带启动助力的跑步机及其启动助力方法与流程

本发明涉及健身器材及回转设备的能量回收，具体涉及一种带启动助力的跑步机及其启动助力方法。

背景技术：

1、跑步机是家用及商用健身场所中应用广泛的回转类健身器材，其跑带绕设于前、后滚筒之间，前滚筒的滚筒轴即为驱动跑带运行的转轴，转轴由主电机经传动带驱动。跑步机的运行工况具有两个显著特点：其一，启停频次高，单台设备每日启停可达数十次，且用户在使用中的暂停、重启亦频繁发生；其二，属于典型的带载启动，启动瞬间需克服跑带与跑板之间的静摩擦阻力、传动系统的静阻力矩以及使用者体重带来的附加载荷，其瞬时扭矩需求远高于稳定运行阶段，因而主电机必须按启动峰值扭矩选型，长期处于在远低于其额定输出能力的负载下运行，装机功率与能耗均居高不下。

2、另一方面，跑步机按下停止键后，跑带、前后滚筒及电机转子等回转部件仍带有可观的回转惯性动能，常规跑步机的跑带惯性滑行距离多为2m至4m，该部分动能几乎全部经跑带与跑板之间的滑动摩擦、轴承摩擦等方式耗散为热能，回收利用率极低。可见，回收跑步机停机后的回转惯性动能，并将其用于下一次启动的扭矩补偿，是此类设备节能降耗的重要方向。

3、针对旋转动能的储存与再利用，现有技术主要有如下几类方案。

4、一类为弹性储能方案。例如中国专利文献cn2277368y《弹簧储能高速自行车》公开了一种自行车，其储能弹簧与脚蹬轴连接，脚蹬轮借助部分圆周的轮齿与过渡轮啮合或脱开，脱开时人力被储存于弹簧，啮合时弹簧储存的动力与人力共同驱动自行车行驶。该方案的不足在于：其一，能量来源为运动者的主动做功而非设备停机后的残余惯性动能；其二，储能与释能均在设备运行过程中周期性进行，未解决停机惯性能量的捕获问题。

5、另一类为飞轮机电储能方案。例如中国专利文献cn103904816a《飞轮储能装置、风力发电系统及车辆能量回馈制动系统》公开了一种飞轮储能装置，通过电机与飞轮配合实现旋转动能的储存与回馈。该方案的不足在于：需经历"机械能---电能---机械能"的转换，依赖变流、控制等电力电子环节，转换损耗与系统复杂度较高；飞轮多以持续耦合方式运转，带来常态化的附加阻力；且回收的能量以电能或飞轮转速的形式储存，难以在设备再次启动的瞬间沿与启动一致的方向直接输出为机械助力扭矩。

6、还有一类为单一弹性件缠绕储能的启动辅助方案，其在动力设备停机时利用回转部件的惯性使单个扭转弹簧或盘簧缠绕储能，并在设备再次启动时释放该弹簧以辅助启动，启动完成后解除耦合。该方案的不足在于：储能元件为单一弹性件，停机瞬间全部惯性动能集中作用于该单一弹性件，一方面转轴自缠绕储能之初即承受较大的反向对抗力矩，制动感突兀、缓冲性差，用于跑步机时会明显改变用户已习惯的停机手感；另一方面单件承受全部冲击载荷，应力集中、易疲劳失效；且总储能量受单件弹簧的行程与刚度限制，难以在不显著增大体积的前提下提高储能总量与释放扭矩。

7、可见，现有技术尚缺乏一种能够在跑步机停机后以低对抗阻力、分步渐进的方式回收跑带及滚筒的回转惯性动能、将其锁定储存，并在再次启动时沿与启动一致的方向集中直接释放以补偿启动扭矩的技术方案。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供一种带回转惯性动能回收的跑步机及其启动助力方法。该跑步机能够回收停机后跑带与滚筒残余的回转惯性动能，并在再次启动时沿与启动一致的方向将该能量回传输出以补偿启动扭矩，从而降低带载启动所需的高额瞬时扭矩、减小主电机的初始输出功率而实现节能降耗；并克服现有技术中惯性能量回收方向与启动驱动方向相反、难以直接用于启动助力，单一弹性储能件储能量受限且停机对抗阻力集中，以及停机惯性能量多以摩擦热形式耗散、回收利用率偏低的不足。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种带回转惯性动能回收的跑步机，包括机架、跑带、驱动所述跑带运行的转轴以及驱动所述转轴的主电机；所述转轴为中空结构，所述转轴的内腔中设置有回转惯性动能回收与启动助力装置，所述回转惯性动能回收与启动助力装置包括：回转传动结构，与所述转轴的内壁连接；蓄能锁控机构，与所述回转传动结构可分离配合，包括多个蓄能弹簧；所述蓄能锁控机构能借由所述回转传动结构随所述转轴转动而压缩所述蓄能弹簧并将其锁定于压缩状态，以积蓄回收所述跑带与所述转轴停机后的回转惯性动能，且能在所述转轴再次启动时解锁释放所述蓄能弹簧的弹力并经所述回转传动结构回传至所述转轴；配合驱动结构，与所述蓄能锁控机构连接，用于驱动所述蓄能锁控机构沿轴向靠近所述回转传动结构以配合完成蓄能，并在所述转轴启动后驱动所述蓄能锁控机构退出所述回转传动结构；

4、其中，所述蓄能锁控机构在所述配合驱动结构驱动下沿轴向逐步靠近所述回转传动结构的过程中，多个所述蓄能弹簧由所述回转传动结构逐个压缩并锁定；各所述蓄能弹簧在所述转轴再次启动时同步解锁、齐力释放，使所回收的回转惯性动能沿与所述转轴启动一致的方向回传输出，并与所述主电机输出的主动扭矩叠加而共同驱动所述跑带启动。

5、进一步地，所述回转传动结构包括与所述转轴内壁连接的安装环组，所述安装环组的内壁凸设有多个沿周向间隔布置且各自沿轴向延伸的挤压锁柱；所述蓄能锁控机构还包括对接底盘以及设于所述对接底盘朝向所述回转传动结构一侧的连接推座，所述连接推座沿周向间隔成型有多个径向延伸的伸缩通道，所述伸缩通道的数量及间隔角度与所述挤压锁柱的数量及间隔角度一致，各所述伸缩通道内经所述蓄能弹簧连接有蓄能传力件，所述蓄能传力件与所述伸缩通道的底部之间设置有用于将所述蓄能弹簧锁定于压缩状态及解除该锁定的电磁锁控组件；所述蓄能传力件与所述挤压锁柱挤压抵推配合，以在所述转轴与所述蓄能弹簧之间双向传递作用力。

6、优选地，所述电磁锁控组件为失电保持型电磁锁，包括提供保持力的永磁体与提供解锁力的线圈；所述蓄能弹簧压缩到位后，由所述永磁体的磁力将所述蓄能传力件保持于所述伸缩通道的底部而无需持续通电，并在所述线圈通电产生反向磁场抵消所述永磁体的磁力时解除锁定。

7、优选地，所述蓄能传力件呈钩状，具有一体成型的直行段与弧形段，所述直行段滑动安装于所述伸缩通道内，所述弧形段朝向所述挤压锁柱设置，且所述弧形段的端部沿所述转轴启动的转动方向位于所述弧形段与所述直行段的衔接部位的下游侧；在积蓄回收回转惯性动能时，所述弧形段与所述挤压锁柱滑移挤压以压缩所述蓄能弹簧；在解锁释放时，所述弧形段的端部抵推所述挤压锁柱的外周壁，驱动所述挤压锁柱沿与所述转轴启动一致的方向转动，以输出与启动同向的辅助扭矩。

8、进一步地，所述挤压锁柱上距所述安装环组圆心最近且位于径向直线处的点为径向内定点；所述蓄能传力件具有一预定位置，在所述预定位置，所述蓄能弹簧驱动所述蓄能传力件弹出的直线方向偏离所述径向内定点与所述安装环组圆心的连线，且所述蓄能传力件在弹出过程中与所述挤压锁柱的外周壁形成挤压；所述蓄能传力件处于锁定状态时，所述蓄能传力件的最外端顶点与所述径向内定点之间形成有径向间隙。

9、进一步地，每个所述伸缩通道内沿轴向间隔设置有多组相配套的所述蓄能弹簧、所述蓄能传力件与所述电磁锁控组件；位于同一轴向位置并沿周向排布的各组所述蓄能弹簧、所述蓄能传力件与所述电磁锁控组件构成一组蓄能单元；所述蓄能锁控机构沿轴向逐步靠近所述回转传动结构时，各组所述蓄能单元被逐排压缩锁定而分步蓄能。

10、进一步地，所述配合驱动结构包括沿轴向依次连接的离合组件、旋转电机与轴向电推杆；所述离合组件为电磁离合器并与所述对接底盘连接，用于可分离地传递所述旋转电机的旋转动能，以驱动所述蓄能传力件转动至所述预定位置、或驱动所述蓄能传力件反转而主动压缩所述蓄能弹簧；所述轴向电推杆用于推动所述蓄能锁控机构沿轴向靠近或退出所述回转传动结构；所述轴向电推杆远离所述旋转电机的一端连接有第二静态安装轴，所述第二静态安装轴经第二轴承穿出所述转轴与所述机架刚性连接，为所述配合驱动结构提供周向定位承载路径。

11、进一步地，所述挤压锁柱朝向所述蓄能锁控机构的轴向端面具有弧形导向段，以供所述蓄能传力件对准该轴向端面时沿所述弧形导向段平滑滑移并完成挤压蓄能。

12、优选地，至少一个所述挤压锁柱上内嵌有霍尔传感器，所述霍尔传感器位于所述挤压锁柱的、自所述径向内定点沿与所述转轴启动的转动方向相反的方向偏转8°至20°的周壁位置，所述蓄能传力件朝向所述挤压锁柱的端部嵌装有永磁体；所述霍尔传感器与全部所述电磁锁控组件电连接，在接收到全部所述电磁锁控组件完成锁定的信号后启用，并于所述永磁体回转至其感应区域时输出到位信号，以切断所述旋转电机的动力而使所述蓄能传力件停驻于所述预定位置。

13、进一步地，所述跑步机还包括控制系统，所述控制系统分别与所述转轴的转速检测部件、所述离合组件及所述旋转电机连接，并被配置为：采集所述转轴的转速，当所述转轴的转速上升至预设稳定阈值并维持0.2s至0.5s后，再控制所述离合组件断电分离；且在所述离合组件断开之前，控制所述旋转电机以带转矩限幅的转速跟随模式随所述转轴转速运行；所述预设稳定阈值为对应跑带速度0.8km/h至2.0km/h时的所述转轴的转速。

14、本发明还提供一种上述跑步机的启动助力方法，包括如下步骤：

15、s1、停机蓄能：接收到停机指令后，由所述配合驱动结构驱动所述蓄能锁控机构沿轴向逐步靠近并进入所述回转传动结构，使随所述转轴惯性回转的所述回转传动结构将多个所述蓄能弹簧逐个压缩并逐一锁定于压缩状态，从而将所述跑带与所述转轴停机后的回转惯性动能分步积蓄回收；

16、s2、启动准备：在全部所述蓄能弹簧均完成锁定后，由所述配合驱动结构驱动所述蓄能锁控机构沿与所述转轴启动方向相反的方向回转至预定位置并停驻，在所述预定位置，所述蓄能弹簧释放时所产生的弹力能经所述回转传动结构转化为驱动所述转轴沿启动方向转动的扭矩；

17、s3、释能助启：接收到启动指令后，全部所述蓄能弹簧同步解锁、齐力释放，所释放的弹性势能经所述回转传动结构沿与所述转轴启动一致的方向回传至所述转轴而形成辅助扭矩，该辅助扭矩与所述主电机输出的主动扭矩叠加，共同驱动所述转轴与所述跑带启动；

18、s4、启动后退出：采集所述转轴的转速，当所述转轴的转速上升至预设稳定阈值并维持预设延时后，由所述配合驱动结构驱动所述蓄能锁控机构在随所述回转传动结构随行回转的过程中沿轴向逐步退出所述回转传动结构。

19、进一步地，所述步骤s1具体包括：所述轴向电推杆推动所述蓄能锁控机构沿轴向逐步进入所述安装环组的内腔；进入过程中，若所述蓄能传力件与所述挤压锁柱的轴向端面相抵，则所述蓄能传力件沿所述弧形导向段平滑滑移并同步完成挤压蓄能；若所述蓄能传力件自相邻两个所述挤压锁柱之间进入，则所述挤压锁柱随所述转轴的惯性动能回转至所述蓄能传力件处，再沿所述弧形段的表面滑移而压缩所述蓄能弹簧；当所述蓄能弹簧被压缩至所述电磁锁控组件的感应间距内时，所述电磁锁控组件通电将所述蓄能传力件吸附锁定于所述伸缩通道的底部，完成一组所述蓄能单元的势能积蓄；随所述轴向电推杆的持续进给，后续各组所述蓄能单元按上述过程逐排锁定。

20、进一步地，所述步骤s1还包括补充蓄能：若在所述转轴停止转动后仍未接收到全部所述电磁锁控组件的锁定信号，则接合所述离合组件，启动所述旋转电机驱动所述蓄能锁控机构主动回转，由所述蓄能传力件主动挤压所述挤压锁柱以完成剩余各组所述蓄能弹簧的压缩与锁定；且所述步骤s1中所述轴向电推杆低速匀速进给，并实时采集所述转轴的转速与所述轴向电推杆的负载，当所述转轴的转速下降速率超过设定值时判定出现楔紧趋势，控制所述轴向电推杆回撤卸力后再次进给；所述跑带的停机惯性滑行距离被控制在0.8m至1.5m。

21、本发明的有益效果如下：

22、（1）低滞感回收：蓄能锁控机构随配合驱动结构逐步靠近而逐排、逐个压缩锁定蓄能弹簧，任一时刻仅有单个或少数蓄能弹簧参与对抗，转轴所受的反向对抗阻力被分摊而始终很小，能量吸收平缓柔和，跑带无冲击顿挫，不改变用户已习惯的停机手感；

23、（2）齐力助启：跑步机再次启动时全部蓄能弹簧同步解锁、齐力释放，各自有限的扭矩在同一瞬间叠加汇聚，输出可观的启动辅助扭矩，与主电机的主动扭矩叠加共同驱动转轴启动补偿带载启动所需的高额瞬时扭矩，降低主电机的初始输出功率，并为主电机降容选型创造条件；

24、（3）同向输出：借助回转传动结构与蓄能锁控机构的可分离配合，配合钩状蓄能传力件与挤压锁柱的偏置抵推关系，使蓄能阶段的挤压滑移方向与释能阶段的抵推支撑方向相互解耦，被回收的能量得以沿与启动一致的方向回传输出，从结构上化解了惯性能量回收方向与启动驱动方向相反这一固有矛盾；

25、（4）分步缓冲、护件增效：惯性能量分批传递至不同排蓄能单元，与惯量逐步衰减的能量输出特性相匹配，分散载荷与冲击应力，降低单组构件的瞬时受力、延长传动部件寿命，同时减少能量以摩擦热形式耗散、提升回收利用率；

26、（5）适配跑步机工况：装置内置于转轴内腔，不额外占用机架空间且不改变跑步机的外部结构与操作方式；蓄能与启动准备均在停机后自动完成，用户再次按下启动键即可获得即时助力，启动响应更快。