【正文】 經(jīng)過制作這次的畢業(yè)設(shè)計，使我的理論知識和實際操作能力都得到一個很大的提高，能更好的掌握 AutoCAD 以及對步進(jìn)電機(jī)、蝸輪蝸桿、齒輪、凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計 ，資料文獻(xiàn)查閱檢索能力有了很大的提高 ，這要感謝學(xué)校給我的機(jī)會和老師對我的幫助。接下來提出了本次設(shè)計的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計的整體構(gòu)想，對各部分進(jìn)行了簡單的介紹并列出了對整個機(jī)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)中各個部件的一些設(shè)計要求。 圖 34 凸輪輪廓曲線 表 34 凸輪工作廓線坐標(biāo) x y 0 0 100 0 90 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 43 10 20 30 40 50 60 70 80 90 150 0 140 0 100 110 120 75 70 130 140 150 75 70 160 170 180 0 150 0 140 190 200 210 楊李艷：太陽能電池板轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 設(shè)計 44 220 230 240 50 45 250 260 270 100 0 90 0 280 290 300 50 45 310 320 330 50 45 340 350 360 0 100 0 90 本章小結(jié) 本章對轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行了闡述，并且對其中的主要部件進(jìn)行了簡介和選型。 (1) 確定凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸 設(shè)初步確定凸輪的基圓半徑為 ,推桿滾子半徑為 。 由《機(jī)械設(shè)計》 (第八版第十章 )查表 查得 。 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，由 《機(jī)械設(shè)計》 (第八版第十章 )得 ○ 2 計算 1) 試算小齒輪分度圓直徑 ，代入 [ ]中較小的值。由 《機(jī)械設(shè)計》 (第八版第十章 )選擇小齒輪材料為 40Cr(調(diào)質(zhì) )，硬度為 280HBS，大齒輪材料為 45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS。 (6) 驗算效率 已知 = 。 齒頂圓直徑。 (3) 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計 根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)計準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。凸輪與大齒輪連接在同一根軸上，小齒輪與蝸輪同軸，這樣電機(jī)通過帶動蝸輪蝸桿帶動齒輪進(jìn)而帶動凸輪轉(zhuǎn)動，凸輪轉(zhuǎn)動帶動電池板支架高度發(fā)生改變，以此裝置來實現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)對太陽能電池板高度角的自動跟蹤。 與相對滑動速度 有關(guān) 從 《機(jī)械設(shè)計》 (第八版第十一章 )中插值法查得 。 ○ 2 蝸輪 蝸輪齒數(shù) 41；變位系數(shù) 驗算傳動比 =,這時傳動比誤差為 ，是允許的。 ○ 5 確定許用接觸應(yīng)力 [ ] 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1,金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度，可從 《機(jī)械設(shè)計》 (第八版第十一章 )，中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力。 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 蝸輪蝸桿的選擇 (1) 選擇蝸桿傳動類型 根據(jù) GB/T100851998的推薦，采用漸開線蝸桿（ ZI）。 5) 查取齒形系數(shù)。 8) 計算接觸疲勞許用應(yīng)力。 ○ 3 材料選擇。跟蹤方位角即東西方向的跟蹤，在減速箱體 3內(nèi)安裝由電機(jī) 1齒輪 12和 1蝸輪1蝸桿 17構(gòu)成的。控制系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求不高，因此設(shè)定輸入電機(jī)的脈沖頻率為 100HZ，加速時間為 秒。在方位軸與電機(jī) 18 之間采用了減速比為 1:64 的減速裝置。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指產(chǎn)生不同對極 N、 S 磁場的激磁線圈對數(shù)，常見的步進(jìn)電機(jī)有兩相、四相和五相。步進(jìn)電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、 精確度高、調(diào)速范圍大、起動、制動反應(yīng)靈敏等特點。電池板固定架用來對太陽能電池板進(jìn)行固定， 要求設(shè)計合理，穩(wěn)定。 通過，再在幾種比較合 適的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些修改以更加符合本設(shè)計的要求，最終得到的結(jié)構(gòu)如圖 31所示。從而可以通過控制使光伏系統(tǒng)朝向太陽位置對其進(jìn)行有效跟蹤，提高系統(tǒng)的發(fā)電。 圖 21 太陽角的定義 (1) 太陽高度角 計算太陽高度角的表達(dá)式為 ： （ 23） 式中， 滬為地理緯度； 占為太陽赤緯； 口為太陽時角。冬至過后，太陽正午高度逐日升高，同時白晝增長，太陽的升落又趨向正東和正西，直到春分日 (3月 21日 )太陽從赤道以南到達(dá)赤道。太陽在正午的高度等于 ( 為觀察者當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?)。 地球除了自轉(zhuǎn)外，還繞太陽循著偏心率很小的橢圓形軌道 (黃道 )上運行，稱為“公轉(zhuǎn)”，其周期為一年。 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 太陽的跟蹤方式普遍采用雙向跟蹤，且都是采用兩個動力源驅(qū)動同時跟蹤太陽的方位和高度兩個角度方向，有效的太陽跟蹤裝置可太陽能利用效率提高35%。 圖 13 高度 方位角式全跟蹤 目前 ， 國外對于 太陽能技術(shù)跟蹤裝置 (或稱為太陽跟蹤器 )的研究有，美國Blackace，在 1997年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動跟蹤，而南北方向則通過手動調(diào)節(jié)，接收器對太陽能的熱接收率提高了 15%。 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 11 單軸焦線東西水平布置（南北跟蹤） (2) 雙軸跟蹤又可以分為兩種方式 :極軸式全跟蹤和高度一方位角式全跟蹤。 雖然我國太陽能發(fā)電水平有了相當(dāng)程度的提高，但是離大規(guī)模的應(yīng)用推廣還有很大的距離，光伏產(chǎn)業(yè)還處于成長期。其中印度近幾年發(fā)展迅速，居發(fā)展中國家領(lǐng)先地位，目前光伏系統(tǒng)的年生產(chǎn)量約 10MW，累計安裝量 40～50MW。世界光伏產(chǎn)業(yè)從 1999年的 201MW增加到 20xx年的 1100MW。 我國地處北半球歐亞大陸的東部，土地遼闊，幅員廣大。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的 “ 無限性 ” ，取之不盡，用之不竭。全世界人們一年所用的各種能量之和也只有到達(dá)地球表面的太陽能的數(shù)萬分之一，因此利用太陽能的潛力是十分大的。據(jù)有關(guān)資料顯示 :石油儲量的綜合估算，可支配的化學(xué)能源的極限大約為 1180 1510楊李艷：太陽能電池板轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 設(shè)計 4 億噸，以 1995年世界石油的年開采量 32億噸計算，石油儲量大約在 2050年左右宣告枯竭 ； 天然氣儲備估計在 13180~152900兆立方米，年開采量維持在 2300兆立方米，將在 57一 65年內(nèi)枯竭 。正是由于上述原因，世界能源問題日益嚴(yán)峻，表現(xiàn)在如下方面： 能源短缺 世界上大部分國家能源供應(yīng)不足，據(jù)統(tǒng)計近 10 年內(nèi)化石燃料 (煤、石油與天然氣等 )能量消耗增加了近 20倍，預(yù)計今后十年化石燃料的用量將翻一番，但全球己探明的石油儲量只能用到 2050年，天然氣也只能延續(xù)到 2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。 由于時間及 目前的知識限制，跟蹤系統(tǒng)只是進(jìn)行粗略的角度跟蹤，有較大誤差，今后如有機(jī)會再進(jìn)行改進(jìn)。但太陽能利用效率低這一問題一直影響和阻礙著太陽能技術(shù)的普及。 本論文首先分析了兩種太陽跟蹤方法，即單軸跟蹤和雙軸跟蹤。 Step Motor 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 太陽能電池板 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 設(shè)計 1 概 述 能源與環(huán)保 隨著時代的前進(jìn)，人類社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度日益增加，但是與此同時人類社會的負(fù)擔(dān)和責(zé)任也隨之增加。一次能源的日益枯竭，已引起全世界的極大關(guān)注。其中太陽能應(yīng)用技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢在全世界蓬勃發(fā)展，使人們在能源危機(jī)的焦慮中。其中到達(dá)地球的能量高達(dá) 1011kW，穿過大氣層到達(dá)地球表面的太陽輻射能大約為 1013kW。 利用的經(jīng)濟(jì)性 可以從兩個方面看太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性。 太陽能應(yīng)用包括太陽能發(fā)電和太陽能熱利用。按照預(yù)計的發(fā)展速度， 20xx 年美國光伏銷售達(dá)到 。近來一些幾瓦到幾百瓦的中小型光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)也出現(xiàn)在生活中，如太陽能交通警示燈，高速公路 上的太陽能廣告牌，太陽能路燈等。 圖 11是第 3種跟蹤方式的原理，跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸 (或焦線 )東西向布置，根據(jù)事先計算的太陽方位的變化 ， 太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分繞轉(zhuǎn)軸作俯仰轉(zhuǎn)動跟蹤太陽。太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。 近幾年來國內(nèi)不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究。在小型光伏發(fā)電、太陽能熱利用裝置、農(nóng)村小型民用太陽能灶等方面，采用此裝置不僅方便實用、能量轉(zhuǎn)換效率明顯提高，而且跟蹤系統(tǒng)自身的功耗相對雙軸驅(qū)動時將明顯減少。 假設(shè)觀察者位于地球北半球中緯度地區(qū)，我們可以對太陽在天球上的周年視運動情況做如下描述。在周日視運動中，太陽多出于正東而沒于正西，白晝和黑夜等長。 太陽赤緯隨季節(jié)變化，按照 Coper方程，計算 ： (21) 式中， n為一年中的天數(shù)，如 :在春分， n=81，則 =0，自春分日起的第 d天的太陽赤緯為 : (22) 太陽角的計算 如圖 21所示，指向太陽的向量 S? 與天頂 Z的夾角定義為天頂角，用 表示；向量 S? 與地平面的夾角定義為太陽高度角，用 h表示； S? 在地面上的投影線與南北方向線之間的夾角為太陽方位角，用 表示。負(fù)為日出時角。 本設(shè)計中通過 用兩個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 東西向的方位角跟蹤和南北向的高度角的跟蹤 ， 達(dá)到使太陽能電池板能夠始終正對太陽照射角，從而達(dá)到提高太陽能利用率的目的。連軸器選用的是普遍使用的彈性聯(lián)軸器，耐沖擊，經(jīng)久耐用。因此，步進(jìn)電動機(jī)又稱為脈沖電動機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材 料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組，它結(jié)構(gòu)簡單成本低，步距角可以很小，但動態(tài)性能 較差。時間要素是指加速時間 和 (即從 開始加速到 )，運行時間 t。 ①負(fù)載轉(zhuǎn)矩由實測得到或用相關(guān)計算式估算。所以本系統(tǒng)選用 56BYG250D024 56BYG250C0241 兩相 混合式 步進(jìn)電機(jī)。查閱知步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖頻率的關(guān)系為 步進(jìn)電機(jī)的功率為 式中： n 轉(zhuǎn)速，單位 r/min； f 脈沖頻率，單位 HZ； 步距角，單位176。 4) 由 《機(jī)械設(shè)計》 ( 第 八 版 第 十 章 ) 查 得 材 料 的 彈 性 影 響 系 數(shù)。 根據(jù) v=,7級精度，由 《機(jī)械設(shè)計》 (第八版第十章 )查得載荷系數(shù) 直齒輪， 由 《機(jī)械設(shè)計》 (第八版第十章 )查得使用系數(shù) 由 《機(jī)械設(shè)計》 (第八版第十章 )使用插值法查得 7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時， 。 楊李艷：太陽能電池板轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 設(shè)計 22 大齒輪的數(shù)值大 ○ 2 設(shè)計計算 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù) m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m的大小主要決定于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)， 由（第七版第十章） 可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù) m=，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 算得小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù) ,取 。由 《機(jī)械設(shè)計》 (第八版第十一章 )查得 ，傳動中心距 ○ 1 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 按 估取蝸輪蝸桿傳動效率 ，聯(lián)軸器、軸承傳動效率分別為。 齒根高。 壽命系數(shù) [ ]=56 彎曲強(qiáng)度是滿足的。主軸帶動上平臺轉(zhuǎn)動，上平臺上伸出軸與電池板支架用銷軸固定。 (2) 選擇材料 考慮到蝸桿傳動功率不大，速度只是中等，故蝸桿用 45鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為 45 HRC。 直徑系數(shù)