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Zwei- oder mehrrädriges Fahrzeug mit kettenlosem Antrieb Das zweirädrige
Fahrrad mit einer Nutzlast von etwa 75 kg (Mensch) und einem durchschnittlichen
Dauerleistungsvermögen des antreibenden Menschen von etwa 50 Watt hat mit der Kennzahl
1500 kg/kW ein allen anderen Arten von Fahrzeugen weit überlegenes Nutzldstzu- Leistungsverhäitnis0
Am Berg und bei widrigem Gegenwind oder bei mangelnder körperlicher Kondition des
Radfahrers reicht das begrenzte menschliche Leistungsvermögen oft nicht aus. Hier
wäre ein batteriegespeister, elektromotorischer Hilfsantrieb von Vorteil. Lösungsvorschläge
hierfür finden sich in den Deutschen Patentanmeldungen P 30 03 026.3, P 30 24 398.2
und P 30 33 825.1 vom gleichen Erfinder.
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Sie betreffen das Nachrüsten vorhandener, handelsüblicher Fahrräder
mit einem elektromotorischen Hilfsantrieb. Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein von vornherein für alternativen elektri.
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schen Antrieb konzipiertes zwei- oder mehrrädriges Fahrzeug zu schaffen,
wobei ein hoher Gesamtwirkungsgrad, niederes Batterie gewicht, Nutzung der Bordbatterie
für Beleuchtung und Signalgebung, Langlebigkeit und kostengünstige Fertigung durch
Übergang auf moderne Werkstoffe und Hersteliverfahren mit geringem Personalkostenaufwand
wesentliche Kriterien sind. Komponenten der erfinderischen Lösung sollen zudem für
eine Drei- oder Vierradversion mit allwetterfester Verkleidung verwendbar sein,
um damit einen Einsatz derartiger energie- und kostensparender Fahrzeuge auch bei
widrigen Witterungsverhältnissen (Winter) z-ermöglichen, Diese Alternative ist für
die zunehmende Zahl von Familien wichtig, die sich wegen steigender Kraftstoffkosten
keinen benzinbetriebenen Zweitwagen mehr leisten können.
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Praktische Versuche zeigten, daß bei elektromotorischen Hilfsantrieben
für Fahrräder die auskuppelbare Kraftübertragung vom Elektromotor zum Fahrrad mittels
Reibrad, Keilriemen oder zweite Kette Übertragungsverluste zwischen 30 und 100 Watt
verursachen. Das ist zuviel und hat zu hohe Batteriegewichte und schließlich erhöhte
Rollreibung und vermindertetes Bergsteigungsvermögen zur Folge.
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Motor, Getriebe,Kupplung und Batterie sollten zudem mit niedrigem
Schwerpunkt dicht beieinander im Fahrrad angeordnet sein. Hierzu bietet sich der
Raum zwischen den Pedalen an. Die erfinderische Lösung besteht nunmehr darin, daß
rund um die Welle des Pedaltretlagers Freilauf, mehrstufiges Planetengetriebe sowie
ggf. ein scheibenförmiger Elektromotor als kuppel barer Hilfsantrieb angeordnet
sind, wobei der Abtrieb durch ein außenverzahntes Rad erfolgt, das unmittelbar in
Zahnkränze der Hinterradfelge eingreift. Felge, Speichen und Nabe bestehen entweder
aus Leichtmetall-Druckguß oder formgepreßten, glasfaserarmierten Kunststoff (Literatur
z.Bsp.
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Messeprospekte Hannover 1981, u.a. der Flachglas AG, Bereich Kunststoffe).
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Zwecks Verringerung der Rollreibung zur Fahrbahn fordern Experten
zunehmend für Fahrräder Hochdruckbereifung mit schmaler Lauffläche.
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Dann kann man gleich auf Vollgummi-Luftkammerreifen ohne zusätzliche
Einbuße an Fahrkomfort übergehen. Damit ist die Gefahr einer Beschädigung des Felgenzahnkranzes
bei einem Fahradschlauch-Defekt ausgeschlossen.Der durch solche Bereifung gegenüber
bisher verminderte Fahrkomfort wird durch schwingende Hinterradaufhängung mit Drehpunkt
der Radgabel um die Tretlagerachse und Zwischenlage won elastischen und stoßdämpfenden
Elementen kompensiert. Die Vorderradgabel ist ähnlich schwingungsgedämpft an der
Lenkerachse aufgehängt.
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Gegenwärtige Rohrrahmenkonstruktionen sind bei Nutzung des Raumes
zwischen den Pedalen zur Aufnahme der Kraftübertragungsmittel und ggf. des Energiespeichers
(Batterie) wenig geeignet. Besser ist hier ein aus Halbschalen bestehender Rahmen
(wegen Batteriesäuredämpfen und Elektroinstallation vorteilhafterweise als zweischaliger
Kunststoffpreßrahmen), der zugleich Gepäckträger, Hinterradverkleidung, Sattelrohr-
und Lenkerachsenhalterung bildet. Auch für den Lenker ist eine zweischalige Kunststoffbauweise
von Vorteil. In ihr sind
Beleuchtung,Richtungsblinker, Warnsignal
geber, Brems- und Gangwahlschalter, Schlüsselschalter, Batteriespannungs- und Laststromanzeige
weitgehend integriert. Damit ergibt sich ein fast gänzlich aus Kunststoff aufgebautes
Fahrzeug mit weniger Einzelteilen, niederen Lohnkosten und geringerer Korrossionsanfälligkeit
und somit längerer Lebensdauer als bei heutigen Blech-Fahrrädern.
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Die Kombination von Freilauf, Mehrgangschaltung, kuppel barer Elektro-Hilfsmotorind
Zahnrad-Kraftübertragung auf die Hinterradfelqe, koaxial zur Tretlagerachse, erfordert
technisch ungewohnte Lösungen. Erfindungsgemäß findet ein über axiale Luftspalte
dauermagneterregter Scheibenläufer-Gleichstrommotor Anwendung. Eine vom Lenkerschalter
ausgelöstc Erregung cincr ko.lxidlen Ringspule führt zum Kuppeln des Motors und
seines Untersetzungsgetriebes mit dem Sonnen rad des für Motor- und Pedal betrieb
gemeinsamen Sonnenrades des Mehrgang-Planetengetriebes, sowie zum Einschalten des
Motorstromes. Der Pedalbetrieb in Gegenrichtung zum Freilauf führt nach Übersetzung
ins Schnelle zur Übertragung des menschlichen Arbeitsvermögens auf das gemeinsame
Sonnenrad. Die Kraftübertragung im ersten und zweiten Gang an das auf die Zahnkranzfelge
wirkende Getriebe-Außenrad erfolgt über den gemeinsamen Steg der Planetenräder.
Im dritten Gang wird der Steg direkt mit dem Sonnen rad gekuppelt. Damit kann die
Radgeschwindigkeit in drei Stufen von z.Bsp. 5, 10 und 25 km/h variiert und z.Bsp.
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im ersten Gang eine Steigung bis etwa 15 % aufsitzend bewältigt werden.
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Das Schalten der Gänge erfolgt per Bowdenzug und im I. und II.Gang
am Hohl rad eingreifende Bremsen. Alternativ kann das in P 30 24 398.2 bereits beschriebene
elektromagnetische, motorstromabhängige Schalten der einzelnen Gänge angewendet
werden (= Automatikgetriebe als Komfortlösung). Das große Raumangebot von etwa 15
cm Durchmesser und 7 cm Breite erlaubt im Gegensatz zu heutigen Hinterrad-Dreiganggetriebenaben
den Einsatz kostengünstiger, geräusch- und verschleißarmer Kunststoffzahnräder für
die gesamte Getriebe- und Kupplungsanordnung.
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Zusätzlich zu den bekannten mechanischen Fahrradbremsen dient der
Elektromotor als Bremse. Bei Betätigung des Bremshebels am Lenker wird der normal
mit z.Bsp. 24 V betriebene Elektrohilfsmotor zunächst auf die 12 V-Bordbatterie
umgeschaltet. Er arbeitet, bis die Hälfte der ursprünglichen Fahrgeschwindigkeit
erreicht ist und somit unter
Verwertung von 75% der kinetischen
Energie W = 0,5 m.v2 als Nutzstrombremse und ladet die Batterie nach. Beim weiteren
Durchdrücken des Bremshebels wird der Motorstromkreis unterbrochen,und die mechanischen
Bremsen kommen in Eingriff.
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Erfindungsgemäß kann vorstehend beschriebener Antriebsblock unter
Weglassung der Pedale auch als Hinterrad-Einzelantrieb eines mit Allwetterverkleidung
versehenen Elektrodreirades dienen. Die notwendige höhere Motorleistung wird durch
Hinzufügen eines zweiten axialen Dauermagnetsystems und damit magnetische Flußverdopplung
bei gleichzeitiger Verdopplung der Batteriespannung unter Nutzung des durch Wegfall
des Pedal getriebes freigewordenen Raumes ermöglicht.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vortcile gegenüber dem heutigen
Stand der 7wei- und Dreir<ldteehnik tragen im Hinblick auf weiter steigende Energiekosten
wachsenden volkswirtschaftlichen Erfordernissen Rechnung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anliegend in Zeichnungen dargestellt
und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen Fig.l: Seitenansicht eines erfindungsgemäß
gestalteten Zweirades Fig.2: dessen Rückansicht Fig.3: Aufsicht von oben mit Details
am Lenker Fig.4: Prinzip der Nutzbremsschaltung Fig.5: Schnitt durch Motor- und
Getriebeanordnung Fig.6: Seitenansicht eines erfindungsgemäß motorisierten Allwetter-Dreirades
Fig.7: dessen Aufsicht In Fig.l ist mit 1 das aus dem Motor-Getrieberaum nach hinten
heraustretende Zahnrad und mit 2 das mit ihm in Eingriff stehende Felgenzahnrad
bezeichnet. 3 kennzeichnet den in Fig.5 näher beschriebenen Getriebe- und Motorraum
und 4 den aus zwei Halbschalen gepreßten Fahrradrahmen. Gleichermaßen ist der Lenker
5 in Formpreßteil-Kunststofftechnik ausgeführt. Die Radgabeln sind mit elastischen,
stoßdämpfenden Elementen 6, 7 mit dem Rahmen bzw. Lenker verbunden.
Die
Vorderradgabel 8 ist bei 9 drehbar in der Lenkerachse 10 gelagert.
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Der Drehpunkt 11 der Hinterradgabel 1 ist identisch mit dem Mittelpunkt
des Tretlagers der Pedale 13. Dieserart schwingungsdämpfende Radaufhängung erlaubt
den Einsatz von Hohlkammer-Vollgummireifen 14 und 15 und von Druckguß- oder aus
Kunststoff formgepreßten Felgen und Speichen. Aus den zwei Halbschalen des Rahmens
4 wird neben Sattelrohr- und Lenkerhalterung auch der Gepäckträger 16 und die Hinterradverkleidung
17 gebildet, so daß kein Risiko zur Speichenberührung für eingehängte Gepäckträgertaschen
18 oder flatternde Damenröcke besteht. Am Ende des Gepäckträgers befinden sich,
in Fig.2 mit 20 und 21 bezeichnet, die hinteren Fahrtrichtungsblinker und mittig
das Rücklicht 22 in besser sichtbarer Höhe als bei gegenwärtigen Fahrrädern. Vor
dem Getriebe- und Motorblock ist der Raum 23 zur Unterbrinqung von z.Ssp. 2X 12
Volt-Batterien, an den sich seitlich zwei Schmutzfängerblenden 24 und 25 anschließen.
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Aus Fig.3 sind Einzelheiten des Lenkers 5 ersichtlich. Die seitlichen
Enden der Lenkergriffe aus stoßfestem, transparenten Kunststoff dienen zugleich
als von Innen beleuchtete Fahrtrichtungsblinker 26 und 27. Sie werden durch den
Blinkerschalter 28 betätigt. Mit dem Druckschalter 29 wird der Elektromotor ein-
und ausgeschaltet, mit Hebel 30 der gewünschte Getriebegang gewählt, mit dem Schlüsselschalter
31 der gesamte Batteriestromkreis geschaltet und bei abgezogenem Schlüssel das Lenkrad
als Diebstahlschutz blockiert. Oberhalb der Vorderradleuchte 32 befindet sich die
Batteriespannungs-und Motorlaststromanzeige 33. Mit 34 wird Vorder- und Rücklicht
geschaltet und mit 35 eine Warnhupe betätigt. 36 ist der Bremshebel, dessen Besonderheiten
Fig.4 erläutert. Der Motor 37 wird über den Schalter 29 mit Hilfe der Kupplungs-Erregerspule
38 durch den kupplungsbetätigten Schalter 39 eingeschaltet.Er erhält in Nullstellung
des Bremshebels die volle Batteriespannung von z.Bsp. 24 Volt. Wird der Bremshebel
in Stellung I gebracht, liegen nur noch 12 Volt über den Motorklemmen. Der Motor
speist als generatorische Bremse in die 12 Volt-Batterie zurück, bis 75 X der ursprünglichen
kinetischen Energie abgearbeitet sind. In dieser Bremshebelstellung kann motorisch
mit etwa halber Geschwindigkeit weitergefahren werden, wodurch sich bei z.Bsp. drei
Getriebeqängen eine Verdopplunq der einstellbaren Geschwindigkeitsstufen ergibt.
Erst in Stellung II des Bremshebels
bewirkt der Bowdenzug 40, daß
die mechanischen Bremsen bei abgeschaltetem Motor eingreifen. Ein gleichzeitiges
Bremsen und Antreiben ist somit nicht möglich. Auf vorstehende Art wird ein erheblicher
Teil von Brems- und Gefälleenergle nicht wie gegenwärtig in Rücktritt- und anderen
mechanischen Bremsen in Wärme und Verschleiß umgesetzt, sondern der Batterie als
ruckgewonnene Energie zugeführt.
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Die nachgeladene Batterie 41 ist, da sie zusätzlich Beleuchtung, Blinker
und Kupplungsspule mit Energie versorgt, etwas mehr als ihre Schwesterbatterle 42
gefordert.
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In Fig.5 sind 43 und 44 die beiden Pedale für Fußantrieb, die starr
auf der Achse 44 befestigt sind. Sie läuft mit etwa 60/min um.Der Freilauf 45 überträgt
nur bei Treten im Uhrzeigersinn die Pedalkraft auf das Zahnradpaar 46 und 47. Starr
mit 47 verbunden arbeitet dds La1nrad 48 duf dds Hit-rel des Sonrlellrddes 49. Der
linke Teil des Motor-und Getriebegehäuses 50 muß aus ferromagnetischen Material
bestehen, da es gleichzeitig das Joch des vornehmlich zweipoligen Dauermagnetsystems
51 bildet. Der axial austretende magnetische Fluß tritt in einen Eisenbandwickelkern
52 als Motoranker über. Dieser ist mit einer Ringwicklung 53 versehen, die zugleich
den Kommutator bildet, dem durch die Bürstenhalteranordnung 54 in den Pollücken
der Strom zugeführt wird. Dies geschieht aber erst nach Erregung der Kupplungsspule
55. Hierbei verringert sich der Luftspalt 56 gegen null. Der Motorankerträgerring
57 wird mit dem Untersetzungsgetriebe 58, 59 und 60 gekuppelt und gleichzeitig Kraftschluß
über die Kupplung 61 mit dem gemeinsamen Getriebesonnenrad 49 hergestellt, indessen
der Kippschalter 62 den Strom von der Batterie zu den Kohlebürsten und somit zum
Anker durchschaltet.
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63 ist das Planetenrad und 64 das Hohlrad des I.Ganges mit etwa i=5
ins Langsame. 65 ist das im Durchmesser erheblich größere Sonnenrad des II.Ganges,
dem Planetenrad 66 und Hohlrad 67 zuqeordnet sind. Hier ist etwa 1 2,5 . Für das
Schalten des III.Ganges dient die Kupplung 68. Die Kraftübertragung auf das Außenzahnrad
und schließlich den Felgenzahnkranz erfolgt über das gemeinsame Stegsystem 69. Das
Schalten der einzelnen Gänge erfolgt über den Stellhebel 70 durch Betätigung des
Bowdenzuges 71 am Lenker-Gangschalter.
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Im I. und II.Gang werden durch Bandbremsen die zugehörigen Hohiräder
festgehalten
und im III.Gang seitlich die Kupplung zum Eingriff gebracht.
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Figur 6 zeigt ein elektromotorisch betriebenes Allwetterdreirad mit
Klarsicht-Kunststoffkarosserie, bei dem ein der Figur 5 entsprechender Antrieb 73
das lenkbare Hinterrad 74 über den Felgenzahnkranz antreibt. 75 ist der Batterieraum
und 76 Stauraum für Gepäck. Figur 7 zeigt als Aufsicht die beiden frei laufenden
Vorderräder 77 und 78 mit dazwischen angeordnetem Sitz 79 und das weit schwenkbare
und damit einen kleinen Wendekreis ermöglichende angetriebene Hinterrad 74. Lenken
und Schalten erfolgt durch Stellhebel bei 80 und 81 an der oberen Auflage und Armstütze
der Vorderradverblendungen.
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