全國高級中等學校專業群科 107 年專題及創意製作競賽創意組作品說明書群別 : 機械群參賽作品名稱 : 非旋轉式全時發電裝置關鍵詞 : 運動發電單向驅動齒輪系

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黠施
5 years ago
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1 全國高級中等學校專業群科 07 年專題及創意製作競賽創意組作品說明書群別 : 機械群參賽作品名稱 : 非旋轉式全時發電裝置關鍵詞 : 運動發電單向驅動齒輪系

2 目錄壹創意動機及目的... 貳作品特色與創意特質... 參研究方法 ( 過程 )...3 肆依據理論及原理...8 伍作品功用與操作方式...9 陸製作歷程說明...0 I

3 圖目錄圖滑船器... 圖爬步機... 圖 3 滑步機... 圖 4 舉重器... 圖 5 蹬腿機... 圖 6 捲腹機... 圖 7 旋轉式運動機構...3 圖 8 直線往復式運動機構...3 圖 9 擺動往復式運動機構...4 圖 0 棘輪...4 圖單向軸承...4 圖機構規劃示意圖...5 圖 3 飛輪設計...6 圖 4 單向驅動子...6 圖 5 輸出軸與輸入軸的運動干涉消除...6 圖 6 同側雙輸入軸之驅動方式...7 圖 7 同側雙輸入軸之驅動干涉修正...7 圖 8 順逆向擺動輸入齒輪配置方式...8 圖 9 雙端雙輸入軸的單向驅動機構...8 II

參賽作品名稱 : 非旋轉式全時驅動發電裝置壹創意動機及目的政府推行再生能源綠能政策, 鼓勵農民種電, 在農田以光電棚的方式,

可見綠能的議題將會一直延燒, 因為台灣一直太過依賴火力發電, 尤其是成本較為低廉的燃煤發電, 產生環境空氣汙染,

5, 細懸浮微粒可能會產生呼吸道疾病, 心血管疾病, 甚至會造成新生兒缺陷, 影響下一代發電人人有責,

市售運動發電裝置通常是以運動器材如健身腳踏車橢圓踏步機等旋轉式的機構, 以直接或間接的方式結合電磁飛輪和發電機, 產生電力,

舉重器( 圖 4) 蹬腿機( 圖 5) 捲腹機( 圖 6) 和扭腰盤等都是使用擺動運動或直線運動的動作原理

4 參賽作品名稱 : 非旋轉式全時驅動發電裝置壹創意動機及目的政府推行再生能源綠能政策, 鼓勵農民種電, 在農田以光電棚的方式, 結合低光照需求的作物, 希能達到光電取得與破壞耕地的平衡, 也積極規劃埤塘或水庫設置光電浮板, 希能滿足光電需求生態保護與地方共生, 可見綠能的議題將會一直延燒, 因為台灣一直太過依賴火力發電, 尤其是成本較為低廉的燃煤發電, 產生環境空氣汙染, 甚至產生大量的細懸浮微粒 PM.5, 細懸浮微粒可能會產生呼吸道疾病, 心血管疾病, 甚至會造成新生兒缺陷, 影響下一代發電人人有責, 本作品希望能結合運動健身和身體力行的發電, 能夠改變我們對於電的認知, 我需要用電, 但我愛發電, 市售運動發電裝置通常是以運動器材如健身腳踏車橢圓踏步機等旋轉式的機構, 以直接或間接的方式結合電磁飛輪和發電機, 產生電力, 具有機構簡單單向旋轉及容易驅動的特性但是運動器材也有非旋轉式的運動器材, 如滑船器 ( 圖 ) 爬步機( 圖 ) 滑步機( 圖 3) 舉重器( 圖 4) 蹬腿機( 圖 5) 捲腹機( 圖 6) 和扭腰盤等都是使用擺動運動或直線運動的動作原理本作品設計開發之目的在於製作能配合運動器械的發電裝置, 能一體適用於非旋轉式運動機構的運動發電裝置, 結合全時驅動的概念, 讓往復擺動或者往復直線運動都能在去程時能用來發電 ; 回程時亦能用來發電, 將人力使用運動器材時, 能產生最大的發電功率, 亦即不管在去程或回程都能驅動發電機發電圖划船器圖爬步機圖 3 滑步機圖 4 舉重器圖 5 蹬腿機圖 6 捲腹機

5 貳作品特色與創意特質一作品特色 ( 一 ) 本作品設計結合運動與發電, 設計非旋轉式的單向驅動機構, 可以驅動發電機產生發電 ( 二 ) 適用於直線往復型運動機構的機械功率輸出, 如滑船器舉重器和蹬腿機等, 加裝本裝置和發電機即可產生發電 ( 三 ) 適用於擺動往復型運動機構的機械功率輸出, 如爬步機滑步機和捲腹機等加裝本裝置和發電機即可產生發電 ( 四 ) 以齒輪系單向軸承等機械元件建構確動的單向驅動機構, 輸入操作及轉動輸出以十字配置方式, 節省機構空間 ( 五 ) 輸出軸具單方向驅動輸出, 解決往復式運動輸入操作使得輸出軸產生正轉和反轉的不良轉動方式, 讓發電機轉軸能順利單向轉動 ( 六 ) 本作品設計雙輸入, 可以單側擺動往復操作, 即不管順時針方向操作或逆時針操作, 輸出轉動方向一致, 不會造成運動干涉而抵銷輸出功率 ( 七 ) 本作品可以雙側擺動往復操作輸入, 不會造成運動干涉, 可以再進一步提升輸出功率 ( 八 ) 本裝置可以複製多個裝置實施機構並聯, 實現多人同時運動, 產生更高的機械功率輸出, 提升發電量二創意特質以人力發電的發電量不高, 但是若能積累眾人的力量, 潛能可觀市售運動發電裝置一般是以旋轉式的健身器材或機構, 連接發電機進行發電, 通常研究方向以電力電子充電或儲電裝置以及友善的人機介面設計, 在機械機構採用間接驅動或直接驅動, 連動至發電機, 而且大都是以單機的方式存在, 無法結合多人的力量發電, 甚為可惜本作品研究如何透過非旋轉式的健身運動裝置, 設計適合直線往復擺動往復的運動機構, 不論在順向或反向的往復運動中都能順利發電, 解決了機構中可能的運動干涉, 配合飛輪, 讓輸出軸能以單向穩定旋轉的方式連續轉動, 藉以推動發電機同時研究如何能讓多人同時進行運動發電, 透過機構並聯輸出的設計原理, 採用雙運動輸入的運動方式, 每個運動輸入彼此都不會產生運動干涉, 都能順暢地使得輸出軸連續單向轉動, 可以提升輸出扭矩和轉速, 建立多人同時發電的運動發電裝置的目標

參研究方法 ( 過程 ) 一資料收集及分析 ( 一 ) 運動健身器具機構分析 : 一般著重於身體整體運動藉以消耗熱量燃燒脂肪

旋轉式運動機構 : 包含磁阻型腳踏式健身車橢圓機跑步機等, 其中腳踏式健身車為純旋轉運動 ; 橢圓機則具有足部橢圓軌跡旋轉, 手部搖擺軌跡擺動 ;

非旋轉式直線往復運動機構 : 滑船器舉重器及蹬腿機具有直線往復運動, 滑船器為手部直線運動帶動磁阻飛輪正反轉轉動, 身體坐墊為前後往復直線運動 ;

直線往復式運動機構 ( 左 ) 划船器 ( 中 ) 舉重器 ( 右 ) 蹬腿機 3.

6 參研究方法 ( 過程 ) 一資料收集及分析 ( 一 ) 運動健身器具機構分析 : 一般著重於身體整體運動藉以消耗熱量燃燒脂肪訓練肌肉線條及身體曲線, 常見的器具依運動狀態分為旋轉式運動機構及非旋轉式運動機構, 非旋轉式運動機構又分為直線往復和擺動往復的運動方式, 茲敘述如下 :. 旋轉式運動機構 : 包含磁阻型腳踏式健身車橢圓機跑步機等, 其中腳踏式健身車為純旋轉運動 ; 橢圓機則具有足部橢圓軌跡旋轉, 手部搖擺軌跡擺動 ; 跑步機則以單向旋轉方式運動, 其機構運動方式如圖 7 所示圖 7 旋轉式運動機構 ( 左 ) 健身車 ( 中 ) 橢圓機 ( 右 ) 跑步機. 非旋轉式直線往復運動機構 : 滑船器舉重器及蹬腿機具有直線往復運動, 滑船器為手部直線運動帶動磁阻飛輪正反轉轉動, 身體坐墊為前後往復直線運動 ; 舉重器的運動模式為身體直線往復運動, 荷重塊亦為直線往復運動 ; 蹬腿機為單純腿部驅動直線往復運動機構, 其機構運動方式如圖 8 所示圖 8 直線往復式運動機構 ( 左 ) 划船器 ( 中 ) 舉重器 ( 右 ) 蹬腿機 3. 非旋轉式擺動往復運動機構 : 爬步機 ( 踏步機 ) 滑步機及捲腹機具有擺動往復運動, 爬步機為左腳及右腳反向擺動 ; 滑步機亦為左腳及右腳反向擺動, 但對於膝關節而言可以減少屈膝的運動行為 ; 捲腹機為訓練腹肌的器械, 有身體正向上腹擺動或身體反向下腹直線往復其機 3

構運動方式如圖 9 所示圖 9 擺動往復式運動機構 ( 左 ) 爬步機 ( 中 ) 滑步機 ( 右 ) 捲腹機 4.

) 驅動發電機轉軸即可 ; 但對於非旋轉型的運動機構, 則必須創造出單向驅動的運動效果, 這一部分的機構設計比較有探討的空間 ( 二 )

驅動和自由. 逆止動 : 單向驅動裝置能限制旋轉軸旋轉方向, 使之順向可以轉動, 反向禁止轉動.

自由 : 單向驅動裝置之自由向, 此轉向不作機械功率輸出, 藉以避免傳動機構元件中互相產生運動干涉, 而造成錯誤的驅動行為 ( 三 )

7 構運動方式如圖 9 所示圖 9 擺動往復式運動機構 ( 左 ) 爬步機 ( 中 ) 滑步機 ( 右 ) 捲腹機 4. 綜上所述, 運動結合發電的運動健身器械很多, 以旋轉型運動機構最容易完成製作發電裝置, 只要直接以皮帶 ( 靜音 ) 或鏈條 ( 非靜音 ) 驅動發電機轉軸即可 ; 但對於非旋轉型的運動機構, 則必須創造出單向驅動的運動效果, 這一部分的機構設計比較有探討的空間 ( 二 ) 單向驅動分析 : 欲創造出單向驅動的效果, 可以使用單向驅動裝置, 如單向棘輪和單向軸承, 此兩者依據功能狀態區分, 可以分為逆止動驅動和自由. 逆止動 : 單向驅動裝置能限制旋轉軸旋轉方向, 使之順向可以轉動, 反向禁止轉動. 驅動 : 單向驅動裝置能驅動旋轉軸轉動, 藉以傳遞機械功率, 驅使元件轉動 3. 自由 : 單向驅動裝置之自由向, 此轉向不作機械功率輸出, 藉以避免傳動機構元件中互相產生運動干涉, 而造成錯誤的驅動行為 ( 三 ) 單向驅動棘輪 : 如圖 0 所示為棘輪元件, 常用於單向驅動的工具如棘輪扳手棘輪電驛和棘輪開關等, 可以限制轉軸轉動方向 ( 四 ) 單向驅動軸承 : 如圖所示, 單向軸承具有不對稱的止動元件, 使之具有單向驅動的特性圖 0 棘輪圖單向軸承 4

8 二機構功能規劃 ( 一 ) 擺動往復式驅動機構 : 輸入端以往復擺動方式運動, 經過轉速放大機構, 使得輸出軸能以穩定轉速驅動發電機轉軸 ( 二 ) 直線往復式驅動機構 : 輸入端以往復直線運動方式, 經過轉速放大機構, 使得輸出軸能以穩定轉速驅動發電機轉軸 ( 三 ) 確立輸入端不管順向運動或反向運動, 都要能驅動輸出軸轉動, 使得輸出的機械功能能倍增 ( 四 ) 要設計飛輪, 藉以穩定輸出軸的轉速 ( 五 ) 規劃機構雙輸入雙輸出, 其示意圖如圖所示三機構設計圖機構規劃示意圖本機構為單向驅動機構, 在機構設計中需考慮轉速放大之速比穩定轉速的飛輪裝置輸出與輸入之運動干涉雙輸入間之運動干涉正向輸入與反向輸入都能驅動輸出等情況 ( 一 ) 轉速放大之速比 : 使用正齒輪組和斜齒輪組, 雙級放大, 每級轉速放大倍率為, 雙級轉速放大為 4 倍 ( ) ( 二 ) 穩定轉速的飛輪裝置 : 具有儲存及釋放機械能的作用, 飛輪儲存或釋放動能如公式所示, 與轉動慣量 I 和角速度 ω 成正比, 輸出軸裝上飛輪設計如圖 3 所示 E K I () 5

圖 3 飛輪設計 ( 三 ) 單向驅動子 : 輸出軸連接發電機轉軸, 只能作單向旋轉,

以單向軸承為驅動元件, 順向能驅動轉軸, 反向能自由旋轉, 能多提供一自由度, 從而消除輸出軸與輸入軸的運動干涉圖 4 單向驅動子 ( 四 )

旋轉方向如箭頭向下, 此時輸出軸轉向如箭頭向左, 輸出軸應作向上, 滿足單向驅動子之自由向, 連接正齒輪端的輸入軸並不會旋轉 ; 同理,

9 圖 3 飛輪設計 ( 三 ) 單向驅動子 : 輸出軸連接發電機轉軸, 只能作單向旋轉, 若輸入軸為兩個或以上則必須考慮輸出軸與輸入軸之運動干涉的消除, 我們設計單向驅動子, 如圖 4 所示, 將輸入旋轉軸透過單向驅動子一分為二, 以單向軸承為驅動元件, 順向能驅動轉軸, 反向能自由旋轉, 能多提供一自由度, 從而消除輸出軸與輸入軸的運動干涉圖 4 單向驅動子 ( 四 ) 輸出軸與輸入軸的運動干涉 : 由實驗觀察輸出與輸入軸有干涉現象圖 5 所示之配接方式能消除輸出驅動干涉現象, 由左側輸入軸驅動旋轉時, 旋轉方向如箭頭向下, 此時輸出軸轉向如箭頭向左, 輸出軸應作向上, 滿足單向驅動子之自由向, 連接正齒輪端的輸入軸並不會旋轉 ; 同理, 由右側輸入軸驅動旋轉時, 旋轉方向如箭頭向下, 此時輸出軸轉向如箭頭向左, 輸出軸應作向上, 滿足單向驅動子之自由向, 連接正齒輪端的輸入軸並不會旋轉如圖 5( 右 ) 圖 5 輸出軸與輸入軸的運動干涉消除 6

同側雙輸入軸之驅動干涉 : 主動齒輪與兩輸入軸是以齒輪配合, 屬於剛性傳動, 所以由圖 6( 左 ), 左側從動齒輪會出現反向旋轉的干涉現象 ; 同樣情況, 由圖 6( 右 ) 左側從動齒輪亦會發生反向旋轉的干涉現象,

10 ( 五 ) 同側雙輸入軸之設計 : 為了滿足往復擺動與往復直線運動輸入, 都能驅動輸出軸轉動, 加入惰輪使得主驅動齒輪不管順時針旋轉或逆時針旋轉都能驅動輸出軸轉動, 其設計及驅動方式如圖 6 所示, 圖 6( 左 ) 為主驅動齒輪以逆時針方向轉動, 使得右側的輸入軸作動 ; 圖 6( 右 ) 為主驅動齒輪以順時針方向轉動, 使得左側的輸入軸作動, 都產生輸出軸同向轉動圖 6 同側雙輸入軸之驅動方式 ( 六 ) 同側雙輸入軸之驅動干涉 : 主動齒輪與兩輸入軸是以齒輪配合, 屬於剛性傳動, 所以由圖 6( 左 ), 左側從動齒輪會出現反向旋轉的干涉現象 ; 同樣情況, 由圖 6( 右 ) 左側從動齒輪亦會發生反向旋轉的干涉現象, 所以必須進行修正, 修正的方法如圖 7, 說明如下 :. 右側從動齒輪加裝齒輪單向驅動子, 使反向旋轉時不能驅動輸入軸. 左側從動齒輪的修正則從惰輪著手, 加裝齒輪單向驅動子, 使反向旋轉時不能驅動輸入軸圖 7 同側雙輸入軸之驅動干涉修正 7

左側從動齒輪之速比公式如公式 3, 正號表示轉向相同 r V D D MT MT T T ( 二 ) 斜齒輪系 : 為了創造出輸出軸正交於輸入軸, 選擇斜齒輪, 其速比公式如同公式 () 二雙端雙輸入軸單向輸出驅動使用單一輸入軸配合單向驅動子,

11 肆依據理論及原理一齒輪系傳動與轉速放大 ( 一 ) 正齒輪系 : 為了提升輸出功率, 不管輸入軸的轉向為順時針方向或是逆時針方向, 所以應用單式齒輪系, 一側直接輸出, 另一側則加裝惰輪, 藉以創造出輸入軸單向驅動的效果, 如圖 8 所示圖 8 順逆向擺動輸入齒輪配置方式. 右側從動齒輪之速比 r V 公式如公式, 負號表轉向相反,ω 為轉速, M 為齒輪模數,T 為齒輪齒數 r V D D MT MT T T 若主動齒輪 T 為 60T; 從動齒輪 T 為 30T, 則轉速放大為倍. 左側從動齒輪之速比公式如公式 3, 正號表示轉向相同 r V D D MT MT T T ( 二 ) 斜齒輪系 : 為了創造出輸出軸正交於輸入軸, 選擇斜齒輪, 其速比公式如同公式 () 二雙端雙輸入軸單向輸出驅動使用單一輸入軸配合單向驅動子, 僅能讓輸出軸作單向輸出機械功率, 輸入軸另向則作機構復歸, 若將輸入軸變成雙輸入軸單向驅動, 則可以建構出雙輸入軸雙向輸出, 不用作機構復歸, 可以提升單向連續運動之輸出軸的機械功率, 若建置雙端雙輸入的單向驅動機構, 則更能使發電功率倍增, 其設計如圖 9 所示 () (3) 圖 9 雙端雙輸入軸的單向驅動機構 8

伍作品功用與操作方式一作品功用 ( 一 ) 分析運動器材的運動機構的驅動方式, 整理出旋轉式驅動機構

( 三 ) 適用於直線往復式運動機構的機械功率輸出, 用以發電 ( 四 ) 適用於擺動往復式運動機構的機械功率輸出, 用以發電 ( 五 )

; 反向操作時, 順向輸入軸不轉動 ( 六 ) 設計單一且單向轉動之輸出軸, 解決往復運動輸入轉向不同的問題, 使得輸出轉向相同,

每組的輸入操作都互不干涉, 不管哪一組操作往復輸入, 都能使輸出軸單向連續轉動, 提升發電功率, 達到全時發電的效果 ( 八 )

12 伍作品功用與操作方式一作品功用 ( 一 ) 分析運動器材的運動機構的驅動方式, 整理出旋轉式驅動機構直線往復式驅動機構和擺動往復式驅動機構 ( 二 ) 本作品設計結合運動與發電, 設計非旋轉式的單向輸出驅動機構, 可以驅動發電機產生發電 ( 三 ) 適用於直線往復式運動機構的機械功率輸出, 用以發電 ( 四 ) 適用於擺動往復式運動機構的機械功率輸出, 用以發電 ( 五 ) 設計雙輸入軸 ( 順向輸入軸和反向輸入軸 ) 解決往復運動輸入, 順向操作和反向操作的運動干涉問題, 亦即順向操作時, 反向輸入軸不轉動 ; 反向操作時, 順向輸入軸不轉動 ( 六 ) 設計單一且單向轉動之輸出軸, 解決往復運動輸入轉向不同的問題, 使得輸出轉向相同, 亦即順向輸入操作時, 輸出為順時針方向 ; 反向輸入操作時, 輸出亦為順時針方向 ( 七 ) 製作兩組操作輸入端, 每組的輸入操作都互不干涉, 不管哪一組操作往復輸入, 都能使輸出軸單向連續轉動, 提升發電功率, 達到全時發電的效果 ( 八 ) 實現可以多人同時運動, 進而產生更高的機械功率輸出, 提升發電量二操作方式 ( 一 ) 單側直線往復操作 ( 二 ) 單側擺動往復操作 ( 三 ) 雙側擺動往復操作 ( 四 ) 雙側擺動往復操作 9

13 陸製作歷程說明資料收集分組討論確定題目方向材料選用繪製工作圖購買材料選購市購品元件機械加工機構組裝工程變更繪製 3D 圖操作測試 ( 轉速 ) 0

ABC 1. (Spur gears) KHK MSGA SSG SS SUS PS (Helical gears) (Racks, Helical racks) KHG SH KRG (F) (D) SRFD SUR (F) (D) PR (F) KRHG (F) (Inter

ABC 1. (Spur gears) KHK MSGA SSG SS SUS PS (Helical gears) (Racks, Helical racks) KHG SH KRG (F) (D) SRFD SUR (F) (D) PR (F) KRHG (F) (Inter Contents 1.P 2 1-1P 4 1-2P 7 1-3P 8 1-4P10 2.P12 SHESCO KHK SB ABC 3.P20 4.P22 5.P24 6.P26 6-1P26 6-2P27 7. P28 8. P30 9. P32 9-1P32 9-2P33 9-3P34 9-4P35 KHK MMSG KHK LS,DS ABC 1. (Spur gears) KHK MSGA

全國高級中等學校專業群科 107 年專題及創意製作競賽 創意組 作品說明書 群 別 : 機械群 參賽作品名稱 : 非旋轉式全時發電裝置 關鍵詞 : 運動發電 單向驅動 齒輪系

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