DE29507357U1 - Vorrichtung zur Erfassung und Anzeige des Tretkraftverlaufs an einem Fahrrad - Google Patents
Vorrichtung zur Erfassung und Anzeige des Tretkraftverlaufs an einem FahrradInfo
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Description
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des aufgebrachten Kraftverlaufs an einer Kurbel, indem
die Schubverformungen am Kurbelzapfen gemessen werden und der zugehörige Kurbelwinkel mit Hilfe einer
Zeitmessung von einem Positionsgeber aus bestimmt wird und indem die digitalisierten Meßwerte zur
Anzeige an einen Empfänger drahtlos gesendet werden.
Eine Vorrichtung zur Erfassung des aufgebrachten Kraftverlaufs an einer Kurbel wurde in G 94 15 162.8
bereits beschrieben.
Die Erfindung wurde besonders im Hinblick: einfache Montierbarkeit, bequeme und einfache Benutzung,
wirtschaftliche Herstellung weiter ausgestaltet.
Die Detailverbesserungen und Änderungen werden hier beschrieben. 15
Bei der Messung des Tretkraftverlaufs mit DMS an den Kurbelzapfen bzw. Pedalachsen in Querkraftrichtung
wird bei normaler Beanspruchung nur ein äußerst schwaches Signa! erzeugt. Zur Auswertung des Signals
ist eine hohe Verstärkung notwendig.
Störungen, aus elektromagnetischen Feldern und aus mechanischen, sowie thermischen Belastungen auf die Verbindungsleitungen werden zum größten Teil mitverstärkt. Bereits eine Berührung der Verbindungsleitungen bewirkt eine Signalschwankung.
Störungen, aus elektromagnetischen Feldern und aus mechanischen, sowie thermischen Belastungen auf die Verbindungsleitungen werden zum größten Teil mitverstärkt. Bereits eine Berührung der Verbindungsleitungen bewirkt eine Signalschwankung.
Die Lösung besteht erfindungsgemäß darin, diese Meßleitungen so kurz und geschützt wie möglich zu
gestalten. Nach Anspruch 1 wird dies erreicht, indem der zur Verstärkung eingesetzte Halbleiterbaustein auf
einer flexiblen Leiterfolie an der Achse befestigt wird. Die geringe Baugröße gestattet, daß dies vom
Platzbedarf möglich ist.
Die Leiterfoiie dient dazu die Anschlüsse zu den DMS zu bilden. Andererseits können die DMS auch so
gestaltet werden, daß die Leiterbahnen und Anschlüsse bereits auf der DMS-Folie enthalten sind.
Bei einer größeren Stückzahl ist es kostengünstiger den Verstärkerbaustein als gehäuselosen
Süiciumkristall (dice) auf die Leiterfolie oder über ein Kontaktmaterial direkt auf die Achse aufzubringen und
die Anschlüsse zwischen Leiterfolie und Baustein oder direkt zwischen DMS und Baustein mit einem
Bondautomaten herzustellen. Die Positionierung des Bondautomaten bezüglich Achsumfangsrichtung wird
als Achsdrehung ausgeführt.
Eine weitere Verbesserung bei der Störsignalunterdrückung wird erreicht, wenn nach Anspruch 2 das
Meßsignal vor dem aus dem Schutzbereich des Pedalkörpers Herausleiten digitalisiert wird. Dazu wird ein
Analogwandler mit asynchroner serieller Datenschnittstelle ebenfalls auf der Leiterfolie plaziert. Bei
Verwendung eines AD-Wandlers mit 2 Kanälen verringert sich die Zahl der nach außen zu führenden
Leitungen auf 3. Es wird nur eine Masseleitung, eine Versorgungsspannungsleitung und eine Datenleitung
benötigt, wenn alle übrigen Bauteile, wie z.B. Abgleichwiderstände, ebenfalls auf der Leiterfolie direkt auf
der Achse plaziert werden.
Es wurden bereits eine Vielzahl von Meßanordnungen zur Tretkraftbestimmung entworfen und in
Fachzeitschriften veröffentlicht. Diese wurden bisher aber immer nur unter Laborbedingungen betrieben.
Eine Schwierigkeit die Meßanordnung zur Nachrüstung von beliebigen Fahrrädern für den normalen Betrieb
zu gestalten liegt in der Verbindung der sensiblen Elektronik mit den mechanischen Beanspruchungen beim
Betrieb.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es das Meßsystem so kompakt zu gestalten, daß möglicht wenige
externe Bauteile notwendig sind und diese so einfach und stabil wie mögiich.
Nach Anspruch 3 wird daher vorgeschlagen, den Mikrokontroiler ebenfalls im Bereich der DMS und der
Pedalachse anzubringen.
Eine besonders günstige Ausgestaltung wird darin gesehen, eine Kombination aus Verstärkerbaustein,
Mikrokontroiler und AD-Wandler (kundenspezifischer, gemischt analog-digitaler ASIC) auf einem
gemeinsamen Siliciumkristal! zu verwenden. Dies ist bei einer größeren Stückzahl die kostengünstigste
Lösung.
Dabei fällt die Verlegung der Verbindungen zwischen den einzelnen Bausteinen weg.
Nach außen braucht nur die Versorgungsleitung für die Batterie, die Leitung für die Sendedaten und die
Leitung für das Positionssignal geführt zu werden. Die gesamte sensible Elektronik befindet sich im
Schutzbereich des Pedalkörpers. Darüberhinaus können auch die Abgleichwiderstände für die Brücken und
eine Temperaturkompensation und eine Kompensationschaltung für Versorgungsspannungsschwankungen
auf dem ASIC untergebracht werden.
In der Erfindung nach G 94 15 162.8 wurde ein Verfahren aufgezeigt den aktuellen Kurbelwinkel über einen
Postionsgeber auf dem Kurbelkreis und eine Zeitmessung durchzuführen.
Es wurden als Postionsgeber eine Kombination aus einem an der Kurbel befindlichen Reedschalter und
einem feststehenden Magneten am Rahmen vorgeschlagen, wie diese in der Fahrradcomputertechnik üblich
sind.
Nachteiiig an dieser Lösung ist die Erfordernis eine relativ enge Montagetoleranz einzuhalten. Der
Reedschalter spricht nur bei einem Abstand von Ca 1 bis 5 mm zum Magnet an.
Für die Ausstattung eines Fahrrads mit je einer Meßeinrichtung an der rechten und linken Tretkurbel müßten
folglich auch je ein Magnet an der rechten und der linken Seite als Signalgeber montiert werden.
Es wäre zwar möglich die Magneten in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem Meßwertempfänger
unterzubringen und dieses im Bereich des Tretlagers anzuordnen, die unterschiedliche Ausgestaltung der
Rahmen, Kurbeln und -Achsen erschwert allerdings eine einheitlich passende konstruktive Gestaltung.
Bei Gangschaltungen mit 3 Kettenblättern herrschen beengte Platzverhältnisse, so daß eine Montage von
Reedschalter und Magnet mit dem benötigten Abstand besonders schwierig wird.
In der Telemetrie und drahtlosen Meßtechnik ist das Verfahren der Datenübertragung mittels IR-Strahlung
gebräuchlich. Beispielsweise werden bei einer Meßeinrichtung für die Radlagerbelastung an einem
Versuchsauto die Daten vom rotierenden Meßaufnehmer mit einer IR-Diode gesendet und von über den
Bewegungskreis verteilten Empfangsdioden empfangen. Bei einer Übertragung dieser Methode auf das
Pedalkraftmeßsystem wäre es nötig mehrere Empfangsdioden um das Tretlager herum verteilt anzuordnen.
Die oben genannten Nachteile zu vermeiden, wird nach Anspruch 4 bewirkt, indem der Meßwertempfänger
seinerseits IR-lmpulse aussendet, die beim Vorbeiführen der Kurbel durch den Strahl vom Meßsender
empfangen werden. Worauf der Meßsender die Meßdaten sendet. Die Datenübertragungsrate ist dabei so
gewählt, daß bei maximaler Trittfrequenz die Daten einer Tretperiode innerhalb des Empfangsbereichs des
Datenempfängers übertragen werden.
Indem der Signalgeber und Meßwertempfänger räumlich eine Einheit bilden, wird es möglich, bei beliebigen
Trittfrequenzen jeweils die Daten sehr exakt dann zu senden, wenn Sender und Empfänger minimalen
Abstand zueinander haben.
Es ist nicht mehr nötig, daß über einen größeren Winkelbereich eine Empfangsmöglichkeit für die
IR-Strah!en besteht oder daß die Daten mehrfach hintereinander gesendet werden.
Die Anordnung und Gestaltung der Meßsender- und des Empfängergehäuses verhindert, daß während der
Datenübertragung Sonnenlicht direkt auf die Empfangsdioden fallen kann und die Übertragung stört.
Die IR-Strahlung zur Positionsmarkierung wird gepulst, um den Stromverbrauch zu minimieren und um auf
Empfängerseite das Signal eindeutig zu erkennen.
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Die Einheit von Positionssignalgeber und Datenempfäger verringert nebenbei die Anzahl zu montierender
Teile.
Im Vergleich zu Reedschalter und Magnet wird durch die Verwendung der IR-Strahlung als Positionsgeber
die Montagetoleranz wesentlich vergrößert.
Rechte und linke Kurbelseite können trotz Gangschaltung identisch aufgebaut werden.
Rechte und linke Kurbelseite können trotz Gangschaltung identisch aufgebaut werden.
Indem nach Anspruch 4 IR-Strahlung als Positionsmarkierung verwendet wird, ist es möglich von der
Anzeigeeinheit am Lenker aus das Winkelsignal ein- und auszuschalten ( beim Winkelgeber aus
Reedschalter und Magnet ist es nicht möglich die Wirkung des Magneten ein- und auszuschalten).
Dadurch ergibt sich folgende weitere sehr günstige Eigenschaft aus der Erfindung:
Die Meßwerterfassungseinheiten an den Kurbeln verfügen über eine Standby-Schaltung mit sehr geringem
Stromverbrauch, die das IR-Signal des Positionsgebers detektieren kann. Bei Empfang des IR-Signa!s wird
die Meßwerterfassung in Betrieb gesetzt.
So lassen sich durch das Einschalten des IR-Positionsgebersignals die Meßsender an den Kurbeln einschalten. Wird hingegen das IR-Signal ausgeschaltet, so ermöglicht eine Zeitschaltung in den Meßsendern, daß diese sich nach einer gewissen Zeit ebenso abschalten und in den Standby Modus übergehen.
So lassen sich durch das Einschalten des IR-Positionsgebersignals die Meßsender an den Kurbeln einschalten. Wird hingegen das IR-Signal ausgeschaltet, so ermöglicht eine Zeitschaltung in den Meßsendern, daß diese sich nach einer gewissen Zeit ebenso abschalten und in den Standby Modus übergehen.
Die Meßsender können während der Fahrt in Betrieb gesetzt und wieder abgeschaltet werden.
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Nach Anspruch 5 wird eine vorteilhafte Ausgestaltung angegeben, die insbesondere die Montage an
unterschiedliche Bauformen von Fahrradrahmen zusätzlich erleichtert.
Die gemessenen Kraftwerte werden dem Benutzer grafisch angezeigt. Dabei werden die Kraftmeßwerte den
Kurbelwinkeln zugeordnet. Die Kurbelwinkel werden in Bezug auf den Postionsgeber ermittelt. Daher ist die
Lage des Positionsgebers am Kurbelkreis unveränderbar vorgegeben Der Nullpunkt der Anzeige stimmt nur
für die genau vorgegebene Positon des Gebers überein.
Wird die Lage des Gebers veränert, verschiebt sich auch der Nullpunkt der Anzeige.
Um beliebige Montageanordnungen des Positonsgebers (IR-Signalgeber, Readschalter, etc.) bei
unterschiedlichen Fahrradrahmen und unterschiedlichen Lagen bzgl des Tretkreises möglich zu machen,
wird nach Anspruch 5 vorgeschlagen,
den Winkel der Kurbel unter dem der Positionsgeber anspricht an der Anzeigeeinheit einzugeben. Die
Anzeige des Kraftverlaufs erfolgt unter Umrechnung der Winkelwerte um diesen Winkel, so daß die Anzeige
mit der zugehörigen Pedalstellung übereinstimmt.
Dies ist für linkes und rechtes Pedal getrennt möglich.
Dies ist für linkes und rechtes Pedal getrennt möglich.
Die Darstellung des Kraftverlaufs soll für den Benutzer möglichst eindeutig sein.
In wissenschaftlichen Veröffentlichungen wird der Kraftverlauf über den Tretkreisumfang in einem
rechtwinkligen Koordinatensystem dargestellt. Der Umfangswinkel wird auf einer horizontalen Achse
angetragen und der Betrag der Kraft auf einer vertikalen.
Dies erfordert aber, daß die Vorstellung des Zusammenhangs zwischen Kurbelwinkel und Position auf der
horizontalen Achse im Kopf des Betrachters vor sich geht.
Nach Anspruch 6 wird vorgeschlagen, die Anzeige der Kräfte bezüglich des Kurbelwinkels radial an einem
Kreis vorzunehmen, wobei der Winkel am Anzeigekreis, unter dem die Kraft dargestellt wird, mit dem
Winkel der Kurbel zum zugehörigen Meßzeitpunkt übereinstimmt.
Die ehemals horizontal angetragenen Kraftwerte werden dann radial angetragen; positive Werte nach
außen, negative Werte nach innen.
Der Umlaufsinn, d.h. die Seite von der aus der Tretkreis betrachtet wird, ist einstellbar, da dies von der
Vorstellung des Benutzers abhängt.
Als Kraftwerte können wahlweise die Gesamt-Kraft, die Tangential-Kraft oder die Normalkraft angezeigt werden.
Als Kraftwerte können wahlweise die Gesamt-Kraft, die Tangential-Kraft oder die Normalkraft angezeigt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; in dieser zeigt:
Fig. 1 die Positionsgeber- und Meßdatenempfangseinheit (9), den Meßsender (13), die linke Tretkurbel (10)
und die Achse (11) des Pedals. Der Winkel der Kurbel bezüglich dem Ansprechen des Positionsgebers.
Fig. 2 zeigt eine Leiterfolie (12) mit integrierten DMS Halbbrücken (1,2,3,4) zur Schubspannungsmessung,
einem analog-digitalem ASIC (5) mit den Anschlüssen für die DMS, Masse, Versorgungsspannung, sowie
Positionsgebersignal-Eingang und Datensignal-Ausgang. Die Breite der Folie entspricht dem Achsumfang
(D*pi). Die Abstände der DMS untereinander betragen jeweils einviertel des Achsumfangs, so daß die DMS
nach Aufbringen der Folie rotationssymetrisch zum Achsenmittelpunkt liegen.
Die Folie ist die gleiche wie für die DMS verwendete. Die Verbindungs-Leiterbahnen zwischen den DMS und
dem ASIC-Baustein sind lediglich wesendlich breiter, als die der DMS und somit weniger
dehnungsempfindlich.
Fig. 3 zeigt die mit der Leiterfolie (12) beklebte Pedalachse (11) mit den nach außen geführten Anschlüssen.
Die Achse ist in die Kurbel (10) eingeschraubt. Die DMS und die Elektronik wird von einer wasserdichten
Schutzschicht (22) abgedeckt. Der Pedalkörper (21) überlagert ebenfalls die Meßsteile mit der Elekronik und
schützt sie vor mechanischer Einwirkung.
Der ASlC1 bzw der Microcontroller mit AD-Wandler und Verstärker werden als gehäuseloser Siliciumkristail
über ein geeignetes Trägermaterial, daß die Krümmung der Achse ausgleicht, auf die Achse aufgebracht.
Ein typischer gehäuseloser Microcontroller einschließlich A/D Wandler hat die Maße 6 * 6 * 0.5 [mm] und
läßt sich problemlos auf der Pedalachse innerhalb des Pedalkörpers unterbringen.
Fig. 4 zeigt beispielhaft ein Flußdiagramm der gesamten Meßanordnung. Linke und rechte Seite sind
identisch aufgebaut, so daß nur die eine, linke Seite beschrieben wird.
Auf der Pedalachse (11) befinden sich die DMS-Brücken und die Signalverstärkung. Der Meßsender (13)
mit Microcontroller, AD-Wandler, IR-Datensende-Diode (17), Positions-Empfangsdiode (16) und
Standby-Verstärkerschaltung (20) befindet sich an der Kurbel (10).
Die Positionsgeber und Datenempfangseinheit (9) mit der IR-Daten-Empfangsdiode (14) und der
Positionsgeber-Sendediode (15) befinden sich feststehend am Rahmen.
Positionsgeber-Empfangseinheit für rechte und linke Seite kann erfindungsgemäß in einem Gehäuse
untergebracht sein. Darin befindet sich ebenfalls ein Datenempfangssignal-Verstärker.
Die Anzeigeeinheit mit Microcontroller und Display befindet sich im Blickfeld des Fahrers.
Fig. 5 zeigt die Positionsgeber-Empfangseinheit (9) mit jeweils 2 Empfangsdioden für jede Seite, den
Meßsender (13) an der linken Kurbel (10) und den Meßsender (19) an der rechten Kurbel (18), sowie den
Blick auf eine mögliche Anordnung des Meßsenders bei Einsatz einer Gangschaltung mit kleinem
(Mountain-Bike-)Kettenblatt.
Fig. 6 zeigt im Detail die Anordung der IR-Dioden.
Abstrahl und Empfangscharakteristik der Positionsgeber-Sendediode (15) und der
Positions-Empfangsdiode (16) werden durch spaltförmige Blenden auf einen in Bewegungsrichtung engen
Winkelbereich eingeschränkt. Die Gehäuseabmessungen im Bezug auf die Blendenanordnung sind so
abgestimmt, daß während der Datenübertragung keine direkte Störstrahlung einfallen kann, z.B. bei
tiefstehender Sonne,
Das Gehäuse im Bereich der Senderdiode und der Empfängerdiode ist spaltförmig gestaltet, so daß die
IR-Strahlung innerhalb eines Kurbelwinkels von Ca 3° empfangen werden kann. Die Fokussierung in
radialer Richtung, d.h. quer zur Drehrichtung der Kurbel, ist hingegen geringer (Ca 30°), um genügend
Spielraum für die Montage an unterschiedlichen Geometrien zu erlangen.
Es ist zu erkennen, daß zu dem Zeitpunkt, wenn der Positions-Empfänger anspricht, Daten-Sende- und
-Empfangs-Diode so zueinander stehen, daß die Daten über einen möglichst großen Kurbekwinkelbereich
empfangen werden können.
Fig 7 zeigt einen typischen Tretkraftverlauf angetragen an einem Bezugskreis (Nuil-Kraftkreis). Der Winkel
unter dem die Kraftwerte angetragen sind, stimmt mit dem Kurbelwinkei zum Meßzeitpunkt überein. Die
positiven Meßwerte werden unter dem jeweiligen Winkel radial nach außen angetragen, die negativen nach
innen. Die Skalierung der Werte erfolgt so, daß der Radius 0 nicht unterschritten wird.
Um das Ablesen zu erleichtern, werden jeweils die Kraftverläufe mehrerer Perioden gemittelt, so daß die
Anzeige nicht zu stark schwankt.
Es lassen sich auf diese Weise die Gesamt-, Tangential, und Normalkraftwerte anzeigen. Für die
Darstellung von rechtem und linkem Tretkraftverlauf können zwei Grafiken nebeneinander angezeigt
werden.
Die vorliegende Erfindung ist in keiner Weise auf die Anwendung gemäß den Ausführungsbeispielen
beschränkt, sondern läßt sich bei jeder Art von Kurbelantrieb anwenden. 45
Claims (6)
1. Vorrichtung zur Erfassung des aufgebrachten Kraftverlaufs an einer Kurbel (10), indem die
Schubverformungen am Kurbelzapfen 11) gemessen werden und der zugehörige Kurbelwinkel mit Hilfe
einer Zeitmessung von einem Positionsgeber aus bestimmt wird und indem die digitalisierten Meßwerte
an einen Empfänger(9) drahtlos gesendet werden, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zur Verstärkung des DMS-Meßsignals eingesetzter integrierter Verstärker-Baustein (8)
unmittelbar oder über ein Trägermaterial z.B. Leiterfolie (12) auf die Pedalachse (11) in geringer
Entfernung zu den DMS(1,2,3,4) aufgebracht wird und die Signalverstärkung zumindest teilweise
übernimmt.
2. Vorrichtung nach 1 dadurch gekennzeichnet,
daß der zur Umsetzung des analogen DMS-Signals eingesetzte Analog/Digital Wandler(7) unmittelbar
oder über ein Trägermaterial 12) auf die Pedalachse (11) in geringer Entfernung zu dem integrierten
Verstärker-Baustein (8) aufgebracht wird oder ais Verbundbaustein (ASIC) ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet,
daß der zur Auswertung des digitalisierten Meßsignals eingesetzte Microcontroller (6) unmittelbar oder
über ein Trägermaterial auf die Pedalachse (11) in geringer Entfernung zum A/D-Wandler aufgebracht
wird oder als Verbundbaustein (5) (analog-digitaler ASIC) ausgebildet ist. 25
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet,
daß die Positionsmarkierung und die Datenübertragung über korrespondierende IR-Sende- und
-Empfangsdioden (14,15,16,17) erfolgt und daß Positionsgeber und Datenübertragung eine funktionelle
und räumliche Einheit bilden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet,
daß der Kurbelwinkel bezüglich dem der Positionsgeber anspricht, zur Kalibrierung der Anzeige
eingegeben werden kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet,
daß die Darstellung der Kraft- bzw. Momenten-Meßwerte über den Tretkreis in radialer Richtung
bezüglich eines Null-Kraft-Kreises stattfindet, wobei negative Werte nach innen, positive nach außen
angetragen werden.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29507357U DE29507357U1 (de) | 1995-04-05 | 1995-04-05 | Vorrichtung zur Erfassung und Anzeige des Tretkraftverlaufs an einem Fahrrad |
| JP7239829A JPH08145824A (ja) | 1994-09-19 | 1995-09-19 | 自転車の周期的な踏込み運動の間クランクに加わる力の推移を認識する装置 |
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Applications Claiming Priority (1)
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| DE29507357U DE29507357U1 (de) | 1995-04-05 | 1995-04-05 | Vorrichtung zur Erfassung und Anzeige des Tretkraftverlaufs an einem Fahrrad |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE29507357U1 true DE29507357U1 (de) | 1995-07-06 |
Family
ID=8007560
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE29507357U Expired - Lifetime DE29507357U1 (de) | 1994-09-19 | 1995-04-05 | Vorrichtung zur Erfassung und Anzeige des Tretkraftverlaufs an einem Fahrrad |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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1995
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