手壓式手電筒設(shè)計（棘輪機(jī)構(gòu)及電路設(shè)計）

1、摘 要本設(shè)計主要分析了手壓式自發(fā)電充電手電筒的材料選擇、發(fā)電系統(tǒng)這些主要部分，棘輪的應(yīng)用和制造，運(yùn)用機(jī)械制圖、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、機(jī)械制造、材料力學(xué)、塑料制品設(shè)計、塑料成型工藝以及計算機(jī)輔助設(shè)計等專業(yè)知識對對手壓式自發(fā)電充電手電筒的整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和創(chuàng)新，包括手壓式自發(fā)電充電手電筒的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、手柄及齒輪齒條的設(shè)計、棘輪機(jī)構(gòu)傳動及傳動軸設(shè)計等進(jìn)行了闡述和設(shè)計。關(guān)鍵詞: 手壓式手電筒傳動系統(tǒng) 手柄 齒輪齒條 棘輪AbstractThe main analysis of the design with hand-power rechargeable flashlight from materia

2、l selection, power systems of these major part of the overall architecture, ratchet and manufacturing applications, the use of mechanical drawing, mechanical principles, mechanical design, machinery manufacturing, mechanical, plastic design, plastic molding technology and expertise in computer-aided

3、 design pressure on the rival power rechargeable flashlight Self overall body design and innovation, including hand-compression self-generation rechargeable flashlight in the overall structural design, handle and rack and pinion design, the ratchet mechanism and the shaft drive design presented in t

4、his paper and design. Keywords: Hand pressing flashlight Transmission Handle Rack and pinion Ratchet目錄1、引 言61.1、背景61.2、發(fā)展現(xiàn)狀61.3、產(chǎn)品的五大優(yōu)點(diǎn)71.4、意義 82、手電筒外形尺寸設(shè)計821、棘輪機(jī)構(gòu)傳動結(jié)構(gòu)圖確定93、手壓式手電筒棘輪及傳動軸機(jī)構(gòu)103.1、棘輪機(jī)構(gòu)的基本型式和工作原理103.2、棘輪機(jī)構(gòu)的功能、類型及其選擇103.3、棘輪機(jī)構(gòu)的材料的選擇123.4、棘輪機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計134、傳動軸的設(shè)計164.1、軸的功能和工作原理 164.2、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)17

5、4.3、軸的類型及其選擇174.4、軸的材料選擇184.5、軸的設(shè)計185、發(fā)電和儲電195.1、發(fā)電原理 195.2、電路設(shè)計方案195.3、電能儲備方案225.4、超級電容選擇245.5、發(fā)光二極管選擇265.6、半導(dǎo)體二極管 265.7、電阻選擇 276、整體設(shè)計裝配圖277、整體設(shè)計的零部件圖27參考文獻(xiàn) 28致謝 29附圖1、手壓式手電筒設(shè)計的背景和意義1.1、背景：近年來，隨著照相機(jī)，MP3,手機(jī)的自帶充電功能和蓄電池的大量使用，電磁的使用主要集中在老式電子產(chǎn)品中：收音機(jī)，鐘表，手電筒而隨著科技的發(fā)展，很多20世紀(jì)的產(chǎn)物漸漸被現(xiàn)代化的電子產(chǎn)品所替代，而手電筒作為一個相對原始的照明工

6、具卻是沒有退出其歷史舞臺。由于手電筒更換電池頻繁，成為了污染環(huán)境的一個源頭。而手電筒成本低廉，內(nèi)置蓄電池相對來說顯得奢侈，而且其使用量不大，因此手電筒很少使用蓄電池。如此一來電池的使用正在逐漸向的手電筒集中。而眾所周知普通干電池的大量使用，對環(huán)境是一大損害。國內(nèi)生產(chǎn)的干電池中含有大量的重金屬、酸、堿等物質(zhì)，多數(shù)還含有對環(huán)境危害嚴(yán)重的汞。由于汞的劇毒性、積累性和易于遷移轉(zhuǎn)化，一旦進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)中，所造成的危害是長期的，而且是代際之間傳遞的。因此，減少或是干脆消除手電筒對電池的依賴，無論是從環(huán)保上，還是從節(jié)能上都是一個不錯的創(chuàng)意。 按照當(dāng)下科技，設(shè)計一款內(nèi)置微型發(fā)電機(jī)的手電筒是不成問題的。如此便有了

7、手壓式手電筒的產(chǎn)生。手壓式手電筒因節(jié)能且無污染，而是國家推廣為綠色環(huán)保產(chǎn)品，深受各行各業(yè)人們的喜愛，也因此現(xiàn)今手壓式手電筒越來越流行起來。1.2、發(fā)展現(xiàn)狀：現(xiàn)今的手壓式手電筒，有一下幾個共同點(diǎn)：1，質(zhì)感塑料。使用質(zhì)感的塑料作為電筒外殼，不僅觸感極好，且韌性很高，耐磨耐壓耐碰撞。這較傳統(tǒng)的金屬外殼的手電筒，不僅更容易制造成形，而且成本更低，質(zhì)量更輕。關(guān)鍵還在于，塑料的觸感是金屬無法比擬的，也使得后面的外形優(yōu)勢變得可能。2，美觀的外形。使用質(zhì)感塑料，使得手電筒外形的多變，顏色的多樣化變得可能。用塑料做外殼，可根據(jù)其可塑性很高，而讓手電筒一改傳統(tǒng)生硬的外形，再通過不同顏色的搭配，可以將其做成各種卡通

8、形狀。不僅受消費(fèi)者喜愛，也可以讓人耳目一新。3，超亮的LED。用他作光源，壽命長，亮度高，光線多為白色，就照明來說，這確實(shí)是比較理想的選擇。有的LED壽命長達(dá)10萬個小時以上，使用后不用考慮其換光源的問題。4，內(nèi)置微型發(fā)電裝置。也是該手電筒最核心的地方，只需單手握幾下，便可自動發(fā)電。手壓帶齒條搖柄，齒條帶動棘輪機(jī)構(gòu)，將搖柄的往復(fù)擺動轉(zhuǎn)化為齒輪的單向間歇轉(zhuǎn)動。齒輪再通過一級齒輪，做增速傳動，最終帶動永磁體在線圈當(dāng)中轉(zhuǎn)動，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，產(chǎn)生電流，點(diǎn)亮LED。雖然在外形和材料的選擇上，手壓式手電筒趨于完美，并且在激烈的市場競爭中將更加完美。但是不得不否認(rèn)，其核心部分尚存著幾點(diǎn)需加改進(jìn)優(yōu)化的地方：

9、1現(xiàn)今一般的手壓式手電筒，內(nèi)部都存在若干鋰電池，以作備用電源。將開關(guān)撥到一個位置，就由鋰電池供電，可以使得手電筒持續(xù)照明。而當(dāng)鋰電池電量消耗殆盡，或是將開關(guān)撥到由發(fā)電裝置供電的時候，這種手電筒就有一個致命的弱點(diǎn)按一下亮一下，不按則不亮。這無疑給使用者帶來了極大的不便。而且在一些半透明的外殼的應(yīng)用下，使得鋰電池赤裸裸地暴露在消費(fèi)者眼前，這就讓人對“手壓發(fā)電”產(chǎn)生懷疑，不利于手電筒的推銷。2蓄電池的使用。為了解決上述的問題，有手壓式手電筒中，采用了蓄電池對電能進(jìn)行儲備，只要按壓搖柄一定時間，就能對蓄電池進(jìn)行充電。從而在后續(xù)按壓照明中，能夠持續(xù)地點(diǎn)亮LED。這的確是解決了，上述的致命弱點(diǎn)，卻來帶來了

10、一定問題。首先是蓄電池的使用，對于一個成本不大于10元的手電筒來說，其成本勢必增加不少，而且對于不能充分充電和放電的蓄電池來說，其壽命將受到很大限制。電池的使用仍然能讓消費(fèi)者對“手壓發(fā)電”產(chǎn)生懷疑。本設(shè)計將致力于手壓式手電筒的優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)現(xiàn)有手壓發(fā)電技術(shù)，對現(xiàn)有的手壓式手電筒的結(jié)構(gòu)，發(fā)電核心進(jìn)行優(yōu)化。1.3、產(chǎn)品的五大優(yōu)點(diǎn)：1、環(huán)保性：無需更換電池，無論存放多久都能隨時拿出來使用，手輕輕一壓就能自發(fā)電，完全不用顧慮因使用干電池而流出化學(xué)液體。2、節(jié)能性：手壓自發(fā)電，LED照明，LED是低功耗高亮度自聚光的發(fā)光體，夜間亮度能照射3-5 米，物體清晰可辯。手壓力自發(fā)電省永遠(yuǎn)保持亮度去了使用干電池

11、時間長亮度變暗的煩惱。3、特殊性：能在濕度90%的環(huán)境下使用，潮濕的環(huán)境對此電筒毫無影響，在礦井中、山洞中、森林里、大海航行旅途、航天星球上等等特殊環(huán)境中都不用擔(dān)心會用完它的能量，用手輕輕一壓就能使用，方便、快捷、實(shí)用。4、壽命長：LED能連續(xù)使用15000小時，電池能連續(xù)充壓60萬次，齒輪箱能連續(xù)工作100萬次。使用中無需更換零件，直達(dá)到使用極限。5、保健性：長期使用本產(chǎn)品能增強(qiáng)握力，促進(jìn)洫液循環(huán)，起到保健的功效。1.4、意義：本優(yōu)化式設(shè)計一旦完成，在激烈的市場競爭中，勢必淘汰原有的傳統(tǒng)手電。解除了電池對于電筒形狀的限制，此款手電可以一改普通手電死板的圓柱形狀，可以做成各種精美可愛的造型，當(dāng)

12、裝飾，當(dāng)玩具，當(dāng)禮物送朋友都可以。由其獨(dú)特可愛的卡通外形，耳目一新的色彩搭配，繼續(xù)保持手壓式手電筒的優(yōu)勢，占據(jù)手電筒市場，極大降低電池的使用量，起到了環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢。除了環(huán)保，節(jié)能兩大優(yōu)點(diǎn)外，手壓式的自動發(fā)電照明，人舒筋同時有助于舒筋活血。可達(dá)到手活腦靈，消除疲勞，促進(jìn)大腦記憶的作用。另外消除了對電池的依賴，對于部隊執(zhí)勤，野營，急需電筒而找不到電池等特定場合，這款手電可謂是方便，耐用。最后也是最重要的一點(diǎn)，本優(yōu)化設(shè)計能夠解決現(xiàn)有手壓式手電筒的電池用完后“一壓一亮”的死穴。使用電容進(jìn)行儲能，按壓幾分鐘就可以照明很長時間，絕對滿足手電筒的照明要求。本設(shè)計主要考慮棘輪機(jī)構(gòu)及電路設(shè)計。通過運(yùn)用法拉第電

13、磁感應(yīng)原理，使棘輪機(jī)構(gòu)的單向旋轉(zhuǎn)，使線圈與磁鐵產(chǎn)生相對運(yùn)動，產(chǎn)生感應(yīng)電流。2、手電筒外形尺寸設(shè)計根據(jù)成年人的手掌一般結(jié)構(gòu)和大小尺寸，確定和設(shè)計出手電筒適合手握的外形尺寸為：豎直高度h=45mm, 長度L=105mm， 寬度W=30mm。圖2.1 手電筒結(jié)構(gòu)三維圖21、棘輪機(jī)構(gòu)傳動結(jié)構(gòu)圖確定圖2.2 手柄齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2.2所示，1為彈簧，2為手壓搖桿，3為與微型發(fā)電機(jī)相連的棘輪，4為二級變速圓柱直齒齒輪。手壓部件2，讓部件2繞軸，即部件1做轉(zhuǎn)動。在軸處，安裝部件1彈簧，可以使得部件2作往復(fù)轉(zhuǎn)動。部件2帶有和齒輪4相嚙合的直齒，齒輪4與3相嚙合，棘輪3于微型發(fā)電機(jī)相固定。齒輪4來回轉(zhuǎn)動，帶動3

14、與發(fā)電機(jī)的永磁體一起轉(zhuǎn)動，棘輪3在此的作用是通過齒輪4的傳動使它轉(zhuǎn)動發(fā)電，并且只是在手壓手柄齒條使齒輪正轉(zhuǎn)的情況下轉(zhuǎn)動發(fā)電，松手反轉(zhuǎn)情況下棘輪不反轉(zhuǎn)。此方案是現(xiàn)今手壓式手電筒的主流設(shè)計。因其原理簡單，結(jié)構(gòu)簡練，而使得該手壓式手電筒設(shè)計已經(jīng)投入于批量生產(chǎn)，并已經(jīng)在市場上占據(jù)一定份額。原理是運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)原理，通過棘輪機(jī)構(gòu)單向旋轉(zhuǎn)，使線圈與磁鐵產(chǎn)生相對運(yùn)動，產(chǎn)生感應(yīng)電流。3、手壓式手電筒棘輪及傳動軸機(jī)構(gòu)3.1棘輪機(jī)構(gòu)的基本型式和工作原理 棘輪機(jī)構(gòu)，它由主動擺桿，棘爪，棘輪、止回棘爪和機(jī)架組成。主動件空套在與棘輪固連的從動軸上，并與驅(qū)動棘爪用轉(zhuǎn)動副相聯(lián)。當(dāng)主動件順時針方向擺動時，驅(qū)動棘爪便插入棘

15、輪的齒槽中，使棘輪跟著轉(zhuǎn)過一定角度，此時，止回棘爪在棘輪的齒背上滑動。當(dāng)主動件逆時針方向轉(zhuǎn)動時，止回棘爪阻止棘輪發(fā)生逆時針方向轉(zhuǎn)動，而驅(qū)動棘爪卻能夠在棘輪齒背上滑過，所以，這時棘輪靜止不動。因此，當(dāng)主動件作連續(xù)的往復(fù)擺動時，棘輪作單向的間歇運(yùn)動。3.2、棘輪機(jī)構(gòu)的功能、類型及其選擇3.2.1 棘輪機(jī)構(gòu)的功能1）間歇送進(jìn)（牛頭刨床的間歇送進(jìn)機(jī)構(gòu)）2）制動（卷揚(yáng)機(jī)制動機(jī)構(gòu)）3) 轉(zhuǎn)位、分度（手槍盤分度機(jī)構(gòu)）4) 超越（鉆床的自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)）3.2.2棘輪機(jī)構(gòu)的類型1）棘輪機(jī)構(gòu)按其結(jié)構(gòu)分類：齒式棘輪機(jī)構(gòu)和摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)齒式棘輪機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是：齒式棘輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，制造方便；動與停的時間比可通過選擇合適的

16、驅(qū)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。該機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是動程只能作有級調(diào)節(jié)；噪音、沖擊和磨損較大，故不宜用于高速。摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)：摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)是用偏心扇形楔塊代替齒式棘輪機(jī)構(gòu)中的棘爪，以無齒摩擦代替棘輪。特點(diǎn)是傳動平穩(wěn)、無噪音；動程可無級調(diào)節(jié)。但因靠摩擦力傳動，會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，雖然可起到安全保護(hù)作用，但是傳動精度不高。適用于低速輕載的場合。2）棘輪機(jī)構(gòu)按其嚙合方式分類：外嚙合棘輪機(jī)構(gòu)和內(nèi)嚙合棘輪機(jī)構(gòu)外嚙合棘輪機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)：外嚙合式棘輪機(jī)構(gòu)的棘爪或楔塊均安裝在棘輪的外部，其機(jī)構(gòu)由于加工、安裝和維修方便，應(yīng)用較廣。內(nèi)嚙合棘輪機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)：內(nèi)嚙合棘輪機(jī)構(gòu)的棘爪或楔塊均在棘輪內(nèi)部，內(nèi)嚙合棘輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小。

17、3）棘輪機(jī)構(gòu)按其從動件運(yùn)動形式分類：單動式棘輪機(jī)構(gòu)、雙動式棘輪機(jī)構(gòu)和雙向式棘輪機(jī)構(gòu)單動式棘輪機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)：單動式式棘輪機(jī)構(gòu)當(dāng)主動件按某一個方向擺動時，才能推動棘輪轉(zhuǎn)動。雙動式棘輪機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)：雙動式棘輪機(jī)構(gòu)，在主動搖桿向兩個方向往復(fù)擺動的過程中，分別帶動兩個棘爪，兩次推動棘輪轉(zhuǎn)動，常用于載荷較大，棘輪尺寸受限，齒數(shù)較少，而主動擺桿的擺角小于棘輪齒距的場合雙向式棘輪機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)：雙向棘輪機(jī)構(gòu),輪齒為矩形,棘爪為單面式。更換旋轉(zhuǎn)方向時,需要將棘爪旋轉(zhuǎn)180°。3.2.3棘輪機(jī)構(gòu)的選擇在設(shè)計手壓式手電筒核心機(jī)構(gòu)及切割磁感線的三個方案中選擇的是方案2，如圖2所示，1為扭轉(zhuǎn)彈簧，2為手壓搖桿，3為永

18、磁體，4為二級變速圓柱直齒齒輪。手壓部件2，讓部件2繞軸，即部件1做轉(zhuǎn)動。在軸處，安裝部件1扭轉(zhuǎn)彈簧，可以使得部件2作往復(fù)轉(zhuǎn)動。部件2帶有和齒輪4相嚙合的直齒，齒輪4與3相嚙合，齒輪3于永磁體相固定。齒輪4來回轉(zhuǎn)動，帶動3與永磁體一起轉(zhuǎn)動。永磁體下裝配固定于手電筒外殼的若干匝線圈，永磁體的轉(zhuǎn)動使得永磁體相對于線圈轉(zhuǎn)動。由法拉第電磁感應(yīng)原來，可得線圈中存在感言電流。圖5.1 傳動圖綜合以上所分析，本設(shè)計選用的棘輪機(jī)構(gòu)是齒式內(nèi)嚙合單動式棘輪機(jī)構(gòu)，其優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，棘爪或楔塊均在棘輪內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，當(dāng)主動件按某一個方向擺動時，才能推動棘輪轉(zhuǎn)動。3.3、棘輪機(jī)構(gòu)的材料選擇材料的選

19、擇最為關(guān)鍵，塑料因其：1、塑料制造成本低，加工容易可大量生產(chǎn)。2、抗腐蝕能力強(qiáng)，不與酸、堿反應(yīng)。3、耐用、防水、質(zhì)輕、具光澤。4、容易被塑制成不同形狀。5、是良好的絕緣體。無疑是最理想的選擇。然而塑料種類繁多，對于具體哪種塑料的選擇，有待考究。手壓式手電筒棘輪機(jī)構(gòu)要求要較高的機(jī)械強(qiáng)度，磨擦系數(shù)低，耐熱，耐磨損，電絕緣性好，吸震性和消音性，無毒，無臭，耐候性好，所以在諸多種塑料中選擇了聚酰胺。聚酰胺(PA，俗稱尼龍)是美國DuPont公司最先開發(fā)用于纖維的樹脂，于1939年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。PA具有良好的綜合性能，包括力學(xué)性能、耐熱性、耐磨損性、耐化學(xué)藥品性和自潤滑性，且摩擦系數(shù)低，有一定的阻燃性，易

20、于加工，適于用玻璃纖維和其它填料填充增強(qiáng)改性，提高性能和擴(kuò)大應(yīng)用范圍。PA的品種繁多，有PA6、PA66、PAll、PAl2、PA46、PA610、PA612、PAl010等，以及近幾年開發(fā)的半芳香族尼龍PA6T和特種尼龍等很多新品種。 尼龍-6塑料制品可采用金屬鈉、氫氧化鈉等為主催化劑，N-乙酰基己內(nèi)酰胺為助催化劑，使-己內(nèi)酰胺直接在模型中通過負(fù)離子開環(huán)聚合而制得，稱為澆注尼龍。用這種方法便于制造大型塑料制件。性能：尼龍為韌性角狀半透明或乳白色結(jié)晶性樹脂，作為工程塑料的尼龍分子量一般為1.5-3萬尼龍具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，軟化點(diǎn)高，耐熱，磨擦系數(shù)低，耐磨損，自潤滑性，吸震性和消音性，耐油，耐弱

21、酸，耐堿和一般溶劑，電絕緣性好，有自熄性，無毒，無臭，耐候性好，染色性差。缺點(diǎn)是吸水性大，影響尺寸穩(wěn)定性和電性能，纖維增強(qiáng)可降低樹脂吸水率，使其能在高溫、高濕下工作。尼龍與玻璃纖維親合性十分良好。由于聚酰胺具有無毒、質(zhì)輕、優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性及較好的耐腐蝕性，因此廣泛應(yīng)用于代替銅等金屬在機(jī)械、化工、儀表、汽車等工業(yè)中制造軸承、齒輪、泵葉及其他零件。由于聚酰胺具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，軟化點(diǎn)高，耐熱，磨擦系數(shù)低，耐磨損，自潤滑性，吸震性和消音性，耐油，耐弱酸，耐堿和一般溶劑，電絕緣性好，有自熄性，無毒，無臭，耐候性好，染色性差。其強(qiáng)度足以承受，幾十牛的載荷沖擊，因此在棘輪機(jī)構(gòu)強(qiáng)度上，也不需校核計算。

22、3.4、棘輪機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計棘輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計主要應(yīng)考慮：棘輪齒形的選擇 、棘輪模數(shù)、棘輪齒數(shù)、棘輪頂圓直徑、周節(jié)、棘輪齒高、棘爪齒寬、棘輪齒寬、齒面偏斜角、齒槽夾角、棘輪齒槽圓角半徑、 棘爪長度的確定 。3.4.1棘輪齒形的選擇下圖所示為幾種常用的棘輪齒形棘輪齒形有：不對稱梯形、不對稱三角形、不對稱圓弧形、對稱梯形、對稱矩形五種。不對稱梯形用于承受載荷較大的場合；三角形或圓弧形齒形用于承受載荷較小的場合；而矩形和對稱梯形則用于雙向式棘輪機(jī)構(gòu)，手壓式手電筒棘輪是屬于承受的載荷較小的單動式棘輪機(jī)構(gòu)，所以選擇三角形或圓弧形齒形，而我選擇三角形。3.4.2棘輪參數(shù)的確定與齒輪相同，棘輪輪齒的有關(guān)

23、尺寸也用模數(shù)m作為計算的基本參數(shù)，但棘輪的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)要按棘輪的頂圓直徑da來計算。 m = da/z 棘輪齒數(shù)z一般由棘輪機(jī)構(gòu)的使用條件和運(yùn)動要求選定。對于一般進(jìn)給和分度所用的棘輪機(jī)構(gòu)，可根據(jù)所要求的棘輪最小轉(zhuǎn)角來確定棘輪的齒數(shù)（z 250，一般取z = 816），然后選定模數(shù)，本設(shè)計取棘輪齒數(shù):z=12，根據(jù)棘輪機(jī)構(gòu)常用模數(shù)中有2或2.5中，選擇為模數(shù)：m=2或m=2.5進(jìn)行計算，得出da=24mm或da=30mm，根據(jù)得出的數(shù)據(jù)與手壓式手電筒外形參數(shù)相比，顯得太小或太大了，經(jīng)衡量后取其中間值m=2+2.5/2=2.25，則得出實(shí)際頂圓直徑：da=2.25*12=27mm。在棘輪齒高h(yuǎn)中，當(dāng)m

24、取0.62.5時， 則h=(0.752.5)m,取h=0.75m，棘輪齒高：h=0.75m=0.75x2.25=1.6mm周節(jié)：=3.14x2.25=7.07mm在棘爪齒寬b中，b=(14)m, 取b=1,則棘爪齒寬：b=1m=2.25mm棘輪齒寬b中，由于是內(nèi)嚙合棘輪機(jī)構(gòu)，根據(jù)手壓式手電筒寬度和棘爪齒寬、發(fā)電裝置的厚度，取棘輪齒寬:b=10mm齒面偏斜角=（10°15°），取齒面偏斜角：=15°齒槽夾角  =60°或55°取齒槽夾角：=60°棘輪齒槽圓角半徑r 當(dāng)m=0.62.5時, 則 rO.30.5,當(dāng)m=6

25、30時,則r1.5,從上所知m =2,則rO.30.5，取棘輪齒槽圓角半徑r=0.4mm棘爪長度L,當(dāng)m=330時， L=2m,當(dāng) m<3時， L=m，則棘爪長度：L=m =3.14x2.25=7.6mm4.傳動軸的設(shè)計4.1、軸的功能和工作原理軸是支承轉(zhuǎn)動零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運(yùn)動、扭矩或彎矩的機(jī)械零件。一般為金屬圓桿狀，各段可以有不同的直徑。機(jī)器中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的零件就裝在軸上。根據(jù)軸線形狀的不同，軸可以分為曲軸和直軸兩類。根據(jù)軸的承載情況，又可分為：轉(zhuǎn)軸，工作時既承受彎矩又承受扭矩，是機(jī)械中最常見的軸，如各種減速器中的軸等。心軸，用來支承轉(zhuǎn)動零件只承受彎矩而不傳遞扭矩，有些心軸轉(zhuǎn)動，

26、如鐵路車輛的軸等，有些心軸則不轉(zhuǎn)動，如支承滑輪的軸等。傳動軸，主要用來傳遞扭矩而不承受彎矩，如起重機(jī)移動機(jī)構(gòu)中的長光軸、汽車的驅(qū)動軸等。軸的材料主要采用碳素鋼或合金鋼，也可采用球墨鑄鐵或合金鑄鐵等。軸的工作能力一般取決于強(qiáng)度和剛度，轉(zhuǎn)速高時還取決于振動穩(wěn)定性。4.2、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是確定軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸，為軸設(shè)計的重要步驟。它由軸上安裝零件類型、尺寸及其位置、零件的固定方式，載荷的性質(zhì)、方向、大小及分布情況，軸承的類型與尺寸，軸的毛坯、制造和裝配工藝、安裝及運(yùn)輸，對軸的變形等因素有關(guān)。設(shè)計者可根據(jù)軸的具體要求進(jìn)行設(shè)計，必要時可做幾個方案進(jìn)行比較，以便選出最佳設(shè)計方案，以

27、下是一般軸結(jié)構(gòu)設(shè)計原則： 1、節(jié)約材料，減輕重量，盡量采用等強(qiáng)度外形尺寸或大的截面系數(shù)的截面形狀； 2、易于軸上零件精確定位、穩(wěn)固、裝配、拆卸和調(diào)整； 3、采用各種減少應(yīng)力集中和提高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)措施； 4、便于加工制造和保證精度。4.3軸的類型及其選擇4.3.1軸的作用軸的作用：支承回轉(zhuǎn)件、傳遞運(yùn)動和動力。4.3.2軸的類型軸按受載荷不同分：轉(zhuǎn)軸：既受轉(zhuǎn)矩又受彎矩。心軸：只受彎矩。傳動軸：只受轉(zhuǎn)矩。按軸的形狀分：直軸和曲軸4.3.3軸按其承載情況分類：轉(zhuǎn)軸和心軸和傳動軸轉(zhuǎn)軸其特點(diǎn)是：工作時既承受彎矩又承受扭矩，是機(jī)械中最常見的軸，如各種減速器中的軸等。心軸用其特點(diǎn)是：來支承轉(zhuǎn)動零件只承受彎矩而不

28、傳遞扭矩，有些心軸轉(zhuǎn)動，如鐵路車輛的軸等，有些心軸則不轉(zhuǎn)動，如支承滑輪的軸等。傳動軸其特點(diǎn)是：主要用來傳遞扭矩而不承受彎矩，如起重機(jī)移動機(jī)構(gòu)中的長光軸、汽車的驅(qū)動軸等。軸的材料主要采用碳素鋼或合金鋼，也可采用球墨鑄鐵或合金鑄鐵等。4.3.4軸的選擇因?yàn)檩S是用做支承棘輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，零件只承受彎矩而不傳遞扭矩，所以選擇是直軸類的光軸。4.4軸的材料選擇選擇軸的材料首先要有足夠的強(qiáng)度，對應(yīng)力集中敏感性低，其次還須能滿足剛度、耐磨性、耐腐蝕性等方面的要求，并具有良好的加工工藝性，且價格低廉、易于獲得。還要有經(jīng)濟(jì)性、合理性、適用性。在45號剛、Q235、Q255、Q275這些材料中，經(jīng)過對比，選取45號剛

29、為軸的材料。45號剛化學(xué)成分是含碳（C）量是0.420.50%，Si含量為0.170.37%，Mn含量0.500.80%，Cr含量<=0.25%。在設(shè)計毛胚直徑<100mm時，經(jīng)正火處理，其硬度為 170217HBS ，抗拉強(qiáng)度極限為590 ，屈服強(qiáng)度極限為295 ，彎曲疲勞極限為255，剪切疲勞極限為140 ，許用彎曲應(yīng)力為55，具有價格便宜，經(jīng)過調(diào)質(zhì)（或正火）后，可得到較好的切削性能，而且能獲得較高的強(qiáng)度和韌性等綜合機(jī)械性能的優(yōu)點(diǎn)，所以材料選擇45鋼。4.5、軸的設(shè)計軸的設(shè)計要考慮軸的功能使用要求，材料，軸的制造工藝，價格，尺寸，等方面的要求，我所設(shè)計的軸是用來支承棘輪轉(zhuǎn)動的，

30、只承受彎矩而不傳遞扭矩，所以選擇了直軸類的光軸，在材料的選擇中，可以供選擇的有45號剛、Q235、Q255、Q275這些材料，但45號鋼的性價比更高，所以選擇45號鋼，在制造工藝方面可以選擇正火處理或調(diào)質(zhì)處理，正火處理是將鋼材或鋼件加熱到Ac3或Ac3以上適當(dāng)溫度保溫適當(dāng)?shù)臅r間后在空氣中冷卻，得到珠光體組織的熱處理工藝，其目的是在于使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化。調(diào)質(zhì)處理是鋼材在淬火后加高溫回火.目的是使調(diào)質(zhì)后的零件具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。鋼正火和調(diào)質(zhì)后的機(jī)械性能如表4.1所示，但考慮到價格方面，45鋼正火處理價格更便宜且也能滿足軸的功能使用要求，所以選擇正火處理，由于軸和棘輪孔是間隙配合，孔的

31、公差帶在軸的公差帶之上，所以選用基軸制配合,考慮到棘輪尺寸的大小，設(shè)軸的直徑為1.5mm，長度為22mm，對于軸受到得剪應(yīng)力不過幾十N而言，其強(qiáng)度和剛度都是足夠了，無需校核計算。鋼正火和調(diào)質(zhì)后的機(jī)械性能熱  處  理 b(MN/) s(MN/) -1(MN/)調(diào)    質(zhì)    682    490  338正  火    600    340    260表4.1 5.發(fā)電和儲電5.1發(fā)電原理發(fā)電就是將其

32、他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能，如將水流，氣流，燃料燃燒或原子核裂變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳給發(fā)電裝置，再由發(fā)電裝置轉(zhuǎn)換為電能，發(fā)電機(jī)的形式很多，但其工作原理都基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，即線圈在旋轉(zhuǎn)的磁場當(dāng)中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在外力的帶動下線圈在磁場當(dāng)中作切割磁感線運(yùn)動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如果內(nèi)部線圈通過電刷與外部電路構(gòu)成一個閉合的回路那在這個電路當(dāng)中就形成電流。5.2電路設(shè)計方案方案1:如圖5.2，采用經(jīng)典整流電路，對磁體往復(fù)運(yùn)動所產(chǎn)生的交流電進(jìn)行整流，再送入電容儲存，真正實(shí)現(xiàn)雙向發(fā)電。雖然部件較多，線路較為復(fù)雜，但是其高效化，節(jié)能化是現(xiàn)有常規(guī)電路無法比擬的。圖5.2 電路圖方案2：如圖5.3，采用及

33、其簡單的閉合回路，用2個二極管過濾逆時針方向的電流，剩下的順時針電流給予電流充電。同時也能遏制電容通過線圈的反向放電。當(dāng)開關(guān)打到1 位置，手壓搖桿可以對電容充電，當(dāng)電容沖電到足夠的程度，將開關(guān)打到2 位置，電容通過發(fā)光二極管放電，點(diǎn)亮LED1。其結(jié)構(gòu)鮮明，原理簡單，是現(xiàn)有手壓式手電筒的主流設(shè)計電路。圖5.3 電路圖2方案比較：就線路上來講方案1 較方案2 稍復(fù)雜，成本也是稍為昂貴，但是因其方案一 的效率是方案2 的兩倍，因此，只考慮這些的話，優(yōu)先選用方案1.然則2者方案的選擇，會引起機(jī)械結(jié)構(gòu)上一個不大不小的改動。如圖5.4。圖5.4 傳動圖現(xiàn)有的手壓式手電筒的主流設(shè)計，如圖5.4所示，往往在部

34、件3 與部件5 之間加入棘輪機(jī)構(gòu)。當(dāng)手壓部件2，讓部件2繞軸轉(zhuǎn)動，部件2通過相嚙合的直齒帶動齒輪4轉(zhuǎn)動，齒輪4再帶動齒輪3轉(zhuǎn)動，齒輪3與永磁體相固定。當(dāng)手松開手壓搖桿，則部件1，扭轉(zhuǎn)彈簧工作，將部件2復(fù)位。部件2繼續(xù)帶動齒輪4轉(zhuǎn)動，但由于部件5，棘輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，部件4不會帶動部件3，永磁體的轉(zhuǎn)動。如此一來，這個機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的電流就不是交流電，當(dāng)然整流電路也就無從談起。若是產(chǎn)用方案1，則需將部件5處的棘輪機(jī)構(gòu)去掉。去掉棘輪機(jī)構(gòu)有利有弊，利在于去掉了棘輪機(jī)構(gòu)，則再加上方案1 所提供的整流電路，無疑實(shí)現(xiàn)了雙向發(fā)電，其高效性自不必說。弊端在于，棘輪機(jī)構(gòu)的去除，在手松開后，部件2 的復(fù)位將帶動部件3和部件

35、4一起運(yùn)動。這動力僅依賴于一個壓縮彈簧而言，對彈簧的要求就偏高了。本設(shè)計中，追求高效、節(jié)能、環(huán)保的設(shè)計方案，對于對電容充電的時間當(dāng)然是越少越好，手壓發(fā)電的效率是越高越好。因此電路設(shè)計選定于方案1.5.3電能儲備方案手壓發(fā)電，因其切割磁感線的往復(fù)運(yùn)動且速率不一，造成的電流方向反復(fù)，大小不定。這無論是對用電器還是整個線圈電路都存在著不好的影響。而將電能儲存起來，再以直流電的形式供給用電器，則是最理想的選擇。也能從根本上解決現(xiàn)有手壓式手電筒，在鋰電池用完后“一壓一亮，不壓不亮”的弊端。方案1：用普通電容進(jìn)行儲電。電容是組成電子電路的主要元件。它可以儲存電能，具有充電、放電及通交流、隔直流的特性。從某

36、種意義上說，電容器有點(diǎn)像電池。盡 管兩者的工作方式截然不同，但它們都能存儲電能。電池有兩個電極,在電池內(nèi)部，化學(xué)反應(yīng)使一個電極產(chǎn)生電子，另一個電極吸收電子。而電容器則要簡單得多， 它不能產(chǎn)生電子它只是存儲電子。它是各類電子設(shè)備大量使用的不可缺少的基本元件之一。方案2：用超級電容進(jìn)行儲電。超級電容器是利用雙電層原理的電容器。當(dāng)外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷，負(fù)極板存儲負(fù)電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排

37、列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量比普通的電容大。當(dāng)兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下），但因電容儲電量的限制，即便是超級電容儲滿點(diǎn)也不能供應(yīng)一般LED工作足夠長的時間，因此在此方案中，由超亮發(fā)光二極管代替一般LED作為手壓式手電筒的光源。方案3：用可蓄鋰電池進(jìn)行儲電。它能把有限的電能儲存起來，在合適的地方使用。它的工作原理就是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。 它用填滿海綿狀鉛的鉛板作負(fù)極，填滿二氧化鉛的鉛板作正極，并用1.28的稀硫酸作電解質(zhì)。在充電時，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，放電時化學(xué)能又轉(zhuǎn)化為電能。電池在

38、放電時，金屬鉛是負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，被氧化為硫酸鉛；二氧化鉛是正極，發(fā)生還原反應(yīng)，被還原為硫酸鉛。電池在用直流電充電時，兩極分別生成鉛和二氧化鉛。移去電源后，它又恢復(fù)到放電前的狀態(tài)，組成化學(xué)電池。此方案中，只要儲滿電，蓄電池?zé)o疑能為任何形式光源用電器提供其足夠長時間的工作耗電量。即便不儲滿，在存儲電能上，蓄電池?zé)o任何大的弊端。(1)超級電容器與普通電容器的區(qū)別： 1)超級電容器在分離出的電荷中存儲能量，用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。2)傳統(tǒng)電容器的面積是導(dǎo)體的平板面積，為了獲得較大的容量，導(dǎo)體材料卷制得很長，有時用特殊的組織結(jié)構(gòu)來增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材

39、料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。 3)超級電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結(jié)夠允許其面積達(dá)到2000m2/g，通過一些措施可實(shí)現(xiàn)更大的表面積。超級電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的。該距離（<10 &Aring;）和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實(shí)現(xiàn)的距離更小。 4)這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級”所在。(2)超級電容與儲電池的區(qū)別：1) 超級電容器不同于儲電池，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，它可能優(yōu)于儲電池。有時將兩者結(jié)合起來，將電容器的功率特性和儲

40、電池的高能量存儲結(jié)合起來，不失為一種更好的途徑。 2) 超級電容器在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位，且可以完全放出。而儲電池則受自身化學(xué)反應(yīng)限制工作在較窄的電壓范圍，如果過放則可能造成永久性破壞。 3)超級電容器的荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構(gòu)成簡單的函數(shù)，而儲電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復(fù)雜的換算。 4)超級電容器與其體積相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲更多的能量，儲電池與其體積相當(dāng)?shù)某夒娙萜飨啾瓤梢源鎯Ω嗟哪芰?。在一些功率決定能量存儲器件尺寸的應(yīng)用中，超級電容器是一種更好的途徑。 5)超級電容器可以反復(fù)傳輸能量脈沖而無任何不利影響，相反如果儲電池反復(fù)傳輸高功率脈沖其壽命大打折扣。 6)超級電

41、容器可以快速充電而儲電池快速充電則會受到損害。 7)超級電容器可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬次，而儲電池壽命僅幾萬個循環(huán)。方案比較及確立：成本上，方案一是一個普通電容加一個超亮發(fā)光二極管，方案二是一個超級電容加一個超亮發(fā)光二極管，方案三則是一個可蓄鋰電池加一個普通LED。在成本上方案二和方案三相差不大，而方案一就比較便宜一點(diǎn)。電容儲電方案在理論上，尚缺乏計算保證。然而，蓄電池在不能充分充電和放電的工作情況下來說，和難保證其工作壽命，因?yàn)樗鼤孕蟹烹?，直至報廢。而手壓式發(fā)電，無疑對它來說無疑是一個最惡劣的工作環(huán)境電流的時斷時續(xù)，時大時小，充電，放電的間隔不一，對它都是一種考驗(yàn)。再加上本設(shè)計致力于現(xiàn)有手壓

42、式手電筒的優(yōu)化設(shè)計，本設(shè)計盡量避免對于電池的使用。而在方案一和方案二中，雖然方案一比方案二便宜，但是普通電容在貯存電量方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上超級電容，充滿一次電很快就會用完，這在設(shè)計上是一個很大的弊端，況且超級電容在價格方面也不是很貴，只是相對普通電容來說是貴了點(diǎn)，但為了使設(shè)計完善就使用第二方案。終上所述，本設(shè)計采用方案1，超級電容儲電。 5.4超級電容選擇電容作為儲能的核心元件，在整個系統(tǒng)中起到的作用毋庸置疑，因此它的選擇本設(shè)計慎之再慎。1)首先，功率要求、放電時間及系統(tǒng)電壓變化起決定作用。 2)超級電容器的輸出電壓降由兩部分組成，一部分是超級電容器釋放能量；另一部分是由于超級電容器內(nèi)阻引起。兩部分

43、誰占主要取決于時間，在非常快的脈沖中，內(nèi)阻部分占主要的，相反在長時間放電中，容性部分占主要。 以下基本參數(shù)決定您選擇電容器的大小 1、 最高工作電壓； 2、 工作截止電壓； 3、 平均放電電流; 4、 放電時間多長最終選定為法拉電容5.5V 0.047F，具體參數(shù)，如下圖。圖5.5 參數(shù)法拉電容5.5V 0.047F具有以下幾大優(yōu)點(diǎn)：a.體積小，容量大，電容量比同體積電解電容容量大3040倍； b. 充電速度快，10秒內(nèi)達(dá)到額定容量的95%； c. 充放電能力強(qiáng)； d. 失效開路，過電壓不擊穿，安全可靠；e. 超長壽命，可長達(dá)40萬小時以上； f. 充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，真正免維護(hù)；g. 檢測方便，剩余電量可直接讀出；h. 產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源i. 超低溫特性好，溫度范圍寬-40+70；現(xiàn)主要應(yīng)用于：記憶體后備電源，用于視頻，音頻產(chǎn)品，相機(jī)，長像器材，電話，打印機(jī)，汽車音響，電腦，筆記本電腦，電飯煲，PLC，SET TOP BO，GSM，洗衣機(jī)，DVD-RW，家庭通訊網(wǎng)，智能控制器，手搖電筒等，價格一般在1.5元左右，就手電筒而言是這成本是可以接受的?？梢娺@種電容，已經(jīng)成功應(yīng)用于手搖電筒，能夠?yàn)槭謸u電筒提供足夠電量，是被事實(shí)檢驗(yàn)了的。因此在，電容容量大小能否提供足夠電量的問題上，已經(jīng)無