DE19819705C2 - Hilfsantriebsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hilfsantriebsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug.

Dies kann beispielsweise ein elektrisches Zweirad oder ein elektrisches Dreirad sein, welches einen geschlossenen Regelkreis zur Regelung der Antriebskraft/des Antriebsdrehmomentes aufweist.

Mit dem Beginn der Umweltschutz-Ära, wurden Fahrräder umfangreich als Transportmittel für kurze Distanzen und auch als Sportgerät genutzt. Um die Belastung des Fahrradfahrers beim Fahren mit dem Fahrrad zu reduzieren, sind einige der neu entwickelten Fahrräder mit einer elektrisch angetriebenen Hilfsantriebsvorrichtung ausgestattet, welche gewöhnlich einen Elektromotor und ein zugehöriges Übersetzungssystem umfasst, um dem Fahrer beispielsweise beim Hinauffahren auf einen Berg zu helfen. Da der Motor gewöhnlich durch ein wieder aufladbares Batteriesystem gespeist wird, ist die zur Verfügung stehende Energie für den Motor begrenzt. Die Erhaltung der Batterieenergie ist wichtig, so dass es wünschenswert ist, dass der Motor sowohl in einer möglichst effizienten als auch kontrollierbaren Weise betrieben wird, um die Energie zu sparen und das mögliche Unfallrisiko zu reduzieren, welches durch eine unkontrollierte Arbeitsweise des Motors verursacht werden kann.

Bei dem Aufbau herkömmlicher elektrisch betriebener Fahrräder, besteht eine einfache Möglichkeit zur Steuerung der Hilfsantriebsenergiequelle darin, die Hilfsantriebsenergiequelle entweder an dem Vorderrad oder an dem Hinterrad des Fahrrades zu befestigen und einen elektrischen Schalter, der als Kontrollschalter zum Einschalten der elektrischen Hilfsenergiequelle benötigt wird, an der Lenkstange zu befestigen, damit diese Schalter leicht durch den Fahrer erreichbar ist, um die Hilfsantriebsenergiequelle einzuschalten. Die Energieabgabe der Hilfsantriebsenergiequelle des Motors wird direkt auf das Rad des Fahrrades übertragen, wobei die Energie nicht gesteuert und reguliert wird, was gewöhnlich zu einem Verlust beziehungsweise zur Verschwendung elektrischer Energie führt.

Darüber hinaus wird in den angegebenen Dokumenten, wie beispielsweise im US Patent Nr. 5,704,441 ein Drehmomentsensor offenbart, welcher auf dem Fahrradpedal angebracht ist, um die beim Fahren auf die Pedale wirkende Kraft zu messen, damit die Hilfsenergie gesteuert werden kann, welche durch den Motor der Antriebshilfsvorrichtung geliefert wird. Diese Vorgehensweise hat, obwohl sie eine Verbesserung des Problems liefert, dass die Hilfsantriebsenergie von konventionellen elektrisch betriebenen Fahrrädern nur unzureichend gesteuert auf das Fahrrad übertragen wird, weiterhin den Nachteil, dass sie eine Steuerung des Hilfsantriebsenergiesystems in Abhängigkeit von dem auf das Pedal wirkenden Drehmoment bereitstellt. Da das auf das Pedal wirkende Drehmoment zu einem wesentlichen Umfang davon abhängt, wie der Fahrradfahrer das Pedal niederdrückt und daher sehr heftig variiert, ist die Arbeitsweise des Motors, welcher in Einklang mit solch einem heftig variierenden Drehmoment gesteuert wird, ziemlich instabil und wird mitunter zu Vibrationen führen. Dies führt zweifelsohne zu einer Verschwendung von Energie.

Aus DE 197 11 798 A1 ist ein Fahrrad mit einer elektrischen Hilfsantriebsvorrichtung bekannt geworden, welches neben einem Belastungsdetektor zur Messung der auf die Pedale einwirkenden Kräfte auch eine Einrichtung zur Regelung des elektrischen Antriebssystems aufweist. Dieses Regelungssystem benötigt eine anfängliche Anpassung des Belastungsdetektors, wenn keine Last auf die Pedale einwirkt. Ein derartiges Referenz-Belastungs-Spannungs- Verhältnis wird innerhalb des Systems gespeichert. Anschließend wird die Belastungs-Spannungsbeziehung von der Regelungseinrichtung so verschoben, dass die anfängliche Spannung, d. h. die Spannung, bei der die Belastung gleich Null ist mit der gemessenen Spannung übereinstimmt. Eine auf diese Weise aktualisierte Belastungs- Spannungsbeziehung wird in einem zweiten Speicher des Systems gespeichert. Auf diesem aktualisierten Belastungs-Spannungs- Verhältnis basierend, berechnet die Regelungseinrichtung die tatsächliche Belastung, die auf die Pedale aufgebracht ist und versorgt den Motor schließlich mit Energie, um das Pedalantriebssystem zu unterstützen. Ein wesentlicher Nachteil dieses Systems ist darin zu sehen, dass die anfängliche Anpassung der Regelungseinrichtung in einem Zustand ausgeführt werden sollte, in dem keine Belastung auf die Pedale einwirkt. Dazu muss die Person, die mit dem Fahrrad fährt, auf komplizierte Art und Weise davon abgehalten werden, während der Fahrt den Schalter zu betätigen, der das Regelungssystem aktiviert. Anderenfalls könnte eine Kraft auf die Pedale einwirken und somit die Messung der anfänglichen Spannung mit Hilfe des Belastungsdetektors verfälschen. Zu diesem Zweck wird beispielsweise der Schalter auf der Rückseite des Sattels angeordnet. Dadurch wird die Person davon abgehalten, den Schalter während des Fahrens zu betätigen. Nachteilig ist außerdem, dass diese Erfindung an der Hinterachse nur ein Zahnrad vorsieht und kein vielstufiges Kettenschaltungssystem, was den praktischen Nutzen der Hilfsantriebsvorrichtung deutlich erhöhen könnte.

Das oben bereits genannte US Patent Nr. 5,704,441 weist nicht nur Schwächen bei der Steuerung des Motors auf, um eine stabile Abgabe an mechanischer Energie zu liefern, sondern es ist auch nicht geeignet, in solche Fahrräder eingebaut zu werden, welche ein vielstufiges Kettenschaltungssystem aufweisen, weil es nicht in der Lage ist, eine geeignete Rotationsgeschwindigkeit und ein geeignetes Drehmoment der Hilfsantriebsenergie in Abstimmung mit den unterschiedlichen eingestellten Gängen des vielstufigen Kettenschaltungssystems bereitzustellen und daher in seinem praktischen Nutzen begrenzt ist.

Daher ist es wünschenswert, eine Hilfsantriebsvorrichtung bereitzustellen, welche die Arbeitsweise des Motors steuert, um ein mechanisches Drehmoment auf die Räder des Fahrrades auf eine sanfte, gut kontrollierte und regulierte Art zu übertragen, um die Probleme des Standes der Technik zu überwinden.

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hilfsantriebsvorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug bereitzustellen, wie beispielsweise ein elektrisch angetriebenes Fahrrad, wobei die Hilfsantriebsvorrichtung ein geeignetes Drehmoment auf das Fahrrad überträgt in Einklang mit der Antriebsgeschwindigkeit der Pedale des Fahrrades und der Rotationsgeschwindigkeit des Hinterrades des Fahrrades, damit die dem Fahrrad zugeführte Hilfsenergie auf geeignete beziehungsweise sanftere Weise zugeführt wird um den Betrieb des Fahrrades zu erleichtern und damit die Belastung des Fahrradfahrers zu reduzieren, wobei die Hilfsantriebsvorrichtung erheblich einfacher zu bedienen und damit weniger fehleranfällig ist, als die bisher bekannt gewordenen Hilfsantriebsvorrichtungen, insbesondere als DE 197 11 798 A1.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Hilfsantriebsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug bereitzustellen, wie beispielsweise ein elektrisch betriebenes Fahrrad, welche die Höhe der dem Fahrrad zuzuführenden Energie in Einklang mit der Antriebsgeschwindigkeit der Fahrradpedale und der Rotationsgeschwindigkeit des Hinterrades des Fahrrades bestimmt, so dass diese bei Fahrrädern mit einer vielstufigen Kettenschaltung einsetzbar ist und welche es ermöglicht, ein geeignetes Drehmoment und geeignete Rotationsgeschwindigkeit der Hilfsenergie dem Fahrrad zuzuführen in Abstimmung mit dem eingestellten Gang der Kettenschaltung und welches auf diese Weise die Anwendungsmöglichkeit der Hilfsantriebsvorrichtung erweitert. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Hilfsantriebsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, wie beispielsweise ein elektrisch betriebenes Fahrrad, bereitzustellen, wobei das Fahrrad ein Pedalantriebssystem und eine Hilfsantriebsvorrichtung umfaßt, welche unabhängig voneinander arbeiten, wobei die Hilfsantriebsvorrichtung nur in einer Drehrichtung Energie liefern kann, so dass wenn das Fahrrad manuell rückwärts bewegt wird, keine umgekehrte Rotation der Antriebshilfsvorrichtung ausgelöst werden kann und ein dadurch verursachter umgekehrter Stromfluß, welcher den Regelkreis zerstören kann, vermieden wird.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine erfindungsgemäße Hilfsantriebsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, beispielsweise eines elektrisch betriebenen Fahrrades gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 vorgestellt.

Die Unteransprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dar.

Die Hilfsantriebsvorrichtung umfaßt ein Planetengetriebe, welches wiederum einen Planetenträger umfaßt, auf dem eine Anzahl von Planetenrädern drehbar montiert ist und welcher mit den Pedalen des Fahrrades verbunden ist. Ein Sonnenrad ist verdrehfest mit einem Motor in einer Drehrichtung verbunden, um durch den Motor in einer Drehrichtung angetrieben zu werden. Ein Umfangsrad ist koaxial mit einem vorderen Antriebskettenrad des Fahrrades fixiert. Das vordere Antriebskettenrad treibt indirekt ein Kettenschaltungssystem des Fahrrades über eine Kette an, so dass die Kettenschaltung ein Hinterrad des Fahrrades antreibt. Zwei Sensoren sind entsprechend auf dem Planetenträger und dem Hinterrad des Fahrrades montiert, um die Rotationsgeschwindigkeiten der manuell angetriebenen Pedale und des Hinterrades zu messen. Die die Rotationsgeschwindigkeiten repräsentierenden Signale werden verarbeitet und zu einem Regler geleitet, der, in Antwort darauf, ein Steuersignal für Hilfsenergie generiert, welches dann durch einen Leistungsverstärker verstärkt wird, um den Motor anzutreiben und den Motor so zu steuern, dass eine geeignete Hilfsenergie generiert und abgegeben wird, um das Hinterrad des Fahrrades in Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeiten der Pedale und des Hinterrades des Fahrzeugs anzutreiben und auf diese Weise ein Antriebsreglungssystem bereitzustellen, welches eine Kopplung zur Rotationsgeschwindigkeit aufweist, um die Drehmoments- und Geschwindigkeitsabgabe des Hilfsantriebssystems zu steuern/regeln.

Die obigen Ziele, wie auch Eigenschaften und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert wird. Dabei zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Hilfsantriebsvorrichtung in Explosionsdarstellung, welche in ein elektrisch betriebenes Fahrrad eingebaut ist, so wie einen Teil des Fahrradrahmens;

Fig. 2 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Hilfsantriebsvorrichtung wie auch einen Teil des Fahrradrahmens:

Fig. 3 eine schematische Darstellung, welche den Drehmomentfluß in dem mit der erfindungsgemäßen Hilfsantriebsvorrichtung versehenen Fahrrad zeigt;

Fig. 4 ein Schaltbilddiagramm eines Regelkreises, welches die Zusammenwirkung der Planetenräder und des Umfangsrades des Planetengetriebes zeigt, welches in der erfindungsgemäßen Hilfsantriebsvorrichtung untergebracht ist.

Fig. 5b eine schematische Ansicht, welche die Zusammenwirkung zwischen den Planetenrädern, dem Sonnenrad und dem Planetenträger des Planetengetriebes zeigt, welches in der erfindungsgemäßen Hilfsantriebsvorrichtung untergebracht ist.

Fig. 6 Eine Draufsicht auf einen Teil eines elektrisch angetriebenen Fahrrades, welches mit einer erfindungsgemäßen Hilfsantriebsvorrichtung versehen ist.

Fig. 7 Eine Draufsicht auf einen Teil eines anderen elektrisch betriebenen Fahrrades, welche mit einer erfindungsgemäßen Hilfsantriebsvorrichtung versehen ist.

Im folgenden wird Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf die Fig. 1 und 2 genommen. Dort ist eine erfindungsgemäße Hilfsantriebsvorrichtung zu sehen, welche auf einem elektrisch betriebenen Fahrzeug montiert ist, welches in der gezeigten Ausführungsform ein elektrisch betriebenes Fahrrad ist, jedoch nicht auf ein solches beschränkt ist. Die Hilfsantriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Planetengetriebe 100, welches einen Planetenträger 10 mit einer zentralen Bohrung 11 umfaßt, wobei der Planetenträger 10 über eine Pedalachse A des Fahrrades geschoben ist, welches zwei Pedale 2b aufweist, die darauf angebracht sind und wobei jede mittels eines Keils 1a damit befestigt ist, welcher von einer entsprechenden Ausnehmung der Pedalachse A aufgenommen wird und in eine Keilnut 11 ragt, welche in der zentralen Bohrung 11 des Planetenträgers 10 vorgesehen ist. Die Pedalachse A ragt hindurch und ist drehbar durch ein fünfarmiges Rohr 1b des Rahmens B vom Fahrrad gehalten, so daß der Planetenträger 10 manuell um eine zentrale Achse des fünfarmigen Rohrs 1b oder eine zentrale Achse der Pedalachse A mittels Niederdrücken der Pedale 2b durch einen Fahrradfahrer (nicht gezeigt) in Drehung versetzt werden kann. Der Planetenträger 10 weist eine Vielzahl von Bolzen 12 auf, welche darauf befestigt sind und vorzugsweise gleichmäßig zueinander beabstandet und konzentrisch zur zentralen Achse angeordnet sind. Jeder der Bolzen 12 nimmt ein Planetenrad 20 auf und unterstützt dieses drehbeweglich, so daß die Planetenräder 20 in einer Umfangsbahn um die zentrale Achse bei Drehung des Planetenträgers 10 angetrieben werden. In der gezeigten Ausführungsform sind drei Planetenräder 20 auf dem Planetenträger 10 drehbar gehalten. Es kann jedoch auch eine unterschiedliche Anzahl von Planetenrädern 20 vorgesehen sein.

Ein Sonnenrad 30 ist drehbar auf der zentralen Achse der Pedalachse A gehalten und ist zwischen den Planetenrädern 20 angeordnet, um in die Planetenräder 20 einzugreifen. Ein Umfangsrad 40 ist um das Sonnenrad 30 und die Planetenräder 20 zum Eingriff mit den Planetenrädern 20 angeordnet. Das Umfangsrad 40 umfaßt eine Vielzahl von Durchgangslöchern 41, welche Bolzen oder andere Befestigungsmittel 2a aufnehmen. Die Bolzen 2a sind mit Innengewinde versehenen Löchern 210 verschraubt, welche an einem vorderen Antriebskettenrad 200 angeordnet sind, welches koaxial drehbar um die zentrale Achse der Pedalachse A ist, so daß das Umfangsrad 40 auf dem vorderen Antriebskettenrad 200 befestigt werden kann.

Das vordere Antriebskettenrad 200, welches um die Pedalachse A drehbar ist, ist antriebsmäßig mit einer Kette 300 (vergleiche Fig. 6 und 7) verbunden, um ein Hinterrad C des Fahrrades anzutreiben.

Ein erstes Kegelrad 400 ist drehbar über die Pedalachse A geschoben und ist mit einem koaxial angeordneten, kragenförmigen Ansatz 420 mittels einer dazwischen liegenden, in einer Richtung wirkenden Kupplung oder Ratsche 410 verbunden. Der kragenförmige Ansatz 420 weist eine Nut 421 auf, welche mit einer Nut 311 des Sonnenrads 30 korrespondiert, so daß darin ein Keil 430 aufgenommen werden kann, um das Sonnenrad 30 mit dem kragenförmigen Ansatz 420 zu koppeln und damit eine in eine Richtung wirkende Kopplung zwischen dem ersten Kegelrad 400 und dem Sonnenrad 30 zu bewerkstelligen.

Der kragenförmige Ansatz 420 und damit das erste Kegelrad 400 sind drehbar auf der Pedalachse A mittels einer inneren Lagerhülse D' gelagert, welche zwischen dem kragenförmigen Ansatz 420 und der Pedalachse A angeordnet ist. Ein äußerer Lagerring D ist über den kragenförmigen Ansatz 420 geschoben, um zu diesem koaxial und drehbar das vordere Antriebskettenrad 200 abzustützen. Auf diese Weise wird die Drehung des ersten Kegelrades 400 in einer in eine Drehrichtung wirkenden Weise auf das vordere Antriebskettenrad 200 übertragen mittels des Sonnenrads 30, welches mit dem kragenförmigen Ansatz 420 vernutet ist, welcher wiederum mit dem ersten Kegelrad 400 durch die in einer Richtung wirkende Kupplung 410 verbunden ist und durch den Eingriff zwischen dem Sonnenrad 30, den Planetenrädern 20 und dem Umfangsrad 40, welches mit dem vorderen Antriebskettenrad 200 mittels Befestigungsmitteln 2A befestigt ist.

Ein Elektromotor 500, welcher als Hilfsantriebs-Energiequelle der Hilfsantriebsvorrichtung dient, ist durch die Befestigung einer Platte 510 des Motors 500 mit einer Vielzahl von Laschen 4B, welche zum Beispiel mit dem unteren Rohr 3B des Fahrradrahmens B befestigt sind, mit dem Fahrradrahmen B befestigt. Der Elektromotor 500 ist vorzugsweise mit einem eingebauten Untersetzungsgetriebe (nicht gezeigt) versehen, welches eine Ausgangsspindel 520 aufweist, mit der ein zweites Kegelrad 530 verbunden ist. Das zweite Kegelrad 530 greift in das erste Kegelrad 400, vorzugsweise in einer gegenseitigen senkrechten oder rechtwinkligen Weise ein, um auf diese Weise eine Drehbewegung und/oder ein Drehmoment des Motors 500 auf das erste Kegelrad 400 und damit das vordere Antriebskettenrad 200 (wie oben erläutert) zu übertragen. Die in eine Richtung wirkende Kupplung 410 ermöglicht es den Kegelrädern 400 und 530 mit dem Motor 500 still zu halten, wenn der Motor 500 nicht arbeitet, während dem vorderen Antriebskettenrad 200 erlaubt wird, frei zu rotieren, ohne in irgendeiner Weise von den Stirnrädern 400 und 530 und dem Motor 500 behindert zu werden. Auf diese Weise ist im Falle eines Abschaltens des Motors 500 das Fahrrad noch manuell bedienbar.

Bei manueller Bedienung des Fahrrades drückt der Fahrer die Pedale 2B nieder, um die Pedalachse A um ihre zentrale Achse zu drehen, was wiederum die Planetenräder 20 mittels der Nutkupplung zwischen dem Planetenträger 10 und der Pedalachse A und der drehbaren Anordnung der Planetenräder 20 auf den Bolzen 12 des Planetenträgers 10 antreibt. Die Drehung der Planetenräder 20 führt dazu, daß das Umfangsrad 40 das vordere Antriebskettenrad 200 antreibt. Es ist darauf hinzuweisen, daß, obwohl der Eingriff zwischen den Planetenrädern 20 und dem Sonnenrad 30 auch das Sonnenrad 30 in Drehung versetzt, die Drehung des Sonnenrades 30 nicht auf die Kegelräder 400 und 530 dank der in einer Richtung wirkenden Kupplung 410 übertragen wird.

Fig. 3 zeigt schematisch den Weg des Drehmomentflusses sowohl von dem Motor 500 als auch von den Pedalen 2B beispielsweise zum Hinterrad C des Fahrrades. Der erste Weg, welcher von den Pedalen 2B zum Hinterrad C geht umfaßt das manuell auf die Pedalen 2B übertragene Drehmoment, welches dann über den Planetenträger 10 auf das Umfangsrad 40 übertragen wird, von dem das Drehmoment wiederum auf das Hinterrad C mittels eines hinteren Kettenschaltungssystems E übertragen wird, sofern eine solche vorhanden ist. Der zweite Drehmomentfluß verläuft von dem Motor 500 zu dem Sonnenrad 30, welches dann das Umfangsrad 40 antreibt, von dem das Drehmoment zu dem Hinterrad C mittels des Kettenschaltungssystems E übertragen wird. Es sei hier angemerkt, daß das Kettenschaltungssystem E optional ist.

Aufgrund der in eine Richtung wirkenden Kupplung 410 können die beiden Drehmomentflüsse zu dem Umfangsrad 40 zur gleichen Zeit geleitet werden. Mit anderen Worten, das Hinterrad C kann sowohl manuell über die Pedalen 2B als auch über den Motor 500 angetrieben werden. Es sei angemerkt, daß dank der in einer Richtung wirkenden Kupplung 410 das Fahrrad durch den Motor 500 nur in einer vorwärtsbewegenden Richtung angetrieben werden kann.

Fig. 3 zeigt auch den Fluß eines Steuersignals, um den Motor zu steuern, wodurch ein geschlossenes Regelsystem gebildet wird. Das geschlossene Regelsystem umfaßt einen Sensor 600, welcher irgendeine Vorrichtung umfassen kann, die geeignet ist, die Rotationsgeschwindigkeit zu messen, einschließlich aber nicht begrenzt auf Bewegungsschalter, fotoelektrische Schalter, Reedschalter, Näherungsschalter und Hall-IC. Der Sensor 600 ist mit dem Planetenträger 10 befestigt um die Rotationsgeschwindigkeit des Planetenträgers 10 zu messen, welche der Rotationsgeschwindigkeit der Pedalachse A entspricht (das ist die Geschwindigkeit, mit der der Fahrer die Pedale 2B antreibt). Ein durch den Sensor 600 generiertes Signal, welches die Rotationsgeschwindigkeit der Pedalachse A repräsentiert wird dann durch einen Verstärkerkreis mit einer Verstärkungskonstanten K verstärkt. Mit anderen Worten, das Signal wird mit einem Faktor von K verstärkt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Verstärkungsfaktor K eine Konstante und dessen Berechnung wird später beschrieben. Der Verstärkungskreis generiert ein Ausgangssignal (Er), welches zu einer Operations- oder Vergleichseinheit 700 geleitet wird und als Eingang für das geschlossene Rückkopplungssystem dient.

Das geschlossene Rückkopplungssystem umfaßt ferner einen zweiten Sensor 600', welcher identisch oder ähnlich mit dem ersten Sensor 600 sein kann und welcher mit dem Hinterrad C befestigt ist, um die Rotationsgeschwindigkeit des Hinterrades C zu messen und ein Rückkopplungssignal Eh zu erzeugen, welches zu der Vergleichseinheit 700 geleitet wird, um mit dem Eingangssignal Er verglichen zu werden.

Die Vergleichseinheit 700 generiert ein Ausgangssignal Ec basierend auf der Differenz oder dem Fehler zwischen dem Eingangssignal Er des Sensors 600 und dem Rückkopplungssignal Eh von dem Sensor 600'. Das Fehlersignal Ec wird dann zu einem Regler 800 geleitet, welcher ein Steuersignal Es in Abhängigkeit zu dem Fehlersignal Ec generiert und das Steuersignal Es wird durch einen Leistungsverstärker 900 geleitet und verstärkt, um den Motor 500 anzutreiben. Der Motor 500 treibt dann mittels des Sonnenrades 30 und des Umfangsrades 40, wie gleichermaßen durch das Kettenschaltungssystem E, sofern vorhanden, das Hinterrad C an und die Rotation des Hinterrades C führt wiederum zu dem Rückkopplungssignal Eh. Dieses geschlossene Rückkopplungssystem liefert eine präzise Regelung der Antriebshilfsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Bezugnehmend auf Fig. 4, welche ein Schaltdiagramm eines in der erfindungsgemäßen Hilfsantriebsvorrichtung untergebrachten Regelkreises zeigt, umfaßt der Regelkreis eine Vielzahl von spannungsregulierenden Einheiten S1, S2 und S3, welche jeweils spannungsregulierende integrierte Schaltkreise U1, U2 und U3 umfaßt, um drei verschiedene Arbeitsspannungen V+, V1 und V- zu liefern. Die in Fig. 3 gezeigte Vergleichseinheit 700 besteht aus drei Operationsverstärkern U4, U5 und U6. Die Operationsverstärker U4 und U5 bilden beide einen integrierten Schaltkreis und erhalten jeweils das Eingangssignal Er und das Rückkopplungssignal Eh. Der Operationsverstärker U6 bildet einen Summationsschaltkreis, welcher die integrierten Signale von dem Eingangssignal Er und dem Rückkopplungssignal Eh erhält und das Fehlersignal Ec generiert.

Der in Fig. 3 gezeigte Regler 800 umfaßt eine Leistungsregelung U7 in Form eines integrierten Schaltkreises mit einem Eingangspin IP, um das Fehlersignal Ec zu erhalten. Ferner ist ein Ausgangspin OP vorgesehen, um ein Steuersignal zu dem Leistungsverstärker 900 zu leiten, in Abhängigkeit von dem Fehlersignal Ec.

Der in Fig. 3 gezeigte Leistungsverstärker 900 umfaßt Transistoren Q1, Q2 und Q3, welche durch das Steuersignal von dem Regler 800 gesteuert werden und den Leistungsausgang des Motors 500 (nämlich das Ausgangsdrehmoment und die Rotationsgeschwindigkeit) steuern, um den Leistungsausgang des Motors 500 in Abhängigkeit mit der Rotationsgeschwindigkeit des Hinterrades C und der Antriebsgeschwindigkeit der Pedale 2B einzustellen.

Vorzugsweise ist eine Freilaufdiode D1 parallel zu dem Motor 500 geschaltet, um einen Bypass-Stromweg für umgekehrten Strom bereitzustellen, welcher durch die Entladung induktiver Last erzeugt wird, wenn der Motor 500 ausgeschaltet wird, damit eine Beschädigung der anderen Komponenten des Schaltkreises vermieden wird.

Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung ist nur eine praktische Ausführungsform, welche nicht als für den Bereich der Erfindung beschränkend angesehen werden sollte.

Die Konstruktionsidee der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 5a und 5b näher beschrieben. Zunächst wird auf die Fig. 5b Bezug genommen, welche schematisch den Planetenträger 10, die Planetenräder 20 und das Sonnenrad 30 des Planetengetriebes zeigt, um die Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Rotationsgeschwindigkeit zu verdeutlichen. In der folgenden Diskussion, werden die folgenden Notationen verwendet:
Wa: Rotationsgeschwindigkeit des Planetenträgers 10
Wp: Rotationsgeschwindigkeit der Planetenräder 20
Ws: Rotationsgeschwindigkeit des Sonnenrades 30
Wr: Rotationsgeschwindigkeit des Umfangsrades 40
Wb: Rotationsgeschwindigkeit des Hinterrades C
Ta: Drehmoment des Planetenträgers 10
Tp: Drehmoment der Planetenräder 20
Ts: Drehmoment des Sonnenrades 30
Tr: Drehmoment des Umfangsrades 40
Rs: Radius des Sonnenrades 30
Rp: Radius der Planetenräder 20
fap: Kraft, welche durch den Planetenträger auf die Planetenräder 20 übertragen wird
fpa: Kraft, welche durch die Planetenräder auf den Planetenträger 10 übertragen wird
fsp: Kraft, welche durch das Sonnenrad 30 auf die Planetenräder übertragen wird
fps: Kraft, welche durch die Planetenräder 20 auf das Sonnenrad 30 übertragen wird.
frp: Kraft, welche durch das Umfangsrad 40 auf die Planetenräder 20 übertragen wird
fps: Kraft, welche durch die Planetenräder 20 auf das Umfangsrad 40 übertragen wird
Ns: Zähnezahl des Sonnenrades 30
Nr: Zähnezahl des Umfangsrades 40
Nf: Zähnezahl des vorderen Antriebskettenrades 200
Nb: Zähnezahl des ausgewählten Kettenrades des Kettenschaltungssystems E.

Für das Planetengetriebesystem gilt folgende Gleichung (1):

Es läßt sich aus der Gleichung (1) ableiten, daß für eine gegebene Zähnezahl (Nr, Ns) des Sonnenrades und des Umfangrades 40, die Geschwindigkeit (wr) des Umfangrades 40 von der Geschwindigkeit des Planetenträgers (Wa) abhängt, welche mit der Rotationsgeschwindigkeit der Pedalachse A oder der Pedale 2B und der Geschwindigkeit des Sonnenrades 30 (Ws) übereinstimmt, welche gleich der durch die Mutter 500 verursachte Rotationsgeschwindigkeit ist. Darüber hinaus,

Ts = Rs × fsp

Ta = (Rs + Rp) × fap

Tp = (Rs × fps) + [(Rs + Rp) × fpa]

von den unteren drei Gleichungen erhält man, daß

Ts + Ta + Tb1 = 0 (2)

mit fsp = -fps und fap = -fpa.

Fig. 5a offenbart den Zusammenhang zwischen Rotationsgeschwindigkeit und Drehmoment zwischen dem Sonnenrad 20 und dem Umfangsrad 40, wobei gilt:

Tr = (2Rp + Rs) × frp

Tp2 = (2Rp + Rs) × fpr

und damit

Tr + Tp2 = 0 (3)

mit frp = -fpr.

Nach Addition der Gleichungen (2) und (3) ergibt sich

Ts + Ta + Tr + Tp1 + Tp2 = 0. (4)
Weiterhin, Tp1 + Tp2 = Tp = 0, da die Planetenräder 20 als Leerlaufräder wirken, die nicht arbeiten sondern nur Drehungen übertragen, so daß sie nur eine Rotationsgeschwindigkeit aber keinen Drehmoment aufweisen.

Wenn man die oben genannte Gleichung in die Gleichung (4) einfügt, ergibt sich folgendes Resultat:

Ts + Ta + Tr = 0. (5)

Zusätzlich, im Einklang mit dem Engergieerhaltungsprinzip, wenn der mechanische Verlust innerhalb des Plantetengetriebes vernachlässigt wird, so sind die Eingangsleistung und die Ausgangsleistung des Planetengetriebes identisch, nämlich

(TsWs + TaWa) + TrWr = 0. (6)

Die Vorzeichenkonventionen für Eingang und Ausgang ist einander entgegengesetzt.

Wenn man die Gleichung (5) mit der Rotationsgeschwindigkeit des Planetenträgers 10 multipliziert so gelangt man zur folgenden Gleichung (7):

TsWa + TaWa + TrWa = 0. (7)

Nach Abzug der Gleichung (7) von der Gleichung (6) ergibt sich Ts(Ws - Wa) + Tr(Wr - Wa) = 0 was, nach geeigneter Umformung, zu folgendem Ergebnis führt:

von den Gleichungen (1) und (8) läßt sich ableiten, daß

was verdeutlicht, daß das Verhältnis der Zähnezahl zwischen dem Sonnenrad und dem Umfangsrad gleich dem Verhältnis zwischen den Drehmomenten von dem Sonnenrad und dem Umfangsrad ist, so daß folgende Beziehung erhalten wird

Ts : Ta : Tr = Ns : -(Ns + Nr) : Nr (9)

was zeigt, daß für eine gegebene Zähneanzahl des Sonnenrades und des Umfangsrades, das Verhältnis zwischen dem Sonnenrad und dem Umfangsrad konstant ist. Auf diese Weise ist ein konstantes Verhältnis gegeben zwischen dem Drehmoment, welches manuell auf die Pedale 2B durch die Füße des Fahrers gebracht wird und dem Drehmoment von dem Motor 500. Basierend auf den oben genannten Beziehungen zwischen den Drehmomenten, den Zähnezahlen und den Rotationsgeschwindigkeiten, können das in Fig. 3 gezeigte geschlossene Rückkopplungssystem und der in Fig. 4 gezeigte Regelkreis, wie auch der Regler 800 daher so konstruiert werden, um die oben genannten Beziehungen zu realisieren und die Rotationsgeschwindigkeit des Hinterrades C kann wie folgt ausgedrückt werden:

Wb = K × Wa (10)

wobei K eine Konstante ist.

In dem Fall, daß ein hinteres Kettenschaltungssystem (E) vorhanden ist, ergibt sich

und wenn diese Gleichung in die Gleichung (10) eingefügt wird erhält man:

Wird die Gleichung (11) in die Gleichung (1) eingefügt, so ergibt sich:

Angenommen, daß

was auch eine Konstante ist, da K eine Konstante ist und Nr, Nb und Nf unveränderliche Werte darstellen, dann ergibt sich

Ws = As × Wa (12)

Gleichung (12) sagt aus, daß die Ausgangsrotationsgeschwindigkeit (Ws) des Motors 500 proportional der Rotationsgeschwindigkeit (Wa) der Pedale 2B ist, wobei (Wa) durch das Niederdrücken der Pedale durch die Bewegung des Fahrers verursacht wird, und daß die proportionale Konstante dazwischen durch das Verhältnis zwischen der Zähnezahl des vorderen Antriebskettenrades 200 und der Zähnezahl des ausgewählten Kettenrades vom hinteren Kettenschaltungssystem E bestimmt werden kann, nämlich Nb/Nf. Mit anderen Worten, durch Betätigung des Kettenschaltungssystems E und Schaltung zwischen unterschiedlichen Kettenrädern des Kettenschaltungssystems (nämlich unterschiedlichen Gangeinstellungen), kann man dieses Verhältnis ändern. Je größer das Verhältnis Nb/Nf ausfällt, desto größer ist der Wert von As und je desto ist die Rotationsgeschwindigkeit (Ws) des Sonnenrades 30. Konsequenterweise ist die Ausgangsrotationsgeschwindigkeit des Motors 500 höher.

Der Wert von K kann durch Umformung der Gleichung (12) erhalten werden und kann auf der Basis der gewünschten Rotationsgeschwindigkeit Wb des Hinterrades C, nämlich der Geschwindigkeit des Fahrrades bestimmt werden. Z. B.

• A) in dem Fall, daß die Geschwindigkeit des Fahrrades unter 15 Km/h (Kilometer in der Stunde) beträgt, wobei die Hilfsenergie als 1 : 1 konstantes Verhältnis gegeben ist, dann ergibt sich der Wert von K wie folgt:
  
• B) Geschwindigkeit des Fahrrades zwischen 15-24 Km/h liegt wobei die Hilfsenergie eine lineare Deklination mit einer negativen Richtung ist, ergibt sich der Wert von K wie folgt:
  

Auf diese Weise kann der Wert von K leicht erhalten werden, in dem das Verhältnis zwischen den Zähnezahlen (Ns, Nr), des Sonnenrades 30 und des Umfangrades 40 in der oben genannten Gleichung ersetzt wird. Z. B., für den Fall, daß Ns = 8 und Nr = 21, von Gleichung (9), Ts : Ta = 8 : (-29), was in die Gleichungen der Fälle (I) und (II) eingesetzt wird, ergibt sich:

• a) wenn Wb sich innerhalb des Bereichs zwischen 0-15 Km/h befindet, K = 58/21 = 2.761;
• b) wenn Wb sich im Bereich zwischen 15-24 Km/h bewegt, wie z. B. Ws = 18 Km/h, dann ergibt sich K = 145/63 = 2.301; und
• c) wenn Wb größer als 24 Km/h ist, dann ergibt sich K = 0 und Ws = 0, dann wird nämlich durch den Motor 500 keine Hilfsenergie und keine Rotationsgeschwindigkeit erzeugt.

Basierend auf der obigen Berechnung, kann man stabil und automatisch die Zufuhr von Hilfsenergie des Motors 500 angleichen. Mit anderen Worten, kann der Motor 500 automatisch die Hilfsenergie regulieren, welche dem Fahrer zugeführt werden soll, in Abhängigkeit der Differenz zwischen der Geschwindigkeit, welche durch die manuelle Betätigung der Fahrradpedale 2B erzeugt wird und der Rotationsgeschwindigkeit (Wb) des Hinterrades C des Fahrrades, so daß die Effektivität der Arbeitsweise des Motors 500 vergrößert werden kann und der Verbrauch von elektrischer Energie, welche zum Betrieb des Motors 500 benötigt wird, effizienter gehalten werden kann.

Bezugnehmend auf die Fig. 6 und 7, welche die Anwendungen der vorliegenden Erfindung in Fahrrädern mit unterschiedlichen hinteren Kettenschaltungssystemen zeigen, zeigt das in Fig. 6 gezeigte Fahrrad, welches die vorliegende Erfindung aufweist, ein hinteres Schaltungssystem E, welches ein normales mehrstufiges Kettenradschaltungssystem ist. Das Kettenrad des Schaltungssystems ist mit dem vorderen Antriebskettenrad 200 über eine Kette 300 gekoppelt. Wie vorher diskutiert, kann der Motor 500 unterschiedliche Ausgangsleistung liefern, basierend auf dem Verhältnis zwischen der Zähnezahl des jeweils ausgewählten Kettenrades des Schaltungssystems E und der Zähnezahl des vorderen Antriebskettenrades 200. Es ist für den Durchschnittsfachmann verständlich, daß Ausgangsdrehmoment des Motors 500 denselben Prinzipien wie oben diskutiert folgend entsprechend zu gestalten, im Einklang mit der jeweiligen Fahrweise des Fahrradfahrers, wobei zwischen verschiedenen Kettenrädern der Kettenschaltung gewechselt wird, so daß eine bessere Abstimmung der Arbeitsweise des Motors auf die Fahrweise des Fahrers erzielbar ist. Die Eigenschaft einer solchen Einstellung der Arbeitsweise des Motors ist, daß sie linear ist, so daß die Bedienung des Fahrrades sowohl durch den Fahrer als auch durch den Motor sanfter ist.

Fig. 7 zeigt eine anderes Kettenschaltungssystem E', welches ein Schalten zwischen einer Vielzahl von Geschwindigkeitsverhältnissen erlaubt, ohne das eine Anzahl von mehreren exponierten Kettenrädern benötigt wird. In gleicher Weise ist das oben diskutierte Prinzip auch anwendbar um die Regelung des durch den Motor 500 gelieferten Drehmomentes zu erleichtern.

Neben den bereits diskutieren, weist die vorliegende Erfindung einen zusätzlichen Vorteil auf, der darin liegt, daß die Übertragung der Rotation des Motors 500 zu dem Hinterrad C des Fahrrades aufgrund des Einsatzes der in einer Richtung wirkenden Kupplung 410 nur in eine Richtung möglich ist, was bei einer Rückwärtsbewegung des Fahrrades durch eine Person den Motor 500 daran hindert, umgekehrt zu rotieren, was zu einem von dem Motor 500 generierten Strom in einer umgekehrten Richtung führen würde. Solch ein umgekehrter Strom könnte den Regelkreis beschädigen.

Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist es verständlich, daß Änderungen und Modifikationen in den speziell beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, der nur durch die beiliegenden Patentansprüche begrenzt wird.

Claims (3)

1. Hilfsantriebsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, mit einem Hilfsmotor (500), der mit dem Rahmen des Fahrzeugs verbunden ist, und einem Planentengetriebe, umfassend einen Planetenträger (10), ein Sonnenrad (30), ein Umfangsrad (40) und eine Vielzahl von Planetenrädern (20), wobei der Planetenträger (10) koaxial mit einer Pedalachse (A) befestigt ist, welche durch mit der Pedalachse (A) verbundene Pedale (2B) des Fahrzeugs in Rotation versetzt wird, und wobei die Planetenräder (20) drehbar auf dem Planetenträger (10) abgestützt werden und außen mit dem Umfangsrad (40) und innen mit dem Sonnenrad (30) in Eingriff sind, wobei das Umfangsrad (40) koaxial mit einem vorderen Antriebskettenrad (200) des Fahrzeugs verbunden ist und das vordere Antriebskettenrad (200) mit einem hinteren Schaltungssystem (E, E') über eine Kette (300) verbunden ist, um ein Hinterrad (C) des Fahrzeugs anzutreiben, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kegelrad (400) mit einem kragenförmigen Ansatz (420) mit einer darin befindlichen Lagerhülse (D') zur drehbaren Aufnahme der Pedalachse (A) vorgesehen ist, wobei der kragenförmige Ansatz (420) in eine zentrale Bohrung des vorderen Antriebskettenrades (200) geschoben wird und mit dem Sonnenrad (30) bewegungsmäßig gekoppelt (430) ist, wobei eine in eine Richtung wirkende Kopplung (410) zwischen dem kragenförmigen Ansatz (420) und dem Kegelrad (400) vorgesehen ist, und dass der Hilfsmotor (500) eine Ausgangsspindel (520) mit einem darauf befestigten Kegelrad (530) aufweist, wobei das Kegelrad (530) mit dem Kegelrad (400) in etwa rechtwinklig in Eingriff kommt, so dass das Kegelrad (400) angetrieben und das Sonnenrad (30) in Drehung versetzt wird und auf diese Weise dem Umfangsrad (40) des Planetengetriebes und damit dem vorderen Antriebskettenrad (200) hilfsweise ein Drehmoment zugeführt wird, und dass eine Mehrzahl von Sensoren (600, 600') vorgesehen ist, welche auf dem Planetenträger (10) oder in einer geeigneten Position montiert sind, um die Rotationsgeschwindigkeit zu messen und an dem Hinterrad (C) des Fahrzeugs, um die Rotationsgeschwindigkeit der Pedale (2B) und des Hinterrades (C) zu messen, und dass ein Regler (800) vorgesehen ist, welcher die von den Sensoren (600, 600') gemessenen Rotationsgeschwindigkeiten von den Pedalen (2B) und dem Hinterrad (C) erhält, um die Arbeitsweise des Motors zu regeln, welcher dem Planetengetriebe und damit dem vorderen Antriebskettenrad (200) hilfsweise Rotationsgeschwindigkeit und Drehmoment zuführt.

2. Hilfsantriebsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vordere Antriebskettenrad 200 des Planetengetriebes ein einziges Kettenrad oder einen Satz von Kettenrädern umfasst mit einer Vielzahl von Kettenrädern mit unterschiedlichen Zähnezahlen und wobei das hintere Schaltungssystem (E, E'), welches antriebsmäßig mit dem vorderen Antriebskettenrad (200) gekoppelt ist, ein einziges Zahnrad oder ein aus mehreren Kettenrädern bestehendes Set mit mehreren Zahnrädern unterschiedlicher Zähnezahl oder eine mehrstufige Nabenschaltung oder eine stufenlosen Nabenschaltung umfasst;

3. Hilfsantriebsvorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (600, 600') beispielsweise Bewegungsschalter, photoelektrische Schalter, Näherungsschalter, Reedschalter, Hall-IC oder andere geschwindigkeitsmessende Vorrichtungen umfassen, wobei die durch die Sensoren (600, 600') gelieferten Signale, welche die Rotationsgeschwindigkeiten der Pedale (2B) und des Hinterrades (C) darstellen, durch einen Schaltkreis bearbeitet werden, um ein Fehlersignal (Ec) zu liefern, welches dem Regler (800) zugeführt wird, wobei der Schaltkreis eine Vielzahl von unabhängigen integrierten Schaltkreisen umfasst und einen aus Operationsverstärkern (U4, U5 und U6) bestehenden Summationsschaltkreis aufweist und wobei der Regler (800) eine Vielzahl von Operationsverstärkern und einen Leistungssteuerungs-IC enthält, um die Rotationsgeschwindigkeit und das Drehmoment, welches durch den Motor in Abhängigkeit der Veränderung des Verhältnis zwischen der Zähnezahl des hinteren Schaltungssystems (E, E') und dem vorderen Antriebskettenrad (200) geliefert wird, zu regeln, damit der Ausgang der Rotationsgeschwindigkeit und des Drehmomentes des Hilfsmotors (500) linear ist.