一款可充电的自行车手机支架

张家玲，陶春阳，周倩荟，杨远清，张晓珂

（郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州465000）

1 绪论

1.1 概述

随着骑行爱好者越来越多，对于距离较远、时间较长的骑行，手机续航显得尤为重要。在骑车的过程中，由于路途遥远、地形崎岖及天气多变等原因，手机的携带、操作和保护也成为一个比较麻烦的问题。因此市面上出现了很多款功能各不相同的自行车手机支架。

1.2 对现有自行车手机支架的综合分析

传统的手机支架虽然能够固定手机，但是不能防反光、防雨和充电续航。少部分具有充电续航功能的自行车手机支架，无法给手机提供稳定的电流，对手机的伤害比较大，而且装置笨重，不易拆装，功能单一。其缺点主要表现如下：①支架拆装部件较多，装置笨重，拆装不便；②手机支架可调节部分的灵活性较差，不能方便快捷调节手机位置；③市面上存在的手机支架一般不能防反光、防雨，少数能防反光、防雨的手机支架散热性不好，容易造成手机温度过高；④现有手机支架的固定性能不佳，在经过减速带、崎岖路面时，有手机脱落的风险；⑤一般的手机支架不具有充电续航功能，少部分具有充电功能的并不能提供稳定的电流；⑥现有的手机支架一般主打一种用途，功能单一，不能满足用户多种需求；⑦一般的发电装置不能提供稳定的电流，发电效率较低，对手机自身电池损害较大；⑧摩擦发电装置的安装是通过螺栓、螺母、螺丝的固定，装置的拆装复杂，耗时、耗力；⑨现有的自行车手机支架材质良莠不齐，衔接不够顺畅，伸缩处过于笨重、粗大；⑩一般的自行车摩擦发电装置摩擦部分极易磨损，消耗极大。

1.3 研究内容及目的

在现有自行车手机支架的基础上，将防反光板、防雨布、X 形手机支架、手机充电宝背夹、球形云台底座、夹持装置和摩擦发电装置配合使用。

研究并设计出集防反光、防雨、可稳定续航充电的自行车手机支架，以便改善现有自行车手机支架的不足，满足骑行爱好者的多种需求。

2 一款可充电的自行车手机支架的设计流程

本产品的设计是一个不断改进的过程。从了解市面上已有产品的结构、原理和功能开始。运用发散思维，针对已有产品的不足，设计出可防反光、防雨，同时能通过摩擦装置进行充电续航的综合性强的多功能自行车手机支架。衡量了产品性能和竞争力大小等问题，确定了最终方案。其设计过程如图1 所示。

图1 设计过程

3 一款可充电的自行车手机支架的设计方案

3.1 装置组成

一款可充电的自行车手机支架由7 个部分组成，分别是防反光板、防雨布、X 形手机支架、手机充电宝背夹、球形云台底座、夹持装置和摩擦发电装置。

3．1．1 防反光板

防反光板是位于X 形手机支架上端的弧形装置，与防雨布相连，具有防反光的作用。

3．1．2 防雨布

防雨布采用TPU 材料，即热塑性聚氨酯弹性体橡胶。该材料具有耐磨、耐油、耐水、耐霉菌、耐低温、抗高温、弹性好的优点。

同时在设计过程中，防雨布与装置紧密贴合，不会产生渗水、漏水的现象，能够有效减小天气原因对手机寿命的损耗。另外，防雨布表面光滑，骑行者可透过防雨布完成触屏任务，同时不影响手机触屏效果。

3．1．3 X 形手机支架

X 形手机支架用于衔接上端的防反光板、防雨布与下端的球形云台底座，起到很好的支撑作用。

同时与手机接触部分全部采用顺丁橡胶，顺丁橡胶的弹性与耐磨性优良，耐老化性好，摩擦系数较大，能够起到很好的稳固作用。可以通过内部齿轮结构顺畅地进行伸缩调节，能够适应多种机型。

3．1．4 手机充电宝背夹

充电宝背夹整体为长方形，半包围结构，不影响手机侧面按键的使用。手机充电宝背夹为手机提供稳定的充电续航。其自身具有容量大、蓄电强的功能，为户外骑行者的静谧时光再添保障。

与普通背夹不同之处在于，本款背夹是一个隐形的充电宝，可暂时贮存电量，能够保证手机续航，作为能量的中转站，起到电流缓冲作用。当手机直接与发电机连接充电时，会导致电流不稳定，对手机的蓄电池造成损害，该手机充电宝背夹设有过载保护电路，能够免除这种损害，从而有效地保证了用电安全。这也是本款手机支架的独特优势所在。

3．1．5 球形云台底座

球形云台底座可360°旋转，能够全方位各角度进行调节。经过一定的改造，底座上安置了开关按钮，用于控制发电机上USB 接口与外界的电能传输。针对不同机型，可采用不同的USB 数据连接线。

3．1．6 夹持装置

通过改造设计的夹持装置将发电装置固定在自行车前轮。夹持装置采用优质橡胶面，增加了夹持装置与自行车车架之间的摩擦力，防止夹持装置打滑，用来增加发电装置的牢固性和稳定性。夹持装置内部采用弹力收缩结构，生产简单、成本低廉，效果显著、效能优异。

3．1．7 摩擦发电装置

摩擦发电装置紧贴车轮胎皮一侧，在骑行过程中，通过轮胎与摩擦轮之间的摩擦带动摩擦轮转动，将能量传递至微型发电机，从而产生电能，用于手机充电续航与手机充电宝背夹蓄电。该装置的设计，保证了骑行者在没有其他电源设备的情况下，利用自行车摩擦发电装置进行节能环保的发电续航。

3.2 工作原理

本产品在夹持装置内部采用橡胶面，以增加机构和车架之间的摩擦力，并且通过夹持装置可以调整摩擦力大小，以控制阻力对行驶过程的影响。

采用环氧树脂覆涂密封，确保发电装置能够防雨、雪等，把电子元件焊在电路板上，焊接牢固。并且电能储存在电池中，充分利用动能，节能环保，还不损耗自行车正常行驶的动能。

摩擦装置配备的发电机选用12 V 直流电，产生的电量可以直接使用，但是不够稳定，所以在发电机里配套一个稳压的充电控制器，让12 V 的电流先流入一块配套的锂电池内。这种装置的设置不仅不会给骑行者增加负担，而且可以让电流经过电池再给充电宝背夹供电，确保稳定的充电电流。在使用的过程中，充电控制器会保护电池，防止过冲对电池造成损害。

本产品设计的控电系统利用手机电池中电流和电压的关系，保证手机充电宝背夹给手机充电的时间，从而确保电量充满的时候立即停止充电。当手机电量增加的时候，手机电池的电压也逐渐升高，外部输入电流会随之降低，当输入电流低于充电宝背夹的设定值时，充电宝背夹会自动认为已经没有负载，随后关闭，停止充电，完成对手机电池的保护。

3.3 最终方案确定

经过不断地尝试与研究，在多次修改方案之后，决定在原有的自行车手机支架上，增加摩擦发电装置和具有暂时贮存电量功能的充电宝背夹，设计出了一款可稳定充电的自行车手机支架。通过摩擦发电装置和充电宝背夹的结合满足骑行者骑行过程中充电的需求。同时，该装置具有防雨、防反光等作用，满足了绝大多数自行车骑行者的需求，具有很高的市场利用价值。

4 样品与性能测试

4.1 装置安装测试

装置安装时间如表1 所示。

表1 装置安装时间

经过试验证明，该款可充电的自行车手机支架安装方便，耗时短，基本稳定在1 min 左右。在试验过程中，骑行1 h，经过24 次减速带，2 处低洼地段，该款可充电的自行车手机支架未出现松动现象；骑行40 min，经过18 次减速带，1 处低洼地段，该款可充电的自行车手机支架未出现松动现象；骑行15 min，经过8 次减速带，0 次低洼地段，该款可充电的自行车手机支架未出现松动现象；经过3 次试验，手机与支架的固定都很稳固，未出现任何松动。

4.2 发电装置测试

发电装置缓冲时间如表2 所示。

表2 发电装置缓冲时间

经过多次试验，发现装置成品需要缓冲一段时间才能给手机充电。试验表明，首次使用，缓冲时间约15 min，之后的骑行缓冲时间将保持在5 min 左右。一旦开始充电就能够保证持续稳定的供电，不会对手机造成损害。

4.3 拆卸条件测试

拆卸时间如表3 所示。试验表明，该款可充电的自行车手机支架便于拆卸，实验数据得出全部拆卸仅需42 s 左右。

表3 拆卸时间

5 总结

该款可充电的自行车手机支架克服了现有技术的不足，提供了具有可充电续航功能的自行车手机支架。摩擦发电装置和充电宝背夹配合使用，能够为手机提供稳定的电源；通过球形云台底座上的锁定旋钮和360°全景平移拨盘，将其稳定固定在自行车把手上，并且提供了旋转调节功能，提供不同使用者最舒适的使用角度。该装置是一款具有防反光、防雨、可充电续航的多功能的便携自行车手机支架，能为骑行爱好者带来很大的便利，具有较高的市场推广价值。