1 第 1 章 緒 論 課題背景 關(guān)節(jié)運(yùn)動能量收集裝置的設(shè)計背景 1、發(fā)電地板： 東日本鐵路公司定于 19 日在東京站八重洲北口試驗(yàn) “發(fā)電地板 ”。這種神奇的地板能將乘客走路時產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成綠色能源。鐵路公司 18 日向媒體展示了這套裝置。這種白色地板鋪設(shè)在兩臺檢票機(jī)之間，利用乘客走過檢票口時產(chǎn)生的振動發(fā)電。 （ 08年 1 月） 2、充電鞋： 日本電信電話公司正在研制一種 “充電鞋 ”，行人可以一邊走路，一邊發(fā)電。這種鞋鞋底內(nèi)裝有水和一個小型發(fā)電機(jī)。人們穿著這種鞋子行走，鞋底產(chǎn)生的壓力 使水流動，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。公司發(fā)言人天滿秀臣說， “發(fā)電鞋 ”發(fā)電功率為 特， “只要保持行走，發(fā)電量足以使 轉(zhuǎn) ”。研究人員正努力把發(fā)電功率提高到 3 瓦特，以便給手機(jī)充電。 （ 08 年 10 月） 3、 腳踏發(fā)電裝置 ： 美國某公共交通公司，在行人擁擠的公共場所，安裝一種腳踏發(fā)電裝置，它上方有一排踏板，當(dāng)行人腳踏踏板時，與踏板相連的搖桿從一個方向帶動中心軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。技術(shù)人員還將 20 塊金屬板鋪在路面上，在每塊板下放置一個儲蓄循環(huán)水的橡皮容器。當(dāng)人群或汽車通過以后，橡皮容器內(nèi)的水壓出去，產(chǎn)生高速水流，經(jīng)過地下通往路邊的發(fā)電機(jī)房，推動水輪機(jī)發(fā)電。在人群或汽車通過以后，橡皮容器又恢復(fù)到原狀，水返回窗口準(zhǔn)備再次受壓。如此循環(huán)往復(fù)便能不斷產(chǎn)生電流，當(dāng)上百人或一輛5 噸重的汽車通過時，可產(chǎn)生 7 度的電力。 量收集裝置的基本知識 能量收集裝置主要是將機(jī)械能、風(fēng)能、熱能等轉(zhuǎn)化成電量儲存起來為人們所使用。最常見的是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，主要是由一定機(jī)械裝置將原動力元件和小型的發(fā)電裝置連接起來，再通過整流電路將電量輸送到蓄電池中。 關(guān)節(jié)運(yùn)動能量收集裝置的設(shè)計內(nèi)容及需解決的問題 關(guān)節(jié)運(yùn)動能量收集裝置 的設(shè)計內(nèi)容 1、從人的行走中獲得最大限度的動能； （ 1）、首先要研究的內(nèi)容是如何從人的行走中獲得能量，經(jīng)過觀察研究，人在行走的過程中，臂關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和胯關(guān)節(jié)的運(yùn)動幅度最大，臂關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動都屬于輔助運(yùn)動，力度和幅度不是很大，由于人行走時主要依靠腿部的力量和運(yùn)動，因此我們希望從膝關(guān)節(jié)和胯關(guān)節(jié)的運(yùn)動中獲得能量，而人的大腿處的肌肉比較發(fā)達(dá)，且人的胯關(guān)節(jié) 2 運(yùn)動的幅度要比膝關(guān)節(jié)的大，從上述的分析中我可以肯定選擇胯關(guān)節(jié)來提供能量是最合理的。 （ 2）、其次要研究的內(nèi)容是以什么方式來得到這部分能量，人在行走過程中 胯關(guān)節(jié)做有規(guī)律的來回轉(zhuǎn)動，可以用擺桿機(jī)構(gòu)來解決問題。 、設(shè)計有效的機(jī)構(gòu)來產(chǎn)生足夠的動能； （ 1）、上一步得到的擺桿運(yùn)動不能直接用在發(fā)電機(jī)上，要將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這就是這一步要研究的內(nèi)容，擺桿運(yùn)動的轉(zhuǎn)動角度有限不能使發(fā)電機(jī)有效的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生電能，需要用齒輪將小幅度的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成快速有效的運(yùn)動。 （ 2）、 發(fā)電機(jī)有 3 種，即直流發(fā)電機(jī)、同步交流發(fā)電機(jī)和異步交流發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)多采用同步或異步交流發(fā)電機(jī)，發(fā)出的交流電通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電。 發(fā)電機(jī)也是研究的重要內(nèi)容，由于此裝置有體積小，動力小的特點(diǎn)，因此發(fā)電機(jī)的改進(jìn)顯的 很重要。 、設(shè)計合適的動電能轉(zhuǎn)化電路； （ 1）、 貯能裝置對獨(dú)立運(yùn)行的 發(fā)電 機(jī)是十分重要的。其貯能方式有熱能貯能、化學(xué)能貯存。 （ 2）、貯能電路以及轉(zhuǎn)化電路也是要研究的對象，主要是如果將發(fā)電機(jī)不穩(wěn)定的電流轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電流以供人們使用。 關(guān)節(jié)運(yùn)動能量收集裝置需解決的問題 1、如何從人的行走中獲得能量，我們希望從膝關(guān)節(jié)和胯關(guān)節(jié)的運(yùn)動中獲得能量，要解決的關(guān)鍵問題是選擇人體的哪一個部位來提供動能。 2、研究的另一個關(guān)鍵問題是以什么方式來得到這部分能量，人在行走過程中胯關(guān)節(jié)做有規(guī)律的來回轉(zhuǎn)動，可以用擺桿機(jī) 構(gòu)來解決問題。 3、擺桿運(yùn)動不能直接用在發(fā)電機(jī)上，要將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這就是這一步要研究的問題，擺桿運(yùn)動的轉(zhuǎn)動角度有限不能使發(fā)電機(jī)有效的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生電能，需要用齒輪將小幅度的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成快速有效的運(yùn)動。 4、 發(fā)電機(jī)多采用同步或異步交流發(fā)電機(jī)，發(fā)出的交流電通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電?；蛘咧苯赢a(chǎn)生直流電，這里我們選擇直接產(chǎn)生直流電，這樣可以節(jié)約材料簡化裝置。 5、發(fā)電機(jī)也是研究的重要問題，由于此裝置有體積小，動力小的特點(diǎn)，因此發(fā)電機(jī)的改進(jìn)顯的很重要。這里對發(fā)電機(jī)做了大膽的改進(jìn)，使它能產(chǎn)生比普通發(fā)電機(jī)多一倍到兩倍的電能。 6、 貯能裝置對獨(dú)立運(yùn)行的 發(fā)電 機(jī)是十分重要的。其貯能方式有熱能貯能、化學(xué)能貯存。 這里選擇化學(xué)能貯能。 7、貯能電路以及轉(zhuǎn)化電路也是要研究的對象，主要是如果將發(fā)電機(jī)不穩(wěn)定的電流轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電流以供人們使用。 8、 同的型號要全面的考慮，盡量擴(kuò)大該設(shè)計的應(yīng)用范圍。 解決的關(guān)鍵問題 1、如何從人的行走中獲得能量，我們希望從膝關(guān)節(jié)和胯關(guān)節(jié)的運(yùn)動中獲得能量，要解決的關(guān)鍵問題是選擇人體的哪一個部位來提供動能。 3 2、研究的另一個關(guān)鍵問題是以什么方式來得到這部分能量，人 在行走過程中胯關(guān)節(jié)做有規(guī)律的來回轉(zhuǎn)動，可以用擺桿機(jī)構(gòu)來解決問題。 3、擺桿運(yùn)動不能直接用在發(fā)電機(jī)上，要將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這就是這一步要研究的問題，擺桿運(yùn)動的轉(zhuǎn)動角度有限不能使發(fā)電機(jī)有效的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生電能，需要用齒輪將小幅度的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成快速有效的運(yùn)動。 4、 發(fā)電機(jī)多采用同步或異步交流發(fā)電機(jī)，發(fā)出的交流電通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電?；蛘咧苯赢a(chǎn)生直流電，這里我們選擇直接產(chǎn)生直流電，這樣可以節(jié)約材料簡化裝置。 5、發(fā)電機(jī)也是研究的重要問題，由于此裝置有體積小，動力小的特點(diǎn)，因此發(fā)電機(jī)的改進(jìn)顯的很重要。這里對發(fā)電機(jī)做了大膽的 改進(jìn)，使它能產(chǎn)生比普通發(fā)電機(jī)多一倍到兩倍的電能。 6、 貯能裝置對獨(dú)立運(yùn)行的 發(fā)電 機(jī)是十分重要的。其貯能方式有熱能貯能、化學(xué)能貯存。 這里選擇化學(xué)能貯能。 7、貯能電路以及轉(zhuǎn)化電路也是要研究的對象，主要是如果將發(fā)電機(jī)不穩(wěn)定的電流轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電流以供人們使用。 8、 同的型號要全面的考慮，盡量擴(kuò)大該設(shè)計的應(yīng)用范圍。 采取的技術(shù)方案及思路 1、從胯關(guān)節(jié)的運(yùn)動過程中獲得最大限度的能量，胯關(guān)節(jié)是人們在行走時運(yùn)動幅度和力度最大的部位，并且將發(fā)電裝置放在腰間也是比較舒適的， 這樣可以最大限度的獲得人們行走時產(chǎn)生的動能。 2、本設(shè)計的內(nèi)部采用二級齒輪加速機(jī)構(gòu)，且使用有創(chuàng)新性設(shè)計的雙向超越離合器機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生足夠的電能。二級齒輪加速機(jī)構(gòu)可以保證發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的要求，雙向超越離合器可以使該設(shè)計發(fā)出比一般發(fā)電機(jī)多一倍到兩倍的電能。 3、現(xiàn)在動電能的轉(zhuǎn)化電路已比較成熟且得到了廣泛的應(yīng)用，動電能的轉(zhuǎn)化電路已不是問題。我采用常用的整流電路就可以解決問題。 4、考慮到裝置的可攜帶性以及人在行走過程中的舒適性，設(shè)計了一個可以伸縮的擺桿來解決這個問題，擺桿可以完全縮進(jìn)該裝置內(nèi)，提高了可攜帶性。 并且在行走過程中人的大腿不可能是完全在一個平面內(nèi)運(yùn)動，擺桿的伸縮可以提高舒適性。 5、我們考慮到人在行走的過程中，腿不會完全的在一個平面內(nèi)，因此擺桿設(shè)計成圓形這樣人的腿在擺動的同時如果做小幅度的轉(zhuǎn)動也不會感到不舒適。 6、該裝置有兩種發(fā)電方式，一種是在擺桿縮在該裝置內(nèi)時可以直接用手按動小型的擺桿，更快的發(fā)出電能，從而滿足人們急需電能時的情況。另一種是傳統(tǒng)的方式，即將其放在腰間，由人的行走來產(chǎn)生電能。這樣兩種方式可以滿足各方面不同的需要。 7、 如果將發(fā)電機(jī)不穩(wěn)定的電流轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電流以供人們使用，這里需要一個 整流電路來解決問題。 8、對于如何將電能傳送到人們常用的設(shè)備中，手機(jī)、 ，我們采用多個插槽的方法，有 此來充滿不同的需要。 9、有的人不習(xí)慣用腰帶或者有的衣服不需要，這里我們有備用的腰帶。 10、對于膝部擺桿的固定用小型的帶狀結(jié)構(gòu)固定。 究方案的有效和可行性分析 4 1、將胯關(guān)節(jié)作為能量收集的部位是可行的，胯關(guān)節(jié)是人們在行走時運(yùn)動幅度和力度最大的部位，并且將發(fā)電裝置放在腰間也是比較舒適的，這樣可以最大限度的獲得人們行走時產(chǎn)生的動能。 2、動電能的轉(zhuǎn)化 是可行的，本設(shè)計的內(nèi)部采用二級齒輪加速機(jī)構(gòu)，且使用有創(chuàng)新性設(shè)計的雙向超越離合器機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生足夠的電能。 3、電能儲存轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計是可行的，現(xiàn)在動電能的轉(zhuǎn)化電路已比較成熟且得到了廣泛的應(yīng)用，動電能的轉(zhuǎn)化電路已不是問題。 4、考慮到裝置的可攜帶性以及人在行走過程中的舒適性，設(shè)計了一個可以伸縮的擺桿來解決這個問題，擺桿可以完全縮進(jìn)該裝置內(nèi)，提高了可攜帶性。并且在行走過程中人的大腿不可能是完全在一個平面內(nèi)運(yùn)動，擺桿的伸縮可以提高舒適性。 5、擺桿設(shè)計成圓形這樣人的腿在擺動的同時如果做小幅度的轉(zhuǎn)動也不會感到不舒適。 6、考慮到人們在急需電能時可能希望更快的得到電能，該裝置提供了一種更有效的方式，在擺桿縮在該裝置內(nèi)時可以直接用手按動小型的擺桿，從而更快的發(fā)出電能。 色或創(chuàng)新之處 1、現(xiàn)在市場上包括在實(shí)驗(yàn)階段的行走發(fā)電裝置，主要有發(fā)電鞋、膝部發(fā)電裝置等，它們的共同的缺點(diǎn)是沒有將人行走時的動能最大限度的收集起來，發(fā)電鞋裝置小、力矩短產(chǎn)生的電能有限，膝部發(fā)電裝置放于膝部并不舒適且人行走時膝部的彎曲是輔助運(yùn)動，產(chǎn)生的電能也是有限的。 胯關(guān)節(jié)是人們在行走時運(yùn)動幅度和力度最大的部位，并且將發(fā)電裝置放在腰間也是比較舒適 的。這是本設(shè)計的一大創(chuàng)新。 2、第二大創(chuàng)新之處是本設(shè)計內(nèi)部的動電能機(jī)械轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)，內(nèi)部發(fā)電機(jī)采用雙向超越離合器，是同樣的擺動力度和幅度下一般發(fā)電裝置的兩到三倍，具體的情況是用雙向超越離合器使擺桿擺動的兩個方向互不影響各自運(yùn)動且在慣性的作用下，產(chǎn)生附加的電能，從而產(chǎn)生比普通發(fā)電機(jī)構(gòu)多于兩倍的電能。 3、該裝置有兩種發(fā)電方式，一種是在擺桿縮在該裝置內(nèi)時可以直接用手按動小型的擺桿，更快的發(fā)出電能，從而滿足人們急需電能時的情況。另一種是傳統(tǒng)的方式，即將其放在腰間，由人的行走來產(chǎn)生電能。 題的學(xué)術(shù)價值或?qū)嶋H 應(yīng)用價值 1、 實(shí)際應(yīng)用： 一、在日常生活中人們散步、跑步的同時可以將人的胯關(guān)節(jié)運(yùn)動的動能轉(zhuǎn)化為電能儲存起來，并且可以直接給手機(jī)、 日常用品的電池充電。 二、在野外考察、科研時，往往因?yàn)闂l件有限無法得到日常使用的交流或直流電源，特別是如果遇到緊急情況而且通信設(shè)備卻電量不足，此時急需一種方便快捷的獲取電能的方法。這時就可以用到胯關(guān)節(jié)運(yùn)動能量收集裝置了，它可以為簡單的通信設(shè)備充電，以滿足當(dāng)務(wù)之急。 2、 應(yīng)用價值： 一、胯關(guān)節(jié)運(yùn)動能量的收集可以緩解現(xiàn)在人們對電能的需求。 二、胯關(guān)節(jié)運(yùn)動能量的收集可以為 人們的日常生活提供便利，比如說人們可以一邊散步一邊聽音樂而不用擔(dān)心自己的 沒電。 三、胯關(guān)節(jié)運(yùn)動能量收集裝置最大的價值體現(xiàn)在當(dāng)人們在野外考察探險時可以用此裝置產(chǎn)生電能，滿足在沒有常用充電設(shè)備時對電能的需要。 5 第 2 章 胯關(guān)節(jié)運(yùn)動能量收集裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 關(guān)節(jié)運(yùn)動能量收集裝置的總體方案設(shè)計 1、總體方案的原理性設(shè)計 （ 1）原理性結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)本設(shè)計的采用二級加速齒輪機(jī)構(gòu)，且使用有創(chuàng)新性設(shè)計的雙向超越離合器機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生足夠的電能。二級齒輪加速機(jī)構(gòu)可以保證發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的要求，雙向超越離合器可以 使該設(shè)計發(fā)出比一般發(fā)電機(jī)多一倍到兩倍的電能，二級齒輪加速機(jī)構(gòu)及雙向超越離合器機(jī)構(gòu)如圖 圖 級齒輪加速機(jī)構(gòu)及雙向超越離合器機(jī)構(gòu)原理圖 （ 2）傳動比的計算 傳動比 n=4231 Z = 88 4048 =30 （ 3）電機(jī)轉(zhuǎn)速的計算 雙向超越離合器機(jī)構(gòu) 順時針超越離合器 逆時針超越離合器 發(fā)電機(jī) 原動力齒輪 1 2 3 4 6 電機(jī)轉(zhuǎn)速 =360 n=15 其中 : 的行走速度為每秒 步轉(zhuǎn)動 的角度為 60度。 2、雙向超越離合器機(jī)構(gòu)的設(shè)計 雙向超越離合器可以使該設(shè)計發(fā)出比一般發(fā)電機(jī)多一倍到兩倍的電能，人行走時，腿做往復(fù)的擺動，當(dāng)腿向前擺動時，逆時針超越離合器起作用，開始工作，帶動棘輪轉(zhuǎn)動，棘輪又是電機(jī)外殼，與發(fā)電的磁鐵是一體的，這樣就可以通過切割磁感線運(yùn)動使發(fā)電機(jī)發(fā)出電量來，當(dāng)腿向后擺動時，順時針超越離合器起作用，開始工作，帶動棘輪轉(zhuǎn)動，發(fā)出電量來。 此時，關(guān)鍵之處是，逆時針超越離合器的棘輪由于慣性的原因仍在做逆時針轉(zhuǎn)動，這樣雙面的棘輪一個做逆時針轉(zhuǎn)動，一個做順時針轉(zhuǎn)動，這樣的相對運(yùn)動比單 獨(dú)的一個運(yùn)動多出一倍多的電量。如圖 圖 向超越離合器機(jī)構(gòu) 棘爪的設(shè)計不需要加彈簧的原因，以逆時針的棘爪棘輪機(jī)構(gòu)為例，當(dāng)逆時針運(yùn)動時，由于切向的摩擦力的作用，棘爪外伸，帶動棘輪轉(zhuǎn)動；當(dāng)順時針運(yùn)動時，由于切向的摩擦力的作用，棘爪內(nèi)縮，不帶動棘輪輪動。在此，巧妙的運(yùn)用摩擦力簡化了機(jī)構(gòu)。 3、發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計 （ 1）發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)：發(fā)電機(jī)的兩塊磁鐵異極相對，這樣磁感線可以近似的垂直于線圈，有效的做切割磁感線運(yùn)動，兩塊磁鐵分 別與兩個電機(jī)外殼做反向的相對運(yùn)動，使線圈更有效的切割磁感線。 順時針超越離合器 棘爪 傳動齒輪 逆時針棘輪 即電機(jī)外殼 發(fā)電機(jī) 7 圖 電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) （ 2）直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢的計算： 直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢為 a=中： 里 P=1； 2 為每極的磁通； n=260=180 1)磁通量計算： 磁通量 =通密度 B= H, 其中 為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，單位為（ H/m） ；空氣中 0=4 10m； 鋁鎳鈷系永磁材料是目前電機(jī)中應(yīng)用較廣的永磁材料。 取鋁鎳鈷 32， B=， 4千安 /米，磁導(dǎo)率為 若不計磁漏則 =102)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的計算： 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n=260=180 綜上所述 , 直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢為 a=160 =104 V 由于采用 順時針和逆時針兩種方式的發(fā)電機(jī)，因此發(fā)電量是單一發(fā)電機(jī)的兩倍，又因?yàn)椴捎秒p向的超越離合裝置，由于相對運(yùn)動的作用可以使發(fā)電量提高三到四倍。將兩個發(fā)電機(jī)磁鐵 墊片 支撐板 線圈 8 并聯(lián)電壓相加，即 E=3 103 103 V。 （ 3）線圈電阻的計算： 線圈電阻 R= = 其中： 為電阻率， 4、二級齒輪加速機(jī)構(gòu)的設(shè)計 搖桿是原動件隨著人的腿部運(yùn)動而擺動，帶動內(nèi)齒輪運(yùn)動，再到小齒輪、大齒輪，由齒輪再到離合器齒輪，通過二級的齒輪加速機(jī)構(gòu)來提高轉(zhuǎn)速，以便能發(fā)出更多的電能。 圖 級齒輪加速機(jī)構(gòu) 5、胯關(guān)節(jié)能量收集裝置的放置 （ 1）整體放置 胯關(guān)節(jié)的運(yùn)動過程中獲得最大限度的能量，胯關(guān)節(jié)是人們在行走時運(yùn)動幅度和力度最大的部位，并且將發(fā)電裝置放在腰間也是比較舒適的，這樣可以最大限度的獲得人們行走時產(chǎn)生的動能，其放置方式如圖 搖桿 大齒輪 內(nèi)齒輪 小齒輪 離合器齒輪 9 圖 關(guān)節(jié)能量收集裝置的放置 （ 2）腰帶連接部分 內(nèi)扣式嵌入腰帶側(cè)面，保證胯關(guān)節(jié)能量收集裝置能夠固定在人的腰部。 圖 帶連接 6、兩種發(fā)電方式 該裝置有兩種發(fā)電 方式，一種是在擺桿縮在該裝置內(nèi)時可以直接用手按動小型的擺桿，更快的發(fā)出電能，從而滿足人們急需電能時的情況。另一種是傳統(tǒng)的方式，即將其放在腰間，由人的行走來產(chǎn)生電能。這樣兩種方式可以滿足各方面不同的需要。 如圖 0 示。 圖 種發(fā)電方式 7、充電電池的放置 可以適應(yīng)各種充電電池，以滿足不同充電設(shè)備的需要。 以下是幾種電池 的代表，我們看到有的電池的觸點(diǎn)在正面，有的電池的觸點(diǎn)在側(cè)面。 為了適應(yīng)觸點(diǎn)位置不同和觸點(diǎn)的距離不同的電池，設(shè)計了下面的固定電池的裝置，導(dǎo)爪 的距離可以調(diào)節(jié)，導(dǎo)爪的觸點(diǎn)分前觸點(diǎn)和下觸點(diǎn)這樣就可以滿足電池觸點(diǎn)在正面或者側(cè)面的問題。 四指抓握處 11 圖 電電池的放置 8、手機(jī)電池容量的計算 一般的手機(jī)電池是 其中儲存的電能是 W=500 103 =關(guān)節(jié)運(yùn)動能量 收集裝置 關(guān)鍵零件 的受力分析 1、關(guān)鍵零件的 材料 及相關(guān)屬性 號數(shù) 零件名稱 材料 質(zhì)量 體積 1 m3 屬性名稱 數(shù)值 單位 彈性模量 2e+009 N/m2 普阿松比率 A 質(zhì)量密度 1020 kg/m3 屈服強(qiáng)度 0 N/m2 12 2、 關(guān) 鍵零件的約束及載荷 如圖將位置 1 固定，在位置 2 處施加一個力。 圖 束及載荷 3、關(guān)鍵零件的網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格信息 網(wǎng)格類型 : 實(shí)體網(wǎng)格 所用網(wǎng)格器 : 標(biāo)準(zhǔn) 自動過渡 : 關(guān)閉 光滑表面 : 打開 雅各賓式檢查 : 4 要素大小 : 差 : 質(zhì) : 高 要素數(shù) : 9050 節(jié)數(shù) : 15334 1 2 13 圖 格劃分 4、關(guān)鍵零件的 應(yīng)力結(jié)果 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 圖解 1 力 2 (542882 N/m2 (-1 14 圖 力分析 5、關(guān)鍵零件的 位移結(jié)果 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 圖解 2 力位移 0 (-2 12 6 15 圖 移分析 關(guān)節(jié)運(yùn)動能量收集裝置的各部分零件設(shè)計 1、雙向超越離合器機(jī)構(gòu)的零件設(shè)計 雙向超越離合器機(jī)構(gòu)由 棘爪 、棘爪輪、 傳動齒輪 、 逆時針棘輪 和 順時針棘輪 五 部分組成。雙向超越離合器 的裝配圖如圖 圖 向超越離合器的裝配圖 16 （ 1） 棘爪 的設(shè)計 棘爪 需要繞棘爪輪轉(zhuǎn)動，要有一個軸以便棘爪能夠轉(zhuǎn)動，但棘爪又要單方向運(yùn)動，因此要有一個阻擋的結(jié)構(gòu)使棘爪單方向運(yùn)動。如圖 。 圖 爪零件圖 （ 2） 棘爪輪的設(shè)計 棘爪輪完全是為棘爪所設(shè)計的，為實(shí)現(xiàn)棘爪的運(yùn)動而設(shè)計的，結(jié)構(gòu)也是盡量簡潔。如圖 圖 爪輪 （ 3） 傳動齒輪 的設(shè)計 傳動齒輪與棘爪輪是一體的，棘爪輪隨著傳動齒輪一起運(yùn)動， 傳動齒輪的壓力角取20度 ,齒寬取 2數(shù)取 1數(shù)為 8。如圖 17 圖 動齒輪 （ 4） 逆時針棘輪、順時針棘輪 的設(shè)計 逆時針棘輪、順時針棘輪 的轉(zhuǎn)動方向正好相反，當(dāng)腿向前擺動時，逆時針超越離合器起作用，開始工作，帶動棘輪轉(zhuǎn)動，棘輪又是電 機(jī)外殼，與發(fā)電的磁鐵是一體的，這樣就可以通過切割磁感線運(yùn)動使發(fā)電機(jī)發(fā)出電量來，當(dāng)腿向后擺動時，順時針超越離合器起作用，開始工作，帶動棘輪轉(zhuǎn)動，發(fā)出電量來。 如圖 時針棘輪 所示。 圖 時針棘輪、順時針棘輪 2、發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件設(shè)計 發(fā)電機(jī)的兩塊磁鐵異極相對，這樣磁感線可以近似的垂直于線圈，有效的做切割磁感線運(yùn)動，兩塊磁鐵分別與兩個電機(jī)外殼做反向的相對運(yùn)動，使線圈更有效的切割磁感線。 發(fā)電機(jī)由磁鐵、墊片、線圈和支撐組成。如圖 圖 電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 裝配圖 （ 1） 磁鐵的設(shè)計 鋁鎳鈷系永磁材料是目前電機(jī)中應(yīng)用較廣的永磁材料。磁鐵與棘輪連在一體隨著棘輪的轉(zhuǎn)動而運(yùn)動，磁鐵設(shè)計成圓形，以便固定在棘輪上，兩端的順時針棘輪和逆時針棘輪是異極相對的，這樣可以使磁感線 盡量的集中在發(fā)電機(jī)的內(nèi)部以便對線圈起作用。 18 圖 鐵 （ 2） 墊片的設(shè)計 墊片位于磁鐵和線圈的中間，起到過渡的作用，以免磁鐵直接摩擦到線圈，使線圈受損，墊片如圖 圖 片 （ 3） 線圈的設(shè)計 線圈的銅線取 直徑，共 500圈。如圖 圖 圈 （ 4） 支撐的設(shè)計 19 支撐是為固定線圈和輸出電流而設(shè)計的，它是固定于外殼上的，與外殼是一體的。如圖 圖 撐 3、二級齒輪加速機(jī)構(gòu)的零件設(shè)計 二級齒輪加速機(jī)構(gòu)由大齒輪、小齒輪、搖桿和離合器齒輪組成。 （ 1） 大 齒輪 的設(shè)計 根據(jù) 大齒輪的壓力角取 20度 ,齒寬取 2數(shù)取 1數(shù)為40。 根據(jù)上述參數(shù)及漸開線齒輪的相關(guān)特性建模，如圖 圖 齒輪 （ 2） 小 齒輪 的設(shè)計 根據(jù) 小齒輪的壓力角取 20度 ,齒寬取 17數(shù)取 數(shù)為 16。 根據(jù)上述參數(shù)及漸開線齒輪的相關(guān)特性建模，如圖 20 圖 搖桿接觸的小齒輪 （ 3） 搖桿的設(shè)計 搖桿是原動件隨著人的腿部運(yùn)動而擺動，帶動內(nèi)齒輪運(yùn)動，再到小齒輪、大齒輪，由齒輪再到離合器齒輪，通過二級的齒輪加速機(jī)構(gòu)來提高轉(zhuǎn)速，以便能發(fā)出更多的電能。 根據(jù) 桿的總長取為 85寬為 50的直徑為 4齒輪的半徑為 48數(shù)與上述小齒輪的一致。如圖 圖 桿 （ 4） 離合器 齒輪 的設(shè)計 根據(jù) 的理論計算 ,小齒輪的壓力角取 20 度 ,齒寬取 2數(shù)取 1數(shù)為8。 根據(jù)上述參數(shù)及漸開線齒輪的相關(guān)特性建模，如圖 輪 所示。 圖 合器齒輪 4、 伸縮桿的 零件 設(shè)計 考慮到裝置的可攜帶性以及人在行走過程中的舒適性，設(shè)計了一個可以伸縮的擺桿來解決這個問題，擺桿可以完全縮進(jìn)該裝置內(nèi)，提高了可攜帶性。并且在行走過程中人的 大腿不可能是完全在一個平面內(nèi)運(yùn)動，擺桿的伸縮可以提高舒適性。我們考慮到人在行走的過程中，腿不會完全的在一個平面內(nèi)，因此擺桿設(shè)計成圓形這樣人的腿在擺動的同時如果做小幅度的轉(zhuǎn)動也不會感到不舒適。 伸縮桿的設(shè)計如圖 21 圖 縮桿 5、充電裝置的零件設(shè)計 充電裝置 的設(shè)置也是一個要 解決的問題，不同的型號要全面的考慮，盡量擴(kuò)大該設(shè)計的應(yīng)用范圍， 可以為各種電池 充電。 充電裝置由頂蓋、導(dǎo)爪、導(dǎo)片、螺釘和彈簧組成。 （ 1） 頂蓋的設(shè)計 頂蓋的設(shè)計是為了固定電池以及將導(dǎo)線與電池接觸的。如圖所示。 （ 2） 導(dǎo)爪的設(shè)計 導(dǎo)爪的設(shè)計可以滿足不同型號的電池，電池的導(dǎo)片有在前端的，也 有在側(cè)面的，這樣用導(dǎo)爪的下觸點(diǎn)和前觸點(diǎn)來解決。 22 （ 3） 導(dǎo)片的設(shè)計 導(dǎo)片是用來和內(nèi)部發(fā)電機(jī)和外部的導(dǎo)爪相連的，將兩者導(dǎo)通，同時讓導(dǎo)爪可以有一定轉(zhuǎn)動。 （ 4） 彈簧的設(shè)計 （ 5） 對于如何將電能傳送到人們常用的設(shè)備中，手機(jī)、 們采用多個插槽的方法，有 此來充滿不同的需要。 圖 頭 23 料零件的設(shè)計要點(diǎn) 件的形狀應(yīng)盡量簡單、合 理、便于成型在保證使用要求前提下，力求簡單、便于脫模，盡量避免或減少抽芯機(jī)構(gòu) 。 零件的壁厚確定應(yīng)合理 塑料零件的壁厚取決于塑件的使用要求，太薄會造成制品的強(qiáng)度和剛度不足，受力后容易產(chǎn)生翹曲變形 ，成型時流動阻力大 ，大型復(fù)雜的零件就難以充滿型腔。反之，壁厚過大，不但浪費(fèi)材料，而且加長成型周期，降低生產(chǎn)率，還容易產(chǎn)生氣泡、縮孔、翹曲等疵病。因此制件設(shè)計時確定零件壁厚應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 1） 在滿足使用要求的前提下，盡量減小壁厚； 2） 零件的各部位壁厚盡量均勻，以減小內(nèi)應(yīng)力和變形。不均勻的壁厚 會造成嚴(yán)重的翹曲及尺寸控制的問題； 3） 承受緊固力部位必須保證壓縮強(qiáng)度； 4） 避免過厚部位產(chǎn)生縮孔和凹陷； 5） 成型頂出時能承受沖擊力的沖擊。 須設(shè)置必要的脫模斜度為確保制件成型時能順利脫模，設(shè)計時必須在脫模方向設(shè)置脫模斜度，其大小與塑料性能、零件件的收縮率和幾何形狀有關(guān)，對于工程塑料的結(jié)構(gòu)件來說，一般應(yīng)在保證順利脫模的前提下，盡量減小脫模斜度。 為滿足零件的使用所需的強(qiáng)度和剛度單用增加壁厚的辦法，往往是不合理的，不僅大幅增加了零件的重量，而且易產(chǎn) 生縮孔、凹痕等疵病，在零件設(shè)計時應(yīng)考慮設(shè)置加強(qiáng)筋，這樣能滿意地解決這些問題，它能提高零件的強(qiáng)度、防止和避免塑料的變形和翹曲。設(shè)置加強(qiáng)筋的方向應(yīng)與料流方向盡量保持一致，以防止充模時料流受到攪亂，降低零件的韌性或影響制件外觀質(zhì)量。 高制件強(qiáng)度 在零件的轉(zhuǎn)角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在受力或受沖擊、振動時會發(fā)生破裂，如果成型條件不當(dāng)或零件結(jié)構(gòu)不合理，則會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，特別容易產(chǎn)生應(yīng)力開裂。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，當(dāng)圓角半徑小于零件壁厚 時應(yīng)力集中急劇增大，當(dāng)大于壁厚 時，應(yīng)力集中明顯變小。 對于一些流動性差的塑料或加入填料的塑料，零件設(shè)計圓角尤為重要，不僅可改善充模性能，而且可提高零件使用性能。 高模具強(qiáng)度 24 零