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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Besonderen die Messung einer Kraft,
die durch einen Radfahrer ausgeübt
wird, aber die vorliegende Erfindung ist auch breiter anwendbar.
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In
einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung, allgemein
gefasst, die Messung einer Kraft oder eines Drehmoments, welche(s)
durch einen Radfahrer ausgeübt
wird, als ein Maß der
Anstrengung jenes Radfahrers. Messdaten dieser Art sind üblicherweise
bereits einsetzbar, wenn Sportler trainieren, beispielsweise auch
in Verbindung mit Herzfrequenzmessungen. Des Weiteren können diese
Messdaten eingesetzt werden, um unter Anderem automatische Beschleunigungssysteme
zu steuern. Automatisch schaltende Beschleunigungssysteme für Fahrräder sind
bereits bekannt. Darin wird immer die Rotationsdrehzahl des Kurbelsystems
als die ausschließliche
Informationsquelle zum Bestimmen des Moments des Schaltens heran
gezogen. Jedoch führt
dies nicht zum optimalen Schaltvorgang, da die Pedaldrehzahl nicht
immer ein guter Indikator für
die Anstrengung ist, die vom Radfahrer geleistet wird. Eine bessere
Bestimmung des Schaltmoments kann durch Verwenden von sowohl der
Pedaldrehzahl als auch der Pedalkraft als Informationsquellen erzielt werden.
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Jedoch
besteht insbesondere Bedarf an einer Messung, wie oben erwähnt, auf
dem Gebiet elektrisch unterstützter
Fahrzeuge, d.h. Fahrzeuge, die mit einem Elektroantriebsmotor ausgestattet
sind, wobei die Antriebskraft durch den Elektroantriebsmotor proportional
zur Anstrengung zugeführt
wird, die der Fahrer aufbringt. Daher wird im Folgenden die vorliegende
Erfindung insbesondere für
dieses Anwendungsgebiet, im Speziellen für das Gebiet der elektrisch
unterstützten
Fahrräder
erläutert.
Jedoch wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das
Anwendungsgebiet der elektrisch unterstützten Fahrräder beschränkt ist, sondern auch für andere
Fahrzeuge angewendet werden kann, welche durch menschliche Kraft
angetrieben werden. Es ist auch möglich, dass die vorliegende
Erfindung zum Beispiel für
gewöhnliche
Fahrräder
oder Trainingsmaschinen vom Fahrradtyp eingesetzt wird.
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Des
Weiteren kann die vorliegende Erfindung in Verbindung mit anderen
Hilfsvorrichtungen eingesetzt werden, bei denen die Steuerung von
der Radfahrleistung abhängt,
wie zum Beispiel automatisch schaltende Beschleunigungssysteme für Radfahrer.
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Fahrzeuge,
welche durch menschliche Kraft angetrieben werden, sind allgemein
bekannt und das Fahrrad ist die gebräuchlichste Anwendung davon. Wie
bekannt ist, umfasst das Fahrrad einen Rahmen und ein Kurbelsystem,
welches drehbar im Rahmen angebracht ist, mit einer im Wesentlichen
waagrecht ausgerichteten Kurbel und zwei Kurbelarmen, die an den
jeweiligen Enden der Kurbel angebracht sind, die senkrecht zur Kurbel
stehen und mit Pedalen an ihren jeweiligen Enden ausgestattet sind.
Der Fahrer des Fahrrads benutzt seine Füße, um das Kurbelsystem in
Drehung in Bezug auf den Rahmen zu versetzen und diese Rotation
wird übertragen, üblicherweise
mittels der Zahnräder
und einer Kette, auf wenigstens eines der Räder des Fahrrads, üblicherweise das
Hinterrad. Die Pedalkraft, die durch den Fahrer ausgeübt wird,
wird mittels der Hebelwirkung der Kurbelarme in ein Antriebsmoment
oder Antriebsdrehmoment in der Kurbel und über das Übertragungssystem auf das angetriebene
Rad umgesetzt.
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Im
Allgemeinen besteht ein Bedarf für
Hilfskraftmittel, welche den Fahrer des Fahrrads in die Lage versetzen,
dieselbe Leistung mit verringerter Anstrengung zu erzielen, wie
beim Radfahren gegen den Wind oder bergauf. Fahrräder, welche
mit Hilfskraftmitteln dieser Art ausgestattet sind, sind bereits an
sich bekannt und werden im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung
mit dem Begriff "elektrisch unterstütztes Fahrrad" bezeichnet werden.
Bei Fahrrädern
dieser Art wird ein elektrischer Motor bereitgestellt, welcher mit
dem Kurbelsystem oder den Rädern
gekoppelt ist, welcher von einer Batterie versorgt wird und durch
ein Steuerungselement, zum Beispiel einen geeignet programmierten
Mikroprozessor oder Ähnliches
gesteuert wird. Die Betätigung durch
das Steuerelement hängt
allgemein von der Geschwindigkeit des Fahrrads und von der Kraft
ab, die durch den Fahrer ausgeübt
wird. Wenn der Radfahrer keine Kraft auf die Pedale ausübt, gibt
der Motor keine Kraft ab. Wenn der Radfahrer eine Kraft auf die
Pedale ausübt,
stellt der Elektromotor eine Hilfskraft bereit. Die Merkmale der
Hilfskraft, das heißt das
Verhältnis
zwischen der Hilfskraft und der menschlichen Kraft als eine Funktion
der menschlichen Kraft und der Geschwindigkeit, kann im Prinzip wie
gewünscht
programmiert werden; üblicherweise ist
das Verhältnis
konstant, bis ein bestimmter Geschwindigkeitsschwellenwert erreicht
ist, und nimmt dann oberhalb dieses Geschwindigkeitsschwellenwertes
auf null ab. Folglich bleibt die Zielradfahrleistung, wie Geschwindigkeit,
noch abhängig
vom Niveau der Anstrengung durch den Radfahrer, aber diese Anstrengung
wird beträchtlich
geringer sein, als wenn die Krafthilfsquelle nicht vorhanden wäre.
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Um
in der Lage zu sein, den elektrischen Motor mit einer veränderlichen
Leistung in Abhängigkeit von
der Pedalkraft, die vom Radfahrer stammt, zu betreiben, ist es für das Steuerelement
notwendig, mit einem Pedalkraftsensor ausgestattet zu sein, der
in der Lage ist, die Pedalkraft, die vom Radfahrer stammt, zu messen
oder wenigstens ein Signal zu erzeugen, welches für diese
Pedalkraft repräsentativ ist.
Verschiedene Vorschläge
solcher Pedalkraftsensoren wurden im Stand der Technik gemacht.
Die US-Patentschrift
5,915,493 beschreibt eine komplizierte mechanische Struktur zum
Messen des Pedaldrehmoments im Kurbelsystem. Diese mechanische Struktur
umfasst ein Planetengetriebesystem mit einem Sonnenrad, an welchem
ein federgespannter Hebel angebracht ist. Wenn eine Pedalkraft ausgeübt wird,
dreht sich das Sonnenrad ein wenig gegen die Federkraft und das
Ausmaß der
Drehung des Sonnenrads dient als Maß für die Kraft, die vom Radfahrer
zugeführt
wird. Jedoch ist dieses bekannte System kompliziert, groß und schwer.
Es erfordert Zahnräder
und Lager als auch ein geschlossenes Gehäuse und eine große Anzahl
von beweglichen Teilen, welche das System schwer und teuer machen.
Des Weiteren tritt im System Reibung auf, was dazu führt, dass
sich eine Verringerung der wirksamen Pedalkraft ergibt und unerwünschte Geräusche erzeugt werden.
Des Weiteren ist die Tatsache, dass Hysterese-Wirkungen im System
auftreten, ein grundlegender Nachteil für das Messen des Reaktionsdrehmoments
eines Sonnenrads. Auf Grund des notwendigen Zusammendrückens der
Feder für
die Betätigung
eines Potentiometers zeigt die Reaktionszeit des Drehmoment messenden
Systems eine Verzögerung
im Vergleich zu einem Kurbelsystem ohne solch eine Feder, was dazu
führt,
dass sowohl das Radfahrgefühl
und das Steuersignal an die Steuereinheit schlechter werden. Darüber hinaus
besteht ein Bedarf an einem Kraft messenden System, welches leicht
auf "gewöhnlichen" Fahrrädern, d.h.
Fahrräder,
welche nicht mit einer Hilfskraftquelle ausgestattet sind, angeordnet
werden kann; das System, welches aus der angesprochenen Veröffentlichung bekannt
ist, ist für
diesen Zweck nicht geeignet.
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Die
US-Patentschrift 5,027,303 beschreibt ein Messsystem, in welchem
die Kurbel und/oder das Kettenzahnrad mit Dehnungsmessstreifen ausgestattet
sind. Ein bedeutsamer Nachteil dieses Systems besteht darin, dass
der Sensor mit den beweglichen Teilen des Kurbelsystems verbunden
ist, während
das Steuerelement am stationären
Rahmen angebracht ist, so dass es relativ kompliziert ist, das Messungssignal
an das Steuerelement zu übertragen.
Die Ausgestaltung mit Kohlenstoffbürsten, welche in der Veröffentlichung
vorgeschlagen ist, verbraucht Platz, erhöht das Risiko von Rauschen
im Signal und ermöglicht
eine Verschmutzung.
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Des
Weiteren wurden Systeme vorgeschlagen, welche auf dem Messen der
Spannung in der Kette basieren, in welchen die Spannung in der Kette auf
einen Feder vorgespannten Hebel wirkt. Darin ist die Position des
Hebels ein Maß für die Kraft
in der Kette. Dieses System ist zu zerbrechlich und darüber hinaus
anfällig
für Beschädigung,
sowie Abnutzung und Verschmutzung und kann darüber hinaus nicht in Verbindung
mit einem Kettenwerferschaltsystem verwendet werden.
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Darüber hinaus
weisen alle bekannten Systeme den Nachteil des bloßen Reagierens
auf das Antriebsdrehmoment, das im Antriebsstrang erzeugt wird,
auf. Darin liegen zwei Hauptnachteile. Erstens sind diese Systeme
nicht in der Lage, die Richtung zu messen, in welcher die Kraft
ausgeübt
wird, und sie können
auch nicht zwischen Kräften,
die durch das linke Bein oder durch das rechte Bein ausgeübt werden,
unterscheiden. Zweitens reagieren diese Systeme nicht auf die tatsächliche
Kraft, die durch den Radfahrer ausgeübt wird. Schließlich ist,
wenn die Richtung der Kraft, die durch den Radfahrer ausgeübt wird,
durch die Rotationsachse des Kurbelsystems verläuft, zum Beispiel, wenn ein
Pedal in der Nähe
seines obersten Kurvenpunktes angeordnet ist, die Antriebskraft
gering oder sogar null, während
die ausgeübte
Kraft beträchtlich
sein kann.
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Es
ist ein gemeinsames Merkmal aller bekannten Sensorsysteme, die oben
beschrieben sind, dass sie auf der Durchführung einer Messung auf einem
oder mehreren beweglichen Bauteilen im Antriebsstrang basieren.
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Die
Japanische Patentveröffentlichung 1996-268,372
beschreibt ein Fahrrad, in welchem eine Pedalkraft durch Messen
einer Verformung des Fahrradrahmens gemessen wird. Jedoch in diesem bekannten
System wird an zwei Stellen, nämlich
der linken und der rechten Sitzstrebe, die Dehnung, die dort auftritt,
gemessen und die Pedalkraft wird durch Subtrahieren der zwei gemessenen
Längenveränderungen
von einander ermittelt. Jedoch treten die gemessenen Längenveränderungen
nicht nur als ein Ergebnis der Pedalkraft auf, sondern auch zum
Beispiel beim Kurvenfahren. Um in der Lage zu sein, dieses Problem
zu korrigieren, erfordert dieses bekannte System zwei Korrektursensoren
auf jeder Seite des horizontalen oberen Rahmenrohrs des Fahrradrahmens.
Alles in Allem erfordert dieses bekannte System vier Sensoren. Diese
große
Anzahl von Sensoren lässt
dieses bekannte System relativ teuer werden.
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Es
ist es daher wert, eine kleinere Anzahl von Sensoren zu verwenden
und vorzugsweise nur einen Sensor, um ein Verformungssignal zu erzeugen,
welches auf verlässliche
Weise ein Maß für die Anstrengung,
die durch den Radfahrer ausgeübt wird,
darstellt, siehe JP-A-09-175,476, aus welcher bekannt ist, die Pedalkraft
in Bezug auf ihre Kraft, die auf ein Lager der Pedalkurbelwelle
wirkt, zu messen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Verformung der hinteren Achse als ein Ergebnis
der Pedalkraft, die darauf ausgeübt
wird, gemessen, siehe Anspruch 1.
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Alternativ
schlägt
die vorliegende Erfindung das Messen von Kräften in einem oder in mehreren Lagern
der Hinterachse vor, siehe Anspruch 5.
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In
Abhängigkeit
von der Position auf dem Rahmen wird die zu messende Verformung
ein Biegen, ein Drehen oder eine Kombination davon sein. Es ist
für einen
Durchschnitts fachmann auf diesem Gebiet der Technik offensichtlich,
wie die Verformungserfassungsmittel, die verwendet werden, zum Beispiel
Dehnungsmessstreifen, am Messungspunkt angeordnet sein sollten,
so dass die Verformungserfassungsmittel im erwünschten Ausmaß auf die
Verformung, die durch Biegen oder Drehen verursacht ist, reagieren.
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In
einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrrad,
siehe Anspruch 8.
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In
einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System
zum Messen einer Antriebskraft in einer Kette eines Fahrrads, siehe
Anspruch 14.
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Ein
System dieses Typs kann insbesondere in einem Fahrzeug verwendet
werden, welches durch menschliche Kraft angetrieben wird, wo es
erstrebenswert ist, Mittel zum Messen der Antriebskraft, die im Übertragungssystem
herrscht, als ein Maß der
Anstrengung, die durch den Radfahrer ausgeübt wird, zu besitzen. Diese
Anforderung betrifft auch insbesondere, aber nicht ausschließlich, das Gebiet
der elektrisch unterstützten
Fahrzeuge.
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Hierin
im Folgenden wird auch dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung
insbesondere für
das Anwendungsbeispiel eines elektrisch unterstützen Fahrrads erklärt. Jedoch
wird ausdrücklich
festgestellt, dass die vorliegende Erfindung auch auf anderen Gebieten
angewandt werden kann, zum Beispiel für Rollstühle, Fahrzeuge, die mit Handkraft
betrieben werden, usw. In einer anderen Anwendung kann es erstrebenswert
sein, die durch den Radfahrer zugeführte Leistung zu berechnen,
zum Beispiel in einer Situation wie bei einem Trainingsergometer
oder für
Radrennfahrer, die auf der Straße
fahren; in beiden Fällen
gibt es keinen elektrischen Antriebsmotor. In einer weiteren anderen
Anwendung kann es erstrebenswert sein, automatisch ein Schaltsystem
eines Fahrzeugs, wie eines Fahrrads, auf der Grundlage der Kraft,
die durch den Fahrer zugeführt
wird, zu steuern; wenn die Kraft ansteigt, ist es möglich, automatisch
nach unten zu schalten.
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Im
Anwendungsbeispiel eines elektrisch unterstützten Fahrrads, welches unten
besprochen werden soll, wird angenommen, dass das Fahrrad mittels
einer Fahrradkette angetrieben wird, welche um zwei Zahnradkränze geführt ist,
wobei einer auf einer Kurbel angebracht ist, während der andere auf dem Hinterrad
angebracht ist. Jedoch kann die Erfindung auch auf Fahrzeuge, darunter
Fahrräder,
angewendet werden, in welchen das Kraftübertragungsmittel als ein Riemen,
Gurt, Band usw. ausgelegt ist.
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein einfaches Messsystem
bereit zu stellen, in welchem die Kettenkraft mit Hilfe eines Sensors
oder einer Komponente gemessen wird, die auf dem Fahrradrahmen angebracht
ist.
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Dieser
Aspekt der vorliegenden Erfindung beruht ebenfalls auf der Einsicht,
dass die Spannung, welche in der Kette vorherrscht, zu reaktiven
Kräften in
den ortsfesten Bauteilen eines Fahrrads führt und dass diese reaktiven
Kräfte
dann zu Verformungen des Rahmens oder zu Verformungen einer oder
mehrerer Komponenten, welche fest am Rahmen angebracht sind, führen.
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Es
ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt, die Biegekraft einer
angetriebenen Radachse eines Fahrrads auf Grund der Kräfte, die
in einem Lager eines angetriebenen Rades eines Fahrzeugs, das mit
menschlicher Kraft angetrieben wird, wie ein Fahrrad, auftreten,
zu messen, um die Pedalkraft zu ermitteln.
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Darüber hinaus
ist es aus dem Stand der Technik nicht bekannt, einen Lagersensor
bereit zu stellen, um das Biegen der Achse eines Rades eines Fahrrades
zu messen.
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Die
vorliegende Erfindung wird detaillierter durch die folgende Beschreibung
mit Bezugnahme auf die Zeichnung erklärt, in der identische Bezugsziffern
identische oder ähnliche
Komponenten bezeichnen und in der:
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1A schematisch
eine Seitenansicht eines Fahrrads zeigt;
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1B schematisch
eine Seitenansicht eines elektrisch unterstützten Fahrrads zeigt;
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2 ein
Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung zeigt;
-
3A-B
schematisch vertikale Schnitte durch ein Fahrrad zeigen;
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4A-E
Graphen sind, welche Messergebnisse aus einer Erprobung darstellen;
-
5A-C
ebenfalls Graphen sind, welche Messergebnisse aus einer Erprobung
darstellen;
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6A-B
ein Fahrrad mit geteiltem Tretlager darstellen;
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7 schematisch
ein paar Komponenten eines Antriebssystems eines Fahrrads zeigt;
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8 eine
schematische Draufsicht einer Hinterachse eines Fahrrads zeigt,
welches mit einem Nabenmotor und einem mit Messgerät ausgestattetem
drehbaren Lager gemäß der vorliegenden
Erfindung bereit gestellt ist;
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9A schematisch
einen Querschnitt durch ein mit Messgerät ausgestattetes drehbares Lager
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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9B schematisch
ein Beispiel eines Abschnitts des Messsignals zeigt, welches durch
solch ein mit Messgerät
ausgestattetes drehbares Lager erzeugt wird;
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10A schematisch einen Querschnitt ähnlich zu 9A durch
ein drehbares Lager zeigt, welches gemäß der vorliegenden Erfindung
modifiziert wurde; 10B schematisch ein Beispiel ähnlich zu 9B eines
Abschnitts des Messsignals zeigt, welches durch solch ein modifiziertes
drehbares Lager dieses Typs erzeugt wird;
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11 eine
schematische Draufsicht ähnlich 8 einer
Hinterachse eines Fahrrads zeigt, welches mit einem Nabenmotor und
einem Biegesensor gemäß der vorliegenden
Erfindung bereit gestellt ist;
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12 schematisch
ein Beispiel ähnlich
zu 10B eines Abschnitts des Messsignals zeigt, welches
durch einen Biegesensor dieses Typs erzeugt wird.
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1A zeigt
schematisch eine Seitenansicht eines Fahrrads 1 mit einem
Rahmen 10, wobei der Rahmen 10 ein oberes Rahmenrohr 11,
ein unteres Rahmenrohr 12 und ein Sattelrohr 24 umfasst, die
miteinander in der üblichen
Dreieckskonfiguration verbunden sind, wobei das obere Rahmenrohr 11 im Wesentlichen
horizontal ausgerichtet ist. Das obere Rahmenrohr 11 und
das untere Rahmenrohr 12 treffen einander an einem Steuerrohr 14,
in welchem ein Lenkerstab 15 drehbar angebracht ist. An
seinem oberen Ende ist der Lenkerstab 15 mit dem Lenker 16 ausgestattet,
während
sein unteres Ende an einer Vordergabel 17 angebracht ist,
in welcher ein Vorderrad 18 eingesetzt ist.
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Im
Sattelrohr 13 ist eine Sattelstange 19 angeordnet,
welche an ihrem oberen Ende einen Sattel 20 trägt.
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Um
ein Hinterrad 21 zu halten, umfasst der Rahmen 10 eine
hintere Gabel 22 und ein hinteres Rahmenrohr 13.
Die hintere Gabel 22 erstreckt sich von einem oberen Ende
des Sattelrohrs 13 zu einer Nabe 24 für das Hinterrad 21 und
das hintere Rahmenrohr 23 erstreckt sich zwischen der Nabe 24 und einem
unteren Ende des Sattelrohrs 13.
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Das
untere Ende des Sattelrohrs 13 und das untere Ende des
unteren Rahmenrohrs 12 treffen einander an einem Tretlager 25 des
Rahmens 10. Das Tretlager 25 ist ein zylindrischer
Raum, dessen Mittelachse im Wesentlichen horizontal im rechten Winkel
zur Längsrichtung
des Fahrrads 1 ausgerichtet ist und in welchem eine Kurbel
(welche in dieser Figur auf Gründen
der Einfachheit nicht gezeigt ist) eines Kurbelsystems 26 drehbar
angebracht ist. Die Kurbelarme, welche in rechten Winkeln zur Kurbel ausgerichtet
sind und welche an ihren jeweiligen Enden mit Pedalen 27 ausgerüstet sind,
wobei nur eines davon in 1A dargestellt
ist, sind an den zwei Enden der Kurbel angebracht. Die Drehung der
Kurbel wird auf das Hinterrad 21 mittels einer Kette 28 über Zahnkranzräder übertragen,
welche aus Gründen der
Vereinfachung nicht gezeigt sind.
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2 ist
ein Blockschaltbild, welches eine Signal verarbeitende Einheit 40 mit
einem Eingang 41 zeigt, um von dort mit einem Sensor 50 verbunden zu
sein, welcher die Signal verarbeitende Einheit 40 mit einem
Signal versorgt, das repräsentativ
für die Pedalkraft
ist, die durch einen Radfahrer des Fahrrads 1 ausgeübt wird.
Die Signal verarbeitende Einheit 40 kann solch ein Signal
auf verschiedene Arten verarbeiten. Zum Beispiel kann es von Interesse
für Sportler
sein, die Trittfrequenz und/oder die mittlere Trittfrequenz, die
abgelieferte Leistung, den Wirkungsgrad der Trittbewegung usw. aufzuzeichnen, und
für diesen
Zweck können
die relevanten Daten durch ein geeignetes Signalverbarbeitungsverfahren, welches
an sich bekannt ist und das von der Signal verarbeitenden Einheit 40 durchgeführt wird,
aus dem zyklischen Signal, das an dem Eingang 41 empfangen
wird, abgeleitet werden und zum Beispiel an einem Ausgang 42 für eine Anzeige 43 oder Ähnliches
bereit gestellt werden.
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Es
ist auch vorstellbar, wie in 1B dargestellt,
dass das Fahrrad 1 ein elektrisches Fahrrad ist, welches
mit einem Elektromotor 45 ausgestattet ist, der von einer
Batterie 46 gespeist wird und mit dem Kurbelsystem 26 gekuppelt
ist, um eine Hilfskraft für das
Kurbelsystem 26 bereit zu stellen. Der Elektromotor 45 steht
unter der Steuerung der Signal verarbeitenden Einheit 40,
die für
diesen Zweck an ihrem Steuerungsausgang 44 geeignete Steuerungssignale
an den Elektromotor 45 abgibt. Die Signal verarbeitende
Einheit 40 ist so ausgelegt, um das Niveau der Hilfskraft,
die durch den Elektromotor 45 erzeugt wird, abhängig vom
Niveau der Pedalkraft zu machen, die auf die Pedale 27 durch
den Fahrer ausgeübt
wird. Daher ist das Steuersignal für den Elektromotor 45,
welches durch die Signal verarbeitende Einheit 40 an ihrem
Steuerungsausgang 44 erzeugt wird, abhängig auf eine vorbestimmte
Weise vom Eingabesignal, das am Erfassungseingang 41 empfangen
wird. Die Signal verarbeitende Einheit 40 kann eine intelligente
Steuerungsanordnung einsetzen, in welcher die Steuerungscharakteristik
an ein Radfahrerprofil auf der Grundlage der Trittfrequenz, Radfahrgeschwindigkeit
usw. angepasst ist. Für
diesen Zweck können
weitere Sensoren an die Signal verarbeitende Einheit 40 gekuppelt
werden, wenn dies erforderlich ist.
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Da
die Signal verarbeitenden Einheiten zum Verarbeiten solch eines
Eingangssignals und zum Betätigen
eines Elektromotors auf eine vorbestimmte Weise an sich bekannt
sind, zum Beispiel in der Form eines geeignet programmierten Mikroprozessors, wird
die Weise, in welcher die Signal verarbeitende Einheit 40 arbeitet,
hierin nicht mit weiteren Einzelheiten erklärt werden. Es reicht aus, darauf
hinzuweisen, dass allgemein die Steuerungscharakteristik so ist,
dass, wo die Bedingungen anderenfalls unverändert bleiben, der Elektromotor
mehr Kraft bereit stellt, wenn die gemessene Kraft ansteigt.
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Gemäß dem Stand
der Technik ist ein Sensor 50 auf die eine oder andere
Weise an bewegliche Komponenten des Fahrrads 1, wie dem
Kurbelsystem 26 oder der Kette 28 gekuppelt. Jedoch
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung der Sensor 50 an den Rahmen 10 für den Zweck
des Messens der Verformung des Rahmens 10 als eine Folge
der Pedalkraft, die durch den Radfahrer ausgeübt wird, gekuppelt. 3A und 3B stellen
dieses Messprinzip dar. 3A ist
ein vertikaler Querschnitt durch den Rahmen 10 des Fahrrads 1 in
einer Ruheposition desselben. Der Kontaktpunkt des Hinterrades 21 mit dem
Boden ist durch den Buchstaben R gekennzeichnet. Der Einfachheit
halber wurden Bauteile wie Lenker und Sattel bei dieser Figur weggelassen.
Das Fahrrad ist im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf die Mittelebene
M. Der symmetrische Fahrradrahmen weist eine neutrale Linie auf,
welche allgemein in der Ebene des Rahmens liegt und von der Klammerung
der hinteren Nabe zum Steuerrohr verläuft. Eine Pedalkraft, die auf
ein Pedal 27 ausgeübt wird,
ist durch den Buchstaben Fp gekennzeichnet. Die Pedalkraft Fp des
Radfahrers liegt außerhalb
der Ebene und kreuzt die neutrale Linie. Folglich wird ein Torsionsmoment
erzeugt und der Rahmen 10 wird in Bezug auf die Räder 18 und 21,
die auf dem Boden stehen, verformt, wie in übertriebener Form in 3B gezeigt.
Insbesondere verdreht sich der Rahmen um die neutrale Linie und
die oberen und unteren Rahmenrohre werden dem Verdrehen unterworfen.
Das Niveau der Verformung ist ein Maß der Pedalkraft, die durch
den Radfahrer ausgeübt
wird.
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Das
Ausmaß der
Verformung wird unter anderem vom Material, das für den Rahmen 10 verwendet
wird, der Form und den Abmessungen der im Rahmen 10 verwendeten
Rohre usw. abhängig
sein. Der Zustand der Verformung wird nicht in allen Rohren gleich
sein.
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Allgemein
kann festgestellt werden, dass die Verformung des Sattelrohres 13 im
Wesentlichen ein Zustand des Biegens ist, während die Verformung im unteren
Rahmenrohr 12 im Wesentlichen ein Zustand der Verdrehung
ist. Diese Verformung des Rahmens 10 kann erfolgreich gemessen
werden und hat sich als gutes Maß der Kraft, die ausgeübt wird, herausgestellt.
Daher wird vorgeschlagen, dass das Biegen des Rahmens 10 mit
Hilfe des Sensors 50 gemessen wird und dass das Messsignal,
das auf diese Weise erzielt wird, als Eingabesignal für die Signal verarbeitende
Einheit 40 verwendet wird.
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Im
Prinzip wird ein gewisses Ausmaß an
Verformung in jedem Bauteil des Rahmens 10 auftreten, so
dass der Sensor 50 im Prinzip an jeder gewünschten
Position des Rahmens 10 angebracht werden kann. Eine Position,
die sich in einer Prüfanordnung als
besonders geeignet herausgestellt hat, ist die Unterseite des unteren
Rahmenrohrs 12 in der Nähe des
unteren Endes, wie in 3A und 3B dargestellt,
um das Verbiegen, welches im unteren Rahmenrohr 12 auftritt,
zu messen. Darüber
hinaus kann diese Position erfolgreich mit einem Positionieren einer
Signal verarbeitenden Einheit 40 nahe dem Motor 45 kombiniert
werden. Eine andere Position, die praktische Vorteile bietet, ist
eine Position in der Nähe
des oberen Endes des unteren Rahmenrohrs 12: In diesem
Fall ist es möglich,
einen Schalter auf dem Rahmenrohr zum Zwecke des Ein- und Ausschaltens
des elektrischen Unterstützungssystems anzubringen
und den Sensor 50 unterhalb dieses Schalters anzubringen,
so dass der Schalter den Sensor vor Beschädigung schützt.
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Am
unteren Ende des unteren Rahmenrohres 12 findet vorherrschend
Verdrehen statt. Ein Sensor, welcher hier angebracht werden soll,
wird vor allem empfindlich für
Verdrehen des Rahmenrohrs sein müssen.
Das Positionieren von Dehnungsmessstreifen auf solch eine Weise,
dass sie vorherrschend empfindlich für Verdrehen sind, ist eine
allgemein bekannte Technik und wird nicht genauer erklärt.
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Am
unteren Ende des Sattelrohres 13 findet vorherrschend Verbiegen
statt. Ein Sensor, welcher hier angebracht werden soll, wird vor
allem empfindlich für
Biegen des Rahmenrohrs sein müssen.
Das Positionieren von Dehnungsmessstreifen auf solch eine Weise,
dass sie vorherrschend empfindlich für Biegen sind, ist eine allgemein
bekannte Technik und wird nicht genauer erklärt.
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Jedoch
wird bemerkt, dass Verformung auch in anderen Abschnitten des Rahmens 10 auftritt
und dasselbe trifft auch auf Komponenten zu, welche fest mit dem
Rahmen 10 verbunden sind, wie zum Beispiel der Lenkerstab 15 und
die Sattelstange 19. Die reaktive Kraft, die auf die Lenkstange 16 durch
den Radfahrer ausgeübt
wird, wird vorherrschend horizontal nach vorne gerichtet sein, so
dass hauptsächlich
Verbiegen im Lenkerstab 15 auftreten wird. Die reaktive
Kraft, die auf den Sattel 20 durch den Radfahrer ausgeübt wird,
wird vorherrschend horizontal nach hinten gerichtet sein, so dass
ebenfalls hauptsächlich
Verbiegen in der Sattelstange 19 auftreten wird.
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In
einer Konstruktionsvariante ist es möglich, dass der Sensor 50 und
die Signal verarbeitende Einheit 40 auf einem einzelnen
Chip integriert sind. Des Weiteren ist es dann möglich, dass andere Funktionen
wie eine Identifikationsnummer des Fahrrads in solch einem Chip
integriert sind.
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In
einer anderen Konstruktionsvariante ist der Sensor 50 als
ein Aufkleber mit integrierten Dehnungsmessstreifen gestaltet. Solch
ein Aufkleber ist besonders leicht auf dem Rahmen eines Fahrrads anzubringen.
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Ein
wichtiger Vorteil besteht darin, dass der Sensor 50 ein
Messsignal erzeugt, auch wenn die Richtung der Pedalkraft Fp die
Rotationsachse des Kurbelsystems 25 durchschneidet, zum
Beispiel, wenn sich ein Pedal 27 in der höchsten Position
befindet, so dass der Radfahrer noch immer eine Hilfskraft aus dem
Elektromotor 45 erhalten kann. In den bekannten elektrisch
unterstützten
Fahrrädern
ist dies nicht der Fall oder nur in einem sehr eingeschränktem Maße der Fall,
da die Antriebskraft im Antriebsstrang in hohem Ausmaß abhängig von
der Position der Pedale ist und es folglich passieren kann, dass
die erwünschte
Unterstützung
ausbleibt, auch wenn die Pedalkraft hoch ist. Im Gegensatz dazu
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung das Sensorsignal in einem großen Ausmaß proportional zur Kraft, die
vom Radfahrer ausgeübt
wird, unabhängig von
der Position der Pedale, so dass es daher immer möglich ist,
mehr Hilfselektrokraft anzubieten, wenn der Radfahrer aus welchem
Grund auch immer mehr Kraft ausübt.
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Der
Sensor 50 kann jeder geeigneten Art sein, welche zum Messen
der Verformung einer strukturellen Komponente geeignet ist. In einer Prüfanordnung
hat sich ein Sensor auf der Basis von Dehnungsmessstreifen als sehr
erfolgreich herausgestellt, aber andere Arten von Sensoren wie Piezoelemente,
kapazitive Sensoren usw. erfüllen
ebenfalls die Anforderungen, wie jedem Durchschnittsfachmann auf
diesem Gebiet der Technik erkennbar sein wird.
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Da
es für
einen Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet klar sein wird, wie
ein Sensor 50, welcher einen oder mehrere Dehnungsmessstreifen
umfasst, auf einem Bauteil des Rahmens 10 angeordnet sein
sollte, um erfolgreich die darin auftretenden Verformungen zu messen,
wird dies nicht genauer hierin erklärt werden. Noch wird die Weise,
auf welche die Signale von den einzelnen Dehnungsmessstreifen in einem
Sensor, welcher eine Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen umfasst,
miteinander kombiniert werden können,
um ein optimales Messsignal zu erhalten, hierin erklärt werden,
da dies Teil des allgemeinen Wissens ist.
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4A-E
stellen dar, dass das Messsignal, welches auf diesem Weg vom Messsensor 50 erzielt wird,
in hohem Maße
repräsentativ
für die
Pedalkraft, die durch den Radfahrer ausgeübt wird, oder das Torsionsmoment
ist, welches im Kurbelsystem 26 auftritt. Dies bedeutet,
dass es möglich
ist, die gewünschten
Daten aus dem erhaltenen Signal zu berechnen, wobei die Signal verarbeitende
Einheit 40 auf geeignete Weise programmiert wird, wie jeder Durchschnittsfachmann
auf diesem Gebiet der Technik erkennbar sein wird. 4A-E
stammen aus einer Prüffahrt
auf einem Fahrrad, dessen Rahmen 10 mit einem Dehnungsmessstreifensensor 50 ausgestattet
wurde, der an der Position angebracht war, die in 3A-B
gekennzeichnet ist. Des Weiteren wurde das Fahrrad 1 mit
einem sehr genauen Geschwindigkeitssensor ausgestattet. Die 4A-E
betreffen eine Messperiode von 60 Sekunden; die Zeit ist entlang
der horizontalen Achse in allen fünf Figuren aufgetragen.
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In 4A ist
die gemessene Geschwindigkeit V, die in Kilometer pro Stunde ausgedrückt ist, auf
der vertikalen Achse aufgetragen und in 4B ist
die Beschleunigung A, die aus der gemessenen Geschwindigkeit V berechnet
wird, aufgetragen, ausgedrückt
in m/s2. Die Messperiode beginnt mit der Zeit
t = 0, bei welcher sich das Fahrrad bereits auf einer Geschwindigkeit
von ungefähr
10 km/h befindet. Diese Geschwindigkeit wird für ungefähr 22 Sekunden im Wesentlichen
konstant gehalten, danach beschleunigt der Radfahrer auf eine Geschwindigkeit von
ungefähr
20 km/h, welche zum Zeitpunkt t = 35 sec erreicht ist. Eine weitere
Beschleunigung beginnt zum Zeitpunkt t = 50 sec.
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Im
Graph von 4B kann gesehen werden, dass
für die
ersten 22 Sekunden die Beschleunigung um 0 m/sec2 schwankt
und dass dasselbe zwischen ungefähr
t = 38 sec und t = 51 sec zutrifft.
-
Das
Drehmoment T, welches auf das Kurbelsystem ausgeübt wird, kann aus der Beschleunigung berechnet
werden, welche auf diesem Weg berechnet worden ist, wobei der Luftwiderstand
und die Reibung berücksichtigt
werden. Dieses berechnete Drehmoment T, ausgedrückt in Newtonmeter, wird in 4E als
Graph T2 dargestellt.
-
4C zeigt
das Messsignal, welches vom Sensor 50 stammt, und es ist
daher repräsentativ
für die
Spannung S, die im Rahmen auftritt, ausgedrückt in willkürlichen
Ein heiten, als Graph S1. Obwohl erwartet werden muss, dass das Messsignal
symmetrisch um 0 sein wird, ist dies in der Praxis, wie gezeigt,
nicht notwendigerweise immer der Fall. Jedoch ist es möglich dies
zu korrigieren. In den gezeigten Beispielen wird zuerst ein Mittelwert <S> für das Messsignal berechnet
und integriert über
eine vorbestimmte Periode. Dieses mittlere Signal ist ebenfalls in 4C gezeigt.
Die Periode, die verwendet wurde, um das Mittel zu bilden, betrug
in diesem Fall 1 Minute.
-
Durch
Abziehen des Mittelwerts <S>, der auf diese Weise
berechnet ist, vom asymmetrischen Messsignal S1, ergibt sich ein
Messsignal S2, welches symmetrisch ist und welches in 4D gezeigt wird.
-
Das
Drehmoment, das auf die Kurbel wirkt, kann aus diesem Signal S2
berechnet werden, welches durch Filtern des Signals S2 auf geeignete
Weise und dessen Multiplizieren mit einem geeigneten Verstärkungsfaktor
symmetrisch ist. Das Drehmoment, welches auf diese Weise berechnet
ist, ist in 4E als Graph T1 gezeigt. Man
kann erkennen, dass das Drehmoment T1, wie es auf der Grundlage des
Messsignals, das vom Sensor 50 erzielt wird, berechnet
ist, auf der einen Seite und das Drehmoment T2, wie es aus der gemessenen
Geschwindigkeit berechnet ist, auf der anderen Seite ein sehr gutes
Niveau an Entsprechung zeigen, aus welcher geschlossen wird, dass
Messen der Spannungssituation im Rahmen eine verlässliche
Messung zum Bestimmen des Drehmoments ist, welches im Kurbelsystem 26 auftritt.
-
Mit
Bezug auf 4E ist noch hervorzuheben, dass
die zwei Graphen T1 und T2 einander für die ersten 20 Sekunden weniger
gut entsprechen, was durch die automatische Kalibrierung, die durchgeführt wird,
verursacht wird.
-
Die 5A-C
zeigen Messsignale und stellen ein Prüffahrrad dar, welches mit einem
Sensor 50 ausgestattet ist, wie oben beschrieben, und mit
einem bekannten System versehen ist, welches im Kurbelsystem eingebaut
ist und auf einem Planetengetriebesystem beruht. Während einer
Prüfung
wurden Messungen unter gleichzeitiger Verwendung beider Sensoren
durchgeführt. 5A zeigt
ein Messsignal S3, welches vom Sensor 50 erzielt wird,
ausgedrückt
in willkürlichen
Einheiten für
eine Periode von 8 Sekunden. 5B zeigt
ein Messsignal S4, erzielt über
dieselbe Periode vom Planetengetriebesystem. 5C zeigt
das Messsignal S3 von 5A nach Bereinigung (S5).
-
Es
kann aus den 5A-C geschlossen werden, dass
der Sensor 50 gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Messsignal S3 bereit stellt, welches wenigstens so viel Information
enthält
wie das Messsignal S4, das durch den Sensor gemäß dem Stand der Technik erzielt
wird. Jedoch besteht ein bedeutsamer Unterschied darin, dass das
Signal S3, welches vom Sensor 50 erzielt wird, sowohl positive
und negative Signalwerte in Bezug auf das Nullniveau aufweist, was
der abwechselnden Belastung auf dem Rahmen durch das rechte und
das linke Pedal entspricht.
-
Des
Weiteren ist in den 5A-C klar ersichtlich, dass
der Sensor 50 ein Messsignal S3 bereit stellt, welches
sogar nach Bereinigung (S5) in Bezug zu der Pedalkraft steht, die
auf die Pedale 27 durch den Radfahrer ausgeübt wird,
während
der Sensor gemäß dem Stand
der Technik nur die Kraft messen kann, die im Antriebsstrang ausgeübt wird. Beim
Messsignal S3 sind die Kraftspritzen relativ breit und flach, so
dass die elektrische Kraftunterstützung über einen breiten Winkelbereich
angeboten wird. Im Gegensatz dazu sind die Kraftspitzen beim Messsignal
gemäß dem Stand
der Technik relativ spitz, so dass die meiste elektrische Unterstützung bei
einer horizontalen Position (90°)
der Kurbelarme angeboten wird und schnell außerhalb dieser Position abnimmt.
Insbesondere bei den Spitzen um t = 8,3 sec, t = 13 sec und t =
15,8 sec kann aus den Signalen S3 und S5 deutlich erkannt werden,
dass die Kraftspitzen abgeflacht sind oder sogar ein örtliches Minimum
in ihrer Mitte aufweisen, welches durch die Tatsache verursacht
wird, dass an einer praktisch horizontalen Position des Kurbelarms
(90°; 270°) sich ein
Pedal nach unten bewegt und der Radfahrer eigentlich weniger Kraft
darauf ausübt.
Wenn die Pedale sich in einer stärker
vertikalen Position befinden (ungefähr 30° und ungefähr 120°), ist die Pedalkraft höher (S3,
S5), aber relativ wenig dieser beträchtlichen Kraft wird in Vortrieb
(S4) umgesetzt. Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind es genau diese Punkte, an denen mehr Unterstützung angeboten wird,
während
der Stand der Technik weniger Unterstützung an diesen Punkten anbietet.
-
Obwohl
es oft ausreicht, Nullung und Kalibrierung während der Herstellung des Fahrrads
durchzuführen,
kann es aus verschiedenen Gründen
erstrebenswert sein, dass es möglich
ist, das Nullniveau des Messsignals korrekt zu bestimmen, zum Beispiel,
um zu korrigieren, wenn sich der Nullpunkt als Folge von äußeren Einflüssen verschiebt.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ein sich verschiebender Nullpunkt auf verschiedene
Weisen korrigiert werden. Als bloßes Beispiel sei erwähnt, dass
es möglich
ist, die Signal verarbeitende Einheit 40 so auszulegen,
dass erkannt wird, wenn keine Last auf die Pedale 27 ausgeübt wird,
zum Beispiel durch Prüfen,
ob die Trittfrequenz null ist, wenn geeignet ergänzt durch eine Geschwindigkeitsmessung
mit Hilfe eines zusätzlichen
Geschwindigkeitsmessers. In solch einer Situation würde die
Pedalkraft null sein müssen;
daher wird das Messsignal, welches dann empfangen wird, durch die
Signal verarbeitende Einheit 40 als das Nullniveau interpretiert.
Ein wirksames Messsignal wird dann berechnet, indem das berechnete
Nullniveau vom tatsächlichen
Messsignal abgezogen wird. Wenn eine Kalibrierung dieser Art durchgeführt worden
ist, wird das Messsignal, welches vom Sensor 50 erhalten
wird, von sich aus symmetrisch sein, während ein asymmetrisches Messsignal dann
eine asymmetrische Belastung kennzeichnet, d.h. der Radfahrer übt mit einem
seiner Beine mehr Kraft aus als mit seinem anderen Bein. Dies kann
in sich selbst eine wertvolle Information darstellen, zum Beispiel,
wenn ein Sportler trainiert.
-
Es
ist auch möglich,
das Messsignal zum Beispiel durch, wie oben beschrieben, Ableiten
eines Mittelwerts <S> vom Messsignal zu
modifizieren. Als eine Variante ist es möglich, das Messsignal unter Verwendung
eines Hochpassfilters mit einer geringen Übergangsfrequenz von, zum Beispiel,
ungefähr 0,01
Hz zu filtern. Nach solch einer Modifikation wird die Amplitude
des Messsignals, das vom linken Bein abgeleitet ist, gleich der
Amplitude des Messsignals sein, das vom rechten Bein abgeleitet
ist, so dass beiden Beinen die gleiche Unterstützung zugute kommt. Dies ist
auch auf Fälle
anwendbar, wo ein Radfahrer ein Bein besitzt, das deutlich schwächer als
das andere Bein ist, so dass in diesen Fällen dem schwächeren Bein
relativ mehr Unterstützung
als dem stärkeren
Bein dank der vorliegenden Erfindung geleistet wird. Im Gegensatz
dazu würde
ein Radfahrer dieses Typs bei der elektrischen Unterstützung gemäß dem Stand
der Technik eine relativ große
Unterstützung
für sein
starkes Bein und eine relativ geringe Unterstützung für sein schwaches Bein erfahren.
-
Das
Niveau einer Kraft oder eines Drehmoments, welche(s) auf die Pedale
eines Fahrrads durch einen Radfahrer ausgeübt wird, wird durch eine Signal
verarbeitende Vorrichtung auf der Grundlage eines Messsignals berechnet,
welches von einem Sensor stammt, der am Rahmen des Fahrrads angebracht
ist, um die Verformung, welche im Rahmen auftritt, zu messen. Der
Sensor kann einen oder mehrere Dehnungsmessstreifen umfassen.
-
Das
Messsignal kann auf verschiedene Arten verarbeitet werden, um verschiedene
Typen von Daten zu erzielen. Zum Beispiel ist es möglich, die Trittfrequenz
vom Messsignal abzuleiten. Die augenblickliche Position des Kurbelarms
kann aus der Phase des Messsignals bestimmt werden und daraus ist es
in Verbindung mit der berechneten Pedalkraft möglich, das Drehmoment, welches
im Kurbelsystem erzeugt wird, abzuleiten. Die Leistung, die auf
das Kurbelsystem übergeleitet
wird, kann durch die Kombination von Drehmoment und Drehzahl abgeleitet werden.
Der Kalorienverbrauch des Radfahrers kann aus dieser Information
abgeschätzt
werden.
-
Es
ist auch möglich,
Information aus dem Profil der Pedalkraft als eine Funktion der
Position des Kurbelarms (Messsignal als eine Funktion der Phase)
zu ziehen. Einerseits kann dies verwendet werden, um den "Trittwirkungsgrad" des Radfahrers abzuleiten,
und es könnte
sogar möglicherweise durch
geeignetes Training auch eine ungünstige Trittcharakteristik
verbessert werden. Darüber
hinaus kann die Trittcharakteristik als eine individuelle körperliche
Charakteristik, vergleichbar einer Unterschrift, betrachtet werden,
so dass es möglich
ist, einen einzelnen Radfahrer durch sein Trittmuster zu erkennen
und die Charakteristik der elektrischen Unterstützung dementsprechend anzupassen.
-
Eine
Trittcharakteristik kann auf der Grundlage einer Anzahl von Parametern
definiert werden, wie: Mittlere Trittfrequenz; mittlere Pedalkraft;
Kraft beim Anfahren; Verhältnis
zwischen Pedalkraft an den Totpunktpositionen und an den horizontalen
Positionen der Kurbelarme; Dauer der Pause zwischen den Pedalbewegungen;
usw. Alle oben erwähnten Parameter
können
auf einfache Weise aus dem Messsignal abgeleitet werden, wie es
den Durchschnittfachmännern
auf diesem Gebiet der Technik bewusst sein wird. Es ist möglich, Kategorien
von Radfahrern im Vorhinein zu definieren und einen individuellen
Radfahrer einer solchen Radfahrerkategorie als eine Funktion einer
gemessenen Trittcharakteristik zuzuweisen: Sportlich; gleichmäßig; lange
zwischen Trittbewegungen pausierend; starkschwach; Langsamtreter/Schnelltreter;
usw.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Signal verarbeitende Einheit 40 in dem
Sinne ausgelegt, dass ein Steuerungsmerkmal an die Radfahrerkategorie
angepasst ist. Im Falle eines Fahrrades mit einem automatischen
Gangschaltsystem kann die Signal verarbeitende Einheit 40 zum
Beispiel so ausgelegt sein, um, wenn ein Radfahrer ein Langsamtreter
ist, einen höheren
Gang einzulegen, auch bei relativ langsamen Trittdrehzahlen (zum
Beispiel auch bei 50 Pedalumdrehungen pro Minute) und wenn der Radfahrer als
ein sportlicher Radfahrer klassifiziert ist, einen höheren Gang
nur bei relativ hohen Trittdrehzahlen (zum Beispiel nur bei 85 Pedalumdrehungen
pro Minute) einzulegen. In diesem Zusammenhang spielt der absolute
Wert der Pedalkraft eine weniger wichtige Rolle. Im Falle eines
Fahrrads mit elektrischer Unterstützung der Pedalkraft kann die
Signal verarbeitende Einheit 40 zum Beispiel ausgelegt
sein, um, wenn der Radfahrer unregelmäßig tritt und lange Pausen
zwischen dem Treten einlegt, den Motor länger anzutreiben, nachdem die
Pedalbewegung aufgehört
hat, und, wenn der Radfahrer als ein sportlicher Radfahrer klassifiziert
ist, die Motorleistung auf ein höheres
Niveau beim Anfahren als für
ein gleichmäßiges Fahrprofil
einzustellen.
-
Es
ist möglich,
dass eine Mehrzahl von Sensoren verwendet wird, so dass es möglich ist,
die Richtung der Pedalkraft, die ausgeübt wird, in drei Dimensionen
zu erfassen.
-
Des
Weiteren kann die Verformung des Rahmens unter Verwendung alternativer
Messverfahren gemessen werden. Wie bekannt, sind Dehnmessstreifen äußerst geeignet
zum Messen örtlicher
Verformung, aber es ist nicht notwendig, örtliche Verformung genau zu
messen. Die oben erwähnte
Ausführungsform,
in welcher Dehnmessstreifen in einem Aufkleber aufgenommen sind,
misst bereits die mittlere Verformung in einem größeren Abschnitt
des Rahmens. Jedoch ist es auch möglich, ein Mittel der Verformung über einen
größeren Abschnitt
des Rahmens zu bilden, zum Beispiel über eine größere Länge eines Rahmenrohrs. Zu diesem
Zweck ist es möglich,
zum Beispiel das Verbiegen eines Rahmenrohrs über einen größeren Teil
seiner Länge
mittels optischer oder mechanischer Sensoren zu messen. Diese Sensoren
können
im Inneren des Rahmenrohrs angeordnet sein.
-
Im
Obenstehenden wurde ein Standardfahrrad erklärt, in welchem die Kurbel in
einem horizontalen rohrförmigen
Tretlager 25 angebracht ist, welches einen Teil des Rahmens 10 bildet.
Jedoch ist es auch möglich,
dass die Kurbel in einem eigenen Tretlager angebracht ist, welches
nicht einen Teil des Rahmens bildet und fest am Rahmen zum Beispiel
mittels Schrauben angebracht ist. 6A zeigt
eine Seitenansicht, ähnlich
zu 1, eines Fahrrads 101,
welches mit solch einem Rahmen 110 ausgestattet ist, während 6B eine
schematische perspektivische Ansicht in einem größeren Maßstab eines kastenartigen Tretlagers 125 ist.
Die Kurbel, die im Tretlager 125 angebracht ist, ist mit
der Bezugziffer 129 bezeichnet. Dieses Tretlager 125 ist
mit einer Mehrzahl von Sensoren S1 bis S4 ausgestattet, die so positioniert
sind, um die Verformung, die im Tretlager 125 als Ergebnis
der Pedalkraft auftritt, zu messen. Im gezeigten Fall sind die Sensoren
an den Seitenwänden
des Tretlagers 125 angeordnet, jeweils fluchtend in vertikaler
und horizontaler Richtung mit der Kurbel 129. Der Elektromotor 45 ist
ebenfalls im Tretlager 125 aufgenommen, aber dies ist um
der Einfachheit willen nicht gezeigt. Des Weiteren ist die Signal
verarbeitende Vorrichtung 40 vorzugsweise ebenfalls im Tretlager 125 untergebracht,
was ebenfalls nicht gezeigt ist.
-
Ein
Vorteil solch eines kastenförmigen
Tretlagers 125 besteht darin, dass es dann leicht möglich ist,
es an ein Fahrrad anzupassen, welches nicht mit elektrischer Pedalunterstützung ausgestattet
ist, indem das "alte" Tretlager mit einem
Tretlager aus 6B mit integriertem Motorantrieb 45,
Signal verarbeitender Vorrichtung 40 und den Sensoren S1/S4 ersetzt
wird.
-
7 zeigt
schematisch einige Komponenten des Antriebssystems eines Fahrrads.
Ein Fahrrad weist einen Rahmen 10 auf, in welchem ein Hinterrad 21 angebracht
ist und mittels der Pedale 27 durch eine Kette 28 angetrieben
wird. Auf der einen Seite steht die Kette 28 im Eingriff
mit einem Zahnradkranz, welcher auf einer rohrförmigen Nabe 24 des Hinterrads 21 angebracht
ist, die ihrerseits auf der hinteren Achse 6 aufgebracht
ist. Die Kette 28 steht auch im Eingriff mit einem Zahnrad 2,
welches auf einer Kurbel 60 angebracht ist und mittels
der Pedale 27 gedreht wird. Die Pedalkraft, welche auf
ein Pedal 27 durch einen Radfahrer ausgeübt wird,
ist in 7 als Fp gekennzeichnet und ist vorherrschend
vertikal gerichtet, die Spannung, die in der Kette 28 vorherrscht,
ist als Fk bezeichnet und ist vorherrschend horizontal gerichtet.
Diese Kettenkraft Fk weist die Neigung auf, die hintere Achse 6 und
die Kurbel 60 zueinander zu ziehen, was durch den Rahmen 10 verhindert
wird, so dass der Rahmen 10 eine Kraft Flr auf die hintere
Achse 6 ausübt,
während
der Rahmen 10 eine Kraft Flta auf die Kurbel 60 ausübt. Die
Reibungskraft zwischen dem Hinterrad 21 und dem Straßenbelag
wird durch Fw in 7 bezeichnet.
-
Im
Falle eines elektrisch unterstützen
Fahrrads gibt es verschiedene Positionen, wo der elektrische Antriebsmotor
angeordnet sein kann und auf die Antriebskomponenten des Fahrrads
wirken kann. In diesem Zusammenhang sind die bedeutendsten Varianten:
- – Eingriff
auf die hintere Achse;
- – Eingriff
auf die Kurbel;
- – Eingriff
auf die Kette;
- – Eingriff
auf das Vorderrad;
- – Eingriff
auf das Hinterrad.
-
Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung genauer auf der Grundlage
eines Beispiels mit einem Motor erklärt, welcher auf die hintere
Achse eingreift. Es sollte klar sein, dass diese Beschreibung nicht
als eine Beschränkung
der Erfindung auf elektrisch unterstütze Fahrräder mit einem Motor, der auf
die hintere Achse wirkt, verstanden werden soll; im Gegenteil trifft
zu, dass die Grundsätze,
die unten beschrieben sind, gleichermaßen mit den nötigen Änderungen
auf elektrisch unterstützte
Fahrräder
mit einem Motor anwendbar sind, welcher auf die Kurbel oder die
Kette oder das Vorderrad oder das Hinterrad usw. eingreift.
-
8 zeigt
eine schematische Draufsicht der Hinterachse 6 eines Fahrrads
für die
Situation, dass ein Elektromotor 45 mit der Hinterachse
assoziiert ist; im Folgenden wird dieser Motor als ein Nabenmotor
bezeichnet. Die Enden der Hinterachse 6 sind am Rahmen 10 des
Fahrrads mittels von Muttern 9 befestigt. Die rohrförmige Nabe 24 ist
drehbar auf der Hinterachse 6 mittels zweier drehbarer
Lager 7R und 7L aufgezogen. Das Zahnrad 5,
welches durch die Kette 28 angetrieben wird, ist an einem Ende
der Nabe 24 angebracht, im Allgemeinen am rechtsseitigen
Ende. Die Speichen sind schematisch in 8 mit 8 gekennzeichnet.
-
Des
Weiteren ist der Nabenmotor 45, welcher nur schematisch
gekennzeichnet ist, im Rohr 24 angeordnet. Elektronabenmotoren
sind an sich bekannt und folglich muss ihre Konstruktion hierin
nicht gezeigt und genau erklärt
werden. Es ist ausreichend, hervor zu heben, dass der Nabenmotor 45 einen
ersten Ausgang 45A, der an der Hinterachse 6 befestigt
ist, und einen zweiten Ausgang 45B aufweist, welcher an
der Nabe 24 befestigt ist, wobei die Ausgänge 45A und 45B so
angetrieben werden können,
um sich in Bezug aufeinander zu drehen. Zu diesem Zweck braucht
der Nabenmotor 45 eine Stromquelle wie eine Batterie, welche
an einer geeigneten Position auf dem Rahmen 10 des Fahrrads
angebracht wird und welche mittels elektrischer Leiter angeschlossen
wird, die in Bezug auf den Rahmen 10 und in Bezug auf die
Hinterachse 6 mit dem Nabenmotor 45 befestigt
sind, wobei all dies an sich bekannt ist und in der Figur um der
Einfachheit willen nicht gezeigt ist.
-
Wenn
der Nabenmotor 45 aktiviert ist, liefert er eine Vortriebskraft
an die Nabe 24 zum Zwecke des Vorantreibens des Rades 21 in
Bezug auf den Rahmen 10 und damit zum Vorantreiben des
Fahrrads in Bezug auf die Straße,
auf welcher es fährt.
Im Prinzip könnte
die Vortriebskraft (oder das Vortriebsmoment), welche(s) vom Nabenmotor 45 zugeführt wird,
100% der Vortriebskraft des Fahrrads liefern und könnte durch
den Radfahrer ausgewählt
und betätigt
werden, so dass der Nabenmotor 45 als ein gewöhnlicher
Antriebsmotor wirkt und das Fahrrad als ein elektrisches Moped dient.
Jedoch betrifft die vorliegende Erfindung im Besonderen ein elektrisch
unterstütztes
Fahrrad, was bedeutet, dass die Vortriebskraft (oder das Vortriebsmoment),
welche(s) durch den Nabenmotor 45 geliefert wird, nur dazu dient,
den Radfahrer zu unterstützen,
wenn er Rad fährt,
indem teilweise die Pedalkraft, die für das Radfahren erforderlich
ist, bereit gestellt wird. Dies bedeutet, dass der Radfahrer selbst
treten muss und Pedalkraft liefern muss; der Nabenmotor 45 liefert dann
eine Vortriebskraft, welche proportional zur Kraft ist, die durch
den Radfahrer bereit gestellt wird. Wenn der Radfahrer die Pedale
nicht bewegt oder die Pedale ohne Kraftaufbringung dreht, liefert
der Nabenmotor 45 keine Vortriebskraft. Das Ausmaß der Unterstützung, das
durch den Nabenmotor 45 angeboten wird, kann einstellbar
sein; der Nabenmotor 45 ist allgemein auf solch eine Weise
eingestellt, dass er ungefähr
die gleiche Größe an Vortriebskraft bereit
stellt, wie an Pedalkraft vom Radfahrer kommt, wenigstens bei relativ
geringen Geschwindigkeiten. Bei relativ hohen Geschwindigkeiten
nimmt der Beitrag fortschreitend ab. Elektrisch unterstützte Fahrräder dieser
Art sind an sich bekannt.
-
Daher
wird der Nabenmotor 45 eines elektrisch unterstützten Fahrrads
unter der Steuerung eines Steuerelements 40, zum Beispiel
ein geeignet programmierter Mikroprozessor oder Ähnliches, betätigt, welcher
auf einem feststehenden Bauteil des Fahrrads angebracht ist, wobei
das feststehende Bauteil vorteilhafterweise die Hinterachse 6 selbst
ist, wie in 8 angedeutet. Es ist klar, dass
für Ausführungsformen
mit einem Kurbelmotor das Steuerelement vorzugsweise am Tretlager
angebracht ist.
-
Dieses
Steuerelement 40 ist ausgelegt, um den Elektromotor auf
der Grundlage der Kettenkraft Fk und einer erwünschten, vorprogrammierten
Unterstützungscharakteristik
zu betätigen.
-
Diese
Unterstützungscharakteristik
kann eine geschwindigkeitsabhängige
Komponente enthalten. Ein Beispiel einer Unterstützungscharakteristik mit einer
geschwindigkeitsabhängigen
Komponente ist:
- a) bei Geschwindigkeiten unter
22 km/h beträgt das
Vortriebsdrehmoment, das durch den Elektromotor geliefert wird,
50% des Vortriebsdrehmoments, das durch den Radfahrer geliefert
wird;
- b) bei Geschwindigkeiten über
25 km/h ist das Vortriebsdrehmoment, das durch den Elektromotor
geliefert wird, null;
- c) bei Geschwindigkeiten zwischen 22 km/h und 25 km/h nimmt
das Vortriebsdrehmoment, das durch den Elektromotor geliefert wird,
linear von 50% auf null ab.
-
All
dies kann angepasst werden, um anzuwendenden gesetzlichen Vorschriften
zu entsprechen.
-
Um
in der Lage zu sein, den Nabenmotor 45 auf die gewünschte Weise
in Abhängigkeit
von der Kraft, die durch den Radfahrer geliefert wird, und vorzugsweise
auch in Abhängigkeit
von der Fahrradgeschwindigkeit zu betätigen, sollte das Steuerelement 40 Signale
empfangen, die repräsentativ
für diese Parameter
sind. Verschiedene Sensoren sind nach dem Stand der Technik bekannt,
um solche Messsignale zu liefern, wobei die Arbeitsweise der bekannten Sensoren
auf dem Messen des wenigstens einen Bauteils, welcher sich in Bezug
auf den Rahmen bewegt, beruht. Die vorliegende Erfindung schlägt eine Verbesserung
vor, indem sie ein Bauteil verwendet, dessen Arbeitsweise auf dem
Messen eines Bauteils beruht, das in Bezug auf den Rahmen feststeht.
Insbesondere schlägt
die vorliegende Erfindung den Einsatz eines Sensors vor, welcher
eine Verformung messen kann, die durch die Antriebskraft (Kettenkraft)
in solch einem feststehenden Bauteil verursacht wird.
-
Zwei
beispielhafte Ausführungsformen
werden genauer im Folgenden behandelt. Ein erstes Beispiel betrifft
die Verformung in einem ortsfesten Lagerbauteil. Ein zweites Beispiel
betrifft das Verbiegen einer stationären Achse.
-
Wenn
der Radfahrer eine Pedalkraft Fp ausübt und eine Kettenkraft Fk
in der Kette 28 vorherrscht, wird als ein Ergebnis eine
Kraft Fk auf den Umfang des Kettenrades 5 ausgeübt. Die
Richtung dieser Kettenkraft Fk fällt
mit der Richtung des oberen Teils der Kette 28 an der Stelle
des Kettenrades 5 zusammen, welche im Allgemeinen im Wesentlichen
horizontal ist. Diese Kettenkraft Fk wird vom Rahmen 10 über die
Nabe 24, die Lager 7R und 7L beziehungsweise
die Achse 6 getragen. Folglich herrscht eine Kraft, welche
im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist und in Bezug auf die
Hinterachse 6 im Wesentlichen radial ausgerichtet ist und
deren Niveau proportional zur Kettenkraft Fk ist, in den Lagern 7R und 7L vor.
Es sollte klar sein, dass das Niveau der Kraft in den Lagern abhängig von
ihrem Abstand vom Kettenrad 5 ist; im dargestellten Beispiel wird
die Kraft im rechtsseitigen Lager 7R größer als im linksseitigen Lager 7L sein.
-
Die
Kettenkraft Fk übt
auch eine im Wesentlichen horizontal ausgerichtete Kraft Fk auf
den Umfang des Zahnkranzes 2 aus, wobei die Kraft über die Kurbel 60 beziehungsweise
die Kurbellager, schematisch mit 62 bezeichnet, auf dem
Tretlager 61 abgestützt
ist, welches am Rahmen 10 befestigt ist, so dass dann eine
Kraft, welche im Wesentlichen horizontal ausgerichtet und im Wesentlichen
radial ausgerichtet in Bezug auf die Kurbel 60 und deren
Niveau proportional zur Kettenkraft Fk ist, in den Kurbellagern 62 vorherrscht.
-
In
einer ersten beispielhaften Ausführungsform,
welche durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen wird, werden
die Kräfte,
die in wenigstens einem der Lager auftreten, gemessen. Wenn ein Fahrrad
eine Hinterachse aufweist, welche mit einem Nabenmotor ausgestattet
ist, ist es äußerst zweckmäßig, eines
der Hinterachsenlager 7 für diesen Zweck heran zu ziehen,
wobei in diesem Fall das rechtsseitige Lager 7R allgemein
in der Lage ist, ein stärkeres
Signal zu geben. In der Konstruktionsvariante, die in Figur B dargestellt
ist, ist das rechtsseitige Lager 7R mit einem integrierten
Verformungssensor ausgestattet, wie genauer im Folgenden erklärt werden
wird, wobei der Sensor ein Messsignal S1 an das Steuerelement 40 bereit
stellt. Als eine Alternative kann das linksseitige Lager 7L mit
einem integrierten Verformungssensor ausgestattet sein oder sowohl
das rechtseitige Lager 7R als auch das linksseitige Lager 7L können mit
einem integrierten Verformungssensor ausgestattet sein. Drehbare
Lager, die mit integrierten inneren Sensoren ausgestattet sind, auch
im Folgenden als instrumentierte Drehlager bezeichnet, sind bereits
im Stand der Technik bekannt und sind im Handel als ein Standardprodukt
verfügbar.
Als bloßes
Beispiel wird in diesem Zusammenhang Bezug auf die US-Patentschrift
4,203,319 genommen.
-
9A zeigt
schematisch einen Querschnitt durch ein instrumentiertes drehbares
Lager 70 und 9B zeigt schematisch ein Beispiel
eines Abschnitts des Messsignals S1, welches durch solch ein instrumentiertes
drehbares Lager 70 erzeugt worden ist. Solch ein drehbares
Lager 70 weist einen inneren Laufring 71, einen äußeren Laufring 72 und
Kugeln oder Walzen 73 auf, die zwischen den beiden angeordnet
sind. Des Weiteren ist das Lager 70 mit einem Verformungssensor 74,
zum Beispiel basierend auf Dehnmessstreifen, ausgestattet, welcher
eine Verformung in einem Lagerlaufring als Folge der sich vorbeibewegenden
Kugeln/Walzen erfasst. Dieser Sensor kann in oder auf dem inneren
Laufring 71, wie in 9A als 74A gekennzeichnet,
oder in oder auf dem äußeren Laufring 74 angeordnet
sein, wie in 9A als 74B gekennzeichnet.
Im Folgenden wird auf beide Varianten ohne Unterscheidung als Verformungssensor 74 Bezug
genommen.
-
Während des
Einsatzes drehen sich der innere Laufring 71 und der äußere Laufring 72 in
Bezug auf einander, wobei während
dieses Vorgangs die Kugeln/Walzen 73 entlang der äußeren Oberfläche des
inneren Laufrings 71 und entlang der inneren Oberfläche des äußeren Laufrings 72 rollen.
In dem Vorgang bewegen sich die Kraft übertragenden Kugeln/Walzen 73 am
Verformungssensor 74 vorbei, so dass eine Verformung, die
durch die Kugeln/Walzen 73 an der Stelle des Verformungssensors 74 verursacht
wird, hin und her schwankt und der Verformungssensor 74 ein
Wechselstromsignal S1 (9B) erzeugt, dessen Spitzen
S1T dem Vorbeirollen einer Kugel/Walze 73 entsprechen und
dessen Täler
S1B dem Vorübergehen
eines Raums zwischen zwei Kugeln/Walzen 73 entsprechen.
Die Amplitude dieses Wechselstromsignals S1 wird von dem Niveau
einer Kraft abhängen
und im Wesentlichen zu dieser Kraft proportional sein, die durch
den äußeren Laufring 72 und
den inneren Laufring 71 auf einander in einer radialen
Richtung ausgeübt
wird, wobei diese mit dem Empfindlichkeitszentrum des Sensors 74 übereinstimmt.
Diese Richtung wird auch im Folgenden als Empfindlichkeitsrichtung 75 des
Lagers 70 bezeichnet. Mit dieser Ausrichtung, gezeigt in 9A,
in welcher der Sensor 74 in einer vertikalen Ebene durch
die Mitte des Lagers 70 angeordnet ist, ist der Sensor 74 hauptsächlich empfindlich
auf vertikale Kräfte;
die Empfindlichkeitsrichtung 75 des Lagers 70 ist
dann vertikal ausgerichtet. Wenn das Lager 70 als ein Hinterachsenlager 7 oder
Kurbellager 62 und mit der Absicht verwendet wird, in der
Lage zu sein, die Kettenkraft Fk zu messen, sollte es auf solch eine
Weise angebracht sein, dass die Empfindlichkeitsrichtung 75 des
Lagers 70 so genau wie möglich mit der Richtung der
Kettenkraft Fk zusammenfällt, welche
allgemein im Wesentlichen horizontal ist.
-
Die
oben gegebene Erklärung
gilt für
eine Situation, in welcher das Niveau der Kraft, die durch den äußeren Laufring 72 und
durch den inneren Laufring 71 aufeinander in der Empfindlichkeitsrichtung 75 des
Lagers 70 ausgeübt
wird, konstant ist, wenigstens über
ein Zeitmaß,
welches beträchtlich
länger
als die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen einer
Kugel dauert. Insbesondere sollte hervor gehoben werden, dass die
minimalen Niveaus S1B des Wechselstromsignals praktisch unabhängig vom
Niveau der Kraft sind und dass die maximalen Niveaus S1T des Signals
immer abhängig
vom Niveau der Kraft sind, welche zu einem bestimmten Zeitpunkt
gemessen werden soll. Tatsächlich
bilden die maximalen Niveaus S1T Probenwerte, d.h. Augenblicksaufzeichnungen
der Kraft im Lager 70. In der Praxis kann das für den Einsatz
als ein Sensor zum Messen einer Kettenkraft in einem Fahrrad zu Problemen
führen,
und dies aus zwei Gründen.
Erstens ist die Abtastfrequenz, welche durch Kugeldurchgänge definiert
ist, in einem Fahrradantriebssystem relativ gering: für ein Hinterachslager
unter normalen Bedingungen beträgt
sie typischerweise 0-15 Hz und für
ein Kurbellager beträgt
sie typischerweise 0-6 Hz. Zweitens ist die Pedalkraft Fk, welche gemessen
werden soll, nicht konstant, sondern fluktuiert eher mit einer Frequenz,
welche zweimal so groß ist
wie die Trittfrequenz, typischerweise in einem Bereich von 0-4 Hz.
Insbesondere stehen die Frequenzen miteinander auf feststehende
Weise in Bezug: Die Abtastfrequenz für ein Kurbellager, die durch
die Kugeldurchgänge
bestimmt ist, ist typischerweise dreimal so groß wie die Trittfrequenz, während für ein Hinterachslager
diese Abtastfrequenz typischerweise fünfmal so groß wie die
Trittfrequenz ist. Da die Abtastfrequenz so eng bei der Fluktuationsfrequenz
in der zu messenden Variablen (in diesem Fall die Kettenkraft Fk)
liegt, ist es besonders schwierig, verlässlich ein Steuersignal für den Elektromotor
aus diesem Signal auf solch eine Weise abzuleiten, dass der Elektromotor
eine Kraft liefert, welche immer stufenlos der Kettenkraft folgt.
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Die
vorliegende Erfindung bietet auch eine Lösung für dieses Problem, indem ein
instrumentiertes Standardlager auf solch eine Weise modifiziert wird,
dass das Ausgabesignal, welches erzeugt wird, im Wesentlichen unabhängig von
der Rotationsposition der Lagerlaufringe in Bezug aufeinander ist
und daher unabhängig
von den exakten tangentialen Positionen der Kugeln/Walzen. Solch
ein modifiziertes Lager 170 ist schematisch in 10A dargestellt; hierin sind die Komponenten,
welche den Komponenten des Standardlagers entsprechen, das in 9A dargestellt
ist, durch Bezugsziffern bezeichnet, die um 100 erhöht wurden.
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Im
Lager 170, dargestellt in 10A,
wird ein Messsignal S3 (10B)
erzeugt, welches nicht von der Verformung abhängig ist, die durch eine einzelne
Kugel/Walze 173 an einer einzigen Stelle verursacht wird,
sondern das vielmehr von einer Kombination der Verformungen abhängig ist,
die durch eine Mehrzahl von Kugeln/Walzen 173 an einer
Mehrzahl von Stellen verursacht werden. Zu diesem Zweck könnte das
Lager 170 eine Mehrzahl von Sensoren aufweisen, die nebeneinander
angeordnet sind; in dieser Ausführungsform,
dargestellt in 10A, weist ein Verformungssensor 174 eine
längliche Form
auf oder hat die Gestalt eines Kreissegments, so dass der Sensor 174 empfindlich
für Verformung in
einer Zone des Lagers 170 mit einem relativ großen Winkelbereich
ist, insbesondere auf solch eine Weise, dass diese Zone immer wenigstens
zwei Kugeln/Walzen 173 entspricht. Der Winkelbereich dieser
Zone entspricht vorzugsweise einem ganzzahligen Vielfachen des Winkelabstands
zwischen aufeinander folgenden Kugeln/Walzen 173, so dass
die Anzahl der Kugeln/Walzen 173, welche dem Verformungssensor 174 entspricht,
immer konstant ist. Im dargestellten Beispiel ist diese Anzahl gleich
zwei, aber sie kann auch größer oder
kleiner sein.
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Wenn
die Anzahl gleich eins ist, bietet dies bereits den Vorteil, dass
die beträchtlichen
Schwingungen im Signalwert verringert sind. Wenn die Anzahl größer als
eins ist, kann das Messsignal S3 nun zu jedem Zeitpunkt als ein
Mittel der Verformungsbeiträge
von zwei oder mehr Kugeln/Walzen 173 betrachtet werden,
wobei in diesem Fall das Messsignal S3 einen praktisch konstanten
Wert aufweisen kann, welcher nur noch von der Kraft im Lager 170 abhängig ist
und nicht länger
von der zufälligen
Ausrichtung der Kugeln/Walzen 173 in Bezug auf den Sensor 174. Wenn
die Kraft im Lager 170 variiert, zum Beispiel als eine
Folge von Variationen in der Pedalkraft während einer Pedalumdrehung,
ist der Wert des Messsignals S3 zu einem gegebenen Zeitpunkt wenigstens
ungefähr
proportional zur augenblicklichen Pedalkraft.
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Da
der Sensor 174 nun einen relativ großen Winkelbereich aufweist,
ist der Sensor 174 nun auch empfindlich für Kräfte, deren
Richtung eine relativ große
Streuung aufweisen kann. Die Hauptempfindlichkeitsrichtung 175 des
Lagers 170 entspricht einer radialen Ebene durch die Mitte
des Sensors 174; für Kraftkomponenten,
welche senkrecht zur Hauptempfindlichkeitsrichtung 175 liegen,
ist die Empfindlichkeit des Lagers 170 viel geringer oder
sogar null. In diesem Zusammenhang wird für den Winkelbereich des Sensors 174 empfohlen,
ihn nicht größer als
90° werden
zu lassen.
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In
der Situation, in welcher das drehbare Lager 70; 170 zum
Tragen der Hinterachse 6 verwendet wird, zum Beispiel da
der Antriebsmotor in der Radnabe 24 des Hinterrades 21 angeordnet
ist, ist der innere Laufring 71 ortsfest in Bezug auf den
Fahrradrahmen 10, wobei es in diesem Fall praktisch ist,
ein instrumentiertes drehbares Lager 70; 170 zu
verwenden, dessen innerer Laufring 71 mit einem Verformungssensor 74A ausgestattet
ist. In der Situation, in welcher das drehbare Lager 70; 170 zum
Tragen der Kurbel 60 verwendet wird, zum Beispiel da der
Antriebsmotor auf die Kurbel wirkt, ist der äußere Laufring 72 ortsfest
in Bezug auf den Fahrradrahmen 10, wobei es in diesem Fall
praktisch ist, ein instrumentiertes drehbares Lager 70; 170 zu
verwenden, dessen äußerer Laufring 72 mit
einem Sensor 74B ausgestattet ist.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform,
in welcher das Fahrrad mit einem instrumentierten drehbaren Lager 70; 170 für die Hinterachse
oder für die
Kurbel ausgestattet ist und in welchem das Steuerelement 40 das
Messsignal S1; S3 empfängt,
ist das Steuerelement 40 ausgelegt, um die Kettenkraft Fk
auf der Grundlage des Spitzenwerts S1T des Wechselstromsignals S1
und/oder auf der Grundlage der Amplitude |S1T-S1B| des Wechselstromsignals S1
(abgetastet) oder auf der Grundlage des augenblicklichen Signalniveaus
des Messsignals S3 zu berechnen, wobei Fahrrad spezifische Umrechnungsfaktoren
miteinbezogen werden, wie einem Durchschnittsfachmann auf diesem
Gebiet der Technik bewusst sein wird. Des Weiteren ist das Steuerelement 40 ausgelegt,
um den Elektromotor auf der Grundlage der Kettenkraft Fk, die auf
diese Weise berechnet ist, zu betätigen.
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Um
eine geschwindigkeitsabhängige
Charakteristik umzusetzen, muss das Steuerelement 40 Information,
welche die Fahrradgeschwindigkeit betrifft, besitzen, die abgesehen
von einem bekannten Umwandlungsfaktor gleich der Drehzahl des Hinterrades 21 und
daher der Nabe 24 in Bezug auf die Hinterachse 6 ist.
Wenn das erste drehbare Lager 70 zum Tragen der Hinterachse 6 verwendet
wird, kann eine solche Drehzahlinformation aus dem Wechselstromsignal
S1 abgeleitet werden, welche dadurch insbesondere in der Form der
Frequenz dieses Wechselstromsignals S1 erzeugt wird. Dieser Vorteil kann
sich auch für
das zweite drehbare Lager 170 ergeben, wenn es mit einem
Verformungssensor 176 ausgestattet ist, welcher die Empfindlichkeit
für eine einzelne
Kugel/Walze 173 aufweist, wie auch in 10A gezeigt. Dieser Verformungssensor 176 legt
ein Messsignal S4 an, welches dem Signal S1 gleich sein kann, das
bereits besprochen wurde und welches daher Geschwindigkeitsinformation
enthält.
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Daher
kann in dieser ersten beispielhaften Ausführungsform das Steuerelement 40 ausgelegt sein,
um die Fahrradgeschwindigkeit auf der Grundlage der Frequenz des
Wechselstromsignals S1, S4 unter Einbeziehung Fahrrad spezifischer
Umwandlungsfaktoren, wie unter Anderem die Anzahl der Kugeln/Walzen 73 pro
Lager und dem Umfang des Hinterrades 21, zu berechnen,
wie jedem Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet der Technik bewusst sein
wird.
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In
einer Variante kann dasselbe Ergebnis auf eine direktere Weise ohne
tatsächliches
Berechnen der Kettenkraft Fk und der Fahrradgeschwindigkeit als
ein Zwischenergebnis erzielt werden, wie jedem Durchschnittsfachmann
auf diesem Gebiet der Technik bewusst sein wird.
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Wenn
ein Fahrradfahrer eine Pedalkraft Fp ausübt und eine Kettenkraft Fk
in der Kette 28 vorherrscht, wird, wie bereits festgestellt
wurde, eine im Wesentlichen horizontal ausgerichtete Kraft auf den Umfang
des Kettenrads 5 ausgeübt,
wobei diese Kraft auf dem Rahmen 10 über die Nabe 24, die
Lager 7R und 7L beziehungsweise die Achse 6 abgestützt ist.
Daher herrscht dann ein Biegemoment, welches das Verbiegen der Hinterachse 6 verursachen
wird, in der Hinterachse 6 vor, wobei in diesem Fall die
neutrale Linie der Hinterachse 6 in einer Ebene liegen
wird, welche im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist. Das Niveau
dieses Biegemoments und daher das Niveau der Verbiegung, welche
in der Hinterachse 6 auftritt, ist im Wesentlichen direkt
proportional der augenblicklichen Kettenkraft Fk.
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In
einer zweiten beispielhaften Ausführungsform, welche durch die
vorliegende Erfindung vorgeschlagen wird, wird die Verbiegung gemessen.
In der beispielhaften Ausführungsform,
gezeigt in 11, wird die Hinterachse 6 mit
einem Biegesensor 50 ausgestattet, welcher ein Messsignal
S2 (12) an das Steuerelement 40 liefert,
wobei das Messsignal S2 repräsentativ
für die
Verbiegung ist, welche in der Achse 6 auftritt und vorzugsweise
eine lineare Abhängigkeit
zur Verbiegung zeigt. Dieser Biegesensor 50 ist in diesem
Fall auf solch eine Weise angeordnet, dass er im Wesentlichen nur
auf Biegen in horizontaler Richtung empfindlich ist. Die Konstruktion eines
solchen Biegesensors 50 kann eine Konstruktion sein, welche
an sich bekannt ist, basierend auf einem oder mehreren Dehnungsmessstreifen,
wie jedem Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet der Technik bewusst
sein wird. Der Biegesensor 50 kann auf jener Seite der
Hinterachse 6 angebracht sein, welche als Folge des Verbiegens
länger
wird, oder kann auf jener Seite der Hinterachse 6 angebracht sein,
welche als Folge des Verbiegens kürzer wird.
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In
dieser zweiten beispielhaften Ausführungsform, in welcher die
Hinterachse 6 mit solch einem Biegesensor 50 ausgestattet
ist und in welcher das Steuerelement 40 das Messsignal
S2 empfängt, ist
das Steuerelement 40 so ausgelegt, um die augenblickliche
Kettenkraft Fk auf der Grundlage des augenblicklichen Werts des
Messsignals S2 unter Berücksichtigung
Fahrrad spezifischer Umwandlungsfaktoren zu berechnen, wie jedem
Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet der Technik bewusst sein
wird. Des Weiteren ist das Steuerelement 40 so ausgelegt,
um den Nabenmotor 45 auf der Grundlage der Kettenkraft
Fk, welche auf diese Weise berechnet wurde, und auf der Grundlage
einer angestrebten, vorprogrammierten Unterstützungscharakteristik auf eine ähnliche
Weise zu jener zu betätigen,
die oben in Verbindung mit der ersten beispielhaften Ausführungsform
beschrieben ist.
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Vorzugsweise
umfasst der Biegesensor 50 sowohl eine Sensorkomponente,
welche auf der Vorderseite der Hinterachse 6 angebracht
ist, als auch eine Sensorkomponente, welche auf der Hinterseite der
Hinterachse 6 angebracht ist, wobei die Signale der beiden
Sensorkomponenten kombiniert werden. Einerseits besitzt dies den
Vorteil, dass das Messsignal stärker
wird. Andererseits besitzt dies den Vorteil, dass störende Einflüsse, welche
nicht mit dem horizontalen Verbiegen in Bezug stehen, im Wesentlichen
ausgeschaltet werden. In diesem Zusammenhang können zum Beispiel Spannungen,
welche als Folge des Anziehens der Muttern 9, die auf die
Enden der Hinterachse 6 zum Anbringen am Rahmen 10 aufgeschraubt
sind, in der Längsrichtung
der Hinterachse gerichtet sind, genannt werden.
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Es
wird angemerkt, dass sowohl das Messsignal S1; S3; S4 von den instrumentierten
Radlagern 7 und das Messsignal S2 vom Biegesensor 50 eine Signalkomponente
beinhalten, welche die Trittfrequenz widerspiegelt, wenigstens wenn
der Radfahrer tatsächlich
die Pedale dreht. Die Trittfrequenz wird durch eine periodische
Fluktuation ausgedrückt,
wobei die Trittfrequenz auf dem Niveau der Kettenkraft Fk liegt.
Im Falle eines, zum Beispiel, Biegesensors, welcher auf der Hinterachse 6 angebracht
ist, weist das Messsignal S2, welches dadurch erzeugt wird, im Prinzip
einen Gleichstromwert auf, welcher der Kettenkraft Fk entspricht,
während
der Wert dieser Gleichstromspannung mit den Fluktuationen in der Pedalkraft
und daher mit einer Frequenz fluktuiert, die zweimal so groß ist wie
die Trittfrequenz.
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Das
Steuerelement 40 kann ausgestaltet sein, um die Fahrradgeschwindigkeit
auf der Grundlage der Trittfrequenz unter Berücksichtigung Fahrrad spezifischer
Umwandlungsfaktoren zu berechnen, wie jedem Durchschnittsfachmann
auf diesem Gebiet der Technik bewusst sein wird.
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Des
Weiteren kann das Steuerelement 40 ausgelegt sein, um den
Elektromotor auf der Grundlage des augenblicklichen Werts der Kettenkraft
zu aktivieren, so dass die Motorkraft in Phase mit der Pedalkraft
fluktuiert. Jedoch kann das Steuerelement 40 ausgelegt
sein, um den Elektromotor auf der Grundlage eines verarbeiteten
Werts der Kettenkraft zu aktivieren, um für den Benützer eine verbesserte Komfortempfindung
zu erzielen. Als bloßes
Beispiel kann die Aktivierung des Elektromotors auf der Grundlage
eines Mittelwerts der Kettenkraft ausgeführt werden, so dass die Motorkraft
im Wesentlichen konstant bleibt. Jedoch ist es auch möglich bei
fluktuierender Kettenkraft, einen konstanten Wert hinzuzufügen, so
dass, obwohl die Aktivierung in Phase mit der Kettenkraft fluktuiert,
sie ein gleichmäßigeres Profil
annimmt; insbesondere wird daher Antrieb auch an den "Totpunktpositionen" in der Pedalbewegung
bereit gestellt.
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Normalerweise
ist eine Hinterachse auf solch eine Weise konstruiert, dass sie
so steif wie möglich
ausfällt.
Im Gegensatz dazu liegt eine weitere Entwicklung der Erfindungsidee
in der Konstruktion der Hinterachse 6 auf solch eine Weise,
dass sie bei einer bestimmten Belastung eine Verbiegung zeigt, die
relativ groß ist,
wenigstens an der Stelle des Sensors 50. Für diesen
Zweck weist die Hinterachse 6 gemäß der vorliegenden Erfindung
vorzugsweise einen Sensor tragenden Teil 51 auf, dessen Verformung
unter einer bestimmten Belastung größer ist als die Verformung
von benachbarten Achsabschnitten und wobei der Sensor 50 auf
dem Sensor tragenden Teil 51 angebracht ist, welcher empfindlicher
für Verformung
ist. Die größere Empfindlichkeit auf
Verformung kann durch Versehen des Sensor tragenden Teils 51 mit
einem angepassten Querschnitt oder durch Herstellen des Sensor tragenden
Teils 51 aus einem angepassten Material oder auf andere
geeignete Weise erzeugt werden. Geeignete angepasste Materialien
könnten
Materialien mit einem niedrigeren Elastizitätsmodul sein.
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Der
Sensor tragende Teil 51 weist vorzugsweise eine größere Empfindlichkeit
für Verformung
in der horizontalen Richtung auf, wobei die Empfindlichkeit auf
Verformung in die vertikale Richtung gleich bleibt oder sogar verringert
ist. Dies kann zum Beispiel hervorgerufen werden, indem der Sensor
tragende Teil 51 mit einem rechteckigen Querschnitt versehen
wird, wobei in diesem Fall die Abmessung in der horizontalen Richtung
kleiner ist als die Abmessung in der vertikalen Richtung. Die Abmessung in
der horizontalen Richtung kann kleiner sein als der Durchmesser
der benachbarten Achsabschnitte und die Abmessung in der vertikalen
Richtung kann größer sein
als der Durchmesser der benachbarten Achsabschnitte.
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In
beiden beispielhaften Ausführungsformen, die
oben beschrieben sind, ist der Sensor 74; 174; 50 im
Wesentlichen nur empfindlich für
horizontal gerichtete Kräfte,
so dass der Sensor praktisch nur empfindlich auf Antriebskräfte ist.
Insbesondere ist der Sensor praktisch unempfindlich für Kräfte, welche
in die vertikale Richtung wirken, so wie Kräfte, die durch das Gewicht
des Radfahrers, durch die Pedalkraft Fp, die durch den Radfahrer
ausgeübt
wird, oder durch vertikale Kräfte
verursacht werden, welche durch das Rad fahren selbst verursacht
werden, wie wenn auf einem unebenen Straßenbelag gefahren wird oder
wenn Kurven gefahren werden.
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Das
Antreiben durch den Motor verursacht eine reaktive Kraft auf der
Straße,
welche schließlich das
Fahrrad voran treibt. Diese reaktive Straßenkraft weist eine horizontale
Richtung auf und verursacht ein Verbiegen in der Hinterachse in
dieselbe Richtung wie das Verbiegen, welches direkt durch die Kettenkraft
Fk verursacht wird. Der Einfluss dieses verstärkenden Effekts kann in der
vorprogrammierten Charakteristik des Steuerelements 40 kompensiert werden.
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Im
Obigen wurde die Erfindung für
normale Bedingungen erklärt,
in welchen unausgesprochen angenommen wird, dass das Fahrzeug (Fahrrad) sich
mit konstanter Geschwindigkeit auf einer waagrechten Straße bewegt.
Bei einem fortgeschritteneren Antrieb ist das Steuerelement 40 so
konstruiert, um Faktoren wie eine Veränderung in der Geschwindigkeit
und/oder einen Steigungswinkel der Straße in der Betätigung des
Elektromotors miteinzuschließen.
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Eine
Verringerung der Geschwindigkeit kann wünschenswert sein, zum Beispiel,
wenn der Radfahrer bremst. In jenem Fall wird er im Allgemeinen die
Pedale ruhig halten, so dass es keine elektrische Unterstützung gibt.
Darüber
hinaus kann während des
Bremsens der Motor durch das Fahrrad angetrieben werden, um auf
diesem Weg die Batterie zu laden. Zu diesem Zweck kann das Steuerelement 40 so
ausgelegt sein, um die augenblickliche Fahrradgeschwindigkeit V
zu aufeinander folgenden Zeitpunkten zu berechnen, um die Geschwindigkeitsveränderung
dV/dt davon zu berechnen und, wenn dV/dt negativ wird, den Motor
als eine Bremslast zu schalten.
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Eine
Verringerung der Geschwindigkeit kann unerwünscht sein, zum Beispiel, wenn
der Radfahrer eine Steigung hinauf fährt. In jenem Fall wird tatsächlich,
wenn dV/dt negativ ist, eine stärkere
Unterstützung
erwünscht.
Andererseits, wenn der Radfahrer bergab fährt kann die Unterstützung verringert
werden und unter diesen Umständen
ist es sogar möglich,
den Motor als eine Bremslast bei einer konstanten Geschwindigkeit
zu schalten.
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Zu
diesem Zweck ist es erstrebenswert, für dass Steuerelement 40 ein
Signal zu besitzen, welches den Winkel der Steigung anzeigt. Gemäß einem bedeutenden
Vorteil der vorliegenden Erfindung umfassen die Signale S1 bis S4,
die oben beschrieben sind, eine Komponente, welche den Steigungswinkel anzeigt.
In einer weiteren bevorzugten Variante der vorliegenden Erfindung
ist das Steuerelement gestaltet, um diese Signalkomponente für eine Unterstützungscharakteristik
wie oben beschrieben zu nutzen.
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Wenn
sich das Fahrrad auf einer Steigung befindet, bildet die Empfindlichkeitsrichtung 75 (die "Horizontale" des Fahrrads) einen
Winkel mit der tatsächlichen
Horizontalen. Die Schwerkraft weist dann eine Komponente in die
Richtung dieser Empfindlichkeitsrichtung 75 auf, welche
sich in einer Verschiebung in den Messsignalen niederschlägt. Diese
Verschiebung kann erfasst werden, zum Beispiel durch Erfassung der
Verschiebung im Mittel des fluktuierenden Kettenkraftsignals.
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In
beiden beispielhaften Ausführungsformen, die
oben beschrieben sind, wird ein verlässlicher Weg zum Messen des
Antriebsdrehmoments und/oder der Kettenkraft (Fk), die durch einen
Radfahrer geliefert wird, und zum Betätigen eines Nabenmotors 45 auf
der Grundlage der Pedalkraft, die durch den Radfahrer geliefert
wird, angeboten. Die Ausführungsformen
bieten durchgehend den bedeutsamen Vorteil, dass ein einzelner Sensor
(74; 174; 50) ausreicht und dass dieser
Sensor auf dem selben Bauteil des Fahrrads angebracht werden kann,
auf dem das Steuerelement 40 angebracht ist, nämlich auf
der Hinterachse 6 selbst oder auf dem inneren Laufring 71 des
Radlagers 7, der an der Hinterachse 6 befestigt
ist. Ein Biegesensor 50, der auf der Hinterachse angebracht
ist, misst die Verbiegung, welche in der Hinterachse selbst als
eine Folge der Pedalkraft auftritt. Ein Drucksensor 74,
der im Radlager 7 angebracht ist, misst die Kräfte, die
im Radlager durch die Kettenkraft verursacht werden.
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Es
wird einem Durchschnittfachmann auf diesem Gebiet der Technik klar
sein, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die oben besprochenen
Beispiele beschränkt
ist, sondern dass verschiedene Ergänzungen und Modifikationen daran
möglich
sind, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den
angeschlossenen Ansprüchen
definiert ist. Zum Beispiel ist es als eine Variante möglich, dass
das angetriebene Rad das Vorderrad des Fahrrads ist.
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Im
Obigen wurde die Erfindung für
ein Fahrzeug (Fahrrad) beschrieben, welches mit elektrischer Unterstützung ausgestattet
ist. Jedoch wird die vorliegende Erfindung auch durch ein modulares
System zum Messen einer Antriebskraft in einer Kette eines Fahrrads
verkörpert,
wobei das System so gestaltet ist, um ein elektrisches Signal zu
liefern, das repräsentativ
für die
Antriebskraft ist, wobei das System eine angetriebene Radachse umfasst,
die mit einem Biegesensor ausgestattet ist, der ein Messsignal erzeugt,
das repräsentativ
für eine
Verbiegung der Achse ist, wobei das Signal für jeden gewünschten Zweck durch den Prozessor
oder Ähnliches
verwendet werden kann. Ein möglicher
Zweck kann sein, ein Schaltgetriebesystem zu steuern.