DE102019123322A1

DE102019123322A1 - Vorrichtung zum Messen eines Drehmoments an einem Kurbeltrieb eines Fahrrads sowie Fahrradantrieb

Info

Publication number: DE102019123322A1
Application number: DE102019123322.4A
Authority: DE
Inventors: Winfried Schmidt; Angelo Schoengruber; Florian Gress
Original assignee: Oechsler AG
Current assignee: Oechsler AG
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zum Messen eines Drehmoments an einem Kurbeltrieb (1) eines Fahrrads mit einer drehbar gelagerten und in Richtung ihrer Drehachse (4) axial ortsfesten Kurbeltriebwelle (3), einem ersten Zahnrad (6), das mit der Kurbeltriebwelle (3) drehmomentübertragend in Wirkverbindung steht, und einem in das erste Zahnrad (6) einkämmenden zweiten Zahnrad (7), über das das über die Kurbeltriebwelle (3) eingeleitete Drehmoment auf ein Rad des Fahrrads übertragbar ist, wobei die beiden Zahnräder (6, 7) eine ineinandergreifende Schrägverzahnung (9) aufweisen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das erste und/oder zweite Zahnrad (6, 7) durch ein über die Schrägverzahnung (9) übertragenes Drehmoment in Richtung seiner Drehachse (4) axial verschiebbar ist und dass die Vorrichtung (2) zumindest ein elastisches Begrenzungselement (11) aufweist, das auf das zumindest eine axialverschiebbare Zahnrad (6, 7) eine der axialen Verschiebung entgegenwirkende Rückstellkraft ausübt. Weiterhin weist die Vorrichtung (2) zumindest ein Messelement (16) auf, das ausgebildet ist, die axiale Verschiebung des zumindest einen axialverschiebbaren Zahnrads (6, 7) oder eine elastische Verformung des zumindest einen Begrenzungselements (11) zu messen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmoments an einem Kurbeltrieb eines Fahrrads mit einer drehbar gelagerten und in Richtung ihrer Drehachse axial ortsfesten Kurbeltriebwelle, einem ersten Zahnrad, das mit der Kurbeltriebwelle drehmomentübertragend in Wirkverbindung steht, und einem in das erste Zahnrad einkämmenden zweiten Zahnrad, über das das über die Kurbeltriebwelle eingeleitete Drehmoment auf ein Rad des Fahrrads übertragbar ist, wobei die beiden Zahnräder eine ineinandergreifende Schrägverzahnung aufweisen.
Außerdem betrifft die Erfindung einen Fahrradantrieb mit einem Kurbeltrieb, einem Motor, insbesondere einem Elektromotor, einem Getriebe und einer Vorrichtung zum Messen eines Drehmoments an dem Kurbeltrieb.
Es ist insbesondere bei Fahrrädern mit einem Unterstützungsantrieb wichtig, an einem Kurbeltrieb des Fahrrads ein momentan anliegendes Drehmoment zu bestimmen. So ist es beispielsweise möglich, das von einem Fahrer des Fahrrads durch Muskelkraft aufgebrachte Drehmoment als Maß für eine vom Unterstützungsantrieb benötigte Unterstützungsleistung heranzuziehen. Es kann davon ausgegangen werden, dass bei einem niedrigen vom Fahrer aufgebrachten Drehmoment nur eine geringe Unterstützungsleistung notwendig ist. Umgekehrt ist bei einem hohen durch den Fahrer eingeleiteten Drehmoment eine große Unterstützungsleistung notwendig, beispielsweise bei einer zu bewältigenden Steigung.
Verschiedene Möglichkeiten ein Drehmoment an einem Kurbeltrieb eines Fahrrads zu bestimmen sind bekannt. Da es schwierig ist, das an einem Kurbeltrieb anliegende Drehmoment direkt zu messen, ohne den Betrieb des Kurbeltriebs stark zu beeinflussen, arbeiten die meisten dieser Möglichkeiten indirekt indem beispielsweise von dem Drehmoment verursachte Materialverformungen gemessen werden. Auch eine gezielte Umwandlung des Drehmoments in eine elastische Verformung, beispielsweise mittels eines am Kurbeltrieb angeordneten elastischen Bereichs, ist bekannt. Bei den bekannten Vorrichtungen zum Messen des Drehmoments sind oft mehrere Sensoren notwendig, um eine ausreichende Messgenauigkeit zu erzielen. Außerdem ist der Zusammenhang zwischen Verformung und Drehmoment mitunter komplex, so dass eine aufwändige Auswertung der gesammelten Daten stattfinden muss. Auch kann eine auf eine Drehachse des Kurbeltriebs wirkende Kraft meist nicht von einem tatsächlich anliegenden Drehmoment unterschieden werden.
Aus der GB 885942 A ist ein Fahrrad bekannt, bei dem in einer selbstschaltenden Gangschaltung ein Drehmoment in eine Axialbewegung eines Zahnrads umgewandelt wird. Die Axialbewegung wird von einem axialen Freiheitsgrad des Zahnrads ermöglicht und durch eine Schrägverzahnung zweier ineinandergreifender Zahnräder verursacht. Die Schrägverzahnung verleiht einer durch ein Drehmoment tangential zu den Zahnrädern wirkenden Kraft eine axiale Kraftkomponente. Diese wird in dem selbstschaltenden Getriebe genutzt, um die Übersetzung zu verändern, indem das Zahnrad abhängig vom momentanen Drehmoment axial zwischen verschiedenen weiteren Zahnrädern bewegt wird. Das Drehmoment wird hier zwar zum Schalten genutzt aber nicht gemessen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, das bekannte Getriebe mit schräg verzahnten und axial beweglichen Zahnrädern zu einer Vorrichtung zum Messen eines Drehmoments weiterzuentwickeln und in einem Antrieb zu nutzen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und einen Antrieb mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen eines Drehmoments an einem Kurbeltrieb eines Fahrrads weist eine drehbar gelagerte und in Richtung ihrer Drehachse axial ortsfeste Kurbeltriebwelle auf. Weiterhin weist die Vorrichtung ein erstes Zahnrad, das mit der Kurbeltriebwelle drehmomentübertragend in Wirkverbindung steht, und ein in das erste Zahnrad einkämmendes zweites Zahnrad, über das das über die Kurbeltriebwelle eingeleitete Drehmoment auf ein Rad des Fahrrads übertragbar ist, auf. Die beiden Zahnräder besitzen eine ineinandergreifende Schrägverzahnung. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das erste und/oder zweite Zahnrad durch ein über die Schrägverzahnung übertragenes Drehmoment in Richtung seiner Drehachse axialverschiebbar ist und dass die Vorrichtung zumindest ein elastisches Begrenzungselement aufweist, das auf das zumindest eine axialverschiebbare Zahnrad eine der axialen Verschiebung entgegenwirkende Rückstellkraft ausübt. Weiterhin weist die Vorrichtung zumindest ein Messelement auf, das ausgebildet ist, die axiale Verschiebung des zumindest einen axialverschiebbaren Zahnrads oder eine elastische Verformung des zumindest einen Begrenzungselements zu messen.
Um ein von einem Fahrer des Fahrrads aufgebrachtes Drehmoment mit der Vorrichtung messen zu können, muss das Drehmoment über die beiden Zahnräder an eines der Räder des Fahrrads vermittelt werden. Üblicherweise wird das Hinterrad des Fahrrads angetrieben, wobei das vom Fahrer erzeugte Drehmoment über eine Kette an das Hinterrad übertragen wird. Zur Drehmomentmessung muss also bei dieser Anordnung das vom Fahrer erzeugte Drehmoment zunächst vom Kurbeltrieb an die beiden Zahnräder und erst im Anschluss an das angetriebene Rad des Fahrrads, vorzugsweise das Hinterrad, übertragen werden.
Allgemein formuliert müssen die Zahnräder zum Messen des Drehmoments eines Antriebs, beispielsweise den durch Muskelkraft bewegten Pedalen, zwischen diesem Antrieb und dem entsprechenden Abtrieb, beispielsweise dem angetriebenen Hinterrad des Fahrrads, angeordnet sein. Beispielsweise kann das erste Zahnrad auf der Kurbeltriebwelle angeordnet sein und das zweite Zahnrad kann mit einem Abtriebselement, insbesondere einem Kettenrad, das das Drehmoment über eine Kette an ein Rad des Fahrrads überträgt, in Wirkverbindung stehen. Hierbei kann das Abtriebselement mit dem zweiten Zahnrad drehfest auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein. Ebenfalls ist es denkbar, dass das Drehmoment über die beiden Zahnräder an eine insbesondere koaxial zur Kurbeltriebwelle angeordnete Hülse übertragen wird, auf der das Abtriebselement angeordnet ist.
Die Vorrichtung ermöglicht das Messen des Drehmoments am Kurbeltrieb des Fahrrads in einfacher Weise. Auch insbesondere durch die in Richtung ihrer Drehachse axial ortsfeste Kurbeltriebwelle wird das Fahrgefühl des Fahrrads durch die Vorrichtung kaum beeinträchtigt. Bereits mit nur einem Messelement kann bei der Vorrichtung eine hohe Messgenauigkeit erzielt werden.
Der Kurbeltrieb eines Fahrrads umfasst üblicherweise die Kurbeltriebwelle und mit der Kurbeltriebwelle in Wirkverbindung stehende Pedale, über die der Fahrer des Fahrrads die Kurbeltriebwelle durch Muskelkraft antreiben kann. Über die Kurbeltriebwelle, das erste und das zweite Zahnrad sowie ein als Kettenrad ausgebildetes Abtriebselement kann das erzeugte Drehmoment über eine Kette an das Hinterrad des Fahrrads weitergeleitet werden. Ein Unterstützungsantrieb, beispielsweise in Form eines Elektromotors, kann ebenfalls vorgesehen sein. Dieser kann insbesondere über zumindest eines der Zahnräder ein Drehmoment an das Abtriebselement vermitteln. Andererseits kann es sinnvoll sein das Drehmoment des Unterstützungsantriebs über ein separates Getriebeelement, also nicht über das erste und/oder das zweite Zahnrad, an das Abtriebselement zu vermitteln. Auf diese Weise kann mit der Vorrichtung die Differenz zwischen dem vom Fahrer des Fahrrads aufgebrachten Drehmoment und dem Motordrehmoment gemessen werden. Das separate Getriebeelement kann beispielswiese ein weiteres Zahnrad sein, das insbesondere mit dem zweiten Zahnrad auf einer gemeinsamen Welle angeordnet ist.
Zahnräder mit einer Schrägverzahnung besitzen bekanntermaßen eine geringere Geräuschentwicklung. Mit Schrägverzahnung ist hier eine Anordnung der Zähne auf den Zahnrädern gemeint, die nicht parallel zu den Drehachsen der Zahnräder ist. Oftmals wird die durch die Schrägverzahnung verursachte axiale Kraftkomponente an anderer Stelle im Getriebe wieder ausgeglichen, da sie unerwünscht ist und nur die Reibung bzw. den Verschleiß einer Lagerung unnötig erhöht. Vorliegend wird die axiale Kraftkomponente aber genutzt, um in effizienter Weise das am Kurbeltrieb des Fahrrads auftretende Drehmoment zu messen. Die Kanten der Zähne der Zahnräder können beispielsweise in einer Projektion auf die Drehachse mit dieser einen Winkel von 20° einschließen.
Die Auswertung der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gesammelten Daten ist in vergleichsweise einfacher Weise möglich. Die axiale Kraftkomponente, die eine axiale Verschiebung des zumindest einen axialverschiebbaren Zahnrads verursacht, ist linear von dem am Kurbeltrieb wirkenden Drehmoment abhängig. Nach dem hookeschen Gesetz ist im elastischen Bereich die von dem Begrenzungselement ausgeübte Rückstellkraft ebenfalls linear abhängig von der Auslenkung des Begrenzungselements, also von der axialen Verschiebung des zumindest einen axialverschiebbaren Zahnrads. Für jede Position des axialverschiebbaren Zahnrads sind die axiale Kraftkomponente und die Rückstellkraft gleich groß, womit ein linearer Zusammenhang zwischen Drehmoment und axialer Verschiebung des axialverschiebbaren Zahnrads besteht.
Der Zusammenhang zwischen der Verformung des elastischen Begrenzungselements und der axialen Verschiebung des zumindest einen axialverschiebbaren Zahnrads kann durch die Form, das Material und die Anordnung des Begrenzungselements und die Schrägstellung der Zähne der Zahnräder festgelegt werden. Das Begrenzungselement ist beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt.
Die von dem elastischen Begrenzungselement ausgeübte Rückstellkraft trägt dazu bei, den Kontakt zwischen den Zahnrädern auch bei größeren Drehmomenten beizubehalten. Es ist aber denkbar, die axiale Verschiebung des axialverschiebbaren Zahnrads weiterhin durch eine feste Begrenzung einzuschränken, so dass eine Verringerung der tragenden Zahnbreite bis zur Überlastung oder ein Kontaktverlust zwischen den Zahnrädern und damit ein Leerlauf des Getriebes, der eventuell zu Verletzungen für den Fahrer des Fahrrads führen könnte, in jedem Fall vermieden werden.
Eine axiale Verschiebung des axialverschiebbaren Zahnrads kann beispielsweise magnetisch, induktiv, optisch, magnetostriktiv oder durch den piezoelektrischen Effekt durch das Messelement gemessen werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist das erste Zahnrad koaxial, unmittelbar und/oder axialfest auf der Kurbeltriebwelle angeordnet. Das erste Zahnrad kann auf diese Weise unmittelbar mit der Kurbeltriebwelle wechselwirken und die Vorrichtung kann besonders kompakt ausgebildet werden. Bei der koaxialen Anordnung des ersten Zahnrads und der kurbeltriebwelle rotieren beide im Betrieb des Kurbeltriebs um eine gemeinsame Drehachse. Bei einer nicht axialfesten Anordnung kann das erste Zahnrad beispielsweise entlang dieser Drehachse verschoben werden. Eine drehfeste aber nicht axialfeste Anordnung des ersten Zahnrads auf der Kurbeltriebwelle kann beispielswiese durch wenigstens eine axiale Nut in der Kurbeltriebwelle erreicht werden, in die wenigstens eine Feder des ersten Zahnrads greift. Die umgekehrte Ausbildung einer axialen Nut im ersten Zahnrad, in die eine Feder der Kurbeltriebwelle greift, ist ebenfalls denkbar.
Bei einer axialfesten Anordnung des ersten Zahnrads ist es denkbar, dass das erste Zahnrad und die Kurbeltriebwelle ein gemeinsames Bauteil bilden.
Andererseits können sie aber auch nachträglich beispielsweise durch Schweißen oder Pressfügen verbunden sein. Bei einer axialfesten Anordnung des ersten Zahnrads ist nur das zweite Zahnrad axialverschiebbar.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn das zweite Zahnrad drehfest auf einer drehbar gelagerten Welle oder drehbar auf einer festen Achse angeordnet ist. Für die Vorrichtung ist es wichtig, dass das zweite Zahnrad in der Lage ist, ein Drehmoment zu vermitteln. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann die Vorrichtung flexibel ausgeführt werden. Insbesondere wenn kein weiteres Bauteil vorgesehen ist, dass mit dem zweiten Zahnrad auf einer gemeinsamen Welle angeordnet werden soll, kann es vorteilhaft sein das zweite Zahnrad stattdessen auf einer festen Achse anzuordnen. Auf diese Weise kann eventuell ein zusätzliches Lager eingespart werden. Es ist denkbar, dass in diesem Falls das zweite Zahnrad mit der Achse gemeinsam axialverschiebbar ist oder relativ zur ebenfalls axial festen Achse axialverschiebbar ist. Beispielsweise ist in diesem Fall ein Lager insbesondere mit einem axialen Freiheitsgrad zwischen der Achse und dem zweiten Zahnrad angeordnet.
In diesem Zusammenhang ist es zudem vorteilhaft, wenn das zweite Zahnrad axialfest oder axialverschiebbar auf der Welle angeordnet ist und/oder dass die Welle axialfest oder axialverschiebbar ist. Sowohl das zweite Zahnrad als auch die Welle können also axialverschiebbar sein. Es ist denkbar, dass das zweite Zahnrad axialverschiebbar relativ zur axialverschiebbaren Welle ist, wobei aber die wesentliche Eigenschaft diejenige ist, dass eine axiale Verschiebung relativ zwischen den beiden Zahnrädern stattfinden kann. Wie bereits beschrieben kann eine drehfeste aber axialverschiebbare Anordnung durch eine Nut-Feder-Wechselwirkung erreicht werden.
Falls das zweite Zahnrad axialfest auf der Welle angeordnet ist, können beide beispielsweise ein gemeinsames Bauteil bilden oder durch Schweißen oder Pressfügen verbunden sein.
Insgesamt kann das erste Zahnrad oder das zweite Zahnrad oder beide Zahnräder axialverschiebbar sein. In letzterem Fall kann beispielswiese an beiden Zahnrädern ein elastisches Begrenzungselement angeordnet sein. Auch kann ein Messelement für jedes der Zahnräder vorgesehen sein. Das Drehmoment kann dann beispielsweise aus der Summe der axialen Verschiebungen beider Zahnräder ermittelt werden.
Das axialverschiebbare Bauteil oder die axialverschiebbaren Bauteile sind durch ein Lager mit einem expliziten axialen Freiheitsgrad oder zumindest einem ausreichenden axialen Spiel gelagert. Beispielsweise ein Gleitlager kommt als ein derartiges Lager in Frage.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung, steht mit dem zweiten Zahnrad ein drittes Zahnrad in Wirkverbindung. Das dritte Zahnrad kann beispielsweise Teil eines Getriebes sein und durch einen abweichenden Durchmesser eine Übersetzung erzeugen. Auch kann das dritte Zahnrad einem Motor zugeordnet sein und beispielsweise ein Drehmoment des Motors über das zweite Zahnrad und das Abtriebselement übertragen. Das dritte Zahnrad kann beispielsweise auf einer Motorwelle des Motors angeordnet sein und in das zweite Zahnrad einkämmen. Das zweite Zahnrad kann somit sowohl das Drehmoment des Fahrers als auch das Drehmoment des Motors an das Abtriebselement vermitteln, wobei die Summe dieser Drehmomente durch eine axiale Verschiebung des zweiten Zahnrads messbar ist.
Vorteilhaft ist es, wenn das dritte Zahnrad drehfest auf der Welle angeordnet ist und/oder dass das dritte Zahnrad axialfest oder axialverschiebbar mit der Welle verbunden ist. Das zweite Zahnrad und das dritte Zahnrad sind somit auf der ihnen gemeinsamen Welle angeordnet. Hierdurch kann die Vorrichtung platzsparender, insbesondere in Radialrichtung, ausgebildet werden. Wenn das dritte Zahnrad in dieser Anordnung das Drehmoment des Motors vermittelt, kann mit der Vorrichtung beispielsweise ausschließlich das von dem Fahrer des Fahrrads durch Muskelkraft aufgebrachte Drehmoment gemessen werden.
Falls das dritte Zahnrad axialfest auf der axialverschiebbaren Welle angeordnet ist muss es der axialen Verschiebung der Welle folgen. Es ist ebenfalls denkbar, dass das dritte Zahnrad axialverschiebbar relativ zur axialverschiebbaren Welle angeordnet ist. In diesem Fall kann das dritte Zahnrad bei einer Verschiebung der Welle, beispielsweise durch wenigstens einen festen Anschlag, relativ zum Kurbeltrieb in Ruhe bleiben. Auch das dritte Zahnrad kann im Falle einer axialfesten Anordnung einteilig mit der Welle ausgebildet sein oder mit dieser verschweißt oder verpresst sein. Falls die Welle axialfest ausgebildet ist, ist das dritte Zahnrad vorzugsweise ebenfalls axialfest mit der Welle verbunden.
Das dritte Zahnrad kann eine Geradverzahnung oder eine Schrägverzahnung aufweisen. Es kann beispielsweise einen zum Durchmesser des zweiten Zahnrads unterschiedlichen Durchmesser aufweisen, um eine Übersetzungswirkung zu erzielen.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das elastische Begrenzungselement stirnseitig und/oder unmittelbar an einem der axialverschiebbaren Zahnräder und/oder der axialverschiebbaren Welle angreift. Auch auf diese Weise lässt sich die Vorrichtung kompakter gestalten. Auch eine mechanische Belastung des Begrenzungselements wird geringer wenn keine weiteren Getriebeelemente zwischengeschaltet sind.
Wie bereits beschrieben, kann ein elastisches Begrenzungselement sowohl an dem ersten als auch an dem zweiten Zahnrad vorgesehen sein. Auch kann jeweils ein Begrenzungselement an den Zahnrädern und zusätzlich ein Begrenzungselement an der Welle angreifen. Beispielsweise können auch mehrere Begrenzungselemente an jedem der Zahnräder und/oder der Welle angreifen. Das Begrenzungselement kann beispielsweise an einer stirnseitigen Fläche eines der axialverschiebbaren Zahnräder und/oder der Welle angreifen.
Vorteilhaft ist es, wenn das Messelement als Verformungsmesselement ausgebildet ist und auf dem Begrenzungselement angeordnet ist. Die in jedem Fall vorhandene Verformung des Begrenzungselements kann somit gleichzeitig zur Messung des Drehmoments herangezogen werden. Außerdem ist die Verformung leicht durch das Material des Begrenzungselements, seine Form und seine Anordnung zu steuern, so dass ein einfacher Zusammenhang zwischen Drehmoment und Verformung hergestellt werden kann.
Das Verformungsmesselement ist vorzugsweise als Dehnungsmesstreifen ausgebildet und mit dem Begrenzungselement verklebt. Es ist denkbar, dass die Verformung des Begrenzungselements durch ein Verformungsmesselement und ebenfalls die axiale Verschiebung des axialverschiebbaren Zahnrads durch wenigstens ein zusätzliches Messelement gemessen wird. Auf diese Weise werden insbesondere mit verschiedenen Messmethoden Daten erfasst, die die Genauigkeit und Fehleranfälligkeit der Messung des Drehmoments verbessern.
Besondere Vorteile bringt es mit sich, wenn das Begrenzungselement als Federelement oder Biegebalken, insbesondere mit einem festen Ende und einem gegenüber diesem auslenkbaren freien Ende, ausgebildet ist. Ein Federelement oder ein Biegebalken erzeugt wohldefinierte Rückstellkräfte und hat mitunter hohe Toleranzen gegenüber unerwünschten plastischen Verformungen. Ein Biegebalken kann besonders einfach im Bereich eines der Zahnräder befestigt werden und muss insbesondere nur an einer Stelle bzw. in einer Richtung eingespannt werden. Das bekannte Verformungsverhalten des Biegebalkens ist insbesondere für eine Verformungsmessung durch ein Verformungsmesselement vorteilhaft.
Bei dem Federelement liegen sich das feste Ende und das freie Ende beispielsweise in axialer Richtung eines der Zahnräder gegenüber, wohingegen bei dem Biegebalken sich das freie Ende und das feste Ende in radialer Richtung eines der Zahnräder gegenüberstehen. Das Federelement kann beispielsweise als Feder ausgebildet sein, die insbesondere koaxial zu der Kurbeltriebwelle oder der Welle angeordnet ist.
Vorteile bringt es zudem mit sich, wenn das Begrenzungselement, insbesondere im Bereich seines freien Endes, wenigstens einen sich in Richtung des Zahnrads erstreckenden Fortsatz mit einem am Ende ausgebildeten Kontaktbereich aufweist. Der Kontaktbereich kann beispielweise eine gehärtete Stahlfläche, eine Kunststofffläche oder ein Axiallager umfassen, um den dort auftretenden Verschleiß zu minimieren.. Das Begrenzungselement kann beispielsweise mehrere und insbesondere zwei Fortsätze aufweisen.
Vorteilhaft ist es zudem, wenn das Begrenzungselement aus einem Federstahl hergestellt ist. Federstahl besitzt eine hohe Festigkeit und damit gute elastische Verformungseigenschaften. Federstahl enthält in der Regel neben Eisen ebenfalls Kohlenstoff und Silizium. Es ist denkbar, das Begrenzungselement abschnittweise aus unterschiedlichen Materialien oder unterschiedlichen Legierungen herzustellen, um die Bereiche elastischer Verformungen besser zu definieren, bzw. mechanisch stark belastete Bereiche zu verstärken.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist die Vorrichtung einen, insbesondere axial, ortsfesten Motor auf. Insbesondere ist der Motor unabhängig von der axialen Verschiebung des axialverschiebbaren Zahnrads. Somit werden zusätzliche bewegliche Teile vermieden, die ansonsten möglicherweise eine komplizierte Lagerung erfordern. Außerdem kann somit ein möglicher zusätzlicher Verschleiß aufgrund einer axialen Beweglichkeit des Motors vermieden werden.
Der Motor ist beispielsweise ein Unterstützungsantrieb oder Teil eines Unterstützungsantriebs und insbesondere als Elektromotor ausgebildet. Der Motor ist insbesondere in einem Gehäuse angeordnet, das beispielsweise mit einem Rahmen eines Fahrrads verbunden ist. Das durch die Vorrichtung gemessene Drehmoment kann zur Steuerung der Leistung des Motors herangezogen werden.
Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn das erste Zahnrad oder das zweite Zahnrad einen Freilauf aufweist. Hierdurch kann insbesondere vermieden werden, dass der Motor die Pedale des Kurbeltriebs antreibt. Mit dem Freilauf ist ein Bauteil gemeint, dass eine Drehmomentübertragung zwischen einer Welle und dem entsprechenden Zahnrad nur in einer Rotationsrichtung erlaubt. Der Freilauf kann beispielsweise als Sperrklinken- oder Klemmrollenfreilauf ausgebildet sein.
Vorteilhaft ist es, wenn ein Durchmesser des ersten Zahnrads größer ist als ein Durchmesser des zweiten Zahnrads. Einerseits benötigt das zweite Zahnrad auf diese Weise weniger Bauraum. Andererseits kann hierdurch eine eventuell benötigte Übersetzung in effizienter Weise realisiert werden. Eine senkrecht zum Durchmesser, also in axialer Richtung, verlaufende Breite der Zahnräder ist beispielsweise gleich groß. Andererseits kann das erste Zahnrad aber beispielsweise auch breiter sein als das zweite Zahnrad, sodass insbesondere eine Kontaktfläche der beiden Zahnräder auch bei einer axialen Bewegung konstant bleibt.
Vorgeschlagen wird ein Fahrradantrieb, der einen Kurbeltrieb, einen Motor, der insbesondere als Elektromotor ausgebildet ist, ein Getriebe und eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmoments an dem Kurbeltrieb umfasst. Es wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zum Messen des Drehmoments gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet ist, wobei die genannten Merkmale der Vorrichtung einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Der Fahrradantrieb besitzt die bereits beschriebenen Vorteile. Insbesondere kann ein von der Vorrichtung effizient und mit hoher Genauigkeit gemessenes Drehmoment zu Steuerung der Leistung des Motors herangezogen werden.
Die Vorrichtung kann ein Teil des Getriebes des Fahrradantriebs sein oder das Getriebe kann ein Teil der Vorrichtung sein. Ein auf einer Motorwelle des Motors angeordnetes Zahnrad kann beispielswiese einen eventuell zusätzlichen Freilauf aufweisen, sodass der Motor in keinem Fall durch den Fahrer des Fahrrads angetrieben werden muss.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:

1 eine schematische Frontansicht eines Kurbeltriebs mit einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine Frontansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine Frontansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 eine Frontansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
5 eine schematische Frontansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Fahrradantriebs, und
6 eine Frontansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Fahrradantriebs.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der Figuren werden für in den verschiedenen Figuren jeweils identische und/oder zumindest vergleichbare Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet. Die einzelnen Merkmale, deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise werden meist nur bei ihrer ersten Erwähnung ausführlich erläutert. Werden einzelne Merkmale nicht nochmals detailliert erläutert, so entspricht deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise der Ausgestaltung und Wirkweise der bereits beschriebenen gleichwirkenden oder gleichnamigen Merkmale.
1 zeigt eine schematische Frontansicht eines Kurbeltriebs 1 eines Fahrrads mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zum Messen eines Drehmoments an dem Kurbeltrieb 1. Der Kurbeltrieb 1 weist eine Kurbeltriebwelle 3 auf, die drehbar gelagert und in Richtung ihrer Drehachse 4 axial ortsfest ist. Weiterhin ist die Kurbeltriebwelle 3 mit Pedalen 5 verbunden, über die ein Fahrer des Fahrrads durch Muskelkraft ein Drehmoment erzeugen kann. Die Vorrichtung 2 umfasst ein erstes Zahnrad 6, das mit der Kurbeltriebwelle 3 drehmomentübertragend in Wirkverbindung steht. Im vorliegenden Beispiel ist das erste Zahnrad 6 unmittelbar auf der Kurbeltriebwelle 3 angeordnet.
Die Vorrichtung 2 weist weiterhin ein in das erste Zahnrad 6 einkämmendes zweites Zahnrad 7 auf, über das das Drehmoment des Fahrers an ein vorliegend nicht dargestelltes Rad des Fahrrads, insbesondere mittelbar über ein Abtriebselement 19, vorzugsweise ein Kettenrad, übertragbar ist. Die beiden Zahnräder 6, 7 weisen eine ineinandergreifende Schrägverzahnung 9 auf. Durch die Schrägverzahnung 9 wird eine axiale Kraftkomponente erzeugt, die in der Vorrichtung 2 als Maß für ein am Kurbeltrieb 1 wirkendes Drehmoment genutzt wird.
Das zweite Zahnrad 7 und das Abtriebselement 19 sind auf einer Welle 10 angeordnet, wobei die Welle 10 axialfest oder axialverschiebbar in einer Axialrichtung A sein kann. Außerdem kann das zweite Zahnrad 7 axialfest oder axialverschiebbar relativ zur Welle 10 angeordnet sein. Das Abtriebselement 19 kann drehfest auf der Welle 10 angeordnet sein. Ferner kann das Abtriebselement 19 axialfest oder axialverschiebbar relativ zur Welle 10 angeordnet sein. Auch das erste Zahnrad 6 kann axialverschiebbar oder axialfest beispielsweise auf der Kurbeltriebwelle 3 angeordnet sein. In jedem Fall ist zumindest eines der Zahnräder 6, 7 axialverschiebbar in der Axialrichtung A.
Bei einem am Kurbeltrieb 1 wirkenden Drehmoment und der aus der Schrägverzahnung 9 resultierenden axialen Kraftkomponente in der Axialrichtung A verschiebt sich folglich zumindest eines der Zahnräder 6, 7 in der Axialrichtung A. Im vorliegenden Beispiel verschiebt sich das zweite Zahnrad 7. Im Bereich des zweiten Zahnrads 7 ist ein elastisches Begrenzungselement 11 angeordnet, das bei einer Verschiebung des zweiten Zahnrads 7 eine Rückstellkraft auf das zweite Zahnrad 7 ausübt.
Vorliegend ist das Begrenzungselement 11 als Biegebalken mit einem festen Ende 12 und einem freien Ende 13 ausgebildet, wobei das freie Ende 13 gegenüber dem festen Ende 12 auslenkbar ist. Weiterhin weist das Begrenzungselement 11 insbesondere zwei in der Axialrichtung A verlaufende Fortsätze 14 auf, wobei jeweils ein Kontaktbereich 15 der Fortsätze 14 stirnseitig an dem zweiten Zahnrad 7 angreift.
Im Bereich des zweiten Zahnrads 7 und des Begrenzungselements 11 ist ein Messelement 16 angeordnet, das ausgebildet ist, die axiale Verschiebung des zweiten Zahnrads 7 oder eine Verformung des Begrenzungselements 11 zu messen. Aus dem Signal des Messelements 16 kann in der oben beschriebenen Weise das am Kurbeltrieb 1 wirkende Drehmoment hergeleitet werden.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2. In diesem Beispiel ist ebenfalls der Zustand eines am Kurbeltrieb 1 wirkenden Drehmoments gezeigt. Das zweite Zahnrad 7 ist in der Axialrichtung A gegenüber der Position aus 1 verschoben. Daraus resultierend ist das elastische Begrenzungselement 11 ebenfalls verformt, wobei insbesondere das freie Ende 13 gegenüber dem festen Ende 12 ausgelenkt ist. Das Messelement 16 ist in diesem Fall auf dem Begrenzungselement 11 angeordnet und als Verformungsmesselement ausgebildet.
In dieser Darstellung ist weiterhin ein Durchmesser D des ersten Zahnrads 6 sowie ein Durchmesser d des zweiten Zahnrads 7 markiert. Der Durchmesser d des zweiten Zahnrads 7 ist insbesondere kleiner als der Durchmesser D des ersten Zahnrads 7. Hierdurch lässt sich der Platzbedarf der Vorrichtung 2 beschränken. Außerdem kann so eine Übersetzung zwischen den Zahnrädern 6, 7 erreicht werden. Das Verhältnis der Durchmesser D, d der Zahnräder 6, 7 muss bei der Auswertung des Signals des Messelements 16 berücksichtigt werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 2 mit einem dritten Zahnrad 17, wobei das dritte Zahnrad 17 gemeinsam mit dem zweiten Zahnrad 7 auf der Welle 10 angeordnet ist. In diesem Beispiel weist das dritte Zahnrad 17 eine Geradverzahnung auf. Es ist aber alternativ denkbar, dass auch das dritte Zahnrad 17 eine Schrägverzahnung 9 aufweist.
Um eine Wirkverbindung zwischen dem zweiten Zahnrad 7 und dem dritten Zahnrad 17 herstellen zu können, müssen die Zahnräder 7, 17 drehfest auf der drehbaren Welle 10 angeordnet sein. Dabei kann die Welle 10 axialverschiebbar sein. Hierbei kann das zweite Zahnrad 7 relativ zur Welle 10 axialverschiebbar sein oder das dritte Zahnrad 17 relativ zur Welle 10 axialverschiebbar sein oder beide Zahnräder 7, 17 können relativ zur Welle 10 axialverschiebbar sein. Falls die Welle 10 axialfest ist, ist es zweckmäßig, wenn auch das dritte Zahnrad 17 axialfest ist, sowohl relativ zur Welle 10 als folglich auch absolut.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 2 mit einem dritten Zahnrad 17, das in diesem Beispiel in das zweite Zahnrad 7 einkämmt. Das dritte Zahnrad 17 ist hier auf einer Motorwelle 18 eines Motors 8 angeordnet. Alle Zahnräder 6, 7, 17 weisen eine Schrägverzahnung 9 auf, wobei die Schrägverzahnung 9 jeweils paarweise entgegengesetzt ist.
Der Motor 8 ist insbesondere als Unterstützungsantrieb und besonders bevorzugt als elektrischer Unterstützungsantrieb ausgebildet. Über das dritte Zahnrad 17 und das zweite Zahnrad 7 kann ein Drehmoment des Motors 8 beispielsweise an das Abtriebselement 19 (siehe 1), das insbesondere auf der Welle 10 angeordnet ist, vermittelt werden. Gleichermaßen kann über das erste Zahnrad 6 und das zweite Zahnrad 7 ein Drehmoment des Fahrers vermittelt werden. Das von der Vorrichtung 2 ermittelte Drehmoment kann zur Steuerung einer momentanen Unterstützungsleistung des Motors 8 herangezogen werden. Der Motor 8 ist insbesondere axial ortsfest angeordnet.
In den in 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen kann das unterstützende Drehmoment des Motors 8 unmittelbar und/oder über weitere Getriebeelemente über die Kurbeltriebwelle 3, das erste Zahnrad 6, das zweite Zahnrad 7, das dritte Zahnrad 17 und/oder die Welle 10 eingeleitet werden.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrradantriebs 20. Der Fahrradantrieb 20 weist einen Kurbeltrieb 1, einen Motor 8 und eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2 zum Messen eines Drehmoments an dem Kurbeltrieb 1 auf. Im vorliegenden Beispiel wird das von dem Fahrer des Fahrrads durch Muskelkraft aufgebrachte Drehmoment über das erste Zahnrad 6, das zweite Zahnrad 7 und das dritte Zahnrad 17 an ein viertes Zahnrad 21, das gemeinsam mit dem Abtriebselement 19 auf einer Hülse 22 angeordnet ist, vermittelt. Die Hülse 22 ist vorzugsweise rotatorisch frei beweglich und koaxial zur Kurbeltriebwelle 3 angeordnet. Das Drehmoment kann wie zuvor von dem Abtriebselement 19 beispielsweise über eine Kette an ein Rad des Fahrrads übertragen werden.
Ein fünftes Zahnrad 23 ist auf der Motorwelle 18 des Motors 8 angeordnet. Das unterstützende Drehmoment des Motors 8 wird über das fünfte Zahnrad 23 und das dritte Zahnrad 17 ebenfalls an die Hülse 22 und damit an das Abtriebselement 19 übertragen. Vorzugsweise weist das fünfte Zahnrad 23 einen Freilauf 24 auf, der verhindert, dass ein Drehmoment an den Motor 8 übertragen wird. Hierdurch muss der Motor 8 im Falle einer nicht ausreichenden Leistung weder mit Muskelkraft angetrieben werden, noch bremst der Motor 8 das Fahrrad.
Weiterhin weist beispielsweise das erste Zahnrad 6 einen Freilauf 24 auf, der ausschließlich eine Drehmomentübertragung in Richtung des zweiten Zahnrads 7 zulässt. Hierdurch wird in erster Linie vermieden, dass der Motor 8 den Kurbeltrieb 1 bzw. die Pedale 5 (siehe 1) antreibt. Möglicherweise kann hierdurch ebenfalls auf einen zusätzlichen Freilauf 24, der üblicherweise an einer Radnabe angeordnet ist, verzichtet werden.
Die Vorrichtung 2 dient vorliegend ausschließlich der Messung des vom Fahrer erzeugten Drehmoments. Das dritte, vierte und fünfte Zahnrad 17, 21, 23 bilden beispielsweise ein Getriebe 25.
Der in 6 dargestellte Fahrradantrieb 20 gleicht im Wesentlichen dem Fahrradantrieb 20 aus 5. Das Getriebe 25 umfasst in diesem Beispiel ein sechstes Zahnrad 26, über das das Drehmoment des Motors 8 mittelbar an die Hülse 22 und damit das Abtriebselement 19 übertragen werden kann. Hierdurch kann eine unterschiedliche Übersetzung des Motordrehmoments erzielt werden. Außerdem weist das zweite Zahnrad 7 in diesem Beispiel einen Freilauf 24 auf, um ein Antreiben des Kurbeltriebs 1 bzw. der Pedale 5 (siehe 1) durch den Motor 8 zu vermeiden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn sie in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

1: Kurbeltrieb
2: Vorrichtung
3: Kurbeltriebwelle
4: Drehachse
5: Pedal
6: erstes Zahnrad
7: zweites Zahnrad
8: Motor
9: Schrägverzahnung
10: Welle
11: Begrenzungselement
12: festes Ende
13: freies Ende
14: Fortsatz
15: Kontaktbereich
16: Messelement
17: drittes Zahnrad
18: Motorwelle
19: Abtriebselement
20: Fahrradantrieb
21: viertes Zahnrad
22: Hülse
23: fünftes Zahnrad
24: Freilauf
25: Getriebe
26: sechstes Zahnrad
D: Durchmesser des ersten Zahnrads
d: Durchmesser des zweiten Zahnrads
A: Axialrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 885942 A [0005]

Claims

Vorrichtung (2) zum Messen eines Drehmoments an einem Kurbeltrieb (1) eines Fahrrads mit einer drehbar gelagerten und in Richtung ihrer Drehachse (4) axial ortsfesten Kurbeltriebwelle (3), einem ersten Zahnrad (6), das mit der Kurbeltriebwelle (3) drehmomentübertragend in Wirkverbindung steht, und einem in das erste Zahnrad (6) einkämmenden zweiten Zahnrad (7), über das das über die Kurbeltriebwelle (3) eingeleitete Drehmoment auf ein Rad des Fahrrads übertragbar ist, wobei die beiden Zahnräder (6, 7) eine ineinandergreifende Schrägverzahnung (9) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Zahnrad (6, 7) durch ein über die Schrägverzahnung (9) übertragenes Drehmoment in Richtung seiner Drehachse (4) axial verschiebbar ist und dass die Vorrichtung (2) zumindest ein elastisches Begrenzungselement (11) aufweist, das auf das zumindest eine axialverschiebbare Zahnrad (6, 7) eine der axialen Verschiebung entgegenwirkende Rückstellkraft ausübt, und dass die Vorrichtung (2) zumindest ein Messelement (16) aufweist, das ausgebildet ist, die axiale Verschiebung des zumindest einen axialverschiebbaren Zahnrads (6, 7) oder eine elastische Verformung des zumindest einen Begrenzungselements (11) zu messen.
Vorrichtung (2) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) ein Abtriebselement (19), insbesondere ein Kettenrad, umfasst, mit dem das zweite Zahnrad (7) drehmomentübertragend in Wirkverbindung steht.
Vorrichtung (2) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zahnrad (6) koaxial, unmittelbar und/oder axialfest auf der Kurbeltriebwelle (3) angeordnet ist.
Vorrichtung (2) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zahnrad (7) drehfest auf einer drehbar gelagerten Welle (10) oder drehbar auf einer festen Achse angeordnet ist.
Vorrichtung (2) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zahnrad (7) axialfest oder axialverschiebbar auf der Welle (10) angeordnet ist und/oder dass die Welle (10) axialfest oder axialverschiebbar ist.
Vorrichtung (2) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem zweiten Zahnrad (7) ein drittes Zahnrad (17) in Wirkverbindung steht.
Vorrichtung (2) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Zahnrad (17) drehfest auf der Welle (10) angeordnet ist und/oder dass das dritte Zahnrad (17) axialfest oder axialverschiebbar mit der Welle (10) verbunden ist.
Vorrichtung (2) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Begrenzungselement (11) stirnseitig und/oder unmittelbar an einem der axialverschiebbaren Zahnräder (6, 7) und/oder der axial verschiebbaren Welle (10) angreift.
Vorrichtung (2) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (16) als Verformungsmesselement ausgebildet ist und auf dem Begrenzungselement (11) angeordnet ist.
Vorrichtung (2) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzungselement (11) als Federelement oder Biegebalken, insbesondere mit einem festen Ende (12) und einem gegenüber diesem auslenkbaren freien Ende (13), ausgebildet ist.
Vorrichtung (2) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzungselement (11), insbesondere im Bereich seines freien Endes (13), wenigstens einen sich in Richtung des Zahnrads (6, 7) erstreckenden Fortsatz (14) mit einem am Ende ausgebildeten Kontaktbereich (15) aufweist.
Vorrichtung (2) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzungselement (11) aus einem Federstahl hergestellt ist.
Vorrichtung (2) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen, insbesondere axial, ortsfesten Motor (8).
Vorrichtung (2) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zahnrad (6) oder das zweite Zahnrad (7) einen Freilauf (24) aufweist.
Fahrradantrieb (20) mit einem Kurbeltrieb (1), einem Motor (8), insbesondere einem Elektromotor, einem Getriebe (25) und einer Vorrichtung (2) zum Messen eines Drehmoments an dem Kurbeltrieb (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) zum Messen des Drehmoments nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.