DE4419307A1 - Hysteresebremse zur Bremskrafteinstellung bei ortsfesten Trainingsgeräten und Ergometern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung und Vereinfachung der Bremskrafteinstellung mittels einer Hysteresebremse als Bremsein­ richtung bei Trainingsgeräten und Ergometern.

Mit dem Ausdruck "Trainingsgerät" sind nur Trainingsgeräte für ortsfestes körperliches Training gemeint, wie z. B. Rudergeräte, Laufbänder, handkurbelangetriebene Trainingsgeräte und solche, die in Verbindung mit Fahrrädern oder Fahrrad-ähnlichen ausgebildet werden.

Der Ausdruck "Ergometer" umfaßt auch andere Ergometer als Fahrrad­ ergometer, insbesondere Handkurbelergometer, Laufbandergometer und dergleichen.

Unter dem Ausdruck "Hysteresebremse" ist ebenso eine Hysterese­ kupplung zu verstehen, die auf die gleiche Wirkungsweise wie eine Hysteresebremse arbeitet.

Derartige Trainingsgeräte und Ergometer, die im Drehsinn antreibbar sind, benötigen eine Bremseinrichtung, wodurch die vom Trainierenden oder Probanden aufgebrachte physiologische Leistung in Wärme umgewandelt wird.

Bei Trainingsgeräten die anspruchsvolle Aufgaben erfüllen sollen, wie z. B. die beim Radfahren entstehende Belastung längs einer natürlichen oder imaginären Radstrecke wirklichkeitsgerecht nachzubilden (vergl. DE OS 3404539), erfordert dies hohe Anforderungen an die Bremseinrichtung und deren Ansteuerung. Ein Ergometer dient zur Bestimmung der physiologischen Leistungs­ fähigkeit eines Probanden. Ein häufig verwendetes Ergometer ist das Fahrradergometer, bei dem der Proband durch Treten der Pedale eine Bremseinrichtung direkt oder indirekt antreibt. Die vom Probanden aufzubringende Leistung kann dabei mit der Bremsein­ richtung durch mehr oder weniger starkes Abbremsen der ange­ triebenen Teile vorgegeben werden. Die im medizinischen Bereich verwendeten Ergometer sollen nach Möglichkeit die Leistung unabhängig von der Tretfrequenz des Probanden vorgeben. Dazu muß mit zunehmender Tretfrequenz die Bremswirkung verringert bzw. bei abnehmender Tretfrequenz die Bremswirkung erhöht werden. Das mit der Bremseinrichtung erzeugte Bremsmoment M ist also im Arbeits­ bereich des Ergometers in umgekehrt proportionalem Verhältnis zur Tretfrequenz einzustellen. Schon aufgrund der Vielzahl der verschiedenen Einflußfaktoren setzt das Konstanthalten der Tretleistung einen erhöhten Bremsmomentregelungs- bzw. Steuerungs­ aufwand voraus, der bei technisch vertretbarem Aufwand möglichst gering zu halten ist.

Bei Trainingsgeräten und Ergometern vom heutigen Stand der Technik verwendet man neben einfachen mechanischen Bremseinrichtungen, die nach dem Reibschlußverfahren arbeiten, insbesondere solche Brems­ einrichtungen, die auf Grundlage der Wirbelstrombremsung basieren (vergl. RAD MAGAZIN "TOUR" Jahrgang 94, Heft 1, Seiten 34 bis 40, DE 36 03 854, DE 36 29 808, DE 30 22 536, DE GM 8 10 736, DE AS 15 41 145, DE GM 75 23 938), wobei die Bremslast mechanisch oder programmgesteuert eingestellt wird.

Es zeigt

Fig. 1 drei Kennlinien der Wirbelstrombremse.

Bei einer Wirbelstrombremse als Bremsmaschine dreht sich eine Metallscheibe in einem Luftspalt mit der Breite b, durch welchen ein magnetischer Fluß hindurchgeht.

Der magnetische Fluß Φ kann durch einen Dauermagneten oder durch eine stromdurchflossene Spule im Luftspalt erzeugt werden. Dreht sich die Metallscheibe mit einer Drehzahl n die größer als null ist, werden Wirbelströme induziert, die ein Bremsmoment hervor­ rufen. Das Bremsmoment M hängt bei der Wirbelstrombremse neben konstruktiven Maßnahmen hauptsächlich von der Drehzahl n und von dem Fluß Φ ab. Der Fluß Φ wird durch Verändern der Luftspaltbreite b bzw. durch Verändern des Erregerstromes I variiert. Bei konstan­ ter Luftspaltbreite b ist demzufolge das Bremsmoment der Wirbel­ strombremse abhängig von der Drehzahl n und dem Erregerstrom I (vergl. Kennlinien Fig. 1: n=1500 U/min, n=500 U/min, n=0 U/min). Bei herkömmlichen Ergometern oder Trainingsgeräten mit programmge­ steuerter Wirbelstrombremse wird dementsprechend das geforderte Bremsmoment mit Hilfe des Spulenstroms I bzw. Luftspaltbreite b, unter zusätzlicher Berücksichtigung der Drehzahl n eingestellt. Die Kennlinie der Wirbelstrombremse (vergl. Kennlinie Fig. 1 n=0 U/min) zeigt, daß bei der Drehzahl n=0 kein Bremsmoment eingestellt werden kann und dies nicht sprunghaft, sondern mit steigender Drehzahl entsprechend dem Erregerstrom auf den Höchstwert ansteigt. Dieser Kurvenverlauf ist für eine Wirbel­ strombremse charakteristisch.

Für ein Trainingsgerät welches z. B. eine Radstrecke mit verschiedenen Neigungen simulieren soll, wobei bei einer großen Streckensteigung ein großes Bremsmoment bei sehr niedriger Drehzahl einzustellen ist, ist eine Wirbelstrombremse in diesem Arbeitsbereich ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Ergometern und Trainingsgeräten der Eingangs angegebenen Art eine Verbesserung und Vereinfachung der Bremskrafteinstellung dadurch zu erreichen, daß einerseits bei Drehzahlen im Bereich n=0 U/min ohne erhöhten technischen Aufwand ein der Anwendung entsprechendes Bremsmoment M eingestellt werden kann und andererseits das Bremsmoment M im wesentlichen nur von einer Größe z. B. Erregerstrom I oder Luftspaltbreite b abhängt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bremseinrichtung eine Hysteresebremse ist.

Es zeigt

Fig. 2 die Kennlinie der Hysteresebremse.

Die Hysteresebremse besteht aus Bremsmagnet und Anker, wobei die Arbeitsweise (vergl. DE 85 19 180) auf magnetischer Kraftwirkung sich anziehender Pole bei Drehzahl n=0 U/min bzw. auf ständiger Ummagnetisierung im Schlupfbetrieb (n<0 U/min) beruht. Die Schlupfleistung wird in Wärme umgewandelt. Schlupf und Still­ standsbremsmoment M sind gleichermaßen nur vom Erregerstrom I abhängig (vergl. Kennlinie Fig. 2) und von 0 bis zum typenbe­ zogenen Maximalwert stufenlos einstellbar. Hierbei ist die Steuergröße für das Bremsmoment der Erregerstrom, welcher einfach über die Bremsmoment-Stromkennlinie mit dem Bremsmoment verknüpft ist und nicht wie bei der Wirbelstrombremse über eine Bremsmoment- Strom-Drehzahlkennlinie. Diese Tatsache ermöglicht bei Trainings­ geräten und Ergometern somit einen vereinfachten Rechen- und Steueraufwand zum Einstellen des Bremsmoments als bisher.

Ferner wird der Fehler, d. h. die Differenz zwischen Bremsmoment- Soll- und Istwert bei einer Steuerung des Bremsmomentes mittels Hysteresebremse herabgesetzt, da diese Kennlinie im wesentlichen nur von einer Größe und nicht von zwei Größen abhängt, wobei das Letztere eine Fehlerfortpflanzung eher begünstigt.

Es zeigt

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines ortsfesten Trainingsgerätes.

In der Darstellung ist ein Fahrrad (6) mit einer feststehenden Apparatur (5), bestehend aus einer Halterung für die Bremsein­ richtung (4) und das Fahrrad, so verbunden, daß das Hinterrad an die Bremseinrichtung (4), bestehend aus einer gelagerten Brems­ rolle mit Hysteresebremse, entsprechend an die Bremsrolle angedrückt werden kann. Für die programmgesteuerte Hysteresebremse ist hierbei der Erregerstrom für das Bremsmoment die Steuergröße, welche eine Stromquelle der Steuerelektronik (3) bereitstellt. Ferner nimmt die Steuerelektronik (3) über eine entsprechende Sensorik Trainingsdaten wie Geschwindigkeit des Hinterrades, Herzfrequenz und Tretkurbelfrequenz auf und übergibt diese über eine parallele oder serielle Computerschnittstelle (2) an einen Leitrechner (1), insbesondere einen handelsüblichen Personal­ computer weiter. Dieser PC (1) gibt die Trainingsdaten an ein Leistungsdiagnoseprogramm zur Ermittlung der körperlichen Leistungsfähigkeit oder ein Trainingsprogramm weiter.

Das Trainingsprogramm bildet hier das Radfahren visuell und funk­ tionell so nach, daß ein farbiges Radsymbol (10) positionsfest auf dem Computerbildschirm (11) erscheint, unter dem sich das Streckenprofil (9) einer realen oder imaginären Radstrecke ent­ sprechend der Geschwindigkeit des Hinterrades vorbeibewegt. Das Bremsmoment wird entsprechend den beim realen Radfahren entstehenden Belastungen vom Trainingsprogramm errechnet und dieses als proportionales, digitales Bremsmoment über die Computerschnittstelle (2) an die Steuerelektronik (3) übertragen. Die Steuerelektronik wandelt dieses empfangene digitale Bremsmoment über die zur Hysteresebremse zugehörige Bremsmoment-Erregerstromkennlinie oder eine Bremsmoment-Erreger­ stromtabelle in einen entsprechenden digitalen Erregerstromwert um, welcher mittels D/A-Wandler über die Stromquelle an die Hysteresebremse weitergegeben wird.

Wird ein Streckenprofil abgefahren, so kann die Trainingsleistung verteilt über die Trainingszeit in einer Trainingsdatei (14) gespeichert werden, um diese bei einer späteren Trainingsfahrt auf demselben Streckenprofil einem fiktiven Trainingspartner 50 aufzuerlegen, daß dieser Trainingspartner als zweites farbiges Radsymbol (8) das Streckenprofil (9) mit der in der Datei gespei­ cherten Trainingsleistung zusätzlich abfährt. Solch eine Trainingsdatei (14) kann eine simulierte Trainingsfahrt mit konstant vorgegebener oder zeitlich veränderlicher Trainings­ leistung beinhalten. Hierdurch ist die Möglichkeit geschaffen nach einem fest vorgegebenen Trainingsplan in Form eines fiktiven Trainingspartners zu trainieren. Ein separates Programm könnte diese Trainingsdatei, in der eine simulierte Trainingseinheit enthalten ist, erstellen.

Desweiteren kann zur Ist-Geschwindigkeit Vist (12) des Hinterrades auf dem Computerbildschirm eine Soll-Geschwindigkeit Vsoll (12) vom Sollgeschwindigkeitsprogramm berechnet und angezeigt werden. Wird diese Soll-Geschwindigkeit Vsoll vom Trainierenden in gewissen Grenzen eingehalten, so kann die Herzschlagfrequenz geregelt werden.

Ein Leistungsdiagnoseprogramm könnte einen Leistungsdiagnosetest, bekannt als Conconi-Test mit einem Trainierenden oder einem Probanden so durchführen, daß bei Kenntnis der Verlustleistungen aller sich drehenden Teile an Fahrrad und Bremsrolle, die vom Trainierenden abgegebene Tretleistung an der Tretkurbel unabhängig von der Hinterradgeschwindigkeit konstant bleibt. Das Leistungsdiagnoseprogramm berechnet hierbei unter Berücksichtigung der Hinterradgeschwindigkeit, der oben aufgeführten Verlustleistung und der vorgegebenen Tretkurbelleistung, das digitale Bremsmoment, welches mittels Bremsmoment- Erregerstromkennlinie als Erregerstrom an die Hysteresebremse weitergeben wird.

Claims (8)

1. Ortsfestes Trainingsgerät und Ergometer o. dgl., mit einer der Antriebseinrichtung zugeordneten, programmgesteuerten Bremsein­ richtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremseinrichtung (4), eine Hysteresebremse oder Hysteresekupplung ist.

2. Ortsfestes Trainingsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremseinrichtung (4) direkt oder indirekt an einen Leitrechner (1) mit Anzeigevorrichtung (11) gekoppelt ist.

3. Ortsfestes Trainingsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Bremseinrichtung (4) und dem Leitrechner (1) eine Schnittstelle (2) zum direkten oder indirekten Übertragen der Brems- und Trainingsdaten vorgesehen ist.

4. Ortsfestes Trainingsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leistungsdiagnosetest nach Conconi durchführbar ist.

5. Ortsfestes Trainingsgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Leitrechner (1) auf der Anzeigevorrichtung (11) ein positionsfestes Trainingssymbol (10) und ein imaginäres oder reales Streckenprofil (9) erzeugbar ist, wobei sich das Strecken­ profil (9) entsprechend der Geschwindigkeit der Antriebsein­ richtung unter dem Trainingssymbol (10) vorbeibewegt.

6. Ortsfestes Trainingsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trainingsdatei (14) mit einer Trainingsleistung als Vergleichssymbol (8) auf der Anzeigevorrichtung (11) darstellbar ist.

7. Ortsfestes Trainingsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Leitrechner (1) auf der Anzeigevorrichtung (11) eine Ist- und eine Soll-Geschwindigkeit (12 u. 13) anzeigbar ist, wobei die Soll-Geschwindigkeit im wesentlichen von den physiologischen Leistungsdaten eines Trainierenden und des Streckenprofils (9) abhängig ist, um beim Training eine Soll-Herzschlagfrequenz anzustreben.

8. Ortsfestes Trainingsgerät nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine mit einem Hinterrad verbundene Tretkurbel ist.