DE102011075708B4

DE102011075708B4 - Tretlagereinheit und Fahrrad

Info

Publication number: DE102011075708B4
Application number: DE102011075708.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Neubauer; Stefan Glück; Frank Benkert
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2031-05-13
Also published as: DE102011075708A1

Abstract

Tretlagereinheit, umfassendeine Tretlagerwelle (1),mindestens ein die Tretlagerwelle (1) drehbar aufnehmendes Lager (2, 3),einen optischen Sensor (6), der die Drehzahl der Tretlagerwelle (1) erfasst, wobei der optische Sensor (6) einen mit der Tretlagerwelle (1) drehfesten Signalgeber (11; 11'; 11") anmisst,dadurch gekennzeichnet,dass der optische Sensor (6) eine ortsauflösende Photodiode (12) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tretlagereinheit nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie ein Fahrrad nach Anspruch 10.
Aus der Praxis der Tretlagereinheiten, insbesondere für Fahrräder, ist die Forderung bekannt, die Drehzahl der in der Tretlagereinheit drehbar gelagerten Tretlagerwelle zu erfassen. Hierzu ist es bekannt, mit der Tretlagerwelle drehfest einen Signalgeber für einen optischen Sensor anzuordnen, wobei der optische Sensor den Signalgeber anmisst und aus dem Messsignal des optischen Sensors auf die Drehzahl der Tretlagerwelle geschlossen werden kann. Es ist schwierig, den Drehwinkel der Tretlagerwelle zu erfassen, wenn die Tretlagerwelle steht, beziehungsweise die Drehrichtung der Tretlagerwelle.
DE 10 2009 021 541 A1 beschreibt eine Tretlagereinheit mit einer Tretlagerwelle, die mittels zweier Lager drehbar gelagert ist, wobei ein Lagerkäfig drehfest auf der Oberfläche des Korpus der Tretlagerwelle befestigt ist, und wobei die Stege des Lagerkäfigs von einem optischen Sensor erfasst werden, um die Drehzahl der Tretlagerwelle zu ermitteln. Der Lagerkäfig ist dabei als Signalgeber des optischen Sensors ausgebildet. Eine Information über den absoluten Drehwinkel der Tretlagerwelle lässt sich nur sehr aufwendig erhalten.
DE 10 2008 050 235 A1 beschreibt eine Tretlagereinheit mit einer Tretlagerwelle, die mittels zweier Lager drehbar aufgenommen ist, wobei in einem Magnetfeld-Abschnitt des Korpus der Tretlagerwelle ein permanentes Magnetfeld so eingeprägt ist, dass bei Vorliegen eines Drehmomentes in der Tretlagerwelle aufgrund des magnetostriktiven Effektes ein außerhalb des Korpus erfassbares Magnetfeld erzeugt wird. Dabei umlaufen die Flusslinien des Magnetfeldes im drehmoment-freien Zustand der Tretlagerwelle die Drehachse der Tretlagerwelle im Wesentlichen konzentrisch. Tritt in der Tretlagerwelle ein Drehmoment auf, entsteht aufgrund des magnetostriktiven Effektes eine Magnetfeld-Komponente, die nicht mehr tangential gerichtet ist, so dass ein außerhalb der Tretlagerwelle auftretendes Magnetfeld nachweisbar ist. Die Tretlagereinheit umfasst weiter einen magnetischen Sensor, der das bei Vorliegen des Drehmomentes auftretende Magnetfeld erfasst. Die Tretlagereinheit umfasst ebenfalls einen optischen Sensor, mittels dessen die Drehzahl der Tretlagerwelle erfassbar ist, wobei der optische Sensor mindestens einen an der Tretlagerwelle drehfesten Signalgeber anmisst, wobei als Signalgeber eine Strukturierung der Oberfläche der Tretlagerwelle vorgesehen ist. Hierbei ist ungünstig, dass zwar die Drehzahl der Tretlagerwelle erfasst werden kann, nicht jedoch der momentane Drehwinkel.
Die US 6 163 148 A beschreibt eine Tretlagereinheit mit einer Tretlagerwelle, deren Drehzahl von einem Sensor erfasst wird, der einen mit der Tretlagerwelle drehfesten Signalgeber anmisst, wobei der Sensor ein Magnetfeld misst.
Die DE 10 2007 049 161 A1 beschreibt ein Lager, einen optischen Sensor zur Erfassung der Drehzahl des Lagers, der einen mit dem Lager drehfesten Signalgeber anmisst.
Die DE 697 11 342 T2 beschreibt eine Tretlagereinheit mit einer Tretlagerwelle, die in einem Lager aufgenommen ist und deren Drehzahl von einem optischen Sensor erfasst wird, der eine mit der Tretlagerwelle drehfeste Reflexionsplatte anmisst.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Tretlagereinheit anzugeben, die eine Information über den Drehwinkel der Tretlagerwelle liefern kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für die eingangs genannte Tretlagereinheit dadurch gelöst, dass der optische Sensor eine ortsauflösende Photodiode umfasst.
Der optische Sensor umfasst dabei eine Lichtquelle für beispielsweise sichtbares Licht oder IR-Strahlung, wobei die Strahlung der Lichtquelle auf die Außenkontur des Signalgebers gelenkt und dort reflektiert wird. Das reflektierte Licht wird von der ortsauflösenden Photodiode des optischen Sensors erfasst, wobei die ortsauflösende Photodiode die ein- oder zweidimensionale Position des reflektierten Lichtstrahls erfasst und ein dementsprechendes Signal ausgibt. Der von der Lichtquelle angestrahlte Signalgeber weist eine in Umfangsrichtung der Tretlagerwelle veränderliche, insbesondere bezogen auf die Drehachse der Tretlagerwelle nicht-drehsymmetrische, Außenkontur auf, so dass bei der Drehung der Tretlagerwelle der Lichtstrahl zu unterschiedlichen Stellen der ortsauflösenden Photodiode reflektiert wird. Das Messsignal der ortsauflösenden Photodiode entspricht dann dem Drehwinkel der Tretlagerwelle.
Ortsauflösende Photodioden sind als Position Sensitive Devices' oder als ,Position Sensitive Detectors' (PSD) beziehungsweise als Optische Positionssensoren (OPS) grundsätzlich bekannt und in analoger beziehungsweise diskreter Betriebsform geläufig.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die ortsauflösende Photodiode radial beabstandet zu dem Signalgeber angeordnet ist. Dabei lässt sich Bauraum in axialer Richtung sparen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Signalgeber eine Ringscheibe mit einer radialen Außenkontur umfasst, wobei ein Abstand der Außenkontur zu einer Drehachse der Tretlagerwelle veränderlich ist. Der Abstand der Außenkontur von der Drehachse der Tretlagerwelle ist dabei ein Maß für den Drehwinkel der Tretlagerwelle. Insbesondere kann der Abstand der Außenkontur zu der Drehachse der Tretlagerwelle in Umfangsrichtung abschnittsweise stetig, insbesondere linear, zu- oder abnehmen, so dass eine direkte Proportionalität zwischen dem Abstand und dem Drehwinkel über einen größeren Drehwinkelbereich, insbesondere bis zu 360°, gegeben ist.
In einfacher Ausgestaltung der Tretlagerwelle ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Signalgeber eine Ringscheibe mit einer kreisförmigen Außenkontur und einer kreisförmigen Innenkontur aufweist, wobei die Außenkontur und die Innenkontur konzentrisch angeordnet sind, und wobei die Ringscheibe bezogen auf eine Drehachse der Tretlagerwelle versetzt angeordnet ist. Die Mittelpunkte der Außenkontur und der Innenkontur fallen dabei zusammen, sind jedoch bezogen auf die Drehachse der Tretlagerwelle exzentrisch angeordnet, so dass ein Lichtstrahl, der auf die Außenkontur gerichtet und dort reflektiert wird, an verschiedenen Stellen der radial beabstandeten ortsauflösenden Photodiode erfasst wird. Dabei lassen sich Drehwinkel von bis zu 180°, also zwei Halbkreise, erfassen.
Alternativ oder ergänzend zu einer bezogen auf die Drehachse der Tretlagerwelle exzentrisch angeordneten Ringscheibe als Signalgeber ist vorzugsweise vorgesehen, dass eine Breite der Ringscheibe in radialer Richtung veränderlich, insbesondere in Umfangsrichtung stetig veränderlich ist. Insbesondere kann die Ringscheibe eine kreisförmige, zu der Drehachse der Tretlagewelle konzentrische Innenkontur aufweisen, mit der die Ringscheibe auf der Mantelfläche der Tretlagewelle befestigt ist, wobei die in radialer Richtung, bezogen auf die Drehachse der Tretlagewelle, veränderliche Breite der Ringscheibe von dem optischen Sensor angemessen wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Ringscheibe eine erste Teilscheibe und eine an der ersten Teilscheibe befestigte zweite Teilscheibe umfasst, und dass der in radialer Richtung schmalste Abschnitt der einen Teilscheibe an den in radialer Richtung breitesten Abschnitt der anderen Teilscheibe angrenzt.
Alternativ oder ergänzend zu einer radial von dem Signalgeber beabstandeten ortsauflösenden Photodiode ist vorzugsweise vorgesehen, dass die ortsauflösende Photodiode axial beabstandet zu dem Signalgeber angeordnet ist. Dabei lässt sich Bauraum in radialer Richtung einsparen beziehungsweise bereits vorhandener Bauraum in axialer Richtung ausnutzen.
Vorzugsweise ist hinsichtlich der von dem Signalgeber axial beabstandeten ortsauflösenden Photodiode vorgesehen, dass der Signalgeber eine Ringscheibe mit einer in axialer Richtung veränderlichen Dicke umfasst. Insbesondere ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Dicke der Ringscheibe in Umfangsrichtung abschnittsweise stetig, insbesondere linear, veränderlich ist.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.

1 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Tretlagereinheit,
1a zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht des Signalgebers der Tretlagereinheit aus 1,
2 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Tretlagereinheit,
2a zeigt eine Draufsicht (linkes Teilbild) und eine teilweise geschnittene Ansicht (rechtes Teilbild) des Signalgebers der Tretlagereinheit aus 2, und
3 zeigt eine Draufsicht auf einen Signalgeber eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Tretlagereinheit.

1 zeigt eine Tretlagereinheit, die eine Tretlagerwelle 1 umfasst, die mittels zweier Lager 2, 3 um eine Drehachse 4 drehbar gegenüber einem Gehäuse 5 gelagert ist.
In das metallische Korpus der Tretlagerwelle 1 ist im Bereich eines ersten Magnetfeld-Abschnittes 7 ein erstes permanentes Magnetfeld und im Bereich eines zweiten Magnetfeld-Abschnittes 8 ein zweites permanentes Magnetfeld eingeprägt. Liegt kein Drehmoment in der Tretlagerwelle 1 vor, umlaufen die beiden permanenten Magnetfelder die Drehachse 4 konzentrisch, aber gegensinnig, so dass außerhalb der Tretlagerwelle 1 nur magnetische Streufelder nachzuweisen sind. Wird in die Tretlagerwelle 1 ein Drehmoment eingebracht, beispielsweise durch einen Bediener, der mittels Tretkurbeln eine Kraft in die Tretlagerwelle 1 einleitet, treten aufgrund des magnetostriktiven Effektes in beiden Magnetfeld-Abschnitten 7, 8 äußere Magnetfelder auf, die von Betrag und Richtung unterschiedlich sein können und die ein Maß für das in der Tretlagewelle 1 vorliegende Drehmoment sind. Die äußeren Magnetfelder werden von zwei magnetischen Sensoren 9, 10 erfasst, die als Hall-Sensoren ausgebildet sind und mittelbar an dem Gehäuse 5 befestigt sind, relativ zu dem die Tretlagewelle 1 drehbar gelagert ist.
Die Tretlagereinheit umfasst weiter einen optischen Sensor 6, der die Drehung, insbesondere die Drehzahl der Tretlagerwelle 1, erfasst, wobei der optische Sensor 6 einen mit der Tretlagerwelle 1 drehfesten Signalgeber 11 anmisst, der in 1a in einer geschnittenen Ansicht dargestellt ist.
Der optische Sensor 6 umfasst eine Lichtquelle für IR-Strahlung, die auf den Signalgeber 11 gerichtet wird und von dem Signalgeber 11 reflektiert wird. Der optische Sensor 6 umfasst weiter eine ortsauflösende Photodiode 12, ein PSD-Element, das mittelbar an dem Gehäuse 5 und damit bezogen auf den Signalgeber 11 feststehend angeordnet ist. Die ortsauflösende Photodiode 12 erfasst die an dem Signalgeber 11 reflektierte Strahlung und liefert ein Messsignal, das eine Angabe darüber enthält, an welcher Stelle der flächigen ortsauflösenden Photodiode 12 der reflektierte Lichtstrahl erfasst wurde.
Die ortsauflösende Photodiode 12 ist axial beabstandet, also in Richtung der Erstreckung der Drehachse 4 der Tretlagerwelle 1 versetzt, zu dem Signalgeber 11 angeordnet.
Der in 1a näher dargestellte Signalgeber 11 umfasst eine Ringscheibe 13 mit einer in axialer Richtung veränderlichen Dicke. Die Dicke der Ringscheibe 13 nimmt dabei in Umfangsrichtung, bezogen auf die Drehachse 4, stetig zu, und zwar linear, derart, dass bei einem Umlauf um 360° ein Sprung in der Dicke von einem maximalen Wert D zu einem minimalen Wert d erfolgt.
Die Ringscheibe 13 weist damit eine in axialer Richtung vorgesehene rampenförmige Struktur auf. Ein Lichtstrahl, der auf die Oberfläche 14 mit der rampenförmigen Struktur senkrecht trifft, wird nicht senkrecht zurückreflektiert, sondern unter einem Winkel, und trifft versetzt auf die ortsauflösende Photodiode 12. Der Ort an der Fläche der ortsauflösenden Photodiode 12, zu dem der senkrecht einfallende Lichtstrahl hin reflektiert wird, hängt von der Dicke der Ringscheibe 13 und damit von dem Drehwinkel ab, den die Ringscheibe 13 und damit die Tretlagerwelle 1 relativ zu einem ausgezeichneten Punkt an dem Gehäuse, beispielsweise der Stelle, an der die ortsauflösende Photodiode 12 angeordnet ist, aufweist. Bei der Drehung der Ringscheibe 13 zusammen mit der Tretlagerwelle 1 wandert der reflektierte Lichtstrahl entlang der von der ortsauflösenden Photodiode 12 abgetasteten Fläche, so dass die ortsauflösende Photodiode einen Messwert ausgibt, der einer Strecke entspricht, die zu dem Drehwinkel der Tretlagerwelle 1 proportional ist.
Die Ringscheibe 13 weist eine kreisförmige Außenkontur 14 und eine dazu konzentrische kreisförmige Innenkontur 15 auf, wobei die Mittelpunkte auf der Drehachse 4 zusammenfallen.
Bei der nachfolgenden Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder in ihrer technischen Wirkung vergleichbare Merkmale. Es sollen insbesondere die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel herausgestellt werden.
2 zeigt eine Tretlagereinheit mit einem optischen Sensor 6, der eine nicht dargestellte IR-Lichtquelle umfasst, wobei die Strahlung der IR-Lichtquelle auf einen Signalgeber 11' gerichtet ist, der mit der Tretlagerwelle 1 drehfest verbunden ist. Der optische Sensor 6 umfasst weiter eine ortsauflösende Photodiode 12, die bezogen auf die Drehachse 4 radial beabstandet von dem Signalgeber 11' angeordnet ist.
Der in 2a näher dargestellte Signalgeber 11' umfasst eine Ringscheibe 13' mit einer Außenkontur 14, die bezogen auf die Drehachse 4 entlang der Umfangsrichtung veränderlichen Abstand aufweist.
Die Ringscheibe 13' weist dabei eine kreisförmige Innenkontur 15 auf, deren Kreismittelpunkt mit der Drehachse 4 zusammenfällt, sowie eine kreisförmige Außenkontur 14, deren Kreismittelpunkt von dem Mittelpunkt der Innenkontur 15 beabstandet ist. Dabei ändert sich die Breite der Ringscheibe 13' in Umfangsrichtung, also die Ausdehnung der Ringscheibe 13' in einer Richtung senkrecht zu der Erstreckung der Drehachse 4. Die Änderung der Breite der Ringscheibe 13' erfolgt dabei stetig, und zwar von einem minimalen Wert x zu einem maximalen Wert x+dx.
Der auf die Außenkontur 14 gerichtete Lichtstrahl der Lichtquelle des optischen Sensors 6 wird dabei in Abhängigkeit von der Breite der Ringscheibe 13' an der von dem Lichtstrahl ausgeleuchteten Stelle zu einer Stelle auf der flächigen ortsauflösenden Photodiode 12 reflektiert, so dass der von der ortsauflösenden Photodiode 12 erfasste Messwert eine Information über die Breite der Ringscheibe 13' und damit über den Drehwinkel der Tretlagerwelle 1 enthält.
Mit der in 2a dargestellten Ringscheibe 13' als Signalgeber 11' lässt sich ein Winkelbereich von 180° codieren. Die Dicke der Ringscheibe 11', also die Erstreckung der Ringscheibe 11' in Richtung parallel zu der Drehachse, bleibt dabei in Umfangsrichtung konstant.
3 zeigt einen Signalgeber 11" mit einer Ringscheibe 13", wobei der Abstand der Außenkontur der Ringscheibe 13" zu der Drehachse 4 in Umfangsrichtung veränderlich ist.
Die Ringscheibe 13" umfasst eine erste Teilscheibe 16 und eine an der ersten Teilscheibe 16 befestigte zweite Teilscheibe 17, wobei jede der beiden Teilscheiben 16, 17 sich über einen Winkel von 180° erstreckt. Dabei nimmt die Breite der jeweiligen Teilscheibe 16, 17 von einem minimalen Wert d1 zu einem maximalen Wert d2 in Umfangsrichtung stetig zu, wobei zusätzlich vorgesehen ist, dass der in radialer Richtung schmalste Abschnitt mit der minimalen Breite d1 der einen Teilscheibe an den in radialer Richtung breitesten Abschnitt mit der maximalen Breite d2 der anderen Teilscheibe angrenzt. Die Ringscheibe 13" weist eine kreisförmige Innenkontur 15 auf, deren Mittelpunkt mit der Drehachse 4 zusammenfällt.
Die Ringscheibe 13" kann anstelle der Ringscheibe 13' aus dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein und ermöglicht zusätzlich die Erfassung der Drehrichtung, wenn die ortsauflösende Photodiode radial beabstandet von der Ringscheibe 13" angeordnet ist und die von der Außenkontur der Ringscheibe 13" reflektierte Strahlung des optischen Sensors erfasst.
Bezugszeichenliste

1: Tretlagerwelle
2: Lager
3: Lager
4: Drehachse
5: Gehäuse
6: optischer Sensor
7: erster Magnetfeld-Abschnitt
8: zweiter Magnetfeld-Abschnitt
9: erster magnetischer Sensor
10: zweiter magnetischer Sensor
11, 11', 11": Signalgeber
12: ortsauflösende Photodiode
13, 13', 13": Ringscheibe
14: Außenkontur
15: Innenkontur
16: erste Teilscheibe
17: zweite Teilscheibe

Claims

Tretlagereinheit, umfassend eine Tretlagerwelle (1), mindestens ein die Tretlagerwelle (1) drehbar aufnehmendes Lager (2, 3), einen optischen Sensor (6), der die Drehzahl der Tretlagerwelle (1) erfasst, wobei der optische Sensor (6) einen mit der Tretlagerwelle (1) drehfesten Signalgeber (11; 11'; 11") anmisst, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (6) eine ortsauflösende Photodiode (12) umfasst.
Tretlagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsauflösende Photodiode (12) radial beabstandet zu dem Signalgeber (11', 11") angeordnet ist.
Tretlagereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (11'; 11") eine Ringscheibe (13'; 13") mit einer Außenkontur (14) umfasst, wobei ein Abstand der Außenkontur (14) zu einer Drehachse (4) der Tretlagerwelle (1) veränderlich ist.
Tretlagereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite der Ringscheibe (11', 11") in radialer Richtung veränderlich, insbesondere in Umfangsrichtung stetig veränderlich ist.
Tretlagereinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringscheibe (13") eine erste Teilscheibe (16) und eine an der ersten Teilscheibe (16) befestigte zweite Teilscheibe (17) umfasst, und dass der in radialer Richtung schmalste Abschnitt der einen Teilscheibe an den in radialer Richtung breitesten Abschnitt der anderen Teilscheibe angrenzt.
Tretlagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsauflösende Photodiode (12) axial beabstandet zu dem Signalgeber (11) angeordnet ist.
Tretlagereinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (11) eine Ringscheibe (13) mit einer in axialer Richtung veränderlichen Dicke umfasst.
Tretlagereinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Ringscheibe (13) in Umfangsrichtung abschnittsweise stetig, insbesondere linear, veränderlich ist.
Tretlagereinheit nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (11) eine Ringscheibe (13) mit einer kreisförmigen Außenkontur (14) und einer kreisförmigen Innenkontur (15) aufweist, wobei die Außenkontur (14) und die Innenkontur (15) konzentrisch angeordnet sind, und wobei die Ringscheibe (13) bezogen auf eine Drehachse (4) der Tretlagerwelle (1) versetzt angeordnet ist.
Fahrrad, insbesondere E-Bike, Pedelec oder Ergometer, umfassend eine Tretlagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9.