往复旋转健身动能提取方法及与利用研究.doc

往复旋转健身动能提取方法及利用研究上海市宜川中学　杨斌摘要：很多健身器材产生的动能，是往复旋转动能而不能直接通过齿轮变速加速利用利用自行车后飞轮、链轮、链条以及齿轮的合理组合，将健身器材的往复旋转动能转化为单向旋转动能，并进而加以利用是可以实现的往复旋转-单向旋转转化装置与增速齿轮箱、与水泵或电机等组合，再与人们健身活动器材融合在一起，可以有效的提取人们健身活动的动能，能够实现减少能源消耗的社会价值 ENGLISH: Kinetic energy, a lot of fitness equipment is reciprocating rotational kinetic energy and cannot be directly through the gear speed to use. After using bicycle flywheel, sprocket, chain and gear, the combination of fitness equipment of reciprocating rotational kinetic energy can be converted to a one-way rotational kinetic energy, and then use them is achievable. Reciprocating rotation - unidirectional rotation transformation device and increase gear box, combined with water pump or motor, fitness equipment with people together again, can effectively extract the kinetic energy of the fitness activities, people can be achieved to reduce energy consumption of social values.关键词：往复旋转；单向旋转；健身活动；水泵；小型发电机一、问题由来：节能减排、或以其他能源形式代替传统化石能源，以减少温室气体排放，这已经成为人类社会发展的主流要求。

为实践节能减排的创新设计与应用，去年我和伙伴们以《“校园节能健身提水系统”开发制作研究》为课题，尝试了校园环境内节能应用的创意设计与制作通过探究努力，我们实现了我们的创意课题的应用，设计制作了结合脚踏和手摇两种健身活动的校园节能健身扬水系统利用该系统我们实现了不用电能、不靠自来水水压，全凭少年学生的健身活动，把水送到了近19米高的校园楼顶水箱中，增加了水的势能仔细观察研究现行的多款青少年趣味活动与健身器材，跷跷板和秋千是少不了的，另外在许多生活小区内我们常见的行走健步器、双人脚蹬健身器、上臂牵拉健身器等等，都有一个在人们运动下作往复旋转的中心转轴，人们使用这些器材健身时产生的动能是我们已完成的单向旋转的装置所提取不了的如何把人们健身运动时这些器材往复旋转的动能也能提取出来呢？二、前期调查：为了了解一般健身器材的初步运作方式，我在校园内、我的小学校园、居住小区以及周边小区进行了调查与健身器材的结构观察调查看到，我们学校工会活动室有复合健身器一套，除了常见的自行车踏板式健身器、跑步健身器等器材的中心转轴是单向旋转的以外，还具有上臂牵拉、往复举重等健身器小学有翘翘板三台，附近5个小区的各种健身器材中，看到上臂牵拉器8台、秋千式跑步器6台，还有其他形式的具有往复旋转转轴的健身器等等。

由调查结果显示，含有往复旋转转轴的健身器材为数还不少，约占健身器材的一半之多（56%） 三、初步设计方案：在我们最初的创意方案中，我们希望设计各类健身器材，能将自行车踏板健身动能、蹦床的上下运动健身动能、上臂拉力健身或者跷跷板等器材的往复旋转动能等各类健身动能，都能提取出来转化利用脚踏与手摇健身器材及与水泵的有效结合我们已经实现往复旋转动能的提取应用装置设计方案，为4个模块组成：模块一，是设计制作一具能将跷跷板等器材转轴的往复旋转动能，转化为单向旋转动能的装置，这是本课题所研究装置系统的核心模块二，是根据我们前一课题比较成熟的齿轮箱制作心得，自制约1:50的变速齿轮箱，将模块一转化获得的单向但慢速的旋转动能加速模块三，能量转化储存装置，一可以利用我们前一课题的水泵结构，将旋转动能转化为水箱水的势能，或储存能量、或实现节约电能；二可以整合小型发电机，将旋转动能转化为电能，送至附属的蓄电装置如蓄电池、超级电容等，或者直接送到合适的用电器模块四，设计制作与模块一整合为一体的、人体能够直接健身活动的相关的往复旋转健身器材本项设计方案的实现，可以与我们的《“校园节能健身提水系统”开发制作研究》课题已经开发制作的装置结合起来，构成健身动能提取的系列装置，可以补充社会各机构的电能消耗，实现降低能耗、节能减排的社会作用。

四、设计方案的制作研究：㈠变往复旋转为单向旋转装置设计制作：1.往复旋转动能初步提取的设计研究开始是设想在输入轴A轴上以一定距离固定二片同样大小的齿轮，将A轴的往复旋转传递出去，但是用现成的尼龙齿轮固定在轴上，发现定死的两个齿轮是同步的正转、反转，不能实现定向选择的传递单向旋转，这显然行不通需要有一种正转传递动能、反转打滑的传动轮片我马上想到，自行车的后飞轮就是我需要的材料如何安装呢？飞轮的内孔可是有螺纹的！仔细研究飞轮的螺纹以及其正反转的锁定与打滑，我发现只要把两个飞轮背靠背的合在一起，就可以实现正反旋转动能分别提取的设想，而且由于轴对称的缘故，背靠背的靠在一起的两个飞轮内孔螺纹仍然是同向旋进的这意味着只要以A轴的中心为标准点，向两端按飞轮的厚度加工出与飞轮内孔螺帽纹匹配的同样的螺丝纹，A轴中心部分留出约50毫米宽的、直径大于飞轮内径的加粗的肩部，然后将两个飞轮分别从A轴两端向中心位置旋进并拧紧，一根分别能提取正反两个方向旋转动能的转轴A就加工好了2.往复旋转的传递方式研究怎样把A轴的正反两个方向旋转的动能传递出来，并转化成单向旋转的动能？因为A轴使用的是二个后飞轮，所以我自然就想到了用链条传动，其中一个链条圈翻转一下，如图1。

但是制作过程发现了问题，用细绳作演示时方案似乎可行，因为绳子是软的，但是实际使用金属链条时，发现链条2的交叉翻转根本行不通，安装就非常困难即便使劲装上了，链条在中间部分紧靠在一起根本转不动没方向了，请求老师帮助老师提示说，当中需要有个过渡链条必须保持圈形，不能扭转、不能交叉主动和从动链轮通过链条传递的旋转方向是一致的，但是齿轮呢？对！当中加一对齿轮，就可以将飞轮2的旋转反向传递给B轴了老师的指导真及时只是怎样加呢？3.往复旋转变单向旋转的过渡选择研究经多次画图思考并实物演示，最终我采用如下方法让A轴的往复旋转转变为单向旋转：将链轮1取走，B轴改为过渡轴，链条2改为圈形，同时增加一条C轴，B、C轴间增加一对1:1的啮合齿轮，原链轮1改装在C轴上，如图2改装后的A、B、C三轴实现了往复旋转动能转化为单向旋转动能的预期设想图2中令视线由左往右观察，A轴顺时针旋转，通过链条1及链轮1，使C轴顺时针旋转，而右侧的一对齿轮和链轮的传递，使飞轮2作逆时针反向空转；A轴逆时针旋转，通过链条2及链轮2传递，B轴也作逆时针旋转，继续由B、C间的齿轮传递，使C轴仍作顺时针旋转，而左侧的链轮1与链条1的传递，使飞轮1作顺时针空转。

装置实现了往复旋转变单向旋转的转化㈡降噪尼龙齿轮箱的设计制作：1.齿轮的改进选择研究考虑到在《“校园节能健身提水系统”开发制作研究》课题中，我们做的齿轮箱选用的都是金属齿轮，运转时噪声较大同时使用飞轮与链条制作出来的装置体积较大，整合推广到一些健身器材上显得笨重、占据体积较大此次我们选用了多个尼龙齿轮构成齿轮组：φ140齿轮啮合第一个φ20齿轮，φ90齿轮与该φ20的齿轮以中心轴重叠方式合为一体，再与第二个φ16的齿轮啮合，使齿轮箱的输入输出比达到1:50齿轮箱的输入轴与模块一的C轴合二为一，也就是将模块一C轴上的链轮1和一只齿轮直接安装固定于齿轮箱的输入轴两端，实现模块一与模块二的紧密连接齿轮齿数传动比A160AB传动比=1:8B20C114CD传动比=1:7.125D16E16总传动比=1:572.往复旋转变单向旋转装置的改进制作研究为了更有效的开发利用本创新设计，实际制作时我们从电机市场上找到单向轴承，并委托加工单位订制我们需要的各种规格的尼龙齿轮，得到基本制作材料后，我们将单向轴承固定在大齿轮上，并在同一根钢轴上相反安装，实现连续获取往复旋转的健身动能第二步，用大小齿轮组合成同样的二组二级加速齿轮组，让健身动能的慢速旋转增速为电机或水泵的正常工作转速；第三步，通过适当的方式调整齿轮的旋转方向，使最终的输出轴以单一方向旋转。

㈢能量转化装置选择设计：齿轮箱输出的转速达到或超过50转/秒的动能，可以直接传递给水泵方法是与《“校园节能健身提水系统”开发制作研究》课题一样，将水泵的旋转叶片直接安装于齿轮变速箱的输出轴上，减少不必要的多次机械传动，避免能量的机械损耗为了应用多种方式储存能量，可以用套管或步带轮将齿轮箱输出轴与电机轴连接在一起，当前述A轴往复旋转，经过模块一的单向转化、模块二的增速，人体运动能量最终就传递到电机，使电机以约50转/秒的快速旋转,实现人体健身动能向电能的转化，再将电能送至蓄电池、送至超级电容储存，以备电能的他用这是模块三的选择设计㈣装置与健身器材结合设计制作：本项目的最终意图，是提取人们健身活动过程产生的往复旋转动能，把装置与健身器材牢固的整合在一起，才能实现设计意图模块一的A轴选用直径达到20mm的钢质棒，通过车床精加工成形，两端预先留出合适的长度，进行以下几种组合安装：1．作为跷跷板的中央固定轴，将跷跷板安装在装置上当我们很多同学在跷跷板上快乐健身时，不知不觉往复旋转的运动动能转化成了电机的旋转动能，进而转化为电能形式2．秋千的刚性吊索如自来水管（不能用铁链或编织的钢丝吊索）顶端固定在模块一的A轴两端，当人们坐在秋千椅上悠然的摇荡休憩时，不知不觉往复旋转的动能转化为水泵的旋转动能，人们还没有意识到时，水流已经哗哗的扬升到了建筑屋顶的水箱中。

3．脚踏跑步健身器的一对垂直吊杆顶端固定在模块一的A轴两端、上臂牵拉健身器点转轮套装在模块一的A轴上、……五、往复旋转转变为单向旋转装置的优点往复旋转健身动能装置可以有多重用途，人们使用多种类健身器材的往复活动产生的往复旋转动能，都可以由本装置提取并转化为单项旋转动能而得到加速利用例如：与我们的初始课题“校园节能健身扬水系统"相互结合，进行学生动能的提取，转化为顶楼水箱的势能，从而达到低碳经济，节能减排和健身结合的目的，或者可以用该装置带动小型发电机，将提取出的单向旋转动能转化为电能，储存在蓄电池或者是超级电容中，以供使用，同样达到了低碳经济，节能减排和健身结合的目的，更甚至直接利用转化而得的电能，给充电、给电脑充电、给饮用水加热等当人们在活动、当人们在健身锻炼，他不知不觉的已经把自己多余的体能贡献出来，为社会的节能减排出了一把力！我会继续改进我的创意制作，利用我的设计让我们的明天耗能更少，环境更美六、往复旋转转变为单向旋转装置的材料以及价格购 物 商 店购 买 材 料单 价数 量高安模型直飞主齿中心座组1562高安模型主齿轮492高安模型马达齿轮492。