DE102014210522A1

DE102014210522A1 - Drehzahlsensor mit wesentlichem Bauteil als Impulsgeber

Info

Publication number: DE102014210522A1
Application number: DE102014210522.6A
Authority: DE
Inventors: Henrik Antoni
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (38) zum Erfassen einer Antriebsfrequenz mit der ein Antriebslager (14) an einem Fahrrad (2) durch einen Fahrer getreten wird, wobei das Antriebslager (14) zum Antreiben eines Rades (8, 10) des Fahrrades (2) über ein Umschlingungsgetriebe (11) mit einem Zugmittel (13) vorgesehen ist, umfassend: – einen Messaufnehmer (54) zum Ausgeben eines von der zu erfassenden Antriebsfrequenz abhängigen Ausgangssignals (40) basierend auf einem sich mit der Antriebsfrequenz bewegenden Impulselement (13) und – das Impulselement (13), das das Zugmittel (13) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen einer Drehzahl an einem Fahrrad und das Fahrrad mit dem Sensor.
Aus der DE 34 46 689 A1 ist ein Sensor zum Erfassen einer Drehzahl eines Rades an einem Fahrrad bekannt. Der Sensor umfasst einen am Rad befestigten Drehzahlgeber in Form eines Permanentmagneten. Dieser zieht an einem Messaufnehmer vorbei, der ortsfest an einer Fahrradgabel des Fahrrades befestigt ist, in dem das Rad drehbar gehalten ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Erfassung der Drehzahl des Rades zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Sensor zum Erfassen einer Drehzahl an einem Fahrrad (2), ein sich mit der Drehzahl drehendes Impulselement, das ein wesentliches Bauteil des Fahrrades (2) ist, und einen Messaufnehmer (54) zum Ausgeben eines Ausgangssignals in Abhängigkeit des sich mit der Drehzahl drehenden Impulselementes
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Sensor zum Erfassen einer Antriebsfrequenz mit der ein Antriebslager an einem Fahrzeug eines Rad des Fahrrades über ein Umschlingungsgetriebe mit einem Zugmittel antreibt, umfassend:

– einen Messaufnehmer zum Ausgeben eines von der zu erfassenden Antriebsfrequenz abhängigen Ausgangssignals basierend auf einem sich mit der Antriebsfrequenz bewegenden Impulselement und
– das Impulselement, das das Zugmittel ist.

Dem angegebenen Sensor liegt die Überlegung zugrunde, dass es insbesondere in Fahrrädern mit einem Hilfsmotor, sogenannten Pedelecs in verschiedenen Situationen, wie beispielsweise beim Schalten, gewünscht ist, statt der Drehzahl der Räder des Fahrrades die Trittfequenz des Fahrers zu messen. Diese Antriebsfrequenz könnte beispielsweise direkt am Antriebslager erfasst werden.
Gegenüber dieser Überlegung ist es Idee des angegebenen Sensors, die Antriebsfrequenz anstatt am Antriebslager am Zugmittel zu messen, dass die Trittkraft des Fahrers auf das Antriebslager mittels eines Umschlingungsgetriebes auf wenigstens eines der Räder überträgt, denn das Zugmittel kann sich nur in Abhängigkeit der Antriebsfrequenz des Fahrers bewegen. Weist das Fahrrad darüber hinaus keinen Freilauf auf, so dass sich das Umschlingungsgetriebe immer mit der selben Geschwindigkeit, wie das angetriebene Rad bewegt, so kann aus dieser am Antriebslager erfassten Antriebsfrequenz auch direkt auf die Geschwindigkeit des Rades geschlossen werden. Bei Pedelecs die ohne Führerschein betrieben werden, ist es gesetzlich gefordert, die Fahrzeuggeschwindigkeit zu messen bzw. die Unterstützung bei Erreichen der max. Geschwindigkeit abzuschalten, siehe EU-Richtlinie 2002-24 EG
Der angegebene Sensor erfasst die Antriebsfrequenz nicht direkt, sondern die Geschwindigkeit des Zugmittels, die aber abhängig vom Durchmesser des Antriebsrades des Antriebslagers für das Zugmittel in einfacher Weise in die Antriebsfrequenz umgewandelt werden kann. Großer Vorteil der Erfassung der Antriebsfrequenz am Zugmittel sind die vielfältigen Anordnungsmöglichkeiten des Sensors am Fahrrad, weil der Sensor nicht beengt am Antriebslager verbaut werden muss, sondern zwischen dem Antriebslager und dem angetriebenen Rad an einer beliebigen Stelle angeordnet werden kann, an der das Zugmittel verlegt ist.
In einer Weiterbildung umfasst der angegebene Sensor ein Geberelement zum Erregen eines vom Impulselement abhängigen physikalischen Geberfeldes. Ein derartiges Geberelement erlaubt es dem Messaufnehmer die Antriebsfrequenz berührungslos zum Zugmittel zu erfassen, so dass der Messaufnehmer durch das Zugmittel nicht mechanisch belastet wird. Auf diese Weise kann die Ausfallsicherheit des angegebenen Sensors erhöht werden.
In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Sensors ist das Geberelement ortsfest in das Zugmittel integriert, so dass sich das Geberfeld mit dem Impulselement bewegt. Alternativ könnte das Geberfeld auch ortsfest zum Messaufnehmer erregt werden, wobei das Zugmittel als Impulselement das Geberfeld in Abhängigkeit der Antriebsfrequenz verändert.
In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Sensors ist das Zugmittel ein Riemen mit in Zugrichtung gesehenen ortsabhängigen magnetischen Eigenschaften. Die Verwendung eines Riemens als Zugmittel ist besonders günstig, denn dieser weist ein gutes Verschleißverhalten auf und ist daher wartungsfrei. Zugmittel in Form von Riemen sind darüber hinaus auch robust gegenüber Verschmutzungen.
In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Sensors umfasst der Riemen einen in Zugrichtung verlaufenden Zugstrang und winklig, insbesondere rechtwinklig, trapezförmig zur Zugrichtung vom Zugstrang abragende Zähne. Diese Zähne können dann formschlüssig in das Antriebsrad am Antriebslager und in das Abtriebsrad am anzutreibenden Rad des Fahrrades eingreifen und so per Formschluss die Trittkraft des Fahrrades vom Antriebslager auf das anzutreibende Rad übertragen.
In einer weiteren Weiterbildung des angegebenen Sensors sind die Zähne aus einem Werkstoff gefertigt, in den magnetisch leitende Partikel eingeschlossen sind. Der Werkstoff könnte beispielsweise elastisch sein. Die Zähne selbst bilden bereits einen Encoder aus. Um diesen mit dem oben genannten magnetischen Geberfeld nutzen zu können, sollten die Zähne das Geberfeld positionsabhängig ändern. Dies geschieht durch die Aufnahme der leitenden Partikel in den Werkstoff aus dem die Zähne gefertigt sind.
Alternativ oder zusätzlich kann das Zugmittel in Zugrichtung ausgerichtete Magnete umfassen. Auf diese Weise wird nicht nur das Geberfeld am Zugmittel erregt, in besonders günstiger Weise verstärken die Magnete das Zugmittel mechanisch und erhöhen so seine Widerstandskraft gegenüber mechanischen Beanspruchungen.
In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Sensors sind die Pole der Magnete quer zur Zugrichtung in ihrer Breite veränderlich. Mit der veränderlichen Breite der Pole in Zugrichtung kann mit dem Messaufnehmer am Zugmittel eine Übergeordnete Positionsangabe ermittelt werden, die beispielsweise die Stellung des Antriebslagers in einem Winkel von 0–180° eindeutig bestimmt. Das Impulselement wirkt dann wie ein Nonius, das die Erfassung der absoluten Positionsangabe mit einem geringeren Toleranzmaß ermöglicht. Durch die Ausbildung der magnetischen Pole mit einer variablen Breite in Zugrichtung kann die zuvor beschriebene Erfassung der Position beispielsweise des Antriebslagers gleichzeitig zur Erfassung der Antriebsfrequenz erfolgen, ohne dass ein weiterer Sensor oder weitere mechanische Elemente vorgesehen werden müssen.
Um die Erfassung der absoluten Positionsangabe weiter zu verbessern kann die veränderliche Breite der Pole der Magnete periodisch ausgebildet sein und am Zugmittel Codierungen angeordnet werden, die jede Periode eindeutig kennzeichnen. Die Kennzeichnung kann beispielsweise durch die Art der Veränderung der variablen Breite innerhalb einer Periode erfolgen, wobei beispielsweise die Veränderung in einer Periode negativ in einer anderen Periode positiv sein kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Sensor zum Erfassen einer Drehzahl an einem Fahrrad, einen Magneten, der gegenüber einem sich in Abhängigkeit der zu erfassenden Drehzahl drehenden Impulsrad ortsfest relativ zum Fahrrad positionierbar ist, das Impulsrad, das ein wesentliches Bauteil des Fahrrades ist, und einen Messaufnehmer zum Ausgeben eines Ausgangssignals in Abhängigkeit einer Richtung magnetischer Feldlinien eines magnetischen Feldes, das vom Magneten erregt wird.
Dem angegebenen Sensor liegt die Überlegung zugrunde, dass es insbesondere in Fahrrädern mit sogenannten Hilfsantrieben günstig sein könnte, Fahrdynamikregelungen einzusetzen, die verhindern, dass der Fahrer auf rutschigem Untergrund die Kontrolle über sein Fahrrad verliert. Das kann insbesondere gefährlich werden, wenn der Hilfsantrieb zu viel Hilfsenergie liefert. Für eine derartige Fahrdynamikregelung ist jedoch eine möglichst genaue Erfassung der Drehzahl der angetriebenen Räder des Fahrrades notwendig.
Hier greift der angegebene Sensor mit Erkenntnis an, dass der Drehzahlsensor im dem eingangs genannten Fahrrad eine Unterform eines Magnetpol-Sensors ist. Derartige Magnetpol-Sensoren setzen als zur Drehzahlerfassung notwendiges Impulsrad ein magnetisches Multipolrad ein, das im eingangs genannten Fahrrad aus Kostengründen jedoch nur einen einzelnen Magnetpol in Form des Permanentmagneten aufweist. Für jeden weiteren Magnetpol müsste entsprechend ein weiterer Permanentmagnet verbaut werden, der die Herstellungskosten des eingangs genannten Fahrrades entsprechend in die Höhe treiben würde.
Demgegenüber liegt der angegebenen Vorrichtung die Erkenntnis zugrunde, dass in einem Fahrrad eine Reihe von Bauteilen als Impulsrad verwendet werden können, denn Aufgabe des Impulsrades ist es, gegenüber einem ortsfest am Fahrrad angeordneten Messaufnehmer ein von der Winkelstellung des Impulsrades abhängiges magnetischen Feldes abzugeben, so dass der Messaufnehmer ein von der Winkelstellung des Impulsrades abhängiges Ausgangssignal ausgeben kann. Das kann auch dadurch erreicht werden, dass das magnetische Feld eines ortsfest am Fahrrad angeordneten Magneten durch das Impulsrad verzerrt also die Richtung seiner Feldlinien verändert werden. Dafür muss das Impulsrad gegenüber dem Magneten einen von seinem Drehwinkel abhängigen Widerstandsabschnitt aufweisen. In einem Fahrrad erfüllen vor allem die wesentlichen Bauteile, die zum Antrieb und zum Abbremsen des Fahrrades vorhanden sind, diese Voraussetzung. Unter den wesentlichen Bauteilen sollen dabei die Bauteile des Fahrrades verstanden werden, die für technische Funktion des Fahrrades unerlässlich sind. Durch die Verwendung von ohnehin am Fahrrad vorhandenen Bauteilen als Impulsrad kann auf die Verwendung eines Multipolrades mit mehreren Magneten zur Steigerung der Genauigkeit der Drehzahlerfassung verzichtet werden, wodurch Kosten zur Herstellung des Fahrrades gesenkt werden können.
Zudem wird auch der Einstellungs- und Wartungsaufwand reduziert, weil die wesentlichen Bauteile am Fahrrad in der Regel Normteile mit einem bekannten Durchmesser sind. Bei dem eingangs genannten Drehzahlsensor ist immer eine Einstellung oder Nachjustierung der Lage des Permanentmagneten auf einen bestimmten Radius notwendig, die nun entfallen kann.
In einer Weiterbildung umfasst der angegebene Sensor umfassend ein Befestigungselement, das eingerichtet ist, den Messaufnehmer und den Magneten lösbar am Fahrrad zu befestigen. Auf diese Weise kann der Sensor nach dem Befestigen beispielsweise in seiner radialen Lage zum Impulsrad korrigiert werden, um eine möglichst genaue Erfassung der Drehzahl und davon abhängigen Größen, wie die Fahrradgeschwindigkeit zu ermöglichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrrad einen Rahmen, wenigstens ein Rad zum Tragen des Rahmens auf einem Untergrund, eine Antriebsvorrichtung zum Beschleunigen des Fahrrades, eine Bremse zum Verzögern des Fahrrades, und einen der angegebenen Sensoren.
In einer Weiterbildung des angegebenen Fahrrades ist das Impulsrad des Sensors ein Teil der Antriebsvorrichtung. Auf diese Weise kann die Drehzahl unmittelbar an der Antriebsquelle ohne Verzögerungen in der Messstrecke erfasst werden.
In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Fahrrades umfasst die Antriebsvorrichtung ein Kettenrad, ein wenigstens ein in Drehrichtung des Rades gesehenes, drehfest am Rad gehaltenes Zahnrad und eine Kette zur Übertragung einer Antriebsbewegung vom Kettenrad auf das Rad. Als Impulsrad kann prinzipiell jedes dieser Elemente verwendet werden. Dabei ist die Verwendung des Kettenrades besonders günstig, weil dies einen großen Durchmesser aufweist und damit die Erfassung der Drehzahl mit einer hohen Sensibilität ermöglicht. Die Verwendung der Kette als Drehzahlsensor ist besonders günstig, weil diese einen großen Spielraum für die Positionierung des Magneten und des Messaufnehmers des Sensors bereitstellt.
In einer weiteren Weiterbildung des angegebenen Fahrrades umfasst die Antriebsvorrichtung ein Kugellager zum Lagern des Kettenrades oder des Zahnrades. Dieses Kugellager kann ebenfalls als Impulsrad verwendet werden.
Alternativ könnte auch ein Nabenflansch einer der Räder des Fahrrades verwendet werden, um die Drehzahl zu erfassen, wenn dieser in geeigneter Weise als Impulsrad ausgebildet ist.
In einer alternativen Weiterbildung des angegebenen Fahrrades umfasst die Bremse eine Bremsscheibe und einen Bremseffektor, der eingerichtet ist, eine Bewegung des Rades über die Bremsscheibe zu verzögern, wobei das Impulsrad die Bremsscheibe ist. Viele Bremsscheiben sind bereits aus technischen Gründen kodiert, die jedoch in erster Linie nichts mit der Drehzahlerfassung zu tun haben. Die Verwendung der Bremsscheibe als Impulsrad steigert daher die Vielseitigkeit der Bremsscheibe. Zudem dreht sich die Bremsscheibe unabhängig von der Antriebsvorrichtung stets mit dem Rad, so dass die tatsächliche Drehzahl des Rades, sofern diese erfasst werden soll, unabhängig vom Antriebszustand des Fahrrades – also ob der Fahrer das Tretlager betätigt, oder nicht – erfassbar ist.
In der Regel weisen Bremsscheiben eine Lochung zu ihrer Wärmeabfuhr auf. Diese Lochung kann beispielsweise in einfacher Weise als Impulsrad verwendet werden. Wenn diese Lochung nicht mit runden Löchen sondern mit radial abragenden Langlöchern oder rechteckigen Ausnehmungen realisiert wird, kann hierbei eine Verbesserung der Genauigkeit erreicht werden.
In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Fahrrades ist der Bremseffektor in einem gegenüber dem Rahmen drehfest zur Bremsscheibe angeordneten Bremssattel gehalten, wobei der Magnet und der Messaufnehmer des Sensors am Bremssattel angeordnet sind. Innerhalb dieses Bremssattels lässt sich der Messaufnehmer mit einer sehr hohen Genauigkeit gegenüber der als Impulsrad ausgeführten Bremsscheibe positionieren.
Sollen mehrere Drehzahlsensoren in dem Fahrrad verbaut werden, so können dazu selbstverständlich die Antriebsvorrichtung und die Bremse gleichzeitig verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrrad einen Rahmen, wenigstens ein Rad zum Tragen des Rahmens auf einem Untergrund, ein Umschlingungsgetriebe über das das Rad mit einem Zugmittel von einem Antriebslager aus antreibbar ist und einen der angegebenen Sensoren zum Erfassen der Antriebsfrequenz am Zugmittel.
Alle zuvor genannten Fahrräder können in einer besonderen Weiterbildung einen Hilfsmotor zur Unterstützung des Fahrers beim Antrieb umfassen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
1 eine schematische Darstellung eines Fahrrades mit einem über ein Tretlager und ein Zugmittel angetriebenen Rad,
2 eine schematische Darstellung des Zugmittels in Form eines Zahnriemens,
3 eine schematische Darstellung eines Sensors zum Erfassen einer Trittfrequenz des Tretlagers,
4 eine schematische Darstellung eines alternativen Sensors zum Erfassen der Trittfrequenz des Tretlagers,
5 eine schematische Darstellung eines weiteren, alternativen Sensors zum Erfassen der Trittfrequenz des Tretlagers,
6 eine schematische Darstellung eines alternativen Zahnriemens,
7 eine schematische Darstellung des aufgerollten Zahnriemens aus 6,
8 eine schematische Darstellung eines Fahrrades mit einer Antriebsvorrichtung,
9 eine schematische Darstellung eines Teils der Antriebsvorrichtung des Fahrrades der 1 mit einem Drehzahlsensor, und
10 eine schematische Darstellung einer alternativen Bremse für das Fahrrad der 1 mit einem Drehzahlsensor zeigen.
In den 1 bis 7 werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben. Nachstehend wird die Erfindung beispielhaft anhand eines Fahrrades beschrieben. Sie ist jedoch auf beliebige Fahrzeuge anwendbar, die über Umschlingungsgetriebe angetrieben werden.
Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung eines Fahrrades 2 mit einem unterstützenden aus einem Energiespeicher 3 mit elektrischer Energie versorgten Hilfsantrieb 4 zeigt.
Das Fahrrad 2 umfasst einen Rahmen 6, der auf einem Vorderrad 8 und einem Hinterrad 10 fahrbar auf einem nicht weiter dargestellten Untergrund, wie beispielsweise einer Straße getragen wird. Das Hinterrad 10 ist dabei über eine Antriebsvorrichtung 11 in Form eines Umschlingungsgetriebes antreibbar, die ein Antriebsrad 12, ein Zugmittel 13 und ein Abtriebsrad 15 umfasst. Das Antriebsrad 12 wird über ein zur Antriebsvorrichtung 11 gehörendes Antriebslager in Form eines Tretlagers 14 mit einer Tretlagerwelle 16 und zwei axial beabstandeten und radial von der Tretlagerwelle 16 abragenden Kurbelarmen 18 in an sich bekannter Weise gedreht. Mit dieser Drehung wird das Zugmittel 13 bewegt, dass die mit seiner Bewegung wiederrum das Abtriebsrad dreht. Das Zugmittel 13 kann beispielsweise eine Kette oder ein Riemen sein, wobei auf den Riemen als beispielhaftes Zugmittel an späterer Stelle näher eingegangen wird.
Das Vorderrad 8 ist dabei an einer drehbar am Rahmen gehaltenen Vorderradgabel 20 gehalten während das Hinterrad 10 an einer einstückig mit dem Rahmen 6 ausgebildeten Hinterradgabel 22 gehalten ist.
Im Betrieb des Fahrrades 2 kann ein Fahrer die Vorderradgabel 20 über einen Lenker 24 relativ zum Rahmen 6 drehen, um die Fahrtrichtung des Fahrrades 2 zu ändern. Um die Tretlagerwelle 16 über die Kurbelarme 18 zu drehen sind an diesem radial beabstandet zur Tretlagerwelle 16 Pedale 26 angeordnet, die der Fahrer mit seinen Füßen treten kann. Ferner ist an dem Fahrrad 6 ein Sitz 28 angeordnet, auf dem der Fahrer während der Fahrt sitzen kann.
Um das Fahrrad 2 während der Fahrt abzubremsen ist an dem Fahrrad 2 eine Vorderbremse 30 und eine Hinterbremse 32 angeordnet. Der Fahrer kann an beide Bremsen 30, 32 über eine Auslösevorrichtung 33 seinen Bremswunsch vorgeben. Dieser soll dann im Rahmen der vorliegenden Ausführung rein illustrativ an der Vorderbremse mit einem einen Bowdenzug 31 enthaltenden Übertragungselement 34 und an der Hinterbremse 32 mit einem alternativen Übertragungselement 36 übertragen werden, dass eine Hydraulikflüssigkeit 35 umfasst. Diese Übertragungselemente 34, 36 steuern im Rahmen der vorliegenden Ausführung an sich bekannte Bremsaktuatoren 37 an, die dann entsprechend an das Vorderrad 8 und an das Hinterrad 10 angreifen und das Fahrrad 2 mit einem mechanischen Widerstand verzögern. Eine derartige Bremse, die ein Fahrzeug basierend auf einem mechanischen Widerstand verzögert soll nachstehend Widerstandsbremse genannt werden.
Zur Versorgung des Hilfsantriebes 4 mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher 3 oder beim Schalten mit einer nicht weiter dargestellten Gangschaltung kann es vorteilhaft sein, die Antriebsfrequenz, das heißt die Trittfrequenz des Tretlagers 14, also seine Drehzahl zu erfassen. Hierzu ist an dem Fahrrad 2 ein Sensor 38 angeordnet, in den das Zugmittel 13 integriert ist. Mit dem Sensor kann in nachstehender Weise die Geschwindigkeit des Zugmittels 13 erfasst werden, wobei der Sensor ein Ausgangssignal 40 ausgibt, das von dieser Geschwindigkeit abhängig ist. Ist die Geschwindigkeit des Zugmittels 13 bekannt, kann über den Radius des Antriebsrades 12 basierend auf der Geschwindigkeit des Zugmittels 13 die Trittfrequenz des Tretlagers 14 in an sich bekannter Weise bestimmt werden.
Grundsätzlich kann das Zugmittel 13, als Zahnriemen ausgebildet sein. Ein Beispiel eines derartigen Zahnriemens 13 ist in 2 dargestellt. Der Zahnriemen 13 umfasst einen zugfesten Zugstrang 42 aus Stahl oder zugfesten Kunststoff, auf den Zähne 44 aus einem elastischen Material wie Gummi oder Kunststoff aufgebracht sein können. Auf der den Zähnen 44 gegenüberliegenden Seite des Zugstrangs 42 kann ferner ein Riemenrücken 46 angeordnet sein, der wiederrum aus einem elastischen Material wie Gummi oder Kunststoff gebildet ist.
Der zuvor beschriebene Zahnriemen 13 wäre auf diese Weise als seilförmiges Element einerseits zugfest ausgebildet könnte sich jedoch um das Antriebsrad 12 und das Abtriebsrad 15 des Fahrrades 2 führen lassen, wobei die Zähne 44 formschlüssig in entsprechende Formschlusselemente in den Rädern 12, 15 eingelegt werden könnten.
Um den Zahnriemen 13 als Zugmittel in den Sensor 38 zu integrieren, werden die Zähne 44 als Impulselement ausgebildet, das in der Lage ist, ein in 3 dargestelltes Geberfeld 48 in Form eines aus einem Gebermagneten 50 erregten Magnetfeldes in Abhängigkeit der Lage des Zahnriemens 13 in seiner Zugrichtung 52 zu verändern. Das so von der Lage des Zahnriemens 13 abhängige Gebermagnetfeld 48 kann dann durch einen entsprechenden Messaufnehmer 54 erfasst werden. Der Messaufnehmer 54 kann mit einem beliebigen magnetischen Messprinzip, wie beispielsweise dem Hall-Effekt oder einem magnetoresisitven Effekt, wie dem anisotropen magnetoresisitven Effekt oder dem gigamagnetoresisitiven Effekt betrieben werden. Diese magnetischen Messprinzipien sind einschlägig bekannt und brauchen daher nicht näher erwähnt zu werden. Da sich die Lage des Zahnriemens 13 aufgrund des Zuges in Zugrichtung 52 ändert, ändert sich auch das Gebermagnetfeld 48. Aus der Geschwindigkeit dieser Änderung kann deshalb die Geschwindigkeit des Zahnriemens 13 in Zugrichtung 52 erfasst und im Rahmen des Ausgangssignals 40 ausgegeben werden.
Wird als Geberfeld 48 ein zuvor erwähntes Magnetfeld verwendet, dann sollten in die Zähne 44 magnetisch leitfähige Partikel 56 beispielsweise aus ferromagnetischen Stahl integriert sein, die das Gebergeld 48 in Abhängigkeit der Lage der Zähne 44 in an sich bekannter Weise ablenken, je näher sich ein Zahn 44 am Gebermagneten 50 befindet. Von diesen Partikeln 56 ist in 3 der Übersichtlichkeit halber nur einer mit einem Bezugszeichen versehen. Aus diesem Grund ist der Messaufnehmer 54 im Rahmen der vorliegenden Ausführung unmittelbar zwischen dem Gebermagneten 50 und dem Zahnriemen 13 angeordnet, um eine möglichst große Sensitivität des Sensors 38 zu erreichen.
Alternativ können in die Zähne statt der magnetisch leitfähigen Partikel 56, wie in 4 gezeigt, auch kleine Gebermagneten 50 integriert sein, von denen wieder nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist. Diese erregen das Geberfeld 48 zwischen den Zähnen, wobei der Messaufnehmer 54 dann aus der Lage des Geberfeldes 48 heraus die Positionsänderung und damit die Geschwindigkeit des Zahnriemens 13 ableitet und im Ausgangssignal 40 ausgibt.
Weiter alternativ oder zusätzlich zu den zuvor genannten Ausführungen können auf der, den Zähnen 44 gegenüberliegenden Seite des Riemenrückens 46 ebenfalls Gebermagnete 56 angeordnet werden, die dann entsprechende, von der Lage des Zahnriemens 13 abhängige Gebergelder 48 erregen. Diese Gebermagnete 56 können auch, wie in 5 gezeigt, den Riemenrücken 56 ersetzen oder vom Riemenrücken 46 bedeckt sein.
Im Rahmen der 5 sind die riemenrückenseitig angeordneten Gebermagnete 56 im Wesentlichen mit der gleichen Länge aufgeteilt, wie die Zähne 44. Alternativ könnten die riemenrückenseitig angeordneten Gebermagnete 56 auch länger sein, als die Zähne 44, wobei an den Zähnen 44 dann wiederrum das Messprinzip der 3 oder 4 verwendet werden kann. Auf diese Weise kann mit den riemenrückenseitigen Gebermagneten 56 eine grobe Position des Zahnriemens 13 bestimmt und mit den Zähnen 44 dann wie mit einem Nonius die grob bestimmte Position verfeinert werden.
Um die Erfassung der Grobposition weiter zu verbessern, können die riemenrückenseitigen Gebermagnete 56 wie in 6 und 7 gezeigt, schräg zur Zugrichtung angeordnet werden, so dass eine Breite 58 der Pole der Gebermagnete 56 ebenfalls von der Lage des Zahnriemens 13 abhängig ist. Auf diese Weise kann die Grobposition über einen größeren Umfangsbereich des Zahnriemens 13 eindeutig erfasst und mit dem oben beschriebenen Nonius-Prinzip verfeinert werden.
Um die Erfassung der absoluten Position des Zahnriemens 13 weiter zu erweitern können an den Gebermagneten 56 in 6 und 7 nicht weiter dargestellte Codierungen angeordnet werden, die die einzelnen Gebermagnete 56 eindeutig kennzeichnen. In den 8 bis 10 wird eine weitere Ausführung des zuvor beschriebenen Fahrrades beschrieben. Beide Fahrräder und insbesondere die darin beschriebenen Sensoren sind untereinander in beliebiger Weise kombinierbar. Dabei werden in den 8 bis 10 gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
Es wird auf 8 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung eines Fahrrades 2 mit einem unterstützenden Hilfsantrieb 4 zeigt.
Das Fahrrad 2 umfasst einen Rahmen 6, der auf einem Vorderrad 8 und einem Hinterrad 10 fahrbar auf einem nicht weiter dargestellten Untergrund, wie beispielsweise einer Straße getragen wird. Das Hinterrad 10 ist dabei über eine Antriebsvorrichtung 11 antreibbar, die ein Kettenblatt 12, auch Kettenrad 12 genannnt, und eine Kette 13 umfasst, wobei das Kettenblatt 12 über ein zur Antriebsvorrichtung 11 gehörendes Tretlager 14 mit einer Tretlagerwelle 16 und zwei axial beabstandeten und radial von der Tretlagerwelle 16 abragenden Kurbelarmen 18 in an sich bekannter Weise drehbar ist.
Das Vorderrad 8 ist dabei an einer drehbar am Rahmen gehaltenen Vorderradgabel 20 gehalten während das Hinterrad 10 an einer einstückig mit dem Rahmen 6 ausgebildeten Hinterradgabel 22 gehalten ist.
Im Betrieb des Fahrrades 2 kann ein Fahrer die Vorderradgabel 20 über einen Lenker 24 relativ zum Rahmen 6 drehen, um die Fahrtrichtung des Fahrrades 2 zu ändern. Um die Tretlagerwelle 16 über die Kurbelarme 18 zu drehen sind an diesem radial beabstandet zur Tretlagerwelle 16 Pedale 26 angeordnet, die der Fahrer mit seinen Füßen treten kann. Ferner ist an dem Fahrrad 6 ein Sitz 28 angeordnet, auf dem der Fahrer während der Fahrt sitzen kann.
Um das Fahrrad 2 während der Fahrt abzubremsen ist an dem Fahrrad 2 eine Vorderbremse 30 und eine Hinterbremse 32 angeordnet. Der Fahrer kann an beide Bremsen 30, 32 über eine Auslösevorrichtung 33 seinen Bremswunsch vorgeben. Dieser soll dann im Rahmen der vorliegenden Ausführung rein illustrativ an der Vorderbremse mit einem einen Bowdenzug 31 enthaltenden Übertragungselement 34 und an der Hinterbremse 32 mit einem alternativen Übertragungselement 36 übertragen werden, dass eine Hydraulikflüssigkeit 35 umfasst. Diese Übertragungselemente 34, 36 steuern im Rahmen der vorliegenden Ausführung an sich bekannte Bremsaktuatoren 37 an, die dann entsprechend an das Vorderrad 8 und an das Hinterrad 10 angreifen und das Fahrrad 2 mit einem mechanischen Widerstand verzögern. Eine derartige Bremse, die ein Fahrzeug basierend auf einem mechanischen Widerstand verzögert soll nachstehend Widerstandsbremse genannt werden.
Eine Alternative zur Widerstandsbremse stellt eine Rekuperationsbremse 38 dar. Diese soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung entweder alternativ zur oder zusätzlich zur Widerstandsbremse an einem Fahrrad verbaut sein. Im Rahmen der vorliegenden Ausführung ist die Rekuperationsbremse 38 illustrativ zusätzlich zur als Widerstandsbremse ausgebildeten Hinterbremse 32 verbaut.
Kern der Rekuperationsbremse 38 ist ein Bremsgenerator 39 am Hinterrad 10 des Fahrrades 2. Zum Betrieb der Rekuperationsbremse 38 wird der oben genannte Bremswunsch mit einem Positionssensor 41 in der Auslösevorrichtung 33 der Hinterbremse 32 erfasst und in Form eines Messsignals 40 an eine Bremssteuervorrichtung 42 übertragen. Diese schaltet daraufhin (der Übersichtlichkeit halber in nicht näher dargestellter Weise) den Bremsgenerator 39 ein, der das Hinterrad 10 in an sich bekannter Weise durch Wandeln der kinetischen Energie des Hinterrades 10 in elektrische Bremsenergie 43 abbremst. Optional könnte die Bremssteuervorrichtung 42 noch anhand der Bremsenergie ermitteln, inwieweit zusätzlich noch die als Widerstandsbremse ausgebildete Hinterbremse 32 benötigt wird und den Bremsaktuator 37 mit einem geeigneten Steuersignal 44 ansteuern.
Die gewonnene elektrische Bremsenergie 43 kann dann in einem elektrischen Energiespeicher 46 gespeichert und bei Bedarf zum Antrieb des Hilfsmotors 4 verwendet werden, der im Rahmen der vorliegenden Ausführung beispielsweise zur Unterstützung des Fahrers des Fahrrades 2 zum Antrieb des Tretlagers 14 eingerichtet sein kann.
Zur Steuerung des Hilfsmotors 4 und/oder der Rekuperationsbremse 38 ist es hilfreich, die Drehzahl der Räder 8, 10 und/oder die Drehzahl des Tretlagers 14 zu erfassen. Dies soll im Rahmen der vorliegenden Ausführung mit einem wesentlichen Bauteil des Fahrrades 2 erfolgen, also einem Bauteil ohne das das Fahrrad 2 nicht wie beabsichtigt auf dem Unterfund beschleunigt und abgebremst werden kann. Ein derartiges wesentliches Bauteil ist beispielsweise die zuvor genannte Antriebsvorrichtung 11 oder die Bremse 30, 32 des Fahrrades 2.
Nachstehend soll basierend auf 9 Bezug, die Erfassung der Drehzahl basierend auf einem Teil der Antriebsvorrichtung 11 beschrieben werden.
Dazu ist in der Antriebsvorrichtung 11 an einem Zahnrad 48, das drehfest mit dem Hinterrad 10 zumindest in einer Drehrichtung verbunden ist, ein Drehzahlsensor 50 angeordnet.
Der Drehzahlsensor 50 umfasst in der vorliegenden Ausführung einen Magneten 52, ein Impulsrad, das in der vorliegenden Ausführung das Zahnrad 48 ist, und einen Messaufnehmer 54, der in der vorliegenden Ausführung zwischen dem Magenten 52 und dem Messaufnehmer 54 angeordnet ist.
Das Zahnrad 48 muss bei einem Fahrrad, wie dem Fahrrad 2 eine hohe mechanische Spannung aufnehmen können. Aus Kostengründen ist das Zahnrad 48 daher in der Regel aus einem ferromagnetischen Werkstoff aufgebaut. Ferner ist das Zahnrad 48, wie bereits erwähnt, drehfest mit dem Hinterrad 10 verbunden. Dies wird im Rahmen der vorliegenden Ausführung ausgenutzt, die Drehzahl des Zahnrades 48 und damit des Hinterrades 10 zu erfassen.
Dazu erregt der Magnet 52 ein Magnetfeld 56, das in an sich bekannter Weise durch das Impulsrad, also das Zahnrad 48 abgelenkt wird. Diese Ablenkung verändert das erregte Magnetfeld 56, was sich messtechnisch mit dem Messaufnehmer 54 erfassen lässt. Ziehen daher die Zähne des Zahnrades 48 und damit des Impulsrades am Messaufnehmer 54 vorbei und verändern das Magnetfeld 56 in periodischer Weise, kann diese periodische Veränderung des Magnetfeldes 56 mit dem Messaufnehmer 54 erfasst und daraus die Drehzahl des Zahnrades 48 und damit des Hinterrades 10 abgeleitet werden.
Im Rahmen der vorliegenden Ausführung muss jedoch für den Drehzahlsensor 50 kein eigenes Impulsrad geschaffen werden, denn es wird in besonders günstiger Weise das Zahnrad 48 der Antriebsvorrichtung 11 in die Erfassung der Drehzahl mit eingebunden.
Die Drehzahl könnte alternativ auch an einem in 10 gestrichelt angedeuteten Kugellager 58 in der Antriebsvorrichtung erfasst werden. Hierbei kann das Dichtungselement als permanentmagnetischer Multipolmagnetring ausgeführt sein. Ein derartiges Kugellager 58 lagert beispielsweise das Zahnrad 48 auf einer Achse 60, die ortsfest an der Hinterradgabel 22 befestigt sein kann.
Wie bereits erwähnt, könnte die Drehzahl alternativ oder zusätzlich auch mit einer der Bremsen 30, 32 des Fahrrades 2 erfasst werden, was nachstehend anhand der 10 erläutert werden soll.
Hierzu kann beispielsweise eine Bremsscheibe verwendet werden, die ortsfest mit dem Rad 8, 10 verbunden ist, an der die Drehzahl erfasst werden soll. Eine derartige Bremsscheibe 62 könnte beispielsweise die Radfelge des jeweiligen Rades 8, 10 sein. Voraussetzung wäre, dass die jeweilige Radfelge ferromagnetische Eigenschaften aufweist, die sich über den Drehwinkel des jeweiligen Rades 8, 10 ändern. Dies kann beispielsweise durch Ausbilden von Ausnehmungen in der Radfelge erreicht werden.
Es gibt jedoch auch Fahrräder, in denen die Bremsscheibe als extra Bauelement am Rad 8, 10 verbaut wird. Eine derartige Bremsscheibe ist in 10 gezeigt und mit dem Bezugszeichen 62 versehen. Der Bremseffektor 37 aus dem Fahrrad 2 der 8 würde dann an diese Bremsscheibe 62 angreifen.
Im Rahmen der 10 weist der Bremseffektor 37 einen Bremssattel 64 auf, der über Befestigungsbohrungen 66 ortsfest an der entsprechenden Fahrradgabel 20, 22 des Fahrrades 2 befestigt werden kann. In dem Bremssattel 64 sind über das Übertragungselement 34 bewegliche Bremsklötze 68 gehalten. Wird das Übertragungsmedium 34 mit der Auslösevorrichtung 33 bewegt, spannen die Bremsklötze 68 zu und klemmen die ortsfest am Rad 8, 10 gehaltene Bremsscheibe 62 zwischen sich ein. Auf diese Weise wird das Rad 8, 10 verzögert und das Fahrrad 2 abgebremst.
Während dieses Abbremsvorgangs wird in der Regel eine große Menge an Wärmeenergie erzeugt, die über eine Lochung 70 in der Bremsscheibe 62 in an sich bekannter Weise abgeführt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Ausführung wird die diese Lochung 70 aufweisende Bremsscheibe 62 ebenfalls als Impulsrad verwendet. Dazu sollte die Bremsscheibe 62 in besonders günstiger Weise aus einem ferromagnetischen Werkstoff ausgebildet sein. Der entsprechende Drehzahlsensor 50 ist dabei im Bremssattel 64 verbaut und kann analog zum Drehzahlsensor 50 in 2 aufgebaut sein. Details hierzu sollen daher der Kürze halber nicht noch einmal ausgeführt werden.
Zur besseren Nutzung der Antriebsenergie werden Fahrräder mit einem Übersetzungsgetriebe ausgestattet. Auch hier bietet es sich an, bestehende Strukturen wie Zahnräder als Impulsradzu verwenden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3446689 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EU-Richtlinie 2002-24 EG [0008]

Claims

Sensor (38, 50) zum Erfassen einer Drehzahl an einem Fahrrad (2), umfassend: – ein sich mit der Drehzahl drehendes Impulselement, das ein wesentliches Bauteil des Fahrrades (2) ist, und – einen Messaufnehmer (54) zum Ausgeben eines Ausgangssignals in Abhängigkeit des sich mit der Drehzahl drehenden Impulselementes.
Sensor (38) nach Anspruch 1, wobei die Drehzahleine Antriebsfrequenz ist, mit der ein Antriebslager (14) am Fahrrad (2) ein Rad (8, 10) des Fahrrades (2) über ein Umschlingungsgetriebe (11) mit einem Zugmittel (13) antreibt und das Impulselement das Zugmittel ist.
Sensor (38) nach Anspruch 2, umfassend ein Geberelement (50) zum Erregen eines vom Impulselement (13) abhängigen physikalischen Geberfeldes (48).
Sensor (38) nach Anspruch 3, wobei das Geberelement (50) ortsfest in das Zugmittel (13) integriert ist.
Sensor (38) nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei das Zugmittel (13) ein Riemen mit in Zugrichtung (52) gesehenen ortsabhängigen magnetischen Eigenschaften ist.
Sensor (38) nach Anspruch 5, wobei der Riemen (13) einen in Zugrichtung (52) verlaufenden Zugstrang (42) und winklig zur Zugrichtung (52) vom Zugstrang (42) abragende Zähne (44) umfasst.
Sensor (38) nach Anspruch 6, wobei die Zähne (44) aus einem Werkstoff gefertigt sind, in den magnetisch leitende Partikel (56) eingeschlossen sind.
Sensor (38) nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 7, wobei das Zugmittel (13) in Zugrichtung (52) ausgerichtete Magnete (56) umfasst.
Sensor (38) nach Anspruch 8, wobei die Pole der Magnete (56) quer zur Zugrichtung (52) in ihrer Breite (58) veränderlich sind.
Sensor (38) nach Anspruch 9, wobei die veränderliche Breite (58) der Pole der Magnete (56) periodisch und am Zugmittel (13) Codierungen angeordnet sind, die jede Periode eindeutig kennzeichnet.
Sensor (50) nach Anspruch 1, umfassend: – einen Magneten (52), der gegenüber dem sich in Abhängigkeit der zu erfassenden Drehzahl drehenden Impluselement in Form eines Impulsrades (48, 62) ortsfest positionierbar ist, – das Impulsrad (48, 62), das ein wesentliches Bauteil des Fahrrades (2) ist, und – einen Messaufnehmer (54) zum Ausgeben eines Ausgangssignals in Abhängigkeit einer Richtung magnetischer Feldlinien eines magnetischen Feldes (56), das vom Magneten (52) erregt wird.
Sensor (50) nach Anspruch 11, umfassend ein Befestigungselement (66), das eingerichtet ist, den Messaufnehmer (54) und den Magneten (52) lösbar am Fahrrad (2) zu befestigen.
Fahrrad (2) umfassend – einen Rahmen (6), – wenigstens ein Rad (8, 10) zum Tragen des Rahmens (2) auf einem Untergrund, – eine Antriebsvorrichtung (11) zum Beschleunigen des Fahrrades (2), – eine Bremse (30, 32) zum Verzögern des Fahrrades (2), und – einen Sensor (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Fahrrad (2) nach Anspruch 13, wobei das Impulsrad (48, 62) ein Teil (48) der Antriebsvorrichtung (11) ist.
Fahrrad (2) nach Anspruch 14, wobei die Antriebsvorrichtung (11) ein Kettenrad (12), ein wenigstens ein in Drehrichtung drehfest am Rad (8, 10) gehaltenes Zahnrad (48) und eine Kette (13) zur Übertragung einer Antriebsbewegung vom Kettenrad (12) auf das Zahnrad (48) umfasst.
Fahrrad (2) nach Anspruch 5, wobei die Antriebsvorrichtung (11) ein Kugellager (58) zum Lagern des Kettenrades (12) oder des Zahnrades (48) umfasst.
Fahrrad (2) nach Anspruch 3, wobei die Bremse (30, 32) eine Bremsscheibe (62) und einen Bremseffektor (37) umfasst, der eingerichtet ist, eine Bewegung des Rades (8, 10) über die Bremsscheibe (62) zu verzögern, wobei das Impulsrad (48, 70) die Bremsscheibe (62) ist.
Fahrrad (2) nach Anspruch 7, wobei die Bremsscheibe (62) eine Lochung (70) zu ihrer Wärmeabfuhr aufweist.
Fahrrad (2) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Bremseffektor (37) in einem gegenüber dem Rahmen (6) drehfest zur Bremsscheibe (62) angeordneten Bremssattel (64) gehalten und der Magnet (52) und der Messaufnehmer (54) des Sensors (50) am Bremssattel (64) angeordnet sind.
Fahrrad (2) umfassend – einen Rahmen (6), – wenigstens ein Rad (8, 10) zum Tragen des Rahmens (2) auf einem Untergrund, – ein Umschlingungsgetriebe (11) über das das Rad (8, 10) mit einem Zugmittel (13) von einem Antriebslager (14) aus antreibbar ist – einen Sensor (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, zum Erfassen der Antriebsfrequenz über das Zugmittel (13).