ES2623040T3 - Dispositivo para medir la fuerza de la cadena en una bicicleta - Google Patents

Dispositivo para medir la fuerza de la cadena en una bicicleta Download PDF

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Abstract

Dispositivo para medir la fuerza de la cadena en una bicicleta, el cual comprende una placa metálica (1), en el cual dicha placa metálica (1) comprende: - un área de eje sujeta al menos a un extremo del eje de rueda (2) y configurado para recibir la fuerza F1 aplicada al cuadro de la bicicleta por dicho eje de rueda (2) según el eje longitudinal de la bicicleta, y - un área de cuadro sujeta al cuadro de la bicicleta, comprendiendo dicha área de cuadro al menos un tornillo de ajuste (5) y al menos un sensor de fuerza (4); - en el cual: - la placa metálica (1) está mecanizada de tal modo que el área de eje comprende un primer sistema de transmisión (AB, CD) configurado para transmitir el componente de fuerza horizontal F1' de la fuerza F1 a un segundo sistema de transmisión (9, 9', 9'', 10, 10', 10'') situado en el área de cuadro, configurado de tal modo que el desplazamiento horizontal del eje de rueda (2) sea transformado en fuerzas de reacción elásticas proporcionales (F2, F3, F4) que se suministran como entrada al sensor de fuerza (4), y - el segundo sistema comprende una pluralidad de palancas (9, 9', 9") en cascada configuradas para reducir el desplazamiento horizontal del eje de rueda (2) y para dar al sensor de fuerza (4) una fuerza de reacción elástica (F4) proporcional a la fuerza aplicada al cuadro de la bicicleta por dicho eje de rueda (2), caracterizado porque la pluralidad de palancas (9, 9'', 9'') en cascada comprende: - una primera palanca (9), estando conectada su entrada con el brazo de empuje situado en la entrada del segundo sistema de transmisión, de tal modo que el brazo de empuje (8) está configurado para transmitir la fuerza F1' a la entrada de la primera palanca (9); - una segunda palanca (9'), estando conectada su entrada con la salida de la primera palanca (9), de tal modo que la primera palanca (9) está configurada para transmitir una fuerza F2 a la entrada de la segunda palanca (9'); - una tercera palanca (9''), estando conectada su entrada con la salida de la segunda palanca (9') de tal modo que la segunda palanca (9') está configurada para transmitir una fuerza F3 a la entrada de la tercera palanca (9''), y en el cual la salida de la tercera palanca (9'') está configurada para transmitir una fuerza F4 a la entrada del sensor de fuerza (4) a través de un tornillo de ajuste (5), y porque la placa metálica (1) comprende unos puntos de flexión (10, 10', 10'') a la entrada de las palancas (9, 9', 9''), respectivamente, configurados para crear unos puntos de articulación sobre los que puedan pivotar dichas palancas.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo para medir la fuerza de la cadena en una bicicleta Campo tecnico de la invencion
La invencion se refiere a un dispositivo para medir la fuerza presente en la cadena motriz de una bicicleta electrica.
Mas espedficamente, el mecanismo de la presente invencion es del tipo fijado al cuadro de la bicicleta y al eje de la rueda para detectar el componente horizontal de la fuerza aplicada sobre el cuadro por el eje de la rueda.
Antecedentes de la invencion
Las bicicletas ayudadas electricamente o bicicletas electricas son bien conocidas y su uso es cada dfa mas comun en todas partes.
Como es sabido, dichas bicicletas electricas son bicicletas con un motor electrico auxiliar, en las cuales el usuario acciona la bicicleta ejerciendo una fuerza de pedaleo, y en las cuales el motor auxiliar ejerce una fuerza motriz auxiliar que depende de la fuerza de pedaleo ejercida, de tal modo que, cuanto mayor sea la fuerza de pedaleo, mayor sera la fuerza motriz auxiliar ejercida por el motor auxiliar. En otras palabras, el motor auxiliar se acciona para generar un par proporcional a la fuerza de pedaleo del ciclista y, por consiguiente, a la fuerza de la cadena.
Por lo tanto, para llevar a cabo su labor, el motor auxiliar necesita una senal de entrada indicativa de la magnitud de la fuerza de pedaleo ejercida, o al menos indicativa de la magnitud de la fuerza motriz presente en la cadena.
Para lograr esto, algunas propuestas del estado de la tecnica miden senales indicativas de la magnitud de la fuerza motriz presente en la cadena. Por ejemplo, en el documento WO-01/30643 se obtiene una senal de medicion midiendo una deformacion del cuadro de la bicicleta cuando un ciclista ejerce una fuerza de pedaleo, o en el documento WO-03/073057, en el cual se mide la flexion del eje trasero.
Sin embargo, dichos ejemplos del estado de la tecnica no resultan apropiados para bicicletas con un sistema de marchas con desviador de cambio, en las cuales el ciclista puede elegir entre varias marchas, es decir que pinon esta en uso. Esto significa que se desplaza la cadena horizontalmente a lo largo del eje trasero para enganchar con otro pinon, distorsionando la senal de medicion generada y por lo tanto la medicion ejercida por la cadena.
Para resolver este problema, se conoce el documento US7814800, que describe un procedimiento y un dispositivo para obtener una senal de medicion de la fuerza en la cadena, muy practica, mediante la deteccion del componente horizontal de la fuerza aplicada sobre el cuadro de la bicicleta por el extremo del eje de la rueda segun el eje longitudinal de la bicicleta.
Mas precisamente, el documento US7814800 describe un procedimiento para medir la fuerza horizontal del eje de la rueda mediante la fijacion de un dispositivo al extremo del eje de la rueda. Dicho dispositivo es una placa de metal flexible, atornillada firmemente al cuadro de la bicicleta, y sirve para detectar el desplazamiento horizontal relativo entre el cuadro y el extremo del eje de la rueda. El desplazamiento horizontal relativo del extremo del eje de la rueda se detecta mediante un sensor de desplazamiento compuesto por un iman, unido a la parte flexible y a un sensor Hall unido a la parte fija de la placa metalica. Dado que la fuerza de la cadena es proporcional al desplazamiento relativo, se deduce de la senal electrica suministrada por este sensor de desplazamiento.
Sin embargo, aunque este tipo de sensor de fuerza de la cadena funciona bastante bien una vez que se ha ajustado a la perfeccion, con la practica surge cierta inconsistencia en lo referente a la respuesta de la senal.
Espedficamente, el sensor Hall del documento US7814800 vana su voltaje de salida en respuesta al campo magnetico creado por el iman, que al mismo tiempo vana su posicion debido a las fuerzas ejercidas por la cadena. A medida que el campo magnetico vana proporcionalmente con un tercio de la distancia, la inconsistencia se debe a pequenos cambios inevitables en el posicionamiento relativo entre el iman y el sensor Hall durante condiciones operativas severas.
Adicionalmente, dado que este desplazamiento debe estar libre de restricciones, impermeabilizar el sensor ante el agua y el polvo resulta una tarea complicada.
Finalmente, el documento US 2012/152033 muestra un ejemplo adicional del estado de la tecnica.
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Descripcion de la invencion
El dispositivo para medir la fuerza de la cadena en una bicicleta de la presente invencion resuelve los problemas de la tecnica actual anteriormente mencionados, en tanto a que permite una integracion inteligente del sensor, una buena fiabilidad de la medicion y un sellado facil que permite el funcionamiento en condiciones severas sin necesidad de mantenimiento.
Para lograr esto, el dispositivo de la invencion se basa en el uso de un sensor de fuerza en vez de un sensor de desplazamiento, para medir directamente la fuerza de la cadena.
Espedficamente, el dispositivo de la invencion comprende una placa metalica sujeta al cuadro de la bicicleta y al extremo del eje de la rueda trasera, en el cual la placa metalica esta mecanizada de tal modo que el desplazamiento del eje de rueda induzca en un sensor de fuerza unas fuerzas de reaccion elasticas proporcionales.
Mas espedficamente, la placa metalica comprende dos areas principales:
- Un area de eje, que es el area sujeta a un extremo del eje de rueda para recibir la fuerza aplicada al cuadro de la bicicleta por parte del extremo del eje de rueda segun el eje longitudinal de la bicicleta, y
- Un area de cuadro, que es el area sujeta al cuadro de la bicicleta y en la cual esta situado el sensor de fuerza.
Asf, el area de eje de la placa metalica recibe la fuerza de la cadena F1 a traves del extremo del eje de rueda de tal modo que un primer sistema de transmision transmita su componente de fuerza horizontal F1' como entrada a un segundo sistema de transmision y en el cual la salida de dicho sistema esta conectada al sensor de fuerza.
El segundo sistema reduce a una cantidad insignificante el correspondiente desplazamiento horizontal del eje de rueda y lo transforma en fuerzas de reaccion elasticas proporcionales que se suministran como entrada para el sensor de fuerza. De esta manera, la fuerza de entrada del sensor permanece proporcional a la fuerza del eje de rueda en todo el rango de medicion. En otras palabras, la relacion carga de sensor/fuerza de la cadena cumple con el rango de medicion del sensor.
Posteriormente, un controlador de la bicicleta utiliza la senal de la salida del sensor mediante una placa electronica, de tal modo que se accione el motor auxiliar para generar un par proporcional a la fuerza de pedaleo del ciclista y, por consiguiente, a la fuerza de la cadena.
Descripcion de los dibujos
Para complementar la descripcion en curso y con el proposito de ayudar a comprender mejor las caractensticas de la invencion de acuerdo con una realizacion practica preferida de la misma, se adjunta un conjunto de dibujos como parte integral de dicha descripcion, en los cuales los siguientes se representan con caracter ilustrativo y no limitativo:
La Figura 1 muestra una vista esquematica en planta del dispositivo para medir la fuerza de una cadena.
La Figura 2 muestra una segunda vista esquematica en planta del dispositivo de la invencion, en el cual se ha dispuesto una cubierta sobre el area de cuadro.
Realizacion preferida de la invencion
En vista de los dibujos descritos y de acuerdo con una realizacion preferida, puede observarse como el dispositivo de la invencion comprende una placa metalica (1), fijada al cuadro de bicicleta (no representado) y al extremo del eje de rueda trasero (2), y en el cual la placa metalica (1) comprende dos areas principales:
- Un area de eje sujeta a un extremo del eje de rueda (2), que comprende:
o Un primer sistema de transmision para transmitir el componente de fuerza horizontal F1' de la fuerza aplicada por el eje de rueda (2) al cuadro de la bicicleta, como entrada a un segundo sistema de transmision.
De acuerdo con una realizacion preferida, dicho primer sistema de transmision esta formado por dos brazos verticales o barras de enlace AB - CD mecanizados en la placa metalica (1), en el cual dichos puntos ABCD son puntos debiles o de flexion que constituyen unos puntos de articulacion que forman un paralelogramo.
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Mas espedficamente, tal como puede observarse en la figura 1, la barra de enlace AB esta situada encima del agujero roscado (7) para fijar el desviador de cambio y a la izquierda del eje de rueda (2), mientras que la barra de enlace CD se situa sobre la barra de enlace AB y a la derecha del eje de rueda (2), creando asf un paralelogramo.
Asf, el componente de fuerza horizontal F1' equivalente aplicado al cuadro de bicicleta por el eje de rueda (2) sera transmitido a un brazo de empuje (8), situado en la entrada del segundo sistema de transmision, por los puntos de union BD de una lmea imaginaria, en paralelo a los puntos de union AC de una lmea imaginaria.
- Un area de cuadro que comprende:
o unos agujeros roscados (3) o similares para su fijacion al cuadro de la bicicleta; o al menos un sensor de fuerza (4),
o un tornillo de ajuste (5) para ajustar dicho sensor de fuerza (4),
o un elemento elastico de proteccion de sobrecargas (6), tal como un muelle helicoidal, disenado y
calibrado para que se comprima antes de que se supere la carga maxima que el sensor (4) puede soportar, con el fin de mantener el sensor (4) dentro de un rango de carga seguro para protegerlo de las sobrecargas, y
o un segundo sistema de transmision para recibir el componente de fuerza horizontal F1' a traves del brazo de empuje (8) y transmitir dicho componente F1', transformado en fuerzas de reaccion elasticas proporcionales, al sensor de fuerza (4).
Sin embargo, debido a las restricciones de tamano que debe cumplir la placa metalica (1), el sensor de fuerza (4) tambien debe ser pequeno, lo que a su vez limita la carga maxima que dicho sensor de fuerza (4) puede soportar. Por ejemplo, en el caso del sensor de fuerza comercial Honeywell® FSS1500, que cumple las condiciones de tamano para esta aplicacion, el rango operativo de 1,5 kg y la carga maxima es 4,5 kg.
Asf, resultana imposible aplicar directamente el componente F1', aplicado al cuadro de la bicicleta por el eje de rueda (2), que puede llegar hasta 200 kg, a un sensor de fuerza (4) de este tipo.
Asf, de acuerdo con una realizacion preferida, la placa metalica (1) se mecaniza de tal modo que un segundo sistema comprenda una pluralidad de palancas en cascada que reduce drasticamente el desplazamiento horizontal del eje de rueda (2) a una fraccion de micrometros, pero ofreciendo al sensor de fuerza (4) una fuerza de reaccion elastica proporcional para medir.
Adicionalmente, pueden despreciarse las variaciones angulares debidas a dicho pequeno desplazamiento.
Mas espedficamente, de acuerdo con una realizacion preferida representada en las figuras, la placa metalica (1) comprende una pluralidad de palancas en cascada, tal como sigue:
■ Una primera palanca (9), estando conectada su entrada con el brazo de empuje (8), de tal modo que el brazo de empuje transmita la fuerza F1' a la entrada de la primera palanca (9);
■ Una segunda palanca (9'), estando conectada su entrada con la salida de la primera palanca (9), de tal modo que la primera palanca (9) transmita una fuerza F2 a la entrada de la segunda palanca
(9');
■ Una tercera palanca (9''), estando conectada su entrada con la salida de la segunda palanca (9') de tal modo que la segunda palanca (9') transmita una fuerza F3 a la entrada de la tercera palanca
(9'');
En la cual la salida de la tercera palanca (9'') transmite una fuerza F4 a la entrada del sensor de fuerza (4) a traves de un tornillo de ajuste (5).
Adicionalmente, la placa metalica (1) tambien comprende unos puntos de flexion (10, 10', 10'') en la entrada de las palancas (9, 9', 9''), respectivamente, con el fin de crear unos puntos de articulacion sobre los que puedan pivotar dichas palancas.
Tal como se ha mencionado anteriormente, la relacion carga de sensor/fuerza de la cadena cumple con el rango de medicion del sensor, viniendo la mayor parte de esta relacion de la cascada de palancas y viniendo el resto de esta relacion de las fuerzas de reaccion elasticas inevitables en los puntos de flexion (10, 10', 10''), y de la flexibilidad de los brazos de la primera y la segunda palancas (9, 9').
Mas precisamente, y de acuerdo con una realizacion preferida, la flexibilidad de los brazos de la primera y la segunda palancas (9, 9') esta determinada por el grosor de los brazos y esta disenada a proposito para facilitar el manejo del tornillo de ajuste (5).
Ademas, el diseno mecanico de la placa metalica (1) es tal que el diseno mecanico evite el efecto lateral 5 del par motor sobre la carga del sensor de fuerza.
Mas precisamente, el area de eje de la placa metalica (1) reacciona ante el par motor. El par de reaccion produce una fuerza de compresion dentro del brazo CD, y una fuerza de traccion dentro del brazo AB, que resultan en una ligera rotacion del area de eje, cuyo centro esta situado sobre la lmea imaginaria que une los puntos BD, aproximadamente en el eje del brazo de empuje.
10 Esta localizacion del centro de rotacion evita la generacion de cualquier movimiento horizontal del brazo de empuje, y de esta manera el par motor no tendra efecto lateral sobre la carga del sensor de fuerza.
Adicionalmente, el brazo de empuje (8) y el punto de flexion (10) de la primera palanca (9) reaccionan unicamente al componente horizontal de un choque en la pista (traccion), y a la fuerza de la cadena (compresion), pero gracias al diseno mencionado anteriormente, los choques verticales no tienen ningun 15 efecto sobre dicho brazo de empuje (8).
Aunque en la realizacion preferida la fuerza de la cadena se detecta en el eje de rueda (2) en el que esta colocado el desviador de cambio, en una realizacion adicional de la invencion la fuerza de la cadena puede detectarse en los dos extremos de dicho eje de rueda (2).
Finalmente, tal como puede observarse en la Figura 2, la placa metalica (1) puede comprender una 20 cubierta (11) sobre el area de cuadro para proteger y sellar el sensor de fuerza (4).
De acuerdo con una realizacion preferida final de la invencion, la placa metalica (1) esta fabricada de una aleacion de aluminio.

Claims (5)

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    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo para medir la fuerza de la cadena en una bicicleta, el cual comprende una placa metalica (1), en el cual dicha placa metalica (1) comprende:
    - un area de eje sujeta al menos a un extremo del eje de rueda (2) y configurado para recibir la fuerza F1 aplicada al cuadro de la bicicleta por dicho eje de rueda (2) segun el eje longitudinal de la bicicleta, y
    - un area de cuadro sujeta al cuadro de la bicicleta, comprendiendo dicha area de cuadro al menos un tornillo de ajuste (5) y al menos un sensor de fuerza (4);
    - en el cual:
    - la placa metalica (1) esta mecanizada de tal modo que el area de eje comprende un primer sistema de transmision (AB, CD) configurado para transmitir el componente de fuerza horizontal F1' de la fuerza F1 a un segundo sistema de transmision (9, 9', 9'', 10, 10', 10'') situado en el area de cuadro, configurado de tal modo que el desplazamiento horizontal del eje de rueda (2) sea transformado en fuerzas de reaccion elasticas proporcionales (F2, F3, F4) que se suministran como entrada al sensor de fuerza (4), y
    - el segundo sistema comprende una pluralidad de palancas (9, 9', 9") en cascada configuradas para reducir el desplazamiento horizontal del eje de rueda (2) y para dar al sensor de fuerza (4) una fuerza de reaccion elastica (F4) proporcional a la fuerza aplicada al cuadro de la bicicleta por dicho eje de rueda (2), caracterizado porque la pluralidad de palancas (9, 9'', 9'') en cascada comprende:
    ■ una primera palanca (9), estando conectada su entrada con el brazo de empuje situado en la entrada del segundo sistema de transmision, de tal modo que el brazo de empuje (8) esta configurado para transmitir la fuerza F1' a la entrada de la primera palanca (9);
    ■ una segunda palanca (9'), estando conectada su entrada con la salida de la primera palanca (9), de tal modo que la primera palanca (9) esta configurada para transmitir una fuerza F2 a la entrada de la segunda palanca (9');
    ■ una tercera palanca (9''), estando conectada su entrada con la salida de la segunda palanca (9') de tal modo que la segunda palanca (9') esta configurada para transmitir una fuerza F3 a la entrada de la tercera palanca (9''), y en el cual la salida de la tercera palanca (9'') esta configurada para transmitir una fuerza F4 a la entrada del sensor de fuerza (4) a traves de un tornillo de ajuste (5), y porque la placa metalica (1) comprende unos puntos de flexion (10, 10', 10'') a la entrada de las palancas (9, 9', 9''), respectivamente, configurados para crear unos puntos de articulacion sobre los que puedan pivotar dichas palancas.
  2. 2. Dispositivo para medir la fuerza de la cadena en una bicicleta de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque el primer sistema de transmision esta formado por dos barras de enlace verticales AB - CD mecanizadas en la placa metalica (1), en el cual los puntos ABCD son puntos de flexion que constituyen puntos de articulacion que forman un paralelogramo.
  3. 3. Dispositivo para medir la fuerza de la cadena en una bicicleta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el brazo de empuje (8) esta configurado para transmitir el componente de fuerza horizontal equivalente F1', aplicado al cuadro de bicicleta por el eje de rueda (2), a la entrada del segundo sistema de transmision.
  4. 4. Dispositivo para medir la fuerza de la cadena en una bicicleta de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque comprende un elemento elastico de proteccion de sobrecarga (6) configurado para mantener el sensor (4) dentro de un rango de carga seguro para protegerlo de sobrecargas.
  5. 5. Dispositivo para medir la fuerza de la cadena en una bicicleta de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque la placa metalica (1) comprende una cubierta (11) sobre el area de cuadro para proteger y sellar el sensor de fuerza (4).
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