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DE29810641U1 - Meßvorrichtung zur Erfassung der an einer Kurbel in einer bestimmten Richtung angreifenden Kraft, insbesondere der Tangentialkraftkomponente zur Ermittlung der Leistung - Google Patents

Meßvorrichtung zur Erfassung der an einer Kurbel in einer bestimmten Richtung angreifenden Kraft, insbesondere der Tangentialkraftkomponente zur Ermittlung der Leistung

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DE29810641U1
DE29810641U1 DE29810641U DE29810641U DE29810641U1 DE 29810641 U1 DE29810641 U1 DE 29810641U1 DE 29810641 U DE29810641 U DE 29810641U DE 29810641 U DE29810641 U DE 29810641U DE 29810641 U1 DE29810641 U1 DE 29810641U1
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pedal
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PETZKE WOLFGANG DIPL ING
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PETZKE WOLFGANG DIPL ING
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Description

PETZKE, Wolfgang, Dipl.-lng.
-3-
Meßvorrichtung zur Erfassung der an einer Kurbel in eine bestimmte Richtung angreifenden Kraft, insbesondere der Tangentialkraftkomponente zur Ermittlung der Leistung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung zur Erfassung der an einer Kurbel in eine bestimmte Richtung angreifenden Kraft, insbesondere der Tangentialkraftkomponente zur Ermittlung der Leistung, indem zur Messung der Schubverformung mindestens zwei Dehnungsmeßstreifen symmetrisch zueinander unter einem Winkel zur Achse des Kurbelzapfens direkt auf diesem angeordnet sind.
Eine Vorrichtung zur Messung der Kraft und Leistung an einer Kurbel wurde in der deutschen Patentanmeldung P44 35 174.7-52 beschrieben.
Soll eine solche Vorrichtung dazu verwendet werden, um nur den Anteil der Kraft in eine bestimmte Richtung bzgl. der Kurbel, z.B. der tangetial-Komponente, zu bestimmen, so ergaben sich bisher folgende Nachteile:
Eine Möglichkeit bestand darin, in zwei unterschiedliche Richtungen mit bekanntem Winkel zu messen und den Anteil der Kraft in der interessierenden, z.B. tangential-Richtung aus den beiden gemessenen Komponenten zu berechnen. Dies verursacht allerdings den zweifachen Aufwand an teurer Meßelektronik, als dies für eine Bestimmung der Leistung erforderlich wäre, wenn die DMS nur auf Tangential-Kraftkomonenten ansprechen.
Eine andere Möglichkeit bestand darin die DMS nachträglich auf die eingeschraubte oder starr mit der Kurbel verbundene Pedalachse so aufzubringen, daß diese nur in die gewünschte Richtung ansprechen. In diesem Fall muß beim Vertrieb die Kurbel mit ausgeliefert werden. Ein Austausch der Kurbel, z.B. für verschiedene Kurbellängen, ist so nicht einfach möglich.
Allgemein bekannt ist auch die Möglichkeit mit sogenannten Paßscheiben, die es in einer festgelegten Abstufung fertig zu kaufen gibt, die Einschraub-Gewindelänge bzw. den Endeinschraub-Winkel einzustellen. Für eine genaue Ausrichtung der Kraftmeßrichtung müssen Paßscheiben mit genau der benötigten Dicke hergestellt werden.
PETZKE, Wolfgang, Dipl.-lng.
-A-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Vorrichtung der eingangs definierten Art bezüglich der Messung der zur Leistungsbestimmung relevanten Tangentialkräfte auf eine Kurbel in Bezug auf den notwendigen Produktions- und Montageaufwand zu vereinfachen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß daß sich die Lage des Teils der Pedalachse, auf dem die Dehnungsmeßstreifen aufgebracht sind, winkelmäßig zur Kurbel ausrichten und fixieren läßt.
An Stelle der Paßscheiben kann hier z.B. ein achsial einstellbarer Absatz am Pedal-Gewinde dafür sorgen, daß der Endeinschraubwinkel der Pedalachse so zu liegen kommt, daß die Aufnahmerichtung der DMS in gewünschter Richtung erfolgt. Bekannt ist aus der Technik zur Einstellung einer bestimmten Gewindelänge, bzw. des Endeinschraubwinkels mindestens eine Kontermutter zu verwenden, die im einfachsten Fall direkt auf dem Pedalachsgewinde sitzt.
Da am Pedalachsgewinde durch die rotierende Schwellbelastung beim Treten eine Walkbewegung entsteht, die unter Umständen ein Öffnen der gekonterten Schraubverbindung verursacht, wird nach Anspruch 4 vorgeschlagen, daß die Kontermutter auf einem eigenen Gewinde sitzt, das z.B. auch gegensätzliche Steigung haben kann, oder einen größeren Durchmesser für größere Anzugskräfte und Verringerung der Bruchgefahr, oder eine, z.B. geringere, Steigung für ein feinfühliges Justieren.
Eine weitere günstige Möglichkeit die Aufnahmerichtung der DMS an der Pedalachse bzgl. der Kurbel nachträglich einzustellen wird nach Anspruch 5 darin gesehen die Pedalachse aus mindestens zwei zueinander winkelmäßig einstellbaren Teilstücken aufzubauen, wobei der Teil der Pedalachse, auf dem die Dehnungsmeßstreifen aufgebracht sind, bezüglich des Teils , der an der Kurbel befestigt wird, winkelmäßig ausrichtbar ist.
Eine weitere Möglichkeit die DMS bzgl. der Kurbel unter einem definierten Winkel auszurichten wird nach Anspruch 6 darin gesehen, die Pedalachse über eine Formschlüssige Verbindung z.B. einen keilförmigen Vierkant an der Kurbel zu befestigen. Hierbei ist ein Verdrehen nur in bestimmten definierten Winkelschritten, z.B. 90° möglich.
PETZKE, Wolfgang, Dipl.-lng.
-5-
Es sind hier alle in der Technik vorkommenden Verbindungsformen, wie beispielsweise Keil, Nut, sowie Zahnprofile mit beliebig kleiner Winkelrasterung bis zur kegelförmigen Verbindung möglich.
Bei der kegelförmigen Verbindung sollte der Reibbeiwert an der Passung und die Vorspannkraft genügend groß sein, um ein Verdrehen des Kurbelzapfens mit den DMS im Betrieb zu verhindern.
Zum Vorspannen der Kegelverbindung sind alle in der Technik hierfür bekannten Möglichkeiten denkbar, beispielsweise Spannschrauben, Schnellspanner und Exzenter.
Um die Ausrichtung der DMS in Bezug auf die Achse und die Kurbel so genau wie möglich herstellen zu können wird nach Anspruch 7 vorgeschlagen die Herstellung des DMS direkt auf der Achse vorzunehmen. Wird zuerst der DMS hergestellt und anschließend z.B. von Hand auf die Achse aufgebracht, so wirken sich alle Ungenauigkeiten beim Positionieren auf die Qualität des Aufnehmers aus. Wird hingegen zuerst das DMS Material auf die Achse aufgebracht und anschließend, z.B. durch Photochemisches Verfahren oder mit Hilfe von Laser oder sonstigen Bearbeitungsverfahren, der DMS hergestellt, so kann die Positionierung direkt in Bezug auf die Achse erfolgen und Ungenauigkeiten, z.B. unterschiedliche Abstände der DMS zueinander und in Bezug zur Achse des Kurbelzapfens, können vermieden werden. Ebenso kann auch zuerst die Achse in die Kurbel eingebaut werden oder Kurbel und Achse aus einem Stück gefertigt werden, und anschließend die DMS in Bezug auf die Position zur Kurbel hergestellt werden.
Nach Anspruch 8 wird eine günstige Ausgestaltung der Erfindung darin gesehen, die Versorgungsbatterien im Pedal unterzubringen, wobei diese am freien Ende der Pedalachse angeordnet und der Batteriehalter mit dieser verbunden ist. Der Pedalkörper dreht sich um die Achse und dient als Gehäuse, das sich um den Inhalt dreht.
Um das Gehäuse zum Wechseln der Batterien nicht demontieren zu müssen, wird nach Anspruch 9 vorgeschlagen, daß der Zugang zum Austausch der Batterie über eine verschließbare Öffnung im Pedalkörper erfolgt.
PETZKE, Wolfgang, Dipl.-lng.
AIs Beispiel soll eine Vorrichtung zur Messung der Leistung jedes einzelnen Beines an einem beliebigen Fahrrad anhand der Zeichnungen im Detail vorgestellt werden.
In Figur 1 wird gezeigt:
An einer Pedalachse (6) sind zwei Doppel-DMS (15) mit Meßgittern jeweils 45° zur Achse symmetrisch auf der Achse zwischen Pedal-Lagerung und Befestigung an der Kurbel aufgebracht. Die Meßgitter werden zu einer Vollbrücke zusammen geschaltet. Das Differenzsignal der Brückenäste wird verstärkt, einem Analog-Digitalwandler und danach einem Mikrokontroller zugeführt.
Ein Frequenz- oder Amplituden-Modulationsbaustein mit kleiner Antenne überträgt die Meßdaten an einen entsprechenden Empfangs-Schaltkreis mit Auswerteelektronik, Speicherbaustein und Anzeige-Einheit in einem Gehäuse am Lenker des Fahrrads.
Die Versorgung der Meßelektronik erfolgt aus zwei 1.5 V Batterien (3), die am Ende der Pedalachse (6) in einem Batteriehalter, der an der Achse befestigt ist, untergebracht sind. Der Pedalkörper (2) hat auf der Seite einen Verschlußmechanismus für den Austausch der Batterien. Der Verschlußmechanismus kann auch von der Unter- oder Ober-Seite zugänglich sein. Der Pedalkörper ist über die Lagerung (5) mit der Achse drehbar und spielfrei verbunden. Der Versorgungsstrom aus den Batterien wird über eine flexible dünne Leiterfolie, die an der Achse entlang unterhalb der Lagerschalen verlegt ist, dem kundenspezifischen analog/digitalen Baustein (4) zugeführt.
Der Baustein 4 vereint einen stromsparenden Mikrokontroller, einen Analog/Digitalwandler, einen Brückenverstärker und einen MOSFET-Schalter zum Einschalten der Versorgungsspannung für die DMS.
Ein Einschalttaster (10) und ein Reedschalter (9) sind in einem mit der Achse flexibel verbundenem Gehäuse (11) untergebracht. Ein Magnet (12) ist am Rahmen des Fahrrads (13) befestigt und schaltet beim Vorbeidrehen der Kurbel den Reedschalter (9).
Bei der Montage der Pedale, also beim Einschrauben der Pedalachse in die Kurbel wird diese bis zum Ende eingeschraubt. Eine Markierung an der Pedalachse, z.B. ein Pfeil, markiert die Richtung in der die DMS Schubspannung erfassen. Die Pedalachse wird anschließend wieder soweit herausgeschraubt bis der Pfeil in Tretumfangsrichtung zeigt. Anschließend wird mit der Kontermutter die Lage der Achse fixiert.
ft * · · · I
PETZKE, Wolfgang, Dipl.-lng.
-7-
Um den Winkel der Pedalachse ganz genau so einzustellen, daß keine Radialkomponente von den DMS erfaßt wird, wird anschließend das Meßsystem über den Taster (10) eingeschaltet, wobei das Pedal dabei nicht belastet wird und so die Elektronik den Nullpunkt erfassen kann.
Anschließend wird die Kurbel mit dem Pedal in den unteren Totpunkt gebracht und das Pedal belastet.
Aufgrund der Kurbellagerung und der Möglichkeit des Fahrrads leicht vor und zurück zu rollen, richtet sich die Kurbel so aus, daß die aufgebrachte Kraft nur radial wirkt.
Evtl. muß hierfür auch die Kette vom Kettenblatt genommen werden, um keine Momente bzw. tangential-Kräfte während der Kalibrierung auf die Kurbel zu übertragen.
Ist die Achse genau so eingestellt, daß die DMS keine radial-Komponente mehr erfassen, so zeigt die Anzeigeeinheit Null an. Solange bei Belastung des Pedals noch eine Radial-Komponente erfaßt wird, wird die Pedalachse in entsprechender Richtung in kleinen Drehwinkel-Änderungen nach justiert.
Anschließend wird die Kontermutter fest gezogen ohne den Winkel der Pedalachse dabei zu verändern. Nun sind die DMS so ausgerichtet, daß sie keine radial-Komponente mehr erfassen, folglich nur noch die für die Leistungsbestimmung ausschlaggebende tangential-Komponente.
Beim Treten aufs Pedal ändert sich die tangtial-Komponente in Abhängigkeit von der Kurbelstellung. Für die Leistungsmessung bzw. Anzeige ist jeweils das Produkt aus tangential-Komponente, Hebelarm bzw. Kurbellänge und Winkelgeschwindigkeit zu bilden. Zweckmäßiger Weise wird nur ein mittlerer Leistungswert für mehrere Tretperioden berechnet, da die Leistung je nach aktueller Trittstärke stark schwanken
Die Winkelgeschwindigkeit zu den Meßzeitpunkten wird durch Interpolation aus der Dauer der Tretperioden zwischen zwei Kurbelumläufen berechnet.
Dabei werden nur Tretzyklen mit gering oder gleichmäßig sich ändernder Periodendauer berücksichtigt. Wegen der Massenträgheit können beim Treten keine schlagartigen Beschleunigungen, bzw. Winkelgeschwindigkeits-Änderungen auftreten.
Tretperioden mit Tretunterbrechung können durch die verlängerte Periodendauer und dem insgesamt von rechtem und linkem Pedal auf Null zurückgehenden Antriebsmoment erkannt werden.
PETZKE, Wolfgang, Dipl.-lng.
-8-
Für noch genauere Winkelgeschwindigkeits-Erfassung könnte auch ein Winkelgeber an der Kurbel montiert werden oder mehrere Positionsgeber, z.B. ein Reedschalter an der Kurbel und mehrere Magnete am Fahrradrahmen, oder Lichtschranken oder Infrarot-Sender und -Empfänger zur Erfassung der Kurbelstellung eingesetzt werden.
Eine besonders preisgünstige Lösung zur Leistungsmessung kann realisiert werden, wenn die Meßvorrichtung nur in dem Pedal einer Seite eingebaut wird, und die Gesamtleistung vereinfachend als doppelt so groß angenommen wird.
Figur 2 und 3 zeigen ebenfalls Befestigungsvarianten für die Pedalachse, die es erlauben den Teil der Achse auf dem sich die DMS befinden winkelmäßig auszurichten.
In Figur 2 wird gezeigt:
Eine Pedalachse (6) mit kegelförmigen Ansatz, eine Gewindehülse mit konischem Innendurchmesser (16), die Kurbel (7) bei Ansicht von oben auf die nach unten hängende Kurbel, eine Spannschraube (17) mit Innensechskannt oder Torx, eine Beilagscheibe (18) zur Verringerung der Reibung zwischen Spannschraube und Kurbel, die DMS (15) auf der Oberseite der Achse.
Der Gewindeeinsatz (16) wird beim Festziehen der Spannschraube (17) aufgeweitet und verkeilt sich dabei verdrehsicher im Gewinde der Kurbel. In Folge der Reibungskräfte zwischen Konus-förmigem Achsansatz und Gewindeeinsatz ist die Pedalachse verdrehsicher eingespannt.
Figur 3 zeigt eine zweiteilige Achse, die aus einem Gewindestück (19) und der Achse (6) besteht.
Das Gewindestück (19) hat auf der einen Seite ein Gewinde zum Einschrauben in die Kurbel und einen Schlüsselansatz in Form eines Innensechskant oder InnenTorx,
und auf der anderen Seite ein Gewinde zum Einschrauben in die Achse (6) mit einer geringeren Gewindesteigung.
Zur Montage ist der Schraubansatz ganz in die Achse eingeschraubt. Die Achse wird nun mit dem Gewindestück (19) in die Kurbel (7) eingeschraubt.
Am Ende wird die Achse wieder soweit zurück gedreht bis die DMS in der gewünschten Richtung ausgerichtet sind.
Nun wird mit einem Innenschlüssel das Gewindestück (19) heraus gedreht. Der
PETZKE, Wolfgang, Dipl.-lng.
-9-
Schraubansatz innerhalb der Achse hat z.B. ein Gewinde mit 1 mm Steigung, wohingegen das Gewinde in der Kurbel eine Steigung von ca 1.4 mm aufweist. Durch die Differenz der Gewindesteigungen wird die Achse (6) mit der Schulter an die Kurbel (7) angezogen und durch Reibschluß verdrehsicher gehalten.
Bei der Herstellung eines Leistungsmessers als „Low Cosf-Produkt in hohen Stückzahlen, z.B. für Elektrofahrräder, wird zweckmäßiger Weise Kurbel und Achse aus einem Stück gefertigt oder über eine verdrehsichere Form-schlüssige Verbindung aufgebaut, z.B. einen keilförmiger 4-Kant, wie dieser am Tretlager verwendet wird und der DMS nach folgendem Verfahren aufgebracht.
In diesem Beispiel soll die Herstellung der DMS (15) direkt auf der Achse beschrieben werden.
Im ersten Schritt wird ein, z.B. keramisches, Isolationsmaterial mit gleichmäßiger Schichtdicke auf den Bereich der Achse aufgebracht. Anschließend wird die Isolationsschicht an der Oberfläche aktiviert und, z.B. galvanisch eine ca 3 um dicke Schicht aus Konstantan aufgebracht.
Die Achse wird in einer Vorrichtung, zur Positionierung des Verdrehwinkels und zur Steuerung des Laser-Strahls in achsial-Richtung, eingespannt. Der Laserstrahl verdampft einen ca 10 bis 20 um breiten Bereich und schneidet so die Kontur der DMS aus.
Auf die gleiche Weise könnte auch mit einem UV-Laser die Belichtung einer Photo empfindlichen Schicht durchgeführt werden.
Indem die Bewegung bei der Bearbeitung in Bezug zur Achse gesteuert wird, werden Lagetoleranzen und Abweichungen der Meßgitter untereinander und zur Achse des Kurbelzapfens, die beim Aufbringen der fertigen DMS entstehen können, vermieden.

Claims (9)

PETZKE, Wolfgang, Dipl.-lng: -1- Schutzansprüche
1. Meßvorrichtung zur Erfassung der an einer Kurbel in eine bestimmte Richtung angreifenden Kraft, insbesondere der Tangentialkraftkomponente zur Ermittlung der Leistung, indem zur Messung der Schubverformung mindestens zwei Dehnungsmeßstreifen symmetrisch zueinander unter einem Winkel zur Achse des Kurbelzapfens direkt auf diesem angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Lage des Teils der Pedalachse, auf dem die Dehnungsmeßstreifen aufgebracht sind, winkelmäßig zur Kurbel ausrichten und fixieren läßt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Endeinschraubwinkel der Pedalachse zur Kurbel durch einen achsial einstellbaren Absatz am Pedal-Gewinde eingestellt werden kann.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der einstellbare Absatz in Form mindestens einer Kontermutter, direkt auf dem Pedalachsgewinde ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der einstellbare Absatz in Form mindestens einer Kontermutter auf einem Gewinde mit unterschiedlicher Steigung und/oder Gewindedurchmesser zum Pedalachseinschraubgewinde ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Pedalachse aus mindestens zwei zueinander winkelmäßig einstellbaren Teilstücken besteht, wobei der erste Teil die Befestigung an der Kurbel umfaßt und an einem zweiten Teil der Pedalachse, die Dehnungsmeßstreifen aufgebracht sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Pedalachse über eine formschlüssige, verdrehsichere Verbindung, z.B. keilförmiger Vierkant, an der Kurbel befestigt ist.
PETZKE, Wolfgang, Dipl.-lng.
-2-
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Material für den/die Dehnungsmeßstreifen auf die Achse aufgebracht wird und die Herstellung der/des Dehnungsmeßstreifen aus dem Dehungsmeßstreifen Material danach erfolgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine Batterie zur Versorgung der Meß- und Sende-Elektronik am frei kragenden Ende der Pedalachse angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zugang zum Austausch der Batterie über eine verschließbare Öffnung im Pedalkörper erfolgt.
DE29810641U 1998-06-17 1998-06-17 Meßvorrichtung zur Erfassung der an einer Kurbel in einer bestimmten Richtung angreifenden Kraft, insbesondere der Tangentialkraftkomponente zur Ermittlung der Leistung Expired - Lifetime DE29810641U1 (de)

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