Verfahren zum Messen des von einem Fahrer auf die Pedale eines E-Bikes aufgebrachten Drehmomentes und E-Bike

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des von einem Fahrer auf die Pedale eines E-Bikes aufgebrachten Drehmomentes mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Patent ^¬ ansprüche 1 oder 2.

Bei derartigen E-Bikes (Fahrräder mit elektrischem Antrieb) ist eine optimale Steuerung des elektrischen Antriebes von Be ^¬ deutung. Hierzu kann das Signal eines Sensors dienen, welcher das Drehmoment misst, das der Fahrer über die Pedale aufbringt.

Bekannt ist hierbei ein Drehmomentsensor, welcher die Ver- spannung einer Welle misst, über die die Pedale das Drehmoment auf das vordere Kettenrad überträgt. Da es sich hierbei um eine sich drehende Welle handelt, muss das Messprinzip berührungslos und drehunabhängig sein. Das verwendete Prinzip erfordert eine spezielle Welle, welche entweder aus magnetisch geeignetem Metall gefertigt ist oder geeignet beschichtet ist. Zudem sind aufwendige Spulen und eine elektrische Signalaufbereitung zur magnetischen Messung nötig.

Bei kostengünstigeren Lösungen wird die Unterstützung durch den Elektromotor über eine Drehzahlerfassung am Tretlager oder Zahnkranz gesteuert. Allerdings hat dies Nachteile in Bezug auf die Reaktionszeit und Dosierbarkeit der Hilfskraft.

Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 oder 2 ist aus der DE 10 2010 001 775 AI bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird durch eine Pedalkraft eine auf das Tretlager einwirkende Kraft erzeugt. Aufgrund dieser Kraft bewegt sich das Tretlager in einem Zusatzlager, so dass ein Kolben in einer Druckmesskammer vorgeschoben wird. Die durch den derart aufgebauten Kraftsensor erfasste Druckänderung wird einer Steuereinheit zugeführt und zur Ermittlung des Drehmomentes verwendet .

Aus der EP 2 511 165 AI ist ein Drehmomentmessverfahren bekannt, bei dem eine unter der Wirkung der Pedalkraft auf ein Monta ^¬ geelement und die Hinterachse des Fahrrades einwirkende Kraft von einem Sensor gemessen und zur Drehmomentermittlung benutzt wird.

Die EP 2 682 335 AI beschreibt ein Verfahren, bei dem eine Pedalkraftdetektionsvorrichtung mittels Dehnungsmessstreifen die durch Pedalkraft in einem Metallkörper erzeugten Spannungen misst und hieraus das Drehmoment ermittelt.

Beim Gegenstand der DE 10 2012 215 022 AI findet eine zusätzlich zur Tretlagerbefestigung vorgesehene Messhülse Verwendung, die mit einer die Messhülse koaxial umgebenden Auswerteeinheit zusammenwirkt .

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, das sich auf einfache Weise mit besonders einfachen Bauteilen realisieren lässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 oder 2 gelöst.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösungen sind für Fahrräder mit Nabenmotor im Vorder- oder Hinterrad geeignet. Erfindungsgemäß findet keine direkte Drehmomentmessung an einer drehenden Welle statt , sondern diese wird durch eine Kraftmessung ersetzt. Dabei wird die Zugkraft gemessen, welche auf die Kette wirkt. Dies ist eine Kraft, welche auf die Hinterradnabe und auf das Tretlager wirkt. Zur Messung der Kettenzugkraft wird nunmehr die elastische Verformung oder Auslenkung der Tretlagerbe- festigung gemessen. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen, wie nachfolgend ausgeführt. Durch Ersetzen einer Drehmomentmessung durch eine Kraftmessung ist es möglich, das zum Messen der durch die Kraft bewirkten elastischen Verformung oder Auslenkung erforderliche Sensorelement ortsfest anzubringen. Es ist keine Messung an einer drehenden Welle nötig. Hierzu können einfache Sensorelemente eingesetzt werden. Durch die Messung der elastischen Verformung oder Auslenkung der Tretlager- und/oder Radnaben-Befestigung wird nur die Kraftkomponente zwischen Hinterachse und Tretlager gemessen. Somit wird erreicht, dass nur Kraft, welche Vortrieb verursacht, erfasst wird. Würde der Fahrer beispielsweise beide Pedale gleichzeitig nach unten oder oben drücken (beispielsweise auf den Pedalen stehen) , würde sich keine Kraftkomponente in Richtung Hinterrad ergeben. Der Sensor würde also kein Antriebsmoment erkennen und das Fahrrad nicht ungewollt be- schleunigen.

Erfindungsgemäß wird eine Verformungsmessung oder Auslenkungsmessung am Tretlager durchgeführt, da auf die Hinterradnabe nicht nur die von der Pedalkraft ausgeübten Kräfte wirken, sondern auch die Betätigung der Hinterradbremse oder der Antriebsmotor Kraft überlagern kann. Zudem bietet das Tretlagergehäuse mehr Einbauraum für die benötigten Komponenten zur Messung . Da eine elastische Verformung oder Auslenkung des Tretlagers durch die aufgebrachte Kettenzugkraft in Horizontalrichtung möglicherweise als störend empfunden werden könnte, sollte die Verformung bzw. Auslenkung so klein wie möglich sein. Vorzugsweise wird daher die Verformungs- oder Auslenkungsmessung auf magnetische Weise durchgeführt, da hierbei bereits mit Änderungen im Bereich von 1 mm mit ausreichender Auflösung gemessen werden kann. Die Messung kann dabei beispielsweise mittels einem Magneten und einem Hallsensor durchgeführt werden. Auch kann die Messung nach dem Prinzip eines induktiven Nä- herungssensors durchgeführt werden, beispielsweise mit einer Spule mit Eisenkern. Für beide Prinzipien sind sehr kostengünstige Lösungen einschließlich Signalaufbereitung verfügbar. Bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verformungs- oder Auslenkungsmessung mittels Deh ^¬ nungsmessstreifen durchgeführt.

Erfindungsgemäß wird vorzugsweise die elastische Verformung oder Auslenkung der Tretlagerbefestigung in Horizontalrichtung gemessen, um hierdurch die auf die Kette des E-Bikes wirkende Kraft, die vom Fahrer aufgebracht wird, zu erfassen. Die Messung wird dabei gemäß einer ersten Ausführungsform so realisiert, dass die Verformung oder Auslenkung einer elastischen Hülse, die als Tretlagerbefestigung dient, gemessen wird. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Verformung oder Auslenkung einer Feder gemessen, gegen die ein exzentrisch drehbar gelagertes Tretlager wirkt .

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein E-Bike mit einem Tretlager. Das Tretlager ist so am Fahrradrahmen befestigt, dass die von einem Fahrer über die Pedale auf die Kette aufgebrachte Zugkraft eine messbare elastische Verformung oder Auslenkung der Befestigung bewirkt, und das E-Bike ist mit einem Sensor zur Messung dieser Verformung oder Auslenkung versehen.

Auf die Vorteile der Verformungs- oder Auslenkungsmessung am Tretlager gegenüber der Messung an der Hinterradnabe wurde bereits hingewiesen. Bei dieser Ausführungsform ist das

Tretlager vorzugsweise so am Rahmen montiert, dass es in Vertikalrichtung möglichst starr fixiert ist, horizontal jedoch eine kraftabhängige Verformung oder Auslenkung erlaubt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nur die der Kettenzugkraft entsprechende horizontale Verformungs- oder Auslenkungskom ^¬ ponente gemessen wird.

Um die Messung der Verformung oder Auslenkung der Tretlager- befestigung realisieren zu können, ist bei einer Ausführungsform der Erfindung das Tretlager mit einer elastischen Hülse im Tretlagergehäuse montiert, wobei deren Verformung oder Aus- lenkung durch den vorgesehenen Sensor erfasst wird. Bei einer anderen Ausführungsform ist das Tretlager exzentrisch drehbar am Rahmen gelagert, beispielsweise über eine Schwinge, und wirkt gegen eine Feder, deren Verformung oder Auslenkung vom Sensor gemessen wird.

Der Sensor kann als magnetischer Sensor ausgebildet sein. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Sensor von Dehnungsmessstreifen gebildet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen : schematisch den Kettentrieb eines Fahrrades; einen Horizontalschnitt durch das Tretlager eines Fahrrades mit elastischer Befestigung desselben; einen Vertikalschnitt durch das Tretlager der

Figur 2; und einen Vertikalschnitt durch das Tretlager eines Fahrrades mit einer anderen Ausführungsform einer elastischen Befestigung desselben.

Bei dem in Figur 1 schematisch dargestellten Kettentrieb eines Fahrrades ist beispielhaft eine Pedalposition mit einer senkrecht ausgeübten Pedalkraft gezeigt. Über ein Pedal 1 wird eine Kraft 2 (als Vektor dargestellt) aufgebracht. Diese Kraft 2 besitzt eine Kraftkomponente 3, die ein Drehmoment auf die Pedalwelle 4 ausübt. Dieses Drehmoment hat eine Kettenkraft 5 zur Folge, welche um das Verhältnis von Kurbellänge zu Radius des Zahnkranzes 6 größer ist als die Kraftkomponente 3. Die Kräfte 2 und 5 werden im Tretlager abgestützt und ergeben hier die Kraft 7, welche senkrecht nach unten gerichtet ist und keine In- formationen über das Drehmoment enthält, und die Kraft 8, die im Produkt mit dem Zahnkranzradius 9 das Drehmoment ergibt, da die Kraft 8 der Kraft 5 entspricht . Durch Messen der Kraft 8 kann somit das vom Fahrer eingebrachte Drehmoment bestimmt werden.

Die Figuren 2 (horizontaler Schnitt) und 3 (vertikaler Schnitt) zeigen eine Ausführungsform, wie diese Kraft 8 gemessen wird. Hierzu ist das Tretlager, welches unter anderem aus dem Lagerrohr 10, der Welle 11 und den Lagerkugeln 12 besteht, mit einer elastischen Hülse 13 im Tretlagergehäuse 14 montiert. Die Kraft 8 bewirkt nun eine leichte Auslenkung (Verkippung) des Tret ^¬ lagers. Über einen Hallsensor (oder Induktivsensor) 15 kann die Auslenkung erfasst werden und als Maß für die Kraft 8 verwendet werden. Da mit dieser Technik gerade sehr kleine Abstandsän- derungen erfasst werden können, kann die elastische Hülse 13 sehr steif ausgeführt werden, so dass keine weiteren Führungen des Tretlagers benötigt werden. Der Fahrer des E-Bikes wird je ^¬ denfalls keine unerwünschten Auslenkungen spüren. Um aber eine vertikale Auslenkung bei hoher Gewichtsbelastung (Fahren im Stehen) auszuschließen, könnte noch das Teil 16 eingebaut werden, welches eine kulissenartige Führung des Tretlagers bewirkt und nur eine horizontale Auslenkung Richtung Hinterradnabe zulässt.

In Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Tretlagers im Vertikalschnitt dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist das Tretlager 10 exzentrisch drehbar über eine kurze Schwinge 22 aufgehängt. Die Drehachse 18 der Schwinge verläuft hier parallel zur Tretlagerwelle 11 und ist am Fahrradrahmen an der Verbindung von Steuerrohr 19, Sattelrohr 20 und Hinterbau 21 befestigt. Anstelle des üblichen rohrformigen Tretlagergehäuses verbindet ein Formteil 24 Steuerrohr 19, Sattelrohr 20 und Hinterbau 21. Das Tretlager 10 kann hierbei, verursacht durch die Kraft 8, nach hinten schwenken. Diese Bewegung wird durch ein Federelement 23 begrenzt, welches eine zur Kraft 8 in erster Ordnung propor- tionale Auslenkung erlaubt. Diese Auslenkung wird analog zur Ausführungsform gemäß Figur 2 gemessen. Der Vorteil dieser etwas aufwendigeren Lösung besteht darin, dass das Tretlager auch bei hohen Tretkräften parallel zur Hinterradnabe bleibt.