DE3403180A1

DE3403180A1 - Getriebe zum umwandeln einer konstanten oder linear veraenderlichen kraft in eine progressive kraft

Info

Publication number: DE3403180A1
Application number: DE19843403180
Authority: DE
Inventors: Dieter Herdel; Ludwig E. Dipl.-Ing. 6745 Offenbach Hunsicker; Georg 6730 Neustadt Weisbrod
Original assignee: GERMANIA GERAETE BAU und VERTR
Current assignee: GERMANIA GERAETE BAU und VERTR
Priority date: 1984-01-31
Filing date: 1984-01-31
Publication date: 1985-08-01
Also published as: FR2558816A1

Description

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ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT 3 4 0 31 8

TEL. (06341) 87000, 20035 ■ POSTFACH 2080 6740 LANDAU/PFALZ DEUTSCHE BANK 0215400 (BLZ 54670095)

TELEX 0453333 TELEGRAMME: INVENTION LANG STRASSE 5 POSTSCHECK LUDWIGSHAFEN 27562-676

30. Januar 1984

Germania Geräte Bau- und Vertriebs-GmbH, 6740 Landau/Pfalz

" Getriebe zum Umwandeln einer konstanten oder linear veränderlichen Kraft in eine progressive Kraft"

Die Erfindung betrifft ein Getriebe zum Umwandeln einer konstanten oder linear veränderlichen Kraft in eine progressive Kraft, enthaltend einen Seilzug mit wenigstens einer festen
Rolle.

In vielen Bereichen der Technik werden progressiv ansteigende Kräfte benötigt. Zur Erzeugung dieser progressiven Kräfte sind viele Konstruktionen bekannt. Eine dieser Lösungen verwendet Winkelhebel, die um eine Achse drehbar sind. Wird der Winkelhebel gedreht, ändern sich die wirksamen Hebelarme, so daß die gewünschte Progression erreicht werden kann. Abgesehen davon, daß derartige Getriebe mit Winkelhebeln umständlich
und platzraubend sind, bieten sie keine Möglichkeit, die
Progressionscharakteristik auf einfache Weise zu ändern.

Andere Getriebe verwenden mehr oder weniger kompliziert geformte, zum Beispiel spiralige Kurvenscheiben, auf denen Seile oder Ketten aufgewickelt werden. Auch diese Getriebe sind

unhandlich und unschön. Die Progressionscharakteristik kann nur durch Auswechseln der Kurvenscheibe verändert werden.

Bei der Abfederung des Chassis von Fahrzeugen, speziell von Kraftfahrzeugen, gegenüber dem Fahrgestell werden speziell geformte Federn mit progressiver Charakteristik eingesetzt. Die Herstellung derartiger Federn ist aufwendig. Eine Veränderung der Progressionscharakteristik von Fahrzeugen, die mit derartigen progressiven Federn ausgerüstet sind, ist praktisch nicht möglich.

Um progressive Kräfte zu erzeugen, werden auch spezielle Hydraulikanlagen eingesetzt. In diesen Anlagen wird die progressive Kraft durch in Behältern eingeschlossene kompressible Medien, hauptsächlich Gase, erzeugt. Hydraulikanlagen sind jedoch verhältnismäßig teuer. Beim Federn von Kraftfahrzeugen werden sie deshalb im wesentlichen nur von einer einzigen Firma auf der Welt serienmäßig eingesetzt.

Wieder andere Getriebe verwenden ein- oder zweiarmige Hebel, die so gelagert sind, daß das Verhältnis von Kraftarm zu Lastarm sich beim Betätigen des Hebels verändert. Eine derartige Konstruktion wird beispielsweise eingesetzt bei dem Fitness- und Bodybuildinggerät der EP-A 21 557. Bei diesem Gerät sind die von dem Probanden betätigten Hebel zum Anheben von Gewichtsblöcken auf einer Schrägführung verschieblich gelagert. Beim Anheben des Hebels verlagert sich dessen Drehpunkt nach hinten, wodurch sich das Verhältnis von Kraftarm zu Lastarm progressiv verändert.

Das progressive Ansteigen der den Muskeln des Probanden sich entgegenstellenden Widerstandskräfte bei Fitnessgeräten beruht auf der Erkenntnis, daß der Ubungserfolg dann am größten ist, wenn die Widerstandskraft des Gerätes der Muskulationswirksamkeit,die dem Einfluß der Hebelgesetze auf das Zusammenspiel

von Skelett und Muskulation beim Menschen unterliegt, entspricht. Zwar ist der Verlauf eines solchen Muskulationswirksamkeitsdiagramms bei allen Menschen prinzipiell gleich; individuelle Unterschiede bestehen jedoch einmal in der absoluten Höhe der Kräfte, je nachdem ob es sich bei dem Probanden um einen Jugendlichen oder einen Erwachsenen, einen Untrainierten oder einen Trainierten usw. handelt, ferner auch im optimalen Anstieg der Progression. Trainiert der Proband beispielsweise mit dem Ziel, seine Maximalkraft zu erhöhen, so ist eine relativ geringe Progression optimal; trainiert er mit dem Ziel, seine Schnellkraft zu erhöhen, so ist eine steile Progression optimal.

Einfache Fitness- und Bodybuilding-Trainingsgeräte arbeiten mit Kurvenscheiben und Seilzügen bzw. Ketten, die auf diese Kurvenscheiten aufgewickelt werden. Hier ist eine individuelle Anpassung entweder nicht oder erst nach einem aufwendigen Umbau möglich. Andere Geräte, die eine bessere individuelle Anpassung erlauben, arbeiten mit Hydraulikanlagen; sie sind deshalb erheblich teurer und aufwendiger.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe der eingangs genannten Art anzugeben, das sehr einfach und preiswert herstellbar ist, das jedoch eine Veränderung der Progression in weiten Grenzen bei praktisch beliebig großen Absolutwerten der Kräfte erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei dem Getriebe der eingangs genannten Art gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 .

Das vorliegende Getriebe weist somit alle Konstruktionsteile eines üblichen Flaschenzuges, - feste Rolle, lose Rolle, Seil, an loser Rolle und Seilenden angreifende Kräfte - auf. Bei einem herkömmlichen Flaschenzug sind jedoch diese Teile so

angeordnet, daß resultierende Kräfte nur in Richtung der direkten Verbindungslinie zwischen den beiden Rollenköpfen des Flaschenzugs wirken. Am freien Seilende wird mit konstanter Kraft gezogen, wobei diese Kraft entsprechend der Anzahl der Einzelseile zwischen oberem und unterem Rollenkopf gegenüber dem am unteren Rollenkopf angehängten Gewicht reduziert ist.

Dieses prinzipielle Verhalten zeigen auch die bekannten hydraulischen Hebezeuge für großen Hub, die als umgekehrter Flaschenzug oder Treibrollenzug bezeichnet werden. Hier wirkt eine starke hydraulische Kolbenkraft mit kurzem Hub direkt zwischen den Rollenköpfen, während die zu.hebende Last am freien Ende des Seils hängt.

Die vorliegende Erfindung dagegen beruht auf der Erkenntnis, daß an der losen Rolle progressive Kräfte entstehen, wenn die festen Rollen einen solchen gegenseitigen Abstand haben, daß die zur losen Rolle führenden Seilstücke einen endlichen Winkel einschließen, und zwar auch dann, wenn an den freien Enden des Seils konstante Kräfte angreifen. Derartige konstante Kräfte werden beispielsweise erzeugt durch Gewichte, die unter dem Einfluß der Schwerkraft stehen.

Beginnt man von der Grundstellung ausgehend, bei der das Seilstück, auf dem sich die lose Rolle befindet, gestrafft ist, die lose Rolle mit dem Seil gegen die an den Seilenden angreifenden Kräfte zu bewegen, so steigt die Widerstandskraft von Null an progressiv an, um schließlich asymptotisch gegen einen Grenzwert zu streben.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Abstand zwischen der festen Rolle und dem der losen Rolle benachbarten Seilende veränderbar. Dieser Abstand, der bei einem konstanten Hub der losen Rolle den zwischen den beiden zur losen Rolle führenden Teilstücken eingeschlossenen Winkel beeinflußt, ermöglicht die

gezielte Einstellung der Progressionscharakteristik. Die Progression, mit der die an der losen Rolle entstehende Kraft vom Wert Null aus gegen den asymptotischen Grenzwert strebt, kann durch einfaches Verändern dieses Abstandes in praktisch beliebigen Grenzen eingestellt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die lose Rolle entlang einer Bewegungsbahn geführt. Dabei kann diese Bewegungsbahn geradlinig oder krummlinig verlaufen, wodurch weitere Beeinflussungen der Progressionscharakteristik beim Kraftanstieg möglich sind.

Vorzugsweise sind wenigstens zwei feste Rollen als Umlenkrollen vorgesehen, wobei die lose Rolle zwischen den beiden festen Rollen angeordnet ist und der Abstand zwischen den beiden festen Rollen veränderbar ist. Eine derartige Anordnung ist ebenfalls einfach herzustellen. Sie erlaubt auf einfache Weise die Veränderung des gegenseitigen Abstandes der Umlenkrollen zur Veränderung der Progressionscharakteristik, wobei weder die Grundstellung des Getriebes - gestreckte Seilführung zwischen den beiden Umlenkrollen - noch die asymptotisch erreichbare Endstellung durch die Veränderung des Rollenabstandes beeinflußt werden. Dadurch ist es möglich, beispielsweise bei Erzeugung der an den Seilenden wirkenden Kräfte mittels Gewichten, die untere und die obere Endstellung der Gewichte unabhängig vom Abstand der festen Rollen festzulegen.

Bevorzugte Anwendungen des erfindungsgemäßen Getriebes finden sich bei dem eingangs beschriebenen Stand der Technik, d.h. bei Fitness- oder Bodybuilding-Trainingsgeräten anstelle der derzeit verwendeten Kurvenseheiben, Winkelhebel, Hydraulikanlagen usw.. Zur Nachbildung der Muskulationswirksamkeit wird die lose Rolle mit einem vom Probanden betätigten Handgriff bzw. Fußhebel gekoppelt, das eine Seilende an dem Ge-

rätegestell befestigt und das andere Seilende mit einem üblichen Gewichtsblock verbunden. Bei einer solchen Konstruktion kann die Progressionscharakteristik durch einfaches Verändern des gegenseitigen Abstandes der festen Rollen bzw. des Abstandes zwischen dem Seilende und der festen Rolle eingestellt werden, während der Absolutwert der Kraft durch größere oder kleinere Gewichtsblöcke eingestellt wird. Auf diese Weise können die Geräte an jeden Anwendungsfall angepaßt werden, unabhängig davon, ob es sich bei dem Probanden um einen Jugendlichen oder einen Erwachsenen, einen Anfänger oder einen austrainierten Sportler, ob es sich um Maximalkraft-Training oder Schnellkraft-Training handelt.

Der andere bevorzugte Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Getriebes betrifft die Federung bei Fahrzeugen, speziell bei Kraftfahrzeugen. Hier sind die lose Rolle mit der Radachse, die festen Rollen mit dem Chassis zu verbinden. Die Seilkraft wird vorzugsweise mit Hilfe einer Feder erzeugt, die zwischen den Enden des Seilzugs und dem Chassis eingefügt ist.

Hier wird der Maximalwert der Federungskraft wieder durch die Kraft der in den Seilzug eingeführten Feder bestimmt, die Progressionscharakteristik durch den gegenseitigen Abstand der festen Rollen.

Um die Progressionscharakteristik verändern zu können, sind die festen Rollen gegenüber dem Chassis verschiebbar angeordnet. Auch hier erweist sich die Tatsache, daß sowohl die Grundstellung als auch die asymptotisch erreichte Endstellung des Federungshubs unabhängig sind vom gegenseitigen Abstand der festen Rollen, als entscheidender Vorteil gegenüber den derzeit üblichen Lösungen.

Aufgrund dieser Tatsache ist es möglich, den gegenseitigen Absand zwischen den festen Rollen auch bei fahrendem Fahrzeug verstellbar zu machen. Dabei kann entweder die Federungscharakteristik an das unterschiedliche Gewicht angepaßt oder bei gleichem Gewicht die Härte der Federung verändert werden. So kann beim Übergang von beispielsweise asphaltierter Straße auf ungebahntes Gelände die Federungscharakteristik vom Führerhaus aus ohne Unterbrechung der Fahrt angepaßt werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie deren Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 die Grundausführung eines erfindungsgemäßen Getriebes,

Fig. 2 eine verbesserte Ausführung mit Angabe der

zur Berechnung der Progressionscharakteristik erforderlichen Werte,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Trainingsgerätes für Fitness- oder Bodybuilding und

Fig. 4 ein Diagramm der mit dem erfindungsgemäßen Getriebe gemäß Fig. 2 erreichbaren Progressionscharakteristiken .

Fig. 1 zeigt die einfachste Darstellung mit nur einer festen Rolle 1, einer losen Rolle 2, 2¹ und einer Befestigung 3 für das eine Ende eines Seilzugs 4. Am freien Ende des Seilzugs greift eine vorzugsweise konstante Kraft G an. Eine gleichgroße Kraft wird in dem mit der Befestigung 3 verbundenen Seilende durch die Reaktionskraft erzeugt.

Ausgangsstellung für das Getriebe ist die gestraffte Führung

des Seilzugs 4' zwischen der Befestigung 3 und der festen Rolle 1. Die lose Rolle 2' befindet sich dann in der strichpunktiert gezeichneten Position. Beginnt man von der Grundstellung ausgehend die lose Rolle 2¹ senkrecht nach unten zu ziehen, so steigt die Reaktionskraft P von Null aus progressiv an, um schließlich asymptotisch dem Wert P =2.G zuzustreben.

max

Die lose Rolle 2 ist mit einer Geradführung 5 verbunden. Diese Führung 5 verhindert, daß die lose Rolle 2 ihre Lage seitlich verändert, wenn die Seilbefestigung 3 seitlich verschoben wird, was durch den Doppelpfeil 6 angedeutet ist, um den Winkel der zur losen Rolle 2 führenden Seilstücke und damit die Progressionscharakteristik der Kraft P zu verändern.

Fig. 2 zeigt eine erweitere Konstruktion des Getriebes unter Anwendung von zwei festen Rollen 1, 11 und einer losen Rolle 2. Die Grundstellung liegt auch hier dann vor, wenn der Seilzug 4 über den beiden festen Rollen 1, 11 gestreckt ist, wie durch die strichpunktierte Linie 4' angedeutet. Eine Veränderung des gegenseitigen Abstandes der festen Rollen 1, 11, wie durch die Doppelpfeile 6 angedeutet, hat keinen Einfluß auf die Position des freien Endes des Seilzugs 4, lediglich einen Einfluß auf die Progressionscharakteristik der Kraft P, die in der losen Rolle 2 entsteht. Werden die beiden festen Rollen 1, 11 symmetrisch zur losen Rolle 2 verschoben, so ist eine Führung der losen Rolle 2 nicht erforderlich.

In Fig. 2 sind ferner die zur-Berechnung der Progressionscharakr.eristik der Kraft P erforderlichen Rechengrößen eingetragen. Mit H ist der Hub der Unterkante der losen Rolle 2 gegenüber der Grundstellung, d.h. gegenüber der Oberkante der festen Rollen 1, 11 bezeichnet. Mit D ist der halbe gegenseitige Abstand der Mittelpunkte der beiden festen Rollen 1, 11 bezeichnet. Der Winkel, den die zu der losen Rolle 2 führenden Seilstücke mit der Senkrechten einschließen, ist mit OC be-

zeichnet. Die lose Rolle 2 besitzt den Radius R, die festen Rollen 1_f 11 besitzen die Radien r. Mit Hilfe der in Fig. 2 eingetragenen Größen lassen sich folgende Bestimmungsgleichungen aufstellen:

P= 2-G-cos Ox (1)

tanä£ = d/h (2)

d=D - (r+R)cos OO (3)

h=H-(r+R) (1-sinCO (4)

Durch Einsetzen der Gleichungen (2) und (3) in Gleichung (4) erhält man folgende Gleichung:

H/(r+R)=1-1/sinC£ + cot CC-D/(r+R) (5)

In Gleichung (5) sind der Hub H und der halbe Abstand D auf die Summe aus Radius r der festen Rollen 1, 11 und Radius R der losen Rolle 2 normiert.

Normiert man auch Gleichung (1) auf die Seilkraft G, so lassen sich die normierten Progressionskurven für die Kraft P und den Hub H berechnen. Diese Kurven sind in Fig. 4 dargestellt, wobei der Wert D'=D/(r+R) als Parameter erscheint. Man erkennt aus diesen Kurven, daß bei kleinen Wertei von D¹ die Kraft P sehr schnell von Null aus ansteigt und dem Endwert 2G asymptotisch zustrebt. Mit zunehmenden Wert von D¹ wird die Progression zunehmend geringer; in allen Fällen beginnt der Anstieg beim Wert Null und endet asymptotisch beim Wert 2G.

Vergleichbare Kurven lassen sich auch für die Anordnung der Fig. 1 errechnen. Diese Kurven zeigen prinzipiell den gleichen Verlauf; lediglich die Absolutwerte sind geringfügig abweichend .

Fig. 3 schließlich zeigt in schematischer Darstellung die Anwendung des erfindungsgemäßen Getriebes bei einem Trainingsgerät für Bodybuilding bzw. Fitness, einem sogenannten Butterfly

zur Kräftigung der Arm/Schulter-Einwärts-Bewegung. Man erkennt einen stabilen Rahmen 20, an dessen Vorderseite über ein Hilfsgestell 21 ein Sitz 22 befestigt ist. Oberhalb des Sitzes 22 sind beidseitig gegenläufige,um eine senkrechte Achse schwenkbare Gestänge 23 mit Griffen 24 angeordnet. An der Rückseite des Gestänges 23 befindet sich je eine lose Rolle 2, die mit dem Seilzug 4 zusammenwirkt. Jeweils rechts und links der losen Rollen 2 befindet sich feste Rollen 1, 11, deren gegenseitiger Abstand verstellbar ist. Die Befestigung der festen Rollen 1, 11 ist zur Verbesserung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt; sie erfolgt beispielsweise an am Rahmen 20 befestigten Trägern.

Der Seilzug 4 läuft über Umlenkrollen 26 zu einem Gewichtsblock 27, der in Führungsstangen 25 geführt ist. Um Längenänderungen des Seilzugs 4 ausgleichen zu können, läuft er über eine Umlenkrolle am oberen Ende des Gewichtsblocks 27, wobei beide Seilenden am Rahmen 20 befestigt werden können.

Werden die Griffe 24 durch den Probanden nach innen geschwenkt, so schwenken die losen Rollen 2 nach außen, wobei der Seilzug 4 zwischen den festen Rollen 1, 11 V-förmig verläuft. Die im Bereich der losen Rollen 2 entstehende progressiv ansteigende Kraft wird durch die Gestänge 23 auf die Griffe 24 übertragen, so daß der Proband eine entsprechend der Muskulationswirksamkeit progressiv ansteigende Widerstandskraft verspürt. Die Progressionscharakteristik der resultierenden Widerstandskraft an den Griffen 24 kann durch Veränderung des gegenseitigen Abstandes der festen Rollen 1, 11 entsprechend den in Fig. 4 dargestellten Kurven problemlos eingestellt werden.

Claims

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ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT 34 0 31 8 0

TEL. (06341) 87000, 20035 · POSTFACH 2080 674O LAN DAU/P FA L Z DEUTSCHE BANK 0215400 (BLZ 54670095)

TELEX 04S3333 TELEGRAMME: INVENTION LANG STRASSE 5 POSTSCHECK LUDWIGSHAFEN 27562-676

30. Januar 1984

Germania Geräte Bau- und Vertriebs-GmbH, 6740 Landau/Pfalz

" Getriebe zum Umwandeln einer konstanten oder linear veränderlichen Kraft in eine progressive Kraft "

Patentansprüche

( 1. J Getriebe zum Umwandeln einer konstanten oder linear veränderlichen Kraft in eine progressive Kraft, enthaltend einen Seilzug mit wenigstens einer festen Rolle, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Rolle (1) als Umlenkrolle dient, daß an beiden Enden des Seilzugs (4) die gleichen Kräfte (G) angreifen, daß zwischen der festen Rolle (1) und einem der Seilenden eine lose Rolle (2) angeordnet ist und daß die vom Seilende (3) bzw. der festen Rolle (1) zur losen Rolle (2) führenden Seilstücke einen endlichen Winkel einschließen.
2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (2D) zwischen der festen Rolle (1) und dem der losen Rolle (2) benachbarten Seilende (3) veränderbar ist.
3. Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lose Rolle (2) entlang einer Bewegungsbahn (5) geführt ist.
4. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei feste Rollen (1,11) als Umlenkrollen vorgesehen sind, daß die lose Rolle (2) zwischen den beiden festen Rollen (1,11) angeordnet ist und daß der Abstand (2D) zwischen den beiden festen Rollen (1,11) veränderbar ist.
5. Anwendung des Getriebes nach den Ansprüchen 1 bis 4 bei einem Fitness- oder Bodybuilding-Trainingsgerät zur Nachbildung der Muskulationswirksamkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die lose Rolle (2) mit einem vom Probanden betätigten Handgriff bzw. Fußhebel (24) gekoppelt ist und daß die Seilenden an dem Gestell (20) des Gerätes bzw. mit einem Gewichtsblock (27) verbunden sind.
6. Anwendung des Getriebes nach den Ansprüchen 1 bis 4 bei der Federung eines Fahrzeug-Chassis gegenüber dem Fahrwerk, dadurch gekennzeichnet, daß die lose Rolle mit der Radachse, die feste Rolle bzw. die festen Rollen mit dem Chassis verbunden sind und daß zwischen dem Ende bzw. den Enden des Seilzuges und dem Chassis eine Feder eingefügt ist.
7. Anwendung des Getriebes nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Rollen am Chassis verschiebbar angeordnet sind.
8. Anwendung des Getriebes nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (2D) zwischen den festen Rollen auch bei fahrendem Fahrzeug verstellbar ist.