DE19937445A1 - Antriebsverfahren für ein durch Muskelkraft zu bewegendes Fahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebsverfahren für ein Fahrzeug, das von einem Fahrer durch Einwirkung von Muskelkraft in Bewegung gesetzt wird, wobei ein von einem Akku gespeister Elektromotor bei erhöhtem Bedarf an Antriebsleistung zusätzlich zur Muskelkraft im Antriebsweg wirksam gemacht wird. Gemäß der Erfindung wird eine frei wählbare Größe von am Antriebsrad (10) bzw. an den Antriebsrädern abzugebender Leistung vorgesehen, und die Motorleistung wird nur zugeschaltet, wenn die gewählte Antriebsleistung die menschliche, vorzugsweise als Dauerleistung aufgebrachte Muskelleistung überschreitet, wobei der Elektromotor (4) bei die vorgegebene Leistung überschreitender Muskelleistung und im Schubbetrieb als Generator arbeitet und den Akku lädt, und wobei im Stillstand des Fahrzeugs (2) die Antriebsverbindung entkuppelt wird und der Elektromotor (4) nur mit dem mechanischen Antrieb verbunden bleibt und durch Betätigung der Tretkurbel (13) durch den Fahrer als Generator angetrieben wird. Die Erfindung ermöglicht nur durch aerob erzeugte menschliche Leistung und optimal durch zusätzliche elektrische Energie eine dem Verkehrsfluß angepaßte Beschleunigung und die Überwindung von zeitweise auftretenden Widerständen wie Wind und Steigungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebsverfahren für ein Fahr­ zeug, das von einem Fahrer durch Einwirkung von Muskelkraft in Bewegung versetzt wird, wobei ein von einem Akku gespeister Elektromotor bei erhöhtem Bedarf an Antriebsleistung zusätzlich zur Muskelkraft im Antriebsweg wirksam gemacht wird.

Für alle bewegten Systeme gilt, daß sich nur ein stabiler Betriebszustand einstellt, wenn sich ein Gleichgewicht zwischen der Antriebsleistung des Motors und der geforderten Leistung der Antriebsmaschine einstellt. Der Arbeitspunkt wird durch die zu überwindenden Widerstände wie Luftwiderstand, Rollwiderstand, Steigungswiderstand oder Beschleunigungswiderstand bestimmt. Um all diese Widerstände bei den geforderten Randbedingungen, wie u. a. einer recht kurzen Beschleunigungszeit, zu überwinden, muß eine entsprechend hohe Antriebsleistung in Verbindung mit einem Getriebe zur Anpassung von Drehmoment und Drehzahl an den Fahr­ zustand installiert werden. Dies ist bei der entsprechenden Wahl eines Verbrennungsmotors oder Elektromotors gängige Technik.

Beim Betrieb von ein- oder mehrspurigen mit Muskelkraft be­ triebenen Fahrzeugen gilt grundsätzlich dieselbe Betrachtung. Allerdings unterliegt der Mensch als Lieferant der Antriebslei­ stung zwei entscheidenden Nachteilen. Seine Antriebsleistung ist begrenzt und beträgt bei untrainierten Menschen auf Dauer etwa 100 W. Weiterhin belegen sportmedizinische Versuche, daß ein Mensch wesentlich besser über eine lange Zeit eine relativ nied­ rige konstante Leistung als über eine kurze Zeit eine sehr hohe Leistung abgeben kann. Die konstante Leistung gilt für die aero­ be Phase. Gibt ein Mensch über kurze Zeit eine höhere Leistung ab, wird anaerobe Muskelarbeit verrichtet. Dies bedeutet für den Körper einen Substanz- oder Energieverlust. Dies bedingt sehr lange Erholungsphasen, um den Ausgangszustand wieder zu errei­ chen.

Herkömmliche Konstruktionen von mit Muskelkraft betriebenen ein- oder mehrspurigen Fahrzeugen, insbesondere Fahrräder, be­ rücksichtigen die oben erwähnten Gesichtspunkte nicht. Sie haben einen direkten Antrieb, vorzugsweise über eine Kette von der Tretkurbel zum angetriebenen Rad. Da Fahrzeuge dieser Art über keine Zwischenspeicherung von Energie verfügen, ist die erreich­ bare Beschleunigung und Geschwindigkeit begrenzt durch die maxi­ mal mögliche menschliche Leistung. Akzeptabele Beschleunigungs­ werte können nur erreicht werden, wenn anaerobe Muskelkraft ver­ richtet wird. Dies führt jedoch, wie oben ausgeführt, zur schnellen Ermüdung.

Es sind zahlreiche Konstruktionen bekannt, bei denen auch elektrische Energie im Antriebsweg mitwirkt.

Aus DE-196 00 698-A1 ist ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug, insbesondere Fahrrad bekannt, bei dem die vom Fahrer betätigte Tretkurbel einen Generator antreibt, mit dessen elek­ trischer Leistung ein Elektromotor gespeist wird, der das Fahr­ zeug in Bewegung versetzt. Die Wirkverbindung für den Fahrzeu­ gantrieb ist also rein elektrisch, und es bleibt wie beim norma­ len Fahrrad dem Fahrer überlassen, ob er mit aerober oder ana­ erober Muskelkraft den Antrieb des Fahrzeugs bewirkt. Dieser An­ trieb hat den Nachteil der doppelten Energiewandlung der mensch­ lichen Muskelarbeit. Damit verbunden sind erhebliche Wirkungs­ gradverluste. Der direkte mechanische Antrieb hat nur die be­ kannten Verluste eines Ketten- oder Riemenantriebes.

Aus DE-197 32 430-A1 ist ein Muskel-Elektro-Hybrid-Fahrzeug bekannt, das wie das zuvor beschriebene Fahrzeug über einen elektrischen Antrieb verfügt, und bei dem die hierfür notwendige elektrische Energie von einem tretkurbelbetriebenen Generator geliefert wird. Um das hohe Fahrzeuggewicht und Schwankungen der Fahrlast zu kompensieren, ist zusätzlich eine mit dem Generator und dem Elektromotor verbundene Batterie vorgesehen, deren La­ dung und Entladung durch einen Bordcomputer gesteuert wird.

Aus DE-196 00 243-A1 ist ein Fahrrad mit einem elektrischen Hilfsantrieb bekannt, bei dem in Abhängigkeit von dem jeweiligen Ladezustand der Batterie und der momentanen Geschwindigkeit eine Energiezumessung an den Antrieb erfolgt und eine durch die Mus­ kelkraft des Fahrers betriebene Rückladung der Batterie über den nun als Generator arbeitenden Motor vorgenommen wird. Zweck ist die Erzielung einer möglichst großen Fahrstrecke mit der vorhan­ denen Energie der Batterie. Wesentlich wichtiger ist die Opti­ mierung der eingesetzten menschlichen Leistung, die individuell begrenzt ist und nicht wie die zusätzliche elektrische Leistung durch Einsatz größerer Motoren oder Akkus verändert werden kann.

Aus DE 43 02 838 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Leistungsabgabe von elektrischen Hilfsantrieben in Fahrzeugen beschrieben ist. Um eine möglichst lange Fahrstrecke zu erzie­ len, werden über Sensoren die aktuellen Fahrdaten wie z. B. Straßenneigung oder Wind gemessen, die als Basisdaten für die Dosierung der Hilfsenergie mittels Rechner dienen. Auch bei die­ sem Verfahren wird die Hilfsenergie geregelt und nicht die Haup­ tenergie - die menschliche leistung - optimal eingesetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebsverfahren für ein Fahrzeug der eingangs genannten Art aufzuzeigen, das vorzugsweise nur durch aerob erzeugte menschli­ che Leistung und optional durch zusätzliche elektrische Energie eine dem Verkehrsfluß angepaßte Beschleunigung ermöglicht und zeitweise auftretende Widerstände wie Wind und Steigung überwin­ det.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch ge­ löst, daß eine frei wählbare Größe von am Antriebsrad bzw. an den Antriebsrädern abzugebender Leistung vorgegeben wird, daß die Motorleistung nur zugeschaltet wird, wenn die gewählte An­ triebsleistung die menschliche, vorzugsweise als Dauerleistung aufgebrachte Muskelleistung überschreitet, daß der Elektromotor bei die vorgegebene Leistung überschreitender Muskelkraft und Schubbetrieb als Generator arbeitet und den Akku lädt, und daß im Stillstand des Fahrzeugs die Antriebsverbindung entkuppelt wird und der Elektromotor nur mit dem mechanischen Antrieb ver­ bunden bleibt und durch Betätigung des Antriebsmechanismus, vor­ zugsweise einer Tretkurbel, durch den Fahrer als Generator ange­ trieben wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also eine abzuge­ bende Leistung vorgegeben bzw. eingestellt, die sich aus der Muskelleistung und der Motorleistung zusammensetzt. Versuche ha­ ben ergeben, daß die aufzubringende Leistung bei einer Stadtfahrt mit Ampelstops im Durchschnitt 100 W beträgt, wobei Spitzen bis zu etwa 500 W bei einer Beschleunigung nach einem Stillstand enthalten sein können. Die Erfindung sieht nun vor, daß der Fahrer z. B. eine konstante Muskelleistung von z. B. 100 W aufbringt, und daß bei einer notwendigen Beschleunigung der Motor zugeschaltet wird, indem die Größe der vorgegebenen Lei­ stung höher gewählt wird. Die hierfür notwendige Energie wird einem Akku entnommen, der in Stillstandszeiten mit der dann wei­ terhin aufgebrachten Muskelkraft nachgeladen wird. Der Fahrer braucht also nie mehr Leistung aufzubringen, als er mit aerober Muskelarbeit aufbringen kann, so daß der menschliche Körper nie überbeansprucht wird und trotzdem eine bessere Anpassung an den Verkehrsfluß erzielt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Geschwin­ digkeitsregelschaltung vorgesehen, die die Solleistungsvorgabe so verändert, daß eine gewählte konstante Geschwindigkeit auf­ rechterhalten wird. Dies ist z. B. von Vorteil beim Durchfahren eines Geländes, das Steigungen aufweist.

Es ist von Vorteil, wenn die beim Fahren erzeugte Muskellei­ stung und die Geschwindigkeit gemessen und angezeigt werden. Hierdurch kann der Fahrer stets kontrollieren, ob er eine für ihn angemessene Leistung überschreitet oder nicht.

Ferner ist es zweckmäßig, beim Fahren die Herzfrequenz oder eine andere physiologische Größe des Fahrers zu messen und anzu­ zeigen, damit der Fahrer sein Leistungsvermögen nicht über­ schreitet.

Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug zur Durchführung des oben erläuterten Verfahrens, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Vorrichtung zur Einstellung einer wählbaren Solleistung vorgesehen ist, daß im Rahmen zwischen der Tretkurbel und dem angetriebenen Rad eine Zwischenwelle gelagert ist, daß zwischen Tretkurbel und Zwischenwelle eine erste Ketten- oder Zahnriemen­ verbindung vorgesehen ist, daß zwischen der Zwischenwelle und dem angetriebenen Rad eine zweite Ketten- oder Zahnriemenverbin­ dung vorgesehen ist, daß in der Zwischenwelle eine Schaltkupp­ lung vorgesehen ist, durch die mit der Zwischenwelle ein von ei­ ner Batterie gespeister Elektromotor/Generator kuppelbar ist, und daß im Tretkurbellager ein Freilauf vorgesehen ist, der im Schubbetrieb bei angekuppeltem Elektromotor wirksam ist.

Vorzugsweise weist das Fahrzeug ein mit dem Antriebsstrang verbundenes Hinterrad und zwei nicht angetriebene Vorderräder auf. Eine solche zweispurige Ausbildung des Fahrzeugs ist zweck­ mäßig, damit das Fahrzeug im Stillstand standfest ist und die Tretkurbel zum Antrieb des Generators problemlos weiter betätigt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Antriebsschemas für das erfindungsgemäße Verfahren;

Fig. 2 das Blockschaltbild von Fig. 1 mit einer zusätzlichen Regelvorrichtung zur Kon­ stanthaltung einer Geschwindigkeit;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Fahr­ zeugs zur Durchführung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens.

Bei dem Blockschaltbild in Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Einstellung einer an ein Fahrzeug 2 abzugebenden Solleistung vorgesehen, die sich aus der durch Muskelkraft abgegebenen menschlichen Leistung und einer von einem Motor 4 abgegebenen Leistung zusammensetzt. Beispielsweise kann diese Leistung auf 100 W entsprechend der durchschnittlichen mit aerober Muskelkraft aufbringbaren Leistung eingestellt werden. An einer Anzeigevor­ richtung 5 kann der Fahrer seine augenblicklich aufgebrachte Leistung ablesen. Bei einer Störung 6 der zunächst kontinuierli­ chen Bewegung des Fahrzeugs durch Gegenwind, eine Steigung, oder beim Anfahren nach einem Stop ist die Wahl einer erhöhten Sol­ leistung von z. B. bis zu 500 W oder mehr durch die Einstellvor­ richtung 1 erforderlich. Diese zusätzliche Solleistung zu der vom Fahrer erzeugten Leistung von 100 W oder einer anderen indi­ viduellen Leistung liefert nun der von einem Akku 6 gespeiste Motor 4, die dann wieder auf z. B. 100 W zurückgenommen wird, wenn sich ein stationärer Zustand einstellt, bei dem keine zu­ sätzliche Motorkraft mehr erforderlich ist.

Im Schubbetrieb, oder wenn z. B. der Fahrer willens und in der Lage ist, mehr als die vorgegebenen 100 W an Leistung zu er­ bringen, treibt das Fahrzeug oder die menschliche Überschußlei­ stung den Motor 4 als Generator an, dessen Leistungsabgabe den Akku 7 auflädt. Desgleichen wird im Stillstand des Fahrzeugs 2 der Motor 4 vom Fahrzeug durch einen Freilauf 18 (Fig. 3) abge­ koppelt und die menschliche Leistung 3 treibt den Motor 4 als Generator an, wobei ebenfalls der Akku 7 aufgeladen wird.

Fig. 2 zeigt das gleiche Blockschaltbild wie in Fig. 1, je­ doch wird dort die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 2 gemessen und vorgegeben und durch einen Temporegler 8 durch entsprechende Änderung der Solleistungsvorgabe konstant gehalten.

Fig. 3 zeigt schematisch ein Fahrzeug in Form eines zweispu­ rigen Fahrrades mit einem Rahmen 9, in dem ein angetriebenes Hinterrad 10 und zwei nicht angetriebene Vorderräder 11 und 12 gelagert sind. Im Rahmen 9 ist zwischen der Tretkurbel 13 und einer im Rahmen 9 gelagerten Zwischenwelle 14 eine erste Ketten- oder Zahnriemenverbindung 15 vorgesehen, und zwischen der Zwi­ schenwelle 14 und dem angetriebenen Rad 10 ist eine zweite Ket­ ten- oder Zahnriemenverbindung 16 vorgesehen. In der Zwischen­ welle 14 ist eine Schaltkupplung 17 angeordnet, durch die mit der Zwischenwelle 14 der von dem Akku 7 gespeiste Elektromo­ tor/Generator 4 kuppelbar ist, und im Tretkurbellager ist ein Freilauf 18 vorgesehen, der den Antrieb im Schubbetrieb abkop­ pelt, so daß das Fahrzeug den Motor 4 als Generator antreibt und der Akku 7 geladen wird.

Ein derartig ausgerüstetes Fahrzeug bietet dem Fahrer viel­ fältige Vorteile. Es werden Stillstandszeiten, wie Stops an Am­ peln zur Energieerzeugung ausgenutzt, ohne daß der menschliche Körper überansprucht wird. Die Stillstandszeiten können 10% und mehr an der gesamten Fahrzeit ausmachen. Beschleunigungsphasen können stark verkürzt werden, so daß das Fahrzeug keine Behinde­ rung im Verkehrsfluß darstellt.

Die Anzeige einer physiologischen Körperfunktion erlaubt es, die Leistung individuell optimal und nahezu konstant zu erzeu­ gen. Damit dient das Fahrzeug nicht nur als reines Fortbewe­ gungsmittel, sondern kann auch im medizinischen Bereich zu Reha­ bilitationsmaßnahmen eingesetzt werden. Die Kontrollanzeige ei­ ner Körperfunktion dient zur Überwachung des aktuellen Trai­ ningszustandes. Ein Fortbewegungsmittel dieser Art kann dann ei­ nerseits Zuhause bei ungünstigen Witterungsverhältnissen ein Er­ gometer ersetzen und andererseits zum Transport dienen. Bei be­ gleitender medizinischer Überwachung kann die menschliche Lei­ stung ständig erhöht werden.

Das Fahrzeug kann in verschiedenen Varianten betrieben wer­ den:

• 1. konventioneller mechanischer Antrieb, wie er z. Zt. bei fast allen Fahrrädern realisiert ist. Die erforderliche Fahrleistung muß zu jedem Zeitpunkt vom Menschen aufge­ bracht werden.
• 2. Zusätzlich wird der Elektromotor in den Antriebsstrang integriert. Damit sind bei einer zusätzlichen Steuerung, die die Differenz zwischen menschlicher Leistung und ge­ forderter Leistung steuert, folgende Fahrzustände beim Anfahren oder bei der konstanten Fahrt denkbar:
  • a) Fahren mit einem rein mechanischen Antrieb
  • b) Fahren mit einem mechanischen Antrieb und einer Un­ terstützung durch den elektrischen Zusatzantrieb
  • c) Fahren nur mit dem elektrischen Zusatzantrieb.

Bei entsprechender Ausrüstung kann der Fahrer entscheiden, ob er das Fahrzeug nur durch rein menschliche Leistung betrieben will, dadurch daß er in den Fahrpausen Energie erzeugt, die für Anfahren oder Steigungen verbraucht wird. Bei Aufrüstung mit ei­ nem größeren Akkusatz kann dieser vor Antritt der Fahrt aufgela­ den werden, und es kann mehr Leistung zugespeist werden, so daß eine höhere Geschwindigkeit erzielt werden kann.

Claims (7)

1. Antriebsverfahren für ein Fahrzeug, das von einem Fahrer durch Einwirkung von Muskelkraft in Bewegung versetzt wird, wobei ein von einem Akku gespeister Elektromotor bei erhöh­ tem Bedarf an Antriebsleistung zusätzlich zur Muskelkraft im Antriebsweg wirksam gemacht wird, dadurch gekennzeich­ net, daß eine frei wählbare Größe von am Antriebsrad (10) bzw. an den Antriebsrädern abzugebender Leistung vorgegeben wird, daß die Motorleistung nur zugeschaltet wird, wenn die gewählte Antriebsleistung die menschliche, vorzugsweise als Dauerleistung aufgebrachte Muskelleistung überschreitet, daß der Elektromotor (4) bei die vorgegebene Leistung über­ schreitender Muskelleistung und im Schubbetrieb als Genera­ tor arbeitet und den Akku (7) lädt, und daß im Stillstand des Fahrzeugs (2) die Antriebsverbindung entkuppelt wird und der Elektromotor (4) nur mit dem mechanischen Antrieb verbunden bleibt und durch Betätigung des Antriebsmechanis­ mus, vorzugsweise einer Tretkurbel (13), durch den Fahrer als Generator angetrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Geschwindigkeitsregelschaltung (8) vorgesehen ist, die die Solleistungsvorgabe so verändert, daß eine gewählte kon­ stante Geschwindigkeit aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Fahren erzeugte Muskelleistung und die Gefahr einer Geschwindigkeit gemessen und angezeigt werden.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beim Fahren die Herzfrequenz oder eine andere physiologische Größe des Fahrers gemessen und ange­ zeigt wird.

5. Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (1) zur Einstellung einer wählbaren Solleistung vorgesehen ist, daß im Rahmen (9) zwischen der Tretkurbel (13) und dem angetriebenen Rad (10) eine Zwischenwelle (14) gelagert ist, daß zwischen Tretkurbel (13) und Zwischenwelle (14) eine erste Ketten- oder Zahnriemenverbindung (15) vorgese­ hen ist, daß zwischen der Zwischenwelle (14) und dem ange­ triebenen Rad (10) eine zweite Ketten- oder Zahnriemenver­ bindung (16) vorgesehen ist, daß in der Zwischenwelle (14) eine Schaltkupplung (17) vorgesehen ist, durch die mit der Zwischenwelle (14) ein von einem Akku (7) gespeister Elek­ tromotor/Generator (4) kuppelbar ist, und daß im Tretkur­ bellager ein Freilauf (18) vorgesehen ist, der im Schubbe­ trieb bei angekuppeltem Elektromotor (4) wirksam ist.

6. Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die­ ses ein mit dem Antriebsstrang verbundenes Hinterrad (10) und zwei nicht angetriebene Vorderräder (11, 12) aufweist.

7. Fahrzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tretkurbel (13) oder einer anderen Stelle des An­ triebsstranges eine Meß- und Anzeigevorrichtung (5) für die abgegebene Muskelleistung zugeordnet ist.