环保健身无电手电筒（LED手电筒）的设计论文.doc

摘要：传统手电筒使用普通干电池作为能源,长期放置会出现漏液現象,从而导致产品损坏,且干电池使用完后处置不当会造成环境污染.环保健身手电筒不使用干电池,內置高效机械发电装置,节约能源,且不污染环境,可随时使用.体现了当今社会倡导的绿色环保概念和以人为本的设计理念. 此手电筒的最大优点就是不用电，采用手压发电原理工作，经整流后，作为LED发光照明时的电源，手压1分钟可以照明1小时，5-8分钟可以持续照明5个小时。射出的光线接近自然光，亮度高，射程可以达到10-20米。只要用手轻轻压一压，就会立即产生电压电流使灯泡投射出纯白光亮，老人、小孩都能使用。关键词： LED手电筒 齿轮 锂电池 发电机 整流电路 LED控制驱动电路 General dry battery is used as power supply for traditional flash-light . Leakage will happen over a long period of time and damage the product. Besides, improper disposal of dry battery will cause pollution to environment. Environmental-friendly flashlight is provided with a built-in high-efficient generator in substitution of dry battery, to save energy without producing any pollution to environment . It is easily operated at any time, reflecting the green and environmental-oriented design principles. This flashlight biggest merit does not use electricity, uses the hand to press the electricity generation principle work, after the rectification, took when LED illumination illumination the power source, the hand presses 1 minute to be possible to illuminate for 1 hour, 5-8 minute may illuminate continually for 5 hours.Projects the light close natural light, brightness is high, the firing distance may amount to 10-20 meter.So long as presses gently with the hand, can produce the voltage electric current immediately. Enable the light bulb to project pure white luminous, the old person, the children all can use.Key word: LED flashlight tube wheel lithium battery generator commutation electric circuit LED control actuation electric circuit前 言 本文研究课题的主要内容是针对现在使用最广泛的手电筒，它是通过各类电池来发光，而电池主要有一次性电池、二次电池和汽车电池。一次性电池包括纽扣电池、普通锌锰干电池和碱电池，一次性电池多含汞。二次电池主要指充电电池，其中含有重金属镉。汽车废电池中含有酸和重金属铅。 废弃在自然界电池中的汞进入土壤或水源，再通过农作物进入人体，损伤人的肾脏。在微生物的作用下，无机汞可以转化成甲基汞，聚集在鱼类的身体里，人食用了这种鱼后，甲基汞会进入人的大脑细胞，使人的神经系统受到严重破坏，重者会发疯致死。著名的日本水俣病就是甲基汞所致。电池中的镉渗出污染土地和水体，最终进入人体使人的肝和肾受损，也会引起骨质松软，重者造成骨骼变形。汽车废电池中含有的酸和重金属铅泄漏到自然界可引起土壤和水源污染，最终对人体造成危害。我们常用的手电筒大多需要一次性电池来供电，电池是很浪费的，电量用完了电筒就不工作，就需要购买新的电池，但是在遇到夜晚工作或出行的时候就麻烦了。并且我们常用的手电筒体积比较大，根本就不便于随身携带，常放于家中，需要用的时候就要回家去拿，又浪费时间又不方便。所以基于这样的情况，我们研究并开发了一种新的产品环保健身无电手电筒。本课题的主要工作是环保健身无电手电筒的结构设计和完成产品的各项技术指标，争取在电压幅值或其他方面超过现有的水平。围绕产品的设计，在整个设计过程中应用计算机辅助技术，计算机辅助设计包括的内容很多，如：计算机仿真、计算机辅助绘图、计算机辅助设计过程管理等。在产品造型设计中，综合运用了计算机辅助设计。包括带有创造性的设计（方案的构思、工作原理的拟定等）和非创造性的工作，如绘图、设计计算等。创造性的设计需要发挥人的创造性思维能力，创造出以前不存在的设计方案，这项工作由课题组共同研究讨论来完成。非创造性的工作是一些繁琐重复性的计算分析和信息检索，借助计算机来完成。目 录 题目 环保健身无电手电筒一、环保健身无电手电筒的简介 （一）LED手电筒的分类 1 1. LED手电筒的类型 1 2.手动充电LED手电筒 1 3. 采用三只电池的多灯头型1 4. 单灯头大功率LED手电筒2 5. 塑料壳可充电LED手电筒2（二）LED手电筒的工作原理 2二、环保健身LED手电筒的基本结构（一）齿轮齿条 21.齿轮的构造22.齿轮的基本参数43.齿条的特点7（二）外壳 81.外壳材料分析82.外壳的加工及加工工艺注意事项93.外壳形状的设计10（三）弹簧101.弹簧刚度与弹簧特性的关系122.圆柱螺旋扭转弹簧有关参数标准13（四）LED发光管17 1. LED在照明领域的前景17 2.LED的结构及发光原理.213.LED的特点214.单色光LED的种类及其发展历史225.单色光LED的应用236.白光LED的开发 237.大功率LED灯驱动电源的技术方案和功能模块 25（五）锂电池的介绍 311.锂电池的概念 312.锂电池的特点 323.锂电池的结构 324.锂电池的充放电要求 32三、内部电路（一）整个内部电路的分析 35（二）充电电路的分析 36（三）整流电路的分析 37（四）LED驱动控制 39 1.驱动LED的并联电路 39参考文献 42致谢 43一、环保健身无电电筒的简介环保健身手电筒既是LED手压式手电筒，采用LED发光二极管、锂电池、齿轮等零件组成的。 1.LED手电筒的类型 目前市场上各类照明用手电筒，主要有塑料手电筒、LED手电筒、铁手电筒、铝合金手电筒、不锈钢手电筒、手摇手电筒、环保手电筒、电蚊拍手电筒等许多种类。这里我们重点了解下LED手电筒的分类。目前常见的LED手电筒有小巧的钥匙扣型、多灯头型、单灯头大功率型等。从电源的类型来看，有采用一只AA电池或一只AAA电池，有的采用三只AAA电池，也有的采用三个纽扣电池的，还有采用手动发电的等等。1.小巧型LED手电筒 小巧型LED手电筒是指采用一个AA电池或AAA电池的多灯头小手电筒，或是采用三个纽扣电池的袖珍手电筒或者钥匙扣手电筒。这类小巧型LED手电筒的聚光效果也较差，耗电还较大，但在城市中用于临时应急照明或夜间看物等并非长时间使用的情况下，还是有一定的实用价值。这种电筒由于使用时间不多，常常是存放起来临时使用，因此最好采用密封较好的碱性电池（一般可以存放两三年不致失效），不要用普通碳性电池，以免长时间不用会流出电解液而损坏手电筒。 2.手动充电LED手电筒手动充电LED手电筒有两种类型。一类是这种手电筒中有一个活动的圆柱形磁体，在手摇动时能在一个线圈中滑动，线圈产生电流并经整流后对蓄电池充电，点亮一个LED发光。另一烊是用手压带动发电机转动的手电筒，这种手电筒的价格更低，但是这类手动发电的LED手电筒大多可靠性不好。 3.采用三只电池的多灯头型灯头（即LED）数从十几个至二三十个，多的达到四十多个灯头。电筒的外壳大多是采用铝合金制造，电筒的开关有的设置在尾部，有的设置在侧前部位，侧前部开关用起来较方便些。由于高亮度LED的燃点电压约在3V左右，所以这种用三个AAA电池的LED手电筒不需要进行升压就能直接点亮，因此电源的效率较高，仅有很小的能量消耗在限流电阻上。需注意的是，并不是LED数量越多就越好。还要注意的是，要看看灯头后面是否有质量较好的反光膜，它能把LED散射的光线反射出来，可以提高手电筒亮度的20%30%这种多灯头手电筒的主要缺点是聚光效果不太好，明显不如普通手电筒的聚光效果好，因此照射到远距离物体上时就显得不够亮。 4.单灯头大功率LED手电筒单灯头大功率LED手电筒，是指采用一只功率为1W5W的单个LED 发光的手电筒。这种单灯头手电筒所用的大功率LED，有采用国产的也有采用进口的。一般来说进口的大功率LED发光效果较高，但价格要高得多。这种单灯头大功率LED手电筒的最大优点是聚效果较好，不过还是要看电筒的聚光罩的制作是否精良。制造较正规的单灯头大功率LED手电筒，其聚光效果接近普通手电筒，而且亮度还要高一些。 .塑料壳可充电LED手电筒采用塑料外壳的可充电手电筒，往往是较廉价的采用铅酸蓄电池的多头LED手电筒。这种手电筒的灯头从五个至二十多个不等，并且还自带电容降压的充电器，充电也还方便。这类塑料外壳可充电LED手电筒，售价一般都不高。这类手电筒的聚光效果也不太好，但总体亮度不错，其主要缺点所用铅酸电池需要经常充电才能使蓄电池不致提前失效；即使维护较好，这类铅酸电池也只能用一年多就会失效。这种手电筒是将铅酸电池与手电筒做成一体的结构，失效后一般还不易更换。（二）工作原理：当把手压下去时通过手 柄上的齿条带动齿轮这转动，齿轮再通过轮轴上的齿轮带动，发电机构的盖子转动，盖子中置有磁铁，磁铁随着盖子的转动向一个方向转动，。在闭合回路中形成磁场中切割磁感线的现象，这样就产生电流。内有锂充电电池，电能存储在内打开开关就会发亮。开关打到1时由电池供电LED亮,当开关打到2时LED灭,若同时手压机动开关,马达转动LED亮,同时会给电池充电。二、环保健身LED手电筒的基本结构（一） 齿轮齿条齿轮传动：齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，型式多、应用广泛。其主要特点是：效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定等。可做成开式、半开式及封闭式传动。失效形式主要有轮齿折断、齿面点锈、齿面磨损、齿面胶合及塑性变形等。 常用的渐开线齿轮有直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、标准锥齿齿轮传动、圆弧齿圆柱齿传动等。1.齿轮的构造 图3-332. 齿轮的基本参数通过强度计算，确定了分度圆、齿顶圆、齿根圆、齿宽等主要尺寸以后，还需进一步确定轮缘、轮辐和轮毂等的结构形式和尺寸。这些结构形式和尺寸主要根据工艺要求和经验资料确定。 直径较小的钢质齿轮，当齿根圆直径与轴径接近时，可以将齿轮和轴做成整体的，称为齿轮轴。如果齿轮的直径大得多，则应把齿轮和轴分开来制造。顶圆直径 da500mm的齿轮可以是锻造的或铸造的。正确啮合条件 一对渐开线齿廓能保证恒定传动比传动，但这并不表明任意两个渐开线齿轮都能相互搭配并正确啮合传动。渐开线齿轮的正确啮合条件是两轮的模数和压力角必须分别相等。这样，一对齿轮的传动比可写成： 2=d2/d1=z2/z1）w1/wi= 安装成节圆与分度圆相重合的一对标准齿轮的中心距称为正确安装的中心距或标准中心距，用a表示， a=m/2*(z1+z2) 应当指出，分度圆和压力角是单独一个齿轮所具有的几何参数，而节圆和啮合角是两个齿轮啮合时才出现的啮合参数。标准齿轮只有在正确安装时分度圆与节圆才重合，压力角与啮合角才相等；否则，分度圆与节圆是不重合的，压力角与啮合角也是不等的。 （二）渐开线齿轮连续传动条件 一对齿轮啮合传动时，前一对轮齿即将分离以前，后一对轮齿必须进入啮合。否则传动就会中断。为了弄清楚连续传动应满足的条件，首先讨论一下轮齿的啮合过程。图333中设O1轮为主动，O2轮为从动，它们的转动方向如图所示。一对齿廓开始啮合时，应是主动轮的齿根部分与从动轮的齿顶接触，所以开始啮 合点是从动轮的齿顶圆与啮合线的交点。当两轮继续转动时，啮合点的位置沿啮合线移动，O2轮齿廓上的接触点由齿顶向齿根移动，而O1轮齿廓上的接触点则由齿根向齿顶移动。终止啮合点是主动轮的齿顶圆与啮合线的交点。这两个交点的连线为啮合的实际轨迹，故称为实际啮合线段。在分度圆上，一对齿从开始啮合到终止啮合所经过的弧线距离称为啮合弧，图333中圆弧就是啮合弧。 表示，即：e如果啮合弧FG大于周节P，当前一对齿正要在终止啮合点分离时，后一对齿已经在啮合线上K点啮合，故能保证连续正确传动。如果啮合弧小于周节，则当前一对齿在啮合线上的E点终止啮合时，后一对齿还未进入啮合。这时传动就出现中断，并引起冲击。由此可知，为了保证渐开线齿轮连续以恒定传动比传动，啮合弧必须大于周节。啮合弧与周节之比称为重合度（或重叠系数），用（347） 1.11.4。对于标准齿轮传动，一般都能满足这一条件。重合度愈大，表示两对齿同时啮合的时间愈长，传动愈平稳。e在一般机械制造中常使标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸关系 模数、压力角、齿顶高系数及顶隙系数均取标准值，分度圆上齿厚与齿槽宽相等的齿轮称为标准齿轮。因此，对于标准齿轮有： /2（339）psep/2=m一对标准齿轮传动正确安装时，两齿轮的分度圆是相切的，所以分度圆和节圆相重合，即d=d。由于节圆是啮合节点确定的圆，因此，对单个齿轮不存在节圆的概念。 分度圆直径d、齿顶圆直径da 和齿根圆直径df的计算式为： da =zm (340) da =d+2ha=2ha+z (341) df=d-2hf=(z-2ha-2c)m (342) 英美等国采用径节作为齿轮几何尺寸计算的基础。径节为齿数与分度圆直径之比。设 DP 为径节(in-1)，d 为分度圆直径(in)，p 为周节(in)，z 为齿数，则： /p(in-1) （343）pDP=z/d= 模数m与径节DP的关系可由式（337）和式（343）导出，即。a20。以后凡是不加指明，压力角都是指分度圆上的标准压力角a同一渐开线齿廓上各点的压力角是不相等的，离基圆愈远压力角愈大。压力角太大对传动不利。我国标准规定分度圆上齿廊的压力角 齿顶高系数ha*和顶隙系数c*如图333所示，全齿高为齿顶高与齿根高之和，即h= ha*+hf。当齿轮啮合时，一个齿轮的齿顶圆与配对齿轮的齿根圆的径向距离称为顶隙，用 c 表示，c= hf-ha。它的存在可避免一个轮的齿顶与另一轮的齿底相碰并可储存润滑油。如果用模数来表示，则齿顶高和齿根高可分别写为： ha= ha*m （338） hf=(ha+ c)m式中：ha*、 c*-分别称为齿顶高系数和顶隙系数，对于圆柱齿轮，其标准值如表319所示。 表319 渐开线圆柱齿轮的齿顶高系数和顶隙系数 正常齿制 短齿制ha 10 08c 025 03直齿圆柱齿轮的基本参数 、齿数 a决定齿轮尺寸和齿形的基本参数有5个：齿轮的模数 m、压力角 z、齿顶高系数ha及顶隙系数c。以上5个参数，除齿数 z 外均已标准化了。 1.模数m p分度圆上的周节 p 对 的比值称为模数，用m（mm）表示，即： （337）pm= p/模数是齿轮几何尺寸计算的基础。显然，m越大，则 p越大，轮齿就越大，轮齿的抗弯曲能力也越高，所以模数m又是轮齿抗弯能力的重要标志。我国已规定了标准模数系列，表318为其中的一部分。 表318 标准模数系列（CB1357-87） mm 第一系列 1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 第二系列 1.75 2.25 2.75 (3.25) 3.5 (3.75) 4.5 5.5 (6.5) 7 9 (11) 14 18 22 28 (30) 36 45注: (1)本表适用于渐开线。对斜齿轮是指法面模数；对直齿圆锥齿轮是指大端模数(2)优先采用第一系列，括号内的模数尽可能不用。3. 齿条的特点: 1)齿条同侧齿廓为平行线,它在与齿定线平行的任一直线上具有相同齿距, 2)齿条直线齿廓上各点具有相同的压力角,等于直线齿廓的齿形角,一般为标准值;当齿轮齿条标准安装时,齿轮分度圆与齿条分度线重合,啮合角等于齿形角;齿轮以角速度转动, 带动齿条以线速度直线移动. 中心距增大后，齿条远离齿轮轴心01移动X距离(下图虚线所示),根据齿条直线齿廓的特点,啮合线不会随齿条位置改变而改变,故节点位置P也不变化,此时,齿轮的分度圆仍然与节圆重合，啮合角仍然等于齿条的齿形角,即等于齿轮分度圆上的压力角;而齿条位置的改变使齿条的中线与节线不再重合，齿侧间隙j加大，顶隙增加。即：齿轮齿条正变位传动时, （二）外壳环保健身无电手电筒外壳采用的是ABS材料,ABS 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 典型应用范围: 汽车（仪表板，工具舱门，车轮盖，反光镜盒等），电冰箱，大强度工具（头发烘干机，搅拌器，食品加工机，割草机等），电话机壳体，打字机键盘，娱乐用车辆如高尔夫球手推车以及喷气式雪撬车等。 注塑模工艺条件: 干燥处理：ABS材料具有吸湿性，要求在加工之前进行干燥处理。建议干燥条件为8090下最少干燥2小时。材料温度应保证小于0.1%。 熔化温度：210280；建议温度：245。 模具温度：2570。（模具温度将影响塑件光洁度，温度较低则导致光洁度较低）。 注射压力：5001000bar。 注射速度：中高速度。 化学和物理特性: ABS是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。每种单体都具有不同特性：丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性；丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性；苯乙烯具有易加工、高光洁度及高强度。从形态上看，ABS是非结晶性材料。三中单体的聚合产生了具有两相的三元共聚物，一个是苯乙烯-丙烯腈的连续相，另一个是聚丁二烯橡胶分散相。ABS的特性主要取决于三种单体的比率以及两相中的分子结构。这就可以在产品设计上具有很大的灵活性，并且由此产生了市场上百种不同品质的ABS材料。这些不同品质的材料提供了不同的特性，例如从中等到高等的抗冲击性，从低到高的光洁度和高温扭曲特性等。ABS材料具有超强的易加工性，外观特性，低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高的抗冲击强度。2.ABS材料外壳的加工工艺应考虑：透明的ABS 新材料具有高的流动性和低收缩率, 故加工性能和产品的尺寸稳定性较好, 并且耐化学介质的性能也较好, 因此, 透明的ABS 新材料有潜在的能力成为聚碳酸酯的替代材料。由于我国对透明ABS 开发和应用较晚, 在原料的开发、成型设备与工艺研究等方面与国外相比还存在一定的差距, 使得生产出的注射制品透明性差, 达不到预期的效果。本文针对影响透明ABS 的注射制品透明性的因素进行探讨, 并提出了相应的提高透明性的方法。2. 1 透明性一种材料的透明性好坏, 有许多性能指标都需要考虑。常用的指标有:透光率、雾度、折光指数、双折射及色散等。在上述指标中, 透光率和雾度是最为重要的2 个指标,主要表征材料的透光性。2. 1. 1 透光率透光率是表征树脂透明程度的一个重要性能指标,一种树脂的透光率越高,其透明性就越好。透光率的定义为: 透过材料的光通量与入射到材料表面上的光通量之百分率。2. 1. 2 雾度雾度又称为浊度, 它可衡量透明或半透明材料不清晰或混浊的程度。雾度的产生是由于材料内部或外表面光散射造成的云雾状或混浊的外观。雾度的定义为: 透过材料散射光通量与透过材料光通量之百分率。上面介绍的透光率和雾度都是衡量材料透明性的重要指标, 两者的关系如下: 一般来说, 透光率与雾度之间成反比关系, 即透光率高的材料, 其雾度低,反之亦然。2. 2 透明ABS 的透明机理透明ABS 是在普通ABS 基础上发展起来的,在其成分中添加透明剂来增加透明性。透明剂增加透明的原因是因为透明剂(Clarifier) 是一种高效的成核剂。它的优点是在缩短成核时间, 保持制品的机械性能的情况下得到最好的光学效果。透明剂能溶解在聚合物的熔体中形成均匀的溶液, 但比传统的成核剂作为晶种要大几个数量级, 冷却后, 透明剂则形成三元的“网格结构”。这种结构作为晶核,增加成核的密度。同时,形成这种“网格结构”的“纤维”其大小只有数千纳米, 完全在可见光波长的范围内,因此,可以使制品透明。据Molding System1998 年报道,美国Dacial 聚合物公司开发了一种称为T- 140 的透明ABS 新材料, 它具有88 %的透光率。2. 3 影响因素由于生产透明ABS 制品,不仅要保证制品的尺寸精度、外观质量及强度等, 而且要保证制品的透光性,因此,透明ABS 与普通ABS 的注射成型模具和工艺参数上都有所不同,具有自身的特点。2. 4 模具透明ABS 制品透明度的高低与模具的设计和加工精度密切相关, 它直接影响制品表面的光学效果。为了得到所需形状的高透明、高光泽的制品,在模具结构设计方面, 浇口的位置及尺寸、楔紧块的大小均应重点加以考虑。在保证成本允许的情况下, 可以采用热流道技术, 设计时, 应注意热膨胀和隔热这2 个问题。模具的冷却水道的排布应尽可能均衡, 以保证制品的受热均衡, 有利于制品的快速结晶。在模具加工中, 一方面要提高加工精度, 另一方面尽量提高模具型腔表面的质量。首先应使模具成型部分高度光滑, 成型表面镀铬或达到镜面抛光, 以免成型表面粗糙, 无限多的不规则微孔和微划痕影响光的折射度,从而影响制品的透明性。3.成型工艺3. 1 料筒温度和喷嘴温度与普通ABS 一样, 透明ABS 在料筒中受到热和剪切的作用塑化, 塑化的均匀性主要取决于温度和受热时间, 而料筒温度直接影响到物料的温度和流动性。为保证操作稳定,塑化均匀,避免高温下料团在螺杆内的滑移, 使压力和注射量难于控制。同时避免注射过程中受高温作用发生降解和助剂的分解。当料温太低时,影响制品表面的光泽度,料温高于240 以上时, 雾度会增加, 透明性下降。为使经料筒塑化的透明ABS 高速流经喷嘴和模具流道时达到最大流动性和良好的充模性, 对于熔体流动速率较高的物料, 料筒温度应控制得低一些。对于熔体流动速率较低的物料, 料筒温度则需控制得高一些。料筒温度分三段控制, 从靠近料斗一端到喷嘴止,温度渐渐升高,以使物料逐步塑化。喷嘴温度一般略低于料筒前端温度,过高时易发生流涎现象(不应超过230 ) , 但喷嘴温度也不能太低, 否则会发生堵塞或冷料入模,影响制品透明性。3. 2 模具温度模具温度的高低影响制品的尺寸、性能、结晶度及其他工艺条件。透明ABS 是结晶性聚合物,升高模温能提高制品的密度和结晶度, 有利于力学强度及制品表面光洁度的提高, 但制品的模塑收缩率增大, 制品易变形。因此, 模具温度不宜太高, 一般取4055 。但也不能太低,否则会出现固化不完全,使制品产生的各向异性大,并有气泡、空隙等缺陷。为提高制品表面光泽度,减少不均匀收缩程度,模具表面温度可保持在50 左右。3. 3 注射压力和注射速度注射压力和注射速度对物料的充模起着决定作用,注射成型透明ABS 时,为提高制品表面质量,缩短固化时间,从而增大透明性,应采用较高的注射速度, 若加氮气辅助增压装置更理想。由于透明ABS流动性较好, 结晶速度快, 注射及保压压力不宜过大,以免边缘产生雾状,破坏透明效果。3. 4 成型周期透明ABS 由于含透明剂, 结晶速度快, 固化温度高, 完成一次注射所需时间比普通ABS 短, 从而减少了成型时间,降低了产品成本。外壳形状的设计是根据人手部各个穴位以及手握时力点位子来设计的。大部分轮廓都带有弧面，使得手感好，又达到活血健身的效果。（三）弹簧弹簧刚度是指使弹簧产生单位变形的载荷, 扭转弹簧的刚度，其表达式如下： 其中： T - 扭转弹簧的扭矩； - 扭转弹簧的扭转角。1、弹簧刚度与弹簧特性的关系图a）所示的直线型弹簧，其刚度为一常数。这种弹簧的特性曲线越陡，弹簧刚度相应愈大，即弹簧愈硬；反之则愈软。图b）所示的弹簧特性曲线为刚度渐增型，即弹簧随变形量的增大其刚度越大，且在最大或冲击载荷作用时，仍具有较好的缓冲减振性能，故多使用弹簧特性曲线具有该型曲线的走向。图c）所示弹簧特性曲线为刚度渐减型，即弹簧刚度随变形的增大而越小。为了在冲击动能一定时，获得较小冲击力，则应使用具有刚度渐减型特性曲线的弹簧为宜。2.圆柱螺旋扭转弹簧有关参数标准 圆柱螺旋扭转弹簧有关参数标准选用范围PA0006.0 Q/AD 旋绕比C一般按下述范围选取：热卷弹簧410； 冷卷弹簧414超出此选取范围难制作旋绕比C与曲度系数比K1对应关系旋绕比C5.8曲度系数比K91.17旋绕比C6.66.87.67.888.59曲度系数比K1.09旋绕比C9.510111214曲度系数比K11.091.081.071.06旋绕比C与曲度系数比K1计算关系C=D/d, K1=(4C-1)/(4C-4)尺 寸 参 数弹簧直径d规定范围(GB1358-78)0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5, 0.6, 0.8, 1, 1.2, 1.6, 2, 2.5, 3, 3.5 4, 4.5, 5, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80（第一系列）弹簧直径d选用标准A类0.3,0.5,0.8,弹簧直径d计算公式d=（10MnK1/BP ）1/3 Mn为最大工作扭矩，BP为弹簧许用弯曲应力，B类0.2,0.4,0.6 , 1C类除A类、B类以外所有在弹簧直径d规定范围(GB1358-78)之内的数值弹簧中径D规定范围(GB1358-78)0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.2, 1.6, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 16, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 200, 220, 240, 260, 280, 300, 320, 360, 400（第一系列）弹簧中径D选用标准A类2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20弹簧中径D计算公式D=D2-d,D2为弹簧外径B类3, 5, 7, 9C类除A类、B类以外所有在弹簧中径D规定范围(GB1358-78)之内的数值材料选用标准A类65Mn（碳素弹簧钢丝）B类65Mn(琴钢丝) 、黄铜H62C类1Cr18Ni9、55Si2Mn、QSn3-1、QBe2等表面处理A类镀镍（热处理RHC4550）B类镀白锌（热处理RHC4550）C类发兰、发黑、镀彩锌（热处理RHC4550）标记示例：215000系列产品扭转弹簧d=0.5,D=8,H0=15,n=5,=120，材料为65Mn，表面镀镍：扭转弹簧215000 65Mn镀镍（0.5*8*15*5 =120）弹簧类别产品编号材料表面处理主要尺寸参数(d*D*H0*n =)备注扭转弹簧*65Mn镀镍0.5*8*15*5 =120（四）LED发光管1、LED在照明领域的前景LED是发光二极管( Light Emitting Diode， LED)的简称，不同种类LED能够发出从红外线到蓝光之间不同波长的光线，近年来LED最吸引人的发展是在蓝光LED上涂上萤光粉，将蓝光转化成白光的白光LED产品。它不但能够高效率地直接将电能转化为光能，而且拥有最长达数万小时至10 万小时的使用寿命，同时具备省电、环保无汞、体积小响应快速、高耐震、可应用在低温环境、光源具方向性、造成光害少、并且色彩饱和度高与色域丰富等优点，因此LED被称为世纪新光源。作为继明火和白炽灯之后的第三次照明革命，半导体照明（LED）成为21世纪最具发展前景的高技术领域之一。科技部国家半导体照明办主任吴玲在接受专访时表示，半导体LED作为节能、环保的主要技术，已纳入国家中长期科技发展规划与“十一五”国家“863”高新技术产业化重大项目并给予大力支持。启动“照明工程”我国LED产业初具规模半导体照明正在引发世界范围内照明光源的一场革命。作为新型高效固体光源，半导体照明具有长寿命、节能环保、色彩丰富、微型化等优点，将成为人类照明史上的又一次飞跃。近年日本“21世纪光计划”、美国“下一代照明计划”、欧盟“彩虹计划”、韩国“GaN半导体发光计划”等政府计划纷纷出台。面对半导体照明的巨大商机和发展前景，世界各国纷纷加紧立法，鼓励使用节能型光源。欧盟、加拿大、澳大利亚和美国等分别将从2009、2010和2020年开始禁用白炽灯泡。有关数据显示，2008年全球LED的应用市场将从2004年的125亿美元提高到500亿美元。我国是世界照明光源和灯具生产第一大国，2006年行业销售1600亿元，但主要是中低端产品，仅占世界市场18%，大而不强。发展半导体照明，提升产业国际竞争力意义重大。为此，我国于2003年10月启动国家半导体照明工程，成立国家半导体照明工程管理办公室，通过政策指导及鼓励措施，推动国内LED产业和照明工业的发展。目前，我国LED产品技术创新与应用开发能力逐渐提高，器件可靠性研究位置愈发突出，测试方法与标准也渐行渐近，所有这一切均标志着中国LED产业已经进入了一个崭新的发展阶段。经过30多年的发展，中国LED产业已初步形成了包括外延片的生产、芯片的制备和封装，以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。吴玲进一步介绍说，“根据科技部“十一五”863计划，国家在新材料技术领域“半导体照明工程”项目总投入经费3.5亿元。从总体情况看，项目开局良好，整体进展顺利，部分课题提前完成阶段性目标。100流明/瓦LED制造技术提前完成阶段性指标，企业效益明显提高，已经具备可持续技术创新的能力。截至2007年11月，项目承担单位已申请专利241项，其中申请发明专利152项，申请国外专利17项，带动产业投资近20亿元。”据统计，2007年，全国LED显示屏的市场规模达到了72亿元，较2006年的50亿元增长了44%。2007年我国LED芯片产值达到15亿元，较2006年的10.5亿元增长43%；2007年我国LED封装产值达到168亿元，较2006年的148亿元增长15%。LED产量则由2006年的660亿只增加24%，达到820亿只，其中高亮度LED产值达到120亿元，占LED总销售额的71%。2007年我国应用产品产值已经超过300亿元，已成为LED全彩显示屏、太阳能LED景观照明灯应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业正在形成。突破“专利围城”争夺LED产业的制高点高技术产业的竞争就是标准的竞争。由于LED相关的专利权极多，对于拥有专利权的厂商，容易在市场上造成垄断局面，并让其他厂商必须回避与其相关的关键技术，而因而丧失市场先机，故对于研发能力不足的厂商，较难进入本产业。由于我国在LED领域里的高速发展，美国国际贸易委员会启动针对包括我国LED企业在内的“337”专利调查， 并申请普遍排除令和禁止令。一场抢占半导体照明新兴产业制高点和话语权的争夺战已经打响。吴玲表示，日前在国家半导体产业联盟牵头下，我国企业已迅速应诉，已经取得阶段性的积极成果。在谈及“337”调查对于国内企业的警示，吴玲指出，随着我国经济逐步融入全球经济一体化的进程，国内企业在加大自主创新，提高知识产权保护意识的同时，要研究专利战略，主动出击。为应对国际竞争的新局面，吴玲表示，国家半导体照明工程研发及产业联盟标准化协调推进工作组已于2007年8月正式成立，目的是加快标准协调推进工作，建立标准体系，使我国半导体照明新兴产业走上了一条具有国际竞争力的光明之路。近期，全国照明电器标准化技术委员会10余项有关普通照明用LED标准制定获得批准立项，预计全部项目2008年年底之前完成。据介绍，为了促进我国半导体照明产业上下游、产学研合作，加快我国半导体照明专利战略的建立，国家半导体照明研发及产业联盟专利池工作组将于今年6月底完成收集入池专利收集工作。根据“谁参与谁受益，不参与难受益”的原则，由国家资助项目中申请的专利自愿提供，以及适当考虑对外购买等形式；其次是绘制专利地图，建立我国的半导体照明专利战略，工作组联合技术专家、专利律师，先从支持“337调查”等类似专利纠纷应诉开始；最后是专利池的建设有助于搭建标准和产业无缝衔接的平台，为国内企业带来国际竞争优势。吴玲表示，要突破跨国企业的技术垄断，我国LED产业不但要逐步向外延片和芯片生产等技术含量和附加值较高、技术突破难度较大的领域取得突破，也应该关注向专利纠纷少的上游领域延伸。目前，奥运会“鸟巢”、“水立方”等场馆用的高亮度60lm/w 的LED芯片已经由国内厂家提供，也彻底扭转了国外高端LED芯片垄断国内市场的局面。这表明，我国LED产业在经历了买器件、买芯片、买外延片之路后，目前已经真正具备了自主生产外延片和芯片的能力。节能形势紧迫走合作发展之路吴玲认为，目前在半导体照明的应用方面，正逐渐开始功能性照明方面应用。市场不断扩大，从显示向照明，从特殊照明向普通照明延伸。道路照明、隧道照明等室外照明市场将随着LED光效的提高与价格的下降而大面积应用，农业、军事、航空等新的应用领域也将逐步开发出来。随着能源紧缺问题越来越突出，LED的重要性和市场空间更加显著。据2006年国家路灯行业统计，我国城市道路照明共有1500万盏以上的路灯，近几年的增长率在20以上。照此估算，全国每年照明路灯的市场规模不低于50亿元，如使用LED路灯，每年可节电20亿度以上。国家绿色照明工程促进项目办公室的专项调查显示，我国照明用电每年在3000亿度以上，如用LED取代，可节省1/3的照明用电，相当于总投资规模超过2000亿元的三峡工程的全年发电量。鉴于我国LED产业的现状，不论技术还是产能短期内达到世界先进水平都有相当大的难度。要在国内发展高亮LED产业，可以充分利用国内现有的研发和生产力量，走合作发展的道路。这也和目前全球LED产业购并联合的整体趋势是相吻合的。吴玲称，国际大公司通过纵连，即通过并购来快速实现全球统一市场营销策略的上中下游整合。台湾企业借强大的规模制造、产业集聚和代工优势，通过横合，即通过互利互惠的股份重组，合并同类企业，快速形成巨大的生产规模合快速抢占市场份额。半导体照明产业的全球化发展，是每个企业都要面对和无法回避的。国内企业通过规范股权架构、加大研发，采取并购和合作的方式将海外先进技术引入国内，可争取与国际大厂基本在同一技术水平进行产业竞争。继上海、厦门、大连、南昌和深圳成为首批五个国家半导体照明产业化基地，国内封装和应用企业形成快速的市场适应能力和价格优势，我国大陆已经成为世界上重要的LED封装生产基地。封装及应用，尤其是国际应用产品加工有向我国转移的趋势。吴玲表示，在封装和应用领域中国已经完全有可能、有能力在高端市场占据一席之地，但必须加大产品的创新、加强品牌的培育。半导体照明是全球性的产业。目前全世界都在寻求解决经济发展和能源短缺的矛盾，给整个绿色照明生产行业带来广阔的市场前景与新的机遇。2、LED的结构及发光原理 50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 3、LED的特点 （1）电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。 （2）效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80% （3）适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 （4）稳定性：10万小时，光衰为初始的50% （5）响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时