Ansatzpunkte des Elektroantriebs

Verbreitet sind Konzepte bei denen die Kraftübertragung auf das Hinterrad realisiert wird. Seltener ist das Konzept des Zweirad mit Frontantrieb.

Im Laufrad:

• Nabenmotor, sowohl hinten als auch vorn (häufig),

Am Laufrad (meistens hinten):

• über Reibrolle auf den Fahrradreifen, sowohl hinten als auch vorn (selten).
• über ein Paar kleinerer Motoren mit Reibrolle auf die Bremsflanke der Felge (Velospeeder).
• über separaten Ketten- oder Zahnriementrieb an der linken Hinterradseite (selten),
• über separaten Ketten- oder Zahnriementrieb auf hinteres Kettenritzel (selten),

Auf die Fahrradkette:

• über in die Kette eingreifendes Ritzel (Mittelmotor, häufig),

Auf die Tretkurbelwelle:

• Tretkurbelwelle mit Motor/Getriebe in gemeinsamen Gehäuse an abweichend konstruiertem Fahrradrahmen (häufig)

• Motor vor/unter Tretkurbellager,

• Motor/Getriebe auf Tretkurbelwelle seitlich des Tretlagergegäuses

• über ein Kegelradgetriebe (Sattelrohrantrieb, selten).

Motor (und Akku) auf einem Anhänger (Schubanhänger, selten).

Es existieren daneben noch Elektroantriebe, die auf jegliche mechanische Verbindung zwischen Tretkurbel und Rädern verzichten.

Antrieb mit Nabenmotor

Ein getriebeloser, direkt wirkender Fahrrad-Nabenmotor (z. B. BionX) muss einen relativ großen Durchmesser aufweisen, weil die relative Geschwindigkeit zwischen den Statorpolen (feststehender Teil) und den Magnetpolen des Rotors (Außenläufer – umlaufender Teil, überträgt über die Speichen das Drehmoment auf die Felge) eines Elektromotors einen minimalen Wert nicht unterschreiten kann, um die sichere Kommutierung zu gewährleisten und das erforderliche Drehmoment bei einem vertretbaren Wirkungsgrad abzugeben. In Motoren mit größerem Durchmesser kann eine höhere Anzahl von Polpaaren und Wicklungsnuten untergebracht werden; durch den größeren Radius des Luftspaltes in Bezug auf den Gesamtdurchmesser des Laufrades wird durch das bessere Hebelverhältnis das Drehmoment relativ höher.

Beim Nabenmotor mit eingebautem (Umlaufräder-)Getriebe zur Übersetzung ins Langsame läuft der Rotor entsprechend schneller, er kann dadurch kleiner sein. Wegen seines geringeren Gewichts und Massenträgheitsmoments wird dieser beim Vorderradantrieb bevorzugt. Die Lenkung wird weniger beeinflusst, weil auch die Kreiselmomente kleiner sind.

Der Motor arbeitet i. d. R. über einen Freilauf auf die Nabe, damit Rotor und ggf. das Getriebe bei reinem Pedalbetrieb nicht mit durchgedreht werden müssen. Fehlt der Freilauf für den Motor, machen sich nach dem Abschalten des Motors die aufgebauten Magnetfelder noch ca. 500–1000 Meter bremsend bemerkbar, ebenso die Schleppwiderstände eines Getriebes. Ein Nabenmotor benötigt immer eine Drehmomentstütze, um die Gegenkraft des erzeugten Antriebsmomentes gegenüber dem Rahmen oder der Vorderradgabel abzustützen, die übliche Achsklemmung reicht hierzu nicht aus.

Ein Nabenmotor im Hinterrad hat eine bessere Traktion, da auf das Hinterrad mehr Gewicht verteilt ist. Im Regelfall kann eine Nabenschaltung nicht mit einem Hinterrad-Nabenmotor kombiniert werden. Ein Motor im Vorderrad bewirkt durch die hohen Kräfte von Antrieb, Lenken und Bremsen bei geringerer Auflagekraft eine erhöhte Rutsch- und Sturzgefahr.

Ein wesentlicher Nachteil des Nabenmotors im Vergleich mit dem Mittelmotor, der über Kette und Gangschaltung das Laufrad antreibt, ist das starre Verhältnis zwischen seiner Umdrehungszahl und der Raddrehzahl. Es gibt keine variable mechanische Anpassung an die optimale Motordrehzahl. Bei kleiner Fahrgeschwindigkeit (z. B. an Steigungen) und somit niedriger Motordrehzahl und gleichzeitig hohem Drehmoment ist der Wirkungsgrad geringer, und der dadurch erhöhte Motorstrom vergrößert die Erwärmung. Weil teilweise mit schlechterem Wirkungsgrad gefahren werden muss, ist die Reichweite bei gleicher Akkukapazität bei bestimmten Fahrprofilen kleiner als bei einem Mittelmotor mit nachgelagerter mechanischer Schaltung. In der Regel ist die Steigfähigkeit von Fahrrädern mit Mittelmotor deswegen auch besser als von solchen mit Radnabenantrieben, was insbesondere bei Elektro-Mountainbikes (EMTB, eMTB oder e-MTB) und Lastenfahrrädern von Belang ist.

Das beim Mittelmotor-Konzept bestehende feste Verhältnis zwischen Motor- und Tretkurbel-Drehzahl erleichtert die Anpassung der Motorleistung an die Tretleistung des Fahrers. Bei Nabenmotoren ist für diese Anpassung ein besonderer Aufwand bei der elektrischen Steuerung erforderlich.

Ein Nabenmotor macht das nachträgliche Umrüsten auf diesen Zusatzantrieb relativ einfach, da keine oder nur geringfügige Umbauten an Rahmen und Gabel erforderlich sind. Die Stromzufuhr erfolgt von der Seite durch die hohlgebohrte Achse hindurch. Außer dem Einbau eines neuen Laufrades mit Motor kommt auch der alleinige Austausch der Nabe durch Einspeichen in das bisherige Laufrad unter Verwendung nun kürzerer Speichen infrage.

Die Drehmomente der Motoren liegen bei diesem Antrieb bei maximal 50 Nm (Ende 2018).

Antrieb auf das Laufrad

Bereits 1982 wurde von Heidemann in Einbeck ein Nachrüstbausatz mit einem auf den Reifen wirkenden Radrollenmotor vorgestellt. Dieses schon früher beim Vélosolex – ein herkömmliches Mofa mit Verbrennungsmotor – benutzte Antriebs-Prinzip findet aktuell beim Elektrofahrrad in Nachrüstsätzen der GP-Motion GmbH, sowie der go-e GmbH am Hinterrad Verwendung.

Die beiden nur etwa wie ein Seitenläuferdynamo großen, paarweise angebrachten Motoren des Velospeeders wirken mit ihren Antriebsrollen auf die Bremsflanken der Hinterradfelge. Der dazu notwendige Anpressdruck wird über die übertragende Kraft durch einen selbstverstärkenden Keil-Effekt durch die Positionierung der Schwenkachsen der Motoren erreicht.

Beim etwa 1990 von Michael Kutter entwickelten Dolphin wurden die Drehzahlen von Pedal- und Motorantrieb im Umlaufrädergetriebe in der Nabe summiert. Die Fertigung wurde 2014 eingestellt.

Antrieb auf die Fahrradkette oder die Tretkurbelwelle

Der Mittelmotor-Antrieb über ein Ritzel auf die Kette wurde durch eine von Panasonic hergestellte Antriebseinheit eingeführt. Dazu muss der Rahmen anstelle eines konventionellen Tretlagergehäuses mit einer besonders ausgeformten Aufnahme im Tretlagerbereich gefertigt werden, um eine integrierte Antriebseinheit mit schnelllaufendem Motor, ins langsame übersetzendem Getriebe und der Tretkurbelwelle anbauen zu können (Abbildung, links). Die Tretkurbelwelle selbst ist an der Übertragung der Motorleistung nicht beteiligt. Auf ihr ist lediglich ein von Panasonic entwickelter Sensor zum Messen des Pedalier-Drehmomentes angebracht. Das Motor-Ritzel greift dabei hinter dem Kettenblatt der Tretkurbel am unteren, rücklaufenden Bereich der Fahrradkette (dem sog. Leertrum) an. Die naheliegende, von Bosch vorgenommene Weiterentwicklung war jene, die Motorleistung direkt auf die standardmäßig im Gehäuse enthaltene Tretkurbelwelle mit dem Kettenblatt zu übertragen und dafür auf das gesonderte Ritzel zur Kraftübertragung auf die Kette zu verzichten. Die Sonderkonstruktion des Fahrradrahmens im Bereich des Tretlagers blieb weiter erforderlich (Abbildung, rechts). Solche Motoren haben mittlerweile (Ende 2018) Drehmomente bis 90 Nm.

Ein vor oder unter dem Tretlagergehäuse eines unveränderten Standard-Fahrradrahmens angebrachter Motor wurde schon früher als Teil eines Nachrüstsatzes angeboten. Inzwischen greifen mehrere Hersteller auf diese Lösung zurück. Der Motor wird ans Tretlagergehäuse angebaut. Eine neue Tretkurbelwelle mit Drehmoment-Sensor ist Teil des Anbausatzes. Die Kraftübertragung vom Motor auf die Tretkurbelwelle ermöglicht gleichzeitig eine Übersetzung ins Langsame. Das dafür nötige große Rad eines Stirnzahnrad- oder Riementriebs wird in der Regel unauffällig zwischen dem Kettenblatt und dem Rahmen platziert (zusätzlich verdeckt vom rechten Blech-Steg, der Motor und Tretkurbel-Hülse verbindet).

Seitlich des Tretkurbelgehäuses koaxial auf der Tretkurbelwelle angebrachte und auch direkt auf diese wirkende Motoren nutzen den freien Raum zwischen den Pedalkurbeln und den Rahmenrohren aus, der aber zu schmal für ein integriertes Getriebe ist. Der Motordurchmesser muss daher relativ groß sein (Acron, silent-E).

Seit etwa 2010 verwendet der an der Entwicklung des ursprünglichen Flyers beteiligte Philippe Kohlbrenner im Speedped eine weitere, im Prinzip aber gleiche Antriebsvariante. Dieses Fahrrad hat eine Nabenschaltung. Der Motor ist seitlich rechts am Hinterbau montiert und treibt über einen Zahnriemen parallel zur Pedalkette (alternativ auch ein Zahnriemen) das Hinterrad an. Die beiden Zahnritzel sind nebeneinander auf der Antriebswelle des Nabenschaltgetriebes befestigt.

Da das Antriebsmoment bei Mittelmotoren über die Kettenschaltung untersetzt werden kann, erlaubt dies am Hinterrad in niedrigen Gängen entsprechend hohe Drehmomente. E-Mountainbikes profitieren von dieser Eigenschaft erheblich und ermöglichen auch weniger trainierten Fahrern die Bewältigung enormer Steigungen.

Sensoren

Drehzahl-Sensor: Aus der Zahl der Impulse pro Zeitspanne ergibt sich die Drehzahl. Gemessen wird an der Tretkurbelwelle, am Laufrad (über den Laufraddurchmesser ergibt sich die Fahrgeschwindigkeit), im Motor. Das üblicherweise verwendete Messprinzip ist der Halleffekt.

Drehmoment-Sensor: Gemessen wird an der Kette (selten, Kraftmessung an den Umlenklagern) oder an der Tretlagerwelle (Messprinzip: inverse Magnetostriktion).

Einhalten der gesetzlichen Beschränkungen

Antriebshilfe nur, wenn Fahrer Tretkurbeln bewegt: Die Pedalierdrehzahl wird mit einem Drehsensor erfasst, der entweder an die Tretkurbelwelle anzubauen ist (Nachrüsten mit Bausatz) oder in kompakten Mittelmotoren integriert ist (Messung an der Tretkurbelwelle). Der Motor wird eingeschaltet, wenn eine minimale Drehzahl erreicht ist.
Antrieb nur unterhalb erlaubter Fahrgeschwindigkeiten: Die Fahrgeschwindigkeit wird mit einem Drehsensor erfasst, der sich am Laufrad, im Nabenmotor oder im mit konstanter Übersetzung auf das Laufrad wirkenden Motor befindet. Der Motor wird beim Erreichen der erlaubten Anfahr-/Schiebe-Geschwindigkeit, wenn nicht pedaliert wird, oder beim Erreichen der unterstützten maximalen Fahrgeschwindigkeit (Pedelec: 25 km/h; schnelles Pedelec: 45 km/h) ausgeschaltet.

Geschwindigkeitssteuerung:
Der Fahrer hat die Wahl, eine Fahrgeschwindigkeit aus mehreren vorgegebenen Stufen (Sollwerten) einzustellen. Die Motorautomatik stellt den gewählten Wert durch Vergleich mit der mittels Drehsensor festgestellten Laufrad-Drehzahl her. Der Fahrer muss einen tieferen Sollwert einstellen, wenn die Grenzleistung des Motors bei „schwerer Fahrt“ (bergauf) nur noch bei kleinerer Drehzahl erbracht wird (er wählt unter solchen Umständen auch einen langsameren Getriebegang, um seine gewohnte Trittfrequenz beizubehalten). Die Motorautomatik stellt nicht sicher, dass die erforderliche Fußkraft (prinzipiell gemildert durch die Motorhilfe) gleich bleibt. Die passende, aus Erfahrung zu findende Geschwindigkeitsstufe ist einzustellen, was umso besser gelingt, je mehr Stufen vorhanden sind. Diese Art der Steuerung ist wenig benutzerfreundlich und hat sich folglich nicht durchsetzen können.

Drehmoment- bzw. Kraftsteuerung:
Damit auch beim Pedelec-Fahren „möglichst immer gleiche Fußkraft“ besteht, muss der Motor immer ein gleiches Drehmoment (Fußkraft mal Länge der Pedalarme) beisteuern. Voraussetzung ist das im Vergleich zur Drehzahlmessung technisch relativ aufwändige Messen der Fußkraft bzw. des Drehmoments an der Tretkurbelwelle. Ein technisch und wirtschaftlich günstiger Drehmomentsensor wurde erst von PANASONIC als integriertes Bauteil eines Mittelmotors auf den Markt gebracht. Damit wird das Drehmoment eines Mittelmotors so gesteuert, dass es in jedem Moment proportional zur Fußkraft ist. Durch diese doppelte Proportionalität – die andere ist die beim Mittelmotor-Konzept von vornherein vorhandene zwischen Motordrehzahl und Pedalierfrequenz – ist mehr erreicht als die Trittfrequenz und die Fußkraft des Fahrers möglichst konstant zu halten. Sie ist ein zusätzlicher Gewinn für die Benutzerfreundlichkeit.

Steuerung mithilfe von zwei Drehzahl-Sensoren
Bei der großen Zahl der mit Nabenmotoren ausgestatteten Pedelecs ist das Drehzahlverhältnis zwischen Pedalieren und Motor wegen der sich dazwischen befindenden Gangschaltung nicht konstant. Somit lässt sich auch kein konstantes Drehmomentverhältnis zwischen Motorbeitrag und Pedalieren einstellen. Das Drehzahlverhältnis zwischen Laufrad und damit zwischen Nabenmotor und Tretkurbel ist aber nur vom eingestellten Getriebegang abhängig. Es ergibt sich aus den mit zwei Drehimpuls-Sensoren gemessenen Drehzahlwerten des Motors und des Pedalierens. Davon abhängig kann das Motordrehmoment so gesteuert werden, dass es auf die Tretkurbel-Drehzahl umgerechnet für jeden Getriebegang den gleichen konstanten Wert hat. Auf diese Weise ist mithilfe von einfachen Drehzahl-Sensoren unter Verzicht auf einen aufwändigen Drehmoment-Sensor erreicht, dass Trittfrequenz und Fußkraft des Fahrers möglichst immer gleich sind. Der zusätzliche, bei der Drehmomentsteuerung erreichte Vorteil infolge der in jedem Zeitpunkt bestehenden Proportionalitäten zwischen den Größen Motordrehmoment/Fußkraft bzw. Motordrehzahl/Pedalierfrequenz besteht aber nicht.

Leistungsstufen:
Das Verhältnis zwischen Eigenleistung des Fahrers und Zusatzleistung des Motors kann oft vom Fahrer eingestellt werden. Er kann auf diese Weise entscheiden, ob er den Akku sparsam belasten und somit weit fahren will, oder eine größere Unterstützung auf Kosten einer kleineren Reichweite haben möchte. Das Einstellen kann auch stufenlos mithilfe eines “Gasgriffs” erfolgen.

Anfahrhilfe:
Die Anfahrhilfe erlaubt bei Pedelecs eine Motorunterstützung auf Knopfdruck oder Drehen des Gasgriffs auch ohne Pedalieren. Sie dient dem leichteren Anfahren aus dem Stand und als Schiebehilfe dem eigenständigen „Fahren“ des Fahrrades. Diese Art der Motorunterstützung ist in der Regel auf die gesetzlich erlaubte Maximalgeschwindigkeit von 6 km/h begrenzt. Die Schiebehilfe bietet den Vorteil, dass man das Fahrrad neben sich mit Motorunterstützung rollen lassen kann, ohne dass man pedalieren oder selbst schieben muss (z. B., wenn man eine schwere Last befördert oder damit man das Rad an einer Steigung eigenständig hochlaufen lassen kann). In jedem Fall erlaubt es ein schnelleres (und körperlich kontrollierteres) Anfahren aus dem Stand an auf „Grün“ umschaltenden Ampeln.