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Die Erfindung betrifft einen Hilfsantrieb für mit Muskelkraft angetriebene Radfahrzeuge, insbesondere Fahrräder, Rollstühle, Tretroller, Kinderwagen, Schubkarren und dergleichen, mit einem elektrischen Motor, einem chemischen und/oder elektrischen Energiespeicher, einer seitlich auf zumindest eine Radflanke wenigstens eines Rades des Radfahrzeuges wirkender Reibmittel-Kraftübertragung.
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Derartig angetriebene Radfahrzeuge z. B. eines Fahrrades mit einem Hilfsmotor gehen aus der
DE 198 02 937 C2 hervor. Hierbei sind zwei Reibräder an einem Gestell montiert, wobei die Reibräder um eine radial zur Radachse verlaufenden Lagerachse schwenkbar von einer Eingriffs- in eine Außereingriffsstellung verschwenkbar sind. An diesem System ist nachteilig, dass neben den Reibrädern auch der die Reibräder antreibende Motor verschwenkt werden muss. Damit ist der Motor drehbar am Fahrradrahmen gelagert und beeinflusst das Schwingungsverhalten des gesamten Fahrrades. Darüber hinaus ist es im Stand der Technik nachteilig, dass die Reibräder lediglich in zwei Positionen relativ zum Fahrrad angeordnet und verrastet sind. Dieser Sachverhalt kann zu Problemen führen, wenn beispielsweise das anzutreibende Rad eine Deformation erfahren hat (Achter), da in diesem Fall kein konstanter Abstand der Reibrollenoberfläche und der kontaktierten Radflanke in Eingriffsstellung gewährleistet werden kann. Darüber hinaus kann auch bei Außereingriffsstellung der Reibmittel bei entsprechend starker Deformation des Rades ein ungewollter Kontakt zwischen der Radflanke und der Oberfläche der Reibmittel eintreten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hilfsantrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 derart weiterzubilden, dass sowohl konstruktive Gestaltungsfreiheit für die Anordnung des elektrischen Motors, eine komfortable Verstellung und/oder Zustellung des Reibmittels relativ zur Radflanke als auch eine zuverlässige und gleichmäßige Kraftübertragung auch bei einem deformierten Rad gewährleistet wird. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung den Hilfsantrieb derart auszugestalten, dass dieser auf einfache und unkomplizierte Weise zu fertigen und an ein Radfahrzeug zu montieren ist. Schließlich soll der erfindungsgemäße Hilfsantrieb eine effektive Kraftübertragung vom elektrischen Motor zum anzutreibenden Rad gewährleisten und dabei den Verschleiß der Systemkomponenten gering halten.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–10.
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Als Kern der Erfindung wird es angesehen, dass wenigstens ein Reibmittel über ein flexibles oder gelenkartiges Wellenelement mit einer Motorwelle des elektrischen Motors wirkverbunden ist und über eine Verstelleinrichtung eine Verlagerung des wenigstens einen Reibmittels relativ zum elektrischen Motor von einer Eingriffsstellung des Reibmittels mit Radflanke in eine Außereingriffsstellung des Reibmittels mit der Radflanke und umgekehrt ausführbar ist. Die Eingriffsstellung von Reibmittel und Radflanke ist als Zustand einer Kraftübermittlung zu verstehen, so kann während der Eingriffsstellung bei ausreichender Traktion ein Drehmoment übertragen werden. Durch die Verwendung eines flexiblen oder gelenkartigen Wellenelementes zur Übertragung des Drehmomentes des elektrischen Motors zum Reibmittel kann der elektrische Motor lagefixiert z. B. am Radfahrzeugrahmen befestigt und die Reibmittel über eine Verstelleinrichtung bewegbar am Fahrradrahmen montiert sein. Die bewegbare Verlagerung der Reibmittel am Radfahrzeugrahmen ermöglicht damit eine Relativverlagerbarkeit des Reibmittels zum elektrischen Motor und gleichzeitig eine Relativverlagerbarkeit des Reibmittels zur Radflanke. Durch letztere kann das Reibmittel zwischen einer Eingriffsstellung und einer Außereingriffsstellung hin und her verlagert werden. Über eine Lagerungseinrichtung des Reibmittels kann dieses zumindest während der Eingriffsstellung eine im Wesentlichen rechtwinklig zur Laufrichtung des Rades gerichtete Ausgleichsbewegung ausführen. Im Falle einer überwiegend linearen Ausgleichsbewegung ist ein Winkel von 45° bis 135°, insbesondere 60° bis 120°, insbesondere 80° bis 100° ausgehend von der Laufrichtung bzw. der Haupterstreckungsebene des Rades vorteilhaft. Die Haupterstreckungsebene des Rades ist die Ebene, die das Rad mit seinen Speichen und der Felge aufspannt.
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Wenn die Ausgleichsbewegung Rotationsanteile aufweist, so ist der Winkel auf eine äquivalente lineare Wirkbewegung zwischen den beiden Extrempositionen bezogen. Vorzugsweise ist die Ausgleichsbewegung im Wesentlichen (+/–10°) rechtwinklig zur Laufrichtung des Rades. Wenn beispielsweise das anzutreibende Rad eine Deformation (Achter) aufweist, kann durch die Ausführbarkeit der Ausgleichsbewegung ein konstanter Kontakt mit vorzugsweise gleichbleibendem Anpressdruck des Reibmittels an die Radflanke erreicht werden. Dadurch, dass das Reibmittel über die Lagerungseinrichtung eine Ausgleichsbewegung ausführen kann, weicht quasi das Reibmittel einer zu dieser hingebogenen Auswellung der Felge zuverlässig aus. Insbesondere da die Lagerungseinrichtung bei einem Achter spätestens nach einer Radumdrehung wiederholt eine Ausgleichsbewegung durchführen muss, ist hierbei die Verwendung eines flexiblen oder gelenkartigen Wellenelementes und der damit losgelösten Lagefixierung des Motors relativ zum Reibmittel ein wesentliches Merkmal, da andernfalls der elektrische Motor nach jeder Radumdrehung eine Bewegung relativ zum Fahrradrahmen ausführen und damit das Fahrverhalten des gesamten Rades negativ beeinflussen würde. Das flexible oder gelenkartige Wellenelement kann als biegsame Welle, Gelenkwelle und/oder als Kardanwelle ausgebildet sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Lagerungseinrichtung durch die Versteileinrichtung gebildet. Dies bedeutet, dass die Lagerungseinrichtung und die Verstelleinrichtung in einer Baugruppe oder integral verwirklicht sind. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Verstellbewegung des Reibmittels zur Radflanke (Eingriffsstellung-Augriffsstellung) und die Ausgleichsbewegung des Reibmittels zur Radflanke zum Ausgleich von Deformationen der Radflanke zusammenfallen.
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Als elektrischer Energiespeicher ist z. B. ein Kondensator oder ein supraleitender magnetischer Energiespeicher aufzuführen. Als chemischer oder chemisch-elektrischer Energiespeicher kann z. B. ein Akkumulator, Batterie, Redox-Flow-Zelle oder Wasserstoffsysteme verwendet werden. Nachfolgend wird beispielhaft von einem Akkumulator ausgegangen.
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Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung mit einem ersten Vorspannmittel versehen ist/sind, das wenigstens ein Reibmittel in Außereingriffsstellung vorspannt. Für den Fall, dass ein Defekt an der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung, an den Reibrollen oder dem Antriebstrang zu den Reibrollen auftritt, sollen die Reibmittel sich in Außereingriffsstellung bewegen. Wenn die Reibmittel in Eingriffsstellung gebracht werden sollen, ist der vom Vorspannmittel ausgehende Vorspannwiderstand zu überwinden und gegebenenfalls zu halten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind an der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung wenigstens zwei Reibmittel angeordnet, die während der Eingriffsstellung gegenüberliegende Radflanken des Rades kontaktieren und wobei wenigstens ein Reibmittel mit einem elektrischen Motor wirkverbunden ist. Dadurch, dass wenigstens zwei Reibmittel an der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung gleichzeitig an gegenüberliegenden Radflanken des Rades dieses kontaktieren, kann auf einfache Weise ein zuverlässiger Kontakt mit im Wesentlichen gleicher Anpresskraft der Reibmittel auf die Radflanken realisiert werden. Wenn beispielsweise ein Reibmittel im Zuge der Ausgleichsbewegung durch die Lagerungseinrichtung eine Ausgleichsbewegung ausführt, wird automatisch auch das zweite auf der gegenüberliegenden Radflanke angeordnete Reibmittel diese Ausgleichsbewegung mitvollziehen, der Abstand der beiden Reibmittel hierbei im Wesentlichen konstant bleiben. Damit wird gewährleistet, dass selbst während der Ausgleichsbewegung die Reibmittel in Kontakt mit der Radflanke bleiben und der Antrieb nicht unterbrochen oder verändert wird.
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Durch eine entsprechende Gestaltung der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung kann eine im Wesentlichen gleiche Anpresskraft der wenigstens zwei Reibrollen an die Radflanken ermöglicht werden. Beispielsweise wird über eine Hebelmechanik der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung eine gekoppelte und synchrone Bewegung der Reibmittel ausgeführt.
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Darüber hinaus hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn mit der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung ein Stellmittel wirkverbunden ist, welches eine gezielte Relativverlagerung des Reibmittels zum Motor und/oder eine gezielte Relativverlagerung wenigstens zweier Reibmittel zueinander und/oder eine definierte Anpressung des Reibmittels zur Radflanke gewährleistet. Das Stellmittel kann hierbei ein manuell und/oder elektrisch oder elektronisch verstellbar sein. Beispielsweise ist das Stellmittel als Schraube, als Schnellspanner (z. B. Exzenderprinzip), Motorspindel, verrastende Verstelleinrichtung, Bowdenzug, (Hydraulikdruck, Pneumatikdruck) oder dergleichen ausgebildet. Insbesondere, wenn das Stellmittel über einen Stellmotor antreibbar ist, ergeben sich hieraus eine Vielzahl an Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten, um eine definierte Relativverlagerung des Reibmittels zum Motor und/oder eine definierte Relativverlagerung und/oder wenigstens zweier Reibmittel zueinander und/oder eine definierte Anpressung des Reibmittels zur Radflanke zu gewährleisten.
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Beispielsweise umfasst die Verstell- oder Lagerungseinrichtung wenigstens zwei Hebel, die jeweils über einen Drehpunkt relativ zum Rahmen des Radfahrzeuges verdrehbar und an jeweils einem Hebelbereich mit einer Reibmittelaufnahme versehen sind, wobei an einem von der Reibmittelaufnahme beabstandeten Ende ein erster Hebel mit einer Stellmitteldurchführung versehen ist und ein weiterer Hebel mit einer Stellmittelbefestigung versehen ist, wobei eine Betätigung des Stellmittels die mit dem Reibmittelaufnahmen versehenen Hebelbereiche des ersten und des weiteren Hebels eine sich zueinander drehende Bewegung ausführen lässt. Die Drehpunkte der Hebel können auch zusammenfallen.
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Dieses Prinzip oder ein ähnliches Prinzip kann bereits bei Verwendung einer handelsüblichen und allgemein bekannten Bremszange für Fahrräder realisiert werden. Hierbei ist das Stellmittel als Bowdenzug ausgebildet und wird durch eine Durchführung eines ersten Bremshebels endseitig mit einem Endbereich eines weiteren Bremshebels verbunden, so dass bei Zugbeanspruchung des Bowdenzugs sich die Bremszange schließt und im Falle der Erfindung die anstelle der Bremsbacken angeordneten Reibrollen an den entsprechenden Bremshebelbereichen eine sich zueinander führende Bewegung ausführen und damit die zwischen sich verlaufenden Radflanken beaufschlagen. Mit einer derartigen Ausführung kann durch entsprechende Dosierung der Zugbeanspruchung des Bowdenzugs eine abhängige Veränderung der Anpresskraft der Reibmittel den Radflanken erreicht werden. Anstelle eines Bowdenzugs kann auch eine motorisch antreibbare Gewindespindel vorgesehen sein, die entsprechend der Zugstellung der Spindel eine entsprechende Zugstellung der beiden Reibrollen relativ zueinander ermöglicht.
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Grundsätzlich kann die Verstell- oder Lagerungseinrichtung eine Mechanik (z. B. Bremszangen) nach Art einer Ein- oder Zweigelenk-Radbremse, Seitenzugbremse, synchronisierter Seitenzugbremse, Mittelzugbremse, Delta-Bremse, U-Bremse oder einer Cantilever-Bremse (insbesondere V-Bremse) ausgebildet sein, wobei anstelle von Bremsblöcken die Reibrollen angeordnet sind. Anstelle der Bremshebel zur Bremskrafteinleitung arbeitet ein Stellmittel zur „Dosierung” der Anpresskraft an die Radflanken.
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Nicht nur im Hinblick auf die Ausführungsformen der letzten beiden Absätze kann es vorteilhaft sein, wenn das Radfahrzeug eine Steuer- und/oder Regeleinheit umfasst, die Geschwindigkeitsinformation des Radfahrzeugs, Antriebsinformation eines im Muskelkraftbetrieb antreibbaren Antriebselementes des Radfahrzeugs und/oder Bremseinleitungsinformation des Radfahrzeugs verarbeitet und damit den elektrischen Motor und/oder das Stellmittel der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung ansteuert und/oder regelt. Die Geschwindigkeitsinformationen des Radfahrzeugs können z. B. aus einer am Radfahrzeug angeordneten Tachometereinheit (z. B. über Drehzahlgeber), einer satellitengestützten Geschwindigkeitsermittlung (GPS), einer optischen Abstandsveränderungsmessung oder dergleichen ausgeführt werden. Die Antriebsinformationen beziehen sich auf die im Muskelkraftbetrieb angetriebenen oder verwendeten Elemente zur Krafteinleitung in das Radfahrzeug, dies wären im Falle eines Fahrrades z. B. eine Drehmomentermittlung an der Tretlagerwelle oder der Pedallager, eine Biegemomentermittlung an der Tretkurbel, eine Trittfrequenzermittlung oder ähnliches. Im Falle eines Rollstuhls, Tretrollers, Kinderwagens oder einer Schubkarre können die Antriebsinformationen über entsprechende Biegebeanspruchungen an den jeweiligen Handgriffen, den handgrifftragenden Elementen oder im Fall des Rollstuhls beispielsweise über eine Drehmomentermittlung zwischen dem Greifring und dem Rollstuhlrad ermittelt werden. Zur Ermittlung einer Bremseinleitungsinformation oder einer Bremskraftinformation können entsprechende Biege- oder Drehmomente (z. B. mittels Dehnungsstreifen) an Bauteilen des Radfahrzeuges ermittelt werden. Diese Geschwindigkeits-, Antriebs- oder Bremseinleitungsinformationen können über eine Steuer- und Regeleinheit verarbeitet werden und eine gezielte Ansteuerung des elektrischen Motors und/oder des Stellmittels für die Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung steuern und/oder regeln.
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Vorzugsweise kann die ermittelte Geschwindigkeit des Radfahrzeuges mit dem Drehmoment oder der Drehzahl des Reibmittels an der Radflanke in Relation gesetzt werden. Damit kann eine verminderte Traktion (z. B. Schlupf) zwischen dem Reibrad und den Radflanken ermittelt werden. Eine verminderte Traktion zwischen den Reibmitteln und der Radflanke kann durch eine niedrigere Haftreibung der Kontaktpartner resultieren, beispielsweise Feuchtigkeit. Dass es sich hierbei um ein Traktionsproblem zwischen Reibrad und Radflanke handeln muss, lässt sich dadurch ermitteln, dass die tatsächliche Drehzahl des angetriebenen Rades mit der durch die Reibmittel-Kraftübertragung vorgegebenen Soll-Drehzahl des angetriebenen Rades verglichen wird. Falls ein Traktionsproblem vorliegt, könnte diesem durch Erhöhung der Anpresskraft der Reibräder an die Radflanke und/oder durch eine Reduzierung des Drehmomentes der Reibmittel (Senkung der Leistung des elektrischen Antriebsmotors) entgegengewirkt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann durch eine derartige Steuerung und/oder Regelung erfolgen, beispielsweise im Fall eines Sturzes, bei der das Vorderrad nach einem Ausdrehen zum Stillstand kommt, kann dieser Stillstand des Vorderrades über entsprechende Drehzahlmesser detektiert und infolge des ermittelten Stillstandes des Vorderrades eine Abschaltung des Antriebsmotors für das Hinterrad durchgeführt werden. Damit wird es erreicht, dass im Falle eines Sturzes der Hilfsantrieb nicht weiter läuft. Zur Fallunterscheidung eines Traktionsproblems und/oder eines Falles zur Abschaltung des Motors können entsprechende Grenzwerte für Relationsdifferenzen definiert werden, die über die Steuer- und/oder Regeleinheit berücksichtigt werden.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist darin zu erblicken, dass im Antriebsstrang zwischen dem elektrischen Motor und dem Reibmittel eine Getriebeeinheit angeordnet ist, diese Getriebeeinheit kann sowohl starr ausgebildet sein als auch unterschiedliche Getriebeübersetzungen ermöglichen und im Falle der unterschiedlichen Getriebeübersetzungen auch über ein weiteres Steuerglied von der Steuerungs- und/oder Regeleinheit beeinflusst werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hilfsantrieb als Nachrüstbausatz für ein Radfahrzeug ausgebildet. Hierfür ist dieser an standardmäßig für diese Fahrzeuge bekannten Stellen befestigbar, wie beispielsweise entsprechenden Bremsaufnahmeelementen am Radfahrzeugrahmen oder über z. B. Rohrschellen oder vergleichbares am Radfahrzeugrahmen. Sowohl für einen Nachrüsthilfsantrieb als auch für werkseitig am Radfahrzeug angeordneten Hilfsantrieb ist es vorteilhaft, wenn zumindest der elektrische Motor und der Akkumulator eine zusammenhängende Baugruppe bilden, die lösbar am Radfahrzeug befestigt ist. Diese zusammenhängende Baugruppe kann ferner zumindest Teile des Getriebes, Teile der Lagerangs- und/oder Verstelleinrichtung sowie zumindest Teile der Reibmittel und deren Lagerung umfassen. Die Lösbarkeit der zusammenhängenden Baugruppe hat sowohl den Vorteil, dass die Bauteile durch deren Entfernung vom Radfahrzeug gegen Diebstahl geschützt werden können, als auch dass eine einfache und komfortable Handhabung zur Abnahme des Akkumulators für eine vom Radfahrzeug entfernte Aufladung des Akkumulators ausführbar ist.
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Die Reibmittel greifen vorzugsweise im Bereich der Radfelge die Radflanke an. Dies hat den Vorteil, dass die Felge im Vergleich zu einem Reifenmantel einem geringeren Verschleiß unterliegt und damit eine geringere Veränderung für die Reibmittel-Kraftübertragung während des Betriebs des Hilfsantriebs zu berücksichtigen ist. Das Reibmittel kann vorzugsweise als Reibrad, Reibzylinder, Reibkegel, Reibrolle oder dergleichen ausgebildet sein. Die Reibmittel sind dabei möglichst einfach demontierbar an dem Hilfsantrieb befestigt, so dass deren Austausch auch von Nichtfachleuten schnell und zuverlässig durchführbar ist.
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Die Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung ist vorzugsweise derart gestaltet, dass das wenigstens eine an der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung gelagerte Reibmittel über eine zumindest bereichsweise bogenförmig zum Radfahrzeugrahmen verlaufende Bewegungsbahn verlagerbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Bewegungsbahn linear verlaufen. Eine bogenförmige Bewegung wird über entsprechende Drehpunkte einzelner Bestandteile der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung erreicht, wohingegen lineare Bewegungen über entsprechende Lagerelemente ausgeführt werden.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Wirkverbindung des elektrischen Motors oder der Getriebeeinheit mit dem flexiblen oder gelenkartigen Wellenelement eine Längsausgleichsvorrichtung umfasst. Diese Längsausgleichsvorrichtung kann z. B. teleskopartig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Längsausgleichsvorrichtung selbst biegesteif. Die Längsausgleichsvorrichtung erlaubt eine einfache Anpassung des Antriebsstranges des Hilfsantriebs an unterschiedliche Fahrzeugrahmen-geometrien und/oder an relativ zueinander bewegbare Fahrzeugrahmenteile (z. B. Hauptrahmen zu Hinterradschwinge bei einem voll gefederten Mountainbike). Schließlich wird hierdurch die Ausgleichsfunktion der flexiblen oder gelenkartigen Welle reduziert.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Fahrrads mit erfindungsgemäßem Hilfsantrieb;
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2 eine schematische Darstellung der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung in Außereingriffsstellung;
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3 eine schematische Darstellung der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung gem. 2 in Eingriffsstellung;
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4 eine schematische Darstellung der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung gem. 3 in Eingriffsstellung, wobei die Reibmittel eine Ausgleichsbewegung vollziehen;
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5 eine schematische Darstellung der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung mit linear verlagerbaren Reibmittelträgern;
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6 eine schematische Darstellung der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung gem. 5, wobei die Reibmittel eine Ausgleichsbewegung vollziehen;
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7a–d eine schematische Darstellung der Anordnung des elektrischen Motors mit einer durchgehenden Antriebswelle (7a), zwei Motoren (7b), einem Motor mit durchgehender Well und zwei Getrieben (7c) und einem Motor mit einer Getriebeübersetzung mit zwei Ausgängen (7d);
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8 eine schematische Flussdiagrammdarstellung, die den Signalfluss, den Energiezu- und -abfluss einzelner Bauelemente des Hilfsantriebs aufzeigt;
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9 eine schematische Regelungsdarstellung zur Realisierung einer Antischlupfregelung;
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10 eine perspektivische technische CAD-Zeichnung einer bevorzugten Ausführungsform der Verstell- und Lagerungseinrichtung;
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11 eine Draufsicht auf die Verstell- und Lagerungseinrichtung gemäß 10.
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In den Zeichnungsfiguren 1, 7a–7d, 10 und 11 ist der erfindungsgemäße Hilfsantrieb 1 als Antrieb eines Fahrrades 2 beispielhaft ausgeführt. So geht aus Zeichnungsfigur 1 ein Hilfsantrieb 1 für ein mit Muskelkraft angetriebenes Radfahrzeug 2 (ein Fahrrad) mit einem elektrischen Motor 3, einem Akkumulator 4 und seitlich auf zumindest eine Radflanke 5, 5' wenigstens eines Rades 6 des Radfahrzeugs 2 wirkender Reibmittel-Kraftübertragung.
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Zur Reibmittel-Kraftübertragung werden in der dargestellten Ausführungsform zwei Reibmittel 7, 7' verwendet, die hier über wenigstens eine flexible Welle 8, 8' mit einer Motorwelle 9 des elektrischen Motors 3 wirkverbunden sind. Über eine Verstelleinrichtung 10 ist eine Verlagerung des wenigstens einen Reibmittels 7, 7' relativ zum elektrischen Motor 3 von einer Eingriffsstellung E, in der die Reibmittel 7, 7' mit den Radflanken 5, 5' in Eingriff stehen, in eine Außereingriffsstellung A, in welcher die Reibmittel 7, 7' die Radflanken 5, 5' nicht kontaktieren, überführbar. Ferner wird durch eine Lagerungseinrichtung 11 der Reibmittel 7, 7' eine Ausgleichsbewegung der Reibmittel 7, 7' während der Eingriffsstellung E ermöglicht, wobei die Ausgleichsbewegung B im Wesentlichen einen Winkel α von 45°–135° zur Haupterstreckungsebene H des Rades 6 gerichtet ist.
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In 11 schließt die der Richtungsvektor der Ausgleichsbewegung B einen 90°-Winkel α mit der Haupterstreckungsebene H (Rotationsebene) des Rades 6 ein.
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In der dargestellten Ausführungsform fallen die Lagerungseinrichtung 11 und die Verstelleinrichtung 10 zusammen, da eine Mechanik nach Art einer Fahrradbremszangen verwendet wird, die sowohl eine Relativverlagerung der Reibmittel 7, 7' zum elektrischen Motor 3 als auch eine Ausgleichsbewegung B im Falle eines deformierten Rades 6 (Achter) gewährleistet wird. Die Verstell-/Lagerungseinrichtung 10, 11 ist mit einem Vorspannmittel 39 (Feder) versehen, das die Reibmittel 7, 7' in Außereingriffsstellung A vorspannt. Die Außereingriffsstellung A ist in der Zeichnungsfigur 2 dargestellt, wohingegen die Eingriffsstellung E in den 3–6 im Detail gezeigt ist.
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Gemäß der dargestellten Ausführung sind beide Reibmittel 7, 7' über jeweils eine flexible Welle 8, 8' mit dem Motor 3 verbunden. Grundsätzlich kann es ausreichend sein, wenn lediglich eine der beiden Reibmittel 7, 7' mit dem elektrischen Motor 3 verbunden und das zweite Reibmittel 7' zur Generierung eines Anpressdrucks des ersten Reibmittels 7 durch die Verstell-/Lagerungseinrichtung 10, 11 unangetrieben mitläuft. Vorzugsweise kontaktieren die Reibmittel 7, 7' die Felge 12 des Rades 6. Da insbesondere die Radfelge im Zuge deren Alterung oder deren unsachgemäßer Verwendung eine plastische Verformung (Achter) aufweisen kann, ist es vorteilhaft, wenn ein Hilfsantrieb 1 mit der erfindungsgemäßen Lagerungseinrichtung 11 zur Ausführung einer Ausgleichsbewegung B ausgestaltet ist.
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Die Verstell-/Lagerungseinrichtung 10, 11 ist mit einem Stellmittel 25 wirkverbunden, welches eine gezielte Relativverlagerung der Reibmittel 7, 7' zum Motor 3 und eine gezielte Relativverlagerung wenigstens zweier Reibmittel 7, 7' zueinander und hier auch eine definierte Anpressung der Reibmittel 7, 7' zu den Radflanken 5, 5' gewährleisten. Anders ausgedrückt erlaubt die Verstell-/Lagerungseinrichtung 10, 11 eine gezielte und definierte Zustellung der beiden Reibmittel 7, 7' zueinander und während der Gewährleistung des definierten Abstandes der beiden Reibmittel 7, 7' eine weitere Relativverlagerung der Reibmittel 7, 7' zum Rahmen 17 des Radfahrzeuges 2.
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Die Ausführungsform gemäß den Zeichnungsfiguren 2–4, 7a–7d sowie 10 und 11 zeigt eine Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung 10, 11, die zwei Hebel 13, 14 umfasst, die jeweils über einen Drehpunkt 15 (hier gemeinsamer Lagerpunkt 15) relativ zum Rahmen 17 des Radfahrzeuges 2 verdrehbar gelagert sind. Auch in Zeichnungsfigur 1 ist der Drehpunkt 15 als eine von der Seite dargestellte Achse (in Form einer Schraube 16) dargestellt, welche die Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung 10, 11 mit dem Rahmen 17 verbindet.
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An jeweils einem Hebelbereich 18, 18' ist eine Reibmittelaufnahme 19, 19' angeordnet, in welcher die Reibmittel 7, 7' drehbar gelagert sind. Die Reibmittelaufnahmen 19, 19' umfassen beispielsweise Lagerbuchsen, durch welche fest installierte oder einsteckbare (lösbar befestigte) Achsstäbe 20, 20' gelagert sind, die an einem Ende mit einem Kupplungselement 21, 21' mit der flexiblen Welle 8, 8' verbunden sind. An einem von der Reibmittelaufnahme 19, 19' beabstandeten Ende 22 ist ein erster Hebel 13 mit einer Stellmitteldurchführung 23 und ein zweiter Hebel 14 mit einer Stellmittelbefestigung 24 versehen ist, wobei bei Betätigung des Stellmittels 25 die mit den Reibmittelaufnahmen 19, 19' versehenen Hebelbereiche 18, 18' des ersten und des zweiten Hebels 13, 14 eine sich zueinander drehende Bewegung, vgl. Pfeil Z, ausführen.
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Das Stellmittel 25 ist in der dargestellten Ausführung eine Gewindespindel 40, die an dem Ende 22 des Hebels 13 mit einer mit einem Innengewinde versehenen Stellmitteldurchführung 23 wirkverbunden ist. Die Stellmittelbefestigung 24 ist eine Endbefestigung der Gewindespindel 40 am Hebel 14, die zwar eine Drehbewegung der Gewindespindel 40 freigibt, jedoch eine Lagefixierung der Gewindespindel 40 mit dem Hebel 14 gewährleistet. Wenn das Stellmittel 25 beispielsweise als Bowdenzug ausgebildet ist, so würde die Stellmitteldurchführung 23 – wie in den Zeichnungsfiguren 7a–7d sowie 10 und 11 dargestellt – eine Hohlschraube 41 oder eine andersartige hülsenartige Durchführung umfassen und die Stellmittelbefestigung 24 eine vorzugsweise klemmende Fixierung des Bowdenzuges am zweiten Hebel 14 gewährleisten, vgl. 10 und 11.
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Die Mechanik der Hebel 13, 14 und deren Zusammenwirken mit dem Stellmittel 25 ist dabei derart gestaltet (wie beispielsweise bei einer Fahrradbremszange), dass beide Reibrollen 7, 7' eine im Wesentlichen in ihrem Betrag gleiche Anpresskraft auf die Radflanken 5, 5' einwirken. Gemäß den Zeichnungsfiguren 2–4, 7a–7d sowie 10 und 11 führen die Reibmittel 7, 7' über die Verstell-/Lagerungseinrichtung 10, 11 eine Zustellung auf einer bogenförmig zum Radfahrzeugrahmen 17 verlaufenden Bewegungsbahn aus. In den Zeichnungsfiguren 5 und 6 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, in der durch linear wirkende Verstell-/Lagerungseinrichtung 10, 11 eine im Wesentlichen auf einer geradlinigen Bewegungsbahn relativ zum Radfahrzeugrahmen 17 verlaufende Bewegungsbahn der Reibmittel 7, 7' ausführbar ist.
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Das Reibmittel 7, 7' ist in den Figuren als Reibrad dargestellt. Das Reibmittel 7, 7' ist vorzugsweise aus einem nachgiebigeren Material als das einer handelsüblichen Fahrradfelge 12, die z. B. aus Stahl gefertigt oder mit einer Keramikbeschichtung versehen ist. Konkret bietet sich für das Reibmittel 7, 7' die Verwendung von Kunststoffen an, die eine ausreichende Elastizität aufweisen, um – wie beispielsweise in Zeichnungsfigur 4 dargestellt – im Falle der Ausgleichsbewegung B durch entsprechende Anpresskraft der Reibrollen 7, 7' eine zumindest linienhafte, wenn nicht flächige Kontaktierung der Felge 12 durch die Reibmittel 7, 7' ermöglicht wird.
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Die Zustellbewegung Z ist in der Ausführungsform gemäß 5 und 6 geradlinig. Die Verstell-/Lagerungseinrichtung 10, 11 ist jedoch auf einer bogenförmigen Linie auf dem Rahmen 17 verschwenkbar, so dass die gesamte Verstell-/Lagerungseinrichtung 10, 11 im Falle einer Ausgleichsbewegung B eine Auslenkung auf der bogenförmigen Linie durchführt, vgl. Zeichnungsfiguren 5 und 6.
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In den Zeichnungsfiguren 7a–7d sind unterschiedliche Ausführungen des Hilfsantriebes 1 dargestellt, wobei der Motor 3 mit einer durchgehenden Motorwelle 9 versehen sein kann, die jeweils an einem ihrer Enden mit einer flexiblen Welle 8, 8' wirkverbunden ist und die mechanische Energie auf die Reibrollen 7, 7' überträgt, siehe 7a. Auch kann es vorgesehen sein, dass jedem Reibmittel 7, 7' jeweils ein elektrischer Motor 3, 3' zugeordnet ist, vgl. 7b. Ferner ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem elektrischen Motor 3 und den Reibmitteln 7, 7' wenigstens eine Getriebeeinheit 38, 38' angeordnet ist, vgl. 7c und 7d. Alternativ zu der in 7d dargestellten Ausführung kann es vorteilhaft sein, die Getriebeeinheit 38 oberhalb des elektrischen Motors 3, also der elektrische Motor 3 zwischen der Getriebeeinheit 38 und den Reibrollen 7, 7' anzuordnen. Damit wird ein größerer Abstand zwischen dem Getriebeeinheitsausgang und den Reibrollen 7, 7' erreicht, so dass der Biegeradius des flexiblen oder gelenkartigen Wellenelementes 8, 8' reduziert wird. Dies führt zu einer widerstandsärmeren Kraftübertragung.
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Das erfindungsgemäße Hilfsantriebskonzept umfasst gemäß den Flussdiagrammen in den Zeichnungsfiguren 8 und 9 ferner eine Steuer- und/oder Regeleinheit 26, die Geschwindigkeitsinformationen 27 des Radfahrzeugs, Antriebsinformationen 28 eines im Muskelkraftbetrieb antreibbaren Antriebselementes 29 des Radfahrzeuges 2 und/oder Bremseinleitungsinformationen 30 verarbeitet und damit den elektrischen Motor 3 und/oder das Stellmittel 25 der Verstell- und/oder Lagerungseinrichtung 10, 11 ansteuert und/oder regelt. Das Antriebselement 29 bildet im Falle des Fahrrads 2 die Tretkurbel 31 (vgl. 1). Beispielsweise kann über einen Sensor, der die Tretzahl und/oder die inneren Kräfte der Tretachse 31 oder der Tretkurbel 31' misst, eine Information über die eingeleitete Kraft für den Vortrieb des Radfahrzeugs 2 und damit eine Antriebsinformation 28 dessen abbilden. Ein Bremssensor, der beispielsweise die Auslenkung des Bremshebels 32 misst, kann eine Bremseinleitungsinformation 30 im Sinne der Erfindung bilden. Die Geschwindigkeitsinformation 27 erfolgt vorzugsweise über einen am Vorderrad montierten Tachometer 33, der die Frequenz bzw. Winkelgeschwindigkeit des Vorderrades misst. In Zeichnungsfigur 1 sind beispielhaft an der Tretachse 31, am Bremshebel 32 und am Tachometer 33 entsprechende Sensoren dargestellt.
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Diese Informationen 27, 28 und 30 werden in der Steuer- und/oder Regeleinheit 26 verarbeitet und beeinflussen den Energiefluss zum elektrischen Motor 3 und/oder zum Stellmotor 25. Vorzugsweise ist am Motor 3 ein Sensor 34 angeordnet, der die Motordrehzahl und/oder die Motortemperatur an die Steuerung 26 weitergibt. Die vom Akkumulator 4 ausgehende Antriebsenergie wird über den Motor 3 in mechanische Energie umgewandelt und über den Antriebsstrang 35, der im Wesentlichen die flexible Welle (auch Gelenk- oder Kardanwelle sind anwendbar) 8, 8', die Verstell- und Lagerungseinrichtung 10, 11, sowie die Reibmittel 7, 7' umfasst, auf das Rad 6 übertragen. Der Stellmotor 25 greift hierbei über die Beeinflussung der Verstell-/Lagerungseinrichtung 10, 11 in den Antriebsstrang 35 ein und kann die Zustellung der beiden Reibmittel 7, 7' und damit die Anpresskraft der Reibmittel 7, 7' auf die Radflanken 5, 5' beeinflussen. Über ein Ladegerät 36 kann der Akkumulator 4 geladen werden. Gemäß der Ausführung in Zeichnungsfigur 1 bildet der Motor 3 und der Akkumulator eine gemeinsame Baugruppe 37, die lösbar am Radfahrzeug 2 befestigt ist.
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Vorzugsweise lässt sich der erfindungsgemäße Hilfsantrieb 1 mit einer Antischlupfregelung versehen. Hierfür kann eine Regelung nach Art des Flussdiagramms gemäß 9 vorgenommen werden, dabei kann die Steuer-/Regeleinheit 26 die z. B. aus dem Sensor 34 ermittelte Drehzahl des Motors 3 zusammen mit der Drehzahl des angetriebenen Rades 6 als Inputgröße dienen. Die Steuer-/Regeleinheit 26 vergleicht die beiden Drehzahlwerte und regelt gegebenenfalls die Energiezufuhr zum elektrischen Motor und/oder des Stellmotors entsprechend, so dass kein Schlupf zwischen dem Reibmittel und der Radflanke auftreten kann. Beispielsweise im Falle einer feuchten Radflanke 5, 5' kann es passieren, dass das angetriebene Reibmittel 7, 7' „durchdreht” und nur einen Bruchteil seines Drehmoments auf das Rad 6 überträgt. Ein derartiges „Durchdrehen” des Reibmittels 7 relativ zum Rad 6 kann über die in 9 dargestellte Steuer-/Regeleinheit 26 ermittelt und durch Erhöhung der Anpresskraft der Reibmittel an die Radflanken 5, 5' ausgehend von dem Stellmotor 25 verhindert werden. Die Erhöhung der Reibmittel 7, 7' reduziert die Gefahr des Schlupfes zwischen den Reibmitteln 7, 7' und der Radflanke 5, 5.
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In den in sich maßstäblichen CAD-Zeichnungen gemäß den 10 und 11 sind weitere Details aus dem Hilfsantrieb 1 und insbesondere seiner Verstell-/Lagerungseinrichtung 10, 11 entnehmbar. Die dort dargestellte Verstell-/Lagerungseinrichtung 10, 11 wird mit einem Bowdenzug (nicht dargestellt) angesteuert. Gemäß 11 ist die Verstell-/Lagerungseinrichtung 10, 11 in Eingriffsstellung gezeigt, wobei die Reibmittel 7, 7' an die Radflanken 5, 5' des Rades 6 angreifen und das Drehmoment, das über die flexible Welle und die Kupplungselemente 21, 21' auf die Drehachsen 20, 20' und von diesen schließlich auf die Reibmittel 7, 7' übertragen werden.
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Die in Zeichnungsfigur 11 linienförmig dargestellte Haupterstreckungsebene H des Rades 6 schließt mit der Richtung der Ausgleichsbewegung B der Reibmittel 7, 7' einen Winkel α von 45°–135° ein. Damit wird durch die Verstell-/Lagerungseinrichtung 10, 11 eine im Wesentlichen rechtwinklige Führung der Ausgleichsbewegung B der Reibmittel 7, 7' ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hilfsantrieb
- 2
- Radfahrzeug
- 3
- elektrischer Motor
- 4
- Akkumulator
- 5, 5'
- Radflanke
- 6
- Rad
- 7, 7'
- Reibmittel
- 8, 8'
- flexible Welle
- 9
- Motorwelle v. 3
- 10
- Verstelleinrichtung
- 11
- Lagerungseinrichtung
- 12
- Felge
- 13
- Hebel
- 14
- Hebel
- 15
- Drehpunkt
- 16
- Schraube
- 17
- Rahmen
- 18, 18'
- Hebelbereich
- 19, 19'
- Reibmittelaufnahme
- 20, 20'
- Drehachsen
- 21, 21'
- Kupplungselement
- 22
- Ende
- 23
- Stellmitteldurchführung
- 24
- Stellmittelbefestigung
- 25
- Stellmittel
- 26
- Steuer-/Regeleinheit
- 27
- Geschwindigkeitsinformation
- 28
- Antriebsinformation
- 29
- Antriebselement
- 30
- Bremseinleitungsinformation
- 31
- Tretkurbel
- 32
- Bremshebel
- 33
- Tachometer
- 34
- Sensor
- 35
- Antriebsstrang
- 36
- Ladegerät
- 37
- Baugruppe
- 38, 38'
- Getriebeeinheit
- 39
- Vorspannmittel
- 40
- Gewindespindel
- 41
- Hohlschraube
- 42
- Vergleicher
- 43
- Regler
- E
- Eingriffsstellung
- A
- Außereingriffsstellung
- B
- Ausgleichsbewegung
- L
- Laufrichtung v. 6
- H
- Haupterstreckungsebene v. 6
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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