DE3826386A1 - Elektromotorischer hilfsantrieb fuer fahrraeder - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung entsprechend dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Fahrräder mit elektromotorischen Hilfsantrieben auszustatten ist an sich bekannt, jedoch besteht bei Anordnungen dieser Art immer der Problem, daß sich die Kapazität einer Batterie mitführbarer Größe relativ schnell erschöpft.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen zu­ schaltbaren Motorantrieb zu schaffen, der bei vorgegebener Batterie­ kapazität einen größeren Aktionsradius zuläßt, der einen einfachen Aufbau besitzt und der mittels einer relativ unaufwendigen Schaltung steuerbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs und der Unteransprüche näher bezeichnenden Maß­ nahmen.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß das vom Motor abgegebene Drehmoment, das etwas proportional zum Motorenstrom ist, auf einen vorbestimmten Höchstbetrag festgelegt ist. Das Drehmoment ist so abgestimmt, daß in der Regel der Benutzer des Fahrrades nicht völlig von der durch ihn selbst auf die Pedale aufzu­ bringenden Tretleistung befreit ist, jedoch durch den Motorantrieb von einem großen Teil dieses eigenen Kraftaufwandes entlastet wird. Dies erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß eine Begrenzungsschaltung für den Motorstrom vorgesehen ist, die auch das maximale Drehmoment des Motors vorgibt. In vorteilhafter Weise ist der Motor als Gleich­ strom-Nebenschlußmotor ausgebildet, dessen Drehzahl bei Drehmoment­ erhöhung nur geringfügig abfällt. Wird bei einem Motor dieser Art keine Strombegrenzung vorgesehen, fällt zwar die Motordrehzahl und damit die Fahrgeschwindigkeit bei reinem Motorbetrieb des Fahrrades durch zu­ nehmende Belastung kaum ab, jedoch steigt der Motorstrom zunehmend an, so daß die Batterie bald erschöpft ist. Die erfindungsgemäß vor­ geschaltete Motorstrombegrenzung verhindert diesen Effekt jedoch und läßt nur ein in einem relativ weiten Bereich etwa konstantes Drehmoment zu. Dadurch aber wird eine beträchtliche Tretkraftunterstützung gegeben, durch die der Fahrradbenutzer in vielen Situationen (Gegenwind, Bergauf­ fahren, Mitführen von Lasten) erheblich weniger eigene Tretkraft bei der von ihm angetriebenen Geschwindigkeit aufbringen muß. Andererseits erhöht sich der durch die Batteriekapazität vorgegebene Aktionsradius erheblich. Aufgrund der Funktionweise der Motorsteuerschaltung ist es also nicht möglich, die Drehzahl des Elektromotors auf einen Sollwert einzustellen, vielmehr stellt die Drehzahl sich so ein, daß der Fahrwiderstand durch Zusammenwirken von Motor- und Muskelkraft gerade überwunden wird. Zusätzlich dient eine handelsübliche Gegenschaltung dazu, die Pedal- und die Motor­ drehzahl bei Veränderung der Fahrgeschwindigkeit im optimalen Bereich zu belassen. Zur Vermeidung der Schutzhelmpflicht ist die Übersetzung so gewählt, daß oberhalb der zulässigen Höchst­ geschwindigkeit von 20 km/h der Motor kein Drehmoment mehr ab­ gibt. Vorzugsweise ist eine Batteriespannung von 24 V vor­ gesehen, wobei eine Strombegrenzung auf etwa 6 A erfolgt. Ein weiterer Vorteil der Strombegrenzung liegt darin, daß der Motor vor Überhitzung durch Blockierung geschützt ist und daß die im Getriebe wirksamen Kräfte erheblich reduziert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Prinzipskizze des Elektromotors mit angeflanschtem Ge­ triebe,

Fig. 2 die Prinzipskizze des Untersetzungsgetriebes,

Fig. 3 das Schaltungsprinzip der Motorsteuerung,

Fig. 4 und 5 Diagramme des Motorstromverlaufes und

Fig. 6 die Gesamtansicht des Fahrrades.

Gemäß der Fig. 1 treibt der Nebenschlußcharakteristik aufweisende Elektromotor 1, der beispielsweise als dauermagneterregter Kollektor­ motor ausgebildet sein kann, das Getriebe 1 an, dessen Abtriebswelle 3 mit einer Freilaufanordnung verbunden ist.

Gemäß Fig. 2 ist die Ausgestaltung des Getriebes 2 näher dargestellt. Die Läuferwelle 4 des Elektromotors 1 ist an ihrem in das Getriebe ragenden Ende als mehrgängige Schnecke 5 hoher Steigung ausgebildet, in die das Schneckenrad 6 eingreift. Diese Ausbildung läßt es zu, daß im Sonderfall (Rücklauf) die Schnecke 5 vom Schneckenrad 6 her antreibbar ist. Auf der Welle 7 des Schneckenrades 6 befindet sich das Stirnrad 8, welches zusammen mit dem Stirnrad 9 die zweite Ge­ triebestufe bildet. Das Stirnrad 9 sitzt auf der Antriebswelle 3 des Getriebes, welche aus dem Getriebegehäuse herausgeführt ist.

Das Getriebegehäuse ist vorzugsweise mit einem Dauerschmiermittel gefüllt. Das Getriebe besitzt einen Gesamtwirkungs­ grad von etwa 0,7.

Auf der Antriebswelle 3 befindet sich eine Freilaufkupplung 10 mit dem Kettenrad 11, welches - beispielsweise über eine Zwischenkette - mit der Pedalwelle verbunden ist. Die Freilaufkupplung 10 erlaubt es, die Motordrehzahl mittels der Pedaldrehzahl zu überholen, ohne daß Motor und Getriebe mitgedreht werden müssen. Eine weitere Freilaufkupplung ist ggf. innerhalb der - nicht dargestellten - Pedalwelle erforderlich, um bei Antrieb des Fahrrades ausschließlich durch den Motor das Mitlaufen der Pedale zu verhindern.

Der sonstige Aufbau des Fahrrades entspricht einem solchen normal üblicher Ausführung, wobei vorzugsweise eine Mehrgangschaltung (Naben­ schaltung) vorgesehen werden sollte. Die Batterien und die Steuer­ glieder sind vorzugsweise in fest oder entfernbar angeordneten gepäck­ taschenartigen Behältern seitlich des Hinterrades mit möglichst tief­ liegendem Schwerpunkt angeordnet.

Die Steuerung des Motors kann beispielsweise nach dem aus der Fig. 3 ersichtlichem Prinzip erfolgen. Danach wird die Stärke des der Batterie 22 entnommenen Stromes am Meßwiderstand 20 abgegriffen und dem Operations­ verstärker 21, dem ein R-C-Glied zugeordnet ist, zugeführt. Je nachdem, wie groß der vom Elektromotor 1 aufgenommene Strom ist, wird durch den Operationsverstärker 21 über eine Invertierschaltung 24 das Schalt­ glied 23 geöffnet oder geschlossen, so daß sich eine belastungsabhängige Intervall­ schaltung für den Motorstrom ergibt. Dabei ist die Schaltung derart ausgelegt, daß die Zeitdauer des Ausschaltintervalls immer konstant bleibt und sich lediglich die Einschaltdauer des Motors belastungs­ abhängig ändert. Entsprechende Diagramme gemäß den Fig. 4 und 5 lassen diese Wirkungsweise erkennen. Dabei zeigt Fig. 4 das Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer bei einer hohen Motordrehzahl mit Ausschaltintervallen jeweils konstanter Zeitdauer. Ein Diagramm gemäß Fig. 5 ergibt sich bei einer niedrigen Motordrehzahl.

Das Schaltglied 23 ist vorzugsweise als Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildet und zusammen mit anderen elektronischen Bauteilen auf einer Platine angeordnet, die in einem die Batterie aufnehmenden Kastengehäuse untergebracht ist. Dieses aus Festigkeitsgründen vorzugsweise aus Metall gefertigte Gehäuse kann als Kühlfläche für die Elektronikbau­ teile ausgebildet sein, die dann in direktem Wärmekontakt zu mindestens einem Teil der Gehäusefläche angeordnet sind und ihre Verlustwärme hauptsächlich über Wärmeleitung an die Gehäusefläche abgeben.

Gemäß der Fig. 6 ist die Anordnung des Hilfsantriebs an einem Fahrrad üblicher Bauart dargestellt. Der Elektromotor 1 und das Getriebe 2 sind zusammengeflanscht und am Fahrradrahmen 30 befestigt, indem beide Teile bezüglich des Fahrradschwer­ punktes möglichst tiefliegend angeordnet sind. Deshalb ist das Getriebe 2 so eingebaut, daß seine Abtriebswelle 3 mit der darauf befestigten Freilaufkupplung 10 oberhalb des Motors angeordnet ist. Das Kettenrad 11 ist über die Zwischenkette 31 mit dem Pedalantrieb verbunden, in welchem eine weitere Freilaufkupplung eingebaut ist. Die Batteriekästen 32 sind beidseitig des Hinterrades tiefliegend angeordnet und je mit einem Deckel 33 versehen, in denen die Steuerelektronik und ein Ladegerät untergebracht sind. Die geringen Abmessungen des Elektromotors, dessen Abgabeleistung etwa 100 W betragen kann, und des Getriebes behindern die normale Pedalbetätigung in keiner Weise.

Claims (6)

1. Elektromotorischer Hilfsantrieb für Fahrräder und dergleichen, der aus einem batteriegespeisten Elektromotor mit nachgeschaltetem Unter­ setzungsgetriebe besteht und dem normalen Pedalantrieb zuschaltbar ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (1) neben­ schlußcharakteristik besitzt, daß der Elektromotor (1) über eine Strombegrenzungsschaltung steuerbar ist und daß das Untersetzungsge­ triebe (2) zweistufig mit mindestens einem mehrgängigen Schnecken­ trieb großer Steigung (5, 6) ausgebildet ist und über mindestens eine Freilaufkupplung (10) direkt die Pedalwelle beaufschlagt.

2. Hilfsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Freilaufkupplung (10) an der Getriebeabtriebswelle (3) angeordnet ist, um die Mitdrehung von Motor und Getriebe bei Pedalantrieb zu verhindern und daß eine weitere Freilaufkupplung vorgesehen ist, um die Mitdrehung der Pedale bei Motorbetrieb zu verhindern.

3. Hilfsantrieb nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersetzungsgetriebe einen Wirkungsgrad etwa =0,7 aufweist und als erste Getriebestufe einen Schneckentrieb (5, 6) besitzt, der eine mehrgängige, nicht selbsthemmende Schnecke (5) großer Steigung mit einem zugeordneten Schneckenrad (6) relativ geringen Durchmessers aufweist, daß als zweite Getriebestufe ein Stirnradgetriebe (8, 9) vorge­ sehen ist.

4. Hilfsantrieb nach Anspruch 1 und einen der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Elektromotor (1) abgegebene Leistung durch eine Strombegrenzungsschaltung steuerbar ist, mittels welcher die Stromstärke des der Batterie entnommenen Stromes meßbar und über ein der Meßanordnung nachgeschaltetes Leistungsschaltglied (23) intervall­ artig ein- und ausschaltbar ist.

5. Hilfsantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungs­ schaltglied (23) als Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildet ist.

6. Hilfsantrieb nach Anspruch 4 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des der Batterie entnommenen Stromes durch einen Operations­ verstärker (21) erfaßbar ist, dem ein Zeitschaltglied mit vorzugsweise feststehender, vorgegebener Zeitkonstante zugeordnet ist und daß bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes des Batteriestromes während des durch das Zeitschaltglied vorgegebenen Zeitraumes die Stromzufuhr zum Elektromotor (1) durch das Leistungsschaltglied (23) abschaltbar ist.