DE19711798A1 - Fahrrad mit elektrischem Antriebssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrrad, welches ein Pedalantriebssystem enthält und ein elektrisches Antriebssystem, das gemäß einer auf das Pedalantriebssystem aufgebrachten Belastung mit Energie versorgt wird. Genauer gesagt, bezieht sich die Erfindung auf ein Fahrrad, welches zusätzlich ein elektrisches Antriebssystem enthält, durch das eine von einer Person auf die Pedalen gebrachte Last reduziert werden kann, in einem gewissen Umfang, gemäß der Geschwindigkeit des Fahrrades.

Es ist ein Fahrrad bekannt, welches sowohl ein elektrisches Antriebssystem, als auch ein konventionelles Pedalantriebssystem enthält, für die Reduzierung der auf das Pedalantriebssystem aufgebrachten Last, in einem gewissen Umfang, gemäß der Belastung. Typischerweise sollten solche Fahrräder konstruiert sein, daß bei Tretgeschwindigkeiten von 0 bis 15 Kilometern pro Stunde, 50% der Last von dem elektrischen Antriebssystem übernommen ist und für Tretgeschwindigkeiten von 15 bis 24 Kilometern pro Stunde, ein Verhältnis der Lastübernahme durch das elektrische Antriebssystem von 50 bis 0% reduziert ist, abhängig von der Tretgeschwindigkeit des Fahrrades.

Zu diesem Zweck enthält das elektrische Antriebssystem einen Last- oder Drehmomentdetektor, um die auf das Pedal aufgebrachte Last zu ermitteln, einen Geschwindigkeitsdetektor, einen elektrischen Motor, einen Geschwindigkeits­ reduzierer und eine Steuer- oder Regelschaltung in der Art, daß die Steuer- oder Regelschaltung den elektrischen Motor regelt, um das Pedalantriebssystem, wie vorstehend beschrieben, zu unterstützen, abhängig von den Informationen des Drehmoment- und des Geschwindigkeitsdetektors.

Zu diesem Zweck enthält das Fahrrad typischerweise eine wiederaufladbare Batte­ rie, als elektrische Energiequelle, welche detailliert in der japanischen Offenlegungs­ schrift Nr. 7-40878 offenbart ist. Das offenbarte Fahrrad enthält eine Unterbringung neben dem Sitz und der nach unten führenden Rohre, in welche das meiste des elektrischen Antriebssystems untergebracht ist, beispielsweise der elektrische Motor, der Geschwindigkeitsreduzierer, die Steuer- oder Regelschaltung, ver­ schiedene Detektoren und elektrische Kabel, die diese Einrichtungen verbinden. Der Hauptschalter, um das elektrische Antriebssystem mit Energie zu versorgen, ist an der oberen oder seitlichen Oberfläche der Unterbringung unter einer Lenkstange angebracht.

Mit dieser Anordnung, nach Einschalten des Hauptschalters und vor dem Fahren des Fahrrades, inspiziert ein Mikrocomputer in der Steuer- oder Regelschaltung das System und, falls dabei keine Störung entdeckt wurde, wird das System in einen Stand-by-Zustand geschaltet, z. B. in den Betriebszustand. Folglicherweise ist der Motor mit Energie versorgt und die Energieabgabe ist deshalb durch die Information von den beteiligten Detektoren abhängig, die die Umdrehungsgeschwindigkeit und die Belastung der Pedale messen.

Um die Energieabgabe des Antriebsmotors zu steuern oder zu regeln, muß die exakte Last oder das Drehmoment, welches auf die Pedale wirkt, durch den Belastungsdetektor gemessen werden. Der Belastungsdetektor mißt normalerweise die Last durch ein elektrisches Signal, welches gemäß einer Verschiebung eines Potentiometers erzeugt wird, das die Gegenkraft eines Planargetriebes oder die Verdrehung eines Torsionsstabs mißt, der im Pedalantriebssystem eingebaut ist.

Desweiteren sollte, um die exakte, auf das Pedalantriebssystem wirkende Belastung zu messen, der Belastungsdetektor mit einer Eingangsanpassung des Verhältnisses zwischen Belastung und Ausgang ausgestattet sein, wenn es im elektrischen Antriebssystem gebildet wird. Die Anpassung bedeutet zusätzliche Arbeit bei der Zusammensetzung des Systems. Auch das angepaßte Verhältnis zwischen Belastung und Ausgang könnte durch verschiedene Gründe verfälscht werden und dabei in einen Überunterstützungszustand führen.

Folglich ist es Ziel der Erfindung, diese Probleme zu lösen und dabei ein passendes elektrisches Antriebssystem für ein Fahrrad zur Verfügung zu stellen.

Ein erfindungsgemäßes Fahrrad enthält ein Pedalantriebssystem und ein elektrisches Antriebssystem, welches durch eine Batterie mit Energie versorgt wird, welches bis zu einem gewissen Umfang einen Teil der Belastung trägt, die auf das Pedal­ antriebssystem aufgebracht wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Antriebssystem einen Stromschalter enthält, um das elektrische Antriebssystem mit Energie zu versorgen, einen Belastungsdetektor, um die auf die Pedale aufgebrachte Belastung zu messen und Mittel zur Korrektur des anfänglichen Verhältnisses zwischen der Belastung und dem Ausgang des Belastungsdetektors.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Belastungsdetektor derart eingestellt, daß der Ausgang des Belastungsdetektors von 0,3 zu 1 Volt variiert, wenn keine Last auf die Pedale aufgebracht ist.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Mittel des elektrischen Antriebs gesperrt, mit Strom versorgt zu werden, wenn der Ausgang der Last weniger als 0,3 Volt oder größer als 1 Volt beträgt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Stromschalter an der Rückseite des Sattels angeordnet.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Batterie entfernbar am Fahrrad angebracht, so daß es gestattet ist, sie durch die Betätigung des Stromschalters zu entfernen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält das Fahrrad ein Ver­ riegelungseinrichtung zum Verriegeln des Vorder- oder Hinterrades, wobei das Verriegelungseinrichtung durch die Betätigung des Stromschalters geöffnet werden kann.

Die Ziele und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen klar, mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen durchgängig gleiche Teile mit gleichen Referenzzeichen versehen sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Fahrrades;

Fig. 2 ein Schaltdiagramm eines elektrischen Antriebssystems;

Fig. 3 eine Frontansicht eines Schaltungs- und Verriegelungseinrichtung;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Antriebsmechanismusses, in dem ein Belastungsdetektor enthalten ist;

Fig. 5 ein Flußdiagramm der anfänglichen Anpassung des Belastungs­ detektors; und

Fig. 6 ein Last-Spannungs-Diagramm.

Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Fahrrad gezeigt, welches grundsätzlich mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Das Fahrrad 10 hat eine grundsätzliche Struktur, die konventionellen Fahrrädern ähnlich ist, es enthält einen Rahmen 12, bestehend aus verschiedenen Bauteilen, dem Sitzrohr 14 und dem Rohr 16, den Sitz- und Kettenverstrebungen 18 und 20, einer Gabel 22 und einer Lenkstange 24. Der Rahmen 12 besitzt ein Vorder- und ein Hinterrad 26 und 28, einen Sattel 30 und ein Pedalantriebssystem 31.

Das Pedalantriebssystem 31 enthält ein vorderes Zahnrad 32 und ein hinteres Zahnrad 34. Das vordere Zahnrad 32 ist gesichert auf einer drehbaren Kurbelwelle 36, drehbar und horizontal getragen an der Kreuzung zwischen dem Sitzrohr 14 und dem Rohr 16. Die Kurbelwelle 36 hat an ihren gegenüberliegenden Enden rechts- und linksseitige Pedale 38. Das hintere Zahnrad 34 wird in koaxialer Stellung mit dem Hinterrad auf einer nicht dargestellten Welle gehalten. Verbunden über das vordere Zahnrad 32 und das hintere Zahnrad 34 ist eine Endlosantriebskette 42 verbunden, so daß die auf die Pedale 38 aufgebrachte Kraft in Vorwärtsrichtung erlaubt, daß sich das vordere Zahnrad 32, die Antriebskette 42, die Zahnradanord­ nung 38 und das Hinterrad 28 beim Radfahren in dieselbe Richtung bewegen. Zusätzlich zu dem Pedalantriebssystem 31 besitzt das Fahrrad ein elektrisches Antriebssystem 44. Das elektrische Antriebssystem 44 beinhaltet einen elektrischen Motor 46, der antreibend mit der Kurbelwelle 36 des Pedalantriebssystems 31 verbunden ist, eine wiederaufladbare Batterie 48, welche angrenzend an das Sitzrohr 14 montiert ist, und einen Schalter 50, der an der Sitzverstrebung 18 montiert ist.

Fig. 2 zeigt eine elektrische Schaltung, grundsätzlich durch das Bezugszeichen 52 bezeichnet, zum steuern oder regeln des elektrischen Antriebssystems 44. Die Schaltung 52 enthält einen Mikrocomputer oder Regler 54, welcher elektrisch mit dem Motor 46 verbunden ist, einer Batterie 48, für die elektrische Energiever­ sorgung des Motors 46 und einen Schalter 50, um den Regler 54 mit Strom zu versorgen. Vorzugsweise ist der Schalter 50 entfernt des Sattels 30 angeordnet, so daß eine auf dem Sattel 30 sitzende Person während des Radfahrens den Schalter kaum erreichen kann. Die Schaltung 52 enthält ebenso einen ersten Aufnehmer 56 für die Messung der Umdrehungsgeschwindigkeit des vorderen Zahnrades 32 und einen zweiten Aufnehmer 58 für die Messung der Belastung, die auf die Pedale 38 aufgebracht ist. Die Aufnehmer 56 und 58 sind elektrisch verbunden mit dem Regler 54, so daß der Ausgang der Aufnehmer 56 und 58 in den Regler 54 eingespeist werden. Dieses erlaubt dem Regler 54, die Belastung zu berechnen, welche auf die Pedale 38 aufgebracht ist und die Fahrgeschwindigkeit des Fahrrades 10 und dadurch eine Ausgangsspannung der Batterie 48 an den Motor 46 festzulegen.

Gemäß Fig. 3 ist der Schalter 50 ist mit einem Verriegelungseinrichtung 62 integriert. Das Verriegelungseinrichtung 62 enthält ein C-förmiges Trägerrohr 64, mit einem ersten und einem zweiten Ende, welches um eine bestimmte Distanz vom ersten Ende beabstandet ist, um dazwischen eine Lücke zu bilden und einen nicht gezeigten Spalt, der sich in Längsrichtung entlang des Rohres 64 fortsetzt. Das Trägerrohr 64 ist an der Sitzverstrebung 18 derart gesichert, um das Hinterrad 28 zu umfassen. Das Trägerrohr 58 beherbergt ein C-förmigen Verriegelungsbügel 66, der fähig ist, sich gleitend in das Rohr 64 entlang ihrer Längsrichtung zu bewegen, um eine Verriegelungsposition einzunehmen, in der sich der Bügel 66 zwischen dem ersten und zweiten Ende des Trägerrohres 64 fortsetzt und dabei verhindert, daß sich das Hinterrad 28 dreht und eine unverriegelte Position, in der der Bügel 66 nahezu in das Trägerrohr 58 eingefügt ist, wie in Fig. 3 gezeigt, und dabei erlaubt, daß sich das Hinterrad 28 dreht. Ebenso in dem Trägerrohr 64 beherbergt, ist ein Vorspannungsmittel oder eine Feder, welches den Verriegelungsbügel 66 in die unverriegelte Position, von der verriegelten Position, vorspannt. Desweiteren enthält das Verriegelungseinrichtung 62 Haltemittel, um den Verriegelungsbügel 66 in der verriegelten Position zu halten, wenn er die verriegelte Position erreicht hat. Darüber hinaus hat der Bügel 66 einen durch den Spalt des Rohrs 64 nach außen ragenden Griff 68, welcher einer Person erlaubt, ihn mit einem oder mehreren Fingern zu greifen und dann den Bügel 66 von der unverriegelten Position in die verriegelte Position zu bringen.

Der Schalter 50 beinhaltet einen Schließzylinder 70, der einen Schloßspalt 72 besitzt, durch das ein einmaliger nicht dargestellter Schlüssel eingeführt werden kann. Durch Einführung des Schlüssels in den Schloßspalt 72 und Verdrehung im Uhrzeigersinn nimmt der Zylinder 70 vier Position A bis D eine nach der anderen ein. Die Position A ist die Ausgangsposition, die die Einführung des Schlüssels erlaubt. Wenn einmal den Schloßspalt 72 von der Position A in die Position B gewechselt ist, geben die Haltemittel den Verriegelungsbügel 60 frei, wenn er in der Verriegelungsposition ist, um in die unverriegelte Position zu gleiten, die das Hinterrad 28 erlaubt zu rotieren. Weiter, wenn der Schloßspalt 72 in die Position C gewechselt ist, wird der Regler 54 mit Energie versorgt, um die Schaltung 52 zu steuern oder zu regeln und dann eine anfängliche Abgleichung des Belastungs­ detektors 58 vorzunehmen, welches weiter unten detailliert beschrieben wird. Desweiteren erlaubt das Wechseln der Position des Spaltes 72 in die Position D, die Batterie 48 zu entfernen. Beim Parken des Fahrrades 10 wird, sobald der Spalt 72 in die Position B gewechselt ist, der Regler 54 von der Stromversorgung genom­ men. Danach wird das Umlegen des Verriegelungsbügels 66 von der unverriegelten Position in die Verriegelungsposition das Hinterrad 28 davon abhalten, zu rotieren. Zum Schluß wird der Spalt 72 in seine Ausgangsposition A gebracht, welches den Verriegelungsbügel 66 in der Verriegelungsposition hält und erlaubt, daß der Schlüssel aus dem Schloßspalt 72 genommen werden kann.

Gemäß Fig. 4 hat das vordere Zahnrad 32 die Form einer Ringplatte. Das vordere Zahnrad 32 hat ein Hohlrad 80, auf der Oberfläche des inneren Randes und es ist koaxial mit der Antriebskurbelwelle 36 angeordnet. Ein Sonnenrad 82, welches rotierbar durch die Antriebskurbelwelle 36 befestigt ist, hat einen sich nach außen radial fortsetzenden Bremshebel 84. Am entfernten Ende des Bremshebels 84 ist der Belastungsdetektor 58 vorgesehen, beispielsweise ein Potentiometer, um die auf die Pedale 38 aufgebrachte Last zu messen. Der Aufnehmer 58 ist mit einem Stopper 86 verbunden, der durch eine Feder 88 in Richtung des Belastungsdetek­ tors 58 vorgespannt ist. Zwischen dem vorderen Zahnrad 32 und dem Sonnenrad 82, ist eine Vielzahl von Planetenrädern 90, gleichmäßig angeordnet, wobei diese mit dem internen Getriebe 80 und dem Sonnenrad 82 verbunden sind. Jedes Plane­ tenrad 90 ist rotierbar an der Scheibe 92 befestigt, welche ihrerseits zur Rotation an der Antriebskurbelwelle 36 durch eine Einwegkupplung verbunden ist.

In Funktion, wenn die Antriebskurbelwelle 36 in Richtung des Pfeils 94 rotiert wird, durch Aufbringen einer Kraft auf die Pedale 38, rotiert die Platte 92 in die gleiche Richtung. Auch die Planetenräder 90 bewegen sich um das Sonnenrad 82, während der Rotation und im Gegenzug rotiert das vordere Zahnrad 32 in die gleiche Richtung. Das Sonnenrad 82 empfängt auf der anderen Seite eine Rotationskraft in die entgegengesetzte Richtung als die Planetenräder 90. Der Bremsarm 84 zwingt den Belastungsdetektor 58 gegen den Stopper 86. Dies erlaubt dem Belastungs­ detektor 58 die Belastung oder das Drehmoment, welches an den Pedalen 38 anliegt, zu messen. Die gemessene Belastung wird umgewandelt in ein elektrisches Signal, welches eine entsprechende Spannung hat und wird in den Regler 54 eingespeist.

Anhand der Fig. 5 wird die anfängliche Anpassung des Belastungsdetektors 58 beschrieben. In der anfänglichen Anpassung ermittelt der Regler 54, ob die Ausgangsspannung des Belastungsdetektors 58 zwischen 0,3 und 1 Volt liegt. Der Belastungsdetektor 58 ist derart konstruiert, daß die Ausgangsspannung zwischen 0,3 und 1 Volt variiert, wenn keine Last auf die Pedale 38 aufgebracht ist. Wenn die Ausgangsspannung zwischen 0,3 und 1 Volt liegt, aktualisiert der Regler 54 das Belastungsspannungsverhältnis. Genauer gesagt, liest der Regler 54 ein Referenzbe­ lastungsspannungsverhältnis 96, welches in Fig. 6 als durchgezogene Linie dargestellt ist, und speichert es in einem ersten Speicher 98 (siehe Fig. 2). Dann wird die Belastungsspannungsbeziehung so verschoben, daß die anfängliche Spannung, d. h. die Spannung, bei der die Belastung gleich Null ist, mit der gemessenen Spannung V(0) übereinstimmt. Eine aktualisierte Belastungsspannungs­ beziehung 100, in Fig. 6 als gestrichelte Linie gezeigt, wird dann in einem zweiten Speicher 102 (siehe Fig. 2) gespeichert. Als nächstes schaltet der Regler 54 eine Warnlampe 104 aus und wechselt dann den Motor 46 und die Batterie 48 in einen Betriebszustand oder Stand-by-Zustand. Vorzugsweise ist die Warnlampe 102 in der Nähe des Schalters 50 oder an der Lenkstange 24 angebracht. Während des Radfahrens berechnet der Regler 54, beruhend auf dem aktualisierten Belastungs­ spannungsverhältnisses 100, die tatsächliche Belastung, die auf die Pedale 38 aufgebracht ist, von der Differenz zwischen der Ausgangsspannung V(1) und der anfänglichen Spannung V(0), wie in Fig. 6 gezeigt. Ebenso begründet auf die gemessene Belastung, versorgt der Regler 54 den Motor 46 mit Energie, um das Pedalantriebssystem 31 zu unterstützen.

Falls auf der anderen Seite die Ausgangsspannung des Aufnehmers 58 kleiner als 0,3 Volt oder größer als 1 Volt beträgt, schaltet der Regler 56 eine Warnlampe 104 ein und wechselt das Motorantriebssystem 44 in einen inaktiven Zustand. Dies bedeutet, daß ein Fehler im Belastungsdetektor 58 aufgetreten ist und aus diesem Grund repariert werden sollte.

Es sollte bemerkt werden, daß die anfängliche Anpassung in einem Zustand ausgeführt werden sollte, in dem keine Belastung auf die Pedale 38 einwirkt. Aus diesem Grund ist es notwendig, wenn der Schlüssel in die Position C gewechselt wird, die Person davon abzuhalten, den Schalter 50 zu bedienen, während sie auf dem Sattel 30 radfährt. Sonst könnte eine Kraft auf die Pedale 38 einwirken, und dadurch würde eine falsche anfängliche Spannung durch den Belastungsdetektor 58 gemessen werden.

Ebenso, wenn die Schlüsselposition in die Position C geändert wird, während das Fahrrad 10 gefahren wird, startet das anfängliche Anpassungsprogramm, und als Ergebnis wird das Motorantriebssystem 44 abgeschaltet.

Aus diesen Gründen ist der Schalter 50 auf der Rückseite und bevorzugt entfernt vom Sattel 30 angeordnet, um die Person von der Betätigung des Schlüssel­ schalters 50 abzuhalten, während des Radfahrens.

Gemäß dieser Anordnung könnte der Belastungsdetektor 56, bei einem Ausfall, ein Signal von 0 Volt ausgeben, welches es schwierig macht, einen Zusammenbruch zu erkennen. Aus diesem Grund ist in dieser Ausführungsform, die Meßfehler in die Überlegung einbezieht, für den Fall, daß keine Belastung auf den Pedalen 38 anliegt, der Belastungsdetektor 56 derart konzipiert, eine Spannung von mehr als 0 Volt, d. h., 0,3 Volt, auszugeben.

Wie vorstehend ausführlich beschrieben, wird gemäß der Erfindung, der Belastungs­ spannungsabgleich des Belastungsdetektor automatisch durchgeführt, direkt nachdem der Stromschalter eingeschaltet wurde, unter der Bedingung, daß keine Belastung auf die Pedale aufgebracht wird. Dieses gewährleistet eine exakte Messung der anfänglichen Belastungsspannungsbeziehung des Belastungsdetektors. Dies wiederum realisiert eine passende Energieunterstützung durch den elektrischen Motor.

Auch das Zusammensetzen des elektrischen Antriebssystems bedarf keiner Belastungsspannungsabgleichung des Belastungsdetektors, welches das Zu­ sammensetzen vereinfacht.

Desweiteren erlaubt das Betätigen des Schlüsselschalters, die Batterie, das Verriegelungseinrichtung der Batterie und das Verriegelungseinrichtung mit Strom zu versorgen oder von der Stromversorgung zu nehmen.

Weiterhin ist der Schalter auf der Rückseite des Sattels angeordnet und hält dadurch die Person davon ab, den Schalter während des Fahrens abzuschalten, welches ein sicheres Radfahren gewährleistet.

Die Erfindung ist damit bezugnehmend auf ihre Ausführungsformen beschrieben. Es ist für die in der Technik Vertrauten offensichtlich, daß viele Änderungen und Zusätze in den beschriebenen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Damit soll der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die in dieser Anmeldung beschriebenen Strukturen limitiert werden, sondern nur durch die in der Sprache der Ansprüche beschriebenen Strukturen und die Äquivalenten dieser Strukturen.

Claims (6)

1. Fahrrad (10) bestehend aus einem Pedalantriebssystem (31) und einem elektrischen Antriebssystem (44), welches durch eine Batterie (48) mit Energie versorgt wird, um möglicherweise einen Teil der auf das Pedalantriebssystem (31) gebrachten Belastung bis zu einem gewissen Umfang zu übernehmen, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Antriebssystem (44) einen Strom­ schalter (50) zur Energieversorgung des elektrischen Antriebssystems (44) enthält, einen Belastungsdetektor (58) zur Messung der auf die Pedale (38) gebrachten Last und Mittel zur Abgleichung einer anfänglichen Beziehung zwischen der Last und dem Ausgang des Belastungsdetektors (58).

2. Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Belastungsdetektor (58) derart eingestellt ist, daß der Ausgang des Belastungsdetektors (58) von 0,3 bis 1 Volt variiert, wenn keine Last an den Pedalen (38) anliegt.

3. Fahrrad gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der elektrischen Energie an das elektrische Antriebssystem (44) verhindert wird, wenn der Ausgang des Belastungsdetektors (58) weniger als 0,3 Volt oder mehr als 1 Volt beträgt.

4. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromschalter (50) an der Rückseite des Sattels (30) angeordnet ist.

5. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie (48) abnehmbar an dem Fahrrad befestigt ist, so daß es gestattet ist, sie durch das Betätigen des Stromschalters (50) zu entfernen.

6. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Verriegelungseinrichtung (62) zur Verriegelung des Vorder- oder Hinterrades (26, 28) enthält, daß das Verriegelungseinrichtung (62) durch das Betätigen des Stromschalters (50) entriegelt werden kann.