毕业设计（论文）-机械式电池的结构设计.doc

南昌航空大学科技学院学士学位论文 目 录1. 前言1.1 本课题研究的目的与意义11.2 国内外研究现状11.3 本课题的研究内容及技术方法路线42. 总体设计2.1 机械式电池的基本原理及组成72.2 三种机械电池的方案设计82.2.1 摇柄式机械电池82.2.2 拉绳式机械电池112.2.3 定时器式机械电池132.3 本章小结153. 变速器的设计方案3.1 传动装置173.1.1 传动装置（I）173.1.2传动装置（II）193.1.3 传动装置（III）203.2 发电机的选择223.3 本章小结244. 增速装置的设计4.1机械式电池方案的确定254.2传动比的确定254.3相关参数的确定264.4有关轴的设计294.4.1 输入轴的设计294.4.2 中间传递轴的设计304.4.3 输出轴的设计314.5 本章小结325. 结论参考文献37致 谢381. 前言1.1 本课题研究的目的与意义创新被越来越认识到是技术和经济发展的原动力，随着知识的不断创新，科技的突飞猛进己经为整个人类带来了翻天覆地的变化。无论是我国党和国家领导人，还是我国科技界都指出加强技术创新对我国的国际地位具有决定性的意义。机械电池就是一种综合先进科技技术形成的创新微小机电产品。 众所周知:化学电池以其方便而被广泛使用，但化学电池存在着材料浪费，容易造成污染，和处理麻烦等缺点，但是由于没有更好的替代产品，因此始终大量的制造和生产。从目前的电池市场来看，无疑化学电池占据了几乎电池市场的全部份额。人们在二十世纪末开始加大了新型的环保电池研制，目前己经有一些太阳能电池、燃料电池等应用，但是，这些新型电池还完全不足以与化学电池相比。在环保要求越来越严格的今天，环保电池的研究力度越来越大同时，故对机械电池的研制与开发同样是十分必要的，也是符合社会发展需求的。尽快解决机械电池这类环保型电池的一些关键性的难点，让这种机械式电池更能接近实际应用和日常的生活，才会广泛应用在未来的生活中。在这种情况下， 研究环保型的机械式电池己成为必然。 机械电池属于新型微小机电产品的范畴。这些产品正随着科学技术的发展大量的涌现出来。1.2 国内外研究现状 近年电子产品、移动通信产品朝着微型化、便携式的方向发展，对高容量、微型化电池的需求量迅速增长。据国际数据公司统计，1989年全球无线寻呼用户共1900万户，其中美国988万户（占52%）、亚太地区228万户（占12%）：1995年全球无线寻呼用户共8500万户，美国2800万户仍名列第一、中国2010万户名列第二。移动通信业务的迅猛发展，对微型高容量电池的需求也大幅度增长。人们对环境意识的增强，祈盼“绿色电池”的呼声越来越高。 当前，化学电池以其方便而被广泛使用，但化学电池存在着材料浪费，容易造成污染和处理麻烦等缺点。由于没有更好的替代产品，化学电池始终大量的制造和生产。在这种情况下，研究环保型的 机械式电池已成为必然。 机械式电池是一种将机械能转化为电能的装置。目前，在将机械能转化为电能方面，国内还没有相关报道，国外则有过类似的实践。九十年代初，英国人发明了机械发电收音机，其基本原理是，将发条的机械能驱动小型发电机，提供收音机电源，从而收听节目。差不多在同期，日本精工公司制造出利用人体动能产生电能的人动电能手表。在该结构中，主要是利用了微型技术，将发电机微化在手表中，通过人体的运动驱动惯性飞轮转动，动力元件带动转子旋转发生磁力切割产生电流，并送到大容量的电容器中储存，然后不断供给指针。这些都是将机械能转化为电能进行单一应用的实例，显然，这些装置都只是应用于其各自的单一商品中，而不能进行广泛应用。 将机械能转化为电能方面，可以追溯到早期的自行车所用的摩电灯。在车轮的带动下工作的微型发动机为自行车灯提供电源，就属于机械能转换电能的一种装置。近年来，随着电子元件的迅速发展和环保日益严格的要求，人们开始尝试新的机械能转换电能的应用研究。上世纪九十年代初，英国人发明了机械发条丝收音机，其基本原理是将发条的机械能驱动小型发电机，提供收音机电源从而收听节目。据报道，这一产品曾在美国攻打阿富汗的反恐战争中，通过飞机向山区的阿富汗居民空投，为美军和反塔利班阵线的进攻提供宣传工具。 图1-1 英国法条收音机原理图通过前期的研究和实验，我们提出在手机电池中运用我们的机械电池，主要有驱动结构、变速器、发电机、整流器、存储器（小体积的锂电）组成，这样在外出等特殊情况下，一旦手机没电了，我们只要拧动驱动机构就可以充电了，另外还可以将机械电池用在手电中，这一技术已经成熟，英国的freeplay energy公司已经作为其一项产品见图1-1。 图1-2 机械充电式手电筒差不多在同一时期，日本精工公司制造出利用人体动能的人动能手表。在该结构中主要利用了微型技术将发电机微化在手表中，通过人体的运动驱动惯性飞轮转动。动力元件带动转子旋转发生磁力切割产生电流，并送到大容量的电容器中储存，然后不断供给指针，见图1-3。从日本将人动电能手表的使用来看，由于该产品利用了人手臂挥动提供的能量，从而可以使手表正常工作。一般挥动的时间不超过一天都可以正常工作。当时间不提供动力时，则通过使电路进入休眠状态，维持低电量消耗，从而在恢复能源提供后再正常工作。因此可以维持较长的使用时间。这些产品都是将机械能转化为电能应用的实例。 图1-3 日本精工人动电能手表内部结构图1.3 本课题的研究内容及技术方法路线 需要指出：无论是自行车的摩电灯、英国机械发电收音机，还是日本的人动电能手表，这些装置都只是应用于其各自的单一商品中，其能源系统是不能单独和互换，进而广泛应用。我们知道电池最大的一个特点是互换性，他不针对某一种电器，而是可以普遍使用。因此，基于电池的这一特性，提出了开发机械电池的研究，并已经取得了一定的进展。我们的设计是将机械动力系统和发电系统从具体的电器元件独立出来，制成可以提供电源的机械式电池。当产品使用时，只需要把机械电池的正负极像普通电池一样与电器元件连接，就可以使其正常工作。鉴于这种机械电池一般用人力驱动，因此更适合非长时间工作的电器，除上面提到的人动手表、收音机外，还可以在手电筒、应急灯、玩具等应用。另外，在前期的研究中，我们还进行了电容器和机械传动部分的分离工作，并提出了并联充电，串联使用的新的设计原理。按照这一方案得到的机械电池有电-动分离的特点，因此具有重复使用的特点，体积也会减小。同时，除了我们自己研制的发电-充电装置以外，电池的电容部分还可以用普通的充电器变压后充电。这种构思除了方便以外，还有简单、价格低廉等很多好处。当时，也存在一般难于在使用中直接进行充电的缺点。如前所述，随着微小型化的微电子器件进入机械领域，使得微电子与机械进一步集成，从而设计制造出结构和功能独特的微型机电系统。迄今，人们采用不同的工艺方法在实验室中已经制造成功各种微器件 已形成年产值几十亿美元的规模，并且还在迅速发展。国外已经在人动电能和机械收音机等方面成功开发了产品。因此机械电池的开发不仅将研究推广为用途更加广泛、且有利于环境保护的产品，而且有着练好的社会效益和巨大的经济潜力。 图1-4 机械电池原理图 图1-4为机械电池的基本原理图 ，主要有机械动力源、传动机构、微型发电机、连接部件组成，当驱动机械动力源以后，通过传动机构来增速并将转速转矩传到微型发电机上，这样产生的电就可供其他电器使用。 机械式电池的功能是将机械能转化为电能，由驱动装置、机械传动、机械能-电能转换系统、电能存储器和控制电路几大部分集成而成的，其基本工作流程见图1-5. 图1-5 机械电池工作流程图 由于像机械电池这类新型微小机电产品要在功能上实现要求，在较小的尺寸间，将动力、传动、能量转换、控制电路和输出集成在一处，因此其设计也就带来许多问题。其中的矛盾有：如尺寸和强度之间，尺寸小，强度一般要低：结构与功能上，结构不易太复杂，但又必须满足其功能；设计与制造加工之间的矛盾等等。归结起来，主要是产品微型化带来的问题。本研究的技术路线如图1-6。图1-6 研究技术路线流程图 总之 ，在机械电池的设计过程中，既要在材料的选取要充分考虑如何达到要求，又要在结构设计和强度设计方面都必须更具其特点进行微型化设计。因此，照搬宏观的机械设计、机械传动、摩擦学设计、发电、供电设备设计等理论和原理是很难实现的。在设计理论和方法上具有其自身特点。 综上所述，可以看出：机械电池可以用在很多场合，比如手电筒、收音机、电动玩具等等，如果做成普通电池形状和体积，那就可以部分取代化学电池，用在很多地方，可替换性和多场合使用也是机械电池的一大优点，通过这个特点，也是我们的设计有别于其他的机械发电结构，它们的使用场合单一，却缺少可移植性，因此，机械电池是现在小型机械发电装置基础上的一种原理上的创新。 同时，机械电池具有典型微小机电产品的特征，与普通发电设备不同。它将所有的机电部分集成在尺寸为几十毫米的产品中。而其领域却涵盖机械设计、摩擦学设计、发电装置和电路等多学科，构成了一个微型动力转换、机械传动、发电、供电和控制系统，因此其设计充分体现了现代科学的技术水平。另一方面，由于尺寸的限制，要在非常有限的空间内，设计出具有使用价值的，可部分替代化学电池的机械电池。所以，对他的研究也将带来在设计、制造技术上的创新。2. 总体设计2.1 机械式电池的基本原理及组成 机械式电池主要由输入装置（如手柄、拉绳）、增速机构、发电装置、蓄电装置和输出装置组成。其基本原理是通过人动输入装置(如手柄、拉绳)，使增速机构运行起来，带动发电机，使其产生电能，储存到蓄电装置中以备输出装置使用。其流程图如图2-1.输入装置（手柄）增速机构发电装置增速装置输出装置蓄电装置 图2.12.2 三种机械电池的方案设计2.2.1 摇柄式机械电池 在摇柄式中基本想法就是增大臂长。这样，在驱动变速器带动发电机的时候就可以节省很多的力，但共有着方便、结构简单等优点，针对这种驱动方式，设计了摇柄式机械电池，其结构见图2-2，在这款电池中，就采用了摇柄式驱动结构作为动力源，让摇柄连接变速器，这样摇动摇柄就可以带动变速器运转，这样发电机就可以工作了。图2-2 手摇式机械电池原理示意图摇柄式这种驱动方式在很多场合下都有运用，比如机械收音机、手电筒、机械电池等都可以引入摇柄式驱动方式，平时使用时只要摇动手柄，就可以让发电机发电并将电存在存储器中，供照明使用。考虑的摇柄式机械电池的操作方便性，在制作这款电池时体积相对较大，但偏大部分是充电器部分，而存储器部分则和普通化学电池相当大小，只要充入足够的电量，其完全可以取代普通的化学电池使用，经过对模型各部件的设计及完整性的可行性分析，我们可以按设计的方案进行实际模型的制作，以检验设计模型的实际可行性。 首先是选购合适的发电机、增速器及可充电容量较大的电容器；再将发电机、增速器及用作动力输入的手柄连接成一个整体，作为发电装置；最后增速器及用作动力输入的手柄联接成一个整体，作为发电装入电路内，按照设计的电路制作试验用的电路板，并将试验电容器焊接完成充电电路的制作。 模型制作完毕后，就可以按理论设计来进行相关的实验，按理论上设计来说，只要摇动手柄，通过齿轮变速器传递到发电机发电，给电容器充足电量，设计结果应该能够满足需要。在整个系统传动过程中，摩擦阻力过大，且变速器选用的是一传动比为1: 15.42的三级齿轮传动的增速器，在实验制作模型时，模型制作的精度不够高，电机主轴与齿轮变速器输出端的连结对心问题处理有一定误差，能量损失过多，按50 r/min的平均转动速率摇动手柄，用万用表量得发电装置输出电压只是在0. 40. 5V左右。但通过充电时电容器组并联而使用时电容器组串联的方式，能够实现在充电时电容器组输入电压0. 40. 5V左右或以下的前提下，在放电使用时通过电容器组并串转换(并串方式的自动转换是利用二极管的单向导通性实现的)使得输出电压达1.25V.总的来说，发电装置能够产生一定的电量，设计的电路也能够实现充放电且能够放大输入电压，应该说基本上达到了试验的预期目的。 图2-3为储电器原理图。将微型发电机与传动装置的输出端相连，而传动装置的输入端与机械动力源(摇动手柄)相连，当摇动手柄，产生动力(要素:力矩与转速)，通过变速器将转速与转矩通过联轴器传递到发电机轴上，带动发电机发电，然后充入电容器。这样的几个电容器连结成电容器组后就可以存储足够的电能了，利用二极管的单向导通性，能够实现电容器组充电时串联与放电使用时并联两种方式的自动转换，以提高放电输出电压，从而可供一般的使用要求。由微型发电机发出的电能通过电源线将正负极分别引出到外壳的头尾，这样具有机械能的电池就可以用于不同的电器了。图2-3 储电器设计原理示意图 图2-2为整个机械式电池的原理图。当通过摇柄给电容器充入足够的电量以后，就取出电池，这时的电池可以替代普通电池使用。在理论上，机械式电池可以部分代替传统的化学电池使用。 设计过程是:在选定发电机、变速器、电容器之后，故对于各部分装置进行初步估算，根据设计的要求，假设设计模型，并根据模型中的各部分的要求选择相适应的参数的部件。 基于上述条件及要求，提出以下改进措施: (1)原定变速比是1: 15.42，还可再稍微增大变速比，目前实验选用的是三级齿轮传动，级数过多，会引起过多的摩擦及能量损失，没必要增加齿轮级数，可以设法提高每级的传动比，以提高总的增速比，但同时要尽量控制设计的尺寸，注意提高加工精度，及尽量改善工作条件，加强传动级间的润滑改良，这样能够尽量减少摩擦及传动能量损失。 (2)在选择发电机、变速箱时，在保证尺寸的同时，尽量选择轴径大的。这样，在进行轴连接时可以选择多一些比较柔的连接，也可以选用尼龙、橡胶等进行连接，可以减少振动，降低能耗。 (3)对于电容器的选择，应在普通电池尺寸的基础上，合理利用其间的空间，放入可能多的电容器，因为在实验中，电容器越多，充入的电量也就越多，这样使用的时间也就更长，实验效果更加明显。 本设计的创新之处在于该结构主要是利用摇动手柄作为原动机构，经过多级齿轮增速装置，传递动力到发电机轴上，带动微型发电机的转子旋转发生磁力切割产生电流，将机械能转化成为电能，然后充入电容器。这样的几个电容器并联以后就可以存储足够的电能了，可供一般的使用要求。 (1)机械式电池摩擦特性的要求各不相同，对于作为运动阻力的摩擦尽量避免，甚至实现零摩擦。若将设计扩展到微电领域，微机电系统往往利用摩擦作为牵引或驱动力，此时则要求摩擦力具有稳定的数值而且可以适时控制，建立微机械电池性能实验装置将尽可能考虑不同工况条件；微机械电池的摩擦副间隙很小，而微机电系统的能源很小，因而要求尽可能的降低摩擦能耗，因此将可能要利用分子膜润滑技术以达到减摩的目的。 (2)齿轮传动级数过多，会引起过多的摩擦及能量损失，可以设法减少齿轮级数，尽量提高每级的传动比，但同时要尽量控制设计的尺寸。 (3)驱动机构、变速器、发电机在连接时应充分考虑同轴度的问题，如果精度不够，将会造成运转时很大的偏心问题，所以应确保这些部件轴径尽量大一些，相对减小偏心问题。 (4)在制作电池时，我们为了让电池能够有更大的使用空间，设计和普通电池外型大小相同，并且还要加入转换电路，这样在充电和使用的转换过程就会很简单。2.2.2 拉绳式机械电池 拉绳式驱动结构由转盘、发条、细绳索、外部框架组成，如图2-4所示，将发条放在转盘中，发条一端固定在转盘上，而另一端则固定在外壳上，转盘和变速器连接在一起，绳索缠绕在转盘外围，并延伸到外壳的外部，这样一旦拉动绳索，就会带动转盘和法条，发条由于有一段固定在外壳上面，所以发条会被缠绕，从而能够存储一定的势能，当放松拉绳的时候，变速器会在发条的带动下转动，从而使发电机工作。 图2-4 拉绳式机械电池原理图在该设计中，我已经对机械式电池的各个组件做了详细的分析，但还没有选择电容器，因为在摇柄式机械电池中我已经就电容器的选择和电路设计做了具体的分析，在这款机械式电池中，我们还是选择和摇柄式机械电池相同的电容器，规格为GC920型电容器，其额定电压是2.4V，电容为0.33F。这样拉绳式微机械电池的部件就基本选定，经过对模型各部件的设计及完整性的可行性分析，我们可以按设计的方案进行实际模型的制作，以检验设计模型的实际可行性。 首先是选购合适的电动机、增速器及可充电容量较大的电容器:再将电动机、增速器及用作动力输入的转盘、蜗卷弹簧联接成一个整体，作为发电装置；最后，将发电机的输出端通过特定的线路连接到电容器两端，同时将电容器两端通过机械式电池的外壳连接到外部，以方便供其他电器使用。 在实验与制作中解决的关键问题有: (1)机械式电池摩擦特性的要求各不相同，对于作为运动阻力的摩擦尽量避免，甚至实现零摩擦。若将设计扩展到微电领域，微机电系统往往利用摩擦作为牵引或驱动力，此时则要求摩擦力具有稳定的数值而且可以适时控制，建立微机械电池性能实验装置将尽可能考虑不同工况条件；微机械电池的摩擦副间隙很小，而微机电系统的能源很小，因而要求尽可能的降低摩擦能耗，因此将可能要利用分子膜润滑技术以达到减模的目的。 （2）齿轮传动会有一定的摩擦及能量损失，可以设法减小齿轮级数，尽量提高每级的传动比，但同时要尽量控制设计的尺寸。 （3）在选择发电机、变速器时，在保证尺寸的同时，尽量选择轴径大的。这样，在进行轴连接时可以选择多一些比较柔的连接，这样可以减少振动，降低能耗。 （4）对于电容器的选择上，应在普通电池尺寸的基础上，合理利用其间的空间，放入可能多的电容器，因为实验中，电容器越多，充入的电量也就越多，这样使用的时间也就更长，实验效果更加明显。模型制作完毕后，就可以按理论设计进行相关的实验，按理论上设计来说，只要拉动细绳，通过转盘、齿轮变速器传递到发电机发电，给电容器充足电量，设计结果应该能够满足需要。在整个系统传动过程中，要克服一定的摩擦阻力，且变速器选用的是一传动比为1:81的二级齿轮传动的增速器，在实验制作模型时，模型制作的精度不够高，电机主轴与齿轮变速器输出端的连结对心问题处理有一定误差，有一定能量损失，按3r/s的平均速度拉动细绳，用万用表测得发电装置输出电压只是在1.21.5V左右。但通过充电时电容器组并联而使用时电容器组串联的方式，能够实现在充电时电容器组输入电压1.21.5V左右或前提下，在放电使用时通过电容器组并、串转换（并串方式的自动转换是利用二极管的单向导通性实现的）时的输出电压达15V.总的来说，发电装置能够产生一定的电量，设计的电路也能够实现充放电且能够放大输入电压，应该说基本上达到了试验的预期目的。由于机械式电池器元件方便回收和处理，因此相对与化学电池而言，机械式电池对环保上的意义是显而易见的。此外，机械式电池采用发条装置作为原动机构，可随时充电和反复使用，它还是用于在一些紧急场合或偏远山区等场合。机械式电池主要以机械零件为主，使用寿命取决于内部零件的使用寿命，所以寿命也长，这种新型电池将是未来能源的一个新的方向，而且其工作原理比较简单，可以部分的代替现有的化学电池。在前一阶段的研究中，工作重点是使机械电池工作，因此体积和功率并不是主要矛盾。本项目的工作重点有二：一是解决机械电池体积过大这一问题点，由于资金、设备和加工方面限制，现采用的元件尺寸较大，通过实验和理论上的优化设计分析，可以在很多地方可以减少很多元件，如驱动装置、定位机构、外壳等：二是增大电池的功率，在这方面后期的工作主要是增大发电机的功率和电容器的功率。具体设想是，通过提高磁通量和二级变速实现。设计过程是：在选定发电机、变速器、电容器之后，故对于各部分装置进行初步估算，根据设计要求，假设设计模型，并根据模型中的各部分的要求选择相适应的参数的部件。按照原理图，将涉及选择的各个部件装配好，并放在前面设计的机械式电池的外壳里面，这样整个装配就完成了（见图2-5），从图中我们可以看出，这个机械式电池的体积还是比较小的，其体积约为：直径40mm、厚度10mm。也希望在后面的设计比这个电池能够更小，这样他的适用范围就会更多，也会更方便。图2-5 拉绳式机械电池比较照片2.2.3 定时器式机械电池 经过对模型各部件的设计以及完整的可行性分析，我们可以按设计的方案进行实际模型的制作，以检验设计模型的实际可行性。设计过程是：在选定发电机、变速器、电容器之后，故对于各部分装置进行初步估算，根据设计要求，修改设计模型，并根据模型中的各部分的要求选择相适应的参数的部件。在本设计中要解决的关键问题（1） 机械式电池摩擦特性的要求各不相同，对于作为运动阻力的摩擦尽量避免，甚至实现零摩擦。若将设计扩展到微电领域，微机电系统往往利用牵引或驱动力，此时则要求摩擦力具有稳定的数值而且可以适时控制，建立微机械电池性能试验装置将尽可能考虑不同工况条件：为机械电池的摩擦副间隙很小，因而要求尽可能的降低摩擦能耗，因此将可能要利用分子膜润滑技术已达到减摩的目的。（2） 齿轮传动级数过多，会引起过多的摩擦及能量损失，可以设法减少齿轮级数，尽可能提高每级的传动比，但同时要尽量控制设计的尺寸。（3） 在选择发电机、变速箱时，在保证尺寸的同时，尽量选择轴径大的。这样，在进行轴连接时可以选择多一些比较柔的连接，也可以选用尼龙、橡胶等进行连接，可以减少振动，降低能耗。（4） 对于电容器的选择上，应在普遍电池尺寸的基础上，合理利用其间的空间，放入可能多的电容器，因为在实验中，电容器越多，充入的电量也就越多，这样使用的时间也就更长，实验效果更加明显。模型制作完毕后，就可以按理论设计来进行相关的实验，按理论上设计来说，只要拧动旋钮，并按照定时器的设定时间，就可以让发电机工作，通过齿轮变速器传递到发电机发电，给电池充足电量，设计结果应该能够满足需要。在整个系统传动过程中，有一定摩擦阻力，且变速器选用的是一传动比1:2896的五级齿轮传动的增速器，在实验制作模型是，模型制作时精度不够高，电机主轴与齿轮变速器输出端的连结对心问题处理有一定误差，而且电机切割磁力线不是很充分，并造成棘轮和发电机主轴的连结体被发电机固定机构吸住，造成整个机构不能正常工作，目前已经分析出具体原因，主要是定时机构的最后一级齿轮不能限制住棘轮的纵向自由度，目前已经构思出具体解决方案，就是在棘轮的底端加固定环，当棘轮纵向被吸住时，其底端的固定环就被变速器的最后一级齿轮挡住，纵向自由度被限制住，这样就可以正常工作，由于考虑到摩擦力的因素，这一设计正在实验当中。但和前面几款电池同样有输出电压偏低的缺点，我们会采用相同的处理方式，通过充电时，电容器组并联而使用时电容器组串联的方式，能够实现充电时电容器组输入电压1V左右（根据最后一级转速估计）或以下的前提下，在放电使用时通过电容器组并、串转换（并串方式的自动转换是利用二极管的单向导通性实现的）时的输出电压34V。总的来说，发电装置能够产生一定的电量，设计的电路也能实现充放电且能够放大输入电压，应该说基本上达到了实验的预期目的 ，制作完成的机械式电池（见图2-6）图2-6 定时器机械式电池外观图基于上述要求，提出以下改进措施： (1)原定变速比是1:2896，还可以再稍微增大变速比，目前选用的齿轮传动，级数过多，会引起过大的摩擦及能量损失，没必要过多增加齿轮级数，可以设法提高每级的传动比，以提高总的增速比，但同时要控制设计的尺寸，注意提高加工精度，及尽量改善工作条件，加强传动级间的润滑改良，这样能够尽量减少摩擦及能量损失。 (2)在选择发电机、变速箱时，在保证尺寸的同时，尽量选择轴径大的。这样，在进行轴连接时可以选择多一些比较柔的连接，也可以选用尼龙、橡胶等进行连接，可以减少振动，降低能耗。 (3)对于电容器的选择上，应在普遍电池尺寸的基础上，合理利用其间的空间，放入可能多的电容器，因为在实验中，电容器越多，充入的电量也就越多，这样使用的时间也就更长，实验效果更加明显。 (4)本设计的创新之处在于该结构主要是利用蜗卷弹簧作为远东机构，引入棘轮机构控制蜗卷弹簧释放的快慢，利用定时器原理设计变速器，这样就可以长时间的让发电机发电，同样采用了并联充电，串联放电的设计思路，这样的几个电容器并联以后就可以存储足够的电能力，可供一般电器长时间使用要求。2.3 本章小结本章主要介绍了三款可行性机械式电池的设计方案，分别为摇柄式机械电池、拉绳式机械电池和定时器式机械电池，这三款设计均能满足我们预期的目的，都有其各自的优点与缺点，所以要根据我们的设计方案的要求取最优化方案，这将会在后面的设计中可以得到解决。3. 变速器的设计方案从设计的具体要求来考虑，我们选择传动机构不仅为了传动，更是一个增速过程，所以我们选择的传动机构都选择变速器，然后选择变速器的传动方式，综合齿轮和蜗杆传动的特点进行分析：蜗杆传动虽然能以单级传动获得较大的传动比，但在啮合处有相对滑动，摩擦损失较大，传动效率较低，易出现发热和温升过高的现象，磨损也较严重，常需用成本较高的耐磨的材料（如锡青铜等）来制造蜗轮，因而制造成本较高；而且蜗杆传动对工作条件的要求比较高，当滑动速度很大，工作条件不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。故从经济成本和工作要求两方面而言，蜗杆传动都不是较好的选择。齿轮传动的效率明显高于蜗杆传动，圆柱齿轮传动的效率可达99%，而发电装置发电的过程也是能量转化的过程，使机械能转化为电能和其他形式能的过程，变速器的传动效率越高，在转化过程中转化为其他损耗能的比率越小，机械能转化为电能的效率也就越高；齿轮传动结构紧凑，对比其他常用的机械传动方式，在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小，而实验要求的变速器传动也没有要求传动距离较大，齿轮在传动距离上完全符合实验要求，且具有空间尺寸小的优点；齿轮传动的传动比稳定，而传动比稳定正是实验变速器对传动性能的基本要求，使用齿轮传动能够保证工作的稳定性；齿轮传动工作可靠、寿命长，只要设计制造合理、使用维护良好，工作十分可靠，寿命可长达一、二十年，这也是蜗杆传动等其他机械传动所不能比拟的。因此，基于变速器的传动要求，从实际制造经济成本、工作可靠稳定性、传动效率、结构紧凑性等多方面考虑，变速器的传动方式选择为齿轮传动。齿轮类型选择伪渐开线标准直齿圆柱齿轮，这主要是考虑到这类齿轮使用比较广泛普遍，有标准可依，故加工制造及采购都比较方便，且在工作条件良好的前提下传动效率可高达99%，齿轮传动的装置形式选择为半开式，易于制造及使用维护。选择变速器的类型，综合各种类型变速器的特点进行分析：由圆锥-圆柱齿轮增速器构成传动系统。圆锥齿轮一般置于高速级，可减少圆锥齿轮尺寸、便于加工。这种增速器的极其总体布置横向尺寸小，比较紧凑，但结构较复杂，制造成本较高。由蜗杆增速器构成传动系统。蜗杆传动的传动比大、结构紧凑、尺寸小、重量轻。但制造安装较困难、传动效率低，蜗轮边缘需用有色金属制造，制造成本高。由展开式圆柱齿轮增速器构成传动系统。圆柱齿轮增速器结构简单、效率高、容易制造、使用寿命长、维护方便。有标准系列产品，由专业工厂生产。因此，从实验变速器的要求考虑，选择变速器的类型为二级展开式圆柱齿轮增速器。3.1 传动装置3.1.1 传动装置（I） 根据我们后面设计和试验的需要，结合数据初步计算分析，要使发电机产生的平均电压在1.2-1.5V之间，所需电机主轴平均转速至少500r/min，而按正常速度摇动手柄的平均转速为50r/min，故在动力源与电机主轴之间必须有一个增速装置，且增速比至少为10:1。这个增速器通常可以根据设计要求而用市场中常用的变速器来代替，只需将增速器的动力输入、输出端位置对调即可（即将动力源与增速器的输出端相联，而将电机主轴与增速器的输入端相联）。只要该增速器没有传动具有自锁性的特点，反接便能达到增速的要求。设计变速器的变速比主要考虑两方面问题，一方面是变速器的增速比要达到实验要求，另一方面是要选择合适的变速器类型及变速器级数。因为变速器的变速比小则达不到实验变速器的变速要求，但变速比越大，则随之带来的传动阻力也越大，同样变速器的变速级数越多，则传动阻力也相应越大。故初步设计变速器的变速比定在10：1和20:1之间，变速器每一级的变速比不应太大，因为单级变速比过大会带来过大的传动阻力；变速器各级的变速比应相差不大，否则会造成传动阻力过大及载荷分布过度不均的结果；变速器的变速级数设计为三级，因单级或二级变速的单级传动比较大，几乎每级接近10:1，而四级或四级以上变速则变速级数过多，级与级之间的传动损耗较大，累积传动阻力也较大，故三级变速较为合适，各级增速比应均为2:1与3:1之间，且总体增速比为10:1与20:1之间。根据以上要求原则，以及理论分析和具体制作的要求，该变速器类型为三级展开式圆柱直齿轮变速器，其三级变速比分别为2.467、2.5、2.5，总体变速比为15.42，均满足实验需要。 标准化系数： 齿顶高系数 顶隙系数 齿数： 模数 压力角 选用的实验变速器传动示意图如下图（见图3-1）所示：图3-1 变速器传动示意图 其中，齿轮2与齿轮3是连成一体的，齿轮4与齿轮5是连成一体的。齿轮1与齿轮2的传动是第一级传动，第一级传动比；齿轮3与齿轮4的传动是第二级传动，第二级传动比；齿轮5与齿轮6的传动,是第三级传动，第三季传动比。 总传动比3.1.2传动装置（II）这款变速器其相对尺寸较小，主要是为微机械电池所设计，由于体积小，而且每个齿轮的厚度不到一毫米，故变速器的级数不宜太多，相对情况下，可以把每级的传动比调大一点，从变速器的要求考虑，选择变速器的类型为二级展开式圆柱齿轮增速器。根据设计试验的数据结果计算分析，要是发电机产生的平均电压在1.2-1.5V之间，所需电机主轴平均转速至少为200r/s，而拉动转盘一般平均转速为3r/s，故在动力源与电机主轴之间必须有一个增速装置，且增速比至少为70:1.由于整个机械式电池的体积偏小，加工制作有一定的难度，我们选择手表中的齿轮，然后配对组装，使其的增速必要达到要求，通过实验我们选择了二级增速器齿轮，其第一级变速比为3.6:1，第二级也为3.6:1，这样整个变速比为12.96:1，可以满足我们的需要。 标准化系数： 齿顶高系数： 顶隙系数： 齿数： 模数: 压力角： 选用的实验变速器传动示意图（见图3-2） 图3-2 二级齿轮传动机转子结构示意图设计变速器的变速比主要考虑两方面问题，一方面是变速器的增速比要达到实验要求，另一方面是要选择合适的变速器类型及变速器级数。因为变速器的变速比小则达不到实验变速器的变速要求，但变速比越大，则随之带来的传动阻力也越大，同样变速器的变速级数越多，则传动阻力也相应越大。3.1.3 传动装置（III） 这款设计主要为定时器式电池设计的，根据初步计算分析以及电路中的要求，要是发电机产生的平均电压要高于二极管的导通电压0.7V，所以必须要有个增速机构，和前面的实验相同，在动力源与电机主轴之间必须有一个增速装置，由于这款机械式电池有定时机构，所以在设计增速器的同时必须要考虑到定时机构的设计，在这里定时机构和增速器的第一级是相连的，这样就可以通过定时机构来控制增速器的运转。设计变速器的变速比主要考虑两方面问题，设计变速器的变速比主要考虑两方面问题，一方面是变速器的增速比要达到实验要求，另一方面是要选择合适的变速器类型及变速器级数。因为变速器的变速比小则达不到实验变速器的变速要求，但变速比越大，则随之带来的传动阻力也越大，同样变速器的变速级数越多，则传动阻力也相应越大。由于我们的定时机构使用蜗卷弹簧机构，那么其绕的最大圈数有一定的限制，为了让它能够在较长的时间里面工作，故初步设计变速器的变速比要较大，变速器每一级的变速比不应太大，因为单级变速比过大会带来过大的传动阻力；变速器各级的变速比应相差不大，否则会造成传动阻力过大及载荷分布过度不均的结果；变速器的变速级数设计为五级，因单级或二级变速传动太大。首先选择五级展开式圆柱直齿轮变速器作为实验用的变速器。由于实验用变速器的增速比要求比较大，而且变速器每一级的变速比不应太大，五级中各级的变速比应相差不大，否则会造成传动阻力过大及载荷分布过度不均的结果，随之而来的影响是增速器达不到实验要求及变速器内的齿轮零件使用寿命大大缩短。故实验用变速器的要求是，各级增速比应均为3:1与6:1之间。根据以上要求原则，以及理论分析和具体制作的要求，该变速器类型为五级展开式圆柱直齿轮变速器，其三级变速比分别为5.5、5、3.33、5.75、5.5，总体变速比为2896，均能满足实验需要。标准化系数：齿顶高系数 顶隙系数 齿数： , 直径： , 压力角： 传动比： 选用的实验变速器传动示意图（见图3-3） 图3-3 变速器传动示意图 总共有五级变速，这样总传动比： 约为2896. 按照以上原理设计的定时器（见图3-4） 图3-4 定时器实物图3.2 发电机的选择 选用发电机，从使用的方便性出发，应该是轻巧便携式的；而另一方面，由于该装置尚处于试验阶段，结构也不能过于复杂，只要能够达到实验的要求即可。故先选用一般的小型直流电动机或控制电路的微型发电机即可，该发电机只需一般低速（几十转每分钟）便可驱动发光二极管发光，而要驱动小灯泡发光则需中速（几百转每分钟）转动，则可以通过设计时连结变速器来实现，从而提高发电装置的输出电压，以扩大设计装置的适用范围。一般来说，直流发电机的电压建立，是在空载（即不带负载）的情况下进行的。这时，一方面要给发电机主磁极的励磁绕组通以励磁电流，以产生主磁通量。另一方面发电机的转子由原动机拖动，电枢绕组便切割主磁通而产生感应电势。感应电动势就等于电枢两端的电压，及,从而=Ce n。故当发电机转速不变时，正比于。而电机的主磁通随激励电流的变化而变化，再发电机输入转速较平均的前提下，。故发电机内线圈数越多，产生的主磁通也就够大，就可以产生实验要求的电压。 由于发电装置产生的电能可以通过充电装置储存起来使用，故对发电装置的能量输出要求不高，不需要能量输出稳定，只需要输出电压必须高于某个最低电压输出值，也就是说，不需要发电机的输出转速稳定，只要求转速达到一定数值。因此，对实验用发电机的要求不高，只要体积小、电机内线圈不至于太少，即可符合设计实验要求。 因此，我选择了常见的小型直流马达作为实验用的直流电动机，这种小型直流电动机多用于小型机电产品（如电动须刨、电动玩具等）上作为小型动力源。当马达的电刷的导出铜片两端用导线分别连接上小型直流电源的正负极时，马达的主轴即能按一定的转动方向以一定速率转动。而由电磁感应定律可知，反过来，当马达的主轴在外力作用下按一定的转动方向以一定速率转动时，就会产生感应电动势，此时若用导线分别将马达的电刷导出铜片两端连入闭合回路，回路中就会有感应电流产生。同理可知，当马达的主轴在传入的外力作用下按一定的转动方向以一定速率转动时，将马达的电刷导出铜片两端分别用导线接入设计的充电电路，则可将产生的感应电流储存入电容内，需要时才慢慢释放出来使用。在拉绳式机械电池中选择的微型发电机见图3-5。 图3-5 发电机零件实物照片而在定时器式机械电池当中，其发电机的选择和拉绳式机械电池中的发电机是一样的，但其定位方式是不同的，因为发电机要放在定时系统机构上面，所以我们必须要设计一定的定位机构，选用发电机，首先还是从使用的方便性、轻巧便携型出发，由于该装置尚处于试验阶段，结构也不能过于复杂，只要能够达到实验的要求即可。故先选用一般的小型直流电动机或控制电路的微型发电机即可，见图3-6。图3-6 发电机和定位件组合图 由于是采用定时器方式的变速机构，所以其末端的转速相对较慢，这是它的输出电压就会相应要低点，可能就不能满足一些电气设备的额定电压，这时就更需要我们的充电电池来解决电压不足的问题，充电电池仍然用并联充电，串联放电的方式，对于我们设计的充电电池的性能和额定电压方面的研究，在后面章节会对此作详细分析。3.3 本章小结在这一章中，主要是设计了三种变速器，不同的传动比，使用不同的要求，变速比小的用在摇柄驱动，因为变速比太大，主要是根据发电机的转速和摇柄的转速决定，而变速比偏大的是用在拉绳驱动结构中，最大的是用在定时器驱动中，主要是有工作时间决定的。4. 增速装置的设计4.1机械式电池方案的确定考虑到摇柄式机械电池的操作及携带方便性，且存储器部分和普通化学电池相当大小，只要充入足够的电量，其完全可以取代普通的化学电池使用，经过对模型各部件的设计及完整性的可行性分析，该结构主要是利用摇动手柄作为原动机构，经过多级齿轮增速装置，传递动力到发电机轴上，带动微型发电机的转子旋转发生磁力切割产生电流，将机械能转化成为电能，然后充入电容器。这样的几个电容器并联以后就可以存储足够的电能了，可供一般的使用要求。且该设计均满足各方面所需的要求。经各方面综合因素的充分分析，本设计最终采用了手摇式机械电池。4.2传动比的确定 本设计最终采取了增速器的传动比，这款变速器其相对尺寸较小，主要是为微机械电池所设计，由于体积小，而且每个齿轮的厚度不到一毫米，故变速器的级数不宜太多，相对情况下，可以把每级的传动比调大一点，从变速器的要求考虑，选择变速器的类型为二级展开式圆柱齿轮增速器。根据设计试验的数据结果计算分析，要是发电机产生的平均电压在1.2-1.5V之间，所需电机主轴平均转速至少为500r/min，而按正常速度摇动手柄的平均转速为50r/min，故在动力源与电机主轴之间必须有一个增速装置，且增速比至少为10:1。在放电使用时通过电容器组并串转换(并串方式的自动转换是利用二极管的单向导通性实现的)使得输出电压达1.25V。这个增速器通常可以根据设计要求而用市场中常用的变速器来代替，只需将增速器的动力输入、输出端位置对调即可（即将动力源与增速器的输出端相联，而将电机主轴与增速器的输入端相联）。由于整个机械式电池的体积偏小，加工制作有一定的难度，我们选择手表中的齿轮，然后配对组装，使其的增速必要达到要求，通过实验我们选择了二级增速器齿轮，其第一级变速比为3.2:1，第二级也为3.5:1，这样整个变速比为11.2:1，可以满足我们的需要。标准化系数： 齿顶高系数： 顶隙系数： 齿数： 模数: 压力角： 选用的实验变速器传动示意图（见图4-1） 图4-1 二级齿轮传动机转子结构示意图 设计变速器的变速比主要考虑两方面问题，一方面是变速器的增速比要达到实验要求，另一方面是要选择合适的变速器类型及变速器级数。因为变速器的变速比小则达不到实验变速器的变速要求，但变速比越大，则随之带来的传动阻力也越大，同样变速器的变速级数越多，则传动阻力也相应越大。最终确定的传动比为： 4.3相关参数的确定 齿数： 齿顶高系数： 顶隙系数： 模数： 压力角： 齿顶高： 齿根高： 分度圆： 齿顶圆直径： 齿厚： 标准中心距： 齿轮宽度： 圆整后取 圆整后取 经查阅相关蓄电池的参数可知 即知 通过手柄的平均输入转速为50r/min可知 为传动轴的总效率，即 其中为圆柱齿轮的传动效率，其值为0.960.98