DE102010027010A1

DE102010027010A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung eines auf ein Fahrradantriebsmittel eingeleiteten wirksamen Drehmomentes

Info

Publication number: DE102010027010A1
Application number: DE201010027010
Authority: DE
Inventors: Michael Bogner; Markus Neubauer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2012-01-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines auf ein Fahrradantriebsmittel (14) eingeleiteten wirksamen Drehmomentes, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Erfassung einer ersten Kraftkomponente F2 in Richtung einer Zugkraft des Fahrradantriebsmittels (14) mittels eines ersten Kraftsensors (16) und eine Ermittlung des wirksamen Drehmomentes aus der ersten Kraftkomponente F2 und einer geometrischen Größe des Fahrradantriebsmittels (14).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines auf ein Fahrradantriebsmittel eingeleiteten wirksamen Drehmomentes.
Das Verfahren kann insbesondere bei solchen Fahrrädern Anwendung finden, die als Elektrofahrrad oder Pedelec ausgeführt sind, sodass ein als Hilfsantrieb wirkender Elektromotor des Fahrrades in Abhängigkeit von dem gemessenen vom Fahrer aufgebrachten Drehmoment gesteuert werden kann.
Aus der US 6,959,612 B2 ist ein Sensor bekannt, mit welchem das in einem Kettenrad eines Fahrrades auftretende Drehmoment gemessen werden kann. Die Messung erfolgt mittels Permanentmagneten, welche senkrecht zum Kettenblatt angeordnet sind und einen magnetischen Fluss im Material des Kettenblattes erzeugen. Eine Komponente des magnetischen Flusses ist abhängig von dem auf das Kettenblatt einwirkenden Drehmoment, was mithilfe des Sensors erfasst wird.
Die DE 37 22 728 C1 zeigt einen Leistungsmesser für einen Kurbelantrieb. Die an die Kurbel angreifende Kraft wird über ein Verformungselement auf eine Antriebsscheibe übertragen. Mithilfe von Dehnmessstreifen wird die Verformung des Verformungselementes gemessen. Nachteilig an dieser Lösung sind der erhöhte Aufwand zur Integration des Verformungselementes und der Aufwand zur Übertragung des Messsignals von der rotierenden Kurbel auf ein nicht rotierendes Teil.
Aus der DE 298 12 834 U1 ist eine Erfassungseinrichtung zum Messen einer Drehzahl und eines Drehmomentes bekannt, welche u. a. für Fahrräder vorgesehen ist. Die Erfassungsvorrichtung umfasst eine Hauptscheibe, welche über eine Federhalterung mit einer Erfassungsscheibe elastisch verbunden ist. An der Erfassungsscheibe sind Erfassungselemente angeordnet, deren Durchgang mithilfe eines Sensors erfasst wird.
Die DE 82 06 435 U1 zeigt ein Fahrrad mit einem Elektromotor. Zur Regelung der Motorleistung des Elektromotors wird ein Drehmoment eines sich am Fahrrad drehenden Bauteiles gemessen, beispielsweise das Drehmoment an einem Kettenrad mit geteilten Speichen. Die geteilten Speichen sind über Stege eines gummielastischen Körpers miteinander verbunden.
Die DE 196 14 744 A1 zeigt eine Vorrichtung zur optoelektronischen Leistungsmessung an Muskelkraftfahrzeugen. Die Vorrichtung umfasst einen geteilten Tretkurbelantrieb, dessen Kettenblatt auf einer Tretlagerwelle rotieren kann und sich gegen diese über ein elastisch verformbares Element abstützt. Auf dem Kettenblatt und auf der Tretlagerwelle sind ringförmig angeordnete Strichcodes aufgebracht. Mithilfe zweier Sensoren werden die Strichcodes optoelektronisch erfasst. Das verformbare Element kann beispielsweise durch Druck-, Zug- oder Blattfedern gebildet sein. Auch kann das elastisch verformbare Element durch einen hohlen Torsionskörper gebildet sein. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das elastisch verformbare Element durch mehrere ringförmig um die Tretlagerachse angeordnete Torsionsstäbe gebildet. Ein grundsätzlicher Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass zur Messung der Leistung ein zusätzliches elastisch verformbares Element erforderlich ist.
Aus der DE 101 52 553 A1 ist ein Radnabenmotor zum Nachrüsten an einem Fahrrad bekannt, bei dem die Steuerung und sämtliche Sensoren in die Radnabe integriert sind. Der Sensor misst die Biegebeanspruchung der Hinterachse im Wesentlichen in Richtung des Kettenzuges. Als Sensorelement kommt dabei vorzugsweise ein Dehnungsmessstreifen zum Einsatz.
Aus der EP 0 432 122 A2 ist ein Radnabenlager für ein Rad eine Fahrzeuges bekannt, welches Kraftsensoren zur Erfassung der Radaufstandskräfte umfasst. Die Einheit mit den Sensoren ist am stehenden Lagerring fixiert. Die Sensoren sind auf einem ringförmigen Träger um den Umfang verteilt und in bestimmter Ausrichtung relativ zur Rotationsachse des Rades angeordnet.
Die DE 10 2008 050 236 A1 betrifft ein Tretlager, das mit zwei Sensoren zur Erfassung von Drehmomenten ausgestattet ist. Die Sensoren umfassen jeweils Magnetisierungen, die sich aufgrund des magnetostriktiven Effektes verändern, sobald durch ein Drehmoment hervorgerufene mechanische Spannungen in der Tretlagerwelle auftreten, und Hall-Sensoren, die diese Veränderungen detektieren. Durch Differenzbildung der Sensorsignale wird auf das von der zweiten Tretkurbel eingebrachte Drehmoment geschlossen.
Aus der DE 101 05 298 C1 ist eine Radlagereinheit zum Messen der Kontaktkräfte zwischen Reifen und Straße bei allen Fahrsituationen bekannt. Die Informationen über die aktuell wirkenden Kräfte werden vom Fahrbetriebsregelsystem zur Optimierung des Bremsvorganges ausgewertet. Zur Messung der im Radlager wirkenden Kräfte sind Sensoren am feststehenden Teil des Lagers angeordnet.
Die bekannten Anordnungen zur Messung des aufgebrachten Drehmomentes sind konstruktiv aufwendig und fehleranfällig bei Verschmutzungen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein besonders einfaches Verfahren zur Ermittlung eines auf ein Fahrradantriebsmittel eingeleiteten wirksamen Drehmomentes bereitzustellen, das auf einfache Weise eine genaue Drehmomentermittlung zu jeder Zeit ermöglicht. Außerdem soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereit gestellt werden, welche kostengünstig herstellbar und einfach montierbar ist. Das gewonnene Signal, welches das Drehmoment repräsentiert soll dann insbesondere für die Steuerung eines Hilfsantriebs bereit stehen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung dienen der Messung eines von einem Fahrer eines Fahrrades aufgebrachten Drehmomentes zum Antrieb des Fahrrads.
Bei den meisten Ausführungsformen von Fahrrädern wird dieses Drehmoment dadurch aufgebracht, dass der Fahrer des Fahrrades mit seinen beiden Beinen zwei Tretkurbeln betätigt, die eine Tretlagerwelle antreiben. Bei anderen Ausführungsformen von Fahrrädern wird das Drehmoment beispielsweise über die Arme des Fahrradfahrers aufgebracht. Auch gibt es Fahrräder, die von mehreren Fahrern angetrieben werden.
Die Tretkurbeln sind in einem Tretlager gelagert und dienen dem Antrieb eines Fahrradantriebsmittels, das zumeist als Kette ausgeführt ist. Nachfolgend wird deshalb von einer Kette als Fahrradantriebsmittel gesprochen, obwohl die Erfindung selbstverständlich auf andere Fahrradantriebsmittel übertragbar ist.
Zur Steuerung eines elektrischen Hilfsantriebsmotors muss also bekanntermaßen das wirksame Drehmoment ermittelt werden, das auf die Fahrradkette mittels Tretkurbeln oder dergleichen eingeleitet wird.
Aus der Erkenntnis, dass die bei einem herkömmlichen Fahrrad durch die Pedale eingeleiteten Kräfte im Wesentlichen in vertikaler Richtung wirken und über ein Kettenblatt eine Zugkraft auf die Fahrradkette bewirken, die im Wesentlichen horizontal gerichtet ist, kann auf das an der Fahrradkette wirksame Drehmoment geschlossen werden, wenn der Durchmesser des Kettenblattes und die Neigung der Fahrradkette zur Horizontalen bekannt ist.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren wird dazu zumindest eine erste Kraftkomponente im Lager mittels eines Kraftsensors ermittelt. Da diese erste Kraftkomponente im Wesentlichen die wirksame Kettenzugkraft darstellt, kann aus der ersten Kraftkomponente und den geometrischen Kenngrößen des Fahrradantriebsmittels (Zähnezahl und Größe des Kettenblattes, Neigung der Fahrradkette) auf das wirksame Drehmoment geschlossen werden.
In einer einfachen Ausführungsform erfasst der Kraftsensor horizontal wirkende Lagerkräfte, welche annähernd der Kettenzugkraft entsprechen.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass eine genaue Erfassung des Drehmomentes mit äußerst einfachen Mitteln erreichbar ist. Lediglich das Tretlager oder Radlager eines Fahrrades muss mit dem entsprechenden Sensor und einer Auswerteelektronik ausgestattet werden.
Die Kraftsensoren sind vergleichsweise preiswert.
In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens wird zusätzlich eine zweite Kraftkomponente mittels eines zweiten Kraftsensors ermittelt. Aus den Kraftkomponenten kann dann die auf das Lager wirkende Gesamtkraft ermittelt und daraus auf das wirksame Drehmoment geschlossen werden.
Die Erfassung und Berechnung erfolgt vorzugsweise direkt im Lager durch eine integrierte Sensor- und Recheneinheit, die die Sensorsignale auswertet und verarbeitet. Die Recheneinheit führt dabei einen Rechenalgorithmus aus, der in einer bevorzugten Ausführungsform die Zähnezahlen des Kettenblattes und eines Ritzels berücksichtigt, um eine Neigung der Fahrradkette gegenüber der Horizontalen zu ermitteln. In der Recheneinheit kann außerdem ein gewählter Gang einer Schaltung berücksichtigt werden, der mittels einer Gangerkennung erfasst wird. Mit dem gewählten Gang sind die Durchmesser des Kettenblattes und des Ritzels bekannt, woraus das jeweils anliegende Drehmoment berechnet werden kann. Ist keine Gangschaltung vorhanden, so kann der Durchmesser des Kettenblattes fest in der Recheneinheit gespeichert sein.
Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform wird weiterhin ein von einem elektrischen Hilfsantrieb auf das Fahrradantriebsmittel eingeleitete Zusatzdrehmoment ermittelt und bei der Bestimmung des wirksamen Drehmomentes berücksichtigt. Das Zusatzdrehmoment kann beispielsweise aus Strom- und Spannungswerten und einer Drehzahl des Hilfsantriebes bestimmt werden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorzugsweise durch ein Tretlager gebildet, welches einen Kraftsensor zur Erfassung der ersten Kraftkomponente umfasst. Vorteilhafterweise ist der Kraftsensor am feststehenden Lagerring derart angeordnet, dass er die Lagerkräfte in Hauptwirkungsrichtung der Kettenzugkraft erfasst.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin einen zweiten Kraftsensor. Die Kraftsensoren sind dann vorzugsweise an dem feststehenden Lagerring um 90° zueinander versetzt angeordnet, um die 90° zueinander versetzten Kraftkomponenten zu ermitteln.
Bei den Kraftbedingungen an einem herkömmlichen Fahrrad ist die erste Kraftkomponente eine horizontale und die zweite Kraftkomponente eine vertikale Kraftkomponente. Selbstverständlich werden bei veränderter Lage der Fahrradkette und des Kettenblattes (z. B. beim Liegerad) die Kraftkomponenten entsprechend räumlich verlagert
Bei der Montage des erfindungsgemäß ausgerüsteten Tretlagers in ein Fahrrad ist auf die lagerichtige Montage und Anbringen einer Verdrehsicherung zu achten, damit die Sensoren tatsächlich die vertikale und horizontale Kraftkomponente erfassen. Zu diesem Zweck können Markierungen oder formschlüssige Montagehilfen vorgesehen sein. Vorteilhafterweise wird im eingebauten Zustand des Tretlagers ein erster Kalibrierungszyklus durchgeführt.
Die Kraftsensoren können beispielsweise piezoelektrische Sensoren sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sensoren durch eine Beschichtung auf einer Lauffläche des stehenden Lagerringes gebildet. Geeignete Kraftsensoren sind dem Fachmann bekannt, daher wird auf die speziellen Ausgestaltungsvarianten an dieser Stelle nicht näher eingegangen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Tretlagers mit zwei Kraftsensoren;
2: eine schematische Darstellung einer Kräfteverteilung an einer Tretkurbel.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Tretlagers 01 eines Fahrrades. Das Tretlager 01 umfasst einen Innenring 02, einen Außenring 03 sowie dazwischen gelagerte Wälzkörper 04. Der Außenring 03 ist mit einem nicht dargestellten Tretlagergehäuse in einem Fahrradrahmen drehfest verankert. Der Fahrradrahmen umfasst ausgehend vom Tretlager 01 ein Sitzrohr 06, ein Unterrohr 07 und Kettenstreben 08.
Eine Tretlagerwelle 09 ist mit dem Innenring 02 drehfest verbunden. An der Tretlagerwelle 09 sind Tretkurbeln 11 mit daran befestigten Pedalen 12 in bekannter Weise angeordnet. Außerdem ist ein Kettenrad 13 mit der Tretlagerwelle 09 verbunden um eine Fahrradkette 14, welche um das Kettenrad 13 und ein nicht dargestelltes Ritzel eines Hinterrads umläuft, anzutreiben.
Auf die Pedale 12 wirken Pedalkräfte F1 und F1', welche durch einen Fahrer des Fahrrades über die Tretkurbeln 11 in des Tretlager 01 eingebracht werden. Aus diesen Kräften resultiert ein Drehmoment, welches auf das Kettenrad 13 wirkt und dieses dreht. Daraus resultiert eine Kettenzugkraft F2, welche direkt zum Antrieb der Fahrradkette 14 dient. Sowohl die Pedalkräfte F1 und F1', als auch die Kettenzugkraft F2 stützen sich im Tretlager 01 ab und bewirken dort resultierende Gegenkräfte –(F1 + F1') und –F2x.
Durch einen ersten Kraftsensor 16 wird eine erste, horizontale Kraftkomponente erfasst. Vorteilhafterweise wird durch einen zweiten Kraftsensor 17, welcher um 90° versetzt am Außenring 03 des Tretlagers 01 angeordnet ist, eine zweite, vertikale Kraftkomponente erfasst. Mittels der Kraftsensoren 16, 17 lassen sich die Gegenkräfte –(F1 + F1') und –F2 ermitteln.
Ein Vergleich der bestimmten Kraftkomponenten ermöglicht eine Beurteilung über den Wirkungsgrad der Kraftübertragung von den Tretkurbeln 11 auf die Fahrradkette 14.
Aufgrund verschiedener Zähnezahlen von Kettenrad 13 und Ritzel weist die Fahrradkette 14 eine Neigung φ gegenüber der Horizontalen auf. Ist der Winkel φ bekannt, lässt sich mittels eines Rechenalgorithmus in einer Auswerteeinheit die wirksame Kettenzugkraft F2 ermitteln. Dabei muss beachtet werden, dass sich der Winkel φ bei Verwendung einer Gangschaltung je nach gewähltem Gang verändert. Dies muss im Rechenalgorithmus berücksichtigt werden, beispielsweise durch eine Gangerkennung.
In 2 ist der Einfluss der Pedalstellung und Tretkurbelstellung auf die Kraftkomponenten dargestellt. Das wirksame Drehmoment M berechnet sich aus dem Produkt von Durchmesser s des Kettenblattes 13 und der wirksamen Kettenkraft F2 (M2 = F2·s).
Im günstigsten Fall, also bei 3 Uhr und 9 Uhr Tretkurbelstellung wirkt nur eine vertikale Kraftkomponente F1 auf die Tretlagerwelle 09. Bei dieser Stellung entspricht die im Lager gemessene x-Komponente (in horizontaler Richtung) der Kettenkraft F2 (ohne Berücksichtigung der Neigung φ).
Wird das Pedal 12 bei anderen Tretkurbelstellungen verkippt (gestrichelte Darstellung in 2), so wird die im Tretlager 01 auftretende Abstützkraft –F2 um den Betrag der x-Komponente der Tretkraft F1 reduziert. Dabei wird der Fehler umso größer, je größer der Verkippungswinkel φ ist.
Nur in wenigen Ausnahmefällen (z. B. Wiegetritt bei Rennrädern) führt dieser Fehler zu einer größeren wirksamen Kettenkraft, bei der der Motor eine entsprechend größere Unterstützung liefern würde. Da die Hilfsantriebsmotoren in diesem Sektor nicht verwendet werden, wird dieser Fall hier vernachlässigt. In allen anderen Anwendungsfällen führt die Pedalverkippung zu einer geringfügigen Reduzierung der Unterstützung, welche vernachlässigt werden kann.
Da sich die Signale der Kraftsensoren 16, 17 in Abhängigkeit der Tretkurbelstellung ständig ändern, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Signale mindestens über eine Kurbelumdrehung zu mitteln. Dadurch wird auch der oben beschriebene Messfehler relativiert. Werden mehrere Kurbelumdrehungen für die Auswertung herangezogen, so ist es vorteilhaft, wenn immer der erste ermittelt Wert abgeschnitten und der neue Messwert an die Messwertreihe angehängt wird. Zur Realisierung dieser Funktion kann ein Impulszähler verwendet werden oder es erfolgt eine Auswertung der Minima/Maxima der Sensorsignale, woraus sich ebenfalls auf die Drehzahl bzw. Tretkurbelstellung schließen lässt. Somit wird ein geglättetes Signal erzeugt, was sich ideal für die Regelung eines Hilfsantriebsmotors eignet.
Bezugszeichenliste

01: Tretlager
02: Innenring
03: Außenring
04: Wälzkörper
05
06: Sitzrohr
07: Unterrohr
08: Kettenstrebe
09: Tretlagerwelle
10
11: Tretkurbel
12: Pedal
13: Kettenblatt
14: Fahrradkette
15
16: erster Kraftsensor
17: zweiter Kraftsensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6959612 B2 [0003]
DE 3722728 C1 [0004]
DE 29812834 U1 [0005]
DE 8206435 U1 [0006]
DE 19614744 A1 [0007]
DE 10152553 A1 [0008]
EP 0432122 A2 [0009]
DE 102008050236 A1 [0010]
DE 10105298 C1 [0011]

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines auf ein Fahrradantriebsmittel (14) eingeleiteten wirksamen Drehmomentes, folgende Schritte umfassend: – Erfassen einer ersten Kraftkomponente (F2) in Richtung einer Zugkraft des Fahrradantriebsmittels (14) mittels eines ersten Kraftsensors (16); – Ermitteln des wirksamen Drehmomentes aus der ersten Kraftkomponente (F2) und einer geometrischen Größe des Fahrradantriebsmittels.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin folgende Schritte umfasst: – Ermitteln einer zweiten Kraftkomponente (F1) mittels eines zweiten Kraftsensors (17); – Ermitteln einer Gesamtkraft aus den Kraftkomponenten; – Ermitteln des wirksamen Drehmomentes aus der Gesamtkraft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrradantriebsmittel eine Fahrradkette (14) ist, welche ein von einer Tretkurbel (11) antreibbares Kettenrad (13) und ein ein Rad antreibendes Ritzel umläuft, wobei als geometrische Größe eine Winkellage (φ) der Fahrradkette (14) in Abhängigkeit von Zähnezahl und Durchmesser des Ritzels und des Kettenrades (13) ermittelt wird und die Ermittlung des wirksamen Drehmomentes aus der ersten Kraftkomponente (F2) oder aus der Gesamtkraft und der Winkellage (φ) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein von einem elektrischen Hilfsantrieb auf das Fahrradantriebsmittel (14) eingeleitetes Zusatzdrehmoment ermittelt und bei der Ermittlung des wirksamen Drehmomentes berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzdrehmoment aus Strom- und Spannungswerten und einer Drehzahl des Hilfsantriebes ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Tretkurbelstellung erfasst wird, welche bei der Ermittlung der Gesamtkraft berücksichtigt wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend ein Wälzlager (01) mit einem rotierenden Lagerring und einem feststehenden Lagerring, mindestens einem ersten Kraftsensor (16) zur Erfassung einer ersten Kraftkomponente, wobei der erste Kraftsensor (16) am feststehenden Lagerring derart angeordnet ist, dass er die Kraftkomponente (F2) in Hauptwirkungsrichtung des Fahrradantriebsmittels (14) erfasst, und mit einem Signalprozessor zur Verarbeitung der von dem ersten Kraftsensor (16) empfangenen Messwerte.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zweiten Kraftsensor (17) zur Erfassung einer zweiten Kraftkomponente (F1) umfasst, wobei der erste (16) und er zweite Kraftsensor (17) um 90° zueinander versetzt im Wälzlager (01) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager ein Tretlager (01) oder ein Radlager eines angetriebenen Laufrades ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftsensoren (16, 17) durch einen beschichteten Abschnitt auf einer Laufbahn des feststehenden Lagerringes (03) gebildet sind.