Elektromobilität Wie E-Bike-Motoren auf Herz und Nieren geprüft werden

E-Bikes und Pedelecs sind derzeit voll im Trend. Um höchste Qualitätsstandards bei der Fertigung seiner E-Bike-Motoren sicherzustellen, setzt ein Schweizer Hersteller auf einen leistungsfähigen Prüfstand.

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Die E-Bike-Branche boomt: Rund 900.000 Fahrräder mit elektrischer Unterstützung sind bereits auf deutschen Straßen unterwegs. 2011 wurden mit 310.000 verkauften E-Bikes in Deutschland die Erwartungen von Herstellern und Händlern übertroffen. Da eine automatisierte Qualitätsprüfung für die Hersteller immer wichtiger wird, hat das Schweizer Unternehmen GO SwissDrive AG die Brunel Car Synergies GmbH aus Bochum mit der Entwicklung eines leistungsfähigen Prüfstandes beauftragt.

Unterschiede von Pedelecs und Sport-E-Bikes

E-Bikes kommen sowohl als Stadträder als auch im Radsport zum Einsatz. Während die Motorunterstützung für die Stadt bei den sogenannten Pedelecs aufgrund von Versicherungsvorschriften auf 25 km/h limitiert ist, um die Fahrer EU-weit von der Helmpflicht zu befreien, können Sport-E-Bikes über 40 km/h erreichen. Ein weiterer Anwendungsbereich sind beruflich oder privat genutzte Lastenräder, die einen erleichterten Transport schwerer Gegenstände ermöglichen.

Radnabenmotoren für Fahrradhinterräder

Zu den Pionieren bei E-Bike-Motoren zählt die GO SwissDrive AG, ein Schweizer Unternehmen der deutschen Ortlinghaus-Gruppe, die Kupplungen und Bremsen für Anwendungen im Maschinenbau herstellt. Das 2011 gegründete Unternehmen mit Sitz in Gams bei St. Gallen fertigt hochwertige Radnabenmotoren für Hinterräder unterschiedlichster Fahrradtypen. Bei einem Großteil der Pedelecs werden die Nabenmotoren direkt in die Felge des Hinterrades eingespeicht, wo sie sich beim Fahren stufenlos zu- und abschalten lassen. Damit ermöglichen sie bequemes Radfahren ohne übermäßigen Kraftaufwand.

Leistungsfähiger Prüfstand für umfassende Belastungstests

Pro Tag kann GO SwissDrive je nach Auslastung bis zu 400 Motoren fertigen. Um die hohen Qualitätsstandards bei der Herstellung sicherzustellen, beauftragte das Unternehmen Mitte 2011 die Brunel Car Synergies GmbH mit dem Bau eines leistungsfähigen Prüfstandes. Bislang wurden im Werk lediglich manuelle Tests der Grundfunktionen durchgeführt. Die neue Anlage sollte darüber hinaus automatisierte Belastungstests ermöglichen und so die Leistungsfähigkeit der Motoren überprüfen. Die Tests sollten außerdem zeitnah Ergebnisse liefern und einfach durchzuführen sein. Nach rund sechsmonatiger Entwicklungszeit ist der Prüfstand inzwischen vor Ort in der Schweiz montiert und in Betrieb genommen worden.

Langjähriges Knowhow im Prüfstandbau

Bei Entwicklung und Konstruktion des Prüfstandes konnte die Brunel Car Synergies GmbH auf langjähriges Knowhow zurückgreifen. Bereits seit vielen Jahren realisieren die Bochumer Spezialisten Tests und Materialanalysen im eigenen Prüflabor in Bochum. Bisher wurden Prüfstände unter anderem für die Automotive-Branche, für Komponenten von Windkraftanlagen oder für Schiffsmotoren gefertigt. Dieses bestehende Knowhow wurde nun erfolgreich auf die noch relativ junge E-Bike-Technologie angewendet, für deren Qualitätssicherung Brunel Car Synergies mit dem Bau des Prüfstands wichtige Standards in diesem neuen Markt setzen könnte.

Neue Standards und komplexe Anforderungen

In Absprache mit dem Kunden und auf Basis des Lastenheftes wurde ein platzsparender Prüfstand in einem Aluminiumprofil-Rahmen entwickelt, der eine weitestgehend automatisierte Funktionsanalyse der E-Motoren ermöglicht. Der Prüfling wird dabei auf ergonomischer Höhe auf einer Arbeitsfläche abgelegt. Eine besondere Herausforderung bei der Planung der Anlage war das komplexe Zusammenspiel der Kräfte und Momente, die vom Motor aufgenommen und weitergeleitet werden.

Denn all diese Größen wirken in einem Fahrrad konzentrisch in der Achse des Hinterrades: Die Kette überträgt das (Bein-) Antriebsmoment des Fahrers auf den hinteren Zahnkranz. Der Motor selbst stützt sich gegen die im Hinterbau des Fahrrads fixierte Welle ab, um die Summe aus dem Antriebsmoment des Fahrers und seinem Unterstützungsmoment an das Motorgehäuse zu übertragen. Das Gehäuse seinerseits übermittelt über die Speichen, die Felge und den Reifen das Gesamtantriebsmoment an die Straße.

Wie Motor- und Pedalkraft zusammenwirken

Um das Zusammenwirken des Motors mit der vom Fahrer aufgebrachten Pedalkraft möglichst exakt abzubilden, müssen sämtliche entsprechende Momente ebenfalls konzentrisch auf den Nabenmotor übertragen werden. Dazu stehen in der Arbeitsfläche des Prüfstandes zwei unterschiedlich große, symmetrisch um eine gemeinsame Mitte angeordnete Ringe zur Verfügung. Der innere überträgt analog zur Pedalkraft des Radfahrers die Leistung des im Prüfstand integrierten Antriebsmotors auf den Freilauf des E-Bike-Motors.

Der äußere Ring dient zur Aufnahme des zu prüfenden Nabenmotors und nimmt das Gesamtantriebsmoment aus dem Nabenmotor und der simulierten Pedalkraft auf. Darüber hinaus kann bei Bedarf zur Simulation des Fahrwiderstands der Straße ein zusätzlicher Abtriebsmotor nachgerüstet werden. Als weitere Elemente verfügt der Prüfstand über die notwendige Mess- und Steuerungstechnik sowie über ein schwenkbares Panel mit Touchscreen als direkte und leicht bedienbare Schnittstelle zum Prüfer. Zusätzlich wurden zwei Sicherheitskameras als eine Art Lichtschranke integriert, die bei einem unbedachten Hineingreifen in den Prüfstand den aktuell durchgeführten Test umgehend abbrechen.

Aussagekräftige Belastungstests in nur 80 Sekunden

Für den Funktionstest wird der zu prüfende E-Bike-Motor zunächst horizontal in den dafür vorgesehenen äußeren Gehäusering gelegt. Die Größe des Ringes mit seinen 18 Ausfräsungen entspricht dabei passgenau der Form des Prüflings mit seinen ebenfalls 18 Nasen, sodass sich der Nabenmotor sicher fixieren lässt. Im nächsten Schritt wird der Prüfling elektrisch manuell an ein Programmiergerät angeschlossen, um die notwendige Firmware aufzuspielen. Im Rahmen der Initialisierung erfolgen dabei zunächst ein einfacher Funktionstest mit Rechts- und Linksumlauf sowie ein zusätzlicher Test der im Prüfling integrierten Drehzahlsensoren.

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