DE19528133A1 - Vorrichtung zum last- und geschwindigkeitsabhängigen automatischen Schalten marktüblicher Fahrrad-Gangschaltungen - Google Patents

Description

Stand der Technik auf dem Gebiet der mechanischen, gestuften Fahrradgangschaltungen sind solche Schaltungen, die mechanisch von Hand des Fahrers entweder durch Umlegen der Kette auf verschiedene Zahnräder (Kettenschaltung) oder durch Schalten verschiedener Zahnradpaare innerhalb der Hinterradnabe (Nabenschaltungen) in ihrer Übersetzung verändert werden können. Stand der Technik sogenannter "automatischen" Schaltungen ist der, daß (Firma Sachs) die Gänge sequentiell, elektrisch über einen elektrischen Taster von Hand des Fahrers geschaltet bzw. (Fa. Marvik) die hinteren Gänge einer Kettenschaltung ebenfalls sequentiell von Hand des Fahrers geschaltet werden können.

Die Bezeichnung "automatisch" ist dabei unrichtig, da das Schalten lediglich über ein Servosystem von Hand des Fahrers erfolgt, die Art der Übersetzung also nach wie vor vom Fahrer bestimmt werden muß.

Es ist bekannt, daß Schaltungen an Fahrrädern immer mehr Gänge bekommen haben. Dieser augenscheinliche Verbesserung hat schwerwiegende Nachteile. Zum Einen stellen die vielen Gänge an den Fahrer hohe Anforderungen hinsichtlich der Auswahl des "richtigen" Ganges in der momentanen Fahrsituation und bergen ein erhebliches Sicherheitsrisiko hinsichtlich der Konzentration auf den Straßenverkehr und hinsichtlich des Vorhandenseins des richtigen Ganges z. B. beim Anfahren an der Kreuzung in sich (dies trifft insbesondere für Kinder und ältere Menschen zu), zum Ändern gibt es Übersetzungskombinationen, die entweder schädlich ("über Kreuz-Kette") oder sogar redundant (mehrere nahezu identische Übersetzungsverhältnisse) sind.

Die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung dient der Elimination der beschriebenen Nachteile, indem die beschriebenen Vorrichtungen und Funktionsabläufe die automatische Auswahl des richtigen Ganges, abhängig von Fahrsituation und Schaltungstyp vornehmen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1, 1b Eine Gesamtansicht eines Fahrrades mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Tretmomentgeber-Version, dem Steuergerät mit Neigungssensor und Signaleinrichtung und zwei Möglichkeiten der Anordnung der Servo-Aktuatoren, wobei zur besseren Verständlichkeit der Tretmomentgeber mit seinen Funktionselementen in Teil b) vergrößert herausgezeichnet ist.

Fig. 2 Ein anderes Ausführungsbeispiel eines Tretmomentgebers mit seinen Funktionselementen.

Fig. 3 Die Vorrichtung zur Messung von Tretkraft und Tretgeschwindigkeit an der Antriebskette.

Es folgt die Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnungen.

Der in Fig. 1 am Fahrradlenker montierte Steuerrechner 5 , der den heute üblichen elektronischen Tachometern sehr ähnlich ist, erhält verschiedene elektrische Informationen, wie Geschwindigkeit 4, Tretkraft bzw. Tretmoment 2, Steigung der Straße oder Neigung 1 sowie Tretdrehzahl/ oder -Frequenz zur Berechnung der der momentanen Lastsituation am besten angepaßten Getriebeübersetzung zugeführt. Der Steuerrechner verfügt über eine Anzeige für Fahrgeschwindigkeit, Fahrstrecke, Fahrzeit und außerdem eine Anzeige des Ganges, der automatisch berechnet und eingelegt worden ist. Da der Fahrer trotz der vollautomatischen Auswertung und Ausführung der Schaltungen unbedingt einen Einfluß auf die Ihm angebotene Übersetzung haben sollte, da seine nicht objektiv meßbare Konstitution wechselt, kann der Fahrer über einen weitere Informationsgeber, eine Schaltereinheit 13 am Lenker in die Berechnung einwirken und von "leichten" über "normale" bis "schwere" Übersetzungs/Lastkurven den automatischen Ablauf seiner Konstitution anpassen. Er kann auch mit diesem Schalter einen momentanen Gang "einfrieren", sollten etwa an einem steilen Berg gegen seinen Willen Gangwechsel erfolgen. Der Steuerrechner sendet sein Berechnungsergebnis an einen 14 oder zwei 14, 15 Servosteller, der/die die marktübliche Schaltung betätig(t)en.

Der Servosteller 14 in Fig. 2 oder die beiden Servosteller 14, 15 können dabei so am Fahrrad bzw. der vorhandenen Schaltungsanlage montiert werden, daß im Notfall (Stromausfall, Defekt) die Betätiger 21 des/der Servosteller auf einfache Weise abgekoppelt werden können, so daß normal von Hand geschaltet werden kann.

Die Messung der "Last" über den Neigungssensor 1 stellt eine sehr wenig aufwendige und zuverlässige Methode dar, sie liefert aber keine Informationen über Lastveränderungen aufgrund veränderter Straßenbeschaffenheiten (Asphalt - Kies) und keine veränderten Lasten aufgrund der Windverhältnisse o.a.

Dazu enthält diese Erfindung eine vorteilhafte Ausgestaltung zur Messung der wirklichen Lasten über die Tretkraft oder das Tretmoment, deren Ausführungsbeispiele in Fig. 1, 1b und Fig. 2 dargestellt sind. Die gezeigten Vorrichtungen ermöglichen eine sehr genaue Anpassung der automatischen Gangwahl an die wirkliche Tretkraft, wobei Tretkraft und gleichzeitig Tretgeschwindigkeit auf einfache und in der erweiterten Ausführung selbstkalibrierende Weise kontakt- bzw. drahtlos an der rotierenden Tretkurbel gemessen und dem Steuerprogramm übergeben werden. Beiden Ausführungsbeispielen in Fig. 1, 1b und Fig. 2 liegt das Prinzip zugrunde, eine der Tretkraft proportionale Verdrehung von Tretkurbel 10 zu Kettenrad 11 zu messen. Dazu muß zunächst eine kraft-proportionale Verdrehung (in einem begrenzten Verdrehwinkel) konstruktiv ermöglicht werden. Dies geschieht z. B. durch Abkopplung von Kettenrad 11 und Tretkurbel 12 über irgendwie geartete Federn bzw. Feder/Dämpfer 13, wie in Fig. 1 dargestellt oder auf einfache Weise durch Ersatz der Tretachse durch einen Torsionsfederstab 12 in Fig. 2.

Das prinzipielle Meßverfahren soll anhand der Fig. 2 erläutert werden. In der einfachen Anordnung messen zwei geeignete elektrische Sensoren, im Beispiel elektromagnetische Sensoren 3, 7 in Kombination mit Permanentmagneten 9, 8 den Phasenwinkel zwischen Kettenrad 11 und Tretkurbel 10. Bei geeigneter Auslegung der Verdrehfeder ergibt sich eine der Tretkraft proportionale Änderung des Phasenwinkels. Vorteilhaft ist hierbei, daß die Messung am rotierenden Objekt drahtlos erfolgt; vorteilhaft ist weiterhin, daß gleichzeitig ein weiteres Signal, nämlich die Tretfrequenz erfaßt wird, wobei entweder Sensor 7 oder Sensor 3 geeignet sind. Besondere Vorteile ergeben sich , wenn ein zusätzliches Sensorpaar 16, 17 in der Position der Nullkraft der Tretkurbel angebracht wird. In diesem Falle wird es dem Steuerrechner ermöglicht, den mit den Sensoren 3, 7 gemessenen Phasenwinkel auf den Nullkraft-Phasenwinkel zu verrechnen und damit bei jeder Kurbelumdrehung das Meßverfahren neu zu kalibrieren.

Eine andere Möglichkeit der Messung der Tretkraft kann über die Messung der Kettenspannung sein. Dazu, siehe Fig. 3, wird eine geeignete Spannvorrichtung mit einer mitdrehenden Spannrolle 18 in den Zug-Trum der Kette so eingebracht, daß die Veränderung der Auslenkung des Spanners über einen Meßwertgeber 19 - im einfachsten Falle ein Potentiometer - gemessen werden kann.

Mißt man weiterhin über einen zusätzlichen Meßwertgeber 20 die Drehzahl der Spannrolle, so steht zusätzlich dem Steuerrechner 5 ein Signal zur Verfügung, daß ihm mitteilt, ob und wie schnell getreten wird. Dies ist zum Beispiel wichtig für solche Schaltungen, die nicht unter Last geschaltet werden können, wobei das Steuerprogramm z. B. erst dann die Servosteller ansteuert, wenn eine kurze Tretpause eingelegt wird. Zu dieser Tretpause wird der Fahrer über die Signaleinrichtung 6 aufgefordert.

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das Fahrradfahren sicher und bequem wird. Zudem besteht ein weiterer Vorteil darin, daß aufgrund der Vermeidung redundanter und schädlicher Gänge bzw. Gangkombinationen die Lebensdauer aller Antriebs- und Stellelemente der Schaltung erhöht wird. Ein wichtiger Vorteil der in Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung ist auch, daß auf einfache Weise mithilfe eines z. B. direkt im Steuergerät einfach unterzubringenden Neigungssensors eine automatische Anpassung der Gangwahl an die Steigung der Fahrstrecke möglich wird, wobei der Neigungssensor nicht unbedingt stufenlos arbeiten muß, also einfach und preiswert sein kann und keinerlei Montagearbeiten erforderlich werden.

Die vorgestellte Erfindung hat auch Vorteile hinsichtlich der Gesamtkosten, da das Steuergerät "umsonst" alle Funktionen eines komfortablen elektronischen Fahrrad- Tachos beinhaltet, dieser also nicht zusätzlich vom Fahrradbesitzer angeschafft werden muß.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum last- und geschwindigkeitsabhängigen automatischen Schalten marktüblicher Fahrrad-Gangschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein (einfache Kettenschaltung/Nabenschaltung) bzw. zwei (Kettenschaltung, Nabe/Kettenschaltung) elektromechanische Aktuatoren den Übersetzungswechsel durch einen Rechner programmgesteuert vornehmen, wobei ein Neigungsgeber (1) und/oder ein Tretmomentgeber (2) sowie ein Tretdrehzahlgeber (3) und ein Raddrehzahlsensor (4) die Signale an die Steuereinheit (5) liefern, die als Istwertgeber sowohl der geschwindigkeitsabhängigen, streckenabhängigen als auch der lastabhängigen Berechnung der optimalen Gesamtübersetzung dienen, wobei automatisch die Geschwindigkeits/Gang-Tabelle an die Steigung der Fahrstrecke und andere Widerstände, wie z. B. Windlasten optimiert wird und das Übersetzungsverhältnis über den/die Aktuator(en) so mithilfe der Auswertung der Tretdrehzahl einstellt werden, daß schaltungstypabhängig während des Tretens oder während des Nicht- Tretens geschaltet wird, wobei im Falle der Schaltungstypen, die nicht während des Tretens schaltbar sind, ein akustischer/optischer Signalgeber (6) dem Fahrer das Einlegen einer kurzen Tretpause signalisiert,
weiterhin dadurch gekennzeichnet,
daß der Tretmoment/-drehzahlgeber so ohne direkte elektrische Verbindung so arbeitet, indem magnetische oder optische elektrische Sensoren (3), (7) berührungslos die Phasenverschiebung zweier Magnete/ Reflexgeber (8), (9) , die ortsfest an der Tretkurbel (10) und dem vorderen Kettenrad (11) befestigt sind, aufnehmen, wobei die Verbindung zwischen Tretkurbel-Kettenrad und Tretachse sich gegen eine geeignet gestaltete Verdrehfeder (12, 13) verdrehen kann und damit zwischen Tretkurbel und Antriebskettenrad ein Verdrehwinkel proportional der Tretkraft entsteht, wobei die Sensoren im Sinne eines maximalen Nutzsignales an der Stelle der maximalen Pedalkraft angeordnet sind und damit das Ausgangssignal der elektrischen Sensoren - die Zeit zwischen zwei Signalen - proportional der Tretkraft ist,
weiterhin dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerelektronik so programmierbar ist, daß alle marktüblichen Gangschaltungen (Nabe, Kette, Nabe/Kette etc.) angesteuert werden können und weiterhin verschiedene Geschwindigkeits/Gang-Tabellen ausgewählt werden können, etwa für Ebene oder Gebirge, wobei diese mittels eines Handschalters (13) am Lenker auch bewußt vom Fahrer während der Fahrt verändert, d. h. der körperlichen Konstitution angepaßt werden können und auch die Automatik momentan abgeschaltet und per Taster von Hand Gänge sequentiell gesetzt werden können,
weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerprogramm im Falle der Kettenschaltung so arbeitet, daß ungünstige "Überkreuz-Übersetzungen" zwischen vorderen und hinteren Kettenrädern ausgelassen werden, sofern diese nicht unbedingt erforderlich oder vom Fahrer erwünscht werden, daß weiterhin die bei sehr hochgängigen Schaltungstypen "redundanten" Übersetzungen ausgelassen werden, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß in der Ebene bei höhergängigen Schaltungen untere Gänge ausgelassen und/oder bestimmte Gänge übersprungen werden können, was z. B. eine Energie-Einsparung ermöglicht, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die bestehende Handschaltung belassen werden und im Falle des Entladens der Betriebsstromquelle durch Umlegen der Ankopplung (21) auf Handbetrieb umgestellt werden kann.

2. Kombinierter Tretmoment/-drehzahlgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere zusätzliche magnetische oder optische elektrische Sensoren (16), (17) an der Stelle der minimalen Pedalkraft angeordnet sind, die bei jeder Kurbelumdrehung ein Kalibriersignal der Phasenverschiebung bei Nullkraft liefern, das eine Eichung der Phasen/Tretkraft-Beziehung, gemessen mit den Sensoren bei bis zu jeder Kurbel-Umdrehung ermöglicht.

3. Vorrichtung zum last- und geschwindigkeitsabhängigen automatischen Schalten marktüblicher Fahrrad-Gangschaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung nur durch den Raddrehzahlsensor (4), Neigungsgeber (1) und Tretdrehzahlsensor (3) und unter Umständen zusätzlich in Verbindung mit einem Hand/Automatik-Schalter (14) erfolgt, mit dem von Hand Gänge mit Priorität über die automatische Steuerung gewählt werden können oder eine andere Geschwindigkeits/Gang-Tabelle gewählt werden kann, oder die Automatik ein/ausgeschaltet werden kann.

4. Vorrichtung zum last- und geschwindigkeitsabhängigen automatischen Schalten marktüblicher Fahrrad-Gangschaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung und Steuerung der automatischen Gangwahl ohne einen direkten Sensor zur Lastmessung allein durch den Raddrehzahlsensor (4) und Tretdrehzahlsensor (3) in Verbindung mit einem Handschalter (14) erfolgt, wobei die lastabhängige Verschiebung der Geschwindigkeits/Gang- Tabelle von Fahrerhand erfolgt und Gänge mit Priorität über die automatische Steuerung gewählt werden können oder eine andere gewählt werden kann, oder die Automatik ein/ausgeschaket werden kann.

5. Vorrichtung zum last- und geschwindigkeitsabhängigen automatischen Schalten marktüblicher Fahrrad-Gangschaltungen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung und Steuerung der automatischen Gangwahl allein durch Vergleich der über einen Tretdrehzahlsensor (3) gemessenen Trittfrequenz mit der vom Fahrer gewünschten Trittfrequenz erfolgt, die der Fahrer entweder direkt am Steuergerät (5) mithilfe von Einstelltasten vorgibt oder vorzugsweise in Verbindung mit einem Lenkrad-Schalter (14) seine momentane Konstitution der Lastsituation anpaßt, indem er die Ihm angenehme Trittfrequenz fährt und diese sodann mit einem Tastendruck in den Steuerrechner einspeichert, wobei er auch mit einer zweiten Taste die automatische Gangwahl momentan abschalten und den eingelegten Gang "einfrieren" kann.

6. Vorrichtung zum last- und geschwindigkeitsabhängigen automatischen Schalten marktüblicher Fahrrad-Gangschaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung und Steuerung der automatischen Gangwahl allein durch Messung der Fahrrad-Geschwindigkeit über den Raddrehzahlsensor (4) in Verbindung mit einem einfachen Lenkrad-Schalter (14) erfolgt, mit dem zur Anpassung an momentane Laständerungen der momentane Gang "eingefroren" werden kann.

7. Tretmomentgeber zum Beispiel für eine Zusatzvorrichtung zum last- und geschwindigkeitsabhängigen automatischen Schalten marktüblicher Fahrrad- Gangschaltungen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß über eine geeignet angeordnete Rolle (18) und ein Kraft/bzw. Federweg-Meßgeber (19) kombiniert mit einem Drehimpulsgeber (20) sowohl Kettengeschwindigkeit als auch Kettenzugkraft elektrisch erfaßt werden können.