Entwicklung von E-Bikes

Das Design und die Entwicklung von E-Bikes ist ein multidisziplinäres Unterfangen, das Innovationen im Maschinenbau, in der Elektrotechnik und im Industriedesign vereint.

E-Bikes und urbane Mobilität

Elektrofahrräder, oder E-Bikes, verändern die städtische Mobilität und den Individualverkehr. Durch die Kombination traditioneller Fahrradmechanik mit fortschrittlicher Elektrotechnik bieten E-Bikes ein nachhaltiges, effizientes und zunehmend beliebtes Transportmittel. Derzeit sind E-Bikes für bis zu 70% aller verkauften Fahrräder verantwortlich.

Das Konzept des Elektrofahrrads geht auf das späte 19. Jahrhundert zurück, aber erst in den letzten Jahrzehnten haben Fortschritte in der Batterietechnologie, bei Elektromotoren und in der Materialwissenschaft sie praktisch und zugänglich gemacht. Moderne E-Bikes sind das Ergebnis ständiger Innovationen, die darauf abzielen, Leistung, Reichweite und Benutzerfreundlichkeit zu verbessern.

E-Bike Rahmen

Der Rahmen ist das Fundament eines E-Bikes. Er ist so konstruiert, dass er das zusätzliche Gewicht und die Belastung durch den Motor und den Akku tragen kann. Zu den gängigen Materialien gehört Aluminium, das leicht und erschwinglich ist und ein gutes Gleichgewicht zwischen Stärke und Gewicht bietet. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Kohlefaser, die sehr leicht und stabil, aber teurer ist und oft in Hochleistungsmodellen verwendet wird.

Das Rahmendesign muss strukturelle Integrität, optimale Gewichtsverteilung und Ästhetik gewährleisten. Unsere Ingenieure verwenden computergestützte Design-Software (CAD), um präzise Modelle zu erstellen und Belastungstests zu simulieren.

Motor und Batterie

Der Motor ist das Herzstück eines E-Bikes und sorgt für die nötige Kraftunterstützung. Es gibt drei Haupttypen:

  • Vorderradnabenmotoren befinden sich in der Vorderradnabe. Sie sind einfacher zu installieren, können aber die Lenkung beeinträchtigen.
  • Die Hinterradnabenmotoren befinden sich in der Hinterradnabe und sorgen für bessere Traktion und ein natürlicheres Fahrgefühl.
  • Die Mid-Drive-Motoren sind in der Nähe des Tretlagers des Fahrrads positioniert. Sie liefern die Kraft direkt an den Antriebsstrang des Fahrrads und bieten eine hervorragende Gewichtsverteilung und Effizienz, vor allem in hügeligem Gelände.

Der Akku treibt den Motor an und hat einen erheblichen Einfluss auf die Reichweite und Leistung des E-Bikes. Lithium-Ionen-Akkus sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ihrer langen Lebensdauer und ihres relativ geringen Gewichts der Standard. Zu den wichtigsten Überlegungen bei der Entwicklung des Akkus gehören:

  • Kapazität, die in Wattstunden (Wh) gemessen wird und bestimmt, wie weit ein E-Bike mit einer einzigen Ladung fahren kann.
  • Platzierung. Akkus können am Rahmen montiert, in den Rahmen integriert oder auf einem Gepäckträger platziert werden, was sich auf die Balance und die Ästhetik des Fahrrads auswirkt. Der heutige Standard ist, dass die Batterien in das Unterrohr oder das Sitzrohr integriert sind.

Controller und Sensoren

Der Controller regelt den Energiefluss von der Batterie zum Motor auf der Grundlage von Eingaben der Sensoren und des Fahrers. Er sorgt für eine sanfte Beschleunigung und eine effiziente Energienutzung. Das Display, das in der Regel am Lenker angebracht ist, liefert wichtige Informationen wie Geschwindigkeit, Batteriestand und Reichweite. Moderne Displays können auch Navigations- und Konnektivitätsfunktionen bieten.

Sensoren sind entscheidend für eine reaktionsschnelle und effiziente Motorunterstützung. Zu den gängigen Typen gehören:

  • Drehmomentsensoren messen die auf die Pedale ausgeübte Kraft, so dass der Motor eine proportionale Unterstützung bieten kann.
  • Die Geschwindigkeitssensoren überwachen die Geschwindigkeit des Fahrrads und stellen sicher, dass die Unterstützung zum richtigen Zeitpunkt erfolgt.
  • Trittfrequenzsensoren erkennen die Trittfrequenz und passen die Leistung des Motors entsprechend an.

Strategie

Der Designprozess für E-Bikes beginnt mit der Konzeptentwicklung und Forschung.

Wir beginnen mit Recherchen über die Nutzung des Fahrrads, Beobachtungen von Fahrern, Betriebsbedingungen, technologische Grenzen, Innovationsmöglichkeiten, Unternehmensidentität und viele andere Faktoren, die für ein erfolgreiches Designprojekt wichtig sind.

Wir entwickeln auch detaillierte Ideen zu Geometrie, Kinematik, Antriebsstrang, Komponenten und Dimensionierungsstrategie.

Die Forschung führt zu einem Strategiedokument mit einem klaren Innovationsfokus, potenziellen Risiken und der visuellen Identität des neuen Mountainbikes und dient als strategischer Leitfaden für das gesamte Projekt.

Konzept entwicklung

Durch schnelle Zyklen des Skizzierens unserer Senior Designer viele potenzielle grobe E-Bike-Design-Ideen zu untersuchen und diese mit frühen Mockups zu testen.

Wir ermitteln und wählen aus allen möglichen Ideen die beste Richtung für das Fahrraddesign aus und treffen unsere Entscheidungen auf der Grundlage von Tests, Erfahrung und Strategie.

Während der Konzeptionsphase führen wir mit Ihrem Team eine so genannte "Look-in-the-Kitchen"-Sitzung durch. Wir präsentieren Konzeptrichtungen in Skizzenform, funktionale und technische Lösungen, Fertigungslösungen und Mockups.

Gemeinsam mit Ihrem Team besprechen wir die Schwerpunkte, das Risiko und den Ehrgeiz und treiben die Designrichtung zu einem Konzept voran, das dann weiter entwickelt wird.

entwicklung

Der erste wichtige Meilenstein bei der Entwicklung neuer Fahrräder besteht darin, das Konzept in einen ersten voll funktionsfähigen Prototyp zu überführen. Diesen ersten Prototyp nennen wir das P1.

Um dies zu tun, wir verwenden leistungsstarke 3D-CAD-Software zu um das Fahrrad zu entwickeln. Wir entwerfen alle Rahmenteile, Drehpunkte, Lager, Kipphebel und integrieren Standardkomponenten. Parallel dazu wählen wir Materialien, Produktionsmethoden, Behandlungen, mögliche Beschichtungen und Farben aus.

Um maximale Leistung bei minimalem Gewicht zu erreichen, setzen wir 3D-CAD-Simulationen und Tests mit Prototypen ein.

Neben einer Reihe von 3D-CAD-Dateien werden beim Übergang zur Produktion des ersten P1-Prototyps eine Stückliste und ein erstes kurzes 2D-Zeichnungspaket erstellt.

prototypenbau

Sowohl in der Konzept- als auch in der Entwicklungsphase bauen wir Prototypen. Frühe Prototypen sind meist eher Attrappen und können in 3D gedruckt werden. Sie werden hauptsächlich zum Testen der endgültigen Form, Ergonomie und technischen Lösungen verwendet.

Am Ende des Entwicklungsstadium bauen wir den ersten voll funktionsfähigen P1-Prototyp. Diese Prototypen sind von hoher Qualität, oft CNC-gefräst, beschichtet, mit Grafiken versehen und voll funktionsfähig.

Der P1-Prototyp wird sowohl unter funktionalen und ergonomischen als auch unter Leistungsaspekten getestet. Wir dokumentieren alle gewonnenen Erkenntnisse und entwickeln Verbesserungen in Bezug auf Stabilität, Kosten, Gewicht und Leistung. Meistens führt dies zu einem aktualisierten Prototyp P2.

Nach einem oder manchmal mehreren Verbesserungszyklen ist das Produkt bereit für die Herstellung in größerem Maßstab.

Zukunft der E-Bikes

Bei der Entwicklung von E-Bikes müssen wir mehrere Herausforderungen bewältigen. Eine davon ist das Ausbalancieren von Kapazität, Gewicht und Kosten der Batterie-Motor-Kombination, um die beste Reichweite, kürzeste Ladezeiten und das geringste Gewicht zu bieten, das zu dem von uns entwickelten Fahrrad passt.

Eine weitere Herausforderung ist das Navigieren durch die unterschiedlichen gesetzlichen Regelungen in Bezug auf Leistungsgrenzen, Geschwindigkeitsbegrenzungen und Sicherheitsstandards.

Die Zukunft von E-Bikes ist vielversprechend, denn die Technologie wird ständig weiterentwickelt und weltweit immer beliebter. E-Bikes werden durch die Integration von IoT-Technologien für verbesserte Konnektivität, Navigation und Sicherheitsfunktionen noch stärker vernetzt sein. Fortschritte in der Akkuchemie versprechen größere Reichweiten, schnelleres Aufladen, geringeres Gewicht und höhere Langlebigkeit.

Und schließlich sehen wir im E-Mountainbike-Sport die neuesten kleinen Motoren mit maximalen Drehmomenten zwischen 40 und 70Nm von Firmen wie TQ, Fazua und Maxon, die es ermöglichen, die leichte E-Mountainbikes mit Gewichten ab nur 12 kg. Sie haben einen vollständig integrierten Akku und Motor und sind optisch einem normalen Fahrrad sehr ähnlich.

Fazit

Das Design und die Entwicklung von Elektrofahrrädern ist ein komplexes, multidisziplinäres Unterfangen, das Innovationen im Maschinenbau, in der Elektrotechnik und im Industriedesign miteinander verbindet.

Mit ihrer weiteren Entwicklung versprechen E-Bikes, eine zentrale Rolle in der Zukunft der städtischen Mobilität zu spielen, indem sie eine nachhaltige, effiziente und angenehme Alternative zu herkömmlichen Verkehrsmitteln bieten.

Wenn Sie die Entwicklung eines neuen E-Bikes planen, besprechen wir gerne Ihr Projekt und sehen, wie wir Sie unterstützen können.

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