DE10339304A1

DE10339304A1 - Sensorträger

Info

Publication number: DE10339304A1
Application number: DE2003139304
Authority: DE
Inventors: Martin FRÄNKEL; David Clus; Volker Fiederle
Original assignee: FEO ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: FEO ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2005-05-19
Also published as: WO2005021368A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Sensorträger (16, 64) zur Übertragung einer Kraft von einer Tretlagerwelle (6) auf ein Sensorelement (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 98, 100), der einen radial inneren Teil (34, 66) und einen radial äußeren Teil (44, 74) umfasst. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass an einem der Teile (34, 66, 44, 74) eine Erhebung (46, 48, 50, 52, 76, 78) zur Verformung des anderen Teils (34, 66, 44, 74) angeordnet ist. Dadurch kann ein präzises, preiswertes und kompaktes Sensorelement (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 98, 100) zur Ermittlung einer Kraft verwendet werden, das beispielsweise auf eine Längenänderung reagiert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensorträger nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der EP 0 983 934 B1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, mit dem ein auf eine Tretlagerwelle aufgebrachtes Drehmoment, insbesondere auf eine Tretlagerwelle in einem Fahrradtretlager für motorisch unterstützte Fahrräder, ermittelbar ist. Der Drehmomentsensor umfasst ein Drucksensorelement, das auf einem Sensorträger angeordnet und kraftschlüssig zwischen der Tretlagerwelle und einem die Tretlagerwelle umschließenden Teilstück eines Fahrradrahmens angebracht ist. Das Drucksensorelement registriert einen Wert einer Kraft auf die Tretlagerwelle, der einem Drehmoment auf die Tretlagerwelle proportional sein kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensorträger zu entwickeln, der eine auf die Tretlagerwelle in einem Fahrradtretlager aufgebrachte Kraft in einer Weise auf ein Sensorelement überträgt, dass ein präzises und kostengünstiges Sensorelement zur Ermittlung einer Kraft eingesetzt werden kann. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht insbesondere aus von einem Sensorträger zur Übertragung einer Kraft von einer Tretlagerwelle auf ein Sensorelement, der einen radial inneren Teil und einen radial äußeren Teil umfasst.
Es wird vorgeschlagen, dass an einem der Teile eine Erhebung zur Verformung des anderen Teils angeordnet ist. Dadurch kann ein präzises, preiswertes und kompaktes Sensorelement zur Ermittlung einer Kraft verwendet werden, das beispielsweise auf eine Längenänderung reagiert. Die Verformung wird durch eine Kraftübertragung der Erhebung auf das andere Teil hervorgerufen. Besteht ein bekannter kausaler Zusammenhang zwischen einer Verformung und einer die Verformung bewirkenden Kraft auf die Tretlagerwelle, so kann diese Kraft aus einer direkten oder indirekten Messung der Verformung ermittelt werden. Als eine indirekte Messung kann eine Längenmessung durchgeführt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Dehnungsmessstreifens. Es sind jedoch eben so gut auch andere Messmethoden zur Bestimmung der Verformung denkbar.
Unter einer Erhebung wird insbesondere ein aus der Oberfläche des Teils herausragendes Element verstanden, das sich deutlich von der umgebenden Oberfläche des Teils abhebt und auf diese Weise am Teil lokalisierbar ist. Die Erhebung kann eine einstückig mit dem Teil verbundene Ausformung des Teils sein oder ein an das Teil angeordnetes Element, das form- oder stoffschlüssig mit dem Teil verbunden ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Teile drehfest miteinander verbunden. Durch die Drehfestigkeit wird eine Kraft, die über die Erhebung übertragen wird, immer auf eine gleiche Stelle gelenkt, weshalb auch die Verformung immer an einer gleichen Stelle auftritt. Daher tritt bei einem fest angeordneten Sensorelement, das insbesondere auf eine Längenänderung, hervorgerufen durch die Verformung, reagiert, keine Verfälschung eines Ausgangssignals des Sensorelements durch ein relatives Verdrehen der Teile zueinander auf. Außerdem wird durch die Drehfestigkeit eine Verschleißfestigkeit erhöht. Die Drehfestigkeit wird auch dann als gegeben betrachtet, wenn sich die beiden Teile auf Grund einer elastischen Verformung der Erhebung gegeneinander verdrehen.
Vorteilhafterweise sind die beiden Teile und die Erhebung einstückig miteinander verbunden. Das erleichtert eine Montage und kann eine eventuelle Vormontage des Sensorträgers überflüssig machen. Ferner sind die beiden Teile in dieser Fertigungsform spielfrei zueinander, wodurch eine Kraftübertragung durch die Erhebung immer auf eine gleiche Stelle erfolgt, was eine Verfälschung eines Ausgangssignals des Sensorelements reduzieren kann. Die Teile und die Erhebung können in ihrer Gesamtheit aus einem Stück herausgearbeitet sein, wodurch präzise Abmessungen des Sensorträgers erreicht werden können. Es ist auch möglich, die Teile separat zu fertigen und stoffschlüssig zusammenzufügen. Bei dieser Ferti gungsform sind die einzelnen Stücke zu einem Zeitpunkt eines Fertigungsprozesses unabhängig voneinander bearbeitbar, wodurch mit Vorteilen in den Fertigungskosten einfachere Fertigungs- und Härtungsverfahren zur Anwendung kommen können. wodurch die Fertigung des Sensorträgers einfach gehalten werden kann. In einer alternativen Ausführungsform sind die beiden Teile separat gefertigt und formschlüssig zusammengefügt. Bei einer separaten Fertigung kann jedes der beiden Teile für sich aus einem zusammenhängenden Stück bestehen. Dabei können die Erhebungen an eines der beiden Teile angeformt oder separate Elemente sein. Es ist auch denkbar, dass die Teile selbst aus zusammenhängenden Einzelstücken bestehen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Erhebung als ein in Axialrichtung ausgerichteter Steg ausgebildet. Dadurch kann eine Verfälschung eines Ausgangssignals eines Sensorelements durch eine auf den Steg wirkende Tangentialkraft gering gehalten werden. Ein in Axialrichtung ausgerichteter Steg weist eine Höhe in Radialrichtung, eine Länge in Axialrichtung und eine Breite in Tangentialrichtung auf, die relativ gering zur Länge ist. Durch die geringe Breite des Stegs in Tangentialrichtung kann eine auf den Steg in Tangentialrichtung wirkende Tangentialkraft relativ leicht zu einer Verformung des Stegs führen. Hierdurch kann erreicht werden, dass diese Tangentialkraft nur teilweise, vorzugsweise zu einem geringen Teil, durch den Steg, an dem sie tangential wirkt, auf das zu verformende Teil übertragen wird und an einer anderen Stelle, an der sie als Radialkraft wirkt, auf das zu verformende Teil übertragen wird. Es kann eine Verfälschung eines Ausgangssignals eines Sensorelements durch eine starke Tangentialkraftübertragung über den Steg gering gehalten werden.
Unter einer Axialrichtung ist eine Richtung parallel zur Wellenachse zu verstehen.
Vorzugsweise sind mehrere Erhebungen zur Verformung des anderen Teils in Tangentialrichtung zur Tretlagerwelle versetzt angeordnet. Auf diese Weise können mehrere, in unterschiedliche Richtungen wirkende Kraftkomponenten der Kraft auf die Tretlagerwelle separat oder zumindest weitgehend separat voneinander ermittelt werden. Daraus kann insbesondere eine Kraftzusammensetzung der auf die Tretlagerwelle wirkenden Kraft abgeleitet werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind zwischen den Erhebungen in Axialrichtung durchgängige, schlitzartige Ausnehmungen zwischen den beiden Teilen angeordnet. Dadurch kann erreicht werden, dass die auf die Tretlagerwelle aufgebrachte Kraft nur über die Erhebungen von dem einen Teil auf den anderen Teil übertragen wird, was sich günstig auf eine Stärke der Verformung auswirkt. Diese Ausführungsform kann so ausgestaltet sein, dass außer den Erhebungen keine weiteren Kraftübertragungselemente zwischen den beiden Teilen angeordnet sind. Die schlitzartigen Ausnehmungen reichen in Axialrichtung vollständig durch den Sensorträger.
Besonders günstig ist es, wenn die Erhebung zu einer elastischen Verformung bei einer Beanspruchung durch eine Kraft in Tangentialrichtung ausgebildet ist. Dadurch kann eine uner wünschte Übertragung einer Kraft in Tangentialrichtung auf den zu verformenden Teil durch die Erhebung reduziert werden.
Vorteilhafterweise umfasst eines der Teile ein Biegeelement, das zu einer elastischen Verformung bei einer Kraftübertragung durch die Erhebung vorgesehen ist. So kann einerseits eine Bruchsicherheit des Teils im Bereich der Verformung erhöht und zum anderen eine Stärke der Verformung gesteigert werden. Das Biegeelement kann in verschiedenen Weisen für die Verformung vorgesehen sein. Es kann insbesondere in Radialrichtung dünner gearbeitet oder die Materialzusammensetzung kann von elastischerer Natur sein als die eines anderen Bereichs des Teils.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist das Teil, das das Biegeelement umfasst, mit einem Fixierungselement zur Fixierung des Teils in einer axialen Position in Anlage, und zwischen dem Teil und dem Fixierungselement ist eine Ausnehmung in einer Weise ausgestaltet, dass das Biegeelement und insbesondere auch die Erhebung kontaktfrei zum Fixierungselement gehalten sind. Durch die Kontaktfreiheit können sich das Biegeelement und die Erhebung ohne störende Reibung durch das Fixierungselement bewegen. Dadurch wird eine Kraftübertragung der Erhebung nicht durch diese Reibung geschmälert, ebenso wenig wie die Verformung durch die Kraftübertragung. Ferner wird durch die Kontaktfreiheit bzw. die fehlende Reibung durch sie eine Hysterese umgangen, wodurch eine Verfälschung eines Ausgangssignals eines Sensorelements ausbleibt. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass durch die Ausnehmung eine Axialkraft, die zusätzlich zu einer Kraft zur Fixierung des Teils aufgebracht wird, nicht zu einer Verformung des Biegeelements beiträgt und dadurch ebenfalls eine Verfälschung eines Ausgangssignals eines Sensorelements unterbleibt.
Vorzugsweise umfasst das Biegeelement eine erste Sensoraufnahmestelle zur Anordnung eines Sensorelements. An der ersten Sensoraufnahmestelle kann ein erstes Sensorelement angebracht werden, wodurch eine Kraft auf das Biegeelement durch eine Messung der Verformung des Biegeelements an der Sensoraufnahmestelle ermittelt werden kann.
Mit Vorteil ist die erste Sensoraufnahmestelle an einer Stelle des Biegeelements angeordnet, an der die Verformung des Biegeelements bei einer Kraftübertragung durch die Erhebung am stärksten ist. Dadurch kann ein Ausgangssignal des dortigen Sensorelements ebenfalls am stärksten sein, was Vorteile, beispielsweise in einer Auswertung und/oder Darstellung des Ausgangssignals, bringt.
Von zusätzlichem Vorteil ist es, wenn das Biegeelement eine zweite Sensoraufnahmestelle zur Anordnung eines zweiten Sensorelements umfasst. Mit dem zweiten Sensorelement steht ein zweites Ausgangssignal zur Verfügung, was insbesondere in einer Auswertung und/oder Darstellung in vielfältiger Weise genutzt werden kann.
In einer besonders geeigneten Ausgestaltung ist an den Sensoraufnahmestellen jeweils ein Sensorelement angeordnet, und die Sensorelemente sind miteinander verschaltet. Durch eine geschickte Verschaltung der Sensorelemente kann ein Gesamtausgangssignal gebildet werden, das von Vorteil in einer Aus wertung und/oder Darstellung ist. Denkbar sind insbesondere Addition oder Subtraktion der Signale.
Vorzugsweise sind die Sensorelemente in einer Weise miteinander verschaltet, dass bei der Verformung des Biegeelements ein Gesamtausgangssignal abgreifbar ist, das stärker als ein Ausgangssignal eines einzelnen Sensorelements ist. Durch ein starkes Gesamtausgangssignal kann eine höhere Auflösung in einer Auswertung und/oder Darstellung erzielt werden.
Mit besonderem Vorteil sind die erste und die zweite Sensoraufnahmestelle an Stellen des Biegeelements angeordnet, an denen die Verformung des Biegeelements die dort angeordneten Sensoren relativ zueinander zu gegensinnigen Reaktionen stimuliert. Dadurch ergeben sich Möglichkeiten, insbesondere bei elektrischen Signalen und Verschaltungen, durch die ein besonders starkes Gesamtausgangssignal abgreifbar ist.
Vorteilhafterweise sind die erste und die zweite Sensoraufnahmestelle symmetrisch zu einer durch die Erhebung verlaufenden und in Axialrichtung sowie in Radialrichtung ausgerichteten Ebene angeordnet. Durch die symmetrische Anordnung von insbesondere gleichartigen Sensorelementen können besonders einfach Rückschlüsse, etwa hinsichtlich eines Kraftverlaufs, gezogen werden, da die Messungen durch die Sensorelemente in gleichem Abstand zu einer Symmetrieebene erfolgen.
Vorteilhafterweise umfasst das radial äußere Teil auf einer in Radialrichtung liegenden Außenseite eine Sensoraufnahmestelle zur Anordnung des Sensorelements. Das erleichtert eine Zugänglichkeit, wodurch insbesondere eine Montage und eine Wartung einfach werden.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 ein schematisch dargestelltes Fahrrad,
2 einen Schnitt durch ein Fahrradtretlager,
3 einen Schnitt durch einen Teil des Fahrradtretlagers aus 2 gemäß der Ebene III-III,
4 einen Schnitt durch einen Teil des Fahrradtretlagers aus 2 gemäß der Ebene IV-IV,
5 eine Seitenansicht auf einen Sensorträger,
6 einen Schnitt durch den Sensorträger aus 5 gemäß der Ebene VI-VI,
7 eine Seitenansicht des Sensorträgers aus 5 gemäß Richtung VII mit angeordnetem Dehnmessstreifen,
8 eine schematisch dargestellte Verformung eines Biegeelements mit Sensorelementen,
9 einen Teilschnitt eines Fahrradtretlagers mit angeordnetem Sensorträger gemäß 5,
10 einen elektrischen Schaltplan einer Anordnung mit einem Sensorelement,
11 einen elektrischen Schaltplan einer Anordnung mit zwei Sensorelementen und
12 einen weiteren elektrischen Schaltplan einer Anordnung mit zwei Sensorelementen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrrad 2, das einen Fahrradrahmen 4, eine Tretlagerwelle 6 eines Fahrradtretlagers 10 und an der Tretlagerwelle 6 angebrachte Tretkurbeln 8 umfasst.
In 2 ist ein Schnitt durch ein Fahrradtretlager 10 senkrecht zur Wellenachse der Tretlagerwelle 6 zu sehen. Von innen nach außen sind dargestellt: die Tretlagerwelle 6, ein Nadellager 12, eine Lagerschale 14, ein Sensorträger 16, mehrere Sensorelemente 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 und der die Tretlagerwelle 6 umfassende Teil des Fahrradrahmens 4.
Der Sensorträger 16 umfasst einen radial inneren Teil 34, vier schlitzartige Ausnehmungen 36, 38, 40, 42, einen radial äußeren Teil 44, vier Erhebungen 46, 48, 50, 52, die als in Axialrichtung ausgerichtete Stege ausgebildet sind, und vier Biegeelemente 54, 56, 58, 60. Außerdem ist noch eine Ausnehmung 62 gezeigt, die zusammen mit einem nicht dargestellten Stift zur Drehsicherung des äußeren Teils 44 gegenüber dem Fahrradrahmen 4 dient.
Zur Veranschaulichung ist in 3 ein Schnitt eines Teils des Fahrradtretlagers 10 gemäß einer Schnittebene III-III gezeigt, in der die Anordnung des Nadellagers 12 schematisch dargestellt ist. In diesem Schnitt ist auch die einstückige Fertigung des Sensorträgers 16 gut zu sehen. In 4 ist ein weiterer Schnitt des Teils des Fahrradtretlagers 10 gemäß einer Schnittebene IV-IV gezeigt. Diese Figur veranschaulicht, dass der radial innere Teil 34 durch die schlitzartigen Ausnehmungen 36, 38, 40, 42 von dem radial äußeren Teil getrennt ist.
Eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines Sensorträgers 64 ist in 5 dargestellt. Er umfasst einen radial inneren Teil 66, drei schlitzartige Ausnehmungen 68, 70, 72 und einen radial äußeren Teil 74. Weiterhin sind zwei als Stege ausgebildete Erhebungen 76, 78 und zwei Biegeelemente 80, 82 zu sehen. Außerdem ist eine Ausnehmung 84 gezeigt, die zusammen mit einem nicht dargestelltem Stift zur Drehsicherung des äußeren Teils 74 gegenüber dem Fahrradrahmen 4 dient und ein Verbindungselement 86, das aus Stabilitätsgründen angeordnet wurde. Drei Ausnehmungen 88, 90, 92 sind fertigungsbedingt und ohne Funktion. Eine Linie L wird in 9 und den Ausführungsbeispielen erklärt.
6 zeigt einen Schnitt durch den Sensorträger 64 gemäß einer Schnittebene VI-VI. Es ist das Biegeelement 80 dargestellt, das von zwei Ausnehmungen 94, 96 flankiert ist.
7 zeigt eine Seitenansicht des Sensorträgers 64 gemäß Richtung VII, auf dem ein Dehnmessstreifen 102 mit zwei angeordneten Sensorelementen 98, 100 angebracht ist. Zwei Ausnehmungen 104, 106 sind seitlich des Biegeelements 82 angeordnet.
In 8 ist eine detaillierte Seitenansicht des Biegeelements 82 in verformtem Zustand gemäß der Richtung VIII in schematischer Darstellung zu sehen. Der Steg 78 verformt das Biegeelement 82, auf dem an den Stellen stärkster Verformung zwei Sensorelemente 98, 100 auf zwei ihnen zugeordneten Sensoraufnahmestellen 108, 110 angeordnet sind.
Ein Teil eines Fahrradtretlagers 112 ist in 9 in einem Teilschnitt gezeigt. Dieses Fahrradtretlager 112 umfasst eine Tretlagerwelle 6, ein Lager 116 und den Sensorträger 64 gemäß 6. Der Sensorträger 64 wird durch zwei Fixierungselemente 120, 122 in seiner axialen Position über den radial äußeren Teil 74 (5) außerhalb einer Linie L gehalten. Dabei stützt sich das Fixierungselement 120 über ein Axialkugellager 124 an der Tretlagerwelle 114 ab, während das Fixierungselement 122 über ein Begrenzungselement 126 abgestützt ist, das das Fixierungselement 122 über ein nicht näher dargestelltes Gewinde axial positioniert. Zu erkennen sind auch die Ausnehmungen 104 und 106, durch die der radial äußere Teil 74 im Bereich des Biegeelements 80 sowie der Steg 76 kontaktfrei zu den Fixierungselementen 120, 122 gehalten sind. Das Sensorelement 98 ist ebenfalls angedeutet.
In 10 ist eine elektrische Brückenschaltung dargestellt, die aus zwei Festwiderständen R₀ und zwei veränderlichen Widerständen R₁ und R₂ gebildet ist. Die veränderlichen Widerstände R₁ und R₂ repräsentieren zwei Sensorelemente, insbesondere zwei Dehnmessstreifen, die im ungedehnten Zustand ebenfalls denselben Widerstand wie der Festwiderstand R₀ besitzen und die ihren Widerstand bei Dehnung oder Stauchung ändern. Wird an die Brückenschaltung ein Potential angelegt, ist ein Gesamtausgangssignal V₁ im ungedehnten Zustand des Dehnmessstreifens null. Bei Dehnung oder Stauchung durch die Widerstandsänderung des Dehnmessstreifens nimmt das Gesamtausgangssignal V₁ jedoch einen Wert ungleich null an, in einem günstigen Fall proportional zur Dehnung oder Stauchung. Diese elektrische Brückenschaltung wird vorzugsweise dann eingesetzt, wenn die Widerstände der Sensorelemente bei der Dehnung oder Stauchung jeweils erhöht oder erniedrigt werden. Dies ist beispielsweise bei dem Ausführungsbeispiel in 2 gegeben.
11 zeigt eine elektrische Brückenschaltung, die ebenfalls aus zwei Festwiderständen R₀ und zwei veränderlichen Widerständen R₁ und R₂ gebildet ist. Diese elektrische Brückenschaltung kommt jedoch hinsichtlich eines höheren Gesamtausgangssignals V₁ mit Vorteil zum Einsatz, wenn sich bei einer Dehnung oder Stauchung der Widerstand R₁ erhöht und der Widerstand R₂ sinkt bzw. der Widerstand R₂ erhöht und der Widerstand R₁ sinkt. Die Sensorelemente in 8 können vor teilhafterweise so verschaltet sein, dass das Sensorelement 98 bei einer Verformung des Biegeelements 82 gedehnt ist, wohingegen das Sensorelement 100 gestaucht ist. Sind die Sensorelemente 98, 100 vom gleichen Typ, erhöht sich der elektrische Widerstand des einen und der des anderen sinkt.
In 12 ist eine elektrische Brückenschaltung gezeigt, die eingesetzt werden kann, wenn nur ein Sensorelement mit einem veränderlichen Widerstand R₁ auf einem Biegeelement angeordnet ist.
Die Funktionsweise der Sensorträger 16, 64 wird nun im Einzelnen anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben.
In einem ersten Ausführungsbeispiel, das in 2 dargestellt ist, wird eine Kraft über die Tretkurbeln 8 auf die Tretlagerwelle 6 aufgebracht und zumindest zu einem großen Teil über das Nadellager 12 und die Lagerschale 14 auf den Sensorträger 16 weitergegeben. Der Kraftfluss in dem Sensorträger 16 verläuft von dem radial inneren Teil 34 über die in Axialrichtung ausgerichteten Stege 46, 48, 50, 52 auf den radial äußeren Teil 44. Der radial äußere Teil 44 ist an den Stellen des Kraftflusses über die Stege 46, 48, 50, 52 in Form der Biegeelemente 54, 56, 58, 60 ausgebildet. Die Biegeelemente 54, 56, 58, 60 sind zur Verformung vorbereitet und verformen sich bei der Kraftübertragung durch die Stege 46, 48, 50, 52. Um den Kraftfluss zum Zweck einer starken Verformung der Biegeelemente 54, 56, 58, 60 auf die Stege 46, 48, 50, 52 zu beschränken, sind zwischen ihnen die Ausnehmungen 36, 38, 40, 42 ausgebildet, die in Axialrichtung durchgängig sind. Durch diese Anordnung steht ein großer und beispielsweise aus Versuchen bekannter Anteil der Kraft auf die Tretlagerwelle 6 zur Verformung der Biegeelemente 54, 56, 58, 60 zur Verfügung. Damit die Biegeelemente 54, 56, 58, 60 immer an derselben Stelle verformt werden, sind das innere Teil 34 und das äußere Teil 44 durch eine Fertigung aus einem Stück drehfest miteinander verbunden. Das innere Teil 34 und das äußere Teil 44 bilden zusammen mit den Stegen 46, 48, 50, 52 somit den einstückigen Sensorträger 16. Denkbar ist auch eine Anordnung, die aus mehreren Stücken zusammengesetzt ist. Beispielsweise können die Stege 46, 48, 50, 52 einstückig an das äußere Teil 44 angeformt oder einzeln gefertigt sein und jeweils in eine Ausnehmung in das innere Teil 34 bzw. in beide Teile 34, 44 eingreifen.
Insbesondere durch eine relativ schmale Ausführung der Stege 46, 48, 50, 52 in Tangentialrichtung können sie sich in Tangentialrichtung relativ leicht elastisch verformen. Dadurch wird beispielsweise eine Kraft F, die an den Stegen 46, 50 in Tangentialrichtung wirkt, durch die elastische Verformung nur zu einem geringen Teil durch die Stege 46, 50 und weitgehend durch die Stege 48, 52 übertragen. Über die Stege 46, 48, 50, 52 werden daher zum überwiegenden Teil Radialkräfte übertragen. Aus der Verformung der Biegeelemente 54, 56, 58, 60 kann mittels der Sensorelemente 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 die die Verformung bewirkende Kraft abgeleitet werden. Da die Stege 46, 48, 50, 52 in Tangentialrichtung um jeweils 90° versetzt angeordnet sind, werden Kraftkomponenten übertragen, die entweder senkrecht oder entgegengesetzt zueinander wirken, wodurch die Kraft auf die Tretlagerwelle 6 einfach in vektoriell unabhängigen Komponenten ermittelt werden kann.
Radial außen an den Biegeelementen 54, 56, 58, 60 sind die Sensorelemente 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 paarweise jeweils an einem Biegeelement 54, 56, 58, 60 angeordnet, um ein höheres Gesamtausgangssignal V₁ zu erhalten als dies in einer Anordnung mit jeweils nur einem Sensorelement (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32) möglich ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind jeweils zwei der Sensorelemente 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 symmetrisch zu einer Ebene III-III bzw.
S-S angeordnet, wodurch eine Verformung, beispielsweise des Biegeelements 54, beide Sensorelemente 28, 30 staucht oder dehnt. Dadurch ändern sie im Fall eines Einsatzes von Dehnmessstreifen als Sensorelemente 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 ihren elektrischen Widerstand gleichartig, weshalb vorzugsweise eine Verschaltung nach 10 zum Einsatz kommt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Sensorträgers 64 nach 5 sind nur zwei Stege 76, 78 ausgebildet, die in Tangentialrichtung um 90° versetzt zueinander angebracht sind. Dies ist ausreichend, um zwei zueinander senkrechte und damit unabhängige Komponenten der Kraft auf die Tretlagerwelle 6 zu ermitteln. Die Stege 76, 78 übertragen einen Großteil der auf die Tretlagerwelle 6 aufgebrachten Kraft über ein Lager 116 (9) von dem radial inneren Teil 66 auf den radial äußeren Teil 74 bzw. auf die dort ausgebildeten Biegeelemente 80, 82.
Bei einer Kraftübertragung ausgehend von der Kraft auf die Tretlagerwelle 6 muss sich der radial innere Teil 66 relativ zum radial äußeren Teil 74 bewegen können, damit sich die Biegeelemente 80, 82 durch die Stege 76, 78 verformen können. Um die relative Beweglichkeit des inneren Teils 66 zu gewähr leisten, wird der Sensorträger 64 nur über den radial äußeren Teil 74 außerhalb der Linie L durch die Fixierungselemente 120, 122 axial positioniert. Damit aber die Beweglichkeit der Biegelemente 80, 82 und der Stege 76, 78 nicht durch die Fixierungselemente 120, 122 behindert wird, weist der radial äußere Teil 74 im Bereich der Biegeelemente 80, 82 die Ausnehmungen 94, 96, 104, 106 auf, wodurch die Biegeelemente 80, 82 und die Stege 76, 78 kontaktfrei zu den Fixierungselementen 120, 122 gehalten sind. Außerhalb der Biegeelemente und Stege kommt der radial äußere Teil 74 mit den Fixierungselementen 120, 122 in Anlage, so dass der Sensorträger 64 axial positioniert ist.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel kommen auf den Biegeelementen 80, 82 jeweils zwei Sensorelemente 98, 100 auf den ihnen zugeordneten Sensoraufnahmestellen 108, 110 zum Einsatz, wobei in 7 nur zwei der insgesamt vier Sensorelemente 98, 100 gezeigt sind. Die Anordnung der Sensorelemente 98, 100 ist in 7 gezeigt. Sie werden bei einer Kraftübertragung, wie in 8 dargestellt, verformt. Bei dieser Verformung wird das Sensorelement 98 gedehnt, wohingegen das Sensorelement 100 gestaucht wird. Es ist auch denkbar, das Sensorelement 98 und das Sensorelement 100 auf derselben Seite des Biegeelements 82, entweder rechts oder links des Stegs 78, anzubringen. Durch diese Verformung erhöht sich der Widerstand R₁ des Sensorelements 98, und der Widerstand R₂ des Sensorelements 100 sinkt. Daher wird hier vorteilhafterweise eine elektrische Verschaltung nach 11 vorgenommen.
Bei Verwendung von nur einem Sensorelement pro Biegeelement kann eine Schaltung nach 12 eingesetzt werden.

2: Fahrrad
4: Fahrradrahmen
6: Tretlagerwelle
8: Tretkurbel
10: Fahrradtretlager
12: Nadellager
14: Lagerschale
16: Sensorträger
18, 20, 22: Sensorelement
24, 26, 28: Sensorelement
30, 32: Sensorelement
34: Teil
36, 38, 40: Ausnehmung
42: Ausnehmung
44: Teil
46, 48, 50: Erhebung
52: Erhebung
54, 56, 58: Biegeelement
60: Biegeelement
62: Ausnehmung
64: Sensorträger
66: Teil
68, 70, 72: Ausnehmung
74: Teil
76, 78: Erhebung
80, 82: Biegeelement
84: Ausnehmung
86: Verbindungselement
88, 90, 92: Ausnehmung
94, 96: Ausnehmung
98, 100: Sensorelement
102: Dehnmessstreifen
104, 106: Ausnehmung
108, 110: Sensoraufnahmestelle
112: Fahrradtretlager
116: Lager
120, 122: Fixierungselement
124: Axialkugellager
126: Begrenzungselemente
R₀: Festwiderstand
R₁, R2: Widerstand
V₁: Gesamtausgangssignal
F: Kraft
L: Linie

Claims

Sensorträger (16, 64) zur Übertragung einer Kraft von einer Tretlagerwelle (6) auf ein Sensorelement (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 98, 100), der einen radial inneren Teil (34, 66) und einen radial äußeren Teil (44, 74) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass an einem der Teile (34, 66, 44, 74) eine Erhebung (46, 48, 50, 52, 76, 78) zur Verformung des anderen Teils (34, 66, 44, 74) angeordnet ist.
Sensorträger (16, 64) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (34, 66, 44, 74) drehfest miteinander verbunden sind.
Sensorträger (16, 64) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (34, 66, 44, 74) und die Erhebung (46, 48, 50, 52, 76, 78) einstückig miteinander verbunden sind.
Sensorträger (16, 64) nach einem der vorherigen Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung (46, 48, 50, 52, 76, 78) als ein in Axialrichtung ausgerichteter Steg ausgebildet ist.
Sensorträger (16, 64) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Erhebungen (46, 48, 50, 52, 76, 78) zur Verformung des anderen Teils (34, 66, 44, 74) in Tangentialrichtung zur Tretlagerwelle (6) versetzt angeordnet sind.
Sensorträger (16, 64) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Erhebungen (46, 48, 50, 52, 76, 78) in Axialrichtung durchgängige, schlitzartige Ausnehmungen (36, 38, 40, 42, 68, 70, 72) zwischen den beiden Teilen (34, 66, 44, 74) angeordnet sind.
Sensorträger (16, 64) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung (46, 48, 50, 52, 76, 78) zu einer elastischen Verformung bei einer Beanspruchung durch eine Kraft in Tangentialrichtung ausgebildet ist.
Sensorträger (16, 64) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Teile ein Biegeelement (54, 56, 58, 60, 80, 82) umfasst, das zu einer elastischen Verformung bei einer Kraftübertragung durch die Erhebung (46, 48, 50, 52, 76, 78) vorgesehen ist.
Sensorträger (16, 64) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil, das das Biegeelement (54, 56, 58, 60, 80, 82) umfasst, mit einem Fixierungselement (120, 122) zur Fixierung des Teils (34, 66, 44, 74) in einer axialen Position in Anlage ist und dass zwischen dem Teil (34, 66, 44, 74) und dem Fixierungselement (120, 122) eine Ausnehmung (94, 96, 104, 106) in einer Weise ausgestaltet ist, dass das Biegeelement (54, 56, 58, 60, 80, 82) und insbesondere auch die Erhebung (46, 48, 50, 52, 76, 78) kontaktfrei zum Fixierungselement (120, 122) gehalten sind.
Sensorträger (16, 64) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegeelement (54, 56, 58, 60, 80, 82) eine erste Sensoraufnahmestelle (108, 110) zur Anordnung eines Sensorelements (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 98, 100) umfasst.
Sensorträger (16, 64) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoraufnahmestelle (108, 110) an einer Stelle des Biegeelements (54, 56, 58, 60, 80, 82) angeordnet ist, an der die Verformung des Biegeelements (54, 56, 58, 60, 80, 82) bei einer Kraftübertragung durch die Erhebung (46, 48, 50, 52, 76, 78) am stärksten ist.
Sensorträger (16, 64) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegeelement (54, 56, 58, 60, 80, 82) eine zweite Sensoraufnahmestelle (108, 110) zur Anordnung eines zweiten Sensorelements (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 98, 100) umfasst.
Sensorträger (16, 64) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an den Sensoraufnahmestellen (108, 110) jeweils ein Sensorelement (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 98, 100) angeordnet ist und die Sensorelemente (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 98, 100) miteinander verschaltet sind.
Sensorträger (16, 64) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 98, 100) in einer Weise miteinander verschaltet sind, dass bei der Verformung des Biegeelements (54, 56, 58, 60, 80, 82) ein Gesamtausgangssignal (V₁) abgreifbar ist, das stärker als ein Ausgangssignal eines einzelnen Sensorelements (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 98, 100) ist.
Sensorträger (16, 64) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Sensoraufnahmestelle (108, 110) an Stellen des Biegeelements (54, 56, 58, 60, 80, 82) angeordnet sind, an denen die Verformung des Biegeelements (54, 56, 58, 60, 80, 82) die dort angeordneten Sensorelemente (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 98, 100) relativ zueinander zu gegensinnigen Reaktionen stimuliert.
Sensorträger (16, 64) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Sensoraufnahmestelle (108, 110) symmetrisch zu einer durch die Erhebung (46, 48, 50, 52, 76, 78) verlaufenden und in Axialrichtung sowie in Radialrichtung ausgerichteten Ebene angeordnet sind.
Sensorträger (16, 64) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das radial äußere Teil (44, 74) auf einer in Radialrichtung außen angeordneten Außenseite eine Sensoraufnahmestelle (108, 110) zur Anordnung des Sensorelements (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 98, 100) umfasst.
Fahrradtretlager (10, 112) mit einem Sensorträger (16, 64) nach einem der vorherigen Ansprüche.