WO2022228867A1 - Verfahren zum schalten eines übersetzungsverhältnisses einer gangschaltung eines fahrrads, computerprogramm, steuergerät, antriebseinheit und fahrrad - Google Patents

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pedaling
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Christian REISIGE
Marcus BOEGE
Thomas Mattes
Merlin Martin MANEWALD
Daniel Baumgaertner
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Robert Bosch Gmbh
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    • B62M9/121—Rear derailleurs
    • B62M9/122—Rear derailleurs electrically or fluid actuated; Controls thereof

Definitions

  • the present invention relates to a method for shifting a transmission ratio of a gear shift of a bicycle, in particular an electric bicycle.
  • the invention also relates to a computer program, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the latter to carry out the steps of the method.
  • the invention also relates to a control device with a processor configured to carry out the steps of the method, and a drive unit for an electric bicycle with a drive motor and the control device. Furthermore, the invention relates to a bicycle with the control device or the drive unit.
  • Document EP 2 983 975 B1 discloses shifting a gear shift even when the driver is not pedaling. An electric drive is used to move a chain, allowing for smooth gear changes.
  • the document DE 10 2009 011 882 A1 discloses an electronic control of system parts with which an automatic engagement and shifting of the gears of a gear shift for human-powered vehicles can be effected as a function of the physical strength introduced according to individual specifications.
  • Document DE 10 2014015 630 A1 discloses a bicycle control apparatus.
  • a controller controls at least one of the drive unit and the electric switching unit so that a crank torque and a crank rotation speed vary will be within a predetermined range.
  • the controller can control the electric switching unit such that the gear ratio is/will be small, so that it becomes easy to bring the rotation parameter into the predetermined range.
  • the controller can control the electrical switching unit such that the gear ratio becomes/will be large.
  • the controller may increase an auxiliary driving force.
  • the object of the present invention is to improve a semi-automatic or automatic shifting or adjustment of a transmission ratio of a gear shift of a bicycle. Disclosure of Invention
  • the present invention relates to a method for shifting a transmission ratio of an electrically controllable gear shift of a bicycle.
  • the method according to the invention includes detecting a pedaling frequency or a cadence of the cyclist on the pedal axle, with a rotational speed of the pedal axle and/or a rotational speed of a rotor of a power-assisting drive motor of the bicycle representing the pedaling frequency.
  • the cadence is detected in particular by means of a speed sensor, in particular by means of a speed sensor on the pedal axle or by means of at least one rotor position sensor in the drive motor.
  • a pedaling force of the cyclist is recorded in the method, with the driver torque on the pedal axle being advantageously recorded, which torque represents the pedaling force.
  • the pedaling power of the cyclist is preferably detected by means of a torque sensor on the pedal axis of the bicycle.
  • the pedaling force can be detected, for example, by means of a force sensor on at least one of the pedals.
  • a gear change operating state is then determined.
  • the gear change operating state is determined as a function of the recorded pedaling frequency and/or as a function of the recorded pedaling force.
  • the gear change operating state is determined when the sensed cadence is less than or equal to a lower threshold rate, or when the sensed cadence is greater than or equal to an upper rate threshold.
  • the gear change operating state is determined if the detected pedaling force is less than or equal to a lower force threshold value, or if the detected pedaling force is greater than or equal to an upper force threshold value.
  • a lower force threshold value if the detected pedaling force is greater than or equal to an upper force threshold value.
  • the gear change operating state it is determined or checked whether the recorded pedaling frequency and/or the recorded pedaling force is/are in a respective target range.
  • the determination of the gear change operating state advantageously represents a comparison of the recorded pedaling frequency and/or the recorded pedaling force of the cyclist with respectively assigned target ranges, with a gear change operating state being determined when the detected cadence and/or the detected pedaling force is outside of the respectively assigned target range or leaves the respectively assigned target range.
  • the respective target ranges for the recorded cadence and/or the recorded pedaling force can advantageously be visualized in combination, for example two-dimensionally, see also the exemplary embodiments listed below.
  • the change in a transmission ratio of the gear shift is advantageously initially not carried out immediately despite a determined departure from the respective target range for the detected pedaling frequency and/or the detected pedaling force.
  • further operating conditions of the bicycle are checked for determining the shift command for changing a gear and/or a shift time is awaited and/or an ideal transmission ratio is determined.
  • a control signal for the gear shift is then generated as a function of the determined gear change operating state and advantageously as a function of the specific shift command.
  • the transmission ratio of the gear shift is adjusted as a function of the generated control signal.
  • the method results in particular in the advantage that deviations or outliers of the pedaling frequency and/or the pedaling force from target ranges or target ranges of an automatic gear shift do not result directly in a control signal for the gear shift or in a shifting of the transmission ratio; instead, the adaptation of the transmission ratio is, in particular, temporal delayed and advantageously avoided, in particular if a gear change in a driving situation is evaluated as undesirable during the determination of the shift command.
  • the absolute number of shifting operations of the gear shift or changes in the gear ratio is advantageously reduced, resulting in a more comfortable driving experience, particularly if the gear shift has many discrete gears or gear ratios.
  • the number of gear changes to an unsuitable gear is generally advantageously reduced for the rider, so that the bicycle's handling is generally more comfortable for the cyclist.
  • the shift command is determined as a function of the elapse of a shift time period after the gear change operating state has been determined.
  • the determination is made the shift command advantageously only if the conditions for determining the gear change operating state are still met.
  • the absolute number of shifting operations of the gear shift or changes in the gear ratio is advantageously reduced efficiently and simply. Provision can be made for the switching duration to be adapted as a function of the detected cadence and/or the detected pedaling force, for example the switching duration decreases linearly with the distance between the detected cadence and the lower or upper frequency threshold value.
  • the shift command is determined or ascertained as a function of the recorded cadence and/or as a function of the recorded pedaling force.
  • a switching signal can advantageously be generated directly at low or high pedaling frequencies and/or high pedaling forces, or the transmission ratio can be adjusted.
  • the shift command is determined as a function of a change over time or a mathematical derivation of the recorded cadence and/or as a function of a change over time or a mathematical derivation of the recorded pedaling force.
  • a switching signal is advantageously generated or the transmission ratio is adjusted if there is a positive derivation above a threshold value for a change in pedaling frequency and/or if the detected pedaling force is positive above a threshold value for a change in pedaling force.
  • no shifting command is determined if, when the upper frequency threshold value is exceeded, the change in the recorded cadence within the shifting time period after the determination of the gear change operating state is negative or if, when the lower frequency threshold value is undershot, the change in the recorded cadence within the shifting time period after the determination of the Gear change operating state is positive.
  • the current driving situation or operating situation is taken into account when determining the shift command, resulting in semi-automatic or automatic shifting of the gear shift that is very comfortable for the cyclist and is tailored to the driving situation.
  • a speed of the bicycle is detected.
  • the speed is detected, for example, by means of a Speed sensor on the bike, for example by means of a reed sensor or a speed sensor on one of the wheels of the bike.
  • an acceleration of the bicycle is detected, for example by means of an acceleration sensor and/or the acceleration is determined as a function of the detected speed of the bicycle.
  • an incline of the route taken by the bicycle or a pitch angle of the bicycle about its transverse axis is recorded, for example by means of an inertial measuring unit.
  • a shift command is then determined or determined as a function of the recorded speed of the bicycle, as a function of the recorded or determined acceleration and/or the recorded incline, with the shift command being determined in particular as a function of at least one change over time in the recorded speed, the recorded or determined acceleration and/or or the detected gradient is determined.
  • a control signal for the gear shift is only generated if at the same time the change in the gradient of the route over time is not positive or becomes more positive, so that, for example, when driving on an increasingly steeper incline of a route, no immediate undesired shifting into a higher gear is carried out becomes.
  • an adjustment of the transmission ratio can advantageously be prevented when the bicycle is coasting downhill on an incline of the route at increasing or constant speed.
  • Gear change operating state determines an ideal transmission ratio depending on the detected pedaling frequency and/or depending on the detected pedaling force and/or depending on the detected speed of the bicycle and/or depending on the detected or determined acceleration of the bicycle and/or depending on the detected incline of the route.
  • the gear shift between the current gear ratio and the ideal gear ratio has at least one skipped gear ratio of the gear shift.
  • the current transmission ratio is also recorded or determined.
  • the control signal for the gear shift is then additionally generated as a function of the determined ideal transmission ratio, as a result of which at least one transmission ratio of the gear shift is skipped when the transmission ratio of the gear shift is adjusted.
  • This version is particularly advantageous if, in the event of a positive or negative change in an incline of the route, you want to switch to a very different gear ratio, it being undesirable to switch through several gear ratios successively, since each gear change results in a sudden change in the driver's torque and, in the case of a Electric bicycles also result in a sudden change in motor torque.
  • the cyclist is informed about the process and can, for example, interrupt the expected automatic behavior with a further input if the driving situation, for example an imminent uphill gradient on the route or an impending downhill gradient, makes this seem necessary.
  • This refinement of the method results in a comfortable driving experience and a controllable or easily adaptable, balanced method for the cyclist.
  • the control signal for the gear shift is only generated if, after the specific shift command, the recorded pedaling frequency of the cyclist is less than an activation frequency threshold value, and/or when the recorded pedaling force of the cyclist is less than an activation force threshold value after the specific shift command.
  • the control signal for the gear shift is also generated as a function of confirmation from the cyclist, with the cyclist confirming the gear change in particular by interrupting pedaling power and/or pedaling frequency.
  • the cyclist confirms the control command by adjusting the cadence and/or pedaling power.
  • the generation of the control signal for the gear shift occurs only when the detected cadence of the cyclist is zero or close to zero.
  • the cyclist's confirmation is recorded by means of an input means, the input means for confirming the shifting being preferably arranged in the vicinity of one of the handlebar grips.
  • the cyclist is shown in particular acoustic, visual and/or haptic shift information for semi-automatic shifting, preferably by means of an HMI, with the shift information representing in particular a request to confirm the adjustment of the transmission ratio or a gear change.
  • This semi-automatic shifting design results in a comfortable, semi-automatic generation of the control signal for the gear shift.
  • an expected future driver torque and/or an expected pedaling frequency for the future gear ratio is determined, for example the ideal gear ratio.
  • the expected future driver torque and/or the expected cadence is determined as a function of the detected current pedaling power of the cyclist and/or and the detected current cadence as well as depending on the current engine power of a drive motor of an electric bicycle and depending on the current transmission ratio and a predicted or the future gear ratio.
  • the predicted transmission ratio can be determined as a function of the detected cadence and/or as a function of the detected pedaling force and a respective target range for the cadence and/or the pedaling force or as a function of the frequency threshold values and/or force threshold values.
  • the shift command is additionally determined as a function of the expected driver torque and/or the expected cadence; in particular, the shift command is only determined if the expected driver torque is between the lower and upper force threshold values and/or the expected cadence is between the lower and upper frequency threshold values lies.
  • This configuration advantageously takes into account the current and future motor torque of a drive of an electric bicycle, which results in more comfortable shifting behavior, for example, in driving situations of the electric bicycle in which the motor torque of the drive motor is saturated.
  • the method includes a determination of a predicted future motor torque and/or a predicted future motor power of a drive motor of an electric bicycle to a possible change in the transmission ratio depending on the pedaling force detected and/or the pedaling frequency detected, depending on the current motor torque of the drive motor and depending on the current gear ratio and a predicted gear ratio.
  • the predicted transmission ratio can be determined as a function of the detected cadence and/or as a function of the detected pedaling force and a respective target range for the cadence and/or the pedaling force or the frequency threshold values and/or force threshold values.
  • the shift command is then also determined as a function of the determined future engine torque and/or the predicted future engine output.
  • a determination of the shift command and a change in the gear ratio is suppressed or avoided if a significantly reduced predicted future motor power of the drive motor of the electric bicycle is determined in the future gear ratio with the same rider performance, despite adjusted pedaling frequency and adjusted pedaling power.
  • out-of-saddle pedaling by the cyclist is detected depending on the detected pedaling frequency and/or the detected pedaling force of the cyclist and/or depending on a detected lateral acceleration of the bicycle in the transverse direction of the bicycle and/or a detected lateral inclination of the bicycle.
  • the shift command is additionally determined as a function of the detected out-of-saddle pedaling, in particular no shift command being determined after the end of the shifting time period if out-of-saddle pedaling is detected.
  • shifting of the gear shift or a change in the gear ratio is preferably avoided when the cyclist is found to be pedaling out of the saddle, since shifting while pedaling out of the saddle is generally not desired.
  • an input by the cyclist is detected in order to set a shift mode.
  • the cyclist advantageously sets a shifting mode or a shifting behavior through the input.
  • the cyclist's input is recorded, for example, by means of an input device on the handlebars of the bicycle or on an HMI.
  • an adjustment of the lower Frequency threshold and / or the upper frequency threshold performed depending on the detected input of the cyclist.
  • the lower force threshold value and/or the upper force threshold value is adjusted depending on the detected input from the cyclist.
  • the respective target range for the cadence and/or the pedaling force is advantageously adapted as a function of the recorded input.
  • the shift command is also determined as a function of the input recorded by the cyclist, with the shifting time duration and/or respective threshold values for the speed of the bicycle, for the acceleration of the bicycle, for the pedaling force of the cyclist, for the incline of the route and/or for its change over time.
  • the ideal transmission ratio is also determined as a function of the input recorded by the cyclist. This advantageous configuration results in a more direct or indirect shifting behavior that the cyclist may desire in some driving situations and/or an adjustment of the shifting behavior with regard to skipping gears or transmission ratios.
  • the cyclist's input for setting an assistance ratio also includes the input for setting the shifting mode or the shifting behavior, with each assistance ratio being assigned a shifting mode.
  • the input for setting the shift mode can be coupled to the input for setting the assist ratio.
  • the “Eco” and/or “Sport” assistance ratio is assigned a direct shifting behavior by a small difference between the lower and upper frequency threshold value and the “Turbo” assistance ratio is assigned an indirect shifting behavior by a larger difference between the lower and upper frequency threshold value.
  • the invention also relates to a computer program comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the latter to carry out the steps of the method according to one of the preceding claims.
  • the computer program can preferably be loaded from a cloud or from a server device using a wireless or wired data connection.
  • Such a computer program allows, for example, updates-over-the-air for controlling a gear shift of a bicycle, in particular one Electric bicycle, for example in the case of retrofitting or replacing a gear shift of the bicycle.
  • the invention also relates to a control unit, the control unit comprising at least one first signal input for providing a first signal which represents the cadence of a cyclist.
  • the controller also includes a second signal input for providing a second signal representative of the cyclist's pedaling power.
  • the control device also has a signal output for outputting a control signal for an electrically controllable gear shift of a bicycle.
  • the control device has a computing unit, in particular a processor, the computing unit being configured in such a way that it executes the steps of the method according to the invention. In other words, the control unit is set up to carry out the method according to the invention. With this control unit, the advantages for the cyclist or the bicycle described for the method result.
  • the invention also relates to a drive unit for an electric bicycle with a drive motor, the drive unit comprising at least one speed sensor.
  • the speed sensor is set up to detect a cadence of a cyclist on the pedal axis of a bicycle.
  • the drive unit includes a pedaling force sensor, the pedaling force sensor being set up to detect a pedaling force of a cyclist on the pedal axle of a bicycle.
  • the drive unit also includes the control device according to the invention.
  • the drive unit can include an electrically controllable gear shift.
  • the drive unit is set up by means of the control unit to control an electrically controllable gear shift of the bicycle by means of a generated control signal at the signal output.
  • the invention also relates to a bicycle, in particular an electric bicycle.
  • the bicycle according to the invention comprises an electrically controllable gear shift and a control unit according to the invention or a drive unit according to the invention.
  • FIG. 1 Bicycle with an electrically controllable gear shift
  • Figure 2 Control device of a bicycle for controlling a gear shift
  • FIG. 3a Procedure as a block diagram
  • FIG. 3b alternative process sequence as a block diagram
  • Figure 4 Diagram of a target range for pedaling power and pedaling frequency
  • a bicycle 100 with an electrically controllable gear shift 110 is shown schematically.
  • the bicycle 100 has pedals 102 on a pedal axle 101 for absorbing pedaling forces F of the cyclist.
  • the bicycle 100 has a longitudinal axis 190 and during operation typically moves in the direction of travel in the direction of the longitudinal axis, being driven by a pedaling force F of the cyclist with a pedaling frequency K on the pedals or a driver torque on the pedal axle 101 .
  • the bicycle 100 also optionally includes a display device 130 or an HMI and/or an input device 140, the display device 130 and the input device 140 preferably being arranged on the handlebars 105 of the bicycle 100.
  • the electrically controllable gear shift 110 of the bicycle 100 is a derailleur, comprising an electrically controllable chain derailleur 111 and chainrings 112 on the pedal axle 101 and an electrically controllable chain guide roller 113 and a sprocket set 114 or sprocket set on the rear wheel hub 104 of the rear wheel 103, the Chain rings and the sprocket set 114 are connected to one another by means of a chain 115 .
  • an electrically controllable gear shifts can be arranged on the bicycle 100, for example an electrically controllable hub gear on the rear wheel hub 104 of the rear wheel 103, for example comprising a multi-stage planetary gear.
  • Derailleur and hub gears of bicycles usually have discrete transmission ratios i, the stepping of the gears or transmission ratios i depending on the design of the gear shift and the manufacturer.
  • the gear ratio of a derailleur or Gear shift 110 with a 53/39 chain ring combination on the pedal axle 101 or crankshaft and with a sprocket set with 11 to 21 teeth on the rear wheel hub 104 in discrete steps between 1.86 and 4.82.
  • Hub gears with 3 or 8 gears usually have a gear ratio range similar to that of the derailleur gears described.
  • the shiftable range of gear ratios of an alternative continuously variable transmission 110 which is arranged, for example, on the rear wheel hub 104 of the bicycle 100, is typically comparable to derailleur and hub transmissions with planetary gears.
  • a gear ratio of a gear shift 110 of a bicycle 100 is therefore generally between about 1.5 and 5.
  • both the driver torque FM and the engine torque M are combined before the gear shift 110 and translated by means of the gear shift 110 by a gear ratio i to the Rear hub 104 of the rear wheel 103 of the bicycle 100 transmitted.
  • the gearshift 110 can be designed to be electrically controllable in all designs or types.
  • the cadence K changes as a function of the transmission ratio i approximately according to equation (2) by the circuit, consequently discretely or abruptly.
  • the pedaling power P of a cyclist can be described as the product of the cadence K and the pedaling torque or driver torque FM of the cyclist, see equation (3).
  • the driver's power P or the pedaling power of the cyclist can be assumed to be approximately constant at the time of the adjustment or the shifting of a transmission ratio from i1 to i2. If the driver's power P remains the same at the time of shifting, the driver's torque FM2 depends on the transmission ratios i1 and i2 and the driver's torque FM1 according to equation (4). The driver torque FM also changes as a function of the transmission ratios i1 and i2 according to equation (4) by shifting the transmission ratio of the gearshift 110 discretely or abruptly.
  • Bicycle 100 is preferably also an electric bicycle, comprising a drive unit 120 with an electric drive motor 121 for driving bicycle 100.
  • Electric drive motor 121 is advantageously set up to generate a motor torque M as a function of a detected pedaling force F or a detected driver torque FM , The motor torque M being set up in addition to the applied driver torque FM on the pedal axle 101 to drive the electric bicycle in the direction of travel.
  • the motor torque M generated by the drive motor 121 is typically generated as a function of the detected pedaling force F or the detected driver torque FM on the pedal axle 101 and as a function of an assistance ratio a that can usually be set or selected by the driver according to equation (5).
  • the assistance ratio a can be set between 100% and 400%, for example.
  • the generated motor torque M is preferably additionally generated or reduced as a function of a detected speed v of the bicycle 100 and the maximum speed vmax.
  • Maximum motor torque Mmax is limited because the drive motor 121 cannot or should not apply a motor torque M greater than the maximum motor torque Mmax, ie the motor torque M of the drive motor 121 is controlled or blocked as a function of the maximum motor torque Mmax.
  • the driver torque required for electric bicycles can, for example, be surprisingly large in order to maintain or increase a speed v of the electric bicycle as desired if the driver torque required after switching to the higher transmission ratio due to a maximum motor torque Mmax generated before switching and/or due to the locking of the engine torque generated increases disproportionately.
  • the cadence K of the cyclist is advantageously detected by means of a speed sensor 210 on the pedal axle 101 .
  • the cadence K can be detected in electric bicycles by means of a rotor position sensor or by means of at least one rotor position sensor or a motor speed sensor if there is a constant transmission ratio between the pedal axle and the drive motor.
  • the cadence K can be detected by means of a torque sensor 220 on the pedal axle, with the cadence K being determined as a function of the detected driver torque FM.
  • the pedaling force F of the cyclist on the pedals or the driver torque of the cyclist on the pedal axle can be detected, for example, by means of at least one force sensor on one of the pedals or by means of a torque sensor 220 on the pedal axle 101 of the bicycle.
  • the speed v of the bicycle 100 is advantageously detected by means of a speed sensor 230, for example by means of a reed sensor on the rear wheel 103 of the bicycle 100.
  • a control device 200 of a bicycle 100 for controlling a gear shift 110 is shown schematically in FIG.
  • Control unit 200 has an arithmetic unit 201.
  • Arithmetic unit 201 in particular a processor, is configured in such a way that it executes the steps of the method according to the invention.
  • the control unit 200 also has an optional first signal input 202 , a second signal input 203 , an optional third signal input 204 , an optional fourth signal input 205 and an optional fifth signal input 206 .
  • the control unit 200 also includes a signal output 250 for outputting a control signal for the electrically controllable gear shift 110 of a bicycle 100.
  • the second signal input 203 is set up to detect a second signal, for example from the torque sensor 220 on the pedal axle, which detects the pedaling force of a cyclist represented.
  • the optional first signal input 202 is set up to detect a first signal, for example from the speed sensor 210 on the pedal axle, which represents the cadence of a cyclist. It can be provided that the pedaling frequency of the cyclist is determined as a function of the detected second signal or the detected pedaling force or the detected driver torque.
  • the optional third signal input 204 is set up to detect a third signal from the speed sensor 230 which represents the speed v of the bicycle 100 .
  • the optional fourth signal input 205 is set up to detect a fourth signal from the input means 140, which represents an input by the cyclist regarding the shifting mode or the shifting behavior.
  • the optional fifth signal input 206 is set up to detect a fifth signal from an acceleration sensor 240 or an inertial measuring unit 241, the fifth signal being an acceleration of the bicycle in the longitudinal direction, an acceleration of the bicycle in the transverse direction, a pitch angle of the bicycle and/or a lateral Inclination of the bicycle or a rotation of the bicycle 100 about the longitudinal axis 190 of the bicycle 100 is represented.
  • the signal output 250 is set up to generate a control signal which is set up to actuate the electrically controllable gearshift 110 to change a transmission ratio.
  • This preferably includes Control unit has a memory 290 in which, for example, parameters such as the maximum speed vmax or the maximum engine torque Mmax and a large number of other operating parameters and threshold values are advantageously stored.
  • a process sequence is shown schematically as a block diagram.
  • the method includes a detection 310 of the cadence K of the cyclist at the pedal axle.
  • the method also includes a detection 320 of a pedaling force F of the cyclist, with the pedaling force F being recorded in particular as driver torque FM by means of torque sensor 220 .
  • a current speed v of the bicycle is optionally recorded 330 .
  • an acceleration of the bicycle in the longitudinal direction 190 can optionally be detected in step 331 .
  • the acceleration is optionally recorded 331 as a determination of the acceleration of the bicycle in the longitudinal direction 190 as a function of the recorded speed v.
  • an incline of the travel route of the bicycle 100 or a pitch angle of the bicycle 100 about the transverse axis of the bicycle 100 can be detected or determined using an inertial measuring unit 241 on the bicycle 100 .
  • an input from the cyclist to set a shift mode can be detected. It can be provided that in an optional step 341 a lower frequency threshold value and/or an upper frequency threshold value is adjusted depending on the input of the cyclist recorded in step 340 . It can also be provided that in an optional step 342 a lower force threshold value and/or an upper force threshold value is adjusted as a function of the cyclist's input recorded in step 340 . Then, in step 350, a gear change operating state is determined as a function of the pedaling frequency K detected and as a function of the pedaling force F detected.
  • the determination 350 of the gear change operating state takes place as soon as the recorded cadence K is less than or equal to the lower frequency threshold value or the recorded cadence K is greater than or equal to the upper frequency threshold value.
  • the gear change operating state is determined 350 as soon as the recorded pedaling force F is less than or equal to the lower force threshold value or the recorded pedaling force F is greater than or equal to the upper force threshold value.
  • the cyclist is shown acoustic, visual and/or haptic information about the semi-automatic or predicted automatic shifting.
  • out-of-saddle pedaling by the cyclist is detected or determined as a function of the detected cadence and/or the detected pedaling force of the cyclist and/or a detected lateral acceleration of the bicycle 100 in the transverse direction of the bicycle 100 and/or a detected lateral inclination of the bicycle.
  • Out-of-saddle pedaling is recognized, for example, if the recorded pedaling frequency or the recorded rotational speed on the pedal axle and/or the recorded pedaling force is discrete peaks and/or the recorded lateral acceleration is greater than a lateral acceleration threshold value and/or the recorded lateral inclination repeats a out-of-saddle-riding inclination angle within a specified period of out-of-saddle pedaling to different sides of the bike.
  • a shift command for the gear shift is determined.
  • the optional determination 370 of the shifting command is advantageously carried out as a function of a shifting time period after the determination of the gear change operating state, i.e.
  • the optional determination 370 of the shifting command preferably not taking place if the detected pedaling frequency and/or the detected pedaling force of the cyclist are again within the respective target ranges during the shifting period.
  • the shift command is advantageously not determined in optional step 370 if the detected pedaling frequency K is again between the lower and upper frequency threshold value and/or the detected pedaling force F is between the lower and upper force threshold value during the switching period.
  • step 370 provision can also be made for the shift command to be determined as a function of the detected cadence and/or as a function of the detected pedaling force.
  • the optional determination 370 of the shift command takes place as a function of a change in the recorded pedaling frequency over time and/or as a function of a change in the pedaling force recorded over time.
  • the shift command is determined or determined as a function of the detected speed of the bicycle, the detected or determined acceleration and/or the detected incline of the route or the pitch angle of bicycle 100, with the shift command in particular is determined as a function of at least one change over time in the detected speed, the detected or determined acceleration and/or the detected incline or pitch angle of bicycle 100 . It can be done in optional step 370 For example, it can be provided that the shift command is only determined when the speed of the bicycle exceeds a speed threshold value for the currently selected gear ratio.
  • the shift command is only determined if the acceleration of the bicycle in the longitudinal direction exceeds a predefined acceleration tolerance, with the acceleration tolerance being selected as a function of the currently engaged gear ratio or being coupled to the currently engaged gear ratio .
  • a shift command is only determined in step 370 if the amount of acceleration of the bicycle 100 exceeds the acceleration tolerance.
  • the shift command is optionally only determined in step 370 if the bicycle 100 is accelerated or decelerated in a manner that is clearly perceptible to the driver.
  • the shift command is determined immediately if the incline of the route or the pitch angle of the bicycle exceeds a gradient threshold value, otherwise the shift command is determined, for example, depending on or after the shift period has elapsed.
  • the shift command is additionally determined in optional step 370 as a function of the recorded input from the cyclist, with the shifting time being preferably adapted as a function of the recorded input from the cyclist to the shifting behavior or the shifting mode. For example, the shifting time is shortened if the cyclist wants a direct shifting behavior through his detected input, or lengthened if the cyclist wants an indirect shifting behavior through his detected input.
  • the at least one speed threshold value or the acceleration tolerance of the bicycle or the incline threshold value of the route and/or threshold values for its change over time can be adjusted depending on the input detected by the cyclist.
  • step 370 the shift command is additionally determined as a function of an expected driver torque and/or an expected cadence and as a function of the current engine torque.
  • gear ratio adjustment is not performed when the predicted future engine torque and/or the predicted future engine power are reduced more than a respective acceptance value.
  • the optional determination 367 of the expected future driver torque and/or an expected cadence for the future gear ratio, in particular for the ideal gear ratio, takes place depending on the detected current pedaling power of the cyclist and/or and the detected current cadence as well as depending on the current motor power and depending the current gear ratio and the future gear ratio.
  • the current engine torque M or Ml is generated by an engine controller, for example according to equation (5), and is therefore known.
  • an estimate for the resulting driver torque FM2 take place taking into account the current engine torque Ml or an expected driver torque FM 2 are determined, see equation (6).
  • the current total torque is the sum of the detected current driver torque FM, FM1 and the current engine torque M or M1. If the current transmission ratio il and the future transmission ratio i2 are known, the factor i2/il is known.
  • the expected driver torque FM2 determined exceeds a predefined torque threshold value, for example, no shift command is advantageously determined in step 370 despite the determination of the gear change operating state in step 350, in particular despite the expiry of a shifting time period, since the expected driver torque FM2 for the cyclist as is judged unacceptable.
  • a predefined torque threshold value for example, no shift command is advantageously determined in step 370 despite the determination of the gear change operating state in step 350, in particular despite the expiry of a shifting time period, since the expected driver torque FM2 for the cyclist as is judged unacceptable.
  • the determined expected driver torque FM2 is lowered by a possible downshift and thus also the predicted future engine torque M2 and/or the predicted future engine power PM below a respective acceptance value, despite the determination of the gear change operating state in step 350, in particular despite the expiration of a Shift duration, no shift command is determined in step 370 because the predicted future engine torque M2 and/or the predicted future engine power PM is judged to be unacceptable for the cyclist. This case can occur in particular when downshifting on a level route at high speeds.
  • the shift command is preferably only determined in optional step 370 if the expected driver torque FM2 is between the lower and upper force threshold values and/or the expected cadence K is between the lower and upper frequency threshold values.
  • the optional determination 370 of the shifting command also takes place as a function of the detected stepping out of the saddle, with a detected stepping out of the saddle in particular no shifting command being determined after the shifting period has elapsed, since an adjustment of a transmission ratio when stepping out of the saddle is generally perceived as unpleasant by a cyclist.
  • acoustic, visual and/or haptic shift information about the semi-automatic shift occurs.
  • the cyclist is prompted to trigger the semi-automatic gearshift, advantageously by changing the cadence or by making an input, for example using input means 140.
  • step 380 it can be provided in optional step 380 to determine an ideal gear ratio depending on the recorded pedaling frequency, the recorded pedaling force, the recorded speed of the bicycle, the recorded or determined acceleration of the bicycle and/or the recorded incline of the route, with the Gear shift between the current gear ratio and the ideal gear ratio has at least one skipped gear ratio of the gear shift.
  • Equation (6) for example, can be used to determine the ideal transmission ratio, with the ideal transmission ratio being the transmission ratio at which, for example, the determined expected driver torque FM2 is closest to a predetermined one Torque target is. Provision can be made for the optional determination 380 of the ideal transmission ratio to also take place as a function of the input recorded by the cyclist, with the torque target value being adapted, for example, as a function of the input recorded.
  • a control signal for the gearshift is generated as a function of the determined gearshift operating state and optionally as a function of the specific shift command.
  • the generation 390 of the control signal for the gear shift also takes place as a function of the determined ideal transmission ratio.
  • the generation 390 of the control signal for the gear shift only takes place if, after the specific shift command in step 370, the detected pedaling frequency of the cyclist is less than an activation frequency threshold value, in particular is zero, and/or the detected pedaling force of the Cyclist is less than an activation force threshold value, in particular zero, and / or a switching input of the cyclist is detected by means of an input means, resulting in a comfortable optional semi-automatic circuit results.
  • step 395 the adjustment 395 of the transmission ratio of the gearshift is carried out as a function of the generated control signal.
  • the method can end with step 390, ie the generation 390 of the control signal for the gear shift, if, for example, only one drive unit or control unit of a bicycle is considered.
  • FIG. 3b shows an alternative, abbreviated process sequence as a block diagram.
  • the alternative method from FIG. 3b includes a detection 310 of the cadence K of the cyclist at the pedal axle.
  • the method also includes a detection 320 of a pedaling force F of the cyclist.
  • an input from the cyclist for setting a shift mode is detected.
  • a lower frequency threshold and/or an upper frequency threshold is adjusted depending on the sensed input from the cyclist.
  • a lower force threshold and/or an upper force threshold is adjusted depending on the sensed input from the cyclist.
  • a gear change operating state is determined depending on the detected cadence K and depending on the detected pedaling force F if the detected cadence K is less than or equal to the lower frequency threshold value or the detected cadence K is greater than or equal to the upper frequency threshold value.
  • the determination 350 of the gear change operating state takes place as soon as the detected pedaling force F is less than or equal to the lower force threshold value or the detected pedaling force F is greater than or equal to the upper force threshold value.
  • a control signal for the gear shift is generated directly in the method from FIG. 3b as a function of the determined gear change operating state.
  • the method from Figure 3b thus differs from the prior art by the detection 340 of the input of the cyclist and by the adjustment 341 of the lower and/or upper frequency threshold value and/or the adjustment 342 of the lower and/or upper force threshold value depending on these detected values Input.
  • FIG. 4a shows a two-dimensional diagram of the target range 450 for shifting a transmission ratio.
  • the abscissa 402 represents the driver torque FM.
  • Lower force threshold value 430 and upper force threshold value 440 are also shown as examples on abscissa 402 .
  • the ordinate 401 represents the cadence K.
  • the lower frequency threshold value 410 and upper frequency threshold value 420 are also shown as an example on the ordinate 401 .
  • Target range 450 is defined or lies between lower force threshold value 430 and upper force threshold value 440 and between lower frequency threshold value 410 and upper frequency threshold value 420. If recorded pedaling frequency K and recorded pedaling force F or recorded driver torque FM are in this target range 450 no gear change operating state is determined, for example at point PI.
  • a gear change operating state is determined, for example at point P2.
  • the lower frequency threshold and/or the upper frequency threshold and/or the lower force threshold and/or the upper force threshold are optionally determined by an input from the cyclist to the Shift mode adjusted, making the shifting behavior more direct or indirect.
  • the target range 450 can be adjusted by the detection 340 of the cyclist's input and the method steps 341 and/or 342 .
  • a temporarily acceptable operating range 460 for the cyclist is shown in dashed lines around target range 450 for pedaling frequency K and for pedaling force F or driver torque FM. If the recorded pedaling frequency K and/or the recorded pedaling force F or the driver torque FM are in this temporarily acceptable operating range 460, no adjustment of the transmission ratio is necessary, at least for a short time.
  • the gear change operating state is determined in step 350 if the recorded cadence K and/or the recorded pedaling force F or the driver torque FM is outside the target range, i.e. even if the recorded cadence K and/or the recorded pedaling force F or the driver torque FM are in the temporarily acceptable operating range 460, for example at point P3.
  • a control signal for the gear shift is not generated immediately in step 390, but instead the end of the shift duration is awaited for the determination 370 of a shift command for the gear shift. It can happen, for example, that the recorded pedaling frequency K and/or the recorded pedaling force F or the driver torque FM leave the limits of the target range 450 only for a short time and re-enter the target range 450 during the expiry of the shifting time period.
  • the generation 390 of the control signal for the gear shift is thus advantageously additionally carried out as a function of the specific shift command or as a function of the elapse of the shift duration.
  • the method can therefore advantageously avoid an undesired frequent switching back and forth between different gear ratios, since the shifting of the gear shift is advantageously delayed, in particular if the detected pedaling frequency K and the detected pedaling force F or the detected driver torque FM are in the temporarily acceptable operating range .

Landscapes

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Abstract

Verfahren zum Schalten eines Übersetzungsverhältnisses einer elektrisch ansteuerbaren Gangschaltung eines Fahrrads, insbesondere eines Elektrofahrrads, umfassend die folgenden Schritte: Erfassung einer Trittfrequenz des Radfahrers an der Tretachse; Erfassung einer Trittkraft des Radfahrers; und Ermittlung eines Gangwechselbetriebszustands in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz und in Abhängigkeit der erfassten Trittkraft, wenn die erfasste Trittfrequenz kleiner oder gleich einem unteren Frequenzschwellenwert oder größer oder gleich einem oberen Frequenzschwellenwert ist, und/oder die erfasste Trittkraft kleiner oder gleich einem unteren Kraftschwellenwert oder größer oder gleich einem oberen Kraftschwellenwert ist, wobei nach der Ermittlung des Gangwechselbetriebszustands eine Erzeugung eines Steuersignals für die Gangschaltung in Abhängigkeit des ermittelten Gangwechselbetriebszustands durchgeführt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Schalten eines Übersetzungsverhältnisses einer Gangschaltung eines
Fahrrads, Computerprogramm, Steuergerät, Antriebseinheit und Fahrrad
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten eines Übersetzungsverhältnisses einer Gangschaltung eines Fahrrads, insbesondere eines Elektrofahrrads. Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens auszuführen. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Steuergerät mit einem Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er die Schritte des Verfahrens ausführt, und eine Antriebseinheit für ein Elektrofahrrad mit einem Antriebsmotor und dem Steuergerät. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrrad, mit dem Steuergerät oder der Antriebseinheit.
Stand der Technik
Die Schrift EP 2 983 975 Bl offenbart ein Schalten einer Gangschaltung auch bei Nichtpedalieren durch einen Fahrer. Es wird ein elektrischer Antrieb dazu verwendet, eine Kette zu bewegen, so dass ein problemloser Gangwechsel möglich ist.
Die Schrift DE 10 2009 011 882 Al offenbart eine elektronische Steuerung von Anlageteilen, mit denen ein automatisches Einlegen und Umschalten der Gänge einer Gangschaltung für muskelbetriebene Fahrzeuge in Abhängigkeit von der eingebrachten Körperkraft nach individuellen Vorgaben bewirkt werden kann.
Die Schrift DE 10 2014015 630 Al offenbart einen Fahrradsteuerapparat. Ein Steuerer steuert wenigstens eine aus entweder der Antriebseinheit oder der elektrischen Schalteinheit, so dass sich ein Kurbeldrehmoment und eine Kurbeldrehgeschwindigkeit innerhalb eines vorbestimmten Bereichs befinden werden. Wenn der Drehparameter kleiner als der vorbestimmte Bereich ist, kann der Steuerer die elektrische Schalteinheit derart steuern, dass das Gangverhältnis klein ist/sein wird, so dass es leicht wird, den Drehparameter in den vorbestimmten Bereich zu bringen. Wenn der Drehparameter größer als der vorbestimmte Bereich ist, kann der Steuerer die elektrische Schalteinheit derart steuern, dass das Gangverhältnis groß wird/sein wird. Wenn die Muskelantriebskraft größer als der vorbestimmte Bereich ist, kann der Steuerer eine Hilfsantriebskraft vergrößern.
Derzeit werden am Markt erhältliche Automatikschaltungen für Fahrräder so betrieben, dass unter Kenntnis der Übersetzungsverhältnisse verschiedenen Gänge die Fahrerkadenz möglichst nah an eine vorgegebene Zielkadenz gebracht wird: Gibt es einen anderen Gang, dessen Übersetzungsverhältnis eine Fahrerkadenz erwarten lässt, die näher an der Zielkadenz liegt, als die aktuelle Kadenz, wird in diesen Gang geschaltet. Bei fein abgestuften Gangschaltungen resultieren in der Regel viele Schaltvorgänge, da sehr häufig ein passenderer Gang zur Verfügung steht. Dies kann vom Fahrer als störend empfunden werden. Auch werden bei schnellen Kadenzänderungen keine Gänge übersprungen, sondern alle Gänge sukzessiv durchgeschaltet.
Darüber hinaus ergibt sich bei Elektrofahrrädern mit Kraftunterstützung ein Problem, wenn das Motordrehmoment des Antriebsmotors bereits den maximalen Betrag erreicht hat oder ein Betriebszustand mit einem nicht-linearen Zusammenhang zwischen dem Fahrerdrehmoment und dem Motordrehmoment vorliegt. Dann kann es Vorkommen, dass nach einer automatischen Schaltung in ein größeres Übersetzungsverhältnis zwar eine geringer beziehungsweise vorteilhaftere Kadenz für den Radfahrer, aber auch unerwünscht hohes benötigtes Fahrerdrehmoment zum Halten der aktuellen Geschwindigkeit resultiert, da das durch den Gangwechsel erhöhte Gesamtdrehmoment im höheren Gang somit vollständig vom Fahrer aufgebracht werden muss. Das Elektrofahrrad kann beispielsweise durch diesen Sachverhalt an großen Steigungen oder bei hohen Geschwindigkeiten ungewollt langsamer werden, trotz eines Schaltvorgangs in einen höheren Gang.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe eine halbautomatische oder automatische Schaltung beziehungsweise Anpassung eines Übersetzungsverhältnisses einer Gangschaltung eines Fahrrads zu verbessern. Offenbarung der Erfindung
Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend der unabhängigen Ansprüche 1 sowie 13 bis 16 gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten eines Übersetzungsverhältnisses einer elektrisch ansteuerbaren Gangschaltung eines Fahrrads. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst eine Erfassung einer Trittfrequenz beziehungsweise einer Kadenz des Radfahrers an der Tretachse, wobei beispielsweise eine Drehzahl der Tretachse und/oder eine Drehzahl eines Rotors eines kraftunterstützenden Antriebsmotors des Fahrrads die Trittfrequenz repräsentiert. Die Erfassung der Trittfrequenz erfolgt insbesondere mittels eines Drehzahlsensors, insbesondere mittels eines Drehzahlsensors an der Tretachse oder mittels wenigstens eines Rotorlagesensors in dem Antriebsmotor. Des Weiteren wird in dem Verfahren eine Trittkraft des Radfahrers erfasst, wobei vorteilhafterweise das Fahrerdrehmoment an der Tretachse erfasst wird, welches die Trittkraft repräsentiert. Die Trittkraft des Radfahrers wird bevorzugt mittels eines Drehmomentsensors an der Tretachse des Fahrrads erfasst. Alternativ kann die Trittkraft beispielsweise mittels eines Kraftsensors an wenigstens einem der Pedale erfasst werden. Anschließend wird ein Gangwechselbetriebszustand ermittelt. Die Ermittlung des Gangwechselbetriebszustands erfolgt in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz und/oder in Abhängigkeit der erfassten Trittkraft. Der Gangwechselbetriebszustand wird ermittelt, wenn die erfasste Trittfrequenz kleiner oder gleich einem unteren Frequenzschwellenwert, oder, wenn die erfasste Trittfrequenz größer oder gleich einem oberen Frequenzschwellenwert ist. Alternativ oder zusätzlich wird der Gangwechselbetriebszustands ermittelt, wenn die erfasste Trittkraft kleiner oder gleich einem unteren Kraftschwellenwert, oder, wenn die erfasste Trittkraft größer oder gleich einem oberen Kraftschwellenwert ist. Mit anderen Worten wird zur Bestimmung des Gangwechselbetriebszustands ermittelt beziehungsweise überprüft, ob die erfasste Trittfrequenz und/oder die erfasste Trittkraft in einem jeweiligen Sollbereich liegt beziehungsweise liegen. Diese jeweiligen Sollbereiche werden vorteilhafterweise durch den unteren Frequenzschwellenwert und den oberen Frequenzschwellenwert und/oder den unteren Kraftschwellenwert und den oberen Kraftschwellenwert definiert. Mit wiederum anderen Worten repräsentiert die Ermittlung des Gangwechselbetriebszustands vorteilhafterweise einen Vergleich der erfassten Trittfrequenz und/oder der erfassten Trittkraft des Radfahrers mit jeweils zugeordneten Sollbereichen, wobei ein Gangwechselbetriebszustands ermittelt wird, wenn die erfasste Trittfrequenz und/oder die erfasste Trittkraft außerhalb des jeweils zugeordneten Sollbereichs liegt beziehungsweise den jeweils zugeordneten Sollbereich verlässt. Die jeweiligen Sollbereiche für die erfasste Trittfrequenz und/oder die erfasste Trittkraft lassen sich vorteilhafterweise kombiniert beispielsweise zweidimensional visualisieren, siehe dazu auch die im Folgenden aufgeführten Ausführungsbeispiele. Nach der Ermittlung des Gangwechselbetriebszustands wird bevorzugt ein Schaltbefehl für die Gangschaltung bestimmt. Mit anderen Worten wird insbesondere die Änderung eines Übersetzungsverhältnisses der Gangschaltung vorteilhafterweise trotz eines ermittelten Verlassens des jeweiligen Sollbereichs für die erfasste Trittfrequenz und/oder die erfasste Trittkraft zunächst nicht unmittelbar durchgeführt. Es werden vorteilhafterweise weitere Betriebsbedingungen des Fahrrads für die Bestimmung des Schaltbefehls zum Wechsel eines Gangs überprüft und/oder eine Schaltzeitdauer abgewartet und/oder ein Idealübersetzungsverhältnis ermittelt. Anschließend wird ein Steuersignal für die Gangschaltung in Abhängigkeit des ermittelten Gangwechselbetriebszustands und vorteilhafterweise in Abhängigkeit des bestimmten Schaltbefehls erzeugt. In einem optionalen Schritt erfolgt eine Anpassung des Übersetzungsverhältnisses der Gangschaltung in Abhängigkeit des erzeugten Steuersignals. Durch das Verfahren resultiert insbesondere der Vorteil, dass Abweichungen beziehungsweise Ausreißer der Trittfrequenz und/oder der Trittkraft aus Sollbereichen beziehungsweise Zielbereichen einer automatischen Gangschaltung nicht unmittelbar in einem Steuersignal für die Gangschaltung beziehungsweise in einer Schaltung des Übersetzungsverhältnisses resultieren, stattdessen wird die Anpassung des Übersetzungsverhältnisses insbesondere zeitlich verzögert und vorteilhafterweise vermieden, insbesondere falls ein Gangwechsel in einer Fahrsituation während der Bestimmung des Schaltbefehls als unerwünscht bewertet wird. Dadurch wird die absolute Anzahl an Schaltvorgängen der Gangschaltung bzw. Änderungen des Übersetzungsverhältnisses vorteilhafterweise reduziert, wodurch ein komfortableres Fahrgefühl resultiert, insbesondere, wenn die Gangschaltung viele diskrete Gänge beziehungsweise Übersetzungsverhältnisse aufweist. Für den Fahrer wird außerdem gegenüber alternativen bekannten Schaltverfahren in der Regel die Anzahl der Gangwechsel in einen unpassenden Gang vorteilhafterweise reduziert, so dass in der Regel ein angenehmeres Fahrverhalten des Fahrrads für den Radfahrer resultiert.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Bestimmung des Schaltbefehls in Abhängigkeit eines Ablaufs einer Schaltzeitdauer nach der Ermittlung des Gangwechselbetriebszustands. In dieser Ausgestaltung erfolgt die Bestimmung des Schaltbefehls vorteilhafterweise nur, wenn die Bedingungen zur Ermittlung des Gangwechselbetriebszustands weiterhin erfüllt sind. Somit wird bei einer kurzzeitigen und/oder minimalen Abweichung der erfassten Trittfrequenz und/oder der erfassten Trittkraft vom Sollbereich vorteilhafterweise kein Steuersignal für die Gangschaltung erzeugt. Dadurch wird vorteilhafterweise effizient und einfach die absolute Anzahl an Schaltvorgängen der Gangschaltung bzw. Änderungen des Übersetzungsverhältnisses reduziert. Es kann vorgesehen sein, dass die Schaltzeitdauer in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz und/oder der erfassten Trittkraft angepasst wird, beispielsweise sinkt die Schaltzeitdauer linear mit dem Abstand der erfassten Trittfrequenz vom unteren oder oberen Frequenzschwellenwert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Schaltbefehl in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz und/oder in Abhängigkeit der erfassten Trittkraft bestimmt beziehungsweise ermittelt. Dadurch kann vorteilhafterweise bei niedrigen oder hohen Trittfrequenzen und/oder hohen Trittkräften unmittelbar ein Schaltsignal erzeugt beziehungsweise das Übersetzungsverhältnis angepasst werden. Vorteilhafterweise wird der Schaltbefehl in Abhängigkeit einer zeitlichen Veränderung beziehungsweise mathematischen Ableitung der erfassten Trittfrequenz und/oder in Abhängigkeit einer zeitlichen Veränderung beziehungsweise mathematischen Ableitung der erfassten Trittkraft bestimmt. Zusätzlich oder alternativ wird in dieser Ausgestaltung vorteilhafterweise bei einer positiven Ableitung oberhalb eines Schwellenwerts für eine Veränderung der Trittfrequenz und/oder bei einer positiven Ableitung der erfassten Trittkraft oberhalb eines Schwellenwerts für eine Veränderung der Trittkraft ein Schaltsignal erzeugt beziehungsweise das Übersetzungsverhältnis angepasst. Allerdings wird in dieser Ausgestaltung bevorzugt kein Schaltbefehl ermittelt, falls beim Überschreiten des oberen Frequenzschwellenwerts die Veränderung der erfassten Trittfrequenz innerhalb der Schaltzeitdauer nach der Ermittlung des Gangwechselbetriebszustands negativ ist oder falls beim Unterschreiten des unteren Frequenzschwellenwerts die Veränderung der erfassten Trittfrequenz innerhalb der Schaltzeitdauer nach der Ermittlung des Gangwechselbetriebszustands positiv ist. In dieser Ausgestaltung wird die aktuelle Fahrsituation beziehungsweise Betriebssituation bei der Bestimmung des Schaltbefehl berücksichtigt, so dass ein an die Fahrsituation abgestimmtes und sehr komfortables halb- automatisches oder automatisches Schalten der Gangschaltung für den Radfahrer resultiert.
In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Geschwindigkeit des Fahrrads erfasst. Die Erfassung der Geschwindigkeit erfolgt beispielsweise mittels eines Geschwindigkeitssensors am Fahrrad, beispielsweise mittels eines Reedsensors oder eines Drehzahlsensors an einem der Laufräder des Fahrrads. Alternativ oder zusätzlich wird eine Beschleunigung des Fahrrads erfasst, beispielsweise mittels eines Beschleunigungssensors und/oder die Beschleunigung wird in Abhängigkeit der erfassten Geschwindigkeit des Fahrrads ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird eine Steigung der Fahrtstrecke des Fahrrads beziehungsweise ein Nickwinkel des Fahrrads um dessen Querachse erfasst, beispielsweise mittels einer inertialen Messeinheit. Anschließend wird ein Schaltbefehl in Abhängigkeit der erfassten Geschwindigkeit des Fahrrads, in Abhängigkeit der erfassten oder ermittelten Beschleunigung und/oder der erfassten Steigung bestimmt beziehungsweise ermittelt, wobei der Schaltbefehl insbesondere in Abhängigkeit zumindest einer zeitlichen Veränderung der erfassten Geschwindigkeit, der erfassten oder ermittelten Beschleunigung und/oder der erfassten Steigung bestimmt wird. Dadurch resultiert der Vorteil, dass beispielsweise, wenn die Trittfrequenz den oberen
Frequenzschwellenwert überschreitet, nur dann ein Steuersignal für die Gangschaltung erzeugt wird, wenn gleichzeitig die zeitliche Änderung der Steigung der Fahrtstrecke nicht positiv ist oder positiver wird, so dass beispielsweise beim Fahren an einer zunehmend steileren Steigung einer Fahrtstrecke keine unmittelbare unerwünschte Schaltung in einen höheren Gang durchgeführt wird. Es kann des Weiteren in dieser Ausgestaltung vorteilhafterweise beim hangabwärts gerichteten Ausrollen des Fahrrads an einer Steigung der Fahrstrecke mit zunehmender oder gleichbleibender Geschwindigkeit eine Anpassung des Übersetzungsverhältnisses verhindert werden. Mit anderen Worten wird in dieser Ausgestaltung, obwohl die Trittfrequenz den unteren Frequenzschwellenwert unterschreitet oder den oberen Frequenzschwellenwert überschreitet und/oder die Trittkraft den oberen Kraftschwellenwert überschreitet, vorteilhafterweise in manchen Fahrsituationen kein Steuersignal für die Gangschaltung erzeugt, da eine Schaltung in ein kleineres Übersetzungsverhältnis in diesen Fahrsituationen als unerwünscht beurteilt wird.
Vorzugsweise wird des Weiteren nach der Ermittlung des
Gangwechselbetriebszustands ein Idealübersetzungsverhältnisses in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz und/oder in Abhängigkeit der erfassten Trittkraft und/oder in Abhängigkeit der erfassten Geschwindigkeit des Fahrrads und/oder in Abhängigkeit der erfassten oder ermittelten Beschleunigung des Fahrrads und/oder in Abhängigkeit der erfassten Steigung der Fahrtstrecke ermittelt. Dabei weist die Gangschaltung zwischen dem aktuellen Übersetzungsverhältnis und dem Idealübersetzungsverhältnis mindestens ein übersprungenes Übersetzungsverhältnis der Gangschaltung auf. In dieser Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, zusätzlich eine Erfassung oder Ermittlung des aktuellen Übersetzungsverhältnisses durchzuführen. Anschließend wird das Steuersignal für die Gangschaltung zusätzlich in Abhängigkeit des ermittelten Idealübersetzungsverhältnisses erzeugt, wodurch bei der Anpassung des Übersetzungsverhältnisses der Gangschaltung mindestens ein Übersetzungsverhältnis der Gangschaltung übersprungen wird. Diese Ausführung ist besonders vorteilhaft, wenn bei einer positiven oder negativen Änderung einer Steigung der Fahrtstrecke in ein sehr unterschiedliches anderes Übersetzungsverhältnis geschaltet werden soll, wobei es unerwünscht ist mehrere Übersetzungsverhältnisse sukzessiv durchzuschalten, da jeder Gangwechsel in einer sprunghaften Änderung des Fahrerdrehmoments sowie, im Falle eines Elektrofahrrads auch in einer sprunghaften Änderung des Motordrehmoments, resultiert, Zusätzlich resultiert in der Regel auch eine kurze unerwünschte Unterbrechung des Kraftflusses zum Hinterrad des Fahrrads, beispielsweise beim Umlegen einer Kette einer Kettenschaltung in ein anderes Übersetzungsverhältnis.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass nach der Ermittlung des Gangwechselbetriebszustands dem Radfahrer eine akustische, visuelle und/oder haptische Information zur halbautomatischen oder prognostizierten automatischen Schaltung angezeigt wird. Dadurch wird der Radfahrer über das Verfahren informiert, und kann beispielsweise das zu erwartende automatische Verhalten durch eine weitere Eingabe abbrechen, wenn die Fahrsituation, beispielsweise eine bevorstehende Steigung der Fahrtstrecke oder eine bevorstehende Hangabfahrt, dies erforderlich erscheinen lässt. Durch diese Ausgestaltung des Verfahrens resultiert ein komfortables Fahrgefühl und kontrollierbares beziehungsweise leicht anpassbares, ausgewogenes Verfahren für den Radfahrer.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens erfolgt die Erzeugung des Steuersignals für die Gangschaltung erst, wenn nach dem bestimmten Schaltbefehl die erfasste Trittfrequenz des Radfahrers kleiner einem Aktivierungsfrequenzschwellenwert, und/oder, wenn nach dem bestimmten Schaltbefehl die erfasste Trittkraft des Radfahrers kleiner einem Aktivierungskraftschwellenwert ist. Mit anderen Worten erfolgt die Erzeugung des Steuersignals für die Gangschaltung zusätzlich in Abhängigkeit einer Bestätigung des Radfahrers, wobei der Radfahrer den Gangwechsel insbesondere durch eine Trittkraft- und/oder Trittfrequenzunterbrechung bestätigt. Mit anderen Worten bestätigt in dieser Ausführung der Radfahrer den Steuerbefehl durch Anpassung der Trittfrequenz und/oder der Trittkraft. Insbesondere erfolgt die Erzeugung des Steuersignals für die Gangschaltung erst, wenn die erfasste Trittfrequenz des Radfahrers Null oder nahe Null ist. Alternativ oder zusätzlich wird die Bestätigung des Radfahrers mittels eines Eingabemittels erfasst, wobei das Eingabemittel zur Bestätigung des Schaltens bevorzugt in der Nähe eines der Lenkergriffe angeordnet ist. In dieser Ausführung wird dem Radfahrer nach der Bestimmung des Schaltbefehls insbesondere eine akustische, visuelle und/oder haptische Schaltinformation zur halb-automatischen Schaltung angezeigt, bevorzugt mittels eines HMI, wobei die Schaltinformation insbesondere eine Aufforderung zur Bestätigung der Anpassung des Übersetzungsverhältnisses beziehungsweise eines Gangwechsels repräsentiert. Durch diese Ausführungen zur halbautomatischen Schaltung entsteht eine komfortable halbautomatische Erzeugung des Steuersignals für die Gangschaltung.
In einer Weiterführung ist es vorgesehen, dass vor der Anpassung des Übersetzungsverhältnisses eine Bestimmung eines erwarteten zukünftigen Fahrerdrehmoments und/oder einer erwarteten Trittfrequenz für das zukünftige Übersetzungsverhältnis erfolgt, beispielsweise das Idealübersetzungsverhältnis. Die Bestimmung des erwarteten zukünftigen Fahrerdrehmoments und/oder der erwarteten Trittfrequenz erfolgt in Abhängigkeit der erfassten aktuellen Trittkraft des Radfahrers und/oder und der erfassten aktuellen Trittfrequenz sowie in Abhängigkeit der aktuellen Motorleistung eines Antriebsmotors eines Elektrofahrrads und in Abhängigkeit des aktuellen Übersetzungsverhältnisses und eines prognostizierten beziehungsweise des zukünftigen Übersetzungsverhältnisses. Das prognostizierte Übersetzungsverhältnis kann in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz und/oder in Abhängigkeit der erfassten Trittkraft sowie eines jeweiligen Sollbereichs für die Trittfrequenz und/oder die Trittkraft beziehungsweise in Abhängigkeit der Frequenzschwellenwerte und/oder Kraftschwellenwerte ermittelt werden. Anschließend wird der Schaltbefehl in dieser Weiterführung zusätzlich in Abhängigkeit des erwarteten Fahrerdrehmoments und/oder der erwarteten Trittfrequenz bestimmt, insbesondere wird der Schaltbefehl nur bestimmt, wenn das erwartete Fahrerdrehmoment zwischen dem unteren und oberen Kraftschwellenwert und/oder die erwartete Trittfrequenz zwischen dem unteren und oberen Frequenzschwellenwert liegt. Durch diese Ausgestaltung wird vorteilhafterweise das aktuelle und zukünftige Motordrehmoment eines Antriebs eines Elektrofahrrads berücksichtigt, wodurch beispielsweise in Fahrsituationen des Elektrofahrrads, in welchen sich das Motordrehmoment des Antriebsmotors in Sättigung befindet, ein angenehmeres Schaltverhalten resultiert. In einer anderen besonders bevorzugten Ausgestaltung wird in dem Verfahren eine Bestimmung eines prognostizierten zukünftigen Motordrehmoments und/oder einer prognostizierten zukünftigen Motorleistung eines Antriebsmotors eines Elektrofahrrads zu einer möglichen Änderung des Übersetzungsverhältnisses in Abhängigkeit des erfassten Trittkraft und/oder der erfassten Trittfrequenz, in Abhängigkeit des aktuellen Motordrehmoments des Antriebsmotors und in Abhängigkeit des aktuellen Übersetzungsverhältnisses und eines prognostizierten Übersetzungsverhältnisses durchgeführt. Das prognostizierte Übersetzungsverhältnis kann in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz und/oder in Abhängigkeit der erfassten Trittkraft sowie eines jeweiligen Sollbereichs für die Trittfrequenz und/oder die Trittkraft beziehungsweise der Frequenzschwellenwerte und/oder Kraftschwellenwerte ermittelt werden. Anschließend erfolgt die Bestimmung des Schaltbefehls zusätzlich in Abhängigkeit des bestimmten zukünftigen Motordrehmoments und/oder der prognostizierten zukünftigen Motorleistung. In dieser Ausgestaltung wird insbesondere eine Bestimmung des Schaltbefehls und eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses unterdrückt beziehungsweise vermieden, falls in dem zukünftigen Übersetzungsverhältnis bei gleicher Fahrerleistung, trotz angepasster Trittfrequenz und angepasster Trittkraft, eine erheblich reduzierte prognostizierte zukünftige Motorleistung des Antriebsmotors des Elektrofahrrads ermittelt wird.
In einer alternativen Ausgestaltung wird ein Wiegetritt des Radfahrers in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz und/oder der erfassten Trittkraft des Radfahrers und/oder in Abhängigkeit einer erfassten Querbeschleunigung des Fahrrads in Querrichtung des Fahrrads und/oder einer erfassten Seitenneigung des Fahrrads erkannt. Anschließend erfolgt eine Bestimmung des Schaltbefehls zusätzlich in Abhängigkeit des erkannten Wiegetritts, wobei bei einem erkannten Wiegetritt insbesondere kein Schaltbefehl nach Ablauf der Schaltzeitdauer bestimmt wird. In dieser alternativen Ausgestaltung wird vorzugsweise ein Schalten der Gangschaltung beziehungsweise eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses bei einem ermittelten Wiegetritt des Radfahrers vermieden, da ein Schalten im Wiegetritt in der Regel nicht gewünscht ist.
In einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltung wird eine Erfassung einer Eingabe des Radfahrers zur Einstellung eines Schaltmodus durchgeführt. Mit anderen Worten stellt der Radfahrer vorteilhafterweise einen Schaltmodus beziehungsweise ein Schaltverhalten durch die Eingabe ein. Die Erfassung der Eingabe des Radfahrers erfolgt beispielsweise mittels eines Eingabemittels am Lenker des Fahrrads oder an einem HMI. Anschließend wird in dieser Ausgestaltung eine Anpassung des unteren Frequenzschwellenwerts und/oder des oberen Frequenzschwellenwerts in Abhängigkeit der erfassen Eingabe des Radfahrers durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich wird der untere Kraftschwellenwert und/oder der obere Kraftschwellenwert in Abhängigkeit der erfassen Eingabe des Radfahrers angepasst. Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise der jeweilige Sollbereich für die Trittfrequenz und/oder die Trittkraft in Abhängigkeit der erfassten Eingabe angepasst. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, die Bestimmung des Schaltbefehls zusätzlich in Abhängigkeit der erfassen Eingabe des Radfahrers durchzuführen, wobei in Abhängigkeit der erfassen Eingabe des Radfahrers die Schaltzeitdauer und/oder jeweilige Schwellenwerte für die Geschwindigkeit des Fahrrads, für die Beschleunigung des Fahrrads, für die Trittkraft des Radfahrers, für die Steigung der Fahrtstrecke und/oder für deren zeitliche Änderung angepasst werden. Alternativ oder zusätzlich wird das Idealübersetzungsverhältnis zusätzlich in Abhängigkeit der erfassen Eingabe des Radfahrers ermittelt. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung resultiert ein von dem Radfahrer gegebenenfalls in manchen Fahrsituationen gewünschtes direkteres oder indirekteres Schaltverhalten und/oder eine Einstellung des Schaltverhaltens bezüglich des Überspringens von Gängen beziehungsweise Übersetzungsverhältnissen. In einer besonders bevorzugten Ausführung dieser Ausgestaltung erfolgt im Falle eines Elektrofahrrads durch die Eingabe des Radfahrers zur Einstellung eines Assistenzverhältnisses zusätzlich die Eingabe zur Einstellung des Schaltmodus beziehungsweise des Schaltverhaltens, wobei insbesondere jedem Assistenzverhältnis ein Schaltmodus zugeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Eingabe zur Einstellung des Schaltmodus an die Eingabe zur Einstellung des Assistenzverhältnisses gekoppelt sein. Beispielsweise wird dem Assistenzverhältnis „Eco“ und/oder „Sport“ ein direktes Schaltverhalten durch einen kleine Differenz zwischen dem unteren und obere Frequenzschwellenwert und dem Assistenzverhältnis „Turbo“ ein indirektes Schaltverhalten durch eine größere Differenz zwischen dem unteren und oberen Frequenzschwellenwert zugeordnet.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. Das Computerprogramm kann vorzugsweise aus einer Cloud beziehungsweise von einer Servereinrichtung mittels einer kabellosen oder kabelgebundenen Datenverbindung geladen werden. Ein solches Computerprogramm erlaubt beispielsweise Updates- over-the-air zur Steuerung einer Gangschaltung eines Fahrrads, insbesondere eines Elektrofahrrads, beispielsweise im Falle einer Nachrüstung beziehungsweise dem Austausch einer Gangschaltung des Fahrrads.
Die Erfindung betrifft auch ein Steuergerät, wobei das Steuergerät mindestens einen ersten Signaleingang zur Bereitstellung eines ersten Signals umfasst, welches die Trittfrequenz eines Radfahrers repräsentiert. Das Steuergerät umfasst auch einen zweiten Signaleingang zur Bereitstellung eines zweiten Signals, welches die Trittkraft des Radfahrers repräsentiert. Das Steuergerät weist auch einen Signalausgang zur Ausgabe eines Steuersignals für eine elektrisch ansteuerbare Gangschaltung eines Fahrrads auf. Des Weiteren weist das Steuergerät eine Recheneinheit auf, insbesondere ein Prozessor, wobei die Recheneinheit so konfiguriert ist, dass sie die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt. Das Steuergerät ist mit anderen Worten dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Mit diesem Steuergerät resultieren somit die zu dem Verfahren beschriebenen Vorteile für den Radfahrer beziehungsweise das Fahrrad.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Antriebseinheit für ein Elektrofahrrad mit einem Antriebsmotor, wobei die Antriebseinheit mindestens einen Drehzahlsensor umfasst. Der Drehzahlsensor ist dazu eingerichtet, eine Trittfrequenz eines Radfahrers an der Tretachse eines Fahrrads zu erfassen. Des Weiteren umfasst die Antriebseinheit einen Trittkraftsensor, wobei der Trittkraftsensor dazu eingerichtet ist, eine Trittkraft eines Radfahrers an der Tretachse eines Fahrrads zu erfassen. Die Antriebseinheit umfasst auch das erfindungsgemäße Steuergerät. Optional kann die Antriebseinheit eine elektrisch ansteuerbare Gangschaltung umfassen. Alternativ ist die Antriebseinheit mittels des Steuergeräts dazu eingerichtet ist, eine elektrisch ansteuerbare Gangschaltung des Fahrrads mittels eines erzeugten Steuersignals an dem Signalausgang anzusteuern.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrrad, insbesondere ein Elektrofahrrad. Das erfindungsgemäße Fahrrad umfasst eine elektrisch ansteuerbare Gangschaltung sowie ein erfindungsgemäßes Steuergerät oder eine erfindungsgemäße Antriebseinheit.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Figuren.
Figur 1: Fahrrad mit einer elektrisch ansteuerbaren Gangschaltung Figur 2: Steuergerät eines Fahrrads zur Steuerung einer Gangschaltung
Figur 3a: Verfahrensablauf als Blockdiagramm
Figur 3b: alternativer Verfahrensablauf als Blockdiagramm
Figur 4: Diagramm eines Sollbereichs für die Trittkraft und die Trittfrequenz
Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein Fahrrad 100 mit einer elektrisch ansteuerbaren Gangschaltung 110 schematisch dargestellt. Das Fahrrad 100 weist Pedale 102 an einer Tretachse 101 zur Aufnahme von Trittkräften F des Radfahrers auf. Das Fahrrad 100 weist eine Längsachse 190 auf und bewegt sich im Betrieb typischerweise mit Fahrtrichtung in Richtung der Längsachse, wobei es durch eine Trittkraft F des Radfahrers mit einer Trittfrequenz K auf die Pedale beziehungsweise ein Fahrerdrehmoment an der Tretachse 101 angetrieben wird. Bei einem Übersetzungsverhältnis von i = 2 zwischen der Tretachse 101 und der Hinterradnabe 104 des Hinterrads 104 beziehungsweise dem Hinterrad 103, dreht sich beispielsweise das Hinterrad 103 eines Fahrrades 100 im Betrieb im Vergleich zur Trittfrequenz K des Radfahrers an der Tretachse 101 mit der doppelten Drehzahl. Das Fahrrad 100 umfasst außerdem optional eine Anzeigevorrichtung 130 beziehungsweise ein HMI und/oder ein Eingabemittel 140, wobei die Anzeigevorrichtung 130 und das Eingabemittel 140 bevorzugt am Lenker 105 des Fahrrads 100 angeordnet sind. Die elektrisch ansteuerbare Gangschaltung 110 des Fahrrads 100 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Kettenschaltung, umfassend einen elektrisch ansteuerbaren Kettenumwerfer 111 und Kettenblätter 112 an der Tretachse 101 und eine elektrisch ansteuerbare Kettenführungsrolle 113 und ein Zahnkranzpaket 114 beziehungsweise Ritzelpaket an der Hinterradnabe 104 des Hinterrads 103, wobei die Kettenblätter und das Zahnkranzpaket 114 mittels einer Kette 115 miteinander verbunden sind. Alternativ können andere Arten von elektrisch ansteuerbaren Gangschaltungen am Fahrrad 100 angeordnet sein, beispielsweise eine elektrisch ansteuerbare Nabenschaltung an der Hinterradnabe 104 des Hinterrads 103, beispielsweise umfassend ein mehrstufiges Planetengetriebe. Ketten- und Nabenschaltungen von Fahrrädern weisen meist diskrete Übersetzungsverhältnisse i auf, wobei die Stufung der Gänge beziehungsweise Übersetzungsverhältnisse i abhängig von der Bauart der Gangschaltung und dem Hersteller ist. Beispielsweise liegt das Übersetzungsverhältnis einer Kettenschaltung beziehungsweise Gangschaltung 110 mit einer 53/39- Kettenblatt- Kombination an der Tretachse 101 beziehungsweise Kurbelwelle und mit einem Ritzelpaket mit 11 bis 21 Zähnen an der Hinterradnabe 104 in diskreten Stufen zwischen 1,86 bis 4,82. Nabenschaltungen mit 3- bzw. 8-Gängen weisen in der Regel einen ähnliche Übersetzungsbereich wie die beschriebene Kettenschaltung auf. Der schaltbare Bereich des Übersetzungsverhältnisses einer alternativen stufenlosen Gangschaltung 110, welche beispielsweise an der Hinterradnabe 104 des Fahrrads 100 angeordnet ist, ist typischerweise zu Ketten- und Nabenschaltungen mit Planetengetriebe vergleichbar. Ein Übersetzungsverhältnis einer Gangschaltung 110 eines Fahrrads 100 liegt somit in der Regel zwischen ca. 1,5 und 5. Vorteilhafterweise werden sowohl das Fahrerdrehmoment FM als auch das Motordrehmoment M vor der Gangschaltung 110 kombiniert und mittels der Gangschaltung 110 durch ein Übersetzungsverhältnis i übersetzt an die Hinterradnabe 104 des Hinterrads 103 des Fahrrads 100 übertragen. Die Gangschaltung 110 kann in allen Bauformen beziehungsweise Arten elektrisch ansteuerbar ausgeführt sein.
Die Geschwindigkeit v eines Fahrrades 100 lässt sich allgemein als Produkt aus dem eingelegten Übersetzungsverhältnis i der Gangschaltung 110, der Trittfrequenz K und dem äußeren Radumfang U des Antriebsrades beziehungsweise Hinterrads 103 ermitteln, siehe auch Gleichung (1). Dies gilt solange das Fahrrad 100 vom Radfahrer aktiv ohne motorische Unterstützung angetrieben wird, das heißt auch, dass kein Leerlauf oder ein Bremsen vorliegt. Beispielsweise wird durch das Treten eines Radfahrers bei einem Übersetzungsverhältnis von i = 2 mit einer Trittfrequenz von K = 80 rpm und einem äußeren Radumfang U = ca. 2,1 m (28“ Zoll Reifen) eine Geschwindigkeit v = ca. 20 km/h erreicht. v = K-i - U (1)
Um beispielsweise bei einer Steigung auf einer Fahrstrecke das Fahrerdrehmoment FM zu reduzieren, schaltet der Radfahrer in ein niedrigeres Übersetzungsverhältnis i einer Gangschaltung 110, wobei sich gleichzeitig die Trittfrequenz K erhöht. Da beim Schalten typischerweise nicht gebremst wird, bleibt die Geschwindigkeit v des Fahrrads zum Zeitpunktpunkt beziehungsweise vor und während des Schaltens des Übersetzungsverhältnisses näherungsweise gleich (vi=V2). Die Trittfrequenz K ändert sich in Abhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses i näherungsweise nach Gleichung (2) durch die Schaltung folglich diskret beziehungsweise sprunghaft.
Figure imgf000016_0001
Die Tretleistung Peines Radfahrers lässt sich als Produkt der Trittfrequenz K und des Tretdrehmomentes beziehungsweise Fahrerdrehmoments FM des Radfahrers beschreiben, siehe Gleichung (3).
P = FM * K (3)
Die Fahrerleistung P beziehungsweise die Tretleistung des Radfahrers kann zum Zeitpunkt der Anpassung beziehungsweise des Schaltens eines Übersetzungsverhältnisses von il zu i2 als näherungsweise gleichbleibend angenommen werden. Bei gleichbleibender Fahrerleistung P zum Zeitpunkt des Schaltens folgt eine Abhängigkeit des Fahrerdrehmoments FM2 von den Übersetzungsverhältnissen il und i2 sowie dem Fahrerdrehmoments FM1 gemäß Gleichung (4). Auch das Fahrerdrehmoment FM ändert sich somit in Abhängigkeit der Übersetzungsverhältnisse il und i2 nach Gleichung (4) durch die Schaltung des Übersetzungsverhältnisses der Gangschaltung 110 diskret beziehungsweise sprunghaft.
FM2 = FM 1 -ll (4)
Diese beschriebenen sprunghaften Änderungen der Trittfrequenz und des Fahrerdrehmoments sind gewünscht, da die Schaltung der Gangschaltung 110 in einer laufenden Anpassung der Trittfrequenz und des Fahrerdrehmoments an jeweilige Sollwerte erfolgt. Mit anderen Worten ist der Betrieb eines Fahrrads 100 im Bereich einer Solltrittfrequenz und eines Sollfahrerdrehmoments angenehm und komfortabel für den Radfahrer. Mit wieder anderen Worten ist der Betrieb eines Fahrrads 100 außerhalb eines jeweiligen Sollbereichs für die Trittfrequenz und/oder für das Fahrerdrehmoment beziehungsweise die Trittkraft unangenehm für den Radfahrer, so dass der Radfahrer bei einer aktuellen Trittfrequenz und/oder einem aktuellen Fahrerdrehmoment außerhalb des jeweiligen Sollbereichs dazu neigt, das Übersetzungsverhältnis der Gangschaltung 110 zu ändern beziehungsweise anzupassen. Bevorzugt ist das Fahrrad 100 des Weiteren ein Elektrofahrrad, umfassend eine Antriebseinheit 120 mit einem elektrischen Antriebsmotor 121 zum Antrieb des Fahrrads 100. Der elektrische Antriebsmotor 121 ist vorteilhafterweise dazu eingerichtet, ein Motordrehmoment M in Abhängigkeit einer erfassten Trittkraft F beziehungsweise eines erfassten Fahrerdrehmoments FM zu erzeugen, wobei das Motordrehmoment M zusätzlich zu dem aufgebrachten Fahrerdrehmoment FM an der Tretachse 101 dazu eingerichtet ist, das Elektrofahrrad in Fahrtrichtung anzutreiben. Das mittels des Antriebsmotors 121 erzeugte Motordrehmoment M wird typischerweise in Abhängigkeit der erfassten Trittkraft F beziehungsweise des erfassten Fahrerdrehmoments FM an der Tretachse 101 sowie in Abhängigkeit eines durch den Fahrer in der Regel einstellbaren beziehungsweise wählbaren Assistenzverhältnisses a gemäß Gleichung (5) erzeugt. Das Assistenzverhältnisses a kann beispielsweise zwischen 100 % und 400 % eingestellt werden.
M = a * FM (5)
Es kann Vorkommen, dass die Steuerung des Antriebsmotors 121 zur Erzeugung des Motordrehmoments M von Gleichung (5) abweicht, insbesondere kann ein nicht linearer Zusammenhang zwischen dem Motordrehmoment M und dem erfassten Fahrerdrehmoment FM vorliegen, wenn Schaltvorgänge der Gangschaltung 110 durchgeführt werden, um Sprünge im Motordrehmoment zumindest zu reduzieren, so dass bei einer sprunghaften Änderung des Fahrerdrehmoments FM durch eine Anpassung des Übersetzungsverhältnisses keine schlagartige Änderung des Motordrehmoments M resultiert.
Die Steuerung des Antriebsmotors 121 wird in der Regel außerdem durch eine Abriegelung vor dem Erreichen einer Maximalgeschwindigkeit vmax für die motorische Unterstützung mittels des Antriebsmotors 121 angepasst, beispielsweise ist die Maximalgeschwindigkeit vmax = 25 km/h für eine motorische Kraftunterstützung gesetzlich vorgegeben. Im Bereich der Abriegelung beziehungsweise der Maximalgeschwindigkeit vmax wird das erzeugte Motordrehmoment M vorzugsweise zusätzlich in Abhängigkeit einer erfassten Geschwindigkeit v des Fahrrads 100 und der Maximalgeschwindigkeit vmax erzeugt beziehungsweise reduziert.
Des Weiteren kann es während einer Bergauffahrt an einer Steigung der Fahrtstrecke des Fahrrads im Fährbetrieb Vorkommen, dass ab einem erfassten Fahrerdrehmoment FM das Motordrehmoment M in eine Sättigung geht beziehungsweise durch ein maximales Motordrehmoment Mmax begrenzt ist, da der Antriebsmotor 121 kein Motordrehmoment M größer dem maximalen Motordrehmoment Mmax aufbringen kann oder soll, d.h. es erfolgt eine Steuerung beziehungsweise Abriegelung des Motordrehmoment M des Antriebsmotors 121 in Abhängigkeit des maximalen Motordrehmoments Mmax.
In den beschriebenen Fahrsituationen, das heißt, beim Schalten einer Gangschaltung im Allgemeinen, bei Geschwindigkeiten v des Elektrofahrrads nahe an, gleich oder größer der Maximalgeschwindigkeit vmax und/oder bei einem Motordrehmoment M gleich dem maximalen Motordrehmoment Mmax resultieren nicht-intuitive Effekte für das passendenste beziehungsweise angenehmste Übersetzungsverhältnis einer Gangschaltung für den Radfahrer. Das benötigte Fahrerdrehmoment bei Elektrofahrrädern kann beispielsweise zum gewünschten Beibehalten oder zur gewünschten Erhöhung einer Geschwindigkeit v des Elektrofahrrads überraschend groß werden, wenn das benötigte Fahrerdrehmoment nach dem Schalten in das größere Übersetzungsverhältnis aufgrund eines erzeugten maximalen Motordrehmoment Mmax vor dem Schalten und/oder aufgrund der Abriegelung des erzeugten Motordrehmoment überproportional steigt.
Die Trittfrequenz K des Radfahrers wird vorteilhafterweise mittels eines Drehzahlsensors 210 an der Tretachse 101 erfasst. Alternativ oder zusätzlich kann die Trittfrequenz K bei Elektrofahrrädern mittels einer Sensorik zur Rotorlage beziehungsweise mittels wenigstens eines Rotorpositionssensors beziehungsweise eines Motor- Drehzahlsensors erfasst werden, falls ein konstantes Übersetzungsverhältnis zwischen der Tretachse und dem Antriebsmotor vorliegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Trittfrequenz K mittels eines Drehmomentsensors 220 an der Tretachse erfasst werden, wobei die Trittfrequenz K in Abhängigkeit des erfassten Fahrerdrehmoments FM ermittelt wird.
Die Trittkraft F des Radfahrers auf die Pedale beziehungsweise das Fahrerdrehmoment des Radfahrers an der Tretachse kann beispielsweise mittels wenigstens eines Kraftsensors an einem der Pedale oder mittels eines Drehmomentsensors 220 an der Tretachse 101 des Fahrrads erfasst werden.
Die Geschwindigkeit v des Fahrrads 100 wird vorteilhafterweise mittels eines Geschwindigkeitssensors 230, beispielsweise mittels eines Reedsensors am Hinterrad 103 des Fahrrads 100 erfasst. In Figur 2 ist ein Steuergerät 200 eines Fahrrads 100 zur Steuerung einer Gangschaltung 110 schematisch dargestellt. Das Steuergerät 200 weist eine Recheneinheit 201. Die Recheneinheit 201, insbesondere ein Prozessor, ist so konfiguriert, dass sie die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt. Das Steuergerät 200 weist des Weiteren einen optionalen ersten Signaleingang 202, einen zweiten Signaleingang 203, einen optionalen dritten Signaleingang 204, einen optionalen vierten Signaleingang 205 und einen optionalen fünften Signaleingang 206 auf. Das Steuergerät 200 umfasst des Weiteren einen Signalausgang 250 zur Ausgabe eines Steuersignals für die elektrisch ansteuerbare Gangschaltung 110 eines Fahrrads 100. Der zweite Signaleingang 203 ist dazu eingerichtet, ein zweites Signal, beispielsweise des Drehmomentsensors 220 an der Tretachse, zu erfassen, welches die Trittkraft eines Radfahrers repräsentiert. Der optionale erste Signaleingang 202 ist dazu eingerichtet, ein erstes Signal, beispielsweise des Drehzahlsensors 210 an der Tretachse, zu erfassen, welches die Trittfrequenz eines Radfahrers repräsentiert. Es kann vorgesehen sein, dass die Trittfrequenz des Radfahrers in Abhängigkeit des erfassten zweiten Signals beziehungsweise der erfassten Trittkraft beziehungsweise des erfassten Fahrerdrehmoments ermittelt wird. Der optionale dritte Signaleingang 204 ist dazu eingerichtet, ein drittes Signal des Geschwindigkeitssensors 230 zu erfassen, welches die Geschwindigkeit v des Fahrrads 100 repräsentiert. Der optionale vierte Signaleingang 205 ist dazu eingerichtet, ein viertes Signal des Eingabemittels 140 zu erfassen, welches eine Eingabe des Radfahrers zum Schaltmodus beziehungsweise des Schaltverhaltens repräsentiert. Der optionale fünfte Signaleingang 206 ist dazu eingerichtet, ein fünftes Signal eines Beschleunigungssensors 240 oder einer inertialen Messeinheit 241 zu erfassen, wobei das fünfte Signal eine Beschleunigung des Fahrrads in Längsrichtung, eine Beschleunigung des Fahrrads in Querrichtung, einen Nickwinkel des Fahrrads und/oder eine seitliche Neigung des Fahrrads beziehungsweise eine Drehung des Fahrrads 100 um die Längsachse 190 des Fahrrads 100 repräsentiert. Der Signalausgang 250 ist dazu eingerichtet ein Steuersignal zu erzeugen, welches dazu eingerichtet ist, die elektrisch ansteuerbare Gangschaltung 110 zur Änderung eines Übersetzungsverhältnisses anzusteuern. Es kann optional vorgesehen sein, dass das Steuergerät 200 mittels eines Motorsteuersignalausgangs 251 dazu eingerichtet ist, ein Motorsteuersignal für den Antriebsmotor 121 eines Elektrofahrrads als Fahrrad 100 zu erzeugen. Es kann optional weiterhin vorgesehen sein, dass das Steuergerät 200 mittels eines Anzeigemittelsignalausgangs 252 dazu eingerichtet ist, ein Anzeigesignal für die Anzeigevorrichtung 130 des Fahrrads 100 zu erzeugen. Bevorzugt umfasst das Steuergerät einen Speicher 290, in welchem vorteilhafterweise beispielsweise Parameter wie die Maximalgeschwindigkeit vmax oder das maximale Motordrehmoment Mmax sowie eine Vielzahl an weiteren Betriebsparametern und Schwellenwerten gespeichert sind.
In Figur 3a ist ein Verfahrensablauf als Blockdiagramm schematisch dargestellt. Das Verfahren umfasst eine Erfassung 310 der Trittfrequenz K des Radfahrers an der Tretachse. Das Verfahren umfasst auch eine Erfassung 320 einer Trittkraft F des Radfahrers, wobei die Trittkraft F insbesondere als Fahrerdrehmoment FM mittels des Drehmomentsensors 220 erfasst wird. Es kann vorgesehen sein, dass optional eine Erfassung 330 einer aktuellen Geschwindigkeit v des Fahrrads erfolgt. Alternativ oder zusätzlich kann optional im Schritt 331 eine Beschleunigung des Fahrrads in Längsrichtung 190 erfasst werden. Die Erfassung 331 der Beschleunigung erfolgt optional als Ermittlung der Beschleunigung des Fahrrads in Längsrichtung 190 in Abhängigkeit der erfassten Geschwindigkeit v. Des Weiteren kann im optionalen Schritt 332 eine Steigung der Fahrtstrecke des Fahrrads 100 beziehungsweise ein Nickwinkel des Fahrrads 100 um die Querachse des Fahrrads 100 mittels einer inertialen Messeinheit 241 am Fahrrad 100 erfasst beziehungsweise bestimmt werden.
Außerdem kann im optionalen Schritt 340 eine Erfassung einer Eingabe des Radfahrers zur Einstellung eines Schaltmodus erfolgen. Es kann vorgesehen sein, dass in einem optionalen Schritt 341 ein unterer Frequenzschwellenwert und/oder ein oberen Frequenzschwellenwert in Abhängigkeit der im Schritt 340 erfassen Eingabe des Radfahrers angepasst wird. Es kann außerdem vorgesehen sein, dass in einem optionalen Schritt 342 ein unterer Kraftschwellenwert und/oder ein oberer Kraftschwellenwert in Abhängigkeit der im Schritt 340 erfassen Eingabe des Radfahrers angepasst wird. Anschließend wird im Schritt 350 ein Gangwechselbetriebszustand in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz K und in Abhängigkeit der erfassten Trittkraft F ermittelt. Die Ermittlung 350 des Gangwechselbetriebszustands erfolgt, sobald die erfasste Trittfrequenz K kleiner oder gleich dem unteren Frequenzschwellenwert oder die erfasste Trittfrequenz K größer oder gleich dem oberen Frequenzschwellenwert ist. Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Ermittlung 350 des Gangwechselbetriebszustands, sobald die erfasste Trittkraft F kleiner oder gleich dem unteren Kraftschwellenwert oder die erfasste Trittkraft F größer oder gleich dem oberen Kraftschwellenwert ist. Nach der Ermittlung 350 des Gangwechselbetriebszustands wird dem Radfahrer im optionalen Schritt 360 eine akustische, visuelle und/oder haptische Information zur halbautomatischen oder prognostizierten automatischen Schaltung angezeigt. In einem optionalen Schritt 365 wird ein Wiegetritt des Radfahrers in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz und/oder der erfassten Trittkraft des Radfahrers und/oder einer erfassten Querbeschleunigung des Fahrrads 100 in Querrichtung des Fahrrads 100 und/oder einer erfassten Seitenneigung des Fahrrads erkannt beziehungsweise ermittelt. Ein Wiegetritt wird beispielsweise erkannt, wenn die erfasste Trittfrequenz beziehungsweise die erfasste Drehzahl an der Tretachse und/oder die erfasste Trittkraft diskrete Peaks und/oder die erfasste Querbeschleunigung größer einem Querbeschleunigungsschwellenwert ist und/oder die erfasste Seitenneigung innerhalb einer vorgegebenen Wiegetrittdauer wiederholt einen Wiegetritt-Neigungswinkel zu unterschiedlichen Seiten des Fahrrads überschreitet. Im optionalen Schritt 370 erfolgt eine Bestimmung eines Schaltbefehls für die Gangschaltung. Die optionalen Bestimmung 370 des Schaltbefehls wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit eines Ablaufs einer Schaltzeitdauer nach der Ermittlung des Gangwechselbetriebszustands durchgeführt, das heißt im Wesentlichen insbesondere zeitlich verzögert, wobei die optionale Bestimmung 370 des Schaltbefehls vorzugsweise nicht erfolgt, wenn die erfasste Trittfrequenz und/oder der erfasste Trittkraft des Radfahrers während der Schaltzeitdauer wieder innerhalb der jeweiligen Sollbereiche liegen. Es kann vorgesehen sein, dass Schaltzeitdauer in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz und/oder der erfassten Trittkraft angepasst wird, beispielsweise sinkt die Schaltzeitdauer linear mit zunehmendem Abstand der erfassten Trittkraft von dem unteren oder oberen Kraftschwellenwert. Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise im optionalen Schritt 370 der Schaltbefehl nicht bestimmt, wenn während der Schaltzeitdauer die erfasste Trittfrequenz K wieder zwischen dem unteren und oberen Frequenzschwellenwert und/oder die erfasste Trittkraft F zwischen dem unteren und oberen Kraftschwellenwert liegt. Im optionalen Schritt 370 kann es des Weiteren vorgesehen sein, dass der Schaltbefehl in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz und/oder in Abhängigkeit der erfassten Trittkraft bestimmt wird. Vorteilhafterweise erfolgt die optionale Bestimmung 370 des Schaltbefehls dabei in Abhängigkeit einer zeitlichen Veränderung der erfassten Trittfrequenz und/oder in Abhängigkeit einer zeitlichen Veränderung der erfassten Trittkraft. Darüber hinaus kann es im optionalen Schritt 370 vorgesehen sein, dass der Schaltbefehls in Abhängigkeit der erfassten Geschwindigkeit des Fahrrads, der erfassten oder ermittelten Beschleunigung und/oder der erfassten Steigung der Fahrtstrecke beziehungsweise des Nickwinkels des Fahrrads 100 bestimmt beziehungsweise ermittelt wird, wobei der Schaltbefehl insbesondere in Abhängigkeit zumindest einer zeitlichen Veränderung der erfassten Geschwindigkeit, der erfassten oder ermittelten Beschleunigung und/oder der erfassten Steigung beziehungsweise des Nickwinkels des Fahrrads 100 bestimmt wird. Es kann im optionalen Schritt 370 beispielsweise vorgesehen sein, dass der Schaltbefehl nur bestimmt wird, wenn die Geschwindigkeit des Fahrrads einen Geschwindigkeitsschwellenwert zu dem jeweils aktuell eingelegten Übersetzungsverhältnis überschreitet. Es kann im optionalen Schritt 370 beispielsweise auch vorgesehen sein, dass der Schaltbefehl nur bestimmt wird, wenn die Beschleunigung des Fahrrads in Längsrichtung eine vorgegebene Beschleunigungstoleranz überschreitet, wobei die Beschleunigungstoleranz in Abhängigkeit des aktuell eingelegten Übersetzungsverhältnisses ausgewählt ist beziehungsweise an das aktuell eingelegte Übersetzungsverhältnis gekoppelt sein kann. Mit anderen Worten wird ein Schaltbefehl in dieser optionalen Ausführung im Schritt 370 nur ermittelt, wenn der Betrag der Beschleunigung des Fahrrads 100 die Beschleunigungstoleranz übersteigt. Mit anderen Worten wird optional der Schaltbefehl im Schritt 370 nur bestimmt, wenn das Fahrrad 100 deutlich für den Fahrer wahrnehmbar beschleunigt oder verlangsamt wird. Es kann im Schritt 370 des Weiteren vorgesehen sein, dass der Schaltbefehl unmittelbar bestimmt wird, wenn die Steigung der Fahrtstrecke beziehungsweise der Nickwinkel des Fahrrads einen Steigungsschwellenwert überschreitet, andernfalls wird der Schaltbefehl beispielsweise in Abhängigkeit beziehungsweise nach Ablauf der Schaltzeitdauer bestimmt. In einer optionalen Weiterführung ist es vorgesehen, dass der Schaltbefehl im optionalen Schritt 370 zusätzlich in Abhängigkeit der erfassen Eingabe des Radfahrers bestimmt wird, wobei vorzugsweise die Schaltzeitdauer in Abhängigkeit der erfassen Eingabe des Radfahrers zum Schaltverhalten beziehungsweise dem Schaltmodus angepasst wird. Beispielsweise wird die Schaltzeitdauer verkürzt, wenn der Radfahrer durch seine erfasste Eingabe ein direktes Schaltverhalten wünscht, oder verlängert, wenn der Radfahrer durch seine erfasste Eingabe ein indirektes Schaltverhalten wünscht. Alternativ oder zusätzlich können im optionalen Schritt 370 der wenigstens eine Geschwindigkeitsschwellenwert oder die Beschleunigungstoleranz des Fahrrads oder der Steigungsschwellenwert der Fahrtstrecke und/oder Schwellenwerte für deren zeitliche Änderung in Abhängigkeit der erfassten Eingabe des Radfahrers angepasst werden.
In einer vorteilhaften optionalen weiteren Ausgestaltung wird im Schritt 370 der Schaltbefehl zusätzlich in Abhängigkeit eines erwarteten Fahrerdrehmoments und/oder einer erwarteten Trittfrequenz sowie in Abhängigkeit des aktuellen Motordrehmoments bestimmt. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Bestimmung 370 des Schaltbefehls in Abhängigkeit eines prognostizierten zukünftigen Motordrehmoments oder in Abhängigkeit einer prognostizierten zukünftigen Motorleistung erfolgt. Beispielsweise wird die Anpassung des Übersetzungsverhältnisses nicht durchgeführt wenn das prognostizierte zukünftige Motordrehmoment und/oder die prognostizierte zukünftige Motorleistung stärker als ein jeweiliger Akzeptanzwert reduziert werden. Die optionale Bestimmung 367 des erwarteten zukünftigen Fahrerdrehmoments und/oder einer erwarteten Trittfrequenz für das zukünftige Übersetzungsverhältnis, insbesondere für das Idealübersetzungsverhältnis, erfolgt in Abhängigkeit der erfassten aktuellen Trittkraft des Radfahrers und/oder und der erfassten aktuellen Trittfrequenz sowie in Abhängigkeit der aktuellen Motorleistung und in Abhängigkeit des aktuellen Übersetzungsverhältnisses und des zukünftigen Übersetzungsverhältnisses. Das aktuelle Motordrehmoment M bzw. Ml wird durch eine Motorsteuerung, beispielsweise gemäß Gleichung (5), erzeugt und ist somit bekannt. Basierend auf der erfassten Trittkraft F beziehungsweise auf dem erfassten Fahrerdrehmoments FM1 sowie des zukünftigen Übersetzungsverhältnisses i2 und des aktuellen Übersetzungsverhältnisses il der elektrisch ansteuerbaren Gangschaltung 110, kann beispielsweise nach der Ermittlung des Gangwechselbetriebszustands im Schritt 350 für ein Hochschalten um einen Gang eine Abschätzung für das resultierende Fahrerdrehmoment FM2 unter Berücksichtigung des aktuellen Motordrehmoments Ml erfolgen beziehungsweise ein erwartetes Fahrerdrehmoment FM 2 ermittelt werden, siehe Gleichung (6). Beispielsweise ist das aktuelle Gesamtdrehmoment die Summe des erfassten aktuellen Fahrerdrehmoments FM, FM1 und des aktuellen Motordrehmoments M bzw. Ml. Bei Kenntnis des aktuellen Übersetzungsverhältnisses il und des zukünftigen Übersetzungsverhältnisses i2 ist der Faktor i2/il bekannt. Übersteigt somit gemäß Gleichung (6) das ermittelte erwartete Fahrerdrehmoment FM2 beispielsweise einen vorgegebenen Drehmomentschwellenwert, so wird vorteilhafterweise trotz Ermittlung des Gangwechselbetriebszustands im Schritt 350, insbesondere trotz Ablauf einer Schaltzeitdauer, im Schritt 370 kein Schaltbefehl bestimmt, da das erwartete Fahrerdrehmoment FM2 für den Radfahrer als nicht akzeptabel beurteilt wird. Bei einer Hochschaltung kann, wenn das aktuelle Motordrehmoment dem Maximalmotordrehmoment entspricht, angenommen werden, dass das aktuelle Motordrehmoment M bzw. Ml nach der Schaltung konstant bleibt. Insbesondere in diesem Sättigungsfall kann das erwartete Fahrerdrehmoment FM2 nach einem Hochschalten beziehungsweise einer Anpassung des Übersetzungsverhältnisses für den Fahrer unangenehm groß werden. Wird alternativ gemäß der Gleichungen (5) und (6) das ermittelte erwartete Fahrerdrehmoment FM2 durch ein mögliches Runterschalten und somit auch das prognostizierte zukünftige Motordrehmoment M2 und/oder die prognostizierte zukünftige Motorleistung PM unterhalb eines jeweiligen Akzeptanzwertes abgesenkt, so wird vorteilhafterweise trotz Ermittlung des Gangwechselbetriebszustands im Schritt 350, insbesondere trotz Ablauf einer Schaltzeitdauer, im Schritt 370 kein Schaltbefehl bestimmt, da das prognostizierte zukünftige Motordrehmoment M2 und/oder die prognostizierte zukünftige Motorleistung PM für den Radfahrer als nicht akzeptabel beurteilt wird. Dieser Fall kann insbesondere beim Runterschalten auf einer ebenen Fahrtstrecke bei hohen Geschwindigkeiten auftreten.
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Vorzugsweise wird der Schaltbefehl im optionalen Schritt 370 nur bestimmt, wenn das erwartete Fahrerdrehmoment FM2 zwischen dem unteren und oberen Kraftschwellenwert und/oder die erwartete Trittfrequenz K zwischen dem unteren und oberen Frequenzschwellenwert liegt.
Darüber hinaus erfolgt die optionale Bestimmung 370 des Schaltbefehls zusätzlich in Abhängigkeit des erkannten Wiegetritts, wobei bei einem erkannten Wiegetritt insbesondere kein Schaltbefehl nach Ablauf der Schaltzeitdauer bestimmt wird, da eine Anpassung eines Übersetzungsverhältnisses beim Wiegetritt in der Regel von einem Radfahrer als unangenehm empfunden wird.
Im Falle einer optionalen halb-automatischen Schaltung erfolgt in einer bevorzugten Weiterbildung nach der Bestimmung 370 des Schaltbefehls im optionalen Schritt 375 eine akustische, visuelle und/oder haptische Schaltinformation zu der halb-automatischen Schaltung. Mit anderen Worten wird der Radfahrer im optionalen Schritt 375 aufgefordert, vorteilhafterweise durch Veränderung der Trittfrequenz oder einer Eingabe, beispielsweise mittels des Eingabemittels 140, die halbautomatische Schaltung auszulösen.
Des Weiteren kann es vorgesehen sein, im optionalen Schritt 380 eine Ermittlung eines Idealübersetzungsverhältnisses in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz, der erfassten Trittkraft, der erfassten Geschwindigkeit des Fahrrads, der erfassten oder ermittelten Beschleunigung des Fahrrads und/oder der erfassten Steigung der Fahrtstrecke durchzuführen, wobei die Gangschaltung zwischen dem aktuellen Übersetzungsverhältnis und dem Idealübersetzungsverhältnis mindestens ein übersprungenes Übersetzungsverhältnis der Gangschaltung aufweist. Zur Ermittlung des Idealübersetzungsverhältnisses kann beispielsweise Gleichung (6) verwendet werden, wobei das Idealübersetzungsverhältnis das Übersetzungsverhältnis ist, an dem beispielsweise das ermittelte erwartete Fahrerdrehmoment FM2 am nächsten an einem vorgegebenen Drehmomentzielwert liegt. Es kann vorgesehen sein, dass die optionale Ermittlung 380 des Idealübersetzungsverhältnisses zusätzlich in Abhängigkeit der erfassen Eingabe des Radfahrers erfolgt, wobei beispielsweise der Drehmomentzielwert in Abhängigkeit der erfassten Eingabe angepasst wird.
In einem anschließenden Schritt 390 wird ein Steuersignals für die Gangschaltung in Abhängigkeit des ermittelten Gangwechselbetriebszustands und optional in Abhängigkeit des bestimmten Schaltbefehls erzeugt. Die Erzeugung 390 des Steuersignals für die Gangschaltung erfolgt zusätzlich in Abhängigkeit des ermittelten Idealübersetzungsverhältnisses. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Erzeugung 390 des Steuersignals für die Gangschaltung erst erfolgt, wenn nach dem bestimmten Schaltbefehl im Schritt 370 die erfasste Trittfrequenz des Radfahrers kleiner einem Aktivierungsfrequenzschwellenwert ist, insbesondere Null ist, und/oder die erfasste Trittkraft des Radfahrers kleiner einem Aktivierungskraftschwellenwert ist, insbesondere Null ist, und/oder eine Schalteingabe des Radfahrers mittels eines Eingabemittels erfasst wird, wodurch jeweils eine komfortable optionale halb-automatische Schaltung resultiert. Im optionalen Schritt 395 wird die Anpassung 395 des Übersetzungsverhältnisses der Gangschaltung in Abhängigkeit des erzeugten Steuersignals durchgeführt. Mit anderen Worten kann das Verfahren mit dem Schritt 390, das heißt der Erzeugung 390 des Steuersignals für die Gangschaltung enden, wenn beispielsweise lediglich eine Antriebseinheit beziehungsweise Steuergerät eines Fahrrads betrachtet wird.
In Figur 3b ist ein alternativer verkürzter Verfahrensablauf als Blockdiagramm schematisch dargestellt. Das alternative Verfahren aus Figur 3b umfasst eine Erfassung 310 der Trittfrequenz K des Radfahrers an der Tretachse. Das Verfahren umfasst auch eine Erfassung 320 einer Trittkraft F des Radfahrers. Im optionalen Schritt 340 erfolgt eine Erfassung einer Eingabe des Radfahrers zur Einstellung eines Schaltmodus. Anschließend wird im optionalen Schritt 341 ein unterer Frequenzschwellenwert und/oder ein oberen Frequenzschwellenwert in Abhängigkeit der erfassten Eingabe des Radfahrers angepasst. Im optionalen Schritt 342 wird ein unterer Kraftschwellenwert und/oder ein oberer Kraftschwellenwert in Abhängigkeit der erfassten Eingabe des Radfahrers angepasst. Anschließend wird im Schritt 350 ein Gangwechselbetriebszustand in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz K und in Abhängigkeit der erfassten Trittkraft F ermittelt, wenn die erfasste Trittfrequenz K kleiner oder gleich dem unteren Frequenzschwellenwert oder die erfasste Trittfrequenz K größer oder gleich dem oberen Frequenzschwellenwert ist. Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Ermittlung 350 des Gangwechselbetriebszustands, sobald die erfasste Trittkraft F kleiner oder gleich dem unteren Kraftschwellenwert oder die erfasste Trittkraft F größer oder gleich dem oberen Kraftschwellenwert ist. Nach der Ermittlung 350 des Gangwechselbetriebszustands wird im Verfahren aus Figur 3b unmittelbar ein Steuersignal für die Gangschaltung in Abhängigkeit des ermittelten Gangwechselbetriebszustands erzeugt. Das Verfahren aus Figur 3b unterscheidet sich somit zum Stand der Technik durch die Erfassung 340 der Eingabe des Radfahrers und durch die Anpassung 341 des unteren und/oder oberen Frequenzschwellenwerts und/oder die Anpassung 342 des unteren und/oder oberen Kraftschwellenwerts jeweils in Abhängigkeit dieser erfassten Eingabe. Dadurch resultiert der Vorteil, dass das das Schaltverhalten einer halbautomatischen oder automatischen Gangschaltung für den Radfahrer bereits komfortabel und leicht anpassbar ist beziehungsweise ein indirektes oder direktes Schaltverhalten je nach Fahrsituation leicht eingestellt werden kann. Dies kann insbesondere im Bereich von Mountainbike-Anwendungen von Interesse sein.
In Figur 4a ist ein zweidimensionales Diagramm des Sollbereichs 450 zum Schalten eines Übersetzungsverhältnisses schematisch dargestellt. Die Abszisse 402 repräsentiert das Fahrerdrehmoment FM. Auf der Abszisse 402 sind außerdem der untere Kraftschwellenwert 430 und obere Kraftschwellenwert 440 beispielhaft dargestellt. Die Ordinate 401 repräsentiert die Trittfrequenz K. Auf der Ordinate 401 sind des Weiteren der untere Frequenzschwellenwert 410 und obere Frequenzschwellenwert 420 beispielhaft dargestellt. Zwischen dem unteren Kraftschwellenwert 430 und oberen Kraftschwellenwert 440 sowie zwischen dem unteren Frequenzschwellenwert 410 und oberen Frequenzschwellenwert 420 ist der Sollbereich 450 definiert beziehungsweise liegt der Sollbereich 450. Liegen die erfasste Trittfrequenz K und die erfasste Trittkraft F beziehungsweise das erfasste Fahrerdrehmoment FM in diesem Sollbereich 450 wird kein Gangwechselbetriebszustand ermittelt, beispielsweise im Punkt PI. Sobald die erfasste Trittfrequenz K und/oder die erfasste Trittkraft die Grenzen dieses Sollbereichs 450 verlassen beziehungsweise die erfasste Trittfrequenz den unteren Frequenzschwellenwert 430 unterschreitet oder die erfasste Trittfrequenz den oberen Frequenzschwellenwert überschreitet und/oder die erfasste Trittkraft den unteren Kraftschwellenwert unterschreitet oder die erfasste Trittkraft den oberen Kraftschwellenwert überschreitet wird ein Gangwechselbetriebszustand ermittelt, beispielsweise im Punkt P2. Der untere Frequenzschwellenwert und/oder der obere Frequenzschwellenwert und/oder der untere Kraftschwellenwert und/oder der obere Kraftschwellenwert werden optional durch eine Eingabe des Radfahrers zum Schaltmodus angepasst, wodurch das Schaltverhalten direkter oder indirekter wird. Mit anderen Worten kann der Sollbereich 450 durch die Erfassung 340 der Eingabe des Radfahrers und die Verfahrensschritte 341 und/oder 342 angepasst werden. Um den Sollbereich 450 für die Trittfrequenz K und für die Trittkraft F bzw. das Fahrerdrehmoment FM ist gestrichelt ein temporär akzeptabler Betriebsbereich 460 für den Radfahrer dargestellt. Liegen die erfasste Trittfrequenz K und/oder die erfasste Trittkraft F bzw. das Fahrerdrehmoment FM in diesem temporär akzeptablen Betriebsbereich 460 ist zumindest kurzzeitig keine Anpassung des Übersetzungsverhältnisses notwendig. Im Verfahren wird im Schritt 350 der Gangwechselbetriebszustand ermittelt, wenn die erfasste Trittfrequenz K und/oder die erfasste Trittkraft F bzw. das Fahrerdrehmoment FM außerhalb des Sollbereichs ist, das heißt, auch wenn die erfasste Trittfrequenz K und/oder die erfasste Trittkraft F bzw. das Fahrerdrehmoment FM in dem temporär akzeptablen Betriebsbereich 460 liegen, beispielsweise im Punkt P3. Bevorzugt wird nach der Ermittlung 350 des Gangwechselbetriebszustand, beispielsweise im Punkt 3, nicht unmittelbar im Schritt 390 ein Steuersignal für die Gangschaltung erzeugt, sondern ein Ablauf der Schaltdauer zur Bestimmung 370 eines Schaltbefehls für die Gangschaltung abgewartet. Es kann beispielsweise Vorkommen, dass die erfasste Trittfrequenz K und/oder die erfasste Trittkraft F bzw. das Fahrerdrehmoment FM nur kurzfristig die Grenzen des Sollbereichs 450 verlassen und während des Ablaufs der Schaltzeitdauer wieder in den Sollbereich 450 eintreten. Die Erzeugung 390 des Steuersignals für die Gangschaltung wird somit vorteilhafterweise zusätzlich in Abhängigkeit des bestimmten Schaltbefehls beziehungsweise in Abhängigkeit des Ablaufs der Schaltdauer durchgeführt. Durch das Verfahren kann also vorteilhafterweise ein unerwünschtes häufiges Hin- und Herschalten zwischen verschiedenen Übersetzungsverhältnissen vermieden werden, da das Schalten der Gangschaltung vorteilhafterweise verzögert wird, insbesondere wenn die erfasste Trittfrequenz K und die erfasste Trittkraft F beziehungsweise das erfasste Fahrerdrehmoment FM in dem temporär akzeptablen Betriebsbereich liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Schalten eines Übersetzungsverhältnisses einer elektrisch ansteuerbaren Gangschaltung (110) eines Fahrrads (100), insbesondere eines Elektrofahrrads, umfassend die folgenden Schritte
• Erfassung (310) einer Trittfrequenz (K) des Radfahrers an der Tretachse (101),
• Erfassung (320) einer Trittkraft (F) des Radfahrers, und
• Ermittlung (350) eines Gangwechselbetriebszustands in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz (K) und in Abhängigkeit der erfassten Trittkraft (F), wenn i. die erfasste Trittfrequenz (K) a. kleiner oder gleich einem unteren Frequenzschwellenwert (410), oder b. größer oder gleich einem oberen Frequenzschwellenwert (420) ist, und/oder ii. die erfasste Trittkraft (K) a. kleiner oder gleich einem unteren Kraftschwellenwert (430), oder b. größer oder gleich einem oberen Kraftschwellenwert (440) ist, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Ermittlung (350) des Gangwechselbetriebszustands folgender Schritt durchgeführt wird
• Erzeugung (390) eines Steuersignals für die Gangschaltung (110) in Abhängigkeit des ermittelten Gangwechselbetriebszustands.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach der Ermittlung des Gangwechselbetriebszustands folgender Schritt durchgeführt wird
• Bestimmung (370) eines Schaltbefehls für die Gangschaltung (110), und
• wobei die Erzeugung (390) des Steuersignals für die Gangschaltung (110) zusätzlich in Abhängigkeit des bestimmten Schaltbefehls erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bestimmung (370) des Schaltbefehls in Abhängigkeit eines Ablaufs einer Schaltzeitdauer nach der Ermittlung (350) des Gangwechselbetriebszustands erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der Schaltbefehl in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz (K) und/oder in Abhängigkeit der erfassten Trittkraft (F) bestimmt wird, insbesondere in Abhängigkeit einer zeitlichen Veränderung der erfassten Trittfrequenz (K) und/oder in Abhängigkeit einer zeitlichen Veränderung der erfassten Trittkraft (F).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei folgender Schritt durchgeführt wird
• Erfassung (330) einer Geschwindigkeit (v) des Fahrrads (100), und/oder
• Erfassung (331) einer Beschleunigung (a) des Fahrrads (100) oder Ermittlung der Beschleunigung in Abhängigkeit der erfassten Geschwindigkeit (v), und/oder
• Erfassung (332) einer Steigung der Fahrtstrecke des Fahrrads (100), und
• wobei die Bestimmung (370) eines Schaltbefehls in Abhängigkeit der erfassten Geschwindigkeit (v) des Fahrrads (100), der erfassten oder ermittelten Beschleunigung (a) und/oder der erfassten Steigung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei folgender Schritt durchgeführt wird
• Ermittlung (380) eines Idealübersetzungsverhältnisses in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz (K), der erfassten Trittkraft (F), der erfassten Geschwindigkeit (v) des Fahrrads (100), der erfassten oder ermittelten Beschleunigung (a) des Fahrrads (100) und/oder der erfassten Steigung der Fahrtstrecke, wobei die Gangschaltung (110) zwischen dem aktuellen Übersetzungsverhältnis und dem Idealübersetzungsverhältnis mindestens ein übersprungenes Übersetzungsverhältnis der Gangschaltung aufweist, und
• wobei die Erzeugung (390) des Steuersignals für die Gangschaltung (110) zusätzlich in Abhängigkeit des ermittelten Idealübersetzungsverhältnisses erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei nach der Ermittlung (350) des
Gangwechselbetriebszustands folgender Schritt durchgeführt wird
• Anzeige (360) einer akustischen, visuellen und/oder haptischen Information zur prognostizierten automatischen Schaltung für den Radfahrer.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Erzeugung (390) des
Steuersignals für die Gangschaltung erst erfolgt, wenn nach der Bestimmung (370) des
Schaltbefehls
• die erfasste Trittfrequenz (K) des Radfahrers kleiner einem Aktivierungsfrequenzschwellenwert ist, insbesondere Null ist, und/oder
• die erfasste Trittkraft (F) des Radfahrers kleiner einem Aktivierungskraftschwellenwert ist, insbesondere Null ist, und/oder
• eine Schalteingabe des Radfahrers mittels eines Eingabemittels (140) erfasst wird, wobei dem Radfahrer nach der Bestimmung des Schaltbefehls insbesondere eine akustische, visuelle und/oder haptische Schaltinformation zur halb-automatischen Schaltung angezeigt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei folgende Schritte vor der Erzeugung (390) des Steuersignals durchgeführt werden
• Bestimmung (367) eines erwarteten Fahrerdrehmoments (FM2) und/oder einer erwarteten Trittfrequenz (K2) für das zukünftige Übersetzungsverhältnis (i2) in Abhängigkeit der erfassten Trittkraft (F) des Radfahrers und/oder und der erfassten Trittfrequenz (K) sowie in Abhängigkeit des aktuellen Motordrehmoments (M) und in Abhängigkeit des aktuellen Übersetzungsverhältnisses (il) und des zukünftigen Übersetzungsverhältnisses (i2), und
• Bestimmung (370) des Schaltbefehls zusätzlich in Abhängigkeit des erwarteten Fahrerdrehmoments und/oder der erwarteten Trittfrequenz, wobei insbesondere der Schaltbefehl nur bestimmt wird, wenn das erwartete Fahrerdrehmoment (FM2) zwischen dem unteren und oberen Kraftschwellenwert (430, 440) und/oder die erwartete Trittfrequenz (K) zwischen dem unteren und oberen Frequenzschwellenwert (410, 420) liegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei folgende Schritte durchgeführt werden
• Bestimmung (368) eines prognostizierten zukünftigen Motordrehmoments (M2) und/oder einer prognostizierten zukünftigen Motorleistung (PM) in Abhängigkeit der erfassten Trittkraft (F) und/oder der erfassten Trittfrequenz (K), in Abhängigkeit des aktuellen Motordrehmoments (M, Ml) und in Abhängigkeit des aktuellen Übersetzungsverhältnisses (il) und eines prognostizierten zukünftigen Übersetzungsverhältnisses (i2), und
• Bestimmung (370) des Schaltbefehls zusätzlich in Abhängigkeit des bestimmten zukünftigen Motordrehmoments (M2) oder der prognostizierten zukünftigen Motorleistung (PM).
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei folgende Schritte durchgeführt werden
• Erkennung (365) eines Wiegetritts des Radfahrers in Abhängigkeit der erfassten Trittfrequenz (K) und/oder der erfassten Trittkraft (F) des Radfahrers und/oder einer erfassten Querbeschleunigung des Fahrrads (100) in Querrichtung des Fahrrads (100) und/oder einer erfassten Seitenneigung des Fahrrads (100), und
• Bestimmung (370) des Schaltbefehls zusätzlich in Abhängigkeit des erkannten Wiegetritts, wobei bei einem erkannten Wiegetritt insbesondere kein Schaltbefehl nach Ablauf der Schaltzeitdauer bestimmt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei folgende Schritte durchgeführt werden
• Erfassung (340) einer Eingabe des Radfahrers zur Einstellung eines Schaltmodus,
• Anpassung (341) des unteren Frequenzschwellenwerts (410) und/oder des oberen Frequenzschwellenwerts (420) in Abhängigkeit der erfassen Eingabe des Radfahrers, und/oder
• Anpassung (342) des unteren Kraftschwellenwerts (430) und/oder des oberen Kraftschwellenwerts (440) in Abhängigkeit der erfassen Eingabe des Radfahrers, und/oder
• Bestimmung (370) des Schaltbefehls zusätzlich in Abhängigkeit der erfassen Eingabe des Radfahrers, wobei in Abhängigkeit der erfassen Eingabe des Radfahrers die Schaltzeitdauer und/oder jeweilige Toleranzbereiche zu einem aktuellen Übersetzungsverhältnis oder jeweilige Schwellenwerte für die Geschwindigkeit des Fahrrads, für die Beschleunigung des Fahrrads, für die Trittkraft des Radfahrers, für die Steigung der Fahrtstrecke und/oder für deren zeitliche Änderung angepasst werden, und/oder
• Ermittlung (380) eines Idealübersetzungsverhältnisses zusätzlich in Abhängigkeit der erfassen Eingabe des Radfahrers.
13. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
14. Steuergerät (200), wobei das Steuergerät (200) mindestens folgende Komponenten umfasst
• einen optionalen ersten Signaleingang (202) zur Bereitstellung eines ersten Signals, welches die Trittfrequenz eines Radfahrers repräsentiert,
• einen zweiten Signaleingang (203) zur Bereitstellung eines zweiten Signals, welches die Trittkraft des Radfahrers repräsentiert, • einen Signalausgang (250) zur Ausgabe eines Steuersignals für eine elektrisch ansteuerbare Gangschaltung (110) eines Fahrrads (100), und
• eine Recheneinheit (201), insbesondere ein Prozessor, die so konfiguriert ist, dass sie die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausführt.
15. Antriebseinheit für ein Elektrofahrrad mit einem Antriebsmotor (121), wobei die Antriebseinheit mindestens folgende Komponenten umfasst
• einen Drehzahlsensor (210), wobei der Drehzahlsensor (210) dazu eingerichtet ist, eine Trittfrequenz (K) eines Radfahrers an der Tretachse eines Fahrrads zu erfassen, und
• einen Trittkraftsensor (220), wobei der Trittkraftsensor dazu eingerichtet ist, eine Trittkraft (F) eines Radfahrers an der Tretachse (101) eines Fahrrads zu erfassen, und
• ein Steuergerät nach Anspruch 14, und
• optional eine elektrisch ansteuerbare Gangschaltung (110).
16. Fahrrad (100), insbesondere Elektrofahrrad, umfassend eine elektrisch ansteuerbare Gangschaltung (110), mit einem Steuergerät (200) nach Anspruch 13 oder einer Antriebseinheit nach Anspruch 15.
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