ВЕЛОТРЕНАЖЕР Российский патент 1997 года по МПК A63B69/16 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно: класс спортивных, лечебных и развлекательных тренажеров, и может быть использовано в создании тренажеров для авиапилотов или акробатов.

Широко известны тренажеры, содержащие основание, раму, привод, имитатор нагрузки в виде маховика с педальным приводом и с механизмом возвратно-поступательного перемещения рамы (см. например, авт.св.N 1720670).

Данные конструкции тренажеров вполне работоспособны, но имеют следующий недостаток: нагрузка мышечной системы и вестибулярного аппарата тренирующегося человека обеспечивается неполноценно, т.к. не имитируются неустойчивое положение центра тяжести и ветровое сопротивление в зависимости от скорости движения, что сужает область воздействия тренажера на человека.

Усложнением тренажера путем введения дополнительных механизмов для разнонаправленного силового воздействия на тренирующегося человека этот недостаток в значительной мере может быть устранен, но это приведет к увеличению массы, габаритов, атакже трудоемкости при изготовлении.

Известен также тренажер, взятый за прототип изобретения, содержащий основание, поворотную опору, несущую раму с седлом, рулем и педальным механизмом, кинематически связанным со средством для создания нагрузки, и средство для изменения положения опоры (см. авт. св. N 936951).

Этот тренажер вполне работоспособен и полнее нагружает мышечную систему человека.

Недостатками тренажера по прототипу являются неадекватная имитация переменного воздушного сопротивления движущемуся велосипеду вследствие применения фрикционного барабана и контактирующих с ним роликов, шарнирно смонтированных на плече рычага, связанного с седлом, что не позволяет создавать сопротивление вращению педалей пропорционально скорости набегающего потока воздуха (скорости велосипеда, или ветра):
ξ=ρ•V²•A, где
ρ плотность воздуха;
V скорость набегающего потока воздуха относительно велосипедиста;
A коэффициент потерь на трение о воздух,
а также отсутствие имитации поперечной неустойчивости (крен), устраняемой гироскопическим моментом ротора (колес) при педалировании на движущемся велосипеде.

Усложнением тренажера путем введения дополнительных механизмов эти недостатки могут быть устранены лишь частично с изменением схемы подвески рамы тренажера и усложнением конструкции.

Изобретение направлено на повышение эффективности имитации велосипедного педального привода и создание близкой к натуральной нагрузки на вестибулярный аппарат и мышечную систему тренирующегося человека, возникающей при преодолении поперечной неустойчивости (крена) и центробежных сил виража, т.е. расширение области воздействия на человека.

Этот результат достигается тем, что поворотная опора установлена на вертикальной оси основания, а рама смонтирована на поворотной опоре через блок подвесок, снабженный узлами фиксации его на поворотной опоре, механизмом торможения вращения поворотной опоры и регулируемыми по амплитуде узлами амортизации крена рамы, при этом средство для создания нагрузки и средство для вращения поворотной опоры выполнены за одно целое в виде лопастей с регулируемыми элеронами и размещены на раме.

Такое выполнение велотренажера реализуют имитацию переменного воздушного сопротивления движущемуся велосипедисту за счет применения воздушных лопастей с регулируемыми элеронами, а также реализует близкую к натуральной нагрузку на вестибулярный аппарат и мышечную систему тренирующегося человека за счет воздействия на него, как стабилизирующего гироскопического момента сил вращающегося ротора воздушного винта (лопастей), а также и дестабилизирующих моментов сил реакции с воздухом вращающихся лопастей, присутствие которых обеспечивается наличием поворотной опоры, установленной на вертикальной оси основания, и рамой, смонтированной на поворотной опоре через блок подвесок с узлами фиксации на поворотной опоре, механизмом торможения вращения поворотной опоры и регулируемыми по амплитуде узлами амортизации крена рамы.

На фиг. 1 схематически представлен боковой вид велотренажера; на фиг. 2
сечения А-А и Б-Б.

Велотренажер содержит основание 1, поворотную опору 2, раму 3 с седлом 4, рулем 5 и педальным механизмом 6.

В отличие от прототипа поворотная опора 2 установлена на вертикальной оси 7 основания 1, а рама 3 смонтирована на поворотной опоре через блок 8 подвесок, снабженный узлами 9 фиксации его на поворотной опоре, механизмом 10 торможения вращения поворотной опоры и регулируемыми по амплитуде узлами 11 амортизации крена рамы, при этом средство для создания нагрузки и средство для вращения поворотной опоры выполнены за одно целое в виде лопастей 12 с регулируемыми элеронами 13 и размещены на раме 3. Для повышения безопасности вокруг воздушных лопастей 12 может быть установлено решетчатое (сетчатое) ограждение. Регулирование положения элеронов 13 производится посредством рычага 14, втулок 15 и 16, тяг 17 и 18. Регулирование по амплитуде узлов 11 производится посредством затяжки гайками 19 пружин 20, между которыми на оси штоков-маятников 21 установлены опоры 22 рулевой вилки 23 и задней вилки 24. При полной затяжке гаек 19 опоры 22 жестко фиксируются, крен рамы 3 исключается. Рама 3 установлена на блок 8 подвесок посредством оси 35, подшипников 36 и 37, стоек 38 и 39; взаимодействие рамы 3 с узлами 11 амортизации крена рамы осуществляется посредством жестко связанной с задней вилкой 24 рамы траверсы 40; взаимодействие рулевой вилки 23 с узлами 11 амортизации крена рамы осуществляется посредством жестко связанной с вилкой рулевой 23 траверсы 40. Воздействие педального механизма на воздушные лопасти 12 осуществляется посредством приводной цепи 25, редуктора 26, вала 27, размещенного в трубе 28, связанной с рамой 3. Торможение вращения поворотной опоры 2 осуществляется посредством пяты 29, воздействующей на основание 1 и связанной через шток 30 и тягу 31 с рычагом 32, фиксируемым в секторной вилке 33 винтом-стопором 34.

Велотренажер используется в следующем порядке:
настраивается требуемая амплитуда крена рамы 3 затяжкой пружин 20 гайками 19; при необходимости упрощения использования велотренажера в период его основания рама 3 для исключения крена может быть жестко фиксирована на штоках-маятниках 21 путем затяжки до упора гаек 19, т.е. до соприкосновения витков пружин 20, что приведет к жесткой фиксации опор 22 и связанных с ними траверс 40, жестко связанных, с задней 24 и рулевой 23 вилками рамы 3;
настраивается положение рамы 3 относительно вертикальной оси 7 основания 1 путем смещения блока 8 подвесок вдоль поворотной опоры 2 и закрепления выбранного положения ее узлами 9 фиксации; такой настройкой достигается требуемое удобное при вращении вокруг вертикальной оси 7 положение центра массы организма тренирующегося человека, занявшего исходное положение на велотренажере, это удобное положение уточняется при опробовании велотренажера в действии: если центр массы организма тренирующегося человека находится между осью 7 и рулем 5, то при вращении вокруг оси 7 центробежная сила увлекает человека к рулю 5 и создается "нагрузка упора" на мышечную систему человека, а если центр массы организма находится между осью 7 и седлом 4, то при вращении вокруг оси 7 центробежная сила увлекает человека от руля 5 и создается "нагрузка растяжения" на мышечную систему человека;
тренирующийся человек занимает рабочее положение на седле 4, берется за руль 5 и вращает ногами педальный механизм 6, при этом усилие от ног посредством приводной цепи 25, редуктора 26, вала 27, расположенного для безопасности в трубе 28, передается к лопастям 12 воздушного винта средству для создания нагрузки, являющемуся одновременно средством для вращения поворотной опоры 2, т.к. лопасти 12 воздушного винта, взаимодействуя с окружающим воздухом, при вращении создают момент сил, передающийся по раме 3 через блок 8 подвесок на поворотную опору 2 и вращающий ее в направлении, противоположном направлению вращения лопастей 12 воздушного винта; величина момента сил зависит от скорости вращения лопастей 12 (т.е. частоты вращения педалей педального механизма 6), угла отклонения элеронов 13, усилия от трения пяты 29 ( механизма 10 торможения) по основанию 1, Такое сочетание средств управления вращением создает возможность при выбранной постоянной частоте вращения педалей педального механизма 6 увеличивать или уменьшать силовую нагрузку на мышечную систему тренирующегося человека путем регулирования положения элеронов 13 посредством рычага 14 через втулки 15 и 16 и тяги 17 и 18. Чем больше отклонение плоскости элеронов 13 от плоскости лопастей 12, тем больше силовая нагрузка на мышечную систему тренирующегося человека, а рост скорости вращения поворотной опоры по желанию можно при этом удержать посредством механизма 10 торможения, кинематически не связанного с педальным механизмом 6, т.е. величина усилия от торможения вращения поворотной опоры 2 не влияет на величину усилия в педальном механизме 6: поворотная опора 2, например, по причине достижения предельной нагрузки на вестибулярный аппарат тренирующегося человека (закружилась голова) может быть полностью заторможена воздействием на рычаг 32, связанный через шток 30 и тягу 31 с тормозной пятой 29 и фиксируемый в выбранном положении в секторной вилке 33 винтом-стопором 34 при продолжающемся вращении педалей педального механизма 6.

Таким образом, вращая педали, покачивая-поворачивая руль 5, как при езде на велосипеде (в какую сторону кренится рама в ту сторону поворачивают руль) и динамично смещая центр массы организма, тренирующийся на таком велотренажере человек поддерживает равновесие, производя все маневры мышечной системы при участии вестибулярного аппарата организма, характерные для езды на велосипеде. Во время работы на велотренажере воздушным винтом из лопастей 12 производится обдув тренирующегося человека воздухом с переменной скоростью, прямо зависящей от скорости вращения педалей педального механизма 6,3, что повышает уровень эмоциональных и сенсорных ощущений, способствует достижению комфортности в теплорегуляции организма тренирующегося человека. При заторможенном состоянии поворотной опоры 2 и незафиксированных опорах 22 в узлах 11 амортизации крена рамы 3 вращающийся воздушный винт из лопастей 12 создает стабилизирующий раму 3 по крену гироскопический момент аналогично вращающимся колесам движущегося велосипеда создается имитация езды на прямолинейно движущемся велосипеде.

При расторможенном состоянии поворотной опоры 2 и незафиксированных опорах 22 в узлах 11 амортизации крена рамы 3 вращающийся воздушный винт из лопастей 12 создает дестабилизирующий раму 3 по крену гироскопический момент вследствие возникновения сила Кориолиса, как у быстро вращающегося волчка при его вращении вокруг оси, не совпадающей с осью вращения волчка, аналогично вращающимся колесам движущегося велосипеда создается имитация виража при езде на велосипеде, "крутизна" виража зависит от скорости вращения поворотной опоры 2 чем выше скорость, тем больше сила Кориолиса, тем "круче" имитируемый вираж. Направление вращения поворотной опоры 2 может изменяться на противоположное при вращении педалей педального привода 6 в обратном направлении.

Использование изобретения позволяет достигать высокой степени имитации езды на велосипеде в сложных дорожных условиях: встречный ветер, виражи, спуски и подъемы пути, при этом обеспечиваются сходные эмоциональные и сенсорные ощущения и эквивалентные нагрузки на вестибулярный аппарат и мышечную систему тренирующегося человека.

Особенно эффективно изобретение может быть использовано для профессиональных тренировок, например, пилотов летательных аппаратов, а также для детских и соревновательных аттракционов или акробатов.

Экспериментальная проверка опытного образца, проведенная заявителями, показала повышение эффективности тренировки на таком велотренажере по сравнению с прототипом.

Заявляемая совокупность признаков реализует новое свойство по сравнению с прототипом качественное улучшение психофизического воздействия на организм тренирующегося человека вследствие существенного улучшения имитации движения на велосипеде по пересеченной местности с поворотом дороги, при этом все виды движений велотренажера осуществляются только мускульной силой тренирующегося человека.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности имитации велосипедного педального привода и создание близкой к натурной нагрузки на тренирующегося. Устройство содержит основание 1 с вертикальной осью 7. На оси вращается опора 2 с рамой 3. Рама несет руль 5, педальный механизм 6 и лопасти 12 с регулируемыми элеронами 13, выполняющими роль средства для создания нагрузки и средства для вращения опоры. Рама 3 подвешена к опоре посредством регулируемых по амплитуде узлов 11 амортизации крена рамы. Велотренажер представляет собой устройство с неустойчивым равновесием. Равновесие достигается действием мышечных усилий тренирующегося и гироскопического момента вращающихся частей. 2 ил.

Велотренажер, содержащий основание, поворотную опору, несущую раму с седлом, рулем и педальным механизмом, кинематически связанным со средством для создания нагрузки, и средство для вращения поворотной опоры, отличающийся тем, что поворотная опора установлена на вертикальной оси основания, а рама монтирована на поворотной опоре через блок подвесок, снабженный узлами фиксации его на поворотной опоре, механизмом торможения вращения поворотной опоры и регулируемыми по амплитуде узлами амортизации крена рамы, при этом средство для создания нагрузки и средство для вращения поворотной опоры выполнены за одно целое в виде лопастей с регулируемыми элеронами и размещены на раме.