DE102013100100A1

DE102013100100A1 - Steuereinrichtung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102013100100A1
Application number: DE102013100100A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Clean Mobile AG
Current assignee: Tq-Systems De GmbH
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2033-01-09
Also published as: DE102013100100B4; DE202012100098U1

Abstract

Ein Fahrzeug (4) weist einen Primärantrieb (5) durch einen Fahrer, einen Zweitantrieb (9) durch einen Elektromotor (9) und eine Steuereinrichtung (44) auf. Dabei ist der Primärantrieb (5) zum Antreiben einer Tretlagerwelle des Fahrzeugs (4) ausgebildet. Die Steuereinrichtung (44) ist derart ausgebildet, dass sie den Zweitantrieb (9) deaktiviert, wenn der Primärantrieb (5) die Tretlagerwelle (22) nicht antreibt. Das Verfahren weist folgende Schritte auf. In einer ersten Phase:
– Erkennen einer Drehzahländerung der Tretlagerwelle (22) und Aktivieren des Zweitantriebs (9) durch Erhöhen des von dem Elektromotor (6) abgegebenen Drehmoments, und in einer zweiten Phase:
– Verwenden eines Drehmomentsensors zum Bestimmen des durch den Primärantrieb (5) aufgebrachten Drehmoments (M_M) und Aktivieren des Zweitantriebs (9), falls das gemessene Drehmoment (M_M) eine vorbestimmte Schwelle (M₀) überschreitet.

Description

Die Anmeldung betrifft eine Steuereinrichtung für ein Fahrzeug. Es sind Fahrzeuge bekannt, die durch die Muskelkraft eines Fahrers angetrieben werden, wobei ein Elektromotor den Antrieb des Fahrers unterstützt. Fahrräder mit Unterstützung durch einen Elektromotor werden im Allgemeinen als E-Bikes bezeichnet, während Pedelecs in der Regel solche Fahrzeuge genannt werden, bei denen die Unterstützung des Fahrers durch den Elektromotor derart eingeschränkt ist, dass diese Fahrzeuge als Fahrräder zugelassen werden.
Die Begrenzung der Leistung des Elektromotors hängt von nationalen Zulassungsvorschriften ab. Beispielsweise ist gemäß der europäischen Norm EN 15194 vorgeschrieben, dass die vom Elektromotor abgegebene Leistung auf 250 W begrenzt ist. Zudem ist vorgeschrieben, dass die Unterstützung durch den Elektromotor bei steigenden Geschwindigkeiten sinken muss und beispielsweise ab einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 25 km/h Null sein muss.
Dabei stellt sich das Problem, dass die Kraft, die auf die Tretlagerwelle wirkt, von einem rechten oder einem linken Pedal herrühren kann, wodurch die Messung der resultierenden Pedalniederdrückkraft schwierig wird. Die DE 10 2007 040 016 A1 löst dieses Problem, indem zwei Drehmomentsensoren, jeder jeweils zur Messung der Kraft von einer der Pedalen, vorgesehen wird.
Es hat sich herausgestellt, dass das Messen der Pedalniederdrückkraft lange dauert und für die Steuereinrichtung eine Vielzahl von Komponenten benötigt wird.
Es ist Aufgabe, ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs sowie eine Steuereinrichtung für ein Fahrzeug bereitzustellen, mit denen das Messen des vom Fahrer aufgebrachten Drehmoments vereinfacht wird.
Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs beim Anfahren bereitgestellt, wobei das Fahrzeug einen Primärantrieb zum Antrieb durch einen Fahrer, einen Zweitantrieb zum Antrieb durch einen Elektromotor und eine Steuereinrichtung aufweist. Der Primärantrieb ist zum Antreiben einer Tretlagerwelle des Fahrzeugs ausgebildet. Das Verfahren weist zwei Phasen auf, wobei in der ersten Phase, falls das vom Elektromotor abgegebene Drehmoment gleich Null ist und eine Drehzahländerung der Tretlagerwelle erfasst wird, der Zweitantrieb das von dem Elektromotor abgegebene Drehmoment erhöht.
Durch die Drehzahländerung der Tretlagerwelle kann festgestellt werden, dass der Primärantrieb die Tretlagerwelle antreibt, da in der ersten Phase der Elektromotor das Fahrzeug nicht antreibt. Somit kann das Starten des Elektromotors beginnen, bevor der Drehmomentsensor das Drehmoment misst. In einer zweiten Phase, die der ersten Phase folgt, wird ein Drehmomentsensor zum Bestimmen des durch den Primärantrieb aufgebrachten Drehmoments verwendet. Der Zweitantrieb wird aktiviert, falls das gemessene Drehmoment eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Dagegen wird der Zweitantrieb in der zweiten Phase deaktiviert, falls das gemessene Drehmoment die vorbestimmte Schwelle unterschreitet. Dies stellt sicher, dass in der zweiten Phase der Elektromotor nur den Antrieb unterstützt, wenn der Fahrer durch Muskelkraft auch ein Drehmoment aufbringt.
Das vorgestellte Verfahren ermöglicht ein frühes Starten des Elektromotors, bevor mit Hilfe des Drehmomentsensors das Drehmoment gemessen und zur Steuerung des Zweitantriebs verwendet wird. Zum einen dauert die Messung des Drehmoments relativ lange, zum anderen ist es in einigen Konstellationen nicht möglich, eine Drehmomentänderung sofort zu erfassen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird genau ein Drehmomentsensor zum Bestimmen des von dem Primärantrieb aufgebrachten Drehmoments vorgesehen. Wenn nur ein Drehmomentsensor vorgesehen ist, ist es nur schwer möglich, sowohl das von der rechten Tretkurbel als auch von der linken Tretkurbel aufgebrachte Drehmoment getrennt voneinander zu erfassen. Wird beispielsweise der eine Drehmomentsensor links aufgebracht, wird im Wesentlichen nur das vom linken Pedal aufgebrachte Drehmoment erfasst. Mit dem vorgestellten Verfahren ist es möglich, auch dann ein Anfahren zu erkennen, wenn der Fahrer in der ersten Phase mit dem rechten Pedal anfängt zu treten. Vermutlich beginnt die Mehrzahl der Fahrer mit dem rechten Pedal zu treten. Die gemessene Drehzahländerung zeigt bereits die Änderung des vom Fahrer aufgebrachten Drehmoments an. In der zweiten Phase ist es vorteilhaft, den Drehmomentsensor zum Messen, ob der Fahrer mittritt, zu verwenden, da dann die Drehzahländerung in der zweiten Phase sowohl vom Elektromotor als auch vom Primärantrieb erzeugt sein kann.
In einer Ausführungsform wird die Tretlagerwelle von an zwei auf unterschiedlichen Enden der Tretlagerwelle angeordneten Tretkurbeln angetrieben, wobei eine erste Tretkurbel an dem Ende, an dem sich auch das Antriebszahnrad 1 eines Kettenantriebs befindet, und eine zweite Tretkurbel an dem Ende, das dem Antriebszahnrad gegenüber liegt, vorgesehen ist. Der Drehmomentsensor ist derart vorgesehen, dass er das Drehmoment, das von der zweiten Tretkurbel übertragen wird, misst.
Angenommen, das Antriebszahnrad des Kettenantriebs befindet sich an dem, in Fahrtrichtung betrachtet, rechten Ende der Tretlagerwelle. Bei nur einem Drehmomentsensor, der auf der linken Seite der Tretlagerwelle angeordnet ist, bestünde die Gefahr, dass beim Antreten mit dem rechten Pedal bzw. der rechten Tretkurbel das Anfahren anfangs nicht erkannt würde. In der ersten Phase wird aber mit Hilfe des vorgestellten Verfahrens erkannt, dass das Fahrzeug anfährt. Dieses Anfahren wird auf ein Treten des Pedals durch den Fahrer zurückgeführt. Somit wird schnell reagiert und die Unterstützung durch den Elektromotor erfolgt schneller als bei herkömmlichen Verfahren.
Falls die Drehzahl von einem Drehzahlsensor an der Tretlagerwelle gemessen wird, kann dieser Sensor kompakt an dem Tretlager vorgesehen werden. Zusätzlich wird die Drehzahl direkt dort gemessen, wo die Drehung auftritt, was eine schnelle Erfassung der Drehzahl ermöglicht.
In einer Ausführungsform wird in der ersten Phase zusätzlich die Geschwindigkeit des Fahrzeugs erfasst und festgestellt, ob die Geschwindigkeit des Fahrzeugs unterhalb einer vorbestimmten Schwelle liegt. Dieses Erfassen kann durch Messen der Fahrzeuggeschwindigkeit erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass das Fahrzeug die Information hat, dass die Geschwindigkeit, z.B. nach dem Starten der elektrischen Energieversorgung des Fahrzeugs, Null ist. Falls die Geschwindigkeit des Fahrzeugs nicht unterhalb der vorbestimmten Schwelle ist, wird der Zweitantrieb in der ersten Phase nicht aktiviert.
Bei Wechsel zwischen erster Phase und zweiter Phase bei Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne wird davon ausgegangen, dass nach dieser vorbestimmten Zeitspanne die Messung des Drehmoments durch den Drehmomentsensor sicher erfolgen muss.
Alternativ kann der Wechsel zwischen erster Phase und zweiter Phase nach Erreichen einer vorbestimmten Geschwindigkeit erfolgen.
Die Anmeldung betrifft auch eine Steuereinrichtung für ein Fahrzeug, wobei das Fahrzeug eine Tretlagerwelle, auf die ein Primärantrieb durch einen Fahrer wirkt, und einen Zweitantrieb durch einen Elektromotor aufweist. Die Steuereinrichtung ist so ausgebildet, dass sie den Antrieb durch den Elektromotor deaktiviert, wenn der Fahrer die Tretlagerwelle nicht antreibt. Die Steuereinrichtung ist ferner so ausgebildet, dass die Steuerung des Elektromotors in zwei aufeinander folgenden Phasen erfolgt. In der ersten der zwei Phasen erfasst die Steuereinrichtung, dass das vom Zweitantrieb abgegebene Drehmoment gleich Null ist. Bei einer Drehzahlerhöhung der Tretlagerwelle aktiviert die Steuereinrichtung den Zweitantrieb durch Erhöhen der Drehzahl des Elektromotors. Das Deaktivieren des Elektromotors kann beispielsweise durch Reduzieren der Motordrehzahl auf Null, durch Auskoppeln über ein Getriebe oder durch Schalten eines schaltbaren Freilaufs erfolgen.
In der zweiten Phase, die der ersten Phase folgt, verwendet die Steuereinrichtung einen Drehmomentsensor zum Bestimmen des durch den Fahrer aufgebrachten Drehmoments. Der Zweitantrieb wird aktiviert, falls das gemessene Drehmoment eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, und deaktiviert, falls das gemessene Drehmoment eine vorbestimmte Schwelle unterschreitet.
Der Einsatz der Steuereinrichtung ermöglicht, bereits in der ersten Phase den Elektromotor zu starten. Dies hat den Vorteil, dass nicht gewartet werden muss, bis der Drehmomentsensor und die danach folgende Auswertelogik erfasst haben, dass der Fahrer ein Drehmoment auf die Tretlagerwelle aufbringt.
Besonders vorteilhaft ist für die Steuereinrichtung, falls genau ein Drehmomentsensor zum Bestimmen des durch die menschliche Leistung aufgebrachten Drehmoments vorgesehen ist. Es reicht somit, dass dieser eine Drehmomentsensor lediglich das von einer der Tretkurbeln aufgebrachte Drehmoment erfasst. Fährt der Fahrer mit Hilfe der Pedale der anderen Tretkurbel los, wird dies mit Hilfe des Drehzahlsensors erkannt.
Somit ist in einer Ausführungsform die Tretlagerwelle von zwei Pedalen angetrieben, wobei die Tretlagerwelle zwei Enden aufweist, und wobei ein erstes Pedal an dem Ende, an dem ein Antriebszahnrad einer Antriebskette für ein Laufrad des Fahrzeugs angebracht ist und eine zweite Tretkurbel an dem dem Antriebszahnrad gegenüberliegenden Ende vorgesehen sind. Der Drehmomentsensor misst das Drehmoment, das über die zweite Tretkurbel übertragen wird.
Vorzugsweise wird die Drehzahl von einem Drehzahlsensor an der Tretlagerwelle gemessen, wodurch der Aufbau des Fahrzeugs kompakt gestaltet werden kann. Das Messen der Drehzahl unmittelbar an der Tretlagerwelle ermöglicht eine schnelle Auswertung.
In einer Ausführungsform erfolgt der Wechsel zwischen erster Phase und zweiter Phase bei Überschreiten einer vorbestimmten Geschwindigkeit, alternativ nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt der Wechsel zwischen erster und zweiter Phase nach einer vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen. Dabei braucht die Anzahl nicht ganzzahlig zu sein.
Die Anmeldung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer vorgestellten Steuereinrichtung.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen
1 ein Fahrzeug mit einer Steuereinrichtung;
2 eine Tretlagerwelle mit dazugehörigen Sensoren und der Steuereinrichtung in einer Draufsicht;
3 die Tretlagerwelle aus 2 in einer Schrägansicht;
4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betrieb eines Fahrzeugs;
5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens.
6 zeigt eine Seitenansicht eines Pedelecs mit Kurbelwellenantriebsmotor,
7 zeigt eine Ausführungsform einer Motor-Getriebe-Einheit des Pedelecs von 6,
8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Motor-Getriebe-Einheit,
9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Motor-Getriebe-Einheit,
10 zeigt eine Ausführungsform einer Kupplungseinrichtung,
11 zeigt eine Ausführungsform eines Drehmomentsensors,
12 zeigt den Drehmomentsensor von 11 im ausgelenkten Zustand,
13 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Drehmomentsensors,
14 zeigt einen Teil einer Motor-Getriebe-Einheit mit einem Drehmomentsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
15 zeigt einen Querschnitt durch den Drehmomentsensor von 14 entlang der Schnittlinie A-A.
1 zeigt ein Fahrzeug 74 mit einer manuellen Schaltvorrichtung 12, einem Primärantrieb 75 zum Antrieb durch einen Fahrer und einem Zweitantrieb 79 zum Antrieb durch einen Elektromotor 6. Der Primärantrieb 75 weist zwei Pedalen 51 und 52, zwei Tretkurbeln 53 und 54 und eine Tretlagerwelle 22 auf. Das Fahrzeug 4 weist zudem ein vorderes Antriebszahnrad 55 zum Antreiben einer Kette 18 auf, wobei die Kette 18 ihrerseits über ein zweites Zahnrad 57 ein Laufrad 25 des Fahrzeugs 4 antreibt. Eine Gangschaltung 15 in Form einer Kettenschaltung ist am hinteren Laufrad 25 vorgesehen.
Tritt der Fahrer in die Pedalen 51 und 52, werden die Tretkurbeln 53 und 54 gedreht, wodurch die Tretlagerwelle 22 und das auf der Tretlagerwelle 22 aufgebrachte vordere Antriebszahnrad 55 sich auch drehen.
Der Elektromotor 6 unterstützt den Primärantrieb 5 des Fahrzeugs 4. Eine Steuereinrichtung 44 steuert den Elektromotor 6 in Abhängigkeit eines manuell betätigbaren Motorleistungsgriffs 31, der mit der Steuereinrichtung 44 über eine Signalleitung 32 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 44 gibt die Leistung des Elektromotors 6 über eine Steuerleitung 34 vor. Dreht sich der Elektromotor 6, wird das von ihm abgegebene Drehmoment auf ein drittes Zahnrad, das mit dem ersten Antriebszahnrad 55 gekoppelt ist, übertragen. Die Drehzahl des Elektromotors 6 und somit auch das Drehmoment, das vom Elektromotor 6 ausgegeben wird, wird nicht nur in Abhängigkeit des Motorleistungsgriffs 31, sondern auch in Abhängigkeit des vom Fahrer aufgebrachten Drehmoments M_M und der Drehzahl der Tretlagerwelle 22 gesteuert.
Das Gesamtdrehmoment M_G, das auf das hintere Laufrad 25 wirkt, ist gleich der Summe aus dem von dem Primärantrieb 5 zur Verfügung gestellten Drehmoment M_M und dem von dem Elektromotor 6 zur Verfügung gestellten Drehmoment M_E.
Ein Drehmomenterfassungsgerät in Form eines Drehmomentsensors erfasst an der Tretlagerwelle 22 das Drehmoment des Antriebs 5 durch den Fahrer. Das gemessene Drehmoment wird über die Zeit gemittelt, da der Betrag des Drehmoments üblicherweise während einer Umdrehung der Tretkurbeln schwankt. Dabei hat der Betrag des Drehmoments während einer halben Umdrehung einer Tretkurbel einen Verlauf, der einer positiven Halbwelle einer Sinuskurve entspricht. Durch Mitteln des Drehmoments oder durch Tiefpassfiltern des gemessenen Drehmoments wird ein Wert, der die zeitlichen Schwankungen ausblendet, ausgegeben. Das Drehmomenterfassungsgerät erfasst und signalisiert das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment und gibt das Ergebnis dieser Messung an die Steuereinrichtung 44 aus.
Sobald der Drehmomentsensor über eine Signalleitung der Steuereinrichtung 44 signalisiert, dass ein Antrieb durch Menschenkraft anliegt, steuert die Steuereinrichtung 44 über die Steuerleitung 34 den Zweitantrieb 9 durch den Elektromotor 6 auf den durch den Motorleistungsgriff 31 vorgegebenen Leistungswert des Elektromotors 6. Falls das gemessene Drehmoment einen vorgesehenen Schwellenwert unterschreitet, wird dies der Steuereinrichtung 44 signalisiert. Daraufhin vermindert die Steuerleitung 34 das Antriebsdrehmoment durch den Elektromotor 6 durch Reduzieren der Drehzahl auf Null. Dadurch wird sichergestellt, dass, wenn der Fahrer nicht mittritt, die Unterstützung durch den Zweitantrieb gestoppt wird. Dies ist auch der Fall, wenn der Fahrer rückwärts tritt.
2 zeigt eine Draufsicht auf die Tretlagerwelle 22, an deren rechtem Ende eine erste Tretkurbel 53 und an deren linkem Ende eine zweite Tretkurbel 54 angebracht sind. An der Tretlagerwelle 22 ist ein Drehzahlsensor 60 vorgesehen. Der Drehzahlsensor 60 weist Zähne 61 auf, die jeweils einen Permanentmagneten enthalten. Die Zähne 61 sind nebeneinander in Umfangsrichtung auf der Tretlagerwelle 22 aufgebracht. Die Abstände von benachbarten Zähnen 61 variieren, so dass nicht nur die Drehzahl, sondern auch die Winkelposition der Tretlagerwelle mit Hilfe des Drehzahlsensors 60 gemessen werden kann. Zudem enthält der Drehzahlsensor 60 einen Hall-Sensor 65, der die Bewegung der Zähne 61 mittels der Änderung des von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes detektiert. Läuft einer der Zähne 61 an dem Hall-Sensor 65 vorbei, ändert sich das Magnetfeld, woraufhin der Hall-Sensor einen Impuls ausgibt, der an die Steuereinrichtung 44 ausgegeben wird. Die Anzahl der Impulse pro Zeit gibt ein Maß für die Drehzahl der Tretlagerwelle.
Rechts auf der Tretlagerwelle 22 ist das Antriebszahnrad 55 zum Antrieb einer Kette 18 montiert. Die Kette 18 treibt über ein zweites Zahnrad am Laufrad dieses Laufrad an. Zudem ist in 2 noch ein drittes Zahnrad 59 gezeigt. Dieses Zahnrad 59 ist über eine Kette mit dem in 1 gezeigten Elektromotor 6 verbunden. Zudem ist das Zahnrad 59 mit dem Antriebszahnrad 55 verbunden. Wenn der Elektromotor 6 das Zahnrad 59 antreibt, wird auch das Zahnrad 55 und somit die Kette 18 angetrieben. Ein in dieser Figur nicht gezeigter Freilauf zwischen dem Zahnrad 55 und der Tretlagerwelle 22 sorgt dafür, dass die Tretlagerwelle 22 nicht durch den Elektromotor 6 angetrieben wird.
Ein Drehmomentsensor 63 besteht aus einem unbeweglichen Teil 62 und einem beweglichen Teil 64. Das bewegliche Teil 64 läuft mit der Tretlagerwelle 22 mit und enthält einen Dehnungsmessstreifen mit einer Vielzahl von nebeneinander liegenden Drähten, durch die der elektrische Strom fließt. Bei einer Torsion der Tretlagerwelle 22 verlängert sich der Widerstand der Drähte. Diese Widerstandsänderung wird drahtlos an das unbewegliche Teil 62 ausgegeben, die ihrerseits ein Ausgangssignal an die Steuereinrichtung 44 ausgibt.
Somit erhält die Steuereinrichtung 44 ein erstes Signal von dem Drehzahlsensor 60 und ein zweites Signal von dem Drehmomentsensor 63.
3 zeigt die Vorrichtung aus 2 in einer Schrägansicht. Elemente mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht erneut erläutert.
4 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Betrieb eines Fahrzeugs.
In einem ersten Schritt 701 wird überprüft, ob die Geschwindigkeit des Fahrzeugs v_F unter einer vorgegebenen Schwelle v₀ ist, beispielsweise kleiner als 5 km/h ist. In diesem Schritt 701 wird auch überprüft, ob die Drehzahl des Elektromotors Null ist. In einer alternativen, hier nicht gezeigten Ausführungsform, wird überprüft, ob der Elektromotor so ausgekoppelt ist, dass er kein Drehmoment zum Antrieb des Fahrzeugs aufbringt. Der Elektromotor kann beispielsweise über einen schaltbaren Freilauf im Pfad zwischen Elektromotor und dem Antriebszahnrad 55 ausgekoppelt werden.
Falls die Geschwindigkeit des Fahrzeugs nicht Null ist oder die Drehzahl des Elektromotors nicht Null ist, wird in dieser Ausführungsform das Verfahren mit Schritt 705 fortgeführt. Das Fahrzeug muss einmal eine Geschwindigkeit von Null gehabt haben, damit die folgenden Schritte 702 bis 706 durchgeführt werden. Falls in Schritt 701 festgestellt wurde, dass die Geschwindigkeit des Fahrzeugs v_F unter der vorgegebenen Schwelle und das vom Elektromotor zur Verfügung gestellte Drehmoment Null ist, fährt das Verfahren mit Schritt 702 fort. In diesem Schritt 702 wird überprüft, ob der Drehzahlsensor 60 eine zeitliche Änderung der Drehzahl der Tretlagerwelle, d.h. die Erhöhung der Drehzahl von Null, detektiert. In diesem Fall wird in Schritt 703 der Zweitantrieb in Form des Elektromotors 6 aktiviert, indem das vom Elektromotor abgegebene Drehmoment M_E durch Erhöhen der Drehzahl des Elektromotors erhöht wird. Gleichzeitig wird ein Parameter t für die Zeit auf Null gesetzt.
Falls in Schritt 702 keine Erhöhung der Drehzahl erkannt wurde, wird der Elektromotor 6 in Schritt 706 weiterhin so angesteuert, dass das abgegebene Drehmoment M_E auf Null bleibt.
Nach Schritt 703 folgt Schritt 704, in dem überprüft wird, ob eine vorbestimmte Zeitspanne, beispielsweise 3 Sekunden, nach Setzen des Parameters t auf Null abgelaufen ist. Ist dies der Fall, geht das Verfahren weiter zu Schritt 705. Andernfalls wird der Schritt 704 wiederholt.
In Schritt 705 wird der Drehmomentsensor zum Bestimmen des vom Primärantrieb aufgebrachten Drehmoments M_M verwendet. Der Zweitantrieb wird nur aktiviert, wenn das gemessene Drehmoment eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Der Schritt 705 erfolgt in einer zweiten Phase des Verfahrens, während die Schritte 701 bis 704 in einer ersten Phase des Verfahrens ablaufen. Dabei wird der Elektromotor 6 nur aktiviert, wenn das gemessene Drehmoment eine vorbestimmte Schwelle M₀ überschreitet. Andernfalls wird der Elektromotor 6 deaktiviert. Somit wird sichergestellt, dass der Fahrer auch mittritt.
5 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines Fahrzeugs.
In einem ersten Schritt 801 überprüft, ob das vom Elektromotor abgegebene Drehmoment M_E gleich Null. In diesem Schritt 801 ist der Elektromotor ausgeschaltet, d.h. seine Drehzahl ist Null. Falls die Drehzahl nicht Null ist, wird in dieser Ausführungsform das Verfahren mit Schritt 805 fortgesetzt.
Falls in Schritt 801 festgestellt wurde, dass die Drehzahl des Elektromotors gleich Null ist, fährt das Verfahren mit Schritt 802 fort. In diesem Schritt 802 wird überprüft, ob der Drehzahlsensor 60 eine zeitliche Änderung der Drehzahl der Tretlagerwelle, d.h. die Erhöhung der Drehzahl von Null, detektiert. In diesem Fall wird in Schritt 803 der Zweitantrieb in Form des Elektromotors 6 aktiviert, indem das vom Elektromotor abgegebene Drehmoment M_E durch Erhöhen der Drehzahl erhöht wird. Gleichzeitig werden ein Wert w für die Anzahl der Umdrehungen und ein Parameter t für die Zeit jeweils auf Null gesetzt.
Falls in Schritt 802 keine Erhöhung der Drehzahl erkannt wurde, wird der Elektromotor 6 in Schritt 806 weiterhin so angesteuert, dass das abgegebene Drehmoment M_E auf Null bleibt.
In einem nach Schritt 803 folgenden Schritt 804 wird überprüft, ob die Tretlagerwelle eine vorbestimmte Anzahl von Umdrehungen w, beispielsweise eine Umdrehung, nach Setzen des Parameters t auf Null durchgeführt hat. Ist dies der Fall, geht das Verfahren weiter zu Schritt 805. Die Anzahl der Umdrehungen wird berechnet als Integral der Drehzahl der Tretlagerwelle über der Zeit t. Ist die Anzahl von Umdrehungen w kleiner als die vorbestimmte Anzahl, wird der Schritt 804 wiederholt.
In Schritt 805 wird der Drehmomentsensor zum Einstellen des vom Primärantrieb aufgebrachten Drehmoments M_M verwendet. Der Zweitantrieb wird nur aktiviert, wenn das gemessene Drehmoment eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Der Schritt 805 erfolgt in einer zweiten Phase des Verfahrens, während die Schritte 801 bis 804 in einer ersten Phase des Verfahrens ablaufen. Dabei wird der Zweitantrieb nur aktiviert, wenn das gemessene Drehmoment eine vorbestimmte Schwelle M₀ überschreitet. Andernfalls wird der Zweitantrieb deaktiviert.
6 zeigt ein Pedelec 110. Das Pedelec 110 ist mit einer Motor-Getriebe-Einheit 111 ausgestattet. In der Motor-Getriebe-Einheit 111 befindet sich ein Kurbelwellenantriebsmotor 112, der in 6 durch das Gehäuse der Motor-Getriebe-Einheit 11 verdeckt ist. Eine Batterie 113 befindet sich in einem Batteriehalter, der an einem Rahmen 114 des Pedelecs 110 befestigt ist. Die Batterie 113 ist durch Stromkabel mit einer Steuerung des Kurbelwellenantriebsmotors 112 verbunden. Weiterhin ist an einem Lenker des Pedelecs 110 ein Betriebsartschalter 115 mit Batteriestandsanzeige vorgesehen, der über eine Steuerleitung 116 mit einer Motorsteuerung des Kurbelwellenantriebsmotors 112 verbunden ist.
7 zeigt eine Prinzipskizze einer Motor-Getriebe-Einheit 111 mit Kurbelwellenantriebsmotor 112 und Getriebe für ein Pedelec 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Anmeldung. Der Kurbelwellenantriebsmotor 112 und das Getriebe sind in einem Gehäuse 142 angeordnet, aus dem beidseitig eine Innenwelle 134 drehbar in Drehdurchführungen 171 und 172 gelagert herausragt.
Das Getriebe ist als dreikettriges Getriebe, d.h. als Getriebe mit drei Ketten 124, 125 und 126 ausgeführt und weist einen modularen Aufbau mit vier Baugruppen auf.
Eine Motorwellen-Baugruppe 161 umfasst als erste Baugruppe den Kurbelwellenantriebsmotor 112 mit einer Motorwelle 31 auf der ein erstes Antriebszahnrad 1 angeordnet ist. Der Kurbelwellenantriebsmotor 112 weist ein Elektromotorgehäuse 166 mit einem elektrischen Anschlussbereich 167, der an einem ersten Gehäusedeckel 143 angebracht ist, auf. Die Motorwelle 131 ragt gegenüberliegend zum Anschlussbereich 167 aus dem Elektromotorgehäuse 166 heraus und trägt das erste Antriebszahnrad 1.
Eine Innenwellen-Baugruppe 162 umfasst als zweite Baugruppe die beidseitig aus dem Gehäuse 142 herausragende Innenwelle 134, eine Freilaufwelle 139 und eine erste Zwischenwelle 132 des Getriebes. Die Freilaufwelle 139 ist auf der Innenwelle 134 drehbar gelagert und die erste Zwischenwelle 132 ist auf der Freilaufwelle 139 drehbar gelagert.
Ein Freilauf 140, der auf der Innenwelle 134 angeordnet ist, ist drehrichtungsabhängig mit der Innenwelle 134 klemmend in Eingriff bringbar. An dem ersten Gehäusedeckel 143 ist konzentrisch zur Innenwelle 134 ein Generator 149 vorgesehen. Ein Rotor 151 des Generators 149 ist auf der Innenwelle 134 freibeweglich gelagert. Ein Stator 152 des Generators 149 ist mit dem ersten Gehäusedeckel 143 verbunden. Der Stator 152 ist zur Stromeinspeisung über eine hier nicht gezeigte Anpassungsvorrichtung mit der Batterie 113 des Pedelecs 110 elektrisch verbunden. Die Anpassungsvorrichtung verfügt über einen Gleichrichter, einen Überspannungsschutz und weitere Bauelemente zur Wandlung des Generatorstroms des Generators 149 in einen Ladestrom der Batterie 113. Weiterhin ist auf der Abtriebswelle 134 ein Messrad 153 zur Bestimmung der Trittfrequenz angeordnet.
Eine Kupplungsvorrichtung 154, die in 1 skizziert eingezeichnet ist, ist auf einer Seite mit der Freilaufwelle 139 verbunden. Ein Hebel 155, der auf einer Drehachse 156 gelagert ist, ist auf einer Seite mit der Kupplungsvorrichtung 154 im Eingriff. Auf einer gegenüberliegenden Seite ist der Hebel 155 an einem Stellglied 158 eines Aktuator 157 befestigt. Das Stellglied ist über einen Stellmotor 159 zwischen verschiedenen Positionen hin- und herbewegbar. Der Stellmotor 159 ist mit der Motorsteuerung verbunden. In einer Freilaufposition verbindet die Kupplungsvorrichtung 154 die Freilaufwelle 139 mit dem Freilauf 140. In der Freilaufposition ist die Freilaufwelle 139 von dem Generator 149 abgekoppelt. In einer Generatorposition verbindet die Kupplungsvorrichtung 154 die Freilaufwelle 139 mit dem Rotor 151 des Generators. In der Generatorposition ist die Freilaufwelle 139 von dem Freilauf 140 und von dem Generator abgekoppelt.
Die Freilaufwelle 139 weist auf einer zu einem zweiten Gehäusedeckel 144 hin gerichteten Seite einen Sitz 65 für eine Abtriebszahnrad-Baugruppe 164 auf. Die Zwischenwelle 132 trägt ein erstes Abtriebszahnrad 2 einer ersten Untersetzungsstufe 21 und ein zweites Antriebszahnrad 3 einer zweiten Untersetzungsstufe 122 des dreikettrigen Getriebes.
Das erste Abtriebszahnrad 2 auf der ersten Zwischenwelle 132, ist gegenüberliegend zu dem ersten Antriebzahnrad 1 der Motorwellen-Baugruppe 161 derart ausgerichtet, dass die erste Kette 124 der ersten Untersetzungsstufe 121 mit Zahnkränzen der Zahnräder 1 und 2 in Eingriff steht.
Das zweite Antriebszahnrad 3 auf der ersten Zwischenwelle 132 ist gegenüberliegend zu einem zweiten Abtriebzahnrad 4 derart ausgerichtet, dass eine zweite Kette 125 der zweiten Untersetzungsstufe 122 mit Zahnkränzen der Zahnräder 3 und 4 in Eingriff steht.
Eine Wellenzapfen-Baugruppe 163 weist als dritte Baugruppe einen Wellenzapfen 135 und eine zweite Zwischenwelle 133 auf, die auf dem Wellenzapfen 135 drehbar gelagert ist.
Der Wellenzapfen 135 weist zu dem zweiten Gehäusedeckel 144 hin einen Wellenzapfenflansch 136 auf, mit dem der Wellenzapfen 135 an dem zweiten Gehäusedeckel 144 fixiert ist. Auf der zweiten Zwischenwelle 133 ist das zweite Abtriebszahnrad 4 und ein drittes Antriebszahnrad 5 einer dritten Untersetzungsstufe 123 fixiert.
Eine Abtriebszahnrad-Baugruppe 164 weist ein Abtriebzahnrad 6 und eine Nabe 119 des Abtriebzahnrads 6 auf. Die Nabe 119 ist auf dem Sitz 165 der Freilaufwelle 139 fixiert. Das Abtriebzahnrad 6 ist derart ausgerichtet, dass eine dritte Kette 126 der dritten Untersetzungsstufe 123 mit Zahnkränzen der Zahnräder 5 und 6 in Eingriff steht.
Die Freilaufwelle 139 ist aus dem Gehäuse 142 herausgeführt und ein Abtriebszahnrad 7, das sich außerhalb des Gehäuses 142 befindet ist auf der Freilaufwelle 139 angebracht. Eine Kette verbindet das Abtriebszahnrad 139 mit einem Hinterrad des Pedelec. Die Freilaufwelle 139 entspricht daher einer Ausgangswelle.
Links und rechts außen auf der Innenwelle 134 sind Kurbeln 173 montiert, auf denen Pedale 174 drehbar befestigt sind.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Motor-Getriebe-Einheit 111. Hierbei ist das Abtriebszahnrad 6 auf der Freilaufwelle 139 durch ein Kugellager 175 gelagert. Eine Kupplungseinrichtung 176 ist auf der Freilaufwelle befestigt. Eine mögliche Ausführungsform einer Kupplungseinrichtung 176 zeigt 10. In einer Normalstellung verbindet die Kupplungseinrichtung 176 die Freilaufwelle 139 mit dem Abtriebszahnrad 6. Dadurch ist das Abtriebszahnrad 6 drehfest mit der Freilaufwelle 139 verbunden. In einer abgekuppelten Stellung ist die Kupplungseinrichtung 176 von dem Abtriebsrad 6 abgekuppelt. Dadurch ist das Abtriebsrad 6 frei auf der Freilaufwelle 139 drehbar und der Kurbelwellenantriebsmotor 112 ist von der Freilaufwelle 139 abgekoppelt. Dadurch wird ein leichteres Treten ermöglicht, wenn zum Beispiel die Batterie leer ist oder der Motor 166 defekt.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Motor-Getriebe-Einheit 111. Hierbei ist das Abtriebszahnrad 2 auf der ersten Zwischenwelle 132 durch ein Kugellager 175' gelagert. Eine Kupplungseinrichtung 176' ist auf der Zwischenwelle 132 befestigt. In einer Normalstellung verbindet die Kupplungseinrichtung 176' die erste Zwischenwelle 132 mit dem Abtriebszahnrad 2. Dadurch ist das Abtriebszahnrad 2 drehfest mit der ersten Zwischenwelle 132 verbunden. In einer abgekuppelten Stellung ist die Kupplungseinrichtung 176' von dem Abtriebszahnrad 2 abgekuppelt. Dadurch ist das Abtriebszahnrad 2 frei auf der ersten Zwischenwelle 132 drehbar und der Kurbelwellenantriebsmotor 112 ist von der Freilaufwelle 139 abgekoppelt.
Zum Abkoppeln des Kurbelwellenantriebsmotors 112 kann, alternativ zu den oben beschriebenen Ausführungsformen der 3 und 4, auch eine Kupplungseinrichtung zum Abkuppeln eines der anderen Abtriebszahnräder 1, 3, 4 oder 5 auf den Wellen vorgesehen werden, auf denen die Abtriebszahnräder 1, 3, 4, 5 angebracht sind.
10 zeigt eine Ausführungsform einer Kupplungseinrichtung 180 zum Kuppeln eines Abtriebszahnrads 181 an eine Welle 182, auf der das Abtriebszahnrad 181 durch eine Kugellager 183 gelagert ist. Diese Kupplungseinrichtung entspricht den Kupplungseinrichtungen 176, 176' aus 4 und 5. Ein Kupplungsring 184 ist auf der Welle 182 axial nach links und rechts bewegbar. Auf dem Kupplungsring 184 sind auf der Seite des Abtriebszahnrads 181 Stifte 188 vorgesehen, die im angekuppelten Zustand in entsprechende Aussparungen 189 auf dem Abtriebszahnrad 181 eingreifen. Auf dem Abtriebszahnrad 181 sind kreisförmige Spuren zur Führung der Stifte 188 vorgesehen, die sich zu den Aussparungen 189 hin vertiefen. Dies hat den Vorteil, dass sich der Kupplungsring 184 selbsttätig ausrichtet und eine Führung des Kupplungsrings 184 auf der Welle 182 durch auf der Welle 182 angebrachte Rillen nicht erforderlich ist.
Zwischen dem Kupplungsring 184 und dem Abtriebszahnrad 181 ist eine Sprungfeder 185 vorgesehen, die den Kupplungsring 184 von dem Abtriebszahnrad 181 wegdrückt. Ein Druckring 186 ist über ein Ausrücklager 187 mit dem Kupplungsring 184 verbunden. Zum Ein- und Auskuppeln kann der Druckring 186 und der mittels eines in 5 nicht gezeigten Aktuators in axialer Richtung hin- und herbewegt werden. Die axiale Bewegung ist durch den Doppelpfeil 190 angedeutet.
Die Stifte 188 und die Aussparungen 189 können insbesondere so ausgeformt sein, dass die Stifte 188 in der Art eines Bajonettverschlusses in die Aussparungen 189 einrasten und nur durch erneutes Andrücken gegen die Sprungfeder 185 wieder gelöst werden können. Alternativ zu der Kupplungseinrichtung 180 kann auch eine Fliehkraftkupplung eingesetzt werden, so dass ein Abtriebszahnrad immer dann von der Welle abgekoppelt ist, wenn es nicht angetrieben wird. Dies ist dann möglich, wenn die Motorkraft bei sehr niedrigen Umdrehungszahlen des Abtriebszahnrads nicht benötigt wird. Insbesondere kann die Fliehkraftkupplung am Abtriebszahnrad 1 vorgesehen werden, das sich am schnellsten dreht, so dass die Motorunterstützung auch bei niedrigen Geschwindigkeiten noch nutzbar ist.
Während eines Betriebs des Pedelecs 110 wird die Kupplungsvorrichtung 154 abhängig von einer – manuell oder automatisch gewählten – Einstellung in der Freilaufposition oder der Generatorposition gehalten. Insbesondere kann die Einstellung automatisch gemäß eines Fahrprogramms gewählt werden, das von der Trittfrequenz abhängig ist, die mittels des Messrades 153 bestimmt wird. Gemäß einer Ausführungsform eines Fahrprogrammes wird die Kupplungsvorrichtung 154 in der Freilaufstellung gehalten, solange die Trittfrequenz unterhalb einer ersten vorbestimmten Trittfrequenz liegt. Sobald die Trittfrequenz die erste vorbestimmte Trittfrequenz erreicht, wird die Kupplungsvorrichtung 154 automatisch in die Generatorstellung umgeschaltet. Unterschreitet die Trittfrequenz eine zweite vordefinierte Trittfrequenz, wird die Kopplungsvorrichtung 154 in die Freilaufstellung zurückgeschaltet. Insbesondere können die erste und die zweite vordefinierte Trittfrequenz übereinstimmen. Dies soll bewirken, dass die Motorunterstützung per Drehmomentsensor immer bei niedrigen Trittgeschwindigkeiten zugeschaltet wird.
Während sich die Kupplungsvorrichtung 154 in der Freilaufstellung befindet, addiert sich die manuelle Kraft zur Motorkraft, sobald sich die Innenwelle 134 mindestens so schnell wie die Freilaufwelle 139 dreht. Der Freilauf 140 ist mit einem Drehmomentsensor ausgestattet, für den die 11 bis 15 verschiedene Ausführungsmöglichkeiten zeigen. Aus dem Signal des Drehmomentsensors berechnet die Motorsteuerung das an der Innenwelle 134 anliegende Drehmoment. Aus dem berechneten Drehmoment bestimmt die Motorsteuerung erforderliche Motorleistung aus einem berechneten Drehmoment.
Während sich die Kupplungsvorrichtung 154 in der Generatorstellung befindet, bestimmt die Motorsteuerung die erforderliche Motorleistung aus der mittels des Messrads 153 bestimmten Trittfrequenz. Gemäß einer ersten Variante ist dabei die Motorleistung zur Trittfrequenz proportional. Gemäß einer weiteren Variante wird die Motordrehzahl des Kurbelwellenantriebsmotors 112 oder die Umdrehungszahl eines vom Kurbelwellenantriebsmotor angetriebenen Teils bestimmt. Die Motorleistung wird dann solange angepasst, bis die Motordrehzahl der Trittfrequenz entspricht, das heißt bis die Umdrehungszahl der Innenwelle 134 und der Freilaufwelle 139 im Wesentlichen übereinstimmen. Hierbei begrenzt die Motorsteuerung die Leistungsaufnahme des Kurbelwellenantriebsmotors 112, beispielsweise aufgrund eines Temperatursignals eines Temperatursensors, um den Kurbelwellenantriebsmotor nicht zu heiß werden zu lassen.
Die 11 bis 13 zeigen Ausführungen des Freilaufs 140 aus 7 bis 9, bei dem die Innenwelle 134 über Arme 192 mit einem Innenring des Freilaufs 140 verbunden ist. Auf dem Innenring sind wahlweise Klemmkörper, Klemmrollen oder Sperrklinken angebracht, die in den 11 bis 13 nicht eingezeichnet sind.
6 zeigt eine Ausführung eines Freilaufs 140, bei dem die Arme 192 aus einem geraden Abschnitt bestehen. An den Armen 192 sind jeweils Dehnungsmessstreifen 193 angebracht, die mit der Motorsteuerung elektrisch verbunden sind.
Wenn die Innenwelle 134 sich langsamer dreht als die Freilaufwelle 139 wird kein beziehungsweise nur ein geringes Drehmoment auf den Innenring des Freilaufs ausgeübt.
Wenn ein Drehmoment auf den Innenring des Freilaufs 140 ausgeübt wird, wie in 12 gezeigt, verformen sich die Arme 192. Die auf den Armen 192 angebrachten Dehnungsmessstreifen 193 werden gedehnt und der Widerstand der Dehnungsmessstreifen 193 vergrößert sich. Aus dem Widerstand der Dehnungsmessstreifen berechnet die Motorsteuerung mittels einer Eichtabelle ein Drehmoment. Daraus berechnet die Motorsteuerung eine Soll Leistung, die umso größer ist, je größer das berechnete Drehmoment ist. Im einfachsten Fall ist die Soll-Leistung proportional zum berechneten Drehmoment.
13 zeigt eine weitere Ausführung eines Freilaufs 140 mit einem Drehmomentsensor, bei dem die Arme 192', die die Innenwelle 134 mit dem Innenrad des Freilaufs 140 verbinden, aus zwei nur geringfügig verformbaren Abschnitten und einem dünner ausgeführten deformierbaren Abschnitt bestehen. An den deformierbaren Abschnitten der Arme 192' sind jeweils Dehnungsmessstreifen angebracht.
Wenn ein Drehmoment auf den Innenring des Freilaufs 40 ausgeübt wird, verformen sich hierbei lediglich die verformbaren Abschnitte der Arme 192'.
14 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer Motor-Getriebe Einheit mit einem Drehmomentsensor 196 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Bauteile, die denen aus 9 entsprechen, haben gleiche Bezugsziffern.
Ein Gehäuse 197 des Drehmomentsensors 196 ist fest mit der Außenseite eines Endes einer Freilaufwelle 139 verbunden, die als Hohlwelle ausgebildet ist. Auf der Freilaufwelle 139 befindet sich ein Abtriebszahnrad 117. Das Gehäuse 197 des Drehmomentsensors 196 umgibt einen Freilauf 140 bis auf einen Spalt 198, der sich zwischen dem Gehäuse 197 und einer Innenwelle 134 befindet. Das Gehäuse 197 ist so um den Freilauf 140 herumgeführt, dass sich der Spalt 198 in Richtung der Achse der Innenwelle 134 auf einer Seite befindet, die dem Ende der Freilaufwelle 139 bezüglich des Freilaufs 140 gegenüberliegt.
Der Freilauf 140 ist auf der Innenwelle 134 angebracht. Federblättchen 199 verbinden eine Außenseite des Freilaufs 140 mit einer Innenseite des Gehäuses 197. Anschläge 1100 sind auf der Seite des Spalts 198 innen am Gehäuse 197 angebracht. An einem äußeren Bereich des Freilaufs sind L-förmige Arme 1102 angeordnet. Die L-förmigen Arme 1102 sind dabei bezüglich der Achse der Innenwelle 134 auf Höhe der Anschläge 1100 angeordnet. Eine Schnittebene A-A, die senkrecht zur Achse der Innenwelle 134 liegt, schneidet die Innenwelle 134, die L-förmigen Arme 1102, die Anschläge 1100 und das Gehäuse 197.
Die 15 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Schnittebene A-A. 10 zeigt vier Anschläge 1100, die in regelmäßigen Abständen entlang eines Radius um die Innenwelle 134 auf dem Gehäuse 197 angeordnet sind. Der Teil des Gehäuses 197, auf dem die Anschläge 1100 angeordnet sind befindet sich in der Ansicht von 15 vor der Schnittebene A-A. Ein anderer Teil des Gehäuses 197, der die Anordnung von 15 ringförmig umgibt, ist in 15 nicht gezeigt.
Auf der Innenwelle 134 sind vier L-förmige Arme 1102 angeordnet. Die L-förmigen Arme 1102 sind dabei so auf einem äußeren Bereich des Freilaufs 140 angebracht, dass die äußeren Winkel der L-förmigen Arme 1102 bezüglich der Rotationsachse der Innenwelle 134 in Vorwärtsdrehrichtung zeigen. Zwischen einem Ende eines L-förmigen Arms 1102 und dem Anschlag 1100, der dem Ende des L-förmigen Arms 1102 ist jeweils ein Messabstand vorgesehen, der in 15 durch Pfeile angezeigt ist. Die Messabstände stimmen für alle Arme 1102 überein.
Wie bereits in 7 gezeigt, befindet sich weiterhin ein Messrad 153 auf der Innenwelle 134. Gegenüber dem Messrad 153 ist zur Messung der Rotation der Innenwelle 134 am ersten Gehäusedeckel 143 eine Beleuchtungsquelle 1104 und ein Lichtsensor 1105 angebracht.
Wenn die Innenwelle 134 in Rotation versetzt wird, wird der innere Bereich des Freilaufs 140, der mit der Innenwelle starr verbunden ist, mitbewegt. Wenn sich die Innenwelle 134 in dieselbe Richtung wie die Freilaufwelle 139 bewegt, greift der Freilauf 140, sobald die Geschwindigkeit der Innenwelle 134 die Geschwindigkeit der Freilaufwelle 139 erreicht. Wenn der Freilauf 140 greift und die Innenwelle 134 gegenüber der Freilaufwelle 139 beschleunigt wird, wirkt ein Drehmoment auf die Federblättchen 199. Dadurch verbiegen sich die Blattfedern 199 und der Abstand zwischen den Armen 1102, die in Drehrichtung eingebaut sind, und den Anschlägen 1102 verringert sich. Sobald das Drehmoment einen bestimmten Schwellwert überschreitet, stoßen die Arme 1102, die in Drehrichtung eingebaut sind, an den Anschlägen 1100 an und verhindern so eine weitere Verbiegung der Federblättchen 199. Höhere Drehmomente können gemessen werden, in dem eine Verdrillung des Gehäuses 197 durch auf dem Gehäuse 197 angebrachte Dehnungsmessstreifen bestimmt wird.
Das Drehmoment kann dann durch die Verbiegung der Blattfedern oder durch die Lageänderung der Arme 1102 relativ zu den Anschlägen 1100 oder zu einem Teil des Gehäuses 197 ermittelt werden. Die Verbiegung der Federblättchen 199 kann durch Dehnungsmessstreifen ermittelt werden, die auf den Federblättchen 99 angebracht sind. Hierbei ist es nötig, schleifende Kontakte vorzusehen, um eine stationär mit dem Gehäuse verbundene Stromversorgung mit den mitrotierenden Dehnungsmessstreifen zu verbinden. Die Lageänderung der Arme 1102 kann zum Beispiel auf optischem Wege, durch Veränderung eines magnetischen Kraftflusses oder durch Veränderung einer elektrischen Kapazität ermittelt werden. Hierbei ist es auch möglich, eine Anordnung zu verwenden, die stationär mit dem Gehäuse verbunden ist.
Wie bereits im Zusammenhang mit 6 erläutert, verwendet die Motorsteuerung das ermittelte Drehmoment dazu, um eine Soll-Motorleistung zu bestimmen. Gegebenenfalls verwendet die Motorsteuerung zur Bestimmung der Soll-Motorleistung auch Daten von weiteren Sensoren, wie zum Beispiel Steigungssensoren.
Anstatt der in den bis 15 gezeigten Ausführungsformen eines Drehmomentsensors können auch andere Arten von Drehmomentsensoren verwendet werden wie zum Beispiel berührungsfreie Drehmomentsensoren. Berührungsfreie Drehmomentsensoren haben den Vorteil, dass keine schleifenden Kontakte erforderlich sind. Gemäß einer Ausführungsvariante wird auf der Innenwelle ein magnetostriktives Material aufgebracht und dessen magnetische Permeabilität mittels einer Spule berührungsfrei gemessen. Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante befindet sich ein Dehnungsmessstreifen auf der Innenwelle 34. Der Dehnungsmessstreifen befindet sich in einem Zweig einer Messbrücke, die berührungsfrei über einen Transformator-Drehübertrager mit Wechselstrom versorgt wird. Nach einer weiteren Ausführungsvariante wird ein Wirbelstrom-Drehmomentsensor verwendet. Gemäß einer Ausführungsform eines Wirbelstromsensors befinden sich zwei benachbarte Scheiben auf der Innenwelle 134, von denen in mindestens einer Scheibe periodisch angebrachte Aussparungen vorgesehen sind. Eine der beiden Scheiben ist mit dem Freilauf 140 verbunden. Über eine Spule wird ein induzierter Wirbelstrom gemessen. Wenn ein Drehmoment anliegt, verdrehen sich die Scheiben gegeneinander und der induzierte Wirbelstrom verändert sich. Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante sind SAW (surface acoustic wave) Sensoren auf der Innenwelle angebracht, die mit Wechselstrom versorgt werden. Stromversorgung und Signalabgriff erfolgt berührungsfrei über RF-Kopplung.
Durch den optischen Sensor 1105 ermittelt die Motorsteuerung die Rotation und die momentane Rotationsgeschwindigkeit der Innenwelle. Wenn die Innenwelle 134 um mehr als einen vorgegebenen Winkel, beispielsweise um mehr als 30°, nach hinten bewegt wird und dabei eine Mindestgeschwindigkeit oder eine Mindestbeschleunigung überschritten wird, schaltet die Motorsteuerung den Motor zum Zweck der Energierückgewinnung in einem Generatormodus und aktiviert gleichzeitig eine rückwärtige Bremse. In einer alternativen Ausführungsform bestimm die Motorsteuerung dabei die Bremskraft durch die Rückwärtsbeschleunigung der Innenwelle 134.
Um im Falle eines Stromausfalls auch ein manuelles Bremsen zu ermöglichen, ist entweder eine rückwärtige Bremse vorgesehen, die sich per Hand betätigen lässt oder es ist zusätzlich ein mechanischer Rücktritt vorhanden.
Durch eine Motor-Getriebe-Einheit gemäß der Anmeldung kann in einer sequentiellen Betriebsart ein Kurbelwellenmotor durch die Pedalbewegung gesteuert werden. Hierbei gibt die Pedalbewegung lediglich die Geschwindigkeit vor, ohne dass eine direkte Kraftübertragung vom Pedal auf das Hinterrad erfolgt. Dadurch ist ein besonders leichtgängiger Betrieb mit wenig Kraftaufwand möglich. Die Reichweite der Batterie wird dabei dadurch verlängert, dass die mechanische Energie über einen Generator wieder zurück in die Batterie eingespeist wird.
Weiterhin ist gemäß der Anmeldung ein Kupplungsmechanismus vorgesehen, der es erlaubt, in einfacher Weise in einen parallele Betriebsart zu wechseln, in der sich die Muskelkraft zur Motorkraft addiert, sobald mit einer schnelleren Trittfrequenz als der Geschwindigkeit einer motorgetriebenen Freilaufwelle getreten wird. In dieser parallelen Betriebsart ist eine direktere Steuerung möglich, wie es zum Beispiel zum Überwinden eines Bordsteins erwünscht ist. Zudem kann durch Fahren in der parallelen Betriebsart die Reichweite der Batterie verlängert werden.
Schließlich kann gemäß der Anmeldung auch ein Kupplungsmechanismus zum Wechseln in eine manuelle Betriebsart vorgesehen sein. Hierbei ist der Motor vom der Freilaufwelle abgekoppelt. Dadurch ist ein leichteres Treten möglich, wenn die Batterie leer ist oder der Motor ausgefallen ist.
Die unterschiedlichen Betriebsarten gemäß der Anmeldung haben Vorteile, die sich wechselseitig ergänzen. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn mit einem Kupplungsmechanismus gemäß der Anmeldung zwischen diesen Betriebsarten auf einfache Weise gewechselt werden kann.
Durch die Verwendung eines Drehmomentsensors wird bei der Motorunterstützung eine direktere Steuerung der Motorunterstützung möglich als es bei einem Positions- oder Geschwindigkeitssensor möglich ist. Zum Beispiel in Situationen wie beim Auffahren auf einen Bordstein ist es häufig erforderlich zunächst das Fahrrad zu verlangsamen, um das Vorderrad anheben zu können. Danach ist ein kräftiges Drehmoment am Rückrad erforderlich, um das Fahrrad über den Bordstein zu bewegen. Bei einem rein manuellen Betrieb wird dies durch einen kräftigen Tritt in die Pedale bewirkt.
Das Abgreifen der Pedalkraft gemäß der Anmeldung sorgt für eine ständige Kraftkopplung zwischen Pedal und Antrieb, wie bei einem rein manuellen Antrieb, und erhöht so den Bedienkomfort und die Sicherheit. Es ist kein Umlernen oder Umdenken nötig. Ein Fahrer kann außerdem eine gewünschte Kraft sehr schnell vorgeben. Eine Motorsteuerung gemäß der Erfindung ermöglicht somit eine intuitive, reaktionsschnelle und fehlerfreie Bedienung, zum Beispiel im Vergleich zur Steuerung über einen Handhebel oder über die Trittgeschwindigkeit. Die Motorsteuerung gemäß der Anmeldung ist zudem geeignet für den Einbau in sportlich ausgerichtete Modelle wie zum Beispiel Mountain-Bikes, die auch im Gelände eingesetzt werden.
Zur Offenbarung des vorliegenden Schutzrechts gehört auch die folgende listenartige Aufzählung von Kombinationen von Merkmalen, wobei die Rückbezüge weitere Merkmalskombinationen ergebenen.

1. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs (4), wobei das Fahrzeug (4) einen Primärantrieb (5) zum Antrieb durch einen Fahrer, einen Zweitantrieb zum Antrieb durch einen Elektromotor (6) und eine Steuereinrichtung aufweist, wobei der Primärantrieb (5) zum Antreiben einer Tretlagerwelle (22) des Fahrzeugs (4) ausgebildet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: in einer ersten Phase: – Messen der Drehzahl der Tretlagerwelle (22), – Feststellen, dass das von dem Zweitantrieb (9) abgegebene Drehmoment Null ist, – falls eine Drehzahländerung der Tretlagerwelle (22) erkannt wird und falls das vom Elektromotor (6) abgegebene Drehmoment Null ist, Aktivieren des Zweitantriebs (9) durch Erhöhen des von dem Elektromotor (6) abgegebenen Drehmoments, und in einer zweiten Phase, die der ersten Phase folgt: – Verwenden eines Drehmomentsensors (63) zum Bestimmen des durch den Primärantrieb (5) aufgebrachten Drehmoments (M_M) und Aktivieren des Zweitantriebs (9), falls das gemessene Drehmoment (M_M) eine vorbestimmte Schwelle (M₀) überschreitet, und Deaktivieren des Zweitantriebs (9), falls das gemessene Drehmoment (M_M) die vorbestimmte Schwelle unterschreitet.
2. Verfahren nach Ziffer 1, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Drehmomentsensor zum Bestimmen des von dem Primärantrieb (5) aufgebrachten Drehmoments vorgesehen ist.
3. Verfahren nach Ziffer 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tretlagerwelle (2) von zwei auf unterschiedlichen Seiten der Tretlagerwelle angeordneten Tretkurbeln angetrieben wird, wobei eine erste Tretkurbel (53) auf einer ersten Seite angeordnet ist, an der ein Antriebszahnrad eines Kettenantriebs vorgesehen ist, und wobei eine zweite Tretkurbel (54) auf der dem Antriebszahnrad gegenüber liegenden Seite vorgesehen ist, und der Drehmomentsensor (63) das Drehmoment, das von der zweiten Tretkurbel (54) übertragen wird, misst.
4. Verfahren nach Ziffer 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl von einem Drehzahlsensor (60) an der Tretlagerwelle (22) gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der Ziffern 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel zwischen erster Phase und zweiter Phase bei Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ziffern 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel zwischen erster Phase und zweiter Phase nach Erreichen einer vorbestimmten Geschwindigkeit (v1) erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ziffern 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel zwischen erster Phase und zweiter Phase erfolgt, sobald die Tretlagerwelle (22) eine vorbestimmte Anzahl von Umdrehungen durchgeführt hat.
8. Verfahren nach einem der Ziffern 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Phase ein Schritt des Tiefpassfilterns der erfassten Drehzahl durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ziffern 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Phase ein Schritt des Erfassens, ob die Geschwindigkeit (v_F) des Fahrzeugs (4) unterhalb einer vorbestimmten Schwelle (v0) liegt, vorgesehen ist und der Zweitantrieb (9) nur aktiviert wird, falls die Geschwindigkeit (v_F) unterhalb der vorbestimmten Schwelle liegt.

Bezugszeichenliste

12: Schaltvorrichtung
15: Gangschaltung
18: Kette
22: Tretlagerwelle
25: Laufrad
31: Motorleistungsgriff
32: Signalleitung
34: Steuerleitung
44: Steuereinrichtung
51: Pedal
52: Pedal
53: Tretkurbel
54: Tretkurbel
55: Antriebszahnrad
57: zweites Zahnrad
59: drittes Zahnrad
60: Drehzahlsensor
61: Zähne
62: unbewegliches Teil
63: Drehmomentsensor
64: bewegliches Teil
65: Hall-Sensor
71: Schaltvorrichtung
74: Fahrzeug
75: Primärantrieb
76: Elektromotor
79: Zweitantrieb
701: Schritt
702: Schritt
703: Schritt
704: Schritt
705: Schritt
706: Schritt
801: Schritt
802: Schritt
803: Schritt
804: Schritt
805: Schritt
806: Schritt
1: erstes Antriebszahnrad der ersten Untersetzungsstufe
2: erstes Abtriebszahnrad der ersten Untersetzungsstufe
3: zweites Antriebszahnrad der zweiten Untersetzungsstufe
4: zweites Abtriebszahnrad der zweiten Untersetzungsstufe
5: drittes Antriebszahnrad der dritten Untersetzungsstufe
6: drittes Abtriebszahnrad der dritten Untersetzungsstufe
7: Antriebszahnrad des Antriebs
110: Pedelec
111: Motor-Getriebe-Einheit
112: Kurbelwellenantriebsmotor
113: Batterie
114: Rahmen
115: Betriebsartschalter
116: Steuerleitung
119: Zahnradnabe von Zahnrad 6
121: erste Untersetzungsstufe
122: zweite Untersetzungsstufe
123: dritte Untersetzungsstufe
124: erste Kette der ersten Untersetzungsstufe
125: zweite Kette der ersten Untersetzungsstufe
126: dritte Kette der ersten Untersetzungsstufe
131: Motorwelle
132: erste Zwischenwelle
133: zweite Zwischenwelle
134: Innenwelle
135: Wellenzapfen
136: Wellenzapfenflansch
134: Innenwelle
139: Freilaufwelle
140: Freilauf
142: Gehäuse
143: erster Gehäusedeckel
144: (zweiter) Gehäusedeckel
145: Gehäusemittelteil
148: Abstandshalter
149: Generator
150: Elektromotor
151: Rotor
152: Stator
153: Messrad
154: Kupplungseinrichtung
155: Hebel
156: Drehachse
157: Aktuator
158: Stellglied
159: Stellmotor
160: zweiter Ansatzflanke zwischen Stufe 57 und 56
161: Motorwellen-Baugruppe (erste Baugruppe)
162: Innenwellen-Baugruppe (zweite Baugruppe)
163: Wellenzapfen-Baugruppe (dritte Baugruppe)
164: Abtriebszahnrad-Baugruppe (vierte Baugruppe)
165: Sitz des Abtriebszahnrads
166: Elektromotorgehäuse
167: elektrischer Anschlussbereich
171: erste Drehdurchführung
172: (zweite) Drehdurchführung
173: Kurbeln
174: Pedale
175: Kugellager
176: Kupplungseinrichtung
175': Kugellager
176': Kupplungseinrichung
180: Kupplungseinrichtung
181: Abtriebszahnrad
182: Welle
183: Kugellager
184: Kupplungsring
185: Sprungfeder
186: Druckring
187: Ausrücklager
188: Stifte
189: Aussparungen
192': Arme
193: Dehnungsmessstreifen (DMS)
196: Drehmomentsensor
199: Federblättchen
1100: Anschläge
1102: Arme
1104: Lichtquelle
1105: Lichtsensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007040016 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm EN 15194 [0002]

Claims

Steuereinrichtung für ein Fahrzeug (4), wobei das Fahrzeug eine Tretlagerwelle (22), auf die ein Primärantrieb (5) zum Antrieb durch einen Fahrer wirkt, und einen Zweitantrieb (9) zum Antrieb durch einen Elektromotor (6) aufweist, und die Steuereinrichtung (44) so ausgebildet ist, dass die Steuerung des Elektromotors (6) in zwei aufeinanderfolgenden Phasen erfolgt, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist zum Aktivieren des Zweitantriebs in der ersten der zwei Phasen, falls das von dem Elektromotor (6) abgegebene Drehmoment Null ist und falls eine Drehzahlerhöhung der Tretlagerwelle (22) erfasst wird, und in der zweiten Phase, die der ersten Phase folgt, die Steuereinrichtung (44) ausgebildet ist zum Verwenden eines Drehmomentsensors (63) zum Messen des durch den Fahrer aufgebrachten Drehmoments (M_M) und zum Aktivieren des Zweitantriebs (9), falls das gemessene Drehmoment (M_M) eine vorbestimmte Schwelle (M₀) überschreitet und Deaktivieren des Zweitantriebs (9), falls das gemessene Drehmoment (M_M) die vorbestimmte Schwelle (M₀) unterschreitet.
Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Drehmomentsensor (63) zum Bestimmen des durch menschliche Leistung aufgebrachten Drehmoments vorgesehen ist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tretlagerwelle von zwei Pedalen angetrieben wird, wobei ein erstes Pedal (51) auf der Seite eines Antriebszahnrads eines Kettengetriebes und ein zweites Pedal (52) auf der dem Antriebszahnrad gegenüberliegenden Seite vorgesehen sind, und der Drehmomentsensor (63) das Drehmoment, das über das zweite Pedal (52) übertragen wird, misst.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl von einem Drehzahlsensor (60) an der Tretlagerwelle gemessen wird.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel zwischen erster Phase und zweiter Phase bei Überschreiten einer vorbestimmten Geschwindigkeit erfolgt.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel zwischen erster Phase und zweiter Phase nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne erfolgt.
Fahrzeug mit einer Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.