DE19613079A1 - Leistungsmeß- und Steuersystem vorwiegend für Fahrräder mit additivem Hilfsantrieb - Google Patents

Description

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Innenlager für Fahrrader, das gleichzeitig die Funktion eines Meßaufnahmesystems beinhaltet zur Auf­ nahme des Pedaldruckes auf die Tretkurbeln sowie in Kombination oder jeweils unabhängig der Kurbeldrehzahl und des Kurbelwinkels. Daraus er­ gibt sich als Meßgröße die Leistung die über den Kurbeltrieb in das Innen­ lager bzw. in den Kurbeltrieb mit klassischer oder mit alternativer Anord­ nung der Antriebsritzel eingebracht wird. Aufgrund dieser Meßparameter werden die Steuersignale für einen nachgeschalteten Zusatzantrieb u. a.m. generiert.

Das Innenlager mit dem darin integrierten Meßaufnahmesystem läßt sich ebenso in Krankenfahrstühlen oder Ergometern oder dgl. Geräte mehr zur Ermittlung der biologischen Leistung einsetzen. Der erfindungsgemäße Sensor ist auch besonders geeignet zur Ermittlung der oben genannten Meßgrößen in Kraftfahrzeuglenkungswellen.

Die Meßeinheit ist in der Lage, aus den über ein Ende oder beide Enden in eine sich drehende Welle eingeleiteten Kräfte das Drehmoment zu selektie­ ren und daraus ein Steuersignal zu erzeugen, das an einen statischen Auf­ nahmesensor übermittelt wird. Das System funktioniert mit der heute übli­ chen einseitigen bzw. rechtsseitigen Anordnung des Abtriebsritzels oder in einer weiteren Ausführung mit einer alternativen Anordnung des Abtriebsrit­ zel auf einem beliebigen Segment der Welle.

Gleichzeitig kann über eine weitere Kraftquelle ein Drehmoment auf den Fahrradantrieb gespeist werden, ohne daß die Messung dadurch beeinflußt wird.

Der Drehmomentsensor nach dem heutigen Stand der Technik bei Fahrrä­ dern ist vorwiegend zur Messung des Eingangsdrehmoment als Steuersi­ gnal ausschließlich für die Steuerung von Zusatzantrieben am Fahrrad be­ stimmt. Demgemäß sieht diese Lösung auch meist die Signalerfassung im Getriebe vor.

Der der Erfindung zugrunde liegende Sensor ist aufgrund seiner kompakten Bauart jedoch geeignet, in jedem gängigen Fahrrad oder Ergometer das Drehmoment, das über beide Kurbeln auf die Innenlagerwelle gebracht wird zu messen und einem Drehratenwinkel zuzuordnen. Dadurch werden für die Ergonomie und Physiologie aussagefähige und wichtige Daten erfaßt. Zu­ sätzlich in Kombination mit einem Neigungssensor läßt sich in einer weite­ ren Ausführung mit diesem Sensor ein Steuersignal für ein halbautomatisch oder vollautomatisch betätigtes Getriebe erzeugen oder eine Zusatzinfor­ mation zur Bedienungserleichterung eines manuell betätigten Getriebes generieren. Dadurch kann gerade in der Stadt ein erheblicher Bedienungs­ vorteil gegenüber heutigen manuellen Schaltungen erreicht werden. Heute bekannte Drehmomentsensoren bei Fahrräder beruhen meist auf der Bestimmung der Scherkräfte an einem beweglichen Kurbelstern über die Verformung von Federn oder Elastomeren, ähnlich der Antriebsdämpfer, wie sie von den teilweise von Shimano bei Nabenschaltungen eingesetzten Kurbeln bekannt sind. Diese durch das Drehmoment erzeugte Verformung eines Elastomers läßt durch einen Metallring, der seinen axialen Abstand zu statischen Hallsensoren verändert, messen und gleichzeitig übertragen. Nachteilig bei diesen Systemen ist die bei der Anwendung von Elastomeren bekannte hohe Temperaturabhängigkeit der Plastizität und die geringe Al­ tersbeständigkeit dieses Werkstoffes. Weiter sind diese Systeme durch einfache Veränderung des Abstands der Hallsensoren zum Geber leicht manipulierbar. Hauptnachteil dieses Systems ist jedoch die starke funktio­ nelle Beeinträchtigung durch die Rahmenelastizität, wie sie beispielsweise bei einer nachgeschalteten Kettenschaltung auftritt. Weiter wird die Scher­ kraft zuverlässiger, jedoch teurer über Dehnmeßstreifen gemessen. Nach­ teilig ist bei dieser Lösung die aufwendige Übertragung des Meßsignals auf den statischen Teil der Meßeinrichtung.

Diesen vorher genannten Lösungen insgesamt gemein ist die Kraftaufnah­ me am Kurbelstern, bzw. durch radial angeordnete elastisch verformbare Elemente. Störende Verformungen sind Rahmenelastizitäten und außermit­ tiger Kettenzug. Letztlich größter Nachteil ist jedoch die Hysterese, die durch eine weitere Antriebsquelle wie einen Hilfsantrieb erzeugt wird, der auf dasselbe Antriebsritzel wirkt.

Bekannte Lösungen von Yamaha und Honda verwenden das Rückstellmo­ ment von drehend gelagerten Außenplanetenzahnkränzen zur hysterese­ freien und manipulationssicheren Detektion der Antriebskräfte. Diese Lö­ sungen haben jedoch den Nachteil, daß sie nur in Verbindung mit Getrieben bzw. nicht ohne Hilfsantrieb sinnvoll dargestellt werden können. Zur alleini­ gen Detektion des Energieeintrags an nicht fremdkraftgetriebenen Fahrrä­ dern oder bei Verwendung an Fahrrädern mit Nabenmotoren sind diese Lö­ sungen demnach weniger geeignet. Außerdem reagieren solche ins Getrie­ be integrierten indirekten Systeme aufgrund ihrer großen dynamischen Massen und Kontaktreibmomenten sehr träge auf Änderungen der Antriebs­ leistung.

Besonders nachteilig ist jedoch bei allen vorgenannten Systemen die Tat­ sache, daß die Ermittlung des Drehmoments als Leistungsparameter nur bei Vorhandensein einer großen Mindestelastizität eines Materials, durch das die Kraft geleitet wird und ausschließlich durch die möglichst lineare Ver­ formung desselben Materials mittelbar gemessen werden kann. In der Folge entsteht eine störende Elastizität im Antriebsstrang, die sich zwar nicht auf schaukeln kann, jedoch wird die Dynamik des Kurbeltriebs negativ beein­ trächtigt und die Effizienz durch die Dämpfung herabgesetzt. Die grobe Auflösung dieser dem Stand der Technik widerspiegelnden Systeme ma­ chen die heute bekannten Steuerungen dynamisch träge und sind nicht in der Lage, auf kleine Momentänderungen im Kurbeltrieb sensibel und verzö­ gerungsfrei zu anzusprechen.

Aufgabe der Erfindung

ist demnach eine Lösung für einen Drehmoment- und Leistungssensor und -Steuerungssystem zu finden, das in der Lage ist, das über beide Kurbeln in den Kurbeltrieb eingeleitete Drehmoment unter Tolerierung geringster Ver­ windungen und Torsion zu messen. Weiter muß der Sensor im Betrieb wit­ terungsgeschützt und schwer manipulierbar sein.

Vorteil der erfindungsmäßigen Lösung

Ist die Anwendbarkeit ohne Einschränkung sowohl bei bei ausschließlich durch Muskelkraft angetriebenen Fahrrädern oder Ergometern oder dgl. mehr Geräte im medizinisch therapeuthischen Bereich, als auch bei oben genanntem Gerät und motorisierten Fahrrädern mit Mittelabtrieb des An­ triebsritzels und mit alternieren von beiden Wellenenden erfolgendem Krafteintrag. Durch die gleichzeitige Detektion von Drehwinkel und Drehzahl ist das System in der Lage, den tatsächlichen Energieeintrag unabhängig von der aktuell geschalteten Übersetzungsstufe zu erfassen und das Wel­ lendrehmoment dem aktuellen Drehwinkei bzw. dem tatsächlichen wirksa­ men Pedalhebel zuzuordnen und daraus ein Leistungsintegral über die ganze Kurbelumdrehung zu erstellen. Dadurch wird es möglich, einen Zu­ satzantrieb dynamisch so zu steuern, daß aufgrund des wirksamen Kurbel­ winkels auftretende Kraftspitzen berücksichtigt und alternierend auftretende Leistungstäler ausgeglichen werden können. Auf diese Weise wirkt die An­ triebsleistung des Zusatzantriebes ausgleichend auf das Antriebsrad. Die Steuersignale der additiven Leistungsregelung werden aus dem Integral der Leistung über einen längeren Winkelabschnitt der Innenlagerwelle bemes­ sen.

Zusätzlich ist die Leistungsmessung ausreichend sensibel, auch geringe Änderungen des Betrages der Leistung zu detektieren und bei Überschrei­ ten eines Schwellwertes das Steuerungsprogramm spontan zu ändern. Die Messung der biologischen Leistung am Kurbeltrieb erfolgt nach den beiden Grundprinzipien der elastischen Verformung und dem magnetoela­ stischen Prinzip. Der mechanische Grundaufbau bei beiden ist gleich. Mehr aus der Literatur als aus der industriellen Praxis bekannt ist das ma­ gnetoelastische oder magnetostriktive Prinzip zur Messung der Oberflä­ chenspannung auf Legierungen mit meist hohem Nickelanteil mittels der Veränderung der Permeabilität eines Magnetfeldes unter Spannung. Dieses Prinzip eignet sich für die Messung an torsionsbelasteten Wellen mit gerin­ geren Genauigkeitsanforderung. Für die Drehmomentmessung von mehrdi­ mensional belasteten Wellen sind die bekannten Ausführungen ungeeignet, da Erreger- und Empfängerspulen sich radial um die Wellen winden, um die Oberflächenspannung zu detektieren. Auf die Innenlagerwelle wirkt heute durch die zur Aufnahme breiter Bereifung stark gekröpften Kurbelarme eine mehrdimensionale Belastung. Diese Belastung in verschiedenen Ebenen resultiert in einer starken Knickbelastung und Scherkraftbeanspruchung der Welle an den Innenlagern, die die Torsionsbelastung überlagert. Weiter ist problematisch, daß bei heutigen Innenlagerwellen die Knickbean­ spruchung an der Antriebsseite noch zusätzlich durch den Zug der An­ triebskette modifiziert wird, wobei beim Druck der Kurbel auf der Ritzelseite die Innenlagerwelle selbst nicht auf Torsion belastet wird, da das Ritzel kraftschlüssig auf dieser Antriebsseite verbunden ist. Ein auf der Welle meßbares Drehmoment wird also nur durch die dem Ritzel gegenüberlie­ gende Kurbel eingeleitet.

Die Erfindung ermöglicht trotz dieser schwierigen Voraussetzungen an der Innenlagerwelle die Messung des Drehmoments. Durch die Entflechtung der Mehrfachfunktion von Führung und Antrieb der Innenlagerwelle und die Selektion und Übertragung der reinen Torsionskräfte auf einen Torus wird es möglich, auf diesem Torus eine Spannung zu erzeugen, mittels derer sowohl mittels der magnetoelastischen Methode die Oberflächenspannung als auch der klassischen Methoden durch Torsionsverformung das alternie­ rend von beiden Kurbeln in den Antrieb eingeleitete Drehmoment gemessen werden kann.

Die erfindungsgemäße Meßeinheit beruht auf dem Prinzip der Entkoppe­ lung der auf den Antrieb wirkenden Kräfte. Über der Innenlagerwelle befin­ det sich ein Torus oder eine Doppelwelle, die auf einer Seite ein Abtriebsrit­ zel trägt und auf der gegenüberliegenden Seite kraftschlüssig und/oder formschlüssig torsionssteif und gleichzeitig axial elastisch oder schwim­ mend gelagert mit der Innenlagerwelle verbunden ist. Durch diesen kon­ struktiven Aufbau wird erreicht, daß einerseits die Antriebskraft beider Kur­ beln durch den Torus auf das Ritzel geleitet werden, andererseits hat die mehrdimensional belastete Innenlagerwelle unter dem Torus ausreichend Raum für elastische Verformungen, so daß die durch die Scherkräfte be­ dingten Verformungen nicht auf den Torus übertragen werden. Die radialen Verformungen sind an den von den Lagern am weitesten entfernten Stellen, also an der Innenlagerwellenmitte am stärksten.

In der weiteren Ausführung, bei der das Abtriebsritzel nicht wie heute aus räumlichen Gründen meist üblich an der seitlich am Rahmen angeordnet ist wird der Torus auf beiden Seiten der Innenlagerwelle axial entkoppelt und an einer Seite kraftschlüssig gelagert. Zur Abstützung des Antriebsritzels dann der Torus zusätzlich durch Lager z. B. durch das Getriebegehäuse ab­ gestützt werden.

Abbildung I und Abbildung II zeigt, wie in dieser Ausführung je nach einsei­ tiger oder beidseitiger Anordnung Zug und Druckfelder für die Messung nach dem magnetoelastischen Prinzip aufgebaut werden. Die Messung durch elastische Verformung des Torus erfolgt analog.

Die in der Abbildung III gezeigte Ausführung besteht in ihrer Grundaufbau aus einer torsionssteifen innenlagerwelle mit je einer Form (III,2) und/oder kraftschlüssigen (III,3) Aufnahme für die Tretkurbeln. Die Grundversion folgt der konventionellen asymmetrischen Anordnung des Antriebsritzels bei Fahr­ rädern. Im Gegensatz zu den konventionellen Kurbeltrieben ist das An­ triebsritzel jedoch nicht direkt kraftschlüssig mit einer der beiden Kurbel, sondern mit einer speziellen Doppelwelle verbunden.

Die Innenlagerwelle ist mit einer übergeschobenen Welle (III,4) so verbun­ den (III,5), daß die Kraft in mindestens einer Drehrichtung auf die über der Innenlagerwelle laufenden Abtriebsweile übertragen wird und gleichzeitig eine radiale Toleranz erhalten bleibt.

Erfindungsgemäß ist die Verbindung torsionsfest, jedoch mit einem radialen Freiheitsgrad gestaltet. Dies bedeutet, daß die geringen radialen Auslen­ kungen, die die Welle aufgrund der Scherkräfte am Lager ausführt, von der Verbindung aufgenommen werden, die Torsion jedoch direkt und verlustfrei in den Torus eingleitet wird. Durch diese schwimmende torsionskraft­ schlüssige Lagerung ist es möglich, daß die elastische Verformungen, die durch die an der Innenlagerwelle aufgrund der über die Kurbeln eingeleite­ ten Kräften unvermeidlichen auftreten ohne Einfluß auf den Torus bleiben. So kann am Torus die reine Torsionsspannung über die durch das magneto­ striktive Prinzip auftretenden Spannungen oder durch das magnetorestrikti­ ve Prinzip auftretenden unterschiedlichen Widerstände und daraus resultie­ renden Spannungen oder durch die hochauflösende Messung des Weges der elastischen Verformung des Torus das Meß- und Steuersignal generiert werden.

Beide Methoden setzen dieselbe entkoppelte Lagerund des Torus und den­ selben mechanischen Grundaufbau voraus. Nur die gesonderte und ent­ koppelte Aufnahme von Innenlagerwelle und Torus ermöglicht die Einhal­ tung eines konstanten Luftspalts des Torusmantels zur Erregerspule als Voraussetzung zur Anwendung des magnetostriktiven Prinzips zur Ermitt­ lung der Torsionsspannung.

Die Verbindung kann erfindungsgemäß beispielsweise aus einem Federring zur Momentübertragung Kugeln ahnlich einer Gelenkwelle, Rollen, Verzah­ nung oder dgl. mehr tangential beweglicher Verbindung bestehen, die einen tangentialen Freiheitsgrad erlauben. Der Torus (III,4) ist in der Grundversi­ on mit einem Flansch (III,6) für den Kraftabtrieb auf den Antrieb versehen. Die (Doppelwelle ist an dem Ende, an dem die Kraft auf den Antrieb abgelei­ tet wird, drehbar auf der Innenlagerwelle gelagert. In der Abbildung stutzt sich die Doppelwelle (III,14) über einen Nadelkäfig (III,7 )gegen das An­ triebsmoment z. B. des Kettenzuges auf die Innenlagerwelle (III,1). Die In­ nenlagerwelle stützt sich an der Abtriebsseite über den Nadelkäfig auf die übergeschobene Doppelwelle (III,4) ab. Die Doppelwelle selbst stützt sich ebenfalls über ein Nadellager auf die Patronenhülse ab.

Aufgrund diesem erfindungsgemäßen mechanischen Aufbau wird beim Einleiten von Drehmoment auf die Innenlagerweile durch jede der beiden Kurbeln eine Spannung auf der übergelagerten Doppelweile erzeugt. Je nach Auslegung des Meßsteuersystems auf magnetoelastisches Meßver­ fahren oder auf das klassische Verfahren zur Messung einer elastischen Verformung am Torus ist dieser ausgestaltet.

Bei der Messung nach dem magnetoelastischen Prinzip wird der Torus vor­ zugsweise in einer hochnickelhaltigen Legierung gefertigt bzw. wird eine solche Schicht auf seine Oberfläche aufgebracht. Die Oberfläche wird so ausgestaltet, daß die durch die Torsionskräfte im Material auftretenden Spannungen an der Oberfläche Druckspannungen und Zugspannungen erzeugen, die räumlich verschiedenen Sektionen zuzurechnen sind. Nach dem magnetoresistiven Grundprinzip ändert die Materialspannung den ma­ gnetischen Widerstand des Grundmaterials.

Um die Felder der Druck- und Zugspannung aufzubauen wird das magne­ tostriktive Material so auf der Oberfläche aufgebracht oder die Oberfläche so strukturiert, daß eine spiralförmig umlaufende Struktur, z. B. in Form von Rippen in einem Winkel, dessen Betrag von den Materialeigenschaften bestimmt wird und der zur Oberfläche eine Orientierung von etwa 50 Grad hat anisotrophe Strukturen bildet. Ein Richtungswechsel mit einer Winke­ lumkehr der Strukturierung bewirkt gleichzeitig eine Materialspannungsum­ kehr in der Obeiflache. Da das magnetorestriktive Material nicht die gleiche Steifigkeit auf Zug und Druck haben muß, kann eine abweichender Winkel­ betrag vorteilhaft sein.

Beim Einleiten eines Drehmoments in den Torus baut sich je nach Ausrich­ tung der Oberflächenstruktur eine Zone von Oberflächendruck und eine Zo­ ne von Oberflächenspannung auf. Durch diese Spannungsumkehr oder die­ se unterschiedlichen Spannungsbeträge wird eine unterschiedliche Perme­ abilität oder magnetischer Widerstand in jeder Torussektion erzeugt. Zur Erzeugung eines der Oberflächenspannung respiktive des Drehmoments proportionalen Steuersignals wird in jeder Sektion über eine Erregerspule die sich tangential um die Oberflächensektion windet durch Wechselstrom ein Feld aufgebaut und über eine darüberliegende Empfängerspule emp­ fangen. Die durch das Drehmoment erzeugte gegenläufige Oberflächen­ spannung resultiert in einer Differenzspannung zwischen beiden Feldern gegenläufiger Oberflächenspannung im magnetostriktiven Material, die von den Empfängerspulen detektiert wird. Aus der Differenzspannung wird ein Steuersegment mit einer dem Drehmoment proportionalen Spannung er­ zeugt. Um beispielsweise die Bremsleistung eines Elektroantriebs steuern zu können kann das Signal mit den eingeleiteten gegenläufigen Drehmo­ ment auch umgekehrt werden und so für eine Zusatzfunktion ein weiteres Steuersignal erzeugt werden.

In einer weiteren Ausführung ist der Torus als torsionselastisches Element ausgeführt. Der Torus wird dafür vorteilhaft mit axialen Schlitzen versehen, so daß bei einem anliegenden Drehmoment eine gewünschte lineare Ver­ formung stattfinden kann. Der mechanische Aufbau ist analog der oben be­ schriebenen Version für die magnetoelastische Verformung.

Auch bei dieser Ausführung ist der Torus auf der Welle schwimmend gela­ gert, so daß das von beiden Seiten alternierend in die Innenlagerwelle ein­ geleitete Drehmoment an der Schwimmenden jedoch drehfest gelagerten Verbindung in den Torus geleitet werden kann. Zwischen Antriebs- und Ab­ triebsflansch verformt sich der Torus elastisch. An der kraftschlüssigen Verbindung von Innenlagerweile und Torus wird ein Referenzwert erfaßt. Auf der anderen Seite am Abtrieb wird der Differenzwert das Maß der ela­ stischen Verformung bzw. der Torsion erfaßt. Der Differenzwert bildet das Steuersignal für das Drehmoment. Auch bei dieser Lösung ist ein reversier­ bares Steuersignal durch Drehmomentumkehr an der Innenlagerwelle mög­ lich.

Die Meßung kann induktiv über Signalgeber durch die Gitterstrukturen, op­ tisch oder inkermental, durch Resolver oder Enkoder durchgeführt werden, absolut oder relativ. Die Meßung kann auch aus einer Kombination der ver­ schiedenen Signale bestehen. Bei der magnetoelastische Messung ist auf jeden Fall eine gesonderte Erfassung des Winkels und der Winkelge­ schwindigkeit notwendig.

Erst die Kombination dieser Werte ergibt die Meßgröße der Antriebslei­ stung. Beim Fahrrad wird gewöhnlich die biologische Leistung in einer Form ähnlich einer Sinuskurve in den Antrieb eingebracht. Die erfindungsgemäß intelligente Steuerung die die Leistung in Relation zum Kurbelwinkel erfaßt, erstellt ein Leistungsintegral über einen größeren Winkelabschnitt von ca. 360 Grad und sendet die Steuersignale so an den Antrieb, daß dieser mit Seiner dynamischen Regelung die Leistungstäler der biologischen Leistung glätten und kompensieren kann und somit ausgleichend auf die Kraftentfal­ tung wirkt.

Die Systemansteuerung erstellt also ein Integral der biologischen Lei­ stungsentfaltung und sendet die Steuersignale so an den Zusatzantrieb, daß dieser ausgleichend auf die Entfaltung der Gesamtleistung wirkt. Das erfindungsgemäße System zur Leistungssteigerung ist jedoch auch in der Lage, einen Kick-Down-Effekt zu erkennen und dann die Leistungszumes­ sung über das Integral spontan zu verlassen und das Signal zur Leistungs­ steigerung ohne Verzug zu generieren. Dazu wird bei Ermittlung eines Del­ tawertes im Drehmoment spontan das Programm der optimalen Leistungs­ entfaltung verlassen und die Leistung des Motors sofort erhöht.

In einer weiteren Ausführung ist die Steuereinheit mit einem 3D- oder einem einfachen Inklinometer kombiniert. Das Ansprechverhalten auf den Delta­ wert und die Ausbildung des Leistungsintegrals kann dann in Relation zur Geländemorhologie moduliert werden. An Steigungen wird der Deltawert erhöht.

In einer weiteren Ausführung ist das System mit einem Steuersignal für eine manuelle und/oder teilweise oder vollautomatischen Getriebeschaltung kombiniert. Durch den Beschleunigungskorrigierten Neigungssensor kann der Schaltzyklus moduliert werden, so daß z. B. am Berg die Schaltstufen langer ausgefahren und der Deltawert erhöht werden.

In einer weiteren Ausführung ist das Steuersystem zusätzlich mit einer ma­ nuellen Eingriffsmöglichkeit versehen, mittels derer der Start am Berg und das Schieben erleichtert wird.

Das erfindungsmäßige Steuersystem hat demnach als wesentliche Merkma­ le eine zusätzliche manuelle Bedienmöglichkeit zur Anfahrhilfe und zum Schieben am Berg. Dies wird im allgemeinen ein Lenkergriffregler sein. Des weiteren wird die Leistung nach einem Kennfeld zugemessen, dessen Pa­ rameter das Drehmoment in Relation zum Kurbelwinkel u. Kurbeldrehzahl setzt und die Leistung des Zusatzantriebs kompensierend steuert.

Bei Ermittlung eines positiven oder negativen Deltawinkels wird das Lei­ stungskennfeld verlassen und die Leistungszumessung spontan geändert. Im Optimalfall besteht die Leistungskurve des Zusatzantriebs aus einem Kennfeld mit den Parametern Gefälle, Kurbeldrehzahl, Drehwinkel und Drehmoment plus manueller Eingriffsmöglichkeit für Schieben und Bergstarts.

Die Meßeinheit besteht in ihrer Grundausführung aus einer Innenlagerwelle mit je einer Form (III,2) und kraftschlüssigen (III,3) Aufnahme für die Tret­ kurbeln. Die torsionssteife Innenlagerwelle ist mit einer übergeschobenen torsionselastischen Welle (III,4) so verbunden (III,5), daß die Torsion in mindestens einer Drehrichtung auf den Torus übertragen wird. Der torsi­ onsbelastete Torus (III,4) ist mit einem Flansch (III,6) für den Kraftabtrieb versehen. Die torsionselastische Welle ist an den Ende, an den die Kraft auf den Antrieb geleitet wird, drehbar auf der Innenlagerwelle gelagert. In der Abbildung stützt sich der torsionsbelastete Torus (III,4) über einen Na­ delkäfig auf den übergeschobenen Torus ab. Auf der anderen Seite findet eine direkte Abstützung (III,5) auf den Torus (III,4) statt. Der Torus (III,4) stützt sich über die Nadelkäfige (III,8) und (III,9) gegen die Hülse (III,10) ab. Aufgrund diesem erfindungsgemäßen mechanischen Aufbau wird beim Einleiten von Drehmoment auf die Innenlagerwelle durch jede der beiden Kurbeln eine Torsionsspannung in dem Torus (III,4) zwischen Abtrieb (III,6) und Kraftübertragung (III,5) erzeugt. Die Torsionsspannung ist proportional dem eingeleiteten Drehmoment. Die Torsion erzeugt eine Relativbewegung der Innenlagerwelle zum Abtriebsflansch oder der mit der Innenlagerwelle verbundenen Seite (III,5) des Torus (III,4) zur dem Flansch zugewandten Seite des Torus. Die Relativbewegung bzw. die Materialspannung ist die Meßgröße für das in die Innenlagerwelle eingeleitet Drehmoment. In der abgebildeten Ausführung ist über den Umfang auf dem torsionselastischen Element auf der Seite der Verbindung mit der Innenlagerwelle ein Inkrement appliziert. Dieses Inkrement erzeugt das Referenzsignal über einen Hall­ sensor.

An der dem Kraftabtriebsflansch zugewandten Seite des Torus ist ebenfalls ein Inkrement (II,1) appliziert. Dieses Inkrement erzeugt über einen Hallsen­ sor ein Differenzsignal, das Aufschluß über das Maß der Spannung des To­ rus gibt. Die Messung der beiden Drehroaten über das Inkrement erfolgen absolut oder relativ nach dem Stand der Technik, die heute in jedem elek­ tronischen Meßschieber oder Drehgeber implementiert ist. Möglich ist auch die Erfassung über optische Encoder, Resolver oder anderes mehr. Da das Signal durch die Relativbewegung der beiden Inkremente zueinander er­ zeugt bzw. ein Lagedifferenzwert ermittelt wird ist die Drehmomentmessung zeitneutral oder drehzahlunabhängig, es kann also auch bei nicht rotieren­ der belasteter Innenlagerwelle gemessen werden.

Erst die Erfassung der Antriebsleistung macht die Ermittlung der Drehzahl notwendig. Weiter vorteilhaft ist die Zuordnung des Meßwertes dem Dreh­ winkel. Dadurch kann beispielsweise in einem günstigen Kurbelwinkelab­ schnitt ein Schaltvorgang eingeleitet werden.

In einer weiteren Version kann das eine oder beide axial angeordneten In­ kremente auch durch einen wie heute bei ABS Systemen üblichen radial angeordneten Drehratengeber ersetzt werden. In einer weiteren Ausführung kann durch die Torus (III,4) erzeugte Relativbewegung ein einem Hülsen­ freilauf ähnlicher Rollenkörper gegen schiefe Ebenen bewegt werden, so daß die Rollen in der Hülse eingebettete bewegliche Plättchen nach außen drücken. Diese Plättchen können mit Magneten bestückt sein, die den Ab­ stand zu einem Induktivgeber verkleinern. Auf diese Weise wird bei gege­ bener Geschindigkeit durch Änderung der radialen Position oder des Ab­ standes zum Signalnehmer das Signal moduliert werden.

In einer weiteren Ausführung kann auch die Relativbewegung der Kurbeln zum Flansch gemessen werden. Auch dabei kann ein Element eingesetzt werden, das durch eine Verkleinerung des Abstandes eines Induktivgebers einen Spannungsanstieg bewirkt. Im Gegensatz zu der oben beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Version erzeugen diese Systeme Relati­ vwerte für das Drehmoment, da in die Interpretation für das Signal die Rota­ tionsgeschindigkeit eingerechnet werden muß.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten System wird bei absolutem Meßsy­ stem der Drehwinkel und die Drehzahl gleichzeitig mit erfaßt und kann als Signalgröße aufgenommen werden. In einer einfacheren Ausführung kön­ nen auch nur die Meßimpulse der applizierten Inkremente an beiden Wel­ lensektionen erfaßt werden und eine zeitliche Phasenverschiebung mit der Drehzahl verrechnet werden.

In einer weiteren Ausführung ist für die Koppelung der Innenlagerwelle mit dem Torus (III,4) ein einfacher Freilauf vorgesehen. Wenn nun die Innenla­ gerwelle durch die Kurbeln angetrieben wird, schließt der Kreislauf den Kraftfluß zum Torus (III,4), der die Kraft an das Abtriebsritzel weiterleitet. Der Torus kann einen weiteren Abtrieb auf der Ritzelseite haben, so daß die durch den Tretkurbelantrieb erzeugte Materialspannung des Torus nicht wesentlich beeinflußt wird.

Der Abtrieb befindet sich dann auf derselben Seite der Welle wie der Ab­ triebsflansch. Dadurch bleibt die Messung hysteresefrei. Der Zusatzantrieb ist vorteilhaft über einen Freilauf mit dem Kurbeltrieb verbunden, in der Kraftrichtung, daß der nachlaufende Motor nur auf den Kettenabtrieb wirkt und den Tretkurbelantrieb nicht mitschleppen kann. Der Freilauf kann die Kupplung für den Kraftschluß mit dem Torus ersetzen, so daß die Pedalkraft nur dann bereitgestellt wird, wenn die Tretkurbelwelle mindestens gleich schnell durch die Pedale angetrieben wird wie die Antriebswelle bzw. wenn ein Kraftfluß von der Tretkurbelwelle in Richtung Abtrieb stattfindet. Da­ durch wird verhindert, daß sich die Tragheit des nachlaufenden Zusatzan­ triebs ungünstig auf den Kurbeltrieb auswirkt.

Die Signalgeber für den Hallsensor können sich beide oder auch einer au­ ßerhalb der Tretlagermuffe befinden. Dabei ist ein Drehgeber an der dem Abtrieb abgewandten Seite zu befestigen und der andere Drehgeber am Abtriebsflansch. Dadurch wird sichergestellt daß die Torsionsspannung des Torus im sonst mechanisch oben beschriebenen Innenlager gemessen wird. Die Drehgeber sind ähnlich ausgebildet wie die Drehgeber heutiger ABS Systeme. Bei Meßung der Zeitphasenverschiebung handelt es sich um rei­ ne Drehgeber. Wie oben beschrieben kann jedoch auch an einem oder bei­ den eine Lage/Winkelreferenz abgenommen werden und so ein absoluter oder relativer Wert abgenommen werden.

Der mechanische Aufbau des Innenlagers und die Anordnung des elasti­ schen Torus bleiben dabei unverändert.

Claims (32)

1. Leistungsmeß- und Steuersystem vorwiegend zum Einbau in Fahrrädern mit Meßsensorsystem für Drehmoment, Drehwinkel und Drehzahl oder eine Kombination der genannten Meßgrößen dadurch gekennzeichnet, daß eine Innenlagerweile einseitig mit einem übergeschobenen Materialspannungs­ meßelement, wie einer Feder, Hülse, deren Kombination oder dgl. mehr zum Kraftfluß durch einen Freilauf oder andere Art der Koppelung so ver­ bunden ist, daß aufgrund eines tangentialen Freiheitsgrades nur die Torsi­ onskräfte auf dieses Element Materialspannungen übertragen und das mit einer Einrichtung zum Kraftabtrieb versehen ist.

2. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens zwei Meßaufnehmer die beiden Drehwinkel an zwei Signalgebern für einen Hallsensor auf einer Meßtrommel an verschie­ denen Sektionen voneinander unabhängig Referenz- und Differenzwert als Relativwert erfassen.

3. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens zwei Meßaufnehmer die beiden Drehwinkel an zwei Signalgebern für einen Hallsensor auf einer Meßtrommel an verschie­ denen Sektionen voneinander unabhängig als Absolutwert erfassen.

4. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzei­ chnet, daß mindestens zwei Meßaufnehmer die beiden Drehwinkel an je ei­ nem Signalgeber für einen Hallsensor am Abtriebsflansch und an der Innen­ lagerwelle oder einer der beiden Kurbeln drehfest befestigt voneinander unabhängig als Absolutwert erfassen.

5. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens zwei Meßaufnehmer die beiden Drehwinkel an je einem Signalgeber für einen Hallsensor am Abtriebsflansch und an der In­ nenlagerwelle oder einer der beiden Kurbeln drehfest befestigt voneinander unabhängig als Relativwert erfassen.

6. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens zwei Meßaufnehmer die beiden Drehwinkel an je einem Signalgeber für einen Hallsensor am Abtriebsflansch drehfest radial angeordnet und an der Innenlagerwelle oder an dem damit bei Kraftfluß drehfest verbundenen elastischen Element drehfest befestigten Signalge­ ber für einen Hallsensor voneinander unabhangig als Relativwert erfassen.

7. Leistungsmeß und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens zwei Meßaufnehmer die beiden Drehwinkel an je einem Signalgeber für einen Hallsensor am Abtriebsflansch drehfest radial angeordnet und an der Innenlagerwelle oder an dem damit bei Kraftfluß drehfest verbundenen elastischen Element drehfest befestigten Signalgeber für einen Hallsensor voneinander unabhängig als Absolutwert erfassen.

8. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1-7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens zwei Meßaufnehmer die beiden Drehwinkel an je einem Signalgeber am der dem Abtriebsflansch näheren Sektion eines elastischen Elements oder am Abtriebsflansch selbst und an der Innenla­ gerwelle oder einer mindestens der beiden der damit drehfest verbundenen Kurbel oder dem damit bei Kraftfluß drehfest verbunden elastischen Ele­ ment drehfest befestigten Signalgeber ein Signalgeber für einen Hallsensor für die Erfassung des Inkrements in einen Absolutwert in Kombination mit einem Signalgeber für einen Hallsensor für die Erfassung des Inkrements als relatives Signal vorgesehen sind.

9. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über zwei voneinander unabhängigen Signalgebern, die so angebracht sind, daß sie den Drehwinkel des Antriebsflansches und den Drehwinkel der Innenlagerwelle voneinander unabhängig indizieren durch eine Zeitphasenverschiebung der Grad der Torsion des elastischen Ele­ ments induktiv gemessen werden kann.

10. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über zwei voneinander unabhängigen Signalgebern, die so angebracht sind, daß sie den Drehwinkel des Antriebsflansches und den Drehwinkel der Innenlagerwelle voneinander unabhängig durch eine durch die Torsion eines elastischen Elements erzeugte und desselben proportio­ nale Veränderung des Abstandes zueinander selbst indizieren, so daß das Maß der Torsion einer veränderten Signalstärke entspricht.

11. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über zwei voneinander unabhängigen Signalgebern, die so angebracht sind, daß sie den Drehwinkel des Antriebsflansches und den Drehwinkel der Innenlagerwelle voneinander unabhängig durch eine durch die Torsion eines elastischen Elements erzeugte und desselben proportio­ nale Veränderung des Abstandes von einem Signalautnehmer, so daß das Maß der Torsion einer veränderten Signalstärke entspricht.

12. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Innenlagerweile über einen Freilauf mit einem darüber liegenden elastischen Element an der dem Abtrieb abgewandten Seite mit einem Freilauf gekoppelt ist.

13. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Torsionselastische Element mit einem zusätzlichen Ab­ trieb für einen weiteren Antrieb an der dem Kraftabgang zugewandten Seite versehen ist.

14. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßsystem um eine Neigungsmeßeinheit erweitert ist zur Generierung eines Steuersignals für eine Getriebe.

15. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßsystem den Drehwinkelwerte über die Rotation erfaßt und den Drehmomentwerten zuordnet und daraus eine Signal zur ausglei­ chenden Leistungssteuerung eines additiven Zusatzantriebes generiert.

16. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Leistungssteuersystem durch eine manuelle Eingriffsmög­ lichkeit zur Regelung der Geschwindigkeit beim Schieben erweitert ist.

17. Leistungsmeß- und Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Leistungssteuersystem durch eine manuelle Eingriffs­ möglichkeit zur Erleichterung des Anfahrens erweitert ist.

18. Leistungsmeß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Leistungssteuerungssystem mit einem Inklinometer zur automatischen Anfahrhilfe an Steigungen ausgestattet ist.

19. Leistungsmeß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Leistungssteuerungssystem mit einem Inklinometer zur Modulation des Grenzwertes für das Kennfeld ausgestattet ist.

20. Leistungsmeß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Leistungsansteuerung für den additiven Antrieb als Leistungsintegral über einen Kurbelwinkelabschnitt erfolgt und kompensie­ rend auf die Leistungstäler des biologischen Antriebs gesteuert wird.

21. Leistungsmeß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß über einen Rücktritt ein reverses Steuersignal für eine weitere Steuerfunktion erzeugt werden kann.

22. Leistungsmeß- und Steuerungssystem nach Anspruch 11 dadurch ge­ kennzeichnet, daß über das reverse Steuersignal die Bremsleistung des additiven Antriebs gesteuert werden kann.

23. Leistungsmeß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in das Meßelement, über das das Drehmoment beider Kurbeln geleitet wird aus einem magnetostriktiven Material gefertigt oder mit einer magnetostriktiven Oberfläche beschichtet ist, in die eine Oberflächen­ spannung geleitet wird.

24. Leistungsmeß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberfläche des Torus mit einer magnetostriktiven Rippenstruktur versehen ist, die in einem Winkelbereich von 30 bis 60 Grad zur Oberfläche orientiert ist.

28. Leistungsmeß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Struktur in zwei räumlichen Sektionen mit einer Win­ kelumkehr auf dem Torus angeordnet ist.

26. Leistungsmeß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß über den Sektionen der magnetostriktiven Struktur Spu­ lenstapel mit Sende- und Empfängerspulen tangential angeordnet sind.

27. Leistungsmeß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sendespulen über dem Torus eine Feld aufbauen und die Empfängerspulen über die Spannung den Widerstand messen.

28. Leistungsmeß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß aus der Differenzspannung beider Empfängerspulen ein Steuersignal für die Leistungsansteuerung des additiven Antriebs generiert wird.

29. Leistungsmeß- und Steurungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die biologische Leistung durch optische Messung der Torsionsverspannung des Torus ermittelt werden kann.

30. Leistungsmeß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die bilogische Leistung durch die Erfassung der Torsi­ onsspannung des Torus mittels eines Resolvers ermittelt werden kann.

31. Leistungsmeß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die biologische Leistung durch die Erfassung der Torsi­ onsspannung des Torus inkremental erfolgen kann.

32. Leistungsmeß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß aus der Kombination der Parameter Gefälle, Kurbeldreh­ zahl, Kurbelwinkel und Drehmoment ein Kennfeld zur Steuerung des Zu­ satzantriebs generiert wird.