DE102009011882A1 - Elektronische Steuerung einer Fahrrad-Gangschaltung - Google Patents

Abstract

Bisherige Gangschaltungen für rein muskelbetriebene Fahrzeuge und Maschinen - wie zum Beispiel Fahrräder oder ähnliche - werden entweder manuell durch den Benutzer nach persönlichen Entscheidungen oder automatisch gesteuert in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit oder/und der Tretfrequenz geschaltet. Dabei wird das individuelle Leistungsvermögen des Benutzers in Bezug auf die Tretkraft nicht ausreichend berücksichtigt. Eine elektronische Prozess-Steuerung verwendet die Parameter aus bestimmten Anlagen-Komponenten für ein automatisches Gang-Schalten in Abhängigkeit von der eingesetzten Tretkraft nach Vorgabe einer sogenannten Wunschleistung des augenblicklichen Benutzers. Wichtigste Messgröße ist die aktuelle aufgebrachte Tretkraft. Die Steuerung kann besonder bei Fahrrädern angewendet werden und dient unter anderem einer Vergleichmäßigung der körperlichen Leistungsabgabe und Erhöhung der Aufmerksamkeit im Straßenverkehr.

Description

• Anordnung und elektronische Steuerung von Anlageteilen, mit denen ein automatisches Einlegen und Umschalten der Gänge einer Gangschaltung für muskelbetriebene Fahrzeuge und Maschinen – wie zum Beispiel Fahrräder, Dreiräder oder andere – in Abhängigkeit von der eingebrachten Körperkraft nach individuellen Vorgaben bewirkt werden kann.
• 1. Die Erfindung gehört zum technischen Gebiet B 62 M 25/08: Verstellorgane für Wechselgetriebe, besonders für Fahrräder ausgebildet, mit elektrischen oder durch Druckmittel betätigten Übertragungssystemen.
• 2. Dem Anmelder ist der Stand der Technik insofern bekannt, dass automatische Gangschaltungen an rein von Muskelkraft betriebenen Fahrzeugen in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit oder/und der Tretfrequenz gesteuert werden, aber nicht von der aufgebrachten, individuell vorzuwählenden Tretkraft.
• 3. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass bisherige Gangschaltungen für rein muskelbetriebene Fahrzeuge und Maschinen – wie zum Beispiel Fahrräder oder ähnliche – entweder manuell durch den Benutzer nach persönlichen Entscheidungen oder automatisch gesteuert in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit oder/und der Tretfrequenz geschaltet werden. Dabei wird das individuelle Leistungsvermögen beziehungsweise die Leistungsbereitschaft des Benutzers in bezug auf die Tretkraft nicht ausreichend berücksichtigt. Bei manuell zu betätigenden Gangschaltungen werden die zur Verfügung stehenden Gänge nach augenblicklichem Gutdünken des Benutzers gewählt und gewechselt. Das setzt eine gedankliche Prüfung und Beurteilung der Fahrsituation und eine persönliche Entscheidung des Benutzers voraus, welchen Gang er bei der herrschenden Belastung und seiner körperlichen Leistungsbereitschaft für angemessen hält. Streng genommen ist für den Entscheidungsprozess über die gesamte Benutzungszeit – also Anfahren, laufende Normalfahrt und Freilauf ohne Tretkurbel-Bewegung – eine ununterbrochene nicht unerhebliche Aufmerksamkeit unabdingbar, sonst kommt es leicht zu Verschaltungen, unnötigen Anstrengungen, Ärger und nicht zuletzt zur Ablenkung der für andere wichtige Belange notwendigen Aufmerksamkeit, wie zum Beispiel für die Sicherheit im Straßenverkehr. Dieses Problem ist bei Wenigfahrern, Anfängern, Ungeübten, bei weniger angepasstem Technik-Verständnis oder nach längeren Fahrpausen (zum Beispiel Winterpause) sicherlich noch gravierender als bei der Gruppe der Vielfahrer und Geübten, denen alles – wie man so sagt – in Fleisch und Blut übergegangen ist. Eine automatische Fahrrad-Gangschaltung, die die aufgebrachte Tretkraft als Parameter für die elektronische Steuerung verwendet, löst diese Probleme und ist für den Benutzer eine Entlastung in vielfältiger Weise, wie weiter unten im Punkt 6 ausführlich erläutert wird.
• 4. Es wird Patentschutz begehrt für die Erfindung einer Anordnung und elektronischer Steuerung von Anlegeteilen, mit denen ein automatisches Einlegen und Umschalten der Gänge einer Gangschaltung für muskelbetriebene Fahrzeuge und Maschinen – wie zum Beispiel Fahrräder, Dreiräder oder andere – in Abhängigkeit von der eingebrachten Körperkraft nach individuellen Vorgaben bewirkt werden kann. Die Einrichtung soll dazu dienen, im Zusammenwirken aller Komponenten nach individueller Vorgabe einer persönlich frei zu wählenden und nach Bedarf jederzeit zu ändernden körperlichen Leistungsbereitschafts-Größe – Wunschleistung – die Gänge einer Gangschaltung eines muskelbetriebenen Fahrzeuges – wie zum Beispiel eines Fahrrades oder Dreirades oder einer anderen muskelbetriebenen Maschine – elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, hydropneumatisch oder sonst wie automatisch zu schalten.
• 5. Die Erfindung kann insofern gewerblich angewendet werden, indem die lastabhängige automatische Gangschaltung bei Fahrrädern, Dreirädern, speziellen Rollstühlen und anderen muskelbetriebenen Fahrzeugen und Maschinen eingesetzt wird. Neben den heute schon bestehenden Fahrzeuggruppen mit: rein manuell zu betätigenden Gangschaltungen, automatisch Geschwindigkeits-abhängigen Schaltungen, automatisch Tretfrequenz-abhängigen Schaltungen, Unterstützung durch Motorkraft ergäbe sich eine neue Gruppe, nämlich Fahrzeuge mit Tretlast-abhängiger elektronisch gesteuerter Gangschaltung.
• 6. Zusammen mit den beschriebenen Anlagen-Komponenten bewirkt die elektronische Steuerung eine automatische Gangschaltung. Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik Liegt in einer Entlastung des Benutzers in vielfältiger Weise:
• 6.1. Er muss sich nicht darum kümmern, welcher Gang gerade der Richtige ist; das macht die Automatik innerhalb der Grenzen der vom Benutzer vorgegebenen Leistungsbereitschafts-Größe – seiner Wunschleistung.
• 6.2. Die manuelle Tätigkeit des Gang-Schaltees wird ihm abgenommen. Da gibt es kein Verschalten; der Gang ist immer richtig.
• 6.3. Die Beeinträchtigung der Aufmerksamkeit wegen vorzunehmender Schalt-Entscheidungen entfällt. Die Aufmerksamkeit steht ungeteilt für andere Aufgaben zur Verfügung, zum Beispiel für die Sicherheit im Straßenverkehr.
• 7. Der Weg zur Ausführung der Erfindung wird wie folgt beschrieben: Zusammen mit bestimmten Anlagen-Komponenten, die nachfolgend erläutert werden, wird eine elektronische Steuerung entwickelt, die eine automatische Gangschaltung an muskelbetriebenen Fahrzeugen und Maschinen, besonders für Fahrräder, bewirkt.
• Die erforderlichen Schaltvorgänge und die zugehörigen Anzeigen werden in 3 Prozess-Gruppen gesteuert, und zwar:

  Gruppe 1:	Anfahren aus dem Stillstand Prozessschritt-Nr. ab 1010.
  Gruppe 2:	laufende Normalfahrt Prozessschritt-Nr. ab 2010.
  Gruppe 3:	Freilauf ohne Tretkurbel-Bewegung Prozessschritt-Nr. ab 3010.

• Alle 3 Steuerungsgruppen sind ständig untereinander verbunden durch laufende Abfrage der Parameter und durch Verweise an erforderlichen Prozess-Stellen aus der gerade laufenden Programm-Gruppe in die entsprechend den Parameter-Werten erforderliche andere Programm-Gruppe, in die dann automatisch gesprungen wird.
• Die erforderlichen Anlagen-Komponenten sind beispielhaft für ein Fahrrad in der 1: „Übersichtsskizze” symbolisch dargestellt.
• Das Zusammenwirken der Komponenten ist in 2: „Funktionsskizze” erkennbar. Es gelten die selben Zahlen-Bedeutungen wie für 1.
• 7.1 Die Steuerungsprozess-Gruppen
• Das Steuerungs-Programm vergleicht in der Steuerungs-Gruppe 1 Anfahren aus dem Stillstand- und in der Steuerungs-Gruppe 2 – laufende Normalfahrt – die manuell vorgewählte Tretkraft-Wunschleistung mit der aktuell aufgebrachten Ist-Leistung und stellt und regelt die Gangschaltung so, dass nach Abschluss des Steuerungs-Prozesses die neue Ist-Leistung der Wunschleistung innerhalb der Grenzen der Gangschaltung und innerhalb ganz bestimmter Toleranzen entspricht.
• Wichtigste Messgröße ist die aktuell aufgebrachte Kraft, z. B. bei fußbetriebenen Geräten die Tretkraft an den Pedalen.
• Dazu kommt die Steuerungs-Gruppe 3 – Freilauf ohne Tretkurbel-Bewegung –. Als „Freilauf ohne Tretkurbel-Bewegung” wird ein Zustand definiert, in dem das Fahrzeug ohne Krafteinsatz und ohne oder mit nur geringer Tretbewegung fährt, wie z. B. bei einer Bergabfahrt oder einer Fahrt mit Rückenwind oder einer sonst wie entstandenen Tretpause.
• Vorgewählte Wunschleistung und aufgebrachte Kraft spielen hier keine Rolle und werden keine Steuerungs-Parameter; hier ist die wichtigste Messgröße die aktuelle Fahrgeschwindigkeit.
• Das Programm in der Steuerungsgruppe 3 – Freilauf ohne Tretkurbel-Bewegung – wählt und schaltet entsprechend der inzwischen eingetretenen aktuellen Fahrgeschwindigkeit einen bestimmten Gang der Gangschaltung, der nach Wiedereinsetzen der Tretbewegung eine komfortable Tretfrequenz in einer bestimmten Bandbreite gewährleistet. Zur Erläuterung: beim Wiedereinsetzen der Tretbewegung bei geringer Anfangsgeschwindigkeit ist ein niedriger Gang erforderlich und bei hoher Anfangsgeschwindigkeit ein hoher Gang.
• Mit der Bezeichnung: „komfortable Tretfrequenz” ist eine in einer bestimmten Zeiteinheit ausgeführte Tretbewegung der Pedale gemeint, die der augenblickliche Benutzer des Fahrzeugs als angenehm empfindet. Selbstverständlich wird eine „komfortable Tretfrequenz” von unterschiedlichen Personen unterschiedlich empfunden und definiert.
• Die vorliegende Schaltprozess-Beschreibung der Steuerungsgruppe 3 ist zunächst für ganz bestimmte Gangschaltungs-Vorgänge in Abhängigkeit von ebenfalls fest bestimmten Fahrgeschwindigkeiten ausgearbeitet worden, das heißt, ohne die Möglichkeit individueller Vorgaben für eine persönlich gewünschte „komfortable Tretfrequenz”. Das erscheint – auch mit Rücksicht auf eine möglichst geringe Anzahl der notwendigen Anlagen-Komponenten – ausreichend, wenn man berücksichtigt, dass diese Phase nur für kurze Zeit direkt nach Beendigung des Freilaufs ohne Tretkurbel-Bewegung besteht; unmittelbar nach dem Wiedereinsetzen der Tretkurbel-Bewegung schaltet das Programm automatisch in die Prozess-Gruppe 2 – laufende Normalfahrt- in der – wie schon beschrieben – die Gangschaltung entsprechend der Wunschleistung und der tatsächlich aufgebrachten Tretkraft gesteuert wird.
• In einer weitergehenden Version könnte das Programm leicht nach Hinzufügen eines zusätzlichen Handwahlschalters für die Veränderung der Vorgaben für die komfortable Tretfrequenz ergänzt werden. Dann werden die den Gängen zugeordneten Fahrgeschwindigkeiten anders ausgelegt. Die heutige Prozess-Beschreibung sieht das noch nicht vor.
• 7.2 Allgemeine Funktion der Anlagen-Komponenten
• Die in 1: „Übersichtsskizze” und 2: „Funktionsskizze” genannten Anlagen-Komponenten mit den Nummern 1 bis 8 übernehmen folgende Aufgaben:
• Nr. 1 = Stromversorgung
• Die Stromversorgung der Anlagen mit dem höchsten Stromverbrauch, nämlich Laststufen-Schalter 6, elektronische Steuergerät-Zentraleinheit 7 und Gangschaltung 8, möglicherweise aber auch je nach Konstruktion die Winkelstellungs-Messung am Tretkurbel-Arm 3 und der Drehzahlmesser für die Tretfrequenz 4 sollte zentral von einem wiederaufladbaren Akkumulator erfolgen. Spannung und Kapazität müssen nach den Anlagen-Komponenten später festgelegt werden. Die aktuelle Akku-Ladung wird ständig angezeigt. Anzustreben wäre ein kontinuierliches Nachladen durch Solarzellen und/oder fahrzeugeigenen Dynamo. Im Übrigen müssen die Akkus selbstverständlich am öffentlichen Stromnetz 230 Volt und an einem Kraftfahrzeug-Bordnetz (in der Regel 12 Volt) aufgeladen werden können.
• Zusätzlich zum Betriebs-Akku ist ein geladener Reserve-Akku zum Austausch vorzusehen.
• Bestimmte Komponenten mit geringem Stromverbrauch, zu denen ein Kabelanschluss zu aufwändig wäre, können eventuell mit eigenen auswechselbaren Batterien oder Akkus bestückt werden, z. B. Nr. 2 = Tretkraft-Lastsensoren an den Pedalen und Nr. 5 = Tachometer für die Fahrgeschwindigkeit.
• Die Übertragung der Messdaten an die Steuergerät-Zentraleinheit kann durch Kabel oder/und kabellos per Funk mit mehreren Kanälen erfolgen, die Schalt-Anweisungen aus der Steuergerät-Zentraleinheit an die Gangschaltung und deren Stromversorgung auf jeden Fall mittels Kabel.
• Nr. 2 = Tretkraft-Lastsensoren an den Pedalen
• Bei fußbetriebenen Geräten – wie zum Beispiel Fahrrad, Dreirad, Vierrad oder ähnlichem – bekommt jede Pedale einen Sensor, der wechselseitig so geschaltet ist, dass er im Bereichsfeld der Pedalarm-Kurbelstellung, die nach Lastaufbringung eine Fortbewegung ermöglicht, die tatsächlich augenblicklich hier aufgebrachte Kraft misst. Das ist bei Pedalen die beim Strecken des Beines wirkende Druckkraft auf die Pedale am Ende des Tretkurbelarms. Beim Fahrrad mit aufrechter Sitzposition ist die Kraftrichtung nach unten; der zugehörige Pedalkurbelarm zeigt in diesem Moment nach vorn. Beim Liegefahrrad ist die Kraftrichtung eher in Fahrtrichtung; der entsprechende Pedalkurbelarm zeigt in diesem Moment nach oben.
• Die Sensoren sind so programmiert, dass sie Messungen nur dann durchführen bzw. weitergeben, wenn sich die Pedalkurbel-Stellung in einem definierten Lastfeld-Bereich befindet.
• Die Ausstattung beider Pedalen mit Sensoren dient der Mittelwertbildung der links und rechts möglicherweise unterschiedlichen und/oder schwankenden Kräfte. Die Einrichtung kann auch weniger komfortabel mit nur einem Sensor ausgestattet und betrieben werden; man verzichtet dann auf die Mittelwert-Bildung.
• Bei handbetriebenen Geräten – wie zum Beispiel Rollstuhl, Spezial-Fahrrad oder ähnlichem – werden üblicherweise die Kräfte der Arme sowohl als Druck- als auch als Zugkräfte eingesetzt. Hier sind Sensoren erforderlich, die sowohl die beim Strecken des Armes erzeugten Druckkräfte als auch die beim Beugen des Armes auftretenden Zugkräfte erfassen.
• Die aufgebrachte Tretkraft wird als Mittelwert aus mehreren Messungen ständig angezeigt.
• Nr. 3 = Winkelstellungs-Messung am Tretkurbel-Arm
• Die aufgebrachte Tretkraft hat für die Fortbewegung den höchsten Wirkungsgrad beim größten Hebelarm der Tretkurbel, das heißt, wenn die Kraftrichtung zum Kurbelarm im rechten Winkel steht. Die Messung und Verarbeitung der Winkelstellung der Tretkurbel soll bewirken, dass die aufgebrachte Tretkraft nur dann gemessen und für die Steuerung weitergegeben wird, wenn sich die Tretkurbel in einem etwas erweiterten Bereichsfeld des größten Tretkurbel-Hebelarms befindet.
• Alternativ kann auf die Winkelstellungs-Messung total verzichtet werden, wenn die Tretkraft-Messung nur dann durchgeführt und übertragen wird, wenn sich die Tretkraft-Lastsensoren genau in dem definierten Messbereichs-Feld befinden.
• Nr. 4 = Drehzahlmesser am Tretlager für die Tretfrequenz
• Aus der permanenten Messung der Tretfrequenz werden diverse Gangschaltungs-Aufgaben gesteuert. Daneben erhält der Benutzer auf dem Anzeigeteil der Steuergerät-Zentraleinheit laufend Informationen, mit denen er seine persönliche Komfort-Tretfrequenz herausfinden kann. Die Tretfrequenz wird dauernd angezeigt als Umdrehungen pro Minute.
• Nr. 5 = Tachometer für Fahrgeschwindigkeit
• Auch die gemessene Fahrgeschwindigkeit wird zur Steuerung der Gangschaltung und im Anzeigeteil der Steuergerät-Zentraleinheit zur Information des Benutzers benötigt. Die Fahrgeschwindigkeit wird ständig angezeigt.
• Für die Steuerung nicht zwingend notwendig, aber für die Information nützlich, ist eine Wegstrecken-Messung (Kilometerzähler), sowie weitere Auskünfte üblicher Fahrrad-Tachometer, bisweilen genannt „Fahrradcomputer”.
• Nr. 6 = Laststufen-Schalter (Hand-Wahlschalter für die Wunschleistung)
• Der Hand-Wahlschalter hat entsprechend der heutigen Prozess-Beschreibung zunächst nur eine Funktionen zu erfüllen, und zwar: manuelles Vorgeben und Ändern der Leistungsbereitschafts-Größe, die in 6 Laststufen 1 bis 6 zur Zeit wie folgt unterteilt ist:
  Laststufe 1: Tretkraft P = bis zu 15 kg
  Laststufe 2: Tretkraft P = 15 kg bis 30 kg
  Laststufe 3: Tretkraft P = 30 kg bis 45 kg
  Laststufe 4: Tretkraft P = 45 kg bis 60 kg
  Laststufe 5: Tretkraft P = 60 kg bis 75 kg
  Laststufe 6: Tretkraft P = über 75 kg
• Mit der Wahl einer beliebigen Laststufe wird die elektronische Steuerung eingeschaltet. Stellung „0” außerhalb der Laststufen schaltet die Steuerung komplett einschließlich der zentralen Stromversorgung Nr. 1 aus. Die Gangschaltung Nr. 8 muss so konstruiert sein, dass sie bei ausgeschalteter elektronischer Steuerung oder bei Stromausfall manuell rein mechanisch geschaltet werden kann; Einzelheiten siehe dort unter Nr. 8!
• Die Laststufen und die zugehörigen Tretkraft-Werte sind zunächst in ganz bestimmten Grenzen festgelegt worden, das heißt, ohne die Möglichkeit individueller Vorgaben für persönlich gewünschte Tretkräfte in den einzelnen Laststufen.
• In einer weitergehenden Version könnte das Programm leicht durch Hinzufügen eines zusätzlichen Handwahlschalters für die Änderung der Tretkraft-Werte ergänzt werden. Zur Zeit wurde darauf ebenfalls mit Rücksicht auf eine möglichst geringe Anzahl der Anlagen-Komponenten verzichtet, was auch der Vereinfachung der Bedienung zu Gute kommt. Die gewählte Anzahl 6 für die Laststufen ist auch nicht zwingend; fast jede sinnvolle andere Zahl ist möglich.
• Für die technische Gestaltung des Laststufen-Schalters gibt es viele Möglickeiten; beispielhaft seien folgende genannt:
• 1. Tastenblock mit 7 Tasten für Ausschalt-Stellung „0” und Laststufen „1” bis „6”
• 2. Drehknopf, drehbarer Hebel oder Verschiebe-Element mit 7 einrastenden Stellungen „0” und „1” bis „6”.
• 3. Dreh-Einrichtung am Lenker-Handgriff mit 7 einrastenden Stellungen „0” und „1” bis „6”.
• 4. Wipptaster mit Betätigung in 2 Richtungen aus einer mittigen Grundstellung, in die die Wippe nach Betätigung zurückkehrt. Druck auf den Taster in eine Richtung bewirkt Erhöhung der Wunschleistung um eine Stufe; Druck in die Gegenrichtung bewirkt Herabsetzung der Wunschleistung um eine Stufe. Zum Erreichen mehrerer Stufen ist der Wipptaster mehrfach zu drücken.
• Unabhängig von der gewählten Ausführung ist der Laststufen-Schalter – wie in den Programm-Prozeduren beschrieben – mit den folgenden 7 Leuchtdioden auszustatten:
  LED 1 blau = Laststufe 1 gewählt
  LED 1 und 2 blau = Laststufe 2 gewählt
  LED 3 grün = Laststufe 3 gewählt
  LED 3 und 4 grün = Laststufe 4 gewählt
  LED 5 gelb = Laststufe 5 gewählt
  LED 5 und 6 gelb = Laststufe 6 gewählt
  Blink-LED 7 rot = Störung (Akku leer oder Schaltdefekt)
• Das Ein- und Ausschalten der Leuchtdioden 1 bis 6 kann entweder aus dem Steuerungsprogramm oder über Direkt-Kontakte am Laststufen-Schalter erfolgen. Die rote Leuchtdiode 7 ist als Blinklicht zur Anzeige von Störungen in jedem Falle vom Steuerungsprogramm zu aktivieren.
• Nr. 7 = Steuergerät-Zentraleinheit
• Alle Informationen werden zur Steuergerät-Zentraleinheit geleitet, dort in in Mikroprozessoren gemäß dem gespeicherten Programm verarbeitet, als Steuerbefehle an die Gangschaltung Nr. 8 und als Anzeigen auf ein Anzeige-Tableau gesendet.
• Steuergerät-Zentraleinheit und Anzeige-Tableau können als kombiniertes Gerät oder auch als 2 getrennte Einheiten ausgeführt werden. Auf dem Anzeige-Tableau sind ständig folgende Werte anzuzeigen:
  Akku-Spannung [Volt]
  Akku-Ladung [%]
  Fahrgeschwindigkeit [km/h]
  Laststufe (zusätzlich zur Anzeige im Laststufen-Schalter)
  eingelegter Gang
  Tretkraft [kg]
  Tretftrequenz [U/min]
  und im Bedarfsfall blinkend bei Störungen als Text:
  „Akku leer”
  „Schaltdefekt”
  „Automatik aus”.
• Da bestimmte Informationen für den Benutzer unverzichtbar sind, müssen folgende Anzeigen auch bei Stromausfall oder/und abgeschalteter Automatik erscheinen:
  Fahrgeschwindigkeit [km/h]
  „Automatik aus” (im Bedarfsfall)
  „Akku leer” (im Störfall).
• Für diese Anzeigen ist zusätzlich zum Haupt-Akku der zentralen Stromversorgung Nr. 1 eine eigene auswechselbare Batterie oder ein möglichst vom Haupt-Akku ständig nachgeladener auswechselbarer Klein-Akku notwendig. Wenn diese Separat-Stromversorgung ausfällt, werden auch diese 3 Werte nicht mehr angezeigt.
• Die Steuergerät-Zentraleinheit ist mit einer Schnittstelle auszustatten, über die – entweder durch ein separates Zusatzmodul mit ambulantem Anschlusskabel oder per Funk- oder Infrarot-Übertragung oder durch einen eigenen Steuer-Tastenblock am Steuergerät selbst – notwendige oder gewünschte Änderungen bestimmter Steuer-Parameter vorgenommen werden können.
• Nr. 8 = Gangschaltung mit Stellungs-Rückmeldung
• Für eine automatische Gangschaltung ist die technische Bauart der Gangschaltung – wie z. B. Kettenschaltung, Nebenschaltung, Tretkurbelschaltung oder Kombinationen daraus – unerheblich. Das Steuerungsprogramm gibt grundsätzlich zunächst einmal einen bestimmten Gang „G” an. Wie dieser Befehl technisch umgesetzt wird, muss durch ein auf die Besonderheiten der verwendeten Gangschaltung abgestimmtes Unterprogramm gesteuert werden. Auf jeden Fall ist für das Schalten eine bestimmte Energie erforderlich, die aus der zentralen Stromversorgung Nr. 1 stammt und über Stellmotoren oder/und Stellimpulse in der Gangschaltung das Einlegen des vorgesehenen Ganges bewirkt.
• Direkt an der Gangschaltung ist eine Vorrichtung notwendig, die störungsfrei den wirklich eingelegten Gang erkennt und als Stellungs-Rückmeldung an die Steuergerät-Zentaleinheit Nr. 7 sendet.
• Die Gangschaltung und die zugehörigen Komponenten müssen so konstruiert sein, dass die Gänge auch bei ausgeschalteter Automatik oder im Störfall manuell rein mechanisch geschaltet werden können. Dafür ist ein Trennsystem erforderlich, das selbständig beim Automatik-Betrieb die manuellen Bedienteile abschaltet und beim Handbetrieb die aus der Automatik aktivierten Verstelleinrichtungen deaktiviert, ohne dass sich beide Betriebsarten gegenseitig beeinflussen.
• Ob und wie weit dieses Trennsystem über eine Mikroprozessor oder direkt elektrisch oder mechanisch gesteuert werden muss, hängt von der Konstruktion des Trennsystems ab.
• 7.3 Beschreibung der Prozess-Schritte
• Wie bereits beschrieben, sind die Schaltvorgänge in 3 Prozess-Gruppen aufgeteilt, die ständig untereinander verbunden sind. Durch laufende Abfrage der Parameter und durch Verweise aus der gerade laufenden Programm-Gruppe in eine erforderliche andere Programm-Gruppe erfolgen die notwendigen Programm-Sprünge.
• Die Prozesse bestehen aus Anweisungen, Abfragen und Vergleichen. Je nach Ausgang eines Vergleichs als „ja” oder „mein” werden neue Anweisungen und neue Abfragen initiiert, die dann den Prozess in der beschriebenen Art fortsetzen.
• In der folgenden Beschreibung werden hauptsächlich die Adressen aufgeführt, die einer besonderen Erläuterung bedürfen. Nicht genannte Adressen sind im Adress-Text sebst verständlich.
• Die Richtung der Prozedur-Schritte folgt den Pfeilen; weiters siehe 5: „Legende der Programm-Prozedur”. Gruppe 1: Anfahren aus dem Stillstand: Prozess-Schritte ab 1010

  Adresse 1010–1080:	Einschalten des Systems mittels Lastschalter; Prüfen der Stromversorgung; Abfrage des eingelegten Ganges und der aktuellen Tretfrequenz.
  Adresse 1090–1220:	Abfragen der Laststufen 1 bis 6 und Einschalten der Leuchtdioden (sofern die nicht direkt im Laststufen-Schalter geschaltet werden).
  Adresse 1230:	Prüfen, ob das Fahrzeug steht (Fahrgeschwindigkeit v kleiner als 2 km/h und Tretfrequenz f kleiner als 2 U/min). Falls beide Werte überschritten werden, befindet sich das Fahrzeug bereits in Fahrt und das Programm springt zu Adresse 2010 in Gruppe 2: „laufende Normalfahrt”.
  Adresse 1240–1430:	Prüfen, ob beim Anfahren der aktuell eingelegte Gang zur gewählten Laststufe passt. Falls nicht, Sprung zu 1380 bzw. 1470, bzw. 1560.
  Adresse 1380–1640:	Schalten des beim Anfahren zur gewählte Laststufe zugehörigen Ganges, und zwar: für Laststufe 1 oder 2: Gang 3 für Laststufe 4 oder 4: Gang 5 für Laststufe 5 oder 6: Gang 7. Bevor der Gang eingelegt wird, wird eine Stellung der Tretkurbel abgewartet, in der lastfrei geschaltet werden kann. Nach dem Schalten wird nach einer Sekunde Verzögerung abgefragt, ob der vorgesehene Gang tatsächlich eingelegt wurde (Stellungsrückmeldung). Bei negativem Ergebnis wird das Schalten erneut versucht, wobei die Schaltversuche gezählt werden. Insgesamt kann das Schalten bis zu 4 mal probiert werden. Wenn nach 4 erfolglosen Versuchen der Gang immer noch nicht dem Befehl entspricht, gibt es eine Störmeldung: „Schaltdefekt” und die rote Blink-LED 7 auf dem Laststufen-Schalter wird eingeschaltet. Meldung geht auch auf das Anzeige-Tableau der Steuergerät-Zentraleinheit Nr. 7. Das Programm muss über Stellung „0” am Laststufen-Schalter Nr. 6 ausgeschaltet werden!

  Gruppe 2: laufende Normalfahrt: Prozess-Schritte ab 2010

  Adresse 2010–2050:	In die Adresse 2010 wird gesprungen aus Adresse 1230, wenn die Fahrgeschwindigkeit großer als 2 km/h oder/und die Tretfrequenz höher als 2 U/min beträgt, sowie aus Adresse 3010, wenn die Fahrgeschwindigkeit größer als 2 km/h und die Tretfrequenz höher als 10 U/min beträgt. Eingesetzte Tretkräfte an den Pedalen links und rechts messen; Mittelwert aus 4 Messungen bilden, anzeigen und für die Steuerung weiterleiten.
  Adresse 2060–2160:	Prüfen, ob bei laufender Normalfahrt die aktuelle Tretkraft zur gewählten Laststufe passt. Falls nicht, Sprung zu 2180 (1 Gang herunterschalten, wenn die Tretkraft größer ist als die Lastvorwahl) oder zu 2350 (1 Gang heraufschalten, wenn die Tretkraft kleiner ist als die Lastvorwahl).
  Adresse 2180–2460:	Herunter- oder Heraufschalten um jeweils einen Gang, solange, bis der Gang in der vorgewählten Laststufe die gewünschte Tretkraft gewährleistet. Die Schaltvorgänge werden in der selben Weise durchgeführt, wie unter den Adressen 1380–1640 beschrieben.

  Gruppe 3: Freilauf ohne Tretkurbel-Bewegung:

  Adresse 3010–3020:	Ein Freilauf liegt vor, wenn die Fahrgeschwindigkeit v größer als 2 km/h und die Tretfrequenz kleiner als 10 Umdrehungen pro Minute ist und diese Stillstandszeit länger als 4 Sekunden andauert. Bei Nichterfüllung dieser Bedingung springt das Programm zur Adresse 2010 in Gruppe 2: „laufende Normalfahrt”.
  Adresse 3030-3110:	Prüfen, ob die aktuelle Fahrgeschwindigkeit einer in bestimmten Grenzen liegenden komfortablen Tret frequenz entspricht.
  Adresse 3120-3610:	Anpassen eines angemessenen Ganges zur aktuellen Fahrgeschwindigkeit, damit beim Wiederaufnehmen der Tretkurbel-Bewegung eine Tretfrequenz eintritt, die in bestimmten Grenzen als komfortabel empfunden wird. Die Schaltvorgänge werden in der selben Weise durchgeführt, wie unter den Adressen 1380–1640 beschrieben.

• 7.4 Allgemeine Hinweise
• Zusammen mit den genannten Anlagen-Komponenten bewirkt die elektronische Steuerung eine automatische Gangschaltung. Die erforderlichen Schalt-Prozesse sind in allen Einzelheiten beschrieben; die darauf aufbauenden endgültigen Mess- und Regel-Programme müssen dann in einer passenden Programmier-Sprache entwickelt werden.
• Die Programme haben die Besonderheiten der Anlagen-Komponenten zu berücksichtigen, und das kann erst geschehen, wenn die maßgebenden Einzelheiten aller Anlagen-Komponenten einschließlich der Verzahnung untereinander endgültig bekannt sind.
• Alle Anlagen-Komponenten sind entweder noch zu entwickeln oder teilweise aus bekannten Geräten so zu modifizieren, dass sie für die beschriebenen Aufgaben geeignet sind.
• Vor der endgültigen Fertigung eines ausgereiften Fahrzeugs mit automatischer Gangschaltung sind mit Prototypen Probebetrieb und Testfahrten unter realistischen Bedingungen durchzuführen, nach denen heute vorgegebene Einzelheiten – z. B. Anzahl und Einteilung der Laststufen und der Tretkräfte, Wahl der Gänge, Geschwindigkeiten für die Komfort-Tretfrequenz, Verzögerungszeit zwischen Gang-Einlegen und Prüfung auf erfolgte Schaltung sowie weitere Details, die heute noch nicht zu überblicken sind und sich erst beim Probebetrieb zeigen – gegebenenfalls geändert und optimiert werden müssen.
• 8 Beigefügte zeichnerische Unterlagen:
• 1: „Übersicht der Anlagen-Komponenten”
  Bedeutung der Zahlen wie in 2:
  Nr. 1: Stromversorgung für alle Anlagen-Komponenten
  Nr. 2: Tretkraft-Lastsensoren an den Pedalen
  Nr. 3: Winkelstellungs-Messung am Tretkurbel-Arm
  Nr. 4: Drehzahlmesser für die Tretfrequenz
  Nr. 5: Tachometer für Fahrgeschwindigkeit
  Nr. 6: Laststufen-Schalter (Hand-Wahlschalter für die Wunschleistung)
  Nr. 7: Steuergerät Zentraleinheit
  Nr. 8: Gangschaltung mit Stellungs-Rückmeldung
• 2: „Funktionsskizze”
• 3: „Tabelle 1”
  Die Tabelle 1 ist Stand der Technik. Beispielhaft gezeigt werden die Übersetzungsfaktoren von den Tretblättern vorn auf die Ritzel hinten an einer handelsüblichen 24-Gang-Kettenschaltung für ein 26 Zoll-Fahrrad mit 2.070 mm Radreifen-Umfang,
  3 Tretblätter vorn, 8 Ritzel hinten, Wegstrecke in Meter bei einer Tretkurbel-Umdrehung. Als Gänge nicht genannte Ritzel-Tretblatt-Kombinationen und nicht genannte zugehörige Wegstrecken bedeuten unpraktische möglichst zu vermeidende Schaltbereiche, Daten für Gang 14 sind fiktiv angenommen.
• 4: „Tabelle 2”
  Die Tabelle 2 zeigt aus den Vorgaben von Tabelle 1 die Tretfrequenz „f” in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit „v” und dem eingelegten Gang „G”. Radgröße wie vor 26''·1,75 = Radreifenumfang 2.070 mm, Geschwindigkeits-Stufen willkürlich aus Opportunitätsgründen gewählt, Gang 14 als fiktiver Wert. Gemäß Ausführungen in der Prozess-Gruppe 3 – Freilauf ohne Tretbewegung – werden für eine komfortable Tretfrequenz in Abhängigkeit von den Fahrgeschwindigkeiten die Gänge 3, 6, 9, 12, 13 und 14 gewählt. In Klammern gesetzte Gang-Zahlen werden für die komfortable Tretfrequenz nicht angewählt.
• 5: „Legende der Programmprozedur”
• Abkürzungen für alle Programmprozeduren:

• AUS

  als Anweisung: Komponente ausschalten!

  AUS

  als Abfrage: Komponente ist ausgeschaltet

  EIN

  als Anweisung: Komponente einschalten!

  Ein

  als Abfrage: Komponente ist eingeschaltet

  G

  Gang der Gangschaltung

  LED

  Leuchtdiode

  Pl

  Tretkraft links

  Pr

  Tretkraft rechs

  P

  Tretkraft-Mittelwert

  U/min

  Umdrehungen pro Minute

  km/h

  Kilometer pro Stunde

  f

  Tretfrequenz

  n

  Anzahl der Wiederholversuche

  t

  Zeit in Sekunden

  v

  Geschwindigkeit

  <

  kleiner als

  >

  größer als

  =

  gleich

• 6 bis 10: „Programm-Prozedur für Gruppe 1: Anfahren aus dem Stillstand”
• 11 bis 14: „Programm-Prozedur für Gruppe 2: Laufende Normalfahrt”
• 15 bis 19: „Programm-Prozedur für Gruppe 3: Freilauf ohne Tretkurbel-Bewegung”
  Komfort-Tretfrequenz:
  bei v >= 3 < 7 km/h: Gang 1 bis 3: f = (25) bis 77 U/min
  bei v >= 7 < 11 km/h: Gang 4 bis 6: f = 41 bis 81 U/min
  bei v >= 11 < 17 km/h: Gang 7 bis 9: f = 42 bis 86 U/min
  bei v >= 17 < 25 km/h: Gang 10 bis 12: f = 41 bis 81 U/min
  bei v >= 25 < 31 km/h: Gang 13 bis 14: f = 48 bis 65 U/min
  bei v >= 31 km/h: Gang 14 f > 59 U/min

Claims (1)

1. Anordnung und elektronische Steuerung von Anlageteilen, mit denen ein automatisches Einlegen und Umschalten der Gänge einer Gangschaltung für muskelbetriebene Fahrzeuge und Maschinen – wie zum Beispiel Fahrräder, Dreiräder oder andere – in Abhängigkeit von der eingebrachten Körperkraft nach individuellen Vorgaben bewirkt werden kann.

Images