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Die Erfindung betrifft ein Zahnkranzpaket für eine Kettenschaltung, mit mehreren axial nebeneinander angeordneten Zahnkränzen, die an einer Nabe oder an einem mit einer Nabe verbundenen Freilaufkörper befestigt sind.
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Fahrzeuge, insbesondere Zweiräder, die durch einen Tretkurbelantrieb und alternativ oder zusätzlich durch einen elektrischen Antriebsmotor angetrieben werden können, haben in den vergangenen Jahren eine große Verbreitung gefunden. Zumeist dient der elektrische Antriebsmotor dabei der Unterstützung des Fahrers. Derartige Zweiräder, die als E-Bikes oder Pedelecs bezeichnet werden, umfassen einen Controller, der in Abhängigkeit verschiedener Eingangsgrößen den elektrischen Antriebsmotor steuert. Ein wichtiger Parameter ist dabei die vom Fahrer momentan abgegebene Leistung, die z. B. anhand der Drehzahl und des Drehmoments berechnet werden kann. Zur Erfassung des Drehmoments wurde von der Anmelderin bereits ein sogenanntes Sensor-Tretlager entwickelt, das eine sehr exakte Erfassung des Gesamtdrehmoments ermöglicht, das proportional zur Summe der Trittkraft des linken und des rechten Pedals ist. Mittels dieses Sensor-Tretlagers kann situationsabhängig der Bedarf des Fahrers nach Motorunterstützung erfasst werden, woraufhin der elektrische Antriebsmotor entsprechend gesteuert wird.
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Obwohl sich dieses Sensor-Tretlager in der Praxis sehr gut bewährt hat, besteht für bestimmte Anwendungen Bedarf an einer einfachen und kostengünstigen Möglichkeit zur Erfassung einer Zustandsgröße, die für eine Steuerung des elektrischen Antriebsmotors herangezogen werden kann.
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Aus der
DE 10 2007 021 972 A1 ist weiter bekannt, dass die Antriebskurbeln eines Fahrrads mit magnetostriktiven Körpern zur Erfassung eines magnetischen Streufelds durch Magnetfeldsensoren ausgerüstet werden können. Aus dieser Messung lässt sich das Drehmoment berechnen.
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Die
DE 699 28 397 T2 offenbart eine Nabenanordnung mit einer ersten und einer zweiten Nabe, wobei die beiden Naben mit einem Momentenkopplungselement verbunden sind und eine Radantriebseinheit mit der zweiten Nabe gekoppelt ist. Ein Sensorelement zur Erfassung einer Spannung im Momentenkopplungselement ist an der zweiten Nabe angeordnet. Ein solches Sensorelement ist bevorzugt ein Dehnmessstreifen.
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Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Zahnkranzpaket für eine Kettenschaltung anzugeben, das die Erfassung einer Zustandsgröße ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Zahnkranzpaket der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass an dem Zahnkranzpaket ein als Folie ausgebildeter Kraftsensor angeordnet ist, durch dessen Sensorsignal der durch eine abwälzende Kette beaufschlagte Zahnkranz detektierbar ist.
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Die Erfindung beruht auf der Idee, dass eine Drehmomentmessung auf eine Kraftmessung zurückgeführt werden kann, indem die Kraft in dem Bereich des Zahnkranzpakets gemessen wird. Dazu weist das Zahnkranzpaket einen als Folie ausgebildeten Kraftsensor auf, so dass anhand dessen Sensorsignal derjenige Zahnkranz detektierbar ist, der momentan durch die abwälzende Kette beaufschlagt ist. Das erfindungsgemäße Zahnkranzpaket umfasst mehrere, typischerweise acht bis elf axial nebeneinander angeordnete Zahnkränze, die auch als Ritzel bezeichnet werden, von denen jeweils ein Ritzel mit der Kette in Kontakt ist, die auf dem Ritzel abwälzt, wodurch das Ritzel und das damit verbundene Rad, typischerweise ein Hinterrad eines Zweirads, in Drehung versetzt wird. Anhand des Sensorsignals des Kraftsensors und des „Hebelarms”, das heißt des radialen Abstands der Zähne des Ritzels zur Drehachse, kann das aktuell wirkende Drehmoment berechnet werden. Durch zusätzliche Berücksichtigung der Drehzahl kann die vom Fahrer abgegebene Leistung erfasst werden. Selbstverständlich können auch weitere Einflussgrößen berücksichtigt werden, beispielsweise ein Wirkungsgradverlust durch den Kettentrieb. Das erfindungsgemäße Zahnkranzpaket, das mit dem Kraftsensor versehen ist, kann vergleichsweise einfach realisiert werden, da lediglich der als Folie ausgebildete Kraftsensor benötigt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Zahnkranzpakets ist vorgesehen, dass der Kraftsensor als PVDF-Folie (Polyvenylidenfluorid-Folie) ausgebildet ist. ein derartiger Sensor beruht auf dem direkten piezoelektrischen Effekt. Die PVDF-Folie kann beidseitig zwischen Metallschichten aufgenommen sein. Durch mechanischen Druck auf die PVDF-Folie entstehen an der Oberfläche kleine elektrische Ladungen, deren Betrag proportional zur Verformung der PVDF-Folie ist. Die Ladungen können über die Metallschichten abgeleitet und somit gemessen werden. Die PVDF-Folie weist den Vorteil auf, dass sie sehr dünn ist und somit problemlos an einem Zahnkranz angeordnet werden kann, ohne dass dazu Änderungen der Form oder der Kontur der einzelnen Ritzel erforderlich wären.
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Bei dem erfindungsgemäßen Zahnkranzpaket wird es besonders bevorzugt, dass der Kraftsensor in einer zentralen Ausnehmung des Zahnkranzpakets in Axialrichtung angeordnet ist. Üblicherweise ist das Zahnkranzpaket an einer Nabe oder an einem mit einer Nabe verbundenen Freilaufkörper befestigt. Die beiden Komponenten, nämlich das Zahnkranzpaket und die Nabe bzw. der Freilaufkörper, sind drehfest miteinander verbunden. Der Freilaufkörper oder die Nabe kann beispielsweise axial verlaufende Nuten bzw. Vorsprünge aufweisen, die Zahnkränze können eine daran angepasste zentrale Ausnehmung aufweisen, so dass das Zahnkranzpaket drehfest mit der Nabe oder dem Freilaufkörper verbunden werden kann. Bei dieser Ausgestaltung kann der als Folie ausgebildete Kraftsensor z. B. rechteckig ausgebildet sein und in Axialrichtung an der Innenseite des Zahnkranzpakets angeordnet sein. Im montierten Zustand befindet sich der als Folie ausgebildete Kraftsensor somit zwischen dem Zahnkranzpaket und der Nabe oder dem Freilaufkörper. In diesem Bereich wird die vom Fahrer aufgebrachte Kraft über das jeweils mit der Kette im Eingriff befindliche Ritzel auf die Nabe oder den Freilaufkörper übertragen, daher ermöglicht ein an dieser Stelle angeordneter Kraftsensor eine zuverlässige Erfassung der Kraft.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann es bei dem erfindungsgemäßen Zahnkranzpaket vorgesehen sein, dass der Kraftsensor an Zähnen der Zahnkränze angeordnet ist. Bei dieser Variante kann sich der Kraftsensor über mehrere, vorzugsweise über alle axial nebeneinander angeordnete Zahnkränze erstrecken, die Krafterfassung erfolgt somit an der Außenseite eines Ritzels im Bereich der Zähne, die direkt mit der Kette in Kontakt sind. Dadurch kann eine radial und/oder tangential wirkende Kraft erfasst werden.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Zahnkranzpakets sieht vor, dass der Kraftsensor mehrere Sensorabschnitte aufweist, wobei jedem Zahnkranz ein Sensorabschnitt zugeordnet ist. Der als Folie ausgebildete Kraftsensor kann entweder einteilig ausgebildet sein oder aus mehreren separaten oder miteinander verbundenen Abschnitten bestehen. Es ist auch denkbar, dass der Kraftsensor einteilig ausgebildet ist und mehrere aktive Messflächen oder Messbereiche aufweist. Der als Folie ausgebildete Kraftsensor kann – insbesondere bei der Anbringung an Zähnen der Zahnkränze – eine zusätzliche Abdeckung als Schutz vor Umwelteinflüssen oder mechanischen Beschädigungen aufweisen.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass der Kraftsensor mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist, die dazu ausgebildet ist, anhand eines von dem Kraftsensor erfassten Sensorsignals ein auf den jeweiligen, durch die Kette beaufschlagten Zahnkranz wirkendes Drehmoment zu berechnen. Die Auswerteeinrichtung kann als Controller ausgebildet sein, der entweder mitrotierend an dem Zahnkranzpaket oder ortsfest, beispielsweise an einer unbewegten Komponente der Kettenschaltung oder an einem Rahmen eines Zweirads, angeordnet ist.
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Der Kraftsensor kann über elektrische Leitungen mit der Auswerteeinrichtung verbunden sein, gegebenenfalls, wenn die Auswerteeinrichtung an einer ortsfesten Komponente der Kettenschaltung angeordnet ist, kann der Kraftsensor auch über einen Schleifring mit der Auswerteeinrichtung oder einer anderen ortsfest angeordneten Komponente verbunden sein. Die Auswerteeinrichtung kann weitere Sensoren aufweisen oder damit verbunden sein, beispielsweise kann sie mit einem Drehzahlsensor verbunden sein, so dass nicht nur das vom Fahrer abgegebene Drehmoment, sondern auch die vom Fahrer abgegebene Leistung bestimmt werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Zahnkranzpakets kann es vorgesehen sein, dass der Kraftsensor mit einer Sendeeinrichtung verbunden ist, die zum drahtlosen Übertragen von Sensorsignalen oder daraus abgeleiteten Informationen an eine Empfangseinrichtung ausgebildet ist. Optional kann die Sendeeinrichtung in eine oder die Auswerteeinrichtung integriert sein. Die Empfangseinrichtung ist vorzugsweise an einer ortsfesten Komponente der Kettenschaltung oder am Rahmen eines Fahrzeugs, insbesondere eines Zweirads, angeordnet. Die Empfangseinrichtung kann beispielsweise mit einem Controller für den elektrischen Antriebsmotor verbunden sein.
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Daneben betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug, umfassend ein Zahnkranzpaket der beschriebenen Art, ein angetriebenes oder antreibbares Kettenblatt und eine einen Zahnkranz des Zahnkranzpakets und das Kettenblatt umschlingende Kette. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Zweirad, insbesondere ein Fahrrad mit einem elektrischen Antrieb oder einem elektrischen Hilfsantrieb oder um ein zwei- oder dreirädriges Elektrofahrzeug.
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Bei dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang wird es bevorzugt, dass das antreibbare Kettenblatt mit einem Tretkurbelantrieb und/oder einem elektrischen Antriebsmotor gekoppelt ist. Der elektrische Antriebsstrang ist besonders gut für solche Anwendungen geeignet, bei denen ein elektrischer Antriebsmotor zur Unterstützung eines Tretkurbelantriebs vorgesehen ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Zahnkranzpaket für eine Kettenschaltung;
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2 eine weitere perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Zahnkranzpakets;
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3 eine perspektivische Ansicht eines Freilaufkörpers;
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4 eine schematische Darstellung eines Kraftsensors;
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5 eine weitere Ansicht des in 4 gezeigten Kraftsensors; und
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6 einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang für ein Fahrzeug.
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Die 1 und 2 sind perspektivische Ansichten und zeigen ein Zahnkranzpaket 1 für eine Kettenschaltung mit mehreren axial nebeneinander angeordneten Zahnkränzen 2, die auch als Ritzel bezeichnet werden. Die Zahnkränze 2 bilden eine Kassette, die auch als Steckkranz bezeichnet wird. Die einzelnen Zahnkränze 2 des Zahnkranzpakets 1 sind der Größe nach sortiert angeordnet.
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3 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt einen Freilaufkörper 3, der mit einer Nabe eines Rads verbunden werden kann. Der Freilaufkörper 3 weist an seiner Außenseite in Axialrichtung verlaufende Nuten 4 auf, die gemeinsam mit entsprechenden Vorsprüngen 5 im Bereich einer zentralen Ausnehmung 6 des Zahnkranzpakets 1 eine drehfeste Steckverbindung des Zahnkranzpakets 1 mit dem Freilaufkörper 3 ermöglichen.
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An dem Zahnkranzpaket 1 ist ein als Folie ausgebildeter Kraftsensor 7 angeordnet, der – wie am besten in 1 zu sehen ist – eine rechteckige Grundform aufweist und in der Ausnehmung 6 parallel zur Axialrichtung angebracht ist. Der Kraftsensor 7 wird vor der Befestigung des Zahnkranzpakets 1 an dem Freilaufkörper 3 entweder im Bereich der inneren Ausnehmung 6 des Zahnkranzpakets 1, wie in 1 und 2 gezeigt ist, oder alternativ an der Außenseite des Freilaufkörpers 3 angebracht. Im einfachsten Fall ist der Kraftsensor 7 formschlüssig zwischen dem Zahnkranzpaket 1 und dem Freilaufkörper 3 angeordnet. Zur Erleichterung der Montage kann der Kraftsensor 7 auch geklebt oder geklemmt sein.
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4 ist eine schematische geschnittene Ansicht und zeigt den Aufbau des Kraftsensors 7. Der Kraftsensor 7 ist als Folie ausgebildet, die aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) besteht. Dieses Material ist beidseitig zwischen Metallschichten 9, 10 eingeschlossen. Im eingebauten Zustand ist eine Metallschicht mit der Innenseite des Zahnkranzpakets 1 in Kontakt, die entgegengesetzte Seite ist mit der Außenseite des Freilaufkörpers 3 in Kontakt. Wenn während des Betriebs eine Kette auf einem der Zahnkränze 2 abwälzt, wird eine Kraft über den Zahnkranz 2 auf den Freilaufkörper 3 übertragen, die als externe Kraft 11 auf eine Seite des Kraftsensors 7 einwirkt. In 4 ist die externe Kraft 11 durch Pfeile symbolisch dargestellt.
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Der Kraftsensor 7 beruht auf dem direkten piezoelektrischen Effekt. Die einwirkende Kraft übt Druck auf die PVDF-Folie 8 aus, auf deren Oberfläche bilden sich dadurch kleine elektrische Ladungen, die proportional zur Verformung der Folie und somit proportional zur Kraft sind. Über die Metallschichten 9, 10, die über Leitungen 12, 13 mit einer Auswerteeinrichtung 14 verbunden sind, kann die Kraft gemessen werden.
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5 ist eine weitere schematische Darstellung des Kraftsensors 7 in einer Draufsicht. Der Kraftsensor 7 umfasst mehrere Sensorabschnitte 15, deren Größe und Form so gewählt ist, dass ein Sensorabschnitt 15 an der Innenseite eines Zahnkranzes 2 (Ritzel) zugeordnet ist. In 5 sind lediglich drei derartige Sensorabschnitte 15 dargestellt, die voneinander beabstandet in Längsrichtung angeordnet sind. Da ein Zahnkranzpaket typischerweise acht bis elf derartige Ritzel aufweist, weist auch der als Folie ausgebildete Kraftsensor dieselbe Anzahl von Sensorabschnitten auf, in der Praxis kann ein Kraftsensor z. B. acht bis elf Sensorabschnitte aufweisen. Der in 5 schematisch dargestellte Kraftsensor 7 umfasst weitere Leiterbahnen oder Leitungen, die mit der Auswerteeinrichtung 14 verbunden sind, so dass anhand des von dem Kraftsensor 7 abgegebenen Sensorsignals detektiert werden kann, welcher Zahnkranz 2 des Zahnkranzpakets 1 momentan in Kontakt mit einer Kette ist. Während des Betriebs des Zahnkranzpakets 1 ist jeweils lediglich ein Zahnkranz 2 (Ritzel) in Kontakt mit der Kette, die auf dem jeweiligen Ritzel abwälzt. Somit liefert lediglich einer der Sensorabschnitte 15 ein entsprechendes Kraftsignal, wodurch der entsprechende Zahnkranz 2 detektiert werden kann.
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6 zeigt einen Antriebsstrang 16 für ein Fahrzeug, umfassend das Zahnkranzpaket 1, das mit der Nabe eines Speichenrads 17 verbunden ist. Daneben umfasst der Antriebsstrang 16 ein Kettenblatt 18 sowie eine Kette 19, die sowohl das Kettenblatt 18 als auch ein Ritzel des Zahnkranzpakets 1 umschlingt. Das Kettenblatt 18 ist drehfest mit einem Tretkurbelantrieb 20 verbunden, der zwei Pedale 21, 22 umfasst, die an Kurbelarmen 23, 24 drehbar gelagert sind, die über eine drehbar gelagerte Tretlagerwelle 25 miteinander verbunden sind.
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Der in 6 gezeigte Antriebsstrang 16 ist Bestandteil eines Zweirads, das einen elektrischen Antriebsmotor als Hilfsantrieb aufweist.
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Der in dem Zahnkranzpaket 1 angeordnete Kraftsensor 7 umfasst eine schematisch angeordnete Sendeeinrichtung 26, die Sensorsignale oder daraus abgeleitete Informationen an eine feststehende oder zumindest nicht rotierende Empfangseinrichtung 27 sendet. Die Empfangseinrichtung 27 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel an einer Komponente eines Fahrradrahmens angeordnet. Die Empfangseinrichtung 27 ist mit einer Auswerteeinrichtung 28 gekoppelt, die dazu ausgebildet ist, anhand des von dem Kraftsensor 7 erfassten Sensorsignals die vom Fahrer aufgebrachte Kraft zu bestimmen. Mittels bekannter geometrischer Größen, insbesondere des Abstands zwischen dem Außenumfang des mit der Kette 19 im Eingriff befindlichen Ritzels zur Drehachse kann das von einem Fahrer aufgebrachte Drehmoment bestimmt werden. Dadurch können Steuersignale zur Ansteuerung eines lediglich schematisch dargestellten elektrischen Antriebsmotors 29 gewonnen werden. Die Auswerteeinrichtung 28 dient somit auch als Controller zur Steuerung des elektrischen Antriebsmotors 29.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnkranzpaket
- 2
- Zahnkranz
- 3
- Freilaufkörper
- 4
- Nut
- 5
- Vorsprung
- 6
- Ausnehmung
- 7
- Kraftsensor
- 8
- PVDF-Folie
- 9
- Metallschicht
- 10
- Metallschicht
- 11
- Kraft
- 12
- Leitung
- 13
- Leitung
- 14
- Auswerteeinrichtung
- 15
- Sensorabschnitt
- 16
- Antriebsstrang
- 17
- Speichenrad
- 18
- Kettenblatt
- 19
- Kette
- 20
- Tretkurbelantrieb
- 21
- Pedal
- 22
- Pedal
- 23
- Kurbelarm
- 24
- Kurbelarm
- 25
- Tretlagerwelle
- 26
- Sendeeinrichtung
- 27
- Empfangseinrichtung
- 28
- Auswerteeinrichtung
- 29
- Antriebsmotor
