DE69231799T2 - Muskelgetriebenes Fahrzeug - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein muskelkraftbetätigtes Fahrzeug, insbesondere ein Fahrrad mit einem muskelkraftbetätigtes Antriebssystem und einem elektromotorischen Antriebssystem und einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Ausgangsleistung des elektromotorischen Antriebssystemes.
• Ein muskelkraftbetätigtes Fahrzeug mit den Merkmalen des Präambel-Teiles des Anspruches 1 ist gleichermaßen bekannt aus FR-A-2,259,741,US-A-4-,221,275, und US- A-3,921,741. Außerdem ist ein Fahrrad bekannt, das parallel zueinander mit einem muskelkraftbetätigten Antriebssystem zum Vorwärtsbringen des Fahrrades durch Treten auf die Fußpedalen und mit einem elektromotorbetätigten Antriebssystem versehen ist, wobei es möglich ist das Fahrrad durch gemeinsamen Betrieb beider Antriebssysteme vorwärts zu bewegen. Üblicherweise wird die Ausgangsleistung des Gleichstrommotors, der in dem elektromotorischen Antriebssystems verwendet wird, über einen manuellen EIN/AUS-Schalter gesteuert, der an der Lenkstange vorgesehen ist, oder kontinuierlich über einen manuellen Beschleunigungsschalter gesteuert. Außerdem ist aus JP-A-2- 74491 ein System bekannt, das die Größe der vom Fußpedal eingespeisten Trittkraft erfaßt und die Antriebskraft des Gleichstrommotors entsprechend der Zunahme oder Abnahme dieser Trittkraft verändert. Das heißt, die Antriebskraft des Elektromotors wird in Übereinstimmung mit dem Anwachsen oder Abnehmen der erfaßten muskulären Antriebskraft gesteuert, die von der Eingangsgröße von dem Fußpedal erfaßt wird, und wenn die Muskellast schwer ist, wird die Antriebskraft des Elektromotors erhöht, um die muskuläre Belastung zu vermindern. Für solche Arten von Fahrrädern ist es wünschenswert, daß die Antriebssysteme so aufgebaut sind, daß die Antriebskraft des einen Antriebssystems nicht das andere parallele Antriebssystem beeinträchtigt, sondern nur auf das Antriebsrad übertragen wird, üblicherweise das Hinterrad des Fahrzeuges. Daher ist überlegt worden, eine Freilauf-Kupplung sowohl in dessen muskelkraftbetätigtes, als auch in das elektromotorische Antriebssystem zu installieren, wie es in der JP-A-57-74285 angegeben ist.
• Jedoch werden in diesem Fall die Freilaufkupplungen auch unter Betriebsbedingungen eingerückt sein, in denen das Fahrrad durch das Laufen des Fahrers geschoben wird. In dem Fall werden die Freilaufkupplungen auch eingerückt sein, wenn das Fahrrad rückwärts bewegt wird, indem es manuell zurück gedrückt wird und der Gleichstrommotor und die Kurbelpedale werden sich rückwärts drehen. In solch einem Fall funktioniert der Elektromotor als Generator, wenn er in seiner umgekehrten Drehrichtung gedreht wird, wobei ein großer Kurzschlußstrom erzeugt und eine große Bremskraft verursacht werden.
• Zum Beispiel, wenn ein Dauermagnet-Typ Gleichstrommotor, der einen Dauermagnet als Rotor oder Stator verwendet, umgekehrt gedreht wird, wird eine umgekehrte elektrische Spannung erzeugt, mit einer Polarität, umgekehrt zu derjenigen der Spannung, die erzeugt wird, wenn normal gedreht wird. Normalerweise ist parallel zu der Motorwicklung eine Schwungraddiode verbunden, die den Fluß eines elektrischen Stromes ermöglicht, der durch das induktive Bauelement erzeugt wird, während der Motorstrom unterbrochen wird. So wird dann, wenn eine umgekehrte elektrische Spannung durch die umgekehrte Drehung des Motors erzeugt wird, einen großen Rückwärtsstrom durch die Diode als Kurzschlußstrom, durch diese umgekehrte elektrische Spannung fließen. Demzufolge wird eine große Bremskraft erzeugt und eine große Widerstandskraft wird hinzugefügt, wenn das Fahrrad rückwärts bewegt wird. Dies macht die Handhabung der Fahrrads unbequem.
• Da andererseits das elektrische Hilfsenergie-Antriebssystem häufig nur benutzt und gesteuert wird, um nur Ergänzung zu der Antriebskraft zu sein, die durch den Fahrer erzeugt wird, beeinträchtigt das elektromotorische Antriebssystem die Handhabung des Fahrrades, wenn dasselbe manuell durch eine Person geschoben wird, die zusammen mit dem Fahrrad, das geschoben wird, läuft. In diesem Fall, während das Fahrrad beim Laufen von Hand geschoben wird, wird normalerweise keine Antriebskraft durch den Gleichstrommotor erzeugt, weil keine Trittkraft von der Pedale erzeugt wird. Da andererseits das Fahrrad mit einer Batterie und dem Gleichstrommotor (und einigen anderen Antriebsmitteln, wie zum Beispiel den Freilaufkupplungen) ausgerüstet ist, wird es schwerer als ein herkömmlichen Fahrrad, was einen Schieben des Fahrrades beschwerlich macht.
• Da außerdem die Ausgangsleistung des elektromotorischen Antriebssystems üblicherweise nur Ergänzung ist, gibt es keine Leistungsunterstützung von dem elektromotorischen Antriebssystem bei dem Schieben des Fahrrades, zum Beispiel, wenn der Fahrer bei der Bewältigung einer steilen Neigung absteigen und das Fahrrad von Hand schieben muß. Auch in diesem Fall, da das Fahrrad verhältnismäßig schwer ist, sind beträchtliche Anstrengungen erforderlich, um das Fahrrad von Hand zu schieben.
• Mit Blick auf die Nachteile der vorerwähnten herkömmlichen Systeme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein muskelkraftbetätigtes Fahrzeug zu schaffen, wie eingangs angegeben, das die Fähigkeit des manuellen Bewegens des Fahrzeuges rückwärts von Hand erhöht.
• Dieses technische Problem wird durch ein muskelkraftbetätigtes Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
• Die Erfassungsvorrichtung ist vorgesehen, um eine antriebslose, manuelle Fahrzeug- Rückwärtsschiebe-Antriebsbewegung zu erfassen. Die Erfassungseinrichtung betätigt das elektromotorische Antriebssystem, um zu verhindern, daß durch das elektromotorische Antriebssystem eine Kurzschlußbremskraft erzeugt wird, wenn das Fahrzeug manuell rückwärts bewegt wird.
• Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der geschlossene Motorschaltkreis den Bremsfreigabeschalter auf, angeschlossen zwischen dem Elektromotor und einer Umkehrverbindung einer Diode, die parallel zu dem Elektromotor angeschlossen ist, und eine Rückwärts-Steuerabschaltung ist vorgesehen zum Schließen und zum Öffnen des Bremsfreigabeschalters, wenn das Fahrrad jeweils manuell vorwärts oder rückwärts geschoben wird. Dieses Ausführungsbeispiel ist darin vorteilhaft, da das elektrisch motorisierte Fahrrad, das parallel zueinander ein muskelkraftbetätigtes Antriebssystem und ein elektromotorbetätigtes Antriebssystem aufweist, wobei der Elektromotor dann, wenn er rückwärts dreht, eine Rückwärtsspannung erzeugt, mit einer umgekehrten Polarität im Verglelich zu jener, wenn er normal sich dreht gestattet, daß der Bremsfreigabeschalter geöffnet wird, wenn das Fahrrad rückwärts geschoben wird, verhindernd, daß eine große Kurzschlußbremskraft erzeugt wird, infolge der Anordnung einer Diode parallel zu dem Elektromotor. So wird die manuelle Handhabung des Fahrrades erleichtert.
• Andere bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen dargelegt.
• Im folgenden wird die vorliegende Erfindung in größerer Ausführlichkeit durch zwei Ausführungsbeispiele desselben in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen erläutert, in denen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrrades nach dem ersten Ausführungsbeispiel ist,
• Fig. 2 ein Diagramm ist, das die Funktionen des Ausführungsbeispieles beschreibt, das in Fig. 1 gezeigt ist,
• Fig. 3 ein Blockdiagramm des muskelkraftbetätigten und elektromotorisches Antriebssystemes des Ausführungsbeispieles der Fig. 1 und 2 ist,
• Fig. 4 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispieles, das die selben Zwecke wie das erste Ausführungsbeispiel von Fig. 1 erfüllt,
• Fig. 5 ein Diagramm ist, das die Funktionen des zweiten Ausführungsbeispieles nach Fig. 4 beschreibt.
• Fig. 1 zeigt schematisch ein elektrisch motorisiertes Fahrrad als eine bevorzugte Ausführungsform eines Fahrzeuges, das ein muskelkraftbetätigtes Antriebssystem und parallel dazu ein elektromotorisches Antriebssystem hat.
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles dieser Erfindung. Fig. 2 ist ein seine Funktion beschreibendes Diagramm und Fig. 3 ist sein Leistungssystemdiagramm.
• In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen Hauptrahmen, der sich vom Kopfrohr 12 schräg nach unten und rückwärts erstreckt, um die Radwelle des Hinterrades 14 zu erreichen. Nahe der Mitte des Hauptrahmens ist ein Sitzrohr 16 befestigt. An dem oberen und unteren Abschnitt des Sitzrohres 16 ist ein Silzstützrohr 20 installiert, das jeweils den Sattel 18 und eine Bodenklammer 22 installiert.
• Die Bodenklammer 22 ist mit dem hinteren Ende des Hauptrahmens 10 durch ein paar linke und rechte Rückstreben 24 verbunden. Die rechtsseitige Rückstrebe (nicht gezeigt) hat eine in diese eingesetzte Antriebswelle 26 (Fig. 3), und die Drehung der Kurbelwelle 28, gehalten durch die Bodenklammer 22, wird auf das Hinterrad 14 durch eine Freilaufkupplung 30 (Fig. 3) und die Antriebswelle 26 übertragen. Das heißt, ein muskelkraftbetätigtes Hinterrad-Antriebssystem vom Antriebswellen-Typ ist gebaut.
• An beiden Enden der Kurbelwelle 28 sind Kurbeln 32 befestigt und auf jeder von ihnen ist ein Fußpedal 34 montiert.
• In dem unteren Abschnitt des Sitzrohres 16 ist ein zylindrisches Motorgehäuse 16a ausgebildet, in dem ein Elektromotor 36 untergebracht ist. Der Motor 36 wird von einem kontaktbürstenlosen Gleichstrommotor gebildet, der zum Beispiel einen Rotor vom Dauermagnet-Typ hat. Die rotierende Welle dieses Rotors ist im wesentlichen parallel mit dem Sitzrohr 16 gelegt. Die Rotation dieses Rotors wird auf die Antriebswelle 26 und anschließend durch eine Freilaufkupplung 38 (Fig. 3) und ein Reduktionsgetriebe 40, das einen Planetengetriebemechanismus oder dergleichen verwendet, auf ein Hinterrad 14 übertragen. Folglich ist ein Antriebssystem, betätigt durch eine Muskelkraft, eingegeben von der Kurbelwelle 28, und ein weiteres Antriebssystem, betätigt durch den Motor 36, parallel zueinander vorgesehen.
• In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 42 und 44 jeweils eine Steuerung und bzw. eine aufladbare Batterie, und diese Teile sind in dem Hauptrahmen 10 untergebracht. Das Bezugszeichen 46 bezeichnet eine Vordergabel, die drehbar durch das Kopfrohr 12 gehalten wird, 48 bezeichnet eine Lenkstange, und 50 bezeichnet ein Vorderrad, montiert an der Vordergabel 46.
• Die Antriebskraft des Motors 36 wird entsprechend der Muskelantriebskraft gesteuert, das heißt, durch die Trittkraft auf das Pedal 34. Zum Beispiel können die Antriebssysteme von solch einer Struktur sein, in der das Antriebsdrehmoment T durch einen Drehmomentdetektor 52 (Fig. 3) erfaßt wird, der einen Aufbau zum Erfassen der Antriebsreaktionskraft von dem in dem muskelkraftbetätigten Antriebssystem eingesetzten Planetengetriebemechanismus hat, und die Steuerung 42 erhöht oder vermindert den Strom in den Motor 36 hinein, entsprechend der Zunahme oder Abnahme dieses Antriebsdrehmomentes T.
• In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 54 und 56 einen Hauptschalter, angeschlossen jeweils zwischen der Batterie 44 und der Steuereinrichtung 42 und einer Schwungraddiode. Diese Diode 56 wird eingesetzt, um einen Strompfad für den elektrischen Strom (Schwungradstrom) vorzusehen, der fortwährend fließt, auf Grund der Induktivitätskomponente des Motors 36, für den Fall, daß die Steuerung 42 den Motorstrom, der von der Batterie zugeführt wurde, unterbrochen hat.
• Als nächstes werden der Bremsfreigabeschalter 60, der verhindert, daß der Motor 36 die Bremskraft erzeugt und der Rückwärts-Steuerschaltkreis 62 zum Öffnen I Schließen dieses Schalters beschrieben.
• Der Schalter 60 hat einen normalerweise geöffneten Kontakt, verbunden in dem geschlossenen Motorstomkreislauf, bestehend aus dem Motor 36 und der Diode 56. Der Rückwärts-Steuerschaltkreis 62 ist mit einem Antriebsdrehmoment-Komperator, einem Selbsthaltekreis 66 und einem Fahrradgeschwindigkeits-Komperator 68 versehen. Wenn der Komperator 64 feststellt, daß das Ausgangssignal (Antriebsdrehmoment) T des Drehmomentdetektors 52, zum Anzeigen der Trittkraft anliegt, mit anderen Worten, daß T > 0 ist, gibt er ein EIN-Signal an den Selbsthalte-Schaltkreis 66 aus. Der Selbsthaltekreis 66 schließt den Schalter 60 auf Grund dieses EIN-Signales und hält diesen Zustand bis er neu eingestellt wird. Das heißt, dieser Zustand wird sogar dann beibehalten, wenn die Trittkraft 0 wird (T = 0).
• Wenn die Fahrradgeschwindigkeit V, erfaßt durch den an dem Vorderrad 50 installierten Fahrradgeschwindigkeitssensor 70, geringer wird als ein vorgegebener Wert V&sub0; (zum Beispiel geringer als 1 km/h), rücksetzt der Komperator 68 den Selbsthaltekreis 66 und folglich wird der Schalter 60 geöffnet. Dieser Selbsthaltekreis 66 gibt dem EIN- Signal des Drehmoment-Komperators Vorrang über das Rücksetz-Signal des Fahrradgeschwindigkeits-Komperators 68 und schließt den Schalter 60, wenn die Pedale 38 getreten wird sogar in dem Zustand, in dem die Fahrradgeschwindigkeit V geringer als V&sub0; ist. Demzufolge wird dieser Schalter 60, während das Fahrrad in Ruhe ist oder rückwärts bewegt wird, geöffnet gelassen und wird, nachdem die Pedale 34 getreten wird, geschlossen gehalten, bis die Fahrradgeschwindigkeit V geringer als V&sub0;, wird.
• Die Steuereinrichtung 42 in diesem Ausführungsbeispiel funktioniert, um die Zuführung eines Motorstromes, mit einer Verzögerung einer bestimmten Zeit t&sub0; zu starten, nachdem der Schalter 60 geschlossen ist. Das heißt, während ein Antriebsdrehmoment T in die Steuerung durch den normalerweise geöffneten Kontakt 72 eingegeben wird, wird dieser Kontakt 72 durch das Ausgangssignal eines Zeitgebers 74 geschlossen. Der Zeitgeber 74 schließt den Kontakt 72 mit einer Zeitverzögerung t&sub0; (ungefähr 0.1~0,2 sec) nach dem EIN-Signal des Komperators 64.
• Demzufolge wird die Antriebskraft TM des Motors mit einer Zeitverzögerung to erzeugt, nachdem der Schalter 60 geschlossen wurde (siehe Fig. 2).
• Da das Antriebsdrehmoment T, verursacht durch die Pedale 34 Null ist, wenn das Fahrrad in Ruhe ist oder zurück bewegt wird, bleibt bei diesem Ausführungsbeispiel der Schalter 60 geöffnet. Wenn zurückgeschoben wird, fließt, obwohl eine Gegenspannung mit einer Polarität, gezeigt in Fig. 1, durch den Motor 36 erzeugt wird, kein Kurzschlußstrom, weil kein geschlossener Stromkreis gebildet wird. Das heißt, keine Bremskraft wird erzeugt und das Fahrrad kann leicht rückwärts geschoben werden.
• Fig. 4 ist eine schematische Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispieles und Fig. 5 ist sein Funktionsbeschreibungs-Diagramm. Der Rückwärts-Steuerschaltkreis 62A dieses Ausführungsbeispieles hat einen Aufbau, bei dem, während der Hauptschalter durch einen Schlüsselschalter 80 geöffnet/geschlossen ist, der Schalter 60 für die Rückwärtsbremsfreigabe, durch einen Strom, der durch diesen Schlüsselschalter 80 und einen normalerweise geschlossenen Kontakt 82 fließt, geöffnet wird und dieser normalerweise geschlossene Kontakt 82 durch das Ausgangssignal des Komperators 84 zur Erfassung der Rückwärts-Drehung des Motors 36 geöffnet wird. Das heißt, da die Polarität der Umkehrspannung, erzeugt durch den Motor 36 während des Rückwartsdrehens desselben (während das Fahrrad rückwärts bewegt wird) so wird, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, und entgegengesetzt ist zu derjenigen der Spannung, die während des Normaldrehens erzeugt wird (während das Fahrrad vorwärts bewegt wird) wird diese Polarität durch den Komparator 84 erfaßt und der normalerweise geschlossene Kontakt 82 wird geöffnet. Folglich ist der Schalter 60 geöffnet und der Kurzschlußstrom, der durch die Gegenspannung des Motors 36 verursacht würde, kann nicht fließen.
• Der Motor 36, der bei dieser Erfindung verwendet werden soll, ist nicht auf die Verwendung eines Types mit Dauermagnet-Stator beschränkt, sondern muß nur ein Gleichstromotor sein mit einer Charakteristik derart, daß die Polarität der Umkehrspannung, die erzeugt wird, wenn entgegengesetzt gedreht wird, umgekehrt ist zu der Spannung, die erzeugt wird, wenn normal gedreht wird, wie dies bei einem Motor, der einen Rotor vom Dauermagnet-Typ verwendet.
• Verschiedene Verfahren, wie zum Beispiel das Unterbrecher-Verfahren, Spannungsschalt-Verfahren usw. können als ein Steuerverfahren der Steuerung 42 verwendet werden. Außerdem kann diese Erfindung nicht nur auf Fahrräder angewandt werden, sondern auch bei Fahrrädern mit drei oder mehr Rädern. Diese Erfindung kann bei Rad-Fortbewegungsmitteln angewandt werden, die ihren Motor und das Antriebsrad direkt miteinander verbunden haben, ohne daß eine Freilaufkupplung dazwischen vorgesehen ist.

Claims (10)

1. Muskelkraftbetätigtes Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, mit einem muskelkraftbetätigten Antriebssystem (26, 28, 30,32, 34), einem elektroenergetischen Antriebssystem (36) und einer Steuereinrichtung (42) zur Steuerung der Ausgangsleistung des elektroenergetischen Antriebssystemes (36), dadurch gekennzeichnet, daß Erfassungsmittel (52, 62; 62A) vorgesehen sind, um den Zustand festzustellen, daß das Fahrzeug rückwärts geschoben wird, wobei die Erfassungsmittel (52, 62; 62A) vorgesehen sind, einen Schalter (60) in dem Schaltkreis des elektroenergetischen Antriebssystemes (36) zu öffnen, um die Erzeugung einer Kurzschluß-Bremskraft durch den Schaltkreis des elektroenergetischen Antriebssystemes (36) zu verhindern, wenn das Fahrzeug rückwärts geschoben wird.

2. Muskelkraftbetätigtes Fahrzeug wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß das elektroenergetische Antriebssystem (36) einen Gleichstrommotor (36) aufweist, der eine entgegengesetzte Spannung von entgegengesetzter Polarität erzeugt, wenn die Schieberichtung des Fahrzeuges rückwärts ist.

3. Muskelkraftbetätigtes Fahrzeug wie in Anspruch 2 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrommotor (36) in einem Motorschaltkreis vorgesehen ist, mit einer Batterie (44), einem Hauptschalter (54) und der Steuereinrichtung (42, 42a, 66).

4. Muskelkraftbetätigtes Fahrzeug wie in Anspruch 3 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorschaltkreis eine Diode (56) aufweist, die parallel zu einer Motorwicklung des Gleichstrommotors (36) angeschlossen ist, wobei der Motorschaltkreis den Bremsfreigabeschalter (60) aufweist, angeordnet zwischen einem Sperranschluß der Diode (56) und dem Gleichstrommotor (36).

5. Muskelkraftbetätigtes Fahrzeug wie in Anspruch 4 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsfreigabeschalter (60) durch einen Rückwärtssteuerschaltkreis (62, 62a) gesteuert wird.

6. Muskelkraftbetätigtes Fahrzeug wie beansprucht in einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in geschlossenem Zustand des Hauptschalters (54), der Bremsfreigabeschalter (60) geschlossen ist, wenn das Fahrrad vorwärts bewegt wird, und geöffnet ist, wenn das Fahrrad rückwärts geschoben wird.

7. Muskelkraftbetätigtes Fahrzeug, wie beansprucht in Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückwärtssteuerschaltkreis (62) einen Antriebsdrehmoment-Komparator (64), einen Selbsthalteschaltkreis (66) und einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Komparator (68) aufweist.

8. Muskelkraftbetätigtes Fahrzeug, wie beansprucht in den Ansprüchen 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verzögerungsstromkreis vorgesehen ist, mit einem Zeitgeber (74), angeschlossen zwischen dem Antriebsdrehmoment- Komparator (64) und dem Selbsthalteschaltkreis (66), um einen Kontakt (72) einer Leitung zu steuern, die vorgesehen ist, das Antriebsdrehmoment (T) in die Steuereinrichtungen (42) einzugeben.

9. Muskelkraftbetätigtes Fahrzeug, wie beansprucht in Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückwärtssteuerschaltkreis (62A), aufweist einen Komparator (84), verbunden mit dem Plus- und Minuspol des Gleichstrommotors (36) zum Erfassen einer Rückwärtsdrehung des Motors (36), wobei der Komparator (84) einen Schalter (82) betätigt, um den Bremsfreigabeschalter (60) des Motorstromkreises zu öffnen.

10. Muskelkraftbetätigtes Fahrzeug, wie in mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß das muskelkraftbetätigte Antriebssystem und das elektroenergetische Antriebssystem parallel zueinander angeordnet sind, und eine Antriebswelle (26) eines Hinterradantriebes eines Fahrrades jeweils über Freilaufkupplungen (30, 38) betätigen.