大連科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 遼寧大連 116052

1 設(shè)計(jì)背景

健身器材制造行業(yè)起步較晚,健身俱樂部、健身房等場(chǎng)所所使用的健身器材較為傳統(tǒng),利用人力發(fā)電的健身器材應(yīng)用很少。市面上的各種健身器材基本上不帶有發(fā)電功能,并且只能固定于室內(nèi)場(chǎng)所使用,體積較大，或者功能單一,一臺(tái)健身器材只能實(shí)現(xiàn)一種運(yùn)動(dòng)方式,鍛煉身體的某一個(gè)部位。國內(nèi)外對(duì)于健身發(fā)電器材如何高效發(fā)電及其機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究較少，已研制出的具有發(fā)電功能的健身發(fā)電器材發(fā)電效率低,靈活性差,不能通過變速來調(diào)節(jié)阻力大小,難以適應(yīng)不同年齡階段、不同人群健身的需求[1]。對(duì)此,筆者設(shè)計(jì)了一款既可以用于健身,又能將運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的移動(dòng)健身發(fā)電器材,具有穩(wěn)定性好、發(fā)電效率高、可移動(dòng)、綠色環(huán)保等特點(diǎn)[2]。圖1所示為移動(dòng)健身發(fā)電器材的三維仿真圖。

2 運(yùn)動(dòng)發(fā)電方式

筆者設(shè)計(jì)的移動(dòng)健身發(fā)電器材具有兩種運(yùn)動(dòng)發(fā)電方式:腳踏式和手搖式[3]。采用腳踏式運(yùn)動(dòng)發(fā)電時(shí)，使用者坐在移動(dòng)健身發(fā)電器材的座位上,踩動(dòng)腳踏板向前做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。腳踏板與單向軸承相連接,單向軸承帶動(dòng)低速軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)低速軸上的低速齒輪組、高速軸上的高速齒輪組，以及大錐齒輪、小錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。小錐齒輪通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電。腳踏板向前進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),低速軸上的從動(dòng)齒輪由于單向軸承Ⅱ的作用，并不隨低速軸轉(zhuǎn)動(dòng),由此驅(qū)動(dòng)齒輪與車把也不運(yùn)動(dòng)。采用手搖式運(yùn)動(dòng)發(fā)電時(shí),打開手搖桿開關(guān),搖動(dòng)手搖桿驅(qū)動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。低速軸上的從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)低速齒輪組、高速齒輪組，以及大錐齒輪、小錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。此時(shí),低速軸的運(yùn)動(dòng)方向與腳踏時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向相反,低速軸受單向軸承Ⅰ的作用,腳踏板不發(fā)生運(yùn)動(dòng)。圖2所示為移動(dòng)健身發(fā)電器材的裝配圖,圖3所示為移動(dòng)健身發(fā)電器材的俯視圖。

▲圖1 移動(dòng)健身發(fā)電器材三維仿真圖

▲圖2 移動(dòng)健身發(fā)電器材裝配圖▲圖3 移動(dòng)健身發(fā)電器材俯視圖

3 變速裝置

上述兩種運(yùn)動(dòng)發(fā)電方式均可以通過變速裝置完成變速。當(dāng)變速軸旋轉(zhuǎn)時(shí),撥叉在變速軸作用下沿?fù)懿孑S運(yùn)動(dòng),進(jìn)而撥動(dòng)低速齒輪組滑動(dòng),使高、低速齒輪組中嚙合的齒輪對(duì)改變,進(jìn)而改變傳動(dòng)比的大小,實(shí)現(xiàn)變速功能。

圖4所示為移動(dòng)健身發(fā)電器材變速裝置結(jié)構(gòu)。變速開關(guān)端部的外齒Ⅲ與實(shí)心芯柱的外齒Ⅱ相互配合,按下變速開關(guān),在兩齒的相互作用下,實(shí)心芯柱旋轉(zhuǎn)45°,之后實(shí)心芯柱在彈簧的作用下與具有外齒Ⅰ的中空固定端相互作用，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°。整個(gè)過程實(shí)心芯柱帶動(dòng)變速軸轉(zhuǎn)動(dòng)90°,此時(shí)撥叉在變速軸上閉環(huán)溝槽的作用下沿?fù)懿孑S運(yùn)動(dòng),撥動(dòng)低速齒輪組滑動(dòng),完成一擋的變速。因?yàn)殚]環(huán)溝槽是一個(gè)360°的閉環(huán),所以可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)變速。

▲圖4 變速裝置結(jié)構(gòu)

這一變速裝置操作簡(jiǎn)單,只需用手按下變速開關(guān)就可實(shí)現(xiàn)變速,而且變速軸變速平穩(wěn)、準(zhǔn)確。

4 手搖發(fā)電機(jī)構(gòu)

圖5所示為移動(dòng)健身發(fā)電器材的手搖發(fā)電機(jī)構(gòu)。將連桿機(jī)構(gòu)和偏心齒輪組合在一起,只需要搖動(dòng)手搖桿，就可以帶動(dòng)偏心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)裝置運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電的目的。

▲圖5 手搖發(fā)電機(jī)構(gòu)

手搖桿既可以作為車把使用,起穩(wěn)定重心的作用；又可以手搖發(fā)電,起傳遞動(dòng)力的作用；還可以作為整個(gè)器材移動(dòng)時(shí)的拉桿,方便移動(dòng)器材。在手搖桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,整體結(jié)構(gòu)與動(dòng)感單車類似,符合人體學(xué)的外部造型。在手搖桿上安裝了防滑膠套,可以起到防滑、吸汗的作用,為使用者提供更好的使用體驗(yàn)。

5 外部結(jié)構(gòu)

圖6所示為移動(dòng)健身發(fā)電器材的外部結(jié)構(gòu),主要由殼體、手搖桿、萬向輪、支架、腳踏板、座位等零件組成[4]。其中，殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為重要,不僅需要設(shè)計(jì)腳踏板和低速軸連接的孔,還要設(shè)計(jì)固定手搖桿的卡槽、座位等裝置的凹孔或凸臺(tái),同時(shí)要設(shè)計(jì)通用串行總線等電能的輸出端口,方便人們直接使用或?qū)㈦娔茌斔偷叫铍姵刂袃?chǔ)存[5-6]。

▲圖6 移動(dòng)健身發(fā)電器材外部結(jié)構(gòu)

6 基本參數(shù)

移動(dòng)健身發(fā)電器材的基本參數(shù)見表1。

表1 移動(dòng)健身發(fā)電器材基本參數(shù)

7 效率計(jì)算

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),確定各個(gè)零件傳動(dòng)效率，具體見表2[7]。

表2 各零件傳動(dòng)效率

=0.913

×0.99=0.851

筆者設(shè)計(jì)的移動(dòng)健身發(fā)電器材發(fā)電機(jī)型號(hào)為MY1016Z2[8-9],發(fā)電效率為93%,腳踏發(fā)電機(jī)專用穩(wěn)壓器與電路的電流損失率約為3%[10]，則其發(fā)電系統(tǒng)的總效率ηd為：

ηd=0.93×(1-0.03)=0.902

由此,腳踏機(jī)構(gòu)總效率ηj為：

手搖機(jī)構(gòu)總效率ηs為:

8 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的移動(dòng)健身發(fā)電器材結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性好,發(fā)電效率高,具有多功能、可移動(dòng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),不僅可以通過腳踏發(fā)電,還可以利用手搖桿手搖發(fā)電,同時(shí)實(shí)現(xiàn)鍛煉全身的目的。這一器材打破了原有健身發(fā)電器材不可調(diào)速的弊端,加入變速系統(tǒng),使阻力可以任意調(diào)節(jié)，滿足不同人群的需要。手搖式運(yùn)動(dòng)發(fā)電和腳踏式運(yùn)動(dòng)發(fā)電共用一個(gè)變速系統(tǒng),從而使器材更加靈巧,大大減小了整體尺寸,巧用雙棘輪系統(tǒng)，避免兩種發(fā)電運(yùn)動(dòng)方式的互相干涉。