太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置設(shè)計(jì)

I太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置設(shè)計(jì)摘要當(dāng)近社會(huì)能源危機(jī)，化石能源存儲(chǔ)量不多，發(fā)展節(jié)能環(huán)?？稍偕哪茉磩?shì)在必行，太陽(yáng)能清潔無(wú)污染是解決當(dāng)今社會(huì)能源危機(jī)最好的能源。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是完成太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。該裝置主要用于全天候的捕捉太陽(yáng)能，提高太陽(yáng)能電池板的發(fā)電效率。該裝置是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿減速器三百六十度旋轉(zhuǎn)和步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿一百三十五度轉(zhuǎn)動(dòng)，始終實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板跟太陽(yáng)成垂直狀態(tài)；本裝置還通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)行星輪減速器減小太陽(yáng)能電池板的受力面積，避免太陽(yáng)能電池板在惡劣大風(fēng)天氣因受力面積過(guò)大而受損。受力零件用有限元分析，驗(yàn)證選取材料的合理性。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置能有效的提高太陽(yáng)能電池板的發(fā)電效率。關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能機(jī)械裝置自動(dòng)跟蹤ElectricJigSawDesignandStructureAnalysisAbstractWhentheenergycrisisofsociety,notmuchfossilenergystorage,itisimperativetodevelopeco-friendlyrenewableenergy,solarenergyiscleanandpollution-freeenergytoaddressenergycrisisintoday'ssocietythebest.Thisgraduationprojectwasmainlycompleteddesignofautomaticsolartrackingdevicesthemechanicalparts.Thedeviceismainlyusedfortheclocktocapturesolarenergy,andimprovepowergenerationefficiencyofsolarpanels.Thedeviceis360degreerotationofsteppermotordrivenwormreducerandsteppingmotordrivenscrew135degreeturn,alwaysimplementsolarpanelswiththesunintoaverticalposition;thisunitisalsodrivenbysteppermotorwithplanetarygearreducerreducestheforceareaofsolarpanelstoavoidsolarpanelsinharshwinds,whichsuffereddamagedareaistoolarge.Finiteelementanalysisofstresscomponents,verifythattherationalityofselectingmaterials.Thisgraduationdesignofautomaticsolartrackingdevicecaneffectivelyimprovetheefficiencyofsolarpanels.Keywords：SolarMechanicaldevicesAutomatictracking第一章緒論........................................................................................................11.1設(shè)計(jì)的背景與意義......................................................................................11.2國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況......................................................................11.3研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問(wèn)題......................................................21.3.1研究的基本內(nèi)容...........................................................................22.擬解決的主要問(wèn)題.............................................................................31.4研究的方法與技術(shù)路線..............................................................................31.4.1研究方法.......................................................................................31.4.2技術(shù)路線.......................................................................................3第二章太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置外形設(shè)計(jì)................................................................52.1太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的整體外形..............................................................52.2太陽(yáng)能電池板的選擇..................................................................................52.2.1太陽(yáng)能電池發(fā)電原理...................................................................52.2.2太陽(yáng)能電池板確定....................................................................62.3俯仰角調(diào)節(jié)的裝置設(shè)計(jì)..............................................................................72.3.1太陽(yáng)角度的計(jì)算...........................................................................72.3.2俯仰角的調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)....................................................................8第三章行星輪減速器的設(shè)計(jì)........................................................................103.1太陽(yáng)能電池板收放....................................................................................103.2步進(jìn)電機(jī)的選擇........................................................................................103.3行星輪減速器的設(shè)計(jì)...............................................................................113.3.1行星齒輪的齒形、材料和傳動(dòng)比的選擇.................................113.3.2第一級(jí)行星輪系設(shè)計(jì).................................................................113.3.3第二級(jí)行星輪系部分設(shè)計(jì)計(jì)算.................................................17第四章蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)................................................................................234.1蝸輪蝸桿減速器的設(shè)計(jì)............................................................................234.1.1蝸輪蝸桿的基本數(shù)據(jù).................................................................234.1.2傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算.................................................................234.1.3齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核.............................................................244.1.4渦輪齒根彎曲強(qiáng)度校核.............................................................254.1.5蝸輪蝸桿幾何尺寸計(jì)算.............................................................264.2軸的設(shè)計(jì)計(jì)算............................................................................................274.2.1蝸輪軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算.................................................................274.2.2初步確定軸的最小直徑.............................................................274.2.3渦輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).....................................................................274.3軸承的選擇和計(jì)算....................................................................................294.3.1渦輪軸承的選擇計(jì)算.................................................................294.3.2蝸桿軸承的校核及計(jì)算.............................................................31第五章支架有限元分析....................................................................................33第六章總結(jié)..................................................................................................37參考文獻(xiàn)..............................................................................................................381第一章緒論1.1設(shè)計(jì)的背景與意義今天的世界已經(jīng)是一個(gè)嚴(yán)重的能源危機(jī)的出現(xiàn)，因此，在對(duì)可再生的清潔能源發(fā)展的世界主要國(guó)家，如太陽(yáng)能，風(fēng)能，潮汐能，波浪能，在地面車(chē)輛擠壓能量等。特別是，太陽(yáng)能，并且是所有能量的來(lái)源。但是因?yàn)樘?yáng)在地球上的密度非常低，最佳條件下一平米面積最多能產(chǎn)生1KW功率，想要大規(guī)模使用很困難。既然世界上利用太陽(yáng)能的開(kāi)始，太陽(yáng)能設(shè)備要求低，照明裝置固定，但太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率很低；對(duì)于要求苛刻的太陽(yáng)能設(shè)備，跟蹤設(shè)備是必需的，以跟蹤太陽(yáng)，以獲得盡可能多的太陽(yáng)能。根據(jù)世界能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題已成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，世界各地的“人類(lèi)面臨的最大威脅”，這項(xiàng)研究的目的是提高太陽(yáng)能利用率，太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究，其中有我們面臨重大意義的能源問(wèn)題。同時(shí)，太陽(yáng)能是一種清潔能源，加強(qiáng)發(fā)展太陽(yáng)能，節(jié)約能源具有重大意義，保護(hù)環(huán)境。太陽(yáng)能資源豐富，既免費(fèi)的，也不需要交通運(yùn)輸，沒(méi)有任何污染的環(huán)境。作為能源消耗大國(guó)中國(guó)，如何提高太陽(yáng)能的利用，是解決能源危機(jī)的一種可能的方式。本研究的主要意義如下：

全套設(shè)計(jì)加QQ11970985或197216396（1）在此課題研究過(guò)程中，能夠強(qiáng)化工程認(rèn)識(shí)，增加工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)綜合使用多學(xué)科的理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的本領(lǐng)以及創(chuàng)新能力。（2）可以了解國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能跟蹤裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，學(xué)習(xí)太陽(yáng)能跟蹤裝置的相關(guān)技術(shù)。（3）在做本課題的過(guò)程中，可以學(xué)習(xí)SolidWorks，CAD等軟件的使用，為以后就業(yè)打好扎實(shí)的基礎(chǔ)。1.2國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況日本，德國(guó)和美國(guó)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的最強(qiáng)大的動(dòng)力的國(guó)家。美國(guó)預(yù)計(jì)光伏發(fā)電到2020年總裝機(jī)容量達(dá)到36GW，日本計(jì)劃在2010年安裝近5GW。德國(guó)在2000通過(guò)的可再生能源法，以固定價(jià)格購(gòu)買(mǎi)優(yōu)惠鼓勵(lì)可再生能源，并進(jìn)2一步補(bǔ)充在2004四月修訂可再生能源法，2004年德國(guó)使光伏系統(tǒng)設(shè)備顯著增加，并一舉超過(guò)日本，成為世界最大的光伏系統(tǒng)安裝國(guó)家。日本278mw裝機(jī)容量占全球的30%。德國(guó)和日本的裝機(jī)容量占全球的2/3。目前，中國(guó)的電池產(chǎn)品主要出口到這些國(guó)家。在過(guò)去的十年中，在世界光伏市場(chǎng)的需求，再加上大規(guī)模制造技術(shù)大幅提高的不斷提高，促進(jìn)了世界光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，光伏電池產(chǎn)量從1995年到78.6MW，增加1727MW2005年，年均增長(zhǎng)速度達(dá)到32.4％?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是全球光伏產(chǎn)能在未來(lái)15年將保持20％的年均增長(zhǎng)，甚至更樂(lè)觀的估計(jì)，到2010年，全球太陽(yáng)能產(chǎn)量將增長(zhǎng)4倍增長(zhǎng)，銷(xiāo)售收入增長(zhǎng)了3倍，3倍的利潤(rùn)增長(zhǎng)。光伏電池產(chǎn)量達(dá)到833MW，占了近一半的世界光伏市場(chǎng)份額。在中國(guó)大陸進(jìn)入世界前十位的國(guó)家之一光伏制造2005年光伏電池產(chǎn)量為128MW，在世界第四位，占世界市場(chǎng)的7.4％分額。目前，中國(guó)已經(jīng)形成了完整的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)鏈。從產(chǎn)業(yè)布局，國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)三角，環(huán)渤海，珠三角和中西部地區(qū)擁有多元化的區(qū)域性產(chǎn)業(yè)集群。2009年中國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量為9300MW，占比超過(guò)40％的全球產(chǎn)量，已成為全球太陽(yáng)能電池生產(chǎn)第一大國(guó)。雖然中國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模居世界第一，但產(chǎn)業(yè)鏈的不協(xié)調(diào)發(fā)展，與科技行業(yè)整體較弱。在整個(gè)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)壁壘最大的多晶硅生產(chǎn)中，國(guó)外主要廠商西門(mén)子采用的是封閉的改進(jìn)方法，這在中國(guó)尚屬空白。中國(guó)的多晶硅生產(chǎn)企業(yè)使用的直接或間接引進(jìn)俄羅斯的大部分多晶硅提純技術(shù)，其成本高，能耗大，嚴(yán)重的重復(fù)建設(shè)，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，這是在2009年初中國(guó)多晶硅產(chǎn)能過(guò)剩的主要原因。1.3研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問(wèn)題（1）整個(gè)裝置的外形設(shè)計(jì)。（2）太陽(yáng)能電池板的選取，步進(jìn)電機(jī)的選取。（3）行星輪減速器的設(shè)計(jì)選取。（4）蝸輪蝸桿減速器的設(shè)計(jì)選取。3（1）了解現(xiàn)有的太陽(yáng)能跟蹤裝置的設(shè)計(jì)方案，對(duì)比其特點(diǎn)，借鑒優(yōu)秀方面。（2）使用Solidworks建立太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的三維模型后，再用CAD畫(huà)出相應(yīng)零件的二維圖及總的裝配圖。（3）行星減速器的計(jì)算設(shè)計(jì)，蝸輪蝸桿減速器的計(jì)算設(shè)計(jì)。（4）受力零件有限元的分析。1.4研究的方法與技術(shù)路線（1）查閱現(xiàn)有資料解決基本問(wèn)題，查閱資料計(jì)算相關(guān)的參數(shù)。太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置的參數(shù)，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和設(shè)計(jì)計(jì)算方法。（3）二維造型由CAD進(jìn)行繪制，三維造型由Solidworks進(jìn)行繪制。（4）有限元分析通過(guò)SolidWorks中Simulation輔助分析。查閱太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤機(jī)械裝置的資料，熟悉它的設(shè)計(jì)方案，完成如圖所示的（1）查閱現(xiàn)有的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)比他們的特點(diǎn)，借鑒他們優(yōu)秀的地方，然后結(jié)合自己的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，確定我的設(shè)計(jì)方案。（2）根據(jù)設(shè)計(jì)方案，剖析方案中的系統(tǒng)組成：太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的外形設(shè)計(jì)和太陽(yáng)能電池板的選??；步進(jìn)電機(jī)的選取，零件的設(shè)計(jì)計(jì)算，行星輪減速器的設(shè)計(jì)和蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)。（3）太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的外形設(shè)計(jì)及太陽(yáng)能電池板的選取。（4）步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選取，零件的設(shè)計(jì)計(jì)算。（5）行星輪減速器的計(jì)算設(shè)計(jì)和蝸輪蝸桿的計(jì)算設(shè)計(jì)。（6）零件受力部分有限元分析。（7）完成論文。4確定設(shè)計(jì)方案分析方案的系統(tǒng)組成太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的外形設(shè)計(jì)及太陽(yáng)能電池板的選取設(shè)計(jì)計(jì)算行星輪減速器的設(shè)計(jì)和蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)零件受力部分有限元分析完成畢業(yè)設(shè)計(jì)5第二章太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置外形設(shè)計(jì)2.1太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的整體外形在構(gòu)思太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的外形設(shè)計(jì)時(shí)，我首先參考了很多現(xiàn)在技術(shù)比較成型的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置，后來(lái)想到了電風(fēng)扇的外形設(shè)計(jì)，覺(jué)得我的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的外形設(shè)計(jì)可以參考電風(fēng)扇的外形，所以我所設(shè)計(jì)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的外形跟電風(fēng)扇的外形有點(diǎn)相似（如圖2-1）。圖2-1太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置2.2太陽(yáng)能電池板的選擇太陽(yáng)能電池是對(duì)光的響應(yīng)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電力設(shè)備。有很多材料能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的，如：?jiǎn)尉Ч?，多晶硅，非晶硅，硒銦銅，砷化鎵等。發(fā)電原理基本相同，就用一個(gè)例子來(lái)描述晶光生成過(guò)程。P型非晶硅摻雜有磷可以有一個(gè)N型硅，形成PN結(jié)。當(dāng)光線照射在太陽(yáng)能電池單元的表面時(shí)，光子被硅材料的一部分被吸收;光子的能量傳遞到硅原子上，從而使更多的電子移動(dòng)，成為自由電子在PN結(jié)上形成的電勢(shì)差結(jié)塊，兩側(cè)的當(dāng)外部接觸時(shí)的柵極電路中，電壓的影響下，電6流將流通過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。本質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能。【1】類(lèi)別轉(zhuǎn)換效率優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)晶體硅太陽(yáng)能15%--25%耐用，壽命長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換效率高生產(chǎn)成本大，不能被普遍使用非晶體硅太陽(yáng)能電池能在弱光下發(fā)電轉(zhuǎn)換效率低，不夠穩(wěn)定，隨著時(shí)間的推移轉(zhuǎn)換效率衰減化學(xué)染料電池最高可達(dá)可以擴(kuò)大太陽(yáng)能吸收光譜范圍，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)化效率未工業(yè)化生產(chǎn)，不能普及可以擴(kuò)大太陽(yáng)能吸收光譜范圍，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)化效率柔性太陽(yáng)能電池7.1%方便攜帶，方便安裝光電的轉(zhuǎn)換效率要比常規(guī)的晶硅組件低通過(guò)上面的表格可知：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池是目前技術(shù)比較成熟，性?xún)r(jià)比最高的，選擇比較全面的太陽(yáng)能電池板。通過(guò)網(wǎng)上查詢(xún)對(duì)比選擇于輝太陽(yáng)能公司生產(chǎn)工作電壓17.3V，工作電流4.33MA，開(kāi)路電壓21.45V，短路電流4.67MA，電池?cái)?shù)9*4PCS，尺寸760x670x35，凈重約6.4Kg。圖2-2YHM75-18M（一）YHM75-18M的特點(diǎn)1、高性能的PET/EVA聚脂薄膜，鋼化玻璃封裝。72、高透光率低鐵鋼化玻璃、抗老化EVA及優(yōu)良耐火、高絕緣性TPT熱壓密封而成。3、光電轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長(zhǎng)、電氣性能衰減小。4、轉(zhuǎn)換效率高，氣壓，風(fēng)，冰雹，機(jī)械強(qiáng)度高，抗紫外老化。5、陽(yáng)極優(yōu)化質(zhì)鋁合金邊框，優(yōu)美的外觀。6、安裝方便，性能穩(wěn)定，不受任何地理環(huán)境影響。2.3俯仰角調(diào)節(jié)的裝置設(shè)計(jì)如圖2-3所示，指向太陽(yáng)的向量S與天定Z軸的夾角定義為天頂角，用θz表示；矢量的定義包括太陽(yáng)入射角的傾斜角度的屏幕法線的夾角的定義，θT表示，矢量和為太陽(yáng)高度角接地平面，記為h；S在地面上的投影線與南北方向線直接的夾角定義為太陽(yáng)方位角，用γ表示；地面上的垂直投影線之間的角度和傾正午時(shí)w=0，每小時(shí)增加15，上午為正，下午為負(fù)。[3]1.太陽(yáng)高度角h計(jì)算太陽(yáng)高度角的表達(dá)式為太陽(yáng)角度的定義（1-1）8太陽(yáng)在地平線上剛出現(xiàn)的時(shí)刻，太陽(yáng)高度角，H=0°。如果不考慮表面曲率和折射的影響，根據(jù)表達(dá)在日出或日落時(shí)角：（1-2）式中，wθ為日出或者日落時(shí)角，以度表示，正為日落時(shí)角，負(fù)為如出時(shí)角。解求出時(shí)角后，日出日落時(shí)間用求出。一天中日照時(shí)間為(1-4)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的俯仰角的調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，如圖2-4所示，太陽(yáng)能電池板的俯仰角采用步進(jìn)電機(jī)加絲杠的方式來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿的旋轉(zhuǎn)，調(diào)整俯仰角度，達(dá)到太陽(yáng)能電池板和太陽(yáng)能垂直。。圖2-4俯仰角的調(diào)節(jié)當(dāng)太陽(yáng)高度角最低為36.5°（杭州地區(qū)冬至日太陽(yáng)角最小太陽(yáng)能電池板與水平面的最大53.5度，由此可得出上半部分裝置的重心距離旋轉(zhuǎn)軸心最大。上半部分裝置的質(zhì)量大概為120KG，則重力不平衡力矩為229.5風(fēng)荷載對(duì)俯仰軸扭矩：在電池板的扭矩和在電池板的正壓力對(duì)俯仰角軸扭矩。風(fēng)力對(duì)太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的扭矩為：9風(fēng)載荷作用于太陽(yáng)能電池板的正壓力為：式中：Cm—風(fēng)阻俯仰力矩系數(shù)；K—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，在此取K＝1；A—一個(gè)特征區(qū)域，迎風(fēng)面積垂直于物體的方向；D—對(duì)象迎風(fēng)高度（m是特征尺寸的長(zhǎng)度。。Cx—風(fēng)阻力系數(shù)；查書(shū)【4】得15m/s的風(fēng)阻力矩系數(shù)Cm＝0.0945，風(fēng)阻系數(shù)風(fēng)速CX=1.1637。由此可得風(fēng)載荷對(duì)機(jī)構(gòu)的最大風(fēng)阻力矩由此可得太陽(yáng)能電池板高度角調(diào)節(jié)裝置要克服的最大阻力距為則步進(jìn)電機(jī)需要輸出的推力F為：為了減小運(yùn)動(dòng)中的阻力系數(shù)，選用滾珠絲杠2506-3（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-1-33d為滾珠絲桿的直徑為20mm，滾珠絲杠的阻力系數(shù)是=0.005，摩擦阻力是步進(jìn)電機(jī)克服由此可得出克服的摩擦阻力距為：步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須小于最大靜轉(zhuǎn)矩[5]，否則根本帶不動(dòng)負(fù)載。為了能穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般只能是最大靜轉(zhuǎn)矩的30%到50%之間，所以選擇的步進(jìn)42BYG250B-0151，靜轉(zhuǎn)矩（保持轉(zhuǎn)矩）為0.43。第三章行星輪減速器的設(shè)計(jì)3.1太陽(yáng)能電池板收放當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，電池板力大，整個(gè)太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置的比較脆弱。為了減少受力面積，太陽(yáng)能電池板，太陽(yáng)能電池板自動(dòng)保護(hù)，延長(zhǎng)其壽命，我們使用兩板兩側(cè)的伸縮裝置伸縮自如。為了實(shí)現(xiàn)折疊功能，對(duì)高度略高于在中間低兩邊的太陽(yáng)能電池板兩側(cè)的太陽(yáng)能電池板，太陽(yáng)能電池板上設(shè)有皮帶輪，在支架的兩側(cè)的軌道。步進(jìn)電機(jī)與減速器連接在支架底部的絲桿。因?yàn)榻z桿在旋轉(zhuǎn)方向兩端的螺紋是相反的，所以絲桿旋轉(zhuǎn)，兩邊的太陽(yáng)能電池板可以在同一時(shí)間，但方向相反的運(yùn)動(dòng)完成，實(shí)現(xiàn)折疊功能板（如圖3-1）。圖3-1太陽(yáng)能電池板的收放3.2步進(jìn)電機(jī)的選擇如圖3-1所示是電池板收放功能的實(shí)現(xiàn)裝置。使用步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速器將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳到絲桿上，絲桿的兩側(cè)分別與兩側(cè)的太陽(yáng)能電池板相連接。由于絲桿的選擇，絲桿的方向是相反的，所以在旋轉(zhuǎn)的絲桿時(shí)可以實(shí)現(xiàn)雙方的太陽(yáng)能電池板同時(shí)以相同的速度運(yùn)動(dòng)的反。為了讓減速器在同樣的減速比條件下布局更加緊湊，減少它的大小，所以選用兩級(jí)行星輪減速器。兩側(cè)的太陽(yáng)能電池板重量相加約為12.8Kg，假設(shè)太陽(yáng)能電池板與支架之間的摩擦系數(shù)為0.1，則推動(dòng)電池板運(yùn)動(dòng)的力為,假設(shè)絲杠摩擦系數(shù)為0.2，絲杠直徑為30mm，則驅(qū)動(dòng)絲杠的力矩為，再考慮到可能會(huì)發(fā)生過(guò)載，取安全系數(shù)為2.5，則驅(qū)動(dòng)絲杠的力矩為,.步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須小于最大靜轉(zhuǎn)矩[5]，否則根本帶不動(dòng)負(fù)載。為了能穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般只能是最大靜轉(zhuǎn)矩的30%到50%之間，所以選擇的步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.28N.m到0.46N.m之間，所以選擇森創(chuàng)步進(jìn)電機(jī)42BYG250B-0151，靜轉(zhuǎn)矩（保持轉(zhuǎn)矩）為0.43N?m。3.3行星輪減速器的設(shè)計(jì)1.齒形及精度因?yàn)樘?yáng)能電池板收放不需要快速實(shí)現(xiàn)，所以這樣的行星齒輪減速器的變化速度低，使用壓力角為20°每個(gè)齒輪直齒輪，精度等級(jí)6[6]。2.齒輪材料及性能高速級(jí)太陽(yáng)輪和行星輪采用硬齒面，以提高承載能力，減低尺寸，內(nèi)齒輪用軟齒面。高速級(jí)部分采用軟齒面。兩級(jí)材料性能如表3-1。表3-1齒輪材料及性能齒輪材料熱處理加工精度太陽(yáng)輪20CrMnTi滲碳淬火HRC58~62375行星輪267.540Cr調(diào)質(zhì)HB262~2866502753.傳動(dòng)比分配根據(jù)傳動(dòng)要求分配第級(jí)與第級(jí)的傳動(dòng)比，第級(jí)傳動(dòng)比i=5,第二級(jí)傳動(dòng)3.3.2.1配齒數(shù)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版第三卷得出的配齒結(jié)果：Za=21，Zb=83，ZC=31,通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出軸扭矩水平Y(jié)Y2.54YY2.54Fa2mdzEQ\*jc3\*hps13\o\al(\s\up5(2),)Flim0.7192263.5由此得傳入第一級(jí)輸出軸的扭矩為T(mén)3=T5/2i2=117/(0.94)=32.5（N.m）（N.m）（2）按彎強(qiáng)度曲初算模數(shù)mi1T1=3T2/1=T3/1i1=7.2因?yàn)镕lim取Flim1和Flim2 YFa2Y中的較小值Flim2Fa1=293.5375則Flim=293.25N/mm2則齒數(shù)模數(shù)的出算公式為：mkT1KFEKFPYFa112.17.21.251.61.32.841.1276所以根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版取模數(shù)m=1.25mm.則可以計(jì)算出第一級(jí)各齒輪的基本參數(shù)如下：表3-2第一級(jí)行星輪系基本幾何尺寸單位：mm齒輪分度圓直徑齒頂圓直徑齒根圓直徑齒寬太陽(yáng)輪26.2528.7523.125行星輪38.7541.2535.625103.75101.25106.8753.3.2.2進(jìn)行接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算表3-3接觸強(qiáng)度有關(guān)系數(shù)代號(hào)名稱(chēng)說(shuō)明取值Km算式系數(shù)直齒輪12.1KFp行星輪間載荷分配系數(shù)FEKFE綜合系數(shù)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)YFa1Y齒形系數(shù)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)2.84YFa1Y2.543.3.2.3齒輪疲勞強(qiáng)度校核1.外嚙合計(jì)算接觸應(yīng)力H,計(jì)算其需用應(yīng)力HP,式中的參數(shù)和數(shù)值如表3-4表3-4外嚙合接觸強(qiáng)度有關(guān)參數(shù)和系數(shù)代號(hào)名稱(chēng)說(shuō)明取值A(chǔ)KA使用系數(shù)中等沖擊查VVK動(dòng)載系數(shù)a(vx0.957m/s,6級(jí)精度，avxz/1000.18KH齒向載荷分布系數(shù)查書(shū)得uH=0.311.065K齒間載荷分布系數(shù)六級(jí)精度1HPKHP行星輪間載荷分布系數(shù)行星架浮動(dòng)，HHZ節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)2.5Z重合度系數(shù)a1.595,0,0.90Z螺旋角系數(shù)直齒，=01分度圓上切向力500.8Nb工作齒寬u齒數(shù)比z/z31/211.48NZN壽命系數(shù)按工作15年，每年工作300天，每天12小時(shí)計(jì)算1H0HEd1H0HEd1buNmm2724.6/HNL60nt60(nanx)npt7.48109109LZL潤(rùn)滑油系數(shù)v50150106m2/s2,`WZW工作硬化系數(shù)內(nèi)齒輪均為硬齒面1SHlim最小安全系數(shù)按高可靠度查表接觸應(yīng)力基本值接觸應(yīng)力685.7685.7(1.5261)許用接觸應(yīng)力:QHPHlimZNZLZVZRZWZX/SHlim故HHP,接觸強(qiáng)度通過(guò)3.3.2.4齒根彎曲疲勞強(qiáng)度齒根彎曲疲勞應(yīng)力F及許用應(yīng)力根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算并分別對(duì)太陽(yáng)輪和行星輪進(jìn)行校核。各項(xiàng)參數(shù)如表3-5表3-5外嚙合齒根彎曲強(qiáng)度有關(guān)參數(shù)和系數(shù)代號(hào)名稱(chēng)說(shuō)明取值KF齒向載荷分布系數(shù)b/h6.8N(b/h)20.8341(b/h)(b/h)2KF(KH)N1.0541.054FFK齒間載荷分布系數(shù)FFHKK1FPKFP行星輪載荷分按式7-43布系數(shù)YFa.aY太陽(yáng)輪齒形分配敘述x=0,za`=192.84YY行星輪齒形分布系數(shù)x=0,zc292.54Y重合度系數(shù)Y0.25/Y0.25/0.720.72YNTY彎曲壽命能夠系數(shù)LNLN1YSTY試驗(yàn)齒輪應(yīng)力修正系數(shù)按所給Flim區(qū)域圖取Flim2YYrelT齒根表面形狀系數(shù)ZZR2.41.045SFlim最小安全系數(shù)按高可靠度①太陽(yáng)輪：彎曲應(yīng)力基本值：彎曲應(yīng)力：Fp。a=Flim.a.YST.YNT.YrelF.a.YrelT.a.YX=故Fa<Fp。a,彎曲強(qiáng)度通過(guò)②行星輪F0。c=FtYFa.cYsa.cYY/bm=685.72.541.720.721/(171.25)103.79N/mm2Fp。c=Flim.c.YSTYSTYNTYrelT.aYrelT/SFlimF。c=F0。c.KA.KV.KF.KF.KFPt1 db.uHH0KA.KV.KH.KH.KHP305.8791.251.011.06511.20388.536N/mm2HlimZNZLZVZRZWZX6561.031.050.930.971.111SHlim1.25563.1N/mm2故F。c<Fp。c,彎曲強(qiáng)度通過(guò)①齒輪接觸疲勞強(qiáng)度不同的參數(shù)為u=77/29=2.655,Z=0.87,ZN=1.03,ZR=0.97,ZW=1.11305.879N/mm2HP=②齒根彎曲疲勞強(qiáng)度F。c=F0KAKVKFKFKFP=Fp=Flim.cYSTYSTYNTYrelT.aYrelT/SFlim故F<Fp,彎曲強(qiáng)度通過(guò)YYmkm33TKKY 1FEFPFa12dz1Flim3.3.3.1.配齒數(shù)按彎曲強(qiáng)度初算模數(shù)m因?yàn)镕lim取Flim1和Flim2 YFa2Y中的較小值FlimFlim2=Y=2.54則Flim=293.25N/mm2則齒數(shù)模數(shù)的出算公式為：0.7282263.5根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版取模數(shù)m=1.5mm.則第二級(jí)各齒輪的基本參數(shù)如下表示：表3-6第二級(jí)行星輪系基本幾何尺寸單位：mm齒輪分度圓直徑齒頂圓直徑齒根圓直徑齒寬太陽(yáng)輪29.25行星輪34.537.530.7599105.752.進(jìn)行接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算表3-7接觸強(qiáng)度有關(guān)系數(shù)代號(hào)名稱(chēng)說(shuō)明取值Km算式系數(shù)直齒輪12.1KFp行星輪間載荷分配系數(shù)3.3.3.2齒輪疲勞強(qiáng)度校核1.外嚙合根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算接觸應(yīng)力H,其需用應(yīng)力HP,式中的參數(shù)和數(shù)值如表3-8。表3-8外嚙合接觸強(qiáng)度有關(guān)參數(shù)和系數(shù)代號(hào)名稱(chēng)說(shuō)明取值A(chǔ)AK使用系數(shù)按中等沖擊查表VVK動(dòng)載系數(shù)a(vx0.957m/s,6級(jí)精度，avxz/1000.18KH齒向載荷分布系數(shù)查書(shū)uH=0.311.065K齒間載荷分布系數(shù)六級(jí)精度1HPKHP行星輪間載荷分布系數(shù)行星架浮動(dòng)，HHZ節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)2.5EZE彈性系數(shù)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)189.8Z重合度系數(shù)a1.595,0,0.90Z螺旋角系數(shù)直齒，=01分度圓上切向力1547Nb工作齒寬許用接觸應(yīng)力:u齒數(shù)比zc/za27/280.960.96NNZ壽命系數(shù)按工作15年，每年工作300天，每天12小時(shí)計(jì)算NL60nt60(nanx)npt7.48109109，按圖6-18HRC=60,v=0.957,1LZL潤(rùn)滑油系數(shù)v50150106m2/s2,`WZW工作硬化系數(shù)內(nèi)齒輪均為硬齒面1SHlim最小安全系數(shù)高可靠度接觸應(yīng)力基本值：H0HEd1bu676.13N/mm2接觸應(yīng)力QHPHlimZNZLZVZRZWZX/SHlim故HHP,接觸強(qiáng)度通過(guò)3.3.3.3齒根彎曲疲勞強(qiáng)度齒根彎曲疲勞應(yīng)力F及許用應(yīng)力計(jì)算并分別對(duì)太陽(yáng)輪和行星輪進(jìn)行校核。各項(xiàng)參數(shù)如表3-9：表3-9外嚙合齒根彎曲強(qiáng)度有關(guān)參數(shù)和系數(shù)代號(hào)名稱(chēng)說(shuō)明取值KF齒向載荷分布系數(shù)b/h6.8N(b/h)20.8341(b/h)(b/h)2KF(KH)N1.0541.054FFK齒間載荷分布系數(shù)FFHKK1FPKFP行星輪載荷分布系數(shù)YFa.aY太陽(yáng)輪齒形分配敘述x=0,za`=192.84YY行星輪齒形分布系數(shù)x=0,zc292.54Y重合度系數(shù)Y0.25/Y0.25/0.720.72YNTY彎曲壽命能夠系數(shù)LNLN1YSTY試驗(yàn)齒輪應(yīng)力修正系數(shù)按所給Flim區(qū)域圖取Flim2YYrelT齒根表面形狀系數(shù)RZ2.4，1.045SFlim最小安全系數(shù)按高可靠度，彎曲應(yīng)力：Fp。a=Flim.a.YST.YNT.YrelF.a.YrelT.a.YX=HH0KA.KV.KH.KH.KHPHlimZNZLZVZRZWZX6561.031.050.930.971.111SHlim1.25563.1N/mm2故Fa<Fp。a,彎曲強(qiáng)度通過(guò)②行星輪F0。c=Ft.YFa.c.Ysa.cYY/bm=15472.541.720.721/(301.5)108.14Fp。c=Flim.c.YSTYSTYNTYrelT.aYrelT/SFlimF。c=F0。c.KA.KV.KF.KF.KFP故F。c<Fp。c,彎曲強(qiáng)度通過(guò)①齒輪接觸疲勞強(qiáng)度ZN=1.03,ZR=0.97,ZW=1.11H0=Z.Z.Z.Z.Z381.5N/mm2HP=②齒根彎曲疲勞強(qiáng)度F。c=F.KA.KV.KF.KF.KFPFp=Flim.c.YSTYSTYNTYrelT.aYrelT/SFlim=275211.021.0451/1.25468.996N/mm2故F<Fp,彎曲強(qiáng)度通過(guò)第四章蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)水平角采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿減速器的跟蹤，減速器輸出軸連接板的方式。采用蝸輪蝸桿減速器，不僅起到降低速度增大轉(zhuǎn)矩的功能，還可以利用其自鎖功能，防止大風(fēng)等惡劣天氣對(duì)裝置的破壞。4.1蝸輪蝸桿減速器的設(shè)計(jì)行星輪減速器與步進(jìn)電機(jī)總質(zhì)量約為30Kg，蝸輪蝸桿上部支撐桿的總質(zhì)量約為100Kg，所以整個(gè)裝置的總質(zhì)量合計(jì)為260Kg，推力圓柱滾子軸承上的基本查書(shū)得推力圓柱滾子軸承的摩擦系數(shù)為0.004，步進(jìn)電機(jī)要克服的摩擦力為F=10.4N，要克服的摩擦阻力距為Mf=0.51N.m，考慮安全，取安全系數(shù)2，所以客服的摩擦阻力距為旋轉(zhuǎn)柱需要克服摩擦距離，所以最小力矩電機(jī)的輸出應(yīng)為=為了能穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般只能是最大靜轉(zhuǎn)矩的30%到50%之間，所以選擇的步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.11N.m到0.62N.m之間，所以選擇森創(chuàng)步進(jìn)電機(jī)42BYG250B-0151，靜轉(zhuǎn)矩（保持轉(zhuǎn)矩）為0.43。選用普通ZA圓柱蝸桿傳動(dòng)，有利于保障傳動(dòng)的平穩(wěn)性，考慮到蝸輪蝸桿的自鎖性能，我們選取蝸桿的材料為45號(hào)鋼，表面淬火處理。渦輪的材料為錫青銅，在滑動(dòng)速度約為0.1m/s的條件下，知當(dāng)量摩擦角為4.5°，我們選取蝸桿的頭數(shù)Z1=1，渦輪的齒數(shù)為Z2=82，傳動(dòng)比為i82，模數(shù)為m2.5，無(wú)變位系數(shù)，導(dǎo)程角為=310'47"，數(shù)據(jù)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。1.單級(jí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)HP'70N/mm2HP'70N/mm23.蝸桿的頭數(shù)Z1=1，渦輪的齒數(shù)為Z2=82，傳動(dòng)比為i82，模數(shù)為m2.5，無(wú)變位系數(shù)，導(dǎo)程角為=310'47"確定許用應(yīng)力渦輪許用接觸應(yīng)力：HP'HPZVSZN渦輪許用彎曲應(yīng)力：FP'FPYN'220N/mm2FP采用脂潤(rùn)滑方式，得滑動(dòng)速度影響系數(shù)ZVS0.95。假定該設(shè)備的使用壽命為5年，每年300個(gè)工作日，每班12小時(shí)，JC=40%，工作環(huán)境溫度350C，可以得到齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：則許用接觸應(yīng)力：HP'HPZVSZN=2200.951.45=303N/mm2許用彎曲應(yīng)力:FP'FPYN=70N/mm2根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版，齒面接觸強(qiáng)度驗(yàn)算公式：HZEHPEmm70NEmm70Nmm2N2N使用系數(shù)KA0.9載荷分布系數(shù)K1載荷系數(shù)KV1.1渦輪克服的摩擦阻力距為T(mén)21.12N.m將上述數(shù)據(jù)代入齒面接觸強(qiáng)度驗(yàn)算公式9400T94001.120.91.1145.5Nmm2303Nmm2HZ9400T94001.120.91.1145.5Nmm2303Nmm2所以齒面接觸強(qiáng)度校核通過(guò)。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得驗(yàn)算公式：FYFSYFPZZ28282.4則V2cos3cos33.2根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，得Y10.97FPF8.550.974.2N/mm2FP所以渦輪齒根彎曲強(qiáng)度校核通過(guò)Rf2da1c*m25.5mm4.1.5.1蝸桿幾何尺寸計(jì)算d1d直徑系數(shù)q=m=18齒頂圓直徑da1d12hEQ\*jc3\*hps13\o\al(\s\up7(*),)m50mm齒根圓直徑df1d12m(hEQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up7(),)c)39mm蝸桿軸向齒厚a2蝸桿的法向齒厚snsacos3.925cos3.23.92mm蝸桿螺紋長(zhǎng)度b1110.06Z2m110.06822.539.8mm取40mm4.1.5.2渦輪幾何尺寸計(jì)算蝸輪齒數(shù)z282蝸輪分度圓直徑d2mz22.582=205mm渦輪喉圓直徑da2d22m20522.5210mm齒根圓直徑df2d22.4m20521.22.5199mm渦輪寬度b20.75da10.755037.5mmRd1m20mm渦輪齒頂圓弧半徑2渦輪齒根圓弧半徑2表4-1蝸輪蝸桿的基本參數(shù)：參數(shù)蝸桿渦輪齒數(shù)1模數(shù)2.52.5傳動(dòng)比分度圓直徑45205導(dǎo)程角壓力角20°20°旋向右旋右旋4.2軸的設(shè)計(jì)計(jì)算渦輪軸上的阻力距為T(mén)21.12Nm求作用在蝸輪上的力圓周力Ft3.8N徑向力FrFttan0.21N軸向力Fa27.3N選擇軸材料為45鋼，調(diào)質(zhì)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得：dminA031.0311535.6mm圖4-2渦輪軸的結(jié)構(gòu)可得d3rCM1可得d3rCM1mm4.2mmhFM校核軸的強(qiáng)度VBFr2Fa2d20.2127.3260截面C左側(cè)的彎矩為MFMFl2MFMFl2D)繪制合成彎矩圖，如圖4-3（d）。截面C左側(cè)的合成彎矩為MM2M2截面C右側(cè)的合成彎矩為MC2MhC2MVC221.78Nm蝸輪與聯(lián)軸器之間的扭矩為F)繪制當(dāng)量彎矩圖，如圖4-3（f）。因?yàn)檩S為單向轉(zhuǎn)動(dòng)，所以扭矩為脈動(dòng)循環(huán)，折合系數(shù)0.6，危險(xiǎn)截面C處的彎矩為MrCMC22T21.7820.61.1221.9NmG)計(jì)算危險(xiǎn)截面C處滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的軸徑由于C處有鍵槽，故將軸徑加大5%，即4.2mm1.054.7mm。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖中，該處的軸徑為d70mm，故強(qiáng)度足夠。圖4-3渦輪軸的校核4.3軸承的選擇和計(jì)算查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，圓錐滾子軸承30212的主要性能：計(jì)算軸承支反力301H1V1H1V1R2R2R24738.9271.424739.4NFSSRH11903.5N，RH24738.9N垂直支反力：RV132.2N，RV271.4N合成支反力：RR2R21903.5232.221903.7NH2V24.3.1.1計(jì)算軸承派生軸向力1.軸承派生軸向力S：故軸承1被壓緊，軸承2被放松2.計(jì)算軸承所受的軸向載荷AFSAFS283.51579.81863.8NAS1579.8N223.計(jì)算軸承所受的當(dāng)量動(dòng)載荷，軸承工作時(shí)有中等沖擊，查得載荷系數(shù)fP1.2當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算公式：PfP(xRyA)A/A/R0.98ex10.4,y11.5A/R0.33eA/R0.33e4.3.1.2軸承壽命的計(jì)算因，故應(yīng)按計(jì)算，溫度系數(shù)，圓錐滾子軸承壽命系數(shù)10/3Lh()()10/3445992h312H2V2查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，圓錐滾子軸承30207的主要性能：計(jì)算軸承支反力水平支反力：RH1514N，RH25095N垂直支反力：RV1608.6N，RV22097.8N合成支反力：RR2R25142608.62796NRR2R2509522097.825509.6N4.3.2.1計(jì)算軸承派生軸向力1.軸承派生軸向力S：S1R1/(2Y)796/(21.5)265.3NS2R2/(2Y)5509.6/(21.5)1836.5NFSS所以軸承1被壓緊，軸承2被放松2.計(jì)算軸承所受的軸向載荷AS1836.5N224.3.2.2計(jì)算軸承所受的當(dāng)量動(dòng)載荷軸承工作時(shí)有中等沖擊，載荷系數(shù)fP1.2，當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算公式：32PfP(xRyA)A/R0.33e