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Die Erfindung betrifft einen Zweiradrahmen für Elektrofahrräder. Elektrofahrräder finden mittlerweile auch auf dem europäischen Markt einen rasanten Absatz. Hervorgerufen wird der Trend auch durch immer leistungsfähigere Akkus, womit sich größere Reichweiten erzielen lassen und die Elektrofahrräder ein immer breiteres Anwendungsfeld erfahren.
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Hierbei sind viele Anforderungen an die Akkus gestellt und insbesondere an das Akkugehäuse. Überlagert werden die Anforderungen von der sich rasant weiterentwickelten Akkutechnologie. Die derzeitige Energiedichte der Akkus bewegt sich mittlerweile in einem Bereich, bei dem Brände und Explosionen durch unsachgemäße Handhabung oder Defekte an elektrischen Schaltungen hervorgerufen werden können. Stand der Technik sind offene Platzierungen der Akkupacks. Im Falle einer ungewollten chemischen Reaktion der Akkus besteht somit erhöhte Gefahr für Menschen und Umwelt.
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Vereinzelt sind auch Lösungsansätze zu beobachten, bei denen Akkupacks im Rahmen integriert sind. Hierbei sind aber aufwendige Sonderkonstruktionen erforderlich. Die Aufwendigkeit der Rahmenkonstruktionen schlägt sich auch deutlich in einem erhöhten Gewicht nieder. Das hohe Gewicht ist gerade bei Fahrrädern negativ für Handling und Fahrleistungen, und in Verbindung mit Elektroantrieb wirkt sich die Fahrzeugmasse negativ auf die Reichweite aus.
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In
DE 602 09 510 T2 ist ein Fahrrad mit rahmenintegrierten Energieträgern beschrieben. Jedoch handelt es sich hierbei um einen aufwendigen Sonderrahmen, der entsprechende Entwicklungen voraussetzt und eine gewöhnungsbedürftige Optik mit sich führt.
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Die Aufwendigkeit des Rahmens schlägt sich in einem hohen Gewicht nieder. Dadurch resultieren gerade im Fahrradbereich ein schlechteres Handling. Der Energiebedarf gerade bei Bergfahrten ist deutlich höher, als bei Fahrrahmen im Sinne dieser Erfindung.
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Auch lässt sich bei diesem System der Anmeldung
DE 602 09 510 T2 nur das Unterrohr mit Energieträgern befüllen. Dadurch resultieren größere Querschnitte des Unterrohrs um die benötigte Anzahl der Energieträger zu platzieren. Eine unvorteilhafte Optik sind neben dem hohen Gewicht die Folge.
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Die Befüllungsöffnung des Rohres befindet sich bei
DE 602 09 510 T2 im unteren Tretlagerbereich, wo ein erhöhtes Maß an Feuchtigkeit und Spritzwasser auftritt. Dadurch sind immer Unregelmäßigkeiten und Defekte durch eindringende Feuchtigkeit bei der Bestückungsöffnung in den Energieträgerbereich und Kontaktierungsbereich zu erwarten.
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Auch ist der Tretlagerbereich im Sinne von
DE 602 09 510 T2 durch die einwirkenden Pedalkräfte starken mechanischen Belastungen ausgesetzt. Eine Bestückungsöffnung hat somit nachhaltig schwächende Folgen auf die Rahmenkonstruktion.
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Durch die Rahmenintegration sind Schwingungen wie bei einseitig am Rahmen fixierten Akkupacks weitgehend vermieden. Denn die einseitige Fixierung des Packs lässt aufgrund der Eigenelastizität Schwingungen zu und verstärkt diese. Durch die Einbettung im Fahrradrahmen direkt sind die Gefahrenpotentiale durch Schwingungen ausgeschlossen.
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Ein konventioneller Fahrradrahmen aus Rohrprofilen bietet genug Innenvolumen um 30 Akkuzellen volumenmäßig aufnehmen zu können. Nach heutigem Stand der Technik können mit 30 Zellen ca. 240 Wh Energie gespeichert werden und lässt sich in 30 km rein elektrisches Fahren wandeln. Somit bewegen sich die integrierten Akkus im gleichen Kapazitätsbereichen wie die externen Akkus der konventionellen E-Bikes.
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Auch bei Unfällen mit dem Fahrradrahmen oder Umfallen des Rades besteht ein Schutz der hochkapazitiven Zellen gegen mechanische Zerstörung. Das Brand und Explosionsrisiko der Zellen ist weiter minimiert.
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Im Falle einer niemals ganz auszuschließenden Explosion oder Brand der Zellen ist kein Sicherheitsrisiko zu erwarten. Die in den Zellen gespeicherte Energie ist nicht ausreichend um die Rohrprofile des Rahmens zu Verformen oder gar zum Bersten zu bringen.
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In
DE 299 21 325 U1 ist eine Stromversorgung für Elektrofahrräder beschrieben, bei der mehrere Akkumulatoren in einen Fahrradrahmen integriert sind. In jedem Rohr ist eine einzige Reihe Akkumulatoren angeordnet. Die Akkumulatoren werden durch Öffnungen in die Rohre eingesetzt.
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In
DE 10 2010 032 720 A1 sind Rohrprofile für Fahrradrahmen beschrieben. Die Rohrprofile sind so ausgebildet, dass darin mehrere Akkustränge nebeneinander angeordnet werden können.
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In
DE 10 2010 008 951 A1 ist ein Elektrofahrrad mit einem Rahmenrohr, in dem ein Akkumulator angeordnet ist, beschrieben. Der Akkumulator besteht aus mehreren gegeneinander bewegbaren Abschnitten. Jeder Abschnitt kann ein Bündel aus mehreren Zellen umfassen. Der Akkumulator wird durch das hintere Ende des Rahmenrohrs, das sich über dem Hinterrad befindet, in das Rahmenrohr eingeführt.
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In
DE 10 2008 047 087 A1 ist ein Elektromotorrad beschrieben, dessen Rahmen ein Rohrende mit einer Einschuböffnung aufweist. Durch die Einschuböffnung können Energieträger in einen Aufnahmeschacht geschoben werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Zweiradrahmen mit Platzierung der Energieträger einschließlich zugehöriger Schutzschaltungen im Rahmen zu schaffen. Denn diese Anordnung kann die Sicherheit gegen Explosion und Brand verbessern und ein geringes Gewicht ermöglichen. Ebenso ist die Gewichtsverteilung im Zweiradrahmen dem natürlichen Schwerpunkt angepasst und führt zu besten Handlingseigenschaften. Der erfindungsgemäße Zweiradrahmen wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ein Zweiradrahmen für ein Elektrorad umfasst ein Unterrohr, ein Oberrohr, ein Steuerrohr, ein Sattelrohr, ein Tretlager und optional Kettenstreben und Sitzstreben. Der Zweiradrahmen umfasst ferner einen integrierten Energieträger und eine oder mehrere Öffnungen im Steuerrohr, im Tretlager und/oder an einem anderen Rahmenrohr. Diese Öffnung oder Öffnungen sind so ausgebildet, dass die Energieträger durch diese hindurch in den Zweiradrahmen eingeführt werden können. Um die mechanische Belastungen des Zweiradrahmens möglichst gering zu halten, werden erfindungsgemäß die Öffnung oder die Öffnungen so klein wie möglich dimensioniert. Deshalb werden die Energieträger nicht als eine zusammenhängende Baugruppe eingeführt, sondern als mehrere einzelne Baugruppen mit jeweils kleinem Querschnitt nacheinander. Die vollständige Kontaktierung erfolgt insbesondere erst nach dem vollständigen Einführen aller Energieträger. Die Energieträger sind hierbei als mehrere, einzelne lange Stangen ausgeführt, welche nacheinander durch die minimal kleine Öffnung geführt werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: einen Zweiradrahmen;
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2: eine Anordnung von Akkuzellen und Kabeln in dem Zweiradrahmen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrradrahmens mit einem Steuerrohr 2, einem Unterrohrrohr 3, einem Oberrohr 4, einem Sattelrohr 5 und einem Tretlager. Der Zweiradrahmen kann ferner Kettenstreben und Sitzstreben umfassen.
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Akkuzellen können durch Öffnungen 1 im Steuerrohr 2 in das Unterrohr 3 und in das Oberrohr 4 eingeführt werden. Die Öffnungen 1 haben bei Zellen der Bauform 18650 einen Durchmesser von nur 20 mm. Die Akkuzellen sind in axialer Richtung zusammengefügt und werden als Akkustangen in den Zweiradrahmen eingeführt. Je nach Rahmenausführung werden in ein Rohr 3, 4 mehrere Akkustangen gefügt. Das Steuerrohr 2 hat gegenüber der Öffnung 1 ebenfalls eine Durchdringung, um mit den Energieträgern in das Unterrohr 3 oder in das Oberrohr 4 das Zweiradrahmens zu gelangen.
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Die Bestückung des Zweiradrahmens kann nur bei ausgebauter Gabel erfolgen. Die Verkabelung der Energieträger erfolgt erst nach dem Bestücken.
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Die Energieträger werden durch ein schüttfähiges Granulat mit elastischem Anteil, wie z. B. Styroporkugeln fixiert. Dadurch ist eine sichere und absolut stoßunempfindliche Lagerung der Energieträger sichergestellt. Auch also Isolator im Falle eines Kurzschlusses bieten die Styroporkugeln beste Eigenschaften. Die thermische Isolation der Energieträger zur Umwelt ist ebenfalls gewährleistet.
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Die Öffnungen 1 werden nach dem Bestücken mit Energieträgern und Befüllen mit schüttfähigem Granulat verschlossen. Hierzu eignen sich elastische Kunststoffkappen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ebenso die Verwendung von Werkstoffen wie Acryl oder Medien mit ähnlichen Eigenschaften.
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Der Zweiradrahmen dient zum Aufbau eines Elektrofahrrads, wobei der Elektroantrieb als Nabenmotor am Vorderrad oder Hinterrad platziert werden kann. Der Antriebsmotor kann alternativ im Bereich des Tretlagers (Tretlagermotor) platziert werden.
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Die Öffnungen 1 am Steuerrohr 2 liegen im kraftneutralen Bereich des Zweiradrahmens. Die durch die Gabel geführten Kräfte, welche durch das Steuerlager in das Steuerrohr 2 des Zweiradrahmens eingeleitet werden, finden ihren Kraftfluss direkt zu den Anbindungsstellen von Oberrohr 4 und Unterrohrrohr 3 des Zweiradrahmens. Die Öffnungen sind somit in einem kraftneutralen Bereich am Steuerrohr 2 platziert.
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Die Öffnungen 1 sind am Steuerrohr 2 auch in einem spritzwassergeschützten Bereich platziert.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung und Verkabelung von Akkuzellen in einem Zweiradrahmen.
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Es sind im Unterrohr 3 drei Akkupacks mit je 8 Zellen integriert und im Oberrohr 4 ein Akkupack mit sechs Zellen. Die Verdrahtung sieht vor, jeweils insgesamt zehn Zellen in Reihe zu schalten, und diese drei Zehnerpacks parallel zu schalten. Die Verkabelung, wie auch die Schutzschaltung für die Zellen ist komplett im Zweiradrahmen integriert und wird im oberen Bereich des Sattelrohrs 5 nach außen geführt.
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Die Schutzschaltungen und Ladeschaltungen der Zellen lassen sich im Oberrohr 4 platzieren.
