DE60125813T2

DE60125813T2 - Vorrichtung zum erhalt einer vorbestimmten linearen kraft

Info

Publication number: DE60125813T2
Application number: DE60125813T
Authority: DE
Inventors: Vojin Plavsic
Original assignee: Individual
Current assignee: Plavsic Vojin Graengesberg Se
Priority date: 2000-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2021-10-10
Also published as: CA2424922A1; WO2002030520A1; AU2001294476A1; US7156784B2; EP1335779A1; EP1335779B1; DE60125813D1; US20040038785A1; SE0003630D0; ATE350114T1; YU27103A; CA2424922C

Description

TECHNISCHES FELD
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Erzeugung einer im Voraus bestimmten linearen Kraft und besonders auf Kräfte, die hauptsächlich zum Training der Skelettmuskulatur vorgesehen sind. Aufgrund der außergewöhnlichen Eigenschaften, kann das Gerät in medizinischen, technischen und anderen Anwendungsbereichen, wo es von Vorteil ist, eingesetzt werden.
HINTERGRUND ZUR ERFINDUNG
Die meisten Trainingsgeräte, die heute auf dem Markt sind, bauen auf einigen wenigen Konstruktionsprinzipien: Geräte mit Bewegung von Gewichten, Geräte mit Federn und anderen elastischen Elementen, Geräte, die Friktion, Stellglieder wie Kupplungen, Bremsen, Fluidventile (pneumatische, hydraulische) usw. und motorbetriebene Einrichtungen einsetzen. Solche Geräte sind in den Dokumenten: CA-A-1214478; US-A-4603857 beschrieben.
Um Einsicht in den Trainingsfortschritt zu haben und um das Trainingsergebnis zu optimieren, ist es von besonderer Bedeutung, die maßgebenden Bewegungsparameter der Muskeln zu kontrollieren. Diese sind: Belastungskraft, Kontraktionsgeschwindigkeit, Beschleunigung usw. Der grundlegende Schwerpunkt hier liegt in der Möglichkeit, die Muskeln mit gegebenen Belastungswerten trainieren zu können.
Wenn man Gewichte benutzt, dann wird die Gravitationskraft benutzt, um im Muskel eine Belastung zu schaffen. Die Masse der Gewichte ist vorgegeben und entspricht der Kraft der Gewichte nur im Ruhestand. Wenn die Gewichte in einem gewissen Zeitintervall angehoben werden, ist es nicht zu umgehen, dass die Masse beschleunigt. Eine Beschleunigung der Masse mündet in eine zeitabhängige Trägheit, die das Produkt der Masse und des Beschleunigungswertes in dieser Zeitspanne ist.
Erfahrungen in den Bereichen Medizin, Training und Wettkampf haben gezeigt, dass Lastvariationen, die von der Trägheit erzeugt werden, von Bedeutung sein können. Deshalb muss, um ein einigermaßen kontrolliertes Training zu ermöglichen und Muskel- und Sehnenverletzungen zu vermeiden, das Gewichtheben mit der langsamsten möglichen Beschleunigung durchgeführt werden. Es ist unmöglich im Gewichtstraining oder mit Trainingsgeräten, die sie auf Gewichten basieren, gleichzeitig eine Bewegung mit freier Muskellast und Geschwindigkeit durchzuführen. Die Trägheit schränkt beim Training die Wahlfreiheit bezüglich der Geschwindigkeit und Beschleunigung ein. Diese Begrenzung liegt in der Tatsache, dass die momentane Muskelkraft, Stärke oder der Effekt (das Produkt von Muskelkraft und Kontraktionsgeschwindigkeit) die in der Beschleunigung des Gewichts entstehen, leicht den maximalen tolerierten Wert des Muskels überschreiten können. Das ist ein Wert, den der Muskel nicht erreichen kann oder falls er erreicht wird, kann man sich eine Muskelverletzung zuziehen. schlussfolgernd bedeutet das, es ist praktisch unmöglich, regelmäßig das essenzielle physische Trainingsausmaß, d.h. die eigentliche Muskelstärke, zu trainieren.
Beim Training mit so genannten „isokinetischen" Maschinen, liegt das Problem bei der Rückbewegung. In diesem Fall ist die Geschwindigkeit der Muskelkontraktion vorgegeben, während die Muskelkraft arbiträr fluktuiert.
Gewichtbasierte Trainingsgeräte haben auch andere Nachteile, die auf die Gewichte zurückzuführen sind. Sie müssen deshalb in Trainingsräumen mit robuster Trageunterlage aufgestellt werden und sollten sich nicht bewegen oder schwingen. Da Gewichte durch Anheben nur senkrecht bewegt werden können, ist immer ein gewisser Bewegungsraum notwendig, so dass man immer eine Begrenzung in der Konstruktion und Installation haben wird.
In auf Friktion beruhenden Geräten erhält man eine Kraft, die teilweise von der Beschleunigung abhängig ist, aber besonders von der Geschwindigkeit. in dem man kontinuierlich die Friktionskraft mit bremsen, Kupplungen und Ventilen kontrolliert, kann die Abhängigkeit der Bewegungsdynamik reduziert werden. Der größte Nachteil bei dem Einsatz von Friktionskräften ist, dass sie reaktiv sind, d.h. passiv, so dass die sehr vorteilhafte und wünschenswerte, die so genannte negative Muskelarbeit gehindert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung will bezwecken, dass man ein Gerät erhält, das im Voraus festgelegte lineare Kräfte/Drehkräfte (wachsende und sinkende), bietet, so dass man den erwünschten Output, je nach Anwendungsgebiet, bekommt.
Dieses erreicht man durch eine Einrichtung gemäß Patentanspruch 1. Vorgezogene Ausführungen sind durch die abhängigen Ansprüche beschrieben.
Einer der Aspekte der Erfindung wird beschrieben durch ein Gerät zum Erreichen einer vorgegebenen linearen Kraft, einschließlich einer elastischen Krafteinrichtung und Ausgangskraft-Einrichtung in Form eines nicht elastischen, flexiblen und verlängerten Stabes, wobei die Einrichtung zur Kraftumwandlung zwischen der ersten elastischen Krafteinrichtung und der Ausgangskraft-Einrichtung liegt. Die Funktionsweise besteht darin, dass durch das Anziehen der Ausgangskraft-Einrichtung eine Spannung in der erwähnten elastischen Krafteinrichtung entsteht, wobei die benötigte Ziehkraft, die an der Ausgangskraft-Einrichtung notwendig ist, mit dem Abstand den die Ausgangskraft-Einrichtung gezogen wird, kleiner wird.
Ein anderer Aspekt der Erfindung wird beschrieben durch eine zweite elastische Krafteinrichtung und eine zweite Ausgangskraft-Einrichtung, an der zweiten elastischen Krafteinrichtung angebracht. Die Funktionsweise besteht darin, dass durch das Anziehen der Ausgangskraft-Einrichtung eine Spannung in der erwähnten elastischen Krafteinrichtung entsteht, wobei die benötigte Ziehkraft, die an der Ausgangskraft-Einrichtung notwendig ist, mit dem Abstand den die Ausgangskraft-Einrichtung gezogen wird, größer wird. Die beiden Ausgangskraft-Einrichtungen sind zusammengekoppelt, so dass die Kräfte zusammengelegt werden und die Charakteristiken der beiden elastischen Krafteinrichtungen so gewählt sind, dass die Ziehkraft im wesentlichen die gesamte Ziehlänge konstant bleibt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Zugende der ersten Ausgangskraft-Einrichtung an einer mit Abstand aufgestellten, rotierenden Einheit auf einer Welle befestigt ist, so dass das Zugende der zweiten Ausgangskraft-Einrichtung an einer mit Abstand aufgestellten, rotierenden Einheit befestigt ist, so das eine Drehkraft, die beim drehen der rotierenden Einheit entsteht, konstant bleibt.
Verglichen mit herkömmlichen Geräten hat diese Erfindung mehrere Vorteile. Da man eine Kraft erhält, die kleiner wird, wenn man an der Ausgangseinheit zieht, indem die kleiner werdende Kraft proportional zur Zuglänge ist, können mehrere Funktionen erzielt werden. Es gibt mehrere Anwendungsbereiche, wo eine solche Minderung beim Ziehen der Ausgangseinheit wünschenswert ist.
Hinzu kommt, dass wenn man die kleiner werdende Kraft mit der Kraft, die mit dem Abstand, den die Ausgangseinheit gezogen wird, größer wird, können verschiedene Ergebnisse erzielt werden. Eine der bevorzugten Eigenschaften der Erfindung, die kleiner und größer werdenden Kräfte werden so kombiniert, so dass die daraus entstehende Kraft eine konstante Kraft ist – unabhängig von Belastungsimpulsen und -geschwindigkeiten/Beschleunigungen.
Wenn die Ausgangskraft an eine rotierende Einheit angeschlossen wird, wird ein konstantes Drehmoment um die Rotationswelle des rotierenden Teils erreicht.
Bezüglich der Trainingsaspekte, so bietet die konstante Kraft/Drehkraft dieser Erfindung eine anatomisch und physiologisch natürliche Kombination von Muskellastkräften und deren Derivate (Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen) der Muskelkontraktionslänge, wo die Kombinationen leicht im Voraus einzustellen sind. Das gemäß dieser Erfindung erstellte Gerät macht ein kontrolliertes und regelmäßiges Training einer gewissen Muskelstärke möglich. Hinzu kommt, dass das Gerät beim Training der explosiven Muskelstärke sehr effektiv ist – eine Stärke, die bei Spitzensportlern von großer Wichtigkeit ist. Dieses erreicht man indem die Muskel die Möglichkeit haben, mit einer gegebenen oder maximalen Beschleunigung oder Geschwindigkeit sich mit einer vorgegebenen Muskelbelastung zusammenzuziehen. So erhält man einen breiten Einsatzbereich, von Rehabilitation bis Body-Building und Spitzensport.
Außerdem kann die Erfindung in einer gänzlich mechanischen Einrichtung eingesetzt werden, so dass diese auf einen beliebigem Ort aufgestellt werden kann und weder viel Platz braucht noch schwer ist, im Gegenteil transportabel und kosteneffektiv in Produktion und Wartung ist.
Dieses und andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung und beigefügter Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In der detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen. Das sind:
1 zeigt schematisch das Prinzip der Erfindung, wo eine konstante Drehkraft erzielt wird,
2 zeigt ein Diagramm der Kräfte, die in der Erfindung wirken,
3 zeigt schematisch das Prinzip der Erfindung, wo eine konstante Drehkraft erzielt wird,
4 zeigt eine Gestaltung des Gerätes gemäß dem Prinzip in 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das Prinzip der Erfindung wird in Verbindung mit dem in 1 gezeigten Gerät beschrieben. Es besteht aus einen Arm (10) mit der Länge 1₁, der drehbar an einer Welle (O₁) befestigt ist. der Rotationsbereich α ist innerhalb des Bereichs 0 ≤ α ≤ π Radius. Ein flexibler, nicht elastischer Teil 12, im weiteren erster Draht, ist an das freie Ende von A des Arms befestigt. Hierbei muss erwähnt werden, dass „flexibel und nicht elastisch" bedeutet, dass es sich um einen Stab oder Draht handelt, der im Grunde in Längsrichtung ohne Elastizität ist, aber transversal biegbar ist. Dieser Draht verläuft nach unten über eine Rillenscheibe S1, wobei das Rillerad horizontal an Fläche 14 in 1 befestigt ist. Diese Fläche kreuzt sich mit der Achse der Rotation des Arms 10 und mit dem gleichen Abstand zwischen dem rillenrad und der Rotationsachse wie die Länge des Arms 1₁ = A O₁ = S₁O₁. Der erste Draht ist am elastischen Element Ee₁ befestigt.
Wenn der Arm 10 im Uhrzeigersinn den Winkel α gedreht wird, dann hat der Teil des Drahtes 12, der zwischen dem Rillenrad und der Befestigung zum Arm ist, die Länge X₁, welches gleich ist wie die Verlängerung des elastischen Elements Ee₁. Im Draht 12 wird nun eine elastische Kraft gemäß dieser Formel hergestellt: Fe1 = K1·X1 (1) wobei K₁ der Elastizitätskoeffizient des elastischen Elements ist.
Eine zweite flexibler aber nicht elastischer Draht 16 wird am Arm 10 am Punkt B befestigt – zwischen der Rotationsachse O₁ und dem Befestigungspunkt A für den ersten Draht. Die Befestigung B des Arms liegt 1₂ Abstand von der Rotationsachse O₁. Dieses kann etwas am Arm entlang eingestellt werden, der Grund hierfür wird weiter unten erläutert. Der zweite Draht geht über ein zweites Rillenrad S₂, das auch auf dem oben erwähnten Horizontale befestigt wird. Dieses geschieht im Abstand von 1₂ von der Rotationsachse O₁ des Arms (z.B. BO₁ = S₂O₁) an ein Rad 18, im Weiteren das Rad, wo der zweite Draht an die Außenseite des Rades, am Punkt D, befestigt wird. Ein Stopteil 19 ist an der Außenseite des ersten Rades befestigt, so das man in Kontakt kommt mit dem zweiten Rillenrad S₂, um das erste Rad daran zu hindern, sich gegen den Uhrzeigersinn zu drehen. Also ist die anfängliche Stellung des Gerätes gemäß 1 wenn das Stopteil in Kontakt mit dem anderen Rillenrad steht. Andere Typen von Stopteilen sind natürlich möglich um die gewünschte Funktion zu erreichen.
Damit das Gerät richtig funktionieren kann, müssen die beschriebenen Elemente geometrisch aufgestellt werden, und zwar so, dass bei jeder Position des Arms 10, beide Drähte mit dem jeweiligen Rillenrad (S₁ und S₂) in Berührung (Berühren oder darüber gehen) stehen. Das erste Rad ist an einer Welle O₂ mit dem Radius R befestigt. Das erste Rad steht so, dass die obere äußere Fläche so wie in 1 ist, d.h. sie berührt die schon erwähnte waagerechte Fläche 14. Wenn sich das erste Rad mit dem Uhrzeiger dreht, im Winkel Υ, dann wird der andere Draht mit einer Länge X₂ = R·γ.
Dabei wird der andere Draht mit einer bestimmten Kraft F₂ gespannt. In der anfänglichen Position (γ = 0) wird der andere Draht leicht angespannt mit der Kraft F2 = +/– 0.
Während der Rotation des ersten Rades, d.h. beim Zug am anderen Draht 16 mit der Länge X₂, wird der Arm 10 gezwungen, sich mit der Uhr um seine Welle O₁ mit dem Winkel α zu drehen. Dieses Drehen bedeutet wiederum, dass der Arm 10 den ersten Draht 12 den Abstand X1 zeiht, indem das elastische Element Ee₁ verlängert wird. Im ersten Draht wird eine elastische Kraft gemäß Gleichung (1) erzielt.
Die Kräfte des ersten und zweiten Drahtes 12, 16 bilden Drehkräfte, die gegeneinander wirken. In ruhender Stellung sind diese Drehkräfte gleich, d.h. M1 = Fe1·h1 = M2 = f·F2·h2. Falls Fe1 ausgetauscht wird mit der Gleichung (1), erhält man: K1 – X1 – h1 = f2 – h2 (4)
Aus der Geometrie, kann man folgende Gleichung ableiten: β = α/2 (5) h1 = L1 – cos (α/2) = L1 – cos β (6) h2 = L2. sin β (7) (X1/2) = L1·sin (α/2) = L1 – sin β i.e. X1 = 2 L1·sin (α/2) = 2·L1·sin β (8) (BS2/2) = L2·cos β (9) X2 = 2·L2 – BS2 (10)
Aus den Gleichungen 9 und 10 erhält man: X2 = 2·L2 – 2·L2·cos β und cos β = (2·L2 – X2)/(2·L2) (11)
Wenn cos β der Gleichung (11) in die Gleichung (6) eingefügt wird, erhält man: h1 = L1·(2·L2 – X2)/(2·L2) (12)
Wenn die Variablen in der Gleichung (4) mit den Gleichungen (12), (7) und (9) ersetzt werden, erhält man: K1·2·L1·sin β·L1·(2·L2 – X2)/2·L 2 = F2·L 2·sin β i.e. F2 = K1·L12·(2·L2 – X2)/L 22 = K1·(L1/L2)2·(2·L2 – X2) = 2·K1·L12/L2 – K1·(L1/L2)2·X2 (13)
Wie aus der Gleichung 13 im Bereich 0 ≤ X2 ≤ 2·L2 ersichtlich ist, ist F2 eine linear fallende Größe, wenn X2 größer wird, d.h. indem der zweite Draht weiter und weiter gezogen wird. So erhält man eine linear fallende Drehkraft um die Welle O2, wenn das erste Rad gemäß M_2o2 = F2 – R gezogen wird.
Ein zweites Rad 20 wird an das erste Rad angebracht und dreht sich auch um die Achse O2. Das zweite Rad 20 hat den Radius r, und ist in der gezeigten Ausführung kleiner als der Radius R des ersten Rades.
Eine dritte flexible, aber nicht elastische Stange/Draht 22 wird mit einem Ende außen an das zweite Rad, an Punkt E, befestigt. Das andere Ende des Drahtes wird an das zweite flexible Element Ee3 befestigt. Das zweite Rad ist geometrisch so befestigt, dass der Draht 22 immer mit dem zweiten Rad tangent in Berührung steht, an dem Punkt an dem der Draht zuerst die Oberfläche des Rades berührt. Beim Drehen des zweiten Rades wird eine elstische Kraft im dritten Draht erzielt: Fe3 = K3·(X3 + X3(O)) (2)hierbei ist X3(O) die Federkraft von Fe3 in der Ausgangsposition (γ = O, d.h. X3 = 0). So entsteht eine Vorspannung K3·X3(O). Die Vorspannung ist möglich, da das Stopteil 19 mit dem ersten Rillenrad in Kontakt ist. Fe3 ist so linear wachsend wenn der Draht 22 gezogen wird. So erhält man eine linear wachsende Drehkraft von M3 = Fe3·r.
Das erste und das zweite Rad 18, 20 werden benutzt, um die linear fallende Drehkraft M2o2 mit der linear wachsenden Drehkraft Me3 um die Welle O2 auf eine Art und Weise und für den Zweck wie unten beschrieben, zusammenzulegen.
Wenn man davon ausgeht, dass die Drehkraft Ms auf beide Räder benutzt wird und sie gleichzeitig mit einem gewissen Winkel γ im Uhrzeigersinn einsetzt, so wie in 1 gezeigt, dann wird der zweite Draht 16 auf dem ersten Rad 18 mit einer Läge X2 = R·γ gerollt und der dritte Draht 22 auf dem zweiten Rad 20 mit einer Läge X3 = R·γ gerollt und man erhält die folgende Gleichung: Ms = M3 + M2o2 = Ms = R·F2 + r·F3 = R·F2 + r·K3·(X3 + X3(O)) (3)
Die erzielte Drehkraft Ms, die die Kräfte F 2 und F3 um die Welle O2 gemäß Gleichung (3) hervorbringen kann nun so ausgedrückt werden: Ms = 2·R·K1·L12/L2 – R·K1·(L1/L2)2·X2 + r·K3·(X3 + X3(O)) = 2·R·K1·L12/L2 – R·K1·(L1/L2)2·X2 + r·K3·X3 + r·K3·X3 (O) = 2·R·K1·L12/L2 – R·K1·(L1/L2)2·R·γ + r·K3·r·γ + r·K3.X3(O) = 2·R·K1·L12/L2 + r·K3·X3(O) + (r2·K3 – R2·K1·(L1/L2)2)·γ (14)
Um eine Drehkraft, die vom Drehwinkel γ unabhängig ist zu erzielen, d.h. konstant ist, dann r2·K3 – R2·K1·(L1/L2)2 = 0 (r/R)2·(K3/K1) = (L1/L2)2 oder K2/K1 = (L1·R/(r·L2))2 (15)
Vorausgesetzt dass die Parameter in der Gleichung (15) erfüllt werden, dann ist die konstante Drehkraft: Ms = 2·R·K1·L12/L2 + r·K3·X3 (O) (16)wobei 0 ≤ X3 (O) ≤ X3 (0) max
Der Bereich in dem die Drehkraft Ms sein kann ist somit Ms min = 2·R·K1·L12/L2 Ms max = 2·R·K1·L12/L2 β r·K3·X3 (0) max μ = Ms max – Ms min)/Ms min = = r·K3·X3(0)max/(2·R·K1·L12/L2) (17)wobei μ ein vorgegebener Designparameter ist, der den Ratio zwischen dem variablen Teil und dem festen Teil der Drehkraft Ms bestimmt und ist für die Größe X3(0) ms geplatn, d.h. X3(0) max = (2·R·K1·L12/L2·μ)/(r·K3) (18)
Mit einem passenden mechanischen Design X3(O) kann mit gewünschter Präzision variiert werden. 2 zeigt die beiden Drehkräfte als Funktion des Drehwinkels y und der Summe um eine konstante Drehkraft Ms zu erzielen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, sollte die Schräge der beiden Drehkräfte gleich nur mit unterschiedlichem Vorzeichen sein. So erhält man die konstante Drehkraft Ms. Dieses erhält man durch eine passende Wahl der Parameter (K3, K1, L1, R, r und L2), die die Gleichung 15 befriedigen. Aufgrund verschiedener, von den berechneten Werten abweichender Einflüsse z.B. kleinere Abweichungen der Parameter in der Gleichung 15, kann es notwendig sein, eine oder mehrere der Parameter der Gleichung zu richten, um eine konstante Drehkraft zu erhalten. Dieses kann z.B. durch Nachstellen am Punkt B entlang des Arms 10 gemacht werden.
Wie aus 2 ersichtlich, kann das Niveau von Ms durch das Ändern der Vorspannung des elastischen Elements Ee3 geändert werden.
Einige Beispiele zu den Größen

1. Falls man R = r und L1 = L2 = X3(O)max = L nimmt, dann ist die Gleichung erfüllt mit K1 = K3 = K und Ms = R·K·(2L + X3(O)), Ms min = 2·R·K·L, Ms max = 3·R·K·L
2. Falls man wählt: R = r und L1 = 2·L2 = X3(O) max = L dann ist K3 = 4·K1 = 4·K und MS = 4·R·K·(L + X3(O)), Ms min = 4·R·K·L, Ms max = 8·R·K·L

3 zeigte eine andere Summationsmethode. Anstatt eines rotierenden Rades, wird ein Griff 30 oder ähnliches benutzt, um eine stetige lineare Kraft Fs zu erzielen. Auch hier gibt es ein Stopteil 19, um zu verhindern, dass der Griff sich über seine anfängliche Position hinaus bewegt und so kann man eine Vorspannung des zweiten flexiblen Elements erreichen. Fs = F2 + F3 = 2·K1·L12/L2 – K1·(L1/L2)2·X2 + K3·(X3 + X3(O) (19)
Beide Drähte werden gleichzeitig gezogen. Deshalb legen sie immer den gleichen Abstand zur gleichen Zeit zurück, d.h.: X2 = X3 = X (20) Fs = 2·K1·L12/L2 – K1 – (L1/L2)2·X + K3·(X + X3(O)) = 2·K1·L12/L2 – K1·(L1/L2)2·X + K3·X + K3·X3(O)) = 2·K1·L12/L2 + K3·X3(O)) + (K3 – K1·(L1/L2)2)·X (21)
Die Bedingung für einen konstanten Wert von Fs, wenn der Koeffizient vor X Null ist: K3 – K1·(L1/L2)2 = 0 oder K3/K1 = (L1/L2)2 (22)
Dann ist der konstante Wert von Fs: Fs = 2·K1·L12/L2 + K3·X3(0)) (23)wobei der Wert der Konstanten vorbestimmt ist durch das ändern des Abstandes von X3 (0)).
4 zeigt eine praktisch realisierte und getestete Ausführung bestehend aus dem oben beschriebenen Prinzip. Die Ausführung ist gemeint als Übungsgerät für den Muskeltraining. Das Gerät besteht aus einer Basis oder Rahmen 50, aus steifem Material. Eine Seitenwand 52 wird an den Rahmen befestigt. Mehrere Stangen 54 werden an die Seitenwand befestigt, so dass man zwei Führungsstangen erhält. In jedem Satz mit Führungsstangen werden Federn befestigt, 56, 58, diese Federn sind mit den Seitenwänden verbunden und einer Druckplatte 6ß und 62. Die Druckplatten können sich entlang der Führungstangen bewegen. An der oberen Druckplatte 60, wie in 4 gezeigt, ist eine Zugstange 64 befestigt. Die dehnt sich in der Feder aus, in Längsrichtung der Feder. Ein nicht elastischer aber flexibler Draht 66 ist an der Zugstange befestigt. Der Draht verläuft entlang des ersten Rillenrades 68, das drehbar an der Basis befestigt ist. Danach geht der Draht um das zweite Rillenrad 70, das drehbar an der Basis befestigt ist. Das zweite Rillenrad entspricht dem Rad S1 in 1. Das Ende des Drahtes ist am Ende des Armes 72 befestigt. Dieser Arm ist drehbar um eine Welle 74, die wiederum an der Basis befestigt.
Der Arm entspricht dem Arm 10 in 1. Ein nicht elastischer aber flexibler Draht 76 ist am gleichen Ende des Armes wie Draht 66 befestigt. Ein zweiter Draht verläuft um ein drittes Rillerad 78, entsprechend dem Rad S2 in 1, und ist an der äußeren Oberfläche des Rades 80 befestigt. Das Rad ist drehbar um eine Welle 74, die wiederum an der Basis befestigt. Ein Stopteil (nicht gezeigt) wird befestigt, um zu verhindern, dass das Rad mehr als in Ausgangsposition gegen den Uhrzeiger rotiert, siehe 4. Ein Trainingsgriff 84, gestrichelt eingezeichnet, kann an der Welle befestigt werden. Das Moment wird erreicht, indem man den Griff 84 mit der dreht.
Ein dritter nicht elastischer Draht 86 ist mit einem Ende an die äußere Oberfläche des Rades befestigt. Der dritte Draht verläuft über ein viertes Rillenrad 88 und ein fünftes Rillenrad 90, welches um die Zugstange 92 – an die zweite Feder 58 befestigt, rotierend befestigt ist. Die zweite Zugstange ist an dir Druckplatte 62 montiert. Dann geht der dritte Draht zu einem Befestigungselement 94, wo das andere Ende des Drahtes befestigt ist. Dieses Befestigungselement besteht aus einer rechteckigen Platte oder Block, durch den ein Loch mit Gewinde verläuft. Eine Stange 96 mit Gewinde wird durch da Loch befestigt und wird an jedem Ende durch Lager 98 gesichert. Das eine Ende der Stange mit Gewinde sticht aus dem Rahmen hervor und hat einen Griff 100, um die Stange eindrehen zu können. Dreht man am Griff, wird die Vorspannung der zweiten Feder nach Wunsch eingestellt.
Die Gleichung 15 wird durch die Parameter wie folgt befriedigt:
R = r, K3 = K1 und L1 = L2
Beide Federn haben die gleiche Länge und können gleich maximal elastisch komprimiert werden.
Wie aus dem oben beschriebenen Prinzip der Erfindung ersichtlich ist, können durch den Winkel verschiedene Kräfte/Drehkräfte gegeben werden.
Da die Kraft F2 mit der Funktion des Abstandes X2 linear abfällt und der Winkel γ in der Ausführung der 1, kann dieses in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. Ein solcher Bereich ist eine Einrichtung zum Schließen von Türen. Falls man davon ausgeht, dass eine Tür mit den Scharnieren in der Stellung O2 steht, je mehr die Tür geöffnet wird, in der Zeichnung gegen den Uhrzeiger gedreht wird, um so weniger ist die Drehkraft, die versucht, die Tür zu schließen. Wenn man die Tür schließt, werden die Schließkräfte stärker je mehr die Tür geschlossen wird.
Anders aufgestellt, kann das Prinzip auch mit Bogen oder Armbrust benutzt werden. Geht man davon aus, dass Draht 16 eine Sehne des Bogens und der Bogen das elastische Element Ee1, je mehr man an der Sehne zieht um so weniger Kraft braucht man zu spannen. Auf der anderen Seite, wenn man die Sehne loslässt, wird die Kraft, die den Pfeil antreibt, beschleunigen.
Die Kraft F1 kann mit diesem Prinzip gemäß der Erfindung auch zur Schaffung anderer Drehmomente eingesetzt werden. Wenn der Draht 16 von Arm 10 abgekoppelt wird, dann wird die Drehkraft M1 um den Pivotpunkt O1 wirken, einer Sinusfunktion des Drehwinkels α im Bereich 0 ≤ α ≤ π.
Das kann bewiesen werden wenn die Mengen der Gleichungen (6) und (8) in den Ausdruck der Drekraft M1 (der linken Seite der Gleichung (4)) gelegt werden. Man erhält: M1 = Fe1·h1 = K1·X1·h1 = = K1·2 L1·sinß·L1·cosß = K1·L12·sin2β = = K1·L12·sinα (24)
Diese Funktion kann eingesetzt werden, wenn hauptsächlich eine Sinusrelation zwischen der Spannung des Muskels und dem Gelenkmoment entsteht, zum Beispiel die Kraft in den Bizeps und das Moment des Unterarms.
Das Moment lässt dann eine fast konstante Muskelspannung entstehen.
Die Ausführungen der Erfindung wie sie oben beschrieben und in den Zeichnungen gezeigt sind können als nicht begrenzende Beispiele angesehen werden, da die Erfindung durch den Umfang des Anspruchs definiert ist. Als Beispiel kann gegeben werden: die Feder kann durch ein anderes elastisches Element wie Gummiseile, gasgefüllte Stempel und ähnliches ersetzt werden.
Ein anderer Einsatzbereich, wo eine konstante Kraft wünschenswert ist, ist in der Medizin:

– z.B. bei der Dosierung von Flüssigkeiten, wie Spritzen, wo der Taucher in den Behälter der Spritze mit konstanter Geschwindigkeit/Kraft gepresst werden muss. Oder
– eine traumatisierte Extremität strecken, nach einer orthopädischen Behandlung, mit einer bestimmten Kraft, die von Missstellung oder Spasmen der Extremität unabhängig ist.

Claims

Gerät zum Erreichen einer vorgegebenen linearen Kraft, einschließlich einer elastischen Krafteinrichtung (Ee1, 56) und Ausgangskraft-Einrichtung (16, 76) in Form eines nicht elastischen, flexiblen und verlängerten Stabes, wobei die Einrichtung zur Kraftumwandlung (10, 12, 72) zwischen der ersten elastischen Krafteinrichtung und der Ausgangskraft-Einrichtung liegt. Die Funktionsweise besteht darin, dass durch das Anziehen der Ausgangskraft-Einrichtung eine Spannung in der erwähnten elastischen Krafteinrichtung entsteht, wobei die benötigte Ziehkraft, die an der Ausgangskraft-Einrichtung notwendig ist, mit dem Abstand (X₂) den die Ausgangskraft-Einrichtung gezogen wird, kleiner wird.
Das Gerät, das unter Anspruch 1 beschrieben ist, gekennzeichnet dadurch, dass die beschriebene Kraftumformungseinrichtung einen Arm (10), der drehbar an einer Welle (O₁) befestigt ist, hat. Diese elastische Krafteinrichtung ist am erwähnten Arm befestigt, die erwähnte Ausgangskraft-Einrichtung ist mit einem Ende am erwähnten Arm befestigt, die erste richtungsändernde Einrichtung (s2) ist so aufgestellt, dass sie mit der Ausgangskraft-Einrichtung zwischen dem befestigten Ende und dem Zugende Kontakt hat. Dabei ist der Abstand zwischen dem Drehpunkt (O₁) und dem Befestigungspunkt (B) der erwähnten Ausgangskraft-Einrichtung und dem erwähnten Arm im Wesentlichen gleich dem Abstand zwischen dem Drehpunkt und der ersten richtungsändernden Einrichtung.
Gerät gemäß dem Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass ein zweites, nicht elastisches, flexibles, verlängertes Glied zwischen der ersten elastischen Einrichtung und dem Arm angebracht ist, dass eine zweite richtungsändernde Einrichtung (s₁) mit dem zweiten erwähnten Glied Kontakt hat, und zwar zwischen dem Befestigungspunkt an der ersten elastischen Einrichtung und dem Befestigungspunkt am erwähnten Arm. Dabei ist der Abstand zwischen dem Drehpunkt (O₁) und dem Befestigungspunkt (A) des erwähnten Glieds und dem Arm im Wesentlichen gleich dem Abstand zwischen dem Drehpunkt und dem zweiten richtungsändernden Einrichtung.
Gerät gemäß dem Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, dass die erste und zweite richtungsändernde Einrichtung Rillenscheiben sind.
Gerät gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass das Zugende der erwähnten ersten Ausgangskraft-Einrichtung an einer rotierenden Einrichtung (18), die sich um eine Welle drehen kann (O₂) mit dem Abstand (R), um so eine Drehkraftreduktion mit dem Drehwinkel (γ) zu erreichen.
Gerät gemäß einem beliebigen Anspruch zwischen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass es eine zweite elastische Krafteinrichtung (Ee₃) beinhaltet, sowie eine zweite Ausgangskraft-Einrichtung (22, 86), die an der erwähnten zweiten elastischen Krafteinrichtung angebracht ist, wobei die benötigte Zugkraft, die man an der zweiten Ausgangskrafteinrichtung benötigt, mit dem Abstand, mit dem die Ausgangskraft-Einrichtung gezogen wird, vergrößert wird, dass die beiden Ausgangskraft-Einrichtungen miteinander verbunden sind, um die Kräfte zu summieren und dass die Eigenschaften der beiden elastischen Krafteinrichtungen so gewählt sind, dass die Zugkraft im Wesentlichen im Laufe des Zugabstands konstant bleibt.
Gerät gemäß dem Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Einrichtungen (94, 96, 100) zur Vorspannung der erwähnten zweiten elastischen Krafteinrichtung.
Gerät gemäß dem Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass das Zugende der erwähnten ersten Ausgangskraft-Einrichtung an einer rotierenden Einrichtung (18), die sich um eine Welle drehen kann (O₂) mit dem Abstand (R), befestigt ist, dass das Zugende der erwähnten zweiten Ausgangskraft-Einrichtung an der erwähnten rotierenden Einrichtung (18) mit dem Abstand (r) befestigt ist, so dass man eine Drehkraft, die beim Drehen der erwähnten rotierenden Einrichtung, konstant ist, erhält.
Gerät gemäß einem beliebigen Anspruch 5 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass man es als Trainingsapparat benutzen kann.
Gerät gemäß einem beliebigen der oben genannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die elastische Krafteinrichtung Federn hat.