健身單車儲(chǔ)能發(fā)電裝置運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的調(diào)節(jié)

張文龍 馮喜奎 曹曉彥

摘 要：現(xiàn)在市場上的儲(chǔ)能健身單車設(shè)備，基本停留在構(gòu)想和設(shè)計(jì)階段，僅有個(gè)別實(shí)驗(yàn)性的小型模型用于可行性驗(yàn)證及科普，其運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不可調(diào)節(jié)，不能滿足專業(yè)健身的需要，大部分設(shè)備僅僅用于科普教育及娛樂活動(dòng)。下面為儲(chǔ)能型健身單車系統(tǒng)設(shè)計(jì)了幾種運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在保證儲(chǔ)能的情況下對健身器材的健身強(qiáng)度可調(diào)，解決不同健身者身體狀況存在差異，和健身的不同階段需要不同的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的問題。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)健身；儲(chǔ)能發(fā)電；健身強(qiáng)度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.016

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，重視健身的人越來越多，健身器械市場也不斷發(fā)展，為健身者開發(fā)了品類更多，更具專業(yè)性的健身器材。健身器械為了調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，通常裝有阻尼裝置，而阻尼裝置的阻力將使人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏牡?，很難將其回收利用。

近年來，能源需求持續(xù)增長，環(huán)境保護(hù)壓力日益增大。建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，已經(jīng)成為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。[1]

在健身房余能回收發(fā)電領(lǐng)域，國內(nèi)基本停留在構(gòu)想和設(shè)計(jì)階段，僅有個(gè)別實(shí)驗(yàn)性的小型模型驗(yàn)證了利用健身器材發(fā)電的可行性。[2-6]健身發(fā)電器材在使用過程中存在下列幾個(gè)問題，由于健身者有男女老幼之分，身體狀況存在差異，且健身的不同階段所需要的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度也有所不同，所以健身器材需要對健身強(qiáng)度可調(diào)，滿足健身者的不同健身需要。

1 市場現(xiàn)狀

現(xiàn)在市場上的健身單車多采用摩擦阻尼裝置，通過調(diào)節(jié)輪盤與摩擦阻尼裝置的接觸壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。而針對健身單車儲(chǔ)能發(fā)電裝置的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)研究還很缺乏。

現(xiàn)有的健身單車儲(chǔ)能發(fā)電裝置主要分為以下幾個(gè)部分：（1）健身單車部分；（2）發(fā)電機(jī)；（3）電路系統(tǒng)；（4）充電器；（5）蓄電池。

健身者使用健身器械健身時(shí)，對健身器械施力，這些機(jī)械能直接傳遞至發(fā)電機(jī)，發(fā)電裝置發(fā)出的電流，通過電路系統(tǒng)，進(jìn)行穩(wěn)流，濾波等一系列電路變?yōu)榉€(wěn)定的交流電，再通過充電器充到電池里進(jìn)行儲(chǔ)能。這種健身單車儲(chǔ)能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡單，但發(fā)電效率低，針對性不強(qiáng)，不能滿足專業(yè)健身者的健身需要。

2 設(shè)計(jì)方案

下面為儲(chǔ)能型健身單車系統(tǒng)設(shè)計(jì)了幾種運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，達(dá)到對健身強(qiáng)度可調(diào)的要求。

2.1 加入變速結(jié)構(gòu)

在各種機(jī)器設(shè)備和機(jī)械傳動(dòng)裝置中，為了減速、增速和變速等特殊用途，經(jīng)常采用各種變速機(jī)構(gòu)。儲(chǔ)能裝置中機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇是影響到儲(chǔ)能裝置能量轉(zhuǎn)化效率高低的一個(gè)重要部件。[7]

可以借鑒變速自行車鏈條變速器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一套變速機(jī)構(gòu)。

變速自行車鏈條變速器，通過控制手撥器對變速線的拉緊程度控制導(dǎo)鏈裝置進(jìn)行左右移動(dòng)，推動(dòng)鏈條從一個(gè)齒片移到另一個(gè)齒片，完成變速，能夠?qū)诬囘M(jìn)行變檔調(diào)速，調(diào)節(jié)傳動(dòng)比，以適應(yīng)不同環(huán)境下的騎行要求。

可以將其改裝后安裝至健身單車儲(chǔ)能發(fā)電裝置，通過機(jī)械變速器控制健身阻力，調(diào)節(jié)健身強(qiáng)度。

此變速機(jī)構(gòu)在單車軸和發(fā)電機(jī)軸上都安裝有齒數(shù)不同的齒片，通過鏈條進(jìn)行傳動(dòng)?？梢钥刂茖?dǎo)鏈裝置左右移動(dòng)，推動(dòng)鏈條從一個(gè)齒片移到另一個(gè)齒片，完成變速，調(diào)節(jié)傳動(dòng)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的目的。

鏈傳動(dòng)是通過鏈條將具有特殊齒形的主動(dòng)鏈輪的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞到具有特殊齒形的從動(dòng)鏈輪的一種傳動(dòng)方式。鏈傳動(dòng)具有許多傳動(dòng)裝置所不具有的優(yōu)點(diǎn)。

（1）與帶傳動(dòng)比較，它能保證準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳遞功率較大，且作用在軸和軸承上的力較?。?/p>

（2）與齒輪傳動(dòng)比較，它可以在兩軸中心相距較遠(yuǎn)的情況下傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比；

（3）傳遞效率較高，一般可達(dá)0.95～0.97；

（4）需要的張緊力小，作用于軸的壓力也小，可減少軸承的摩擦損失；

（5）結(jié)構(gòu)緊湊；能在溫度較高、有油污等惡劣環(huán)境條件下工作，環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)。

若健身者給予踏板的線速度為，為踏板與主軸的中心距。

當(dāng)為定值時(shí)， 可以通過變速器調(diào)節(jié)其值的大小，使健身者對踏板的力F不同，達(dá)到調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的需要，同時(shí)發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率發(fā)生變化。

加裝鏈條變速器結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能健身單車裝置：（1）健身單車部分；（2）鏈條變速器；（3）發(fā)電機(jī)；（4）電路系統(tǒng)；（5）充電器；（6）蓄電池。

2.2 采用勵(lì)磁發(fā)電機(jī)裝置

交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)又被人們稱之為雙饋發(fā)電機(jī)，是供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的電源及其附屬設(shè)備的統(tǒng)稱。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)子方采用交流電壓勵(lì)磁， 通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓調(diào)配功率而永磁電機(jī)是通過轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)功率的，因此勵(lì)磁發(fā)電機(jī)有更靈活的運(yùn)行方式。

與永磁電機(jī)相比勵(lì)磁電機(jī)控制簡單、不怕振動(dòng)、裝配簡單：只要控制勵(lì)磁電流就可控制磁場強(qiáng)度，而勵(lì)磁電流遠(yuǎn)小于電樞電流，所以勵(lì)磁控制器簡單、可靠性高，成本也低，通過調(diào)節(jié)磁阻的大小，間接調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機(jī)。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)一般由勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩個(gè)主要部分組成。調(diào)節(jié)手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)器，勵(lì)磁功率源的高低會(huì)發(fā)生改變，勵(lì)磁繞組的磁阻會(huì)隨之變化。能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)功率和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的要求。

采用勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的儲(chǔ)能健身單車裝置：（1）健身單車部分；（2）勵(lì)磁發(fā)電機(jī)；（3）電路系統(tǒng)；（4）充電器；（5）蓄電池。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁涵卿，楊智偉，李力行，孟金棒，呂凱文.健身器械動(dòng)能發(fā)電及接入電網(wǎng)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)[J].智能電網(wǎng)，2014，2（04）：45-47.

[2]高路，徐樹平，王旭.多功能健身發(fā)電車的設(shè)計(jì)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，29（11）：68-71.

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[4]李龍龍.基于健身器械的發(fā)、用電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2010（22）：25-26.

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[7]張俊.健身器儲(chǔ)能裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[D].南京航空航天大學(xué)，2008.