機械式電池結(jié)構(gòu)設(shè)計說明書畢業(yè)論文

目錄TOC\o"1-3"\h\u1簡介1.1本研究的目的和意義 11.2國外研究現(xiàn)狀 11.3本課題研究內(nèi)容及技術(shù)方法路線 42.整體設(shè)計2.1機械電池的基本原理及組成 72.2三種機械電池方案設(shè)計 82.2.1曲柄式機械電池 82.2.2拉繩機械電池 112.2.3定時器式機械電池 132.3章節(jié)總結(jié)153.傳動設(shè)計3.1傳輸173.1.1傳輸（一） 173.1.2傳輸（二）193.1.3傳輸（三） 203.2發(fā)電機選擇 223.3章節(jié)總結(jié) 244、增速器設(shè)計4.1機械電池方案的確定 254.2傳動比的確定 254.3相關(guān)參數(shù)的確定 264.4軸設(shè)計 294.4.1輸入軸的設(shè)計 294.4.2中間傳動軸設(shè)計 304.4.3輸出軸設(shè)計 314.5章節(jié)總結(jié) 325結(jié)論參考文獻 37至 38

1簡介1.1本研究的目的和意義創(chuàng)新越來越被認(rèn)為是技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展的驅(qū)動力。隨著知識的不斷創(chuàng)新，科學(xué)技術(shù)的飛速進步給整個人類帶來了翻天覆地的變化。我們黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人以及我國科技界都指出，加強科技創(chuàng)新對我國的國際地位具有決定性意義。機械電池是融合先進技術(shù)形成的創(chuàng)新型微機電產(chǎn)品。眾所周知：化學(xué)電池因其使用方便而被廣泛使用，但化學(xué)電池存在材料浪費、易造成污染、處理麻煩等缺點，但由于沒有更好的替代品，所以總是在國內(nèi)制造和生產(chǎn)。大批量。從目前的電池市場來看，毫無疑問，化學(xué)電池幾乎占據(jù)了整個電池市場。20世紀(jì)末，人們開始加大對新型環(huán)保電池的研發(fā)力度。目前有太陽能電池和燃料電池等一些應(yīng)用。但是，這些新型電池還不足以與化學(xué)電池相提并論。在環(huán)保要求越來越嚴(yán)格的今天，對環(huán)保電池的研究越來越多，所以機械電池的研發(fā)也是非常有必要的，也符合社會發(fā)展的需要。盡快解決機械電池等環(huán)保電池的一些關(guān)鍵難點，讓這種機械電池更貼近實際應(yīng)用和日常生活，在未來的生活中得到廣泛應(yīng)用。在這種情況下，對環(huán)保機械電池的研究已成為必然。機械電池屬于新型微機電產(chǎn)品領(lǐng)域。這些產(chǎn)品隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而大量涌現(xiàn)。1.2國外研究現(xiàn)狀近年來，電子產(chǎn)品和移動通訊產(chǎn)品向小型化、便攜化方向發(fā)展，對高容量、小型化電池的需求增長迅速。據(jù)國際數(shù)據(jù)公司統(tǒng)計，1989年全球無線尋呼用戶1900萬，其中美國988萬（52%），亞太地區(qū)228萬（12%）。1995年，全球有8500萬無線尋呼用戶。美國仍有2800萬戶家庭排名第一，中國2010萬戶家庭排名第二。隨著移動通信業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，對微型大容量電池的需求也大幅增長。隨著人們環(huán)保意識的增強，祈求“綠色電池”的呼聲越來越高。目前，化學(xué)電池因其使用方便而被廣泛使用，但化學(xué)電池存在材料浪費、易污染、搬運麻煩等缺點?；瘜W(xué)電池總是被大量制造和生產(chǎn)，因為沒有更好的替代品。在這種情況下，對環(huán)保機械電池的研究已成為必然。機械電池是將機械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。目前，我國還沒有關(guān)于將機械能轉(zhuǎn)化為電能的相關(guān)報道，國外也有類似的做法。1990年代初，英國人發(fā)明了機械發(fā)電收音機。其基本原理是發(fā)條的機械能帶動小型發(fā)電機為收音機供電，從而收聽節(jié)目。大約在同一時間，日本精工制造了一款人體動能手表，利用人體的動能發(fā)電。在這種結(jié)構(gòu)中，微技術(shù)主要用于手表中的發(fā)電機小型化，通過人體運動帶動慣性飛輪轉(zhuǎn)動，動力元件帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生磁切割產(chǎn)生電流，送入大容量電容進行存儲，然后持續(xù)提供指針。這些都是將機械能轉(zhuǎn)化為電能的單一應(yīng)用的例子，顯然，這些設(shè)備只在各自的單一商品中使用，不能廣泛使用。將機械能轉(zhuǎn)化為電能可以追溯到早期用于自行車的摩托車燈。在車輪的驅(qū)動下工作的微型發(fā)動機為自行車燈提供動力，屬于將機械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。近年來，隨著電子元器件的飛速發(fā)展和對環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，人們開始嘗試將機械能轉(zhuǎn)化為電能的新應(yīng)用。1990年代初，英國人發(fā)明了機械發(fā)條收音機。其基本原理是通過發(fā)條的機械能帶動小型發(fā)電機提供收聽節(jié)目的無線電功率。據(jù)報道，該產(chǎn)品已在美國阿富汗反恐戰(zhàn)爭期間通過飛機空投給阿富汗山區(qū)居民，為美軍和反塔利班陣線的進攻提供了宣傳工具。圖1-1英國法律收音機示意圖通過前人的研究和實驗，我們提出在手機電池中使用我們的機械電池，主要由驅(qū)動結(jié)構(gòu)、傳動裝置、發(fā)電機、整流器、存儲器（小型鋰電池）組成，以便在行駛等特殊情況下使用。出來，一旦手機沒電了，我們只需要扭動驅(qū)動機構(gòu)就可以給它充電。此外，我們可以在手電筒中使用機械電池。該技術(shù)已經(jīng)成熟，英國freeplay能源公司已將其作為其產(chǎn)品之一，如圖1-1所示。圖1-2機械充電手電筒大約在同一時間，日本精工公司生產(chǎn)了利用人體動能的人體動能手表。在這種結(jié)構(gòu)中，主要是利用微技術(shù)將手表中的發(fā)電機小型化，通過人體的運動帶動慣性飛輪旋轉(zhuǎn)。功率元件帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁切割產(chǎn)生電流，送入大容量電容存儲，然后持續(xù)給指針供電，如圖1-3所示。從日本對人體動能手表的使用情況來看，由于這款產(chǎn)品利用了人體手臂波動所提供的能量，手表可以正常工作。一般揮手時間不超過一天，即可正常工作。當(dāng)時間不供電時，電路進入休眠狀態(tài)，保持低功耗，等供電恢復(fù)后才能正常工作。因此，它可以長期使用。這些產(chǎn)品是將機械能轉(zhuǎn)換為電能的應(yīng)用示例。圖1-3SeikoKineticEnergyWatch部門的結(jié)構(gòu)1.3本課題研究內(nèi)容及技術(shù)方法路線需要指出的是：無論是自行車的摩托車電燈，還是英國的機械發(fā)電收音機，還是日本的人體動能手表，這些設(shè)備都只用在各自的單一商品中，不能使用它們的能量系統(tǒng)獨立且可互換，因此被廣泛使用。我們知道，電池最大的特點之一就是可互換性。它不是針對某種電器，而是可以通用的。因此，基于電池的這一特性，有人提出了開發(fā)機械電池的研究，并取得了一些進展。我們的設(shè)計是將機械動力系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)從具體的電氣元件中分離出來，制成可以提供動力的機械電池。產(chǎn)品在使用時，只需像普通電池一樣將機械電池的正負(fù)極與電氣元件連接起來，即可正常工作。由于這種機械電池一般是靠人力驅(qū)動的，所以比較適合長時間不工作的電器。除了上面提到的人工手表和收音機外，它還可以用于手電筒、應(yīng)急燈、玩具等應(yīng)用。此外，在前期的研究中，我們還進行了電容與機械傳動部分的分離，提出了并聯(lián)充電串聯(lián)使用的新設(shè)計原則。根據(jù)該方案得到的機械電池具有電動分離的特點，因此具有重復(fù)使用的特點，體積會減小。同時，除了自己研發(fā)的發(fā)電-充電裝置外，電池的電容部分也可以用普通充電器進行變壓后充電。除了方便，這個概念還有很多優(yōu)點，比如簡單、價格便宜。當(dāng)時還有一個缺點，就是使用過程中一般很難直接充電。如前所述，隨著微小型化微電子器件進入機械領(lǐng)域，微電子與機械進一步融合，從而設(shè)計制造出具有獨特結(jié)構(gòu)和功能的微機電系統(tǒng)。迄今為止，人們已經(jīng)在實驗室中采用不同的工藝方法成功制造出各種微型器件，形成了年產(chǎn)值過億的規(guī)模，并且還在快速發(fā)展。國外已在人體動能和機械無線電等領(lǐng)域開發(fā)成功產(chǎn)品。因此，機械電池的發(fā)展不僅促進了對應(yīng)用更廣泛、有利于環(huán)保的產(chǎn)品的研究，而且具有良好的社會效益和巨大的經(jīng)濟潛力。圖1-4機械電池示意圖圖1-4是機械電池的基本示意圖，主要由機械動力源、傳動機構(gòu)、微型發(fā)電機和連接件組成。驅(qū)動機械動力源后，通過傳動機構(gòu)提高轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給微型發(fā)電機，由此產(chǎn)生的電能可供其他電器使用。機械電池的作用是將機械能轉(zhuǎn)化為電能，由驅(qū)動裝置、機械傳動、機械能-電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電能存儲和控制電路組成?；竟ぷ髁鞒倘鐖D1-5所示。圖1-5機械電池工作流程圖由于機械電池等新型微機電產(chǎn)品需要實現(xiàn)功能要求，在小體積內(nèi)集成動力、傳輸、能量轉(zhuǎn)換、控制電路和輸出，其設(shè)計也帶來了很多問題。.其中矛盾有：如尺寸與強度之間，尺寸小，強度普遍偏低；在結(jié)構(gòu)和功能上，結(jié)構(gòu)不易過于復(fù)雜，但必須滿足其功能；設(shè)計與制造的矛盾等等。歸結(jié)為產(chǎn)品小型化帶來的問題。本研究的技術(shù)路線如圖1-6所示。圖1-6研究技術(shù)路線流程圖總之，在機械電池的設(shè)計過程中，要在材料的選擇上充分考慮如何滿足要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度設(shè)計上設(shè)計出更具特色的小型化。因此，宏觀機械設(shè)計、機械傳動、摩擦學(xué)設(shè)計、發(fā)電、供電設(shè)備設(shè)計等理論和原理是難以復(fù)制的。它在設(shè)計理論和方法上有自己的特點。綜上所述，可以看出機械電池可以用在很多場合，比如手電筒、收音機、電動玩具等，如果做成普通電池的形狀和尺寸，可以部分替代化學(xué)電池，可以在很多地方使用。可更換性和多次使用也是機械電池的一大優(yōu)勢。通過這個特點，我們的設(shè)計也有別于其他機械發(fā)電結(jié)構(gòu)。它們的使用場合單一，但缺乏便攜性。因此，機械電池現(xiàn)在很小。原則上基于機械發(fā)電裝置的創(chuàng)新。同時，機械電池具有典型微機電產(chǎn)品的特點，有別于普通發(fā)電設(shè)備。它將所有機電部件集成在一個尺寸為數(shù)十毫米的產(chǎn)品中。但其領(lǐng)域涵蓋機械設(shè)計、摩擦學(xué)設(shè)計、發(fā)電裝置與電路等學(xué)科，形成了微功率轉(zhuǎn)換、機械傳動、發(fā)電、供電及控制系統(tǒng)，其設(shè)計充分體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)的技術(shù)水平。另一方面，由于尺寸的限制，需要設(shè)計一種具有實用價值的機械電池，在非常有限的空間內(nèi)可以部分替代化學(xué)電池。因此，他的研究也將帶來設(shè)計和制造技術(shù)的創(chuàng)新。2.整體設(shè)計2.1機械電池的基本原理及組成機械電池主要由輸入裝置（如手柄、拉繩）、增速機構(gòu)、發(fā)電裝置、蓄電裝置和輸出裝置組成。其基本原理是使增速機構(gòu)通過手動輸入裝置（如手柄、拉繩），帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能，并儲存在蓄電裝置中供輸出裝置使用。其流程圖如圖2-1所示。輸入裝置（手柄）輸入裝置（手柄）增速機構(gòu)發(fā)電裝置增速裝置輸出裝置蓄電裝置圖2.12.2三種機械電池方案設(shè)計2.2.1曲柄式機械電池?fù)u桿式的基本思想是增加臂長。這樣，在驅(qū)動變速器驅(qū)動發(fā)電機時，可以節(jié)省大量的力，但具有方便、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。針對這種驅(qū)動方式，設(shè)計了曲柄式機械電池。其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。該電池采用曲柄式驅(qū)動結(jié)構(gòu)作為動力源，曲柄與變速器相連，搖動曲柄即可帶動變速器運轉(zhuǎn)，從而使發(fā)電機工作。圖2-2手搖機械電池示意圖這種曲柄式的驅(qū)動方式在很多場合都有使用。例如，機械收音機、手電筒、機械電池等可以引入曲柄式驅(qū)動方法。正常使用時，只要搖動手柄，發(fā)電機即可發(fā)電，也可蓄電。在內(nèi)存中，它用于照明?？紤]到曲柄式機械電池的易用性，這款電池的體積還是比較大的，不過大部分是充電器部分，內(nèi)存部分和一般學(xué)校電池大小差不多，只要夠用就行電源充電，完全可以替代普通化學(xué)電池的使用。在對模型各部分的設(shè)計和完整性進行可行性分析后，我們可以根據(jù)設(shè)計方案制作實際模型，以檢驗設(shè)計模型的實際可行性。一是選擇合適的發(fā)電機、增速器和充電容量大的電容器；然后將發(fā)電機、增速器和用于動力輸入的手柄連接成一個整體作為發(fā)電裝置；最后將增速器和用作電源輸入的手柄連接成一個整體，作為發(fā)電裝置安裝到電路中。按照設(shè)計好的電路制作測試用的電路板，焊接測試電容，完成充電電路的制作。模型制作完成后，可根據(jù)理論設(shè)計進行相關(guān)實驗。根據(jù)理論設(shè)計，只要搖動手柄，通過齒輪傳動傳遞到發(fā)電機發(fā)電，電容器就可以充滿電，設(shè)計結(jié)果應(yīng)該能滿足需要。在整個系統(tǒng)傳動過程中，摩擦阻力過大，傳動采用三級齒輪傳動增速器，傳動比為1：15.42。在實驗制作模型時，模型的精度不夠高。齒輪傳動輸出端連接有一定誤差，能量損失太大。以50r/min的平均轉(zhuǎn)速搖動手柄。用萬用表測得發(fā)電機的輸出電壓只有0.4～0.5V左右。但是，通過將電容器組在充電時并聯(lián)，使用時將它們串聯(lián)起來，可以實現(xiàn)充電時電容器組的輸入電壓在0.4～0.5V左右或更低，實現(xiàn)電容器組的并串轉(zhuǎn)換。在放電和使用過程中可以實現(xiàn)電容器組（通過二極管的單向?qū)▽崿F(xiàn)并串模式的自動轉(zhuǎn)換），使輸出電壓可以達(dá)到1.2~5V。一般來說，發(fā)電裝置可以產(chǎn)生一定的電量，設(shè)計的電路還可以實現(xiàn)充放電，可以放大輸入。電壓，應(yīng)該說基本達(dá)到了測試的預(yù)期目的。圖2-3是蓄能器的示意圖。微型發(fā)電機接變速器輸出端，變速器輸入端接機械動力源（搖動手柄）。當(dāng)搖動手柄時，產(chǎn)生動力（要素：扭矩和速度），通過變速器傳遞速度和扭矩。聯(lián)軸器被傳遞到發(fā)電機軸上，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，然后將其充電到電容器中。在將幾個這樣的電容器連接成一個電容器組后，可以存儲足夠的電能。利用二極管的單向?qū)щ娦裕梢詫崿F(xiàn)電容器組充電時串聯(lián)與放電時并聯(lián)的自動轉(zhuǎn)換，提高放電輸出電壓。，以便滿足一般使用要求。微型發(fā)電機產(chǎn)生的電能通過電源線引出到外殼的頭部和尾部，使具有機械能的電池可以用于不同的電器。圖2-3存儲設(shè)備設(shè)計原理示意圖圖2-2是整個機械電池的示意圖。當(dāng)通過手柄給電容器充電到足夠的電量時，將電池取出，電池可以代替普通電池使用。理論上，機械電池可以部分替代傳統(tǒng)的化學(xué)電池。設(shè)計過程為：發(fā)電機、輸電、電容器選定后，對裝置各部分進行初步估算，根據(jù)設(shè)計要求，假設(shè)設(shè)計模型，根據(jù)設(shè)計要求選擇合適參數(shù)的元件。模型中各部分的要求?；谝陨蠗l件和要求，提出以下改進措施：（1）原傳動比為1：15.42，可稍微加大傳動比。本實驗采用三級齒輪傳動。級數(shù)過多會造成摩擦過大，能量損失過大，因此無需增加檔位。級數(shù)，可以盡量增加每一級的傳動比來提高整體的增速比，但同時盡量控制設(shè)計的大小，注意提高加工精度，盡量改善工作條件，加強傳動級之間的潤滑改進。最大限度地減少摩擦和傳輸能量損失。(2)在選擇發(fā)電機和齒輪箱時，在保證尺寸的同時，盡量選擇大直徑的軸。這樣在連接軸的時候可以選擇比較靈活的連接方式，也可以選擇尼龍、橡膠等進行連接，可以減少振動，降低能耗。(3)電容的選擇，在普通電池大小的基礎(chǔ)上，合理利用它們之間的空間，盡可能多的放電容，因為在實驗中，電容越多，電是帶電的，所以使用時間比較長，實驗效果比較明顯。本設(shè)計的創(chuàng)新之處在于該結(jié)構(gòu)主要以搖柄為原動機，通過多級齒輪增速裝置將動力傳遞至發(fā)電機軸，帶動微型發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生磁切割產(chǎn)生電流，將機械能轉(zhuǎn)換成電流。轉(zhuǎn)換成電能，然后充電到電容器中。將幾個這樣的電容器并聯(lián)后，可以儲存足夠的電能來滿足總則使用需求。(1)機械電池對摩擦特性的要求不同。盡量避免摩擦作為運動阻力，甚至達(dá)到零摩擦。如果將設(shè)計擴展到微電領(lǐng)域，微機電系統(tǒng)往往以摩擦為牽引力或驅(qū)動力。這時就要求摩擦力有一個穩(wěn)定的數(shù)值，并且可以及時控制。微機械電池性能實驗裝置的建立將盡可能考慮不同的工況。條件;MEMS電池的摩擦副間隙很小，MEMS系統(tǒng)的能量很小，因此要求盡可能降低摩擦能耗，因此可以采用分子膜潤滑技術(shù)達(dá)到減少摩擦的目的。(2)齒輪傳動級數(shù)過多，會造成摩擦過大，能量損失大?？梢员M量減少齒輪級數(shù)，盡可能提高各級傳動比，但同時盡量控制設(shè)計尺寸。(3)驅(qū)動機構(gòu)、傳動裝置和發(fā)電機連接時應(yīng)充分考慮同軸度問題。如果精度不夠，會在運行時造成偏心大的問題。因此，應(yīng)保證這些部件的軸徑盡可能大，并減少相對偏心的小問題。(4)在做電池的時候，為了讓電池有更多的使用空間，我們設(shè)計了和普通電池一樣的尺寸，還加了一個轉(zhuǎn)換電路，這樣充電和使用之間的轉(zhuǎn)換過程會很流暢簡單的。2.2.2拉繩機械電池拉索驅(qū)動結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)盤、主發(fā)條、細(xì)繩、外框組成。如圖2-4所示，將主發(fā)條置于轉(zhuǎn)盤內(nèi)，主發(fā)條一端固定在轉(zhuǎn)盤上，另一端固定在機殼上，轉(zhuǎn)盤和撥鏈器連接在一起，繩索是繞在轉(zhuǎn)盤的外圍并延伸到機殼的外面，這樣一旦繩子被拉動，就會帶動轉(zhuǎn)盤和規(guī)律。，從而可以儲存一定的勢能。當(dāng)繩索松開時，傳動裝置在主發(fā)條的帶動下轉(zhuǎn)動，使發(fā)電機工作。圖2-4拉繩機械電池示意圖在這個設(shè)計中，我對機械電池的各個組成部分做了詳細(xì)的分析，但是我沒有選擇電容，因為在曲柄式機械電池中我對電容的選擇和電路設(shè)計做了具體的分析，在在這款機械電池中，我們還是選擇了與曲柄式機械電池相同的電容，規(guī)格為GC920型電容，其額定電壓為2.4V，電容為0.33F。這樣，拉串式微機械電池的零件就基本選好了。在對模型各部分的設(shè)計和完整性進行可行性分析后，我們可以根據(jù)設(shè)計方案制作實際模型，以檢驗設(shè)計模型的實際可行性。首先是選擇合適的電機、增速器和可充電容量大的電容器：然后將用于動力輸入的電機、增速器、轉(zhuǎn)盤和渦旋彈簧連接成一個整體作為發(fā)電裝置；最后，將發(fā)電機的輸出端通過專用線連接到電容器的兩端，電容器的兩端通過機械電池的外殼連接到外部，以方便其他電器的使用電器。實驗和生產(chǎn)中解決的關(guān)鍵問題是：(1)機械電池對摩擦特性的要求不同。盡量避免摩擦作為運動阻力，甚至達(dá)到零摩擦。如果將設(shè)計擴展到微電領(lǐng)域，微機電系統(tǒng)往往以摩擦為牽引力或驅(qū)動力。這時就要求摩擦力有一個穩(wěn)定的數(shù)值，并且可以及時控制。微機械電池性能實驗裝置的建立將盡可能考慮不同的工況。條件;MEMS電池的摩擦副間隙很小，MEMS系統(tǒng)的能量很小，因此要求盡可能降低摩擦能耗，因此可以采用分子膜潤滑技術(shù)達(dá)到減少模具的目的。(2)齒輪傳動會有一定的摩擦和能量損失。您可以嘗試減少齒輪級數(shù)，并嘗試增加每一級的傳動比，但同時嘗試控制設(shè)計的大小。(3)在選擇發(fā)電機和變速器時，在保證尺寸的同時，盡量選擇大直徑的軸。這樣在連接軸時可以選擇更靈活的連接方式，可以減少振動和能耗。（4）電容的選擇，在普通電池大小的基礎(chǔ)上，合理利用它們之間的空間，盡可能多的放電容，因為在實驗中，電容越多，電是帶電的，所以使用時間比較長，實驗效果比較明顯。模型制作完成后，可根據(jù)理論設(shè)計進行相關(guān)實驗。根據(jù)理論設(shè)計，只要拉動琴弦，通過轉(zhuǎn)盤和齒輪傳動傳遞到發(fā)電機發(fā)電，電容器可以充滿電，設(shè)計結(jié)果應(yīng)該能滿足需要。在整個系統(tǒng)傳動過程中，必須克服一定的摩擦阻力，傳動選用兩級齒輪傳動的增速器，傳動比為1：81。實驗制作模型時，模型精度不夠高，電機主軸與齒輪傳動輸出端的連接存在一定誤差，存在一定的能量損失。以平均3r/s的速度拉弦，用萬用表測得發(fā)電機的輸出電壓只有1.2~1.5V左右。但是，通過將電容器組在充電時并聯(lián)，在使用時將它們串聯(lián)起來，可以實現(xiàn)在充電時或前提下電容器組的輸入電壓在1.2~1.5V左右，并實現(xiàn)串串轉(zhuǎn)換。放電使用時可實現(xiàn)電容器組（并串方式）。當(dāng)輸出電壓達(dá)到1~5V時，利用二極管的單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)自動轉(zhuǎn)換。一般來說，發(fā)電裝置可以產(chǎn)生一定的電量，設(shè)計的電路還可以實現(xiàn)充放電，可以放大輸入電壓。應(yīng)該說基本達(dá)到了測試的預(yù)期目的。由于機械電池組件易于回收和處置，與化學(xué)電池相比，機械電池的環(huán)保意義顯而易見。此外，機械電池采用發(fā)條裝置作為原動機，可隨時充電重復(fù)使用。它也用于一些緊急情況或偏遠(yuǎn)山區(qū)。機械電池以機械零件為主，使用壽命取決于零件的使用壽命，所以使用壽命也長。這種新型電池將是未來能源的新方向，其工作原理比較簡單，可以部分更換。現(xiàn)有化學(xué)電池。前一階段的研究重點是讓機械電池工作，所以尺寸和功率不是主要矛盾。這個項目的重點有兩個：一是解決機械電池體積過大的問題。由于資金、設(shè)備和加工等方面的限制，目前使用的元器件尺寸都比較大。通過實驗和理論優(yōu)化設(shè)計分析，可以在很多地方減少很多部件，比如驅(qū)動裝置、定位機構(gòu)、外殼等。二是增加電池的功率。后期這方面的工作主要是增加發(fā)電機的功率和電容器的功率。具體思路是通過增加磁通量和兩級變速來實現(xiàn)。設(shè)計過程為：發(fā)電機、輸電、電容器選定后，對裝置各部分進行初步估算，根據(jù)設(shè)計要求，假設(shè)設(shè)計模型，根據(jù)要求選擇合適參數(shù)的零件模型中的每個部分。根據(jù)原理圖，將選定的組件組裝好，放入之前設(shè)計的機械電池的外殼中，這樣就完成了整個組裝（見圖2-5）。從圖中我們可以看出，這款機械電池的體積還是比較小的，它的體積在直徑40mm左右，厚度10mm左右。也希望后面的設(shè)計能比這塊電池更小，這樣他的適用區(qū)域會越來越方便。圖2-5拉繩機械電池對比照片2.2.3定時器式機械電池模型各部分設(shè)計完成并完成可行性分析后，可根據(jù)設(shè)計方案制作實際模型，檢驗設(shè)計模型的實際可行性。設(shè)計過程為：發(fā)電機、輸電、電容器選定后，對裝置各部分進行初步估算，根據(jù)設(shè)計要求修改設(shè)計模型，根據(jù)要求選擇合適參數(shù)的元件模型中的每個部分。本設(shè)計要解決的關(guān)鍵問題機械電池的摩擦特性不同，應(yīng)盡量避免將摩擦作為運動阻力，甚至可以做到零摩擦。如果將設(shè)計擴展到微電領(lǐng)域，微機電系統(tǒng)往往使用牽引力或驅(qū)動力。這時就要求摩擦力有一個穩(wěn)定的數(shù)值，并且可以及時控制。微型機械電池性能測試裝置的建立會盡可能考慮不同的工況：由于機械電池的摩擦副間隙很小，要求盡可能降低摩擦能耗，因此可以利用分子膜潤滑技術(shù)達(dá)到減少摩擦的目的。太多的齒輪傳動級會導(dǎo)致過度的摩擦和能量損失?？梢员M量減少齒輪級數(shù)，盡可能提高各級傳動比，但同時盡量控制設(shè)計尺寸。在選擇發(fā)電機和齒輪箱時，在保證尺寸的同時，盡量選擇大直徑的軸。這樣在連接軸的時候可以選擇比較靈活的連接方式，也可以選擇尼龍、橡膠等進行連接，可以減少振動，降低能耗。對于電容的選擇，在一般電池大小的基礎(chǔ)上，合理利用它們之間的空間，盡可能多的放電容，因為在實驗中，電容越多，充電的電量就越多，而且這種方式使用的時間比較長，實驗效果比較明顯。模型制作完成后，可根據(jù)理論設(shè)計進行相關(guān)實驗。根據(jù)理論設(shè)計，只要轉(zhuǎn)動旋鈕，按照定時器設(shè)定的時間，發(fā)電機就可以運轉(zhuǎn)，并通過齒輪傳動傳遞給發(fā)電機。發(fā)動機發(fā)電并為電池提供充足的動力，設(shè)計結(jié)果應(yīng)能滿足需要。在整個系統(tǒng)傳動過程中存在一定的摩擦阻力，傳動采用五級齒輪傳動增速器，傳動比為1：2896。在實驗?zāi)Ｐ椭?，模型的精度不夠高，電機主軸和齒輪在處理變速器輸出端連接的對中問題，以及磁力線的對中問題存在一定的誤差。電動機未充分切斷，棘輪與發(fā)電機主軸的連接體被發(fā)電機固定機構(gòu)吸住，導(dǎo)致整個機構(gòu)不能正常工作。主要原因是正時機構(gòu)的末級齒輪不能限制棘輪的縱向自由度。目前已經(jīng)想到了一個具體的解決方案，就是在棘輪的底端加裝一個固定環(huán)。棘輪縱向吸時，其底端固定。環(huán)被變速器的最后一個齒輪擋住，縱向自由度受到限制，使其能夠正常工作。由于摩擦因素，此設(shè)計正在測試中。但是，與以前的電池一樣，輸出電壓也很低。我們將使用相同的處理方法。通過在充電時將電容器組并聯(lián)，在使用時將電容器組串聯(lián)，可以達(dá)到充電時電容器組的輸入電壓。1V左右（在估計最后一級速度的前提下）或以下，使用電容器組進行并串轉(zhuǎn)換（并串模式的自動轉(zhuǎn)換）時，輸出電壓為3~4V由二極管的單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)）。一般來說，發(fā)電裝置可以產(chǎn)生一定的電量，設(shè)計的電路還可以實現(xiàn)充放電，可以放大輸入電壓。應(yīng)該說，實驗的預(yù)期目的基本達(dá)到了。機械電池成品（見圖2-6）圖2-6定時器機械電池外觀基于以上要求，提出以下改進措施：（1）原傳動比為1：2896，可稍微加大傳動比。目前選用的齒輪傳動級數(shù)過多，會造成摩擦過大，能量損失大。無需過多地增加齒輪級數(shù)。,可以嘗試增加每一級的傳動比來提高整體的加速比，但同時控制設(shè)計的尺寸，注意提高加工精度，盡量改善工況，和加強傳動級之間的潤滑改進，可最大限度地減少摩擦。與能量損失。(2)在選擇發(fā)電機和齒輪箱時，在保證尺寸的同時，盡量選擇大直徑的軸。這樣在連接軸的時候可以選擇比較靈活的連接方式，也可以選擇尼龍、橡膠等進行連接，可以減少振動，降低能耗。（3）電容的選擇，在一般電池尺寸的基礎(chǔ)上，合理利用它們之間的空間，盡可能多的放電容，因為在實驗中，電容越多，電量越多是帶電的，所以使用時間越長，實驗效果越明顯。(4)本設(shè)計的創(chuàng)新之處在于結(jié)構(gòu)上主要采用渦旋彈簧作為遠(yuǎn)東機構(gòu)，引入棘輪機構(gòu)來控制渦旋彈簧的釋放速度，采用定時器原理設(shè)計傳動，使發(fā)電機可以長時間發(fā)電。，也采用了并聯(lián)充電串聯(lián)放電的設(shè)計思路。這樣幾個電容并聯(lián)后，可以儲存足夠的電容量，一般電器可以長期使用。2.3本章小結(jié)本章主要介紹三種可行的機械電池設(shè)計，即曲柄式機械電池、拉繩式機械電池和定時器式機械電池。各有優(yōu)缺點，所以我們需要根據(jù)我們的設(shè)計方案的要求，采取最優(yōu)的方案，后面會講到?？梢栽谠O(shè)計中解決。3.傳動設(shè)計考慮到設(shè)計的具體要求，我們選擇傳動機構(gòu)不僅是為了傳動，也是為了一個加速過程，所以我們選擇的傳動機構(gòu)選擇傳動，然后選擇傳動的傳動方式，分析齒輪和蝸桿傳動的特點：蝸桿傳動雖然單級傳動可以獲得較大的傳動比，但嚙合處存在相對滑動，摩擦損失大，傳動效率低，容易出現(xiàn)發(fā)熱和高溫升高的現(xiàn)象發(fā)生，磨損也很嚴(yán)重。蝸輪需要使用成本高的耐磨材料（如錫青銅等）制造，制造成本高；蝸桿傳動對工況要求較高。當(dāng)滑動速度大，工作條件不夠好時，會產(chǎn)生嚴(yán)重的摩擦和磨損，導(dǎo)致發(fā)熱過大，潤滑條件惡化。因此，從經(jīng)濟成本和工作要求來看，蝸桿傳動并不是一個好的選擇。齒輪傳動效率明顯高于蝸桿傳動，圓柱齒輪傳動效率可達(dá)99%，而發(fā)電的過程也是能量轉(zhuǎn)換的過程，機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程，其他形式的能量，傳輸?shù)膫鬏斝试礁摺?，轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)換與其他能量損失的比例越小，機械能轉(zhuǎn)化為電能的效率越高；齒輪傳動結(jié)構(gòu)緊湊，與其他常用的機械傳動方式相比，在同等使用條件下，齒輪傳動所需的齒輪空間尺寸一般較小，實驗所需的傳動傳動不需要傳輸距離大。齒輪傳動距離完全滿足實驗要求，具有空間尺寸小等優(yōu)點；齒輪傳動傳動比穩(wěn)定，傳動比穩(wěn)定。是對實驗變速器傳動性能的基本要求。采用齒輪傳動，保證工作的穩(wěn)定性；齒輪傳動可靠，使用壽命長。只要設(shè)計制造合理，使用維護好，工作就非?？煽?，使用壽命可以長達(dá)一二十年。這也是蝸桿傳動等其他機械傳動裝置無法比擬的。因此，根據(jù)變速器的傳動要求，從實際制造經(jīng)濟成本、工作可靠性和穩(wěn)定性、傳動效率、結(jié)構(gòu)緊湊等方面考慮，變速器的傳動方式選擇為齒輪傳動。齒輪類型選用擬漸開線標(biāo)準(zhǔn)正齒輪。這主要是因為這類齒輪應(yīng)用廣泛，有標(biāo)準(zhǔn)可循，所以制造和采購比較方便，傳動效率是在良好工況的前提下?？筛哌_(dá)99%，齒輪傳動裝置形式選用半開式，制造、使用、維修方便。選擇傳動類型，分析各類傳動的特點：傳動系統(tǒng)由圓錐-圓柱齒輪增速器組成。錐齒輪一般置于高速階段，可減小錐齒輪尺寸，便于加工。增速器的整體布置橫向尺寸較小，比較緊湊，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本較高。傳動系統(tǒng)由蝸桿增速器組成。蝸桿傳動傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。但制造安裝困難，傳動效率低。蝸輪的邊緣需要用有色金屬制造，制造成本高。傳動系統(tǒng)由展開的圓柱齒輪增速器組成。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、效率高、制造容易、使用壽命長、維修方便。有標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，由專業(yè)工廠生產(chǎn)。因此，考慮到試驗變速器的要求，所選擇的變速器類型為兩級展開式正齒輪增速器。3.1傳輸3.1.1傳輸（一）根據(jù)我們后期設(shè)計和測試的需要，結(jié)合對數(shù)據(jù)的初步計算和分析，為了使發(fā)電機產(chǎn)生的平均電壓在1.2-1.5V之間，要求電主軸的平均轉(zhuǎn)速為至少500r/min，以正常速度搖動手柄的平均速度。轉(zhuǎn)速為50r/min，因此動力源與電機軸之間必須有增速裝置，增速比至少應(yīng)為10：1。這種增速器通?？梢愿鶕?jù)設(shè)計要求更換為市場上常用的變速器。只需要把增速器的動力輸入輸出端的位置調(diào)換一下（即把動力源接在增速器的輸出端，把電機軸接在增速器的輸入端）。只要增速器不具備傳動自鎖的特性，反接即可滿足增速要求。變速器傳動比的設(shè)計主要考慮兩個方面。一方面，變速器的增速比必須滿足試驗要求，另一方面，要選擇合適的變速器類型和傳動級數(shù)。由于變速器的變速比小，不能滿足試驗變速器的變速要求，但變速比越大，傳動阻力越大。同樣，變速器的變速級數(shù)越多，變速器阻力越大。.所以初步設(shè)計變速器的傳動比設(shè)定在10:1~20:1之間，變速器各級的傳動比不宜過大，因為單級傳動比過大，會帶來傳輸阻力太大；傳動比不應(yīng)相差太大，否則會導(dǎo)致傳動阻力過大，負(fù)載分配過大；接近10:1，四檔以上變速檔位太多，檔位間傳動損失大，累積傳動阻力也大，所以三檔變速更合適,每一級的增速比都很大。兩者都應(yīng)該在2：1和3：1之間，整體增長率應(yīng)該在10：1和20：1之間。根據(jù)以上要求，根據(jù)理論分析和具體生產(chǎn)要求，傳動型式為三級展開圓柱直齒輪傳動。實驗需要。標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)：附錄高度系數(shù)頂部間隙系數(shù)齒數(shù)：模量壓力角所選實驗變速器的傳動示意圖如下圖所示（見圖3-1）：圖3-1傳輸傳輸示意圖其中，齒輪2與齒輪3為一體連接，齒輪4與齒輪5為一體連接。1檔和2檔的傳動為一級傳動，一級傳動比；3檔和4檔的傳動為二級傳動，二級傳動比；5檔和6檔的變速器是三檔變速器，三檔傳動比?？倐鲃颖?.1.2傳輸（二）這種變速器體積比較小，主要是為微型機械電池設(shè)計的。由于其體積小，每個齒輪的厚度不到一毫米，因此變速器的級數(shù)不宜過多。傳動比增加了一點?？紤]到變速器的要求，選用的變速器類型為兩級膨脹正齒輪增速器。根據(jù)設(shè)計試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果計算分析，如果發(fā)電機產(chǎn)生的平均電壓在1.2-1.5V之間，則要求電機主軸平均轉(zhuǎn)速至少為200r/s，拉轉(zhuǎn)盤的平均速度一般為3r/s。電源與電主軸之間必須有增速裝置，增速比至少應(yīng)為70：1。由于整個機械電池體積小，加工制造困難。我們選擇手表中的齒輪，然后配對和組裝，使速度必須符合要求。通過實驗，我們選擇了二級增速齒輪。一級變速比是3.6:1，二級也是3.6:1，所以整個變速比是12.96:1，可以滿足我們的需求。標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)：齒頂高度系數(shù)：頂部凈空系數(shù)：齒數(shù)：模數(shù)：壓力角：選定的實驗傳輸傳輸示意圖（見圖3-2）圖3-2二級齒輪傳動轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖變速器傳動比的設(shè)計主要考慮兩個方面。一方面，變速器的增速比必須滿足試驗要求，另一方面，要選擇合適的變速器類型和傳動級數(shù)。由于變速器的變速比小，不能滿足試驗變速器的變速要求，但變速比越大，傳動阻力越大。同樣，變速器的變速級數(shù)越多，變速器阻力越大。.3.1.3傳輸（三）這種設(shè)計主要是為定時器電池設(shè)計的。根據(jù)初步計算分析和電路中的要求，如果發(fā)電機產(chǎn)生的平均電壓比二極管的導(dǎo)通電壓高0.7V，則必須有增速機構(gòu)。和前面的實驗一樣，在電源和電主軸之間必須有一個增速裝置。由于這種機械電池具有計時機構(gòu)，因此在設(shè)計增速器時必須考慮計時機構(gòu)的設(shè)計。這里將定時機構(gòu)連接到增速器的第一級，從而可以通過定時機構(gòu)來控制增速器的運行。變速器傳動比的設(shè)計主要考慮兩個方面。變速器傳動比的設(shè)計主要考慮兩個方面。一方面，變速器的增速比必須滿足試驗要求，另一方面，要選擇合適的變速器型式和傳動級。由于變速器的變速比小，不能滿足試驗變速器的變速要求，但變速比越大，傳動阻力越大。同樣，變速器的變速級數(shù)越多，變速器阻力越大。.由于我們的計時機構(gòu)使用螺旋彈簧機構(gòu)，它可以纏繞的最大圈數(shù)是有限的。為了使其能夠長時間工作，最初將變速器的速比設(shè)計得更大。變速器的傳動比不宜過大，因為單級傳動比過大，會造成傳動阻力過大；各級傳動的傳動比不應(yīng)相差太大，否則傳動阻力過大，負(fù)荷分布過分不均。變速器的換擋級數(shù)設(shè)計為五級，因為單級或兩級變速器太大。首先，選擇五級展開正齒輪傳動作為實驗傳動。因為試驗用變速器的速比比較大，而且變速器每一級的速比不宜過大，所以五級中每一級的速比應(yīng)該相差不大，否則會造成變速器過大電阻和過大的負(fù)載分布。結(jié)果，隨之而來的影響是增速器不能滿足實驗要求，變速器齒輪部件的使用壽命大大縮短。因此，試驗傳動的各級傳動比應(yīng)在3：1到6：1之間。根據(jù)以上要求，根據(jù)理論分析和具體生產(chǎn)要求，傳動型式為五級展開圓柱直齒輪傳動，其三級傳動比分別為5.5、5、3.33、5.75、5.5，整體傳動比為2896。，可以滿足實驗需要。標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)：附錄高度系數(shù)頂部間隙系數(shù)齒數(shù)：,直徑：,壓力角：傳動比：選定的實驗傳輸傳輸示意圖（見圖3-3）圖3-3傳輸傳輸示意圖總共有五個檔位，因此總傳動比為：約2896。 根據(jù)上述原理設(shè)計的定時器（見圖3-4）圖3-4定時器物理圖發(fā)電機的選擇從使用方便的角度來看，發(fā)電機應(yīng)輕巧便攜；另一方面，由于該裝置仍處于實驗階段，結(jié)構(gòu)不宜過于復(fù)雜，只要能滿足實驗要求即可。因此，可以先選擇總則小型直流電動機或帶控制電路的微型發(fā)電機。發(fā)電機只需要低速（每分鐘幾十轉(zhuǎn)）驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光，同時驅(qū)動小燈泡發(fā)光，中速（每分鐘幾百轉(zhuǎn)）旋轉(zhuǎn)，即可通過在設(shè)計時連接傳輸實現(xiàn)，從而提高發(fā)電裝置的輸出電壓，擴大設(shè)計裝置的適用范圍。一般來說，直流發(fā)電機的升壓是在空載（即空載）的情況下進行的。這時，一方面需要將勵磁電流通到發(fā)電機主磁極的勵磁繞組，以產(chǎn)生主磁通。另一方面，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子由原動機驅(qū)動，電樞繞組切斷主磁通，產(chǎn)生感應(yīng)電勢。感應(yīng)電動勢等于電樞兩端的電壓，因此=Cen。因此，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速恒定時，它與成正比。電動機的主磁通量隨著勵磁電流的變化而變化，在發(fā)電機輸入轉(zhuǎn)速相對平均的前提下，。因此，發(fā)電機線圈的數(shù)量越多，產(chǎn)生的主磁通量越大，就能產(chǎn)生實驗所需的電壓。由于發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能可以被充電裝置儲存和使用，因此不需要發(fā)電裝置的能量輸出很高，也不需要能量輸出穩(wěn)定，只需要輸出電壓必須高于某個最小電壓輸出值，即沒有發(fā)電機的輸出轉(zhuǎn)速需要穩(wěn)定，只要求轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值。所以對實驗發(fā)電機的要求不高，只要體積小，電機線圈不要太小，就可以滿足設(shè)計實驗要求。因此，我選擇了一個普通的小型直流電機作為直流電機進行實驗。這種小型直流電機多用于小型機電產(chǎn)品（如電動剃須刀、電動玩具等）作為小型動力源。當(dāng)電機電刷的引出銅片的兩端分別用導(dǎo)線與小直流電源的正負(fù)極相連時，電機的主軸可以在一定的速度下以一定的速度旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)方向。由電磁感應(yīng)定律可知，反之，當(dāng)電機主軸在外力的作用下，以一定的轉(zhuǎn)速沿一定的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如果端子連接到一個閉合回路，回路中會產(chǎn)生感應(yīng)電流。同理可以看出，當(dāng)電機主軸在傳入的外力作用下，以一定的轉(zhuǎn)速沿一定的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)時，電機的電刷被引出兩端將銅片用電線連接到設(shè)計好的充電電路上，即可發(fā)電。感應(yīng)電流儲存在電容器中，需要時緩慢釋放以備使用。拉繩機械電池選用的微型發(fā)電機如圖3-5所示。圖3-5發(fā)電機零件實物照片在定時器式機械電池中，發(fā)電機的選擇與拉繩式機械電池中發(fā)電機的選擇相同，但定位方法不同，因為發(fā)電機需要放置在計時系統(tǒng)機構(gòu)上，所以我們必須要設(shè)計一定的定位機構(gòu)，選擇發(fā)電機，首先是基于使用的方便性、輕便性和便攜性。由于該裝置仍處于實驗階段，結(jié)構(gòu)不宜過于復(fù)雜，只要能滿足實驗要求即可。因此，可以先選擇總則小型直流電動機或帶控制電路的微型發(fā)電機，如圖3-6所示。圖3-6發(fā)生器與定位件組合圖因為是使用定時器的變速機構(gòu)，所以最后的速度比較慢，其輸出電壓也會相應(yīng)降低，可能達(dá)不到某些電器設(shè)備的額定電壓。這時，我們的充電電池就用來解決電壓不足的問題。充電電池仍然是并聯(lián)充電和串聯(lián)放電。我們設(shè)計的充電電池的性能和額定電壓將在后面的章節(jié)中詳細(xì)分析。3.3本章小結(jié)本章主要設(shè)計了三種傳動裝置，傳動比不同，要求也不同。較小的傳動比用于曲柄傳動，因為傳動比太大，主要取決于發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和曲柄。速度是由速比決定的，較大的傳動比用在繩索傳動結(jié)構(gòu)中，最大的用在定時器傳動中，主要由工作時間決定。4、增速器設(shè)計4.1機械電池方案的確定考慮到曲柄式機械電池的操作方便性和便攜性，存儲部分與一般電池相比是相當(dāng)大的，只要充滿足夠的電量，完全可以替代普通的化學(xué)電池。該結(jié)構(gòu)主要以搖柄為原動機，通過多級齒輪增速裝置，將動力傳遞給發(fā)電機軸，帶動微型發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生磁切割產(chǎn)生電流。，它將機械能轉(zhuǎn)換為電能，然后將其充電到電容器中。將幾個這樣的電容器并聯(lián)后，可以儲存足夠的電能來滿足總則使用需求。并且設(shè)計滿足各方面的要求。在對各種綜合因素進行充分分析后，設(shè)計最終采用了手搖式機械電池。4.2傳動比的確定本設(shè)計最終采用了增速器的傳動比。這種變速器體積比較小，主要是為微型機械電池設(shè)計的。由于其體積小，每個齒輪的厚度不到一毫米，變速器的級數(shù)受到限制。它不應(yīng)該太多。在相對情況下，可以稍微提高每一級的傳動比?？紤]到傳動的要求，傳動型式選擇為兩級膨脹圓柱齒輪增速器。根據(jù)設(shè)計試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果計算分析，如果發(fā)電機產(chǎn)生的平均電壓在1.2-1.5V之間，則要求電主軸平均轉(zhuǎn)速至少為500r/min，平均轉(zhuǎn)速為500r/min。以正常轉(zhuǎn)速搖動手柄為50r/min，因此，動力源與電機軸之間必須有增速裝置，增速比至少應(yīng)為10：1。放電使用時，通過電容器組的并串轉(zhuǎn)換，輸出電壓可達(dá)1.2-5V（利用二極管的單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)并串模式的自動轉(zhuǎn)換）。這種增速器通?？梢愿鶕?jù)設(shè)計要求更換為市場上常用的變速器。只需要把增速器的動力輸入輸出端的位置調(diào)換一下（即把動力源接在增速器的輸出端，把電機軸接在增速器的輸入端）。由于整個機械電池體積小，加工制造困難。我們選擇手表中的齒輪，然后將它們配對組裝，使速度增加符合要求。第一級的傳動比是3.2:1，第二級也是3.5:1，所以整個傳動比是11.2:1，可以滿足我們的需求。標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)：齒頂高度系數(shù)：頂部凈空系數(shù)：齒數(shù)：模數(shù)：壓力角：選定的實驗傳輸傳輸示意圖（見圖4-1）圖4-1二級齒輪傳動轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖變速器傳動比的設(shè)計主要考慮兩個方面。一方面，變速器的增速比必須滿足試驗要求，另一方面，要選擇合適的變速器類型和傳動級數(shù)。由于變速器的變速比小，不能滿足試驗變速器的變速要求，但變速比越大，傳動阻力越大。同樣，變速器的變速級數(shù)越多，變速器阻力越大。.最終傳動比為：4.3相關(guān)參數(shù)的確定齒數(shù)：附錄高度系數(shù)：頭部間隙系數(shù)：模數(shù)：壓力角：附錄高度：根高：索引圈：尖端圓直徑：齒厚：標(biāo)準(zhǔn)中心距：齒輪寬度：取整后取取整后取查閱相關(guān)電池的參數(shù)后可知，知道從手柄的平均輸入轉(zhuǎn)速可以看出是50r/min是傳動軸的總效率，即其中為圓柱齒輪的傳動效率，其值為0.96～0.98圖4-2傳輸各軸轉(zhuǎn)速()各軸輸入功率其中，各軸輸入扭矩4.4相關(guān)軸的設(shè)計4.4.1輸入軸設(shè)計初步確定輸入軸的最小直徑首先根據(jù)教科書（15-2）估算軸的最小直徑，并根據(jù)刻度設(shè)計手冊選擇軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。修圓后，由于輸入軸與手柄連接，無需聯(lián)軸器，只需花鍵連接即可。考慮到機械電池的體積，與花鍵的連接應(yīng)該是一個合理的值。.根據(jù)軸向定位的要求確定軸各段的直徑和長度A、為滿足軸向定位的要求，需要在I-II軸段的右端做一個軸肩，所以取II-III的直徑；左端與軸端擋圈定位，擋圈直徑取軸端直徑。為保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸端上，聯(lián)軸器與軸的輪轂孔長度應(yīng)略短于I-II。B、滾動軸承的初步選型。由于軸承主要承受徑向力和輕微的軸向力，故選用深溝球軸承。參照工作要求，根據(jù)軸承產(chǎn)品目錄中0基本游隙組標(biāo)準(zhǔn)精度等級的初步選擇深溝球軸承6002型深溝球軸承，所以，和C、右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。6002C軸承定位肩的高度可在手冊中找到。D.取安裝齒輪的軸段；齒輪右端與左軸承之間采用套筒定位。已知齒輪的寬度為15mm。為了使套筒端面可靠地壓住齒輪，該軸截面應(yīng)略短于輪轂寬度，因此取。齒輪左端靠肩定位，肩高3.5，取。領(lǐng)子的寬度，取。E、軸承端蓋總寬度為20mm（由減速機和軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定）。根據(jù)軸承端蓋的裝拆要求和軸承加注潤滑脂的方便，取外端面和端蓋的一半。聯(lián)軸器右端面之間的距離，所以取。F.查閱相關(guān)資料后得知，至此，輸入軸各端的直徑和長度已經(jīng)初步確定。4.4.2中間傳動軸設(shè)計1）初步確定中間軸的最小直徑首先根據(jù)教科書（15-2）估算軸的最小直徑，并根據(jù)刻度設(shè)計手冊選擇軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。修圓后，由于中間傳動軸與輸入軸連接，不需要聯(lián)軸器，只需用齒輪連接即可。2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸各段的直徑和長度A、為滿足軸向定位的要求，需要在I-II軸段的右端做一個軸肩，所以取II-III的直徑；左端與軸端擋圈定位，擋圈直徑取軸端直徑。為保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸端上，聯(lián)軸器與軸的輪轂孔長度應(yīng)略短于I-II。B、滾動軸承的初步選型。由于軸承主要承受徑向力和輕微的軸向力，故選用深溝球軸承。參考工作要求，根據(jù)軸承產(chǎn)品目錄中0基本游隙組標(biāo)準(zhǔn)精度等級的初步選擇深溝球軸承6202型深溝球軸承，所以，和C、右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。6002C軸承定位肩的高度可在手冊中找到。F.查閱相關(guān)資料后得知，至此，中間傳動軸各端的直徑和長度已經(jīng)初步確定。4.4.3輸出軸設(shè)計1）初步確定輸出軸的最小直徑首先根據(jù)教科書（15-2）估算軸的最小直徑，并根據(jù)刻度設(shè)計手冊選擇軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。修圓后，由于輸入軸與手柄連接，無需聯(lián)軸器，只需花鍵連接即可。考慮到機械電池的體積，與花鍵的連接應(yīng)該是一個合理的值。.2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸各段的直徑和長度為了滿足軸向定位的要求，需要在I-II軸段的右端做一個臺肩，所以取II-III的直徑。B、滾動軸承的初步選型。由于軸承主要承受徑向力和輕微的軸向力，故選用深溝球軸承。參照工作要求，根據(jù)軸承產(chǎn)品目錄中0基本游隙組標(biāo)準(zhǔn)精度等級的初步選擇深溝球軸承6002型深溝球軸承，所以，和C、右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。6302C軸承定位肩的高度可在手冊中找到。D.取安裝齒輪的軸段；齒輪右端與左軸承之間采用套筒定位。已知齒輪的寬度為11mm。為了使套筒端面可靠地壓住齒輪，該軸截面應(yīng)略短于輪轂寬度，因此取。齒輪左端靠肩定位，肩高3.5，取。領(lǐng)子的寬度，取。E、軸承端蓋總寬度為20mm（由減速機和軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定）。根據(jù)軸承端蓋的裝拆要求和軸承加注潤滑脂的方便，取外端面和端蓋的一半。聯(lián)軸器右端面之間的距離，所以取。F.查閱相關(guān)資料后得知，至此，輸出軸各端的直徑和長度已經(jīng)初步確定?，F(xiàn)在所有三個軸都已經(jīng)設(shè)計好了。4.5章節(jié)總結(jié)本章的主要任務(wù)是確定機械電池結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)參數(shù)，其中最關(guān)鍵的是確定設(shè)計的尺寸、尺寸和形狀。至此，設(shè)計基本可以完成很大一部分，這也是整個設(shè)計的關(guān)鍵。5結(jié)論機械電池的環(huán)保型是其最大的優(yōu)勢。由于機械電池組件易于回收和處置，與化學(xué)電池相比，機械電池的環(huán)保意義顯而易見。機械電池以機械零件為主，使用壽命取決于零件的使用壽命，使用壽命一般較長。此外，機械電池采用曲柄裝置作為原動機，可隨時充電重復(fù)使用。它也用于一些緊急情況或偏遠(yuǎn)山區(qū)。簡單地通過人力給電池通電后，即可獲得所需的電能。不會像化學(xué)電池或充電電池那樣長時間不使用而引起故障、漏液等問題。這種新型電池將是未來能源的新方向，其工作原理比較簡單，可以部分替代現(xiàn)有的化學(xué)電池。因此，前景將非常廣闊。國外也有類似的研究，但僅限于結(jié)合具體點使用。在此提出和開展的工作尚未在中國報道。特別需要指出的是，國外對電池和蓄電池的研究工作非常重視。目前使用的電池對環(huán)境的影響也很受關(guān)注。近年來，國家指導(dǎo)性科技攻關(guān)項目中關(guān)于高性能新型化學(xué)電池開發(fā)的指導(dǎo)方針顯示出其重要性。我們認(rèn)為，不僅要在現(xiàn)有的化學(xué)電池領(lǐng)域投入人力、物力、財力進行深入研究，還要盡可能為未來的新電池領(lǐng)域開辟一條臨時的新路。從發(fā)展趨勢看：這種新型微機械電池具有綠色產(chǎn)品的特點和特定的使用領(lǐng)域。平時可以用，偏遠(yuǎn)山區(qū)或停電時更值錢。因此，這種機械電池將有廣泛的應(yīng)用。在未來更加重視環(huán)保的時候，它的價值會更加突出。該設(shè)計的創(chuàng)新點包括：(1)首次提出并開展了機械電池研究。與現(xiàn)有的其他將機械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置相比，機械電池是一種獨立的電源，可用于各種場合，用途廣泛；（2）采用您聯(lián)想類比法的創(chuàng)新設(shè)計，使外形設(shè)計與常規(guī)電池相近，在使用過程中無需改變現(xiàn)有電氣結(jié)構(gòu)，有利于推廣應(yīng)用；(3)在機械傳動結(jié)構(gòu)中，將引入簡單的彈簧拉伸和計時裝置；在電路中，將引入并聯(lián)充電和串聯(lián)放電的結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計的特點是：（1）與化學(xué)電池相比，由于機械能轉(zhuǎn)化為電能，機械電池不會污染環(huán)境，有利于環(huán)境保護；(2)由于其結(jié)構(gòu)組織多為機械零件，可反復(fù)使用。其主要故障模式是零件磨損，回收處理非常方便；(3)機械電池成本不高，可反復(fù)使用，壽命長。如果能大批量生產(chǎn)，將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。通過對機械電池設(shè)計的理論和實驗研究，設(shè)計了三種不同的機械電池，都是在前人設(shè)計的基礎(chǔ)上完成的，各有優(yōu)缺點。主要進行了以下研究：(1)電池的設(shè)計與制造我們先后設(shè)計了三種機械電池，分別是曲柄式機械電池、拉繩式微型機械電池、計時機械電池，都達(dá)到了我們現(xiàn)在的目的。它解決了以前的缺點，但也暴露了自己的弱點，需要進一步改進。機械電池結(jié)構(gòu)小型化研究通過開發(fā)機械電池性能實驗裝置，對機械電池的性能進行測試，研究機械電池性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性；優(yōu)化存儲裝置結(jié)構(gòu)，驅(qū)動方式、傳動方式等機械部件減少結(jié)構(gòu)尺寸小型化，探索機械電池微結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)律，使其設(shè)計盡可能簡單方便和制造。此外，對現(xiàn)有控制電路進行優(yōu)化設(shè)計，掌握其長時間工作的充放電規(guī)律，使其結(jié)構(gòu)進一步小型化，工作更加可靠實用。（3）機械電池力學(xué)性能研究從強度設(shè)計和摩擦學(xué)設(shè)計兩個方面進行了實驗和理論研究。建立機械電池性能實驗裝置，開展強度和摩擦學(xué)性能實驗研究。、平滑度等）的變化規(guī)律。將得到的實驗結(jié)構(gòu)與建立的力學(xué)模型進行數(shù)值分析比較，并與相應(yīng)的經(jīng)典設(shè)計理論和方法進行對比，掌握了獨特的力學(xué)設(shè)計規(guī)則，研究了尺寸和形狀對機械電池基本力學(xué)性能的影響。確定適用于機械電池性能的材料選擇標(biāo)準(zhǔn)。(4)存儲電器及電路的設(shè)計與實驗在設(shè)計中，我們選擇了合適的存儲器件，并設(shè)計并制作了具體的電路，以進一步分析該電路在實驗中的性能。通過前一階段的研究，我們發(fā)現(xiàn)機械電池也有自己的弱點，需要進一步完善和深入研究。不足之處主要有：(1)機械電池體積尺寸的小型化在前一階段的研究中，我們使用的組件比較大。通過實驗和理論優(yōu)化設(shè)計分析，我們可以在很多地方減少很多部件，例如驅(qū)動裝置、定位機構(gòu)、外殼等，通過小型化以減小尺寸為目的，在體積有限的情況下，一般電量遠(yuǎn)小于化學(xué)電池。使用