DE19627402C2 - Vorrichtung zur Erfassung der Antriebskraft eines durch Muskelkraft betriebenen Geräts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Antriebskraft eines durch Muskelkraft betriebenen Geräts, insbesondere eines Fahrzeugs.

Bei einigen durch Muskelkraft betriebenen Geräten, insbesondere Fahrzeugen, wie Rollstühlen, Fahrrädern, Schubkarren u. dgl. sind Bestrebungen im Gange, die Muskelkraft durch einen zeitweise einschaltbaren Hilfs­ motor, insbesondere einen elektrischen Hilfsmotor zu unterstützen. Dabei soll der Hilfsmotor immer dann zugeschaltet werden, wenn von der das Fahrzeug betreiben­ den Person eine gewisse Muskelkraft, d. h. eine gewisse Antriebskraft, aufgewendet werden muß.

Beispielsweise sind Fahrradhilfsantriebe bekannt, die von einem batteriegespeisten Elektromotor angetrieben werden. Um eine antriebskraftabhängige Zuschaltung des Elek­ tromotors zu gewährleisten, müssen Vorrichtungen vor­ gesehen sein, welche den Elektromotor tretkraftabhängig ein- und wieder ausschalten.

Aus der DE 37 22 728 C1 geht eine Vorrichtung zur Messung der an einem Kurbelantrieb eines Fahrrads angreifenden Leistung hervor, bei der die Drehmomentübertragung von der Kurbel auf eine Antriebsscheibe, z. B. auf das Kettenblatt eines Fahrradtretlagers erfolgt, wobei die an der Kurbel auftretenden mechanischen Größen, Drehimpuls und Winkelgeschwindigkeit, in elektrische Signale umgewandelt werden und die elektrischen Signale einem Auswertegerät zugeführt werden. Bei dieser Vorrichtung wird die an der Kurbel angreifende Kraft über ein Verformungselement auf die Antriebsscheibe übertragen und die Verformung des Verformungselements, die ein Maß für die angreifende Kraft ist, mittels Dehnmeßstreifen in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Winkelgeschwindig­ keit der Kurbel wird mittels eines Magnetschalters, einer Lichtschranke, einer Induktionsschleife oder eines mechanischen Drehzahlmessers gemessen. Problematisch bei der Vorrichtung ist es, daß sie sehr viele Teile erfor­ dert. Sie ist hierdurch nicht nur störanfällig, sondern auch kostspielig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zur Erfassung der Antriebskraft eines durch Muskelkraft betriebenen Geräts, beispielsweise der Antriebskraft bei einem muskelbetriebenen Fahrzeug, der gattungsgemäßen Art zu vermitteln, die bei einfacher Herstellung eine präzise Erfassung der Antriebskraft ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Erfassung der Antriebskraft eines durch Muskelkraft betriebenen Geräts, insbesondere eines Fahrzeugs, der eingangs beschriebenen Art gelöst durch wenigstens ein an dem Gerät angeordnetes erstes Positionsmittel und wenigstens ein auf dieses angepaßtes, entgegen der Rückstellkraft wenigstens eines Rückstellmittels relativ zu dem ersten Positionsmittel durch ein Antriebselement des Geräts bewegliches zweites Positionsmittel und ein Sensormittel zur berührungslosen Detektion der Position des ersten und/oder zweiten Positionsmittels und zur Ausgabe eines positionsabhängigen Signals.

Durch das wenigstens eine an dem Gerät angeordnete erste Positionsmittel und das wenigstens eine auf dieses angepaßte, entgegen der Rückstellkraft wenigstens eines Rückstellmittels relativ zu dem ersten Positionsmittel durch ein Antriebselement des Gerätes beweglichen zweiten Positionsmittel und wenigstens ein Sensormittel zur berührungslosen Detektion der Position des ersten und/oder zweiten Positionsmittels und zur Ausgabe eines positionsabhängigen Signals wird auf besonders vor­ teilhafte Weise erreicht, das mit wenigen und technisch einfach zu realisierenden Mitteln eine präzise Erfassung der Antriebskraft bei einem solchen Gerät, beispielsweise bei einem Fahrrad möglich wird. Hierzu sind lediglich zwei Positionsmittel und ein oder mehrere Sensoren notwendig, welche die Position des ersten und/oder zweiten Positionsmittels erfassen und ein positions­ abhängiges Signal ausgeben.

Hinsichtlich der Ausbildung der Positionsmittel sind die unterschiedlichsten Ausführungsformen denkbar. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß das erste Positionsmittel eine erste Geberscheibe und das zweite Positionsmittel eine zweite Geberscheibe ist, und daß das Sensormittel wenigstens einen mit der ersten und zweiten Geberscheibe zusammenwirkenden Sensor aufweist, der kontinuierlich oder in kurzen zeitlichen Folgen sowohl die Drehverstellung der zweiten Geberscheibe relativ zur ersten Geberscheibe als auch die Drehge­ schwindigkeit der ersten Geberscheibe und/oder der zweiten Geberscheibe erfaßt.

Derartige Geberscheiben sind auf besonders einfache Weise herzustellen und leicht an drehbeweglichen Teilen eines Fahrzeugs montierbar.

Es versteht sich, daß eine derartige Vorrichtung an den unterschiedlichsten Fahrzeugen eingesetzt werden kann, beispielsweise an einem Rollstuhl oder an einem Schubkar­ ren.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Vor­ richtung kommt jedoch bei Fahrrädern zum Einsatz. In diesem Falle ist die erste Geberscheibe einer Tretkurbel eines Fahrrades und die zweite Geberscheibe dem von der Tretkurbel antreibbaren Antriebselement zugeordnet.

Hinsichtlich der Ausbildung der Geberscheiben und deren Befestigung an dem Fahrrad sind die unterschiedlichsten Ausführungen denkbar. Insbesondere hinsichtlich einer einfachen Montage ist bei einer vorteilhaften Ausfüh­ rungsform vorgesehen, daß die erste und die zweite Geberscheibe koaxial zur Tretkurbellagerachse und benachbart zueinander angeordnete Kreisscheiben sind, die jeweils wenigstens ein mit dem wenigstens einen Sensor zusammenwirkendes Geberelement aufweisen.

Um ein verbessertes Signalverhalten der von dem wenig­ stens einen Sensor ausgegebenen Signale zu ermöglichen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die erste und die zweite Geberscheibe jeweils mehrere, in Tangentialrichtung sym­ metrisch angeordnete Geberelemente aufweisen. Hierdurch erhöht sich die Anzahl der pro Umdrehung der Geberscheibe ausgegebenen Impulse und damit auch die Auflösung der von den Sensoren ausgegebenen Signale.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Geberelemente der ersten und zweiten Geberscheibe jeweils mit einem, jeder Geberscheibe zugeordneten Sensor zusammenwirken. Auf diese Weise werden von den beiden Sensoren zwei Signale ausgegeben, die jeweils ein Maß für die Drehgeschwindigkeit der ersten und zweiten Geber­ scheibe sind, und deren zeitliche Verschiebung ein Maß für die Drehverstellung der Geberscheiben relativ zueinander sind.

In bezug auf die Ausbildung der Geberelemente sind die unterschiedlichsten Ausführungen denkbar. Beispielsweise ist vorgesehen, daß die Geberelemente der ersten Geber­ scheibe auf Vorsprüngen angeordnet sind, die auf den ersten Sensor ausgerichtet sind, und daß die Geber­ elemente der zweiten Geberscheibe auf Vorsprüngen angeordnet sind, die durch Öffnungen in der ersten Geberscheibe ragen und auf den zweiten Sensor ausgerich­ tet sind. Auf diese Weise wird ein gleicher Luftspalt­ abstand zu den Sensoren der nebeneinander angeordneten Geberscheiben ermöglicht.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Geberelemente der ersten und zweiten Geberscheibe Öffnungen in den Geberscheiben sind, die von einem Sensor detektiert werden.

Die Rückstellmittel können rein prinzipiell auf unter­ schiedlichste Art und Weise ausgebildet sein. Vorzugs­ weise ist das Rückstellmittel wenigstens eine Feder definierter Vorspannung, deren eines Ende an der ersten und deren anderes Ende an der zweiten Geberscheibe befestigt ist.

Hinsichtlich einer gleichmäßigen Verteilung der Rück­ stellkraft ist es besonders vorteilhaft, daß mehrere jeweils in Tangentialrichtung symmetrisch angeordnete Federn vorgesehen sind, deren jeweils eines Ende an der ersten und deren jeweils anderes Ende an der zweiten Geberscheibe befestigt sind.

Was die Ausbildung der Sensoren betrifft, sind hierfür die unterschiedlichsten Ausführungen denkbar. Beispiels­ weise können die Sensoren besonders preisgünstige Hallsensoren sein. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, metallische Gegenstände detektierende induktive oder kapazitive Sensoren vorzusehen.

Die Vorrichtung kann bei Fahrrädern mit unterschiedlich­ sten Antriebsarten vorgesehen sein. In den meisten Fällen ist jedoch ein Kettenantrieb vorgesehen. In diesem Falle ist das Antriebselement ein Kettenrad eines Ketten­ antriebes.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht dabei vor, daß das Kettenrad und das zweite Geberrad eine Einheit bilden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen­ stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichneri­ schen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung der Tretkraft bei einem Fahrrad und

Fig. 2 eine teilweise weggebrochene Schnittdarstel­ lung entlang der Linie II-II der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erfassung der Antriebskraft, d. h. der Tretkraft bei einem Fahrrad umfaßt eine einer Tretkurbel 10 zugeordnete erste Geberscheibe 20, eine zweite Geberscheibe 40, die dem als Antriebselement wirkenden Kettenrad zum Antreiben einer an sich bekannten Kette 50 zugeordnet ist. Wie ins­ besondere in Fig. 2 dargestellt ist, bildet die zweite Geberscheibe 40 und das Kettenrad zum Antreiben der Kette 50 eine Einheit.

Die erste Geberscheibe 20 ist starr mit der Tretkurbel 10 verbunden, welche ihrerseits mittels eines an sich bekannten Tretkurbellagers 15 in einem am Rahmen des Fahrrades angeordneten Tretkurbellagergehäuse 17 gelagert ist. Die zweite Geberscheibe 40 ist koaxial zur ersten Geberscheibe 20 mittels eines Lagers 45 drehverschieblich gelagert.

Die erste Geberscheibe 20 weist in Tangentialrichtung symmetrisch angeordnete Geberelemente 21 auf, die mit einem ersten Sensor 71 zusammenwirken, wohingegen die zweite Geberscheibe 40 Geberelemente 41 aufweist, die mit einem zweiten Sensor 72 zusammenwirken. Die Geberelemente 21, 41 können beispielsweise als jeweils auf die Sensoren 71 und 72 ausgerichtete Vorsprünge sein, die, sofern die Geberscheiben 20, 40 nicht selbst aus Metall bestehen, mit einem Metall- oder Magnetplättchen belegt sind. Die Sensoren 71, 72 sind beispielsweise Hallsensoren oder induktiv, kapazitiv oder auf andere Weise metallische oder magnetische Gegenstände detektierende Sensoren.

Die zweite Geberscheibe 40 weist darüber hinaus in Umfangrichtung symmetrisch angeordnete Öffnungen 43 auf, durch welche die Geberelemente 21, d. h. die Vorsprünge der ersten Geberscheibe 20, hindurchragen. Hierbei sind die als Rückstellmittel wirkenden Zugfedern 30 in Tangential­ richtung symmetrisch derart angeordnet, daß ihr eines Ende an dem Geberelement 21 der ersten Geberscheibe 20 befestigt ist, und daß ihr anderes Ende benachbart zu einer Begrenzung der Öffnung 43 an der zweiten Geber­ scheibe 40 befestigt ist. Auf diese Weise sind genauso viele Zugfedern 30 wie Geberelemente 21, 41 sowie Öffnungen 43 vorhanden, so daß eine besonders gleichmäßi­ ge Verteilung der Rückstellkraft erfolgt.

Wenn nun auf das Pedal eine Kraft entlang des Pfeiles F ausgeübt wird, die größer ist als die Rückstellkraft der Zugfedern 30, verschiebt sich das erste Geberelement 21 relativ zu dem zweiten Geberelement 41, wobei sich währenddessen sowohl die erste Geberscheibe 20 als auch die zweite Geberscheibe 40 in Richtung des mit D bezeich­ neten Pfeiles drehen. In diesem Falle detektiert der erste Sensor 71 später ein Signal als der zweite Sensor 72. Durch diese Zeitverschiebung kann die Drehverstellung der ersten Geberscheibe 20 relativ zur zweiten Geber­ scheibe 40 ermittelt und in einer (nicht dargestellten) Steuerschaltung auf die auf das Pedal ausgeübte Tretkraft F geschlossen werden.

Da für die Einschaltung beispielsweise eines Hilfsmotors nicht nur die Tretkraft F erfaßt werden muß, sondern auch die Drehgeschwindigkeit des Antriebselementes, wird durch das von dem ersten und/oder zweiten Sensor 72 ausgegebene Signal auch die Drehgeschwindigkeit der ersten Geber­ scheibe 20 und/oder der zweiten Geberscheibe 40 erfaßt. Sobald auf das Pedal eine geringere oder gar keine Kraft ausgeübt wird, wird die erste Geberscheibe 20 durch die Zugfedern 30 zurückgestellt und es resultiert keine zeitliche Verschiebung der von dem ersten Sensor ausgege­ benen Signale relativ zu dem zweiten Sensor, wobei sich die beiden Geberscheiben 20, 40 zusammen mit den Tretkur­ beln 10 aber weiter drehen können, so daß die Drehge­ schwindigkeit weiter erfaßt werden kann.

Eine andere (nicht dargestellte) Ausführungsform sieht vor, daß die erste und zweite Geberscheibe jeweils Öffnungen gleicher Gestalt aufweisen, die bei verschwin­ dender Kraft übereinanderliegen und sich unter Ver­ ringerung des freien Öffnungsquerschnitts gegeneinander verschieben, wenn auf das Pedal eine Kraft F ausgeübt wird. Mit einem Sensor kann beispielsweise die Größe des Öffnungsquerschnitts erfaßt werden und über diese Größe auf die auf das Pedal 11 ausgeübte Kraft F geschlossen werden.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Erfassung der Antriebskraft eines durch Muskelkraft betriebenen Geräts, insbesondere eines Fahrzeugs, gekennzeichnet durch wenigstens ein an dem Gerät angeordnetes erstes Positionsmittel und wenigstens ein auf dieses angepaßtes, entgegen der Rückstellkraft wenigstens eines Rückstellmittels relativ zu dem ersten Positionsmittel durch ein Antriebselement des Geräts bewegliches zweites Positionsmittel und wenigstens ein Sensormittel zur berührungslosen Detektion der Position des ersten und/oder zweiten Positionsmittels und zur Ausgabe eines positionsabhängigen Signals.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Positionsmittel eine erste Geber­ scheibe (20) ist, daß das zweite Positionsmittel eine zweite Geberscheibe (40) ist, und daß das Sensor­ mittel wenigstens einen mit der ersten und zweiten Geberscheibe (20, 40) zusammenwirkenden Sensor aufweist, der kontinuierlich oder in kurzen zeitli­ chen Folgen sowohl die Drehverstellung der zweiten Geberscheibe (40) relativ zur ersten Geberscheibe (20) als auch die Drehgeschwindigkeit der ersten Geberscheibe (20) und/oder der zweiten Geberscheibe (40) erfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Geberscheibe (20) einer Tretkurbel (10) eines Fahrrads zugeordnet ist, und daß die zweite Geberscheibe (40) dem von der Tretkurbel (10) antreibbaren Antriebselement zugeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Geberscheibe (20, 40) koaxial zur Tretkurbellagerachse und benachbart zueinander angeordnete Kreisscheiben sind, die jeweils wenigstens ein mit dem wenigstens einen Sensor zusammenwirkendes Geberelement (21, 41) aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Geberscheibe (20, 40) jeweils mehrere, in Tangentialrichtung symmetrisch angeordnete Geberelemente (21, 41) aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Geberelemente (21, 41) der ersten und zweiten Geberscheibe (20, 40) jeweils mit einem, jedem Geberelement (21, 41) zugeordneten ersten und zweiten Sensor (71, 72) zusammenwirken.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberelemente (21) der ersten Geberscheibe (20) auf Vorsprüngen angeordnet sind, die auf den ersten Sensor (71) ausgerichtet sind, und daß die Geberelemente (41) der zweiten Geberscheibe (40) auf Vorsprüngen angeordnet sind, die durch Öffnungen (43) in der ersten Geberscheibe (20) ragen und auf den zweiten Sensor (72) ausgerichtet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Geberelemente (21, 41) der ersten und zweiten Geberscheibe (20, 40) Öffnungen sind, die von einem Sensor detektiert werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Rückstellmittel wenigstens eine Feder definierter Vorspannung vorgesehen ist, deren eines Ende an der ersten Geberscheibe (20) und deren anderes Ende an der zweiten Geberscheibe (40) befestigt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in Tangentialrichtung symmetrisch angeordnete Zugfedern (30) vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (71, 72) Hallsensoren sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (71, 72) induktive oder kapazitive Sensoren sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement ein Kettenrad eines Ketten­ antriebes ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß das Kettenrad mit der zweiten Geberscheibe (40) eine Einheit bildet.