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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb für ein Fahrrad sowie ein Fahrrad mit einem elektrischen Hilfsantrieb und einem derartigen Kurbeltrieb.
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Fahrräder mit einem elektrischen Hilfsantrieb in Form eines Radnabenantriebs oder in Form eines zentral angeordneten Zusatzantriebs (Zentralantrieb) sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt, wobei beim Zentralantrieb die elektrisch erzeugte Kraft direkt in den Antriebsstrang eingebracht wird. Dabei erfolgt die Steuerung der elektrischen Leistung beim Zentralantrieb über einen Schalter oder über einen Regelmechanismus.
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Aus den Schriften
DE 196 13 079 A1 ,
DE 2007 062 156 A1 ,
JP H08 - 297 059 A sind Leistungsmesssysteme bekannt, die die Torsion einer Tretkurbel direkt oder indirekt erfassen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kurbeltrieb zur Verfügung zu stellen, welcher zur Erfassung eines Drehmoments verwendet werden kann. Dies wird erreicht durch einen Kurbeltrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Fahrrad gemäß Anspruch 8.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Kurbeltrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass ein Drehmoment zur Steuerung des Zentralantriebs direkt im Kurbeltrieb erfasst werden kann. Hierzu umfasst der Kurbeltrieb eine Tretkurbelwelle, zwei Tretkurbeln und eine Hohlwelle, in welcher die Tretkurbelwelle angeordnet ist, wobei die Hohlwelle ein permanentes Magnetfeld aufweist. Ferner umfasst der Kurbeltrieb ein erstes Lager und ein zweites Lager, wobei das erste Lager die Tretkurbelwelle an einer Rahmenhülse lagert und das zweite Lager die Tretkurbelwelle in der Hohlwelle lagert, sowie ein mit einem Abtriebsritzel des Fahrrads verbindbaren Kettenblattträger, der an der Hohlwelle angeordnet ist. Mindestens zwei Sensoren, die am äußeren Umfang der Hohlwelle im Magnetfeld angeordnet sind, erfassen eine Änderung eines magnetischen Flusses in einem Umfangsbereich der Hohlwelle. Die Hohlwelle ist vorzugsweise nur an einem vorbestimmten Abschnitt magnetisiert. Ferner ist eine Steuereinheit, die mit den Sensoren verbunden ist, ausgelegt, ein Drehmoment an der Hohlwelle basierend auf den Signalen der Sensoren zu bestimmen. Hierdurch wird eine kontinuierliche Erfassung des Drehmoments, das vom Fahrer und/oder dem Zentralantrieb in den Kurbeltrieb eingebracht wird, kosteneffizient mit einer minimalen Anzahl von Bauteilen erreicht. Ferner ist über das so erfasste Drehmoment eine kontinuierliche Steuerung des Zentralantriebs durch die Steuereinheit im Fahrbetrieb möglich.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Hohlwelle aus einem magnetisierbaren Material hergestellt. Hierdurch ist es möglich, die Hohlwelle durch Einleitung von Stromimpulsen zumindest in einem längsverlaufenden Teilbereich bis zu einer bestimmten Tiefe zu magnetisieren bzw. zu codieren, sodass eine Änderung des magnetischen Flusses bei einer Wellen-Drehmomentbelastung von den Sensoren auf einfache und sichere Weise erfasst werden kann.
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Vorzugsweise weist der Kurbeltrieb ein drittes Lager auf, welches zwischen der Rahmenhülse und der Hohlwelle angeordnet ist. Dadurch wird ein Verbiegen der Hohlwelle weitgehend ausgeschlossen, die durch das dritte Lager zuverlässig abgestützt ist, und eine zuverlässige Messung des Drehmoments aufgrund der reinen Wellentorsion gewährleistet.
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Ferner bevorzugt umfasst der Kurbeltrieb ein mit der Hohlwelle verbundenes Zahnrad und einen elektrischen Hilfsantrieb, wobei der elektrische Hilfsantrieb über das Zahnrad mit der Hohlwelle verbunden ist. Hierdurch wird die elektrische Antriebskraft direkt und betriebssicher in die Hohlwelle des Kurbeltriebs eingeleitet.
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Weiterhin bevorzugt ist ein Freilauf zwischen der Tretkurbelwelle und der Hohlwelle angeordnet. Durch den Freilauf kann der Hilfsantrieb von der Tretkurbelwelle entkoppelt werden. Bei gesperrtem Freilauf kann eine positive Antriebskraft des Fahrers von der Tretkurbelwelle auf die Hohlwelle übertragen werden, wenn die Tretkurbelwelle sich (unter Berücksichtigung einer möglichen Untersetzung) synchron mit dem Hinterrad dreht. Eine Freilaufvorrichtung an der Hinterradnabe ist somit nicht mehr erforderlich. Außerdem kann der Fahrer zur Rekuperation von Antriebsenergie die Tretkurbelwelle synchron zur Drehzahl der Hohlwelle mittreten und einen anteiligen Beitrag zur Rückgewinnung von elektrischer Energie leisten.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind das Zahnrad und der Kettenblattträger benachbart auf der gleichen Seite des Kurbeltriebs angeordnet. Dadurch, dass sowohl die mechanische Energie des Fahrers auf den Kettenblattträger als auch die elektrische Energie des Hilfsantriebs auf das Zahnrad auf der Seite des Kurbeltriebs des Fahrrads in die Hohlwelle eingeleitet werden, tritt nur eine einseitige Torsionsbeanspruchung der Hohlwelle auf. Zudem wird eine besonders einfache und kompakte Bauform erreicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Magnetfeld radial in die Hohlwelle magnetisiert. Somit ist es möglich, das Magnetfeld durch eine entsprechende Magnetisierungstiefe an eine erforderliche Mess- und Regelgenauigkeit anzupassen.
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Vorzugsweise können die Sensoren auch die Drehzahl der Hohlwelle erfassen und an die Steuereinheit ausgeben. Dadurch wird eine verbesserte Regelung des elektrischen Hilfsantriebs erreicht.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrrad, das den erfindungsgemäßen Kurbeltrieb und einen elektrischen Hilfsantrieb umfasst, der mit dem Kurbeltrieb verbunden ist. Hierbei ist der elektrische Hilfsantrieb benachbart zum Kurbeltrieb angeordnet. Die besonders tiefe Anordnung des Hilfsantriebs im Bereich des Kurbeltriebs des Fahrrads trägt aufgrund der günstigen Schwerpunktlage zu guten und sicheren Fahreigenschaften aufgrund einer geringen Hochachsenträgheit des Fahrrads bei.
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Vorzugsweise ist der elektrische Hilfsantrieb an einem Unterohr befestigt. Dadurch wird eine platzsparende und gewichtsoptimale Anordnung des elektrischen Hilfsantriebs zusammen mit einer guten Drehmomentabstützung am Unterrohr des Fahrradrahmens erreicht.
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Weiterhin bevorzugt ist der elektrische Hilfsantrieb mittels einer Kette oder eines Zahnriemens oder eines Kardanantriebs mit der Hohlwelle des Kurbeltriebs verbunden. Je nach Einsatzzweck des Fahrrads und Leistung des elektrischen Hilfsantriebs ist es hierdurch möglich, eine in Bezug auf die Lebensdauer optimale Baukomponente auszuwählen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Fahrrad eine Steuereinheit, welche ausgelegt ist, den elektrischen Hilfsantrieb zu steuern und welche mit mindestens zwei Sensoren zur Drehmomenterfassung verbunden ist und ausgelegt ist, ein Drehmoment an der Hohlwelle basierend auf Signalen der Sensoren zu bestimmen. Auf der Basis der von den Sensoren empfangenen aktuellen Drehmomentwerte der Hohlwelle, die durch die Muskelkraft des Fahrers erzeugt werden, steuert die Steuereinheit den Hilfsantrieb derart, dass der jeweils erforderliche Anteil der Leistung des Hilfsantriebs in Bezug auf ein vorgegebenes bzw. gespeichertes Solldrehmoment kontinuierlich bereitgestellt wird. Wenn dabei der Fahrer per Muskelkraft das Solldrehmoment bereitstellt, wird der Hilfsantrieb nicht betrieben.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht eines Fahrrads mit einem integrierten elektrischen Zusatzantrieb,
- 2 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tretlagers,
- 3 eine schematische Ansicht einer Hohlwelle des Kurbeltriebs bei einem Magnetisierungsvorgang,
- 4 eine schematische Ansicht der Hohlwelle von 2 mit einem magnetisierten Teilbereich, und
- 5 eine schematische Ansicht der Hohlwelle von 2 bei einer Messung einer Torsionsbeanspruchung.
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Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 ein erfindungsgemäßer Kurbeltrieb 1 für ein Fahrrad 2 sowie ein Fahrrad 2 mit einem elektrischen Hilfsantrieb und einem derartigen Kurbeltrieb 1 detailliert beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrrads 2 mit einem nachträglich integrierten elektrischen Zusatzantrieb bzw. Zentralantrieb. Wie aus 1 ersichtlich, umfasst der Zentralantrieb einen Kurbeltrieb 1, einen elektrischen Hilfsantrieb 18, eine Steuereinheit 15, eine Bedieneinheit und eine wiederaufladbare Energiequelle 27. Der elektrische Hilfsantrieb 18 ist unterhalb eines Unterrohrs 26 und in Fahrtrichtung vor dem Kurbeltrieb 1 des Fahrrads 2 angeordnet und am Unterohr 26 befestigt. Der Kurbeltrieb 1 weist eine Tretkurbelwelle 4 auf, an der eine Tretkurbel 3 und eine Tretkurbel 5 befestigt sind. Wie aus 1 weiter ersichtlich, ist die Steuereinheit 15 am Unterohr 26 befestigt und mit dem elektrischen Hilfsantrieb 18 und der Bedieneinheit an einem Lenker des Fahrrads 2 verbunden. Die Steuereinheit 15 ist außerdem zur Energieversorgung ebenso wie der elektrische Hilfsantrieb 18 an der wiederaufladbaren Energiequelle 27 angeschlossen, die im oberen Rahmendreieck zwischen dem Unterrohr 26 und einem Oberrohr 29 angeordnet ist. Der elektrische Hilfsantrieb 18 ist über ein am Kurbeltrieb 1 befestigtes Zahnrad 17 mittels eines Zahnriemens 33 verbunden, welches unmittelbar benachbart zu einem Kettenblattträger 11 auf der gleichen Seite des Kurbeltriebs 1 angeordnet ist. Der Kettenblattträger 11 ist mit einem am Hinterrad des Fahrrads 2 angeordneten Abtriebsritzel 25 über eine Kette 28 verbunden.
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Wie aus der Schnittansicht des Kurbeltriebs 1 von 2 detailliert ersichtlich, wird die Tretkurbelwelle 4 durch ein erstes Lager 7 an einer Rahmenhülse 9 gelagert, die fest mit dem Rahmen des Fahrrads 2 verbunden ist, und durch ein zweites Lager 8 in der Hohlwelle 6 gelagert. Darüber hinaus umfasst der Kurbeltrieb 1 ein drittes Lager 16, welches zwischen der Rahmenhülse 9 und der Hohlwelle 6 angeordnet ist und die Hohlwelle 6 in der Rahmenhülse 9 lagert. Zwischen der Hohlwelle 6 und der Rahmenhülse 9 ist ein luftgefüllter Raum 32 ausgebildet. Zwischen dem Zahnrad 17 und dem unmittelbar daneben angeordneten Kettenblattträger 11 ist eine Scheibe 10 eingefügt. Im Innern der Hohlwelle 6 ist ein Freilauf 19 so ausgerichtet angeordnet, dass nur bei einer Vorwärtsdrehung der Tretkurbelwelle 4 eine Kraftübertragung auf die Hohlwelle 6 durch den gesperrten Freilauf 19 erfolgt. Bei einer Rückwärtsdrehung der Tretkurbelwelle 4 läuft der Freilauf 19 frei. Der elektrische Hilfsantrieb 18 ist zur Rückgewinnung von mechanischer Energie in elektrische Energie darüber hinaus als Generator ausgelegt. Hierbei erfolgt ein Kraftfluss der mechanischen Kraft vom Hinterrad über die Kette 28 auf den Kettenblattträger 11 bzw. das Kettenblatt und über das Zahnrad 17 auf den elektrischen Antrieb 18.
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Zwischen dem Außenumfang der Hohlwelle 6 und der Rahmenhülse 9 sind zwei Sensoren 12, 13 angeordnet, die jeweils mit der Steuereinheit 15 verbunden sind, an der der elektrische Hilfsantrieb 18 angeschlossen ist. Die Sensoren 12, 13 sind als Flusssensoren ausgelegt, um eine Änderung eines magnetischen Flusses in einem Umfangsbereich 14 der Hohlwelle 6 zu erfassen, die erfindungsgemäß aus einem magnetisierbaren Material hergestellt ist.
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Wie aus 3 ersichtlich, wird der Umfangsbereich 14 der Hohlwelle 6, der durch zwei Ringelektroden 20, 21 begrenzt wird, durch Zufuhr eines Stroms 24 in die Ringelektroden 20, 21 magnetisiert. Dadurch wird ein permanentes Magnetfeld 22 erzeugt, das durch umlaufende Feldlinien auf der Wellenoberfläche symbolisiert dargestellt ist. Hierbei ist nur ein Teilbereich der Hohlwelle 6 magnetisiert. Mit steigender Magnetisierungstiefe in das Hohlwellenmaterial, die z. B. durch geeignete Impulslängen des Stroms 24 beeinflusst werden kann, erhöht sich die Stärke des permanenten Magnetfelds 22 und die Genauigkeit der Messung des magnetischen Flusses. Dieses permanente Magnetfeld 22 hat die Eigenschaft, dass bei der in 4 dargestellten belastungsfreien Hohlwelle 6 außerhalb der Hohlwelle 6 kein Magnetfeld auftritt, da die Feldlinien infolge eines fehlenden Streufelds (kein Drehmoment) in der Hohlwelle 6 in sich geschlossen sind. Die Sensoren 12, 13 erfassen demzufolge kein magnetisches Flusssignal. Bei einer Drehmomentbelastung der Hohlwelle 6, wie sie in 5 dargestellt ist, treten Zug- und/oder Druckspannungen σ mit einem Winkel von 45° zur Wellenachse der Hohlwelle 6 auf, die durch ein Pfeilsymbol 30 symbolisiert dargestellt sind. Aufgrund der magnetoelastischen Wechselwirkung versucht das permanente Magnetfeld 22, sich in diese 45°-Richtung hineinzudrehen, wobei der Drehwinkel proportional zur Drehmomentbelastung ansteigt. Als Folge davon ist das innere Magnetfeld 22 nicht mehr geschlossen ausgebildet, sodass an den seitlichen Grenzen des magnetisierten Umfangsbereichs 14 der Hohlwelle 6 die Feldlinien in den die Hohlwelle 6 umgebenden luftgefüllten Raum 32 austreten und über den luftgefüllten Raum 32 geschlossen werden. Ein dadurch im luftgefüllten Raum 32 auftretendes äußeres Magnetfeld 31 ist durch einen gestrichelten Bereich in 5 dargestellt. Der magnetische Fluss des äußeren Magnetfelds 31 kann von den Sensoren 12, 13 gemessen und an die Steuereinheit 15 als Maß für das anliegende Drehmoment in der Hohlwelle 6 ausgegeben werden. Die Größenordnung dieses so erzeugten Magnetfelds liegt im Bereich von 1 bis 100 µT.
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Es sei angemerkt, dass zur Kompensation von ggf. in der Umgebung vorhandenen weiteren homogenen Magnetfeldern, wie z. B. dem Erdmagnetfeld, vorzugsweise zwei permanente Magnetfelder mit unterschiedlichem Vorzeichen nebeneinander auf die Welle aufmagnetisiert werden können, wobei jedes der beiden Magnetfelder von jeweils zwei Sensoren erfasst wird. Die so von den insgesamt vier Sensoren gemessenen Werte für die beiden bei einer Wellentorsion auftretenden äußeren Magnetfelder der Welle werden von der Steuereinheit 15 voneinander subtrahiert. Dadurch werden die beiden Signalfelder der Welle addiert und vorliegende homogene Magnetfelder in der Umgebung dadurch kompensiert.
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Durch den erfindungsgemäßen Kurbeltrieb 1 ist es möglich, eine Drehmomentmessung sowie eine Freilauffunktion gemeinsam im Bauraum des Kurbeltriebs 1 vorzusehen. Durch den im Kurbeltrieb 1 angeordneten Freilauf kann auch bei einem nachträglich an einem Fahrrad 2 integrierten Zentralantrieb eine einfache Rekuperationsfunktion bereitgestellt werden.
