健身储能自行车的设计

健身储能自行车的设计

王博 杨莹

哈尔滨远东理工学院

摘要：健康是人类文明与进步的重要保障，节能减排是社会和科技持续发展的有效手段，自主创新是提高生活水平的重要标志。为实现科学用能、节能减排，利用能量转换原理创造性地将钟表式发条机械蓄能装置安装在健身训练器械内。健身训练时，通过传动系统将发条所蓄机械能转换为交流电的电能，通过整流电路将交流电转换为直流电，通过电压保护设计防止电路短路和电流突然增大烧毁电路。该种蓄能式自行车可设不同挡位以满足不同程度的训练需要，且造价低，节能环保，具有一定的普适性。本文研究的是健身储能自行车的设计，目的是抛砖引玉，使更多的体育工作者参与到体育器械的创新行列之中，从而设计出更多、更有价值的体育器械，使人们在获得健康的同时，将自身生物能源充分利用起来，转化为电能或其他可供应用的能源，以创造更多的经济效益和社会效益。

1、研究背景

在人类健身运动等形式的能量利用中，单次运动所收集的能量非常小，很难直接驱动发电机发电，即使能够实现，能量利用效率也很低。如果能够将各种间歇性的、分散的能量收集并储存起来，通过集中管理，再在合适的条件下统一进行发电利用，无疑会达到良好的节能环保效果。在健身器械与发条蓄能、控速、发电设计的基础之上，对运动自行车连接蓄能发电装置设计进行简单的研究。运动储能自行车与蓄能发电装置是一种既能用于健身又能回收能源的生态健康节能装置，在这种储能自行车中。车架是主要的承载部件，除了安装蓄能发电装置外，还要承载人的重量及运动载荷。为此，对车架进行了运动强度设计，并用有限元方法分析和试验分析。通过分析，评估了设计的合理性，使设计达到最优化，缩短产品的设计周期，提高利润。这对其它产品也有一定的应用和借鉴价值。所述的健身器材群集中储能发电系统，采用地上和地下整体布局，与健身器材配套的充气装置、气轮发电装置采用地上建设，并配备安全防护措施，便于维护;气体压强的二级缓冲结构采用地下埋设，减少用地，其材料要求具有抗腐蚀性，其中的压缩储气罐也可和发电机一起放置地上。

本研究 的可操作性强，适用于各种室内健身中心和户外健身场所;可以把各种间歇性的、分散的能量收集并储存起来，经过统一的管理，选择合适的时机进行集中利用;其发电规模较大、能量利用效率较高;只需配备一套发电装置，结构简单，实现方便，成本低，具有良好的社会效益和经济。

2. 健身储能自行车的工作原理

储能自行车的大齿轮带动小齿轮转动，小齿轮带动蓄能第一传动装置为发条蓄能。当发条蓄

能到带动第二传动装置转动时，第二传动装置带动发电机转动，发电机速度达到约 180r/min 时，就发出 100W 的交流电，通过复合管整流滤波，转变成电压为 14 V 的直流电输出，供用电器使用，主要部件的技术参数。在设计中，以实际测得人们骑储能自行车时的大轮转速(约为 55r/min)确定传动比、传动轮的齿数、蓄能部分第一传动轮的齿数，第二传动部分传动轮的齿数、发电机的转速。根据发电机的功率设计计算所发出电源的功率，下图电压，运动储能自行车与蓄能发电装置工作原理图。

健身自行车

小型电器

储能装置

图1 运动储能自行车与蓄能发电装置工作原理图。

2.1支撑架设计

根据自行车的长度、宽度，以及工作时的稳定性，设计长 1330mm，宽 550mm、支柱高 330mm 的矩形底座。为避免不稳定性和拐角处内应力的影响，在 4 个角分别焊接一个 90 度的扇形钢板；在支柱上分别加一个加强肋板，以增强支柱的强度，增加抗载荷能力。

2.2输出电源技术参数

根据发电机功率 10w，设计输出电源允许额定电压直流 10.5-15V，输出直流电压 22V，并配有一电子显示器，将发电机产生的电能等参数进行数显。

3.健身储能自行车车架分析

健身储能自行车车架是整个结构的主体，其动态性能直接影响系统强度、稳定性和舒适性，故必须对其进行动态设计。结构动态设计往往要求结构或系统的固有频率远离发电机振动频率或控速系统频率带宽，以避免结构谐振现象的发生。显然，欲改善结构和机械系统的动态特性，达到控制振动之目的或者确保它们在动力环境下能够正常地工作，最为行之有效的办法就是对结构进行动态设计。

3.1车架模态分析的计算模型

求解并扩展模态后，得到车架各阶固有频率和振型。有限元计算的前 4 阶固有频率；相应的前 4阶振型（如图2 ）所示，图中虚线为变形前的位置，实线为变形后的位置。

图2 健身储能自行车车架

3.2健身今朝能自行车分析

运动储能自行车属能源再生健身器材，对环境无污染，是对当前健身器材性能的发展和完善。若进一步创新结构的动态设计，增加其舒适性，将具有广阔的前景。针对其设计进行研究，结果分析如下：第一，通过有限元方法计算车架的固有频率和振型来验证了有限元模型的合理性。第二，通过对车架振型的分析，找到了其结构可能存在的薄弱区域和频率共振区域，可依此进行修改结构设计。第三，车架的有限元动态分析方法，可优化设计，提高实际应用的可行性。

结论

运动健身与发电一体化装置设计思路是将人体健身运动消耗的卡路里转化为发条的机械能作为发电的动力源，通过该项目的设计研究，进一步挖掘人体的生物能量应用，从而使人类在获得健康长寿的同时，将自身运动健身时释放的生物能量，通过科技创新加以合理应用，以创造更大的经济效益和社会效益。设计思路适合运动训练和大众健身器械与发电装置一体化研究，设计方案具有普遍适用性，是人类利用自身能源，获得健康，减少污染的有效方式之一。

参考文献

[1]王虹，郑伟涛，王季安，何海峰. 储能发光式全民健身地板的设计[A]. 中国体育科学学会（China Sport Science Society）.2015第十届全国体育科学大会论文摘要汇编(二)[C].中国体育科学学会（China Sport Science Society）:中国体育科学学会，2015:2.

[2]穆存远，张璋，张玉. 健身器械与储能发电一体化的创新设计研究[A]. 中共沈阳市委、沈阳市人民政府.第九届沈阳科学学术年会论文集（教育科学与边缘科学分册）[C].中共沈阳市委、沈阳市人民政府:沈阳市科学技术协会，2012:4.

课题项目：2018年黑龙江省大学生创新创业训练计划项目--《健身储能自行车》（201813301032）

作者简介：王博（1998-），男，黑龙江省鹤岗市人，本科，研究方向：电子与智能制造，哈尔滨远东理工学院

杨莹（1985-），女，黑龙江省哈尔滨市人，硕士，研究方向：电子与通信工程，哈尔滨远东理工学院