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Verfahren zur Ansteuerung eines Hilfsantriebs eines Fahrrads in Abhängigkeit von dem von einem Fahrradfahrer abgegebenen Drehmoment - Dokument DE19601194C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19601194C2 27.11.1997
Titel Verfahren zur Ansteuerung eines Hilfsantriebs eines Fahrrads in Abhängigkeit von dem von einem Fahrradfahrer abgegebenen Drehmoment
Anmelder Stamm, Michael, 42859 Remscheid, DE;
Gebler, Dirk, 42719 Solingen, DE
Erfinder Stamm, Michael, 42859 Remscheid, DE;
Gebler, Dirk, 42719 Solingen, DE
DE-Anmeldedatum 15.01.1996
DE-Aktenzeichen 19601194
Offenlegungstag 24.07.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.11.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.11.1997
IPC-Hauptklasse G05D 17/00
IPC-Nebenklasse G01L 5/13   G01L 3/24   A61B 5/22   

Beschreibung[de]
Verfahren zur Ansteuerung eines Hilfsantriebs eines Fahrrads in Abhängigkeit von dem von einem Fahrradfahrer abgegebenen Drehmoment Beschreibung der Erfindung: Stand der Technik: Leistungsmessung bei Hubkolbenmotoren:

Ein Vergleich ist insofern interessant, da bei einem Hubkolbenmotor das Drehmoment periodisch durch den Verbrennungsdruck erzeugt wird. Dadurch und da dieser seit über 100 Jahren Objekt der Forschung ist, liegt es nahe, hier geeignete Leistungsmeßverfahren zu finden.

1. Verfahren: Anordnung und Verfahren zur Messung der Motorleistung von Kraftfahrzeugen (DE 41 38 401 A1).

Durch Anbringen von Zusatzschwungmassen mit bekanntem Massenträgheitsmoment kann im nicht stationären Fall die genaue Motorleistung bestimmt werden.

Dieses Verfahren arbeitet nur im nichtstationären Fall und kann so nicht auf die Leistungsmessung an einem Fahrrad übertragen werden. Das Fahrrad wird häufig im stationären Bereich (konstante Geschwindigkeit) betrieben. Zur Bestimmung der Leistung muß hier das Massenträgheitsmoment genau bekannt sein.

Die Masse von dem Fahrer eingeben zu lassen, ist im Sinne der Manipulationssicherheit, die von der StVZO gefordert wird, nicht akzeptabel.

2. Verfahren: Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Motorleistung eines Kraftfahrzeuges (DE 38 08 013 C1).

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Motorleistung eines Kraftfahrzeuges auf einem Rollenprüfstand. Ein solches Verfahren ist nicht vergleichbar.

3. Verfahren: System zum Messen der Ausgangskraft eines Fahrzeuges (DE 32 34 554 A1).

Es wird ein System zum Messen der Ausgangskraft eines Fahrzeuges beschrieben. Es findet ein fünftes Rad Verwendung, um eine genaue Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit sicherzustellen. An den Antriebsrädern des Fahrzeuges montierte Drehmoment- und Drehzahlsensoren werden zur Bestimmung der Gesamtausgangsleistung des Fahrzeuges eingesetzt.

Hierbei kommen Drehmoment- und Drehzahlsensoren zum Einsatz. Auch ist ein zusätzliches Rad zur genauen Geschwindigkeitsmessung notwendig. Für die Leistungssteuerung des Hilfsantriebs am Fahrrad ist dieses Verfahren nicht geeignet.

Leistungsmessung an Fahrrädern:

Im Folgenden werden bekannte Verfahren zur Leistungsmessung an HPV (Human Powerd Vehicle) aufgelistet.

1. Verfahren: Vorrichtung zum Messen und Auswerten von Leistungsdaten eines Fahrradfahrers (DE 38 13 792 A1).

Die Vorrichtung zum Messen und Auswerten von Leistungsdaten eines Fahrradfahrers dient der Ermittlung und Anzeige des Runden Tritts, d. h. der Gleichmäßigkeit der Winkelgeschwindigkeit der Kurbeldrehung. Hierzu wird mittels einer Meßwertaufnehmereinrichtung die Winkelgeschwindigkeit in wenigstens einem Teilabschnitt einer Kurbelumdrehung erfaßt und durch Differenz- oder Quotenbildung in Beziehung gesetzt zur Winkelgeschwindigkeit in wenigstens einem anderen Teilabschnitt oder auf dem gesamten Umfang einer Kurbelumdrehung. Das objektiv ermittelte Maß für die beim Fahren erreichte Gleichmäßigkeit der Kurbeldrehung wird am Fahrrad-Computer angezeigt.

Bei diesem Verfahren wird eventuell auch die Beschleunigung in Abhängigkeit der Pedallage ausgewertet, jedoch kann aus dieser ohne das Wissen über die Ersatzmasse nicht die Momentanleistung des Fahrers ermittelt werden. Des weiteren ist hier ein Meßaufnehmer zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit an der Tretkurbel notwendig. Bei dem von uns vorgestellten Verfahren genügt die Messung der Geschwindigkeit am Rad mit Hilfe der Speichen.

2. Verfahren: Leistungsmesser für einen Kurbelantrieb (DE 37 22 728 C1)

Bisher war die erbrachte Leistung eines Menschen auf einem Fahrrad nur stationär meßbar. Dabei wurde mit den Kurbeln über eine Antriebsscheibe in Form des Kettenblatts oder einer Riemenscheibe mittels Kette oder Riemen eine Schwungscheibe angetrieben, die durch eine Bremse, zum Beispiel eine Reibungs- oder Wirbelstrom-Bremse, gebremst wurde. Die Drehgeschwindigkeit der Schwungscheibe und die an dieser wirkende Bremskraft war ein Maß für die erbrachte Leistung. Durch diese Art der Leistungsmessung ist eine nichtstationäre Erfassung der Leistungswerte des Menschen nicht möglich, denn es wird keine Energie in Vorwärtsbewegung umgesetzt. Bei der gemäß vorliegender Erfindung vorgeschlagenen Leistungsmessung wird die erbrachte Leistung direkt am Tretlager des Fahrrades gemessen. Die Tretkraft wird durch die Verformung eines geeigneten Biegeelementes, auf dem Dehnmeßstreifen appliziert sind, in ein elektrisches Signal umgewandelt und durch induktive Übertragung auf einem mit dem Fahrradrahmen verbundenen Empfänger übertragen.

Die Tretgeschwindigkeit wird durch eine Tretfrequenzmessung ermittelt. Beide Werte, Tretkraft und Tretgeschwindigkeit, werden in einem Mikrocomputer am Fahrrad verarbeitet, zur Anzeige gebracht und abgespeichert.

Dieses Verfahren benötigt einen Drehmomentsensor für die Leistungsermittlung.

Zusammenfassung des Standes der Technik:

Die bis jetzt bekannten Verfahren zur Leistungsmessung gliedern sich in zwei Hauptgruppen.

1. Es wird zur Leistungsmessung ein Drehmomentsensor im Antriebsstrang eingesetzt.

2. Um auf den Drehmomentsensor verzichten zu können, wird die Drehbeschleunigung ermittelt. Um daraus die Leistung ermitteln zu können, müssen alle vorhandenen Massen und Reibmomente bekannt sein.

Problem und Lösung:

Zur Einhaltung der StVZO muß bei einem Fahrrad mit Hilfantrieb mindestens 50% der durchschnittlichen Vortriebskraft durch den Fahrer erzeugt werden. Um dies zu gewährleisten, wird standardmäßig ein Drehmomentsensor benötigt.

Mit dem hier vorgestellten Verfahren soll die Ansteuerung eines Hilfsantriebs eines Fahrrads ohne einen Drehmomentsensor ermöglicht werden. Dieses Problem wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch gelöst. Mit dieser Lösung können die Kosten für den Drehmomentsensor gespart werden. Dadurch ist eine einfache Nachrüstung eines Fahrrads mit einem Hilfsantrieb möglich.

Beschreibung eines Ausführungsbeispieles:

Der Verlauf des abgegebenen Drehmoments eines Fahrradfahrers ist, bedingt durch den Kurbeltrieb, ähnlich dem Funktionsverlauf des Betrages der Sinusfunktion. Das Minimum des Drehmomentes wird bei senkrechtem Pedalarm erreicht, das Maximum wird bei waagerechtem Pedalarm erreicht. Das sich periodisch ändernde Drehmoment verursacht eine sich mit derselben Periodendauer verändernde Geschwindigkeit. Bild 1a zeigt den Geschwindigkeitsverlauf eines Fahrradfahrers bei kleiner Beschleunigung aus dem Stillstand auf ebener Fläche. Die durch den Kurbeltrieb hervorgerufenen Geschwindigkeitsschwankungen sind deutlich zu erkennen.

Die Geschwindigkeitsänderung ist im Verhältnis zur Absolutgeschwindigkeit sehr klein. Daher ist es notwendig, die Geschwindigkeit mit mehreren Impulsen pro Pedalumdrehung zu erfassen.

Zur Erfassung der Pedallage genügt ein Pedalsensor, der pro Pedalumdrehung einen Impuls abgibt.

Zur Erfassung der Geschwindigkeit wird ein Speichersensor am Fahrradrahmen befestigt. Mit bekanntem Speichenabstand kann aus der Zeitdifferenz zweier Speichen die Momentangeschwindigkeit ermittelt werden. Selbst bei einem Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 zwischen Tretlager und Rad ergeben sich z. B. 36 Geschwindigkeitswerte pro Pedalumdrehung.

Die Speichenabstände können bei einem Auslaufversuch (Rad ohne Bodenkontakt frei auslaufen lassen) ermittelt und abgespeichert werden. Als Referenzmarke dient das Ventil. Bild 2 zeigt die Speicherabstände des Versuchsfahrrades. Die so ermittelten Speichenabstände sind zur Berechnung des in Bild 1 gezeigten Geschwindigkeitsverlaufs benutzt worden. Vor der Weiterverarbeitung des Geschwindigkeitssignals sollte dieses mittels digitaler Filterverfahren geglättet werden. (Bild 1b).

Der Prototyp mit Hilfsantrieb wurde zwecks einfacher Handhabung (fester Standort) an einem Heimtrainer realisiert. An diesem ergaben sich äquivalente Geschwindigkeitskurven. Aus dem Geschwindigkeitssignal konnte durch die Mittelwertbildung über mehrere Pedalumdrehungen der Beschleunigungsverlauf in Abhängigkeit des Pedalwinkels ermittelt werden (Bild 3). Dies ist für die Regelung nicht notwendig. Die ermittelte Kurve verifiziert aber obige Annahme, daß der Drehmomentenverlauf über dem Pedalwinkel dem Betrag der Sinusfunktion ähnelt.

Der Hilfsantrieb wird nun so gesteuert, daß er den identischen Drehmomentverlauf über dem Pedalwinkel erzeugt wie der Fahrradfahrer (Betrag des Sinus). Dabei ist der Verlauf phasenversetzt zum Drehmomentverlauf des Fahrers. Das Drehmomentmaximum des Fahrers trifft auf ein Drehmomentminimum des Hilfsantriebes und umgekehrt (Bild 4). Um den identischen Betrag zu erhalten, wird dieser so geregelt, daß die Geschwindigkeitsänderung, die durch den Hilfsantrieb verursacht wird, genauso groß ist wie die durch den Fahrer verursachte Änderung. In Bild 4 ist ein Regelvorgang dargestellt, bei dem das Drehmoment des Hilfsantriebs an das Drehmoment des Fahrers angepaßt wird. Im Zeitraum t = 0s bis t = 2s ist deutlich zu sehen, daß die Geschwindigkeitsschwankungen nur durch den Fahrer verursacht werden (Bild 4c).

Zum Zeitpunkt t = 2s wird die Regelung eingeschaltet. Die Regelung ändert das Antriebsmoment, bis das Geschwindigkeitsminimum, das zum Drehmomentminimum des Fahrers gehört, genauso groß ist wie der Mittelwert der beiden benachbarten und durch den Fahrer verursachten Maxima. Nach zwei Pedalumdrehungen zum Zeitpunkt t = 6s ist der Einschwingvorgang der Regelung abgeschlossen. Ab diesem Zeitpunkt folgt das Drehmoment des Hilfsantriebs dem Drehmoment des Fahrers.

In Abbildung 4d ist zu sehen, daß die Geschwindigkeitsschwankungen von Hilfantrieb und Fahrer gleich groß sind. Deutlich zu sehen ist, daß sich die Periodizät der Schwankungen verdoppelt hat. Im ursprünglichen Geschwindigkeitsminimum liegt jetzt ein weiteres Maximum. Bei Bild 4 handelt es sich um eine Simulation, da keine Meßeinrichtung für die direkte Messung des Fahrerdrehmoments zur Verfügung stand.

Es konnte aber die Veränderung der Motordrehmomentamplitude in Abhängigkeit der am Heimtrainer eingestellten Belastung verifiziert werden.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Ansteuerung eines Hilfsantriebs eines Fahrrads in Abhängigkeit von dem von einem Fahrradfahrer abgegebenen Drehmoment, wobei sich das von dem Fahrradfahrer abgegebene Drehmoment periodisch ändert und wobei der qualitative Verlauf des von dem Fahrradfahrer abgegebenen Drehmoments und in einem Punkt der Betrag des von dem Fahrradfahrer abgegebenen Drehmoments bekannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. a) die Drehzahlschwankungen, die durch die periodische Änderung des von dem Fahrradfahrer abgegebenen Drehmoments hervorgerufen sind, erfaßt werden und
    2. b) der Hilfsantrieb so angesteuert wird, daß
      1. ba) der Verlauf des vom Hilfsantrieb abgegebenen Drehmoments gleich dem Verlauf des von dem Fahrradfahrer abgegebenen Drehmoments ist,
      2. bb) die Amplitude des periodisch sich ändernden Drehmoments des Hilfsantriebs so geregelt ist, daß die vom Hilfsantrieb und die von dem Fahrradfahrer hervorgerufenen Drehzahlschwankungen identisch sind, und
      3. bc) der Drehmomentverlauf des Hilfsantriebs-um eine halbe Periode zeitversetzt zum Drehmomentverlauf des Fahrradfahrers ist.






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