新型翻转发电椅

合肥学院第五届科技节第七届机械创新设计大赛

Hefei University

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目 录

第1章 项目设计背景. ... ... ...................................- 4 -

第2章 产品说明.......................................... - 6 -

2.1 产品简介.................................... ......- 6 -

2.1.1 产品外观结构轮廓图.......................... - 6 -

2.1.2 产品系统装置总结构图........................ - 7 -

2.1.3 压力板与垫板................................. - 7 -

2.1.4 箱体结构............................. ........- 8 -

2.1.5 加速器........................................ - 8 -

2.1.6 皮质滚轮...................................... - 9 -

2.2 超级电容............................... ...........- 10 -

2.3 产品电路图.................. ................. ....- 11 -

第3章 参数计算.................. .......................- 12 -

3.1加速器的传动比....... .............................- 12 -

3.2 发电机转速................. .......................- 12 -

3.3 发电机的输出功率.............................. ..- 13 -

3.4 超级电容的充电时间....................... .......- 13 -

3.5 完成充电所需要的次数........... .................- 13 -

3.6 超级电容的工作时间.................... ..........- 13 -

第4章 作品设计原理及应用.............................. - 14 -

4.1 作品设计原理...................................... - 14 -

4.2 电路部分原理...................................... - 14 -

4.3 新型翻转发电椅的应用............................. - 14 -

第5章 产品项目设计创新点及优势......... ...............- 15 -

第6章 产品经费预算 ............ .............................- 16 –

第7章 产品市场前景分析 . ....................................- 16 –

第8章 作品设计总结....................................... - 17 -

参考文献...................................... .............- 18 -

新型翻转发电椅

摘 要：建设资源节约型、环境友好型社会是全民族的共同事业，是中国走科学发展道路中必不可少的的奠基石。然而，我国资源短缺、匮乏的现象日益突出，特别是电力资源。鼓励创建绿色学校、绿色教室已是当今社会的发展趋势，我团队多方面采集资料，通过不断地探讨和研究，确定了新型翻转发电椅这一独特课堂必备工具，一方面通过机械电子技术实现资源的节约与有效利用，另一方面，通过这一创新，可使莘莘学子树立资源节约意识和主动培养创新能力。

新型翻转发电椅是一款集便携性、实用性、经济性于一体的节能装置，其应用场合主要为教室和学术报告厅。发电装置安装于座椅的背面，随着座椅的翻转而开始工作。其产生的额外电能在为人们的生活带来便利的同时，也最大程度上响应了节能减排的号召，是一项创意十足的创意设计作品。

新型翻转发电椅有着良好的运用前景，极佳的稳定性和可扩充性都是它的优势，为国内外开发和创建智能节约的绿色学校、绿色教室的提供了很好的设计参考。21世纪，课堂已不再是过去的应试教学，它是一个为莘莘学子培养梦想、让梦飞翔的天堂，它需要幻梦似的配套设施，它需要绿色型的梦幻课堂，这里因有新型翻转发电椅而使课堂显得更加富有活力，因为它，使更多学子怀有梦想。

关键词： 发电椅 能量转换 节能减排

第1章 项目设计背景

当今社会，受多种因素影响，目前全国多省电煤库存告急，电力供应趋紧。如果按现有开发力度，我国的石油、天然气和煤炭的可开采储量仅能维持20年、50年、100年，进口同样不能解决问题。为维护国民经济正常运行，建设节约型社会，国家强力号召节约用电，但大量的能源消耗已是一个不容小觑的问题。随着第七次“地球一小时”活动的结束，节能减排的行动再次引起了人们的关注。如何实现能源的最大化利用，减少温室气体排放，一直是摆在世界各国面前的一项亟待解决的顽疾。在处处倡导节约社会的今天，教室用电的节约其实是一笔巨大的财富。然而，我们的生活中有许多的举动可以创造能源却被我们忽视了，我们由身边常见的现象出发，发现每天上课时翻转椅子时所做的功也可以产生巨大效益。比如说，教室里有摄像头、安全出口标识、防火铃、投影设备、照明灯等用电设备，如果我们设计一种翻转椅发电系统为它们供电，这将节省很多资源。因此，我们想出了这样的产品设备：在翻转椅下安装一个小型发电机，将翻转椅子时产生的机械能转化为电能，为小功率用电器供电。本发明即从这一背景出发，完美的将节能行为融合至日常生活中。新型翻转发电椅，其用途是将我们平时所见的大大小小，形状各异的翻转椅，改造成一个个“发电椅”，从而实现能源的转换循环利用。其原理，简而言之，即是将我们上课翻转椅子时产生的动能，通过本装置的一系列过程，转换为可被有效利用的电能，以实现教室的照明功能；抑或是将电能储存起来，以供应一些小型设备的运转（如门铃、警报器、摄像装置、移动设备等）。不论是

在教室，还是实验室，这些额外的电能都能派上巨大用场，使我们的生活更加便利舒适。查阅相关材料，目前国内外尚未生产出类似的发电设备，即便有运用相关机械原理，他们也只是将发电机的安装位置选择在高档餐厅的旋转门或家用安全门上。而我团队经过仔细研究探索，最终选择目前国内普遍使用的翻转椅为研究对象，进行机械创新设计，最终开发出新型翻转发电椅。在人们将越来越多的时间精力都投入到对现有机器设备进行改进，来实现节能减排的同时，殊不知却忽略了身边最常见的一种资源节约：把节能发明教室化，在国内乃至国际各类院校推广开来，让学生都能切身参与，方为最理想的节能形式，以同学们身边每天接触的充满梦幻的课堂为切入点，更有助于激发同学们的创新创造的热情，把理论应用于实践，真正实现学以致用的目的。每个人都有责任从身边小事做起，选择可持续的生活方式和消费方式。而新型翻转发电椅从人们开始接受教育时就萦绕在人们身边，更有助于以实际的事物去感染每一位公民，推动了建设资源节约型社会的宣传教育和信息传播，提高了公众意识，扩大公众参与度，对实现节能减排目标发挥十分重要作用。

第2章 产品说明

2.1 产品简介

2.1.1 产品外观结构轮廓图

产品外观整体轮廓图

2.1.2 产品系统装置总结构图

其中：①翻转椅板面 ②预紧装置 ③支撑架 ④垫板 ⑤发电机 ⑥转换电路 ⑦齿轮加速器 ⑧皮质滚轮

2.1.3 压力板与垫板

压力板对整个 撑架有一个横向的 压力，保证滚轮与 翻转椅固定支架圆 头长臂充分接触， 发电装置正常工作

.

2.1.4 箱体结构

安装支撑架时，首先把压力板扳开，挡板上的螺钉穿过铝箱上与之对应的连接孔；松开压力板，达到固定铝箱的目的。这种设计使支撑架在挡板的水平方向受到横向的力，使滚轮与翻转椅固定支架圆 头长臂充分接触，克服滚轮与圆形臂之间的打滑现象，防止装置不能有效工作的情况。同时这种设计拆卸简单方便，在必要时能够拆卸下来作应急电源使用。

2.1.5 加速器

齿轮加速器的输 出端连接发电机，三 级加速的设计可以 使发电机的转速可 以达到其额定转速， 保证发电机达到其

额定功率。

2.1.6 皮质滚轮

滚轮固定在加速器的输入轴上，可拆卸，通过翻转椅子时滚轮与翻转椅固定支架圆头长臂产生滚动摩擦，滚轮转动带动加速器的输入轴转动，这一过程把椅子的旋转运动转换成发电机转子的旋转运动，把整个装置放在远离翻转椅中心轴的外缘，可以最大程度上的加大滚轮的行程，使滚轮转速达到最大。同时，采用橡胶类皮质滚轮可以防止滚轮打滑现象，提高工作效率。

2.2 超级电容

采用了集成电路，简化了整机电路的设计、调试和安装，集成化的设计节省空间，性能可靠。蓄电装置选用两个串联的超级电容，充电速度快，环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”，大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；功率密度高，相当于电池的5~10倍；产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；很小的体积下达到法拉级的电容量；无须特别的充电电路和控制放电电路；超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题。

2.3 产品电路图

M —— 发电机

D1-D4 —— 二极管， DC/DC模块

D5为二极管，C1和C2为超级电容， DC/DC模块（*） K为光敏开关，D6为发光二极管

*DC-DC 模块：DC-DC 模块电源是一种定压产品，其电路为开环， 它的输出电压不会随着输入电压及输出负载的变 化而变化，主要被当作二次电源使用。

第3章 参数计算

3.1加速器的传动比

传动比: Z Z Z 55⨯54⨯51i ==≈66Z 1Z 3Z 516⨯11⨯13

3.2 发电机转速

小滚轮直径：d=60 mm

滚轮与翻转椅中心轴间距：R=220 mm

翻转椅翻转一次滚轮所转圈数：

πR s =≈1. 82πd

翻转椅翻转一次所需时间：t=2s

∴ 发电机的转速

s ⨯i ⨯60n ==3654r /min t

3.3 发电机的输出功率

由发电机的转速可得的发电机的功率：P=6.14 W

3.4 超级电容的充电时间

电路中是两个"2.7V 100F" 的超级电容串联，所以串联后等效为"5.4V 50F"的超级电容所以可以调节充电电路中的 DC/DC 模块, 使其输出电压U=5.4V，输出电流I =2A超级电容的初始充电电压U 1=3.0V,超级电容的终止充电电压U 2 =5.4V,超级电容的充电时间

t =Cdv 50⨯(5. 4-3. 0) =s =60s I 2

3.5 完成充电所需要的次数

翻转椅子一次所需要的时间t ，根据实验测得，翻转椅子一次平均时间 t 1=2s。

∴ 完成充电所需要的次数 t 60c ===152t 12⨯2

3.6 超级电容的工作时间

放电初始电压

U 4=5. 4V

放电截止电压

U =3. 0V 5

在负载中接入20只“ 3V 20mA ”的LED 灯放电时间：

C d v 50⨯(5. 4-3. 0) T ==s =300s =5min I 20⨯0. 02

第4章 作品设计原理及应用

4.1 作品设计原理

整个装置固定在翻转椅的底端，使滚轮与翻转椅固定支架圆头长臂充分接触，翻转座椅时，滚轮与座椅臂摩擦转动，从而带动加速器转动，经过加速器加速后使发电机的转子转动，产生电能，从而把翻转椅子时产生的动能转换成电能，然后储存到蓄电池中，用于教室供电及其他作用。

4.2 电路部分原理

发电机产生的电能通过 D1—D4 四个二极管整流，通过 DC-DC 模块输出恒压稳流，对两个串联的超级的电容充电，在超级电容的输出端加入 DC-DC 模块输出稳定的电压，可以为多种设备供电，其中二极管 D5 保证充电电路的单向充电，避免超级电容对发电机做功，D1—D4的作用使发电机的正反转都能对电容充电。

4.3 新型翻转发电椅的应用

蓄电池所储存的电能可以用来点亮过道灯，免去了我们找不到主灯开关，摸黑换鞋的苦恼；同时利用一部分电能为门铃供电，使门铃不再使用锂电池或干电池，减少对环境的污染，让我们拥有更美好的生活环境；整个装置便于拆卸，所以可以取下当应急能源使用；加上手柄可以变成手摇发电机。由于超级电容的输出端加了 DC/DC 模块，可以使之输出稳定连续的电压和电流，为移动设备等进行充电或保障运行提供条件。

第5章 产品项目设计创新点及优势

1、高效和快速的能量转换。应用超级电容，充电速度快，环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”，大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；功率密度高，相当于电池的5~10倍；产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；很小的体积下达到法拉级的电容量；无须特别的充电电路和控制放电电路；超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题。

2、可为多种设备供电。由于采用变压器装置，使得本产品可以根据用电需要，给手机、电脑等小功率用电设备进行充电，实现了真正的移动电源作用，可做应急能源使用。

3、安装简单，工作稳定。采用箱体结构安装部件，箱体与座椅背面用螺钉连接，易于安装与拆卸。同时，本产品相比传统椅子引入的齿轮变速器、滚动轴承装置和传动机构，突破了传统翻转椅翻转费力、噪音大的瓶颈，将使得翻转椅在翻转中更加的平顺、可靠、安全，无冲击和无噪声，翻转轻便省力。

4、历史性的突破。本产品采用全新的设计理念，构思新颖，填补了国内外翻转椅发电的空白，具有历史性的意义。

5、采用智能化传感技术。引入的智能化思想，安装具有可调节参数自动测压传感器，遇到压力过大等紧急情况时将实现自动报警并及时提醒使用者的功能。

6、设备简单，易于工厂化生产。本设计产品实用性强，适用范围广。结构简单，易于实现，成本低廉，易于工厂化批量生产，能够在我国各个学校广泛投入使用。

7、绿色环保，推动绿色教室发展。利用机械电子技术实现能量的转化，充分利用资源，实现了能源绿色发展，对于建设资源集约型社会具有十分重要的意义。

第6章 产品经费预算

第7章 产品市场前景分析

在国内市场上，我国是全世界人口最多的国家，每年对课桌椅的需求不段增加，强硬的消费需求拉动对课桌椅的设计与发展起到不可估量的作用。近年来，国家对教育事业的支出也越来越多，党和国家越来越重视教育，人们素质的提高等等种种因素都能推动它快速的发展。学校课桌椅发展潜力极大，是中国经济发展中一个非常重要的产业，其产业带动作用更是不容小觑。而随着时代的发展，各大院校对于课桌椅选择不再满足于传统的仅供学生课堂学习使用的一种工具，他们更希望通过新型课桌椅的创新来启迪学生的认知和创新能力，因此，新型节能的翻转发电椅在市场竞争中将占有很大的优势。

相信随着物联网与智能家居技术的迅速发展和深入应用，新型翻转发电椅的诞生将会引领一场智能校园教室的革命，同时，它的问世对智能家居行业的厂商来说将迎来全新的发展机遇。

第8章 作品设计总结

通过此次机械创新大赛——新型翻转发电椅的设计，我们将课堂上学习的只是运用到实践中来。因为一个好的创意，不仅可以让我们确定我们的方向，还可以调动我们团队中每个人的积极性。我们团队分工明确、目标坚定，不仅在设计过程中熟悉和了解了机制专业的相关知识，而且也运用了很多非本专业的知识，为后期的学习打下了一个良好的基础。

独特的创意可以让我找的我们所要研究的方向，同时，使我们不在那样漫无目的的乱想，使我们的精力不再分散，让我们可以更集中精力来对我们的创意进行改进和完善。与此同时，好的创意还可以调动我们团队的积极性，因为创意使我们团队的人想出来，经过商议得来的，只有你的创意让每个人都让同才能让别人同意。所以，好的创意是经过团队的人经过讨论得来的，而且得到了团队人的认可，所以好的创意可以调动团队的积极性。

此外，通过此次机械创新设计，我们深深明白了，平时所学的知识与实际设计的过程有着很大的差别，我们会继续努力，学好专业知识。同时，我们要感谢我们的王锡明、白琨、张春鹏等诸位指导老师，感谢他们的指导与支持，因为我们的知识有限，有些问题看不到或看不通透，在他们的指导下，让我们能更好的发现我们作品的缺点，让我们能够更好的完善我们的作品。

此次的机械创新设计，是我们逐渐认识到要注重培养自己的创新设计能力、综合设计能力与协作精神；在日常学习工作中，加强动手能力的培养和工程实践的训练，提高针对实际需求进行机械创新、设计、制作的实践工作能力。

参考文献

【1】朱家诚. 王纯贤, 机械设计基础【M 】，合肥工业大学出版社,2003.2.

【2】吴宗泽. 罗圣国, 机械设计课程手册第3版【M 】, 高等教育出版社,2006.5.

【3】陶红艳. 余成波，传感器与现代检测技术【M 】，清华大学出版社，2009.3.

【4】何立民, 单片机初级教程, 北京航空航天大学出版社【M 】，2008.6.

【5】马宪民, 人工智能的原理与方法【M 】, 西安：西北工业大学出版社，2002.3

【6】王黎钦. 陈铁鸣，机械设计（第5版）【M 】，哈尔滨工业大学出版社，2010.1

【7】曾光奇. 胡均安，工程测试技术基础【M 】，华中科技大学出版社，2002.3