張家玲，陶春陽，周倩薈，楊遠(yuǎn)清，張曉珂

（鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州465000）

1 緒論

1.1 概述

隨著騎行愛好者越來越多，對于距離較遠(yuǎn)、時間較長的騎行，手機(jī)續(xù)航顯得尤為重要。在騎車的過程中，由于路途遙遠(yuǎn)、地形崎嶇及天氣多變等原因，手機(jī)的攜帶、操作和保護(hù)也成為一個比較麻煩的問題。因此市面上出現(xiàn)了很多款功能各不相同的自行車手機(jī)支架。

1.2 對現(xiàn)有自行車手機(jī)支架的綜合分析

傳統(tǒng)的手機(jī)支架雖然能夠固定手機(jī)，但是不能防反光、防雨和充電續(xù)航。少部分具有充電續(xù)航功能的自行車手機(jī)支架，無法給手機(jī)提供穩(wěn)定的電流，對手機(jī)的傷害比較大，而且裝置笨重，不易拆裝，功能單一。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)如下：①支架拆裝部件較多，裝置笨重，拆裝不便；②手機(jī)支架可調(diào)節(jié)部分的靈活性較差，不能方便快捷調(diào)節(jié)手機(jī)位置；③市面上存在的手機(jī)支架一般不能防反光、防雨，少數(shù)能防反光、防雨的手機(jī)支架散熱性不好，容易造成手機(jī)溫度過高；④現(xiàn)有手機(jī)支架的固定性能不佳，在經(jīng)過減速帶、崎嶇路面時，有手機(jī)脫落的風(fēng)險；⑤一般的手機(jī)支架不具有充電續(xù)航功能，少部分具有充電功能的并不能提供穩(wěn)定的電流；⑥現(xiàn)有的手機(jī)支架一般主打一種用途，功能單一，不能滿足用戶多種需求；⑦一般的發(fā)電裝置不能提供穩(wěn)定的電流，發(fā)電效率較低，對手機(jī)自身電池?fù)p害較大；⑧摩擦發(fā)電裝置的安裝是通過螺栓、螺母、螺絲的固定，裝置的拆裝復(fù)雜，耗時、耗力；⑨現(xiàn)有的自行車手機(jī)支架材質(zhì)良莠不齊，銜接不夠順暢，伸縮處過于笨重、粗大；⑩一般的自行車摩擦發(fā)電裝置摩擦部分極易磨損，消耗極大。

1.3 研究內(nèi)容及目的

在現(xiàn)有自行車手機(jī)支架的基礎(chǔ)上，將防反光板、防雨布、X 形手機(jī)支架、手機(jī)充電寶背夾、球形云臺底座、夾持裝置和摩擦發(fā)電裝置配合使用。

研究并設(shè)計出集防反光、防雨、可穩(wěn)定續(xù)航充電的自行車手機(jī)支架，以便改善現(xiàn)有自行車手機(jī)支架的不足，滿足騎行愛好者的多種需求。

2 一款可充電的自行車手機(jī)支架的設(shè)計流程

本產(chǎn)品的設(shè)計是一個不斷改進(jìn)的過程。從了解市面上已有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、原理和功能開始。運(yùn)用發(fā)散思維，針對已有產(chǎn)品的不足，設(shè)計出可防反光、防雨，同時能通過摩擦裝置進(jìn)行充電續(xù)航的綜合性強(qiáng)的多功能自行車手機(jī)支架。衡量了產(chǎn)品性能和競爭力大小等問題，確定了最終方案。其設(shè)計過程如圖1 所示。

圖1 設(shè)計過程

3 一款可充電的自行車手機(jī)支架的設(shè)計方案

3.1 裝置組成

一款可充電的自行車手機(jī)支架由7 個部分組成，分別是防反光板、防雨布、X 形手機(jī)支架、手機(jī)充電寶背夾、球形云臺底座、夾持裝置和摩擦發(fā)電裝置。

3．1．1 防反光板

防反光板是位于X 形手機(jī)支架上端的弧形裝置，與防雨布相連，具有防反光的作用。

3．1．2 防雨布

防雨布采用TPU 材料，即熱塑性聚氨酯彈性體橡膠。該材料具有耐磨、耐油、耐水、耐霉菌、耐低溫、抗高溫、彈性好的優(yōu)點(diǎn)。

同時在設(shè)計過程中，防雨布與裝置緊密貼合，不會產(chǎn)生滲水、漏水的現(xiàn)象，能夠有效減小天氣原因?qū)κ謾C(jī)壽命的損耗。另外，防雨布表面光滑，騎行者可透過防雨布完成觸屏任務(wù)，同時不影響手機(jī)觸屏效果。

3．1．3 X 形手機(jī)支架

X 形手機(jī)支架用于銜接上端的防反光板、防雨布與下端的球形云臺底座，起到很好的支撐作用。

同時與手機(jī)接觸部分全部采用順丁橡膠，順丁橡膠的彈性與耐磨性優(yōu)良，耐老化性好，摩擦系數(shù)較大，能夠起到很好的穩(wěn)固作用?？梢酝ㄟ^內(nèi)部齒輪結(jié)構(gòu)順暢地進(jìn)行伸縮調(diào)節(jié)，能夠適應(yīng)多種機(jī)型。

3．1．4 手機(jī)充電寶背夾

充電寶背夾整體為長方形，半包圍結(jié)構(gòu)，不影響手機(jī)側(cè)面按鍵的使用。手機(jī)充電寶背夾為手機(jī)提供穩(wěn)定的充電續(xù)航。其自身具有容量大、蓄電強(qiáng)的功能，為戶外騎行者的靜謐時光再添保障。

與普通背夾不同之處在于，本款背夾是一個隱形的充電寶，可暫時貯存電量，能夠保證手機(jī)續(xù)航，作為能量的中轉(zhuǎn)站，起到電流緩沖作用。當(dāng)手機(jī)直接與發(fā)電機(jī)連接充電時，會導(dǎo)致電流不穩(wěn)定，對手機(jī)的蓄電池造成損害，該手機(jī)充電寶背夾設(shè)有過載保護(hù)電路，能夠免除這種損害，從而有效地保證了用電安全。這也是本款手機(jī)支架的獨(dú)特優(yōu)勢所在。

3．1．5 球形云臺底座

球形云臺底座可360°旋轉(zhuǎn)，能夠全方位各角度進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)過一定的改造，底座上安置了開關(guān)按鈕，用于控制發(fā)電機(jī)上USB 接口與外界的電能傳輸。針對不同機(jī)型，可采用不同的USB 數(shù)據(jù)連接線。

3．1．6 夾持裝置

通過改造設(shè)計的夾持裝置將發(fā)電裝置固定在自行車前輪。夾持裝置采用優(yōu)質(zhì)橡膠面，增加了夾持裝置與自行車車架之間的摩擦力，防止夾持裝置打滑，用來增加發(fā)電裝置的牢固性和穩(wěn)定性。夾持裝置內(nèi)部采用彈力收縮結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)簡單、成本低廉，效果顯著、效能優(yōu)異。

3．1．7 摩擦發(fā)電裝置

摩擦發(fā)電裝置緊貼車輪胎皮一側(cè)，在騎行過程中，通過輪胎與摩擦輪之間的摩擦帶動摩擦輪轉(zhuǎn)動，將能量傳遞至微型發(fā)電機(jī)，從而產(chǎn)生電能，用于手機(jī)充電續(xù)航與手機(jī)充電寶背夾蓄電。該裝置的設(shè)計，保證了騎行者在沒有其他電源設(shè)備的情況下，利用自行車摩擦發(fā)電裝置進(jìn)行節(jié)能環(huán)保的發(fā)電續(xù)航。

3.2 工作原理

本產(chǎn)品在夾持裝置內(nèi)部采用橡膠面，以增加機(jī)構(gòu)和車架之間的摩擦力，并且通過夾持裝置可以調(diào)整摩擦力大小，以控制阻力對行駛過程的影響。

采用環(huán)氧樹脂覆涂密封，確保發(fā)電裝置能夠防雨、雪等，把電子元件焊在電路板上，焊接牢固。并且電能儲存在電池中，充分利用動能，節(jié)能環(huán)保，還不損耗自行車正常行駛的動能。

摩擦裝置配備的發(fā)電機(jī)選用12 V 直流電，產(chǎn)生的電量可以直接使用，但是不夠穩(wěn)定，所以在發(fā)電機(jī)里配套一個穩(wěn)壓的充電控制器，讓12 V 的電流先流入一塊配套的鋰電池內(nèi)。這種裝置的設(shè)置不僅不會給騎行者增加負(fù)擔(dān)，而且可以讓電流經(jīng)過電池再給充電寶背夾供電，確保穩(wěn)定的充電電流。在使用的過程中，充電控制器會保護(hù)電池，防止過沖對電池造成損害。

本產(chǎn)品設(shè)計的控電系統(tǒng)利用手機(jī)電池中電流和電壓的關(guān)系，保證手機(jī)充電寶背夾給手機(jī)充電的時間，從而確保電量充滿的時候立即停止充電。當(dāng)手機(jī)電量增加的時候，手機(jī)電池的電壓也逐漸升高，外部輸入電流會隨之降低，當(dāng)輸入電流低于充電寶背夾的設(shè)定值時，充電寶背夾會自動認(rèn)為已經(jīng)沒有負(fù)載，隨后關(guān)閉，停止充電，完成對手機(jī)電池的保護(hù)。

3.3 最終方案確定

經(jīng)過不斷地嘗試與研究，在多次修改方案之后，決定在原有的自行車手機(jī)支架上，增加摩擦發(fā)電裝置和具有暫時貯存電量功能的充電寶背夾，設(shè)計出了一款可穩(wěn)定充電的自行車手機(jī)支架。通過摩擦發(fā)電裝置和充電寶背夾的結(jié)合滿足騎行者騎行過程中充電的需求。同時，該裝置具有防雨、防反光等作用，滿足了絕大多數(shù)自行車騎行者的需求，具有很高的市場利用價值。

4 樣品與性能測試

4.1 裝置安裝測試

裝置安裝時間如表1 所示。

表1 裝置安裝時間

經(jīng)過試驗證明，該款可充電的自行車手機(jī)支架安裝方便，耗時短，基本穩(wěn)定在1 min 左右。在試驗過程中，騎行1 h，經(jīng)過24 次減速帶，2 處低洼地段，該款可充電的自行車手機(jī)支架未出現(xiàn)松動現(xiàn)象；騎行40 min，經(jīng)過18 次減速帶，1 處低洼地段，該款可充電的自行車手機(jī)支架未出現(xiàn)松動現(xiàn)象；騎行15 min，經(jīng)過8 次減速帶，0 次低洼地段，該款可充電的自行車手機(jī)支架未出現(xiàn)松動現(xiàn)象；經(jīng)過3 次試驗，手機(jī)與支架的固定都很穩(wěn)固，未出現(xiàn)任何松動。

4.2 發(fā)電裝置測試

發(fā)電裝置緩沖時間如表2 所示。

表2 發(fā)電裝置緩沖時間

經(jīng)過多次試驗，發(fā)現(xiàn)裝置成品需要緩沖一段時間才能給手機(jī)充電。試驗表明，首次使用，緩沖時間約15 min，之后的騎行緩沖時間將保持在5 min 左右。一旦開始充電就能夠保證持續(xù)穩(wěn)定的供電，不會對手機(jī)造成損害。

4.3 拆卸條件測試

拆卸時間如表3 所示。試驗表明，該款可充電的自行車手機(jī)支架便于拆卸，實驗數(shù)據(jù)得出全部拆卸僅需42 s 左右。

表3 拆卸時間

5 總結(jié)

該款可充電的自行車手機(jī)支架克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了具有可充電續(xù)航功能的自行車手機(jī)支架。摩擦發(fā)電裝置和充電寶背夾配合使用，能夠為手機(jī)提供穩(wěn)定的電源；通過球形云臺底座上的鎖定旋鈕和360°全景平移撥盤，將其穩(wěn)定固定在自行車把手上，并且提供了旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)功能，提供不同使用者最舒適的使用角度。該裝置是一款具有防反光、防雨、可充電續(xù)航的多功能的便攜自行車手機(jī)支架，能為騎行愛好者帶來很大的便利，具有較高的市場推廣價值。