DE2852702C3

DE2852702C3 - Ergometer

Info

Publication number: DE2852702C3
Application number: DE19782852702
Authority: DE
Inventors: Willi 2057 Reinbek Sontopski
Original assignee: Vogel & Halke 2000 Hamburg De
Current assignee: Vogel & Halke 2000 Hamburg De
Priority date: 1978-12-06
Filing date: 1978-12-06
Publication date: 1984-09-13
Also published as: DE2852702A1; DE2852702B2

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 w> 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 allgemei- b5 nen 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.

Bei einem aus der DE-OS 24 23 150 bekannten Ergometer ist der die Bremskraft aufnehmende Teil ein mit Dehnungsmeßstreifen versehener Kraftaufnehmer, und auf der angetriebenen Welle ist ein Drehzahl-Spannungswandler angeordnet. Die Dehnungsmeßstreifen sind in einer Meßbrücke verschaltet, und durch eine derartige elektrische Verbindung vom Wandler zum Kraftaufnehmer bildet die drehzahlabhängige Spannung des Wandlers die Speisespannung der Dehnungsmeßstreifenbrücke. Diese Dehnungsmeßstreifenbrücke ist einem Tachometergenerator vorgeschaltet. Diese Ausführung steht unter dem Gesichtspunkt einer möglichst problemlosen und schnellen Leistungsmessung.

Auch aus der Literaturstelle K. Ogawa »A new Japanese Ergometer«, 3. internationales Seminar für Ergometrie, S. 177 — 179, Berlin 1972, ist der Einsatz von sogenannten Dehnungsmeßstreifen in Brückenschaltungen in Verbindung mit einer Vergleichsschaltung bekannt, um die in den Pedalen wechselnden Belastungen hinsichtlich ihres negativen Einflusses auf die Leistungsanzeige zu beseitigen. Diese Ausführung arbeitet mit einem Generator zusammen, für den ein fest eingestellter Belastungswiderstand vorgesehen ist.

In der DE-OS 26 29 516 ist ein Ergometer beschrieben, bei dem ein Drehzahl-Spannungswandler angeord-

i>.st ist, Dehnungsmeßstreifen in einer Brücke verschaltet sind und bei dem eine der Leistung proportionale Istwertspannung einem Komparator zugeführt ist, mit dem ferner ein Sollwertgeber zur Lieferung einer Spannung entsprechend dem Sollwert der Ergometerleistung verbunden ist, und die Ausgangsspannung des !Comparators als Regelgröße dient Dabei soll ein Regler die gesamte vom Benutzer an der Antriebsvorrichtung erzeugte Leistung bei unterschiedlichen Antriebsdrehzahlen konstant halten. Ein angekuppelter Genera- tor ist mit einer an den Ausgang angeschlossenen Last und der Regler mit Dehnungsmeßstreifen am Arm der Drehkurbel ist zur Steuerung der elektrischen Verlustleistung der Belastungseinrichtung aufgrund eines SoIl- und Ist-Wert-Vergleiches vorgesehen. Auch bei dieser Ausführung liegt aber eine impulsweise Ist-Wert-Eingabe vor. Die Verwendung eines Generators hat die oben angegebenen Nachteile. Der Aufwand ist erheolich.

Im Zusammenhang mit einem Ergometer ist eine besondere Schaltung aus der DE-AS 16 16 895 unter dem Gesichtspunkt bekannt, daß das Gerät gegen Netzstörungen unempfindlich sein und eine besondere Erdung eines Patienten vermieden werden soll, was bei bekannten Ausführungen an sich für bestimmte Messungen für notwendig gehalten wird, um Einflüsse von der Netzseite her zu vermeiden. Dabei wird die Stromversorgungsschaltung der elektrischen Regeleinrichtung von einem Ergometer-Generator gespeist.

Kraftaufnehmer sind auch aus der DE-OS 20 11 68£ bekannt. Dabei handelt es sich um in Briickenanordnungen vorgesehene Dehnungsmeßstreifen an einer Seite eines durch das Drehmoment infolge der aufgebrachten Drehzahl auslenkbaren Hebels.

Mit den bekannten Ausführungen ist es schwierig, die Belastung eines Probanden sehr genau einzuhalten, insbesondere wenn ein Dehnungsmeßstreifen im Pedal angeordnet ist und damit eine stoßweise und weitgehend unkontrollierte Eingabe vom Antrieb her erfolgt. Insbesondere bei medizinischen Untersuchungen ist aber eine gleichmäßige Anpassung an die Belastung erforderlich. Im allgemeinen ergeben sich in der Praxis aneinander anschließende Wellen erhöhter und verminderter Leistung.

Die in diesem Zusammenhang bekannte Zu- und Abschaltung von Widerständen an generatorischen Bremsen zur Anpassung an die Belastung ist aufwendig und teuer.

Der Erfindung 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 Ergometerleistung 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 Kraftaufnehmer besteht, daß die drehzahlabhängige Spannung U_s des Wandlers die Speisespannung der DMS-Brücke bildet, daß der Ausgang des Kraftaufnehmers, an dem eine !stwertspannung auftritt, mit einem Komparator verbunden ist, mit dem ferner ein Sollwertgeber zur Lieferung einer Spannung Ug 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

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 als 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,

F i g. 3 eine Stirnansicht von F i g. 2 längs der Linie III-III 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 Fig.2 erkennbar ist, ist zwischen Wänden 9 und 12 des Gehäuses 6 eine Achse 10 gelagert. Auf einer fest auf ihr angeordneten Wellenbuchse IO 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 2 ' 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)₁ 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 «5 Spannung ist die im folgenden mit U₁ bezeichnete Brückenspeisespannung.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Spannungen durch Digital- oder Analogsignale zugeführt werden können. so

Wenn die Verstimmung des in Brückenanordnungen vorgesehenen Kraftaufnehmers mit V bezeichnet wird, ergibt sich am Kraftaufnehmer eine Ausgangsspannung U₃ = k χ Vx U₅, wobei Ic eine Brückenkonstante einführt Da die Speisespannung U₅ von der Drehzahl abhängig ist und die Verstimmung V von der Bremskraft ergibt sich eine Ausgangsspannung U, 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 U_s und über die Zugverbindung 21 auch das Bremsmoment eingeführt wird. Damit wird am Ausgang des Dehnungsmeßstreifen-Kraftaufnehmers 20 eine Ausgangsspannung U_a geliefert, welche dem Eingang 59 eines Komparator 52 zugeführt wird. An den anderen Eingang 53 des Komparator ist ein Sollwertgeber 54 angeschlossen, der eine Sollwertspannung Ua 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 U₃ = Uq 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 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 Spindelmutter 46 am Betätigungselement 36, durch die eine im Gehäuse an einem Träger 47 geführte Spindel 48 geschraubt ist Letztere ist durch den am Träger 47 angeordneten Stellmotor 57 antreibbar.

Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß am Magnetpolträger 14 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 Magnetpol-Ständers 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

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 (24) 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 (20), an dem eine Istwertspannung auftritt, mit einem Komparator (52) verbunden ist, mit dem ferner ein Sollwertgeber (54) zur Lieferung einer Spannung Uc entsprechend dem Sollwert der Ergometerleistung verbunden ist, und daß als Einstelleinrichtung ein Stellmotor (57) vorgesehen ist, dessen Antriebskreis mit dem Ausgang des Komparators (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 (48) verstellbaren Betätigungselement versehen ist und daß der Stellmotor (57) an der Spindel (48) angeordnet ist.