DE102010018658A1

DE102010018658A1 - Mittel zur Messung der Pedalkräfte, Auswertung und oder Gangwahl am Fahrrad

Info

Publication number: DE102010018658A1
Application number: DE102010018658A
Authority: DE
Inventors: Gunther Neumann
Original assignee: Neumann Gunther Dipl-Ing (fh)
Current assignee: Neumann Gunther Dipl-Ing (fh)
Priority date: 2009-05-04
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2010-12-09

Abstract

Mittel zur Bestimmung der aufgebrachten Leistung und der Pedalkräfte, auch der wirksamen und ungenutzten Kräfte an beiden Tretkurbeln, bei Fahrrädern und Fahrradergometern in Abhängigkeit vom Tretwinkel und eine Steuereinheit mit Rechner und Display, deren Steuerungslogik die aktuellen Widerstands- und leistungsfähigkeitsabhängigen Messwerte anzeigt, auswertet, analisiert und speichert, sowie/oder zur Fahrrad-Gang-Sollwertermittlung und Aktivierung dienen.
Mit den am Markt befindlichen, straßentauglichen teueren Systemen wird quasi das Drehmoment und die Tretfrequenz gemessen, womit zwar die Leistung ermittelt werden kann, aber es werden oft nicht der Krafteinsatz links/rechts getrennt und die Pedalkräfte nur im Labor ermittelt, so dass unter Straßenbedingungen zur Optimierung des „Runden Tritts” keine Tretanalyse erstellt werden kann. Derzeit sind automatische Schaltungen am Markt eine Ausnahme, da diese unbefriedigend und zu teuer.
Es werden im Bereich der Tretlagerung preiswerte Komponenten, mit am Markt vorhandenen Schnittstellen, bestückt mit Sensoren vorgeschlagen, welche die Stützkräfte (Ra, Rb) an den Lagern messen, bewirkt durch die Pedalkräfte und die Kettenkraft.
Z. B. an beiden Seiten eines genormten Tretlagergehäuses (2) werden die Buchsen (17a) eingeschraubt, an welcher sich der Tretlagermantel (1a) mit integrierten Wälzlager (15) zentrierend abstützt. Die handelsübliche Welle (9), mit integrierter Kurbel und Kettenrädern, wird in die Lagerung von rechts eingeschoben. An der Buchsen (17a) sind Dehnmessstreifen (8) aufgeklebt.
Eine Steuereinheit errechnet aus den Messwerten der Dehnmessstreifen (8) detailliert alle Pedalkräfte, die Leistung, erstellt eine Tretanalyse und/oder einen Gang-Sollwert, nach Leistungs- oder Pedalkraftvorgabe, für Ausgänge zur Schaltung.

Description

Mittel zur Bestimmung der aufgebrachten Leistung und der Pedalkräfte, auch der wirksamen und ungenutzten Kräfte an beiden Tretkurbeln, bei Fahrrädern und Fahrradergometern in Abhängigkeit vom Tretwinkel und eine Steuereinheit mit Rechner und Display, deren Steuerungslogik die aktuellen Widerstands- und leistungsfähigkeitsabhängigen Messwerte anzeigt, auswertet, analisiert und speichert, sowie/oder zur Fahrrad-Gang-Sollwertermittlung und Aktivierung dienen, mit Eingängen an der Steuereinheit für mindesten einen Sensor und alternativ Ausgänge für eine automatische aktuelle Betätigung von motorisch (mit Gangaktuatoren) aktivierbaren Schaltungen aller Bauweisen, wie Ketten-, Naben- und Stufenlosschaltungen.
Das Trainieren nur nach Herzfrequenz, wie seither, hat viele Nachteile. Die Wissenschaft empfiehlt auch für Hobby- und Amateursportler die zusätzliche Leistungskontrolle der tatsächlich umgesetzten Leistung. Die Messung und Auswertung der Druck-Zugkraft (senkrecht zur Bahn) und die Schubkraft (parallel zu Bahn) an dem linken und rechten Pedal, in Abhängigkeit vom Tretwinkel, sind äußerst wichtig für die Tretanalyse der wirksamen und ungenutzten Kräfte, zur Verbesserung für den optimalen Einsatz der menschlichen Kraft. Nur sehr gute Profis haben wenig angenähert den sogenannten angestrebten „Runden Tritt”, bei dem die Resultierende der Druck- und Schubkraft möglichst senkrecht auf die Tretkurbel als wirksame Tangentialkraft wirken soll. Der ungenutzte radiale Vektor – ungenutzte Kraft – kostet unnötige menschliche Energie. Es ist wichtig diese Kräfte beiderseits in der Zug- und Druckphase zu ermitteln und durch Training zu optimieren.
Hat sich ein Fahrer bei richtiger Sitzposition eine gute Trettechnik antrainiert und hat eine gut funktionierende Automatikschaltung, wie im folgenden vorgeschlagenen, die für ihn immer den optimalen Gang wählt, dann kann er sich so glücklich fühlen wie ein Formel-1-Fahrer mit einem guten ausgereiften Motor mit optimaler Elektronik.
Das wesentliche für den Antriebsaufwand eines Radfahrers ist, welche Tretkraft, welche Tretdrehzahl und damit welche Leistung muss er bei jedem unterschiedlichen Streckenabschnitt aufbringen. Die Pedalkraft ist entscheidend für den Stoffwechsel in den Muskeln. Bei höherer Tretdrehzahl und mittlerer Pedalkraft hat man die längste Ausdauer. Hingegen bei hoher Pedalkraft und niederer Tretdrehzahl übersäuert die Muskulatur und es tritt bekanntlich rasch Ermüdung ein.
Die ideale Tretdrehzahl (Tretfrequenz) ist von Mensch zu Mensch unterschiedlich, etwa n = 60 bis 100 l/min und ist bei dem trainierten Fahrer immer höher.
Stand der Technik:
Das Powerforce-Meßsystem (www.radlabor.de) ermöglicht neben der Leistungsangabe eine Tretanalyse mit detaillierter Kraftmessung, separat für das rechte und linke Bein. Die Kräfte werden direkt am bewegten Pedal gemessen. Dieses System, ist teuer und für den Laborbetrieb mit dem Fahrradergometer geeignet. Das Messsystem ist zwischen Kurbel und Pedal montiert und im Radlabor an einem Rechner angeschlossen. Die Masse des Messsystems muss ständig mit dem Pedal mitbewegt und beschleunigt werden. Die Messwerte von dem dynamisch bewegten Messsystem müssen auf den statischen Rechner übertragen werden.
Es gibt kommerziell erhältliche straßentaugliche Systeme, welche die an der Kette wirksamen Kräfte messen, bzw. das Drehmoment. Ermittelt man zusätzlich Zeit und Anzahl der Kurbelumdrehungen, so erhält man die wirksame Energie, bzw. die wirksame Leistung, die zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit des Radfahrers von Bedeutung ist. Wie weit hierbei die erzeugten Muskelkräfte in den Vortrieb umgesetzt werden, wird zwar gemessen, aber nicht die teilweise vermeidbaren ungenützten. Muskelkräfte. Diese ungenützten Kräfte existieren mehr oder weniger bei fast jedem Winkel im Tretzyklus. Die Leistung vom linken und rechten Bein wird meist nicht ermittelt.

Bekannt sind unter folgende Namen straßentaugliche Systeme zur Ermittlung der wirksamen Leistung, aber nicht der ungenutzten Kräfte:

Polar	Messung der Kettenkraft und Kettengeschwindigkeit
SRM	Messung der Verdrehung Pedalkurbel zu Kettenräder
Ergomo	Messung Verdrehung in Hinterradnabe infolge Kettenkraft
Campacnolo	Messung von Kräften in den Kettenrädern
Power Tab	Messungen in der Hinterradnabe

Derzeit sind Automatikschaltungen am Markt eine Ausnahme, da diese teuer und oder nicht in der Funktion befriedigen. Viele Menschen haben mit ihrer handbetätigten Schaltung nicht die Übung, oder das Verständnis den richtigen Gang zu wählen, d. h. die Wegstrecke pro einer Tretkurbel-Umdrehung, um für Ihre Person die optimale Tretkraft bei der Tretdrehzahl zu erreichen. Man plagt sich unnötig. Am schwierigsten ist die Auswahl bei den Kettenschaltungen bis zu 27 Gängen. Gang-Einstellungen mit äußersten hinteren und vorderen Zahnrädern erhöhen den Kettenverschleiß – scheiden aus – und einige Gänge haben annähernd das gleiche Übersetzungsverhältnis. Die Gangreihenfolge, sortiert nach dem Übersetzungsverhältnis, ist chaotisch.
Bekannt sind viele Vorschläge für Automatikschaltungen:
DE 19741 709 A1 sieht die Ist-Tretdrehzahl im Vergleich zur manuell eingegebenen Soll-Tretdrehzahl vor, für die Ermittlung des Gang-Sollwertes. Dabei ist die Tretkraft nicht unmittelbar berücksichtigt, welche durch Streckensteigung, unterschiedlichen Luft- und Rollwiderstand usw. sehr variiert.
DE 195 24 397 A1 benützt einen Sensor zur Ermittlung für die Tretdrehzahl und einen für die Raddrehzahl. Als Sollwert gibt der Fahrer die Tretdrehzahl manuell ein und der Soll-Gang wird errechnet und visuell angezeigt. Der Fahrer schaltet manuell den angezeigten Gang von Hand. Auch hier ist die Tretkraft und damit die Fahrwiderstände am Fahrrad nicht direkt berücksichtigt.
In DE 198 03 812 B4 sind Sensoren für Geschwindigkeit, Druckkraft oder Tretmoment, Tretdrehzahl, Neigung und Sattelbelastung oder Fahrradreifenbelastung vorgesehen, welche größtenteils zur Ermittlung des Gangsollwertes verwendet werden. Dies ist eine aufwendige und kostspielige Lösung.
In DE 195 28 133 A1 sind aufwendige Sensoren für Geschwindigkeit, Tretmoment, Tretdrehzahl, Raddrehzahl und Neigung vorgesehen. Die Eingangssignale optimieren in der Steuereinheit eine Geschwindigkeits/Gang-Tabelle.
DE 101 53 487 B4 verwendet ebenfalls sehr viele Sensoren. In der Steuereinheit werden Schaltcharakteristiken hinterlegt und zusätzlich mit einem Fuzzy-System nach der Fahrweise geändert oder erstellt. Auch dies ist aufwendig, kompliziert, schwer durchschaubar. Nicht für jeden geeignet.
Die DE 196 46 979 A1 , DE 196 41 228 B4 und DE 196 13 079 führen Sensoren auf, mit denen die Tretkräfte an der Tretkurbel, d. h. die entsprechenden Drehmomente und Leistungen ermittelt werden.
Das durch Tretkräfte erzeugte Moment wird zu den Antriebselementen über ein Federsystem, bzw. einen Torsionsstab übertragen und der analoge Federweg bzw. die Torsionsspannung ausgewertet. Diese Sensoren sind aufwendig und teuer.
Bekannt ist ebenfalls (E 195 28 133 A1), nur für Nabenschaltungen tauglich, ein im ziehenden Trumm der Kette mitlaufendes, mit einer Feder vorgespanntes Zahnrad, welches sich entsprechend der Senkrechtkraft gegen die Feder bewegt. Der Weg wird mit einem Wegsensor kontrolliert und als Senkrechtkraft ausgewertet.
Aufgabenstellung:
Suche eines straßentauglichen, robusten, leichten und kostengünstigen Leistungs-Meßsystems und für die stets aktuellen beidseitigen wirksamen und ungenutzten Pedalkräfte, bei jedem Tretwinkel, welches an nicht bewegten Teilen befestigt ist, so dass auch eine Kabelverbindung zum am Fahrradlenker befestigten Rechner möglich ist. Die Masse von rotierenden Teilen am Fahrrad soll keineswegs erhöht werden. Mit den gespeicherten Messergebnissen soll eine wertvolle, aussagekräftige und auswertbare Tretanalyse zu realisieren sein. Eine Nachrüstung des vorgeschlagenen Systems mit genormten oder marktgängigen Maßen an Schnittstellen soll möglich sein.
Die Neuerung sollen alternativ auch für die Betätigung von Automatikschaltungen, zusammen mit und ohne Tretanalyse eingesetzt werden, mit exakter Berücksichtigung aller aufzubringender Widerstände, mit einem möglichst geringen Aufwand – damit preiswert –, die sicher, bedienerfreundlich und möglichst für alle Radfahrergruppen geeignet ist. Der Schaltvorgang soll, auch bei Kettenschaltungen, möglichst ohne Unterbrechung der Antriebskraft erfolgen können.
Wichtig ist dafür eine einfache Bedienung der Schaltung, dass auf einfache Weise während der Fahrt die Sollwerte (Leistung oder Tretkraft) der Automatik, optimal entsprechend der Kondition, nach unten und oben in kleinen Stufen korrigiert werden können. Istwerte für Pedalkräfte, Tretdrehzahl und die daraus resultierende Leistung sollen zur Kontrolle live angezeigt und zur Auswertung gespeichert werden. Das Wideranfahren, z. B. an der Kreuzung und am Berg soll erleichtert werden.
Funktionen von üblichen Fahrradcomputern, wie Geschwindigkeit, Gesamtkilometer, Tageskilometer, Durchschnittsgeschwindigkeit, Fahrtdauer, Temperatur, Messungen der Herzfrequenz, Höhenfunktion, Trittfrequenz und Uhrzeit sind Stand der Technik und eine wertvolle Ergänzung zu den erfindungsgemäßen Vorschlägen.
Für Rennfahrer dürfte es für den Training, besonders im Winter, sehr interessant sein, mit einem Rad, welches mit dem vorgeschlagenen Trittanalyse- und Automatikschaltung-Systemen, auf einen Rollentrainer zu geht, der Widerstände von Streckenprofilen simuliert, eventuell mit Film. Er kann einmal seine Kondition testen und vor dem Rennen einen Test machen, um den Einsatz seiner Kräfte und seine Taktik zu optimieren.
Lösung der Aufgabe:
Um der Aufgabenstellung gerecht zu werden, wird neuartig vorgeschlagen zur Bestimmung der Leistung, Pedalkräfte, Kettenkraft und Kurbeldrehzahl an Fahrrädern und Fahrradergometern, die Reaktionskräfte mit Sensoren zu messen, die an nicht bewegten Teilen der Tretlagerung auftreten. Aus den gemessenen Istwerten und der geometrischen Abmessungen des Radantriebsystems werden Leistung, die detaillierten Pedalkräfte, und die Tretdrehzahl errechnet. Die Kraftmessung in mindestens einem Bauteil von der Welle bis zum Tretlagergehäuse aller Art kann beispielsweise mittels Messmittel, wie Dehnmessstreifen- einer Piezo- oder Hall-Funktion erfolgen.
Auf der Kettenseite und der linken Seite werden z. B. je drei Messstellen am Tretlagermantel oder am Tretlagergehäuse vorgeschlagen. Allein für die Automatikschaltung genügt im einfachsten Fall je ein Sensor an der rechten und linken Seite.

a) Für ein Maximum der Messergebnisse sind links und rechst je 3 Messpunkte für Kraftmessungen nötig. Dann können aus diesen Messwerten an den Messpunkten folgende Messergebnisse in Abhängigkeit von Tretwinkel α und den geometrischen Parameter des gesamten Antriebs berechnet werden: Bemerkung: Tretwinkel. α = 0 wenn rechte Tretkurbel oben. Kräfte siehe 1 Kettenkraft Fk = f(α) Druckkraft rechts Fdr = f(α) Schubkraft rechts Fsr = f(α) Druckkraft links Fdl = f(α) Schubkraft links Fsl = f(α) Zeit T einer Tretkurbel-Umdrehung: T = Zeit z. B. von Fdr min bis Fdr min, oder T/4 = Zeit von Fdr min zu Fdr max. Tretwinkel α = f(T) und Kurbeldrehzahl n = 60/T [l/min] Aus Fdr, Fsr, Fdl, Fsl lassen sich folgende Werte für alle Tretwinkel α errechnen: Tangentialkraft rechts Ftr = f(α) und links Ftl = f(α) ungenutzte Kraft rechts Fur = f(α) und links Ful = f(α). Interessant für die Tretqualität ist der Tretwirkungsgrad ηtr rechts und links in allen Bereichen von α = 0 bis 360 und der Mittelwert von einer Umdrehung. Genaue wirksame Gesamtleistung Pg nach der Zeit t. Aktuelle Leistung P = Fk·dl·π/2·T Mit Fk mm beginnend wird nach Zeitschritten Δt jeweils das Mittel der Kettenkraft ΔFk ermittelt und aus der Summe nach der Zeit t wiederum aus den ΔFk Werten der Mittelwert Fkm gebildet. Das mittlere Drehmoment Mm = Fkm·dl/2, wobei dl der Teilkreis des Antriebkettenrades ist. Die Leistung Pg = Fkm·dl·π/2·t, Pg = Mm·π/t, Pg = Fkm·dl·π·n/60, Pg = Mm·π·n/30
b) Mit nur einem Messpunkten pro Seite (ausreichend für eine Automatikschaltung). Es können nur die Maximalwerte Fdrmax + Fdlmax und Fkmax bei α ~90° und ~270° und die Zeit T einer Tretkurbel-Umdrehung ermittelt werden. Der Messwert Fdrmax + Fdlmax kann als Basis für die Automatikschaltung benützt werden. Fdrmax + Fdlmax entsprechen mit geringer Abweichung der maximalen Tangentialkräfte. Wirksame Gesamtleitung Pg nach der Zeit t, Das Drehmoment M = f(α) ist ähnlich einer Sinusfunktion. Wäre dies eine Sinusfunktion, dann ist der Drehmoment-Mittelwert Mm = (Fk_max·dl/2)·2/π Je nach der Trettechnik kann man eine Tretkonstante Ktr > 2/π einführen, dann ist Mm = (Fk_max·dl/2)·Ktr und die Gesamtleistung Pg = Fk_max·dl·Ktr·π/2·T, Pg = Fk_max·dl·Ktr·π·n/60. Der Fahrer merkt dann, welche Leistung Pg er in der Zeit t geschafft hat.
c) Mit „Stopp” vor dem Halten, aktiviert der Fahrer, mittels eines Betätigungsmittels, dass der aktuelle Gang um z. B. 2 Gänge zurückgeschaltet wird, um das Anfahren zu erleichtern. Beim wieder Anfahren, auch nach Tagen, wird nach z. B. 4 s Fahrt wieder auf den aktuellen Gang geschaltet. Sinnvoll kann noch eine weitere Schalt-Logik für die Beschleunigungsphase (ähnlich wie beim Auto) hinzugefügt werden, bei welcher kurzzeitig mit einer hohen Trittkraft, d. h. Leistung gefahren wird, ohne dass nach unten geschaltet wird.

Weitere Einzelheiten in den Ausführungsbeispielen und den Patentansprüchen.
Ausführungsbeispiele:

1: Wirksame Kräfte an der Kettentretkurbel 10 (rechts), der Tretkurbel 12 (links), dem Teilkreis des Antriebkettenrades dl und Messwerte an den Lagerstellen Fax/Fay rechts kettenseitig und Fbx/Fby linke Seite.

	Rechte Seite (Kettenseite)	Links Seite
Druckkraft	Fdr	Fdl
Schubkraft	Fsr	Fsl
Resultierende v. Druck- und Schubkraft	Rr	Rl
Tangentialkraft	Ftr	Ftl
Ungenutzte Kraft	Fur	Ful
Messwert waagrecht	Fax	Fbx
Messwert senkrecht	Fay	Fby
Kettenkraft	Fk
Tretwinkel	α

2: Schnitt einer Tretlagerung, mit an der Kettenseite 6 und der Seite links 7 in das (mit dem Fahrradrahmen verbundene) Tretlagergehäuses 2 eingeschraubten Buchsen 17a, welche nach außen eine zentrische Öffnung bilden, in welcher sich der Tretlagermantel 1a mit eingebauten Wälzlager 15 für die Welle 9 zentrierend abstützen kann. Am Außendurchmesser des Tretlagermantel 1a ist dieser an der Buchse 17a durch Einpressen, Verschweißen, Löten oder Kleben befestigt.
Dehnmessstreifen 8 werden auf den gegenüber liegenden geschlossenen Planflächen der Buchse 17a aufgeklebt. Zwischen den gegenüber liegenden Planflächen der Buchsen 17a zum Tretlagermantel 1a ist ein kleiner Spalt, es genügen 0,1 mm, damit die Messwerte, welche die Größe und Richtung der resultierenden Lagerkräfte Ra und Rb liefern, nicht durch Reibung verfälscht werden.
Wie bei den außen liegenden Lager am Markt üblich, ist die Welle 9 und Kettentretkurbel ein Stück, an welcher die Kettenräder angeschraubt sind (siehe 5). Diese handelsübliche Kombination wird von der Kettenseite 6 in die Tretlagerung eingeschoben und die linke Tretkurbel wird auf eine Verzahnung (OctaLink oder ISIS) der Welle aufgeschoben und radial geklemmt. Hierbei ist darauf zu achten, dass notfalls Distanzringe verwendet werden, damit bei richtiger Kettenlinie eine Anlage links und rechts an den Ringen 30 zur axialen Fixierung sichergestellt ist.
3: Alternative Ansicht in Richtung X von 2 auf den Tretlagermantel 1a. An diesen sind 3 Zungen 24 angeformt, an welchen Dehnmessstreifen 8 aufgeklebt sind. Radial ganz außen befinden sich die Anlagestellen 29 zur Buchse (17a).
4: Alternative Ansicht in Richtung X von 2 auf die Buchse 17a. Entgegen zu 3 sind in der Buchse 17a drei Zungen 24 ausgebildet mit aufgeklebten Dehnmessstreifen 8. Die Reaktionskräfte wirken. vom innen liegenden (hier nicht dargestellte) Tretlagermantel (1a) radial auf die Buchse 17a und aktivieren die Dehnmessstreifen 8.
5: Schnitt einer Tretlagerung, mit an der Kettenseite 6 und der Seite links 7 in das (mit dem Fahrradrahmen verbundene) Tretlagergehäuses 2 eingeschraubten Buchse 17, welche nach außen eine zentrische Öffnung bilden, in welcher sich der Tretlagermantel 1 mit eingebauten Wälzlager 15 für die Welle 9 zentrierend abstützen kann. Am Außendurchmesser des Tretlagermantel 1 ist dieser an der Buchse 17 durch Einpressen, Verschweißen, Löten oder Kleben befestigt, wobei sich die gegenüber liegenden Planflächen nicht berühren dürfen. Die Dichtbuchse 3 wirkt als Klemmring und Dichtung für das Wälzlager 15.
Die Dehnmessstreifen 8 werden geschützt innen liegend zwischen der Buchsen 17 und dem Tretlagermantel 1 auf die Planflächen der Buchse 17 aufgeklebt. Eine Ringkammer 5 bietet Platz für die Dehnmessstreifen 8 und deren Verkabelung. Das Anschlusskabel zur Steuerung, oder zu dessen Sender, wird über die Kanalöffnung 13 nach außen geführt und anschließend mit Kunststoff dichtend vergossen. Die Dehnmessstreifen 8 müssen eine definierte Winkellage einnehmen, deshalb wird die Büchse 17 in der gewünschten Drehstellung mit der Kontermutter 14 fixiert.
Die handelsübliche Kurbelgarnitur, bestehend aus Welle 9, Kettentretkurbel plus Kettenräder 11 wird von der Kettenseite 6 in die Tretlagerung eingeschoben und die linke Tretkurbel 12 wird auf eine Verzahnung (OctaLink oder ISIS) der Welle 9 aufgeschoben und radial geklemmt. Hierbei ist darauf zu achten, dass notfalls Distanzscheiben 4 verwendet werden, damit bei richtiger Kettenlinie eine Anlage links und rechts an den Dichtbuchse 3 zur axialen Fixierung sichergestellt ist.

6: Schnitt einer Tretlagerung der linken Lagerstelle 7, ähnlich der 5, jedoch besitzt die Steckbuchse 18 (im Gegensatz zur Buchse 17) kein Außengewinde und wird in das Tretlagergehäuse 2 eingesteckt. Ein Fixierring 16 ist in dem Tretlagergehäuse 2 so eingeklebt oder gepresst, dass ein axialer Anschlag entsteht. Am Fixierring ist eine Nase 19 vorhandene, die in eine Nut in der Steckbuchse 18 eingreift und die radiale Lage der Steckbuchse 18 bestimmen. Die radiale Lage ist für die Winkellage der Dehnmessstreifen 8 wichtig und die axiale zur Sicherstellung eines kleinen Spalts, zwischen den Axialflächen der Steckbuchse 18 und dem Tretlagergehäuse 2. Bezugszeichenliste:

1	Tretlagermantel
2	Tretlagergehäuse
3	Dichtbuchse
4	Distanzscheibe
5	Ringkammer
6	Lagerstelle Kettenseite
7	Lagerstelle links
8	Sensor (Dehnhmessstreifen)
9	Welle
10	Kettentretkurbel (rechts)
11	Kettenrädern
12	Tretkurbel links
13	Kanalöffnung
14	Kontermutter
15	Wälzlager
16	Fixierring
17	Buchse
18	Steckbuchse
19	Nase
20
21
22
23
24	Zunge
25
26
27
28
29	Anlagestelle
30	Ring
Ra	Resultierende Lagerkraft kettenseitig
Rb	Resultierende Lagerkraft links

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19741709 A1 [0010]
- DE 19524397 A1 [0011]
- DE 19803812 B4 [0012]
- DE 19528133 A1 [0013]
- DE 10153487 B4 [0014]
- DE 19646979 A1 [0015]
- DE 19641228 B4 [0015]
- DE 19613079 [0015]

Claims

Mittel zur Bestimmung der aufgebrachten Leistung und der Pedalkräfte, auch der wirksamen und ungenutzten Kräfte an beiden Tretkurbeln, bei Fahrrädern und Fahrradergometern in Abhängigkeit vom Tretwinkel und eine Steuereinheit mit Rechner und Display, deren Steuerungslogik die aktuellen Widerstands- und leistungsfähigkeitsabhängigen Messwerte anzeigt, auswertet, analisiert und speichert, sowie/oder zur Fahrrad-Gang-Sollwertermittlung und Aktivierung dienen, mit Eingängen an der Steuereinheit für mindesten einen Sensor und alternativ Ausgänge für eine automatische aktuelle Betätigung von motorisch (mit Gangaktuatoren) aktivierbaren Schaltungen aller Bauweisen, wie Ketten-, Naben- und Stufenlosschaltungen, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Pedalkräften des Radfahrers an den Tretkurbeln (10, 12) und die von der Kettenkraft (Fk) entstehenden resultierenden Reaktionskräfte (Ra, Rb) auf die rechten und linken Lager (15) der Welle (9) in Größe und Richtung als Messgrößen ermittelt werden, durch in mindestens einem Bauteil von der Welle (9) bis zum Tretlagergehäuse (2) eingebaute Sensoren (8) für Druck-, Zug- oder Biegekräfte, welche analoge elektrischen Wert liefert, wie elektrischen Widerstand, Strom, Spannung oder Magnetfeld, welche zusammen mit geometrischen Parametern des gesamten Antriebs zur Errechnung, mindestens einer Größe, wie Leistung und Pedalkräfte, wie Druck-, Schub-, Tangential-, ungenutzte Kräfte und Kettenkraft in Abhängigkeit vom Tretwinkel (α) dienen können.
Mittel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dass die gemessenen Pedalkräfte, Druck-(Fd), Schub-(Fs), Tangential-(Ft), ungenutzte- Kräfte (Fu) für eine Tretanalyse verwendet, angezeigt und/oder abrufbar gespeichert werden, zur Beurteilung der Trettechnik aus den Messergebnissen und dem Tretwirkungsgrad (ηtr = Ft·100/(Ft + Fu)) im gesamten Tretwinkelbereich (α).
Mittel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dass die Zeitdifferenz von einer minimalen oder maximalen zur nächsten minimalen oder maximalen ermittelten Pedalkraft, die in Abhängigkeit der Tretkurbel-Stellung entstehen, zur Bestimmung der Tretdrehzahl (n), Zeit einer Kurbelumdrehung (T) und den Tretwinkel (α) im zeitlichen Ablauf und auch zur Leistungsermittlung verwendet wird.
Mittel nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dass mindestens eine gemessene bzw. errechnete Kraft, und die Tretdrehzahl (n) und die ermittelte Leistung zur Fahrrad-Gang-Sollwertermittlung dienen und als Sollwerte der Gangschaltung wahlweise eine Pedalkraft oder die Antriebsleistung verwendet wird und alternativ bei Vorgabe der maximalen Antriebsleistung die Pedalkraft begrenzt werden kann.
Mittel nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dass die aus den Messwerten der Sensoren ermittelte Tretdrehzahl (n) und einer gemessenen Raddrehzahl (nr), die immer für die Ermittlung der Fahrstrecke und Geschwindigkeit erforderlich ist, die Übersetzung (i) errechnet wird (i = nr/n) und damit der Teilkreisdurchmesser (dl) des Antriebkettenrads bestimmt werden kann und bei der Gang-Sollwertermittlung dienlich ist.
Mittel nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dass auf der Kettenseite (6) und der gegenüber liegenden Seite (7) in das, mit dem Fahrradrahmen verbundene, Tretlagergehäuses (2) je eine Buchsen (17, 17a, 18) eingeschraubt oder eingesteckt wird, welche mit dem Tretlagermantel (1, 1a) fest verbunden ist, in dem Wälzlager (15) eingebaut sind, die auf einer Welle (9) sitzen und die radiale resultierende Kräfte (Ra, Rb) über die Tretlagermäntel (1, 1a) und die Buchsen (17, 17a, 18) auf das Tretlagergehäuse (2) übertragen und diese radialen resultierenden Kräfte (Ra, Rb) werden mit auf den Tretlagermänteln (1, 1a) oder den Buchsen (17, 17a, 18) angebrachte Sensoren (8) gemessen.
Mittel nach Anspruch 6, gekennzeichnet dass die Buchse (17, 17a) in das Tretlagergehäuses (2) eingeschraubt wird, auf eine durch die Sensoren (8) vorgegebene Winkellage, indem ein Kraftschluss durch Kleben oder Verspannen zwischen Tretlagergehäuse (2) und Buchse (17, 17a) erreicht wird, sowie durch eine Verspannung des Gewindes des Tretlagergehäuses (2) mit einer Kontermutter (14).
Mittel nach Anspruch 6, gekennzeichnet dass die Buchse (18) in das Tretlagergehäuses (2) eingesteckt wird, auf eine durch die Sensoren (8) vorgegebene Winkellage, wenn erforderlich auch auf einen kleinen Spalt zwischen den gegenüber liegenden Stirnseiten von Tretlagergehäuses (2) und Buchse (18), indem ein radialer – wenn nötig auch axialer –Anschlag zwischen der Buchse (18) und einem mit dem Tretlagergehäuses (2) verbundenen Fixierring (16) hergestellt wird.
Mittel nach Anspruch 6 bis 8, gekennzeichnet dass im Inneren zwischen Buchsen (17, 17a, 18) und Tretlagermantel (1, 1a) eine Ringkammer (5) vorhanden ist, in welcher sich die Sensoren (8) mit Verkabelung befinden und diese Verbindung zu einen nach außen geöffneten Kanalöffnung (13) hat, durch welche die Kabel zur Steuereinheit oder deren Sender geführt werden.
Mittel nach Anspruch 4, gekennzeichnet dass bei der Fahrrad-Gang-Sollwertermittlung: a) das Umschalten vom Ist- auf den Sollgang zeitlich dann aktiviert wird, wenn die Kettenkraft, vor den senkrechten Stellung der Tretkurbeln gering ist, damit die Pedalkraft während des Schattens nicht gemindert werden muss. b) während des Fahrens durch bedienerfreundliche Betätigungsmittel im und/oder am Fahrradgriff die Sollwerte in kleinen Stufen veränderbar sind, die Automatik abgeschaltet werden kann, damit der aktuelle Gang eingefroren wird und die Gänge, nach dem Stufensprung sortiert, nach oben und unten geschaltet werden können und alternativ jeweils für die Beschleunigungsphase eine kurzzeitige Sollwerterhöhung zulässt. c) vor dem Halt durch ein Signal der aktuelle Gang der Automatik um z. B. 3 Gänge zurückgeschaltet wird und z. B. 5 Sekunden nach dem Anfahren, auch nach Tagen, die Automatik wieder aktiv wird, nur dann auf den Soll-Gang geschaltet wird, wenn der errechnete Soll-Gang ein Übersetzungsverhältnis besitzt, welches mindestens um vorgegebene X% von dem des Ist-Gangs nach unten oder oben abweicht.