EP2152566A1 - Antriebseinrichtung mit einer antriebswelle und antriebskurbeln - Google Patents

Antriebseinrichtung mit einer antriebswelle und antriebskurbeln

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Publication number
EP2152566A1
EP2152566A1 EP08758057A EP08758057A EP2152566A1 EP 2152566 A1 EP2152566 A1 EP 2152566A1 EP 08758057 A EP08758057 A EP 08758057A EP 08758057 A EP08758057 A EP 08758057A EP 2152566 A1 EP2152566 A1 EP 2152566A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drive
drive device
crank
torque
magnetostrictive body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08758057A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Grab
Michael Pausch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler KG filed Critical Schaeffler KG
Publication of EP2152566A1 publication Critical patent/EP2152566A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/45—Control or actuating devices therefor
    • B62M6/50—Control or actuating devices therefor characterised by detectors or sensors, or arrangement thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/14—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/1407—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs
    • G01L3/1428—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers
    • G01L3/1435—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers involving magnetic or electromagnetic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/24—Devices for determining the value of power, e.g. by measuring and simultaneously multiplying the values of torque and revolutions per unit of time, by multiplying the values of tractive or propulsive force and velocity
    • G01L3/242—Devices for determining the value of power, e.g. by measuring and simultaneously multiplying the values of torque and revolutions per unit of time, by multiplying the values of tractive or propulsive force and velocity by measuring and simultaneously multiplying torque and velocity
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/21—Elements
    • Y10T74/2164—Cranks and pedals

Definitions

  • the invention is in the field of mechanical engineering and metrology and is particularly applicable to bicycles, ergometers and pedelecs.
  • the front drive shaft is usually driven by means of drive cranks, the so-called cranks, via pedals by the leg force of the men.
  • the drive cranks are usually offset by 180 ° with respect to the axis of rotation of the drive shaft against each other, so that the driving force is transmitted periodically changing over each one of the drive cranks.
  • DE 102005023182 A1 shows a torque detecting device with a torque transmission plate for transmitting torque between a motor output element and a Drehmomentwandleran- drive element, wherein the transmission plate is slightly elastically deformable by targeted weakening due to a torque and wherein deformable webs of the transfer plate strain gauges for detecting the elastic deformation are provided. About the function of the strain gauges nothing else is executed there.
  • DE 102005041287 A1 shows a torque sensor with two partial waves, wherein each of the partial waves is connected to a so-called detection tube and the detection tubes are coaxial with each other.
  • DE 102005006769 A1 generally shows, as a reversal of the magnetostriction, the so-called Villary effect, by means of which, by means of deformation, for example as a result of the torsion of a shaft, a magnetic effect of the shaft is produced.
  • materials showing a Villary effect iron, copper, nickel or alloys of these metals are called.
  • DE 10044701 C1 discloses a transmission device on the pedals of a bicycle, by means of which the pedal force is transmitted to the pedal crank.
  • An elastic element in the form of a spring is compressed by the power transmission and this force action is measured to determine the transmitted torque therefrom.
  • DE 69900898 T2 discloses the use of magnetostrictive elements for torsion measurement, wherein the torsion is to be converted into an electrical voltage by a magnetic material.
  • the present invention has the object, in a drive device for a machine with a rotatable about an axis drive shaft and two with this angle with respect to their axis of rotation connected drive cranks as constructive simple and inexpensive way to find that on to determine the torque acting on the drive shaft.
  • the object is achieved according to the invention by at least one magnetostrictive body permanently connected to one of the drive curbs and by a magnetic field sensor for measuring the stray magnetic field of the magnetostrictive body.
  • the torque is transmitted to the drive shaft by driving the drive cranks in the circumferential direction.
  • the drive cranks themselves are subjected to bending and are connected to the drive shaft by means of a screw, for example with a crank star or other joining technology angle stiff.
  • the drive cranks of a measurement or the installation of sensors are particularly accessible.
  • the bending load of a drive crank can be determined at a known flexural rigidity by the present bending deformation. This is shared in accordance with the invention by a fixed to the drive crank magnetostrictive body which is deformed as well as the drive crank.
  • Magnetostrictive, usually permanent-magnetic bodies have the characteristic that their magnetic behavior changes during deformation.
  • a permanent magnetic field can be introduced which is stable and constant as long as the body remains undeformed.
  • this can be designed so that the magnetic flux within the body is closed and thus a minimized stray field penetrates to the outside.
  • the drive device can be calibrated by applying a defined bending moment to the drive crank and measuring the resulting stray magnetic field for different values, and a corresponding measured value table can be stored for evaluation.
  • the determination of the momentarily acting on the drive shaft torque with knowledge of the distance of the magnetostrictive body of the axis can be determined.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that a magnetostrictive body is connected to each of the drive cranks.
  • the total torque acting can be determined with higher accuracy. Although you can basically assume a uniform load on both drive cranks, but this is not necessarily ideally fulfilled. By summing thus a higher accuracy is achieved than would be closed only by a one-sided measurement on a drive crank on the total torque. In addition, the asymmetry of the load can also be determined and evaluated for different purposes.
  • a cyclist may be indicated that he either applies his power unevenly to the cranks, or that one of his legs is weaker than the other and requires additional training.
  • the magnetostrictive body can on the one hand be integrated in the drive crank, in that it is inserted into a recess of the drive crank, cast or glued into it, or it can also be provided to set up the magnetostrictive body on the drive crank and to connect it so firmly, that he is the deformation of the drive crank Splits. This is possible, for example, by gluing, soldering or welding.
  • the integration can also be realized in that the magnetostrictive body is connected as part of the drive crank with this ein Anlagenig without a joint.
  • the magnetostrictive body may be magnetized, for example, after the crank is manufactured.
  • the drive cranks must then consist of a magnetizable material. Otherwise, they can be made of other known materials such as steel, titanium alloys or composite materials or graphite.
  • the drive crank from a magnetically inactive material so that the stray field emerging from the magnetostrictive body does not enter directly into the material of the drive crank and the flux lines are closed there. It is desirable that the stray field at least reaches corresponding magnetic field sensors and can be detected there.
  • the corresponding magnetic field sensors may also be integrated with or mounted on the drive crank to effectively measure the magnetic field.
  • Corresponding measured values can be transmitted by line, but also by means of a radio link to an evaluation device.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that a magnetostrictive body is firmly connected to the drive shaft in a torque-transmitting area. In this way, by means of an additional magnetic field sensor, the torque acting on the drive shaft can be determined and compared with the partial torque that is introduced by the respective drive crank.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that in a driven element of the drive shaft, in particular in a crank star integrated magnetostrictive body are provided.
  • the corresponding magnetic field sensors can either be arranged in the immediate vicinity of the drive shaft or on this itself or in the vicinity of the output element in the influence region of the stray field of the corresponding magnetostrictive sensor.
  • the invention can also advantageously be designed by an evaluation unit in which a torque is determined from the measured magnetic field strength.
  • corresponding torques are determined by means of a stored formula or by allocation of torque values in a stored value table from the measured magnetic field strengths.
  • These can be for example a bicycle or ergometer also be displayed to give the driver information about the mechanical load of the drive device and the forces that he brings.
  • this can be used as a warning, since it is usually considered more convenient for the human body to exercise at higher speeds and lower torques than too high forces, which strain the skeleton and joints too much. It could then be issued when a corresponding torque threshold is exceeded, a warning that causes the driver to change a transmission gear.
  • averaged torque values should be determined during the evaluation, which are averaged over half a revolution of the drive shaft or less, ie typically for a bicycle or ergometer over the period in which the corresponding drive crank is loaded by pressure.
  • a control unit is advantageously provided, are stored in the threshold values for determined torques and which is connected to an auxiliary drive and / or a switching device for a transmission.
  • the control unit can operate exclusively as a function of the device for determining the torque or additionally also taking into account the rotational speed measured values or the power measured values determined therewith.
  • the evaluation device can also have a power calculation unit.
  • the invention relates not only to a drive device for a machine but also to a method for operating such a machine as described above, wherein the connection and disconnection of an auxiliary drive and / or a switching device taking into account a time-averaged torque and / or the time-averaged power is effected.
  • the invention also relates to a bicycle, a pedelec or an ergometer with a drive device as described above.
  • Figure 1 shows the drive shaft of a bicycle with two cranks and a chainring in perspective.
  • FIG. 2 shows a cross section through a part of the drive shaft, a crank star and a drive crank and a corresponding perspective view
  • 3 is a perspective view of a drive device with two cranks and corresponding magnetostrictive bodies. 4 shows a schematic overview of the functions of the evaluation of the measured values.
  • FIG. 1 shows, as a typical component of a bicycle or ergometer or pedelec, two drive cranks 1, 2, also referred to as pedal cranks in which the pedals are omitted, as well as the encapsulation 3 of a drive shaft shown in greater detail in the remaining figures.
  • a number of sprockets 4 is shown, which are connected via a so-called crank star 5 with the drive shaft.
  • the drive cranks 1, 2 may be connected to the drive shaft, for example via a positive connection angle stiff with respect to the axis 6.
  • a magnetostrictive body 7 is shown on the outside of the second drive crank.
  • the magnetostrictive permanent magnetic body is embedded in the material of the drive crank 1 and fixed there, for example by means of soldering.
  • FIG. 2 shows in an overview, that by means of a ring gear, a chain, not shown, is driven, which is usually connected to a corresponding pinion on the rear wheel of the bicycle.
  • the magnetostrictive bodies 9, 10 are shown as forming an integral part of the drive cranks 1, 2.
  • the magnetostrictive bodies 7, 9, 10 have already been magnetized before being put into operation, possibly even before installation in the corresponding drive crank. Its outward stray magnetic field is optimally minimized by having as many flux lines as possible within the material of the magnetostrictive body closed.
  • a magnetic sensor 11, 12 is provided, which may be formed, for example, as conductor coils with or without a ferromagnetic core and whose through-current is monitored.
  • Figure 2 shows in more detail the structure of the drive shaft and its coupling to the ring gear 4, and the crank 1.
  • FIG. 2 On the right side of FIG. 2, a corresponding longitudinal section is shown, on the left side the three-dimensional representation for more detailed reference.
  • the scale is greatly enlarged on the right side of Figure 2 compared to the three-dimensional representation on the left side.
  • It is shown in longitudinal section first part of the drive shaft 13, which is further connected in the part not shown with the second drive crank 2.
  • the drive crank 1 By means of a screw 14, the drive crank 1 is connected to the shaft 13 angle stiff.
  • the drive crank 1 can be formed integrally with a so-called crank star 5, onto which the sprockets 4 are screwed by means of screw connections 15 distributed on the circumference.
  • the drive crank 1 is thus used for introducing the torque in the shaft 13, while the crank star causes by the transmission to the sprockets 4 the output.
  • the figure shows a magnetostrictive body 17 which sits on the crank star and detects a moment at this point. This moment represents a partial moment of the whole. Ideally, such a sensor sits on or in each spoke of the crank star. The sensors can also be integrally integrated into the respective spokes. The sum of the detected torques of these sensors is equal to the total torque, that is, the moment that is transmitted via the chain to the rear wheel, neglecting the efficiency loss of the chain drive.
  • the drive shaft 13 is mounted in rolling bearings, one of which is designated 16, and surrounded by the housing 3 as a whole protective.
  • FIG. 2 shows first a measuring arrangement 10, 11, consisting of a magnetostrictive body 10 and a magnetic field sensor 11.
  • FIG. 4 basically shows the function of the evaluation unit, of a power calculation unit and of a control unit.
  • FIG. 4 shows the shaft 13 and drive cranks 1, 2 and the magnetic field sensors 11, 12 associated therewith.
  • a magnetic field sensor 18 for receiving the output torque to the ring gear 4 is shown.
  • the magnetic field sensors 11, 12, 18 are connected to the evaluation unit 20.
  • the respective momentary, applied to the shaft torque and the sum of the torques is calculated from the corresponding bending moments. This can be compared with the output torque and from this an efficiency can be determined.
  • the torque can be averaged over time, for example, this can also be done individually for the values of the drive cranks 1, 2 in order to determine A symmetries.
  • the maximum acting bending moment on the drive cranks or the maximum acting torque on the shaft 13 can be monitored and sliding time averages, for example for half a rotation of the shaft, can be formed, but also around the mechanical loading of the drive device to calculate, for example, a bicycle, on the musculoskeletal system of this driving man forces.
  • a control unit 23 in which threshold values are stored in a memory unit 24, which are compared with the instantaneously measured values .
  • a control command can be given to an auxiliary drive device 25, for example in the form of an electric motor, which can be switched on or off, and on the other hand a switching device 26 for a transmission can be activated in order to control the forces in the drive. to change drive device while adjusting the speeds.
  • the activation of the switching device 26 can lead to a "smaller" gear being switched if the torque load is too high, which leads, for example, to the selection of a smaller pinion on the ring gear 4.
  • a speed sensor 19 is additionally shown, which is connected to a power calculation unit 21.
  • a speed is calculated via a time detection unit 22 from the pulses of the speed sensor 19, which together with the data of the evaluation unit 20 allows a power calculation.
  • Correspondingly determined powers can also be given to the control unit 23, which can also cause the actuation of an auxiliary drive 25 or a switching device 26 as a function of power values when the speed exceeds or falls below corresponding threshold values.
  • a torque measurement can be carried out in a simple manner, optionally also retrofittable, in a machine of the kind shown, for example a bicycle, an ergometer or a pedelec, which can be used for a variety of purposes of monitoring and control.
  • a machine of the kind shown for example a bicycle, an ergometer or a pedelec, which can be used for a variety of purposes of monitoring and control.

Abstract

Bei einer Antriebseinrichtung für eine Maschine mit einer um eine Achse (6) drehbare Antriebswelle (13) und mit zwei mit dieser in Bezug auf ihre Achse winkelsteif verbundenen Antriebskurbeln (1, 2) ist gemäß der Erfindung zur einfachen und wenig aufwendigen Ermittlung des Drehmoments, das auf die Antriebswelle gebracht wird, wenigstens ein mit einer der Antriebskurbeln fest verbundener magnetostriktiver Körper (7, 9, 10, 17) und ein Magnetfeldsensor (11, 12, 18) zur Messung des magnetischen Streufeldes des magnetostriktiven Körpers vorgesehen.

Description

Schaeffler KG Industriestr. 1 - 3, 91074 Herzogenaurach
Bezeichnung der Erfindung
Antriebseinrichtung mit einer Antriebswelle und Antriebskurbeln
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und der Messtechnik und ist insbesondere auf Fahrräder, Ergometer und Pedelecs anwendbar.
Es sind vielfältige mechanische Maschinen denkbar, die eine Antriebswelle aufweisen, die direkt mittels einer oder mehrerer Antriebskurbeln antreibbar ist. Eine besonders prominente Rolle unter diesen Anwendungen spielt das Fahrrad, bei dem im üblichen Fall die Antriebsleistung von einer vorderen Antriebswelle über einen Zahnkranz und eine Kette auf die Welle des Antriebsrads übertragen wird.
Dabei wird die vordere Antriebswelle üblicherweise mittels Antriebskurbeln, der so genannten Tretkurbeln, über Pedale durch die Beinkraft des Men- sehen angetrieben. Die Antriebskurbeln sind dabei üblicherweise um 180° in Bezug auf die Drehachse der Antriebswelle gegeneinander versetzt, so dass die Antriebskraft periodisch wechselnd über jeweils eine der Antriebskurbeln übertragen wird.
Zusätzlich ist im höheren Leistungsbereich der Fuß des Fahrradfahrers mit der Antriebskurbel beziehungsweise dem Pedal mittels einer Befestigungseinrichtung verbunden, so dass möglichst während der gesamten Umdrehung der Antriebskurbel eine Kraft angewendet werden kann.
Es ist seit langem bekannt, mittels verschiedenartiger Vorrichtungen die Drehzahl der Räder und damit wenigstens indirekt auch die Drehzahl der Antriebswelle zu messen, um die Geschwindigkeit des Fahrrades oder beispielsweise die Drehzahl eines Ergometers zu bestimmen.
Schwieriger gestaltet sich die Messung der Leistung und/oder des auf die Antriebswelle wirkenden Drehmomentes. Hierzu ist eine Kraft- und/oder Torsionsmessung notwendig, die grundsätzlich aufwendig ist.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Methoden und Einrichtungen zur Bestimmung einer Torsionskraft, insbesondere auch im Zusammenhang mit Fahrrädern bekannt.
Die DE 102005023182 A1 zeigt eine Drehmomenterfassungsvorrichtung mit einer Drehmomentübertragungsplatte zur Übertragung eines Drehmomentes zwischen einem Motorabtriebselement und einem Drehmomentwandleran- triebselement, wobei die Übertragungsplatte durch gezielte Schwächungen leicht elastisch in Folge eines Drehmoments verformbar ist und wobei an verformbaren Stegen der Übertragungsplatte Dehnungsmessstreifen zum Nachweis der elastischen Verformung vorgesehen sind. Über die Funktion der Dehnmessstreifen ist dort nichts weiter ausgeführt. Die DE 102005041287 A1 zeigt einen Drehmomentsensor mit zwei Teilwellen, wobei jede der Teilwellen mit einem so genannten Erfassungsrohr verbunden ist und die Erfassungsrohre koaxial zueinander liegen. Sie sind mit voneinander beabstandeten Stellen an den Teilwellen fest verbunden und weisen stirnseitig umlaufend Zähne auf, so dass sich bei mehr oder weniger starker Verdrehung der Wellenteile der magnetische Widerstand zwischen den Erfassungsrohren je nach der Übereinstimmung der Zähne periodisch ändert. Hierdurch wird eine Verdrehung der Teilwellen gegeneinander nachweisbar. Diese ist ein Maß für die einwirkenden Torsionskräfte.
Die DE 102005006769 A1 zeigt allgemein als Umkehrung der Magnetostriktion den so genannten Villary-Effekt, mittels dessen durch Verformung, beispielsweise in Folge der Torsion einer Welle, eine magnetische Wirkung der Welle erzeugt wird. Als Materialien, die einen Villary-Effekt zeigen, werden Eisen, Kupfer, Nickel oder Legierungen dieser Metalle genannt.
Aus der DE 10044701 C1 geht eine Übertragungseinrichtung an den Pedalen eines Fahrrades hervor, mittels deren die Pedalkraft auf die Tretkurbel übertragen wird. Ein elastisches Element in Form einer Feder wird durch die Kraftübertragung komprimiert und diese Kraftwirkung wird gemessen, um daraus das übertragene Drehmoment zu bestimmen.
Aus der DE 69900898 T2 ist die Anwendung von magnetostriktiven Elementen für die Torsionsmessung bekannt, wobei durch ein magnetisches Materi- al die Torsion in eine elektrische Spannung umgesetzt werden soll.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Antriebseinrichtung für eine Maschine mit einer um eine Achse drehbare Antriebswelle und mit zwei mit dieser in Bezug auf ihre Drehachse winkelsteif verbundenen Antriebskurbeln eine möglichst konstruktiv einfache und kostengünstige Möglichkeit zu finden, um das auf die Antriebswelle wirkende Drehmoment zu bestimmen. Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch wenigstens einen mit einer der Antriebskurbein fest verbundenen magnetostriktiven Körper und durch einen Magnetfeldsensor zur Messung des magnetischen Streufeldes des magnetostriktiven Körpers.
Das Drehmoment wird auf die Antriebswelle durch einen Antrieb der Antriebskurbeln in Umfangsrichtung übertragen. Die Antriebskurbeln selbst werden dabei auf Biegung beansprucht und sind mit der Antriebswelle mittels einer Verschraubung, beispielsweise mit einem Kurbelstern oder durch eine andere Fügetechnik winkelsteif verbunden.
Grundsätzlich sind die Antriebskurbeln einer Messung beziehungsweise dem Einbau von Sensoren besonders gut zugänglich. Die Biegebelastung einer Antriebskurbel lässt sich bei bekannter Biegesteifigkeit durch die vorliegende Biegeverformung bestimmen. Diese wird gemäß der Erfindung von einem mit der Antriebskurbel fest verbundenen magnetostriktiven Körper geteilt, der ebenso verformt wird wie die Antriebskurbel.
Magnetostriktive, üblicherweise permanentmagnetische Körper haben die Eigenschaft, dass sich ihr magnetisches Verhalten bei Verformung ändert. Insbesondere kann in einen derartigen magnetostriktiven Körper ein permanentes Magnetfeld eingebracht werden, das stabil und konstant ist, so lange der Körper unverformt bleibt. Beispielsweise kann dies so gestaltet sein, dass der magnetische Fluss innerhalb des Körpers geschlossen ist und da- mit ein minimiertes Streufeld nach außen dringt.
Wird der Körper dann verformt, so lässt sich außerhalb des Körpers die Entstehung eines Streufeldes nachweisen. Dieses kann nach Korrektur gegebenenfalls vorliegender Störfelder, wie beispielsweise des Erdmagnetfeldes ausgewertet und hieraus die Verformung des magnetostriktiven Körpers und nachfolgend die Verformung beziehungsweise das hierfür ursächliche Biegemoment auf die Antriebskurbel bestimmt werden. Üblicherweise kann die Antriebseinrichtung durch Aufbringen eines definierten Biegemomentes auf die Antriebskurbel und Messung des entstehenden Streumagnetfeldes für verschiedene Werte geeicht werden und es kann eine entsprechende Messwerttabelle zur Auswertung hinterlegt werden.
Damit ist durch Auswertung eines Streumagnetfeldes im Bereich der Antriebskurbeln beispielsweise bei einem Fahrrad die Bestimmung des momentan auf die Antriebswelle wirkenden Drehmomentes bei Kenntnis des Abstandes des magnetostriktiven Körpers von der Achse bestimmbar.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mit jeder der Antriebskurbeln ein magnetostriktiver Körper verbunden ist.
Durch Überwachung beider Antriebskurbeln kann das insgesamt wirkende Drehmoment mit höherer Genauigkeit bestimmt werden. Zwar kann man grundsätzlich von einer gleichmäßigen Belastung beider Antriebskurbeln ausgehen, dies ist jedoch nicht notwendig ideal erfüllt. Durch Summierung wird somit eine höhere Genauigkeit erreicht, als wenn lediglich von einer einseitigen Messung an einer Antriebskurbel auf das Gesamtdrehmoment geschlossen würde. Zusätzlich kann auch die Asymmetrie der Belastung bestimmt und für verschiedene Zwecke ausgewertet werden.
Beispielsweise kann bei einer Anwendung im Leistungssport einem Radsportler angezeigt werden, dass er entweder seine Kraft ungleichmäßig auf die Tretkurbeln aufbringt oder dass eines seiner Beine schwächer ausgebildet ist als das andere und eines zusätzlichen Trainingsaufwandes bedarf.
Der magnetostriktive Körper kann einerseits in die Antriebskurbel integriert sein, dadurch dass er in eine Ausnehmung der Antriebskurbel eingesetzt, in diese eingegossen oder eingeklebt ist, oder es kann auch vorgesehen sein, den magnetostriktiven Körper auf die Antriebskurbel aufzusetzen und mit dieser derart fest zu verbinden, dass er die Verformung der Antriebskurbel teilt. Dies ist beispielsweise durch Aufkleben, Löten oder Verschweißen möglich.
Andererseits kann die Integration auch dadurch realisiert sein, dass der magnetostriktive Körper als Teil der Antriebskurbel mit diesem einstϋckig ohne eine Fügestelle verbunden ist. In diesem Fall kann der magnetostriktive Körper beispielsweise nach Herstellung der Kurbel magnetisiert werden.
Die Antriebskurbeln müssen dann aus einem magnetisierbaren Material bestehen. Anderenfalls können sie aus anderen bekannten Materialien bestehen wie beispielsweise Stahl, Titanlegierungen oder Kompositwerkstoffen oder Graphit.
Grundsätzlich kann es auch vorteilhaft sein, die Antriebskurbel aus einem magnetisch inaktiven Material herzustellen, damit nicht das aus dem magne- tostriktiven Körper austretende Streufeld direkt in das Material der Antriebskurbel eintritt und die Flusslinien dort geschlossen werden. Wünschenswert ist, dass das Streufeld wenigstens zu entsprechenden Magnetfeldsensoren gelangt und dort nachgewiesen werden kann.
Die entsprechenden Magnetfeldsensoren können ebenfalls in die Antriebskurbel integriert oder auf dieser angebracht sein, um das Magnetfeld effektiv zu messen. Entsprechende Messwerte können leitungsgebunden, jedoch auch mittels einer Funkverbindung an eine Auswerteeinrichtung gesendet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein magnetostriktiver Körper in einem drehmomentübertragenden Bereich fest mit der Antriebswelle verbunden ist. Auf diese Weise kann mittels eines zusätzlichen Magnetfeldsensors das, auf die Antriebswelle wirkende Drehmoment ermittelt und mit dem Teilmoment, das durch die jeweilige Antriebskurbel eingebracht wird, verglichen werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in einem Abtriebselement der Antriebswelle, insbesondere in einen Kurbelstern integrierte magnetostriktive Körper vorgesehen sind.
Hierdurch ist es möglich, das Gesamtmoment zu erfassen und Reibungsver- luste beispielsweise in der Lagerung der Antriebswelle oder Verluste, die durch nicht in Umfangsrichtung ausgerichtete Kräfte an den Antriebskurbeln erzeugt werden, zu ermitteln.
Es kann dann auch ausreichen, lediglich einen einzigen magnetostriktiven Körper in einer Antriebskurbel anzuordnen und die Summe der Drehmomente in der Antriebswelle oder einfacher in einem Abtriebselement zu messen, um das in der anderen Antriebskurbel wirkende Drehmoment durch Subtraktion zu bestimmen.
Der entsprechenden Magnetfeldsensoren können entweder in unmittelbarer Umgebung der Antriebswelle oder auf dieser selbst oder in der Nähe des Abtriebselementes im Einflussbereich des Streufeldes des entsprechenden magnetostriktiven Sensors angeordnet sein.
Die Erfindung kann außerdem vorteilhaft durch eine Auswerteeinheit, in der aus der gemessenen Magnetfeldstärke ein Drehmoment bestimmt wird, ausgestaltet sein.
Innerhalb der Auswerteeinheit werden mittels einer hinterlegten Formel oder durch Zuordnung von Drehmomentwerten in einer hinterlegten Wertetabelle aus den gemessenen Magnetfeldstärken entsprechende Drehmomente bestimmt. Diese können beispielsweise bei einem Fahrrad oder Ergometer auch angezeigt werden, um dem Fahrer Informationen über die mechanische Belastung der Antriebseinrichtung und über die Kräfte, die er einbringt, zu geben.
Beispielsweise kann dies für eine Warnung genutzt werden, da es üblicherweise als für den menschlichen Körper günstiger angesehen wird, bei höheren Drehzahlen und geringeren Drehmomenten zu trainieren als bei zu hohen Kräften, die das Knochengerüst und die Gelenke all zu stark belasten. Es könnte dann bei Überschreiten einer entsprechenden Drehmoment- schwelle eine Warnung ausgegeben werden, die den Fahrer zum Wechseln eines Getriebegangs veranlasst.
Grundsätzlich sollten bei der Auswertung gemittelte Drehmomentwerte bestimmt werden, die beispielsweise jeweils über eine halbe Umdrehung der Antriebswelle oder weniger gemittelt werden, also bei einem Fahrrad oder Ergometer typischerweise über die Zeitspanne, in der die entsprechende Antriebskurbel durch Druck belastet wird.
Es kann dabei vorteilhaft eine Drehzahlmesseinrichtung zur Bestimmung der Drehzahl der Antriebswelle vorgesehen sein.
Damit kann zusätzlich zum Drehmoment auch die Drehzahl bestimmt werden, so dass beide Größen zusammen die Ermittlung der aufgebrachten Leistung erlauben. Diese kann für sich ebenso wie zusammen mit dem Drehmoment beim Erreichen bestimmter Schwellwerte dazu benutzt werden, entweder einen Zusatzantrieb der Maschine/ des Fahrrades zuzuschalten oder abzuschalten oder bei einem Fahrrad oder Ergometer automatisch den Getriebegang zu wechseln oder speziell bei einem Ergometer einen höheren oder geringeren Belastungswiderstand einzustellen. Hierzu ist vorteilhaft eine Steuereinheit vorgesehen, in der Schwellwerte für ermittelte Drehmomente hinterlegt sind und die mit einem Zusatzantrieb und/oder einer Schalteinrichtung für ein Getriebe verbunden ist. Die Steuereinheit kann einerseits ausschließlich in Abhängigkeit von der Einrichtung zur Bestimmung des Drehmomentes oder zusätzlich auch unter Berücksichtigung der Drehzahlmesswerte beziehungsweise der damit bestimmten Leistungsmesswerte operieren.
Zu diesem Zweck kann die Auswerteeinrichtung auch eine Leistungsberech- nungseinheit aufweisen.
Die Erfindung bezieht sich außer auf eine Antriebseinrichtung für eine Ma- schine auch auf ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Maschine wie sie oben beschrieben ist, wobei die Zu- und Abschaltung eines Zusatzantriebs und/oder einer Schalteinrichtung unter Berücksichtigung eines zeitlich gemit- telten Drehmomentes und/oder der zeitlich gemittelten Leistung bewirkt wird.
Letztlich bezieht sich die Erfindung auch auf ein Fahrrad, ein Pedelec oder ein Ergometer mit einer Antriebseinrichtung wie sie vorangehend beschrieben worden ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.
Dabei zeigt
Fig. 1 die Antriebswelle eines Fahrrads mit zwei Tretkurbeln und einem Kettenkranz in perspektivischer Darstellung;
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil der Antriebswelle, einen Kurbelstern und eine Antriebskurbel sowie eine entsprechende perspektivische Darstellung;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Antriebseinrichtung mit zwei Tretkurbeln und entsprechenden magnetostriktiven Körpern; Fig. 4 eine schematische Übersicht über die Funktionen der Auswertung der Messwerte.
Figur 1 zeigt als typisches Bauteil eines Fahrrades oder Ergometers bezie- hungsweise Pedelecs zwei Antriebskurbeln 1 , 2, in diesem Zusammenhang auch als Tretkurbeln bezeichnet, bei denen die Pedale weggelassen sind sowie die Kapselung 3 einer in den übrigen Figuren näher dargestellten Antriebswelle. Zusätzlich ist eine Reihe von Zahnkränzen 4 dargestellt, die über einen so genannten Kurbelstern 5 mit der Antriebswelle verbunden sind.
Die Antriebskurbeln 1 , 2 können mit der Antriebswelle beispielsweise über eine formschlüssige Verbindung winkelsteif in Bezug auf die Achse 6 verbunden sein.
An der ersten Antriebskurbel 1 ist ein magnetostriktiver Körper 7 an der der zweiten Antriebskurbel abgewandten Außenseite dargestellt.
Der magnetostriktive permanentmagnetische Körper ist in das Material der Antriebskurbel 1 eingelassen und dort beispielsweise mittels Löten befestigt.
In der zweiten Antriebskurbel 2 ist ebensolch ein magnetostriktiver Körper angeordnet, allerdings in der Figur nicht sichtbar.
Aus der Figur 2 geht in einer Übersichtsdarstellung hervor, dass mittels eines Zahnkranzes eine nicht dargestellte Kette angetrieben wird, die üblicherweise mit einem entsprechenden Ritzel auf dem Hinterrad des Fahrrades verbunden ist.
Die magnetostriktiven Körper 9, 10 sind so dargestellt, dass sie einen integ- ralen Teil der Antriebskurbeln 1 , 2 bilden. Die magnetostriktiven Körper 7, 9, 10 sind vor der Inbetriebnahme, gegebenenfalls auch vor dem Einbau in die entsprechende Antriebskurbel bereits magnetisiert worden. Ihr nach außen dringendes Streumagnetfeld ist optimalerweise minimal, dadurch dass möglichst viele Flusslinien innerhalb des Materials des magnetostriktiven Körpers geschlossen sind.
Zur Messung des entsprechenden Streumagnetfeldes außerhalb des jeweiligen magnetostriktiven Körpers ist je ein Magnetsensor 11 , 12 vorgesehen, die beispielsweise als Leiterspulen mit oder ohne einen ferromagnetischen Kern ausgebildet sein können und deren Durchgangsstrom überwacht wird.
Es können auch jeweils zwei Spulen bei einem Magnetfeldsensor vorgesehen sein, um Möglichkeiten zu schaffen, Störgrößen, wie beispielsweise das Erdmagnetfeld oder lokal erzeugte Störfelder, zu kompensieren.
Wird eine der Tretkurbeln 1 , 2 auf Biegung beansprucht, um ein Drehmoment, entweder zum Beschleunigen oder Abbremsen des Fahrrades oder einer entsprechenden durch die Antriebswelle betriebenen Maschine, zu bewirken, so führt die Biegung der entsprechenden Antriebskurbel zu einer proportionalen Verformung des jeweiligen magnetostriktiven Körpers 9, 10 und damit zu einer Änderung des Magnetfeldes, die durch die Magnetsensoren nachgewiesen und in ein Biegemoment umgerechnet werden kann. Aus diesem kann dann das auf die Antriebswelle 13 wirkende Drehmoment bestimmt werden.
Figur 2 zeigt genauer den Aufbau der Antriebswelle und ihre Ankopplung an den Zahnkranz 4, sowie die Tretkurbel 1.
Auf der rechten Seite der Figur 2 ist ein entsprechender Längsschnitt darge- stellt, auf der linken Seite die dreidimensionale Darstellung zur genaueren Bezugnahme. Der Maßstab ist auf der rechten Seite der Figur 2 gegenüber der dreidimensionalen Darstellung auf der linken Seite stark vergrößert. Es ist im Längsschnitt zunächst ein Teil der Antriebswelle 13 dargestellt, die in dem nicht dargestellten Teil weiter mit der zweiten Antriebskurbel 2 verbunden ist. Mittels einer Verschraubung 14 ist die Antriebskurbel 1 mit der Welle 13 winkelsteif verbunden. Die Antriebskurbel 1 kann integral mit einem so genannten Kurbelstern 5 ausgebildet sein, auf den mittels am Umfang verteilter Verschraubungen 15 die Zahnkränze 4 aufgeschraubt sind.
Die Antriebskurbel 1 wird somit zum Einbringen des Drehmoments in die Welle 13 genutzt, während der Kurbelstern durch die Übertragung auf die Zahnkränze 4 den Abtrieb bewirkt.
Die Figur zeigt einen magnetostriktiven Körper 17 der auf dem Kurbelstern sitzt und an dieser Stelle ein Moment erfasst. Dieses Moment stellt ein Teilmoment des gesamten . übertragenen Moments dar. Idealerweise sitzt an oder in jeder Speiche des Kurbelsterns ein solcher Sensor. Die Sensoren können auch einstückig in die jeweiligen Speichen mit integriert sein. Die Summe der erfassten Drehmomente dieser Sensoren ist gleich dem Gesamtmoment das heißt dem Moment das über die Kette an das Hinterrad übertragen wird unter Vernachlässigung des Wirkungsgradverlustes des Kettentriebs.
Die Antriebswelle 13 ist in Wälzlagern gelagert, von denen eines mit 16 bezeichnet ist, und von dem Gehäuse 3 insgesamt schützend umgeben.
In der Figur 2 ist zunächst eine Messanordnung 10,11 dargestellt, bestehend aus einem magnetostriktiven Körper 10 und einem Magnetfeldsensor 11.
Zusätzlich ist in dem Bereich, in dem vom Kurbelstern 5 das Drehmoment auf den Zahnkranz 4 übertragen wird, ein weiterer magnetostriktiver Körper 17 und ein Magnetfeldsensor 18 dargestellt, mittels dessen das Abtriebsdrehmoment bestimmt werden kann, um den Wirkungsgrad der Anordnung zu ermitteln. Zusätzlich ist ein Element 19 eines Drehzahlmessers dargestellt, der die Umdrehungen der Antriebswelle 13 misst und damit eine Bestimmung der Drehzahl über eine Zeitmessung ermöglicht.
In der Figur 4 ist grundsätzlich die Funktion der Auswerteeinheit, einer Leis- tungsberechnungseinheit sowie einer Steuereinheit dargestellt.
Die Figur 4 zeigt die Welle 13 sowie Antriebskurbeln 1 , 2 und die diesen zugeordneten Magnetfeldsensoren 11 , 12.
Zusätzlich ist ein Magnetfeldsensor 18 zur Aufnahme des Abtriebsdrehmomentes zu dem Zahnkranz 4 dargestellt. Die Magnetfeldsensoren 11, 12, 18 sind mit der Auswerteeinheit 20 verbunden. In dieser wird beispielsweise aus den entsprechenden Biegemomenten das jeweilige momentane, auf die Welle aufgebrachte Drehmoment und die Summe der Drehmomente berechnet. Diese kann mit dem Abtriebsdrehmoment verglichen und hieraus kann ein Wirkungsgrad bestimmt werden.
Zudem kann das Drehmoment zeitlich gemittelt werden, beispielsweise kann dies auch einzeln für die Werte der Antriebskurbeln 1 , 2 geschehen, um A- symmetrien zu bestimmen.
Es kann zudem das maximal wirkende Biegemoment auf die Antriebskurbeln beziehungsweise das maximal wirkende Drehmoment auf die Welle 13 ü- berwacht werden und es können gleitende zeitliche Durchschnitte, beispielsweise jeweils für eine halbe Umdrehung der Welle, gebildet werden, um die mechanische Belastung der Antriebseinrichtung aber auch die, beispielsweise bei einem Fahrrad, auf den Bewegungsapparat des diese antreibenden Menschen wirkenden Kräfte, zu berechnen. In Abhängigkeit von eingestellten Schwellwerten, sowohl für die Maximalkräf- te/-momente als auch für die Durchschnittswerte können entsprechende Daten an eine Steuereinheit 23 gegeben werden, in der in einer Speichereinheit 24 Schwellwerte hinterlegt sind, die mit den augenblicklich ge- messenen Werten verglichen werden. Bei Überschreitung gewisser Schwellwerte kann einerseits ein Steuerbefehl an eine Hilfsantriebseinrich- tung 25, beispielsweise in Form eines Elektromotors, gegeben werden, der zu- oder abgeschaltet werden kann, andererseits kann eine Schalteinrichtung 26 für ein Getriebe angesteuert werden, um die Kräfte in der An- triebseinrichtung zu ändern und gleichzeitig die Drehzahlen anzupassen. Beispielsweise kann die Ansteuerung der Schalteinrichtung 26 dazu führen, dass bei zu hoher Drehmomentbelastung ein „kleinerer" Gang geschaltet wird, der beispielsweise zur Auswahl eines kleineren Ritzels auf dem Zahnkranz 4 führt.
In der Figur ist zusätzlich ein Drehzahlsensor 19 dargestellt, der mit einer Leistungsberechnungseinheit 21 verbunden ist. In dieser wird über eine Zeiterfassungseinheit 22 aus den Impulsen des Drehzahlsensors 19 eine Drehzahl berechnet, die zusammen mit den Daten der Auswerteeinheit 20 eine Leistungsberechnung erlaubt.
Entsprechend ermittelte Leistungen können ebenfalls an die Steuereinheit 23 gegeben werden, die auch in Abhängigkeit von Leistungswerten bei Ll- berschreitung oder Unterschreitung entsprechender Schwellwerte die Betäti- gung eines Hilfsantriebs 25 oder einer Schalteinrichtung 26 bewirken kann.
Durch die Erfindung kann in einfacher Weise, gegebenenfalls auch nach- rüstbar, bei einer Maschine der dargestellten Art, beispielsweise einem Fahrrad, einem Ergometer oder einem Pedelec eine Drehmomentmessung durchgeführt werden, die für vielfältige Zwecke der Überwachung und Steuerung genutzt werden kann. Bezugszeichenliste , 2 Antriebskurbeln
Kapselung
Zahnkränze
Kurbelstern
Achse , 9, 10, magnetostriktive Körper 7
Kette 1 , 12, 18 Magnetfeldsensor 3 Antriebswelle 4, 15 Verschraubungen 6 Wälzlager 9 Element eines Drehzahlmessers0 Auswerteeinheit 1 Leistungsberechnungseinheit2 Zeiterfassungseinheit 3 Steuereinheit 4 Speichereinheit 5 Hilfsantriebseinrichtung 6 Schalteinrichtung

Claims

Schaeffler KG Industriestr. 1 - 3, 91074 HerzogenaurachPatentansprüche
1. Antriebseinrichtung für eine Maschine mit einer um eine Achse (6) drehbare Antriebswelle (13) und mit zwei mit dieser in Bezug auf ihre Achse winkelsteif verbundenen Antriebskurbeln (1 , 2) gekennzeichnet durch wenigstens einen mit einer der Antriebskurbeln (1 , 2) fest verbundenen magnetostriktiven Körper (7, 9, 10, 17) und durch einen Magnetfeldsensor (11 , 12, 18) zur Messung des magnetischen Streufeldes des magnetostriktiven Körpers.
2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mit jeder der Antriebskurbeln (1 , 2) ein magnetostriktiver Körper (9, 10) verbunden ist.
3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetostriktive Körper (7, 9, 10, 17) in die jeweilige Antriebskurbel (1 , 2) integriert ist.
4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetostriktive Körper (7) auf die Antriebskurbel(n) (1 , 2) aufgeklebt ist.
5. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeldsensor (11 , 12, 18) an der/den Antriebskurbel(n) (1 , 2) befestigt ist.
6. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetostriktiver Körper (30) in einem drehmomentübertragenden Bereich fest mit der Antriebswelle verbunden ist.
7. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch in einem Abtriebselement der Antriebswelle, insbesondere in einen Kurbelstern integrierte magnetostriktive Körper.
8. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (20), in der aus der gemessenen Magnetfeldstärke ein Drehmoment bestimmt wird.
9. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine Drehzahlmesseinrichtung (19) zur Bestimmung der Drehzahl der Antriebswelle (13).
10. Antriebseinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (23), in der Schwellwerte für ermittelte Drehmomente hinterlegt sind und die mit einem Zusatzantrieb (25) und/oder einer 5 Schalteinrichtung (26) für ein Getriebe verbunden ist.
11. Antriebseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit(23) mit der Drehzahlmesseinrichtung (19) verbun- 10 den ist.
12. Antriebseinrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (20) eine Leistungsberechnungseinheit (21) 15 aufweist.
13. Verfahren zum Betrieb einer Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
20 dass die Zu- und Abschaltung eines Zusatzantriebs (25) und/oder einer Schalteinrichtung (26) unter Berücksichtigung eines zeitlich gemittelten Drehmomentes und/oder der zeitlich gemittelten Leistung bewirkt wird.
14. Fahrrad mit einer Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 12.
15. Pedelec mit einer Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
30 16. Ergometer mit einer Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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