-
Die
Erfindung betrifft ein Fahrrad mit einem Hilfsantrieb.
-
Derartige
Fahrräder
sind bereits lange bekannt. Auf dem Markt durchgesetzt haben sich
jedoch hauptsächlich
jene Fahrräder,
die mit einem elektrischen Hilfsmotor ausgestattet sind und ganz allgemein
als Elektrofahrrad bezeichnet werden. Im Unterschied zu Mopeds oder
Motorrädern
werden Elektrofahrräder
muskel-elektrisch angetrieben.
-
Zur
Zeit unterscheidet man grundsätzlich zwei
Typen von Elektrofahrrädern,
nämlich
das E-Bike und das
Pedelec. Beim E-Bike wird der Motor unabhängig von der Tretleistung des
Fahrrads gesteuert, dass heißt
Fahren ist auch ohne Treten möglich.
Dabei wird die Motorleistung über
ein manuelles Bedienelement – einen
Drehgriff oder Knopf – geregelt,
wie das von Mopeds bereits bekannt ist. Muskelkraft und Motor sind
unabhängig
voneinander wirkende Systeme. E-Bikes können sowohl rein elektrisch wie
auch im Mischbetrieb gefahren werden. Das hat den Vorteil, dass
auch schwächeren
Leuten die volle Leistung des Hilfsantriebs zur Verfügung steht.
Als nachteilig an diesen E-Bikes hat es sich herausgestellt, dass
die Antriebstechnik nicht in allen Ländern für Fahrräder zulässig ist. So wird beispielsweise
in Deutschland zum Benutzen eine E-Bikes eine Mofaprüfbescheinigung
benötigt.
-
Beim
Pedelec hingegen funktioniert die Hilfsantriebsunterstützung nur
dann, wenn gleichzeitig getreten wird. In der Regel wird dabei bis
zu einer bestimmten Höchstgeschwindigkeit
50 % der vom Fahrer erbrachten Leistung durch den Hilfsantrieb ergänzt. Die
Motorleistung wird dabei über
einen Kraft- bzw. Bewegungssensor automatisch an die Muskelkraft
des Fahrers gekoppelt. Da der Hilfsantrieb nur während des Tretens aktiv ist,
wird die Muskelkraft immer im Vordergrund stehen. Dieses Prinzip
der unmerklichen Bewegungserleichterung ist beispielsweise von der
Servolenkung im Auto bekannt. Obwohl bei dieser Betriebsweise die
Reichweite vergrößert wird – da ein
Teil der Leistung vom Fahrer erbracht wird, muss immer nur ein Teil
der benötigten
Leistung aus den Akkus zur Verfügung
gestellt werden – muss durch
das Zusatzgewicht des Hilfsantriebes und der Akkus ein höherer Fahrwiderstand überwunden
werden, sodass es für
Benutzer eines Pedelecs schwer ist Höchstgeschwindigkeiten zu erreichen.
Für gehbehinderte,
gebrechliche oder schwache Personen ist diese Antriebsart überhaupt
ungeeignet, da kein rein elektrischer Fahrbetrieb möglich ist,
wodurch das Anfahren, insbesondere am Berg, schwieriger ist, weil
der Hilfsantrieb erst nach ca. einer Kurbelumdrehung einsetzt. Ein weiterer
Nachteil, der bei derartigen Antrieben auftritt, ist die erforderliche,
komplizierte Steuerung des Hilfsantriebes, da die aufgebrachte Muskelkraft
bei der Festlegung der Drehzahl des Hilfsantriebes berücksichtigt
werden muss.
-
Die
Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gestellt, einen neuartigen
Hilfsantrieb für
Fahrräder zu
schaffen, der bei einfachster technischer Ausführung die Vorteile der bereits
bekannten Elektrofahrräder
vereint und somit sowohl für
schwächliche
Leute als auch für
Langstreckenfahrer und Mountainbiker geeignet ist.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen Hilfsantrieb gelöst, der im Betrieb auf eine
bestimmte Solldrehzahl geregelt ist. Dadurch wird ein neuartiger
Hilfsantrieb für
Fahrräder
erreicht, der eine Zwischenstellung zwischen den E-Bikes und den
Pedelecs einnimmt. Dieses neuartige Fahrrad kann sowohl nur mit
Muskelkraft, nur mit dem Hilfsantrieb oder auch im Mischbetrieb
gefahren werden. Befindet sich der ein- bzw. ausschaltbare Hilfsantrieb,
der gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
einen Drehzahlregler aufweist, im Betrieb, versucht der Hilfsantrieb
eine bestimmte, konstante Solldrehzahl zu erreichen. Diese bestimmte,
gleichbleibende Solldrehzahl kann im Betrieb fest sein oder vorzugsweise
in Stufen veränderbar.
-
Der
Hilfsantrieb versucht also die vorbestimmte Solldrehzahl zu erreichen
und kann dabei vom Benutzer des Fahrrades mit Muskelkraft unterstützt werden.
Dadurch, dass der Hilfsantrieb im Betrieb auf eine bestimmte Solldrehzahl
geregelt ist, lässt
sich das erfindungsgemäße Fahrrad
besonders einfach bedienen, da der Fahrer sich nur auf das Fahrradfahren
konzentrieren muss und keine sonstigen Tätigkeiten, wie beispielsweise
das Betätigen
eines Gashebels durchführen
muß. Auch
das Anwerfen des Hilfsantriebes durch Treten, wie das bei den Pedelecs
notwendig ist, kann beim neuartigen Fahrrad entfallen, weil der
Hilfsantrieb sofort nach dem Einschalten Leistung bezieht und versucht
die bestimmte Solldrehzahl zu erreichen.
-
Diese
bestimmte Solldrehzahl des Hilfsantriebes liegt gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung zwischen 40 Umdrehungen pro Minute und 110 Umdrehungen
pro Minute, wobei sich für
durchschnittlich trainierte Radfahrer eine Solldrehzahl zwischen
60 Umdrehungen pro Minute und 90 Umdrehungen pro Minute als besonders
vorteilhaft erwiesen haben. Mit diesem neuartigen Fahrrad kann der
Benutzer die ihm vom Hilfsantrieb geleistete Unterstützung einfach
durch festlegen einer bestimmten Solldrehzahl bestimmen. So werden
leistungsschwächere
Radfahrer die Solldrehzahl eher im Bereich von 90 Umdrehungen pro
Minute einstellen, während
die Radfahrer die stärker
beansprucht werden möchten
die Solldrehzahl etwas niedriger einstellen werden.
-
Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung sieht vor, dass der Hilfsantrieb eine vorzugsweise
verstellbare Leistungsbegrenzungseinrichtung aufweist. Damit kann
neben der Drehzahl auch die Leistung des Hilfsantriebes begrenzt
bzw. eingestellt werden, wodurch sich eine noch individuellere Einstellungsmöglichkeit
der Unterstützung
durch den Hilfsantrieb für
den Benutzer des Fahrrades ergibt.
-
Das
neuartige Fahrrad zeichnet sich bevorzugt also dadurch aus, dass
die gegebenenfalls durch die Leistungsbegrenzungseinrichtung festgelegte,
maximale Leistungszufuhr zum Hilfsantrieb jedenfalls erfolgt, solange
die Ist-Drehzahl um mindestens 5 % unterhalb der eingestellten Solldrehzahl liegt.
In der Theorie müsste
die volle Leistungszufuhr eigentlich solange erfolgen, bis die tatsächlich eingestellte
Solldrehzahl erreicht ist. In der Praxis wird sich die Leistungszufuhr
im Bereich der bestimmten Solldrehzahl nicht zuletzt aufgrund der
erbrachten Muskelkraft auf einen Wert einregeln, der im Mittel unter der
maximalen Leistungszufuhr liegt und ausreicht die Solldrehzahl zu
halten.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist der Drehzahlregler eine Gegen-EMK-Auswertsschaltung
zur sensorlosen Erfassung des Istwertes der Motordrehzahl auf, was
sich als günstig
erwiesen hat, wenn der Hilfsantrieb einen vorzugsweise bürstenlosen
Elektromotor aufweist.
-
Die Übertragung
der vom Hilfsantrieb aufgebrachten Kraft auf das Fahrrad folgt in
der Weise, dass der Hilfsantrieb mit der Antriebswelle der Tretkurbeln über ein
Getriebe, vorzugsweise ein Kegelradgetriebe, ständig drehfest verbunden ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist dabei dem Getriebe ein vorzugsweise am Motor des Hilfsantriebes
befestigtes Untersetzungsgetriebe vorgeschaltet. Eine besonders
hohe Standfestigkeit des Untersetzungsgetriebes kann dann erreicht
werden, wenn das Untersetzungsgetriebe ein Planetengetriebe mit
vorzugsweise keramischen Achsen ist.
-
Da
der Hilfsantrieb direkt auf die Antriebswelle der Tretkurbel wirkt,
wird der Benutzer zum Mittreten in der günstigen Frequenz veranlasst,
das heißt dass
es für
die Antriebswelle der Tretkurbeln keine Freilaufmöglichkeit
gibt, zumindest solange der Hilfsantrieb eingeschaltet ist. Um zu
verhindern das der Benutzer bei ausgeschaltetem Hilfsantrieb den Widerstand
des Getriebes überwinden
muss, sieht ein weiteres Ausführungsbeispiel
vor, dass der Hilfsantrieb einen Freilauf, vorzugsweise zwischen dem
Untersetzungsgetriebe und dem Getriebe aufweist, der jedoch bei
eingeschaltetem Hilfsantrieb aufgehoben ist.
-
Um
das Eigengewicht des Fahrrades nicht unnötig zu erhöhen sieht eine weitere Ausführungsform
der Erfindung vor, dass die Gesamtmasse des Hilfsantriebes weniger
als 2 Kilogramm, vorzugsweise weniger als 1,5 Kilogramm, beträgt. So kann
ein die Anforderungen eines durchschnittlich trainierten Mountainbikers
entsprechender Hilfsantrieb schon mit einer Gesamtmasse von etwa
1,3 Kilogramm realisiert werden.
-
Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgendem unter
Bezugnahme auf die in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. Dabei
zeigt:
-
1 perspektivisch einen Querschnitt durch
einen in einem Fahrradrahmen angeordneten erfindungsgemäßen Hilfsantrieb,
-
2 schematisch einen Fahrradrahmen und
-
3 das Blockschema eines Ausführungsbeispieles
mit einem elektrischen Hilfsantriebes.
-
2 zeigt ganz allgemein einen
Fahrradrahmen 4 mit einem Sattelrohr 5, das in
das Innenlagerrohr 6, in dem die Antriebswelle 7 für die Tretkurbeln
angeordnet ist, mündet.
Der neuartige Hilfsantrieb 16 kann in jeden herkömmlichen
Fahrradrahmen mit geeignetem Sattelrohrdurchmesser eingebaut werden
und ist daher am Fahrrad – abgesehen vom
Ein- und Ausschalter,
der vorzugsweise am Lenker angeordnet ist, und dem zugehörigen Kabel – nicht
sichtbar. Zusammen mit den Akkus, die beispielsweise am Sattel angeordnet
sein können,
wiegt der gesamte Hilfsantrieb 16 nicht mehr als zwei Kilo. Der
Hilfsantrieb kann 16 mit wenigen Handgriffen montiert bzw.
demontiert werden. Ist der Hilfsantrieb als Nachrüstsatz ausgelegt,
erfolgt der Umbau des Fahrrades so, dass zuerst im Innenlagerrohr 6 das Standardlager
gegen eine spezielle Antriebswelle 7 samt Lager ausgetauscht
wird. Anschließend
wird der Hilfsantrieb 16 im Sattelrohr 5 angeordnet.
-
Wie
aus 1 ersichtlich, weist
der Hilfsantrieb 16 einen Montageadapter 10 auf,
mittels dessen er in das Sattelrohr 5 eingebaut wird. Der
Montageadapter 10 weist wenigstens einen Leitungskanal 11 auf,
durch den die Kabel zur Steuerelektronik bzw. zu den Akkus geführt werden.
Der Antrieb, der beim gezeigten Ausführungsbeispiel einen bürstenlosen Gleichstrommotor 1 mit
einem mit dem Motor 1 verbundenen Untersetzungsgetriebe 2 aufweist,
wirkt über
ein Kegelradgetriebe 3 direkt auf die Antriebswelle 7 für die Tretkurbeln
des Fahrrades. Das Stromversorgungskabel für den Elektromotor 1 führt, wie bereits
erwähnt,
von außen
unsichtbar durch das Sattelrohr 5 und durch den Leitungskanal 11 im
Montageadapter 10 direkt in die Steuerelektronik, die samt
Akku in einer herkömmlichen
Satteltasche eingebaut sein kann. Zwischen dem Untersetzungsgetriebe 2,
das als Planetengetriebe mit keramischen Achsen ausgebildet ist,
und dem Kegelradgetriebe 3 ist ein Freilauf ausgebildet,
der eine Freilaufwelle 8 und eine Freilaufhülse 12 umfasst.
-
In
der Regel wird der Benutzer seine Fahrt bei ausgeschaltetem Hilfsantrieb 16 starten
und diesen nach Erreichen der normalen Tretfrequenz, die bei etwa
60 bis 80 Pedalumdrehungen pro Minute liegt, durch Betätigen des
Einschalters, der beispielsweise am Lenker in Daumenposition angebracht
sein kann, einschalten. Da der Hilfsantrieb 16 direkt auf die
Antriebswelle 7 wirkt, wird der Fahrer zum Mittreten in
der über
die vorbestimmte Soll-Drehzahl festgelegte Frequenz veranlasst.
Je nach Krafteinsatz des Fahrers bringt der Hilfsantrieb automatisch
keine oder die maximal eingestellte bzw. mehr oder weniger Leistung
und verbraucht dementsprechend Strom. Der momentane Stromverbrauch
kann beispielsweise durch eine optische Anzeige abgelesen werden,
die direkt beim Schalter am Lenker angebracht sein kann. So wäre es denkbar,
den aktuellen Stromverbrauch mittels einer LED-Anzeige zu visualisieren.
Ebenso könnte
der Ladezustand des Akkus visualisiert werden.
-
In 3 ist ein Blockschema der
Steuerung dargestellt. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Drehzahlregler 13 über Leitungen
M1, M2 und M3 mit den Motorwindungen des Motors 1 verbunden. Dem
Drehzahlregler 13 kann eine Soll-Drehzahl nsoll vorgegeben
werden. Die tatsächliche
Drehzahl nist des Motors 1 kann
beispielsweise über
Hallsensoren erfasst werden und dem Drehzahlregler 13 zugeführt werden
(strichlierte Linie). Bevorzugterweise wird die Ist-Drehzahl des
Motors 1 jedoch sensorlos erfasst. Dabei wird mit Hilfe
einer Gegen-EMK-Auswerteschaltung des Motors die aktuelle Rotorlage
ausgewertet, und die Motorwindungen des Motors angesteuert. Die
Leistungszufuhr zum Motor 1 erfolgt von wenigstens einem
Akku 15 aus, wobei die Leistungszufuhr über einen Ein-Ausschalter 16 unterbrochen werden
kann. Zusätzlich
kann eine Leistungsbegrenzungseinrichtung 14 vorgesehen
sein, über
die die maximale Leistungszufuhr Amax zum
Elektromotor 1 begrenzt werden kann.
-
Der
Drehzahlregler 13 vergleicht die am Motor 1 tatsächlich auftretende
Drehzahl nist mit der Soll-Drehzahl nist und erlaubt die maximale, gegebenenfalls
durch die Leistungsbegrenzungseinrichtung begrenzte Leistungszufuhr
zum Motor 1 wenigstens solange die Ist-Drehzahl nist mindestens 5 % unterhalb des Soll-Drehzahl
nsoll liegt.
-
Wie
bereits erwähnt,
kann der Hilfsantrieb während
der Fahrt zu- und weggeschaltet werden, wobei beim Zuschalten die
Antriebskraft mittels Sanftanlauf weich einsetzt und beim Wegschalten der
Hilfsantrieb durch den eingebauten Freilauf automatisch von der
Antriebswelle getrennt wird und so ein rein muskelkraft betriebenes
Fahrradfahren ermöglicht.
-
Weiters
kann aus Sicherheitsgründen
vorgesehen sein, dass der Motor automatisch ausgeschaltet wird,
sobald sich das Fahrrad, beispielsweise in Folge eines Sturzes,
beispielsweise mehr als ca. 20° neigt.
Auch kann, um einen sicheren Sitz des Hilfsantriebes im Sattelrohr
zu gewährleisten,
am Sattelrohr 5 eine Klemmvorrichtung 9 angeordnet
sein.
-
Das
Fahrrad kann ansonsten herkömmlich ausgerüstet sein
und insbesondere eine Gangschaltung aufweisen, beispielsweise in
der an sich bekannten Art mehrerer verschieden großer Zahnräder an Tretkurbel
und/oder Hinterrad und einem Werfer, der die Lage der Antriebskette
auf ein bestimmtes dieser Zahnräder
festlegt.
-
Durch
die Erfindung wird ein Fahrradhilfsantrieb geschaffen, der die Leistung
eines gut trainierten Hobby-Mountainbikers um ca. 50% steigert,
wobei ein Akku mit etwa einem halben Kilogramm Eigengewicht beim
Bergauffahren für
ca. 1 Stunden ausreicht. Durch das geringe Gewicht des Hilfsantriebes
wird der Benutzer des Fahrrades nicht zusätzlich belastet, sodass sich
der neuartige Hilfsbetrieb insbesondere für das Bergauffahren aber auch
für das Langstreckenfahren
besonders gut eignet.