-
Hintergrund
-
Im Gebiet des Fahrradtrainings und -rennens kann eine Anzahl von objektiven und subjektiven Kriterien dazu benutzt werden, das Niveau und die Qualität der Leistungsfähigkeit eines Radfahrers bei einem bestimmten Ereignis oder bei Trainingsaktivität zu bewerten. Diese Kriterien können dazu benutzt werden, die Gesamtleistungsfähigkeit durch das Trainingsniveau des Radfahrers sowie die Fähigkeit des Radfahrers in Bezug auf bestimmte Übungsaspekte oder -typen zu bestimmen oder zu schätzen. Diese Kriterien können auch dazu benutzt werden, den Grad zu bestimmen, um den die gesamte Leistungsfähigkeit oder spezifische Aspekte der Leistungsfähigkeit bei dem Ereignis oder der Trainingssitzung genutzt wurden. Diese Information kann dann verwendet werden, um spezifische Ansätze auf künftige Ereignisse oder Trainingsaktivitäten zuzuschneiden.
-
Da einige der Kriterien, die verwendet werden könnten, subjektiv sind und basierend auf einer Vielzahl von Faktoren fluktuieren können, die ersichtlich sein können aber nicht brauchen, ist es unter Radfahrern zunehmend erwünscht worden, sich auf eine oder mehrere objektive Leistungsfähigkeitsmessungen zu fokussieren. Einer dieser objektiven verwendeten Standards kann die vom Radfahrer erzeugte mechanische Leistung sein, die ermöglicht, dass sich das Fahrrad vorwärts bewegt. Die Geschwindigkeit, mit der sich das Fahrrad bewegt, ist von einem weiten Feld von Umgebungsfaktoren und Ausrüstungscharakteristiken abhängig. Daher könnte die Messung der Reaktion auf die vom Radfahrer erzeugte Leistung die körperliche Arbeitsbelastung nicht repräsentieren, da alle der externen Faktoren in irgendeiner Weise berücksichtigt werden sollten.
-
Durch direktes Messen der erzeugten Leistung anstatt der Reaktion auf die erzeugte Leistung kann ein objektiveres Maß für das vom Radfahrer erzeugte Leistungsniveau ziemlich rasch und leicht bestimmt werden.
-
Herkömmliche Leistungsmesser messen die Leistung hauptsächlich auf drei Wegen: am Kurbelsatz, in der vom Kurbelsatz bewegten Kette oder an der von der Kette angetriebenen Nabe. Auf der Kette beruhende Messungen sind herkömmlich indirekt gewesen und waren allgemein am wenigsten präzise und genau. Die Messung an der Antriebsnabe kann ziemlich genau sein, aber die gemessene Leistung repräsentiert die vom Radfahrer erzeugte Leistung minus etwaigen Antriebsstrangverlusten, die bei der Übertragung der Kraft auf die Nabe auftreten. In einigen Fällen können diese Verluste signifikant sein, und sind von einer Anzahl von externen Faktoren abhängig, wie etwa der Länge und der Qualität der Kette, Lagerungsverlusten, Flexibilität des Fahrrads oder von Komponenten des Antriebsstrangs, und andere Variablen. Diese Variablen können sich über die Zeit oder basierend auf der erzeugten und übertragenen Kraft ändern. Somit muss die Leistungsmessung an der Antriebsnabe auch externe Faktoren berücksichtigen, die unbekannt sein könnten oder zu variabel, um diese genau zu berücksichtigen.
-
Herkömmliche Kurbelsatz-Leistungsmesssysteme können aber einige inherente Ungenauigkeiten oder Betriebsprobleme haben, welche nachfolgend beschrieben werden. Verbesserungen an Fahrrad-Leistungsmesssystemen werden angestrebt.
-
Stand der Technik und Übersicht der Erfindung
-
Die
US 2005/0178210 A1 offenbart Vorrichtungen und Verfahren zur Verwendung bei der Messung einer auf eine Kettenradbaugruppe einer pedalgetriebenen Vorrichtung ausgeübten Last. Die Vorrichtung enthält ein Glied, ausgelegt zur Einfügung zwischen einer Kettenrad-Befestigungsstelle, die an einem herkömmlichen Kettenradträger (oder – gemäß gebräuchlicher Terminologie im Gebiet von Fahrradkomponenten – an einem herkömmlichen „spider” oder „crank spider” (d. h. „Spinne” bzw. Kurbelspinne”, fachsprachlich auch als „Kurbelstern” übersetzbar) angeordnet ist, und einem entsprechenden Kettenrad-Befestigungsort an einem herkömmlichen Kettenrad (oder „Kettenblatt”). Das Glied hat eine Geometrie und/oder eine Materialzusammensetzung, die ausgewählt ist, um die Messung einer Last zu ermöglichen, die zwischen der Befestigungsstelle und dem entsprechenden Kettenrad-Befestigungsort auftritt. Ein Mittel (z. B. ein Dehnungsmesser) zum Messen der hierdurch gezeigten Last ist dem Glied zugeordnet. Bei der Diskussion eines gewissen technischen Hintergrunds wird eine herkömmlicher Ansatz erwähnt, der eine kundenspezifisch bearbeitete Kurbel vorsieht, worin die „Kurbelspinnenfinger” modifiziert sind, um diesen einen gewissen Elastizititätsbetrag zu geben, wobei Dehnungsmesser an den modifizierten „Kurbelspinnenfingern” angebracht sind, um die Durchbiegung und somit die Last an den modifizierten „Kurbelspinnenfingern” zu sensieren und zu messen, wenn der Radfahrer zu treten beginnt.
-
Die
EP 1 154 253 A1 offenbart eine Kraftsensorvorrichtung z. B. für Fahrräder, die ein Radelement und einen Auslenkungssensor aufweist. Das Radelement umfasst einen Nabenabschnitt, einen äußeren Ringabschnitt und eine Mehrzahl von flexiblen Balkenelementen, die die Nabe und den äußeren Ringabschnitt miteinander verbinden, und ausgelegt sind, um sich während der Anwendung eines Drehmoments auf den äußeren Ringabschnitt oder den Nabenabschnitt zu verbiegen. Der Auslenkungssensor, der Piezo-Widerstandselemente aufweist, die an einem Auslegerbalken angebracht oder damit integriert sind, ist zwischen der Nabe und dem äußeren Ringabschnitt angeordnet und dazu ausgelegt, die relative Verlagerung dazwischen zu messen. Es wird vorgeschlagen, das Radelement mit Befestigungsabschnitten an dem äußeren Ringabschnitt oder sich einstückig von diesem weg erstreckend vorzusehen, um das Radelement am Kettenrad (oder „Kettenblatt”) eines Fahrrads anzubringen, so dass das das Kettenrad tragende Radelement als „crank wheel” („Kurbelrad” oder „Kurbelstern” bzw. „Kurbelspinne”) eines Fahrradpedalgetriebes dient.
-
Die
EP 0 386 005 B1 offenbart eine Vorrichtung zum Messen der Kraft, die auf einen Kurbeltrieb des Fahrrad-Tretlagersatzes wirkt, umfassend: a) ein Paar von Kurbeln für die Übertragung des auf die Kurbel wirkenden Drehmoments zu einem Antriebsrad (oder dem „Kurbelstern” oder der „Kurbelspinne”), welchesstattet ist, b) Drehmomentwandler in der Form von Biegeelementen, auf mit einem oder mehreren Kettenrädern (oder „Kettenblättern”) ausge denen Dehnungsmessstreifen aufgebracht sind und die zwischen den Kettenrädern und der Kurbel angeordnet sind, so dass die auf die Kurbel wirkende Kraft über die Biegeelemente auf das Kettenrad übertragen wird, und c) Mittel zum Umwandeln des auf die Kurbel wirkenden Drehmoments in eine Vorwärtsbewegung des Fahrrads. Die Drehmomentwandler wandeln das auf die Kurbel wirkende Drehmoment in ein äquivalentes elektrisches Signal. Gemäß einer in
3 des herkömmlichen Dokuments gezeigten Ausführung dienen Rippen eines verbleibenden Rahmens zwischen in dem Antriebsrad vorgesehenen Öffnungen als Biegeelemente, auf denen die Dehnungsmessstreifen aufgebracht sind. Jedes Biegeelement ist mit einem entgegengesetzten Paar von Dehnungsmessstreifen versehen, von denen einer auf einer vorlaufenden Seite und der andere an einer nachlaufenden Seite des jeweiligen Biegeelements aufgebracht ist.
-
Wenn man annimmt, dass die Dehnungsmessstreifen herkömmliche Dehnungsmessgitter verwenden, offenbart die
EP 0 386 005 B1 eine Eingangsdrehmomentmessvorrichtung für einen Antriebsstrang gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Aufgrund der Anordnung auf den vor- und nachlaufenden Seiten der Biegeelemente werden die Dehnungsmessstreifen oder Dehnungsmesser, die eine gewisse flache Erstreckung haben, die aus der Struktur der Dehnungsmessgitter folgt, im Wesentlichen so orientiert sein, dass sie allgemein orthogonal zu einer Ebene des zumindest einen Kettenrads sind.
-
Da sie an den vorlaufenden und nachlaufenden Seiten der Biegeelemente angeordnet sind, reagieren die Dehnungsmesser gut auf das Drehmoment, welches auf die Kurbel wirkt. Jedoch ist dieser Ort ungünstig, um Leitungsdrähte zu verlegen, noch führt er unmittelbar zu einer einfachen Anordnung oder Konstruktion des Messgeräts.
-
Im Hinblick auf das Vorstehende gibt die Erfindung eine Eingangsdrehmomentmessvorrichtung für einen Antriebsstrang eines Fahrrads an, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Bevorzugte Ausführungen sind in den Unteransprüchen definiert.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Die beigefügten Zeichnungsfiguren, die enthalten sind und Teil der Beschreibung darstellen, veranschaulichen verschiedene Aspekte der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Eine Kurzbeschreibung der Figuren ist wie folgt:
-
1 ist eine Perspektivansicht eines Fahrradkurbelsatz-Kettenradträgers gemäß der vorliegenden Offenbarung.
-
2 ist eine Kettenradträger- und Kettenradbaugruppe gemäß der vorliegenden Offenbarung, enthaltend den Kettenradträger von 1 und darstellend eine Anordnung von Lasten, die auf das innere Kettenrad wirken.
-
3 ist eine Perspektivansicht einer ersten alternativen Ausführung eines Kettenradträgerarms eines Fahrradkurbelsatzes mit seitlich angebrachten Dehnungsmessern gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei die erste alternative Ausführung keine Ausführung gemäß der Lehre von Anspruch 1 ist und nur zu Vergleichszwecken angegeben ist.
-
4 ist eine Perspektivansicht einer zweiten alternativen Ausführung eines Kettenträgerarms eines Fahrradkurbelsatzes mit an einem Schersteg angebrachten Dehnungsmessern gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei die zweite alternative Ausführung eine Ausführung gemäß der Lehre von Anspruch 1 ist.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Nachfolgend wird auf zwei unterschiedliche Ansätze von Leistungsmessern oder Messvorrichtungen Bezug genommen oder beschrieben, die in Fahrradkurbelsätzen enthalten sind. Ein erster Ansatz, auf dem die vorliegende Erfindung beruht, enthält ein System mit Messelementen, die in den gemäß üblicher Terminologie auch als „Spinne” („spider”) oder „Stern” bezeichenbar Kettenradträger integriert sind, also in jenen Abschnitt des Kurbelsatzes, der den Kurbelarm und die Kettenräder (oder „Kettenblätter”; im Englischen: „chain rings”, d. h. „Kettenringe”) verbindet. Ein zweiter alternativer Ansatz enthält ein System, das Messelemente in den Kurbelarm integriert. Der zweite Ansatz wird im Folgenden nicht im näheren Detail betrachtet.
-
Ein Fahrradkurbelsatz, wie er in dieser Offenbarung verwendet wird, bezieht sich auf eine Baugruppe von entgegengesetzten Kurbelarmen, die über ein Tretlager an einem Fahrrad drehbar gelagert sind. Eine erste Seite des Kurbelsatzes enthält einen Kurbelarm, der an einem äußeren Ende zum Anbringen eines Pedals ausgelegt ist und am entgegengesetzten Ende zur Verbindung mit dem Tretlager ausgelegt ist. Dies ist typischerweise der linke Kurbelarm.
-
Eine zweite Seite des Kurbelsatzes enthält einen Kurbelarm, der ebenfalls dazu ausgelegt ist, am äußeren Ende ein Pedal anzubringen, und ausgelegt ist, um am entgegengesetzten Ende mit dem Tretlager verbunden zu werden. Die zweite Seite des Kurbelsatzes kann auch einen Kettenradträger („spider”) 100 enthalten, wie er etwa in 1 gezeigt ist, woran ein Kettenrad (Kettenblatt) angebracht werden kann oder der einstückige Zähne in Eingriff mit einer Fahrradantriebskette aufweisen kann. Ein typischer Kettenradträger kann vier oder fünf Kettenradträgerarme („spider arms”, d. h. „Spinnenarme”) haben, typischerweise mit gleichem Abstand voneinander, wobei ein Kettenrad am Ende der Kettenradträgerarme angebracht ist und typischerweise mittels eines Bolzens in jedem Kettenradträgerarm befestigt ist. Der Kettenradträger kann mit dem Kurbelarm der zweiten Seite starr verbunden sein. Die Kette oder andere Antriebsstrangkomponenten sind herkömmlich an der rechten Seite eines Fahrrads montiert.
-
Das Tretlager ist typischerweise konfiguriert, um die auf den Kurbelarm der ersten Seite ausgeübte Drehkraft auf den Kettenradträger an der zweiten Seite und auf die Antriebskette zu übertragen. Somit wirkt die gesamte Kraft, die vom Radfahrer mittels dieses Kurbelsatzes erzeugt wird, auf zumindest einen der Kurbelarme und wird auch durch den Kettenradträger übertragen, um die Kraft auf die Antriebskette auszuüben und diese zu bewegen.
-
Beide Ansätze können die Ausgangsleistung eines Radfahrers berechnen, indem sie die auf die Kurbeln wirkende Drehmomentlast und die Kurbelwinkelgeschwindigkeit messen. Die Kurbelwinkelgeschwindigkeit kann leicht mit zahlreichen Sensorkonstruktionen gemessen werden, wohingegen die einwirkende Drehmomentlast eine höhere Herausforderung darstellt. Beide Ansätze, die hierin beschrieben oder auf die hierin Bezug genommen wird, verwenden ein Federelement, das in den Kurbelsatz integriert ist und sich unter einer gegebenen Last um einen vorhersagbaren Betrag verformt, und eine Dehnungsmessanordnung zum Messen des Verformungsbetrags.
-
Der Kettenradträger-Ansatz
-
Beim Treten übt ein Radfahrer eine Drehmomentlast zwischen den Kettenrädern und dem Kurbelarm aus. Bei dem „Kettenradträger”-Ansatz kann jeder Arm des Kettenradträgers mit Dehnungsmessern ausgestattet sein, um den Verformungsbetrag zu messen, der unter Last in jedem Kettenradträgerarm auftritt. Auch ist eine Last zwischen der Kette und dem Kettenrad vorhanden, welche auf das Kettenrad in einem örtlichen Bereich am oberen Kontaktpunkt einwirkt, (wenn man eine typische Hinterrad getriebene Fahrradanordnung annimmt, wobei der Kurbelsatz vor der hinteren Nabe angebracht ist). Weil die Kettenlast örtlich einwirkt und das Kettenrad nicht perfekt starr sein könnte, könnte die Biegelast auf jeden der Kettenradträgerarme zu jedem gegebenen Zeitpunkt nicht gleichmäßig verteilt werden, wenn der Radfahrer auf den Kurbelsatz eine Kraft ausübt.
-
Daher könnte jeder der Kettenradträgerarme nach Bedarf instrumentiert werden. Weil die Kettenradträgerarme die einzigen Teile sind, die die Kettenräder mit dem Kurbelarm verbinden, ergibt die Summe der Last auf die Kettenradträgerarme die Gesamtlast zwischen dem Kurbelarm und den Kettenrädern. Übrigens gibt es verschiedene Verfahren zur Summierung der Lasten, einschließlich der Einzelmessung jedes Arms und der Summierung in eingebetteter Software oder der elektrischen Summierung mit einer besonderen Anordnung der Dehnungsmesser, wie nachfolgend beschrieben.
-
Alternativ könnten weniger als alle der Kettenradträgerarme instrumentiert werden, und es könnte ein bestimmter Algorithmus verwendet werden, um die Kraft oder Last, die auf die nicht instrumentierten Kettenradträgerarme einwirkt, zu berechnen oder zu interpolieren. Die vom Radfahrer erzeugte Leistung könnte während des Drehens variieren, und diese Varianz könnte tendenziell etwa bei jeder Drehung des Kurbelsatzes zyklisch sein. Die Eigenschaften der Spitzen und Täler der erzeugten Kraft könnte für jeden Radfahrer typisch sein, und diese Variationen machen es schwierig, die erzeugte gesamte Kraft oder Leistung zu schätzen, wenn weniger als alle der Kettenradträgerarme instrumentiert sind. Jedoch könnte eine Annahme zu einem typischen Radfahrerzyklus der ausgeübten Kraft verwendet werden, oder es könnten bestimmte Parameter für jeden Radfahrer bestimmt werden und in dem Algorithmus verwendet werden. Um solche Algorithmen und die notwendigen Annahmen oder Vorabanalysen zu vermeiden, um eine erhaltene Ausgangsleistung zu berechnen, könnte es besonders wünschenswert sein, gleichwohl nicht notwendig, Messelemente in jedem der Kettenradträgerarme der Kurbel vorzusehen.
-
Dehnungsmesser-Anordnung
-
Im oben allgemein beschriebenen Kettenradträger-Ansatz werden bevorzugt nur jene Lasten, die in der Ebene der Kettenradträger wirken, zur Leistungsberechnung gemessen. Die Kettenlinie liegt angenähert niemals exakt in dieser Ebene, da sich die Kettenlinie in Abhängigkeit von der Gangwahl und der Anordnung der den Antriebsstrang darstellenden Komponenten verändert. Dieser Versatz der Kettenlinie kann eine seitliche Last auf den Kettenradträgerarm erzeugen (in der axialen Richtung des Tretlagers). Zusätzlich kann der Kettenradträger mehrere Kettenräder tragen. Die Mittelebenen der Kettenräder sind voneinander versetzt und sind von der Mittelebene des Kettenradträgers versetzt. Dies kann ein Drehmoment um die Längsachse des Kettenradträgerarms herum erzeugen.
-
Diese Anordnung von Kräften oder Lasten ist in 2 dargestellt. In 2 ist der Kettenradträger 100 in einem Kurbelsatz 22 eingebaut, mit einem inneren oder kleinen Kettenrad (oder „Kettenblatt”) 24 und einem äußeren oder großen Kettenrad (oder „Kettenblatt”) 26. Beide Kettenräder sind mit dem Kettenradträger 100 am Außenende eines Kettenradträgerarms 28 verbunden. Im dargestellten Kraftbeispiel steht eine Kette mit dem kleinen Kettenrad 24 in Eingriff, und durch den Kettenradträger 100 wird auf die Kette eine Last ausgeübt. Weil die Kette nicht perfekt in der Ebene mit dem Kettenrad ziehen könnte, könnte die ausgeübte Kraft aus einer seitlichen Last und einer normalen Last gebildet sein. Weil zusätzlich das Kettenrad 24 vom Kettenradträgerarm 28 seitlich versetzt ist, erzeugt die ausgeübte Last auch eine Drehmomentlast, wie gezeigt. Bevorzugt wird nur die normale Last gemessen, da dies die mechanische Kraft ist, die das Fahrrad vorantreibt. Gemäß der vorliegenden Offenbarung sollten Dehnungsmesser bevorzugt weder auf die seitliche Last noch auf eine Torsionslast reagieren.
-
Als Hintergrund für die folgende Diskussion der Positionierung von Dehnungsmessern wird ein Überblick über Dehnungsmesser-Verkabelungs- und Messmethoden gegeben. Dehnungsmesser sind im Prinzip Widerstände, deren elektrischer Widerstandswert sich verändert, wenn sie mechanisch verformt werden. Die Änderung im Widerstandswert ist proportional zur Änderung der Länge des Messelements. Um zahlreiche andere Variablen zu kompensieren, die den Widerstandswert beeinflussen können, ist es üblich, Dehnungsmesser in Paaren anzuordnen, so dass unter Last ein Dehnungsmesser komprimiert wird (d. h. der Dehnungsmesser wird verkürzt, was zu geringerem elektrischen Widerstand führt) und der andere unter Zugspannung ist (was bedeutet, dass das Dehnungsmesser gestreckt wird, was zu einem höheren elektrischen Widerstand führt). Der Widerstandswert jedes Dehnungsmessers in dem Paar kann gemessen werden, und das Verhältnis der Widerstandswerte der Dehnungsmesspaare kann mit einer geeigneten elektrischen Schaltung bestimmt werden.
-
Die erste Anordnung ist eine Zugspannungs-/Kompressionsanordnung, wo ein Dehnungsmesser 10 an jeder Seite eines Kettenradträgerarms 12 eines Kettenradträgers 14 angeordnet ist, wie in 3 gezeigt. Der Dehnungsmesser kann auf einer erhabenen Rippe 20 angeordnet sein, welche die Dehnung unter den Dehnungsmesser konzentriert.
-
Diese Anordnung ist ziemlich unkompliziert; die Kettenspannung in der Ebene des Kettenradträgers verbiegt den Arm, was eine Zugspannung unter einem Dehnungsmesser und Kompression unter dem anderen hervorruft. Die seitliche Last kann in jedem Dehnungsmesser aufgehoben werden, weil die neutrale Dehnungsachse in diesem Last-Fall durch die Mitte jedes Dehnungsmessers hindurchläuft, mit Kompression an einer Hälfte und Zugspannung an der anderen. Insgesamt ist der Nettoeffekt auf den Messwiderstand allgemein Null. Auch wird Torsionslast um die Armachse effizient aufgehoben, weil sie allgemein beide Dehnungsmesser gleichermaßen beeinflusst, und das Resultat ist allgemein Null, wenn man das Verhältnis des Widerstandswerts zwischen den Dehnungsmessern misst. Daher erreicht diese entgegengesetzte Anordnung von Dehnungsmessern die gewünschte Messcharakteristiken.
-
Symmetrie kann in dem örtlichen Bereich 16 zwischen der Anordnung des Dehnungsmessers 10 wünschenswert sein, um dieses Verhalten hervorzurufen. Ähnlich wird die Form des Arms 12 über dem unmittelbaren örtlichen Bereich 16 hinaus einen guten Spannungs-”Fluss” in den symmetrischen Bereich 16 zwischen den Messelementen 10 begünstigen, um die Leistungsfähigkeit der Messelemente zu verbessern. Die Leistungsfähigkeit und Funktionsfähigkeit der Konstruktion ist durch die Verwendung finiter Elementanalyse verifiziert worden.
-
Obwohl vom Konzept her vernünftig, gibt es bei dieser Konstruktion Nachteile. Die Dehnungsmesser 10 werden auf einer Außenoberfläche angeordnet, die empfindlich für Beschädigung und nicht leicht schätzbar ist. Ähnlich ist der Ort nicht günstig für die Verlegung von Leitungsdrähten, noch führt sie selbst zu einer einfachen Anordnung des Messelements oder dessen Konstruktion.
-
Eine zweite Dehnungsmessanordnung ist ein Schersteg, wie in 4 dargestellt. In dieser Anordnung kann ein Scher-Dehnungsmesser 118 verwendet werden. Der Scher-Dehnungsmesser 118 kann zwei Dehnungsmessgitter 110 aufweisen, die mit 45° Winkeln auf einem einzigen Messsubstrat einander gegenüberliegen. Wenn der Dehnungsmesser 118 einer Scherspannung ausgesetzt wird, wird ein Gitter 110 komprimiert und das andere Gitter 110 wird gestreckt. Bei der Schersteg-Anordnung kann an jeder Seite eines Kettenradträgerarms 112 eines Kettenradträgers 110 eine Tasche 120 erzeugt werden, die einen dünnen Materialsteg 122 erzeugt, der zwischen den Dehnungsmessern liegt. Ein Paar von Dehnungsmessern 118 kann an entgegengesetzten Seiten des Stegs 122 angeordnet werden, und eine zweite Tasche 120 kann in dem Kettenradträgerarm 112 entgegengesetzt zur der ersten Tasche 120 ausgebildet werden, um einen zum ersten Dehnungsmesser 118 entgegengesetzten zweiten Dehnungsmesser 118 aufzunehmen.
-
Unter einer Kettenlast in der Ebene des Kettenradträgers 112 unterliegt dieser Steg 122 einer Scherspannung. Ein Scherspannungsmesser 118 kann an beiden Seiten des Stegs 122 angeordnet werden. Die Dehnungsmesser 118 können so verdrahtet werden, dass zwei Gitterbereiche 110 (einer von jedem Dehnungsmesser 118 an entgegengesetzten Seiten des Stegs 122) unter Kompression in Reihe miteinander sind und die zwei Gitterbereiche 110 unter Zugspannung in Serie miteinander sind. Der Widerstandswert der Dehnungsmesser in Reihe wird die Dehnung unter jedem der Dehnungsmesser aufmitteln. Seitliche Lasten an dem Kettenträgerarm können die linken und rechten Dehnungsgitter gleichermaßen strecken und komprimieren, und die Wirkung auf das Verhältnis ist allgemein Null. Auch können Torsionslasten um die vertikale Achse des Arms im Wesentlichen aufgehoben werden, wobei in diesem Fall die rechten vorderen und hinteren linken Gitter eine Zugspannung erfahren, wenn die linken vorderen und rechten hinteren komprimiert werden, oder umgekehrt. Jedoch könnte, im Hinblick auf die Verdrahtungsanordnung, der Nettoeffekt dieser Last auf die Widerstandsverhältnisse im Wesentlichen Null sein.
-
Die Funktion und Leistungsfähigkeit dieser Messanordnung von 4 ist sowohl durch finite Elementanalyse als auch Konstruktion und Testen eines körperlichen Prototyps verifiziert worden. Wiederum könnte um den Kettenträgerarm 112 herum Symmetrie erwünscht sein, um die gewünschte Leistungsfähigkeit zu bekommen. Übrigens kann am Boden des Scherstegs ein Schlitz 124 angeordnet sein. Dieser Schlitz 124 erlaubt das Verlegen von Leitungsdrähten von einer Seite des Kettenradträgers 114 zur anderen. Die Anordnung des Schlitzes 124 und die Materialgeometrie zwischen diesem und den Dehnungsmessern 118 kann spezifisch ausgestaltet werden, um die Einwirkung des Schlitzes auf die Dehnungsmessung zu minimieren.
-
Die Schersteg-Anordnung von 4 kann verschiedene Vorteile im Hinblick auf Unterbringung und Konstruktion haben. Die Dehnungsmesser 118 können im Boden der Tasche 120 angeordnet werden, so dass die Tasche den Dehnungsmesser von fünf Seiten her umschließen und schützen kann. Nur die Oberseite liegt frei, welche dann durch Epoxy, Wachs, Urethan, Kunststoff, Silikon oder ähnliche Verkapslungsmaterialien oder eine andere geeignete mechanische Abdeckung abgedeckt werden kann, welche die Tasche 120 auf der Oberseite des Dehnungsmessers füllt. Die Tasche 120 kann benutzt werden, um eine Referenzgeometrie zu erzeugen, die dazu benutzt werden kann, um die genaue und wiederholbare Platzierung der Dehnungsmesser 118 auf dem Kettenradträger 114 zu erleichtern. Auch können die Dehnungsmesser 118 an der Vorder- und Rückseite des Kettenradträgers angeordnet werden, was die Möglichkeit bringt, alle Gitterbereiche für alle fünf Arme auf einem großen Substrat zu integrieren, das auf einmal befestigt werden kann. Dieses gemeinsame Substrat kann die Gesamt-Produktions- oder Kosteneffizienz verbessern.
-
Wie oben erwähnt, ist das vom Radfahrer erzeugte Gesamtdrehmoment um die Tretlagerachse herum gleich der Summe der Drehmomente, die jeder Arm trägt. Auch ist in den obigen Dehnungsmessanordnungen die resultierende Dehnung proportional zum angelegten Drehmoment. Daher ist die Summe der Dehnungen proportional zur Summe der Drehmomente.
-
In Abhängigkeit von der Konstruktion der Elektronik, kann jeder Arm unabhängig gemessen werden, und dann können die unabhängigen Messungen durch Software zusammenaddiert werden, um das Gesamtdrehmoment zu bekommen.
-
Alternativ können die Dehnungsmesser physikalisch miteinander verdrahtet werden, so dass eine Messung vorgenommen werden kann, welche proportional zum Gesamtdrehmoment ist. Insbesondere könnten alle Gitterbereiche an der linken Seite der Kettenradträgerarme miteinander in Reihe verdrahtet sein, und alle Gitterbereiche an der rechten Seite der Kettenradträgerarme könnten in Reihe miteinander verdrahtet sein. Dann kann eine Messung vorgenommen werden, und das Verhältnis von allen linken zu allen rechten ist proportional zum Gesamtdrehmoment.
-
Es können auch zahlreiche alternative Verdrahtungs- und Messanordnungen in Betracht gezogen werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Paarung von Kettenträgerarmen und Messung der Vorderseiten der Kettenträgerarme separat von der Rückseite der Kettenträgerarme. Diese Varianten an den Verdrahtungs- und Messanordnungen können äquivalente Primärergebnisse ergeben, aber jede mag bestimmte Charakteristika besitzen, die sich auf die Messauflösung, Wiederholbarkeit, Präzision sowie Herstellung und zusätzliche Eigenschaften beziehen.
-
Der oben beschriebene Kettenradträger-Ansatz erlaubt die Messung des Drehmoments um die Drehachse herum.
-
In beiden Ansätzen, dem Kettenradträger-basierten Ansatz und dem Kurbelarm-basierten Ansatz, gibt es eine Anzahl von elektrischen Funktionen, die ausgeführt werden könnten. Diese Funktionen und Konstruktionsanforderungen für die Komponenten zum Erreichen dieser Funktionen kann zwischen den beiden Ansätzen ähnlich sein.
-
Es gibt eine Anzahl von elektronischen Funktionen, die an dem Kurbelsatz ausgeführt werden können. Die Dehnungsmesser können mit der Elektronik verbunden sein, um den Widerstandswert der Dehnungsmesser zu messen. Die Dehnungsmesskomponenten können dann mit einem Mikrocontroller verbunden werden, der alle Funktionen steuert und die Daten verarbeitet. Der Mikrocontroller kann dann die Daten zu HF Übertragungskomponenten leiten. Die HF Komponenten übertragen die Daten zu einem Computer, der irgendwo am Fahrrad angebracht ist, z. B., aber nicht notwendiger Weise, an der Lenkstange. Zusätzliche Komponenten können Hall-Effekt Sensoren oder Beschleunigungsmesser zur Trittfrequenzmessung enthalten.
-
Alternativ können Mikrocontroller mit den anderen Komponenten des Leistungsmesssystems verdrahtet sein. Während Drähte empfindlich gegen Beschädigung sind, kann die Beseitigung von elektrischen Komponenten wie etwa der HF Komponenten den Batteriebedarf verringern und die Zuverlässigkeit des Leistungmesssystems verbessern.
-
Ferner wird eine Schaltung benötigt, um die an dem Kettenradträger oder Kurbelarm eingebettete Elektronik mit Strom zu versorgen. Dies könnte man mit einer kleinen Batterie erreichen. Der Stromverbrauch der eingebetteten Elektronik kann stark minimiert werden, um die Batteriegröße und das Gewicht zu minimieren und die Batterielebensdauer zu maximieren. Strategien zur Verringerung des Stromverbrauchs können die Änderung der Datenübertragungsrate in Abhängigkeit vom Leistungspegel enthalten, d. h. bei Null Leistung werden keine Daten übertragen, bei niedrigen Leistungspegeln können die Daten über mehrere Sekunden aufgemittelt werden, und bei höheren Leistungspegeln werden mehr Daten übertragen.
-
Die Trittfrequenz ist eine Komponente der Leistungsberechnung und kann mit einer Vielzahl von Methoden gemessen werden. Eine Methode ist es, einen oder mehrere Hall-Effekt Sensoren in dem Kettenradträger oder Kurbelarm und einen oder mehrere Magnete, die am Rahmen des Fahrrads befestigt sind, zu verwenden, so dass der Hall-Effekt Sensor bei jeder Umdrehung ausgelöst wird. Mehrere Hall-Effekt Sensoren oder Magneten können benutzt werden, um mehrere Impulse pro Umdrehung zu bekommen.
-
Alternativ kann ein Beschleunigungsmesser dazu verwendet werden, die Schwerkraftrichtung relativ zur Orientierung zur Kurbel zu messen. Dies kann man mit einem ein- oder zweiachsigen Beschleunigungsmesser erreichen. Ein einachsiger Beschleunigungsmesser gibt die Höhe des Gravitationszugs an, wechselnd von +1 g zu –1 g. Ein zweiachsiger Beschleunigungsmesser misst die Beschleunigung in zwei zueinander senkrechten Richtungen, jede abwechselnd von +1 g zu –1 g. Einige grundlegende Berechnungen ergeben den Winkel und die Winkelgeschwindigkeit der Kurbel.
-
Zwei andere Methoden zur Bestimmung der Trittfrequenz beruhen auf genauer Betrachtung des vom Kettenradträger gemessenen Drehmomentprofils.
-
Eine Methode ist es, ein gesamtes Kettenradträger-Drehmomentprofil auf Zeitbasis zu analysieren. Aufgrund der natürlichen Biomechanik des Pedaliervorgangs gibt es zwei ausgeprägte Drehmomentpulse, wenn jedes Bein die 3-Uhrposition durchläuft und einen maximalen Hebelarm hat. Indem man diese Drehmomentspitzen identifiziert und ihre Frequenz misst, kann die Pedaltretfrequenz bestimmt werden.
-
Da diese Methode zur Bestimmung der Tretfrequenz auf der Biomechanik des Radfahrers beruht, kann ein ähnlicher Ansatz auf das Drehmomentprofil angewendet werden, dass durch einen Kurbelarm-Ansatz bestimmt wird. Das vom Kurbelarm gezeigte größte Drehmoment sollte das vom Radfahrer bei der 3-Uhrposition aufgebrachte sein, und diese Spitze sollte sich von der Amplitude des Drehmoments unterscheiden, das an jeder anderen Position ausgeübt wird. Basierend hierauf könnte der Abstand des von einem Kurbelarmmesser aufgezeichneten Spitzendrehmoments dazu genutzt werden, die Trittfrequenz herzuleiten.
-
Die andere Methode betrachtet einzeln das Drehmoment an jedem Kettenradträgerarm. Die Kettenträgerarme nächst dem Kettenkontaktpunkt an der 12-Uhrposition zeigen das größte Drehmoment. Indem man auf dieses Dehnungsmaximum an jedem Kettenträgerarm einzeln blickt, lässt sich bestimmen, wann jeder Kettenträgerarm den Kettenkontaktpunkt durchläuft. Die Frequenz ergibt die Trittfrequenz. Übrigens ist diese Methode nicht von der Biomechanik des Fahrers abhängig.
-
Die hierin offenbarten Ausführungen der Erfindungen sind zu dem Zweck diskutiert worden, um den Leser mit neuartigen Aspekten der vorliegenden Erfindung bekanntzumachen. Obwohl bevorzugte Ausführungen aufgezeigt und beschrieben worden sind, können vom Fachkundigen zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Ersatzmaßnahmen vorgenommen werden, ohne unnötig vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Obwohl bestimmte Aspekte und Ausführungen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, werden dem Fachkundigen ohne weiteres Modifikationen und Äquivalente der offenbarten Konzepte ersichtlich. Jedoch sollen diese Modifikationen und Äquivalente im Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sein.
-
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
-
- US 2005/0178210 A1 [0006]
- EP 1154253 A1 [0007]
- EP 0386005 B1 [0008, 0009]
