DD156047A3

DD156047A3 - Ergometer

Info

Publication number: DD156047A3
Application number: DD22361080A
Authority: DD
Inventors: Rolf Geiler; Rolf Trautmann; Rudolf Mueller
Original assignee: Rolf Geiler; Rolf Trautmann; Rudolf Mueller
Priority date: 1980-08-29
Filing date: 1980-08-29
Publication date: 1982-07-28
Also published as: CS436381A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ergometer mit einem Generator, der mit einer von der Testperson zu betaetigenden Antriebsvorrichtung gekuppelt ist. Mittels einer Multiplizierschaltung fuer das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl und einer proportional-integralen Regelung wird der Bremsstrom des Generators geregelt. Die bei diesem Ergometer auftretenden mechanischen Leistungsverluste werden mittels eines verschwenkbaren, ein Getriebe und den Generator aufnehmenden Gehaeuses und eines Widerstandsgebers in eine Signalspannung gewandelt und korrigierend auf den Generatorbetrieb geschaltet. Damit koennen die tatsaechlich eingestellten Leistungswerte ohne verlorener Leistungsdifferenz von der Testperson gehalten werden.

Description

Ergometer

Anwendungsgebiet der Erfindung: .

Die Erfindung betrifft ein Ergometer mit einem Generator, der mit einer von der Testperson zu betätigenden Antriebsvorrichtung gekuppelt ist. Geräte dieser Art dienen sportmedizinischen Untersuchungen und als Trainingsgerät im Radrennsport . Im Hinblick auf seinen Einsatzbereich wird dieser Gerätetyp auch als Fahrradergometer bezeichnet. Mit seiner Hilfe werden reproduzierbare, quantitative Basisgrößen bestimmt, die besonders für den Sektor der Funktionen des Herz-, Kreislauf- und Atmungssystems wichtig sind. Außerdem bietet es die Möglichkeit, Kreislauf und Respirationsgrößen während und nach der Belastung der Testperson zu messen und zu registrieren.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Bei einem bekannten Irgometer (DS-PS 25 40 492) ist in üblicher Ausführung der mechanisch mit der Antriebsvorrichtung verbundene Generator mit Permanentmagneten zur Erzeugung seines Srregerfeldes und mit einer an den Ausgang des Generators angeschlossenen Belastungseinrichtung mit einem elektronischen, die elektrische Belastung des Generators auf einen vorgegebenen Wert haltenden Laststeller

und einer vom Generator gespeisten elektronischen Steuer« schaltung j welche den dem Laststeller vorzugebenden, die durch mechanische Verluste bedingte zusätzliche Belastung berücksichtigenden Sollwert ermittelt, versehen«, l*s war inzwischen bekannt, daß ein Ergometer, bei dem der Sollviert aus einer konstanten Spannung und einer der Drehzahl des Generators proportionalen Spannung zusammengesetzt wird, sehr aufwendig gestaltet und die von der Testperson aufzubringende Leistung dennoch nicht drehzahlunabhängig ists da die mechanischen Verluste einen beträchtlichen Anteil mit einer quadratischen Abhängigkeit von der Drehzahl ausmachen»

Damit aber die von der Testperson aufzubringende Leistung, und zwar für alle wählbaren Leistungswerte, weitgehend drehzahlunabhängig gehalten werden kann, wurde vorgeschlagen, daß die Steuerschaltung eine Laststrom-Sollwertgröße als Differenz aus einem ersten Anteil einerseits und der Summe eines zweiten und dritten Anteils andererseits bildet, wobei der erste Anteil dem Quotienten aus der von der Testperson aufzubringenden Leistung und der Generatorspannung proportional, der zweite Anteil der Generatorspannung proportional und der dritte Anteil eine Konstante ist_β Die Realisierung dieser Lösung ist also von einer proportionalen Wirkungsweise gekennzeichnet, deren lastabhängiger Fehler durch eine mit dieser kombinierten integralen Wirkungsweise zu beseitigen wäre« So lag es nun nahe, die Stabilität der Regelung und die genaue Regelung auf den Sollwert mittels eines proportional-integral wirkenden Reglers zu erreichen, der dem Laststeller zugeordnet und dem die Laststrom-Sollwertgröße als Stellgröße zugeführt wird ο Gerätemäßig wurde hier eine Variante gewählt, die noch mit weiteren notwendigen Besonderheiten für nicht vernachlässigbare Wirkungen eine drehzahlunabhängige Annäherung an die gewählten Leistungswerte anstrebt. Dennoch er-

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scheint die Erfassung und Berücksichtigung der durch mechanische Verluste bedingten zusätzlichen Belastung nicht nur idealisiert zu sein, sondern ist auch der zur Lösung erforderliche Aufwand nach wie vor relativ hoch. Eine andere Variante zeigt ein Fahrradergometer mit elektrischer Gene rat orbr erase (DD-WP 132 84-3), bei der das Generatorgehäuse pendelnd gegen eine elektronische Kraftmeßdose aufgehängt ist. Diese Lösung sieht weiter vor, daß die elektronischen Drehzahl- und Kraftsignale Bingangswerte einer Reihenschaltung zur Ermittlung der mechanischen Leistung und Arbeit sowie das Istleistungssignal und ein Sollwertsignal Eingangswerte eines Reglers zur Steuerung der Erregerspannung des Generators sind, ,

Mn Ergometer in der dargestellten Weise ist im wesentlichen durch zv/ei Meß« und Signalgeber für die momentanen Werte von Drehmoment und Drehzahl gekennzeichnet; außerdem einer aus beiden Angaben ein dem Istwert der Verlustleistung entsprechendes Signal erzeugende Multipliziereinrichtung, die aufgrund ihres Vergleichswertes mit dem vorgegebenen Sollwert einen Regler ansteuert. Demnach muß auch bei diesem Ergometer der Bremsstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl geregelt werden, damit die Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik des im Bremsbetrieb betätigten Generators eine fast drehzahlunabhängige Leistung gewährleisten kann. Doch auch diese Lösung wird bei ergometrischen Untersuchungen feststellen, daß die zur Überwindung der Bremswirkung erforderliche Leistung gegenüber der Drehzahl nicht befriedigt gemessen wird, daß eine Aussage über die tatsächlichen Werte der mechanischen Leistung zur Drehzahl nur mangelhaft sein kann.

Ziel der Erfindung:

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Mangel zu beseitigen und die nicht linear von der Drehzahl abhängigen mechanischen Verluste derart zu erfassen, daß ein einwandfreier

Generatorbetrieb erreicht und die eingestellten Leistungswerte ohne verlorener Leistungsdifferenz von der Testperson gehalten werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sämtliche möglichen Verlustleistungen zu erfassen und deren charakterisierenden Daten in Form einer Signalspannung korrigierend auf den Generatorbetrieb einwirken zu lassen»

Erfindungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein zur Messung mechanischer Leistungsverluste als Gelenk ausgebildetes Gehäuse, das in sich ein mechanisches Getriebe und einen Generator aufnimmt, zusammen mit dem im Gehäuse angeordneten Getriebe und dem Generator um die Antriebsachse des mechanischen Getriebes verschwenkbar ist, daß sich der Schwerpunkt dieser Getriebe-Generator-Einheit außerhalb seiner Schwenkachse befindet, und zwar in einer definierten Lagen- und Hebelarmabhängigkeit zu einem Kontaktkörper eines mechanisch-elektronischen Gebers, der vom Gehäuse bzw. der Getriebe-Generator-Einheit druckbelastet und ausgangsseitig mit einer Ansteuer- und Meßelektronik verbunden ist*

Dadurch, daß nunmehr jede übertragene Verlustleistung in eine trägheitsfreie Regelgröße gewandelt wird und diese sofort auf das Bremsmoment korrigierend Einfluß nimmt_$ erfolgt eine Istwert-Anzeige, die der von der Testperson tatsächlich aufgebrachten JErgometerleistung entspricht. Die Verlustleistungen der beispielsweise aus der Aggregation der Antriebsvorrichtung und dem Getriebe resultierenden Reibungsauswirkungen werden umgehend mittels der Leistungsregelung kompensiert, so daß eine Berücksichtigung der Verlustkomponenten beim Soll-I-st-Vergleich entfällt. Die über den Kontaktkörper auf den mechanisch-elektronischen Geber geleitete, der Verlustleistung äquivalente Größe kann

in verschiedener Weise in eine trägheitsfreie Regelgröße gewandelt werden«, Beispielsweise kann die über den Kontaktgeber erfolgte Druckbelastung durch eine elektrische Dehnmessung erfaßt und verarbeitet werden. So zum Beispiel mittels eines Widerstandsgebers bzw« eines sogenannten Dehnmeßstreifens, der in j eine Widerstandsänderung umwandelt.

( Diese bewirkt eine Veränderung der Signalspannung in der Ansteuer- und Meßelektronik, die ihrerseits die Bremsleistung und diese wiederum die Belastung der Testperson be^- einflußt.

Es ist auch möglich, das mechanische Getriebe und den Generator derart im Gehäuse zu befestigen, daß der Gesamtschwerpunkt im Zentrum der Antriebsachse liegt. Allerdings müßte dann eine Vorspannung auf den Kontaktgeber, z. B₀ mittels einer Druckfeder erzeugt, einwirken.

Ausführungsbeispiel:

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung im Blockschaltbild.

Das nicht dargestellte Ergometer weist eine Antriebsvorrichtung auf, die in der Figur als Tretkurbel symbolisiert mit der Bezugszahl 1 gekennzeichnet ist. Die Testperson treibt mit Hilfe dieser Tretkurbel 1 ein mechanisches Getriebe 2 an, auf dessen Antriebsachse 3 ein mit dem Getriebe 2 und einem Generator 4 verbundenes Gehäuse 5 oder anders gestaltetes Hebelgestell verschwenkbar gelagert ist. Der Schwerpunkt dieses aus Getriebe 2, Generator 4- und Gehäuse 5 bestehenden Schwenkeinheit befindet sich außerhalb der Antriebsachse 3> und zwar in einer definierten, vom angedeuteten Hebelarm 6 abhängigen Lage zum Kontaktkörper eines mechanisch-elektronischen Gebers 8. Dieser ist mit einer Ansteuer- und Meßelektronik verbunden, die im wesentlichen aus einem Regler 9 und der Meß- und Registrier- '

strecke 10 besteht« Der Regler 9, der in den für die Erregung des Generators 4 "bestimmten Stromkreis (Netz) 11 geschaltet ist, verändert entsprechend der abgegebenen Signalspannung des Gebers 8 den Strom? der eine Veränderung der Brerasleistung bzw* Belastung der Testperson bewirkte

Die durch Reibung oder andere mechanische Leistungsverluste veränderte Druckkraft am Kontaktkörper 7 wirkt über diesen auf einen nicht dargestellten Dehnmeßstreifen, dessen Verwendung eine Sofortreaktion der Spannungswerte . sichert* Über die Funktionsweise braucht hier nicht eingegangen zu werden, da Verforaiungsinessungen an Konstruktionselementen mittels Dehnmeßstreifen zum bekannten Stand der Technik gehören* Dies trifft auch auf andere Schaltungsteile, beispielsweise die bei Ergometern verwendete Multiplizierschaltung für das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl, zu, so daß eine über die dargestellte Signal- und Schaltverbindung hinausgehende Ausführung des Beispiels nicht erforderlich ist.

Durch die Umsetzung des an der Tretkurbel 1 aufgebrachten Drehmoments und deren Drehzahl in elektrische Signale, wobei beide Signale eben in bekannter Weise elektronisch miteinander multipliziert werden sowie das spezielle Konstruktionsprinzip im erfindungsgemäßen Kraftübertragungssystem, werden verfälschte Meßergebnisse verhindert und naturgemäß auftretende Wirkungsveränderungen ausgeschlossen«

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Ergometer mit einem Generator, der mit einer von der Testperson zu betätigenden Antriebsvorrichtung gekuppelt ist

. und eine Multiplizierschaltung für das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl aufweist, das über eine proportionalintegrale Regelung'den Bremsstrom des Generators regelt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Messung mechanischer Leistungsverluste als Gelenk ausgebildetes Gehäuse (5) ι das in sich ein mechanisches Getriebe (2) und einen Generator (4) aufnimmt, zusammen mit dem im Gehäuse (5) angeordneten Getriebe (2) und dem Generator (4) um die Antriebsachse (3) des mechanischen Getriebes (2) verschwenkbar ist, daß sich der Schwerpunkt dieser Getriebe-Generator-Einheit (2,4,5) außerhalb seiner Schwenkachse (3) befindet, und zwar in einer definierten Lagen- und Hebelarmabhangigkeit zu einem Kontaktkörper (7) eines mechanisch-elektronischen Gebers (8), der vom Gehäuse (2) bz\?. der Getriebe-Generator-Mnheit (2,4,5) druckbelastet und ausgangsseitig mit einer Ansteuer- und Meßelektronik (9,10) verbunden ist.

2. Ergometer nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktgeber (7) und der mit ihm gekuppelte Geber (8) ein Widerstandsgeber mit Dehnungsmesser ist.

3» Ergometer nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Schwerpunktanordnung in der Antriebsachse (3) der Kontaktkörper (7) unter Spannung-gehalten ist.

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