DE19802937A1 - Akku betriebener, gesteuerter/geregelter Hilfsantrieb zum Herauf- und Herunterbewegen eines Person-geführten Fahrrades auf Treppen/Rampen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hilfsantrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Schon seit langem gibt es Hilfsantriebe, mit denen das Radfahren Kraft-unterstützend erleichtert wird. Derartige motorische Hilfen wurden mit der Einführung von Elektromotoren mit Dauermagneten und transportablen Akkus akzeptabler, weil auch mit diesen sauberen Leistungs- und Energieträgern ein Einsatz bei relativ großen zu überwindenden Fahrwiderständen und ein häufiger Gebrauch bei einer Radtour möglich ist. Die Kopplung dieser Hilfsantriebe mit einem anzutreibenden Rad des Fahrrades kommt kraft- und formschlüssig vor. (DE 26 27 603 B2, G 93 18 528.6, G 94 00 078.6).

Fast unbemerkt ist jedoch geblieben, daß in einem größeren Umfang Bedarf an motorischer Hilfe beim Auf- und Abwärtsbewegen eines Fahrrades auf Treppen und Rampen besteht. Diese dazu nötigen spezifischen Antriebsmerkmale haben die oben genannten Hilfsantriebe nicht und zudem eignen sie sich nicht als ausschließliche "Treppenhilfe", weil ihre relativ großen Massen und Gerätevolumina beim eigentlichen Radfahren nicht störungs- und belastungsfrei sind.

Erwartet wird von einer motorischen Treppenhilfe, daß sie Antriebs- und Bremsenergie (beim Abwärtsgang) aufbringt. Außer der sich daraus ergebenden, antreibenden oder bremsenden Kraftunterstützung soll sich die Bewegungsgeschwindigkeit des Fahrrades durch einfache Vorgaben an die Schrittgeschwindigkeit der das Fahrrad führenden Person angleichen lassen. Bei Rampen mit konstanter Steigung/Neigung oder bei geringerem Anspruch auf Geschwindigkeitsangleichung genügt der Einbau einer Motorsteuerung in den angedachten Hilfsantrieb. Eine Geschwindigkeitsregelung ist vorteilhafter, weil trotz der wechselnden Fahrwiderstände auf Treppen die gewählte Bewegungsgeschwindigkeit, die der Schrittgeschwindigkeit entsprechen soll, ohne nach zustellen, immer angeglichen bleibt.

Eine weitere wichtige Funktion eines Hilfsantriebs als Treppenhilfe ist eine Blockiermöglichkeit, womit ein beim Treppengang angehaltenes Fahrrad sich nicht selbsttätig weiterbewegt.

Überhaupt müssen für die Nutzer der Treppenhilfe die Grundfunktionen Antrieb, Bremsung und Blockierung zuverlässig sein. Deshalb sollte bei der Anwendung des Reibradkraftschlusses bedacht werden, daß bei seitlicher Kraftwirkung auf Reifen oder Felge ein Speichenrad aufgrund seiner relativ begrenzten Seitensteifigkeit nachgibt.

Trotz der aufwendigeren Handhabung eines auf Treppen/Rampen zu führenden Fahrrades (eine Hand am Lenker und die andere am Sattel oder in Sattelnähe) sollte die Bedienung des angedachten Hilfsantriebs auch noch auf einfache Weise möglich sein.

Obwohl enorme technische Fortschritte am klassischen Fahrrad zu noch größerer Freude am Radfahren führten und auch jenen das Radfahren ermöglichten, die sich bislang von diesem Freizeitsport und dieser täglichen Beweglichkeit ausgeschlossen fühlten, haben sich diese Verbesserungen praktisch nicht zusätzlich als technische Hilfe beim Bewegen eines Fahrrades auf Treppen/Rampen ausgewirkt.

So ist der Bedarf für motorische Treppenhilfen gerade für ältere und behinderte Menschen aufgrund der Vielzahl von Treppen/Rampen in Häusern, auf Bahnhöfen, in Unter- und Überführungen und mitten in einer Stadt geblieben.

Mit dem erfindungsgemäßen Hilfsantrieb soll es zu einer Abhilfe kommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hilfsantrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben,
mit dem es möglich ist, beim aufwärts führenden Treppen/Rampen-Gang das geführte Fahrrad so anzutreiben und beim Abwärtsgang so zu bremsen, daß dadurch die Bewegungsgeschwindigkeit des Fahrrades der Schrittgeschwindigkeit der nebenher gehenden, führenden Person angeglichen ist,
mit dem es möglich ist, den Hilfsantrieb zu blockieren, so daß ein auf einer Treppe/Rampe geführtes Fahrrad zum Stehen kommt und der Stillstand gesichert wird,
mit dem es möglich ist, einen sicheren Kraftschluß zwischen Hilfsantrieb und einem üblichen Speichenrad eines Fahrrades an der Berührungsstelle Reibrad- Reifen/Felge zu erhalten
und mit dem es möglich ist, die Funktions- und Bedienelemente zum Zwecke einer guten und zuverlässigen Gesamtfunktion körperlich zusammenzufassen und darüber hinaus die damit verbundene Bedienungsfreundlichkeit durch eine günstige Plazierung des oder der Antriebskörper(teile) am Fahrrad zu verstärken.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Anwendung der kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1, 2,5 6 und 9.

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Hilfsantriebs sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist mit einem Beispiel nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Im Beispiel wird ein Hilfsantrieb beschrieben, für den aus alternativen Kennzeichnungen der Patentansprüche jeweils folgende ausgewählt wurden.

• - Befestigen und Lösen mit einer Schnellverriegelung,
• - Drehlagerung der Baueinheit,
• - Geschwindigkeitsregelung,
• - 2 Reibräder,
• - 1 Reibrad ist motorisch angetrieben,
• - Kraftschluß mit dem Reifen,
• - keine Aufladung des Akkus beim Bremsen,
• - Ein-Taster extern in der Bedieneinheit
• - und keine zusätzliche Anschlußbuchse am Akku.

Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 die Seitenansicht einer am Fahrrad montierten, ausgeschwenkten und mit 2 Reibrädern im Kraftschluß stehenden Baueinheit.

Fig. 2 die Vorderansicht einer in Ruhestellung befindlichen, nicht im Kraftschluß stehenden Baueinheit, wobei die Drehachse in der verlängerten Blickachse liegt.

Fig. 3 die Vorderansicht einer in Antriebsstellung befindlichen, im Kraftschluß stehenden Baueinheit, sonst wie Fig. 2.

Fig. 4 ein Funktionsschema des erfindungsgemäßen Hilfsantriebs, wobei dessen bezeichneten Teile die gleichen Zahlen wie die entsprechenden Teile der konstruktiven Darstellungen (Fig. 1 bis 3) haben, jedoch mit dem vorangestellten Buchstaben "F".

Das äußere Bild des erfindungsgemäßen Hilfsantrieb zeigt eine auffällige Ähnlichkeit mit den mittlerweile weit verbreiteten Akkuschraubern für Handwerk und Hobbyisten. In beiden Fällen sind alle, z. T. vergleichbare Funktions- und Bedienelemente in einem handbaren Körper, sprich Baueinheit, zusammengefaßt. Zur Anbringung des erfindungsgemäßen Hilfsantriebs an das Fahrrad wird die Oberseite der Lagerhalterung 3 der Baueinheit 1 an die Unterseite der Verbindungsplatte 15 die zwischen den vom hinteren Rahmenrohr 14 unterhalb der Sattelstütze abgehenden Rohrstreben 13a, b üblicher Weise angeschweißt ist, mit einem zu drehenden Handknauf 4 mit einer Schnellverriegelung kraft- und formschlüssig angedrückt.

Dies geschieht durch 4 in die Ecken der Verbindungsplatte 15 ausfahrende Riegel 25a, b, die entsprechende Augen 26a, b der Lagerhalterung 3 erfassen, die auf der Oberseite der Lagerhalterung angebracht sind und beim Anlegen der Lagerhalterung 3 an die Verbindungsplatte 15 durch deren angepaßten Durchbrüche gesteckt werden.

Zum Lösen muß der Handknauf 4 zurückgedreht werden. Gegen Diebstahl kann der Hilfsantrieb mit einem Schloß 21 am Handknauf 4 gesichert werden.

Die so befestigte Baueinheit 1 befindet sich in der Ruhestellung Fig. 2. Sie wird mit einem Riegel 20, F20 des Einrasters F27 der Baueinheit 1, F1 gesichert, der in die entsprechende Öffnung 18 der Lagerhalterung 3, F3 eingefahren ist und mit Federkraft so gehalten wird. In der Ruhestellung, wie sie beim eigentlichen Radfahren bestehen bleibt, gibt es keinen Kraftschluß der beiden Reibräder 2a, b mit den Reifenflanken, die mit 2 Begrenzungslinien 23a, b dargestellt sind.

Da in dieser Phase auch keine Energie benötigt wird, kann der Akku F28 mit dem Schloß 9, F9 und dem Akkutaster F30 abgeschaltet werden und die Geschwindigkeitsregelung mit ihrem Motorverstärker F31, der Freigabe-Taster 11, F11 und der Ein-Taster F32 in der Bedienungseinheit 7, F7 werden spannungslos. Das Schloß F9 befindet sich dann, wie gezeichnet, in der linken Lage und seine Betätigungsnase F29 nicht im Anschlag mit dem Akku-Taster F30, der nur bei Mittellage des Schlosses aktiviert wird.

Damit bietet dieses Schloß eine Sicherheit vor unberechtigter Anschaltung des Hilfsantriebs und unberechtigter Veränderung der Stellung der Baueinheit (näheres folgt). Außerdem sichert das Schloß die unberechtigte Entnahme des Akkus F28 aus dem Akkufach 6, F6. Eine Entnahme ist nur bei rechter Lage des Schlosses F9 möglich.

Dann ist der Riegel des Versperrers F33 von der Betätigungsnase F29 des Schlosses F9 gegen eine Federkraft zurückgedrückt und entsperrt das Fach. Mit demselben Handgriff 5, F5, der beim Schwenken der Baueinheit benutzt wird, kann der Akku als Pack aus dem Fach genommen werden und die elektrischen Steckkontakte F34 werden dabei getrennt.

Wenn der Hilfsantrieb benötigt wird, muß er zuvor aus der Ruhestellung in die Antriebsstellung Fig. 1, 2 gebracht werden.

Das geschieht folgendermaßen.

Da für die folgende Phase Energie benötigt wird, muß zunächst das Schloß 9, F9 zur Anschaltung des Akkus F28 in die Mittellage gedreht werden, wodurch der Akku-Taster F33 mit der Betätigungsnase F29 geschaltet wird.

Danach wird der Freigabe-Taster 11, F11 mit dem Daumen betätigt, während die Hand den Handgriff 5, F5 umfaßt. Durch den einsetzenden elektrischen Strom wird eine elektromagnetische Kraft im Einraster F27 erzeugt, die die Federkraft überwindet und den Riegel 20, F20 aus der Lagerhalterung 3, F3 zurückholt. Gleichzeitig mit der damit erfolgten Freigabe wird mit dem Handgriff 5, F5 die Baueinheit soweit herausgeschwenkt bis der Körper der Baueinheit 1, F1 mit seinem Anschlag 16 an den Anschlag 17 der Lagerhalterung 3, F3 anschlägt, wobei die Schwenkung über die Drehachse 12, F12 mit den beiden Lagern 22a, b, F22a, b erfolgt.

In dieser Situation kann der Freigabe-Taster 11, F11 losgelassen werden und der Riegel 20, F20 kann nun zur Sicherung dieser Antriebsstellung durch die wieder wirkende Federkraft des Einrasters F27 in die andere Öffnung 19 der Lagerhalterung 3, F3 einrasten.

Bei dieser Schwenkung haben sich die beiden Reibräder 2a, b in gleichem Maße auf die beiden Seiten des Reifens zubewegt und üben mit der Antriebsstellung eine jeweils gleiche, bestimmte Normalkraft auf die Reifenflanken 24a, b aus.

Von der das Fahrrad führenden Person kann anschließend im Steller 10, F10 die gewünschte, ihrer Schritt­ geschwindigkeit entsprechende Bewegungsgeschwindigkeit des anzutreibenden Fahrrads eingestellt werden. Wenn nun diese Person ihr Fahrrad auf einem Treppengang führen will, kann sie auf der linken Fahrradseite sich befindend mit ihrer linken Hand den Lenker greifen und mit der rechten den Sattel rückseitig mit der dort auf der Unterseite befestigten Bedienungseinheit 7, F7 umfassen und von unten den Eintaster F32 mit Fingerdruck betätigen. In dem Fall, wo zusätzlich noch ein Steller in der Bedieneinheit integriert wäre (wird nicht beispielhaft gezeigt), wurde die manuelle Betätigung für beide Bedienelemente auch nur über ein Niederdrückteil erfolgen, wie es von den Akkuschraubern her bekannt ist. Die Bedienungseinheit 7, F7 ist dabei über ein Steckerkabel an die Steckbuchse 8, F8 der Baueinheit 1, F1 elektrisch angeschlossen und kann an den beiden Laschen des Sattels befestigt werden, die ursprünglich zur Befestigung einer Werkzeugtasche gedacht, aber im allgemeinen nicht mehr verwendet werden.

Mit dem von dem Ein-Taster F32 ausgehenden Strom wird die Geschwindigkeitsregelung F31 freigegeben und dies bewirkt die elektrische Anschaltung des Elektromotors F35 mit dem nachgeschaltetem Getriebe F36 an den Verstärker der Geschwindigkeitsregelung F31.

Mit der einsetzenden Motordrehung setzt sich das Fahrrad durch das angetriebene Reibrad F2a in Bewegung, das Reibrad F2b läuft mit.

Der angedachte Gleichstrommotor und das Getriebe sind Serienprodukte, wie sie in Größe und Leistung auch in Akkuschraubern verwendet werden. Gleiches gilt auch für den Akku.

Der Motor F35 erhält nun beim Treppengang von der Geschwindigkeitsregelung F31 mit dem nachgeschalteten, integrierten Verstärker die Drehzahl- und Leistungs­ bestimmenden Spannungs- bzw. Stromwerte als Ergebnis des permanenten Regelprozesses, bei dem der über den Steller 10, F10 vorgegebene Sollwert mit dem Istwert der Bewegungsgeschwindigkeit des Fahrrades verglichen wird. Die Ermittlung des Istwertes kann auch hier wie in einfachen Industrieanwendungen mit Hilfe gespeicherter Motorkenndaten erfolgen. Ein Tachogenerator entfällt dann. Dadurch daß die Geschwindigkeitsregelung für den 2-Quadranten-Betrieb (Antreiben und Bremsen in gleicher Bewegungsrichtung) bestimmt ist, bedarf es keiner antriebs- oder bremsspezifischen Vorgaben für den Hilfsantrieb. Allein die Geschwindigkeitsvorgabe mit dem Steller 10, F10 genügt, daß der Hilfsantrieb unabhängig von der Bewegungsrichtung, auf oder ab, dem Fahrrad mit ausreichender Genauigkeit die gewünschte Geschwindigkeit gibt. Wird eine Bremsung erforderlich, um die Geschwindigkeit einzuhalten, so wird kinetische Energie des Fahrrades als elektrische Bremsenergie des nun selbsttätig als Generator arbeitenden Motors in einem elektrischen Widerstand entzogen.

Während der ganzen Antriebs- und/oder Bremsphase muß der Ein-Taster F32 über den Fingerdruck betätigt bleiben.

Damit wird erreicht, daß allein durch Loslassen dieses Tasters, z. B. in einer kritischen Situation bei einem Treppengang, der Hilfsantrieb zum Stehen kommt und blockiert wird. Dadurch daß der Kraftschluß der Reibräder mit den Reifenflanken des Hinterrades weiter besteht, wird auch das Hinterrad blockiert und das Fahrrad kann sich praktisch nicht mit Hilfe der Schwerkraft selbsttätig in Bewegung setzen. Jetzt zeigt sich, wie wichtig ein sicherer Kraftschluß ist, der bei einem einseitigen Anriff auf einen Reifen durch 1 Reibrad wegen der begrenzten Seitensteifigkeit eines konventionellen Speichenrades nicht ausreichend sicher erreicht wird. Auch würde der Kraftschluß bei einem Reibradandruck auf die Reifendecke wegen der durch Abnutzung und/oder Verschmutzung sich einstellenden Beeinträchtigung nicht sicher sein.

Die zur Blockierung des erfindungsgemäßen Hilfsantriebs erforderliche Blockiereinrichtung F37 stellt prinzipiell eine Bremsscheibe mit Bremsbacken dar, die außerhalb der Antriebs- und Bremsphase durch Federkraft die Scheibe festhalten - blockieren. Erst mit Betätigung des Ein- Tasters F32, zu Beginn eines Treppengangs, erzeugt der Tastenstrom in der Blockiereinrichtung F37 eine elektromagnetische Kraft, die der Federkraft entgegenwirkt und es kommt zur Freigabe der Bremsscheibe F37. Um eine unnötige Belastung des Motors F35 und auch einen uneffektiven Energieverbrauch zu vermeiden, wird mit dem Ein-Taster F32 gleichzeitig der Motor F35 elektrisch über die Geschwindigkeitsregelung F31 und mechanisch über die Blockiereinrichtung F37 ein- bzw. ausgeschaltet.

Erfindungsgemäß wird eine von dem Hilfsantrieb auf das Fahrrad ausgehende Blockierung von dem Motor des ausgeschalteten Hilfsantriebs noch dadurch unterstützt, daß der dann als Generator mit einem niederohmigen elektrischen Ausgang geschaltete Motor noch bei kleiner Drehzahl eine hohe Bremswirkung hat.

Die Umschaltung zum Generator und auf den genannten Ausgang erfolgt über die Geschwindigkeitsregelung F31, wenn diese beim Loslassen des Ein-Tasters F32 ausgeschaltet wird.

Claims (12)

1. Hilfsantrieb mit elektrischem Motor, Akku, Schalteinrichtung und Reibrad-Kraftübertragung für Fahrräder, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hilfsantrieb für die Bewegung eines auf Treppen oder Rampen aufwärts oder abwärts Person-geführten Fahrrades eine Steuerung oder Regelung zur Angleichung der Bewegungsgeschwindigkeit des Fahrrades an die Schrittgeschwindigkeit hat,
daß dieser Hilfsantrieb nur für die Leistungs­ anforderungen und den Energiebedarf für die Bewegungsarbeit auf Treppen/Rampen ausgelegt ist,
daß zu einem Hilfsantrieb zur Herstellung des Kraftschlusses mit dem Hinterrad 2 Reibräder gehören, wovon je 1 Reibrad auf eine Reifen- oder Felgenflanke mit gleicher Normalkraft angedrückt wird und mindestens 1 Reibrad motorisch angetrieben wird,
daß bei der Betätigung des Ein-Tasters der Hilfsantrieb anläuft
und daß beim Loslassen des Ein-Tasters der Motor elektrisch abgeschaltet, zum Generator mit geschlossenem Ausgang umgeschaltet und mechanisch blockiert wird.

2. Hilfsantrieb nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß deren Funktionseinheiten, Bedienelemente und eine Anschlußbuchse zur alternativen externen Anschaltung elektrischer Bedienelemente in einer einzigen Baueinheit zusammengefaßt sind,
daß diese Baueinheit über ein Dreh- oder Schiebelager am Rahmen befestigt ist
und daß der durch schwenkende oder schiebende Annäherung der Baueinheit an das Hinterrad sich ergebende Kraftschluß mit 2 Reibrädern durch Einrasterung der Baueinheit in der Halterung des Lagers gesichert wird.

3. Hilfsantrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsantrieb alternativ nur ein auf einen Reifen oder eine Felge wirkendes Reibrad hat.

4. Hilfsantrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftschluß durch schwenkende oder schiebende Rückführung der Baueinheit in eine rastende Ruhestellung aufgehoben ist.

5. Hilfsantrieb nach den Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierung der dem Hilfsantrieb bei einer Aufwärtsbewegung des geführten Fahrrads zuzuführenden elektrischen Energie entweder durch einen manuell veränderbaren elektrischen Antriebssteller einer dem elektrischen Motor vorgeschalteten Steuerung erfolgt oder die Dosierung sich bei einer dem elektrischen Motor vorgeschalteten Geschwindigkeitsregelung mit einem die Sollgeschwindigkeit vorgebbaren Steller selbsttätig ergibt.

6. Hilfsantrieb nach den Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die bei einer Abwärtsbewegung des geführten Fahrrades vom Hilfsantrieb aufzubringende Bremsenergie durch Abgabe elektrischer Energie des auf Generatorbetrieb umgeschalteten Motors erzeugt wird
und daß die Motor-Umschaltung und Dosierung der Bremsenergie bei Einsatz einer Steuerung durch Betätigung eines zugehörigen elektrischen Bremsstellers erfolgt und bei Einsatz einer Geschwindigkeitsregelung die Dosierung durch die Vorgabe des Geschwindigkeitsstellers und die Umschaltung selbsttätig erfolgt.

7. Hilfsantrieb nach den Ansprüchen 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bei einer Bremsung von dem als Generator arbeitenden Motor abgebende elektrische Energie dem Akku zur Aufladung zugeführt wird.

8. Hilfsantrieb nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockiereinrichtung an der Motor- oder einer Getriebewelle wirkt.

9. Hilfsantrieb nach den Ansprüchen 1, 2, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß ein oder mehrere extern geschaltete elektrische Bedienelemente in einer einzigen Bedieneinheit mit einem Steckerkabel zusammengefaßt sind
und daß die Betätigung einer oder mehrerer Bedienelemente in der Bedieneinheit nur über ein manuell zu drehendes, schiebendes oder drückendes Teil erfolgt.

10. Hilfsantrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit zum Abschalten und Verschließen des Akkus in der Baueinheit und zum Sperren der Schwenk- oder Schiebebewegung der Baueinheit ein Schloß hat.

11. Hilfsantrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit mit ihrer Lagerhalterung alternativ mit einer manuell betätigbaren Schnellverriegelung am Fahrrad befestigt bzw. von diesem gelöst werden kann.

12. Hilfsantrieb nach den Ansprüchen 1, 2 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energie des Akkus mit Hilfe einer abschaltbaren Steckbuchse auch anderen Stromverbrauchern zur Verfügung gestellt werden kann.