以重力勢能與動(dòng)能轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)的擺

1、以重力勢能與動(dòng)能轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)的擺一球“永動(dòng)器”綜述:在十九世紀(jì)中葉以前，人們一直對永動(dòng)機(jī)抱有幻想并積極實(shí)驗(yàn)，希望能夠發(fā)明出一種本 身不消耗能量卻能源源不斷對外做功的機(jī)器，早在公元1200年前后永動(dòng)機(jī)的想法就已產(chǎn)生 于印度，包括后來的達(dá)芬奇和斯特爾等也都設(shè)計(jì)過永動(dòng)機(jī)的方案，但卻一直沒有成功。直到 十九世紀(jì)中葉，人們認(rèn)識了能量守恒定律，才徹底否定了永動(dòng)機(jī)的想法?，F(xiàn)以單擺重力勢能 轉(zhuǎn)換為動(dòng)能驅(qū)動(dòng)小球沿軌道運(yùn)動(dòng)，小球沿軌道最高點(diǎn)回落再將單擺打到最高點(diǎn)，擺與球不斷 轉(zhuǎn)換能量，理論上應(yīng)該永動(dòng)，但由于各種阻力，擺與球的運(yùn)動(dòng)次數(shù)是有限的?；谶@一基本 原理（能量守恒定律），按照給定要求，設(shè)計(jì)出符合相關(guān)要求的“永動(dòng)

2、機(jī)”。、方案分析二、設(shè)計(jì)說明:為更好地提高能量轉(zhuǎn)換效率，減少能量損失，在原給定模型圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的改進(jìn)， 增添適當(dāng)部件，進(jìn)行力學(xué)分析并建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，盡可能接近“永動(dòng)”的效果，現(xiàn)將各 部件的設(shè)計(jì)圖及使用要求列于下表。1 .示意圖如下圖2圖3圖4圖1是“永動(dòng)器”三維整體爆破圖的示意圖圖2是“永動(dòng)器”三維整體斜視圖的示意圖圖3是“永動(dòng)器”三維碰撞瞬間的示意圖圖4是“永動(dòng)器”透視圖的示意圖2.各部件使用要求表部件名稱材料設(shè)計(jì)尺寸（mm）運(yùn)動(dòng)學(xué)要 求動(dòng)力學(xué)要 求阻力分析材料特性底座鑄鐵HT200平穩(wěn)性高無特殊要 求無特殊要 求價(jià)格便宜、資源豐富，具有 優(yōu)良的鑄造和切削性能抗 壓強(qiáng)度大球形軌道鑄

3、鐵HT300（鍍銀）無特殊要 求有一定剛度粗糙度極 小，鏡面 光滑價(jià)格便宜、資源豐富，具有 優(yōu)良的鑄造和切削性能抗 壓強(qiáng)度大球體高碳低鉻鋼 GCr9標(biāo)準(zhǔn)球體， 能進(jìn)行規(guī) 則滾動(dòng)高而均勻 的硬度，高 的彈性極 限、足夠的 韌性粗糙度 小，表面 光滑具有高而均勻的硬度、高的 彈性極限和解除疲勞強(qiáng)度、 足夠的韌性和淬透性、一定 的耐腐蝕能力擺錘高碳低鉻鋼 GCr9沿?cái)[軌跡往復(fù)運(yùn)動(dòng)有一定強(qiáng) 度、剛度， 錘頭處最 好有少許 彈性粗糙度小，表面光滑具有高而均勻的硬度、高的 彈性極限和解除疲勞強(qiáng)度、 足夠的韌性和淬透性、一定 的耐腐蝕能力圓柱形擺硬鋁Al-Cu-Mg能夠做規(guī) 則的圓周 運(yùn)動(dòng)有一定硬度，無伸縮

4、 性無特殊要 求力學(xué)性能好、材料輕便軸承不銹鋼3Cr13與軸緊固有一定硬度且耐磨粗糙度小較高的硬度、耐磨性和抗腐 蝕性高軸低淬透滲碳鋼20Cr與軸承無相對運(yùn)動(dòng)有一定強(qiáng)度與支架結(jié)合處粗糙 度小表面硬、耐磨性能高，零件 心部具有較高的韌性和強(qiáng) 度支架鑄鐵HT200穩(wěn)固無特殊要 求無特殊要 求價(jià)格便宜、資源豐富，具有 優(yōu)良的鑄造和切削性能抗 壓強(qiáng)度大螺栓低淬透性調(diào)質(zhì)40Cr緊固有一定強(qiáng)度無特殊要 求綜合力學(xué)性能好，多用于受 力較復(fù)雜的場合擋片天然通用橡膠NR固定不動(dòng)塑性大粗糙度大微有彈性，進(jìn)行硫化處理后 具有較高的強(qiáng)度、硬度3 .相關(guān)說明:（1）為使擺在初始狀態(tài)擁有更多的動(dòng)力勢能，將底座設(shè)計(jì)成不對稱

5、式，球形軌道的高度達(dá) 到設(shè)計(jì)極限尺寸，根據(jù)計(jì)算球形軌道采用漸變式軌跡，增加小球運(yùn)動(dòng)的周期，如圖。（2）擺桿很細(xì)且質(zhì)量很小，使其質(zhì)量遠(yuǎn)小于擺頭，即擺的質(zhì)量幾乎集中于擺頭，且擺頭質(zhì) 量等于小球的質(zhì)量，擺頭與小球做彈性對心碰撞，根據(jù)動(dòng)量定理，mv0=mv，則擺頭與小球速 度交換，在能量損失很小的情況下，小球獲得最大速度，即獲得做大能量。（3）擺頭做成流線型，以便減少風(fēng)力摩擦損失，在與小球接觸處涂有塑性涂層（如圖）可 以節(jié)省材料又可以起到緩沖作用，減少碰撞能量損失，擺頭端面為面積極小的平面，可以滿 足小球?qū)π呐鲎?；因?yàn)槿切巫罘€(wěn)定，所以在支架與底座間連成三角架，減小系統(tǒng)的震蕩； 擺頭后面開一小孔，以便

6、填充其他材料來調(diào)整擺頭的質(zhì)量，使之與小球配合，攻絲，以螺釘 封閉填充物。（4）在支架適當(dāng)位置安裝一擋片，起到延緩慣性和支撐支架的作用，使擺頭和小球每次在 最低點(diǎn)碰撞，不因?yàn)橄蚯暗膽T性而使碰撞位置發(fā)生改變，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)化效率降低。（5）采用摩擦系數(shù)很小的滾動(dòng)軸承，保證潤滑性，軸承和軸及外殼孔均采用過盈配合，消除可能由于軸和軸承間微小相對運(yùn)動(dòng)造成的系統(tǒng)震蕩。三、加工工藝方案:（1）底座，按照既定尺寸粗銑再精銑；（2）球形槽：高精度磨削；（3）小球：冷鐓，球磨機(jī)打磨，相關(guān)熱處理，達(dá)到高精度;（4）擺頭：銑削；（5）擺桿：軸及支架：車削；（6）軸承：標(biāo)準(zhǔn)件；（7）螺栓：車削；（8）各個(gè)孔：鉆；（9）擺和擺頭的聯(lián)接：電弧焊；（10）擺和外殼孔的聯(lián)接：電弧焊。四、成本分析:視實(shí)際加工情況而定五、工程管理方案:（1）方案組織過程：在老師的指導(dǎo)下，認(rèn)真分析各組件的力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)要求，擬定幾 套方案，從加工工藝、機(jī)械性能及成本方面充分討論方案的可行性，通過比較得出最符合實(shí) 際的方案，實(shí)施加工；（2）人力資源配置：由組長組織分工，各組員分工合作，分別進(jìn)行proe畫圖、力學(xué)分 析及數(shù)學(xué)模型建立、組件工藝加工，提高工作效率；（3）質(zhì)量管理：嚴(yán)格按照規(guī)定尺寸設(shè)計(jì)加工，采用優(yōu)質(zhì)材料，在工藝加工時(shí)，嚴(yán)格控 制加工誤差及表面