DE19522419A1

DE19522419A1 - Fahrrad mit Hilfsantrieb

Info

Publication number: DE19522419A1
Application number: DE1995122419
Authority: DE
Inventors: Dietrich Gerhard Ellsaeser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-06-21
Filing date: 1995-06-21
Publication date: 1997-01-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrrad mit Hilfsantrieb, das ein Tretlager aufweist, an dessen Tretlagerachse Pedalkurbeln und ein vorderes Kettenrad zur Aufnahme eines Antriebsmittels befestigt sind, und das als Hilfsantrieb einen Elektromotor aufweist.

Bei heutigen Fahrrädern ist meist ein Hilfsantrieb in Form eines Elektromotors nachträglich im Bereich des Hinterrades an einen konventionellen Fahrradrahmen angebaut. Der Hilfsantrieb treibt dabei direkt das Hinterrad an. Es ergeben sich jedoch Nachteile, da daß Hinterrad nicht steif ist und laufend Verwindungen ausgesetzt ist. Eine andere Möglichkeit ist, den Hilfsantrieb in den Antriebsstrang des Fahrrads eingreifen zu lassen. Dadurch muß meist der fahrradübliche Antriebsstrang, der aus Kettenritzel, Gangschaltung und einem Antriebsmittel wie z. B. einem Zahnriemen oder einer Kette besteht, umgebaut werden. Ein weiterer Nachteil bei konventionellen Hilfsantrieben für Fahrräder ist, daß eine Sensorik für eine Regelung der Motorleistung entsprechend der durch den Fahrradfahrer am Pedal eingebrachten biologischen Leistung nur sehr schwer am Fahrrad anzubringen ist und die Meßergebnisse nicht zufriedenstellen. Deswegen kommt es bei den herkömmlichen Systemen meist in bezug auf die Drehmomentmessung zu Kompromissen, in der Form, daß Kraftabnehmer zur Messung der Kettenspannung, deren Funktion durch ein Kettenspiel beeinflußt wird, oder Herzfrequenzzähler zur Messung der biologischen Leistung verwendet werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Fahrrad mit Hilfsantrieb derart weiterzubilden, daß ein Antriebsmittel sowohl die biologische Kraft des Fahrers als auch die Motorkraft des Hilfsantriebs überträgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Stator des Elektromotors im Bereich des Tretlagers und ein Rotor des Elektromotors am vorderen Kettenrad angeordnet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung des Hilfsantriebs im Bereich des Tretlagers wird das Drehmoment des Motors direkt auf den schon vorhandenen Antriebsstrang, wie das Kettenrad, die Tretlagerachse oder das Antriebsmittel eingeleitet. Dadurch kann der herkömmliche Aufbau des Fahrrades beibehalten werden. Die vorhandene Tretlagerpatrone der Fahrräder wird dabei gegen eine Einheit ausgetauscht die sowohl den Stator des Elektromotors mit den Spulenwicklungen als auch eine Tretlagereinheit aufweist. Das konventionelle Kettenrad mit Kurbelstern und Pedalkurbeln wird gegen eine Einheit mit einem Läufer eines Elektromotors und einem Kettenrad mit Pedalkurbeln ausgetauscht. Dabei besteht der Rotor des so entstehenden Direktläufermotors vorteilhaft aus einem Permanentmagneten. Es kann jedoch auch ein Rotor mit Spulenwicklungen und Bürsten vorgesehen sein. Wird bei dem erfindungsgemäßen Fahrrad das Kettenrad in Form einer Riemenscheibe mit 300 mm Durchmesser ausgeführt und als Antriebsmittel ein Zahnriemen verwendet, so entsteht ein Permanentmagnetmotor, der bei einer Drehzahl von etwa 80 U/min ein sehr hohes Drehmoment erzeugt. Die Spaltbreite zwischen Läufer und Stator des Elektromotors ist kleiner als 1 mm.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird die vom Elektromotor auf das Antriebsmittel eingeleitete Kraft mit einem schaltbaren Getriebe kombiniert. In dieses, bei Fahrrädern übliche, Schaltgetriebe wird durch das Antriebsmittel, sowohl die biologische als auch die motorische Kraft eingeleitet. Dies erfolgt dadurch, daß am Kettenrand durch die Pedale die biologische Kraft und über einen Rotor auch die motorische Kraft angreift. Da der Rotor am Kettenrad befestigt ist oder das Kettenrad bildet, besteht der Hilfsantrieb aus sehr wenigen Teilen, die zusätzlich noch gewichtssparend ausgeführt werden können. Der Stator des Elektromotors kann erfindungsgemäß am Tretlager befestigt sein und mit einer herkömmlichen Tretlagerpatrone ähnlich wie heutige Kettenwerfer beim Einschrauben befestigt werden. Zusätzlich kann eine Drehmomentabstützung des Stators am Fahrradrahmen erfolgen.

Auf diese Weise kann die Kraft des Elektromotors auch direkt auf die Tretkurbeln wirken. Da davon ausgegangen wird, daß bei einer optimalen Trittfrequenz von etwa 80 U/min getreten wird, kann der Elektromotor mit dieser Frequenz betrieben werden und bei Bedarf zugeschaltet werden. Vorteil dieser Ausführungsform ist der hohe Wirkungsgrad in Verbindung mit dem uneingeschränkten Einsatz der meisten fahrradüblichen Komponenten.

Entsprechend einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung sind Verwindungskräfte nur auf das Tretlager beschränkt, wobei die Befestigung von Stator und Rotor dazu führt, daß Verwindungsbewegungen des Tretkurbelsystems auf den Kern des Elektromotors übertragen werden und sich der Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor dadurch nur unwesentlich ändert. Dies führt zu einer gleichmäßigen Funktion des Elektromotors.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Elektromotor mit der Tretkurbelantrieb und Tretlagerachse zu einer Einheit zusammengefaßt. Dabei kann der Elektromotor vorzugsweise auch mit einer höheren Drehzahl, bspw. bis 160 U/min betrieben werden. Es kann dabei im Bereich des Kettenrades ein Schaltgetriebe und ein Freilauf integriert sein, was eine Kettenschaltung am Hinterrad entbehrlich macht. Dadurch ist ein viel größerer Wirkungsgrad und ein geringerer Wartungs- bzw. Fertigungsaufwand als bei konventionellen Lösungen mit nachgeschalteter Nabenschaltung möglich. Durch die Zusammenfassung von Motorübersetzung und Schaltgetriebe kann eine Motorsteuerung auf ein lastschaltbares Getriebe abgestimmt sein. Während des Schaltvorgangs wird dabei das in das Getriebe eingeleitete Drehmoment des Elektromotors kurzzeitig reduziert. Durch die Integration des Schaltgetriebes in den Hilfsantrieb kann der Motor selbst bei effizienter Drehzahl laufen. Bei großer Last, z. B. bei Bergfahrten, entfaltet der Elektromotor bei kleinem Gang ein großes Drehmoment.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Steuerung oder Regelung des Hilfsantriebs vorgesehen. Dabei ist ein Drehzahlsensor für das Kettenrad und ein Sensor vorgesehen, der die Stellung der Tretkurbel erfaßt. Zur Überwachung der am Antriebsmittel anliegenden Kraft und der Kraftdifferenz zwischen Elektroantriebskraft und biologischer Kraft ist am Kettenrad ein Sensor angebracht, der das Drehmoment oder die Scherspannung zwischen der mit den Pedalkurbeln verbundenen Tretlagerachse und dem mit dem Antriebsmittel verbundenen Umfangsbereich des Kettenrades mißt. Dabei ist der Sensor vorteilhaft in Form von Dehnmeßstreifen ausgeführt, die an einer Verbindung zwischen Kurbelstern und daran befestigtem Kettenrad angeordnet sind.

Die durch die Sensoren erfaßten Daten werden in die Leistungsregelung für den Hilfsantrieb eingegeben. Die Leistung des Elektromotors wird so geregelt, daß die biologische Leistung durch die Motorleistung des Hilfsantriebs um 100% bis maximal 200 W verstärkt wird. Auf diese Weise kann aufgrund von Sensorsignalen, wie der Tretkurbelstellung, eine auf die biologische Leistung abgestimmte Regelung des Elektromotors erzeugt werden, so daß ein ruhiger Fahrbetrieb entsteht. Der Gangwechsel erfolgt bspw. bei vertikaler Kurbelstellung, da dabei die biologische Kraft ihr Minimum hat.

Ein weiterer Vorteil dieser dynamischen Leistungsregelung ist die Tatsache, daß durch diese Art der Leistungsregelung die Zeitverzögerung bzw. Phasenverschiebung mit der der Hilfsantrieb hinter der biologischen Leistung nachläuft verringert wird, da der biologische Krafteintrag in das Verhältnis zum Kurbelwinkel gesetzt wird und eine dynamische Messung die sonst übliche Punktmessung ersetzt. Zusätzlich kann ein Leistungskennfeld des Motors verwendet werden. Bei der dynamischen Messung kann die Dauerleistung über den gesamten Kurbelwinkel benimmt werden, so daß ein gesetzliches Dauerleistungslimit über ein Zeit-/Leistungsintegral eingehalten werden kann. Dabei können Leistungsspitzen des Elektromotors die gesetzliche Dauerleistungsvorgabe von 200 W überschreiten, da das Leistungsintegral die nominal erlaubte Dauerleistung nicht übersteigt.

Die eingebrachte biologische Kraft des Fahrradfahrers, die durch den Dehnmeßstreifensensor gemessen wird und die elektrische Leistung des Hilfsantriebs können miteinander verglichen werden und bei der Leistungsregelung Berücksichtigung finden. Die Motorleistung kann bspw. so geregelt werden, daß sie bei Kraftspitzen der biologischen Leistung gedrosselt und bei schwachem biologischem Krafteintrag, z. B. bei vertikaler Tretkurbelstellung verstärkt wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das System mit einem Kennfeld versehen und es besteht die Möglichkeit mittels eines Selbstlerneffekts die Leistung auf die erfaßten Betriebsignale, z. B. in Abhängigkeit des Kurbelwinkels abzustimmen.

Die biologische Leistungsdetektion kann auf verschiedene Weise erfolgen. Wesentlich ist, daß die Leistung ermittelt wird, indem der von der Sensorik gemessene Wert in Bezug zur Drehzahl der Kurbel und der berechneten aktuellen Motorleistung gesetzt wird. Daraus wird dann eine Nettomotorleistung entsprechend dem Kennfeld bestimmt.

Die Drehmomentmessung kann auch dadurch erfolgen, daß die Scherspannung an den Speichen eines Antriebsritzels erfaßt wird. Dabei werden alle Ritzel, die am Tretlager für den Antrieb vorgesehen sind mit Sensoren ausgestattet. Zusätzlich können die Ritzel auf einem gemeinsamen Träger, ähnlich den für das Hinterrad üblichen Freilaufkassetten sitzen. Die Aussparungen, die das erfindungsgemäße Antriebsritzel zwischen Innendurchmesser und Außendurchmesser aufweist sind aufgrund des kleinen verwendbaren Durchmessers des Ritzelträgers auf Scherung beansprucht.

Die Drehmomentsignalübertragung erfolgt drahtlos. Ein Verstärker speist die Antennensegmente des Stators mit einer Rechteckspannung. Die Energie wird induktiv auf die Wicklung des Rotors übertragen. Von der Rotorwicklung wird die gleichgerichtete Spannung auf eine Wheatstonebrücke übertragen. Die Ausgangsspannung dieser Wheatstonebrücke steuert die Frequenz der Rechteckspannung, die das Trägersignal im Hochfrequenzbereich schaltet. Dieses Trägersignal wird über eine weitere Rotorwicklung an die Antennensegmente des Stators weitergeleitet und dort empfangen. Dadurch ist eine Meßsignalübertragung auch im Stillstand drehzahlunabhängig möglich. Gleichzeitig wird der Winkelgrad der Kurbeln absolut übertragen. Die Motorregelung des Hilfsantriebs hat gleichzeitig die Funktion, schädliche Krafteinleitung, die das Drehmoment des Fahrradgetriebes übersteigt, zu drosseln. Aufgrund dieser Funktion kann das Getriebe sehr viel kleiner und leichter ausgelegt werden und erreicht einen weit größeren Wirkungsgrad.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert. Die Erfindung wird im folgenden durch ein Ausführungsbeispiel unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des Fahrrades mit dem erfindungsgemäßen Hilfsantrieb;

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Hilfsantriebs von unten gegen das Tretlager gesehen;
und

Fig. 3 eine schematische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel von vorne gegen das Tretlager gesehen.

Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Fahrrad 1 mit zwei Laufrädern 2 und 3, dem Fahrradrahmen 4, Sattel 5 und Lenkervorbau 6. Am hinteren Laufrad ist ein Kettenritzel 8 zur Aufnahme eines als Antriebsmittel wirkenden Zahnriemens 9 vorgesehen. Dieses Kettenritzel 8 überträgt die durch das Antriebsmittel 9 eingeleitete Antriebskraft auf das hintere Laufrad 3. Im Bereich eines Tretlagers 11 ist an einer Tretlagerachse 12 ein Kurbelstern 13 und eine Tretkurbel 14 angeordnet. Über nicht dargestellte Pedale ist die biologische Kraft eines Fahrradfahrers über die Tretkurbel 14 und den Kurbelstern 13 auf ein Kettenrad 16 übertragbar. Das Kettenrad 16 ist als Permanentmagnet ausgeführt, der eine Polarität entsprechend dem Pfeil 17 aufweist. Das Kettenrad 16 ist als Roto oder Läufer 15 eines Elektromotors 18 ausgebildet.

Der Elektromotor 18 weist zusätzlich einen an dem Tretlager 11 befestigten Stator 21 mit Wicklungen 22 auf, die durch eine nicht dargestellte Stromversorgung gespeist sind. An einer Verbindungsstelle zwischen Kurbelstern 13 und Kettenrad 16 sind Dehnmeßstreifen 23 zur Überwachung des an der Verbindungsstelle anliegenden Drehmoments angeordnet. Das so entstehende Sensorsignal wird an eine am Lenkervorbau 6 angeordnete Motorsteuerung 24 weitergegeben.

Fig. 2 zeigt eine Explosionsdarstellung des Tretlagers des erfindungsgemäßen Fahrrads 1 mit Hilfsantrieb entsprechend dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1. Dabei ist ein Tretlagergehäuse 26, von unten sichtbar, in die das Tretlager 11 mit der Tretlagerachse 12 mittels einer Lagermuffe 27 eingeschraubt ist. Der Stator 21 des als Elektromotor 18 ausgebildeten Hilfsantriebs ist durch das Einschrauben des Tretlagers 11 sicher festgeklemmt. Der Rotor 15 des Elektromotors 18 ist in herkömmlicher Weise auf die Tretlagerachse 12 aufgesetzt und mit dem Kettenrad 16 verbunden. Am Umfang des Kettenrads 16 liegt ein nicht dargestellter Zahnriemen auf.

Fig. 3 zeigt den erfindungsgemäßen Hilfsantrieb im Einbauzustand. Dabei ist das Tretlagergehäuse 26 aus der Richtung des Vorderrades zu sehen. An der Seite des Tretlagergehäuses 26 ist der Stator 21 des Elektromotors 18 festgeklemmt und dadurch mit dem Fahrradrahmen 4 verbunden. Das Drehmoment des Elektromotors 18 ist zusätzlich durch Abstützstifte 28 abgestützt. Dadurch wird gewährleistet, daß der Stator 21 des Elektromotors 18 in seiner vorgegebenen Stellung bleibt. Das als Rotor 15 des Elektromotors 18 dienende Kettenrad 16 gibt die Motorkraft über den Zahnriemen 9 und das Kettenritzel 8 an das hintere Laufrad 3 weiter.

Im folgenden wird die Funktion des Hilfsantriebs erklärt. Im stromlosen Zustand der Wicklungen 22 des Elektromotors 18 läßt sich das Fahrrad wie ein herkömmliches Fahrrad fortbewegen. Durch ein am hinteren Laufrad 3 angeordnetes Schaltgetriebe des Fahrrades 1 lassen sich verschiedene Schaltstufen einstellen. Um störende elektromagnetische Kräfte zu verhindern, ist entweder der Stator oder der Rotor des Elektromotors durch eine Kupplung von der Befestigung trennbar und dann frei beweglich gelagert. Wird eine Unterstützung des Fahrbetriebs durch den Elektromotor erwünscht, werden die Wicklungen 22 des Elektromotors über die Motorsteuerung 24 mit Strom versorgt. Die Drehzahl des Elektromotors ist über eine zusätzliche Motorregelung auf die optimale Drehzahl geregelt. Sowohl die biologische als auch die Motorkraft wird über den Zahnriemen 9 und das Kettenritzel 8 auf das hintere Laufrad des erfindungsgemäßen Fahrrads mit Hilfsantrieb übertragen.

Claims

1. Fahrrad mit Hilfsantrieb, das ein Tretlager (11) aufweist, an dessen Tretlagerachse (12) Pedalkurbeln (14) und ein vorderes Kettenrad (16) zur Aufnahme eines Antriebsmittels (9) befestigt sind, und das als Hilfsantrieb einen Elektromotor (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stator (21) des Elektromotors (18) im Bereich des Tretlagers (11) und ein Rotor (15) des Elektromotors (18) am vorderen Kettenrad (16) angeordnet ist.

2. Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) des Elektromotors (18) eine über einen Kurbelstern (13) o. dgl. mit den Pedalkurbeln (14) verbundene Umfangsscheibe ist.

3. Fahrrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) das vordere Kettenrad (16) bildet, indem er an seinem Umfang ein Profil oder eine Verzahnung zur Aufnahme eines Antriebsmittels (9) aufweist.

4. Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (21) des Elektromotors (18) an der zum Kettenrad (16) liegenden Seite eines Tretlagergehäuses (26) des Tretlagers (11) befestigt ist.

5. Fahrrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehmoment des Stators (21) über dem Fahrradrahmen (4), z. B. das Sattelrohr, das Unterrohr oder eine Hinterradstrebe, abgestützt ist.

6. Fahrrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsantrieb Sensoren und Aktuatoren zur Steuerung oder Regelung der Leistung des Hilfsantriebs aufweist.

7. Fahrrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (23) zum Erfassen der Differenz von Motorleistung und biologischer Leistung im Bereich einer Befestigung des Rotors (15) angeordnet ist.

8. Fahrrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (23) einen Dehnmeßstreifen aufweist, der die Kräfte am Kettenrad (16) mißt.

9. Fahrrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung oder Regelung der Leistung des Hilfsantriebs weiterhin die Drehzahl von der Tretlagerachse (12) und/oder einem Laufrad (2, 3) des Fahrrads (1) sowie die Stellung der Tretlagerkurbeln (14) erfaßbar ist.

10. Fahrrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltvorgänge eines Getriebes durch die Regelung oder Steuerung beeinflußbar sind.

11. Fahrrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sensorsignale über Antennenmittel bzw. über magnetische Kopplung, drahtlos vom Kettenrad (16) bzw. vom Rotor (15) zum Steuerungs- oder Regelungsmittel übertragbar ist.