DE19855585A1 - Leichtfahrzeug mit einem Hybridantrieb aus Elektro-Muskelkraftantrieb - Google Patents
Leichtfahrzeug mit einem Hybridantrieb aus Elektro-MuskelkraftantriebInfo
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Abstract
Mehrspuriges Leitfahrzeug mit einem Hybridantrieb aus Elektro- und Muskelkraftantrieb, bei dem der Fahrer die Motorleistung über die Pedale durch die Art einer Tretaktion steuern kann. Dabei erfassen ein Kraft- oder Drehmomentsensor sowie ein Drehwinkelsensor die Tretkurbelkräfte und die Tretkurbelposition mit hoher Auflösung. Ein Rechner, der die intelligente Motorsteuerung übernimmt, erkennt aus der Art der momentanen Tretaktion des Fahrers anhand gespeicherten Wissens über den typischen Kraft- oder Drehmomentverlauf während einer Tretkurbelumdrehung den Fahrerwillen und setzt ihn durch den Vergleich von Soll- und Istwerten zeitlich unmittelbar in ein entsprechendes Steuersignal für den Elektromotor um. Der Rechner erfaßt die persönlich typische Art des Tretens des Fahrers in stationären Fahrzuständen in einer Meßroutine. Der Fahrer kann die Art der Umsetzung seiner Steuerbefehle beeinflussen und erkann aus mehreren Fahrprogrammen z. B. "Komfort" oder "Sport" wählen. Das Feedback über die Tretkurbel ist optimal und der Fahrer wird zum Mittreten animiert. Die Bedienung ist einfach und logisch.
Description
Die Erfindung betrifft ein Leichtfahrzeug mit einem Hybridantrieb aus Elektro- und
Muskelkraftantrieb mit drei oder vier Rädern, das hauptsächlich im Kurzstrecken
verkehr eingesetzt wird. Solche Fahrzeuge besitzen eine sehr hohe Raum- und
Energieeffizienz, sind leise und abgasfrei und können einen wichtigen Beitrag zu
einem umweltfreundlicheren Verkehr liefern. Sie haben häufig ein Leergewicht
zwischen 80 und 300 kg inklusive Batterien, Stromerzeuger oder Brennstoffzellen und
eine Motornennleistung zwischen 0,8 kW und 5 kW. Neben einem mehr oder minder
großen energetischen Vorteil bietet der Muskelkraftantrieb dabei auch psychologische
und physiologische Vorteile: Mit Pedalen unter den Füßen wird eine bestimmte
Geschwindigkeit viel höher bewertet als im Pkw. Dies führt zu einer weit besseren
Akzeptanz der relativ geringen Geschwindigkeit solcher Fahrzeuge. Durch die
Tretaktion stellt sich das positive Gefühl der aktiven Fortbewegung ein. Der Kreislauf
wird regelmäßig angeregt und trainiert. Eine Heizung des Fahrgastraumes ist auch bei
großen Minusgraden nicht notwendig.
Ein solches Fahrzeug ist unter dem Namen TWIKE im Handel. Es ist dreirädrig und
bietet zwei Personen Platz. Es hat zwei Tretkurbelsätze und einen 5-kW-Elektromotor.
Beide Tretkurbelsätze werden auf einer gemeinsamen Welle zusammengefaßt, von
der ein kurzer Kettentrieb auf eine handbetätigte Fahrradnabenschaltung führt und
von dort weiter zum Differential, auf das auch der Elektromotor wirkt. Beide Fahrer
treten also stets in der gleichen Tretfrequenz und ein Schalten ist nur möglich, wenn
beide Fahrer gleichzeitig die Pedale entlasten. Die Leistung des Motors wird über
einen zweistufigen Druckschalter am Lenkgriff geregelt. Die Bedienung des Hybrid
antriebes erweist sich in der Praxis als recht komplex und braucht eine längere
Gewöhnungszeit. Die sehr grobe Regelung des kräftigen Motors in lediglich zwei
Stufen führt dazu, daß die gewünschte Fahrgeschwindigkeit nur durch ein ständiges
An-/Ausschalten des Motors, bzw. ein ständiges Wechseln zwischen beiden Fahr
stufen erreicht werden kann. Dafür wird viel Aufmerksamkeit vom Fahrer verlangt, der
darüber häufig das Schalten des Muskelkraftantriebes vergißt. Dies führt dazu, daß
der Beitrag der Muskelkraft zum Fahren sehr gering ist und das Treten mitunter ganz
eingestellt wird, da das Feedback weitgehend fehlt. Der eigene Leistungsbeitrag
wird nicht spürbar. Hinzu kommt, daß der Übersetzungsbereich der Fahrradschaltung
für den Geschwindigkeitsbereich des TWIKE viel zu gering ist und unterhalb von etwa
20 km/h sowie oberhalb von etwa 60 km/h ein ergonomisches Treten nicht mehr
möglich ist. Diese Nachteile verhindern eine breite Akzeptanz bei potentiellen
Käufern.
Zwei weitere solche Fahrzeuge sind in P 43 06 094.3 und G 94 02 906.7 bekannt
geworden. Sie bieten zwei Erwachsenen und zwei Kindern Platz und besitzt zwei
unabhängig schaltbare Tretkurbelsätze. Die Motornennleistung beträgt ca. 0,5-1,5
kW. Sie werden per Hand durch einen Drehgriff oder eine Drucktaste proportional
zum Drehwinkel oder Tastenweg geregelt. Obwohl hier der Beitrag der Muskelkraft
zur Fortbewegung deutlich höher ist, als beim ersten Fahrzeug, spürt der Fahrer
diesen Beitrag dennoch nur undeutlich. Die Bedienung der Motorsteuerung, der
Gangschaltung, des Blinkers und der Fahrzeugbremsen führen zu einer insgesamt
recht komplexen und gewöhnungsbedürftigen Fahrzeugbedienung. Zudem ist das
Motorgas wie auch beim ersten Fahrzeug nur mit der rechten Hand bedienbar.
Bei den in zunehmender Stückzahl auf den Markt kommenden Elektrofahrrädern
werden Handsteuerungen des Motors oder einfache, von der Tretbewegung oder
einer Mindestkettenkraft abhängige An-Aus-Motorregelungen eingesetzt. Da der
Motor mit 200-300 W schwach ist und nur etwa zur Hälfte zum Fortkommen beiträgt,
ist eine solch grobe und träge Regelung akzeptabel, da genügend Feedback über den
Pedalantrieb selbst kommt. Einige Elektrofahrräder mit zum Teil etwas höheren Motor
leistungen benutzen eine von der Kettenkraft oder von der Tretfrequenz abhängige
zwei oder dreistufige Motorregelung. Je stärker dabei die Motoren die Muskelkraft
überwiegen, desto deutlicher wird das Manko einer feinfühligen, pedalkraftabhängigen
Regelung. Ein in US 5749429 bekanntgewordene pedalgesteuerte Motorregelung
eines sogennanten Power-Assist-Bikes benutzt eine Meßvorrichtung, die das vom
Motor an der Kettenblattwelle abgegebene Moment mit dem durch die Tretkurbel
abgegebenen Moment vergleicht und den Motor so regelt, daß das Verhältnis
Motormoment zu Tretkurbelmoment stets 50 zu 50 ist. Damit wird einer gesetzlichen
Vorschrift genüge getan, die zu einer Befreiung der Helmpflicht führt. Diese Art der
Motorregelung reagiert zwar unmittelbar und die Motorleistung schwankt bei jeder
Tretkurbelumdrehung, da aber das Fahrzeug bei diesem Motoranteil insgesamt noch
träge auf eine Veränderung der Tretaktion reagiert, ist ein Pulsieren des Antriebes mit
der Tretfrequenz allenfalls schwach spürbar.
Prozessorgesteuerte Motorregelungen für ein Fahrrad mit Elektrounterstützung sind in
US5370200 und in US5664636 bekannt geworden. Dort erfaßt ein Kraftsensor das
Drehmoment der Tretkurbelachse und ein Rechner steuert nach überschreiten einer
bestimmten Kraftschwelle den Motor proportional zu diesem Drehmoment. Ein
Geschwindigkeitssensor verhindert jede Motorleistung, solange eine bestimmte
Geschwindigkeit nicht überschritten worden ist. Alternativ oder zusätzlich wird auch
vorgesehen, die Motorleistung ohne Geschwindigkeitsschwelle beim Startvorgang
sukzessive mit jedem weiteren Tritt ins Pedal ansteigen zu lassen. Dies sind unum
gängliche Sicherheitsvorkehrung bei Zweirädern, bei denen während des Auf- und
Absteigens und in der Warteposition, mit einem Fuß am Boden und dem anderen auf
dem Pedal, bereits hohe Pedaldrehmomente wirken können, ohne daß der Fahrer die
Absicht hat zu starten. Eine solche Sicherheitsregelung mit Geschwindigkeitschwelle
und/oder sukzessivem Kraftanstieg ist jedoch bei mehrspurigen Fahrzeugen nicht
erforderlich, da beim Auf- und Absteigen und in der Warteposition keine nennens
werten Tretkurbeldrehmomente auftreten. Sie ist bei den etwas schwereren
Fahrzeugen des Oberbegriffs sogar sehr hinderlich, da der Fahrer gerade in der
Startphase mit Muskelkraft allein überfordert ist und eine hohe Motorunterstützung
erwartet.
Bei Leichtfahrzeugen, deren Eigenmasse die Fahrermasse übertrifft und die eine
stärkere Motorisierung aufweisen, ist wegen der Motordominanz im Hybridantrieb eine
feinfühlige Motorregelung ohne Geschwindigkeitsschwelle unerläßlich, bei der die
gewünschte Motorleistung sofort zur Verfügung steht. Bei jedem Fahrzeug ist eine
direkte, feinfühlige und schnelle Umsetzung des Fahrerwillens ein Kernpunkt in der
Beurteilung und emotionalen Akzeptanz des Fahrzeuges durch den Fahrer. Eine gut
dosierbare und schnelle Gasannahme ist beim Pkw mitentscheidendes Verkaufs
argument. Ebenso hat beim unmotorisierten Fahrrad ein geringes Gewicht entschei
dende Bedeutung, das den Eindruck einer im übertragenen Sinn "schnellen Gas
annahme", also der unmittelbaren Umsetzung des Fahrerwillens, erzeugt. An der
Schnittstelle zwischen Mensch und der ihn unterstützenden oder bewegenden
Maschine wird der Charakter eines Fahrzeuges im positiven Sinn als Agilität oder
negativen Sinn als Trägheit offenbar. Daneben ist eine gute und präzise Gasannahme
auch ein sicherheitsrelevanter Faktor im dichten Verkehr, dem ein solches Fahrzeug
noch wesentlich mehr ausgesetzt ist als ein Fahrrad.
Bei Leichtfahrzeugen mit besagtem Hybridantrieb kommt zusätzlich das Erfordernis
hinzu, das verbreitete Vorurteil, ein solches Fahrzeug könne nur sehr schwer zu
treten sein, durch ein entsprechend positives, also leichtes und spontanes Fahr- und
Treterlebnis zu entkräften. Will man den Fahrer aus guten energetischen, gesund
heitlichen und psychologischen Gründen zum Treten motivieren, muß es das Ziel
sein, dem Fahrer die eigene Tretleistung in diesem Fahrzeug als vielfach multipliziert
erleben zu lassen, d. h. ihm gleichsam Siebenmeilenstiefel anzuziehen. Er soll sich als
Beweger und nicht als Bewegter fühlen. Eine besondere Schwierigkeit ergibt sich
dadurch, daß die Tretaktion in ihrem Kraftniveau prinzipiell ungleichmäßig und je nach
Fahrer mehr oder minder unrund ist, so daß das Kraftniveau nicht unmittelbar als
Signal zur Motorsteuerung verwendet werden kann.
Ebenfalls einen hohen Stellenwert hat eine einfache und selbstverständliche Art der
Fahrzeugbedienung. Bei der erfolgreichen Markteinführung neuer Fahrzeugkonzepte
ist es entscheidend wichtig, daß nicht nur die ökonomische sondern auch die psycho
logische Schwelle für das Neue so niedrig wie möglich ist. Der Stand der Technik trägt
dem zu wenig Rechnung.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Schwierigkeiten zu lösen und ein Leicht
fahrzeug mit einem Hybridantrieb aus Elektromotor und Muskelkraft zu schaffen, das
unmittelbar und feinfühlig auf den in der Art der Tretarbeit geäußerten Fahrerwillen
reagiert, das einfach und selbstverständlich zu bedienen ist und das eine optimale
Tretarbeit mit sehr gutem Feedback garantiert. Zusätzlich soll der Fahrer das Maß der
Kraftverstärkung, bzw. den Charakter des Fahrzeuges in gewissen Grenzen indivi
duell einstellen können und weitere Informationen über seine Tretleistung und andere
trainingsrelevante Daten erhalten. Das Fahrzeug soll gewissermaßen zum Partner
des Fahrers werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Leichtfahrzeug (1) des
Oberbegriffs mit einem Rechner (7) ausgestattet wird, der die intelligente Motor
steuerung übernimmt und der aus der Art der momentanen Tretaktion des Fahrers
anhand gespeicherten Wissens über den typischen Kraft- oder Drehmomentverlauf
während einer Tretkurbelumdrehung den Fahrerwillen erkennt und ihn zeitlich nahezu
unmittelbar in ein entsprechendes Steuersignal für den Elektromotor (3) umsetzt.
Dazu wird die Kraft des Zugtrums des Riemens oder der Kette (4) oder das
Drehmoment am Kettenblatt (31) oder der Riemenscheibe der Fahrertretkurbel (2)
durch einen Kraft- oder Drehmomentsensor (5) mit hoher Auflösung erfaßt. Gleich
zeitig wird die Drehwinkelposition der Tretkurbel über einen Winkelsensor (6) erfaßt.
Beide Signale werden an einen Rechner (7) mit Datenspeicher geleitet, der die
Istwerte anhand gespeicherter Daten über den in dieser Winkelposition der Fahrer
tretkurbel (2) zu erwartenden Kraftverlauf mit auf Erfahrungswerten basierenden
Sollwerten vergleicht und der bei Überschreiten eines bestimmten Differenzwertes
(dF; dM) nach oben mehr Motorleistung steuert und der bei Unterschreiten eines
bestimmten Differenzwertes Motorleistung zurücknimmt. Dabei kann die Berechnung
so erfolgen, daß in einem ersten Berechnungsschritt der Fahrerwillen festgestellt wird,
in einem zweiten Berechnungsschritt die charakteristische Art der Umsetzung des
Fahrerwillens in Motorleistung und in einem dritten Berechnungsschritt die Erkennung
eines Vollgasbefehls behandelt wird.
Der Differenzwert (dF; dM) ist einstellbar und kann z. B. vom Fahrer oder von einem
Fahrprogramm vorgegeben werden. Dabei können die Differenzwert nach oben
anders eingestellt sein als die nach unten. Sind letztere kleiner ergibt sich eine
frühere Rücknahme der Motorleistung. Dies spart Energie, da nach einer Rücknahme
der Pedalkraft die Phasen hohen Leistungsbedarfs wie. z. B. Anfahr- und Beschleu
nigungsvorgänge oder Steigungen überwunden sind und nun lediglich die Geschwin
digkeit gehalten werden soll. Die Differenzwerte können auch eine Abhängigkeit vom
jeweiligen Tretkurbelwinkel besitzen. Fig. 2 zeigt beispielhaft den Verlauf der Tretkraft
Fr bzw. des Drehmomentes Mr über die Winkelposition α der Tretkurbel bei unrundem
Tritt. Dabei zeigt der schraffierte Bereich das Toleranzband (16) an, innerhalb dessen
keine Änderung der Motorleistung vorgenommen wird. Oberhalb dieses Bandes wird
die Motorleistung, vorzugsweise proportional zum Abstand zur Bandgrenze, erhöht,
unterhalb des Bandes wird sie, vorzugsweise proportional zum Abstand zur Band
grenze, erniedrigt. Die Breite des Bandes wird durch den voreingestellten Differenz
wert bestimmt. Sie ist vorzugsweise in den Bereichen relativ hohen Kraftniveaus
relativ schmaler als im Bereich des Kraftminimums, da die Schwankungen im
Minimum eher zufallsbedingt sind und das Kraftniveau weniger dem Fahrerwillen
entspricht als in den anderen Bereichen.
Aufgrund des gespeicherten Wissens über den typischen Tretkraft- bzw. Drehmo
mentverlauf wird zum Beispiel (Fig. 2) im Punkt A wird ein mittlerer Anstieg, im Punkt B
ein flacher Anstieg, in Punkt C ein starker Abfall und in Punkt D ein starker Anstieg
des nächsten Meßwertes erwartet. Der Punkt B' liegt zwar höher als der Sollwert für
diese Winkelposition aber immer noch innerhalb des Toleranzbandes. Es erfolgt
keine Änderung der Motorleistung. Der Punkt C' liegt zwar tiefer als Punkt C, doch
oberhalb des Toleranzbandes. Dies führt zu einem Anstieg der Motorleistung. Der
Punkt D' liegt unterhalb des Toleranzbandes, was zu einer Reduzierung der
Motorleistung führt.
Die Daten über den zu erwartenden Kraftverlauf können nach Versuchsergebnissen
eingespeichert sein. Es wird jedoch vorgeschlagen, daß der Rechner (7) den zu
erwartenden Kraft- oder Drehmomentverlauf individuell beim jeweiligen Fahrer
bestimmt und abspeichert. Dazu erfaßt er routinemäßig nach jedem Start und in
bestimmten Zeitabständen den typischen Kraft- oder Drehmomentverlauf jeweils in
stationären Fahrzuständen, also ohne nennenswerte Geschwindigkeitsänderung des
Fahrzeuges und ohne nennenswerte Änderungen des Kraft- bzw. Drehmoment
verlaufs bezogen auf die jeweiligen Winkelpositionen. D. h. mehrere, sehr ähnliche, in
geringem zeitlichen Abstand aufeinander folgende Verlaufskurven werden als
charakteristisch angesehen und abgespeichert. Durch die Speicherung der Meßwerte
als Relativwerte zum Mittelwert der gemessenen Kurve sind ähnliche Kurven sehr
einfach erkennbar. In der Zeit vom Start bis zur ersten Messung wird ein allgemein
typischer oder auf Wunsch ein persönlich-typischer Kraftverlauf verwendet, der aus
mehreren Meßreihen gemittelt und abgespeichert wird. Dabei kann eine Plausibiltäts
prüfung stattfinden und die maximal möglichen Abweichungen zu den Erfahrungs
werten begrenzt werden.
Die rechnerische Umsetzung dieser Regelaufgabe kann auf mehrere unterschiedliche
Arten erfolgen. Im folgenden wird eine mögliche, einfache Methode beschrieben.
Es ist günstig, die Kraft- oder Drehmomentmeßwerte jeweils nach bestimmten Winkel
schritten, z. B. alle 10° der Tretkurbeldrehung zu erfassen. Damit ergibt sich eine
Unabhängigkeit der Berechnung von der Tretfrequenz. Die Speicherung der einzelnen
Kurvenpunkte geschieht dann in 10°-Schritten durch auf den Mittelwert der Kurve
bezogene Relativwerte (R). Damit stehen die Einzelwerte auch untereinander in
bestimmten Verhältnissen.
In einem ersten Berechnungsschritt wird aus den Einzelmeßwerten (F; M) ein
Ausgabewert (Fr; Mr) ermittelt, der dem Fahrerwillen entspricht. Beträgt z. B. das
gemessene Drehmoment in einem Meßpunkt 30 Nm und der zugehörige Relativwert
0,9, so wird für den nächsten Meßpunkt, der z. B. den Relativwert 0,95 besitzt, ein
Sollwert des Drehmoments von 30.0,95/0,9 = 31,66 Nm errechnet. Der Istwert des
nächsten Meßpunktes wird nun mit diesem Sollwert verglichen. Liegt er um mehr als
den voreingestellten Differenzwert (dF; dM) über oder unter diesem wird der Istwert
abzüglich bzw. zuzüglich dem Differenzwert als neuer Wert übernommen. Er behält
jedoch seinen Relativwert (R). D. h. die für die nächste Berechnung zugrunde liegende
Kurve ist in Richtung Y-Achse so gedehnt oder gestaucht worden, daß sie durch den
neuen Wert läuft. Die Berechnung der nächsten Werte erfolgt analog zu diesem
Schema. Jeder Kurve dieser Kurvenschar entspricht ein bestimmter mittlerer Kraft-
bzw. Drehmomentwert. D. h. liegt der neue Wert z. B. um den Faktor 1, 1 über dem
Sollwert, dann liegt der zugehörige Mittelwert um den Faktor 1, 1 höher als der
vorherige Mittelwert. Das Ausgangssignal "Fr" bzw. "Mr" dieses Berechnungs
abschnittes entpricht dem Mittelwert derjenigen Kurve der Kurvenschar, die durch den
zuletzt gültigen Wert läuft. Es gilt allgemein für den Ausgabewert des ersten
Berechnungsschrittes Mrn (entsprechendes gilt für Frn):
Mn < Mrn-1 Rn + dM = < Mrn = (Mn - dM).Rn
Mn < Mrn-1 Rn - dM = < Mrn = (Mn + dM).Rn
Mrn-1 Rn + dM < Mn < Mrn-1 Rn - dM = < Mrn = Mrn-1
Es wird vorgeschlagen, den Istwert anhand zweier oder mehrerer Einzelmeßwerte zu
ermitteln, um Meßfehler zu beschränken. Bei der Mittelwertbildung wird der jeweilige
Relativwert mitberücksichtigt und das Mittel der Produkte "Einzelwert multipliziert mit
zugehörigem Relativwert" berechnet. Die Anzahl der Einzelwerte, die für einen
Ausgabewert Fr bzw. Mr gemittelt werden, ist vom Fahrer einstellbar, bzw. durch das
Fahrprogramm vorgegeben. Hiermit können also Meßgenauigkeit und geforderte
Präzission der Tretaktion versus Reaktionsgeschwindigkeit gewichtet werden.
Der Ausgabewert Fr bzw. Mr wird nun in einem zweiten Berechnungschritt in
Beziehung zu dem Wert für den Motorstrom (I) gesetzt. Für die Verknüpfung können
beliebige Funktionen angewendet werden. Es kann z. B. folgende einfache Funktion
verwendet werden:
I = k1.Fr-Fs oder: I = k1.Mr-Ms
Dabei ist Fs bzw. Ms der Kraft- bzw. Drehmomentschwellenwert unterhalb dem kein
Motorstrom angesteuert wird. k1 ist der voreinstellbare Verstärkungsfaktor. Durch die
Variation von Fs bzw. Ms und k1 sind unterschiedliche, charakteristische Steuer
reaktionen einstellbar. Fig. 3 zeigt hierfür drei Kurvenbeispiele für die Fahrprogramme
"K" = Komfort, "E" = Eco und "S" = Sport.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, neben dem Absolutwert des Kraft- oder Drehmo
mentniveaus und der Winkelposition der Fahrertretkurbel (2) die Ableitung nach der
Zeit zu errechnen, d. h. die Geschwindigkeit der Änderung der Pedalkraft und die
Tretfrequenz zu erfassen. Aus einem sehr schnellen Anstieg des Kraftniveaus erkennt
der Rechner somit unabhängig vom absoluten Wert einen Vollgasbefehl (Kick-Down)
und steuert den Motor oder die Motoren entsprechend an (Fig. 3). Dem Wert für den
Motorstrom (I) wird dann ein zweiter Wert (I+) addiert oder mit diesem multipliziert,
der in einer dritten Berechnung aus der Geschwindigkeit der Kraft- oder Drehmoment
änderung anhand einer wählbaren oder vorgegebenen Funktion ermittelt wird. Diese
Funktion kann einen ähnlich einfachen Aufbau haben wie oben. Auch hier ist ein
Schwellenwert für die Geschwindigkeit sinnvoll, ab der eine Reaktion erfolgen kann:
I+ = k2.r-s oder I+ = k2.r-s
Dabei istr bzw. r die Änderungsgeschwindigkeit der Werte Fr bzw. Mr und es ist
s bzw. s der Schwellenwert der Änderungsgeschwindigkeit der Kraft oder des
Drehmomentes unterhalb dem kein zusätzlicher Motorstrom I+ angesteuert wird. k2 ist
der voreinstellbare Reaktionsfaktor.
Über einen Wahlschalter kann der Fahrer zwischen mehreren Fahrprogrammen oder
z. B. den Grundeinstellungen "Komfort", "Sport" oder "Eco" wählen. Mit einem in zwei
Achsen beweglichen Schieberegler (9) können die Programme innerhalb eines drei
eckigen Selektionsfeldes (39) beliebig gewichtet und kombiniert werden (Fig. 4). Dabei
bedeutet das Grundprogramm "Komfort" eine niedrigere Kraft- oder Drehmoment
schwelle für den Beginn der Motorunterstützung, einen größeren Verstärkungsfaktor
der Tretleistung durch die Motorleistung, eine etwas längere Reaktionszeit = Zeitraum
der Mittelwertbildung und ein nicht ganz maximales Endniveau der Motorunter
stützung. Das Programm "Sport" besitzt eine höhere Kraft- oder Drehmomentschwelle,
einen etwas kleineren Verstärkungsfaktor, eine sehr kurze Reaktionszeit und ein
maximales Endniveau der Motorunterstützung. Das Programm "Eco" bedeutet eine
mittlere Kraft- bzw. Drehmomentschwelle, einen geringeren Verstärkungsfaktor, eine
etwas längere Reaktionszeit und das geringste Endniveau aller drei Fahrprogramme.
Die Fig. 5 und 6. zeigen diese drei Programme im Vergleich. Weitere Fahrprogramme
sind möglich und können im Speicher des Rechners (7) abgelegt werden. Eine sehr
kurze Reaktionszeit im Programm "Sport" wird erwartet und ist auch möglich, da
sportliche Fahrer eine sehr gut kontrollierte Beinarbeit zeigen, die wesentlich weniger
von Zufälligkeiten bestimmt ist als beim normalen Fahrer. Eine körperliche Mehr
leistung wird im Programm "Sport" durch das größere Endniveau der Motorleistung
durch bessere Fahrleistungen belohnt. Der Beginn der Motorunterstützung liegt dabei
bei einer Leistungsabgabe des Fahrers die deutlich unterhalb der Dauerleistung eines
Menschen liegt. Im Programm "Komfort" kann die Motorunterstützung z. B. bei einem
mittleren Drehmoment der Tretkurbel von 4 Nm beginnen, was bei einer Tretfrequenz
von 60 UpM 25 W entspricht. Im Programm "Sport" das ja von entsprechend
leistungsfähigeren Personen gewählt wird, beginnt die Motorunterstützung z. B. erst
bei 9 Nm, was dann, wegen der um 50% höheren Tretfrequenz, einer Tretleistung von
85 W entspricht. Da die Kurzzeitleistung eines Menschen ein Vielfaches seiner
Dauerleistung beträgt, ist der Fahrer niemals überfordert und empfindet das Fahren
gegenüber dem Fahrrad als außerordentlich leicht.
Ähnlich wie der Mensch besitzen Elektromotoren eine deutlich höhere Kurzzeit
leistung als Dauerleistung. Im Kurzzeitbereich kann das Motormanagment daher
Motorleistungen zulassen, die über der Dauerüberleistung, ihr entspricht der Wert Id,
des Motors liegt. D. h. die Kurvenfunktion zwischen Fr bzw. Mr und I kann kurzzeitig
bis in den gestrichelten Bereich der Fig. 2 gehen. Dies ergibt höhere Beschleu
nigungswerte und eine größere Steigfähigkeit an kurzen Steigungen.
Für Ausnahmefälle, z. B. bei einer Fußverletzung, oder auf speziellen Wunsch kann
eine Umschaltung auf eine handbetätigte Motorregelung vorgesehen werden. Dabei
wird die Motorleistung durch einen Gasdrehgriff (14) am Lenker (15) geregelt.
In einer weiteren Ausgestaltung werden aus dem Vergleich von Istwert der Pedal
frequenz und einem vom Fahrer oder einem Fahrprogramm vorgegebenen Sollwert
die Steuerbefehle für das automatisches Schaltgetriebe (23) berechnet und an einen
Schaltservo (38) ausgegeben. Die Pedalfrequenz wird nach den Signalen des Winkel
sensors (6) vom Rechner (7) ermittelt. Bei Überschreiten des Sollwertes um einen
bestimmten Differenzwert schaltet der Rechner mittels eines Schaltservomotors (24)
in den nächst höheren Gang, bei Unterschreiten in den nächst kleineren Gang.
Unterschreitet die Fahrgeschwindigkeit einen bestimmten Wert, schaltet er auto
matisch in den kleinsten Gang. Der Sollwert der Pedalfrequenz ist vorzugsweise
stufenlos einstellbar oder von dem gewählten Fahrprogramm vorgegeben. Dabei
würde im Fahrprogramm "Sport" eine hohe, im Fahrprogramm "Eco" eine mittlere und
im Fahrprogramm "Komfort" eine geringe Pedalfrequenz eingestellt. Wird ein stufen
loses Getriebe verwendet, kann sowohl eine beliebig feine als auch grobe, virtuelle
Gangabstufung verwendet werden. Die Zahl dieser virtuellen Gangstufen ist durch
den Fahrer vorwählbar oder durch das jeweilige Fahrprogramm vorgegeben. Da beim
Schaltvorgang je nach Größe des Gangunterschiedes ein mehr oder minder großer
Sprung im Niveau der Tretkraft auftritt, behält der Rechner (7) für die Zeit des
Schaltvorganges den vorherigen Wert. Er kann auch so programmiert werden, daß er
die Motorleistung, ähnlich wie beim handgeschalteten Pkw, für diese Zeitspanne mehr
oder minder weit zurücknimmt. Der Schaltvorgang wird so kurz wie möglich gesteuert.
In einer weiteren Ausgestaltung wird aus dem zeitlichen Verlauf der Tretarbeit die
momentane Tretleistung und die insgesamt geleistete Tretarbeit errechnet. Dabei wird
über wenigstens eine Pedalumdrehung integriert. Tretleistung und geleistete Tret
arbeit werden dem Fahrer und bei entsprechender Ausrüstung des zweiten Tret
kurbelsatzes auch dem Beifahrer über ein Display (8) angezeigt. Zusätzlich können
weitere für das Training von Sportlern oder von Personen in der Rehabilitation
wichtige Informationen erfaßt und angezeigt werden, wie z. B. Pulsfrequenz und
Blutdruck. Ferner können zusätzlich akustische Signalgeber (25) zur Informations
vermittlung eingesetzt werden, z. B. zur Anzeige eines unmittelbar bevorstehenden
Schaltvorganges.
Damit ergibt sich ein vielfaches und optimales Feedback für die Körperaktion des
Fahrers und ggf. des Beifahrers und es stellt sich ein einzigartiges Tret- und Fahr
gefühl ein.
In Kombination mit einer Rücktrittbremse kann der Fahrer die Fahrgeschwindigkeit
alleine und intuitiv mit den Füßen, d. h. mit der Art seiner Tretaktion steuern. Es wird
vorgeschlagen, die Rücktrittbremse in wenigstens zwei Stufen wirken zu lassen:
Zuerst eine elektrischen Rekuperationsbremse und dann eine elektrisch, hydraulisch oder mechanisch betätigte Reibungsbremse. Dazu sitzt auf der Achse der Fahrer tretkurbel (2) ein Freilauf (13), der beim Rückwärtstreten kuppelt und der die Bewe gung auf einen Bremshebel (20) überträgt, der nach einem kurzen Verfahrweg einen Schalter für die Rekuperationsbremse (19) betätigt. Die Stärke der elektrischen Bremswirkung wird vorzugsweise elektronisch und wiederum nach dem Kraft- oder dem Drehmomentwert der Fahrertretkurbel (2) geregelt. Nach einem gewissen weiteren Verfahrweg betätigt der Hebel den Geberzylinder (21) einer hydraulischen Fahrzeugbremse oder den Schalter für die elektrisch betätigte Reibungsbremse oder den Bowdenzug einer mechanisch betätigten Reibungsbremse. Es ist sinnvoll zusätzlich eine handbetätigte Fahrzeugbremse (26) am Lenker (15) vorzusehen.
Zuerst eine elektrischen Rekuperationsbremse und dann eine elektrisch, hydraulisch oder mechanisch betätigte Reibungsbremse. Dazu sitzt auf der Achse der Fahrer tretkurbel (2) ein Freilauf (13), der beim Rückwärtstreten kuppelt und der die Bewe gung auf einen Bremshebel (20) überträgt, der nach einem kurzen Verfahrweg einen Schalter für die Rekuperationsbremse (19) betätigt. Die Stärke der elektrischen Bremswirkung wird vorzugsweise elektronisch und wiederum nach dem Kraft- oder dem Drehmomentwert der Fahrertretkurbel (2) geregelt. Nach einem gewissen weiteren Verfahrweg betätigt der Hebel den Geberzylinder (21) einer hydraulischen Fahrzeugbremse oder den Schalter für die elektrisch betätigte Reibungsbremse oder den Bowdenzug einer mechanisch betätigten Reibungsbremse. Es ist sinnvoll zusätzlich eine handbetätigte Fahrzeugbremse (26) am Lenker (15) vorzusehen.
Zum Rückwärtsfahren wird ein Schalter (22) betätigt, der die Drehrichtung des
Elektromotors (3) ändert und gleichzeitig das Reversiergetriebe (37) für die
Muskelkraft (23) einlegt. Ein Vorwärtstreten bewirkt nun eine Rückwärtsfahrt. Die
Motorleistung ist genauso wie bei Vorwärtsfahrt von der Tretkraft abhängig. Die
Maximalgeschwindigkeit ist allerdings elektronisch begrenzt.
Die Kraftübertragung des Muskelkraftantriebes kann mechanisch (Fig. 1), hydraulisch
(Fig. 9) oder mit besonderen Maßnahmen elektrisch (Fig. 8) auf die Hinterräder (27)
oder auch auf die Vorderräder erfolgen. Die Erfassung der Kraft oder des Dreh
momentes an der Tretkurbel (2) erfolgt dann entsprechend durch einen Drucksensor
(18) in der von der Hydraulikpumpe (52) kommenden Hydraulikleitung (30) oder durch
ein Spannungs- oder Strommeßgerät (49), das den Strom des Generators (51) mißt.
Die bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen notwendigen und sinnvollen Sicherheits
funktionen, wie die elektronische Begrenzung der Fahrzeuggeschwindigkeit, die
Überwachung der Stromkreise, der Komponentenfunktionen, der Batterien, der
Motoren und anderer elektrischer Verbraucher und Systeme können mit in den
Rechner (7) integriert werden.
Aus der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:
- 1. Ein solches Leichtfahrzeug vermittelt ein einzigartiges, aktives Fahrgefühl, animiert durch sehr gutes Feedback zum Treten und ist mit frappierender Leichtigkeit und Einfachheit zu bewegen. Es vermittelt Emotionen, die mit keinem anderen Fahrzeug vergleichbar sind.
- 2. Es ist vom Fahrer individuell auf seine Bedürfnisse einstellbar und in verschiedenen Fahrprogrammen mit unterschiedlichem Fahrcharakter zu betreiben.
- 3. Es ist lernfähig und paßt sich der persönlichen Art des Tretens an. Daher reagiert es optimal.
- 4. Es kann zusätzlich die automatische Schaltung des Muskelkraftgetriebes vornehmen und entlastet so den Fahrer und ggf. den Beifahrer von Routineaufgaben.
- 5. Es kann dem Fahrer und ggf. auch dem Beifahrer über optische und ggf. akustische Signale zusätzliche Informationen geben über Tretleistung, Pulsfre quenz, Blutdruck, Trainingsprogramm etc. und zum idealen Trainingsgerät werden.
In der Summe wird nicht nur ein technisch gutes und energieeffizientes, sondern auch
ein emotional sehr ansprechendes Fahrzeug erreicht.
Weitere erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile gehen aus der Beschreibung des
Ausführungsbeispieles und aus den Zeichnungen hervor. Es zeigen:
Fig. 1 Das Leichtfahrzeug mit der Anordnung seiner wichtigsten
Antriebskomponenten in Seitenansicht ohne Darstellung der Verkabelung
Fig. 2 Ein Kurvenbeispiel für einen typischen Drehmomentverlauf der Tretkurbel
mit zugehörigem Toleranzband
Fig. 3 Den funktionalen Zusammenhang zwischen dem relativen Moment Mr und
dem Steuersignal I für drei verschiedene Fahrprogramme
Fig. 4 Den funktionalen Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit der
Drehmomentänderung der Tretkurbel und dem Steuersignal I+
Fig. 5 Das Selektionsfeld für die Fahrprogramme
Fig. 6 Den Kraftsensor an der vorderen Umlenkrolle der Kette
Fig. 7 Den Aufbau der Rücktrittbremse
Fig. 8 Eine Beispiel für eine elektrische Transmission und Drehmomenterfassung
des Muskelkraftantriebes
Fig. 9 Eine Beispiel für eine hydraulische Transmission und
Drehmomenterfassung des Musklekraftantriebes
Fig. 10 Die Getriebeelemente am Hinterrad in Draufsicht, ohne Darstellung des
Elektromotors.
Das in Fig. 1 gezeigte Leichtfahrzeug 1 besitzt vier Räder, zwei nebeneinander
liegende Fahrersitze 29 mit je einer zugehörigen Tretkurbel 2 und zwei voneinander
unabhängigen Transmissionen der Muskelkraft über Ketten 4 auf die Hinterräder 27.
Es hat zwei Elektromotoren 3, die je ein Hinterrad 27 über ein Getriebe mit Keilrippen
riemen 40 antreiben. Zwei Hilfsrollen, die den Keilrippenriemen 40 mit großem
Umschlingungswinkel um die Riemenscheibe 46 des Motors führen, ermöglichen ein
Übersetzungsverhältnis 7,5 in einer Stufe und trotz großer Nähe zur Riemenscheibe
45 des Hinterrades 27. Das Fahrzeug hat ein Gewicht ohne Batterien von ca. 150 kg
und ist mit 2 × 1 kW Nennleistung der beiden Elektromotoren 3 ausreichend motori
siert. Es rollt auf vier Leichtlaufrädern 28 mit hohem Luftdruck und einem extrem
geringen Rollwiderstandsbeiwert von ca. 0,06. Alle vier Räder sind gefedert. Vorne
sind die Räder an Federbeinen mit Querlenkern, hinten an Längslenkern 48 geführt,
deren Lagerpunkte nahe der Kette 4 liegen. Die pulsweitenmodulierte Leistungs
steuerung ist in die Elektromotoren 3 integriert. Die Ansteuerung der Leistungs
steuerung erfolgt durch den Rechner 7. Er befindet sich zwischen den Fahrersitzen
29. Unter diesen ist die Batterie 10 untergebracht. Die Tretkurbeln 2 befinden sich
zwischen den Vorderrädern. Die Tretkurbelachse liegt etwas vor der Vorderachse. Die
Tretkurbeln 2 sind ähnlich wie in Tretbooten doppelt gekröpft und außenseitig
gelagert. Die radkastenseitige Tretkurbelwelle treibt das Kettenblatt 31. Die Kette 4
verläuft nahe der Radkastenwand und wird über zwei Umlenkrollen 32; 33 zum
Hinterrad 27 geführt. Dort befindet sich das Ritzelpaket 34 einer vielstufigen Ketten
schaltung. Diese wirkt über einen Freilauf 12 und ein schaltbares Reversiergetriebe
37 auf die Hinterradachse. Die Kettenschaltung wird automatisch betätigt. Der
Rechner 7 steuert nach den Vorgaben des Fahrers oder des Fahrprogramms einen
Schaltservomotor 24, der durch Verschieben des Schaltwerks 23 den Gangwechsel
vornimmt. Der Schaltservomotor 24 schaltet stets nur in den speziellen Schaltsektoren
des jeweiligen Ritzels, so daß der Schaltvorgang und damit die Störung des Tret
zyklus extrem kurz ist. Am vorderen Kettenblatt 31 sitzt der Winkelsensor 6 für die
Tretkurbel 2. Er erfaßt die Position der Tretkurbel in 10°-Schritten. Bei jedem neuen
Schritt wird die Position der Tretkurbel an den Rechner übermittelt, der dann die
zugehörigen Werte Fr bzw. Mr sowie I und I+ errechnet. In diesem Beispiel wird das
Drehmoment nicht durch einen Drehmomentsensor zwischen Tretkurbelachse und
Kettenblatt 31 erfaßt, sondern durch einen Kraftsensor 5 an der vorderen Umlenkrolle
32. Der Kraftsensor 5 besteht aus einem federbelasteten Hebelarm 43, dessen
Schwenkweg erfaßt wird. Er trägt an einem Ende die vordere Umlenkrolle 32 und wird
am anderen Ende durch einen Dämpfer 35 mit integrierter Feder abgestützt. Der
Hebelarm 43 und der Dämpfer 35 sind mit der Trägerplatte 42 über je ein Gelenk
verbunden. Parallel zum Dämpfer 35 befindet sich der Wegsensor 36, der das
entsprechende Signal erzeugt. Der Dämpfer 35 filtert speziell die hohen
Schwingungsfrequenzen, die vom Lauf der Kette auf der Umlenkrolle 32 herrühren.
Die Kinematik der Hinterradfederung ist so gestaltet, daß der Einfederweg senkrecht
zur Richtung der Kette 4 zwischen hinterer Umlenkrolle 33 und Ritzelpaket 34 am
Hinterrad 27 stattfindet. Dazu befindet sich der Drehpunkt des Längslenkers 38 knapp
unterhalb der Kette 4. Damit ist ein Einfluß der Fahrwerksbewegungen auf die Erfas
sung der Kettenkraft ausgeschlossen. Beim Schalten in den Rückwärtsgang wird
zunächst des Reversiergetriebe 37 durch einen elektrisch betriebenen Aktuator 41
umgeschaltet und dann, nach dem sicheren Einrasten, die Motorströme umgepolt. Die
Wahl des Fahrprogrammes erfolgt über einen Zwei-Wege-Wahlschalter 9 in belie
biger Gewichtung der Grundprogramme innerhalb eines dreieckigen Selektionsfeldes
39. Dieses ist an der Mittelkonsole plaziert. Aus dem zeitlichen Verlauf der Kettenkraft
ermittelt der Rechner 7 durch Integration über eine Pedalumdrehung die momentane
Leistung des Fahrers. Die Anzeige aller relevanten Werte erfolgt über ein Multi
funktionsdisplay 8, das über eine Mode-Taste einstellbar ist. Ein akustischer Signal
geber 25 zeigt dem Fahrer und ggf. dem Beifahrer durch einen kurzen Signalton einen
bevorstehenden Gangwechsel an. Die Fahrzeugbremse wird durch ein kurzes Zurück
treten der Fahrertretkurbel 2 betätigt. Der Freilauf der Rücktrittbremse 13 sitzt auf der
Tretkurbelachse und kuppelt diese bei Rückwärtsdrehung mit dem Bremshebel 20,
der den Geberzylinder 21 der hydraulischen Betriebsbremse betätigt. Der Bremshebel
20 läuft noch bevor die Bremszylinder an den Rädern greifen gegen einen federbe
lasteten Schalter 19 an, der die Recuperationsbremse betätigt. Die Federbelastung ist
dabei so hoch, daß ein am Pedal deutlich spürbarer Druckpunkt erzeugt wird.
Zusätzlich kann das Fahrzeug über eine am Lenker 15 befindliche Handbremse 26
verzögert werden. Über eine Eingabetaste am Multifunktionsdisplay 8 kann bei Bedarf
auf die Steuerung der Motorleistung durch einen Gasdrehgriff 14 am Lenker
umgeschaltet werden. Die Kurvenfunktion des Fahrprogrammes "K = Komfort" für Mr
und I ist so ausgelegt, daß unterhalb eines mittleren Momentes von 4 Nm an der
Tretkurbel keine Motorleistung abgegeben wird und daß bei einem mittleren Moment
von 16 Nm die für dieses Fahrprogramm maximale Motorleistung von 85% erreicht ist.
Bei einer zugehörigen Tretfrequenz von 60 Umdrehungen pro Minute entspricht dies
Tretleistungen von 25 W bzw. 100 W. Im Fahrprogramm "S = Sport" wird unterhalb
von 9 Nm keine Motorleistung abgegeben und bei ca. 30 Nm mittleres Moment 100%
Motorleistung erreicht. Dies entspricht bei der zugehörigen Tretfrequenz von 90
Umdrehungen pro Minute 85 W bzw. 280 W. 100% Motorleistung entsprechen dabei
nicht der Nennleistung sondern der Dauerüberleistung der Elektromotoren. Das sich
aus einem schnellen Kraft- oder Drehmomentanstieg ergebende Steuersignal I+ wird
zum Steuersignal I addiert und kann je nach Betriebszustand bis in den Bereich der
zulässigen Kurzzeitüberleistung der Elektromotoren gehen. 100% I+ entsprechen hier
etwa 70% I. Dieses Verhältnis ist abhängig vom Verhältnis der zulässigen Kurzzeit
leistung zur zulässigen Dauerüberleistung. Unabhängig von der durch den Fahrer
angeforderten Leistung überwacht ein Energiemanagementsystem das alle elek
trischen Funktionen und Komponenten des Fahrzeugs und regelt beim Überschreiten
der zulässigen Betriebszustände von Elektromotoren 3 und Batterie 10 entsprechend
zurück.
1
Leichtfahrzeug
2
Tretkurbel Fahrer
3
Elektromotor
4
Kette
5
Kraftsensor
6
Drehwinkelsensor
7
Rechner
8
Multifunktionsdisplay
9
Zwei-Wege-Wahlschalter
10
Batterie
11
Strommeßgerät
12
Freilauf des Muskelkraftantriebes
13
Freilauf der Rücktrittbremse
14
Gasdrehgriff
15
Lenker
16
Toleranzband
17
Geschwindigkeitssensor
18
Drucksensor
18
19
Schalter für die Rekuperationsbremse
20
Bremshebel
21
Geberzylinder der Betriebsbremse
22
Schalter für Rückwärtsfahrt
23
Schaltwerk
24
Schaltservomotor
25
Akustischer Signalgeber
26
Handbetätigte Fahrzeugbremse
27
Hinterrad
27
28
Leichtlaufrad
29
Fahrersitz
29
30
Hydraulikleitung
31
Kettenblatt
32
vordere Umlenkrolle
33
hintere Umlenkrolle
34
Ritzelpaket
35
Dämpfer
36
Wegsensor
37
Reversiergetriebe
38
Längslenker
39
Selektionsfeld
40
Keilrippenriemen
41
Aktuator
42
Trägerplatte des Kraftsensors
43
Hebelarm des Kraftsensors
45
Riemenscheibe des Hinterrades
46
Riemenscheibe des Motors
49
Hinterradachse
50
Riemenscheibe der Tretkurbel
51
Generator
52
Hydraulikpumpe
53
Hydraulikleitung
α Drehwinkel der Tretkurbel
A, B, B', C, C', D, D' Beispielhafte Drehmomentwerte
K Fahrprogramm "Komfort"
E Fahrprogramm "Eco"
S Fahrprogramm "Sport"
M mittleres Drehmoment der Drehmomentkurve
F mittlere Kettenkraft der Kraftkurve
Mr, Fr Ausgabewert des 1. Berechnungschrittes
I Ausgabewert des 2. Berechnungschrittes
I+ Ausgabewert des 3. Berechnungschrittes
Id Ausgabewert, der der Dauerüberleistung des Motors entspricht
Fs Kraftschwellenwert
Ms Drehmomentschwellenwert
k1 Verstärkungsfaktor des 2. Berechnungschrittes
k2 Reaktionsfaktor des 3. Berechnungschrittes
r Änderungsgeschwindigkeit der Kraft
r Änderungsgeschwindigkeit des Drehmoments
α Drehwinkel der Tretkurbel
A, B, B', C, C', D, D' Beispielhafte Drehmomentwerte
K Fahrprogramm "Komfort"
E Fahrprogramm "Eco"
S Fahrprogramm "Sport"
M mittleres Drehmoment der Drehmomentkurve
F mittlere Kettenkraft der Kraftkurve
Mr, Fr Ausgabewert des 1. Berechnungschrittes
I Ausgabewert des 2. Berechnungschrittes
I+ Ausgabewert des 3. Berechnungschrittes
Id Ausgabewert, der der Dauerüberleistung des Motors entspricht
Fs Kraftschwellenwert
Ms Drehmomentschwellenwert
k1 Verstärkungsfaktor des 2. Berechnungschrittes
k2 Reaktionsfaktor des 3. Berechnungschrittes
r Änderungsgeschwindigkeit der Kraft
r Änderungsgeschwindigkeit des Drehmoments
Claims (15)
1. Leichtfahrzeug mit einem Hybridantrieb aus Elektro- und Muskelkraftantrieb, mit
drei oder vier Rädern für ein oder mehrere Personen, dadurch gekennzeichnet, daß
die Leistung des Elektromotors (3) vom Fahrer über die Pedale der Tretkurbel (2)
während der Tretaktion gesteuert werden kann und daß ein Kraft- (5) oder Dreh
momentsensor das momentane Drehmoment der Tretkurbel (2) erfaßt und ein
Drehwinkelsensor (6) die momentane Pedalstellung erfaßt und daß deren Signale an
einen Rechner (7) weitergeleitet werden, der daraus, unter Berücksichtigung
gespeicherter Daten zum typischen Kraft- oder Drehmomentverlauf innerhalb einer
Tretkurbelumdrehung, das Steuersignal für die Motorleistungssteuerung errechnet,
wobei der Rechner (7) bei einer Abweichung des Istwertes gegenüber dem Sollwert
um mehr als einen bestimmten Differenzwert (dF; dM) nach oben mehr Motorleistung
ansteuert bzw. bei einer Abweichung um mehr als einen bestimmten Differenzwert
nach unten Motorleistung zurücknimmt und wobei der Differenzwert einstellbar ist und
auch gleich Null sein kann.
2. Leichtfahrzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Differenz
wert, (dF; dM) also der Wert der zulässigen Abweichung von Soll- und Istwerten,
durch den Fahrer oder durch ein vom Fahrer wählbares Fahrprogramm festgelegt
wird.
3. Leichtfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rechner (7) einen durch den Fahrer frei eingestellten Faktor für das
Verhältnis Tretkurbeldrehmoment zu Motorleistung oder ein vom Fahrer gewähltes
Fahrprogramm bei der Berechnung des Steuersignals (I) verwendet.
4. Leichtfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rechner (7) die Geschwindigkeit der Kraft- oder Drehmomentänderung der
Tretkurbel (2) erfaßt und bei einer raschen Änderung des Kraft- oder Drehmoment
niveaus zusätzlich um einen bestimmten Betrag (I+) oder um einen bestimmten Faktor
mehr Motorleistung steuert.
5. Leichtfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die einzelnen Kraft- oder Drehmomentwerte der zugrunde gelegten typischen
Kurve des Kraft- oder Drehmomentverlaufs drehwinkelbezogen gespeichert werden
und daß sie als auf den Mittelwert dieser typischen Kurve bezogene Relativwerte
abgespeichert werden und daß der Vergleich von Soll- und Istwert und die
Berechnung des Motorsignals drehwinkelbezogen erfolgt.
6. Leichtfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Berechnung des Motorsignales in drei Schritten erfolgt, wobei der erste
Schritt durch einen Vergleich von Soll- und Istwerten den Fahrerwillen erkennt und
der zweite Schritt die charakteristische Art der Umsetzung des Fahrerwillens nach den
Vorgaben des Fahrers oder eines gewählten Fahrprogrammes durchführt und der
dritte Schritt einen eventuellen Vollgasbefehl aus der Geschwindigkeit der Kraft- oder
Drehmomentänderung ermittelt.
7. Leichtfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rechner den Istwert aus dem Mittelwert mehrerer Produkte von Einzelwert
und zugehörigem Relativwert bildet und als Basis für die weitere Berechnung nimmt,
wobei die Anzahl der Produkte für eine jeweilige Mittelwertberechnung durch den
Fahrer selbst oder vorzugsweise durch das jeweilige Fahrprogramm vorgegeben wird.
8. Leichtfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rechner lernfähig ist und anhand eines Meßprogramms, das die Tretcharak
teristik des Fahrers in quasi-stationären Fahrzuständen erfaßt, Daten über den
fahrertypischen Kraft- oder Drehmomentverlauf aufzeichnet, wobei das Meßprogramm
vorzugsweise als sich während der Fahrt wiederholende Routine abläuft, und daß er
aus dieser charakteristischen Kurve durch einen Vergleich mit den momentanen Kraft-
oder Drehmomentwerten und dem momentanen Drehwinkel den Fahrerwillen erkennt.
9. Leichtfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rechner zusätzlich zur Steuerung der Motorleistung auch die Steuerung des
Schaltgetriebes für den Muskelkraftantrieb des Fahrers und ggf. des Beifahrers
übernimmt, wobei die momentane Drehgeschwindigkeit der jeweiligen Tretkurbel (2)
mit einem vom Fahrer oder Beifahrer eingestellten Wert oder einem von einem
gewählten Fahrprogramm berechneten Wert verglichen wird, wobei eine Abweichung
nach oben um einen bestimmten Wert zu einem Schalten in die höheren Gänge führt,
bzw. eine Abweichung nach unten zum Schalten in die niedrigeren Gänge führt und
daß bei Unterschreiten einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit automatisch in den
kleinsten Gang geschaltet wird.
10. Leichtfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß vom Fahrer aus dem pedalgesteuerten Modus in einen handgesteuerten Modus
über Gasdrehgriff (14) oder Drucktaste umgeschaltet werden kann.
11. Leichtfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Betriebsbremse (21) durch den Rücktritt des Fahrerpedals (2) betätigt wird.
12. Leichtfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Muskelkraft auf hydraulischem oder elektrischem Weg an das oder die
Antriebsräder übertragen wird, wobei der momentane Kraft- bzw. Drehmomentwert
vorzugsweise direkt über den erzeugten hydraulischen Druck oder den erzeugten
Strom bzw. die erzeugte Spannung oder Stromstärke gemessen wird.
13. Leichtfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rechner aus der Summe der einzelnen Kraft- bzw. Drehmomentwerte über
einen bestimmten Zeitraum die vom Fahrer erbrachte Leistung bzw. Arbeit errechnet
und daß dem Fahrer diese Werte optisch angezeigt werden können.
14. Leichtfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß physiologisch bedeutsame Werte, wie z. B. Pulsfrequenz, Atemfrequenz und
Atemvolumen, über entsprechende Sensoren erfaßt und auf Wunsch in einem Multi
funktionsdisplay (8) angezeigt werden.
15. Leichtfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 1, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Fahrer zusätzliche Informationen, z. B. über einen bevorstehenden
Schaltvorgang oder das Über- oder Unterschreiten einer bestimmten Pulsfrequenz,
über einen akustischen Signalgeber (25) angezeigt werden können.
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