ITBO20100521A1

ITBO20100521A1 - Sensore di coppia e metodo di misura per misurare la coppia motrice in una trasmissione di un veicolo a propulsione almeno parzialmente umana

Info

Publication number: ITBO20100521A1
Application number: IT000521A
Authority: IT
Inventors: Franco Cimatti
Original assignee: Franco Cimatti
Priority date: 2010-08-17
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2012-02-18

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

"SENSORE DI COPPIA E METODO DI MISURA PER MISURARE LA COPPIA MOTRICE IN UNA TRASMISSIONE DI UN VEICOLO A PROPULSIONE ALMENO PARZIALMENTE UMANA"

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione è relativa ad un sensore di coppia e ad un metodo di misura per misurare la coppia motrice in una trasmissione di un veicolo a propulsione almeno parzialmente umana.

La presente invenzione trova vantaggiosa applicazione in un sensore di coppia per misurare la coppia motrice in una bicicletta a cui la presente invenzione farà esplicito riferimento senza per questo perdere di generalità.

ARTE ANTERIORE

Attualmente, un sensore di coppia noto per misurare la coppia motrice in una bicicletta viene inserito lungo la trasmissione che trasmette il moto dai pedali (cioè dal punto di applicazione della forza motrice generata dal ciclista) alla ruota posteriore; il sensore di coppia comprende almeno un corpo elastico che è inserito lungo la trasmissione per propagare il moto attraverso la trasmissione stessa (cioè il corpo elastico è disposto per collegare tra loro due parti affiancate della trasmissione che altrimenti sarebbe folli una rispetto all'altra) ed una cella di carico (o un estensimetro) accoppiata al corpo elastico. In uso, il corpo elastico si deforma per propagare la coppia attraverso la trasmissione e la cella di carico (o l'estensimetro) legge la forza che viene propagata dal corpo elastico.

Un sensore di coppia noto del tipo sopra descritto presenta il grosso inconveniente che il "lettore" (cioè la cella di carico o l'estensimetro) è portato da una parte rotante della trasmissione e quindi per comunicare il segnale rilevato dal lettore ad una unità di controllo elettronica montata in posizione fissa sul telaio della bicicletta è necessario predisporre dei contatti striscianti; l'utilizzo di contatti striscianti è problematico in quanto i contatti striscianti sono ingombranti, generano attrito durante la rotazione, richiedono una manutenzione periodica per sostituire o registrare le spazzole striscianti, introducono nei segnali elettrici molti disturbi, e presentano una ridotta affidabilità (tra le altre cose soffrono molto l'umidità).

Un'alternativa è utilizzare una comunicazione wire-less (cioè in radiofrequenza) tra il "lettore" portato da una parte rotante della trasmissione e l'unità di controllo elettronica montata in posizione fissa sul telaio della bicicletta; tuttavia, questa soluzione è costosa, inqombrante e soqqetta a disturbi (tra le altre cose è necessario prevedere una fonte di alimentazione elettrica per il trasmettitore colleqato al "lettore").

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione è di fornire un sensore di coppia ed un metodo di misura per misurare la coppia motrice in una trasmissione di un veicolo a propulsione almeno parzialmente umana, i quali sensore di coppia e metodo di misura siano privi deqli inconvenienti sopra descritti e siano nel contempo di facile ed economica realizzazione .

Secondo la presente invenzione venqono forniti un sensore di coppia ed un metodo di misura per misurare la coppia motrice in una trasmissione di un veicolo a propulsione almeno parzialmente umana secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni alleqate.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai diseqni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

• la figura 1 è una sezione longitudinale, schematica e con parti asportate per chiarezza di una trasmissione di una bicicletta provvista di un sensore di coppia per misurare la coppia motrice realizzato in accordo con la presente invenzione;

• la figura 2 è una sezione trasversale, schematica e con parti asportate per chiarezza della trasmissione della figura 1;

• le figure 3 e 4 sono dei grafici che illustrato l'evoluzione temporale delle uscite di due sensori di posizione del sensore di coppia rispettivamente nel caso di coppia motrice nulla e nel caso di coppia motrice non nulla;

• le figure 5 e 6 sono due diverse viste prospettiche, schematiche e con parti asportate per chiarezza di parte della trasmissione della figura 1; e

• la figura 7 è una vista frontale, in scala ingrandita e con parti asportate per chiarezza di un particolare della figura 6.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL'INVENZIONE

Nella figura 1, con il numero 1 è indicata nel suo complesso una trasmissione di una bicicletta che trasmette una coppia motrice da una coppia di pedali (non illustrati) ad una ruota posteriore (non illustrata). La bicicletta può presentare la pedala assistita e quindi la coppia motrice alla ruota posteriore (non illustrata) può venire generata dal lavoro muscolare del ciclista e/o (cioè in aggiunta o in alternativa) può venire generata da una servoassistenza elettrica .

La trasmissione 1 comprende un perno 2 del movimento centrale che è montato girevole attorno ad un asse 3 di rotazione all'interno di una scatola del movimento centrale (non illustrata) mediante l'interposizione di una coppia di cuscinetti 4. Alle estremità opposte del perno 2 del movimento centrale sono fissate due pedivelle 5 (solo una delle quali è visibile nella figura 1) che supportano i due pedali (non illustrati). Al perno 2 del movimento centrale è meccanicamente collegata una guarnitura 6 che comprendere almeno una corona (non illustrata). La trasmissione 1 comprende almeno un pignone posteriore (non illustrato) fissato al mozzo della ruota posteriore (non illustrata). Attorno alla corona della guarnitura 6 ed al pignone posteriore (non illustrato) è avvolta una catena (non illustrata) composta da una pluralità di maglie; in alternativa alla catena, ci possono essere una cinghia, una cascata di ingranaggi, o un albero di trasmissione (diretto o collegato tramite ingranaggi conici).

Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata e come meglio descritto nella domanda di brevetto italiana B02009A000303 qui incorporata per riferimento, tra la guarnitura 6 ed il perno 2 del movimento centrale è interposta una ruota libera che rende la guarnitura 6 angolarmente solidale al perno 2 del movimento centrale durante la pedalata e rende la guarnitura 6 scollegata dal perno 2 del movimento (cioè libera di ruotare rispetto al perno 2 del movimento) in assenza di pedalata.

La trasmissione 1 comprende un sensore 7 di coppia per misurare la coppia motrice che si propaga lungo la trasmissione 1. Il sensore 7 di coppia comprende una pluralità di corpi 8 elastici (uno solo dei quali è schematicamente illustrato nelle figure 1 e 2) che rendono tra loro angolarmente solidali il perno 2 del movimento centrale e la guarnitura 6 e si deformano angolarmente per trasmettere (propagare) la coppia motrice tra il perno 2 del movimento centrale e la guarnitura 6 stessi. In altre parole, in assenza dei corpi 8 elastici il perno 2 del movimento centrale e la guarnitura 6 sarebbero tra loro folli e quindi la coppia motrice tra il movimento centrale e la guarnitura 6 viene trasmessa unicamente attraverso i corpi 8 elastici che rendono il perno 2 del movimento centrale angolarmente solidale alla guarnitura 6. Inoltre, il sensore 7 di coppia comprende un sensore 9 di posizione angolare che è accoppiato alla guarnitura 6 per rilevare la posizione a angolare della guarnitura 6 stessa ed un sensore 10 di posizione angolare che è accoppiato al perno 2 del movimento centrale per rilevare la posizione β angolare del perno 2 del movimento centrale stesso. Infine, il sensore 7 di coppia comprende una unità il di elaborazione che determina la coppia motrice in funzione dello sfasamento cp angolare tra le posizioni a e β angolari della guarnitura 6 e del perno 2 del movimento centrale.

Il sensore 9 di posizione è preferibilmente un encoder angolare (ad esempio di tipo ottico o magnetico) e comprende un anello 12 generatore di impulsi che è fissato alla guarnitura 6 e presenta una serie di tacche rilevabili otticamente o magneticamente, ed un lettore 13 che è disposto in posizione fissa affacciato all'anello 12 generatore di impulsi e trasmette la posizione a angolare della guarnitura 6 alla unità il di elaborazione. Analogamente, il sensore 10 di posizione è preferibilmente un encoder angolare (ad esempio di tipo ottico o magnetico) e comprende un anello 14 generatore di impulsi che è fissato al perno 2 del movimento centrale e presenta una serie di tacche rilevabili otticamente o magneticamente, ed un lettore 15 che è disposto in posizione fissa affacciato all'anello 14 generatore di impulsi e trasmette la posizione β angolare del perno 2 del movimento centrale alla unità il di elaborazione.

E' importante osservare che i due anelli 12 generatori di impulsi presentano esattamente lo stesso numero di tacche rilevabili otticamente o magneticamente (quindi l'intervallo angolare tra due tacche successive è identico nei due anelli 12 generatori di impulsi); in questo modo, le due posizioni a e β angolari rilevate nel tempo dai lettori 13 e 15 sono isofrequenza, cioè presentano esattamente la stessa frequenza. Tale condizione è indispensabile per potere determinare correttamente la coppia motrice in funzione dello sfasamento cp angolare tra le posizioni a e β angolari della guarnitura 6 e del perno 2 del movimento centrale.

Secondo una preferita forma di attuazione, l'unità 11 di elaborazione comprende una memoria 16 in cui è memorizzata una tabella che fornisce il valore della coppia motrice in funzione dello sfasamento cp angolare tra le posizioni a e β angolari della guarnitura 6 e del perno 2 del movimento centrale; la tabella è generalmente ricavata sperimentalmente durante una fase di calibrazione del sensore 7 di coppia. Il valore della coppia motrice è proporzionale al valore dello sfasamento cp angolare tra le posizioni a e β angolari della guarnitura 6 e del perno 2 del movimento centrale e cresce al crescere dello sfasamento cp angolare stesso; in altre parole, quando la coppia motrice è nulla lo sfasamento cp angolare è nullo o quasi nullo (come illustrato nella figura 3), mentre al crescere della coppia motrice cresce lo sfasamento cp angolare (come illustrato nella figura 4). Infatti, maggiore è la coppia motrice che viene trasmessa, maggiore è la forza che i corpi 8 elastici devono trasmettere tra il perno 2 del movimento centrale e la guarnitura 6 e quindi maggiore è la deformazione elastica (schiacciamento) a cui sono sottoposti i corpi 8 elastici; maggiore è la deformazione elastica (schiacciamento) a cui sono sottoposti i corpi 8 elastici, maggiore è lo sfasamento cp angolare tra il perno 2 del movimento centrale e la guarnitura 6.

Secondo quanto illustrato nelle figure 5-7, la trasmissione 1 comprende un corpo 17 anulare interno che viene fissato al perno 2 del movimento centrale per essere angolarmente solidale al perno 2 del movimento centrale stesso e porta l'anello 14 generatore di impulsi; inoltre, la trasmissione 1 comprende un corpo 18 anulare esterno che supporta la guarnitura 6 (quindi è angolarmente solidale alla guarnitura 6 stessa) e porta l'anello 12 generatore di impulsi. Come illustrato nella figura 5, i due lettori 13 e 15 dei due sensori 9 e 10 di posizione angolare sono portati da una unica scheda di circuito integrato che è disposta in posizione fissa di fronte ai due anelli 12 e 14 generatori di impulsi.

Come illustrato nelle figure 6 e 7, dal corpo 17 anulare interno si elevano a sbalzo e radialmente quattro denti 19 che si inseriscono in corrispondenti incavi 20 ricavati nel corpo 18 anulare esterno (ovviamente il numero di denti 19 e quindi di incavi 20 può essere diverso) . Grazie all'accoppiamento meccanico dei denti 19 negli incavi 20 con l'interposizione dei corpi 8 elastici, il corpo 17 anulare interno, quindi il perno 2 del movimento centrale, è angolarmente solidale al corpo 18 anulare esterno, quindi alla guarnitura 6. Ciascun dente 19 presenta una dimensione circonf erenziale più piccola rispetto alla dimensione circonf erenziale del corrispondente incavo 20 ed in questo modo il dente 19 può "ballare" circonf erenzialmente all'interno del corrispondente incavo 20. Inoltre, tra ciascun dente 19 ed il corrispondente incavo 20 sono interposti due rispettivi corpi 8 elastici che hanno la funzione di "riempire" lo spazio presente tra il dente 19 e l'incavo 20. Secondo una preferita forma di attuazione, i due corpi 8 elastici sono disposti da lati opposti del dente 19 e sono inseriti in corrispondenti alloggiamenti 21 che sono definiti tra il dente 19 e l'incavo 20 e riproducono in negativo la forma dei corpi 8 elastici. Secondo una preferita forma di attuazione, ciascun corpo 8 elastico è costituito da una lamiera ripiegata a spirale (di poco più di un angolo giro, cioè di 360°) per presentare una deformazione elastica radiale .

In altre parole, la guarnitura 6 comprende almeno un primo elemento (gli incavi 20) ed il perno 2 del movimento centrale comprende almeno un secondo elemento (i denti 19) che è accoppiato al primo elemento con l'interposizione dei corpi 8 elastici in modo tale che i corpi 8 elastici realizzino il collegamento meccanico tra i due elementi stessi.

Secondo una alternativa forma di attuazione, i corpi 8 elastici (o almeno parte dei corpi 8 elastici) è provvisto anche di smorzamento per evitare l'innesco di oscillazioni angolari dello sfasamento cp angolare.

A titolo di esempio, gli anelli 12 e 14 generatori di impulsi presentano uno spessore inferiore ad 1 mm mentre i lettori 13 e 15 presentano una dimensione inferiore a 5 mm.

Il sensore 7 di coppia sopra descritto presenta numerosi vantaggi. In primo luogo, il sensore 7 di coppia sopra descritto è particolarmente compatto e leggero e soprattutto non richiede la presenza di contatti striscianti in quanto i lettori 13 e 15 sono disposti in posizione fissa (cioè sono meccanicamente svincolati dalle parti rotante) e non interagiscono meccanicamente con i corpi 8 elastici. Inoltre, il sensore 7 di coppia sopra descritto non genera alcun tipo di attrito durante il funzionamento, non ha bisogno di manutenzione, è molto robusto (potrebbe funzionare anche immerso in acqua se i lettori 13 e 15 fossero stagni, cioè adeguatamente sigillati), ed è estremamente affidabile. Il sensore 7 di coppia sopra descritto presenta una elevata precisione nel misurare la coppia motrice che viene trasmessa attraverso la trasmissione 1. Infine, il sensore 7 di coppia sopra descritto può determinare con elevata precisione anche la posizione angolare della trasmissione 6: la posizione angolare della trasmissione 6 può venire utilizzata per calcolare con precisione la distanza percorsa dalla bicicletta (conoscendo il diametro della ruota posteriore motrice ed eseguendo una integrazione della posizione angolare nel tempo) e può venire utilizzate per calcolare la velocità angolare di rotazione della trasmissione 6 (mediante una semplice derivazione nel tempo della posizione angolare) e quindi la velocità lineare di avanzamento della bicicletta (conoscendo il diametro della ruota posteriore motrice).

E' importante osservare il sensore 7 di coppia sopra descritto presenta una richiesta di elasticità minima, cioè la deformazione elastica a cui in uso sono sottoposti i corpi 8 elastici è molto piccola e quindi praticamente inavvertibile da parte del ciclista. A titolo di esempio lo sfasamento cp angolare massimo meccanico (cioè reale) è dell'ordine di 2-3°.

Per semplicità, nell'esempio di attuazione sopra descritto è stato fatto riferimento ad una bicicletta; tuttavia, il sensore 7 di coppia può venire vantaggiosamente utilizzato in qualunque tipo di veicolo a propulsione almeno parzialmente umana quale ad esempio un triciclo o un quadriciclo a pedali, una carrozzina per invalidi oppure un attrezzo per esercizio ginnico.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Sensore (7) di coppia per misurare la coppia motrice in una trasmissione (1) di un veicolo a propulsione almeno parzialmente umana; il sensore (7) di coppia comprende almeno un corpo (8) elastico che rende tra loro angolarmente solidali due parti (2, 6) affiancate della trasmissione (1) e si deforma angolarmente per trasmettere la coppia motrice tra le due parti (2, 6) stesse; il sensore (7) di coppia è caratterizzato dal fatto di comprendere : un primo sensore (9) di posizione angolare che è accoppiato ad una prima parte (6) della trasmissione (1) per rilevare la posizione (a) angolare della prima parte (6) stessa; un secondo sensore (10) di posizione angolare che è accoppiato ad una seconda parte (2) della trasmissione (1) per rilevare la posizione (β) angolare della seconda parte (2) stessa; ed una unità (11) di elaborazione che determina la coppia motrice in funzione di uno sfasamento (cp) angolare tra le posizioni (α, β) angolari delle due parti (2, 6) della trasmissione (1).
2) Sensore (7) di coppia secondo la rivendicazione 1, in cui l'unità (11) di elaborazione comprende una memoria (12) in cui è memorizzata una tabella che fornisce il valore della coppia motrice in funzione dello sfasamento (cp) angolare tra le posizioni (α, β) angolari delle due parti (2, 6).
3) Sensore (7) di coppia secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui ciascun sensore (9, 10) di posizione comprende: un anello (12, 14) generatore di impulsi che è fissato alla corrispondente parte della trasmissione (1); ed un lettore (13, 15) che è disposto in posizione fissa affacciato all'anello (12, 14) generatore di impulsi.
4) Sensore (7) di coppia secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, in cui: la prima parte (6) della trasmissione (1) comprende almeno un primo elemento (20); la seconda parte (2) della trasmissione (1) comprende almeno un secondo elemento (19) che è accoppiato al primo elemento con l'interposizione del corpo (8) elastico in modo tale che il corpo (8) elastico realizzi il collegamento meccanico tra i due elementi (20, 19) stessi.
5) Sensore (7) di coppia secondo la rivendicazione 4, in cui: il primo elemento è un incavo (20) che si sviluppa radialmente; ed il secondo elemento è un dente (19) che si sviluppa radialmente, si inserire all'interno dell'incavo (20), e presenta una dimensione circonferenziale più piccola rispetto alla dimensione circonferenziale dell'incavo (20).
6) Sensore (7) di coppia secondo la rivendicazione 5, in cui tra il dente (19) e l'incavo (20) sono interposti due corpi (8) elastici che sono disposti da lati opposti del dente (19).
7) Sensore (7) di coppia secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui il corpo (8) elastico è costituito da una lamiera ripiegata a spirale per presentare una deformazione elastica radiale.
8) Sensore (7) di coppia secondo la rivendicazione 5, 6 o 7, in cui tra il dente (19) e l'incavo (20) è definito un alloggiamento (21) che riproduce in negativo la forma del corpo (8) elastico ed alloggia il corpo (8) elastico stesso.
9) Sensore (7) di coppia una delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui il valore della coppia motrice è proporzionale al valore dello sfasamento (cp) angolare tra le posizioni (α, β) angolari delle due parti (2, 6) e cresce al crescere dello sfasamento (cp) angolare stesso.
10) Metodo di misura per misurare la coppia motrice in una trasmissione (1) di un veicolo a propulsione almeno parzialmente umana; il metodo di misura comprende la fase di interporre almeno un corpo (8) elastico tra due parti (2, 6) affiancate della trasmissione (1) per rendere tra loro angolarmente solidali le due parti (2, 6) ed in modo tale che il corpo (8) elastico si deformi angolarmente per trasmettere la coppia motrice tra le due parti (2, 6) stesse; il metodo di misura è caratterizzato dal fatto di comprendere le ulteriori fasi di: rilevare la posizione (a) angolare di una prima parte (6) della trasmissione (1) mediante un primo sensore (9) di posizione angolare che è accoppiato alla prima parte (6) stessa; rilevare la posizione (β) angolare di una seconda parte (2) della trasmissione (1) mediante un secondo sensore (10) di posizione angolare che è accoppiato alla seconda parte (2) stessa; determinare uno sfasamento (cp) angolare tra le posizioni (α, β) angolari delle due parti (2, 6) della trasmissione (1); e determinare la coppia motrice in funzione dello sfasamento (cp) angolare tra le posizioni (α, β) angolari delle due parti (2, 6) della trasmissione (1).