机械式电池结构设计说明书毕业论文

目录TOC\o"1-3"\h\u1简介1.1本研究的目的和意义 11.2国外研究现状 11.3本课题研究内容及技术方法路线 42.整体设计2.1机械电池的基本原理及组成 72.2三种机械电池方案设计 82.2.1曲柄式机械电池 82.2.2拉绳机械电池 112.2.3定时器式机械电池 132.3章节总结153.传动设计3.1传输173.1.1传输（一） 173.1.2传输（二）193.1.3传输（三） 203.2发电机选择 223.3章节总结 244、增速器设计4.1机械电池方案的确定 254.2传动比的确定 254.3相关参数的确定 264.4轴设计 294.4.1输入轴的设计 294.4.2中间传动轴设计 304.4.3输出轴设计 314.5章节总结 325结论参考文献 37至 38

1简介1.1本研究的目的和意义创新越来越被认为是技术和经济发展的驱动力。随着知识的不断创新，科学技术的飞速进步给整个人类带来了翻天覆地的变化。我们党和国家领导人以及我国科技界都指出，加强科技创新对我国的国际地位具有决定性意义。机械电池是融合先进技术形成的创新型微机电产品。众所周知：化学电池因其使用方便而被广泛使用，但化学电池存在材料浪费、易造成污染、处理麻烦等缺点，但由于没有更好的替代品，所以总是在国内制造和生产。大批量。从目前的电池市场来看，毫无疑问，化学电池几乎占据了整个电池市场。20世纪末，人们开始加大对新型环保电池的研发力度。目前有太阳能电池和燃料电池等一些应用。但是，这些新型电池还不足以与化学电池相提并论。在环保要求越来越严格的今天，对环保电池的研究越来越多，所以机械电池的研发也是非常有必要的，也符合社会发展的需要。尽快解决机械电池等环保电池的一些关键难点，让这种机械电池更贴近实际应用和日常生活，在未来的生活中得到广泛应用。在这种情况下，对环保机械电池的研究已成为必然。机械电池属于新型微机电产品领域。这些产品随着科学技术的发展而大量涌现。1.2国外研究现状近年来，电子产品和移动通讯产品向小型化、便携化方向发展，对高容量、小型化电池的需求增长迅速。据国际数据公司统计，1989年全球无线寻呼用户1900万，其中美国988万（52%），亚太地区228万（12%）。1995年，全球有8500万无线寻呼用户。美国仍有2800万户家庭排名第一，中国2010万户家庭排名第二。随着移动通信业务的快速发展，对微型大容量电池的需求也大幅增长。随着人们环保意识的增强，祈求“绿色电池”的呼声越来越高。目前，化学电池因其使用方便而被广泛使用，但化学电池存在材料浪费、易污染、搬运麻烦等缺点。化学电池总是被大量制造和生产，因为没有更好的替代品。在这种情况下，对环保机械电池的研究已成为必然。机械电池是将机械能转换为电能的装置。目前，我国还没有关于将机械能转化为电能的相关报道，国外也有类似的做法。1990年代初，英国人发明了机械发电收音机。其基本原理是发条的机械能带动小型发电机为收音机供电，从而收听节目。大约在同一时间，日本精工制造了一款人体动能手表，利用人体的动能发电。在这种结构中，微技术主要用于手表中的发电机小型化，通过人体运动带动惯性飞轮转动，动力元件带动转子转动产生磁切割产生电流，送入大容量电容进行存储，然后持续提供指针。这些都是将机械能转化为电能的单一应用的例子，显然，这些设备只在各自的单一商品中使用，不能广泛使用。将机械能转化为电能可以追溯到早期用于自行车的摩托车灯。在车轮的驱动下工作的微型发动机为自行车灯提供动力，属于将机械能转化为电能的装置。近年来，随着电子元器件的飞速发展和对环保要求的日益严格，人们开始尝试将机械能转化为电能的新应用。1990年代初，英国人发明了机械发条收音机。其基本原理是通过发条的机械能带动小型发电机提供收听节目的无线电功率。据报道，该产品已在美国阿富汗反恐战争期间通过飞机空投给阿富汗山区居民，为美军和反塔利班阵线的进攻提供了宣传工具。图1-1英国法律收音机示意图通过前人的研究和实验，我们提出在手机电池中使用我们的机械电池，主要由驱动结构、传动装置、发电机、整流器、存储器（小型锂电池）组成，以便在行驶等特殊情况下使用。出来，一旦手机没电了，我们只需要扭动驱动机构就可以给它充电。此外，我们可以在手电筒中使用机械电池。该技术已经成熟，英国freeplay能源公司已将其作为其产品之一，如图1-1所示。图1-2机械充电手电筒大约在同一时间，日本精工公司生产了利用人体动能的人体动能手表。在这种结构中，主要是利用微技术将手表中的发电机小型化，通过人体的运动带动惯性飞轮旋转。功率元件带动转子旋转产生磁切割产生电流，送入大容量电容存储，然后持续给指针供电，如图1-3所示。从日本对人体动能手表的使用情况来看，由于这款产品利用了人体手臂波动所提供的能量，手表可以正常工作。一般挥手时间不超过一天，即可正常工作。当时间不供电时，电路进入休眠状态，保持低功耗，等供电恢复后才能正常工作。因此，它可以长期使用。这些产品是将机械能转换为电能的应用示例。图1-3SeikoKineticEnergyWatch部门的结构1.3本课题研究内容及技术方法路线需要指出的是：无论是自行车的摩托车电灯，还是英国的机械发电收音机，还是日本的人体动能手表，这些设备都只用在各自的单一商品中，不能使用它们的能量系统独立且可互换，因此被广泛使用。我们知道，电池最大的特点之一就是可互换性。它不是针对某种电器，而是可以通用的。因此，基于电池的这一特性，有人提出了开发机械电池的研究，并取得了一些进展。我们的设计是将机械动力系统和发电系统从具体的电气元件中分离出来，制成可以提供动力的机械电池。产品在使用时，只需像普通电池一样将机械电池的正负极与电气元件连接起来，即可正常工作。由于这种机械电池一般是靠人力驱动的，所以比较适合长时间不工作的电器。除了上面提到的人工手表和收音机外，它还可以用于手电筒、应急灯、玩具等应用。此外，在前期的研究中，我们还进行了电容与机械传动部分的分离，提出了并联充电串联使用的新设计原则。根据该方案得到的机械电池具有电动分离的特点，因此具有重复使用的特点，体积会减小。同时，除了自己研发的发电-充电装置外，电池的电容部分也可以用普通充电器进行变压后充电。除了方便，这个概念还有很多优点，比如简单、价格便宜。当时还有一个缺点，就是使用过程中一般很难直接充电。如前所述，随着微小型化微电子器件进入机械领域，微电子与机械进一步融合，从而设计制造出具有独特结构和功能的微机电系统。迄今为止，人们已经在实验室中采用不同的工艺方法成功制造出各种微型器件，形成了年产值过亿的规模，并且还在快速发展。国外已在人体动能和机械无线电等领域开发成功产品。因此，机械电池的发展不仅促进了对应用更广泛、有利于环保的产品的研究，而且具有良好的社会效益和巨大的经济潜力。图1-4机械电池示意图图1-4是机械电池的基本示意图，主要由机械动力源、传动机构、微型发电机和连接件组成。驱动机械动力源后，通过传动机构提高转速，将转速和扭矩传递给微型发电机，由此产生的电能可供其他电器使用。机械电池的作用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、电能存储和控制电路组成。基本工作流程如图1-5所示。图1-5机械电池工作流程图由于机械电池等新型微机电产品需要实现功能要求，在小体积内集成动力、传输、能量转换、控制电路和输出，其设计也带来了很多问题。.其中矛盾有：如尺寸与强度之间，尺寸小，强度普遍偏低；在结构和功能上，结构不易过于复杂，但必须满足其功能；设计与制造的矛盾等等。归结为产品小型化带来的问题。本研究的技术路线如图1-6所示。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，要在材料的选择上充分考虑如何满足要求，在结构设计和强度设计上设计出更具特色的小型化。因此，宏观机械设计、机械传动、摩擦学设计、发电、供电设备设计等理论和原理是难以复制的。它在设计理论和方法上有自己的特点。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，如果做成普通电池的形状和尺寸，可以部分替代化学电池，可以在很多地方使用。可更换性和多次使用也是机械电池的一大优势。通过这个特点，我们的设计也有别于其他机械发电结构。它们的使用场合单一，但缺乏便携性。因此，机械电池现在很小。原则上基于机械发电装置的创新。同时，机械电池具有典型微机电产品的特点，有别于普通发电设备。它将所有机电部件集成在一个尺寸为数十毫米的产品中。但其领域涵盖机械设计、摩擦学设计、发电装置与电路等学科，形成了微功率转换、机械传动、发电、供电及控制系统，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，需要设计一种具有实用价值的机械电池，在非常有限的空间内可以部分替代化学电池。因此，他的研究也将带来设计和制造技术的创新。2.整体设计2.1机械电池的基本原理及组成机械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。其基本原理是使增速机构通过手动输入装置（如手柄、拉绳），带动发电机产生电能，并储存在蓄电装置中供输出装置使用。其流程图如图2-1所示。输入装置（手柄）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方案设计2.2.1曲柄式机械电池摇杆式的基本思想是增加臂长。这样，在驱动变速器驱动发电机时，可以节省大量的力，但具有方便、结构简单的优点。针对这种驱动方式，设计了曲柄式机械电池。其结构如图2-2所示。该电池采用曲柄式驱动结构作为动力源，曲柄与变速器相连，摇动曲柄即可带动变速器运转，从而使发电机工作。图2-2手摇机械电池示意图这种曲柄式的驱动方式在很多场合都有使用。例如，机械收音机、手电筒、机械电池等可以引入曲柄式驱动方法。正常使用时，只要摇动手柄，发电机即可发电，也可蓄电。在内存中，它用于照明。考虑到曲柄式机械电池的易用性，这款电池的体积还是比较大的，不过大部分是充电器部分，内存部分和一般学校电池大小差不多，只要够用就行电源充电，完全可以替代普通化学电池的使用。在对模型各部分的设计和完整性进行可行性分析后，我们可以根据设计方案制作实际模型，以检验设计模型的实际可行性。一是选择合适的发电机、增速器和充电容量大的电容器；然后将发电机、增速器和用于动力输入的手柄连接成一个整体作为发电装置；最后将增速器和用作电源输入的手柄连接成一个整体，作为发电装置安装到电路中。按照设计好的电路制作测试用的电路板，焊接测试电容，完成充电电路的制作。模型制作完成后，可根据理论设计进行相关实验。根据理论设计，只要摇动手柄，通过齿轮传动传递到发电机发电，电容器就可以充满电，设计结果应该能满足需要。在整个系统传动过程中，摩擦阻力过大，传动采用三级齿轮传动增速器，传动比为1：15.42。在实验制作模型时，模型的精度不够高。齿轮传动输出端连接有一定误差，能量损失太大。以50r/min的平均转速摇动手柄。用万用表测得发电机的输出电压只有0.4～0.5V左右。但是，通过将电容器组在充电时并联，使用时将它们串联起来，可以实现充电时电容器组的输入电压在0.4～0.5V左右或更低，实现电容器组的并串转换。在放电和使用过程中可以实现电容器组（通过二极管的单向导通实现并串模式的自动转换），使输出电压可以达到1.2~5V。一般来说，发电装置可以产生一定的电量，设计的电路还可以实现充放电，可以放大输入。电压，应该说基本达到了测试的预期目的。图2-3是蓄能器的示意图。微型发电机接变速器输出端，变速器输入端接机械动力源（摇动手柄）。当摇动手柄时，产生动力（要素：扭矩和速度），通过变速器传递速度和扭矩。联轴器被传递到发电机轴上，驱动发电机发电，然后将其充电到电容器中。在将几个这样的电容器连接成一个电容器组后，可以存储足够的电能。利用二极管的单向导电性，可以实现电容器组充电时串联与放电时并联的自动转换，提高放电输出电压。，以便满足一般使用要求。微型发电机产生的电能通过电源线引出到外壳的头部和尾部，使具有机械能的电池可以用于不同的电器。图2-3存储设备设计原理示意图图2-2是整个机械电池的示意图。当通过手柄给电容器充电到足够的电量时，将电池取出，电池可以代替普通电池使用。理论上，机械电池可以部分替代传统的化学电池。设计过程为：发电机、输电、电容器选定后，对装置各部分进行初步估算，根据设计要求，假设设计模型，根据设计要求选择合适参数的元件。模型中各部分的要求。基于以上条件和要求，提出以下改进措施：（1）原传动比为1：15.42，可稍微加大传动比。本实验采用三级齿轮传动。级数过多会造成摩擦过大，能量损失过大，因此无需增加档位。级数，可以尽量增加每一级的传动比来提高整体的增速比，但同时尽量控制设计的大小，注意提高加工精度，尽量改善工作条件，加强传动级之间的润滑改进。最大限度地减少摩擦和传输能量损失。(2)在选择发电机和齿轮箱时，在保证尺寸的同时，尽量选择大直径的轴。这样在连接轴的时候可以选择比较灵活的连接方式，也可以选择尼龙、橡胶等进行连接，可以减少振动，降低能耗。(3)电容的选择，在普通电池大小的基础上，合理利用它们之间的空间，尽可能多的放电容，因为在实验中，电容越多，电是带电的，所以使用时间比较长，实验效果比较明显。本设计的创新之处在于该结构主要以摇柄为原动机，通过多级齿轮增速装置将动力传递至发电机轴，带动微型发电机转子转动，产生磁切割产生电流，将机械能转换成电流。转换成电能，然后充电到电容器中。将几个这样的电容器并联后，可以储存足够的电能来满足总则使用需求。(1)机械电池对摩擦特性的要求不同。尽量避免摩擦作为运动阻力，甚至达到零摩擦。如果将设计扩展到微电领域，微机电系统往往以摩擦为牵引力或驱动力。这时就要求摩擦力有一个稳定的数值，并且可以及时控制。微机械电池性能实验装置的建立将尽可能考虑不同的工况。条件;MEMS电池的摩擦副间隙很小，MEMS系统的能量很小，因此要求尽可能降低摩擦能耗，因此可以采用分子膜润滑技术达到减少摩擦的目的。(2)齿轮传动级数过多，会造成摩擦过大，能量损失大。可以尽量减少齿轮级数，尽可能提高各级传动比，但同时尽量控制设计尺寸。(3)驱动机构、传动装置和发电机连接时应充分考虑同轴度问题。如果精度不够，会在运行时造成偏心大的问题。因此，应保证这些部件的轴径尽可能大，并减少相对偏心的小问题。(4)在做电池的时候，为了让电池有更多的使用空间，我们设计了和普通电池一样的尺寸，还加了一个转换电路，这样充电和使用之间的转换过程会很流畅简单的。2.2.2拉绳机械电池拉索驱动结构由转盘、主发条、细绳、外框组成。如图2-4所示，将主发条置于转盘内，主发条一端固定在转盘上，另一端固定在机壳上，转盘和拨链器连接在一起，绳索是绕在转盘的外围并延伸到机壳的外面，这样一旦绳子被拉动，就会带动转盘和规律。，从而可以储存一定的势能。当绳索松开时，传动装置在主发条的带动下转动，使发电机工作。图2-4拉绳机械电池示意图在这个设计中，我对机械电池的各个组成部分做了详细的分析，但是我没有选择电容，因为在曲柄式机械电池中我对电容的选择和电路设计做了具体的分析，在在这款机械电池中，我们还是选择了与曲柄式机械电池相同的电容，规格为GC920型电容，其额定电压为2.4V，电容为0.33F。这样，拉串式微机械电池的零件就基本选好了。在对模型各部分的设计和完整性进行可行性分析后，我们可以根据设计方案制作实际模型，以检验设计模型的实际可行性。首先是选择合适的电机、增速器和可充电容量大的电容器：然后将用于动力输入的电机、增速器、转盘和涡旋弹簧连接成一个整体作为发电装置；最后，将发电机的输出端通过专用线连接到电容器的两端，电容器的两端通过机械电池的外壳连接到外部，以方便其他电器的使用电器。实验和生产中解决的关键问题是：(1)机械电池对摩擦特性的要求不同。尽量避免摩擦作为运动阻力，甚至达到零摩擦。如果将设计扩展到微电领域，微机电系统往往以摩擦为牵引力或驱动力。这时就要求摩擦力有一个稳定的数值，并且可以及时控制。微机械电池性能实验装置的建立将尽可能考虑不同的工况。条件;MEMS电池的摩擦副间隙很小，MEMS系统的能量很小，因此要求尽可能降低摩擦能耗，因此可以采用分子膜润滑技术达到减少模具的目的。(2)齿轮传动会有一定的摩擦和能量损失。您可以尝试减少齿轮级数，并尝试增加每一级的传动比，但同时尝试控制设计的大小。(3)在选择发电机和变速器时，在保证尺寸的同时，尽量选择大直径的轴。这样在连接轴时可以选择更灵活的连接方式，可以减少振动和能耗。（4）电容的选择，在普通电池大小的基础上，合理利用它们之间的空间，尽可能多的放电容，因为在实验中，电容越多，电是带电的，所以使用时间比较长，实验效果比较明显。模型制作完成后，可根据理论设计进行相关实验。根据理论设计，只要拉动琴弦，通过转盘和齿轮传动传递到发电机发电，电容器可以充满电，设计结果应该能满足需要。在整个系统传动过程中，必须克服一定的摩擦阻力，传动选用两级齿轮传动的增速器，传动比为1：81。实验制作模型时，模型精度不够高，电机主轴与齿轮传动输出端的连接存在一定误差，存在一定的能量损失。以平均3r/s的速度拉弦，用万用表测得发电机的输出电压只有1.2~1.5V左右。但是，通过将电容器组在充电时并联，在使用时将它们串联起来，可以实现在充电时或前提下电容器组的输入电压在1.2~1.5V左右，并实现串串转换。放电使用时可实现电容器组（并串方式）。当输出电压达到1~5V时，利用二极管的单向导电性实现自动转换。一般来说，发电装置可以产生一定的电量，设计的电路还可以实现充放电，可以放大输入电压。应该说基本达到了测试的预期目的。由于机械电池组件易于回收和处置，与化学电池相比，机械电池的环保意义显而易见。此外，机械电池采用发条装置作为原动机，可随时充电重复使用。它也用于一些紧急情况或偏远山区。机械电池以机械零件为主，使用寿命取决于零件的使用寿命，所以使用寿命也长。这种新型电池将是未来能源的新方向，其工作原理比较简单，可以部分更换。现有化学电池。前一阶段的研究重点是让机械电池工作，所以尺寸和功率不是主要矛盾。这个项目的重点有两个：一是解决机械电池体积过大的问题。由于资金、设备和加工等方面的限制，目前使用的元器件尺寸都比较大。通过实验和理论优化设计分析，可以在很多地方减少很多部件，比如驱动装置、定位机构、外壳等。二是增加电池的功率。后期这方面的工作主要是增加发电机的功率和电容器的功率。具体思路是通过增加磁通量和两级变速来实现。设计过程为：发电机、输电、电容器选定后，对装置各部分进行初步估算，根据设计要求，假设设计模型，根据要求选择合适参数的零件模型中的每个部分。根据原理图，将选定的组件组装好，放入之前设计的机械电池的外壳中，这样就完成了整个组装（见图2-5）。从图中我们可以看出，这款机械电池的体积还是比较小的，它的体积在直径40mm左右，厚度10mm左右。也希望后面的设计能比这块电池更小，这样他的适用区域会越来越方便。图2-5拉绳机械电池对比照片2.2.3定时器式机械电池模型各部分设计完成并完成可行性分析后，可根据设计方案制作实际模型，检验设计模型的实际可行性。设计过程为：发电机、输电、电容器选定后，对装置各部分进行初步估算，根据设计要求修改设计模型，根据要求选择合适参数的元件模型中的每个部分。本设计要解决的关键问题机械电池的摩擦特性不同，应尽量避免将摩擦作为运动阻力，甚至可以做到零摩擦。如果将设计扩展到微电领域，微机电系统往往使用牵引力或驱动力。这时就要求摩擦力有一个稳定的数值，并且可以及时控制。微型机械电池性能测试装置的建立会尽可能考虑不同的工况：由于机械电池的摩擦副间隙很小，要求尽可能降低摩擦能耗，因此可以利用分子膜润滑技术达到减少摩擦的目的。太多的齿轮传动级会导致过度的摩擦和能量损失。可以尽量减少齿轮级数，尽可能提高各级传动比，但同时尽量控制设计尺寸。在选择发电机和齿轮箱时，在保证尺寸的同时，尽量选择大直径的轴。这样在连接轴的时候可以选择比较灵活的连接方式，也可以选择尼龙、橡胶等进行连接，可以减少振动，降低能耗。对于电容的选择，在一般电池大小的基础上，合理利用它们之间的空间，尽可能多的放电容，因为在实验中，电容越多，充电的电量就越多，而且这种方式使用的时间比较长，实验效果比较明显。模型制作完成后，可根据理论设计进行相关实验。根据理论设计，只要转动旋钮，按照定时器设定的时间，发电机就可以运转，并通过齿轮传动传递给发电机。发动机发电并为电池提供充足的动力，设计结果应能满足需要。在整个系统传动过程中存在一定的摩擦阻力，传动采用五级齿轮传动增速器，传动比为1：2896。在实验模型中，模型的精度不够高，电机主轴和齿轮在处理变速器输出端连接的对中问题，以及磁力线的对中问题存在一定的误差。电动机未充分切断，棘轮与发电机主轴的连接体被发电机固定机构吸住，导致整个机构不能正常工作。主要原因是正时机构的末级齿轮不能限制棘轮的纵向自由度。目前已经想到了一个具体的解决方案，就是在棘轮的底端加装一个固定环。棘轮纵向吸时，其底端固定。环被变速器的最后一个齿轮挡住，纵向自由度受到限制，使其能够正常工作。由于摩擦因素，此设计正在测试中。但是，与以前的电池一样，输出电压也很低。我们将使用相同的处理方法。通过在充电时将电容器组并联，在使用时将电容器组串联，可以达到充电时电容器组的输入电压。1V左右（在估计最后一级速度的前提下）或以下，使用电容器组进行并串转换（并串模式的自动转换）时，输出电压为3~4V由二极管的单向导电性实现）。一般来说，发电装置可以产生一定的电量，设计的电路还可以实现充放电，可以放大输入电压。应该说，实验的预期目的基本达到了。机械电池成品（见图2-6）图2-6定时器机械电池外观基于以上要求，提出以下改进措施：（1）原传动比为1：2896，可稍微加大传动比。目前选用的齿轮传动级数过多，会造成摩擦过大，能量损失大。无需过多地增加齿轮级数。,可以尝试增加每一级的传动比来提高整体的加速比，但同时控制设计的尺寸，注意提高加工精度，尽量改善工况，和加强传动级之间的润滑改进，可最大限度地减少摩擦。与能量损失。(2)在选择发电机和齿轮箱时，在保证尺寸的同时，尽量选择大直径的轴。这样在连接轴的时候可以选择比较灵活的连接方式，也可以选择尼龙、橡胶等进行连接，可以减少振动，降低能耗。（3）电容的选择，在一般电池尺寸的基础上，合理利用它们之间的空间，尽可能多的放电容，因为在实验中，电容越多，电量越多是带电的，所以使用时间越长，实验效果越明显。(4)本设计的创新之处在于结构上主要采用涡旋弹簧作为远东机构，引入棘轮机构来控制涡旋弹簧的释放速度，采用定时器原理设计传动，使发电机可以长时间发电。，也采用了并联充电串联放电的设计思路。这样几个电容并联后，可以储存足够的电容量，一般电器可以长期使用。2.3本章小结本章主要介绍三种可行的机械电池设计，即曲柄式机械电池、拉绳式机械电池和定时器式机械电池。各有优缺点，所以我们需要根据我们的设计方案的要求，采取最优的方案，后面会讲到。可以在设计中解决。3.传动设计考虑到设计的具体要求，我们选择传动机构不仅是为了传动，也是为了一个加速过程，所以我们选择的传动机构选择传动，然后选择传动的传动方式，分析齿轮和蜗杆传动的特点：蜗杆传动虽然单级传动可以获得较大的传动比，但啮合处存在相对滑动，摩擦损失大，传动效率低，容易出现发热和高温升高的现象发生，磨损也很严重。蜗轮需要使用成本高的耐磨材料（如锡青铜等）制造，制造成本高；蜗杆传动对工况要求较高。当滑动速度大，工作条件不够好时，会产生严重的摩擦和磨损，导致发热过大，润滑条件恶化。因此，从经济成本和工作要求来看，蜗杆传动并不是一个好的选择。齿轮传动效率明显高于蜗杆传动，圆柱齿轮传动效率可达99%，而发电的过程也是能量转换的过程，机械能转化为电能的过程，其他形式的能量，传输的传输效率越高。，转换过程中转换与其他能量损失的比例越小，机械能转化为电能的效率越高；齿轮传动结构紧凑，与其他常用的机械传动方式相比，在同等使用条件下，齿轮传动所需的齿轮空间尺寸一般较小，实验所需的传动传动不需要传输距离大。齿轮传动距离完全满足实验要求，具有空间尺寸小等优点；齿轮传动传动比稳定，传动比稳定。是对实验变速器传动性能的基本要求。采用齿轮传动，保证工作的稳定性；齿轮传动可靠，使用寿命长。只要设计制造合理，使用维护好，工作就非常可靠，使用寿命可以长达一二十年。这也是蜗杆传动等其他机械传动装置无法比拟的。因此，根据变速器的传动要求，从实际制造经济成本、工作可靠性和稳定性、传动效率、结构紧凑等方面考虑，变速器的传动方式选择为齿轮传动。齿轮类型选用拟渐开线标准正齿轮。这主要是因为这类齿轮应用广泛，有标准可循，所以制造和采购比较方便，传动效率是在良好工况的前提下。可高达99%，齿轮传动装置形式选用半开式，制造、使用、维修方便。选择传动类型，分析各类传动的特点：传动系统由圆锥-圆柱齿轮增速器组成。锥齿轮一般置于高速阶段，可减小锥齿轮尺寸，便于加工。增速器的整体布置横向尺寸较小，比较紧凑，但结构比较复杂，制造成本较高。传动系统由蜗杆增速器组成。蜗杆传动传动比大、结构紧凑、体积小、重量轻。但制造安装困难，传动效率低。蜗轮的边缘需要用有色金属制造，制造成本高。传动系统由展开的圆柱齿轮增速器组成。本实用新型结构简单、效率高、制造容易、使用寿命长、维修方便。有标准系列产品，由专业工厂生产。因此，考虑到试验变速器的要求，所选择的变速器类型为两级展开式正齿轮增速器。3.1传输3.1.1传输（一）根据我们后期设计和测试的需要，结合对数据的初步计算和分析，为了使发电机产生的平均电压在1.2-1.5V之间，要求电主轴的平均转速为至少500r/min，以正常速度摇动手柄的平均速度。转速为50r/min，因此动力源与电机轴之间必须有增速装置，增速比至少应为10：1。这种增速器通常可以根据设计要求更换为市场上常用的变速器。只需要把增速器的动力输入输出端的位置调换一下（即把动力源接在增速器的输出端，把电机轴接在增速器的输入端）。只要增速器不具备传动自锁的特性，反接即可满足增速要求。变速器传动比的设计主要考虑两个方面。一方面，变速器的增速比必须满足试验要求，另一方面，要选择合适的变速器类型和传动级数。由于变速器的变速比小，不能满足试验变速器的变速要求，但变速比越大，传动阻力越大。同样，变速器的变速级数越多，变速器阻力越大。.所以初步设计变速器的传动比设定在10:1~20:1之间，变速器各级的传动比不宜过大，因为单级传动比过大，会带来传输阻力太大；传动比不应相差太大，否则会导致传动阻力过大，负载分配过大；接近10:1，四档以上变速档位太多，档位间传动损失大，累积传动阻力也大，所以三档变速更合适,每一级的增速比都很大。两者都应该在2：1和3：1之间，整体增长率应该在10：1和20：1之间。根据以上要求，根据理论分析和具体生产要求，传动型式为三级展开圆柱直齿轮传动。实验需要。标准化系数：附录高度系数顶部间隙系数齿数：模量压力角所选实验变速器的传动示意图如下图所示（见图3-1）：图3-1传输传输示意图其中，齿轮2与齿轮3为一体连接，齿轮4与齿轮5为一体连接。1档和2档的传动为一级传动，一级传动比；3档和4档的传动为二级传动，二级传动比；5档和6档的变速器是三档变速器，三档传动比。总传动比3.1.2传输（二）这种变速器体积比较小，主要是为微型机械电池设计的。由于其体积小，每个齿轮的厚度不到一毫米，因此变速器的级数不宜过多。传动比增加了一点。考虑到变速器的要求，选用的变速器类型为两级膨胀正齿轮增速器。根据设计试验的数据结果计算分析，如果发电机产生的平均电压在1.2-1.5V之间，则要求电机主轴平均转速至少为200r/s，拉转盘的平均速度一般为3r/s。电源与电主轴之间必须有增速装置，增速比至少应为70：1。由于整个机械电池体积小，加工制造困难。我们选择手表中的齿轮，然后配对和组装，使速度必须符合要求。通过实验，我们选择了二级增速齿轮。一级变速比是3.6:1，二级也是3.6:1，所以整个变速比是12.96:1，可以满足我们的需求。标准化系数：齿顶高度系数：顶部净空系数：齿数：模数：压力角：选定的实验传输传输示意图（见图3-2）图3-2二级齿轮传动转子结构示意图变速器传动比的设计主要考虑两个方面。一方面，变速器的增速比必须满足试验要求，另一方面，要选择合适的变速器类型和传动级数。由于变速器的变速比小，不能满足试验变速器的变速要求，但变速比越大，传动阻力越大。同样，变速器的变速级数越多，变速器阻力越大。.3.1.3传输（三）这种设计主要是为定时器电池设计的。根据初步计算分析和电路中的要求，如果发电机产生的平均电压比二极管的导通电压高0.7V，则必须有增速机构。和前面的实验一样，在电源和电主轴之间必须有一个增速装置。由于这种机械电池具有计时机构，因此在设计增速器时必须考虑计时机构的设计。这里将定时机构连接到增速器的第一级，从而可以通过定时机构来控制增速器的运行。变速器传动比的设计主要考虑两个方面。变速器传动比的设计主要考虑两个方面。一方面，变速器的增速比必须满足试验要求，另一方面，要选择合适的变速器型式和传动级。由于变速器的变速比小，不能满足试验变速器的变速要求，但变速比越大，传动阻力越大。同样，变速器的变速级数越多，变速器阻力越大。.由于我们的计时机构使用螺旋弹簧机构，它可以缠绕的最大圈数是有限的。为了使其能够长时间工作，最初将变速器的速比设计得更大。变速器的传动比不宜过大，因为单级传动比过大，会造成传动阻力过大；各级传动的传动比不应相差太大，否则传动阻力过大，负荷分布过分不均。变速器的换挡级数设计为五级，因为单级或两级变速器太大。首先，选择五级展开正齿轮传动作为实验传动。因为试验用变速器的速比比较大，而且变速器每一级的速比不宜过大，所以五级中每一级的速比应该相差不大，否则会造成变速器过大电阻和过大的负载分布。结果，随之而来的影响是增速器不能满足实验要求，变速器齿轮部件的使用寿命大大缩短。因此，试验传动的各级传动比应在3：1到6：1之间。根据以上要求，根据理论分析和具体生产要求，传动型式为五级展开圆柱直齿轮传动，其三级传动比分别为5.5、5、3.33、5.75、5.5，整体传动比为2896。，可以满足实验需要。标准化系数：附录高度系数顶部间隙系数齿数：,直径：,压力角：传动比：选定的实验传输传输示意图（见图3-3）图3-3传输传输示意图总共有五个档位，因此总传动比为：约2896。 根据上述原理设计的定时器（见图3-4）图3-4定时器物理图发电机的选择从使用方便的角度来看，发电机应轻巧便携；另一方面，由于该装置仍处于实验阶段，结构不宜过于复杂，只要能满足实验要求即可。因此，可以先选择总则小型直流电动机或带控制电路的微型发电机。发电机只需要低速（每分钟几十转）驱动发光二极管发光，同时驱动小灯泡发光，中速（每分钟几百转）旋转，即可通过在设计时连接传输实现，从而提高发电装置的输出电压，扩大设计装置的适用范围。一般来说，直流发电机的升压是在空载（即空载）的情况下进行的。这时，一方面需要将励磁电流通到发电机主磁极的励磁绕组，以产生主磁通。另一方面，发电机的转子由原动机驱动，电枢绕组切断主磁通，产生感应电势。感应电动势等于电枢两端的电压，因此=Cen。因此，当发电机转速恒定时，它与成正比。电动机的主磁通量随着励磁电流的变化而变化，在发电机输入转速相对平均的前提下，。因此，发电机线圈的数量越多，产生的主磁通量越大，就能产生实验所需的电压。由于发电装置产生的电能可以被充电装置储存和使用，因此不需要发电装置的能量输出很高，也不需要能量输出稳定，只需要输出电压必须高于某个最小电压输出值，即没有发电机的输出转速需要稳定，只要求转速达到一定值。所以对实验发电机的要求不高，只要体积小，电机线圈不要太小，就可以满足设计实验要求。因此，我选择了一个普通的小型直流电机作为直流电机进行实验。这种小型直流电机多用于小型机电产品（如电动剃须刀、电动玩具等）作为小型动力源。当电机电刷的引出铜片的两端分别用导线与小直流电源的正负极相连时，电机的主轴可以在一定的速度下以一定的速度旋转。旋转方向。由电磁感应定律可知，反之，当电机主轴在外力的作用下，以一定的转速沿一定的旋转方向旋转时，就会产生感应电动势。如果端子连接到一个闭合回路，回路中会产生感应电流。同理可以看出，当电机主轴在传入的外力作用下，以一定的转速沿一定的旋转方向旋转时，电机的电刷被引出两端将铜片用电线连接到设计好的充电电路上，即可发电。感应电流储存在电容器中，需要时缓慢释放以备使用。拉绳机械电池选用的微型发电机如图3-5所示。图3-5发电机零件实物照片在定时器式机械电池中，发电机的选择与拉绳式机械电池中发电机的选择相同，但定位方法不同，因为发电机需要放置在计时系统机构上，所以我们必须要设计一定的定位机构，选择发电机，首先是基于使用的方便性、轻便性和便携性。由于该装置仍处于实验阶段，结构不宜过于复杂，只要能满足实验要求即可。因此，可以先选择总则小型直流电动机或带控制电路的微型发电机，如图3-6所示。图3-6发生器与定位件组合图因为是使用定时器的变速机构，所以最后的速度比较慢，其输出电压也会相应降低，可能达不到某些电器设备的额定电压。这时，我们的充电电池就用来解决电压不足的问题。充电电池仍然是并联充电和串联放电。我们设计的充电电池的性能和额定电压将在后面的章节中详细分析。3.3本章小结本章主要设计了三种传动装置，传动比不同，要求也不同。较小的传动比用于曲柄传动，因为传动比太大，主要取决于发电机的转速和曲柄。速度是由速比决定的，较大的传动比用在绳索传动结构中，最大的用在定时器传动中，主要由工作时间决定。4、增速器设计4.1机械电池方案的确定考虑到曲柄式机械电池的操作方便性和便携性，存储部分与一般电池相比是相当大的，只要充满足够的电量，完全可以替代普通的化学电池。该结构主要以摇柄为原动机，通过多级齿轮增速装置，将动力传递给发电机轴，带动微型发电机转子转动，产生磁切割产生电流。，它将机械能转换为电能，然后将其充电到电容器中。将几个这样的电容器并联后，可以储存足够的电能来满足总则使用需求。并且设计满足各方面的要求。在对各种综合因素进行充分分析后，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用了增速器的传动比。这种变速器体积比较小，主要是为微型机械电池设计的。由于其体积小，每个齿轮的厚度不到一毫米，变速器的级数受到限制。它不应该太多。在相对情况下，可以稍微提高每一级的传动比。考虑到传动的要求，传动型式选择为两级膨胀圆柱齿轮增速器。根据设计试验的数据结果计算分析，如果发电机产生的平均电压在1.2-1.5V之间，则要求电主轴平均转速至少为500r/min，平均转速为500r/min。以正常转速摇动手柄为50r/min，因此，动力源与电机轴之间必须有增速装置，增速比至少应为10：1。放电使用时，通过电容器组的并串转换，输出电压可达1.2-5V（利用二极管的单向导电性实现并串模式的自动转换）。这种增速器通常可以根据设计要求更换为市场上常用的变速器。只需要把增速器的动力输入输出端的位置调换一下（即把动力源接在增速器的输出端，把电机轴接在增速器的输入端）。由于整个机械电池体积小，加工制造困难。我们选择手表中的齿轮，然后将它们配对组装，使速度增加符合要求。第一级的传动比是3.2:1，第二级也是3.5:1，所以整个传动比是11.2:1，可以满足我们的需求。标准化系数：齿顶高度系数：顶部净空系数：齿数：模数：压力角：选定的实验传输传输示意图（见图4-1）图4-1二级齿轮传动转子结构示意图变速器传动比的设计主要考虑两个方面。一方面，变速器的增速比必须满足试验要求，另一方面，要选择合适的变速器类型和传动级数。由于变速器的变速比小，不能满足试验变速器的变速要求，但变速比越大，传动阻力越大。同样，变速器的变速级数越多，变速器阻力越大。.最终传动比为：4.3相关参数的确定齿数：附录高度系数：头部间隙系数：模数：压力角：附录高度：根高：索引圈：尖端圆直径：齿厚：标准中心距：齿轮宽度：取整后取取整后取查阅相关电池的参数后可知，知道从手柄的平均输入转速可以看出是50r/min是传动轴的总效率，即其中为圆柱齿轮的传动效率，其值为0.96～0.98图4-2传输各轴转速()各轴输入功率其中，各轴输入扭矩4.4相关轴的设计4.4.1输入轴设计初步确定输入轴的最小直径首先根据教科书（15-2）估算轴的最小直径，并根据刻度设计手册选择轴的材料为45钢，调质处理。修圆后，由于输入轴与手柄连接，无需联轴器，只需花键连接即可。考虑到机械电池的体积，与花键的连接应该是一个合理的值。.根据轴向定位的要求确定轴各段的直径和长度A、为满足轴向定位的要求，需要在I-II轴段的右端做一个轴肩，所以取II-III的直径；左端与轴端挡圈定位，挡圈直径取轴端直径。为保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴端上，联轴器与轴的轮毂孔长度应略短于I-II。B、滚动轴承的初步选型。由于轴承主要承受径向力和轻微的轴向力，故选用深沟球轴承。参照工作要求，根据轴承产品目录中0基本游隙组标准精度等级的初步选择深沟球轴承6002型深沟球轴承，所以，和C、右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。6002C轴承定位肩的高度可在手册中找到。D.取安装齿轮的轴段；齿轮右端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮的宽度为15mm。为了使套筒端面可靠地压住齿轮，该轴截面应略短于轮毂宽度，因此取。齿轮左端靠肩定位，肩高3.5，取。领子的宽度，取。E、轴承端盖总宽度为20mm（由减速机和轴承端盖的结构设计决定）。根据轴承端盖的装拆要求和轴承加注润滑脂的方便，取外端面和端盖的一半。联轴器右端面之间的距离，所以取。F.查阅相关资料后得知，至此，输入轴各端的直径和长度已经初步确定。4.4.2中间传动轴设计1）初步确定中间轴的最小直径首先根据教科书（15-2）估算轴的最小直径，并根据刻度设计手册选择轴的材料为45钢，调质处理。修圆后，由于中间传动轴与输入轴连接，不需要联轴器，只需用齿轮连接即可。2）根据轴向定位的要求确定轴各段的直径和长度A、为满足轴向定位的要求，需要在I-II轴段的右端做一个轴肩，所以取II-III的直径；左端与轴端挡圈定位，挡圈直径取轴端直径。为保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴端上，联轴器与轴的轮毂孔长度应略短于I-II。B、滚动轴承的初步选型。由于轴承主要承受径向力和轻微的轴向力，故选用深沟球轴承。参考工作要求，根据轴承产品目录中0基本游隙组标准精度等级的初步选择深沟球轴承6202型深沟球轴承，所以，和C、右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。6002C轴承定位肩的高度可在手册中找到。F.查阅相关资料后得知，至此，中间传动轴各端的直径和长度已经初步确定。4.4.3输出轴设计1）初步确定输出轴的最小直径首先根据教科书（15-2）估算轴的最小直径，并根据刻度设计手册选择轴的材料为45钢，调质处理。修圆后，由于输入轴与手柄连接，无需联轴器，只需花键连接即可。考虑到机械电池的体积，与花键的连接应该是一个合理的值。.2）根据轴向定位的要求确定轴各段的直径和长度为了满足轴向定位的要求，需要在I-II轴段的右端做一个台肩，所以取II-III的直径。B、滚动轴承的初步选型。由于轴承主要承受径向力和轻微的轴向力，故选用深沟球轴承。参照工作要求，根据轴承产品目录中0基本游隙组标准精度等级的初步选择深沟球轴承6002型深沟球轴承，所以，和C、右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。6302C轴承定位肩的高度可在手册中找到。D.取安装齿轮的轴段；齿轮右端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮的宽度为11mm。为了使套筒端面可靠地压住齿轮，该轴截面应略短于轮毂宽度，因此取。齿轮左端靠肩定位，肩高3.5，取。领子的宽度，取。E、轴承端盖总宽度为20mm（由减速机和轴承端盖的结构设计决定）。根据轴承端盖的装拆要求和轴承加注润滑脂的方便，取外端面和端盖的一半。联轴器右端面之间的距离，所以取。F.查阅相关资料后得知，至此，输出轴各端的直径和长度已经初步确定。现在所有三个轴都已经设计好了。4.5章节总结本章的主要任务是确定机械电池结构设计的相关参数，其中最关键的是确定设计的尺寸、尺寸和形状。至此，设计基本可以完成很大一部分，这也是整个设计的关键。5结论机械电池的环保型是其最大的优势。由于机械电池组件易于回收和处置，与化学电池相比，机械电池的环保意义显而易见。机械电池以机械零件为主，使用寿命取决于零件的使用寿命，使用寿命一般较长。此外，机械电池采用曲柄装置作为原动机，可随时充电重复使用。它也用于一些紧急情况或偏远山区。简单地通过人力给电池通电后，即可获得所需的电能。不会像化学电池或充电电池那样长时间不使用而引起故障、漏液等问题。这种新型电池将是未来能源的新方向，其工作原理比较简单，可以部分替代现有的化学电池。因此，前景将非常广阔。国外也有类似的研究，但仅限于结合具体点使用。在此提出和开展的工作尚未在中国报道。特别需要指出的是，国外对电池和蓄电池的研究工作非常重视。目前使用的电池对环境的影响也很受关注。近年来，国家指导性科技攻关项目中关于高性能新型化学电池开发的指导方针显示出其重要性。我们认为，不仅要在现有的化学电池领域投入人力、物力、财力进行深入研究，还要尽可能为未来的新电池领域开辟一条临时的新路。从发展趋势看：这种新型微机械电池具有绿色产品的特点和特定的使用领域。平时可以用，偏远山区或停电时更值钱。因此，这种机械电池将有广泛的应用。在未来更加重视环保的时候，它的价值会更加突出。该设计的创新点包括：(1)首次提出并开展了机械电池研究。与现有的其他将机械能转化为电能的装置相比，机械电池是一种独立的电源，可用于各种场合，用途广泛；（2）采用您联想类比法的创新设计，使外形设计与常规电池相近，在使用过程中无需改变现有电气结构，有利于推广应用；(3)在机械传动结构中，将引入简单的弹簧拉伸和计时装置；在电路中，将引入并联充电和串联放电的结构。这种设计的特点是：（1）与化学电池相比，由于机械能转化为电能，机械电池不会污染环境，有利于环境保护；(2)由于其结构组织多为机械零件，可反复使用。其主要故障模式是零件磨损，回收处理非常方便；(3)机械电池成本不高，可反复使用，寿命长。如果能大批量生产，将产生良好的经济效益。通过对机械电池设计的理论和实验研究，设计了三种不同的机械电池，都是在前人设计的基础上完成的，各有优缺点。主要进行了以下研究：(1)电池的设计与制造我们先后设计了三种机械电池，分别是曲柄式机械电池、拉绳式微型机械电池、计时机械电池，都达到了我们现在的目的。它解决了以前的缺点，但也暴露了自己的弱点，需要进一步改进。机械电池结构小型化研究通过开发机械电池性能实验装置，对机械电池的性能进行测试，研究机械电池性能与结构参数的相关性；优化存储装置结构，驱动方式、传动方式等机械部件减少结构尺寸小型化，探索机械电池微结构的设计规律，使其设计尽可能简单方便和制造。此外，对现有控制电路进行优化设计，掌握其长时间工作的充放电规律，使其结构进一步小型化，工作更加可靠实用。（3）机械电池力学性能研究从强度设计和摩擦学设计两个方面进行了实验和理论研究。建立机械电池性能实验装置，开展强度和摩擦学性能实验研究。、平滑度等）的变化规律。将得到的实验结构与建立的力学模型进行数值分析比较，并与相应的经典设计理论和方法进行对比，掌握了独特的力学设计规则，研究了尺寸和形状对机械电池基本力学性能的影响。确定适用于机械电池性能的材料选择标准。(4)存储电器及电路的设计与实验在设计中，我们选择了合适的存储器件，并设计并制作了具体的电路，以进一步分析该电路在实验中的性能。通过前一阶段的研究，我们发现机械电池也有自己的弱点，需要进一步完善和深入研究。不足之处主要有：(1)机械电池体积尺寸的小型化在前一阶段的研究中，我们使用的组件比较大。通过实验和理论优化设计分析，我们可以在很多地方减少很多部件，例如驱动装置、定位机构、外壳等，通过小型化以减小尺寸为目的，在体积有限的情况下，一般电量远小于化学电池。使用