EP2185250B1 - Verfahren und vorrichtung zur kraft-, drehmoment- und leistungsmessung an einem ergometer oder fahrrad - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur kraft-, drehmoment- und leistungsmessung an einem ergometer oder fahrrad Download PDF

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EP2185250B1
EP2185250B1 EP08801075A EP08801075A EP2185250B1 EP 2185250 B1 EP2185250 B1 EP 2185250B1 EP 08801075 A EP08801075 A EP 08801075A EP 08801075 A EP08801075 A EP 08801075A EP 2185250 B1 EP2185250 B1 EP 2185250B1
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EP
European Patent Office
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shaft
torque
ergometer
bicycle
belt pulley
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EP08801075A
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Harald Grab
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B22/00—Exercising apparatus specially adapted for conditioning the cardio-vascular system, for training agility or co-ordination of movements
    • A63B22/06—Exercising apparatus specially adapted for conditioning the cardio-vascular system, for training agility or co-ordination of movements with support elements performing a rotating cycling movement, i.e. a closed path movement
    • A63B22/0605—Exercising apparatus specially adapted for conditioning the cardio-vascular system, for training agility or co-ordination of movements with support elements performing a rotating cycling movement, i.e. a closed path movement performing a circular movement, e.g. ergometers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B71/00—Games or sports accessories not covered in groups A63B1/00 - A63B69/00
    • A63B71/06—Indicating or scoring devices for games or players, or for other sports activities
    • A63B71/0619—Displays, user interfaces and indicating devices, specially adapted for sport equipment, e.g. display mounted on treadmills
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    • A63B2071/0652—Visualisation or indication relating to symmetrical exercise, e.g. right-left performance related to spinal column
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    • A63B2220/00—Measuring of physical parameters relating to sporting activity
    • A63B2220/50—Force related parameters
    • A63B2220/54—Torque
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    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B2220/00—Measuring of physical parameters relating to sporting activity
    • A63B2220/50—Force related parameters
    • A63B2220/58—Measurement of force related parameters by electric or magnetic means

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for force, torque and power measurement on an ergometer or bicycle, as a result of a proper use of the same torque transmission from two pedals equipped cranks via a shaft on a belt drive and further on an ergometer flywheel or the rear wheel of the bicycle takes place, and wherein the belt drive comprises a pulley or a sprocket, which is connected in at least one direction of rotation with the shaft.
  • Ergometers and bicycles have long been used as training equipment and / or for rehabilitation, and it makes sense to measure during the intended use of these devices, the force applied by the user during training performance and evaluate accordingly.
  • Elaborate solutions for detecting the applied power include the evaluation of the voltage in a belt drive, such as a chain, over which the applied force can be determined and from which in turn can be converted in connection with a measured angular velocity on the performance. This is on the DE 10 2005 052 445 A1 directed.
  • a so-called power meter for a crank mechanism of a bicycle in which the force applied by a person is measured directly at the bottom bracket of the bicycle.
  • the pedaling force is converted into an electrical signal by the deformation of a suitable bending element, on which strain gauges are applied, and transmitted by inductive transmission to a receiver connected to the bicycle frame.
  • the pedaling speed is determined by the pedaling frequency. Both values, treading force and pedaling speed, are processed in a microcomputer on the bicycle, displayed and stored or converted into a power.
  • a device for detecting the applied forces and power at a pedal crank in particular a bicycle known, wherein a force is determined by measuring the shear deformation on the crank pin or on the pedal axle with arranged thereon strain gauges for both legs of the force applying person separately.
  • magnetostrictive torque sensors are based on the magnetic properties of ferromagnetic materials, where, for example, a tensile stress in the material causes an increase in a magnetic field induced in the material. In contrast, compressive stresses lead to a reduction of the induced magnetic field.
  • an AC powered sensor coil is used to induce the magnetic field into a ferromagnetic torque transmitting shaft.
  • a secondary take-up coil or other means monitors the changes in the induced magnetic field as the voltages in the shaft change with torque. The voltage signal induced in the secondary coil is an indicator of the torque.
  • the invention is based on the object, an improved method for force, torque and power measurement on an ergometer or to provide a bicycle and a device for its implementation, which is suitable for low metrological effort reliable measurement results and to capture separately for both legs of the ergometer or the bicycle properly used user.
  • the invention is based on the finding that conventional measuring methods on ergometers or bicycles, which are geared in particular to stress measurements in the belt drive or force measurements by means of strain gauges, are complicated and accordingly expensive.
  • the object is therefore initially achieved by a method for force, torque and power measurement on an ergometer or bicycle, as a result of a proper use of the same a torque transmission from two cranks fitted with pedals via a shaft on a belt drive and further on an ergometer Flywheel or the rear wheel of the bicycle takes place, and wherein the belt drive comprises a pulley or a sprocket which is rotatably connected to the shaft in at least one direction of rotation.
  • the elastic torsion of the shaft is detected in each case according to the principle of magnetostriction.
  • the generated sensor signals can be fed to the storage and / or evaluation unit electrically or without contact.
  • the invention provides that to determine the power provided by the user with his right and / or left leg, the rotational speed of the shaft is detected and the storage and / or evaluation unit is supplied, and that in the latter by dividing the on the right shaft - And / or left-side torque with the measured speed is calculated by the user with his right leg and / or his left leg performance is calculated.
  • Appliance related to the invention relates to a device for force and power measurement on an ergometer or bicycle, which due to a proper use of the ergometer or bicycle torque transmission of two pedals equipped with cranks via a shaft on a belt drive and further on an ergometer flywheel or the rear wheel of the bicycle takes place, and wherein the belt drive comprises a pulley or a sprocket, which is rotatably connected to the shaft in at least one direction of rotation.
  • At least one sensor for contactless detection of deformations of the shaft in the form of resulting from the torque transmission elastic torsions as a measure of the forces applied to the shaft forces to determine the torque and the power of both the left and right legs of the user of the ergometer or the bicycle is arranged.
  • the torque sensors are particularly advantageous for measuring the elastic torsion of the shaft formed by at least one magnetostrictive torque sensor.
  • the torque sensors each comprise at least one magnetically coded region on the shaft and at least one sensor coil arranged at a distance therefrom.
  • the magnetically coded regions of the shaft can be formed by magnetostrictive material coatings fixedly connected to the shaft or by separate, shaft-fixed attachments of said magnetostrictive material.
  • speed sensors are arranged on the surface of the shaft, which interact with a rotational speed sensor, which is arranged radially above the rotational speed sensors and connected to the storage and / or evaluation unit , Upon rotation of the shaft, the rotational speed sensors moved past the rotational speed sensor generate a rotational speed signal in the rotational speed sensor which is forwarded to the storage and / or evaluation unit.
  • the torque sensors are each electrically or non-contact connected to an electronic memory and / or evaluation unit for processing generated sensor signals of the detected deformations of the shaft.
  • the pulley or the sprocket including the axially arranged on both sides of the pulley or the sprocket sensors within one of two bearing points of the shaft axially limited region thereof may be arranged.
  • the pulley or the sprocket can also be arranged outside of an axially limited region of two bearing points of the shaft, wherein the sensors are arranged axially on both sides of the pulley or the sprocket, and wherein at least one sensor is disposed within said region ,
  • ergometer allows a Torque transmission from two cranks fitted with pedals via this shaft 1 to a belt drive and further to an ergometer flywheel.
  • the shaft 1 is rotatably mounted by means of rolling bearings at two bearings 2, 3 in a not-shown frame of the ergometer.
  • the belt drive is designed as a belt drive and has a belt pulley 4, which is connected in a rotationally fixed manner to the shaft 1 at least in one direction of rotation.
  • the pulley 4 is axially on each side of the pulley 4 respectively a sensor 5 or 6 for non-contact detection of deformations in the form of elastic from the torque transmission Twists of the shaft 1 is provided.
  • the elastically sensed elastic torsions provide a measure of the forces or torques applied to the shaft 1 for mathematically determining the power provided by the operator per unit time of both the left and the right leg of the user of the ergometer.
  • the measuring means are each formed by at least one magnetostrictive torque sensor 5 or 6 and comprise a magnetically coded region 5a, 6a on the shaft 1 and at least one spaced apart sensor coil 5b, 6b.
  • the mode of operation of such magnetostrictive torque sensors 5, 6 has already been explained in detail in the introduction.
  • the magnetically coded regions 5 a, 6 a are preferably formed by coatings of magnetostrictive material fixedly connected to the shaft 1.
  • the torque sensors 5, 6 and their sensor coils 5b, 6b are each electrically or non-contact, for example by radio or ultrasound, with an electronic memory and / or evaluation unit 7 for processing generated by the sensors 5, 6 sensor signals 8, 9 of detected deformations or elastic torsions of the shaft 1 connected.
  • the electrical voltage required for this purpose is expediently provided by a stationary electrical network and / or one or more accumulators.
  • Fig. 2 illustrated embodiment differs from the above-described variant essentially in that the pulley 4 is disposed axially outside the enclosed between the two bearing points 2, 3 of the shaft 1 area, although also axially on both sides of the pulley 4, the sensors 5, 6 are arranged, however, at least one of the sensors 5 is arranged within said area.
  • FIG. 2 shows Fig. 2 in that magnetic signal generators 10 are arranged at a distance from one another on the circumference of the shaft 1, which cooperate with a rotational speed sensor 11 known per se, which is positioned at a radial distance above the rotational speed sensors 10.
  • a rotational speed sensor 11 known per se
  • the torque applied to the respective side of the shaft 1 per unit of time can be determined in the storage and / or evaluation unit 7, and accordingly the respectively used power of the user .
  • the knowledge of the user's performance, particularly that applied by his right and / or left leg, is of interest not only for informing the user of the ergometer, but also for accurately adjusting the mechanical resistance of the ergometer's braking device, such as a related eddy current brake or a band brake.
  • the brake torque or the braking power of the eddy current brake is estimated from the supply voltage of the eddy current brake with the aid of a mathematically non-proportional relationship, which is intended to counteract or counteract the user of the ergometer.
  • the accuracy is in the range of ⁇ 10% to the actual value of the braking torque, which is judged to be insufficient, at least in diagnostically used ergometers.
  • the above embodiments are based on an ergometer with a belt drive in the form of a belt drive.
  • the invention is not limited to these embodiments, but also includes belt drives in the form of chain drives and conventional bicycles with belt or chain drive according to the invention with the special sensors 5, 6 for detecting the elastic torsion of the shaft 1 in the region of the bottom bracket under load during normal use, preferably with magnetostrictive torque sensors 5, 6 are equipped (not shown).

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kraft-, Drehmoment- und Leistungsmessung an einem Ergometer oder Fahrrad, wobei infolge eines bestimmungsgemäßen Gebrauchs desselben eine Drehmomentübertragung von zwei mit Pedalen bestückten Tretkurbeln über eine Welle auf einen Umschlingungstrieb und weiter auf eine Ergometer-Schwungscheibe oder das Hinterrad des Fahrrads erfolgt, und wobei der Umschlingungstrieb eine Riemenscheibe oder ein Kettenrad aufweist, welche wenigstens in einer Drehrichtung drehfest mit der Welle verbunden ist.
  • Ergometer und Fahrräder werden seit geraumer Zeit als Trainingsgeräte und/oder zur Rehabilitierung genutzt, wobei es sinnvoll ist, während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs dieser Geräte die vom Benutzer während des Trainings aufgebrachte Leistung zu messen und entsprechend auszuwerten. Aufwendige Lösungen für eine Erfassung der aufgebrachten Leistung beinhalten die Auswertung der Spannung in einem Umschlingungstrieb, beispielsweise einer Kette, über welche die aufgebrachte Kraft ermittelbar ist und woraus wiederum in Verbindung mit einer gemessenen Winkelgeschwindigkeit auf die Leistung umgerechnet werden kann. Hierzu wird auf die DE 10 2005 052 445 A1 verwiesen.
  • Aus der DE 37 22 728 C1 ist zudem ein so genannter Leistungsmesser für einen Kurbeltrieb eines Fahrrades bekannt, bei dem die von einer Person aufgebrachte Kraft direkt am Tretlager des Fahrrades gemessen wird. Die Tretkraft wird durch die Verformung eines geeigneten Biegeelementes, auf dem Dehnmessstreifen appliziert sind, in ein elektrisches Signal umgewandelt und durch induktive Übertragung auf einen mit dem Fahrradrahmen verbundenen Empfänger übertragen. Die Tretgeschwindigkeit wird durch die Tretfrequenz ermittelt. Beide Werte, Tretkraft und Tretgeschwindigkeit, werden in einem Mikrocomputer am Fahrrad verarbeitet, zur Anzeige gebracht und abgespeichert bzw. in eine Leistung umgerechnet.
  • Ferner ist aus der DE 44 35 174 C2 eine Vorrichtung zur Erfassung der aufgebrachten Kräfte und Leistung an einer Tretkurbel, insbesondere eines Fahrrades bekannt, wobei eine Kraft durch Messung der Schubverformung am Kurbelzapfen beziehungsweise an der Pedalachse mit darauf angeordneten Dehnungsmessstreifen für beide Beine der die Kraft aufbringenden Person getrennt ermittelt wird.
  • Schließlich ist es seit geraumer Zeit bekannt, Drehmomente einer Drehwelle mit oder ohne Torsionsstange mittels an sich bekannter magnetischer Methoden, beispielsweise mittels magnetostriktiver Drehmomentsensoren zu messen. Derartige magnetostriktive Drehmomentsensoren beruhen auf den magnetischen Eigenschaften ferromagnetischer Materialien, wobei beispielsweise eine Zugspannung in dem Material ein Ansteigen eines in dem Material induzierten magnetischen Feldes bewirkt. Demgegenüber führen Druckspannungen zu einer Verminderung des induzierten magnetischen Feldes. Überwiegend wird eine wechselstromgespeiste Sensorspule verwendet, um das magnetische Feld in eine ferromagnetische, drehmomentübertragende Welle zu induzieren. Eine sekundäre Aufnahmespule oder ein anderes Mittel überwacht dann die Änderungen in dem induzierten magnetischen Feld, wenn sich die Spannungen in der Welle mit dem Drehmoment ändern. Das in der Sekundärspule induzierte Spannungssignal ist ein Indikator für das Drehmoment.
  • So beschreibt beispielsweise die DE 34 17 893 A1 eine Anordnung zum berührungslosen Nachweis bzw. zur berührungslosen Messung mechanischer Spannungszustände von Maschinenteilen, wie beispielsweise Wellen, mit einem magnetostriktiven Drehmomentsensor, wobei auf der Welle eine Schicht aus amorphem, magnetostriktivem Material angeordnet ist. Unter dem Einfluss mechanischer Spannungen verändert diese Schicht ihre magnetische Permeabilität, so dass wiederum die Induktivität eines in der Nähe dieser Schicht angeordneten Sensors, welcher mindestens eine Spule umfasst, verändert wird. Die Beschichtung kann auf die Welle aufgesputtert oder elektrolytisch aufgebracht oder in Folienform ausgebildet und auf die Welle geklebt oder mit derselben verschweißt sein.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Kraft-, Drehmoment- und Leistungsmessung an einem Ergometer oder Fahrrad sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, welches geeignet ist, bei geringem messtechnischen Aufwand zuverlässige Messergebnisse und zwar für beide Beine des das Ergometer oder das Fahrrad bestimmungsgemäß gebrauchenden Benutzers getrennt voneinander zu erfassen.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass herkömmliche Messmethoden an Ergometern oder Fahrrädern, die insbesondere auf Spannungsmessungen im Umschlingungstrieb oder Kraftmessungen mittels Dehnmessstreifen abstellen, aufwendig und demgemäß kostenintensiv sind.
  • Die gestellte Aufgabe wird demnach zunächst gelöst durch ein Verfahren zur Kraft-, Drehmoment- und Leistungsmessung an einem Ergometer oder Fahrrad, wobei infolge eines bestimmungsgemäßen Gebrauchs desselben eine Drehmomentübertragung von zwei mit Pedalen bestückten Tretkurbeln über eine Welle auf einen Umschlingungstrieb und weiter auf eine Ergometer-Schwungscheibe oder das Hinterrad des Fahrrads erfolgt, und wobei der Umschlingungstrieb eine Riemenscheibe oder ein Kettenrad aufweist, welche wenigstens in einer Drehrichtung drehfest mit der Welle verbunden ist. Außerdem ist verfahrensgemäß vorgesehen, dass beidseitig der Riemenscheibe oder des Kettenrades unabhängig voneinander jeweils aus der Momentenübertragung resultierende elastische Torsionen der Welle als Maß für die auf die Welle aufgebrachten Kräfte zur Ermittlung des Drehmoments und der Leistung sowohl des linken als auch des rechten Beines des Benutzers des Ergometers oder des Fahrrades erfasst, entsprechende Sensorsignale generiert und dieselben zur weiteren Verarbeitung einer Speicher- und/oder Auswerteeinheit zugeführt werden.
  • Die so gewonnenen Werte für die von dem Nutzer mit seinem rechten und/oder linken Bein aufgebrachte Kraft bzw. das über die Hebellänge der Tretkurbel wirkende Drehmoment sowie die pro Zeiteinheit vom Nutzer erbrachte Leistung können anschließend bestimmt und dann auf einem Anzeigegerät zur Anzeige gebracht, elektronisch abgespeichert und/oder für andere Zwecke verwendet werden.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die elastische Torsion der Welle jeweils nach dem Prinzip der Magnetostriktion erfasst. Hierbei können die generierten Sensorsignale elektrisch oder berührungslos der Speicher- und/oder Auswerteeinheit zugeführt werden.
  • Außerdem sieht die Erfindung vor, dass zur Bestimmung der von dem Nutzer mit seinem rechten und/oder linken Bein erbrachten Leistung die Drehzahl der Welle erfasst und der Speicher- und/oder Auswerteeinheit zugeführt wird, und dass in letzterer durch Division des an der Welle rechts- und/oder linksseitig wirkenden Drehmoments mit der gemessenen Drehzahl die vom Nutzer mit seinem rechten Bein und/oder seinem linken Bein erbrachte Leistung berechnet wird.
  • Gerätebezogen betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Kraft- und Leistungsmessung an einem Ergometer oder Fahrrad, wobei infolge eines bestimmungsgemäßen Gebrauchs des Ergometers oder Fahrrads eine Drehmomentübertragung von zwei mit Pedalen bestückten Tretkurbeln über eine Welle auf einen Umschlingungstrieb und weiter auf eine Ergometer-Schwungscheibe oder das Hinterrad des Fahrrads erfolgt, und wobei der Umschlingungstrieb eine Riemenscheibe oder ein Kettenrad aufweist, welche wenigstens in einer Drehrichtung drehfest mit der Welle verbunden ist.
  • Zur vorrichtungsbezogenen Lösung der gestellten Aufgabe ist vorgesehen, dass axial beidseitig der Riemenscheibe oder des Kettenrades jeweils zumindest eine Sensorik zur berührungslosen Erfassung von Verformungen der Welle in Form von aus der Momentenübertragung resultierenden elastischen Torsionen als Maß für die auf die Welle aufgebrachten Kräfte zur Ermittlung des Drehmoments und der Leistung sowohl des linken als auch des rechten Beines des Benutzers des Ergometers oder des Fahrrades angeordnet ist.
  • Besonders vorteilhaft sind diese Sensoriken zur Messung der elastischen Torsion der Welle jeweils durch zumindest eine magnetostriktive Drehmoment-Sensorik gebildet. Die Drehmoment-Sensoriken umfassen dabei jeweils zumindest einen magnetisch codierten Bereich auf der Welle sowie zumindest eine dazu beabstandet angeordnete Sensorspule. Was die magnetisch codierten Bereiche der Welle anbelangt, so können diese durch fest mit der Welle verbundene Beschichtungen aus magnetostriktivem Material oder durch separate, mit der Welle fest verbundene Anbauteile aus besagtem magnetostriktiven Material gebildet sein.
  • Außerdem ist zur Bestimmung der vom Nutzer in das Ergometer oder das Fahrrad eingebrachten Leistung vorgesehen, dass Drehzahlgeber an der Oberfläche der Welle angeordnet sind, die mit einem Drehzahlsensor zusammenwirken, welcher radial über den Drehzahlgebern angeordnet und mit der Speicher- und/oder Auswerteeinheit verbunden ist. Bei einer Drehung der Welle erzeugen die an dem Drehzahlsensor vorbeibewegten Drehzahlgeber ein Drehzahlsignal in dem Drehzahlsensor, welches an die Speicher- und/oder Auswerteeinheit weitergeleitet wird.
  • Weiter vorteilhaft sind die Drehmoment-Sensoriken jeweils elektrisch oder berührungslos mit einer elektronischen Speicher- und/oder Auswerteeinheit zur Verarbeitung von generierten Sensorsignalen der erfassten Verformungen der Welle verbunden.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante der in Rede stehenden Vorrichtung kann die Riemenscheibe oder das Kettenrad samt der axial beidseitig der Riemenscheibe oder des Kettenrades angeordneten Sensoriken innerhalb eines von zwei Lagerstellen der Welle axial begrenzten Bereiches derselben angeordnet sein.
  • Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsvariante kann die Riemenscheibe oder das Kettenrad auch außerhalb eines von zwei Lagerstellen der Welle axial begrenzten Bereiches derselben angeordnet sein, wobei axial beidseitig der Riemenscheibe oder des Kettenrades die Sensoriken angeordnet sind, und wobei zumindest eine Sensorik innerhalb des besagten Bereiches angeordnet ist.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden an zwei bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Figur 1
    eine erfindungsgemäß ausgebildete Welle eines Ergometers mit einer zwischen zwei Lagerstellen angeordneten Riemenscheibe und Messvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
    Figur 2
    eine erfindungsgemäß ausgebildete Welle eines Ergometers mit einer außerhalb eines Bereiches zwischen zwei Lagerstellen ange- ordneten Riemenscheibe gemäß einer zweiten Ausführungsform.
    Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Welle 1 des Tretlagers eines an sich bekannten und demgemäß nicht im Detail gezeigten Ergometers ermöglicht eine Drehmomentübertragung von zwei mit Pedalen bestückten Tretkurbeln über diese Welle 1 auf einen Umschlingungstrieb und weiter auf eine Ergometer-Schwungscheibe. Die Welle 1 ist mittels Wälzlager an zwei Lagerstellen 2, 3 in einem nicht näher gezeigten Rahmen des Ergometers drehgelagert. Vorliegend ist der Umschlingungstrieb als Riementrieb ausgebildet und weist eine Riemenscheibe 4 auf, die wenigstens in einer Drehrichtung drehfest mit der Welle 1 verbunden ist.
  • Um bei geringem messtechnischen Aufwand zuverlässige Messergebnisse und zwar für beide Beine des das Ergometer bestimmungsgemäß gebrauchenden Benutzers getrennt voneinander erfassen zu können, ist axial beidseitig der Riemenscheibe 4 jeweils eine Sensorik 5 bzw. 6 zur berührungslosen Erfassung von Verformungen in Form von aus der Momentenübertragung resultierenden elastischen Torsionen der Welle 1 vorgesehen. Die sensorisch erfassten elastischen Torsionen stellen ein Maß für die auf die Welle 1 aufgebrachten Kräfte bzw. Drehmomente zur rechnerischen Ermittlung der vom Bediener pro Zeiteinheit erbrachten Leistung sowohl des linken als auch des rechten Beines des Benutzers des Ergometers dar.
  • Die Messmittel sind jeweils durch zumindest eine magnetostriktive Drehmoment-Sensorik 5 bzw. 6 gebildet und umfassen einen magnetisch codierten Bereich 5a, 6a auf der Welle 1 sowie zumindest eine dazu beabstandet angeordnete Sensorspule 5b, 6b. Die Funktionsweise derartiger magnetostriktiver Drehmoment-Sensoriken 5, 6 wurde einleitend bereits ausführlich erläutert.
  • Die magnetisch codierten Bereiche 5a, 6a sind vorzugsweise durch fest mit der Welle 1 verbundene Beschichtungen aus magnetostriktivem Material gebildet. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, statt dessen separate, mit der Welle 1 fest zu verbindende Anbauteile, beispielsweise ringförmige Anbauteile aus magnetostriktivem Material vorzusehen, die auf die Welle 1 aufgefädelt und mit derselben kraft- und/oder formschlüssig derart verbunden sind, dass die zu erfassenden elastischen Torsionen der Welle 1 auf die magnetostriktivem Anbauteile übertragen werden (nicht näher dargestellt).
  • Die Drehmoment-Sensoriken 5, 6 beziehungsweise deren Sensorspulen 5b, 6b sind jeweils elektrisch oder berührungslos, beispielsweise per Funk oder Ultraschall, mit einer elektronischen Speicher- und/oder Auswerteeinheit 7 zur Verarbeitung von durch die Sensoriken 5, 6 generierten Sensorsignalen 8, 9 der erfassten Verformungen bzw. elastischen Torsionen der Welle 1 verbunden. Die hierzu erforderliche elektrische Spannung wird zweckmäßigerweise von einem stationären elektrischen Netz und/oder einem oder mehreren Akkumulatoren bereitgestellt.
  • Wie Fig. 1 weiter zeigt, ist die Riemenscheibe 4 samt der axial beidseitig derselben angeordneten Sensoriken 5, 6 innerhalb eines von den beiden Lagerstellen 2, 3 der Welle 1 axial begrenzten Bereiches der Welle 1 angeordnet, wodurch eine äußerst kompakte und demgemäß im Hinblick auf den erforderlichen Bauraum minimierte Anordnung geschaffen ist.
  • Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der vorbeschriebenen Variante im Wesentlichen dadurch, dass die Riemenscheibe 4 axial außerhalb des zwischen den beiden Lagerstellen 2, 3 der Welle 1 eingeschlossenen Bereiches angeordnet ist, wobei zwar ebenfalls axial beidseitig der Riemenscheibe 4 die Sensoriken 5, 6 angeordnet sind, jedoch zumindest eine der Sensoriken 5 innerhalb besagten Bereiches angeordnet ist.
  • Außerdem zeigt Fig. 2, dass am Umfang der Welle 1 magnetische Signalgeber 10 mit Abstand zueinander angeordnet sind, die mit einem an sich bekannten Drehzahlsensor 11 zusammenwirken, der mit radialem Abstand über den Drehzahlgebern 10 positioniert ist. Bei einem Vorbeibewegen der Drehzahlgeber 10 unter dem Drehzahlsensor 11 aufgrund einer Drehbewegung der Welle 1 registriert dieser das sich ändernde Magnetfeld und erzeugt daraus ein Drehzahlsignal 12, welches an die Speicher- und/oder Auswerteeinheit 7 weitergeleitet wird. Es ist auch möglich, anstelle des beschriebenen Messprinzips andere Messprinzipien zur Erfassung der Drehzahl der Welle 1 zu nutzen, beispielsweise bekannte optische Messsysteme.
  • Mit Hilfe des aus der registrierten Torsion der Welle 1 ermittelten Drehmoments sowie der gemessenen Drehzahl der Welle lässt sich in der Speicher- und/oder Auswerteeinheit 7 das an der jeweiligen Seite der Welle 1 aufgebrachte Drehmoment pro Zeiteinheit und demnach die jeweils aufgewendete Leistung des Nutzers bestimmen. Die Kenntnis der Leistung des Nutzers, insbesondere diejenige, die von seinem rechten und/oder linken Bein aufgebracht wurde, ist nicht nur zur Information des Nutzers des Ergometers von Interesse, sondern auch für die genaue Einstellung des mechanischen Widerstandes der Bremsvorrichtung des Ergometers, beispielsweise einer diesbezüglichen Wirbelstrombremse oder einer Bandbremse.
  • Bei bisher bekannten Ergometern wird aus der Speisespannung der Wirbelstrombremse mit Hilfe eines mathematisch nichtproportionalen Zusammenhangs das Bremsmoment bzw. die Bremsleistung der Wirbelstrombremse abgeschätzt, welches dem Nutzer des Ergometers entgegenwirken soll bzw. entgegenwirkt. Die Genauigkeit liegt dabei im Bereich von ± 10% um den tatsächlichen Wert des Bremsmoments, welches zumindest bei diagnostisch einzusetzenden Ergometern als nicht ausreichend beurteilt wird. Daher erfolgt bei solchen bekannten Ergometern üblicherweise eine Kalibrierung der Wirbelstrombremse, um den nichtproportionalen Zusammenhang zwischen der Speisespannung der Wirbelstrombremse und deren Bremswirkung (Bremsmoment, Bremsleistung) herauszufinden, und um die nach einer DIN-Vorschrift geforderte Genauigkeit der Bremsmomenteinstellung bzw. der Drehmoment- und Leistungsanzeige für den Nutzer erreichen zu können.
  • Bei dem Messsystem gemäß der Erfindung und insbesondere des der Fig. 2 ist ein solcher Aufwand nicht notwenig, da das vom Nutzer des Ergometers aufgebrachte Drehmoment bzw. die Leistung anhand der Drehmoment- und Drehzahlmessung kontinuierlich bestimmt werden.
  • Vorstehende Ausführungsbeispiele stellen auf ein Ergometer mit einem Umschlingungstrieb in Form eines Riementriebes ab. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele, sondern umfasst auch Umschlingungstriebe in Form von Kettentrieben sowie herkömmliche Fahrräder mit Riemen- oder Kettentrieb, die erfindungsgemäß mit den besonderen Sensoriken 5, 6 zur Erfassung der elastischen Torsion der Welle 1 im Bereich des Tretlagers bei Belastung desselben während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs, vorzugsweise mit magnetostriktiven Drehmoment-Sensoriken 5, 6 ausgestattet sind (nicht näher dargestellt).
    • Bezugszahlenliste
    • 1
    Welle
    2
    Lagerstelle
    3
    Lagerstelle
    4
    Riemenscheibe
    5
    Sensorik (Drehmoment-Sensorik)
    5a
    Magnetisch codierter Bereich
    5b
    Sensorspule
    6
    Sensorik (Drehmoment-Sensorik)
    6a
    Magnetisch codierter Bereich
    6b
    Sensorspule
    7
    Speicher- und/oder Auswerteeinheit
    8
    Signal
    9
    Signal
    10
    Drehzahlgeber
    11
    Drehzahlsensor
    12
    Drehzahlsignal

Claims (10)

  1. Verfahren zur Kraft-, Drehmoment- und Leistungsmessung an einem Ergometer oder Fahrrad, wobei infolge eines bestimmungsgemäßen Gebrauchs desselben eine Drehmomentübertragung von zwei mit Pedalen bestückten Tretkurbeln über eine Welle (1) auf einen Umschlingungstrieb und weiter auf eine Ergometer-Schwungscheibe oder das Hinterrad des Fahrrads erfolgt, und wobei der Umschlingungstrieb eine Riemenscheibe (4) oder ein Kettenrad aufweist, welche wenigstens in einer Drehrichtung drehfest mit der Welle (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig der Riemenscheibe (4) oder des Kettenrades unabhängig voneinander jeweils aus der Momentenübertragung resultierende elastische Torsionen der Welle (1) als Maß für die auf die Welle (1) aufgebrachten Kräfte zur Ermittlung des Drehmoments und der Leistung sowohl des linken als auch des rechten Beines des Benutzers des Ergometers oder des Fahrrades erfasst, entsprechende Sensorsignale (8, 9) generiert und dieselben zur weiteren Verarbeitung einer Speicher- und/oder Auswerteeinheit (7) zugeführt werden, und
    dass die elastische Torsion der Welle (1) jeweils nach dem Prinzip der Magnetostriktion erfasst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Welle (1) erfasst und der Speicher- und/oder Auswerteeinheit (7) zugeführt wird, und dass in letzterer durch Division des an der Welle (1) rechts- und/oder linksseitig wirkenden Drehmoments mit der gemessenen Drehzahl die vom Nutzer mit seinem rechten Bein und/oder seinem linken Bein aufgebrachte Leistung berechnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale (8, 9, 12) elektrisch oder berührungslos der Speicher- und/ oder Auswerteeinheit (7) zugeführt werden.
  4. Vorrichtung zur Kraft- und Leistungsmessung an einem Ergometer oder Fahrrad, wobei infolge eines bestimmungsgemäßen Gebrauchs des Ergometers oder Fahrrads eine Drehmomentübertragung von zwei mit Pedalen bestückten Tretkurbeln über eine Welle (1) auf einen Umschlingungstrieb und weiter auf eine Ergometer-Schwungscheibe oder das Hinterrad des Fahrrads erfolgt, und wobei der Umschlingungstrieb eine Riemenscheibe (4) oder ein Kettenrad aufweist, welche wenigstens in einer Drehrichtung drehfest mit der Welle (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass axial beidseitig der Riemenscheibe (4) oder des Kettenrades jeweils zumindest eine magnetostriktive Drehmoment-Sensorik (5, 6) zur berührungslosen Erfassung von Verformungen der Welle (1) in Form von aus der Momentenübertragung resultierenden elastischen Torsionen als Maß für die auf die Welle (1) aufgebrachten Kräfte zur Ermittlung des Drehmoments und der Leistung sowohl des linken als auch des rechten Beines des Benutzers des Ergometers oder des Fahrrades angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmoment-Sensoriken (5, 6) jeweils zumindest einen magnetisch codierten Bereich (5a, 6a) auf der Welle (1) sowie zumindest eine dazu beabstandet angeordnete Sensorspule (5b, 6b) umfassen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch codierten Bereiche (5a, 6a) der Welle (1) durch fest mit der Welle (1) verbundene Beschichtungen aus magnetostriktivem Material oder durch separate mit der Welle (1) fest verbundene Anbauteile aus magnetostriktivem Material gebildet sind.
  7. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Drehzahlgeber (10) an der Oberfläche der Welle (1) angeordnet sind, die mit einem Drehzahlsensor (11) zusammenwirken, welcher über den Drehzahlgebern (10) angeordnet und mit der Speicher- und/oder Auswerteeinheit (7) verbunden ist.
  8. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmoment-Sensoriken (5, 6) jeweils elektrisch oder berührungslos mit einer Speicher- und/oder Auswerteeinheit (7) zur Verarbeitung von generierten Sensorsignalen (8, 9) der erfassten Verformungen der Welle (1) verbunden sind.
  9. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Riemenscheibe (4) oder das Kettenrad samt der axial beidseitig der Riemenscheibe (4) oder des Kettenrades angeordneten Sensoriken (5, 6) innerhalb eines von zwei Lagerstellen (2, 3) der Welle (1) axial begrenzten Bereiches derselben angeordnet sind.
  10. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Riemenscheibe (4) oder das Kettenrad außerhalb eines von zwei Lagerstellen (2, 3) der Welle (1) axial begrenzten Bereiches derselben angeordnet ist, wobei axial beidseitig der Riemenscheibe (4) oder des Kettenrades die Sensoriken (5, 6) angeordnet sind, und wobei zumindest eine Sensorik (5) innerhalb besagten Bereiches angeordnet ist.
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