便攜式太陽能光伏供電系統(tǒng)外觀與結構設計【含CAD圖紙+三維SW+文檔】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 摘 要 新能源是二十一世紀世界經(jīng)濟發(fā)展中最具決定力的五大技術領域之一。太陽能是一種清潔，高效和永不衰竭的新能源，"取之不竭，用之不盡"。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，偏遠地區(qū)太陽能豐富，而且如今傳統(tǒng)的供電方式未能覆蓋到那些地區(qū)，又或者去野外考察和旅游的時候，電子設備得不到及時的充電，使工作的進行產(chǎn)生很大的困難。而本設計——便攜式太陽能光伏供電系統(tǒng)的產(chǎn)生，很好的解決了這一難題，本設計從便攜式和實用性出發(fā)，經(jīng)過對現(xiàn)有產(chǎn)品以及實際需求等多方式的考察，最終優(yōu)化的結構設計類似于便攜式旅行箱的外形設計。該設計中，能夠控制機構的升降運動，太陽能板能夠自動跟蹤陽光的不同照射方向而做相應的旋轉(zhuǎn)，大大提高了太陽能的利用率。而光伏發(fā)電具有安全可靠，無噪聲，無污染，制約少，故障率低，維護簡便等優(yōu)點，地形多樣和居住分散的現(xiàn)實條件下，便攜式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池組件，蓄電池組，大小可根據(jù)需求設計。由于太陽能發(fā)電具有節(jié)能，環(huán)保，一次投資，長期受益的特點。可應廣泛用于別墅群，旅游渡假村，草原牧區(qū)，偏遠山村，高山海島等地區(qū)的小規(guī)模供電。單晶硅太陽能電池板，便攜式旅行箱，免維護膠體蓄電池。便攜式太陽能光伏供電系統(tǒng)的產(chǎn)生，使得太陽能的利用得到了進一步的擴大應用范圍，所以對便攜式太陽能光伏供電系統(tǒng)外觀與結構的優(yōu)化設計，設計出更輕便，利用率更高的便攜式太陽能光伏供電系統(tǒng)具有深遠的意義。 關鍵詞：太陽能；應用廣；無污染；便攜式 Abstract New energy is one of the most five decisive power techniques area decisive on the development of the world economy in twenty-first Century. Solar energy is a clean and efficient and inexhaustible new energy, just as a saying goes "inexhaustible, inexhaustible". There is abundant solar energy in the remote areas while the traditional power supply mode can’t be reached to those areas now through the investigation and founding. Or when you are going outside to make an on-the-spot investigation or travel, it is very hard to go on the work if the electric device can’t get prompt battery charging. The appearance of this portable solar power supply system can solve this problem very well. This design is considering the portable and practical performance and the investigation of current product and actual demand, the final optimization structure design is similar to the shape design of the portable travelling case. This design can control the machine heaving motion. Because of the solar panel can make a relevant spin according to the different directions of sun shine, solar panel can make a good use of the solar energy effectively.The advantages of photovoltaic power generation is safe and reliable, no noise, no pollution, less restricted, low failure rate, easy maintenance and so on. Portable solar photovoltaic power generation system consists of solar battery assembly, storage battery and the size can be designed according to specific requirements under realistic conditions of a variety of terrains and scattered. Because solar power has the advantages of energy saving, environmental protection, invest in one time and long-term benefits. It can be widely used in a small regions’ supply of electricity in villas, tourism resort, pastoral areas, and remote mountain village and Mountain Island. silicon solar cell board, portable suitcase, maintenance-free batteries have all the performance. With the emergence of Portable solar power supply system, it makes the utilization of the solar energy has been further expanded application scope, so the appearance and structure optimization design of portable solar power supply system will be a more compact design and utilization of higher portable solar power supply system has the more profound significance. Keywords: Solar energy; Extensive application; No pollution; portable 目 錄 引言 １ 1 太陽能光伏發(fā)電能源調(diào)查分析 １ 1.1 太陽能發(fā)電概述 １ 1.2 太陽能發(fā)電起源及發(fā)展 １ 1.3 太陽能發(fā)電系統(tǒng)設備 ２ 1.4 太陽能光伏技術 ２ 1.5 應用領域 ２ 1.6 當代世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 ３ 1.6.1發(fā)展現(xiàn)狀 ３ 1.6.2發(fā)展趨勢 ４ 1.7 中國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況、趨勢及企業(yè)責任 ５ 1.7.1發(fā)展狀況 ５ 1.7.2發(fā)展趨勢 ６ 1.7.3企業(yè)責任 ７ 1.8 中國光伏發(fā)電的未來和陽光計劃 ７ 2 便攜式自適應太陽能光伏發(fā)系統(tǒng)機械結構優(yōu)化設計 ８ 2.1 本畢業(yè)設計的主要內(nèi)容 ８ 2.2 市場調(diào)研 ９ 2.3 總體設計思路及原理 １１ 2.4 機械結構優(yōu)化設計方案 １１ 3 設計過程和步驟 １４ 3.1 各部件的設計 １４ 3.2 各傳動部件的設計 ２０ 3.3 標準件的選用 ２１ 4 電動機的選擇 ２１ 4.1 電動機的容量選擇 ２１ 4.2 電動機型號的選定速 ２２ 4.3 電動機參數(shù)的計算 ２２ 5 齒輪傳動計算（直齒輪，圓錐齒輪） ２３ 5.1 直齒輪傳動計算 ２３ 5.2 直齒圓錐齒輪傳動計算 ２６ 6 軸的強度校核計算 ３０ 7 鍵的選擇與及設計機構潤滑的選擇 ３６ 7.1 鍵的選擇與計算 ３６ 7.2 潤滑方式的選擇 ３７ 8 便攜式太陽能光伏供電系統(tǒng)的特點與展望 ３７ 8.1 產(chǎn)品特點 ３７ 8.2 市場定位 ３８ 8.3 展望 ３８ 9 結論 ３９ 謝 辭 ４１ 參考文獻 ４２ IV 引言 由于化石能源的儲量有限,難以維持人類的可持續(xù)發(fā)展;同時化石能源的利用產(chǎn)生的大量有毒有害物質(zhì),將導致環(huán)境污染、溫室效應,嚴重危害地表環(huán)境。人類發(fā)展到現(xiàn)在,越來越多的國家都逐漸清醒地認識到,要在有限資源和環(huán)保嚴格要求的雙重制約下實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的關鍵,就在于尋求清潔環(huán)保的可再生能源。因此,太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能等可再生潔凈能源的大規(guī)模利用就顯得尤為重要,這其中又以太陽能利用的優(yōu)勢最為明顯,它具有以下幾個特點:①儲量的“無限性”相對于常規(guī)能源和其它可再生能源的有限性,太陽能具有儲量的“無限性”,取之不盡,用之不竭。②存在的普遍性相對于其它能源來說,太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性,可就地取用。③利用的清凈性和經(jīng)濟性太陽能的開發(fā)利用幾乎不產(chǎn)生任何污染;同時由于其儲量無限,利用術代價不高,具有良好的經(jīng)濟性。太陽能也必將由此在世界能源的未來結構轉(zhuǎn)換中擔綱重任,成為理想的替代能源。但是,太陽能也存在單位能量強度不高、分布均、轉(zhuǎn)化利用效率較低等問題,這就要求我們太陽能工作者積極探索,研究出更為科學的集能方式和設備,加快太陽能技術的開發(fā)和推廣應用。隨著化石能源的減少,太陽能利用的比例將大幅度提高。便攜式太陽能光伏供電系統(tǒng)的研究與設計，對太陽能的利用具有很大的促進作用。 1 太陽能光伏發(fā)電能源調(diào)查分析 1.1 太陽能發(fā)電概述 太陽能發(fā)電分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電。通常說的太陽能發(fā)電指的是太陽能光伏發(fā)電，簡稱“光電”。光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。 理論上講，光伏發(fā)電技術可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級電站，小到玩具，光伏電源無處不在。太陽能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽能電池（片），有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。其中，單晶和多晶電池用量最大，非晶電池用于一些小系統(tǒng)和計算器輔助電源等。中國國產(chǎn)晶體硅電池效率在10至13%左右，國際上同類產(chǎn)品效率約12至14%。由一個或多個太陽能電池片組成的太陽能電池板稱為光伏組件。光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：一是為無電場合提供電源；二是太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草地各種燈具等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這在發(fā)達國家已經(jīng)大面積推廣實施。到2009年，中國并網(wǎng)發(fā)電還未開始全面推廣，不過，2008年北京奧運會部分用電是由太陽能發(fā)電和風力發(fā)電提供的。 1.2 太陽能發(fā)電起源及發(fā)展 早在1839年，法國科學家貝克雷爾（Becqurel）就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應”，簡稱“光伏效應”。1954年，美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的實用光伏發(fā)電技術。 20世紀70年代后，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機和大氣污染問題日益突出，傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出，同時全球約有20億人得不到正常的能源供應。這個時候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y構，維持長遠的可持續(xù)發(fā)展，這之中太陽能以其獨有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點。 20世紀90年代后，光伏發(fā)電快速發(fā)展，到2006年，世界上已經(jīng)建成了10多座兆瓦級光伏發(fā)電系統(tǒng)，6個兆瓦級的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國是最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃的國家。1997年又提出“百萬屋頂”計劃。日本1992年啟動了新陽光計劃，到2003年日本光伏組件生產(chǎn)占世界的50%，世界前10大廠商有4家在日本。而德國新可再生能源法規(guī)定了光伏發(fā)電上網(wǎng)電價，大大推動了光伏市場和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使德國成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國家。瑞士、法國、意大利、西班牙、芬蘭等國，也紛紛制定光伏發(fā)展計劃，并投巨資進行技術開發(fā)和加速工業(yè)化進程。 1.3 太陽能發(fā)電系統(tǒng)設備 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池方陣，蓄電池組，充放電控制器，逆變器，交流配電柜，太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設備組成。 1.4 太陽能光伏技術 太陽是能量的天然來源。地球上每一個活著的生物之所以具有發(fā)揮作用的能力，甚至于是它的生存，都是由于直接或間接來自于太陽的能量。我們的地球處在離太陽差不多有一億英里的地方。它所截取的輻射能已經(jīng)少到令人難以置信 的程度，即大約千萬分之三，即使這么小的一點能量， 實際上比整個世界現(xiàn)有的發(fā)電能力還大十萬倍！全世界尤其是工業(yè)發(fā)達國家開始感到能量短缺，因此，人們開始求助于太陽能，以解決能源危機。 太陽能發(fā)電的主要優(yōu)點在于：太陽能電池可以設置在房頂?shù)绕綍r不使用的空間，無噪音、壽命長，而且一旦設置完畢就幾乎不要需要調(diào)整?，F(xiàn)在只要將屋頂上排滿太陽能電池，就可以實現(xiàn)家中用電的自給?，F(xiàn)今太陽能的主要用途已不再是小規(guī)模的，從性質(zhì)上來說，是專業(yè)化的。它從軍事領域、通信領域到城市建設領域等都起到了重大的作用。委內(nèi)瑞拉還推出廉價太陽能車、歐洲科學家研制出輕便的可穿在身上的太陽能電池。太陽能的利用存在著巨大的發(fā)展空間，有關的技術有可能在短時間內(nèi)實現(xiàn)突破。它已被許多發(fā)達國家作為其能源戰(zhàn)略的一個重要組成部分。 1.5 應用領域 （1）、用戶太陽能電源：（1）小型電源10-100W不等，用于邊遠無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等；（2）3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；（3）光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉。 （2）、交通領域如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標志燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。 （3）、通訊/通信領域：太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機、士兵GPS供電等。 （4）、石油、海洋、氣象領域：石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等。 （5）、家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。 （6）、光伏電站：10KW-50MW獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。 1.6 當代世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 1.6.1發(fā)展現(xiàn)狀 CSIA最新研究報告稱，目前太陽能電池主要分為單晶硅電池、多晶硅電池和薄膜電池三種。單晶硅電池技術成熟，光電轉(zhuǎn)換效率高，但其生產(chǎn)成本較高，技術要求高；多晶硅電池成本相對較低，技術成熟，但光電轉(zhuǎn)換效率相對較低；而薄膜電池成本低，發(fā)光效率高，但目前其在技術穩(wěn)定性和規(guī)模生產(chǎn)上均存在一定的困難。隨著技術的進步，未來薄膜電池會有更好的發(fā)展前景。2009年全球太陽能電池市場產(chǎn)品銷量比例如圖1-1所示。 圖1-1 2009年全球太陽能電池市場產(chǎn)品結構（按銷售量） 在各國政府的大力支持下，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展。2006年至2009年，太陽能光伏電池產(chǎn)量的年均增長率為60%。由于受到2008年金融危機的影響，2009年前兩個季度光伏電池產(chǎn)量的增長速度有所放緩，但隨著2009年下半年市場需求的復蘇，2009年全年的太陽能電池產(chǎn)量達到了10431MW，比2008年增長42.5%。如圖1-2所示。 圖1-2 2006—2009年全球太陽能電池產(chǎn)量 目前太陽能光伏發(fā)電的成本大約是燃煤成本的11—18倍，因此目前各國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大多依賴政府的補貼，政府的補貼規(guī)模決定著本國的光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模。目前在政府的補貼力度上，以德國、西班牙、法國、美國、日本等發(fā)達國家的支持力度最大。2008年，西班牙推出了優(yōu)厚的光伏產(chǎn)業(yè)補貼政策，使其國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了爆發(fā)式發(fā)展的態(tài)勢，一度占據(jù)了世界光伏電池產(chǎn)量的三分之一強。2009年德國光伏組件安裝量高達3200MW，占全球總安裝量的50.4%。 1.6.2發(fā)展趨勢 （1）全球太陽能需求將持續(xù)成長。在2013到2014年期間，全球太陽能市場年度需求量預計將達到30到40GW的水準。在未來的四到五年里，政策仍然將是主要太陽能市場的最大驅(qū)動力。此外，太陽能模組和其他系統(tǒng)設備的價格對市場需求有著越來越強的影響。 （2）太陽能市場將進一步全球化。新興市場的范圍和所占比重都將有所擴大，值得注意的國家包括：南非、沙烏地阿拉伯、以色列、智利、巴西、墨西哥、泰國、印尼、馬來西亞、菲律賓等等。 （3）中國太陽能市場將占據(jù)舉足輕重的地位。由于中國政府采取優(yōu)惠政策擴大內(nèi)需，預計中國市場將在2013年挑戰(zhàn)全球第一的位置，如何有效開發(fā)中國市場將是對太陽能企業(yè)的一大考驗。 （4）產(chǎn)業(yè)供過于求的局面正在改善。雖然仍然有一些生產(chǎn)線以較低的稼動率在運行而不是退出市場，供需重新平衡的局面將有望在2013到2014年之間到來。 （5）產(chǎn)業(yè)整合將逐步深化。從全球供應鏈角度來看，2012年不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)業(yè)集中度差距變大。雖然多晶硅與硅芯片市場領先企業(yè)的產(chǎn)量已經(jīng)有較大優(yōu)勢，電池和模組段前十名品牌的市場總占有率仍然不足50%，預計在未來兩年中將進一步整合。 （6）太陽能產(chǎn)品價格將逐漸趨于穩(wěn)定。產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)價格仍將受到壓力，以保持終端投資的內(nèi)部收益率，但制造商透過提高效率和降低成本有望改善毛利狀況。 1.7 中國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況、趨勢及企業(yè)責任 1.7.1發(fā)展狀況 中國太陽能資源非常豐富，理論儲量達每年17000億噸標準煤。太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊。中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀70年代起步，90年代中期進入穩(wěn)步發(fā)展時期。太陽電池及組件產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增加。經(jīng)過30多年的努力，已迎來了快速發(fā)展的新階段。在“光明工程”先導項目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國家項目及世界光伏市場的有力拉動下，中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。 2007年，中國光伏電池產(chǎn)量首次超過德國和日本，居世界第一位。2008年的產(chǎn)量繼續(xù)提高，達到了200萬千瓦。中國光伏電池產(chǎn)量年增長速度為1-3倍，光伏電池產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的比例也由2002年1.07%增長到2008年的近15%。商業(yè)化晶體硅太陽能電池的效率也從13%-14%提高到16%-17%。 因美國次貸問題而引發(fā)的金融危機，從華爾街迅速向全球蔓延，致使部分金融機構轟然倒塌，證券市場持續(xù)低迷，石油價格大幅下滑。中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，成為政府重視、股市活躍、風投青睞、各行各業(yè)蜂擁相聚的世界太陽谷。由于設備、原料和市場三頭在外，它對美國、歐洲和日本等國際市場存在很大依存度。隨著這場金融危機特別是國際油價的大幅下挫，對中國光伏發(fā)電業(yè)的投資資金、出口訂單等方面產(chǎn)生重大影響，但金融危機對光伏產(chǎn)業(yè)的巨大影響一定會在未來的某個時間得到消化。長遠來看，世界光伏市場的政策推動力依然存在，光伏產(chǎn)業(yè)的市場成長依然強勁。 目前，中國已形成了完整的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈。從產(chǎn)業(yè)布局上來看，國內(nèi)的長三角、環(huán)渤海、珠三角及中西部地區(qū)業(yè)已形成各具特色的區(qū)域產(chǎn)業(yè)集群（如圖1-2所示），并涌現(xiàn)出了無錫尚德、江西賽維、天威英利等一批知名企業(yè)。2009年中國太陽能電池產(chǎn)量為9300MW，占全球總產(chǎn)量的40%以上，已成為全球太陽能電池生產(chǎn)第一大國（如圖1-3所示）。 圖1-3 2006-2009年中國太陽能電池產(chǎn)量 雖然目前中國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模居全球第一，但產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不協(xié)調(diào)，且產(chǎn)業(yè)整體技術薄弱。2009年中國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)應用分類如圖1-4所示，在整個太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈技術壁壘最大的多晶硅的生產(chǎn)中，國外的主要廠商采用的是閉式改良西門子方法，而這在中國還是空白。中國的多晶硅生產(chǎn)企業(yè)使用的多為直接或者間接引進的俄羅斯的多晶硅的提純技術，其成本高、耗能量，重復性建設嚴重，在整個國際競爭中處于劣勢，這也是在2009年初中國出現(xiàn)多晶硅產(chǎn)能過剩的主要原因。 圖1-4 2009年中國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)應用分類（按裝機總量） 其次，目前中國國內(nèi)的太陽能電池市場規(guī)模較小，國內(nèi)生產(chǎn)的太陽能光伏電池的97%都出口到了海外市場。這種過度依賴出口的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式導致行業(yè)風險很大，易受國際需求量變化的影響。如在2008年的全球金融危機中，因西方國家消減了對光電產(chǎn)品的價格補貼，直接導致了中國許多光伏企業(yè)的倒閉。 1.7.2發(fā)展趨勢 當下，許多國家已把發(fā)展可再生能源作為未來實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方式，而中國也將以太陽能為代表的可再生能源作為未來低碳經(jīng)濟的重要組成部分。近年來，國家財政對太陽能產(chǎn)業(yè)的補貼力度逐年增強。2008年，中國開始啟動屋頂和大型地面并網(wǎng)光伏發(fā)電示范項目的建設；2009年初完成了甘肅敦煌10MWp級大型荒漠并網(wǎng)光伏電站的招標工作；同時太陽能屋頂計劃與金太陽示范工程的財政補貼項目也相續(xù)推出，這一系列的政策措施給中國未來的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)提供了一個廣闊的發(fā)展空間（如圖1-5所示）。 圖1-5 2010-2012年中國太陽能電池產(chǎn)量預測 雖然目前光伏發(fā)電的成本還比較高，但從長遠來看，隨著技術的提升，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)成本的持續(xù)下降，以及其他傳統(tǒng)能源形式的逐漸飽和，太陽能可能將在2030年以后成為主流的能源形式之一。而針對目前中國光伏產(chǎn)業(yè)存在的問題，國內(nèi)相關可研機構和企業(yè)應該潛心于基礎研究、技術改造和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，做到厚積而薄發(fā)。 針對目前光伏發(fā)電成本高、國內(nèi)產(chǎn)業(yè)對出口依存度過高的特點，中國應該加大政策指導和扶持力度，以此來發(fā)展和壯大太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的國內(nèi)市場。經(jīng)驗表明，中國政府的政策導向?qū)⒃谖磥硪欢螘r間內(nèi)決定著中國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水準和市場需求。相信在節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟的的大背景下，在中國政府的大力扶持和倡導下，中國的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)定然會有著光彩奪目絢麗的明天。 1.7.3企業(yè)責任 中國的太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)需要提速，中國的光伏發(fā)電企業(yè)需要崛起。自2002年開始，產(chǎn)業(yè)的壯大及光伏發(fā)電企業(yè)規(guī)模的擴大給相關設備企業(yè)也提供了難得的市場機遇。我國光伏裝備產(chǎn)業(yè)已具有一定的規(guī)模和水平，在國內(nèi)用戶中已建立起良好的信譽。通過和一流電池企業(yè)合作并融合了先進的工藝技術，國產(chǎn)的太陽能電池關鍵設備相繼在國內(nèi)大生產(chǎn)線上得到應用且逐漸成為主流選擇，使我國基本具備了晶體硅太陽能電池制造設備的整線供給能力。受此拉動，我國電子專用設備行業(yè)也呈現(xiàn)出多年未有的蓬勃發(fā)展景象。在引領國產(chǎn)電池制造設備技術及市場的同時，硅材料加工設備如多晶硅鑄錠爐、單晶爐、坩堝烘烤爐等也受到了市場的積極追捧。在中國，只要培育規(guī)范的規(guī)模市場、加大投入、加速能力建設，國內(nèi)光伏發(fā)電企業(yè)完全有條件依托國內(nèi)市場挺進國際市場。光明無限，然而前路漫漫。發(fā)展的先決條件就是政府出臺行之有效的激勵及扶持政策。德、日、美等國家光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的事實證明，政府采用優(yōu)惠政策扶持光伏發(fā)電市場，靠規(guī)模市場拉動產(chǎn)業(yè)發(fā)展、推動技術進步，依賴技術進步和規(guī)模生產(chǎn)降低生產(chǎn)成本，通過提高質(zhì)量和降低價格贏得更大市場的方針和策略是正確和成功的，值得中國借鑒。 1.8 中國光伏發(fā)電的未來和陽光計劃 光伏發(fā)電成為未來電力的重要構成要經(jīng)歷多長時間？政府和公眾的認可度如何？諸多問題困擾著中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)。相對歐美等國家，中國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，還面臨著諸多困境及瓶頸有待進一步突破，這些注定中國光伏發(fā)電企業(yè)的商業(yè)化道路將坎坷崎嶇。地球上傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，與此同時全球還有約20億人得不到正常的能源供應。而太陽能每秒鐘到達地球的能量高達80萬千瓦，如果把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率為5%，那么每年發(fā)電量可達5.6×1012千瓦時，相當于全世界能耗的40倍。隨著科技發(fā)展，光伏發(fā)電成本會繼續(xù)降低。所有技術如晶體硅、薄膜以及一些新概念將會在市場上大量涌現(xiàn)。如果新概念得以成功實施，模塊的轉(zhuǎn)換效率將進一步提高。最終，光伏模塊的能源轉(zhuǎn)換率將達到30%—50%，從而使太陽輻射能可以高效地使用。安裝在陽光充足地區(qū)的一平方米最高效的光伏模塊每年將發(fā)電1000千瓦時。 太陽能是一條上下求索尋求突破之路。太陽能光伏發(fā)電領域不斷涌現(xiàn)出新技術。但過高的電價仍是困擾產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題。太陽能電池上網(wǎng)電價約是火力發(fā)電的10倍。有專家指出，隨著環(huán)保成本的增加，火力發(fā)電的電價變換將呈上升曲線，而薄膜太陽能電池上網(wǎng)電價將隨著大規(guī)模量產(chǎn)和轉(zhuǎn)換效率的提高逐漸下降，兩條曲線預計將在2012-2015年之間相交。另外，市場前景也是不容忽視的問題。而克服這些困難必須依靠企業(yè)和政府的協(xié)同努力。從長期來看，積極拓展產(chǎn)業(yè)鏈上游業(yè)務是中國光伏發(fā)電企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，而中國光伏發(fā)電企業(yè)的責任是加快研發(fā)進度、加快技術創(chuàng)新，通過提高技術水平不斷降低光伏發(fā)電的成本；另外，國家應盡快出臺合理的并網(wǎng)發(fā)電政策，盡快解決結算方法的問題，并對生產(chǎn)企業(yè)、用戶和設備制造商予以適當?shù)难a貼等等。同時，公眾也應該加強對環(huán)境問題的認識，增強使用可再生能源的意愿。而這其中有不得不提的一點，轉(zhuǎn)變觀念是當務之急，更是問題關鍵所在。相信在政府、企業(yè)與全民的共同努力下，中國“陽光計劃”的實現(xiàn)不會是夢。 2 便攜式自適應太陽能光伏發(fā)系統(tǒng)機械結構優(yōu)化設計 2.1 本畢業(yè)設計的主要內(nèi)容 本設計以便攜式移動太陽能光伏供電系統(tǒng)為載體，完成便攜式移動太陽能光伏供電系統(tǒng)的結構設計過程。從而進一步提升自己的專業(yè)技能，為日后踏上工作崗位做好準備。本設計的主要任務有一下幾點： 1）收集并了解便攜式移動太陽能光伏供電系統(tǒng)產(chǎn)品的相關知識和它的外觀及結構，且能夠弄懂它的工作原理及工程過程； 2）復習回學過的課程，如、機械設計、機械原理、工程力學、工程制圖等，查閱相關資料，熟悉機械產(chǎn)品設計基礎、機械零件的加工工藝等與本課題相關的知識，并學習CAD、pro/E等計算機輔助設計軟件； 3）在了解便攜式移動太陽能光伏供電系統(tǒng)工作原理后，對其設計方案進行詳細規(guī)劃分析及其論證，并進行修改及優(yōu)化；； 4）然后完成該系統(tǒng)的外觀結構設計，與其對其相關機構的各種參數(shù)的計算和分析，并完成該系統(tǒng)相關零件材料的選用及其工藝分析。 5）繪制便攜式移動太陽能光伏供電系統(tǒng)產(chǎn)品零件及裝配部件的3D和2D工程圖，最后完成零件拆、裝過程及運動仿真視頻動畫的制作。 2.2 市場調(diào)研 目前市場上現(xiàn)有的太陽能便攜式產(chǎn)品主要有：太陽能發(fā)電手提箱、手機用太陽能充電器等（如下圖2-1至2-6所示）。從目前調(diào)查的情況來看，市面上出現(xiàn)的產(chǎn)品中普遍存在以下問題： 1）沒有太陽跟蹤定位功能，發(fā)電效率一般； 2）比較笨重，不方便攜帶及搬運； 3）結構簡單，技術含量不高。 下面具體舉例說明。 ①如圖2-1所示： 優(yōu)點：結構簡單，可移動； 缺點：太陽能轉(zhuǎn)換效率不高、笨重不便攜帶及搬運。 圖2-1 現(xiàn)有產(chǎn)品（一） ②如圖2-2所示： 優(yōu)點：結構簡單，方便搬運； 缺點：太陽能轉(zhuǎn)換效率不高、使用兩塊太陽能板，成本高。 圖2-2現(xiàn)有產(chǎn)品（二） ③如圖2-3所示： 優(yōu)點：體積及重量小，攜帶很方便； 缺點：太陽能轉(zhuǎn)換效率不高、功率太小、使用的局限性比較大。 圖2-3 現(xiàn)有產(chǎn)品（三） ④如圖2-4所示： 優(yōu)點：結構簡單，可移動； 缺點：太陽能太小效率很低、笨重不便攜帶及搬運。 圖2-4現(xiàn)有產(chǎn)品（四） ⑤如圖2-5所示： 優(yōu)點：結構簡單； 缺點：太陽能轉(zhuǎn)換效率不高、不便攜帶及搬運。 圖2-5 現(xiàn)有產(chǎn)品（五） ⑥如圖2-6所示： 優(yōu)點：結構簡單，可移動； 缺點：太陽能太小效率很低、笨重不便攜帶及搬運。 圖2-6現(xiàn)有產(chǎn)品（六） 2.3 總體設計思路及原理 根據(jù)太陽光投射原理，在太陽能板平面上固定一標桿，將八個光敏電阻以圓圈狀圍繞于標桿外，當太陽光照射到標桿上時，若太陽能板平面偏離太陽位置，則其陰影會投射于相應的光敏器件中，利用單片機檢測各光敏電阻的電壓，便可得出太陽實際方向，進而控制電機帶動太陽能板實現(xiàn)二維運動，使其精確對準太陽，保證電池板板面始終與光線垂直，實現(xiàn)太陽能的最大化收集。便攜式自適應太陽能光伏發(fā)系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能以后存儲在蓄電池里面，是具有可移動性質(zhì)的新型電源。蓄電池為任何形式的蓄電裝置，由太陽能光電池，蓄電池，調(diào)壓元件三個部分組成，可輸出不同的電流及電壓。 2.4 機械結構優(yōu)化設計方案 （1）便攜式自適應太陽能光伏發(fā)系統(tǒng)結構有多種結構設計方法，現(xiàn)在優(yōu)化設計如下： 方案一：如圖2-7所示，太陽能板升降采用導軌滑動機構，尋光機構采用齒輪傳動。 優(yōu)點：旋轉(zhuǎn)平臺平穩(wěn)。 缺點：升降不順暢。 圖2-7方案一 方案二：如圖2-8所示，太陽能板升降與尋光采用連桿滑動與旋轉(zhuǎn)運動機構。 優(yōu)點：零件結構簡單。 缺點：升降不平穩(wěn)，不利于安裝太陽能板。 圖2-8方案二 （2）最終方案如下圖2-9到圖2-12所示： 圖2-9 最終方案截圖（一） 圖2-10 最終方案截圖（二） 圖2-11 最終方案截圖（三） 圖2-12 最終方案截圖（四） 最終方案： 太陽能板升降采用連桿連接成三角形的上升機構，連桿與絲桿連接，通過電機驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)，連桿連接成的三角形的底邊長度發(fā)生改變，實現(xiàn)太陽能板的升降運動。太陽能板尋光采用齒輪傳動機構，兩個電機分別驅(qū)動豎直軸向和水平軸向的傳動，最終實現(xiàn)太陽能板自動尋光的旋轉(zhuǎn)要求。反光板的打開及閉合采用手動實現(xiàn)。感光元器件及電子系統(tǒng)自動根據(jù)太陽光方向來調(diào)整太陽能電池板的朝向，大大提高了太陽能的利用率。 優(yōu)點：太陽能升降順暢，旋轉(zhuǎn)平臺平穩(wěn)；太陽能本兩側增加兩塊可以旋轉(zhuǎn)的反光板，以增加間接太陽光的照射強度轉(zhuǎn)化率；方便攜帶及搬運。 缺點：零件結構稍微復雜。 3 設計過程和步驟 3.1 各部件的設計 （1） 底盤的設計 為了便攜式自適應太陽能光伏發(fā)系統(tǒng)各機械結構零件的拆裝方便，設計底盤與箱體分開，底盤上設計有供安裝轉(zhuǎn)軸與電動機的凹槽，如圖3-1、圖3-2所示，具體尺寸見底盤工程圖。 材料：本設計為便攜式，所以，在滿足設計要求的條件下，應盡量選擇輕質(zhì)量的材料，現(xiàn)選鋁合金：1060合金。 圖3-1底盤（一） 圖3-2底盤（二） （2） 升降機構的設計 該機構對稱設計，兩邊分別用一個電動機經(jīng)過直齒輪傳動帶動絲桿轉(zhuǎn)動，根據(jù)絲桿的轉(zhuǎn)動，絲桿上的兩個滑動鍵會相應的對稱滑動，當電動機正轉(zhuǎn)時，兩滑動鍵靠近運動，連桿撐起升降盤上升運動；當電動機反轉(zhuǎn)時，兩滑動鍵遠離運動，連桿拉下升降盤下降運動。電動機轉(zhuǎn)速為1500r/min，直齒輪轉(zhuǎn)動比為5，絲桿每轉(zhuǎn)一圈，滑動鍵移動1mm，滑動鍵在絲桿上最大移動距離為60mm，即滑動鍵移動到最大距離用時12s，由已知升降機構最大上升距離為300mm，所以升降機構的平均升降速度為25mm/s。部分截圖如圖3-3、圖3-4、圖3-5所示，具體尺寸見相應工程圖。 材料：本設計為便攜式設計，所以，在滿足設計要求的條件下，應盡量選擇輕質(zhì)量的材料，升降盤、升降片、滑動鍵等選鋁合金：1060合金；直齒輪材料為45Cr，調(diào)質(zhì)處理；絲桿材料為45，調(diào)質(zhì)處理。 圖3-3 升降機構（一） 圖3-4 升降機構（二） 圖3-5 升降機構（三） （3） 中心轉(zhuǎn)軸的設計 中心轉(zhuǎn)軸主要功能是實現(xiàn)太陽能板的豎直軸向旋轉(zhuǎn)和水平軸向旋轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)太陽能板自動尋光的旋轉(zhuǎn)要求。電動機帶動錐齒輪傳動，實現(xiàn)豎直軸向旋轉(zhuǎn)，錐齒輪傳動比設計為3，由于機構中有電線相連，所以豎直軸向旋轉(zhuǎn)角度應在360度內(nèi)；水平軸向旋轉(zhuǎn)所用電動機安裝在中心轉(zhuǎn)軸與中心轉(zhuǎn)軸蓋中，其帶動直齒輪傳動，實現(xiàn)水平軸向旋轉(zhuǎn)，直齒輪傳動比設計為5，旋轉(zhuǎn)角度左右各為45度，如圖3-6所示。 材料：本設計為便攜式設計，所以，在滿足設計要求的條件下，應盡量選擇輕質(zhì)量的材料，中心轉(zhuǎn)軸與其蓋選鋁合金：1060合金；直齒輪、錐齒輪選材料為45Cr，調(diào)質(zhì)處理；水平轉(zhuǎn)軸材料為45，調(diào)質(zhì)處理。 圖3-6 中心轉(zhuǎn)軸 （4） 太陽能板及反光鏡的設計 太陽能板用于安裝太陽能電池，其與中心轉(zhuǎn)軸的水平軸連接，能夠水平軸向旋轉(zhuǎn)，太陽能板的兩邊安裝反光板，以增加間接太陽光的照射強度轉(zhuǎn)化率，反光板與太陽能板的角度為45度，其為手動打開與閉合。反光板與太陽能板鎖鍵固定，如下圖3-7、圖3-8所示，圖3-9為閉合狀態(tài)，圖3-10為開打狀態(tài)。 材料：本設計為便攜式，所以，在滿足設計要求的條件下，應盡量選擇輕質(zhì)量的材料，太陽能板與反光板的材料都選鋁合金：1060合金。 圖3-7 太陽能板（一） 圖3-8 太陽能板（二） 圖3-9 反光鏡閉合狀態(tài) 圖3-10 反光鏡打開狀態(tài) （5） 箱體的設計 箱體的結構設計如下圖3-11、圖3-12所示，本設計為便攜式設計，所以箱體上安裝有兩個輪子如圖3-13所示，兩個手把如圖3-14所示，移動箱體有拖動和手提兩種方式。箱蓋與箱底用彈簧鎖鍵固定，如圖3-15、圖3-16所示。箱體厚度為4mm，長×寬×高=458mm×338mm×198mm。 材料：在滿足設計要求的條件下，應盡量選擇輕質(zhì)量的材料，箱體的材料為ABS。 圖3-11 箱體（一） 圖3-12 箱體（二） 圖3-13 箱體的輪子 圖3-14 箱體的手把 圖3-15 箱體的鎖鍵（一） 圖3-16 箱體的鎖鍵（二） 3.2 各傳動部件的設計 （1） 直齒輪傳動設計 直齒輪傳動用于升降機構和水平軸向轉(zhuǎn)動設計中，所以的直齒輪以及配合參數(shù)完全相同，直齒輪為標準件，由solidworks設計庫直接調(diào)出，取小齒輪齒數(shù)為17，厚度為6mm，大齒輪齒數(shù)為85，厚度為5mm，可得傳動比為5。齒輪材料為45Cr，調(diào)質(zhì)處理。傳動示意圖如圖3-17，圖3-18所示。 圖3-17 升降機構的直齒輪傳動 圖3-18 水平軸向的直齒輪傳動 （2） 錐齒輪傳動設計 錐齒輪傳動用于帶動太陽能板豎直軸向旋轉(zhuǎn)，其亦為標準件，由solidworks設計庫直接調(diào)出，取小錐齒輪齒數(shù)為17，大錐齒輪齒數(shù)為51，可得傳動比為3。錐齒輪材料為45Cr，調(diào)質(zhì)處理。傳動示意圖如圖3-19所示。 圖3-19 豎直軸向的直齒輪傳動 3.3 標準件的選用 所用標準件有螺栓、螺釘、螺母、直齒輪、錐齒輪、軸承等，它們都是從solidworks設計庫中直接調(diào)出，國家標準（GB/T 1182-1996）。 4 電動機的選擇 4.1 電動機的容量選擇 按照設計要求以及工作條件可知，本設計所有機構都屬于輕載，選用直流電動機，額定電壓12V.由solidworks質(zhì)量屬性算得本設計上升機構的質(zhì)量m為2400.5g，設計太陽能板上升要時間t為12s，由機構設計可知太陽能板最大上升距離s為300mm，所以平均上升速度v為 V=s/t=300/12 mm/s=25 mm/s 由此得上升機構上升所要的平均功率P得 P=mg*v=2400.5×10-3×9.8×25×10-3=0.588 W 由于該上升機構為三角形設計，剛開始上升時上升速度較快，上升最后階段較慢，所以取電機的最大功率就要適當增大，設機構上升所需最大有效功率P1w=5w。上升機構有兩個電機帶動，所以取P1=2.5w。 由設計可知，太陽能板水平軸向旋轉(zhuǎn)和垂直軸向旋轉(zhuǎn)都只需要克服機構的慣性作用，設需有效功率P2 = P3=2w。 設各機構傳動效率： ——電動機效率，=0.70 ——對滾動軸承的效率，=0.98 ——絲桿傳動效率，=0.88 ——齒輪傳動效率，=0.94 ——圓錐齒輪傳動效率，=0.88 ——工作機效率，=0.85 從而得到傳動系統(tǒng)所需要的總功率 P1=2.5/[0.70*0.982*0.88*0.85] w=4.97 w P2=2/[0.70*0.982*0.88*0.85] w=3.98 w P3=2/[0.70*0.982*0.88*0.85] w=3.98 w 4.2 電動機型號的選定速 由總功率Pw，所以選用電動機型號分別為： 1）由P1，選擇大電動機為：380有刷直流電機 ① 額定電流：I=0.83 A ② 額定功率：PN=10 W ③ 額定電壓：UN= 12 V ④ 額定轉(zhuǎn)速：n=1500 r/min ⑤ 額定轉(zhuǎn)矩：T=0.064 N*m 2）由P2、P3，選擇中電動機和小電動都為：365有刷直流電機 ① 額定電流：I=0.42 A ② 額定功率：PN=5 W ③ 額定電壓：UN= 12 V ④ 額定轉(zhuǎn)速：n=1200 r/min ⑤ 額定轉(zhuǎn)矩：T=0.040 N*m 4.3 電動機參數(shù)的計算 1）主要性能指標 ① 效率：η=70.0% ②允許順逆轉(zhuǎn)速差200(r/min) 2）設計中選用的基值 ① 電壓基準值： UN= 12 V為電動機額定相電壓 ② 功率基準值：PNW 為電動機額定功率 ③ 電流基準值I ：I為電動機額定電流 ④ 阻抗基準值： ZN1=10.9 ZN2=15 3）設計指標要求 ① 效率： —計算值，′—修改值 ② 飽和系數(shù)： FT′—修改值， Fт—計算值， ③滿載電勢標值： （1-εl）′—修改值，（1-εL）—計算值 ④起動電流倍數(shù)： Ist′—修改值，Ist—計算值 5 齒輪傳動計算（直齒輪，圓錐齒輪） 5.1 直齒輪傳動計算 由設計機構可知，所設計的三對直齒輪是完全一樣，而上升機構中所用的直齒輪輸入功率最大，因此只需要計算該處的傳動。 已知輸入功率P=10*0.0.70 W=7 w 1）直齒輪材料，熱處理及精度 考慮此機構的低功率及安裝形式為開式齒輪，故大小齒輪都選用硬齒面直齒輪。 直齒輪材料選用及熱處理工藝 ① 材料： 小齒輪選用40Cr調(diào)質(zhì)后表面淬火，齒面硬度為小齒輪 48~55 HRC 大齒輪選用40Cr調(diào)質(zhì)后表面淬火，齒面硬度為大齒輪 48~55 HRC ② 齒輪精度 按GB/T10095－1998，選擇7級，齒根噴丸強化。 ③ 由以上電動機的選取，可知電動機的轉(zhuǎn)速較大，所以要求設計的齒輪應該有較大的減速作用，預設小齒齒數(shù)=17，大齒齒數(shù)Z=85 ，得轉(zhuǎn)動比i=85/17=5 ④ 齒輪工作壽命20年（設每年工作300天）。 2）按齒面接觸疲勞強度設計 由設計計算公式進行計算。 1）確定各參數(shù)的值： ①試選載荷系數(shù)Kt=1.3。 ②計算齒輪的轉(zhuǎn)矩T=9.55P/n=0.064 N·m ③由機械設計課本式10-13計算應力循環(huán)次數(shù) N=60njLh=60×60×1×(2×8×300×20)=1.728×109 ④查機械設計課本圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN=0.93 ⑤齒輪的疲勞強度極限 取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1，由機械設計課本公式10-12得 ⑥查機械設計課本表10-6得ZE=189.8MPa1/2，由表10-7選齒寬系數(shù)φd=1。 （2）將以上數(shù)據(jù)代入設計計算公式得 ①齒輪的分度圓直徑dt,代入 = ②計算圓周速度v ③計算齒寬 b=φd ×dt=0.60mm ④計算齒寬與齒高之比 mt =dt/z=0.60/17=0.0353mm 齒高h=2.25mt=2.25×0.0353mm=0.079mm 所以b/h=0.60/0.079=7.59 ⑤計算載荷系數(shù) 根據(jù)v=0.047m/s，7級精度，查機械設計圖10-8得動載系數(shù)Kv=1.15，Khα=KFα=KA=1，KHβ=1.436，由b/h=7.59，KHβ=1.436，查圖10-13得KFβ=1.45； 故動載系數(shù) K= KAKvKHαKFα=1×1.15×1×1.436=1.651 ⑥按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由機械設計課本式10-10a得 。 ⑦計算模數(shù) m =d1/z=0.65/17=0.038mm 3）按齒根彎曲強度設計 彎曲強度的設計公式為：m (1)確定公式內(nèi)的各計算值 ①查閱機械設計由圖10-20c查得齒輪的彎曲疲勞極限 ②由機械設計查圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù) ③計算疲勞安全系數(shù)S=1.4,得： Mpa; ④計算載荷系數(shù)K。K= ⑤查取齒形系數(shù)。由機械設計查表10-5得 ⑥查取應力校正系數(shù)，由表10-5查得; ⑦計算齒輪的： =; (2) 帶人設計計算得 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒面直徑有關，由于本機構是超輕載，所以計算得的模數(shù)較小，現(xiàn)取模數(shù)0.5，按接觸強度算得分度圓直徑d=8.5mm,算出齒輪齒數(shù)Z=，即取奇數(shù)齒17。 4）幾何尺寸計算 （1）計算分度圓直徑 d1=zm=17mm d2=zm=85mm (2) 計算中心距： a= (3)計算齒輪寬度b小齒輪為6mm，大齒輪為5mm。 5）結構設計及繪制齒輪零件圖如下圖5-1所示： 圖5-1 直齒輪外形結構 5.2 直齒圓錐齒輪傳動計算 由以上各軸轉(zhuǎn)速、輸入功率、輸入轉(zhuǎn)矩的計算可知，水平轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速為=1200 r/min，功率P=5 w，轉(zhuǎn)矩T=0.04 N·m。該錐齒輪轉(zhuǎn)向器采用一班制，壽命20年（一年以300天計）。本設計中連接錐齒輪的對軸交角∑=90°，所以該齒輪有換向作用，由于電機轉(zhuǎn)速較快，此處亦可設計有減速作用。采用一個兩端支撐一個懸臂的布置方式。 1）選精度等級、材料及齒數(shù) ①選用直齒圓錐齒輪。 ②根據(jù)本設計機構及工作壞境，可選用7級精度（GB 10095-88）。 ③材料選擇：查課本表10-1常用齒輪材料及其力學特性，選用齒輪一的材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為260HBS，強度極限=700MPa，屈服極限=500MPa。 ④齒輪齒數(shù)的選擇：選小齒輪齒數(shù)為17，齒輪齒數(shù)為51。即齒數(shù)比u=3,齒形角α=20°，齒頂高系數(shù)=1，頂隙系數(shù)=0.2。 選用的正交直齒圓錐齒輪截圖如圖5-2所示： 圖5-2 錐齒輪外形結構 2）齒輪齒根彎曲疲勞強度校核計算 ①試選載荷系數(shù)：=1.6，由于齒輪一的轉(zhuǎn)矩為=0.04 N·m ②選動載系數(shù)：查機械設計圖10-8可知，=1.05（7級精度）。 ③齒輪使用系數(shù)：查機械設計表10-2可知，因為該設計機構在工作過程中無沖擊，故選用=1。 ④齒間分配系數(shù)：查機械設計表10-3可知，==1.2 ⑤齒向分配系數(shù)：因為==1.5，查機械設計表10-9可知=1.50。所以，==1.5=1.5*1.5=2.25。 由以上可得：齒輪的接觸強度載荷系數(shù) K==1*1.05*1.2*2.25=2.84 ⑥查機械設計課本，選取齒寬系數(shù)：=0.3 ⑦當量齒數(shù)==24.0，==72.1，查機械設計表10-5得，齒形系數(shù)為=2.65,=2.23，應力校正系數(shù)為=1.58, =1.75。 ⑧選取安全系數(shù)：按照彎曲疲勞強度來校核，取安全系數(shù)S==1.4 由課本式10-13計算應力循環(huán)次數(shù) N=60njLh=60×1200×1×(8×300×20)=3.456×109 由機械設計圖10-18可知，彎曲疲勞強度壽命系數(shù)==0.92； 查機械設計圖10-20（c）得彎曲疲勞極限為：==600MPa，代入機械設計10-24公式得 ==0.025 mm 由于該機構為超輕載，計算得的最小模數(shù)較小，現(xiàn)取模數(shù)為0.5mm 那么分度圓直徑=17*0.5=8.5mm，=51*0.5=25.5mm 分錐角=arctan= 錐距R：R==14.6mm， 齒寬b： b=*R=4.4mm，圓整取b=5 mm ⑨=7.2mm，分度圓上的圓周力為 ===0.011N·mm， ⑩校核強度，由機械設計式10-23可知 ==0.062MPa≤[σ]=600MPa 綜上可知，設計齒輪遠遠小于彎曲疲勞強度，參數(shù)設計合理。 3）齒面接觸疲勞強度設計計算 查機械設計10-26有齒面接觸疲勞強度設計公式： ①試選載荷系數(shù)：=1.6 ②由于齒輪一的轉(zhuǎn)矩為=0.04 N·m ③查機械設計課本，選取齒寬系數(shù)：=0.3 ④確定彈性影響系數(shù)：查機械設計表10-6得，=189.8。 ⑤確定區(qū)域系數(shù)：查機械設計圖10-30，由β=0°得，標準直齒圓錐齒輪=2.5。 ⑥根據(jù)機械設計中循環(huán)次數(shù)公式10-13可知，齒輪的工作應力循環(huán)次數(shù)公式 =60nj=60*1200*1*20*300*8=3.456× h ∵ u=3 ∴ =/u=1.152× h ⑦由工作應力循環(huán)次數(shù)取=1.152× h，查機械設計圖10-19可知，接觸疲勞壽命系數(shù)=0.93 ⑧查機械設計圖10-21（d）可得，錐齒輪的接觸疲勞強度極限==720Mpa ⑨取失效概率為1%，由于點蝕破壞只引起噪聲和振動增大，不會影響工作的繼續(xù)，故疲勞強度安全系數(shù)S==1。 查機械設計公式10-12可知，計算接觸疲勞許用應力： ==（*）/=669.6MPa ⑩對于齒形角α=20°，=2.5，查機械設計手冊得齒面接觸疲勞強度計算齒輪的分度圓直徑： = =0.615 mm 則=（1-0.5）=0.52mm