Bezeichnung der Erfindung

Verfahren und Vorrichtung zur Kraft-, Drehmoment- und Leistungsmessung an einem Ergometer oder Fahrrad

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kraft-, Drehmoment- und Leistungsmessung an einem Ergometer oder Fahrrad, wobei infolge eines bestimmungsgemäßen Gebrauchs desselben eine Drehmomentübertragung von zwei mit Pedalen bestückten Tretkurbeln über eine Welle auf einen Umschlingungstrieb und weiter auf eine Ergometer-Schwungscheibe oder das Hinterrad des Fahrrads erfolgt, und wobei der Umschlingungstrieb eine Riemenscheibe oder ein Kettenrad aufweist, welche wenigstens in einer Drehrichtung drehfest mit der Welle verbunden ist.

Hintergrund der Erfindung

Ergometer und Fahrräder werden seit geraumer Zeit als Trainingsgeräte und/oder zur Rehabilitierung genutzt, wobei es sinnvoll ist, während des be- stimmungsgemäßen Gebrauchs dieser Geräte die vom Benutzer während des Trainings aufgebrachte Leistung zu messen und entsprechend auszuwerten. Aufwendige Lösungen für eine Erfassung der aufgebrachten Leistung beinhalten die Auswertung der Spannung in einem Umschlingungstrieb, beispielsweise einer Kette, über welche die aufgebrachte Kraft ermittelbar ist und woraus wie- derum in Verbindung mit einer gemessenen Winkelgeschwindigkeit auf die Leistung umgerechnet werden kann. Hierzu wird auf die DE 10 2005 052 445 A1 verwiesen.

Aus der DE 37 22 728 C1 ist zudem ein so genannter Leistungsmesser für ei- nen Kurbeltrieb eines Fahrrades bekannt, bei dem die von einer Person aufgebrachte Kraft direkt am Tretlager des Fahrrades gemessen wird. 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 Emp- fänger übertragen. Die Tretgeschwindigkeit wird durch die Tretfrequenz ermittelt. Beide Werte, Tretkraft und Tretgeschwindigkeit, werden in einem Mikrocomputer am Fahrrad verarbeitet, zur Anzeige gebracht und abgespeichert bzw. in eine Leistung umgerechnet.

Ferner ist aus der DE 44 35 174 C2 eine Vorrichtung zur Erfassung der aufgebrachten Kräfte und Leistung an einer Tretkurbel, insbesondere eines Fahrrades bekannt, wobei eine Kraft durch Messung der Schubverformung am Kurbelzapfen beziehungsweise an der Pedalachse mit darauf angeordneten Dehnungsmessstreifen für beide Beine der die Kraft aufbringenden Person getrennt ermittelt wird.

Schließlich ist es seit geraumer Zeit bekannt, Drehmomente einer Drehwelle mit oder ohne Torsionsstange mittels an sich bekannter magnetischer Methoden, beispielsweise mittels magnetostriktiver Drehmomentsensoren zu messen. Derartige magnetostriktive Drehmomentsensoren beruhen auf den magneti- sehen Eigenschaften ferromagnetischer Materialien, wobei beispielsweise eine Zugspannung in dem Material ein Ansteigen eines in dem Material induzierten magnetischen Feldes bewirkt. Demgegenüber führen Druckspannungen zu einer Verminderung des induzierten magnetischen Feldes. überwiegend wird eine wechselstromgespeiste Sensorspule verwendet, um das magnetische Feld in eine ferromagnetische, drehmomentübertragende Welle zu induzieren. Eine sekundäre Aufnahmespule oder ein anderes Mittel überwacht dann die änderungen in dem induzierten magnetischen Feld, wenn sich die Spannungen in der Welle mit dem Drehmoment ändern. Das in der Sekundärspule induzierte Spannungssignal ist ein Indikator für das Drehmoment.

So beschreibt beispielsweise die DE 34 17 893 A1 eine Anordnung zum berührungslosen Nachweis bzw. zur berührungslosen Messung mechanischer Span- nungszustände von Maschinenteilen, wie beispielsweise Wellen, mit einem magnetostriktiven Drehmomentsensor, wobei auf der Welle eine Schicht aus amorphem, magnetostriktivem Material angeordnet ist. Unter dem Einfluss mechanischer Spannungen verändert diese Schicht ihre magnetische Permeabilität, so dass wiederum die Induktivität eines in der Nähe dieser Schicht angeordneten Sensors, welcher mindestens eine Spule umfasst, verändert wird. Die Beschichtung kann auf die Welle aufgesputtert oder elektrolytisch aufgebracht oder in Folienform ausgebildet und auf die Welle geklebt oder mit derselben verschweißt sein.

Aufgabe der Erfindung

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Kraft-, Drehmoment- und Leistungsmessung an einem Ergometer

oder Fahrrad sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, welches geeignet ist, bei geringem messtechnischen Aufwand zuverlässige Messergebnisse und zwar für beide Beine des das Ergometer oder das Fahrrad bestimmungsgemäß gebrauchenden Benutzers getrennt voneinander zu erfassen.

Beschreibung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass herkömmliche Messmetho- den an Ergometern oder Fahrrädern, die insbesondere auf Spannungsmessungen im Umschlingungstrieb oder Kraftmessungen mittels Dehnmessstreifen abstellen, aufwendig und demgemäß kostenintensiv sind.

Die gestellte Aufgabe wird demnach zunächst gelöst durch ein Verfahren zur Kraft-, Drehmoment- und Leistungsmessung an einem Ergometer oder Fahrrad, wobei infolge eines bestimmungsgemäßen Gebrauchs desselben eine Drehmomentübertragung von zwei mit Pedalen bestückten Tretkurbeln über eine Welle auf einen Umschlingungstrieb und weiter auf eine Ergometer-Schwungscheibe oder das Hinterrad des Fahrrads erfolgt, und wobei der Umschlingungstrieb eine Riemenscheibe oder ein Kettenrad aufweist, welche wenigstens in einer Drehrichtung drehfest mit der Welle verbunden ist. Außerdem ist verfahrensgemäß vorgesehen, dass beidseitig der Riemenscheibe oder des Kettenrades unabhängig voneinander jeweils aus der Momentenübertragung resultierende elastische Torsionen der Welle als Maß für die auf die Welle aufgebrachten Kräfte zur Er- mittlung des Drehmoments und der Leistung sowohl des linken als auch des rechten Beines des Benutzers des Ergometers oder des Fahrrades erfasst, entsprechende Sensorsignale generiert und dieselben zur weiteren Verarbeitung einer Speicher- und/oder Auswerteeinheit zugeführt werden.

Die so gewonnenen Werte für die von dem Nutzer mit seinem rechten und/oder linken Bein aufgebrachte Kraft bzw. das über die Hebellänge der Tretkurbel wirkende Drehmoment sowie die pro Zeiteinheit vom Nutzer erbrachte Leistung können anschließend bestimmt und dann auf einem Anzeigegerät zur Anzeige gebracht, elektronisch abgespeichert und/oder für andere Zwecke verwendet werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die elastische Torsion der Welle jeweils nach dem Prinzip der Magnetostriktion erfasst. Hierbei können die generierten Sensorsignale elektrisch oder berührungslos der Speicher- und/oder Auswerteeinheit zugeführt werden.

Außerdem sieht die Erfindung vor, dass zur Bestimmung der von dem Nutzer mit seinem rechten und/oder linken Bein erbrachten Leistung die Drehzahl der Welle erfasst und der Speicher- und/oder Auswerteeinheit zugeführt wird, und dass in letzterer durch Division des an der Welle rechts- und/oder linksseitig wirkenden Drehmoments mit der gemessenen Drehzahl die vom Nutzer mit seinem rechten Bein und/oder seinem linken Bein erbrachte Leistung berechnet wird.

Gerätebezogen betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Kraft- und Leistungsmessung an einem Ergometer oder Fahrrad, wobei infolge eines bestimmungsgemäßen Gebrauchs des Ergometers oder Fahrrads eine Drehmomentübertragung von zwei mit Pedalen bestückten Tretkurbeln über eine Welle auf einen Umschlingungstrieb und weiter auf eine Ergometer-Schwungscheibe oder das Hinterrad des Fahrrads erfolgt, und wobei der Umschlingungstrieb eine Riemenscheibe oder ein Kettenrad aufweist, welche wenigstens in einer Drehrichtung drehfest mit der Welle verbunden ist.

Zur vorrichtungsbezogenen Lösung der gestellten Aufgabe ist vorgesehen, dass axial beidseitig der Riemenscheibe oder des Kettenrades jeweils zumindest eine Sensorik zur berührungslosen Erfassung von Verformungen der Welle in Form von aus der Momentenübertragung resultierenden elastischen Torsi- onen als Maß für die auf die Welle aufgebrachten Kräfte zur Ermittlung des Drehmoments und der Leistung sowohl des linken als auch des rechten Beines des Benutzers des Ergometers oder des Fahrrades angeordnet ist.

Besonders vorteilhaft sind diese Sensoriken zur Messung der elastischen Tor- sion der Welle jeweils durch zumindest eine magnetostriktive Drehmoment- Sensorik gebildet. Die Drehmoment-Sensoriken umfassen dabei jeweils zumindest einen magnetisch codierten Bereich auf der Welle sowie zumindest eine dazu beabstandet angeordnete Sensorspule. Was die magnetisch codierten Bereiche der Welle anbelangt, so können diese durch fest mit der Welle ver- bundene Beschichtungen aus magnetostriktivem Material oder durch separate, mit der Welle fest verbundene Anbauteile aus besagtem magnetostriktiven Material gebildet sein.

Außerdem ist zur Bestimmung der vom Nutzer in das Ergometer oder das Fahr- rad eingebrachten Leistung vorgesehen, dass Drehzahlgeber an der Oberfläche der Welle angeordnet sind, die mit einem Drehzahlsensor zusammenwirken, welcher radial über den Drehzahlgebern angeordnet und mit der Speicher- und/oder Auswerteeinheit verbunden ist. Bei einer Drehung der Welle erzeugen die an dem Drehzahlsensor vorbeibewegten Drehzahlgeber ein Drehzahlsignal in dem Drehzahlsensor, welches an die Speicher- und/oder Auswerteeinheit weitergeleitet wird.

Weiter vorteilhaft sind die Drehmoment-Sensoriken jeweils elektrisch oder berührungslos mit einer elektronischen Speicher- und/oder Auswerteeinheit zur Verarbeitung von generierten Sensorsignalen der erfassten Verformungen der Welle verbunden.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante der in Rede stehenden Vorrichtung kann die Riemenscheibe oder das Kettenrad samt der axial beidseitig der Riemenscheibe oder des Kettenrades angeordneten Sensoriken innerhalb eines von zwei Lagerstellen der Welle axial begrenzten Bereiches der- selben angeordnet sein.

Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsvariante kann die Riemenscheibe oder das Kettenrad auch außerhalb eines von zwei Lagerstellen der Welle axial begrenzten Bereiches derselben angeordnet sein, wobei axial beid- seitig der Riemenscheibe oder des Kettenrades die Sensoriken angeordnet sind, und wobei zumindest eine Sensorik innerhalb des besagten Bereiches angeordnet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden an zwei bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine erfindungsgemäß ausgebildete Welle eines Ergometers mit einer zwischen zwei Lagerstellen angeordneten Riemenscheibe und Messvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;

Figur 2 eine erfindungsgemäß ausgebildete Welle eines Ergometers mit einer außerhalb eines Bereiches zwischen zwei Lagerstellen angeordneten Riemenscheibe gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Welle 1 des Tretlagers eines an sich bekannten und demgemäß nicht im Detail gezeigten Ergometers ermöglicht eine

Drehmomentübertragung von zwei mit Pedalen bestückten Tretkurbeln über diese Welle 1 auf einen Umschlingungstrieb und weiter auf eine Ergometer- Schwungscheibe. Die Welle 1 ist mittels Wälzlager an zwei Lagerstellen 2, 3 in einem nicht näher gezeigten Rahmen des Ergometers drehgelagert. Vorliegend ist der Umschlingungstrieb als Riementrieb ausgebildet und weist eine Riemenscheibe 4 auf, die wenigstens in einer Drehrichtung drehfest mit der Welle 1 verbunden ist.

Um bei geringem messtechnischen Aufwand zuverlässige Messergebnisse und zwar für beide Beine des das Ergometer bestimmungsgemäß gebrauchenden Benutzers getrennt voneinander erfassen zu können, ist axial beidseitig der Riemenscheibe 4 jeweils eine Sensorik 5 bzw. 6 zur berührungslosen Erfassung von Verformungen in Form von aus der Momentenübertragung resultierenden elastischen Torsionen der Welle 1 vorgesehen. Die sensorisch erfass- ten elastischen Torsionen stellen ein Maß für die auf die Welle 1 aufgebrachten Kräfte bzw. Drehmomente zur rechnerischen Ermittlung der vom Bediener pro Zeiteinheit erbrachten Leistung sowohl des linken als auch des rechten Beines des Benutzers des Ergometers dar.

Die Messmittel sind jeweils durch zumindest eine magnetostriktive Drehmo- ment-Sensorik 5 bzw. 6 gebildet und umfassen einen magnetisch codierten Bereich 5a, 6a auf der Welle 1 sowie zumindest eine dazu beabstandet angeordnete Sensorspule 5b, 6b. Die Funktionsweise derartiger magnetostriktiver Drehmoment-Sensoriken 5, 6 wurde einleitend bereits ausführlich erläutert.

Die magnetisch codierten Bereiche 5a, 6a sind vorzugsweise durch fest mit der Welle 1 verbundene Beschichtungen aus magnetostriktivem Material gebildet. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, statt dessen separate, mit der Welle 1 fest zu verbindende Anbauteile, beispielsweise ringförmige Anbauteile aus magnetostriktivem Material vorzusehen, die auf die Welle 1 aufgefädelt und mit

derselben kraft- und/oder formschlüssig derart verbunden sind, dass die zu erfassenden elastischen Torsionen der Welle 1 auf die magnetostriktivem Anbauteile übertragen werden (nicht näher dargestellt).

Die Drehmoment-Sensoriken 5, 6 beziehungsweise deren Sensorspulen 5b, 6b sind jeweils elektrisch oder berührungslos, beispielsweise per Funk oder Ultraschall, mit einer elektronischen Speicher- und/oder Auswerteeinheit 7 zur Verarbeitung von durch die Sensoriken 5, 6 generierten Sensorsignalen 8, 9 der erfassten Verformungen bzw. elastischen Torsionen der Welle 1 verbunden. Die hierzu erforderliche elektrische Spannung wird zweckmäßigerweise von einem stationären elektrischen Netz und/oder einem oder mehreren Akkumulatoren bereitgestellt.

Wie Fig. 1 weiter zeigt, ist die Riemenscheibe 4 samt der axial beidseitig der- selben angeordneten Sensoriken 5, 6 innerhalb eines von den beiden Lagerstellen 2, 3 der Welle 1 axial begrenzten Bereiches der Welle 1 angeordnet, wodurch eine äußerst kompakte und demgemäß im Hinblick auf den erforderlichen Bauraum minimierte Anordnung geschaffen ist.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der vorbeschriebenen Variante im Wesentlichen dadurch, dass die Riemenscheibe 4 axial außerhalb des zwischen den beiden Lagerstellen 2, 3 der Welle 1 eingeschlossenen Bereiches angeordnet ist, wobei zwar ebenfalls axial beidseitig der Riemenscheibe 4 die Sensoriken 5, 6 angeordnet sind, jedoch zumindest eine der Sensoriken 5 innerhalb besagten Bereiches angeordnet ist.

Außerdem zeigt Fig. 2, dass am Umfang der Welle 1 magnetische Signalgeber 10 mit Abstand zueinander angeordnet sind, die mit einem an sich bekannten Drehzahlsensor 11 zusammenwirken, der mit radialem Abstand über den Dreh- zahlgebem 10 positioniert ist. Bei einem Vorbeibewegen der Drehzahlgeber 10 unter dem Drehzahlsensor 11 aufgrund einer Drehbewegung der Welle 1 registriert dieser das sich ändernde Magnetfeld und erzeugt daraus ein Drehzahl-

Signal 12, welches an die Speicher- und/oder Auswerteeinheit 7 weitergeleitet wird. Es ist auch möglich, anstelle des beschriebenen Messprinzips andere Messprinzipien zur Erfassung der Drehzahl der Welle 1 zu nutzen, beispielsweise bekannte optische Messsysteme.

Mit Hilfe des aus der registrierten Torsion der Welle 1 ermittelten Drehmoments sowie der gemessenen Drehzahl der Welle lässt sich in der Speicher- und/oder Auswerteeinheit 7 das an der jeweiligen Seite der Welle 1 aufgebrachte Drehmoment pro Zeiteinheit und demnach die jeweils aufgewendete Leistung des Nutzers bestimmen. Die Kenntnis der Leistung des Nutzers, insbesondere diejenige, die von seinem rechten und/oder linken Bein aufgebracht wurde, ist nicht nur zur Information des Nutzers des Ergometers von Interesse, sondern auch für die genaue Einstellung des mechanischen Widerstandes der Bremsvorrichtung des Ergometers, beispielsweise einer diesbezüglichen Wirbel- strombremse oder einer Bandbremse.

Bei bisher bekannten Ergometern wird aus der Speisespannung der Wirbelstrombremse mit Hilfe eines mathematisch nichtproportionalen Zusammenhangs das Bremsmoment bzw. die Bremsleistung der Wirbelstrombremse ab- geschätzt, welches dem Nutzer des Ergometers entgegenwirken soll bzw. entgegenwirkt. Die Genauigkeit liegt dabei im Bereich von ± 10% um den tatsächlichen Wert des Bremsmoments, welches zumindest bei diagnostisch einzusetzenden Ergometern als nicht ausreichend beurteilt wird. Daher erfolgt bei solchen bekannten Ergometern üblicherweise eine Kalibrierung der Wirbelstrom- bremse, um den nichtproportionalen Zusammenhang zwischen der Speisespannung der Wirbelstrombremse und deren Bremswirkung (Bremsmoment, Bremsleistung) herauszufinden, und um die nach einer DIN-Vorschrift geforderte Genauigkeit der Bremsmomenteinstellung bzw. der Drehmoment- und Leistungsanzeige für den Nutzer erreichen zu können.

Bei dem Messsystem gemäß der Erfindung und insbesondere des der Fig. 2 ist ein solcher Aufwand nicht notwenig, da das vom Nutzer des Ergometers aufgebrachte Drehmoment bzw. die Leistung anhand der Drehmoment- und Drehzahlmessung kontinuierlich bestimmt werden.

Vorstehende Ausführungsbeispiele stellen auf ein Ergometer mit einem Um- schlingungstrieb in Form eines Riementriebes ab. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele, sondern umfasst auch Um- schlingungstriebe in Form von Kettentrieben sowie herkömmliche Fahrräder mit Riemen- oder Kettentrieb, die erfindungsgemäß mit den besonderen Sensori- ken 5, 6 zur Erfassung der elastischen Torsion der Welle 1 im Bereich des Tretlagers bei Belastung desselben während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs, vorzugsweise mit magnetostriktiven Drehmoment-Sensoriken 5, 6 ausgestattet sind (nicht näher dargestellt).

Bezugszahlenliste

Welle

Lagerstelle

Lagerstelle

Riemenscheibe

Sensorik (Drehmoment-Sensorik) a Magnetisch codierter Bereich b Sensorspule

Sensorik (Drehmoment-Sensorik) a Magnetisch codierter Bereich b Sensorspule

Speicher- und/oder Auswerteeinheit

Signal

Signal 0 Drehzahlgeber 1 Drehzahlsensor 2 Drehzahlsignal