DE10007841A1 - Vorrichtung zur Kraft- und Leistungsmessung an einer Fahrrad-Tretkurbel - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur Kraft- und Leistungsmessung an einer Fahrradtretkurbel wandelt die Größen Kraft und Winkelgeschwindigkeit in elektrische Signale um und führt diese einem Auswertegerät zu. Die Kraft wird durch eine Messung der Schubverformung am Kurbelzapfen mit darauf angeordneten Dehnungsmeßstreifen ermittelt. DOLLAR A Dabei weist der Dehnungsmeßstreifen-tragende Kurbelzapfen 11 eine Verbindung zur Kurbel 2 und eine Verbindung zur Pedalachse 7 auf, und die Kraft zum Herstellen und Lösen der Verbindung zur Pedalachse 7 übersteigt nicht den Betrag der Kraft nach Lage und Richtung, die zur Änderung der geometrischen Anordnung der Verbindung zur Kurbel 2 führt.

Description

Eine Vorrichtung dieser Art wurde in der deutschen Patentanmeldung P 44 35 174.7-52 sowie in Gebrauchsmuster Anmeldungen 295 07 357.8, 296 11 344.1 und 298 10 641.8 beschrieben.

Bei einer üblichen Fahrrad-Tretkurbel Anordnung ist der Kurbelzapfen eine Pedalachse. Ein Einbau der Dehnungsmeßstreifen an der Achse eines Fahrradpedals ist jedoch nicht immer wünschenswert. Bei Nutzung eines Meßsystems für verschiedene Pedalsysteme - Verbindung Schuh und Pedal - muß entweder der Pedalkörper austauschbar gestaltet werden, ein Zwischenadapter benutzt oder das Meßsystem für die verschiedenen Pedale im Detail angepaßt werden.

Bei der Vielzahl unterschiedlicher Pedal-Schuh-Verbindungssysteme und häufiger Modelländerung bedeutet dies einen großen Aufwand.

Solange die Hersteller von geschützten Pedalsystemen keine Kooperation wünschen, ist das auf den Markt bringen des Meßsystems in Stückzahlen praktisch ausgeschlossen. Nach dem Einschrauben der Pedalachse mit dem Meßsystem in eine beliebige Kurbel, muß die unbekannte winkelmäßige Ausrichtung der Dehnungsmeßstreifen durch eine Kalibriermessung mit bekanntem Kraftwinkel festgestellt oder gemessen und eingegeben werden; ebenso bei einer Verdrehung der Pedalachse im Betrieb, durch Lockern oder Anziehen des Gewindes.

Ein zusätzliches Gehäuse zur Aufnahme einer Batterie für die Stromversorgung und einiger elektronischer Bauteile war vorgesehen, weil diese nicht innerhalb eines Fahrradpedals mit üblichen Abmessungen untergebracht werden konnten.

Zwischen Pedalachse und Gehäuse wird eine aus optischen-, Montage- und weiteren Gründen ungünstige Verbindungsleitung benötigt.

Unterschiedliche Kurbelformen und beengte Platzverhältnisse machen ein universell passendes Gehäuses unmöglich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Messung der Tretkräfte und der Leistung an einer Kurbel nach dem Oberbegriff das Anspruchs 1 so auszubilden, daß das Meßsystem mit beliebigen handelsüblichen Fahrradpedalen zusammen genutzt werden kann.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Meßeinrichtung der eingangs erläuterten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dehnungsmeßstreifen-tragende Kurbelzapfen 11 eine Verbindung zur Kurbel 2 und eine Verbindung zur Pedalachse 7 aufweist, und die Kraft zum Herstellen und Lösen der Verbindung zur Pedalachse 7 nicht den Betrag der Kraft nach Lage und Richtung übersteigt, die zur Änderung der geometrische Anordnung der Verbindung zur Kurbel 2 führt.

Der Dehnungsmeßstreifen-tragende Kurbelzapfen ist Teil der Kurbel und nicht Teil des Pedals. Durch das Herstellen oder Lösen der Verbindung des Pedals zur Kurbel wird die Lage der Dehnungsmeßstreifen auf dem Meß-Kurbelzapfens 11 bezüglich des Kurbelarms 2 nicht verändert.

Indem der Kurbelzapfen mit den Dehnungsmeßstreifen werkseitig mit der Kurbel verbunden wird, kann auch die Kalibrierung und die Einstellung des Meßsystems bezüglich der Lage der Dehnungsmeßstreifen zur Kurbel werkseitig erfolgen und Fehlbedienung beim Anwender ausgeschlossen werden.

Die einzelnen Komponenten des Meßsystems lassen sich wegen den günstigeren Platzverhältnissen einfacher in eine Kurbel integrieren und Probleme bei der Verbindung der Dehnungsmeßstreifen mit der Auswerte-Elektronik werden verringert.

Nach Anspruch 2 wird vorgeschlagen, daß zumindest ein frei kragender Teil des Kurbelzapfens 11 hinter der Ebene die die Vorderseite der Kurbel 2 berührt und zur Achse senkrecht steht angeordnet ist.

Einen Teil des freikragenden Kurbelzapfens - der Meßstrecke - innerhalb des Kurbelarms anzuordnen, erlaubt eine besonders platzsparende Konstruktion.

Die Bautiefe verringert sich, da die Befestigung des Kurbelzapfens nicht die ganze Dicke des Kurbelarms benötigt und so ein Teil der Meßstrecke innerhalb des Kurbelarms liegen kann.

Bei der Befestigung des Kurbelzapfens mit einer Halterung von 3 mm Dicke und einer Fahrradkurbel-Gesamtdicke von 14 mm, können hier 11 mm eingespart werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Dehnungsmeßstreifen vor Beschädigung und elektromagnetischen Störeinflüssen eingebettet im Kurbelarm geschützt werden.

Weitere konstruktive Einsparungen an Bautiefe bzw. Verbreiterung des Pedalabstandes durch das Meßsystem ergeben sich durch verkürzte Pedalachsen, kurzes Einschraubgewinde zwischen Pedalachse und Meß-Kurbelzapfen, weniger Kröpfung der Kurbel und/oder Verkürzung der Kurbelachse, und Änderung der Stellung des Fußes bezüglich des Pedalkörpers etwa durch verschieben der Pedalbindungsklipse an den Schuhsohlen nach außen.

Bei manchen Radrennfahrern ist eine breitere Fußstellung sogar erwünscht und die mechanisch stabile Verbreiterung durch den eingefügten Kurbelzapfen ist in dieser Hinsicht sogar vorteilhaft.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird nach Anspruch 3 erreicht: Indem zumindest ein zusätzliches Zwischenelement 3 als Modulträger zumindest Teile der Meß-Elektronik-Baugruppe aufnimmt und bevorzugt als komplettes, Meß-fähiges Modul - vor montiert und kalibriert - mit dem Kurbelarm verbunden wird.

Die konstruktive Trennung von elektronischem Meßsystem in Modul-Bauweise und Tretkurbel ermöglicht die einfache getrennte Fertigung, die einfache Montage des Meßsystems in die Kurbel und den einfachen einzelenen Austausch etwa für verschiedene Kurbellängen oder bei Defekten im Betrieb.

Wird der Meß-Kurbelzapfen 11 zuerst mit dem Modulträger verbunden, dieser kann auch aus einem Stück mit dem Meß-Kurbelzapfen bestehen, und ebenso die elektrische Baugruppe, etwa ein gedruckter Schaltkreis auf einem Trägermaterial, dann können besonders einfach die elektrischen Verbindungen zwischen den Dehnungsmeßstreifen am Kurbelzapfen und den elektronischen Komponenten zur Weiterverarbeitung der Signale hergestellt werden. Es besteht in diesem Fall ein offener Zugang zu den Anschlüssen. Ein Widerstandsabgleich an den Dehnungsmeßstreifen kann so besonders einfach erfolgen.

Gelingt es eine standardisierte Anbaustelle zwischen Meßmodul und Kurbelarm zu schaffen, dann können unterschiedliche Kurbeln auch von verschiedenen Herstellern mit dem Meßsystem verwendet werden. Die Montage der Meß-Einheit mit dem Kurbelarm kann etwa vom Kurbelhersteller selbst durchgeführt werden.

In Anspruch 4 wird vorgeschlagen, daß die Lage zweier zugeordneter Dehnungsmeßstreifen am Achszapfen, bevorzugt während der Montage an den Modulträger, winkelmäßig in tangentialer Ausrichtung zur Kurbel justiert und fixiert wird. Damit wird es möglich mit einer minimalen Anzahl von zwei Dehnungsmeßstreifen eine Leistungsmessung an einer Kurbelseite durchzuführen. Eine Einstellung erfolgt etwa indem eine zur Kurbel genau radial gerichtete Kraft aufgebracht wird und die Lage so verstellt wird, daß das Meßsignal zu Null wird; dann wird der radiale Anteil der Kraft am Kurbelzapfen nicht mehr erfaßt, und folglich der tangentiale Anteil zur Berechnung der Leistung zu 100%.

Bei einem besonders einfachen Meßsystem könnte dieses in nur eine Kurbelseite eingebaut und die Gesamtleistung des Fahrers einfach als doppelt so hoch angenommen werden. Dabei würden Unterschiede der Leistung beider Beine vernachlässigt.

Nach Anspruch 5 wird vorgeschlagen, daß die geometrische Achse der Verbindung des Kurbelzapfens zur Kurbel einen Abstand zur geometrischen Achse der Verbindung zur Pedalachse hat und die Verbindung zur Kurbel winkelmäßig justiert und fixiert werden kann. In diesem Fall kann durch die Verdrehung der Verbindung zur Kurbel die Kurbellänge verstellt werden. Bei einer Exzentrizität von etwa 2,5 oder 5 mm ergibt sich eine Verstellmöglichkeit: etwa 170-172.5-175 mm oder 170-175-180 mm. Unterschiedliche Kurbellängen werden von den Radrennfahrern bevorzugt bei unterschiedlichen Trainings- und Renn-Befindlichkeiten eingesetzt.

Nach Anspruch 6 wird eine günstige Ausgestaltung der Erfindung erreicht, indem als Signalgeber eine Laserdiode verwendet wird, die selbst mit dem Kurbelzapfen 11 fest verbunden ist.

Der gebündelte Strahl der Laserdiode wird von der Umgebung der Kurbel bei der Kurbelbewegung unterschiedlich stark reflektiert.

Günstig ist, daß auf ein zusätzliches Signalgeber Element am Rahmen des Fahrrads oder Ergometers verzichtet werden kann.

Es wird ähnlich wie beim Barcode-Lesegerät der reflektierte Strahlanteil mit Hilfe einer Erkennungssoftware zur Bestimmung der Kurbelperioden ausgewertet.

Der Rahmen, der Boden, Aufkleber, Markierungen und sonstiges werfen den Strahl unterschiedlich zurück.

Bei der Drehbewegung ergibt sich ein periodisches Empfangsmuster, das bei konstanter Drehgeschwindigkeit besonders einfach zu erkennen ist.

Die Ausrichtung des Strahls kann je nach günstiger Funktion parallel zur Kurbelachse, senkrecht dazu oder in einem Zwischenwinkel erfolgen.

Bestimmte Kurbelwinkel können mit aufgebrachten Strichkodes innerhalb des Kurbelkreises zusätzlich markiert werden. Dies führt zu einer Vereinfachung der Erkennungs-Software.

Ebenfalls kann der Abstand vom Kurbelmittelpunkt markiert werden; dies ist für die automatische Erkennung der eingestellten Kurbellänge - bei längenverstellbaren Kurbeln - günstig. Die Kurbellänge wird zur Berechnung der physikalischen Leistung benötigt. Das Prinzip der Strichcode und Barcode-Lesetechnik ist bekannt.

Nach Anspruch 7 wird eine günstige Ausgestaltung besonders bei der Integration des Meßsystems in ein Fahrradpedal erreicht, indem der Signal-empfangende Teil, etwa ein Kontakt, eine Spule oder ein Foto-Detektor, mit der Kurbel und dem daran befestigten Kurbelzapfen unbeweglich verbunden ist und der korrespondierende Signal-erzeugende Teil, etwa ein Magnet, ein Zapfen, eine Schlitzscheibe, ein Spiegel oder Strichmuster, mit dem drehbar zum Kurbelzapfen gelagerten Pedalkörper unbeweglich verbunden ist.

Dieser Lösungsvorschlag basiert auf der Erkenntnis, daß der Pedalkörper während der Kurbeldrehung selbst keine Rotationsbewegung ausführt, da er mit dem Fuß des Fahrers während dem Pedalieren verbunden ist, und die Pedalachse die gleiche Anzahl Umdrehungen bezüglich des Pedalkörpers ausführt wie die Kurbel.

Bei dieser Lösung kann auf den korrespondierenden zur Kurbeldrehung feststehenden Signalgeber am Rahmen des Fahrrads oder Ergometers verzichtet werden und damit Montagearbeit für ein zusätzliches Gehäuse eingespart werden.

Als Signalgeber ist besonders ein Magnet am Pedalkörper geeignet und als Empfängerteil ein Reedschalter an der Achse.

Eine weitere günstige Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich nach Anspurch 8, indem die das Meßsignal aufbereitenden und drahtlos sendenden analogen und digitalen Bauelemente, an einer Platine und/oder in einem Gehäuse, zwischen Pedalkörper und der Einspannung zur Kurbel verdrehsicher mit dem Meß-Kurbelzapfen 16 verbunden sind. Auf diese Weise läßt sich das Meßsystem komplett in eine zum Pedal gehörige Kraftmeßdose integrieren, und dieses an jeder handelsüblichen Kurbel montieren. Damit der Hebelarm der Kraft aufs Pedal nicht zu weit nach außen gerät, wird aus geometrischen und Festigkeitsgründen die Pedalachse selbst entsprechend verkürzt.

Nach Anspruch 9 wird eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung erreicht, indem die Dehnungsmeßstreifen nach den Methoden der Dünnschicht Technologie direkt auf den Kurbelzapfen erzeugt werden.

Dünnfilm-Dehnungsmeßstreifen weisen geringeres Kriechen und geringere Hysterese auf, als aufgeklebte. Sie lassen sich kleiner herstellen und wesentlich genauer bereits bei der Fertigung bezüglich der geometrischen Achse des Kurbelzapfens ausrichten, womit insbesondere der ungünstige Einfluß der Lagetoleranzen auf die Qualität der Hebelarmkompensation weitgehend ausgeschlossen werden kann. Dünnfilm- Dehnungsmeßstreifen lassen sich in großen Stückzahlen preisgünstig automatisiert fertigen. Die kostenträchtige Montagearbeit fürs Aufkleben der Dehnungsmeßstreifen entfällt.

Mit Einsatz der Dünnschicht-Technik läßt sich die Gesamtbreite des Dehnungsmeßstreifen Paars auf etwa 3 mm reduzieren. Bei einer Meßstrecke mit 0,5 mm Wandstärke kann die Meß-Kurbelzapfen Gesamtlänge 20 mm betragen. Damit unterscheiden sich die geometrischen Verhältnisse im Vergleich zu einem Kurbelarm ohne Meßsystem mit ca 14 mm Tiefe am Kurbelauge nur geringfügig.

Um auf eine Stromversorgung durch Batterien zu verzichten, kann der Strom für die Meßelektronik nach dem Prinzip eines Stromgenerators mit bezüglich der Pedalachse rotierenden Magnetfeld mit mindestens einem Permanentmagneten - verbunden mit dem Pedalkörper oder Rahmen - und mindestens einer Spulenwicklung an der Pedalachse oder Kurbel während des Betriebes erzeugt werden. Die Periodizität der erzeugten Spannung kann gleichzeitig für die Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit genutzt werden. Die elektrische Energie kann auch durch die Drehbewegung des Schwerkraftfeldes bezüglich der Kurbel oder durch eine Solarzelle erzeugt werden.

Werden die Dehnungsmeßstreifen nicht an der Pedalachse befestigt, sondern an einem zusätzlichen Kurbelzapfen am Kurbelarm, so wächst der Abstand der Dehnungsmeßstreifen vom Ansatzpunkt der Kraft am Pedal, und somit auch die Biegedehungen am Ort der Dehnungsmeßstreifen.

Diese Biegedehnungen werden theoretisch durch die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen auf der Achse kompensiert. In der Praxis ist aufgrund von Fehlern in Lagen und Längen, sowie Inhomogenitäten in den Werkstoffen die Kompensation teils mangelhaft, so daß ein erhöhter Ausschuß bei der Herstellung des Meßsystems in diesem Falle auftritt.

Eine absatzfreie Meßstrecke von mindestens der Länge des Durchmessers am Vollquerschnitt dieser Stelle ist als nötig ermittelt worden, um die Kraft unabhängig vom Hebelarm zu messen, als günstiger hatte sich die doppelte Länge erwiesen.

Aus Festigkeitsgründen ist der Durchmesser des zusätzlichen Kurbelzapfen größer als bei der Pedalachse. Somit wurde eine notwendige Mindestmeßstrecke von 30 mm ermittelt. Zu dieser Meßstrecke muß noch die Verbindung zur Pedalachse und zur Kurbel addiert werden. Die daraus erfolgende Abstandsverbreiterung zwischen den Pedalen bei sonst unveränderten Maßen an der Kurbel ist biomechanisch ungünstig.

Der Querschnitt auf dem sich die Dehnungsmeßstreifen befinden muß absatzlos auf eine Länge sein, die eine homogene Dehnung aus Biegespannungen und der Schubverformung ermöglicht. Bei Wahl eines Hohlquerschnitts mit kleiner Wandstärke läßt sich eine deutlich geringere Meßstrecke als eine Länge die dem Durchmesser entspricht erreichen.

Beim Rohrquerschnitt treten gegenläufige Effekte auf:

Mit der Durchmesservergrößerung kann bei gleicher Stabilität die Querschnittsfläche stark verkleinert und damit das eigentliche Meßsignal der Schubverformung ebenso vergrößert werden.

Bei Durchmesservergrößerung und Beibehaltung der Querschnittsfläche nimmt die Biegespannung sehr stark ab, womit sich die Kompensation der Biegespannung entsprechend verbessert.

Bei einer Durchmesservergrößerung steigt die benötigte Länge der absatzfreien Meßstrecke.

Mit einer Wandstärken Verringerung verkleinert sich die benötigte Länge der absatzfreien Meßstrecke und das gewonnene Meßsignal wird größer.

Aus Gründen der Sicherheit, etwa wegen Einbeulen, sollte die Wandstärke aber nicht kleiner als 0,5 mm sein.

Als ausreichende Meßstrecke wurde bei einem Durchmesser von 18 mm, einer Wandstärke von 1 mm und bei 5 mm Breite des Dehnungsmeßstreifen-Paares zu 12 mm ermittelt. Günstig auf den Kompensationseffekt und die Meßsignal Größe wirkt sich aus, wenn der Dehnungsmeßstreifen im Verhältnis zum Durchmesser klein ist.

Außerdem verringert sich die Länge der benötigten Meßstrecke entsprechend.

Mit den neuen Erkenntnissen läßt sich ein Kurbelzapfen mit minimaler Meßstrecke und daraus ergebender Baulänge schaffen, der es ermöglicht außerhalb des Pedals trotz großem Hebelarm zur Kraft und trotz fertigungsgerechter Toleranzen in den Lage- und Winkelabweichungen ein gut Abstands-kompensiertes Meßsignal zu erhalten und gleichzeitig den Pedalabstand nicht ungünstig groß werden zu lassen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen, die als Beispiel für eine mögliche Ausgestaltung dienen, näher erläutert.

Fig. 1 Fahrradtretkurbel mit rückwärtig angeflanschten Meßmodul durch das Kurbelauge ragend, mit Trägerplatte, kurzem Meß-Kurbelzapfen, Platine und Abdeckung.

Fig. 2 Fahrradpedal mit verkürzter Pedalachse und zugehörigem Kraftmeß- Kurbelzapfen mit Elektronik und Stromversorgung in einem Gehäuse am Kurbelzapfen.

Fig. 3 Winkelmäßig zur Kurbel ausrichtbarer Kurbelzapfen mit exzentrischer Verbindunug zur Pedalachse.

Fig. 4 Kurbelzapfen mit Gewindeverbindungen zum Modulträger.

Fig. 1 zeigt eine Fahrradtretkurbel an einer Kurbelachse 1. Am äußeren Ende des Kurbelarms 2 ist rückwärtig eine Trägerplatte 3 angeflanscht, an der der Kurbelzapfen 11 mit den Dehnungsmeßstreifen 6 befestigt ist. Dieser kragt durch das vergrößerte Auge des Kurbelarm frei nach außen.

Daran wird für den Betrieb ein Pedal 8 mit Pedalachse 7 angeschraubt. Dies kann mit einem Imbusschlüssel von der rückwärtigen Seite durch den hohlen Meß-Kurbelzapfen 11 geschehen.

Die Trägerplatte 3 hat eine Öffnung und Ausformung zur Aufnahme einer Batterie 4 und zur Befestigung einer elektrischen Baugruppe auf einer Platine 5. Ein Taster zum Einschalten und zur Eingabe sowie eine LED zur Anzeige ist in der Trägerplatte eingelassen. Eine Abdeckkappe 9 schützt das Meßsystem vor und nach der Montage vor Verschmutzung, Beschädigung und Feuchtigkeit.

Die Kurbel 2 hat ebenfalls eine Vertiefung von der rückwärtigen Seite, die in Verbindung mit der Trägerplatte einen Hohlraum zur Aufnahme der Elektronikbaugruppe und der Abdeckung bildet.

Durch ein Fenster in der Trägerplatte 3 kann eine Laser- oder Infrarot-Lumineszens- Diode 12 Daten übertragen, als auch in Verbindung mit einer Empfangsdiode zur Detektion der reflektierten Strahlen genutzt werden, um die Kurbelbewegung und -Lage festzustellen.

Wahlweise wird ein Magnet 13 an der Hinterbaustrebe des Rahmens als Signalgeber in Verbindung mit dem Reedschalter 14 an der Trägerplatte zur Erzeugung des mit der Kurbeldrehung periodischen Signals genutzt.

Ebenso ist auch der Einsatz von IRDA Bauelementen zum Datenaustausch und zur Lageerkennung mit einem korrespondierendem Baustein - bevorzugt am Unterrohr des Fahrradrahmens - geeignet.

Das komplette Meß-Modul besteht aus der Trägerplatte 3 mit kurzem Kurbelzapfen 11 als Träger für die Dehnungsmeßstreifen 6, der Elektronik 5 zur Verstärkung des Dehnungsmeßstreifen-Signals, zur Digitalisierung, Zwischenspeicherung, Umrechnung und drahtlosen Weiterleitung der Daten, der Stromversorgung aus der Batterie 4 und der schützenden Abdeckung 9.

Die Befestigung des Kurbelzapfens mit dem Zwischenelement und des Zwischenelements mit der Kurbel kann nach allen bekannten Fügeprozessen, wie etwa Schweißen, Löten, Gewinde oder Klemmung erfolgen, die eine genügende Festigkeit der Verbindung im Betrieb und bei der Montage der Pedale gegen Verdrehung und Lockern gewährleisten. Selbstverständlich kann insbesondere der Kurbelzapfen 11 und die Trägerplatte 3 auch aus einem Stück gefertigt sein.

Fig. 2 zeigt ein Pedal 8 mit Sicherheitsverbindung zwischen Schuh und Pedal von oben. Die verkürzte Pedalachse 7 ist am Meß-Kurbelzapfen 16 - Träger der Dehnungsmeßstreifen 6 - angeschraubt, dieser wird wiederum an der Kurbel 18 mit marktüblicher Verbindungsart angeschraubt.

Die elektronischen Bauelemente befinden sich auf einer Platine 5 und zusammen mit den Batterien 4 in einem weitgehend rotationsförmigen und verdrehsicher am Meß- Kurbelzapfen befestigten Gehäuse 17.

Der Rohr-förmige Meß-Kurbelzapfen 16 mit großem Durchmesser hat einen stark verringerten Widerstand gegen Schubverformung und anderseits einen größeren Widerstand gegen Biegung.

Auf diese Weise wird ein etwa 5 bis 10-fach stärkeres Meßsignal erhalten, als bei einem Vollquerschnitt, daß zudem weniger durch Toleranzen in der Plazierung der Dehnungsmeßstreifen beeinflußt wird. Außerdem wird auf diese Weise das Gewicht der Pedalachse im Vergleich zu einer einteiligen Pedalachse stark reduziert.

Ein Permanentmagnet 13 ist als Signalgeber am Pedalkörper 8 befestigt und erzeugt im Reedschalter 14 - als Signalsensor an der Achse verdrehsicher befestigt - ein mit der Tretbewegung periodisches Signal zur Bestimmung der Kurbelwinkelgeschwindigkeit und der Anzahl der Kurbelumdrehungen.

Alternativ können mehrere Reedschalter oder Magnete verwendet werden, um die.

Winkel-Auflösung zu verfeinern. Statt des Reedschalters kann auch eine Induktionsspule Alternativ können mehrere Reedschalter oder Magnete verwendet werden, um die Winkel-Auflösung zu verfeinern. Statt des Reedschalters kann auch eine Induktionsspule verwendet werden.

Die Meßdaten-Übertragung erfolgt bevorzugt mit einer Radio-Frequenz (RF)- Übertragungsstrecke zu einem Empfänger mit Anzeigeeinheit am Lenker des Fahrrads oder Ergometers. Das Pedal wird inklusive Meßsystem an eine beliebige Tretkurbel mit einem Innenschlüssel von der Kurbelrückseite angeschraubt.

Die Herstellung der Pedalachse nach der gezeigten zweiteiligen Bauform ist auch bei Pedalen ohne Meßsystem vorteilhaft. Auch hier ist eine höhere Biegesteifigkeit mit der verbundenen erhöhten Sicherheit gegen Ermüdungsbruch und eine mögliche Gewichtsreduzierung günstig.

Die Bauteile fürs Pedalsystem ohne und mit Meßsystem sind identisch. Somit erhöht sich die Bauteile-Vielfalt nicht, und damit verbundene Kosten werden eingespart.

Fig. 3 zeigt einen Meß-Kurbelzapfen 11 der mit Hilfe eines zusätzlichen Halteelement 3 am Kurbelarm 2 befestigt ist. Bei der Montage wird der Kurbelzapfen mit den Dehnungsmeßstreifen winkelmäßig zur Kurbel ausgerichtet und mit der Klemmung durch die Verschraubung 10 reibschlüssig befestigt.

Die geometrische Achse 17 der Verbindung zum Pedal hat einem Abstand von etwa 1 bis 5 mm zur geometrischen Achse 18 der drehbar einstellbaren Verbindung zur Kurbel, so daß die Kurbellänge um diese Exzentrizität verlängert und verkürzt werden kann. In diesem Fall wird zuerst die Kurbellänge eingestellt, und dann durch eine Kalibriermessung mit bekanntem Kraftwinkel oder durch Eingeben der winkelmäßigen Ausrichtung der Dehnungsmeßstreifen die Lage der Dehnungsmeßstreifen zur Kurbel für die Auswertung berücksichtigt. In diesem Fall müssen mindestens zwei Paar Dehnungsmeßstreifen am Kurbelzapfen eingesetzt werden.

Fig. 4 zeigt einen Meß-Kurbelzapfen 11, der an einem Modulträger 3 mit einer Verschraubung vor montiert ist. Um ein unerwünschtes Losdrehen zu verhindern wird das Gewinde bei der Montage zusätzlich verklebt oder mit einer Schweißnaht gesichert.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Kraft und Leistungsmessung an einer Fahrradtretkurbel, wobei

• a) die Größen Kraft und Winkelgeschwindigkeit in elektrische Signale umgewandelt und einem Auswertegerät zugeführt werden,
• b) die der Kraft zugehörige Winkelgeschwindigkeit und/oder der Kurbelwinkel aus einer Zeitmessung eines mit der Kurbeldrehung periodisch wirkenden Signals ermittelt wird,
• c) die Kraft, durch eine Messung der Schubverformung am Kurbelzapfen mit darauf angeordneten Dehnungsmeßstreifen ermittelt wird, und dazu
• d) entweder mindestens zwei Dehnungsmeßstreifen symmetrisch zueinander unter einem Winkel zur Achse des Kurbelzapfens in tangentialer Umfangsrichtung zur Kurbel,

oder mindestens zwei Paare einander zugeordneter Dehnungsmeßstreifen mit unterschiedlicher Kraftaufnahmerichtung in einem Winkel versetzt direkt auf dem Kurbelzapfen angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Dehnungsmeßstreifen-tragende Kurbelzapfen 11 eine Verbindung zur Kurbel 2 und eine Verbindung zur Pedalachse 7 aufweist, und die Kraft zum Herstellen und Lösen der Verbindung zur Pedalachse 7 nicht den Betrag der Kraft nach Lage und Richtung übersteigt, die zur Änderung der geometrische Anordnung der Verbindung zur Kurbel 2 führt. .

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein frei kragender Teil des Kurbelzapfens 11 hinter der Ebene die die Vorderseite der Kurbel 2 berührt und zur Achse senkrecht steht angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) zumindest ein zusätzliches Zwischenelement 3 als Modulträger zumindest Teile der Meß- Elektronik-Baugruppe aufnimmt
• b) und bevorzugt als komplettes, Meß-fähiges Modul - vor montiert und kalibriert - mit dem Kurbelarm verbunden wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage zweier zugeordneter Dehnungsmeßstreifen am Achszapfen, bevorzugt während der Montage an den Modulträger, winkelmäßig in tangentialer Ausrichtung zur Kurbel justiert und fixiert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Achse der Verbindung des Kurbelzapfens zur Kurbel einen Abstand zur geometrischen Achse der Verbindung zur Pedalachse hat und die Verbindung zur Kurbel winkelmäßig justiert und fixiert werden kann.

6. Vorrichtung nach dem Oberbegriff (mit Bezug zu Merkmal b), dadurch gekennzeichnet, daß als Signalgeber eine Laserdiode verwendet wird, die selbst mit dem Kurbelzapfen 11 fest verbunden ist.

7. Vorrichtung nach dem Oberbegriff (mit Bezug zu Merkmal b), dadurch gekennzeichnet, daß der Signal-empfangende Teil, etwa ein Kontakt, eine Spule oder ein Foto- Detektor, mit der Kurbel und dem daran befestigten Kurbelzapfen unbeweglich verbunden ist und der korrespondierende Signal-erzeugende Teil, etwa ein Magnet, ein Zapfen, eine Schlitzscheibe, ein Spiegel oder Strichmuster, mit dem drehbar zum Kurbelzapfen gelagerten Pedalkörper unbeweglich verbunden ist.

8. Vorrichtung insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die das Meßsignal aufbereitenden und drahtlos sendenden analogen und digitalen Bauelemente, an einer Platine und/oder in einem Gehäuse, zwischen Pedalkörper und der Einspannung zur Kurbel verdrehsicher mit der Pedalachse 16 verbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß indem die Dehnungsmeßstreifen nach den Methoden der Dünnschicht Technologie direkt auf den Kurbelzapfen erzeugt werden.