AT7358U1

AT7358U1 - Fahrrad mit hilfsantrieb

Info

Publication number: AT7358U1
Application number: AT0064403U
Authority: AT
Original assignee: Gruber Reinhold Dipl Ing
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-02-25
Also published as: DE202004014189U1

Abstract

Fahrrad mit einem Hilfsantrieb, wobei der Hilfsantrieb (16) im Betrieb auf eine bestimmte Solldrehzahl (nsoll) geregelt ist.

Description

AT 007 358 U1

Die Erfindung betrifft ein Fahrrad mit einem Hilfsantrieb.

Derartige Fahrräder sind bereits lange bekannt. Auf dem Markt durchgesetzt haben sich jedoch hauptsächlich jene Fahrräder, die mit einem elektrischen Hilfemotor ausgestattet sind und ganz allgemein als Elektrofahrrad bezeichnet werden. Im Unterschied zu Mopeds oder Motorrädern 5 werden Elektrofahrräder muskel-elektrisch angetrieben.

Zur Zeit unterscheidet man grundsätzlich zwei Typen von Elektrofahrrädem, nämlich das E-Bike und das Pedelec. Beim E-Bike wird der Motor unabhängig von der Tretleistung des Fahrrads gesteuert, dass heißt Fahren ist auch ohne Treten möglich. Dabei wird die Motorleistung über ein manuelles Bedienelement - einen Drehgriff oder Knopf - geregelt, wie das von Mopeds bereits io bekannt ist. Muskelkraft und Motor sind unabhängig voneinander wirkende Systeme. E-Bikes können sowohl rein elektrisch wie auch im Mischbetrieb gefahren werden. Das hat den Vorteil, dass auch schwächeren Leuten die volle Leistung des Hilfeantriebs zur Verfügung steht. Als nachteilig an diesen E-Bikes hat es sich herausgestellt, dass die Antriebstechnik nicht in allen Ländern für Fahrräder zulässig ist. So wird beispielsweise in Deutschland zum Benutzen eine 15 E-Bikes eine Mofaprüfbescheinigung benötigt.

Beim Pedelec hingegen funktioniert die Hilfsantriebsunterstützung nur dann, wenn gleichzeitig getreten wird. In der Regel wird dabei bis zu einer bestimmten Höchstgeschwindigkeit 50% der vom Fahrer erbrachten Leistung durch den Hilfeantrieb ergänzt. Die Motorleistung wird dabei über einen Kraft- bzw. Bewegungssensor automatisch an die Muskelkraft des Fahrers gekoppelt. Da der 20 Hilfsantrieb nur während des Tretens aktiv ist, wird die Muskelkraft immer im Vordergrund stehen. Dieses Prinzip der unmerklichen Bewegungserleichterung ist beispielsweise von der Servolenkung im Auto bekannt. Obwohl bei dieser Betriebsweise die Reichweite vergrößert wird - da ein Teil der Leistung vom Fahrer erbracht wird, muss immer nur ein Teil der benötigten Leistung aus den Akkus zur Verfügung gestellt werden - muss durch das Zusatzgewicht des Hilfeantriebes und der 25 Akkus ein höherer Fahrwiderstand überwunden werden, sodass es für Benutzer eines Pedelecs schwer ist Höchstgeschwindigkeiten zu erreichen. Für gehbehinderte, gebrechliche oder schwache Personen ist diese Antriebsart überhaupt ungeeignet, da kein rein elektrischer Fährbetrieb möglich ist, wodurch das Anfahren, insbesondere am Berg, schwieriger ist, weil der Hilfsantrieb erst nach ca. einer Kurbelumdrehung einsetzt. Ein weiterer Nachteil, der bei derartigen Antrieben auftritt, ist 30 die erforderliche, komplizierte Steuerung des Hilfeantriebes, da die aufgebrachte Muskelkraft bei der Festlegung der Drehzahl des Hilfsantriebes berücksichtigt werden muss.

Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gestellt, einen neuartigen Hilfsantrieb für Fahrräder zu schaffen, der bei einfachster technischer Ausführung die Vorteile der bereits bekannten Elektrofahrräder vereint und somit sowohl für schwächliche Leute als auch für Langstreckenfahrer 35 und Mountainbiker geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Hilfsantrieb gelöst, der im Betrieb auf eine bestimmte Solldrehzahl geregelt ist. Dadurch wird ein neuartiger Hilfeantrieb für Fahrräder erreicht, der eine Zwischenstellung zwischen den E-Bikes und den Pedelecs einnimmt. Dieses neuartige Fahrrad kann sowohl nur mit Muskelkraft, nur mit dem Hilfsantrieb oder auch im Mischbetrieb 40 gefahren werden. Befindet sich der ein- bzw. ausschaltbare Hilfeantrieb, der gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel einen Drehzahlregler aufweist, im Betrieb, versucht der Hilfeantrieb eine bestimmte, konstante Solldrehzahl zu erreichen. Diese bestimmte, gleichbleibende Solldrehzahl kann im Betrieb fest sein oder vorzugsweise in Stufen veränderbar.

Der Hilfsantrieb versucht also die vorbestimmte Solldrehzahl zu erreichen und kann dabei vom 45 Benutzer des Fahrrades mit Muskelkraft unterstützt werden. Dadurch, dass der Hilfsantrieb im Betrieb auf eine bestimmte Solldrehzahl geregelt ist, lässt sich das erfindungsgemäße Fahrrad besonders einfach bedienen, da der Fahrer sich nur auf das Fahrradfahren konzentrieren muss und keine sonstigen Tätigkeiten, wie beispielsweise das Betätigen eines ^Gashebels durchführen muß. Auch das Anwerfen des Hilfsantriebes durch Treten, wie das bei den Pedelecs notwendig ist, so kann beim neuartigen Fahrrad entfallen, weil der Hilfsantrieb sofort nach dem Einschalten Leistung bezieht und versucht die bestimmte ^olldrehzahl zu erreichen.

Diese bestimmte Solldrehzahl des Hilfsantriebes liegt gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zwischen 40 Umdrehungen pro Minute und 110 Umdrehungen pro Minute, wobei sich für durchschnittlich trainierte Radfahrer eine Solldrehzahl zwischen 60 Umdrehungen 55 pro Minute und 90 Umdrehungen pro Minute als besonders vorteilhaft erwiesen haben. Mit diesem 2 AT 007 358 U1 neuartigen Fahrrad kann der Benutzer die ihm vom Hilfsantrieb geleistete Unterstützung einfach durch festlegen einer bestimmten Solldrehzahl bestimmen. So werden leistungsschwächere Radfahrer die Solldrehzahl eher im Bereich von 90 Umdrehungen pro Minute einstellen, während die Radfahrer die stärker beansprucht werden möchten die Solldrehzahl etwas niedriger einstellen 5 werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, dass der Hilfsantrieb «ine vorzugsweise verstellbare Leistungsbegrenzungseinrichtung aufweist. Damit kann neben der Drehzahl auch die Leistung des Hilfsantriebes begrenzt bzw. eingestellt werden, wodurch sich eine noch individuellere Einstellungsmöglichkeit der Unterstützung durch den Hilfsantrieb für den Benutzer 10 des Fahrrades ergibt.

Das neuartige Fahrrad zeichnet sich bevorzugt also dadurch aus, dass die gegebenenfalls durch die Leistungsbegrenzungseinrichtung festgelegte, maximale Leistungszuführ zum Hilfeantrieb jedenfalls erfolgt, solange die Ist-Drehzahl um mindestens 5% unterhalb der eingestellten Solldrehzahl liegt. In der Theorie müsste die volle Leistungszufuhr eigentlich solange erfolgen, bis 15 die tatsächlich eingestellte Solldrehzahl erreicht ist. In der Praxis wird sich die Leistungszufuhr im Bereich der bestimmten Solldrehzahl nicht zuletzt aufgrund der erbrachten Muskelkraft auf einen Wert einregeln, der im Mittel unter der maximalen Leistungszufuhr liegt und ausreicht die Solldrehzahl zu halten.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Drehzahlregler eine Gegen-20 EMK-Auswertsschaltung zur sensorlosen Erfassung des Istwertes der Motordrehzahl auf, was sich als günstig erwiesen hat, wenn der Hilfsantrieb einen vorzugsweise bürstenlosen Elektromotor aufweist.

Die Übertragung der vom Hilfsantrieb aufgebrachten Kraft auf das Fahrrad folgt in der Weise, dass der Hilfsantrieb mit der Antriebswelle der Tretkurbeln über ein Getriebe, vorzugsweise ein 25 Kegelradgetriebe, ständig drehfest verbunden ist. Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist dabei dem Getriebe ein vorzugsweise am Motor des Hilfsantriebes befestigtes Untersetzungsgetriebe vorgeschaltet. Eine besonders hohe Standfestigkeit des Untersetzungsgetriebes kann dann erreicht werden, wenn das Untersetzungsgetriebe ein Planetengetriebe mit vorzugsweise keramischen Achsen ist. 30 Da der Hilfeantrieb direkt auf die Antriebswelle der Tretkurbel wirkt, wird der Benutzer zum Mittreten in der günstigen Frequenz veranlasst, das heißt dass es für die Antriebswelle der Tretkurbeln keine Freilaufmöglichkeit gibt, zumindest solange der Hilfsantrieb eingeschaltet ist. Um zu verhindern das der Benutzer bei ausgeschaltetem Hilfsantrieb den Widerstand des Getriebes überwinden muss, sieht ein weiteres Ausführungsbeispiel vor, dass der Hilfsantrieb einen Freilauf, 35 vorzugsweise zwischen dem Untersetzungsgetriebe und dem Getriebe aufweist, der jedoch bei eingeschaltetem Hilfsantrieb aufgehoben ist.

Um das Eigengewicht des Fahrrades nicht unnötig zu erhöhen sieht eine weitere Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Gesamtmasse des Hilfsantriebes weniger als 2 Kilogramm, vorzugsweise weniger als 1,5 Kilogramm, beträgt. So kann ein die Anforderungen eines durchschnitt-40 lieh trainierten Mountainbikers entsprechender Hilfsantrieb schon mit einer Gesamtmasse von etwa 1,3 Kilogramm realisiert werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgendem unter Bezugnahme auf die in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 perspektivisch einen Querschnitt durch einen in einem Fahrradrahmen angeordne-45 ten erfindungsgemäßen Hilfeantrieb,

Fig. 2 schematisch einen Fahrradrahmen und

Fig. 3 das Blockschema eines Ausführungsbeispieles mit einem elektrischen Hilfeantriebes.

Fig. 2 zeigt ganz allgemein einen Fahrradrahmen 4 mit einem Sattelrohr 5, das in das Innenla-50 gerrohr 6, in dem die Antriebswelle 7 für die Tretkurbeln angeordnet ist, mündet. Der neuartige Hilfsantrieb 16 kann in jeden herkömmlichen Fahrradrahmen mit geeignetem Sattelrohrdurchmesser eingebaut werden und ist daher am Fahrrad - abgesehen vom Ein- und Ausschalter, der vorzugsweise am Lenker angeordnet ist, und dem zugehörigen Kabel - nicht sichtbar. Zusammen mit den Akkus, die beispielsweise am Sattel angeordnet sein können, wiegt der gesamte Hilfsantrieb 55 16 nicht mehr als zwei Kilo. Der Hilfeantrieb kann 16 mit wenigen Handgriffen montiert bzw. 3 AT 007 358 U1 demontiert werden. Ist der Hilfsantrieb als Nachrüstsatz ausgelegt, erfolgt der Umbau des Fahrrades so, dass zuerst im Innenlagerrohr 6 das Standardlager gegen eine spezielle Antriebswelle 7 samt Lager ausgetauscht wird. Anschließend wird der Hilfsantrieb 16 im Sattelrohr 5 angeordnet.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist der Hilfsantrieb 16 einen Montageadapter 10 auf, mittels des-5 sen er in das Sattelrohr 5 eingebaut wird. Der Montageadapter 10 weist wenigstens einen Leitungskanal 11 auf, durch den die Kabel zur Steuerelektronik bzw. zu den Akkus geführt werden. Der Antrieb, der beim gezeigten Ausführungsbeispiel einen bürstenlosen Gleichstrommotor 1 mit einem mit dem Motor 1 verbundenen Untersetzungsgetriebe 2 aufweist, wirkt überein Kegelradgetriebe 3 direkt auf die Antriebswelle 7 für die Tretkurbeln des Fahrrades. Das Stromversorgungska-10 bei für den Elektromotor 1 führt, wie bereits erwähnt, von außen unsichtbar durch das Sattelrohr 5 und durch den Leitungskanal 11 im Montageadapter 10 direkt in die Steuerelektronik, die samt Akku in einer herkömmlichen Satteltasche eingebaut sein kann. Zwischen dem Untersetzungsgetriebe 2, das als Planetengetriebe mit keramischen Achsen ausgebildet ist, und dem Kegelradgetriebe 3 ist ein Freilauf ausgebildet, der eine Freilaufwelle 8 und eine Freilaufhülse 12 umfasst. 15 In der Regel wird der Benutzer seine Fahrt bei ausgeschaltetem Hilfsantrieb 16 starten und diesen nach Erreichen der normalen Tretfrequenz, die bei etwa 60 bis 80 Pedalumdrehungen pro Minute liegt, durch Betätigen des Einschalters, der beispielsweise am Lenker in Daumenposition angebracht sein kann, einschalten. Da der Hilfsantrieb 16 direkt auf die Antriebswelle 7 wirkt, wird der Fahrer zum Mittreten in der über die vorbestimmte Soll-Drehzahl festgelegte Frequenz veran-20 lasst. Je nach Krafteinsatz des Fahrers bringt der Hilfsantrieb automatisch keine oder die maximal eingestellte bzw. mehr oder weniger Leistung und verbraucht dementsprechend Strom. Der momentane Stromverbrauch kann beispielsweise durch eine optische Anzeige abgelesen werden, die direkt beim Schalter am Lenker angebracht sein kann. So wäre -es denkbar, den aktuellen Stromverbrauch mittels einer LED-Anzeige zu visualisieren. Ebenso könnte der Ladezustand des 25 Akkus visualisiert werden.

In Fig. 3 ist ein Blockschema der Steuerung dargestellt. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Drehzahlregler 13 über Leitungen M1, M2 und M3 mit den Motorwindungen des Motors 1 verbunden. Dem Drehzahlregler 13 kann eine Soll-Drehzahl nson vorgegeben werden. Die tatsächliche Drehzahl nis» des Motors 1 kann beispielsweise über Hallsensoren erfasst werden und dem 30 Drehzahlregler 13 zugeführt werden (strichlierte Linie). Bevorzugterweise wird die Ist-Drehzahl des Motors 1 jedoch sensorlos erfasst. Dabei wird mit Hilfe einer Gegen-EMK-Auswerteschaltung des Motors die aktuelle Rotorlage ausgewertet, und die Motorwindungen des Motors angesteuert. Die Leistungszufuhr zum Motor 1 erfolgt von wenigstens einem Akku 15 aus, wobei die Leistungszufuhr über einen Ein-Ausschalter 16 unterbrochen werden kann. Zusätzlich kann eine Leistungsbe-35 grenzungseinrichtung 14 vorgesehen sein, über die die maximale Leistungszufuhr Α^ zum Elektromotor 1 begrenzt werden kann.

Der Drehzahlregler 13 vergleicht die am Motor 1 tatsächlich auftretende Drehzahl ηΜ mit der Soll-Drehzahl η«,« und erlaubt die maximale, gegebenenfalls durch die Leistungsbegrenzungseinrichtung begrenzte Leistungszufuhr zum Motor 1 wenigstens solange die Ist-Drehzahl n» mindes-40 tens 5% unterhalb des Soll-Drehzahl η«* liegt.

Wie bereits erwähnt, kann der Hilfsantrieb während der Fahrt zu- und weggeschaltet werden, wobei beim Zuschalten die Antriebskraft mittels Sanftanlauf weich einsetzt und beim Wegschalten der Hilfsantrieb durch den eingebauten Freilauf automatisch von der Antriebswelle getrennt wird und so ein rein muskelkraft betriebenes Fahrradfahren ermöglicht. 45 Weiters kann aus Sicherheitsgründen vorgesehen sein, dass der Motor automatisch ausgeschaltet wird, sobald sich das Fahrrad, beispielsweise in Folge eines Sturzes, beispielsweise mehr als ca. 20° neigt. Auch kann, um einen sicheren “Sitz des Hilfsantriebes im Sattelrohr zu gewährleisten, am Sattelrohr 5 eine Klemmvorrichtung 9 angeordnet sein.

Das Fahrrad kann ansonsten herkömmlich ausgerüstet sein und insbesondere eine so Gangschaltung aufweisen, beispielsweise in der an sich bekannten Art mehrerer verschieden großer Zahnräder an Tretkurbel und/oder Hinterrad und einem Werfer, der die Lage der Antriebskette auf ein bestimmtes dieser Zahnräder festlegt.

Durch die Erfindung wird ein Fahrradhilfsantrieb geschaffen, der die Leistung eines gut trainierten Hobby-Mountainbikers um ca. 50% steigert, wobei ein Akku mit etwa-einem halben Kilogramm 55 Eigengewicht beim Bergauffahren für ca. 1 Stunden ausreicht. Durch das geringe Gewicht des 4

Claims

AT 007 358 U1 Hilfsantriebes wird der Benutzer des Fahrrades nicht zusätzlich belastet, sodass sich der neuartige Hilfsbetrieb insbesondere für das Bergauffahren aber auch für das Langstreckenfahren besonders gut eignet. 5ANSPRÜCHE: 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1. Fahrrad mit einem Hilfsantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (16) im Betrieb auf eine bestimmte Solldrehzahl (η^ι) geregelt ist.
2. Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die bestimmte Solldrehzahl (ngon) im Betrieb fest ist.
3. Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Solldrehzahl (risoii) im Betrieb - vorzugsweise in Stufen - vom Benutzer einstellbar ist.
4. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Solldrehzahl (η**) des Hilfsantriebs (16) zwischen 40 U/min und 110 U/min, vorzugsweise zwischen 60 U/min und 90 U/min, liegt.
5. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (16) ein- bzw. ausschaltbar ist.
6. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (16) einen vorzugsweise bürstenlosen Elektromotor (1) aufweist.
7. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Drehzahlregler (13) zum Ansteuem des Hilfsantriebes (16), wobei die Solldrehzahl χη^*) im Betrieb auf einem festen oder vorzugsweise in Stufen verstellbaren Wert festgelegt ist.
8. Fahrrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlregler (13) eine Gegen-EMK-Auswertschaltung zur sensorlosen Erfassung des Ist-Wertes (η*,) der Motordrehzahl aufweist.
9. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise verstellbare Leistungsbegrenzungseinrichtung (14) für den Hilfsantrieb (16).
10. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gegebenenfalls durch die Leistungsbegrenzungseinrichtung (14) festgelegte, maximale Leistungszufuhr /W zum Hilfsantrieb (16) jedenfalls erfolgt, solange die Ist-Drehzahl <nM) um mindestens 5% unterhalb der eingestellten Solldrehzahl (η^) liegt.
11. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfeantrieb (16) mit der Antriebswelle (7) der Tretkurbeln über ein Getriebe (3), vorzugsweise ein Kegelradgetriebe, ständig drehfest verbunden ist.
12. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfeantrieb (16) ein vorzugsweise am Motor (1) befestigtes, dem Getriebe (3) vorgeschaltetes Untersetzungsgetriebe (2) aufweist.
13. Fahrrad nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe (2) ein Planetengetriebe mit vorzugsweise keramischen Achsen ist.
14. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfeantrieb (16) einen Freilauf aulweist.
15. Fahrrad nach Anspruch 14 und einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Untersetzungsgetriebe (2) und dem<3etriebe (3) ein Freilauf (8, 12) angeordnet ist.
16. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmasse des Hilfsantriebes (16) weniger als 2 kg, vorzugsweise weniger als 1,5 kg, beträgt.
17. Fahrrad nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmasse des Hilfeantriebes (16) bei etwa 1,3 kg liegt. HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN 5 55