DE102010031848A1

DE102010031848A1 - Tretlager für ein Fahrrad

Info

Publication number: DE102010031848A1
Application number: DE201010031848
Authority: DE
Inventors: Michael Bogner; Frank Benkert; Markus Neubauer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-01-26
Also published as: WO2012010344A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Tretlager für ein Fahrrad. Das Tretlager umfasst eine Tretlagerwelle (01), ein Tretlagergehäuse (03) mit zwei an den seitlichen Enden des Tretlagergehäuses (03) angeordneten Wälzlagern (02) zur Lagerung der Tretlagerwelle (01) und einen innerhalb des Tretlagergehäuses (03) angeordneten Drehmomentsensor zur Erfassung eines auf die Tretlagerwelle (01) ausgeübten Drehmomentes. Erfindungsgemäß umfasst der Drehmomentsensor einen Hallsensor (09), einen Dauermagneten (11) und eine ferromagnetische Marke (12), wobei der Dauermagnet (11) und die Marke (12) radial voneinander beabstandet an der Tretlagerwelle (01) angeordnet sind und wobei der Hallsensor (09) eine Lageveränderung zwischen dem Dauermagneten (11) und der Marke (12) bei einer Torsion der Tretlagerwelle (01) erfasst, welche durch die Einleitung des Drehmomentes erfolgt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Tretlager für ein Fahrrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Als Tretlager oder Innenlager werden zusammenfassend die Lager am Fahrrad bezeichnet, in denen die Tretlagerwelle gelagert ist, an der wiederum die Tretkurbeln befestigt sind. Ein gattungsgemäßes Tretlager umfasst ein Tretlagergehäuse, in welchem an den seitlichen Enden Wälzlager zur drehbaren Lagerung der Tretlagerwelle angeordnet sind.
Bei Elektrofahrrädern, welche hybrid mit Elektromotor und Muskelkraft betrieben werden (pedelec – pedal electric cycle), erfolgt eine Motorunterstützung nur in Abhängigkeit von dem auf die Tretkurbeln eingebrachten Drehmoment. Daher ist es für die Steuerung des Elektromotors von Bedeutung, das auf die Tretlagerwelle aufgebrachte Drehmoment zu erfassen.
Für das Einschalten oder die Steuerung des Elektromotors in einem pedelec gibt es mehrere Möglichkeiten. Beispielsweise kann die Kraft oder das Drehmoment über das Signal eines Kraftsensors an den Pedalen der Tretkurbel, der Kette oder am Rad gemessen werden. Die Messung kann mechanisch oder elektronisch weiterverarbeitet werden und dient dazu, den Motor ein- und auszuschalten oder anhand einer Steuerfunktion zur Unterstützung des Fahrradfahrers stufenlos zu regeln. Die eingespeiste Leistung des Elektromotors wird aufgrund der Sensordaten (Kraftsensor, Kurbeldrehzahl, Fahrgeschwindigkeit) in Abhängigkeit vom gewählten Unterstützungsgrad von der Motorsteuerung berechnet.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten der Drehmomentermittlung beispielsweise für Lenkvorrichtungen oder bei Tretlagern von Fahrrädern bekannt.
Aus der DE 698 34 528 T2 ist ein magnetostriktiver Drehmomentsensor bekannt, bei dem ein magnetostriktiver Ring aus einem Verbundmaterial auf der Basis von Seltenerdmetallen auf eine Welle aufgesetzt oder in sie eingesetzt ist. Im drehmomentfreien Zustand herrscht ein azimutal umlaufendes Magnetfeld innerhalb des Rings, das durch Eindringen eines Drehmoments gestört wird, sodass ein resultierendes axiales Magnetfeld als Indikator des Drehmomentes entsteht.
Aus der DE 44 31 029 A1 ist ein Drehmomentmesswertgeber für einen Fahrradcomputer bekannt. Hierbei sind zwei Permeabilitätsscheiben in einem konstanten Abstand auf einer Welle angeordnet. Die Permeabilitätsscheiben weisen hierzu in tangentialer Richtung eine veränderliche Permeabilität auf. Weiterhin sind jeweils ein Permanentmagnet, ein Umformer und unter Umständen auch ferromagnetisches Material feststehend in der Nähe beider Kreisscheiben angeordnet. Bei Verdrehung der Welle durchstreifen die Permeabilitätsscheiben den Luftspalt des magnetischen Kreises. Dabei finden Veränderungen des magnetischen Flusses statt, welche am Umformer (Hall-Sensor) detektiert werden. Eine Verdrehung der Welle bewirkt so eine Phasenverschiebung beider Umformersignale zueinander. Die Phasenverschiebung, bezogen auf die Periodenlänge eines Signals, ist letztendlich dem Drehmoment proportional. Die Vorrichtung wird für eine Hinterradnabe eines Fahrrades oder für eine Tretlagerwelle eines Fahrrades vorgeschlagen.
Die DE 198 53 734 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes an einem Kurbeldrehpunkt. Diese Vorrichtung ist für die Messung des Drehmomentes an Fahrzeugen an Kurbelantrieb (Fahrrad, stationäres Ergometer) verwendbar. An den beiden äußeren Enden einer Torsionswelle (Tretlagerwelle) sind zwei identische Codescheiben angeordnet, die jeweils Signale an einem nahe der Codescheibe angeordneten Sensor erzeugen. Die Sensoren können z. B. optoelektronische Bauelemente oder Hall-Sensoren sein. Diese sind mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung der Impulsfolgen verbunden.
Aus der DE 10 2007 062 156 A1 ist ein Tretlager mit einer Drehmomentsensorik bekannt, welche eine sichere und schnelle Erfassung von Drehmomenten beider Tretkurbeln eines Fahrrades gestattet. Die Drehmomenterfassungsvorrichtung umfasst eine erste Magnetisierung und einen Sensor, der eine Änderung der ersten Magnetisierung aufgrund des in die Welle eingeleiteten Drehmoments erfasst. Die Tretlagerwelle ist hierzu als geteilte Hohlwelle ausgebildet, wobei die Magnetisierung mindestens an einem Abschnitt der Welle angeordnet ist. Die Verbindungsstelle der geteilten Hohlwelle unterliegt extremen Belastungen durch Drehmomente und ist daher in ihrer Stabilität gefährdet.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sind nicht in herkömmliche Tretlager integrierbar und haben jeweils einen komplizierten und teuren Aufbau oder sie beeinträchtigen die langfristige Haltbarkeit des Tretlagers.
Die Aufgabe der Erfindung ist also darin zu sehen, ein Tretlager mit einem integrierten Drehmomentsensor bereitzustellen, welches einfach und kostengünstig herstellbar ist und die hohen Anforderungen an die Stabilität im Sinne herkömmlicher Tretlager erfüllt. Der Drehmomentsensor soll dazu in ein Standard-Tretlager integrierbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Tretlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein Tretlager für ein Fahrrad umfasst zunächst in bekannter Weise eine Tretlagerwelle, welche in einem Tretlagergehäuse in zwei Lagern, vorzugsweise Wälzlagern, gelagert ist. Die Wälzlager sind jeweils an den seitlichen Enden des Tretlagergehäuses angeordnet.
Ein Drehmomentsensor ist innerhalb des Tretlagergehäuses angeordnet. Er dient zur Erfassung eines auf die Tretlagerwelle ausgeübten Drehmomentes. Die Größe dieses Drehmomentes dient vorzugsweise als Eingangsgröße für eine Motorsteuerung eines Elektromotors zum hilfsweisen Antrieb des Fahrrades.
Erfindungsgemäß umfasst der Drehmomentsensor einen Hall-Sensor, einen Dauermagneten und eine ferromagnetische Marke, welche innerhalb des Tretlagergehäuses angeordnet sind. Der Dauermagnet und die ferromagnetische Marke sind radial voneinander beabstandet an der Tretlagerwelle angeordnet. Der Hall-Sensor erfasst eine Lageveränderung zwischen dem Dauermagneten und der Marke bei einer Torsion der Tretlagerwelle, welche durch die Einleitung des Drehmomentes erfolgt.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass der Drehmomentsensor in ein herkömmliches Tretlager bei dessen Montage integrierbar ist, ohne dass komplizierte Umbauten oder eine Neukonstruktion der bewährten Lager und vorhandenen Strukturen erfolgen muss.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Drehmomentsensor zwei Hall-Sensoren, zwei Dauermagneten und zwei ferromagnetische Marken, welche auf der Tretlagerwelle jeweils in der Nähe der seitlichen Enden des Tretlagergehäuses angeordnet sind. Bei dieser Variante ist von Vorteil, dass die durch beide Tretkurbeln auf die Tretkurbelwelle eingebrachten Drehmomente erfasst werden können.
Die radial beabstandete Anbringung von Dauermagnet und ferromagnetischer Marke erfolgt vorzugsweise so, dass eines der Elemente direkt an der Tretlagerwelle angebracht ist, während das andere über eine sich axial erstreckende Hilfskonstruktion gegenüberliegend und radial beabstandet zum jeweils ersten Element angeordnet ist.
Diese Hilfskonstruktion kann beispielsweise eine Hülse sein, welche an einer Seite auf der Tretlagerhülse aufgepresst ist. In diesem ersten Bereich besitzt die Hülse einen Innendurchmesser, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser der Tretlagerwelle entspricht. Die Hülse weist an ihrem anderen Ende einen zweiten Bereich mit einem erweiterten Innendurchmesser auf, der sich in axialer Richtung der Tretlagerwelle erstreckt. An dem zum ersten Bereich beabstandeten Ende des zweiten Bereichs ist der Dauermagnet bzw. die ferromagnetische Marke angeordnet.
Durch die Hilfskonstruktion wird sichergestellt, dass eine Relativbewegung zwischen der Welle und der Hilfskonstruktion erfolgt, wenn ein Drehmoment auf die Welle eingeleitet wird. Selbstverständlich kann der Fachmann andere Hilfskonstruktionen verwenden, die denselben Zweck erfüllen.
Wird also ein Drehmoment über die Tretkurbeln in die Welle eingeleitet, so tordiert diese und der Hall-Sensor mit Magnet bzw. Marke bewegt sich von der Marke bzw. dem Magneten weg, was zu einer Auslenkung der Magnetfeldlinien führt. Dies wird vom Hall-Sensor erkannt und von einer Auswerteeinheit verarbeitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der auf der Tretlagerwelle angeordnete Hall-Sensor direkt auf der Tretlagerwelle mit Energie versorgt. Dies kann beispielsweise mithilfe eines Generatorlagers realisiert werden, dessen Rotorwicklung auf einem Innenring eines der Wälzlager angeordnet ist, wobei die Hall-Sensoren mittels einer in der Rotorwicklung induzierten Spannung betrieben werden. Solche Generatorlager sind prinzipiell bekannt. Sie weisen in dieser Anwendung den besonderen Vorteil auf, dass eine Energieversorgung von außen über Schleifkontakte oder ähnliches nicht erforderlich ist. Es muss lediglich dafür gesorgt werden, dass die vom Sensor erfassten Signale der Auswerteeinheit zugeführt werden. Auch diese Auswerteeinheit könnte prinzipiell in dem Tretlagergehäuse integriert sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Dauermagnet und die ferromagnetische Marke durch Einzelelemente gebildet, die radial mittels der Hilfskonstruktion einander gegenüberliegend an der Tretlagerwelle angeordnet sind. Bei einer solchen Ausführungsform kann die ferromagnetische Marke beispielsweise durch einen Metallstift gebildet sein.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die ferromagnetische Marke und der Dauermagnet ringförmig ausgebildet, wobei die ferromagnetische Marke ein Muster aus magnetisch leitenden und nicht leitenden Bereichen aufweist. Die ferromagnetische Marke kann beispielsweise durch eine magnetisch gemusterte oder entsprechend gelochte Metallfolie gebildet sein, welche auf der Tretlagerwelle flächig aufgebracht ist. Durch eine solche Gestaltung werden Unwuchten vermieden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert. Es zeigt:
1: eine Längsschnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Tretlager mit einem integrierten Drehmomentsensor.
1 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tretlagers mit einem integrierten Drehmomentsensor in einer Längsschnittdarstellung. Das Tretlager umfasst eine Tretlagerwelle 01, welche mittels zweier Wälzlager 02 in einem Tretlagergehäuse 03 angeordnet ist. Die Wälzlager 02 sind dazu an den seitlichen Enden des Tretlagergehäuses 03 angeordnet.
Im Innenraum des Tretlagergehäuses 03 ist auf die Tretlagerwelle 01 als Hilfskonstruktion eine Hülse 04 in einem ersten Bereich 06 vorzugsweise aufgepresst. Die Hülse 04 kann selbstverständlich auch mit anderen Befestigungsarten mit der Tretlagerwelle 01 verbunden werden, hierfür kommen beispielsweise Löten, Kleben oder Schweißen in Betracht.
Die Hülse 04 erstreckt sich im Innenraum des Tretlagergehäuses 03 in axialer Richtung. Deren erster Bereich 06 besitzt einen Innendurchmesser, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser der Tretlagerwelle 01 entspricht. Die Hülse 04 besitzt weiterhin einen zweiten Bereich 07, dessen Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser der Tretlagerwelle 01. In einem Endbereich 08 des zweiten Bereiches 07 der sich axial erstreckenden Hülse 04, welcher sich in der Nähe eines der seitlichen Enden des Tretlagergehäuses 03 befindet, sind am Innendurchmesser der Hülse 04 ein Hall-Sensor 09 und ein Dauermagnet 11 befestigt.
Radial gegenüberliegend des Dauermagneten 11 ist direkt auf der Tretlagerwelle 01 ein Metallstift 12 als ferromagnetische Marke angeordnet, über welchen ein Magnetkreis über die Tretlagerwelle 01 zur Hülse 04, zum Hall-Sensor 09 und zurück zum Dauermagnet 11 geschlossen wird.
In der beschriebenen Ausführungsform wird das Signal des Sensors 09 über eine Leitung 13 einem Schleifkontakt 14 zugeführt und über eine weitere Leitung 16 aus dem Tretlagergehäuse 03 herausgeführt. Selbstverständlich kann auch eine Verarbeitung innerhalb des Tretlagergehäuses erfolgen und das Signal drahtlos an die Motorsteuerung übermittel werden. Dazu kann beispielsweise ein so genannter Smartsensor mit integrierter Verarbeitungsschaltung verwendet werden.
Wird nunmehr über eine der beiden Seiten der Tretlagerwelle 01 ein Drehmoment auf diese ausgeübt (durch Treten der Tretkurbeln), so tordiert die Welle 01 gegenüber der Hülse 04 bzw. gegenüber dem zweiten Abschnitt 07 der Hülse 04. Dadurch erfolgt eine Relativbewegung (Verdrehung) zwischen dem Dauermagneten 11 und der dem Metallstift 12, welche in einer Änderung im o. g. Magnetkreis resultiert, die vom Hall-Sensor 09 erkannt wird. Der Sensor liefert ein entsprechendes Signal, welches über den Schleifkontakt 14 aus dem Tretlagergehäuse herausgeführt wird. Das Signal des Hall-Sensors 09 wird dann einer nicht dargestellten Verarbeitungseinheit und einem Steuergerät zugeführt, welches z. B. die Steuerung eines Elektromotors in Abhängigkeit vom Sensorsignal übernimmt.
In einer abgewandelten Ausführungsform kann die Hülse 04 einen dritten Bereich aufweisen, welcher sich in der anderen Richtung des ersten Bereiches 06 erstreckt. Der erste Bereich 06 müsste dann ungefähr in der Mitte des Tretlagergehäuses 03 angeordnet werden, während sich der zweite und der dritte Bereich jeweils in beide Richtungen der seitlichen Enden des Wälzlagergehäuses 03 erstrecken. Bei einer solchen Variante könnten jeweils in den Endbereichen die bereits beschriebenen Drehmomentsensoren angeordnet werden. Durch den symmetrischen Aufbau lassen sich präzisere Signale generieren, die das auf die Tretlagerwelle wirkende Drehmoment repräsentieren.
Bezugszeichenliste

01: Tretlagerwelle
02: Wälzlager
03: Tretlagergehäuse
04: Gehäuse
05: –
06: erster Bereich
07: zweiter Bereich
08: Endbereich
09: Hall-Sensor
10: –
11: Dauermagnet
12: Metallstift
13: Leitung
14: Schleifkontakt
15: –
16: Leitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69834528 T2 [0006]
DE 4431029 A1 [0007]
DE 19853734 A1 [0008]
DE 102007062156 A1 [0009]

Claims

Tretlager für ein Fahrrad umfassend eine Tretlagerwelle (01), ein Tretlagergehäuse (03) mit zwei an den seitlichen Enden des Tretlagergehäuses (03) angeordneten Wälzlagern (02) zur Lagerung der Tretlagerwelle (01), und einen innerhalb des Tretlagergehäuses (03) angeordneten Drehmomentsensor zur Erfassung eines auf die Tretlagerwelle (01) ausgeübten Drehmomentes, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor einen Hallsensor (09), einen Dauermagneten (11) und eine ferromagnetische Marke (12) umfasst, wobei der Dauermagnet (11) und die Marke (12) radial voneinander beabstandet an der Tretlagerwelle (01) angeordnet sind und wobei der Hallsensor (09) eine Lageveränderung zwischen dem Dauermagneten (11) und der Marke (12) bei einer Torsion der Tretlagerwelle (01) erfasst, welche durch die Einleitung des Drehmomentes erfolgt.
Tretlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor zwei Hallsensoren (09), zwei Dauermagneten (11) und zwei ferromagnetische Marken (12) umfasst, die auf der Tretlagerwelle (01) jeweils in der Nähe der seitlichen Enden des Tretlagergehäuses (03) angeordnet sind.
Tretlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Wälzlager (02) ein Generatorlager ist, dessen Rotorwicklung auf einem Innenring des Wälzlagers (02) angeordnet ist, wobei der oder die Hallsensoren (09) mittels einer in der Rotorwicklung induzierten Spannung betrieben werden.
Tretlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tretlagerwelle (01) von einer Hülse (04) umgeben ist, welche an einem ersten Abschnitt (06) einen Innendurchmesser aufweist, der im wesentlichen einem Außendurchmesser der Tretlagerwelle (01) entspricht, und welche an einem zweiten Abschnitt (07) einen vergrößerten Innendurchmesser aufweist, wobei im zweiten Abschnitt (07) der Hülse (04) der Hallsensor (09) und der Dauermagnet (11) oder die ferromagnetische Marke (12) angeordnet sind, während auf der Tretlagerwelle (01) im Bereich des zweiten Abschnitts (07) die ferromagnetische Marke (12) oder der Dauermagnet (11) angeordnet ist, wobei die Hülse (04) mindestens im Bereich zwischen dem Hallsensor (09) und dem Dauermagnet (11) oder der ferromagnetischen Marke (12) magnetisch leitend ist.
Tretlager nach dem auf Anspruch 2 rückbezogenen Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (04) einen dritten Abschnitt mit einem vergrößerten Innendurchmesser aufweist, wobei im dritten Abschnitt der zweite Hallsensor und der zweite Permanentmagnet oder die zweite ferromagnetische Marke angeordnet sind, während auf der Tretlagerwelle (01) im Bereich des zweiten Abschnitts die zweite ferromagnetische Marke oder der zweite Permanentmagnet angeordnet ist, wobei der erste Abschnitt (06) mittig zwischen dem zweiten und dem dritten Abschnitt vorgesehen ist.
Tretlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (11) und die ferromagnetische Marke (12) radial einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Tretlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Marke (12) durch einen Metallstift gebildet ist.
Tretlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Marke (12) und der Dauermagnet (11) ringförmig sind, wobei die ferromagnetische Marke (12) ein Muster aus magnetisch leitenden und nichtleitenden Bereichen aufweist.
Tretlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Marke (12) durch eine magnetisch gemusterte Metallfolie gebildet ist.