DE102012214867A1

DE102012214867A1 - Elektronisch gesteuertes Federungssystem, Verfahren zur Steuerung eines Federungssystems und Computerprogramm

Info

Publication number: DE102012214867A1
Application number: DE201210214867
Authority: DE
Inventors: Peter Butora; Jürgen Beier; Reiner Künstle; Florian Koller; Christoph Kern
Original assignee: Befra Electronic sro; Gustav Magenwirth GmbH and Co KG
Current assignee: Gustav Magenwirth GmbH and Co KG
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2014-02-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisch gesteuertes Federungssystem für ein Fahrrad (1), enthaltend zumindest einem Federelement (3, 4), welches zwischen einem ersten Teil (10) des Fahrrades und einem zweiten Teil (14, 15) des Fahrrades (1) angeordnet ist, welche beweglich miteinander verbunden sind, wobei zumindest eine Kenngröße des Federelementes veränderbar ist, und zumindest einen Aktor (431), welcher auf das Federelement (3, 4) einwirkt, um die zumindest eine Kenngröße zu verändern, und ein Elektronikmodul (6), mit welchem ein Ansteuersignal für den zumindest einen Aktor (431) erzeugbar ist, wobei weiterhin ein Steuerelement (2, 63, 66) vorhanden ist, mit welchem das vom Elektronikmodul (6) erzeugte Ansteuersignal beeinflussbar ist, wobei das Steuerelement (2, 63) mit dem Elektronikmodul (6) über ein Funksignal (64) verbindbar ist und/oder der Aktor (431) mit dem Elektronikmodul (6) über ein Funksignal (64) verbindbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Steuerung eines Federungssystems für ein Fahrrad und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisch gesteuertes Federungssystem für ein Fahrrad, enthaltend zumindest einem Federelement, welches zwischen einem ersten Teil des Fahrrades und einem zweiten Teil des Fahrrades angeordnet ist, welche beweglich miteinander verbunden sind, wobei zumindest eine Kenngröße des Federelementes veränderbar ist, und zumindest einen Aktor, welcher auf das Federelement einwirkt, um die zumindest eine Kenngröße zu verändern, und ein Elektronikmodul, mit welchem ein Ansteuersignal für den zumindest einen Aktor erzeugbar ist.
Aus der US 6,050,583 ist bekannt, ein Fahrrad mit einer Federung auszustatten. Diese wird durch ein Ölbad bedämpft, indem das Öl durch eine Bohrung im Kolben einer Kolben-Zylinder-Paarung der Federung strömt. Weiterhin weist diese bekannte Federung einen mikromechanischen Beschleunigungssensor auf und einen Aktor, so dass durch Variieren der Öffnungen die Dämpfungskraft an die auf das Fahrrad einwirkende Beschleunigung angepasst werden kann. Beschleunigungssensor, Regelelektronik und Aktor sind über Kabelverbindungen miteinander verbunden.
Diese bekannte Vorrichtung weist den Nachteil auf, dass die Kabelverbindungen korrodieren können oder bei Geländeeinsatz des Fahrrades abreißen, so dass die Betriebssicherheit der Vorrichtung nur gering ist. Weiterhin kann mit dieser bekannten Vorrichtung zwar die Dämpfung angepasst werden, nicht jedoch die Federkraft, so dass eine Anpassung an unterschiedliche Fahrbedingungen nur rudimentär möglich ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Fahrwerk für ein Fahrrad anzugeben, welches eine verbesserte Betriebssicherheit aufweist und/oder unterschiedliche Einstellmöglichkeiten bietet, so dass eine automatisierte Anpassung an unterschiedliche Betriebszustände möglich ist.
Die Aufgabe wird Erfindungsgemäß durch ein elektronisch gesteuertes Federungssystem gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 13 sowie ein Computerprogramm gemäß Anspruch 16 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein elektronisch gesteuertes Federungssystem für ein Fahrrad vorgeschlagen. Das Federungssystem kann entweder nur am Vorderrad eines Fahrrades angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Federungssystem sowohl am Vorder- als auch am Hinterrad angeordnet sein. In selteneren Ausführungsformen der Erfindung kann das Federungssystem auch nur am Hinterrad angeordnet sein. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Federungssystem in einer Sattelstütze und/oder in einem Gabelschaft angeordnet sein. Die Aufgabe des Federungssystems besteht einerseits darin, den Fahrkomfort für den Benutzer des Fahrrades zu erhöhen. Darüber hinaus kann das Federungssystem eine verbesserte Haftung der Räder auf dem Untergrund ermöglichen, so dass die Traktion verbessert sein kann und/oder höhere Lenk- oder Bremskräfte übertragen werden können. Hierdurch kann die Fahrsicherheit oder die Geländegängigkeit des Fahrrades positiv beeinflusst werden.
Das Fahrrad kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein muskelgetriebenes, zweirädriges Fahrzeug sein, beispielsweise ein Mountainbike, ein Trekkingrad oder ein Straßenrennrad. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Fahrrad drei Räder aufweisen, also beispielsweise zwei Vorder- und ein Hinterrad oder ein Vorder- und zwei Hinterräder. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Fahrrad einen Elektromotor aufweisen, welcher das Fahrrad entweder zumindest zeitweise alternativ zum muskelbetriebenen Tretantrieb antreibt oder welches den Fahrer beim Treten unterstützt. Hierdurch kann das Fahrrad bei gleichem Energieeinsatz des Fahrers eine höhere Geschwindigkeit und/oder eine größere Reichweite erreichen und/oder steilere Anstiege bewältigen.
Das erfindungsgemäße Fahrrad weist zumindest ein Federelement auf, welches zwischen einem ersten Teil des Fahrrades und einem zweiten Teil des Fahrrades angeordnet ist, welche beweglich miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann der erste, unbewegliche Teil des Fahrrades der Rahmen des Fahrrades sein oder die Standrohre einer Gabel. Der zweite, bewegliche Teil des Fahrrades kann durch die Tauchrohre einer Gabel gebildet sein oder durch eine beweglich gelagerte Hinterbaukinematik eines Hinterradfederungssystems. Sowohl das Eigengewicht des Fahrrades, das Gewicht des Benutzers als auch dynamisch einwirkende Stöße auf die Laufräder führen zu einer relativen Bewegung zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil des Fahrrades. Das Federelement wirkt dieser Bewegung entgegen.
Das Federelement kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Blattfeder oder einer Schraubenfeder enthalten, beispielsweise aus Stahl. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Federelement eine Luftfeder umfassen, d.h. eine Kolben-Zylinder-Paarung, welche ein geschlossenes Luftvolumen einschließt, welches bei Einwirken externer Kräfte komprimiert wird. Weiterhin kann das Federelement eine Einrichtung zur Erzeugung einer Dämpfungskraft aufweisen, beispielsweise ein Ölvolumen, welches durch Öffnungen eines Kolbens strömt.
Durch einen mechanischen Eingriff in Bauteile des Federelementes kann zumindest eine Kenngröße des Federelementes veränderbar sein. Durch Veränderung des Federelementes kann das Fahrverhalten des mit dem Federelement ausgestatteten Fahrrades verändert werden, beispielsweise kann die Energiedissipation in der Federung reduziert sein oder das Ansprechverhalten an unterschiedliche Untergründe angepasst werden. Hierzu kann das Federelement mit einem Betätigungshebel und/oder einem Einstellrad ausgestattet sein, welcher in an sich bekannter Weise die mechanischen Eingriffe am Federelement vornimmt, um die gewünschten Änderungen durchzuführen. Die mechanischen Eingriffe können beispielsweise das Öffnen oder Schließen eines Ventils umfassen oder die Veränderung der Vorspannung einer Feder oder das Verändern der lichten Weite von zumindest einer Öffnung.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, das Bedienelement des Federelementes über zumindest einen Aktor zu betätigen, welcher auf das Federelement einwirkt, um die zumindest eine Kenngröße zu verändern.
Der Aktor wird mit einem Ansteuersignal betätigt, welches beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes elektrisches Signal sein kann. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Ansteuersignal ein analoges Strom- oder Spannungssignal sein. Dieses kann entweder die Ein- und Ausschaltzeit eines Aktors bestimmen oder dessen Absolutposition. Das Ansteuersignal wird durch ein Elektronikmodul erzeugt.
Das Elektronikmodul erzeugt das Ansteuersignal in Abhängigkeit von zumindest einer Eingangsgröße, welche mit zumindest einem Steuerelement erzeugbar ist. Das Steuerelement kann die Eingangsgröße entweder in Abhängigkeit es Fahrerwunsches erzeugen oder automatisiert aus Messwerten, welche den jeweiligen Betriebszustand des Fahrrads erfassen.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, das Steuerelement mit dem Elektronikmodul über ein Funksignal zu verbinden und/oder den Aktor mit dem Elektronikmodul über ein Funksignal zu verbinden. Hierdurch wird eine Verkabelung am Fahrradrahmen eingespart, so dass einerseits Gewicht eingespart werden kann und andererseits eine zuverlässige Übertragung der Signale ermöglicht wird, da eine Beschädigung des Kabels unmöglich ist. Das Funksignal kann digital oder analog codiert sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Funksignal im Frequenzband um 433 MHz gewählt sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Funksignal im Frequenzband um 2,4 GHz gewählt sein. Das Funksignal kann verschlüsselt werden, so dass eine Störung unterschiedlicher, nebeneinander fahrender Fahrräder vermieden wird. Weiterhin kann das elektronisch gesteuerte Fahrwerk nicht von außen manipuliert werden, wenn das Funksignal verschlüsselt ist. Die Verschlüsselung kann mit an sich bekannten Kryptographieverfahren erfolgen, beispielsweise AES, WPA, WEP oder anderen Verfahren.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Steuerelement ein Bedienelement und/oder einen Lagesensor und/oder einen Positionssensor und/oder einen Beschleunigungssensor enthalten. Über das Bedienelement kann der Benutzer des Fahrrades manuell eingreifen und beispielsweise die Federung blockieren oder die Dämpfungskraft und/oder den Federweg an ein gewünschtes Dämpfungsverhalten anpassen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Steuerelement einen Lagesensor enthalten, welcher beispielsweise eine Seitenneigung des Fahrrades bei Kurvenfahrt detektiert und/oder Steigung und Gefälle erkennt, so dass bei Abfahrten eine weichere Federkennlinie gewählt werden kann und in Anstiegen mit großen Pedalkräften eine härtere Federkennlinie gewählt werden kann, um unbeabsichtigtes Wippen des Fahrwerkes zu vermeiden oder zu reduzieren. Zum gleichen Zweck kann auch ein optionaler Drehmomentsensor eingesetzt werden, welcher die vom Fahrer aufgebrachte Pedalkraft erkennt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Steuerelement alternativ oder zusätzlich einen Positionssensor enthalten, mit welchem die Position des Fahrrades auf der Erdoberfläche erkennbar ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Positionssensor ein Funknavigationssystem sein oder enthalten, beispielsweise GPS, Glonass, Compass oder Galileo. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann der Positionssensor auch zusätzliche terrestrische Funksignale empfangen und verarbeiten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Steuerelement ein Mobiltelefon enthalten oder aus einem Mobiltelefon bestehen. Das Mobiltelefon kann mit einer an sich bekannten Funkverbindung, wie beispielsweise Bluetooth, mit dem Elektronikmodul verbunden werden. Über die Benutzerschnittstelle des Mobiltelefons kann das System mittels Benutzereingriffen geregelt bzw. gesteuert werden. Dazu kann auf dem Mobiltelefon eine Software ausgeführt werden, welche die Benutzereingaben in ein Ansteuersignal übersetzt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Mobiltelefon über eine GSM-Schnittstelle, über eine GPRS-Schnittstelle, über eine LTE-Schnittstelle oder eine vergleichbare Schnittstelle Softwareupdates oder Konfigurationsdaten oder topographische Informationen aus einem Onlinespeicher abrufen und dem Elektronikmodul zur Verfügung stellen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Elektronikmodul einen Kartenspeicher zur Aufnahme topographischer Informationen enthalten. Die topographischen Informationen können einen Straßenverlauf repräsentieren oder einen Fahrbahnbelag, um so automatisch aus der Position des Fahrrades und der gewählten Fahrtroute eine stets optimale Anpassung der Kenngrößen der Federelemente zu gewährleisten, ohne dass der Fahrer manuell eingreifen muss. So kann beispielsweise vor einer Kurve eine härtere Federkennlinie gewählt werden oder auf befestigten Straßen kann eine härtere Federkennlinie gewählt werden als auf einer Schotterstrecke. Ebenso können die topographischen Informationen Höhendaten enthalten, so dass die Kenngröße der Federelemente in Abhängigkeit von Anstieg oder Gefälle entsprechend gewählt werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Federungssystem einen Geschwindigkeitssensor enthalten, welcher die Anpassung der Kenngröße zumindest eines Federelementes in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit erlaubt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Geschwindigkeitssensor im Positionssensor integriert sein, welcher gleichzeitig Orts- und Geschwindigkeitsdaten ausgibt. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Steuerelement ein Beschleunigungssensor sein oder einen solchen enthalten, so dass bei großer Beschleunigung, welche eine entsprechende Kraft auf das Antriebsrad aufbringt, durch das Elektronikmodul die Federelemente so eingestellt werden können, dass die aufgebrachte Energie des Fahrers möglichst effektiv umgesetzt wird.
Das Elektronikmodul kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller enthalten, um aus der Eingangsgröße ein Ansteuersignal zu erzeugen. Hierzu kann eine Software verwendet werden, welche ein neuronales Netz implementiert und/oder eine Fuzzy-Logik und/oder ein Steuer- bzw. Regelverfahren. Hierdurch ist sichergestellt, dass aus einer Vielzahl von Eingangsgrößen, welche teilweise auch unscharfe oder widersprüchliche Informationen geben können, stets ein optimales Ansteuersignal zur optimalen Einstellung der Federelemente gewonnen werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Verfahren zur Steuerung der Federelemente einen selbstlernenden Algorithmus aufweisen, so dass durch Benutzereingriffe das Elektronikmodul die Vorlieben des Benutzers des Fahrrades erkennt und die Kenngrößen der Federelemente entsprechend wählt, so dass nach längerer Benutzung des Fahrrades durch einen Benutzer die Anzahl der Benutzereingriffe reduziert sein kann. Sofern das Fahrrad von mehreren Benutzern verwendet wird, kann das Elektronikmodul eine Mehrzahl von Speicherbereichen enthalten, so dass für unterschiedliche Benutzer unterschiedliche Kenndaten abgelegt werden können, so dass sich das Fahrverhalten des Fahrrades auch an mehrere unterschiedliche Benutzer anpassen kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Lagesensor oder der Beschleunigungssensor einen mikromechanischen Sensor enthalten oder aus einem solchen bestehen. Dies ermöglicht einen kompakten, zuverlässigen kostengünstigen Aufbau des vorgeschlagenen Federungssystems, wobei der Sensor in einigen Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit dem Elektronikmodul auf einer Leiterplatte integriert sein kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der mikromechanische Sensor ein mehrachsiger Sensor sein, welcher eine Beschleunigung und/oder eine Lage in zwei oder drei Achsen erkennen kann. Hierdurch kann sowohl eine geradlinige Beschleunigung bzw. ein Abbremsen des Fahrrades erkannt werden als auch eine Querbeschleunigung, welche bei Kurvenfahrt auftritt. Schließlich kann erkannt werden, ob das Fahrrad vollständig in der Luft ist, beispielsweise bei Sprüngen, so dass die Kennlinie des Federungssystems auf den mit der Landung verbundenen harten Stoß eingestellt werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Bedienelement zusammen mit einem Bremshebel und/oder einem Schalthebel an einem gemeinsamen Befestigungselement angeordnet sein. Hierdurch wird die Anzahl der Klemmschellen am Lenker reduziert, so dass einerseits eine gute Erreichbarkeit des Bedienelementes gegeben ist und andererseits die Gefahr der Beschädigung des Lenkerrohres durch Klemmschellen minimiert ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Aktor ausgewählt sein aus einem Elektromotor und/oder einem Magnetsteller und/oder einem Piezosteller und/oder einem Steller, welcher eine Formgedächtnislegierung enthält oder daraus besteht. Ein Elektromotor kann ein Schrittmotor sein, welcher kontrolliert drehbar ist und/oder ein Getriebemotor, welcher an seiner Außenseite eine geringere Drehzahl bereitstellt als der Rotor. Ein Getriebemotor kann ein Schneckengetriebe aufweisen. Dieses ist selbsthemmend, so dass eine einmal gewählte Position ohne weiteren Stromverbrauch beibehalten werden kann. Ein Elektromotor weist den Vorteil auf, dass der Stromverbrauch nur gering ist, da der Elektromotor nur dann bestromt werden muss, wenn tatsächlich eine Veränderung der Kenngrößen der Federelemente vorgenommen wird. Ein Magnetsteller und ein Piezosteller weisen den Vorteil auf, dass diese sehr schnelle Veränderungen der Kenngrößen der Federelemente vornehmen können, so dass eine rasche Anpassung an dynamische Fahrzustände möglich ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Dämpfungskraft zumindest eines Federelementes durch eine elektrorheologische Flüssigkeit eingestellt werden, deren Viskosität sich in Abhängigkeit eines elektrischen Feldes ändert. In diesem Fall kann der Aktor eine oder mehrere Elektroden aufweisen, welche nach Art eines Platten- oder Ringkondensators das im Dämpfungselement befindliche Öl bzw. die elektroriologische Flüssigkeit einem elektrischen Feld aussetzen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Steuerelement und/oder das Elektronikmodul und/oder der Aktor zumindest einen ersten Betriebszustand und zumindest einen zweiten Betriebszustand aufweisen, wobei im zweiten Betriebszustand gegenüber dem ersten Betriebszustand die Anzahl ausführbarer Funktionen reduziert und der Energieverbrauch vermindert ist. Hierdurch kann die Lebensdauer der Batterie im Elektronikmodul und/oder im Steuerelement vergrößert sein, da nur dann die volle Funktionsvielfalt und der volle Energieverbrauch zur Verfügung stehen, wenn das Fahrrad tatsächlich bewegt wird. Die Anzahl ausführbarer Funktionen im zweiten Betriebszustand, welcher auch als Energiesparzustand bezeichnet sein kann, kann soweit reduziert werden, dass die Komponenten lediglich die Benutzung des Fahrrades überwachen, um wieder in den ersten Betriebszustand zurück zu schalten. Auf diese Weise kann, ohne dass der Benutzer aktiv das System einschalten muss, eine stetige Verfügbarkeit sichergestellt werden, ohne dass die Batterien rasch, beispielsweise über Nacht, entladen sind.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Steuerelement und/oder das Elektronikmodul zumindest eine Betriebszustandsanzeige enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Betriebszustandsanzeige zumindest eine LED und/oder zumindest ein LCD-Display enthalten. Bevorzugt, aber nicht zwingend, ist die Betriebszustandsanzeige in einem Bedienelement angeordnet, welches am Lenker des Fahrrades befestigt ist. Hierdurch ist die Betriebszustandsanzeige im Blickfeld des Fahrers. Die Betriebszustandsanzeige kann beispielsweise den aktuell anliegenden Betriebszustand bzw. die aktuell gewählten Kenngrößen der Federelemente anzeigen. Darüber hinaus kann die Betriebszustandsanzeige eine Warnung bei niedrigem Batteriestand ausgeben. Schließlich kann die Betriebszustandsanzeige dazu eingerichtet sein, das Aushandeln einer Funkfrequenz und/oder eines Sendeprotokolls zwischen dem Steuerelement und dem Elektronikmodul anzuzeigen oder zu unterstützen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die zu verändernde Kenngröße der Federelemente ausgewählt sein aus einer Federkraft und/oder einer Dämpfungskraft und/oder einem Federweg und/oder einer Nulllage. Beispielsweise kann der Federweg auf befestigten Fahrbahnen bis auf Null reduziert werden, so dass sich ein sicheres Fahrverhalten und eine unmittelbare Umsetzung der eingebrachten Antriebsleistung im Vortrieb ergibt. Auf schlechteren Fahrbahnen kann der Federweg einstufig oder mehrstufig vergrößert werden, bis der volle Federweg auf sehr unebenem Untergrund zur Verfügung steht.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Federkraft angepasst werden, so dass sich ein eher komfortables Ansprechen oder ein eher festes Ansprechen der Federelemente ergibt.
Schließlich kann die Nulllage angepasst werden, d.h. die Position der Federelemente bei unbelastetem Fahrwerk. So kann bei Bergauffahrt beispielsweise eine Federgabel abgesenkt werden, um eine günstigere Gewichtsverteilung zu ermöglichen. Bei Bergabfahrt kann die Gabelabsenkung wieder aufgehoben werden, um den vollen Federweg zur Verfügung zu haben.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
1 ein Ausführungsbeispiel eines Erfindungsgemäß ausgestatteten Fahrrades.
2 zeigt ein Blockschaltbild der verwendeten elektronischen Komponenten.
3 zeigt eine Ansicht eines Bedienelementes.
4 zeigt das Bedienelement im Schnitt.
5 zeigt eine mögliche Montage des Bedienelementes.
6 zeigt eine zweite mögliche Montage des Bedienelementes.
7 zeigt ein Bedienelement mit einem Teil eines Lenkerrohres.
8 zeigt ein Federelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in der Ansicht.
9 zeigt das Federelement gemäß der ersten Ausführungsform im Schnitt.
10 zeigt einen Ausschnitt aus 9.
11 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Erfindungsgemäßen Federelementes in einer ersten Ansicht.
12 zeigt eine zweite Ausführungsform des Federelementes in einem ersten Schnitt.
13 zeigt die zweite Ausführungsform des Federelementes in einer zweiten Ansicht.
14 zeigt eine zweite Ausführungsform des Federelementes in einem zweiten Schnitt.
15 zeigt ein Detail des Federelementes gemäß der zweiten Ausführungsform im Schnitt.
1 zeigt ein Fahrrad 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Fahrrad 1 weist einen Rahmen 10 auf, welcher für die Zwecke der nachfolgenden Beschreibung einen ersten, feststehenden Teil des Fahrrades repräsentiert. Der Rahmen 10 trägt in an sich bekannter Weise über eine Sattelstütze 16 einen Sattel sowie eine Tretkurbel, mit welcher ein Benutzer eine Antriebskraft erzeugen kann. Die Antriebskraft bzw. das Drehmoment kann über einen Drehmomentsensor 5 erfasst werden. Über eine Kette und eine optionale Schaltung wird die Antriebkraft auf das hintere Laufrad 12 übertragen.
Das Fahrrad 1 weist zwei Laufräder 12 auf. Das vordere Laufrad 12 ist an einer Federgabel drehbar gelagert, um das Fahrrad 1 zu lenken. Die Federgabel weist Standrohre 11 auf, welche im Wesentlichen unbeweglich mit dem Rahmen 10 verbunden sind sowie Tauchrohre 14, in welche die Standrohre 11 beim Einfedern des Vorderrades eintauchen. Die dem Eintauchen entgegengesetzte Kraft wird durch ein Federelement 3 erzeugt, welches anhand der 11 bis 15 näher beschrieben wird. Zum Lenken des Fahrrades 1 dient ein Lenkerrohr 17, welches auch ein Bedienelement 2 trägt, so dass der Benutzer über die Betriebsparameter des Systems informiert werden kann und/oder manuell die Kenngrößen der Federelemente 3 und 4 beeinflussen kann.
Das hintere Laufrad 12 ist an einem beweglichen Hinterbau 15 angeordnet. Die beim Einfedern bzw. bei Belastung auf den Rahmen 10 übertragenen Kräfte werden vom Federelement 4 aufgenommen. Die dabei dem einfedernden Hinterrad entgegengesetzten Kräfte werden durch die Kenngrößen des Federelementes 4 definiert, welches anhand der 8 bis 10 näher erläutert wird.
Schließlich ist an der Sattelstütze 16 ein Elektronikmodel 6 montiert, welches die Ansteuersignale für die in den Federelementen 3 und 4 befindlichen Aktoren erzeugt. Das Bedienelement 2, der Drehmomentsensor 5 und die Federelemente 3 und 4 sind über ein Funksignal 64 mit dem Elektronikmodul 6 verbunden. Dadurch kann einerseits Gewicht für Kabelverbindungen oder Bowdenzüge eingespart werden und andererseits eine hohe Betriebssicherheit sichergestellt werden, da weder elektrische Anschlusskontakte korrodieren können noch das Kabel mechanisch beschädigt werden kann.
2 zeigt ein Blockschaltbild des Elektronikmoduls 6 und weiterer peripherer Komponenten. Das Elektronikmodul 6 enthält einen Mikroprozessor CPU, auf welchem ein Computerprogramm ausgeführt wird, welches aus Eingangsgrößen der Sensoren ein Ansteuersignal für die Aktoren errechnet. Das Computerprogramm kann in einem EEPROM 65 oder einem Flash-Speicher abgelegt sein, so dass die jeweiligen Daten auch beim Abschalten oder bei Tiefentladung der Batterie 61 nicht verlorengehen. Daneben kann der Flash-Speicher Konfigurationsdaten enthalten, beispielsweise Benutzervorlieben oder Topographiedaten, beispielsweise digitalisierte Landkarten mit Höheninformationen und/oder Informationen über die Fahrbahnbeschaffenheit. Daten können dem Mikroprozessor und den Speichern 65 über eine serielle Schnittstelle GPIO oder SPI und/oder einen Analog-Digital-Wandler ADC zugeführt werden. Diese Daten können Softwareupdates oder Topographiedaten enthalten, welche beispielsweise über eine USB-Schnittstelle 62 zugeführt werden können. Diese kann optional auch zum Laden des Akkumulators 61 eingesetzt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann hierzu eine separate Ladeschnittstelle vorhanden sein oder der Akkumulator 61 wird nach dessen Entleerung ersetzt bzw. außerhalb des Elektronikmoduls 6 geladen. Die Spannung und/oder der dem Akku 61 entnommene Strom kann über den Analog-Digital-Wandler ADC von dem Mikroprozessor CPU überwacht werden. Hierdurch kann das Fahrwerk bei entladenem Akkumulator 61 in ein Notprogramm gebracht werden.
Schließlich kann das Elektronikmodul 6 einen Beschleunigungssensor 63 enthalten, mit welchem die Änderung der Fahrgeschwindigkeit und/oder eine Kurvendurchfahrt erkennbar ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Beschleunigungssensor 63 auch in einer separaten Baugruppe am Fahrrad 1 angebracht sein oder Teil des Bedienelementes 2 sein und seine Daten über ein Funksignal 64 weiterleiten. Analog wie für den Beschleunigungssensor 63 beschrieben, kann das Elektronikmodul 6 auch einen Lagesensor, einen Geschwindigkeitssensor oder einen Positionssensor enthalten. In 2 ist der Positionssensor 66 als separate Baugruppe ausgebildet, welche über ein Funksignal 64 mit dem Elektronikmodul 6 verbunden ist.
Schließlich zeigt 2, wie ein Bedienelement 2 über ein Funksignal 64 mit dem Elektronikmodul 6 verbunden werden kann. Das Bedienelement 2 selbst wird nachfolgend anhand der 3 bis 7 näher erläutert. Das Elektronikmodul 6 gemäß 2 enthält weiter eine Betriebszustandsanzeige 21. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann diese Bestandteil des Bedienelementes 2 sein oder in einem Federelement 3 oder 4 integriert sein.
Das Elektronikmodul 6 kann eine optionale H-Brücke zur Motoransteuerung enthalten, wenn der Aktor 431 zumndest einen Elektromotor enthält. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Elektromotor 431 zusammen mit der H-Brücke auch Bestandteil des Federelementes 3 oder 4 sein, so dass diese Bestandteile nicht im Elektronikmodul 6 integriert sein müssen.
Die 3 bis 7 zeigen eine Ausführungsform eines Bedienelementes 2. Dabei sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen nicht sämtliche Bauteile im Zusammenhang mit allen Figuren erläutert werden.
Das Bedienelement 2 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein dreiteiliges Gehäuse auf. Dabei weist das untere Gehäuseteil 22 eine konkave Innenfläche 221 auf, mit welcher der untere Gehäuseteil 22 an einem Lenkerrohr 17 anliegen kann. Dies erlaubt eine sichere Montage, so dass das Bedienelement 2 vor Verdrehen, Verkippen und Verrutschen geschützt ist. Der mittlere Gehäuseteil 26 ist zur Aufnahme einer Batteriezelle 283 vorgesehen, beispielsweise eine Lithiumionenbatterie, einer Alkalibatterie oder einer Zink-Luft-Batterie. Das Eindringen von Feuchtigkeit zwischen dem mittleren Gehäuseteil 26 und dem unteren Gehäuseteil 22 wird durch eine Dichtung 27 verhindert. Eine Schraubverbindung erlaubt leichtes Öffnen und Schließen, so dass die Batterie 283 einfach gewechselt werden kann. Der obere Gehäuseteil 23 weist einerseits ein Sichtfenster 21 auf, durch welches Licht einer Leuchtdiode 284 den Betrachter erreichen kann. Hierdurch kann eine Betriebszustandsanzeige realisiert werden, wenn die Leuchtdiode 284 Licht unterschiedlicher Farben oder unterbrochenes Licht mit unterschiedlichen Blinkmustern aussendet. Weiterhin weist das obere Gehäuseteil 23 einen Druckknopf 25 auf, durch welchen der Fahrer im Stand oder während der Fahrt Steuersignale an das Elektronikmodul 6 senden kann. Hierzu weist das Bedienelement 2 eine einfache elektronische Schaltung auf, welche auf einer Platine 281 angeordnet ist und das Drücken des Tasters 25 erkennt sowie die Leuchtdiode 284 trägt und mit elektrischer Energie versorgt.
Darunter ist eine zweite Platine 282 angeordnet, welche ein Hochfrequenz-Interface trägt, um eine Funkverbindung zum Elektronikmodul 6 herzustellen. Durch die zweiteilige Ausführung kann der sendende HF-Teil der Schaltung leicht ausgetauscht werden, um unterschiedliche gesetzliche Bestimmungen in unterschiedlichen Ländern zu erfüllen.
Die 6 und 7 zeigen die Befestigung des Bedienelementes 2 über eine Verschraubung 261 mit einer optionalen Schelle 222. Hierdurch kann das Bedienelement 2 an einer beliebigen Stelle eines Lenkerrohres 17 positioniert werden. Vorteilhaft befindet sich das Bedienelement 2 in der Nähe eines Griffes 171, so dass der Benutzer den Taster 25 erreichen kann, ohne die Hände vom Lenker zu nehmen. Dies erlaubt eine sichere Bedienung des Fahrrades und eine Einstellung des Federungssystems in jedem Fahrzustand.
5 zeigt eine alternative Befestigungsform an einer vorhandenen Befestigungsschelle 223. Die Befestigungsschelle 223 kann Bestandteil eines Brems- und/oder Schalthebels sein, welcher ohnehin bereits am Lenkerrohr 17 befestigt ist, um die Betätigung einer Bremse oder einer Schaltung zu ermöglichen. Das Bedienelement 2 kann über Abstandsbolzen 224 und eine Verschraubung 261 zusätzlich an der Schelle 223 befestigt werden, so dass die Verwendung einer weiteren Schelle 222 entbehrlich ist. Hierdurch kann einerseits Gewicht eingespart werden als auch die Zuverlässigkeit erhöht werden, da die Kerbwirkung einer weiteren Schelle 222 auf das Lenkerrohr 17 entfällt. Schließlich ergibt sich für den Benutzer eine aufgeräumte und attraktive Optik.
Anhand der 8 bis 10 wird eine Ausführungsform eines Federelementes 4 erläutert. Auch in diesem Fall bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bestandteile des Federelementes 4. Wie aus 1 ersichtlich, ist das Federelement 4 zum Einsatz an einem gefederten Hinterbau bzw. einer Hinterradfederung vorgesehen. Das Federelement weist einen Grundkörper 42 auf, in welchem sich eine Luftkammer 421 befindet. Der Kolben 41 gleitet in der Luftkammer 421, wobei die komprimierte Luft dem Kolben 41 einen Widerstand entgegensetzt. Mit den Befestigungsösen 422 und 411 können Grundkörper und Kolben am Hinterbau 15 bzw. am Rahmen 10 befestigt werden, so dass der Kolben 41 in Abhängigkeit der auf die Laufräder 12 einwirkenden Belastungen in der Luftkammer 421 einfedert. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann statt der Luftkammer 421 auch eine Schraubenfeder eingesetzt sein, beispielsweise aus Stahl.
Das Federungsverhalten und/oder das Dämpfungsverhalten und/oder der zur Verfügung stehende Federweg kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung durch ein Betätigungsglied 423 beeinflusst werden. Hierdurch kann der Benutzer in an sich bekannter Weise das Ansprechverhalten der Hinterradfederung an den jeweiligen Betriebszustand des Fahrrades anpassen oder die Federung zeitweise komplett blockieren.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, das Betätigungsglied 423 über den Nocken 433 einer Welle 432 zu betätigen. Die Welle 432 ist mit einem Elektromotor 431 verbunden, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel als Aktor wirkt. Das Ansteuersignal für den Aktor 431 wird im Elektronikmodul 6 erzeugt und über eine Funkverbindung übertragen, welche durch die HF-Platine 482 bereitgestellt wird. Eine zweite Platine 481 kann die empfangenen Signale decodieren und/oder eine H-Brücke aufnehmen, welche den Elektromotor 431 bestromt. Zur Energieversorgung der elektronischen Schaltungen 481 und 482 sowie des Aktors 431 steht eine Batterie 483 zur Verfügung. Diese kann über eine Ladebuchse wieder aufgeladen werden, welche nach Abnehmen der Schraubkappe 45 zugänglich wird. Der Ladezustand der Batterie 483 kann in einigen Ausführungsformen über die Betriebszustandsanzeige 21 am Bedienelement 2 visualisiert werden.
Die Elektronikmodule 481, 482, die Batterie 483 und der Aktor 431 können in einem Gehäuse 43 staub- und spritzwasserdicht untergebracht sein, so dass diese im Betrieb des Fahrrades 1 nicht beeinträchtigt werden. Für einen staub- und spritzwasserdichten Abschluss kann der Schraubdeckel 45 mit einer Dichtung 451 versehen sein.
Schließlich wird anhand der 11 bis 15 ein Federelement 3 beschrieben, welches zum Einsatz an einer Federgabel vorgesehen ist. Das Federelement 3 ist in an sich bekannter Weise im Standrohr 11 der Gabel angeordnet und setzt dem Eintauchen in das Tauchrohr 14 einen definierten Widerstand entgegen. Qualität und Quantität dieser Widerstandskraft charakterisieren das Federungsverhalten der Gabel und können durch eine Verstellmechanik 32 in an sich bekannter Weise eingestellt werden. Hierdurch kann die Federkraft, die Dämpfungskraft und/oder die Höhe der Gabel bzw. deren unbelastete Nulllage vom Benutzer eingestellt werden. Auch dies kann vorliegend entweder durch Benutzereingriff über das Bedienelement 2 bzw. dem darauf angeordneten Taster 25 erfolgen, oder automatisiert, indem das Elektronikmodul 2 in Abhängigkeit der Eingangsgrößen der optional vorhandenen Sensorik eine jeweils passende Charakteristik auswählt. Um den Verstellmechanismus 32 automatisiert zu bewegen, steht wiederum ein Aktor 431 zur Verfügung, welcher beispielsweise ein Elektromotor sein kann, ein Piezosteller oder ein Magnetsteller. Der Aktor 431 wird ebenso wie die Elektronik 381 und 382 von einem Akkumulator 383 mit elektrischer Energie versorgt. Wie vorstehend beschrieben kann die Elektronik des Federelementes 3 einen Hochfrequenzteil auf einer Platine 382 enthalten sowie eine Ansteuerlogik für den Aktor 431 auf einer weiteren Platine 381. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können alle Elektronikkomponenten jedoch auch auf einer einzigen Platine angeordnet sein.
Für Wartungsarbeiten kann der in 15 gezeigte Teil mit dem Aktor, der Batterie und der elektronischen Schaltung nach Lösen der Schraubkappe 35 aus der Gabel entfernt werden, um auf diese Weise beispielsweise den Akkumulator 383 auszutauschen. Darüber hinaus steht nach Lösen der Schraubkappe 35 ohne weitere Demontagearbeiten eine Ladebuchse 62 zur Verfügung, mit welcher der Akkumulator 383 im Normalbetrieb des Fahrrades wieder aufgeladen werden kann. Auch der Ladezustand des Akkumulators 383 kann vom Elektronikmodul 6 überwacht werden und mit der Betriebszustandsanzeige 21 visualisiert werden.
Das Erfindungsgemäße Federungssystem bietet somit einerseits die Möglichkeit, durch manuellen Benutzereingriff in bisher bekannter Weise das Ansprechverhalten des Federungssystems zu verändern, wobei jedoch aufgrund fehlender Bowdenzüge und/oder Verkabelung die Betriebssicherheit steigt und das Gewicht sinkt. Die elektronische Verstellung bietet dabei den Vorteil, dass die Federung an Vorder- und Hinterrad gleichzeitig verstellt werden kann. Weiterhin kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene Federung aufgrund der in der Software des Elektronikmoduls 6 implementierten Algorithmen einen automatischen Fahrbetrieb ermöglichen, bei welchem das Federungsverhalten vorne und/oder hinten und/oder das Ansprechen einer optionalen gefederten Sattelstütze 16 an den jeweiligen Betriebszustand vollautomatisch angepasst wird. Die Anpassung kann dabei in Abhängigkeit der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, der Lage, der Geländetopographie, der Fahrbahnbeschaffenheit und/oder des aufgebrachten Drehmomentes erfolgen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Merkmale aus unterschiedlichen, vorstehend detailliert beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6050583 [0002]

Claims

Elektronisch gesteuertes Federungssystem für ein Fahrrad (1), enthaltend zumindest einem Federelement (3, 4), welches zwischen einem ersten Teil (10) des Fahrrades und einem zweiten Teil (14, 15) des Fahrrades (1) angeordnet ist, welche beweglich miteinander verbunden sind, wobei zumindest eine Kenngröße des Federelementes veränderbar ist, und zumindest einen Aktor (431), welcher auf das Federelement (3, 4) einwirkt, um die zumindest eine Kenngröße zu verändern, und ein Elektronikmodul (6), mit welchem ein Ansteuersignal für den zumindest einen Aktor (431) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Steuerelement (2, 63, 66, 5) vorhanden ist, mit welchem das vom Elektronikmodul (6) erzeugte Ansteuersignal beeinflussbar ist, wobei das Steuerelement (2, 63) mit dem Elektronikmodul (6) über ein Funksignal (64) verbindbar ist und/oder der Aktor (431) mit dem Elektronikmodul (6) über ein Funksignal (64) verbindbar ist.
Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement ein Bedienelement (2) und/oder einen Lagesensor (63) und/oder einen Geschwindigkeitssensor und/oder einen Beschleunigungssensor und/oder einen Drehmomentsensor und/oder einen Positionssensor (66) enthält.
Federungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronikmodul (6) einen Kartenspeicher (65) zur Aufnahme topographischer Informationen enthält.
Federungssystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet, dass der Lagesensor (63) oder der Beschleu nigungssensor einen mikromechanischen Sensor enthält oder dass der Lagesensor (63) oder der Beschleunigungssensor einen mehrachsigen mikromechanischen Sensor enthält.
Federungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bedienelement (2) zusammen mit einem Bremshebel und/oder einem Schalthebel an einem gemeinsamen Befestigungselement (223) angeordnet ist.
Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (431) ausgewählt ist aus einem Elektromotor und/oder einem Magnetsteller und/oder einem Piezosteller und/oder einem Steller, welcher eine Formgedächtnislegierung enthält oder daraus besteht.
Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (2) und/oder das Elektronikmodul (6) zumindest einen ersten Betriebszustand und zumindest einen zweiten Betriebszustand aufweisen, wobei im zweiten Betriebszustand gegenüber dem ersten Betriebszustand die Anzahl ausführbarer Funktionen reduziert und der Energieverbrauch vermindert ist.
Federungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (66) zumindest ein Funknavigationssystem enthält.
Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (2) und/oder das Elektronikmodul (6) zumindest eine Betriebszustandsanzeige (21) enthält oder dass das Steuerelement (2) und/oder das Elektronikmodul (6) dazu eingerichtet sind, einen Betriebszustand mittels zumindest einer LED (284) und/oder einem LCD-Display zu visualisieren.
Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronikmodul (6) zumindest einen manuellen Betriebszustand ermöglicht, bei welchem das vom Elektronikmodul erzeugte Ansteuersignal durch den Benutzer beeinflusst wird und das Elektronikmodul (6) zumindest einen automatischen Betriebszustand ermöglicht, bei welchem das vom Elektronikmodul erzeugte Ansteuersignal in Abhängigkeit zumindest eines Fahrparameters erzeugt wird.
Federungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrparameter ausgewählt ist aus der Geländetopographie und/oder der Längsbeschleunigung und/oder der Querbeschleunigung und/oder der Neigung und/oder dem Antriebsmoment und/oder der Geschwindigkeit und/oder der Fahrbahnbeschaffenheit.
Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße ausgewählt ist aus einer Federkraft und/oder einer Dämpfungskraft und/oder einem Federweg und/oder einer Nulllage
Verfahren zur Steuerung eines Federungssystem für ein Fahrrad (1), enthaltend die folgenden Schritte: Erzeugen einer Eingangsgröße mit zumindest einem Steuerelement (2, 63, 66); Übertragung der Eingangsgröße zu einem Elektronikmodul (6), Erzeugen eines Ansteuersignals für zumindest einen Aktor (431) mit dem Elektronikmodul (6), Verändern zumindest einer Kenngröße von zumindest einem Federelement (3, 4) mit dem Aktor (431), wobei das Federelement (3, 4) zwischen einem ersten Teil (10) des Fahrrades (1) und einem zweiten Teil (14, 15) des Fahrrades (1) angeordnet ist, welche beweglich miteinander verbunden sind. dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Eingangsgröße zum Elektronikmodul (6) über ein Funksignal (64) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsgröße einen Fahrerwunsch und/oder eine Neigung und/oder eine Geländetopographie und/oder eine Beschleunigung und/oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Fahrbahnbeschaffenheit repräsentiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße ausgewählt ist aus einer Federkraft und/oder einer Dämpfungskraft und/oder einem Federweg und/oder einer Nulllage.
Datenträger mit darauf gespeicherten Daten oder für die Übersendung über ein Computernetzwerk geeignete, Daten repräsentierende Signalfolge, wobei die Daten ein Computerprogramm repräsentieren, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15 durchzuführen, wenn das Computerprogramm läuft.
Datenträger nach Anspruch 16, welcher für eine Datenübertragung über eine Mobilfunkverbindung eingerichtet ist.