DE3826386C2 - Elektromotorischer Hilfsantrieb für Fahrräder - Google Patents
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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.
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.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8125 | Change of the main classification |
Ipc: B60K 1/00 |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: FHP MOTORS GMBH, 26133 OLDENBURG, DE |
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8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |