WO2024002893A1 - Fahrrad-tretlageranordnung - Google Patents

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WO2024002893A1
WO2024002893A1 PCT/EP2023/067112 EP2023067112W WO2024002893A1 WO 2024002893 A1 WO2024002893 A1 WO 2024002893A1 EP 2023067112 W EP2023067112 W EP 2023067112W WO 2024002893 A1 WO2024002893 A1 WO 2024002893A1
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driven
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Marc Kluge
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Porsche Ebike Performance Gmbh
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    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/12—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving photoelectric means

Definitions

  • the invention relates to a bicycle bottom bracket arrangement with a torque sensor arrangement for detecting the torque introduced into the bottom bracket arrangement by the driver.
  • a bicycle bottom bracket arrangement with a torque sensor arrangement is used in particular in so-called pedelecs, i.e. in bicycles that have an electric drive motor that works in support of the human torque introduced by the driver.
  • the degree of support from the electric drive motor is controlled and regulated depending, among other things, on the human torque provided by the driver.
  • Torque sensor arrangements are known from EP 2 526 010 B1, EP 3 034 387 B1, DE 10 2016 120 544 B4 and EP 3 566644 B1. From DE 202007 019 291 U1 a torque sensor arrangement with a magnetized torsion hollow shaft is known, the torque-dependent magnetic field of which is detected by a stationary magnetic field sensor. Such a torque sensor arrangement is demanding and complex to produce.
  • the object of the invention is, in contrast, to create a bicycle bottom bracket arrangement with a torque sensor arrangement that is simple and inexpensive to produce.
  • the bicycle bottom bracket arrangement according to the invention with a torque sensor arrangement has a bottom bracket shaft arrangement with a bottom bracket shaft.
  • the bottom bracket shaft is the shaft into which the driver introduces torque into the bottom bracket assembly via one or two pedal cranks.
  • the pedal crank or the two pedal cranks are non-rotatably connected to the bottom bracket shaft.
  • the bottom bracket shaft drives a torsion shaft on an axial torsion shaft Place of initiation.
  • the torsion shaft can in principle be identical to the bottom bracket shaft or be designed in one piece with it, but is preferably designed separately from the bottom bracket shaft.
  • the bottom bracket assembly includes an output shaft that is driven by the torsion shaft at an axial torsion shaft discharge location that is axially distant from the torsion wave introduction location.
  • a reference arm which has a reference pointer, is fixed in a rotationally fixed manner on the torsion shaft.
  • the reference pointer refers to a reference scale which is assigned to the torsion shaft in a rotationally fixed manner at the torsion wave discharge location. The reference pointer therefore indicates on the reference scale the torsion of the torsion shaft between its axial human torque introduction location and its axial discharge location.
  • An electrical position sensor is provided which detects the position of the reference pointer in relation to the torsion shaft reference scale.
  • the reference pointer, the reference scale and the position sensor can be physically designed in such a way that, for example, a magnetic-inductive detection of the position of the reference pointer in relation to the reference scale takes place.
  • the reference scale is particularly preferably designed as an optically detectable reference scale and the position sensor is a digital camera. In this way, the torsion of the torsion shaft between its axial introduction location and its axial discharge location can be optically detected using simple and inexpensive means.
  • the reference scale is applied or designed to be radially detectable on the torsion shaft, and that the reference scale is detected radially together with the reference pointer by the position sensor or by the digital camera.
  • the torsion sensor therefore looks in the radial direction at the reference scale on the torsion shaft. Since in this way the torsion of the torsion shaft can only be detected temporarily during a total revolution of the torsion shaft, several are particularly preferred over the circumference Torsion sensors are provided in order to be able to constantly detect the torsion of the torsion shaft throughout the entire rotation of the torsion shaft.
  • the reference scale on the torsion shaft is designed to be axially detectable and is detected axially together with the reference pointer by the position sensor.
  • the torsion of the torsion shaft can be detected quasi-continuously throughout the entire rotation of the torsion shaft and in particular also when stationary in every rotational position of the torsion shaft.
  • the bottom bracket arrangement has a driven wheel, which can be a chainring, through which a front wheel or a rear wheel of a bicycle can be driven, for example via a link chain or a toothed belt.
  • the output gear is driven by the torsion shaft.
  • the driven gear can be connected to the torsion shaft in a rotationally fixed manner at its discharge location.
  • the output gear is arranged on a separate output shaft, which is driven at the discharge location by the torsion shaft via a gear.
  • the bottom bracket arrangement preferably has an electric drive motor which, depending on the signal from the position sensor, generates an electric drive torque, through which the driven wheel is driven as required and in addition to the human torque.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a bicycle bottom bracket arrangement with a bottom bracket shaft, a separate torsion shaft and a separate output shaft as well as with two alternative torque sensor arrangements
  • Figure 2 shows a radial view of the torsion shaft of the bicycle bottom bracket arrangement of Figure 1 in a first exemplary embodiment with a position sensor digital camera arranged radially to the torsion shaft
  • Figure 3 shows an axial view of the torsion shaft of the bicycle bottom bracket arrangement of Figure 1 in a second exemplary embodiment with a position sensor digital camera arranged axially to the torsion shaft.
  • FIG. 1 shows a bicycle bottom bracket arrangement 10, which in the present case is designed as a so-called bicycle mid-motor for installation in a pedal-electric bicycle.
  • the bicycle bottom bracket assembly 10 essentially has a bottom bracket shaft assembly 20, a torque sensor assembly 30 and an output assembly 40 with an electric drive motor 50.
  • the bottom bracket shaft arrangement 20 consists of a bottom bracket shaft 21 which is rotatably mounted about an axial axis, at the shaft ends of which a non-rotatably connected pedal crank 24 is attached, which holds a pedal pedal 26 at the outer crank ends.
  • a driver introduces a human torque into the bicycle bottom bracket arrangement 10 via the bottom bracket shaft arrangement 20.
  • a gear 22 is connected to the bottom bracket shaft 21 in a rotationally fixed manner.
  • the torque sensor arrangement 30 has a torsion shaft 32 designed as a cylindrical hollow shaft, which rotates about an axial X and which is dimensioned such that it shows a significant torsion over its axial length at typical human torques of the order of 100 Nm.
  • a gear 35 which is driven by the bottom bracket shaft gear 22, sits on the outside of the torsion shaft 32 in a rotationally fixed manner at an axial introduction point E.
  • a discharge gear 31 is provided at an axial discharge location A, from which the human torque is transferred to a summing gear 44 of the output arrangement 40.
  • the introduction point E and the discharge point A are located as far axially as possible apart, and have an axial distance from one another of at least several centimeters.
  • the output arrangement 40 has a summing shaft 45, with which a summing gear 44 and an output gear 42 designed, for example, as a chain ring are connected in a rotationally fixed manner.
  • the electric drive motor 50 has a drive motor gear 52, via which the summing gear 44 is additionally driven with the drive motor torque if necessary.
  • a reference arm 39 is fixed in a rotationally fixed manner on the torsion shaft 32 at the axial introduction point E, which represents a radial plane.
  • the reference arm 39 has a radial arm 33 in the area of the introduction location E, which holds a non-twisting axial arm 34 which runs axially in the axial has a reference pointer 38 in the form of a cone tip.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of the torque sensor arrangement 30, in which a radially detectable optical reference scale 66 is applied to the cylindrical outer peripheral surface of the torsion shaft 32 in the area of the discharge location A.
  • the reference pointer 38 is immediately adjacent to the reference scale 66, moves parallel to the reference scale 66 when the torsion shaft 32 is torsion, and indicates the current torsion of the torsion shaft 32 on the reference scale 66.
  • the reference scale 66 and the reference pointer 38 are radially optically detected by an electrical torsion sensor 60, which in this exemplary embodiment is designed as a digital camera.
  • FIG 3 shows a second exemplary embodiment of the torque sensor arrangement 30, in which an axially detectable reference scale 66 'is applied to the annular end face of the torsion shaft 32 in the area of the discharge location A.
  • the reference scale 66 'and the reference pointer 38 are continuously and optically detected axially by an electrical torsion sensor 60, which is designed as a digital camera.
  • the electric drive motor 50 can provide additional supporting motor-electric drive power depending on the human torque that is quantitatively detected by the torque sensor arrangement 30.
  • the torque sensor arrangement 30 determines the direction of rotation of the determined human torque and the speed of the torsion shaft 32.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fahrrad-Tretlageranordnung (10) mit einer Drehmoment-Sensoranordnung (30), wobei die Tretlageranordnung (10) aufweist: eine Tretlagerwellen-Anordnung (20) mit einer Tretlagerwelle (21) und mindestens einer drehfest verbundenen Tretkurbel (24), eine durch die Tretlagerwelle (21) an einem axialen Einleitungsort (E) angetriebenen Torsionswelle (32) der Drehmoment-Sensoranordnung (30), einer Abtriebswelle (40), die von der Torsionswelle (32) an einem axialen Ausleitungsort (A) angetrieben wird, der entfernt ist von dem Einleitungsort (E), einem am Einleitungsort (E) fixierten Referenzarm (39) mit einem Referenzzeiger (38), der sich auf eine Referenzskala (66; 66') bezieht, die der Torsionswelle am Ausleitungsort (A) drehfest zugeordnet ist, und einem stationären elektrischen Torsionssensor (60; 60'), der die Position des Referenzzeigers (38) im Verhältnis zu der Referenzskala (66; 66') erfasst.

Description

Fahrrad-Tretlageranordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Fahrrad-Tretlageranordnung mit einer Drehmoment-Sensoranordnung zur Erfassung des von der Fahrerperson in die Tretlageranordnung eingebrachten Drehmoments.
Eine Fahrrad-Tretlageranordnung mit einer Drehmoment-Sensoranordnung wird insbesondere in sogenannten Pedelecs eingesetzt, also in Fahrrädern, die einen elektrischen Antriebsmotor aufweisen, der unterstützend zu dem von der Fahrerperson eingebrachten Human-Drehmoment arbeitet. Der Grad der Unterstützung durch den elektrischen Antriebsmotor wird dabei u.a. abhängig von dem durch die Fahrerperson eingebrachten Human-Drehmoment gesteuert und geregelt.
Drehmoment-Sensoranordnungen sind bekannt aus EP 2 526 010 B1 , EP 3 034 387 B1 , DE 10 2016 120 544 B4 und EP 3 566644 B1 . Aus DE 202007 019 291 U1 ist eine Drehmoment-Sensoranordnung mit einer magnetisierten Torsions-Hohlwelle bekannt, deren drehmomentabhängiges Magnetfeld von einem stationären Magnetfeld-Sensor erfasst wird. Eine derartige Drehmoment-Sensoranordnung ist anspruchsvoll und aufwendig in der Herstellung.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine einfache und preiswert herstellbare Fahrrad-Tretlageranordnung mit einer Drehmoment-Sensoranordnung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Fahrrad-Tretlageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 .
Die erfindungsgemäße Fahrrad-Tretlageranordnung mit einer Drehmoment- Sensoranordnung weist eine Tretlagerwellen-Anordnung mit einer Tretlagerwelle auf. Die Tretlagerwelle ist die Welle, in die die Fahrerperson ein Drehmoment über eine oder zwei Tretkurbeln in die Tretlageranordnung einleitet. Die Tretkurbel bzw. die zwei Tretkurbeln sind drehfest mit der Tretlagerwelle verbunden. Die Tretlagerwelle treibt eine Torsionswelle an einem axialen Torsionswellen- Einleitungsort an. Die Torsionswelle kann grundsätzlich mit der Tretlagerwelle identisch bzw. einstückig mit ihr ausgebildet sein, ist jedoch bevorzugt separat von der Tretlagerwelle ausgebildet.
Ferner weist die Tretlageranordnung eine Abtriebswelle auf, die von der Torsionswelle an einem axialen Torsionswellen-Ausleitungsort angetrieben wird, der axial entfernt ist von dem Torsionswellen-Einleitungsort. An dem Torsionswellen- Einleitungsort ist ein Referenzarm, der einen Referenzzeiger aufweist, an der Torsionswelle drehfest fixiert. Der Referenzzeiger bezieht sich auf eine Referenzskala, die der Torsionswelle am Torsionswellen-Ausleitungsort drehfest zugeordnet ist. Der Referenzzeiger zeigt auf der Referenzskala also die Torsion der Torsionswelle zwischen ihrem axialen Human-Drehmoment-Einleitungsort und ihrem axialen Ausleitungsort an.
Es ist ein elektrischer Positionssensor vorgesehen, der die Position des Referenzzeigers im Verhältnis zu der Torsionswellen-Referenzskala erfasst. Grundsätzlich können der Referenzzeiger, die Referenzskala und der Positionssensor physikalisch derart ausgebildet sein, dass beispielsweise eine magnetisch-induktive Erfassung der Position des Referenzzeigers im Verhältnis zu der Referenzskala erfolgt.
Besonders bevorzugt ist die Referenzskala jedoch als optisch detektierbare Referenzskala ausgebildet und ist der Positionssensor eine Digitalkamera. Auf diese Weise lässt sich mit einfachen und preiswerten Mitteln die Torsion der Torsionswelle zwischen ihrem axialen Einleitungsort und ihrem axialen Ausleitungsort optisch erfassen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Referenzskala auf der Torsionswelle radial erfassbar aufgebracht bzw. ausgebildet ist, und dass die Referenzskala zusammen mit dem Referenzzeiger durch den Positionssensor bzw. durch die Digitalkamera radial erfasst wird. Der Torsionssensor blickt also in radialer Richtung auf die Referenzskala auf der Torsionswelle. Da auf diese Weise die Torsion der Torsionswelle nur temporär während einer Gesamtumdrehung der Torsionswelle erfasst werden kann, sind besonders bevorzugt über den Umfang mehrere Torsionssensoren vorgesehen, um auf diese Weise während der gesamten Umdrehung der Torsionswelle die Torsion der Torsionswelle ständig erfassen zu können.
Alternativ ist vorgesehen, dass die Referenzskala auf der Torsionswelle axial erfassbar ausgebildet ist und zusammen mit dem Referenzzeiger durch den Positionssensor axial erfasst wird. Auf diese Weise kann mit einem einzigen Torsionssensor bzw. mit einer einzigen Digitalkamera die Torsion der Torsionswelle quasi-kontinuierlich während der gesamten Umdrehung der Torsionswelle und insbesondere auch im Stand in jeder rotatorischen Standposition der Torsionswelle erfasst werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Tretlageranordnung ein Abtriebsrad aufweist, dass ein Kettenblatt sein kann, durch das ein Vorderrad oder ein Hinterrad eines Fahrrades beispielsweise über eine Gliederkette oder einen Zahnriemen antreibbar ist. Das Abtriebsrad wird von der Torsionswelle angetrieben. Das Abtriebsrad kann grundsätzlich drehfest mit der Torsionswelle an ihrem Ausleitungsort verbunden sein. Alternativ ist das Abtriebsrad jedoch auf einer separaten Abtriebswelle angeordnet, die an dem Ausleitungsort durch die Torsionswelle über ein Getriebe angetrieben wird.
Vorzugsweise weist die Tretlageranordnung einen elektrischen Antriebsmotor auf, der in Abhängigkeit von dem Signal des Positionssensors ein elektrisches Antriebsmoment generiert, durch das das Abtriebsrad bedarfsweise und zusätzlich zu dem Human-Drehmoment angetrieben wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Fahrrad-Tretlageranordnung mit einer Tretlagerwelle, einer separaten Torsionswelle und einer separaten Abtriebswelle sowie mit zwei alternativen Drehmoment-Sensoranordnungen, und Figur 2 eine radiale Sicht auf die Torsionswelle der Fahrrad-Tretlageranordnung der Figur 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel mit einer radial zu der Torsionswelle angeordneten Positionssensor-Digitalkamera, und
Figur 3 eine axiale Sicht auf die Torsionswelle der Fahrrad-Tretlageranordnung der Figur 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer axial zu der Torsionswelle angeordneten Positionssensor-Digitalkamera.
In der Figur 1 ist eine Fahrrad-Tretlageranordnung 10 dargestellt, die vorliegend als sogenannter Fahrrad-Mittelmotor für den Einbau in ein pedalelektrisches Fahrrad ausgebildet ist.
Die Fahrrad-Tretlageranordnung 10 weist im Wesentlichen eine Tretlagerwellen- Anordnung 20, eine Drehmoment-Sensoranordnung 30 und eine Abtriebsanordnung 40 mit einem elektrischen Antriebsmotor 50 auf.
Die Tretlagerwellen-Anordnung 20 besteht aus einer um eine Axiale drehbar gelagerten Tretlagerwelle 21 , an deren Wellenenden jeweils eine drehfest verbundene Tretkurbel 24 angebracht ist, die an den äußeren Kurbelenden jeweils ein Tretpedal 26 hält. Über die Tretlagerwellen-Anordnung 20 leitet eine Fahrerperson ein Human-Drehmoment in die Fahrrad-Tretlageranordnung 10 ein. Mit der Tretlagerwelle 21 ist drehfest ein Zahnrad 22 verbunden.
Die Drehmoment-Sensoranordnung 30 weist eine als zylindrische Hohlwelle ausgebildete Torsionswelle 32 auf, die um eine Axiale X rotiert und die derart dimensioniert ist, dass sie bei typischen Human-Drehmomenten in der Größenordnung von 100 Nm über ihre axiale Länge eine nennenswerte Torsion zeigt. Auf der Torsionswelle 32 sitzt außenseitig an einem axialen Einleitungsort E drehfest ein Zahnrad 35, das von dem Tretlagerwellen-Zahnrad 22 angetrieben wird. An dem anderen Längsende der Torsionswelle 32 ist an einem axialen Ausleitungsort A ein Ausleitungs-Zahnrad 31 vorgesehen, von dem das Human- Drehmoment an ein Summier-Zahnrad 44 der Abtriebsanordnung 40 übergeben wird. Der Einleitungsort E und der Ausleitungsort A liegen axial möglichst weit auseinander, und weisen einen axialen Abstand zueinander von mindestens mehreren Zentimetern auf.
Die Abtriebsanordnung 40 weist eine Summierwelle 45 auf, mit der ein Summier- Zahnrad 44 und ein beispielsweise als Kettenblatt ausgebildetes Abtriebsrad 42 drehfest verbunden sind. Der elektrische Antriebsmotor 50 weist ein Antriebsmotor- Zahnrad 52 auf, über das das Summier-Zahnrad 44 bedarfsweise zusätzlich mit dem Antriebsmotor-Drehmoment angetrieben wird.
Innerhalb der Torsionswelle 32 ist an dem eine Radialebene darstellenden axialen Einleitungsort E einen Referenzarm 39 an der Torsionswelle 32 drehfest fixiert. Der Referenzarm 39 weist im Bereich des Einleitungsortes E einen Radialarm 33 auf, der einen axial in der Axialen X verlaufenden und nicht-tordierenden Axialarm 34 hält, der an seinem freien Längsende einen radial orientierten Zeigerarm 38 drehfest hält, der wiederum an seinem radial äußeren Ende einen Referenzzeiger 38 in Form einer Kegelspitze aufweist.
In der Figur 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Drehmoment-Sensoranordnung 30 dargestellt, bei der im Bereich des Ausleitungsortes A eine radial erfassbare optische Referenzskala 66 auf der zylindrischen Außenumfangsfläche der Torsionswelle 32 aufgebracht ist. Der Referenzzeiger 38 steht unmittelbar benachbart zu der Referenzskala 66, bewegt sich bei einer Torsion der Torsionswelle 32 parallel zu der Referenzskala 66, und zeigt auf der Referenzskala 66 die aktuelle Torsion der Torsionswelle 32 an. Die Referenzskala 66 und der Referenzzeiger 38 werden von einem elektrischen Torsionssensor 60 radial optisch erfasst wird, der in diesem Ausführungsbeispiel als Digitalkamera ausgebildet ist.
In der Figur 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Drehmoment- Sensoranordnung 30 dargestellt, bei der eine axial erfassbare Referenzskala 66' auf der ringförmigen Stirnfläche der Torsionswelle 32 im Bereich des Ausleitungsortes A aufgebracht ist. Die Referenzskala 66' und der Referenzzeiger 38 werden von einem elektrischen Torsionssensor 60 ununterbrochen axial optisch erfasst, der als Digitalkamera ausgebildet ist. Auf diese Weise kann der elektrische Antriebsmotor 50 in Abhängigkeit von dem Human-Drehmoment, das durch die Drehmoment-Sensoranordnung 30 quantitativ erfasst wird, eine zusätzliche unterstützende motorelektrische Antriebsleistung bereitstellen.
Ferner ermittelt die Drehmoment-Sensoranordnung 30 die Drehrichtung des ermittelten Human-Drehmoments und die Drehzahl der Torsionswelle 32.

Claims

Patentansprüche Fahrrad-Tretlageranordnung (10) mit einer Drehmoment-Sensoranordnung (30), wobei die Tretlageranordnung (10) aufweist: eine Tretlagerwellen-Anordnung (20) mit einer Tretlagerwelle (21 ) und mindestens einer drehtest verbundenen Tretkurbel (24), eine durch die Tretlagerwelle (21 ) an einem axialen Einleitungsort (E) angetriebenen Torsionswelle (32) der Drehmoment-Sensoranordnung (30), einer Abtriebswelle (40), die von der Torsionswelle (32) an einem axialen Ausleitungsort (A) angetrieben wird, der axial entfernt ist von dem Einleitungsort (E), einem am Einleitungsort (E) fixierten Referenzarm (39) mit einem Referenzzeiger (38), der sich auf eine Referenzskala (66; 66‘) bezieht, die der Torsionswelle am Ausleitungsort (A) drehtest zugeordnet ist, und einem stationären elektrischen Torsionssensor (60; 60‘), der die Position des Referenzzeigers (38) im Verhältnis zu der Referenzskala (66; 66‘) erfasst. Fahrrad-Tretlageranordnung (10) nach Anspruch 1 , wobei die Torsionswelle (32) als zylindrische Hohlwelle ausgebildet ist. Fahrrad-Tretlageranordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Torsionssensor (60; 60‘) als Digitalkamera ausgebildet ist. Fahrrad-Tretlageranordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Referenzskala (66) radial erfassbar ausgebildet ist und zusammen mit dem Referenzzeiger (38) durch den Torsionssensor (60) radial erfasst wird. Fahrrad-Tretlageranordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1-3, wobei die Referenzskala (66‘) axial erfassbar ausgebildet ist, und zusammen mit dem Referenzzeiger (38) durch den Positionssensor (60‘) axial erfasst wird. Fahrrad-Tretlageranordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Torsionswelle (32) separat von der Tretlagerwelle (21 ) ausgebildet ist. Fahrrad-Tretlageranordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Abtriebsrad (42) vorgesehen ist, das von der Torsionswelle (32) angetrieben wird. Fahrrad-Tretlageranordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein elektrischer Antriebsmotor (50) vorgesehen ist, durch den ein von der Torsionswelle (32) angetriebenes Abtriebsrad (42) bedarfsweise zusätzlich angetrieben wird.
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