新型踏步健身發(fā)電裝置設計說明書

1、新型踏步健身發(fā)電裝置設計說明書 新型踏步健身發(fā)電裝置設計說明書 設計者： 趙瑞山 齊志佳 何鵬 肖劍 指導教師：孫方紅 徐萃萍 （遼寧工程技術大學 創(chuàng)新實踐學院 遼寧 阜新123000）作品內容簡介 摘要：為了實現(xiàn)健身發(fā)電、節(jié)約能源的目的，團隊成員研發(fā)設計出一種成本低、操作方便、綠色環(huán)保的踏步健身發(fā)電裝置。該裝置利用腳踏產生高頻率的機械運動，由導桿帶動曲軸做連續(xù)的圓周運動，通過齒輪、鏈輪的傳動帶動發(fā)電機轉軸，使其切割磁場產生電量，同時采用變速機構、整流電路和穩(wěn)壓模塊LM7805，產生較大的穩(wěn)定直流電，可以對手機、移動電源、MP3等小型電器進行充電。該裝置設計結構簡單，穩(wěn)定性好，成本低，發(fā)電效率

2、高，具有廣泛的市場應用前景和推廣價值。 關鍵詞：健身發(fā)電；變速機構；曲軸；整流穩(wěn)壓聯(lián)系人：趙瑞山 聯(lián)系電話： 1設計背景進入21世紀以來，隨著社會的發(fā)展，能源的消耗越來越快，能源問題漸漸成為人們關注的焦點，人們的目光都轉向了可再生能源的利用和開發(fā)，在生活當中尋找開發(fā)和節(jié)約新能源的方法。而在人們生活水平提高的同時，健身逐漸融入到人們的生活當中，人們買了跑步機、踏步機之類的健身裝置在家或在戶外健身，有時甚至去健身房健身。從節(jié)約能源的角度出發(fā)，健身發(fā)電作為一種新型節(jié)約能源的方式被人們逐漸接受和使用，若能將健身發(fā)電普及到人們的生活不僅實現(xiàn)了能源的轉化與利用，而且減少了能源的浪費。當前國內外對有關如何高

3、效利用健身發(fā)電和機械結構設計方面的研究較少，而市場上健身高效發(fā)電裝置又稀缺，其健身發(fā)電裝置也存在一些問題，例如機械裝置各部分之間協(xié)調性不高，健身發(fā)電量少不便于進行收集，加之發(fā)電裝置較大，發(fā)電效率低，成本昂貴等?；谶@些問題，我們設計出了一種能使人體運動產生的機械能高效轉化為電能的機械裝置，其利用曲柄搖桿機構將機械運動轉化為圓周運動，增加了變速機構，提高了發(fā)電機的轉速，提高了發(fā)電效率。該裝置結構簡單、穩(wěn)定性好、成本低、實用性強，具有廣泛的應用價值。2設計思路 從結構設計簡單、節(jié)約能源、的角度出發(fā)，團隊成員嘗試設計一種穩(wěn)定性好，適用于不同年齡階段的人群，能夠高效發(fā)電的裝置，實現(xiàn)健身與節(jié)約能源的雙重

4、功能。該裝置由機械裝置、傳動裝置、發(fā)電機與電路裝置三大部分組成。通過人在腳踏板上面正常踏步時由腳踏板上的連架桿帶動導桿做平面運動，導桿與曲軸相連使曲軸做連續(xù)的圓周運動，這部分設計按照結構穩(wěn)定，協(xié)調運動的原則，進行大量的運動模擬，以達到預期的效果；傳動裝置中曲軸帶動齒輪、通過變速機構將運動傳遞給發(fā)電機的轉軸；電路裝置中采用整流電路與穩(wěn)壓模塊LM7805將產生的電能轉化為穩(wěn)定的直流電，并連接USB接口以方便使用，實現(xiàn)了能源的節(jié)約和高效發(fā)電。同時，還用單片機技術將人們在健身時產生的電能顯示出來，增加了人們健身的興趣。3技術方案 （1）整體結構的設計 該裝置設計的出發(fā)點是利用人在踏步時產生的機械能，采

5、用機械運動轉換裝置把人體運動產生的機械能轉換為可用的電能而加以利用。在整體設計中，采用機械運動轉換裝置對機械運動進行轉換，然后通過變速機構使發(fā)電機轉速增加，從而提高機械能與電能的轉換效率。該裝置整體結構的研發(fā)經濟、簡單、性能可靠。根據(jù)結構的整體要求，裝置的各組成部分選用常用且性價比與可靠性較高的構件，充分考慮其經濟性。在結構設計中，該裝置機構簡單，便于調試和維護。例如在變速機構的設計中，充分考慮到不同人年齡差異、身體狀況的需求，選用壓簧調節(jié)腳踏頻率和速度，使機械結構的穩(wěn)定性增強又不阻礙發(fā)電，實現(xiàn)了人性化。整體結構如圖1所示。圖1 整體結構示意圖 （2）整體結構的組成整體結構的主要構成為：1）

6、腳踏板；2）減振彈簧；3）連架桿、導桿、曲軸、支架、扶手架；4）齒輪；5）變速機構；6）發(fā)電機；7）整流電路與穩(wěn)壓模塊；8）輸出端。各部分銜接如圖2所示。圖2 結構工作原理圖 選材： 腳踏板采用高強度的復合塑料制成，既輕盈又能承受足夠的重量，不至于對裝置造成意外的破壞，而且便于加工制作。在腳踏板與底板之間采用適當勁度系數(shù)的彈簧作為支撐，既能保護裝置又可以給健身者提供一個適宜的運動節(jié)奏，使健身者不會感到太費力。連桿、導桿、曲軸以及支架均由鋁合金材料制成，由于在運動過程中這一部分結構承受的力較大，因此，采用高強度的鋁合金材料可以增強結構的穩(wěn)定性以保證裝置能正常運行。通過連桿、導桿、曲軸的傳遞可以將

7、腳踏板的上下往復運動轉化成齒輪的全周期圓周運動，變速機構中的齒輪、鏈輪由塑料做成，這樣的設計使其輕巧靈活，在轉動過程中不會損失過多的能量，從而提高了能量的利用效率。發(fā)電機在整流電路和穩(wěn)壓模塊LM7805的作用下將輸出的交流電轉化成穩(wěn)定的直流電供人們使用。工作原理：人在腳踏板上面正常踏步時通過腳踏板上的 連架桿帶動導桿做平面運動，導桿與曲軸相連使曲軸做連續(xù)的圓周運動，曲軸帶動齒輪，齒輪通過變速機構帶動發(fā)電機，繼而使發(fā)電機產生交流電，然后通過整流電路和穩(wěn)壓模塊LM7805輸出穩(wěn)定的直流電，可供手機、移動電源、剃須刀、小型電器等充電。 （3）機械結構設計1）導桿與曲軸設計 考慮到導桿與曲軸連接處磨損

8、程度大，設計中導桿與曲軸采用軸承連接以減小磨損。同時，導桿帶動曲軸做整周的圓周運動，當兩導桿平行時，此時如若腳踩頻率較低，則齒輪無法帶動曲軸闖過導桿的“死點”位置，且對支架與其相關的結構造成一定的沖擊，反之，腳踏頻率太高則使機械結構的穩(wěn)定性變差。仔細分析上述因素后，團隊克服上述缺點，利用飛輪的慣性使導桿帶動曲軸做連續(xù)的圓周運動，消除了導桿的“死點”位置，增加機械裝置的穩(wěn)定性和拓寬腳踏的頻率范圍。優(yōu)化設計后，提高了曲軸運動的穩(wěn)定性，并減少了對機構的沖擊和提高了轉速。2）變速機構設計為了使發(fā)電機發(fā)出更多的電量，裝置更人性化，作品設計采用變速機構提高發(fā)電機的轉速，以增加發(fā)電量。目前的變速機構有無級變

9、速和有限變速，其中無級變速機構按傳動方式可采用液體傳動、電力傳動和機械傳動三種方式，而液體傳動結構較復雜、精度要求高，不易采用，電力傳動本身就耗電，因此也不適用，機械傳動是靠齒輪來變速。作品設計中使用有限變速即可滿足要求，與采用無級變速機構相比，不僅降低了成本，而且提高了結構可靠性。齒輪的變速機構具體細節(jié)如圖3所示。 圖3 變速機構示意圖3）變速機構的理論設計計算團隊成員經過計量普通人的踏步頻率約為每分鐘90-110次，在使用踏步機時，由于踏步機曲軸的運動為連續(xù)的圓周運動，故曲軸的轉速約為45-55轉每分鐘，由于傳動部分利用一組傳動比約為的齒輪組和兩組傳動比約為的鏈輪鏈條機構，可將發(fā)電機的轉速

10、至少提高到45/（*）=1265轉每分鐘，可使發(fā)光二極管或LED燈正常工作。具體的計算過程如下： =45r/min =/=/=17/46= =/=/=11/36= =/=/=11/36= = =（同軸） =/=*= =/=45/min=1265r/min 其中，為一級大齒輪的轉速，為一級小齒輪的轉速， 為一級齒輪的傳動比，為二級大鏈輪的轉速，為二級小鏈輪的轉速，為二級鏈輪的傳動比，位三級大鏈輪的轉速，為三級小鏈輪的轉速，為三級鏈輪的傳動比，為總傳動比，此計算中取最小值。4） 發(fā)電裝置的設計該裝置利用齒輪、鏈輪鏈條機構進行傳動，并且利用三級變速機構提高發(fā)電機轉速。由于曲軸做連續(xù)的圓周轉動，其方向

11、不定，故裝置發(fā)出的電為交流電，又由于使用者踏步頻率有一定的波動，發(fā)出電的電壓也不是恒定值?？紤]到以上兩點，該裝置的發(fā)電裝置采用了電橋式整流電路和穩(wěn)壓模塊LM7805保證穩(wěn)定的直流電源輸出，可直接連接小型電器充電或者即發(fā)即用。5） 顯示部分的設計采用光電傳感器檢測二級齒輪轉動圈數(shù)，根據(jù)人踏踏板所做的功及能量轉化率，用數(shù)學函數(shù)計算出所產生的電能，并通過1602液晶顯示出來。電路圖如圖4所示：圖4 單片機電路圖4 有限元法對機械裝置的力學性能分析 圖5 腳踏板受力圖 選取腳踏板的中心點未受力點，施加700N（普通人的重力）的作用力，方向垂直于底板，進行受力分析。圖6 第一主應力圖 該圖利用有限元法對

12、整個裝置進行劃分，形成277682個有限單元體，節(jié)點數(shù)為486921，在主應力最大的方向分析受力情況，結果顯示各個部分受力的最大值都在安全范圍之內，說明結構的力學性能滿足實際要求。圖7 等效應變圖 腳踏板在力的作用下會發(fā)生變形，變形過大會使結構的穩(wěn)定性變差，造成受力不均勻，該圖等效應變分析的結果顯示腳踏板受力應變處于安全范圍內，滿足要求。圖8 安全系數(shù)圖 對于腳踏板不同部位的受力情況有差別，根據(jù)支點和導桿作用下對踏板進行受力分析，力處于最大值時的位置進行安全系數(shù)的校核，以免對踏板造成破壞，根據(jù)圖示結果表明踏板基本處于安全系數(shù)范圍內，在極小的區(qū)域會出現(xiàn)應力集中，會造成一定的破壞，但不影響正常的使

13、用。 圖9 位移量圖 利用位移量圖可以顯示出踏板那個部位運動位移量較大，由此可以計算出踏板擺動的角度，使其處于安全的范圍內，以免人在上面站立不穩(wěn)或對結構造成破壞。5 創(chuàng)新點 （1）把“邊健身邊發(fā)電”的想法變成了可能，并且電能可以從USB口輸出，十分方便。（2）將一般踏步機的液壓桿緩沖改成彈簧緩沖，人們可自行控制踏步頻率，解除了傳統(tǒng)踏步機的頻率限制。（3）在機械裝置中加入了碼盤和光電傳感器，利用數(shù)學方法計算出發(fā)電量，通過液晶屏顯示出來, 增加了人們對健身的趣味性。6 應用前景和推廣價值當前國內健身發(fā)電器材正處在起步階段，該機械裝置具有結構簡單、發(fā)電效率高、穩(wěn)定性好、成本低廉的優(yōu)勢，可在家中、辦公

14、中心、商務會所、娛樂廣場、健身房等各個場所使用，也適用于平時工作繁忙、精神緊張的人群放松、休閑使用。既可作為普通家庭的備用發(fā)電工具，節(jié)約能源，也可用在公共場合作為公共健身器材方便人們對手機、移動電源、MP3等小型電器進行充電，更可作為人們平時健身發(fā)電提高生活情趣的工具以利用能源，具有廣泛的應用前景。另外，該裝置滿足了環(huán)保節(jié)能和健康兩大主題，賦予它低碳環(huán)保理念，在同類健身器材中擁有相當大的優(yōu)勢和競爭力，具有廣泛的推廣價值和意義。參考文獻1陳圣吉 鄭陽.基于電力電子控制電路的健身單車發(fā)電系統(tǒng)的研制J.科技創(chuàng)新導報，2009，18(02):792聞邦春.機械設計手冊M.5版.北京：機械工業(yè)出版社，3成大先.機械設計手冊（減（變）速器電