一种功率车大范围功率调节装置及其调节控制方

本发明涉及功率车，具体是一种功率车大范围功率调节装置及其调节控制方法。背景技术：1、随着社会发展，人们越发重视健康，因此科学健身的理念不断推广，许多机构采用功率车辅助进行有氧训练，通过测试结果，从而对测试者心肺耐力和有氧适能完成基本评定。同时长期使用功率车进行训练，可有效提升心肺功能，改善体质。2、功率调节机构作为功率车的核心部件之一，在运动过程中产生阻力并根据运动情况实时调节。电磁控式功率调节为常见的功率调节机构，其通过导体在通电线圈产生的电磁场中运动发生涡流现象，形成电磁阻尼。该功率调节机构通常配合一套机械传动结构，在断电状态下，仍会因为机械传动结构中的摩擦阻力使运动功率不为0，同时最大功率也受限于线圈所产生的磁场强度，即使得电磁控式功率调节机构存在负荷量程小的问题，且存在能量利用率低的问题。技术实现思路1、本发明要解决的技术问题是提供一种功率车大范围功率调节装置及其调节控制方法，采用摩擦阻尼式功率调节方式，无传动结构，实现0功率输出，并提升功率的最大范围。2、本发明的技术方案为：3、一种功率车大范围功率调节装置，包括有机架、脚踏曲柄、飞轮轴、飞轮、静摩擦片、环形气囊、气囊挡板、复位弹簧、充气机构、排气机构、悬臂梁式力传感器、霍尔传感器和控制器；4、所述的飞轮轴水平设置且通过轴承转动连接于机架上，脚踏曲柄固定连接于飞轮轴的两端上，所述的飞轮、静摩擦片、环形气囊和气囊挡板顺次叠置且均套装于飞轮轴上，飞轮与飞轮轴固定连接，静摩擦片、环形气囊和气囊挡板分别与飞轮轴为间隙配合，在环形气囊未充气状态下，飞轮和静摩擦片之间留有间隙，气囊挡板固定于机架上，环形气囊固定连接于静摩擦片和气囊挡板之间，复位弹簧为多个，多个复位弹簧均匀分布于环形气囊的外周，每个复位弹簧均连接于静摩擦片和气囊挡板之间，充气机构和排气机构分别与环形气囊连接；5、悬臂梁式力传感器固定于机架上且位于叠置的飞轮、静摩擦片、环形气囊和气囊挡板的侧方，悬臂梁式力传感器与静摩擦片的顶端通过顶部钢丝绳连接，静摩擦片的底端通过底部钢丝绳与机架连接，在静摩擦片未受力状态下，顶部钢丝绳和底部钢丝绳均处于水平状态，霍尔传感器固定于机架上且其测速探头朝向飞轮；6、所述的充气机构的控制端、排气机构的控制端、悬臂梁式力传感器、霍尔传感器均与控制器连接。7、所述的机架包括有u型支架和立柱，所述的u型支架的水平底板向两侧延伸，即u型支架水平底板的宽度大于其两个竖直部分的宽度，u型支架的两个竖直部分上均设置有轴承，飞轮轴的两端部分别通过对应的轴承转动连接于u型支架上，飞轮、静摩擦片、环形气囊和气囊挡板位于u型支架的两个竖直部分之间，且气囊挡板与u型支架其中一竖直部分固定连接，立柱位于叠置的飞轮、静摩擦片、环形气囊和气囊挡板的侧方，立柱的底端固定于u型支架水平底板的延伸部上，所述的悬臂梁式力传感器固定于立柱的顶部上。8、所述的静摩擦片的顶端和底端上均固定有钢丝绳固定块，悬臂梁式力传感器通过顶部钢丝绳与静摩擦片顶端的钢丝绳固定块连接，静摩擦片底端的钢丝绳固定块通过底部钢丝绳与立柱的底部连接。9、所述的飞轮包括有叠置且固定连接的惯性轮和动摩擦片，惯性轮通过环形法兰固定于飞轮轴上，所述的动摩擦片紧邻静摩擦片，在环形气囊未充气状态下，动摩擦片和静摩擦片之间留有间隙。10、所述的飞轮轴上还套装有推力轴承和限位垫片，且推力轴承和限位垫片分别与飞轮轴为间隙配合，推力轴承和限位垫片叠置于静摩擦片和环形气囊之间，环形气囊固定连接于限位垫片和气囊挡板之间，静摩擦片的外侧面上设置有内轴承环形定位凸起，限位垫片的内侧面上设置有外轴承环形定位凸起，推力轴承的内止推垫片卡置于内轴承环形定位凸起的外圈上，推力轴承的外止推垫片卡置于外轴承环形定位凸起的外圈上，推力轴承的内止推垫片和外止推垫片之间设置有多个滚动体。11、所述的充气机构包括有气泵、气罐、气压传感器、充气电磁阀和充气比例阀，气泵的出气端与气罐的充气端连接，气罐的出气端依次通过充气电磁阀和充气比例阀与环形气囊的充气端连接，气压传感器连接于气罐上用于采集气罐内的气压，气泵、气压传感器、充气电磁阀和充气比例阀均与控制器连接。12、所述的排气机构包括有分别与控制器连接的排气电磁阀和排气比例阀，环形气囊的排气端依次通过排气电磁阀和排气比例阀与外部大气环境连通。13、一种功率车大范围功率调节装置的调节控制方法，具体包括有以下步骤：14、(1)、控制器控制充气机构向环形气囊充气，环形气囊内气压增大从而膨胀，环形气囊挤压静摩擦片向飞轮方向水平移动，直至静摩擦片与飞轮紧密贴合，当踩动脚踏曲柄时，脚踏曲柄带动飞轮旋转，转动的飞轮与静止的静摩擦片之间产生滑动摩擦力；15、(2)、恒功率模式下，霍尔传感器持续采集飞轮的转动角速度，悬臂梁式力传感器采集飞轮与静摩擦片之间的滑动摩擦力，控制器根据式(1)计算得到实时输出功率pr，在转动角速度发生变化从而引起实时输出功率的波动时，控制器计算实时输出功率和目标输出功率的差值δp，并根据δp得出当前转动角速度下的滑动摩擦力差值，由于滑动摩擦力与环形气囊施加的压力呈正比，计算得到环形气囊在预定调控时间下的充气或排气流量，然后控制器根据式(2)计算得到充气机构充气比例阀或排气机构排气比例阀的阀门开度面积a，然后对环形气囊进行充气或放气控制，通过控制环形气囊内的气压大小，进行滑动摩擦力的补偿或减弱，从而调控实时输出功率；16、pr＝τω＝fr sinθω   (1)；17、式(1)中，τ代表静摩擦片切线方向的扭矩，ω代表霍尔传感器采集的飞轮转动角速度，f代表悬臂梁式力传感器测得的滑动摩擦力，r代表顶部钢丝绳水平状态下的长度，r为定值，θ代表悬臂梁式力传感器测力方向与静摩擦片半径方向夹角，θ恒定为90°；18、19、式(2)中，a代表阀门开度面积；q代表充气或排气流量，即充气比例阀或排气比例阀的流量；k代表充气比例阀或排气比例阀的驱动电压系数；g代表重力加速度；δp代表充气比例阀或排气比例阀前后端压差；h(s)代表一阶惯性环节；20、(3)、当需要通过提高滑动摩擦力来提高实时输出功率时，控制器通过充气机构实现对环形气囊的充气控制，气罐向环形气囊继续充气，使得静摩擦片继续挤压飞轮，从而增大静摩擦片和飞轮之间的滑动摩擦力，提高实时输出功率；21、(4)、当需要通过降低滑动摩擦力来降低实时输出功率时，控制器通过排气机构实现对环形气囊的排气控制，环形气囊向大气环境中排气，环形气囊内气压减小，复位弹簧带动静摩擦片向气囊挡板方向复位，从而使得静摩擦片与动摩擦片之间的滑动摩擦力减小或两者实现分离，从而降低输出功率。22、所述的控制器控制环形气囊的充气或排气调节完成后，控制器即控制充气电磁阀和排气电磁阀关闭，当需要再次调节实时输出功率以达到目标输出功率时，首先调节充气机构的充气比例阀或排气机构的排气比例阀至对应的阀门开度，然后再打开对应的充气电磁阀或排气电磁阀，从而实现充放气精准快速调控。23、所述的充气机构的气罐上设置有气压传感器用于实时采集气罐内的气压，使得气罐内的气压保持在设定的pmin到pmax之间，当气压传感器测得气罐内的气压低于设定值pmin时，控制器控制充气机构的气泵启动给气罐充气，当气压传感器测得气罐内的气压达到设定值pmax时，气泵停止向气罐充气。24、本发明的优点：25、(1)、本发明通过悬臂梁式力传感器高精度实时测量静摩擦片上的滑动摩擦力并换算得到扭矩，配合霍尔传感器采集的转动角速度，计算从而获取实时输出功率，滑动摩擦力的大小通过环形气囊挤压力进行调节，无传动结构，避免能耗的损失，且滑动摩擦力可为零，即实现0功率输出，且滑动摩擦力的调控范围大，从而大大提供功率的调节范围，相较磁阻机构，功耗低，能量转化效率高；26、(2)、本发明为整体式的模块化结构，体积小，可适配多种功率车，且制造成本远低于自发电式功率调节机构；27、(3)、本发明在静摩擦片和环形气囊之间设置有推力轴承和限位垫片，推力轴承和限位垫片使环形气囊对静摩擦片仅产生垂直于接触面的作用力且受力均匀，平行于接触面的作用力被推力轴承的微动抵消，保证静摩擦片对动摩擦片施加压力仅为垂直于接触面的作用力。28、(4)、本发明采用在静摩擦片的外侧面上设置有内轴承环形定位凸起，限位垫片的内侧面上设置有外轴承环形定位凸起，从而实现对推力轴承内止推垫片和外止推垫片的定位连接，便于根据安装需要，快速更换不同尺寸的推力轴承。