DE3722728C1 - Work meter for a crank drive - Google Patents

Work meter for a crank drive

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der an einem Kurbelantrieb angreifenden Leistung, bei der die Dreh­ momentübertragung von der Kurbel auf eine Antriebsscheibe, zum Beispiel auf das Kettenblatt eines Fahrrad-Tretlagers, erfolgt, wobei die an der Kurbel auftretenden mechanischen Größen, Drehimpuls und Winkelgeschwindigkeit, in elektrische Signale umgewandelt werden und die elektrischen Signale einem Auswertgerät zugeführt werden.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 25 08 233 bekannt. In dieser Druckschrift wird ein Kurbelantrieb beschrieben, dessen auf eine Antriebsscheibe übertragene Leistung mittels eines Bremsbandes mit einer bestimmten Kraft gebremst wird. Aus dem einstellbaren Bremsmoment und der Winkelgeschwindig­ keit der Antriebsscheibe wird die entsprechende Leistung er­ mittelt. Insbesondere Fig. 8 dieser Druckschrift zeigt einen derartigen Kurbelantrieb bei einem Fahrradergometer. Diese Leistungsmessungsvorrichtung hat jedoch in Verbindung mit Fahrrädern den Nachteil, daß die gesamte, an der Kurbel an­ greifende Leistung in Wärme und nicht in Vorwärtsbewegung um­ gesetzt wird.
In einem besonderen Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung insbesondere die ortsgebundene Leistungsmessung an einem Fahr­ rad mit einem speziell hierfür konstruierten Tretlager und einem am Farrad befindlichen Computer zur Auswertung und Speicherung der gemessenen Werte. Ein Ausdruck der gemessenen Werte kann durch Anschluß des Computers an geeignete Drucker geschehen.
Bisher war die erbrachte Leistung eines Menschen auf einem Fahrrad nur stationär meßbar. Dabei wurde - wie beispielsweise in der obengenannten Deutschen Offenlegungsschrift 25 08 233 beschrieben - mit den Kurbeln über eine Antriebsscheibe in Form des Kettenblattes oder einer Riemenscheibe mittels Kette oder Riemen eine Schwungscheibe angetrieben, die durch eine Bremse, zum Beispiel eine Reibungs- oder Wirbelstrom-Bremse, gebremst wurde. Die Drehgeschwindigkeit der Schwungscheibe und die auf diese wirkende Bremskraft waren ein Maß für die er­ brachte Leistung.
Durch diese Art der Leistungsmessung ist eine nichtstationäre Erfassung der Leistungswerte des Menschen nicht möglich, denn es wird keine Energie in Vorwärtsbewegung umgesetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leistungs­ messungsvorrichtung der obengenannten Art zu erstellen, bei der die Leistungsmessung direkt am Kraftübertragungspunkt zwischen der an der Kurbel angreifenden Kraft und der Antriebs­ scheibe stattfindet, ohne daß vom Probanden erbrachte Leis­ tung nutzlos vernichtet und z. B. in Wärme umgewandelt wird. Vielmehr soll die aufgebrachte Leistung möglichst vollständig in kinetische Energie umgesetzt werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die an der Kurbel an­ greifende Kraft über ein Verformungselement auf die Antriebs­ scheibe übertragen wird, und die Verformung des Verformungsele­ mentes, die ein Maß für die angreifende Kraft ist, mittels Dehnmeßstreifen in das elektrische Signal umgewandelt wird, und daß die Winkelgeschwindigkeit der Kurbel mittels eines Magnet­ schalter, einer Lichtschranke, einer Induktionsschleife oder eines mechanischen Drehzahlmessers gemessen wird.
Die Bestimmung von Kräften mittels Verformungselementen und die Bestimmung der Verformung dieser Verformungselemente mittels Dehnmeßstreifen ist an sich bekannt. Beispielsweise ist in der DE-OS 32 09 295 eine Lastmeßeinrichtung für Hebezeuge beschrieben, bei der ein C-förmiges Biegeelement, auf dessen Mittelsteg Dehnmeßstreifen appliziert sind, zur Bestimmung der an der Hakenflasche angreifenden Kraft dient. Ferner ist in der DE-OS 26 57 843 ein Drehmomentmeßsystem beschrieben. Zwar betrifft die Druckschrift keinen Kurbelantrieb wie vorliegende Erfindung, sondern die Übertragung von Drehmomenten mittels einer Welle. Zur Bestimmung der dabei auftretenden Drehmomente sind am Umfang einer Welle Dehnmeßstreifen appliziert, aus deren Meßsignal die Torsionsbeanspruchung der Welle bestimmt wird. Auch diese Welle kann als Verformungselement im Sinne des Anmeldegegenstandes aufgefaßt werden.
Ferner ist in der DE-GM 82 03 421 eine Vorrichtung zur Messung des Energieverbrauches, nicht jedoch der Leistung, beschrie­ ben, bei der aus der Verformung eines elastischen Stellglie­ des, z. B. einer Feder, und der durch die angreifende Kraft bewirkten Auslenkung dieses Stellgliedes, z. B. einer Zahn­ stange, die entsprechende Arbeit bestimmt wird (Arbeit = Kraft × Weg). In dieser Druckschrift ist auch erwähnt, daß schon einmal vorgeschlagen wurde, ein derartiges elastisches Stell­ glied in den Tretkurbelantrieb eines Fahrrades zu integrieren. Jedoch werden weitergehende Einzelheiten dieses Fahrrad-Tret­ kurbelantriebes nicht mitgeteilt.
Weiterhin ist in der DE-OS 20 24 422 eine Meßkupplung beschrie­ ben, bei der zwischen einer Antriebswelle und dem Kupplungs­ teil eine Torsionsbuchse vorgesehen ist, auf der Dehnmeßstrei­ fen appliziert sind, um mit letzteren die Torsionsspannung und somit das übertragene Drehmoment zu bestimmen. Schließlich ist noch aus der US-PS 41 86 596 ein Verformungselement bekannt, das aus einer Scheibe besteht und beispielsweise ein Autolenkrad oder eine Autofelge sein kann. Diese Scheibe weist eine große Anzahl von Öffnungen auf, die alle den gleichen Abstand vom Scheibenmittelpunkt besitzen. Die zwischen den Öffnungen ste­ henbleibenden Stege dienen als Verformungselemente, auf denen ebenfalls Dehnmeßstreifen appliziert sind.
Bei der gemäß vorliegender Erfindung vorgeschlagenen Lei­ stungsmessung wird die erbrachte Leistung direkt am Tretlager eines Fahrrades gemessen. Die Tretkraft wird durch die Ver­ formung eines geeigneten Biegeelementes, auf dem Dehnmeß­ streifen appliziert sind, in ein elektrisches Signal umgewan­ delt und durch induktive Übertragung auf einen mit dem Fahr­ radrahmen verbundenen Empfänger übertragen. Die Tretgeschwin­ digkeit wird durch die Tretfrequenzmessung ermittelt. Beide Werte, Tretkraft und Tretgeschwindigkeit, werden in einem Microcomputer am Fahrrad verarbeitet, zur Anzeige gebracht und abgespeichert.
Dieser Leistungsmesser soll einerseits für Sportler, insbe­ sondere für Radsportler, eine entscheidende Hilfe bei der Ge­ staltung und Optimierung des Trainings sein. Mit diesem Ge­ rät ist es möglich, die Leistung direkt in bezug zur Herzfre­ quenz zu setzen und aus diesen beiden Fakten Schlüsse über die Effektivität, die Intensität und über den Trainingszu­ stand des Sportlers zu ziehen. Die Herzfrequenz kann schon seit längerer Zeit nichtstationär gemessen werden und ist aus diesem Grund Stand der Technik.
Ferner kann dieser Leistungsmesser bei Patienten nach Entlas­ sung aus einer Rehabilitations-Klinik eingesetzt werden, weil die Messung der Belastungsintensität neben der Herzfrequenz­ messung die wichtigsten Daten über den Stand der Genesung liefert. Der Patient kann mit diesem Gerät selbständig ar­ beiten und ist nicht auf einen stationären Standleistungs­ ergometer beim Arzt angewiesen.
Das Neue an diesem Gerät ist, daß nicht wie bisher die Lei­ stung anhand der Geschwindigkeit einer gebremsten Schwung­ scheibe bestimmt wird, sondern direkt am Kraftübertragungs­ punkt zwischen der an der Kurbel angreifenden Kraft und der Antriebsscheibe gemessen wird. Durch diese Messung geht keine Energie verloren und Fehler, die aufgrund von Übertragungs­ elementen auftreten, wie zum Beispiel bei Ketten- oder Rie­ menantrieb, als auch Fehler, die aus Reibungsverlusten resul­ tieren, werden vermieden.
Die Kraftmessung kann, beispielsweise bei einem Fahrrad, fol­ gendermaßen durchgeführt werden:
  • a) Tretlagerachse (7) und Kettenblätter (2) werden durch ein Kugellager (8) kraftmäßig getrennt. Die Kraftübertragung von der Kurbel (1) auf das Kettenblatt (2) erfolgt über einen Bie­ gebalken (3), auf dem eine Dehnmeßstreifenbrücke (6) appli­ ziert ist.
  • b) Die Kraftmessung erfolgt direkt mit auf der Kurbel appli­ zierten Dehnmeßstreifen.
  • c) Die Kraftmessung erfolgt mittels eines als Kraftaufnehmer konstruierten Kettenblattes (2) und darauf applizierten Dehn­ meßstreifen.
  • d) Die Kraftmessung erfolgt mittels einer speziell hierfür konstruierten Torsionsbuchse (6) mit darauf applizierten Dehn­ meßstreifen (6).
Die Dehnmeßstreifen werden zu einer Wheatstone-Brücke ver­ schaltet.
Die Verstärkung der Dehnmeßstreifen-Brückendiagonalspannung und die danach folgende Spannungsfrequenzwandlung, welche für die induktive Signalübertragung notwendig ist, findet direkt auf dem rotierenden Tretlager statt.
Als Stromquelle dient eine Trockenzelle oder ein Akku.
Die Signalübertragung vom rotierenden Tretlager auf den Rah­ men ist induktiv.
Die Tretgeschwindigkeitsmessung und damit die Winkelgeschwin­ digkeitsbestimmung erfolgt mittels eines Magnetschalters, zum Beispiel Reedrelais, der am Rahmen angebracht ist. Er wird durch einen umlaufenden Magneten am rotierenden Teil des Tretlagers betätigt.
Die Tretgeschwindigkeitsmessung kann auch mit einer Licht­ schranke oder einer Induktionsschleife erfolgen.
Die induktiv übertragene Frequenz, die proportional zur Tret­ kraft ist, wird auf eine für einen Mikrocomputer geeignete Form gebracht, und in diesen am Fahrrad eingelesen. Eine geeignete Form ist zum Beispiel Transistor-Transistor- Logik (TTL).
Das Gleiche erfolgt mit den Impulsen vom Magnetschalter, der Induktionsschleife oder von der Lichtschranke.
Der Mikrocomputer errechnet aus den eingelesenen Signalen die Leistung des Radfahrers. Sie kann dann direkt angezeigt oder auch zur späteren Auswertung abgespeichert werden.
Neben diesen Daten können auch noch andere Parameter in den Mikrocomputer eingelesen werden, so zum Beispiel: Herzfrequenz, Fahrzeit, gefahrene Strecke und Fahrgeschwindigkeit.
Aus diesen Daten können dann zum Beispiel folgende Werte er­ mittelt werden: Verbrauchte Energie, Durchschnittsleistung, Durchschnittsherzfrequenz und Durchschnittsgeschwindigkeit.
Der Vorteil gegenüber herkömmlichen Fahrradergometern besteht darin, daß die Leistung direkt und verlustfrei am Tretlager gemessen wird und nicht über die Drehzahl einer durch einen Riemen oder Wirbelstrom gebremsten Schwungscheibe. Dadurch ist dieser Fahrradergometer beim normalen Gebrauch eines Fahrrades einzusetzen.
Er ist deshalb nichtstationär und als kontinuierliche Lei­ stungskontrolle beim Fahrradfahren einsetzbar.
Der nichtstationäre Leistungsmesser kann unter anderem bei der Rehabilitation Herz-Kreislaufkranker sowie von Lei­ stungssportlern eingesetzt werden.
Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbei­ spiel im Detail beschrieben: (Es folgt eine detaillierte Be­ schreibung der Zeichnung).
In den Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung er­ läutert. In
Fig. 1 ist ein Flußdiagramm für die Auswertung der von den Dehnmeßstreifen und dem Magnetschalter erhaltenen elek­ trischen Signale wiedergegeben (Anordnung zu Fig. 2).
Fig. 2 zeigt die Übertragung der an der Kurbel (1) angreifen­ den Kraft (K) auf die Antriebsscheibe (2) mittels eines Biege­ balkens (3).
Fig. 3 zeigt ein teilweise im Schnitt gezeichnetes Tretla­ ger, bei dem als kraftübertragendes Verformungselement eine Torsionsbuchse (5) eingesetzt wird.
Fig. 4 zeigt eine starr mit der Kurbelachse (7) verbundene Antriebsscheibe (2).
Genaue Beschreibung der einzelnen Figuren
Fig. 1: Die Wheatstone'sche Brücke aus Dehnmeßstreifen, die auf dem Biegebalken appliziert ist, wird durch eine Konstantstrom­ quelle gespeist. Alle vier Dehnmeßstreifen sind aktiv. Die Brückendiagonalspannung wird verstärkt und spannungs­ frequenzgewandelt. Diese, zur Tretkraft proportionale Fre­ quenz, wird mittels zweier Spulen auf den feststehenden Fahr­ radrahmen übertragen. Dabei fungiert eine Spule als Sender und die andere Spule als Empfänger. Beide Spulen liegen sich stirnseitig gegenüber. Die Tretlagerachse dient als Spulen­ kern. Die so, durch Gegeninduktion, übertragene Frequenz wird verstärkt, getriggert, durch den Faktor 2 geteilt und in ei­ nen Computer eingelesen.
Die Signale vom Magnetschalter, der durch einen auf dem ro­ tierenden Teil des Tretlagers befindlichen Magnet betätigt wird, werden getriggert, durch den Faktor 2 geteilt und auch in den am Fahrrad befindlichen Computer eingelesen.
In dem Computer wird die restliche Signalverarbeitung durch­ geführt und die erhaltenen Werte abgespeichert.
Fig. 2: Die im Punkt (1 a) angreifende Tretkraft (K) vom rechten Pedal und die vom linken Pedal über die linke Kurbel und Tretlager­ achse (7) kommende Tretkraft werden in (V) vereint. Von dieser Stelle aus wird die Gesamttretkraft über Kettenglieder (4) und einen Biegebalken (3) auf die Antriebsscheibe (2) übertragen. Antriebsscheibe (2) und Tretlagerachse (7) sind durch ein Kuegel­ lager (8) entkoppelt, so daß die gesamte Tretkraft über den Biegebalken (3) geleitet wird. Auf diesem Biegebalken (3) ist eine Vollbrücke aus Dehnmeßstreifen (6) appliziert. Die signalverarbeitende elektronische Schaltung nach Fig. 1 befindet sich unterhalb des Biegebalkens (3) auf der Antriebs­ scheibe (2) S. Die Kettenglieder (4) übertragen nur Kräfte in einer Richtung, so daß auf den Biegebalken (3) keine unerwün­ schten Nebenkräfte einwirken, zum Beispiel eine seitliche Verbiegung. Die Kettenblätter für den Antrieb werden auf die Antriebsscheibe geschraubt.
Fig. 3: Das Drehmoment, das von beiden Kurbeln rechts und links der Tretlagerachse (7) kommt, wird in (13) vereint. Von dort wird es über eine Torsionsbuchse (5) auf die Antriebsscheibe (2) geleitet. Auf der Torsionsbuchse (5) und auf der Tretla­ gerachse (7) befinden sich Dehnmeßstreifen (6). Die Dehnung der Drehmeßstreifen auf der Torsionsbuchse (5) ist proportional zur Gesamttretkraft, die Dehnung der Dehnmeßstreifen auf der Tretlagerachse (7) ist proportional zur Tretkraft des rechten Beines. Durch diese Anordnung lassen sich unterschiedliche Belastungen der Beine feststellen. Die Tretlagerachse (7) wird durch die beiden Kugellager (10) und die Nadellager (9) gelagert. An der Stelle (13) ist die Torsionsbuchse (5) auf die Tretla­ gerachse (7) geschraubt. (11) ist das Tretlagergehäuse im Rahmen. Die signalverarbeitende Schaltung und die Übertra­ gungseinheit befinden sich im Freiraum (12).
Der obere Teil der Figur ist geschnitten.
Fig. 4: Bei dieser Ausführung befinden sich in der Antriebsscheibe (2) Aussparungen (13). Die Stege (3) zwischen den Aussparungen (13) dienen als Biegeelemente, auf die die Dehnmeßstreifen (6) ap­ pliziert sind. Tretlagerachse (7), Kurbel (1) und Antriebs­ scheibe (2) sind starr verbunden. Die signalverarbeitende elektronische Schaltung und die Stromversorgung, zum Beispiel ein Akku, befinden sich in den Aussparungen (13) der Antriebs­ scheibe.
Die Aussparungen können auch anderen als kreisförmigen Quer­ schnitt haben.
Die vorliegende Erfindung ist in keiner Weise auf die Anwen­ dung gemäß den Ausführungsbeispielen beschränkt, sondern läßt sich bei jeder Art von Kurbelantrieb anwenden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Messung der an einem Kurbelantrieb angrei­ fenden Leistung, bei der die Drehmomentübertragung von der Kurbel auf eine Antriebsscheibe, zum Beispiel auf das Ket­ tenblatt eines Fahrrad-Tretlagers, erfolgt, wobei die an der Kurbel auftretenden mechanischen Größen, Drehimpuls und Winkelgeschwindigkeit, in elektrische Signale umgewandelt werden und die elektrischen Signale einem Auswertgerät zu­ geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Kurbel angreifende Kraft über ein Verfor­ mungselement auf die Antriebsscheibe übertragen wird und die Verformung des Verformungselementes, die ein Maß für die angreifende Kraft ist, mittels Dehnmeßstreifen in das elektrische Signal umgewandelt wird, und daß die Winkel­ geschwindigkeit der Kurbel mittels eines Magnetschalters, einer Lichtschranke, einer Induktionsschleife oder eines mechanischen Drehzahlmessers gemessen wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbel und die Antriebsscheibe als Tretlagerkurbel (1) und Kettenblatt (2) eines Fahrradtretlagers ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verformungselement ein Biegeelement (3) ist, wel­ ches mit der Kurbel (1) einerseits und der Antriebsscheibe (2) andrerseits jeweils starr verbunden ist, und daß die Dehnmeßstreifen (6) auf dem Biegeelement appliziert sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verformungselement ein Biegeelement (3) ist, wel­ ches mit der Kurbel (1) einerseits und der Antriebsscheibe (2) andrerseits jeweils flexibel, zum Beispiel duch Ket­ tenglieder (4), verbunden ist, und daß die Dehnmeßstreifen (6) auf dem Biegeelement appliziert sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verformungselement eine Torsionsbuchse (5) ist, mittels der das Drehmoment von der Kurbel über die Kurbel­ achse (7) und die Torsionsbuchse (5) auf die Antriebs­ scheibe (2) übertragen wird, und daß die Dehnmeßstreifen (6) auf der Torsionsbuchse (5) oder auf der Torsionsbuchse (5) und Kurbelachse (7) appliziert sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich der Kurbel selbst als Biegeelement ausge­ bildet ist, auf dem die Dehnmeßstreifen appliziert sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Antriebsscheibe (2), zum Beispiel des Ket­ tenblattes, als Biegeelement (3) ausgebildet sind zum Bei­ spiel durch Ausnehmungen in der Antriebsscheibe, wobei die stehenbleibenden Stege die Biegeelemente darstellen, und daß die Dehnmeßstreifen (6) auf diesen Teilen appliziert sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von sich drehenden Teilen abgeleiteten Größen, zum Beispiel eine der Tretkraft proportionale Frequenz, durch indukive Kopplung auf den Fahrradrahmen übertragen wer­ den.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitung der elektrischen Signale mittels eines am Fahrrad befestigten Mikroprozessors erfolgt, der sowohl die erbrachte Momentanleistung direkt anzeigt als auch die Meßdaten für eine spätere Auswertung abspeichert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den von Kurbelachse (7), Torsionsbuchse (5) und den zugehörigen Lagern (9, 10) nicht benötigten Raumbereichen des Tretlagergehäuses (12) die für die Aufbereitung und Übertragung der Meßwere erforderlichen elektrischen und elektronischen Bauelemente untergebracht sind.
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