DE2852702B2 - Ergometer - Google Patents
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- A61B5/221—Ergometry, e.g. by using bicycle type apparatus
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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Description
Die Erfindung betrifft ein Ergometer mit einer durch Drehhebel antreibbaren Welle, an der ein Element einer
Wirbelstrombremse angeordnet ist, deren anderes Element mit einer Einstelleinrichtung versehen ist,
durch welches der Abstand zwischen den Elementen der Wirbelstrombremse veränderlich ist, wobei das andere
Element mit einem das Bremsmoment aufnehmenden Teil verbunden ist.
Als Drehhebel sind aus der DE-OS 2113 749 Schwenkpedale, aus Prospekten Tunturi und Monark
Rehab Trainer Drehpedale in Form auch von Druckkurbein und aus einem Prospekt Unilife auch Laufbänder
bekannt. Die Bezeichnungen sind Firmennamen.
Ein Problem an solchen Ergometern liegt darin, einerseits eine möglichst einfache Ausführung für die
Leistungsanzeige zu schaffen und andererseits auch eine laufende Veränderbarkeit vorzusehen. Das wird mit
bekannten Ausführungen nicht erreicht. Bei bekannten Ergometern, bei denen eine Wirbelstrombremse benutzt
wird, wie aus dem DE-GM 75 23 938 bekannt ist, und die aus einem Wirbelstromläufer, der im allgemeinen
mit dem rotierenden Element, d. h. der im Ergometer angetriebenen Welle, verbunden ist, und aus
einem drehbar gelagerten Magnetpolträger besteht, sind an letzterem ein Hebelarm mit z. B. einem
pendelnden Gewicht oder Federn für ein Gegenmoment angeordnet Dieses pendelnde Gewicht oder die
Federn stellen dabei ein Meßglied dar. Das Pendeln des Gewichtes bzw. die Schwingungsfähigkeit von Federn
trägt zu einer ungleichmäßigen und wechselnden Belastung bei. Diese Anwendungen von Wirbelstrombremsen
zeigen lediglich die Bremskraft an. Hinsichtlich der Anwendung von Wirbelstrombremsen an Ergometern
können gegenüber vorbeschriebener Ausführung Wirbelstromteil und Magnetteil auch vertauscht werden.
Ferner sind bekannte Ausführungen, insbesondere von Fahrrad-Ergometern, mit mechanischen Bremsen
versehen. Diese Ausführungen sind aus dem bereits erwähnten Prospekt von Tunturi sowie auch aus einem
Prospekt Bodyguard, ersterer für Backenbremsen, zweiterer für Bandbremsen, bekannt. Solche mechanischen
Bremsen sind einerseits aufwendig und arbeiten andererseits unzuverlässig, weil sie auf Reibungswirkungen
beruhen, die sich in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen und auch vom Betriebsalter des Gerätes
verändern können. Reibflächen nutzen sich ab oder werden allmählich so geglättet, daß sich Schlupfwirkungen
ergeben; auch dabei wird z. B. mit einem pendelnden Gewicht gearbeitet
Bekannt sind an Ergometern auch generatorische Bremsen. Dabei wird durch den Generator eine
elektrische Leistung erzeugt und in Widerständen vernichtet. Solche Widerstände werden nur stufenweise
umgeschaltet, so daß sich immer Leistungsstufen ergeben und kein gleichmäßiger Übergang über
umfangreiche Leistungsbereiche vorhanden ist. Aus einem Prospekt von Bosch ist auch bekannt, eine direkte
elektrische Anzeige an Ergometern vorzusehen. Bei dieser Ausführung wird mit einer konstanten Spannung
gearbeitet. Diese konstante Spannung wird dann aufgeteilt, und die bekannten elektrisch arbeitenden
Ergometer arbeiten mit zusätzlichen Multiplikationsschaltkreisen, in denen Strom und Spannung als
kennzeichnende Größen für die Leistungsmessung miteinander verknüpft werden. Dabei sind aufwendige
Schaltungsmaßnahmen erforderlich.
Ein Problem an Ergometern liegt aber auch darin, nicht nur eine Leistungsanzeige zu liefern, sondern die
Bremskraft am Ergometer so fortlaufend in Abhängigkeit von Drehzahländerungen zu verändern und
einzustellen, daß ein Proband einer konstant bleibenden Leistungsbeeinflussung unterworfen wird.
Mit den bekannten Ausführungen ist es schwierig bzw. mit einfachen Mitteln nicht durchführbar, die
Belastung eines Probandes sehr genau einzuhalten. Das ist aber insbesondere bei medizinischen Untersuchungen
erforderlich. Bisher hat man den Ausweg eingeschlagen, zu diesem Zweck dem Probanden eine
möglichst genaue Einhaltung der Drehzahl aufzuerlegen. Das ist in der Praxis nicht durchführbar, weil
unwillkürlich, wenn der Proband die Wanderung eines Zeigers an einem Drehzahlmesser beobachtet, eine
Bewegung über einen markierten Wert wechselnd erfolgt, so daß Wellen erhöhter Leistung sich in Wellen
verminderter Leistung anschließen.
Die in diesem Zusammenhang bekannte Zu- und Abschaltung von Widerständen an generatorischen
Bremsen zur Anpassung an die Belastung ist aufwendig und teuer.
Der F.rfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ergometer der eingangs angegebenen Art mit einer
Wirbelstrombremse dahingehend zu verbessern, daß mit einfachen Mitteln, die weitestgehend wartungsfrei
und insbesondere ohne aufwendige Schaltungselemente sein sollen, eine leistungsabhängige Spannung erzeugt
und eine stufenlose Regelung der Ergomeierleistung
ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird in einem eingangs angegebenen Ergometer dadurch gelöst, daß der das Bremsmoment
aufnehmende Teil ein mit Dehnungsmeßstreifen versehener Kraftaufnehmer ist, dessen freies Ende mit dem
anderen Teil der Wirbelstrombremse verbunden ist, daß auf der angetriebenen Welle ein Drehzahl-Spannungswandler
angeordnet ist, daß die Dehnungsmeßstreifen in einer Meßbrücke verschaltet sind, daß eine derartige
elektrische Verbindung vom Wandler zum Kxaftaufnehmer
besteht, daß die drehzahlabhängige Spannung Us
des Wandlers die Speisespannung der DMS-Brücke bildet, daß der Ausgang des Kraftaufnehmers, an dem
eine Istwertspannung auftritt, mit einem Komparator verbunden ist, mit dem ferner ein Sollwertgeber zur
Lieferung einer Spannung Uc entsprechend dem Sollwert der Ergometerleistung verbunden ist, und daß
als Einstelleinrichtung ein Stellmotor vorgesehen ist, dessen Antriebskreis mit dem Ausgang des Komparators
über einen Regler verbunden ist.
Solche Kraftaufnehmer sind beispielsweise aus der DE-OS 2011 686 bekannt Dabei handelt es sich
beispielsweise um in Brückenanordnung vorgesehene Dehnungsmeßstreifen an einer Seite eines durch das
Drehmoment infolge der aufgebrachten Drehzahl auslenkbaren Hebels. Kraftaufnehmer sind einerseits
einfacher und robuster als bekannte, als Meßglieder verwendete Wandler ausgeführt. Durch die angegebene
Lösung wird zunächst unter Einfügung eines mechanischen Mittels, welches aber nicht umläuft oder
angetrieben, sondern in Abhängigkeit vom Drehmoment lediglich belastet und verformt wird, ein
elektrisches Signal erzeugt, das der eingebrachten Leistung proportional ist Aufwendige Multiplikationsschaltkreise sind dabei entbehrlich. Vor allem entfällt
eine stufenweise Änderung von Größen durch Zu- oder Abschaltung von Widerständen.
Vorzugsweise ist der Regler ein Feldregler für den Stellmotor, für den eine Fremderregungsspannungsquelle
vorgesehen ist.
Dabei liegt ein Vorteil auch darin, daß das elektrische Ausgangssignal des Kraftaufnehmers beim stufenlosen
Übergang zu verschiedenen Belastungen der die Ergometervorrichtung benutzenden Person auch zu
Untersuchungszwecken anwendbar ist, so daß es besonders für den medizinischen Bereich zu Rehabilitationszwecken
und für die Untersuchung von Personen geeignet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der verstellbare Teil der Wirbelstrombremse
mit einem durch eine Spindel verstellbaren Betätigungselement versehen, und der Stellmotor ist an der Spindel
ausgeführten Einstellvorrichtung für die Wirbelstrombremse angeordnet.
Dabei kann mit wenigen und robusten Bauteilen, die weitestgehend wartungsfrei sind, übergangslos eine
Einstellung auf gleiche Leistung erreicht werden, wobei diese Leistung aber beliebig durch den Sollwertgeber
für eine Sollwertspannung wählbar ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in der Zeichnung
dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 in schematischer Ansicht ein Ergometer,
Fig.2 eine Seitenteilansicht von Elementen der Wirbelstrombremse,
Fig.3 eine Stirnansicht von Fig.2 längs der Linie
IH-IIl in Teildarstellung,
Fig.4 eine Blockdarstellung für die beschriebene Ausführungsform.
F i g. 1 zeigt ein im Aufbau übliches Ergometer mit einem Sattel 1 auf einem Gestell 2, an welchem eine
Pedalanordnung 3 und ein fahrradartiger Lenker 4 angeordnet sind, unterhalb dessen ein Anzeigekasten 5
angeordnet ist, auf dessen Oberseite Einstell- und Anzeigeelemente vorgesehen sind. Unterhalb des
Lenkers 4 ist ein Gehäuse 6 angeordnet, in welchem eine angetriebene Welle 7 gelagert ist und — wie aus
weiteren Figuren hervorgeht — auch eine Wirbelstrombremse 29 und ein Kraftaufnehmer 20.
Wie auch aus F i g. 2 erkennbar ist, ist zwischen Wänden 9 und 12 des Gehäuses 6 eine Achse 10
gelagert. Auf einer fest auf ihr angeordneten Wellenbuchse 40 ist über Wälzlager 41 die angetriebene Welle
7 mit einem Ritzel 11 gelagert, das von einem Zahnriemenantrieb 8 von der Pedalanordnung 3 her
angetrieben wird. Auf dieser angetriebenen Welle 7 ist als Element der Wirbelstrombremse 29 ein Wirbelstromläufer
16 drehfest angeordnet. Koaxial dazu ist am anderen Ende der Achse 10 drehfest, aber axial zu ihr
verschiebbar, eine Nabenbuchse 42 vorgesehen, auf welcher mittels eines Wälzlagers 43 eine Nabe 15 eines
Magnetpolträgers 14 der Wirbelstrombremse angeordnet ist. Dieser Magnetpolträger ist daher in bezug zur
Achse 10 axial verschiebbar und verdrehbar. Durch Drehung des Wirbelstromläufers 16, beispielsweise
einer Aluminiumscheibe, wird aufgrund der aus dem Magnetpolträger 14 und seinen Magnetteilen 17
austretenden und die Scheibe 16 durchsetzenden magnetischen Kraftlinien ein Drehmoment auf den
Magnetpolträger 14 ausgeübt. Die Magnetteile 17 sind zweckmäßig als Ring mit Magnetzonen ausgeführt.
Wie aus Fig.3 ersichtlich ist, greift an den Magnetpolträger 14 eine Zugverbindung 21 an,
beispielsweise ein Gestänge oder ein Seil, deren freies Ende mit einem Ende eines Hebels 22 verbunden ist,
dessen anderes Ende bei 23 im Gehäuse 6 befestigt ist. Dieser Hebel 22 ist der Träger für die Dehnungsmeßstreifen
(DMS), die in an sich bekannter Weise in einer Brückenanordnung an einer Seite des Hebels 22
angeordnet sind, wie beispielsweise bei 24. Der Kraftaufnehmer insgesamt ist mit 20 bezeichnet. Die
Dehnungsmeßstreifen könnten auch an anderen Seiten des Hebels 22 vorgesehen sein unter entsprechender
Ausrichtung der Brücke.
Der Hebel hat eine Biegungsfähigkeit, die darauf abgestimmt ist, daß bei dem sich am Magnetpolträger 14
ergebenden Drehmoment eine genügende Auslenkung vorhanden ist, um den Kraftaufnehmer mit den
Dehnungsmeßstreifen so zu verstimmen, daß eine eingespeiste Spannung proportional zum Drehmoment
verändert wird. Durch den Hebel 22 und seine Zugverbindung zum Magnetpolträger 14 wird die
Bremskraft aufgebracht und angezeigt.
Auf der angetriebenen Welle befindet sich ein Drehzahlspannungswandler 19, vorteilhaft in der
Ausführung mit einer Lochscheibe 44 und einer Meßschranke 45, die den Rand der Lochscheibe 44
übergreift und an einer Seite eine Lichtquelle und an der anderen Seite eine Empfangsdiode besitzt. Die Meßschranke
45 ist an der Wand 9 befestigt. Hierbei handelt es sich um einen Teil des Drehzahlspannungswandlers in
der Ausführung als Digital-Analogwandler mit nachgeschaltetem Frequenzspannungswandler oder dergleichen. Dieser liefert eine von der Drehzahl der
angetriebenen Welle 7 abhängige Spannung. Diese Spannung ist die im folgenden mil U5 bezeichnete
Brückenspeisespannung.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Spannungen durch Digital- oder Analogsignale zugeführt werden
können.
Wenn die Verstimmung des in Brückenanordnungen vorgesehenen Kraftaufnehmers mit V bezeichnet wird,
ergibt sich am Kraftaufnehmer eine Ausgangsspannung U, = k χ Vx Us, wobei Jt eine Brückenkonstante
einführt. Da die Speisespannung Us von der Drehzahl
abhängig ist und die Versteimmung V von der Bremskraft, ergibt sich eine Ausgangsspannung ίΛ
unter Einbeziehung von Konstanten für die verschiedenen Elemente, welche der Leistung entspricht, die durch
die Pedalanordnung eingegeben wird. Bei der soweit beschriebenen Anordnung, in welcher die Wirbelstrombremse aus den Elementen 14 und 16, im ganzen mit 29,
bezeichnet ist, wird die Funktionsanordnung nach F i g. 4 geschaffen.
Es sind die Wirbelstrombremsen-Anordnung 29 sowie der Dehnungsmeßstreifen-Kraftaufnehmer 20
gezeigt, in den von dem in die Wirbelstrombremse 29 einbezogenen Drehzahl-Spannungswandler 19 ein drehzahl-abhängiges Signal über die Funktionsverbindung
30 als Brückenspeisespannung U5 und über die Zugverbindung 21 auch das Bremsmoment eingeführt
wird. Damit wird am Ausgang des Dehnungsmeßstreifen-Kraftaufnehmers 20 eine Ausgangsspannung U1
geliefert, weiche dem Eingang 59 eines Komparators 52 zugeführt wird. An den anderen Eingang 53 des
Komparators ist ein Sollwertgeber 54 angeschlossen, der eine Sollwertspannung Uc in den Komparator
einspeist. Der Sollwertgeber kann aus einer Spannungsquelle mit einem einstellbaren Widerstand bestehen,
oder auch aus mehreren Spannungsquellen, die in verschiedener Weise in Reihe oder parallel schaltbar
sind, um Verluste zu vermeiden. Die in dem Komparator ermittelte Differenzspannung Ud wird über eine
Funktionsverbindung 55 einem Regler 56 zugeführt, der zur Einstellung eines Stellmotors 57 dient Dieser ist
dafür vorgesehen, die Bremskraft der Wirbelstrombremse ständig dahingehend zu verändern, daß
Ua = Ur, gehalten wird bzw. beide Spannungen auf
einer vorbestimmten Differenz. Bei der Verwendung eines Motors kann dessen Stator beispielsweise von
einer Spannungsquelle gespeist werden, die auch Sollwertgeber erregt, sowie zum Betrieb des Drehzahl-Spannungswandlers 19 vorgesehen ist. Dazu ist eine
Batterie im Ergometer untergebracht. Der Regler 56 ist beispielsweise ein Feldregler für den Stellmotor 57,
wobei die Feldspannung auch von der Batterie abgenommen wird. Hierbei handelt es sich zweckmäßig
um einen Gleichstrom-Nebenschlußmotor. Dieser steht über eine mechanische Funktionsverbindung 58 mit der
ίο Wirbelstrombremse 29 in Verbindung.
Nunmehr wird wiederum auf die Fig.2 Bezug genommen. Es ist erkennbar, daß die Nabenbuchse 42
einen keilförmigen Betätigungseinsatz 34 aufweist, der eine schräg zur Achse 10 verlaufende Keilfläche 50 hat.
Beispielsweise kann die Achse 10 eine Axialprofilierung
in Form einer Abflachung oder eine Nut aufweisen, zu welcher eine ergänzende Profilierung an der undrehbar,
aber axial verschiebbaren Nabenbuchse 42 vorgesehen ist.
Zwischen der Wellenbuchse 40 und der Nabenbuchse 42 ist eine Druckfeder 37 angeordnet, die einen Abstand
zwischen den Teilen 14 und 16 der Wirbelstrombremse 29 einstellt. Dieser Abstand ist in Abhängigkeit davon
veränderbar, daß ein Betätigungselement 36 mit
entsprechender Abschrägung auf die Keilfläche 50 am
Betätigungsansatz 34 drückt. Dieses Betätigungselement 36 ist somit im Sinne des Doppelpfeils 38 durch
eine im ganzen mit 39 bezeichnete Einstelleinrichtung verstellbar. Diese besteht beispielsweise aus einer
eine im Gehäuse an einem Träger 47 geführte Spindel
48 geschraubt ist. Letztere ist durch den am Träger 47
angeordneten Stellmotor 57 antreibbar.
eine Gegenzugfeder 51 angreift, um ein Seil 21 ständig
straff zu halten und den Kraftaufnehmer 20 mit einer geringen Vorspannung zu versehen.
Es ist erkennbar, daß in Abhängigkeit von der Einstellung des Sollwertgebers 54, ausgehend von einer
Grundstellung beim Anfahren des Ergometers, bei welchem zunächst eine geringe Drehzahl vorliegt, eine
erhöhte Bremskraft durch Annäherung des Magnetpolständers an den Wirbelstromläufer erzeugt wird und bei
allmählicher Abnahme der Differenzspannung Ud dann
durch den Regler 56 eine größere Entfernung eingestellt
wird, solange, bis U, = Uc ist, so daß dann der Proband
mit einer vorgewählten Leistung belastet wird. In der
beschriebenen Weise erfolgt dann eine kontinuierliche Anpassung.
Claims (3)
1. Ergometer mit einer durch Drehhebel antreibbaren Welle, an der ein Element einer Wirbelstrombremse
angeordnet ist, deren anderes Element mit einer Einstelleinrichtung versehen ist, durch welches
der Abstand zwischen den Elementen der Wirbelstrombremse veränderlich ist, wobei das andere
Element mit einem das Bremsmoment aufnehmenden Teil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der das Bremsmoment aufnehmende Teil ein mit Dehnungsmeßstreifen (24) versehener Kraftaufnehmer (20) ist, dessen freies
Ende mit dem anderen Teil (14) der Wirbelstrombremse (29) verbunden ist, daß auf der angetriebenen
Welle (7) ein Drehzahl-Spannungswandler (19) angeordnet ist, daß die Dehnungsmeßstreifen in
einer Meßbrücke verschaltet sind, daß eine derartige elektrische Verbindung (30) vom Wandler (19) zum
Kraftaufnehmer (20) besteht, daß die drehzahlabhängige Spannung U5 des Wandlers (19) die
Speisespannung der DMS-Brücke bildet, daß der Ausgang des Kraftaufnehmers, an dem eine
Istwertspannung auftritt, mit einem Komparator (52) verbunden ist, mit dem ferner ein Sollwertgeber
(54) zur Lieferung einer Spannung Ua entsprechend dem Sollwert der Ergometerleistung verbunden ist,
und daß als Einstelleinrichtung ein Stellmotor (57) vorgesehen ist, dessen Antriebskreis mit dem
Ausgang des Komparator (52) über einen Regler (56) verbunden ist.
2. Ergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (56) ein Feldregler für den
Stellmotor (57) ist, für den eine Fremderregungsspannungsquelle vorgesehen ist.
3. Ergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verstellbare Teil der Wirbelstrombremse
(29) mit einem durch eine Spindel verstellbaren Betätigungselement versehen ist und daß der
Stellmotor (57) an der Spindel (48) angeordnet ist.
Priority Applications (1)
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DE19782852702 DE2852702C3 (de) | 1978-12-06 | 1978-12-06 | Ergometer |
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DE2852702B2 true DE2852702B2 (de) | 1981-06-11 |
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Family
ID=6056435
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
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DE (1) | DE2852702C3 (de) |
Families Citing this family (1)
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DE7523938U (de) * | 1975-07-26 | 1976-01-29 | Fa. Heinz Kettler, 4763 Ense | Fahrrad-Ergometer |
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-
1978
- 1978-12-06 DE DE19782852702 patent/DE2852702C3/de not_active Expired
Also Published As
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