DE19737568C1

DE19737568C1 - Fahrzeug mit muskelkraftbetätigtem Antrieb

Info

Publication number: DE19737568C1
Application number: DE19737568A
Authority: DE
Inventors: Bruno Lais; Klaus Dr Ing Goessel
Original assignee: Heinzmann Co KG Fritz GmbH
Current assignee: Heinzmann Co KG Fritz GmbH
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2017-08-29

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug, insbesondere ein Fahrrad, mit einem durch Muskelkraft über Pedale oder Handkurbeln betätigbaren Ketten- oder Riementrieb und mit einem elektrischen Hilfsantrieb, der einen antriebsunterstützenden Elektromotor sowie eine damit verbundene Ansteuer-Elektrik bzw. -Elektronik aufweist (DE 25 03 720 A1). Bei solchen Fahrrädern mit Hilfsantrieb soll der Fahrradcharakter weitestgehend erhalten bleiben. Dazu besteht die Forderung, daß die Antriebsunterstützung durch den Elektromotor nur dann erfolgt, wenn der Benutzer des Fahrrades den Antrieb biomechanisch zumindest unterstützt. Wesentlich ist hierbei auch, daß ein einfaches Nachrüsten von Fahrrädern mit solchen Hilfsantrieben möglich sein soll und daß die Kosten für einen solchen Nachrüstsatz möglichst gering sind.

Um zu erkennen, ob eine aus der Muskelkraft resultierende bzw. biomechanische Krafteinleitung durch den Benutzer erfolgt, sind relativ komplizierte, teure, störanfällige und nicht ohne weiteres nachrüstbare Drehmoment- oder Kraftsensorein richtungen bekannt (vergl. beispielsweise DE 32 08 345 A1). Mit Hilfe dieser Drehmoment- oder Kraftsensoreinrichtungen wird der biomechanische Krafteinsatz des Benutzers gemessen und proportional zu dieser Meßgröße die Antriebskraft des Motors angepaßt. Dies erfordert eine vergleichsweise aufwendige Mechanik und Steuerung.

Ein Fahrzeug der eingangs erwähnten Art mit einem elektrischen Zusatzantrieb ist bereits aus der DE 25 03 720 A1 bekannt. Bei diesem Fahrzeug wird der elektrische Zusatzantrieb dann zugeschaltet, wenn die von einem Muskelkraft-Hauptantrieb auf das Fahrzeug übertragenen Kräfte einen bestimmten Wert erreichen.

Zur Erfassung der durch Muskelkraft übertragenen Antriebskräfte ist ein die Kettenspannung erfassendes Fühlkettenrad vorgesehen, das gegen eine Rückstellkraft verstellbar ist und ab einer bestimmten, durch eine erhöhte Kettenspannung bewirkten Auslenkung einen Schalter zum Einschalten des Zusatzantriebs betätigt.

Das antreibende Kettenrad des Zusatzantriebs befindet sich im oberen Kettentrum und damit im Zugabschnitt der Kette zwischen dem Fühlkettenrad und dem Pedalkettenrad.

Über das Fühlkettenrad kann somit die allein vom Muskelkraftantrieb erzeugte und vom Hilfsantrieb unabhängige Kettenspannung nicht erfaßt werden. Außerdem erfolgt bei diesem Antriebskonzept die Muskel- Kraftübertragung und die Motor-Kraftübertragung über eine gemeinsame Antriebskette, so daß auch bei ausgeschaltetem Motor Antriebselemente des Hilfsantriebs mitbewegt werden müssen.

Aus der DE 43 02 838 A1 ist es bekannt, zur Berechnung der benötigten Antriebsleistung bei einem Fahrzeug der eingangs erwähnten Art eine ganze Reihe von Meßeinrichtungen vorzusehen. So sind Staudruckmesser zur Messung der Anströmgeschwindigkeit, ein Neigungsmesser um den Grad der Steigung bzw. des Gefälles zu ermitteln sowie ein am Rad montierter Umdrehungszähler zur Errechnung der aktuellen Fahr geschwindigkeit vorgesehen. Dies alles ergibt einen nicht unerheblichen Aufwand, der ein Nachrüsten eines muskelkraft betätigten Fahrzeugs problematisch macht.

Außerdem kann auch hier durch die Erfassung der Fahrgeschwindigkeit nicht differenziert werden zwischen aus Muskel- oder Motorleistung resultierender Drehzahl bzw. Fahrgeschwindigkeit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem gattungsgemäßen Fahrzeug einen Hilfsantrieb zu schaffen, bei dem eine einfache, billige, zuverlässige Verknüpfung des biomechanischen Antriebs und der Hilfsantriebsunterstützung vorhanden ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, bei dem der muskelkraftbetätigte Antrieb und der Hilfsantrieb getrennte, voneinander unabhängige Kraftübertragungs-Einrichtungen besitzen, bei dem nur im muskelkraftbetätigten Antriebsstrang ein Bewegungs sensor angeordnet ist, bei dem die Motor-Ansteuerelektronik aus dem Signal des Bewegungssensors einen Wert für die Umlaufgeschwindig keit der Kette oder des Riemens des muskelkraftbetätigten Antriebs bildet, wobei der Sollwert der Motordrehzahl proportional der Umlaufgeschwindigkeit vorgegeben ist.

Durch die getrennte, voneinander unabhängige Kraftübertragung von Muskelkraft und Hilfsantrieb ist eine eindeutige Abhängigkeit des Bewegungssensor-Ausgangssignales nur vom Muskelkraft-Antrieb gegeben. Somit wird der Hilfsantrieb auch während der Fahrt nur dann zugeschaltet, wenn auch Antriebskraft benötigt wird. Dies wird signalisiert durch die Antriebsbewegung der Kette, wobei eine Anpassung der Zusatzleistung durch die Umlaufgeschwindigkeit der Kette erfolgt.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß sich die Bewegungserfassung mit wesentlich einfacheren Mitteln realisieren läßt als eine Drehmoment erfassung, so daß allein schon dadurch der Aufwand reduziert ist. Außerdem ist die Auswertung der von einem Bewegungssensor gelieferten Meßgröße einfacher durchführbar. Schließlich sind Bewegungssensoren auch störunanfällig und somit zuverlässig.

Zweckmäßigerweise ist ein Bewegungssensor vorgesehen, der ein richtungsabhängiges Signal erzeugt. Dadurch wird verhindert, daß der Elektromotor beim Rückwärtsbewegen des biomechanischen Antriebsstranges zuschaltet. Die Verknüpfung des biomechanischen Antriebes mit der Hilfsantriebsunterstützung erfolgt dabei nur bei bestimmungsgemäßer Bewegungsrichtung und bestimmungsgemäßem Vorhandensein des biomechanischen Antriebsstranges.

Durch Zusammenwirken des Bewegungssensors mit der biomechanischen Kraftübertragungseinrichtung wird im Gegensatz zu anderen denkbaren Möglichkeiten der Erfassung der biomechanischen Bewegung verhindert, daß der Elektromotor bei Wegfall der biomechanischen Kraftüber tragungseinrichtung, beispielsweise beim Abspringen der Kette, zuschaltet.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß der Bewegungssensor eine vorzugsweise von der Kette oder dem Riemen angetriebene Sensorrolle aufweist, an der wenigstens zwei Impulsgeberelemente in einer von 180° abweichenden Lage zueinander umfänglich angeordnet sind und daß der Sensorrolle wenigstens ein Impulsaufnehmer zugeordnet ist, der mit einer Motor-Ansteuerelektronik elektrisch verbunden ist. Vorzugsweise werden dabei als Impulsgeberelemente Magnete und als Impulsaufnehmer wenigstens eine Hallsonde oder gegebenenfalls Reedkontakte verwendet.

Ein solcher Bewegungssensor läßt sich mit geringem Aufwand bei gleichzeitig hoher Betriebssicherheit realisieren. Durch die Anordnung der Impulsgeberelemente in einer von 180° abweichenden Lage ergeben sich in den beiden Drehrichtungen der Sensorrolle unterschiedliche Impulsmuster, die auf einfache Weise die Bewegungsrichtung des biomechanischen Antriebes erkennen lassen. Für ein schnelles Ansprechen sowohl beim Zuschalten als auch beim Abschalten des Elektromotors ist es vorteilhaft, wenn vier, gegebenenfalls sechs Impulsgeberelemente vorgesehen sind.

Zweckmäßig ist es, wenn die Ansteuerung des Motors durch die Ansteuerelektronik in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich der biomechanischen Kraftübertragung mit einem steilen Anstieg der Motor- Solldrehzahl und oberhalb dieses niedrigen Geschwindigkeitsbereiches mit einem flacheren Anstieg der Motor-Solldrehzahl erfolgt.

Man erhält dadurch eine wirksame Anfahrunterstützung insbesondere auch an Steigungen und während des Fahrbetriebes richtet sich dann die Antriebsunterstützung durch den Elektromotor nach der Geschwindigkeit der biomechanischen Kraftübertragung, d. h. daß mit zunehmender Drehzahl beispielsweise der Tretkurbel auch die Motorunterstützung zunimmt. Bei einer biomechanisch vorteilhaften Geschwindigkeit der Kraftübertragungseinrichtung erfolgt dann eine Motorleistungsbegrenzung bei einem vorgegebenen Maximalwert, der beispielsweise bei 250 W liegen kann.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Gesamtansicht eines mit einem elektrischen Hilfs antrieb ausgerüsteten Fahrrades,

Fig. 2 eine Detailansicht im Bereich eines Bewegungssensors,

Fig. 3 ein Impulsdiagramm und

Fig. 4 ein Motorsteuerdiagramm.

Ein in Fig. 1 gezeigtes Fahrrad 1 weist einen biomechanischen Antrieb 2 mit einem über Pedale betätigbaren Kettenantrieb 3 auf, wobei die Kraftübertragung auf das Hinterrad 4 erfolgt. Das Fahrrad 1 weist einen elektrischen Hilfsantrieb auf, der einen im Ausführungs beispiel im Vorderrad 5 eingebauten Elektromotor 6 hat, der hier als Nabenmotor ausgebildet ist. Der Elektromotor 6 ist mit einer Ansteuer-Elektronik 7 und einer Antriebsbatterie 9 über Kabel 14 verbunden. Die Ansteuer-Elektronik 7 ist im Bereich des Gepäckträgers innerhalb eines Behälter 8, der auch die Antriebsbatterien 9 beinhaltet, untergebracht. Mit der Ansteuerelektronik 7 ist weiterhin ein Bewegungssensor 10 über Kabel 15 elektrisch verbunden, mit dem die Bewegung des biomechanischen Antriebes 2 erfaßt wird.

Im Ausführungsbeispiel ist der Bewegungssensor im Bereich des unteren Ketten-Trums angeordnet und erfaßt die Bewegung der Kette. Der Bewegungssensor 10 weist dazu im Ausführungsbeispiel eine von der Kette angetriebene Sensorrolle 11 auf, die deutlicher in Fig. 2 erkennbar ist. Die Sensorrolle 11 ist mit Impulsgeberelementen 12, 12a versehen und neben der Sensorrolle ist ein Impulsaufnehmer 13 angeordnet, der beim Vorbeilaufen eines Impulsgeberelementes eine Impulsflanke an die Ansteuerelektronik 7 gibt.

Bevorzugt ist eine berührungslose Sensoranordnung vorgesehen, die insbesondere mit Magneten und einem magnetfeldabhängigen Impulsauf nehmer 13 arbeitet. Der Impulsaufnehmer 13 ist dabei zweckmäßiger weise durch ein Hallelement gebildet.

Die Impulsgeberelemente sind durch heteropolar angeordnete Dauermagnete gebildet, wobei im Ausführungsbeispiel vier solcher Magnete vorgesehen sind. Diese sind jeweils so angeordnet, daß nacheinander abwechselnd Nord- und Südpole bei Drehung der Sensorrolle 11 an dem Impulsaufnehmer 13 vorbeilaufen. Die Impulsgeberelemente mit wirksamen Nordpolen sind mit 12 und die Impulsgeberelemente mit wirksamen Südpolen sind mit 12a bezeichnet und einerseits durch "N" und andererseits durch "S" unterschieden. Gut erkennbar ist in Fig. 2 auch, daß gleichpolige Magnete 12 bzw. 12a jeweils diametral gegenüberliegend angeordnet sind und ein Versatz der gleichpoligen Polpaare um 60 bzw. 120° zueinander vorgesehen ist. Bei Drehung der Sensorrolle 11 wird so ein ganz bestimmtes Impulsmuster erzeugt, das in dem Diagramm gemäß Fig. 3 dargestellt ist.

Auf der Abszisse ist der Drehwinkel der Sensorrolle 11 aufgetragen und auf der Ordinate die Impulsamplitude. Durch die unterschiedlich polarisierten Impulsgeberelemente 12, 12a wird beispielsweise bei Beeinflussung des Impulsaufnehmers 13 durch einen Südpol die aufsteigende Flanke eines Impulses erzeugt, während ein Nordpol eine abfallende Flanke bildet. Bei der gewählten Anordnung der Impulsgeberelemente mit einem Winkelversatz von 60 bzw. 120° ergeben sich so Impulse, deren Impulsbreite sich über einen Drehwinkel von 60° erstreckt und wobei die Impulspausen einem Drehwinkel von 120° entsprechen. Durch die Anordnung von vier Impulsgeberelementen ist ein sehr schnelles Ansprechen der Ansteuerelektronik bzw. des Elektromotors vorhanden. Bedarfsweise können auch mehr als vier, beispielsweise sechs Impulsgeberelemente vorgesehen sein.

Werden von dem Impulsaufnehmer 13 keine Impulse an die Ansteuerelek tronik 7 geliefert, wird der Elektromotor 6 ausgeschaltet. Durch die "asymmetrische" Anordnung der Impulsgeberelemente 12, 12a ist auch sichergestellt, daß ein Ansteuern des Motors unterbleibt, wenn sich die Kette 3 entgegen der Antriebsrichtung bewegt, was beispielsweise bei Kettenschaltungen mit Freilauf möglich ist. Bei dieser Bewegungsrichtung würde sich ein deutlich von dem in Fig. 3 gezeigten Impulsdiagramm abweichendes Impulsmuster ergeben, wobei die in Vorwärtsantriebsrichtung sich einstellenden Impulspausen die Impulse bilden würden und sich somit über 120° erstrecken würden. Dies läßt sich auf einfache Weise innerhalb der Ansteuerelektronik 7 auswerten und unterscheiden.

Fig. 4 zeigt noch ein Motorsteuerdiagramm, bei dem auf der Abszisse die Tretkurbeldrehzahl n_T und damit die Muskelkraft betätigte Antriebsbewegung und auf der Ordinate die Motordrehzahl n_M aufgetragen sind.

Nach einer kurzen Ansprechverzögerung die von den Abständen zwischen den vorgesehenen Impulsgeberelementen 12, 12a bestimmt ist, erfolgt in einem niedrigen Tretkurbeldrehzahlbereich ein steiler Anstieg der Motordrehzahl und damit eine schnelle und wirksame Anfahrhilfe. Die Solldrehzahl des Motors kann dabei in diesem Bereich der niedrigen Tretkurbeldrehzahl etwa die halbe Maximaldrehzahl betragen. Ab diesem niedrigeren Geschwindigkeitsbereich der biomechanischen Kraftübertragung erfolgt dann mit zunehmender Tretkurbeldrehzahl n_T ein flacherer Anstieg der Motordrehzahl n_M, bis schließlich die maximale Drehzahl des Motors bei einer biomechanisch vorteilhaften Geschwindigkeit der Kraftübertragungseinrichtung im Bereich von etwa 40-70 Kurbelumdrehungen pro Minute eingestellt wird.

Zur Anpassung an eine biomechanisch vorteilhafte Antriebsbewegung, die üblicherweise wie bereits vorerwähnt, in einem Bereich von etwa 40 bis 70 Kurbelumdrehungen pro Minute liegt, kann der biomechanische Antrieb eine Gangschaltung, insbesondere eine Nabenschaltung oder eine Kettenschaltung aufweisen. Dadurch wird erreicht, daß beispielsweise am Berg, wo die Fahrgeschwindigkeit entsprechend nachläßt, durch Schalten in einen niedrigeren Gang mit kleinerer Übersetzung die Kurbeldrehzahl und damit die Kettenumlaufgeschwindig keit derart erhöht werden kann, daß gemäß dem in Fig. 4 gezeigten Diagramm die Motorunterstützung zunimmt. Falls keine Schaltung vorhanden ist, müßte der Benutzer mehr biomechanische Antriebs leistung einbringen, um eine erhöhte Motorunterstützung zu erreichen. Die Leistungsbegrenzung des Antriebsmotors auf beispielsweise 250 W erfolgt bevorzugt ohne zusätzliche Meßeinrichtung für die mechanischen Größen Motordrehzahl und Motordrehmoment über die alleinige Messung und Verknüpfung der elektrischen Motorgrößen unter Berücksichtigung der Motorverluste oder im einfachsten Fall über die Begrenzung des Betriebsstromes. Die Ansteuerelektronik 7 ist auch so ausgelegt, daß beim Einschalten des Motors ein Sanftanlauf erfolgt und damit ein praktisch ruckfreies Anfahren und Einsetzen der Antriebsunterstützung erfolgt.

Claims

1. Fahrzeug (1), insbesondere Fahrrad, mit:

- einem durch Muskelkraft über Pedale oder Handkurbeln betätigbaren Ketten- oder Riementrieb,
- einem elektrischen Hilfsantrieb, der einen antriebsunter stützenden Elektromotor sowie eine damit verbundene Ansteuer-Elektrik bzw. -Elektronik aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- der muskelkraftbetätigte Antrieb (2) und der Hilfsantrieb besitzen getrennte, voneinander unabhängige Kraftüber tragungs-Einrichtungen,
- nur im muskelkraftbetätigten Antriebsstrang ist ein Bewegungssensor (10) angeordnet,
- die Motor-Ansteuerelektronik (7) bildet aus dem Signal des Bewegungssensors (10) einen Wert für die Umlauf geschwindigkeit der Kette oder des Riemens des muskel kraftbetätigten Antriebs (2), wobei
- der Sollwert der Motordrehzahl proportional der Umlaufgeschwindigkeit vorgegeben ist.

2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungssensor (10) ein richtungsabhängiges Signal erzeugt.

3. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungssensor (10) eine vorzugsweise von der Kette (3) oder dem Riemen angetriebene Sensorrolle (11) aufweist, an der wenigstens zwei Impulsgeberelemente (12, 12a) in einer von 180° abweichenden Lage zueinander umfänglich angeordnet sind und daß der Sensorrolle (11) wenigstens ein Impulsaufnehmer (13) zugeordnet ist, der mit der Motor-Ansteuerelektronik (7) elektrisch verbunden ist.

4. Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Impulsgeberelemente (12, 12a) Magnete und als Impulsaufnehmer (13) wenigstens eine Hallsonde oder gegebenenfalls Reedkontakte vorgesehen sind.

5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Motor-Ansteuerelektronik (7) zur Auswertung der Drehzahl der Sensorrolle (11) beziehungsweise der Impulsfrequenz des Impulsaufnehmers (13) ausgebildet ist.

6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ansteuerung des Motors durch die Ansteuer elektronik (7) in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich der biomechanischen Kraftübertragung mit einem steilen Anstieg der Motor-Solldrehzahl (n_M) und oberhalb dieses niedrigen Geschwindigkeitsbereiches mit einem flacheren Anstieg der Motor-Solldrehzahl (n_M) erfolgt.

7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Impulsgeberelemente (12, 12a) heteropolar angeordnete Dauermagnete sind.

8. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß als Impulsgeberelemente gleichpolige Magnete um 360°/p und heteropolare Magnete um ungleich 360°/2p mit p-Polpaarzahl gegeneinander versetzt zueinander angeordnet sind.

9. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Impulsgebereinrichtung mit den Impulsgeber elementen 4-polig, gegebenenfalls 6-polig ausgebildet ist.

10. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ansteuerelektronik (7) eine Einrichtung zur Leistungsbegrenzung das Motors aufweist.

11. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ansteuerelektronik (7) eine Leistungs begrenzung des Motors vorzugsweise mittels einer Meßeinrichtung allein elektrischer Motorgrößen aufweist.

12. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ansteuerelektronik (7) eine Leistungs begrenzung des Motors über eine Begrenzung des Batteriestroms aufweist.

13. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ansteuerelektronik (7) eine Einrichtung zum Sanftanlauf und damit zur ruckfreien Ansteuerung des Motors aufweist.

14. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, daß der biomechanische Antrieb (2) eine Gang schaltung, insbesondere eine Nabenschaltung oder eine Kettenschaltung zur Anpassung an eine biomechanisch vorteilhaf te Antriebsbewegung aufweist.