Drehmomentsensoren in E-Bikes: Funktionsweise, Vorteile und Nachteile

Ein Fahrrad mit Elektromotor muss leicht, kompakt und für jeden einfach zu bedienen sein. Drehmomentsensoren sind eine Schlüsseltechnologie aktueller E-Bikes. Die berührungslose Sensorik sorgt in E-Bikes für ein harmonisches Fahrgefühl - auf jedem Terrain.

Funktionsweise von Drehmomentsensoren

Die berührungslose Sensortechnologie basiert auf dem physikalischen Effekt der Magnetostriktion. Kräfte, die auf ein Werkstück einwirken, verändern dessen Magnetfeld, und diese Veränderung kann gemessen werden. Bei der berührungslosen Drehmomentmessung behält der Fahrradhersteller die volle Kontrolle über die mechanischen Eigenschaften und spart Kosten für Anpassungen, da die bestehende Welle zum Primärsensor wird.

Vorteile der berührungslosen Drehmomentsensoren

• Zuverlässigkeit: NCTE-Sensoren arbeiten in E-Bikes zuverlässig über die gesamte Lebensdauer.
• Kosteneffizienz: Die Technologie ist durch ihre Kostenstruktur und Skalierbarkeit sowohl für den Einsatz auf Prüfständen als auch in der Serienproduktion geeignet.
• Einfache Integration: Dank geringer Systemkomplexität und einfacher Integration können berührungslose Drehmomentsensoren in das bestehende System einer Anwendung integriert werden.
• Robustheit: Die Sensoren liefern präzise Messergebnisse auch bei starken Vibrationen, Temperaturen von bis zu 125 °C und bei dauerhafter Temperaturbelastung mit extern montierter Elektronik sowie Drehzahlen von mehr als 40.000 Umdrehungen/min. Selbst Öl oder Wasser beeinträchtigt die Funktion der Sensoren nicht. Die Sekundärsensoren sind gekapselt, sodass sie selbst härtesten Umweltbedingungen standhalten.
• Wartungsfreiheit: Die magnetische Feldmessung ist wartungsfrei und selbst Überlastungen beschädigen die Sensoren nicht.
• Lange Lebensdauer: Da berührungsfreie Sensoren keine beweglichen Teile haben, sind sie weniger anfällig für Verschleiß und halten über den gesamten Lebenszyklus der Anwendung.
• Einfache Installation: Außerdem sind berührungsfreie Sensoren in der Regel einfach zu installieren und zu integrieren, da sie keine komplexen mechanischen Anpassungen erfordern. Dies ermöglicht eine schnellere Inbetriebnahme von Systemen und verringert den Zeitaufwand für die Integration neuer Sensoren in bestehende Anlagen oder Geräte.
• Vielseitigkeit: Auch Hohlwellen mit innenliegenden leistungsführenden Kabeln können zu Primärsensoren magnetisiert werden. Berührungsfreie Drehmomentsensoren können auch gleichzeitig die Biegung und Scherung von Wellen messen. Parallele Biegungsmessung in zwei Achsen ermöglicht Messungen in Anwendungen mit komplexen Bewegungsabläufen.
• Gewichtsersparnis: Mechanische Komponenten können durch intelligente Drehmomentsensorik nahezu ohne Bauteilaufwand und zusätzliches Gewicht stark aufgewertet werden.

Anwendungsbereiche der Drehmomentsensoren

Drehmomentsensoren auf Basis der Magnetostriktion haben neue Möglichkeiten in Anwendungen eröffnet, in denen vorher eine Messung nicht oder nur sehr umständlich möglich war. So ist die Kontaktlos-Technologie entscheidend mit dem E-Bike-Boom verknüpft. Die Messtechnik für Drehmoment, Drehzahl und Drehrichtung ist das Herzstück von E-Bike-Antrieben. Über die präzise Messung auf der Welle schafft die Sensorik eine Einheit zwischen Fahrer und E-Bike - die Grundlage für ein harmonisches, ruckelfreies Fahrgefühl.

Wichtig ist dabei die Kombination der Mess-Variablen. Um eine sichere Fahrt zu gewährleisten, messen die NCTE-Sensoren das Drehmoment und gleichzeitig die Trittfrequenz. Die Daten werden digital an die elektrische Antriebseinheit gesendet.

Die NCTE-Technologie ermöglicht eine leichte und platzsparende, aber robuste Bauweise, die auch unter schwierigsten Bedingungen funktioniert, wie starken Vibrationen, Schmutz oder Wasser, was sie geeignet für den Einsatz in verschiedenen E-Bike-Typen macht, darunter E-Mountainbikes, Lastenfahrräder, City-E-Bikes und E-Rennräder.

Ein aktuelles Update bringt mit dem modularen Drehmomentsensor MidSense ein Sensor-Baukasten-System für E-Bike-Mittelmotoren auf den Markt. Dieses System ermöglicht es E-Bike- und Motorenherstellern, aus einer Vielzahl von vorgefertigten Konfigurationen zu wählen, die schnell und effizient in die Serienproduktion übernommen werden können. MidSense hat neben den analogen Ausgangssignalen ein optionales digitales Ausgangssignal, das direkt auf der Platine bereitgestellt wird. Ein modulares Sensor-System für die E-Bike-Serienproduktion.

Der SensoHubSense ist eine Lösung für die beidseitige Messung von Drehmoment und Drehzahl. Durch die Erfassung der Kraft auf beiden Pedalen wird das Anfahren erleichtert, da der Motor unmittelbar auf die Krafteinwirkung reagiert - egal, ob mit dem rechten oder linken Pedal angetreten wird. Besonders bei Lasten-E-Bikes oder bei Mountainbikes ist eine gleichmäßige Leistungsentfaltung entscheidend für die Fahrsicherheit und den Komfort.

Sowohl HubSense als auch alle Varianten von MidSense erfüllen die relevanten Normen und Zuverlässigkeitstests für E-Bikes und Lastenräder, wie etwa die EMV-Prüfung gemäß EN 15194:2017 oder die Vibrationstests gemäß DIN 79009. Mit Schutzart IP64 trotzen die Sensoren Schmutz oder Wasser - ideal für Aktivitäten wie Mountainbike-Touren, aber auch für andere E-Bike-Typen wie Lastenräder, City-E-Bikes oder E-Rennräder.

Drehmomentsensor vs. Trittfrequenzsensor

Zwei wichtige Technologien, die bei Elektro-Klapprädern zur Anwendung kommen, sind der Drehmomentsensor und der Trittfrequenzsensor. Beide Systeme spielen eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung der elektrischen Unterstützung, doch sie funktionieren auf sehr unterschiedliche Weise und bieten verschiedene Vorteile und Nachteile.

Trittfrequenzsensor

Ein Trittfrequenzsensor ist eine einfache, aber effektive Technologie, die in vielen Elektro-Klapprädern verbaut wird. Dieser Sensor misst die Frequenz oder Geschwindigkeit, mit der Du in die Pedale trittst, und sendet diese Information an das Steuergerät des E-Bikes. Der Trittfrequenzsensor erfasst die Pedalumdrehungen und erkennt, ob und wie schnell Du in die Pedale trittst.

Funktionsweise des Trittfrequenzsensors

Der Trittfrequenzsensor funktioniert meist mithilfe eines Magnet- oder Hall-Effektsensors, der in der Nähe der Tretkurbel montiert ist. Wenn Du in die Pedale trittst, bewegt sich ein Magnet an der Tretkurbel vorbei, und der Sensor registriert jedes Mal eine Umdrehung. Anhand der Geschwindigkeit der Umdrehungen kann der Sensor dann die Trittfrequenz berechnen und an das Steuergerät übermitteln. Das Steuergerät sorgt daraufhin dafür, dass der Elektromotor die entsprechende Unterstützung liefert.

Vorteile eines Trittfrequenzsensors

• Kostengünstig: Trittfrequenzsensoren sind im Vergleich zu Drehmomentsensoren einfacher und günstiger herzustellen und zu installieren.
• Konstante Unterstützung: Der Trittfrequenzsensor liefert eine konstante Motorunterstützung, solange Du in die Pedale trittst. Das bedeutet, dass Du Dich nicht um die Feinjustierung der Pedalkraft kümmern musst.

Nachteile eines Trittfrequenzsensors

• Unnatürliches Fahrgefühl: Da die Unterstützung unabhängig von der Pedalkraft erfolgt, kann das Fahrgefühl weniger intuitiv wirken.
• Verzögerte Reaktion: In einigen Fällen kann es eine leichte Verzögerung geben, bis die Unterstützung einsetzt, besonders wenn Du plötzlich beschleunigst oder bremst.
• Ineffiziente Energienutzung: Da der Trittfrequenzsensor die Unterstützung auf der Basis der Trittfrequenz liefert, wird der Akku in der Regel schneller verbraucht als bei einem Drehmomentsensor. Dies liegt daran, dass der Motor konstant läuft, ohne auf die tatsächliche Kraftanstrengung zu reagieren.

Drehmomentsensor

Der Drehmomentsensor ist eine anspruchsvollere und genauere Technologie im Bereich der Elektrofahrräder. Im Gegensatz zum Trittfrequenzsensor, der lediglich die Umdrehungen misst, erfasst der Drehmomentsensor die tatsächliche Kraft, die Du auf die Pedale ausübst. Diese Information wird dann ebenfalls an das Steuergerät weitergegeben, welches die elektrische Unterstützung basierend auf der Pedalkraft und dem gewünschten Unterstützungsgrad anpasst.

Funktionsweise des Drehmomentsensors

Ein Drehmomentsensor wird in der Regel in der Nähe der Tretkurbel oder der Hinterradnabe installiert und misst das Drehmoment, das Du auf die Pedale ausübst. Dies geschieht durch spezielle Dehnungssensoren, die die Verformung des Materials unter Last messen können. Je nachdem, wie stark Du in die Pedale trittst, verformt sich das Material geringfügig. Diese Verformung wird in elektrische Signale umgewandelt und vom Steuergerät verarbeitet. Das System reagiert daher sofort auf jede Veränderung in der Pedalkraft. Wenn Du mehr Kraft aufwendest, erhöht das Steuergerät die Motorunterstützung, und wenn Du weniger Kraft aufwendest, wird die Unterstützung verringert.

Vorteile eines Drehmomentsensors

• Natürliches Fahrgefühl: Der Drehmomentsensor sorgt dafür, dass sich das Fahren auf einem E-Bike fast wie das Fahren auf einem normalen Fahrrad anfühlt.
• Effizientere Energienutzung: Da der Motor nur dann mehr Leistung liefert, wenn Du mehr Kraft auf die Pedale ausübst, wird der Akku effizienter genutzt.
• Schnellere Reaktionszeit: Ein Drehmomentsensor reagiert sofort auf jede Veränderung in der Pedalkraft, was das Fahren angenehmer und sicherer macht.

Nachteile eines Drehmomentsensors

• Höhere Kosten: Drehmomentsensoren sind teurer in der Herstellung und Installation als Trittfrequenzsensoren.
• Anstrengender für Anfänger: Da der Drehmomentsensor die Motorunterstützung basierend auf der Pedalkraft anpasst, könnte dies für ungeübte Fahrer anfangs ungewohnt sein. Anfänger oder Gelegenheitsfahrer könnten Schwierigkeiten haben, das richtige Verhältnis von Pedalkraft und Unterstützung zu finden.

Vergleich: Trittfrequenzsensor oder Drehmomentsensor bei Elektro-Klapprädern?

Im Hinblick auf Elektro-Klappräder haben sowohl der Drehmomentsensor als auch der Trittfrequenzsensor bestimmte Vor- und Nachteile, die je nach Anwendung und Deinen Vorlieben unterschiedlich ins Gewicht fallen. Im Folgenden ein detaillierter Vergleich:

Die Wahl zwischen einem Drehmomentsensor und einem Trittfrequenzsensor hängt stark von Deinen individuellen Bedürfnissen und Vorlieben ab.

• Trittfrequenzsensor: Wenn Du ein Anfänger bist oder das E-Bike hauptsächlich für kurze Pendelfahrten oder gelegentliche Fahrten nutzen möchtest, könnte ein Trittfrequenzsensor die richtige Wahl für Dich sein.
• Drehmomentsensor: Für erfahrenere Fahrer, die Wert auf ein natürliches Fahrgefühl und eine effiziente Energienutzung legen, ist ein Drehmomentsensor ideal. Insbesondere, wenn Du das E-Bike für längere Strecken oder anspruchsvolleres Terrain nutzen möchtest, bietet der Drehmomentsensor einen deutlichen Vorteil in Bezug auf Kontrolle und Fahrkomfort.

Weitere Aspekte bei der Wahl des Sensors

Für das Fahrgefühl am E-Bike ist nicht die Stärke des Motors entscheidend, sondern vor allem die Steuerung. Diese hängt zu großem Teil von der verwendeten Sensorik ab, bei der es ganz unterschiedliche Systeme gibt. Während der Pedalsensor lediglich deine Trittfrequenz misst, erkennt der Drehmomentsensor deine Tretkraft.

• Pedalsensor: Der Pedalsensor sorgt nur dafür, dass der Motor des E-Bikes aktiviert ist. Meist geschieht das mit einer kleinen Verzögerung.
• Drehmomentsensor: Mit Drehmomentsensor kann das Antriebssystem deines E-Bikes wesentlich besser auf dein Fahrverhalten reagieren, wodurch ein eher natürliches Fahrgefühl entsteht.

Während hochpreisige E-Bikes und grundsätzlich alle E-Bikes mit Mittelmotor auf einen Drehmomentsensor setzen, fahren viele günstige E-Bikes mit Hilfe eines Pedalsensors.

Der Pedalsensor misst die Frequenz deiner Kurbelumdrehung beim Pedalieren. Anders als der Sensor alter Tachos ist der Pedalsensor jedoch feiner abgestimmt und misst die Frequenz nicht nur nach einer kompletten Umdrehung, sondern in Abstufungen.

Einige Antriebssysteme bieten durch sogenannte Stromstärkensteuerung die Möglichkeit, die gewünschte Unterstützung aus Trittfrequenz und Geschwindigkeit zu „erahnen“. Dadurch können auch E-Bikes mit Pedalsensor ein etwas natürlicheres Fahrgefühl erreichen. Die Stromstärkensteuerung gibt dir sogar die Möglichkeit mit den Beinen die Endgeschwindigkeit zu beeinflussen, allerdings nur nach oben hin.

Generell entsteht beim Pedalsensor ein weniger natürliches Fahrgefühl, doch einige FahrerInnen bevorzugen den bedingungslosen Schub besonders bei Heckmotoren. Dadurch, dass der Pedalsensor nicht merkt, wie fest du in die Pedale trittst, kannst du das System auch „austricksen“: Fährst du im leichtesten Gang mit minimalem Kraftaufwand, gibt der Motor auf höchster Unterstützungsstufe dennoch Vollgas. Dadurch funktionieren deine Pedale wie ein Gasgriff, nur dass du dich immer ein wenig bewegen musst.

Für Fitness bei gleichzeitiger Entlastung sorgt hingegen der Drehmomentsensor. Der Drehmomentsensor misst die Kraft, die am Antriebssystem wirkt. Das kann entweder direkt an der Kurbel geschehen oder an der Hinterachse. Entscheidend ist, dass der Drehmomentsensor erkennt, wann du Kraft auf die Pedale ausübst und vor allem wie stark diese Kraft ist.

Dadurch ist es dem Drehmomentsensor möglich, detaillierte Informationen über dein Tretverhalten an das System zu geben. Dies kann die Unterstützung fast ohne Verzögerung aktivieren und an deine Tretkraft anpassen. Gibst du keine Kraft mehr in die Pedale, unterbricht der Motor zeitgleich die Unterstützung.

Hochwertige Antriebssysteme nutzen generell eine Kombination aus unterschiedlichen Sensoren. In der EU ist ein Geschwindigkeitssensor essenziell, da der Motor seine Unterstützung bei 25 km/h abschalten muss. Dementsprechend ist er auch in E-Bikes mit Pedalsensoren integriert. Andere Sensoren wie der Neigungssensor erkennen anspruchsvolle Bergauffahrten und können den Antrieb besser an die Streckenbedingungen anpassen.

Generell hat der Drehmomentsensor die Nase vorn: Er reagiert schneller, erlaubt feinere Abstimmung und sorgt für ein insgesamt natürliches Fahrgefühl. Ein Pedalsensor ist jedoch auch nicht immer so schlecht wie sein Ruf. Mittlerweile gibt es einige E-Bike-Hersteller, die auch hier mit einigen Tricks in der Abstimmung der Beschleunigung für ein relativ angenehmes Anfahrverhalten sorgen.

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