„Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, mit elektrischem Hilfsantrieb"

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, mit einem durch Muskelkraft zu betätigenden Kurbelantrieb, der in lösbarer Antriebsverbindung mit wenigstens einem angetriebenen Rad steht, und mit einem den Kurbelantrieb unterstützenden elektrischen Hilfsantrieb.

Durch Benutzung sind derartige Fahrräder bekannt, die sich wie ein normales Fahrrad bewegen lassen, bei denen aber ein elektrischer Hilfsantrieb dafür sorgt, dass sich die aufzubringende Pedalantriebskraft in Grenzen hält. Die verringerte, vom Benutzer aufzubringende Antriebskraft erlaubt höhere Fahrgeschwindigkeiten, die, ohne entsprechend die Übersetzung ändernde Einrichtungen, mit schnellen, als unangenehm empfundenen Beinbewegungen verbunden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein konstruktiv einfaches Fahrzeug der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das bei einfachem konstruktiven Aufbau über einen weiten Bereich der Fahrgeschwindigkeit durch den Benutzer bequem handhabbar ist.

Das diese Aufgabe lösende Fahrrad nach der Erfindung ist dadurch gekenn- zeichnet, dass das Fahrzeug bei gelöster Antriebsverbindung zwischen dem

Kurbelantrieb und dem Rad allein über den Hilfsantrieb antreibbar ist.

Vorteilhaft erlaubt diese Erfindungslösung ohne Aufwand für Schaltgetriebeeinrichtungen bei anliegendem Antriebsmoment eine Entkopplung der Drehgeschwin- digkeit des Kurbelantriebs von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Steuerungseinrichtung für den Hilfsantrieb mit einem das Kurbelantriebsmoment erfassenden Sensor und vorzugsweise ferner mit einem eine kinematische Größe der Kurbeldrehbewegung, insbesondere die Kurbeldrehgeschwindigkeit, erfassenden Sensor verbunden.

Zur Entkopplung einer Kupplung oder eines Freilaufs können gesonderte Einrichtungen vorgesehen sein, insbesondere zur Entkopplung abhängig von der genannten kinematischen Größe. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung bei einer vorgegebenen Kurbeldrehgeschwindigkeit unter Lösung der Antriebsverbindung, insbesondere Entkopplung des Freilaufs, von einer Steuerung des Hilfsantriebs anhand zumindest des erfassten Kurbelantriebsmoments zu einer Steuerung des Hilfsantriebs zumindest anhand der erfassten Kurbelgeschwindigkeit übergeht.

Vorteil haft lässt sich durch die Entkopplung des Freilaufs im oberen Geschwindigkeitsbereich und die erfindungsgemäße Steuerung eine weitere Erhöhung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ohne entsprechende Erhöhung der Kurbeldreh- geschwindigkeit erreichen.

Vorzugsweise stellt die Steuereinrichtung anhand der erfassten Kurbeldrehgeschwindigkeit eine Drehgeschwindigkeit des Hilfsantriebs entsprechend einem vorgegebenen funktionalen Zusammenhang zwischen diesen Drehgeschwindig- keiten ein, so dass eine stufenlose und beliebig veränderbare„Übersetzung" gebildet ist.

Entsprechend dem vorgegebenen Zusammenhang nimmt die Drehgeschwindigkeit des Hilfsantriebs gegenüber der Kurbeldrehgeschwindigkeit vorzugsweise mit einer Steigung > 1 zu. Dadurch ist gesichert, dass oberhalb einer vorgegebenen Kurbeldrehgeschwindigkeit ein Freilauf automatisch von selbst entkoppelt.

Der Hilfsantrieb umfasst vorzugsweise eine elektrische Maschine, die in starrer Antriebsverbindung mit einem angetriebenen Rad des Fahrzeugs derart steht, dass sie sowohl ein Antriebs- als auch Bremsmoment übertragen kann. Durch die starre Antriebsverbindung entspricht die Drehgeschwindigkeit des Hilfsantriebs in jedem Fall der Drehgeschwindigkeit des angetriebenen Rades. Vorzugsweise sind Einrichtungen zur Erzeugung eines Kurbel bremsmoments bei entkoppeltem Freilauf vorgesehen. Vorteilhaft empfindet der Benutzer beim

Kurbeln daher einen gewissen Widerstand, der jedoch bequem bemessen sein kann im Vergleich zu dem Widerstand, der sich ohne Hilfsantrieb bei der

betreffenden Fahrgeschwindigkeit ergäbe.

Bei den genannten Einrichtungen zur Erzeugung eines Kurbelbremsmoments handelt es sich vorzugsweise um eine als Generator betreibbare elektrische

Maschine.

Zweckmäßig arbeitet die elektrische Maschine unterhalb der vorgegebenen Pedaldrehgeschwindigkeit als unmittelbar den Pedalantrieb unterstützender Motor. Oberhalb der vorgegebenen Pedaldrehgeschwindigkeit kann die elektrische

Maschine einen Energiespeicher des elektrischen Hilfsantriebs aufladen und damit die mit einem Ladezyklus verbundene Reichweite des Fahrzeugs deutlich erhöhen.

In einer Ausführungsform kann die weitere elektrische Maschine oberhalb der vor- gegebenen Kurbeldrehgeschwindigkeit unmittelbar Betriebsstrom für den elektrischen Hilfsantrieb liefern.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, durch die weitere elektrische Maschine einen Rücktritt zu simulieren, indem die elektrische Maschine bei umgekehrter Kurbeldrehbewegung einen Widerstand aufbaut.

Es versteht sich, dass die vorgegebene Drehgeschwindigkeit und die vorgegebenen Zusammenhänge veränderbar und ggf. verschiedene Programmierungen auswählbar sein können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiel und der beiliegenden, sich auf dieses Ausführungsbeispiel beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein erfindungsgemäßes, durch Muskelkraft antreibbares Fahrzeug in Form eines Fahrrades mit einer elektrischen Maschine zusätzlich zu einem elektrischen Hilfsantrieb, und Fig. 2 eine das Zusammenwirken der Komponenten des Fahrrades von Fig. 1 erläuternde Darstellung.

Ein in Fig. 1 gezeigtes Fahrrad weist einen Pedalantrieb auf, der in üblicher Weise durch Pedalkurbeln 1 , ein Kettenrad 2, eine Kette 3 und ein Ritzel 4 gebildet ist. Das Ritzel 4 steht über einen Freilauf (nicht gezeigt) in Antriebsverbindung mit dem Hinterrad 5 des Fahrrades.

Koaxial zu dem Ritzel 4 ist als Bestandteil eines elektrischen Hilfsantriebs eine elek- frische Maschine 6 angeordnet, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Nabenmofor bildet. Der Läufer der elektrischen Maschine 6 steht in starrer

Anfriebsverbindung mit dem Rad 5 derart, dass die Maschine auf das Rad sowohl Antriebs- als auch Bremsmomente überfragen kann. Eine weitere elektrische Maschine 7 ist koaxial zur Drehachse der Pedalkurbeln 1 angeordnet. Ihr Läufer steht in starrer Anfriebsverbindung mit dem Kettenrad 2. Abweichend von der Anordnung koaxial zur Pedalkurbeldrehachse ließe sich die elektrische Maschine 7 auch versetzt zu dieser Drehachse anordnen und eine Antriebsverbindung zum Kettenrad 2 über ein Getriebe herstellen.

Wie aus der schematischen Darstellung von Fig. 2 hervorgeht, stehen die elektrischen Maschinen 6 und 7 über eine Leisfungssteuerung 9 bzw. 10 in Verbindung mit einer Steuereinrichtung 1 1 , wobei die Steuereinrichtung 1 1 über die Leistungs- sfeuerungen 9,10 den Sfromfluss zwischen den elektrischen Maschinen 6,7 und einer Batterie 12 steuert.

Die Steuereinrichtung 1 1 steht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Verbindung mit in Fig. 1 nicht dargestellten Sensoren 13 bis 15, von denen der Sensor 13 die Drehgeschwindigkeit des Läufers der elektrischen Maschine 6, also die Dreh- geschwindigkeit des Hinterrades 5, der Sensor 14 das Pedalantriebsmomenf und der Sensor 15 die Pedaldrehgeschwindigkeif erfassf.

Die Komponenten 9 bis 12 sind in einer am Rahmen des Fahrrades befestigten, in Fig. 2 durch Strichlinien angedeuteten Baueinheit 8 untergebracht.

Im Fahrbetrieb des Fahrrades ermitteln die Sensoren 13 bis 15 ständig die Dreh- geschwindigkeit des Hinterrades 5, das Pedalantriebsmomenf sowie die Pedaldrehgeschwindigkeif. In der Steuereinrichtung 1 1 sind funktionale Zusammenhänge zwischen dem Pedalantriebsmoment und der Pedaldrehgeschwindigkeit als unabhängige Variable und dem Antriebsmoment der elektrischen Maschine 6 und der Dreh- geschwindigkeit des Läufers der elektrischen Maschine 6 als abhängige Variable programmiert. Entsprechend diesen Zusammenhängen erzeugt die Steuerung 1 1 anhand der durch die Sensoren 14,15 laufend erfassten Werte in die Steuerung 9 eingehende Steuersignale, welche das Antriebsmoment des Motors und ggf. die Drehgeschwindigkeit seines Läufers entsprechend den funktionalen Zusammen- hängen einstellen.

Unterhalb eines vorgegebenen Wertes der Pedaldrehgeschwindigkeit wird bei eingekoppeltem Freilauf und damit festliegendem Verhältnis von Pedaldrehgeschwindigkeit und Läuferdrehgeschwindigkeit der Maschine 6 das Antriebs- moment der Maschine 6 entsprechend dem gespeicherten funktionalen Zusammenhang eingestellt, d.h. also abhängig von dem durch den Benutzer des Fahrrades ausgeübten Pedalantriebsmoments und der jeweiligen Pedaldrehgeschwindigkeit. Es versteht sich, dass in der Steuerung 1 1 unterschiedliche funktionale Zusammenhänge gespeichert sein können, die ggf. vom Benutzer auswählbar sind. Eine mögliche Programmierung kann darin bestehen, dass der Benutzer unabhängig von der jeweils tatsächlich aufzubringenden Last stets nur ein konstantes Pedalantriebsmoment aufbringen muss, auf das die Steuerung 9 durch entsprechende Änderung des Antriebsmoments der elektrischen Maschine 6 einregelt. Natürlich kann der konstante, vom Benutzer aufzubringende Lastwert änderbar sein und insbesondere von der jeweiligen Pedaldrehgeschwindigkeit abhängen.

Oberhalb des oben genannten vorgegebenen Wertes der Pedaldrehgeschwin- digkeit geht die Steuereinrichtung 1 1 dazu über, nur noch anhand der Pedaldrehgeschwindigkeit bei entkoppeltem Freilauf die Drehgeschwindigkeit des Läufers der Maschine 6 einzustellen. Während die Entkopplung durch gesonderte Einrichtungen erfolgen könnte, ist bei geeignetem funktionalen Zusammenhang zwischen den genannten Drehgeschwindigkeiten gesichert, dass sich der Freilauf bei dieser Geschwindigkeit von selbst löst, indem die Geschwindigkeit der elektrischen Maschine, die für eine bestimmte Pedaldrehgeschwindigkeit einzustellen ist, größer als die dieser Pedaldrehgeschwindigkeit entsprechende Drehgeschwindigkeit ist. Der Zusammenhang zwischen den Drehgeschwindigkeiten kann so gewählt sein, dass eine geringe Änderung der Pedaldrehgeschwindigkeit zu einer starken Erhöhung der Läuferdrehgeschwindigkeit der Maschine 6 und damit der Fahr- geschwindigkeit des Fahrrades führt. Der Benutzer kann daher vorteilhaft verhältnismäßig hohe Geschwindigkeiten fahren, ohne entsprechend diesen Geschwindigkeiten schnell treten zu müssen. Einrichtungen zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses können entfallen, was eine wesentliche konstruktive Vereinfachung des Fahrrades zur Folge hat.

Oberhalb des betreffenden Wertes der Pedaldrehgeschwindigkeit, der willkürlich oder programmgesteuert veränderbar sein kann, kommt die elektrische Maschine 7 ins Spiel, die ein Pedalbremsmoment erzeugt, so dass der Fahrradbenutzer einen gewissen Widerstand verspürt. Es versteht sich, dass dieser deutlich geringer sein kann, als müsste der Benutzer er die mit der hohen Fahrgeschwindigkeit verbundene Last allein durch seine Muskelkraft aufbringen.

Die elektrische Maschine 7 kann so als Generator arbeiten, der, gesteuert durch die Steuereinrichtung 1 1 und die Leistungssteuerung 10, in dieser Phase die Batterie 12 lädt. Neben der Rekuperation durch die elektrischen Maschine 6 bei Bremsvorgängen lässt sich durch diese zusätzliche Aufladung die mit einem Ladezyklus verbundene Reichweite des Fahrrades merklich erhöhen.

Unterhalb des Wertes der Pedaldrehgeschwindigkeit lässt sich die weitere

Maschine 7 als zusätzlich zur Maschine 6 antreibender Motor nutzen.

Durch die elektrische Maschine 7 ließe sich auch eine Art Rücktritt simulieren, indem sich durch diese Maschine auch bei umgekehrter Pedaldrehrichtung ein Bremsmoment aufbauen lässt, wobei durch diese Drehung rückwärts eine das Fahrrad bremsende Einrichtung aktiviert und unter Rekuperation durch zusätzliche Bremsung mit Hilfe der Maschine 6 Elektroenergie zurückgewonnen wird.