CN1037460A - 自行车支撑和负荷机构 - Google Patents

Abstract

在一用于支撑一自行车的锻炼机构中，一枢轴安 装的构件与自行车后轴相连接，以限制后轴绕着支撑 件的枢轴线运动。相对于枢轴线，有一水平装于后轴 另一侧的支撑辊子支撑着并施加一负荷于后轮。一 倾斜的前轮支撑结构的刚度，能使当骑车人体重移向 前轮支撑结构时产生一个向后施加于后轮的作用 力。

Description

本发明通常涉及一种自行车型固定的锻炼和训练装置。本发明特别涉及一种和多速自行车一起使用的器械，尤其适用于自行车比赛的训练。

许多现代的体育馆和运动俱乐部都有固定的自行车型训练器械，人们蹬踏模拟的自行车作为一种锻炼方式。一般，自行车脚蹬连接一摩擦装置或其他负荷，骑模拟自行车的人可自行调节阻力大小。这种类型的固定自行车的典型例子可参见美国专利No.4358105（“生命之车”）和4613129。

还有一些训练器械可以把传统的自行车固定在一支撑自行车的装置上，以使自行车的后轮克服一摩擦负荷而转动。这些类型的器械一般可以分为几类，其中第一类是将自行车的前轴和底托架与一机架相连，以支撑自行车。后轮驱动一辊子旋转，而辊子则与一加载机构相连。这种器械的一个实例，可以参见Brown的美国专利No.4441705，其中后轮驱动的是一飞轮和一可变阻力的负荷。

使用传统的自行车的第二类装置把后轮支撑在一对辊子上，或者用一固定支架支起后轴。例如，在Sackl的美国专利No.4596386中，连接至后轴并在离一对辊子一固定距离处支起后轴。Bisberg的美国专利No.3903613中，支起的是前轮，而后轮则靠在一对辊子上。

上述几种类型的每类装置在用作一运动器械及一自行车比赛的训练器械时均有许多缺点。如象“生命之车”这样的固定模拟自行车，并不具备能模拟就象骑在一辆真正的自行车上时所获得的那种脚蹬阻力的真实感，它们不能充分模拟惯性、风阻力、地形变化和滚动阻力。另外，这类固定自行车不能真实地模拟骑自行车时人体的位置或骑自行车的感觉，这并不奇怪，因为那里连普通的自行车车架都没有用。另外，这些类型的装置很笨重。

采用一底托架支撑的装置可采用一真实的自行车车架，但不能提供一有真实感的阻力和骑车模拟。这类设备通常只有一与后轮接触的辊子。

利用一只辊子或多只辊子支撑后轮的这类装置有稳定性和打滑问题。如果辊子位于后轴的后方，辊子就必须较长，因为轮子总是企图“脱离”辊子而要摇晃和朝侧向摆动。如辊子位于轴的前面，轮子虽然会保持在中心位置，但是，在后轮上产生最大转矩期间不能保持充分的接触。在这两种情况下，如施加一逼真的阻力，后轮胎就在辊子上打滑。

例如，在最大骑车周期中，骑车人不是在其鞍座上，而是伏在车把上且基本上站立在脚蹬上。当骑车人的体重前移，加于后轮上的力就减小，而加于前轮上的重量增加，就会引起后轮打滑。另外，在自行车支撑在底托架上这样的位置，自行车就绕着底托架铰转，使后轮有效地脱离与这一支撑辊子或几个支撑辊子的接触。这样，恰在需要最大阻力来克服后轮上的打滑时，后轮却以最小的摩擦力与阻力辊子接触，因此就产生打滑。

后轮可预加负荷紧靠到支撑辊子上，但是，该预加负荷装置恰恰约束后轮，从而破坏了骑车的真实感，也破坏了当骑车人坐在鞍座或自行车座上以低速蹬车时模拟阻力的真实感。此外，用底托架固定车架显得刚性过强，所以破坏了如在真实生活中骑车时的那种真实感，即车架在轮子上是有所晃动的。

在后轮上采用一对支撑辊子的这类装置不仅显得笨重，而且在两个辊子上需要有复杂的阻力机构以实现对后轮转动的合适的阻力。此外，它们不能模拟真实骑车时的感觉，而且，如果前轮也支撑在一辊子上，如Cassini等人的专利No.4580983所述，那么就要求不同的平衡和训练，以便能在骑车时保持直立。例如，如将前叉固定或用两个滚子支撑住前轮，那么，虽然前轮是稳定的，后轮却摇晃和移动。而在真实生活中，后轮是稳定的而前轮则是摇晃和移动的。当骑车人离开车座，伏在车把上在脚蹬上施加最大作用力时，使用两只辊子的作法仍不能克服打滑。骑车人体重的偏移还会引起后轮与辊子之间打滑。

另有一种用于自行车的训练支撑器械近来已进入市场，它取名为“伺服积分器（Velodyne）”。该Velodyne将自行车的后轮支撑于一辊子上，而辊子位于一包含后轮旋转轴线的垂直平面之前。后轴可随后轮旋转，但由两构件限制其沿一弧形途径运动，这两构件绕着一位于垂直平面之后面的公共轴线转动。当骑车人移离自行车鞍座而伏在前车把上时，两构件就限制后轴沿一弧形途径运动。骑车人体重向前移动使自行车向前运动，两旋转构件迫使后轮与支撑辊子相接触，这样，在辊子与后轮胎之间就能保持摩擦接触。该Velodyne装置使用一电驱动的交流发电机和一飞轮，以将一可变负荷施加于辊子上，继而也加到了自行车后轮上。采用了一计算机以改变由交流发电机施加的负荷。该Velodyne型装置在1987年5月26日向美国专利局提出的申请No.054749中有详细的描述。

目前仍需要有一种能提供在自行车上的真实骑行和真实阻力的装置，尤其要使当骑车人的全部体重压在脚蹬上以获得最大蹬力时仍不会发生打滑。此外，要求有这样一种装置，它结构简单，便于携带，特别是这种装置应能结合个人自用自行车使用，以提供为训练而用的最大真实性。

本发明的另一构思是，骑车的真实模拟和骑车时所经受的负荷阻力的真实模拟。负荷变化可包括风阻力，骑车人是走上坡还是下坡，骑车人和自行车的惯性，自行车本身固有的摩擦，以及自行车轮胎与骑行的表面之间的摩擦阻力。

以期精确重现这些负荷作用的许多过去的企图，均有它们的缺点。例如，以前有种装置曾利用与自行车轮的旋转速度作机械耦合的旋转风扇叶片模拟风阻力的作用。尽管旋转的风扇叶片能产生随风扇叶片转速的平方而增大的风力，但这些风扇噪声大，又不精确，不易调节，而且不能按不同身高和体重的骑车人引起的风阻力的变化来进行调节。

类似的，以前的装置都是企图以一机械的或电子的制动系统来模拟所施加的负荷量。典型的机械制动器包括一摩擦皮带，该皮带包绕在一运动表面上以造成作用于那个旋转表面的摩擦阻力，且该阻力决定子皮带的张力。但是，这些机械系统不能精确校正（标定），响应时间慢，而且，由于这类机械系统的零部件时间久了会失调和对准失常，负荷会发生变化。此外，摩擦负荷随环境温度和摩擦啮合件的温度的变化而变化。因此，机械系统的重现性较差，阻力变化较大，难以或不能精确校正（标定）到一给定负荷。此外，为了足够地改变摩擦负荷，一般需要将一大作用力施加到摩擦带上。

电子制动系统具有超过机械系统的优点，但是，模拟骑车的精度取决于一些因素，包括该系统如何精确校正（标定）的，以及电子制动系统赖以变化的程序的真实性。模拟精确性的变化的一个例子是风阻力。风扇叶片可以模拟一随自行车轮的速度而变化的负荷，但是，它不能模拟随骑车人的身高和体重而变化的负荷阻力，也不能模拟骑行在一伙骑车人的前方或在他们的中间时所发生的风负荷的变化。

因此，需要对负荷变化有更真实的模拟，尤其是风负荷变化的更真实的模拟。特别需要那种利用一重量轻且作用力小的系统来模拟出真实负荷的能力。

概要地说，该机构包括一用于固定自行车的机架。自行车的前轮安放于一斜面上，使当骑车人骑上去后自行车试图向后滚动。后轴由一铰转支架固定住，随着自行车向后移动，该支架使自行车后轮胎摆靠到一位于自行车后侧的辊子上。辊子上施加阻力，以模拟在路面上的骑行。

更详细说，在此研究的机构支撑一辆自行车，该自行车包括一车架，与其相连的有一车座，一车把，一个带有可转动地装在一前轴上的前轮和前轮胎的前叉，以及一可旋转地装在一后轴上的后轮和后轮胎。该装置有滚动装置，其包括至少一个辊子，当将自行车装到该机构上时，该辊子与自行车后轮胎接触，支撑了一部分自行车及其上的重量，并将一可变负荷传递到后轮胎上，用以模拟在骑行中受到的负荷。

另外用一向后倾斜铰转支撑件作为一附加支撑装置，该支撑件可绕一铰轴转动，并当骑车人体重从车座向车把前移时能使后轮胎向后至和辊子相接触。铰转支撑件转动地支撑着后轴，使后轮可以绕着后轴转动，但限制后轴绕着一铰轴沿一预定途径运动。铰轴线位于辊子的前方，并在一包含后轴的垂直平面的另一侧，这里所说的向前的方向是从车座朝着车把的方向。

一向前倾斜的斜面紧靠在前轮胎上，使当骑车人移离车座向前轮胎移动时，造成前轮胎向下滚并向后移动。向后方向是指从车把朝车座的方向。与前方斜面相对，另有一向后倾斜的斜面在前轮的另一侧紧靠住前轮胎。有一支承件与向后倾斜的斜面相连，该支承件的刚度允许前轮以一预定速度向下向后移动。在前方和后方斜面上设有限制装置，该装置与前轮的两个相对侧接触，用以当车把转向时制止前轮转向而稳定自行车的前部。

有一差动带式制动鼓轮用作一可变负荷装置，该鼓轮与辊子相连，以改变从辊子传到后轮胎上的负荷。该带式制动器也提供惯性负荷。一伺服电动机与带式制动器相连，用以将由带式制动器施加于辊子上的转矩保持于一预定值。当然也可以用某种机械连接方式代替伺服电动机。一计算机与伺服电动机接通，用以改变由带式制动器施加于辊子上的转矩，以便预定的加载方案可以由计算机产生或储存于其中。

在另一个实施例中，前叉与一向后伸的支承件相连，该支撑件是取代向前倾斜的斜面的。该向后伸的支承件可以固定住前叉的内侧，此时，前轮和轮胎可卸走，或者这一支承件可以跨过前轮和轮胎连接于前叉的外侧。该向后伸的支承件的刚度及所具有的这样一个倾斜度，使得当骑车人体重从车座移向车把时它能施加一向后的力于前叉上。

在又一个实施例中，自行车的前轮胎座落在地面上而不用撑起。与自行车后轴相连的铰转支撑件是向倾斜的，铰转支撑件的铰轴线和辊子的旋转轴线位于一通过自行车后轴的大致垂直的平面的后侧，即均位于该平面的同一侧。

下面根据其中同一编号对应于同一部件的附图来说明本发明的锻炼装置的特殊实施例。

图1    是自行车放置在本发明的装置上的透视图;

图2    是表示用于限制自行车前轮胎之结构的本发明之支承框架的一部分的透视图;

图3    是表示差动带式制动器和轭形支架的本发明之装置的一部分的透视图;

图4    是以上图中所示的一个限动器的详细透视图;和

图5    是用于支撑自行车前轮的支架的另一实施例的透视图。

参阅图1，其中表示了常用的多速自行车，其车架10与后轴12旋转连接。后轮14上装有后轮胎16，两者都以后轴12为中心转动。车架10还有一底托架18，其上旋转安装一对脚蹬20。底托架18上方装有一供骑车人坐的座子22。座子22的前面是车把24，车把同前叉26连接，车把24和前叉26连接在一起，且可以相对于车架10转动。前叉26的末端有旋转安装的前轴28。前轮30上装有前轮胎32，前轮30和轮胎32一起绕前轴28旋转。当车把24的转动使前轮30和前轮胎32相对于车架10“偏转”时，我们就认为前轮30和前轮胎32是在绕前轴28“旋转”。

一个根据本发明制成的自行车支撑和负荷装置34支撑着自行车的车架10及其上的一切部件。支撑装置34包括一地面约束连接构件36，它可方便地由一金属管组成，金属管的圆形横截面约为1.25英寸，壁厚约为0.06英寸。虽然圆形横截面的易弯，但附图所示的方形管也可以用。连接构件36处于自行车车架10的长度定向，并且一般位于车轮14和30之下。

连接构件36的第一端伸在前轮胎32之下。向下力的方向是从座子22到底托架18。一般是在位于前轴28下的一点处，连接构件36向上倾斜形成前轮的支撑构件38。用另一种方式说，前轮支撑构件38形成前轮胎32的位于前轴28之前的前倾斜面。

前限动构件42连接于前轮支撑件38，而且也是向上倾斜的。前限动构件42最好由一单件构成，例如用一圆管压成一新月形横截面的构件，或是用一段两边42a和42b在顶点结合成直角的角钢，沿前轮支撑构件38的长度定向。前限动构件42是这样定位的，即要使前轮胎32同限动构件42的两条边42a和42b同时接触。

一段类似的角钢用于构成向后的倾斜构件，或称为后限动构件44，其两边为44a、44b。位置可以调整的托板46支撑着后限动构件44并把它连接到连接构件36上。托板46是通过可调位紧固装置沿连接件36的长度方向固定的。定位紧固装置包括一对螺栓，其螺纹端（未示）穿过托板46上的长槽52，这样以螺栓50为基准移动托板46就可以在长槽52的长度范围内调整托板46的位置。

图4所示为前限动构件44的最佳实施例，在角钢的每一边44a和44b上排列有多个形成支撑的辊子45，辊子45随前轮胎32的转动而滚动。辊子45提供了一种减小轮胎32转动阻力的装置。

当骑车人骑在鞍座22上时，定好位的倾斜限动构件42和44支撑着前轮胎32的相对的两边，并且要定位得使前轮胎32实际上不接触连接构件36。

一般位于后轮14下方，且与构件36在同一平面（水平面）内有一轴支架54。支轴架54支撑着一枢轴安装的轭架56，其第一和第二臂构件56a和56b分别跨在后轮16的两侧。构件56a和56b的第一端与后轴12的相对两端活动连接，使得后轮14可绕后轴12旋转，而限制后轴12绕枢轴轴线运动。适于这一目的合适的活动连接是本技术领域内的人所熟知的，在此不予详述。

构件56a和56b的另一端与枢轴支撑管58连接。支撑管58的纵轴基本上平行于后轴12的旋转轴线，支撑管58安装在轴支架54上，可以绕自身纵轴转动。最好是把构件56a和56b连接成一起转动。构件56a和56b是向后倾斜的，这在下面将说明。这样，后轴12就被限制为只能绕支撑管58的纵向轴线转动。

轴支架54可用具有圆形横截面的管材制成，且结构对称。也可以用如图所示的方形横截面的材料，但圆形的比方形的在成形方面有另外一些优点。轴支架54包括构件60和62，两者的第一端定位于邻接支撑管58的两端，且第二端汇合在一起，连接到连接构件36上。轴支架54还包括构件64和66，两者的一端在构件36长度延伸方向上连接在一起，另一端分别与构件60和62的第一端连接，邻接支撑管58的两端。

构件64和66的结合端向背离连接件36的方向沿着其纵向轴线延伸出一小段距离，形成尾部构件68和70（图3）。金属辊子72安装在尾部构件68和70的顶面上，而且使辊子72的旋转轴线位于基本上平行于包含后轴12的基本垂直的平面的平面内。辊子72的旋转轴线最好是基本上平行于自行车后轴12的旋转轴线以及支撑管58的转动轴线。辊子72较合适的直径为1.5英寸。

参阅图3，支撑管58按如下方式连接于轴支架54。上下平板74、76分别装在构件60和64之接合处的上下两侧，螺栓78和80穿过板74和76，螺栓的间距足以容得下支撑管58的直径。支撑管58的一端伸入至平板74和76之间以及螺栓78和80之间，这样支撑管58可绕其自身的纵向轴线转动，但其横向运动受到限制。构件60和64防止支撑管58沿其纵轴方向作任何较大的窜动。管62和66的接合处也同样做成为允许支撑管58转动，但限制支撑管58的轴向窜动和横向移动。这个结构的详细说明和描述就不再重复了。

轴支架54连接于构件36并沿其长度方向适当定位。参阅图3，构件60和62在与构件36相交处连接在一起，形成一个与构件36的截面形状相应但尺寸比其稍大的孔82。这样，连接构件36在构件60和62的接合处穿过孔82。用一个翼形螺钉84之类的螺纹定位件穿过构件60或62拧入孔82中，这样其就与构件36摩擦接触，借以选择和锁定轴支架54沿构件36的位置。

下面将说明自行车支撑和加载装置34的功能。前轮胎32放在前、后限动构件42和44之间，因此当车把24偏转时，前轮30和前叉26被限制而不能偏转。前限动构件42和44帮助保持了自行车前部的稳定性。

根据车轮30的尺寸，可调位的托板46可以调整限动构件44的位置，以适应不同尺寸的自行车车轮30。托板46还可用于调整限动构件42和44之间的间距，此间距影响前轮胎32下边缘至连接构件36的距离。这样，当限动构件42和44之间的距离减小时，自行车的前轮胎32就在连接构件36的上方被稍稍升高。

自行车后轮14由与自行车后轮胎16接触的辊子72部分地支承，同时也由构成跨在自行车后轮胎两侧的轭架并与自行车后轴12相连接的构件56a和56b支承。翼形螺钉84（图3）用于调整框架54在连接构件36上的位置，以此来适应自行车车架10的不同尺寸，即框架54沿构件36移动就可以适应具有不同的轴距和车轮尺寸的自行车。

当做了适当调整时，枢轴支撑管58的转动轴线和辊子72的旋转轴线应分别在包含后轴12的基本上垂直的平面的两侧，支撑管58的转动轴线位于包括后轴12的垂直平面之前，所谓“前”是指幼孕谐档陌白?2向前轮30或车把24看。轭架56的构件是向后倾斜至后轴12。

当骑车者坐在鞍座22上并蹬自行车时，骑车者的重量迫使轮胎16与辊子72摩擦接触。骑车者的一部分重量由轭架56承担，这样辊子的摩擦接触可以随轭架56方位的改变而变化。

轭架56最好是与包含支撑管58的旋转轴线的垂直平面成30°角，或与包含构件36和框架54在内的水平面成60°角。相对于重直平面的向后倾斜角增大到45°时，也可工作，但不是太理想。

采用相对于垂直平面向后倾斜45°角时，构件100（图5）或倾斜构件38之类的前叉支撑件可以取消。在这种情况下，前轮胎32将搁置在地面上。虽然这是可能的，但负荷模拟不是最佳，而且辊子72和自行车后轮胎16间的摩擦接触被减弱，当骑车者离开鞍座22全力踏在脚蹬20上时更加如此，所述这种布配不是最好。

将构件56a和56b向前倾斜到相对于垂直平面成15°角，既使不是最好，但也是可行的，在这种情况下，需要向前倾斜的支撑构件38的斜面倾斜得更厉害（大约相对于水平面呈70°角）。在这种向前倾斜的方式中，支撑管58的转动轴线、辊子72的旋转轴都在通过自行车后轴12的基本上重直的平面的同一侧。

对于直径为27英寸的车轮16和轮胎18，滚子72的轴线在后轮胎16的后方，在轮胎16底边缘之上约4英寸，但同轮胎16接触。支撑管58的转动轴线大致与轮胎16的底边缘相平，即大约紧靠地面，但位于轮胎16的前方。支撑管58的转动轴线约在辊子72的转动轴线之前14.8英寸。再明确一遍，“向前”是指从鞍座22到车把24的方向。

当骑车者起身离开鞍座22，并将其体重向前移至前轮30时，与辊子72的摩擦接触仍在保持。骑车者体重移向前轮30使前轮胎32在前轮支撑件38的倾斜面上向下滚动，这就产生了迫使自行车，尤其是后轮16压紧于滚子72的作用。

前轮胎32的向后移动量取决于前轮支撑件38的斜度，也取决于托板46和约束构件44的弯曲刚性。刚性取决于所用的材料、材料的厚度与形状。对于一固定的斜面角度或倾斜角，托架46和约束构件44的刚性越低，在给定重量下的向下移动量就越大，这样自行车向辊子72方向的移动量也大。就靠自行车的这一向后移动量，轭架56向后下方摆动，使轮胎16与辊子72接触。这里用一段1/4×1英寸的带钢，使之与水平面成45°角是合适的。

随着轮胎32在倾斜的车轮支撑件38上向下滚动，前轮30和轮胎32向后移动。最好后限动构件44和托板46不要完全阻止这种滚转运动或向后的移动。辊子45使前轮胎32容易滚转，因为如果不是这样，轮胎32就可能由于与限动构件44的摩擦接触而被轻微卡住。

为更有利于这种向后移动，限制构件44和托架46向后方向的刚度应该较小，但一定要足以将前轮胎32朝上支撑在垂直于连接部件36的位置上。选择不同的限制构件44和托架46的刚度，可以改变和控制前轮30向下和向后的移动速率。然而，当限制构件44和托架46的刚度增大时，为了克服因刚度增大而引起的向后运动的阻力而施加附加力，就必须增大斜面或倾斜支撑部件38的倾角。

限制构件44和托架46的刚度至少在向后方向上比倾斜支撑部件38的刚度小。限制构件44，托架46和支撑部件38的位置、倾角和刚度最好设计成当鞍座22上没有骑车者时，前轮胎32距限制构件44约1英寸，而当骑车者坐在鞍座22上时，前轮胎32与限制器44和支撑部件38刚刚接触。前轮胎32最好不要与连接部件36接触，因为这样会妨碍自行车向后移动。

注意，为了当骑车者的重量移至前轮30时对辊子72施加一个力，前轮支撑部件38和前限制构件42的刚度应该比车架10、前叉26、轮子14、30以及轮胎16、32的合成刚度大。如果，前轮支撑部件38和前限制构件42的刚度太小，则通过上述各部件和车架10朝轮子72施加的力就会减小。

因此，安装一个与自行车连接的加力装置，用于当骑车者的重量离开自行车鞍座22而移向把手24时，对后轮胎16施加一个向后的力。简而言之，骑车者重量的向前移动引起自行车向后移动。

随着骑车者的重量向前移动，轭架56的两个向后倾斜的构件阻止自行车后轮14及轮胎16向前移动，同时迫使后轮轴12沿预定的弧线路径绕支撑管58的转动轴线运动。辊子72与后轮胎16之间的最终摩两哟タ伤骈罴?6的刚度和方位的变化而变化。当轭架56相对于水平面的角度减小时，后轮胎16就对辊子施加更大的力。当轭架相对于垂直线的角度为35-40°，相对于水平面的角度为45-50°时，即使没有倾斜支撑部件38也可以认为足以防止辊子72与轮胎16之间发生打滑。在上述情况中，轭架相对于垂直线的角度必须是45°或更大，才能支撑离开鞍座的骑车者，这样，辊子与轮胎之间的摩擦才能极高，从而模拟出真实的骑行状态。

因此，当骑车者的重量从鞍座22移向前轮30时，轭架56还有助于控制轮胎16与辊子72的摩擦接触量。轭架56提供了枢轴支撑装置，该装置在骑车者将其体重向前移动时迫使轮胎16与辊子72接触，因此，轭架56能有效地使轮胎16与辊子72接触，以防打滑。

轭架56、限制构件42、44和前轮支撑部件38及托架46的有效刚度还影响骑车模拟的真实感。这对限制构件42、44、支撑部件38和托架46来说尤其明显，因为一种非线性刚度可以在前轮支撑在托架46和支撑部件38之间时表现为一种刚度，而在前轮胎32接触到连接部件36时表现为另一种（更高的）刚度。

由轭架56、辊子72、限制构件44、托加46和支撑部件38的取向和结构所产生这一适当的合成刚度将使在正常骑车过程中后轮胎16与辊子72之间的摩擦为最小，即刚好足够防止打滑的摩擦，在骑车者用很大的劲的过程中，即当骑车者离开鞍座时，轮胎和辊子间的摩擦就增加，阻止打滑。

参见图5，图中表示了用于支撑前叉26的另一个装置的实施例。其中将前轮支撑部件38（图1）去掉，换上一向后延伸的前支撑部件100。该支撑部件100的一端与连接部件36连接，而其另一端与前叉26做成可拆连接。支撑部件100最好具有类似于连接部件36的管状结构，但其尺寸大小要满足预定的刚度，并使前叉26能以预定速率向后和向下移动。

支撑部件100与前叉26之间的一种可拆连接结构是在靠近前支撑部件100的端部处设许多孔或洞102，这样前轮轴28可以穿过部件100并用一快速松紧叉状物104进行可拆卸地紧固。

在所述的这一实施例中，前轮30和前轮胎32必须去掉。如果前支撑部件100为一在前轮轴28的端部与前叉26连接的叉架形式，并且该叉架还跨装在前轮30和前轮胎32的两侧，那么，前轮30和前轮胎32还是可以安装在前叉26上的。

随着骑车者的体重从鞍座22移向把手24，前支撑部件100就向下和向后弯曲，从而使自行车向后移动，并迫使后轮胎16（图1）与辊子72接触。这个向后的移动和力再次阻止辊子72与后轮胎16之间的打滑。

参见图3，一种差动带式制动器86用于对辊子72，进而对后轮胎16施加可变负载。该带式制动器86包括一圆盘形制动鼓，它同时用作制动器和飞轮，就用作飞轮88而言，其直径约为8英寸，厚度约1英寸，由钢制成，重量约14磅。飞轮88的旋转轴线与辊子72的旋转轴线同轴线。辊子72与飞轮88连接，它们同步旋转，飞轮88模拟了由辊子72所施加和传递的惯性负载。

一柔性制动带90以近似180°的圆弧形包绕在飞轮88的外径上。该制动带90的第一端90a与枢轴连杆92的第一端92a连接，制动带90的第二端90b经一弹簧94与枢轴连杆92的第二端92b连接。弹簧94的刚度约为1.7磅每英寸。

枢轴连杆92在枢轴点93处可转动地安装在一安装在尾部构件68和70（图1）上的支撑结构95上。从枢轴点93到制动带的第一端90a的距离约为2.5英寸，而枢轴点到制动带的第二端90b的距离约为5.6英寸。枢轴连杆92的枢轴点大约在飞轮88的旋转轴线上方2.75英寸并向后偏离飞轮88的中心约1.5英寸。

带式制动控制装置不是安装在尾部构件68和70上。该带式制动控制装置可以包括一机械联动机构，但包括一伺服电动机96更为有利。伺服电动机96上的一可动连接件97与枢轴连杆92连接，其连接点位于枢轴连杆92与制动带的第一端90a的连接点和枢轴点93之间的中间部位。伺服电动机96的连接件97的连接点在水平方向离开枢轴连杆92的枢轴点约0.8英寸。

本发明的一个重要特点是伺服电动机96，相对来说，是一个很小的电机。而且，已经发现一种典型地用于无线电操纵模型飞机的50英寸一盎司的伺服电动机是合适的。该伺服电动机96设计成可自动调整的，即要使得如果其被对准于一预定位置，该伺服电机96就能根据需要调整位置，以保持那一预定位置。由于枢轴连杆92的位置是由伺服电动机96决定的，所以枢轴连杆92的位置也是自动调整的。这样，枢轴连杆92因外界作用而产生的任何移动都会使伺服电动机96失去它的位置，于是伺服电动机将对这一移动进行调整，使枢轴连杆92保持在预定位置。这样，该伺服电动机96就可补偿带式制动器中的负载变化。

伺服电动机96的运动最好由一可偏程序计算机98控制。该计算机98以本领域内众所周知的方式编制程序，便对伺服电动机发出一系列运动指令，这样就能对飞轮88的制动器，进而对自行车的后轮胎16施加一预定的转矩或负载形式。于是，可编程序计算机98、伺服电动机96和差动带式制动器86的组合就可以通过计算机对伺服电动机96的控制来模拟各种骑车状态，而飞轮88的惯性有助于模拟惯性负载。

采用一与差动带式制动器相联系的计算机控制伺服电动机可产生崭新的、令人惊奇的、并且在现有的锻炼器械上得不到的结果。这里的飞轮88比现有装置上用的带式制动器或卡钳式制动器中的飞轮小得多，它不仅提供惯性负载，而且还能兼用作施加负载和制动的机构。伺服电动机96的自动调整特性使结构和设计简化了。促使制动机构动作所需的力惊人地小，这样，所需电源和所耗电力也比现有装置小和少得多。简单的结构、较轻的重量和较小的电耗提供了一个非常轻便的系统，该系统可逼真地模拟一定的负载，这种模拟在以前的自行车锻炼装置上是没有的。通过对计算机98编制程序并通过一小型伺服电动机96来改变施加在差动带式制动器86上的负载的这种能力使得这种比以前能进行负载模拟的装置要小和轻便得多的装置能够非常逼真地模拟负载。可对计算机98进行编程的功能还能对差动带式制动器86中出现的可预测的错误和变化进行补偿。因此，就这种小型而轻便的系统来说，其精确性是出乎意外地高。

Claims (23)

1、一种用于支撑一自行车的机构，用于精确模拟骑自行车的负荷及真实感，所述机构相对于一被制动的辊子支撑起自行车后轮胎，以使当骑车人全部体重加于脚蹬上以获得最大蹬车力时后轮胎与所述辊子之间不打滑，自行车包括一车架，与它连接有一车座，车把，一带一可转动地装在一前轴上的前轮和轮胎的前叉，和一可转动地装在一后轴上的后轮和轮胎，其特征在于，该机构包括：

至少一辊子，它有一位于一基本上平行于一包含所述后轴的基本上垂直的平面内的旋转轴，当自行车装到该机构上后，所述辊子与后轮胎相接触；

一绕着一枢轴线转动的、向后倾斜的转动支承件，所述支承件连接于后轴的两端，以使后轴能绕着其纵轴线转动，而又限制后轴绕着枢轴线转动，枢轴线位于所述辊子的前方，并相对于所述辊子位于垂直平面的另一侧，这果所说的向前方向是指从车座朝着车把的方向；和

与自行车相连接的加力装置，它用于当骑车人体重从车座向车把前移时施加一向后的作用力于后轮胎上。

2、如权利要求1所述的机构，其特征在于，所述加力装置包括一与前轮胎接触的、向前倾斜的构件，所述构件的取向要使当骑车人体重从车座移向车把时前轮胎向后滚动。

3、如权利要求2所述的机构，其特征在于，还包括用于当车把转向时限制前轮转向的装置。

4、如权利要求2所述的机构，其特征在于，所述加力装置包括一在与所述向前倾斜构件相反的一侧与前轮胎接触的向后倾斜构件，用以将前轮胎支撑起至离该机构所安放的基本水平的平面有一距间，所述向后倾斜构件和向前倾斜构件的相对刚度能使当骑车人体重从车座向车把前移时前轮胎向后向下朝着水平平面滚动。

5、如权利要求1所述的机构，其特征在于，所述加力装置包括一与前叉相连的向后倾斜构件，使当骑车人体重从车座朝车把前移时自行车能向后移动。

6、如权利要求1所述的机构，其特征在于，还包括：

一与所述辊子相连接的差动带式制动器，用以改变由后轮胎施加于所述辊子并使之转动的转距，所述带式制动器还提供惯性负荷于所述辊子;

一伺服电动机，用以控制所述带式制动器施加于所述辊子的转矩;

一与所述伺服电动机接通的计算机，用于控制和改变由所述带式制动器施加于所述辊子的转矩，从而遵循一预定的加载方案。

7、一种用于支撑一自行车的机构，用于精确模拟骑自行车期间的负荷及真实感，所述机构相对于一被制动的辊子支撑起自行车后轮胎，以使当骑车人全部体重加于脚蹬上以获得最大蹬车力时后轮胎与所述辊子之间不打滑，自行车包括一车架，它连接有一车座，一车把，一带有一可转动地装在一前轴上的前轮和轮胎的前叉，和一可转动地装在一后轴上的后轮和轮胎，其特征在于，该机构包括：

辊子装置，当自行车装在该机构上后，它与后轮胎接触，所述辊子装置支撑一部分自行车重量并传递一可变负荷于后轮胎，以模拟骑车中所受到的负荷;

转动支撑装置，用于当骑车人体重从车座向前轮胎前移时迫使后轮胎和所述辊子接触，所述转动支撑装置可转动地支撑着后轴，使后轴能绕其自身纵轴线旋转，但又限制后轴绕一枢轴线转动，所述枢轴线位于所述辊子的前方并在一包含后轴的基本垂直的平面的相反一侧，这里所说的向前方向是指从车座朝着车把的方向;和

与自行车相连的加力装置，用于当骑车人体重移离自行车车座而向前移至车把时施加一向后的力于后轮胎上。

8、如权利要求7所述的机构，其特征在于，所述转动支撑装置包括两个向后倾斜构件，每个构件有一可拆卸地与后轴的相对两端相连的第一端，和一绕着所述枢轴线转动的第二端。

9、如权利要求7所述的机构，其特征在于，所述加力装置包括一与前轮胎接触的、向前倾斜的构件，所述构件的取向要使当骑车人体重从车座移向车把时前轮胎向后滚动。

10、如权利要求9所述的机构，其特征在于，还包括用于当车把转向时限制前轮转向的装置。

11、如权利要求9所述的机构，其特征在于，所述加力装置还包括一在与所述向前倾斜构件相反的一侧、可与前轮胎接触的向后倾斜构件，用以将前轮胎支撑起至离一该机构所安放的基本上水平的平面有一间距，所述向前和向后倾斜构件的相对刚度能使当骑车人体重从车座向车把前移时前轮胎向后向下朝着水平平面滚动。

12、如权利要求7所述的机构，其特征在于，还包括：

与所述辊子装置相连的带式制动器装置，用于改变从所述辊子装置传递到后轮胎的负荷，所述带式制动器装置还提供惯性负荷于所述辊子装置;

带式制动器控制装置，用于将由所述带式制动器装置施加于所述辊子装置的转矩保持在一预定值;和

与所述控制装置接通的计算装置，用于改变由所述带式制动器装置加于所述辊子的转矩以遵循一预定的加载方案。

13、一种用于支撑一自行车的各部分的机构，用于精确模拟骑自行车的负荷及真实感，所述机构相对于一被制动的辊子支撑起自行车后轮胎，以使当骑车人全部体重加于脚蹬上以获得最大蹬车力时后轮胎与所述辊子之间不打滑，自行车包括一车架，它连接有一车座、车把、一前叉、和一可转动地装在一后轴上的后轮和轮胎，其特征在于，该机构包括：

辊子装置，当自行车装在所述机构上后它与右轮胎接触，所述踝幼爸弥С乓徊糠肿孕谐抵亓坎⒋菀豢杀涓汉捎诤舐痔ィ阅Ｄ馄锍抵兴艿降母汉?

转动支撑装置，用于当骑车人体重从车座向车把前移时迫使后轮胎和所述辊子接触，所述转动支撑装置可转动地支撑着后轴，使后轴能绕其自身纵轴线旋转，但又限制后轴绕一枢轴线转动，所述枢轴线位于所述辊子的前方并在一包含后轴的垂直平面的相反一侧，这里所说的向前方向是指从车座朝着车把的方向;和

一与前叉相连接的倾斜构件，它的刚度和倾斜度能使当骑车人体重从车座移向车把时自行车向后移动。

14、如权利要求13所述的机构，其特征在于，还包括：

与所述辊子装置相连的带式制动器装置，用于改变从所述辊子装置传递到后轮的负荷，所述带式制动器装置还提供惯性负荷于所述辊子装置;

带式制动装置，用于将由所述带式制动器装置加于所述辊子装置的转矩保持于一预定值;和

与所述控制装置接通的计算装置，用于改变由所述带式制动器装置加于所述辊子的转矩，以遵循一预定的加载方案。

15、一种用于支撑一自行车的机构，用于精确模拟骑自行车期间的负荷及真实感，所述机构相对于一被制动的辊子支撑起自行车后轮胎，以使当骑车人全部体重加于脚蹬上以获得最大蹬车力时后轮胎与所述辊子之间不打滑，自行车包括一车架、它连接有一车座、车把、一带有一可转动地装在一前轴上的前轮和轮胎的前叉，和一可转动地装在一后轴上的后轮和轮胎，其特征在于，该机构包括;

至少一辊子，当自行车装在所述机构上后它与后轮胎接触，所述辊子支撑这部分自行车重量并传递一可变负荷于后轮胎，以模拟骑车所受到的负荷;

至少一绕着一所述枢轴线转动的、向后倾斜的转动支撑件，它设置得能使当骑车人体重从车座向车把前移时迫使后轮胎和所述辊子接触，所述转动支撑件可转动地支撑着后轴，使后轮能绕着后轴旋转，但又限制后轴沿一预定途径绕一枢轴线转动，所述枢轴线位于所述辊子的前方并在一包含后轴的垂直平面的相反一侧，这里所说的向前方向是指从车座朝着车把的方向;

一向前倾斜的斜面，它紧靠在前轮胎上，当骑车人移离自行车车座朝前轮胎前移时，它使前轮在所述斜面上朝着后轮方向滚动;和

用于限制前轮和轮胎随着车把转向的装置。

16、如权利要求19所述的机构，其特征在于，还包括：

一向后倾斜的斜面，它紧靠在前轮上，以阻止前轮转向;和

一与所述向后倾斜的斜面连接的支承，所述支承的刚度可使前轮以一预定的力向后移动。

17、如权利要求20所述的机构，其特征在于，还包括：

一与所述辊子相连接的差动带式制动器，用于改变从所述辊子传递到后轮胎上的负荷;

一伺服电动机，它与所述带式制动器连接，用以将由带式制动器加于所述辊子的转矩保持在一预定值;和

与所述伺服电动机接通的计算装置，用于改变由所述带式制动器加于所述辊子的转矩，以遵循一预定的加载方案。

18、如权利要求21所述的机构，其特征在于，所述差动带式制动器包括：

一可旋转安装的制动鼓，在它的外圆周上有一摩擦表面，所述制动鼓的尺寸适当地选择为足以模拟自行车和骑车人的惯性负荷;

一转动连杆，它有第一和第二两端，所述转动连杆在其第一和第二端之间的一部位转动安装，而且第二端连接有一弹性件;和

一制动带，它与所述制动鼓的一部分摩擦表面相贴近，所述制动带有一与所述转动连杆的第一端相连接的第一端，和一与所述弹性件连接的第二端，与所述转动连杆连接的伺服电动机介于该转动连杆的第一端和第二端之间，以改变所述转动连杆的位置，从而使所述制动带摩擦啮合于所述制动鼓，进而产生一加于所述辊子上的作用力。

19、一种用于支撑一自行车的几个部分的装置，用于模拟骑自行车时的负荷和感觉，该自行车包括一车架，与车架连接的有一车座、车把、一前叉和一可转动地安装在一后轴上的后轮和轮胎，其特征在于，该机构包括：

绕一旋转轴线转动的辊子装置，当自行车装到所述机构上后，所述辊子装置与后轮胎接触，所述辊子装置支撑一部分自行车重量并传递一可变负荷于后轮胎，用以模拟骑车中所受到的负荷;

转动支撑装置，用于当骑车人体重从车座向车把前移时迫使后轮胎和所述辊子接触，所述转动支撑装置可转动地支撑着后轴，使后轴能绕其自身纵轴线旋转，但又限制后轴绕一所述枢轴线转动，所述枢轴线和所述辊子装置的旋转轴线都位于一包含后轴的垂直平面的后侧，即位于该垂直平面的同一侧，这里所说的向后方向是指从车把朝着车座的方向;和

一与前叉相连接的倾斜件，它的刚度和倾斜度恰使当骑车人体重从车座移向车把时自行车能向后移动。

20、一种用于支撑一自行车的机构，用于精确模拟骑自行车比赛期间自行车的负荷及真实感，所述机构相对于一电制动辊子支撑起自行车后轮胎，以使当骑车人全部体重加于脚蹬上以获得最大蹬车动力时后轮胎与所述辊子之间不打滑，自行车有一车架，与它连接的有一车座、车把、脚蹬、和一可旋转地装在一后轴上的后轮胎，其特征在于，所述机构包括：

至少一辊子，它有一位于一基本上平行于一包含所述后轴的基本上垂直的平面的平面内的旋转轴，当自行车装到该机构上后，所述辊子与后轮胎相接触;

一绕着一枢轴线转动的、向后倾斜的转动支撑件，所述支撑件连接于后轴的两端，以使后轴能绕其自身纵轴线转动，而又限制后轴绕枢轴线转动，枢轴线位于所述辊子的前方，并相对于所述辊子位于垂直平面的相反一侧，这里所述的向前方向是指从车座朝着车把的方向。

21、如权利要求1所述的机构，其中自行车还包括一前叉，其特征在于，该机构还包括：

与自行车前叉相连接的加力装置，用于当骑车人体重离开车座移向车把时能加一向后的作用力于后轮胎。

22、如权利要求2所述的机构，其中所述自行车还包括一可转动地装在一前轴上的前轮，其特征在于，该机构还包括;

一与前轮胎接触的向前倾斜件，其取向能使当骑车人体重从车座移向车把时，前轮胎向后滚动。

23、如权利要求2所述的机构，其特征在于，该机构还包括：

一与所述辊子相连接的差动带式制动器，用以改变由后轮胎施加于所述辊子并使之转动的转矩，所述带式制动器有一制动鼓，该制动鼓还提供惯性负荷于所述辊子，以模拟自行车的惯性负荷;

一用于控制由带式制动器加于所述辊子的转矩的伺服电动机;和

一与所述伺服电动机接通的计算机，用于控制和改变由所述带式制动器加于所述辊子的转矩，以遵循一预定的加载方案。

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