【正文】 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 目 錄1. 前言 本課題研究的目的與意義 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 本課題的研究?jī)?nèi)容及技術(shù)方法路線 42. 總體設(shè)計(jì) 機(jī)械式電池的基本原理及組成 7 三種機(jī)械電池的方案設(shè)計(jì) 8 搖柄式機(jī)械電池 8 拉繩式機(jī)械電池 11 定時(shí)器式機(jī)械電池 13 本章小結(jié) 153. 變速器的設(shè)計(jì)方案 傳動(dòng)裝置 17 傳動(dòng)裝置（I） 17（II） 19 傳動(dòng)裝置（III） 20 發(fā)電機(jī)的選擇 22 本章小結(jié) 244. 增速裝置的設(shè)計(jì) 25 25 26 29 輸入軸的設(shè)計(jì) 29 中間傳遞軸的設(shè)計(jì) 30 輸出軸的設(shè)計(jì) 31 本章小結(jié) 325. 結(jié)論參考文獻(xiàn) 37致 謝 381. 前言 本課題研究的目的與意義創(chuàng)新被越來越認(rèn)識(shí)到是技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動(dòng)力，隨著知識(shí)的不斷創(chuàng)新，科技的突飛猛進(jìn)己經(jīng)為整個(gè)人類帶來了翻天覆地的變化。無論是我國(guó)黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人，還是我國(guó)科技界都指出加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新對(duì)我國(guó)的國(guó)際地位具有決定性的意義。機(jī)械電池就是一種綜合先進(jìn)科技技術(shù)形成的創(chuàng)新微小機(jī)電產(chǎn)品。 眾所周知:化學(xué)電池以其方便而被廣泛使用，但化學(xué)電池存在著材料浪費(fèi)，容易造成污染，和處理麻煩等缺點(diǎn)，但是由于沒有更好的替代產(chǎn)品，因此始終大量的制造和生產(chǎn)。從目前的電池市場(chǎng)來看，無疑化學(xué)電池占據(jù)了幾乎電池市場(chǎng)的全部份額。人們?cè)诙兰o(jì)末開始加大了新型的環(huán)保電池研制，目前己經(jīng)有一些太陽能電池、燃料電池等應(yīng)用，但是，這些新型電池還完全不足以與化學(xué)電池相比。在環(huán)保要求越來越嚴(yán)格的今天，環(huán)保電池的研究力度越來越大同時(shí)，故對(duì)機(jī)械電池的研制與開發(fā)同樣是十分必要的，也是符合社會(huì)發(fā)展需求的。盡快解決機(jī)械電池這類環(huán)保型電池的一些關(guān)鍵性的難點(diǎn)，讓這種機(jī)械式電池更能接近實(shí)際應(yīng)用和日常的生活，才會(huì)廣泛應(yīng)用在未來的生活中。在這種情況下， 研究環(huán)保型的機(jī)械式電池己成為必然。 機(jī)械電池屬于新型微小機(jī)電產(chǎn)品的范疇。這些產(chǎn)品正隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展大量的涌現(xiàn)出來。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 近年電子產(chǎn)品、移動(dòng)通信產(chǎn)品朝著微型化、便攜式的方向發(fā)展，對(duì)高容量、微型化電池的需求量迅速增長(zhǎng)。據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司統(tǒng)計(jì)，1989年全球無線尋呼用戶共1900萬戶，其中美國(guó)988萬戶（占52%）、亞太地區(qū)228萬戶（占12%）：1995年全球無線尋呼用戶共8500萬戶，美國(guó)2800萬戶仍名列第一、中國(guó)2010萬戶名列第二。移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，對(duì)微型高容量電池的需求也大幅度增長(zhǎng)。人們對(duì)環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，祈盼“綠色電池”的呼聲越來越高。 當(dāng)前，化學(xué)電池以其方便而被廣泛使用，但化學(xué)電池存在著材料浪費(fèi)，容易造成污染和處理麻煩等缺點(diǎn)。由于沒有更好的替代產(chǎn)品，化學(xué)電池始終大量的制造和生產(chǎn)。在這種情況下，研究環(huán)保型的 機(jī)械式電池已成為必然。 機(jī)械式電池是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。目前，在將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能方面，國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)報(bào)道，國(guó)外則有過類似的實(shí)踐。九十年代初，英國(guó)人發(fā)明了機(jī)械發(fā)電收音機(jī)，其基本原理是，將發(fā)條的機(jī)械能驅(qū)動(dòng)小型發(fā)電機(jī)，提供收音機(jī)電源，從而收聽節(jié)目。差不多在同期，日本精工公司制造出利用人體動(dòng)能產(chǎn)生電能的人動(dòng)電能手表。在該結(jié)構(gòu)中，主要是利用了微型技術(shù)，將發(fā)電機(jī)微化在手表中，通過人體的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)慣性飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力元件帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)生磁力切割產(chǎn)生電流，并送到大容量的電容器中儲(chǔ)存，然后不斷供給指針。這些都是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行單一應(yīng)用的實(shí)例，顯然，這些裝置都只是應(yīng)用于其各自的單一商品中，而不能進(jìn)行廣泛應(yīng)用。 將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能方面，可以追溯到早期的自行車所用的摩電燈。在車輪的帶動(dòng)下工作的微型發(fā)動(dòng)機(jī)為自行車燈提供電源，就屬于機(jī)械能轉(zhuǎn)換電能的一種裝置。近年來，隨著電子元件的迅速發(fā)展和環(huán)保日益嚴(yán)格的要求，人們開始嘗試新的機(jī)械能轉(zhuǎn)換電能的應(yīng)用研究。上世紀(jì)九十年代初，英國(guó)人發(fā)明了機(jī)械發(fā)條絲收音機(jī)，其基本原理是將發(fā)條的機(jī)械能驅(qū)動(dòng)小型發(fā)電機(jī)，提供收音機(jī)電源從而收聽節(jié)目。據(jù)報(bào)道，這一產(chǎn)品曾在美國(guó)攻打阿富汗的反恐戰(zhàn)爭(zhēng)中，通過飛機(jī)向山區(qū)的阿富汗居民空投，為美軍和反塔利班陣線的進(jìn)攻提供宣傳工具。 圖11 英國(guó)法條收音機(jī)原理圖通過前期的研究和實(shí)驗(yàn)，我們提出在手機(jī)電池中運(yùn)用我們的機(jī)械電池，主要有驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、變速器、發(fā)電機(jī)、整流器、存儲(chǔ)器（小體積的鋰電）組成，這樣在外出等特殊情況下，一旦手機(jī)沒電了，我們只要擰動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就可以充電了，另外還可以將機(jī)械電池用在手電中，這一技術(shù)已經(jīng)成熟，英國(guó)的freeplay energy公司已經(jīng)作為其一項(xiàng)產(chǎn)品見圖11。 圖12 機(jī)械充電式手電筒差不多在同一時(shí)期，日本精工公司制造出利用人體動(dòng)能的人動(dòng)能手表。在該結(jié)構(gòu)中主要利用了微型技術(shù)將發(fā)電機(jī)微化在手表中，通過人體的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)慣性飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)力元件帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)生磁力切割產(chǎn)生電流，并送到大容量的電容器中儲(chǔ)存，然后不斷供給指針，見圖13。從日本將人動(dòng)電能手表的使用來看，由于該產(chǎn)品利用了人手臂揮動(dòng)提供的能量，從而可以使手表正常工作。一般揮動(dòng)的時(shí)間不超過一天都可以正常工作。當(dāng)時(shí)間不提供動(dòng)力時(shí)，則通過使電路進(jìn)入休眠狀態(tài)，維持低電量消耗，從而在恢復(fù)能源提供后再正常工作。因此可以維持較長(zhǎng)的使用時(shí)間。這些產(chǎn)品都是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能應(yīng)用的實(shí)例。 圖13 日本精工人動(dòng)電能手表內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 本課題的研究?jī)?nèi)容及技術(shù)方法路線 需要指出：無論是自行車的摩電燈、英國(guó)機(jī)械發(fā)電收音機(jī)，還是日本的人動(dòng)電能手表，這些裝置都只是應(yīng)用于其各自的單一商品中，其能源系統(tǒng)是不能單獨(dú)和互換，進(jìn)而廣泛應(yīng)用。我們知道電池最大的一個(gè)特點(diǎn)是互換性，他不針對(duì)某一種電器，而是可以普遍使用。因此，基于電池的這一特性，提出了開發(fā)機(jī)械電池的研究，并已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。我們的設(shè)計(jì)是將機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)從具體的電器元件獨(dú)立出來，制成可以提供電源的機(jī)械式電池。當(dāng)產(chǎn)品使用時(shí)，只需要把機(jī)械電池的正負(fù)極像普通電池一樣與電器元件連接，就可以使其正常工作。鑒于這種機(jī)械電池一般用人力驅(qū)動(dòng)，因此更適合非長(zhǎng)時(shí)間工作的電器，除上面提到的人動(dòng)手表、收音機(jī)外，還可以在手電筒、應(yīng)急燈、玩具等應(yīng)用。另外，在前期的研究中，我們還進(jìn)行了電容器和機(jī)械傳動(dòng)部分的分離工作，并提出了并聯(lián)充電，串聯(lián)使用的新的設(shè)計(jì)原理。按照這一方案得到的機(jī)械電池有電動(dòng)分離的特點(diǎn)，因此具有重復(fù)使用的特點(diǎn)，體積也會(huì)減小。同時(shí)，除了我們自己研制的發(fā)電充電裝置以外，電池的電容部分還可以用普通的充電器變壓后充電。這種構(gòu)思除了方便以外，還有簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等很多好處。當(dāng)時(shí)，也存在一般難于在使用中直接進(jìn)行充電的缺點(diǎn)。如前所述，隨著微小型化的微電子器件進(jìn)入機(jī)械領(lǐng)域，使得微電子與機(jī)械進(jìn)一步集成，從而設(shè)計(jì)制造出結(jié)構(gòu)和功能獨(dú)特的微型機(jī)電系統(tǒng)。迄今，人們采用不同的工藝方法在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)制造成功各種微器件 已形成年產(chǎn)值幾十億美元的規(guī)模，并且還在迅速發(fā)展。國(guó)外已經(jīng)在人動(dòng)電能和機(jī)械收音機(jī)等方面成功開發(fā)了產(chǎn)品。因此機(jī)械電池的開發(fā)不僅將研究推廣為用途更加廣泛、且有利于環(huán)境保護(hù)的產(chǎn)品，而且有著練好的社會(huì)效益和巨大的經(jīng)濟(jì)潛力。 圖14 機(jī)械電池原理圖 圖14為機(jī)械電池的基本原理圖 ，主要有機(jī)械動(dòng)力源、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、微型發(fā)電機(jī)、連接部件組成，當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械動(dòng)力源以后，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來增速并將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳到微型發(fā)電機(jī)上，這樣產(chǎn)生的電就可供其他電器使用。 機(jī)械式電池的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，由驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)、機(jī)械能電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電能存儲(chǔ)器和控制電路幾大部分集成而成的，其基本工作流程見圖15. 圖15 機(jī)械電池工作流程圖 由于像機(jī)械電池這類新型微小機(jī)電產(chǎn)品要在功能上實(shí)現(xiàn)要求，在較小的尺寸間，將動(dòng)力、傳動(dòng)、能量轉(zhuǎn)換、控制電路和輸出集成在一處，因此其設(shè)計(jì)也就帶來許多問題。其中的矛盾有：如尺寸和強(qiáng)度之間，尺寸小，強(qiáng)度一般要低：結(jié)構(gòu)與功能上，結(jié)構(gòu)不易太復(fù)雜，但又必須滿足其功能；設(shè)計(jì)與制造加工之間的矛盾等等。歸結(jié)起來，主要是產(chǎn)品微型化帶來的問題。本研究的技術(shù)路線如圖16。圖16 研究技術(shù)路線流程圖 總之 ，在機(jī)械電池的設(shè)計(jì)過程中，既要在材料的選取要充分考慮如何達(dá)到要求，又要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面都必須更具其特點(diǎn)進(jìn)行微型化設(shè)計(jì)。因此，照搬宏觀的機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械傳動(dòng)、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)、發(fā)電、供電設(shè)備設(shè)計(jì)等理論和原理是很難實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)理論和方法上具有其自身特點(diǎn)。 綜上所述，可以看出：機(jī)械電池可以用在很多場(chǎng)合，比如手電筒、收音機(jī)、電動(dòng)玩具等等，如果做成普通電池形狀和體積，那就可以部分取代化學(xué)電池，用在很多地方，可替換性和多場(chǎng)合使用也是機(jī)械電池的一大優(yōu)點(diǎn)，通過這個(gè)特點(diǎn)，也是我們的設(shè)計(jì)有別于其他的機(jī)械發(fā)電結(jié)構(gòu)，它們的使用場(chǎng)合單一，卻缺少可移植性，因此，機(jī)械電池是現(xiàn)在小型機(jī)械發(fā)電裝置基礎(chǔ)上的一種原理上的創(chuàng)新。 同時(shí)，機(jī)械電池具有典型微小機(jī)電產(chǎn)品的特征，與普通發(fā)電設(shè)備不同。它將所有的機(jī)電部分集成在尺寸為幾十毫米的產(chǎn)品中。而其領(lǐng)域卻涵蓋機(jī)械設(shè)計(jì)、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)、發(fā)電裝置和電路等多學(xué)科，構(gòu)成了一個(gè)微型動(dòng)力轉(zhuǎn)換、機(jī)械傳動(dòng)、發(fā)電、供電和控制系統(tǒng)，因此其設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)的技術(shù)水平。另一方面，由于尺寸的限制，要在非常有限的空間內(nèi)，設(shè)計(jì)出具有使用價(jià)值的，可部分替代化學(xué)電池的機(jī)械電池。所以，對(duì)他的研究也將帶來在設(shè)計(jì)、制造技術(shù)上的創(chuàng)新。2. 總體設(shè)計(jì) 機(jī)械式電池的基本原理及組成 機(jī)械式電池主要由輸入裝置（如手柄、拉繩）、增速機(jī)構(gòu)、發(fā)電裝置、蓄電裝置和輸出裝置組成。其基本原理是通過人動(dòng)輸入裝置(如手柄、拉繩)，使增速機(jī)構(gòu)運(yùn)行起來，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，使其產(chǎn)生電能，儲(chǔ)存到蓄電裝置中以備輸出裝置使用。其流程圖如圖21.輸入裝置（手柄）增速機(jī)構(gòu)發(fā)電裝置增速裝置輸出裝置蓄電裝置 三種機(jī)械電池的方案設(shè)計(jì) 搖柄式機(jī)械電池 在搖柄式中基本想法就是增大臂長(zhǎng)。這樣，在驅(qū)動(dòng)變速器帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的時(shí)候就可以節(jié)省很多的力，但共有著方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)這種驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了搖柄式機(jī)械電池，其結(jié)構(gòu)見圖22，在這款電池中，就采用了搖柄式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)作為動(dòng)力源，讓搖柄連接變速器，這樣搖動(dòng)搖柄就可以帶動(dòng)變速器運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣發(fā)電機(jī)就可以工作了。圖22 手搖式機(jī)械電池原理示意圖搖柄式這種驅(qū)動(dòng)方式在很多場(chǎng)合下都有運(yùn)用，比如機(jī)械收音機(jī)、手電筒、機(jī)械電池等都可以引入搖柄式驅(qū)動(dòng)方式，平時(shí)使用時(shí)只要搖動(dòng)手柄，就可以讓發(fā)電機(jī)發(fā)電并將電存在存儲(chǔ)器中，供照明使用。考慮的搖柄式機(jī)械電池的操作方便性，在制作這