DE3826386C2 - Elektromotorischer Hilfsantrieb für Fahrräder - Google Patents

Description

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

Eine derartige Anordnung ist aus der DE 30 33 825 A1 bekannt, die einen drehzahlstellbaren elektromotorischen Antrieb für Fahrräder offenbart. Der elektromotorische Hilfsantrieb besteht aus einem batteriegespeisten Elektromotor mit Nebenschlußcharakteristik und einem nachschaltbaren Untersetzungsgetriebe. Zur Drehzahlstellung ist ein integrierter Antriebsblock vorgesehen, der einen Ankerspannungs- und Erregerstromumschalter, ein Untersetzungsgetriebe und eine Kupplung aufweist. Der Antriebsblock ist im Rahmen des Fahrrades in der Nachbarschaft des Tretlagers eingehängt und dort befestigt.

Aus DE 26 29 970 A1 ist ein elektrisch hilfsbetriebenes pedalangetriebenes Fahrzeug bekannt. Dem Pedalantrieb ist ein Elektromotor mit einer elektronischen Motorsteuerschaltung zugeschaltet. Die Steuerschaltung bewirkt ein Laufen des Motors, wenn das Antriebsglied durch den Pedalantriebsmechanismus in einer Vorwärtsantriebsrichtung gedreht wird, bewirkt allerdings ein Anhalten des Motors, wenn das Antriebsglied stillsteht oder in umgekehrter Richtung gedreht wird.

Aus FR 934 303 ist ein Hilfsmotor für ein Fahrrad bekannt, der den Pedalantrieb über einen Schneckenantrieb und ein Freilaufgetriebe unterstützend antreibt.

Aus der Veröffentlichung Wickenmann, A. und Haubner, Georg: Das Fahrrad mit Elektroantrieb in VDI-Z 117 (1975) Nr. 22, November (II), Seiten 1051-1055 werden die Eigenschaften von verschiedenartigen Steuerungen für Fahrräder mit Elektroantrieb erörtert und ihre jeweiligen Vorzüge bzw. Nachteile gegenübergestellt. Insbesondere wird auf die Fahrsteuerungen eingegangen, wobei eine stufenlose elektrische Steuerung, eine Anfahrsteuerung sowie eine 12 V- 24 V Umschaltung vorgestellt werden.

Aus GB 1 530 135 ist ein Fahrrad mit elektrischem Hilfsmotor bekannt, wobei der die elektrische Antriebskraft ebenfalls über ein speziell konstruiertes Schneckengetriebe auf den Pedalantrieb übertragen wird.

In Anbetracht der bekannten elektromotorischen Hilfsantriebe für Fahrräder besteht nach wie vor Bedarf für einen Hilfsantrieb, der die in den Batterien gespeicherte elektrische Energie so vollständig wie möglich in kinetische Energie umsetzt und bei dem die elektrischen Verluste so klein wie möglich gehalten werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen zuschaltbaren elektromotorischen Hilfsantrieb für Fahrräder zu schaffen, der bei vorgegebener Batteriekapazität einen möglichst großen Aktionsradius zuläßt und dabei einen einfachen Aufbau und eine verhältnismäßig einfache Motorsteuerung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß das vom Motor abgegebene Drehmoment, das etwa proportional zum Motorstrom 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 brindenden Tretleistung befreit ist, jedoch durch den Motorantrieb von einen 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. Dabei 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 angetrebten Geschwindigkeit aufbringen muß. Andererseits erhöht sich der durch die Batteriekapazität vorgegebene Aktionsradius erheblich. Aufgrund der Funktionsweise 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 Gangschaltung 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 zeigen:

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

Fig. 2 die Prinzipskizze des Untersetzungsgetriebes,

Fig. 3 das Schaltungsprinzip der Motorsteuerung,

Fig. 4 + 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 2 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 Abtriebswelle 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 Abtriebswelle 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 Battterie 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 (5)

1. Elektromotorischer Hilfsantrieb für Fahrräder und dergleichen, der aus einem batteriegespeisten Elektromotor mit Nebenschlußcharakteristik und nachgeschaltetem Untersetzungsgetriebe besteht und der dem normalen Pedalantrieb zuschaltbar ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Untersetzungsgetriebe einen Schneckenantrieb (5, 6) besitzt, der eine mehrgängige, nicht selbsthemmende Schnecke (5) großer Steigung mit einem Schneckenrad (6) relativ geringen Durchmessers aufweist, und
daß die vom Elektromotor (1) abgegebene Leistung durch eine Strombegrenzungsschaltung steuerbar ist, mittels welcher die Stromstärke des der Batterie entnommenen Stromes meßbar und der Strom über ein mit der Strombegrenzungsschaltung zusammenwirkendes Leistungsschaltglied (23) intervallartig ein- und ausschaltbar ist,
wobei mittels der Stromgbegrenzungsschaltung die Größe des der Batterie entnommenen Stromes durch einen Operationsverstärker (21) erfaßbar ist, dem ein Zeitschaltglied mit vorzugsweise feststehender, vorgegebener Zeitkonstante zugeordnet ist und
wobei 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.

2. Hilfsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsschaltglied (23) als Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildet ist.

3. Hilfsantrieb nach Anspruch 1 oder 2, mit einem zweistufigen Untersetzungsgetriebe, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersetzungsgetriebe (2) zweistufig ist und einen Wirkungsgrad von etwa = 0,7 aufweist und daß als erste Getriebestufe der Schneckenantrieb (5, 6) und als zweite Getriebestufe ein Stirnradgetriebe (8, 9) vorgesehen sind.

4. Hilfsantrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3, 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.

5. Hilfsantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe über mindestens eine Freilaufkupplung direkt die Pedalwelle beaufschlagt.