【正文】 太大。設計變速器的變速比主要考慮兩方面問題，設計變速器的變速比主要考慮兩方面問題，一方面是變速器的增速比要達到實驗要求，另一方面是要選擇合適的變速器類型及變速器級數(shù)。因為變速器的變速比小則達不到實驗變速器的變速要求，但變速比越大，則隨之帶來的傳動阻力也越大，同樣變速器的變速級數(shù)越多，則傳動阻力也相應越大。根據(jù)設計試驗的數(shù)據(jù)結果計算分析，所需電機主軸平均轉速至少為200r/s，而拉動轉盤一般平均轉速為3r/s，故在動力源與電機主軸之間必須有一個增速裝置，且增速比至少為70:，加工制作有一定的難度，我們選擇手表中的齒輪，然后配對組裝，使其的增速必要達到要求，通過實驗我們選擇了二級增速器齒輪，:1，:1，:1，可以滿足我們的需要。齒輪1與齒輪2的傳動是第一級傳動，第一級傳動比；齒輪3與齒輪4的傳動是第二級傳動，第二級傳動比；齒輪5與齒輪6的傳動,是第三級傳動，第三季傳動比。根據(jù)以上要求原則，以及理論分析和具體制作的要求，該變速器類型為三級展開式圓柱直齒輪變速器，、均滿足實驗需要。因為變速器的變速比小則達不到實驗變速器的變速要求，但變速比越大，則隨之帶來的傳動阻力也越大，同樣變速器的變速級數(shù)越多，則傳動阻力也相應越大。只要該增速器沒有傳動具有自鎖性的特點，反接便能達到增速的要求。 傳動裝置 傳動裝置（I） 根據(jù)我們后面設計和試驗的需要，結合數(shù)據(jù)初步計算分析，所需電機主軸平均轉速至少500r/min，而按正常速度搖動手柄的平均轉速為50r/min，故在動力源與電機主軸之間必須有一個增速裝置，且增速比至少為10:1。有標準系列產(chǎn)品，由專業(yè)工廠生產(chǎn)。由展開式圓柱齒輪增速器構成傳動系統(tǒng)。蝸桿傳動的傳動比大、結構緊湊、尺寸小、重量輕。這種增速器的極其總體布置橫向尺寸小，比較緊湊，但結構較復雜，制造成本較高。選擇變速器的類型，綜合各種類型變速器的特點進行分析：由圓錐圓柱齒輪增速器構成傳動系統(tǒng)。因此，基于變速器的傳動要求，從實際制造經(jīng)濟成本、工作可靠穩(wěn)定性、傳動效率、結構緊湊性等多方面考慮，變速器的傳動方式選擇為齒輪傳動。故從經(jīng)濟成本和工作要求兩方面而言，蝸桿傳動都不是較好的選擇。 本章小結本章主要介紹了三款可行性機械式電池的設計方案，分別為搖柄式機械電池、拉繩式機械電池和定時器式機械電池，這三款設計均能滿足我們預期的目的，都有其各自的優(yōu)點與缺點，所以要根據(jù)我們的設計方案的要求取最優(yōu)化方案，這將會在后面的設計中可以得到解決。 (3)對于電容器的選擇上，應在普遍電池尺寸的基礎上，合理利用其間的空間，放入可能多的電容器，因為在實驗中，電容器越多，充入的電量也就越多，這樣使用的時間也就更長，實驗效果更加明顯。 (2)在選擇發(fā)電機、變速箱時，在保證尺寸的同時，盡量選擇軸徑大的。但和前面幾款電池同樣有輸出電壓偏低的缺點，我們會采用相同的處理方式，通過充電時，電容器組并聯(lián)而使用時電容器組串聯(lián)的方式，能夠實現(xiàn)充電時電容器組輸入電壓1V左右（根據(jù)最后一級轉速估計）或以下的前提下，在放電使用時通過電容器組并、串轉換（并串方式的自動轉換是利用二極管的單向導通性實現(xiàn)的）時的輸出電壓3～4V。模型制作完畢后，就可以按理論設計來進行相關的實驗，按理論上設計來說，只要擰動旋鈕，并按照定時器的設定時間，就可以讓發(fā)電機工作，通過齒輪變速器傳遞到發(fā)電機發(fā)電，給電池充足電量，設計結果應該能夠滿足需要。這樣，在進行軸連接時可以選擇多一些比較柔的連接，也可以選用尼龍、橡膠等進行連接，可以減少振動，降低能耗。（2） 齒輪傳動級數(shù)過多，會引起過多的摩擦及能量損失，可以設法減少齒輪級數(shù)，盡可能提高每級的傳動比，但同時要盡量控制設計的尺寸。在本設計中要解決的關鍵問題（1） 機械式電池摩擦特性的要求各不相同，對于作為運動阻力的摩擦盡量避免，甚至實現(xiàn)零摩擦。圖25 拉繩式機械電池比較照片 定時器式機械電池 經(jīng)過對模型各部件的設計以及完整的可行性分析，我們可以按設計的方案進行實際模型的制作，以檢驗設計模型的實際可行性。按照原理圖，將涉及選擇的各個部件裝配好，并放在前面設計的機械式電池的外殼里面，這樣整個裝配就完成了（見圖25），從圖中我們可以看出，這個機械式電池的體積還是比較小的，其體積約為：直徑40mm、厚度10mm。具體設想是，通過提高磁通量和二級變速實現(xiàn)。在前一階段的研究中，工作重點是使機械電池工作，因此體積和功率并不是主要矛盾。此外，機械式電池采用發(fā)條裝置作為原動機構，可隨時充電和反復使用，它還是用于在一些緊急場合或偏遠山區(qū)等場合。但通過充電時電容器組并聯(lián)而使用時電容器組串聯(lián)的方式，～，在放電使用時通過電容器組并、串轉換（并串方式的自動轉換是利用二極管的單向導通性實現(xiàn)的）時的輸出電壓達1～，發(fā)電裝置能夠產(chǎn)生一定的電量，設計的電路也能夠實現(xiàn)充放電且能夠放大輸入電壓，應該說基本上達到了試驗的預期目的。模型制作完畢后，就可以按理論設計進行相關的實驗，按理論上設計來說，只要拉動細繩，通過轉盤、齒輪變速器傳遞到發(fā)電機發(fā)電，給電容器充足電量，設計結果應該能夠滿足需要。這樣，在進行軸連接時可以選擇多一些比較柔的連接，這樣可以減少振動，降低能耗。 （2）齒輪傳動會有一定的摩擦及能量損失，可以設法減小齒輪級數(shù)，盡量提高每級的傳動比，但同時要盡量控制設計的尺寸。 在實驗與制作中解決的關鍵問題有: (1)機械式電池摩擦特性的要求各不相同，對于作為運動阻力的摩擦盡量避免，甚至實現(xiàn)零摩擦。這樣拉繩式微機械電池的部件就基本選定，經(jīng)過對模型各部件的設計及完整性的可行性分析，我們可以按設計的方案進行實際模型的制作，以檢驗設計模型的實際可行性。 拉繩式機械電池 拉繩式驅動結構由轉盤、發(fā)條、細繩索、外部框架組成，如圖24所示，將發(fā)條放在轉盤中，發(fā)條一端固定在轉盤上，而另一端則固定在外殼上，轉盤和變速器連接在一起，繩索纏繞在轉盤外圍，并延伸到外殼的外部，這樣一旦拉動繩索，就會帶動轉盤和法條，發(fā)條由于有一段固定在外殼上面，所以發(fā)條會被纏繞，從而能夠存儲一定的勢能，當放松拉繩的時候，變速器會在發(fā)條的帶動下轉動，從而使發(fā)電機工作。 (3)驅動機構、變速器、發(fā)電機在連接時應充分考慮同軸度的問題，如果精度不夠，將會造成運轉時很大的偏心問題，所以應確保這些部件軸徑盡量大一些，相對減小偏心問題。若將設計擴展到微電領域，微機電系統(tǒng)往往利用摩擦作為牽引或驅動力，此時則要求摩擦力具有穩(wěn)定的數(shù)值而且可以適時控制，建立微機械電池性能實驗裝置將盡可能考慮不同工況條件；微機械電池的摩擦副間隙很小，而微機電系統(tǒng)的能源很小，因而要求盡可能的降低摩擦能耗，因此將可能要利用分子膜潤滑技術以達到減摩的目的。這樣的幾個電容器并聯(lián)以后就可以存儲足夠的電能了，可供一般的使用要求。 (3)對于電容器的選擇，應在普通電池尺寸的基礎上，合理利用其間的空間，放入可能多的電容器，因為在實驗中，電容器越多，充入的電量也就越多，這樣使用的時間也就更長，實驗效果更加明顯。 (2)在選擇發(fā)電機、變速箱時，在保證尺寸的同時，盡量選擇軸徑大的。 設計過程是:在選定發(fā)電機、變速器、電容器之后，故對于各部分裝置進行初步估算，根據(jù)設計的要求，假設設計模型，并根據(jù)模型中的各部分的要求選擇相適應的參數(shù)的部件。當通過搖柄給電容器充入足夠的電量以后，就取出電池，這時的電池可以替代普通電池使用。由微型發(fā)電機發(fā)出的電能通過電源線將正負極分別引出到外殼的頭尾，這樣具有機械能的電池就可以用于不同的電器了。將微型發(fā)電機與傳動裝置的輸出端相連，而傳動裝置的輸入端與機械動力源(搖動手柄)相連，當搖動手柄，產(chǎn)生動力(要素:力矩與轉速)，通過變速器將轉速與轉矩通過聯(lián)軸器傳遞到發(fā)電機軸上，帶動發(fā)電機發(fā)電，然后充入電容器。但通過充電時電容器組并聯(lián)而使用時電容器組串聯(lián)的方式，能夠實現(xiàn)在充電時電容器組輸入電壓0. 4～0. 5V左右或以下的前提下，在放電使用時通過電容器組并串轉換(并串方式的自動轉換是利用二極管的單向導通性實現(xiàn)的)～，發(fā)電裝置能夠產(chǎn)生一定的電量，設計的電路也能夠實現(xiàn)充放電且能夠放大輸入電壓，應該說基本上達到了試驗的預期目的。 模型制作完畢后，就可以按理論設計來進行相關的實驗，按理論上設計來說，只要搖動手柄，通過齒輪變速器傳遞到發(fā)電機發(fā)電，給電容器充足電量，設計結果應該能夠滿足需要?？紤]的搖柄式機械電池的操作方便性，在制作這款電池時體積相對較大，但偏大部分是充電器部分，而存儲器部分則和普通化學電池相當大小，只要充入足夠的電量，其完全可以取代普通的化學電池使用，經(jīng)過對模型各部件的設計及完整性的可行性分析，我們可以按設計的方案進行實際模型的制作，以檢驗設計模型的實際可行性。這樣，在驅動變速器帶動發(fā)電機的時候就可以節(jié)省很多的力，但共有著方便、結構簡單等優(yōu)點，針對這種驅動方式，設計了搖柄式機械電池，其結構見圖22，在這款電池中，就采用了搖柄式驅動結構作為動力源，讓搖柄連接變速器，這樣搖動搖柄就可以帶動變速器運轉，這樣發(fā)電機就可以工作了。其基本原理是通過人動輸入裝置(如手柄、拉繩)，使增速機構運行起來，帶動發(fā)電機，使其產(chǎn)生電能，儲存到蓄電裝置中以備輸出裝置使用。所以，對他的研究也將帶來在設計、制造技術上的創(chuàng)新。而其領域卻涵蓋機械設計、摩擦學設計、發(fā)電裝置和電路等多學科，構成了一個微型動力轉換、機械傳動、發(fā)電、供電和控制系統(tǒng)，因此其設計充分體現(xiàn)了現(xiàn)代科學的技術水平。 同時，機械電池具有典型微小機電產(chǎn)品的特征，與普通發(fā)電設備不同。在設計理論和方法上具有其自身特點。圖16 研究技術路線流程圖 總之 ，在機械電池的設計過程中，既要在材料的選取要充分考慮如何達到要求，又要在結構設計和強度設計方面都必須更具其特點進行微型化設計。歸結起來，主要是產(chǎn)品微型化帶來的問題。 機械式電池的功能是將機械能轉化為電能，由驅動裝置、機械傳動、機械能電能轉換系統(tǒng)、電能存儲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 機械電池工作流程圖 由于像機械電池這類新型微小機電產(chǎn)品要在功能上實現(xiàn)要求，在較小的尺寸間，將動力、傳動、能量轉換、控制電路和輸出集成在一處，因此其設計也就帶來許多問題。因此機械電池的開發(fā)不僅將研究推廣為用途更加廣泛、且有利于環(huán)境保護的產(chǎn)品，而且有著練好的社會效益和巨大的經(jīng)濟潛力。迄今，人們采用不同的工藝方法在實驗室中已經(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。當時，也存在一般難于在使用中直接進行充電的缺點。同時，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。另外，在前期的研究中，我們還進行了電容器和機械傳動部分的分離工作，并提出了并聯(lián)充電，串聯(lián)使用的新的設計原理。當產(chǎn)品使用時，只需要把機械電池的正負極像普通電池一樣與電器元件連接，就可以使其正常工作。因此，基于電池的這一特性，提出了開發(fā)機械電池的研究，并已經(jīng)取得了一定的進展。 圖13 日本精工人動電能手表內(nèi)部結構圖 本課題的研究內(nèi)容及技術方法路線