DE19611470A1

DE19611470A1 - Verfahren zur Leistungsmessung einer FahrradfahrerIn

Info

Publication number: DE19611470A1
Application number: DE1996111470
Authority: DE
Inventors: Michael Stamm; Dirk Gebler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 1997-09-25

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.

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 am Fahrrad ist dieses Verfahren nicht geeignet, da insbesondere auf einen Drehmomentsensor verzichtet werden soll.

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.

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 Maß für die beim Fahren erreichte Gleichmäßigkeit der Kurbeldrehung wird am Fahrrad-Computer angezeigt.

Hier ist ein Meßaufnehmer zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit an der Tretkurbel notwendig. Bei dem von uns vorgestelltem Verfahren genügt die Messung der Geschwindigkeit am Rad. Um aus der gemessenen Winkelbeschleunigung der Tretkurbel auf die mechanische Leistung zu schließen, muß nicht nur die Masse von Fahrrad und Fahrerin bekannt sein, sondern auch das Übersetzungsverhältnis der Schaltung. Dieses ist nicht ohne zusätzliche Meßeinrichtung bestimmbar.

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 des Kurbeltriebes ermittelt. Um daraus die Leistung ermitteln zu können, muß beim Fahrrad zusätzlich zu den Massen das momentane Übersetzungsverhältnis bekannt sein.

Problem

Bisher war die erbrachte Leistung einer Fahrerln 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 der Fahrerin nicht möglich, denn es wird keine Energie in Vorwärtsbewegung umgesetzt. Ausnahme ist Verfahren 2 für Fahrräder, welches die oben beschriebenen Nachteile aufweist.

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 erreicht, 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 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 Speichenabstände 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 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 Pedalumdrehungen der Beschleunigungsverlauf in Abhängigkeit des Pedalwinkels ermittelt werden. (Bild 3) Dies ist für die Leistungsmessung nicht notwendig. Die ermittelte Kurve verifiziert aber obige Annahme, daß der Drehmomentverlauf über dem Pedalwinkel dem Betrag der Sinusfunkion ähnelt.

Bild 4 zeigt das sich periodisch ändernde Drehmoment des Menschen. Das bewirkt, daß sich die Geschwindigkeit periodisch ändert. Zu den Zeiten t1 bis t4 werden die Momentangeschwindigkeiten bestimmt. Bei unserem Prototyp haben wir die Berechnung der Momentanleistung nach folgendem Verfahren vollzogen. Andere Verfahren, wie zum Beispiel eine kontinuierliche Differentation, sind naturlich auch möglich. Wir ermitteln den Mittelwert der Geschwindigkeiten der Zeitpunkte t1 und t3 [vm = (v3 - v1)/2]. Aus der Differenz zwischen v2 und vm bezogen auf die verstrichene Zeit (t3 - t2) wird die mittlere Beschleunigung berechnet. Multipliziert man die mittlere Beschleunigung mit der Gesamtmasse (bzw. dem Massenträgheitsmoment beim Heimtrainer) erhält man die mittlere Kraft. Die Leistung läßt sich nun durch die Multiplikation mit der mittleren Geschwindigkeit [(v3 - v2)/2] und einem Formfaktor Ff errechnen. Der Formfaktor ergibt sich aus der Kurvenform des von der Fahrerin abgegebenen Drehmoments.

Als Endformel ergibt sich damit:

P = {(v3 - v1)/2 - v2}/(t3 - t2) _* (v2 + v3)/2 _* m _* Ff

Bei unserem Prototyp haben wir die obige Berechnung viermal pro Pedalumdrehung durchgeführt, zweimal mit der oben dargestellten Formel und zweimal mit dem äquivalenten Gegenstuck. Bei diesem wird der Mittelwert nicht aus den Maximalgeschwindigkeiten gebildet, sondern aus den Minimalgeschwindigkeiten.

P= {v3-(v4 - v2)/2}/(t4 - t3) _* (v3 + v4)/2 _* m _* Ff

Bild 5 zeigt die aus der Geschwindigkeitsänderung berechnete Momentanleistung. Gefahren wurde hier mit einer konstanten Geschwindigkeit von 20 km/h. Zur Zeit t = 10 s wurde am Heimtrainer die Last erhöht. Es ist deutlich zu sehen, daß sich dadurch die Geschwindigkeitsschwankungen erhöhen. Die berechnete Leistung ändert sich aber nicht sprunghaft. Dies wird durch eine Tiefpaßfilterung der berechneten Leistung verursacht. Diese wird zur Unterdrückung von Störungen durchgeführt. Die Verzögerung um wenig Sekunden ist auch für die praktische Anwendung sinnvoll. Es interessiert die mittlere Leistung über einige Pedalumdrehungen.

Claims

Verfahren zur Leistungsmessung an einem mittels Tretkurbel angetriebenen Fahrzeug oder Heimtrainer. Das Drehmoment wird 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 Geschwindigkeitsschwankungen. Aus Geschwindigkeitsschwankung, Zeit, mittlerer Geschwindigkeit und Masse von Fahrzeug und Fahrerin läßt sich die Momentanleistung errechnen. Bei einem Heimtrainer wird die Masse durch das Massenträgheitsmoment der Schwungscheibe ersetzt.