DE102022209899A1

DE102022209899A1 - Antriebsanordnung eines Elektrofahrrads

Info

Publication number: DE102022209899A1
Application number: DE102022209899.4A
Authority: DE
Inventors: Sigmund Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-10-06
Filing date: 2022-09-20
Publication date: 2023-04-06
Also published as: CN115923983A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung (1) eines Elektrofahrrads (100), umfassend eine Tretwelle (22) und zwei Tretlager (23, 24) zur Lagerung der Tretwelle (22), eine Antriebseinheit (8), welche eingerichtet ist, ein Motormoment zur Unterstützung eines durch einen Fahrer aufgebrachten Fahrerdrehmoments bereitzustellen, zwei Kraftsensoren (51, 52), welche in der Antriebseinheit (8) angeordnet sind, und wobei jeder Kraftsensor (51, 52) eingerichtet ist, jeweils eine Kraft (55, 56) entlang einer vorbestimmten Richtung zu erfassen, wobei die Tretwelle (22) in der Antriebseinheit (8) mittels der beiden Tretlager (23, 24) gelagert ist, wobei die beiden Kraftsensoren (51, 52) in axialer Richtung der Tretwelle (22) auf Höhe des Kettenblatt-seitig angeordneten Tretlagers (24) angeordnet sind, und wobei die beiden Kraftsensoren (51, 52) an unterschiedlichen Umfangspositionen bezogen auf die Tretwelle (22) angeordnet sind, und eine Erfassungseinheit (6), welche eingerichtet ist, eine Lagerkraft-Richtung und einen Lagerkraft-Betrag einer Lagerkraft (59) am Kettenblatt-seitigen Tretlager (24) basierend auf den durch die Kraftsensoren (51, 52) erfassten Kräften (55, 56) zu bestimmen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung eines Elektrofahrrads, ein die Antriebsanordnung umfassendes Elektrofahrrad, und ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsanordnung.
Bekannt sind Antriebsanordnungen von Elektrofahrrädern, welche eine Antriebseinheit aufweisen, die ein Motormoment zur Unterstützung einer Tretkraft eines Fahrers des Elektrofahrrads erzeugen kann. Üblicherweise erfolgt dabei die Erzeugung des Motormoments in Abhängigkeit eines durch die Muskelkraft des Fahrers erzeugten Fahrermoments. Hierfür ist eine Erfassung des Wertes des momentan erzeugten Fahrermoments erforderlich, beispielsweise mittels einer entsprechenden Sensorik. Bekannt ist beispielsweise auch, dass basierend auf einer Lagerkraft an einem Tretlager des Elektrofahrrads Aufschluss auf eine durch einen Fahrer auf den Kurbetrieb ausgeübte Kraft gewonnen werden kann, und dass basierend darauf eine Betätigung der Antriebseinheit erfolgt. Ein derartiges System ist beispielsweise in DE 10 2010 001 775 A1 gezeigt.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, dass auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine Lagerkraft an einem Tretlager eines Elektrofahrrads präzise bestimmt werden kann. Zudem wird eine einfache Bestimmung der Lagerkraft unabhängig von einer Orientierung einer Antriebseinheit, beispielsweise an einem Fahrradrahmen eines Elektrofahrrads, ermöglicht. Basierend auf der so bestimmten Lagerkraft können vorteilhafterweise weitere Funktionen der Antriebsanordnung effizient und kostengünstig bereitgestellt werden. Dies wird erreicht durch eine Antriebsanordnung eines Elektrofahrrads, umfassend einen Kurbeltrieb, welcher Kurbeln, eine Tretwelle, und zwei Tretlager zur Lagerung der Tretwelle aufweist. Zudem umfasst die Antriebsanordnung ein Kettenblatt, welches mit der Tretwelle verbunden ist, und eine Antriebseinheit, welche eingerichtet ist, ein Motormoment zur Unterstützung eines durch einen Fahrer, insbesondere mittels Muskelkraft, erzeugten Fahrerdrehmoments bereitzustellen. Die Tretwelle ist dabei innerhalb der Antriebseinheit mittels der beiden Tretlager gelagert. Ferner sind zwei Kraftsensoren vorgesehen, welche innerhalb der Antriebseinheit angeordnet sind. Jeder Kraftsensor ist dabei eingerichtet, jeweils eine Kraft, insbesondere ausschließlich, entlang einer vorbestimmten Richtung zu erfassen. Beide Kraftsensoren sind in axialer Richtung der Tretwelle auf Höhe des Kettenblatt-seitig angeordneten Tretlagers angeordnet. Dabei sind die beiden Kraftsensoren an unterschiedlichen Umfangspositionen bezogen auf die Tretwelle angeordnet. Weiterhin umfasst die Antriebsanordnung eine Erfassungseinheit, welche eingerichtet ist, eine Lagerkraft-Richtung und einen Lagerkraft-Betrag einer Lagerkraft am Kettenblatt-seitigen Tretlager basierend auf den durch die beiden Kraftsensoren erfassten Kräften zu bestimmen. Als Lagerkraft wird dabei insbesondere eine gesamte resultierende Kraft im Bereich des Lagers angesehen, welche beispielsweise aufgrund des Motormoments und des Fahrerdrehmoments auftritt.
Mit anderen Worten wird eine Antriebsanordnung bereitgestellt, welche im Bereich desjenigen der beiden Tretlager, welches näher am Kettenblatt angeordnet ist, zwei Kraftsensoren aufweist. Dadurch, dass die beiden Kraftsensoren um den Umfang verteilt angeordnet sind, werden Messwerte für Kräfte in zwei voneinander verschiedenen Richtungen ermittelt. Dadurch kann auf einfache Weise die Lagerkraft-Richtung und der Lagerkraft-Betrag der momentanen Lagerkraft am Kettenblatt-seitigen Tretlager ermittelt werden. Vorzugsweise erfolgt diese Bestimmung der Lagerkraft-Richtung und des Lagerkraft-Betrags basierend auf einer vorbekannten relativen Einbaulage der beiden Kraftsensoren zueinander, sowie insbesondere basierend auf vorbekannten Messrichtungen der Kraftsensoren, entlang welcher die jeweiligen Kräfte gemessen werden.
Bevorzugt ist das Kettenblatt drehfest mit der Tretwelle verbunden. Insbesondere ist die Tretwelle dabei einteilig ausgebildet. Durch die Lagerkraftbestimmung mittels der beiden Kraftsensoren ergibt sich dabei der Vorteil, dass die Tretwelle somit besonders einfach und kostengünstig ausgebildet werden kann, wobei dennoch eine zuverlässige Bestimmung der für die Betätigung der Antriebseinheit verwendeten Kräfte möglich ist. Alternativ kann das Kettenblatt und die Tretwelle derart miteinander verbunden sein das eine geringfügige relative Rotation zueinander möglich ist, beispielsweise durch zweiteilige Ausgestaltung der Tretwelle mit einer zusätzlichen Hohlwelle.
Als Kraftsensoren können dabei vielfältige Arten an Sensoren verwendet werden, welche geeignet sind, mechanische Kräfte, die in einer vorbestimmten Richtung wirken, zu erfassen. Beispielsweise können die Kraftsensoren ausgebildet sein, um Zugkräfte und/oder Druckkräfte zu erfassen.
Für eine besonders einfache Ausgestaltung, können die beiden Kraftsensoren vorzugsweise baugleich sein.
Die Antriebsanordnung bietet somit den Vorteil einer besonders einfachen und kostengünstigen Konstruktion, welche eine Ermittlung der Lagerkraft im Kettenblatt-seitigen Tretlager ermöglicht. Durch die Verwendung von Kraftsensoren, welche sich beispielsweise durch besonders einfache und leichtgewichtige Bauformen auszeichnen können, die wenig Bauraum beanspruchen, kann zudem eine besonders platzsparende Anordnung bereitgestellt werden. Außerdem kann durch die Verwendung von Kraftsensoren, welche meist keine oder eine nur sehr geringe Störanfälligkeit gegenüber magnetischen Feldern aufweisen, eine besonders zuverlässige und präzise Erfassung der Lagerkraft ermöglicht werden.
Ein weiterer Vorteil der Antriebsanordnung ist, dass die Lagerkraft-Richtung und der Lagerkraft-Betrag unabhängig von einer Einbaulage der Antriebseinheit an einem Elektrofahrrad genau bestimmt werden können. Das heißt, die Antriebseinheit kann in beliebigen Orientierungen, insbesondere bezüglich einer Rotation um die Tretlagerachse, an einem Fahrradrahmen eines Elektrofahrrads angeordnet werden. Durch die in Umfangsrichtung versetzte Anordnung der beiden Kraftsensoren kann die resultierende Lagerkraft in beliebigen Orientierungen der Antriebseinheit präzise erfasst werden, ohne dass eine Anpassung der Anordnung der Kraftsensoren an die Einbaulage erforderlich ist. Die Ermittlung der resultierenden Lagerkraft kann dabei vorzugsweise basierend auf einer einfach durchführbaren einmaligen Kalibrierung des Systems erfolgen.
Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Bevorzugt ist jeder der beiden Kraftsensoren so ausgebildet und angeordnet, um jeweils eine Kraft in tangentialer Richtung bezüglich der Tretwelle zu erfassen. Dadurch kann eine besonders einfache und platzsparende Anordnung bereitgestellt werden, welche zudem eine zuverlässige Bestimmung der Lagerkraft-Richtung und das Lagerkraft-Betrags der gesamten resultierenden Lagerkraft ermöglicht.
Besonders bevorzugt weist jeder der beiden Kraftsensoren einen Dehnmessstreifen auf. Beispielsweise durch Anbringen eines solchen Kraftsensors an einem ringförmigen Bund im Bereich des Tretlagers kann eine Kraft in tangentialer Richtung besonders einfach erfasst werden. Durch den Dehnmessstreifen kann beispielsweise eine Dehnung und/oder Stauchung und basierend darauf eine mechanische Kraft ermittelt werden.
Vorzugsweise weist jeder Kraftsensor ein Piezoelement auf. Dadurch kann, ähnlich einem Dehnmessstreifen, auf besonders einfache und platzsparende Weise sowie kostengünstig eine momentan wirkende Kraft an einem Bereich, an welchem der Kraftsensor befestigt ist, ermittelt werden.
Weiter bevorzugt ist jeder der Kraftsensoren derart angeordnet, dass dieser sich mit einer Geraden, welche sich ausgehend von einer Tretachse der Tretwelle in radialer Richtung erstreckt, schneidet. Ein Winkel zwischen den beiden Geraden der jeweiligen Kraftsensoren ist dabei größer als 0° und kleiner als 180°. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel 90°. Vorzugsweise ist jeweils ein Mittelpunkt jedes Kraftsensors auf der entsprechenden Geraden angeordnet. Basierend auf dem durch den Winkel zwischen den beiden Geraden definierten geometrischen Zusammenhang kann somit auf einfache Weise mittels der beiden Kräfte, welche durch die Sensoren erfasst werden, die Lagerkraft-Richtung und der Lagerkraft-Betrag ermittelt werden.
Besonders bevorzugt weist die Antriebseinheit ein Gehäuse und eine Lageraufnahme auf. Innerhalb der Lageraufnahme ist dabei das Kettenblatt-seitige Tretlager angeordnet. Insbesondere wirkt die Lageraufnahme als Abstützung des Tretlagers am Gehäuse. Die beiden Kraftsensoren sind dabei an einer radial äußeren Seite, vorzugsweise an einer Mantelfläche, der Lageraufnahme angeordnet. Bevorzugt ist die Lageraufnahme dabei speziell so ausgebildet, dass dieser, beispielsweise durch Dehnung und/oder Stauchung, die am Tretlager wirkenden Kräfte weitergibt, sodass diese mittels der Kraftsensoren erfasst werden können.
Bevorzugt weist die Lageraufnahme an der radial äußeren Seite pro Kraftsensor jeweils eine Abflachung auf, an welcher der entsprechende Kraftsensor befestigt ist. Als Abflachung wird insbesondere eine im Wesentlichen ebene Fläche angesehen, welche vorzugsweise senkrecht zu einer radialen Richtung bezüglich der Tretlagerachse angeordnet ist. Dadurch können die Kraftsensoren besonders einfach und genau montiert werden. Zudem können die Kräfte präzise erfasst werden. Vorzugsweise erfolgt die Befestigung der Kraftsensoren mittels jeweils einer stoffschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung, zum Beispiel einer Klebeverbindung und/oder einer Schweißverbindung und/oder einer Klemmverbindung.
Die Lageraufnahme kann zum Beispiel als, insbesondere ringförmiger, Lagerbund ausgebildet sein. Die Lageraufnahme kann einstückig mit dem Gehäuse der Antriebseinheit ausgebildet sein. Die Lageraufnahme kann alternativ als separates Bauteil ausgebildet sein, welches mit dem Gehäuse verbunden ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Elektrofahrrad, welches die beschriebene Antriebsanordnung umfasst. Die mittels der Antriebsanordnung erfasste Lagerkraft-Richtung und der Lagerkraft-Betrag können beispielsweise genutzt werden als Basis für eine Steuerung von Betriebsfunktionen des Elektrofahrrads. Beispielsweise kann eine Motorleistung der Antriebseinheit zur Unterstützung der manuellen Tretkraft eines Fahrers des Elektrofahrrads in Abhängigkeit der ermittelten Größen gesteuert werden.
Weiterhin führt die Erfindung zu einem Verfahren zum Betreiben einer Antriebsanordnung, vorzugsweise der oben beschriebenen Antriebsanordnung. Die Antriebsanordnung umfasst dabei einen Kurbeltrieb mit Kurbeln, einer Tretwelle, und mit zwei Tretlagern zur Lagerung der Tretwelle. Zudem umfasst die Antriebsanordnung ein Kettenblatt, welches mit der Tretwelle verbunden ist, und eine Antriebseinheit, welche eingerichtet ist, ein Motormoment zur Unterstützung eines durch einen Fahrer aufgebrachten Fahrerdrehmoments bereitzustellen. Die Tretwelle ist dabei mittels der Tretlager in der Antriebseinheit gelagert. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Ermitteln von Kräften an dem Kettenblatt-seitigen Tretlager mittels zweier Kraftsensoren, und
- Ermitteln einer Lagerkraft-Richtung und eines Lagerkraft-Betrags einer resultierenden Lagerkraft am Kettenblatt-seitigen Tretlager basierend auf den mittels der beiden Kraftsensoren ermittelten Kräften.

Bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Ermitteln einer Kettenkraft an dem Kettenblatt basierend auf der Lagerkraft-Richtung und dem Lagerkraft-Betrag der Lagerkraft. Als Kettenkraft wird dabei eine von einer Fahrradkette auf das Kettenblatt ausgeübte Kraft angesehen, insbesondere während eines Betriebs des Elektrofahrrads. Vorzugsweise liegt die Kettenkraft an einem Außenumfang des Kettenblatt und in einer vorbestimmten Richtung, entlang welcher sich die Fahrradkette, beispielsweise zu einem Hinterrad, erstreckt, vor. Bevorzugt erfolgt das Ermitteln der Kettenkraft zusätzlich basierend auf vorbekannten geometrischen Eigenschaften der Antriebsanordnung, insbesondere des Kettenblatts.
Weiter bevorzugt umfasst das Verfahren den Schritt: Ermitteln des durch den Fahrer aufgebrachten Fahrerdrehmoments basierend auf der ermittelten Kettenkraft und dem Motormoment, insbesondere wenn ein Betrieb eines Elektrofahrrads, welches die Antriebsanordnung umfasst, gleichzeitig mit Muskelkraft und Motorkraft erfolgt. Insbesondere ist das Motormoment basierend auf einer Motorsteuerung vorbekannt. Bevorzugt erfolgt das Ermitteln des Fahrerdrehmoments durch Ermitteln einer Fahrerkraft, wobei die Fahrerkraft einem Anteil der Kettenkraft entspricht, welche durch die Muskelkraft des Fahrers erzeugt wird. Insbesondere ist ein Zusammenhang zwischen Fahrerdrehmoment und Fahrerkraft durch die vorbekannten geometrischen Eigenschaften der Antriebsanordnung, insbesondere des Kettenblatt, definiert. Die Fahrerkraft wird vorzugsweise ermittelt durch Subtrahieren einer Motorkraft von der gesamten Kettenkraft, wobei die Motorkraft einer an der Fahrradkette anliegenden Kraft, welche aus dem Motormoment resultiert, entspricht. Somit kann das Fahrerdrehmoment auf besonders einfache Weise und präzise bestimmt werden.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Steuern eines von der Antriebseinheit erzeugten Motormoments in Abhängigkeit der Lagerkraft-Richtung und des Lagerkraft-Betrags. Besonders bevorzugt erfolgt das Steuern der Antriebseinheit in Abhängigkeit des ermittelten Fahrerdrehmoments. Das heißt, es erfolgt eine Bereitstellung eines Motormoments zur Unterstützung der Tretkraft des Fahrers in Abhängigkeit der Lagerkraft, bzw. des Fahrerdrehmoments, welches basierend auf der ermittelten Lagerkraft bestimmt wird.
Bevorzugt erfolgt das Ermitteln der Lagerkraft-Richtung und des Lagerkraft-Betrags basierend auf einer Kalibrierung der Antriebsanordnung. Die Kalibrierung erfolgt dabei dadurch, dass ein Verhältnis der jeweiligen durch die Kraftsensoren erfassten Kräfte während einer Betätigung des Kurbeltriebs in einer vorbestimmten Kalibrierkonfiguration erfolgt. In der Kalibrierkonfiguration erfolgt dabei eine Betätigung des Kurbetriebs mit einer Betätigungskraft in einer vorbestimmten Betätigungsrichtung. Besonders bevorzugt erfolgt die Kalibrierung durch Erfassen mehrerer Verhältnisse in mehreren verschiedenen vorbestimmten Betätigungsrichtungen. Vorzugsweise wird die Kalibrierung einmalig in montiertem Zustand der Antriebsanordnung an einem Elektrofahrrad durchgeführt.
Besonders bevorzugt erfolgt in einer ersten Kalibrierkonfiguration eine Betätigung des Kurbeltriebs derart, dass eine resultierende Kettenkraft gleich Null ist. Vorzugsweise erfolgt eine Betätigung des Kurbetriebs in einer zweiten Kalibrierkonfiguration derart, dass die resultierende Kettenkraft gleich der Betätigungskraft ist. Anhand der jeweiligen Verhältnisse der beiden durch die Kraftsensoren erfassten Kräfte kann in den Kalibrierkonfigurationen somit die Ausrichtung der Kraftsensoren und damit auch die Ausrichtung der Antriebseinheit ermittelt werden. Basierend darauf können anschließend die Lagerkraft-Richtung und der Lagerkraft-Betrag auf einfache Weise bestimmt werden.
Besonders bevorzugt sind die Kurbeln in der ersten Kalibrierkonfiguration vertikal ausgerichtet, also insbesondere parallel zu einer Gravitationskraft eines Erdschwerefelds, um beispielsweise orthogonal zu einer Fahrtrichtung des Elektrofahrrads. Vorzugsweise sind die Kurbeln in der zweiten Kalibrierkonfiguration horizontal ausgerichtet, und beispielsweise parallel zu einer Fahrtrichtung des Elektrofahrrads. In der ersten Kalibrierkonfiguration und in der zweiten Kalibrierkonfiguration erfolgt während der Kalibrierung jeweils eine, vorzugsweise manuelle, Betätigung von genau einer der beiden Kurbeln in einer vertikalen Betätigungsrichtung. Vorzugsweise kann das Betätigen der einen Kurbel während der Kalibrierung dabei derart erfolgen, dass ein Fahrer ein an der Kurbel befestigtes Pedal in vertikaler Richtung belastet. Somit kann die Kalibrierung besonders einfach und schnell durchgeführt werden.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:

1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Elektrofahrrads mit einer Antriebsanordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine Detail-Schnittansicht der Antriebsanordnung der 1,
3 eine perspektivische Detailansicht der Antriebsanordnung der 1,
4 eine weitere Detailansicht der Antriebsanordnung der 1,
5 eine weitere Detailansicht der Antriebsanordnung der 1 mit alternativer Ausrichtung der Antriebseinheit,
6 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Kalibrierung der Antriebsanordnung der 1, und
7 eine weitere vereinfachte schematische Ansicht der Kalibrierung der Antriebsanordnung der 1.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht eines Elektrofahrrads 100 mit einer Antriebsanordnung 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Antriebsanordnung 1 ist in einer Detail-Schnittansicht in der 2 dargestellt.
Die Antriebsanordnung 1 weist einen Kurbeltrieb 2 mit zwei bezüglich einer Tretachse 22a gegenüberliegenden Kurbeln 21 auf. An den Kurbeln 21 sind Pedale 25 angeordnet, über welche ein Fahrer mittels Muskelkraft ein Fahrerdrehmoment an der Antriebsanordnung 1 erzeugen kann.
Zudem umfasst der Kurbeltrieb 2 eine Tretwelle 22, welche drehfest mit den Kurbeln 21 verbunden ist, und zwei Tretlager 23, 24 zur drehbaren Lagerung der Tretwelle 22.
Die Antriebsanordnung 1 umfasst ferner ein Kettenblatt 3, welches drehfest mit der Tretwelle 22 verbunden ist, und eine Fahrradkette 7, welche in Eingriff mit dem Kettenblatt 3 steht.
Zur Unterstützung des Fahrerdrehmoments mit einem zusätzlichen Motormoment, umfasst die Antriebsanordnung 1 eine Antriebseinheit 8, welche eingerichtet ist, das Motormoment, vorzugsweise mittels eines Elektromotors, der insbesondere von einem (nicht dargestellten) elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird, zu erzeugen.
Die Antriebseinheit 8 ist vorzugsweise an einem Fahrradrahmen 101 des Elektrofahrrads 100 befestigt.
Die Tretwelle 22 ist mittels der beiden Lager 23, 24 in der Antriebseinheit 8 gelagert. Dabei weist die Antriebseinheit 8 pro Lager 23, 22 jeweils eine Lageraufnahme 40, 40` auf, innerhalb welchem das jeweilige Lager 23, 24 angeordnet ist (vgl. 2). Die Lageraufnahmen 40, 40` sind in der dargestellten Ausführungsform jeweils als ringförmiger Lagerbund ausgestaltet, welcher einstückig mit dem Gehäuse 4 ausgebildet ist.
Bei einem motorunterstützten Betrieb des Elektrofahrrads 100 erfolgt eine Anpassung des Motormoments in Abhängigkeit des durch den Fahrer aufgebrachten Fahrerdrehmoments. Das Fahrerdrehmoment wird dabei durch eine Bestimmung einer Lagerkraft 59 an dem Kettenblatt-seitigen Tretlager 24 ermittelt, wie nachfolgend beschrieben.
Zur Bestimmung des Fahrerdrehmoments basierend auf der Lagerkraft 59 werden mehrere bekannte mechanische und geometrische Zusammenhänge sowie das aus dem Betrieb der Antriebseinheit 8 bekannte Motormoment verwendet, Im Detail wird dabei der Zusammenhang verwendet, dass eine für den Vortrieb des Elektrofahrrads 100 relevante Kettenkraft 60 an dem Kettenblatt-seitigen Tretlager 24 eine Reaktionskraft mit gleichem Betrag und parallel dazu in entgegengesetzter Richtung hervorruft.
Bei Kenntnis der Geometrie und Mechanik des Kurbeltriebs 2 und des Motormoments der Antriebseinheit 8 kann ein Anteil der Kettenkraft 60, welcher durch die Antriebseinheit 8 aufgebracht wird, also eine Motorkraft, ermittelt werden. Durch Subtrahieren der Motorkraft von der gesamten Kettenkraft 60 kann somit auf einfache Weise die Fahrerkraft, welche dem Anteil der Kettenkraft 60, der durch die Muskelkraft des Fahrers aufgebracht wird, ermittelt werden.
Das entsprechende Fahrerdrehmoment kann anschließend ebenfalls durch die geometrischen Eigenschaften der Antriebsanordnung 1 auf einfache Weise ermittelt werden.
Die Lagerkraft 59 wird dabei bei der vorliegenden Antriebsanordnung 1 mittels einer besonders einfachen, kompakten und kostengünstigen Konstruktion ermittelt. Hierfür weist die Antriebsanordnung 1 zwei Kraftsensoren 51, 52 auf, welche im Bereich des Kettenblatt-seitigen Tretlagers 24 angeordnet sind.
Die Anordnung der beiden Kraftsensoren 51, 52 ist in den 3 und 4 dargestellt. Dabei befinden sich beide Kraftsensoren 51, 52 in axialer Richtung der Tretwelle 22 auf Höhe des Kettenblatt-seitigen Tretlagers 24.
Jeder der beiden Kraftsensoren 51, 52 ist dabei als Dehnmessstreifen ausgebildet und eingerichtet, eine, beispielsweise aus einer mechanischen Dehnung und/oder Stauchung resultierende, Kraft 55, 56 entlang genau einer vorbestimmten Richtung zu erfassen.
Die beiden Kraftsensoren 51, 52 sind mit einer Erfassungseinheit 6 verbunden, welche die jeweiligen Kräfte 55, 56 bestimmt und zudem die Bestimmung aller weiteren Kräfte und Momente vornimmt.
Die Lageraufnahme 40 des Gehäuses 4 der Antriebseinheit 8 ist in der dargestellten Ausführungsform ringförmig ausgebildet und weist an dessen äußeren Umfang zwei Abflachungen 41 auf, welche im Wesentlichen ebene Flächen bilden. Auf diesen Abflachungen 41 sind die beiden Kraftsensoren 51, 52 befestigt, beispielsweise mittels einer Klebeverbindung.
Die Abflachungen 41 sind tangential bezüglich einer Umfangsrichtung der Tretwelle 22 angeordnet, sodass die mittels der Kraftsensoren 51, 52 erfassten Kräfte 55, 56 ebenfalls tangential ausgerichtet sind.
Die Abflachungen 41 mit den Kraftsensoren 51, 52 sind dabei an unterschiedlichen Umfangspositionen bezogen auf die Tretwelle 22 angeordnet.
Dabei sind die beiden Kraftsensoren 51, 52 um 90° versetzt bezüglich des Umfangs der Tretwelle 22 angeordnet. Im Detail ist pro Kraftsensor 51, 52 jeweils eine virtuelle Gerade 51a, 52a definiert, welche sich ausgehend von der Tretachse 22a in radialer Richtung erstreckt. Ein Winkel zwischen den beiden Geraden 51a, 52a beträgt dabei 90°. Dabei sind die Geraden 51a, 52a so definiert, dass sich diese mit dem jeweiligen Kraftsensor 51, 52, und vorzugsweise mit der jeweiligen Abflachung 41, insbesondere orthogonal, mittig schneiden.
Somit werden mittels der beiden Kraftsensoren 51, 52 Kräfte 55, 56, welche orthogonal zueinander ausgerichtet sind, erfasst. Basierend auf diesen beiden erfassten Kräften 55, 56 kann die gesamte resultierende Lagerkraft 59, nämlich die Lagerkraft-Errichtung und der Lagerkraft-Betrag, ermittelt werden.
Um ausgehend von der ermittelten Lagerkraft 59 die an der Fahrradkette 7 wirkende Kettenkraft 60, und damit auch wie oben beschrieben das Fahrerdrehmoment, ermitteln zu können, ist die Kenntnis der relativen Orientierung der Kettenrichtung 70 der Fahrradkette 7 und der Antriebseinheit 8 zueinander, also die Einbaulage der Antriebseinheit 8 am Fahrradrahmen 101, erforderlich. Dies ist anhand der 4 und 5 verdeutlicht, welche unterschiedliche Einbaulagen der Antriebseinheit 8 zeigen.
Wie in den 4 und 5 zu erkennen, liegen dabei unterschiedliche Ausrichtungen von Kettenrichtung 70 und Antriebseinheit 8 zueinander vor. Um die Kettenkraft 60 basierend auf der Lagerkraft 59 korrekt bestimmen zu können, ist daher eine Kenntnis des geometrischen Zusammenhangs zwischen Antriebseinheit 8 und Kettenrichtung 70 notwendig.
Hierfür wird eine einmalige Kalibrierung der Antriebsanordnung 1 durchgeführt. Ein Beispiel für eine mögliche Kalibrierung ist in den 6 und 7 dargestellt. Während der Kalibrierung wird von der Antriebseinheit 8 kein Motormoment erzeugt.
Bei der Kalibrierung wird in einem ersten Schritt, dargestellt in der 6, der Kurbeltrieb 2 so angeordnet, dass die Kurbeln 21 horizontal, also in der dargestellten Konfiguration parallel zur Kettenrichtung 70 ausgerichtet sind. In dieser ersten Kalibrierkonfiguration erfolgt eine Betätigung genau einer Kurbel 21, nämlich der in Fahrtrichtung A nach vorne zeigenden Kurbel 21, mit einer Betätigungskraft 90. Die Betätigungskraft 90 ist dabei vertikal, also orthogonal zur Kurbel 21 und zur Kettenrichtung 70, ausgerichtet, und wird durch eine Betätigung des Pedals 25 durch den Fahrer aufgebracht. Dadurch wird die gesamte Betätigungskraft 90 auf die Fahrradkette 7 übertragen. Eine entsprechende Lagerkraft 59 entspricht dabei einer resultierenden Kraft aus Betätigungskraft 90 und Kettenkraft 7.
In einem zweiten Schritt der Kalibrierung, dargestellt in der 7, wird der Kurbetrieb 2 so angeordnet, dass die Kurbeln 21 vertikal, also in der dargestellten Konfiguration orthogonal zur Kettenrichtung 70, ausgerichtet sind. In dieser zweiten Kalibrierkonfiguration erfolgt eine Betätigung der unteren Kurbel 21 mit einer Betätigungskraft 90, welche ebenfalls vertikal, also orthogonal zur Kettenrichtung 70 und parallel zur Kurbel 21, ausgerichtet ist. Wie oben wird die Betätigungskraft 90 durch Betätigung des Pedals 25 durch den Fahrer aufgebracht. In dieser zweiten Betätigungskonfiguration ist die Kettenkraft aufgrund der entsprechenden Ausrichtung des Kurbelbetriebs 2 gleich Null. Durch die Betätigungskraft 90 wird dennoch eine Lagerkraft 59 hervorgerufen.
Basierend auf den jeweils in beiden Schritten der Kalibrierung erfassten Kräften 55, 56 der Kraftsensoren 51, 52 kann somit aus einem Verhältnis der beiden Kräfte 55, 56 auf eine Ausrichtung der Kraftsensoren 51, 52 relativ zu den vorbekannten Stellungen der Kurbeln 21 und/oder der Fahrradkette 7 geschlossen werden. Somit kann auch die Orientierung der Antriebseinheit 8 relativ zur Fahrradkette 7 bestimmt werden. Die so bestimmte Orientierung kann anschließend als Grundlage für die Ermittlung des Fahrermoments basierend auf der Lagerkraft-Richtung und dem Lagerkraft-Betrag der Lagerkraft 59 verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass die Figuren nur vereinfachte schematische Ansichten darstellen. Beispielsweise kann alternativ zu den in 6 und 7 dargestellten Konfigurationen, in welchen sich das Kettenblatt 3 auf der in Fahrtrichtung A linken Seite befindet, ebenso eine Konfiguration mit dem Kettenblatt 3 auf der in Fahrtrichtung A rechten Seite umgesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010001775 A1 [0002]

Claims

Antriebsanordnung eines Elektrofahrrads (100), umfassend: - eine Tretwelle (22) und zwei Tretlager (23, 24) zur Lagerung der Tretwelle (22), - eine Antriebseinheit (8), welche eingerichtet ist, ein Motormoment zur Unterstützung eines durch einen Fahrer aufgebrachten Fahrerdrehmoments bereitzustellen, - zwei Kraftsensoren (51, 52), welche in der Antriebseinheit (8) angeordnet sind, wobei jeder Kraftsensor (51, 52) eingerichtet ist, jeweils eine Kraft (55, 56) entlang einer vorbestimmten Richtung zu erfassen, - wobei die Tretwelle (22) in der Antriebseinheit (8) mittels der beiden Tretlager (23, 24) gelagert ist, - wobei die beiden Kraftsensoren (51, 52) in axialer Richtung der Tretwelle (22) auf Höhe des Kettenblatt-seitig angeordneten Tretlagers (24) angeordnet sind, und - wobei die beiden Kraftsensoren (51, 52) an unterschiedlichen Umfangspositionen bezogen auf die Tretwelle (22) angeordnet sind, und - eine Erfassungseinheit (6), welche eingerichtet ist, eine Lagerkraft-Richtung und einen Lagerkraft-Betrag einer Lagerkraft (59) am Kettenblatt-seitigen Tretlager (24) basierend auf den durch die Kraftsensoren (51, 52) erfassten Kräften (55, 56) zu bestimmen.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, wobei jeder der beiden Kraftsensoren (51, 52) so ausgebildet und angeordnet ist, um jeweils eine Kraft (55, 56) in tangentialer Richtung bezüglich der Tretwelle (22) zu erfassen.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der beiden Kraftsensoren (51, 52) einen Dehnmessstreifen aufweist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der beiden Kraftsensoren (51, 52) ein Piezoelement aufweist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei jeder der Kraftsensoren (51, 52) derart angeordnet ist, dass dieser sich mit jeweils einer Geraden (51a, 52a), welche sich ausgehend von einer Tretachse (22a) der Tretwelle (22) in radialer Richtung erstreckt, schneidet, und - wobei ein Winkel (50) zwischen den beiden Geraden (51 a, 52a) größer als 0° und kleiner als 180° ist, vorzugsweise 90° beträgt.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebseinheit (8) ein Gehäuse (4) und eine Lageraufnahme (40) aufweist, innerhalb welcher das Kettenblatt-seitige Tretlager (24) angeordnet ist, und wobei die beiden Kraftsensoren (51, 52) an einer radial äußeren Seite der Lageraufnahme (40) angeordnet sind.
Antriebsanordnung nach Anspruch 6, wobei die Lageraufnahme (40) an der radial äußeren Seite pro Kraftsensor (51, 52) jeweils eine Abflachung aufweist, an welcher der entsprechende Kraftsensor (51, 52), insbesondere mittels jeweils einer Klebeverbindung und/oder einer Schweißverbindung und/oder einer Klemmverbindung, befestigt ist.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Lageraufnahme (40) als ein, insbesondere ringförmiger, Lagerbund ausgebildet ist.
Elektrofahrrad, umfassend eine Antriebsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebsanordnung (1), wobei die Antriebsanordnung (1) eine Tretwelle (22) und zwei Tretlager (23, 24) zur Lagerung der Tretwelle (22) und eine Antriebseinheit (8), welche eingerichtet ist, ein Motormoment zur Unterstützung eines durch einen Fahrer aufgebrachten Fahrerdrehmoments bereitzustellen, aufweist, wobei die Tretwelle (22) in der Antriebseinheit (8) mittels der Tretlager (23, 24) gelagert ist, und wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Ermitteln von Kräften (55, 56) an dem Kettenblatt-seitigen Tretlager (24) mittels zweier Kraftsensoren (51, 52), wobei jeder Kraftsensor (51, 52) eingerichtet ist, jeweils eine Kraft (55, 56) entlang einer vorbestimmten Richtung zu erfassen, wobei die beiden Kraftsensoren (51, 52) in axialer Richtung der Tretwelle (22) auf Höhe des Kettenblatt-seitig angeordneten Tretlagers (24) und an unterschiedlichen Umfangspositionen bezogen auf die Tretwelle (22) angeordnet sind, und - Ermitteln einer Lagerkraft-Richtung und eines Lagerkraft-Betrags einer Lagerkraft (59) am Kettenblatt-seitigen Tretlager (24) basierend auf den ermittelten Kräften (55, 56).
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend den Schritt: - Ermitteln einer Kettenkraft (60) an dem Kettenblatt (3) basierend auf der Lagerkraft-Richtung und dem Lagerkraft-Betrag der Lagerkraft (59).
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend den Schritt: - Ermitteln des durch den Fahrer aufgebrachten Fahrerdrehmoments basierend auf der Kettenkraft (60) und dem Motormoment.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 ferner umfassend den Schritt: - Steuern eines von der Antriebseinheit (8) erzeugten Motormoments in Abhängigkeit der Lagerkraft-Richtung und des Lagerkraft-Betrags.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, - wobei das Ermitteln der Lagerkraft-Richtung und des Lagerkraft-Betrags basierend auf einer Kalibrierung der Antriebsanordnung (1) durchgeführt wird, - wobei die Kalibrierung durchgeführt wird durch Ermitteln eines Verhältnisses jeweiliger durch die Kraftsensoren (51, 52) erfasster Kräfte während einer Betätigung eines Kurbeltriebs (2) in einer vorbestimmten Kalibrierkonfiguration, - wobei in der Kalibrierkonfiguration eine Betätigung des Kurbeltriebs (2) mit einer Betätigungskraft (90) in einer vorbestimmten Betätigungsrichtung betätigt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, - wobei in einer ersten Kalibrierkonfiguration eine Betätigung des Kurbeltriebs (2) derart erfolgt, dass eine resultierende Kettenkraft (60) gleich Null ist, und - wobei in einer zweiten Kalibrierkonfiguration eine Betätigung des Kurbeltriebs (2) derart erfolgt, dass die resultierende Kettenkraft (60) der Betätigungskraft (90) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 15, - wobei in der ersten Kalibrierkonfiguration Kurbeln (21) des Kurbeltriebs (2) vertikal ausgerichtet sind, und - wobei in der zweiten Kalibrierkonfiguration die Kurbeln (21) horizontal ausgerichtet sind, und - wobei in der ersten Kalibrierkonfiguration und in der zweiten Kalibrierkonfiguration jeweils eine Betätigung genau einer der Kurbeln (21) in vertikaler Betätigungsrichtung erfolgt.