大连科技学院 机械工程学院 辽宁大连 116052

1 设计背景

健身器材制造行业起步较晚,健身俱乐部、健身房等场所所使用的健身器材较为传统,利用人力发电的健身器材应用很少。市面上的各种健身器材基本上不带有发电功能,并且只能固定于室内场所使用,体积较大，或者功能单一,一台健身器材只能实现一种运动方式,锻炼身体的某一个部位。国内外对于健身发电器材如何高效发电及其机械结构的研究较少，已研制出的具有发电功能的健身发电器材发电效率低,灵活性差,不能通过变速来调节阻力大小,难以适应不同年龄阶段、不同人群健身的需求[1]。对此,笔者设计了一款既可以用于健身,又能将运动时产生的机械能转换为电能的移动健身发电器材,具有稳定性好、发电效率高、可移动、绿色环保等特点[2]。图1所示为移动健身发电器材的三维仿真图。

2 运动发电方式

笔者设计的移动健身发电器材具有两种运动发电方式:脚踏式和手摇式[3]。采用脚踏式运动发电时，使用者坐在移动健身发电器材的座位上,踩动脚踏板向前做往复运动。脚踏板与单向轴承相连接,单向轴承带动低速轴进行转动,进而带动低速轴上的低速齿轮组、高速轴上的高速齿轮组，以及大锥齿轮、小锥齿轮转动。小锥齿轮通过联轴器驱动发电机转动进行发电。脚踏板向前进行往复运动,低速轴上的从动齿轮由于单向轴承Ⅱ的作用，并不随低速轴转动,由此驱动齿轮与车把也不运动。采用手摇式运动发电时,打开手摇杆开关,摇动手摇杆驱动连杆运动,带动驱动齿轮围绕转动轴转动。低速轴上的从动齿轮转动,进而驱动低速齿轮组、高速齿轮组，以及大锥齿轮、小锥齿轮转动,从而驱动发电机进行发电。此时,低速轴的运动方向与脚踏时的运动方向相反,低速轴受单向轴承Ⅰ的作用,脚踏板不发生运动。图2所示为移动健身发电器材的装配图,图3所示为移动健身发电器材的俯视图。

▲图1 移动健身发电器材三维仿真图

▲图2 移动健身发电器材装配图▲图3 移动健身发电器材俯视图

3 变速装置

上述两种运动发电方式均可以通过变速装置完成变速。当变速轴旋转时,拨叉在变速轴作用下沿拨叉轴运动,进而拨动低速齿轮组滑动,使高、低速齿轮组中啮合的齿轮对改变,进而改变传动比的大小,实现变速功能。

图4所示为移动健身发电器材变速装置结构。变速开关端部的外齿Ⅲ与实心芯柱的外齿Ⅱ相互配合,按下变速开关,在两齿的相互作用下,实心芯柱旋转45°,之后实心芯柱在弹簧的作用下与具有外齿Ⅰ的中空固定端相互作用，继续旋转45°。整个过程实心芯柱带动变速轴转动90°,此时拨叉在变速轴上闭环沟槽的作用下沿拨叉轴运动,拨动低速齿轮组滑动,完成一挡的变速。因为闭环沟槽是一个360°的闭环,所以可以实现循环变速。

▲图4 变速装置结构

这一变速装置操作简单,只需用手按下变速开关就可实现变速,而且变速轴变速平稳、准确。

4 手摇发电机构

图5所示为移动健身发电器材的手摇发电机构。将连杆机构和偏心齿轮组合在一起,只需要摇动手摇杆，就可以带动偏心齿轮转动,进而带动整个装置运动，实现发电的目的。

▲图5 手摇发电机构

手摇杆既可以作为车把使用,起稳定重心的作用；又可以手摇发电,起传递动力的作用；还可以作为整个器材移动时的拉杆,方便移动器材。在手摇杆的结构设计上,整体结构与动感单车类似,符合人体学的外部造型。在手摇杆上安装了防滑胶套,可以起到防滑、吸汗的作用,为使用者提供更好的使用体验。

5 外部结构

图6所示为移动健身发电器材的外部结构,主要由壳体、手摇杆、万向轮、支架、脚踏板、座位等零件组成[4]。其中，壳体的结构设计较为重要,不仅需要设计脚踏板和低速轴连接的孔,还要设计固定手摇杆的卡槽、座位等装置的凹孔或凸台,同时要设计通用串行总线等电能的输出端口,方便人们直接使用或将电能输送到蓄电池中储存[5-6]。

▲图6 移动健身发电器材外部结构

6 基本参数

移动健身发电器材的基本参数见表1。

表1 移动健身发电器材基本参数

7 效率计算

查机械设计手册,确定各个零件传动效率，具体见表2[7]。

表2 各零件传动效率

=0.913

×0.99=0.851

笔者设计的移动健身发电器材发电机型号为MY1016Z2[8-9],发电效率为93%,脚踏发电机专用稳压器与电路的电流损失率约为3%[10]，则其发电系统的总效率ηd为：

ηd=0.93×(1-0.03)=0.902

由此,脚踏机构总效率ηj为：

手摇机构总效率ηs为:

8 结束语

笔者设计的移动健身发电器材结构简单,稳定性好,发电效率高,具有多功能、可移动、绿色环保等优点,不仅可以通过脚踏发电,还可以利用手摇杆手摇发电,同时实现锻炼全身的目的。这一器材打破了原有健身发电器材不可调速的弊端,加入变速系统,使阻力可以任意调节，满足不同人群的需要。手摇式运动发电和脚踏式运动发电共用一个变速系统,从而使器材更加灵巧,大大减小了整体尺寸,巧用双棘轮系统，避免两种发电运动方式的互相干涉。