DE102023204713B3 - Adjusting a bicycle's torque in response to a cyclist's posture change - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Anpassen eines Drehmoments, welches an einer Radnabe eines Fahrrads angreift, aufgrund einer Haltungsänderung eines Fahrradfahrers, mit den folgenden Schritten:
- direktes oder indirektes Detektieren (S1) einer Haltungsänderung eines Radfahrers;
- direktes oder indirektes Anpassen (S2) des Drehmoments, welches an der Radnabe angreift, als Reaktion auf die Haltungsänderung.
- direct or indirect detection (S1) of a change in the posture of a cyclist;
- direct or indirect adjustment (S2) of the torque acting on the wheel hub in response to the change in posture.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Drehmoments, welches an einer Radnabe angreift, aufgrund einer Haltungsänderung eines Fahrradfahrers.The present invention relates to a method for adjusting a torque acting on a wheel hub due to a change in posture of a cyclist.
Die
Wenn ein Fahrradfahrer seine Haltung ändert, etwa wenn er aus dem Sattel in den Wiegetritt übergeht, nimmt er in der Regel eine oder mehrere Hochschaltungen vor, da sich im Wiegetritt mehr Kraft und somit Drehmoment auf das Pedal übertragen lässt. Entsprechend reduziert ein Fahrradfahrer in der Regel den Gang wieder, wenn dieser vom Wiegetritt in einen Sattelsitz übergeht. Die Schaltungsaktivitäten tragen somit dem stark variierendem Drehmoment des Fahrradfahrers bei Haltungsänderung Rechnung.When a cyclist changes his posture, for example when he goes from the saddle to the rocking position, he usually makes one or more upshifts, since more power and thus torque can be transferred to the pedal when the rocking position is reached. Accordingly, a cyclist usually reduces the gear again when he goes from the rocking position to sitting in the saddle. The shifting activities therefore take into account the greatly varying torque of the cyclist when changing posture.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einem Fahrradfahrer manuelle Anpassungen des Drehmoments, welches an einer Radnabe angreift, etwa durch Wechseln des Übersetzungsverhältnisses oder durch Ändern des Drehmomentes eines elektrischen Antriebs abzunehmen, indem die Erkennung der Notwendigkeit einer Anpassung verbessert wird, und derartige Anpassungen des Drehmoments, welches an einer Radnabe angreift, automatisiert erfolgen.The object of the present invention is to relieve a cyclist of the need to make manual adjustments to the torque acting on a wheel hub, for example by changing the gear ratio or by changing the torque of an electric drive, by improving the recognition of the need for an adjustment and by automating such adjustments to the torque acting on a wheel hub.
Ein Sensor, auch als Detektor, (Messgrößen- oder Mess-)Aufnehmer oder (Mess-)Fühler bezeichnet, ist ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische, chemische Eigenschaften oder Zustände, z. B. Drehmoment, Winkel, Drehzahl, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Geschwindigkeit, Helligkeit, Beschleunigungen, beispielsweise auch in x-y-z Achse, pH-Wert, lonenstärke, elektrochemisches Potential und/oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann. Diese Größen werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte erfasst und als Sensordaten in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal umgeformt.A sensor, also known as a detector, (measured variable or measuring) sensor or (measurement) probe, is a technical component that can qualitatively or quantitatively record certain physical or chemical properties or conditions, e.g. torque, angle, speed, temperature, humidity, pressure, speed, brightness, acceleration, for example in the x-y-z axis, pH value, ionic strength, electrochemical potential and/or the material properties of its environment as a measured quantity. These quantities are recorded using physical or chemical effects and converted into a further processable electrical signal as sensor data.
Die Körperhaltung beschreibt die Lage beweglicher Körperteile zueinander. Radfahrer können abhängig von ihren Zielen beim Radfahren unterschiedliche Haltungen einnehmen. So bewegen sich komfortorientierte Radfahrer in einer eher aufrechten Sitzposition, dass bedeutet, dass ein geringer Anteil an Gewicht auf dem Lenker lastet. Geschwindigkeitsorientierte Radfahrer nehmen häufig eine gebeugte Haltung, die möglichst wenig Luftwiderstand generiert, ein. Zudem passen Radfahrer ihre Sitzneigung, also den Winkel zwischen Oberkörper und Beinachse beziehungsweise zwischen Oberkörper und den Armen während der Fahrt in Abhängigkeit des Streckenverlaufs, also Ansprüchen an die Kraftübertragung, und abhängig vom Wunsch nach Komfort an. Ein Radfahrer im Wiegetritt hat zudem eine andere Haltung als ein Radfahrer, dessen Gesäß von einem Sattel gestützt wird.Posture describes the position of moving body parts in relation to one another. Cyclists can adopt different postures depending on their goals when cycling. Comfort-oriented cyclists, for example, ride in a more upright sitting position, which means that a small proportion of their weight rests on the handlebars. Speed-oriented cyclists often adopt a bent posture that generates as little air resistance as possible. In addition, cyclists adjust their seat inclination, i.e. the angle between the upper body and the leg axis or between the upper body and the arms, during the ride depending on the route, i.e. the demands on power transmission, and the desire for comfort. A cyclist in a saddle also has a different posture than a cyclist whose buttocks are supported by a saddle.
Das Drehmoment ist eine physikalische Größe in der klassischen Mechanik, die die Drehwirkung einer Kraft, eines Kräftepaars oder sonstigen Kräftesystems auf einen Körper bezeichnet. Es spielt für Drehbewegungen die gleiche Rolle wie die Kraft für geradlinige Bewegungen. Ein Drehmoment kann die Rotation eines Körpers beschleunigen oder bremsen und den Körper verbiegen (Biegemoment) oder verwinden (Torsionsmoment). In Antriebswellen bestimmt das Drehmoment zusammen mit der Drehzahl die übertragene Leistung.Torque is a physical quantity in classical mechanics that describes the rotational effect of a force, a force pair or other force system on a body. It plays the same role for rotational movements as force does for linear movements. A torque can accelerate or slow down the rotation of a body and bend the body (bending moment) or twist it (torsional moment). In drive shafts, the torque together with the speed determines the power transmitted.
Eine Radnabe ist ein wichtiger Bestandteil eines Fahrrads oder eines Kraftfahrzeugs, auf dem sich das Rad dreht. Es handelt sich dabei um das zentrale Bauteil, das die Achse des Rades aufnimmt und die Drehbewegung ermöglicht.A wheel hub is an important component of a bicycle or motor vehicle on which the wheel rotates. It is the central component that houses the axle of the wheel and enables it to rotate.
Die Radnabe besteht aus mehreren Komponenten, wie zum Beispiel dem Nabenkörper, der Achse, dem Freilauf und den Lagern. Der Nabenkörper ist das äußere Gehäuse, in dem die Achse und die Lager montiert sind. Die Achse ist das zentrale Bauteil, das durch das Rad führt und an beiden Enden in den Lagern gelagert ist.The wheel hub consists of several components, such as the hub body, the axle, the freewheel and the bearings. The hub body is the outer housing in which the axle and the bearings are mounted. The axle is the central component that runs through the wheel and is supported in the bearings at both ends.
Die Radnabe kann je nach Einsatzzweck und Fahrradtyp unterschiedlich gestaltet sein. Es gibt zum Beispiel Nabenschaltungen, bei denen die Schaltkomponenten in der Radnabe untergebracht sind, oder auch Dynamo-Naben, bei denen ein Generator in der Nabe eingebaut ist, um beim Fahren Strom zu erzeugen.The wheel hub can be designed differently depending on the intended use and type of bike. For example, there are hub gears where the gear components are housed in the wheel hub, or dynamo hubs where a generator is built into the hub to generate electricity while riding.
In den Wiegetritt wechselt man beim Beschleunigen aus der Fahrt oder nach Kurven sowie an steilen Bergpassagen, wenn der Gang im Sitzen nicht mehr flüssig getreten werden kann. Dieser Rhythmus oder Technikwechsel beansprucht andere und mehr Muskeln als das Fahren im Sitzen. Oberkörper, Arme und Körpergewicht helfen bei dieser Bewegung mit. So lassen sich höhere Kräfte auf die Tretkurbel des Fahrrads übertragen. Dabei können Muskeln häufig stärker kontrahieren, etwa wenn der Körper im unteren Totpunkt kurz und schnell nach oben beschleunigt wird, um den entstehenden Impuls für den Vortrieb zu nutzen. Auch der große Gesäßmuskel verrichtet im Wiegetritt mehr Arbeit als im Sattelsitz.You switch to the rocking position when accelerating while riding or after corners or on steep mountain sections when you can no longer pedal smoothly while sitting. This rhythm or change in technique uses different and more muscles than riding while sitting. The upper body, arms and body weight help with this movement. This allows greater forces to be transferred to the pedal crank of the bike. Muscles can often contract more strongly, for example when the body is accelerated briefly and quickly upwards at bottom dead center in order to compensate for the resulting To use the momentum for propulsion. The gluteus maximus also does more work when riding in a rocking position than when sitting in a saddle.
Haltungsänderungen lassen sich direkt oder indirekt erkennen. Direktes Erkennen bedeutet, dass eine Haltungsänderung unmittelbar erkannt wird, beispielsweise mittels einer Kamera oder indem eine Änderung der Gewichtsverteilung zwischen Komponenten des Vorderrades und Komponenten des Hinterrades erkannt wird. Eine Haltungsänderung lässt sich jedoch auch indirekt erkennen, beispielsweise indem eine große Beschleunigungsänderung eines Rades, insbesondere Laufrades, detektiert wird. Wird eine sprunghafte Änderung der Radbeschleunigung erkannt, so lässt sich darauf schließen, dass eine Haltungsänderung das Radfahrers wahrscheinlich stattgefunden hat.Posture changes can be detected directly or indirectly. Direct detection means that a posture change is detected immediately, for example by means of a camera or by detecting a change in the weight distribution between components of the front wheel and components of the rear wheel. However, a posture change can also be detected indirectly, for example by detecting a large change in the acceleration of a wheel, particularly the front wheel. If a sudden change in wheel acceleration is detected, it can be concluded that the cyclist's posture has probably changed.
Das Drehmoment, welches an der Radnabe angreift, lässt sich direkt oder indirekt einstellen beziehungsweise anpassen. Beispielsweise bewirkt eine Übersetzungsänderung eine direkte Änderung des Drehmoments, welches an der Radnabe angreift. The torque acting on the wheel hub can be adjusted or adapted directly or indirectly. For example, a gear ratio change causes a direct change in the torque acting on the wheel hub.
Dies gilt für Antriebe mit automatisierter Übersetzungsanpassung. Bei E-Bikes ohne automatisierte Übersetzungsanpassung lässt sich das Drehmoment, welches an der Radnabe angreift, auch indirekt dadurch anpassen, etwa indem das Unterstützungsmoment eines elektrischen Antriebs eines Fahrrads verändert wird.This applies to drives with automated gear ratio adjustment. For e-bikes without automated gear ratio adjustment, the torque acting on the wheel hub can also be adjusted indirectly, for example by changing the support torque of an electric drive on a bicycle.
Unter dem Begriff Übersetzungsänderung wird die Änderung der Übersetzung verstanden. Diese Änderung kann in festen Schritten oder stufenlos erfolgen. Änderungen in festen Schritten werden auch Gänge genannt, welche bei einem Stufenlosgetriebe direkt eingestellt werden, oder bei einem Stufengetriebe durch Ändern des Leistungspfades bei unterschiedlichen Zahnrädern bewirkt wird. Bei einem Stufenlosgetriebe besteht die Möglichkeit jede beliebige Übersetzung einzustellen.The term gear ratio change refers to the change in the gear ratio. This change can be made in fixed steps or continuously. Changes in fixed steps are also called gears, which are set directly in a continuously variable transmission or, in a stepped transmission, are achieved by changing the power path for different gears. With a continuously variable transmission, it is possible to set any gear ratio.
Computerprogrammprodukte umfassen in der Regel eine Folge von Befehlen, durch die die Hardware bei geladenem Programm veranlasst wird, ein bestimmtes Verfahren durchzuführen, das zu einem bestimmten Ergebnis führt.Computer program products typically comprise a sequence of instructions that, when the program is loaded, cause the hardware to perform a specific procedure that leads to a specific result.
Die grundlegende Idee der Erfindung ist es, auf das sich stark verändernde Drehmoment des Fahrradfahrers bei dessen Haltungsänderung automatisiert zu reagieren, in dem
- a) bei Fahrrädern mit automatisierter Übersetzungsänderung die Übersetzung angepasst wird.
- b) bei E-Bikes, somit, bei Fahrrädern mit Unterstützung durch einen Elektromotor, ohne automatisierte Übersetzungsänderung eine Anpassung des Unterstützungsmoments des elektrischen Antriebs erfolgt.
- a) for bicycles with automated gear change, the gear ratio is adjusted.
- b) in the case of e-bikes, i.e. bicycles assisted by an electric motor, the assistance torque of the electric drive is adjusted without an automated gear ratio change.
Sobald eine derartige Haltungsänderung detektiert wird, wird hierauf reagiert, indem das Drehmoment, welches an der Radnabe angreift, direkt oder indirekt angepasst wird.As soon as such a change in posture is detected, the system reacts by directly or indirectly adjusting the torque acting on the wheel hub.
Die Erfindung sieht vor, die Haltungsänderung indirekt aufgrund einer Änderung einer Beschleunigung eines Rades zu detektieren und/oder aufgrund einer Änderung des Drehmoments, welches an einer Tretkurbel des Fahrrads angreift, zu detektieren.The invention provides for detecting the change in posture indirectly due to a change in the acceleration of a wheel and/or due to a change in the torque acting on a pedal crank of the bicycle.
Ersteres lässt sich beispielsweise mit Beschleunigungssensoren feststellen, die in einem Vorderrad oder Hinterrad, insbesondere Laufrad, an der Radnabe angebracht sind und die Beschleunigung des Rades messen.The former can be determined, for example, with acceleration sensors that are mounted on the wheel hub of a front or rear wheel, especially a running wheel, and measure the acceleration of the wheel.
Bei sprunghaften Änderungen des Drehmoments, die an der Tretkurbel angreifen, ist dies mit überwiegender Wahrscheinlichkeit auf eine Haltungsänderung des Fahrradfahrers zurückzuführen.If there are sudden changes in the torque acting on the pedal crank, this is most likely due to a change in the cyclist's posture.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.Advantageous embodiments and further developments emerge from the further subclaims and from the description with reference to the figures of the drawing.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Haltungsänderung ein Übergang von einem Sattelsitz in einen Wiegetritt und/oder von dem Wiegetritt in den Sattelsitz.According to a preferred development of the invention, the change in posture is a transition from a saddle seat to a rocking motion and/or from the rocking motion to the saddle seat.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Reaktion als Anpassung eines Übersetzungsverhältnisses zwischen einem Drehmoment, welches an einer Tretkurbel des Fahrrads angreift und einem Drehmoment, welches an einer Radnabe des Fahrrads angreift, ausgebildet. Dementsprechend lässt sich auf eine detektierte Haltungsänderung reagieren, indem ein Getriebe des Fahrrads das Übersetzungsverhältnis anpasst.According to a preferred development of the invention, the reaction is designed as an adjustment of a transmission ratio between a torque acting on a pedal crank of the bicycle and a torque acting on a wheel hub of the bicycle. Accordingly, a detected change in posture can be responded to by a transmission of the bicycle adjusting the transmission ratio.
Dementsprechend ist dieser Aspekt der Erfindung auch eine bevorzugte Weiterbildung einer automatischen Fahrrad Übersetzungsanpassung.Accordingly, this aspect of the invention is also a preferred development of an automatic bicycle gear ratio adjustment.
Eine automatische Übersetzungsanpassung ermöglicht ein angenehmes Fahrerlebnis. Dies trägt zu einer effizienteren Nutzung des Fahrrads bei. Durch die automatische Übersetzungsanpassung an die Geschwindigkeit und die Umgebung wird das Fahren energieeffizienter.Automatic gear ratio adjustment enables a pleasant riding experience. This contributes to more efficient use of the bike. Automatic gear ratio adjustment to the speed and environment makes riding more energy efficient.
Eine automatische Übersetzungsanpassung verlängert auch die Lebensdauer eines Fahrradantriebs.Automatic gear ratio adjustment also extends the service life of a bicycle drive.
Indem dem Fahrer das Schalten abgenommen wird, hat dieser die Möglichkeit sich besser auf die Umgebung und den Verkehr zu konzentrieren. Dies gilt besonders für anspruchsvolle Schaltvorgänge, etwa in Zusammenhang mit Steigungen und engen Kurven.By relieving the driver of the need to change gears, he or she can concentrate better on the surroundings and traffic. This is especially true for demanding gear changes, such as those associated with inclines and tight bends.
Eine automatische Übersetzungsanpassung unterstützt besonders Menschen mit eingeschränkter körperlicher Fähigkeit oder ältere Menschen, da sie das Fahren erleichtert und somit das Fahrrad für eine breitere Zielgruppe zugänglich macht.Automatic gear adjustment is particularly helpful for people with limited physical abilities or the elderly, as it makes riding easier and thus makes the bike accessible to a wider audience.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Reaktion als Anpassung eines Antriebsmoments eines elektrischen Antriebs des Fahrrads ausgebildet. Diese Option kommt für Elektroräder in Betracht, um die Umdrehungen der Pedale in einem ergonomischen Bereich zu halten, insbesondere dann, wenn ein elektrisches Fahrrad keine Gangschaltung, also kein Getriebe, aufweist.According to a preferred development of the invention, the reaction is designed as an adjustment of a drive torque of an electric drive of the bicycle. This option is considered for electric bicycles in order to keep the revolutions of the pedals in an ergonomic range, especially when an electric bicycle does not have a gearshift, i.e. no transmission.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die Haltungsänderung aufgrund einer Änderung einer Gewichtsverteilung des Fahrradfahrers, insbesondere zwischen Vorder- und Hinterrad detektiert. Beispielsweise hat ein Übergang in den Wiegetritt oder eine Änderung der Sitzneigung eine Änderung der Gewichtsverteilung zwischen dem Vorderrad und dem Hinterrad eines Fahrrads zur Folge.According to a preferred development of the invention, the change in posture is detected due to a change in the weight distribution of the cyclist, in particular between the front and rear wheels. For example, a transition to the saddle position or a change in the seat inclination results in a change in the weight distribution between the front and rear wheels of a bicycle.
Es versteht sich, dass ein Steuergerät für ein Fahrrad mit einer Schnittstelle zu einer Sensorik, welche Eingangsdaten betreffend die Haltungsänderung des Fahrradfahrers bereitstellt, mit einer Recheneinheit zur Auswertung der Eingangsdaten hinsichtlich einer Haltungsänderung des Fahrradfahrers und zum Ermitteln von Steuerbefehlen, die auf die Änderung eines Drehmoments, welches an der Radnabe des Fahrrads angreift, gerichtet ist, sowie mit einer Schnittstelle zu einem Aktor, welche geeignet ist, das Drehmoment, welches an der Radnabe des Fahrrads angreift, direkt oder indirekt-anzupassen.It is understood that a control device for a bicycle with an interface to a sensor system which provides input data relating to the change in posture of the cyclist, with a computing unit for evaluating the input data with regard to a change in posture of the cyclist and for determining control commands which are directed towards changing a torque which acts on the wheel hub of the bicycle, as well as with an interface to an actuator which is suitable for directly or indirectly adjusting the torque which acts on the wheel hub of the bicycle.
Ein Computerprogrammprodukt gemäß einem Verfahren einer Ausführungsform der Erfindung führt die Schritte eines Verfahrens gemäß der vorangehenden Beschreibung aus, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer, insbesondere einem fahrzeuginternen Computer, läuft. Wenn das betreffende Programm auf einem Computer zum Einsatz kommt, ruft das Computerprogrammprodukt einen Effekt hervor, nämlich die Anpassung eines Drehmoments, welches an einer Radnabe angreift.A computer program product according to a method of an embodiment of the invention carries out the steps of a method according to the preceding description when the computer program product runs on a computer, in particular an in-vehicle computer. When the program in question is used on a computer, the computer program product causes an effect, namely the adjustment of a torque acting on a wheel hub.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
-
1 ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung.
-
1 a schematic block diagram of an embodiment of the invention.
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.The accompanying drawings are intended to provide a further understanding of embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, in conjunction with the description, serve to explain principles and concepts of the invention. Other embodiments and many of the noted advantages will be apparent upon reference to the drawings. The elements of the drawings are not necessarily shown to scale with respect to one another.
In den Figuren der Zeichnungen sind gleiche, funktionsgleiche und gleichwirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nicht anders ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures of the drawings, identical, functionally identical and acting elements, features and components are provided with the same reference symbols, unless stated otherwise.
In dem Schritt S1 wird eine Haltungsänderung eines Radfahrers direkt oder indirekt detektiert.In step S1, a change in the posture of a cyclist is detected directly or indirectly.
In dem Schritt S2 wird ein Drehmoment, welches an der Radnabe angreift, als Reaktion auf die Haltungsänderung direkt oder indirekt angepasst.In step S2, a torque acting on the wheel hub is adjusted directly or indirectly in response to the attitude change.
BezugszeichenReference symbol
- S1-S2S1-S2
- VerfahrensschritteProcess steps
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