4Motus DIY Überbike Part1

Einführung

Zur Zeit gibt es kaum E-Bikes oder Pedelecs, welche wirklich Geländetauglich sind und einigermassen bezahlbar sind. Die Wenigen, die existieren sind allesamt in einer ziemlich hohen Preisregion (6000Sfr+) anzusiedeln und haben wie die meisten Pedelecs auf dem Markt das selbe Probem: Kleiner Akku und schwacher Motor. Das kommt auch daher, dass die in der EU zugelassenen (und auch in der Schweiz vertriebenen) S-Pedelecs im Gegensatz zu den Schweizer S-Pedelecs nur 500W Dauerleistung haben dürfen. Der Vorteil an diesen Bikes ist, dass sie trotz Akku und Motor noch ziemlich leicht sind. Bei meinem Unterfangen geht es mir aber nicht darum, ein möglichst leichtes Bike zu bauen, sondern eines zu bauen, das möglichst schnell von 0 auf 45Km/h (oder auch mehr) beschleunigt und eine passable Reichweite hat. Sprich: E-Motorrad mit S-Pedelec Zulassung.

Bei einem S-Pedelec ist die Leistung des Motors auf 1KW Dauerleistung begrenzt, was eigentlich schon ganz in Ordnung ist, wenn man bedenkt, dass sie Spitzenleistung viel höher sein kann. Die Angabe der Dauerleistung ist in der VTS 741 Art. 46 Abs 2 geregelt wobei die Leistung als Nenndauerleistung (S1) angegeben ist. Die Regelung der zulässigen Motorenleistung ist im VTS 741 Art. 18 beschrieben: “(…) einspurige Fahrzeuge mit einer bauartbedingten Höchstgeschwindigkeit bis 30 km/h, höchstens 1,00 kW Motorleistung und(…)”. Über die vom Motor abgegebene Spitzenleistung steht in der VTG sowie im SVG nichts. (Ich nehme stark an, dass der Betrieb des Motores mit Spitzenleistungen von mehr als 1KW in eine gesetzliche Grauzone fällt, aber nicht illegal ist).

Ich habe in dieser Dokumentation bewusst sehr viele Bilder eingefügt,damit ich weniger schreiben muss 😛

Der Rahmen

Der Rahmen ist ein massiver aus rostfreien Stahlrohren zusammengeschweisster Stahlrahmen, welcher auch höchsten Belastungen standhalten soll. Der Rahmen mit Schwinge wiegt 7.4Kg. Die Batteriebox ist aus Aluminium und bietet die Möglichkeit einen grossen Akku mit BMS aufzunehmen. Der Rahmen wurde eingekauft, da mir das Know How und Equipment fehlt, einen solchen herzustellen. Die Beiden Rahmen (für meinen Kollegen und mich) haben wir roh bestellt. Die folgenden Bilder wurden vom Hersteller selbst gemacht.     

Die Rahmen kamen ca. zwei Wochen nach der Bestellung an. Da die Schwinge nicht wie angenommen aus rostfreiem Edelstahl besteht, hat sie ein wenig Flugrost bekommen, den wir vor dem Lackieren noch abschleifen mussten. Die Schweissnähte, so hat man mir gesagt, seien ordentlich aber könnten ein wenig besser sein. Ganz ehrlich hätte ich mich schon über für die Lackierung vorbehandelte Rahmen gefreut, aber man kann ja nicht alles haben (vor Allem für einen Spottpreis von 690€ pro Rahmen mit Batteriebox.)

Die Standardlackierung hat uns nicht wirklich gefallen, deshalb haben wir uns entschieden unsere Rahmen selbst zu lackieren. Glücklicherweise haben wir eine Pulverlackanlage sowie einen genug grossen Ofen zur Verfügung. Doch bevor mit der Lackierung begonnen werden konnte, mussten die Teile zuerst für die Lackierung vorbereitet, d.h. nicht zu lackierende Teile abgeklebt, den gesamten Rahmen geschliffen und alle Teile gereinigt, entrostet und entfettet werden. Beim Edelstahlrahmen ist es besonders wichtig, dass der Rahmen zudem noch leicht angerauht wird, da Edelstahl von sich aus eine eher niedrige Oberflächenrauheit aufweist und somit der Halt des Lackes nicht besonders gut ist. Noch zu sagen ist, dass die Vorbehandlung in unserem Fall aus Augen eines Profis aus betrachtet ungenügend ist. Leider fehlt uns die Möglichekt den Rahmen mit Glasperlen zu bestrahlen und chemisch abzubeizen. Für unsere Zwecke wird die Vorbehandlung aber allemal ausreichen.

Unbehandelter Edelstahlrahmen

Teilweise geschliffener Rahmen

Die Kugellageraufnahme wird mit Aluminiumklebeband vor dem Lack geschützt

Von Flugrost befreite und gereinigte Schwinge

Nun geht es ans Pulvern. Die erste Schicht besteht aus einem Korrosionsschutzlack (IGP Korroprimer 1001V), der wie der Name schon sagt, das Substrat vor Korrosion schützt und ausserdem eine gute Haftung zur nächsten Lackschicht gewährleistet. Beim Rahmen und der Batteriebox ist der Auftrag des Korroprimers nicht zwingend, aber da wir gerade dabei waren, haben wir ihn auch dort aufgetragen.

Die Schwinge mit aufgetragenem Korroprimer

Der Rahmen mit aufgetragenem Korroprimer

Der Kollege bei der Arbeit

Die zweite Lackschicht bestand aus einem Mix aus IGP DURAface Perlglimmer weiss und einem unbekannten anthrazitfarbenen Polyesterpulver. Dies ergab dann die seidenmatte dunkelgrau schimmerne Lackierung. Leider ist der Effekt auf den Fotos nicht wirklich zu erkennen. In Realität sieht der Lack um einiges besser aus.

Die dritte und letzte Schicht besteht aus einem polyesterbasierten Klarlack (IGP DURAface 8009B). Der Lack verleiht dem Rahmen und der Schwinge noch den letzten Glanz und verhindert, dass beim Fahren massenhaft Dreck hängen bleibt. Ich weiss das erste Bild dürfte besser sein.

Die Schichtdicke ist an den dünneren Stellen ca. 120 um und an den dickeren Stellen ca. 180 um, was für eine manuelle Beschichtung eigentlich ganz gut ist.

Am nächsten tag waren dann die Batterieboxen an der Reihe: Zuerst wurde geschliffen, gebürstet und entfettet.

Natürlich musste auch mal eine kleine Pause mit einer “ordentlichen” Zwischenverpflegung gemacht werden.

Leider konnte ich mich nach dem Bier nicht mehr für eine Farbe entscheiden, so wurde nur die Box des Kollegen gepulvert und zwar in RAL1028 feinstruktur matt von IGP. 

Gut siehts aus!

Einige Zeit später ist dann auch mein Pulver aus der USA gekommen: Illusion Malbec, JR Rockstar Sparkle, Sweet Cherry, Alien Silver und Starburst Lime von Prismatic Powders. In Pulverform sehen alles Pulver ziemlich unspektakulär aus. Rockstar Sparkle und Starburst Lime sind nur TopCoats die mit Effektpulver versetzt sind. D.h. nich eingebrannt ist es einfach weisses Pulver.

Da ich keine Ahnung hatt wie die Pulver in Wirklichkeit aussehen, mussten zuerst ein paar Testbleche lackiert werden.

Auf den Testblechen kommen die, zugegeben etwas femininen ^^, Farben nicht besonders gut zum Ausdruck. Vor Allem die Illusion Farben sehen unter Kunstlicht ganz anders aus, als unter Sonnenlicht. Ich habe mich dann für Illusion Malbec mit einem JR Rockstar Sparkle Topcoat entschieden.

Illusion Malbec:

Mit Rockstar Sparkle Topcoat in Kunstlicht und “Sonnenlicht” = Glühlampe

Und dann noch zwei mit dem Rahmen zusammen unter Kunstlicht:

Die Schichtdicke geht gerade noch… ist etwas dünn.

Fahrradkomponenten

Wenn man ein Fahrrad, vor Allem ein E-Bike von Grund auf aufbaut, kommt schon noch einiges Material zusammen. Wir haben versucht, die Komponenten bei möglichst wenigen Shops zusammenzukaufen.

Inhalt des Pakets: Lenker, Ketten, Ritzel, Reifen, Schläuche, Pedale, Laufräder, Tretlager, Kurbeln, Vorbauten und Steuersätze

Die Fahrradkomponenten wurden über verschiedene Internetshops beschafft. Es ist schon erstaunlich wie erbärmlich verpackt einige Komponenten ankamen. Glücklicherweise wurde beim Transport nichts beschädigt. Interessanterweise sind es meistens die Händler aus dem grossen Kanton, die Ihre Ware so schlecht verpacken. Bei Händlern aus Übersee hatte ich bis jetzt noch keine Probleme.

Die Reifen wurden auch gerade als Füllmaterial benutzt.

Die Gabeln sind DNM USD-180 upside down Federgabeln. Für 480AUD das Stück kann man eigentlich nichts daran aussetzen. Die gabel hat im Grossen und Ganzen sehr gute Rezensionen. Druck/Zugstufe und Vorspannung lassen sich einstellen. Sie ist ein wenig schwerer als die meisten Gabeln, das spielt für uns aber keine Rolle.

Der Dämpfer ist ein DNM Burner RCP-2, das Nachfolgemodell bes bekannten Burner RCP. Bis jetzt nur Prospektfotos, da die Taiwanesen übermässig lange brauchen um zwei Dämpfer zu vershcicken..

Der Motor

Der neue Motor sieht im Vergleich zum alten schon ziemlich monströs aus. Das hat 2 Gründe: 1. Ist der neue Motor ein Direktläufer, welche generell etwas grösser als Getriebemotoren sind und 2. Hat der neue Motor eine 5x so grosse Leistungsverträglichkeit 😉 Bestellt wurde der Motor direkt in China in einem Kit zusammen mit dem Controller. Aliexpress sei dank!

Der Controller

Der Controller is ein typischer China Controller, der sich über Bluetooth programmieren lässt. Es ist ein FOC (Field Oriented Control) “Sinewave” Controller mit genügend Leistung. Damit sollte der Motor eigentlich fast geräuschlos laufen. Von Anderen habe ich gehört, es soll ein leises Fiepen mit ca 10kHz geben, welches während dem Fahren aber nicht hörbar sei.

Der Controller offen: Das genze Layout sieht eigentlich ziemlich vernünftig aus. Das PCB ist hochwertig und es wurden nicht die allerbilligsten Komponenten verbaut. Die FET’s sind auf einer ca 4mm dicken Aluminiumplatte verschraubt, welche wiederum an das Gehäuse geschraubt ist. Leider nur mit 4 Schrauben, was angesichts der grossen Fläche etwas dürftig ist.

Der Batteriestrom wird mit Hallsensoren gemessen und nicht über einen Shunt, wie bei den meisten anderen Controllern.

Der Akku

…folgt noch

Sonstige Elektronik Teil 1

Irgenwie muss das Bike ja ein- und ausgeschaltet werden können. Die meisten erhältlichen Schalter, die eine solche Last schalten können sind aber sehr teuer und klobig, vor Allem wenn sie mindestens die Schutzart IP65 aufweisen. Generell reichen schon Schalter mit niedrigeren Kontaktströmen aus, sofern sie nicht unter Last geschaltet werden. Trotzdem, ich wollte auf Nummer sicher gehen und habe mir deshalb einen ordentlich dimensionierten Halbleiterschalter gebaut. Dieser kann das Bike auch unter Last abschalten ohne dass man Gefahr läuft, die Schalterkontakte mit einem Lichtbogen abzubrennen. (Man bedenke: Der Akku hat fast 100V Spannung, wenn er geladen ist und einen ziemlich kleinen Innenwiderstand.)

Zu der Schaltung: Ich habe mir nicht die Mühe gemacht, alle Komponenten, die verwendet werden sollen auch für die Simulation zu benützen. Zum Beschrieb: SW2 ist ein einfacher Schlüsselschalter, welcher nur eine sehr kleine Leistung schalten muss. L2 stellt eine Vereinfachung des Motors dar: real ist die Induktivität des Motors natürlich um Grössenordnungen kleiner. Ich habe sie hier zur Veranschaulichung aber grösser gewählt. R1 wird später eine Sicherung sein. Z1 begrenzt die Gatespannung von T1/T2 auf ca 20V. R5 dient dazu, das Gate zu entladen wenn der Schlüsselschalter offen ist, damit es nicht irgendwo herumfloated. Die Schottkydiode dient als Freilaufdiode um, im Falle dass der Motor schnell abgeschaltet wird, Spannungsspitzen abzufangen bzw. die FETs zu schützen. Die FETs sind IRFP4468 von International Rectifier. Diese haben eine Spannungsfestigkeit von 150V und einen Innenwiderstand von max. 2.8mOhm. Zwei der im TO-247 verpackten Gehäuse sollten meiner Anwendung locker standhalten.

Wichtig ist noch, dass SD1 nicht direkt über dem Motor ist, sondern über dem Motor un der Sicherung. Wenn die Sicherung durchbrennt, begrenzt die Diode die Spannung am Drain der FETs auf die Betriebsspannung. Wenn SD1 direkt über dem Motor (eigentlich ist es ja der Controller) ist, und die Sicherung brennt durch, so würden die FETs nicht gegen Überspannung geschützt.

AM1 zeigt den Stromfluss durch SD1 beim Abschalten des Motors. Die Spannungsspitze wird erfolgreich abgefangen.

Die zweite Simulation zeigt die Gleiche Schaltung, wenn SD1 offen ist. Es gibt einen ordentlichen Peak, der die FETs sofort zerstören würde.

Da ich weder die Induktivität des Motors kenne sowie die elektrischen Eigenschaften des Controllers, habe ich einfach den absoluten Worst Wase simuliert. Für ein Massenprodukt müsste man die ganze Geschichte natürlich viel genauer anschauen.

Irgendwie sollte die Lampe (ev. auch einmal eine kleine Musikbox..wer weiss) aber auch der USB-Port von dem Akku gespiesen werde, da ich vermeiden wollte, einen zusätzlichen Akku nur für die Lampe und das Handy zu benützen. Leider sind 90V fähige DC/DC Converter ziemlich ungeläufig und teuer. Deshalb habe ich mich entschieden ein normales Schaltnetzteil zu verwenden und dieses ausserhalb der Spezifikationen zu betreiben. Die meisten Netzteile, bei denen etwas wie 110-260V AC angegeben ist, lassen sich auch mit 90V DC betreiben. Ein MeanWell PD-25, welches ich noch hatte lief auch mit 60V DC noch problemlos.

Das unten gezeigte Netzteil hat 65W, einen 12V aund einen 5V Ausgang und kostet bei TME gerademal 13.5€. Etwas besseres gibt es wahrscheinlich kaum für den Preis.

Irgendwie muss der Gesamte Stromkreis ja auch abgesichert werden. Ich habe mich hier für eine 14×51 Glassicherung entschieden, da normale KFZ Sicherungen für 12V keinen ausreichenden Schutz bieten. Wenn eine normale KFZ Sicherung bei 100V zum Einsatz kommt, kann es sein, dass der Stromfluss beim Auslösen der Sicherung durch einen Lichtbogen erhalten bleibt. Diess will man ja möglichst vermeiden. Wer mehr zu diesem Thema erfahren will, sollte sich dieses Video anschauen:

Der Zusammenbau Teil 1

Als Erstes sollter der Motor in die Schwinge rein. Natürlich hat der Hersteller des Rahmens die Schwinge zu schmal gemacht…sodass der Motor nicht passte. Ja gut, das es ein Stahlrahmen ist, wurde er in Rücksprache mit der Hersteller halt etwas ausgeweitet. Der Wagenheber scheint das perfekte Werkzeug dafür zu sein.

Der Lack hat sich über das ganze Gedehne nicht gefreut und ist an einer Stelle ein wenig abgeplatzt -.- . Naja im Notfall kann ich die Schwinge ja neu lackieren, auch wenn ich nicht wirklich Lust dazu habe. Wobei…es ist nicht nur der Fehler des Herstellers, ich hätte den Motor auch vor dem Lackieren einpassen können.

Dann kam schon das nächste Problem: Die beiden abgefrästen Flächen der Achse sind nicht 100%ig koplanar sodass mit der Feile ein wenig nachgearbeitet werden musste.

Irgendwann hats dann doch noch geklappt. Doch schon kam die nächste Hiobsbotschaft: Der Motor ist so dermassen schlecht eingespeicht, dass man damit nicht wirklich fahren könnte. Ich musste den Motor etwas dezentral einspeichen, damit er in der Mitte der Schwinge liegt. Zudem musste noch ein kleiner Höhenschlag und eine Acht ausgemerzt werden. Mal sehen, was noch so auf mich zukommen wird.

Später haben wir noch die Steuersätze und die Tretlager montiert. Auch hier gab es bei einem der beiden Rahmen ein kleines Disaster. Das eigentlich bereits gefräste Steuerrohr war so dermassen oval, dass wir die Steuersätze mit unserem äusserst amateruhaften Montagewerkzeug kaum einpressen konnten. Irgendwann hats dann doch noch geklappt.

Das montierte Steuerlager sieht auf dem Foto ein wenig krumm aus, ist es in Realität aber nicht.

Gabel passt, jetzt fehlt noch die obere Gabelbrücke.

Das montieren der Gabeln und Vorbauten war zum Glück problemlos.

Langsam schauts wie ein Fahrrad aus…

Teil 2 folgt… und Rechtschreibfehler dürft ihr behalten 😉