-
Die Erfindung betrifft eine Kettenblattanordnung mit einem Kettenblatt und einer Nabeneinheit.
-
Seit einigen Jahren hat die Verbreitung von Elektrofahrrädern stark zugenommen. Hauptsächlich handelt es sich dabei um sogenannte Pedelecs, bei denen die vom Fahrer aufgebrachte Antriebsleistung durch einen Elektromotor unterstützt wird. Der Elektromotor dient somit als Hilfsantrieb, der lediglich dann eingeschaltet wird, wenn auch der Fahrer in die Pedale tritt. Mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit wird die durch den Elektromotor bereitgestellte Antriebsleistung verringert. Zur Regelung des Elektromotors wird daher ein Sensor benötigt, um das vom Fahrer abgegebene Drehmoment oder eine dazu proportionale oder daraus ableitbare Größe zu messen.
-
Aus der
DE 10 2010 023 355 A1 ist eine Anordnung zur Drehmomentmessung bei einem Fahrrad bekannt. Die Anordnung umfasst ein spezielles Kettenblatt, bei dem durch radial angeordnete Speichen eine Drehelastizität erzeugt wird. Diese elastische Verformung ist ein Maß für das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment und kann mittels Sensoren detektiert werden.
-
In der
DE 10 2010 026 810 A1 wird ein Elektrofahrrad vorgeschlagen, bei dem ein Sensor zum Messen des vom Fahrer eingeleiteten Drehmoments vorgesehen ist. Eine erste Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen einem Fahrradrahmen und einer Tretlagerwelle Kraftsensoren angeordnet sind. Eine zweite Ausgestaltung sieht einen auf der Tretlagerwelle angeordneten Verformungssensor vor. Eine dritte Ausgestaltung sieht einen Sensor zur Lagebestimmung einer Felge des Laufrads vor.
-
Von der Anmelderin wird seit einiger Zeit ein sogenanntes Drehmoment-Sensor-Tretlager hergestellt, das die berührungslose Messung von Drehzahl, Drehrichtung und Drehwinkel ermöglicht. Diese Informationen werden an einen Controller weitergeleitet, der die Energiezufuhr eines Akkus an den Elektromotor regelt, um eine bedarfsgerechte Unterstützung des Fahrers sicherzustellen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kettenblattanordnung mit einem Kettenblatt und einer Nabeneinheit anzugeben, die einfach aufgebaut ist und dennoch eine zuverlässige Messung eines Drehmoments oder einer daraus abgeleiteten oder dazu proportionalen Größe ermöglicht.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Kettenblattanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Nabeneinheit eine fest mit dem Kettenblatt verbundene äußere Nabe und eine darin aufgenommene innere Nabe umfasst, wobei zwischen der äußeren Nabe und der inneren Nabe wenigstens ein Element zum Übertragen eines Drehmoments angeordnet ist, an dem ein Kraft- und/oder Drucksensor zum Erfassen einer zwischen der äußeren und der inneren Nabe wirkenden Kraft oder eines Drucks angebracht ist.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Drehmomentmessung indirekt über eine Kraft- oder Druckmessung erfolgen kann, indem die Nabe zweiteilig ausgebildet ist und zwischen den beiden Teilen der Kraft- oder Drucksensor angeordnet ist. Zwischen der äußeren Nabe und der inneren Nabe wirkt die vom Fahrer aufgebrachte Kraft, aus der mittels des bekannten Hebelarms (Teilkreisdurchmesser) das aufgebrachte Drehmoment berechnet werden kann. Durch die Anordnung des Kraft- oder Drucksensors zwischen der äußeren und der inneren Nabe kann dieser geschützt vor Umwelteinflüssen angeordnet werden, so dass die Messwerterfassung zuverlässig und störungsfrei erfolgen kann.
-
Bei der erfindungsgemäßen Kettenblattanordnung wird es bevorzugt, dass das Element zum Übertragen eines Drehmoments als Druckbalken ausgebildet ist, der fest mit einer Nabe verbunden und durch ein über das Kettenblatt eingeleitetes Drehmoment an die andere Nabe anpressbar ist. Das vom Fahrer eingeleitete Drehmoment wird somit ausschließlich über den Druckbalken von einer Nabe zur anderen Nabe übertragen. Grundsätzlich kann der Druckbalken sowohl fest mit der inneren Nabe als auch alternativ fest mit der äußeren Nabe verbunden sein. Vorzugsweise ist der Druckbalken jedoch fest mit der inneren Nabe verbunden.
-
Um eine einfache Fertigung zu ermöglichen, kann es vorgesehen sein, dass der Druckbalken in eine Ausnehmung einer Nabe, insbesondere eine Ausnehmung der inneren Nabe, eingesetzt oder eingepresst ist. Alternativ sind natürlich auch andere Ausgestaltungen möglich, beispielsweise kann der Druckbalken an eine Nabe, insbesondere die innere Nabe, angeformt sein. Der Druckbalken kann beispielsweise durch ein spanendes Verfahren einstückig mit der inneren Nabe ausgebildet sein, ebenso kann er angeschweißt sein. Wesentlich ist dabei jeweils, dass die innere Nabe und die äußere Nabe nicht fest miteinander verbunden sind, die innere Nabe und die äußere Nabe werden jedoch durch das vom Fahrer eingeleitete Drehmoment aufeinander gepresst, so dass eine Fläche des Druckbalkens gegen eine Fläche der Nabe, insbesondere der äußeren Nabe, gepresst wird. An dieser Kontaktstelle befindet sich der Kraft- und/oder Drucksensor, der eine Erfassung der Kraft oder des Drucks ermöglicht, so dass anhand des Teilkreisdurchmessers der Sensorposition das aktuell vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment bestimmt werden kann.
-
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kettenblattanordnung sieht vor, dass zwischen der äußeren Nabe und der inneren Nabe ein Wälzlager angeordnet ist. Das Wälzlager minimiert mechanische Störeinflüsse wie Reibung, die ansonsten bei einem Verzicht auf das Wälzlager auftreten könnten. Grundsätzlich könnte anstelle eines Wälzlagers auch ein Gleitlager eingesetzt werden, da bei einem Gleitlager jedoch in stärkerem Maße Haftreibungseinflüsse auftreten, wird der Einsatz eines Wälzlagers bevorzugt.
-
In diesem Zusammenhang wird es besonders bevorzugt, dass das Wälzlager der erfindungsgemäßen Kettenblattanordnung als Schrägnadellager ausgebildet ist. Durch das Schrägnadellager wird eine spielfreie, steife Verbindung zwischen der inneren Nabe und der äußeren Nabe sichergestellt. Alternativ kann die Lagerung auch aus einer Kombination eines Radiallagers mit zwei Axiallagern, die als Wälzlager oder Gleitlager ausgebildet sind, bestehen.
-
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass der Kraft- und/oder Drucksensor als Folie ausgebildet ist. Bei einer Ausgestaltung als Folie kann der Sensor besonders exakt zwischen dem Druckbalken und einer Anlagefläche der entsprechenden Nabe positioniert werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der als Folie ausgebildete Sensor lediglich senkrecht zur Oberfläche belastet wird, das Auftreten von Scherkräften wird somit vermieden. Daher kann eine zuverlässige Funktion des Sensors sowie eine lange Lebensdauer erwartet werden.
-
Im Hinblick auf den Kraft- und/oder Drucksensor wird es bevorzugt, dass dieser auf einem resistiven, piezoresistiven, kapazitiven oder induktiven Messprinzip beruht oder ein Hall-Element aufweist.
-
Bei der erfindungsgemäßen Kettenblattanordnung kann es vorgesehen sein, dass an der inneren Nabe eine Tretkurbel befestigt ist. Bei dieser Ausgestaltung wird ein vom Fahrer über die Pedale in die Tretkurbel eingeleitetes Drehmoment auf die innere Nabe übertragen. Der fest mit der inneren Nabe verbundene Druckbalken überträgt das Drehmoment auf die äußere Nabe, die fest mit dem Kettenblatt verbunden ist, so dass dieses in Rotation versetzt wird. Über eine Kette, gegebenenfalls auch einen Riemen, wird das Hinterrad des Fahrrads angetrieben. Die innere Nabe ist in herkömmlicher Weise mittels eines Tretlagers drehbar gegenüber dem Fahrradrahmen gelagert.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die äußere Nabe und die innere Nabe mittels eines eine Laufbahn für das Wälzlager aufweisenden Rings verbunden sind, der mittels einer Kontermutter gesichert ist. Mittels des Rings und der Kontermutter kann das Lagerspiel des Wälzlagers eingestellt werden.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
-
1 eine geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Kettenblattanordnung; und
-
2 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht der Nabeneinheit der in 1 gezeigten Kettenblattanordnung.
-
1 ist eine geschnittene Ansicht einer Kettenblattanordnung 1 mit einem Kettenblatt 2 und einer Nabeneinheit 3. Die Kettenblattanordnung 1 ist Bestandteil eines Antriebs eines Elektrofahrrads, bei dem ein Elektromotor zur Unterstützung des Fahrers eingesetzt wird. Der Elektromotor wird nur dann eingeschaltet, wenn der Fahrer das Elektrofahrrad mit Muskelkraft antreibt. Der Elektromotor wird dazu mittels eines Controllers drehmomentabhängig geregelt. Für diese Regelung wird das vom Fahrer erzeugte Drehmoment oder eine daraus abgeleitete oder dazu proportionale Größe als Eingangsgröße benötigt.
-
Die Nabeneinheit 3 weist einen als Folie ausgebildeten Kraftsensor 4 auf, der in der Nabeneinheit 3 angeordnet ist. Die Nabeneinheit 3 umfasst eine äußere Nabe 5 und eine innere Nabe 6. Die äußere Nabe 5 ist fest mit dem Kettenblatt 2 verbunden und dient gleichzeitig als Gehäuse für die innere Nabe 6 und darin aufgenommene Komponenten.
-
In der teilweise aufgebrochenen Seitenansicht von 2 erkennt man, dass die innere Nabe 6 eine sich in Radialrichtung erstreckende Ausnehmung 7 aufweist, in der ein Druckbalken 8 angeordnet ist, der als Element zum Übertragen eines Drehmoments dient. Der quaderförmige Druckbalken 8 ist in die Ausnehmung 7 eingepresst und fixiert. Das äußere Ende des Druckbalkens 8 steht radial über die innere Nabe 6 hinaus.
-
Die äußere Nabe 5 und die innere Nabe 6 weisen jeweils zumindest näherungsweise eine ringförmige Grundform auf, wobei die innere Nabe 6 in der äußeren Nabe 5 aufgenommen und gegenüber dieser zumindest geringfügig bewegbar ist.
-
2 zeigt, dass der Druckbalken 8 mit seinem äußeren Ende in eine Ausnehmung 9 der äußeren Nabe 5 eingreift. Die Ausnehmung 9 ist dabei in Umfangsrichtung so bemessen, dass der Druckbalken 8 mit Spiel eingesetzt ist. Zwischen dem Druckbalken 8 und einer Kontaktfläche 10 der äußeren Nabe 5 ist der als Folie ausgebildete, im Wesentlichen rechteckige Kraftsensor 4 angeordnet.
-
Zwischen der äußeren Nabe 5 und der inneren Nabe 6 ist ein als Schrägnadellager ausgebildetes Wälzlager 11 angeordnet, um Reibungseinflüsse bei einer Relativbewegung zwischen der äußeren Nabe 5 und der inneren Nabe 6 zu vermeiden. In 1 erkennt man, dass die äußere Nabe 5 an beiden Axialseiten schräge Laufbahnen 12, 13 für Rollen bzw. Nadeln des Wälzlagers 11 aufweist. Die innere Nabe 6 weist an einer Seite ebenfalls eine daran angepasste schräge Laufbahn 14 auf. Zur Fixierung des Wälzlagers 11 dient ein Ring 15, der auf der der Laufbahn 14 entgegengesetzten Seite der inneren Nabe 6 eine entsprechende schräge Laufbahn 16 für die Wälzkörper aufweist. Der Ring 15 weist ein Innengewinde auf und ist auf ein Außengewinde der inneren Nabe 6 geschraubt, zusätzlich ist eine Kontermutter 17 auf das Gewinde der inneren Nabe 6 geschraubt, um nach dem Einstellen des Lagerspiels den Ring 15 zu fixieren.
-
Die innere Nabe 6 ist hohl ausgebildet, so dass sie in herkömmlicher Weise an der Welle eines Tretlagers befestigt werden kann.
-
Die innere Nabe 6 ist fest mit einer Tretkurbel 18, verbunden an deren Ende sich ein Pedal (nicht gezeigt) befindet. Eine weitere, ebenfalls mit einem Pedal versehene Tretkurbel befindet sich an der entgegengesetzten (linken) Seite des Tretlagers. Die äußere Nabe 5 weist Gewindelöcher 23 zur Befestigung des Kettenblatts 2 auf.
-
Wenn der Fahrer die Tretkurbel 18 in Drehung versetzt, wird die innere Nabe 6 gedreht. Da der in der Ausnehmung 7 der inneren Nabe 6 befestigte Druckbalken 8 der Kontaktfläche 10 in der Ausnehmung 9 der äußeren Nabe 5 gegenüberliegt, wird die äußere Nabe 5 gemeinsam mit der inneren Nabe 6 gedreht. Der mit der inneren Nabe 6 verbundene Druckbalken 8 dient somit als Mitnehmer und treibt die äußere Nabe 5 an. Dadurch wird das fest mit der äußeren Nabe 5 verbundene Kettenblatt 2 in Drehung versetzt, das wiederum über eine Kette oder einen Riemen das Hinterrad des Elektrofahrzeugs antreibt.
-
Zwischen dem in der inneren Nabe 6 befestigten Druckbalken 8 und der Kontaktfläche 10 der äußeren Nabe 5 ist der Kraftsensor 4 angeordnet, der ein Signal erfasst, das proportional zu der Druckkraft ist, die an der Kontaktfläche 10 zwischen dem Druckbalken 8 und der äußeren Nabe 5 wirkt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kraftsensor 4 als kapazitiver Sensor ausgebildet, daneben kommen jedoch auch alle anderen Arten von Kraft- und/oder Drucksensoren in Frage, beispielsweise ein resistiver, piezoresistiver oder induktiver Sensor, ein Magnetfeldsensor oder ein Hall-Sensor. Diese Anordnung des als Folie ausgebildeten Kraftsensors 4 weist den Vorteil auf, dass die Druckkraft exakt senkrecht zur Oberfläche der Folie wirkt, dementsprechend treten keine Scherkräfte auf. Dadurch werden eine hohe Qualität des Messsignals und eine lange Lebensdauer gewährleistet.
-
In 2 erkennt man, dass die äußere Nabe 5 einen Hohlraum 19 aufweist, in dem eine Elektronikeinheit 20 angeordnet ist, die der Auswertung und Verarbeitung des von dem Kraftsensor 4 gelieferten Messsignals dient. Der Kraftsensor 4 und die Elektronikeinheit 20 sind über Verbindungsleitungen 21 miteinander verbunden. Die Elektronikeinheit 20 kann drahtlos oder über elektrische Leitungen mit weiteren Antriebskomponenten verbunden sein, insbesondere mit einem Controller zur Steuerung des elektrischen Antriebsmotors des Elektrofahrrads. In dem Hohlraum 19 ist zusätzlich eine Batterie 22 angeordnet, die der Stromversorgung der Elektronikeinheit dient. Der Hohlraum 19 weist dazu einen Deckel auf, wodurch ein Austausch der Batterie 22 ermöglicht wird. Bei anderen Ausführungen kann die Elektronikeinheit 20 auch von einem Akkumulator oder einem Nabendynamo gespeist werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kettenblattanordnung
- 2
- Kettenblatt
- 3
- Nabeneinheit
- 4
- Kraftsensor
- 5
- Nabe
- 6
- Nabe
- 7
- Ausnehmung
- 8
- Druckbalken
- 9
- Ausnehmung
- 10
- Kontaktfläche
- 11
- Wälzlager
- 12
- Laufbahn
- 13
- Laufbahn
- 14
- Laufbahn
- 15
- Ring
- 16
- Nabe
- 17
- Kontermutter
- 18
- Tretkurbel
- 19
- Hohlraum
- 20
- Elektronikeinheit
- 21
- Verbindungsleitung
- 22
- Batterie
- 23
- Gewindeloch
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102010023355 A1 [0003]
- DE 102010026810 A1 [0004]
