新型踏步健身发电装置设计说明书

1新型踏步健身发电装置设计说明书设计者：赵瑞山齐志佳何鹏肖剑指导教师：孙方红徐萃萍（辽宁工程技术大学创新实践学院辽宁阜新123000）作品内容简介摘要：为了实现健身发电、节约能源的目的，团队成员研发设计出一种成本低、操作方便、绿色环保的踏步健身发电装置。该装置利用脚踏产生高频率的机械运动，由导杆带动曲轴做连续的圆周运动，通过齿轮、链轮的传动带动发电机转轴，使其切割磁场产生电量，同时采用变速机构、整流电路和稳压模块LM7805，产生较大的稳定直流电，可以对手机、移动电源、MP3等小型电器进行充电。该装置设计结构简单，稳定性好，成本低，发电效率高，具有广泛的市场应用前景和推广价值。关键词：健身发电；变速机构；曲轴；整流稳压联系人：赵瑞山联系电话：[phone]EMAIL:[e-mail]1设计背景进入21世纪以来，随着社会的发展，能源的消耗越来越快，能源问题渐渐成为人们关注的焦点，人们的目光都转向了可再生能源的利用和开发，在生活当中寻找开发和节约新能源的方法。而在人们生活水平提高的同时，健身逐渐融入到人们的生活当中，人们买了跑步机、踏步机之类的健身装置在家或在户外健身，有时甚至去健身房健身。从节约能源的角度出发，健身发电作为一种新型节约能源的方式被人们逐渐接受和使用，若能将健身发电普及到人们的生活不仅实现了能源的转化与利用，而且减少了能源的浪费。当前国内外对有关如何高效利用健身发电和机械结构设计方面的研究较少，而市场上健身高效发电装置又稀缺，其健身发电装置也存在一些问题，例如机械装置各部分之间协调性不高，健身发电量少不便于进行收集，加之发电装置较大，发电效率低，成本昂贵等。基于这些问题，我们设计出了一种能使人体运动产生的机械能高效转化为电能的机械装置，其利用曲柄摇杆机构将机械运动转化为圆周运动，增加了变速机构，提高了发电机的转速，提高了发电效率。该装置结构简单、稳定性好、成本低、实用性强，具有广泛的应用价值。2设计思路从结构设计简单、节约能源、的角度出发，团队成员尝试设计一种稳定性好，适用于不同年龄阶段的人群，能够高效发电的装置，实现健身与节约能源的双重功能。该装置由机械装置、传动装置、发电机与电路装置三大部分组成。通过人在脚踏板上面正常踏步时由脚踏板上的连架杆带动导杆做平面运动，导杆与曲轴相连使曲轴做连续的圆周运动，这部分设计按照结构稳定，协调运动的原则，进行大量的运动模拟，以达到预期的效果；传动装置中曲轴带动齿轮、通过变速机构将运动传递给发电机的转轴；电路装置中采用整流电路与稳压模块LM7805将产生的电能转化为稳定的直流电，并连接USB接口以方便使用，实现了能源的节约和高效发电。同时，还用单片机技术将人们在健身时产生的电能显示出来，增加了人们健身的兴趣。3技术方案2（1）整体结构的设计该装置设计的出发点是利用人在踏步时产生的机械能，采用机械运动转换装置把人体运动产生的机械能转换为可用的电能而加以利用。在整体设计中，采用机械运动转换装置对机械运动进行转换，然后通过变速机构使发电机转速增加，从而提高机械能与电能的转换效率。该装置整体结构的研发经济、简单、性能可靠。根据结构的整体要求，装置的各组成部分选用常用且性价比与可靠性较高的构件，充分考虑其经济性。在结构设计中，该装置机构简单，便于调试和维护。例如在变速机构的设计中，充分考虑到不同人年龄差异、身体状况的需求，选用压簧调节脚踏频率和速度，使机械结构的稳定性增强又不阻碍发电，实现了人性化。整体结构如图1所示。图1整体结构示意图（2）整体结构的组成整体结构的主要构成为：1）脚踏板；2）减振弹簧；3）连架杆、导杆、曲轴、支架、扶手架；4）齿轮；5）变速机构；6）发电机；7）整流电路与稳压模块；8）输出端。各部分衔接如图2所示。图2结构工作原理图选材：3脚踏板采用高强度的复合塑料制成，既轻盈又能承受足够的重量，不至于对装置造成意外的破坏，而且便于加工制作。在脚踏板与底板之间采用适当劲度系数的弹簧作为支撑，既能保护装置又可以给健身者提供一个适宜的运动节奏，使健身者不会感到太费力。连杆、导杆、曲轴以及支架均由铝合金材料制成，由于在运动过程中这一部分结构承受的力较大，因此，采用高强度的铝合金材料可以增强结构的稳定性以保证装置能正常运行。通过连杆、导杆、曲轴的传递可以将脚踏板的上下往复运动转化成齿轮的全周期圆周运动，变速机构中的齿轮、链轮由塑料做成，这样的设计使其轻巧灵活，在转动过程中不会损失过多的能量，从而提高了能量的利用效率。发电机在整流电路和稳压模块LM7805的作用下将输出的交流电转化成稳定的直流电供人们使用。工作原理：人在脚踏板上面正常踏步时通过脚踏板上的连架杆带动导杆做平面运动，导杆与曲轴相连使曲轴做连续的圆周运动，曲轴带动齿轮，齿轮通过变速机构带动发电机，继而使发电机产生交流电，然后通过整流电路和稳压模块LM7805输出稳定的直流电，可供手机、移动电源、剃须刀、小型电器等充电。（3）机械结构设计1）导杆与曲轴设计考虑到导杆与曲轴连接处磨损程度大，设计中导杆与曲轴采用轴承连接以减小磨损。同时，导杆带动曲轴做整周的圆周运动，当两导杆平行时，此时如若脚踩频率较低，则齿轮无法带动曲轴闯过导杆的“死点”位置，且对支架与其相关的结构造成一定的冲击，反之，脚踏频率太高则使机械结构的稳定性变差。仔细分析上述因素后，团队克服上述缺点，利用飞轮的惯性使导杆带动曲轴做连续的圆周运动，消除了导杆的“死点”位置，增加机械装置的稳定性和拓宽脚踏的频率范围。优化设计后，提高了曲轴运动的稳定性，并减少了对机构的冲击和提高了转速。2）变速机构设计为了使发电机发出更多的电量，装置更人性化，作品设计采用变速机构提高发电机的转速，以增加发电量。目前的变速机构有无级变速和有限变速，其中无级变速机构按传动方式可采用液体传动、电力传动和机械传动三种方式，而液体传动结构较复杂、精度要求高，不易采用，电力传动本身就耗电，因此也不适用，机械传动是靠齿轮来变速。作品设计中使用有限变速即可满足要求，与采用无级变速机构相比，不仅降低了成本，而且提高了结构可靠性。齿轮的变速机构具体细节如图3所示。图3变速机构示意图43）变速机构的理论设计计算团队成员经过计量普通人的踏步频率约为每分钟90-110次，在使用踏步机时，由于踏步机曲轴的运动为连续的圆周运动，故曲轴的转速约为45-55转每分钟，由于传动部分利用一组传动比约为0.37的齿轮组和两组传动比约为0.31的链轮链条机构，可将发电机的转速至少提高到45/（0.31*0.31*0.37）=1265转每分钟，可使发光二极管或LED灯正常工作。具体的计算过程如下：1n=45r/min1i=1n/2n=2z/1z=17/46=0.372i='2n/3n=3z/2z=11/36=0.313i='3n/4n=4z/3z=11/36=0.312n='2n3n='3n（同轴）总i=1n/4n=1i*2i*3i=0.03554n=1n/总i=45/0.0355r/min=1265r/min其中，1n为一级大齿轮的转速，2n为一级小齿轮的转速，1i为一级齿轮的传动比，'2n为二级大链轮的转速，3n为二级小链轮的转速，2i为二级链轮的传动比，'3n位三级大链轮的转速，4n为三级小链轮的转速，3i为三级链轮的传动比，总i为总传动比，此计算中1n取最小值。4）发电装置的设计该装置利用齿轮、链轮链条机构进行传动，并且利用三级变速机构提高发电机转速。由于曲轴做连续的圆周转动，其方向不定，故装置发出的电为交流电，又由于使用者踏步频率有一定的波动，发出电的电压也不是恒定值。考虑到以上两点，该装置的发电装置采用了电桥式整流电路和稳压模块LM7805保证稳定的直流电源输出，可直接连接小型电器充电或者即发即用。5）显示部分的设计采用光电传感器检测二级齿轮转动圈数，根据人踏踏板所做的功及能量转化率，用数学函数计算出所产生的电能，并通过1602液晶显示出来。电路图如图4所示：图4单片机电路图54有限元法对机械装置的力学性能分析图5脚踏板受力图选取脚踏板的中心点未受力点，施加700N（普通人的重力）的作用力，方向垂直于底板，进行受力分析。图6第一主应力图该图利用有限元法对整个装置进行划分，形成277682个有限单元体，节点数为486921，在主应力最大的方向分析受力情况，结果显示各个部分受力的最大值都在安全范围之内，说6明结构的力学性能满足实际要求。图7等效应变图脚踏板在力的作用下会发生变形，变形过大会使结构的稳定性变差，造成受力不均匀，该图等效应变分析的结果显示脚踏板受力应变处于安全范围内，满足要求。图8安全系数图对于脚踏板不同部位的受力情况有差别，根据支点和导杆作用下对踏板进行受力分析，力处于最大值时的位置进行安全系数的校核，以免对踏板造成破坏，根据图示结果表明踏板基本处于安全系数范围内，在极小的区域会出现应力集中，会造成一定的破坏，但不影响正常的使用。7图9位移量图利用位移量图可以显示出踏板那个部位运动位移量较大，由此可以计算出踏板摆动的角度，使其处于安全的范围内，以免人在上面站立不稳或对结构造成破坏。5创新点（1）把“边健身边发电”的想法变成了可能，并且电能可以从USB口输出，十分方便。（2）将一般踏步机的液压杆缓冲改成弹簧缓冲，人们可自行控制踏步频率，解除了传统踏步机的频率限制。（3）在机械装置中加入了码盘和光电传感器，利用数学方法计算出发电量，通过液晶屏显示出来,增加了人们对健身的趣味性。6应用前景和推广价值当前国内健身发电器材正处在起步阶段，该机械装置具有结构简单、发电效率高、稳定性好、成本低廉的优势，可在家中、办公中心、商务会所、娱乐广场、健身房等各个场所使用，也适用于平时工作繁忙、精神紧张的人群放松、休闲使用。既可作为普通家庭的备用发电工具，节约能源，也可用在公共场合作为公共健身器材方便人们对手机、移动电源、MP3等小型电器进行充电，更可作为人们平时健身发电提高生活情趣的工具以利用能源，具有广泛的应用前景。另外，该装置满足了环保节能和健康两大主题，赋予它低碳环保理念，在同类健身器材中拥有相当大的优势和竞争力，具有广泛的推广价值和意义。参考文献[1]陈圣吉郑阳.基于电力电子控制电路的健身单车发电系统的研制[J].科技创新导报，2009，18(02):79[2]闻邦春.机械设计手册[M].5版.北京：机械工业出版社，2010.4[3]成大先.机械设计手册（减（变）速器电机与电器）[M].北京：化学工业出版社，2004.8[4]王文郁.电力电子技术应用电路[M].北京：机械工业出版社，2001.8[5]纪名刚.机械设计（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2001.10[6]张义和.电路板设计[M].北京：科学出版社，2013.5[7]王春华，王琦.机械设计基础[M].北京：冶金工业出版社，2013.8[8]孔凌嘉，王晓力，王文中.机械设计[M].北京：北京理工大学出版社，2013.5[9]机械设计实用手册编委会.机械设计实用手册[M].北京：机械工业出版社，2013.88[10]王树才,吴晓.机械创新设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2013.8