CN100337704C - 用于锻炼器械的可变阻力装置 - Google Patents

Abstract

一种可变阻力装置(100)，适于包含在锻炼器械中，以便向该锻炼器械提供可选择变化的阻力。装置有主流体腔室(1)。旋转机构(2)在该主腔室(1)内旋转。该旋转机构(2)在旋转时受到的阻力量取决于在主流体腔室(1)中的流体量。辅助腔室(3)位于主腔室(1)内或附近，辅助腔室(3)用于在主流体腔室(1)中获得和保持合适流体量，以便向锻炼器械提供选定的阻力量。流体从主腔室(1)流入辅助腔室(3)，然后返回到主腔室(1)内。流体流的可变控制用于在主腔室中形成和保持用于一定阻力量所需的合适量流体；并向锻炼器械提供不同的阻力量。

Description

用于锻炼器械的可变阻力装置

技术领域

本发明涉及一种可变阻力装置，该可变阻力装置适于包含在锻炼器械中，以便向锻炼器械提供可选择变化的阻力量。

背景技术

由定义可知，锻炼器械需要向用户提供一定的阻力量，以便进行肌肉锻炼。在几乎所有形式的锻炼中，都需要在锻炼器械中具有可变的阻力量。

首先，用户需要能够以最小的力且最简单地改变阻力量。

其次，还需要能够精确和可重复地选择阻力量。对于运动员使用的阻力机器，特别需要如此，因为运动员需要准确测定阻力值，这样，该值可以作为监测他们的锻炼程序的准确参考点。例如，运动协会将受益于精确标定的锻炼器械，以便长期对大量运动员进行测试，这样，可以保证在一组测试锻炼中采用的阻力量保持长期恒定。这种程度的可重复性通常很难在例如采用磁阻和风阻的锻炼器械中保持。当采用磁阻时，磁体的标度可能在经过一定时间后改变。风阻可能受到大气压大小的影响，特别是当相同机器用于不同海拔高度时。

用户甚至还需要在锻炼时可选择地改变阻力量。在PCT/US88/01580(DUKE的国际申请WO88/08735)中，模拟划船的锻炼器械设有阻力装置，该阻力装置包括在充满水的柱形容器中旋转的桨。在容器中的流体量确定了用户承受的阻力量。该现有技术的机器设有与驱动绳索相连的手柄。用户拉动和释放驱动绳索，从而模拟在划船时的划桨。不过，在该现有技术装置中，通过在驱动卷轴上缠绕更多或更少量的条带的复杂方法来改变阻力。据认为，当周长增大或减小时将增大或减小切向力。而且，这种改变阻力的方式不能提供准确和可重复的阻力量，这是因为用户不知道应当缠绕多少条带，也不知道应当使多少条带保持不缠绕。还有，通过缠绕和解开绳索可以产生的阻力范围很窄，因此，用户不能使用较大范围的阻力值。

在涉及在水槽中旋转的桨叶的阻力的现有技术中，系统包括主腔室和辅助腔室，其中，液体在这些腔室之间传递，以便改变在主容器中的液体量，桨在该主容器中旋转，例如在美国专利No.5944637(Stickler)和美国专利No.5195936(Mao)中所述。不过，在这些现有技术中，将迫使液体通过相同的孔从主腔室进入辅助腔室。换句话说，液体通过相同的孔进行双向流动。因此，这些现有技术装置必须设有复杂机构，以便迫使液体首先沿主方向通过相同的孔，然后沿辅助方向通过该相同孔返回。这意味着锻炼器械需要复杂且因此更昂贵的机构，以便迫使液体进出连接这些腔室的孔。

本发明的目的是克服或至少改善现有技术中的一个或多个上述问题，或者提供改进的可选形式。

发明内容

根据本发明，提供了一种可变阻力装置，该可变阻力装置适于包含在锻炼器械中，以便向该锻炼器械提供可选择变化的阻力，该装置包括：

主流体腔室，用于在其中接收流体，该主腔室有主流体流动区域；

旋转机构，该旋转机构布置在主流体流动区域内，并用于在该主流体流动区域内旋转，这样，该旋转机构在旋转时受到的阻力量取决于在主流体腔室中的流体量，该旋转机构用于通过来自锻炼器械的旋转输入而旋转；

辅助机构，该辅助机构用于在主流体腔室中获得和保持合适流体量，以便向锻炼器械提供选定的阻力量，该辅助机构有辅助流体流动区域；

流体流动回路，该流体流动回路包括所述主流体流动区域和辅助流体流动区域，流体通过该回路流动，以便形成回路流动状态，该回路流动状态绕回路重复循环，即从主流体流动区域进入辅助流体流动区域内，然后返回到主流体流动区域内，该回路流动状态用于在使用过程中在主流体腔室中形成和保持所述合适流体量；以及

变化装置，用于可变地控制流体通过回路的流动，以便选择形成不同的回路流动状态，每个回路流动状态对应于在主流体腔室中的不同合适流体量，以便向锻炼器械提供不同的阻力量。

优选是，辅助机构包括辅助流体腔室，用于在该辅助流体腔室内接收流体，该辅助流体腔室有所述辅助流体流动区域。

优选是，在主流体腔室中的流体量能够通过测量在辅助流体腔室中的流体高度来确定。

在一个实施例中，辅助流体腔室可以位于主流体腔室的外部。

在另一实施例中，辅助流体腔室可以位于主流体腔室的内部。

优选是，主流体腔室的主流体流动区域由主流体腔室的内表面和辅助流体腔室的外表面确定。

优选是，主流体腔室的内表面形成主圆，而辅助流体腔室的外表面形成辅助圆，该辅助圆与主圆同心且同轴，该主流体流动区域基本在这两个圆之间。

优选是，主流体流动区域基本环绕辅助流体腔室。

在一个实施例中，主流体流动区域可以布置成基本水平。

优选是，主流体流动区域还包括在辅助圆内且在辅助流体腔室下面的空间，该空间确定了在辅助流体腔室的外侧底表面和主流体腔室的内表面之间的间隙。

在某些实施例中，当流体在主流体流动区域中流动时，该间隙不足以在该辅助流体腔室下面产生流体漩涡。

在某些实施例中，主流体流动区域可以布置成基本竖直。

在竖直实施例的实例中，在使用时，当用户提供旋转输入时，流体绕主流体腔室的主流体流动区域运动，还通过流体流动回路，且用户停止提供旋转输入时，在竖直定向的主腔室中的流体将落向主流体腔室的底部，从而作为使旋转机构的旋转停止的流体。

在某些实施例中，主流体腔室的内表面和/或辅助流体腔室的外表面可以设有挡板，以便阻碍流体在主流体腔室中的流动。

优选是，当流体绕主流体流动区域打旋时，该间隙足以在辅助流体腔室下面产生流体漩涡，主流体流动区域形成为这样，即使在从锻炼器械向旋转机构的输入停止之后，该漩涡也能够继续自由打旋。

优选是，辅助机构设有入口装置，该入口装置允许流体从主流动区域流入辅助流动区域。

优选是，变化装置可变地控制流体通过该入口装置的流动。

优选是，辅助机构设有出口装置，该出口装置允许流体流出辅助流动区域并返回主流动区域。

优选是，变化装置可变地控制流体通过该出口装置的流动。

优选是，变化装置通过升高或降低该出口装置的高度位置而可变地控制流体通过该出口装置的流动。

也可选择，变化装置通过增大或减小出口装置的流通尺寸来控制流体通过该出口装置的流动。

该流体可以是水或其它合适流体。

优选是，流体流动回路向大气开口，且没有液压特性。

优选是，在流体流动回路中的流体为恒量。

旋转机构可以与来自锻炼器械的旋转输入直接连接，而不需要传动和/或加速系统。

例如，锻炼器械可以是锻炼用自行车，或者是模拟划船的锻炼器械。

在某些实施例中，可以设置传动装置，以便改变来自锻炼器械的旋转速度，这样，旋转机构接收不同的输入转速。

根据本发明的另一方面，提供了一种类似的可变阻力装置，除了它不包括旋转机构，而是往复运动机构布置成适于在主流体流动区域中往复运动，这样，该往复运动机构在进行往复运动时受到的阻力量取决于在主流体腔室中的流体量，往复运动机构用于通过来自锻炼器械的机械输入而往复运动。

附图说明

为了能够更充分地理解本发明，下面将参考附图并仅作为例子来介绍本发明的实施例，附图中：

图1A表示了主流体腔室的外部盖体部件的实施例；

图1B表示了由旋转流体叶片组环绕的辅助流体腔室，其中盖体部件已经除去，以便表示该辅助腔室的内部，且为了清楚，主腔室的侧壁也省略；

图1C是可变阻力装置的各个部件的分解视图；

图1D在图1C中示出的阀组件的内部部分和外部部分的圆柱壁中的重叠开口的示意图；

图1DD是与图1D相同的示意图，只是示出的两个开口具有不同的重叠角度；

图2A是类似于图1A的视图，表示辅助实施例涉及垂直或竖直结构；

图2B表示了由旋转流体叶片组环绕的、垂直定向的辅助腔室，其中盖体部件已经除去，以便表示该辅助腔室的内部，且为了清楚，主腔室和辅助腔室的侧壁也省略；

图2C表示了可变阻力装置的垂直定向实施例的各个部件的分解视图；

图3A表示了可变阻力装置的水平实施例的剖视图；

图3B表示了图3A的实施例，其中以箭头表示了动态流体流动状态；

图3C涉及图3B中的剖面的放大详图；

图4A涉及可变阻力装置的垂直定向实施例的侧剖图；

图4B涉及图4A的实施例，其中以小箭头示意表示了动态流体的流动状态；

图5涉及垂直定向实施例的还一变化形式，其中，辅助腔室在主腔室的外部；

图6至11表示了在各种不同类型的锻炼器械中的可变阻力装置的实施例；

图12A表示了可变阻力装置的水平实施例，其中，视图进行了简化，以便着重表示该装置的工作原理；以及

图12B表示可变阻力装置的垂直实施例，其中，视图进行了简化，以便着重表示该装置的工作原理。

图12B和12A中表示了简化形式的实施例，这只是为了便于理解本发明的各个实施例的功能，这些实施例的实际结构在图1A至图11中进行更充分的表示。

在附图中，相同的部件或者功能类似的部件以相同参考标号表示，这仅仅是为了便于理解该说明。为此，在各个实施例中，某些形状和结构不同的部件在附图中以相同参考标号表示，以便帮助理解说明书。

在附图中，某些部件的相关尺寸进行了夸大，这只是为了清楚理解附图。

在图3A、3B、4A、4B和5中，点线网格用于表示液体高度的实例。

具体实施方式

首先，在详细介绍图1A至11涉及的某些示例实施例之前，为了容易理解总体概念，先参考图12A和12B中的简化附图。

装于锻炼器械中

图12A是表示可变阻力装置100的实施例的部件的简化视图。该装置100适于装于锻炼器械中，以便提供阻力，用户将克服该阻力而在该机器上进行锻炼。该装置100可以装在多种锻炼器械中，例如图6至11中所示的机器。

图6和7表示了装于锻炼器械实例中的可变阻力装置100。例如，图6和7表示了在模拟划船的机器中的装置100，该装置100分别垂直和水平布置。

图8表示了装于模拟跑步的机器中的装置，该模拟跑步的机器呈椭圆形步进器的形式。

图9表示了装于上身锻炼器械中的装置100。

图10表示了在称为斜靠脚踏车的坐踏机器中的装置100。

图11表示了装在称为直立脚踏车的静止锻炼用自行车中的装置100。

可变阻力装置的实施例可以利用已知的连接机构来装入这些已知锻炼器械中，因此，本发明并不局限于任何一种连接机构。连接机构的功能仅仅是将由用户的锻炼动作产生的旋转输入转换成使得装置100中的旋转机构旋转。旋转机构通过来自锻炼器械的旋转输入而旋转。连接机构并不是本发明的一部分，因此更应当认为连接机构是锻炼器械自身的一部分。

与现有技术的阻力装置相连的锻炼器械的实例在PCT/US88/01580(Duke的国际专利申请WO88/08735)中进行了介绍。该Duke申请中的机器和连接机构的详述被本文参引，但是仅仅作为锻炼器械和连接机构的一个实例。并不能认为本发明的可变阻力装置在Duke的现有技术中公开。

锻炼器械的还一实例是Dreissigacker的美国专利No.4396188，该美国专利涉及使用一种取决于空气的阻力的、可旋转的风扇型飞轮。Dreissigacker机器和连接机构的详述被本文参引，但是仅仅作为不同的锻炼器械和连接机构的另一实例。并不能认为本发明的可变阻力装置在Dreissigacker的现有技术中公开。

本发明的可变阻力装置适于装入一些锻炼器械中，它并不局限于特定的锻炼器械或连接机构。

来自锻炼器械的旋转输入可以直接与旋转心轴30形式的旋转叶片连接，该旋转心轴30具有一组绕心轴的公共轴线旋转的旋转叶片2。在图2C中，心轴的轴线穿过在主腔室1的底座12中的孔13。

旋转叶片与锻炼器械的旋转输入直接连接。某些实施例可能需要或不需要传动和/或加速系统。

转速在一定程度上取决于特定锻炼器械的特性。某些直接驱动机构(例如图6和7的划手臂)可以在30至100rpm的转速下使用。其它锻炼器械需要坡度向上(ramp up)传动系统，它能够使由用户身体动作产生的、60至100rpm的转速转变或加速至600至1000rpm的转速。

在整个装置100中的大量液体作为冷却剂，它吸收可能由旋转功产生的任何热量。

本发明的某些实施例并不需要传动或加速系统，因为通过用户获得的转速(例如踩踏锻炼用自行车)为大约60rpm，或者甚至达到大约100rpm，这也在本实施例可以工作的合适速度范围内。与之相反，其它阻力机构(例如摩擦带)将在这样的低转速下产生冲击，因为需要足够的速度来克服在这些系统中的固有起动阻力。磁阻系统也需要足够的转速。而本实施例适于在通过人体肌肉力量能够很容易获得的转速下工作。还有，本实施例适于与锻炼器械直接驱动连接，这是因为由液体例如水提供的阻力量为可以直接适于锻炼的量级。相反，由其它现有技术系统提供的阻力(例如磁阻或空气阻力)通常与用户的优选阻力范围相比太高或太低。因此，需要一定形式的传动装置来增加或减小负载。因此，在这些现有技术的系统中，直接驱动几乎不可能。因此，本实施例能很好地适于直接驱动连接，从而避免与传动加速系统相关的更高成本和更大尺寸。

直接驱动系统的优点是用户几乎不需要克服“坡度向上”，因为用户通过使主腔室1中的流体或水开始产生涡旋而开始锻炼，而在传动系统中，通常在阻力分量中有很大的惯量和固有摩擦量，例如磁阻分量或皮带传动分量。例如，应当知道，与克服皮带传动系统的起动摩擦时的情况相比，用户能够更容易地使桨开始在水中旋转。因此，适合本实施例的直接驱动系统对于用于康复程序中的锻炼器械将很理想，在该康复程序中，用户通常并没有正常的肌肉功能，这使得现有技术系统中的起动“坡度向上”将产生问题，该问题对于健康用户并不会出现。

因此，用于直接驱动系统中的本发明实施例特别有利于康复锻炼程序。直接驱动的实施例也有利于模拟划船的锻炼器械。

不过，也可选择，在其它实施例中，可变传动装置可以用于使旋转输入与旋转心轴30相连，以便调节相对转速比。这特别适用于通用的锻炼器械，因为某些形式的锻炼可能无法产生足够的转速，以便由阻力装置100产生合适的阻力量。

在直接驱动连接的实施例中，没有传动机构使得锻炼器械的成本降低，并简化制造。

提供阻力

本实施例的可变阻力装置100提供可由用户选择改变的、一定范围的不同阻力量。

在图12A中，装置100包括主流体腔室1，该主流体腔室1形成为具有底座12的短粗柱形腔室，装入一定量的流体(该流体高度并没有在图中表示)。在图12A的该简化图中，主腔室1布置成基本水平。

旋转叶片2在主腔室1中旋转。叶片2在主腔室1的液体流动区域中旋转，这样，叶片受到一定的阻力，该阻力量取决于在主腔室1中的流体量。该叶片2在图1C中更详细表示。

在图12A中，叶片环绕传动轴或心轴30的中心轴线旋转。在本实施例中，心轴30竖直或垂直定向。

心轴30与锻炼器械的连接机构相连。该心轴30通过连接机构接收来自锻炼器械的旋转输入。在使用时，用户在锻炼器械上进行的锻炼动作将通过连接机构转变成叶片2的旋转运动。

在图3A中更详细地表示了图12A的实施例。

在图3A和12A中，为了提供适于用户锻炼的阻力量，主腔室1装有一定量的流体，该流体阻挡叶片2的旋转。(在图3A中，流体高度以点线表示)。

已经介绍了图12A中的简化视图，在图1A至1C中更充分地表示了详细情况。图1A表示了完全装配好的主腔室1。该主腔室1支承在支承梁7上。图1B表示了包括可旋转叶片2的主腔室1。图1B表示了它的结构，其中主腔室的盖已经除去，以便显示辅助腔室3，并有包含在具有外柱体9的阀的部件中的入口5和出口6。(注释：在图1B中，主腔室1的竖直侧壁已经省略，以便显示其它部件，图中只表示了主腔室1的底座12)。

阻力变化

旋转叶片2受到的阻力量取决于在主腔室1中的流体量。例如，当在主腔室1中的流体高度较低时，叶片2受到较低的阻力量。相反，当主腔室1具有更多流体时，叶片2受到更高的阻力量。

在图12A中，在整个装置100中的流体量保持恒定。因此，通过使全部流体的一部分保持在具有辅助流体腔室3的辅助机构中，可以改变在主腔室1中的流体量。辅助机构从主腔室1中获得和保持合适量的流体，以便向锻炼器械提供选定的阻力量。因此，为了改变在主腔室1中的流体高度，即为了改变阻力，一部分流体保持在辅助腔室3中。

在该实施例中，辅助腔室不能相对于主腔室1运动。

例如，当在整个装置100中有10升流体时，在辅助腔室3中形成和保持7升将保证在主腔室1中只剩下3升。因此，这3升流体将提供相对较低的阻力量。

当用户希望增加由装置100提供的阻力时，他可以改变通过回路的流体流，以便形成不同的回路流动状态，其中，例如4升保持在辅助腔室3中，因此在主腔室1中留下6升。因此，这时在主腔室1中的流体量翻倍，这导致增大了用户锻炼时受到的阻力量。

在示例实施例中，整个阻力装置可以装有大约14升水。用户通常使叶片2以大约60rpm(大约每秒一圈)的转速旋转。在不由特定实验结果限定的情况下，相信在大约7秒钟内，大约7升水可以绕回路运动。在示例实施例中，在主腔室1和辅助腔室3之间可以获得1升每秒的流速。因此，可以很快形成特定阻力量所需的合适流体高度。

在另一实例中，在装有10升流体的非限定实施例中，发现能够非常快地改变阻力。用户在看起来几乎一瞬间就使阻力水平增加到最大。在实施例中，用户看起来几乎一瞬间就使阻力水平减小。例如，通过飞轮在几秒内的几个缓慢循环，阻力范围可以减小超过一半。

在各个实施例中，通过一些实验，装置的入口和出口的尺寸和位置以及其它尺寸参数可以变化，以便获得绕回路的合适流量，例如1升每秒。

流体流动回路

流体通过流体流动回路连续在主腔室1和辅助腔室3之间流动，该流体流动回路包括主腔室1和辅助腔室3的、该流体流过的部分。

流体流过流体流动回路，以便形成回路流动状态，该回路流动状态为环绕回路重复地从主流体流动区域进入辅助流体流动区域，然后返回主流体流动区域。在使用过程中，回路流动状态在主腔室中形成和保持合适的流体量。

在实施例中，流体流动回路朝大气开口，并没有液压特性。在液压系统中，液压流体必须利用泵来推动或驱使通过封闭系统，而在本实施例中，流体并不被推动或驱使。在液压阻力锻炼系统中，阻力通过限制流体流来进行调节，因此需要用户在液压流体上施加更大的压力，以便驱使流体通过液压管路。与之相反，在本实施例中，由于部件的结构以及叶片的旋转而获得自然回路流动状态。因此，也就是说不需要昂贵装置，否则，将需要该昂贵装置来驱动增压的液压流体。因此，由于不需要在液压系统中所需的高压容器，本实施例能够更便宜的构成。

主腔室1有流体流动区域，该流体流动区域由主流体腔室1的内表面以及辅助流体腔室3的外表面来确定。

主流体腔室1的内表面形成主圆，辅助流体腔室3的外表面形成辅助圆，该辅助圆与主圆同心和同轴。主流体流动区域通常在这两个圆之间。因此，主流体流动区域通常环绕辅助流体腔室3。

在辅助腔室3位于主腔室内的实施例中，优点是可以在不增加阻力装置的总体尺寸的情况下提供可变阻力能力。

在图12A所示的实施例中，主流体流动区域还包括在辅助圆内的空间，该空间在辅助流体腔室3下面。该空间确定了在辅助腔室3的外侧底表面和主腔室1的内表面之间的间隙A。

重要的是，流体流动回路形成于主腔室1和辅助腔室3之间。该流体流动回路在图3A中表示为一系列箭头。

在简化图12A中，流过回路的流体流解释如下：流体最初容纳于主腔室1中。当叶片2环绕心轴30旋转时，在主腔室1中产生涡流。

辅助腔室3设有成入口5形式的入口装置。该入口5使得流体能够从主流体流动区域流入辅助流体流动区域。涡流使得流体的一部分进入入口5，这样，辅助腔室3开始装入流体。不过，在进入辅助腔室3时，部分流体能够通过成出口6形式的出口装置而离开辅助腔室3。该出口6使得流体能够流出辅助流体流动区域而返回主流体流动区域。通过出口6离开辅助腔室的流体返回主腔室1。因此，流体绕流体流动回路循环，不会通过相同通路返回。换句话说，例如液体只沿一个方向流过出口6，该方向是从辅助腔室3进入主腔室1。

在图12A和图3A、3B中，辅助腔室3的侧壁朝着腔室3的底座倾斜并逐渐变小。这使得入口5可以尽可能地靠近主腔室1的内侧壁，在本实施例中，该入口5的位置靠近腔室3的上缘。这样定位是因为在旋转过程中，可观察到大量涡流流体沿内侧壁的周边流动，因此，入口5定位成尽可能靠近该区域将保证它处于能够很容易接收流体的位置。在图4A和4B的竖直或垂直实施例中也可以看到类似的设计原理。

在图3B的水平定向实施例中，可以看见入口5位于辅助腔室3的上边缘处。该位置的原因是因为当在主腔室1中的液体通过叶片2而搅动时，一些流体将有向上推动的趋势(如小箭头所示)。当液体由叶片2搅动而沿主腔室1的内侧壁向上运动时，流体最终将遇到主腔室1的上侧内边缘，因此，流体的方向为向内朝着主腔室的中心重新定向(由在图3B中的小箭头的方向变化来表示)。因此，入口5的位置布置成适合在主腔室中的部分流体的流动方向。在图3B的实施例中，上侧内边缘弯曲，以便增强流体朝着入口5的位置的重新定向。

通过改变在辅助腔室中的流体量而改变阻力

当流体流入辅助腔室3中时，它将有效离开主腔室1的流动区域。因此，为了增加阻力，更多流体保持在主腔室1中，同时在辅助腔室3中的流体减少。相反，为了减小阻力，更少流体保持在主腔室1中，同时使辅助腔室3中的流体增多。

尽管在主腔室1中的流体量将确定阻力量，但是阻力的控制通过控制在辅助腔室3中的流体高度来实现。

用户可以选择在辅助腔室3中的流体高度。出口6由变化装置控制，该变化装置使用户能够选择在辅助腔室3中保留的流体量。该变化装置可变地控制液体通过出口6的流动。该变化装置可变地控制液体通过回路的流动，以便选择形成不同的回路流动状态，每个回路流动状态对应于在主流体腔室中的不同流体量。该变化使得用户能够选择用于锻炼器械的不同阻力量。

控制流体在辅助腔室3中的量的能力将使用户能够有效控制在主腔室1中的流体量。用户就是这样控制由装置100提供的阻力量。

变化装置包括出口阀，该出口阀控制离开辅助腔室3的流体量。在图1A-C、3A和3B中表示了该阀的实例。不过，在详细介绍阀的实例之前，阀的主要原理解释如下：假设柱体在侧壁中有孔。(当然，在本段中所述的柱体并不是本实施例的说明的一部分，只是为了辅助解释原理)。即使流体连续流入该柱体，在该柱体中的流体高度不会升高至高于该孔的高度，因为流体在该孔的高度处离开该柱体。这样，只是因为流动的流体不能升高至高于该孔的高度，就可以在柱体中保持相对恒定的流体高度，该高度与孔的高度平齐。因此，通过升高或降低该孔在柱体壁上的高度位置，可以升高或降低在柱体中的流体高度。

在上面一段中的该原理基本解释了在图1A-C、3A和3B中的示例阀的功能。

在图1C中，阀包括内柱体8，该内柱体8有三角形开口，该三角形开口确定了倾斜狭槽。内柱体8有旋钮4，用于使用户能够旋转该柱体8。内柱体8在外柱体9内旋转，该外柱体自身也有类似形状的三角形开口。在图1D和1DD中示出了，通过旋转内柱体8的旋钮4，用户可以选择三角形开口8B、9B的交叠程度。在图1DD中，有较大程度的交叠，这是因此出口6的最低高度靠近开口的底部。在图1D中，有较小程度的交叠，这是因此出口6的最低高度位于更高的高度。因此，通过旋转该旋钮4，用户可以控制出口6的高度，这使得用户能够有效选择在辅助腔室3中的流体高度，这能有效控制在主腔室1中的流体量。出口6的有效高度的升高或降低将导致辅助腔室3的储存容积的高度升高或降低。

在图1C中，外柱体9固定在辅助腔室3的底座上，因此它装在孔18上。这样，通过阀中的出口6离开辅助腔室的流体将通过孔18落回主腔室1内。

在还一实施例中，旋转阀可以设有例如由电马达驱动的自动旋转装置，这可以在规定时间逐渐增加或减小阻力。例如，用户可以规定在10分钟的时间内使阻力从主值增加到辅助值。在设置成划船机器的实施例中，阻力量可以通过移动操纵杆或者通过前述自动控制而在锻炼过程中改变。例如，划船教练可以通过提供逐渐增加的阻力以模拟比赛状态，从而训练他们的划船队。

在另一实施例中，变化装置也可以包括阀，该阀通过控制尺寸从而控制进入入口5的流体量(将在后面涉及垂直或竖直实施例时介绍)。

标定

辅助腔室3的侧壁或阀设有一系列刻度标记，以便使用户能够测量在辅助腔室3中的液体高度。

阻力装置可以这样进行标定，即通过以已知旋转速度(rpm)操作旋转装置，然后测量对于该特定已知转速在辅助腔室3中形成的液体高度。装置的转速(rpm)可以进行电子监测。这样，可以确定对应于一定范围转速的一系列标记。

使装置100能够准确标定的因素是已知在整个装置中的流体量。如上所述，例如当总流体量为10升时，那么在主腔室1中的流体量为10升和辅助腔室3中的升数之差。因此，需要定期检查在整个装置100中的总流体量。最好是在装置不使用时进行检查。为了能够检查流体总量，辅助机构设有较小开口，该较小开口使得水能够以非常缓慢的速度漏出，这样，当装置不使用时，在主腔室和辅助腔室中的流体可以达到静平衡高度。在本实施例中，该开口包括在内外柱体8、9的壁表面之间的非常小间隙。该开口也可以包括在辅助腔室的侧壁中的小孔，当阻力装置100不使用时，该小孔使得流体在经过一定时间后漏出。应当强调，这些开口非常小，这样，它们在流体绕流体流动回路流动时不能起到实质性作用，因此不能认为是入口和/或出口。因此，当由于液体通过该开口漏出而使液体达到静平衡高度时，用户可以知道在装置100中的液体总量。主腔室1的侧部可以设有标定标记，这样，当静平衡液体高度降低时(也许由于蒸发)，可以加满液体。

流体流动回路的优点

如上所述，液体只沿一个总方向绕该回路流动。换言之，流体只沿一个方向通过入口5进入辅助腔室3，并只沿一个方向在出口6高度处离开辅助腔室。流体绕回路的该“单向流”使得流体流有“循环”的特征。

这是本发明的重要特征，因为在这种情况下流体能够借助于由旋转叶片2产生的涡流而在重力作用下在回路中循环。因此不需要花费能量来逆着该自然回路流动循环做功，逆着自然循环做功实际上是试图使流体逆着该自然循环流动。

与本实施例相反，一些现有技术没有该优点。例如，在美国专利No.5944637(Stickler)中(该现有技术的图10)，将迫使流体通过孔92和94进出辅助腔室(87)。在该现有技术中，必须施加能量来驱使流体进出现有技术的辅助腔室(87)。在美国专利No5195936(Mao)中(该现有技术的图7)也有类似的缺点，其中，需要链轮(38)来驱使流体进出辅助腔室，该辅助腔室呈流体袋37的形式。在任意现有技术中，都没有自然回路流动循环。在现有技术中，需要能驱使流体通过相同开口装置进出的装置，这增加了已知装置的成本和复杂性，还意味着用户必须施加更大的力来选择不同的阻力量。

而且，特别在Mao的现有技术中，将花费相当长的时间来将流体压出流体袋37，而在本实施例中，用户只需要旋转旋钮4，然后就能够在阻力装置采用新选定的阻力量时重新开始锻炼。因此，用户能够通过一次快速旋转旋钮4而改变阻力量，回路流动状态的自然流动用于在辅助腔室3中产生新的流体高度，因此在主腔室1中产生新的流体高度。

在本实施例中，当流体绕回路流动时，用户可以简单地通过旋转旋钮4来选择阻力量。因此，用户能够有效选择包含在主流体腔室1中的流体量(如上所述)。

测量阻力量

当叶片2绕心轴30旋转时，在主腔室1中的流体将产生极大的涡流。尽管有涡流，但是通过参考在辅助腔室3中的相对静止流体高度，可以很容易确定在主腔室中有多少流体。因此，在辅助腔室3中的流体高度准确指示了在主腔室1中的流体量。涡流控制在辅助腔室3中的流体量，用户只需要改变出口6的高度。

与现有技术的阻力装置(例如采用磁阻或风阻的装置)相反，在辅助腔室3中的流体高度提供了准确且(重要的是)可重复的、锻炼器械的阻力测量值。

在实施例中，在装置的使用寿命中能够很好地重复该阻力量。在示例实施例中，不需要可能错开或失去磁性的磁性或电子部件。还有，它不依赖于空气密度，该空气密度可能在不同海拔高度处变化。恒定标定的要求最小，而在使用摩擦带、电子和磁阻机构的现有技术系统中的恒定要求较多。在包含本发明实施例的人机工程中，工作负载能够根据装置的转速(rpm)以及在腔室中的流体量而准确计算。在该实施例中，例如摩擦和热等变量不会影响设定，空气系统的海拔变化也不会影响设定，且电磁变量也不会影响设定。

在现有技术中，当经过一定时间后发生磨损和破裂时，磁阻的标定可能相对于初始设定发生变化。在使用风阻的机器中，真实阻力可能根据取决于地理海拔的气压而变化。相反，在本实施例中，辅助腔室3的流体高度作为阻力指示，即使在机器使用很长时间后也不会发生变化。

上述机器标度取决于可以独立于机器进行控制的因素，例如已知的旋转标定速度。还有，该标度由在辅助腔室3中的液体高度确定，它不会明显受到本实施例装置的正常磨损和破裂的影响。

具有漩涡效果的实施例

在图3A、3B、7和12A的水平结构中，当叶片2绕心轴30旋转时，可能在主腔室1的中心部分中产生漩涡。实际上能否形成漩涡取决于图3C和12A中所示的间隙A的高度。

当间隙A很高时，在主流体腔室1的中心有足够的空间来形成漩涡。当流体在主流体流动区域中打旋时，将在辅助腔室3下面产生流体漩涡。由于主流体流动区域为圆形，因此，即使在由锻炼器械向旋转叶片的输入停止之后，漩涡也可以连续自由打旋。漩涡不可能在非圆形流动区域中产生。

不过，当间隙A的高度较小时，将很难产生漩涡。漩涡的意义是即使当来自锻炼器械的旋转输入停止时，即当用户停止在锻炼器械上工作时，旋流流体的动量将继续推动叶片2环绕心轴旋转。

在水平实施例中，漩涡效果是优选特征，因为它可保证：即使当用户的旋转输入停止一会儿时，旋转叶片2的动量也将保持一定时间。例如，当进行自行车锻炼的用户停止踩踏几秒钟时，动量的操作保证当用户重新踩踏时将不需要使叶片从静止状态开始旋转。换句话说，用户可以在阻力与他停止时大致相同的情况下继续踩踏。因为由于旋流漩涡而保持动量，因此该实施例不需要沉重的飞轮，否则将需要飞轮来保持物理动量。

并不是本发明的所有实施例都有漩涡效果。但是在有该漩涡效果的实施例中，因为液体自身的运动主要用于使叶片保持旋转，所以流体在主腔室1中的连续打旋(即漩涡)将合适地称为“液体飞轮”。叶片2只随旋流流体的运动而运动。

没有漩涡效果的实施例

当没有用于保持叶片2旋转的动量时，当用户重新踩踏时，它必须克服静止叶片2的起动惯性。

在没有保持流体旋转的漩涡效果的实施例中，动量可以通过使叶片由较重材料形成而保持，该叶片将在没有来自锻炼器械的用户输入的情况下趋于保持旋转一定时间。这时，称为“液体飞轮”将不合适，因为液体自身将由于没有漩涡而将慢下来。因此，当不形成漩涡时，动量由较重旋转叶片2的运动而产生，该叶片2的作用类似于现有技术中已知的“机械飞轮”，而不是“液体飞轮”，而该液体飞轮需要使间隙A较大，以便产生漩涡。

在另一实施例中，通过使主腔室1的内表面和/或辅助腔室3的外表面设有挡板以阻碍流体流动，也可以减小漩涡效果。当有挡板时，一旦叶片2的旋转驱动力消失，流体的旋流将基本被阻尼。因此，在主流体流动区域的通路中存在挡板将减小或防止形成“液体飞轮”。“液体飞轮”假设液体将连续自由旋转，而存在挡板将有效防止自由旋转的产生。挡板将有效防止液体绕圆形主腔室1自由运动。

垂直或竖直结构

另一结构是当主流体腔室1竖直定向时没有漩涡效果，这是因为没有使流体连续打旋的水平方向圆形流动区域。

在图12B的简化图中，表示了一种变化实施例，其中，主流体腔室1竖直或垂直布置。不过，在图12B中的装置的功能与图12A中的装置的功能类似。其它的竖直结构在图4A、4B、5、6、8、9、10和11中所示。

在图12B中，当来自锻炼器械的旋转输入停止时，在竖直主腔室1中的流体将落下并被收集在竖直腔室1的底部。如图12B所示，在辅助腔室的外部和主腔室的内表面之间的竖直间隙G作为使流体能够快速落下并收集在竖直腔室1的底部的另一通路。它没有液体飞轮(在液体飞轮中，液体将在它自身动量作用下以圆形方式绕边缘连续旋转)。实际上，在垂直实施例中，将不会出现液体飞轮，这是因为水将落到主腔室的底部。因此，收集在主腔室1的底部的水作为阻碍并最终使叶片2的旋转停止的流体。在本装置的实施例中，当用户停止提供旋转输入后，叶片2将在大约3至4秒钟内停止旋转，而在依赖于液体飞轮的现有技术装置中，这些现有技术装置中的液体将在它自身动量的作用下绕腔室旋转或盘旋大约30秒。因此，本发明的垂直或竖直实施例不能称为液体飞轮。

在图12B中，心轴30布置成基本水平。当叶片2绕该心轴的轴线旋转时，叶片2以与河流中的水轮叶片类似的方式通过主腔室1旋转。辅助腔室3相对于主腔室1静止。

当叶片2旋转时，叶片进入并扫过流体，并使流体到达主腔室1的上部，然后，该流体落回到腔室1的底部，并一直由旋转叶片2驱动。同时，一部分流体进入辅助腔室3的入口5，从而使辅助腔室装满流体。在垂直实施例中，入口5的位置在辅助腔室3的顶部或靠近该顶部，这样，入口5通常处于部分流体将从竖直的主腔室1的顶部落下的位置。因此，即使在竖直实施例中，入口5的位置布置成适合在主腔室中流动的部分流体流的方向。

与图12A中的水平结构的情况相同，因为流体可以通过出口6而离开辅助腔室，所以在图12B的垂直结构中也形成有流体流动回路。

其中，容纳于主腔室1中的流体量再次由保持在辅助腔室3中的流体量确定。

垂直结构的实施例的更详细情况如图2A至2C以及图4A至4B中所示。(在图4A、4B和5中，流体以点状阴影表示。)

在竖直实施例的实例中，入口5位于辅助腔室3的顶部，或者靠近该辅助腔室3的顶部，以便位于使流体能够从主腔室1通过入口5进入辅助腔室3的最佳位置。不过，在其它实施例中，入口5也可以位于其它位置。

在图2C(中间图)中，入口5表示为简单的圆形孔，不过，在其它实施例中，形状可以变化，以便包括能够使流体以可控制方式进入辅助腔室的任意形状。

前面已经介绍了图12B的简化视图，在图2A至2C中更充分地表示了详细情况。图2A表示了完全装配好的主腔室1。图2B表示了由可旋转叶片2环绕的主腔室1。图2C表示了该装置，其中主腔室的盖已经除去，以便显示辅助腔室3，且有出口6，该出口6包含在阀机构的部分中，该阀机构包括第一和第二环形槽9A、8A。(注释：在图2B中，主腔室1和辅助腔室3的竖直侧壁都省略，以便显示其它部件，图中只表示了主腔室的底座12。)在图2C中，旋钮4设有操纵杆臂。旋钮4的旋转使得板10旋转。旋钮4通过盖中的孔14与板10相连。

旋钮4的表面可以设有标记，这样，用户可以选择地转动旋钮，以便获得所希望的阻力量。

垂直实施例的另一特征是，当用户停止旋转输入(例如踩踏、划船或其它形式)时，环绕腔室的流体流(它阻止飞轮)将分开到阻力腔室的两侧。这有助于在用户输入突然停止时停止旋转。该特征使得该垂直实施例特别有利于康复工作。

在另一实施例中，主腔室的侧壁的倾斜度可以改变。例如，在图12B所示的实施例中，侧壁离开入口5向下倾斜。在其它变化形式中，侧壁可以朝着入口5缓慢降低，这将有助于将液体引向入口5。在还一变化形式中，侧壁可以完全水平。

在另一变化形式中，内部的辅助腔室3可以为月牙形状(类似于半个月亮)，同时该月牙形腔室的弯曲部分朝下，该腔室的扁平部分朝上。换言之，内部的辅助腔室3并不需要为完全圆形。因此，主腔室1的内表面必须为圆形，而内部腔室3的实际形状可以变化。在另一变化形式中，内部腔室3可以为正方形。

在垂直实施例的某些实例中，主流体腔室的内表面和/或辅助流体腔室的外表面可以设有挡板，以便进一步阻碍流体在主流体腔室中的流动。由挡板提供的阻力增加到由内外表面提供的摩擦阻力而产生的阻力以及由重力阻力产生的阻力中，该重力阻力作用在提升流体的叶片2上。

当在主腔室1中的液体增加时，该液体增加导致叶片2的旋转阻力增加，该叶片2可旋转地装于主腔室中。因此，在主腔室中的液体增加将减小当用户停止提供旋转输入时叶片2停止旋转所需要的时间。例如，在最小阻力量时，即在主腔室中的流体量最小时，当用户停止提供旋转输入时，叶片2可能需要大约10至20秒钟来停止旋转。当在主腔室1中的液体高度增加时，用于使叶片2停止旋转所需的时间减小。

其它变化形式

前面的实施例仅仅是实例，在由附加权利要求确定的本发明范围内可以进行变化。

在某些实施例中，变化装置可以包括阀，该阀控制流体通过入口5而进入辅助腔室3的流动。例如，在图2C中，阀(代替三角形开口)包括一对环形槽。辅助腔室3的本体设有主环形槽9A，而旋转板8设有辅助环形槽8A。当用户使该板8相对于辅助腔室3旋转时，用户能够改变出口6的高度，该开口6形成于槽8A、9A的相交部分的最低点处。在该旋转板10上有倾斜凸缘16，该倾斜凸缘16用于不断改变入口5的堵塞程度。因此，板10的旋转程度将改变凸缘16覆盖入口5的程度。在图2C中，凸缘16布置成这样，即当在主腔室1中的流体量越大，入口5的封闭程度越大。这保证可当在主腔室1中的流体量越大时，入口5越小，因为更大量的主流体意味着更多流体将进入入口5，因此，入口5尺寸不需要更大。

图5表示了当辅助腔室3在垂直的主腔室1外部时的变化形式。

主腔室1和辅助腔室3的部件可以由金属、塑料等制成，优选是透明有机玻璃或聚碳酸酯材料，这样，用户可以看见在腔室中的旋流液体。当使用透明材料时，流体在腔室内的旋流具有吸引人的视觉特征。

在另一实施例中，辅助腔室在水平主腔室的外部，这允许在主腔室的中心产生漩涡。

尽管上述变化装置作为使出口装置的高度位置升高或降低的机构，但是其它变化形式也可以使用这样的变化装置，即该变化装置通过增加或减小出口的流通尺寸而控制液体流过出口装置的流动。

在该实施例中，优选的流体为水，但是也可以使用其它流体，例如硅。还有，水或流体可以为彩色，以便获得视觉效果。

在附图中，阀8、9的位置偏离辅助腔室的中心或轴线，但是它的位置也可以同轴。

叶片2的形状可以改变，只要有桨的形状，且该桨可以扫过在主腔室1中的流体。

旋转叶片的总直径可以变化。

在实施例中，辅助腔室包括一个辅助腔室3，但是其它实施例也可以包括两个或更多辅助腔室。

装置可以设有用于冷却流体的冷却装置。

在本发明另一方面的实施例中，往复运动机构设置成用于在主流体流动区域中往复运动，这样，该往复运动机构在往复运动时遇到的阻力量取决于在主流体腔室中的流体量。往复运动机构用于通过锻炼器械的机械输入而往复运动。其中，主腔室和辅助腔室并不必须为圆形，而是可以为适合往复运动机构的任意形状。

在另一实施例中，泵送机构例如泵可以用于帮助产生绕流体流动回路的流体流。

流体流动回路的概念并不包括当流体通过相同开口进入和离开腔室时的现有技术，因为这在严格意义上并不能称为“回路”。

在所示实施例中，辅助腔室表示为具有截头锥形形状，不过，辅助腔室的形状也可以变化成例如具有竖直壁。

在实施例中，在叶片2的外边缘和主腔室1的内表面之间的间隙为大约0.25英寸或者5-6mm。不过，可以进行一些实验来确定合适的间隙尺寸。

在实施例中的旋转装置形成为叶片，不过，其它实施例可以包括叶片形的桨，或者包括可以作为旋转阻力机构的其它形状。

在说明书中参考现有技术并不意味着承认本发明的技术方案为现有技术的公知知识。

Claims (14)

1、一种可变阻力装置，适于包含在锻炼器械中，以便向该锻炼器械提供可选择变化的阻力，该装置包括：

主流体腔室，用于在其中接收流体，该主腔室具有主流体流动区域；

旋转叶片，其布置在主流体流动区域内，并用于在该主流体流动区域内旋转，这样，该旋转叶片在旋转时受到的阻力量取决于在主流体腔室中的流体量，该旋转叶片用于通过来自锻炼器械的旋转输入而旋转；

辅助流体腔室，其用于在主流体腔室中获得和保持合适流体量，以便向锻炼器械提供选定的阻力量，该辅助流体腔室具有辅助流体流动区域；

流体流动回路，其包括所述主流体流动区域和辅助流体流动区域，流体通过该回路流动，以便形成回路流动状态，该回路流动状态绕回路重复循环，即从主流体流动区域进入辅助流体流动区域内，然后返回到主流体流动区域内，该回路流动状态用于在使用过程中在主流体腔室中形成和保持所述合适流体量；以及

设置在主流体腔室和辅助流体腔室之间的出口阀，其用于可变地控制流体通过回路的流动，以便选择形成不同的回路流动状态，每个回路流动状态对应于在主流体腔室中的不同的合适流体量，以便向锻炼器械提供不同的阻力量。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述出口阀包括一内柱体，它有一开口，并可在固定在辅助流体腔室的底座上的一外柱体内旋转；所述外柱体也有一开口。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述辅助流体腔室位于主流体腔室的内部。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述主流体腔室的主流体流动区域由主流体腔室的内表面和辅助流体腔室的外表面确定。

5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述主流体腔室的内表面形成主圆，而辅助流体腔室的外表面形成辅助圆，该辅助圆与主圆同心且同轴，该主流体流动区域基本在这两个圆之间。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述主流体流动区域基本环绕辅助流体腔室。

7、根据权利要求2至6中任一项所述的装置，其特征在于：所述主流体流动区域布置成基本竖直。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于：在使用中，当用户提供旋转输入时，流体绕主流体腔室的主流体流动区域运动，流体还通过流体流动回路，

在使用中，当用户停止提供旋转输入时，在竖直定向的主腔室中的流体将落向主流体腔室的底部，从而作为使旋转叶片的旋转停止的流体。

9、根据前述权利要求1-6，或8任一项所述的装置，其特征在于：所述辅助流体腔室设有出口装置，该出口装置允许流体流出辅助流体流动区域并返回主流体流动区域。

10、根据前述权利要求7所述的装置，其特征在于：所述辅助流体腔室设有出口装置，该出口装置允许流体流出辅助流体流动区域并返回主流体流动区域。

11、根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述出口阀可变地控制流体通过该出口装置的流动。

12、根据权利要求10所述的装置，其特征在于：所述出口阀可变地控制流体通过该出口装置的流动。

13、根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于：所述出口阀通过升高或降低该出口装置的高度位置而可变地控制流体通过该出口装置的流动。

14、一种锻炼器械，包括如权利要求1至13中任一项所述的可变阻力装置。

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