太阳能板自动偏航传动系统设计2

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1、太 动偏航传动系统设计新疆大学机械工程学院机械 085 班 孙德龙第一章 太阳能背景及介绍摘要：太阳能能源是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）人类所需能 量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太 阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料 也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是 由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也 都是由太阳能转换来的。本文对太阳能跟踪系统进行了机械设计和自动跟踪系 统控制部分设计。本文设计了太阳能板自动偏航传动，首先对达到自动跟踪太阳 效果的工作原理进行整体结构分析，叙述

2、了系统整体的设计思路。最后分析了作 品的应用前景，并提出作品不够理想之处及其相应的改进方向。1.1 背景1.1.1 能源现状及发展能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前，包括我国在内的绝大多 数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日渐枯 竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展 新能源和可再生能源的研究开发工作1。虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构 中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能 等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提 高。据统计

3、2, 20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长1%,而太 阳能发电每年增长达 20%，风力发电的年增长率更是高达 26%。预计在未来 5 至 10 年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的 局面。相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。1.1.2 我国太阳能资源我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。我国地处北半球欧亚大陆的东 部，土地辽阔，幅员广大。我国的国土跨度从南到北、自西至东，距离都在 5000km 以上，总面积达960 x 104km，占世界总面积的7%,居世界第三位。据估算， 我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50X10

4、18KJ,全国各地太阳年辐射总量 达335837KJ/cm2A，中值为586KJ/cm2 Ao从全国太阳年辐射总量的分布来 看,西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉 林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及 台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那 里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间 长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均 日照时间为3005.7h,相对日照为68%，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8 天，年平均云量为4.

5、8，太阳总辐射为816KJ/cm2 A,比全国其它省区和同纬度 的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地 为最，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日 照时数仅为1152.2h,相对日照为26%，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6 天，年平均云量高达8.4o其它地区的太阳年辐射总量居中。1.1.3 目前太阳能的开发和利用人类直接利用太阳能有三大技术领域4,即光热转换、光电转换和光化学转换，此外，还有储能技术。太阳光热转换技术的产品很多,如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷, 温室与太阳房,太阳灶和高温炉,海水淡化装置、水泵、热力发电

6、装置及太阳能 医疗器具。1.1.4 太阳能的特点太阳能作为一种新能源,它与常规能源相比有三大优点5： 第一,它是人类可以利用的最丰富的能源,据估计,在过去漫长的 11 亿年 中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。第二,地球上,无论何处都有太阳能,可以就地开发利用,不存在运输问题, 尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。第三,太阳能是一种洁净的能源,在开发和利用时,不会产生废渣、废水、 废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。太阳能的利用有它的缺点：第一，能流密度较低，日照较好的，地面上1 平方米的面积所接受的能量只 有1 千瓦左右。往往需要相当大的采光集热

7、面才能满足使用要求，从而使装置地 面积大，用料多，成本增加。第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。1.2 课题研究的目的本课题主要研究太阳能板手动偏航系统的机械传动设计，目的为较方便的适应人们 操作，具有较好的稳定性，结构简单。且能具有高的太阳能利用率。1.3 研究课题的意义1.3.1 新环保能源长期以来6，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，而这些矿物作为 一次性不可再生资源，储量有限，而且燃烧时产生大量的二氧化碳，造成地球气 温升高，生态环境恶化。据国际能源机构预测，人类正面临矿物燃料枯竭的严重 威胁。这种全球性的能源危机，迫使各国政府投入大量的人力和财力，研究和开 发新能源，如太阳能

8、等。能源危机，环境保护成为当今世界关注的热点问题。据联合国环境规划署资 料7，目前矿物燃料提供了世界商业能源的 95%，且其使用在世界范围内以每 10年 20%的速度增长。这些燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源， 按照可持续发展的目标模式，决不能单靠消耗矿物原料来维持日益增长的能源需 求。因此越来越多的国家都在致力于对可再生能源的深度开发和广泛利用。其中 具有独特优势的太阳能开发前景广阔。日本经济企划厅和三泽公司合作研究认 为，到 2030 年，世界电力生产的一半将依靠太阳能。基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大 威胁”的严重问题，本课题的目的是为了更充

9、分的利用太阳能、提高太阳能的利 用率，而进行太阳追踪系统的开发研究，这对我们面临的能源问题有重大的意义。 同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护 环境也有重大的意义8。1.3.2 提高太阳能的利用率太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源 9，这就对太阳 能的收集和利用提出了更高的要求。尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳 能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但太阳能的利用还远远不够，究其 原因，主要是利用率不高。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高太阳 能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手，一 是提高太阳能装

10、置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转 换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。太阳跟踪系统为解决这 一问题提供了可能。不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与 太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积 内收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着，集热装置若想收集更多 方向上的太阳光，那就必须要跟踪太阳。香港大学建筑系的教授研究了太阳光照 角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明:太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收 率相差 37.7%，精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，进而提高了太 阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太

11、阳能的利用领域。1.4 太阳能利用的国内外发展现状日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国。日本太 阳热能的利用，从1979 年第二次石油危机后开始，1990 年进入普及高峰。太阳 能技术日益创新，能量转换率不断提高，成本也是新能源中最低的。日本将太阳 能的利用分为太阳光能和热能两种。太阳光能发电，是利用半导体硅等将光转化 为电能。从2000 年起，日本太阳能发电量一直居世界首位，2003 年太阳能发电 装机容量约为 86 万千瓦，占世界太阳能发电装机容量的49.1%，并计划到 2010 年达到 482 万千瓦，增加约 6 倍。德国对太阳能资源的利用可追溯到 20世纪 70

12、年代，现在德国已经在太阳能 系统的开发、生产、规划和安装等方面积累了大量经验，发明了一系列高效的太 阳能系统。1990 年德国政府推出了“一千屋顶计划” ，至 1997 年已完成近万 套屋顶系统，每套容量15千瓦，累计安装量已达3.3万千瓦。根据德国联邦 太阳能经济协会的数字，在过去的几年中，德国太阳能相关产品的产量增加了 5 倍，增速比其他国家平均水平高出一倍。另据德新社报道，全球最大的太阳能发 电厂已在德国南部巴伐利亚州正式投入运营。这家太阳能发电厂投资 7000万欧 元，占地77万平方米，发电总容量达12兆瓦，能为3500多个家庭供电。截至 2005 年年底，德国共有 670 万平方米的

13、屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产 4700兆瓦的热量。已用 4%的德国家庭利用了清洁环保、用之不竭的太阳能，估 计每年可节约2. 7亿升取暖用油。目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到 发电系统制造比较完备的生产体系。2005 年，美国光伏发电总容量达到 100 万 千瓦，排在日本和德国之后，居世界第 3位。为了降低太阳能光伏发电系统的生 产成本，美国政府最近制定了阳光计划，大幅度增加了光伏发电的财政投入，加 快多晶硅和薄膜半导体材料的研发，提高太阳能光伏电池的光电转化效率。目前， 美国正在新建几座新的太阳能电站。预计到2015 年，美国光伏发电成本将从现 在的2

14、140美分/千瓦时降到6美分/千瓦时，届时，太阳能光伏发电技术的竞 争力将会大大增强。太阳能在能源发展中占有相当的优势，据美国博士对世界一 次能源替代趋势的研究结果表明，到 2050 年后，核能将占第一位，太阳能占第 二位， 21 世纪末，太阳能将取代核能占第一位，很多国家对太阳能的利用加强 了重视。意大利1998年开始实行“全国太阳能屋顶计划”，将于2002 年完成，总投 入 5500 亿里拉，总容量达 5 万千瓦。印度也于 1997 年 12 月宣布，将在 2002 年前推广 150 万套太阳能屋顶系统。法国已经批准了代号为“太阳神 2006”的 太阳能利用计划，按照该计划，每年将投入30

15、00万法郎资金，到2006年，法国 每年安装太阳能热水器的用户达2万家。我国由建设部制定的建筑节能“九五”计划和 2010 年规则中已将太阳 能热水系统列入成果推广项目。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速， 1997 年销售面积近 300 万平方米，数量居世界首位。全国从事太阳能热水器研 制、生产、销售和安装的企业达 1000 余家，年产值 20 亿元。根据我国 1996 2020年太阳能光电PV （光伏发电）发展计划，在2000年和2020年的太阳能光 电总容量将分别达到 6.6 万千瓦和 30 万千瓦。在联网阳光电站建设方面，计划 2020年前建成5座MW级阳光电站。由国家投资1700

16、万元修建的西藏第三座太 阳能电站安多光伏电站，总装机容量1 0 0千瓦，于1998年1 2月建成发电。 这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。总之，大力发展太阳能 利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。1.5 太阳追踪系统的国内外研究现状在太阳能跟踪方面，我国在 1997 年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方 向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。 1998 年美国加州成功的研究了 ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透 镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。 2002 年2 月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟

17、踪装置，该装置利用控制电机完成 跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。 在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究， 1992 年推出了太阳 灶自动跟踪系统，1994 年太阳能杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了 单向跟踪。目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种 方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随 机系统，后者是开环的程控系统。1.6 跟踪方案的比较选择目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但不外乎三种方式 : (1)视日运 动轨迹跟踪；(2)光电跟踪；(3)视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结

18、合。下面就这 三种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。1 视日运动轨迹跟踪不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以 预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标 计算没有具体公式可用的问题。而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动 中任何时刻的具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密 切相关，于是通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关 系。根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来 确定。在应用中，全球定位系统(GPS)可为系统提供精度很

19、高的地理经纬度和当 地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证 系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运 算太阳的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱 动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟 踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。参考目前世界通用的算法，涉及到赤纬角和时角的大致有二种算法:算法 l， 采用中国国家气象局气象辐射观测方法；算法2，采用世界气象组织气象和观测 方法。由此可以看出，该种跟踪方案不论采取何种算法，算法过程都十分复杂，计

20、算量的增大会增加控制系统的成本。而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈 值做比较，因而为了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严 格的要求，而且与仪器的安装是否正确关系极为密切。工程生产中必须要求机械 结构加工精度足够高。初始化安装时，仪器的中心南北线与观测点的地理南北线 要求重合。同时，还要通过仪器底部的水平准直仪将底面调节到与地面保持水平， 使仪器的高度角零点处于地面水平面内。2光电跟踪传统的光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式，这种跟踪系统，原则上由三大 部件组成:位置检测器、控制组件、跟踪头。其跟踪系统框图如图 2-5 所示。位 置检测器主要由性能经过挑选的光敏传感器组成，如

21、四象限光电池、光敏电阻等。 控制组件主要接受从位置检测器来的微弱信号，经放大后送到跟踪头，跟踪头实 为跟踪装置的执行元件。越人秦2；n电乩图 2-5 跟踪系统框图下面对 2001 年应用光学杂志介绍的一种五象限法太阳跟踪仪做一简单 介绍，下图为五象限光电转换器原理。在半径为 R 的大圆内有一个半径为 R /2 的小圆，将大圆与小圆之间的圆环分成四个象限。每象限的分界线与 X 轴均成 45度，小圆为第 V 像限。在上述5象限中为跟踪定位测向象限，V象限为主测象限。将5片面积、性 能、参数相同的光电池安装在所设计的5个象限内，当阳光照射到5片光电池上 时必然产生光电流，光电流强度与光强成正比。为了

22、测量准确，在光电池前放置可调光学镜筒，将一个凸透镜放在镜筒前， 透镜安放在镜筒的最外沿，如图 2-7 所示。当光线经过透镜照到镜筒底部的 5 片光电池上时，调节筒的长度，使光斑正好完全覆盖5片光电池。当太阳光与光 轴成一角度时，光线经过透镜照射到5片光电池上形成的光斑必然发生偏移，如 图2-8所示。阴影部分为光线照到的部分，此时有的光电池不能被光斑完全覆盖， 因此各光电池产生的光电流不尽相同，将光电流差经过一系列处理后输入到跟踪 头，驱动电机动作,调节跟踪装置,直到 4 个象限光电池输出的光电流相等，此时 太阳光线与透镜光轴平行，驱动电机无动作。为了使测量跟踪装置更安全、可靠，该装置采用 V

23、象限主测光电池进行光强 测量和判断，使装置在夜晚停止工作。将第V象限的电压VI与外来控制电压V2 进行比较，可选择合适的 V1 控制测量跟踪装置的工作状态，在夜晚时 V2V2,装置正常工作。图 2-6 镜筒结构图 2-7 光线与光轴不垂直时理论上，镜筒越长，光电池的灵敏度愈高，但是镜筒长度和透镜的参数也有 关系，不可能无限制增长，通常镜筒长度，以取10-30cm为宜。系统的位置精度, 基本决定于传感器的精度，因此能够比较容易实现跟踪装置具有较高的精确度， 光电池只要能捕捉到透镜聚焦的光斑就可以跟踪太阳，且结构设计较为简单。但当长时间出现云遮后或早晨太阳刚升起时,太阳光线与透镜光轴的夹角超 过一

24、定的角度范围，由于镜筒结构的限制，透镜聚焦的光斑无法被光电池捕捉到 这时跟踪装置便无法跟踪太阳，甚至引起执行机构的误动作。因而该种跟踪装置 只能在一定的角度范围内实现高精度跟踪，其跟踪范围跟镜筒结构有关。 3视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合由上述讨论可知27，开环的程序跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。因此使用程序跟踪方法时，需要 定期的人为调整跟踪装置的方向。而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性 差、某些情况下出现错误跟踪等缺点。特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮 点，电机往复运行，造成了能源的浪费和部件的额外磨损。如果两者结合，各取其长处，

25、可以获得较满意的跟踪结果。在视日运动轨迹 跟踪的基础上加两个高精度角度传感器。当跟踪装置开始运行时，用两片高精度 角度传感器初始定位，在运行当中，以程序控制为主，角度传感器瞬时测量作反 馈，对程序进行累积误差修正。这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可 靠的跟踪控制。这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电 装置。但计算过程十分复杂，高精度角度传感器成本也很高，对于需要降低成本 的小型太阳能利用装置来讲，该种跟踪方式并不十分适用。第二章 太阳能原理及其计算：工作原理根据以上所述，当太阳光线确定时，适当调整太阳能电池板的水平方向朝 向和竖直方向朝向，一定能把太阳能电

26、池板调整到一个与太阳光线垂直的方向。 但考虑到同以地理位置东西方向太阳板角度在 30 度利用太阳能效率较高，因此 只考虑太阳板东西转动，不考虑其上下转动。从而可以大大省略成本。太阳能电池板与其支架在轴的带动下完成转动，水平方向转动的示意图如图 一所示：图一：太阳能板自动偏航传动水平旋转示意图本文所研究的机械设计方案：设计要求机构结构：由手柄带动涡轮蜗杆减速传动，带动太阳能板实现对太阳光的跟 踪运动。从而提高太阳般的利用率。本方案参数为：规格：1.4m *l.lm,板厚： 30mm,平均密度为： 380kg/m3板安装倾斜角： 30。要求：每隔 1 小时转 25，转动过程在1 分钟完成，最大转动

27、角度 180， 可以正反转。三：计算1：太阳板计算：计算本案要求的角速度：A03 =At15兀 = 7.27*10 - 3 rad Is .60加速时间为 20 毫秒，则太阳能电池板的角加速度：A37.2 7*10-3 = 0.3 6 ra d I s2At20*10-32太阳能电池板的质量为：m1=1.4*1.1*0.03*380 = 17 .556 kg支架质量为太阳能电池板质量的（0.30.5）：系统的总质量为：m = 7 kg -2m = m + m = 14 .556 kg 总 1 2系统的转动惯量为：11.42 + 0.03 2J =（a 2 + c2 ） =14 .556 = 2

28、.3812 12其中a为与转动轴行垂直的边，c为矩形薄板的厚度。太阳能电池板所需转矩为：T = J * = 2.38 * 0.36 = 0.86 N * m1安全系数 K 为机件的极限应力与工作应力之比，它是考虑计算载荷及应 力准确性、机件工作重要性以及材料的可靠性等因素影响机件强度的强度。安全系数：KA= 4 .整个系统所需转矩：T = K *T = 4* 0.86 = 3.44 N * m2 A 1进行土木、机械等工程设计时，为了防止因材料的缺点、工作的偏差、外力 的突增等因素所引起的后果，工程的受力部分实际上能够担负的力必须大于其容 许担负的力，二者之比叫做安全系数,即极限应力与许用应力

29、之比。也指做某事 的安全、可靠程度。在机械设计中，零件或构件所用材料的失效应力与设计应力 的比值。大多数结构钢和铝合金等塑性材料的应力 应变曲线有明显的屈服， 故规定由塑性材料制成的零件或构件的失效应力为屈服极限，这称为屈服准则。 铸铁和高强钢等脆性材料的应力应变曲线没有明显的屈服，故规定由脆性材料 制成的零件或构件的失效应力为强度极限，这称为断裂准则。在疲劳强度设计中， 失效应力采用疲劳极限，安全系数在很大程度上根据设计经验来确定 。2 蜗轮蜗杆传动设计计算1）选择蜗杆传动类型根据GB/T 100851988的推荐，采用阿基米德蜗杆（ZA）2）选择材料考虑到蜗杆传动的功率不大，速度是较低，故

30、蜗杆用 45 钢，因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC。蜗轮用铸铝铁 青铜(ZCuAI10Fe3)，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿面用青铜制 造，而轮芯用铸铁 HT100 铸造。其结构设计图3) 蜗轮蜗杆的主要参数与几何尺寸设：蜗轮蜗杆的传动比为 80:1.因为太阳板负载小，选择蜗轮蜗杆模数为 1.查机械设计表 11-2得 中心距：a=50mm；模数 m=1mm；分度圆直径 d1=18mm；蜗杆头数： z1=1;直径系数 q=18.00分度圆导程角丫 =3。0、47、；涡轮齿数： 82；变位系数：咒=0 ；2查机械设计表 11-3得：名称代号计算关

31、系式及结果中心距ad + d + 2 x ma = i22= 5 0 m m2蜗杆头数zZ=1蜗轮齿数zz = i * z = 822 1齿形角aaa= 20a模数mm = 1传动比ini = l = 8 2n齿数比uu = 2 = 8 2蜗轮变位系数xx = 0蜗杆直径系数qdq = 1 = 1 8 m蜗杆轴向齿矩paP =兀m =兀a蜗杆导程p zP =兀 mzz1蜗杆分度圆直径d 1d = mq = 1 8蜗杆齿顶圆直径da 1蜗杆齿根圆直径5dp = d|-2iifHr=90-2x1.2x5 =7&nm顶隙cc =蜗杆齿顶咼蜗杆齿根咼%柯二（毎十二蜗杆齿高蜗杆导程角7卩=in诙蜗杆齿宽

32、4 = 77.5 78蜗轮分度圆直径- 32&ran蜗轮喉圆直径 = +2 =544n蜗轮齿根圆直径/2 二血-些f2 =303.&wh;蜗轮齿顶高為=*（鬲-殆=号蜗轮齿根高蜗轮齿高%蜗轮咽喉母圆半径加=-* 心二28蜗轮齿宽為5 =56x0.564 = 31j61AP80x328x8 =14.53A$mj 町 所以弯曲强度是满足的。(6)验算效率7V已知r=in=iur；斫心怎盜与相对滑动速度有关。A*x80x96060x1000 or 60x1000从表11-8中用插值法查得尤=0.024,钙=1.22；代入式中得耶恥，大于原估计值，因此不用重算。(7 )精度等级和表面粗糙度的确定考虑到

33、该蜗杆传动是动力传动,属于通用机械减速器 从 GB/T10089-1988 精 度中选8级精度侧隙种类为f,标注为8f GB/T 1089-1988。然后由有关手册查得 要求的公差项目及表面粗糙度,此处从略.公差：孔 尺寸 IT7 形状 IT6；v =小= z.lms轴 尺寸 IT6 形状 IT5；蜗杆分度圆周速度蜗轮,蜗杆速度较低,采用蜗杆下置。由于啮合齿面材料比较贵,考虑经济因素,采用蜗轮转盘和蜗轮齿材料不同。转盘和蜗轮齿的尺寸如图 5-1。0 3.5+0. Iz2)m+25=7S.6mm，选取80mm，电动机通过键与蜗杆轴连接传递力矩，根据直径dmin=38 mm,确定键和尺 寸为5x5

34、x46 (2)对于跨距较大而且工作温度较高的轴，其热伸长量大，应 采用一支点双向固定，一支点游动的支承结构。作为固定支承的轴承，应能承受双向轴向载荷，故内外 圈在轴向都要固定。因此，蜗杆轴两端分别用轴肩固定。轴承的类型选用圆锥滚子接触球轴承。参照工作要求并根据配合的直径D=110mm，由GT/T297-1994可知轴承产品 目录中初步选取 30000 型，原轴承代号为 30212，其尺寸为 dxDxB=60x110x22。 选用一对正装的轴承。( 3 ) 由 前 述 计 算 可 知 蜗 杆 齿 顶 圆 直 径， 齿 根 圆 直 径= 90-2x1.2x5 =78mm。为了减少切削量及保证强度取

35、蜗杆段直径 D=110mm。其尺寸与结构见图6-1(4)求轴上的载荷首先根据轴的结构图 6-1 做出蜗杆轴的计算简图T图 6-2 蜗杆轴的计算简图图 6-3 蜗杆轴的计算简图 由已知可根据下列式算出各力和力矩 ： 水平面力和力矩：a 直 328xl0r耳i =2 =2tma=235xtMi2tf, =1068N解得 ：7=388竖直平面内的力和力矩 = 437JV解锝2 = 108-437 = 63WAf2 = 631x0 19 =120M3nJf3 =T-Af3 =37-120 = &3M3h总弯矩AT = Jm +Afj = Jes2 +1202 =13LWQhAT =+AfJ = J詔

36、+咛=107MJm按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受的最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面C ）的强度。根据主教材式（15-5 ）及上表中的数值，并取a = Q轴得计算应力:j M =也严顽宁2严可=歩9逊逢0_lxl0_8键与轮毂键槽的接触高度5 =曲夕=4_5皿 可得:前面已选定轴的材料为45钢，调质处理，由主教材表15-1查的=60J，af=因此，%（5）轴上键槽的确定根据结构可选用 A 型平键联接。根据直径D=38 mm,确定键和尺寸为14x5x48o键轴和轮毂的材料都是钢，由主教材表6-2查得许用挤压应力竹=100口120取平均值键的工作长度L = 50ko所以此键

37、强度足够。第七章 蜗轮轴的设计及尺寸计算7.1 初步确定轴的最小直径先按主教材表 153 初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为 45 钢 调质处理。根据 1 取 A0=112 ,于是得7.2轴的结构设计图 71 蜗轮轴根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度。(a)为了满足半联轴器的轴向定位要求，左端第1段需制出一轴肩，故取2轴段的直径55mm，左端用轴端挡圈定位。按轴端直径取挡圈直径。=恥。(b)轴承的类型选用圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据配合的直径D=100mm，由轴承产品目录中初步选取0 基本游隙组， 标准精度级的 单列圆 锥滚 子轴 承 30211 ， 其尺寸为tfxZ)xT = 5

38、5x100x21 o选用一对反装的轴承。右端滚子轴承采用轴肩进行轴向定位，定位轴肩高度h一般取为h =(0 07 01)d=5：25，因此可取轴肩55mm(3)取安装蜗轮处的轴段d = mm，蜗轮的右端与右端轴承之间采用套 筒定位。已知蜗轮轮毂宽度为：112朗曲，为了使套筒断面可靠的压紧齿轮，此 轴段应略短语轮毂宽度，故取=llftTOo齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度取矗二予，则轴环处的直径d =，轴环宽度blAh，取 = Wmm蜗轮，半联轴器与轴的轴向定位均采用平键联接，按於=80由手册查的 平键截面* = 22x14键槽用键槽铣刀加工，长为呱,同样半联轴器与轴的 连接，选用平键为16x1

39、0x70 7.3轴的受力分析：首先根据轴的结构图 7-1做出蜗轮轴的计算简图iM27-2 蜗轮轴的计算简图已知水平面力和力矩石* =孕=1初3Mx = 147_5xO_(5 = 139_4M)nT = 7x0J088 = 3935x0J088 = 1215MJh竖直平面内的力和力矩J；2x0_19+1215 -1068x0_(5 =0 J2 =5861-1068 = 4792V = 5861-1068 = 4M2 =47nx0_(5 = 455M3nAf3 = T+Af3 =1215 + 455 =167DM3n总弯矩M =+M/ = V13942 +4552 = 476JVDnAT = Ji

40、ff = 139_43 +167D2 =1676M3n7.4 按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受的最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面C ）的强度。根据主教材式（155 ）及上表中的数值，并取a = 0A轴得计算应力：前面已选定轴的材料为45钢，调质处理，由主教材表151查的=60J，af= 因此，故安全-7.5 精确校核轴的疲劳强度（1）截面点只受扭矩作用，虽然键槽，轴肩及过度配合所引起的应力集 中均将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽欲的确定 的，所以截面歹均无需校核。从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面B和C处过盈配合引起的应力 集中最严重；由第

41、三章附录可知键槽的应力集中系数比过盈配合的小，因此该轴 只需校核界面C左右两侧即可。（ 2）截面 C 左侧抗弯截面系数抗扭截面系数截面C左侧的弯矩M为截面C上的弯矩T为1(=0.1-d3 = 0.1X753 = 421S7-51WH1=0.2-J3=M375mh3Af = 268780x725-5572.5T =l9mWNmm= 6487Mm截面上的弯曲应力截面上的扭矩切应力轴的材料为 45 钢，调质处理，由主教材表151 查得幻=640叱0 = 2752=155截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按主教材附表32查取。因=5?=1_07，经插值后可查得=1.5, % =1.30又由主教材

42、附图31可得轴的材料的敏性系数为私監=血 故有效应力集中系数按(附34 )为：r=l+(r-5 = l+0xQ-5-9 = 141Xr=l+ffT(- = l+0-85x(lJ30-5 = 155由主教材附图32知尺寸系数=6,由附图33得扭转尺寸系数氏=用 轴按磨削加工，由主教材附图34得表面质量系数为:A=A=o 轴按磨削加工，由主教材附图34得表面质量系数为及=戌=吻,轴未经 表面强化处理即马儿按主教材式312及312a得综合系数为故的综合系数为：又由 3-1 及 3-2 得碳钢的特性系数：=O_1DOJ2,取=0_1=0_05D0_L 取=005于是计算安全系数爲值，按式15-6及15

43、-8则得故可知其安全。（3）截面 C 右侧抗弯截面系数=aix8tf =5120ttwwI抗扭截面系数弯矩 M 及弯曲应力略= 102400HDRM = 2S780x 马土 = 64S7KW nrn72J5M 64S78 cch = = l_27JrfR_6 W 51200扭矩T及扭转且应力T = 19W7WN mm三= 14輕* r WT 102400fl过盈配合处的K值，由主教材附表3-8用插入法求得，并取KJ%=Q至瓦化丁 曰 K =332 A；/Er =0x332 = 2.656 ，于是，轴按磨削加工，由主教材附图3-4得表面质量系数为:优=A = M 故得综合系数为：-1 = 3_3

44、24= Z656+于是计算安全系数爲值，按主教材式15-6及15-8故该轴的截面C右侧的强度也是足够的，因此轴无大的瞬间过载及严重的应 力循环不对称性，故可略去静强度校核。本作品属于太阳能设备范围，特别涉及一种用于太阳能电池板的太阳追踪装 置。在太阳能光伏板的背面中心设置有太阳能光伏板支撑架，与上竖转轴相连接； 通过两个电动机实现上述装置的上下运动和水平周转运动；太阳能光伏板上设置 有感光装置，通过控制电路来控制电动机工作以实现对太阳的跟踪。实现了对太 阳的全方位追踪，能够自动使太阳能光伏板与太阳光线保持垂直的跟踪系统,实 现最大效率地利用太阳能。整个系统结构简单紧凑、转动灵活、价格低廉、防尘

45、 性好、性能可靠、跟踪精度高。这作品在太阳能热水器、小型太阳能发电设备开 发中会得到很好的应用。小型太阳能并网发电系统对于我们这个能源消耗大国来说，有着很强的现实 意义，而在美国、德国等国家都已经实现大规模并网发电6，将自动跟踪系统 运用到太阳能并网发电系统，将会大大提高太阳能利用率。目前太阳能光伏发电普遍采用的固定方式是低效发电方式，如上图所示，太 阳能板固定，无法正对太阳光的照射。采用太阳能跟踪系统在理论上可提高发电 量 40%4，从而降低投资 20% 以上。现世界上所用的太阳能跟踪系统都需要根据 安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年 中每个时刻的太阳位置

46、存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位 置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的数据和设定，一 旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数； 原理、电路、技术、设备都很复杂，非专业人士不能够随便操作。而该太阳能跟踪系统是一种成本低廉、简单易用、不用计算各地太阳位置数 据、不用电脑软件的太阳空间定位跟踪仪、能够不受地域和外部条件的限制、可 在移动设备上随时随地准确跟踪太阳的智能跟踪系统，它最大限度的提高了太阳 光能的利用率，可以广泛运用于各种领域，如把加装了智能太阳跟踪仪的太阳能 发电系统安装在高速行驶的汽车、火车，以及通讯应急车、特种军用

47、汽车、军舰 或轮船上，不论系统向何方行驶、如何调头、拐弯，该太阳能跟踪系统都能保证 设备的要求跟踪部位正对太阳。该自动跟踪系统实现了用最少的元件完成最复杂工作的现实，掀开了太阳能发电 这一高端应用设备快速实现实用、可靠、低成本、民用化应用发展新篇章。心得体会在本次的课程设计中，我们综合运用了各方面的知识，如机械设计、机械原 理、工程材料、机械制造基础、材料力学、理论力学、 Auto CAD、Solid edge 等科目，在本次的设计中，我们学会了把自己所有的知识学以致用，综合考虑各 方面的因素，如质量，体积，材料，造价，安装，工艺等。通过本次的作业，让 我们有了一个对问题的整体把握，最重要的是

48、使我掌握了设计的基本步骤和设计 的逻辑思维。经过这次课程设计，我对这门课和机器有了深刻的了解，而且让我对知识再 次产生了浓厚的兴趣。在设计中，我对各种机械构件都有了更进一步的认识和了 解。以前对齿轮、轴承、联轴器、键等都只是一知半解，现在由于要具体的设计 和运用，所以对这些机构的进行了深入的研究和学习，学到了不少新的知识。尤 其是蜗杆传动，由于是我们具体运用，所以感触更深。在花费了很大的精力和时间后，机械设计课程设计终于做完了，我的收获也 颇为丰富。课程设计不象其它作业，它是很烦琐的一个任务，所以收获也不仅是 一些新的知识，而且还可以考验我们的耐心和毅力！通过这次设计自己的独立设 计思考和解决

49、问题能力有所提高，同时也增强了我克服困难的决心和信心。这次 设计，让我学会很多知识，增长了不少见识。 当然，在设计过程中，我也遇到了不少的困难。朱颖老师的认真负责的态度打动 了我们每一个人，在朱老师的指导和帮助下我终于完成了这次课程设计，在此对 所有帮助过我的老师和同学表示衷心的感谢！参考文献1 吴宗泽，罗圣国主编。机械设计课程设计手册。北京：高等教育出版社，19922 濮良贵，纪名刚主编。机械设计。第七版。北京：高等教育出版社，19963 周开勤主编。机械零件手册。第四版。北京：高等教育出版社，19944 章日晋等主编。机械零件的结构设计。北京：机械工业出版社，19875 减速器实用技术手册编委会编。减速器实用技术手册。北京：机械工业出版 社，19926 齿轮手册编委会。齿轮手册。北京：机械工业出版社，19907 械工业部洛阳轴承研究所编。全国滚动轴承产品样本，19958 念钊，古莹庵，莫雨松，李硕根，杨兴骏编。互换性与技术测量第四版 中国计量出版社，20019 梦生，吴宗泽主编。机械零部件手册 造型 设计 指南。北京：机械工业 出版社，1996