ES2875174B2 - Sensor de fuerza para pedalier de bicicleta - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓN
SENSOR DE FUERZA PARA PEDALIER DE BICICLETA
La presente memoria descriptiva se refiere, como su título indica, a un sensor que, midiendo, la deformación del pedalier por la carga aplicada en el eje de las bielas es capaz de calcular la potencia ejercida por un ciclista. Este sensor cuenta con un elemento de deformación con una geometría específica que aloja los elementos de medición. El conjunto está diseñado y conectado de tal manera que proporciona una medición precisa de la potencia efectiva de pedaleo, obviando las fuerzas parásitas o independiente de combinación de la transmisión empleada.
Antecedentes de la invención
Actualmente en el mundo de la bicicleta es cada vez más popular el uso de medidores de potencia de pedaleo. Muchos de estos medidores de potencia de pedaleo están basados en sensores de deformación colocados en diferentes componentes de la bicicleta. Dichos componentes donde colocamos los sensores suelen ser la biela, araña o eje.
El motivo es tener una información lo más real posible de la potencia desarrollada por el ciclista principalmente con dos objetivos: El primero; enviarla a un monitor para que el ciclista sea consciente del esfuerzo realizado durante la competición y/o entrenamiento y poder aplicar la fuerza necesaria en cada momento. El segundo; es de gran utilidad en las bicicletas eléctricas, conocer la potencia desarrollada por un ciclista y enviar esta información al motor y que el motor aporte la potencia necesaria en cada momento, con el consiguiente ahorro de energía, optimización del funcionamiento del motor y control.
Uno de los grandes retos en el desarrollo de un potenciómetro es calcular la potencia efectiva de pedaleo con una precisión suficiente para los usuarios, obviando las fuerzas que se ejercen que no producen directa ni indirectamente par de giro.
Cada ciclista tiene una forma particular de pedaleo que produce fuerzas "parásitas” o no efectivas y es el gran reto en el desarrollo de un potenciómetro. Por este motivo muchos desarrollos de potenciómetros no salen al mercado al no tener la precisión necesaria.
El objetivo de esta invención es resolver este problema y por ello se ha diseñado un sensor de fuerza fiable, con unas características únicas que suponen un avance importante en el estado de la técnica.
Un antecedente próximo a nuestra invención puede ser el documento EP2104537 que describe una pieza, que en el mundo ciclista se denomina araña, con un diseño muy específico parar medir la deformación de dicha pieza al aplicar una fuerza de pedaleo. Usa para ello unos medidores de deformación situados en unos puntos donde la lectura es precisa para el objetivo deseado que es conocer la potencia real de pedaleo por parte del ciclista.
Otro antecedente es la patente (US 2017/0356816 A1) donde describe un potenciómetro integrado en el pedalier de una bicicleta, y para ello usa sensores de presión puestos entre el rodamiento y la bicicleta o unos bloques con extensiométricas. En ambos diseños no se tienen en cuenta esas fuerzas parásitas y la forma de pedalear particular de cada ciclista, lo que hace imposible su comercialización por falta de precisión. Así mismo tampoco resuelve como diferenciar la diferencia de fuerza que se genera en el rodamiento por el uso de diferente plato o piñón, a un mismo par aplicado.
La medición independiente de cada una de las piernas añade precisión a los resultados de la medición, ya que la fuerza aplicada por cada pierna es diferente. La patente ES1101230 plantea una novedosa solución hasta el momento, no medir solo la fuerza aplicada por una pierna, duplica los sensores, es decir, que usa extensiometría colocada en ambas bielas para mediante la deformación de estas para calcular la potencia.
Sin embargo, aplicar la medición sobre el pedalier es más preciso ya que es posible medir con más exactitud la fuerza que aplican ambas piernas que como hemos mencionado anteriormente nunca es igual, colocando la extensiometría en un punto central, reduciendo coste considerablemente porque evitamos duplicidades de componentes electrónicos y calibraciones.
Descripción de la invención
El sensor de fuerza de pedalier para bicicleta objeto de la presente invención está especialmente diseñado para que tenga un comportamiento de deformación proporcional a la fuerza aplicada por cada una de las piernas.
En este caso concreto, la geometría del sensor de carga para eje pedalier objeto de esta invención, se ha diseñado para medir la cizalla y la flexión que se producen en la pieza que aloja los medidores de deformación. Como se menciona en el párrafo anterior, es crítico el equilibrio entre rigidez y señal de medición, por ello es necesario un diseño de la geometría de la pieza muy bien calculado. Mide la fuerza que ejerce el ciclista sobre los pedales, que es el componente propulsor de la transmisión de la bicicleta, que convierte el movimiento recíproco de las piernas del ciclista en un movimiento de rotación utilizado para mover la cadena de la bicicleta, que a su vez mueve la rueda trasera. Esta fuerza no se aplica de una forma constante, ni es la misma en cada una de las piernas, tampoco es uniforme, en resumen, está sujeta a múltiples variables, que generan fuerzas parásitas que falsean la lectura real de la fuerza aplicada, eliminar estas fuerzas parásitas y garantizar una lectura real está implícito en la geometría del sensor de carga objeto de nuestra invención.
El resultado, es una forma cilíndrica, hueca, formando tres anillos con funciones determinadas.
El anillo exterior se inserta en el rodamiento y dicho rodamiento es atravesado por el eje de la biela, quedando el rodamiento como un anillo alrededor de este eje. Cuando gira el eje de la biela como resultado de la acción del pedaleo, el sensor de carga permanece fijo, mientras el rodamiento gira y se deforma por la acción de las fuerzas aplicadas. Por ello, este anillo exterior cuenta con unas características añadidas. Una es libertad radial para desplazarse, es decir, existe una holgura entre la cara exterior del anillo y el pedalier. Y otra muy importante, un tope mecánico de un material elástico, que limita la deformación del casquillo por la holgura mencionada y que evita roturas o lecturas fuera de las escalas de medida.
El anillo interior está diseñado para insertar y fijar en la posición correcta el sensor en el pedalier, mediante mecanismos propios de fijación en este tipo de uniones. Este anillo interior opcionalmente, podría ser fijado directamente al cuadro.
El anillo central, situado entre los dos mencionados, está especialmente diseñado para alojar los medidores de deformación. Este anillo central tiene un mínimo de cuatro ventanas o vaciados distribuidos a lo largo de su perímetro para obtener un mínimo de cuatro brazos, la mitad de una longitud de arco mayor y la otra mitad de una longitud de arco menor. Estos arcos están dispuestos de tal manera que se configure una pieza simétrica.
En los brazos de una longitud de arco menor se colocan unos medidores de deformación y dichos medidores de deformación quedan situados y coinciden con el eje horizontal y son los encargados de medir la cizalla. La geometría tan especial de esta pieza, resultado de un largo proceso de prueba, permite una lectura precisa de las deformaciones obviando las fuerzas parasitarias.
En los brazos de una longitud de arco mayor se colocan también unos medidores de deformación. Estos medidores de deformación quedan situados y coinciden en el eje vertical y miden la flexión. Es necesario volver a indicar que la geometría tan especial de esta pieza, resultado de un largo proceso de prueba, es la adecuada para una lectura precisa de estas deformaciones obviando las fuerzas parasitarias.
Hay que añadir que con los sensores de deformación se conectan formando un puente de Wheatstone completo con el objeto de compensar los cambios de temperatura que pueden alterar la medición. Estos cambios se pueden producir por el calor desprendido por los rodamientos al funcionar y por los cambios de temperatura ambiental.
Este sensor de fuerza para pedalier de bicicleta se instala el lado donde está el conjunto platos, piñones y cadena, así permite compensar de forma precisa los cambios de platos o piñones. Opcionalmente, también podría colocarse un sensor de fuerza en el lado opuesto.
Otra característica importante del diseño de esta pieza de deformación es que es adecuado para altas y bajas velocidades de pedaleo, e interpreta adecuadamente la potencia de pedaleo en cada momento.
A lo largo de toda esta descripción y objeto de esta invención es un sensor de deformación que proporcione una lectura real de la potencial desarrollada en cada momento, por lo tanto, este dispositivo puede ser calibrado antes de su instalación o montaje en el eje de pedalier.
El sensor de carga para eje pedalier, convierte una variación mecánica en una señal eléctrica, variación mecánica que se produce por la fuerza de pedaleo y señal eléctrica que se traduce mediante un algoritmo, en un dato. La combinación de datos de fuerza, datos de cadencia y datos de distancia, aplicando un algoritmo, nos proporciona la potencia que transformamos a watios.
Esta información se transmite a tiempo real a una pantalla u otro dispositivo. En el caso de las bicicletas eléctricas puede ser usado para que el motor proporcione al ciclista la ayuda necesaria para mantener la cadencia o velocidad deseada.
Toda información referida a ejemplos o modos de realización forma parte de la descripción de la invención.
Descripción de las figuras
Para comprender mejor el objeto de la presente invención, en el plano anexo se ha representado una realización práctica preferencial de la misma.
La figura 1.- Muestra la pieza cilíndrica (1) tal y como está diseñada para medir la cizalla y la flexión.
La figura 2.- Muestra la pieza cilíndrica (1) con los medidores de deformación de cizalla (8), los medidores de deformación de flexión (9) y el rodamiento encajado (10).
La figura 3.- Muestra un detalle la pieza cilíndrica (1) dónde se aprecia el tope mecánico (12).
La figura 4.- Muestra el sensor de fuerza instalado en el pedalier (14) y su posición en el eje (16) con respecto a bielas (17) y plato (16)
Realización preferente de la invención
El dispositivo, objeto de la presente invención muestra en la figura 1 la pieza cilíndrica (1) hueca con tres anillos o parte diferenciadas. En el anillo exterior (2) se encaja un rodamiento (10) en su perímetro interior. El perímetro exterior lo recorre una hendidura (11) que aloja el tope mecánico (12). El anillo interior (3) tiene la función ser montado y fijado en el pedalier.
El anillo central (4) diseñado especialmente para medir la cizalla y flexión que se produce por la deformación del rodamiento (10) encajado en el sensor, por la fuerza ejercida por el ciclista durante el pedaleo. La lectura debe de ser de una forma precisa, exenta de fuerzas parasitas, es decir capaz de interpretar la deformación cuando las fuerzas aplicadas pueden ser muy dispares. Destacamos que en el perímetro del anillo central (4) se aprecian cuatro ventanas (5). La disposición de estas ventanas (5) no es equidistante alrededor del perímetro del anillo central (4) sino que están dispuestas de forma que creen cuatro brazos los cuales son dos brazos iguales de arco mayor (7) y dos brazos iguales de arco menor (6).
El dispositivo, objeto de la presente invención muestra en la figura 2 la pieza cilíndrica (1) escalonada, con el rodamiento insertado (10) descrita en el párrafo anterior. También muestra en el anillo central (4) los brazos de arco menor (6) posicionado en el eje horizontal, dónde se colocan los medidores de deformación de cizalla (8) coincidentes con dicho eje horizontal. En el eje vertical los brazos de arco mayor (7), dónde se colocan los sensores de deformación de flexión (9), coincidentes con el eje vertical. Interesa recalcar, que el diseño tan característico de esta pieza cilíndrica (1) que mide la cizalla en el eje horizontal y la flexión en el eje vertical, tienen como fin principal eliminar las fuerzas parásitas que se producen en la deformación de los rodamientos (10) del pedalier (14), al aplicar la fuerza en el pedaleo.
El dispositivo, objeto de la presente invención muestra en la figura 3 un detalle en sección del anillo exterior (2) con el rodamiento (10) encajado y montado en el pedalier (14). Con este detalle queremos mostrar la libertad radial del anillo exterior con esa holgura (13) entre el pedalier (14) y anillo exterior (2). Así mismo se muestra el detalle del tope mecánico (12) insertado en la hendidura (11).
El dispositivo, objeto de la presente invención muestra en la figura 4 el sensor de carga montado en lado del dónde también se monta el plato (15). El sensor de fuerza está fijado en el pedalier (14) y cubierto por una carcasa exterior. El pedalier (14) con el sensor de fuerza montado en el cuadro entre las bielas (17) y con el eje (16) atravesando el interior. Esta figura nos ayuda a entender que cuando gira el eje (16) de la biela (17) como resultado de la acción del pedaleo, el sensor de carga permanece fijo, mientras el rodamiento (10) gira también y se deforma por la acción de las fuerzas aplicadas. Se aprecia también la posición coincidente con el eje horizontal de los medidores de deformación de cizalla (8) y la posición coincidente con el eje vertical de los medidores de deformación de flexión (9). Las
características de este sensor lo hacen apto para medir la potencia en velocidades altas y bajas y compensar los cambios de piñones o platos.
Un algoritmo interpreta los datos recogidos por los sensores de deformación de cizalla (8) y los sensores de deformación de flexión (9) y los hace para el correcto funcionamiento de un motor eléctrico incorporado en una bicicleta o la lectura por parte del ciclista de la potencia desarrollada en cada momento.
La persona experta en la técnica comprenderá fácilmente que puede combinar características de diferentes realizaciones con características de otras posibles realizaciones, siempre que esa combinación sea técnicamente posible.
Claims (1)
- REIVINDICACIONES1 - Sensor de fuerza para pedalier (14) de bicicleta caracterizado por configurarse como una pieza cilíndrica (1) hueca, dividida en tres anillos que comprende;-un anillo exterior (2) con una hendidura en todo su perímetro (11) como alojamiento de al menos un tope mecánico (12),- un anillo interior (3),-un anillo central (4) entre los anteriores, con al menos cuatro ventanas (5) dispuestas alrededor del perímetro, posicionadas de tal manera que forman cuatro brazos dos iguales de un arco mayor (6) en el eje vertical y dos brazos iguales de arco menor (7) en el eje horizontal, dispuestos de forma simétrica,- al menos un medidor de deformación de cizalla (8) colocado en cada uno de los brazos de arco menor coincidiendo con el eje horizontal y al menos un medidor de deformación de flexión (9) en cada uno de los brazos de arco mayor coincidiendo con el eje vertical.2 - Sensor de fuerza para pedalier (14) de bicicleta, según reivindicación 1, caracterizado por que el anillo exterior (2) de la pieza cilíndrica (1) sirve de alojamiento para un rodamiento (10).3 - Sensor de fuerza para pedalier (14) de bicicleta, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que entre el anillo exterior (2) y el pedalier (14) existe una holgura (13) así el anillo exterior (2) tiene libertad radial para desplazarse.4 - Sensor de fuerza para pedalier (14) de bicicleta, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el tope mecánico (12) es de un material elástico.5 - Sensor de fuerza para pedalier (14) de bicicleta, según reivindicación 1, caracterizado por que el anillo interior (3) de la pieza cilíndrica (1) tiene los medios adecuados para ser montado y fijado en el pedalier (14).6 - Sensor de fuerza para pedalier (14) de bicicleta, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medidores de deformación de cizalla (8) y los medidores de deformación de flexión (9) son conectados para formar un puente de Wheatstone completo que compensa los cambios de temperatura.7 - Sensor de fuerza para pedalier (14) de bicicleta, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho sensor se instala preferentemente en el lado motriz, donde está el plato (15) y así, detectar y compensar cambios de plato (15) o piñón.8 - Sensor de fuerza para pedalier (14) de bicicleta según reivindicaciones 1 a 6 anteriores, caracterizado por que dicho sensor puede ser instalado opcionalmente también en el lado opuesto al del plato (15).9 - Sensor de fuerza para pedalier (14) de bicicleta, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los datos obtenidos por los sensores de deformación son interpretados y transformados en datos legibles por dispositivos externos, mediante la aplicación de un algoritmo.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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BA2A | Patent application published |
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FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2875174 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20220721 |