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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung befasst sich mit der Geschwindigkeitsregelung bei Fahrrädern, insbesondere bei Fahrrädern, die mit einem Motorantrieb ausgestattet sind.
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Allgemein umfassen Fahrräder einen Rahmen, ein Hinterrad, welches über eine Achse mit dem Rahmen verbunden ist, ein Vorderrad, welches in eine mit dem Rahmen drehbar verbundene Gabel eingesetzt ist, und einen per Muskelkraft antreibbaren Tretantrieb, welcher zumeist über eine Kette das Hinterrad antreibt.
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In letzter Zeit sind sogenannte E-Bikes oder Pedelecs auf den Markt gekommen, welche zusätzlich zu den Komponenten eines eben beschriebenen Fahrrads einen Motorantrieb aufweisen, welcher unterstützend zu der von einem Nutzer zum Betrieb eines Fahrrades einzubringenden Muskelkraft wirkt. Derartige Motorantriebe umfassen in der Regel einen Elektromotor, eine Kontroll- und Steuereinheit und eine wiederaufladbare Batterie. Die Elektromotoren sind je nach Ausbildung im Vorderrad, im Hinterrad oder als sogenannte Mittelmotoren am oder nahe dem Tretantrieb angeordnet. Um eine optimale Unterstützung der für den Betrieb des Fahrrades erforderlichen Muskelkraft zu gewährleisten, ist zumindest ein Sensor in der Form eines Drehmomentsensor vorgesehen, welcher das über den Tretantrieb eingebrachte Drehmoment erfasst und an eine Kontroll- und Steuereinheit überträgt. In dieser Kontroll- und Steuereinheit, welche mit dem Elektromotor in Wirkverbindung steht, werden dann vom Drehmomentsensor übertragene Signale ausgewertet und dann, wenn eine vorgegebene Schwelle überschritten wird, der von der Batterie gespeiste Elektromotor zugeschaltet.
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Im Zusammenhang mit E-Bikes oder Pedelecs ist es auch üblich, eine Eingabeanordnung vorzusehen, welche mit der Kontroll- und Steueranordnung in Wirkverbindung steht, über welche beispielsweise verschiedene Unterstützungsmodi des Elektroantriebs eingestellt werden können.
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Um eine Unterstützung vom Motorantrieb zu erhalten, erfordern bekannte E-Bikes oder Pedelecs immer das Vorhandensein eines Drehmoments am Tretantrieb. Eine solche Regelung ist nachteilig, wenn es gilt, eine vorgegebene Entfernung in einem exakten Zeitfenster zu bewältigen. Dieses Erfordernis kann mit der bekannten Regelung nur sehr aufwendig dadurch erreicht werden, dass der Nutzer seinen geleisteten Krafteinsatz und die gefahrene Geschwindigkeit beispielsweise über einen Tachometer miteinander in Einklang hält.
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Aufgabe der Erfindung
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Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, welche es erlauben, mit einem E-Bike oder Pedelec eine vorgegebene Entfernung innerhalb einer exakten Zeitvorgabe abzufahren, ohne dass besondere Anordnungen an den Nutzer eines solchen E-Bikes oder Pedelecs gestellt werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Anordnung zur Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind den Ansprüchen 2 bis 4 entnehmbar. Ein Verfahren zum Betrieb eines E-Bikes oder Pedelecs ist in Anspruch 5 angegeben.
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Wesentliche Erkenntnis der Erfindung ist es, die Unterstützung eines Nutzers durch den Motorantrieb unabhängig von dessen auf den Tretantrieb wirkenden Kräften zu machen und stattdessen eine einstellbare und letztlich eine gleichmäßige Geschwindigkeit zum Gegenstand habende, permanente Motorunterstützung vorzusehen, dessen Antriebsleistung durch einen Krafteinsatz am Tretlager, so ein solcher vorhanden ist, entsprechend zurückgenommen bzw. heruntergeregelt wird. Ist am Fahrrad eine Eingabeanordnung vorgesehen, die mit der Kontroll- und Steueranordnung in Wirkverbindung steht, lässt sich über diese Eingabeanordnung sehr leicht eine Wunschgeschwindigkeit vom Nutzer vorwählen, mit welcher er eine Strecke zurücklegen will. Ist die Wunschgeschwindigkeit eingegeben und das Fahrrad in Betrieb gesetzt, beschleunigt allein der Motorantrieb das Fahrrad auf die Wunschgeschwindigkeit und hält es bei dieser Wunschgeschwindigkeit, auch wenn kein Drehmoment am Tretlager wirkt. Das Beschleunigen auf die und das Halten der eingestellten Wunschgeschwindigkeit kann über fest in der Kontroll- und Steuerschaltung abgelegte und der jeweiligen Wunschgeschwindigkeit entsprechenden Speicherwerte oder auch über eine Regelschleife realisiert sein. Da Fahrräder nicht nur in der Ebene bewegt werden und somit das Gelände sowie auch das Gewicht des Nutzers oder auch Gegenwind für die von einem Motorantrieb bewirkte Fahrgeschwindigkeit eine maßgebliche Rolle spielen, hat sich als vorteilhaft erwiesen, die jeweilige Geschwindigkeit des Fahrrads über Grund von einem Sensor erfassen zu lassen und diese Werte in der Kontroll- und Steueranordnung zur Einregelung des Motorantriebs zu verwenden, indem ein Vergleich zwischen der gewählten Wunschgeschwindigkeit und der tatsächlichen Geschwindigkeit über Grund durchgeführt und bei Abweichungen entsprechend nachreguliert wird. Dadurch, dass das E-Bike bzw. Pedelec in erster Näherung ausschließlich vom Motorantrieb angetrieben wird, steht es dem Nutzer eines solches Fahrrades frei, den Motorantrieb über den Tretantrieb zu unterstützen. Entschließt sich der Nutzer durch Einsatz von auf den Tretantrieb wirkenden Kräften den Motorantrieb zu unterstützen, wird dieses auf den Tretantrieb wirkende und von einem mit der Kontroll- und Steuerschaltung in Wirkverbindung stehenden Drehmomenterfassungssensor erfasste Drehmoment dazu genutzt, den Motorantrieb von der Kontroll- und Steuerschaltung herunter zu regeln, so dass dann die gewählte Wunschgeschwindigkeit über den Motorantrieb und den wirkenden Tretantrieb gewährleistet wird. Mit anderen Worten, ist die Wunschgeschwindigkeit gewählt, liegt es am Nutzer, welchen Krafteinsatz er zu einer Bewältigung einer Strecke innerhalb einer vorgegebenen Zeit letztlich investieren will.
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Eine leichte Kontrolle des Fahrrads ist dann gegeben, wenn das Fahrrad mit einer Bremsanlage versehen ist, die Bremsanlage einen Bremssensor umfasst, der mit der Kontroll- und Steuereinheit im Austausch steht, und der Motorantrieb unterbrochen ist, wenn die Kontroll- und Steuereinheit vom Bremssensor ein Signal empfängt.
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Ein sehr wirtschaftlicher Betrieb des Fahrrades ist dann gegeben, wenn der Motorantrieb ein Elektromotor ist, der von einer wiederaufladbaren Batterie gespeist ist, wenn ein Generator vorgesehen ist, der vom Vorder- oder Hinterrad antreibbar ist, und wenn der Generator die Batterie nur speist, wenn der Geschwindigkeitserfassungssensor eine Geschwindigkeit über Grund erfasst, die oberhalb der gewählten Wunschgeschwindigkeit liegt.
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Eine leichte Handhabung des Fahrrades gerade beim Start einer mit der Wunschgeschwindigkeit abzufahrenden Strecke ist dann gegeben, wenn ein die Rotation des Tretantriebs erfassender und mit der Kontroll- und Steuerschaltung in Wirkverbindung stehender Rotationserfassungssensor vorhanden ist und wenn der Motorantrieb nur aktiv ist, wenn eine Drehung des Tretantriebs von der Kontroll- und Steuerschaltung festgestellt wird. In diesem Fall kann die Wunschgeschwindigkeit bequem eingegeben werden, ohne dass befürchtet werden muss, dass sich das Fahrrad sofort nach Eingabe der Wunschgeschwindigkeit in Bewegung setzt. Vielmehr setzt der Motorantrieb bzw. eine Bewegung über Grund erst dann ein, wenn ein Nutzer den Tretantrieb in Drehung versetzt, was weitgehend den Verhältnissen entspricht, die ein Nutzer von Fahrrädern ohne Motorunterstützung kennt. Dass die Wirkung des Motorantriebs im Sinne von „an“ und „aus“ von der bloßen – drehmomentfreien – Drehung des Tretantriebs abhängig ist, wirkt in die gleiche Richtung. Denn bei Fahrrädern ohne Motorunterstützung ist es üblich, dass ohne Drehung des Tretantriebs die Fortbewegung über Grund verlangsamt wird.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 ein Fahrrad mit Motorantrieb (schematisch) und
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2a bis 2d verschiedene Betriebsmodi
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung soll nun anhand der Figuren näher erläutert werden.
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1 zeigt ein Fahrrad 1, welches einen Rahmen 2, ein Vorderrad 3 und ein Hinterrad 4 umfasst. Das Hinterrad 4 ist mit dem Rahmen 2 verbunden. Mit dem Rahmen 2 ist eine Gabel 5 drehbar verbunden, in welche das Vorderrad 3 eingesetzt ist. Mit der Gabel 5 ist ein Lenker 6 verbunden, über welchen die Fahrrichtung des Fahrrades 1 veränderbar ist.
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Zum Antrieb des Fahrrades 1 ist ein Tretantrieb 7 vorgesehen, der von der Muskelkraft eines Nutzers in Drehung versetzt wird. Diese Drehung wird von einer Kette 8 auf ein mit dem Hinterrad 4 verbundenes Ritzel 9 übertragen.
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Ferner ist zum Antrieb des Fahrrades 1 auch noch ein Motorantrieb 10 vorgesehen, der im hier dargestellten Ausführungsbeispiel von einem im Hinterrad 4 integrierten Elektromotor gebildet ist. Dieser Motorantrieb 10 in der Form eines Elektromotors wird von einer mit dem Rahmen 2 verbundenen Batterie 11 gespeist. Am Lenker 6 ist eine Eingabevorrichtung 12 vorgesehen, welche mit einer Kontroll- und Steuerschaltung 13 in elektrischer Wirkverbindung steht.
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Außerdem sind am Tretantrieb 7 zwei Sensoren 14, 15 vorgesehen, wobei der Sensor 14 das auf den Tretantrieb 10 wirkende und von der Muskelkraft des Nutzers aufgebrachte Drehmoment erfasst und der andere (Rotationserfassungs-)Sensor 15 lediglich erfasst, ob sich der Tretantrieb 7 in Drehung befindet.
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Da die entsprechende Verkabelung dem Fachmann geläufig ist und es sich bei der Darstellung gemäß 1 nur um eine schematische Darstellung handelt, wurde auf die Darstellung von Kabeln, etc. verzichtet.
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Der grundlegende Antrieb eines Fahrrades 1 gemäß 1 wird nun im Zusammenhang mit 2a näher erläutert.
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Wird von einem Nutzer an der Eingabeanordnung 12 beispielsweise eine Wunschgeschwindigkeit WG von beispielsweise 15 km/h voreingestellt, wird dieser Eingabebefehl von der Kontroll- und Steueranordnung 12 in eine dieser Wunschgeschwindigkeit WB entsprechende Bestromung B des Motorantriebs 10 umgesetzt.
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Da es wenig komfortabel ist, wenn sich unmittelbar nach Eingabe der Wunschgeschwindigkeit WG an der Eingabeanordnung 12 der Motorantrieb 10 in Gang gesetzt, wirken der (Rotationserfassungs-)Sensor 15 und die Kontroll- und Steuerschaltung 13 quasi als Schalter. Dies bedeutet, dass der Motorantrieb 10 nur dann in Drehung versetzt und auch in Drehung gehalten wird, wenn vom (Rotationserfassungs-)Sensor 15 ein Signal SR gehalten wird. Da in 2a dieses Signal SR erst zu einem Zeitpunkt T1 von der Kontroll- und Steuerschaltung 13 erfasst wird, beginnt in 2a der Motorantrieb 10 erst zum Zeitpunkt T1 seine Arbeit.
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Ein ähnlich komfortables Anfahren der Fahrrades 1 nach der Vorwahl der Wunschgeschwindigkeit WG lässt sich dadurch bewirken, dass der Motorantrieb 10 erst mit einer zeitlichen Verzögerung nach Beendigung der Eingabe seinen Betrieb aufnimmt.
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Ist der Motorantrieb 10 aktiv, wird das Fahrrad 1 von diesem auf die Wunschgeschwindigkeit WG beschleunigt und auf dieser gehalten. Wird aber dann auf den Tretantrieb 7 ein Drehmoment ausgeübt bzw. ein solches vom (Drehmomenterfassungs-)Sensor 14 festgestellt, wird – wie in 2b gezeigt – entsprechend dem wirkenden Tretmoment TM die Bestromung B des Motorantriebs 10 zurückgefahren und die vorgewählte Wunschgeschwindigkeit WG vom Tretantrieb 7 und dem Motorantrieb 10 gemeinsam realisiert. Wie leicht einzusehen ist, wird entsprechend der Erfindung die Wunschgeschwindigkeit WG immer durch den Motorantrieb 10 realisiert und nur durch das über den Tretantrieb 7 wirkende Drehmoment ganz oder auch teilweise ersetzt.
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Um die Fahrbarkeit eines erfindungsgemäßen Fahrrades 1 zu verbessern, ist eine mit einem (Brems-)Sensor 16 versehene Bremsanordnung 17 vorgesehen. Diese Bremsanordnung 17 wird im Wesentlichen von einem mit dem Lenker 6 verbundenen Hebel 18 und einer nicht gezeigten, auf das Vorderrad 3 wirkenden und mit dem Hebel 18 über einen Bowdenzug verbundenen Felgenbremse gebildet. Wird dieser Hebel 18 zum Abbremsen des Fahrrades 1 betätigt, wird vom (Brems-)Sensor 16 ein Signal an die Kontroll- und Steuerschaltung 13 abgegeben und der Motorantrieb 10 sofort inaktiv geschaltet, indem die Betromung B des Motorantriebs 10 unterbrochen wird. Letzteres ist im 2c näher veranschaulicht. Durch den Pfeil P ist das beim Betätigen des Hebels 18 der Bremsanordnung 16 von dem (Brems-)Sensor 16 generierte Bremssignal und seine Wirkung auf den Motorantrieb 10 angedeutet.
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Ebenso wie schon im Zusammenhang der vorherigen Figuren angedeutet, wird auch dann die Aktivierung bzw. Betromung B des Motorantriebs 10 unterbrochen, wenn vom (Rotationserfassungs-)Sensor 15 keine Drehung des Tretantriebs 7 erfasst wird. Diese Verhältnisse sind in 2d gezeigt, wo zum Zeitpunkt T2 keine Drehung des Tretantriebs 7 mehr vorliegt.
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Nur der Vollständigkeit halber sei im Zusammenhang mit den 2c und 2d darauf hingewiesen, dass nach Unterbrechung der Bestromung B des Motorantriebs 10 oder Nichttreten die Bestromung B des Motorantriebs 10 die Bremsen wieder aktiv geschaltet werden, sobald die Kontroll- und Steuerschaltung 13 kein Signal mehr vom (Brems-)Sensor 16 empfängt oder über den (Rotationserfassungs-)Sensor 15 wieder eine Drehung des Tretantriebs 7 festgestellt wird.
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Um eine Regelschleife zu generieren, welche das Fahrrad 1 unabhängig von Gelände, dem Gewicht des Nutzers und/oder vom Gegenwind immer auf der vorgewählten Wunschgeschwindigkeit WG hält, ist ein (Geschwindigkeits-)Sensor 19, welcher im Ausführungsbeispiel gemäß 1 an der Gabel 5 angebracht ist, welcher die Drehungen des abrollenden Vorderrads 3 erfasst und dessen Signale -so sie denn von der Kontroll- und Steuerschaltung 13 empfangen werden- als Fortbewegung über Grund ausgewertet werden. Unterschreitet dabei die festgesellte Geschwindigkeit über Grund die vorgewählte Wunschgeschwindigkeit WG, wird die Motorunterstützung entsprechend erhöht. Im umgekehrten Fall, also dann, wenn die Geschwindigkeit über Grund größer ist als die vorgewählte Wunschgeschwindigkeit WG, wird die Motorunterstützung ebenfalls reduziert oder ganz aufgehoben.
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Ein die Kapazität der Batterie 11 schonender Betrieb des Fahrrades 1 ist dann gegeben, wenn das Fahrrad 1 mit einem Generator 20 versehen ist. In 1 ist dies so realisiert, dass das Vorderrad 3 mit einem sog. Nabengenerator ausgestattet ist. Dieser ist so geschaltet, dass er die Batterie 11 dann lädt, wenn die Geschwindigkeit über Grund größer ist als die voreingestellte Wunschgeschwindigkeit WG.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrrad
- 2
- Rahmen
- 3
- Vorderrad
- 4
- Hinterrad
- 5
- Gabel
- 6
- Lenker
- 7
- Tretantrieb
- 8
- Kette
- 9
- Ritzel
- 10
- Motorantrieb
- 11
- Batterie
- 12
- Eingabeanordnung
- 13
- Kontroll- und Steuerschaltung
- 14
- (Drehmomenterfassungs-)Sensor
- 15
- (Rotationserfassungs-)Sensor
- 16
- (Brems-)Sensor
- 17
- Bremsanordnung
- 18
- Hebel
- 19
- (Geschwindigkeitserfassungs-)Sensor
- 20
- Generator
