Wie funktionieren Fahrrad Powermeter?

Es gibt verschiedene Arten von Leistungsmessern auf dem Markt und jeder misst etwas etwas anderes, um seine Schätzungen vorzunehmen. Darüber hinaus hat die Art und Weise, wie sie messen, was sie messen, Auswirkungen auf ihre Genauigkeit. Im Folgenden erläutere ich, was die wichtigsten Modelle messen, wie sie es messen, und die Auswirkungen auf die Genauigkeit.

Leistung ist die Arbeitsrate (daher müssen Sie die Menge an Arbeit und die Zeitspanne kennen, in der diese Arbeit geleistet wird), und Arbeit ist eine Kraft, die über eine Entfernung ausgeübt wird, sodass jeder Leistungsmesser diese auf unterschiedliche Weise misst Kräfte und aufgrund von Patenten hat sich jeder dafür entschieden, sie an einem anderen "Ort" zu messen.

Mit Ausnahme des iBikes messen die meisten Powermeter die Kräfte irgendwo entlang des Antriebsstrangs: Von hinten nach vorne arbeitend misst der PowerTap (und der alte Look MaxOne) an der Hinterradnabe, die älteren Polar-Systeme entlang der Kette, Quarq, SRM, Rotor und Power2Max messen am Spider des vorderen Kettenblatts, die neuen Look/Polar und Garmin Metrigear (bisher angekündigt, aber unveröffentlicht) messen an der Pedalachse, die (angekündigten, aber unveröffentlichten) Brim Brothers messen an der Schuhplatte, der Ergomo am Tretlager gemessen und der Stages an der linken Tretkurbel gemessen. Das iBike misst auf eine ganz andere Art und Weise, die weiter unten besprochen wird. Eine Folge der Messung an verschiedenen Punkten entlang des Antriebsstrangs ist, dass Antriebsstrangverluste in unterschiedlichem Maße berücksichtigt (oder nicht) werden; zum Beispiel, Ein PowerTap wird normalerweise niedriger angezeigt als ein SRM, da einer den meisten Antriebsstrangverlusten "vorgelagert" ist, während der andere "nachgelagert" ist. Dieser Unterschied ist eher ein Definitionsproblem als ein striktes Problem der „Genauigkeit“ (im Sinne von „Ist das Bruttoeinkommen oder das Nettoeinkommen ein ‚genaueres‘ Maß für das Einkommen? sagen, was "genauer" ist).

Die meisten Leistungsmesser auf dem Markt verwenden Dehnungsmessstreifen, bei denen es sich um kleine dünne Folienstreifen handelt, deren elektrische Leitfähigkeit und Widerstand sich ändern, wenn sie verformt werden. Dehnungsmessstreifen werden in vielen Anwendungen (z. B. Brücken) verwendet, und ihre Eigenschaften sind gut bekannt. Im Allgemeinen werden Dehnungsmessstreifen in einer „Rosette“ oder „Wheatstone-Brücke“ kombiniert, um mehr Genauigkeit und Präzision zu erzielen (mehr Dehnungsmessstreifen führen normalerweise zu besseren Ergebnissen), und bei ordnungsgemäßem Betrieb sind dies Power Tap, Quarq und SRM normalerweise auf ein paar Prozent genau (und, was ebenso wichtig ist, mit hoher Präzision); Dies wurde sowohl statisch (unter Verwendung bekannter Gewichte, die an der Kurbel aufgehängt sind) als auch dynamisch (unter Verwendung einer großen angetriebenen Rolltrommel in einem Labor) verifiziert. Die Kräfte werden dann mit einer Messung der Winkelgeschwindigkeit oder Geschwindigkeit kombiniert, um Leistung zu erhalten. Ein Vorteil von Dehnungsmessstreifen besteht darin, dass die Widerstandsänderung auch gemessen werden kann, wenn das Gerät stationär ist, sodass der Radfahrer die Genauigkeit der auf Dehnungsmessstreifen basierenden Leistungsmesser zu Hause messen kann, indem er Gewichte bekannter Masse an die Kurbel hängt. Ein häufiges Problem bei der Methode mit Dehnungsmessstreifen besteht jedoch darin, dass sie empfindlich auf Temperaturänderungen reagieren können und daher vor (und manchmal während) Fahrten „auf Null gesetzt“ werden müssen. Die Achillesferse des alten Look MaxOne war die Wasserdichtigkeit, nicht die Dehnungsmessstreifen oder die Messmethode. Zum Beispiel verwendet das ursprüngliche Power2Max (und das alte eingestellte SRM "Amateur"-Modell) weniger Dehnungsmessstreifen als das aktuelle PowerTap, Quarq, oder SRM-Modelle und Berichte von Benutzern (die später vom Hersteller zugegeben wurden) zeigten, dass es während einer Fahrt empfindlicher auf Temperaturdrift reagierte als diese anderen. Der Power2Max wurde Ende 2012 neu gestaltet und aktualisiert und Berichten zufolge wurde das Temperaturproblem weitgehend behoben. Ein behauptetes Merkmal von Stages ist, dass es auf automatische Temperaturkompensation ausgelegt ist – Anfang 2013 wird diese Behauptung noch von Benutzern bewertet, und es ist zu früh, um zu wissen, ob ihr Ansatz das tut, was er behauptet.

Der alte Polar-Leistungsmesser maß die Kraft, die durch die Kettenspannung entlang der Kette übertragen wurde, und enthielt einen Kettengeschwindigkeitssensor, um die Gesamtleistung zu erhalten. In einer Kette führt eine höhere Kraft, die entlang der Kette übertragen wird, zu einer höheren Spannung, und die Spannung kann anhand der Resonanzfrequenz des Objekts gemessen werden (zum Beispiel erzeugt das Zupfen einer hochgespannten Speiche mit Ihrem Fingernagel einen Hochfrequenzton, während das Zupfen einer lockeren Speiche einen Ton erzeugt ein leiser Ton). Abgesehen von der Geschichte war der Proof-of-Concept-Prototyp für den Polar-Kettenspannungssensor der Tonabnehmer einer E-Gitarre. Der Kettengeschwindigkeitssensor passte auf eines der Schalträder des Umwerfers und konnte die "Impulse" im Magnetfeld zählen, wenn die Kettennieten vorbeifuhren; Da die Kettennieten einen bekannten Abstand voneinander haben, wurde die Kettengeschwindigkeit leicht berechnet. Was die Genauigkeit betrifft, als die Polar gut funktionierte, es war sehr gut; wenn es nicht so war, war es in der Tat sehr frech. Schlimmer noch, es war oft schwer zu sagen, wann es unartig war. Der Untergang des alten Polar-Leistungsmessers war dreifach: 1) Der Kettenspannungssensor musste nahe an der Kette sein, was schwer zu erreichen war, da die Kette manchmal im großen oder kleinen Kettenblatt oder im großen oder sein musste kleines hinteres Zahnrad; 2) der Kettengeschwindigkeitssensor wurde manchmal überlastet und gab falsche Geschwindigkeitswerte aus; und 3) unvollständige Wetterfestigkeit, teilweise aufgrund von freiliegenden Drähten und einer schlecht abgedichteten "Hülse". was schwer zu erreichen war, da die Kette manchmal im großen oder kleinen Kettenblatt oder im großen oder kleinen hinteren Ritzel sein musste; 2) der Kettengeschwindigkeitssensor wurde manchmal überlastet und gab falsche Geschwindigkeitswerte aus; und 3) unvollständige Wetterfestigkeit, teilweise aufgrund von freiliegenden Drähten und einer schlecht abgedichteten "Hülse". was schwer zu erreichen war, da die Kette manchmal im großen oder kleinen Kettenblatt oder im großen oder kleinen hinteren Ritzel sein musste; 2) der Kettengeschwindigkeitssensor wurde manchmal überlastet und gab falsche Geschwindigkeitswerte aus; und 3) unvollständige Wetterfestigkeit, teilweise aufgrund von freiliegenden Drähten und einer schlecht abgedichteten "Hülse".

Der auf dem Tretlager basierende Leistungsmesser von Ergomo verwendete einen optischen Sensor und eine Reihe von "Gucklöchern", um die Torsion im Tretlager zu messen. Ein seltsames Merkmal dieser Konstruktion ist, dass sie nur die (Torsions-) Kraft messen konnte, die durch das Tretlager fließt; Daher wurde nur der Kraftbeitrag des linken Beins gemessen: Um die Gesamtkraft zu erhalten, wurde der Beitrag des linken Beins verdoppelt. In Verbindung mit der Schwierigkeit, den Ergomo zu installieren und zu kalibrieren (es musste genau so installiert werden), war diese Abhängigkeit von der bilateralen Symmetrie zwischen den Beinen der Todesstoß für den Ergomo. Der Stages-Leistungsmesser misst auf ähnliche Weise die Kraft durch Verformung in der linken Kurbel und verdoppelt die „Linke“, um eine Schätzung der Gesamtleistung zu erhalten. Untersuchungen mit instrumentierten Kraftpedalen zeigen, dass eine bilaterale Asymmetrie bei der Krafterzeugung zwischen dem rechten und dem linken Bein die Norm ist – schlimmer noch, die Forschung zeigt, dass sich die Asymmetrie mit dem Grad der Anstrengung ändern kann. Einige Fahrer sind jedoch bereit, diese inhärente Ungenauigkeit und Ungenauigkeit zu akzeptieren.

Da weder die alten Polar- noch die Ergomo-Leistungsmesser Dehnungsmessstreifen verwendeten, konnte ihre Genauigkeit und Präzision nicht statisch im Feld durch den Radfahrer überprüft werden; sie konnten nur dynamisch (oder gegen einen anderen bekannt kalibrierten Leistungsmesser) überprüft werden.

Es wird gemunkelt, dass die unveröffentlichten Pedal- oder Pedalplatten-Leistungsmesser von Garmin Metrigear und Brim Brothers piezoelektrische Sensoren und Festkörper-Beschleunigungsmesser anstelle von Folien-Dehnungsmessstreifen verwenden, aber bis sie auf den Markt kommen, sollten alle Behauptungen über Genauigkeit oder Präzision mit Vorsicht betrachtet werden. Ein interessantes Problem bei der Konstruktion eines pedal- oder plattenbasierten Leistungsmessers besteht darin, dass die Kraftrichtung und die Position der Pedalachse bekannt sein müssen: Wenn Sie beispielsweise am unteren Ende des Pedalhubs eine nach unten gerichtete Kraft hinzufügen, ist das verschwendete Kraft, da es nicht hilft, die Kurbel in die richtige Richtung zu bewegen; Wenn Sie beim Aufwärtshub (wenn auch nur leicht) nach unten drücken, wird dies ebenfalls einen Teil der Kraft aufheben, die vom anderen Bein beim Abwärtshub ausgeübt wird. Die Verfolgung der verschiedenen Kraftvektoren ist daher der Schlüssel zu zuverlässiger Genauigkeit und Präzision. Bis zu einem gewissen Grad kann der Stage-Leistungsmesser auch gelegentlich für ein ähnliches Problem anfällig sein: Das Stages verwendet einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser im Pedal (ähnlich den Halbleiter-Beschleunigungsmessern, die man in Smartphones findet), um seine Position zu bestimmen. Frühe Produktionsmodelle des Stages wurden von ungenauen Messungen der Pedalposition geplagt, sodass auch die Pedalgeschwindigkeit ungenau war – und dies hatte Auswirkungen auf die Genauigkeit der endgültigen Leistungsschätzungen.

Der kürzlich veröffentlichte (Stand Januar 2012) Look/Polar-Leistungsmesser verwendet Dehnungsmessstreifen, die entlang der Pedalachse angeordnet sind, und jedes Pedal muss sorgfältig installiert werden, damit die Pedale wissen, in welche Richtung die Kräfte wirken – ein Spezialwerkzeug wird mitgeliefert Pedale helfen bei der Orientierung. Um die Umrechnung gemessener Kräfte in Drehmomentwerte zu vereinfachen, erlaubt das Look/Polar-Pedal die Verwendung von nur vier verschiedenen Kurbellängen: 170 mm, 172,5 mm, 175 mm und 177,5 mm. Kurbeln kürzer als 170 mm werden derzeit nicht unterstützt. Ein Pedal ist der „Master“ und das andere der „Slave“; Das Slave-Pedal übermittelt Informationen an den Master, der dann die Daten beider Pedale bündelt und an die Headunit weiterleitet. Im Augenblick, Das Look/Polar-Pedal verwendet ein eigenes Übertragungsprotokoll, und kein anderer Hersteller hat sich bisher verpflichtet, kompatible Haupteinheiten bereitzustellen. Frühe Berichte über die neuen Look-Pedale bestätigen, dass die Ausrichtung der Pedale entscheidend ist: Da die Spindel eines Pedals klein ist, kann ein kleiner absoluter Ausrichtungsfehler ein großer relativer Fehler in seiner Winkelausrichtung sein.

Das iBike geht einen ganz anderen Weg: Es berechnet die Leistung indirekt. Das heißt, Sie benötigen eine bestimmte Leistung, um Änderungen der potenziellen Energie (Aufstieg oder Abstieg), Änderungen der kinetischen Energie (Beschleunigen oder Abbremsen), den Luftwiderstand (einschließlich des Windes) und den Luftwiderstand durch Rollwiderstand zu überwinden Kennen Sie Bodengeschwindigkeit, Steigung, Windgeschwindigkeit, Ihre Gesamtmasse (Sie plus Fahrrad und die gesamte Ausrüstung) und können Sie dann in Kombination mit Schätzungen der Koeffizienten des Rollwiderstands (Crr) und des Luftwiderstands und der vorderen Oberfläche (CdA oder Widerstandsfläche) berechnen die Gesamtleistung (siehe zum Beispiel hier). Im Wesentlichen konzentrieren sich die anderen Leistungsmesser auf dem Markt auf die „Gleichung der Angebotsseite“, indem sie die vom Fahrer gelieferte Leistung irgendwo entlang des Antriebsstrangs messen; Das iBike konzentriert sich auf die "Nachfrageseite", indem es die Leistung misst, die erforderlich ist, um das Fahrrad gegen Wind, Gefälle und andere Widerstandskräfte zu bewegen. Unter normalen Bedingungen kann dies ziemlich (vielleicht sogar überraschend) genau sein, obwohl die Genauigkeit der auf diese Weise geschätzten Leistung nicht so gut ist – das iBike geht davon aus, dass der Luftwiderstandsbereich (auch bekannt als CdA) konstant ist, also wenn der Fahrer Position ändert (z. B. Bewegung von den Drops zu den Bar-Tops) oder wenn sich die Windgeschwindigkeit ändert, weil sich der Gierwinkel ändert, wird die Leistungsschätzung deaktiviert. Im Allgemeinen hat sich das iBike bei Bergauffahrten als ziemlich genau erwiesen; weniger für Rollkurse oder Fahrten im Rudel, Die Gesamtgenauigkeit hängt also von der genauen Mischung aus durchgeführtem Fahren und der Variabilität der Windrichtung ab. Wie bei den nicht auf Dehnungsmessstreifen basierenden alten Polar und Ergomo kann das iBike nicht statisch auf Genauigkeit oder Präzision überprüft werden; schlimmer noch, es kann auch nicht auf einem dynamischen Rig in einem Labor überprüft werden, da es von Steigung und Windgeschwindigkeit abhängt. Überprüfungen des iBikes wurden im Feld durchgeführt, als Fahrer einen anderen Leistungsmesser am selben Fahrrad montierten und die beiden Datenströme verglichen.

Es gab einige "gleichzeitige" Vergleiche der Genauigkeit des Leistungsmessers, bei denen ein Fahrer zwei oder mehr Leistungsmesser am Fahrrad montierte und strukturierte oder unstrukturierte Fahrten unternahm. Einen solchen "Rosetta Stone"-Vergleich können Sie hier und hier sehen .

Im Allgemeinen waren alle im Handel erhältlichen Leistungsmesser genau (und manchmal präzise), wenn sie neu eingestellt wurden und unter idealen Bedingungen funktionierten. Die Bedingungen sind jedoch nicht immer ideal und Teile werden beschädigt, verschmutzt und verfallen. Wenn Genauigkeit und Präzision wichtig sind, dann ist die „Design“-Genauigkeit (ob basierend auf Dehnungsmessstreifen, optischen Sensoren, magnetischen Sensoren oder Windgeschwindigkeitssensoren) nur die halbe Miete: ebenso wichtig ist die Fähigkeit, einen Leistungsmesser zu Hause zu überprüfen, damit Sie ihn selbst überprüfen können kann sagen, wann sie aus sind.

Interessant fand ich dieses Bild des ersten SRM Powermeters :

Die Kurbel ist wie ein Hebel aufgespannt (dreht sich um die Spindel) - je kräftiger Sie das Pedal drücken, desto mehr biegt sich der Dehnungsmessstreifen , dessen Ausgabe als Teil der Berechnung der Wattzahl verwendet wird (wie in der anderen besser beschrieben wird). Antworten!)

Viele moderne Leistungsmesser sind im Wesentlichen Weiterentwicklungen dieses Konzepts

Grundsätzlich funktionieren alle Leistungsmesser, indem sie eine Kraft (oder ein Drehmoment) und eine Geschwindigkeit messen.

http://en.wikipedia.org/wiki/Power_(Physics)#Mechanical_power

P(t) = F(t) * v(t)

Mit anderen Worten:

Power = Force * velocity

Ein pedal- oder kurbelbasierter Leistungsmesser misst entweder, wie viel Drehmoment auf die Kurbeln ausgeübt wird. In Kombination mit Ihrer Trittfrequenz erhalten Sie die Leistungsabgabe (fügen Sie Zeit hinzu und Sie haben die gesamte Arbeit erledigt).

Ein nabenbasierter Leistungsmesser misst das Drehmoment, das vom Antriebsstrang auf die Nabe ausgeübt wird, und kombiniert dies mit Geschwindigkeits- oder Raddrehzahlen, um die gleiche grundlegende Mathematik durchzuführen und die Leistungsabgabe dort zu berechnen.

Grundsätzlich misst der eine die Leistung, die in den Antriebsstrang geht, der andere misst die Leistung, die aus dem Antriebsstrang kommt. Wenn Sie beides hätten, würde der Nabenleistungsmesser aufgrund des Leistungsverlusts im Antriebsstrang eine etwas geringere Leistung anzeigen. Ein Fahrradantrieb ist jedoch sehr effizient (besonders wenn er gut gewartet wird), daher würde ich mir über den sehr kleinen Unterschied keine Sorgen machen. Bis zu einem gewissen Grad kann es davon abhängen, ob Sie sich mehr um Ihre Leistungsabgabe oder die Leistungsabgabe des gesamten Fahrer+Fahrrad-Systems kümmern.

Der tatsächlich zugrunde liegende physikalische Mechanismus ist wahrscheinlich ein Dehnungsmessstreifen, der aus einem dünnen Draht besteht, der im Zickzack über einen Balken verläuft, der sich leicht biegt, wenn eine Kraft ausgeübt wird. Durch das Biegen der Drähte ändert sich der elektrische Widerstand. http://en.wikipedia.org/wiki/Strain_gauge

Ich habe auch von Leistungsmessern gehört, die die Kraft auf die Pedale messen. Ich nehme an, dass ihnen die Länge der Kurbeln mitgeteilt werden muss. Ich habe auch von Systemen gehört, die die Kettenvibration messen, um die Spannung an der Kette zu berechnen, um Kraft-/Drehmomentinformationen zur Berechnung der Leistungsabgabe zu erhalten.