DE102019006512A1

DE102019006512A1 - Rein durch Muskelkraft betriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019006512A1
Application number: DE102019006512.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2020-08-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug das rein mit Muskelkraftkraft betrieben wird, ohne Zuhilfenahme eines Energiespeichers. Es handelt sich um ein Fahrrad, welches grundsätzlich mit einem Kettenantrieb angetrieben wird. Zusätzlich ist an dem Zweirad ein Generator angebracht, welcher bei Notwendigkeit (in extremen Fahrsituationen) zugeschalten werden kann. Mit diesem Generator wird Strom erzeugt der über Kabel zu einem Motor, der das Vorderrad antreibt, geleitet wird. Für den Betrieb dieses Vorderradmotors wird ausdrücklich auf einen Energiespeicher verzichtet. Es wird rein die Energie eingesetzt, die am Generator zeitgleich erzeugt wird. Durch eine elektrische Steuereinheit werden Generator und Motor gesteuert. Mit einer Bedieneinheit am Lenker kann die Antriebsleistung am Vorderrad ein- und ausgeschalten werden und stufenlos reguliert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welches rein durch Muskelkraft betrieben wird.
Gattungsgemäße Fahrzeuge sind aus der WO 02 / 0571127 A1 und aus der GB 1450 682 A bekannt.
Des Weiteren zeigt die DE 43 33 838 A1 ein Zweirad, bei welchem das Hinterrad mittels eines rein elektrischen Antriebsstrangs angetrieben wird.
Aus der DE 10 2013 012 208 A1 ist ein rein elektrisch betriebenes Antriebssystem für ein durch Muskelkraft betriebenes Fahrzeug bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, bekannte, rein durch Muskelkraft betrieben Fahrzeuge zu verbessern.
Die Lösung der vorstehend genannten Aufgabe erfolgt durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das rein durch Muskelkraft betriebene Fahrzeug verfügt über zwei Antriebsstränge.
Der Hauptantriebsstrang ist ein klassischer Kettenantrieb des Hinterrades. Dieser ist aufgrund seines hohen Wirkungsgrades von ca. 96-99 % (je nach Übersetzung) der effizienteste Antrieb für ein rein durch Muskelkraft betriebenes Fahrzeug, insbesondere für ein Zweirad.
Der zusätzliche Antriebsstrang bei dieser Erfindung ist ein elektrischer Antrieb des Vorderrades 8. Im Gegensatz zu existierenden E-Bikes und Pedelecs kommt diese Erfindung jedoch ohne einen Energiespeicher, insbesondere ohne einen Stromspeicher, aus. Der zusätzliche Antriebsstrang ist bei Bedarf mittels eines Bedienelementes zuzuschalten.
Der elektrische Antriebsstrang des Vorderrades hat einen deutlich geringeren Wirkungsgrad (theoretischer Gesamtwirkungsgrad 79%), als der Kettenantrieb des Hinterrades, weshalb der zusätzliche Antriebsstrang nur so viel Leistung wie nötig überträgt.
Vorzugsweise ist der Generator durch eine Kupplung komplett von der Kurbelwelle trennbar, um Leistungsverluste durch das Antreiben der Komponenten im Generator bei Nichtbenutzung des zusätzlichen Antriebsstrangs (Vorderradantrieb) zu umgehen.
Durch den nach hinten verlagerten Schwerpunkt des Gesamtsystems (Radfahrer und Fahrrad) lässt sich eine Einschätzung der Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebsstrangs machen. Beim Radfahren im Flachen sind 58% Gewichtskraft auf dem Hinterrad und 42% auf dem Vorderrad. Bei der Bergauffahrt verlagert sich der Schwerpunkt noch weiter nach hinten.
Sehr sportive Fahrer können über eine Dauer von einer Stunde Leistungen von 300-480 Watt erbringen (je nach Gewicht und Fitness des Fahrers). Da bei der Fahrt im Flachen jedoch nur 42% des Gewichts auf dem Vorderrad lagern sind maximal 200 Watt für den zusätzlichen Antriebsstrang sinnvoll. Dieser Wert gilt für einen schweren und sehr fitten Athleten. Für leichtere Fahrer ist eine Leistung von 125 Watt ausreichend.
Die elektrischen Bauteile des zusätzlichen Antriebsstrangs sollten nur so groß dimensioniert werden (125 - 200 Watt) wie wirklich notwendig, um das Gewicht des zusätzlichen Antriebsstrangs so gering wie möglich zu halten und von den Vorteilen des Allradantriebs profitieren zu können.
Durch die Umverteilung eines bestimmten Teils der Antriebsenergie auf das Vorderrad kann einem Schlupf des Hinterrades entgegengewirkt werden. Die Reibfläche wird verdoppelt. Reifenschlupf entsteht dann, wenn die maximale Reibkraft welche durch zwei Faktoren bestimmt wird, überschritten ist. Die Haftreibungszahl µH ist ein Faktor, der wiedergibt wie hoch die Reibung zwischen zwei Komponenten ist. Der Wert ist hoch für gute Reibbedingungen, wie zum Beispiel Reifen auf Teer, verringert sich jedoch deutlich bei schlechten Reibbedingungen, wie zum Beispiel Reifen auf losem Schotter oder Matsch. Die zweite Komponente der maximalen Reibkraft ist die Normalkraft FN, welche die zum Untergrund senkrechte Kraftkomponente der Gewichtskraft ist. In der Horizontalen sind Gewichtskraft und Normalkraft identisch, bei einer Steigung teilt sich die Gewichtskraft in Normalkraft und Hangabtriebskraft.
Da bei Reifenschlupf keine Kraft von Reifen auf Untergrund übertragen werden kann, gilt es diesen zu vermeiden. Bei extremen Fahrsituationen (matschiger Untergrund, loser Schotter, Anstieg an dem das Vorderrad zu steigen beginnt, Anstieg an dem das Hinterrad durchzurutschen droht) kann der elektrische zusätzliche Antriebsstrang zugeschalten werden, was die Verdoppelung der Reibfläche bedeutet und die Kräfte auf beide Reibsysteme (Reifen und Untergrund) verteilt. Dadurch übersteigt keine der beiden Reibsysteme die maximale Reibkraft und der Reifenschlupf ist unterbunden.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung sind für den Fachmann anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels sichtbar.

1 Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs

Das Hinterrad 7 wird mittels eines klassischen Kettenantriebs 1 angetrieben.
An der mit der Tretkurbel verbunden Kurbelwelle wird über eine Verzahnung ein Generator 2 angetrieben, welcher bei Trittfrequenzen zwischen 70 und 90 U/min in einem Effizienzmaximum arbeitet, da dieser Trittfrequenzbereich ökonomisch und gängig ist. Die Wechselspannung des als Synchrongenerator ausgebildeten Generators 2 wird durch eine elektrische Steuereinheit 5 gleichgerichtet.
Der Strom des Generators 2 wird mittels Kabel 3 zum elektrischen Motor 4 geleitet.
Die Steuereinheit 5 schaltet zunächst den Wechselstrom des Generators 2 zu Gleichstrom. Dieser Gleichstrom speist dann den als Synchronnabenmotor ausgeführten elektrischen Motor 4 des Vorderrades 8. Die Steuerung des Synchronnabenmotors erfolgt ebenfalls mittels der Steuereinheit 5.
Es bestehen zwei Möglichkeiten der elektrischen Kommutierung: die Blockkommutierung und die Sinuskommutierung. Die Blockkommutierung ist die technisch deutlich einfachere Variante. Die zu erreichenden Wirkungsgrade sind hierbei jedoch niedriger als bei der Sinuskommutierung. Dies ist Grund dafür, dass zur Kommutierung des Generatorstroms und zum Ansteuern des als Synchronnabenmotor ausgeführten elektrischen Motor 4 eine Pulsweitenmodulation vorgenommen wird, auch um eine Sinuskommutierung zu generieren. Durch die Pulsweitenmodualtion werden die elektrischen Impulse zeitlich so geschalten, dass der geglättete Strom eine Sinuskurve darstellt.
Der elektrische Motor 4 des Vorderrades 8 ist ein Synchronnabenmotor, dessen Phasenströme elektrisch kommutiert werden.
Die Zuschaltung des zusätzlichen Antriebsstrangs kann mittels einer Bedieneinheit 6 erfolgen, mittels welcher auch der Teil der Energie, welche auf das Vorderrad 8 übertragen werden soll eingestellt werden kann. Die Bedieneinheit 6 kann am Lenker befestigt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 02/0571127 A1 [0002]
GB 1450682 A [0002]
DE 4333838 A1 [0003]
DE 102013012208 A1 [0004]

Claims

Fahrzeug, welches rein durch Muskelkraft betrieben wird, wobei mittels einer Tretkurbel eine Energie vom Menschen eingebracht wird und zumindest ein Teil der Energie mittels eines Kettenantriebs (1) auf ein Hinterrad (7) übertragen wird, wobei mittels eines zusätzlichen Antriebsstrangs ein Teil der Energie bei Bedarf auch auf ein Vorderrad (8) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Antriebsstrang als elektrischer Antriebsstrang ausgebildet ist, bestehend aus einem Generator (2), einer elektrischen Steuereinheit (5) und einem elektrischen Motor (4) zum Antrieb des Vorderrads (8).
Fahrzeugnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug als Zweirad ausgebildet ist.
Fahrzeugnach nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Motor (4) als Radnabenmotor ausgebildet ist.
Fahrzeugnach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für den Betrieb des elektrischen Motors (4) notwendige Energie durch einen mit der Tretkurbel wirkverbundenen Generator (2), welcher im Bereich des Tretlagers angeordnet ist, zeitgleich generiert wird.
Fahrzeug nacheinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuerung und Verknüpfung von Generator (2) und elektrischem Motor (4) eine elektrische Steuereinheit (5) vorhanden ist, die die Energieübertragung effizient mittels Sinuskommutierung durch Pulsweitenmodulation steuert.
Fahrzeug einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der Energie, der das Vorderrad (8) antreibt, stufenlos geregelt werden kann.
Fahrzeug einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie, die das Vorderrad (8) antreibt, stufenlos geregelt werden kann.
Fahrzeug einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ein- und Ausschalten des zusätzlichen Antriebsstrangs eine schaltbare Kupplung zwischen Kurbelwelle der Tretkurbel und dem Generator (2) vorhanden ist, um Energieverluste durch dauerhaftes Antreiben des Generators (2) zu unterbinden.
Fahrzeug einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Antriebsstrang keinen Energiespeicher umfasst.