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Die
Erfindung betrifft eine Leistungsmesseinrichtung für oder an
pedalgetriebenen Vorrichtungen mit wenigstens einem, an einem Kurbelarm
angeordneten Pedal, an dem eine vom Benutzer aufgebrachte Pedalkraft
einleitbar ist, wobei das Pedal eine mit dem Kurbelarm verbundene
Pedalachse und einen drehbeweglich an der Pedalachse gelagerten
Pedalkörper
aufweist und wobei die Leistungsmesseinrichtung am Pedal vorgesehen
ist.
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Leistungsmesseinrichtungen,
die in pedalgetriebene Vorrichtungen, beispielsweise Hometrainern oder
dergleichen, integriert sind, sind bekannt. Ziel solcher Leistungsmesseinrichtungen
ist es, die vom Benutzer aufgewendete körperliche Leistung zu messen
und anhand von Werten leistungsspezifischer Kenngrößen anzuzeigen,
damit dem Benutzer eine Beurteilung seiner eingespeisten körperlichen Leistung
möglich
ist. Als leistungsspezifische Kenngrößen eignen sich beispielswei se
insbesondere bei Fahrrädern
oder Hometrainern die aktuell getretene Watt-Zahl bzw. die verbrauchte
Energie.
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In
der
DE 298 03 763
U1 ist eine derartige Leistungsmessvorrichtung beschrieben,
die für
Fahrzeuge mit Ketteantrieb, also beispielsweise für Fahrräder, vorgesehen
ist. Bei dieser Leistungsmessvorrichtung wird die Arbeit oder die
Leistung über
eine Messung der über
die Kette übertragenen
Kraft bestimmt und zwar dadurch, dass der kraftbeaufschlagte Teil
der Kette umgelenkt wird und die Kraft an der Umlenkung bei konstanter
Umlenkung oder die Stärke
der Umlenkung bei konstanter Kraft gemessen wird.
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Die
an der pedalgetriebenen Vorrichtung vom Benutzer eingespeiste körperliche
Leistung wird nur zum Teil in Vortrieb umgesetzt. Ein Teil der eingespeisten
Leistung geht nämlich
als sogenannte Verlustleistung, beispielsweise durch Reibung (Lagerreibung,
Kettenantrieb, Bauteildeformationen und physiologischen Energieverbrauch
usw.) verloren, wird also nicht in Vortrieb umgesetzt. Das Problem
bei herkömmlichen
Leistungsmesseinrichtungen ist, dass damit lediglich der für den Vortrieb
wirksame Leistungsanteil bestimmt werden kann. Die Verlustleistung
lässt sich
nicht bestimmen. Dies führt
dazu, das dem Benutzer nur ein Teil seiner tatsächlich aufgebrachten Leistung
angezeigt wird, nämlich
gerade der für
den Vor trieb wirksame Leistungsanteil. Tatsächlich hat der Benutzer aber
mehr Leistung aufgebracht.
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In
der
DE 298 10 641
U1 ist eine Leistungsmesseinrichtung der eingangs erwähnten Art
offenbart, bei der in der Pedalachse Dehnmessstreifen vorgesehen
sind und die Pedalachse mittels einer Schraubverbindung mit dem
Kurbelarm verschraubt werden kann. Durch wahlweise Hinein- oder
Herausschrauben der Pedalachse lassen sich die Dehnungsmessstreifen
unter einem definierten Winkel zur Kurbel ausrichten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Leistungsmesseinrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, die an unterschiedli- che Begebenheiten anpassbar
und kostengünstig
herstellbar ist sowie eine genaue und zuverlässige Leistungsbestimmung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Leistungsmesseinrichtung mit den Merkmalen
des unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Leistungsmesseinrichtung
zeichnet sich dadurch aus, dass sie als bezüglich der Pedalachse separat
ausgebildet und vom Pedalkörper
getragen ist.
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Die
Leistungsmesseinrichtung befindet sich also an der Stelle, an der
der Benutzer die Betätigungs-
bzw. Pedalkraft auf die pedalgetriebene Vorrichtung einleitet. Dadurch
ist es möglich
sowohl den für
den Vortrieb wirksamen Leistungsanteil als auch die Verlustleistung
zu bestimmen. Der Benutzer bekommt also genaue Angaben darüber, welche
körperliche
Leistung er aufgebracht hat und momentan aufbringt. Darüberhinaus
ist es auch möglich,
den Verlauf der Nutzleistung und Verlustleistung während einer
Kurbelumdrehung zu bestimmen, so dass beispielsweise Radsportler
ihren Bewegungsablauf analysieren und optimieren können.
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Dadurch,
dass die Leistungsmesseinrichtung vom Pedalkörper getragen ist, lässt sich
bei Bedarf einfach und schnell ein Austausch, eine Wartung bzw.
Reparatur der Leistungsmesseinrichtung durchführen, in dem der Pedalkörper mitsamt
der Leistungsmesseinrichtung von der Pedalachse abgezogen wird.
Die Leistungsmesseinrichtung ist leicht zugänglich, so dass sie in einfacher
Weise vom Pedalkörper
getrennt werden kann. Leistungsmesseinrichtung und Pedalkörper können eine
vormontierte Baueinheit bilden, die in einfache Weise an der Pedalachse
anbringbar ist. Eine Nachmontage bspw. Verkabelung im an der Pedalachse
angebrachten Zustand ist nicht mehr notwendig. Durch die einfache Austauschbarkeit
lassen sich verschiedene, an unterschiedliche Begebenheiten, beispielsweise
an unterschiedliche Benutzerprofile angepasste Leistungsmesseinrichtungen
einsetzen.
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Unter
pedalgetriebenen Vorrichtungen im Sinne der Anmeldung werden vorzugsweise
pedalgetriebene Fahrzeuge, beispielsweise Fahrräder oder dergleichen oder sonstige
Sportgeräte,
beispielsweise Hometrainer, Ergometer oder dergleichen verstanden.
Die Krafteinleitung auf das Pedal kann entweder per Fuß oder per
Hand erfolgen. Es ist möglich,
pedalgetriebene Vorrichtungen mit der erfindungsgemäßen Leistungsmesseinrichtung nachzurüsten oder
bei der Herstellung pedalgetriebener Vorrichtungen die Leistungsmesseinrichtung gleich
mit anzubringen. Vor allem das Nachrüsten ist einfach durchzuführen, da
es lediglich modifizierter Pedalkörper bedarf.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung besitzt die Leistungsmesseinrichtung
wenigstens ein Kraftmesselement zur Kraftmessung der auf das Pedal wirkenden
Pedalkraft. Daraus lassen sich dann bei Kenntnis der Winkelstellung
zwischen Pedal und Kurbelarm die für den Vortrieb wirksamen Kraftkomponenten
und die für
den Vortrieb unwirksamen Kraftkomponenten bestimmen. Es kann angenommen werden,
dass die in radialer Richtung, das heißt in Richtung von der Pedalachse
zu einer Drehachse des Kurbelarms weisend, wirkende Radialkraft
keinen Beitrag zum Vortrieb leistet, während die senkrecht zur Radialkraft
stehende Tangentialkraft für
den Vortrieb verantwortlich ist. Prinzipiell würde der Einsatz eines einzigen
Kraftmesselemen tes am Pedalkörper
ausreichen, um daraus überschlägig die
vortriebswirksame Pedalkraftkomponente zu berechnen.
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In
bevorzugter Weise sind jedoch wenigstens zwei Kraftmesselemente
vorgesehen, die derart positioniert sind, dass in verschiedenen
Koordinatenrichtungen wirkende Kraftkomponenten der Pedalkraft messbar
sind. Daraus kann wiederum die für den
Vortrieb wirksame Kraftkomponente und die Verlustleistung bzw. nicht
vortriebswirksame Kraftkomponente bestimmt werden. Es ist möglich, genau zwei
Kraftmesselemente einzusetzen, oder alternativ drei Kraftmesselemente
vorzusehen, um in die drei Raumrichtungen x, y und z wirkende Kraftkomponenten
zu messen.
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Besonders
bevorzugt ist wenigstens ein Kraftmesselement im Pedalkörper kraftschlüssig zwischen
Krafteinleitungspunkt und Pedalachse anordenbar oder angeordnet.
Alternativ ist es möglich, das
Kraftmesselement auf dem Pedal zu befestigen oder als weitere Alternative,
das Kraftmesselement in den Schuh, insbesondere dort in die Schuhsohle
des Benutzers zu integrieren.
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In
bevorzugter Weise ist das Kraftmesselement als Sensor ausgebildet,
wobei der Sensor wenigstens einen Wandler zur Umwandlung der zur
Pedalkraft korrespondierenden Messgröße in ein elektrisches Ausgangssignal
aufweist. Der Wandler kann beispielsweise als Druck- und/oder Biegewandler ausgebildet
sein. Es eignen sich beispielsweise Piezoelemente und/oder Dehnungsmessstreifen.
Es können
jedoch auch andere Wandlerarten eingesetzt werden.
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Besonders
bevorzugt ist es, dass die Leistungsmesseinrichtung zusätzlich zu
dem wenigstens einen Kraftmesselement eine Winkelmessvorrichtung
zur Winkelmessung des Winkels zwischen Pedal und Kurbelarm aufweisen.
Optional kann zusätzlich
der Winkel zwischen Kurbelarm und pedalgetriebener Vorrichtung ermittelt
werden, so dass der Bewegungsablauf noch genauer ermittelt werden
kann.
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Die
Winkelmessvorrichtung kann wenigstens einen Winkelmesssensor aufweisen,
vorzugsweise wenigstens einen Magnetfeld-Winkelmesssensor. Dazu eignet sich beispielsweise
ein Hall-Sensor.
Alternativ ist es auch möglich,
andere, magnetfeldfremde Winkelmesssensoren einzusetzen, beispielsweise
mechanische, optische oder potentiometrische Winkelmesssensoren.
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Die
Leistungsmesseinrichtung kann eine Auswerteeinheit zur Verarbeitung
der durch das wenigstens eine Kraftmesselement und/oder der Winkelmessvorrichtung
erzeugten insbesondere elektrischen Ausgangssignale und deren Umwandlung
in leistungsspezifische Kenngrößen besitzen.
Die Auswerteeinheit kann eine Kodiereinheit zur digitalen Kodierung
der Messwerte besitzen.
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Die
Auswerteeinheit kann mit einer Anzeigevorrichtung, insbesondere
mit einem Display zur Anzeige von Werten gewünschter leistungsspezifischer Kenngrößen koppelbar
oder gekoppelt sein. Vorzugsweise erfolgt die Übertragung der Messwerte drahtlos.
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Die
Erfindung umfasst ferner noch eine pedalbetriebene Vorrichtung mit
den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 11. Hinsichtlich Details der pedalgetriebenen Vorrichtung
wird auf die vorstehende Beschreibung und die nachfolgende Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
verwiesen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
Folgenden näher
erläutert.
Die Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leistungsmesseinrichtung
an einem Pedal eines Fahrrads, wobei hier lediglich schematisch
das Drehlager samt Kurbelarm und Pedal dargestellt sind,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Leistungsmesseinrichtung
an einem Pedal,
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3 einen
Längsschnitt
durch das Pedal samt Pedalachse und im Pedalkörper angeordneter Leistungsmesseinrichtung,
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4 eine
schematische Darstellung des Pedals im Querschnitt, wobei die Winkelmessvorrichtung
der Leistungsmesseinrichtung dargestellt ist,
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5 eine
schematische Darstellung der Kraftverhältnisse die an einem Pedal
wirken,
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6 eine
schematische Darstellung von Pedal und Kurbelarm, wobei hier der
durch die Schrägstellung
des Pedals herbeigeführte
Winkelfehler dargestellt ist.
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Die 1 zeigt
ein ersten Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Leistungsmesseinrichtung 11.
Diese ist an einem Pedal 12 einer pedalgetriebenen Vorrichtung 13,
beispielsweise eines Fahrrads, angeordnet. Die pedalgetriebene Vorrichtung 13 besitzt
ein Tretlager 14, an dem zu beiden Seiten jeweils ein Kurbelarm 15 um
eine Drehachse bzw. Tretlagerachslinie 16 drehbar gelagert
ist. Das Pedal 12 besitzt eine mit dem Kurbelarm 15 an
dessen tretlagerfernem Ende verbundene Pedalachse 17 und einen
drehbeweglich an der Pedalachse 17 gelagerten Pedalkörper 40.
Der Pedalkörper 40 ist
hierbei um eine Pedalachslinie 18 der Pedalachse 17 drehbar.
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Die
Oberseite des Pedalkörpers 40 bildet eine
Kontaktfläche 19, über die
der schematisch dargestellte Schuh 20 des Benutzers 21 mit
dem Pedalkörper 40 in
Kontakt steht, wodurch die auf das Pedal 12 wirkende Pedalkraft
FPedal eingeleitet wird.
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Die
Kräfteverhältnisse,
die am Pedal 12 wirken, sind schematisch in 5 dargestellt.
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Die
schräg
auf das Pedal 12 einwirkende Pedalkraft FPedal kann
in eine horizontale Komponente Fx und in
eine vertikale Komponente Fy zerlegt werden. Die
Kontaktfläche 19 bzw.
die Oberseite des Pedalkörpers 40 spannt
eine Pedalebene auf, die mit dem Kurbelarm 15 einen Winkel φ bildet.
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Die
eingeleitete Pedalkraft FPedal lässt sich ferner
aufspalten in eine von der Pedalachse 17 zum Tretlager 14 weisende
Radialkraft Fradial, die für den Vortrieb
unwirksam ist und eine senkrecht dazu gerichtete Tangentialkraft
Ftangential, die für den Vortrieb verantwortlich
ist. Radial- bzw. Tangentialkraft lassen sich über folgende Beziehungen berechnen: Ftangential = Fy cos φ +
Fx sin φ Fradial = Fy sin φ – Fx cos φ
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Die
mittlere Leistung einer Kurbelumdrehung des Kurbelarms
15 um
die Tretlagerachslinie
16 kann folgendermaßen ermittelt
werden:
Ein kompletter Umlauf des Pedalkörpers
40 um die Pedalachselinie
18 entspricht
in etwa einem Umlauf des Kurbelarms
15 um die Tretlagerachselinie
16. Dabei
muss der in
6 dargestellte Winkelfehler ξ, der in
Folge der Schrägstellung
des Pedals gegenüber
der in
5 dargestellten idealen Horizontallage auftritt,
berücksichtigt
werden. Die Periodendauer eines Pedalumlaufs ist somit ungefähr gleich
der Periodendauer eines Kurbelumlaufs. Aus der Periodendauer des
Kurbelumlaufs lässt
sich die mittlere Winkelgeschwindigkeit des Umlaufs bestimmen und zwar
durch die Beziehung: ω =
2π/T.
P = F·v -
Die
mittlere Leistung ergibt sich exakt als Integral des Produktes aus
Momentankraft in tangentialer Richtung und der momentanen Bahngeschwindigkeit über eine
Periode, geteilt durch die Periodendauer. Unter bestimmten Voraussetzungen
kann man den Mittelwert des Produktes durch das Produkt der Mittelwerte
ersetzen. Damit ergibt sich näherungsweise
die mittlere Leistung als Produkt aus der Winkelgeschwindigkeit
multipliziert mit dem Radius multipliziert mit der über eine
Periode gemittelten Tangentialkraft.
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Die
mittlere Leistung einer Kurbelumdrehung ist also lediglich von der
Tangentialkraft abhängig. Die
Radialkraft spielt keine Rolle. Eine derartig ermittelte mittlere
Leistung vernachlässigt
also die Radialkraft und somit die Verlustleistung, das heißt die tatsächlich vom
Benutzer eingespeiste körperliche
Leistung ist in Wirklichkeit höher.
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Die
Leistungsmesseinrichtung 11 besitzt daher Kraftmesselemente 20a, 20b,
um die auf das Pedal 12 wirkende Pedalkraft direkt am Pedal 12 selber zu
messen. Eine beispielhafte Anordnung zweier Kraftmesselemente 20a, 20b ist
in 1 dargestellt. Dabei sitzen die beiden Kraftmesselemente 20a, 20b jeweils
in schlitzförmigen
Pedalöffnungen 21a, 21b und
sind im Winkel von ca. 90° zueinander
ausgerichtet, das heißt
sie erstrecken sich in verschiedene Koordinatenrichtungen. Dadurch
können
in verschiedene Koordinatenrichtungen wirkende Kraftkomponenten
der eingeleiteten Pedalkraft gemessen werden.
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Eine
alternative Anordnung der Kraftmesselemente 20a, 20b ist
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Leistungsmesseinrichtung 11 in 2 dargestellt,
wobei die Kraftmesselemente 20a, 20b hier zwischen
Pedalkörper 40 und
Pedalachse 17 eingesetzt sind.
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Die
Kraftmesselemente 20a, 20b sind als Sensoren ausgebildet,
die einen Wandler in Form eines Piezoelementes, insbesondere aus
Keramikmaterial, zur Umwandlung der zur Pedalkraft FPedal korrespondierenden
Messgröße in ein
elektrisches Ausgangssignal aufweisen. Die Sensoren können daher auch
als Piezosensoren bezeichnet werden. Den Sensoren sind Messumformer
zugeordnet, die Spannungen liefern, welche den anliegenden Kräften proportional
sind.
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Die
Leistungsmesseinrichtung 11 besitzt zusätzlich zu den Kraftmesselementen 20a, 20b eine Winkelmessvorrichtung 22,
die hier beispielhaft in Form einer Hall-Sonde dargestellt ist.
Die Hall-Sonde befindet sich ebenfalls am Pedal 12 und
besitzt mit der Pedalachse 17 starr verbundene Permanentmagneten 30 und
einen in das durch die Permanentmagneten 30 erzeugte Magnetfeld
eintauchender Sensorkörper 31,
der seinerseits starr mit dem Pedal 12 verbunden ist. Bei
geeigneter Orientierung des Sensor-Körpers 31 sind die
Ausgangssignale proportional zum Winkel zwischen Pedal 12 und
Kurbelarm 15.
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Bei
der Bestimmung der vom Benutzer aufgebrachten körperlichen Leistung wird zunächst die vom
Benutzer auf das Pedal 12 gebrachte Pedalkraft FPedal gemessen und zwar durch die am Pe dal 12 angeordneten
Kraftmesselemente 20a, 20b. Bei Kraftmesselementen 20a, 20b in
Form von Piezosensoren wird dabei infolge der vom Benutzer am Pedal 12 erzeugten
Druckkraft eine Längenänderung
des Piezosensors erzeugt, die wiederum über einen Messumformer in ein
elektrisches Ausgangssignal umgeformt wird. Gleichzeitig wird durch
die Winkelmessvorrichtung 22 der Winkel zwischen dem Pedal 12 und
dem Kurbelarm 15 bestimmt. Die von den Sensoren gelieferten
Messspannungen werden mit einer Auswerteeinheit 23, die
beispielsweise eine geeignete elektronische Schaltung aufweisen
kann, verarbeitet und in Werte der gewünschten leistungsspezifischen
Kenngrößen insbesondere
analog umgerechnet. Leistungsspezifische Kenngrößen sind beispielsweise Tangentialkraft,
Radialkraft, gesamte aufgebrachte körperliche Leistung also Gesamtleistung
bzw. Wirkungsgrad, wobei der Wirkungsgrad als Quotient zwischen
der vortriebswirksamen Leistung durch die Gesamtleistung ermittelt
werden kann.
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Die
Auswerteeinheit 23 kann mit einer Anzeigevorrichtung in
Form eines Displays 24 gekoppelt sein, wobei die Signalübertragung
drahtlos erfolgt.
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Mit
der erfindungsgemäßen Leistungsmesseinrichtung 11 ist
es also möglich,
im Vergleich zu herkömmlichen
Leistungsmesseinrichtungen genauere Leistungsdaten beim Einsatz
an pedalgetriebenen Vorrichtungen 13 zu ermitteln. Insbesondere kann dabei
die gesamte aufgebrachte bzw. eingespeiste körperliche Leistung bzw. Gesamtleistung
ermittelt werden, die sich aus der für den Vortrieb wirksamen Leistung
und aus der Verlustleistung zusammensetzt. Die Leistungsdaten können dann
angezeigt werden, so dass der Benutzer der pedalgetriebenen Vorrichtung 13 eine Überprüfung seiner
eingespeisten körperlichen
Leistung vornehmen kann und diese dann ggf. seinen Zielvorstellungen
anpassen kann. Es lässt
sich auch der Wirkungsgrad der pedalgetriebenen Vorrichtung 13 ermitteln
und zwar durch den Quotienten aus vortriebswirksamer Leistung durch
Gesamtleistung. Darüber
hinaus ist es möglich,
die Leistungskurve innerhalb einer Kurbelumdrehung zu ermitteln,
das heißt
zu bestimmen, an welcher Pedal- bzw. Kurbelstellung welche Leistung aufs
Pedal kommt. Hierzu wird der Winkel zwischen dem Kurbelarm 15 und
der Vorrichtung 13 gemessen. Es lässt sich also beispielsweise
ein individuell auf den Benutzer zugeschnittenes, optimales Fahrverhalten
bei der Benutzung der pedalgetriebenen Vorrichtung 13 ermitteln.
