DE19732272A1 - Fahrradantriebsaggregat mit elektromagnetischer Servounterstützung in tretlagerparalleler Anordnung - Google Patents

Abstract

Vorgestellt wird eine Fahrradantriebseinheit mit integriertem Drehmomentsensor und Zusatzantriebsmotor, wobei sich das Fahrradantriebsaggregat dadurch auszeichnet, daß eine Zwischenwelle zur Drehmomentmessung mit der Innenlagerwelle, die mit einem Hohlrad oder einer Kette verbunden ist, in gleicher Drehrichtung wie die Innenlagerwelle in Eingriff steht und diese Zwischenwelle gleichzeitig die Abtriebswelle bildet und sich am Innenlager befindet, jedoch nicht zentrisch zur Innenlagerachse.

Description

Vorgestellt wird eine Fahrradantriebseinheit mit integrier­ tem Drehmomentsensor und Zusatzantriebsmotor.

Bei dem vorgestellten Antriebsaggregat wird die vom Fahrer über den Tretkurbelantrieb in das System abgegebene Lei­ stung durch einen oder mehrere Sensoren ermittelt, die mit einem Steurerrechner verbunden sind. Der Steuerrechner wer­ tet die Signale aus und ermittelt die Leistungssteuergröße für die motorische Antriebsmaschine.

Bekannt sind die Anmeldungen EP 0 7432 238 A1, A US-A-4 026 375 (B62M23/02) und EP-A-0 636 537.

Heute bekannt sind Fahrräder mit elektrischer Hilfskraftun­ terstützung und dem Innenlager zugeordneten Motoren von zahlreichen Herstellern wie von Honda, Yamaha, Suzuki, GT und Panasonic. Alle diese Systeme haben die Gemeinsamkeit, daß zur Leistungsermittlung des Fahrradkurbeltriebs die In­ nenlagerwelle mit einem zur Innenlagerwelle paralell ange­ ordneten Getriebe, meits in der Ausführung als Umlaufge­ triebe, versehen wird.

Dieses Getriebe wird zur Messung des Drehmoments genutzt. An diesem Meßgetriebe wird das Abstützmoment eines Zahnrad­ satzes oder das Haltemoment eines Hohlrades gemessen. Bei Yamaha ist dieses Getriebe in Form eines Planetengetriebe und bei Honda in Form eines Stirnradgetriebe ausgeführt.

Diese Systeme haben den Nachteil, daß sie durch das Drehmo­ mentmeßgetriebe sehr raumaufwendig und schwer bauen. Sy­ stembedingt ist durch diese zusätzliche Kraftumleitung über Übersetzungsstufen ausschließlich zu Meßzwecken eine Ver­ schlechterung des Wirkungsgrades verbunden.

Weiter sind Systeme bekannt, die das Drehmoment direkt im Innenlager messen. Nachteilig bei diesen Systemen ist die fertigungstechnisch anspruchsvolle Fertigung und die auf­ wendige Messung aufgrund der geringen erreichbaren Maxi­ malspannung.

Aufgabe der Erfindung ist also ein raumsparendes, leichtes und effizientes Antriebsaggregat zu schaffen, das eine ein­ fach zu fertigendes Leistungsmessungssystem mit einer guten Auflösung integriert hat.

Der vorgestellte Fahrradantrieb mit zwei Antriebsquellen besteht aus einem Gehäuse, in dem der Kurbelantrieb und der motorische Hilfsantrieb auf ein gemeinsames, koaxial zur Innenlagerwelle angeordnetes Abtriebsritzel wirken.

Beide Antriebsquellen wirken in einem bestimmten tretkur­ belwinkelabhängigen Verhältnis auf den gemeinsamen Abtrieb. Die Regelgröße für die Leistungssteuerung des Zusatzan­ triebsmotors ist die in den Kurbeltrieb über die Pedale eingebrachte Leistung des Fahrers. Da der Gesetzgeber vor­ gesehen hat, daß bei Power assisted Bikes (PAS-Fahrräder) anstatt einer manuellen Leistungsregulierung diese Leistung des Kurbelantriebs zur Leistungsregulierung des Gesamtan­ triebs herangezogen wird, muß das Drehmoment des Kurbel­ triebs detektiert werden.

Dazu wird erfindungsgemäß eine koaxial zur Innenlagerwelle angeordnete Meßwelle mit Drehmomentsensor eingesetzt. Die­ ser Drehmomentsensor ist paralell zur Innenlagerwelle ange­ ordnet, und somit frei von Biegekräften des Kurbelantriebs. Weiter erstreckt sich der Sensor über die gesamte Breite des Antriebsgehäuses und hat somit eine ausreichende Bau­ länge, die es ermöglicht, bei einer begrenzten Materi­ alspannung einen Torsionsbetrag zu erreichen, der ausrei­ chend zur Erzeugung eines signifikanten Signales ist. So kann das Drehmoment mit einer ausreichend großen Auflösung gemessen werden.

Im Antriebsgehäuse ist die Innenlagerwelle (6, 12) in Wälz­ lagern gelagert. Auf der Innenlagerwelle ist ein Hohlrad (13) in Kurbelrichtung drehfest über einen Klemmkörperfrei­ lauf mit der Innenlagerwelle verbunden. Auf der achspara­ lell angeordneten Sensorwelle (14, 4) ist ein Stirnrad auf­ gepreßt, welches sich mit dem Hohlrad der Innenlagerwelle in Eingriff befindet.

Durch diese Lösung der Kraftübertragung mit dem Hohlrad wird erreicht, daß die Drehrichtung des Abtriebsritzels (9, 3) der Drehrichtung der Innenlagerwelle entspricht. Wei­ ter wird eine kompakte Bauart erreicht, weil beide Wellen weiter zusammenrücken.

Durch diese erfinderische Lösung wird außerdem eine höhere Drehzahl der Drehmomentmeßwelle erreicht. Da Abtriebswelle und Meßwelle identische sind, wird die Abtriebsdrehzahl schneller und der gesamte Antrieb kann leichter ausgeführt werden.

Gleichzeitig kommt ein kleines Abtriebskettenritzel zum Hinterrad zur Anwendung. Die Übersetzung der Abtriebsdreh­ zahl, damit ein kleineres Abtriebsritzel zur Anwendung kom­ men kann ist Grundlage der Erfindung, da der Abtrieb nicht kozentrisch zur Innenlagerwelle sonder achsparalell ist, muß aus räumlichen Gründen ein kleineres Abtriebsritzel zur Anwendung kommen.

Durch das kleine Antriebsritzel wird der Durchstieg am Fahrrad niedriger und es kann ein kompakter Kettenschutz montiert werden.

Wichtigster Vorteil ist jedoch, daß die Drehmomentspitzen im Antriebsstrang und an der Meßwelle flacher werden und somit eine bessere Auflösung der Meßeinheit erreicht wird.

Am gegenüberliebenden Ende der Torsionswelle wird der Zu­ satzantriebsmotor über einen Zahnradsatz oder über ein Um­ schlingungsgetriebe (7, 8), vorteilhaft über eine Zahnkette in Eingriff gebracht. Durch diese Anordung wird eine Hyste­ rese bei der Messung des Drehmoments im Kurbeltrieb durch die Antriebsleistung des Zusatzmotors verhindert. Der Motor wird an dem Ende der Sensorwelle, die dem Eingriff zur In­ nenlagerwelle gegenüberliegt mit einem Zahnradtrieb oder einem Kettentrieb auf die Sensorwelle, die gleichzeitig Ab­ triebswelle ist, zum Eingriff gebracht.

Bei dieser Bauweise ist der Motor das am weitesten von der Tnnenlagerwelle entfernte Baumodul des Antriebs.

Durch diese Anordnung und gekröpfte Tretkurbeln kann der Motor auf der dem Abtrieb abgewandten Seite wesentlich län­ ger ausgeführt werden. Durch die asymmetrische Bauweise wird bei einer gegebenen Kettenlinie eine optimale Baulängenaus­ nutzung für den Antriebsmotor erreicht.

In einer weiteren Ausführung ist auf die Meßwelle das Ab­ triebsritzel zum Hinterrad vom Zentrum aus gesehen vor dem Vorgelege des Antriebsmotors aufgebracht. Durch diese räum­ liche Anordnung wird erreicht, daß ohne die Kettenlinie zu verändern, der Antriebsmotor in einer größeren Baulänge ausgeführt werden kann.

Der Abtrieb zum Hinterrad erfolgt über ein Umschlingungsge­ triebe in Form einer Kette oder eines Riemens.

Auf der Motoreingriffseite der Torsionswelle befindet sich außerdem das Abtriebsritzel für den Kettenantrieb zum Hin­ terrad.

Im Gegensatz zu heutigen Fahrrädern wird bei der Konstruk­ tion, der die Erfindung zugrunde liegt eine höhere Ab­ triebsdrehzahl des Hinterradritzels erreicht. Aus diesem Grunde ist die Hinterraddrehzahl in Abhängigkeit der Ver­ wendeten Reifengröße ähnlich schnell wie das Antriebsritzel und es können am Hinterrad größere Ritzel eingesetzt wer­ den, was der Verwendung eines Riementriebs zum Hinterrad entgegenkommt.

In einer weiteren Ausführung können Sensorwelle und Motor koaxial angeordnet sein.

Dann kommt ein Hohlwellenmotor z. B. ein Außenläufermotor oder Scheibenläufermotor zum Einsatz und die Sensorwelle befindet sich in dessen Zentrum. Bei dieser Ausführung kann der Antriebsmotor mit einem Planetengetriebe zur Drehzahl­ reduzierung ausgerüstet sein. Die Ankoppelung des Motors an die Sensorwelle über Zahnradgetriebe oder Kettengetriebe kann bei dieser Ausführung entfallen.

In einer weiteren Ausführung ist der Motor zentrisch über der Innenlagerwelle angeordnet.

Jedoch kann der Antrieb der Innenlagerwelle auf den Sensor über ein Hohlrad durch ein Umschlingungsgetriebe ersetzt werden. Dies ist dann vorteilhaft, wenn wegen der kurzen Baulänge ein Motor mit einem sehr großen Durchmesser zur Anwendung kommen muß.

Der Motor wird i. a. mit einem einstufigen Planetengetriebe in der Drehzahl reduziert. Die zweite Reduktionsstufe ist die Übertragung der Motorleistung auf die Sensorwelle durch Umlauf- oder Zahnradgetriebe.

Bei der Ausführung mit dem koaxialen Sensor im Hohlraum des Antriebsmotors entfällt die Übertragung von der Motorwelle auf die Sensorwelle und der Motor ist mit einer zweiten Re­ duktionsstufe ausgerüstet.

In den oben beschriebenen Ausführungen kommen prinzipiell dieselben Sensoren zum Einsatz. Die beschriebenen Lösungen ermöglichen eine berührungsfreie Messung ohne Signalüber­ tragung durch Schleifkontakte.

Die erfinderische Lösung sieht einen magnetoelastischen Sensor vor. Vorteilhaft bei der gezeigten Lösung ist, daß die hohe Materialspannung der dünnen Meßwelle den Einsatz von Permanentmagneten bei der magnetoelastischen Messung ermöglichen, wobei mit wesentlich geringerer Leistung ge­ messen werden kann.

Die Meßwelle ist aus magnetoelastischem Material gefertigt oder solches ist dort appliziert. Bei Anliegen einer Torsi­ onsspannung ändert sich die Permeabilität im magnetoelasti­ schen Material. Der Effekt kann zusätzlich verstärkt sein, indem durch Oberflächenausformung eine Meßsektion der Zugs­ pannung und eine Meßsection der Druckspannung ausgebildet ist. Unter Zugspannung entsteht ein geringerer Flußwider­ stand, in der Zone der Druckspannung entsteht ein größerer Flußwiderstand. Durch eine um die Meßwelle gelegte Erreger­ spule wird Wirbelstrom in die beiden Sektionen der Meßwelle induziert und durch eine Empfängerspule empfangen. In Ab­ hängigkeit der durch die Torsion hervorgerufenen Materi­ alspannung entsteht so ein drehmomentproportionales Poten­ tial.

In einer weiteren Ausführung kann die Torsion der Meßwelle durch einen Signalgeber und einen Referenzgeber jeweils am Anfang und am Ende der Meßwelle detektiert werden.

Dabei kommen wahlweise oder in Kombination miteinander ver­ schiedene physikalische Meßverfahren in Frage.

Bekannt und deshalb hier nicht nochmals beschrieben sind optische Encoder und Resolver.

Nicht Stand der Technik bei der Torsionsmessung sind jedoch magnetisch vorgespannte Ringe zur Messung der drehmoment­ proportionalen Torsion. Bei der magnetischen Drehmomentmes­ sung werden vorgespannte Magnetringe, meist 3 analog dem 3- spurig magnetisierten Magnetband bei der magnetischen Line­ armessung auf die Meßwelle appliziert und mittels Ma­ gnetsensoren an beiden Enden der Meßstecke die drehmoment­ proportionale Torsion detektiert. Die Auswertung erfolgt in der Logik der Resolvertechnologie.

Erfindungsgemäß kann über der Meßwelle auch induktiv die drehmomentproportionale Torsion ermittelt werden. An beiden Enden der Meßwelle werden zwei sich überschneidende perfo­ rierte Hülsen aus leitfähigem Material drehfest angebracht. Bei Torsion der Meßwelle verändert sich die Überdeckung der Perforation in den übereinandergeschobenen Hülsen. Diese Flächenänderung verursacht eine Änderung in der Induktivi­ tät der beiden Hülsen. Eine Induktionsspule über der Welle induziert einen Wirbelstrom in die Hülsen der durch eine koaxiale Empfängerspule detektiert wird. Dabei wird ein drehmomentproportionales Potential erzeugt.

In einer weiteren Ausführung kann die drehmomentproportio­ nale Torsion auch kapazitiv erfaßt werden. Dies kann zum einen berührungslos erfolgen. Analog der induktiven Metho­ des wird dabei eine sich verändernde Fläche zweier perfo­ rierter Büchsen gemessen, jedoch wird am Außenumfang und am Innenumfang je eine Spule appliziert.

In einer weiteren Ausführung ist der Antrieb mit einer Drehmomentmeßeinheit mit Übertragung der Torsion auf einen Dreh- oder Lineargeber ausgestattet.

Über ein Ende der torsionselastischen Meßwelle ist ein tor­ sionssteife Büchse zur Übertragung der Torsionsverdrehung auf die gegenüberliegende Seite aufgebracht. Am gegenüber­ liegenden Ende der Meßwelle ist eine kurze Kugelspindel übergeschoben.

Unter Torsionsbelastung der Meßwelle eine Relativbewegung zwischen Rückführungsbüchse und Kugelspindel auf. Die Ver­ drehung der Kugelspindel verursacht eine axiale Bewegung der Kugelspindel. Die Kugelspindel ist an ihrem Außenumfang mit einer Nut versehen. In diese Nut greift der Mitnehmer eines Drehpotentiometers. Unter Torsionsspannung erzeugt die Meßwelle eine drehmomentproportionale Linearbewegung, die vom Drehpotentiometer in ein Signal umgesetzt und zum Steuerrechner geleitet wird.

Das durch den Drehmomentsensor ermittelte Signal wird im Steuerrechner mit einem kurbeldrehwinkelabhängigen Faktor versehen. Auf diese Weise wird der unharmonische Kraftein­ trag des Tretkurbelantriebs nicht verstärkt sondern weitge­ hend ausgeglichen und es liegt eine gleichmäßige material­ schonende Antriebskraft auf dem Antriebsstrang.

Die kurbeldrehwinkelabhängige Modulation des Drehmomentsi­ gnales kann auch bei der Generierung desselben erfolgen. Erfindungsgemäß sind dabei die aktiven Teile des jeweilgen Sensors über den Umfang derart moduliert, daß ein drehwin­ kelabhängiges Drehmomentsignal schon bei der Generierung desselben entsteht. Beim magnetoelastischen Sensor kann ge­ nau wie beim induktiven Sensor und beim kapazitiven Sensor zum Erreichen der drehwinkelabhängigen Signaabschwächung bzw. Signalverstärkung entweder die Spule so gewickelt, ge­ druckt oder appliziert werden, daß der signalerzeugende Teil auf der rotierenden Walze beim magnetoelastischen Sen­ sor vorzugsweise die Oberflächenstruktur über die Volldre­ hung zu einem wechselnden Überdeckungsgrad mit der Erreger- und Empfängerspule kommt.

Dieselbe Wirkung wird analog beim induktiven Sensor und beim kapazitiven Sensor erzeugt.

Gleichzeitig zum mit der Spule alternierenden Überdeckungs­ grad muß jedoch auch auf dem rotierenden Teil auf der Welle das Muster, im Falle des magnetoelastischen Sensors die Oberflächenstruktur und im Falle der induktiven und kapazi­ tiven Sensoren die Perforation so appliziert sein, daß eine sich ergänzende Überdeckung erreicht wird, da sonst keine drehwinkelabhängige Modulation erzielt werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Motorritzel

2

Zwischenwellenritzel

3

Abtriebsritzel ans Hinterrad

4

Meßwelle

5

Innenlagerabtriebsritzel

6

Innenlagerwelle

7

Motorritzel

8

Meßwellenritzel

10

Abtriebsritzel

11

Meßwelle

12

Innenlagerwelle

13

Innenlagerabtriebszahnrad

14

Meßwellenzahnrad

Claims (24)

1. Fahrradantriebsaggregat dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenwelle zur Drehmomentmessung mit der Innenlager- Welle, die mit einem Hohlrad oder einer Kette verbunden ist, in gleicher Drehrichtung wie die Innenlagerwelle in Eingriff steht und diese Zwischenwelle gleichzeitig die Abtriebswelle bildet und sich am Innenlager befindet, je­ doch nicht zentrisch zur Innenlagerachse.

2. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Antriebsmotor in einer Ebene vor der Meßwelle angeordnet ist.

3. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Vorgelege des Antriebsmotors sich räum­ lich weiter außen befindet als das Abtriebsritzel zum Hinterrad.

4. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich der Antriebsmotor koaxial über der Sensorwelle befindet.

5. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich der Antriebsmotor koaxial über der In­ nenlagerwelle befindet und mit der Meßwelle in Eingriff steht.

6. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßwelle aus magnetoelastischem Materi­ al gefertigt ist, die von einem Wirbelstomfeld induziert ihren Fluß unter Torsionsspannung ändert.

7. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf die magnetoelastische Meßwelle eine über den Umfang in axialer Richtung sich ändernde Ober­ flächenstrukturierung appliziert ist.

8. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spulen über der magnetoelastischen Wel­ le in axialer Richtung über den Umfang mäandrieren.

9. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die magnetoelasische Welle aus permanentma­ gnetischem Material gefertigt ist, die ihren Fluß unter Torsionsspannung ändert.

10. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die permanentmagnetisch elastische Welle über ihren Umfang zur Signalerzeugung und Signalverstär­ kung eine in axialer Richtung auslenkende Strukturierung aufweist.

11. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über der permanentmagnetischen Welle coa­ xial Erreger- und Empfängerspulen angeordnet sind, die mäandrieren.

12. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an jedem Ende einer elastischen Messwelle zwei Scheiben mit sich überdeckenden Perforationen dreh­ fest verbunden sind, so daß diese Überdeckung unter Tor­ sionsspannung der Meßwelle sich ändert.

13. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Spulen und Scheibenperforationen in axialer Richtung über ihren Umfang mäandrieren und so eine alter­ nierende Überdeckung erzeugen.

14. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßwelle mit einem oder mehreren opti­ schen Encoder zur Erzeugung eines Positionssignals und ei­ nes Referenzsignals ausgestattet ist.

15. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßwelle mit einem oder mehreren Resol­ vern zur Erzeugung des Positionssignals und des Referenz­ signals ausgestattet ist.

16. Fahrradantriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßwelle mit magnetisch vorgespannten Ringen versehen ist, auf die Signalspuren aufmagnetisiert sind, mittels derer über einen Lesekopf in Resolvertech­ nik ein Positionssignal und ein Referenzsignal erzeugt werden kann.

17. Fahrradantriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßwelle mit zwei an beiden Enden dreh­ fest angebrachten sich überdeckenden, durchbrochenen Hül­ sen versehen ist, die durch einen Wirbelstrom induziert durch ihre unter Torsionsspannung sich verändernde Flä­ chenüberschneidung ein drehmomentproportionales Signal erzeugen.

18. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hülsen mit über den Umfang in axialer Richtung ungleich verteilten Signalen versehen sind.

19. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die koaxial über den Hülsen angeordneten Spulen in axialer Richtung mäandrieren.

20. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei sich überdeckende Hülsen, die von bei­ den Seiten über eine Meßwelle geschoben werden über ein Feld erregt werden und durch die sich unter Torsionsspan­ nung verändernde Überschneidung ein kapazitiv ein sich veränderndes torsionsproportionales Signal erzeugt wird.

21. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei sich überdeckende Scheiben an je einer Seite einer elastischen Meßwelle drehfest verbunden sind und so Perforationen zur Überdeckung bringen, deren Öff­ nungsfläche sich bei der Torsionsdrehung drehmomentpro­ portional ändern und beidseitig mit je einer Sende- und Empfangsspule zur Erzeugung eines kapazitiven drehmoment­ proportionalen Signals ausgestattet sind.

22. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden sich überdeckenden Scheiben mit axial mäandrierenden Signalperforationen und axial mäan­ drierenden Spulen zur drehwinkelabhängigen Überdeckung ausgestattet sind.

23. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßwelle unter Torsionsverformung über eine Kugelspindel eine Linearbewegung verursacht, die axial von einem Mitnehmer abgegriffen und von einem nach­ geschalteten kapazitiven, induktiven, magnetostriktiven oder dgl. mehr Sensor in ein drehmomentproporionales Si­ gnal umgewandelt wird.

24. Fahrradantriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Betrag der Leistung des Tretkurbelan­ triebs mit einem tretkurbelwinkelabhängigen Faktor auf die Weise moduliert wird, daß der Zusatzantriebsmotor ausgleichend auf die Antriebskraftentfaltung wirkt.