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Informationstechnik eRikscha eMotor |
Wintersemester 2020 kato1018@hs-karlsruhe.de scma1171@hs-karlsruhe.de |
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Erkenntnisse und Stand der Recherche Grundsätzlich stellen sich während der Konzeptionsphase eines elektrisch unterstützenden Antriebstranges für ein Fahrrad zunächst einige Fragen hinsichtlich dessen Gebrauch und der Verwendung. In unserem Fall handelt es sich hierbei um ein mehrspuriges Lastenfahrrad - genannt eRikscha - zum Personen- und Gütertransport. Gemäß der Klassifizierung aus DIN 79010 - Fahrräder – Transport- und Lastenfahrrad – Anforderungen und Prüfverfahren für ein- und mehrspurige Fahrräder - handelt es sich bei diesem Entwicklungsfahrzeug also um den Typ 2Ce (Typ 2: mehrspurig, Klasse C: Personen- und Gütertransport, e: mit elektrischem Antrieb). Einsatzzweck und -gebiet stellen dabei der Transport von Postsendungen oder Personen auf dem Campusgelände der Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft sowie dem städtischen Umfeld der Stadt Karlsruhe dar. Einige Vorgaben sind in diesem Zusammenhang bereits definiert: a) Weiterentwicklung der Rikscha aus der Bachelorarbeit vom Studierenden Tareq Mahdawi aus dem SS2020 b) elektr. Antriebsunterstützung bis max. 25km/h (Einstufung zum Pedelec gemäß §1 StVG, vgl. Bundesgesetzblatt 20.06.2013 Artikel 5) c) Gesamtlast inkl. Zuladung bis 300kg d) Zulassungstauglichkeit zum Gebrauch öffentlichen Straßenverkehr Die bisherige eRikscha besteht aus einem eigenentwickelten Aluminiumprofilrahmen-Fahrgestell in mehrspuriger Ausführung, bei dem ein über eine Gabel lenkbares Vorderrad und zwei Hinterräder jeweils links und rechts am Heckteil des Rahmens angebracht sind. Der bisherige Antrieb besteht aus einem festen Tretkurbeltrieb, der mittels Kettentrieb über ein zwischengeschaltetes Stufenlosgetriebe (Enviolo Cargo) die aufgebrachte Tretkräfte auf das linke Hinterrad überträgt und somit die eRikscha antreibt.  Abbildung des vorhergehenden Stands der eRikscha Für die Konzeptentwicklung betrachten wir also in der Folge lediglich die maßgeblichen Komponenten zur Erweiterung der bestehenden eRikscha um einen elektrisch unterstützenden Antrieb. Aus diesem Grund erfolgt zunächst eine Betrachtung der verschieden Motorvarianten, die bei eBikes bzw. Pedelecs bereits zum Einsatz kommen. Eine Gegenüberstellung von allgemeinen Vor- und Nachteilen der Motorkonzepte Front-, Mittel- oder Heckmotor sind hier einzusehen. Nachfolgend unterscheiden wir zwischen Radnabenmotoren zum direkten Antrieb am Rad oder Tretlagermotoren mit Antrieb am Kurbeltrieb.  Abbildung Systemskizze Motorkonzepte Tretlagermotoren: Das Konzept eines Tretlagermotors verfolgte bereits Tareq Mahdawi im Konzept zur eRikscha in seiner Bachelorarbeit, wodurch wir zunächst diese Idee weiterverfolgten. Das Aufgrund der Beliebtheit dieser Motorvarianten bestehende Angebot im Pedelec Markt bietet dabei eine breite Auswahl an Herstellern und Motoren unterschiedlicher Leistungscharakteristiken. Neben den Herstellern Brose, Shimano und Yamaha stellt Bosch den Marktführer und somit auch eine breite Auswahl an Systemen in diesem Segment. Eine Recherche zu den verschiedenen Antrieben zeigte bei allen Herstellern vergleichbare Systeme, sodass wir die passenden Motoren auf Grundlage der Berechnungen aus der Bachelorarbeit ausgewählt und gegenübergestellt haben (siehe Tabelle).
Alle Hersteller setzen dabei auf einen Vertrieb über den Fachhandel, sodass Motoren kaum über den Onlinehandel und auch nur schwer als Nachrüstlösungen bezogen werden können. Aus diesem Grunde und auch um weitere technische Details zu den Produkten zu erfragen entschieden wir uns für eine Produktanfrage bei den Herstellern Bosch, Brose, Shimano und Yamaha. Leider halten sich die Hersteller trotz gezielter Anfragen spärlich mit Auskünften zu weiteren technischen Informationen oder auch Angaben zu Vertriebswegen oder Bezugsquellen und verweisen stattdessen auf deren Internetpräsenzen. Da Bosch die am geeignetsten Motoren und zudem ein breites Netz an Partnern im Fahrradhandel bietet viel unsere Wahl zunächst auf die Motoren Bosch Performance Line CX oder Bosch Cargo Line Cruise für den Antrieb der eRikscha mittels Mittelmotorkonzept. Es wurden hierfür mehrere Fahrradhändler im Umfeld um Karlsruhe aufgesucht und bzgl. eines Angebots für die Beschaffung des Motor und der sonstigen Systemkomponenten angefragt. Leider stellt sich selbst im Fachhandel die Versorgungssituation auch aufgrund der hohen Nachfrage im Markt schwierig dar, sodass nur wenige Händler ein Angebot anfertigen konnten. Trotz wiederholter Nachfrage konnte uns dennoch kein Händler bis zum 24.10.2020 ein Angebot übermitteln. Einen entscheidenden Nachteil bei diesem Motorkonzept stellt allerdings die bisherige Gestaltung des Antriebs in Form des Stufenlosgetriebes (Enviolo Cargo) dar. Denn das maximale Spitzen- und zugleich maximale Dauerdrehmoment des Getriebe liegt bei 100 Nm. Bei einer unterstützenden Antriebsdrehmoment des Motors im Bereich von 50-85 Nm und des zusätzlichen, aus der Fahrer-Muskelkraft resultierende Drehmoment liegt dabei im weniger sportlichen Bereich schon bei ca. 100-120 Nm und bei entsprechendem schnellen Antritt entsprechend höher. Aus diesem Grund ist ein Versagen des Stufenlosgetriebes nach kurzer Laufleistung eine Folge. Aus diesen Gründen eignet sich ein Mittelmotorkonzept mit einem Tretlagermotor-Antrieb in diesem Aufbau so nicht und wird deshalb nicht weiter verfolgt. Radnabenmotoren: Bei der Auswahl eines Antriebs in Form eines Radlagermotors stellt sich zunächst die Frage ob am Vorderrad (Frontmotor) oder am Hinterrad (Heckmotor) angetrieben werden sollte. Zudem spielt die Ausführung des Motors hinsichtlich der Realisierung einiger Fahreigenschaften eine Rolle. Daher unterscheidet man Radnabenmotor mit Untersetzung z.B. durch ein Planetengetriebe oder einen getriebelosen Direktläufer Motor. Je nach Motorvariante ergeben sich hierdurch einige Vor- oder Nachteile die hier nochmal gesondert aufgezeigt werden sollen:
Aufgrund des bestehenden Aufbaus der Rikscha erachten wir zunächst eine Verwendung eines Frontmotors für besser geeignet. Einige Maßgebliche Vorteile sind die einfache Integration ohne größere Anpassungen am Fahrgestell oder dem bisherigen Antrieb, da die Gabel und der Vorbau bereits ausreichend dimensioniert wurden und der Antriebsstrang weitgehend unbeeinflusst genutzt werden können. Zudem kann durch eine Verlagerung des Motor-Gewichts hin zum Vorderrad der Schwerpunkt der eRikscha etwas optimiert und in der Folge ein besseres Fahrverhalten im beladenen Zustand erzielt werden. Im Falle eines Heckmotors würde man zudem vorzugsweise einen elektrischen Antrieb auf das rechte Hinterrad verlagern um beidseitig einen Antrieb zu realisieren, jedoch müsste hierfür ebenso eine Synchronisation beider Antriebe auf mechanischem Wege mittels eines Differentials oder durch zusätzliche Steuerung und Regeleingriffe auf elektrischem Wege im Fahrbetrieb hergestellt werden. Auch die Verfügbarkeit und Beschaffungsmöglichkeiten passender Antriebslösungen stellen sich beim Radnabenmotor insgesamt besser dar, als vergleichsweise bei einem Mittelmotorkonzept. So liegen Beispielsweise bereits ein Angebot zu einem Nachrüstsatz der Radkutsche oder auch Einzelkomponenten für einen Eigenaufbau vor. Anhand des bisherigen Erkenntnis- und Recherchestandes, sowie der vorangegangen Nutzwertanalyse wird nachfolgen das Konzept in Form eines Radnaben-Frontmotors gewählt und ausgeführt. Konzept Zur Umsetzung eines unterstützenden Vorderradantriebs bei der eRikscha stehen zwei Motoren zur Auswahl. Zum einen ein Eigenbausystem mit einem bereits vorhanden Radnabenmotor in Direktläufer Bauweise und einem Komplettsystem als Nachrüstsatz des Herstellers Radkutsche. Zur Verdeutlichung der Ergebnisse aus der Nutzwertanalyse werden hier nochmals einige detaillierte Kriterien mit Handlungsbedarfen zur Integration der beiden Radnabenmotoren in der eRikscha gegenübergestellt und aufgezeigt.
Nach Analyse und Bewertung aller notwenigen Arbeitsschritte und Handlungsbedarfe bis zum Herstellen der Fahrbereitschaft und Vorbereitung für eine Zulassungsabnahme kommen wir zum Schluss, dass die Umsetzung mit Hilfe des Antriebnachrüstsatzes der Radkutsche am schnellsten und effizientesten diese Ziele erreicht werden können. Zudem können hierdurch in der Folge weitere Optimierungen hinsichtlich Effizienz, Systemperformance, der Informationsbereitstellung von Fahrdaten oder Verbesserung der Nutzerfreundlichkeit erarbeitet werden. Aus diesen Gründen favorisieren wir für die Umsetzung des Antriebs mittels des eZee Frontmotors der Radkutsche. |
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| Mit Unterstützung von Prof. J. Walter | Wintersemester 2020 |
