CN110064163A - 一种发电健身设备 - Google Patents

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CN110064163A CN201910447177.9A CN201910447177A CN110064163A CN 110064163 A CN110064163 A CN 110064163A CN 201910447177 A CN201910447177 A CN 201910447177A CN 110064163 A CN110064163 A CN 110064163A
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魏荣
李东升
李晓
刘亚东
谢婧
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Northeastern University China
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    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B21/00—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices
    • A63B21/06—User-manipulated weights
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B23/00—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body
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    • A63B23/035—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for limbs, i.e. upper or lower limbs, e.g. simultaneously
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Abstract

本发明涉及一种发电健身设备，包括砝码组合机构、传动变速机构和发电蓄电装置。砝码组合机构包括提升杆以及砝码，传动变速机构包括输入轴、第一绕线轮、第二绕线轮、加速齿轮组和输出轴，第一绕线轮和第二绕线轮均固定在输入轴上。第一绕线轮上缠绕有提拉绳，第二绕线轮上缠绕有牵引绳，输入轴和输出轴之间通过加速齿轮组连接。发电蓄电装置的输入端与输出轴的输出端连接。本发明中的发电健身设备能够将人体在健身锻炼时所消耗掉的体能储存起来转化为电能供电子设备使用，达到了节能减排、强身健体的目的。且能够对多种部位进行锻炼，结构简单，成本低，适合大规模生产和应用。

Description

一种发电健身设备
技术领域
本发明属于运动器械技术领域，具体涉及一种发电健身设备。
背景技术
近些年来，随着人们生活水平的提高，人们更加向往健康的生活方式，全民健身已经成为一种趋势。人们在工作之余，会参加各类体育活动，其中不乏有一些人通过健身器材进行锻炼。在锻炼过程中，人的体能被大量消耗。针对这一部分能量，若能回收或储存，将可节省下大量能源。
然而，目前市面上虽然也存在一些流行的发电健身设备，例如：自行车发电、跑步机发电，但是这些设备大多数是通过锻炼腿部肌肉来发电，功能比较单一，而且结构较为复杂，成本较高，无法大规模应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供一种发电健身设备，旨在解决现有技术中存在的功能单一、结构复杂以及成本较高的问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明提供一种发电健身设备，包括砝码组合机构、传动变速机构和发电蓄电装置；砝码组合机构包括提升杆以及与提升杆可拆卸连接的砝码；传动变速机构包括输入轴、第一绕线轮、第二绕线轮、加速齿轮组和输出轴，第一绕线轮和第二绕线轮均固定在输入轴上；第一绕线轮上缠绕有提拉绳，提拉绳的第一端固定在第一绕线轮上，第二端作为运动提拉端，第二绕线轮上缠绕有牵引绳，牵引绳的第一端与第二绕线轮固定，第二端与提升杆的顶端连接；输入轴和输出轴之间通过加速齿轮组连接，且加速齿轮组中与输入轴连接的齿轮在提升负载时与输入轴处于独立工作状态，在释放负载时与输入轴传动连接状态；发电蓄电装置的输入端与输出轴的输出端连接，用于将传动变速机构输出的机械能转化为电能并进行存储。
根据本发明，传动变速机构还包括中间轴；设有两组加速齿轮组，分别为一级加速齿轮组和二级加速齿轮组；一级加速齿轮组包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮通过单向轴承支承在输入轴上，第二齿轮固定在中间轴上；二级加速齿轮包括相互啮合的第三齿轮和第四齿轮，第三齿轮固定在中间轴上，第四齿轮固定在输出轴上；第一齿轮的直径大于第二齿轮的直径，第三齿轮的直径大于第四齿轮的直径。
根据本发明，输出轴上还固定有惯性轮。
根据本发明，第一绕线轮的直径大于第二绕线轮的直径。
根据本发明，发电蓄电装置包括发电机和蓄电池；发电机的输入端与输出轴连接，发电机的输出端与蓄电池的输入端连接，蓄电池的输出端设有电源输出接口。
根据本发明，发电机的输出端与蓄电池的输入端之间设有整流器和稳压器。
根据本发明，砝码组合机构还包括导向轴和插销，砝码可滑动地套设在导向轴上；设有多个砝码，提升杆上沿其长度方向设有多个销孔，每个砝码上设有与提升杆上的销孔相对应的定位孔；通过插销与砝码上的定位孔和提升杆上的销孔同时配合将砝码与提升杆固定。
根据本发明，提升杆的底端设有橡胶缓冲件。
根据本发明，还包括具有一容置空间的外壳；砝码组合机构、传动变速机构和发电蓄电装置均设在容置空间内，提拉绳的第二端伸出外壳的外部，输入轴的两端以及输出轴的输入端均与外壳可转动连接。
根据本发明，还包括万向节；万向节通过支架支撑在外壳的顶部，提拉绳的第二端穿过万向节的通孔后伸出外壳的外部。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明中的发电健身设备在提升负载过程中通过砝码组合机构与传动变速机构相互配合，就能够先将使用者的体能转化砝码的重力势能。然后在释放负载过程中通过砝码组合机构、传动变速机构与发电蓄电装置的相互配合，就能够将砝码的重力势能转化为电能存储起来。实现了将人体在健身锻炼时所消耗掉的体能储存起来转化为电能供电子设备使用，达到了节能减排、强身健体的目的并符合绿色能源理念。
另外，该设备在使用过程中既能够对手臂部位进行锻炼，还可以对腿部或者腰部等其他部位进行锻炼，使得设备的功能更加全面。同时整个设备结构简单，操作简便，成本低，适合大规模生产及应用。
附图说明
图1为如下实施例提供的发电健身设备的结构示意图；
图2为图1中设备的内部结构示意图；
图3为图1中的设备在未拉伸状态时的后视图；
图4为图1中的设备在拉伸状态时的后视图；
图5为如下实施例提供的传动变速机构的结构示意图；
图6为图5的主视图；
图7为图5的左视图；
图8为图5的俯视图；
图9为如下实施例提供的砝码组合机构的结构示意图；
图10为图9的主视图；
图11为如下实施例提供的提升杆的结构示意图；
图12为如下实施例提供的发电蓄电装置的结构示意图；
图13为如下实施例提供的设有万向节时设备的结构示意图；
图14为图13中A处的局部放大图；
图15为如下实施例提供的万向节与不同方向提拉绳相配合的结构示意图；
图16为图15中万向节的剖视图；
图17为如下实施例提供的模拟一组运动的发电机转速随时间变化的曲线图。
【附图标记说明】
1：砝码组合机构；11：提升杆；111：销孔；112：橡胶缓冲件；12：砝码；121：定位孔；13：导向轴；14：插销；
2：传动变速机构；
21：输入轴；211：第一绕线轮；212：第二绕线轮；
22：中间轴；
23：输出轴：231：惯性轮；
24：提拉绳；25：牵引绳；
26：一级加速齿轮组；261：第一齿轮；262：第二齿轮；263：单向轴承；
27：二级加速齿轮组；271：第三齿轮；272：第四齿轮；
3：发电蓄电装置；31：发电机；32：蓄电池；321：电源输出接口；
4：外壳；41：散热孔；42：万向节。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
参照图1-图4，本申请提供一种发电健身设备，包括包括砝码组合机构1、传动变速机构2和发电蓄电装置3。
其中，砝码组合机构1包括提升杆11以及与提升杆11可拆卸连接的砝码12，传动变速机构2包括输入轴21、第一绕线轮211、第二绕线轮212、加速齿轮组和输出轴23，第一绕线轮211和第二绕线轮212均固定在输入轴21上。第一绕线轮211上缠绕有提拉绳24，提拉绳24的第一端固定在第一绕线轮211上，第二端作为运动提拉端。第二绕线轮212上缠绕有牵引绳25，牵引绳25的第一端与第二绕线轮212固定，第二端与提升杆11的顶端连接。输入轴21和输出轴23之间通过加速齿轮组连接，且加速齿轮组中与输入轴21连接的齿轮在提升负载时与输入轴21处于独立工作状态，在释放负载时与输入轴21处于传动连接状态。发电蓄电装置3的输入端与输出轴23的输出端连接，用于将传动变速机构2输出的机械能转化为电能并进行存储。
具体地，在进行健身时，使用者手握提拉绳24的第二端，通过对提拉绳24进行拉伸来完成锻炼健身的动作。当使用者向上提升提拉绳24(即提升负载)时，提拉绳24带动第一绕线轮211转动，进而带动输入轴21以及第二绕线轮212转动，第二绕线轮212的转动使得牵引绳25连接着的砝码12(即负载)实现提升动作。在此提升负载的过程中，由于输入轴21上的齿轮与输入轴21处于独立工作状态，此时齿轮组并不工作，这一过程将人的体能(即生物能)转化为砝码12的重力势能，实现了使用者锻炼身体的目的。
使用者完成提升负载的动作后，开始释放提拉绳24使负载复位，在此工作阶段，砝码12将依靠自身的重力下降，使得输入轴21反转，进而带动第一绕线轮211完成绕线工作。在此释放负载的过程中，由于输入轴21上的齿轮与输入轴21处于传动连接状态，此时输入轴21上的齿轮随着输入轴21同方向转动，进而带动齿轮组和发电蓄电装置3工作，以将砝码12的重力势能转化为电能，实现发电工作。
一般来说，整个设备由停机状态开始使用时，会在开始的1-3个运动周期实现下述的发电机31的启动加速阶段。经过1-3个提升下降周期后，发电机31被加速至额定转速，并进入稳定工作阶段。
上述的使用者手握提拉绳24时主要是对手臂部位进行锻炼，当然，在具体使用时，也可以将提拉绳24的第二端绑在使用者的腰部或者腿部等其他部位上，以对腰部或者腿部等其他部位的力量进行锻炼。在对手臂或者腿部进行锻炼时，一般在使用者的两侧各放一台设备，这样能够对左右手臂或者左右腿部同时起到锻炼的作用，当然具体使用几台设备同时锻炼可以根据使用者的需要来选择，本申请对此不进行限定。
由此，本申请中的发电健身设备在提升负载过程中通过砝码组合机构1与传动变速机构2相互配合，就能够先将使用者的体能转化砝码12的重力势能；然后在释放负载过程中通过砝码组合机构1、传动变速机构2与发电蓄电装置3的相互配合，就能够将砝码12的重力势能转化为电能存储起来。实现了将人体在健身锻炼时所消耗掉的体能储存起来转化为电能供电子设备使用，达到了节能减排、强身健体的目的并符合绿色能源理念。
另外，该设备在使用过程中既能够对手臂部位进行锻炼，还可以对腿部或者腰部等其他部位进行锻炼，使得设备的功能更加全面。同时整个设备结构简单，操作简便，成本低，适合大规模生产及应用。
在本申请的具体实施例中，上述的设备还包括具有一容置空间的外壳4。砝码组合机构1、传动变速机构2和发电蓄电装置3均设在容置空间内，提拉绳24的第二端伸出外壳4的外部，输入轴21的两端以及输出轴23的输入端均与外壳4可转动连接。
以下参照图1-图17，对设备中的传动变速机构2、砝码组合机构1、发电蓄电装置3和外壳4的具体结构做更加详细的描述。
传动变速机构2：
参照图5-图8，传动变速机构2的作用在这里主要是为了将人的体能转化为砝码12的重力势能，然后再将砝码12的重力势能转化为电能，是该设备的主要机械部件。
在具体实现过程中，为了使得传动变速机构2的整体结构更加紧凑并能够实现体积更加小型化，以节省空间，传动变速机构2还包括中间轴22，设有两组加速齿轮组，分别为一级加速齿轮组26和二级加速齿轮组27。一级加速齿轮组26包括相互啮合的第一齿轮261和第二齿轮262，第一齿轮261通过单向轴承263支承在输入轴21上，第二齿轮262固定在中间轴22上。二级加速齿轮包括相互啮合的第三齿轮271和第四齿轮272，第三齿轮271固定在中间轴22上，第四齿轮272固定在输出轴23上。第一齿轮261的直径大于第二齿轮262的直径，第三齿轮271的直径大于第四齿轮272的直径。
其中，在第一齿轮261处安装单向轴承263的功能与自行车的小链轮和后轮连接的棘轮功能类似，单向轴承263主要是为了实现在提升负载时，使得第一齿轮261与输入轴21处于非刚性连接状态，两者相互独立工作，不发生传动关系，只有输入轴21转动以实现砝码12的提升动作，而第一齿轮261保持不转动，因此中间轴22和输出轴23均不会工作；在释放负载时，使得第一齿轮261与输入轴21处于刚性连接状态，两者发生传动关系，进而使得第一齿轮261能够随着输入轴21同方向转动，进而这两组加速齿轮组开始工作完成加速功能。整个过程类似于自行车的小链轮能够带动后轮转动，而后轮却无法带动小链轮转动。
这样，通过这两组加速齿轮组就能够实现加速的功能，一般一级加速齿轮组26的传动比选择3:1，二级加速齿轮组27的传动比选择2:1，即整个传动变速机构2的传动比为6:1，正常工作时输入轴21旋转593rpm，输出轴23转速为3550rpm。当然，在实际应用中，设置几组加速齿轮组可以根据需要进行选择，同时对于各个加速齿轮组的传动比也根据实际的加速程度需要来选择，本实施例仅为举例说明，对此并不进行限定。
为了提高设备的抗干扰能力，在输出轴23上还固定有惯性轮231。这样，当传动变速机构2中输出轴23的转速提升起来以后，通过惯性轮231的作用能够增加输出轴23的转动惯量，能够保持输出轴23的转速稳定在一定转速波动范围内，使得发电机31的工作转速相对稳定，输出的电流电压也维持在稳定状态，进而使得发电机31在锻炼过程中持续稳定的工作并将电流输出至蓄电池32中，提高了设备的抗干扰能力。
在实际应用中，为了使得设备更加小型化同时实现使用者的拉伸形成较大，第一绕线轮211的直径大于第二绕线轮212的直径。
具体而言，第一绕线轮211的直径与第二绕线轮212的直径的倍数关系直接关系到使用者拉伸的行程，拉伸的行程＝砝码上升的高度×该倍数。因此，使得第一绕线轮211的直径大于第二绕线轮212的直径，能够为了让设备体积小，砝码12上升距离小，同时实现使用者的拉伸行程比较大。
在可能的实现方式中，为了便于使用者观察在健身过程中提拉绳24上的拉力随时间的变化曲线，在提拉绳24上还设有拉力传感器，设备还包括与拉力传感器连接的控制器。控制器根据拉力传感器采集到的使用者每次的拉伸力信息后，将生成的拉伸力度曲线与标准动作的拉伸力度曲线进行比较，得出使用者每次动作的标准度，然后将计算得出的标准度通过蓝牙装置反馈到指定的移动终端上，例如手机。
砝码组合机构1
参照图9-图11，砝码组合机构1的作用主要是为了提供负载，以辅助使用者进行健身锻炼。
在具体实现过程中，为使得砝码12运动过程中更加平稳，砝码组合机构1还包括导向轴13，砝码12可滑动地套设在导向轴13上，以起到导向的作用，防止砝码12侧向移动。
为了便于使用者根据自己的需要调节负载的重量，砝码组合机构1还包括插销14，设有多个砝码12，提升杆11上沿其长度方向设有多个销孔111，每个砝码12上设有与提升杆11上的销孔111相对应的定位孔121，一般定位孔121设在砝码12的正面即可。通过插销14与砝码12上的定位孔121和提升杆11上的销孔111同时配合将砝码12与提升杆11固定。
这样，在使用时，先将插销14与对应重量处的砝码12和提升杆11的销孔111连接固定，就可以调整到合适的负载重量，以满足使用者对锻炼强度的不同需求。一般每块砝码12的实际重量选择为7.5kg，此时在上述列举的传动比下，对应使用者的拉升负载为2.5kg。当然，对于每块砝码12的重量也可以根据需要进行选择，本实施例仅为举例说明。
在实际应用中，为了防止砝码12下落时冲击速度过快，产生过大的噪音或者损坏，在提升杆11的底端还设有橡胶缓冲件112，对于橡胶缓冲件112的形状可以采用图11中示出的圆台状，也可以根据需要采用其他的形状。
发电蓄电装置3
参照图12，发电蓄电装置3主要是为了发电以及将电能储存起来以供电子设备使用。
在具体实现过程中，发电蓄电装置3包括发电机31和蓄电池32，发电机31的输入端与输出轴23连接，发电机31的输出端与蓄电池32的输入端连接，蓄电池32的输出端设有电源输出接口321。
一般该电源输出接口321采用标准USB接口，以便于为小功率电子产品供电，满足目前大多数电子产品的用电需求，方便可靠。同时该蓄电池32上一般配有电子显示屏来显示电量，并设有电源开关以控制电能的输出，对于电子显示屏和电源开关均为现有技术，在此不再赘述。对于蓄电池32一般采用12V/60Ah的蓄电池32，当然也可以根据需要选择其他型号。
在实际应用中，由于发电机31并非每时每刻都在工作，同时整个设备一般采用体积小型化，对发电机31的发电功率要求不是很大，容量较小，因此，发电机31优选采用小容量永磁式单相交流发电机，这样一方面可以不用关注发电机31内部建立磁场的情况，另一方面对于发电机31输出的单相交流电也更容易控制。这里所说的小容量只指120-200W，一般可以采用14V/120W的永磁式单相交流发电机，以使发电机31体积更小，节省空间。
对于发电机31如何实现发电为现有技术，例如永磁式单相交流发电机实现发电的原理是磁生电原理，转子在定子中旋转，做切割磁感线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，产生电流。
为了保证给蓄电池32输入稳定的电压，在发电机31的输出端与蓄电池32的输入端之间设有整流器和稳压器(即图12中示出的发电机31和蓄电池32中间的那个壳体内)。这样，发电机31产生的交流电经过整流器和稳压器后将电储存到蓄电池32中。对于整流器和稳压器的具体结构为现有技术，本申请对此不进行限定。
外壳4
参照图1至图4以及图13至图16，整个外壳4主要起到对砝码组合机构1、传动变速机构2和发电蓄电装置3的固定支撑以及保护的作用。
具体而言，为便于各部件的安装固定，在外壳4的容置空间内设有多个隔板，例如按照图2中示出的外壳4内设有横向隔板和竖向隔板，横向隔板将容置空间分割成自下而上的第一区域和第二区域，砝码组合机构1设在第一区域内，导向杆的两端分别与外壳4的底部和横向隔板固定连接。竖向隔板设在第二区域内以将第二区域分割成第三区域和第四区域，上述的传动变速机构2设在第三区域内，且输入轴21的两端、中间轴22的两端以及输出轴23的输入端均通过轴承可转动地与外壳4或者竖向隔板连接。
上述的发电蓄电装置3设在第四区域内，并与外壳4进行固定。外壳4上还设有与电源输出接口321、电子显示屏和电源开关相对应的开口，以便于使用者的观察或者操作。另外，为了便于散热，在外壳4上对应发电蓄电装置3处还对应设有散热孔41。当然，对于各个部件的安装位置的连接方式也可以根据需要进行合理的调整。
在实际应用中，为了更加方便对提拉绳24第二端的运动方向的调整，以分别适用使用者对手部、腿部或者腰部进行锻炼的情形，参照图13-16，整个设备还包括万向节42，万向节42通过支架支撑在外壳4的顶部，提拉绳24的第二端穿过万向节42的通孔后伸出外壳4的外部。
对于万向节42的具体结构为现有技术，例如可以按照图14-16中示出的，万向节42包括两端具有开口的球形壳体，该球形壳体的上端沿经线方向开设有多个凹槽。在球形壳体内可转动地设有滚珠，滚珠沿轴线方向设有通孔，支架和外壳4的顶面上也开设有与滚珠上的通孔相对应的通孔，提拉绳24的第二端由外壳4顶面、支架和滚珠的通孔依次穿过后伸出外部。并可以根据需要转动滚珠将提拉绳24卡设在半球形壳体上的凹槽区域内，以实现根据需要改变提拉绳24的方向。
一般，为了适应滚珠旋转到各个不同位置时，提拉绳24不被剪切掉，在滚珠的通孔上端和下端还分别加工有过度圆角，以减少提拉绳24与通孔之间的摩擦。一般优选滚珠内的通孔下端的孔径大于上端的孔径，以防止提拉绳24旋转到大角度时，提拉绳24被剪切掉。当然，在实际应用中，也可以采用滑轮或者其他类似的结构实现提拉绳24的方向改变，本实施例仅为举例说明，对此不进行限定。
以成年人作为适用对象来说，整个外壳4的长、宽、高尺寸可以分别为35cm×36cm×72.5cm即可，以使整个体积小巧、结构紧凑，更适合家庭和健身房使用。当然，具体尺寸可以根据需要进行调整。
以下对采用上述的设备进行健身时，在保证发电的情况下，计算是否能够达到锻炼效果的过程与分析如下：
1、计算人需要提供的拉力
(1)计算发电机31需要输入的转矩
通过查询所选发电机31规格的参数表，已知交流发电机主要参数为：额定功率为120W，输出电压为14V，额定转速为3550rpm，功率系数为η＝0.8，发电机31的发电量为120Wh，发电机31的输入扭矩可根据如下公式进行计算：
代入数据可得：
(2)计算砝码12提供的转矩
上述的设备通过两组加速齿轮组进行二级加速，一级加速齿轮组26的传动比为3，二级加速齿轮组27的传动比为2，传动机构总传动比为λ总＝6。
考虑功率传递过程中，会有损耗产生。查文献可知：在齿轮传动中，功率的传递效率为η1＝0.97；在轴承传动中，功率的传递效率为η2＝0.99。所以砝码12需要产生的转矩可以根据下式得出：
(3)计算砝码12的行程
根据发电机31的额定转速为3550rpm，传动变速机构2总传动比为λ总＝6，计算砝码12在稳定工作时下落到最低点提供的转速应为：
依据人体工程学考虑使用者在使用时的拉伸范围为120cm，来设计第一绕线轮211和第二绕线轮212的比例、整体装置的尺寸。设计第二绕线轮212半径r为4.5cm，第一绕线轮211半径R为13.5cm。其中，上述公式中的小绕线轮即第二绕线轮212。
此时砝码12的线速度为：
v砝码＝n小绕线轮×π×r×2＝2.79m/s
则砝码12的行程：
上述的设备在满足砝码12具有足够的上升空间的条件下，尽量设计的小巧简单。根据第一绕线轮211和第二绕线轮212的半径之比为3：1，砝码12的行程为40cm，则牵引绳25的最大行程l＝120cm。
(4)计算砝码12的质量
砝码12所系绕线轮的半径r1＝4.5cm
所以初始砝码需要提供的重力可以根据下式得出
G＝T总/r1＝58.44N
初始砝码的重量需为
M＝T总/r1g＝5.96kg
所以初始砝码(包括提升杆11)的重量至少需要5.96kg。
为保障顺利驱动发电机31工作以及克服传动机构和惯性轮231的阻尼，设定砝码12重量为7.5kg。
(5)计算使用者需要提供的拉力
提拉绳24所系绕线轮的半径为r2＝13.5cm
第一绕线轮211和第二绕线轮212的半径之比为3，所以想要保证发电机31正常发电，即需要使用者提供的拉力为
F＝G/6＝19.48N
经过计算，使用者使用该设备进行锻炼时，最低负载强度为2.5kg既可以满足该设备工作。同时，考虑到每个人的锻炼需求不同，该设备提供五个档次的锻炼需求，每个档次之间的负载强度差别2.5kg。
2、设备的发电能力
设备进入稳定运转状态时，即发电机31的输出功率为额定功率120W，则发电机31每小时的发电量为120Wh，本设备的蓄电池32规格为12V/60Ah，在不使用电的情况下，本蓄电池32可储存发动机6个小时的发电量。另外，作为直观数据对比，本设备每小时连续稳定的发电量可提供1.6个容量为20000mAh充电宝(额定能量：74Wh/3.7V)的电量。
由此，综合以上理论计算，可以确定本设备满足使用者的锻炼效果以及保证应有的发电效果。
3、性能分析
为了更准确的测试本设备的工作能力，采用MATLAB对本设备工作流程进行仿真。设定的本设备使用情况如下：使用者以组为单位训练，一组包括20-40个周期动作，具体视使用者自身情况调节。一个周期包括一次提升牵引绳25动作和下放牵引绳25动作。提升动作约为1.5s，下放动作为重物自由下落。
对本设备的使用情况进行了1组20个周期动作的模拟，负载强度选用2.5kg(对应砝码12质量为7.5kg)，如下图17所示为上述使用过程的电机转速随时间的变化曲线。
从模拟结果可以看到，使用者在0～1.5s为提升牵引绳25阶段，此阶段输入轴21转动，但由于单向轴承263的作用，并不带动第一齿轮261转动，故发电机31转速为0。从1.5s开始，使用者释放牵引绳25，负载自由下落带动加速齿轮组启动发电机31工作，经过3个周期动作，发电机31转速被加速至额定转速，进入稳定工作阶段，且之后的发电机31转速较为稳定，波动很小，发电过程稳定。经过仿真模拟得到的数据符合该设备的实际情况。
通过分析可以知道，在最小负载的情况下，本设备进入稳定发电阶段只需要进行3个周期动作，若一组包括20～40个周期动作的话，则实际可使的本设备工作的有效动作有17～37个周期，使用转换效率为85％-92.5％，转换效率随着负载的重量和单组动作数目量的增加而增加，最高转换效率可达97.5％。
4、产品对比
通过查阅大量文献和产品数据，对现有技术中这些产品的数据进行了发电量、成本等性能的对比，具体数据如表4.1所示。
表4.1不同环保健身设备的节电数据对比
假设在一个有10台本设备的健身房内，健身房每天运营时间为12h，每台装置平均每天的使用时间为10h且每天均处于额定运行状态。年发电量基本可实现自供电照明，成为“绿色健身房”。表4.2为本设备的成本预算，详细价目见表中数据。由此，可计算成本回收周期为445/(1.2×0.65)＝615(d)，约1.56年可回收成本，且达到了节能环保的目的。
表4.2本设备的成本预算
综上也可以看出，上述的发电健身设备不仅能够将人在健身过程中消耗的体能转换为电能，达到节能减排的目的；而且能够在满足产生电能的功能之外，切实考虑了其健身功能的实用性，并通过提供多种训练强度档次以及使用方式来满足不同人的锻炼需求，适用范围广。
此外，通过上述的数据分析对比也可以看出，本设备工作效率高，可提供的电能较为稳定，较同规格的发电健身器材相比有成本低、能量损失小等特点。且结构小巧，绿色节能，符合健康环保里面，适合大规模生产和应用。
在不冲突的情况下，上述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种发电健身设备，其特征在于，包括砝码组合机构(1)、传动变速机构(2)和发电蓄电装置(3)；
所述砝码组合机构(1)包括提升杆(11)以及与所述提升杆(11)可拆卸连接的砝码(12)；
所述传动变速机构(2)包括输入轴(21)、第一绕线轮(211)、第二绕线轮(212)、加速齿轮组和输出轴(23)，所述第一绕线轮(211)和第二绕线轮(212)均固定在所述输入轴(21)上；
所述第一绕线轮(211)上缠绕有提拉绳(24)，所述提拉绳(24)的第一端固定在第一绕线轮(211)上，第二端作为运动提拉端，所述第二绕线轮(212)上缠绕有牵引绳(25)，所述牵引绳(25)的第一端与所述第二绕线轮(212)固定，第二端与所述提升杆(11)的顶端连接；
所述输入轴(21)和所述输出轴(23)之间通过加速齿轮组连接，且所述加速齿轮组中与输入轴(21)连接的齿轮在提升负载时与输入轴(21)处于独立工作状态，在释放负载时与输入轴(21)处于传动连接状态；
所述发电蓄电装置(3)的输入端与所述输出轴(23)的输出端连接，用于将传动变速机构(2)输出的机械能转化为电能并进行存储。
2.如权利要求1所述的发电健身设备，其特征在于，所述传动变速机构(2)还包括中间轴(22)；
设有两组加速齿轮组，分别为一级加速齿轮组(26)和二级加速齿轮组(27)；
所述一级加速齿轮组(26)包括相互啮合的第一齿轮(261)和第二齿轮(262)，所述第一齿轮(261)通过单向轴承(263)支承在所述输入轴(21)上，所述第二齿轮(262)固定在所述中间轴(22)上；
所述二级加速齿轮包括相互啮合的第三齿轮(271)和第四齿轮(272)，所述第三齿轮(271)固定在所述中间轴(22)上，所述第四齿轮(272)固定在所述输出轴(23)上；
所述第一齿轮(261)的直径大于所述第二齿轮(262)的直径，所述第三齿轮(271)的直径大于所述第四齿轮(272)的直径。
3.如权利要求2所述的发电健身设备，其特征在于，
所述输出轴(23)上还固定有惯性轮(231)。
4.如权利要求1所述的发电健身设备，其特征在于，
所述第一绕线轮(211)的直径大于所述第二绕线轮(212)的直径。
5.如权利要求1所述的发电健身设备，其特征在于，
所述发电蓄电装置(3)包括发电机(31)和蓄电池(32)；
所述发电机(31)的输入端与所述输出轴(23)连接，所述发电机(31)的输出端与所述蓄电池(32)的输入端连接，所述蓄电池(32)的输出端设有电源输出接口(321)。
6.如权利要求5所述的发电健身设备，其特征在于，
所述发电机(31)的输出端与所述蓄电池(32)的输入端之间设有整流器和稳压器。
7.如权利要求1所述的发电健身设备，其特征在于，
所述砝码组合机构(1)还包括导向轴(13)和插销(14)，所述砝码(12)可滑动地套设在所述导向轴(13)上；
设有多个所述砝码(12)，所述提升杆(11)上沿其长度方向设有多个销孔(111)，每个所述砝码(12)上设有与提升杆(11)上的销孔(111)相对应的定位孔(121)；
通过所述插销(14)与所述砝码(12)上的定位孔(121)和提升杆(11)上的销孔(111)同时配合将所述砝码(12)与提升杆(11)固定。
8.如权利要求7所述的发电健身设备，其特征在于，
所述提升杆(11)的底端设有橡胶缓冲件(112)。
9.如权利要求1所述的发电健身设备，其特征在于，还包括具有一容置空间的外壳(4)；
所述砝码组合机构(1)、传动变速机构(2)和发电蓄电装置(3)均设在所述容置空间内，所述提拉绳(24)的第二端伸出所述外壳(4)的外部，所述输入轴(21)的两端以及所述输出轴(23)的输入端均与所述外壳(4)可转动连接。
10.如权利要求1所述的发电健身设备，其特征在于，还包括万向节(44)；
所述万向节(44)通过支架支撑在所述外壳(4)的顶部，所述提拉绳(24)的第二端穿过所述万向节(44)的通孔后伸出所述外壳(4)的外部。
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