便携式太阳能光伏供电系统外观与结构设计【含CAD图纸+三维SW+文档】
资源目录里展示的全都有，所见即所得。下载后全都有,请放心下载。原稿可自行编辑修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑问可加】
中期进展情况报告表
单位： 专业：
学号
姓名
课题名称
便携式太阳能光伏供电系统外观与结构设计
项目
检查情况
毕业设计及外文翻译已完成的任务
1、 已设计并画出本设计机构的三维模型；
2、 已完成外文翻译。
是否符合任务书要求进度：是
未完成的任务
1、 毕业设计（论文）说明书未写完；
2、 未出2D工程图；
3、 未完成运动仿真的制作。
能否按期完成任务：能
存在的问题和拟采取的解决办法
存在的问题：
由于是初学solidworks软件，还不怎么熟悉运动仿真的制作。2D工程图的工作工具也不怎么会做。
拟采取的办法：
对于制作运动仿真，应多看相关书籍，并请求老师给予相关知识的指导；对于要画2D工程图，可先将2D工程图转换成.dwg格式，在用我们所学过的CAXA来编辑。
指导教师意见
任务书
一、毕业设计（论文）的内容
新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，“取之不竭、用之不尽”。在各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。而太阳能发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点，地形多样和居住分散的现实条件下，有着非常独特的作用。本设计以便携式移动太阳能光伏供电系统为载体，完成便携式移动太阳能光伏供电系统的结构设计过程。进一步提升专业技能，为踏上工作岗位做好准备。本设计的主要任务有一下几点：
1、收集关于便携式移动太阳能光伏供电系统产品的相关知识，了解现有便携式移动太阳能光伏供电系统产品的结构；
2、熟悉便携式移动太阳能光伏供电系统的工作原理及过程；
3、查阅相关资料，熟悉机械产品设计、机械设计基础、机械零件的加工工艺、工程力学、工程制图等与本毕业设计课题相关的知识；
4、熟练掌握计算机辅助设计软件；
5、对便携式移动太阳能光伏供电系统设计方案进行详细规划及分析，反复对方案进行论证，逐步进行修改及优化；
6、完成便携式移动太阳能光伏供电系统的结构设计；
7、完成便携式移动太阳能光伏供电系统相关机构的各种参数计算和分析；
8、完成便携式移动太阳能光伏供电系统相关零件材料的选用及其工艺分析；
9、完成便携式移动太阳能光伏供电系统产品零件及装配部件的3D和2D工程图的绘制；
10、完成零件拆、装过程及运动仿真视频动画的制作；
二、毕业设计（论文）的要求与数据
本毕业设计课题需要掌握机械产品设计、机械设计基础、机械零件加工工艺、工程力学、工程制图等相关知识及计算机辅助设计技能。本课题需要提交的数据及资料主要有以下方面：
1、在设计之前必须对方案进行详细的规划及分析；
2、便携式移动太阳能光伏供电系统产品结构设计要合理，提交合理、完整的3D模型；
3、便携式移动太阳能光伏供电系统相关机构的各种参数计算和分析，并提供结果；
4、零部件装配正确合理，并提供干涉分析结果；
5、2D工程图要整洁规范，必须符合国家标准，并提交规范完整图纸；
6、机构运动仿真及零件拆、装过程视频动画画面要清晰，并提交AVI视频文件；
7、外文资料翻译和毕业设计说明书（论文）的内容及字符要符合“毕业设计任务书”的要求；
8、毕业设计说明书的格式必须符合 “20xx年毕业设计说明书统一格式”的要求；
9、各个文件资料所需填写的时间必须符合“20xx年毕业设计(论文)管理办法”的要求；
10、答辩PPT课件能清晰体现毕业设计课题的设计思路，并且版面简介；
三、毕业设计（论文）应完成的工作
1、完成开题报告的撰写；
2、完成中期检查表的填写；
3、完成二万字左右的毕业设计说明书（论文）；在毕业设计说明书（论文）中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要；
4、独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）；
5、对设计方案进行详细规划及分析，反复对方案进行论证，逐步进行修改及优化；
6、完成便携式移动太阳能光伏供电系统的结构设计；
7、完成便携式移动太阳能光伏供电系统相关机构的各种参数计算和分析；
8、完成材料的选用及其工艺分析；
9、完成便携式移动太阳能光伏供电系统产品零件及装配部件的3D和2D工程图的绘制；
10、完成工作量折合A0图纸3张以上，其中必须包含两张A3以上的计算机绘图图纸；
11、完成零件拆、装过程及运动仿真视频动画的制作；
12、完成答辩PPT课件的制作；
四、应收集的资料及主要参考文献
至少查阅以下所列出的参考文献5篇以上。
[1] 申爱民. UG NX 6.0机械设计[M]. 北京：中国铁道出版社，2011
[2] 段国忠. UG NX 6.0中文版产品设计教程[M]. 北京：北京理工大学出版社，2009
[3] 孙岚、陈德俊. 设计启蒙:工业设计基础教程[M]. 广西:广西美术出版社，2009
[4] 郁文娟. 塑料产品工业设计基础[M]. 北京:化学工业出版社，2007
[5] 黄森彬. 机械设计基础[M]. 北京: 高等教育出版社，2007
[6] 小栗达男. 机械设计禁忌手册[M]. 北京: 机械工业出版社，2007
[7] 吴宗泽. 简明机械零件设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社，1997
[8] 张阿维. 计算机辅助工业设计教程-产品设计[M]. 北京理工大学出版社，2006
[9] 中国工业设计在线 http://ind.dolcn.com/
[10] Joseph E. Shigley. standard handbook of machine design（2nd Edtion）. McGraw-Hill,2009
五、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件
所需主要仪器设备及条件如下：
1、 微型计算机一台;
2、 机械CAD软件一套
任务下达时间：
20xx年12月17日
毕业设计开始与完成时间：
20xx年12月17日至 20xx年05 月26日
组织实施单位：
教研室主任意见：
签字： 20xx年12月14日
院领导小组意见：
签字： 20xx 年12月16日
开题报告
1．毕业设计的主要内容、重点和难点等
一、毕业设计的主要内容
本设计以便携式移动太阳能光伏供电系统为载体，完成便携式移动太阳能光伏供电系统的结构设计过程。从而进一步提升自己的专业技能，为日后踏上工作岗位做好准备。本设计的主要任务有一下几点：
1、收集并了解便携式移动太阳能光伏供电系统产品的相关知识和它的外观及结构，且能够弄懂它的工作原理及工程过程；
2、复习回学过的课程，如、机械设计、机械原理、工程力学、工程制图等，查阅相关资料，熟悉机械产品设计基础、机械零件的加工工艺等与本课题相关的知识，
并学习CAD、pro/E等计算机辅助设计软件；
3、在了解便携式移动太阳能光伏供电系统工作原理后，对其设计方案进行详细规划分析及其论证，并进行修改及优化；；
4、然后完成该系统的外观结构设计，与其对其相关机构的各种参数的计算和分析，并完成该系统相关零件材料的选用及其工艺分析。
5、绘制便携式移动太阳能光伏供电系统产品零件及装配部件的3D和2D工程图，最后完成零件拆、装过程及运动仿真视频动画的制作。
二、重点
1.便携式移动太阳能光伏供电系统的结构设计；
2.产品零件及装配部件的3D和2D工程图的绘制，以及运动仿真视频动画的制作；
三、难点
1.对便携式移动太阳能光伏供电系统的工作原理及过程进行学习；
2.对传统的便携式移动太阳能光伏供电系统产品进行改进；
3.画便携式移动太阳能光伏供电系统的结构三维图，以及运动仿真视频动画的制作。
2．准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等）
一、查阅过的文献资料：
[1] 黄森彬. 机械设计基础[M]. 北京: 高等教育出版社，2007
[2] 郁文娟. 塑料产品工业设计基础[M]. 北京:化学工业出版社，2007
[3] 孙岚、陈德俊. 设计启蒙:工业设计基础教程[M]. 广西:广西美术出版社，2009
[4] 段国忠. UG NX 6.0中文版产品设计教程[M]. 北京：北京理工大学出版社，2009
[5] 申爱民. UG NX 6.0机械设计[M]. 北京：中国铁道出版社，2011
[6] 小栗达男. 机械设计禁忌手册[M]. 北京: 机械工业出版社，2007
[7] 吴宗泽. 简明机械零件设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社，1997
[8] 张阿维. 计算机辅助工业设计教程-产品设计[M]. 北京理工大学出版社，2006
[9] Joseph E. Shigley. standard handbook of machine design（2nd Edtion）. McGraw-Hill,2009
二、调研情况：
了解课题内容,查阅有关中英文文献，复习机械设计基础、机械零件的加工工艺、工程力学、工程制图等与本毕业设计课题相关的知识，学习计算机辅助设计软件。
新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，“取之不竭、用之不尽”。在各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。而太阳能发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点，地形多样和居住分散的现实条件下，有着非常独特的作用。
能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。目前的世界能源以 煤炭、石油和天然气等化石能源为主体。而化石能源是不可再生的资源，并且在生产和消费过程中产生大量污染物，破坏生态环境。太阳能作为一种新型能源，以其资源丰富、清洁环保、受地域限制小等优点，已经得到了广泛的应用。
三、现有设备、实验条件
1、 计算机;
2、 机械CAD软件和pro/E三维软件。
3、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料
一、实施方案
1.硬件设计
硬件设计分为控制器和逆变器两大部分。实现对蓄电池的充电和 保护以及产生２２０Ｖ的交流电供负载使用。隔离电路主要防止模块电路 之间的干扰。 控制器的设计 控制器采用了ＰＩＣ单片机作为核心控制单元，采用ＭＯＳ管作为 充、放电控制管和保护管，减小了系统功耗和开关工作速度。为实现可 靠工作，对／ｄＯＳ管的驱动采用光电耦合方式，有效实现数模信号的隔离。
2．外观设计
光伏发电箱的长和宽根据太阳能电池板的大小而定，其高度根据 蓄电池的直径而定。箱体中的备用空间可放一些备用物，如灯泡、充电 器等等。主板上应留有灯泡接口和插座，这样，夜晚将灯泡拧至接口上 就可以使用了；插座可放一对两孑Ｌ和一对三孔的，便于２２０Ｖ交流输出。
二、进度实施计划
20xx年12月28日—20xx年1月5号，完成开题报告；
20xx年1月6日—20xx年3月05日，收集关于便携式移动太阳能光伏供电系统产品的相关知识，了解现有便携式移动太阳能光伏供电系统产品的结构；
20xx年3月06日—20xx年3月10日，完成专业相关的四万字符左右英文翻译，
以及熟悉便携式移动太阳能光伏供电系统的工作原理及过程；
20xx年3月11日—20xx年4月21日，熟悉机械产品设计、机械设计基础、机械零件的加工工艺、工程力学、工程制图等与本毕业设计课题相关的知识，学习计算机辅助设计软件；
20xx年4月22日—20xx年5月05日，对便携式移动太阳能光伏供电系统设计方案进行详细规划及分析，反复对方案进行论证，逐步进行修改及优化；
20xx年5月06日—20xx年5月12日，完成便携式移动太阳能光伏供电系统的结构设计，以及相关机构的各种参数计算和分析；
20xx年5月13 日—20xx年5月19日，完成便携式移动太阳能光伏供电系统相关零件材料的选用及其工艺分析，产品零件及装配部件的3D和2D工程图的绘制，以及零件拆、装过程及运动仿真视频动画的制作；
20xx年5月20日—20xx年5月26日，打印毕设成果，完成毕业设计论文撰写，导师审核，所有文本和图纸的打印，准备答辩。
三、预期提交的毕业设计资料
1. 毕业设计论文；
2. 翻译与课程相关的英语论文；
3. 零件及装配部件的3D和2D工程图，工作量折合A0图纸3张，其中包含两张A3的计算机绘图图纸；
4. 运动仿真视频动画。
指导教师意见
指导教师（签字）：
20xx年12月 日
开题小组意见
开题小组组长（签字）：
20xx年 1 月 日
院（系、部）意见
主管院长（系、部主任）签字：
20xx年 1 月 日
- 4 -
摘 要
新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁，高效和永不衰竭的新能源，"取之不竭，用之不尽"。经调查发现，偏远地区太阳能丰富，而且如今传统的供电方式未能覆盖到那些地区，又或者去野外考察和旅游的时候，电子设备得不到及时的充电，使工作的进行产生很大的困难。而本设计——便携式太阳能光伏供电系统的产生，很好的解决了这一难题，本设计从便携式和实用性出发，经过对现有产品以及实际需求等多方式的考察，最终优化的结构设计类似于便携式旅行箱的外形设计。该设计中，能够控制机构的升降运动，太阳能板能够自动跟踪阳光的不同照射方向而做相应的旋转，大大提高了太阳能的利用率。而光伏发电具有安全可靠，无噪声，无污染，制约少，故障率低，维护简便等优点，地形多样和居住分散的现实条件下，便携式太阳能光伏发电系统是由太阳能电池组件，蓄电池组，大小可根据需求设计。由于太阳能发电具有节能，环保，一次投资，长期受益的特点。可应广泛用于别墅群，旅游渡假村，草原牧区，偏远山村，高山海岛等地区的小规模供电。单晶硅太阳能电池板，便携式旅行箱，免维护胶体蓄电池。便携式太阳能光伏供电系统的产生，使得太阳能的利用得到了进一步的扩大应用范围，所以对便携式太阳能光伏供电系统外观与结构的优化设计，设计出更轻便，利用率更高的便携式太阳能光伏供电系统具有深远的意义。
关键词：太阳能；应用广；无污染；便携式
Abstract
New energy is one of the most five decisive power techniques area decisive on the development of the world economy in twenty-first Century. Solar energy is a clean and efficient and inexhaustible new energy, just as a saying goes "inexhaustible, inexhaustible". There is abundant solar energy in the remote areas while the traditional power supply mode can’t be reached to those areas now through the investigation and founding. Or when you are going outside to make an on-the-spot investigation or travel, it is very hard to go on the work if the electric device can’t get prompt battery charging. The appearance of this portable solar power supply system can solve this problem very well. This design is considering the portable and practical performance and the investigation of current product and actual demand, the final optimization structure design is similar to the shape design of the portable travelling case. This design can control the machine heaving motion. Because of the solar panel can make a relevant spin according to the different directions of sun shine, solar panel can make a good use of the solar energy effectively.The advantages of photovoltaic power generation is safe and reliable, no noise, no pollution, less restricted, low failure rate, easy maintenance and so on. Portable solar photovoltaic power generation system consists of solar battery assembly, storage battery and the size can be designed according to specific requirements under realistic conditions of a variety of terrains and scattered. Because solar power has the advantages of energy saving, environmental protection, invest in one time and long-term benefits. It can be widely used in a small regions’ supply of electricity in villas, tourism resort, pastoral areas, and remote mountain village and Mountain Island. silicon solar cell board, portable suitcase, maintenance-free batteries have all the performance. With the emergence of Portable solar power supply system, it makes the utilization of the solar energy has been further expanded application scope, so the appearance and structure optimization design of portable solar power supply system will be a more compact design and utilization of higher portable solar power supply system has the more profound significance.
Keywords: Solar energy; Extensive application; No pollution; portable
目 录
引言 １
1 太阳能光伏发电能源调查分析 １
1.1 太阳能发电概述 １
1.2 太阳能发电起源及发展 １
1.3 太阳能发电系统设备 ２
1.4 太阳能光伏技术 ２
1.5 应用领域 ２
1.6 当代世界光伏产业发展现状及趋势 ３
1.6.1发展现状 ３
1.6.2发展趋势 ４
1.7 中国光伏产业的发展状况、趋势及企业责任 ５
1.7.1发展状况 ５
1.7.2发展趋势 ６
1.7.3企业责任 ７
1.8 中国光伏发电的未来和阳光计划 ７
2 便携式自适应太阳能光伏发系统机械结构优化设计 ８
2.1 本毕业设计的主要内容 ８
2.2 市场调研 ９
2.3 总体设计思路及原理 １１
2.4 机械结构优化设计方案 １１
3 设计过程和步骤 １４
3.1 各部件的设计 １４
3.2 各传动部件的设计 ２０
3.3 标准件的选用 ２１
4 电动机的选择 ２１
4.1 电动机的容量选择 ２１
4.2 电动机型号的选定速 ２２
4.3 电动机参数的计算 ２２
5 齿轮传动计算（直齿轮，圆锥齿轮） ２３
5.1 直齿轮传动计算 ２３
5.2 直齿圆锥齿轮传动计算 ２６
6 轴的强度校核计算 ３０
7 键的选择与及设计机构润滑的选择 ３６
7.1 键的选择与计算 ３６
7.2 润滑方式的选择 ３７
8 便携式太阳能光伏供电系统的特点与展望 ３７
8.1 产品特点 ３７
8.2 市场定位 ３８
8.3 展望 ３８
9 结论 ３９
谢 辞 ４１
参考文献 ４２
IV
引言
由于化石能源的储量有限,难以维持人类的可持续发展;同时化石能源的利用产生的大量有毒有害物质,将导致环境污染、温室效应,严重危害地表环境。人类发展到现在,越来越多的国家都逐渐清醒地认识到,要在有限资源和环保严格要求的双重制约下实现经济和社会可持续发展的关键,就在于寻求清洁环保的可再生能源。因此,太阳能、风能、生物质能、地热能等可再生洁净能源的大规模利用就显得尤为重要,这其中又以太阳能利用的优势最为明显,它具有以下几个特点:①储量的“无限性”相对于常规能源和其它可再生能源的有限性,太阳能具有储量的“无限性”,取之不尽,用之不竭。②存在的普遍性相对于其它能源来说,太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性,可就地取用。③利用的清净性和经济性太阳能的开发利用几乎不产生任何污染;同时由于其储量无限,利用术代价不高,具有良好的经济性。太阳能也必将由此在世界能源的未来结构转换中担纲重任,成为理想的替代能源。但是,太阳能也存在单位能量强度不高、分布均、转化利用效率较低等问题,这就要求我们太阳能工作者积极探索,研究出更为科学的集能方式和设备,加快太阳能技术的开发和推广应用。随着化石能源的减少,太阳能利用的比例将大幅度提高。便携式太阳能光伏供电系统的研究与设计，对太阳能的利用具有很大的促进作用。
1 太阳能光伏发电能源调查分析
1.1 太阳能发电概述
太阳能发电分为光热发电和光伏发电。通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。
理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。其中，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。中国国产晶体硅电池效率在10至13%左右，国际上同类产品效率约12至14%。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地各种灯具等；三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。到2009年，中国并网发电还未开始全面推广，不过，2008年北京奥运会部分用电是由太阳能发电和风力发电提供的。
1.2 太阳能发电起源及发展
早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。
20世纪70年代后，随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球约有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展，这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。
20世纪90年代后，光伏发电快速发展，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。
1.3 太阳能发电系统设备
太阳能光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。
1.4 太阳能光伏技术
太阳是能量的天然来源。地球上每一个活着的生物之所以具有发挥作用的能力，甚至于是它的生存，都是由于直接或间接来自于太阳的能量。我们的地球处在离太阳差不多有一亿英里的地方。它所截取的辐射能已经少到令人难以置信 的程度，即大约千万分之三，即使这么小的一点能量， 实际上比整个世界现有的发电能力还大十万倍！全世界尤其是工业发达国家开始感到能量短缺，因此，人们开始求助于太阳能，以解决能源危机。
太阳能发电的主要优点在于：太阳能电池可以设置在房顶等平时不使用的空间，无噪音、寿命长，而且一旦设置完毕就几乎不要需要调整。现在只要将屋顶上排满太阳能电池，就可以实现家中用电的自给。现今太阳能的主要用途已不再是小规模的，从性质上来说，是专业化的。它从军事领域、通信领域到城市建设领域等都起到了重大的作用。委内瑞拉还推出廉价太阳能车、欧洲科学家研制出轻便的可穿在身上的太阳能电池。太阳能的利用存在着巨大的发展空间，有关的技术有可能在短时间内实现突破。它已被许多发达国家作为其能源战略的一个重要组成部分。
1.5 应用领域
（1）、用户太阳能电源：（1）小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；（2）3-5KW家庭屋顶并网发电系统；（3）光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。
（2）、交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。
（3）、通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。
（4）、石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。
（5）、家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。
（6）、光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。
1.6 当代世界光伏产业发展现状及趋势
1.6.1发展现状
CSIA最新研究报告称，目前太阳能电池主要分为单晶硅电池、多晶硅电池和薄膜电池三种。单晶硅电池技术成熟，光电转换效率高，但其生产成本较高，技术要求高；多晶硅电池成本相对较低，技术成熟，但光电转换效率相对较低；而薄膜电池成本低，发光效率高，但目前其在技术稳定性和规模生产上均存在一定的困难。随着技术的进步，未来薄膜电池会有更好的发展前景。2009年全球太阳能电池市场产品销量比例如图1-1所示。
图1-1 2009年全球太阳能电池市场产品结构（按销售量）
在各国政府的大力支持下，太阳能光伏产业得到了快速的发展。2006年至2009年，太阳能光伏电池产量的年均增长率为60%。由于受到2008年金融危机的影响，2009年前两个季度光伏电池产量的增长速度有所放缓，但随着2009年下半年市场需求的复苏，2009年全年的太阳能电池产量达到了10431MW，比2008年增长42.5%。如图1-2所示。
图1-2 2006—2009年全球太阳能电池产量
目前太阳能光伏发电的成本大约是燃煤成本的11—18倍，因此目前各国光伏产业的发展大多依赖政府的补贴，政府的补贴规模决定着本国的光伏产业的发展规模。目前在政府的补贴力度上，以德国、西班牙、法国、美国、日本等发达国家的支持力度最大。2008年，西班牙推出了优厚的光伏产业补贴政策，使其国内光伏产业出现了爆发式发展的态势，一度占据了世界光伏电池产量的三分之一强。2009年德国光伏组件安装量高达3200MW，占全球总安装量的50.4%。
1.6.2发展趋势
（1）全球太阳能需求将持续成长。在2013到2014年期间，全球太阳能市场年度需求量预计将达到30到40GW的水准。在未来的四到五年里，政策仍然将是主要太阳能市场的最大驱动力。此外，太阳能模组和其他系统设备的价格对市场需求有着越来越强的影响。
（2）太阳能市场将进一步全球化。新兴市场的范围和所占比重都将有所扩大，值得注意的国家包括：南非、沙乌地阿拉伯、以色列、智利、巴西、墨西哥、泰国、印尼、马来西亚、菲律宾等等。
（3）中国太阳能市场将占据举足轻重的地位。由于中国政府采取优惠政策扩大内需，预计中国市场将在2013年挑战全球第一的位置，如何有效开发中国市场将是对太阳能企业的一大考验。
（4）产业供过于求的局面正在改善。虽然仍然有一些生产线以较低的稼动率在运行而不是退出市场，供需重新平衡的局面将有望在2013到2014年之间到来。
（5）产业整合将逐步深化。从全球供应链角度来看，2012年不同生产环节的产业集中度差距变大。虽然多晶硅与硅芯片市场领先企业的产量已经有较大优势，电池和模组段前十名品牌的市场总占有率仍然不足50%，预计在未来两年中将进一步整合。
（6）太阳能产品价格将逐渐趋于稳定。产业链各环节价格仍将受到压力，以保持终端投资的内部收益率，但制造商透过提高效率和降低成本有望改善毛利状况。
1.7 中国光伏产业的发展状况、趋势及企业责任
1.7.1发展状况
中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，中国光伏发电产业迅猛发展。
2007年，中国光伏电池产量首次超过德国和日本，居世界第一位。2008年的产量继续提高，达到了200万千瓦。中国光伏电池产量年增长速度为1-3倍，光伏电池产量占全球产量的比例也由2002年1.07%增长到2008年的近15%。商业化晶体硅太阳能电池的效率也从13%-14%提高到16%-17%。
因美国次贷问题而引发的金融危机，从华尔街迅速向全球蔓延，致使部分金融机构轰然倒塌，证券市场持续低迷，石油价格大幅下滑。中国光伏发电产业发展迅速，成为政府重视、股市活跃、风投青睐、各行各业蜂拥相聚的世界太阳谷。由于设备、原料和市场三头在外，它对美国、欧洲和日本等国际市场存在很大依存度。随着这场金融危机特别是国际油价的大幅下挫，对中国光伏发电业的投资资金、出口订单等方面产生重大影响，但金融危机对光伏产业的巨大影响一定会在未来的某个时间得到消化。长远来看，世界光伏市场的政策推动力依然存在，光伏产业的市场成长依然强劲。
目前，中国已形成了完整的太阳能光伏产业链。从产业布局上来看，国内的长三角、环渤海、珠三角及中西部地区业已形成各具特色的区域产业集群（如图1-2所示），并涌现出了无锡尚德、江西赛维、天威英利等一批知名企业。2009年中国太阳能电池产量为9300MW，占全球总产量的40%以上，已成为全球太阳能电池生产第一大国（如图1-3所示）。
图1-3 2006-2009年中国太阳能电池产量
虽然目前中国太阳能光伏产业规模居全球第一，但产业链发展不协调，且产业整体技术薄弱。2009年中国太阳能光伏产业应用分类如图1-4所示，在整个太阳能光伏产业链技术壁垒最大的多晶硅的生产中，国外的主要厂商采用的是闭式改良西门子方法，而这在中国还是空白。中国的多晶硅生产企业使用的多为直接或者间接引进的俄罗斯的多晶硅的提纯技术，其成本高、耗能量，重复性建设严重，在整个国际竞争中处于劣势，这也是在2009年初中国出现多晶硅产能过剩的主要原因。
图1-4 2009年中国太阳能光伏产业应用分类（按装机总量）
其次，目前中国国内的太阳能电池市场规模较小，国内生产的太阳能光伏电池的97%都出口到了海外市场。这种过度依赖出口的产业发展模式导致行业风险很大，易受国际需求量变化的影响。如在2008年的全球金融危机中，因西方国家消减了对光电产品的价格补贴，直接导致了中国许多光伏企业的倒闭。
1.7.2发展趋势
当下，许多国家已把发展可再生能源作为未来实现可持续发展的重要方式，而中国也将以太阳能为代表的可再生能源作为未来低碳经济的重要组成部分。近年来，国家财政对太阳能产业的补贴力度逐年增强。2008年，中国开始启动屋顶和大型地面并网光伏发电示范项目的建设；2009年初完成了甘肃敦煌10MWp级大型荒漠并网光伏电站的招标工作；同时太阳能屋顶计划与金太阳示范工程的财政补贴项目也相续推出，这一系列的政策措施给中国未来的太阳能光伏产业提供了一个广阔的发展空间（如图1-5所示）。
图1-5 2010-2012年中国太阳能电池产量预测
虽然目前光伏发电的成本还比较高，但从长远来看，随着技术的提升，太阳能光伏产业链各个环节成本的持续下降，以及其他传统能源形式的逐渐饱和，太阳能可能将在2030年以后成为主流的能源形式之一。而针对目前中国光伏产业存在的问题，国内相关可研机构和企业应该潜心于基础研究、技术改造和产业发展，做到厚积而薄发。
针对目前光伏发电成本高、国内产业对出口依存度过高的特点，中国应该加大政策指导和扶持力度，以此来发展和壮大太阳能光伏产业的国内市场。经验表明，中国政府的政策导向将在未来一段时间内决定着中国光伏产业的发展水准和市场需求。相信在节能减排、低碳经济的的大背景下，在中国政府的大力扶持和倡导下，中国的太阳能光伏产业定然会有着光彩夺目绚丽的明天。
1.7.3企业责任
中国的太阳能光伏发电产业需要提速，中国的光伏发电企业需要崛起。自2002年开始，产业的壮大及光伏发电企业规模的扩大给相关设备企业也提供了难得的市场机遇。我国光伏装备产业已具有一定的规模和水平，在国内用户中已建立起良好的信誉。通过和一流电池企业合作并融合了先进的工艺技术，国产的太阳能电池关键设备相继在国内大生产线上得到应用且逐渐成为主流选择，使我国基本具备了晶体硅太阳能电池制造设备的整线供给能力。受此拉动，我国电子专用设备行业也呈现出多年未有的蓬勃发展景象。在引领国产电池制造设备技术及市场的同时，硅材料加工设备如多晶硅铸锭炉、单晶炉、坩埚烘烤炉等也受到了市场的积极追捧。在中国，只要培育规范的规模市场、加大投入、加速能力建设，国内光伏发电企业完全有条件依托国内市场挺进国际市场。光明无限，然而前路漫漫。发展的先决条件就是政府出台行之有效的激励及扶持政策。德、日、美等国家光伏产业迅猛发展的事实证明，政府采用优惠政策扶持光伏发电市场，靠规模市场拉动产业发展、推动技术进步，依赖技术进步和规模生产降低生产成本，通过提高质量和降低价格赢得更大市场的方针和策略是正确和成功的，值得中国借鉴。
1.8 中国光伏发电的未来和阳光计划
光伏发电成为未来电力的重要构成要经历多长时间？政府和公众的认可度如何？诸多问题困扰着中国光伏发电产业。相对欧美等国家，中国的光伏发电产业起步较晚，还面临着诸多困境及瓶颈有待进一步突破，这些注定中国光伏发电企业的商业化道路将坎坷崎岖。地球上传统的燃料能源正在一天天减少，与此同时全球还有约20亿人得不到正常的能源供应。而太阳能每秒钟到达地球的能量高达80万千瓦，如果把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率为5%，那么每年发电量可达5.6×1012千瓦时，相当于全世界能耗的40倍。随着科技发展，光伏发电成本会继续降低。所有技术如晶体硅、薄膜以及一些新概念将会在市场上大量涌现。如果新概念得以成功实施，模块的转换效率将进一步提高。最终，光伏模块的能源转换率将达到30%—50%，从而使太阳辐射能可以高效地使用。安装在阳光充足地区的一平方米最高效的光伏模块每年将发电1000千瓦时。
太阳能是一条上下求索寻求突破之路。太阳能光伏发电领域不断涌现出新技术。但过高的电价仍是困扰产业发展的问题。太阳能电池上网电价约是火力发电的10倍。有专家指出，随着环保成本的增加，火力发电的电价变换将呈上升曲线，而薄膜太阳能电池上网电价将随着大规模量产和转换效率的提高逐渐下降，两条曲线预计将在2012-2015年之间相交。另外，市场前景也是不容忽视的问题。而克服这些困难必须依靠企业和政府的协同努力。从长期来看，积极拓展产业链上游业务是中国光伏发电企业面临的挑战，而中国光伏发电企业的责任是加快研发进度、加快技术创新，通过提高技术水平不断降低光伏发电的成本；另外，国家应尽快出台合理的并网发电政策，尽快解决结算方法的问题，并对生产企业、用户和设备制造商予以适当的补贴等等。同时，公众也应该加强对环境问题的认识，增强使用可再生能源的意愿。而这其中有不得不提的一点，转变观念是当务之急，更是问题关键所在。相信在政府、企业与全民的共同努力下，中国“阳光计划”的实现不会是梦。
2 便携式自适应太阳能光伏发系统机械结构优化设计
2.1 本毕业设计的主要内容
本设计以便携式移动太阳能光伏供电系统为载体，完成便携式移动太阳能光伏供电系统的结构设计过程。从而进一步提升自己的专业技能，为日后踏上工作岗位做好准备。本设计的主要任务有一下几点：
1）收集并了解便携式移动太阳能光伏供电系统产品的相关知识和它的外观及结构，且能够弄懂它的工作原理及工程过程；
2）复习回学过的课程，如、机械设计、机械原理、工程力学、工程制图等，查阅相关资料，熟悉机械产品设计基础、机械零件的加工工艺等与本课题相关的知识，并学习CAD、pro/E等计算机辅助设计软件；
3）在了解便携式移动太阳能光伏供电系统工作原理后，对其设计方案进行详细规划分析及其论证，并进行修改及优化；；
4）然后完成该系统的外观结构设计，与其对其相关机构的各种参数的计算和分析，并完成该系统相关零件材料的选用及其工艺分析。
5）绘制便携式移动太阳能光伏供电系统产品零件及装配部件的3D和2D工程图，最后完成零件拆、装过程及运动仿真视频动画的制作。
2.2 市场调研
目前市场上现有的太阳能便携式产品主要有：太阳能发电手提箱、手机用太阳能充电器等（如下图2-1至2-6所示）。从目前调查的情况来看，市面上出现的产品中普遍存在以下问题：
1）没有太阳跟踪定位功能，发电效率一般；
2）比较笨重，不方便携带及搬运；
3）结构简单，技术含量不高。
下面具体举例说明。
①如图2-1所示：
优点：结构简单，可移动；
缺点：太阳能转换效率不高、笨重不便携带及搬运。
图2-1 现有产品（一）
②如图2-2所示：
优点：结构简单，方便搬运；
缺点：太阳能转换效率不高、使用两块太阳能板，成本高。
图2-2现有产品（二）
③如图2-3所示：
优点：体积及重量小，携带很方便；
缺点：太阳能转换效率不高、功率太小、使用的局限性比较大。
图2-3 现有产品（三）
④如图2-4所示：
优点：结构简单，可移动；
缺点：太阳能太小效率很低、笨重不便携带及搬运。
图2-4现有产品（四）
⑤如图2-5所示：
优点：结构简单；
缺点：太阳能转换效率不高、不便携带及搬运。
图2-5 现有产品（五）
⑥如图2-6所示：
优点：结构简单，可移动；
缺点：太阳能太小效率很低、笨重不便携带及搬运。
图2-6现有产品（六）
2.3 总体设计思路及原理
根据太阳光投射原理，在太阳能板平面上固定一标杆，将八个光敏电阻以圆圈状围绕于标杆外，当太阳光照射到标杆上时，若太阳能板平面偏离太阳位置，则其阴影会投射于相应的光敏器件中，利用单片机检测各光敏电阻的电压，便可得出太阳实际方向，进而控制电机带动太阳能板实现二维运动，使其精确对准太阳，保证电池板板面始终与光线垂直，实现太阳能的最大化收集。便携式自适应太阳能光伏发系统是将太阳能转换为电能以后存储在蓄电池里面，是具有可移动性质的新型电源。蓄电池为任何形式的蓄电装置，由太阳能光电池，蓄电池，调压元件三个部分组成，可输出不同的电流及电压。
2.4 机械结构优化设计方案
（1）便携式自适应太阳能光伏发系统结构有多种结构设计方法，现在优化设计如下：
方案一：如图2-7所示，太阳能板升降采用导轨滑动机构，寻光机构采用齿轮传动。
优点：旋转平台平稳。
缺点：升降不顺畅。
图2-7方案一
方案二：如图2-8所示，太阳能板升降与寻光采用连杆滑动与旋转运动机构。
优点：零件结构简单。
缺点：升降不平稳，不利于安装太阳能板。
图2-8方案二
（2）最终方案如下图2-9到图2-12所示：
图2-9 最终方案截图（一）
图2-10 最终方案截图（二）
图2-11 最终方案截图（三）
图2-12 最终方案截图（四）
最终方案：
太阳能板升降采用连杆连接成三角形的上升机构，连杆与丝杆连接，通过电机驱动丝杆旋转，连杆连接成的三角形的底边长度发生改变，实现太阳能板的升降运动。太阳能板寻光采用齿轮传动机构，两个电机分别驱动竖直轴向和水平轴向的传动，最终实现太阳能板自动寻光的旋转要求。反光板的打开及闭合采用手动实现。感光元器件及电子系统自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板的朝向，大大提高了太阳能的利用率。
优点：太阳能升降顺畅，旋转平台平稳；太阳能本两侧增加两块可以旋转的反光板，以增加间接太阳光的照射强度转化率；方便携带及搬运。
缺点：零件结构稍微复杂。
3 设计过程和步骤
3.1 各部件的设计
（1） 底盘的设计
为了便携式自适应太阳能光伏发系统各机械结构零件的拆装方便，设计底盘与箱体分开，底盘上设计有供安装转轴与电动机的凹槽，如图3-1、图3-2所示，具体尺寸见底盘工程图。
材料：本设计为便携式，所以，在满足设计要求的条件下，应尽量选择轻质量的材料，现选铝合金：1060合金。
图3-1底盘（一）
图3-2底盘（二）
（2） 升降机构的设计
该机构对称设计，两边分别用一个电动机经过直齿轮传动带动丝杆转动，根据丝杆的转动，丝杆上的两个滑动键会相应的对称滑动，当电动机正转时，两滑动键靠近运动，连杆撑起升降盘上升运动；当电动机反转时，两滑动键远离运动，连杆拉下升降盘下降运动。电动机转速为1500r/min，直齿轮转动比为5，丝杆每转一圈，滑动键移动1mm，滑动键在丝杆上最大移动距离为60mm，即滑动键移动到最大距离用时12s，由已知升降机构最大上升距离为300mm，所以升降机构的平均升降速度为25mm/s。部分截图如图3-3、图3-4、图3-5所示，具体尺寸见相应工程图。
材料：本设计为便携式设计，所以，在满足设计要求的条件下，应尽量选择轻质量的材料，升降盘、升降片、滑动键等选铝合金：1060合金；直齿轮材料为45Cr，调质处理；丝杆材料为45，调质处理。
图3-3 升降机构（一）
图3-4 升降机构（二）
图3-5 升降机构（三）
（3） 中心转轴的设计
中心转轴主要功能是实现太阳能板的竖直轴向旋转和水平轴向旋转，最终实现太阳能板自动寻光的旋转要求。电动机带动锥齿轮传动，实现竖直轴向旋转，锥齿轮传动比设计为3，由于机构中有电线相连，所以竖直轴向旋转角度应在360度内；水平轴向旋转所用电动机安装在中心转轴与中心转轴盖中，其带动直齿轮传动，实现水平轴向旋转，直齿轮传动比设计为5，旋转角度左右各为45度，如图3-6所示。
材料：本设计为便携式设计，所以，在满足设计要求的条件下，应尽量选择轻质量的材料，中心转轴与其盖选铝合金：1060合金；直齿轮、锥齿轮选材料为45Cr，调质处理；水平转轴材料为45，调质处理。
图3-6 中心转轴
（4） 太阳能板及反光镜的设计
太阳能板用于安装太阳能电池，其与中心转轴的水平轴连接，能够水平轴向旋转，太阳能板的两边安装反光板，以增加间接太阳光的照射强度转化率，反光板与太阳能板的角度为45度，其为手动打开与闭合。反光板与太阳能板锁键固定，如下图3-7、图3-8所示，图3-9为闭合状态，图3-10为开打状态。
材料：本设计为便携式，所以，在满足设计要求的条件下，应尽量选择轻质量的材料，太阳能板与反光板的材料都选铝合金：1060合金。
图3-7 太阳能板（一）
图3-8 太阳能板（二）
图3-9 反光镜闭合状态
图3-10 反光镜打开状态
（5） 箱体的设计
箱体的结构设计如下图3-11、图3-12所示，本设计为便携式设计，所以箱体上安装有两个轮子如图3-13所示，两个手把如图3-14所示，移动箱体有拖动和手提两种方式。箱盖与箱底用弹簧锁键固定，如图3-15、图3-16所示。箱体厚度为4mm，长×宽×高=458mm×338mm×198mm。
材料：在满足设计要求的条件下，应尽量选择轻质量的材料，箱体的材料为ABS。
图3-11 箱体（一）
图3-12 箱体（二）
图3-13 箱体的轮子
图3-14 箱体的手把
图3-15 箱体的锁键（一）
图3-16 箱体的锁键（二）
3.2 各传动部件的设计
（1） 直齿轮传动设计
直齿轮传动用于升降机构和水平轴向转动设计中，所以的直齿轮以及配合参数完全相同，直齿轮为标准件，由solidworks设计库直接调出，取小齿轮齿数为17，厚度为6mm，大齿轮齿数为85，厚度为5mm，可得传动比为5。齿轮材料为45Cr，调质处理。传动示意图如图3-17，图3-18所示。
图3-17 升降机构的直齿轮传动
图3-18 水平轴向的直齿轮传动
（2） 锥齿轮传动设计
锥齿轮传动用于带动太阳能板竖直轴向旋转，其亦为标准件，由solidworks设计库直接调出，取小锥齿轮齿数为17，大锥齿轮齿数为51，可得传动比为3。锥齿轮材料为45Cr，调质处理。传动示意图如图3-19所示。
图3-19 竖直轴向的直齿轮传动
3.3 标准件的选用
所用标准件有螺栓、螺钉、螺母、直齿轮、锥齿轮、轴承等，它们都是从solidworks设计库中直接调出，国家标准（GB/T 1182-1996）。
4 电动机的选择
4.1 电动机的容量选择
按照设计要求以及工作条件可知，本设计所有机构都属于轻载，选用直流电动机，额定电压12V.由solidworks质量属性算得本设计上升机构的质量m为2400.5g，设计太阳能板上升要时间t为12s，由机构设计可知太阳能板最大上升距离s为300mm，所以平均上升速度v为
V=s/t=300/12 mm/s=25 mm/s
由此得上升机构上升所要的平均功率P得
P=mg*v=2400.5×10-3×9.8×25×10-3=0.588 W
由于该上升机构为三角形设计，刚开始上升时上升速度较快，上升最后阶段较慢，所以取电机的最大功率就要适当增大，设机构上升所需最大有效功率P1w=5w。上升机构有两个电机带动，所以取P1=2.5w。
由设计可知，太阳能板水平轴向旋转和垂直轴向旋转都只需要克服机构的惯性作用，设需有效功率P2 = P3=2w。
设各机构传动效率：
——电动机效率，=0.70
——对滚动轴承的效率，=0.98
——丝杆传动效率，=0.88
——齿轮传动效率，=0.94
——圆锥齿轮传动效率，=0.88
——工作机效率，=0.85
从而得到传动系统所需要的总功率
P1=2.5/[0.70*0.982*0.88*0.85] w=4.97 w
P2=2/[0.70*0.982*0.88*0.85] w=3.98 w
P3=2/[0.70*0.982*0.88*0.85] w=3.98 w
4.2 电动机型号的选定速
由总功率Pw，所以选用电动机型号分别为：
1）由P1，选择大电动机为：380有刷直流电机
① 额定电流：I=0.83 A ② 额定功率：PN=10 W
③ 额定电压：UN= 12 V ④ 额定转速：n=1500 r/min
⑤ 额定转矩：T=0.064 N*m
2）由P2、P3，选择中电动机和小电动都为：365有刷直流电机
① 额定电流：I=0.42 A ② 额定功率：PN=5 W
③ 额定电压：UN= 12 V ④ 额定转速：n=1200 r/min
⑤ 额定转矩：T=0.040 N*m
4.3 电动机参数的计算
1）主要性能指标
① 效率：η=70.0%
②允许顺逆转速差200(r/min)
2）设计中选用的基值
① 电压基准值： UN= 12 V为电动机额定相电压
② 功率基准值：PNW 为电动机额定功率
③ 电流基准值I ：I为电动机额定电流
④ 阻抗基准值： ZN1=10.9
ZN2=15
3）设计指标要求
① 效率： —计算值，′—修改值
② 饱和系数： FT′—修改值， Fт—计算值，
③满载电势标值：
（1-εl）′—修改值，（1-εL）—计算值
④起动电流倍数： Ist′—修改值，Ist—计算值
5 齿轮传动计算（直齿轮，圆锥齿轮）
5.1 直齿轮传动计算
由设计机构可知，所设计的三对直齿轮是完全一样，而上升机构中所用的直齿轮输入功率最大，因此只需要计算该处的传动。
已知输入功率P=10*0.0.70 W=7 w
1）直齿轮材料，热处理及精度
考虑此机构的低功率及安装形式为开式齿轮，故大小齿轮都选用硬齿面直齿轮。
直齿轮材料选用及热处理工艺
① 材料：
小齿轮选用40Cr调质后表面淬火，齿面硬度为小齿轮 48~55 HRC
大齿轮选用40Cr调质后表面淬火，齿面硬度为大齿轮 48~55 HRC
② 齿轮精度
按GB/T10095－1998，选择7级，齿根喷丸强化。
③ 由以上电动机的选取，可知电动机的转速较大，所以要求设计的齿轮应该有较大的减速作用，预设小齿齿数=17，大齿齿数Z=85 ，得转动比i=85/17=5
④ 齿轮工作寿命20年（设每年工作300天）。
2）按齿面接触疲劳强度设计
由设计计算公式进行计算。
1）确定各参数的值：
①试选载荷系数Kt=1.3。
②计算齿轮的转矩T=9.55P/n=0.064 N·m
③由机械设计课本式10-13计算应力循环次数
N=60njLh=60×60×1×(2×8×300×20)=1.728×109
④查机械设计课本图10-19取接触疲劳寿命系数KHN=0.93
⑤齿轮的疲劳强度极限
取失效概率为1%,安全系数S=1，由机械设计课本公式10-12得
⑥查机械设计课本表10-6得ZE=189.8MPa1/2，由表10-7选齿宽系数φd=1。
（2）将以上数据代入设计计算公式得
①齿轮的分度圆直径dt,代入
=
②计算圆周速度v
③计算齿宽
b=φd ×dt=0.60mm
④计算齿宽与齿高之比
mt =dt/z=0.60/17=0.0353mm
齿高h=2.25mt=2.25×0.0353mm=0.079mm
所以b/h=0.60/0.079=7.59
⑤计算载荷系数
根据v=0.047m/s，7级精度，查机械设计图10-8得动载系数Kv=1.15，Khα=KFα=KA=1，KHβ=1.436，由b/h=7.59，KHβ=1.436，查图10-13得KFβ=1.45；
故动载系数
K= KAKvKHαKFα=1×1.15×1×1.436=1.651
⑥按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由机械设计课本式10-10a得
。
⑦计算模数
m =d1/z=0.65/17=0.038mm
3）按齿根弯曲强度设计
弯曲强度的设计公式为：m
(1)确定公式内的各计算值
①查阅机械设计由图10-20c查得齿轮的弯曲疲劳极限
②由机械设计查图10-18取弯曲疲劳寿命系数
③计算疲劳安全系数S=1.4,得：
Mpa;
④计算载荷系数K。K=
⑤查取齿形系数。由机械设计查表10-5得
⑥查取应力校正系数，由表10-5查得;
⑦计算齿轮的：
=;
(2) 带人设计计算得
对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿面直径有关，由于本机构是超轻载，所以计算得的模数较小，现取模数0.5，按接触强度算得分度圆直径d=8.5mm,算出齿轮齿数Z=，即取奇数齿17。
4）几何尺寸计算
（1）计算分度圆直径
d1=zm=17mm
d2=zm=85mm
(2) 计算中心距：
a=
(3)计算齿轮宽度b小齿轮为6mm，大齿轮为5mm。
5）结构设计及绘制齿轮零件图如下图5-1所示：
图5-1 直齿轮外形结构
5.2 直齿圆锥齿轮传动计算
由以上各轴转速、输入功率、输入转矩的计算可知，水平转轴的转速为=1200 r/min，功率P=5 w，转矩T=0.04 N·m。该锥齿轮转向器采用一班制，寿命20年（一年以300天计）。本设计中连接锥齿轮的对轴交角∑=90°，所以该齿轮有换向作用，由于电机转速较快，此处亦可设计有减速作用。采用一个两端支撑一个悬臂的布置方式。
1）选精度等级、材料及齿数
①选用直齿圆锥齿轮。
②根据本设计机构及工作坏境，可选用7级精度（GB 10095-88）。
③材料选择：查课本表10-1常用齿轮材料及其力学特性，选用齿轮一的材料为40Cr（调质），硬度为260HBS，强度极限=700MPa，屈服极限=500MPa。
④齿轮齿数的选择：选小齿轮齿数为17，齿轮齿数为51。即齿数比u=3,齿形角α=20°，齿顶高系数=1，顶隙系数=0.2。
选用的正交直齿圆锥齿轮截图如图5-2所示：
图5-2 锥齿轮外形结构
2）齿轮齿根弯曲疲劳强度校核计算
①试选载荷系数：=1.6，由于齿轮一的转矩为=0.04 N·m
②选动载系数：查机械设计图10-8可知，=1.05（7级精度）。
③齿轮使用系数：查机械设计表10-2可知，因为该设计机构在工作过程中无冲击，故选用=1。
④齿间分配系数：查机械设计表10-3可知，==1.2
⑤齿向分配系数：因为==1.5，查机械设计表10-9可知=1.50。所以，==1.5=1.5*1.5=2.25。
由以上可得：齿轮的接触强度载荷系数
K==1*1.05*1.2*2.25=2.84
⑥查机械设计课本，选取齿宽系数：=0.3
⑦当量齿数==24.0，==72.1，查机械设计表10-5得，齿形系数为=2.65,=2.23，应力校正系数为=1.58, =1.75。
⑧选取安全系数：按照弯曲疲劳强度来校核，取安全系数S==1.4
由课本式10-13计算应力循环次数
N=60njLh=60×1200×1×(8×300×20)=3.456×109
由机械设计图10-18可知，弯曲疲劳强度寿命系数==0.92；
查机械设计图10-20（c）得弯曲疲劳极限为：==600MPa，代入机械设计10-24公式得
==0.025 mm
由于该机构为超轻载，计算得的最小模数较小，现取模数为0.5mm
那么分度圆直径=17*0.5=8.5mm，=51*0.5=25.5mm
分锥角=arctan=
锥距R：R==14.6mm，
齿宽b： b=*R=4.4mm，圆整取b=5 mm
⑨=7.2mm，分度圆上的圆周力为
===0.011N·mm，
⑩校核强度，由机械设计式10-23可知
==0.062MPa≤[σ]=600MPa
综上可知，设计齿轮远远小于弯曲疲劳强度，参数设计合理。
3）齿面接触疲劳强度设计计算
查机械设计10-26有齿面接触疲劳强度设计公式：
①试选载荷系数：=1.6
②由于齿轮一的转矩为=0.04 N·m
③查机械设计课本，选取齿宽系数：=0.3
④确定弹性影响系数：查机械设计表10-6得，=189.8。
⑤确定区域系数：查机械设计图10-30，由β=0°得，标准直齿圆锥齿轮=2.5。
⑥根据机械设计中循环次数公式10-13可知，齿轮的工作应力循环次数公式
=60nj=60*1200*1*20*300*8=3.456× h
∵ u=3
∴ =/u=1.152× h
⑦由工作应力循环次数取=1.152× h，查机械设计图10-19可知，接触疲劳寿命系数=0.93
⑧查机械设计图10-21（d）可得，锥齿轮的接触疲劳强度极限==720Mpa
⑨取失效概率为1%，由于点蚀破坏只引起噪声和振动增大，不会影响工作的继续，故疲劳强度安全系数S==1。
查机械设计公式10-12可知，计算接触疲劳许用应力：
==（*）/=669.6MPa
⑩对于齿形角α=20°，=2.5，查机械设计手册得齿面接触疲劳强度计算齿轮的分度圆直径：
=
=0.615 mm
则=（1-0.5）=0.52mm
收藏