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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Tretlagereinheit nach Anspruch 1 sowie ein Fahrzeug mit Kurbeltrieb, insbesondere Fahrrad, Pedelec, E-Bike oder Ergometer, nach Anspruch 6.
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Tretlagereinheiten mit einem magnetischen Sensor, der beispielsweise die Drehzahl oder das Drehmoment in der Tretlagereinheit erfasst, sind grundsätzlich bekannt. Als problematisch erweist sich dabei, dass das von dem Sensor erfasste Magnetfeld bzw. dessen Änderungen nur gering sind, so dass weitere Magnetfelder störend wirken. Diese weiteren, störenden Magnetfelder können beispielsweise auf einen Motor zurückgehen, der als elektrischer Motor vorgesehen und als zusätzlicher Antrieb für die Tretlagereinheit in deren unmittelbarer räumlicher Nähe angeordnet sein kann. Die störenden Magnetfelder lassen sich aus den Messwerten des magnetischen Sensors rechnerisch, beispielsweise elektronisch, beseitigen, was jedoch einen erheblichen Aufwand für die Nachbereitung der Messwerte des Sensors erforderlich macht. Die störenden Magnetfelder fassen sich alternativ zu einer elektronischen Beseitigung durch eine magnetische Abschirmung unterdrücken, wodurch die Tretlagereinheit ein hohes Gewicht erhält und einen hohen Bauraum erforderlich macht.
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DE 10 2008 050 235 A1 beschreibt eine Tretlagereinheit mit einer Tretlagerwelle, einer drehfest an der Tretlagerwelle befestigten drehsteifen Kettenblattwelle, wobei an einer äußeren Mantelfläche der Kettenblattwelle eine erste und eine zweite Magnetisierung vorgesehen ist, die sich aufgrund des magnetoelastischen Effektes ändern, sobald in dem Korpus der Kettenblattwelle in Drehmoment auftritt. Jede der beiden Magnetisierungen weist zwei gegenläufig orientierte, bei Abwesenheit des Drehmomentes innerhalb des Korpus verlaufende, axial beabstandete Teilmagnetisierungen auf, so dass insgesamt vier axial beabstandete Teilmagnetisierungen vorgesehen sind, wobei jeder Teilmagnetisierung ein magnetischer Sensor zugeordnet ist, so dass insgesamt vier magnetischer Sensoren vorgesehen sein müssen, um den Einfluss von störenden Magnetfeldern auf die Messung des Drehmomentes zu unterdrücken. Zum Erfassen der Drehzahl der Tretlagerwelle bzw. der Kettenblattwelle ist eine optische Erfassungseinheit als Drehzahlsensor vorgesehen, wobei die optische Erfassungseinheit eine auf der Mantelfläche der Tretlagerwelle bzw. der Kettenblattwelle aufgebrachte Struktur erfasst.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, den Einfluss von magnetischen Störfeldern auf das Messergebnis des magnetischen Sensors der Tretlagereinheit auf einfache Weise zu unterdrücken.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der magnetische Sensor magnetisch hinterspannt ausgebildet ist.
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Der magnetisch hinterspannt ausgebildete mindestens eine magnetische Sensor weist ein zusätzliches permanentes Magnetfeld, beispielsweise das Magnetfeld eines Permanentmagneten, auf, in dessen Magnetfeld der Messfühler des magnetischen Sensors angeordnet ist. Der magnetische Sensor erfasst ein Summenmagnetfeld, gebildet als Überlagerung des Magnetfeld des Permanentmagneten und des eigentlich zu erfassenden Magnetfeldes. Die magnetische Hinterspannung dient dabei insbesondere zur messtechnischen Abtrennung äußerer Störmagnetfelder und nimmt nur einen geringen Bauraum ein. Das Summenmagnetfeld als von dem magnetischen Sensor unmittelbar erfasste Messgröße lässt sich in den zeitlich im wesentlichen konstanten Beitrag des permanenten Magnetfeldes, beispielsweise des Permanentmagneten, und den Beitrag des eigentlich zu messenden Magnetfeldes leicht trennen und sicher erfassen. insbesondere wenn Magnetfelder nur geringer Stärke (einige Mikrotesla) gegenüber einen magnetischen Hintergrund ähnlicher Stärke zu messen sind bietet sich der Vorteil, den Beitrag des magnetischen Hintergrundes zu unterdrücken, da das zusätzliche permanente Magnetfeld der magnetischen Hinterspannung das zu messende Magnetfeld leichter erfassbar macht, weil das Summenmagnetfeld deutlich über dem magnetischen Hintergrund liegt und das zu messende Magnetfeld als Änderung des im wesentlichen konstanten Magnetfeldes der magnetischen Hinterspannung einfach erfassbar wird. insbesondere ist vorgesehen, dass der magnetische Sensor eine Fluxgate-Spule (Förster-Sonde) mit einem Permanentmagneten als magnetischer Hinterspannung umfasst, wobei der Permanentmagnet ein Offset des Messergebnisses bewirkt, dem sich das zu messende Magnetfeld überlagert. Da das Offset bekannt ist und ggf. leicht eingestellt werden kann, lässt sich das zu messende Magnetfeld klar von dem Beitrag des magnetischen Hintergrundes abtrennen.
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Die magnetische Hinterspannung bietet in einer alternativen Anwendung die Möglichkeit der Messung einer Ausformung, deren Material kein permanentes Magnetfeld aufweisen muss, jedoch magnetisierbare, insbesondere ferromagnetische Eigenschaften aufweist. Die Ausformung moduliert in diesem Fall das permanente Magnetfeld der magnetischen Hinterspannung des magnetischen Sensors derart, dass der Messfühler des magnetisch hinterspannten Sensors das modulierte Magnetfeld und damit die Ausformung selbst erfassen kann. Eine derartige Erfassung des durch die Ausformung modulierten Magnetfeldes durch den magnetisch hinterspannten magnetischen Sensor ist beispielsweise für die Erfassung einer Drehzahl der Tretlagerwelle bzw. einer Drehzahl der mit der Tretlagerwelle drehfest verbundenen Kettenblattwelle günstig. Die Ausformung kann als Struktur ausgebildet sein, die an der Kettenblattwelle drehfest befestigt ist, beispielsweise durch eine umlaufende Abfolge von Erhebungen, speziell Freischnitten, oder Einsenkungen in das im übrigen im wesentlichen zylindrische Korpus der Kettenblattwelle. Die das Magnetfeld der magnetischen Hinterspannung modulierende Struktur kann ebenfalls durch ein zusätzliches Bauteil, beispielsweise einen Zahnring, ausgebildet sein, wobei das zusätzliche Bauteil drehfest an der Kettenblattwelle befestigt ist.
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Der magnetischer Sensor kann beispielsweise als Hall-Sensor, als Wiegand-Sensor oder als Reed-Sensor ausgebildet sein. Ebenfalls kann der magnetische Sensor als sogenannte Fluxgate-Spule (Förster-Sonde) ausgebildet sein, oder auf der Erfassung des Riesenmagnetwiderstandes (GMR-Effektes, bzw. AMR-Effektes) beruhen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der magnetisch hinterspannte Sensor als Drehzahlsensor ausgebildet ist, und dass das von dem magnetischen Sensor erfasste Magnetfeld eine entlang des Umfangs der Kettenblattwelle umlaufende Abfolge von magnetischen Polen umfasst. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Abfolge von magnetischen Polen durch in das Korpus der Kettenblattwelle eingeprägte magnetisierte Abschnitte ausgebildet ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der magnetisch hinterspannte Sensor als Drehzahlsensor ausgebildet ist, und dass der magnetische Sensor das von einer Struktur an der Kettenblattwelle modulierte Magnetfeld eines Permanentmagneten der magnetischen Hinterspannung erfasst. Die magnetische Hinterspannung wird dabei durch einen Permanentmagneten bewirkt, dessen im wesentlichen konstantes Magnetfeld durch die Struktur an der Kettenblattwelle moduliert wird, wobei der Messfühler des magnetischen Sensors dieses modulierte Magnetfeld erfasst, dessen zeitliche Änderung der Drehzahl der Kettenblattwelle entspricht.
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Alternativ oder ergänzend hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass der magnetisch hinterspannte Sensor als Drehmomentsensor ausgebildet ist, und dass das von dem magnetischen Sensor erfasste Magnetfeld die Kettenblattwelle in Umfangsrichtung umlaufend ausgebildet ist. Tritt in der Kettenblattwelle ein Drehmoment auf, ändert sich das die Kettenblattwelle in Umfangsrichtung umlaufende Magnetfeld in Betrag und/oder Richtung, wobei diese Änderung von dem magnetisch hinterspannten Sensor erfasst wird.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher beschrieben und erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Tretlagereinheit.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt eine Tretlagereinheit, umfassend eine Tretlagerwelle 1, die um eine Drehachse 2 drehbar gelagert ist, und eine eine Kettenblattwelle 3, die mit der Tretlagerwelle 1 über eine formschlüssige Verbindung drehfest verbunden ist. Die Tretlagereinheit umfasst weiter einen ersten magnetischen Sensor 4 zur Erfassung der Drehzahl der Kettenblattwelle 3 und einen zweiten magnetischen Sensor 5 zur Erfassung des in die Kettenblattwelle 3 eingeleiteten Drehmomentes.
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Beide magnetischen Sensoren 4, 5 sind an einem Gehäuse 6 an dessen Innenseite angeordnet und magnetisch hinterspannt ausgebildet.
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Zur Ausbildung der magnetischen Hinterspannung der magnetischen Sensoren 4, 5 ist jeweils ein Permanentmagnet vorgesehen, in dessen permanenten Magnetfeld der Messfühler des magnetischen Sensors 4, 5 angeordnet ist. Der erste magnetische Sensor 4 erfasst eine Modulation des permanenten Magnetfeldes der magnetischen Hinterspannung durch eine von der zylindrischen Mantelfläche des Korpus der Kettenblattwelle 3 überstehenden Struktur 7, die als umlaufende Zähnung ausgebildet ist, deren Zähne über die Mantelfläche der Kettenblattwelle 3 überstehen. Der erste magnetische Sensor 4 erfasst damit die Drehzahl der Kettenblattwelle 3.
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Alternativ hierzu könnte für den als Drehzahlsensor ausgebildeten ersten magnetischen Sensor 4 vorgesehen sein, dass dieser das Magnetfeld einer entlang des Umfangs der Kettenblattwelle umlaufenden Abfolge von magnetischen Polen erfasst, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die magnetischen Pole als in das zylindrische Korpus der Kettenblattwelle 3 eingeprägte, die Drehachse 2 umlaufende Abfolge von magnetischen Polen ausgebildet ist, so dass keine die zylindrische Mantelfläche der Kettenblattwelle 3 überstehende Strukturierung erforderlich ist.
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Alternativ zu der die zylindrische Mantelfläche der Kettenblattwelle 3 überstehenden Struktur 7 kann vorgesehen sein, dass die die Modulation des Magnetfeldes des Permanentmagneten des ersten magnetischen Sensors 4 bewirkende Struktur durch Einsenkungen, beispielsweise Vertiefungen oder Aussparungen in dem zylindrischen Korpus der Kettenblattwelle 3 ausgebildet ist, so dass ebenfalls keine die Kettenblattwelle 3 überstehende Strukturierung erforderlich ist und den räumlich beeingten Platzverhältnissen zwischen der Kettenblattwelle 3 und dem Gehäuse 7 Rechnung getragen wird.
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Der zweite magnetische Sensor 5, der ebenfalls einen Permanentmagneten zur Ausbildung der magnetischen Hinterspannung aufweist, erfasst ein Drehmoment in dem Korpus der Kettenblattwelle 3. Dabei ist im Bereich des Messfühlers des zweiten magnetischen Sensors 5 in dem Korpus der Kettenblattwelle 3 eine die Drehachse 2 umlaufende Permanentmagnetisierung vorgesehen, so dass in Abwesenheit eines äußeren Drehmomentes der zweite magnetische Sensor 5 nur das permanente Magnetfeld der Hinterspannung erfasst. Tritt in der Kettenblattwelle 3 ein Drehmoment auf, weist aufgrund des magnetoelastischen Effektes die in dem Korpus der Kettenblattwelle 3 vorgehene Permanentmagnetisierung eine Komponente auf, die außerhalb des Korpus der Kettenblattwelle 3 auftritt und von dem zweiten magnetischen Sensor 5 zusätzlich zu dem Magnetfeld der magnetischen Hinterspannung erfasst wird. Die aufgrund des magnetoelastischen bzw. invers-magnetostriktiven Effektes auftretende Komponente der Permanentmagnetisierung ist dabei abhängig von dem Drehmoment in der Kettenblattwelle 3, beispielsweise diesem Drehmoment direkt proportional. Der zweite magnetische Sensor 5 ist als Fluxgate-Spule (Förster-Sonde) ausgebildet, deren magnetische Hinterspannung durch einen Permanentmagneten bewirkt wird. Das zu messende Magnetfeld beträgt einige Mikrotesla, die magnetische Hinterspannung weist ein Magnetfeld von einigen Millitesla auf, wobei der ggf. unvollständig abgeschirmte magnetische Hintergrund ein Magnetfeld von ebenfalls einigen Mikrotesla aufwirkt, was in der Größenordnung des zu erfassenden Magnetfeldes liegt. Die magnetische Hinterspannung bewirkt dabei einen Offset, der deutlich über dem magnetischen Hintergrund liegt und dem sich das zu erfassende Magnetfeld überlagert, das von dem Offset elektronisch leicht abgetrennt werden kann.
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Jeder der beiden magnetisch hinterspannt ausgebildeten magnetischen Sensoren 4, 5 weist einen Abstand zu Endabschnitten 8, 9 auf, wobei im Bereich des ersten Endabschnittes 8 der Kettenblattwelle 3 diese drehfest mit der Tretlagerwelle 1 und im Bereich des zweiten Endabschnittes 9 die Kettenblattwelle 3 drehfest mit einem bildlich nicht dargestellten Kettenblattträger verbunden ist. Die Endabschnitte 8, 9 der Kettenblattwelle 3 können dabei ein nicht-magnetisches Material aufweisen bzw. mittels Wärmebehandlung ausgebildet sein, so dass das von den magnetischen Sensoren 4, 5 erfasste Magnetfeld von den Endabschnitten 8, 9 der Kettenblattwelle 3 beabstandet, insbesondere im wesentlichen mittig zwischen Endabschnitten 8, 9 der Kettenblattwelle 3 angeordnet ist. Insbesondere ist jeder der beiden magnetischen Sensoren 4, 5 im wesentlichen mittig zwischen den Endabschnitten 8, 9, also beabstandet von den Endabschnitten 8, 9 der Kettenblattwelle 3, angeordnet.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war vorgesehen, dass für die magnetische Hinterspannung der beiden magnetischen Sensoren 4, 5 ein Permanentmagnet vorgesehen ist. Es versteht sich, dass die magnetische Hinterspannung beispielsweise durch eine bestromte Spule ausgebildet sein kann, so dass die magnetische Hinterspannung bei Bedarf zu- oder abgeschaltet werden kann und das permanente Magnetfeld der magnetischen Hinterspannung in Betrag und/oder Richtung einstellbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tretlagerwelle
- 2
- Drehachse
- 3
- Kettenblattwelle
- 4
- erster magnetischer Sensor
- 5
- zweiter magnetischer Sensor
- 6
- Gehäuse
- 7
- Struktur
- 8
- erster Endabschnitt
- 9
- zweiten Endabschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008050235 A1 [0003]
