DE102022103666A1

DE102022103666A1 - Sensorsystem zur Ermittlung einer Kraftausübung auf ein Pedal, Antriebseinheit, Sensoreinheit und Verfahren zur Einstellung einer Unterstützungsleistung einer Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102022103666A1
Application number: DE102022103666.9A
Authority: DE
Inventors: Johannes Biechele; Linda Reuter
Original assignee: Porsche eBike Performance GmbH
Current assignee: Porsche eBike Performance GmbH
Priority date: 2022-02-16
Filing date: 2022-02-16
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2042-02-17
Also published as: DE102022103666B4; WO2023156397A1; TW202346144A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem (18) mit einer Sensoreinheit (16) zur Ermittlung einer Kraftausübung auf ein Pedal (11) eines Fahrrades, wobei die Sensoreinheit (16) drehfest mit einer mit dem Pedal verbundenen Tretkurbelwelle (14) des Fahrrades verbunden ist, wobei die Sensoreinheit (16) mindestens einen Sensor (22) umfasst, welcher an der Tretkurbelwelle (14) eine die Kraftausübung repräsentierende Größe erfasst.
Die Erfindung betrifft ferner eine Antriebseinheit zur Bereitstellung einer Unterstützungsleistung für ein Fahrrad mit einem Sensorsystem (20), eine Sensoreinheit (16) umfassend einen Ring (26) zur drehfesten Verbindung mit einer Tretkurbelwelle (14) eines Fahrrades und ein Verfahren zur Einstellung Unterstützungsleistung einer Antriebseinheit eines Fahrrades.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Ermittlung einer Kraftausübung auf ein Pedal gemäß Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Antriebseinheit mit einem solchen Sensorsystem gemäß Patentanspruch 13 und eine Sensoreinheit gemäß Patentanspruch 14. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Einstellung einer Unterstützungsleistung einer Antriebseinheit gemäß Patentanspruch 15.
Bei gängigen Fahrrädern mit Antriebseinheit - auch genannt E-Bike, Elektrofahrrad oder Pedelec - ist es bekannt, die Unterstützungsleistung durch die Antriebseinheit an die Trittfrequenz, mit welcher ein Mensch pedaliert und vor allem an die von dem Mensch auf ein Pedal ausgeübte Kraft anzupassen. Diese angepasste Unterstützungsleistung durch die Antriebseinheit soll zu einem angenehmen und natürlichen Fahrgefühl führen.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Krafteinwirkung auf das Pedal mittels Drehmomentsensoren zu bestimmen. Für die Bestimmung des Drehmomentes wird üblicherweise ein Teil der Tretkurbelwelle magnetisiert oder mit magnetischem Material versehen (passiver Drehmomentsensor) oder ein entmagnetisiertes Material verwendet (aktiver Drehmomentsensor) und mittels eines nicht-mitrotierendem, ortsfest am Rahmen angeordneten Drehmomentsensors dann das auf die Tretkurbel wirkende Drehmoment bestimmt.
Die Trittfrequenz wird in der Regel über Hall-Sensoren ermittelt. Daraus wird zusammen mit der Drehzahl der Tretkurbelwelle, welche ggf. durch weitere Sensoren gemessen oder auch rechnerisch ermittelt wird, die vom Benutzer des Fahrrads momentan erbrachte Leistung bestimmt.
Insbesondere magnetbasierte Sensoren haben unter anderem den Nachteil, dass sie vergleichsweise viel Bauraum beanspruchen. Zudem können andere magnetisierte Komponenten in dem Bereich des Drehmomentsensors die Messwerte verfälschen. Dies führt dazu, dass bei der Montage eines Fahrrades bzw. einer Antriebseinheit die einzelnen Komponenten aufwändigen Entmagnetisierungsprozessen unterzogen werden müssen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein alternatives Sensorsystem und ein alternatives Verfahren zur Einstellung einer Unterstützungsleistung zur Verfügung zu stellen, wobei nur wenig Bauraum beansprucht wird und zudem die Montage besonders einfach erfolgen kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungsformen und Vorteile sind in Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Sensorsystem umfasst eine Sensoreinheit zur Ermittlung einer Kraftausübung auf ein Pedal eines Fahrrades. Die Sensoreinheit ist drehfest mit einer mit dem Pedal verbundenen Tretkurbelwelle des Fahrrades verbunden. Die Tretkurbelwelle ist insbesondere jeweils über eine Tretkurbel mit einem ersten Pedal und einem zweiten Pedal verbunden. Durch die Betätigung des Pedals wird über die Tretkurbeln ein Drehmoment auf die Tretkurbelwelle übertragen. Die Tretkurbelwelle ist insbesondere drehbar in einem Rahmen eines Fahrrades gelagert. Die Sensoreinheit kann direkt an der Treturbelwelle angeordnet sein oder mittelbar mit der Tretkurbelwelle verbunden sein.
Die Sensoreinheit umfasst ferner mindestens einen Sensor, welcher an der Tretkurbelwelle eine die Kraftausübung repräsentierende Größe erfasst. Als eine die Kraftausübung repräsentierende Größe wird hier eine Größe verstanden, die sich durch veränderte Kraftausübung auf das Pedal direkt an der Tretkurbelwelle ändert. Tritt ein Mensch stärker in das Pedal, so führt dies zum Beispiel zu einer Änderung der Beschleunigung der Tretkurbelwelle, zu einer Änderung der Rotationsgeschwindigkeit, einer Änderung der Winkelgeschwindigkeit und auch zu einer Änderung der Umfangsgeschwindigkeit der Tretkurbelwelle. Vorliegend wird also nicht die Kraftausübung auf das Pedal direkt erfasst, sondern mindestens eine durch eine Kraftausübung ausgelöste Änderung einer Messgröße an der Tretkurbelwelle. Die Messung der Kraftausübung geschieht hier demnach indirekt, z.B. über die Änderung der Rotationsgeschwindigkeit der Tretkurbelwelle oder die Änderung der Umfangsgeschwindigkeit (Beschleunigung). Auch wird durch die vorliegende Sensoreinheit keine absolute Kraftausübung auf die Tretkurbelwelle erfasst, sondern es werden insbesondere nur relative Werte bzw. eine Veränderung in der Kraftausübung an der Tretkurbelwelle ermittelt.
Üblicherweise umfasst ein Fahrrad zwei Pedale und insbesondere wird von dem Sensor die Kraftausübung, die von beiden Pedalen an die Tretkurbelwelle übertragen wird, erfasst. Es kann zudem sein, dass die Pedale als Klick-Pedale ausgebildet sind und während eines gesamten Umlaufs der Pedale Kraft auf die Pedale ausgeübt wird.
Insgesamt soll die erfasste, die Kraftausübung repräsentierende Messgröße genutzt werden, um die Antriebsleistung einer Antriebseinheit anzupassen. Eine angepasste Antriebsleistung heißt insbesondere, dass die Antriebsleistung an die zyklische Trittbewegung des Menschen angepasst wird. Es wird entsprechend mehr Unterstützung durch die Antriebseinheit in den Phasen eines Trittzyklus zur Verfügung gestellt, in welchem die meiste Kraft auf ein Pedal ausgeübt wird. Die Kraftausübung ist in der Regel am größten, wenn das Pedal in einer waagrechten Position ist. Von ganz oben (Stellung wird als 0 definiert) bis zu Waagerechten (Stellung wird hier als Π/2 definiert) nimmt die Kraftausübung zu und von der Waagerechten bis zur unteren Position (als Π definiert), nimmt die Kraftausübung wieder ab. Bei Klick-Pedalen oder bei einer Fahrt im Stehen kann das Trittprofil auch abweichend sein. Die Antriebsleistung soll möglichst synchron zu der Kraftausübung auf das Pedal eingestellt werden. Auch wenn ein Mensch mehr Kraft auf ein Pedal gibt, z.B. weil er bergan fährt oder beschleunigt, so wird dies von dem Sensor detektiert und auch mehr Unterstützungsleistung durch die Antriebseinheit zur Verfügung gestellt wird. Handelt es sich bei dem Pedal um ein Klick-Pedal, so kann zudem auch eine Kraft aus das Pedal zwischen Π und 2Π (obere Stellung) ausgeübt werden.
Der Vorteil eines erfindungsgemäßen Sensorsystems mit einem mit der Tretkurbelwelle mitrotierendem Sensor ist, dass das Sensorsystem - wie im Folgenden noch erläutert - mit Sensoren auskommt, die nur einen kleinen Bauraum beanspruchen. Zudem beruht das Konzept nicht auf magnetischen Sensoren, wodurch magnetisierte Bauteile sich nicht auf die Messung auswirken und auch keine Entmagnetisierung durchgeführt werden muss. Wie auch im Folgenden noch näher beschrieben, eröffnet die erfindungsgemäße Sensoranordnung auch neue Möglichkeiten für die Erfassung der Bauteilbelastung.
Als Sensor dient insbesondere ein Beschleunigungssensor. Der Beschleunigungssensor ist insbesondere am Umfang der Tretkurbelwelle angeordnet und rotiert mit dieser. Mittels des Beschleunigungssensors kann dann als eine die Kraftausübung repräsentierende Größe die Beschleunigung der Tretkurbelwelle in Umfangsrichtung bzw. eine Änderung der Umfangsgeschwindigkeit der Tretkurbelwelle ermittelt werden. Als Beschleunigungssensor dient hier insbesondere ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor oder ein mikro-elektromechanisches System (MEMS). Ein solcher Beschleunigungssensor beansprucht besonders wenig Bauraum.
Alternativ oder in Ergänzung dazu, handelt es sich bei dem mindestens einen Sensor um einen Drehratensensor. Als Drehratensensor kann ebenfalls ein mikro-elektromechanisches System (MEMS) verwendet werden, dessen Messprinzip sich zum Beispiel die Corioliskraft zu Nutze macht, oder welcher optisch funktioniert. Mittels des Drehratensensors kann eine Änderung der Winkelgeschwindigkeit der Tretkurbelwelle bestimmt werden, welche auch davon abhängt, wie kräftig in das Pedal getreten wird.
In einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist der mindestens eine Beschleunigungssensor derart an der Tretkurbelwelle angeordnet, dass mittels dieses Beschleunigungssensors eine Beschleunigung in tangentialer Richtung der Tretkurbelwelle erfassbar ist. In tangentialer Richtung bedeutet dabei, dass der Beschleunigungssensor eine Beschleunigung in Drehrichtung der Tretkurbelwelle erfasst. In tangentialer Richtung wirkt sich die von einem Pedal auf die Tretkurbelwelle übertragene Beschleunigung besonders ausgeprägt aus.
Insbesondere ist der mindestens eine Beschleunigungssensor derart an der Tretkurbellwelle angeordnet, dass mittels dieses Beschleunigungssensors eine Beschleunigung in radialer Richtung der Tretkurbelwelle erfassbar ist. In radialer Richtung ist ebenso eine durch eine Kraftausübung auf ein Pedal bedingte Beschleunigung der Tretkurbelwelle erfassbar. Zudem kann in radialer Richtung auch eine Beschleunigung des gesamten Fahrrades in Fahrradlängsrichtung erfasst werden.
Alternativ oder in Ergänzung dazu ist der mindestens eine Beschleunigungssensor derart an der Tretkurbellwelle angeordnet, dass mittels dieses Beschleunigungssensors eine Beschleunigung in axialer Richtung der Tretkurbelwelle erfassbar ist. Die axiale Richtung der Tretkurbelwelle entspricht der Fahrradquerrichtung. Es kann auch ein Drehratensensor derart an der Tretkurbelwelle angeordnet sein, dass dieser eine Verdrehung um die Fahrradlängsrichtung erfasst (auch als Wanken bezeichnet). Hieraus kann zum Beispiel ein hin- und herneigen des Fahrrades erfasst werden, wie dies bei einem Wiegetritt am Berg oder beim Anfahren des Fahrrades auftritt. Auch hier kann die Unterstützung durch die Antriebseinrichtung dann entsprechend angepasst werden.
Insbesondere sind mindestens zwei oder sogar alle drei der vorstehend genannten Beschleunigungssensoren an der Tretkurbelwelle angeordnet. Sind mehrere Beschleunigungssensoren an der Tretkurbelwelle angeordnet, welche die Beschleunigung in unterschiedliche Richtungen messen, so können aus einer Kombination der verschiedenen Beschleunigungsdaten präzisere Messdaten gewonnen werden, die zu einer Verbesserung der Unterstützung des Menschen durch die Antriebseinheit beitragen. Insbesondere können aus einer Kombination der erfassten Beschleunigungen in tangentialer Richtung und in radialer Richtung der Tretkurbelwelle über eine Umdrehung der Tretkurbelwelle die Beschleunigung in Fahrradlängsrichtung und in Drehrichtung genauer ermittelt werden. Falls die Sensoreinheit mehrere Beschleunigungssensoren umfasst, so können diese auch in bekannter Weise in einem Bauteil integriert sein. Dieses Bauteil ist weiterhin sehr kompakt und bauraumsparend.
Alternativ oder ergänzend dazu, können auch mehrere Drehratensensoren an der Tretkurbelwelle angeordnet sein, die in unterschiedlichen Richtungen messen. Auch aus einer Kombination dieser Messdaten eine präzisere Auswertung der Kraftausübung auf das Pedal erfolgen kann.
In eine weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist der mindestens eine Sensor auf einem Ring angeordnet. Der Ring ist drehfest mit der Tretkurbelwelle verbunden. Insbesondere ist der Ring die Tretkurbelwelle außen umgebend angeordnet, z.B. mittels Presssitz. Über einen Ring kann der mindestens eine Sensor einfach mit der Tretkurbellwelle verbunden werden und mit dieser mitrotieren. Eine bauliche Veränderung der Tretkurbelwelle ist nicht erforderlich, es können standardmäßig erhältliche Tretkurbelwellen verwendet werden. Der Ring kann als geschlossener Ring vorliegen oder auch als geschlitzter Ring (Ringabschnitt). Es kann sich bei dem Ring um einen flachen Ring mit kleiner Ausdehnung in axialer Richtung handeln oder auch um einen Ring, der eine größere Ausdehnung in axialer Richtung aufweist und zylindrisch ausgebildet ist.
Insbesondere weist die Sensoreinheit mehrere, über den Umfang der Tretkurbelwelle verteilt angeordnete Sensoren auf. Es sind insbesondere mehrere Beschleunigungssensoren über den Umfang der Tretkurbelwelle verteilt angeordnet, die die Beschleunigung in derselben Richtung messen und/oder mehrere Drehratensensoren, die die Winkelgeschwindigkeit um dieselbe Achse messen. Es können z.B. zwei, drei oder mehrere Sensoren über den Umfang verteilt angeordnet sein, die jeweils die Beschleunigung der Tretkurbelwelle in Drehrichtung erfassen. Insbesondere können auch jeweils zwei oder drei Beschleunigungssensoren, die Beschleunigung in verschiedene Richtungen messen, in ein Bauteil integriert sein, wobei von diesen integrierten Beschleunigungssensoren mehrere über den Umfang verteilt angeordnet sind. Gleiches gilt für die Drehratensensoren.
Mittels mehrerer über den Umfang verteilter Sensoren ist es insbesondere möglich, den Verschleiß bzw. eine Verformung und/oder Tordierung der Tretkurbelwelle zu erfassen.
Insbesondere in Verbindung mit einem vorstehend beschriebenen Ring ist die Anordnung von mehreren Sensoren entlang dieses Rings leicht zu realisieren.
Um die Genauigkeit der Messung und damit die Anpassung der Unterstützungsleistung weiter zu optimieren, ist es möglich, dass die Sensoreinheit zusätzlich noch mindestens ein Magnetometer aufweist. Mittels des Magnetometers kann die Erdbeschleunigung ermittelt werden, die aktuell auf den Sensor wirkt, Dies ist insbesondere bei Beschleunigungssensoren vorteilhaft. Nach der Kompensation der Erdbeschleunigung kann aus der linearen Beschleunigung eine lineare Geschwindigkeit errechnet werden. Alternativ oder zusätzlich kann als Referenzmessung eine externe Kadenzmessung durchgeführt werden. Diese Kadenzmessung könnte am Zahnkranz mit einem Lichtsensor oder einem Hallsensor realisiert werden.
Insbesondere können jeweils drei Beschleunigungssensoren und drei Drehratensensoren, die jeweils orthogonal zueinander ausgerichtet sind, in einer sogenannten IMU (inertial measurement unit, inertiale Messeinheit) zusammengefasst sein. Aus den von den Beschleunigungssensoren erfassten Messwerten der IMU kann nach Kompensation der Erdbeschleunigung, durch Integration die lineare Geschwindigkeit und durch nochmalige Integration die Position der jeweiligen IMU relativ zu einem Referenzpunkt ermittelt werden. Die Integration der drei von den Drehratensensoren ermittelten Winkelgeschwindigkeiten liefert die Orientierung der IMU (Verkippung) relativ zu einem Referenzpunkt.
Insbesondere sind hier mehrere IMUs über den Umfang der Tretkurbelwelle verteilt angeordnet und insbesondere auf einem drehfest mit der Tretkurbelwelle verbundenen Ring angeordnet.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist ein Schleifring mit dem mindestens einen Sensor verbunden. Der Schleifring dient insbesondere zur Energieübertragung für die Versorgung des Sensors und/oder zur Datenübertragung der gemessenen Größe. Mittels des Schleifrings können Informationen oder Energie von relativ zueinander rotierenden Bauteilen übertagen werden - hier zwischen dem rotierenden Sensor und einer stationär, d.h. ortsfest an einem Rahmen des Fahrrades angeordneten Energieversorgung und/oder Steuereinheit. Vorzugsweise ist der mindestens eine Sensor auf der Vorderseite bzw. der vorderen Stirnseite eines Rings angeordnet, dessen Rückseite bzw. rückseitiger Stirnseite Schleifkontakte aufweist. Alternativ kann der mindestens eine Sensor auf der Innenseite des Schleifrings angeordnet sein und die Schleifkontakte auf der Außenseite. Vorstehendes eignet sich insbesondere für einen rohrförmigen, zylindrischen Ring. Die Schleifkontakte sind insbesondere mittels Bürsten, die ortsfest an dem Rahmen des Fahrrades angeordnet sind, über einen Gleitkontakt kontaktiert.
Besonders platzsparend ist das Sensorsystem, wenn der Schleifring für das Sensorsystem gleichzeitig der Schleifring zur Energieübertagung und/oder Datenübertragung für eine Antriebseinheit zur Bereitstellung einer Unterstützungsleistung für das Fahrrad ist. Der Schleifring weist dann mehrere Pole auf, die jeweils mit der Antriebseinheit und/oder mit dem mindestens einen Beschleunigungssensor in Verbindung stehen. Insbesondere eignet sich die vorstehend beschriebene Anordnung für mitrotierende, in der Kurbelwelle angeordnete Antriebseinheiten.
Es kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich ein Referenz-Beschleunigungssensor ortsfest an einem Rahmen des Fahrrades angeordnet ist. Dieser Beschleunigungssensor kann unter anderem zum Abgleich der Messwerte des mitdrehenden Sensors genutzt werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Antriebseinheit zur Bereitstellung einer Unterstützungsleistung für ein Fahrrad mit einem wie vorstehend beschriebenen Sensorsystem. Die Antriebseinheit wird insbesondere über eine Batterie/einen Akku mit Energie versorgt und unterstützt den Menschen auf dem Fahrrad bei der Fortbewegung. Es handelt sich insbesondere um eine elektrische Antriebseinheit. Die Art der Unterstützung ist auf verschiedene, bereits bekannte Art und Weise möglich. Insbesondere stellt die Antriebseinheit ein Hilfsdrehmoment bereit, welches auf die Treturkurbelle wirkt (auch als Mittelmotor bezeichnet). Alternativ ist auch eine die Bereitstellung eines Hilfsdrehmomentes auf eine Nabe (Nabenmotor) denkbar.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Sensoreinheit mit einem Ring zur drehfesten Verbindung mit einer Tretkurbelwelle eines Fahrrades, wobei der Ring mindestens einen Sensor aufweist. Der Sensor ist dazu ausgebildet, an der Tretkurbelwelle eine die Kraftausübung auf ein Pedal repräsentierende Größe zu erfassen. Insbesondere handelt es sich bei dem mindestens einen Sensor um einen Beschleunigungssensor oder einen Drehratensensor. Der Ring ist insbesondere ein Schleifring, mittels welchem der Sensor mit Energie versorgt werden kann und/oder mittels welchem die Steuerung des Sensors erfolgt und die gemessenen Werte übertragen werden können. Der Sensor ist insbesondere mit einer Steuereinheit für eine Antriebseinheit eines Fahrrades verbunden. Bei dem Ring kann sich um einen geschlossenen Ring oder auch um einen Ring mit einem Schlitz, d.h. einen Ringabschnitt handeln. Als Ring wird hier auch ein rohrförmiger, zylindrischer Ring bzw. eine Trommel bezeichnet. Ein solcher zylindrischer Ring weist eine größere Erstreckung in axialer Richtung auf als ein flacher Ring.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Einstellung einer Unterstützungsleistung einer Antriebseinheit eines Fahrrades, insbesondere einer elektrischen Unterstützung. Mittels mindestens eines drehfest mit einer Tretkurbelwelle verbundenen Sensors wird eine die Kraftausübung auf ein Pedal repräsentierende Größe an der Tretkurbelwelle erfasst und in Abhängigkeit der erfassten Größe wird die Unterstützungsleistung der Antriebseinheit angepasst. Wie vorstehend bereits erläutert, kann die Krafteinwirkung insbesondere indirekt in einfacher Weise über die Beschleunigung der Tretkurbelwelle oder die Winkelgeschwindigkeit der Tretkurbelwelle erfasst werden und entsprechend die Unterstützungsleistung angepasst werden. Durch die passgenaue Einstellung der Unterstützungsleistung ergibt sich ein besonders angenehmes Fahrgefühl. In Bezug auf weitere Vorteile wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
Insbesondere wird mittels eines Beschleunigungssensors die Beschleunigung der Tretkurbelwelle in Drehrichtung erfasst. In Drehrichtung bzw. in tangentialer Richtung der Tretkurbelwelle wirkt sich die Kraftausübung über das Pedal besonders stark aus und kann so besonders genau erfasst werden.
Alternativ oder in Ergänzung dazu wird die Änderung der Rotationsgeschwindigkeit der Tretkurbelwelle mittels eines Drehratensensors erfasst.
Weiterhin kann mittels mindestens eines Beschleunigungssensors die Bewegung des Fahrrades in Fahrradlängsrichtung erfasst werden. Damit kann unter anderem die Geschwindigkeit des Fahrrades ermittelt werden.
Mittels mindestens eines Beschleunigungssensors wird insbesondere eine seitliche Beschleunigung des Fahrrades, quer zur Fahrradlängsrichtung erfasst und/oder es wird eine Verdrehung des Fahrrades um die Fahrradlängsrichtung mittels eines Drehratensensors erfasst. Damit kann zum Beispiel erfasst werden, ob ein Mensch im Wiegetritt fährt und eine besonders hohe Beanspruchung vorliegt, die insbesondere eine erhöhte, angepasste Unterstützungsleistung erfordert.
Es kann auch mittels mindestens eines Drehratensensors eine Verdrehung des Fahrrades um die Fahrradhochrichtung erfasst werden, wobei ein Gieren oder Schlingern des Fahrrades festgestellt wird und daraufhin die Unterstützungsleistung angepasst wird. Wenn durch die Sensoren eine instabile Fahrsituation detektiert wird kann insbesondere die Unterstützungsleistung reduziert werden und insbesondere andere Bauelemente wie Bremsen oder ABS zusätzlich aktiviert/angesteuert werden.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass aus von mindestens zwei Beschleunigungssensoren erfassten Beschleunigungswerten eine Beschleunigung in Fahrradhochrichtung ermittelt wird. In Fahrradhochrichtung bedeutet dabei insbesondere, dass Berg- und Talfahrten des Fahrrades identifiziert werden können. Im Falle einer Bergfahrt, d.h. eines Anstieges, kann die Unterstützungsleistung dann ebenfalls angepasst und insbesondere erhöht werden. Alternativ oder in Ergänzung dazu kann eine z.B. durch eine Berg- oder Talfahrt hervorgerufene Neigung auch mittels mindestens eines Drehratensensors bestimmt werden. Die Neigung kann insbesondere auch mittels des (mitdrehenden) Magnetometers erfasst werden.
Wenn mehrere Beschleunigungssensoren und/oder Drehratensensoren um einen Umfang der Tretkurbelwelle verteilt angeordnet sind, kann anhand deren Relativposition eine Verformung der Tretkurbelwelle ermittelt werden. Dazu erfolgt eine Positionsbestimmung jedes einzelnen Beschleunigungs- und/oder Drehratensensors. Sind zum Beispiel drei Beschleunigungssensoren oder IMUs gleichverteilt über den Umfang der Tretkurbelwelle angeordnet, so bilden sie bei perfekt runder Tretkurbelwelle ein gleichseitiges Dreieck. Verformt sich die Tretkurbelwelle, so ist auch das gebildete Dreieck verzerrt. Über die Verformung der Tretkurbelwelle können Rückschlüsse über die Belastung der Tretkurbelwelle und insbesondere darüber getroffen werden, ob die Tretkurbelwelle möglicherweise ausgetauscht werden sollte oder in Stand gesetzt werden sollte. Mithilfe der Erfassung der Relativpositionen lässt sich eine maßgeschneiderte Wartung der Tretkurbelwelle realisieren.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, werden die gemessenen Beschleunigungswerte mit gemessenen Beschleunigungswerten eines mit einem Rahmen des Fahrrades stationär verbundenen Referenz-Sensors abgeglichen. Insbesondere die Beschleunigung in Fahrzeuglängsrichtung und/oder in Fahrzeughochrichtung können so verifiziert werden und damit auch die Genauigkeit der Beschleunigungswerte für die Beschleunigung in Drehrichtung der Tretkurbelwelle verbessert werden.
Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile sind nachfolgend in Zusammenhang mit den Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 einen Rahmen eines Fahrrades mit einem Sensorsystem in einer perspektivischen Ansicht von schräg vorne,
2 ein Sensorsystem in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben,
3 eine Sensoreinheit in einer ersten Ausführungsform in einer Vorderansicht,
4 die Sensoreinheit aus 3 in einer Seitenansicht,
5 die Sensoreinheit aus den 3 und 4 in einer Rückansicht,
6 ein Sensorsystem mit einer Sensoreinheit gemäß der ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht,
7 eine Sensoreinheit in einer zweiten Ausführungsform in einer Vorderansicht,
8 die Sensoreinheit aus 7 in einer Seitenansicht,
9 die Sensoreinheit aus 7 und 8 in einem Schnitt gemäß Linie IX-IX in 7
10 ein Sensorsystem mit einer Sensoreinheit gemäß der zweiten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht,
11 eine Sensoreinheit in einer schematischen Darstellung,
12 ein Diagramm der tangentialen Kräfte,
13a ein Sensorsystem mit einer intakten Tretkurbelwelle in einer schematischen Darstellung, und
13b das Sensorsystem aus 13a mit einer verformten Tretkurbelwelle in einer schematischen Darstellung.

In 1 ist ein Rahmen 10 für ein Fahrrad gezeigt. Ein solcher Rahmen 10 ist aus dem Stand der Technik bekannt.
Der Rahmen 10 für das Fahrrad weist zwei Pedale (11)auf, die jeweils über eine Tretkurbel 12 mit einer Tretkurbelwelle 14 verbunden sind. Die Tretkurbelwelle 14 ist drehbar in dem Rahmen 10 gelagert und überträgt das von den Pedalen 11 kommende Drehmoment auf das Getriebe 13 und anschließend das Hinterrad (nicht dargestellt).
Bei dem vorliegenden Fahrrad handelt es sich um ein Elektrofahrrad, welches eine Antriebseinheit (hier nicht erkennbar) und einen Akku (ebenfalls nicht erkennbar) zur Energieversorgung der Antriebseinheit aufweist. Die Antriebseinheit stellt ein Hilfsdrehmoment zur Verfügung, welches hier auf die Tretkurbelwelle 14 wirkt.
Die Tretkurbelwelle 14 bildet zusammen mit einer Sensoreinheit 16 (vgl. unter anderem 2) ein Sensorsystem 18. Ferner ist hier noch ein zweiter Referenz-Sensor 20 ortsfest an dem Rahmen 10 angeordnet.
In 2 ist ein Sensorsystem 18 mit einer Tretkurbelwelle 14 und einer drehfest mit der Tretkurbelwelle 14 verbundenen Sensoreinheit 16 gezeigt.
In Verbindung mit den 3 bis 5 wird zunächst eine Sensoreinheit 16 in einer ersten Ausführungsform erläutert. Die Sensoreinheit 16 umfasst hier mehrere Sensoren 22, welche konkret in drei IMUs 24 integriert sind. Eine IMU 24 umfasst jeweils in einer Baueinheit drei orthogonal zueinander ausgerichtete Beschleunigungssensoren und drei Drehratensensoren. Die drei IMUs 24 sind auf der Vorderseite eines Rings 26 angeordnet. Bei dem Ring 26 handelt es sich hier um einen flachen Ring 26. Die IMUs 24 sind in gleichen Abständen, äquidistant über den Umfang des Rings 26 angeordnet.
In der Seitenansicht in 4 ist gut erkennbar, dass die IMUs 24 auf der Vorderseite des Rings 26 angeordnet sind und gegenüber diesem hervorragen.
Der Ring 26 ist ein Schleifring 28 und weist auf der Rückseite (vgl. 5) vier ringförmige Kontakte 30 auf, wobei zwei Kontakte 30 Signalleitungen sind, ein Kontakt 30 für die Energieversorgung der Sensoren 22 zur Verfügung steht und ein Kontakt 30 der Ground-Kontakt ist.
Der Ring 26 dient auch zur Anordnung des mindestens einen Sensors 22 und hier der mehreren IMUs 24 an der Tretkurbelwelle 14. Dazu weist der Ring 26 an seiner Innenseite drei sich über einen Bogenabschnitt erstreckende, bogenförmige Vorsprünge 32 auf. Der Ring 26 ist außenseitig an der Tretkurbelwelle 14 angeordnet. Der Durchmesser, der durch die Vorsprünge 32 gebildeten Öffnung ist, derart ausgelegt, dass der Ring 26 mittels Presssitz mit der Tretkurbelwelle 14 verbindbar ist.
In 6 ist ein Sensorsystem 18 dargestellt, welches die Tretkurbelwelle 14 und die Sensoreinheit 16 gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform umfasst. Hier ist gut erkennbar, dass der Ring 26 bzw. der Schleifring 28 die Tretkurbellwelle 14 umgebend angeordnet ist und dass die Kontakte 30 des Schleifrings 28 über eine stationär mit dem Rahmen 10 verbundene Ausleseeinheit 31 mittels Bürsten kontaktiert ist.
Im Folgenden werden zur Beschreibung weiterer Ausführungsformen für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet wie zur Beschreibung der ersten Ausführungsform.
In den 7 bis 10 ist eine Sensoreinheit 16 in einer zweiten Ausführungsform dargestellt.
Die Sensoreinheit 16 umfasst auch hier mehrere Sensoren 22. Die drei Sensoren 22 sind hier auf der Innenseite des Rings 26 angeordnet. Bei den Sensoren 22 kann es sich um einfache Beschleunigungssensoren oder auch im IMUs 24 handeln. Bei dem Ring 26 handelt es sich hier um einen rohrförmigen zylindrischen Ring 26, wie in 8 bis 10 gut erkennbar ist. Die Sensoren 22 sind in gleichen Abständen, äquidistant über den Innenumfang des Rings 26 angeordnet. Der Ring 26 weist an der Innenseite mehrere halbkugelförmige Vertiefungen 33 auf. Die Vertiefungen 33 dienen zur Herstellung einer gewissen Elastizität. Zudem weist der Schleifring 28 Kabeldurchführungen 36 auf.
Der Ring 26 ist ein Schleifring 28 und dient hier gleichzeitig auch zum Anschluss einer Antriebseinheit, welche innerhalb der Tretkurbelwelle 14 angeordnet ist. Der Schleifring 28 weist auf der Außenseite (vgl. 8 und 9) fünf ringförmige Kontakte 30 auf. Ein Kontakt 30 ist der Ground-Kontakt für die Sensoren 22 und ein Kontakt 30 dient der Energieversorgung der Sensoren 22. Drei weitere Kontakte 30 sind für die drei Phasen der Antriebseinheit vorgesehen, wobei auf eine Phase die Signalleitung für die Sensoren 22 aufmoduliert ist.
In 10 ist ein Sensorsystem 18 dargestellt, welches die Tretkurbelwelle 14 und die Sensoreinheit 16 gemäß der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform umfasst. Hier ist der Ring 26 bzw. der Schleifring 28 ebenfalls die Tretkurbellwelle 14 umgebend angeordnet. Die Kontakte 30 sind nun parallel zur Axialrichtung der Kurbelwelle 14 ausgerichtet und über eine stationär mit dem Rahmen 10 verbundene Ausleseeinheit 31 mittels Schleifkontakten 35 kontaktiert.
In 11 ist schematisch ein Sensorsystem 18 mit einer IMU 24 gezeigt, wobei die IMU 24 drehfest an der Tretkurbelwelle 14 angeordnet ist. Die Drehrichtung der Tretkurbelwelle 14 ist durch den Pfeil 34 angedeutet. Die IMU 24 dreht mit der Tretkurbelwelle 14. Mittels der drei Beschleunigungssensoren 22 in der IMU 24 werden dabei Beschleunigungen in drei Richtungen gemessen: mittels eines ersten Beschleunigungssensors kann eine Beschleunigung in Drehrichtung der Tretkurbelwelle 14 (hier a_z) bestimmt werden. Aus der Beschleunigung in Drehrichtung wird hier insbesondere auf eine Krafteinwirkung auf ein Pedal 11 geschlossen. Ferner dient ein weiterer Beschleunigungssensor dazu, die Beschleunigung in radialer Richtung der Tretkurbelwelle 14 zu messen (hier a_z). Aus a_y und a_z kann besonders genau die Beschleunigung der Tretkurbelwelle 14 ermittelt werden. Ein dritter Beschleunigungssensor misst eine Beschleunigung in axialer Richtung der Tretkurbelwelle 14 (hier a_x). Hierüber kann z.B. ein Wiegetritt detektiert werden.
Es sind zudem drei Drehratensensoren angeordnet, welche jeweils eine Verdrehung um die Achsen a_x, a_y, a_z messen. Die einzelnen Winkel sind dann als α, β, γ bezeichnet. Zum Beispiel kann die Rotationsgeschwindigkeit der Tretkurbelwelle über die Änderung der hier mit α bezeichneten Verdrehung bestimmt werden.
Das Funktionsprinzip des Sensorsystems 18 wird im Folgenden in Verbindung mit 12 erläutert.
In 12 ist die tangentiale Kraft Ft, die auf die Tretkurbelwelle 14 wirkt über die Stellung t der Tretkurbelwelle 14 aufgetragen.
Der Verlauf der tangentialen Kraft über ca. anderthalb Umdrehungen der Tretkurbelwelle 14 ist in 12 exemplarisch dargestellt. Dabei geben die gestrichelte Linie 38 und die strichpunktierte Linie 40 jeweils den Verlauf der tangentialen Kraft für ein Pedal 11 an. Die durchgezogene Linie 42 ist der Kraftverlauf, der an der Tretkurbelwelle 14 durch die Rotation mit beiden Pedalen 11 resultiert.
In dem Abschnitt von 0 bis Π/2 steigt die tangentiale Kraft, die von einem Menschen auf ein Pedal 11 ausgeübt wird, an (vgl. Kurve 40) und erreicht bei Π/2 ihr Maximum. Von Π/2 bis Π nimmt die tangentiale Kraftausübung dann bis auf 0 ab. In dem Abschnitt von Π über 3/2Π bis 0 übt der Mensch keine Kraft auf das eine Pedal 11 auf, vielmehr muss Kraft (über das andere Pedal 11) ausgeübt werden, um das eine Pedal 11 wieder nach oben zu befördern.
Im Falle eines Wiegetritts bzw. eines Fahrens im Stehen oder auch bei Benutzung des Fahrrades mit Click-Pedalen kann der Verlauf der tangentialen Kraft von dem in 12 dargestellten Verlauf abweichen. Die Unterstützungsleistung kann dann an den jeweiligen Verlauf angepasst sein.
Mittels der Sensoreinheit 16 kann dieser Kraftverlauf ermittelt werden und insbesondere können Veränderung in der Stärke der Kraft (hier der Amplitude) ermittelt werden, die dann auch zu einer Anpassung der Unterstützungsleistung durch die Antriebseinheit führen.
Eine weitere Möglichkeit, die das Sensorsystem 18 bietet, ist im Folgenden in Zusammenhang mit 13a und 13b beschrieben. In 13a ist eine intakte, kreisrunde Tretkurbelwelle 14 im Querschnitt gezeigt, an dessen Außenumfang drei Beschleunigungssensoren 22 oder drei IMUs 24 in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind. Die drei Beschleunigungssensoren 22 oder drei IMUs 24 bilden ein gleichschenkliges Dreieck. In 13b ist die Tretkurbelwelle 14 verformt dargestellt, wobei die ursprüngliche Geometrie mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist. Die Tretkurbelwelle 14 ist zusätzlich noch tordiert. Dies führt zu einer Verschiebung der Relativpositionen der Beschleunigungssensoren 22/ der IMUs 24 (erkennbar an dem verzerrten Dreieck). Anhand der Abweichung der Relativposition von der Soll-Position bei kreisrunder Tretkurbelwelle 14 kann auf eine Verformung und/oder Tordierung der Tretkurbelwelle 14 geschlossen werden.
Bezugszeichenliste

10: Rahmen
11: Pedal
12: Tretkurbel
13: Getriebe
14: Tretkurbelwelle
16: Sensoreinheit
18: Sensorsystem
20: Referenz-Sensor
22: Sensor
24: IMU (inertiale Messeinheit)
26: Ring
28: Schleifring
30: Kontakt
31: Ausleseeinheit
32: Vorsprung
33: Vertiefung
34: Pfeil (Drehrichtung)
35: Schleifkontakt
36: Kabeldurchführung
38: Kurve
40: Kurve
42: Kurve

Claims

Sensorsystem mit einer Sensoreinheit (16) zur Ermittlung einer Kraftausübung auf ein Pedal (11) eines Fahrrades, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (16) drehfest mit einer mit dem Pedal (11) verbundenen Tretkurbelwelle (14) des Fahrrades verbunden ist, wobei die Sensoreinheit (16) mindestens einen Sensor (22) umfasst, welcher an der Tretkurbelwelle (14) eine die Kraftausübung repräsentierende Größe erfasst.
Sensorsystem nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (22) ein Beschleunigungssensor ist.
Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (22) ein Drehratensensor ist.
Sensorsystem nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Beschleunigungssensor (22) derart an der Tretkurbelwelle (14) angeordnet ist, dass mittels dieses Beschleunigungssensors (22) eine Beschleunigung der Tretkurbellwelle (14) in tangentialer Richtung der Tretkurbelwelle (14) erfassbar ist.
Sensorsystem nach einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Beschleunigungssensor (22) derart an der Tretkurbellwelle (14) angeordnet ist, dass mittels dieses Beschleunigungssensors (14) eine Beschleunigung in radialer Richtung der Tretkurbelwelle (14) erfassbar ist.
Sensorsystem nach einem der vier vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Beschleunigungssensor (22) derart an der Tretkurbellwelle (14) angeordnet ist, dass mittels dieses Beschleunigungssensors (22) eine Beschleunigung in axialer Richtung der Tretkurbelwelle (14) erfassbar ist und/oder dass mindestens ein Drehratensensor (22) derart an der Tretkurbellwelle (14) angeordnet ist, dass mittels dieses Drehratensensors (22) eine Verdrehung um die Fahrradlängsrichtung erfassbar ist.
Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (22) auf einem Ring (26) angeordnet ist.
Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (16) mehrere, über den Umfang der Tretkurbelwelle (14) verteilt angeordnete Sensoren (22) aufweist.
Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (16) zusätzlich ein Magnetometer aufweist.
Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schleifring (28) mit dem mindestens einen Sensor (22) verbunden ist.
Sensorsystem nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleifring (28) gleichzeitig der Schleifring zur Energieübertagung und/oder Datenübertragung für eine Antriebseinheit zur Bereitstellung einer Unterstützungsleistung für das Fahrrad ist.
Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenz-Beschleunigungssensor (20) ortsfest an einem Rahmen (10) des Fahrrades angeordnet ist.
Antriebseinheit zur Bereitstellung einer Unterstützungsleistung für ein Fahrrad mit einem Sensorsystem (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 12.
Sensoreinheit umfassend einen Ring (26) zur drehfesten Verbindung mit einer Tretkurbelwelle (14) eines Fahrrades, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (26) mindestens einen Sensor (22) aufweist, wobei der Sensor (22) dazu ausgebildet ist, an der Tretkurbelwelle (14) eine die Kraftausübung auf ein Pedal (11) repräsentierende Größe zu erfassen.
Verfahren zur Einstellung Unterstützungsleistung einer Antriebseinheit eines Fahrrades, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines drehfest mit einer Tretkurbelwelle (14) verbundenen Sensors (22) eine die Kraftausübung auf ein Pedal (11) repräsentierende Größe an der Tretkurbelwelle (14) erfasst wird und in Abhängigkeit der erfassten Größe die Unterstützungsleistung der Antriebseinheit angepasst wird.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung der Tretkurbelwelle (14) mittels eines Beschleunigungssensors (22) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Rotationsgeschwindigkeit der Tretkurbelwelle (14) mittels eines Drehratensensors (22) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines Beschleunigungssensors (22) die Bewegung des Fahrrades in Fahrradlängsrichtung erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines Beschleunigungssensors (22) eine seitliche Beschleunigung des Fahrrades in Fahrradquerrichtung erfasst wird und/oder mittels mindestens eines Drehratensensors (22) eine Verdrehung um die Fahrradlängsrichtung erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines Drehratensensors (22) eine Verdrehung um die Fahrradhochrichtung erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Beschleunigungssensoren (22) und/oder Drehratensensoren (22) um einen Umfang der Tretkurbelwelle (14) verteilt angeordnet sind und anhand deren Relativposition eine Verformung der Tretkurbelwelle (14) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Werte mit gemessenen Beschleunigungswerten eines mit einem Rahmen (10) des Fahrrades stationär verbundenen Referenz-Sensors (20) abgeglichen werden.