一种可发电健身自行车的制作方法

本发明涉及自行车技术领域，具体涉及一种可发电健身自行车。

背景技术

健身自行车是一种常见的健身器材，人们通过脚蹬带动车轮旋转、但是车架保持不动，起到了室内健身的效果。健身自行车的原理是将生物能转化为机械能，如果能在健身自行车上安装发电装置将机械能转化为电能的话，既可以节能环保又不丧失健身的作用。健身自行车在使用过程总存在不同程度的振动，因此将工作环境固有振动能量转化为电能的可发电健身自行车具有良好的应用前景。

目前现有的可以发电的健身自行车，一般都是在健身自行车上安装一个发电机，通过脚踩实现发电，或者通过振动带动飞轮、切割磁感线，将振动的机械能转换为电能，然后将电能储存在蓄电池中。但是这种装置的健身自行车零部件多，结构复杂，维修麻烦，能量转换效率低，也影响了健身自行车的美观。

因此，需要一种结构简单、转化效率高的发电装置来实现将健身自行车产生的振动能量能转换成电能。

技术实现要素：

鉴于上述缺陷本发明提供了一种可发电健身自行车，在健身自行车坐垫里设置能量转换装置，当使用时自行车产生振动，带有压电材料的振动结构会产生相应的运动，在压电材料中形成应力，进而产生电势，通过外接电路转化为电能输出，从而将振动能量转化为电能。

本发明提出的技术方案为：一种可发电健身自行车，包括车架，其特征在于，还包括固设于所述车架上的壳体，所述壳体内设有能量转换装置、蓄电组件；所述能量转换装置的外侧与所述壳体固定连接，所述能量转换装置与蓄电组件电性连接；所述能量转换装置能够将机械振动转化为电能并储存在所述蓄电组件中。

较佳的，所述能量转换装置包括：外框，所述外框与所述壳体固定连接；电转化组件，所述电转化组件包括支撑基片、固设于所述支撑基片上的压电材料；所述支撑基片位于所述外框内，所述压电材料上设有电极，所述电极与所述蓄电组件电连接。

较佳的，所述能量转换装置还包括：

调频结构，所述调频结构设置在所述外框对立于所述电转化组件的一面；

自反馈结构，所述自反馈结构的上半部分为半包围的框体，所述支撑基片位于所述框体内并与所述框体接触，所述自反馈结构的下半部分与所述调频结构接触；

所述调频结构与所述自反馈结构能够进行互动，通过互动使所述自反馈结构与所述支撑基片相接触的位置改变。

较佳的，所述调频结构包括调频交汇点和若干个调频悬臂，所述调频交汇点位于所述外框内，所述调频悬臂的一端与所述调频交汇点连接，所述调频悬臂的另一端与所述外框连接。

较佳的，所述调频悬臂上设置有限位槽和若干个调频单元，所述限位槽位于若干个所述调频单元的两侧。

较佳的，所述调频悬臂与水平面的夹角在1°-3°范围内。

较佳的，所述调频单元包括振动芯和腔室，所述振动芯根据外界振动频率产生振动并带动自反馈结构在悬臂梁上移动；所述腔室用于包裹所述振动芯。

较佳的，所述自反馈结构，包括第一水平部、第一降部、第二降部、第二水平部、第三降部与接触部；所述第一水平部、所述第一降部、所述第二降部及第二水平部共同围合成所述半包围的框体，所述悬梁臂位于所述框体内；所述第三降部与所述第二水平部连接，所述第三降部通过所述接触部与所述振动芯接触。

较佳的，所述接触部包括横向齿和纵向齿，所述横向齿与所述限位槽相配合；所述纵向齿与所述振动芯相配合。

较佳的，所述蓄电组件还连接有usb接口，所述usb接口与所述壳体固定连接，且所述usb接口的充电插口设置在所述壳体外面。

与现有技术比，本发明的有益效果在于：

1.本发明提供的一种可发电健身自行车只需通过健身时产生的振动即可让能量转化装置产生电力，不仅可达到原本强健体魄的目的，又可以将消耗的体能转化为电能，为车架上需要用电的器件提供电能，结构简单，转化效率高、节能环保，易于生产，推广性强，适用范围广。

2.在能量转换装置上设置调频结构和自反馈结构，可以调节能量转换的固有振动频率，使之尽可能地接近环境的固有振动频率。在工作环境的振动形式具有振动不连续、振动频率可能发生变化等特点时，可以长时间内维持谐振状态；有效的拓宽了工作频率宽度，提高了能量收集效率，而且易实现微型化、集成化，扩宽了适用范围，增强了实用性。

3.本发明提供的能量转换装置具有较宽的频率调节范围，因此可以在不做结构改变的情况下应用到不同的工作环境中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1(a)是本发明实施例一中的一种可发电健身自行车结构示意图；

图1(b)是本发明实施例一中的坐垫结构示意图；

图1(c)是本发明实施例一中的壳体位置示意图；

图2是本发明实施例一中的电流存储工作原理框图；

图3是本发明实施例一中的能量转换装置的结构示意图；

图4是本发明实施例二中的能量转换装置的结构示意图；

图5(a)是本发明实施例三中调频悬臂的侧视图；

图5(b)是本发明实施例三中调频悬臂的俯视图；

图6是本发明实施例三中的调频单元的结构示意图；

图7(a)是本发明实施例四中的自反馈结构的结构示意图；

图7(b)是本发明实施例四中的接触部结构示意图；

图8(a)是本发明实施例四中的调频单元静止状态图；

图8(b)是本发明实施例四中的调频单元开始工作状态图；

图8(c)是本发明实施例四中的调频单元结束工作状态图；

图9(a)是本发明实施例四中纵向齿与第一振动芯接触结构示意图；

图9(b)是本发明实施例四中纵向齿与第二振动芯接触结构示意图。

图中数字表示：

1-外框；2-电转化组件；21-悬臂梁；22-质量块；23-键合位置；3-调频结构；31-调频悬臂，32-调频交汇点；311-调频单元；312-限位槽；3111-振动芯；31111-第一振动芯；31112-第二振动芯；3112-下限块；3113-上限块；3114-上部开口；3115-凸部；3116-下部开口；4-自反馈结构；41-第一水平部；42-第一降部；43-第二降部；44-第三降部；45-横向齿；46-接触端；47-纵向齿；48-第二水平部；5-壳体；6-能量转换装置；7-蓄电组件；8-车架；9-坐垫；10-弹簧组件。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

图1(a)为为本实施例提供的一种可发电健身自行车结构示意图，可发电健身自行车包括车架8、设置于车架8上坐垫9、壳体5、置于壳体5内的能量转换装置6和蓄电组件7；能量转换装置6与蓄电组件7通过电路连接，壳体5装设于坐垫9内，能量转换装置6的外周侧与壳体5固定连接并使能量转换装置6的上下面与壳体5之间留有一定范围的空间，保证其压电装置能够自由振动，且尽量保持能量转换装置6水平放置，这样便于能量转换装置6更好的收集环境中的振动能量，更容易与外界振动保持同样的振动频率，提高能量转化效率。

健身自行车在使用时，振动力会集中在使用者所乘坐的坐垫9、坐垫9与车架8连接的部位，如此一来壳体5装设于坐垫9内部，坐垫9下方或者装设于坐垫9与车架8连接部位，均可以有效的为能量转换装置6提供适度的振动力，并产生一定的电能存储到蓄电组件7中，从而可以对健身自行车上的电子设备进行自助供电，满足使用者的使用要求。

图1(b)是本实施例中的坐垫结构示意图，图1(c)本实施例中的壳体位置示意图；本实施选提供的可发电健身自行车，优选为，在坐垫9与车架8的连接部位设有弹簧组件10，将壳体5设置在弹簧组件10上端。在健身自行车使用过程中，弹簧组件10伸缩振动并向壳体5传递振动力可以使能量转换装置6收集到更多的振动能量，提高转化效率。

图2为本实施例提供的一种可发电健身自行车的电流存储工作原理框图。蓄电组件7包括整流电路、稳压电路和电流存储模块。能量转换装置6产生的电荷通过导线引出，依次连接到整流电路和稳压电路，最后流入电流存储模块(如超级电容器)，为蓄电组件7充电，从而向各种电子器件进行供电。蓄电组件7可以为蓄电池，优选为铅酸电池，其具有大容量、高寿命的特点，使得在健身车上外接电器件得以实现。

图3为能量转换装置的结构示意图。本实施例提供的能量转换装置6包括：外框1和电转化组件2，电转化组件2包括一组支撑基片21、固设于支撑基片21上的质量块22，支撑基片21与外框1在键合位置23进行键合(或粘合，或一体成型)，支撑基片21背离质量块22的一面粘贴有压电材料，压电材料设置有上电极和下电极，上电极与下电极分别通过导线与蓄电组件7连接。

支撑基片21为具有较高自振频率的梁式结构，本实施例优选为十字结构，采用十字结构可以减小自重、增大振动振幅，提高发电效果。支撑基片21制造材料可以是塑料、金属或者其他非压电材料，以允许压电材料粘合于其上。本实施例支撑基片优选为金属材料，这种材料能够切实有效的解决振动过程中支撑基片与压电材料发生断裂的问题，有效的增加了装置的韧性，可以进行长时间的运行，并且可以在高强度的振动条件下运行。

压电材料可以采用压电单晶、压电陶瓷、氮化铝、钛酸钡(batio3)、聚偏氟乙烯(pvdf)压电膜或其他具有压电性质的材料，本实施例优选为聚偏氟乙烯(pvdf)压电薄膜，压电薄膜层通过环氧树脂粘附于金属薄膜支撑基片21上，通过溅射或蒸发的方法在压电薄膜层表面溅射一层金属电极，得到电极层，从而实现压电薄膜层的电极层与金属薄膜基片机械串联。

质量块22位于十字交接处的下表面，用来调节支撑基片21的振动频率，还可以提高频振动时所包含的机械能，获得更好的能量转换效率。质量块22的材料采用硬质塑料(如聚四氟乙烯)、铝、铜或不锈钢，一般根据工作环境振动频率的高低来选定。通常采用的材料材质较软、质量较轻时，装置固有频率会降低。

质量块22与支撑基片21可以通过粘合剂或者焊接法固定，使质量块22、支撑基片21的结合更为牢固，在低频高强度下工作时避免松动，影响电转化组件2的使用效果。

在使用者使用健身自行车时，能量转换装置6感应到环境振动，质量块22带动支撑基片21上下振动，电转化组件2的动能转化为形变势能，随后引起支撑基片21带动压电材料以其自振频率作高频振动。在电转化组件2振动过程中，设置在支撑基片21上的压电材料会随之发生相对运动而产生一定的弯曲，压电材料受到交变应力作用，使得压电材料表面不断感应出正负电荷，应力导致电荷在压电材料中积累并形成电势，在有外接电学回路的情况下，通过设置的上下电极将正负电荷收集起来，并通过导线连接到蓄电装置7进行存储，实现将振动机械能转化为高频输出的电能。

本实施例提供的可发电健身自行车通过能量转换装置6，利用健身车在使用过程中产生的振动，触发压电材料产生电流，从而实现发电；高效的将运动过程中产生的振动能力转化为电能，并存储到蓄电组件7里，为车架8上需要用电的器件进行供电。本实施例提供的可发电健身自行车结构简单，节能环保，易于生产，推广性强，适用范围广。

实施例二

振动频率对能量转换装置6收集振动能量有很大的影响，当周围环境振动源的频率与能量转换装置6谐振频率一致时，能量转换装置6收集效率高；然而当周围环境振动源的频率偏离支撑基片21的谐振频率时，输出能量会急剧减少，能量转换装置6收集效率低。为收集到尽可能多的振动能量，应使能量转换装置6尽可能地在谐振状态工作，也就是需要使能量转换装置6的固有频率尽可能地接近环境固有振动频率。

因此，进一步地，

图4为本实施例的能量转换装置的结构示意图。本实施例与上述实施例的不同之处在于，本实施例的能量转换装置6还包括调频结构3和自反馈结构4，调频结构3设置在外框1对立于支撑基片21固设的一面；自反馈结构4整体呈现“问号”的形状，其上半部分为半包围的框体结构并与电转化组件2相接触，下半部分与调频结构3相接触。

当环境振动频率与电转化组件2的固有频率不相同或不相接近时，自反馈结构4能够与调频结构3进行互动，并且移动自反馈结构4与支撑基片21相接触的位置；自反馈结构4与支撑基片21相接触的位置不同，能够很明显地改变电转化组件2的固有频率，以使电转化组件2的固有振动频率接近外界振动频率，提高转化效率。

同时，自反馈结构4与调频结构3的高度可以根据实际环境中的振动源频率范围及振动强度进行设置，达到所需的输出电压，使得在不同的共振频率下，压电材料输出的电压始终是大致相同的，有稳压的效果。

本实施例的能量转换装置可以有效收集低频、高强度的冲击能量，同时解决了因环境固有振动频率具有多值、可变等特点所导致的振动结构谐振频率不易匹配、能量转换装置转换效率低等问题，适用范围广。

本实施例的能量转换装置6由于具有较宽的频率调节范围，因此可以在不做结构改变的情况下应该用到不同的工作环境中。

实施例三

图5(a)为本实施例调频悬臂的结构示意图，图5(b)为本实施例调频悬臂的俯视图。本实施例与上述实施例的不同之处在于，调频结构3包括调频悬臂31、调频交汇点32、调频单元311与限位槽312。

调频悬臂31有四个，且四个调频悬臂31与调频交汇点32构成与支撑基片21相对应的十字结构，十字交接处为调频交汇点32，调频悬臂31的外端与外框1连接。每一个调频悬臂31上设置有若干的调频单元311，调频单元311在调频悬臂31上顺次、单列设置。每个调频单元311的固有振动频率都不同，以使在外界振动频率不同时，均有一调频单元311的固有振动频率与外界振动的频率相同或相近。若干个调频单元311两侧设置有用于限位的限位槽312，用来限定自反馈结构4的移动方向。

设立若干个调频单元311可以扩大振动频率调节范围，收集环境中具有一定频带宽度振动源的能量。进一步的，调频悬臂31与水平面呈现出一个微小的倾角，倾角的范围优选为1°-3°。设置倾角能够增大调频单元311的振动幅度，使得调频单元311的固有振动频率随着倾角的增大逐渐减小，这样所有调频单元311的固有频率都不相同，更精确的调整自反馈结构4与支撑基片21的接触位置，使电转化组件2的固有振动频率接近外界振动频率，能量转换装置6吸收更多的振动能量。

图6为本实施例调频单元的结构示意图，调频单元311包括振动芯3111、用于包裹振动芯3111的腔室；腔室上端形成的上部开口3114用于振动芯3111上端通过，下端形成的下部开口3116用于振动芯3111下端通过；振动芯3111上端形成凸部3115；振动芯3111包括下限块3112、上限块3113，下限块3112与上限块3113共同作用限定振动芯3111在腔室内的位置。

当使用者使用健身自行车时，调频结构3接受到外部环境的振动，其中一个振动芯3111的凸部3115与自反馈结构4相接触，将自反馈结构4顶起，从而改变自反馈结构4与支撑基片21的接触位置。每一个调频单元311的结构相同，相邻的两个调频单元311，通过调节振动芯3111的参数，例如质量、粗细、上限块、下限块的位置，每两个调频单元311的固有振动频率都不同，且振动芯3111的固有振动频率依次减小。

实施例四

图7(a)为本实施例自反馈结构的结构示意图，本实施例与上述实施例的不同之处在于，自反馈结构4包括第一水平部41、第一降部42、第二降部43、第二水平部48、第三降部44与接触部46。第一水平部41、第一降部42、第二降部43及第二水平部48共同围合成一个半包围的框体，用于包围支撑基片21，形成的半包围框体总会有一点与支撑基片21接触并可以在支撑基片21上移动；第三降部44与第二水平部48连接，第三降部44下端为接触部46，接触部46与调频悬臂31接触。这样可以通过调节自反馈结构4与支撑基片21接触的位置，来调节电转化组件2的固有振动频率。

图7(b)为本实施例四中的接触部结构示意图，进一步地，接触部46包括横向齿45与纵向齿47，横向齿45能够插入限位槽312中，使自反馈结构4在移动的过程中不会脱出调频单元311；纵向齿47与振动芯3111的凸部3115相配合，实现自反馈结构4在调频悬臂31长度方向上的移动。

可以理解的是，凸部3115嵌入纵向齿47的深度要比横向齿45插入限位槽312的深度要浅，这样能保证自反馈结构4能在调频悬臂31长度方向上的移动且不脱离限位槽312，从而更好的调整自反馈结构4与支撑基片21接触的部位，达到调节电转化组件2的固有振动频率的目的。

图8(a)为调频单元静止状态图，在静止状态时，由于调频悬臂31与水平面呈现出一个微小的倾角，自反馈结构4的接触端46位于调频悬臂31的最低点。

当器件开始工作时，振动芯3111感受到外界振动，与外界振动最接近的振动芯3111振动幅度最大，即振动芯3111跳出腔室，露出的部分最多，由于上限位块3113的限位作用，振动芯3111不会跳离出腔室，体现在图8(b)中就是振动芯3111所处的位置最高。

这样，在某个振动频率下，由于各振动芯3111的固有振动频率不同，必定有一个振动芯3111振动幅度最大；由于振动芯3111的固有振动频率依次减小，与振动幅度最大的振动芯相邻的振动芯，经由中间到两边的振动频率逐渐衰减，振动芯的振动幅度逐渐降低。越接近振动幅度最大的那个振动芯3111，振动幅度越大，反之，距离振幅最大处越远，振幅越小。而由于调频悬臂31的倾角的原因，在振动幅度最大的振动芯3111两侧，其他的振动芯的高度下降的速度不同，朝向调频悬臂31下坡的一侧，振动芯之间的高度差距大，而朝向调频悬臂31上坡的一侧，振动芯之间的高度差距小。

图8(b)为调频单元开始工作状态图，本实施例的自供电健身自行车在使用时，接触端46接触振动芯3111，考虑以下情况：如图9(a)所示，两个相邻的第一振动芯31111与第二振动芯31112，第一振动芯31111振幅大，第二振动芯31112振幅小，第一振动芯31111与第二振动芯31112同时接触纵向齿47，由于两个振动芯的振动幅度必然不同，那么纵向齿47会被振动幅度更大的、露出的上端更多的第一振动芯31111顶起，同时接触端46的横向齿45仍插入限位槽312中，也就是说，此时接触端46的纵向齿47只受到第一振动芯31111的作用，同时自反馈结构4能一直不脱离限位槽312，与支撑基片21在方向上保持一致，自反馈结构4与支撑基片21始终都会有接触点。

图9(b)为本实施例中纵向齿与第二振动芯接触结构示意图，当第二振动芯31112的振幅超过第一振动芯31111时，第二振动芯31112将纵向齿47顶起，纵向齿47脱离第一振动芯31111并向第二振动芯31112方向移动。振动芯3111顶端是凸部3115，凸部3115与纵向齿47接触并沿纵向齿47的齿壁向内滑动，凸部3115的中间较高部分会插入纵向齿47的齿状结构，从而使纵向齿47产生横向移动。可以理解的是，第一振动芯31111与第二振动芯31112之间的距离小于纵向齿47的齿间距的一半，也即至少有三个相邻的振动芯位于同一个纵向齿下，保证相邻的不同振幅的振动芯总是能顶起纵向齿，实现自反馈结构4在支撑基片21上的移动。

这样可以看出，图8(c)为实施例中调频单元结束工作状态图，接触端46总是逐渐脱离振动幅度较小的振动芯、受振动幅度较大的振动芯的影响，进而逐渐移动至振动幅度最高的振动芯上方。移动至振动幅度最高的振动芯上方后，接触端46不再移动。此时，电转化组件2的固有振动频率最接近外界振动频率，能量转换装置6收集振动能量的效率最好，可以转化出更多的电能，满足usb插口、音响等健身自行车车架8上需要用电的器件的供电需求。

即便在某些频率上实现了精确调谐，由于工作环境的振动形式还具有振动不连续、振动频率可能发生变化等特点，导致振动结构容易偏离谐振点，难以在长时间内维持谐振状态。本实施例通过设置自反馈结构4，使得能量转换装置6能根据振动环境调节精确调谐自身的固有振动频率，在工作环境的振动形式具有振动不连续、振动频率可能发生变化等特点时，可以长时间内维持谐振状态；有效的拓宽了工作频率宽度，提高了能量收集效率，而且易实现微型化、集成化，扩宽了适用范围，增强了实用性。同时，避免了因调节谐振频率导致电压间断性输出的问题，可以得到连续输出的有效电压，更能适应频率变化快的振动环境。

实施例五

本实施例与上述实施例的不同之处在于，蓄电组件还连接有一usb插口，安装usb插口可以为手机、mp3等设备充电，增加健身的乐趣。usb插口设置在壳体表面，在需要充电时候，使用者可以轻松把用电器插上usb插口，即可为用电器件充电。内设有蓄能组件7与能量转换装置6的壳体5包裹在坐垫9里面，进一步防止爆晒和尘埃；坐垫9里面设置防水布，防止蓄能组件与能量转换装置进水；壳体5设有usb充电插口，usb充电插口的一侧设置在坐垫9外面；usb插口带有防水罩，充电时候拔开；充电完毕后插回usb插口，这样可以防水防尘。本实施例提供的可发电健身自行车具有环保、功能强大，可实现自供电的优点

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。