CN109018158A - 自行车可控刹车发电健身装置 - Google Patents

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郑威
吴倩贇
于建立
徐尔骐
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Abstract

本发明公开了一种自行车可控刹车发电健身装置，包括刹车发电机构，刹车发电机构包括传动蜗杆、离合机构以及安装在自行车后轮后轴上的加速齿轮组，传动蜗杆一端的螺旋齿与加速齿轮组的主齿轮啮合，传动蜗杆另一端与离合机构平行且两者的平行面之间留有空隙，离合机构与第一发电机的转动轴啮合，第一发电机的输出端与储蓄电池的输入端连接；离合机构由拨动开关控制其在断开和闭合状态中切换，在自行车正常行驶时离合机构处于断开状态；离合机构在自行车刹车时处于闭合状态，在加速齿轮组的传动下带动第一发电机高速转动，将自行车的刹车动能转化为电能并存储在蓄电池里。本发明有效将自行车刹车的能量转换为电能。

Description

自行车可控刹车发电健身装置
技术领域
本发明涉及自行车领域，更具体地说，涉及一种自行车可控刹车发电健身装置。
背景技术
随着我国快速城市化进程持续推进，按照传统的需求满足型建设模式，不仅无法解决城市交通问题、使人们的出行更加畅通，反而造成了日益严重的交通拥堵，严重影响城市效能的发挥。低碳生活已成为能源利用和人们关注的焦点，人类也纷纷意识到低碳的重要性，越来越多的人加入到低碳的行列，为节能减排做贡献。公共自行车交通发展模式中，自行车不消耗能源、不产生污染、不受道路限制、占地小、易保管、利健康、价格低等诸多优点，也使其成为更多的消费者所青睐。
自行车刹车时，闸皮与车圈之间产生的摩擦力使自行车停下来。由于没有收集系统，刹车时的能量都转化为内能白白耗散了。尤其在城市路口、人流量比较多，刹车制动比较频繁，能量损耗较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种自行车可控刹车发电健身装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：设计一种自行车可控刹车发电健身装置，包括刹车发电机构，所述刹车发电机构包括传动蜗杆、离合机构以及安装在自行车后轮后轴上的加速齿轮组，所述传动蜗杆一端的螺旋齿与加速齿轮组的主齿轮啮合，所述传动蜗杆另一端与离合机构平行且两者的平行面之间留有空隙，所述离合机构与第一发电机的转动轴啮合，所述第一发电机的输出端与储蓄电池的输入端连接；所述离合机构由拨动开关控制其在断开和闭合状态中切换，在自行车正常行驶时所述离合机构处于断开状态；所述离合机构在自行车刹车时处于闭合状态，在所述加速齿轮组的传动下带动第一发电机高速转动，将自行车的刹车动能转化为电能并存储在蓄电池里。
优选地，所述传动蜗杆一端的螺旋齿外围套有复位弹簧并与加速齿轮组的主齿轮啮合。
优选地，所述离合机构包括通过轴承连接的大齿轮和小齿轮，所述传动蜗杆另一端呈齿轮状并且在离合机构处于闭合状态时与离合机构的小齿轮啮合，所述离合机构的大齿轮与第一发电机的转动轴啮合。
优选地，还包括车座发电机构，所述车座发电机构包括安装在车座底部与支撑板之间的避震弹簧，所述避震弹簧与塑料齿轮的传动轴连接，所述塑料齿轮与线圈啮合，所述线圈外围固定有环形磁铁，所述线圈和环形磁铁同轴，所述线圈与第二发电机连接，所述第二发电机与LED灯、开关连接成电路。
当自订车在正常运行时，离合机构处于断开状态，刹车发电机构不发电；当自行车制动时，骑行者按拨动开关使得离合机构处于闭合状态，拉紧自行车的制动器，传动蜗杆由低传动比位置给入高传动比位置，与车辆传动轴连接的锥形轮带动加速齿轮组的主齿轮转动，由于刹车时高传送比，加速齿轮组处于高速运转状态，从而带动第一发电机的高速转动，将自行车的刹车动能转化为电能并存储在蓄电池里，尤其是在自行车下长坡时，自行车处于长时间点刹制动或者半制动状态，此时蜗杆传动装置长时间处于高传动比位置，第一发电机处于高功率输入运转状态，充电状态达到最好。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明有效将自行车刹车的能量转换为电能。
2、本发明将自行车的坐垫内部结构进行改造，将自行车车座频繁振动动能转换为电能。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例中刹车发电机构的结构示意图；
图2为本发明实施例中刹车发电机构的应用示意图；
图3为本发明实施例中车座发电机构的结构示意图；
图4为本发明实施例中车座发电机构的整体效果图。
图中：传动蜗杆1、离合机构2、加速齿轮组3、复位弹簧4、第一发电机5、车座6、支撑板7、避震弹簧8、塑料齿轮9、线圈10、环形磁铁11、第二发电机12、LED灯13、开关14。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供一种自行车可控刹车发电健身装置，包括刹车发电机构和车座发电机构。
如图1和图2所示，刹车发电机构包括传动蜗杆1、离合机构2以及安装在自行车后轮后轴上的加速齿轮组3。离合机构2包括通过轴承连接的大齿轮和小齿轮，传动蜗杆1一端的螺旋齿外围套有复位弹簧4并与加速齿轮组3的主齿轮啮合，传动蜗杆1另一端与离合机构2平行且两者的平行面之间留有空隙，传动蜗杆1另一端在离合机构2处于闭合状态时与离合机构2的小齿轮啮合，离合机构2的大齿轮与第一发电机5的转动轴啮合。离合机构5与第一发电机5的转动轴啮合，第一发电机5的输出端与储蓄电池的输入端连接。离合机构2由拨动开关控制其在断开和闭合状态中切换。当自行车制动时，骑行者按拨动开关使得离合机构2处于闭合状态，拉紧自行车的制动器，传动蜗杆1由低传动比位置给入高传动比位置，与车辆传动轴连接的锥形轮带动加速齿轮组3的主齿轮转动，由于刹车时高传送比，加速齿轮组3处于高速运转状态，从而带动第一发电机5的高速转动，将自行车的刹车动能转化为电能并存储在蓄电池里，尤其是在自行车下长坡时，自行车处于长时间点刹制动或者半制动状态，此时蜗杆传动装置长时间处于高传动比位置，第一发电机5处于高功率输入运转状态，充电状态达到最好。
经下面的推导可以得到一次刹车回收能量E＝K1K2K3(ΔW-FfS)。
自行车刹车过程中，车体动能衰减ΔW为定值。特定车型的机械传动效率K1和滚动摩擦力Ff基本上是固定的。对蓄电池来说,制动能量回收对应于短时间(不超过20s)、大电流(可达100A)充电，因此能量回收约束条件可忽略,充电效率K3也可认为恒定。对于第一发电机来说,在制动过程中,其发电效率K2随转速和转矩的变化而变化。制动距离S取决于制动力的大小和制动时间的长短。
由以上分析可知,如果蓄电池状态(包括放电深度、初始充电电流强度)允许，回收能量只与第一发电机的发电效率和刹车距离有关。在满足制动时间要求的前提下,通过调节第一发电机制动转矩可以控制电机转速。
经过选择，600r/m时功率为280W的发电机可以满足技术要求。稳压模块可调电压在电源管理与稳压供电时候满足给尾灯供电，同时给蓄电池供电。车以a＝5m/s行驶来计算，车轮转速为：
上式中，d为车轮直径，车轮转速n＝160r/min。齿轮转速n1＝n:i[i＝10]，设a＝5m/s，齿轮转速n1＝n*10＝1600r/min，下面进行扭力计算：
一款小体积发电机在100r/min，P＝100W，由得到：
扭力
制动扭力Me×i＝10×180＝1800N.m，理想制动效果下传动比取值为10。
下面进行功率计算：变速箱的转换效率为n1,电动机的转换效率为n2，由和E2＝E×n1×n2，制动时间r1为即时发电机转速，
以5m/s车行速度计算得到制动时间
传动比的选择可以根据实际的整车质量与一般行驶时候的速度来选择，传动比和第一发电机的功率的选择可以调节制动的时间。无论是自行车还是机动交通工具中，每次车子的刹车都会将刹车时候的动能转化为刹车片上的内能，以气流散热后浪费，而每辆车行驶的过程中会不断的刹车。而当今自行车数量超过5亿辆，加上电动自行车，摩托车就有将近10亿辆。而每次刹车以人和自行车总重量为60+15＝75kg、以5m/s速度计算
以华城广场到徐东为例，有两公里的路程，有六个大型交叉路口。一辆自行车一来一回4千米，平均50次刹车计算，约0.0130208kW/h能量浪费在刹车上面，5亿辆共产生6510400kW/h，相当于一个中小型城市一天的用电量。有可观的经济效益和环保效益，同时在电动交通工具日益增多的今天，自行车智能化以及随身充电设备的普及，动能回收必然将在这类车辆中广泛应用。
以电池容量较高的小米3手机为例，电池容量3050mAh，手机电池充满电的时候电压是4.2V，3.6V的时候电池已经快没有电了，取平均值3.9V计算，充满电所需的能量＝3.9V*3.05Ah＝11.9Wh，充电效率以85％计算，最终所需电量14Wh，即0.014kW·h。一辆自行车每行驶4千米就能把一部电池容量较高的小米3手机充满电。
如图3和图4所示，车座发电机构包括安装在车座6底部与支撑板7之间的避震弹簧8，避震弹簧8与塑料齿轮9的传动轴连接，塑料齿轮9与线圈10啮合，线圈10外围固定有环形磁铁11，线圈10和环形磁铁11同轴，线圈10与第二发电机12连接，第二发电机12与LED灯13、开关14连接成电路。车座6车垫的每一次颠簸震动都将压缩或拉伸避震弹簧8，避震弹簧8带动塑料齿轮9转动从而带动线圈10运转，环形磁铁11形成磁力场，线圈10的运转切割磁力场产生感应电流，产生的电能存储在第二发电机12中，为LED灯13提供电能。
附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种自行车可控刹车发电健身装置，包括刹车发电机构，所述刹车发电机构包括传动蜗杆、离合机构以及安装在自行车后轮后轴上的加速齿轮组，所述传动蜗杆一端的螺旋齿与加速齿轮组的主齿轮啮合，所述传动蜗杆另一端与离合机构平行且两者的平行面之间留有空隙，所述离合机构与第一发电机的转动轴啮合，所述第一发电机的输出端与储蓄电池的输入端连接；所述离合机构由拨动开关控制其在断开和闭合状态中切换，在自行车正常行驶时所述离合机构处于断开状态；所述离合机构在自行车刹车时处于闭合状态，在所述加速齿轮组的传动下带动第一发电机高速转动，将自行车的刹车动能转化为电能并存储在蓄电池里。
2.根据权利要求1所述的自行车可控刹车发电健身装置，其特征在于，所述传动蜗杆一端的螺旋齿外围套有复位弹簧并与加速齿轮组的主齿轮啮合。
3.根据权利要求1所述的自行车可控刹车发电健身装置，其特征在于，所述离合机构包括通过轴承连接的大齿轮和小齿轮，所述传动蜗杆另一端呈齿轮状并且在离合机构处于闭合状态时与离合机构的小齿轮啮合，所述离合机构的大齿轮与第一发电机的转动轴啮合。
4.根据权利要求1所述的自行车可控刹车发电健身装置，其特征在于，还包括车座发电机构，所述车座发电机构包括安装在车座底部与支撑板之间的避震弹簧，所述避震弹簧与塑料齿轮的传动轴连接，所述塑料齿轮与线圈啮合，所述线圈外围固定有环形磁铁，所述线圈和环形磁铁同轴，所述线圈与第二发电机连接，所述第二发电机与LED灯、开关连接成电路。
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