胯關(guān)節(jié)能量收集裝置的設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD+UG+仿真】

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3、腳踏發(fā)電裝置：美國(guó)某公共交通公司，在行人擁擠的公共場(chǎng)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(shí)，與踏板相連的搖桿從一個(gè)方向帶動(dòng)中心軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)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(gè)儲(chǔ)蓄循環(huán)水的橡皮容器。當(dāng)人群或汽車通過(guò)以后，橡皮容器內(nèi)的水壓出去，產(chǎn)生高速水流，經(jīng)過(guò)地下通往路邊的發(fā)電機(jī)房，推動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電。在人群或汽車通過(guò)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(guò)時(shí)，可產(chǎn)生7度的電力。 1.1.2能量收集裝置的基本知識(shí) 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?jī)?chǔ)存起來(lái)為人們所使用。最常見(jiàn)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(dòng)力元件和小型的發(fā)電裝置連接起來(lái)，再通過(guò)整流電路將電量輸送到蓄電池中。 1.2 胯關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能量收集裝置的設(shè)計(jì)內(nèi)容及需解決的問(wèn)題 1.2.1胯關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能量收集裝置的設(shè)計(jì)內(nèi)容 1、從人的行走中獲得最大限度的動(dòng)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(guò)觀察研究，人在行走的過(guò)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(dòng)幅度最大，臂關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都屬于輔助運(yùn)動(dòng)，力度和幅度不是很大，由于人行走時(shí)主要依靠腿部的力量和運(yùn)動(dòng)，因此我們希望從膝關(guān)節(jié)和胯關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)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)運(yùn)動(dòng)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(lái)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(lái)得到這部分能量，人在行走過(guò)程中胯關(guān)節(jié)做有規(guī)律的來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，可以用擺桿機(jī)構(gòu)來(lái)解決問(wèn)題。 ２、設(shè)計(jì)有效的機(jī)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生足夠的動(dòng)能； （1）、上一步得到的擺桿運(yùn)動(dòng)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(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度有限不能使發(fā)電機(jī)有效的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電能，需要用齒輪將小幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成快速有效的運(yùn)動(dòng)。 （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(guò)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(dòng)力小的特點(diǎn)，因此發(fā)電機(jī)的改進(jìn)顯的很重要。 ３、設(shè)計(jì)合適的動(dòng)電能轉(zhuǎn)化電路； （1）、貯能裝置對(duì)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(duì)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。 1.2.2胯關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能量收集裝置需解決的問(wèn)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(dòng)中獲得能量，要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是選擇人體的哪一個(gè)部位來(lái)提供動(dòng)能。 2、研究的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是以什么方式來(lái)得到這部分能量，人在行走過(guò)程中胯關(guān)節(jié)做有規(guī)律的來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，可以用擺桿機(jī)構(gòu)來(lái)解決問(wèn)題。 3、擺桿運(yùn)動(dòng)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(wèn)題，擺桿運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度有限不能使發(fā)電機(jī)有效的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電能，需要用齒輪將小幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成快速有效的運(yùn)動(dòng)。 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(guò)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(jiǎn)化裝置。 5、發(fā)電機(jī)也是研究的重要問(wèn)題，由于此裝置有體積小，動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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、USB端口的設(shè)置也是一個(gè)要解決的問(wèn)題，不同的型號(hào)要全面的考慮，盡量擴(kuò)大該設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍。 1.2.3 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)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(dòng)中獲得能量，要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是選擇人體的哪一個(gè)部位來(lái)提供動(dòng)能。 2、研究的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是以什么方式來(lái)得到這部分能量，人在行走過(guò)程中胯關(guān)節(jié)做有規(guī)律的來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，可以用擺桿機(jī)構(gòu)來(lái)解決問(wèn)題。 3、擺桿運(yùn)動(dòng)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(wèn)題，擺桿運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度有限不能使發(fā)電機(jī)有效的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電能，需要用齒輪將小幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成快速有效的運(yùn)動(dòng)。 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(guò)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(jiǎn)化裝置。 5、發(fā)電機(jī)也是研究的重要問(wèn)題，由于此裝置有體積小，動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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、USB端口的設(shè)置也是一個(gè)要解決的問(wèn)題，不同的型號(hào)要全面的考慮，盡量擴(kuò)大該設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍。 1.2.4 擬采取的技術(shù)方案及思路 1、從胯關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中獲得最大限度的能量，胯關(guān)節(jié)是人們?cè)谛凶邥r(shí)運(yùn)動(dòng)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(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能。 2、本設(shè)計(jì)的內(nèi)部采用二級(jí)齒輪加速機(jī)構(gòu)，且使用有創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的雙向超越離合器機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生足夠的電能。二級(jí)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(jì)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(dòng)電能的轉(zhuǎn)化電路已比較成熟且得到了廣泛的應(yīng)用，動(dòng)電能的轉(zhuǎn)化電路已不是問(wèn)題。我采用常用的整流電路就可以解決問(wèn)題。 4、考慮到裝置的可攜帶性以及人在行走過(guò)程中的舒適性，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以伸縮的擺桿來(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(guò)程中人的大腿不可能是完全在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，擺桿的伸縮可以提高舒適性。 5、我們考慮到人在行走的過(guò)程中，腿不會(huì)完全的在一個(gè)平面內(nèi)，因此擺桿設(shè)計(jì)成圓形這樣人的腿在擺動(dòng)的同時(shí)如果做小幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)也不會(huì)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(shí)可以直接用手按動(dòng)小型的擺桿，更快的發(fā)出電能，從而滿足人們急需電能時(shí)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(lái)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(gè)整流電路來(lái)解決問(wèn)題。 8、對(duì)于如何將電能傳送到人們常用的設(shè)備中，手機(jī)、MP3、MP4等，我們采用多個(gè)插槽的方法，有USB插槽有其他萬(wàn)能充樣式的插槽，以此來(lái)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(duì)于膝部擺桿的固定用小型的帶狀結(jié)構(gòu)固定。 1.2.5研究方案的有效和可行性分析 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?cè)谛凶邥r(shí)運(yùn)動(dòng)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(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能。 2、動(dòng)電能的轉(zhuǎn)化是可行的，本設(shè)計(jì)的內(nèi)部采用二級(jí)齒輪加速機(jī)構(gòu)，且使用有創(chuàng)新性設(shè)計(jì)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(chǔ)存轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計(jì)是可行的，現(xiàn)在動(dòng)電能的轉(zhuǎn)化電路已比較成熟且得到了廣泛的應(yīng)用，動(dòng)電能的轉(zhuǎn)化電路已不是問(wèn)題。 4、考慮到裝置的可攜帶性以及人在行走過(guò)程中的舒適性，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以伸縮的擺桿來(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(guò)程中人的大腿不可能是完全在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，擺桿的伸縮可以提高舒適性。 5、擺桿設(shè)計(jì)成圓形這樣人的腿在擺動(dòng)的同時(shí)如果做小幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)也不會(huì)感到不舒適。 6、考慮到人們?cè)诩毙桦娔軙r(shí)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(shí)可以直接用手按動(dòng)小型的擺桿，從而更快的發(fā)出電能。 1.2.6 特色或創(chuàng)新之處 1、現(xiàn)在市場(chǎng)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(méi)有將人行走時(shí)的動(dòng)能最大限度的收集起來(lái)，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(shí)膝部的彎曲是輔助運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的電能也是有限的。 胯關(guān)節(jié)是人們?cè)谛凶邥r(shí)運(yùn)動(dòng)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(jì)的一大創(chuàng)新。 2、第二大創(chuàng)新之處是本設(shè)計(jì)內(nèi)部的動(dòng)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(dòng)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(dòng)的兩個(gè)方向互不影響各自運(yùn)動(dòng)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(shí)可以直接用手按動(dòng)小型的擺桿，更快的發(fā)出電能，從而滿足人們急需電能時(shí)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(lái)產(chǎn)生電能。 1.2.7課題的學(xué)術(shù)價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值 1、實(shí)際應(yīng)用： 一、在日常生活中人們散步、跑步的同時(shí)可以將人的胯關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)，并且可以直接給手機(jī)、MP3、MP4等日常用品的電池充電。 二、在野外考察、科研時(shí)，往往因?yàn)闂l件有限無(wú)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(shí)急需一種方便快捷的獲取電能的方法。這時(shí)就可以用到胯關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能量收集裝置了，它可以為簡(jiǎn)單的通信設(shè)備充電，以滿足當(dāng)務(wù)之急。 2、應(yīng)用價(jià)值： 一、胯關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能量的收集可以緩解現(xiàn)在人們對(duì)電能的需求。 二、胯關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能量的收集可以為人們的日常生活提供便利，比如說(shuō)人們可以一邊散步一邊聽(tīng)音樂(lè)而不用擔(dān)心自己的MP3會(huì)沒(méi)電。 三、胯關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能量收集裝置最大的價(jià)值體現(xiàn)在當(dāng)人們?cè)谝巴饪疾焯诫U(xiǎn)時(shí)可以用此裝置產(chǎn)生電能，滿足在沒(méi)有常用充電設(shè)備時(shí)對(duì)電能的需要。 第2章 胯關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能量收集裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1胯關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能量收集裝置的總體方案設(shè)計(jì) 1、總體方案的原理性設(shè)計(jì) （1）原理性結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)的采用二級(jí)加速齒輪機(jī)構(gòu)，且使用有創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的雙向超越離合器機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生足夠的電能。二級(jí)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(jì)發(fā)出比一般發(fā)電機(jī)多一倍到兩倍的電能，二級(jí)齒輪加速機(jī)構(gòu)及雙向超越離合器機(jī)構(gòu)如圖2.1所示。 2 3 1 4 原動(dòng)力齒輪 發(fā)電機(jī) 雙向超越離合器機(jī)構(gòu) 順時(shí)針超越離合器 逆時(shí)針超越離合器 圖2.1 二級(jí)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(dòng)比的計(jì)算 傳動(dòng)比n===30 （3）電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算 電機(jī)轉(zhuǎn)速ω==15π 其中: n為傳動(dòng)比，人的行走速度為每秒1.5步，每步轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為60度。 2、雙向超越離合器機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 雙向超越離合器可以使該設(shè)計(jì)發(fā)出比一般發(fā)電機(jī)多一倍到兩倍的電能，人行走時(shí)，腿做往復(fù)的擺動(dòng)，當(dāng)腿向前擺動(dòng)時(shí)，逆時(shí)針超越離合器起作用，開(kāi)始工作，帶動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)切割磁感線運(yùn)動(dòng)使發(fā)電機(jī)發(fā)出電量來(lái)，當(dāng)腿向后擺動(dòng)時(shí)，順時(shí)針超越離合器起作用，開(kāi)始工作，帶動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)出電量來(lái)。 此時(shí)，關(guān)鍵之處是，逆時(shí)針超越離合器的棘輪由于慣性的原因仍在做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣雙面的棘輪一個(gè)做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)比單獨(dú)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)多出一倍多的電量。如圖2.2所示。 逆時(shí)針棘輪 即電機(jī)外殼 發(fā)電機(jī) 傳動(dòng)齒輪 棘爪 順時(shí)針超越離合器 圖2.2雙向超越離合器機(jī)構(gòu) 　　　棘爪的設(shè)計(jì)不需要加彈簧的原因，以逆時(shí)針的棘爪棘輪機(jī)構(gòu)為例，當(dāng)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于切向的摩擦力的作用，棘爪外伸，帶動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于切向的摩擦力的作用，棘爪內(nèi)縮，不帶動(dòng)棘輪輪動(dòng)。在此，巧妙的運(yùn)用摩擦力簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)。 3、發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) （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(duì)，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(dòng)，兩塊磁鐵分別與兩個(gè)電機(jī)外殼做反向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使線圈更有效的切割磁感線。 支撐板 線圈 墊片 磁鐵 圖2.3發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) （2）直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算： 直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為Ｅa= 其中：P表示磁極對(duì)數(shù)，這里P=1； N表示電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)； 2a為支路數(shù)； 為每極的磁通； n表示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n= =180 1)磁通量計(jì)算： 磁通量=BA 磁通密度B=μH, 其中μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，單位為（H/m）；空氣中μ0=4π×10-7H/m；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。 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=1.2特，HC=44千安/米，磁導(dǎo)率為3.2-4.5μ0 若不計(jì)磁漏則=BA=3.6×10-7韋 2)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的計(jì)算： 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n= =180 綜上所述, 直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為Ｅa===5.410V 由于采用順時(shí)針和逆時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)的作用可以使發(fā)電量提高三到四倍。將兩個(gè)發(fā)電機(jī)并聯(lián)電壓相加，即E=3E或4 E=1.6210V-2.1610V。 （3）線圈電阻的計(jì)算： 線圈電阻R===52.5 其中：為電阻率，L為導(dǎo)線長(zhǎng)度，S為橫截面積。 4、二級(jí)齒輪加速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 搖桿是原動(dòng)件隨著人的腿部運(yùn)動(dòng)而擺動(dòng)，帶動(dòng)內(nèi)齒輪運(yùn)動(dòng)，再到小齒輪、大齒輪，由齒輪再到離合器齒輪，通過(guò)二級(jí)的齒輪加速機(jī)構(gòu)來(lái)提高轉(zhuǎn)速，以便能發(fā)出更多的電能。 離合器齒輪 小齒輪 內(nèi)齒輪 大齒輪 搖桿 圖2.4二級(jí)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(dòng)過(guò)程中獲得最大限度的能量，胯關(guān)節(jié)是人們?cè)谛凶邥r(shí)運(yùn)動(dòng)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(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能，其放置方式如圖2.4所示。 圖2.5 胯關(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2.6 腰帶連接 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(shí)可以直接用手按動(dòng)小型的擺桿，更快的發(fā)出電能，從而滿足人們急需電能時(shí)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(lái)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2.6所示。 四指抓握處 圖2.7 兩種發(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(jì)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(wèn)題。 圖2.8充電電池的放置 8、手機(jī)電池容量的計(jì)算 一般的手機(jī)電池是3.7V500mAh。 其中儲(chǔ)存的電能是W=3.750010=1.85Wh 2.3胯關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(hào)數(shù) 零件名稱 材料 質(zhì)量 體積 1 rocker [SW]ABS 0.0153479 kg 1.50469e-005 m^3 屬性名稱 數(shù)值 單位 彈性模量 2e+009 N/m^2 普阿松比率 0.394 NA 質(zhì)量密度 1020 kg/m^3 屈服強(qiáng)度 0 N/m^2 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(gè)力。 1 2 圖2.9 約束及載荷 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(dòng)過(guò)渡: 關(guān)閉 光滑表面: 打開(kāi) 雅各賓式檢查: 4 Points 要素大小: 2.4697 mm 公差: 0.12349 mm 品質(zhì): 高 要素?cái)?shù): 9050 節(jié)數(shù): 15334 圖2.10 網(wǎng)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 VON:von Mises 應(yīng)力 13.9049 N/m^2 (30.7545 mm, -76.2172 mm, 0.183503 mm) 542882 N/m^2 (-1 mm, -1.73205 mm, 7.76515 mm) 圖2.11 應(yīng)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 URES:合力位移 0 mm (-2 mm, 1.22461e-016 mm, 12 mm) 0.0644093 mm (18.5767 mm, -81.8733 mm, 6 mm) 圖2.12 位移分析 2.1.3胯關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能量收集裝置的各部分零件設(shè)計(jì) 1、雙向超越離合器機(jī)構(gòu)的零件設(shè)計(jì) 雙向超越離合器機(jī)構(gòu)由棘爪、棘爪輪、傳動(dòng)齒輪、逆時(shí)針棘輪和順時(shí)針棘輪五部分組成。雙向超越離合器的裝配圖如圖2.13所示。 圖2.13雙向超越離合器的裝配圖 （1） 棘爪的設(shè)計(jì) 棘爪需要繞棘爪輪轉(zhuǎn)動(dòng)，要有一個(gè)軸以便棘爪能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，但棘爪又要單方向運(yùn)動(dòng)，因此要有一個(gè)阻擋的結(jié)構(gòu)使棘爪單方向運(yùn)動(dòng)。如圖2.14棘爪零件圖所示。 圖2.14棘爪零件圖 （2） 棘爪輪的設(shè)計(jì) 棘爪輪完全是為棘爪所設(shè)計(jì)的，為實(shí)現(xiàn)棘爪的運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)也是盡量簡(jiǎn)潔。如圖2.15棘爪輪所示。 圖2.15棘爪輪 （3） 傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì) 傳動(dòng)齒輪與棘爪輪是一體的，棘爪輪隨著傳動(dòng)齒輪一起運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)齒輪的壓力角取20度,齒寬取2mm，模數(shù)取1mm，齒數(shù)為8。如圖2.16傳動(dòng)齒輪所示。 圖2.16傳動(dòng)齒輪 （4） 逆時(shí)針棘輪、順時(shí)針棘輪的設(shè)計(jì) 逆時(shí)針棘輪、順時(shí)針棘輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向正好相反，當(dāng)腿向前擺動(dòng)時(shí)，逆時(shí)針超越離合器起作用，開(kāi)始工作，帶動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)切割磁感線運(yùn)動(dòng)使發(fā)電機(jī)發(fā)出電量來(lái)，當(dāng)腿向后擺動(dòng)時(shí)，順時(shí)針超越離合器起作用，開(kāi)始工作，帶動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)出電量來(lái)。如圖2.17逆時(shí)針棘輪、順時(shí)針棘輪所示。 圖2.17逆時(shí)針棘輪、順時(shí)針棘輪 2、發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件設(shè)計(jì) 發(fā)電機(jī)的兩塊磁鐵異極相對(duì)，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(dòng)，兩塊磁鐵分別與兩個(gè)電機(jī)外殼做反向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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2.18發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的裝配圖所示。 圖2.18發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的裝配圖 （1） 磁鐵的設(shè)計(jì) 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(dòng)而運(yùn)動(dòng)，磁鐵設(shè)計(jì)成圓形，以便固定在棘輪上，兩端的順時(shí)針棘輪和逆時(shí)針棘輪是異極相對(duì)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(duì)線圈起作用。如圖2.19磁鐵所示。 圖2.19磁鐵 （2） 墊片的設(shè)計(jì) 墊片位于磁鐵和線圈的中間，起到過(guò)渡的作用，以免磁鐵直接摩擦到線圈，使線圈受損，墊片如圖2.20墊片所示。 圖2.20墊片 （3） 線圈的設(shè)計(jì) 線圈的銅線取0.1mm的直徑，共500圈。如圖2.21線圈所示。 圖2.21線圈 （4） 支撐的設(shè)計(jì) 支撐是為固定線圈和輸出電流而設(shè)計(jì)的，它是固定于外殼上的，與外殼是一體的。如圖2.22支撐所示。 圖2.22支撐 3、二級(jí)齒輪加速機(jī)構(gòu)的零件設(shè)計(jì) 二級(jí)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(jì) 根據(jù)2.1.2中的理論計(jì)算,大齒輪的壓力角取20度,齒寬取2mm，模數(shù)取1mm，齒數(shù)為40。 根據(jù)上述參數(shù)及漸開(kāi)線齒輪的相關(guān)特性建模，如圖2.23所示。 圖2.23 大齒輪 （2） 小齒輪的設(shè)計(jì) 根據(jù)2.1.2中的理論計(jì)算,小齒輪的壓力角取20度,齒寬取17mm，模數(shù)取0.5mm，齒數(shù)為16。 根據(jù)上述參數(shù)及漸開(kāi)線齒輪的相關(guān)特性建模，如圖2.24所示。 圖2.24 與搖桿接觸的小齒輪 （3） 搖桿的設(shè)計(jì) 搖桿是原動(dòng)件隨著人的腿部運(yùn)動(dòng)而擺動(dòng)，帶動(dòng)內(nèi)齒輪運(yùn)動(dòng)，再到小齒輪、大齒輪，由齒輪再到離合器齒輪，通過(guò)二級(jí)的齒輪加速機(jī)構(gòu)來(lái)提高轉(zhuǎn)速，以便能發(fā)出更多的電能。 根據(jù)2.1.2中的理論計(jì)算及人體的平均尺寸，搖桿的總長(zhǎng)取為85mm,總寬為50mm,軸的直徑為4mm,內(nèi)齒輪的半徑為48mm,模數(shù)與上述小齒輪的一致。如圖2.25所示。 圖2.25 搖桿 （4） 離合器齒輪的設(shè)計(jì) 根據(jù)2.1.2中的理論計(jì)算,小齒輪的壓力角取20度,齒寬取2mm，模數(shù)取1mm，齒數(shù)為8。 根據(jù)上述參數(shù)及漸開(kāi)線齒輪的相關(guān)特性建模，如圖2.26離合器齒輪所示。 圖2.26離合器齒輪 4、 伸縮桿的零件設(shè)計(jì) 考慮到裝置的可攜帶性以及人在行走過(guò)程中的舒適性，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以伸縮的擺桿來(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(guò)程中人的大腿不可能是完全在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，擺桿的伸縮可以提高舒適性。我們考慮到人在行走的過(guò)程中，腿不會(huì)完全的在一個(gè)平面內(nèi)，因此擺桿設(shè)計(jì)成圓形這樣人的腿在擺動(dòng)的同時(shí)如果做小幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)也不會(huì)感到不舒適。伸縮桿的設(shè)計(jì)如圖2.27所示。 圖2.27伸縮桿 5、充電裝置的零件設(shè)計(jì) 充電裝置的設(shè)置也是一個(gè)要解決的問(wèn)題，不同的型號(hào)要全面的考慮，盡量擴(kuò)大該設(shè)計(jì)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(jì) 頂蓋的設(shè)計(jì)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(jì) 導(dǎo)爪的設(shè)計(jì)可以滿足不同型號(hào)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(lái)解決。 （3） 導(dǎo)片的設(shè)計(jì) 導(dǎo)片是用來(lái)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(shí)讓導(dǎo)爪可以有一定轉(zhuǎn)動(dòng)。 （4） 彈簧的設(shè)計(jì) （5） USB插槽 對(duì)于如何將電能傳送到人們常用的設(shè)備中，手機(jī)、MP3、MP4等，我們采用多個(gè)插槽的方法，有USB插槽有其他萬(wàn)能充樣式的插槽，以此來(lái)充滿不同的需要。 圖2.17 USB插頭 4.1 塑料零件的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 4.1.1零件的形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、合理、便于成型在保證使用要求前提下，力求簡(jiǎn)單、便于脫模，盡量避免或減少抽芯機(jī)構(gòu)。 4.1.2 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(huì)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(shí)流動(dòng)阻力大 ，大型復(fù)雜的零件就難以充滿型腔。反之，壁厚過(guò)大，不但浪費(fèi)材料，而且加長(zhǎng)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(jì)時(shí)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(huì)造成嚴(yán)重的翹曲及尺寸控制的問(wèn)題； 3） 承受緊固力部位必須保證壓縮強(qiáng)度； 4） 避免過(guò)厚部位產(chǎn)生縮孔和凹陷； 5） 成型頂出時(shí)能承受沖擊力的沖擊。 4.1.3必須設(shè)置必要的脫模斜度為確保制件成型時(shí)能順利脫模，設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)于工程塑料的結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，一般應(yīng)在保證順利脫模的前提下，盡量減小脫模斜度。 4.1.4強(qiáng)度和剛度不足可考慮設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋 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(jì)時(shí)應(yīng)考慮設(shè)置加強(qiáng)筋，這樣能滿意地解決這些問(wèn)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(shí)料流受到攪亂，降低零件的韌性或影響制件外觀質(zhì)量。 4.1.5零件的所有的轉(zhuǎn)角盡可能設(shè)計(jì)成圓角或者用圓弧過(guò)渡 4.1.5.1圓角可避免應(yīng)力集中，提高制件強(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(dòng)時(shí)會(huì)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(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，特別容易產(chǎn)生應(yīng)力開(kāi)裂。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，當(dāng)圓角半徑小于零件壁厚0.3 倍時(shí)應(yīng)力集中急劇增大，當(dāng)大于壁厚0.8 倍時(shí)，應(yīng)力集中明顯變小。 4.1.5.2圓角可有利于充模和脫模 對(duì)于一些流動(dòng)性差的塑料或加入填料的塑料，零件設(shè)計(jì)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。 4.1.5.3圓角有利于模具制造，提高模具強(qiáng)度 零件上設(shè)計(jì)了圓角，模具的對(duì)應(yīng)部位也呈圓角，這就增加了模具的堅(jiān)固性，模具在淬火或使用時(shí)不致因應(yīng)力集中而開(kāi)裂，因而也增加了模具的強(qiáng)度。 4.1.6塑料零件材料的選擇原則 ABS 用途: 玩具、機(jī)殼、日常用品 特性: 堅(jiān)硬、不易碎、可涂膠水，但損壞時(shí)可能有利邊出現(xiàn)。 PP 用途: 玩具、日常用品、包裝膠袋、瓶子 特性: 有彈性、韌度強(qiáng)、延伸性大、但不可涂膠水。 用途: 軟喉管、硬喉管、軟板、硬板、電線、玩具 特性: 柔軟、堅(jiān)韌而有彈性。 POM 用途: 機(jī)械零件、齒輪、杠桿、家電外殼 特性: 耐磨、堅(jiān)硬但脆弱，損壞時(shí)容易有利邊出現(xiàn) Nylon 用途: 齒輪、滑輪 特性: 堅(jiān)韌、吸水、但當(dāng)水份完全揮發(fā)后會(huì)變得脆弱。 Kraton 用途: 摩打墊 特性: 柔軟，有彈性，韌度高，延伸性強(qiáng)。 總結(jié) 塑料零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須在滿足使用要求和符合塑料本身的特性前提下，盡可能簡(jiǎn) 化結(jié)構(gòu)和模具、節(jié)省材料、便于成型。 第3章 電 路 設(shè) 計(jì) 2.2 硬件電路設(shè)計(jì) 2.2.1電路設(shè)計(jì) 圖2.2 整流電路 左端為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓，由于人行走時(shí)腿的擺動(dòng)不能是絕對(duì)勻速的，因此產(chǎn)生的電壓是不穩(wěn)定的，需要穩(wěn)壓。首先經(jīng)過(guò)電容、二極管和穩(wěn)壓管的調(diào)節(jié)將不穩(wěn)定的電流儲(chǔ)存到蓄電池中，但如果這樣直接傳輸?shù)绞謾C(jī)電池中，當(dāng)在人行走時(shí)，由于并聯(lián)電壓電壓會(huì)比較高，因此要再次進(jìn)行穩(wěn)壓，這樣輸?shù)绞謾C(jī)電池中才能滿足要求。 總 結(jié) 現(xiàn)在市場(chǎng)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(méi)有將人行走時(shí)的動(dòng)能最大限度的收集起來(lái)，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(shí)膝部的彎曲是輔助運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的電能也是有限的。 胯關(guān)節(jié)是人們?cè)谛凶邥r(shí)運(yùn)動(dòng)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(jì)的一大創(chuàng)新。  致 謝 本論文是在導(dǎo)師石運(yùn)序的精心指導(dǎo)下完成的。在接受導(dǎo)師指導(dǎo)的時(shí)間里，他那淵博的知識(shí)，活躍的思維，敏銳的洞察力，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度給我留下了深刻的印象，并將使我受益終身。在此論文完成之際，對(duì)導(dǎo)師曾經(jīng)給予的學(xué)術(shù)上的指導(dǎo)，生活上的關(guān)心和幫助致以最誠(chéng)摯的謝意!最后，感謝我的家人，是他們給了我關(guān)心和鼓勵(lì)，使我在整個(gè)大學(xué)期間，能夠?qū)Ｐ牡膶W(xué)習(xí)和工作，謝謝！ 參考文獻(xiàn) [1]. 《機(jī)械原理》，東南大學(xué)機(jī)械學(xué)學(xué)科組 鄭文緯 吳克堅(jiān)主編 [2]. 《機(jī)械設(shè)計(jì)》，高等教育出版社 濮良貴 紀(jì)名剛主編 [3]. 《機(jī)械制圖》，大連理工大學(xué)工程畫(huà)教研室編 [4]. 《電工學(xué)》，高等教育出版社 秦曾煌主編 [5]. 《UG NX4 CAD快速入門指導(dǎo)》，清華大學(xué)出版社 洪如瑾編著 [6]. http//www.baidu.com 28