DE19609981A1 - Innenlager für Fahrräder mit integriertem Meßaufnahmesystem für Drehmoment, Drehzahl, Drehwinkel und Antriebsenergie - Google Patents
Innenlager für Fahrräder mit integriertem Meßaufnahmesystem für Drehmoment, Drehzahl, Drehwinkel und AntriebsenergieInfo
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Description
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Innenlager für Fahrräder, das
gleichzeitig die Funkion eines Meßaufnahmesystems beinhaltet zur Auf
nahme des Pedaldruckes auf die Tretkurbeln sowie in Kombination oder
jeweils unabhängig der Kurbeldrehzahl und des Kurbelwinkels.
Das Innenlager läßt sich ebenso in Krankenfahrstühlen oder Ergometern
oder dgl. Geräte mehr zur Ermittlung der biologischen Energie einsetzen.
Sie ist auch besonders geeignet zur Ermittlung der oben genannten Meß
größen in Kraftfahrzeuglenkungssystemen.
Die Meßeinheit ist in der Lage durch das über ein Ende oder beide Enden in
eine sich drehende Welle eingeleitet Drehmoment ein Steuersignal zu er
zeugen und an einen statischen Aufnahmesensor zu übermitteln. Gleichzei
tig kann über eine weitere Kraftquelle ein Drehmoment auf den Fahrradan
trieb gespeist werden, ohne daß die Messung dadurch beeinflußt wird.
Der Drehmoment Sensor nach dem heutigen Stand der Technik bei Fahrrä
dern ist vorwiegend zur Messung des Eingangsdrehmoment als Steuersi
gnal ausschließlich für die Steuerung von Zusatzantrieben am Fahrrad be
stimmt.
Der der Erfindung zugrunde liegende Sensor ist aufgrund seiner kompakten
Bauart jedoch geeignet, in jedem gängigen Fahrrad oder Ergometer das
Drehmoment, das über beide Kurbeln auf die Innenlagerwelle gebracht wird
zu messen und einem Drehratenwinkel zuzuordnen. Dadurch werden für die
Ergonomie und Physiologie aussagefähige und wichtige Daten erfaßt. Zu
sätzlich jedoch läßt sich mit diesem Sensor ein Steuersignal für eine halbau
tomatisch oder vollautomatisch betätigtes Getriebe erzeugen oder eine Zu
satzinformation für Bedienungserleichterung eines manuell betätigtes Ge
triebes generieren. Dadurch kann gerade in der Stadt ein erheblicher Be
dienungsvorteil gegenüber heutigen manuellen Schaltungen erreicht wer
den.
Heute bekannte Drehmomentsensoren bei Fahrräder beruhen meist auf der
Bestimmung der Scherkräfte an einem beweglichen Kurbelstern über die
Verformung von Federn oder Elastomeren, ähnlich der Antriebsdämpfer, wie
sie von den teilweise von Shimano bei Nabenschaltungen eingesetzten
Kurbeln bekannt sind. Diese durch das Drehmoment erzeugte Verformung
läßt durch einen Metallring, der seinen axialen Abstand zu statischen Hall
sensoren verändert, messen und gleichzeitig übertragen.
Nachteilig bei diesen Systemen ist die bei der Anwendung von Elastomeren
bekannte hohe Temperaturabhängigkeit der Plastizität und die geringe Al
tersbeständigkeit dieses Werkstoffes. Weiter sind diese Systeme durch
einfache Veränderung des Abstands der Hallsensoren zum Geber leicht
manipulierbar. Hauptnachteil dieses Systems ist jedoch die starke funktio
nelle Beeinträchtigung durch die Rahmenelastizität, wie sie beispielsweise
bei einer nachgeschalteten Kettenschaltung auftritt. Weiter sind die Scher
kraft zuverlässiger, jedoch teurer über Dehnmeßstreifen gemessen. Nach
teilig ist bei dieser Lösung die aufwendige Übertragung des Meßsignals auf
den statischen Teil der Meßeinrichtung.
Diesen vorher genannten Lösungen insgesamt gemein ist die Kraftaufnah
me am Kurbelstern, bzw. durch radial angeordnete elastisch verformbare
Elemente. Störende Verformungen sind Rahmenelastizitäten und außermit
tiger Kettenzug. Letztlich größter Nachteil ist jedoch die Hysterese, die
durch eine weitere Antriebsquelle wie einen Hilfsantrieb erzeugt wird, der
auf dasselbe Antriebsritzel wirkt. Bekannte Lösungen von Yamaha und
Honda verwenden das Rückstellmoment von drehend gelagerten Außenpla
netenzahnkränzen zur hysteresefreien und manipulationssicheren Detektion
der Antriebskräfte. Diese Lösungen haben jedoch den Nachteil, daß sie nur
in Verbindung mit Getrieben bzw. nicht ohne Hilfsantrieb sinnvoll dargestellt
werden können. Zur alleinigen Detektion des Energieeintrags an nicht
fremdkraftgetriebenen Fahrrädern oder bei Verwendung an Fahrrädern mit
Nabenmotoren sind diese Lösungen demnach weniger geeignet.
Aufgabe der Erfindung
ist demnach eine Lösung für einen Antriebskraftsensor zu finden, der in der
Lage ist, die Kraft des Kurbeltriebs hysteresefrei auch bei solchen Antriebs
lösungen zu detektieren, die die Motorkraft über das Tretlagerritzel an das
Antriebsrad leiten.
Weiter muß der Sensor witterungsunabhängig und schwer manipulierbar
sein.
Vorteil der erfindungsmäßigen Lösung ist die Anwendbarkeit ohne Ein
schränkung sowohl bei Fahrrädern mit Zusatzantrieb durch Motoren, die
nicht auf das Antriebsritzel der Tretkurbeln wirken als auch bei ausschließ
lich durch Muskelkraft angetriebenen Fahrrädern oder Ergometern oder
dgl. mehr Geräte im medizinisch therapeutischen Bereich. Durch die
gleichzeitige Detektion von Drehwinkel und Drehzahl ist das System in der
Lage, den tatsächlichen Energieeintrag unabhängig von der tatsächlich be
nutzten Übersetzungsstufe zu erfassen und das Wellendrehmoment dem
aktuellen Drehwinkel bzw. dem tatsächlich wirksamen Pedalhebel zuzuord
nen und ein Leistungsintegral über die gesamte Kurbeldrehung zu erstellen.
Dadurch können Kraftspitzen erkannt werden und ein Zusatzantrieb kann
aufgrund der verfügbaren Information so gesteuert werden, daß seine Kraft
ausgleichend in den Antrieb eingeleitet wird und eine gewünschte Antriebs
gesamtleistung am Hinterrad erzeugt wird.
Die Meßeinheit besteht in ihrer Grundausführung aus einer torsionssteifen
Innenlagerwelle mit je einer Form (2)- und kraftschlüssigen (3) Aufnahme für
die Tretkurbeln. Die torsionssteife Innenlagerwelle ist mit einer übergescho
benen torsionselastischen Welle (4) so verbunden (5), daß die Torsion in
mindestens einer Drehrichtung auf die torsionselastische Welle übertragen
wird. Das torsionselastische Element (4) ist mit einem Flansch (6) für den
Kraftabtrieb auf den Antrieb versehen. Die torsionselastische Welle ist an
dem Ende, an dem die Kraft auf den Antrieb geleitet wird, drehbar auf der
steifen Innenlagerwelle gelagert. In der Abbildung stützt sich das torsionse
lastische Element (4) über einen Nadelkäfig (7) gegen das Antriebsmoment
z. B. des Kettenzuges auf die Innenlagerwelle (1). Die Innenlagerwelle stützt
sich an der Abtriebsseite über den Nadelkäfig auf das übergeschobene tor
sionselastische Element (4) ab. Auf der anderen Seite findet eine direkte
Abstützung (5) auf das elastische Element (4) statt. Das elastische Element
(4) stützt sich über die Nadelkäfige (8) und (9) gegen die Hülse (10) ab.
Aufgrund diesem erfindungsgemäßen mechanischen Aufbau wird beim
Einleiten von Drehmoment auf die Innenlagerwelle durch jede der beiden
Kurbeln eine Torsion des torsionselastischen Elements (4) zwischen Abtrieb
(6) und Kraftübergang (5) erzeugt. Die Torsion ist proportional dem eingelei
teten Drehmoment. Die Torsion erzeugt eine Relativbewegung der Innenla
gerwelle zum Abtriebsflansch oder der mit der Innenlagerwelle verbundenen
Seite (5) des torsionselastischen Elements (4) zur dem Flansch zugewand
ten Seite des torsionselastischen Elements. Die Relativbewegung ist die
Meßgröße für das in die Innenlagerwelle eingeleitete Drehmoment.
In der abgebildeten Ausführung ist über den Umfang auf dem torsionselasti
schen Element auf der Seite der Verbindung mit der Innenlagerwelle ein
Klebestreifen mit einem Inkrement appliziert. Dieses Inkrement erzeugt das
Referenzsignal über einen Hallsensor.
An der dem Kraftabtriebsflansch zugewandten Seite des torsionselastischen
Elements ist ebenfalls ein Klebestreifen mit einem Inkrement (II, 1) appliziert.
Dieses Inkrement erzeugt über einen Hallsensor ein Differenzsignal, das
Aufschluß über das Maß der Torsion des elastischen Elements gibt. Die
Messung der beiden Drehraten über das Inkrement erfolgen absolut oder
relativ dem Stand der Technik, die heute in jedem elektronischen Meß
schieber oder Drehgeber implementiert ist. Da das Signal durch die Relativ
bewegung der beiden Inkremente zueinander erzeugt bzw. die ein Lagedif
ferenzwert ermittelt wird ist die Drehmomentmessung zeitneutral oder dreh
zahlunabhängig, es kann also auch bei nicht rotierender belasteter In
nenlagerwelle gemessen werden.
Erst die Erfassung der Antriebsenergie macht die Ermittlung der Drehzahl
notwendig. Weiter vorteilhaft ist die Zuordnung des Meßwertes dem Dreh
winkel. Dadurch kann beispielsweise in einem günstigen Winkelabschnitt
ein Schaltvorgang eingeleitet werden.
In einer weiteren Version kann das eine oder beide axial angeordneten In
kremente auch durch einen wie heute bei ABS-Systemen üblichen radial
angeordneten Drehratengeber ersetzt werden.
In einer weiteren Ausführung kann durch die im Torsionselement (4) erzeug
te Relativbewegung ein einem Hülsenfreilauf ähnlicher Rollenkörper gegen
schiefe Ebenen bewegt werden, so daß die Rollen in der Hülse eingebettete
bewegliche Plättchen nach außen drücken. Diese Plättchen können mit Ma
gneten gestückt sein, die den Abstand zu einem Induktivgeber verkleinern.
Auf diese Weise wird bei gegebener Geschwindigkeit durch Änderung der
Radialen Position oder des Abstandes zum Signalbnehmer das Signal mo
duliert werden.
In einer weiteren Ausführung kann auch die Relativbewegung der Kurbeln
zum Flansch gemessen werden. Auch dabei kann ein Element eingesetzt
werden, das durch eine Verkleinerung des Abstandes eines Induktivgebers
einen Spannungsanstieg bewirkt. Im Gegensatz zu der oben beschriebenen
und in der Zeichnung dargestellten Version erzeugen diese Systeme Rela
tivwerte für das Drehmoment, da in die Interpretation für das Signal die Ro
tationsgeschwindigkeit einberechnet werden muß.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten System wird bei absolutem Meßsy
stem der Drehwinkel und die Drehzahl gleichzeitig mit erfaßt und kann als
Signalgröße aufgenommen werden. In einer einfacheren Ausführung kön
nen auch nur die Meßimpulse der applizierten Inkremente an beiden Wel
lensektionen erfaßt werden und eine zeitliche Phasenverschiebung mit der
Drehzahl verrechnet werden.
In einer weiteren Ausführung ist für die Koppelung der Innenlagerwelle mit
dem elastischen Element (4) ein einfacher Freilauf vorgesehen. Wenn nun
die Innenlagerwelle durch die Kurbeln angetrieben wird, schließt der Frei
lauf den Kraftfluß zum torsionselastischen Element (4), das die Kraft an das
Abtriebsritzel weiterleitet. Die elastische Hohlwelle kann einen weiteren Ab
trieb auf der Ritzelseite haben, so daß die durch den Tretkurbelantrieb er
zeugte Torsion der elastischen Hohlwelle nicht wesentlich beeinflußt wird.
Der Abtrieb befindet sich dann auf derselben Seite der Welle wie der Ab
triebsflansch. Dadurch bleibt die Messung hysteresefrei. Der Zusatzantrieb
ist vorteilhaft über einen Freilauf mit dem Kurbeltrieb verbunden, in der
Kraftrichtung, daß der nach laufende Motor nur auf den Kettenabtrieb wirkt
und den Tretkurbelantrieb nicht mitschleppen kann. Der Freilauf kann die
Kupplung für den Kraftschluß der torsionselastischen Welle ersetzen, so
daß die Pedalkraft nur dann bereitgestellt wird, wenn die Tretkurbelwelle
mindestens gleich schnell durch die Pedale angetrieben wird wie die An
triebswelle bzw. wenn ein Kraftfluß von der Tretkurbelwelle in Richtung Ab
trieb stattfindet. Dadurch wird verhindert, daß sich die Trägheit des nachlau
fenden Zusatzantriebs ungünstig auf den Kurbeltrieb auswirkt.
Die Signalgeber für den Hallsensor können sich beide oder auch einer au
ßerhalb der Tretlagermuffe befinden. Dabei ist ein Drehgeber an der dem
Abtrieb abgewandten Seite zu befestigen und der andere Drehgeber am
Abtriebsflansch. Dadurch wird sichergestellt, daß die Torsion des elastischen
Elementes im sonst mechanisch oben beschriebenen Innenlager gemessen
wird. Die Drehgeber sind ähnlich ausgebildet wie die Drehgeber heutiger
ABS Systeme. Bei Meßung der Zeitphasenverschiebung handelt es sich um
reine Drehgeber. Wie oben beschrieben kann jedoch auch an einem oder
beiden eine Lage/Winkelreferenz abgenommen werden und so ein absolu
ter oder relativer Wert abgenommen werden.
Der mechanische Aufbau des Innenlager und die Anordnung des elastischen
Torsionselements bleiben dabei unverändert.
Bezugszeichenliste
Abbildung I.
1. Innenlagerwelle
2. Formschlußverzahnung
3. Kraftschluß
4. Elastisches Element
5. Kopplung
6. Flansch
7. Nadellager
8. Nadellager
9. Lager
10. Hülse
1. Innenlagerwelle
2. Formschlußverzahnung
3. Kraftschluß
4. Elastisches Element
5. Kopplung
6. Flansch
7. Nadellager
8. Nadellager
9. Lager
10. Hülse
Abbildung II.
1. Elastisches Element
2. Inkrement
3. Hallsensor
4. Hallsensor dem Abtrieb zugewandt
5. Inkrement
6. Abtrieb
7. Verzahnung
1. Elastisches Element
2. Inkrement
3. Hallsensor
4. Hallsensor dem Abtrieb zugewandt
5. Inkrement
6. Abtrieb
7. Verzahnung
Abbildung III
1. Innenlagerwelle
2. Verzahnung
3. Elastisches Element
4. Nadellager
5. Nadellager
6. Lager
7. Abtrieb
8. Hülse
1. Innenlagerwelle
2. Verzahnung
3. Elastisches Element
4. Nadellager
5. Nadellager
6. Lager
7. Abtrieb
8. Hülse
Claims (15)
1. Innenlagereinheit vorwiegend zum Einbau in Fahrrädern mit Meßsensor
system für Drehmoment, Drehwinkel und Drehzahl oder eine Kombination
der genannten Meßgrößen dadurch gekennzeichnet, daß eine torsionssteife
Innenlagerwelle einseitig mit einem übergeschobenen elastischen Element,
wie einer Feder, Hülse, deren Kombination oder dgl. mehr zum Kraftfluß
durch einen Freilauf oder andere Art der Koppelung verbunden ist und die
Drehbewegung auf dieses Torsionselastische Element überträgt, das auf
der der Verbindung mit der Innenlagerwelle entgegengesetzten Seite mit
einer Einrichtung zum Kraftabtrieb versehen ist.
2. Innenlager mit Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Meßaufnehmer die beiden Drehwinkel an zwei Si
gnalgebern für einen Hallsensor auf einer Meßtrommel an verschiedenen
Sektionen voneinander unabhängig als Relativwert erfassen.
3. Innenlager mit Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Meßaufnehmer die beiden Drehwinkel an zwei Si
gnalgebern für einen Hallsensor auf einer Meßtrommel an verschiedenen
Sektionen voneinander unabhängig als Absolutwert erfassen.
4. Innenlager mit Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens zwei Meßaufnehmer die beiden Drehwinkel an je einem Signal
geber für einen Hallsensor am Abtriebsflansch und an der Innenlagerwelle
oder einer der beiden Kurbeln drehfest befestigt voneinander unabhängig
als Absolutwert erfassen.
5. Innenlager mit Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Meßaufnehmer die beiden Drehwinkel an je einem
Signalgeber für einen Hallsensor am Abtriebsflansch und an der Innenla
gerwelle oder einer der beiden Kurbeln drehfest befestigt voneinander un
abhängig als Relativwert erfassen.
6. Innenlager mit Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Meßaufnehmer die beiden Drehwinkel an je einem
Signalgeber für einen Hallsensor am Abtriebsflansch drehfest radial ange
ordnet und an der Innenlagerwelle oder an dem damit bei Kraftfluß drehfest
verbundenen elastischen Element drehfest befestigten Signalgeber für
einen Hallsensor voneinander unabhängig als Relativwert erfassen.
7. Innenlager mit Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Meßaufnehmer die beiden Drehwinkel an je einem
Signalgeber für einen Hallsensor am Abtriebsflansch drehfest radial ange
ordnet und an der Innenlagerwelle oder an dem damit bei Kraftfluß drehfest
verbundenen elastischen Element drehfest befestigten
Signalgeber für einen Hallsensor voneinander unabhängig als Absolutwert
erfassen.
8. Innenlager mit Meßsystem nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Meßaufnehmer die beiden Drehwinkel an je einem
Signalgeber am der dem Abtriebsflansch näheren Sektion eines Elastischen
Elements oder am Abtriebsflansch selbst und an der Innenlagerwelle oder
einer mindestens der beiden der damit drehfest verbundenen Kurbel oder
dem damit bei Kraftfluß drehfest verbunden elastischen Element drehfest
befestigten Signalgeber ein Signalgeber für einen Hallsensor für die Erfas
sung des Inkrements in einen Absolutwert in Kombination mit einem Signal
geber für einen Hallsensor für die Erfassung des Inkrements als relatives
Signal vorgesehen sind.
9. Innenlager mit Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß über zwei voneinander unabhängigen Signalgebern, die so angebracht
sind, daß sie den Drehwinkel des Antriebsflansches und den Drehwinkel der
Innenlagerwelle voneinander unabhängig indizieren durch eine Zeitphasen
verschiebung der Grad der Torsion des elastischen Elements induktiv ge
messen werden kann.
10. Innenlager mit Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß über zwei voneinander unabhängigen Signalgebern, die so angebracht
sind, daß sie den Drehwinkel des Antriebsflansches und den Drehwinkel der
Innenlagerwelle voneinander unabhängig durch eine durch die Torsion ei
nes elastischen Elements erzeugte und desselben proportionale Verände
rung des Abstandes zueinander selbst indizieren, so daß das Maß der Tor
sion einer veränderten Signalstärke entspricht.
11. Innenlager mit Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß über zwei voneinander unabhängigen Signalgebern, die so angebracht
sind, daß sie den Drehwinkel des Antriebsflansches und den Drehwinkel der
Innenlagerwelle voneinander unabhängig durch eine durch die Torsion ei
nes elastischen Elements erzeugte und desselben proportionale Verände
rung des Abstandes von einem Signalaufnehmer, so daß das Maß der
Torsion einer veränderten Signalstärke entspricht.
12. Innenlager mit Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenlagerwelle über einen Freilauf mit einem darüber liegenden
elastischen Element an der dem Abtrieb abgewandten Seite mit einem
Freilauf gekoppelt ist.
13. Innenlager mit Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Torsionselastische Element mit einem zusätzlichen Abtrieb für ei
nen weiteren Antrieb an der dem Kraftabgang zugewandten Seite versehen
ist.
14. Innenlager mit Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Meßsystem um eine Neigungsmeßeinheit erweitert ist zur Generie
rung eines Steuersignals für eine Getriebe.
15. Innenlager mit Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Meßsystem den Drehwinkelwerte über die Rotation erfaßt und den
Drehmomentwerten zuordnet und daraus eine Signal zur ausgleichenden
Leistungssteuerung eines additiven Zusatzantriebes generiert.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996109981 DE19609981A1 (de) | 1996-03-14 | 1996-03-14 | Innenlager für Fahrräder mit integriertem Meßaufnahmesystem für Drehmoment, Drehzahl, Drehwinkel und Antriebsenergie |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996109981 DE19609981A1 (de) | 1996-03-14 | 1996-03-14 | Innenlager für Fahrräder mit integriertem Meßaufnahmesystem für Drehmoment, Drehzahl, Drehwinkel und Antriebsenergie |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19609981A1 true DE19609981A1 (de) | 1997-09-18 |
Family
ID=7788235
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1996109981 Withdrawn DE19609981A1 (de) | 1996-03-14 | 1996-03-14 | Innenlager für Fahrräder mit integriertem Meßaufnahmesystem für Drehmoment, Drehzahl, Drehwinkel und Antriebsenergie |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19609981A1 (de) |
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