Устройство для создания нагрузки

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к спортивному оборудованию, в частности к тренировочным устройствам для развития и укрепления мускулатуры и суставов упражнениями по преодолению противодействующего усилия, и может быть использовано в бытовых и спортивно-профессиональных тренажерах для создания и варьирования величины нагрузки.

Уровень техники

Известен нагрузочный узел для тренировки спортсменов (см. патент SU 1625504, МПК: A63B 21/005, опубл. 07.02.91 г.), содержащий установленный в опорах вал, несущий лопатки, образующие крестовину, размещенную в полом цилиндрическом корпусе, заполненном электровязкой жидкостью и снабженном электродами, соединенными с источником регулируемого напряжения. Степень тормозного сопротивления, оказываемого со стороны электровязкой жидкости на вращающиеся лопатки, приводимые во вращение за счет приводного усилия, передаваемого через трос от спортсмена, устанавливается путем изменения напряжения источника питания, значение которого определяет коэффициент вязкости упомянутой жидкости.

К недостаткам известного решения следует отнести наличие источника электрического напряжения и электровязкой жидкости, что снижает безопасность эксплуатации устройства, обусловливает высокие требования изоляции и герметичности.

Этих недостатков лишены устройства для создания нагрузки, использующие магнитные силы постоянных магнитов.

Известно устройство (см. патент US 5051638, МПК: A63B 21/005, опубл. 24.09.91 г.), содержащее закрепленный на приводном валу диск вихревых токов, по одну сторону которого выполнена крыльчатка (колесо вентилятора), а по другую сторону соосно ему установлен неподвижный диск с постоянными магнитами, размещенными по окружности с чередованием полюсов. Неподвижный диск состоит из двух шарнирно соединенных между собой частей.

Упомянутое устройство представляет собой магнитный тормоз. Вихревые токи, возникающие во вращающемся диске под действием магнитных полей постоянных магнитов, создают электромагнитные поля, которые в свою очередь взаимодействуют с магнитными полями постоянных магнитов, создавая сопротивление вращению диска, а значит и вращению приводного вала, обеспечивая нагрузку для спортсмена, приводящего вал во вращение. Величину нагрузки регулируют, изменяя расстояние между подвижным диском и постоянными магнитами, путем отклонения нижней части диска с магнитами.

К недостаткам известного решения можно отнести значительные габариты и зависимость величины создаваемого сопротивления (нагрузки) от угловой скорости вращения диска вихревых токов. Поэтому подобные устройства широко используются для создания нагрузки в велотренажерах, характеризующихся большими угловыми скоростями вращения приводного вала.

В качестве наиболее близкого аналога, по наличию признаков, сходных с существенными признаками заявляемого технического решения, принято устройство магнитного тормоза с выборочно переменным крутящим моментом, используемое для создания и регулирования нагрузки, раскрытое в патенте на изобретение US 4152617, МПК: H02K 49/00, опубл. 01.05.1979 г.

Согласно упомянутому патенту, устройство содержит размещенную в корпусе на валу совокупность дисков с центральным осевым отверстием, через которое пропущен вал. По меньшей мере, один диск упомянутой совокупности жестко закреплен на валу (вращающийся диск) и размещен между парой неподвижных дисков с многополюсной секторной намагниченностью, т.е. имеющих множество магнитных полюсов в форме сектора, чередующихся по периметру. Эти т.н. магнитные диски жестко зафиксированы в корпусе, причем один полностью неподвижен, а другой имеет возможность изменения своего углового положения на валу, т.е. может быть повернут относительно вала и снова зафиксирован. Изначально магнитные диски установлены с расположением разноименных полюсов друг напротив друга, при этом направление намагниченности дисков не является существенным.

Нагрузка в виде сопротивления вращению вала и торможения диска, жестко закрепленного на валу, как и в предыдущем устройстве, создается за счет использования эффекта вихревых токов, образующихся во вращающемся диске под действием магнитных полей неподвижных дисков.

К недостаткам ближайшего аналога, как и вышеупомянутого, следует отнести зависимость величины тормозного момента от угловой скорости вращения приводного вала, от диаметра и толщины вращающегося диска. Получение больших тормозных нагрузок в низкоскоростных силовых тренажерах при такой конструкции устройства возможно только при значительных увеличениях габаритов устройства (диаметров дисков).

Раскрытие изобретения

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание компактного устройства, которое могло бы использоваться в любых, в том числе низкооборотистых силовых тренажерах, обеспечивающего создание постоянной нагрузки, не зависящей от скорости вращения вала.

В результате использования настоящего изобретения достигается целый ряд положительных технических результатов, а именно:

- значительное увеличение величины создаваемой нагрузки при малых габаритах устройства,

- создание постоянной нагрузки, не зависящей от скорости вращения вала, что обеспечивает широкие возможности использования устройства;

- возможность создания пульсирующего режима нагрузки, что способствует дополнительной тренировке и укреплению мышц.

Решение упомянутой технической задачи и положительные технические результаты достигаются благодаря тому, что в устройстве для создания нагрузки, содержащем размещенную в корпусе на валу совокупность дисков с центральным осевым отверстием, через которое пропущен вал, из которых, по меньшей мере, один диск жестко закреплен на валу и размещен между парой дисков с множественной секторной намагниченностью, закрепленных в корпусе: один - неподвижно, а другой - с возможностью изменения своего углового положения, согласно заявляемому изобретению, все диски выполнены в виде одинаковых кольцевых магнитов с аксиальной секторной намагниченностью и изначально обращены друг к другу разноименными полюсами.

Как и в прототипе, совокупность дисков, по сути, образует тормозной механизм, создающий сопротивление вращению вала, который приводится во вращение тренирующимся (спортсменом), например, через трос или педали, что обеспечивает нагрузку для последнего.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве тормозной механизм целиком, включая диск, закрепленный на валу, собран на постоянных кольцевых магнитах с аксиальной, иначе - осевой, многополюсной секторной намагниченностью.

Кольцевой магнит представляет собой плоское кольцо, т.е. плоскую деталь с цилиндрической внешней поверхностью, что тоже самое, что и диск с центральным осевым отверстием.

В результате аксиальной (осевой) намагниченности магнитные полюса кольцевого магнита расположены на его плоских поверхностях и чередуются по периметру с обеих сторон.

По сути, каждый кольцевой магнит представляет собой кольцевую магнитную систему, состоящую из одинаковых постоянных магнитов, в форме сектора размещенных по кольцу с чередованием направления осевой намагниченности, причем количество секторов в такой системе всегда будет четным.

Изначально (при сборке устройства) все кольцевые магниты тормозного механизма размещены на валу одинаково, т.е. с одинаковым направлением осевой намагниченности в расположенных друг напротив друга секторах кольцевых магнитов. В результате чего и с одной, и с другой стороны каждого из кольцевых магнитов напротив его полюсов расположены противоположные полюса соседних кольцевых магнитов.

Разноименные полюса магнитов, как известно, притягиваются. В результате на вращающийся, жестко закрепленный на валу кольцевой магнит одновременно с двух сторон действуют силы притяжения со стороны кольцевых магнитов, жестко зафиксированных в корпусе, причем силы притяжения действуют по всей площади магнитов, препятствуя повороту вала.

Замена диска вихревых токов (вращающегося диска) на кольцевой магнит позволила значительно увеличить тормозящие силы, а значит и величину получаемой на выходе устройства нагрузки, и при этом уменьшить габариты устройства.

Постоянные магниты характеризуются определенной постоянной магнитной силой, зависящей только от параметров используемых магнитов: их формы, размеров и материала, из которого он состоит.

Учитывая, что параметры магнитов в устройстве неизменны, зазоры между ними постоянны, то сила взаимодействия между магнитами также представляет собой постоянную величину, что обеспечивает создание постоянного момента сопротивления (постоянной нагрузки), независимо от скорости вращения приводного вала. Это позволило одинаково успешно использовать устройство, как в скоростных, так и в низкооборотистых силовых тренажерах с тросовым приводом.

Выполнение кольцевых магнитов с секторной намагниченностью обеспечивает создание пульсирующего режима работы с постоянной амплитудой нагрузки, повторяющейся через угол, равный углу сектора кольцевого магнита.

При повороте приводного вала на угол, равный по величине углу сектора кольцевых магнитов, вращающийся кольцевой магнит окажется в положении, когда его полюса размещены напротив одноименных полюсов неподвижных магнитов. В этом положении силы осевого притяжения отсутствуют (нагрузка снята). При дальнейшем смещении полюсов (повороте вала), которое происходит под действием тянущего усилия со стороны спортсмена, на вращающийся кольцевой магнит со стороны соседних неподвижных кольцевых магнитов будут одновременно действовать силы отталкивания однополярных полюсов и силы притяжения разноименных полюсов, что в совокупности способствует более быстрому повороту вала и закрепленного на нем диска в положение, где его полюса будут размещены напротив противоположных полюсов соседних кольцевых магнитов, т.е. в положение, где вновь потребуется приложение усилия для поворота вала.

Таким образом, период «снятия нагрузки» значительно более кратковременный, чем период «приложения нагрузки». Положение магнитов, когда они притягиваются друг к другу, является устойчивым, в отличие от положения с ориентацией кольцевых магнитов друг к другу одноименными полюсами, и чтобы вывести устройство из этого устойчивого положения, требуется приложение значительных усилий. Поэтому по совокупности преобладающих воздействий предлагаемый механизм работает на торможение вала и создание нагрузки.

Для изменения динамики нагрузки и сглаживания пульсаций на одном приводном валу может быть размещено два или более предлагаемых устройства, при этом каждое последующее размещают на валу с угловым смещением относительно предыдущего.

Начальное (исходное) положение устройства, когда все кольцевые магниты тормозного механизма обращены друг к другу разноименными полюсами, соответствует максимальной создаваемой нагрузке.

Изменение величины создаваемой нагрузки осуществляют при помощи кольцевого магнита, установленного в корпусе с возможностью изменения своего углового положения, поворачивая его на некоторый угол, не превышающий величину угла сектора кольцевых магнитов. В результате такого поворота уменьшается площадь перекрытия разноименных, расположенных друг напротив друга полюсов (секторов) кольцевых магнитов, что способствует уменьшению действия сил притяжения на вращающийся магнит с одной его стороны и уменьшению нагрузки на выходе устройства. Минимальная нагрузка устройства соответствует повороту упомянутого кольцевого магнита из исходного положения на угол, равный углу сектора.

Возможность изменения углового положения кольцевого магнита может быть реализована за счет его закрепления посредством втулки, установленной в корпусе с возможностью поворота в пределах угла, равного углу сектора кольцевого магнита, и с возможностью фиксации своего положения.

В предпочтительном случае реализации устройства оно содержит два кольцевых магнита, жестко закрепленных на валу, размещенных по сторонам относительно неподвижно закрепленного в корпусе кольцевого магнита. При этом по другую сторону от вращающихся (закрепленных на валу) кольцевых магнитов размещены кольцевые магниты, имеющие возможность изменения углового положения, которых в этом случае исполнения устройства также два. Каждый из этих магнитов закреплен во втулке, установленной в корпусе с возможностью поворота в пределах угла, равного углу сектора кольцевого магнита, выполненной с возможностью фиксации своего положения, при этом втулки связаны между собой жесткой связью. Для удобства поворота втулок к упомянутой жесткой связи может быть закреплена ручка или рычаг.

Предпочтительное исполнение устройства позволяет исключить осевые нагрузки на обе опоры вала и возможность осевого биения вала в процессе работы, за счет чего повысить надежность и долговечность работы устройства, а также позволяет дополнительно увеличить величину создаваемой нагрузки на выходе.

В предлагаемом устройстве силы притяжения между кольцевыми магнитами достаточно велики. Поэтому для облегчения поворота втулок и уменьшения прикладываемых при этом усилий целесообразно разместить с внешней стороны от кольцевых магнитов, установленных с возможностью изменения углового положения, еще по одному кольцевому магниту с аксиальной секторной намагниченностью, т.н. вспомогательному. Последний жестко закрепляют в корпусе и ориентируют одноименными полюсами к рядом расположенному кольцевому магниту, имеющему возможность изменения углового положения. Вспомогательный магнит оказывает выталкивающее воздействие на поворачиваемый кольцевой магнит, действуя противоположно силам притяжения, приложенным к последнему с противоположной стороны. В результате поворот крайних кольцевых магнитов для регулирования создаваемого усилия нагрузки будет осуществлен с минимальным приложением сил.

В конкретном примере реализации устройства привод вращения вала выполнен в виде намоточного барабана с тросом, соединенного с валом посредством обгонной муфты и пружинного возвратного механизма.

В качестве магнитов предпочтительно использование редкоземельных магнитов.

Краткое описание чертежей

Сущность заявляемого технического решения поясняется примером и чертежами, где на фиг.1 изображено устройство, общий вид, продольный разрез;

на фиг.2 - то же, поперечный разрез;

на фиг.3 - схематично устройство в положении максимальной нагрузки;

на фиг.4 - схематично устройство в положении минимальной нагрузки;

Осуществление изобретения

Предлагаемое устройство для создания нагрузки содержит корпус 1, в котором в подшипниковых опорах 2 и 3 установлен приводной вал 4 с размещенной на нем совокупностью кольцевых магнитов 5-9 с аксиальной многополюсной секторной намагниченностью.

Кольцевые магниты 5-9 характеризуются одинаковым четным количеством магнитных секторов с попеременно чередующимся от сектора к сектору осевым направлением намагниченности. В приведенном примере реализации устройства (см. фиг.1, 2) каждый кольцевой магнит имеет восемь магнитных секторов. Количество секторов может быть иным, но всегда будет четным.

Кольцевые магниты 5-9 могут быть изготовлены двумя путями: из единой заготовки путем многополюсного аксиального секторного намагничивания либо путем сборки из отдельных постоянных магнитов в форме сектора, собранных в кольцо с чередованием полюсов.

В устройстве используют редкоземельные магниты, которые отличаются высокими магнитными свойствами при своих небольших размерах. В зависимости от веса и своей площади такое кольцо может создавать разную силу притяжения.

Кольцевые магниты 6 и 8 жестко закреплены на валу 4. Кольцевые магниты 5, 7 и 9 размещены на валу 4 свободно (с зазором) и закреплены в корпусе 1, причем магнит 7 закреплен жестко и является неподвижным.

Закрепление магнитов в корпусе может быть выполнено посредством втулок. Втулки 10 и 11, посредством которых закреплены магниты 5 и 9, снабжены ушами 12, размещенными в отверстиях 13 корпуса 1, что обеспечивает возможность поворота втулок в пределах угла, равного углу сектора кольцевых магнитов, который для данного примера составляет 45°. Втулки 10 и 11 соединены между собой посредством жесткой связи 14, снабженной рычагом 15, используемым в качестве ручки для поворота, и подпружиненным фиксатором положения 16, палец которого размещается в отверстии 17 шкалы 18 корпуса.

По сторонам от тормозного механизма на валу 4 установлены вспомогательные кольцевые магниты 19 и 20 с аксиальной секторной намагниченностью, выполненные аналогично кольцевым магнитам 5-9. Магниты 19 и 20 жестко закреплены в корпусе 1 и ориентированы одноименными полюсами к магнитам 5 и 9 соответственно.

Привод вращения вала 4 выполнен в виде намоточного барабана 21, соединенного с валом 4 посредством обгонной муфты 22 с пружинным возвратным механизмом. На наружной поверхности барабана 21 зафиксирован один конец троса-тяги 23, второй конец которого соединен с захватом 24 спортсмена.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии устройства (см. фиг.1, 3) все кольцевые магниты 5-9 размещены на валу одинаково, с одинаковым направлением осевой намагниченности в расположенных друг напротив друга секторах кольцевых магнитов. Каждому из секторов, закрепленных на валу кольцевых магнитов 6 и 8, с обеих сторон противостоят противоположные магнитные полюса соседних кольцевых магнитов 5, 7 и 9, жестко зафиксированных в корпусе. Силы притяжения действуют на кольцевые магниты 6 и 8 с двух сторон, препятствуя их вращению, оказывая противодействие крутящему моменту, создаваемому на валу тяговым усилием спортсмена, что обеспечивает нагрузку на мышцы спортсмена. Площади магнитных секторов (в неподвижном состоянии устройства) перекрыты полностью. В этом положении устройство создает максимальную нагрузку.

При вытяжении намоточного шнура 23 обгонная муфта 22 вступает в жесткое соединение с валом 4, обеспечивая его вращение. Вместе с валом 4 вращаются жестко закрепленные на нем кольцевые магниты 6 и 8, при этом их магнитные сектора взаимодействуют с магнитными секторами соседних кольцевых магнитов (5, 7, 9), жестко закрепленных в корпусе, что обеспечивает создание пульсирующего режима нагрузки сопротивления вращению вала 4, с преобладанием «тормозящего» эффекта, препятствующего вытяжению шнура 23.

Возврат устройства в исходное состояние с возвратной намоткой шнура 23 на барабан 21 осуществляется посредством пружинного механизма (на чертежах не показан). При этом обгонная муфта выходит из жесткого зацепления с валом 4.

Для изменения величины нагрузки осуществляют поворот втулок 10 и 11 с закрепленными в них кольцевыми магнитами 5 и 9 на угол а. В приведенном примере в устройстве предусмотрена возможность дискретного поворота втулок 10 и 11 в пределах угла от 0 до 45°, для чего на шкале 18 выполнено несколько отверстий 17, через определенный шаг. Для поворота вынимают фиксатор 16 из отверстия и, удерживая его, сдвигают рычаг 15 на нужный угол, после чего фиксатор 16 отпускают, и его палец входит в соответствующее отверстие. Втулки 10 и 11 с магнитами 5 и 9 снова жестко зафиксированы относительно корпуса, устройство готово к работе.

При повороте втулок 10 и 11 на угол 45° магнитные сектора кольцевых магнитов 5 и 9 окажутся расположены напротив одноименных полюсов кольцевых магнитов 6 и 8, закрепленных на валу 4 (см. фиг.4). В этом положении на кольцевые магниты 6 и 8 с одной стороны будут действовать силы притяжения - со стороны магнитных полюсов неподвижно закрепленного в корпусе кольцевого магнита 7, а с другой стороны - выталкивающие силы однополярных магнитных полюсов кольцевых магнитов 5 и 9. Создаваемая устройством тормозящая нагрузка в этом положении будет минимальной.

Изменяя угол поворота втулок 10 и 11 с закрепленными в них магнитами, управляют величиной создаваемой нагрузки.

Кольцевые магниты 19 и 20 выполняют функцию компенсаторов силы, прилагаемой для поворота втулок 10 и 11 с кольцевыми магнитами. Вектор действия магнитных сил со стороны магнитов 19 и 20 направлен противоположно силам, действующим на кольцевые магниты 5 и 9 со стороны кольцевых магнитов 6 и 8, что способствует преодолению последних и снижению прилагаемых для поворота усилий.

Приведенный пример иллюстрирует предпочтительный случай реализации устройства, однако не ограничивает возможности использования предлагаемого технического решения в устройствах с большим или меньшим количеством кольцевых магнитов.

1. Устройство для создания нагрузки, содержащее размещенную в корпусе на валу совокупность дисков с центральным осевым отверстием, через которое пропущен вал, из которых, по меньшей мере, один диск жестко закреплен на валу и размещен между парой дисков с многополюсной секторной намагниченностью, закрепленных в корпусе: один - неподвижно, а другой - с возможностью изменения углового положения, отличающееся тем, что все диски выполнены в виде одинаковых кольцевых магнитов с аксиальной секторной намагниченностью и изначально обращены друг к другу разноименными полюсами.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что возможность изменения углового положения кольцевого магнита реализована за счет его закрепления посредством втулки, установленной в корпусе с возможностью поворота в пределах угла, равного углу сектора кольцевого магнита, и с возможностью фиксации своего положения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит два кольцевых магнита, жестко закрепленных на валу, размещенных по сторонам относительно неподвижно закрепленного в корпусе кольцевого магнита, и соответственно два кольцевых магнита, закрепленных с возможностью изменения углового положения, каждый из которых закреплен во втулке, установленной в корпусе с возможностью поворота в пределах угла, равного углу сектора кольцевого магнита, и с возможностью фиксации своего положения, при этом втулки связаны между собой жесткой связью.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно содержит два вспомогательных кольцевых магнита с аксиальной секторной намагниченностью, неподвижно закрепленных в корпусе по сторонам относительно кольцевых магнитов, закрепленных с возможностью изменения углового положения, и ориентированных к последним одноименными полюсами.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что привод вращения вала выполнен в виде намоточного барабана с тросом, соединенного с валом посредством обгонной муфты с пружинным возвратным механизмом.