具有串接阻力部件的阻力训练机 【发明领域】
本发明涉及训练设备，特别涉及阻力训练装置，该阻力训练装置通过串接的阻力部件提供阻力。
【发明背景】
以往，在专业和消费市场中已经存在各种不同类型的训练设备。阻力训练装置中设有重物、可变形阻力元件、摩擦或离心机构，以便提供阻力。通常，阻力训练设备是一个大型的固定设备。该设备用作阻力的重物非常重，不适于以轻重量或便携性为目的的场合。
Francis的US 4,944,511公开了一种便携设备，其中的阻力由不同数量的叠置弹簧部件提供。每个部件具有已知阻力，阻力部件以提供累加的力地方式连接在一起。叠置的阻力部件均一起转动，以便在需要长的绳索伸展的应用中、阻力部件转动显著的量。当弹簧达到其变形极限时，它们提供显著增加的阻力。于是在设备的移动范围内、特别是当绳索接近充分伸展位置时，阻力可显著地增加。
Whightsil的US 5,209,461中所示的阻力部件可设置在轻重量单元中，该单元能提供相当大的阻力。所以，这种阻力部件适用于需要轻重量和便携性的训练设备。但是，这种阻力部件仍难以实现平坦的阻力伸展曲线，尤其在需要提供大的阻力和在同一时间内容纳绳索或其它执行装置的长的伸展时不能实现平坦的阻力伸展曲线。
近年来发现，由于阻碍正常运动的重力缺少，处在微重力环境中、例如空间站中的人的肌肉物质和骨密度会快速减少。阻力训练设备对于这类人员很重要，以便他们能够有规律地进行训练、从而减小肌肉萎缩和骨密度下降。较重的重物不适于在这种微重力下使用。紧凑的、轻重量的和便携的训练装置更适合在空间站和类似环境中使用。同时，需要较大的阻力，以给机组成员肌骨胳系统加载、从而提供所需的应对措施。
本发明的方案
本发明涉及的阻力训练机的特征在于它的轻重量、便携性和在整个运动范围内较稳定的阻力。本发明的基本目标是提供一种具有上述特性的阻力机构，它可在阻力训练机和其它需要阻力的场合中使用。
具体地，本发明的一个重要目的是提供一种阻力机构，其中，由串接在一起的阻力部件产生阻力。该装置允许绳索或其它执行元件在机构整个操作范围内的阻力不过分改变的情况下伸展相当大的距离。
本发明的另一个目的是提供一种阻力机构，其中，通过使用具有逐步增加直径的皮带轮而增加伸展、以得到基本稳定的力，绳索以螺旋结构缠绕在皮带轮上。绳索被安放在皮带轮表面的螺旋槽中，皮带轮的直径从底部到顶部逐渐增加。于是，当绳索伸展时，它在逐渐增大的皮带轮直径部分施加力。当绳索伸展而使阻力元件逐渐变形时，阻力元件的阻力逐渐增加。这个增加的阻力被绳索伸展时作用在皮带轮较大直径上的绳索所导致的增加的力矩臂而抵销。
本发明的再一个目的是提供一种阻力机构，其中，可在大的阻力范围中方便地预置任何所需大小的阻力。
本发明的又一个目的是提供一种具有上述阻力机构的阻力训练机，以提供一个轻重高阻力的装置，该装置适用于空间站或其它低引力的环境、并适用于业余和专业训练设备市场。
根据本发明，将选定数量的阻力部件串接在一起而构成阻力机构。每个阻力部件具有圆形轮缘和经弹性轮辐与轮缘连接的中心轮毂，弹性轮辐拉紧以阻止轮缘相对轮毂转动。阻力部件成对设置，每对中的轮缘相互连接。成对的阻力部件以其中心叠置在轴上。花键轴套安装在轴上、并与阻力部件轮毂上的花键啮合。每个部件的轮毂具有与相邻对中的阻力部件的轮毂连接的花键。但是，每对中的部件轮毂不连接、并可彼此相对转动。
阻力部件的串接是本发明的重要特征。当施加力以转动阻力部件的轮毂时，力经轮辐传输到轮缘，而后到达同一对中其它部件的轮缘，经其轮辐到达轮毂，并经花键连接、到达相邻对中的部件的轮毂。该力以这种形式依次经过所有的阻力部件传输。并使每个部件中的轮辐产生较小且基本相等的变形。于是，当执行元件逐步位移时，所有部件的轮辐均分担该变形，执行装置的整个移动范围被容纳，任何轮辐都不会达到或接近其变形极限。
通过将阻力机构设置在适宜的壳体中、并使叠置组一端上阻力部件的轮缘或轮毂保持在一个静止位置，则可将阻力机构安装到训练机中。具有从一端到另一端逐渐增加的直径的螺旋皮带轮可安装到叠置组另一相对端上阻力部件的轮缘或轮毂上。执行装置可以是围绕皮带轮的螺旋槽伸展的绳索。这个结构可使绳索在伸展时作用在皮带轮逐渐增大的直径部分，于是可以抑制当绳索伸展时因轮辐增加变形而产生的轻微增长的力。
当阻力机构在这种训练机中使用时，可配置预加载机构，预加载机构包括固定到与皮带轮相对的叠置组端部的阻力部件上的齿轮。用手动曲柄转动小齿轮、从而转动大齿轮，于是给设置预加载阻力的叠置组施加初始变形。作用在齿轮系统上的棘爪机构将齿轮保持在设置的预加载位置。与力刻度共同起作用的指示器可提供预加载力的可见指示。
【附图说明】
下面参看构成说明书组成部分的附图，其中相同的标号表示相似的部件，在附图中：
图1表示本发明优选实施例的阻力机构安装在训练机中被使用时的透视图；
图2是图1所示训练机的放大视图；
图3是按图2中箭头方向、沿线3-3所作的剖视图；
图4是图3中标号4所示部分的局部放大视图；
图5是根据本发明包括在阻力机构中的一对阻力部件的分解透视图；
图6是一个阻力部件的平面图
图7是按图2中箭头方向、沿线7-7所作的局部剖视图，断开线表示连续长度和断开的驱动绳索的端部；
图8表示阻力机构中邻近的阻力部件对如何连接的放大的局部剖视图；
图9是按图6中箭头方向、沿线9-9所作的放大的局部剖视图；
图10是包括在本发明阻力机构中的释放皮带轮的底视图。
对本发明的具体说明
首先参看图1，标号10表示根据本发明优选实施例的装配有阻力机构的训练机。训练机10包括空心壳体12，壳体12大体为一个圆筒、并装有给诸如柔性绳索14的执行元件提供阻力的阻力机构。绳索14的端部处在壳体12的外部、并具有一个供训练机使用者18的手抓握的手柄16。可利用卡爪(未示出)将手柄16从绳索上拆卸，卡爪还可安装所用的其它附件(例如，下蹲装置的蹲杠、踝套)。
虽然图中只示出了壳体12，但可以理解，训练机可提供一对壳体，以便用户同时锻练两臂或两肩或两腿。类似地，虽然图中示出作为执行元件的绳索14，但其它种类的执行元件也可使用。还可给绳索14提供各种附件(包括下蹲装置)、以便用户18进行腿部下蹲或其它种类的模拟负重训练。
绳索1 4配置有制动器20，制动器20固定在绳索靠近手柄16的位置。制动器20可沿绳索长度进行调整、并具有适当的结构(未示出)以使制动器锁定在绳索的所需位置。
壳体12安装在平底板22上，如图1所示，平底板22可伸展到壳体12之外、以提供容纳用户18脚部的表面。底板22可以固定在地板或其他使用训练机的表面上。如图2所示，基板24安装在底板上、并覆盖壳体12的底部。
位于壳体12内的阻力机构包括多个图5和6中所示的阻力部件26。每个阻力部件26具有刚性的圆形轮缘28和中心轮毂30。多个弹性轮辐32在各阻力部件26的轮毂30与轮缘28之间径向地伸展。轮辐32在其外端与轮缘28的内表面连接、并与轮毂30的外表面相切地连接。各轮辐32从其外端向其内端逐渐缩小。轮毂30是与轮缘28同轴的圆形部件。
各轮毂30是环形的、并在其内径设有花键34。
这种阻力部件26具有轮形结构、并允许每个轮缘28相对轮毂30转动，这种相对转动导致各轮辐32的张紧和变形。轮辐的弹性结构使它们阻止这种形式的变形、并提供与轮缘28和轮毂30之间的相对转动相反的阻力。只要轮缘28与轮毂30之间的相对转动保持在足够小的不达到轮辐变形极限的程度，轮辐32的的结构则能基本保持阻力不变。尽管可以使用其它材料，轮缘28和轮毂30最好由诸如铝的轻金属构成。
每个阻力部件26基本上与Whightsil的US 5,209,461所公开的相同，该文件在本文中引作参考，阻力部件的具体结构可参考该文件。
阻力部件26成对设置、并相互邻近。具体参看图5，每对中的阻力部件26用销钉36或其它适宜的方式在它们的轮缘进行连接。每个轮缘28在径向相对位置上设有一对小通孔38。销钉36可装配在每对轮缘28的通孔38中、以将各对阻力部件26的轮缘固定在一起。各对中的阻力部件26的轮毂30不连接，以保持它们相互间的自由转动。
阻力部件26可设置在图7所示叠置组中的壳体12之内。设置的垂直轴40可穿过壳体中心12和轮毂30而垂直伸展。阻力部件26成对地一个在一个之上地依次相互叠置，并以中心轴40作为阻力机构的转动轴。应注意，阻力部件的叠置不必垂直叠置，也可沿水平方向或其它方向伸展。
如图8所示，相邻对的阻力部件的轮毂30连接在花键结构中。图8中所示的上面两个阻力部件26形成一对，而下面两个阻力部件形成另一对。如前所述，每对中的阻力部件具有由销钉36连接在一起的轮缘28。设置多个花键轴套42、以将阻力部件的轮毂连接到不同对中的相邻轮毂。如图8所示，上面对中较下的阻力部件26的轮毂30与下面对中较上的阻力部件26的轮毂30由一个花键轴套42连接。轴套42外表面的花键与轮毂花键34啮合。轴套42装配在轴40上、并可相对轴40转动。
在这种情况下，每对阻力部件中每个阻力部件的轮毂与相邻对阻力部件中相邻阻力部件的轮毂连接。于是，每对中的阻力部件在轮缘处连接在一起，并在轮毂处与另一对相邻阻力部件连接。
阻力部件26的叠置组安装在释放皮带轮44的顶部，释放皮带轮44相对轴40的下端转动。参看图7，皮带轮44具有截头圆锥形的特殊结构，该结构包括较小直径的下端44a和较大直径的上端44b。从下端44a到上端44b，皮带轮44的直径逐渐增大。阻力部件叠置组包括位于叠置组底部、且不与其它阻力部件配对的底部阻力部件26a(尽管它与相邻部件轮毂连接)。皮带轮44的顶端设有凸缘44c，利用销钉46或其它固定装置可将凸缘44c与阻力部件26a的轮缘28连接。
连续螺旋槽48形成在皮带轮44的外表面。槽48的起始端靠近皮带轮的下端44a，其结束端邻近皮带轮上端44b。由于皮带轮的结构，槽48从皮带轮下端向其上端缠绕、并从下端44a向上端44b围绕逐渐增大的直径伸展。
绳索12的一端由适当的紧固件50固定到皮带轮凸缘44c下侧(图10)。绳索从紧固件50伸展、并缠绕在皮带轮44的槽48中，绳索在皮带轮下端44a处从槽48引出(见图7)。参看图7，绳索紧密地在一对安装在训练机壳体的垂直方向的辊52之间伸展，以便转动、并随后紧密地在一对水平辊54之间伸展。如图2所示，水平辊54安装在一对支架板56之间、以便转动。制动器20(图1)太大以致不能安装到辊54之间，于是，绳索14端部的手柄16保持在壳体外侧易达到的位置。
阻力机构设有预加载机构，预加载机构可根据需要设置初始预加载阻力。具体参看图7，阻力部件26的叠置组具有不与其它阻力部件配对的上端部件26b(尽管它与相邻部件以轮毂连接)。圆盘58盖住阻力部件26b、并在60处钉住阻力部件26b的轮缘28。大齿轮62通过销钉64或其它紧固装置依次与圆盘58连接。小壳体66在其上部内含有与齿轮62啮合的小齿轮68。壳体66可安装到主壳体12一侧。盖板70盖住壳体12和66的顶部、并紧紧地盖住齿轮62和68。利用曲柄可使齿轮68转动，曲柄包括与齿轮68中心连接的垂直柱72。横向伸展的曲柄臂74(图2)从柱72顶部伸展。手柄76从曲柄臂74外端向上伸展。用手握住手柄76进行转动可使齿轮68转动、并使与齿轮68啮合的齿轮62转动。
在进行预加载时，用图4所示的棘爪机构保持住大齿轮62。棘爪78被设置得可相对垂直销钉80转动，垂直销钉80固定在壳体12上轮缘与壳体66沿直径方向相对的位置处。棘爪78包括臂82，压缩弹簧84使臂82抵靠齿轮62的齿，压缩弹簧84也作用于支架86。形成在棘爪臂82端部的尖端部88啮合在齿轮62的齿62a之间、并由弹簧84推到齿之间。尖端88具有直角面88a，直角面88a抵靠邻接的齿62a以防止齿轮62沿图4中箭头90所指方向的相反方向转动。尖端88另一侧上具有斜面88b，斜面88b允许齿轮62沿箭头90所指方向转动，齿62a推动斜表面88b而从齿62a之间的锁定位置移动尖端88。
这样，曲柄可转动齿轮68，使齿轮62沿箭头90的方向转动，棘爪78在相反方向锁定齿轮的转动。在这种情况下，可转动齿轮62以转动阻力部件26、以便使轮辐初始变形，从而提供初始阻力，该初始阻力给阻力部件叠置组预加载、以选择预加载阻力。棘爪78具有释放杆92，用手向内压下释放杆92可将尖端88从其处在齿轮齿62a之间的正常位置释放，于是释放齿轮62在恢复到未变形状态的阻力部件的影响下的转动。
预加载力设置由指示器94可视地示出，指示器94在壳体66中沿螺纹垂直轴96上下移动。轴96可在壳体66中转动，其顶端固定到齿轮68、所以轴96可随齿轮68的转动而旋转。指示器94与轴96螺纹连接，当轴96转动时指示器94上下移动。
如图2所示，壳体66具有切口或窗口98。一对刻度尺100靠近窗口98安装在壳体66中、并以其隔开的内缘提供垂直槽102。刻度尺100在靠近槽102的位置设有与预加载机构所加力(磅或其它适宜的单位)相对应的刻度标记(未示出)。指示器94具有凸出的尖端94a，尖端94a穿过槽102面伸出、并与对应于预加载力的刻度标记对准。尖端94a紧紧地装配在槽102中以防止其在轴96上转动。
为了避免在轮辐32变形时向上向下偏斜，每对阻力部件可设置分隔盘104(见图6-8)。盘104紧装配在每对中的阻力部件26之间，盘104的直径小到使它处在连接轮缘28的销钉36之内。优选地，盘104的内直径装配在相邻轴套42的端部之间，以避免在轴套上的磨损。较大的分隔盘106设置在相邻的阻力部件对之间。盘106的内直径装配在轴套42上、并且它们的外直径可终止于与阻力部件周边相邻处。盘106类似地紧装配在阻力部件之间、以避免轮辐32变形时向上或向下凸出。
在使用中，用手转动曲柄76可使训练机10预加载到所需的力水平。如图7所示，这时绳索14充分地缩回，使制动器20与辊54啮合。当齿轮62转动时，它转动顶阻力部件26b的轮缘，力通过部件26b的轮辐32传输到其轮毂30。其轮毂30具有与相邻对的预阻力部件26中的轮毂30连接的花键，于是传送轮毂之间的力，而后经第二阻力部件的轮辐32到达其轮缘28。该力被传送到第一对阻力部件中的其它阻力部件的轮缘28，并经其轮辐32到达其轮毂30。该力继续以这种方式、通过花键连接、在相邻对中的阻力部件的轮毂之间经阻力部件的叠置组传送，而后经轮辐32到达在每对中被销钉连接在一起的轮缘。结果，在由定位在与所需力水平对应的刻度尺100上的凸起尖端94a所指示的预加载力水平达到之前，叠置组中的每个阻力部件只有轻微变形。
用户18可紧握手柄16拉伸绳索14以伸展它。当绳索伸展时，它伸出螺旋槽48、并转动皮带轮44，皮带轮44依次转动最下面的阻力部件26a。由于阻力部件26a与相邻阻力部件26的轮毂具有花键连接，所以轮毂被转动并将位移力经轮辐传送到该轮缘、而后借助销钉连接传送到下一个轮缘。该力以这种方式通过整个阻力部件26的叠置组传送，于是每个轮缘26相对其轮毂32轻微转动。
阻力部件26的串连接允许绳索伸展很大的距离，而每个轮辐32只偏转较小的程度。偏转力是叠加的，其中，总的力等于每个弯曲部件的轮辐32的变形所提供的力。由于轮辐32只偏转小的距离，所以不会到达它们的变形极限，在绳索14的整个伸展范围内、阻力保持相对稳定。
由于存在皮带轮44，力伸展曲线保持平直状态。当绳索14逐渐伸展时，轮辐32逐渐拉紧，随着伸展变形的增加、阻力略微地增加。这一作用因绳索在伸展时从螺旋槽48松脱并作用在皮带轮44增大的直径区而被抵消。因此，当绳索不断伸展时，力矩臂(绳索14和皮带轮44之间的啮合到转动轴40轴线的距离)逐渐增大，增加的力矩臂基本上抵消了轮辐32变形增大所带来的附加阻力。借助适当形状的皮带轮44和设置适当的螺旋槽48的间距，可在绳索14伸展范围的主要部分得到基本平直的阻力伸展曲线。
在绳索14充分伸展后，用户18慢慢释放绳索使它返回到制动器20抵靠着辊54的初始位置。应注意，返回行程施加阻力对训练过程是有益的。
本发明的阻力机构特别适合用作阻力训练设备，还特别适合用作在诸如空间站等引力基本为零的环境下的轻便紧凑的阻力训练设备。同时，该训练机能够实现平直的力伸展曲线，因此它可用于包括专业和业余消费市场的训练设备、以及其它需要应用阻力的所有设备中。
从以上所述可知，本发明的固有结构能够很好地达到上述的目的、且其它优点也是明显的。
应该理解，某些特征和变形是有效且不必参考其它特征和变形即可实现的。这些特征和变形是可以预料并处在权利要求范围之内的。
由于在不脱离本发明范围的前提下以作出许多可能的实施例，所以可知，本文结合附图所述的所有内容应视为一种示例性说明、而并不具有限定性的意义。