DE19601194A1

DE19601194A1 - Verfahren zur Regelung der Leistungsabgabe eines Hilfsantriebs für ein mit Muskelkraft angetriebenes Fahrzeug in Abhängigkeit der von der FahrerIn abgegebenen Leistung

Info

Publication number: DE19601194A1
Application number: DE1996101194
Authority: DE
Inventors: Michael Stamm; Dirk Gebler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-01-15
Filing date: 1996-01-15
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2016-01-16
Also published as: DE19601194C2

Description

Stand der Technik Leistungsmessung bei Hubkolbenmotoren

Ein Vergleich ist insofern interessant, da bei einem Hubkolbenmotor das Drehmoment periodisch durch den Verbrennungsdruck erzeugt wird. Dadurch, und da dieser seit über 100 Jahren Objekt der Forschung ist, liegt es nahe, hier geeignete Leistungsmeßverfahren zu finden, die eventuell schon patentiert sind.

1. Verfahren Anordnung und Verfahren zur Messung der Motorleistung von Kraftfahrzeugen DE 41 38 401.6

Durch Anbringen von Zusatzschwungmassen mit bekanntem Massenträgheitsmoment kann im instationären Fall die genaue Motorleistung bestimmt werden. Dieses Verfahren arbeitet nur im instationären Fall und kann so nicht auf die Leistungsmessung an einem Fahrrad übertragen werden. Das Fahrrad wird häufig im stationären Bereich (konstante Geschwindigkeit) betrieben. Zur Bestimmung der Leistung muß hier das Massenträgheitsmoment genau bekannt sein. Die Masse von der FahrerIn eingeben zu lassen ist im Sinne der Manipulationssicherheit, die von der StVZO gefordert wird, nicht akzeptabel.

2. Verfahren Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Motorleistung eines Kraftfahrzeuges DE 38 08 013.3

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Motorleistung eines Kraftfahrzeuges auf einem Rollenprüfstand, . . . Daß ein solches Verfahren nicht vergleichbar ist, versteht sich von selbst!

3. Verfahren System zum Messen der Ausgangskraft eines Fahrzeuges DE 32 34 554.2

Es wird ein System zum Messen der Ausgangskraft der Antriebsräder des Fahrzeuges beschrieben. Es findet ein fünftes Rad Verwendung, um eine genaue Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit sicherzustellen. An den Antriebsrädern des Fahrzeuges montierte Drehmoment- und Drehzahlsensoren werden zur Bestimmung der Gesamtausgangsleistung des Fahrzeuges eingesetzt.

Hierbei kommen Drehmoment- und Drehzahlsensoren zum Einsatz. Auch ist ein zusätzliches Rad zur genauen Geschwindigkeitsmessung notwendig. Für die Leistungssteuerung des Hilfsantriebs am Fahrrad ist dieses Verfahren nicht geeignet.

4. Verfahren

Ein Verfahren, das im Rahmen einer Dissertation am Fraunhofer Institut für Informations- und Datenverarbeitung zum Patent angemeldet ist.

Hierbei wird aus der präzisen Ermittlung der Drehgeschwindigkeit die Drehbeschleunigung ermittelt. Eine Mittelwertbildung der Meßwerte über mehrere Perioden im stationären Zustand ist wegen immer vorhandener Meßstörungen notwendig. Unter Berücksichtigung des Lastmomentes, der inneren Reibung der Verbrennungsmaschine und den bewegten Massen ist es auch im stationären Fall möglich, die Leistung zu berechnen.

Beim Fahrradfahren ist eine Mittelwertbildung über viele Perioden nicht möglich, da das Fahrverhalten in der Regel nicht über mehrere Perioden exakt konstant ist. Außerdem ist die Bestimmung der bewegten Massen nicht möglich.

Dadurch scheidet auch dieses Verfahren für den Einsatz beim Fahrrad mit Hilfsantrieb aus.

Leistungsmessung an Fahrrädern

Im Folgenden werden bekannte und patentierte Verfahren zur Leistungsmessung an HPV (Human Powered Vehicle) aufgelistet.

1. Verfahren Vorrichtung zum Messen und Auswerten von Leistungsdaten eines Fahrradfahrers DE 38 13 793.5

Die Vorrichtung zum Messen und Auswerten von Leistungsdaten eines Fahrradfahrers dient der Ermittlung und Anzeige des Runden Tritts, d. h. der Gleichmäßigkeit der Winkelgeschwindigkeit der Kurbeldrehung. Hierzu wird mittels einer Meßwertaufnehmereinrichtung die Winkelgeschwindigkeit in wenigstens einem Teilabschnitt einer Kurbelumdrehung erfaßt und durch Differenz- oder Quotientenbildung in Beziehung gesetzt zur Winkelgeschwindigkeit in wenigstens einem anderen Teilabschnitt oder auf dem gesamten Umfang einer Kurbelumdrehung. Das objektiv ermittelte Muß für die beim Fahren erreichte Gleichmäßigkeit der Kurbeldrehung wird am Fahrrad-Computer angezeigt.

Bei diesem Verfahren wird eventuell auch die Beschleunigung in Abhängigkeit der Pedallage ausgewertet, jedoch kann aus dieser ohne das Wissen über die Ersatzmasse nicht die Momentanleistung der Fahrerin ermittelt werden. Desweiteren ist hier ein Meßaufnehmer zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit an der Tretkurbel notwendig. Bei dem von uns vorgestelltem Verfahren genügt die Messung der Geschwindigkeit am Rad mit Hilfe der Speichen.

2. Verfahren Leistungsmesser für einen Kurbelantrieb DE 37 22 728.9

Bisher war die erbrachte Leistung eines Menschen auf einem Fahrrad nur stationär meßbar.

Dabei wurde mit den Kurbeln über eine Antriebsscheibe in Form des Kettenblatts oder einer Riemenscheibe mittels Kette oder Riemen eine Schwungscheibe angetrieben, die durch eine Bremse, zum Beispiel eine Reibungs- oder Wirbelstrom-Bremse, gebremst wurde. Die Drehgeschwindigkeit der Schwungscheibe und die an diese wirkende Bremskraft war ein Maß für die erbrachte Leistung. Durch diese Art der Leistungsmessung ist eine nichtstationäre Erfassung der Leistungswerte des Menschen nicht möglich, denn es wird keine Energie in Vorwärtsbewegung umgesetzt. Bei der gemäß vorliegender Erfindung vorgeschlagenen Leistungsmessung wird die erbrachte Leistung direkt am Tretlager des Fahrrades gemessen. Die Tretkraft wird durch die Verformung eines geeigneten Biegeelementes, auf dem Dehnmeßstreifen appliziert sind, in ein elektrisches Signal umgewandelt und durch induktive Übertragung auf einen mit dem Fahrradrahmen verbundenen Empfänger übertragen. Die Tretgeschwindigkeit wird durch eine Tretfrequenzmessung ermittelt. Beide Werte, Tretkraft und Tretgeschwindigkeit, werden in einem Mikrocomputer am Fahrrad verarbeitet, zur Anzeige gebracht und abgespeichert.

Dieses Verfahren benötigt einen Drehmomentsensor für die Leistungsermittlung. Auf diesen soll bei unserem gerade verzichtet werden.

Zusammenfassung des Standes der Technik

Die bis jetzt bekannten Verfahren zur Leistungsmessung gliedern sich in zwei Hauptgruppen.

1. Es wird zur Leistungsmessung ein Drehmomentsensor im Antriebsstrang eingesetzt.
2. Um auf den Drehmomentsensor verzichten zu können, wird die Drehbeschleunigung ermittelt. Um daraus die Leistung ermitteln zu können, müssen alle vorhandenen Massen und Reibmomente bekannt sein.

Problem

Zur Einhaltung der StVZO muß bei einem Fahrrad mit Hilfsantrieb mindestens 50% der durchschnittlichen Vortriebskraft durch die FahrerIn erzeugt werden. Um dies zu gewährleisten, wird standardmäßig ein Drehmomentsensor benötigt.

Beschreibung unseres Ausführungsbeispieles

Der Verlauf des abgegebenen Drehmoments einer FahrradfahrerIn ist, bedingt durch den Kurbeltrieb, ähnlich dem Funktionsverlauf des Betrages der Sinusfunktion. Das Minimum des Drehmomentes wird bei senkrechtem Pedalarm ereicht, das Maximum wird bei waagerechtem Pedalarm erreicht. Das sich periodisch ändernde Drehmoment verursacht eine sich mit derselben Periodendauer verändernde Geschwindigkeit. Bild 1a zeigt den Geschwindigkeitsverlauf einer FahrradfahrerIn bei kleiner Beschleunigung aus dem Stillstand auf ebener Fläche. Die durch den Kurbeltrieb hervorgerufenen Geschwindigkeitsschwankungen sind deutlich zu erkennen.

Die Geschwindigkeitsänderung ist im Verhältnis zur Absolutgeschwindigkeit sehr klein. Daher ist es notwendig, die Geschwindigkeit mit mehreren Impulsen pro Pedalumdrehung zu erfassen. Zur Erfassung der Pedallage genügt eine Pedalsensor, der pro Pedalumdrehung einen Impuls abgibt. Zur Erfassung der Geschwindigkeit wird ein Speichensensor am Fahrradrahmen befestigt. Mit bekanntem Speichenabstand kann aus der Zeitdifferenz zweier Speichen die Momentangeschwindigkeit ermittelt werden. Selbst bei einem Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 zwischen Tretlager und Rad ergeben sich z. B. 36 Geschwindigkeitswerte pro Pedalumdrehung.

Die Speichenabstande können bei einem Auslaufversuch (Rad ohne Bodenkontakt frei auslaufen lassen) ermittelt und abgespeichert werden. Als Referenzmarke dient das Ventil. Bild 2 zeigt die Speichenabstände des Versuchsfahrrades.

Die so ermittelten Speichenabstände sind zur Berechnung des in Bild 1 gezeigten Geschwindigkeitsverlaufs benutzt worden. Vor der Weiterverarbeitung des Geschwindigkeitssignals sollte dieses mittels digitaler Filterverfahren geglättet werden (Bild 1b).

Der Prototyp mit Hilfsantrieb wurde zwecks einfacher Handhabung (fester Standort) an einem Heimtrainer realisiert. An diesem ergaben sich äquivalente Geschwindigkeitskurven. Aus dem Geschwindigkeitssignal konnte durch die Mittelwertbildung über mehrere Pedalumdrehung der Beschleunigungsverlauf in Abhängigkeit des Pedalwinkels ermittelt werden (Bild 3). Dies ist für die Regelung nicht notwendig. Die ermittelte Kurve verifiziert aber obige Annahme, daß der Drehmomentverlauf über dem Pedalwinkel dem Betrag der Sinusfunktion ähnelt.

Der Hilfsantrieb wird nun so gesteuert, daß er den identischen Drehmomentverlauf über dem Pedalwinkel erzeugt wie die FahrradfahrerIn (Betrag des Sinus). Dabei ist der Verlauf phasenversetzt zum Drehmomentverlauf der FahrerIn. Das Drehmomentmaximum der FahrerIn trifft auf ein Drehmomentminimum des Hilfsantriebes und umgekehrt (Bild 4). Um den identischen Betrag zu erhalten, wird dieser so geregelt, daß die Geschwindigkeitsänderung, die durch den Hilfsantrieb verursacht wird, genauso groß ist wie die durch die FahrerIn verursachte Änderung. In Bild 4 ist ein Regelvorgang dargestellt, bei dem das Drehmoment des Hilfsantriebs an das Drehmoment der FahrerIn angepaßt wird. Im Zeitraum t=0s bis t=2s ist deutlich zu sehen, daß die Geschwindigkeitsschwankungen nur durch die FahrerIn verursacht werden (Bild 4c).

Zum Zeitpunkt t=2s wird die Regelung eingeschaltet. Die Regelung ändert das Antriebsmoment, bis das Geschwindigkeitsminimum, das zum Drehmomentminimum der FahrerIn gehört, genauso groß ist wie der Mittelwert der beiden benachbarten und durch die Fahrerin verursachten Maxima. Nach zwei Pedalumdrehungen zum Zeitpunkt t=6s ist der Einschwingvorgang der Regelung abgeschlossen. Ab diesem Zeitpunkt folgt das Drehmoment des Hilfsantriebs dem Drehmoment der FahrerIn.

In Abb. 4d ist zu sehen, daß die Geschwindigkeitsschwankungen von Hilfsantrieb und FahrerIn gleich groß sind. Deutlich zu sehen ist, daß sich die Periodizät der Schwankungen verdoppelt hat. Im ursprünglichen Geschwindigkeitsminimum liegt jetzt ein weiteres Maximum. Bei Bild 4 handelt es sich um eine Simulation, da uns keine Messungseinrichtung für die direkte Messung des FahrerInnendrehmoments zur Verfügung stand. Wir konnten aber die Veränderung der Motordrehmomentamplitude in Abhängigkeit der am Heimtrainer eingestellten Belastung verifizieren.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Slaveantriebs in Abhängigkeit der Leistung eines Masterantriebs. Voraussetzung ist, daß der Masterantrieb sein Drehmoment periodisch ändert und dabei der qualitative Verlauf des Drehmoments und in einem Punkt der Drehmomentbetrag bekannt sein muß.
Konkretes Beispiel ist das sich periodisch ändernde Drehmoment einer FahrradfahrerIn (Master). Hierbei wird das Drehmoment bei senkrechtem Pedalarm nahezu Null. Bei waagerechtem Pedalarm erreicht es sein Maximum. Dieser Vorgang setzt sich periodisch fort und hat einen ähnlichen Verlauf wie der Betrag der Sinusfunktion.
Kennzeichnend für das Verfahren ist die Erfassung der durch das periodische Antriebsmoment hervorgerufenen Drehzahlschwankungen. Der Slaveantrieb wird mit dem gleichen bekannten Drehmomentenverlauf angesteuert. Die Amplitude des Slavedrehmoments wird so geregelt, daß die hervorgerufenen Drehzahlschwankungen von Slave- und Masterantrieb identisch sind. Arbeitet der Slaveantrieb z. B. um eine halbe Periode zeitversetzt zum Masterantrieb gibt der Slaveantrieb dieselbe Leistung ab wie der Masterantrieb.