趣味型風(fēng)能健身自行車

一、設(shè)計(jì)背景

隨著“低碳節(jié)能”的號(hào)角一路吹響，現(xiàn)行健身自行車不斷改進(jìn)，其采用由“生物化學(xué)能一機(jī)械能一電能”的模式，而筆者現(xiàn)另辟蹊徑，采用由“生物化學(xué)能一機(jī)械能一風(fēng)能”的模式，提出趣味型風(fēng)能健身自行車。

試想，在健身房內(nèi)，一邊揮汗如雨，一邊享受自己運(yùn)動(dòng)帶來的涼風(fēng)，豈不“拉風(fēng)”一把，且為館內(nèi)加強(qiáng)了空氣流動(dòng)，減少了空調(diào)開支，達(dá)到節(jié)能的作用。

二、設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.整體介紹

如圖，本健身自行車是在普通健身自行車的基礎(chǔ)上改造而成，相對成本較低。采用二級(jí)變速驅(qū)動(dòng)前置風(fēng)扇，巧妙利用了如圖帶輪傳遞力時(shí)兩帶輪可成夾角配置，可直接將風(fēng)扇盤在九十度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，直接減少因使用渦輪蝸桿變向帶來的高成本。

2.做功方式的改變

目前，自行車的左右兩個(gè)踏板是相對固定、并且位于一條直線上的。這種結(jié)構(gòu)也就導(dǎo)致了自行車在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，使用者僅僅驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)踏板，并通過慣性的作用實(shí)現(xiàn)左右兩個(gè)踏板受力的變化。

我們以使用者的大腿股骨頭座位支點(diǎn)A，以主動(dòng)輪盤的中心作為支點(diǎn)B，當(dāng)踏板越過直線AB近點(diǎn)后，該踏板才可以受到推動(dòng)其前行的推力，當(dāng)踏板的的連接臂達(dá)到與直線AB垂直的位置時(shí)，此時(shí)使用者用在踏板上的力矩最大，隨后逐漸變小，當(dāng)踏板越過直線AB的遠(yuǎn)點(diǎn)后，使用者無法再對踏板施加壓力，而另一個(gè)踏板此時(shí)正好位于直線AB近點(diǎn)，開始新的驅(qū)動(dòng)。

所以，我們可以看到，人們在騎自行車時(shí)，踏板每旋轉(zhuǎn)360度，其中只有其中180度范圍內(nèi)做功，而另外180度范圍中是沒有做功的。

如圖，本設(shè)計(jì)改進(jìn)了兩驅(qū)動(dòng)桿，讓其分別通過超越式飛輪與主動(dòng)輪盤聯(lián)動(dòng)，這樣驅(qū)動(dòng)桿反轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪盤，同時(shí)，兩驅(qū)動(dòng)桿用一剛性繩通過車架上的定滑輪連接，且在車架上為兩驅(qū)動(dòng)桿設(shè)置限位塊。

采用這種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)后，當(dāng)使用者下踩左踏板，左踏板向下運(yùn)動(dòng)通過飛輪驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪盤，而右驅(qū)動(dòng)桿在剛性繩的拉動(dòng)下將向上運(yùn)行。當(dāng)左踏板運(yùn)行到極限，也就是到達(dá)AB直線的遠(yuǎn)點(diǎn)后，此時(shí)左踏板無法再繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，右踏板達(dá)到AB直線的近點(diǎn)，并且限位塊也將阻止右驅(qū)動(dòng)桿繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使用者的右腳開始發(fā)力，如此反復(fù)。

3.主動(dòng)輪盤鏈條的優(yōu)化設(shè)計(jì)

我們將人體正常輸出力定為F=1500N，通過統(tǒng)計(jì)資料得知，人體踩踏自行車的頻率約n=55／min，為產(chǎn)生較好風(fēng)量，將風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)為n₂=360r／min。

通過以上數(shù)據(jù)可知，二級(jí)調(diào)速傳動(dòng)比為i=r／r1=n₂/n=3.286

對主動(dòng)輪盤可知其轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量為：

w=2×pi×n₂／(2×60)=18.84rad／s

轉(zhuǎn)速為v=wxr=-p／(2×sin(180／z1)×w=0.538m／s

可定主動(dòng)輪盤齒數(shù)為46，從動(dòng)輪齒數(shù)為14p=12.70mm

可知人體輸入總功率為807瓦特，由其可知本設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的風(fēng)量大小，對于節(jié)能的幫助不小。而對于第二級(jí)，兩帶輪的傳動(dòng)比同上。

4.調(diào)速盤的運(yùn)用

每個(gè)人對自行車的阻力要求不一樣，因此，本設(shè)計(jì)用調(diào)速盤來代替在現(xiàn)行健身自行車上的阻尼片，對應(yīng)于不同的需求，通過改變輸出轉(zhuǎn)速來改變輸出力矩，使用者可高速踩踏來達(dá)到輸出大風(fēng)量的結(jié)果。

為適應(yīng)大多數(shù)人群，以本設(shè)計(jì)的上述的主動(dòng)輪盤直徑為中心值，共設(shè)五個(gè)檔，與它的相對‘比分別為：

2，1.5，1，0.7，0.5(適量參考運(yùn)動(dòng)型自行車的主動(dòng)輪盤直徑比大小)。

5.風(fēng)扇盤的轉(zhuǎn)動(dòng)

為增加其工作靈活性，本設(shè)計(jì)的風(fēng)扇盤可在90度的范圍內(nèi)傳動(dòng)，只需在風(fēng)扇盤安裝旋轉(zhuǎn)軸及定位裝置。

6.靠背的設(shè)計(jì)

運(yùn)用人體工程學(xué)原理，在座位后增加一靠背，這樣可以運(yùn)用背部肌肉增加輸出力矩，又可增加健身效果，可謂一舉兩得。

三、工作介紹

坐上本設(shè)計(jì)，調(diào)好主動(dòng)輪盤上的調(diào)速盤，輪番踩動(dòng)，可對自行車中心線正負(fù)四十五度角內(nèi)送風(fēng)，踩動(dòng)越快，風(fēng)量、風(fēng)壓越大，就越接近實(shí)際情況下的“拉風(fēng)感覺”。

傳動(dòng)風(fēng)扇盤，可對別人或場館進(jìn)行送風(fēng)，利于節(jié)能。

四、設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

1.造價(jià)成本低

由于本設(shè)計(jì)所采用的結(jié)構(gòu)，方式均為基本方式，且都為現(xiàn)行常用結(jié)構(gòu)，故相對成本較低。

2.做功效率高

本設(shè)計(jì)將人體體能變?yōu)轱L(fēng)能，并沒有通過轉(zhuǎn)化效率較低的電能，能量損失幾乎在機(jī)械摩擦中，而期間的損失相對轉(zhuǎn)化為電能要小得多，因?yàn)檗D(zhuǎn)化為電能不但有機(jī)械損失，還有電磁感應(yīng)時(shí)的損失，以及變?yōu)槠渌桦娫O(shè)備電源時(shí)的損失。

3.節(jié)能

本設(shè)計(jì)將人體健身時(shí)消耗的能量轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，對于使用者自身來說，不再需要空調(diào)設(shè)備，并且為枯燥的健身增加了趣味性，且又加大了場館內(nèi)的空氣流動(dòng)，減少了空調(diào)費(fèi)用，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

4.健身效果好

由于本設(shè)計(jì)增加了靠墊，能夠鍛煉人體的背部肌肉，以及改變驅(qū)動(dòng)桿的設(shè)計(jì)，使之能讓使用者自始至終做功，健身效果自然較好。

5.適用性強(qiáng)

調(diào)速盤的運(yùn)用，使得輸入力矩可以改變，適用了大多數(shù)人群的使用需求。

五、小結(jié)

資源枯竭已經(jīng)拉響警鐘，而人體能量卻白白浪費(fèi)掉，希望本設(shè)計(jì)能讓我們從一定角度上認(rèn)識(shí)到人體每天所消耗的巨大能量，珍惜點(diǎn)滴，累積如海。