CN110812788A - 水力发电式竞技动感单车系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水力发电式竞技动感单车系统，包括单车机构、螺旋提升机构、水利循环机构、浮球循环机构和电子计数显示机构等。螺旋提升机构中心转轴的两端分别通过轴承安装在圆柱筒两端壁中心，中心转轴外侧分布有连续螺旋叶片，圆柱筒倾斜放置，其底部设置有进水口，其顶部设置有出水口，中心转轴从圆柱筒下端引出后安装有直齿轮，该直齿轮与车辆侧面的螺旋齿啮合。本发明动感单车除了传统意义上的锻炼身体之外，还能将居民使用动感单车时产生的机械能通过阿基米德螺旋等机械装置转化为水的位能，符合绿色能源的要求，可以作为健身运动器械和公共场所的竞技产品，其可视化储能特点具有很大的发展空间，适合推广应用。

Description

水力发电式竞技动感单车系统

技术领域

本发明属于运动健身器械技术领域，具体涉及一种能够可视化实现竞技比赛或运动的动感单车系统。

背景技术

随着人们生活水平的提高，人们对健康的认识也渐渐清晰起来，以共享单车为例的健身器械深入大家的生活，但是人们在健身时没有得到充分的利用，绝大部分被浪费，虽然出现了少量的发电设备但是只是停留在娱乐方面。现有健身单车普遍只是以运动为目的，不具有可观赏性和可视运动性，从而不适合在公众场所展示竞技性能，所以不能提供更高的运动趣味以提高其使用频率，不能以兴趣提高使用者运动量的目的。目前现有健身单车的改进技术大都针对提高运动效果为目的的改进，公开号为CN 107158651B的一种多功能健身单车，包括单车模块、洗衣模块以及发电模块；洗衣模块包括洗衣机等，其目的是将锻炼者在使用健身单车健身时产生大量机械能转换为电能利用，而传统健身单车中这些能量往往没有得到利用，最终转换成热能直接排放到环境中。然而该专利技术以及现有各种通过健身单车发电的技术都是将健身单车产生的机械能通过发电机转化成电能，并储存在蓄电池中，再经逆变器、变压器等转化成所需的电源供给家用小型用电器使用。这种储能模式需要配备蓄电池，蓄电池储能效率低且会自动放电，储能效果差，且蓄电池的生产制造和废物处理过程本身会造成环境污染，不是真正的绿色储能感念，不适合针对健身者树立准确稳固的绿色储能理念。而且现有各种通过建设单车产生电能的过程中，实质是将机械能转化为化学能，转化过程不能被肉眼直视观测，所以影响健身者持续执行绿色储能理念的动力和信心。

发明内容

针对目前健身单车运动结构形式只适合于健身运动而不适合与可视化的竞技运动问题，本发明提供一种竞技动感单车系统，具有运动和竞技功能，其运动过程能够使运动人员或竞技参赛者对其运动效果的可视化，从而使其利于被观众或评委或综艺节目所选择使用，能够达到提高使用者积极性以提高运动量的目的和同时转换运动为电能的目的。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种水力发电式竞技动感单车系统，包括单车机构、螺旋提升机构、水利循环机构、浮球循环机构和电子计数显示机构等。

单车机构包括单车主体和车轮，单车主体的后侧设置有轮轴用于安装车轮，在车轮的一个侧面上设置有螺旋齿，通过支撑罩连接两侧轮轴，支撑罩固定在单车主体上。

螺旋提升机构包括圆柱筒和中心转轴，中心转轴的两端分别通过轴承安装在圆柱筒两端壁中心，中心转轴外侧分布有连续螺旋叶片，连续螺旋叶片与所述圆柱筒内壁密封对接，圆柱筒倾斜放置，其底部设置有进水口，其顶部设置有出水口，中心转轴从圆柱筒下端引出后安装有直齿轮，该直齿轮与所述螺旋齿啮合；中心转轴从圆柱筒下端引出后套装于轴承，该轴承固定在单车主体的后架上。

水利循环机构包括下水箱和上水箱，下水箱通过抽水管连接有供水过渡水箱，所述进水口插入该供水过渡水箱中，且供水过渡水箱内的液面高于圆柱筒底部端面高度，所述圆柱筒顶部出水口的下方设置有接水过渡水箱，从接水过渡水箱引出过渡管连通至上水箱，上水箱通过回水管连通至下水箱，且在回水管的下端安装有发电机。在回水管上安装有球阀，用以选择控制排水发电。

浮球循环机构包括回球通道、投球通道、自动储球室和手动储球室，投球通道竖向固定于回球通道的下端，且在所述圆柱筒底部上侧或侧面设置有投球入口，投球通道底部连通于该投球入口；所述自动储球室位于回球通道上部且相邻于投球通道上侧，回球通道的底部通过自动进球孔与自动储球室连通，自动储球室与投球通道的公共侧壁底部设置有调节进球孔，在该调节进球孔上侧贴合安装有调节挡板，调节挡板上端连接有推拉杆，公共侧壁上固定有滑套，推拉杆套装于滑套内，在推拉杆顶部固定有提手；在所述水过渡水箱的上侧设置有与所述回球通道连通的回球口。

在浮球循环机构中，在位于手动储球室上部的回球通道上侧壁设置有换向机构，换向机构包括在回球通道上侧壁开设的导出孔，位于导出孔下缘设置轴孔并安装销轴，销轴上铰接有摆杆，摆杆的一端伸入回球通道内，另一端安装有配重块，换向机构的摆杆向下摆动后，配重块支撑在导出孔的下侧位使摆杆的一端横向阻挡在回球通道内并作为导向杆将浮球到处导出孔之外并进入手动储球室内，换向机构的摆杆向上摆动后，配重块支撑在导出孔的上侧位使摆杆贴合于回球通道的内壁且封堵导出孔。

电子计数显示机构包括安装在回球通道侧壁的过球感应器和播音喇叭，过球感应器将感应信号传递给控制器并由控制器通过播音喇叭放出。同时还设置对过球感应器的计数器，控制器将计数器的数据保存在存储单元请投于在显示器。

在所述水过渡水箱的上侧设置有与所述回球通道连通的回球口时，该回球口位于过渡水箱上侧，且在过渡水箱上侧设置过滤网，用于阻止浮球进入过渡水箱内且使浮球进入回球通道。

本发明的有益效果：本发明动感单车除了传统意义上的锻炼身体之外，还能将居民使用动感单车时产生的机械能通过阿基米德螺旋等机械装置转化为水的位能，继而将高水位水经引水系统流入推动水轮发电机组发出电能，再经升压变压器、开关站和输电线路输入电网。这样在锻炼身体的同时，将产生的机械能源源不断的转化为水的位能，进而用于发电，满足市场的需求，简单有效，符合绿色能源的要求，具有很大的发展空间。

本发明给运动者树立一种能够通过自身运动实现绿色储能的观念，肉眼可视方式了解自己运动所带来的绿色储能效果，促使运动者有持续运动的动力和信心。

本发明竞技动感单车系统是通过螺旋提升机构将下水箱提升至上水箱，进而还可以利用上下水箱存在的高度差，实现水力发电的应用。在通过螺旋提升机构将下水箱提升至上水箱的过程中，同时在螺旋提升机构的底部投放浮球，通常是由标记的浮球，例如针对某竞技运动员特殊标记或姓名或头像的浮球，浮球随水流被螺旋提升机构驱动向上运动。在实现螺旋提升机构运动过程中是一个费力做功的过程，通过单车机构驱动螺旋提升机构工作，竞技人员通过对比运动速度和运动时间的方式确定胜负，非常适合于纵移节目或者室外水上乐园领域使用，也可应用于健身机构内部。由于采用的螺旋提升机构内螺旋叶片能够将水分割成不同高度的各区域，同时特定浮球位于该区域内，以浮球上升速度作为对比，以浮球置顶后返回为一次比赛记录。本发明在满足趣味竞技的同时，又能够实现将运动变为电能。而且这种电能的转化是存机械式可视状态的，利用竞技人员、观众和摄影记录该运动过程，提高参与人员的积极性，以竞技为目的实现水利发电的广泛应用，达到绿色蓄能目的。

本发明具有两种游戏模式，模式一为完全自动循环模式，通过自动储球室能够实现该自动循环模式。模式二为有目标地竞技模式，该模式需要有特定的标记有竞技人员颜色后图标等标准的浮球，所以选择手动储球室。通过手动操作调节挡板决定是否将调节进球孔堵死，自动模式下需要控制打开调节进球孔，手动模式需要调节封闭调节进球孔。

附图说明

图1是本发明单车系统的结构示意图。

图2是图1中水利循环机构的示意图。

图3是图2中车轮与中心转轴传动关系示意图。

图4是图1中浮球循环机构的示意图。

图5是图4的另一种循环状态示意图。

图6是另一种单车系统的结构示意图。

图7是有一种单车系统的结构示意图。

图8是采用电子计数显示机构的框图。

图中标号：单车机构1，螺旋提升机构2，水利循环机构3，浮球循环机构4，电子计数显示机构5，车轮11，轮轴12，螺旋齿13，支撑罩14，轴承15，圆柱筒21，中心转轴22，直齿轮23，出水口24，进水口25，连续螺旋叶片26，下水箱31，抽水管32，供水过渡水箱33，接水过渡水箱34，过渡管35，上水箱36，回水管37，发电机38，球阀39，回球通道41，投球通道42，自动储球室43，手动储球室44，换向机构45，摆杆451，转轴452，配重块453，导出孔454，回球口46，调节挡板47，推拉杆471，滑套472，提手473，调节进球孔474，自动进球孔48，投球入口49，过球感应器51，播音喇叭52。

具体实施方式

实施例1：如图1所示的竞技动感单车系统是通过螺旋提升机构2将下水箱提31升至上水箱36，进而还可以利用上下水箱存在的高度差，实现水力发电的应用。在通过螺旋提升机构2将下水箱提31升至上水箱36的过程中，同时在螺旋提升机构2的底部投放浮球，通常是由标记的浮球，例如针对某竞技运动员特殊标记或姓名或头像的浮球，浮球随水流被螺旋提升机构2驱动向上运动。在实现螺旋提升机构2运动过程中是一个费力做功的过程，通过单车机构驱动螺旋提升机构2工作，竞技人员通过对比运动速度和运动时间的方式确定胜负，非常适合于纵移节目或者室外水上乐园领域使用，也可应用于健身机构内部。由于采用的螺旋提升机构2内螺旋叶片能够将水分割成不同高度的各区域，同时特定浮球位于该区域内，以浮球上升速度作为对比，以浮球置顶后返回为一次比赛记录。本发明在满足趣味竞技的同时，又能够实现将运动变为电能。而且这种电能的转化是存机械式可视状态的，利用竞技人员、观众和摄影记录该运动过程，提高参与人员的积极性，以竞技为目的实现水利发电的广泛应用，达到绿色蓄能目的。

如图1中的动感单车，人消耗的生物能主要转化为车轮的动能，高速转动的车轮是整个提水装置的动力源。与普通变速单车一样，人们可以通过变速调节来选用适合自己锻炼的转速。人与动感单车之间的传动方式属于联轴器。传动效率高达98%甚至100%。所采用的单车机构1包括单车主体和车轮11，单车主体的后侧设置有轴架并安装轮轴12，轮轴12上安装车轮11，此处的轴架内可以套装轴承或轴套，以便于车轮11处于非常顺畅的转动状态，车轮11受阻来自于对中心转轴22的做功。在车轮11的一个侧面上设置有螺旋齿13，如图3所示的传动结构，通过支撑罩14连接两侧轮轴12，支撑罩14固定在单车主体上。

螺旋提升机构2如图1和图2所示，包括圆柱筒21和中心转轴22，其中圆柱筒21为透明材料支撑以便于透视，中心转轴22的两端分别通过密封轴承安装在圆柱筒21两端壁中心，中心转轴22外侧分布有连续螺旋叶片26，连续螺旋叶片26与所述圆柱筒21内壁密封对接。图中可以看出圆柱筒倾斜放置，即设置有固定圆柱筒21的支架，图中省略支架结构。如图2中，圆柱筒21底部设置有进水口25，其顶部设置有出水口24。

如图3所示，中心转轴22从圆柱筒21下端引出后安装有直齿轮23，该直齿轮23与所述螺旋齿13啮合。图1中可以看出，中心转轴22从圆柱筒21下端引出后套装于轴承15，该轴承15固定在单车主体的后架上。

水利循环机构3如图1和图2所示，下水箱31通过抽水管32连接有供水过渡水箱33，进水口25插入该供水过渡水箱33中，且供水过渡水箱33内的液面高于圆柱筒21底部端面高度，其目的是保持下水位始终浸没圆柱筒21的下端，自然状态下水位位于圆柱筒21下端的至少一个螺距以上。

圆柱筒21顶部出水口24的下方设置有接水过渡水箱34，从接水过渡水箱34引出过渡管35连通至上水箱36，上水箱36通过回水管37连通至下水箱31，且在回水管37的下端安装有发电机38。在回水管37上安装有球阀39，用以选择控制排水发电。存水上水箱36相对于下水箱31具有重力势能，根据需要选择打开球阀39，使存水的重力势能通过发电机38（例如小型水轮机）再转化为电能。如果该运动能够持续进行，则发电能够持续，如果运动间断进行，则上水箱36的存水根据需要使用。

浮球循环机构4如图4和图5所示，该机构包括回球通道41、投球通道42、自动储球室43和手动储球室44等结构部件。其中，回球通道41需要连接于圆柱筒21上端和下端，即将从顶部出水口24排出的浮球收回，通过投球通道42达到进水口25。所以回球通道41

最好设置为倾斜状态，例如与圆柱筒21近似平行的倾斜程度。

如图4中，在投球通道42竖向固定于回球通道41的下端，且在所述圆柱筒21底部上侧或侧面设置有投球入口49，投球通道42底部连通于该投球入口49；通过投球入口49可以直接将相应浮球投送进入圆柱筒21的下端内部，并被螺旋叶片26推送向上逐渐移动。该过程中，由于圆柱筒21为透明管，所以浮球被向上输送过程中能够始终被观测到。

本实施例具有两种游戏模式，模式一为完全自动循环模式，通过自动储球室43能够实现该自动循环模式。模式二为有目标地竞技模式，该模式需要有特定的标记有竞技人员颜色后图标等标准的浮球，所以选择手动储球室44。

具体地，如图4所示，自动储球室43位于回球通道41上部且相邻于投球通道42上侧，回球通道41的底部通过自动进球孔48与自动储球室43连通，自动储球室43与投球通道42的公共侧壁底部设置有调节进球孔474，在该调节进球孔474上侧贴合安装有调节挡板47。通过手动操作调节挡板47决定是否将调节进球孔474堵死，自动模式下需要控制打开调节进球孔474，手动模式需要调节封闭调节进球孔474。通过调节挡板47来封堵调节进球孔474的方式是：如图4中在调节挡板47上端连接有推拉杆471，公共侧壁上固定有滑套472，推拉杆471套装于滑套472内，在推拉杆471顶部固定有提手473，向上拉动提手473并固定后，能保持调节挡板47不再脱落，固定提手473或推拉杆471的方式很多，例如通过在推拉杆471侧壁设置挡台，提拉和转动使挡台被阻止在滑套472上侧。

如图1中，在所述水过渡水箱34的上侧设置有与所述回球通道41连通的回球口46；该回球口46位于过渡水箱34上侧，且在过渡水箱34上侧设置过滤网，用于阻止浮球进入过渡水箱34内，且使浮球进入回球通道41。

工作原理：

1.根据人对踏板作用力垂直于其间连杆运动方向的分力和单车脚踏板间距确定出人对踏板间连杆的作用力矩和连杆的角速度，进而可得出动感单车的机械能，动感单车机械能再乘以链传动的效率η₁即得动感单车后轮的机械能总量。

2.后轮转动带动锥齿轮运动，将平面圆周运动转化为轴向运动，锥齿轮的工作效率为η₂。 3.阿基米德螺旋随着螺杆的连续转动，液体螺旋形方式从一个密封腔压向另一个密封腔，最后挤出泵体，阿基米德螺旋工作效率为η₃。

4.由能量守恒原理可计算得水泵在提水过程中总的机械能，再由水力学的能量方程联合牛顿第二定律可计算出人运动一定时间可提高水位能的总量。

5.通过水轮机，将水位能总量转换为电能，水轮发电机组工作效率为η₄。

能量传递效率

连接部件	单车链条处η<sub>1</sub>	锥齿轮η<sub>2</sub>	阿基米德η<sub>3</sub>	水轮机η<sub>4</sub>
					η值	0.98	0.90	0.70	0.70

实施例2：在实施例1基础上，基于以上设计，在提升水的同时能够实现浮球完全自动循环模式，可应用于一般健身人员，能够实现有目标地竞技模式，适合于公共场所竞技和娱乐活动。为提高两者切换的灵活性，可以选着使用如图4和图5所展示的换向机构45。从图中可以看出，在位于手动储球室44上部的回球通道41上侧壁设置有换向机构45，换向机构45包括在回球通道41上侧壁开设的导出孔454，位于导出孔454下缘设置轴孔并安装销轴452，销轴452上铰接有摆杆451，摆杆451的一端伸入回球通道41内，另一端安装有配重块453，换向机构45的摆杆451向下摆动后，配重块453支撑在导出孔454的下侧位使摆杆451的一端横向阻挡在回球通道41内并作为导向杆将浮球到处导出孔454之外并进入手动储球室44内，换向机构45的摆杆451向上摆动后，配重块453支撑在导出孔454的上侧位使摆杆451贴合于回球通道41的内壁且封堵导出孔454。

实施例3：在实施例1或2基础上，有采用了电子计数显示机构，如图1和图8所示，该机构包括安装在回球通道41侧壁的过球感应器51和播音喇叭52，过球感应器51将感应信号传递给控制器并由控制器通过播音喇叭52放出。同时还设置对过球感应器51的计数器，控制器将计数器的数据保存在存储单元请投于在显示器。

实施例4：在实施例1基础上，通过改变螺旋提升机构2的方位和传动结构，实现将螺旋提升机构2布置于任何适合的位置，例如采用如图6所示的适合于竞技参赛者观察的部位。本实施连接装置采用锥齿轮结构，其中动力源为动感单车的后轮，随着后轮的旋转周期运动，后轮上的锥齿轮也做相同的圆周运动，通过齿轮咬合从而带动轴做轴向运动。通过锥齿轮将平面运动转化为轴向运动，建立起了运动器械与阿基米德螺旋的的紧密联系，抽水蓄能的理念得以运用。经查询资料可知，锥齿轮的工作效率在90%-95%。

在锥齿轮的联动作用下，联动杆做轴向运动，从而带动阿基米德螺旋转动，螺杆一方面绕本身的轴线旋转，另一方面它又沿衬套内表面滚动，于是形成泵的密封腔室。螺杆每转一周，密封腔内的液体向前推进一个螺距，随着螺杆的连续转动，液体螺旋形方式从一个密封腔压向另一个密封腔，最后挤出泵体。螺杆泵是一种新型的输送液体的机械，具有结构简单、工作安全可靠，使用维修方便、出液连续均匀、压力稳定等优点。经查询资料可知，阿基米德螺旋的工作效率在70%左右。

实施例5：在实施例1基础上，通过改变螺旋提升机构2的方位，与实施例1相同的是，将中心转轴22从圆柱筒21下端引出后直接安装有直齿轮23，且直接将该直齿轮23与所述螺旋齿13啮合，该方式尽量减少传动部件数量以降低摩擦提高能量传输效率。与实施例1不同的是，本实施例采用如图7所示的方式，将中心转轴22及螺旋提升机构2倾斜布置于竞技参赛者的正前方，更加具有针对性。

Claims (8)

1.一种水力发电式竞技动感单车系统，包括单车机构（1），单车机构（1）包括单车主体和车轮（11），单车主体的后侧设置有轮轴（12）用于安装车轮（11），其特征在于，还包括螺旋提升机构（2）、水利循环机构（3）和浮球循环机构（4），在所述车轮（11）的一个侧面上设置有螺旋齿（13），所述螺旋提升机构（2）包括圆柱筒（21）和中心转轴（22），中心转轴（22）的两端分别通过轴承安装在圆柱筒（21）两端壁中心，中心转轴（22）外侧分布有连续螺旋叶片（26），连续螺旋叶片（26）与所述圆柱筒（21）内壁密封对接，圆柱筒倾斜放置，其底部设置有进水口（25），其顶部设置有出水口（24），中心转轴（22）从圆柱筒（21）下端引出后安装有直齿轮（23），该直齿轮（23）与所述螺旋齿（13）啮合；所述水利循环机构（3）包括下水箱（31）和上水箱（36），下水箱（31）通过抽水管（32）连接有供水过渡水箱（33），所述进水口（25）插入该供水过渡水箱（33）中，且供水过渡水箱（33）内的液面高于圆柱筒（21）底部端面高度，所述圆柱筒（21）顶部出水口（24）的下方设置有接水过渡水箱（34），从接水过渡水箱（34）引出过渡管（35）连通至上水箱（36），上水箱（36）通过回水管（37）连通至下水箱（31）；所述浮球循环机构（4）包括回球通道（41）、投球通道（42）、自动储球室（43）和手动储球室（44），投球通道（42）竖向固定于回球通道（41）的下端，且在所述圆柱筒（21）底部上侧或侧面设置有投球入口（49），投球通道（42）底部连通于该投球入口（49）；所述自动储球室（43）位于回球通道（41）上部且相邻于投球通道（42）上侧，回球通道（41）的底部通过自动进球孔（48）与自动储球室（43）连通，自动储球室（43）与投球通道（42）的公共侧壁底部设置有调节进球孔（474），在该调节进球孔（474）上侧贴合安装有调节挡板（47），调节挡板（47）上端连接有推拉杆（471），公共侧壁上固定有滑套（472），推拉杆（471）套装于滑套（472）内，在推拉杆（471）顶部固定有提手（473）；在所述水过渡水箱（34）的上侧设置有与所述回球通道（41）连通的回球口（46）。

2.根据权利要求1所述的水力发电式竞技动感单车系统，其特征在于，在位于手动储球室（44）上部的回球通道（41）上侧壁设置有换向机构（45），换向机构（45）包括在回球通道（41）上侧壁开设的导出孔（454），位于导出孔（454）下缘设置轴孔并安装销轴（452），销轴（452）上铰接有摆杆（451），摆杆（451）的一端伸入回球通道（41）内，另一端安装有配重块（453），换向机构（45）的摆杆（451）向下摆动后，配重块（453）支撑在导出孔（454）的下侧位使摆杆（451）的一端横向阻挡在回球通道（41）内并作为导向杆将浮球到处导出孔（454）之外并进入手动储球室（44）内，换向机构（45）的摆杆（451）向上摆动后，配重块（453）支撑在导出孔（454）的上侧位使摆杆（451）贴合于回球通道（41）的内壁且封堵导出孔（454）。

3.根据权利要求1所述的水力发电式竞技动感单车系统，其特征在于，还设置有电子计数显示机构（5），该电子计数显示机构（5）包括安装在回球通道（41）侧壁的过球感应器（51）和播音喇叭（52），过球感应器（51）将感应信号传递给控制器并由控制器通过播音喇叭（52）放出。

4.根据权利要求3所述的水力发电式竞技动感单车系统，其特征在于，同时还设置对过球感应器（51）的计数器，控制器将计数器的数据保存在存储单元请投于在显示器。

5.根据权利要求1所述的水力发电式竞技动感单车系统，其特征在于，在单车主体的后侧通过支撑罩（14）连接两侧轮轴（12），支撑罩（14）固定在单车主体上。

6.根据权利要求1所述的水力发电式竞技动感单车系统，其特征在于，中心转轴（22）从圆柱筒（21）下端引出后套装于轴承（15），该轴承（15）固定在单车主体的后架上。

7.根据权利要求1所述的水力发电式竞技动感单车系统，其特征在于，在回水管（37）的下端安装有发电机（38），并在回水管（37）上安装有球阀（39），用以选择控制排水发电。

8.根据权利要求1所述的水力发电式竞技动感单车系统，其特征在于，在所述水过渡水箱（34）的上侧设置有与所述回球通道（41）连通的回球口（46）时，该回球口（46）位于过渡水箱（34）上侧，且在过渡水箱（34）上侧设置过滤网，用于阻止浮球进入过渡水箱（34）内且使浮球进入回球通道（41）。

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