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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Steuerung des Motorantriebs eines Zweirads, welches vom Fahrer mittels einer Pedale angetrieben wird.
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Stand der Technik
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Beim Antrieb eines Zweirads, insbesondere eines Fahrrads, mittels Pedalen wird üblicherweise ein kreisrundes Kettenblatt an der Tretkurbel verwendet, um dem Fahrer ein gleichmäßiges Tretgefühl zu vermittelt. Vereinzelt werden jedoch auch Kettenblätter eingesetzt, die sich bewusst von einer kreisrunden Ausgestaltung unterschieden. Ziel einer derartigen Ausgestaltung ist es, die Kraftausnutzung des Fahrers beim Treten zu maximieren und Totpunkte während eines Umlaufs zu minimieren.
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Aus der Schrift
DE 10 2015 224 666 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Kraftdifferenz, die vom Fahrer eines Fahrrads zwischen der rechten und linken Pedale aufgebracht wird, erfasst wird.
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Aus der Schrift
DE 10 2013 208 575 A1 ist bekannt, den Fahrer über die Erfassung der Trittkraft auf die Pedale eines Fahrrads Hilfestellungen zu geben, die zu einer Verbesserung der Trittvorgangs und insbesondere eines runden Tritts - führen. Dieses Verfahren kann auch dazu genutzt werden, einen zum Antrieb des Fahrrads vorgesehenen Elektromotor anzusteuern.
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Die Schrift
DE 10 2015 219 574 A1 beschreibt die Ansteuerung eines Antriebs in Abhängigkeit einer einseitig eingeschränkten Muskelkraft des Fahrers. Hierbei ist vorgesehen, dass die fehlende Kraft durch den Antrieb kompensiert werden soll. Dies wird erreicht, indem die Kraft, die der Fahrer ausübt, während einer Gesamtumdrehung gemessen und der Antrieb so während einer Hälfte der Gesamtumdrehung angesteuert wird, dass beide Hälften eine gleiche resultierende Kraft aus Fahrerkraft und Antriebskraft aufweisen.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll eine von der üblichen Form abweichende Ausgestaltung eines Kettenblatts eines Zweirads erkannt werden, wobei die Ansteuerung des Antriebs an die abweichende Form angepasst werden soll.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung beansprucht mittels dem/der eine Veränderung der Ansteuerung einer Antriebseinheit eines Fahrzeugs mit Tretkurbel in Abhängigkeit von der Form des an der Tretkurbel angebrachten Kettenblatts erfolgt. Hierbei wird die Veränderung der Ansteuerstrategie ausgehend von einer weitgehend verbreiteten runden Kettenblattform aus betrachtet.
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Konkret wird auf ein Fahrzeug abgezielt, welches eine Antriebseinheit hat, deren Ansteuerung in Abhängigkeit von der Betätigung einer an dem Fahrzeug angebrachten Tretkurbel erfolgt. Hierzu kann beispielsweise auf ein Elektrofahrrad mit einem Elektromotor verwiesen werden, welcher in Abhängigkeit des Tretdrehmoments und/oder der Trittfrequenz angetrieben wird. Darüber hinaus fallen hierunter jedoch auch andere Fahrzeuge, wie Mofas, Mopeds aber auch
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Kettcars etc., bei denen die Tretkurbel nicht notwendigerweise zum Antrieb bzw. Fortbewegung des Fahrzeugs notwendig ist.
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Während bei der Verwendung von runden Kettenblättern oder zumindest im Wesentlichen runden Kettenblättern eine symmetrische und gleichmäßige Betätigung hinsichtlich der Tretkraft durch den Fahrer ergibt, ist bei der Nutzung eines davon abweichenden Kettenblatts, z.B. einem ovalen Kettenblatt ein anderes Tretkraftverhalten zu beobachten.
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Die Erfindung greift daher bei einem derartigen ungleichmäßigen bzw. zumindest teilweise unsymmetrischen Tretkraftverhalten an, indem z.B. mittels eines geeigneten Sensors die Tretkraftgröße während eines vorbestimmten Zeitraums, z.B. einem Umlauf der Tretkurbel erfasst und analysiert wird. Wird dabei erkannt, dass bis auf eventuell kleine Schwankungen ein rundes Kettenblatt vorliegt, wird die Antriebseinheit des Fahrzeugs mit einem üblichen ersten Steuerungsverfahren angesteuert. Wird jedoch aufgrund der erfassten Tretkraftgrößen bzw. deren zeitlichen Verlaufs erkannt, dass sich die Form des Kettenblatts von einem z.B. bei gängigen Fahrrädern üblicherweise verwendeten runden Kettenblatt unterscheidet, wird die Ansteuerung der Antriebseinheit gegenüber dem ersten Steuerungsverfahren geändert.
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Durch das geänderte Steuerungsverfahren kann dabei das durch den Fahrer veränderte Tretkraftverfahren durch die Antriebseinheit kompensiert werden, um den Fahrer ein homogeneres Fahrgefühl er ermöglichen.
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Zur Realisierung der Veränderung des Steuerungsverfahrens kann auf ein eigens zweites Steuerungsverfahren zurückgegriffen werden, welches der erkannten Form des Kettenblatts zugeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, basierend auf dem ersten Steuerungsverfahren eine Änderung der dort vorliegenden Steuerungsalgorithmen vorzunehmen, z.B. indem eine Anpassung aufgrund aktueller vorliegender Tretkraftgrößen erfolgt.
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Die Erkennung einer abweichenden Kettenblattform kann beispielsweise darin bestehen, dass der bei einem runden Kettenblatt vorliegende im Wesentlichen sinusförmige zeitliche Ablauf der Tretkraftgröße nicht vorliegt.
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Zur Minimierung von Fehlerkennung kann vorgesehen sein, dass die Tretkraftgrößen gemittelt werden, z.B. während wenigstens zweier Umläufe der Tretkurbel. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass nur Ausschnitte des zeitlichen Tretkraftverlaufs analysiert werden. So reicht beispielsweise aus, nur den Tretkraftverlauf zwischen einem Maximum und einem Minimum auszuwerten, um einen charakteristischen Verlauf für ein verändertes Kettenblatt abzuleiten. Selbstverständlich ließe sich bei Nutzung eines entsprechend geformten Kettenblatts auch ein charakteristischer Verlauf zwischen einem Minimum und einem Maximum oder zwischen Nulldurchgängen und Extremwerten ableiten.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird die Veränderung bzw. Anpassung der Ansteuerung der Antriebseinheit in Abhängigkeit wenigstens einer weiteren Sensorgröße durchgeführt, die die Aktivität des Fahrers, die Fahrdynamik des Fahrzeugs und/oder die Betriebsgrößen des Fahrzeugs erfassen. Hierbei könnten beispielsweise die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung des Fahrzeugs, eines Rades und/oder der Tretkurbel durch den Fahrer herangezogen werden.
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Generell kann mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden, dass bei einer Veränderung der Tretkurbel bei einem bestehenden Fahrzeug eine Anpassung und Optimierung der Ansteuerstrategie der Antriebseinheit erfolgen kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Figurenliste
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- Die 1a und 1b zeigen unterschiedliche Verläufe der Kraftverläufe an der Tretkurbel in Abhängigkeit verschiedener Kettenblätter. Das Blockschaltbild gemäß der 2 stellt eine mögliche erfindungsgemäße Realisierung einer
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Vorrichtung dar während das Flussdiagramm in 3 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zeigt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Bei der Verwendung üblicher runder Kettenblätter an einem Zweirad, z.B. einem Fahrrad, wird die Krafteinleitung des Fahrers über die Pedale zur Fortbewegung des Zweirads sinusförmig entsprechend der 1a ausfallen. Da der Fahrer jedoch an den verschiedenen Punkten der Kreisbewegung des Kettenblatts nur einen Teil seiner Kraft umsetzen kann, ist diese symmetrische Krafteinleitung hinsichtlich der Effizienz der Kraftumsetzung in die Bewegung nur bedingt optimal. So kann der Fahrer die größte Kraft jeweils am höchsten Punkt der Pedale einbringen, während bei einer waagerechten, mittleren Stellung der Pedale in Bezug auf die Tretkurbel ein nur noch geringer Anteil an Trittkraft umgesetzt werden kann.
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Wird statt eines runden Kettenblatts ein ovales Kettenblatt verwendet, kann die Kraftumsetzung effizienter gestaltet werden, indem der Bereich erhöht wird, in dem der Fahrer besonders stark treten kann, um die Kurbel und somit die über das Kettenblatt mit dem Hinterrad verbundene Kette zu bewegen. Gleichzeitig wird durch ein derartiges ovales Kettenblatt der Bereich, in dem der Fahrer keine oder nur eine geringe Tretkraft über die Tretkurbel auf die Kette ausüben kann reduziert. Ein entsprechender Kraftverlauf der Tretkraft ist in 1b abgebildet.
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Wird bei einem pedalgetriebenen Zweirad eine Motorunterstützung für den Antrieb verwendet, kann die Ansteuerung des Motors von der Pedalbetätigung abhängig gestaltet werden. Hierbei wird bei üblichen kreisrunden Kettenblättern aufgrund der symmetrischen sinusförmigen Trittkraft des Fahrers eine daran angepasste Steuerung gewählt, die eine gleichmäßige Unterstützung durch den Motor erzeugt. Wird jedoch vom Fahrer eine andere zeitliche Trittkraft erzeugt, z.B. gemäß der 1b bei einem ovalen Kettenblatt, würde eine derartige gleichmäßige, auf einen sinusförmigen Tritt ausgerichtete Unterstützung zu einem inhomogenen Fahrgefühl des Fahrers führen. Aus diesem Grund wird mit der vorliegenden Erfindung zunächst erkannt, welches Fahrverhalten bzw. Trittverhalten der Fahrer des Zweirads, insbesondere eines Fahrrads bzw. eines Elektrofahrrads, erzeugt, um darauf basierend eine geeignete Ansteuerungsstrategie für die Antriebseinheit, d.h. den Motor abzuleiten.
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In der 2 ist eine mögliche Ausgestaltung einer Vorrichtung dargestellt, die die vorliegende Erfindung umsetzen kann. Hierzu wird in einer zentralen Steuereinheit 100 das Tretverhalten des Fahrers auf die Pedale erfasst. Hierzu kann beispielsweise ein Drehmomentsensor 120 oder ein anders gearteter Sensor 130, z.B. ein Kraftsensor oder Dehnungsmessstreifen an der Pedale vorgesehen sein. Auch die Erfassung der Winkelgeschwindigkeit der Pedalbewegung durch einen entsprechenden Sensor ist hierfür geeignet. Ausgehend von den so erfassten Sensorgrößen wird in der Steuereinheit überprüft, welche Form des Kettenblatts vorliegt. Dies kann dadurch geschehen, dass der periodische Verlauf der Tretkraft, des Tretdrehmoments, der Winkelgeschwindigkeit oder einer anderen, die Betätigung der Pedale durch den Fahrer repräsentierenden Größe analysiert wird, um direkt oder indirekt durch einen Vergleich mit abgespeicherten Werten auf die Form des Kettenblatts zu schließen. Hierzu können im Speicher 110, der in der Steuereinheit 100 angeordnet ist, entsprechende Verläufe, Sensorgrößenvergleichsdaten oder Schwellenwerte hinterlegt sein. Alternativ oder optional kann der Speicher 110 auch verwendet werden, die laufende Erfassung der Sensorgrößen der Sensoren 120 und/oder 130 abzuspeichern, so dass Vergleichsdaten vorliegen. Optional kann auch vorgesehen sein, dass in dem Speicher 110 für unterschiedliche Kettenblattformen entsprechende Ansteuerroutinen für die Antriebseinheit 110 des Zweirads hinterlegt sind. Basierend auf der Erkennung der Form des Kettenblatts kann die Steuereinheit 100 die Antriebs-einheit 140 steuern, beispielsweise indem auf die im Speicher 110 hinterlegten Ansteuerroutinen zurück gegriffen wird. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Ansteuerung der Antriebseinheit 140 direkt abhängig von den Sensorgrößen der Sensoren 120 und/oder 130 abgeleitet wird. Hierbei resultieren aus der Erkennung unterschiedlicher Tretkraft-, Drehmoment- und/oder Winkel-geschwindigkeitsverläufe, denen verschiedene Kettenblätter zugeordnet werden können, voneinander abweichende Ansteuersignale an die Antriebseinheit 140. Optional kann vorgesehen sein, die Information über das erkannte Kettenblatt mittels einer Anzeigevorrichtung 150 an den Fahrer zu übermittelt. Hierbei kann auch vorgesehen sein, dass der Fahrer das erkannte Kettenblatt bestätigen muss, bevor eine Änderung der Ansteuerroutine der Antriebseinheit 140 durchgeführt wird.
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Ein mögliches Verfahren, welches in der Steuereinheit 100 durchgeführt werden kann, wird im Folgenden anhand der 3 beschrieben. Nach dem Start des Verfahrens wird in einem ersten Schritt 200 die Pedalkraft oder eine andere Sensorgröße erfasst, die repräsentativ für die Tretbewegung des Fahrers ist und eine Aussage über die Kettenblattform erlaubt. Hierzu ist üblicherweise wenigstens ein Umlauf der Pedale erforderlich, um die Ungenauigkeit bei der Zuweisung der Kettenblattform so gering wie möglich zu halten. Es ist jedoch auch möglich, dass es ausreicht, bestimmte charakteristische Bewegungsabläufe zu erfassen, um daraus die Kettenblattform abzuleiten (siehe beispielsweise die Kraftverläufe in der 1b zwischen einem Maximum und einem Minimum). Die Erfassung der Pedalkraft im Schritt 200 kann optional auch in einem separaten Verfahren beständig erfasst und in einem Speicher abgelegt werden. In diesem Fall wird im Schritt 200 auf die so erfassten Sensorgrößen bzw. die erfasste und ggf. gemittelte Pedalkraft über einen vorbestimmbaren Zeitbereich zurückgegriffen. Im nachfolgenden Schritt 220 wird der so erfasste oder eingelesene zeitliche Pedalkraftverlauf mit vorab abgespeicherten Verläufen verglichen. Wird dabei erkannt, dass der Pedalkraftverlauf im Wesentlichen der Verwendung eines normalen, d.h. kreisrunden Kettenblattes entspricht, wird im Schritt 240 die Antriebseinheit gemäß der ansonsten üblichen Ansteuerverfahren gesteuert bzw. geregelt. Hierbei kann vorgesehen sein, dass kleine Abweichungen von einer sinusförmigen oder gleichmäßigen Betätigung der Tretkurbel durch den Fahrer unberücksichtigt bleiben, beispielsweise indem wenigstens ein Schwellenwert überschritten werden muss, um eine Abweichung von der runden Form des Kettenblatts zu erkennen. Hierbei führen gerade bei der Berücksichtigung nur weniger Sensorgrößen auch ohne eine Mittelung Ausreißer bei der Betätigung der Tretkurbel durch den Fahrer nicht zu einer Veränderung der Ansteuerung der Antriebseinheit. So werden in der Regel die üblicherweise angewandten Ansteuerverfahren für eine Antriebseinheit eines Fahrzeugs, z.B. einem Elektrofahrrad, in Abhängigkeit von der auf eine Tretkurbel wirkende Pedalkraft gestaltet, um entsprechend der gleichmäßigen Betätigung der Tretkurbel des Fahrers eine gleichartig gleichmäßige Unterstützung der
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Antriebseinheit zu ermöglichen. Wird im Schritt 220 jedoch erkannt, dass das Tretverhalten des Fahrers entsprechend dem erfassten Pedalkraftverlauf nicht gleichmäßig erfolgt, beispielsweise indem der Vergleich mit hinterlegten Pedalkraftverläufen eine Abweichung von einem runden Kettenblatt nahelegt, wird im Schritt 260 eine gegenüber der normalen Ansteuerung der Antriebseinheit veränderte Ansteuerung vorgenommen oder initiiert. Hierbei kann im Schritt 260 auf ein Ansteuerverfahren zurückgegriffen werden, welchem einer hinterlegten erkannten Kettenblattform zugeordnet ist. Alternativ kann auch eine individuelle Ansteuerung der Antriebseinheit im Schritt 260 vorgenommen oder initiiert werden, die in Abhängigkeit von den aktuell erfassten Sensorgrößen der Tretkraft des Fahrers abgeleitet wird. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass im Bereich zwischen einem Maximum und einem Minimum der Tretkraft (siehe 1b) der Motor bewusst die fehlende Tretkraft und somit Antriebskraft der Kettenbewegung kompensiert, um dem Fahrer eine gleichmäßige homogene Fortbewegung zu ermöglichen.
