DE4431029A1

DE4431029A1 - Drehmomentmeßwertgeber für Fahrradcomputer

Info

Publication number: DE4431029A1
Application number: DE4431029A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Nicolai
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1996-03-21

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit angegliederter Elektronik zur Messung von Drehmomenten, Winkelgeschwindigkeiten und mechanischen Leistungen an Zweirädern, insbesondere an Fahrrädern, gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1.

Sportlich orientierte Fahrer erhalten Informationen über die momentane Fahr situation aus sogenannten Fahrradcomputern, die üblicherweise Fahrtgeschwin digkeit und Trittfrequenz messen und zur Anzeige bringen. Informationen über die von Antriebsorgan aufgebrachten Kräfte und Leistungen werden in solchen relativ preisgünstigen Computern nicht realisiert. Jedoch erst wenn der Radfahrer eine Information über die Effizienz seines körperlichen Ein satzes erhält, ist es ihm möglich, seine Bewegungsabläufe so zu optimieren, daß ein optimaler Vortrieb erzielt wird. Die Meßgröße mechanische Lei stung verglichen mit der Meßgröße Fahrtgeschwindigkeit stellt unter gleichen äußeren Bedingungen eine solche Effizienzinformation dar. Weiterhin können körperliche Leistungssteigerungen auf diese Weise verifiziert werden. Ein viel allgemeinerer Einsatzzweck wäre die elektrische Ansteuerung der Gangschal tung eines Zweirades durch die Erfindung in der Art, daß der Antrieb immer in seinem optimalen Leistungsbereich fahren könnte und optimaler Vortrieb bei Minimierung des Energieaufwandes gewährleistet wäre.

Derartige Meßwertgeber, Verarbeitungselektroniken und Anzeigeeinheiten sind hinreichend bekannt. Hierbei wird Geschwindigkeit und Trittfrequenz sen siert, in einem Mikrocomputer aufbereitet und zur Anzeige gebracht. Wei terhin sind aus der Sportmedizin Vorrichtungen für die Messung von Dreh momenten und mechanische Leistungen bekannt, die sich jedoch im Aufbau, physikalischen Prinzip und Herstellbarkeit vollkommen von der Erfindung unterscheiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vom Menschen oder einem an deren Antriebsorgan auf der Antriebsstrang aufgebrachte Leistung oder ein aufgebrachtes Drehmoment auf eine einfache, preisgünstig herstellbare sowie störungsfreie Art zu messen und zur Anzeige zu bringen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Mittels zweier Kreisscheiben, die im folgenden als Permeabilitätsscheiben bezeichnet werden und in einem konstanten Abstand auf einer Welle ange ordnet sind, lassen sich elastische Verdrillungen, die bei Drehmomenteinwir kung entstehen, messen. Permeabilitätsscheiben weisen hierzu in tangentialer Richtung eine veränderliche Permeabilität auf, was beispielsweise durch die Geometrie einer Zahnscheibe erreicht werden kann. Weiterhin sind jeweils ein Permanentmagnet, ein Umformer und unter Umständen auch ferroma gnetisches Material derartig fest stehend in der Nähe beider Kreisscheiben angeordnet, daß sich ein magnetischer Fluß durch diese Bauteile einstellt. Diese Anordnung bezeichnet man als magnetischer Kreis. Der Umformer ist ein Halbleiterbauelement, welches in der Lage ist, Veränderungen der ma gnetischen Induktion in eine veränderliches elektrisches Signal umzuformen. Bei Verdrehung der Welle durchstreifen die Permeabilitätsscheiben den Luft spalt des magnetischen Kreises. Hier finden Veränderungen des magnetischen Flusses statt, die sich wiederum als periodische Änderung des elektrischen Signals am Umformerausgang zeigen. Eine Verdrillung der Welle bewirkt so eine Phasenverschiebung beider Umformersignale zueinander. Die Phasen verschiebung, bezogen auf die Periodenlänge eines Signals, ist letztendlich dem Drehmoment proportional. Weiterhin ist die Frequenz beider Umfor mersignale der Winkelgeschwindigkeit der Welle proportional. Beide Signale können elektronisch weiterverarbeitet und angezeigt werden. Die Information über die aufgebrachte mechanische Leistung erhält man aus dem mathemati schen Produkt der drehmoment- und winkelgeschwindigkeitsproportionalen Signalverläufe. Die Erfindung läßt sich in unterschiedlicher konstruktiver Ausgestaltung in verschiedene, in Fahrrädern verwendete, Bauteile integrie ren oder auch äußerlich adaptieren.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert, die in der Zeichnungen dargestellt sind.

In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Fahrrades mit Fahrer,

Fig. 2 einen Querschnitt einer beispielhaften konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung integriert in eine Hinterradnabe,

Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung von Fig. 3 und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung adaptiert an das Tretlager.

Das in Fig. 1 dargestellte Fahrrad besitzt einen Fahrwerksrahmen 1, der über eine Spannachse 3 mit der Hinterradnabe 2 verbunden ist. Jene Hinter radnabe ist wiederum über Speichen 4 mit der Felge 5 und dem Reifen 6 verbunden. Der Fahrwerksrahmen besitzt weiterhin eine Verbindung zum Tretlager 7, welches mit dem Tretkurbelpaar 8 verbunden ist. Das Ketten blatt 9 ist starr mit dem Tretkurbelpaar verbunden und überträgt die vom Fahrer 10 Drehmomente über die Kette 11 zum Kettenritzel 12, welches auf der Hinterradnabe befestigt ist.

Die in Fig. 2 dargestellte Hinterradnabe besteht aus einer Torsionswelle 13, in die die Drehmomente über die Kettenritzel 12 eingeleitet werden. Von der Torsionswelle werden die Drehmomente über eine kombinierte Freilauf-Lage reinheit 14 in den Nabenkörper 15 eingeleitet. An diesem Nabenkörper sind ebenfalls die Speichen 4 montiert. Torsionswelle und Nabenkörper sind auf ei ner Nabenachse 16 über Kugellager 17, 18 gelagert. Die Kugellager 18 werden über eine Anstellmutter 19 über Hülsen 20, 21, 22, auf der Nabenachse in axia ler Richtung spielfrei vorgespannt. Die Hülse 22 ist, da ein Drahtring 23 in die Nabenachse eingelagert ist, in axialer Richtung nicht verschiebbar. Eine axiale Bewegung des Kugellagers 17 im Nabenkörper wird ebenfalls durch einen Sicherungsring 41 verhindert. Eine weitere radiale Lagerung der Torsi onswelle auf der Nabenachse wird durch zwei Nadellager 24, 25 erreicht. Die Nadellager und die Kugellager 18 sind über Hülsen 26, 27, 28, 29, 21, 30 und zwei Permeabilitätsscheiben 31, 32 mit vier Sicherungsringen 33, 34, 35, 36 verbun den, so daß eine axiale Bewegung relativ zur Torsionswelle verhindert wird. Eine radiale Bewegung der Permeabilitätsscheiben wird über zwei keilförmige Sicherungsstifte 37 verhindert. Wird ein Drehmoment auf die Torsionswelle aufgebracht, so werden die Zähne 38 beider Permeabilitätsscheiben aufgrund der Verdrillung der Torsionswelle in radialer Richtung zueinander verschoben.

Beide Permeabilitätsscheiben durchlaufen während einer Tretbewegung des Fahrers zwei magnetische Kreise 42 die auf der Nabenachse befestigt sind. Die Nabenachse ist durch eine Spannachse 3 mit dem Fahrwerksrahmen 1 verbunden. Die Ausfräsung in der Spannachse dient als Kabelkanal für das Sensorkabel 43, welches die Signale des magnetischen Kreises zur Auswer teelektronik 44 überträgt. In dieser Elektronik wird die Signalinformation verarbeitet und zur Anzeige 39 gebracht. Das Sensorkabel wird mit Hilfe von Gummiringen 40 in der Ausfräsung der Spannachse gehalten.

Fig. 3 zeigt eine Vergrößerung der zwei magnetischen Kreise aus Fig. 2. Zwei Permanentmagnete 45, 56 sind zwischen zwei ferromagnetischen Rechteck platten 55 und zwei ferromagnetischen Dreieckplatten 47, 50 horizontal be weglich angeordnet. Eine horizontale Bewegung wird durch einen Keil 49, zwei Rückholfedern sowie einer Stellschraube 51 erreicht. Der magnetische Kreis wird über zwei Hallsensoren 48, 52 und zwei ferromagnetischen Bogen 46, 53 geschlossen.

Fig. 4 zeigt die Erfindung in einer anderen, beispielhaft ausgestalteten Ausführung. Die Torsionswelle wird hier durch die Tretlagerwelle 59 ge bildet, auf der zwei Permeabilitätsscheiben 57, 58 angeordnet sind. Während der Fahrt mit dem Fahrrad leitet der Fahrer ein Drehmoment über die Tret kurbel 8 in die Tretlagerwelle ein. Dieses Drehmoment bewirkt in der Tret lagerwelle eine Verdrillung, die sich als relative Lageänderung einer linken Permeabilitätsscheibe 57 zu einer rechten Permeabilitätsscheibe 58 äußert.

Diese Lageänderung wird über zwei magnetische Kreise 60, 61 in elektrische Signale umgewandelt, die in der Auswerteelektronik weiterverarbeitet wer den. Die Meßwerte für Leistung oder Drehmoment werden dann zur Anzeige gebracht.

Claims

1. Drehmomentmeßwertgeber, insbesondere für Fahrräder, bestehend aus zwei auf drehmomentübertragenden Körpern angeordnete, und von jeweils ei nem Permanentmagneten (56) und einem Umformer (48, 52) umgebene Kreis scheiben (31, 32, 57, 58), dadurch gekennzeichnet, daß Gebiete unter schiedlicher Permeabilität auf den Kreisscheiben unter Drehmomentbela stung und Rotation des Körpers die magnetische Induktion an den Umfor mern ändern, so daß sich eine zeitliche Verschiebung zwischen den elektrischen Signalen am Ausgang der Umformer einstellt, die, bezogen auf eine Signal periode, dem Drehmoment proportional ist.

2. Drehmomentmeßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drehmomentübertragenden Körper, auf welchen die zwei Kreisschei ben (57, 58) angeordnet sind, in der Drehachse des Tretlagers liegen, oder durch die Tretlagerwelle (59) selbst gebildet werden.

3. Drehmomentmeßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drehmomentübertragenden Körper, auf welchen die zwei Kreisschei ben (31, 32) angeordnet sind, in der Drehachse der Hinterradnabe liegen.

4. Drehmomentmeßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisscheiben (57, 58) adaptiv an üblicherweise an Fahrrädern verwendete Tretlagerwellen angebracht werden können.

5. Drehmomentmeßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Umformer (48, 52) und Permanentmagnete (45, 56) mit ferromagnetischem Blech (46, 47, 50, 53, 55) zwei U-förmige Einhei ten (60, 61) bilden, die die Kreisscheiben (57, 58, 31, 32) umschließen und einen magnetischen Kreis bilden.

6. Drehmomentmeßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Kreise mit dem Fahrwerksrahmen (1) oder fahrwerksfesten Elementen wie z. B. der Hinterradnabenachse (16) verbunden sind.

7. Drehmomentmeßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der drehmomentübertragende Körper in der Hinter radnabe als Torsionswelle (13) hohl ausgebildet ist und an der Außenseite die Kettenritzel (12) sowie Hülsenfreiläufe (14) aufnimmt, an der Innenseite über Kugellager (18) sowie Nadellager (24, 25) auf der Nabenachse geführt wird.

8. Drehmomentmeßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der drehmomentübertragende Körper in der Hin terradnabe als Torsionswelle (13) hohl geformt ist und an der Außenseite die Kettenritzel (12) sowie Hülsenfreiläufe (14) aufnimmt, an der Innenseite über Kugellager (18) sowie Nadellager (24, 25) auf der Nabenachse geführt wird.

9. Drehmomentmeßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Hinterradnabe der Freilauf zwischen der Außenseite einer Torsionswelle (13) und der Innenseite eines Nabenkörpers (15) als Hülsenfreilauf (14) ausgebildet ist.

10. Drehmomentmeßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformer (48, 52) als Hallsensoren ausgebildet sind.

11. Drehmomentmeßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß die in den Umformern (48, 52) gewonnenen Signale in einer Auswerteelektronik so umgeformt werden, daß sie Propor tionalität zu der mechanischen Leistung oder des Drehmoments aufweisen, welches die drehmomentübertragenden Körper aufweisen.