（机械设计及理论专业论文）机械电池的研制及其性能的实验研究.pdf

摘要 摘要 自从人们发明电池以来，化学电池以其制造简单、使用方便、成本 低廉等优点而广泛被使用 。但是随着电子产品的大量增加，废旧化学电 池大批量的产生，带来了许多问题。因为化学电池存在着材料浪费和处 理麻烦等缺点，特别是随着环保要求的不断提高，废旧化学电池容易造 成污染的事实引起了人们极大的关注。由于至今尚未很好的方法解决这 些问题，因此人们不断尝试新型的电池来代替现有的化学电池。例如， 太阳能电池、燃料电池等，以期制造出具有环保功能，并将实用的新型 电池作为化学电池的替代品。虽然限于研究的时间和进展所限，目前还 无法大量的制造和生产，但是发展新型电池是科技发展的一个必然趋势。 在分析了国内外研究现状的基础上，提出并研制了一种新型的机械式电 池，它是将机械能转变成电能。 在广东省自然科学基金的资助下，已经设计并研制出了几款机械电 池，在实验中运行 良好 ，能够达到预期的目标，在详细分析国内外技术 发展的基础上，提出以典型的微机械电子系统一微机械电池作为研究对 象，对其中的微机械设计和摩擦学设计问题加以研究。研究内容包括: 设计并研究微机械电池，微机械的性能和传动特性的研究. 本项目的首期设计内容将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 ( 例如蜗卷弹簧，曲柄机构)相连，通过动 力源传到变速器，然后带动发电机发电，然后利用这个电能带动其他电 器，其将发电装置和电池部分分离，利用并联充电，串联放电电路组装 分离电池;第二期内容是将发电装置微型化，采用蜗卷弹簧作为动力元 件，然后将微型发电机发出的电能先存储到电容器，然后通过电源线将 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;第三期的内容为改变发电部分的设计原理，采用定时器装置 作为驱动机构，这样发电的动力部分就可以继续工作，带动发电机工作， 持续供 电。 在理论上，机械式电池可代替传统的化学电池的一部分使用范围， 而且用途广泛和具有环保功能。 关键词弹簧;电池;摩擦;发电机;力矩 奋 广东省自然科学基金资助( 0 1 1 5 0 5 ) 华南理工大学工学硕士学位论文 abs t r a c t c h e mi c a l b a t t e r i e s h a v e b e e n w i d e l y u s e d s i n c e t h e y w e r e i n v e n t e d t h e y h a v e t h e p r o p e r t i e s o f e a s y m a n u f a c t u r i n g , c o n v e n i e n t u s i n g a n d l o w c o s t . h o w e v e r , w i t h t h e i n c r e a s e o f u s i n g b a t t e r y , t h e u s e d c h e m i c a l b a t t e r i e s h a v e b r o u g h t u p ma n y p r o b l e ms s u c h a s p o l l u t i o n o f w a s t e ma t e r i a l . wi t h t h e n e e d o f e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n , mo r e a t t e n t i o n s a r e p a i d o n t h e p o l l u t i o n o f c h e m i c a l b a t t e r i e s . t i l l n o w , n o g o o d w a y h a s b e e n f o u n d t o s o l v e t h e p r o b l e m y e t . al t h o u g h s o me n e w k i n d s o f b a t t e r y , s u c h a s s o l a r b a t t e r y , f u e l b a t t e r y a n d s o o n , h a v e b e e n d e v e l o p e d t o r e p l a c e c h e m i c a l b a t t e r y , t h e y c a n n o t b e ma n u f a c t u r e d i n a l a r g e a m o u n t . i n t h i s p a p e r , a m e c h a n i c a l b a t t e r y , w h i c h t u r n s m e c h a n i c a l e n e r g y t o e l e c t r i c a l e n e r g y , i s d e v e l o p e d a f t e r ma n y e x p e r i me n t s a r e c a r r i e d o u t . s u p p o r t e d b y p r o v i n c i a l n a t u r a l s c i e n c e f o u n d a t i o n o f g u a n g d o n g , s e v e r a l k i n d s o f me c h a n i c a l b a t t e r y h a d b e e n i n v e n t e d , a n d h a v e a g o o d c o n d i t i o n d u r i n g t h e e x p e r i m e n t s . t h e p a p e r t a k e s t h e t y p i c a l mi c r o e l e c t r o m e c h a n i c a t s y s t e m ( me ms ) 一m i c r o m e c h a n i c a l b a t t e r y a s a r e s e a r c h o b j e c t , s t u d i e s t h e p r o b l e m o f m i c r o m e c h a n i c a l a n d t r i b o l o g y d e s i g n . t h e r e s e a r c h i s e n g a g e d ma n y f i e l d s s u c h a s mi c r o m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e , t r a n s mi s s i o n f e a t u r e , m i c r o f r i c t i o n , w e a r i n g a n d t e a r i n g , l u b r i c a t i n g i n t h e c l e a r a n c e , a n d d e s i g n i n g r u l e o f mi c r o m a c h i n e e l e c t r o n s y s t e m. t h e c l a s s i c a l m e c h a n i c a l d e s i g n i n g a n d l u b r i c a t e t h e o r y a r e n o t s u i t a b l e h e r e , s o w e m u s t s t u d y t h e s y s t e m i n t h e mi c r o c o s mi c c l a s s , e x p l o r e t h e d e s i g n i n g m e t h o d , a n d s e t u p r e l a t e d m i c r o m a c h i n e , t r i b o l o g y t h e o r y a n d m e t h o d . t h e r e s e a r c h h e l p s t o e n h a n c e t h e l e v e l o f r e s e a r c h o n mems. t h e f i r s t c o n t e n t o f t h i s i t e m i s t o c o n n e c t t h e o u t p u t e n d o f m i c r o d y n a mo t o r a n d t r a n s mi s s i o n d e v i c e , c o n n e c t t h e i n p u t e n d o f t r a n s mi s s i o n d e v i c e w i t h t h e p o w e r , w h e n w e w r i n g t h e s p r i n g , t h e s p r i n g w i l l r e v e r t , t h e n t h e d y n a m o t o r w i l l b e d r o v e . t h e p o w e r w i l l b e s t o r e d i n t h e c a p a c i t o r , t h e b a t t e r y c a n b e u s e d i n ma n y d i f f e r e n t d e v i c e s . t h e s e c o n d c o n t e n t i s t o ma k e g e n e r a t o r t o b e mi c r o m a t i o n , t h e s p r i n g t o b e u s e d a s t h e d r i v e e q u i p me n t , t h e e l e c t r i c i t y e n e r g y t o b e s e n t t o c a p a c i t o r . t h e t h i r d c o n t e n t i s t o c h a n g e t h e p r i n c i p l e o f g e n e r a t i n g , t o s e l e c t t i m e 一 l a p s e s p r i n g s y s t e m u abs tract a v o i d t h e d i s a d v a n t a g e o f t h e t w o s t y l e s i h a v e i n t r o d u c e d . we s e l e c t mi c r o d y n a m o t o r , a f t e r s p e e d r e a c h e s t h e a mo u n t , t h e b a t t e r y c a n p r o d u c e e n o u g h p o w e r t o d r i v e t h e d e v i c e . i n t h e o r y , t h e m e c h a n i c a l b a t t e r y c a n p a r t l y r e p l a c e t r a d i t i o n a l b a t t e r y , a n d c a n p r o t e c t o u r e n v i r o n me n t . k e y w o r d s s p r i n g ; b a t t e r y ; f r i c t i o n ; g e n e r a t o r ; m o me n t *t h e gu a n g d o n g n a t u r a l s c i e n c e f o u n d a t i o n f i n a n c i a l l y s u p p o r t s t h e p r o j e c t ( 0 1 1 5 0 5 ) . i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作 者 签 名 :7 0 阉日 期 : ls s)。 月 、 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 _年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密0 几 ( 请在 以上相应方框 内打 “j ) 作 者 签 名 :争， 。 司日 期 : 、 、 年、 月 a 日 导师签名 日期: ， 。、年 6月 ; 日 第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1课题来源 本课题来源于广东省 自然科学基金 “ 微机械电池及微摩擦学设计研 究 ” ， 1 . 2 项 目编号:0 1 1 5 0 5 . 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 创新微小机电产品川。 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 2 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 . 3国内外研究现状 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电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，随着电子元器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1 3 1 ，如图1 - 1 所示。据 报道，这一产品曾在美军攻打阿富汗的反恐战争中，通过飞机向山区的 第二章驱动机构设计 第二章 驱动机构设计 以下将具体设计几种机械电池的驱动机构、发条的选择和参数优化 设计 、发 条驱动 结构外 部 设计等做 一介 绍，这些机 构将 在后面 的机械 电 池 的制作 中采用 。 2 . 1 驱动方式 2 . 1 . 1摇柄式驱动结构 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，但其有着方便、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，其结构简图见图 2 - 1 ，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。 电容器 电池 发 电机 图 2 - 1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、手机电池等都可以引入摇柄式驱动方式 9 ，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。 2 . 1 . 2拉绳式驱动结构 拉绳式驱动结构由转盘、发条、细绳索、外部框架组成，如图2 - 2 所 华南理工大学工学硕士学位论文 即形成蜗线形; 而在长于l.。 的部分， 在上紧时截面外层处应力还未达到 a h ，这部分可以弯制成反圈，并且在长期使用中保持反圈而不变成蜗线 形，由此可以得出 s 形发条制造条为u m in ，即: g a(x ，二 6k 一 l- 一 1., - tch(z e )b 一 ” = y, 一 崎)2- m 2)x2 。 ( 2 一1 0) 优 化 方 法 : 综上所述 ，发条 的优 化设计可归纳 为下列数学模型 : 而n f ( x ) x e d d: g ( x ) ,u = 1 , 2 , 3 , 4 它是一个非线性多维约束优化问题，采用约束坐标轮换法求最优设计参 数。优化时，先给出试探初始步长，然后按加速步长法分别沿三个设计 变量确定的方向寻优 t 4 1 通过依次迭代，使步长缩小到给定的精度后收 敛到最优点，即为优化结果。为了辨别输出最优点的真伪，在程序运行 中输入多个初始点，并给出各种不同的步长进行运算，再从众多的输出 解中进行比较而排除最优点。 2 . 3驱动结构外部设计 摇柄式驱动机构用在体积相对较大的设计中，如果设计微机械电池， 那么用摇柄式就不是很方便，这样要考虑机械式电池的整体结构的体积 较小， 在这里选用的是蜗卷弹簧 ( 见图 2 - 5 ) ， 并将其放在转盘 见图 2 - 6 ) 中，弹簧的一端固定在转盘上，一端固定在外壳的上面，然后在转盘上 面缠绕细绳，通过拉动绳子带动蜗卷弹簧，然后释放细绳，在蜗卷弹簧 释放势能的同时带动转盘旋转并反向缠绕细绳，这样拉动一次细绳，转 盘就会来回转动两次，那么转子也就来回有两个转动过程，只要变速比 达到一定的数值，转子的速度就一定能够达到实验的要求。 第二章驱动机构设计 定盘 ( 与外壳联) 图 2 - 5蜗卷弹簧及其连接方式 图 2 - 6转盘结构简图 综 合考虑前面 我们 已经选择 的各个 部件及其 体积 大小 ，作为这 里 的 机械式电池的外壳除了容纳电池的其他部件的功能外，它还要和其他部 件联系起来，比如在外壳的上盖上面开了一个小槽 ( 见图 2 - 7 )固定蜗卷 弹簧的一端，在外壳的下端开了一个小孔，这样可以把 电容器的两极引 出来供其他电器使用，整个外壳的机构简图 ( 见图 2 - 8 ) 0 图 2 - 7外壳的上盖简图 华南理工大学工学硕士学位论文 图 2 - s机械式 电池外壳 从上面的设计我们可以看出，发条驱动结构设计要复杂一些，特别 是它 的两端 的固定点要和 具体 的设计结合起 来 ，但 它所 占体积较 小 ，在 外加驱动力时，所 占空间相对也要小。针对这种驱动方式我们特别设计 了一款微机械电池，结构小巧，可以用在很多的场合。这种微机械电池， 只要拉 动细绳 ，就可 以上紧发条 ，这样 发 电机 就工作 一次 ，然后在 发条 恢 复力矩 的驱动 下 ，发条又驱动 发 电机 一次 ，也就是 说 ，拉动 一次发 条 可以让发电机工作两次，大大提高了使用的效率。 2 . 4定时器式驱动结构 这种驱动方式同样采用蜗卷弹簧，通过中间杆将蜗卷弹簧和变速器 的第一级齿轮连接在同一根杆上，这样当拧紧蜗卷弹簧后，当蜗卷弹簧 释放势能的同时就会带动变速器的第一级齿轮 ，这样变速器就工作 了， 然后带动发电机发电，在蜗卷弹簧的选择上，我们经过多次实验后，选 择了最为合适的 ( 见图 2 - 9 ) ，因为力量太小，就会带不动变速器，因为 变速器有一定的阻力，力量太大，在有限的体积里面就不能放入足够的 蜗卷弹簧，那么定时的时间就不够长，在图 2 - 7中间的杆将变速器、蜗 卷弹簧、旋钮连接在一起，这样一旦拧动旋钮，就会带动蜗卷弹簧和变 速器工作，为了不让弹簧的势能在短时间内释放掉，在变速器的最后一 级上连接了一个棘轮，通过棘轮机构将弹簧的势能的释放速度控制在设 计 范 围 内。 华南理工大学工学硕士学位论文 本章小结 在这 一章 中，分别介绍 了三种驱 动方式 ，在后 面 的设计 中，会将这 三种驱动方式运用到其中，三种驱动方式各有所长，适用的场合主要看 使用的条件，从而确定选用那种驱动方式，摇柄驱动结构简单，但 占有 的空间较大，拉绳驱动适合力不是很大的场合，发条驱动体积较小，但 必需加入一定的辅助 结构 。 第三章传动机构的设计与发电机的选择 第三章 传动机构的设计与发电机的选择 3 . 1引言 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 1 7 ，综合齿轮传动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 1 9 ) 齿轮传动的传动效率明显高于蜗杆传动，圆柱齿轮传动的效率可达 9 9 %，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 和其它形式能的过程，变速器的传动效率越高，在转化过程中转化为其 它损耗能的比率越小，机械能转化为电能的效率也就越高;齿轮传动结 构紧凑，对比其它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，齿轮传动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 2 0 1 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，基于实验变速器的传动要求，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，实验变速器的传动方 式选择为齿轮传动。齿轮类型选择为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 9 9 %。齿轮传 动的装置形式选择为半开式，易于制造及使用维护 2 1 选择变速器的类型，综合各种类型变速器的特点进行分析: 由圆锥一 圆柱齿轮 减速器构成传动系统 。圆锥 齿轮一般置于 高速 级 华南理工大学工学硕士学位论文 可减小圆锥齿轮尺寸、便于加工。这种减速器的机器总体布置横向尺寸 小，比较紧凑，但结构较复杂，制造成本较高。 由蜗杆减速器 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 圆柱齿轮减速 器构成传动系统 。圆柱齿轮减速 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 2 ， 因 此 ， 从实验变速器的要求考虑，选择变速器的类型为三级展开式 圆柱齿轮减速器 。 3 . 2传动装孟 ( r 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 . 5 v之间， 所需电机主轴平均转速至少为 5 0 0 r / m i n ，而按正常速度摇动手柄的平均转速为 5 0 r / m i n ，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 1 0 : 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，只需将减速器的 动力输入、输出端位置对调即可 ( 即将动力源与减速器的输出端相联， 而将电机主轴与减速器的输入端相联) 。只要该减速器没有传动具有 自锁 性的特点口 刀 ，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 1 0 : 1和 2 0 : 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 1 0 : 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 e e 为 1 0 : 1 与 2 0 : 1 之间 。 经过前面的详细分析，初步选择三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是在 1 0 : 1和 2 0 : 1 之间，而且变速器每一级的变速 比不应太大，三级中各级的变速比应相 第三章传动机构的设计与发电机的选择 差不大，否则会造成转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试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 2 : 1与 3 : 1 之间， 且总体增速比为 1 0 : 1与 2 0 : 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 . 4 6 7 , 2 . 5 , 2 . 5 , 总体变速比为 1 5 . 4 2 ，均满足实验需要。 标准化系数: 齿顶高系数h : = 1 ，顶隙系数 c = 0 . 2 5 齿数 : z , 二 3 7 , z 2 = 1 5 , z 3 = 4 5 ，z 4 = 1 8 , z 5 = 4 5 ，z 6 = 1 8 模数 : m , = m s = 0 . 6 m m m 3 = m 4 = m 5 = m 6 = 0 . 5 m m 压 力角 : a, = a, = a, = a 4 = a 5 = a 二 2 0 0 选用的实验变速器传动示意图如下图 ( 见图 3 - 1 )所示: 尸 一一、 / 一 、 、 厂4 /5 左 _j 、几1了jz 1/ 2 睁1入 / / 一 一 / 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i ,2 = u , / r z = 1 : .， 5，自 2 . 4 6 7; 齿 轮3 i 、 二 c o s / co 4 = 1 :2 . 比 1 5 6 = c u ， / c o 6 = 1 : 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，第三级传动 5。 总传动比1 t o w l = c o 1 c0 6 = 1 , 2 x 3 4 x 1 5 6 = 1 : 1 5 .4 2 华南理工大学工学硕士学位论文 3 . 3传动装孟 ( i i ) 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【 2 4 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减速器 ( 见图 3 - 2 ) . 根据设计试验的数据结果计算分析，要使发电机产生的平均电压在 1 . 2 - 1 . 5 v之间，所需电机主轴平均转速至少为 2 0 0 r / s ，而拉动转盘一 般平均转速为 3 r / 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 7 0 : 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，使其的增速比要达 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 9 :1 ， 第二级也为 9 : 1 ，这样整个变速比为 8 1 : 1 ，可以满足我们的需要。 标准化系数 : 齿顶高系数h 二 = 1 ，顶隙系数c = 0 . 2 5 齿数 : z , 二 7 2 , z 2 = 8 , z 3 = 7 2 , z 4 = 8 模数 : 叭= 峡= 码= m 4 = 0 .5 m m 压 力角 : a, = a 2 = a 3 = a 4 = a， = a fi = 2 0 0 二级店轮 图 3 - 2二级齿轮传动及转子结构示意图 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。 第三章传动机构的设计与发电机的选择 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 . 4传动装里 ( i i i ) 这款设计主要是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 ，要使发 电机产生 的平均 电压要 高于二极管 的导通 电压 0 . 7 v 2 5 1 ,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 ，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是用蜗卷弹簧机构，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，因单级或二级变速的单级传动太大 2 6 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，否则会造成转动阻力过大及载荷 分布过度不均的结果 ， ， ， ，随之而来的影响是增速器达不到试验要求及变 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 . 3 3 , 5 . 7 5 , 5 . 5 ，总体变速比为 2 8 9 6 ，均能满足实验需要。 标准化系数 : 齿顶高系数h a = 1，顶隙系数。 = 0 . 2 5 齿 数 : z , = 6 6 ，z , = 1 2 ，z , = 5 5 ，z , = 1 1 ，z s = 5 0 第四章存储器设计及实验分析 第四章 存储器设计及实验分析 4 . 1引言 储电器是机械电池的储能设备，它将微型发电机发出的电能储存，并 在需要的时候释放出来。储 电器一般为电容器。电容器被大量的应用于 各种电路中，尤其在 电子电路中的应用更为广泛，根据电容器的充放电 特 性来描述它在实际 中的各种应 用 。 a )电容器充放 电特性 的简述 ( a )电答器充放电实验电路( b )电容器充电电压、电流变化曲线 图 4 - 1 电容器充放 电示意图 我门通过对 电容器充 电和放 电实验过程的分析发现 ，电容器的充电 过程实质上是将 电源的电能变成 电容器的电场能量的过程和储存电能的 过程。而电容器的放 电实质是将电容器充电时储存的电场能量再释放的 过程。而电容器的充放电过程是进行电能与电场能量的交换过程 7 2 1 一般情况下.电容器的充放电时间可以认 5 z 时结束。z = r c称为充 放 电时间常数 。 b )电容器 的充放 电特 性 我们通过电容器充放电实验和其电压与电流曲线的变化过程和道， 电容器充放电具有如下的基本特性。 ( 1 )根据前面所述，电容器具有将电能变为电场能量并存储起来的 作用，它在充放电过程进行电能与电场能量的互换。 ( 2 )电容器在充电过程中，它两端的电压 u 。 不能发生突变，即它具 有瞬时尖峰电压的作用，这一特性在实际中得到广泛的应用 7 7 1 华南理工大学工学硕士学位论文 4 . 2 电容器的电压跃变与能量转换 电容器电压跃变时伴随的冲激电流的能量转换 3 4 1 ，在计算有电容电 压跃变的能量损耗时，主要考虑集中参数的电阻元件的损耗，图所 示的 电路中 ，电容器 c的初始储 能为 0 , 电容 电压 u 。 及充 电电流 1 。 分 别为 开头 k与 a 4 一 2 接 通 一 二 一 。 - t -0时刻， - ) u (t) r c u_ t _ t , =- p ( 一 ， - ) u ( t ) 找代 l (4 一1 ) 图 4 - 2 电容器充放 电电路图 u ( t )为单位阶跃函数，定义为 t 0 ( 4 一 2) fji - 、户 奋 了、 u 图 4 - 3电容器充放电电压、电流变化图 当 r - 0 时.( 4 - 1 )式变为 第四章存储器设计及实验分析 u , ( t ) = u m u ( t ) u- t、 _ _ _ . = u m- - e x p ( - - : 二 ) u ( t ) = u . c o ( t ) 找x 七 ( 4 一 3) 、.尹 娜 了吸、 lc 洲十一 ( 4 - 2 )式中 s ( t )为冲激 函数 。可看出 ，当 r -0时 ， 变对应的电流是一冲激电流。其波形见图 4 - 3 . u 。 跃变时 量 为 w 电容 电压发生跃 ，电源输出的能 w = f u , x i,d t 一 u m c f z (t) d t = u m x c 电容储 能 、 二 合 c u m 其 余 的 告 c u “ 如 何 ? 其 实 冲 激 电 流 是 r - 。 的 极 限 ， r -+ 。 而 不 能 认 为 r 不耗能。 r 上的耗能 w， 可计算如下: 、 一 和 t) rdt = f 恕2 ie(t)r d t = s li m u m ex p(- 2t )dt = 1 c u ,r-w r r c 2 可见 c 上的储能与 r上的耗能正好等干电源提供的能量 川。 当开头倒向 b时，c则通过 r - 0放电，由于 r - - - 0 ，故放电电流也 是一冲激电流，u 。 由 u . 跃变为 0 ， 电容储存的能量全部消耗于 r上。 4 . 3电容器电池串联与并联特性 在电流磁效应、载流平行导线相互作用、单根导线在磁场中受力实 验时，由于这些效应只取决于电流强度，负载电阻往往选择得很小，以 尽量获得大电流 3 6 1 .对于电阻为 r 的负载，电池串联时 1 $ = : + rr + - ( 4 一 4) 华南理工大学工学硕士学位论文 电池并 联 时 1 # = ( 4 一 5) 二 + r 式中 r , e分别为每节电容器电池内阻与电动势，n为电容器电池节数 由于 (r + r ) 一 (二 + ; ) 一 (1 一 与 ( ; 一 ; )( 4 一 6) n n i )当 r ? r时 r + r 二 + 尺( 4 一 7 ) n n 由 ( 3 ) . ( 4 )式可知练之 斗 2 )当 r 二 + r ( 4 一 8) n n 由 ( 3 ) . ( 4 )式可知1 41 1 # 因此，当 n较大并且 r u = q / c ，在充电电量相同的前提下，电容量 c 越大，输出 电压 u越小，电容量 c越小输出电压 u越大。 因此，充电时电容器组应采用并联方式，而在充电完毕后使用时才 将电容器组转换为串联方式，这样可以实现在充电时电容器组输入电压 不需要太 高 ，只要在使用 时通过 电容器组 并 串方式转换 即可提 高输 出电 压，使输出电压明显高于输入电压。 故在 电容器 的选择 上 ，应选 择输入 电压较低 的 电容 器 ，这样 能扩大 设计的应用范围，使得在动力转距产生的转速不太大的情况下也可以能 够充电，若用于微电领域则可以不用改变电容器组联接方式直接输出应 用，若要代替普通 电池使用，则可设计适当的电路连结方式使得电容器 组充电时为并联而放电时 自动转化为串联模式，而要使得输出电压为 1 . 5 v左右， 则可通过合理选择电容器类型及设计与之相应的电路来实现。 在电容器安装设计上，应在普通电池空间尺寸的基础上，合理利用 其 间的空间 ，放入可 能多 的电容器 ，因为在实 际应 用 中，电容器越 多 ， 充入的电量也越多，使用的时间也就更长，效果更加明显，在实验中我 们选择 g c 9 2 0型电容器，其额定电压是 2 . 4 v，电容为 0 . 3 3 f . 前面经过分析得出试验要求:充电时电容器组应采用并联方式，而 在充电完毕后使用时才将 电容器组转换为串联方式，因为这样可 以实现 在充电时电容器组输入电压的要求不太高，只需在使用时通过电容器组 并串方式转换即可提高输出电压，使输出电压明显高于输入电压 3 9 1 要实现上述试验要求，可以利用二极管的单向导通性，来实现 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 华南理工大学工学硕士学位论文 出 电压 ，从 而可 供 一般 的使用 要求 。具 体 电路 设 计 方 案如 下 图所 示 : 电容器 电池 料唤) 习 负 卜铂 币 图 4 - 4 充放 电电路设计图 在 电容器 安装 设计上 ，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 4 0 1 ，实验效果更加明显。初步选 定 电容器数 目为四个 。 根据上面的选择，单个电容器的 c = 0 . 3 3 f , u = 2 . 4 v，在采用串联时 其电容为( 代入式 4 - 1 0 ) : c = es 1 了 一 一 一 了 ( 串联 ) 十十. 十 c , c z认 = 0 . 0 8 2 5 ( f) 在采用并联时其电容为 ( 代入式 4 - 1 1 ) : c = c , + c z + . + c( 并联) = 0 . 3 3 + 0 . 3 3 + 0 . 3 3 + 0 . 3 3 = 1 . 3 2 (f) 而 。 一 %， 故 。 = 叼 ， 所 以 在 充 有 相 同 电 荷 时 ， 串 联 的 电 压 是 并 联 时 的 第四章存储器设计及实验分析 1 6倍，所 以在制作时的发 电机产生的电压不够高时，我们完全能够通过 并联充 电，串联放 电来提 升使用 电压 。 4 . 5实验与理论分析 在完成电容器电池的设计与焊接组装以后，进行了以下实验，我们 将四个电容器电池连接在同一个电路中，按前面的设计方案进行连接， 主要是进行并联充电、串联放电实验。 首先我们将电容器电池连成并联方式，然后对电容器电池进行充电， 每次在特定电压充电一段时间后，然后停止输入电压，记下此时的并联 电压，改变连接方式，将电路变成串联方式，并测得串联方式下电容器 电池的串联电压如表 4 - 1所示。做完一组以后，改变输入电压，相同的 也是先进行并联充电，待电压恒定后，改变电路，这样我们就进行 以下 一系列 实验 。 表 4 - 1在一定输入电压时电容器 电池的串联电压值 输入电压 1 . 2i a1 . 6 182 . 02 . 22 . 42 .6 2 . 8 串联电压4 . 31 4 . 4 74 . 5 84 . 9 35 . 215 . 4 7 5 _ 8 35 .