DE202013001619U1 - Power control based on momentarily acting forces for bicycle ergometers - Google Patents

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Abstract

Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse eines Fahrrad-Ergometers auf Basis einer momentan gemessenen einwirkenden Kraft, über ein Steuerungsprogramm geregelt wird, so dass das Ergometer drehzahlunabhängig betrieben werden kann.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometers, characterized in that the brake of a bicycle ergometer based on a currently measured acting force is controlled by a control program, so that the ergometer can be operated independently of speed.

Description

Bei sogenannten Fahrrad-Ergometern handelt es sich um eine spezielle Form von Fahrrad-Heimtrainern. Beide verfügen über eine Antriebsachse die über Tretkurbeln an denen Pedale angebracht sind, eine sogenannte Antriebseinheit, die mit Muskelkraft angetrieben wird. Fahrrad-Ergometer können eine Leistung in Watt vorgeben, wodurch sich die Leistungsfähigkeit einer Person, beurteilen lässt.So-called bicycle ergometers are a special form of home bicycle exercise bike. Both have a drive axle which has pedals on which pedals are mounted, a so-called drive unit, which is driven by muscle power. Bicycle ergometers can provide power in watts, which can assess a person's performance.

Dabei wird zwischen zwei Arten von Fahrrad-Ergometern unterschieden. Zum einen gibt es Fahrrad-Ergometer, die drehzahlabhängig funktionieren, und solche, die drehzahlunabhängig funktionieren. Das drehzahlabhängige Fahrrad-Ergometer ist nicht geregelt, d. h. bei zunehmender Drehzahl der Antriebsachse nimmt die erbrachte Leistung zu und bei nachlassender Drehzahl wieder ab.There is a distinction between two types of bicycle ergometers. On the one hand, there are bicycle ergometers that work depending on the speed and those that are independent of the speed. The speed-dependent bicycle ergometer is not regulated, d. H. as the rotational speed of the drive axle increases, the power output increases and decreases again as the rotational speed decreases.

Drehzahlunabhängige Fahrrad-Ergometer kompensieren diesen Effekt. Eine Leistung kann vorgegeben werden unabhängig von der Drehzahl der Antriebsachse.Speed-independent bicycle ergometers compensate for this effect. A power can be specified regardless of the speed of the drive axle.

Zur Erzeugung eines Tretwiderstandes an der Antriebseinheit sind Fahrradergometer mit einer mit dem Antrieb verbundenen, rotierenden Schwungmasse ausgestattet, die durch eine Bremse abgebremst wird.To generate a pedaling resistance on the drive unit, bicycle ergometers are equipped with a rotating flywheel connected to the drive, which is braked by a brake.

Nach Stand der Technik gibt es 2 Arten von Bremssystemen zur Erzeugung eines Tretwiderstandes bei drehzahlunabhängigen Fahrrad-Ergometern. Das Magnetbremssystem und die Wirbelstrombremse. Magnetbremssysteme funktionieren dadurch, dass eine Schwungmasse über auf einem flexiblen Bremsträger angebrachte Magnete abgebremst wird. Die Bremskraft wird hierbei über den Abstand der Magnete zum Schwungrad gesteuert. Wirbelstrombremsen verfügen über einen festen Abstand zum Schwungrad. Die Bremskraft wird über ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das auf die Schwungmasse einwirkt und über die Zufuhr eines elektrischen Stromes gesteuert wird.According to the prior art, there are 2 types of brake systems for generating a pedaling resistance in speed-independent bicycle ergometers. The magnetic brake system and the eddy current brake. Magnetic brake systems work by braking a flywheel via magnets mounted on a flexible brake carrier. The braking force is controlled by the distance of the magnets to the flywheel. Eddy current brakes have a fixed distance to the flywheel. The braking force is generated by an electromagnetic field, which acts on the flywheel and is controlled by the supply of an electric current.

Mechanische Bremsen, die insbesondere an sogenannten Indoor Bikes Verwendung finden, sind in der Regel manuell einstellbar, und können nach Stand der Technik nicht drehzahlunabhängig geregelt werden, da sich nur sehr ungenaue, nicht brauchbare Leistungskurven erstellen lassen.Mechanical brakes, which are used in particular on so-called indoor bikes, are usually manually adjustable, and can not be controlled independently of the speed according to the prior art, since only very inaccurate, unusable performance curves can be created.

Aus sportmedizinischer und trainingstechnischer Sicht ist es Voraussetzung zur Ermittlung des objektiven Gesundheits- oder Trainingszustandes einer Testperson, eine vorgegebene Leistung über eine bestimmte Zeit zum Zwecke der Diagnose zu erbringen oder ein vorgegebenes Trainingsprogramm zu absolvieren.From a sports medicine and training point of view, it is a prerequisite for determining the objective health or training condition of a subject to provide a predetermined performance over a certain time for the purpose of diagnosis or to complete a given training program.

Drehzahlunabhängige Fahrradergometer, die zu diagnostischen Zwecken oder zur effektiven Trainingssteuerung eingesetzt werden, funktionieren üblicherweise so, dass eine Wirbelstrombremse oder eine Magnetbremse über ein Steuerungsprogramm drehzahlunabhängig gesteuert wird, wobei die Bremskraft über die Stromzufuhr oder, über die Veränderung des Abstandes der Magnete vom Schwungrad, geregelt wird. Je höher der elektrische Strom ist, der auf eine Wirbelstrombremse einwirkt, oder je kleiner der Abstand der Bremsmagnete desto höher ist die Bremskraft und umgekehrt. Dem Steuerungsprogramm werden die spezifischen Leistungswerte aus der Bremskraft bei bestimmter Stromzufuhr und Drehzahl der Wirbelstrombremse oder bei einem bestimmten Abstand der Magnetbremse und bestimmten Drehzahl der Schwungmasse zugrunde gelegt. Dazu wird die Leistung der Bremse für unterschiedliche Größen von Stromzufuhr oder Magnetabstand und Drehzahl gemessen und in einer Leistungskurve festgehalten. Diese Leistungskurve bildet die Basis für das Steuerungsprogramm eines drehzahlunabhängigen Fahrrad-Ergometers. Die Bremskraft wird über das Steuerungsprogramm so gesteuert, dass die von einer Trainingsperson erbrachte Leistung an der Antriebseinheit einer zuvor definierten Leistung entspricht, unabhängig von der Anzahl der Kurbelumdrehungen pro Minute.Speed-independent exercise ergometers, which are used for diagnostic purposes or for effective training control, usually operate such that an eddy current brake or a magnetic brake is controlled independently of speed via a control program, the braking force via the power supply or, via the change in the distance of the magnets from the flywheel regulated becomes. The higher the electric current that acts on an eddy current brake, or the smaller the distance of the brake magnets, the higher the braking force and vice versa. The control program is based on the specific performance of the braking force at a certain power supply and speed of the eddy current brake or at a certain distance of the magnetic brake and certain speed of the flywheel. For this purpose, the power of the brake for different sizes of power supply or magnet distance and speed is measured and recorded in a power curve. This power curve forms the basis for the control program of a speed-independent bicycle ergometer. The braking force is controlled via the control program so that the power delivered to the drive unit by a training person corresponds to a previously defined power, irrespective of the number of crank revolutions per minute.

Der in Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass bei Steuerungen von Fahrrad-Ergometern auf Basis einer Leistungskurve, eine Beeinflussung des Bremssystems durch Temperatur, Feuchtigkeit, Abnutzung, Verschmutzung und anderer Faktoren, oder durch Kraftverlust bei der Kraftübertragung, nicht registriert wird, da eine momentane Messung nicht stattfindet sondern lediglich der Zustand der Bremse zum Zeitpunkt der Erstellung der Leistungskurve zugrunde gelegt ist. Das bedeutet, dass die angezeigten Leistungswerte von den tatsächlichen Leistungswerten, je nach Temperatur und Zustand abweichen können. Zudem ist diese Technik nicht auf mechanisch gebremste Geräte insbesondere Indoor Bikes nicht anwendbar.The protection specified in claim 1 invention is based on the problem that is not registered in controls of bicycle ergometers based on a performance curve, an influence of the brake system by temperature, humidity, wear, pollution and other factors, or by loss of power during power transmission, since a momentary measurement does not take place but only the state of the brake at the time of creation of the power curve is based. This means that the indicated power values may differ from the actual power values, depending on temperature and condition. In addition, this technique is not applicable to mechanically braked devices, especially indoor bikes.

Dieses Problem wird mit den in Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.This problem is solved with the features listed in protection claim 1.

Bei einem der Erfindung gemässen Fahrrad-Ergometer wird die reale, momentane Kraft, die auf die Antriebseinheit einwirkt gemessen und über die Anzahl der Kurbelumdrehungen (Winkelgeschwindigkeit) und des Zeitfaktors die momentane Leistung ermittelt. Um einen vorgegebenen Leistungswert einzuhalten, wird dieser ständig mit dem gemessenen Leistungswert mittels Steuerungsprogramm abgeglichen und geregelt. Ist die erbrachte Leistung höher als der vorgegebene Wert, wird die Bremskraft reduziert, ist die erbrachte Leistung kleiner, wird die Bremskraft erhöht. Auf dieser Basis lassen sich leistungsgesteuerte Trainingsprogramme erstellen, bei denen die gewünschte Leistung exakt gehalten wird, da die Leistungssteuerung aufgrund der gemessenen realen und momentanen Kraft, die auf die Antriebseinheit einwirkt stattfindet. Anstelle der Leistungskurve, die den momentanen Zustand der Bremsen nicht mit einbezieht, sondern lediglich den Zustand der Bremse zum Zeitpunkt des Einmessens abbildet, tritt hierbei die real, momentan gemessene Krafteinwirkung zur Steuerung des Ergometers. Dieses System lässt sich auch auf Geräte mit mechanischen Bremsen wie z. B. Indoor Bikes übertragen, deren Bremsen z. B. über einen Stellmotor der über ein Steuerungsprogramm angesteuert wird, betätigt werden.In a bicycle ergometer according to the invention, the real, instantaneous force acting on the drive unit is measured and the instantaneous power is determined by the number of crank revolutions (angular speed) and the time factor. In order to comply with a given power value, it is constantly adjusted and regulated with the measured power value by means of a control program. If the power supplied is higher than the predetermined value, the braking force is reduced, the power supplied is smaller, the braking force is increased. On this basis, power-controlled training programs can be created, where the desired performance is kept accurate, since the power control takes place based on the measured real and instantaneous force acting on the drive unit. Instead of the power curve, which does not include the current state of the brakes, but merely reflects the state of the brake at the time of calibration, this occurs in the real, momentarily measured force to control the ergometer. This system can also be applied to devices with mechanical brakes such. B. transmitted indoor bikes whose brakes z. B. via a servomotor which is controlled via a control program, are operated.

Claims (16)

Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse eines Fahrrad-Ergometers auf Basis einer momentan gemessenen einwirkenden Kraft, über ein Steuerungsprogramm geregelt wird, so dass das Ergometer drehzahlunabhängig betrieben werden kann.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometers, characterized in that the brake of a bicycle ergometer based on a currently measured acting force is controlled by a control program, so that the ergometer can be operated independently of speed. Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrrad-Ergometer über eine mechanische Bremse verfügtPower control due to momentarily acting forces for bicycle ergometer according to claim 1, characterized in that the bicycle ergometer has a mechanical brake Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet dass das Fahrrad-Ergometer über eine Wirbelstrombremse verfügt.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometer according to one of the preceding claims, characterized in that the bicycle ergometer has an eddy current brake. Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrrad-Ergometer über eine Magnetbremse verfügt.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometer according to one of the preceding claims, characterized in that the bicycle ergometer has a magnetic brake. Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrrad-Ergometer über mindestens 1 drehzahlunabhängiges Steuerungsprogramm verfügtPower control due to momentarily acting forces for bicycle ergometer according to one of the preceding claims, characterized in that the bicycle ergometer has at least 1 speed-independent control program Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Fahrrad-Ergometer einwirkende Antriebskraft gemessen wird.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometer according to one of the preceding claims, characterized in that the force acting on the bicycle ergometer driving force is measured. Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Fahrrad-Ergometer einwirkende Antriebskraft an der Antriebsachse gemessen wird.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometer according to one of the preceding claims, characterized in that the force acting on the bicycle ergometer driving force is measured on the drive axle. Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Fahrrad-Ergometer einwirkende Antriebskraft am Pedal gemessen wird.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometer according to one of the preceding claims, characterized in that the force acting on the bicycle ergometer driving force is measured on the pedal. Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Fahrrad-Ergometer einwirkende Antriebskraft an einer Tretkurbel gemessen wird.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometer according to one of the preceding claims, characterized in that the force acting on the bicycle ergometer driving force is measured on a pedal. Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Fahrrad-Ergometer einwirkende Antriebskraft am Antriebsrad der Schwungscheibe gemessen wird.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometer according to one of the preceding claims, characterized in that the force acting on the bicycle ergometer driving force is measured at the drive wheel of the flywheel. Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Fahrrad-Ergometer einwirkende Antriebskraft am Kettenblatt oder der Riemenscheibe gemessen wird.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometer according to one of the preceding claims, characterized in that the force acting on the bicycle ergometer driving force on the chainring or the pulley is measured. Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Fahrrad-Ergometer einwirkende Antriebskraft an der Schwungscheibe gemessen wird.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometer according to one of the preceding claims, characterized in that the force acting on the bicycle ergometer driving force is measured on the flywheel. Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Fahrrad-Ergometer einwirkende Antriebskraft am Kraftübertragungssystem wie Antriebskette, Antriebsriemen, Kurbelwelle oder Getriebe gemessen wird.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometer according to one of the preceding claims, characterized in that the force acting on the bicycle ergometer driving force on the power transmission system such as drive chain, drive belt, crankshaft or transmission is measured. Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Fahrrad-Ergometer einwirkende Antriebskraft an der Bremsaufhängung gemessen wird.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometer according to one of the preceding claims, characterized in that the force acting on the bicycle ergometer driving force is measured at the brake hanger. Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrrad-Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Fahrrad-Ergometer einwirkende Antriebskraft an der Bremse gemessen wird.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometers according to one of the preceding claims characterized in that the force acting on the bicycle ergometer driving force is measured on the brake. Leistungsregelung aufgrund momentan wirkender Kräfte für Fahrradergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche Dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Fahrrad-Ergometer einwirkende Antriebskraft an einem Sekundärantrieb gemessen wird.Power control due to momentarily acting forces for bicycle ergometer according to one of the preceding claims, characterized in that the force acting on the bicycle ergometer driving force is measured at a secondary drive.
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DE102013214139B4 (en) 2013-07-18 2023-07-20 Axel Bachmann training device

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