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Ergometervorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine SSrgome tervorrichung, in welcher durch
Betätigungselemente eine Drehbewegung erzeugbar ist, die über eine Wirbelstrombremse
entsprechend ihrem Drehmoment auf ein Meßglied übertragen wird.
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Solche Betätigungselemente sind beispielsweise drehbare oder Schwenkpedale,
ein laufband oder Dreh- oder Druckkurbeln.
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Diese Ausführungen werden einbezogen.
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Ein iroblem an solchen Brgometern liegt darin, einerseits eine möglichst
einfache Ausführung für die l,eistungsanzeige zu schaffen und andererseits auch
eine laufencie Veränderbarkeit vorzusehen.
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Das wird mit bekannten Ausführungen nicht erreicht. Bei bekannten
Ergometern, bei denen eine Wirbelstrombremse benutzt wird, die aus einem Wirbelstromläufer,
der im allgemeinen mit dem
rotierenden Element, d.h. der im romcter
angetriebenen Welle, verbunden ist und aus einem drehbar gelagerten Magnetpolträger
besteht, sind an letzteren ein liebelarm mit z.B. einem pendelnden Gewicht oder
Federn für ein Gegenmoment angeordnet.
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Dieses pendelnde Gewicht oder die Federn stellen dabei ein eßlied
dar. Die Pendelungsfähigkeit des Gewichtes bzw. die Schwingungsfähigkeit von Federn
trägt zu einer ungleichmäßigen und wechselnden Belastung bei. Diese Anwendungen
von Wirbelstrombremsen zeigen lediglich die Bremskraft an. Es wird darauf hingewiesen,
daß Wirbelstromveil und Pzagnetteil auch vertauscht werden können.
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Ferner sind bekannte Ausführungen, insbesondere von Fahrrad-Ergometern,
mit mechanischen Bremsen versehen. Solche mechanischen Bremsen sind einerseits auftiendig
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.
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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.
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Es ist auch bekannt, eine 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.
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Ein Problem an Ergometern liegt aber auch darin, nicht nur eine Leistungsanzeige
z.u liefern, sondern ale Eremskraft au Ergometer so fortlaufend in Abhänglgkeit
von Drehzahländerunggen zu verändern und einzustellen, daß ein Proband einer konstant
bleibenden Leistungsbeeinflussung unterworfen wird.
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Mit den bekannten Ausführungen ist es schwierig bzw. mit einfachen
Mitteln nicht durchführbar, die Selastung eines Probanden sehr genau einzuhalten.
Das ist aber insbesondere bei Medizinischen Untersuchungen erforderlich. Bisher
hat man den Ausweg eingeschlagen, zu diesem Zweck dem Probanden eine möglichst genaue
Einhaltung der Drehzahl aufzuerlegen. Das ist in der Praxis nicht durchführbar,
weil unwillkürlich, wenn der Proband die Wanderung eines Zeigers an einem Drehzahlmesser
beobachtet, eine Bewegung über einen markierten Wert wechseind erfolgt, so daß Wellen
wehöhter Leistung sich in Wellen verminderter Leistung anschließen.
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Linie in diesel Zusammenhang bekannte Zu- und Abschaltung von Widerständen
an generatorischen Bremsen zur Anpassung an die Belastung ist aufwendig und teuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. ein Ergemeter der eingangs
angegebenen Art mit einer wirbelstrombremse e dahingehend zu verbessern, daß mit
einfachen Mitteln, die weitestgehend wartungsfrei und insbesondere schaltkreisfrei
sein sollen, eine leistungsabhängige Spannung erzeugt und eine Anpassung der Bremskraft
stufenlos ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird an einem eingangs angegebenen Ergometer dadurch
gelöst, daß das Meßglied ein mit Dehnungsmeßstreifen DMS versehener Kraftaufnehmer
20 ist, der von einem an der Wirbelstrombremse 29 erzeugten Moment verstimmbar und
durch eine von der Drehzahl abhängige Spannung speisbar ist, daß die von dem Kraftaufnehmer
gelieferte Istwert-Spannung Ua entsprechend der Ergometerleistung in einem Komparator
52 eingespeist wird, welche eine einstellbare Sollwert-Spannung UG empfängt, und
daß der Wirbelstrombremse 29, deren eines Element, Wirbelstromläufer 16 oder Magnetpolständer
111, axial auf das andere Element hin und von ihm fort bewegbar ist, ein Stellmotor
57 zur axialen Einstellung des einstellbaren Elements vorgeschaltet ist und in Abhängigkeit
von einer Differenzspannung zwischen der Soll- und Istwert-Spannung das Bremsmoment
der Wirbelstrombremse 29 steuert.
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Solche Kraftaufnehmer sind an sich bekannt. Es handelt sich dabei
beispielsweise um in Brückenanordnung vorgesehene Dehnungsmeßstreifen an einer Seite
eines durch das Drehmoment infolge der aufgebrachten Drehzahl auslenkbaren Hebels.
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Kraftaufnehmer sind einerseits einfacher und robuster als bekannte,
als Meßglieder verwendete Wandler ausgeführt.
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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 stufenweie Anderung von Größen durch
Zu- oder Abschaltung von Widerständen.
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Für die drehzahlabhängige Spannung zur Speisung des Kraftaufnehmers
bzw. der Brückenschaltung des Kraftaufnehmers kann an der Antriebswelle ein Generator
vorgesehen sein, der eine drehzahlabhängige Spannung liefert. Dabei liegt
jedoch
eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, daß an einer angetriebenen Welle der Ergometervorrichtung
ein Drehzahlspannungswandler, insbesondere in Form eines Digital-Analogwandlers
vorgesehen ist, der eine drehzahlabhängige Spannung liefert. Zweckmäßig besteht
ein solcher Drehzahlspannungswandler aus einer angetriebenen Lochscheibe mit Gabellichtschranken
zur Drehzahlaufnahme, wodurch eine weitgehend verlustfreie Umsetzung der Drehzahl
möglich ist.
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Es wird bemerkt, daß Wirbelstrombremsen bekanntlich aus einem angetriebenen
Wirbelstromläufer, insbesondere einer Aluminiumscheibe, und einem drehbar gelagerten
Magnetpolständer mit Magnetpolen besteht. Die axiale Einstellung des einstellbaren
Elements der Wirbelstrombremse erfolgt vorteilhaft im Sinne einer gleichmäßigen
Belastung des Probanden.
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Maßgeblich ist, daß der Kraftaufnehmer als mechanisches Element einerseits
elektrisch mit einer drehzahlabhängigen Spannung und andererseits mechanisch durch
die Bremskraft beeinflußt wird und dabei automatisch ein leistungsabhängiges Signal
liefert, welches als Ausgangsspannung der Bremskraft und Drehzahl proportional ist.
In der raumsparenden, robusten und weitgehend wartungsfreien Ausführung ist dabei
die Leistung mittels eines spannungsabhängigen Instruments anzeigbar. Dabei erübrigen
sich aufwendige Multiplikationsschaltkreise, wobei in Verbindung mit der Wirbelstrombremse
auch die stufenlose Anpassung leicht möglich ist.
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Ein besonderer Vorteil liegt dabei 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.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß mit wenigen und robusten
Bauteilen, die weitestgehend wartungsfrei sind, übergangslos eine Einstellung auf
gleiche Leistung vorgesehen ist, wobei diese Leistung aber beliebig durch den Sollwertgeber
für eine Sollwertspannung wählbar ist.
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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. Dabei ist
zu berücksichtigen, daß es in erster Linie darauf ankommt, eine gleichmäßige und
stufenlose Anpassung des Ergometers zur Einhaltung einer bestimmten Belastung des
Probanden zu erreichen.
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Vorteilhaft ist einem Komparator, dem die Soll- und Istwert-Spannungen
zugeführt werden, ein Regler zugeordnet, der mit dem Stellmotor zusammenarbeitet.
Ein solcher Regler ist in handelsüblicher Weise verfügbar.
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Beispielsweise handelt es sich um einen Feldregler für den Stellmotor,
für den dann zweckmäßig eine Fremderregungsspannungsquelle vorgesehen ist. Zweckmäßig
wird einbezogen, dem Sollwertgeber einen Programmgeber zuzuordnen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1:
in schematischer Ansicht ein Ergometer, Fig. 2: eine Seitenteilansicht von Elementen
der Wirbelstrombremse,
Fig. 3: eine Stirnansicht von Fig. 2 längs
der Linie III - III in Teildarstellung, Fig. 4: eine Blockdarstellung für die beschriebene
Ausführungsform.
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Fig. 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
OberseiteEinstell- 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 hervorgehtauch eine Wirbelstrombremse 29 und ein Kraftaufnehmer
20.
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Wie auch aus Fig. 2 erkennbar ist, ist zwischen Wänden 9 und 12 des
Gehäuses 6 eine Achse lo gelagert. Auf einer fest auf ihr angeordneten Wellenbuchse
11o 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 29 ein Wirbelstromläufer
16 drehfest angeordnet. Koaxial dazu ist am anderen Ende der Achse lo 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.
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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 Magnetlinien ein Drehmoment
auf
den Magnetpolträger 14 ausgeübt. Die Magnetteile 17 sind zweckmäßig als Ring mit
Magnet zonen ausgeführt.
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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),
die in an sich bekannter Weise in einer Brückenanordnung an einer Seite des Hebels
22 angeordnet sind, wie beispielsweise bei 24.
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Der Kraftaufnehmer insgesamt ist mit 20 bezeichnet. Die Dehnungsmeßstreifen
könnten auch an anderen Seiten des Hebels 22 vorgesehen sein unter entsprechender
Ausrichtung der Brücke.
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Der Hebel hat eine Biegungsfähigkeit, die darauf abgestimmt ist, daß
bei dem sich am Magnetpolträger 14 ergebenden Drehmoment eine gangende 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.
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Auf der angetriebenen Welle befindet sich ein Drehzahlspannungswandler
19, vorteilhaft in der Ausführung mit einer Lochscheibe 1111 und einer Meßschranke
115, 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.
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Diese Spannung ist die im folgenden mit Us bezeichnete Brückenspeisespannung.
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Es wird darauf hingewiesen, daß die Spannungen durch Digital- oder
Analogsignale zugeführt werden können.
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Wenn die Verstimmung des in Brückenanordnungen vorgesehenen Kraftaufnehmers
mit V bezeichnet wird, ergibt sich am Kraftaufnehmer eine Ausgangsspannung Ua =
k x V x Us, wobei k eine Brückenkonstante einführt. Da die Speisespannung U5 von
der Drehzahl abhängig ist und die Verstimmung V von der Bremskraft, ergibt sich
eine Ausgangsspannung Ua 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 Fig. 4 geschaffen.
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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
Us und über die Zugverbindung 21' auch das Bremsmoment eingeführt wird. Damit wird
am Ausgang des Dehnungsmeßstreifen-Kraftaufnehmers 20 eine Ausgangsspannung Ua geliefert,
welche dem Eingang 59 eines Komparators 52 zugeführt wird. An den anderen Eingang
53 des Komparators ist ein Sollwertgeber 54 angeschlossen, der eine Sollwertspannung
UG in den Komparator einspeist. Die in diesem ermittelte Differenzist
somit
im Sinne des Doppelpfeils 38 durch eine im ganzen mit 39 bezeichnete Einstelleinrichtung
verstellbar. Diese besteht beispielsweise aus einer Spindelmutter 116 am Betätigungselement
36, durch die eine im Gehäuse an einem Träger 117 geführte Spindel 48 geschraubt
ist. Letztere ist durch den am Träger 47 angeordneten Stellmotor 57 antreibbar.
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Aus Fig. 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.
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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 Magnetpolständers an den Wirbelstromläufer erzeugt wird und bei allmählicher
Abnahme der Differenzspannung UD dann durch den Regler 56 eine größere Entfernung
eingestellt wird, solange, bis Ua = UG ist, so daß dann der Proband mit einer vorgewählten
Leistung belastet wird. In der beschriebenen Weise erfolgt dann eine kontinuierliche
Anpassung.
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Für die Fig. 4 werden folgende Angaben zum Verständnis der Bezugszeichen
gemacht: 20 Dehnungsmeßstreifen-Kraftaufnehmer 29 Wirbelstrombremse 52 Komparator
54 Sollwertgeber 56 Regler 57 Motor
spannung 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 Ua = U5 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 den 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.
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Nunmehr wird wiederum auf die Fig. 2 Bezug genommen.
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Es ist erkennbar, daß die Nabenbuchse 42 einen keilförmigen Betätigungsansatz
34 aufweist, der eine schräg zur Achse lo verlaufende Keilfläche So 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.
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Zwischen der Wellenbuchse 40 und der Nabenbuchse 112 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 So am Betätigungsansatz 311
drückt. Dieses Betätigungselement 36