Тренажеры, конструкции и методы их практического применения

Спортивно-технический результат велогонщика зави­сит в первую очередь от эффективности приложения его физических усилий, т. е. от качества педалирования. На­блюдать и оценивать качество процесса педалирования в условиях езды по велотреку и тем более по шоссе ви­зуально или даже с помощью технической аппаратуры весьма затруднительно из-за большой скорости движения и изменения угла наблюдения. Велосипедные тренажеры позволяют устранить эти трудности, являются прекрас­ным средством тренировки в условиях спортивного зала в зимний период и в непогоду и широко используются гонщиками для разминки перед заездами на велотреках.

Первые системы, напоминающие современные велотре­нажеры, появились уже на рубеже нашего столетия, и их назначение было отнюдь не спортивное, а сугубо техни­ческое. С помощью велосипедного привода вращали ротор динамомашины или водяной насос. Первые велосипедные тренажеры были весьма несовершенными, так как их конструкция не учитывала устойчивость велосипеда при вращении колес и они были выполнены статическими, т. е. велосипед или его приводная часть жестко фиксиро­вались в неподвижной раме.

Современные велотренажеры представляют собой весь­ма разнообразные по сложности и назначению техниче-

Рис. 7.20. Тренировочный велостаиок

ские средства, начиная с обычных механических трени­ровочных велостанков и кончая системами управления тренировочным процессом на базе компьютерной техники.

Велотренажеры для тренировок. В велосипедном спорте эту категорию тренажеров называют велостанками. Они представляют собой простую, но достаточно элективную в динамическом и функциональном отношениях механи­ческую систему. Неотъемлемой частью такого тренажера является обыкновенный шоссейный или трековый гоноч­ный велосипед.

Велостанок (рис. 7.20) состоит из сварной трубной рамы 2 и трех роликов 1, изготовленных из армированного пластика и смонтированных на шарикоподшипниках, установленных на осях, закрепленных в гнездах на про­тивоположных трубах рамы. Два ролика соединены при­водным паси ком 4, представляющим собой обыкновенное

Рис. 7.21. Механическая си­стема торможения ролика ве­лосипедного станка

моноволокно диаметром 1—1,5 мм, широко ис­пользуемое в качестве рыболовной жилки. Все шесть опор велостанка имеют резиновые амор­тизаторы 3.

В целях искусствен­ного создания допол­нительных сил сопро­тивления, имитирующих естественные сложности вело­сипедной гонки, велостанки оснащают специальными системами различного технического исполнения. Наиболь­шее распространение получили механическая, инерцион­ная и индукционная системы.

Механическая система может быть выполнена (рис. 7.21) в виде подпружиненного обрезнненного на­точка 2, установленного на системе рычагов 3 и катяще­гося по поверхности ролика 1 обыкновенного велостанка. Силовая загрузка каточка осуществляется пружиной 5 и регулировочной гайкой 4. Контроль уровня загрузки ведется с помощью индикаторного динамометра 6. Увели­чивая или уменьшая загрузку каточка 2 с помощью регу­лировочной гайки 4 по градуированному динамометру, можно дозировать дополнительное сопротивление в про­цессе тренировки.

Существенный недостаток этой системы — невозмож­ность практического обеспечения достаточной точности изготовления и сборки узла торможения, что отрица­тельно сказывается на характеристике момента сопро­тивления в цикле каждого оборота ролика.

Инерционная система монтируется на обычном велостанке в виде дополнительного массивного стального диска 10 (рис. 7.22), закрепленного на торце одного из ро­ликов 9 велостанка. Инерционная система приводится в движение с помощью цепного привода велосипеда, вклю­чающего кривошип 5, звездочки 4 и 1, цепь 2 и заднее колесо 3, которое контактирует с парой роликов 9 и 8 велостанка (рис. 7.22, а). Переднее колесо велосипеда б приводится во вращение роликом 7 велостанка.

Для создания подобной системы можно использовать стандартный велостанок без конструктивных изменений. Инерционный диск 10 изготавливают таким образом, чтобы его можно было смонтировать (рис. 7.22, б) с помощью установочного гнезда на торцовой поверхности ролика 9

Рис. 7.22. Инерционный тренажер на безе стандарт­ного велостанка: а — кинематическая схема; б — схема монтажа инерционного диска

при существующих зазорах между этим роликом и ра­мой 11. Единственным дополнением может быть увеличе­ние высоты амортизаторов 12, чтобы высота Н обеспечи­вала свободное проворачивание инерционного диска диа­метром D.

Размеры инерционного диска 10 — толщина h и диа­метр D — определяют его инерционные свойства и могут быть выбраны в зависимости от задач, которые предстоит решить с использованием тренажера данной конструкции.

Использовать инерционную систему для отработки уско­рений с малых скоростей движения нецелесообразно, так как на малых скоростях резко снижается устойчивость велосипеда на роликах велостанка. При больших скоро­стях движения эффективность инерционной системы для целей тренировки возрастает, так как возникает возмож­ность имитации реальных ускорений. и финишных спуртов за счет необходимости преодоления инерционных сопро­тивлений всей приводимой в движение системы. Дина­мика этого процесса может быть описана уравнением

3

у"р =2 м — (7-52)

i=i

где Jпр — приведенный момент инерции масс системы

3

к оси 0Ч (рис. 7.22, о); 2^4г — суммарный момент от дви-

(=1

жущих сил, сил аэродинамического сопротивления и сил механического трения, приведенный к оси 0Х.

Величина Jap определяется выражением

/ г і „ 2 | 2J — f — 3J-, + J,

Jnp — J і "г marі — j—————————— jt-jr,—————- ,

где индексы 1—5 — номера звеньев системы (на рис. 7.22, а эти звенья характеризуются радиусами, соответственно г„ Гз, и, R);

г’гі. гз5 — передаточные отношения между соответствующими звеньями; Jlt J3, У4, J& — моменты инерции звеньев; тц — масса цепи привода велосипеда.

Опыт многолетней эксплуатации подобранных трена­жеров показывает, что геометрические размеры сталь­ного инерционного диска D — 350 мм и h = 10 мм вполне позволяют решать задачи отработки ускорений и финиш­ных спуртов на велостанках с инерционной системой нагрузки.

Индукционная система также монтируется на обычном велосипедном станке и может быть сделана в двух исполнениях: стационарной и нестационарной.

Стационарная система (рис. 7.23, а) предусматривает монтаж индукционных катушек 1 и 2 непосредственно на раме 3 велостанка. На ролике 5 монтируют диск 4 из алюминиевого сплава с геометрическими размерами D = 300 мм и h — 10 мм (рис. 7.23, б). Сердечники индук­ционных катушек 1 я 2 устанавливаются так, что между их торцовыми поверхностями и диском 4 имеется зазор А = 2 мм. При подаче напряжения на обмотку кату­шек 1 и 2 в диске 4 индуцируются вихревые токи, магнит­ное поле которых, взаимодействуя с магнитным полем катушек, создает противодействующий момент. Момент сопротивления можно менять в зависимости от подан­ного на катушки напряжения. Число катушек жела­тельно иметь не менее четырех для выравнивания напря­жений и деформаций в диске.

а) 5) В) Рис. 7.23. Индукционный тренажер на базе стандартного велостанка: а — схема монтажа индукционных катушек; 6 — схема установки индукционной системы на ролик ве­лостанка; в — схема контроля нагрузочного момента

В нестационарной системе (рис. 7.23, в) для контроля величины нагрузочного момента индукционные катушки монтируют на каретке 7, вращающейся относительно оси ролика 5. На каретке установлен груз 6 массой т, который под действием электромагнитных сил смещается на угол р в положение 6′. Момент сопротивления, приве­денный к оси каретки велосипеда 0lt составляет

Мт. пр = mg sin

Эта конструкция принудительного нагружения позво­ляет дозировать нагрузки и управлять, таким образом, тренировочным процессом.

Функциональные велотренажеры. Под термином функ­циональные велотренажеры понимают системы, предна­значенные для отработки или контроля отдельных или целой группы функциональных параметров, энергети­ческих характеристик, качества выполнения функцио­нальных движений велогонщика в процессе тренировки или лабораторного исследования. Эта категория велотре­нажеров насчитывает значительное количество систем, имеющих различное назначение, конструктивное испол­нение и практическое использование. Наиболее инте­ресные конструкции описаны ниже.

Велоэргометр — универсальная стационарная установка, предназначенная для оценки функциональ­ных способностей спортсменов в режиме кратковремен­ных нагрузок. Система и сопутствующая аппаратура обеспечения позволяют наблюдать визуально и регистри­ровать в автоматическом режиме механические параметры (частоту педалирования, линейную скорость условного движения, момент сопротивления, полезную мощность приЕОда) и медико-биологические характеристики сердеч­но-сосудистой системы (частоту пульса, давление крови) и легочно-дыхательного тракта (частоту и объем дыхания, компоненты выдыхаемой смеси). Велоэргометр такого типа может быть использован только в лабораторных ис­следованиях и не пригоден для тренировок высококвали­фицированных спортсменов.

Визуальный велотренажер предназна­чен для отработки техники педалирования под собствен­ным наблюдением гонщика за посадкой и процессом педа­лирования. В состав визуального тренажера входят гоночный велосипед, стандартный велостанок и система зеркал, которая позволяет получить отражения, удобные для визуального анализа сбоку, спереди и сзади.

Эргонометрические велотрена­

жеры составляют обширную группу систем, изго­товленных рядом исследователей для обеспечения как процесса тренировки, так и функционального контроля процесса педалирования, качество которого неизменно связано с факторами нагрузки и утомляемости. Такие велотренажеры промышленность не выпускает, они в еди» ничных экземплярах находятся в лабораториях своих создателей. Вместе с тем, учитывая перспективы их при­менения, целесообразно ознакомиться с их конструкцией и областью практического использования.

Во всех трех описанных ниже и наиболее интересных в техническом отношении конструкциях использованы обычный стандартный велостанок, гоночный велосипед (как правило, трековый) и система измерения параметров процесса педалирования.

1. Частота педалирования — один из наиболеэ доступ­ных для измерения параметров процесса педалирования. Возможны многочисленные технические решения реги­страции этого параметра. Например, в конструкции, описанной в работе [181, использованы ферритные магниты 2 (рис. 7.24), закрепленные на кривошипах. При прохождении магнита вблизи приемника 1, установлен­ного на раме, в приемнике наводится э. д. с., под дей­ствием которой запускают­ся триггер Шмидта и ре­гистратор импульсов, на­пример частотомер, от­градуированный в значе­ниях частоты или скоро­сти условного движения велосипеда. Индикаторное табло прибора может быть расположено непосред­ственно перед гонщиком или на пульте управле­ния тренировочным про­цессом.

2. В качестве анализи­руемого параметра про­цесса педалирования мо­жет быть принят кру­тящий момент, создаваео — Рис. 7.24. Датчик частоты недели­мый гонщиком. Его можн рования регистрировать методом

оценки тягового усилия в ведущей ветви цепи [101. Схема такой системы представлена на рис. 7.25, а. Веду­щая ветвь цепи 1 под некоторым углом огибает ролик 2, установленный на упругом элементе 3 кольцеобразной формы, который верхней частью жестко смонтирован на раме велосипеда. Этот упругий элемент 3 является дат­чиком, фиксирующим изменение натяжения цепи. Про­волочные тензопреобразователи 4, собранные в мостовую схему, преобразуют деформацию датчика 3 в электриче­ский сигнал, который после промежуточного усилителя поступает в блок регистрирующей аппаратуры, например в осциллограф. Сопоставление получаемого сигнала с цик­лограммой педалирования возможно благодаря фикса­ции еще одного параметра — угла поворота криво­шипа 5 с помощью фотодиодной системы и перфорацион­
ных отверстий в большой звездочке гг цепного привода. Возможна фазовая и непрерывная запись процесса педа­лирования. Система градуируется по моменту МГр — — тёК при горизонтальном положении кривошипа 5.

Подобная система имеет два существенных недостатка. Первый — ее градуирование выполняется, как правило, в статических условиях, в то время как в динамике дей­ствующие силы перераспределяются, так как появляются

Рис. 7.25. Схема измерения усилий в ведущей ветви цепи: а — общая схема компоновки системы; б — схема взаимодействия роликов цепи и ролика дат­чика

дополнительные силы трения в ролике датчика и равно­действующая перераспределенных сил меняет свое напра­вление и величину. Второй недостаток — цепь 1 огибает ролик 2 датчика (рис. 7.25, б), контактируя с ним одним (контур А ЕВ) или двумя соседними (контур ACDB) роликами цепи 6. Это вызывает дополнительную дефор­мацию активного участка ведущей ветви цепи, увеличи­вает в ней напряжение и искажает исследуемый параметр педалирования— натяжение ведомой ветви цепи.

3. Одним из наиболее сложных в техническом отно­шении является эргонометрический тренажер, основанный па тензометрировании педали гоночного велосипеда 16, 251. На велостанке используют обычный трековый вело^ сипед, на котором установлены педали специальной кон­струкции (рис. 7.26, а). Особенность этой конструкции состоит в том, что педаль оснащена двумя упругими пла­стинами, являющимися датчиками сил, приложенных вдоль вертикальной (Qy) и горизонтальной {Qn) осей коробки педали 3. На этих пластинах наклеены тензо — метрические преобразователи соответственно 2 и 4, соб­ранные в мостовые схемы, сигналы дисбаланса которых

Рис. 7.26. Схема реализации системы вектор-динамометрии на педалях гоночного велосипеда: а — схема установки датчиков и тензопреобразователей на педалях; б — век­тор-динамограмма педалирования

подаются в усилители и затем на регистрирующую аппа­ратуру (осциллограф). Система дополнительно осна­щена датчиками углов поворота: аг — угла поворота кривошипа 1 относительно вертикальной оси; а2 — угла поворота вертикальной оси коробки педали 3 относи­тельно кривошипа 1. Датчики углов поворота могут иметь различное исполнение, например реохордное.

Снимаемые осциллограммы обрабатываются в удобном для анализа виде, например в виде вектор-динамо­граммы (рис. 7.26, б), где из центра Ov строится семейство векторов равнодействующей силы Q, приложенной к оси педали. Годограф силы Q иллюстрирует процесс ее изме­нения. Кроме того, возможны фазовые изображения изме­нения вектора силы на экране катодного осциллографа.

Существенным недостатком данного метода является отсутствие критерия качества педалирования и, как следствие этого, невозможность дать однозначную оценку этому процессу.

Системы обеспечения тренировочного процесса. Тре­нажерный класс является важным техническим комплекс­ным средством функциональной групповой тренировки гонщиков. Как правило, такие классы оснащены вело­станками различных модификаций и системами обеспе­чения тренировочного процесса: контроля деятельности сердечно-сосудистой (пульс) и дыхательной (воздухооб­мен) систем, замера частоты педалирования, визуального контроля посадки, телефонной оперативной связи с каж-

Рис. 7.27. Схема установки фогодатчика на велостанке

дым гонщиком и т. п. Предлагаемая ниже система [81 прошла апробирование и рекомендуется для оснащения тренажерного класса.

Гоночный велосипед устанавливают на обычный вело­станок (рис. 7.27). Параметры движения в процессе тре­нировки считывают с помощью направленного источника света 4, модулятора (перфорированного диска) 3 и фото — транзистора 2. Модулятор приводится во вращение от среднего ролика 1 велостанка с помощью фрикционного диска. На табло индикации фиксируется пройденная дистанция, время ее прохождения и мгновенная скорость движения. Дистанция может быть заранее ограничена установкой ручки переключателя.

Для того чтобы можно было самостоятельно изгото­вить н настроить подобную систему, в работе [8] приве­дены подробные принципиальные электронные схемь! измерителя пройденной дистанции, времени, скорости и источника питания.

Датчиком измерителя скорости и дистанции является фотоэлектрическое устройство, состоящее из направлен — ного источника света и фотоэлемента. Модулятор пред­ставляет собой алюминиевый диск с обрезиненным ободом и тремя прорезями для прохождения светового луча от источника к фототранзистору. Прорези расположены под углом 120°. Длина окружности по ободу 300 мм. Модулятор, установленный в шарикоподшипниках, пру­жиной прижимается к среднему — ролику велостанка. Во время вращения ролика вращается и модулятор, обеспечивая подачу световых импульсов на фототран­зистор, частота импульсов пропорциональна окружной скорости ролика. Модулятор поворачивается на 120° при прохождении велосипедом 0,1 м пути.

Время прохождения задаваемой на пульте управления дистанции измеряют с помощью мультивибратора с точ­ностью ±1,0 с/ч, что соответствует точности механиче­ских секундомеров. Счетчик времени принят семиразряд­ным с индикацией шести цифр в часах, минутах и секун­дах с десятичными долями.

Скорость измеряют с помощью трехразрядного счет­чика того же типа, что и счетчик времени, но с периоди­ческой индикацией скорости в единицах км/ч. Цикл инди­кации 7,2 с.

Велотренажеры на базе компьютерной техники. Созда­ние и практическое применение систем управления про­цессом педалирования является более сложной техниче­ской задачей, которую можно решить только на основе современной электронной и компьютерной техники. Вело­сипедный спорт пока еще не знает примеров практически реализованных и действующих систем подобного назна­чения. Рассмотрим вариант системы на основе критери­альной оценки качества педалирования, описанной в п. 7.2.

Основными параметрами процесса педалирования в этой системе являются крутящий момент на валу ка­ретки и угол поворота кривошипов. Структурная схема управления процессом представлена на рис. 7.28.

Крутящий момент определяют с помощью тензометри — ческих преобразователей сопротивления по 200 Ом каж­дый, наклеенных на кривошипы и собранных в мостовые схемы. Питание мостовых схем производится от мало­габаритных аккумуляторов, размещенных на кривоши­пах. Таким образом, левый и правый кривошипы яв­ляются датчиками крутящего момента. Кроме этих дат­чиков система имеет датчик, фиксирующий начало оче­редного оборота кривошипа и датчик, фиксирующий дискретный угол его поворота.

Аналоговые сигналы с четырех датчиков поступают в модулятор, который модулирует амплитудный сигнал в частотный, передаваемый в эфир передатчиком, уста­новленным на раме велосипеда.

Приемник, установленный, например, в центре вело­трека, принимает сигнал и дешифрует его в широтно-им-

Рис. 7.28. Структурная схема системы управления процессом педали­рования

пульсную модуляцию. Интерфейс преобразует широтно­импульсный сигнал в цифровой код по каждому из четы­рех каналов и организует прерывание программы в зави­симости от угла поворота кривошипов.

Процессор работает по программе обсчета и анализа информации с выдачей результатов на внешнюю память для ее хранения. Оперативная информация выводится на экран дисплея (для оперативного управления процессом педалирования) и на автоматическое цифропечатающее устройство (для фиксирования и анализа результатов как в анализируемом отрезке времени, так и всего трени­ровочного заезда). Внешняя память позволяет произво­дить полный анализ результатов с выдачей графиков н табличных данных.

Принцип организации системы управления процес­сом педалирования позволяет осуществить обратную опе­ративную связь тренера-оператора с гонщиком через дополнительную систему радиосвязи звукового диапа­зона. Гонщик в виде устных команд получает информа­цию, например, об изменении параметров движения СНКГ по углу ^3_7, что приводит к непременному изме­нению углов я|)2_з и я|)0_2 (см. п. 2.5). Последовательный поиск оптимального по принятым критериям процесса педалирования позволяет гонщику и тренеру-оператору зафиксировать удачный вариант функционального дви­жения и продолжить работу над его закреплением для выработки устойчивого стереотипа. Важную роль данная система будет играть в научных биомеханических и физио­логических исследованиях в велосипедном спорте.