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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Pedal für ein Fahrrad, insbesondere ein Pedelec.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Bestimmung von Kräften und/oder Drehmomenten an einem Fahrrad.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Bestimmung von Kräften und/oder Drehmomenten an einem Fahrrad, hervorgerufen durch einen Fahrer.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrrad.
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Obwohl die Erfindung allgemein auf beliebige Fahrräder anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Fahrräder in Form von Pedelecs erläutert.
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Stand der Technik
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Bei Pedelecs ist die Unterstützung durch den elektrischen Antrieb möglichst bedarfsgerecht zu regeln. Der Motor soll den Fahrer je nach seiner eigenen Trittkraft unterstützen. Die Motorunterstützung wird aber abgeschaltet, wenn der Fahrer nicht „pedaliert“, das heißt wenn der Fahrer keine Kraft auf die Pedale aufbringt und wenn die Tretlager sich nicht drehen. Zur Regelung sind daher Sensoren erforderlich, die diese Zustände erkennen und den Grad der Unterstützung durch den Motor möglichst fließend an die Trittkraft des Fahrers anpassen.
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Zur Ermittlung der Kraft auf die Pedale beziehungsweise des dadurch erzeugten Drehmoments werden in bekannter Weise Drehmomentsensoren eingesetzt. Als Wandlerelemente für diese Drehmomentsensoren werden an geeigneten Stellen beziehungsweise Elementen des Antriebsstranges in bekannter Weise Dehnungsmessstreifen oder auf Basis der Magnetostriktion arbeitete Sensoren verwendet.
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Der jeweilige Dehnungsmessstreifen wird an mechanisch beanspruchten Stellen des Antriebsstranges aufgebracht - zum Beispiel auf einer drehenden Welle oder an einer Lagerhaltung einer Welle. Das Drehmoment kann über die dadurch bewirkte Kraft auf die Lagerhaltung - und damit auf den dort angebrachten Dehnmessstreifen - indirekt gemessen werden, was jedoch zu ungenauen Messungen führen kann. Magnetostriktive Drehmomentsensoren ermöglichen eine berührungslose Drehmomentmessung. Hierzu wird in ein magnetisches Element eine magnetische Signatur eingebracht. Diese kann über die Zeit bei höheren Temperaturen und Belastungen degradieren, was zu Messungenauigkeiten führt. Neben dem Drehmoment wird für die Regelung des Grades der Motorunterstützung noch die Trittfrequenz beziehungsweise Kadenz und optional auch die Winkelstellung der Tretkurbel des Fahrrades verwendet. Die Trittfrequenz kann beispielsweise an einem auf einer Welle angebrachten Polrad mit magnetischen Texturen oder an einem Zahnkranz, beispielsweise mittels eines Hallsensors, ermittelt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Pedal für ein Fahrrad, insbesondere ein Pedelec bereit, umfassend eine Sensoreinrichtung, die zumindest eine Drehratensensiereinrichtung und/oder eine Beschleunigungssensiereinrichtung umfasst.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung von Kräften und/oder Drehmomenten an einem Fahrrad, hervorgerufen durch einen Fahrer, bereit, umfassend
- - zumindest zwei Sensoreinrichtungen, wobei die zumindest zwei Sensoreinrichtungen jeweils zumindest eine Drehratensensiereinrichtung und/oder eine Beschleunigungssensiereinrichtung aufweisen und
- - zumindest ein Pedal und/oder ein Fahrradbauteil außerhalb des Bereichs der Pedale,
wobei die zumindest zwei Sensoreinrichtungen an zumindest einem Pedal und/oder an zumindest einem Fahrradbauteil außerhalb des Bereichs der Pedale angeordnet sind.
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Mit anderen Worten können mittels Anordnung der zumindest zwei Sensoreinrichtungen entweder alleine an den Pedalen, alleine an anderen Fahrradbauteilen und/oder an zumindest einem Pedal und zumindest einem anderen Fahrradbauteil Kräfte und/ oder Drehmomente an einem Fahrrad, hervorgerufen durch einen Fahrer, ermittelt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung von Kräften und/oder Drehmomenten an einem Fahrrad, hervorgerufen durch einen Fahrer, bereit, wobei Drehraten und/oder Beschleunigungen mittels einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10-12 ermittelt werden und anhand der ermittelten Drehraten und/oder Beschleunigungen und basierend auf einer Steifigkeit von Komponenten der Vorrichtung und insbesondere des Rahmens des Fahrrads, die auf die Pedale ausgeübten Kräfte und/oder Drehmomente.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Fahrrad mit einem Pedal gemäß einem der Ansprüche 1-9 und/oder einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10-12 bereit.
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Mit anderen Worten ermöglicht die vorliegende Erfindung die Bestimmung der von auf mechanisch belastete Elemente einwirkenden, zeitlich modulierten Kräften beziehungsweise Drehmomenten über die Messung von Drehraten und Beschleunigungen. Hierzu werden insbesondere MEMS-Beschleunigungs- und/oder -Drehratensensoren, insbesondere in Pedalen und/oder an Bauelementen von Fahrrädern integriert und die dort auftretenden, zeitlich modulierten Winkeländerungen, insbesondere beider Pedalachsen und dort auftretende Beschleunigungen zueinander gemessen. So kann beispielsweise die Winkeländerung aus Biegungen und Torsionen der Pedalachsen, der Tretkurbel, der Tretkurbelachse und alternativ oder zusätzlich auch durch die Verbiegung des Rahmens, die durch die Kraft des Fahrers auf die Pedale erzeugt werden, ermittelt werden. Anhand von Steifigkeiten dieser Elemente lässt sich die Kraft des Fahrers auf die Pedale und somit das erzeugte Drehmoment berechnen. Aus den Daten der Beschleunigungssensoren können beispielsweise die Trittfrequenz, die Tretkurbelstellung, die Tretkurbellänge oder andere Beschleunigungen wie zum Beispiel die Gesamtverzögerung durch Bremsen, Schräglagenwinkel/Neigungswinkel des Fahrrades oder die Änderung des Pedalachsenwinkels bei einer einseitigen Belastung durch das Gesamtgewicht des Fahrers im unteren Totpunkt beziehungsweise bei Stillstand der Pedalierung ermittelt werden.
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Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Vorteile oder Merkmale bereitstellen:
- • Kontaktloses Messprinzip.
- • Unempfindlichkeit gegenüber mechanischer Überlast.
- • MEMS-Beschleunigungs- und Drehratensensoren, insbesondere auch kombiniert, insbesondere für alle drei Raumrichtungen und mit hoher Empfindlichkeit und Robustheit.
- • Robust gegenüber magnetischen und elektrischen Störfeldern.
- • Eine gesonderte Antriebswelle für die Drehmomentmessung ist nicht erforderlich, deshalb geringer Bauraum, geringes Gewicht und geringere Kosten.
- • Hohe Flexibilität, insbesondere kann ein Pedal gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einfach und universell bei allen Fahrrädern, insbesondere auch bei solchen ohne elektrischen Motor auf einfache Weise eingesetzt oder nachgerüstet werden.
- • Nur Anbauteile für das Fahrrad erforderlich, dadurch einfachere und kostengünstigere Herstellung; keine aufwendige Integration erforderlich.
- • Einfache Funktionsüberprüfung, da diese vor Einbau am Fahrrad erfolgen kann.
- • Hohe Anzahl von mittels der Sensoreinrichtung im Pedal beziehungsweise Sensorvorrichtung ermittelbaren Messgrößen, beispielsweise Kraft auf Pedale/Drehmoment, Trittfrequenz, Tretkurbelstellung, Leistung, Fahrergewicht, Drehmoment über Tretkurbelwinkel, „runder Tritt“: Druck- und Zugkraft am Pedal, Unterschied rechtes und linkes Pedal, Tretkurbellänge, Seitenneigung des Fahrrads zur Bereitstellung einer Anfahrhilfe oder das Erkennen einer gefährlichen Pedalstellung, Gewicht des Fahrers.
- • Hohe Genauigkeit der Ermittlung der Messgrößen, da unerwünschte oder störende Signale herausgefiltert werden können, beispielswese durch Differenzbildung, Redundanz.
- • Verwendung der Pedale mit Sensoren beziehungsweise der Sensoranordnung auch bei Fahrrädern ohne motorische Unterstützung, beispielsweise als Sensor für einen Fahrradcomputer mit drahtloser Datenübertragung, bei Heimtrainern oder dergleichen.
- • Hohe Flexibilität in der Implementierung, insbesondere auch in einer App auf dem Smartphone als Fahrradcomputer.
- • Tretkurbelwinkel ist insbesondere ableitbar aus den Signalen von Beschleunigungssensoren in drei Raumrichtungen.
- • Messsignale sind langzeitstabil und nur geringfügig von der Temperatur abhängig.
- • Erkennung von Bewegungen des Fahrrades, umfassend Pedalieren, Schieben, Transport ohne Rad- beziehungsweise Pedalbewegung, Anfahrsituation, kritische Fahrradneigung beim Abstellen und dergleichen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Sensoreinrichtung ausgebildet, entlang zumindest zweier Raumachsen, insbesondere entlang dreier Raumachsen zu messen. Vorteil hiervon ist, dass die Genauigkeit bei der Bestimmung von aus den Beschleunigungen und/oder den Drehraten abgeleiteten Parametern wesentlich verbessert wird. Hierbei können lediglich die Drehratensensiereinrichtung, lediglich die Beschleunigungssensiereinrichtung oder beide entlang zumindest zweier Raumachsen, insbesondere entlang dreier Raumachsen jeweilige Messwerte bereitstellen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine Sendeeinrichtung angeordnet, welche zur drahtlosen Kommunikation ausgebildet ist. Einer der damit möglichen Vorteile ist, dass eine drahtlose Signalübertragung zu einer Motor-Steuereinheit beziehungsweise -Regeleinheit des Fahrrads ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine Auswerteeinrichtung angeordnet, die zur Auswertung von Daten zumindest einer Sensoreinrichtung ausgebildet ist. Einer der damit erzielten Vorteile ist die Bereitstellung von bereits ausgewerteten Messwerten, was die Weiterverarbeitung erleichtert. Darüber hinaus ist eine einfachere Integration in vorhandene Systeme möglich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine Energieversorgungseinrichtung angeordnet, die zumindest eine der Einrichtungen, insbesondere alle im Pedal angeordneten Einrichtungen mit Energie versorgt. Einer der damit erzielbaren Vorteile ist eine autarke Energieversorgung, einhergehend mit einer einfacheren Implementierung hinsichtlich der Verkabelung für die Energieversorgung der Einrichtungen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindng ist die Energieversorgungseinrichtung ausgebildet, anhand der Bewegung des Pedals Energie bereitzustellen, insbesondere zu speichern. Einer der damit erzielbaren Vorteile ist ein besonders hoher Grad einer autarken Energieversorgung, da beispielsweise auf austauschbare Akkus oder dergleichen verzichtet werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine optische aktive und/oder passive Anzeigeeinrichtung angeordnet. Einer der damit erzielbaren Vorteile ist, dass beispielweise integrierte farbige LED-Strahler nach vorne, beispielsweise weiß, nach hinten, beispielsweise rot, und zu den Seiten, beispielsweise orange, die Sichtbarkeit des Radfahrers und damit dessen Sicherheit erhöhen können. Denkbare Betriebsmodi können umfassen: Dauerlicht, blinkend oder bei bestimmten Pedalstellungen, beispielsweise oben, unten, aufleuchtend.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Energieversorgungseinrichtung zentral in der Mitte an einer Pedalachse angeordnet. Vorteil hiervon ist eine gute Gewichtsverteilung im Pedal sowie eine einfache Verbindung zu Einrichtungen im Pedal, die mit Energie versorgt werden sollen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine der Einrichtungen, insbesondere Sensor-, Sende-, Anzeige- und Auswerteeinrichtung an einer zu einer Trittfläche senkrechten äußeren Fläche am Pedal angeordnet. Damit wird beispielsweise eine einfache Anzeige, eine einfache und zuverlässige Drahtlosverbindung und dergleichen bereitgestellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung sind die zumindest zwei Sensoreinrichtungen an zwei Pedalen angeordnet, wobei jedes Pedal zumindest eine der Sensoreinrichtungen aufweist. Einer der damit erzielten Vorteile ist eine besonders einfache Implementierung und Nachrüstung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung sind drei oder mehr Sensoreinrichtungen angeordnet, wobei eine der drei oder mehr Sensoreinrichtungen an dem zumindest einen weiteren Fahrradbauteil, insbesondere an einem Rahmen des Fahrrads und an einem Lenker des Fahrrads angeordnet sind. Vorteil hiervon ist, dass die Genauigkeit bei der Bestimmung von aus den Beschleunigungen und/oder den Drehraten abgeleiteten Parametern noch weiter verbessert wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigt in schematischer Form
- 1 eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Rückansicht;
- 2 einen Teil der Sensoranordnung gemäß 1 in Seitenansicht;
- 3 ein Pedal gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht;
- 4 eine Prinzipdarstellung der Kraftwirkung auf ein Pedal gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 5 eine Prinzipdarstellung der Kraftwirkung auf ein Pedal gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Rückansicht und 2 einen Teil der Sensoranordnung gemäß 1 in Seitenansicht.
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Im Detail zeigen die 1 und 2 eine Sensoranordnung 1. Weiterhin ist ein Tretlager mit Gehäuse 3, welches an einem Rahmen 2 eines Fahrrads angeordnet ist, gezeigt. Im Tretlager ist in üblicher Weise eine Tretlagerachse 4 angeordnet, die jeweils endseitig mit einer Tretlagerkurbel 5a, 5b versehen ist. An den Enden der Tretlagerkurbel 5a, 5b ist jeweils eine Pedalachse 6a, 6b angeordnet, an der ein Pedal 7a, 7b drehbar gelagert ist. In den beiden Pedalen 7a, 7b ist jeweils eine Sensoreinrichtung 13a, 13b angeordnet, ebenso wie Reflektoren 12a, 12a', 12b, die nachfolgend in Bezug auf 3 erläutert werden. Rechts in 1 ist zu sehen, dass auf der Tretlagerachse 4 zwischen Gehäuse 3 und Tretlagerkurbel 5b ein Kettenblatt 8 angeordnet ist. Darüber hinaus kann am Rahmen 2 ein Drehratensensor 17 angeordnet sein. Die beiden Sensoreinrichtungen 13a, 13b in den Pedalen 7a, 7b und der Drehratensensor 17 bilden hier die Sensoranordnung 1.
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3 zeigt ein Pedal gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht.
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Im Detail zeigt 3 eine Seitenansicht eines Pedals 7a, welches drehbar auf der Pedalachse 6a gelagert ist. Im Bereich der Pedalachse 6a ist eine Energieversorgungseinrichtung 11, beispielsweise umfassend einen Magneten und eine Spule, angeordnet, die entsprechend elektrische Energie bereitstellen kann. Weiterhin umfasst das Pedal 6a seitliche LEDs 10a, 10b und Front- und Rück-LEDs 9a, 9b jeweils auf unterschiedlichen Flächen des Pedals 7a senkrecht zu dessen Pedalachse 6a, ebenso wie auf diesen Flächen mittig angeordnete Reflektoren 12a, 12a', die ebenfalls angedeutet in 1 gezeigt sind. Im vorderen, also in 3 rechten Bereich des Pedals 7a sind weiterhin eine Sensoreinrichtung 13a mit 3-Achssensoren für Drehrate und Beschleunigung angeordnet ebenso wie eine Auswerteeinrichtung beziehungsweise eine Datenaufbereitungseinrichtung 15, eine Bluetooth-Sendeeinrichtung 14 und eine Energiespeichereinrichtung 16. Tritt nun der Fuß 20 eines Fahrers auf die Trittfläche 22 des Pedals 7a, erfolgt eine in 3 in der Zeichenebene von oben nach unten wirkende Kraft 21 auf das Pedal 7a.
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In die Pedale 7a, 7b sind somit Elemente für die Erzeugung, hier Magnet auf Pedalachse 6a und Spule auf Pedal 7a und Speicherung von elektrischer Energie, beispielsweise Akku sowie Bauteile für die drahtlose Datenübermittlung, beispielsweise Bluetooth®, integriert. Die elektrischen Bauteile werden in den Pedalkörper des Pedals 7a, 7b beziehungsweise in die Teile des Pedals 7a, 7b eingebaut, auf denen auch Reflektoren 12a, 12a', 12b angeordnet sind. Weiterhin werden optional mehrfarbige LEDs 9a, 9b, 10a, 10b, beispielsweise weiße nach vorne, rote nach hinten und orangefarbene zu beiden Seiten gerichtet, integriert. Sie können über die drahtlose Verbindung zu einer Bedieneinheit 61 (siehe 5) an einem Lenker, insbesondere zusammen mit dem Fahrtlicht des Fahrrads geschaltet werden.
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4 zeigt eine Prinzipdarstellung der Kraftwirkung auf ein Pedal gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Detail zeigt 4 eine Änderung des Pedalachswinkels bei Einwirken einer Kraft 21 auf das Pedal 7a. Wirkt also eine Kraft auf das Pedal 7a, weicht die Pedalachse 6a von der Achse ohne Krafteinwirkung ab (in 4 gestrichelte horizontale Linie). Diese Achswinkelabweichung ist für kleine Winkel näherungsweise der einwirkenden Kraft proportional. Die Achswinkelabweichung ergibt sich aus der Summe der Verformungen, also Biegungen und Torsion der Pedalachse 6a, das heißt deren Biegung 51, der Tretkurbel, das heißt deren Torsion 50 und Biegung, insbesondere auch schiefe Biegung und der Tretkurbelachse, das heißt deren Biegung sowie des Rahmens 2 in dem die Tretkurbelachse gelagert ist. Anhand der Kenntnis der mechanischen Steifigkeit dieser Elemente kann aus der Achswinkelabweichung 52 auf die einwirkende Kraft geschlossen werden.
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Für eine effektive Kraftübertragung für den Antrieb ist eine hohe Steifigkeit dieser Bauteile vorteilhaft. Die Achswinkeländerung 52 führt durch die zeitliche Modulation der auf das Pedal 7a wirkenden Kraft zu einer Drehrate. Diese Drehrate ist aufgrund der hohen Steifigkeiten der Antriebsstrangelemente relativ klein. Für typische Kräfte eines sitzenden Normalradlers zwischen 100 N und 400 N auf die Pedale 7a beträgt die Winkeländerung der Pedalachse 6a ohne Rahmenverbiegung abhängig von den Steifigkeiten der Elemente abgeschätzt 0,3° bis 1,2°. Dabei erfolgt insbesondere die größte positive Winkeländerung etwa zwischen 0°, oberer Totpunkt, und 90° der Tretkurbelstellung. Die Änderung erfolgt innerhalb der entsprechenden Zeitspanne für eine Viertelumdrehung. Bei beispielsweise 30 Umdrehungen pro Minute entspricht dies einer Zeitspanne von 0,5 Sekunden. Aus dieser groben Abschätzung ergibt sich für die minimale Drehrate 0,370,5 s ~ 0,6°/Sekunde.
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Im Normalbetrieb einer Fahrt sind der Pedalachswinkeländerung allein durch Krafteinwirkung auf die Pedale 7a auch zeitliche Winkeländerungen aufgrund von entsprechenden Neigungen des gesamten Fahrradrahmens 2 überlagert. Diese unerwünschten oder störenden Winkeländerungen lassen sich über redundantes Messen auf der anderen nahezu unbelasteten Pedale 7a durch Differenzbildung der jeweiligen Drehratenkomponenten eliminieren.
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5 zeigt eine Prinzipdarstellung der Kraftwirkung auf ein Pedal gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Detail zeigt 5 die Berücksichtigung einer Verformung des Rahmens 2 bei Krafteinwirkung auf ein Pedal 7a, in dem die Tretlagerachse gelagert ist. Aufgrund ihrer großen Dimension führt die Verformung 54 des Rahmens 2 des Fahrrads, also eine Abweichung des Rahmens von der Mittenebene 55 des Rahmens 2, zu einer großen Winkeländerung 53 des Tretlagers und beider Pedalachsen 6a (hier nur eine Pedalachse dargestellt). Sie wird als Drehrate um die Achse X an beiden Pedalen 7a (hier nur ein Pedal dargestellt) gemessen. Durch die Differenzbildung kann sie jedoch eliminiert werden. Zur Steigerung der Empfindlichkeit der Drehmomentmessung können optional mehrere zusätzliche Drehratensensoren, gegebenenfalls zusammen mit Beschleunigungssensoren an mehreren Positionen des Rahmens 2 angeordnet werden, insbesondere an Positionen an denen eine große Winkeländerung 54, beispielsweise Drehratensensor 17 am Rahmen 2 in der Nähe des Tretlagergehäuses in 1, bei Rahmenverformung erzeugt wird und an Positionen, an denen keine oder nur eine kleine Winkeländerung 54, in den Figuren auch als Winkel y bezeichnet, bei Rahmenverformung erzeugt wird - beispielsweise in einem Bedienelement 61 des Fahrrads an der Lenkstange des Lenkers 60. Die Differenzbildung der Drehratensignale erfolgt nun zwischen den Sensoren 17, 18 oder zwischen dem Sensor 18 und den entsprechenden Sensoren (Sensoreinrichtungen 13a, 13b) am rechten beziehungsweise linken Pedal.
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Die Messung des vom Fahrer erzeugten Gesamtdrehmomentes kann in einer weiteren Ausführungsform auch mittels der beiden Sensoren 17, 18 alleine erfolgen, also auch ohne Sensoreinrichtungen 13a, 13b in den Pedalen 7a, 7b. In dieser Ausführungsform kann die Trittfrequenz oder die Pedalstellung aus dem zeitlichen Signalverlauf der beiden Sensoren 17, 18 abgeleitet werden.
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Insgesamt kann durch Auswertung der Drehratenkomponenten X und Y entlang der X- beziehungsweise- Y-Achse das gesamte über eine Umdrehung generierte Drehmoment gemessen werden. Für sportlich ambitionierte Fahrer sind dadurch Informationen zum so genannten „runden Tritt“ verfügbar. Dabei ist eine hohe Genauigkeit der Drehmomentmessung über der gesamten Tretkurbelumdrehung möglich, das heißt ein kleiner Signalfehler über eine Umdrehung. Das Messverfahren ist für das gesamte Spektrum der einwirkenden Kraft - Pedalkräfte von unter 100 N bei sitzenden Normalfahrern bis über 3000 N bei stehenden Sprintern - geeignet. Innerhalb des elastischen Bereichs ist dieses unkritisch bezüglich mechanischer Überlast und hat geringe Temperatur- und Alterungsdriften.
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Eine Verdrehung der Pedalebene, das heißt die Fläche des Pedals 7a, 7b, auf der die Füße 20 des Fahrers aufliegen, kann aus der Drehrate um die Z-Achse detektiert werden. Die gemessene Zentripetalbeschleunigung wird durch eine solche Verdrehung verfälscht. Mit der Drehrate um die Z-Achse kann dies korrigiert werden. Die Informationen der Verdrehung der Pedale 7a, 7b auf der Pedalachse 6a, 6b kann auch zur Analyse des „runden Tritts“ verwendet werden.
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Für die Berechnung des Drehmoments aus den Drehraten ist die Steifigkeit der mechanisch belasteten Elemente erforderlich. Die Steifigkeit kann beim Abgleich beziehungsweise der Kalibrierung im Berechnungsalgorithmus eingegeben werden. Sie kann aber auch vom Hersteller der einzelnen Elemente bereitgestellt werden, beispielsweise in dem dieser diese aus Simulationen oder Messungen ermittelt, wobei ein Abgleich in diesem Fall entfallen kann. Beim Abgleich können auch unterschiedliche Steifigkeiten an der rechten und an der linken Pedalachse berücksichtigt werden. Bei Pedelecs kann beispielsweise eine unterschiedliche Steifigkeit durch eine unterschiedlich gekröpfte Tretkurbel bedingt sein.
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Ein Abgleich oder eine Überprüfung der Kalibrierung kann auch im Feld erfolgen. Dazu kann der Fahrer beispielsweise bei waagerechter Tretkurbelstellung sein gesamtes Körpergewicht gleichmäßig auf beide Pedale oder im unteren Totpunkt der Tretkurbel auf eine Pedale aufbringen. Dafür ist lediglich das Gewicht des Fahrers über die Bedieneinheit einzugeben. Umgekehrt lässt sich mit abgeglichenem System das Gewicht des Fahrers ermitteln und anzeigen.
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Für die Kalibrierung ist auch die Tretkurbellänge zu berücksichtigen. Sie kann bei bekannter Trittfrequenz aus der zeitlichen Änderung oder aus dem Verhältnis der gemessenen Beschleunigungskomponenten an den Pedalen ermittelt werden. Bei bekannter Trittfrequenz kann aus der Zentrifugalbeschleunigung die Tretkurbellänge mit hohen Genauigkeiten, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 1 mm berechnet werden. Damit können Standard-Kurbellängen, insbesondere 170, 172,5 und 175 mm eindeutig identifiziert werden.
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Mit den Messdaten der 3-achsigen Beschleunigungs- und Drehratensensoren sind auch nachfolgend aufgezählte Möglichkeiten realisierbar:
- • Bestimmung der Seitenneigung des Fahrrads während der Fahrt und bei Stillstand, beispielsweise zur Erkennung einer Anfahrsituation oder einer grenzwertigen Neigung beim Abstellen des Fahrrades.
- • Erkennung einer einseitigen Pedalkraft und Tretkurbelstellung für eine Anfahrhilfe.
- • Erkennung von Fuß/Füßen auf Pedalen.
- • „wake-up“-Funktion für das Steuergerät oder für die Elektronik in den Pedalen, beispielsweise bei Bewegung des Fahrradrahmens, um Stromverbrauch zu minimieren.
- • Erkennung von Bewegungen des Fahrrads (Parken, Pedalieren, Schieben, Transport mit Vibrationen ohne Rad- beziehungsweise Pedalbewegung, Anfahrsituation, kritische Fahrradneigung beim Abstellen, etc.).
- • Diebstahlschutz: Beispielsweise während eines Transports, wenn zuvor durch den Fahrer eine entsprechende Diebstahlerkennung aktiviert wurde und Auslösen eines akustischen und/oder optischen Alarms und optional eine elektronische Sperrung des Fahrrad-Akkus und/oder des Motors.
- • Bremsverzögerung des Fahrrads aus Signalen der Beschleunigungssensoren ohne Differenzbildung oder mit Hilfe der dritten Sensoreinheit 17 beispielsweise im Bedienteil an der Lenkstange erkennbar und als Bremssignal über rückwärts gerichtete, rote LED's an beiden Pedalen anzeigbar. Dabei kann die Anzeige analog des bei KFZ eingesetzten adaptiven Bremslichts - auch aktives beziehungsweise dynamisches Bremslicht genannt - erfolgen zur Anzeige für starkes Bremsen in Notfällen für den nachfolgenden Verkehr.
- • LED's in Pedalkörper integriert, beispielsweise weiss/nach vorne gerichtet, orange/zu den Seiten gerichtet, rot/nach hinten gerichtet im Betriebsmodus als Dauerlicht oder blinkend oder für noch bessere Sichtbarkeit des Radfahrers ist die Leuchtphase einstellbar an mehreren gewünschten Tretkurbelstellungen.
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Durch zusätzliche in mehreren Achsen messende Magnetfeldsensoren kann aus den Messdaten die absolute Orientierung des Fahrrades erkannt werden. Bei einer grenzwertigen Fahrradschräglage in einer Kurve können die Pedale auf der Fahrbahn aufkommen und zu gefährlichen Situationen oder zum Sturz führen. Solche grenzwertigen Schräglagen aber auch die Steigung des Fahrrades am Berg können gemessen und auf einem Display angezeigt werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.