手压式手电筒设计（棘轮机构及电路设计）

1、摘 要本设计主要分析了手压式自发电充电手电筒的材料选择、发电系统这些主要部分，棘轮的应用和制造，运用机械制图、机械原理、机械设计、机械制造、材料力学、塑料制品设计、塑料成型工艺以及计算机辅助设计等专业知识对对手压式自发电充电手电筒的整体机构进行设计和创新，包括手压式自发电充电手电筒的整体结构设计、手柄及齿轮齿条的设计、棘轮机构传动及传动轴设计等进行了阐述和设计。关键词: 手压式手电筒传动系统 手柄 齿轮齿条 棘轮AbstractThe main analysis of the design with hand-power rechargeable flashlight from materia

2、l selection, power systems of these major part of the overall architecture, ratchet and manufacturing applications, the use of mechanical drawing, mechanical principles, mechanical design, machinery manufacturing, mechanical, plastic design, plastic molding technology and expertise in computer-aided

3、 design pressure on the rival power rechargeable flashlight Self overall body design and innovation, including hand-compression self-generation rechargeable flashlight in the overall structural design, handle and rack and pinion design, the ratchet mechanism and the shaft drive design presented in t

4、his paper and design. Keywords: Hand pressing flashlight Transmission Handle Rack and pinion Ratchet目录1、引 言61.1、背景61.2、发展现状61.3、产品的五大优点71.4、意义 82、手电筒外形尺寸设计821、棘轮机构传动结构图确定93、手压式手电筒棘轮及传动轴机构103.1、棘轮机构的基本型式和工作原理103.2、棘轮机构的功能、类型及其选择103.3、棘轮机构的材料的选择123.4、棘轮机构的整体设计134、传动轴的设计164.1、轴的功能和工作原理 164.2、轴的结构设计特点17

5、4.3、轴的类型及其选择174.4、轴的材料选择184.5、轴的设计185、发电和储电195.1、发电原理 195.2、电路设计方案195.3、电能储备方案225.4、超级电容选择245.5、发光二极管选择265.6、半导体二极管 265.7、电阻选择 276、整体设计装配图277、整体设计的零部件图27参考文献 28致谢 29附图1、手压式手电筒设计的背景和意义1.1、背景：近年来，随着照相机，MP3,手机的自带充电功能和蓄电池的大量使用，电磁的使用主要集中在老式电子产品中：收音机，钟表，手电筒而随着科技的发展，很多20世纪的产物渐渐被现代化的电子产品所替代，而手电筒作为一个相对原始的照明工

6、具却是没有退出其历史舞台。由于手电筒更换电池频繁，成为了污染环境的一个源头。而手电筒成本低廉，内置蓄电池相对来说显得奢侈，而且其使用量不大，因此手电筒很少使用蓄电池。如此一来电池的使用正在逐渐向的手电筒集中。而众所周知普通干电池的大量使用，对环境是一大损害。国内生产的干电池中含有大量的重金属、酸、碱等物质，多数还含有对环境危害严重的汞。由于汞的剧毒性、积累性和易于迁移转化，一旦进入生态系统中，所造成的危害是长期的，而且是代际之间传递的。因此，减少或是干脆消除手电筒对电池的依赖，无论是从环保上，还是从节能上都是一个不错的创意。 按照当下科技，设计一款内置微型发电机的手电筒是不成问题的。如此便有了

7、手压式手电筒的产生。手压式手电筒因节能且无污染，而是国家推广为绿色环保产品，深受各行各业人们的喜爱，也因此现今手压式手电筒越来越流行起来。1.2、发展现状：现今的手压式手电筒，有一下几个共同点：1，质感塑料。使用质感的塑料作为电筒外壳，不仅触感极好，且韧性很高，耐磨耐压耐碰撞。这较传统的金属外壳的手电筒，不仅更容易制造成形，而且成本更低，质量更轻。关键还在于，塑料的触感是金属无法比拟的，也使得后面的外形优势变得可能。2，美观的外形。使用质感塑料，使得手电筒外形的多变，颜色的多样化变得可能。用塑料做外壳，可根据其可塑性很高，而让手电筒一改传统生硬的外形，再通过不同颜色的搭配，可以将其做成各种卡通

8、形状。不仅受消费者喜爱，也可以让人耳目一新。3，超亮的LED。用他作光源，寿命长，亮度高，光线多为白色，就照明来说，这确实是比较理想的选择。有的LED寿命长达10万个小时以上，使用后不用考虑其换光源的问题。4，内置微型发电装置。也是该手电筒最核心的地方，只需单手握几下，便可自动发电。手压带齿条摇柄，齿条带动棘轮机构，将摇柄的往复摆动转化为齿轮的单向间歇转动。齿轮再通过一级齿轮，做增速传动，最终带动永磁体在线圈当中转动，根据电磁感应原理，产生电流，点亮LED。虽然在外形和材料的选择上，手压式手电筒趋于完美，并且在激烈的市场竞争中将更加完美。但是不得不否认，其核心部分尚存着几点需加改进优化的地方：

9、1现今一般的手压式手电筒，内部都存在若干锂电池，以作备用电源。将开关拨到一个位置，就由锂电池供电，可以使得手电筒持续照明。而当锂电池电量消耗殆尽，或是将开关拨到由发电装置供电的时候，这种手电筒就有一个致命的弱点按一下亮一下，不按则不亮。这无疑给使用者带来了极大的不便。而且在一些半透明的外壳的应用下，使得锂电池赤裸裸地暴露在消费者眼前，这就让人对“手压发电”产生怀疑，不利于手电筒的推销。2蓄电池的使用。为了解决上述的问题，有手压式手电筒中，采用了蓄电池对电能进行储备，只要按压摇柄一定时间，就能对蓄电池进行充电。从而在后续按压照明中，能够持续地点亮LED。这的确是解决了，上述的致命弱点，却来带来了

10、一定问题。首先是蓄电池的使用，对于一个成本不大于10元的手电筒来说，其成本势必增加不少，而且对于不能充分充电和放电的蓄电池来说，其寿命将受到很大限制。电池的使用仍然能让消费者对“手压发电”产生怀疑。本设计将致力于手压式手电筒的优化设计，根据现有手压发电技术，对现有的手压式手电筒的结构，发电核心进行优化。1.3、产品的五大优点：1、环保性：无需更换电池，无论存放多久都能随时拿出来使用，手轻轻一压就能自发电，完全不用顾虑因使用干电池而流出化学液体。2、节能性：手压自发电，LED照明，LED是低功耗高亮度自聚光的发光体，夜间亮度能照射3-5 米，物体清晰可辩。手压力自发电省永远保持亮度去了使用干电池

11、时间长亮度变暗的烦恼。3、特殊性：能在湿度90%的环境下使用，潮湿的环境对此电筒毫无影响，在矿井中、山洞中、森林里、大海航行旅途、航天星球上等等特殊环境中都不用担心会用完它的能量，用手轻轻一压就能使用，方便、快捷、实用。4、寿命长：LED能连续使用15000小时，电池能连续充压60万次，齿轮箱能连续工作100万次。使用中无需更换零件，直达到使用极限。5、保健性：长期使用本产品能增强握力，促进洫液循环，起到保健的功效。1.4、意义：本优化式设计一旦完成，在激烈的市场竞争中，势必淘汰原有的传统手电。解除了电池对于电筒形状的限制，此款手电可以一改普通手电死板的圆柱形状，可以做成各种精美可爱的造型，当

12、装饰，当玩具，当礼物送朋友都可以。由其独特可爱的卡通外形，耳目一新的色彩搭配，继续保持手压式手电筒的优势，占据手电筒市场，极大降低电池的使用量，起到了环保节能的优势。除了环保，节能两大优点外，手压式的自动发电照明，人舒筋同时有助于舒筋活血。可达到手活脑灵，消除疲劳，促进大脑记忆的作用。另外消除了对电池的依赖，对于部队执勤，野营，急需电筒而找不到电池等特定场合，这款手电可谓是方便，耐用。最后也是最重要的一点，本优化设计能够解决现有手压式手电筒的电池用完后“一压一亮”的死穴。使用电容进行储能，按压几分钟就可以照明很长时间，绝对满足手电筒的照明要求。本设计主要考虑棘轮机构及电路设计。通过运用法拉第电

13、磁感应原理，使棘轮机构的单向旋转，使线圈与磁铁产生相对运动，产生感应电流。2、手电筒外形尺寸设计根据成年人的手掌一般结构和大小尺寸，确定和设计出手电筒适合手握的外形尺寸为：竖直高度h=45mm, 长度L=105mm， 宽度W=30mm。图2.1 手电筒结构三维图21、棘轮机构传动结构图确定图2.2 手柄齿条结构设计如图2.2所示，1为弹簧，2为手压摇杆，3为与微型发电机相连的棘轮，4为二级变速圆柱直齿齿轮。手压部件2，让部件2绕轴，即部件1做转动。在轴处，安装部件1弹簧，可以使得部件2作往复转动。部件2带有和齿轮4相啮合的直齿，齿轮4与3相啮合，棘轮3于微型发电机相固定。齿轮4来回转动，带动3

14、与发电机的永磁体一起转动，棘轮3在此的作用是通过齿轮4的传动使它转动发电，并且只是在手压手柄齿条使齿轮正转的情况下转动发电，松手反转情况下棘轮不反转。此方案是现今手压式手电筒的主流设计。因其原理简单，结构简练，而使得该手压式手电筒设计已经投入于批量生产，并已经在市场上占据一定份额。原理是运用法拉第电磁感应原理，通过棘轮机构单向旋转，使线圈与磁铁产生相对运动，产生感应电流。3、手压式手电筒棘轮及传动轴机构3.1棘轮机构的基本型式和工作原理 棘轮机构，它由主动摆杆，棘爪，棘轮、止回棘爪和机架组成。主动件空套在与棘轮固连的从动轴上，并与驱动棘爪用转动副相联。当主动件顺时针方向摆动时，驱动棘爪便插入棘

15、轮的齿槽中，使棘轮跟着转过一定角度，此时，止回棘爪在棘轮的齿背上滑动。当主动件逆时针方向转动时，止回棘爪阻止棘轮发生逆时针方向转动，而驱动棘爪却能够在棘轮齿背上滑过，所以，这时棘轮静止不动。因此，当主动件作连续的往复摆动时，棘轮作单向的间歇运动。3.2、棘轮机构的功能、类型及其选择3.2.1 棘轮机构的功能1）间歇送进（牛头刨床的间歇送进机构）2）制动（卷扬机制动机构）3) 转位、分度（手枪盘分度机构）4) 超越（钻床的自动进给机构）3.2.2棘轮机构的类型1）棘轮机构按其结构分类：齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构齿式棘轮机构其特点是：齿式棘轮机构结构简单，制造方便；动与停的时间比可通过选择合适的

16、驱动机构实现。该机构的缺点是动程只能作有级调节；噪音、冲击和磨损较大，故不宜用于高速。摩擦式棘轮机构其特点：摩擦式棘轮机构是用偏心扇形楔块代替齿式棘轮机构中的棘爪，以无齿摩擦代替棘轮。特点是传动平稳、无噪音；动程可无级调节。但因靠摩擦力传动，会出现打滑现象，虽然可起到安全保护作用，但是传动精度不高。适用于低速轻载的场合。2）棘轮机构按其啮合方式分类：外啮合棘轮机构和内啮合棘轮机构外啮合棘轮机构其特点：外啮合式棘轮机构的棘爪或楔块均安装在棘轮的外部，其机构由于加工、安装和维修方便，应用较广。内啮合棘轮机构其特点：内啮合棘轮机构的棘爪或楔块均在棘轮内部，内啮合棘轮机构的特点是结构紧凑，外形尺寸小。

17、3）棘轮机构按其从动件运动形式分类：单动式棘轮机构、双动式棘轮机构和双向式棘轮机构单动式棘轮机构其特点：单动式式棘轮机构当主动件按某一个方向摆动时，才能推动棘轮转动。双动式棘轮机构其特点：双动式棘轮机构，在主动摇杆向两个方向往复摆动的过程中，分别带动两个棘爪，两次推动棘轮转动，常用于载荷较大，棘轮尺寸受限，齿数较少，而主动摆杆的摆角小于棘轮齿距的场合双向式棘轮机构其特点：双向棘轮机构,轮齿为矩形,棘爪为单面式。更换旋转方向时,需要将棘爪旋转180°。3.2.3棘轮机构的选择在设计手压式手电筒核心机构及切割磁感线的三个方案中选择的是方案2，如图2所示，1为扭转弹簧，2为手压摇杆，3为永

18、磁体，4为二级变速圆柱直齿齿轮。手压部件2，让部件2绕轴，即部件1做转动。在轴处，安装部件1扭转弹簧，可以使得部件2作往复转动。部件2带有和齿轮4相啮合的直齿，齿轮4与3相啮合，齿轮3于永磁体相固定。齿轮4来回转动，带动3与永磁体一起转动。永磁体下装配固定于手电筒外壳的若干匝线圈，永磁体的转动使得永磁体相对于线圈转动。由法拉第电磁感应原来，可得线圈中存在感言电流。图5.1 传动图综合以上所分析，本设计选用的棘轮机构是齿式内啮合单动式棘轮机构，其优势是结构简单，制造方便，棘爪或楔块均在棘轮内部，结构紧凑，外形尺寸小，当主动件按某一个方向摆动时，才能推动棘轮转动。3.3、棘轮机构的材料选择材料的选

19、择最为关键，塑料因其：1、塑料制造成本低，加工容易可大量生产。2、抗腐蚀能力强，不与酸、碱反应。3、耐用、防水、质轻、具光泽。4、容易被塑制成不同形状。5、是良好的绝缘体。无疑是最理想的选择。然而塑料种类繁多，对于具体哪种塑料的选择，有待考究。手压式手电筒棘轮机构要求要较高的机械强度，磨擦系数低，耐热，耐磨损，电绝缘性好，吸震性和消音性，无毒，无臭，耐候性好，所以在诸多种塑料中选择了聚酰胺。聚酰胺(PA，俗称尼龙)是美国DuPont公司最先开发用于纤维的树脂，于1939年实现工业化。PA具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，有一定的阻燃性，易

20、于加工，适于用玻璃纤维和其它填料填充增强改性，提高性能和扩大应用范围。PA的品种繁多，有PA6、PA66、PAll、PAl2、PA46、PA610、PA612、PAl010等，以及近几年开发的半芳香族尼龙PA6T和特种尼龙等很多新品种。 尼龙-6塑料制品可采用金属钠、氢氧化钠等为主催化剂，N-乙酰基己内酰胺为助催化剂，使-己内酰胺直接在模型中通过负离子开环聚合而制得，称为浇注尼龙。用这种方法便于制造大型塑料制件。性能：尼龙为韧性角状半透明或乳白色结晶性树脂，作为工程塑料的尼龙分子量一般为1.5-3万尼龙具有很高的机械强度，软化点高，耐热，磨擦系数低，耐磨损，自润滑性，吸震性和消音性，耐油，耐弱

21、酸，耐碱和一般溶剂，电绝缘性好，有自熄性，无毒，无臭，耐候性好，染色性差。缺点是吸水性大，影响尺寸稳定性和电性能，纤维增强可降低树脂吸水率，使其能在高温、高湿下工作。尼龙与玻璃纤维亲合性十分良好。由于聚酰胺具有无毒、质轻、优良的机械强度、耐磨性及较好的耐腐蚀性，因此广泛应用于代替铜等金属在机械、化工、仪表、汽车等工业中制造轴承、齿轮、泵叶及其他零件。由于聚酰胺具有很高的机械强度，软化点高，耐热，磨擦系数低，耐磨损，自润滑性，吸震性和消音性，耐油，耐弱酸，耐碱和一般溶剂，电绝缘性好，有自熄性，无毒，无臭，耐候性好，染色性差。其强度足以承受，几十牛的载荷冲击，因此在棘轮机构强度上，也不需校核计算。

22、3.4、棘轮机构的整体设计棘轮机构的设计主要应考虑：棘轮齿形的选择 、棘轮模数、棘轮齿数、棘轮顶圆直径、周节、棘轮齿高、棘爪齿宽、棘轮齿宽、齿面偏斜角、齿槽夹角、棘轮齿槽圆角半径、 棘爪长度的确定 。3.4.1棘轮齿形的选择下图所示为几种常用的棘轮齿形棘轮齿形有：不对称梯形、不对称三角形、不对称圆弧形、对称梯形、对称矩形五种。不对称梯形用于承受载荷较大的场合；三角形或圆弧形齿形用于承受载荷较小的场合；而矩形和对称梯形则用于双向式棘轮机构，手压式手电筒棘轮是属于承受的载荷较小的单动式棘轮机构，所以选择三角形或圆弧形齿形，而我选择三角形。3.4.2棘轮参数的确定与齿轮相同，棘轮轮齿的有关

23、尺寸也用模数m作为计算的基本参数，但棘轮的标准模数要按棘轮的顶圆直径da来计算。 m = da/z 棘轮齿数z一般由棘轮机构的使用条件和运动要求选定。对于一般进给和分度所用的棘轮机构，可根据所要求的棘轮最小转角来确定棘轮的齿数（z 250，一般取z = 816），然后选定模数，本设计取棘轮齿数:z=12，根据棘轮机构常用模数中有2或2.5中，选择为模数：m=2或m=2.5进行计算，得出da=24mm或da=30mm，根据得出的数据与手压式手电筒外形参数相比，显得太小或太大了，经衡量后取其中间值m=2+2.5/2=2.25，则得出实际顶圆直径：da=2.25*12=27mm。在棘轮齿高h中，当m

24、取0.62.5时， 则h=(0.752.5)m,取h=0.75m，棘轮齿高：h=0.75m=0.75x2.25=1.6mm周节：=3.14x2.25=7.07mm在棘爪齿宽b中，b=(14)m, 取b=1,则棘爪齿宽：b=1m=2.25mm棘轮齿宽b中，由于是内啮合棘轮机构，根据手压式手电筒宽度和棘爪齿宽、发电装置的厚度，取棘轮齿宽:b=10mm齿面偏斜角=（10°15°），取齿面偏斜角：=15°齿槽夹角  =60°或55°取齿槽夹角：=60°棘轮齿槽圆角半径r 当m=0.62.5时, 则 rO.30.5,当m=6

25、30时,则r1.5,从上所知m =2,则rO.30.5，取棘轮齿槽圆角半径r=0.4mm棘爪长度L,当m=330时， L=2m,当 m<3时， L=m，则棘爪长度：L=m =3.14x2.25=7.6mm4.传动轴的设计4.1、轴的功能和工作原理轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状，各段可以有不同的直径。机器中作回转运动的零件就装在轴上。根据轴线形状的不同，轴可以分为曲轴和直轴两类。根据轴的承载情况，又可分为：转轴，工作时既承受弯矩又承受扭矩，是机械中最常见的轴，如各种减速器中的轴等。心轴，用来支承转动零件只承受弯矩而不传递扭矩，有些心轴转动，

26、如铁路车辆的轴等，有些心轴则不转动，如支承滑轮的轴等。传动轴，主要用来传递扭矩而不承受弯矩，如起重机移动机构中的长光轴、汽车的驱动轴等。轴的材料主要采用碳素钢或合金钢，也可采用球墨铸铁或合金铸铁等。轴的工作能力一般取决于强度和刚度，转速高时还取决于振动稳定性。4.2、轴的结构设计特点轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸，为轴设计的重要步骤。它由轴上安装零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式，载荷的性质、方向、大小及分布情况，轴承的类型与尺寸，轴的毛坯、制造和装配工艺、安装及运输，对轴的变形等因素有关。设计者可根据轴的具体要求进行设计，必要时可做几个方案进行比较，以便选出最佳设计方案，以

27、下是一般轴结构设计原则： 1、节约材料，减轻重量，尽量采用等强度外形尺寸或大的截面系数的截面形状； 2、易于轴上零件精确定位、稳固、装配、拆卸和调整； 3、采用各种减少应力集中和提高强度的结构措施； 4、便于加工制造和保证精度。4.3轴的类型及其选择4.3.1轴的作用轴的作用：支承回转件、传递运动和动力。4.3.2轴的类型轴按受载荷不同分：转轴：既受转矩又受弯矩。心轴：只受弯矩。传动轴：只受转矩。按轴的形状分：直轴和曲轴4.3.3轴按其承载情况分类：转轴和心轴和传动轴转轴其特点是：工作时既承受弯矩又承受扭矩，是机械中最常见的轴，如各种减速器中的轴等。心轴用其特点是：来支承转动零件只承受弯矩而不

28、传递扭矩，有些心轴转动，如铁路车辆的轴等，有些心轴则不转动，如支承滑轮的轴等。传动轴其特点是：主要用来传递扭矩而不承受弯矩，如起重机移动机构中的长光轴、汽车的驱动轴等。轴的材料主要采用碳素钢或合金钢，也可采用球墨铸铁或合金铸铁等。4.3.4轴的选择因为轴是用做支承棘轮机构转动，零件只承受弯矩而不传递扭矩，所以选择是直轴类的光轴。4.4轴的材料选择选择轴的材料首先要有足够的强度，对应力集中敏感性低，其次还须能满足刚度、耐磨性、耐腐蚀性等方面的要求，并具有良好的加工工艺性，且价格低廉、易于获得。还要有经济性、合理性、适用性。在45号刚、Q235、Q255、Q275这些材料中，经过对比，选取45号刚

29、为轴的材料。45号刚化学成分是含碳（C）量是0.420.50%，Si含量为0.170.37%，Mn含量0.500.80%，Cr含量<=0.25%。在设计毛胚直径<100mm时，经正火处理，其硬度为 170217HBS ，抗拉强度极限为590 ，屈服强度极限为295 ，弯曲疲劳极限为255，剪切疲劳极限为140 ，许用弯曲应力为55，具有价格便宜，经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能的优点，所以材料选择45钢。4.5、轴的设计轴的设计要考虑轴的功能使用要求，材料，轴的制造工艺，价格，尺寸，等方面的要求，我所设计的轴是用来支承棘轮转动的，

30、只承受弯矩而不传递扭矩，所以选择了直轴类的光轴，在材料的选择中，可以供选择的有45号刚、Q235、Q255、Q275这些材料，但45号钢的性价比更高，所以选择45号钢，在制造工艺方面可以选择正火处理或调质处理，正火处理是将钢材或钢件加热到Ac3或Ac3以上适当温度保温适当的时间后在空气中冷却，得到珠光体组织的热处理工艺，其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。调质处理是钢材在淬火后加高温回火.目的是使调质后的零件具有优良的综合机械性能。钢正火和调质后的机械性能如表4.1所示，但考虑到价格方面，45钢正火处理价格更便宜且也能满足轴的功能使用要求，所以选择正火处理，由于轴和棘轮孔是间隙配合，孔的

31、公差带在轴的公差带之上，所以选用基轴制配合,考虑到棘轮尺寸的大小，设轴的直径为1.5mm，长度为22mm，对于轴受到得剪应力不过几十N而言，其强度和刚度都是足够了，无需校核计算。钢正火和调质后的机械性能热  处  理 b(MN/) s(MN/) -1(MN/)调    质    682    490  338正  火    600    340    260表4.1 5.发电和储电5.1发电原理发电就是将其

32、他形式的能源转换成电能，如将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电装置，再由发电装置转换为电能，发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律，即线圈在旋转的磁场当中产生感应电动势，在外力的带动下线圈在磁场当中作切割磁感线运动产生感应电动势，如果内部线圈通过电刷与外部电路构成一个闭合的回路那在这个电路当中就形成电流。5.2电路设计方案方案1:如图5.2，采用经典整流电路，对磁体往复运动所产生的交流电进行整流，再送入电容储存，真正实现双向发电。虽然部件较多，线路较为复杂，但是其高效化，节能化是现有常规电路无法比拟的。图5.2 电路图方案2：如图5.3，采用及

33、其简单的闭合回路，用2个二极管过滤逆时针方向的电流，剩下的顺时针电流给予电流充电。同时也能遏制电容通过线圈的反向放电。当开关打到1 位置，手压摇杆可以对电容充电，当电容冲电到足够的程度，将开关打到2 位置，电容通过发光二极管放电，点亮LED1。其结构鲜明，原理简单，是现有手压式手电筒的主流设计电路。图5.3 电路图2方案比较：就线路上来讲方案1 较方案2 稍复杂，成本也是稍为昂贵，但是因其方案一 的效率是方案2 的两倍，因此，只考虑这些的话，优先选用方案1.然则2者方案的选择，会引起机械结构上一个不大不小的改动。如图5.4。图5.4 传动图现有的手压式手电筒的主流设计，如图5.4所示，往往在部

34、件3 与部件5 之间加入棘轮机构。当手压部件2，让部件2绕轴转动，部件2通过相啮合的直齿带动齿轮4转动，齿轮4再带动齿轮3转动，齿轮3与永磁体相固定。当手松开手压摇杆，则部件1，扭转弹簧工作，将部件2复位。部件2继续带动齿轮4转动，但由于部件5，棘轮机构的应用，部件4不会带动部件3，永磁体的转动。如此一来，这个机构所产生的电流就不是交流电，当然整流电路也就无从谈起。若是产用方案1，则需将部件5处的棘轮机构去掉。去掉棘轮机构有利有弊，利在于去掉了棘轮机构，则再加上方案1 所提供的整流电路，无疑实现了双向发电，其高效性自不必说。弊端在于，棘轮机构的去除，在手松开后，部件2 的复位将带动部件3和部件

35、4一起运动。这动力仅依赖于一个压缩弹簧而言，对弹簧的要求就偏高了。本设计中，追求高效、节能、环保的设计方案，对于对电容充电的时间当然是越少越好，手压发电的效率是越高越好。因此电路设计选定于方案1.5.3电能储备方案手压发电，因其切割磁感线的往复运动且速率不一，造成的电流方向反复，大小不定。这无论是对用电器还是整个线圈电路都存在着不好的影响。而将电能储存起来，再以直流电的形式供给用电器，则是最理想的选择。也能从根本上解决现有手压式手电筒，在锂电池用完后“一压一亮，不压不亮”的弊端。方案1：用普通电容进行储电。电容是组成电子电路的主要元件。它可以储存电能，具有充电、放电及通交流、隔直流的特性。从某

36、种意义上说，电容器有点像电池。尽 管两者的工作方式截然不同，但它们都能存储电能。电池有两个电极,在电池内部，化学反应使一个电极产生电子，另一个电极吸收电子。而电容器则要简单得多， 它不能产生电子它只是存储电子。它是各类电子设备大量使用的不可缺少的基本元件之一。方案2：用超级电容进行储电。超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排

37、列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量比普通的电容大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），但因电容储电量的限制，即便是超级电容储满点也不能供应一般LED工作足够长的时间，因此在此方案中，由超亮发光二极管代替一般LED作为手压式手电筒的光源。方案3：用可蓄锂电池进行储电。它能把有限的电能储存起来，在合适的地方使用。它的工作原理就是把化学能转化为电能。 它用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用1.28的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在

38、放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。此方案中，只要储满电，蓄电池无疑能为任何形式光源用电器提供其足够长时间的工作耗电量。即便不储满，在存储电能上，蓄电池无任何大的弊端。(1)超级电容器与普通电容器的区别： 1)超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。2)传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。传统电容器是用绝缘材

39、料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸等，这些材料通常要求尽可能的薄。 3)超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结够允许其面积达到2000m2/g，通过一些措施可实现更大的表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。该距离（<10 &Aring;）和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。 4)这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在。(2)超级电容与储电池的区别：1) 超级电容器不同于储电池，在某些应用领域，它可能优于储电池。有时将两者结合起来，将电容器的功率特性和储

40、电池的高能量存储结合起来，不失为一种更好的途径。 2) 超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出。而储电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围，如果过放则可能造成永久性破坏。 3)超级电容器的荷电状态（SOC）与电压构成简单的函数，而储电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。 4)超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量，储电池与其体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。在一些功率决定能量存储器件尺寸的应用中，超级电容器是一种更好的途径。 5)超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响，相反如果储电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣。 6)超级电

41、容器可以快速充电而储电池快速充电则会受到损害。 7)超级电容器可以反复循环数十万次，而储电池寿命仅几万个循环。方案比较及确立：成本上，方案一是一个普通电容加一个超亮发光二极管，方案二是一个超级电容加一个超亮发光二极管，方案三则是一个可蓄锂电池加一个普通LED。在成本上方案二和方案三相差不大，而方案一就比较便宜一点。电容储电方案在理论上，尚缺乏计算保证。然而，蓄电池在不能充分充电和放电的工作情况下来说，和难保证其工作寿命，因为它会慢慢自行放电，直至报废。而手压式发电，无疑对它来说无疑是一个最恶劣的工作环境电流的时断时续，时大时小，充电，放电的间隔不一，对它都是一种考验。再加上本设计致力于现有手压

42、式手电筒的优化设计，本设计尽量避免对于电池的使用。而在方案一和方案二中，虽然方案一比方案二便宜，但是普通电容在贮存电量方面远远比不上超级电容，充满一次电很快就会用完，这在设计上是一个很大的弊端，况且超级电容在价格方面也不是很贵，只是相对普通电容来说是贵了点，但为了使设计完善就使用第二方案。终上所述，本设计采用方案1，超级电容储电。 5.4超级电容选择电容作为储能的核心元件，在整个系统中起到的作用毋庸置疑，因此它的选择本设计慎之再慎。1)首先，功率要求、放电时间及系统电压变化起决定作用。 2)超级电容器的输出电压降由两部分组成，一部分是超级电容器释放能量；另一部分是由于超级电容器内阻引起。两部分

43、谁占主要取决于时间，在非常快的脉冲中，内阻部分占主要的，相反在长时间放电中，容性部分占主要。 以下基本参数决定您选择电容器的大小 1、 最高工作电压； 2、 工作截止电压； 3、 平均放电电流; 4、 放电时间多长最终选定为法拉电容5.5V 0.047F，具体参数，如下图。图5.5 参数法拉电容5.5V 0.047F具有以下几大优点：a.体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容量大3040倍； b. 充电速度快，10秒内达到额定容量的95%； c. 充放电能力强； d. 失效开路，过电压不击穿，安全可靠；e. 超长寿命，可长达40万小时以上； f. 充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，真正免维护；g. 检测方便，剩余电量可直接读出；h. 产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源i. 超低温特性好，温度范围宽-40+70；现主要应用于：记忆体后备电源，用于视频，音频产品，相机，长像器材，电话，打印机，汽车音响，电脑，笔记本电脑，电饭煲，PLC，SET TOP BO，GSM，洗衣机，DVD-RW，家庭通讯网，智能控制器，手摇电筒等，价格一般在1.5元左右，就手电筒而言是这成本是可以接受的。可见这种电容，已经成功应用于手摇电筒，能够为手摇电筒提供足够电量，是被事实检验了的。因此在，电容容量大小能否提供足够电量的问题上，已经无