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DE9318528U1 - Nachrüstbarer E-Motor Hilfs-Antrieb für Fahrräder

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Publication date: 1994-08-11
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Description

Nachrüstbarer E-Motor-Hilfs-Antrieb für Fahrräder

Beschreibung:

Einleitung:

Man fährt nicht schnell, man fährt spazieren und ist doch rasch am Ziel: Der Satz beschreibt in knappster Form, wann immer in uns der Entschluß reift, von Auto, Tram oder Bus aufs Fahrrad umzusteigen. Der spontane Wunsch, sich aufs Rad zu schwingen, um einzukaufen, einen Behörden-Termin zu erledigen oder in der Morgensonne ins Büro zu radeln, ist niemand fremd und praktisch jederzeit in die Tat umsetzbar. Denn mit rund 65 Millionen Fahrrädern verfügt statistisch gesehen derzeit fast jeder Bürger über so ein Fahrgerät.

Daß dennoch selbst bei herrlichstem Sonnenschein der Griff zum Rad im Alltags-Nahverkehr heute immer noch eher die Ausnahme als Regel ist und das als Sport- und Freizeitspaß hochgeschätzte Gefährt im städtischen Nahverkehr kaum eine Rolle spielt, hat vor allem einen Grund:

Zumindest in den größeren Gemeinden liegen heute die Fahrtstrecken zu Alltagszielen wie Büro, Behördenstelle, Kaufhaus-Zentrum oder Post just in jenem Entfernungsbereich von zwei bis sechs Kilometern, wo Fahrrad-Fahren von Lust in Unlust umzuschlagen pflegt. Denn:
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Bis etwa zwei Kilometer Fahrfhit Ratif atrren · «stents , einen erfrischend, belebenden Effekt, der sich bei Distanzen bis zu vier Kilometern freilich verliert und dann zu physischer Anstrengung wird, wenn die Fahrt noch weitergeht. Generell gilt dann: Ohne Schweiß kein Preis und für den, der nicht mit Sportsgeist gesegnet ist, läuft hier fast gar nichts mehr.

Kein Wunder, daß die Zweirad-Branche schon immer versucht hat, durch Entwicklung von Hilfsantrieben die individuell noch als angenehm erlebte Radel-Zone zu erweitern. So gibt es Räder mit Benzin-Motoren bereits seit Jahrzehnten , doch blieb ihnen mit Ausnahme des französischen Velo-Solex der große Erfolg versagt. Knatternde Motoren, zu hohes Gewicht und Abgase machten sie unattraktiv für ein am Genuß lautlosen Rollens interessiertes Publikum.
Erst seit in jüngster Zeit innovativ orientierte Unternehmen der Fahrrad-Branche - ermuntert durch Fort- schritte in der Strom-Speicher-Technik und durch das in der Bevölkerung gestiegene Umweltbewußtsein - nach kreativen Lösungen suchten und den Bau von Elektro-Rädern in Angriff nahmen, kommt wieder Schwung in die alte Mofa-Idee. Erstmals ist mit dem Elektro-Rad ein Gefährt in Sicht, das in fast idealer Weise die Vorteile des Rades (lärm- und abgasfrei) mit den Vorteilen des Motorrades (ermü-

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dungsfrei) zur Deckung bringen·"kann·/ '-Bas «* u«id darauf allein konunt es an - den Fahrtbereich des Rades ohne physischen Kraftakt zu verdoppeln oder gar zu verdreifachen vermag. Was in der Praxis heißt:

Jeder Zielort, der in einem Umkreis von etwa zwei bis sechs Kilometern um das eigene Heim liegt, ist (halbwegs gutes Wetter vorausgesetzt) mit Hilfe von Elo-Rädern ermüdungs-,lärm- und abgasfrei in Zeiträumen zu erreichen,die denen des öffentlichen Nahverkehrs gleichen, meist aber deutlich kürzer sind. Da regenfreie Tage mit Temperaturen über 10 Grad in unseren Breiten keine Seltenheit und nur wenige Gemeinden Europas so hügelig wie San Francisco sind, steht mit dem Elo-Rad mithin erstmals ein echtes privates Alternativ-Fahrzeug für den städtischen Nahverkehr vor der Tür. Das - in breitem Umfang genutzt - die tägliche Lärm - Stau- und Abgaskatastrophe in unseren Städten deutlich zu mindern vermag. Und: Noch besser wird die Umweltbilanz, wenn - was technisch ohne weiteres machbar ist- der Strom fürs Elo-Rad aus Solarzellen auf dem Hausdach stammt. Freilich: Noch gibt es Hürden für eine breite Akzeptanz.
Defizite heutiger Elo-Rad-Modelle

Trotz erfreulicher Zukunfts-Perspektive sind EIo-Räder derzeit noch weit davon entfernt, die Akzep-

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tanz breiter Bevölkerungskreise **zu ^e'Tl:*irid*en.»^#*Di«es nicht nur deshalb, weil für Elo-Räder in der Öffentlichkeit kaum oder garnicht geworben wird, oder sie versicherungspflichtig sind. Wichtiger scheint, daß die bisher angebotenen Elo-Räder mit Preisen zwischen 2000 und 3000 Mark nicht gerade billig sind und in der Praxis noch nicht ganz jenen Fahrkomfort erreichen, den der Radler gewohnt ist und liebt.

&ogr; So sind die Gepäckflächen von Elo-Rädern oft zu klein. Akku oder gar der ganze Antriebsblock sitzen darauf.

&ogr; manch Modell ist nur für einen Akku-Typ ausgelegt. Was den Einsatz anderer und oft preiswerterer Batterien unmöglich macht.

&ogr; Meist konstruktionsbedingt geben Getriebe oder Motor

summende Geräusche ab. Für Radler-Puristen ein Sakrileg.

&ogr; Fast alle "Elo-Räder" sind ; als "Rad-Maschine-Einheit" konzipiert. Der Wunsch, "elektrisch" zu radeln, kommt also stets dem Kauf eines neuen Rades gleich. Was nicht jedem gefällt, der sein gewohntes Rad schätzt oder sich aus Geldmangel keine zwei halten will. Und:

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&ogr; ästhetisch geben manche Mode &Pgr; e TSoch *zu »wenig· her. Dem Design fehlt flotte Leichtigkeit - es mangelt an optischem Schwung.
Vorzüge des vorgeschlagenen Elo-Antriebs

Die obigen Überlegungen bildeten die Vorgabe beim Entwurf des eingereichten Vorschlags zum Bau eines "elektrischen Zusatzantriebes für Fahrräder". Es wurde erfindungsgemäß ein Entwurf angestrebt, der folgende Kriterien ganz oder teilweise erfüllt:

1. Der Antrieb hat nachrüstbar zu sein. Seine vormontierten Einzel-Komponenten müssen von technisch versierten Bürgern oder Werkstatt Technikern mit vertretbarem Zeitaufwand am Fahrrad anzubringen sein.

2. Die Komponenten müssen sich - zumindest in einfacher Version -für deutlich weniger als 1000 Mark fertigen lassen. Auch in Kleinserie .

3. Der Hilfsantrieb darf in ausgeschaltetem Zustand die Nutzung des Rades nicht spürbar behindern.

4. Die Akku-Einheit als schwerster Teil des Antriebs sollte jederzeit mit wenigen Handgriffen vom Rad trennbar sein.

5. Als Antrieb ist vorzugsweise ein &Egr;-Motor zu wählen, der sein Leistungsmaximum (etwa 100 Watt) bei einer Fahrgeschwindigkeit von etwa 15 bis 17 km/h auf ebener, glatter Fahrbahn entfaltet und in

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diesem Geschwindigkeitsbereich *bhne Tr^th!i?lf e «riurch den Fahrer auskommt.

6. Bei schnellerer Fahrt mit leichter Trethilfe um die 20 km/h herum sollte der Motor elektrisch auf einen erhöhten Drehzahlbereich umschaltbar sein, damit er auch bei diesem Tempo im Bereich seiner maximalen Leistungskraft bleibt und leichte Steigungen schafft.

7. Bei der Fahrt mit &Egr;-Antrieb sollte das Motor-Geräusch so leise wie möglich sein.

8. Die vordere und hintere Gepäckträgerzone muß frei bleiben.

9. Die Konstruktion der Akku-Behälter hat dem Radfahrer die Möglichkeit zu lassen, etwa zwischen Bleigel- oder NiCd Batterien zu wählen.

10.Damit das Elo-Rad so wenig wie möglich nach Mofa alten Typs aussieht, sollten vor allem im Bereich der Antriebs-Steuerung so viele fahrradtypischen Teile genutzt werden wie möglich. Und:

11. Die Gesamt-Konstruktion sollte auch ästhetisch einigermaßen befriedigen.

Um den skizzierten Vorgaben bei einem Fahrrad nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (siehe Anlage) zu genügen, wurde ein nachrüstbarer, aus drei Teilen bestehender Antrieb ( Akku-Einheit, Motorblock, Steuerung) konzipiert (Siehe Zeichnungs-Blatt 1,

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Abb.1,2,3); dabei sind folgende*'technischen Elemente erfinderisch zu einer Einheit kombiniert:
1: Als Motorblock wurde ein Reibrollen-Antriebssystem konstruiert, das seine Kraft über die Seitenflanke des Hinterreifens oder alternativ über die mit Moos- oder Hartgummi beschichtete Hinterradfelge überträgt (Siehe Blatt 5, Abb.l, wo beide Varianten verdeutlicht sind). Hauptvorteil des Antriebs über die Reifenflanke: Ungewöhnlich leiser Lauf, da der Motor nicht nur gummigelagert ist, sondern die Schwingungen von Motor wie Reibrolle vom Reifen praktisch vollständig akustisch gedämpft werden.

Der Einsatz von Reibrollen-Motoren an der Reifenflanke scheiterte bisher vor allem daran, daß der Gummi-Abrieb den Austausch des Reifens zu einem Zeitpunkt erforderlich machte, an dem der normalem Fahr-Abrieb ausgesetzte Laufmantel noch verwendungsfähig ist. Ein Problem, das erfindungsgemäß dadurch beseitigt wurde, daß der Abrieb-Koeffizient von Mantel- und Flankenfläche im vorgeschlagenen Antriebssystem auf etwa gleiche Werte gebracht wird. Dazu wird das Flankenmaterial eines zweiten, typgleichen Reifens benutzt, das auf den Hauptreifen links oder rechts rundum aufgeklebt oder aufvulkänisiert wird. Wie Tests dieses Systems belegen, läßt sich so auf einfache und preiswerte Weise der

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Hauptnachteil des Reibrolleifantriefcrs »"über*· dde Reifenflanke beseitigen. Denn:

Die durch Rundum-Längsschnitt gewonnenen Flankenstücke lassen sich problemlos zusätzlich zum Hauptreifen durch normales Aufziehen in die Felge einlegen und schmiegen sich - wird der Hauptreifen aufgepumpt - wie von selbst an ihn an. Ist das untere Flankenteil durch Pressdruck des Hauptreifens unverrückbar an der Felge fixiert, so wird der überlappende , mit dem Hauptreifen formschlüssige Teil mit ihm verklebt. Oder: Der Flankenschutz wird aufvulkanisiert und der so modifizierte Hauptreifen dann in die Felge eingelegt.
2. Um den Motor zur übertragung seiner Kraft zu positionieren, wurde eine Haltevorrichtung entwickelt, die sich problemlos entweder rechts oder links im Hinterradbereich eines Fahrrades anbringen läßt. ( Die Konstruktion ist beispielhaft ausgeführt auf Blatt 3, Blatt 4 und Blatt 5). Sie ermöglicht:
&ogr; die drehbare Lagerung des Motors an der oberen Hinterradgabel, (Siehe Blatt 4, Abb.l)
&ogr; sorgt durch eine Federmechanik dafür, daß die Reibrolle mit einstellbarer Kraft fest gegen die Reifen- bzw. Felgenfläche gedrückt wird, (Siehe dazu die beispielhafte Ausführung auf Blatt 5,Abb.l und 2) und

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&ogr; erlaubt mit Hilfe eines fah*rra*dübliche*n Zu^seiM-systems von der Lenkstange aus jederzeit die Abnahme des Reibrollen-Antriebs vom Reifen.(siehe Blatt 8,Abb.3,Teil 90 und Blatt 5, Abb. !,Teil 18,42,43,44)

3. Die Motor-Haltevorrichtung wurde erfindungsgemäßbewußt so konstruiert, daß sie bei der Auswahl des Motors Spielraum läßt. Was vor allem bei kleinen Serien von Vorteil ist, da Sonderangebote oder Restposten eingebaut werden können, ohne daß die Hauptkomponenten deshalb geändert werden müssten. Da auch Reibrollen oft auf dem Markt in kleineren Chargen recht preiswert zu haben sind, wurde erfindungsgemäß die Verbindung von Reibrolle und Motorachse entsprechend gewählt: Die Reibrolle wird mit Hilfe von glasfaserverstärktem Kunststoff-Harz mit der Antriebswelle des Motors vergossen. Diese Verbindungsform erlaubt in weiten Grenzen beliebig in der Achse geformte Kunststoff- oder Gummirollen mit gleichfalls beliebig geformten Motor-Antriebswellen auf einfache Weise zu einer Funktions-Einheit zu verschmelzen. (Siehe als Beispiel Blatt 8,Abb.l)

4. Die Schnellabschaltung des Motors erfolgt im Notfall über einen handelsüblichen rechten Handbremshebel (siehe Blatt 8,Abb. 3,Teil 95), der erfindungsgemäß mit einem Zusatzschalter (siehe Blatt 8,Abb.4) ausgestattet ist. Bei Betätigung der

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Handbremse wird so über ein Mosfet-lC-Lä%t-R^lai*s-Modul in einem kleinen Lenker-Schaltkasten (siehe Blatt l,Abb.l und 3, Teil 3a) oder - in der technisch anspruchsvolleren Version - in einem kleinen Steuerkasten (siehe Blatt 1, Abb.l und 3,Teil 3) hinter dem Fahrersitz der Stromfluß zum Motor unterbrochen.

5. Gepäckträgerkorb und Akku-Behälter mit den passenden Innenmaßen für gängige Batterietypen werden als abnehmbare Einheit ausgeführt (Siehe Blatt 1, Abb.1,2,3). Dabei wurde die Akku-Einheit erfindungsgemäß so gestaltet, daß sie ohne Verlust an Nutzfläche auf dem Gepäckträger angebracht werden kann.( Siehe Blatt 2,Abb. 1,2 und 3).Und sich von dort auch wieder mit wenigen Handgriffen abnehmen laßt. Die Sicherung der Akku-Gepäckträgereinheit erfolgt durch Bügelschloß.

Verpolungssxchere und wasserdichte Steck-Kontakte (siehe Blatt 2,Abb.l und 2, Teil 7) erlauben, daß die Akkus jederzeit mit zwei Handgriffen an ein stationäres Ladegerät angeschlossen werden können oder etwa bei einer Fahrtpause für den Betrieb eines Radios als Stromspender zu nutzen sind.

6. Die Steuerung des Motors erfolgt entweder auf einfachste Weise über einen Schaltkasten am Lenker (siehe Blatt 1, Abb.l und 3, Teil 3a), mit den Funktionen "Aus - An - Langsam - Schnell - Licht"

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(hier nicht weiter ausgeführt*) 'oder** -*' tectfnisOh anspruchsvoller - in einem Schaltkasten hinter dem Fahrersitz.( Siehe Blatt 1, Abb.l und 3, Teil 3 sowie Blatt 6,Abb. 1 und 2). Vorteil letzterer Variante:

Der Lenker bleibt frei von Starkstrom führenden Kabeln, die Leitungen zwischen Akku , Steuerung und Motor fallen extrem kurz aus und die Elektrik läßt sich mit minimalem Aufwand gegen Nässe schützen. Zudem kann die Steuerung des Motors in diesem Fall mit Hilfe moderner Leistungs-Elektronik feinstufig geregelt werden.

7. Die Motorsteuerung via Schaltkasten nach Art von Teil 3 erfolgt über einen fahrradüblichen Kettenschalthebel am rechten Lenkrad (siehe Blatt 8, Abb.3,Teil 92). Die Bowdenzugsteuerung regelt die Leistung des Motors entweder über einen einfachen Starkstrom-Drehschalter (hier nicht weiter ausgeführt) oder moderne Leistungs-Elektronik. (Siehe Blatt 7, Abb. 1 und 2). Der hier nicht weiter dargestellte Starkstrom-Dreh-Schalter oder (ausgeführt) das Potentiometer der Leistungs-Elektronik (Teil 76) wird dabei über ein Drehlager (Teil 81) bewegt und durch eine Federmechanik (auf Blatt 7, Abb.l und 2 ausgeführt dargestellt) wieder in seine Ausgangslage zurückgezogen.

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• &iacgr;&idigr; &idigr;*&idigr; ;&idiagr; ;· *··*····

8. Zur räumlichen Fixierung" cias &ch*a^#it-K<astabs hinter dem Fahrersitz dient eine Halterung, die beispielhaft auf Blatt 6,Abb.l und 2 ausgeführt ist. Sie hat zugleich den Zweck, den Gepäckträger zu stabilisieren.

Im übrigen enthält in der zeichnerisch ausgeführten Version der Schaltkasten natürlich neben der eigentlichen elektronischen Motorsteuerung ein Batterie - Ladegerät, ein Akku-Ladekontroll-Modul, das Mosfet-Last-Relais für die Schnellabschaltung, den Hauptschlüsselschalter sowie einen Schalter für die Lichtanlage.(siehe Blatt 6, Abb.l)
Zum besseren Verständnis der Anlage wurde in den Zeichnungen auf die Darstellung jener erfindungsgemäßen Teile verzichtet, die dem Nasse- und Verletzungsschutz dienen.

Zusammenfassung: Es wird ein Elektro-Antriebs-Set für Zweiräder vorgestellt, das sich bereits in beiden Varianten als Prototyp im praktischen Test bewährt hat und dem ausgeführtem Anforderungsprofil an einen Nachrüstsatz entspricht.

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Claims

Rainer Gohr / Parzivalstr.il / 8040*4-liuncheh /* T :0ST9-3^16400

Nachrüstbarer E-Motor-Hilfs-Antrieb für Fahrräder

Schutzansprüche:

1. Elektrischer Zusatzantrieb für Fahrräder,

dadurch gekennzeichnet, daß die drei Haupt-Elemente Akku, I Schalteinheit sowie Reibrollen-Motor eine für praktisch jeden Fahrradtyp nachrüstbare Kombination bilden und die

I '

:Schalteinheit dabei in einer einfachen Version als

I ;

.kleiner Schaltkasten am Lenker oder in einer technisch komplexeren Form als großer Schaltkasten hinter dem Fahrersattel ausgeführt sein kann.

2. Elektrischer Zusatzantrieb nach Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet, daß die in Schutzbehältern verpackten Akkus so mit einem durch Stahl- bzw. Alubügel &igr; verstärkten Fahrradkorb verschraubt sind, daß sie mit einem Handgriff auf den Gepäckträger des Rades aufgesetzt ioder entfernt werden können.

■ 3_^ Elektrischer Zusatzantrieb nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß verpolungssichere und wasserdichte Steck-Kontakte zwischen Akkubehälter und Steuereinheit gewährleisten, daß die Akku-Einheit jeder- \ zeit mit zwei Handgriffen an ein stationäres Ladegerät angeschlossen werden kann oder für anderen Strombedarf bei Fahrtpausen (etwa Radio oder Mobiltelefon) zur Ver-'fügung steht.

4. Elektrischer Zusatzantrieb nach den Ansprächet? 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor an der oberen Hinterrad-Gabel durch eine Mechanik drehbar gelagert so befestigt ist, daß seine Reibrolle durch
Schraubenfedern mit verstellbarer Kraft fest gegen die Reifenflanke des Hinterrades gedrückt wird.

5. Elektrischer Zusatzantrieb nach dem Anspruch 4
dadurch gekennzeichnet, daß als Variante zu Anspruch 4 die Andruckkraft für die Reibrolle auf den Reifen alternativ durch eine auf der Drehachse sitzende räumlich gewundene Feder geliefert wird.

6. Elektrischer Zusatzantrieb nach dem Anspruch 1 bis 5
dadurch gekennzeichnet, daß die Reibrolle mit Hilfe von glasfaserverstärktem Kunststoff-Harz mit der Antriebswelle des Motors vergossen wird.

7. Elektrischer Zusatzantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor mit Hilfe eines fahrradüblichen.Zugseilsystems und einem Hebelsystem an der Haltemechanik von der Lenkstange aus bewegt werden kann, sodaß sich die Reibrolle vom Reifen abheben läßt und das Rad auf Wunsch auch ohne Hilfsmotor zu benutzen ist.

8. Elektrischer Zusatzantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Hinterreifen flankenverstärkt wird, um den Abrieb-Koeffizienten von Mantel und Flankenfläche im Betrieb zu egalisieren.

9. Elektrischer Zusatzantrieb natti £fen AffspFüchetf 1 tois 8 dadurch gekennzeichnet, daß alternativ die Reibrollen des Motors direkt auf die Außenflächen der mit Gummibelag versehenen Hinterrad-Felge wirken.
10.Elektrischer Zusatzantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß eine auch als Plattform geeignete Stahlverstrebung zwischen Hinterradgabel bzw. Sitzrohr und Gepäckträger das Rad insgesamt mechanisch stabilisiert und die Tragfähigkeit des Gepäckträgers erhöht.

11. Elektrischer Zusatzantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 10

dadurch gekennzeichnet, daß bei der technisch anspruchsvolleren Version ein großer Schaltkasten auf die Stahl-Plattform zwischen Sattel und Gepäckträger montiert ist. Und alle wesentlichen elektrischen und elektronischen Elemente zur Steuerung des Motors enthält.

12. Elektrischer Zusatzantrieb nach den Ansprüchen 1 bis

11 '■

dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines fahrradüblichen Kettenschalthebels am rechten Lenkrad über Bowdenzug un,d mechanischer Kraftübersetzung im großen Schaltkasten die Leistung des Motors geregelt wird. Sei es über einen einfachen Starkstrom-Drehschalter oder moderne Elektronik.

13. Elektrischer Zusatzantrieb nach dem Anspruch 12
dadurch gekennzeichnet, daß statt des Drehschalters bzw.

Drehwiderstands {Potentiometer) *e'in^#*Schiebe'schaI*ter· bzw. Schiebewiderstand zur Motorsteuerung genutzt wird.

14. Elektrischer Zusatzantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 13

dadurch gekennzeichnet, daß der große Schaltkasten ein Akku-Lademodul enthält, mit dem auch ohne stationäres Ladegerät jederzeit überall dort Strom nachgetankt werden kann, wo sich eine Steckdose befindet.

15. Elektrischer Zusatzantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 14

dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkasten hinter dem Sattel mit Zugseilsteuerung vom Lenker aus entfällt und der &Egr;-Motor nur über einen kleinen Schaltkasten am Lenkrad mit einfachen Starkstrom-Schaltern plus Handbremsen-Schnellabschaltung gesteuert wird.

16. Elektrischer Zusatzantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 15

dadurch gekennzeichnet, daß die Schnellabschaltung des Motors bei beiden Schaltkasten-Versionen über einen handelsüblichen rechten Handbremshebel erfolgt, der durch ein elektrisches Schaltsystem in seiner Funktion erweitert wurde.

17. Elektrischer Zusatzantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 16

dadurch gekennzeichnet, daß sie auch zu gelten haben, wenn' statt nur eines Motors zwei benutzt werden. Also sowohl rechts wie links .