Massen zu einem gleichmäßigen Drehmoment
integriert wird.
Damit
wird es auch für
einen erfindungsgemäßen Fahrradschubanhänger möglich, den
Strom durch den Motor stufenlos zu regeln. Wenn das Regelgerät über diese
zusätzliche
Einrichtung verfügt, ist
es sinnvoll, auch die Sollwerteingänge zumindest mehrstufig zu
gestalten. Je höher
die Anzahl der Stufen ist, desto besser ist der Übergang zwischen den einzelnen
Betriebszuständen
wodurch der Regelungskomfort ansteigt. Als positiver Nebeneffekt
reduziert sich die Dauerbelastung des Fahrzeuges, da keine so hohen
Drehmomentstöße aufgebracht
werden müssen
und die sich daraus ergebende Belastung entfällt.
In
dieser Ausführungsform
ist es möglich, dass
am Ende einer Beschleunigungsphase das Regelgerät den antreibenden Elektromotor
nicht vollkommen ausschaltet, sondern beim Ausbleiben einer Beschleunigung
vom Fahrrad den Antriebsstrom nur soweit reduziert, dass soviel
Drehmoment aufgebracht wird, wie es zur Überwindung der Reibungswiderstände des
gesamten Fahrzuges erforderlich ist. Dieser Wert muss bei der Inbetriebnahme
auf eine sinnvolle Größenordnung
eingestellt werden. Im Interesse der Sicherheit des Fahrradanhängerzuges
sollte er jedoch etwas unter dem für die Überwindung der Reibung erforderlichen
Wert liegen, so dass der Fahrradfahrer genötigt ist, stets selbst etwas
Drehmoment auf die Pedale des Fahrrades aufzubringen. Diese Betriebsart
entspricht der Aufgabenstellung der Erfindung am besten, nämlich einer
Verstärkung der
vom Fahrradfahrer intuitiv vorgegebenen Bewegung ohne ihm eine gezielte
Steuerung eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges aufzulasten.
Damit
diese – vom
regelungstechnischen her – als „Servobetrieb" bezeichnete Betriebsart
auch bei zusätzlicher
Belastung des Fahrradanhängers
weiterhin funktionieren kann, empfiehlt die Erfindung zwecks Erfassung
der aktuellen Belastung des Fahrradschubhängers einen entsprechenden
Sensor anzubringen. Dazu bietet sich an, an eine der vier Achsschwingen
einen Winkelsensor anzubringen, der mit einem Gewichtskorrektureingang
des Regelgerätes elektrisch
verbunden ist und wie folgt arbeitet: Bei einer zunehmenden Belastung
des Fahrradschubanhängers
sinkt dieser in seiner Federung zusammen und verdreht dadurch den
Winkelsensor an der Achsschwinge. Auf dieses Signal hin erhöht das Regelgerät den Drehmomentsollwerte
zur Überwindung
der Reibung proportional.
Alternativ
kann das Regelgerät
auch so ausgestattet oder eingestellt werden, dass es am Ende der
Beschleunigungsphase diejenige Geschwindigkeit beibehält, die
es am Ende der letzten Beschleunigungsphase erreicht hat. Wenn die
Betriebsart Konstantgeschwindigkeit am Regelgerät vorgewählt ist, wird am Ende der Beschleunigungsphase
der gesamte Fahrzug ohne treibende Wirkung des Radfahrers mit konstanter
Geschwindigkeit vorwärts
bewegt. In diesem Fall wird der Antrieb drehzahlgeregelt, wozu er
eine Erfassung der tatsächlich
gefahrenen Geschwindigkeit benötigt,
z. B. einen Drehimpulsgeber an einem Laufrad. Mit diesem Istwert
kann das Regelgerät
eine konstante Geschwindigkeit des Fahrradschubanhängers einhalten.
In dieser Betriebsart hat der geschobene Fahrradfahrer lediglich die
Aufgabe der Fahrrichtungsüberwachung
und muss nicht mehr für
den Vortrieb der Einheit sorgen.
Sobald
dem Fahrer in der Betriebsart Konstantgeschwindigkeit die Geschwindigkeit
als zu hoch erscheint, wird er reflexhaft eine Bremsung einleiten.
Dadurch verzögern
das Fahrrad und auch der Fahrradschubanhänger. Es wirkt also eine Verzögerungskraft
auf den Fahrradschubanhänger
ein, die dem Vortrieb des elektrischen Antriebes entgegengesetzt
ist. Diese Änderung
wird über
die Trägheitsmasse
an den Steuerhebel und an den daran angebauten Positionsistwertgeber
und weiter an das Regelgerät
weitergeben. Das Regelgerät
muss so abgeglichen werden, dass daraufhin der stationäre Zustand
eines Vortriebes mit konstanter Geschwindigkeit verlassen wird und
eine Verzögerung
eingeleitet wird. Das Maß und
die Art der Verzögerung
richten sich nach der Intensität
der vom Radfahrer erzeugten Bremsung.
Bei
jeder Ausführungsform
muss am Regelgerät
vorwählbar
sein, ob die Betriebsart Konstantgeschwindigkeit oder die Betriebsart
Konstantdrehmoment am Ende einer jeden Beschleunigungsphase gewählt wird.
Physikalisch nicht möglich
ist die Kombination beider Betriebarten. Für den Fahrradschubanhänger ist
es wenig sinnvoll, bei z.B. der Betriebsart Konstantgeschwindigkeit
eine Drehmomentgrenze vorzugeben, weil dadurch das Verlassen dieser Betriebsart
sehr erschwert und regelungstechnisch verkompliziert würde.
In
der einfachsten Ausführungsform
ist die Betriebsart vom Hersteller des Gerätes fest vorgegeben und von
außen
nicht einstellbar.
Als
Variante kann die Betriebsart durch einen (sicheren) Schalter am
Regelgerät
gewählt
werden. Diese Konfiguration kann insbesondere für solche Fahrradschubanhänger sinnvoll
sein, die für
körperlich
stark geschwächte
oder behinderte Menschen eingesetzte werden. Für diesen Einsatzfall kann es die
Zielsetzung sein, dass der Patient mit dem ihm gewohnten und vertrauten
Fahrrad das übliche
Beförderungsmittel
trotz evidenter Behinderungen beibehalten kann, jedoch im Rahmen
der ihm verbliebenen, körperlichen
Kräfte
sich noch durch das Fahrradfahren trainieren kann. In diesem Fall
würde es zur
Obliegenheit der therapierenden Personen zählen, die Schubkraft des Fahrradschubanhängers für Konstantbetrieb
einzustellen und in Abhängigkeit
von einem eventuellen Trainingsfortschritt zu reduzieren oder bei
Problemen weiter zu erhöhen.
In
einer anderen, alternativen Form des Regelgerätes kann die Auswahl zwischen
Drehmomentsteuerung oder Geschwindigkeitsregelung auch am Fahrrad
vom Radfahrer selbst erfolgen. Dazu schlägt die Erfindung einen mehrstufigen
Wahrschalter vorne am Fahrrad vor. In einer sinnvollen Ausführung ist
er als ein Drehgriff gestaltet, der von Motorrädern her bekannt ist, und sich
ganz im Sinne der Erfindung als intuitiv bedienbar bewiesen hat.
Weit
verbreitet ist, dass an der in Fahrtrichtung gesehen rechten Außenseite
der Lenkstange der Drehgriff entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird,
um eine Beschleunigung zu erzeugen und für eine Verzögerung im Uhrzeigersinn verdreht
wird. Daraus ergibt sich, dass bei Verdrehung des Griffes entgegen
dem Uhrzeigersinn bis zum Anschlag der maximale Strom freigegeben
wird. Mit Drehung des Griffes entgegen dem Uhrzeigersinn wird der
Strom wieder reduziert. Am Ende dieses Drehbereiches ist der Strom
auf Null reduziert.
Denkbar
ist, dass bei Weiterdrehen des Drehgriffes eine taktil spürbare Raststufe
erreicht wird und der Drehgriff nach deren Überwinden in den Bereich der
Geschwindigkeitskonstanthaltung schwenkt. Sinnvoll ist es, nach Überwindung
einer weiteren Raststufe in einen Bereich konstanten Drehmomentes
einzuschwenken, welcher – wie zuvor
beschrieben – ganz
oder teilweise dem zur Überwindung
der Reibungskräfte
erforderlichen Wert entspricht.
Als
nächste
Stufe des Drehgriffes bei Weiterdrehen entgegen dem Uhrzeigersinn
schlägt
die Erfindung einen neutralen Bereich vor. Es ist sinnvoll, in diesem
Bereich keinen Stromsollwert für
das Regelgerät
vorzugeben sondern es stromlos zu schalten. Falls aus anderen Gründen eine
mechanische Kupplung im Antriebsstrang vorhanden sein sollte, sollte sie
in dieser Position deaktiviert werden. Dann kann das Fahrzeug mit
der ihm eventuell noch verbliebenen kinetischen Energie weiterrollen
oder beim Manövrieren
von außen
verschoben werden.
Wenn
der Drehgriff noch weiter entgegen dem Uhrzeigersinn über den „neutralen
Bereich" hinaus
gedreht wird, sollte er in diesem Bereich eine Verzögerung bewirken,
also eine Bremsung einleiten. Als erste Stufe der Bremsung kann
in diesem Bereich das Regelgerät
in einer regelungstechnisch einfachen Variante dafür sorgen,
dass die Anschlussklemmen des Motors über einen Bremswiderstand kurzgeschlossen
werden, sodass generatorisch erzeugte Energie in den Bremswiderständen in
Wärme umgewandelt
werden und auf diese Weiser der Motor zur Bremsung weiterträgt.
Durch
das Zuschalten der Bremswiderstände
entsteht jedoch ein Ruck im Fahrzeug. Er kann in einer aufwendigeren
Variante durch eine geregelte Ansteuerung der Bremswiderstände über Leistungshalbleiter
vermieden werden.
Die „Vernichtung" der Bremsenergie
in Widerständen
ist von der Investition her die einfachste Lösung, für die Gesamtenergiebilanz der
Batterie jedoch nachteilig. Wenn auf eine Energierückgewinnung
er höhter
Wert gelegt wird – z.
B. bei Betrieb des Fahrradschubanhängers in sehr hügeligem
Gelände – ist es
sinnvoll, eine Energierückgewinnung
(Rekuperation) durch Energierücktransfer
in die Speicherbatterie zu installieren. Da je nach Geschwindigkeit des
Fahrzeuges und damit schwankender Drehzahl des Motors die Spannung
an den Klemmen unterschiedlich hoch ist, kann nicht die gesamte
Batterie direkt aufgeladen werden. Nach dem Stand der Technik sind
jedoch etliche Schaltungen bekannt, die auch bei sehr niedrigen
Drehzahlen des Elektromotors und dem entsprechend niedriger Spannung
eine Anpassung der generatorisch erzeugten Energie an die Batteriespannung
ermöglicht.
Dazu dienen u. a. so genannte Hochsitzsteller.
Der
erhöhte
Aufwand für
diese Schaltung ergibt als vorteilhaftes Merkmal des Fahrradschubanhängers eine
erheblich erhöhte
Reichweite, da durch Bremsen oder beim Bergabfahren gewonnene Energie
in den Grenzen des Wirkungsgrades der Übertragungsstrecke wieder zur
Beschleunigung und zum Antreiben des Fahrradschubanhängers genutzt
werden kann.
Zur
Aktivierung der Rekuperation ist es alternativ möglich, dass bei einer Regelung
durch eine bewegbare Trägheitsmasse
am Fahrradschubanhänger
im Positionswertgeber am Steuerhebel zwischen den Positionen für „gleichmäßiges Vorwärtsfahren" und „mechanisches
Bremsen" ein Funktionsbereich „Generatorisches
Bremsen" eingefügt wird. Dann
wird auch ohne einen Drehgriff oder andere Steuerungshebel am Fahrrad
die regenerative Rückführung der
vom Fahrradschubanhänger
erzeugten Energie möglich.
Diese Variante wird von der Erfindung bevorzugt, da sie der Aufgabenstellung
einer möglichst
einfachen und intuitiven Nutzung am nächsten kommt.
Falls
der gesamte Anhänger
gegenüber
der Kupplung verschiebbar ist und dadurch als Trägheitsmasse zur Erfassung von
Beschleunigung und Verzögerung
eingesetzt wird, ist die Charakteristik durch Beladung des Fahrradschubanhängers geändert. Deshalb
ist es für
Varianten mit hoher Nutzlast sinnvoll, über einen Sensor den aktuellen
Wert der Belastung abzufragen. Dazu bietet es sich bei der Erfindung
an, an wenigstens eine Achsschwinge einen Winkelsensor anzubringen.
Je stärker
der Fahrradschubanhänger
beladen wird, desto mehr wird die Federung an den Achsschwingen
zusammen gedrückt
und folglich die Achsschwinge verdreht. Dieser Drehwinkel muss vom
Winkelsensor abgefragt und in das Regelgerät übermittelt werden. Dort kann ein
Korrekturwert für
die Abstimmung des Regelkreises errechnet und umgesetzt werden.
Zusammenfassend
sind zur Verzögerung des
Fahrradschubanhängers
in der Gesamtstruktur der Regelung drei Stufen sinnvoll: Zuerst
eine „sanfte" Verzögerung durch
Rekuperation, die Energierückspeisung
vom Antriebsmotor in die Batterie. Als nächste Stufe mit höherer Verzögerung folgt
das Kurzschließen
des Antriebsmotors über
einen Bremswiderstand im Rahmen der Stromgrenze von Motor und Regelgerät oder das
geregelte Aktivieren des Bremswiderstandes. In der dritten Stufe
muss für maximale
Verzögerung
zusätzlich
die mechanische Reibungsbremse ansprechen. Diese Reihenfolge des
Bremsvorganges wird über
entsprechend verdrahtete Kontakte am Positionsistwertgeber oder
am Drehschalter vorgewählt.
In
einer vereinfachten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Fahrradschubanhängers ist es
denkbar, dass der Fahrradschubanhänger nur mit einer selbstständig durch
die Trägheitsmasse
geregelten Reibungsbremse ausgerüstet
ist und das Regelgerät
zum Ansteuern des Elektromotors nur eine Ein-Aus-Steuerung oder
eine sehr einfache Regelung mit wenigen Stufen bietet. In dieser
Ausführungsform
kann es eine sinnvolle Variante sein, dass der Beschleunigungseingang
des Regelgerätes über ein
Kabel und einen Taster an der Lenkstange des Fahrrades betätigt werden
kann. Alternativ ist es ein Komfortmerkmal für das Ankoppeln und Trennen
des Anhängers,
wenn anstelle des Kabels eine Fernsteuerverbindung vorgesehen wird.
Als
zusätzliche,
optionale Sicherheitsausstattung sollte das Regelgerät mit einem
Steuereingang zur Auslösung
eines Schnellstopps ausgerüstet werden.
Er kann gemäß den Richtlinien
der zuständigen
Berufsgenossenschaften oder anderer Organisationen konfiguriert
werden oder auf den physikalischen und sicherheitstechnisch sinnvollsten
Ablauf optimiert werden. Der Schnellstoppeingang kann entweder eine
sofortige Trennung des Motors vom Regelgerät bewirken. In diesem Fall
läuft das
Fahrzeug mit seiner noch verbleibenden kinetischen Energie so lange
weiter, bis sie durch Reibung aufgezehrt ist. Diese sofortige Freischaltung
wird oft als Not-Aus-Schaltung
gefordert. Vom physikalischen her ist jedoch zu bevorzugen, dass
bei Betätigung des
Schnellstoppeinganges der Motor nicht ungesteuert austrudelt, sondern
zuerst das maximale Verzögerungsmoment
aufbringt um das Fahrzeug schnellstmöglich anzuhalten. Erst wenn
das Fahrzeug tatsächlich
steht und folgerichtig die Drehzahl des Motors auf Null abgesunken
ist, wird nach einiger Zeit der Regler vom Motor elektrisch getrennt.
Als weitere Sicherheitsausstattung empfiehlt die Erfindung, dass
nach einer bestimmten, einstellbaren Zeit nach Betätigung des
Schnellstopeinganges unabhängig
von anderen Parametern das Regelgerät dafür sorgen muss, dass jeglicher
Stromfluss zum Elektromotor unterbrochen wird.
Falls
das Regelgerät
so konfiguriert ist, dass es den Betrieb mit konstanter Geschwindigkeit
ermöglichen
soll, ist es – wie
erwähnt – sinnvoll,
zur Erfassung der aktuellen Geschwindigkeit an wenigstens einem
Rad einen Drehzahlistwertgeber anzuordnen. Über diesen Geber kann mit hoher
Genauigkeit die Geschwindigkeit des Fahrzeuges ausgewertet werden.
Bei
einer solchen Konfiguration ist es eine sinnvolle Zusatzausstattung,
auch an einem zweiten, nicht angetriebenen Rad des Fahrradschubanhängers einen
Drehzahlsensor vorzusehen. Wenn das Regelgerät so ausgestattet ist, dass
es auch diesen zweiten Geber noch auswerten kann, ermöglicht eine Komparatorschaltung
im Regelgerät
den Vergleich der beiden eintreffenden Drehzahlistwerte. Im Normalfall
sollten sie beide identisch sein, es kann jedoch auf eisigem, glitschigem
oder sehr sandigem Boden vorkommen, dass ein Antriebsrad durchrutscht.
Das ist ebenso unerwünscht
wie nachteilig für
den Reifen und die Energiebilanz. Deshalb ist es sinnvoll, dass
in diesem (Not) Fall das Regelgerät den Motorstrom kurzzeitig
reduziert. Sobald beide Antriebsräder wieder festen Kontakt zum
Boden haben, wird auch keine Drehzahldifferenz zwischen angetriebenen
und mitlaufenden Rädern
mehr auftreten und der Strom kann wieder auf den Normalwert erhöht werden.
Für Fahrten
in sehr hügeligem
Gelände
kann es eine weitere nützliche
Funktionalität
sein, dass die Trägheitsmasse
zusammen mit der Mechanik zum Verschieben oder Verschwenken um eine
Achse verschwenkbar gelagert wird, die quer zur Fahrtrichtung orientiert
ist. Damit diese Verschwenkung nicht bei jeder Beschleunigung oder
Verzögerung
die Regelung beeinflusst, sollte sie sehr stark gedämpft werden. Dann
kann ein zusätzlicher
Sensor zur Erfassung der aktuellen Steigung oder des jeweiligen
Gefälles
der Fahrbahn angebracht werden und einen Korrekturwert im Regler
zum Ausgleich der Steigung und/oder des Gefälles erzeugen.
Wie
vor erwähnt,
ist es eine sinnvolle Ausführungsform
des Fahrradschubanhängers,
dass er in der Nähe
der Hinterachse des Fahrrades angekuppelt wird. Dazu ist es erforderlich,
dass in der Grenze des Verschwenkwinkels zwischen Fahrrad und Fahrradschubanhänger die
Deichsel nicht in Fahrtrichtung verläuft, sondern den maximal zulässigen Winkel
begrenzt, der für
ein verschwenkendes Fahrrades gegenüber dem Fahrradschubanhänger zugelassen wird.
Die
besondere Bauart des Tandemanhängers
mit zwei in Fahrrichtung hintereinander liegenden Rädern erfordert
es, dass die Achsmittelpunkte der jeweils hintereinander liegenden
Räder einer Tandemachse
auf gleicher Höhe über der
Fahrbahn angeordnet sind. Deshalb ist es nötig, eine Höhenverstellbarkeit der Deichsel
vorzusehen, damit der Fahrradschubanhänger an Fahrrädern beliebiger Größe ankuppelbar
ist.
Für den Betrieb
eines solchen Elektrofahrzeuges fordern Berufsgenossenschaften oder
andere zuständige
Sicherheitsorganisationen häufig
eine Schnellabschaltmöglichkeit.
Für diese
Schnellabschaltmöglichkeit
wird i. d. R. eine blitzartige Spannungsfreischaltung vorgeben.
Es ist jedoch zu bevorzugen, dass bei Betätigung eines solchen Schnellstoppeinganges
zuerst eine Schnellbremsung eingeleitet wird, d. h. nicht nur Aktivierung
der mechanischen Betriebsbremsen, sondern auch Aktivierung einer
Energievernichtung des als Generator arbeitenden Motors. Durch die
Addition dieser beiden Bremswirkungen wird eine noch schnellere
Verzögerung des
gesamten Fahrzuges erreicht. Als zusätzliches Sicherheitsmerkmal
kann nach Verstreichen einer einstellbaren Zeit das Regelgerät so pro grammiert werden,
dass es Antrieb und Motor von einander trennt und spannungsfrei
schaltet. Die Auslösung dieses
Schnellstoppeinganges geschieht im einfachsten Fall durch die Betätigung einer
Taste, welche im Griffbereich des Fahrers angeordnet ist. Als zusätzliche
Sicherheit kann vorgesehen werden, dass ein Schnellstopp auch dann
ausgelöst
wird, wenn der Fahrer eine als normal eingestufte Position verlässt, d.
h. wenn er wenigstens einen Handgriff von der Längsstange nicht mehr umfasst
und/oder wenigstens ein Pedal auf der Tretkurbel nicht mehr belastet
und den Sitz entlastet oder der zulässige Schwenkwinkel der Deichsel
des Fahrradschubanhängers
in horizontaler und/oder vertikaler Ebene überschritten ist. Bei Einbau
und Aktivierung dieser zusätzlichen
Sicherheitselemente ist jedoch zu beachten, dass sie die Bewegungsfreiheit
des Fahrradfahrers gegenüber
einem bisher gewohnten Betrieb ohne Fahrradschubanhänger dadurch
verändern, dass
der Fahrradfahrer stets alle genannten fünf Punkte berühren muss,
denn andernfalls wird das Fahrzeug sofort abgebremst.
Es
ist eine sinnvolle Zusatzausstattung für das Regelgerät, das es
mit einem Anschluss an eine stationäre Energieversorgung und einer
Regelelektronik für
das Wideraufladen der Batterie versehen wird.
Zusammenfassend
ist als eine der wesentlichen Ideen dieser Erfindung hervorzuheben,
dass in einer Ausführungsform
die Regelung von Beschleunigung, gleichmäßiger Fahrt und Verzögerung des Fahrradschubanhängers von
der Trägheitsmasse und
einem damit verbundenen Regelgerät übernommen
wird. Derartige Regelgeräte
sind – wie
bereits erwähnt – Gegenstand
der aktuellen Technik und z. B. in Krankenfahrstühlen, Gabelstaplern und Antrieben
von Personenkraftwagen (sog. Hybridantrieben) vom Prinzip her wohlbekannt.
Neu
ist jedoch, dass die Erfindung die Ansteuerung dieser Regelgeräte ausschließlich durch die
Bewegungen des Fahrrades beschreibt. Der große Vorteil ist, dass der Radfahrer
auch weiterhin das tut, was er gewohnt ist, nämlich Treiben, Bremsen und
Lenken. In einigen Betriebssituationen muss er seine Bemühungen geringfügig verstärken, so
z. B. beim Lenken. Die dafür
auftretenden Mehrkräfte
sind jedoch vernachlässigbar
gering. An anderer Stelle ist kein weiterer zusätzlicher Kraftaufwand des Benutzers
erforderlich. Das gilt für
das Antreiben und je nach Ausstattung auch für das Bremsen.
Jeder
erfindungsgemäße Fahrradschubanhänger verfügt bereits
in der Grundausstattung über aktive
Bremsen. Diese Bremswirkung kann zusätzlich noch durch eine Energierückleitung
der im gesamten System gespeicherten, kinetischen Energien über den
Antrieb in die Batterie oder durch die Umwandlung dieser Energie
mittels Bremswiderständen in
Wärme verstärkt werden.