Generation E- Bike Elektrofahrräder mit Tretunterstützung. Dipl.-Ing. (FH) Peggy Lichtenfeld, DEKRA Niederlassung Chemnitz

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1 Generation E- Bike Elektrofahrräder mit Tretunterstützung Dipl.-Ing. (FH) Peggy Lichtenfeld, DEKRA Niederlassung Chemnitz

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Funktionsweise 3. Unterschied zu Fahrrädern ohne Hilfsantrieb 4. Einteilung 4.1 nach Antriebsvarianten Direkter Antrieb Frontantrieb Heckantrieb Seite 2

3 Inhaltsverzeichnis Indirekter Antrieb Tretlager-/ Mittelmotor Sattelrohrmotor 4.2 nach dem Fahrerlaubnisrecht 5. Bauteilkomponenten 5.1 Motor 5.2 Motorsteuerung 5.3 Energiespeicher = Akku 5.4 Antrieb 5.5 Bremsen Seite 3

4 Inhaltsverzeichnis 6. Ermittlung von Anfahrbeschleunigungen und Verzögerungen von Elektrorädern 6.1 Versuchsfahrzeuge 6.2 Versuchsbedingungen für die Ermittlung von Anfahrbeschleunigungen 6.3 Versuchsbedingungen für die Ermittlung von Verzögerungen 6.4 Versuchsergebnisse zu Anfahrbeschleunigungen 6.5 Versuchsergebnisse zu Verzögerungen 6.6 Erkenntnisse 7. Rekonstruktion Seite 4

5 1. Einleitung erste Patenschriften für die Anbringung von Elektromotoren an Fahrrädern bereits Ende des 19. Jahrhunderts, 1970er: Elektrofahrrad von Panasonic (keine Serienproduktion), 1982: 1990: Pedelec- Patent Gelhard-E-Bike (nur in Papierform, keine Produktion) Idee des Pedelecs durch das Schweizer Unternehmen Velocity erstmals bei der Tour de Sol (Rennen für Fahrzeuge mit Solarantrieb) umgesetzt Seite 5

6 1. Einleitung ab 1992: erste Prototypen von Velocity auf dem Markt ab 1993: Verbreitung von Elektrofahrrad der Firma Yamaha in Japan 1995: erste Serienproduktionen von Elektrofahrrädern ab 2000: Abebben der Elektrowelle ab 2005: erneuter Aufschwung im Bereich der Elektrofahrräder Seite 6

7 1. Einleitung Zunehmender Verkauf von mit Elektromotor unterstützten Fahrräder in Deutschland Anzahl [Tausende] Jahr Seite 7

8 1. Einleitung unterschiedliche Bezeichnungen für Fahrräder mit einem elektrischen Hilfsantrieb E-Bike Elektrorad Elektrofahrrad Pedelec (Pedal electric cycle) LEV (light electric vehicle) = Elektro- Leichtfahrzeuge EPAC (electrically power assisted cycle) = mit Elektrokraft unterstütztes Fahrrad S-Pedelec Seite 8

9 1. Einleitung 1. E- Bike Grundsätzlich in 3 Kategorien unterteilbar: Elektrofahrrad = Fahrrad mit tretunabhängiger Unterstützung in Form eines Elektromotors 2. Pedelec (Pedal electric cycle) Fahrrad mit Tretunterstützung (besondere Form des Elektrofahrrads) 3. S- Pedelec Fahrrad mit tretunabhängigen Antrieb bis 20 km/h und Tretunterstützung bis 45 km/h Seite 9

10 2. Funktionsweise - Trittkraft des Radfahrers wird durch während der Fahrbewegung zugeschalteten Elektromotor verstärkt, - Energie des Elektromotors aus dem Akku entnommen, - Trittbewegung wird über Sensoren erkannt, - Sensoren messen aufgewendete Kraft, Kurbeldrehzahl und Geschwindigkeit des Elektrofahrrades, Seite 10

11 3. Unterschied zu Fahrrädern ohne Hilfsantrieb Elektroantrieb und damit verbunden: meist höheres Gesamtgewicht (für alltägliche Elektrofahrräder ca. 20 bis 26 kg) und eine Fahr- und Betriebserlaubnis in Abhängigkeit der maximal erzielbaren Geschwindigkeit, Seite 11

12 4. Einteilung 4.1 nach Antriebsvarianten Direkter Antrieb (elektrischer Motor in Vorder- oder Hinterradnabe), Indirekter Antrieb (elektrischer Tretlager oder Sattelrohrmotor) 4.2 nach dem Fahrerlaubnisrecht mit und ohne Fahrerlaubnis Seite 12

13 4.1.1 Direkter Antrieb Nabenmotor Quelle: Quelle: mit oder ohne Getriebe, Seite DEKRA

14 4.1.1 direkter Antrieb mit Getriebe: 1. kleinerer Motor verbaubar, d.h. kleineres Massenträgheitsmoment, weniger Energie für Beschleunigung notwendig, 2. Motorbetrieb im Bereich des optimalen Wirkungsgrads des Elektromotors möglich, ohne Getriebe: 1. festes Verhältnis zwischen Motor- und Raddrehzahl, d.h. Motorbetrieb nicht immer im Bereich des optimalen Wirkungsgrades, 2. Rekuperation (Energierückgewinnung während des Bremsens) möglich Seite DEKRA

15 Frontantrieb Bedieneinheit Elektromotor in der Vorderradnabe Akku Seite 15 Quelle:

16 Frontantrieb Vorteile Einbau ohne großen Aufwand kombinierbar mit verschiedenen Schaltarten und / oder Rücktrittbremse preisgünstig Nachteile erhöhtes Gewicht des Vorderrades, d.h. ständiges mitlenken notwendig, Traktionsverhalten Durchdrehen des Vorderrades erfolgt in Abhängigkeit der gewählten Schaltstufe und des vorhandenen Untergrundes eher als bei herkömmlichen Fahrrad, Seite DEKRA

17 Heckantrieb Elektromotor in der Hinterradnabe Bedieneinheit Akku Seite 17 Quelle:

18 Heckantrieb Vorteile direkte Kraftübertragung auf das Hinterrad, sehr gute Traktion aufgrund der erhöhten Last auf dem Hinterrad, erhöhte Sicherheit aufgrund des sehr guten Halts bei Steigungen und bei Nässe Nachteile nur Kettenschaltung möglich, umständlicher Radausbau, Steuerung und Verkabelung sehr aufwendig, erhöhte Anschaffungskosten aufgrund der Verwendung spezieller Komponenten Seite 18

19 4.1.2 Indirekter Antrieb immer mit Getriebe, Quelle: variable Übersetzung möglich, d.h. der Motor kann mit für seine Leistung optimaler Drehzahl betrieben werden Seite 19

20 Tretlager-/ Mittelmotor Akku Bedieneinheit Elektromotor im Tretlager Seite 20 Quelle: www. pedelec-elektro-fahrrad.de

21 Tretlager-/ Mittelmotor Vorteile natürliches Fahrgefühl (kein Zug- oder Schiebeverhalten), hohe Fahrstabilität und guter Fahrkomfort aufgrund des tiefen Schwerpunkts, Kraft des Zusatzantriebs und des Fahrers werden gemeinsam übertragen, keine Umrüstung von Vorder- und Hinterrad notwendig, einfacher Vorder- bzw. Hinterradausbau, Gute Geradeausfahrt wegen dem langen Radstand, Seite 21

22 Tretlager-/ Mittelmotor Nachteile keine Rückgewinnung der beim Bremsen erzeugten Energie (Rekuperation) möglich, meist keine Rücktrittbremse, höhere Rahmenkosten, höherer Kettenverschleiß, etwaig längerer Rahmen aufgrund der Anbringung des Akkus zwischen Sitzrohr und Hinterrad Seite 22

23 Sattelrohrmotor Elektromotor im Sattelrohr Akku Bedieneinheit Seite 23 Quelle: vivax veloce

24 Sattelrohrmotor z. Z. in Rennrädern verbaut, optisch nicht erkennbar, geringes Zusatzgewicht (ca. 1,8 kg incl. Akku), Antrieb per Knopfdruck zuschaltbar, Antrieb wirkt direkt auf die Tretlagerachse (Zusatzleitung 200 Watt), Kommunikation zwischen Antrieb und Fahrer (Speicherung der gewünschten Trittfrequenz bis zu 90 U/min; Unterstützungsleistung in Abhängigkeit der Eigenleistung geregelt Vorteil: Erhöhung der Akkulaufzeit), wartungsfreie Motor-Getriebe-Einheit, Seite 24

25 4.2 Einteilung nach dem Fahrerlaubnisrecht Art langsames Elektrofahrrad schnelles Elektrofahrrad Leistung < 250 Watt > 250 Watt max. Geschwindigkeit 25 km/h 25 km/h 45 km/h Anfahrhilfe Fahrerlaubnis/Prüfbescheinigung bis 6 km/h nicht erforderlich Mofa Klasse AM Besonderheiten Radweg nutzbar mind.15 Jahre ; Helmpflicht Seite 25 Zulassungspflicht nein Versicherungskennzeichen Versicherungskennzeichen Mindestalter 16 (15) Jahre; Helmpflicht

26 5. Bauteile 5.1 Elektromotor 5.2 Motorsteuerung 5.3 Energiespeicher = Akku 5.4 Antrieb 5.5 Bremsen Seite 26

27 5.2 Motorsteuerung notwendig für den Ein-/ Ausschaltvorgang und die Regelung des Elektromotors 1. Bewegungssensoren (Sensoren zur Feststellung ob und wie schnell getreten wird) besteht aus einer auf dem Tretlager befestigten Scheibe, die mit kreisförmigen Löchern oder Magneten versehen ist und einem Abnehmer Seite 27 Abnehmer reagiert auf wechselndes Magnetfeld der sich drehenden Scheibe und sendet Signal an die Steuerung, welche den Stromfluss an den Elektromotor freischaltet

28 5.2 Motorsteuerung 2. Kraftsensoren (Drehmomentsensoren zur Dosierung der elektrischen Hilfsenergie) Ermittlung der Kraft z. Bsp. anhand der Verbiegung der Tretlagerachse, der Verwindung der Kettenstrebe oder durch das infolge des Kettezuges entstehende Biegemoment der Hinterradachse Seite 28

29 5.2 Motorsteuerung Steuerung der Geschwindigkeit Ermittlung der Fahrgeschwindigkeit mittels Messung der Raddrehzahl, bei Erreichen der gesetzlich zulässigen Höchstgeschwindigkeit erfolgt die Abregelung des Zusatzantriebs Seite 29

30 5.3 Energiespeicher = Akku Nickel (Ni)- Cadmium (Cd)- Zellen, Nickel Ni)- Metallhydrid (MH)- Zellen, Litium (Li)- Ionen- Zellen, Lithium- Polymer- Zellen (Zukunft) Reichweiten abhängig von der Akku- Qualität zwischen ca. 40 km (Durchschnittswert) und 200 km (lt. Herstellerangaben) Seite 30

31 5.4 Antrieb - Kette Quelle: - Zahnriemen Quelle: Seite 31

32 5.5 Bremsen - hydraulische Felgenbremse - Rücktritt Quelle: Quelle: Seite 32

33 5.5 Bremsen - mechanische Scheibenbremse - hydraulische Scheibenbremse Quelle: Quelle: Seite 33

34 6. Ermittlung von Anfahrbeschleunigungen und Verzögerungen von Elektrorädern Untersuchungen des Anfahr- und Bremsverhaltens unterschiedlicher Pedelecs - im Rahmen von Diplom- und Bachelorarbeiten durchgeführt, Vergleich zu herkömmlichen Fahrrädern vorgenommen Seite 34

35 6.1 Versuchsfahrzeuge langsame Pedelecs mit Frontmotor (Leistung 250 Watt) und V-Brake-Bremse, maximale Geschwindigkeit 25 km/h, schnelle Pedelecs (mit Tretlager- oder Hinterradmotor (Leistung 250 bis 1300 Watt) und hydraulischer Scheiben- oder Felgenbremse, maximale Geschwindigkeit 45 km/h, Testfahrten mit Senioren: langsame Pedelecs mit Tretlagermotor und hydraulischer Felgenbremse, maximale Geschwindigkeit 25 km/h, Seite 35

36 6.2 Versuchsbedingungen für die Ermittlung von Anfahrbeschleunigungen trockene, asphaltierte und ca. 10 m lange Fahrbahn, normaler Anfahrvorgang, männliche und weibliche Testfahrer zwischen 24 und 50 Jahre und mit unterschiedlichen Fähigkeiten im Umgang mit Zweirädern (Alltagsfahrer, versierte Motorradfahrer), Testfahrten mit Senioren (60 bis 71 Jahre) unter gleichen Fahrbahn- und Witterungsbedingungen Seite 36

37 6.3 Versuchsbedingungen für die Ermittlung von Verzögerungen Abbremsen auf trockener, asphaltierter Fahrbahn aus ca. 25 km/h mit maximaler möglicher Verzögerung, männliche und weibliche Testfahrer zwischen 24 und 50 Jahre und mit unterschiedlichen Fähigkeiten im Umgang mit Zweirädern (Alltagsfahrer, versierte Motorradfahrer), Testfahrten mit Senioren (60 bis 71 Jahre) unter gleichen Fahrbahn- und Witterungsbedingungen, Seite 37

38 6.4 Versuchsergebnisse zu Anfahrbeschleunigungen Seite 38 Quelle:

39 6.4 Versuchsergebnisse zu Anfahrbeschleunigungen Anfahrbeschleunigungen ohne Motorunterstützung vergleichbar mit denen herkömmlicher Fahrräder, Anfahrbeschleunigungen mit Motorunterstützung in Abhängigkeit der Antriebsleistung des eingesetzten Motors und des Ladezustandes des Akkus deutlich oberhalb der herkömmlicher Fahrräder, bei gleicher Wegstrecke wird mit Motorunterstützung eine höhere Endgeschwindigkeit erzielt Seite DEKRA

40 6.5 Versuchsergebnisse zu Verzögerungen Seite 40 Quelle:

41 6.5 Versuchsergebnisse zu Verzögerungen Starke Streuung der Verzögerungswerte, geringe Abweichung zwischen langsamen und schnellen Fahrrädern, Verzögerung in Abhängigkeit der eingesetzten Bremsanlage deutlich höher, Seite 41

42 6.6 Erkenntnisse aus den Versuchen gegenüber herkömmlichen Fahrrädern sind grundsätzlich höhere Anfahrbeschleunigung, Durchschnittsgeschwindigkeiten und höhere maximale mittlere Verzögerungen möglich, ermittelte Anfahrbeschleunigung und Verzögerungswerte dienen als Anhaltspunkte für unfallanalytische Berechnungen, Im Einzelfall nicht nur Bremsanlage des Elektrofahrrades sondern auch Gesamtgewicht, Fahrerfahrung der fahrenden Person, Fahrbahn- und Witterungsverhältnisse in die Beurteilung des Beschleunigungs- und Verzögerungsverhaltens einbeziehen Seite 42

43 7. Rekonstruktion von Unfallgeschehen mit Elektrofahrrädern Grundsätzlich selbe Vorgehensweise wie bei allen Fahrzeugen, Durchführung von Fahrversuchen mittels selbigem oder vergleichbarem Elektrofahrrad und dabei erfolgender Aufzeichnung der Anfahrbeschleunigung bzw. Verzögerung, Weg-Zeit-Berechnungen und Kollisionsanalyse auf der Basis vorliegender Anknüpfungspunkte mittels den im Hause DEKRA verwendeten Rechenprogrammen PC-Crash und Analyzer, Etwaige Darstellung des Bewegungsablaufs kurz nach Kollision mittels des in dem Rechenprogramm PC-Crash beinhalteten Simulationsprogramm Mehrkörpersystem Seite 43

44 7. Rekonstruktion von Unfallgeschehen mit Elektrofahrrädern Seite 44

45 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!