DE19609981A1

DE19609981A1 - Innenlager für Fahrräder mit integriertem Meßaufnahmesystem für Drehmoment, Drehzahl, Drehwinkel und Antriebsenergie

Info

Publication number: DE19609981A1
Application number: DE1996109981
Authority: DE
Inventors: Dietrich Gerhard Ellsaesser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 1997-09-18

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

Abbildung II.
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

Claims

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.