摘 要：針對(duì)戶外旅游和工作中可能出現(xiàn)的用電短缺現(xiàn)象，提出一款便攜式可發(fā)電登山杖設(shè)計(jì)方案。本方案利用杖桿上下伸縮發(fā)生單向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)USB接口為隨身攜帶的電子產(chǎn)品充電。本設(shè)計(jì)方案具有節(jié)能，經(jīng)濟(jì)，低碳，操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，為廣大旅游愛(ài)好者和戶外工作者帶來(lái)極大便利。

關(guān)鍵詞：可發(fā)電；登山杖；設(shè)計(jì)

1 設(shè)計(jì)背景和目的

隨著人們生活水平提高，愛(ài)好旅游的朋友越來(lái)越多，尤其是進(jìn)行遠(yuǎn)距離長(zhǎng)時(shí)間的露營(yíng)、徒步、登山等活動(dòng)時(shí)，無(wú)法給攜帶的移動(dòng)電源、手機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品充電，一旦電量耗盡會(huì)給大家?guī)?lái)意想不到的麻煩。目前戶外便攜式發(fā)電裝置有太陽(yáng)能式、風(fēng)力式和手搖式等幾種。太陽(yáng)能式和風(fēng)力式受天氣影響比較大，手搖式發(fā)電裝置使用起來(lái)非常費(fèi)力，這幾種發(fā)電裝置均不太實(shí)用。

登山杖是無(wú)數(shù)驢友征服戶外旅行的必備武器，作者設(shè)計(jì)一種便攜式可發(fā)電登山杖。杖桿設(shè)計(jì)成可伸縮型，利用杖桿上下移動(dòng)產(chǎn)生單向高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，可以解決在野外條件下應(yīng)急用電問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原理

可發(fā)電登山杖的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法

可發(fā)電登山杖主要設(shè)計(jì)包括桿材料選擇，可伸縮旋轉(zhuǎn)杖桿結(jié)構(gòu)和發(fā)電機(jī)盒設(shè)計(jì)三部分。

2.2.1 杖桿材料選擇

杖桿采用航空鋁合金，強(qiáng)度相同的情況下，重量可降低20%，質(zhì)地堅(jiān)固，經(jīng)久耐用。杖尖采用鎢鋼材料。

2.2.2 可伸縮旋轉(zhuǎn)杖桿結(jié)構(gòu)

基本結(jié)構(gòu)：

杖桿分為三節(jié)，如圖2所示。A節(jié)為杖尖段。B節(jié)和C節(jié)可以重疊并起到旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的作用。其內(nèi)部為螺旋形的扁鐵軸，是旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，以下簡(jiǎn)稱驅(qū)動(dòng)軸。C節(jié)頂部安裝把手。

杖尖結(jié)構(gòu)：

A節(jié)杖尖材料為鎢鋼，六棱柱形底部帶尖，便于和發(fā)電機(jī)軸內(nèi)六角形鍵槽契合。杖尖可以外加橡套，達(dá)到減震防滑作用。

桿內(nèi)部件結(jié)構(gòu)：

驅(qū)動(dòng)軸的上部和C節(jié)頂部（手柄處）連接，相對(duì)固定。驅(qū)動(dòng)軸穿過(guò)B節(jié)，B節(jié)的頂部有驅(qū)動(dòng)套（內(nèi)部有螺旋和驅(qū)動(dòng)軸匹配）底部帶斜齒，B節(jié)中有固定于內(nèi)壁的驅(qū)動(dòng)套座，套座上部帶斜齒和驅(qū)動(dòng)套斜齒嚙合。

旋轉(zhuǎn)機(jī)理：

旋轉(zhuǎn)裝置的原理類似于現(xiàn)在很多家里都有的手壓式旋轉(zhuǎn)拖把。

當(dāng)用于發(fā)電時(shí)，將外螺栓2旋開(kāi)，下壓C節(jié)時(shí)，C節(jié)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺旋軸下移，驅(qū)動(dòng)套和座咬合，由于驅(qū)動(dòng)座和驅(qū)動(dòng)套相對(duì)位置固定，螺旋軸通過(guò)時(shí)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)套旋轉(zhuǎn)，從而靠斜齒帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)套轉(zhuǎn)動(dòng)，即B節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。

上提時(shí)螺旋驅(qū)動(dòng)桿和C節(jié)一起上移，此時(shí)驅(qū)動(dòng)套隨軸上移至限位位置空轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn)），所以上提時(shí)很輕松，杖頭也不旋轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)C的反復(fù)下壓和上提，將會(huì)使B不斷的加速，從而越轉(zhuǎn)越快，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到每分鐘上千轉(zhuǎn)。

B段和A段杖桿通過(guò)內(nèi)螺栓1鎖死，B帶動(dòng)A一起旋轉(zhuǎn)，杖尖插入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的卡槽內(nèi)，使得發(fā)電機(jī)源源不斷的發(fā)出電來(lái)。

由于該發(fā)電裝置直接作用于轉(zhuǎn)子，免去了復(fù)雜齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，發(fā)電量大，發(fā)電效率高，發(fā)電方式簡(jiǎn)潔省力。

B段和C杖桿伸展開(kāi)，旋緊外螺栓2，即可將兩節(jié)杖桿緊固連接起來(lái)，可以當(dāng)作登山杖使用。

2.2.3 發(fā)電機(jī)機(jī)盒設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)盒由發(fā)電機(jī)，整流穩(wěn)壓電路和機(jī)殼三部分組成，見(jiàn)圖3。

發(fā)電機(jī)采用三相交流永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。

由于杖尖旋轉(zhuǎn)不是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，工作時(shí)產(chǎn)生13～25V的交流電，所以必須經(jīng)整流和濾波，才能對(duì)電子設(shè)備或蓄電池充電。通過(guò)整流電路，整流變壓器和濾波器，獲得穩(wěn)定的直流輸出。發(fā)電機(jī)和整流穩(wěn)壓電路均內(nèi)置機(jī)殼內(nèi)部。

發(fā)電機(jī)機(jī)盒技術(shù)參數(shù)：

額定功率20W

最大功率40W

額定電流2A

產(chǎn)品凈重650g

產(chǎn)品尺寸110*70*40mm

機(jī)殼采用高強(qiáng)度的鋁合金復(fù)合材料，重量輕，堅(jiān)固耐用便于攜帶，具有防水功能。長(zhǎng)方體機(jī)構(gòu)。頂部設(shè)卡槽一個(gè)，上端可以插入杖尖，下端固定在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上。側(cè)面設(shè)有USB接口一個(gè)，￠12航空電纜接口一個(gè)。

本裝置設(shè)有兩種固定電壓輸出模式，即USB端口輸出和10V￠12航空電纜輸出。本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)USB2.0接口，供電規(guī)格為5V，0.5A，功率2.5瓦，可直接為手機(jī)充電。

航空電纜接頭與DC-DC直流電壓轉(zhuǎn)換器配套使用，可以將固定的電壓輸出轉(zhuǎn)化為寬范圍輸出電壓，適合0～28V的所有電器電池充電或供電?？梢詾閷?duì)講機(jī)，筆記本電腦，手機(jī)，攝像機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，便攜移動(dòng)電源，手電筒等各類產(chǎn)品供電或充電。

本裝置還可以與蓄電池、逆變器配套使用，將電壓輸出轉(zhuǎn)變?yōu)?20V市電。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際使用，本發(fā)電裝置操作簡(jiǎn)單省力，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，性能穩(wěn)定，使用時(shí)不受外部環(huán)境制約，很好地解決了戶外旅游和工作中電力短缺問(wèn)題。本登山杖可以收縮后裝入背包，減輕了廣大戶外運(yùn)動(dòng)者的負(fù)擔(dān)，給廣大旅游愛(ài)好者和戶外工作者帶來(lái)了便利。

作者簡(jiǎn)介：任嘉華（1999，05-），石家莊市第十七中學(xué)高三在讀。