DE102018124644B4

DE102018124644B4 - Tretlageranordnung und damit versehenes Sportgerät

Info

Publication number: DE102018124644B4
Application number: DE102018124644.7A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schanz
Original assignee: TRAFAG AG
Current assignee: TRAFAG AG
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-10-06
Also published as: DE102018124644A1

Abstract

Zur genaueren Erfassung von Belastungsdaten, wie insbesondere Leistungsdaten oder zur genaueren Ansteuerung von Hilfsmotoren bei pedalgetriebenen Sportgeräten schafft die Erfindung eine Tretlageranordnung (100), umfassend: eine Tretlagerwelle (104), die drehfest mit einer ersten Tretkurbel (110) und mit einer zweiten Tretkurbel (112) verbindbar ist,wenigstens ein Abtriebsritzel (106),ein Kraftübertragungselement (108), welches die Tretlagerwelle (104) mit dem Abtriebsritzel (106) verbindet, wobei das Kraftübertragungselement (108) wenigstens eine Messoberfläche (64) mit einem sich in Umfangsrichtung zur Drehachse der Tretlagerwelle (104) ändernden Oberflächenparameter aufweist,wenigstens einen Belastungssensor (12) zur Erfassung einer Belastung an dem Kraftübertragungselement (108),und einen Drehwinkelsensor (40), der wenigstens eine Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtung (66) zum Erfassen des Oberflächenparameters aufweist, um aus dessen Änderung den Drehwinkel der Tretlagerwelle (108) zu erfassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tretlageranordnung, umfassend eine Tretlagerwelle, die drehfest mit einer ersten Tretkurbel und mit einer zweiten Tretkurbel verbindbar ist, und wenigstens ein Abtriebsritzel. Das Abtriebsritzel ist zum Beispiel ein Kettenblatt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Tretlageranordnung, mit der eine Belastung, wie z.B. eine Pedalkraft, eine Leistung oder ein Drehmoment gemessen werden kann. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Sportgerät, insbesondere Fahrrad, Elektrofahrrad oder Ergometer, umfassend eine Tretlageranordnung.
Zum technologischen Hintergrund zur Messung von Drehmoment und Leistung an pedalgetriebenen Sportgeräten, wie insbesondere Fahrrädern und Elektrofährrädern, wie z.B. Pedelecs, wird auf folgende Literaturstellen verwiesen:

Aus den vorerwähnten Literaturstellen ist es bekannt, über die Messung einer Kraft oder eines Drehmoments an einer zumindest teilweise durch Muskelkraft angetriebenen Komponente eine Leistung zu errechnen. Im Profisportbereich oder auch für ambitionierte Hobbysportler ist der Leistungswert eine wichtige Information. Für Elektrofahrräder wird ein Wert des Drehmoments und insbesondere der Leistung zur Regelung der Unterstützung durch einen Elektrohilfsmotor benötigt. Ein ungenauer Messwert kann zu unregelmäßiger Unterstützung führen. Daher ist eine möglichst genaue Messung erwünscht.
Aus der Literaturstelle [13] ist ein Elektrofahrrad mit einer Tretlageranordnung bekannt, die eine Tretlagerwelle, die drehfest mit einer ersten Tretkurbel und mit einer zweiten Tretkurbel verbindbar ist, ein Abtriebsritzel, ein Kraftübertragungselement, welches die Tretlagerwelle mit dem wenigstens einen Antriebsritzel verbindet, einen Belastungssensor zur Erfassung einer Belastung an dem Kraftübertragungselement und einen Drehwinkelsensor umfasst. Das Kraftübertragungselement weist einen mit der Tretkurbel über einen Freilauf verbundenen ersten Rotor und einen relativ zu dem ersten Rotor verdrehbaren, mit dem Abtriebsritzel verbundenen zweiten Rotor und ein elastisches Element zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor auf. Der Belastungssensor weist ein Differentialgetriebe zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor mit einer Abtriebswelle, die bei Relativverdrehung zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor verdreht wird, und einen an der Abtriebswelle des Differentialgetriebes angeschlossenen Drehwinkelsensor auf, dessen Ausgangssignal ein zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor anliegendes Drehmoment angibt. Weiter ist bei einer Ausgestaltung ein Drehzahlgeber an einem Ritzel des Differentialgetriebes angeschlossen, welcher Impulse abgibt, um die Drehzahl des Ritzels und somit auch die Drehzahl des mit dem Ritzel kämmenden Rotors und damit der Tretlagerwelle anzugeben. Der an die Abtriebswelle des Differentialgetriebes angeschlossene Drehwinkelsensor weist bei zwei Ausführungsformen eine mit der Abtriebswelle drehende Scheibe auf, an der außenseitig ein mit einem Oberflächenbereich versehenes Segment angebracht ist, bei dem sich über den Drehwinkel gesehen der Radius oder die Dicke allmählich ansteigend verändert. Dieses Segment lässt sich zwischen einem Magneten und einem Magnetsensor hindurchdrehen, die mittels eines Jochs verbunden sind.
Wenn die Messung im Bereich des Tretlagers durchgeführt wird, lassen sich Messfehler durch Toleranzen im nachfolgenden Antriebsstrang (Spiel in Kette, Verformung des Rahmens, Ansprechen von Federelementen, ...) vermeiden.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Tretlageranordnung zu schaffen, mit der eine genauere Messung einer Belastung, wie insbesondere eines Drehmoments oder einer Kraft und auch die genauere Ermittlung einer mechanischen Leistung ermöglicht ist.
Zum Lösen dieser Aufgabe wird eine Tretlageranordnung nach Anspruch 1 vorgesch lagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein mit einer solchen Tretlageranordnung versehenes Sportgerät ist Gegenstand des Anspruchs 12.
Die Erfindung schafft gemäß einem Aspekt davon eine Tretlageranordnung, umfassend:

eine Tretlagerwelle, die drehfest mit einer ersten Tretkurbel und mit einer zweiten Tretkurbel verbindbar ist,
wenigstens ein Abtriebsritzel,
ein Kraftübertragungselement, welches die Tretlagerwelle mit dem Abtriebsritzel verbindet, wobei das Kraftübertragungselement wenigstens eine Messoberfläche mit einem sich in Umfangsrichtung zur Drehachse der Tretlagerwelle ändernden Oberflächenparameter aufweist,
wenigstens einen Belastungssensor zur Erfassung einer Belastung an dem Kraftübertragungselement, und
einen Drehwinkelsensor, der wenigstens eine Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtung zum Erfassen des Oberflächenparameters aufweist, um aus dessen Änderung den Drehwinkel der Tretkurbel zu erfassen.

Es ist bevorzugt, dass ein stationäres Sensorelement, das den Belastungssensor und den Drehwinkelsensor umfasst, vorgesehen ist.
Es ist bevorzugt, dass der Belastungssensor und der Drehwinkelsensor an oder in einem Tretlagergehäuse zum Aufnehmen eines die Tretlagerwelle lagernden Tretlagers angeordnet sind.
Es ist bevorzugt, dass das Kraftübertragungselement einen die Tretlagerwelle umgebenden Hülsenbereich und einen mit dem wenigstens einen Abtriebsritzel verbindbaren Scheibenbereich aufweist, wobei der Belastungssensor zur Messung einer Belastung an dem Hülsenbereich ausgebildet ist und die Messfläche an dem Scheibenbereich ausgebildet oder angeordnet ist.
Es ist bevorzugt, dass der Belastungssensor ein magnetoelastischer oder inversmagnetostriktiver Sensor zur Messung einer Belastung an dem Kraftübertragungselement mittels aktiver Aufmagnetisierung ist und eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Kraftübertragungselement und wenigstens eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich unter Belastung ändernden Magnetfeldparameters an dem Kraftübertragungselement aufweist.
Es ist bevorzugt, dass der Belastungssensor wenigstens eine Planarspuleneinheit umfasst, die mehrere Planarspulen zum Erzeugen und Messen eines Magnetfeldes aufweist. Vorzugsweise ist die Planarspuleneinheit als Leiterplattenelement ausgebildet.
Es ist bevorzugt, dass der Belastungssensor mehrere um das Kraftübertragungselement herum und in Umfangsrichtung beabstandet angeordnete Sensorköpfe zum magnetostriktiven Erfassen einer Belastung an mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten Stellen aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Messoberfläche sich relativ zu der Drehachse der Tretlagerwelle gesehen in Umfangsrichtung erstreckt und einen sich mit einer streng monotonen Funktion abhängig von der Umfangsposition ändernden Oberflächenparameter hat, wobei der Drehwinkelsensor eine Mehrzahl relativ zueinander in Umfangsrichtung beanstandeter Oberflächenparametererfassungseinrichtungen zum Erfassen des Oberflächenparameters aufweist.
Es ist bevorzugt, dass der Oberflächenparameter eine Dimension der Messoberfläche in einer radialen oder/und axialen Richtung oder eine axiale oder/und radiale Position der Messoberfläche ist.
Es ist bevorzugt, dass die Messoberfläche an einem elektrisch leitfähigen Material des Kraftübertragungselements ausgebildet ist und dass die wenigstens eine Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtung oder jede von mehreren Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen wenigstens ein induktives Element aufweist, an dem sich die Messoberfläche während der Relativdrehung vorbei bewegt.
Es ist bevorzugt, dass die wenigstens eine Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtung eine Induktivitätserfassungseinrichtung zur Erfassung einer Induktivität des induktiven Elements aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die wenigstens eine Oberflächenparametererfassungseinrichtung eine Messspule aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die wenigstens eine Oberflächenerfassungseinrichtung eine Planarspule aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Induktivitätserfassungseinrichtung einen die wenigstens eine Messspule oder Planarspule und eine Kapazität aufweisenden Schwingkreis und eine Frequenzerfassungseinrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises umfasst.
Es ist bevorzugt, dass sich die Messoberfläche in einer zu der Drehachse radialen Richtung mit sich über den Umfang gesehen streng monoton ändernder radialer Breite oder radialer Position erstreckt und dass die wenigstens eine Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtung zum Erfassen ihrer Überdeckung mit der Oberfläche ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die streng monotone Funktion eine Funktion aus der Gruppe ist, die eine lineare Funktion, eine Sinusfunktion, eine Wurzelfunktion oder eine Wurzelsinusfunktion umfasst.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens vier Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen zueinander in Umfangsrichtung beabstandet an dem Drehwinkelsensor vorgesehen sind.
Es ist bevorzugt, dass sich die Messoberfläche vollständig um den gesamten Umfang erstreckt.
Es kann vorgesehen sein, dass sich der Oberflächenparameter über den gesamten Umfang mit der streng monotonen Funktion ändert.
Es ist bevorzugt, dass sich der Oberflächenparameter über einen ersten Teilbereich des Umfangs mit einer streng monoton steigenden Funktion und sich über einen zweiten Teilbereich des Umfangs mit einer streng monoton fallenden Funktion ändert.
Es ist bevorzugt, dass jeder Wert des Oberflächenparameters eindeutig an höchstens zwei Umfangspositionen vorkommt.
Es ist bevorzugt, dass ein den Drehwinkelsensor und den Belastungssensor aufweisender Kombinationssensor zum Erfassen eines Drehmoments aus dem Ausgang des Belastungssensors und/oder zum Erfassen der mechanischen Leistung aufgrund des durch den Belastungssensor erfassten Drehmoments und aufgrund des durch den Drehwinkelsensor erfassten Drehwinkels ausgebildet ist und/oder zum Erfassen einer Trittfrequenz aus dem Ausgang des Drehwinkelsensors ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Sportgerät, insbesondere Fahrrad, Elektrofahrrad oder Ergometer, umfassend eine Tretlageranordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen eine Tretlagereinheit oder Tretlageranordnung, insbesondere eines Fahrrads, in der ein Drehmoment-, Drehzahl- und Absolutwinkelsensor integriert sind. Der Kombinationssensor kann zur Erzeugung einer Stellgröße für einen (Hilfs-)Elektromotor, insbesondere Nabenmotor, und/oder für die Leistungsmessung von Radsportlern benutzt werden.
Bevorzugte Ausgestaltungen schaffen einen sehr genauen Sensor, der leichtgewichtig aufgebaut sein kann und besonders kompakt integrierbar ist.
Für Radnabenmotoren bei E-Bikes oder Pedelecs ist es wünschenswert, die vom Radfahrer aufgebrachte Leistung zu erfassen und die gemessene Größe als Stellgröße für die Regelung zu verwenden. Eine Leistungsmessung ist auch von vielen Radsportlern, zum Beispiel im Profisportbereich, erwünscht.
Bisherige Leistungsmessgeräte messen zum Beispiel die Kraft an einem Pedal oder ein Drehmoment an einer Tretseite eines Tretlagers. Auch eine Drehmomenterfassung am Tretlager ist bisher meist so ausgelegt, dass nur die Kraft von einer Tretseite erfasst wird. Eine Erfassung von nur einer Seite ist sehr ungenau. Insbesondere ist die Information für die Fahrunterstützungsregelung sehr ungenau. Diese Eigenschaft wird gemäß dem eingangs erläuterten Stand der Technik bereits im Bereich von Pedelecs mit Mittelmotoren dadurch gelöst, dass die Kraft beider Pedale auf eine gemeinsame Welle umgelenkt wird, um dort erfasst zu werden.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung beruhen auf der Integration eines Drehmomentsensors in eine Tretlagereinheit, in der die Kraft beider Pedale mittels einer zusätzlichen Hülse - Beispiel für das Kraftübertragungselement - umgelenkt werden. Diese Messhülse ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie eine Aufnahme für das Zahnritzel hat, welches die Kraft auf das Hinterrad übertragen kann.
Diese Messhülse mit Zahnritzelaufnahme ist weiter vorzugsweise so ausgelegt, dass zusätzlich zum Drehmoment der Drehwinkel und die Drehzahl erfasst werden können.
Vorzugsweise weist die Tretlageranordnung eine Drehwinkelerfassungseinrichtung auf. Vorzugweise ist die Tretlageranordnung Teil einer Drehwinkelerfassungsanordnung.
Vorzugsweise weist die Tretlageranordnung eine Leistungserfassungsvorrichtung auf oder ist Teil einer Leistungserfassungsvorrichtung.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung weisen eine Einrichtung zum Erfassen eines Drehwinkels zwischen sich relativ zueinander um eine Drehachse drehenden Elementen auf, dies sind insbesondere eine Tretlagerwelle oder eine Welle wenigstens einer Tretkurbel und ein stationäres Element, an dem eine Lagerschale eines Tretlagers vorgesehen ist.
Drehwinkel werden heute oft mit Inkrementalgebern gemessen, die bei Drehung zweier Elemente zueinander eine Impulsfolge erzeugen. Die Anzahl der Impulse ist so ein Maß für den Drehwinkel. Um einen absoluten Drehwinkel anzugeben, müssen die Inkrementalgeber einen Anfangswert erhalten.
Mit bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung eingesetzten Drehwinkelerfassungseinrichtungen (Drehwinkelsensoren) kann bei einfachem Aufbau ein Drehwinkel genauer und einfacher gemessen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Leistungserfassungsvorrichtung zum Erfassen einer von einem Nutzer erbrachten mechanischen Leistung, umfassend eine Tretlageranordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, mit der ein durch die Tretlagerwelle auf ein Abtriebsritzel übertragenes Drehmoment und eine Drehwinkel der Tretlagerwelle erfassbar sind, wobei die Leistungserfassungsvorrichtung zum Erfassen der mechanischen Leistung aufgrund des durch den Drehmomentsensor erfassten Drehmoments und aufgrund des durch den Drehwinkelsensor erfassten Drehwinkels ausgebildet ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen eine Idee zu einem Winkelsensor mit einer Auflösung von <1°, der in Kombination mit einem Drehmomentsensor als Leistungssensor eingesetzt werden kann.
Gemessen wird dabei vorzugsweise an einem sich mit der Tretlagerwelle mitdrehenden Kraftübertragungselement, welches das Drehmoment, das von den Tretkurbeln auf die Tretlagerwelle aufgebracht wird, auf ein beispielsweise als Einfach- oder Mehrfach-Kettenritzel ausgebildetes Abtriebsritzel überträgt.
Zusätzlich kann man durch die örtliche und zeitliche Auflösung einen Fehler im Drehmomentsignal (RSN) korrigieren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen eine Anordnung von mindestens zwei Induktivitäten oder mehr - je mehr Induktivitäten desto höher die Auflösung-, die einer veränderlichen Textur auf dem Kraftübertragungselement radial oder axial zur Drehachse ausgesetzt sind. Durch eine Winkelbeziehung Phi (arccos) dieser Induktivitäten kann ein eindeutiges Winkelsignal berechnet werden.
Beispielsweise sind vier Induktivitäten um die Drehachse herum angeordnet. Die Textur kann zum Beispiel eine Dreiecksstruktur oder eine Sinusstruktur sein.
Der Aufbau der Induktivitäten ist nicht relevant. Bevorzugt sind Planarspulen, da sich diese leicht integrieren und in Großserie mit den Methoden der Leiterplattentechnik oder Micromechanik gut reproduzierbar und mit hoher Genauigkeit einfach herstellen lassen.
Man kann auch runde Induktivitäten verwenden.
Je höher die Induktivität der Messspule beziehungsweise des sonstigen induktiven Elements ist, desto besser ist die Auflösung.
Vorzugsweise weist das Kraftübertragungselement ein zum Beispiel als Exzenterscheibe ausgebildetes Target auf, an dem ein Oberflächenparameter gemessen wird. Das Target kann zum Beispiel eine Sinusscheibe, wie insbesondere genauer eine Wurzel-Sinus-Scheibe, sein. Eine Wurzelfunktion ist bevorzugt, da sich eine Wirbelstromveränderung gemäß einer Wurzelfunktion verhält. Somit weist der errechnete Winkel bei Verwendung eines Targets, welches einer Wurzelfunktion folgt, eine höhere Linearität auf.
Das Target könnte aber theoretisch auch aufgewickelt ein Dreieck sein oder ein Wurzel-Dreieck. Ein Dreieck ergibt zum Beispiel einen sich mit der Umfangsposition linear ändernden Oberflächenparameter. Auch andere Funktionsbeziehungen zwischen Umfangsposition (das heißt Drehwinkelposition) und Oberflächenparameterwert sind möglich. Vorteilhafterweise ist jedem Drehwinkel genau ein Oberflächenparameterwert zugeordnet beziehungsweise jeder Oberflächenparameterwert lässt genau auf eine oder zwei Umfangspositionen schließen. Die Anzahl der Umfangspositionen, die einen gleichen Oberflächenparameterwert aufweisen können, kann bei höherer Anzahl von Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen auch größer sein.
Je höher die elektrische Leitfähigkeit des Targets, desto höher ist bei einer induktiven Messung die Auflösung. Zum Beispiel kann man für den die Messoberfläche bildenden Bereich Aluminium oder ein ähnlich gut leitendes Material verwenden.
Die Winkelmessung ist äußert robust gegenüber Abstandsänderungen. Zum Beispiel kann man im Algorithmus implementieren, dass die Amplitudenhöhe der einzelnen Spulensignale ständig angepasst wird. Zum Beispiel werden nach einer Umdrehung das Minimum und das Maximum berechnet und dies kann in die Winkelmessung einfließen. Damit kann man auch eine Temperaturkompensation erreichen.
Wird eine Flächenänderung als Oberflächenparameterwert erfasst, ist vorteilhaft, dass die Fläche des Targets über den Induktivitäten, zum Beispiel über eingebetteten Spulen, verläuft.
Es reichen bereits 2 Spulen; mit 4 Spulen wird das System robuster und genauer. Mit 6, 8 oder noch mehr Spulen kann man noch mehr Auflösung erreichen, das heißt mit der Anzahl der Spulen kann man die Auflösung definieren.
Das Target kann einstückig oder integral mit dem Kraftübertragungselement ausgebildet sein, zum Beispiel an einem Teilbereich einer Übertragungshülse als Kraftübertragungselement ausgebildet sein. Es kann auch in irgendeiner Weise mit der Tretlagerwelle verbunden sein und sich mitdrehen. Z.B. kann man das Target mit dem Kraftübertragungselement verbinden, zum Beispiel verkleben oder schweißen oder aufpressen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Induktivitäten, zum Beispiel Spulen, mit einem Kondensator als Schwingkreis ausgebildet werden; und man kann die Frequenz des Schwingkreises bestimmen und daraus die resultierende Induktivität berechnen.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Tretlageranordnung weisen weiter eine Belastungsmessvorrichtung (mit einem Belastungssensor) auf und/oder sind Teil einer Belastungsmessanordnung. Unter Belastungen werden dabei Kräfte, Drehmomente oder mechanische Spannungen verstanden. Die Belastungsmessvorrichtung ist insbesondere zum Messen von Belastungen an einem Kraftübertragungselement ausgebildet, welches Kraft und/oder Drehmoment von Tretkurbeln auf ein Abtriebsritzel überträgt. Insbesondere ist das Kraftübertragungselement ein beispielsweise als Hülse ausgebildetes Element, das mit einem Ende an einer Tretlagerwelle drehfest angreift und mit einem anderen Ende an einem Abtriebsritzel oder einem Abtriebsritzelpaket (zum Beispiel mit größerem und kleinerem Kettenblatt) drehfest angreift.
Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen insbesondere einen Drehmomentmessgeber für einen Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an einer Tretlagerwelle unter Erfassung von Magnetfeldänderungen. Außerdem betrifft die Erfindung einen mit einem solchen Drehmomentmessgeber versehenen Drehmomentsensor, eine mit einem solchen Drehmomentmessgeber versehene Drehmomentmessanordnung sowie ein Messverfahren zum Messen eines Drehmoments durch Erfassung von Magnetfeldänderungen. Insbesondere sind der Drehmomentmessgeber, der Drehmomentsensor und das Messverfahren zur Erfassung von Magnetfeldänderungen aufgrund des Villari-Effektes, und mehr insbesondere zur magnetoelastischen (=invers magnetostriktiven) Erfassung von Drehmomenten ausgebildet.
Derartige Drehmomentsensoren, die Drehmomente in Testobjekten wie insbesondere Wellen, aufgrund von Magnetfeldänderungen erfassen, sowie die wissenschaftlichen Grundlagen hierfür sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben:

[14] Gerhard Hinz und Heinz Voigt „Magnoelastic Sensors“ in „Sensors“, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1989, Seiten 97-152
[15] US 3 311 818
[16] EP 0 384 042 A2
[17] DE 30 31 997 A
[18] US 3 011 340 A
[19] US 4 135 391 A

Insbesondere eine Bauart von Drehmomentmessgebern, wie sie in der [17] ( DE 30 31 997 A1 ) beschrieben ist, hat sich als besonders wirkungsvoll für die Messung von Drehmomenten in Wellen und anderen Messstellen herausgestellt. Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird das hieraus bekannte Messprinzip zum Messen eines Drehmoments an dem Kraftübertragungselement eingesetzt.
Es ist bekannt, dass mit magnetischen Messverfahren die physikalischen Messgrößen Drehmoment, Kraft und Position an ferromagnetischen Objekten ermittelt werden können. Zur Anwendung kommen dabei meist magnetoelastische (oder auch invers-magnetostriktive) Sensoren oder Wirbelstrom- oder Eddy-Current-Sensoren. Die benutzten ferromagnetischen Materialien ändern ihre Permeabilität unter dem Einfluss von Zug- oder Druckspannungen (auch Villari-Effekt genannt). Eine Abgrenzung der einzelnen Effekte ist in der Praxis meist schwierig, einzig der Wirbelstromsensor ist über seine Frequenzabhängigkeit leichter von den übrigen Effekten zu unterscheiden. Zudem ist der Zustand der Magnetisierung des Objektes oft nicht bekannt oder wird durch Verarbeitung und Handling der Objekte nachhaltig beeinflusst, so dass ein breiter industrieller Einsatz oft schwierig ist. Zudem ist eine Vorhersage der Lebensdauer der magnetisierten Objekte unter den oft recht harten Umgebungsbedingungen, in denen die Technologie Einsatz findet (beispielsweise aber nicht ausschließlich Elektromobilität, wie insbesondere E-Bikes, zum Beispiel Pedelecs, Fahrräder, MTB, Rennräder, Sportfahrräder, andere pedalgetriebene Sportgeräte und vieles mehr) oft nicht möglich.
Wie in der

[20] EP 3'051'265 A1

A1

A2

B1

B2

Lg

Besonders eine genaue Messung von Belastungen an sich drehenden Testobjekten, wie zum Beispiel Wellen, stellt eine größere Herausforderung dar. Selbst wenn Wellen oder Hülsen mit höchster Genauigkeit hergestellt werden, so sind diese über den Umfang gesehen nicht absolut homogen. Bereits kleinere Abweichungen in der Ausbildung oder Anordnung des Materials der Hülse führen bei Drehung der Hülse zu periodischen Schwankungen im Messsignal. Demnach ist eine Herausforderung bei den voranstehend erläuterten Technologien der Belastungsmessung aufgrund des magnetoelastischen Effekts an drehenden Testobjekten und bei der Anordnung von Sensorköpfen beziehungsweise Messgebern, eine Abstandskompensation und/oder eine Kompensation der sogenannten „RSN“ zu bewerkstelligen. RSN steht für „Rotational Signal Non-Uniformity“ und bezeichnet eine Signalvariation, die auftritt, wenn sich ein Messkörper bewegt oder dreht, bedingt durch verschiedene physikalische Effekte in der Messstelle. Es wurden bereits in der vorerwähnten Literatur Anstrengungen zur Verkleinerung der RSN unternommen; typischerweise bleiben jedoch stets ein paar Prozent übrig.
Mit bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird eine genauere Messung von Belastungen an dem sich drehenden Kraftübertragungselement ermöglicht.
Vorzugsweise umfasst die Tretlageranordnung eine Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer Belastung an dem sich um die Drehachse der Tretlagerwelle drehbaren Kraftübertragungselement, umfassend
eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds an dem Kraftübertragungselement,
eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich unter Einwirkung einer Belastung ändernden Magnetfeldparameters an dem Kraftübertragungselement,
den Drehwinkelsensor zum Erfassen eines Drehwinkels des Kraftübertragungselements, und
eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, aufgrund des durch den Drehwinkelsensor erfassten Drehwinkels eine drehwinkelabhängige Beeinflussung der Erfassung des Magnetfeldparameters zu kompensieren.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Belastungsmessvorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Kombinationssensor, an dem die Magnetfelderzeugungseinrichtung, die Magnetfelderfassungseinrichtung und zumindest ein Teil des Drehwinkelsensors ausgebildet sind.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung einen Speicher aufweist, in dem ein drehwinkelabhängiger Korrektur- oder Referenzwert und/oder eine von dem Drehwinkel abhängige Korrektur- oder Referenzfunktion und/oder eine Lookup-Tabelle mit von den Drehwinkel abhängigen Korrektur- oder Referenzwerten gespeichert sind.
Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

1 eine vordere Ansicht einer Ausführungsform einer Tretlageranordnung mit einer Tretlagerwelle, an die eine erste und eine zweite Tretkurbel angeschlossen ist, einer Anordnung von Abtriebsritzeln, einem Kraftübertragungselement, welches die Anordnung von Abtriebsritzeln mit der Tretlagerwelle verbindet und einem Tretlagergehäuse, in dem sich ein Kombinationssensor zum Bilden eines Belastungssensors und eines Drehwinkelsensors befindet;
2 eine perspektivische Darstellung der Tretlagerwelle mit dem Kraftübertragungselement;
3 eine weitere perspektivische Darstellung der Tretlagerwelle mit dem Kraftübertragungselement, wobei an dem Kraftübertragungselement ein Scheibenbereich mit sich über den Umfang um die Drehachse der Tretlagerwelle ändernder Messoberfläche angeordnet ist;
4 eine vordere Ansicht auf die Tretlagerwelle mit dem Kraftübertragungselement und dem Kombinationssensor;
5 eine weitere Ansicht der Tretlagerwelle mit dem Kraftübertragungselement und dem Kombinationssensor;
6 die Ansicht von 5, wobei zusätzlich ein Abtriebsritzel zur Befestigung an dem Kraftübertragungselement dargestellt ist;
7 eine perspektivische Darstellung des Tretlagergehäuses mit einer Ausführungsform des Kombinationssensor;
8 eine axiale Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Kom binationssensors;
9 die Ansicht auf den Kombinationssensor von 8 in Verbindung mit einem an dem Scheibenbereich ausgebildeten Exzenterelement, an dem die Messoberfläche ausgebildet ist;
10 einen Graphen, der die Lage von induktiven Elementen des Drehwinkelsensors der 8 und 9 über den auf der X-Achse aufgetragenen Winkel und den von dem Winkel abhängigen Flächeninhalt der an dem Exzenterelement ausgebildeten Messoberfläche darstellt;
11 einen Graphen, der Rohsignale für eine Winkelmessung mithilfe der Induktivitäten des Drehwinkelsensors gemäß den Ausführungsbeispielen der 9 und 10 zeigt;
12 einen Graphen, der einen aus den Rohsignalen berechneten Winkel φ zeigt;
13 eine Fotografie, die zwei Spulenelemente - ausgebildet als Leiterplattenelement - gemäß einer ersten Ausführungsform für einen Sensorkopf der zum Bilden des Belastungssensors zeigt;
14 einen Schnitt durch eine Hälfte einer in einem Spulenelement von 13 ausgebildeten Spule;
15 eine Fotografie, die zwei Spulenelemente - ausgebildet als Leiterplattenelement - gemäß einer weiteren Ausführungsform für den Aufbau des Belastungssensors in dem Sensorkopf zeigt;
16 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für den Belastungssensor, wobei nur einer von mehreren an den verwendeten Sensorköpfen gemäß der Ausführungsform von 13 in einer Variante dargestellt ist;
17 eine Ansicht vergleichbar der 16, jedoch unter Verwendung der Ausführungen des Sensorkopfes gemäß 15;
18 eine schematische axiale Schnittansicht durch das Kraftübertragungselement zusammen mit dem Spulenelement;
19 einen Graphen eines Beispiels eines RSN-Umlauffeldes an einem Drehmomentmesssignal, über den Winkel aufgebogen; und
20 einen weiteren Graphen, der die RSN an einem Mustertestbestand zeigt.

In 1 ist eine Tretlageranordnung 100 für ein pedalgetriebenes Sportgerät, wie insbesondere ein Fahrrad und mehr insbesondere ein Elektrofahrrad, insbesondere mit Radnabenmotor (nicht dargestellt), gezeigt.
Die Tretlageranordnung 100 weist ein Tretlagergehäuse 102, eine Tretlagerwelle 104, ein oder mehrere Abtriebsritzel 106, ein Kraftübertragungselement 108 und einen Kombinationssensor 1 auf, der in dem Tretlagergehäuse 102 angeordnet ist.
An einem ersten Ende der Tretlagerwelle 104 ist eine erste Tretkurbel 110 drehfest mit der Tretlagerwelle 104 verbindbar. An dem gegenüberliegenden zweiten Ende der Tretlagerwelle 104 ist eine zweite Tretkurbel 112 drehfest mit der Tretlagerwelle 104 verbindbar.
Das Kraftübertragungselement 108 ist als Messhülse 14 ausgebildet und weist einen Hülsenbereich 114, der die Tretlagerwelle 104 umgibt und an einem ersten Ende drehfest mit der Tretlagerwelle 104 verbunden ist, und einen Scheibenbereich 116 auf, der an dem anderen Ende des Hülsenbereichs 114 einstückig damit ausgebildet ist und radial von dem Hülsenbereich 114 nach außen vorsteht. An einem radial äußeren Bereich des Scheibenbereichs 116 sind, wie in 2 dargestellt, mehrere Befestigungsöffnungen 118 ausgebildet.
Das wenigstens eine Abtriebsritzel 106 ist zum Beispiel als ein einzelnes Kettenblatt 120 oder als mehrere Kettenblätter 120a, 120b einer Kettenblattanordnung 122 ausgebildet. Das Abtriebsritzel 106 oder die mehreren Abtriebsritzel 106 sind mittels der Befestigungsöffnungen 118 an dem Scheibenbereich 116 befestigbar.
Falls ein Fahrer über die Tretkurbeln 110, 112 ein Drehmoment auf die Tretlagerwelle 104 einleitet, dann wird dieses Drehmoment über den Hülsenbereich 114 und den Scheibenbereich 116 des Kraftübertragungselements 108 auf das wenigstens eine Abtriebsritzel 106 übertragen, das wiederum das Drehmoment über ein entsprechendes Getriebeelement, wie beispielsweise eine Fahrradkette, einen Fahrradriemen oder eine Kardanwelle oder dergleichen, auf das angetriebene Hinterrad überträgt. Dies ist grundsätzlich in der Fahrradtechnik gut bekannt und wird daher nicht näher dargestellt.
Über die Übertragung des Kraftübertragungselements 108 werden somit Drehmomente gleichmäßig übertragen, egal ob sie von der ersten Tretkurbel 110, von der zweiten Tretkurbel 112 oder von beiden auf die Tretlagerwelle 104 eingeleitet werden.
Das Kraftübertragungselement 108 ist zumindest teilweise, beispielsweise an einem Bereich der Umfangsoberfläche des Hülsenbereichs 114 aus einem Material ausgebildet, welches magnetoelastische Eigenschaften aufweist.
Wie in 3 ersichtlich, ist an dem Scheibenbereich 116 ein Exzenterelement 50 angeordnet, an dem eine Messoberfläche 64 ausgebildet ist, die einen sich über den Umfang ändernden Oberflächenparameter, wie hier insbesondere eine sich über den Umfang ändernde Breite aufweist.
Der Kombinationssensor 1 weist, wie in den 5, 6 und 8 dargestellt, mehrere Sensorköpfe 10 eines Belastungssensors 12 sowie mehrere Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66, 66a-66d zur Erfassung des Oberflächenparameters der Messoberfläche 64 auf, um hierdurch einen Drehwinkelsensor 40 zu bilden.
Die Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66, 66a-66d und die Sensorköpfe 10 sind an einer Leiterplatine 124 angeordnet oder ausgebildet, die um den Hülsenbereich 114 des Kraftübertragungselements 108 herum angeordnet ist.
Beispielsweise ist die Leiterplatine ringförmig ausgebildet.
Auf der Leiterplatine 124 ist außerdem eine Auswerteeinrichtung 42 ausgebildet.
Die Sensorköpfe 10 sind um den Hülsenbereich 114 herum verteilt angeordnet.
Wie in 7 dargestellt, ist der Kombinationssensor 1 in dem Tretlagergehäuse 102 aufgenommen. Beispielsweise sind bei der Ausgestaltung der 4-7 zwei Sensorköpfe 10, 80a, 80b vorgesehen.
Die 8 und 9 zeigen den Kombinationssensor 1 in einer weiteren Ausführungsform, wobei vier Sensorköpfe 10, 80a-80d vorgesehen sind.
Die Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66, 66a-66d weisen vorzugsweise jeweils wenigstens ein induktives Element 68 auf. Beispielsweise sind als induktive Elemente 68 Messspulen 84 mit entsprechenden Induktivitäten 70a-70d vorgesehen. Die Messspule 84 sind insbesondere als Planarspulen 82 an der Leiterplatine 124 ausgebildet.
Wie in 1 dargestellt, wird die Kraft von hier nicht näher dargestellten Pedalen über die Tretkurbeln 110, 112 auf die Tretlagerwelle 104 und über das als Umlenkhülse - Messhülse 14 - ausgebildete Kraftübertragungselement 108 mittels des Scheibenbereichs 116, der einen Teil der Umlenkhülse darstellt und als Aufnahme für Zahnritzel oder sonstige Abtriebsritzel 106 ausgebildet ist, auf das wenigstens eine Abtriebsritzel 106 übertragen. Dabei wird der Hülsenbereich 114 entsprechend mit dem Drehmoment beaufschlagt, was mittels der Sensorköpfe 10 magnetoelastisch erfassbar ist.
Die 2 zeigt die Tretlagerwelle 104 mit dem als Umlenkhülse wirkenden Hülsenbereich 114 und dem als Zahnritzel aufnahmewirkenden Scheibenbereich 116.
3 zeigt die Anordnung einer exzentrischen Winkelscheibe als Target 60 für eine Winkelmessung. Die exzentrische Winkelscheibe - Exzenterelement 50 - ist als Beispiel für die Anordnung der sich über den Umfang mit wenigstens einem Parameter ändernden Messoberfläche 64 zu sehen.
Die 4 und 5 zeigen die Sensoraufnahme des Kombinationssensors 1 für die Messung von Drehmoment, Drehwinkel und Drehzahl.
6 zeigt, wie ein Zahnritzel als Beispiel für das Abtriebsritzel 106 an dem als Zahnritzelaufnahme ausgebildeten Scheibenbereich 116 und somit an der Umlenkhülse befestigbar ist.
Im Folgenden wird das Messprinzip des Drehwinkelsensors 40 anhand der Darstellungen in den 8 bis 12 näher erläutert.
Der Drehwinkelsensor 40 weist ein Target 60 und ein stationäres Element 62 auf. Das Target 60 ist relativ zu dem stationären Element 62 um die Drehachse 86 der Tretlagerwelle 104 drehbar und weist die Messoberfläche 64 auf, die sich relativ zu der Drehachse 86 gesehen in Umfangsrichtung erstreckt und einen von der Umfangsposition abhängigen Oberflächenparameter hat.
Das stationäre Element 62 weist die Mehrzahl relativ zueinander in Umfangsrichtung beabstandeter Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66, 66a-66d zum Erfassen des Oberflächenparameters auf.
In der 10 ist der Drehwinkelsensor 40 in sehr einfacher Form schematisch in Form eines Graphen dargestellt, wobei auf der x-Achse die Umfangsrichtung aufgetragen ist und auf der y-Achse der Oberflächenparameter der Messoberfläche 64 aufgetragen ist.
Bei dem Oberflächenparameter der Messoberfläche 64 handelt es sich insbesondere um eine Dimension der Messoberfläche 64 in radialer oder axialer Richtung oder um eine radiale oder axiale Position der Messoberfläche 64.
Die Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66 kann jeweils ein induktives Element 68, wie zum Beispiel eine insbesondere als Planarspule 82 ausgebildete Messspule 84 aufweisen.
Je nachdem, wie dieses induktive Element 68 mit der Messoberfläche 64 überdeckt wird, ändert sich die Induktivität 70a-70d des induktiven Elements 68 aufgrund von Wirbelstromeffekten.
Der Oberflächenparameter kann somit beispielsweise eine Dimension oder eine Lage der Messoberfläche 64 sein, die sich entsprechend der Umfangsposition ändert.
Die Funktion, mit der sich der Oberflächenparameter abhängig von der - und damit abhängig vom Drehwinkel Phi bei Relativdrehung zu dem zweiten Element 62 - Umfangsposition ändert, ist vorzugsweise eine streng monotone Funktion. Die Funktion kann zum Beispiel streng monoton entsprechend der Umfangsposition abfallen oder steigen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der gesamte Umfang in zwei Umfangsbereiche aufgeteilt ist, wobei in dem einen Umfangsbereich die Funktion streng monoton ansteigt und in dem anderen Umfangsbereich die Funktion streng monoton abfällt. So liegt an jeder Umfangsposition des Targets 60 genau ein Wert des Oberflächenparameters vor. Zu jedem Oberflächenparameterwert gibt es einen oder höchstens zwei mögliche Umfangspositionen.
Sieht man nun wenigstens zwei Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66 an unterschiedlichen Umfangspositionen des stationären Elements 62 vor, dann kann aus dem Wertpaar von dem durch die erste Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66a erfassten Oberflächenparameterwert und dem durch die zweite Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66b erfassten Oberflächenparameterwert exakt auf genau einen relativen Drehwinkel (zum Beispiel im Bereich -180° - +180°) zwischen dem Target 60 und dem stationären Element 62 geschlossen werden.
Bei der in 3, 9 und 10 dargestellten Ausführungsform ist die Funktion eine Sinusfunktion und mehr insbesondere eine Wurzel-Sinusfunktion. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass das Target 60 ein Ringelement mit relativ zu der Drehachse exzentrischen Verlauf hat. Dabei kann eine der in Umfangsrichtung verlaufenden Kanten dieses Ringelements kreisförmig und zentrisch zu der Drehachse verlaufen, und die andere Kante kann entsprechend exzentrisch verlaufen. Alternativ können beide Kanten exzentrisch verlaufen. Es können sich somit Position und/oder Breite der Messoberfläche 64 entsprechend der Umfangsposition ändern.
Es sind wenigstens eine erste Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66a und eine zweite Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66b an dem stationären Element 62 vorgesehen. Bei dem in den 8 bis 10 dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66a-66d vorgesehen. Je mehr Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66 vorhanden sind, desto größer wird die Winkelauflösung. Entsprechend sind auch zum Beispiel drei, fünf, sechs, acht, und so weiter Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66 möglich.
11 zeigt einen Graphen, der die Induktivitäten 70a-70d über die Zeit während einer Relativdrehung zwischen dem Target 60 und dem stationären Element 62 darstellt. Dabei ist eine erste Induktivität 70a des induktiven Elements 68 der ersten Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66a, eine zweite Induktivität 70b des induktiven Elements 68 der zweiten Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66b, eine dritte Induktivität 70c des induktiven Elements 68 der dritten Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66c und eine vierte Induktivität 70d des induktiven Elements 68 der vierten Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66d dargestellt. Die Induktivität kann beispielsweise unter Verwendung eines Schwingkreises (nicht dargestellt) gemessen werden, der das induktive Element 68 und eine entsprechende Kapazität wie beispielsweise bei einem Kondensator aufweist. Durch Bestimmung der Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises kann die entsprechende Induktivität 70a-70d bestimmt werden.
Aus den in 11 dargestellten Rohsignalen der Induktivitäten 70a-70d kann entsprechend der Winkel zwischen dem Target 60 und dem stationären Element 62 berechnet werden; der berechnete Winkel Phi (zwischen -180° und +180°) ist in 4 dargestellt. Somit lässt sich der aktuelle absolute Drehwinkel der Tretlagerwelle 108 erfassen und für beliebige Auswertungen heranziehen.
Der Drehwinkelsensor 40 kann sofort aus den Signalen 70a-70d sehr genau den Winkel berechnen. Es muss keine zu vorige Volldrehung durchgeführt werden. Auch muss kein Anfangswert vorgegeben werden.
Mit dem Signal des Drehwinkelsensor 40 lässt sich die Drehgeschwindigkeit und damit natürlich auch die Trittfrequenz bestimmen. Auch hier ist eine genauere und schnellere Bestimmung ohne Durchführung ganzer Drehungen möglich.
Das stationäre Element 62 umfasst in den dargestellten Ausführungsbeispielen die Leiterplatine 124, an der die Induktivitäten 70a-70d des Drehwinkelsensors 40 angeordnet sind. An der Leiterplatine 124 ist außerdem die Auswerteinheit 42 in Form eines entsprechenden Elektronikbausteins angeordnet.
Auch sind die Sensorköpfe 10 des Belastungssensors 12 an der Leiterplatine 124 angeschlossen. Fotografien von Ausführungsbeispielen für den Sensorkopf 10 sind in den 13 bis 15 dargestellt. Der Belastungssensor 12 ist insbesondere als Drehmomentsensor 78 zum Messen des oben erläuterten Drehmoments ausgebildet, das durch das Kraftübertragungselement 108 von der Tretlagerwelle 104 auf das Abtriebsritzel 106 der Tretlageranordnung 100 übertragen wird.
In den bevorzugten Ausgestaltungen weist jeder Sensorkopf 10 ein Leiterplattenelement 36 auf, das als Spulenelement mit mehreren Planarspulen 34 in Leiterplattentechnik ausgebildet ist.
Bei dem in der 13 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in dem Leiterplattenelement 36 drei Planarspulen 34, Lg, A1 und B1 ausgebildet. Bei dem in der 15 dargestellten Ausführungsbeispiel sind fünf Planarspulen 34, Lg, A1, A2, B1 und B2 ausgebildet.
14 zeigt einen Schnitt durch eine Hälfte einer Planarspule 34. Jede Planarspule 34 ist durch mehrere Planarspulenebenen gebildet, die jeweils eine spiralförmige Spulenwicklung enthält. Zur Herstellung werden Leiterplattenlagen mit lithografischen Verfahren verarbeitet, um die Wicklungen herzustellen und dann unter Zwischenlage von Isolationsmaterial zu dem Leiterplattenelement 36 verpackt und unter Druck und Wärme ausgehärtet. Die einzelnen Wicklungen der Planarspulenebenen werden über Vias miteinander verbunden.
Im Folgenden wird das Messprinzip des Belastungssensors 12 anhand der Darstellungen in den 16 bis 18 näher erläutert.
In den 16 bis 18 sind die verschiedenen Ausführungsformen des Sensorkopfes 10 für den Belastungssensor 12 schematisch dargestellt.
Der Belastungssensor 12 dient zum Messen von mechanischen Belastungen, wie insbesondere Drehmomenten, Kräften oder Spannungen, in dem zumindest teilweise magnetisierbaren, um die Drehachse drehbaren Kraftübertragungselement 108 und insbesondere an der Messhülse 14, welche insbesondere aus oder mit ferromagnetischen Materialien gebildet ist.
Der Belastungssensor 12 weist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 und mehrere Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 auf. Weiter weist der Kombinationssensor 1 den Drehwinkelsensor 40 zum Erfassen eines Drehwinkels der Messhülse 14 sowie die Auswerteeinrichtung 42 zur Verringerung einer Beeinflussung der Belastungsmessung durch drehwinkelabhängige Effekte auf. Die Auswerteeinrichtung 42 ist mit dem Drehwinkelsensor 40 und mit den Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 42 ist insbesondere eingerichtet, die RSN unter Verwendung der Drehwinkelinformation zu verringern.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 weist eine Generatorspule Lg und eine Treiberschaltung (nicht dargestellt) zum Treiben der Generatorspule Lg auf.
Die Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 weisen Magnetfeldsensoren 26 in Form der Detektorspulen A1, A2, B1, B2 (oder Festkörpermagnetfeldsensoren - nicht dargestellt) und die Auswerteeinrichtung 42 zum Auswerten der Signale der Magnetfeldsensoren 26 auf.
Die in 16 mit Blick auf die auf die Messhülse 14 zu richtende Vorderseite gezeigte Ausführungsform des Sensorkopfs 10 ist in 18 von der Seite gezeigt. Diese in 18, 16, 13 und 5 gezeigte Ausführungsform des Sensorkopfes 10 hat eine V-Anordnung 32, wo nur ein erster Magnetfeldsensor 26-1 - zum Beispiel die erste Detektorspule A1 - und nur ein zweiter Magnetfeldsensor 26-1 - zum Beispiel die zweite Detektorspule B1 - winkelförmig zueinander angeordnet mit der Generatorspule Lg an der Spitze der Winkelform vorgesehen sind.
Bei der in 17 dargestellten Ausführungsform weist der Sensorkopf 10 zwei als erste Detektorspulen A1, A2 ausgebildete erste Magnetfeldsensoren 26-1 und zwei als zweite Detektorspulen B1, B2 ausgebildete zweite Magnetfeldsensoren 26-2 auf. Die Detektorspulen A1, A2, B1, B2 sind in einer kreuzförmigen Anordnung oder X-Anordnung 28 vorgesehen.
Ein gemeinsamer Flusskonzentrator 30 aus ferromagnetischem Material kann vorgesehen sein, wie dies in 16 bis 18 gezeigt ist. Wie in 5 dargestellt, ist derzeit eine Anordnung ohne Flusskonzentrator bevorzugt. Dabei wird bevorzugt mit höheren Frequenzen als bei Ausführungen mit Flusskonzentrator 30 gearbeitet.
Bei der Ausgestaltung von 17 und 15 ist mittig die Generatorspule Lg - zum Beispiel ebenfalls auf einem entsprechenden Vorsprung des Flusskonzentrators 30 - vorgesehen, wobei sich die ersten Detektorspulen A1 und A2 gegenüberliegen und sich die zweiten Detektorspulen B1 und B2 gegenüberliegen.
5, 13 bis 15 und 18 zeigen Ausführungsformen des Sensorkopfes 10, bei der die Spulen - Detektorspulen A1, A2, B1, B2 und Generatorspule Lg - als Planarspulen 34 in dem Leiterplattenelement 36 - zum Beispiel ausgeführt als PCB-Platten - vorgesehen sind.
Der Belastungssensor 12 gemäß bevorzugten Ausführungsformen implementiert ein neues Signalverarbeitungskonzept zum Abgreifen und Verarbeiten der Signale der Magnetfeldsensoren 26-1, 26-2, wie es genauer in der deutschen Patentanmeldung 10 2017 112 913.8 , auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, beschrieben und gezeigt ist. Zusätzlich zu den Konzepten, wie sie in der früheren Patentanmeldung beschrieben sind, wird bei den hier dargestellten Ausführungsformen weiter noch die Information des aktuellen Drehwinkels benutzt, um die RSN drehwinkelabhängig zu kompensieren.
19 zeigt ein Beispiel eines an einer drehenden Welle mit einem Sensorkopf 10 nach 17 aufgenommenen RSN-Umlauffehlers aufgetragen über einen Winkel.
Bei einer Ausgestaltung der Auswertung kann zunächst in einem definierten Belastungszustand, zum Beispiel im unbelasteten Zustand, das Signal wie in 19 über den Winkel aufgetragen werden. Somit erhält man eine Funktion oder einen Wertesatz von winkelabhängigen Offsetwerten für die konkrete vorliegende Tretlageranordnung 100. Diese Funktion oder die Offsetwerte kann man als Referenzwerte oder Korrekturwerte zum Beispiel in Form einer Lookup-Tabelle in einen Speicher der Auswerteeinrichtung 42 einspeichern.
Bei der Messung wird dann über den Drehwinkelsensor 40 der Drehwinkel erhalten, man erhält über die gespeicherten Werte/die aufgenommene Funktion den bei diesem Winkel vorliegenden Offset und kann diesen von dem Messsignal abziehen.
Wie eine konkrete, in 20 dargestellte Messung an einem Musterteststand zur Drehmomentmessung an einer Welle zeigt, beträgt die RSN beispielsweise +/- 6 Nm. Je nach Welle kann dieser Wert leicht nach oben oder unten abweichen. Das entspricht einem prozentualen Fehler von etwa +/- 3,75% (bei 160Nm Nennlast).
Bei einem bevorzugten Anwendungsfall ist nun geplant, dass zum Ansteuern eines kraftunterstützten pedalgetriebenen Fahrzeugs, wie insbesondere eines E-Bikes, mehr insbesondere Pedelecs, eine Drehmomentmessung an dem mit den Pedalen verbundenen Kraftübertragungselement 108 dazu genutzt werden soll, einen unterstützenden Elektromotor anzusteuern. Zum Beispiel soll bei maximaler Unterstützung die E-Maschine volle Ausgangsleistung bei etwa 25 Nm Drehmoment auf der Tretlagerwelle 104 liefern. Liegt nun die RSN bei +/- 4,5 Nm, dann ist die gewünschte Anwendung kaum realisierbar. Daher wird eine Verbesserung des RSN-Fehlers auf höchstens +/-2 Nm angestrebt. Dieser Wert konnte bisher allein durch Optimierung der Sensorparameter der dargestellten Sensorköpfe nicht erreicht werden. Eine andere Möglichkeit wären Änderungen im Design des Kraftübertragungselements 108, um eine möglichst hohe Homogenität um den Umfang der Messhülse 14 im Bereich des Sensorkopfs 10 zu erreichen. Jedoch sind die Wahlmöglichkeiten zum Material begrenzt, und letztendlich ist auch hier eine Reduzierung der RSN auf höchstens 2 Nm bisher kaum erreichbar.
Eine Möglichkeit der Reduzierung der RSN besteht in der Messung an mehreren Messstellen um den Umfang herum und der Mittelung der Messungen. Dieser Ansatz wird auch bei den hier dargestellten Ausführungsformen verfolgt. Eine gute Möglichkeit ist zusätzlich zu der Messung um die Welle herum, eine aktive Kompensation durch Winkelmessung und look-up-table durchzuführen.
Kompensiert man die RSN winkelabhängig unter Verwendung der Winkelinformation, ist der Wert von maximal 2 Nm für die RSN in unterschiedlichen Ausgestaltungen der Belastungsmessanordnung erzielbar.
Im Folgenden wird die Funktion des Belastungssensors 12 sowie der damit gebildeten Tretlageranordnung 100 näher erläutert.
Vor einer Messung mit einer bestimmten Tretlageranordnung 100 wird zunächst, beispielsweise im unbelasteten Zustand der Offset des Messsignals in Abhängigkeit von dem Drehwinkel aufgenommen und entweder als Funktion oder zum Beispiel in einer Tabelle gespeichert. Ein Beispiel ist in der Tab. 1 wiedergegeben: Tab. 1

Winkel 0° 5° 10° 15° 20°

RSN-Wert -3Nm 0Nm 3Nm 6Nm 2Nm
Bei einer anschließenden Messung wird zusätzlich zu dem Messsignal die Winkelinformation erhalten. Bei 5° wird zum Beispiel bei Verwendung der Tabelle 1 keine Korrektur vorgenommen. Bei 0° beträgt der Offset -3 Nm, entsprechend wird das Messsignal an dieser Drehwinkelstelle korrigiert.
Ein Aspekt bevorzugter Ausgestaltungen der hier beschriebenen Technologien ist, dass durch die Winkelinformation die RSN kompensiert werden kann.
Bevorzugte Applikationen wären zum Beispiel Anwendungen zur Ansteuerung der Motorunterstützung von durch Muskelkraft angetriebenen Fahrzeugen, wie zum Beispiel das E-Bike.
Weiterhin ist es möglich, zusätzliche, insbesondere im Bereich E-Bike oder sonstigen kraftunterstützten Pedal-Fahrzeugen wie Sportfahrrädern, für den Fahrer interessante, Informationen, die auf der Winkelinformation basieren, zu erzeugen und anzuzeigen.
So ist es zum Beispiel möglich, durch die Winkelinformation dem Fahrer anzuzeigen, wie harmonisch er in die Pedale tritt, oder man kann durch den Winkel oder die Winkelgeschwindigkeit Unterschiede im Tretverhalten zwischen linkem und rechtem Bein unterscheiden.
Insgesamt wird somit durch die Messung an dem Kraftübertragungselement 108 eine gleichmäßigere und genauere Erfassung des insgesamt auf der Tretlagerwelle 104 anliegenden Drehmoments erreicht, und zwar unabhängig davon, von welcher Seite das Drehmoment eingeleitet wird. Durch die zusätzliche Winkelinformation kann man dann wiederrum das aktuelle Drehmoment dem aktuellen Drehwinkel zuordnen, so dass man wiederum Informationen über die Art der Drehmomenteinleitung und auch Informationen, auf welcher Kurbel mehr oder weniger Drehmoment eingeleitet wird, erhalten kann.
Weiter kann man aus dem gemessenen Drehmoment und dem gemessenen Drehwinkel unmittelbar die von dem Fahrer aufgebrachte mechanische Leistung sehr genau und exakt bestimmen.
Bezugszeichenliste

1: Kombinationssensor
10: Sensorkopf
12: Belastungssensor
14: Messhülse
18: Magnetfelderzeugungseinrichtung
20: erste Magnetfelderfassungseinrichtung
22: zweite Magnetfelderfassungseinrichtung
26: Magnetfeldsensor
26-1: erster Magnetfeldsensor
26-2: zweiter Magnetfeldsensor
28: X-Anordnung
30: Flusskonzentrator
32: V-Anordnung
34: Planarspule
36: Leiterplattenelement
40: Drehwinkelsensor
42: Auswerteeinheit
50: Exzenterelement
60: Target
62: stationäres Element
64: Messoberfläche
66: Oberflächenparametererfassungseinrichtung
66a: erste Oberflächenparametererfassungseinrichtung
66b: zweite Oberflächenparametererfassungseinrichtung
66c: dritte Oberflächenparametererfassungseinrichtung
66d: vierte Oberflächenparametererfassungseinrichtung
68: induktives Element
70a: erste Induktivität
70b: zweite Induktivität
70c: dritte Induktivität
70d: vierte Induktivität
78: Drehmomentsensor
80a: erster Sensorkopf
80b: zweiter Sensorkopf
80c: dritter Sensorkopf
80d: vierter Sensorkopf
82: Planarspule (Drehwinkelsensor)
84: Messspule
86: Drehachse
100: Tretlageranordnung
102: Tretlagergehäuse
104: Tretlagerwelle
106: Abtriebsritzel
108: Kraftübertragungselement
110: erste Tretkurbel
112: zweite Tretkurbel
114: Hülsenbereich
116: Scheibenbereich
118: Befestigungsöffnung
120: Kettenblatt
120a: größeres Kettenblatt
120b: kleineres Kettenblatt
122: Kettenblattanordnung
124: Leiterplatine
Lg: Generatorspule
A1: Messspule (erste Magnetfelderfassungseinrichtung)
A2: Messspule (ersten Magnetfelderfassungseinrichtung)
B1: Messspule (zweite Magnetfelderfassungseinrichtung)
B2: Messspule (zweite Magnetfelderfassungseinrichtung)

Claims

Tretlageranordnung (100), umfassend: eine Tretlagerwelle (104), die drehfest mit einer ersten Tretkurbel (110) und mit einer zweiten Tretkurbel (112) verbindbar ist, wenigstens ein Abtriebsritzel (106), ein Kraftübertragungselement (108), welches die Tretlagerwelle (104) mit dem wenigstens einen Abtriebsritzel (106) verbindet, wobei das Kraftübertragungselement (108) wenigstens eine Messoberfläche (64) mit einem sich in Umfangsrichtung zur Drehachse (86) der Tretlagerwelle (104) ändernden Oberflächenparameter aufweist, wenigstens einen Belastungssensor (12) zur Erfassung einer Belastung an dem Kraftübertragungselement (108), und einen Drehwinkelsensor (40), der wenigstens eine Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtung (66) zum Erfassen des Oberflächenparameters aufweist, um aus dessen Änderung den Drehwinkel der Tretlagerwelle (108) zu erfassen.
Tretlageranordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 2.1 dass ein stationäres Sensor-Element (62), das den Belastungssensor (12) und den Drehwinkelsensor (40) umfasst, vorgesehen ist und/oder 2.2 dass der Belastungssensor (12) und der Drehwinkelsensor (40) an oder in einem Tretlagergehäuse (102) zum Aufnehmen eines die Tretlagerwelle (104) lagernden Tretlagers angeordnet sind, und/oder 2.3 dass das Kraftübertragungselement (108) einen die Tretlagerwelle (104) umgebenden Hülsenbereich (114) und einen mit dem wenigstens einen Abtriebsritzel (106) verbindbaren Scheibenbereich (116) aufweist, wobei der Belastungssensor (12) zur Messung einer Belastung an dem Hülsenbereich (114) ausgebildet ist und die Messoberfläche (64) an dem Scheibenbereich (116) ausgebildet oder angeordnet ist, und/oder 2.4 dass der Belastungssensor (12) ein magnetoelastischer Sensor zur Messung einer Belastung an dem Kraftübertragungselement (108) mittels aktiver Aufmagnetisierung ist und eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Kraftübertragungselement (108) und wenigstens eine Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) zum Erfassen eines sich unter Belastung ändernden Magnetfeldparameters an dem Kraftübertragungselement (108) aufweist, und/oder 2.5 dass der Belastungssensor (12) wenigstens ein Spulenelement umfasst, das mehrere Planarspulen (82) zum Erzeugen und Messen eines Magnetfeldes aufweisen, und/oder 2.6 dass der Belastungssensor (12) mehrere um das Kraftübertragungselement (108) herum und in Umfangsrichtung beabstandet angeordnete Sensorköpfe (10, 80a-80d) zum magnetoelastischen Erfassen einer Belastung an mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten Stellen aufweist.
Tretlageranordnung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 3.1 dass die Messoberfläche (64) sich relativ zu der Drehachse der Tretlagerwelle (104) gesehen in Umfangsrichtung erstreckt und einen sich mit einer streng monotonen Funktion abhängig von der Umfangsposition ändernden Oberflächenparameter hat, wobei der Drehwinkelsensor (40) eine Mehrzahl relativ zueinander in Umfangsrichtung beanstandeter Oberflächenparametererfassungseinrichtungen (66, 66a-66d) zum Erfassen des Oberflächenparameters aufweist und/oder 3.2 dass der Oberflächenparameter eine Dimension der Messoberfläche (64) in einer radialen oder/und axialen Richtung oder eine axiale oder/und radiale Position der Messoberfläche (64) ist.
Tretlageranordnung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messoberfläche (64) an einem elektrisch leitfähigen Material des Kraftübertragungselements (108) oder eines daran befestigten Targets (60) ausgebildet ist und dass die wenigstens eine Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtung (66, 66a-66d) oder jede von mehreren Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen (66, 66a-66d) wenigstens ein induktives Element (68) aufweist, an dem sich die Messoberfläche (64) während der Relativdrehung vorbei bewegt.
Tretlageranordnung (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtung (66, 66a-66d) eine Induktivitätserfassungseinrichtung zur Erfassung einer Induktivität des induktiven Elements (68) aufweist.
Tretlageranordnung (100) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, 6.1 dass die wenigstens eine Oberflächenparametererfassungseinrichtung (66, 66a-66d) eine Messspule (84) aufweist; und/oder 6.2 dass die wenigstens eine Oberflächenerfassungseinrichtung eine Planarspule (82) aufweist und/oder 6.3 dass die Induktivitätserfassungseinrichtung einen die wenigstens eine Messspule (84) oder Planarspule (82) und eine Kapazität aufweisenden Schwingkreis und eine Frequenzerfassungseinrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises umfasst.
Tretlageranordnung (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Messoberfläche (64) in einer zu der Drehachse (86) radialen Richtung mit sich über den Umfang gesehen streng monoton ändernder radialen Breite oder radialen Position erstreckt und dass die wenigstens eine Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen (66, 66a-66d) zum Erfassen ihrer Überdeckung mit der Oberfläche ausgebildet sind.
Tretlageranordnung (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die streng monotone Funktion eine Funktion aus der Gruppe ist, die eine lineare Funktion, eine Sinusfunktion, eine Wurzelfunktion oder eine Wurzelsinusfunktion umfasst.
Tretlageranordnung (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens vier Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen (66, 66a-66d) zueinander in Umfangsrichtung beabstandet an dem Drehwinkelsensor (40) vorgesehen sind.
Tretlageranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Oberflächenparameter über den gesamten Umfang mit der streng monotonen Funktion ändert.
Tretlageranordnung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eines mehrere oder alle der folgenden Merkmale, 11.1 dass sich die Messoberfläche (64) vollständig um den gesamten Umfang erstreckt; 11.2 dass sich der Oberflächenparameter über einen ersten Teilbereich des Umfangs mit einer streng monoton steigenden Funktion und sich über einen zweiten Teilbereich des Umfangs mit einer streng monoton fallenden Funktion ändert; 11.3 dass jeder Wert des Oberflächenparameters eindeutig an höchstens zwei Umfangspositionen vorkommt.
Tretlageranordnung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Drehwinkelsensor (40) und den Belastungssensor (12) aufweisender Kombinationssensor (1) zum Erfassen eines Drehmoments aus dem Ausgang des Belastungssensors (12) und/oder zum Erfassen der mechanischen Leistung aufgrund des durch den Belastungssensor (12) erfassten Drehmoments und aufgrund des durch die Drehwinkelerfassungseinrichtung erfassten Drehwinkels ausgebildet ist und/oder zum Erfassen einer Trittfrequenz aus dem Ausgang des Drehwinkelsensors (40) ausgebildet ist.
Sportgerät, insbesondere Fahrrad, Elektrofahrrad oder Ergometer, umfassend eine Tretlageranordnung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche.