Drehmoment und vieles mehr

[Erdie]

Ich habe den Arduino (bzw. Nodemcu) als nerdiges Spielzeug für mich entdeckt und meine Vision ist, einen Leistungsmesser für das Velomobil zu entwickeln. Eigentlich braucht man ja "nur" 2 Datensätze: Drehmoment und Drehzahl der Pedale.
Drehzahl sollte kein Problem sein, das ginge auf vielerlei Art und Weise z. B. Hall Sensor. Nur das Drehmoment ist eine Herausforderung. In diesem Thread wollte ich fragen, ob jemand dazu vielleicht kreative Ideen hat?!

 

[einrad]

Wie weit bist Du mit Deiner bisherigen Recherche dazu?
Was hast Du schon gefunden?

(Messkurbel ist sicher ein guter Suchbegriff...)

 

[Matthias.]

https://www.instructables.com/id/Homemade-Cycling-Powermeter/
Entschuldigung - ist nicht sehr kreativ...

 

[bbike]

Hallo
Ich weiß jetzt nicht was du für Möglichkeiten hast so etwas zu verbauen aber schau dir das mal an .

Alte Technik die begeistert - Yamaha PAS

Hallo Ich baue schon seit einigen Jahren Pedelecs und durch Zufall bin ich damals auf einen Motor gestoßen wo ich erst gedacht hatte es ist halt ein übergroßer Scheibenwischermotor der zum Fahrradmotor umfunktioniert wurde . Ich fand damals weder die Marke heraus noch wo dieser wohl verbaut...

www.pedelecforum.de

Ich nutze diese Drehmomenterkennung für den Mittelmotor aber auch für Nabenmotore .
Wenn nur ein normales Tretlager verbaut werden kann könntest du zum Beispiel das FAG Tretlager nutzen .
Lieider wird hier nur von links nach rechts gemessen und hast dadurch eine unrunde Messung . Bei meinen derzeitigen Trike-Aufbau
setze ich das Tretlager als Zwischenlager ein . Ich verspreche mir so eine bessere Messung zu erzielen . Also mein Kettenantrieb verläuft links und wird über das Zwischenlager nach rechts geleitet . Dadurch bekomme ich eine permamente Messung .
Ich erzeuge bei beiden Systemen ein analoges Signal . Dies liegt zwischen ca 1 V und 4 V .
Dieses Signal wird dann einfach am Gassignal des Controllers angeschlossen . Zusätzlich braucht man aber um vernünftig steuern zu können ein Drehzahlsignal . Also ein PAS .
Grüße

 

[ChristianV]

Ich habe den Arduino (bzw. Nodemcu) als nerdiges Spielzeug für mich entdeckt ...

Witzig, geht mir auch so. Meine Jungs machen das gerade in der Schule und da die jetzt zuhause stattfindet bin ich natürlich dabei
Grüße, Christian

 

[Erdie]

Also meine bisherige Idee ist das mit den Kettenumlenkrolle zu machen. Das Lager müßte minimal beweglich befestigt sein und dort könnte man dann einen Drucksensor anbringen. Im Prinzip sollte der Druck auf der Umlenkrolle proportional zum angelegten Drehmoment sein. Der Rest wäre dann nur noch Umrechnerei. Selbst bei einem nicht - linearen Zusammenhang könnte man experimentell eine Umrechungstabelle erstellen um so die benötigten Werte zu berechnen.

 

[Matthias.]

Also meine bisherige Idee ist das mit den Kettenumlenkrolle zu machen. Das Lager müßte minimal beweglich befestigt sein und dort könnte man dann einen Drucksensor anbringen.

Das ist eine kreative Idee.
Sie hat den Vorteil, dass die gesamte Messapparatur an ortsfesten und nicht an rotierenden Bauteilen platziert ist.
Wie viele Kettenblätter hast du vorne? Bei einem könnte das gut funktionieren. Bei mehreren ändert sich an der vorderen Rolle die Richtung der Krafteinleitung. Bei einem 1D-Kraftsensor würde das Schalten zu einem Offset führen. Da bräuchte es einen 2D-Sensor, der in der Ebene senkrecht zur Rollenachse misst.
Vielleicht lässt sich dann sogar aus hochfrequenten Signaloszillationen ein Lagerschaden der Umlenkrolle diagnostizieren.

 

[Erdie]

Ich habe zwar 2 Kettenblätter, aber das kleine brauche ich ganz selten. Es würde reichen wenn man die Leistung nur mit dem großen messen könnte. Ansonsten könnte man, wenn man dann will, einen Umrechungsfaktor einführen, den man dann allerdings dem Rechner manuell schalten müßte oder ganz konfortabel einen Kontakt an der Schaltung, der dem Arduino sagt, welches Blatt aktiv ist. Das wäre aber wirklich Luxus.

 

[Matthias.]

Du wolltest ja kreative Ideen:
Wie wäre es mit einer Art Drehkondensator an der Kurbel? Der Stator wird am Kettenblatt (bzw. Spider) befestigt, der Rotor am Kurbelarm. Die (sehr geringe) Torsion zwischen Kurbel und Kettenblatt bewirkt eine lastabhängige Kapazitätsänderung.
Ob es Vorteile gegenüber Dehnungsmessstreifen gibt? Die Temperaturdrift bleibt vermutlich bestehen. Die Dauerfestigkeit sollte besser sein, da die Verbindung zur Kurbel lastfrei ist. Aber über die EMV möchte ich gar nich erst nachdenken .
Der Aufwand mit Arduino-Programmierung wäre dann aber im Vergleich zur Messelektronik ein Klacks.

 

[Erdie]

Hmm .. da hätte ich Zweifel bzg. der Genauigkeit. Bei der geringen Torsion dürften die Kapazitätsschwankungen minimal sein. Um die zu messen, müßte man daraus einen Schwingkreis bauen und dessen Frequenz messen. Da ist mir schon fast etwas zu kreativ

 

[einrad]

Das ist eine kreative Idee.

Na dann spinn ich da mal weiter...

Mit Spiel im Lager? Daran glaube ich nicht.

Mit DMS auf der Achse der Umlenkrolle die Biegung zu messen? Ja, warum nicht?
Bei intelligenter Anbringung der DMS ist das auch temperaturkompensiert.
Weil's nur ein sehr kurzer Achsstummel ist, wird die Verformung und daher das Signal leider recht schwach und der Messfehler entsprechend groß.
Ob das reicht? Da müsste man wohl genauer drüber nachdenken.
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Und jetzt zu einer anderen Interpretation von "weiterspinnen":

Die Idee über die Kettenspannung zu gehen (Das macht ja Dein Ansatz mit der Umlenkrolle) hat einen gewissen Charme.
Warum sollte man dieses Signal nicht auf der langen Kette abgreifen?
Na klar, deswegen nicht, weil sie bewegt und dreckig ist.

Ja, aber:
Ich muss die Kette ja nicht angreifen, ich will nur wissen, wie viel sie unter Last länger wird.

Ja wie sehe ich denn das? Ich müsste an 2 Stellen die Position der Kettenglieder erfassen.
Das kann auf der Strecke zwischen Kettenblatt und Umlenkrolle geschehen.

Lichtschranken, die von oben durch die Kettenglieder durchschauen, sehen z.B. wann die Rolle vorbeikommt.
Daraus hat man: a) die aktuelle Geschwindigkeit der Kette und b) die Längung der Kette.
Man weiß ja, wann ein Kettenglied die zweite Position im Vergleich zur ersten erreichen sollte. Weil die Kette aber ein wenig gelängt wird, kommt das 2te Signal ein wenig früher als im ideal starren Fall...

Kompensation Kettenverschleiss: Den müsste man rausrechnen und laufend nachkalibrieren.

Die Rollen habe auf den Bolzen Spiel. Daher ist Ihre Position nicht so sicher: Dazu fällt mit spontan nichts ein. Vielleicht liegen sie ja doch ausreichend genau immer gleich? Oder doch etwas anderes messen? Mit welchem Messprinzip könnte man die Position der Bolzen messen? Induktiver Sensor?

Kann das funktionieren?
Wenn's @Erdie interessiert, kann er ja mal einen Meter Kette vermessen und schauen, welche Dehnung rauskommt, wenn man die Kette mit 0 - 200 (oder 300) daN belastet. (Für kleinere Kettenblätter oder für Mr.Oberschenkel vielleicht auch noch für höhere Lasten....)
So bald man die Größenordnung der Dehnung einschätzen kann, sollte es besser mögllich sein, die maximal akzeptable Toleranz der Messung festzulegen.
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Viel Spaß beim weiterspinnen.
Der Kaffee ist nun leer und ich widme mich wieder dem Broterwerb...

Gruß, Harald

PS:
Um das, was diese Entwicklung kosten würde, kann man einige Messkurbeln kaufen...

 

[Erdie]

Ich habe keine Vorstellung davon, wie groß so eine Längung der Kette wäre. Von daher würde es mich interessieren

 

[Fanfan]

Wie viele Kettenblätter hast du vorne? Bei einem könnte das gut funktionieren. Bei mehreren ändert sich an der vorderen Rolle die Richtung der Krafteinleitung. Bei einem 1D-Kraftsensor würde das Schalten zu einem Offset führen. Da bräuchte es einen 2D-Sensor, der in der Ebene senkrecht zur Rollenachse misst.

Es ändert sich auch der Umschlingungswinkel und damit das Verhältnis zwischen Kraft im Rollenlager und Kettenzug. Kann man das kompensieren, indem man den Sensor passend ausrichtet? Vielleicht bewusst irgendwie schräg und nicht genau in der Winkelhalbierenden der Kettenabschnitte. Dann könnte man die Leistungsmessung komplett an der Rolle machen, aus der Kraft(-komponente) im Lager und der Drehzahl der Rolle.

 

[einrad]

Ich habe keine Vorstellung davon, wie groß so eine Längung der Kette wäre. Von daher würde es mich interessieren

Vorschlag zur "Mess"-Vorrichtung, falls Du eine Badezimmerwaage zur Verfügung hast:
Belastungsrichtung vertikal.
Dann kannst Du auf der Waage stehen und einen Hebel runterziehen.
Die Kraft, mit der Du runterziehst, verringert Dein Gewicht auf der Waage.
Je nach Hebelverhältnis kannst Du so auch größere Lasten aufbringen und einschätzen, wo Du aktuell so liegst.
(Ich hatte mal ein paar Zerreissversuche mit dieser Anordnung gemacht. Ging ganz gut. Bruchlast war damals zw. 290-300 daN. Diese Genauigkeit hat mir in diesem Fall leicht gereicht.)

Messung der Längung der Kette:
Eine Vorspannung von 5-10 daN oder so wird notwendig sein, damit mal sicher das Spiel in allen Gelenken ausgeschaltet ist.
Dann Spannung auf xxx daN und messen. Wenn bei Max. Last die Dehnung nicht mind. 1/1000 ist (= 1 mm/m) wird's wohl auch da schwierig werden in der Praxis bei geringeren Lasten irgend etwas brauchbares zu messen.

Viel Spaß beim "Messen"....
Wenn du auf brauchbare Ergebnisse kommst, wär's schön hier davon zu lesen.

Gruß, Harald

PS:
MIt den Suchbegriffen "Dehnung" und "Gliederkette" bin ich auf dieses Handbuch gestoßen.
Das könnte für den einen oder anderen durchaus mal interessant sein.

https://www.iwis.com/as-handbook/iwis-handbuch-kettentechnik-konstruktionsunterlagen-berechnungsbeispiele.pdf

 

[Kurbel]

Es ändert sich auch der Umschlingungswinkel und damit das Verhältnis zwischen Kraft im Rollenlager und Kettenzug. Kann man das kompensieren, indem man den Sensor passend ausrichtet? Vielleicht bewusst irgendwie schräg und nicht genau in der Winkelhalbierenden der Kettenabschnitte. Dann könnte man die Leistungsmessung komplett an der Rolle machen, aus der Kraft(-komponente) im Lager und der Drehzahl der Rolle.

Im Prinzip geht das, für zwei Kettenblätter exakt und für drei Kettenblätter zumindest mit wenig Fehler bei einem der drei.
In der Skzze habe ich die Kraftkomponente eingezeichnet, die man dafür messen müsste.

Leider sind die Verhältnismäßigkeiten nicht sehr günstig für die tatsächliche Umsetzung, aber mit Verstand gemacht, könnte es dennoch gehen. Drehzahlmessung dann an der gleichen Kettenrolle. Kleines Arduinoboard, hx711 als Messverstärker für die DMS-Brücke, das wär noch nichtmal teuer.

 

[Krischan]

OT?

"Dehnung" und "Gliederkette"

ich grätsche hier mal rein und frage Euch, ob die Dehnung der Kette am Liegerad für den (im Vergleich zum Knicklenker) so miserablen gefühlten Wirkungsgrad verantwortilich ist? Kann man so viel Kraft aufbringen, dass sich die Fahrradkette tatsächlich streckt wie eine Feder und dann einen Teil der Antriebskraft vernichtet? Wie groß ist der Verlust gaanz grob? Mehr als 10%?
Gruß Krischan

 

[einrad]

Hi Krischan,

in der Kette selbst wohl weniger, als im Sitzpolster (oder Netzsitz) und in der Verbiegung/Verdrehung des Rahmens.
(Der Rahmen bewirkt dabei wohl mehr als die Dehnung der Kette?)

Bei meinem Flevo Racer war das wegen dem verlängerten Tretlagerausleger stark zu spüren.
(Siehe dazu dieser alte Thread: https://www.velomobilforum.de/forum...nkrolle-oder-ritzel-ghostring-roll-ring.44220.
Da hatten wir beide schon mal darüber geschrieben.)

Auch bei hohen Einrädern (Giraffen, meist mit Sitzhöhe 1,80) ist diese Kombi aus Dehnung der Kette und Verformung des Rahmens deutlich spürbar und recht unangenehm. Wenn man beim Pendeln am Stand abwechselnd 1/2 Umdrehung vor und zurück fährt, haben weich gebaute Rahmen einige cm Leerweg am Pedal, was ziemlich lästig ist. In diesem Fall nicht so wegen der Effizienz, als wegen der kurzen Phase ohne Kontrolle über das Rad...

Das jetzt für Kette und Rahmen getrennt zu quantifizieren, traue ich mir ohne Messungen nicht zu. Und auf Messungen habe ich keine Lust.

Die von Dir genannten 10% halte nach Bauchgefühl für weit übertrieben. Wenn Du dazu eine Schätzung haben willst, blockier mal das angetriebene Rad mit der Bremse und tritt im niedrigsten Gang voll rein. Wie viel mm oder cm Pedalweg schaffst Du?
Wie viel ist das im Vergleich zum gesamten nutzbaren Pedalweg? Unter Berücksichtigung der Tretkurbelstellung?
Selbst bei weichen Rahmen würde ich aus diesem Thema heraus nicht wirklich viel erwarten.

Gruß, Harald

 

[Matthias.]

Kann man das kompensieren, indem man den Sensor passend ausrichtet?

Gute Idee

Im Prinzip geht das, für zwei Kettenblätter exakt und für drei Kettenblätter zumindest mit wenig Fehler bei einem der drei.
In der Skzze habe ich die Kraftkomponente eingezeichnet, die man dafür messen müsste.

Daran hätte ich auch gedacht. Das Problem dabei ist aber, dass die Kette seitlich in einem unterschiedlichen Winkel zu den Kettenblättern läuft.

Mit Spiel im Lager?

Wie viel axiales Spiel hat die Rolle im DF? Vermutlich schon etwas für eine bessere Schaltperformance? Eine Messung an der Rollenachse oder der Achsaufnahme wäre ohne Axialspiel einfacher (ansonsten müsste auf beiden Seiten der Rolle gemessen werden).

Lichtschranken, die von oben durch die Kettenglieder durchschauen, sehen z.B. wann die Rolle vorbeikommt.
Daraus hat man: a) die aktuelle Geschwindigkeit der Kette und b) die Längung der Kette.
Man weiß ja, wann ein Kettenglied die zweite Position im Vergleich zur ersten erreichen sollte. Weil die Kette aber ein wenig gelängt wird, kommt das 2te Signal ein wenig früher als im ideal starren Fall...

Sehr interessant! Mit jeweils einer Doppellichtschranke könnten die Ungenauigkeit bei Trittfrequenzänderungen verkleinert werden. Als Ort würde ich dafür die Strecke zwischen den Umlenkrollen empfehlen (weniger seitliche Bewegungen der Kette).
Fraglich ist, wie sich Verschmutzung und Schwingungen auf die Messung auswirken.

Apropos Schwingungen der Kette:
Könnte es ausreichend sein, die Schwingungen der Kette zu messen (z.B. induktiv)? Die Kette ist ja zwischen beiden Umlenkrollen gespannt und die Distanz zwischen beiden Auflagepunkten ist konstant. Je höher das Drehmoment, desto höher die Spannung, desto höher die Eigenfrequenz der Kettenschwingung.
Die Frage ist, ob trotz äußeren Störungen (z.B. Straßenunebenheiten) die Eigenfrequenz im Schwingungsspektrum erkennbar und auswertbar bleibt.

 

[RaptoRacer]

OT? ich grätsche hier mal rein und frage Euch, ob die Dehnung der Kette am Liegerad für den (im Vergleich zum Knicklenker) so miserablen gefühlten Wirkungsgrad verantwortilich ist?...Wie groß ist der Verlust gaanz grob? Mehr als 10%?

Also ich habe früher mit dem RazzFazz zig Messfahrten an einem 2,5km Hügel mit AVG 5% Steigung(max so bei 10%) gemacht.
Dabei bin ich zu dem Schluss gekommen, das der Unterschied zum RR bei unter 5% liegt.
Zu beachten wäre dabei der höhere Rowi von einem 406er Laufrad. Ich denke auch nicht die Kette, sondern der Rahmenflex ist eher ein Problem.

Das Ding meine ich, bin da früher in knapp unter 8Min mit 300Watt hoch , Systemgewicht waren denke ich ca 85kg:

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Für @Erdie : SRM arbeitet mit Dehnmessstreifen in der Kurbel, kann man hier kaufen:

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[Fanfan]

Es ändert sich auch der Umschlingungswinkel und damit das Verhältnis zwischen Kraft im Rollenlager und Kettenzug. Kann man das kompensieren, indem man den Sensor passend ausrichtet? Vielleicht bewusst irgendwie schräg und nicht genau in der Winkelhalbierenden der Kettenabschnitte.

Mir fällt gerade auf: Die meisten Räder haben ja nur eine Rolle im Zugtrum, d.h. es gibt bei Kettenschaltung in beiden Kettenabschnitten gangabhängige Richtungsänderungen. Die Messrichtung des Kraftsensors kann man aber nicht so ausrichten, dass beide Abhängigkeiten ausgeblendet werden. Für Velomobile mit zwei Zugtrumrollen könnte es aber klappen.