DE102015219574A1

DE102015219574A1 - Fortbewegungsmittel mit elektrischem Hilfsantrieb

Info

Publication number: DE102015219574A1
Application number: DE102015219574.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hölzer; Mathias Kuhn; Sebastian Schönsmaul
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2035-10-10
Also published as: DE102015219574B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines von einem Fahrer antreibbaren Fortbewegungsmittels (1) mit einem elektrischen Hilfsantrieb (2) zur Erzeugung einer ersten Kraft (F1) und Kraftübertragungsvorrichtungen (4, 5) zur Übertragung der Muskelkraft des Fahrers auf die Antriebseinheit (3) des Fortbewegungsmittels (1) unter Erzeugung einer zweiten Kraft (F2), wobei das Fortbewegungsmittel (1) unter Wirkung der resultierenden Kraft (Fges) aus erster Kraft (F1) und zweiter Kraft (F2) bewegbar ist, wobei ein während einer Gesamtumdrehung der Antriebseinheit (3) ungleichmäßiger Verlauf der durch den Fahrer erzeugten zweiten Kraft (F2) kompensiert wird, indem die zweite Kraft (F2) über eine Gesamtumdrehung der Antriebseinheit (3) gemessen wird, und der Hilfsantrieb (2) zur Erzeugung der ersten Kraft (F1) derart gesteuert wird, dass der Verlauf der resultierenden Kraft (Fges) während der ersten Hälfte (H1) der Gesamtumdrehung der Antriebseinheit (3) dem Verlauf der resultierende Kraft (Fges) während der zweiten Hälfte (H2) der Gesamtumdrehung entspricht, oder umgekehrt

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines von einem Fahrer antreibbaren Fortbewegungsmittels nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Elektrofahrräder werden in zwei Kategorien eingeteilt, in E-Bikes und Pedelecs. Pedelec ist die Abkürzung für Pedal Electric Cycle und E-Bikes sind Elektrobikes. Der Unterschied zwischen den beiden liegt in der Kraftunterstützung.
Beim E-Bike kommt diese in der Regel aus einem Drehgriff am Lenkrad und kann auch unabhängig vom Treten des Fahrers eingeschaltet werden.
Beim Pedelec kommt die Unterstützung des Elektromotors nur zusätzlich zum Treten. Über eine Gangschaltung kann die Stärke der Motorunterstützung geregelt werden. Dadurch können zum Beispiel ansteigende Strecken leichter bewältigt werden. Allerdings schaltet sich der Motor ab einer Geschwindigkeit von 25 km/h automatisch ab.
Diese Art der Fortbewegung ist eine umweltfreundliche Alternative zum Automobil. Zudem ist sie kostengünstiger und vor allem im Berufsverkehr der Großstädte oftmals zeitsparender. Weniger sportliche Fahrer, die etwas für ihre Gesundheit tun möchten, nutzen dieses Fortbewegungsmittel ebenso wie Angestellte, die im Anzug oder Kostüm zur Arbeit fahren, ohne verschwitzt anzukommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern eines von einem Fahrer antreibbaren Fortbewegungsmittels zu schaffen, das auch für Fahrer mit einseitig eingeschränkter Muskelkraft, insbesondere Beinmuskelkraft, einen hohen Fahrkomfort bietet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das von einem Fahrer antreibbare Fortbewegungsmittels umfasst einen elektrischen Hilfsantrieb, insbesondere Elektromotor zur Erzeugung einer ersten Kraft und Mittel zur Übertragung der Muskelkraft des Fahrers auf die Antriebseinheit des Fortbewegungsmittels unter Erzeugung einer zweiten Kraft, wobei das Fortbewegungsmittel unter Wirkung der resultierenden Kraft aus erster und zweiter Kraft bewegbar ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird während einer Gesamtumdrehung der Antriebseinheit ein ungleichmäßiger Verlauf der durch die Muskelkraft des Fahrers erzeugten zweiten Kraft kompensiert, indem die zweite Kraft über eine Gesamtumdrehung der Antriebseinheit gemessen wird, und der Hilfsantrieb zur Erzeugung der ersten Kraft derart gesteuert wird, dass der Verlauf der resultierenden Kraft während der ersten Hälfte der Gesamtumdrehung der Antriebseinheit im Wesentlichen dem Verlauf der resultierenden Kraft während der zweiten Hälfte der Gesamtumdrehung entspricht, oder umgekehrt.
Dadurch wird insbesondere Fahrern eines solchen Fortbewegungsmittels, deren Fähigkeit zur Übertragung ihrer Muskelkraft auf die Antriebseinheit rechts und links unterschiedlich ausgebildet ist, sei es durch einen Schlaganfall, eine Knie- oder Hüftverletzung, ein Fahren mit einem hohen Fahrkomfort, vor allem einer über eine Gesamtumdrehung der Antriebseinheit gleichmäßigen Kraftentwicklung ermöglicht.
Derartig betriebene Fortbewegungsmittel können zum Beispiel zwei-, drei- oder vierrädrige Fahrräder zum Einsatz im Freizeit-, Medizin- oder Trainingsbereich sein. Das erfindungsgemäße Verfahren könnte aber auch zum Steuern eines Rollstuhls verwendet werden.
Insbesondere nimmt bei ungleichmäßigem Verlauf der vom Fahrer erzeugten zweiten Kraft, beispielsweise über die Pedale eines
Fahrrads, diese Kraft während einer Gesamtumdrehung der Antriebseinheit Werte zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert einnimmt.
In einer besonderen Ausgestaltungsform der Erfindung wird der Hilfsantrieb zur Erzeugung der ersten Kraft derart gesteuert, dass während einer Gesamtumdrehung der Antriebseinheit der Minimalwert der vom Fahrer erzeugten zweiten Kraft auf den Maximalwert dieser Kraft angehoben wird. Dadurch wird insbesondere eine gleichmäßige Entwicklung der resultierenden Kraft zur Bewegung des Fortbewegungsmittels erreicht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Antriebseinheit zwei Kraftübertragungsvorrichtungen mit je einem Kraftsensor und eine Antriebswelle und der Verlauf der zweiten Kraft wird mittels der Kraftsensoren gemessen. Beispielsweise können die Kraftübertragungsvorrichtungen als Pedale ausgebildet sein, die die vom Fahrer aufgebrachte Kraft über dazugehörige Pedalkurbeln auf die Antriebswelle, insbesondere Tretlagerwelle, unter Erzeugung eines entsprechenden Drehmoments übertragen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird der Verlauf der zweiten Kraft mittels eines Drehmomentsensors an der Antriebswelle der Antriebseinheit gemessen. Dadurch wird nur ein Sensor benötigt. Ist das Fortbewegungsmittel ein Fahrrad, kann das Drehmoment auch an der Nabe des Hinterrads gemessen werden, da dieses Drehmoment und das von dem Fahrer auf die Pedale ausgeübte Drehmoment zueinander proportional sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird beim Überschreiten einer vorgegebenen Höchstgeschwindigkeit des Fortbewegungsmittels durch den elektrischen Hilfsmotor eine negative Kraft erzeugt, so dass die Endgeschwindigkeit des Fortbewegungsmittels kleiner oder gleich der vorgegebenen Höchstgeschwindigkeit entspricht.
Insbesondere wird dabei der Elektromotor in umgekehrter Richtung betrieben. Dies hat den Vorteil, dass Fahrer mit einer körperlichen Einschränkung, deren Reaktionsvermögen zusätzlich eingeschränkt sein kann, wie das oft bei älteren Menschen der Fall ist, eine im wesentlichen beliebige Höchstgeschwindigkeit vorgeben können, die eingehalten wird, ohne dass sie bei einer Überschreitung derselben selbst bremsend eingreifen müssen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten sind der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
1 die schematische Darstellung eines Fortbewegungsmittels und
2 den zeitlichen Verlauf der auftretenden Kräfte während einer Gesamtumdrehung der Antriebseinheit.
Die 1 zeigt die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen Fortbewegungsmittels 1. Das Fortbewegungsmittel 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Elektrofahrrad. Das Elektrofahrrad 1 umfasst einen elektrischen Hilfsantrieb 2 zur Erzeugung einer ersten Kraft F1, zwei als Pedale ausgebildete Kraftübertragungsvorrichtungen 4, 5 zur Übertragung der Muskelkraft des Fahrers auf die Antriebseinheit 3 des Fortbewegungsmittels 1 unter Erzeugung einer zweiten Kraft F2, wobei die Muskelkraft des Fahrers jeweils von einem Pedal 4, 5 über eine dazugehörende Pedalkurbel 7 auf die Antriebswelle 6 der Antriebseinheit 3 übertragen wird. Das Elektrofahrrad 1 ist dann unter Wirkung der resultierenden Kraft F_ges aus erster Kraft F1 und zweiter Kraft F2 bewegbar.
Zur Steuerung des Elektrofahrrads 1 wird der Verlauf der vom Fahrer aufgebrachten zweiten Kraft F2 mittels der Kraftsensoren S4, S5, die entsprechend an den als Kraftübertragungsvorrichtungen 4, 5 wirkenden Pedalen angeordnet sind, gemessen.
Alternativ könnte der Verlauf der zweiten Kraft F2 auch mittels eines Drehmomentsensors S6 an der Antriebswelle 6 der Antriebseinheit 3 gemessen werden.
Ferner weist das Elektrofahrrad 1 ein Vorderrad 8 sowie ein Hinterrad 9 auf.
Der elektrische Hilfsantrieb 2 bringt die erste Kraft F1 auf und überträgt hier in einer Ausgestaltung als Mittelmotor die erste Kraft F1 entweder direkt oder indirekt über ein nicht gezeigtes Getriebe auf die Antriebswelle 6. Wahlweise kann der elektrische Hilfsantrieb 2 auch in die Radnabe des Vorderrads 8 oder des Hinterrads 9 integriert sein.
2 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der auftretenden Kräfte während einer Gesamtumdrehung GU der Antriebseinheit 3, insbesondere der Antriebswelle 6. Eine Gesamtumdrehung GU entspricht einer Drehung der Antriebswelle 6 um 360° in einem Zeitintervall, aufgetragen auf der Abszisse. Die Ordinate zeigt den Verlauf der vom Hilfsantrieb 2 erzeugten ersten Kraft F1, der vom Fahrer erzeugten zweiten Kraft F2 und der resultierenden Kraft F_ges aus beiden Kräften F1 und F2.
Die Gesamtumdrehung GU ist unterteilt in zwei gleich große Bereiche, wobei die erste Hälfte H1 dem Winkelbereich von 0° bis 180° und die zweite Hälfte H2 dem Winkelbereich von 180° bis 360° entspricht.
Der Anschaulichkeit halber ist in der zweiten Hälfte H2 die Kraft negativ aufgetragen.
Die durchgezogene Linie zeigt den Kraftverlauf F2 für einen Fahrer, dessen linkes Bein beispielsweise eine geringere Kraft aufzubringen vermag als das rechte. Die erste Hälfte H1 zeigt dann den Kraftverlauf F2 am rechten Pedal mit einer ersten Maximalwert (F2_max1) und die zweite Hälfte H2 zeigt den Kraftverlauf F2 am linken Pedal, wobei das linke Bein mit der geringeren Muskelkraft einen zweiten, kleineren Maximalwert (F2_max2) erzeugt.
Die gestrichelte Linie in 2 zeigt den Verlauf der resultierenden Kraft Fges aus erster, durch den Hilfsantrieb 2 erzeugten Kraft F1 und zweiter, vom Fahrer aufgebrachten Kraft F2. Der Hilfsantrieb 2 zur Erzeugung der ersten Kraft F1 wird hier derart gesteuert, dass der Verlauf der resultierenden Kraft Fges während der zweiten Hälfte H2 der Gesamtumdrehung GU dem Verlauf der resultierenden Kraft Fges während der ersten Hälfte H1 der entspricht. In diesem Fall wird der kleinere Maximalmalwert F2_max2 betragsmäßig auf den größeren Maximalwert F2_max1 angehoben. Dadurch wird ein gleichmäßiger Verlauf der resultierenden Kraft F_ges über eine Gesamtumdrehung GU der Antriebseinheit 3 erreicht, was zu einem hohen Fahrkomfort führt.
Bei Überschreiten einer vorgegebenen Höchstgeschwindigkeit v_max des Fortbewegungsmittels 1 ist durch den Hilfsantrieb 2 insbesondere eine negative Kraft F1 erzeugbar, so dass die Geschwindigkeit v des Fortbewegungsmittels 1 kleiner oder gleich v_max entspricht, und beispielsweise die resultierende Kraft F_ges betragsmäßig kleiner ist als F2_max2. Dieser Fall wird in 2 durch die strichpunktierte Linie gezeigt.
Insbesondere gibt die 2 einen Kraftverlauf wieder, der einer Mittelung über mehrere Gesamtumdrehungen entspricht, beispielsweise 3–5 Umdrehungen. Ferner ist es nicht zwingend erforderlich, dass der Verlauf der zweiten Kraft F2 innerhalb einer Hälfte H1, H2 achsensymmetrisch zu den nicht gezeigten Achsen durch die Punkte (H1/ 2, F2_max1) bzw. (H2/ 2, F2_max2) ist. Vorteilhafterweise ist der Flächeninhalt unter dem Graphen Fges über der ersten Hälfte H1 gleich dem Flächeninhalt unter dem Graphen Fges über der zweiten Hälfte H2.
Bezugszeichenliste

1: Fortbewegungsmittel
2: Hilfsantrieb
3: Antriebseinheit
4: Kraftübertragungsvorrichtung, Pedal
5: Kraftübertragungsvorrichtung, Pedal
6: Antriebswelle
7: Pedalkurbel
8: Vorderrad
9: Hinterrad
F1: Erste Kraft
F2: Zweite Kraft
F2_max1: Erste maximale Kraft F2
F2_max2: Zweite Maximale Kraft F2
Fges: Resultierende Kraft
GU: Gesamtumdrehung
H1: Erste Hälfte der Gesamtumdrehung GU
H2: Zweite Hälfte der Gesamtumdrehung GU
S4, S5: Kraftsensor
S6: Drehmomentsensor
v: Geschwindigkeit
v_max: Maximale Geschwindigkeit

Claims

Verfahren zum Steuern eines von einem Fahrer antreibbaren Fortbewegungsmittels (1) mit einem elektrischen Hilfsantrieb (2) zur Erzeugung einer ersten Kraft (F1) und Kraftübertragungsvorrichtungen (4, 5) zur Übertragung der Muskelkraft des Fahrers auf die Antriebseinheit (3) des Fortbewegungsmittels (1) unter Erzeugung einer zweiten Kraft (F2), wobei das Fortbewegungsmittel (1) unter Wirkung der resultierenden Kraft (Fges) aus erster Kraft (F1) und zweiter Kraft (F2) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein während einer Gesamtumdrehung der Antriebseinheit (3) ungleichmäßiger Verlauf der durch den Fahrer erzeugten zweiten Kraft (F2) kompensiert wird, indem die zweite Kraft (F2) über eine Gesamtumdrehung der Antriebseinheit (3) gemessen wird, und der Hilfsantrieb (2) zur Erzeugung der ersten Kraft (F1) derart gesteuert wird, dass der Verlauf der resultierenden Kraft (Fges) während der ersten Hälfte (H1) der Gesamtumdrehung der Antriebseinheit (3) dem Verlauf der resultierende Kraft (Fges) während der zweiten Hälfte (H2) der Gesamtumdrehung entspricht, oder umgekehrt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei ungleichmäßigem Verlauf der vom Fahrer aufgebrachten zweiten Kraft (F2), diese Kraft (F2) während einer Gesamtumdrehung der Antriebseinheit (3) Werte zwischen einem ersten Maximalwert (F2_max1) und einem zweiten Maximalwert (F2_max2) einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (2) zur Erzeugung der ersten Kraft (F1) derart gesteuert wird, dass während einer Gesamtumdrehung GU der Antriebseinheit (3) der kleinere Maximalmalwert (F2_max1, F2max2) betragsmäßig auf den größeren Maximalwert (F2_max1, F2max2) angehoben wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (3) zwei Kraftübertragungsvorrichtungen (4, 5) mit je einem Kraftsensor (S4, S5) und eine Antriebswelle (6) umfasst, und der Verlauf der zweiten Kraft (F2) mittels der Kraftsensoren (S4, S5) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der zweiten Kraft (F2) mittels eines Drehmomentsensors (S6) an der Antriebswelle (6) der Antriebseinheit (3) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten einer vorgegebenen Höchstgeschwindigkeit (v_max) des Fortbewegungsmittels (1) durch den Hilfsantrieb (2) eine negative Kraft (F1) erzeugt wird, so dass die Geschwindigkeit (v) des Fortbewegungsmittels (1) kleiner oder gleich v_max entspricht.
Von einem Fahrer antreibbares Fortbewegungsmittel (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem elektrischen Hilfsantrieb (2) zur Erzeugung einer ersten Kraft (F1) und Mitteln (4, 5) zur Übertragung der Muskelkraft des Fahrers auf die Antriebseinheit (3) des Fortbewegungsmittels (1) unter Erzeugung einer zweiten Kraft (F2), wobei das Fortbewegungsmittel (1) unter Wirkung der resultierenden Ktaft (Fges) aus (F1) und (F2) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein während einer Gesamtumdrehung der Antriebseinheit (3) ungleichmäßiger Verlauf der durch den Fahrer erzeugten zweiten Kraft (F2) durch eine entsprechende Steuerung des Hilsantriebs (2) kompensierbar ist.
Fortbewegungsmittel (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass, Fortbewegungsmittel (1) ein Fahrrad oder ein Rollstuhl ist.