EP3194256A1 - Unterstützung für runden tritt am fahrrad - Google Patents

Unterstützung für runden tritt am fahrrad

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Publication number
EP3194256A1
EP3194256A1 EP15766439.2A EP15766439A EP3194256A1 EP 3194256 A1 EP3194256 A1 EP 3194256A1 EP 15766439 A EP15766439 A EP 15766439A EP 3194256 A1 EP3194256 A1 EP 3194256A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
torque
driver
bicycle
bottom bracket
auxiliary
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Withdrawn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
EP15766439.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich STÄHLIN
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.)
Continental Teves AG and Co OHG
Original Assignee
Continental Teves AG and Co OHG
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 Continental Teves AG and Co OHG filed Critical Continental Teves AG and Co OHG
Publication of EP3194256A1 publication Critical patent/EP3194256A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • 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
    • 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
    • B62M6/55—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at crank shafts parts
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for assisting a driver of a bicycle in the pedal drive via a Tretla ⁇ gerwelle a pedal bearing on the bicycle, a STEU ⁇ ervoriques for performing the method and a bicycle with the control device.
  • a method for assisting a rider of a bicycle pedaling a bottom bracket of a bottom bracket on the bicycle comprises the steps of detecting a treading torque applied to the bottom bracket shaft by the rider of the bicycle through a rotation angle of the bottom bracket and outputting an auxiliary signal, if any Comparison of the treadle and the angle of rotation deviates from a predetermined condition.
  • the specified method is based on the consideration that the driver usually enters the pedal bearing shaft of the bicycle via a pedal with a pedal torque dependent on the angular position of the bottom bracket shaft. For example, it is different the treading torque applied by the rider to the bottom bracket shaft in the dead centers of the torque halfway between the dead centers. This can lead, for example, when driving uphill to the fact that the driver suddenly in a very specific angular position can not provide sufficient pedaling moment to drive the bike more and is thus forced to get off ⁇ .
  • the specified method attacks with the proposal to contrast the rotational angle position of the bottom bracket and the pedal torque applied by the driver while riding the bike facing each other.
  • the information derived from the comparison can then be used in a variety of ways to offer the driver various assistance functions while driving.
  • the driver can then use these assistance functions in a variety of ways, for example to save power when pedaling, to optimize his pedaling, etc.
  • the juxtaposition of the treading torque and the rotational angle is compared with a predetermined condition, wherein the auxiliary signal is output when the predetermined condition is not satisfied.
  • a predetermined condition an optimum pedaling behavior of the driver can be defined as a function of the angle of rotation of the bottom bracket shaft. If the real pedaling behavior differs from this optimum pedaling behavior, the driver can be actively or passively supported via the auxiliary signal.
  • a fluctuation of the pedal torque over the rotational angle is smaller than a predetermined value in the context of the predetermined condition.
  • the predetermined condition is defined such that the Tretmoment on the rotational angle in ⁇ We sentlichen is constant. Under this predetermined condition is the optimal pedaling of the driver of the so-called round kick.
  • minor fluctuations in the pedal ⁇ moments on the tread angle should not be included in the aforementioned Ge ⁇ genüberwolf with.
  • the Tretmoment can be superimposed in an additional Wei ⁇ ter Struktur the specified method with an assist torque.
  • a torque sensor is used to determine the torque at which the driver steps on the pedal crank and determines the assist torque from the electric motor.
  • the angle of rotation of the bottom bracket shaft is additionally measured in order to support the rider of the bicycle when pedaling with the lunge over the auxiliary engine based thereon.
  • auxiliary signal in which phase of the cycle cycle (printing phase, pulling phase, lifting phase, coasting phase), the driver of the bike is currently. From this information in the auxiliary signal will be derived or predicted how much pedaling moment the driver will apply in comparison to the previous phases and thus, how much additional auxiliary torque, or even support torque called ⁇ is necessary to the total torque in the round step to keep constant.
  • ⁇ support torque
  • the auxiliary torque should be generated in a particular development of the specified method such that a comparison of a total torque from the pedal torque and the auxiliary torque and the rotational angle, the predetermined fulfilled.
  • the sum of torsional ⁇ moment could be adjusted based on the auxiliary torque.
  • the specified method comprises the step of pre-controlling the generated auxiliary torque based on an estimate of the course of the treading torque over the angle of rotation.
  • the feedforward control can in this case be designed as suitssgrö ⁇ .aufSclien or as a feed-forward and causes an improved guide performance of the resulting control loop, because then the researcherregelnden sub ⁇ differences between the driver Tretmoment and the sums ⁇ torque to be kept as small as possible, and thus fluctuation in the control loop be avoided as much as possible.
  • the estimation of the pedal torque curve of the driver on the rotation angle can be done arbitrarily. The following approaches are available:
  • the treading moment should be measured, for example, during the printing phase, in which case it would not be necessary to distinguish between the pressure phase and other phases, because it can be assumed that the treading moment is maximal in the pressure phase.
  • the pressure phase should be detected via the angle of rotation of the bottom bracket, wherein the rotational angle of the bottom bracket in the printing phase, a fixed values could be assumed, e.g. between 45 ° and 135 °.
  • a learning algorithm such as, for example, a neural net z, a Bayesian net z, polynomials, etc, could be used in which the relative course of the treading moment over the rotation angle is learned over several cycles. Learning is supposed to be an iterative process be understood in the context of which a stored course of the treadmill on the rotation angle based on current Mes ⁇ solutions is constantly corrected.
  • different courses of the pedal torque could be retracted and stored via the angle of rotation with different reference drivers.
  • An ⁇ closing could be determined while driving, which of the gradients has the least deviation from the course of the pedaling torque on the rotation angle of the current driver. This history can then be used.
  • the driver could choose a course of the pedaling torque which is suitable for him over the angle of rotation as the basis for the abovementioned regulation, even according to specific criteria, such as sporty, comfortable, terrain, etc.
  • the specified method comprises the step of avoiding superposition with the auxiliary torque if the comparison of the treading torque and the angle of rotation fulfills another predetermined condition.
  • This further predetermined condition may be defined such that the approach of the driver's Tret s to the above-mentioned optimum Tret under certain conditions ge ⁇ can be stopped, in particular in determining traffic Situational ⁇ functions.
  • the further predetermined condition from a loading ⁇ admirungsdorf and / or a braking request of the driver may be dependent. For example, if it is detected that the driver in a phase of the cycle of trespasses significantly stronger or weaker than before, it can be deviated from the optimization to a constant pedaling moment as possible, so that the driver can also accelerate and decelerate.
  • a further threshold value in the fluctuation of the treading moment can be defined as a further predetermined condition, starting from which the Support with the auxiliary torque should be terminated.
  • a further predetermined condition starting from which the Support with the auxiliary torque should be terminated.
  • the specified method comprises the step of outputting an indication to the driver based on the auxiliary signal, for instead of the aforementioned support to a round kick or in addition to this support, the driver can also be displayed his deviation from the round kick.
  • This can either continuously he ⁇ followed by instantaneous values or statistical values ((moving) mean, median, maximum, minimum, ). Sizes are the relative and the absolute deviation or the angle with the largest deviation. This provides a parameter for a training instead of a more appropriate support while driving.
  • a control ⁇ device is set up to perform one of the specified methods.
  • the specified device has a memory and a processor.
  • the specified method is stored in the form of a Compu ⁇ terprogramms in the memory and the processor is provided for performing the method when the computer program from the memory is loaded into the processor.
  • a Compu ⁇ terprogramm program code means to carry out all the steps of the methods indicated, when the computer program on a computer or one of the specified devices is executed.
  • a Compu ⁇ program product comprises a program code which is stored on a data carrier and the compu ⁇ terlesbaren, when executed on a data processing device, carries out one of the methods specified.
  • a bicycle includes a frame movably supported by at least one wheel on a ground, a bottom bracket having a bottom bracket shaft for driving the wheel based on a treading torque applied by the driver, and one of the specified control devices.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a bicycle with a supporting auxiliary drive
  • Fig. 2 is a schematic representation of a bottom bracket for the bicycle of Fig. 1, and
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a control loop in the bicycle of Fig. 1 show.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a bicycle 2 with a supporting auxiliary drive 4.
  • the bicycle 2 has a frame 6 which is movably supported on a ground 11, such as a road, via a front wheel 8 and a rear wheel 10.
  • the rear wheel 10 can be driven via a bottom bracket 12, which will be described below be ⁇ .
  • the bottom bracket 12 has a shown in Fig. 2 chainring 14 that in a manner to be described rotatably connected to a bottom bracket 16, also called crankshaft, is connected. From the bottom bracket 16 protrude in a conventional manner radially two crank arms 18, 20, at the bottom of the bottom bracket 16 opposite ends each have a pedal 22, 24 is rotatably supported. A driver of the bicycle 2 can then by pedaling on one of the pedals 22, 24, the bottom bracket 16 and thus the Ket ⁇ tenblatt 14 rotate.
  • the rotating chainring 14 thereby moves a chain 26, which in turn transmits the rotation of the chain blade 14 to a gear wheel 28 fastened to the rear wheel 10 in a rotationally fixed manner.
  • the rear wheel 10 is driven, whereby the bicycle 2 can be moved by the pedaling movements of the driver on the ground 11.
  • the gear shift can be designed as a so-called hub ⁇ circuit, in which case the transmission is within the wheel hub of the rear wheel, or as so ⁇ mentioned derailleur, in which the transmission is openly accessible on the hub.
  • auxiliary drive 4 is provided in the context of the present embodiment. This is supplied from an electrical energy source 34 with the necessary auxiliary power and should be switched in depen ⁇ gtechnik the driver's request of the driver.
  • an auxiliary drive 4 is known for example from DE 10 2011 087 544 AI, with bicycles with such auxiliary drives are also called pedelecs. Further information on pedelecs can be found in the aforementioned publication.
  • the auxiliary drive 4 is provided in the context of the present embodiment as a support for the driver of the bicycle 2 and is to support the pedaling moment 36 of the driver with an indicated in Fig. 2 auxiliary torque 54 such that a cycle of tricks on the bottom bracket 16 follows the round kick.
  • auxiliary torque 54 such that a cycle of tricks on the bottom bracket 16 follows the round kick.
  • the bottom bracket 16 is constructed in two parts of an inner shaft member 38 and a twistable hollow shaft member 40, wherein the In ⁇ nenwellenelement 38 is held concentrically in the hollow shaft member 40.
  • the inner shaft member 38 and the Hollow shaft member 40 rotatably connected to each other at a first shaft portion 42.
  • the bottom bracket shaft 16 is rotatably supported on the hollow shaft member 40 via rolling elements 44 in a first bearing shell 46 and in a second bearing circuit 48 about a rotation axis 53.
  • a bottom bracket 51 is mounted radially on the bearing shells 46, 48 for the protection of the bottom bracket 16.
  • the two crank arms 18, 20 are each arranged axially spaced from the bearing shells 46, 48, wherein by the crank arms 18, 20 mounting holes 50 are guided to secure the pedals 22, 24.
  • the chainring 14 is held by a second shaft portion 52.
  • the hollow shaft member 40 is twisted due to the applied treading moment 36 and the inertia of the bicycle 2 between the first shaft portion 42 and the second shaft portion 52.
  • the auxiliary drive 4 could engage and drive the bicycle 2 with an auxiliary torque 54.
  • applied by the driver Tretmoment is superimposed 36 with the assist torque 54 at a ⁇ sum torque "55, whereby the applied by the driver Tretmoment is reduced 36.
  • the auxiliary drive 4 engages the sake of clarity of schematically illustrated at the bottom bracket 16
  • the auxiliary drive 4 But could attack at any point in the drive of the bike 2.
  • the total torque 55 applied to the bottom bracket shaft 16 which in the present embodiment is measured based on a differential angle between the first shaft portion 42 and the second shaft portion 52, could be detected. If this difference angle is known, the applied treading moment 36 can be derived via the material characteristics of the hollow shaft element 40.
  • the differential angle is detected in the present embodiment with a sensor which is designed as a magnetic field-sensitive sensor element 56, such as a Hall sensor element or a magnetoresistive sensor element.
  • the magnetic field-sensitive sensor element 56 detects a circumferential field of view of the bottom bracket 16 He ⁇ stretching encoder field in the form of a donor magnetic field, which is excited by a sleeve 59 fixed to the first shaft portion 42 donors in the form of a constructed as an encoder ring encoder magnet 60.
  • the transmitter magnetic field is collected by a stationary to the second Wel ⁇ lenabites 52 arranged guide element 62, passed through the magnetic field-sensitive sensor element 56 and returned to the encoder magnet 60.
  • the height of the conductor element 62 guided to the magnetic-field-sensitive sensor element 56 Ge ⁇ bermagnetfeldes depends in a manner described in WO 02/071019 AI from the differential angle between the first shaft portion 52 and the second shaft portion 52. Therefore, the differential angle can be directly derived from the transmitter magnetic field 58 detected by the magnetic-field-sensitive sensor element 56 and detected via a signal cable as being to be detected 1
  • Sumennavmoment 55 dependent differential angle signal 64 are ⁇ given.
  • the angle of rotation position of the bottom bracket shaft 16 can additionally be detected in the context of the present embodiment based on the transmitter magnetic field of the transmitter magnet 60.
  • ⁇ netadedes sensor element 66 is arranged, which is a from the rotational angular position of the pedal bearing shaft 16 dependent angle ⁇ position signal can output 68th
  • This Winkelpositionssig ⁇ nal 68 may for example be produced in the same manner as described in DE 10 2012 204 141 Al.
  • Fig. 3 shows a control circuit 72 with the bottom bracket 12 as a controlled system.
  • the goal of the control loop 72 is to superimpose the pedal torque 36 applied by the driver of the bicycle 2 on the bottom bracket 12 with the auxiliary torque 54 in such a way that the total torque 55 is above the angle of rotation of the bottom bracket 16 and thus over the course of the angular position signal 68 predetermined condition 73 fulfilled.
  • this predetermined condition 73 is selected so that the sum torque 55 remains constant over the angle of rotation of the bottom bracket shaft 16 in a stationary load condition.
  • a state is intended to be understood in the context of the present embodiment, in which the driver rides a bicycle 2 at a constant speed on a base with constant sti ⁇ supply running, so that the driver in this state without the assist torque 54 always a constant pedaling moment 36 would have to bring ⁇ in order to maintain the speed of the bicycle 2 on ⁇ . 1
  • the sum torque 55 in a subtracter 76 is compared to the predetermined condition, which may be a target torque in the present embodiment.
  • This setpoint torque 73 follows directly from the angular position signal 68 and can be determined, for example, within the scope of a characteristic curve 75 from the angular position signal 68.
  • a suitable drive signal 79 for the auxiliary drive 4 can be generated with a known controller 78 of any type, which then turn the Auxiliary torque generated in order to lead the crizdif- reference 77 back to zero and the predetermined Be ⁇ condition 73 and thus to meet the desired torque 73.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterstützen eines Fahrers eines Fahrrades (2) beim Tretantrieb über eine Tretlagerwelle (16) eines am Fahrrad (2) vorhandenen Tretlagers (12), umfassend: - Erfassen eines durch den Fahrer des Fahrrades (2) auf die Tretlagerwelle (16) aufgebrachten Tretmomentes (34) über einen Drehwinkel (68) der Tretlagerwelle (16), und - Ausgeben eines Hilfssignals (79), wenn eine Gegenüber- stellung (74) des Tretmoments (36) und des Drehwinkels (68) von einer vorbestimmten Bedingung (73) abweicht.

Description

Unterstützung für Runden Tritt am Fahrrad
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterstützen eines Fahrers eines Fahrrades beim Tretantrieb über eine Tretla¬ gerwelle eines am Fahrrad vorhandenen Tretlagers, eine Steu¬ ervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Fahrrad mit der Steuervorrichtung.
Aus der DE 10 2011 109 441 AI ist ein Pedelec genanntes Fahrrad mit einem Hilfsmotor bekannt, der eingerichtet ist, den Fahrer des Fahrrades mit einer Hilfsenergie beim Antrieb zu unter¬ stützen .
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Erfassung des Drehmoments auf die Tretlagerwelle in einem Fahrrad zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der ab¬ hängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Unterstützen eines Fahrers eines Fahrrades beim Tretantrieb über eine Tretlagerwelle eines am Fahrrad vorhandenen Tretlagers die Schritte Erfassen eines durch den Fahrer des Fahrrades auf die Tretlagerwelle aufgebrachten Tretmomentes über einen Drehwinkel der Tretlagerwelle und Ausgeben eines Hilfssignals, wenn eine Gegenüberstellung des Tretmoments und des Drehwinkels von einer vorbestimmten Bedingung abweicht.
Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass der Fahrer die Tretlagerwelle des Fahrrades in der Regel über ein Pedal mit einem von der Drehwinkelstellung der Tretlagerwelle abhängigen Tretmoment tritt. Beispielsweise unterscheidet sich das vom Fahrer auf die Tretlagerwelle aufgebrachte Tretmoment in den Totpunkten von dem Drehmoment auf halber Höhe zwischen den Totpunkten. Das kann beispielsweise bei einer Fahrt bergauf dazu führen, dass der Fahrer plötzlich in einer ganz bestimmten Winkelstellung kein ausreichendes Tretmoment zum Antrieb des Fahrrades mehr bereitstellen kann und so gezwungen ist, ab¬ zusteigen .
Hier greift das angegebene Verfahren mit dem Vorschlag an, die Drehwinkelstellung der Tretlagerwelle und das vom Fahrer aufgebrachte Tretmoment während der Fahrt mit dem Fahrrad einander gegenüberzustellen. Die aus der Gegenüberstellung ableitbaren Informationen lassen sich dann in vielfältiger Art weiterverwenden, um den Fahrer während der Fahrt verschiedene Assistenzfunktionen anzubieten. Diese Assistenzfunktionen kann der Fahrer dann in vielfältiger Weise nutzen, um beispielsweise Kraft beim Treten zu sparen, seine Tretweise zu optimieren, etc.
Zur Generierung der zuvor genannten Informationen wird die Gegenüberstellung des Tretmoments und des Drehwinkels mit einer vorbestimmten Bedingung verglichen, wobei das Hilfssignal ausgegeben wird, wenn die vorbestimmte Bedingung nicht erfüllt ist. Mit der vorbestimmten Bedingung kann so ein optimales Tretverhalten des Fahrers in Abhängigkeit des Drehwinkels der Tretlagerwelle definiert werden. Weicht das reale Tretverhalten von diesem optimalen Tretverhalten ab, so kann der Fahrer über das Hilfssignal aktiv oder passiv unterstützt werden.
In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens ist im Rahmen der vorbestimmten Bedingung eine Schwankung des Tretmoments über den Drehwinkel kleiner, als ein vorbestimmter Wert. In einer besonders bevorzugten Weise ist die vorbestimmte Bedingung so definiert, dass das Tretmoment über den Drehwinkel im We¬ sentlichen konstant ist. Unter dieser vorbestimmten Bedingung ist das optimale Tretverhalten des Fahrers der sogenannte Runde Tritt. Um hier jedoch eine Toleranz für das Tretverhalten des Fahrers zuzulassen, sollten kleinere Schwankungen des Tret¬ moments über den Tretwinkel nicht in die zuvor genannte Ge¬ genüberstellung mit einbezogen werden.
Zur aktiven Unterstützung des Fahrers basierend auf dem Hilfssignal kann das Tretmoment in einer zusätzlichen Wei¬ terbildung des angegebenen Verfahrens mit einem Hilfsmoment überlagert werden. Auf diese Weise kann die Funktion des eingangs genannten Pedelec oder E-Bike genannten Fahrrads mit Hilfsmotor erweitert werden . Bei einem herkömmlichen Pedelec wird über einen Drehmomentensensor das Moment ermittelt, mit dem der Fahrer die Tretkurbel tritt und daraus das Unterstützungsmoment durch den E-Motor bestimmt. Im Rahmen des angegebenen Verfahrens wird zusätzlich der Drehwinkel der Tretlagerwelle gemessen, um darauf basierend den Fahrer des Fahrrades beim Treten mit dem Runden Tritt über den Hilfsmotor zu unterstützen. Dabei kann mit dem Hilfssignal erkannt werden, in welcher Phase des Tretzyklus (Druckphase, Zugphase, Hubphase, Schubphase) sich der Fahrer des Fahrrades gerade befindet. Aus dieser Information im Hilfssignal wird abgeleitet oder prädiziert werden, wie viel Tretmoment der Fahrer im Vergleich zu den vorherigen Phasen aufbringen wird und damit, wie viel zusätzliches Hilfsmoment, oder auch Unter¬ stützungsmoment genannt, notwendig ist, um das Summendrehmoment im Rahmen des runden Tritts konstant zu halten. Denn Ziel im Rahmen der angegebenen Weiterbildung des Verfahrens sollte es sein, über einen kompletten Tretzyklus die Summe aus dem Tretmoment und Hilfsmoment konstant zu halten.
Daher sollte das Hilfsmoment in einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens derart generiert werden, dass eine Gegenüberstellung eines Summendrehmomentes aus dem Tretmoment und dem Hilfsmoment und des Drehwinkels die vorbestimmte Be- dingung erfüllt. Im einfachsten Falle könnte das Summendreh¬ moment hierzu basierend auf dem Hilfsmoment ausgeregelt werden. Dafür bieten sich sämtliche klassischen Regelverfahren an, also PID-Regler, Zustandsregler und dergleichen.
In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Vorsteuern des generierten Hilfsmomentes basierend auf einer Schätzung des Verlaufs des Tretmoments über den Drehwinkel. Die Vorsteuerung kann dabei als Führungsgrö¬ ßenaufSchaltung oder als StörgrößenaufSchaltung ausgelegt werden und bewirkt ein verbessertes Führungsverhalten des entstehenden Regelkreises, weil so die auszuregelnden Unter¬ schiede zwischen dem Tretmoment des Fahrers und dem Summen¬ drehmoment so klein wie möglich gehalten werden und damit Schwankungen im Regelkreis so weit wie möglich vermieden werden. Die Schätzung des Tretmomentverlaufs des Fahrers über den Drehwinkel kann dabei beliebig erfolgen. Es bieten sich folgende Herangehensweisen an:
- Es könnte ein sehr einfaches Modell zugrunde gelegt werden, im Rahmen dessen ein maximales Tretmoment während der Druckphase eines jeden Beins des Fahrers und ansonsten kein Tretmoment angenommen wird. Dabei sollte das Tretmoment beispielsweise während der Druckphase gemessen werden, wobei hier nicht zwischen der Druckphase und anderen Phasen unterschieden werden bräuchte, weil angenommen werden kann, dass das Tretmoment in der Druckphase maximal ist. Vorzugsweise sollte die Druckphase über den Drehwinkel der Tretlagerwelle erfasst werden, wobei für den Drehwinkel der Tretlagerwelle in der Druckphase ein fester Werte angenommen werden könnte, z.B. zwischen 45° und 135°.
- Alternativ oder zusätzlich könnte ein Lernalgorithmus, wie beispielsweise ein neuronales Net z , ein Bayes Net z , Polynome, etc verwendet werden, im Rahmen derer über mehrere Tretzyklen der relative Verlauf des Tretmoments über den Drehwinkel gelernt wird. Unter dem Lernen soll dabei ein iterativer Prozess verstanden werden, im Rahmen dessen ein gespeicherter Verlauf des Tretmoments über den Drehwinkel basierend auf aktuellen Mes¬ sungen ständig korrigiert wird.
Weiter alternativ oder zusätzlich könnten verschiedene Verläufe des Tretmoments über den Drehwinkel mit verschiedenen Referenzfahrern eingefahren und abgespeichert werden. An¬ schließend könnte während der Fahrt ermittelt werden, welcher der Verläufe am wenigsten Abweichung zum Verlauf des Tretmoments über den Drehwinkel des aktuellen Fahrers hat. Dieser Verlauf kann dann verwendet werden. Alternativ könnte sich der Fahrer einen für ihn geeigneten Verlauf des Tretmoments über den Drehwinkel als Grundlage für die oben genannte Regelung auch nach bestimmten Kriterien, wie sportlich, komfortabel, Gelände, u.s.w. selbst auswählen .
In einer anderen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Vermeiden einer Überlagerung mit dem Hilfsmoment, wenn die Gegenüberstellung des Tretmoments und des Drehwinkels eine weitere vorbestimmte Bedingung erfüllt. Diese weitere vorbestimmte Bedingung könnte derart definiert werden, dass die Annäherung des Tretverhaltens des Fahrers an das oben genannte optimale Tretverhalten auch unter bestimmten Bedingungen ge¬ stoppt werden kann, insbesondere in bestimmen Verkehrssitua¬ tionen .
Dabei kann die weitere vorbestimmte Bedingung von einem Be¬ schleunigungswunsch und/oder einem Bremswunsch des Fahrers abhängig sein. Wird beispielsweise erkannt, dass der Fahrer in einer Phase des Tretzyklus deutlich stärker oder schwächer tritt als bisher, so kann von der Optimierung auf ein möglichst konstantes Tretmoment hin abgewichen werden, damit der Fahrer auch Beschleunigen und Abbremsen kann. Idealerweise können dazu als weitere vorbestimmte Bedingung ein weiterer Schwellwert in der Schwankung des Tretmoments definiert werden, ab dem die Unterstützung mit dem Hilfsmoment beendet werden soll. Eine Möglichkeit besteht zusätzlich darin, diesen Schwellwert durch den Fahrer einstellen zu lassen, evtl. innerhalb von vorde¬ finierten Grenzen.
In einer noch anderen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Ausgeben eines Hinweises an den Fahrer basierend auf dem Hilfssignal, denn anstelle der zuvor genannten Unterstützung hin zu einem runden Tritt oder zusätzlich zu dieser Unterstützung kann dem Fahrer auch seine Abweichung vom runden Tritt angezeigt werden. Das kann entweder kontinuierlich er¬ folgen mittels momentanen Werten, oder über statistische Werte ( (gleitender) Mittelwert, Median, Maximum, Minimum, ...) . Als Größen bieten sich an die relative und die absolute Abweichung oder der Winkel mit der größten Abweichung. Damit wird anstatt einer passenderen Unterstützung bei der Fahrt eine Kenngröße für ein Training bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Steuer¬ vorrichtung eingerichtet, eines der angegebenen Verfahren durchzuführen .
In einer Weiterbildung der angegebenen Steuervorrichtung weist die angegebene Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist das angegebene Verfahren in Form eines Compu¬ terprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Compu¬ terprogramm Programmcodemittel, um alle Schritte eines der angegebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer der angegebenen Vorrichtungen ausgeführt wird. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Compu¬ terprogrammprodukt einen Programmcode, der auf einem compu¬ terlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, eines der angegebenen Verfahren durchführt .
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrrad einen Rahmen, der über wenigstens ein Rad auf einem Untergrund bewegbar gehalten ist, ein Tretlager mit einer Tretlagerwelle zum Antrieb des Rades basierend auf einem vom Fahrer aufgebrachten Tretmoment, und eine der angegebenen Steuervorrichtungen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam¬ menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei :
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrrades mit einem unterstützenden Hilfsantrieb,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Tretlagers für das Fahrrad der Fig. 1, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Regelkreises in dem Fahrrad der Fig. 1 zeigen.
In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben. Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung eines Fahrrades 2 mit einem unterstützenden Hilfsantrieb 4 zeigt.
Das Fahrrad 2 besitzt einen Rahmen 6, der über ein Vorderrad 8 und ein Hinterrad 10 fahrbar auf einem Untergrund 11, wie beispielsweise einer Straße getragen wird. Das Hinterrad 10 ist dabei über ein Tretlager 12 antreibbar, was nachstehend be¬ schrieben werden soll. Das Tretlager 12 weist ein in Fig. 2 gezeigtes Kettenblatt 14 auf, dass in einer noch zu beschreibenden Weise drehfest mit einer Tretlagerwelle 16, auch Kurbelwelle genannt, verbunden ist. Von der Tretlagerwelle 16 ragen in an sich bekannter Weise radial zwei Kurbelarme 18, 20 ab, an deren der Tretlagerwelle 16 gegenüberliegenden Enden je eine Pedale 22, 24 drehbar gehalten ist. Ein Fahrer des Fahrrades 2 kann dann durch Treten auf eines der Pedale 22, 24 die Tretlagerwelle 16 und damit das Ket¬ tenblatt 14 drehen. Das sich drehende Kettenblatt 14 bewegt dabei eine Kette 26, die wiederum die Drehung des Ketten- blattes 14 auf ein drehfest am Hinterrad 10 befestigtes Zahnrad 28 überträgt. Auf diese Weise wird das Hinterrad 10 angetrieben, wodurch das Fahrrad 2 durch die Tretbewegungen des Fahrers auf dem Untergrund 11 bewegt werden kann. Anstelle des drehfest an Hinterrad 10 befestigten Zahnrads 28 kann auch ein auf einer sogenannten Gangschaltung befestigtes Zahnrad ver¬ wendet werden, wobei die Gangschaltung als sogenannte Naben¬ schaltung ausgebildet sein kann, wobei sich dann das Getriebe innerhalb der Radnabe des Hinterrads befindet, oder als so¬ genannten Kettenschaltung, bei der sich das Getriebe offen zugänglich auf der Radnabe befindet.
Der Fahrer selbst kann während seiner Tretbewegungen auf einem Sattel 30 sitzen und sich an einem Lenker 32 zur Steuerung des Fahrrades 2 festhalten. Um den Fahrer beim Antrieb des Fahrrades 2 zu unterstützen ist im Rahmen der vorliegenden Ausführung der Hilfsantrieb 4 vorgesehen. Dieser wird aus einer elektrischen Energiequelle 34 mit der notwendigen Hilfsenergie versorgt und soll in Abhän¬ gigkeit des Fahrerwunschs des Fahrers zugeschaltet werden. Ein derartiger Hilfsantrieb 4 ist beispielsweise aus der DE 10 2011 087 544 AI bekannt, wobei Fahrräder mit derartigen Hilfsantrieben auch Pedelecs genannt werden. Weitere Infor- mationen zu Pedelecs lassen sich in der zuvor genannten Druckschrift finden.
Der Hilfsantrieb 4 ist im Rahmen der vorliegenden Ausführung als Unterstützung für den Fahrer des Fahrrades 2 vorgesehen und soll das Tretmoment 36 des Fahrers mit einem in Fig. 2 angedeuteten Hilfsmoment 54 derart unterstützen, dass ein Tretzyklus auf die Tretlagerwelle 16 dem Runden Tritt folgt. Dazu ist es notwendig, das auf die Tretlagerwelle 16 wirkende und in Fig. 2 angedeutete Gesamtdrehmoment 37 zu erfassen, das zur Umsetzung eines Tretzyklus gemäß dem Runden Tritt über den Hilfsmotor 4 konstant gehalten werden sollte.
Bevor auf die Erzeugung des Tretzyklus gemäß dem Runden Tritt näher eingegangen wird, soll zunächst basierend auf Fig. 2 die Erfassung des auf die Tretlagerwelle 16 wirkenden Gesamt¬ drehmoments erläutert werden. Voraussetzung für die vorliegende Ausführungsform ist, dass
Im Rahmen der vorliegenden Ausführung ist die Tretlagerwelle 16 zweiteilig aus einem Innenwellenelement 38 und einem tordierbaren Hohlwellenelement 40 aufgebaut, wobei das In¬ nenwellenelement 38 konzentrisch in dem Hohlwellenelement 40 gehalten ist. Dabei sind das Innenwellenelement 38 und das Hohlwellenelement 40 an einem ersten Wellenabschnitt 42 drehfest miteinander verbunden.
Die Tretlagerwelle 16 ist am Hohlwellenelement 40 über Wälz- elemente 44 in einer ersten Lagerschale 46 und in einer zweiten Lagerschalte 48 um eine Rotationsachse 53 drehbar gehalten. Dabei ist radial auf die Lagerschalen 46, 48 ein Tretlagergehäuse 51 zum Schutz der Tretlagerwelle 16 aufgesetzt. Dabei sind die beiden Kurbelarme 18, 20 jeweils axial beabstandet zu den Lagerschalen 46, 48 angeordnet, wobei durch die Kurbelarme 18, 20 Befestigungsbohrungen 50 geführt sind, um die Pedale 22, 24 zu befestigen.
Das Kettenblatt 14 wird über einen zweiten Wellenabschnitt 52 gehalten.
Tritt der Fahrer die Pedale 22, 24 dann wird das Hohlwellenelement 40 aufgrund des angelegten Tretmomentes 36 und der Trägheit des Fahrrades 2 zwischen dem ersten Wellenabschnitt 42 und dem zweiten Wellenabschnitt 52 tordiert. Je größer das angelegte Tretmoment 36 ist, desto mehr Kraft bringt der Fahrer 2 des Fahrrades 2 auf, um die Geschwindigkeit des Fahrrades 2 zu erhöhen, ohne dass sich jedoch der gewünschte Erfolg einstellt - so wie beispielsweise an einem sehr steilen Berg, an dem der notwenige Kraftaufwand durch den Fahrer selbst bei geringen Steigungen sehr hoch ist.
Hier könnte der Hilfsantrieb 4 eingreifen und das Fahrrad 2 mit einem Hilfsdrehmoment 54 antreiben. Auf diese Weise wird das vom Fahrer aufgebrachte Tretmoment 36 mit dem Hilfsdrehmoment 54 zu einem ^Summendrehmoment " 55 überlagert, wodurch das vom Fahrer aufzubringende Tretmoment 36 reduziert wird. In Fig. 2 greift der Hilfsantrieb 4 der Übersichtlichkeit halber schematisch dargestellt an die Tretlagerwelle 16 an. Der Hilfsantrieb 4 könnte aber an jeder beliebigen Stelle im Antrieb des Fahrrades 2 angreifen .
Zur Bestimmung des anzulegenden Hilfsdrehmomentes 54 könnte das an die Tretlagerwelle 16 angelegte Summendrehmoment 55 erfasst werden, das im Rahmen der vorliegenden Ausführung basierend auf einem Differenzwinkel zwischen dem ersten Wellenanschnitt 42 und dem zweiten Wellenabschnitt 52 gemessen wird. Ist dieser Differenzwinkel bekannt, ist das angelegte Tretmoment 36 über die Materialkenngrößen des Hohlwellenelements 40 ableitbar.
Der Differenzwinkel wird im Rahmen der vorliegenden Ausführung mit einem Messaufnehmer erfasst, das als magnet- feld-empfindliches Sensorelement 56, wie beispielsweise ein Hall-Sensorelement oder ein magnetoresistives Sensorelement ausgebildet ist. Das magnetfeld-empfindliche Sensorelement 56 erfasst ein sich in Umfangsichtung der Tretlagerwelle 16 er¬ streckendes Geberfeld in Form eines Gebermagnetfeldes, das von einem über eine Hülse 59 ortsfest zum ersten Wellenabschnitt 42 befestigten Geber in Form eines als Encoderring aufgebauten Gebermagneten 60 erregt wird.
Das Gebermagnetfeld wird von einem ortsfest zum zweiten Wel¬ lenabschnitt 52 angeordneten Leitelement 62 aufgefangen, durch das magnetfeld-empfindliche Sensorelement 56 geleitet und zum Gebermagneten 60 zurückgeführt. Die Höhe des vom Leitelement 62 zum magnetfeld-empfindlichen Sensorelement 56 geleiteten Ge¬ bermagnetfeldes hängt dabei in einer in der WO 02 / 071019 AI beschriebenen Weise vom Differenzwinkel zwischen dem ersten Wellenabschnitt 52 und dem zweiten Wellenabschnitt 52 ab. Daher kann aus dem vom magnetfeld-empfindlichen Sensorelement 56 erfassten Gebermagnetfeld 58 unmittelbar der Differenzwinkel abgeleitet und über ein Signalkabel als vom zu erfassenden 1
Summendrehmoment 55 abhängiges Differenzwinkelsignal 64 aus¬ gegeben werden.
Neben dem Differenzwinkelsignal 64 und damit dem Summendreh- moment 55 kann im Rahmen der vorliegenden Ausführung basierend auf dem Gebermagnetfeld des Gebermagneten 60 zusätzlich noch die Drehwinkelstellung der Tretlagerwelle 16 erfasst werden. Dazu ist im Rahmen der vorliegenden Ausführung ein weiteres mag¬ netempfindliches Sensorelement 66 angeordnet, das ein von der Drehwinkelstellung der Tretlagerwelle 16 abhängiges Winkel¬ positionssignal 68 ausgeben kann. Dieses Winkelpositionssig¬ nal 68 kann beispielsweise in der gleichen Weise erzeugt werden, wie in der DE 10 2012 204 141 AI. Es wird auf Fig. 3 Bezug genommen, die einen Regelkreis 72 mit dem Tretlager 12 als Regelstrecke zeigt.
Ziel des Regelkreises 72 ist es, das vom Fahrer des Fahrrades 2 an das Tretlager 12 angelegte Tretmoment 36 mit dem Hilfs- drehmoment 54 derart zu überlagern, dass das Summendrehmoment 55 über den Drehwinkel der Tretlagerwelle 16 und damit über den Verlauf des Winkelpositionssignals 68 gesehen eine vorbestimmte Bedingung 73 erfüllt. Diese vorbestimmte Bedingung 73 ist im Rahmen der vorliegenden Ausführung so gewählt, dass das Sum- mendrehmoment 55 über den Drehwinkel der Tretlagerwelle 16 in einem stationären Belastungszustand gesehen konstant bleibt. Unter einem stationären Belastungszustand soll dabei im Rahmen des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein Zustand verstanden werden, in dem der Fahrer mit dem Fahrrad 2 bei einer konstanten Geschwindigkeit auf einem Untergrund mit konstantem Stei¬ gungsverlauf fährt, so dass der Fahrer in diesem Zustand ohne das Hilfsdrehmoment 54 stets ein konstantes Tretmoment 36 auf¬ bringen müsste, um die Geschwindigkeit des Fahrrades 2 auf¬ rechtzuerhalten . 1
Um das Summendrehmoment 55 gemäß der vorbestimmten Bedingung im stationären Belastungszustand des Fahrrades 2 konstant zu halten, wird das Summendrehmoment 55 in einem Subtrahierer 76 der vorbestimmten Bedingung gegenübergestellt, die im Rahmen der vorliegenden Ausführung ein Sollmoment sein kann. Dieses Sollmoment 73 folgt direkt aus dem Winkelpositionssignal 68 und kann beispielsweise im Rahmen einer Kennlinie 75 aus dem Winkelpositionssignal 68 bestimmt werden. Weicht das Summen- drehmomentes 55 vom Sollmoment 73 ab, so dass sich eine Re¬ geldifferenz 77 von ungleich Null ergibt, dann kann mit einem an sich bekannten Regler 78 beliebiger Bauart ein geeignetes Ansteuersignal 79 für den Hilfsantrieb 4 erzeugt werden, der dann wiederum das Hilfsdrehmoment erzeugt, um die Regeldif- ferenz 77 zurück zu Null zu führen und die vorbestimmte Be¬ dingung 73 und damit das Sollmoment 73 zu erfüllen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Unterstützen eines Fahrers eines Fahrrades (2) beim Tretantrieb über eine Tretlagerwelle (16) eines am Fahrrad (2) vorhandenen Tretlagers (12), umfassend:
Erfassen eines durch den Fahrer des Fahrrades (2) auf die Tretlagerwelle (16) aufgebrachten Tretmomentes (34) über einen Drehwinkel (68) der Tretlagerwelle (16), und
Ausgeben eines Hilfssignals (79), wenn eine Gegenüber- Stellung (74) des Tretmoments (36) und des Drehwinkels (68) von einer vorbestimmten Bedingung (73) abweicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Schwankung des Tretmoments (36) über den Drehwinkel (68) im Rahmen der vor- bestimmten Bedingung (73) kleiner als ein vorbestimmter Wert ist .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend:
Überlagern des Tretmoments (36) mit einem Hilfsmo- ment (54), basierend auf dem Hilfssignal (79).
4. Verfahren nach Anspruch 3, umfassend:
Generieren des Hilfsmoments (54) derart, dass eine Ge¬ genüberstellung (74) eines Summendrehmomentes (55) aus dem Tretmoment (36) und dem Hilfsmoment (54) und des Drehwin¬ kels (68) die vorbestimmte Bedingung (73) erfüllt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, umfassend:
Vorsteuern des generierten Hilfsmomentes (54) basierend auf einer Schätzung des Verlaufs des Tretmoments (34) über den Drehwinkel (68) .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, umfassend:
Vermeiden einer Überlagerung mit dem Hilfsmoment (54), wenn die Gegenüberstellung (74) des Tretmoments (36) und des Drehwinkels (68) eine weitere vorbestimmte Bedingung erfüllt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die weitere vorbestimmte Bedingung von einem Beschleunigungswunsch und/oder einem Bremswunsch des Fahrers abhängig ist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend:
Ausgeben eines Hinweises an den Fahrer basierend auf dem Hilfssignal (54) .
9. Steuervorrichtung, die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
10. Fahrrad (2) umfassend:
einen Rahmen (6), der über wenigstens ein Rad (10) auf einem Untergrund (11) bewegbar gehalten ist,
ein Tretlager (12) mit einer Tretlagerwelle (16) zum Antrieb des Rades (10) basierend auf einem vom Fahrer aufge¬ brachten Tretmoment (36) , und
eine Steuervorrichtung nach Anspruch 9.
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