可發(fā)電照明輪滑裝置的研制

黃淑芳，劉棣中

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧530023）

0 前言

隨著生活水平的提高，健身休閑的時尚潮流正在被人們追求，各式各樣的健身器材不斷面世[1-2]。其中，輪滑運(yùn)動是一種前沿時尚的活動，具有一定的娛樂健身功性質(zhì)，在青少年體育鍛煉活動中獨樹一幟。隨著環(huán)保觀念越來越深入人心以及生活節(jié)奏的加快，輪滑所特有的環(huán)保性開始受到社會的關(guān)注。若能將輪滑與交通出行結(jié)合，作為一種短途出行交通工具，不僅方便快速，還能解決環(huán)境污染、交通擁堵等社會生活問題。因此，輪滑成為一種集娛樂休閑綠色環(huán)保一體多功能出行工具是一種趨勢。

1 現(xiàn)有輪滑鞋存在的問題

目前，市場上的輪滑鞋雖然種類繁多，外觀精美各異，但普遍存在如下問題：

（1）輪滑鞋功能單一，僅能實現(xiàn)娛樂、鍛煉等簡單功能，只適用于部分青少年進(jìn)行體育休閑活動。

（2）輪滑鞋使用環(huán)境受限，只能在光線強(qiáng)度足夠、平整的地面上使用。

（3）輪滑使用步驟繁瑣，使用者只能將輪滑鞋作為鞋子使用，收放不能自如，缺乏便捷性。雖然輪滑鞋的優(yōu)點眾所皆知，但受限于上述弊端，這就使得許多愛好者“望輪卻步”，不利于該項運(yùn)動的推廣至各類人群，更談不上成為短途交通工具，湮沒了輪滑活動所帶來出的綠色環(huán)保健康等優(yōu)異功能。

2 研制思路

本裝置的研制目的在于克服目前輪滑鞋的上述缺陷，并提出一種可發(fā)電、發(fā)光輪滑鞋的設(shè)想，采用自發(fā)電形式，將本裝置工作時產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為電能，并存儲以備后期使用，豐富輪滑鞋的功能；同時解決原有輪滑鞋特定的“鞋子”功能，把其作為一種具有一定通用性質(zhì)的裝置進(jìn)行開發(fā)。

由于本裝置多功能集成，經(jīng)過研究分析決定采用模塊化的設(shè)計思路，既在實現(xiàn)多功能的同時，又便于生產(chǎn)制造。本裝置包括鞋體支撐模塊和能量轉(zhuǎn)換模塊兩大部分，各個模塊承擔(dān)不同工作任務(wù)，見圖1。

圖1 輪滑裝置模塊化研制思路

3 輪滑裝置的結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)輪滑裝置對使用者的承載，同時保護(hù)傳動裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置等的正常工作，采用了多層結(jié)構(gòu)，由上至下分別使供使用者腳部直接接觸的踏板層、保護(hù)并支承發(fā)電機(jī)、外接設(shè)備等的中間層、與地面直接接觸的輪滑層。

多層結(jié)構(gòu)主要包括主體框架、安裝于主體框架底部的輪子組以及固定設(shè)置于主體框架上的發(fā)電機(jī)，輪子組通過齒輪組與發(fā)電機(jī)的同軸連接，主體框架上固定設(shè)置有控制穩(wěn)壓器和外接設(shè)備固定器，發(fā)電機(jī)與控制穩(wěn)流器相連，其上設(shè)置有輸出端口，輸出端口位于外接設(shè)備固定器旁。踏板層位于裝置的頂層，為方便本裝置的使用，并拓展本裝置的通用性，解決目前輪滑鞋使用時候必須專人專用、專鞋專用等不方便性，在本裝置與使用者連接處，設(shè)置了既能穿戴便捷的自調(diào)節(jié)松緊又可拆卸調(diào)節(jié)式的捆綁帶結(jié)構(gòu)，方便了使用者在不需要更換鞋子和不受尺碼大小約束的情況下便能輕松靈活將腳部與輪滑連接固定，如圖2所示。

圖2 輪滑裝置主體結(jié)構(gòu)圖

以單排輪滑鞋作為研制對象，市區(qū)內(nèi)安全的行駛速度范圍是20~30 km/h，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動功率大約為75~100 W，選擇使用目前市場上使用比較多的直徑72 mm的PU輪，經(jīng)過計算需要輪子的轉(zhuǎn)速為1 470~2 212 r/min，而所選擇的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，與輪子之間有一定的差距，因此考慮在輪子和發(fā)電機(jī)之間設(shè)置變速機(jī)構(gòu)，經(jīng)過運(yùn)動特性分析，采用齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行變速。并借助變速機(jī)構(gòu)所占用的空間內(nèi)，即輪滑裝置的中間層規(guī)劃外接設(shè)備的存放區(qū)。

3.1 傳動機(jī)構(gòu)

選擇輪滑裝置的中部滑輪與齒輪I同軸轉(zhuǎn)動，通過嚙合運(yùn)動傳至齒輪II，齒輪II將運(yùn)動通過嚙合傳至齒輪III，齒輪III通過嚙合傳動至齒輪IV，發(fā)電機(jī)與齒輪IV同軸轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機(jī)實現(xiàn)發(fā)電。以成年人使用輪滑鞋為例，滑輪所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速是1 470~2 212 r/min，所選擇發(fā)電機(jī)所滿載的轉(zhuǎn)為2 500 r/min，傳動比在1.2~1.7之間，為了保證傳動效率、提高傳動精度，采用齒輪傳動?？紤]發(fā)電機(jī)到滑輪之間的空間尺寸較小，采用多級傳動；為提高疲勞強(qiáng)度和耐磨性，采用硬齒面的閉式齒輪傳動，根據(jù)轉(zhuǎn)速、發(fā)電量、用電量以及載荷計算確定各級傳動齒輪主要參數(shù)如表1所示。

表1 各級齒輪傳動主要參數(shù)

3.2 發(fā)電裝置

本裝置發(fā)光發(fā)電系統(tǒng)工作原理是利用使用者運(yùn)動作為動力，產(chǎn)生，滑輪滾動帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)并發(fā)電，電能既可為照明負(fù)載服務(wù)，又可為蓄能設(shè)備充電，電路原理如圖3所示。

圖3 輪滑發(fā)電裝置框圖

普通充電寶的功率為10 W、2A，普通照明LED燈的功率為0.05 W、20 mA，要實現(xiàn)上述用電載荷，并結(jié)合前期變速機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，選擇常用12 V發(fā)電機(jī)即可滿足要求?？紤]輪滑鞋的工作速度隨使用者和環(huán)境的改變波動較大，前期設(shè)計也選擇在可能出現(xiàn)的運(yùn)動范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速，為了穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的工作并保證電能在輸送過程中的正常工作，在發(fā)電機(jī)輸出電能后，經(jīng)過控制器調(diào)整?？刂破髯饔弥饕袃蓚€：作用一，整流穩(wěn)壓作用，將發(fā)電機(jī)輸出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，向充電寶充電并存儲電能；作用二，控制過充，當(dāng)充電寶或者手機(jī)等蓄電設(shè)備所蓄電量滿載時，控制器控制并保護(hù)蓄電設(shè)備不被過充，當(dāng)蓄電設(shè)備存儲的電能放完時，控制器要控制蓄電設(shè)備不被過放電，保護(hù)蓄電設(shè)備。

3.3 固定裝置

在輪滑裝置的使用過程中，需要考慮外接設(shè)備的固定放置，如充電寶、手機(jī)等的放置與固定，在本輪滑裝置的中間層設(shè)計了外接設(shè)備固定器，主要用于充電寶、手機(jī)等外接設(shè)備的固定。為了保護(hù)電子設(shè)備，擴(kuò)大輪滑鞋的使用范圍，采用支撐強(qiáng)度較高的雙層車架結(jié)構(gòu)。

考慮輪滑在使用過程中受到路況的影響，必須保護(hù)好外接設(shè)備，因此所設(shè)置的外接設(shè)備固定器主要由擋板、彈簧、底板、螺釘?shù)冉M成，如圖4所示。其中，擋板有兩塊，外觀呈U型狀，分別豎立設(shè)置在底板兩端，擋板的底端設(shè)置有橫向限位板，與底板平行，兩塊橫向限位板分別部分位于所述底板的中部凸起的兩頭，限位彈簧位于所述底板的中部凸起內(nèi)，兩端分別連接兩塊橫向限位板。擋板的頂端設(shè)置有橫向固定板，橫向固定板的下方設(shè)置有壓緊板，壓緊板通過豎向設(shè)置的壓緊彈簧與橫向固定板的底面相連接。兩塊擋板的相向側(cè)、底板的頂面以及壓緊板的底面設(shè)置有橡膠。在擋板、彈簧、橡膠墊等共同作用下，外接設(shè)備，如充電寶、手機(jī)等就能在輪滑裝置的使用過程中被很好的固定，亦方便外接設(shè)備的拆卸。

圖4 外接裝置固定器結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

本輪滑裝置結(jié)合了傳統(tǒng)輪滑鞋的優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)大了輪滑鞋的娛樂性和交通出行適用范圍，可以在草地、粗糙的路面和硬化的小道上滑行，發(fā)電、發(fā)光裝置擴(kuò)大了適用范圍和安全性，為如今城市的環(huán)保出行多了一份選擇。未來，該裝置可以擴(kuò)大應(yīng)用至以滾動摩擦實現(xiàn)前行的大多數(shù)滾輪裝置，例如自行車、推拉式運(yùn)輸小車等。該輪滑裝置制作成本低，適用范圍廣、使用簡單、安全性能高，在市場前景良好，有望成為社區(qū)、校園、城市小范圍的交通出行、短途運(yùn)輸?shù)男滦问?。在滿足出行、運(yùn)輸?shù)惹疤嵯?，后續(xù)將優(yōu)化結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高其工作性能。