DE102009029633A1

DE102009029633A1 - Einrichtung zur Ermittlung der Trittleistung an einem Fahrrad

Info

Publication number: DE102009029633A1
Application number: DE102009029633A
Authority: DE
Inventors: Marco Rockstroh; Andreas Görnitz
Original assignee: SAXONAR GmbH
Current assignee: SAXONAR GmbH
Priority date: 2009-09-21
Filing date: 2009-09-21
Publication date: 2011-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung der Trittleistung an einem Fahrrad. Sie dient der Verbesserung der Trainingssteuerung im Rennsport und ist ebenso im Freizeitbereich einsetzbar. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Ermittlung der Trittleistung vorzuschlagen, die weitestgehend frei von mechanisch beweglichen Teilen und einfach an Kurbeltrieben verschiedener Hersteller montierbar ist. Die Einrichtung zur Ermittlung der Trittleistung an einem Fahrrad umfasst ein nahe des freien Endes eines Tretkurbelarms angeordnetes Verbindungsmittel, das ein zu einem vorhandenen oder gedachten Pedalauge des Tretkurbelarms bezüglich des von diesem im Betrieb beschriebenen Umlaufkreises tangential versetztes Pedalauge aufweist, in dem die Pedalachse des Fahrradpedals angeordnet ist, und eine am oder im Verbindungsmittel angeordnete Mess- und Übertragungsanordnung, deren Messwerte telemetrisch übertragen werden. Das Verbindungsmittel ist als die Mess- und Übertragungsanordnung aufnehmender Körper ausgebildet und weist wenigstens einen Bereich auf, der die auf das Fahrradpedal ausgeübte Pedalkraft in Form einer Veränderung der Materialspannung oder einer reversiblen Verformung aufnimmt. Die Mess- und Übertragungsanordnung umfasst wenigstens einen in dem die Pedalkraft aufnehmenden Bereich des Verbindungsmittels angeordneten Sensor, der die Veränderung der Materialspannung oder die Verformung in einem elektrischen Parameter abbildet. Eine ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung der Trittleistung an einem Fahrrad. Sie dient der Verbesserung der Trainingssteuerung im Rennsport und ist ebenso im Freizeitbereich einsetzbar.
Das Problem der Leistungserfassung beim Fahrradfahren hat zu einer Vielfalt bekannter Lösungen geführt, die sich in der Hauptsache durch den Messort und dadurch unterscheiden, ob das Messsystem in eine Komponente integriert oder autark angeordnet ist. Insbesondere ist eine einfache Anbringung und Kompatibilität zu Komponenten bzw. Fahrrädern verschiedener Hersteller bei hoher Messgenauigkeit und niedrigen Kosten wünschenswert. Davon ausgehend erfolgt die Leistungsermittlung vorteilhaft über die Messung der Tretkraft unter Berücksichtigung der Kurbeldrehung. Eine bekannte Lösung dieser Art stellt die Vorrichtung zur Bestimmung der Tretkraft nach der DE 100 44 701 C1 dar. Die bekannte Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Pedal federnd gelagert an einer Tretkurbel angebracht ist und eine tangential zur Tretkurbelachse gegen eine Federwirkung erfolgende Pedalbewegung messbar ist. Sie weist ein mittels eines Gewindebolzens und eines einstellbaren Abstandshalters an einer Tretkurbel befestigtes Gehäuse auf. Im Innern des Gehäuses befindet sich eine um eine Achse schwenkbar gelagerte Pedalbefestigung mit einer Federzunge, die der möglichen Schwenkbewegung der Pedalbefestigung entgegenwirkt. Eine auf das Pedal und der damit verbundenen Pedalbefestigung wirkende Tretkraft schwenkt die Pedalbefestigung so weit um die Achse, bis der die Auslenkung der Pedalbefestigung verursachende Anteil der Tretkraft der durch die Federzunge aufgebrachten Federkraft entspricht. Ein unbeweglich im Gehäuse befestigter Hallsensor misst die relative Auslenkung eines an der Pedalbefestigung angebrachten Dauermagneten. Die Messwerte des Hallsensors können telemetrisch zu einer Auswertestation übertragen werden. Pedalbefestigung und Schwenkachsenlagerung müssen sehr hochwertig ausgebildet sein, um mit hinreichender Präzision die Vielzahl der charakteristischen Lastwechsel absolvieren zu können, die während der üblichen Produktlebensdauer anfallen.
Daraus ergibt sich als Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Ermittlung der Trittleistung vorzuschlagen, die weitestgehend frei von mechanisch beweglichen Teilen und einfach an Kurbeltrieben verschiedener Hersteller montierbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Einrichtung zur Ermittlung der Trittleistung an einem Fahrrad umfasst ein nahe des freien Endes eines Tretkurbelarms angeordnetes Verbindungsmittel, das ein zu einem vorhandenen oder gedachten Pedalauge des Tretkurbelarms bezüglich des von diesem im Betrieb beschriebenen Umlaufkreises tangential versetztes Pedalauge aufweist, in dem die Pedalachse des Fahrradpedals angeordnet ist, und eine am oder im Verbindungsmittel angeordnete Mess- und Übertragungsanordnung, deren Messwerte telemetrisch übertragen werden. Das Verbindungsmittel ist als die Mess- und Übertragungsanordnung aufnehmender Körper ausgebildet und weist wenigstens einen Bereich auf, der die auf das Fahrradpedal ausgeübte Pedalkraft in Form einer Veränderung der Materialspannung oder einer reversiblen Verformung aufnimmt. Das Verbindungsmittel kann einen Gewindeansatz aufweisen, mit dem es in einem Pedalauge des Tretkurbelarms verschraubt ist. Andererseits kann anstatt eines herkömmlichen Tretkurbelarms mit Pedalauge und mit dem Tretkurbelarm verschraubtem Verbindungsmittel eine als Winkelhebel ausgebildeter Tretkurbelarm vorgesehen sein, wobei das die Pedalachse aufnehmende Pedalauge in dem Hebelschenkel angeordnet ist, der von der Kurbellängsachse absteht, d. h. der tangential zum Umlaufkreis angeordnet ist. Die Mess- und Übertragungsanordnung umfasst wenigstens einen in dem die Pedalkraft aufnehmenden Bereich des Verbindungsmittels angeordneten Sensor, der die Veränderung der Materialspannung oder die Verformung in einem elektrischen Parameter abbildet. Eine außerhalb des Verbindungsmittels angeordnete Auswerte- und Anzeigeanordnung ist mit der Mess- und Übertragungsanordnung verbunden. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche. Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ergibt sich demnach, indem der Sensor als Dehnmessstreifen-Brücke ausgebildet ist, die einen zur Größe der Änderung der Materialspannung oder Verformung in Tangentenrichtung zum Umlaufkreis des Pedalauges proportionalen Spannungsverlauf liefert. Die Messstreifen-Brücke ist an einen Messverstärker angeschlossen, der über einen Analog-Digital-Wandler mit einem programmierbaren Mikrocontroller verbunden ist. Aus den digitalisierten Spannungsverlaufswerten werden unter Einbeziehung der abgespeicherten Kurbellänge und der Winkelgeschwindigkeit der Kurbeldrehung die Momentanleistungswerte errechnet und mittels eines Hochfrequenz-Senders an einen zur Auswerte- und Anzeigeanordnung gehörenden Hochfrequenz-Empfänger übermittelt. Der Hochfrequenz-Empfänger ist mit einem programmierbaren Verarbeitungsprozessor verbunden, an den eine Bedien- und Anzeigeeinheit angeschlossen ist. Vorteilhaft kann die Auswerte- und Anzeigeeinheit als mit entsprechenden Funktionen ausgestatteter Fahrradcomputer ausgebildet sein und über eine Schnittstelle verfügen, über die eine Datenübertragung zu und/oder von einem PC oder Notebook ausgeführt werden kann. Die zur Ableitung der Momentanleistungswerte aus den Werten der ermittelten Tangentialkraft erforderliche Größe der momentanen Winkelgeschwindigkeit der Kurbeldrehung wird vorteilhaft ermittelt, indem das Signalmuster der gemessenen Tangentialkraftwerte Kurbelwinkelwerten zugeordnet wird, die aus einem abgespeicherten qualitativen Tangentialkraftverlauf über eine Kurbelumdrehung abgeleitet sind. Eine Weiterbildung diesbezüglich besteht darin, dass die Zuordnung des Signalmusters der gemessenen Tangentialkraftwerte zu den abgespeicherten Kurbelwinkelwerten über mehrere Kurbelumdrehungen erfolgt und einem Fehlerkorrekturalgorithmus unterzogen wird. Eine weitere vorteilhafte Art und Weise zur Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbeldrehung besteht darin, dass die Drehzahl der Kurbeldrehung mittels eines an die Mess- und Übertragungsanordnung angeschlossenen Drehratensensors gemessen wird. Die Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbeldrehung kann ebenso vorteilhaft mittels eines an die Mess- und Übertragungsanordnung angeschlossenen Beschleunigungssensors erfolgen. Für die Anwendung ist es vorteilhaft, sowohl die rechte als auch die linke Tretkurbel mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung auszustatten, da hierdurch der ursprüngliche Winkelversatz der Pedalachsen von 180° wiederhergestellt ist. Zudem können insbesondere im Bereich des Hochleistungssports Unsymmetrien im Trittverhalten erkannt werden. Wird nur an einer Tretkurbel eine erfindungsgemäße Einrichtung aktiv betrieben, werden die ermittelten Momentanleistungswerte rechnerisch verdoppelt, um die auf den Kurbelantrieb wirkende Leistung auszugeben.
Die Erfindung wird im Folgenden in Form eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt in
1 eine schematische Ansicht einer Tretkurbel mit Verbindungsmittel,
2 das Blockschaltbild einer Mess- und Übertragungsanordnung mit angeschlossener Auswerte- und Anzeigeeinheit.
1 zeigt den Arm 1 einer Tretkurbel, der in bekannter Weise an einer Kurbelwelle 11 befestigt ist. Der Kurbelarm 1 weist nahe seinem freien Ende ein Pedalauge 12 auf, das in bekannter Weise mit einem Innengewinde versehen ist. Das Pedalauge 12 dient zur Befestigung eines Verbindungsmittels 2. Das Verbindungsmittel 2 besteht aus einem Körper, der mit einem Pedalauge 22 versehen ist und eine in 2 gezeigte Mess- und Übertragungsanordnung 21 umschließt. Das Pedalauge 22 ist auf einer Tangente 122 des vom Pedalauge 12 des Kurbelarms 1 beschriebenen Umlaufkreises 121 angeordnet. Das Verbindungsmittel 2 weist einen Bereich auf, der bei entlang der Tangente 122 wirkender Kraft spezifische Materialspannungen ausbildet oder geringfügig verformt wird. In diesem Bereich ist eine Dehnmessstreifen-Brücke 211 angeordnet, die den Kraftsensor der Mess- und Übertragungsanordnung 21 darstellt. Zur Vervollständigung zeigt 1 noch schematisch ein Kettenblatt 4 und eine Pedalplatte 3. Das Kettenblatt 4 ist mit dem Kurbelarm 1 in bekannter Art verbunden. Die Pedalplatte ist im Pedalauge 22 des Verbindungsmittels 2 verschraubt. Es wird deutlich, dass eine auf die Pedalplatte 3 wirkende Tretkraft Materialspannungen bzw. geringfügige Verformungen im Verbindungsmittel 2 hervorruft. Die Tretkraft setzt sich vektoriell aus mehreren Komponenten zusammen, von denen zur Bestimmung der tatsächlich den Vortrieb bewirkenden Leistung ausschließlich die Tangentialkraft bezüglich des Umlaufkreises 121 von Interesse ist. Deshalb sind das Pedalauge 22 und die Dehnmessstreifen 211 entsprechend entlang der Tangente 122 angeordnet.
Das verbindungsmittel 2 ist in diesem Bereich entsprechend des Messbereichs der Dehnmessstreifen 211 strukturiert, um so die auftretenden Tangentialkräfte durch Materialspannungsänderungen oder Verformungen messbar zu machen.
2 zeigt das Blockschaltbild der telemetrischen Messwerteübertragung. Jeder Kurbelarm 1 ist dazu mit einem Verbindungsmittel 2 versehen, das eine Mess- und Übertragungsanordnung 21 umschließt. Zur Verdeutlichung sind die Mess- und Übertragungsanordnungen des linken Kurbelarms mit 21L und des rechten Kurbelarms mit 21R bezeichnet. Beide Mess- und Übertragungsanordnungen 21 sind identisch ausgeführt. Jede Mess- und Übertragungsanordnung 21 verfügt indes über eine individualisierende Kennung, die der Messwertübertragung aufgeprägt ist und vom Empfänger erkannt wird. Die Mess- und Übertragungsanordnungen 21 umfassen eine Stromversorgungsbatterie 216 sowie die eigentliche Schaltungsanordnung, die aus der Dehnmessstreifen-Brücke 211, einem daran angeschlossenen Messverstärker 212, einem Analog-Digital-Wandler 213, einem Mikrocontroller 214 und einem Hochfrequenz-Sender 215 besteht. Die beim Tritt auf die Pedalplatte 3 auf das Verbindungsmittel 2 gemäß 1 wirkende Tangentialkraft bewirkt eine Änderung der Materialspannung oder eine Verformung, die von der Dehnmessstreifen-Brücke 211 in elektrische Spannung gewandelt wird. Der Spannungsverlauf wird verstärkt und digitalisiert dem Mikrocontroller 214 zugeleitet und unter Berücksichtigung der wirksamen Kurbelarmlänge und der Winkelgeschwindigkeit der Kurbeldrehung in Momentanleistungswerte umgerechnet, die in einem geeigneten Zeittakt über den HF-Sender 215 ausgegeben werden. Ein mit einem HF-Empfänger 515 und einer Stromversorgungsbatterie 516 ausgestatteter Fahrradcomputer 5 empfängt die Momentanleistungswerte und führt sie seinem Zentralprozessor 514 zu, der sie für die Darstellung auf einer Bedien- und Anzeigeeinheit 511 aufbereitet sowie gegebenenfalls speichert und/oder über ein nicht dargestelltes Interface beispielsweise einem auf einem PC installierten Auswerteprogramm zur Verfügung stellt. Die Winkelgeschwindigkeit wird vorzugsweise errechnet, indem das Signalmuster der gemessenen Tangentialkraftwerte Kurbelwinkelwerten zugeordnet wird, die aus einem abgespeicherten qualitativen Tangentialkraftverlauf über eine Kurbelumdrehung abgeleitet sind. Die Zuordnung des Signalmusters der gemessenen Tangentialkraftwerte zu den abgespeicherten Kurbelwinkelwerten erfolgt über mehrere Kurbelumdrehungen und wird dabei einem Fehlerkorrekturalgorithmus unterzogen, so dass nach wenigen Kurbelumdrehungen die Momentanleistung korrekt angezeigt wird und auswertbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10044701 C1 [0002]

Claims

Einrichtung zur Ermittlung der Trittleistung an einem Fahrrad mit einem nahe des freien Endes eines Tretkurbelarms (1) angeordneten Verbindungsmittel (2), das ein zu einem vorhandenen oder gedachten Pedalauge (12) des Tretkurbelarms (1) bezüglich des von diesem im Betrieb beschriebenen Umlaufkreises (121) tangential versetztes Pedalauge (22) aufweist, in dem die Pedalachse des Fahrradpedals (3) angeordnet ist, und einer am oder im Verbindungsmittel (2) angeordneten Mess- und Übertragungsanordnung (21), deren Messwerte telemetrisch übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (2) als die Mess- und Übertragungsanordnung (21) aufnehmender Körper ausgebildet ist, der wenigstens einen die auf das Fahrradpedal (3) ausgeübte Pedalkraft in Form einer Veränderung der Materialspannung oder reversiblen Verformung aufnehmenden Bereich aufweist, die Mess- und Übertragungsanordnung (21) wenigstens einen in dem die Pedalkraft aufnehmenden Bereich des Verbindungsmittels (2) angeordneten Sensor (211) umfasst, der die Veränderung der Materialspannung oder die Verformung in einem elektrischen Parameter abbildet, und eine außerhalb des Verbindungsmittels (2) angeordnete Auswerte- und Anzeigeanordnung (5) mit der Mess- und Übertragungsanordnung (21) über eine Funkstrecke verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (211) als Dehnmessstreifen-Brücke ausgebildet ist, die einen zur Größe der Änderung der Materialspannung oder Verformung in Tangentenrichtung zum Umlaufkreis (121) des Pedalauges (12) proportionalen Spannungsverlauf liefert und an einen Messverstärker (212) angeschlossen ist, der über einen Analog-Digital-Wandler (213) mit einem programmierbaren Mikrocontroller (214) verbunden ist, der aus den digitalisierten Spannungsverlaufswerten unter Einbeziehung der abgespeicherten Kurbellänge und der Winkelgeschwindigkeit der Kurbeldrehung die Momentanleistungswerte errechnet, die mittels eines Hochfrequenz-Senders (215) an einen zur Auswerte- und Anzeigeanordnung (5) gehörenden Hochfrequenz-Empfänger (515) übermittelt werden, wobei der Hochfrequenz-Empfänger (515) mit einem programmierbaren Verarbeitungsprozessor (514) verbunden ist, an den eine Bedien- und Anzeigeeinheit (511) angeschlossen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit der Kurbeldrehung ermittelt wird, indem das Signalmuster der gemessenen Tangentialkraftwerte Kurbelwinkelwerten zugeordnet wird, die aus einem abgespeicherten qualitativen Tangentialkraftverlauf über eine Kurbelumdrehung abgeleitet sind.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung des Signalmusters der gemessenen Tangentialkraftwerte zu den abgespeicherten Kurbelwinkelwerten über mehrere Kurbelumdrehungen erfolgt und einem Fehlerkorrekturalgorithmus unterzogen wird.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit der Kurbeldrehung ermittelt wird, indem die Drehzahl der Kurbeldrehung mittels eines an die Mess- und Übertragungsanordnung (21) angeschlossenen Drehratensensors gemessen wird.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit der Kurbeldrehung mittels eines an die Mess- und Übertragungsanordnung (21) angeschlossenen Beschleunigungssensors ermittelt wird.
Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (2) einen Gewindeansatz aufweist, mit dem es in einem Pedalauge (12) des Tretkurbelarms (1) verschraubt ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Winkelhebel ausgebildeter Tretkurbelarm (1) vorgesehen ist, wobei das die Pedalachse aufnehmende Pedalauge (22) in dem tangential zum Umlaufkreis (121) angeordneten Hebelschenkel (2) angeordnet ist.