DE10215964C1 - Sensor zum Detektieren der Tretkraft bei einem motorunterstützten Fahrrad - Google Patents

Sensor zum Detektieren der Tretkraft bei einem motorunterstützten Fahrrad

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Abstract

Sensor zum Detektieren der Tretkraft bei einem motorunterstützten Fahrrad, mit einem Übertragungssystem, einem elastischen Glied (L1), einer ringförmigen Magneteinrichtung (M, M1), einem Hall-Sensor (N) und einem Motor, wobei das Übertragungssystem zumindest ein Paar Schrägzahnräder (C, D; F, E) umfaßt, wobei ein erstes Schrägzahnrad (C, F) des Paares durch die Tretkraft aktivierbar ist, um um einen festen Ort herum zu rotieren, und ein zweites Schrägzahnrad (D, E) des Paares auf einer Welle (L) angeordnet ist, um vom ersten Schrägzahnrad so angetrieben zu werden, daß es bei Rotation des zweiten Schrägzahnrades seitlich entlang der Welle versetzt wird, wobei ein Abstand der Versetzung proportional zu einem Drehmoment der Tretkraft ist, wobei das elastische Glied (L1) an einem Ende des zweiten Schrägzahnrades (D, E) vorgesehen ist und so angeordnet ist, daß es komprimiert wird, wenn das zweite Schrägzahnrad versetzt wird, wobei die ringförmige Magneteinrichtung (M, M1) mit dem zweiten Schrägzahnrad nahe dem Hall-Sensor verbunden ist, der an einem festen Ort befestigt ist, derart, daß der Abstand zwischen der ringförmigen Magneteinrichtung und dem Hall-Sensor variiert, wenn das zweite Schrägzahnrad versetzt wird, wobei der Hall-Sensor ein Spannungssignal detektiert und erzeugt, welches für den Abstand des Versetzens und daher die Tretkraft repräsentativ ist, und wobei das Spannungssignal den Motor steuert, um Unterstützungsleistung an das Fahrrad abzugeben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Detektieren der Tretkraft bei einem motorunterstützten Fahrrad, insbeson­ dere auf einen solchen, der einfach im Aufbau ist und ge­ ringere Produktionskosten aufweist, um den ökonomischen Vor­ teil zu verbessern.
Ein Sensor eines motorunterstützten Fahrrads (üblicherweise eines elektrischen Fahrrads) ist vorgesehen, um die Tretkraft zu detektieren und ein Signal zu einem motorunterstützten Übertragungssystem zu erzeugen, um für das Fahrrad unter­ stützende Leistung zur Verfügung zu stellen, um es auf diese Weise einem Fahrradfahrer zu ermöglichen, mit weniger Kraft Fahrrad zu fahren.
Aus der US 5 474 148 A ist ein Pedalkraftsensor bei einem mo­ torunterstützten Fahrrad bekannt. Der Mechanismus umfaßt einen Hebel, der am Sonnenrad eines Umlaufgetriebes befestigt ist und der zwei Ansätze trägt. Ein Ansatz kommt in seiner einen Endposition mit einem festen Anschlag des Rahmens in Eingriff. Der andere Ansatz kommt mit einem zweiten Hebel in Eingriff, der an der Welle eines Potentiometers befestigt ist und der mit einem elastischen Glied in Eingriff kommt derart, daß eine Rotation des zweiten Hebels und des Potentiometers die Tret­ kraft anzeigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Verfügung zu stellen, um die Tretkraft eines motorunterstütz­ ten Fahrrads zu detektieren, der einfach im Aufbau ist und die Herstellungskosten reduziert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor vorgesehen zum Detektieren der Tretkraft eines motorunterstützten Fahrrades mit einem Übertragungssystem bzw. Getriebesystem, einem ela­ stischen Glied, einer ringförmigen Magneteinrichtung, einem Hall-Sensor und einem Motor, wobei das Übertragungssystem zu­ mindest ein Paar schrägverzahnte Zahnräder umfaßt, wobei ein erstes schrägverzahntes Zahnrad des Paars durch die Tretkraft aktiviert wird, um um einen festen Ort herum zu rotieren und ein zweites schrägverzahntes Zahnrad des Paares auf einer Wel­ le angeordnet ist, um vom ersten schrägverzahnten Zahnrad an­ getrieben zu werden derart, daß, wenn das zweite schrägver­ zahnte Zahnrad rotiert, es axial entlang der Welle versetzt wird, wobei der Abstand des Versatzes proportional ist dem Drehmoment der Tretkraft,
wobei das elastische Glied gegenüber der Stirnseite des zweiten schrägverzahnten Zahnrades vorgesehen ist und so an­ geordnet ist, daß es komprimiert wird, wenn das zweite schräg­ verzahnte Zahnrad versetzt wird,
wobei die ringförmige Magneteinrichtung mit dem zweiten schrägverzahnten Zahnrad in Nähe des Hall-Sensors verbunden ist, welcher ortsfest befestigt ist, derart, daß der Abstand zwischen der ringförmigen Magneteinrichtung und dem Hall-Sen­ sor variiert, wenn das zweite schrägverzahnte Zahnrad axial versetzt wird,
wobei der Hall-Sensor ein Spannungssignal detektiert und erzeugt, welches für den Abstand des Versatzes und somit für die Tretkraft repräsentativ ist, und
wobei das Spannungssignal den Motor steuert, um an das Fahrrad Unterstützungsleistung abzugeben.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Er­ findung anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeich­ nung zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Tretkraft-Sensors ge­ mäß der vorliegenden Erfindung, welcher in einem Fahrrad eingebaut ist,
Fig. 2 eine perspektivische Explosionsansicht des erfin­ dungsgemäßen Tretkraft-Sensors,
Fig. 3 eine seitliche Querschnittsansicht des Übertragungs­ systems eines motorunterstützten Fahrrads gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 4 eine seitliche Querschnittsansicht des erfindungsge­ mäßen Tretkraft-Sensors.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Sensors zum Detektieren der Tretkraft eines motorunterstützten Fahrrads umfaßt eine erste Übertragungswelle A, ein Einweg-Zahngesperre bzw. -Klin­ kenrad B, ein erstes (linksgängiges) schrägverzahntes Zahnrad C, eine zweite Übertragungswelle L, ein zweites (rechtsgängi­ ges) schrägverzahntes Zahnrad D, ein drittes (linksgängiges) schrägverzahntes Zahnrad E, ein viertes (rechtsgängiges) schrägverzahntes Zahnrad F, einen Motor O und einen Hall-Sen­ sor N, die als Hauptbestandteile miteinander kombiniert sind.
Die Enden A1 und A2 der ersten Übertragungswelle sind ent­ sprechend verbunden mit gegenüberliegenden Tretkurbeln H1 und H2 eines Fahrrads, so daß die erste Übertragungswelle A zum Rotieren gebracht werden kann, wenn die Tretkurbeln H1, H2 (beispielsweise durch Menschenkraft) getreten werden.
Das Einweg-Klinkenrad B ist axial gegen ein linkes Ende der ersten Übertragungswelle A1 angepaßt. Das Klinkenrad B weist Zähne auf, um (gesehen vom linken Ende A1 in Richtung zum Ende A2 der Übertragungswelle A) eine Bewegung im Gegenuhrzeiger­ sinn zu erlauben und zu übertragen. Das erste (linksgängige) schrägverzahnte Zahnrad C ist an das Klinkenrad B fest ange­ paßt, so daß, wenn die erste Übertragungswelle A im Gegenuhr­ zeigersinn (gesehen vom rechten Ende A1 der Übertragungswelle) rotiert wird, das erste (linksgängige) schrägverzahnte Zahnrad C ebenfalls in die gleiche Richtung rotiert.
Die zweite Übertragungswelle L ist neben der ersten Übertra­ gungswelle A angeordnet und ein zweites (rechtsgängiges) schrägverzahntes Zahnrad D ist axial vorgesehen. Das zweite (rechtsgängige) schrägverzahnte Zahnrad D ist in seiner Posi­ tion entlang der zweiten Übertragungswelle L bewegbar und steht, wie in Fig. 3 gezeigt, mit dem ersten (linksgängigen) schrägverzahnten Zahnrad C der ersten Übertragungswelle A in Eingriff. Wenn daher das erste (linksgängige) schrägverzahnte Zahnrad C aktiviert wird, um im Gegenuhrzeigersinn zu rotieren (gesehen vom linken Ende A1 der ersten Übertragungswelle), so rotiert das zweite (rechtsgängige) schrägverzahnte Zahnrad D im Uhrzeigersinn.
Weiterhin ist das dritte (linksgängige) schrägverzahnte Zahn­ rad E an einer Seite des zweiten (rechtsgängigen) schrägver­ zahnten Zahnrads D fest angeordnet, so daß sie zusammen in der gleichen Richtung rotieren. Weiterhin ist das vierte (rechts­ gängige) schrägverzahnte Zahnrad F auf der ersten Übertra­ gungswelle A axial aufgesetzt. Das vierte (rechtsgängige) schrägverzahnte Zahnrad F ist so angeordnet, daß es mit dem dritten (linksgängigen) schrägverzahnten Zahnrad E in Eingriff steht und mit dem ersten linksgängigen schrägverzahnten Zahn­ rad C in der gleichen Richtung rotiert. Das vierte (rechtsgän­ gige) schrägverzahnte Zahnrad F ist axial hin zum rechten Ende A2 der ersten Übertragungswelle A angeordnet. Die Seite des vierten (rechtsgängigen) schrägverzahnten Zahnrads F, die zum rechten Ende A2 der ersten Übertragungswelle A hin gerichtet ist, ist, wie in Fig. 4 gezeigt, mit einem Kettenrad G1 ver­ bunden. Diese Anordnung ermöglicht es einer Kette J, sich der­ art zu bewegen, daß sich das hintere Rad K1 eines Fahrrads im Gegenuhrzeigersinn bewegt (gesehen vom linken Ende A1 der er­ sten Übertragungswelle) und sich das Rad vorwärts bewegt, vgl. Fig. 1.
Wenn die Tretkurbeln H1 und H2 getreten werden, so wird die erste Übertragungswelle A angetrieben, um im Uhrzeigersinn zu rotieren (gesehen vom linken Ende A1 hin zum Ende A2 der ersten Übertragungswelle A). Das erste (linksgängige) schräg­ verzahnte Zahnrad C rotiert ebenfalls im Gegenuhrzeigersinn aufgrund des im Gegenuhrzeigersinn drehbaren Einweg-Klinkenra­ des B, welches koaxial zwischen die erste Übertragungswelle A und das erste (linksgängige) schrägverzahnte Zahnrad C einge­ paßt ist. Mittlerweile werden das zweite (rechtsgängige) schrägverzahnte Zahnrad D und das dritte (linksgängige) schrägverzahnte Zahnrad E, die miteinander verbunden sind und um die gleiche Übertragungswelle L herum angeordnet sind, be­ tätigt, um im Uhrzeigersinn (gesehen vom linken Ende A1 der ersten Übertragungswelle) und synchron zu rotieren, das vierte (rechtsgängige) schrägverzahnte Zahnrad F der ersten Übertra­ gungswelle A und das Kettenrad G1, welche miteinander verbun­ den sind, werden aktiviert, um im Gegenuhrzeigersinn zu rotie­ ren und die Kette J anzutreiben und das hintere Rad K1 des Fahrrads in der gleichen Richtung zu rotieren, um auf diese Weise das Fahrrad vorwärtszubewegen.
Beim Vorgang des Übertragens von Drehbewegung tritt eine seit­ liche Kraft auf, wenn die schrägverzahnten Zahnräder C, D, E und F rotieren. Die seitliche Kraft, die in Richtung zum lin­ ken Ende A1 der ersten Übertragungswelle A wirkt, wird er­ zeugt, wenn das erste (linksgängige) schrägverzahnte Zahnrad C das zweite (rechtsgängige) schrägverzahnte Zahnrad D zur Rota­ tion aktiviert, und eine weitere seitliche bzw. Querkraft wird erzeugt, die hin zum linken Ende A1 der ersten Übertragungs­ welle A wirkt, wenn das dritte (linksgängige) schrägverzahnte Zahnrad E das vierte (rechtsgängige) schrägverzahnte Zahnrad F zur Rotation aktiviert.
Zwischen der zweiten Übertragungswelle L und den schrägver­ zahnten Zahnrädern D und E, die hierauf axial vorgesehen sind, ist keine Verriegelungseinrichtung vorgesehen. Daher können die schrägverzahnten Zahnräder D und E sich frei entlang der Länge der zweiten Übertragungswelle L bewegen. Wenn die Tret­ kurbeln H1 und H2 getreten werden, so bewegen sich das zweite und das dritte schrägverzahnte Zahnrad D bzw. E entlang der zweiten Übertragungswelle L in Richtung zum linken Ende (ent­ sprechend A1) aufgrund der seitlichen bzw. Lateralkraft. Das Drehmoment der Tretkraft der Tretkurbeln H1 und H2 ist propor­ tional der Verschiebungsentfernung des zweiten und des dritten schrägverzahnten Zahnrads D bzw. E und kann daher detektiert werden.
Weiterhin ist die Breite des zweiten und des dritten schräg­ verzahnten Zahnrades D bzw. E größer als diejenige des ersten und des vierten schrägverzahnten Zahnrades C bzw. F, um einen permanenten Eingriff zwischen ihnen sicherzustellen. Wenn das zweite und das dritte schrägverzahnte Zahnrad D bzw. E betä­ tigt werden, um zu rotieren und sich axial entlang der zweiten Übertragungswelle verschieben, so stehen sie infolge dessen immer noch mit dem ersten und dem vierten schrägverzahnten Zahnrad C und F in Eingriff.
Ein elastisches Glied L1 ist um das linke Ende der zweiten Übertragungswelle L angeordnet. Es ist so angeordnet, daß es vom zweiten und dritten schrägverzahnten Zahnrad D bzw. E kom­ primiert wird, wenn diese aufgrund der Wirkungen der Lateral­ kraft, die bei ihrer Rotation erzeugt wird, sich verschieben. Die Verschiebeentfernung des zweiten und dritten schrägver­ zahnten Zahnrads D bzw. E ist proportional dem Ausgangsdrehmo­ ment der ersten Übertragungswelle. Das zweite und das dritte schrägverzahnte Zahnrad D bzw. E können mittels des elasti­ schen Glieds L1 gezwungen werden, in ihre ursprünglichen Posi­ tionen auf der zweiten Übertragungswelle L zurückzukehren.
Um den Verschiebeabstand des zweiten und des dritten schräg­ verzahnten Zahnrads D bzw. E zu detektieren, ist am linken Ende des zweiten schrägverzahnten Zahnrads D eine ringförmige Magneteinrichtung vorgesehen. Die ringförmige Magneteinrich­ tung weist einen Ring M auf, der mit einem ringförmigen Magne­ ten M1 zusammengebaut ist. Ein Hall-Sensor N ist an einer Po­ sition relativ zum ringförmigen Magneten M1 eingebaut. Er kann, wie in Fig. 3 gezeigt, an der inneren Wandung eines Ge­ triebegehäuses T befestigt sein.
Der Hall-Sensor N erzeugt ein Spannungssignal, wenn sich das zweite und das dritte schrägverzahnte Zahnrad D bzw. E entlang der zweiten Übertragungswelle bewegen, und zwar aufgrund der Änderung des Abstands zwischen dem Hall-Sensor N und dem ring­ förmigen Magnet M1. Das Spannungssignal ist repräsentativ für die Tretkraft der Tretkurbeln H1 und H2. Die Tretkraft wird daher entsprechend einer Änderung des Abstandes zwischen dem Hall-Sensor N und dem ringförmigen Magneten M1 detektiert. Das Spannungssignal steuert den Motor O, um eine Unterstützungs­ leistung an das Fahrrad abzugeben. Das Zahnrad P, welches an einem vorderen Ende der Welle des Motors O angeordnet ist, aktiviert ein geschwindigkeits-verminderndes System bestehend aus den Zahnrädern Q, R und S zur gemeinsamen Rotation mit dem Kettenrad G1, so daß auf diese Weise das Ziel des Zurverfü­ gungstellens einer Unterstützungsleistung für das Fahrrad er­ reicht wird, wie in Fig. 4 dargestellt. Wie weiter oben be­ schrieben, sind das zweite und das dritte schrägverzahnte Zahnrad D bzw. E entsprechend das rechtsgängige schrägverzahn­ te Zahnrad, die nur eine Deflektionskraft durch Verschiebung erhöhen. Solang daher entweder die erste schrägverzahnte Zahn­ radeinheit ein erstes schrägverzahntes Zahnrad C und das zwei­ te schrägverzahnte Zahnrad D oder die zweite schrägverzahnte Zahnradeinheit ein drittes schrägverzahntes Zahnrad E und das vierte schrägverzahnte Zahnrad F umfaßt, also aus schrägver­ zahnten Zahnrädern besteht, kann die andere Einheit aus gera­ den Zahnrädern oder trotzdem aus schrägverzahnten Zahnrädern bestehen und es kann ebenfalls eine Lateralkraft erzeugt wer­ den und angewandt werden, um die Tretkraft eines motorunter­ stützten Fahrrads zu detektieren, wenn die schrägverzahnten Zahnräder verwendet werden.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wird, werden die schrägverzahnten Zahnräder C, D, E und F angetrieben, um zu rotieren und eine Lateralkraft zu erzeugen derart, daß die Tretkraft detektiert wird und im Bedarfsfall eine Unterstüt­ zungsleistung zur Verfügung gestellt wird.
Während im Vorstehenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, ist es für den Fachmann klar, daß zahlreiche Variationsmöglichkeiten und Modifikationen möglich sind.

Claims (1)

  1. Sensor zum Detektieren der Tretkraft bei einem motorun­ terstützten Fahrrad, mit einem Übertragungssystem, einem ela­ stischen Glied (L1), einer ringförmigen Magneteinrichtung (M, M1), einem Hall-Sensor (N) und einem Motor, wobei das Übertra­ gungssystem zumindest ein Paar schrägverzahnte Zahnräder (C, D; F, E) umfaßt, wobei ein erstes schrägverzahntes Zahnrad (C, F) des Paares durch die Tretkraft aktivierbar ist, um ortsfest zu rotieren, und ein zweites schrägverzahntes Zahnrad (D, E) des Paares auf einer Welle (L) angeordnet ist, um vom ersten schrägverzahnten Zahnrad so angetrieben zu werden, daß es bei Rotation des zweiten schrägverzahnten Zahnrads axial entlang der welle versetzt wird, wobei ein Abstand des Versatzes pro­ portional zu einem Drehmoment der Tretkraft ist,
    wobei das elastische Glied (L1) gegenüber der Stirnseite des zweiten schrägverzahnten Zahnrades (D, E) vorgesehen ist und so angeordnet ist, daß es komprimiert wird, wenn das zwei­ te schrägverzahnte Zahnrad versetzt wird,
    wobei die ringförmige Magneteinrichtung (M, M1) mit dem zweiten schrägverzahnten Zahnrad nahe dem Hall-Sensor verbun­ den ist, der ortsfest befestigt ist, derart, daß der Abstand zwischen der ringförmigen Magneteinrichtung und dem Hall-Sen­ sor variiert, wenn das zweite schrägverzahnte Zahnrad axial versetzt wird,
    wobei der Hall-Sensor ein Spannungssignal detektiert und erzeugt, welches für den Abstand des Versatzes und daher die Tretkraft repräsentativ ist, und
    wobei das Spannungssignal den Motor steuert, um Unter­ stützungsleistung an das Fahrrad abzugeben.
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