(2)优化各对啮合齿轮与阻尼器关系,使得转换率最大;
(3)通过简化机械结构减小发电装置体积,进而降低成产成本;
(4)在满足以上条件的基础之上,机构设计力求轻便可携带。
本机构设计的原理为,将弹簧的弹性势能转换为机械能,通过齿轮系使得机械能平稳传递,再通过发电机将机械能转换为电能,最后将电能转化为化学能并加以储存。
本文涉及的手持机械式持续发电装置是机械式发电装置的一种,该装置主要用于军工领域,主要由动力装置,传动装置,发电装置以及储能装置组成。
2 总体方案设计
2.1 动力装置的选择
2.1.1 动力装置的要求
根据论文任务中的要求,发电装置中的动力装置需要具备以下几点条件:
(1)一定的驱动功率,具备一定的驱动功率,才能保证发电机发出足够的电功率
(2)稳定的转速,稳定的转速保证发电的频率。
(3)结构简单
(4)体积小
2.1.2 利用重力势能提供原动力的动力装置
利用重力势能提供原动力的优点在于,装置结构相对简单,并且转速伴随着脉冲,相对比较稳定。
但是,它的缺点在于这种装置的最大储能较小。即达到目标供能量时,其体积很大。本设计中需要向发电机稳定在1分钟内提供0.5W的供电量,即总供能量为30J。故重力势能必须大于30J。根据重力势能公式
代入数据,简化得:
若m=1 kg,则h=3 m;
若h=0.5 m,则m= 6 kg。
不满足轻便可携带的要求。
图2.1 利用重力势能作为原动力方案
2.1.3 利用弹性势能提供原动力的动力装置
利用弹性势能提供原动力的动力装置,同样结构非常的简单,其中的平面涡卷弹簧,即俗称的发条弹簧,其特点在于,它的体积小,并且储存的能量多。平面涡卷弹簧可以在垂直于其轴的平面内,形成一个扭转力矩,贮存弹性势能。
由弹性势能公式: 及弹簧的刚度公式: 合并简化得:
式中:
F:弹簧所受的载荷;
λ:弹簧在受载荷F时所产生的变形量;
G:弹簧材料的切变模量;
(钢为8×104MPa,青铜为4×104MPa)
d:弹簧丝直径;
D2:弹簧直径;
n:弹簧有效圈数;
由此可见,通过调节弹簧丝直径d,弹簧直径D2以及弹簧有效圈数n,可以调节弹簧的变形量λ,进而可以调节弹簧的整体体积。
故选用平面涡卷弹簧为发电装置提供原动力。
图2.2 利用弹性势能作为原动力方案
2.2 传动装置的选择
2.2.1 常见传动装置及其优缺点
(1)齿轮传动
齿轮传动有以下明显优点:具有恒定不变的瞬时传动比,可用于高速传动;传动比范围大;传动效率是机械传动中最高的;结构紧凑,相比于带传动和链传动,所需空间尺寸小得多;工作可靠,寿命长,具有很高的可靠性。
但是,齿轮传动存在以下缺点:制造成本高、安装要求高,因此齿轮传动的成本费用非常高,且需要良好的文护保养。
(2)带传动
相比于其他传动形式,带传动的优点体现在其通过自身挠性和弹性,可以起到减震和缓冲的作用,因此传动平稳、噪声小;另外,还有过载保护作用,加上结构简单,制造、安装、文护都较方便,使之成本相对低廉。
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