机械产品技术创新说明书-永动机

机械产品技术创新课程论文课 题 名 称 永动机 学 生 姓 名学 号 系、年级专 指 导 老 师 目 录1、“永动机”课题来源12、“永动机”国内外发展史43、“永动机”研究意义64、“永动机”设计概述75、“永动机”设计方案86、“永动机”零件的工艺分析97、“永动机”设计结果108、 总结和体会 339、 图纸参考文献 341、“永动机”课题来源此课题是我为了参加第二届湖南省大学生工程训练综合能力竞赛而设计的作品，下面是比赛通知摘要：以重力势能驱动的具有单摆与球滚道的“永动器”设计与制造及竞技比赛。要求经过一定的前期准备后，完成一套符合本命题要求的可运行装置，并进行现场竞争性运行考核。每个参赛作品要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程管理 4 项报告。以单摆重力势能转换为动能驱动小球沿轨道运动，小球沿轨道最高点回落再将单摆打到最高点，摆与球不断转换能量，理论上应该永动（如图 4），但由于各种阻力，摆与球的运动次数是有限的。要求经过一定的前期准备后，在集中比赛现场完成一套符合本命题要求的摆球“永动器”装置，并进行现场竞争性比赛。每个作品要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程管理 4 项报告。摆图 4 竞赛项目所用装置示意图 要求总尺寸（包括运动部分）长不大于 200mm（平行地平面）,宽不大于 80mm（平行地平面），高不大于 180mm（垂直地平面）。材料主要以铝合金，塑料和钢为主。除标准件外，所有零件应该自己设计制造。外壳上至少有反映学生姓名，专业班级的文字，以及学校校徽的图案。图示只是一个概念图，学生可以在上述要求下自行设计装配图和零件。以来回摆动的时间长短评定竞技比赛成绩。整个作品全是按照比赛要求制作2、“永动机”国内外发展史永动机归类第一类永动机史上有不少人有过这样美好的愿望：制造一种不需要动力的机器，它可以源源不断的对外界做功，这样可以无中生有的创造出巨大的财富来，在科学历史上从没有过永动机成功过，能量守恒定律的发现，使人们认识到：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有的制造能量。因此根本不能制造永动机。它违背热力学第一定律：物体内能的增加等于物体从外界吸收的热量与物体对外界所做功的总和。第二类永动机曾经有人设计一类机器，希望它从高温热库（例如锅炉）吸取热 量后全部用来做功，不向低温热库排出热量。这种机器的效率不是可以达到 100%了吗？这种机器不违背能量守恒定律，但是都没有成功。人们把这种只从单一热库吸热，同时不间断的做功的永动机叫第二类永动机。这种永动机不可能制成，是因为机械能与内能的转化具有方向性：机械能可以转化内能，但内能却不能全部转化为机械能，而不引起其它变化。从研究永动机得到的意外收获前已提及，英国科学家焦耳也曾被永动机这一“奇妙”的发明所吸引，并为此做了一二十年的实验，但最后他留给后世的并不是永动机，而是证明永动机不可能的“热功当量定律”，这应该算是研究永动机得到的意外收获。斯台文是这方面的另一个例子。在他那个时代（16 世纪末17 世纪 初），有一种永动机是广泛被谈论着的，如图所示，有 14 个能滚动的很重的铁球用链子连起来放在一个三棱体上。三棱体的一边比较斜，一边比较陡，且斜的一边比陡的一边长些。永动机的制造者们相信，斜的一边上有 4 个重铁球，陡的一边只有两个重铁球，4 个铁球的下滑力自然比两个铁球大，整个装置就会如箭头所指示的方向滑下来。一旦左边滑下去一个重球，右边一定同时补充上一个重球，左边的斜面上依然是4 个重球，右边的斜面上仍只有两个重球，永远是左边的下滑力大于右边的下滑力，球链就会永远不断地运动下去。荷兰科学家斯台文在研究这种永动机时，从经验出发判断它不可能永动，因为左边球虽多，但斜面缓，每个球产生的向下拉力小，右边球虽少，但斜面陡，每个球产生的向下拉力大，结果两边斜面向下的拉力一样大。至此，斯台文并没有停止思维，他又把该问题进一步引向深入：由于球的个数跟斜面的长度成正比，每个球都是一样重，所以各边球的总重也一定跟斜面长成正比，即下面公式成立：这就是有名的两个斜面上力量平衡的定律。焦耳和斯台文的发现告诉我们，对一些完全错误的理论和发明，也不应该用绝对的观点看待它们，错误中隐含有某些成功，有时候会起到意想不到的作用。究竟谁能从错误中抓到这些成功，就看各人的思维方法了。第三类永动机脱离力学知识，脱离地球引力，在真空中运行。科学在不断进步，永动机的研究却从来没有停止。中国乃至世界不知有多少民间科学家甚至专家，学者，教授，花费了大量宝贵的时间、金钱、心血来坚持不懈地寻找这样一种不存在的事物，不能不令人扼腕。他们之中当然也不乏别有用心的骗子，常见的手法是出售或转让他的“永动机图纸”、“永动机技术”等等。其实，只要一些最最基本的物理学常识，就可以识破这种骗术。第四类永动机2012 年中国首次出现第四类永动机论调，提出熵的概念拓展与微观离散不可能达到熵最大等问题，有人认为这是个很好的想法，但其正确性还有更待深入研究。支持者提议：“科学家们不要对永动机充耳不闻，而应该尽快把它们的错误归类，以便误入歧途者能够自行查阅纠正，这样才是化解民间在研究永动机上空耗精力的根本之法2；另外科学界不要太责备永动机，科学与谬误的关系是辩证的，攻破谬误的过程能够帮助人们最好最快掌握知识；甚至我们可以把永动机谬误看作一门艺术，其谬误越深，越发现错因，其艺术价值就越高。”3、“永动机”研究意义虽然“永动机”不可能成功，但是我们可以在制作“永动机”的过程中学习到很多，并且运用到生活中，培养了我们的探索精神！4、“永动机”设计概述根据大赛题目的要求，为实现永动的目的，永动机应实现两个功能：重力势能的转换和周期性的能量转换。据此可以将永动机分为摆动机构和滚槽两部分，摆球要求能量损耗小、结构简单、质量分布均匀，所以选用细尼龙绳和轴承钢珠组合。滚槽选用数铣铣，然后用细砂纸打磨，保证接触面的光滑。5、“永动机”设计方案根据动能守恒定理和动量定理光滑的水平面上，一个质量为 m1 的小球甲以速度 v1 与另一个质量为 m2 的静止小球乙发生对心碰撞，碰撞中 无能量损失，则碰撞后两球的运动情况：由动量守恒和初、末动能相等，得解得：121vmv122vmv211vmv22121v1m1m2可见碰撞后甲球的运动情况和和两球的质量有着密切的关系，讨论：若 m1m2，两球均沿初 v1 的方向运动若 m1m2，两球交换速度若 m1m2，则甲球反弹，乙球沿 v1 的方向运动所以我们选用两个大小和质量相同的刚性小球，在其中一个刚性小球上面打一个洞，用尼龙绳拴紧，将铝合金槽经过精细打磨后代替光滑运动面。来模拟上述动量守恒过程，从而实现“永动”效果。选用质量一样、直径为 20mm 的轴承钢珠作为摆和摆球，以细尼龙绳为摆线。摆架和运动槽均采用铝材。选取离铝材的最中心为 175 的位置为圆心。以 154 为半径做圆弧6、“永动机”零件的工艺分析“永动机”的制作是否能成功主要取决于阻力的大小。主要的阻力是摩擦阻力，因此必须保证其制造精度。如图所示，永动机位置精度较高。其中两端 10 外圆有较高的同轴度要求；12 外圆用于安装定位齿轮，加工时要求保证其圆跳动公差；上下面 2.5 的内孔与 10 外圆轴线有垂直度要求。8 内孔做为后续工序的定位基准，尺寸精度要求较高。永动机 10 外圆需要安装滚动轴承、2.5 内孔与差速器行星齿轮轴配合及 8 内孔做为后续工序的定位基准的表面粗糙度要达到 Ra1.6um，其余加工内容表面质量为 Ra3.2um。制定工艺路线时必须保证零件尺寸精度和位置精度等，永动机的工艺路线根据生产批量、结构特点、结构工艺性、关键表面的技术要求等因素，按照工序集中原则来拟定。在生产纲领已确定为成批生产的条件下，应首先考虑使用普通机床和通用夹具来降低生产成本。永动机毛坯采用铝锻件，这样毛坯形状与成品相似，省工省料，后续加工工序简单，可降低成本，提高生产效率。7、“永动机”设计结果（1）永动机的设计图纸一套，结构设计报告一份，实物样机一台。（2）永动机达到的性能指标：永动机能维持运动一段时间。8、 总结和体会对于大赛给定的命题，重力势能转换为机械能的能量转换原理是设计的重点之一