DE1541145B2

DE1541145B2 - Ergometer

Info

Publication number: DE1541145B2
Application number: DE1966M0069896
Authority: DE
Inventors: Johannes Woudenberg Leyten (Niederlande)
Original assignee: MIJNHARDT C V GEB
Current assignee: MIJNHARDT C V GEB
Priority date: 1965-06-25
Filing date: 1966-06-18
Publication date: 1976-07-08
Also published as: NL6508252A; US3442131A; DE1541145A1; FR1505384A; NL124727C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ergometer zum Bestimmen der menschlichen Leistung, wobei eine Versuchsperson eine umlaufende Tretbewegung vollführt und die Tretenergie von einer Bremsvorrichtung aufgenommen wird. V
Aus der NL-PS 65 391 ist ein Ergometer bekannt, bei dem die Energie von einer Wirbelstromscheibe aufgenommen wird. Dieses Ergometer ist derart konstruiert, daß im Bereich der üblichen Tretfrequenz das Bremsmoment der Drehzahl umgekehrt proportional ist, weshalb die von der Bremse aufgenommene

ίο und von der Versuchsperson abgegebene Leistung bei wechselnder Drehzahl konstant ist. Bei der üblichen Tretfrequenz handelt es sich um diejenige Drehzahl, die von den meisten Leuten auf einem Ergometer gewählt wird. Sie liegt zwischen 25 und 100 Umdrehungen pro Minute. Höhere Drehzahlen werden nur von sehr kräftigen Leuten erreicht.

Um bei einem derartigen Ergometer im drehzahlunabhängigen Bereich des Bremsmomentes zu arbeiten, muß eine bestimmte Mindestdrehzahl eingehalten werden. Ein Arzt, der bei einem Patienten z. B. dessen Atmung und seinen Stoffwechsel untersuchen will, wird daher den Patienten anweisen, die Drehzahl nicht unter eine gewisse Grenze absinken zu lassen. Ob der Patient dann 50 oder 100 Umdrehungen pro Minute tritt, ist unbeachtlich, weil die Drehzahl keinen Einfluß auf die Leistung bzw. den Stoffwechsel hat. Insofern kann man also zweifellos gute Untersuchungen durchführen. Schwierigkeiten ergeben sich erst bei Daueruntersuchungen von mehr als 10 bis 15 Minuten Dauer. Erfahrungsgemäß sucht sich jeder Patient eine individuelle Drehzahl, die er dann bei nicht allzugroßer Leistung wohl 10 bis 15 Minuten ziemlich konstant durchhält. Je nach der Konstitution und der Krankheit des Patienten sinkt die Drehzahl dann aber ab. Da bis zum Erreichen der Mindestdrehzahl die vom Patienten zu erbringende Leistung gleich bleibt, steigt bei sinkender Drehzahl die für eine Umdrehung aufzuwendende Energie an. Für den Patienten bedeutet dies, daß er das Gefühl hat, als ob sich das Gerät schwerer treten ließe. Dies verstärkt das Müdigkeitsgefühl, und der Patient hört auf zu treten. Dies bedeutet natürlich das vorzeitige Ende der Messung.

Aus Untersuchungen mit dem bekannten Ergometer ist des weiteren schon hervorgegangen, daß ein Patient, der eine vorgegebene Leistung erbringen soll, eine individuelle Tretfrequenz als die für ihn angenehmste auswählt. Bei dieser Tretfrequenz hat der Patient den geringsten Sauerstoffverbrauch, also einen optimal ablaufenden Stoffwechsel, der gerade das Studienobjekt des Arztes ist. Daraus folgt unmittelbar ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung, nämlich der, daß das Meßergebnis in ungünstiger Weise beeinflußt wird, wenn der Versuchsleiter den Patient beauftragt, eine bestimmte, von dem genannten optimalen Wert abweichende Drehzahl einzuhalten.

Ein anderer Nachteil des aus der NL-Patentschrift bekannten Ergometers liegt darin, daß die Wirbel-Stromscheibe in dem gewählten Wirkungsbereich mit sehr hoher Geschwindigkeit umlaufen muß. Dadurch nimmt die Scheibe verhältnismäßig viel Energie auf, was zu unrichtigen Meßergebnissen führt, sobald die Drehzahl nicht äußerst konstant gehalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des bekannten Ergometers zu überwinden, und ein Ergometer zu schaffen, mit dem auch Langzeitversuche möglich sind.

Das erfindungsgemäße Ergometer weist zur Lösung dieser Aufgabe eine Bremsvorrichtung auf,. deren Widerstandsmoment im Bereich der üblichen Tretfrequenz mit wachsender Tretfrequenz wächst und mit fallender Tretfrequenz fällt.

Ein derartiges Ergometer kommt der natürlichen Empfindung der Versuchsperson entgegen, indem es ihm eine fallende Tretfrequenz als leichter, eine wachsende Tretfrequenz als beschwerlicher erscheinen läßt.

Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, daß zwischen der Leistung und der optimalen Drehzahl für jeden Patienten ein eindeutiger quadratischer Zusammenhang besteht. Diese Erfahrung gibt zu einer vorzugsweisen Ausführung des erfindungsgemäßen Ergometers Anlaß, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß das Widerstandsmoment der Bremsvorrichtung und die Tretfrequenz einen im wesentlichen linearen Zusammenhang aufweisen.

Weil die Leistung das Produkt aus dem Bremsmoment und der Winkelgeschwindigkeit ist, kann man für jeden Patienten den erwünschten quadratischen Zusammenhang zwischen Leistung und Drehzahl dadurch herstellen, daß man ein geeignetes konstantes Übertragungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle und der Bremsvorrichtung des Ergometers wählt.

Weiter hat es sich herausgestellt, daß für alle Menschen die genannten Charakteristiken innerhalb verhältnismäßig enger Grenzen zusammenfallen. Diese Erfahrung liegt einer Ausführungsform der Erfindung zugrunde, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß bei einer Tretkurbellänge von 17,5 cm das Widerstandsmoment K (Nm) an der Kurbelwelle mit der Tretfrequenz N (UpM) im wesentlichen nach der Formel N = 2,6 K zusammenhängt. Wählt man dieses feste Übertragungsverhältnis, so erhält man einen besonders einfachen Apparat, auf dem mit sehr geringer Abweichung alle Patienten automatisch bei jeder Leistung mit ihrer optimalen Drehzahl treten, und auf der dann die abgegebene Leistung ausschließlich von der Drehzahl bestimmt wird. Dazu sei noch bemerkt, daß zeitweilige Abweichnungen von der optimalen Drehzahl einen vemachlässigbaren Einfluß auf die Leistungs- bzw. Sauerstoffmessung haben, weil die bei einem Absinken der Drehzahl verminderte Leistungsabgabe nahezu kompensiert wird durch die erforderliche zusätzliche Leistung, die erbracht werden muß, um die vorgegebene Drehzahl wieder zu erreichen.

Der Erfindungsgedanke kann mit Vorteil realisiert werden, wenn man die bekannten Wirbelstromscheiben benutzt; zwischen der Kurbelwelle und der Wirbelstromscheibe soll dann ein solches Übersetzungsverhältnis bestehen, daß die Wirbelstromscheibe im Bereich der üblichen Tretfrequenz (25 bis 100 Umdrehungen pro Minute) in jenem elektrischen Wirkungsgebiet arbeitet, wo die Drehzahl und das Bremsmoment einen linearen Zusammenhang haben. In diesem Bereich beträgt die Drehzahl der Wirbelstromscheibe nur ein Bruchteil der Drehzahl, den die Wirbelstromscheibe in dem aus der NL-PS bekannten Ergometer aufweist. Die kinetische Energie der Wirbelstromscheibe ist daher so gering, daß die Meßungenauigkeit bei schwankender Drehzahl vernachlässigbar ist.

Die Erfindung ermöglicht es, ein Ergometer mit Wirbelstromscheibe so zu vereinfachen, daß das magnetische Feld für die Wirbelstrombremse von wenigstens einem Dauermagneten geliefert wird. Bisher waren hierfür Elektromagnete erforderlich.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Kurvenschar für das Bremsmoment von Wirbelstromscheiben in Abhängigkeit von der Drehzahl der Scheiben mit der magnetischen Feldstärke als Parameter,

ίο Fig. 2 experimentell bestimmte Leistungskurven aus Messungen an einer großen Anzahl von Personen und

F i g. 3 in skizzenhafter Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ergometers.

Aus Fig. 1 geht hervor, daß bei niedrigen Drehzahlen der Wirbelstromscheiben das Bremsmoment K_s der Scheibe und die Drehzahl N_s einen linearen Zusammenhang aufweisen. Bei höheren Drehzahlen durchlaufen die Kurven ein Maximum und gehen danach in einen hyperbolischen Verlauf über. Im hyperbolischen Bereich ist die von der Scheibe aufgenommene Leistung unabhängig von der Drehzahl. Erfindungsgemäß wird nun ausschließlich im linearen Gebiet gearbeitet, welches praktisch von der gestrichelten Linie A begrenzt ist.

Fig. 2 zeigt das Ergebnis medizinischer Untersuchungen bei einer großen Anzahl von Patienten, deren Alter und physische Kraft verschieden waren. Die durchgezogenen Kurven α und b grenzen den Bereich ein, in dem die für eine vorgegebene Leistung als am angnehmsten empfundene Drehzahl aller Versuchspersonen liegt. Die gestrichelte Linie c stellt den Mittelwert über alle Versuchspersonen dar. Es hat sich herausgestellt, daß diese Kurven einen parabolisehen Verlauf haben. Bei einer normalen Kurbellänge von 17,5 cm genügt die mittlere Kurve c der Formel N (UpM) = 5 VP (P in Watt).

Durch geeignete Wahl von Material und Bemessung der Wirbelstromscheibe sowie des Übersetzungs-Verhältnisses zwischen der Kurbelwelle und der Wirbelstromscheibe läßt sich im Gebiet in Fig. 1 links von der gestrichelten Linie A eine solche Kurve auswählen, daß die dazugehörende Leistungskurve mit der gestrichelten Kurve c aus F i g. 2 zusammenfällt.

Man kommt also mit einem einfachen Ergometer aus, bei dem eine Variable eingestellt werden muß, wobei durchschnittlich alle Patienten bei jeder vorgegebenen Leistung diese Leistung unter nahezu optimalen Umständen abgeben. Insbesondere genügt für ein derartiges einfaches Ergometer ein einfacher Dauermagnet zur Erzeugung des magnetischen Feldes für die Wirbelstrombremse.

Der obengenannte experimentelle Zusammenhang zwischen der von dem Patienten abgegebenen Leistung und der Tretfrequenz kann folgendermaßen in einen Zusammenhang zwischen dem Moment K an der Kurbelwelle und der Tretfrequenz umgewandelt werden. Die Leistung P ist gleich dem Produkt aus K und der Winkelgeschwindigkeit der Kurbel. Falls P in Watt, K in Nm und N in Umdrehungen pro Minute gemessen wird, dann ergibt sich die Gleichung N = 5 Vn-2NK/60 oderN = 2,6K.

Ausgehend von dem experimentellen Ergebnis in F i g. 2 ist es möglich, ein Ergometer zu konstruieren, welches dem Versuchsleiter die Möglichkeit gibt, für jeden Patienten die optimale Charakteristik einzustellen. Dazu soll das an der Kurbelwelle der Bremsvorrichtung auftretende Widerstandsmoment in einem

Bereich von lO^fl/o beidseitig des obengenannten Mittelwertes einstellbar sein, so daß für die Drehzahl ein Bereich von N = 2,35 K bis N = 2,85 K zur Verfügung steht. Eine solche Einstellmöglichkeit kann auf verschiedene Weise konstruktiv durchgeführt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, wie bei einem Fahrrad eine einstellbare Zahnradübersetzung vorzusehen. Eine andere Möglichkeit wird anhand der F i g. 3 beschrieben. F i g. 3 zeigt ein Gestell mit einer Verkleidung 1, in dem eine Kurbelwelle 2 mit Kurbeln 3 und Pedalen 4 vorgesehen ist. Außerhalb der Verkleidung befinden sich ein Sattel 5 und eine Lenkstange 6. Auf der Kurbelwelle ist eine Wirbelstromscheibe 7 angeordnet. Sie wird von zwei Dauermagneten 8 und 9 umfaßt.

Zwischen den Magneten befindet sich die Laufrolle 10 eines Tachometers 11. Weil erfindungsgemäß zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Wirbelstromscheibe relativ zu den Magneten und der von der Wirbelstrombremse aufgenommenen Leistung ein linearer Zusammenhang besteht, kann der Tachometer 11 unmittelbar in Leistungseinheiten, z. B. in Watt, geeicht werden.

Die beiden Dauermagneten und die Laufrolle sind gemeinsam auf einem Schlitten 12 angeordnet. Dieser Schlitten ist mit Hilfe eines Griffs 13 in bezug auf die Scheibe 7 in radialer Richtung verstellbar. Die Welle 14 des Tachometers ist biegsam. Weiter befindet sich etwa in Höhe des Gesichts der Versuchsperson ein Tourenanzeiger 15, der gegebenenfalls an der Vorder- und an der Hinterseite ablesbar ist und dessen Laufrolle 16 auf der Scheibe 7 läuft.

Zum Anpassen an die individuellen Eigenschaften der Versuchsperson kann der Versuchsleiter mittels des Handgriffs 13 die Kennlinie des Ergometers in dem gewünschten Umfang von der mittleren Kennlinie N = 5 VP abweichen lassen. Zugleich mit den Magneten wird auch die Laufrolle 10 des Tachometers 11 verstellt, so daß die Leistungsanzeige richtig bleibt.

Das erfindungsgemäße Ergometer ist also gleichzeitig einfach und wenig kostspielig. Nicht angezeigte ao Reibungsverluste sind wegen der geringen Drehzahl der Bremsscheibe auf ein Minimum gebracht und beeinflussen die Messungen kaum, so daß die Meßergebnisse einen hohen Zuverlässigkeitsgrad besitzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ergometer zum Bestimmen der menschlichen Leistung, wobei eine Versuchsperson eine umlaufende Tretbewegung vollführt und die Tretenergie von einer Bremsvorrichtung aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmoment der Bremsvorrichtung im Bereich der üblichen Tretfrequenz mit wachsender Tretfrequenz wächst und mit fallender Tretfrequenz fällt. ' '■ ■ ί ' : ■ ■

2. Ergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmoment der Bremsvorrichtung und die Tretfrequenz im wesentlichen einen linearen Zusammenhang aufweisen.

3. Ergometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Tretkurbellänge von 17,5 cm das Widerstandsmoment K (Nm) an der Kurbelwelle mit der Tretfrequenz N (UpM) im wesentlichen nach der Formel N = 2,6 K zusammenhängt.

4. Ergometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kurbelwelle und der Bremsvorrichtung Einstellmittel vorgesehen sind, durch die die Tretfrequenz (UpM) bei konstantem Widerstandsmoment K (Nm) zwischen N = 2,35 K und N = 2,85 K einstellbar ist.

5. Ergometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kurbelwelle und der Bremsvorrichtung ein einstellbarer Zahnradmechanismus vorgesehen ist.

6. Ergometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (2) in einem so niedrigen Übersetzungsverhältnis mit einer umlaufenden Wirbelstromscheibe (7) verbunden ist, daß sich die Wirbelstromscheibe (7) im Bereich der üblichen Tretfrequenz in dem elektrischen Wirkungsgebiet befindet, wo zwischen Drehzahl und Bremsmoment ein linearer Zusammenhang besteht.

7. Ergometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Wirbelstromscheibe (7) unmittelbar auf der Kurbelwelle (12) angeordnet ist.

8. Ergometer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld für die Wirbelstrombremse von wenigstens einem Dauermagneten (8,9) geliefert wird.

9. Ergometer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bestimmende Leistung auf einem Tachometer (11) abgelesen wird, das an die Wirbelstromscheibe (7) angeschlossen ist.

10. Ergometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (8, 9) in ra-

. dialer Richtung über die Wirbelstromscheibe (7) verschiebbar ist.

11. Ergometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufrolle (10) des Tachometers (11) mit dem Verstellmechanismus (13) des Dauermagneten (8, 9) der Wirbelstrombremse gekuppelt ist.