DE102018005355B3

DE102018005355B3 - Verfahren zur Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes an einem elektrisch unterstützten Fahrrad mit Mittelmotor

Info

Publication number: DE102018005355B3
Application number: DE102018005355.6A
Authority: DE
Inventors: Steffen Braune; Knut Hahne; Knut Meißner; Marcus Seifert
Original assignee: Inst fur Automatisierung und Informatik Zentrum fur Industrielle Forschung und Entwicklung We GmbH; Institut fur Automatisierung und Informatik Zentrum fur Industrielle Forschung und Entwicklung Wernigerode GmbH
Current assignee: Inst fur Automatisierung und Informatik Zentrum fur Industrielle Forschung und Entwicklung We GmbH; Institut fur Automatisierung und Informatik Zentrum fur Industrielle Forschung und Entwicklung Wernigerode GmbH
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2019-10-17
Anticipated expiration: 2038-07-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes an einem elektrisch unterstützten Fahrrad mit Mittelmotor.Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines ohne aufwendige technische Mittel realisierbar und kostengünstig durchführbaren Verfahrens.Dem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Drehung der Antriebswelle infolge der Wirkung eines vom Fahrer und/oder dem Motor erzeugten Drehmomentes infolge der Elastizität des Übertragungsgetriebes, mittels dessen das Drehmoment von der Antriebswelle auf das angetriebene Laufrad übertragen wird, die Drehzahl und/oder der Drehwinkel der Antriebswelle gegenüber der Drehzahl und/oder dem Drehwinkel eines ausgewählten Laufrades voreilen. Entsprechend wird eine Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment und der Differenz zwischen den Drehzahlen und/oder den Drehwinkeln der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad ermittelt und gespeichert. Nachfolgend wird die Differenz zwischen den Drehzahlen und/oder den Drehwinkeln der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad ermittelt und anhand der gespeicherten Funktion das an der Antriebswelle wirkende Drehmoment bestimmt. Weiterhin wird das vom Motor auf die Antriebswelle übertragene Drehmoment bestimmt und von dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment subtrahiert. Im Ergebnis erhält man das vom Fahrer erzeugte Drehmoment.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes an einem elektrisch unterstützten Fahrrad mit Mittelmotor.
Bei elektrisch unterstützten Fahrrädern ist es wünschenswert gegebenenfalls auch notwendig, das vom Fahrer direkt an den Fahrradtretkurbeln erzeugte Drehmoment zu bestimmen. Aus dem vom Fahrer direkt an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmoment wird eine Größe zur Steuerung beziehungsweise Regelung des vom Elektromotor bereitzustellenden Drehmomentes abgeleitet. Diese aus dem vom Fahrer direkt an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmoment abgeleitete Größe bildet zum einen den Fahrerwunsch nach Vortrieb ab, wodurch eine Steuerung beziehungsweise Regelung des Elektromotors mit einem erheblich verbesserten Fahrgefühl für den Fahrer ermöglicht wird, und sie ermöglicht zum anderen bei einem elektrisch unterstützten Fahrrad ein den Vortrieb des Fahrrades unterstützendes Drehmoment nur dann aufzubringen, wenn vom Fahrer direkt an den Fahrradtretkurbeln ein Drehmoment erzeugt wird. Elektrisch unterstützte Fahrräder im Sinne der Erfindung weisen die in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 3 genannten Merkmale auf.
Aus der DE 10 2013 011 504 A1 ist eine technische Lösung zur Detektierung der durch Kombination von Beinkraft eines Fahrers und Antrieb eines Motors erhaltenen Drehkraft bekannt. Dabei ist zwischen einem Kopplungsabschnitt, welcher die Antriebskraft des Motors mit der Beinkraft des Fahrers koppelt, und einem Kettenblatt zur Übertragung der Drehkraft auf das angetrieben Rad ein Sensoranordnungsabschnitt angeordnet, der bevorzugt zur Torsionsdetektion ausgebildete Sensoren aufweist, mittels derer die Torsion eines die Drehkraft übertragenden zylindrischen Abschnittes erfassbar ist. Die Torsion des die Drehkraft übertragenden zylindrischen Abschnittes ist ein Maß für die Drehkraft. Die durch die Beinkraft des Fahrers an der Fahrradtretkurbel erzeugte Drehkraft kann mit dieser Lösung nicht ermittelt werden.
Aus der DE 10 2012 222 854 A1 ist eine Lösung bekannt, bei der anhand der Gesamtmasse eines Fahrzeuges und der Geschwindigkeit, mit der das Fahrzeug sich entlang einer Steigung bewegt, auf die Beschleunigung des Fahrzeuges geschlossen wird. Unter Einbeziehung des Motordrehmomentes kann indirekt auf das Fahrerdrehmoment geschlossen werden. Beschrieben wird auch, dass das vom Fahrer aufgebrachte Antriebsmoment mittels Drehmomentensensoren bestimmt werden kann. Die aus der DE 10 2012 222 854 A1 bekannte Lösung ist jedoch vergleichsweise aufwändig und ungenau.
Aus der JP H10 - 81 291 A wird eine Motorsteuerung zur Verbesserung des Fahrkomforts eines elektrisch unterstützten Fahrrades bekannt, bei der die Differenz zwischen dem vom Fahrer mittels seiner Beinkraft erzeugten Drehmomentes und dem vom Motor bereitgestellten Drehmoment erfasst und unter Einbeziehung der Fahrzeuggeschwindigkeit eine Steuergröße für den Motor generiert wird. Die Erfassung des vom Fahrer mittels seiner Beinkraft erzeugten Drehmomentes selbst kann der Druckschrift jedoch nicht entnommen werden.
Sehr verbreitet ist es, Drehmomentensensoren unmittelbar an der Tretlagerwelle, an der die Fahrradtretkurbeln angebracht sind, anzuordnen. Meist werden dabei auf Torsion beanspruchbare Bauteile verwendet, die so angeordnet sind, dass eine Torsion des Bauteiles bewirkt wird, wenn mittels der Fahrradtretkurbeln ein Drehmoment erzeugt wird. Die Torsion wird mit geeigneten elektronischen Hilfsmitteln, beispielsweise unter Anwendung von Dehnungsmessstreifen oder Drehwinkelsensoren, bestimmt. Das an den Fahrradtretkurbeln erzeugte Drehmoment wird nachfolgend aus der gemessenen Torsion errechnet. Bei elektrisch unterstützten Fahrrädern mit Mittelmotor wird das von der Einwirkung der Tretkraft des Fahrers auf die Fahrradtretkurbeln erzeugte Drehmoment auf eine zweite Welle übertragen, die ihrerseits mit dem Motor gekoppelt ist. Das vom Fahrer erzeugte Drehmoment und das Drehmoment des Motors werden auf das Kettenblatt des Fahrrades übertragen. Eine entsprechende Anordnung einer auf Torsion beanspruchbaren in Wirkverbindung mit der Tretlagerwelle stehenden Torsionswelle sowie einer weiteren in Wirkverbindung mit dem Motor stehenden Welle wird zum Beispiel in der DE 10 2011 087 784 A1 beschrieben.
Eine andere technische Lösung zur Bestimmung des an der Tretlagerwelle mittels der Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes an einem elektrisch unterstützten Fahrrad mit Mittelmotor wird in der DE 10 2010 048 592 A1 beschrieben. Die Bestimmung des Drehmomentes erfolgt durch die Bestimmung der Verdrehung des Kettenblattes, in der DE 10 2010 048 592 A1 als Ritzelpaket bezeichnet, gegen die Kraftwirkung ein oder mehrerer elastischer Elemente, zum Beispiel Federn. Zur Bestimmung der Verdrehung sind an zwei gegeneinander verdrehbar angeordneten Messscheiben, von denen eine am Kettenblatt angeordnet ist, Signalgeber, beispielsweise in Form von Magneten, angeordnet, die beim Vorbeibewegen an fest am Rahmen des Fahrrades angebrachten Sensoren Signale generieren, anhand derer der Verdrehwinkel und damit das zur elastischen Verformung der elastischen Elemente erforderliche Drehmoment bestimmt wird.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes an einem elektrisch unterstützten Fahrrad mit Mittelmotor sind konstruktiv aufwendig, mit hohen Kosten verbunden und erfordern einen erheblichen Bauraum im Bereich des Tretlagers.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes, das ohne aufwendige technische Mittel realisierbar und kostengünstig durchführbar ist. Die technischen Mittel zur Realisierung des Verfahrens sollen darüber hinaus nur wenig Bauraum erfordern.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß dem ersten beziehungsweise dem dritten Patentanspruch gelöst.
Das Verfahren zur Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes an einem elektrisch unterstützten Fahrrad mit Mittelmotor, bei dem die Summe des durch die Tretkraft des Fahrers auf die Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes und des durch den Motor erzeugten Drehmomentes auf eine Welle, nachfolgend Antriebswelle genannt, übertragen wird und von der Antriebswelle mittels eines Getriebes, beispielsweise eines Kettenantriebs, eines Riemenantriebs oder eines Kardanantriebs, auf ein angetriebenes Laufrad des Fahrrades übertragen wird, umfasst mindestens eine erste Verfahrensstufe

Aa) Bestimmung und Speicherung einer Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment als Funktionsargument und der Differenz zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert, wobei der Drehwinkel beziehungsweise die Drehzahl des ausgewählten Laufrades durch die Übersetzung zwischen der Antriebswelle und dem angetriebenem Laufrad dividiert wird,

Ab) zur Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes. Die zweite Verfahrensstufe umfasst mindestens die Verfahrensschritte
- Ab1) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels und/oder der Drehzahl der Antriebswelle,
- Ab2) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels und/oder der Drehzahl des ausgewählten Laufrades des Fahrrades und Division durch die Übersetzung zwischen der Antriebswelle und dem angetriebenen Laufrad,
- Ab3) Bestimmung der Differenz zwischen den in den Schritten Ab1) und Ab2) bestimmten Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und des ausgewählten Laufrades des Fahrrades und Ermittlung des an der Antriebswelle wirkenden Drehmomentes anhand der in der Verfahrensstufe Aa) bestimmten und gespeicherten Funktion,
- Ab4) Bestimmung des vom Motor erzeugten Drehmomentes und
- Ab5) Ermittlung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes durch Subtraktion des im Verfahrensschritt Ab4) bestimmten, vom Motor erzeugten Drehmomentes von dem im Verfahrensschritt Ab3) bestimmten, an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment.

Bevorzugt umfasst die erste Verfahrensstufe Aa) zur Bestimmung und Speicherung der Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment als Funktionsargument und der Differenz zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert mindestens die Verfahrensschritte

Aa1) Erzeugung eines Drehmomentes mit einem vorgewählten Wert an der Antriebswelle,
Aa2) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels und/oder der Drehzahl der Antriebswelle,
Aa3) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels und/oder der Drehzahl des ausgewählten Laufrades des Fahrrades und Division durch die Übersetzung zwischen der Antriebswelle und dem angetriebenen Laufrad,
Aa4) Bestimmung der Differenz zwischen den in den Schritten Aa2) und Aa3) bestimmten Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und des ausgewählten Laufrades des Fahrrades,
Aa5) Bildung einer Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment als Funktionsargument und der Differenz zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert anhand des Wertepaares aus vorgewähltem Wert des an der Antriebswelle erzeugten Drehmomentes aus Verfahrensschritt Aa1) und der gemäß Verfahrensschritt Aa4) bestimmten Differenz zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und dem ausgewählten Laufrad des Fahrrades sowie einem Wertepaar mit an der Antriebswelle erzeugten Drehmoment = 0 und der Differenz zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und dem ausgewählten Laufrad des Fahrrades = 0 und Speicherung dieser Funktion.

Ein alternatives Verfahren zur Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes an einem elektrisch unterstützten Fahrrad mit Mittelmotor, bei dem die Summe des durch die Tretkraft des Fahrers auf die Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes und des durch den Motor erzeugten Drehmomentes auf eine Welle, nachfolgend Antriebswelle genannt, übertragen wird und von der Antriebswelle mittels eines Kettenantriebs, eines Riemenantriebs oder eines Kardanantriebs auf ein angetriebenes Laufrad des Fahrrades übertragen wird, umfasst mindestens eine erste Verfahrensstufe

Ba) Bestimmung und Speicherung einer Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment als Funktionsargument und dem Quotienten zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert,

Bb) zur Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes. Die zweite Verfahrensstufe umfasst mindestens die Verfahrensschritte
- Bb1) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels und/oder der Drehzahl der Antriebswelle,
- Bb2) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels und/oder der Drehzahl des ausgewählten Laufrades des Fahrrades,
- Bb3) Bestimmung des Quotienten zwischen den in den Schritten Bb1) und Bb2) bestimmten Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und des ausgewählten Laufrades des Fahrrades und Ermittlung des an der Antriebswelle wirkenden Drehmomentes anhand der in der Verfahrensstufe a) bestimmten und gespeicherten Funktion,
- Bb4) Bestimmung des vom Motor erzeugten Drehmomentes und
- Bb5) Ermittlung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes durch Subtraktion des im Verfahrensschritt Bb4) bestimmten, vom Motor erzeugten Drehmomentes von dem im Verfahrensschritt Bb3) bestimmten, an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment.

Bevorzugt umfasst die erste Verfahrensstufe Ba) des alternativen Verfahrens zur Bestimmung und Speicherung der Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment als Funktionsargument und dem Quotienten zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert mindestens die Verfahrensschritte

Ba1) Erzeugung eines Drehmomentes mit einem vorgewählten Wert an der Antriebswelle,
Ba2) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels und/oder der Drehzahl der Antriebswelle,
Ba3) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels und/oder der Drehzahl des ausgewählten Laufrades des Fahrrades,
Ba4) Bestimmung des Quotienten zwischen den in den Schritten Ba2) und Ba3) bestimmten Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und des ausgewählten Laufrades des Fahrrades,
Ba5) Bildung einer Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment als Funktionsargument und dem Quotienten zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert anhand des Wertepaares aus vorgewähltem Wert des an der Antriebswelle erzeugten Drehmomentes aus Verfahrensschritt Ba1) und der gemäß Verfahrensschritt Ba4) bestimmten Quotienten zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und dem ausgewählten Laufrad des Fahrrades sowie einem Wertepaar mit an der Antriebswelle erzeugtem Drehmoment = 0 und dem Quotienten zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und dem ausgewählten Laufrad des Fahrrades = 0 und Speicherung dieser Funktion.

Es kann zweckmäßig sein, die Verfahrensschritte Aa1) bis Aa4) beziehungsweise Ba1) bis Ba4) mit einem weiteren, bevorzugt mit mehreren weiteren, vorgewählten Werten des an der Antriebswelle erzeugten Drehmomentes zu wiederholen und mit den weiteren ermittelten Wertepaaren aus vorgewähltem Wert des an der Antriebswelle erzeugten Drehmomentes und der Differenz zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und dem ausgewählten Laufrad die gemäß Verfahrensschritt a5) gebildete Funktion zu überprüfen und gegebenenfalls zu korrigieren.
Zur Bestimmung der Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment als Funktionsargument und der Differenz oder dem Quotienten zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert wird bevorzugt mittels des Mittelmotors an der Antriebswelle ein vorgewähltes Drehmoment erzeugt.
Selbstverständlich kann das an der Antriebswelle wirkende vorgegebene Drehmoment auch vom Fahrer erzeugt werden oder eine Summe aus einem vom Mittelmotor und vom Fahrer des Fahrrades erzeugten Drehmoment sein. In diesem Fall ist es dann jedoch notwendig, an den Fahrradtretkurbeln oder an der Antriebswelle eine geeignete Einrichtung zur Bestimmung des vom Fahrer des Fahrrades erzeugten Drehmomentes oder des gesamten an der Antriebswelle wirkenden Drehmomentes vorzusehen.
Die erste Verfahrensstufe, das heißt die Bestimmung und Speicherung einer Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment als Funktionsargument und der Differenz oder dem Quotienten zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert, wird grundsätzlich nur einmal oder zu Prüfzwecken durchgeführt. Im normalen Fahrbetrieb wird lediglich die zweite Verfahrensstufe durchgeführt und dabei auf die gespeicherte Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment als Funktionsargument und der Differenz oder dem Quotienten zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert zur Ermittlung des an der Antriebswelle wirkenden Drehmomentes gemäß dem Verfahrensschritt Ab3) beziehungsweise Bb3) zurückgegriffen.
Es ist auch denkbar, die Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment als Funktionsargument und der Differenz oder dem Quotienten zwischen den Werten der Drehwinkel und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert gemäß der ersten Verfahrensstufe ausgehend von einem die Elastizität des Fahrrades beschreibenden Modell zu berechnen.
Es wurde gefunden, und diese Erkenntnis liegt dem Verfahren zugrunde, dass bei einer Drehung der Antriebswelle infolge der Wirkung eines vom Fahrer und/oder dem Motor erzeugten Drehmomentes an der Antriebswelle infolge der Elastizität des Übertragungsgetriebes, mittels dessen das Drehmoment von der Antriebswelle auf das angetriebene Laufrad übertragen wird, die Drehzahl und/oder der Drehwinkel der Antriebswelle gegenüber der Drehzahl und/oder dem Drehwinkel eines ausgewählten Laufrades voreilen. Dabei besteht aufgrund der weitgehend linearen Elastizität des Übertragungsgetriebes eine Proportionalität zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment und dem Wert des Voreilens des Drehwinkels und/oder der Drehzahl der Antriebswelle gegenüber dem Drehwinkel und/oder der Drehzahl des ausgewählten Laufrades. Ausgehend von der Ermittlung dieses Zusammenhanges zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment und dem Voreilen des Drehwinkels und/oder der Drehzahl der Antriebswelle gegenüber dem Drehwinkel und/oder der Drehzahl des ausgewählten Laufrades in einem ersten Verfahrensschritt, kann bei Kenntnis des Wertes des Voreilens des Drehwinkels und/oder der Drehzahl der Antriebswelle gegenüber dem Drehwinkel und/oder der Drehzahl des ausgewählten Laufrades auf das an der Antriebswelle wirkende Drehmoment geschlossen werden. Subtrahiert man von dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment das vom Motor erzeugte Drehmoment, erhält man das vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugte Drehmoment.
Das ausgewählte Laufrad kann das angetriebene Laufrad, also das Laufrad auf welches das vom Fahrer und/oder dem Motor erzeugte Drehmoment von der Antriebswelle mittels des Übertragungsgetriebes übertragen wird, sein, es kann aber auch ein nicht angetriebenes Laufrad sein.
Die Ermittlung des Drehwinkels und/oder der Drehzahl der Antriebswelle und des ausgewählten Laufrades kann mittels Raddrehzahlsensoren, sogenannter ABS-Sensoren, erfolgen. Ist am ausgewählten Laufrad ein Nabendynamo angeordnet, kann die Drehzahl des ausgewählten Laufrades auf einfache Weise aus der vom Nabendynamo generierten Wechselspannung ermittelt werden. Üblicherweise entspricht die Frequenz der vom Nabendynamo generierten Wechselspannung der Drehzahl des Laufrades multipliziert mit der Polpaarzahl des Nabendynamos.
Das vorgeschlagene Verfahren benötigt keine Drehmomentensensoren, weder zur Erfassung des vom Fahrer erzeugten Drehmomentes noch des vom Motor erzeugten Drehmomentes.
Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf einspurige Fahrräder mit Mittelmotor begrenzt, sondern kann ebenso bei mehrspurigen muskelkraftbetriebenen Fahrzeugen mit Mittelmotor, zum Beispiel Dreirädern, angewendet werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in

1: ein Schema zur Veranschaulichung der ersten Verfahrensstufe , in
2: Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment M_A und der Differenz Δφ zwischen den Werten des Drehwinkels φ_A der Antriebswelle und dem Drehwinkel φ_L des angetriebenen Laufrades des Fahrrades, in
3: ein Schema zur Veranschaulichung der zweiten Verfahrensstufe und in
4: Verlauf des vom Fahrer erzeugten Drehmomentes M_F sowie der Differenz Δφ zwischen dem Drehwinkel φ_A der Antriebswelle und dem Drehwinkel φ_L des angetriebenen Laufrades in Abhängigkeit vom Drehwinkel φ_A der Antriebswelle.

Das Verfahren soll anhand eines elektrisch unterstützen Fahrrades mit Mittelmotor, bei dem die Übertragung des Drehmomentes M_A von der Antriebswelle auf das angetriebene Laufrad mittels eines Kettenantriebs erfolgt, beispielhaft beschrieben werden. Dementsprechend ist an der Antriebswelle ein Kettenblatt starr angeordnet. An einer koaxial zur Antriebswelle angeordneten Tretkurbelwelle sind zwei Tretkurbeln mit Tretpedalen angeordnet. Die Tretkurbelwelle steht mit der Antriebswelle in einer derartigen Wirkverbindung, dass ein an der Tretkurbelwelle erzeugtes, vorwärts gerichtetes, das heißt eine Vorwärtsbewegung des Fahrrades bewirkendes, Drehmoment M auf die Antriebswelle übertragen wird, jedoch ein an der Antriebswelle vorwärts gerichtetes Drehmoment M_A nicht auf die Tretkurbelwelle übertragen wird (Freilauf). An der Achse des angetriebenen Laufrades ist ein Ritzel angeordnet. Kettenblatt und Ritzel stehen mittels einer Kette derart in Wirkverbindung, dass ein am Kettenblatt wirkendes Drehmoment, welches infolge der starren Verbindung zwischen Antriebswelle und Kettenblatt gleich dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment M_A ist, auf das Ritzel übertragen wird. Die Übersetzung k_K zwischen dem Kettenblatt und dem Ritzel ist konstant. Das ausgewählte Laufrad ist das angetriebene hintere Laufrad des Fahrrades. Zur Erfassung des Drehwinkels φ_A der Antriebswelle und des Drehwinkels φ_L des ausgewählten angetriebenen Laufrades sind an der Antriebswelle und am angetriebenen Laufrad Drehwinkelsensoren angeordnet.
Der Einfachheit halber und zum besseren Verständnis wird für die nachfolgende beispielhafte Beschreibung des Verfahrens davon ausgegangen, dass das Ritzel und das angetriebenen Laufrad starr miteinander verbunden sind (kein Freilauf).
1 veranschaulicht die erste Verfahrensstufe des Verfahrens. Zur Bestimmung der Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment M_A als Funktionsargument und der Differenz Δφ zwischen den Werten des Drehwinkels φ_A der Antriebswelle und dem Drehwinkel φ_L des angetriebenen Laufrades des Fahrrades als Funktionswert gemäß der ersten Verfahrensstufe wird mittels des Motors an der Antriebswelle ein für eine langsame Vorwärtsbewegung des Fahrrades ausreichendes Drehmoment M_AN von beispielsweise 1 Nm erzeugt und das Fahrrad in Bewegung gesetzt. Dies ist notwendig, um Störeinflüsse, wie beispielsweise eine unzureichende Kettenspannung, zu vermeiden. An der Antriebswelle wirkt somit nur das vom Motor erzeugte Drehmoment M_M = M_AN. Der Wert des Drehwinkels φ_A der Antriebswelle und der Wert des Drehwinkels φ_L des angetriebenen Laufrades werden erfasst. Der Wert des Drehwinkels φ_L des angetriebenen Laufrades wird durch die Übersetzung k_K dividiert. Vom Wert des Drehwinkels φ_A der Antriebswelle wird der Wert des Drehwinkels φ_L des angetriebenen Laufrades, dividiert durch die Übersetzung k_K , subtrahiert. Der Wert der Differenz Δφ beider Drehwinkel ergibt sich somit als Δφ = φ_A - φ_L / k_K . Er wird für die langsame Vorwärtsbewegung des Fahrrades infolge des Drehmomentes M_AN von beispielsweise 1 Nm berechnet und bildet den Nullpunkt (M_AN , Δφ_N ) für die nachfolgende Bestimmung der Funktion. Sodann wird das vom Motor auf die Antriebswelle übertragene und an dieser wirkende Drehmoment M_A signifikant gegenüber dem ausreichenden Drehmoment von beispielsweise 1 Nm um beispielsweise 40 Nm erhöht. Die Werte des Drehwinkels φ_A der Antriebswelle und des Drehwinkels φ_L des angetriebenen Laufrades werden erfasst. Der Wert des Drehwinkels φ_L des angetriebenen Laufrades wird durch die Übersetzung k_K dividiert. Vom Wert des Drehwinkels φ_A der Antriebswelle wird der Wert des Drehwinkels φ_L des angetriebenen Laufrades, dividiert durch die Übersetzung k_K , subtrahiert. Vom Wert der so errechneten Differenz Δφ beider Drehwinkel Δφ = φ_A - φ_L / k_K wird der Wert der Differenz Δφ_N des Drehwinkels des Nullpunktes subtrahiert. Es ergibt sich ein Wertepaar (M_A , Δφ) aus vorbestimmtem an der Antriebswelle wirkendem Drehmoment M_A und Differenz Δφ zwischen den Drehwinkeln φ_A der Antriebswelle und dem Drehwinkel φ_L des angetriebenen Laufrades, dividiert durch die Übersetzung k_K . Anhand der beiden Wertepaare (M_AN, Δφ_N) und (M_A , Δφ) wird eine lineare Funktion errechnet und gespeichert. 2 veranschaulicht diese Funktion. Die Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment M_A und der Differenz Δφ zwischen den Werten des Drehwinkels φ_A der Antriebswelle und dem Drehwinkel φ_L des angetriebenen Laufrades des Fahrrades wird grundsätzlich nur einmalig bestimmt und gespeichert und dann zur Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes M_F gemäß der zweiten Verfahrensstufe verwendet.
3 veranschaulicht die zweite Verfahrensstufe zur Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes M_F .
Zur Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes M_F werden der Drehwinkel φ_A der Antriebswelle und der Drehwinkel φ_L des angetriebenen Laufrades sowie der Motorstrom erfasst. Der Drehwinkel φ_L des angetriebenen Laufrades wird durch die Übersetzung k_K dividiert. Entsprechend der Gleichung Δφ = φ_A - φ_L / k_K wird die Differenz Δφ zwischen dem Drehwinkel φ_A der Antriebswelle und dem Drehwinkel φ_L des angetriebenen Laufrades errechnet. Das vom Motor erzeugte und auf die Antriebswelle übertragene Drehmoment M_M wird aus dem Motorstrom in bekannter Weise errechnet. Anhand der gespeicherten Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment M_A als Funktionsargument und der Differenz Δφ zwischen den Werten des Drehwinkels φ_A der Antriebswelle und dem Drehwinkel φ_L des angetriebenen Laufrades des Fahrrades als Funktionswert wird das an der Antriebswelle wirkende Drehmoment M_A ermittelt. Von diesem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment M_A wird das vom Motor erzeugte Drehmoment M_M subtrahiert. Das Ergebnis ist das vom Fahrer des Fahrrades erzeugte Drehmoment M_F .
Es versteht sich, dass für den Fall, dass die Übersetzung k_K nicht konstant ist und entweder vom Fahrer gewählt werden kann oder von der Steuerung des elektrisch unterstützten Fahrrades mit Mittelmotor erzeugt wird, die Übersetzung k_K jeweils mit ermittelt werden muss.
4 zeigt den Verlauf des vom Fahrer erzeugten Drehmomentes M_F sowie der Differenz Δφ zwischen dem Drehwinkel φ_A der Antriebswelle und dem Drehwinkel φ_L des angetriebenen Laufrades in Abhängigkeit vom Drehwinkel φ_A der Antriebswelle. Beide Verläufe sind synchron, woraus folgt, dass auch das Verhältnis zwischen dem vom Fahrer an den Tretkurbeln erzeugten Drehmoment M_F und der Differenz zwischen dem Drehwinkel φ_A der Antriebswelle und dem Drehwinkel φ_L des angetriebenen Laufrades einen linearen Zusammenhang aufweist.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes (M_F) an einem elektrisch unterstützten Fahrrad mit Mittelmotor, wobei die Summe des durch die Tretkraft des Fahrers auf die Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes (M_F) und des durch den Motor erzeugten Drehmomentes (M_M) auf eine Welle, nachfolgend Antriebswelle genannt, übertragen wird und das Drehmoment (M_A) von der Antriebswelle mittels eines Getriebes auf ein angetriebenes Laufrad des Fahrrades übertragen wird, mindestens umfassend eine erste Verfahrensstufe Aa) Bestimmung und Speicherung einer Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment (M_A als Funktionsargument und der Differenz (Δφ) zwischen den Werten der Drehwinkel (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert, wobei der Drehwinkel (φ_L) beziehungsweise die Drehzahl des ausgewählten Laufrades durch die Übersetzung (k_K) zwischen der Antriebswelle und dem angetriebenem Laufrad dividiert wird, und eine zweiten Verfahrensstufe Ab) Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes (M_F) mit mindestens den Verfahrensschritten Ab1) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels (φ_A) und/oder der Drehzahl der Antriebswelle, Ab2) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels (φ_L) und/oder der Drehzahl des ausgewählten Laufrades des Fahrrades und Division durch die Übersetzung (k_K) zwischen der Antriebswelle und angetriebenem Laufrad, Ab3) Bestimmung der Differenz (Δφ) zwischen den in den Schritten Ab1) und Ab2) bestimmten Werten der Drehwinkel (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und des ausgewählten Laufrades des Fahrrades und Ermittlung des an der Antriebswelle wirkenden Drehmomentes (MJ anhand der in der Verfahrensstufe a) bestimmten und gespeicherten Funktion, Ab4) Bestimmung des vom Motor erzeugten Drehmomentes (M_M) und Ab5) Ermittlung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes (M_F) durch Subtraktion des im Verfahrensschritt Ab4) bestimmten, vom Motor erzeugten Drehmomentes (M_M) von dem im Verfahrensschritt Ab3) bestimmten, an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment (M_A).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verfahrensstufe zur Bestimmung und Speicherung der Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment (MJ als Funktionsargument und der Differenz (Δφ) zwischen den Werten der Drehwinkel (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert mindestens die Verfahrensschritte umfasst Aa1) Erzeugung eines Drehmomentes (MJ mit einem vorgewählten Wert an der Antriebswelle, Aa2) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels (φ_A) und/oder der Drehzahl der Antriebswelle, Aa3) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels (φ_L) und/oder der Drehzahl des ausgewählten Laufrades des Fahrrades und Division durch die Übersetzung (k_K) zwischen der Antriebswelle und dem angetriebenen Laufrad, Aa4) Bestimmung der Differenz (Δφ) zwischen den in den Schritten Aa2) und Aa3) bestimmten Werten der Drehwinkel (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und des ausgewählten Laufrades des Fahrrades, Aa5) Bildung einer Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment (MJ als Funktionsargument und der Differenz (Δφ) zwischen den Werten der Drehwinkel (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert anhand des Wertepaares aus vorgewähltem Wert des an der Antriebswelle erzeugten Drehmomentes (M_A) aus Verfahrensschritt Aa1) und der gemäß Verfahrensschritt Aa4) bestimmten Differenz (Δφ) zwischen den Werten der Drehwinkel (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und dem ausgewählten Laufrad des Fahrrades sowie einem Wertepaar mit an der Antriebswelle erzeugtem Drehmoment = 0 und der Differenz zwischen den Werten der Drehwinkel (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und dem ausgewählten Laufrad des Fahrrades = 0 und Speicherung dieser Funktion.
Verfahren zur Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes (M_F) an einem elektrisch unterstützten Fahrrad mit Mittelmotor, wobei die Summe des durch die Tretkraft des Fahrers auf die Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes (M_F) und des durch den Motor erzeugten Drehmomentes (M_M) auf eine Welle, nachfolgend Antriebswelle genannt, übertragen wird und das Drehmoment (M_A) von der Antriebswelle mittels eines Getriebes auf ein angetriebenes Laufrad des Fahrrades übertragen wird, mindestens umfassend eine erste Verfahrensstufe Ba) Bestimmung und Speicherung einer Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment (M_A) als Funktionsargument und dem Quotienten zwischen den Werten der Drehwinkel (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert, und eine zweiten Verfahrensstufe Bb) Bestimmung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes (M_F) mit mindestens den Verfahrensschritten Bb1) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahl der Antriebswelle, Bb2) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahl des ausgewählten Laufrades des Fahrrades, Bb3) Bestimmung des Quotienten zwischen den in den Schritten Bb1) und Bb2) bestimmten Werten der Drehwinkel (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und des ausgewählten Laufrades des Fahrrades und Ermittlung des an der Antriebswelle wirkenden Drehmomentes (M_A) anhand der in der Verfahrensstufe Ba) bestimmten und gespeicherten Funktion, Bb4) Bestimmung des vom Motor erzeugten Drehmomentes (M_M) und Bb5) Ermittlung des vom Fahrer an den Fahrradtretkurbeln erzeugten Drehmomentes (M_F) durch Subtraktion des im Verfahrensschritt Bb4) bestimmten, vom Motor erzeugten Drehmomentes (M_M) von dem im Verfahrensschritt Bb3) bestimmten, an der Antriebswelle (M_A) wirkenden Drehmoment.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verfahrensstufe zur Bestimmung und Speicherung der Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment (MJ als Funktionsargument und dem Quotienten zwischen den Werten der Drehwinkel (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert mindestens die Verfahrensschritte umfasst Ba1) Erzeugung eines Drehmomentes (MJ mit einem vorgewählten Wert an der Antriebswelle, Ba2) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels (φ_A) und/oder der Drehzahl der Antriebswelle, Ba3) Bestimmung des Wertes des Drehwinkels (φ_L) und/oder der Drehzahl des ausgewählten Laufrades des Fahrrades, Ba4) Bestimmung des Quotienten zwischen den in den Schritten Ba2) und Ba3) bestimmten Werten der Drehwinkel (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und des ausgewählten Laufrades des Fahrrades, Ba5) Bildung einer Funktion zwischen dem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment (M_A) als Funktionsargument und der Differenz (Δφ) zwischen den Werten der Drehwinkel (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle und einem ausgewählten Laufrad des Fahrrades als Funktionswert anhand des Wertepaares aus vorgewähltem Wert des an der Antriebswelle erzeugten Drehmomentes (MJ aus Verfahrensschritt Ba1) und der gemäß Verfahrensschritt Ba4) bestimmten Differenz (Δφ) zwischen den Werten der Drehwinkel (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und dem ausgewählten Laufrad des Fahrrades sowie einem Wertepaar mit an der Antriebswelle erzeugten Drehmoment (M_A) = 0 und der Differenz (Δφ) zwischen den Werten der Drehwinkel (φ_A, φ_L) und/oder der Drehzahlen der Antriebswelle und dem ausgewählten Laufrad des Fahrrades = 0 und Speicherung dieser Funktion.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des Drehmomentes (M_A) mit einem vorgewählten Wert an der Antriebswelle gemäß dem Verfahresschritt Aa1) oder Ba1) mittels des Motors erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als ausgewähltes Laufrad ein nicht angetriebenes Laufrad gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Wertes des Drehwinkels (φ_L) und/oder der Drehzahl des ausgewählten Laufrades des Fahrrades gemäß dem Verfahrensschritt Aa3) oder Ab2) oder Ba3) oder Bb2) aus der durch einen Nabendynamo generierten Wechselspannung errechnet wird.