Drehmomentsensoren in E-Bikes: Zweck, Funktionsprinzip, Vorteile, Nachteile und Anwendungen

Inhaltsverzeichnis
Motor-Drehmoment-Sensor

Als Regen erhalten wir häufig Fragen von Kunden und Partnern zu Drehmomentsensoren - was sie sind, wie sie funktionieren und warum sie bei E-Bikes und Lastenrädern so wichtig sind. Drehmomentsensoren gehören zu den versteckten Komponenten, die man vielleicht nicht auf den ersten Blick bemerkt, die aber das Fahrgefühl, die Motoreffizienz und sogar die Sicherheit von Fahrrädern mit Elektrounterstützung grundlegend beeinflussen.

In diesem Artikel werden wir Drehmomentsensoren im Detail untersuchen: was sie tun, wie sie funktionieren, ihre Vor- und Nachteile und wo sie eingesetzt werden. Außerdem werden wir ihre Rolle mit umfassenderen Überlegungen zur Konstruktion von Lastenfahrrädern in Verbindung bringen, z. B. mit der Auswahl des Motordrehmoments und den Kommunikationsprotokollen innerhalb des elektrischen Systems.


Was ist ein Drehmomentsensor?

Ein Drehmomentsensor ist ein Gerät, das das auf eine Welle oder Achse ausgeübte Drehmoment (Rotationskraft) misst. Bei einem E-Bike oder Lastenfahrrad befindet er sich normalerweise im Tretlager, hinteres Ausfallende oder Kurbelwelle. Wenn der Fahrer Druck auf die Pedale ausübt, erkennt der Drehmomentsensor die Verwindungskraft und sendet ein Signal an die Motorsteuerung. Der Controller passt dann die Motorunterstützung proportional an.

Dies unterscheidet sich erheblich von TrittfrequenzsensorenSie erkennen lediglich, ob Sie in die Pedale treten oder nicht, ohne zu messen, wie stark Sie in die Pedale treten. Während Trittfrequenzsensoren eher ein binäres, "ein/aus"-Hilfsgefühl vermitteln, ermöglichen Drehmomentsensoren ein sanfteres, natürlicheres Pedalieren.

Definition:

Drehmoment = Kraft × Weg (gemessen in Newtonmetern, Nm).

Wenn Sie eine Kraft von 100 N auf einen 0,17 m langen Kurbelarm ausüben, beträgt das resultierende Drehmoment 17 Nm.


2. Wie funktionieren Drehmomentsensoren?

Die meisten Drehmomentsensoren, die in E-Bikes und Lastenrädern verwendet werden, sind Dehnungsmessstreifen-basiert. Lassen Sie uns das Funktionsprinzip aufschlüsseln:

2.1 Dehnungsmessstreifen-Methode

  1. Die Kurbelspindel oder Achse verdreht sich leicht, wenn der Fahrer in die Pedale tritt.
  2. Dehnungsmessstreifen-winzige elektrische Widerstandselemente- sind auf die Spindel geklebt.
  3. Wenn sich die Spindel verformt, ändern die Dehnungsmessstreifen ihren Widerstand.
  4. Diese Veränderungen werden durch eine Wheatstone-Brückenschaltung verstärkt und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
  5. Der Motorcontroller interpretiert dieses Signal als Leistungsaufwand des Fahrers und passt die Leistungsabgabe entsprechend an.

2.2 Magnetoelastische Methode

Einige hochwertige Drehmomentsensoren verwenden magnetoelastische Prinzipien:

  • Der Stahl in der Spindel ändert seine magnetische Permeabilität, wenn er verdreht wird.
  • Magnetfeldsensoren erkennen diese Veränderungen ohne physischen Kontakt.
  • Der Vorteil: weniger Verschleiß und Abnutzungda es keine Drähte oder Schleifringe an beweglichen Teilen gibt.

Diagramm eines E-Bike-Drehmomentsensors

Drehmomentsensor vs. Drehzahlsensor: Was ist besser?

Einfach ausgedrückt: ein erfahrener Fahrer gegen einen Fahrschüler

Man kann die Analogie eines erfahrenen Fahrers und eines Fahrschülers verwenden:

Torque Sensor ist wie ein "erfahrener Fahrer"

  • Der erfahrene Fahrer wird die Leistung des Fahrzeugs entsprechend den Straßenverhältnissen und der Drosselklappenstärke gleichmäßig steuern:
  • Wenn es bergauf geht, wird die Drosselklappe automatisch erhöht (mehr Motorunterstützung).
  • Beim Bergabfahren oder bei leichtem Druck auf das Gaspedal wird die Leistung reduziert (Energieeinsparung und Sicherheit).
  • Das gesamte Fahrerlebnis ist sanft und natürlich, und das Gefühl der Sicherheit ist stark.

Geschwindigkeitssensor ist wie ein "Fahrschüler"

  • Der Fahrschüler hat nur eine ungefähre Vorstellung von der Drosselklappe:
  • Sobald das Gaspedal betätigt wird, wird unabhängig von den Straßenverhältnissen Vollgas gegeben.
  • Die Reaktion ist langsam, und die Drosselklappe ist entweder vollständig geöffnet oder geschlossen.
  • Beim Fahren kann es leicht zu abruptem Beschleunigen und Abbremsen kommen, insbesondere wenn das Fahrzeug beladen ist. Das ist unsicher.

Zusammenfassung: Drehmomentsensor = bedarfsgesteuerter intelligenter Ausgang, Geschwindigkeitssensor = fester Ausgang (Stopp, wenn niemand drückt, volle Leistung, wenn gedrückt wird)

Drehmomentsensoren (pedalkraftbasiert)

  • Maßnahme wie stark Sie in die Pedale treten durch Erfassung der auf die Kurbel, das Tretlager oder das hintere Ausfallende wirkenden Drehkraft.
  • Hilfe ist proportional: Je stärker Sie in die Pedale treten, desto mehr Leistung liefert der Motor.

Geschwindigkeits- oder Trittfrequenzsensoren (Pedalgeschwindigkeits-basiert)

  • Maßnahme ob und wie schnell Sie in die Pedale treten mit Magneten und einem Sensor an der Kurbel.
  • Hilfe ist binär/ein/aus: Sobald Sie in die Pedale treten und eine bestimmte Trittfrequenz erreichen, schaltet sich der Motor mit einer voreingestellten Leistung ein (nicht proportional zur Kraft).


Tabelle der Hauptunterschiede im Überblick

BesonderheitDrehmomentsensorGeschwindigkeitssensor
Motorische ReaktionProportional zur Pedalkraft (natürlich und sanft)Feste Leistungsabgabe, sobald die Trittfrequenzschwelle erreicht ist
FahrgefühlFühlt sich an wie eine verstärkte menschliche Anstrengung ("bionische Beine")Kann sich ruckartig oder plötzlich anfühlen; weniger intuitiv
Batterie-EffizienzHöher: verwendet nur das, was benötigt wirdNiedriger: kann manchmal Energie verschwenden
KostenHöher (komplexere Technologie)Niedriger (einfach, billig)
EinrichtungErfordert präzise Installation und KalibrierungSehr einfach zu installieren und zu ersetzen
Am besten fürPremium-E-Bikes, Lastenfahrräder, hügeliges oder städtisches TerrainE-Bikes der Einstiegsklasse, flaches Gelände, Freizeitfahrten

Was ist besser für Lastenfahrräder?

Für Lastenfahrräder, Drehmomentsensoren sind fast immer die bessere Wahl:

  1. Reibungslose Leistungsabgabe: Wenn Sie Kinder oder Waren transportieren, brauchen Sie Stabilität beim Anfahren und Anhalten. Drehmomentsensoren bieten eine vorhersehbare, proportionale Unterstützung.
  2. Effizienz der Batterie: Liefer- und Logistikflotten profitieren von einer größeren Reichweite pro Ladung.
  3. Kontrolle auf Hügeln: Drehmomentsensoren erleichtern das Anfahren am Berg, da der Motor sofort auf Ihre Krafteinwirkung reagiert.
  4. Sicherheit: Plötzliche Stromstöße von den Geschwindigkeitssensoren können bei schwer beladenen Fahrrädern zum Wackeln oder sogar zum Umkippen führen.

(Sie können unseren Artikel über Wie viel Drehmoment brauchen Sie für Ihr Lastenfahrrad? um zu sehen, wie Drehmomentsensoren mit der Motorauswahl zusammenhängen).

3. Vorteile von Drehmomentsensoren in E-Bikes und Lastenfahrrädern

3.1 Natürliches Reiterlebnis

Da die Motorunterstützung proportional zu Ihrer Tretkraft ist, haben Sie das Gefühl, "bionische Beine" zu haben. Das Fahrrad reagiert intuitiv auf Ihre Eingaben, was besonders wichtig ist für Lastenfahrräder für schwere Lasten. Bei niedrigen Geschwindigkeiten, beim Manövrieren um Hindernisse oder beim Anfahren am Berg mit Kindern oder Gütern an Bord hat der Fahrer mehr Kontrolle.

3.2 Effiziente Batterienutzung

Drehmomentsensoren ermöglichen dem Steuergerät eine Feinabstimmung der Motorleistung:

  • Wenn Sie kräftiger in die Pedale treten, liefert der Motor mehr Leistung.
  • Wenn Sie nachlassen, reduziert der Motor die Unterstützung. Diese dynamische Reaktion hilft dabei, die Batterie zu schonen, im Gegensatz zu kadenzbasierten Systemen, bei denen der Motor zeitweise unnötige Leistung erbringen kann.

3.3 Verbesserte Sicherheit

Bei Lastenfahrrädern können plötzliche Leistungssprünge gefährlich sein, insbesondere bei voller Beladung. Drehmomentsensoren verhindern eine abrupte Beschleunigung, indem sie die Motorleistung an die Anstrengung des Fahrers anpassen. Dadurch wird das Anfahren und Anhalten sanfter und die Stabilität bleibt erhalten.

3.4 Kompatibilität mit modernen Steuerungen

Drehmomentsensoren lassen sich gut integrieren mit CAN-Bus oder andere in elektrischen Systemen von E-Bikes verwendete Kommunikationsprotokolle. Die Daten, die sie liefern, können mit anderen Komponenten, wie z. B. Anzeigeeinheiten und Batteriemanagementsystemen, geteilt werden, um die Leistung zu optimieren.


4. Nachteile und Überlegungen

Drehmomentsensoren bieten zwar viele Vorteile, haben aber auch einige nennenswerte Nachteile:

  1. Höhere Kosten: Im Vergleich zu einfachen Trittfrequenzsensoren sind Drehmomentsensoren aufgrund ihrer Komplexität teurer.
  2. Kalibrierungsanforderungen: Sie müssen genau kalibriert werden, um genaue Messwerte zu gewährleisten.
  3. Empfindlichkeit: Da sie Mikroauslenkungen messen, können externe Vibrationen und Temperaturschwankungen die Leistung beeinträchtigen, wenn sie nicht kompensiert werden.
  4. Abnutzungspotenzial (Dehnungsmessstreifen-Typen): Im Laufe der Zeit können mechanische Belastungen Dehnungsmessstreifen-basierte Sensoren beeinträchtigen, obwohl dies bei Qualitätskomponenten selten vorkommt.

Für Lastenrad-OEM/ODM-Hersteller wie uns müssen diese Faktoren bei der Produktentwicklung berücksichtigt werden. Wir wählen zum Beispiel sorgfältig Tretlager aus, die Langlebigkeit mit präziser Drehmomenterfassung kombinieren.


5. Anwendungen von Drehmomentsensoren

Drehmomentsensoren werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, aber ihre Rolle in E-Bikes und Lastenräder ist besonders transformativ.

5.1 Pedalunterstützungssysteme

  • Drehmomentsensoren sind das Rückgrat der Pedalunterstützung (Pedelec) Funktionalität.
  • Sie sorgen dafür, dass sich die Kraftunterstützung natürlich und angemessen anfühlt.

5.2 Schwerlast-Lastenfahrräder

  • Bei Long John, Longtail und Trike-ähnlichen Lastenrädern ist eine präzise Drehmomentrückmeldung für die Stabilität und das Vertrauen des Fahrers unerlässlich.
  • Die Fahrer befördern oft Kinder, Lebensmittel oder Handelswaren; daher erhöht eine vorhersehbare motorische Unterstützung die Sicherheit.

5.3 Fuhrpark und Lieferfahrräder

  • Logistikunternehmen vertrauen auf Drehmomentsensoren, um Ermüdung des Fahrers verringern und gewährleisten eine gleichbleibende Leistung bei unterschiedlichen Gelände- und Lastbedingungen.

5.4 Weitere Anwendungen der E-Mobilität

  • Elektroroller und Mopeds verwenden ähnliche Sensoren für die Steuerung der Drosselklappe und des regenerativen Bremssystems.

(Vielleicht finden Sie auch unseren Artikel über Ackermann-Lenkungsmechanismen in Lastenfahrrädern relevant, da Drehmomentsensoren und Lenkgeometrie zusammenarbeiten, um eine stabile Fahrt unter Last zu gewährleisten).


6. Vergleich: Drehmomentsensoren vs. Trittfrequenzsensoren

BesonderheitDrehmomentsensorTrittfrequenzsensor
Motorische ReaktionProportional, glatt, natürlichEin/aus, binär, weniger intuitiv
Batterie-EffizienzHoch (optimiert auf Basis der Fahrerleistung)Niedriger (kann Energie verschwenden)
KostenHöherUntere
Bevorzugt fürLastenfahrräder, Premium-E-Bikes, hügeliges TerrainE-Bikes der Einstiegsklasse, flaches Terrain

Fazit: Bei Lastenfahrrädern sind Drehmomentsensoren fast immer die bessere Wahl, da sie einen sanfteren Start und eine effizientere Nutzung der Batterie beim Tragen von Lasten ermöglichen.


7. Integration in die Konstruktion von Lastenfahrrädern

Bei Regen integrieren wir Drehmomentsensoren in die Tretlager-Konstruktionsphaseunter Berücksichtigung von Faktoren wie:

  • Rahmengeometrie: Die Steifigkeit im Bereich des Tretlagers beeinflusst die Genauigkeit des Sensors.
  • Motor-Drehmomentstufen: Wir passen die Sensoren an Mittel- oder Nabenmotoren von 60-100 Nm für die meisten Lastenfahrräder an.
  • Elektrische Architektur: Die Daten des Drehmomentsensors werden zusammen mit Geschwindigkeits-, Trittfrequenz- und Motortemperaturinformationen über den CAN-Bus verarbeitet.

Wir arbeiten auch eng mit unseren Ingenieur- und Industriedesignteams zusammen, um sicherzustellen, dass die Drehmomentsensoreinheit versiegelt gegen Feuchtigkeit und Staub (IP65 oder höher). Dies ist von entscheidender Bedeutung für Fahrräder, die in der städtischen Logistik eingesetzt werden, wo sie unvermeidlich Regen und Schmutz ausgesetzt sind.


8. Schlussfolgerung

Drehmomentsensoren sind vielleicht nicht auf den ersten Blick sichtbar, aber sie gehören zu den wichtigsten Komponenten in modernen E-Bikes und Lastenrädern. Sie:

  • Bietet ein natürlicheres und reaktionsfreudigeres Fahrgefühl.
  • Verbessern Sie die Effizienz der Batterie.
  • Erhöht die Sicherheit, insbesondere beim Tragen schwerer Lasten.

Bei der Entwicklung kundenspezifischer Lastenfahrradlösungen für OEM/ODM-Kunden sind Drehmomentsensoren immer ein Teil der Diskussion. Die Auswahl des richtigen Typs (Dehnungsmessstreifen oder magnetoelastisch), die Sicherstellung der richtigen Kalibrierung und die Integration in das übrige elektrische System sind alles entscheidende Schritte, um ein hochwertiges Produkt zu liefern.

Wenn Sie ein neues Cargo-Bike-Projekt in Erwägung ziehen und über Drehmomentsensoren, Motorauswahl und das allgemeine Fahrgefühl diskutieren möchten, unser Engineering- und ID-Team kann Sie unterstützen. Wir bieten kostenlose Beratungen per Video, Telefon oder E-Mail an, damit Sie die richtigen Entscheidungen für Ihren Zielmarkt treffen können.


Am Ende

Möchten Sie mehr über die Integration von Drehmomentsensoren in Ihr nächstes Lastenradprojekt erfahren? Kontaktieren Sie uns um Ihre Anforderungen zu besprechen. Unser Team bei Regen ist spezialisiert auf OEM/ODM-Lösungen für Lastenfahrrädervon der Entwicklung des Rahmens bis zur Integration des elektrischen Systems.

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