DE102010021999A1

DE102010021999A1 - Verfahren und Luftstromsensor zur Leistungs- und Sollgangermittlung für Fahrräder

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Publication number: DE102010021999A1
Application number: DE102010021999A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-29
Filing date: 2010-05-29
Publication date: 2011-12-01

Abstract

Verfahren und Luftstromsensor zur Messung der Geschwindigkeit eines Radfahrers gegenüber der Luft, der seine Messwerte zusammen mit Messwerten von Geschwindigkeit, Weg und Steigung an einen Fahrradcomputers zur Auswertung weiterleitet, zur Ermittlung und Anzeige der Fahrerleistung und Tretkraft, alternativ mit Sollgangermittlung für Schaltungen eines Fahrrads. Herkömmlich wird bei Fahrradcomputern mit sekundär errechneten Leistungen, der auf den Fahrer zusätzliche oder abzüglich wirkende Wind und die Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte nicht, oder nur ungenau, berücksichtigt. Es kann so zu Abweichungen von mehreren 100% kommen. Anderseits sind diese Systeme preiswert und einfach nachzurüsten, gegenüber aufwendigen und viel teureren Systemen mit Sensoren welche primäre Messungen an der Krafteinleitung am Antrieb vornehmen und nur vom Fachmann montiert werden können. Vorgeschlagen werden Luftstromsensoren, welche den Wind berücksichtigen, die am Fahrradcomputer oder extern von diesem angebracht sind. Einmal erfolgt die Messung z. B. mittels eines am Fahrradcomputer (1 mit Sicht auf Display 20) angebrachten Federblechs (11) mit aufgeklebten Dehnmessstreifen (17), der nach der Fahrtrichtung (R) ausgerichtet ist. Anderseits in spezieller Weise durch einen, im Fahrradcomputer eingebauten, Differenzdrucktransmitter, der den auf den bewegten Radfahrer wirkenden Luftgesamtdruck abzüglich dem statischen Druck ermittelt, woraus der für den Luftwiderstand maßgebliche Differenzdruck errechnet wird. Ein vorgeschlagenes Verfahren ermöglicht die genaue Berechnung der vom Fahrer aufzuwendende Antriebskraft und Leistung inklusiv Beschleunigungskräfte, wobei der Luftwiderstandswert cwA und der Rollwiderstandswert cr vom System selbst individuell ermittelt wird. Nur mit wirklichkeitsnahen cwA und cr Werten ist eine genaue Berechnung der gesuchten Leistung möglich und sinnvoll.

Description

Verfahren und Luftstromsensor zur Messung der Geschwindigkeit eines Radfahrers gegenüber der Luft, der seine Messwerte zusammen mit Messwerten von Geschwindigkeit, Weg und Steigung an einen Fahrradcomputers zur Auswertung weiterleitet, zur Ermittlung und Anzeige der Fahrerleistung und Tretkraft, alternativ mit Sollgangermittlung für Schaltungen eines Fahrrads, welche den nach Vorgabe-Fahrerleistung oder -Tretkraft ermittelten Widerstands- und leistungsfähigkeitsabhängigen Sollgang aktuell. als Befehl an eine motorisch zu betätigende Schaltung (mit Gangaktuatoren) weiterleitet und/oder am Display anzeigt.
Stand der Technik:
Das Trainieren nur nach Herzfrequenz, wie seither, hat viele Nachteile. Die Wissenschaft empfiehlt zusätzlich auch für Hobby- und Amateursportler die Leistungskontrolle der tatsächlich umgesetzten Fahrerleistung. Deshalb ist die vorgeschlagene Leistungsmessung von Bedeutung.
Herkömmlich wird bei Fahrradcomputern mit sekundär errechneten Leistungen, der auf den Fahrer zusätzliche oder abzüglich wirkende Wind, d. h. die Gesamtgeschwindigkeit, nicht oder ungenau berücksichtigt. Ebenso die Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte. Es kann so zu Abweichungen von mehreren 100% kommen. Anderseits sind diese Systeme preiswert und der Fahrradcomputer und die externen Sensoren können leicht von jeder Person nachgerüstet werden.

Aufwendiger und viel teuerer sind Systeme mit primärer messenden Sensoren, an der Krafteinleitung am Antrieb. Bekannt sind unter folgende Namen solche straßentaugliche Systeme, welche sehr teuere Teile benötigen, die zur Nachrüstung nur vom Fachmann ausgewechselt werden können:

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 automatische Schaltungen, am Markt eine Ausnahme, da diese teuer und oder nicht in der Funktion befriedigen und ohne Ermittlung der Fahrerleistung sind. Viele Menschen haben mit ihrer handbetätigten Schaltung nicht die Übung, oder das Verständnis, den richtigen Gang, d. h. die Wegstrecke pro einer Tretkurbel-Umdrehung, zu wählen, um für Ihre Person die optimale Tretdrehzahl und Tretkraft zu erreichen. Man plagt sich unnötig. Häufiges Schalten und Konzentration ist im Training und Freizeitsport nötig, um die Fahrerleistung oder Tretkraft möglichst konstant zu halten. Oft Fehlschaltungen und Unachtsamkeit im Verkehr sind die Folge.
Bekannt sind viele Vorschläge für automatische Schaltungen:
Ein Beispiel; DE 197 41 709 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 996berücksichtigt, welche durch Streckensteigung, unterschiedlichen Luft- und Rollwiderstand usw. sehr variiert.
Aufgabenstellung:
Es soll eine einfache sekundär messende Lösung für die möglicht genaue Ermittlung aller Widerstände, auch den Luftwiderstand und die Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte, für die aufzubringende Fahrerleistung gefunden werden, mit einem Verfahren mit einer umfassenden Logik für den Fahrradcomputer. Alternativ erweiterbar zur Aktivierung oder Anzeige für den Sollgang einer automatische Schaltung. Einfache Montage für jedermann, ohne Veränderungen der am Fahrrad bereits vorhandenen Teile.
Für die Berechnung der Fahrerleistung ist der individuelle Luftwiderstandswert cwA und der Rollwiderstandswert cw sehr wichtig. cwA abhängig vom Fahrrad, Fahrergröße, dessen Sitzposition, Kleidung usw.. cw abhängig von Bereifung, Reifendruck, Fahrbahn usw.. Ohne genauere Kenntnis dieser beiden Werte, die je um mehr als 60% abweichen können, erhält man keine genügend genauen Berechnungsergebnisse und machen diese sinnlos. Deshalb ist eine Methode zur automatischen Bestimmung der momentan gültigen cwA- und cw-Werte erforderlich. Während der Fahrt soll eine Ermittlung möglich sein, wobei aktuell cwA und cr gleich vom Fahrradcomputer zur Berechnung übernommen werden.
Dies alles mit einem möglichst geringen Aufwand – damit preiswert – möglicht genau und sicher. Anzeigen von üblichen Fahrradcomputern, wie Geschwindigkeit, Gesamtkilometer, Tageskilometer, Durchschnittsgeschwindigkeit, Fahrtdauer, Temperatur, Herzfrequenz, Steigung und Uhrzeit sind Stand der Technik und sollen obige Funktionen ergänzen.
Lösung der Aufgabe:
Tabelle verwendeter Formelzeichen:

b: Beschleunigung der Masse m
cr: Rollwiderstandswert
cwA: Luftwiderstandswert bezogen auf Fahrer + Rad
D: Raddurchmesser vom Hinterrad
Fa: Antriebskraft am Umfang des Antriebsrads
Fb: Beschleunigungswiderstand
Ft: Luftwiderstand
Fr: Rollwiderstand
Fs: Steigungswiderstand
Ft: Tretkraft
g: Erdbeschleunigung
i: Übersetzung Zv/Zh
i_ist: Istwert Übersetzung
i_soll: Sollwert Übersetzung
L: Tretkurbellänge
m: Masse Radfahrer + Fahrrad
nr: Raddrehzahl hinten
n: Kurbeldrehzahl
s: Weg. Anfang s0, Ende s1
P: Fahrerleistung
v0: Geschwindigkeitsanfang der Zeitdifferenz Δt
v1: Geschwindigkeitsende der Zeitdifferenz Δt
v: Fahrgeschwindigkeit
v1: Luftgeschwindigkeit
vg: Gesamtgeschwindigkeit vg = v ± v1, bzw. Gesamtdruck minus statischer Druck
t0: Anfang der Zeitdifferenz Δt
t1: Ende der Zeitdifferenz Δt
Zh: hintere Zähnezahl
Zv: vordere Zähnezahl
αs: Steigungswinkel
Δp: Differenzdruckes am Differenzdrucktransmitter
Δs: Wegdifferenz in der Zeitdifferenz Δt, Δs = s1 – s0
Δt: Zeitdifferenz Δt = t1 – t0
Δv: Geschwindigkeitsdifferenz in der Zeitdifferenz Δt
ρ: Luftdichte

Bei dem Verfahren zur Berechnung der momentanen Kräfte bzw. Fahrerleistungen wird angenommen, dass während klein gewählten Differenzen von Fahrgeschwindigkeit Δv = v1 – v0, Zeit Δt = t1 – t0 und Weg Δs = s1 – s0 die Beschleunigung b konstant ist. Für die Gesamtgeschwindigkeit vg, die Fahrgeschwindigkeit v, den Steigungswinkel αs wird der Mittelwert innerhalb der Zeit Δt genommen. Der Fehler durch diese Annahmen ist vernachlässigbar klein. Sonst benötigte man Differentialgleichungen, die sehr aufwendig mit numerischer Mathematik gelöst werden müssen.
Für die Gesamtleistung ist der Mittelwert der momentanen Fahrerleistungen P zu verwenden, unter Berücksichtigung der jeweiligen Zeitdifferenzen Δt. Die Antriebskräfte bzw. Fahrerleistungen sind alle noch mit dem Wirkungsgrad des gesamten Kettenantriebs zu dividieren.

a) Messung Fahr- ± Luftgeschwindigkeit = Gesamtgeschwindigkeit vg, für den Luftwiderstand: • Neu. Ein Federblech direkt am Fahrradcomputer, oder extern an einem Gehäuse befestigt, auf welches der Luftstrom wirkt, bestückt mit einem Dehnmessstreifen DMS zur Messung der von der Gesamtgeschwindigkeit abhängigen Biegespannung. Oder das Federblech drückt zur Messwertbestimmung auf einen Druckaufnehmer. Ausführungen des als Blechstreifen ausgebildeten Federblechs: – Das Federblech, mit in der Mitte angebrachten DMS, liegt auf beiden Seiten frei auf. – Bei einseitig befestigtem Federblech, befindet sich der DMS in Nähe der Befestigungsseite. Bei Veränderung des elektrischen DMS-Widerstands errechnet man die Gesamtgeschwindigkeit vg. Luftwiderstand Fl = 0,5·cwA·ρ·vg² • Neu. Über ein Druckrohr im Fahrradcomputer Gehäuse, oder einem externen Gehäuse, wird der Luft-Gesamtdruck in Fahrtrichtung, auf einen im Gehäuse befindlichen Differenzdrucktransmitter (mit drucksensitiven Membranelement mit piezoelektrischen, induktiven oder kapazitiven Druckaufnehmer) gebracht und anderseits der statische, barometrische Druck, 90° zur Fahrtrichtung, über eine kleine Öffnung im Gehäuse, in windstiller Zone, zur Ermittlung der Differenzdrucks Δp. vg² = 2·Δp/ρ Luftwiderstand Fl = 0,5·cwA·ρ·vg² Bemerkung: Δp ist relativ gering. 1 km/h entspricht 0,0463 N/m², 10 km/h entspricht 4,63 N/m². Deshalb werden sehr empfindliche Luftstromsensoren benötigt. cwA Ermittlung siehe i).
b) Masse m von Fahrrad + Fahrer • ist in den Fahrragcomputer einzugeben, oder nur die vom Fahrrad, wenn ein Sensor am Sattel die Masse vom Fahrer ermittelt und eingibt. Dies hat den Vorteil, dass der richtige cwA-Wert berücksichtigt wird, wenn der Fahrer sitzt oder steht, oder ein Fahrerwechsel vorliegt.
c) Messung der Steigung, bzw. des Steigungswinkels αs zur Ermittlung des Steigungswiderstands Fs: • Mit barometrischen Drucksensoren, GPS oder einem Neigungssensor wird αs ermittelt. Dies ist bereits Stand der Technik. Steigungswiderstand Fs = m·g·sinαs
d) Ermittlung des Rollwiderstands Fr = m·g·cr: • Der Rollwiderstandswert cr, z. B. 0,003 bis 0,008 ist vor allem von der Bereifung, Druck und Straße abhängig. cr Ermittlung siehe i)
e) Messung der Fahrgeschwindigkeit, Weg, Tretfrequenz sowie Zeit; • Fahrgeschwindigkeit v und Weg s mit Raddrehzahl nr und Tretfrequenz mit Kurbeldrehzahl n, werden auf herkömmliche Weise mit Messimpulsen bei den Drehbewegungen gemessen. v und s auch mit GPS. Im Fahrradcomputer befindet sich ein Zeitmeßsystem, welches für die Uhr bereits vorhanden ist.
f) Beschleunigungskräfte: • Die Trägheitskraft der Masse m muss bei der Beschleunigung vom Fahrer aufgebracht werden und wird bei Verzögerung wieder abgezogen. Beim Bremsen geht diese Energie verloren. Bei Stillstand der Tretkurbel (n = 0), auch beim Bremsen ist momentan Fa und P ist Null. Es ist sehr wichtig die geradlinige Trägheitskraft zu berücksichtigen, da diese Beschleunigungsleistung im Stadtverkehr 1/3 der gesamten aufgebrachten Fahrerleistung sein kann. Die Beschleunigungskräfte bezogen auf die Rotation der beiden Räder ist vernachlässigbar, gegenüber der sonstigen wirkenden Kräfte, kann aber mit einbezogen werden. Beschleunigungswiderstand während der Geschwindigkeitsdifferenz Δv = v1 – v0: Fb = m·b = m·(v1 – v0)/Δt. Fb wird bei Verzögerung negativ. Weiteres siehe g)
g) Formeln zur Berechnung der wichtigsten gesuchten Größen, woraus auch die Formeln für die Sollwerte der Übersetzung i_soll und damit der Sollgang, bezogen auf die Vorgabe der Gesamtleistung oder Tretkraft, abgeleitet werden können: • Die aufzubringende Antriebskraft Fa ist mit dem „Zweiten Newtonschen Gesetz” ermittelt: Beschleunigungswiderstand Fb = m·(v1 – v0)/Δt = Fa – Fr – Fl – Fs Antriebskraft in der Zeitdifferenz Δt = t1 – t0 : Fa = Fr + Fl + Fs + m·(v1 – v0)/Δt Berechnung mit Arbeitssatz über Weg Δs: Fa = Fs + Fl + Fr – 0,5·m·(v0² – v1²)/Δs Kräfte werden minus: Fs bei Gefälle, Fb bei Verzögerung und Fl bei großen Rückenwind vg < 0. Die Antriebskraft Fa ist nur dann wirksam wenn getreten wird, wenn n = 0 ist. • Fahrerleistung innerhalb der Zeitdifferenz Δt = t1 – t0: P = Fa·(v0 + v1)/2, • Fahrgeschwindigkeit v = D·π·nr • Tretkraft Mittelwert einer Kurbelumdrehung innerhalb der Zeitdifferenz Δt = t0 – t1: Ft = D·i_ist·Fa/(2·L) • Ist-Übersetzung i_ist = nr/n und entsprechender Gang. • Soll-Übersetzung i_soll = Ft·2·L/(D·Fa)
i) Ermittlung von cwA und cr mit dem Fahrradcomputer bezogen auf Rad, Fahrer, Sitzposition und Straße: • cwA und er, einschließlich Lagerreibung, werden im Ausrollmodus ermittelt, wenn nicht getreten wird und vorher auf z. B. v = 25 km/h beschleunigt wurde. Der Wind, die Steigung oder das Gefälle sollen während der Messung nicht zu groß sein. Für die Fahrbahn (Asphalt, Schotter) sollte eine mittlerer Zustand der zu erwartender Strecke gewählt werden. Masse m von Fahrer + Fahrrad muss in der Fahrradcomputer eingegeben sein. Zur Berechnung wird eine konstante negative Beschleunigung für die Funktion v(t) bzw. s(t) während Δv bzw. Δs angenommen. Der Fehler ist bei kleinen Δv- bzw. Δs- Werten vernachlässigbar. Für die Berechnung sind während dem Ausrollmodus jeweils 2 Messungen erforderlich. Z. B. von Fahrgeschwindigkeit v0 = 25 bis v1 = 20 km/h zu ermitteln Δt, (Δs), vg, αs z. B. von Fahrgeschwindigkeit v0' = 20 bis v1' = 15 km/h zu ermitteln Δt', (Δs'), vg', αs' Aus den 2 mal 5 Werten (v0, v1, Δt, (Δs), vg, αs) können mit den 2 folgenden Lösungsarten cwA und cr, mit je 2 Gleichungen für die 2 Unbekannten, berechnet werden: • 1. Lösungsart mit dem „Zweiten Newtonschen Gesetz” über die Zeitdifferenz Δt: Gleichung für 1. Messung: m·(v1 – v0)/Δt = –Fr – Fl – Fs Gleichung für 2. Messung: m·(v1' – v0')/Δt' = –Fr – Fl' – Fs' • 2. Lösungsart mit dem Kinetik-Arbeitssatz über die Wegdifferenz Δs: Gleichung für 1. Messung: 0,5·m·(v0² – v1²)/Δs = Fr + Fl + Fs Gleichung für 2. Messung: 0,5·m·(v0^'2 – v^'2)/Δs' = Fr + Fl' + Fs' • Alternativ kann die Berechnung mit der 1. oder 2. Lösungsart vereinfacht werden und man benötigt dazu keine Sensorwerte für αs, αs' und die Gesamtgeschwindigkeit vg, vg', denn Gesamtgeschwindigkeit = Fahrgeschwindigkeit wenn der Auslaufmodus auf ebener Strecke und bei Windstille durchgeführt wird.

Weitere Einzelheiten und genauere Ausgestaltung, siehe Ausführungsbeispiele und Patentansprüche.
Ausführungsbeispiele:
1: Ein Fahrradcomputer 1 mit Grundteil 2 und Display 20, an dem ein abgewinkeltes frei tragendes Federblech 11 mit dem kurzen Schenkel am Grundteil 2 angeklebt ist. Wird das Federblech 11 mit dem Luftstrom gegen die Fahrtrichtung R angeblasen, so verbiegt sich dieses federnd maximal bis zur Anschlagfläche 14. Ein Dehnmessstreifen DMS 17, in der Nähe einer schützenden Kammer 21 des Grundteils 2, ist in der Nähe des kurzen Schenkels des Federblechs 11 aufgeklebt und misst über die Widerstandsänderung die Biegespannung. Die Biegespannung rechnet der Fahrradcomputer in den Luftwiderstand um.
2: Seitenansicht A der 1 des Fahrradcomputers 1, mit Funktionstasten 10, dem am Grundteil 2 befestigten Deckel 3, an dem ein Befestigungsschuh 8 angeformt ist, der in einem nicht dargestellten Zwischenstück sitzt, welches am Lenkerrohr 5 befestigt ist. Der Neigungswinkel W, von der Fahrbahn zum Display 20, ist der mittlere praktizierte Winkel W damit der Fahrer einen guten Blick auf das Display hat. In dieser justierten Stellung soll die Wirkfläche des Federblechs 11 möglichst senkrecht zur Fahrbahn ausgerichtet sein, denn in dieser Stellung ist der Luftstromsensor kalibriert.
Fehler durch Abweichungen vom Sollwert 90° der Wirkfläche des Federblechs 11 zur Fahrbahn: ± 5° etwa 0,4%, 10°/1,5%, 15°/3,5% und 20°/6% Fehler der jeweiligen Messwerte. Diese relative Unempfindlichkeit rechtfertigt eine starre Winkellage 90°-W der Wirkfläche des Federblechs 11 zum Display 20 und eine Einstellung nur nach Augenmaß.
3 Alternativ zur 1 ist hier ein nicht abgewinkeltes und beidseitig frei aufliegendes Federblech 12 dargestellt, welches beidseitig mit etwa 0,2 mm Abstand zur Auflage am Grundteil 2 mit einem Klebestreifen 18 am Grundteil 2 beidseitig befestigt ist. Statt der Klebestreifen 18 können auch am Grundteil 2 angeklebter Blechwinkel verwendet werden. Der DMS 17 ist hier in der Mitte des Federblechs 12 auf der Innenseite angeklebt. Das Federblech 12 wird durch die gekrümmte Anschlagfläche 17 vor unzulässig großen Kräften geschützt.
4 Alternativ zur 2 ist hier der Winkel 90° von der Wirkfläche des Federblechs 11 zum Display 20, statt 90°-W. Der Neigungswinkel W zur Fahrtrichtung R ist beim Kalibrieren des Sensors berücksichtigt. Bei der Montage des Fahrradcomputers 1 ist dann dieser annähernd nach der horizontalen Markierung H, oder der vertikalen Markierung V auszurichten.
5: Fahrradcomputer 1 mit Sicht auf das im Grundteil 2 befindliche Display 20, mit dem am Grundteil 2 mittels der Schwenkschrauben 13 befestigten Schwenkbügel 9. Das abgewinkelte frei tragende Federblechs 12 ist mit dem kurzen Schenkel am Schwenkbügel 9 seitlich angeklebt und kann um die Achse der Schwenkschrauben 13 so geschwenkt werden, dass die Wirkfläche des Federblechs 12 senkrecht zur Fahrbahn steht. Der federnde Schenkel des Federblechs 11 kann schützend maximal bis zur Anschlagfläche 14 bewegt werden.
6: Der externe Luftstromsensor 22 besitzt als Grundteil die Dose 7, die mit 2 Befestigungselementen 19 am Fahrradrahmen 6 befestigt ist. Mit der Dose 7 ist der Runddeckel 15, mit angeformtem Schutzbügel 15a und aufgeklebten frei tragenden Federblech 11 mit DMS 17, über die Schnappverbindung 4 (siehe 6a) drehbar und dichtend verbunden. Die Wirkfläche des Federblechs 11 kann, dank der Schnappverbindung 4 und der Befestigung mit den Befestigungselementen 19, zur Fahrtrichtung R und Fahrbahn in 2 Ebenen ausgerichtet werden. Die komplette Platine 30, mit angeschlossenen DMS 17 ist im Runddeckel 15 befestigt. Der Batteriedeckel 29 mit Batterie ist in dem Runddeckel 15 eingeschraubt, so dass die Platine 30 mit Strom versorgt wird.
6a: Teilansicht B von 6 mit Darstellung der Schnappverbindung 4. Der Runddeckel 15 greift mit einem umlaufenden Wulst in eine Ringnut der Dose 7.
7: Seitenansicht des externen Luftstromsensors 22 von 6. Bestehend aus Dose 7, mit der Schnappverbindung 4 daran befestigtem Runddeckel 15. Schutzbügel 15a, Federblech 11, Platine 30 und Batterie mit Batteriedeckel 29 sind mit dem Runddeckel 15 verbunden. An den Stirnflächen 15b des Schutzbügel 15a sind zum Schutz des DMS 17 und des Federblechs 11 Gitterstäbe oder ein Gitter angebracht. Über die Dose 7 ist der Luftstromsensor 22 mit den 2 Befestigungselementen 19 am Fahrradrahmen 6 befestigt.
8: Im Fahrradcomputer 1 befindet sich der Differenzdrucktransmitter 16 eingeschlossen im Grundteil 2 mit Funktionstasten 10 und Display 20 sowie Deckel 3 mit Befestigungsschuh 8. Der Differenzdrucktransmitter 16 besitzt den Luftanschluss pg für den Gesamtdruck und den Luftanschluss ps für den statischen Druck. Der Nippel vom Luftanschluss pg ist dichtend in die Bohrung des Staurohrs 24 eingefügt. Das Staurohr 24, befestigt im Grundteil 2, ist möglichst parallel zur Fahrbahn und Fahrtrichtung ausgerichtet. Der Neigungswinkel W von der Fahrbahn zum Display 20 ist so gewählt, dass der Fahrer das Display 20 gut im Auge hat. Über die am Fahrradcomputer 1 angebracht Öffnungen 23 in einer beruhigten Luftzone baut sich im Fahrradcomputer 1 der statische Druck auf, der über den Luftanschluss ps dem Differenzdrucktransmitter 16 zugeführt wird.
9: Alternativ kann dem Differenzdrucktransmitter 16 der Gesamtdruck von dem im Grundteil 2 befestigten Schlauchstaurohr 25 mittels eines Schlauchs 26 zugeführt werden.
10: Der Fahrradcomputer 1 entspricht dem der 8, jedoch sitzt der Differenzdrucktransmitter 16 direkt in einer Bohrung des Grundteils 2, welche als Druckrohr ausgebildet ist.
11: Der Fahrradcomputer 1 entspricht dem der 8, jedoch sitzt der Differenzdrucktransmitter 16 in einem Kugelstaurohr 28, welches gegenüber des Grundteils 2 justierend in die Fahrtrichtung R und parallel zur Fahrbahn geschwenkt werden kann.
12: Der Fahrradcomputer 1 entspricht dem der 11, jedoch ist der Differenzdrucktransmitter 16 über einem Schlauch 26 mit einem Kugelstaurohr 28 verbunden, welches gegenüber des Grundteils 2 justierend in die Fahrtrichtung geschwenkt werden kann.
13: Der externe Luftstromsensor 22a besitzt als Grundteil die Dose 7, die mit 2 Befestigungselementen 19 am Fahrradrahmen 6 befestigt ist. Mit der Dose 7 ist der Runddeckel 15, über die Schnappverbindung 4 (siehe 6a) drehbar und dichtend verbunden. Im Runddeckel 15 sind an den Gehäusestaurohren 27/27a zwei Differenzdrucktransmitter 16/16a so angebracht, dass einem davon der Gesamtdruck aus der Fahrtrichtung R über den Luftanschluss pg zugeleitet wird und dem anderen aus der gegenüber liegenden Seite. Es ist so möglich von beiden Seiten zu messen. Über die an der Dose 7 angebrachte Öffnungen 23, in einer beruhigten Luftzone, baut sich im Luftstromsensor 22a der statische Druck auf, der über die Luftanschlüsse ps den Differenzdrucktransmittern 16/16a zugeführt wird. Die komplette Platine 30 ist im Runddeckel 15 befestigt. Der Batteriedeckel 29 mit Batterie ist in dem Runddeckel 15 eingeschraubt, so dass die Platine 30 mit Strom versorgt wird. Die Gehäusestaurohre 27/27a können mittels der Schnappverbindung 4 und der Befestigung mit den Befestigungselementen 19 zur Fahrtrichtung R in 2 Ebenen justierend ausgerichtet werden.

14: Der externe Luftstromsensor 22a entspricht im Wesentlichen dem der 13, nur haben die Dose 7 und der Runddeckel 15 einen kleineren Durchmesser, da hier nur ein Differenzdrucktransmittern 16, in Fahrtrichtung ausgerichtet, vorgesehen ist. Bezugszeichenliste:

1	Fahrradcomputer
2	Gehäuse
3	Deckel
4	Schnappverbindung
5	Lenkerrohr
6	Fahrradrahmen
7	Dose
8	Befestigungsschuh
9	Schwenkbügel
10	Funktionstaste
11	Federblech frei tragend
12	Federblech frei aufliegend
13	Schwenkschraube
14	Anschlagfläche
15	Runddeckel
15a	Schutzbügel am Ruddeckel
15c	Schutzbügel Stirnfläche
16	Differenzdrucktransmitter
17	Dehnmessstreifen DMS
18	Klebestreifen
19	Befestigungselement
20	Dislay
21	Kammer
22	Luftstromsensor extern
23	Öffnung
24	Staurohr
25	Schlauchstaurohr
26	Schlauch
27	Gehäusestaurohr
28	Kugelstaurohr
29	Batteriedeckel
30	Platine
H	horizontale Marke
pg	Anschuss Gesamtdruck
ps	Anschluss statischer Druck
R	Fahrtrichtung
V	vertikale Marke
W	Neigungswinkel
αs	Steigungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19741709 A1 [0006]

Claims

Verfahren und Luftstromsensor zur Messung der Geschwindigkeit eines Radfahrers gegenüber der Luft, der seine Messwerte zusammen mit Messwerten von Geschwindigkeit, Weg und Steigung an einen Fahrradcomputers zur Auswertung weiterleitet, zur Ermittlung und Anzeige der Fahrerleistung und Tretkraft, alternativ mit Sollgangermittlung für Schaltungen eines Fahrrads, welche den nach Vorgabe-Fahrerleistung oder -Tretkraft ermittelten Widerstands- und leistungsfähigkeitsabhängigen Sollgang aktuell als Befehl an eine motorisch zu betätigende Schaltung (mit Gangaktuatoren) weiterleitet und/oder am Display anzeigt, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verfahren für die Ermittlung zur Fortbewegung nötige Antriebskraft (Fa), Fahrerleistung (P), Tretkraft (Ft) und/oder Sollgangermittlung nach Vorgaben Kurbeldrehzahl, Fahrerleistung oder Tretkraft, mindestens die folgenden Funktionen und Berechnungen berücksichtigt werden: a) Steigungswiderstand (Fs) mit Steigungswinkel αs, mit GPS oder Neigungssensor ermittelt, b) Beschleunigungswiderstand (Fb) = Masse mal ± Beschleunigung, während des Tretens, c) Raddrehzahl (nr) oder GPS, für Fahrgeschwindigkeit (v) und Weg (s), sowie Kurbeldrehzahl (n) für Tretfrequenz. d) Rollwiderstand (Fr) mittels Rollwiderstandswert cr e) Luftwiderstand (Fl) mittels Luftwiderstandswert cwA, gemäß der Gesamtgeschwindigkeit (vg), die vorwiegend mit dem Luftstromsensor nach folgenden Ansprüchen gemessen wird. f) Masse (m) von Fahrrad + Fahrer in den Fahrradcomputer von Hand eingegeben, oder nur die Masse vom Fahrrad und die Masse vom Fahrer wird über einen Sensor am Sattel ermittelte und eingegeben. g) cwA und cr werden im Ausrollmodus aus z. B. 25 km/h im Fahrradcomputer ermittelt, wenn nicht getreten wird und danach werden bei je 2 kleinen Differenzen der Geschwindigkeit (v0 bis v1 und v0' bis v1'), die Zeitdifferenzen (Δt, Δt') bzw. Wegdifferenzen (Δs, As'), sowie die Gesamtgeschwindigkeiten (vg, vg') und die Steigungswinkel (αs, αs') registriert, um aus diesen Werten (v0, v1, v0', v1', Δt, Δt', Δs, Δs', αs, αs', vg, vg'), sowie Masse (m), Luftdichte (ρ) und Erdbeschleunigung (g) mit Hilfe dem „Zweiten Newtonschen Gesetz” (m·(v1 – v0)/Δt = –Fr – Fl – Fs) oder dem „Kinetik-Arbeitssatz” (0,5·m·(v0² – v1²)/As = Fr + Fl + Fs) cwA und cr zu ermitteln. h) cwA und cr Ermittlung gemäß Ziffer g), jedoch bei Windstille, d. h wirksame Gesamtgeschwindigkeit (vg) ist Fahrgeschwindigkeit (v) und die Fahrbahn ist horizontal, d. h. Steigungswinkel (αs) ist Null, wobei diese beiden Sensorwerte nicht benötigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dass zur Berechnung der momentanen Antriebskräfte (Fa) bzw. Fahrerleistungen (P = Fa·(v0 + v1)/2) angenommen wird, dass während klein gewählten Differenzen der Fahrgeschwindigkeit (Δv = v1 – v0), Zeit (Δt = t1 – t0) und Weg (Δs = s1 – s0) die Beschleunigung konstant ist und für die Gesamtgeschwindigkeit (vg = v ± v1) wird der Mittelwert verwendet und aus den zugrunde gelegten, bzw. gemessenen Werten (v0, v1, Δt, Δs, αs, vg), sowie Masse (m), Luftdichte (ρ) und Erdbeschleunigung (g) mit Hilfe dem „Zweiten Newtonschen Gesetz” ist für die Zeitdifferenz (Δt = t1 – t0) die Antriebskraft (Fa = Fr + Fl + Fs + m·(v1 – v0)/Δt) zu berechnen, oder nach dem „Kinetik-Arbeitssatz” für die Wegdifferenz (Δs) die Antriebskraft (Fa = Fs + Fl + Fr – 0,5·m·(v0² – v1²)/Δs).
Luftstromsensor nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dass die für den Luftwiderstand maßgebliche Gesamtgeschwindigkeit (vg = v ± v1) auf ein Federblech (11, 12) aus einem federnden Material wirkt, angebracht am Fahrradcomputer (1) oder einem externen Gehäuse, wobei die wirksame Fläche annähernd zur Fahrtrichtung ausgerichtet ist und die durch die Luftbewegung entstandene Biegespannung mit einem auf dem Federblech (11, 12) aufgeklebten Dehnmessstreifen (DMS) gemessen und als Gesamtgeschwindigkeit (vg) ausgewertet wird.
Luftstromsensor nach Anspruch 3, gekennzeichnet dass das streifenförmige Federblech (11) auf einer Seite befestigt und frei tragend ist, oder das Federblech (12) frei beiderseits aufliegt und auf unzulässige Verbiegung, gegen bleibender Verformung, durch eine Anschlagfläche (14) geschützt ist, wenn nötig zusätzlich an der Anströmseite durch ein Sieb oder Gitterstäbe.
Luftstromsensor nach Anspruch 3 bis 4, gekennzeichnet dass sich die Wirkfläche des Federblechs (11, 12) am Fahrradcomputer (1) an der, mit 90° zur Fahrbahn ausgerichteten, Stirnseite des Fahrradcomputer (1) in Fahrtrichtung (R) befindet und der optimale Neigungswinkel (W) von der Fahrbahn zum Display (20) konstruktiv so gewählt ist, dass der Fahrer das Display (20) gut im Auge hat, oder dass sich die Wirkfläche des an einem Schwenkbügel (9) befestigten Federblechs (11, 12) an der mit der Gesamtgeschwindigkeit beaufschlagten Seite des Fahrradcomputer (1) befindet und der Schwenkbügel (9) durch Schwenken so justiert werden kann, dass die Wirkfläche des Federblechs (11, 12) auf 90° zur Fahrbahn ausgerichtet ist.
Luftstromsensor nach Anspruch 4, gekennzeichnet dass die Breite des Federblechs (11, 12) im Bereich des aufgeklebten Dehnmessstreifens (17) verringert ist, um die zu messende Biegespannung zu erhöhen und damit den Luftstromsensor empfindlicher zu machen
Luftstromsensor nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet, dass die für den Luftwiderstand maßgebliche Gesamtgeschwindigkeit (vg) mittels eines Differenzdrucktransmitters (16), mit drucksensitiven Membranelement mit piezoelektrischen, induktiven oder kapazitiven Druckaufnehmer, im Gehäuse eines Fahrradcomputer (1) oder eines externen Luftstromsensor, durch den „Differenzdruck Δp = Gesamtdruck minus statischer Druck” ermittelt wird, wobei über ein nach der Fahrtrichtung (R) und der Fahrbahn parallel ausgerichtetes und im Gehäuses (2) dicht umschlossenes Staurohr (24, 25, 27, 28) die Membrane mit dem Gesamtdruck einerseits beaufschlagt und anderseits mit dem statischen Druck des Innenraums vom Gehäuses (2), der Verbindung über eine Öffnung (23) zur Atmosphäre an einer von der Luftströmung geschützten Stelle hat, oder es werden 2 getrennte sehr empfindliche barometrische Druckaufnehmer verwendet, mit Beaufschlagung des Gesamtdrucks des einen und mit dem statischen Drucks in beruhigter Zone des andere, wobei die Gesamtgeschwindigkeit (vg) aus der Druckdifferenz (Δp) und der Luftdichte (ρ) berechnet werden kann (vg² = 2·Δp/ρ).
Luftstromsensor nach Anspruch 7, gekennzeichnet dass das in Fahrtrichtung (R) ausgerichtete Staurohr (24, 25, 27) eine starre Lage im Fahrradcomputer (1) hat und der Neigungswinkel (W) von der Fahrbahn zum Display (20) ist so gewählt, dass der Fahrer das Display (20) gut im Auge hat.
Luftstromsensor nach Anspruch 7, gekennzeichnet dass ein horizontal und vertikal schwenkbares Kugelstaurohr (28) im Fahrradcomputer (1) parallel zur Fahrtrichtung und Fahrbahn ausgerichtet werden kann.
Luftstromsensor nach Anspruch 3 und 7, gekennzeichnet dass dieser extern zum Fahrradcomputer (1) angebracht ist und aus einer am Fahrrad befestigten Dose (7) mit einem durch eine Schnappverbindung (4) verbundenen Runddeckel (15) besteht und am Runddeckel (15) ein Federblech (11, 12) oder ein Differenzdrucktransmitter (16), sowie eine Platine (30) und Batterie befestigt sind, wobei mittels Drehen an der Schnappverbindung (4) und der Befestigungselemente (19) am Fahrradrahmen das Federblech (11, 12) oder das Staurohr (24, 25, 27, 28) des Differenzdrucktransmitters (16) in 2 Ebenen zur Fahrtrichtung und Fahrbahn ausgerichtet werden können.