何蕓菲，彭元修，黃佳樂，管志強(qiáng)

(南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

1 引言

很多人將騎自行車作為有氧健身的一項(xiàng)運(yùn)動。健身單車在運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域?qū)儆诘湫偷哪M戶外運(yùn)動的有氧健身器材，其身影在各大健身房也隨處可見[1～3]。但是騎乘健身單車的適用場所很受限，并且大量由人體運(yùn)動所產(chǎn)生的能量被白白的浪費(fèi)。針對此情況，本文設(shè)計(jì)出一套裝置，能夠安裝在自行車上，并將人們在騎行過程中所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能利用。該設(shè)計(jì)將自行車的功能通過新技術(shù)不斷改造升級，具有廣闊的發(fā)展前景[4]。

2 發(fā)電裝置的工作原理

發(fā)電裝置主要由傳動機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)以及穩(wěn)壓模塊組成?？梢詫?shí)現(xiàn)通過人騎行自行車，后輪轉(zhuǎn)動帶動齒輪轉(zhuǎn)動，通過鏈條帶動發(fā)電機(jī)上齒輪轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電，再由穩(wěn)壓模塊對由不同轉(zhuǎn)速發(fā)出的直流電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理，使最終輸出的電壓維持在±5 V的功能。

發(fā)電裝置的整體組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由機(jī)械部分和電氣部分兩個(gè)部分組成。

圖1 發(fā)電裝置整體結(jié)構(gòu)

該發(fā)電裝置能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)外，即自行車相對地面靜止和相對地面運(yùn)動兩種狀態(tài)下的使用。當(dāng)用戶只做室內(nèi)健身用時(shí)，可以使用自行車的后輪立架令自行車后輪懸空，如此便可以做到在健身的同時(shí)存儲能量了；倘若用作戶外交通工具，則只需正常騎行，將蓄電池連接在穩(wěn)壓模塊上，整個(gè)騎行過程也就是在存儲能量的過程。

3 發(fā)電裝置的總體設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

3.1.1 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)如今的傳動方式主要有帶傳動和鏈傳動兩種，考慮到自行車可能會有的使用環(huán)境和方式，選擇鏈傳動方式。其傳動比比帶傳動的更精確，且前者相對后者的中心距更大，傳動效率更高。由于材質(zhì)問題，鏈傳動更是能夠在低速、高溫等惡劣環(huán)境下工作[5～7]。

與鏈條相匹配的，還需要一個(gè)安裝在發(fā)動機(jī)上的鏈輪，以此來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)與自行車的結(jié)合。通過選擇的發(fā)動機(jī)的尺寸可以得出，需要一個(gè)內(nèi)孔直徑為8 mm的鏈輪。由于常見的飛輪材質(zhì)是塑料的，不能夠在本設(shè)計(jì)中與發(fā)電機(jī)配合使用，而市場上無法找到符合條件的鏈輪，因此按照自行繪出的圖紙通過車床進(jìn)行加工，打造出了一個(gè)簡單的，能與電機(jī)軸連接的鏈輪。

雖然自制的鏈輪能夠與電機(jī)軸匹配，但無法將它們直接固定在一起，因此考慮到有限的工具，將鏈輪與電機(jī)軸通過焊接的方式固定在了一起。

3.1.2 發(fā)電機(jī)固定支架設(shè)計(jì)

綜合發(fā)電裝置安裝不改變自行車本身結(jié)構(gòu)的目的，設(shè)計(jì)一套固定支架。由于鏈條的長度大致固定，但是鏈條連接后會出現(xiàn)松動，所以該設(shè)計(jì)支架能夠調(diào)節(jié)電機(jī)高度，從而改變鏈條的松緊程度。該支架還能夠改變電機(jī)鏈輪與自行車后輪的對應(yīng)平面位置，能夠與各級齒輪相連接，從而達(dá)到調(diào)節(jié)變速比和鏈輪與自行車后齒輪平行的效果。能夠使鏈條在自行車被長時(shí)間騎行下，仍不會松脫，可達(dá)到很好的固定效果，不影響使用者的體驗(yàn)感。

3.2 電氣部分設(shè)計(jì)

3.2.1 發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)，通俗的講就是一種能夠發(fā)電的機(jī)械，是利用各種其他能源產(chǎn)生機(jī)械能，帶動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能[8～10]。

在對比過各類直流有刷電機(jī)和直流無刷電機(jī)后，了解到當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到600 r/min時(shí)，直流無刷電機(jī)才能夠發(fā)出7.8 V的整流濾波后的直流電壓，考慮到腳踏轉(zhuǎn)速的一般范圍和電機(jī)發(fā)電輸出電壓的情況，利用此類無刷電機(jī)很難實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能，因此設(shè)計(jì)了一款利用R5-555SH型有刷直流電動機(jī)改造出來的有刷直流發(fā)電機(jī)。

其內(nèi)部帶有增速機(jī)構(gòu)，這種增速機(jī)構(gòu)在外軸轉(zhuǎn)速很低的情況下電機(jī)軸就能夠達(dá)到很大的轉(zhuǎn)速[5,6]。通過多次實(shí)驗(yàn)不斷改進(jìn)后，能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在70～135 r/min時(shí)輸出電壓范圍在13～30 V，即在與實(shí)際的自行車轉(zhuǎn)速相匹配的條件下，能夠得到理想的輸出電壓。

3.2.2 穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)

由于發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓大小與自行車齒輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此該電壓會由于騎行的速度不穩(wěn)定而驟降驟升，此類電壓對用電設(shè)備會產(chǎn)生巨大的危害。因此，以升降壓斬波電路為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)穩(wěn)壓模塊[11,12]。在輸入電壓發(fā)生變化時(shí)能夠保持一個(gè)恒定的輸出電壓，來達(dá)到給用電設(shè)備安全供電的目的。

考慮到目標(biāo)用電設(shè)備所需為直流5 V電壓，因此采用5 A大功率75 W DC-DC可調(diào)降壓穩(wěn)壓電源模塊。在此模塊上，設(shè)計(jì)有電源指示燈、誤差在0.05 V之內(nèi)，量程在0～40 V的電壓顯示數(shù)碼管，并還設(shè)計(jì)有指示燈，可通過指示燈區(qū)分、切換顯示輸入電壓和輸出電壓。最后，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，對于穩(wěn)壓模塊在不同輸入電壓、輸入電流情況下的輸出電壓、輸出電流、輸出功率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，具體數(shù)據(jù)見表1，可以得出該模塊對功率的轉(zhuǎn)換率最高可達(dá)到94%。

表1 穩(wěn)壓模塊效率

3.2.3 蓄電池

蓄電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，是按可再充電設(shè)計(jì)的電池，通過可逆的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)再充電，通常使用的是鉛酸蓄電池，其工作原理為：充電時(shí)利用外部的電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能存儲為化學(xué)能，需要放電時(shí)再次把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能輸出[13,14]。

本次設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用到移動電源作為儲能裝置，移動電源比普通的蓄電池要方便得多，并且移動電源能夠很好地給手機(jī)等電子設(shè)備充電。目前絕大多數(shù)的手機(jī)移動電源采用升壓原理工作，其中含有充電管理路線，內(nèi)置電芯的過充、過放、過流、短路保護(hù)；升壓線路，把單個(gè)或多個(gè)并聯(lián)的電芯電壓3.7 V升至5 V輸出，這個(gè)過程大致會有15%的損耗；軟件保護(hù)電路，通過MCU對電流的檢測，實(shí)現(xiàn)恒流輸出，并帶短路、過流、過充、過放保護(hù)。

由于在升壓過程中的損耗[15]，因此移動電源的轉(zhuǎn)化率一般為85%左右，若按照85%計(jì)算，那么一個(gè)10000 mA的移動電源的實(shí)際輸出最大電量為:

(3.7 V×10000 mAh/5 V)×85%=6290 mAh

4 實(shí)驗(yàn)

為測試發(fā)電裝置的發(fā)電功能及作用，選用一輛普通的山地自行車，并利用市面上常見的立架將自行車后輪懸空架起，放置在室內(nèi)。將發(fā)電裝置安裝在自行車座位下，利用鏈輪使發(fā)電裝置與后輪的齒輪相連。通過人在車上騎行，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)物圖如圖2所示，該圖拍攝的是騎行自行車給一個(gè)10000 mAh移動電源充電的過程。

圖2 現(xiàn)場演示實(shí)物

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，對該裝置進(jìn)行了初步的效果檢驗(yàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速保持平均每分鐘65轉(zhuǎn)時(shí)，給容量2000 mAh的手機(jī)充電15%需要30 min；將該型號手機(jī)電量充滿大致需要3.3 h；若需要充滿一個(gè)10000 mAh的移動充電寶，則需要大致16.5 h。由此可看出：該裝置在日常使用中，可以很好地達(dá)到預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)在騎行過程中給用電設(shè)備充電或?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)化為電能存儲下來的功能。

5 結(jié)論與討論

本文從機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)兩個(gè)部分著手，結(jié)合綠色環(huán)保的理念，較詳細(xì)地描述了健身單車發(fā)電裝置整個(gè)項(xiàng)目的構(gòu)思、創(chuàng)作。為解決人們室內(nèi)室外鍛煉方式的問題，以山地自行車為對象，能夠在不改變自行車本身結(jié)構(gòu)的前提下，通過增加裝置與自行車連接的方式來實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。在考慮發(fā)電過程的環(huán)節(jié)中，由于轉(zhuǎn)速的大小直接決定著輸出電壓的大小，所以讓發(fā)電機(jī)輸出端與5V穩(wěn)壓模塊相連，蓄電池的使用則避免了電能的浪費(fèi)。通過現(xiàn)場演示很好地展示了健身單車發(fā)電裝置的可操作性，本設(shè)計(jì)能夠有效燃燒人們體內(nèi)脂肪，在鍛煉身體的同時(shí)可以對電子產(chǎn)品進(jìn)行充電，達(dá)到健身發(fā)電的目的。本項(xiàng)目不同于目前市面上最普遍的只可用做健身房或家中的仿自行車健身單車發(fā)電設(shè)備，具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性。