DE29906983U1 - Kraft- oder Leistungsmeßvorrichtung - Google Patents

Kraft- oder Leistungsmeßvorrichtung

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Description

TERMEER STEINMEISTER & PARTNER GBR PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS
Dr. Nicolaus ter Meer, Dip!.-Chem. Peter Urner, Dipl.-Phys. Gebhard Merkle, Dipl.-Ing. (FH) Mauerkircherstrasse 45 D-81679 MÜNCHEN
Helmut Steinmeister, Dipl.-Ing. Manfred Wiebusch
Artur-Ladebeck-Strasse 51 D-33617 BIELEFELD
BJN POl / 99
Wi/ay
19.4.1999
Prof. Dr. Friedrich Baumjohann
Karl-Strutz-Weg 54a
22119 Hamburg
Dipl.-Ing. Hans-Bernhard Schmalhorst
St. Georgener Str. 45
78048 Villingen-Schwenningen
KRAFT- ODER LEISTUNGSMEjSVORRICHTUNG
Prof. Dr. Friedrich Baumjohann#· j J 9 · J J.J. . "Ä^^iU?" 19.4.1999
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer von einem flexiblen Zugstrang übertragenen Kraft oder Leistung, mit drei Ablenkkörpern, die in unterschiedlichen Längspositionen des Zugstrangs abwechselnd von entgegengesetzten Seiten her an dem Zugstrang angreifen.
Eine solche Vorrichtung gestattet es, die von dem Zugstrang, beispielsweise einer Kette oder einem Seil, übertragenen Kräfte zu messen. Sofern es sich bei dem Zugstrang um einen Antriebsstrang, beispielsweise eine Treibkette handelt, kann auch die übertragene Leistung gemessen werden, indem zusätzlich die Geschwindigkeit gemessen wird, mit der sich der Zugstrang fortbewegt, und dann die gemessene Kraft mit der gemessenen Geschwindigkeit multipliziert wird.
Ein spezieller Anwendungsfall dieser Vorrichtung ist die Leistungsmessung an einer Fahrradkette und damit die Messung der Trainingsleistung eines Fahrradfahrers als Alternative zu der bekannten Leistungsmessung mit Hilfe von stationären Heimtrainern. Gegenstand der Erfindung ist deshalb auch eine Vorrichtung zur Leistungsmessung an einem Fahrrad.
Das Prinzip der Kraftmessung besteht bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art darin, daj3 mit Hilfe der drei Ablenkkörper eine Auslenkung eines definierten Längenabschnittes des Zugstranges aus der Strecklage erzwungen wird. Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art sind die Ablenkkörper an mindestens zwei relativ zueinander beweglichen und durch eine Feder verbundenen Bauteilen angeordnet oder ausgebildet, und es wird die Relativbewegung dieser beiden Bauteile gemessen, die bei gegebener Kraft der Feder ein Maß für die Zugspannung des Zugstranges darstellt. Diese bekannten Vorrichtungen weisen einen relativ komplizierten Aufbau auf, so daß entsprechend hohe Herstellungskosten entstehen, zumal eine hohe Mejßgenauigkeit nur bei äujßerst sorgfältiger Montage der relativ zueinander beweglichen Bauteile erreichbar ist. Darüber hinaus kann es durch Verschleiß an diesen Bauteilen längerfristig zu einer Verfälschung der Meßergebnisse kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet und eine
Prof. Dr. Friedrich Baumjohann,* I I . I I 1,1, . ·&agr;£&Pgr;&&igr;:/99 19.4.1999
präzise Messung der Kraft oder Leistung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daj3 die Ablenkkörper an einem einstückigen, im wesentlichen starren Tragteil gehalten sind, an oder in dem mindestens ein Meßaufnehmer zur Messung der Verformung und/oder der mechanischen Spannung des Tragteils angeordnet ist.
Durch die einstückige Ausbildung des Tragteils wird die Herstellung der Vorrichtung erheblich vereinfacht, und Quellen für Maj3- oder Montagetoleranzen werden auf ein Minimum reduziert. Das Merkmal, daß das Tragteil im wesentlichen starr sein soll, bedeutet in diesem Zusammenhang, daß eine definierte Auslenkung des Zugstrangs hervorgerufen wird, d.h., der Ablenkwinkel, um den der Zugstrang aus der Strecklage ausgelenkt wird, ist weitgehend unabhängig von der aktuellen Zugspannung. Die Zugspannung bewirkt lediglich das Auftreten einer mechanischen Spannung in dem einstückigen Tragteil und damit zwangsläufig auch eine sehr geringe, mit bloßem Auge nicht wahrnehmbare elastische Verformung dieses Tragteils. Diese Spannung oder Verformung wird mit Hilfe des Meßaufnehmers gemessen und bildet ein Maß für die Zugspannung des Zugstrangs.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Mej3aufnehmer wird bevorzugt durch einen oder mehrere Dehnungsmej3-streifen gebildet, die in geeigneter Position an dem Tragteil angeordnet sind.
Das Tragteil hat vorzugsweise die Form eines Winkels, und die Ablenkkörper sind am Scheitel dieses Winkels und an den freien Enden der beiden Schenkel angeordnet. Mit Hilfe des MeJ3aufnehmers wird dann vorzugsweise die Durchbiegung eines oder beider Schenkel dieses Winkels gemessen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Ablenkkörper, die von derselben Seite her an dem Zugstrang angreifen, am Scheitel und am freien Ende eines längeren Schenkels des Tragteils angeordnet, und der dritte Ablenkkörper sitzt am freien Ende eines kürzeren Schenkels, der mit dem längeren Schenkel einen spitzen Winkel bildet. Gemessen wird in diesem Fall die Durchbiegung des längeren Schenkels, vorzugsweise in einem Bereich in der Nähe des Scheitels des Winkels, wo sich die mechanischen Spannungen konzentrieren. Zur Vermei-
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dung von Torsionsverformungen ist der kürzere Schenkel vorzugsweise gabelförmig ausgebildet, und er wird von dem Zugstrang durchlaufen. Sofern der Zugstrang unter Zugspannung steht, ist die Meßvorrichtung klemmend an dem Zugstrang gehalten, so daJ3 keine besonderen Befestigungsmaßnahmen erforderlich sind.
Wenn der Zugstrang in seiner Längsrichtung beweglich ist, beispielsweise im Fall eines Trums einer Treibkette, so sind die Ablenkkörper vorzugsweise als Rollen oder Ritzel ausgebildet, so daß die MeJ3vorrichtung stationär gehalten werden kann und reibungsarm von dem Zugstrang durchlaufen wird. In diesem Fall ist der Tragteil vorzugsweise so an einem ortsfesten Gestell befestigt, daß er in Längsrichtung des Zugstranges fixiert wird, jedoch in der dazu rechtwinkligen Ebene den eventuellen Bewegungen des Zugstranges folgen kann, damit keine zusätzlichen Auslenkungen in dem Zugstrang verursacht werden.
In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung beispielsweise so an einem Fahrradrahmen angeordnet sein, daj3 die Zugspannung des Obertrums und damit die vom Radfahrer ausgeübte Antriebskraft gemessen wird. Bei gleichzeitiger Messung der Geschwindigkeit des Fahrrads oder, genauer, der Fahrradkette wird so auf einfache und kostengünstige Weise eine Leistungsmessung an einem gewöhnlichen Fahrrad ermöglicht.
Ein besonderer Vorteil dieser Leistungsmeßvorrichtung besteht darin, daß sie aufgrund ihres modularen Aufbaus problemlos bei jedem Fahrrad nachgerüstet werden kann. Aus der stationären Anordnung der Vorrichtung am Fahrradrahmen ergibt sich der weitere Vorteil, daß der elektrische Anschluß des Meßaufnehmers an die Spannungsversorgung und die Auswerteschaltung einfach durch Kabel erfolgen kann, so daJ3 - anders als beispielsweise bei einer Messung an der Hinterradnabe oder an der Pedale - keine Schleifkontakte oder sonstige Koppler für die Signalübertragung benötigt werden.
Die Erfindung beinhaltet somit auch ein Verfahren zur Messung der Leistung eines Fahrradfahrers, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kraftmessung durch Auslenkung des Antriebstrums der Fahrradkette aus seiner Strecklage erfolgt.
Bei einem Fahrrad mit Kettenschaltung kann die erfindungsgemäße Meßvorrich-
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tung auch in den Umleger integriert sein, der zum Umlegen der Kette auf die verschiedenen Ritzel dient.
Bei Fahrradketten besteht gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung darüber hinaus die Möglichkeit, mit Hilfe der Messvorrichtung zugleich auch die Geschwindigkeitsmessung vorzunehmen. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, daj3 die Fahrradkette aufgrund der periodischen Anordnung der Kettenglieder in Längsrichtung eine periodische Struktur aufweist. Das direkt durch die Kraftmessung erhaltene Signal weist deshalb eine dieser Periodizität entsprechende Modulation auf, und die Frequenz dieser Modulation bildet ein MaJ3 für die Geschwindigkeit, mit der die Kette durch die Messvorrichtung hindurchläuft.
Dieses Verfahren zur kombinierten Kraft- und Geschwindigkeitsmessung und damit auch zur Leistungsmessung ist analog beispielsweise auch bei Zahnriemen, gleichmäßig verdrillten Seilen und dergleichen anwendbar.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht der Vorrichtung;
Fig. 2 ein Tragteil der Vorrichtung in der Draufsicht; und
Fig. 3 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf eines mit der Vorrichtung
aufgenommen Meß signals.
Die in Fig. 1 gezeigte Meß vorrichtung weist ein winkelförmiges Tragteil 10 auf, das in einem Stück beispielsweise aus Stahl hergestellt ist. Das Tragteil 10 bildet einen längeren Schenkel 12 und einen kürzeren Schenkel 14, die an einem Scheitel 16 unter einem Winkel von etwa 45 ° zusammenlaufen. Die Innenecke des Winkels ist so stark verrundet, daß Kerbwirkungen bei Biegebeanspruchung des Schenkels 12 vermieden werden.
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Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind der Scheitel 16, das freie Ende des Schenkels 12 und der gesamte Schenkel 14 gabelförmig ausgebildet, während der mittlere
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Abschnitt des Schenkels 12 als massiver Steg 18 ausgeführt ist. In dem gabelförmigen Scheitel 16 und in den freien Enden der beiden Schenkel 12 und 14 sind Ablenkkörper in der Form von Ritzeln 20, 22 gelagert (Fig. 1), deren Achsen ein gleichschenklig-rechtwinkliges Dreieck mit dem Schenkel 12 als Hypotenuse bilden.
Ein Zugstrang in der Form einer Kette 24, beispielsweise einer Fahrradkette, verläuft durch den gabelförmigen Schenkel 14 und steht mit allen drei Ritzeln in Eingriff. Die Fußkreisdurchmesser der Ritzel 20, 22 und die Abmessungen des Tragteils 10 sind so gewählt, daß die Kette 24 um einen bestimmten Winkel aus der Strecklage auslenkt wird. Dieser Winkel ist in Fig. 1 übertrieben dargestellt und liegt in der Praxis in der Größenordnung von etwa 3 °.
Wenn durch die Kette 24 eine Zugkraft übertragen wird, so sind die Schenkel 12, 14 des Tragteils 10 einer von der Zugspannung abhängigen Biegebeanspruchung ausgesetzt. Der Querschnitt des Schenkels 14 ist so gewählt, daß seine elastische Verformung unter dieser Biegespannung vernachlässigbar ist. Die mechanische Spannung in dem Tragteil 10 erreicht ihren größten Wert an dem Ende des Steges 18, das dem Scheitel 16 zugewandt ist. An dieser Stelle ist auf dem Steg 18 ein Dehnungsmeßstreifen 26 angebracht, der elektrisch mit einer Auswerteschaltung 28 verbunden ist und mit dem die zwar geringfügige aber dennoch vorhandene elastische Durchbiegung des Steges 18 gemessen wird. Wahlweise können anstelle eines einzigen Dehnungsmeßstreifens 26 auch mehrere Mej3streifen auf der Innen- und der Außenseite des Schenkels 12 angeordnet sein, die eine Brückenschaltung bilden. Das mit Hilfe des oder der Dehnungsmeßstreifen erhaltene Spannungssignal ist proportional zur Durchbiegung des Schenkels 18 und damit proportional zu der von der Kette 24 übertragenen Kraft.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist an dem Tragteil 10 seitlich in einer Position, in der das Biegeverhalten des Steges 18 nicht beeinflußt wird, eine Halterung 30 angebracht, die so mit einem Teil 32 des Fahrradrahmens in Eingriff steht, daß das Tragteil 10 in Längsrichtung der Kette 24 fixiert wird, jedoch den verschieden Neigungen und Querbewegungen der Kette folgen kann. Auf diese Weise wird eine Undefinierte Auslenkung des gesamten Kettenabschnitts zwischen vorderen und hinterem Ritzel vermieden und somit sichergestellt, daß die vom Dehnungsmeßstreifen 26 gemessene Verformung nur der Auslenkung der Kette ent-
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Prof. Dr. Friedrich Baumjohann I &idigr; &Igr; &iacgr; II. &iacgr; &Bgr;&&Idigr;&Rgr;01*/99 19.4.1999
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spricht, die durch die Ritzel 20 und 22 erzwungen wird. Vorzugsweise ist die Mej3vorrichtung kurz hinter dem vorderen Ritzel des Fahrrads an der Kette 24 angebracht, da in diesem Bereich die Querbewegungen der Kette auch bei einem Fahrrad mit Kettenschaltung relativ gering sind.
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Mit Hilfe der oben beschriebenen Vorrichtung ist es somit möglich, die von der Kette 24 übertragene Antriebskraft präzise zu messen.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf des mit dem Dehnungsmeßstreifen 26 gewonnen Meßsignals, das hier als Spannungsabfall V über dem Dehnungsmeßstreifen bzw. an der Meßbrücke angegeben ist. Dieser Spannungsabfall wird in Fig. 3 durch die Kurve 34 repräsentiert. Es ist zu erkennen, daß die Kurve 34 eine periodische Modulation aufweist. Ursache für diese Modulation ist die periodische Struktur der aus einzelnen Kettengliedern aufgebauten Kette 24. Da die einzelnen Kettenglieder in sich starr sind und nur an den Gelenken relativ zueinander verschwenkt werden können, ergeben sich geringfügige Änderungen der Auslenkungen und damit auch der gemessenen Kraft, wenn die Kette unter leichter Umlenkung über eines der Ritzel läuft. Dieser Effekt tritt im Prinzip an jedem der drei Ritzel 20, 22 auf. Durch geeignete Anpassung der Positionen der Ritzel an die Teilung der Kette 24 läßt sich erreichen, dajß sich die durch die einzelnen Ritzel verursachten Effekte durch konstruktive Interferenz verstärken. Auf diese Weise ergibt sich die ausgeprägte Modulation, die in Fig. 3 zu erkennen ist. Aus der Frequenz dieser Modulation läßt sich anhand der bekannten Länge der einzelnen Kettenglieder die Geschwindigkeit errechnen, mit der die Kette durch die Meßvorrichtung hindurchläuft.
Zur gleichzeitigen Messung von Kraft und Geschwindigkeit wird in der Auswerteschaltung 28 das Signal 34 zunächst durch geeignete Filter geglättet, so daß man ein gemitteltes Signal 36 erhält. Dieses Signal, aus dem die Modulation herausgefiltert wurde, ist ein Maß für die mittlere Zugspannung der Kette und damit für die von der Kette übertragene Antriebskraft. Durch Vergleich dieses gemittelten Signals 36 mit dem ursprünglichen Signal 34 gewinnt man durch geeignete Impulsformung in der Auswerteauschaltung 28 ein Rechtecksignal 38, und durch Zählen der pro Zeiteinheit auftretenden Impulse dieses Rechtecksignals 38 läßt sich die Geschwindigkeit ermitteln, mit der die Kette 24 durch die Meßvorrichtung läuft. Das Produkt aus der anhand des Signals 36 bestimmten Kraft und der anhand des Signals 38 bestimmten Geschwindigkeit liefert dann
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unmittelbar die vom Radfahrer erbrachte und durch die Kette 24 übertragene Leistung.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Messung der von einem flexiblen Zugstrang (24) übertragenen Kraft oder Leistung, mit drei Ablenkkörpern (20. 22), die in unterschiedlichen Längspositionen des Zugstrangs abwechselnd von entgegengesetzten Seiten her an dem Zugstrang angreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkkörper (20, 22) an einem einstückigen, im wesentlichen starren Tragteil (10) angeordnet sind, an oder in dem mindestens ein Meßaufnehmer (26) zur Messung der Verformung und/oder mechanischen Spannung des Tragteils (10) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer (26) durch mindestens einen Dehnungsmeßstreifen gebildet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragteil (10) die Form eines Winkels hat, bei dem die Ablenkkörper (20, 22) am Scheitel (16) und an den freien Enden der Schenkel (12, 14) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ablenkkörper (20), die von derselben Seite her an dem Zugstrang (24) angreifen, am Scheitel (16) und am freien Ende eines Schenkels (12) sitzen, an dem auch der Meßaufnehmer (26) angeordnet ist, während der dritte Ablenkkörper (22) am freien Ende des anderen Schenkels (14) sitzt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht mit dem Meßaufnehmer versehene Schenkel (14) gabelförmig ausgebildet ist und von dem Zugstrang (24) durchlaufen wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkkörper (20, 22) als Rollen oder Ritzel ausgebildet und drehbar an oder in dem Tragteil (10) gelagert sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, zur Messung der Leistung eines Fahrradfahrers, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Tragteil (10) eine Halterung (30) zur Befestigung am Fahrradrahmen (32) vorgesehen ist und daß die als Ritzel ausgebildeten Ablenkkörper (20. 22) mit der Fahrradkette (24) kämmen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, für einen Zugstrang (24) der in Längsrichtung eine periodische Struktur aufweist, beispielsweise eine Kette, gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung (28), die dazu ausgebildet ist, die Frequenz einer durch die periodische Struktur des Zugstrangs bedingten periodischen Modulation des Signals (34) des Meßaufnehmers (26) als Maß für die Geschwindigkeit des Zugstranges relativ zur Meßvorrichtung zu bestimmen.
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