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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von Betriebsparametern an einer Welle, insbesondere der Welle einer Tretlageranordnung eines Fahrrads oder Elektrofahrrads.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei motorisch unterstützten Fahrrädern, häufig auch Pedelecs oder Elektrofahrräder genannt, steuert ein elektrischer Motor Kraft für den Vortrieb bei. Diese Kraft unterstützt zumeist die Trittkraft des Fahrers. Die Trittkraft wird über eine Kurbel in ein Tretlager eingebracht und variiert normalerweise. Damit also beispielsweise eine vorbestimmte konstante Geschwindigkeit gehalten werden kann, ist für die Antriebsregelung des Motors die Messung des Drehmoments an der Tretlagerwelle erforderlich.
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Auch bei Fahrrädern ohne motorische Unterstützung ist es häufig von Interesse beispielsweise die eingebrachte Leistung des Fahrers zu ermitteln und anzuzeigen.
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Aus der
EP 0 983 934 B1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, mit dem ein auf eine Tretlagerwelle aufgebrachtes Drehmoment, beispielsweise eine Tretlagerwelle eines Elektrofahrrads, ermittelbar ist. Der Drehmomentsensor umfasst ein Drucksensorelement, das auf einem Sensorträger angeordnet und kraftschlüssig zwischen der Tretlagerwelle und einem die Tretlagerwelle umschließenden Teilstück eines Fahrradrahmens angebracht ist. Die Kraftmessung erfolgt also im Wesentlichen am Außenring eines die Tretlagerwelle lagernden Lagers. Das Drucksensorelement registriert einen Wert einer Kraft auf die Tretlagerwelle, der einem Drehmoment auf die Tretlagerwelle proportional sein kann.
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Weiterführend zur
EP 0 983 934 B1 ist aus der
DE 103 39 304 A1 ein Sensorträger zur Übertragung einer Kraft von einer Tretlagerwelle auf ein Sensorelement bekannt.
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Der Sensorträger umfasst einen radial inneren Teil und einen radial äußeren Teil, wobei eines der Teile eine Erhebung, beispielsweise ein aus der Oberfläche des Teils herausragendes Element, zur Verformung des anderen Teils aufweist. Bei einer Krafteinwirkung auf die Tretlagerwelle und somit einer Kraftübertragung auf den Sensorträger, verformt sich die Erhebung. Bei bekanntem Zusammenhang zwischen der Verformung und der die Verformung bewirkenden Kraft auf die Tretlagerwelle, kann diese Kraft aus der Verformung ermittelt werden. Das Drehmoment kann dann indirekt über die Längenmessung der Verformung, beispielsweise der Längenmessung mittels eines Dehnungsmessstreifens, ermittelt werden.
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Weiter sind Drehmomentsensoren auf dem Prinzip der inversen Magnetostriktion bekannt, siehe beispielsweise
US 5,351,555 A und
US 5,520,059 A . Hierbei wird ein Magnet- feld in eine Tretlagerwelle permanent eingebracht. Eine Krafteinwirkung auf die Tretlagerwelle verursacht eine Änderung im Magnetfeld. Diese Änderung kann von entsprechenden Sensoren gemessen und somit das Drehmoment ermittelt werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Messeinrichtung zur Ermittlung von Betriebsparametern an einer Welle, wie das Drehmoment oder die Leistung an einer Tretlagerwelle eines Fahrrads oder Elektrofahrrads, anzugeben, die die eingangs genannten Messeinrichtungen baulich und/oder funktional verbessert oder hierfür eine Alternative bereitstellt. Die Messeinrichtung soll im Wesentlichen in den Standardbauraum einer solchen Tretlageranordnung integrierbar sein. Weiter ist es die Aufgabe der Erfindung, den Komponenten des motorischen Antriebs, wie die Antriebsregelung des elektrischen Motors, eine optimale Reaktionszeit für die Steuerung der Hilfskraft zu ermöglichen. Auch ist es Aufgabe der Erfindung dem Nutzer eines Fahrrads oder Elektrofahrrads beispielsweise seine eingebrachte Leistung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche in Form einer Messeinrichtung und eines Verfahrens zur Ermittlung von einem Betriebsparameter an einer Welle erfindungsgemäß gelöst. Die Welle ist mit mindestens einem Lager gelagert und kann insbesondere die Welle einer Tretlageranordnung eines Fahrrads oder Elektrofahrrads sein.
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Demgemäß umfasst die Messeinrichtung mindestens ein erstes Sensorelement zur Erfassung des absoluten Winkels der Welle und mindestens ein zweites Sensorelement zur Erfassung einer Abstandsänderung der Welle zu dem genannten zweiten Sensorelement.
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Eine Abstandsänderung der Welle kann durch eine Durchbiegung der Welle, beispielsweise aufgrund einer Last die an einen Ende der Welle wirkt, auftreten. Eine Abstandsänderung der Welle kann aber auch durch eine Verlagerung der Welle auftreten. Einer Verlagerung der Welle wird zumeist durch das Lagerbetriebsspiel oder die Einfederung der Welle in einer Wälzlagerung hervorgerufen.
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Mit der Erfindung kann somit in vorteilhafter Weise mit zwei Sensorelementen wesentliche Betriebsparameter, wie das Drehmoment oder die Leistung, ermittelt werden. Denn eine über einen Kurbelarm eingebrachte Kraft F_p lässt sich in eine Tangentialkraft F_t und einer Radialkraft F_r zerlegen. Die Radialkraft F_r wird häufig auch als Normalkraft bezeichnet. Die Wirkungslinie der Radialkraft F_r ist auf die Mitte der Welle gerichtet und bildet zugleich einen rechten Winkel mit der Wirkungslinie der Tangentialkraft F_t. Die erfasste Abstandsänderung steht in direktem Zusammenhang mit der Kraft F_p. Somit ist die Kraft F_p aus dem erfassten Messwert des mindestens einen zweiten Sensorelements ermittelbar.
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Somit gilt für die Ermittlung der Tangentialkraft F_t:
F_t = F_p·sin(beta), wobei beta der erfasste absolute Winkel der Welle des mindestens einen ersten Sensorelements ist und die Kraft F_p sich aus der erfassten Abstandsänderung ergibt.
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Aus der Tangentialkraft F_t lässt sich wiederum beispielsweise direkt das Drehmoment oder die Leistung an der Welle ermitteln. Die Erfindung setzt also in vorteilhafter Weise einfache und zuverlässige, zudem wenig Bauraum erfordernde, Messprinzipien ein, um auf das Drehmoment oder die Leistung an einer Welle zu schließen. Weiter kann über die fortlaufende Messung des absoluten Winkels der Welle, die Drehrichtung der Welle schneller ermittelt werden als in üblichen Anwendungen mit relativer Winkelmessung. Dies ermöglicht für die Komponenten eines elektrischen Antriebs, wie die Antriebsregelung eines elektrischen Motors, eine optimale Reaktionszeit zur Steuerung der einzubringenden Hilfskraft. Weiter ermöglicht die Erfassung des absoluten Winkels beta der Welle eine Ermittlung der Stellung der linken und/oder der rechten Tretkurbel eines Fahrrads.
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In einer Ausführungsform ist das mindestens eine erste Sensorelement oder das mindestens eine zweite Sensorelement als Wirbelstromsensor ausgebildet ist. Wirbelstromsensoren sind berührungslose Abstandssensoren und im Wesentlichen unempfindlich gegenüber Medien wie Öl, Wasser und Staub im Messspalt. Besonders bevorzugt sind beide Sensorelemente als Wirbelstromsensoren ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform sind das mindestens eine erste Sensorelement und das mindestens eine zweite Sensorelement baulich in einer Sensoreinheit integriert. Beispielsweise können auf einer Sensoreinheit zwei Spulen angeordnet werden, welche nach dem Wirbelstromprinzip einmal den absoluten Winkel und weiter die Abstandsänderung erfassen. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Sensoreinheit besteht aus vier Spulen, um die Absolutwinkelmessung und Abstandsänderung mehrfach zu erfassen und damit eine genauere Berechnung der Werte durchführen zu können.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung ist für die Erfassung des absoluten Winkels ein Encoder radial an der Welle oder radial an einem mit der Welle drehfest verbundenen Bauteil, insbesondere an einer Verlängerung eines Innenrings des Lagers, angeordnet. Diese Ausführungsform ermöglicht in vorteilhafter Weise die Erfassung des absoluten Winkels innerhalb der Tretlageranordnung, also in dem geschützten Bauraum der Tretlageranordnung.
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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung ist für die Erfassung des absoluten Winkels ein Encoder axial an der Welle oder axial an einem mit der Welle drehfest verbundenen Bauteil, insbesondere an einem Innenring des Lagers oder einer Dichtung des Lagers, angeordnet. Diese Ausführungsform ermöglicht in vorteilhafter Weise die Erfassung des absoluten Winkels beispielsweise an einer axialen Fläche der Welle oder eines Innenrings der Tretlageranordnung, und kann somit einfach nachgerüstet werden, wie beispielsweise bei Tretlagern mit am Rahmen aufgesetzten Lagerschalen. Weiter kann die axiale Ausgestaltung des Encoders besonders vorteilhaft entsprechend so dünn gewählt werden, dass der Encoder nicht wesentlich durch Effekte der Verlagerung der Welle beeinflusst wird. In anderen Worten ausgedrückt, kann die räumliche Erfassung des ersten Sensorelements so viel breiter gewählt werden, dass der demensprechend dünner gestaltete Encoder trotz der Verlagerungseffekte bei der Welle stets im Erfassungsbereich des ersten Sensorelements verbleibt.
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Der axiale oder radiale Encoder kann als mittiger, außermittiger oder sinusförmiger Keil ausgebildet sein. Auch ist eine binäre Kodierung möglich. So können die beiden Binärwerte beispielsweise durch unterschiedliche Materialien, wie Kupfer und nicht-Kupfer, oder eine Änderung in der Geometrie des Encoders, wie Erhöhung und Vertiefung, ausgebildet werden.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung weist das mindestens eine Lager eine Lagerstelle auf, wobei das mindestens eine zweite Sensorelement an der Lagerstelle angeordnet ist. Eine Anordnung an oder nahe der Lagerstelle ermöglicht die Messung der Abstandsänderung welche durch eine Verlagerung der Welle an der Lagerstelle verursacht wird. Somit kann unter anderem besser auf den Betriebsparameter geschlossen werden, der mit der entsprechenden Tretlagerkurbel an der Lagerstelle eingebracht wird.
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In einer weiterführenden Ausführungsform der erfindungsgemäße Messeinrichtung weist das mindestens eine Lager eine erste und eine zweite Lagerstelle auf, und die Messeinrichtung umfasst mindestens zwei zweite Sensorelemente, wobei an der ersten und der zweiten Lagerstelle je eines der zweiten Sensorelemente angeordnet ist. Somit kann der Betriebsparameter an der jeweilige Lagerstelle, also beispielsweise mit der linken oder rechten Tretlagerkurbel eines Fahrrads, eingebracht wird, ermittelt werden.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung weist das mindestens eine Lager eine erste und eine zweite Lagerstelle auf, wobei das mindestens eine zweite Sensorelement zwischen der ersten und der zweiten Lagerstelle angeordnet ist. Dies ermöglicht beispielsweise das Summenmoment oder die Summenleistung einer rechten und linken Tretlagerkurbel zu ermitteln. Eine mittige Anordnung des mindestens einen zweiten Sensorelements ist besonders vorteilhaft, da hier die größte Durchbiegung der Welle auftritt. Weiter kann das mindestens eine zweite Sensorelement außermittig angeordnet sein, und derart in einem Winkel zur Welle ausgerichtet sein, das es die größte Wellendurchbiegung erfassen kann.
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In einer Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Messeinrichtung zumindest zwei zweite Sensorelemente, wobei die zumindest zwei zweiten Sensorelemente radial um die Welle um 180 Grad versetzt angeordnet sind. Unter Belastung der Welle nähert sich somit das eine zweite Sensorelemente der Welle und das andere zweite Sensorelement entfernt sich zeitgleich von der Welle. Dies ermöglicht die ermittelten Werte auf Plausibilität zu prüfen. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung erfassen das mindestens eine erste Sensorelement und das mindestens eine zweite Sensorelement ihre jeweilige Messgröße gleichzeitig.
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Die erfindungsgemäße Messeinrichtung umfasst weiter eine Recheneinrichtung. Die Recheneinrichtung berechnet mithilfe der erfassten Messwerte den Betriebsparameter, insbesondere das Drehmoment oder die Leistung. Der Betriebsparameter kann als elektrisches Signal für weitere Anwendungen zur Verfügung gestellt werden.
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In einer Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Messeinrichtung eine Energieerzeugungseinheit. Diese Energieerzeugungseinheit ermöglicht einen autarken Betrieb der Messeinrichtung, insbesondere der Recheneinrichtung. Weiter ist es möglich mit der verfügbaren Energie Daten über eine drahtlose Verbindung, wie beispielsweise Bluetooth oder anderen Funkstandards, weiter zu senden. Somit kann die Messeinrichtung vollständig geschlossen ausgebildet und gut gegen äußere Umwelteinflüsse geschützt werden. Eine Energieerzeugungseinheit ist beispielsweise ein in das Lager integrierter Klauenpolgenerator. Alternativ kann auch eine Stromquelle in den Bauraum des Lagers integriert oder in räumlicher Nähe angeordnet werden, beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie.
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Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Messeinrichtung gehen davon aus, dass die Sensorelemente oder Sensoreinheiten auf einem stehenden Teil, beispielsweise einem Lagergehäuse, angeordnet sind, und ein Encoder beziehungsweise die Welle selbst am rotierenden Teil angeordnet sind beziehungsweise dieses selbst ist. Von der Erfindung ebenfalls umfasst ist eine umgekehrte Anordnung. Es können also auch auf dem rotierenden Teil, wie der Welle, die Sensorelemente oder Sensoreinheiten angeordnet sein. Dann kann ebenfalls eine Abstandsänderung der Welle zu einem festen Bezugspunkt ermittelt werden oder ein Encoder für die Erfassung des absoluten Winkels fest an einem nicht rotierenden Teil angeordnet sein. Die Signale können beispielsweise über Funk weiter übermittelt werden.
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Weiter von der Erfindung umfasst sind eine Tretlageranordnung mit einer Messeinrichtung wie zuvor und nachfolgend beschrieben, sowie ein Fahrrad, insbesondere ein Elektrofahrrad, mit einer solchen Tretlageranordnung.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Ermittlung von einem Betriebsparameter, insbesondere einem Drehmoment oder einer Leistung, an einer Welle, insbesondere der Welle einer Tretlageranordnung eines Fahrrads oder Elektrofahrrads, wobei eine Kraft F_p über mindestens eine Tretkurbel in die Welle einbringbar ist, wobei die Kraft F_p sich in eine Tangentialkraft F_t und einer Radialkraft F_r zerlegen lässt, wobei die Wirkungslinie der Radialkraft F_r auf die Mitte der Welle gerichtet ist, und wobei die Wirkungslinie der Tangentialkraft F_t mit der Wirkungslinie der Radialkraft F_r einen rechten Winkel bildet, umfassend: Erfassen des absoluten Winkels beta der Welle, Erfassen einer Abstandsänderung der Welle zu einem bestimmten Teil, insbesondere einem Sensorelement, und Berechnen des Betriebsparameters an der Welle aus dem absoluten Winkel beta und der Abstandsänderung, wobei die Kraft F_p aus der Abstandsänderung berechenbar ist, wobei die Tangentialkraft F_t aus der Kraft F_p und dem absoluten Winkel beta berechenbar ist, und wobei der Betriebsparameter an der Welle durch die Tangentialkraft F_t bestimmt ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren dargestellt. Die Figuren zeigen nicht-skalierte Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine Prinzipskizze von wirkenden Kräfte bei einer Tretlageranordnung,
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2 mögliche Kodierungen für einen radialen und einen axialen Encoder zur Erfassung des absoluten Winkels einer Welle, und
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3 eine Prinzipdarstellung zur Erfassung der Durchbiegung einer Welle einer Tretlageranordnung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Prinzipskizze von wirkenden Kräften bei einer Tretlageranordnung. Die gestrichelte Kreislinie 101 zeigt die Umlaufbahn eines Kurbelpedals (nicht dargestellt) eines Kurbelarms (nicht dargestellt) um den Mittelpunkt M einer Tretlagerwelle (nicht dargestellt). Der Kreis zur Kreislinie 101 weist den Radius 103 auf. Die Trittkraft F_p 110 wird über das Kurbelpedal und den Kurbelarm in die Tretlagerwelle eingebracht. Die Richtung 105 zeigt die Umlaufrichtung des Kurbelpedals beziehungsweise des Kurbelarms um die Tretlagerwelle. In anderen Worten ausgedrückt, zeigt es die Richtung des Umlaufs einer Krafteinbringung entlang der Kreislinie 101 (hiermit ist jedoch nicht die Vektorrichtung der eigentlichen Trittkraft zu verstehen). Die Trittkraft F_p 110 lässt sich in eine Radialkraft F_r 120 und einer Tangentialkraft F_t 130 zerlegen. Radialkraft F_r 120 und Tangentialkraft F_t 130 stehen in einem rechten Winkel zueinander. Der absolute Winkel beta 150 ergibt sich über das Kräfteparallelogramm bestehend aus den Bezugszeichen 120, 121, 130, 131 und des projizierten Kraftvektors der Trittkraft F_p 111. Dieser Winkel beta 150 ist identisch mit dem absoluten Winkel beta 151 des Kurbelarms mit der dargestellten Radiuslinie 103. Diese Radiuslinie 103 verläuft parallel zur Vektorrichtung der Trittkraft F_p 110. Somit kann durch Messung des tatsächlichen absoluten Winkels beta 151 des Kurbelarms auch der absolute Winkel beta 150 im Kräfteparallelogramm ermittelt werden. Eine solche tatsächliche Messung des tatsächlichen absoluten Winkels beta 151 ist beispielsweise mit einem Sensorelement, wie einem Wirbelstromsensor, zur Erfassung eines Encoders an der Tretlagerwelle mit einer Kodierung gemäß 2 möglich.
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2 zeigt mögliche Kodierungen für einen radialen und einen axialen Encoder zur Erfassung des absoluten Winkels einer Welle. So werden eine keilförmige Kodierung 210, und eine sinusförmige Kodierung 220 für einen radialen Encoder illustriert. Weiter wird für einen axialen Encoder eine entsprechende Variante 230 für eine axiale Kodierung gezeigt.
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3 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Erfassung der Durchbiegung einer Welle 310 einer Tretlageranordnung 300. Die Welle 310 ist an ihren axialen Enden mit einem ersten Kurbelarm 312 und einem zweiten Kurbelarm 314 drehfest verbunden. Der erste Kurbelarm 312 weist eine Pedalachse 313 auf, der zweite Kurbelarm 314 weist dementsprechend eine Pedalachse 315 auf. Die Welle 310 ist über eine erste Lagerstelle 322 und eine zweite Lagerstelle 324 gelagert. Eine Trittkraft F_p, welche beispielsweise mittels Kurbelpedalen an den Pedalachsen 313, 315 über den ersten und zweiten Kurbelarm in die Welle 310 eingebracht werden kann, führt zur Durchbiegung und Verlagerung der Welle 310. Die Durchbiegung ist mit der gestrichelten Linie 335 dargestellt. Eine solche Biegung der Welle 310 führt beispielsweise zu einer Änderung der Wirbelströme bei einer Wirbelstrommessung (nicht dargestellt). Das auf die Welle 310 wirkende Drehmoment wird auf das drehfest mit der Welle 310 verbundene Kettenblatt 360 übertragen.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Kreislinie eines Kreises
- 103
- Radius des Kreises
- 105
- Richtung des Umlaufs einer Krafteinbringung entlang der Kreislinie
- M
- Mittelpunkt des Kreises
- 110, 111
- Trittkraft/Kraft F_p
- 120, 121
- Radialkraft F_r
- 130, 131
- Tangentialkraft F_t
- 150
- absoluter Winkel beta
- 210
- Keilförmige Kodierung für radialen Encoder
- 220
- Sinusförmige Kodierung für radialen Encoder
- 230
- Kodierung für axialen Encoder
- 300
- Tretlageranordnung
- 310
- Welle
- 312
- linker Kurbelarm
- 313
- linke Pedalachse
- 314
- rechter Kurbelarm
- 315
- rechte Pedalachse
- 322
- linke Lagerstelle
- 324
- rechte Lagerstelle
- 330
- Kraft F
- 335
- mögliche Durchbiegung der Welle bei Krafteinbringung
- 360
- Kettenblatt
