太阳能自动跟踪装置设计

I太阳能自动跟踪装置设计摘要当近社会能源危机，化石能源存储量不多，发展节能环保可再生的能源势在必行，太阳能清洁无污染是解决当今社会能源危机最好的能源。本次毕业设计主要是完成太阳能自动跟踪装置机械部分的设计。该装置主要用于全天候的捕捉太阳能，提高太阳能电池板的发电效率。该装置是步进电机带动蜗轮蜗杆减速器三百六十度旋转和步进电机带动丝杆一百三十五度转动，始终实现太阳能电池板跟太阳成垂直状态；本装置还通过步进电机带动行星轮减速器减小太阳能电池板的受力面积，避免太阳能电池板在恶劣大风天气因受力面积过大而受损。受力零件用有限元分析，验证选取材料的合理性。本次毕业设计太阳能自动跟踪装置能有效的提高太阳能电池板的发电效率。关键词:太阳能机械装置自动跟踪ElectricJigSawDesignandStructureAnalysisAbstractWhentheenergycrisisofsociety,notmuchfossilenergystorage,itisimperativetodevelopeco-friendlyrenewableenergy,solarenergyiscleanandpollution-freeenergytoaddressenergycrisisintoday'ssocietythebest.Thisgraduationprojectwasmainlycompleteddesignofautomaticsolartrackingdevicesthemechanicalparts.Thedeviceismainlyusedfortheclocktocapturesolarenergy,andimprovepowergenerationefficiencyofsolarpanels.Thedeviceis360degreerotationofsteppermotordrivenwormreducerandsteppingmotordrivenscrew135degreeturn,alwaysimplementsolarpanelswiththesunintoaverticalposition;thisunitisalsodrivenbysteppermotorwithplanetarygearreducerreducestheforceareaofsolarpanelstoavoidsolarpanelsinharshwinds,whichsuffereddamagedareaistoolarge.Finiteelementanalysisofstresscomponents,verifythattherationalityofselectingmaterials.Thisgraduationdesignofautomaticsolartrackingdevicecaneffectivelyimprovetheefficiencyofsolarpanels.Keywords：SolarMechanicaldevicesAutomatictracking第一章绪论........................................................................................................11.1设计的背景与意义......................................................................................11.2国内外太阳能产业发展概况......................................................................11.3研究的基本内容与拟解决的主要问题......................................................21.3.1研究的基本内容...........................................................................22.拟解决的主要问题.............................................................................31.4研究的方法与技术路线..............................................................................31.4.1研究方法.......................................................................................31.4.2技术路线.......................................................................................3第二章太阳能自动跟踪装置外形设计................................................................52.1太阳能自动跟踪装置的整体外形..............................................................52.2太阳能电池板的选择..................................................................................52.2.1太阳能电池发电原理...................................................................52.2.2太阳能电池板确定....................................................................62.3俯仰角调节的装置设计..............................................................................72.3.1太阳角度的计算...........................................................................72.3.2俯仰角的调节设计....................................................................8第三章行星轮减速器的设计........................................................................103.1太阳能电池板收放....................................................................................103.2步进电机的选择........................................................................................103.3行星轮减速器的设计...............................................................................113.3.1行星齿轮的齿形、材料和传动比的选择.................................113.3.2第一级行星轮系设计.................................................................113.3.3第二级行星轮系部分设计计算.................................................17第四章蜗轮蜗杆的设计................................................................................234.1蜗轮蜗杆减速器的设计............................................................................234.1.1蜗轮蜗杆的基本数据.................................................................234.1.2传动零件的设计计算.................................................................234.1.3齿面接触疲劳强度校核.............................................................244.1.4涡轮齿根弯曲强度校核.............................................................254.1.5蜗轮蜗杆几何尺寸计算.............................................................264.2轴的设计计算............................................................................................274.2.1蜗轮轴的设计与计算.................................................................274.2.2初步确定轴的最小直径.............................................................274.2.3涡轮轴的结构设计.....................................................................274.3轴承的选择和计算....................................................................................294.3.1涡轮轴承的选择计算.................................................................294.3.2蜗杆轴承的校核及计算.............................................................31第五章支架有限元分析....................................................................................33第六章总结..................................................................................................37参考文献..............................................................................................................381第一章绪论1.1设计的背景与意义今天的世界已经是一个严重的能源危机的出现，因此，在对可再生的清洁能源发展的世界主要国家，如太阳能，风能，潮汐能，波浪能，在地面车辆挤压能量等。特别是，太阳能，并且是所有能量的来源。但是因为太阳在地球上的密度非常低，最佳条件下一平米面积最多能产生1KW功率，想要大规模使用很困难。既然世界上利用太阳能的开始，太阳能设备要求低，照明装置固定，但太阳能转换效率很低；对于要求苛刻的太阳能设备，跟踪设备是必需的，以跟踪太阳，以获得尽可能多的太阳能。根据世界能源问题和环境问题已成为一个严重的问题，世界各地的“人类面临的最大威胁”，这项研究的目的是提高太阳能利用率，太阳能跟踪系统开发研究，其中有我们面临重大意义的能源问题。同时，太阳能是一种清洁能源，加强发展太阳能，节约能源具有重大意义，保护环境。太阳能资源丰富，既免费的，也不需要交通运输，没有任何污染的环境。作为能源消耗大国中国，如何提高太阳能的利用，是解决能源危机的一种可能的方式。本研究的主要意义如下：

全套设计加QQ11970985或197216396（1）在此课题研究过程中，能够强化工程认识，增加工程实践能力，培养综合使用多学科的理论知识解决实际问题的本领以及创新能力。（2）可以了解国内外太阳能跟踪装置的发展现状，学习太阳能跟踪装置的相关技术。（3）在做本课题的过程中，可以学习SolidWorks，CAD等软件的使用，为以后就业打好扎实的基础。1.2国内外太阳能产业发展概况日本，德国和美国是光伏发电系统的最强大的动力的国家。美国预计光伏发电到2020年总装机容量达到36GW，日本计划在2010年安装近5GW。德国在2000通过的可再生能源法，以固定价格购买优惠鼓励可再生能源，并进2一步补充在2004四月修订可再生能源法，2004年德国使光伏系统设备显著增加，并一举超过日本，成为世界最大的光伏系统安装国家。日本278mw装机容量占全球的30%。德国和日本的装机容量占全球的2/3。目前，中国的电池产品主要出口到这些国家。在过去的十年中，在世界光伏市场的需求，再加上大规模制造技术大幅提高的不断提高，促进了世界光伏产业的迅猛发展，光伏电池产量从1995年到78.6MW，增加1727MW2005年，年均增长速度达到32.4％。可以预见的是全球光伏产能在未来15年将保持20％的年均增长，甚至更乐观的估计，到2010年，全球太阳能产量将增长4倍增长，销售收入增长了3倍，3倍的利润增长。光伏电池产量达到833MW，占了近一半的世界光伏市场份额。在中国大陆进入世界前十位的国家之一光伏制造2005年光伏电池产量为128MW，在世界第四位，占世界市场的7.4％分额。目前，中国已经形成了完整的太阳能光伏产业链。从产业布局，国内的长三角，环渤海，珠三角和中西部地区拥有多元化的区域性产业集群。2009年中国太阳能电池产量为9300MW，占比超过40％的全球产量，已成为全球太阳能电池生产第一大国。虽然中国太阳能光伏产业规模居世界第一，但产业链的不协调发展，与科技行业整体较弱。在整个太阳能光伏产业链技术壁垒最大的多晶硅生产中，国外主要厂商西门子采用的是封闭的改进方法，这在中国尚属空白。中国的多晶硅生产企业使用的直接或间接引进俄罗斯的大部分多晶硅提纯技术，其成本高，能耗大，严重的重复建设，在国际竞争中，这是在2009年初中国多晶硅产能过剩的主要原因。1.3研究的基本内容与拟解决的主要问题（1）整个装置的外形设计。（2）太阳能电池板的选取，步进电机的选取。（3）行星轮减速器的设计选取。（4）蜗轮蜗杆减速器的设计选取。3（1）了解现有的太阳能跟踪装置的设计方案，对比其特点，借鉴优秀方面。（2）使用Solidworks建立太阳能自动跟踪装置的三维模型后，再用CAD画出相应零件的二维图及总的装配图。（3）行星减速器的计算设计，蜗轮蜗杆减速器的计算设计。（4）受力零件有限元的分析。1.4研究的方法与技术路线（1）查阅现有资料解决基本问题，查阅资料计算相关的参数。太阳自动跟踪装置的参数，采用传统的设计计算和设计计算方法。（3）二维造型由CAD进行绘制，三维造型由Solidworks进行绘制。（4）有限元分析通过SolidWorks中Simulation辅助分析。查阅太阳能自动跟踪机械装置的资料，熟悉它的设计方案，完成如图所示的（1）查阅现有的太阳能自动跟踪系统的设计方案，对比他们的特点，借鉴他们优秀的地方，然后结合自己的设计观点，确定我的设计方案。（2）根据设计方案，剖析方案中的系统组成：太阳能自动跟踪装置的外形设计和太阳能电池板的选取；步进电机的选取，零件的设计计算，行星轮减速器的设计和蜗轮蜗杆的设计。（3）太阳能自动跟踪装置的外形设计及太阳能电池板的选取。（4）步进电机的计算选取，零件的设计计算。（5）行星轮减速器的计算设计和蜗轮蜗杆的计算设计。（6）零件受力部分有限元分析。（7）完成论文。4确定设计方案分析方案的系统组成太阳能自动跟踪系统的外形设计及太阳能电池板的选取设计计算行星轮减速器的设计和蜗轮蜗杆的设计零件受力部分有限元分析完成毕业设计5第二章太阳能自动跟踪装置外形设计2.1太阳能自动跟踪装置的整体外形在构思太阳能自动跟踪装置的外形设计时，我首先参考了很多现在技术比较成型的太阳能自动跟踪装置，后来想到了电风扇的外形设计，觉得我的太阳能自动跟踪装置的外形设计可以参考电风扇的外形，所以我所设计太阳能自动跟踪装置的外形跟电风扇的外形有点相似（如图2-1）。图2-1太阳能自动跟踪装置2.2太阳能电池板的选择太阳能电池是对光的响应，将太阳能转换成电力设备。有很多材料能产生光伏效应的，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，硒铟铜，砷化镓等。发电原理基本相同，就用一个例子来描述晶光生成过程。P型非晶硅掺杂有磷可以有一个N型硅，形成PN结。当光线照射在太阳能电池单元的表面时，光子被硅材料的一部分被吸收;光子的能量传递到硅原子上，从而使更多的电子移动，成为自由电子在PN结上形成的电势差结块，两侧的当外部接触时的栅极电路中，电压的影响下，电6流将流通过外部电路产生一定的输出功率。本质是：光子能量转换成电能。【1】类别转换效率优点缺点晶体硅太阳能15%--25%耐用，寿命长，转换效率高生产成本大，不能被普遍使用非晶体硅太阳能电池能在弱光下发电转换效率低，不够稳定，随着时间的推移转换效率衰减化学染料电池最高可达可以扩大太阳能吸收光谱范围，进而提高光电转化效率未工业化生产，不能普及可以扩大太阳能吸收光谱范围，进而提高光电转化效率柔性太阳能电池7.1%方便携带，方便安装光电的转换效率要比常规的晶硅组件低通过上面的表格可知：单晶硅太阳能电池是目前技术比较成熟，性价比最高的，选择比较全面的太阳能电池板。通过网上查询对比选择于辉太阳能公司生产工作电压17.3V，工作电流4.33MA，开路电压21.45V，短路电流4.67MA，电池数9*4PCS，尺寸760x670x35，净重约6.4Kg。图2-2YHM75-18M（一）YHM75-18M的特点1、高性能的PET/EVA聚脂薄膜，钢化玻璃封装。72、高透光率低铁钢化玻璃、抗老化EVA及优良耐火、高绝缘性TPT热压密封而成。3、光电转换效率高、使用寿命长、电气性能衰减小。4、转换效率高，气压，风，冰雹，机械强度高，抗紫外老化。5、阳极优化质铝合金边框，优美的外观。6、安装方便，性能稳定，不受任何地理环境影响。2.3俯仰角调节的装置设计如图2-3所示，指向太阳的向量S与天定Z轴的夹角定义为天顶角，用θz表示；矢量的定义包括太阳入射角的倾斜角度的屏幕法线的夹角的定义，θT表示，矢量和为太阳高度角接地平面，记为h；S在地面上的投影线与南北方向线直接的夹角定义为太阳方位角，用γ表示；地面上的垂直投影线之间的角度和倾正午时w=0，每小时增加15，上午为正，下午为负。[3]1.太阳高度角h计算太阳高度角的表达式为太阳角度的定义（1-1）8太阳在地平线上刚出现的时刻，太阳高度角，H=0°。如果不考虑表面曲率和折射的影响，根据表达在日出或日落时角：（1-2）式中，wθ为日出或者日落时角，以度表示，正为日落时角，负为如出时角。解求出时角后，日出日落时间用求出。一天中日照时间为(1-4)太阳能自动跟踪装置的俯仰角的调节设计，如图2-4所示，太阳能电池板的俯仰角采用步进电机加丝杠的方式来调节实现，通过步进电机带动滚珠丝杆的旋转，调整俯仰角度，达到太阳能电池板和太阳能垂直。。图2-4俯仰角的调节当太阳高度角最低为36.5°（杭州地区冬至日太阳角最小太阳能电池板与水平面的最大53.5度，由此可得出上半部分装置的重心距离旋转轴心最大。上半部分装置的质量大概为120KG，则重力不平衡力矩为229.5风荷载对俯仰轴扭矩：在电池板的扭矩和在电池板的正压力对俯仰角轴扭矩。风力对太阳能电池板产生的扭矩为：9风载荷作用于太阳能电池板的正压力为：式中：Cm—风阻俯仰力矩系数；K—风压高度变化系数，在此取K＝1；A—一个特征区域，迎风面积垂直于物体的方向；D—对象迎风高度（m是特征尺寸的长度。。Cx—风阻力系数；查书【4】得15m/s的风阻力矩系数Cm＝0.0945，风阻系数风速CX=1.1637。由此可得风载荷对机构的最大风阻力矩由此可得太阳能电池板高度角调节装置要克服的最大阻力距为则步进电机需要输出的推力F为：为了减小运动中的阻力系数，选用滚珠丝杠2506-3（查机械设计手册表12-1-33d为滚珠丝杆的直径为20mm，滚珠丝杠的阻力系数是=0.005，摩擦阻力是步进电机克服由此可得出克服的摩擦阻力距为：步进电机的负载转矩必须小于最大静转矩[5]，否则根本带不动负载。为了能稳定运行，负载转矩一般只能是最大静转矩的30%到50%之间，所以选择的步进42BYG250B-0151，静转矩（保持转矩）为0.43。第三章行星轮减速器的设计3.1太阳能电池板收放当风速较大时，电池板力大，整个太阳自动跟踪装置的比较脆弱。为了减少受力面积，太阳能电池板，太阳能电池板自动保护，延长其寿命，我们使用两板两侧的伸缩装置伸缩自如。为了实现折叠功能，对高度略高于在中间低两边的太阳能电池板两侧的太阳能电池板，太阳能电池板上设有皮带轮，在支架的两侧的轨道。步进电机与减速器连接在支架底部的丝杆。因为丝杆在旋转方向两端的螺纹是相反的，所以丝杆旋转，两边的太阳能电池板可以在同一时间，但方向相反的运动完成，实现折叠功能板（如图3-1）。图3-1太阳能电池板的收放3.2步进电机的选择如图3-1所示是电池板收放功能的实现装置。使用步进电机通过减速器将运动和动力传到丝杆上，丝杆的两侧分别与两侧的太阳能电池板相连接。由于丝杆的选择，丝杆的方向是相反的，所以在旋转的丝杆时可以实现双方的太阳能电池板同时以相同的速度运动的反。为了让减速器在同样的减速比条件下布局更加紧凑，减少它的大小，所以选用两级行星轮减速器。两侧的太阳能电池板重量相加约为12.8Kg，假设太阳能电池板与支架之间的摩擦系数为0.1，则推动电池板运动的力为,假设丝杠摩擦系数为0.2，丝杠直径为30mm，则驱动丝杠的力矩为，再考虑到可能会发生过载，取安全系数为2.5，则驱动丝杠的力矩为,.步进电机的负载转矩必须小于最大静转矩[5]，否则根本带不动负载。为了能稳定运行，负载转矩一般只能是最大静转矩的30%到50%之间，所以选择的步进电机的负载转矩在0.28N.m到0.46N.m之间，所以选择森创步进电机42BYG250B-0151，静转矩（保持转矩）为0.43N∙m。3.3行星轮减速器的设计1.齿形及精度因为太阳能电池板收放不需要快速实现，所以这样的行星齿轮减速器的变化速度低，使用压力角为20°每个齿轮直齿轮，精度等级6[6]。2.齿轮材料及性能高速级太阳轮和行星轮采用硬齿面，以提高承载能力，减低尺寸，内齿轮用软齿面。高速级部分采用软齿面。两级材料性能如表3-1。表3-1齿轮材料及性能齿轮材料热处理加工精度太阳轮20CrMnTi渗碳淬火HRC58~62375行星轮267.540Cr调质HB262~2866502753.传动比分配根据传动要求分配第级与第级的传动比，第级传动比i=5,第二级传动3.3.2.1配齿数查机械设计手册第五版第三卷得出的配齿结果：Za=21，Zb=83，ZC=31,通过执行机构的输出轴扭矩水平YY2.54YY2.54Fa2mdzEQ\*jc3\*hps13\o\al(\s\up5(2),)Flim0.7192263.5由此得传入第一级输出轴的扭矩为T3=T5/2i2=117/(0.94)=32.5（N.m）（N.m）（2）按弯强度曲初算模数mi1T1=3T2/1=T3/1i1=7.2因为Flim取Flim1和Flim2 YFa2Y中的较小值Flim2Fa1=293.5375则Flim=293.25N/mm2则齿数模数的出算公式为：mkT1KFEKFPYFa112.17.21.251.61.32.841.1276所以根据机械设计手册第五版取模数m=1.25mm.则可以计算出第一级各齿轮的基本参数如下：表3-2第一级行星轮系基本几何尺寸单位：mm齿轮分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿宽太阳轮26.2528.7523.125行星轮38.7541.2535.625103.75101.25106.8753.3.2.2进行接触和弯曲疲劳强度校核计算表3-3接触强度有关系数代号名称说明取值Km算式系数直齿轮12.1KFp行星轮间载荷分配系数FEKFE综合系数查机械设计手册YFa1Y齿形系数查机械设计手册2.84YFa1Y2.543.3.2.3齿轮疲劳强度校核1.外啮合计算接触应力H,计算其需用应力HP,式中的参数和数值如表3-4表3-4外啮合接触强度有关参数和系数代号名称说明取值AKA使用系数中等冲击查VVK动载系数a(vx0.957m/s,6级精度，avxz/1000.18KH齿向载荷分布系数查书得uH=0.311.065K齿间载荷分布系数六级精度1HPKHP行星轮间载荷分布系数行星架浮动，HHZ节点区域系数2.5Z重合度系数a1.595,0,0.90Z螺旋角系数直齿，=01分度圆上切向力500.8Nb工作齿宽u齿数比z/z31/211.48NZN寿命系数按工作15年，每年工作300天，每天12小时计算1H0HEd1H0HEd1buNmm2724.6/HNL60nt60(nanx)npt7.48109109LZL润滑油系数v50150106m2/s2,`WZW工作硬化系数内齿轮均为硬齿面1SHlim最小安全系数按高可靠度查表接触应力基本值接触应力685.7685.7(1.5261)许用接触应力:QHPHlimZNZLZVZRZWZX/SHlim故HHP,接触强度通过3.3.2.4齿根弯曲疲劳强度齿根弯曲疲劳应力F及许用应力根据机械设计手册计算并分别对太阳轮和行星轮进行校核。各项参数如表3-5表3-5外啮合齿根弯曲强度有关参数和系数代号名称说明取值KF齿向载荷分布系数b/h6.8N(b/h)20.8341(b/h)(b/h)2KF(KH)N1.0541.054FFK齿间载荷分布系数FFHKK1FPKFP行星轮载荷分按式7-43布系数YFa.aY太阳轮齿形分配叙述x=0,za`=192.84YY行星轮齿形分布系数x=0,zc292.54Y重合度系数Y0.25/Y0.25/0.720.72YNTY弯曲寿命能够系数LNLN1YSTY试验齿轮应力修正系数按所给Flim区域图取Flim2YYrelT齿根表面形状系数ZZR2.41.045SFlim最小安全系数按高可靠度①太阳轮：弯曲应力基本值：弯曲应力：Fp。a=Flim.a.YST.YNT.YrelF.a.YrelT.a.YX=故Fa<Fp。a,弯曲强度通过②行星轮F0。c=FtYFa.cYsa.cYY/bm=685.72.541.720.721/(171.25)103.79N/mm2Fp。c=Flim.c.YSTYSTYNTYrelT.aYrelT/SFlimF。c=F0。c.KA.KV.KF.KF.KFPt1 db.uHH0KA.KV.KH.KH.KHP305.8791.251.011.06511.20388.536N/mm2HlimZNZLZVZRZWZX6561.031.050.930.971.111SHlim1.25563.1N/mm2故F。c<Fp。c,弯曲强度通过①齿轮接触疲劳强度不同的参数为u=77/29=2.655,Z=0.87,ZN=1.03,ZR=0.97,ZW=1.11305.879N/mm2HP=②齿根弯曲疲劳强度F。c=F0KAKVKFKFKFP=Fp=Flim.cYSTYSTYNTYrelT.aYrelT/SFlim故F<Fp,弯曲强度通过YYmkm33TKKY 1FEFPFa12dz1Flim3.3.3.1.配齿数按弯曲强度初算模数m因为Flim取Flim1和Flim2 YFa2Y中的较小值FlimFlim2=Y=2.54则Flim=293.25N/mm2则齿数模数的出算公式为：0.7282263.5根据机械设计手册第五版取模数m=1.5mm.则第二级各齿轮的基本参数如下表示：表3-6第二级行星轮系基本几何尺寸单位：mm齿轮分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿宽太阳轮29.25行星轮34.537.530.7599105.752.进行接触和弯曲疲劳强度校核计算表3-7接触强度有关系数代号名称说明取值Km算式系数直齿轮12.1KFp行星轮间载荷分配系数3.3.3.2齿轮疲劳强度校核1.外啮合根据机械设计手册计算接触应力H,其需用应力HP,式中的参数和数值如表3-8。表3-8外啮合接触强度有关参数和系数代号名称说明取值AAK使用系数按中等冲击查表VVK动载系数a(vx0.957m/s,6级精度，avxz/1000.18KH齿向载荷分布系数查书uH=0.311.065K齿间载荷分布系数六级精度1HPKHP行星轮间载荷分布系数行星架浮动，HHZ节点区域系数2.5EZE弹性系数查机械设计手册189.8Z重合度系数a1.595,0,0.90Z螺旋角系数直齿，=01分度圆上切向力1547Nb工作齿宽许用接触应力:u齿数比zc/za27/280.960.96NNZ寿命系数按工作15年，每年工作300天，每天12小时计算NL60nt60(nanx)npt7.48109109，按图6-18HRC=60,v=0.957,1LZL润滑油系数v50150106m2/s2,`WZW工作硬化系数内齿轮均为硬齿面1SHlim最小安全系数高可靠度接触应力基本值：H0HEd1bu676.13N/mm2接触应力QHPHlimZNZLZVZRZWZX/SHlim故HHP,接触强度通过3.3.3.3齿根弯曲疲劳强度齿根弯曲疲劳应力F及许用应力计算并分别对太阳轮和行星轮进行校核。各项参数如表3-9：表3-9外啮合齿根弯曲强度有关参数和系数代号名称说明取值KF齿向载荷分布系数b/h6.8N(b/h)20.8341(b/h)(b/h)2KF(KH)N1.0541.054FFK齿间载荷分布系数FFHKK1FPKFP行星轮载荷分布系数YFa.aY太阳轮齿形分配叙述x=0,za`=192.84YY行星轮齿形分布系数x=0,zc292.54Y重合度系数Y0.25/Y0.25/0.720.72YNTY弯曲寿命能够系数LNLN1YSTY试验齿轮应力修正系数按所给Flim区域图取Flim2YYrelT齿根表面形状系数RZ2.4，1.045SFlim最小安全系数按高可靠度，弯曲应力：Fp。a=Flim.a.YST.YNT.YrelF.a.YrelT.a.YX=HH0KA.KV.KH.KH.KHPHlimZNZLZVZRZWZX6561.031.050.930.971.111SHlim1.25563.1N/mm2故Fa<Fp。a,弯曲强度通过②行星轮F0。c=Ft.YFa.c.Ysa.cYY/bm=15472.541.720.721/(301.5)108.14Fp。c=Flim.c.YSTYSTYNTYrelT.aYrelT/SFlimF。c=F0。c.KA.KV.KF.KF.KFP故F。c<Fp。c,弯曲强度通过①齿轮接触疲劳强度ZN=1.03,ZR=0.97,ZW=1.11H0=Z.Z.Z.Z.Z381.5N/mm2HP=②齿根弯曲疲劳强度F。c=F.KA.KV.KF.KF.KFPFp=Flim.c.YSTYSTYNTYrelT.aYrelT/SFlim=275211.021.0451/1.25468.996N/mm2故F<Fp,弯曲强度通过第四章蜗轮蜗杆的设计水平角采用步进电机驱动蜗轮蜗杆减速器的跟踪，减速器输出轴连接板的方式。采用蜗轮蜗杆减速器，不仅起到降低速度增大转矩的功能，还可以利用其自锁功能，防止大风等恶劣天气对装置的破坏。4.1蜗轮蜗杆减速器的设计行星轮减速器与步进电机总质量约为30Kg，蜗轮蜗杆上部支撑杆的总质量约为100Kg，所以整个装置的总质量合计为260Kg，推力圆柱滚子轴承上的基本查书得推力圆柱滚子轴承的摩擦系数为0.004，步进电机要克服的摩擦力为F=10.4N，要克服的摩擦阻力距为Mf=0.51N.m，考虑安全，取安全系数2，所以客服的摩擦阻力距为旋转柱需要克服摩擦距离，所以最小力矩电机的输出应为=为了能稳定运行，负载转矩一般只能是最大静转矩的30%到50%之间，所以选择的步进电机的负载转矩在0.11N.m到0.62N.m之间，所以选择森创步进电机42BYG250B-0151，静转矩（保持转矩）为0.43。选用普通ZA圆柱蜗杆传动，有利于保障传动的平稳性，考虑到蜗轮蜗杆的自锁性能，我们选取蜗杆的材料为45号钢，表面淬火处理。涡轮的材料为锡青铜，在滑动速度约为0.1m/s的条件下，知当量摩擦角为4.5°，我们选取蜗杆的头数Z1=1，涡轮的齿数为Z2=82，传动比为i82，模数为m2.5，无变位系数，导程角为=310'47"，数据查机械设计手册。1.单级蜗轮蜗杆传动HP'70N/mm2HP'70N/mm23.蜗杆的头数Z1=1，涡轮的齿数为Z2=82，传动比为i82，模数为m2.5，无变位系数，导程角为=310'47"确定许用应力涡轮许用接触应力：HP'HPZVSZN涡轮许用弯曲应力：FP'FPYN'220N/mm2FP采用脂润滑方式，得滑动速度影响系数ZVS0.95。假定该设备的使用寿命为5年，每年300个工作日，每班12小时，JC=40%，工作环境温度350C，可以得到齿轮应力循环次数：则许用接触应力：HP'HPZVSZN=2200.951.45=303N/mm2许用弯曲应力:FP'FPYN=70N/mm2根据机械设计手册第五版，齿面接触强度验算公式：HZEHPEmm70NEmm70Nmm2N2N使用系数KA0.9载荷分布系数K1载荷系数KV1.1涡轮克服的摩擦阻力距为T21.12N.m将上述数据代入齿面接触强度验算公式9400T94001.120.91.1145.5Nmm2303Nmm2HZ9400T94001.120.91.1145.5Nmm2303Nmm2所以齿面接触强度校核通过。根据机械设计手册得验算公式：FYFSYFPZZ28282.4则V2cos3cos33.2根据机械设计手册，得Y10.97FPF8.550.974.2N/mm2FP所以涡轮齿根弯曲强度校核通过Rf2da1c*m25.5mm4.1.5.1蜗杆几何尺寸计算d1d直径系数q=m=18齿顶圆直径da1d12hEQ\*jc3\*hps13\o\al(\s\up7(*),)m50mm齿根圆直径df1d12m(hEQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up7(),)c)39mm蜗杆轴向齿厚a2蜗杆的法向齿厚snsacos3.925cos3.23.92mm蜗杆螺纹长度b1110.06Z2m110.06822.539.8mm取40mm4.1.5.2涡轮几何尺寸计算蜗轮齿数z282蜗轮分度圆直径d2mz22.582=205mm涡轮喉圆直径da2d22m20522.5210mm齿根圆直径df2d22.4m20521.22.5199mm涡轮宽度b20.75da10.755037.5mmRd1m20mm涡轮齿顶圆弧半径2涡轮齿根圆弧半径2表4-1蜗轮蜗杆的基本参数：参数蜗杆涡轮齿数1模数2.52.5传动比分度圆直径45205导程角压力角20°20°旋向右旋右旋4.2轴的设计计算涡轮轴上的阻力距为T21.12Nm求作用在蜗轮上的力圆周力Ft3.8N径向力FrFttan0.21N轴向力Fa27.3N选择轴材料为45钢，调质，根据机械设计手册得：dminA031.0311535.6mm图4-2涡轮轴的结构可得d3rCM1可得d3rCM1mm4.2mmhFM校核轴的强度VBFr2Fa2d20.2127.3260截面C左侧的弯矩为MFMFl2MFMFl2D)绘制合成弯矩图，如图4-3（d）。截面C左侧的合成弯矩为MM2M2截面C右侧的合成弯矩为MC2MhC2MVC221.78Nm蜗轮与联轴器之间的扭矩为F)绘制当量弯矩图，如图4-3（f）。因为轴为单向转动，所以扭矩为脉动循环，折合系数0.6，危险截面C处的弯矩为MrCMC22T21.7820.61.1221.9NmG)计算危险截面C处满足强度要求的轴径由于C处有键槽，故将轴径加大5%，即4.2mm1.054.7mm。而结构设计简图中，该处的轴径为d70mm，故强度足够。图4-3涡轮轴的校核4.3轴承的选择和计算查机械设计手册，圆锥滚子轴承30212的主要性能：计算轴承支反力301H1V1H1V1R2R2R24738.9271.424739.4NFSSRH11903.5N，RH24738.9N垂直支反力：RV132.2N，RV271.4N合成支反力：RR2R21903.5232.221903.7NH2V24.3.1.1计算轴承派生轴向力1.轴承派生轴向力S：故轴承1被压紧，轴承2被放松2.计算轴承所受的轴向载荷AFSAFS283.51579.81863.8NAS1579.8N223.计算轴承所受的当量动载荷，轴承工作时有中等冲击，查得载荷系数fP1.2当量动载荷计算公式：PfP(xRyA)A/A/R0.98ex10.4,y11.5A/R0.33eA/R0.33e4.3.1.2轴承寿命的计算因，故应按计算，温度系数，圆锥滚子轴承寿命系数10/3Lh()()10/3445992h312H2V2查机械设计手册，圆锥滚子轴承30207的主要性能：计算轴承支反力水平支反力：RH1514N，RH25095N垂直支反力：RV1608.6N，RV22097.8N合成支反力：RR2R25142608.62796NRR2R2509522097.825509.6N4.3.2.1计算轴承派生轴向力1.轴承派生轴向力S：S1R1/(2Y)796/(21.5)265.3NS2R2/(2Y)5509.6/(21.5)1836.5NFSS所以轴承1被压紧，轴承2被放松2.计算轴承所受的轴向载荷AS1836.5N224.3.2.2计算轴承所受的当量动载荷轴承工作时有中等冲击，载荷系数fP1.2，当量动载荷计算公式：32PfP(xRyA)A/R0.33e