压力能收集转化装置的结构设计及分析

任务书题 目 压力能收集转化装置的结构设计及分析题目来源 大创项目学生姓名 学 号 专业班级指导教师 职 称 教 研 室毕业论文（设计）任务与要求采用机械式和压电陶瓷相结合的方式设计一种压力能收集转换装置，用于收集日常生活中零散的压力能，将其储存备用，并对主要零部件进行受力分析。具体任务如下：1. 采用机械式和压电陶瓷相结合的方式设计一种压力能转化装置。2. 设计压力能收集及储存装置。3. 绘制三维结构图。4. 对主要部件进行受力分析。5. 撰写毕业论文一份。毕业论文（设计）工作进程起止时间 工作内容2017.12.27-2018.01.312018.02.01-2018.02.282018.03.01-2018.03.312018.04.01-2018.04.301. 方案制定；2. 实验验证；3. 绘制三维结构图，构建机械结构；4. 装配及运动仿真；2018.05.01-2018.05.022018.05.03-2018.05.095. 主要部件受力分析；6. 撰写论文；指导教师（签字） 毕业论文工作组组长（签字） 学生（签字） 毕业论文（设计）起止时间： 20XX 年 12 月 27 日 至 20XX 年 05 月 25 日 注：本表由指导教师填写，于每学年第 1 学期 18 周，经毕业论文工作组审批，随毕业论文装订由学院存档。开题报告论文（设计）题目 压力能收集转化装置的结构设计及分析学生姓名 学号 指导教师1、选题目的和意义随着我国现代化飞速发展，人们对能源的需求持续增长，能源供给矛盾也越来越突出，为了实现能源的可持续发展，开发新能源和可再生能源是能源可持续发展的重要途径之一。我国的能源供应结构里，煤炭、石油与天然气等不可再生能源占绝大部分比重，尽管我国风能、太阳能等新能源的利用和使用已经走在了世界前列，但新能源和可再生能源开发仍然不足，这不仅造成环境污染等一系列问题，也严重制约能源工业发展，故而国家大力提倡开发新能源和可再生能源，优化能源结构，以便缓解能源的需求压力。世界各国面临能源危机，开发新能源和可再生能源势在必行。能力收集便应运而生。本选题与传统发电机产生电能的不同之处在于，它是将环境中人们未能利用的能源转换成可供人类使用的电能并存储，以实现能源的回收和再利用。振动是自然界常见的现象，例如海水的拍打、车站人流的脚步都可以产生振动，由于其几乎无处不在而且具有较高的能量密度的特点，因此对振动产生的能量转化及其收集利用的科学研究逐步兴起。从振动中收集能量的装置已经被研究人员研究开发出，它们分别采用电磁式、静电式或压电式的工作方式将机械运动产生的能量转换为电能。每一种转换器都有其优缺点，一般来说，静电式转换器需要保持一个很小的空气间隙，且功率密度较低；电磁转换器常常输出电压低,，而压电式转换器却要依赖于较脆的压电陶瓷。根据理论、仿真和实验发现，对现实生活中的大部分应用来说，3 种转换器中压电式转换器是最有潜力的。压电陶瓷发电装置有着结构简单、无污染、能量密度大、易于加工等优点，非常适用于各类传感器网络及监测系统。因此，压电能量收集技术是一种发展前途大的收集方式。通过该课题的研究，采用机械式和压电陶瓷相结合的方式设计一种压力能收集转换装置，用于收集日常生活中零散的压力能，将其储存备用。这对于提高压力能收集效率，促进开发利用新能源有重要意义。二、本课题在国内外的研究状况及发展趋势在国内，我国新能源的种类很多，但由于我国人口众多，国家能源的消耗巨大，仅有的能源不足以满足国内市场的需求，国内对于能源的收集，有：太阳能、水能、热能、风能、煤炭、石油、天然气和核能等，对于这些能源，收集方式比较成熟，而关于压力能的收集还不够重视，还没有相对成熟的转换收集方案。发电装置可以分为以下两种：一是利用发电机转动，发电装置透过电磁感应来发电的方式，主要有火力发电、水力发电、风力发电、内燃机发电等；二是利用化学反应发电的方式，主要有燃料电池发电、太阳能发电、垃圾发电、细菌发电等 1。 和以往的发电装置相比，压电发电技术是一个新的研究领域。压电陶瓷在外力的作用下能够产生电荷，当所生成的电荷量较大时，可用来构造压电发电装置或直接为电子器件提供动力供应。利用人的肢体运动激励压电陶瓷发电这种方法是可行的，压电鞋的研究结果已经证实了这一点。此外，还可以利用环境中的振动和冲击来激励压电振子进行弯曲振动，完成机械能到电能的转化，初步试验证明了这一点。当利用直径为 5 毫米的钢球冲击压电振子（尺寸为10500.2mm3）时，所产生的电能可同时点亮 40 只二极管，这说明利用压电振子收集环境中的振动能量是可行的。当然，在压电振子发电装置的结构设计优化、提高能量转换效率方面可能有较大的困难，但这种发电方式易于实现体积的微小化和集成化，适用于不同的工作环境，其优点是显而易见的。以压电陶瓷为换能媒介的压电发电研究正处于开发探索阶段，它涉及机械、材料、电子等诸多学科，尚有大量的理论和试验研究需要解决。目前，有关利用压电陶瓷发电与相关的能量存储技术的研究在美国、荷兰、西班牙等许多国家相继开始，但国内尚未发现此方面的研究报道。随着能源危机日益临近，新能源已经成为今后世界上的主要能源之一，各种各样的新能源不断的涌现，各国特别重视新能源的开发与利用，能够有效的利用和节约能源是人们关注的热潮，充分利用人们生活的环境所带来的免费能源，为国家节约能源是非常有必要的。能源问题以及由此而引起的环境问题，已成为中国和世界都必须严肃面对并必须解决的重要问题之一，根本出路是大力发展没有环境污染的新能源。 所以，就当前的情况来看，压力能是很有效的能源之一，它是人类生活中产生的源动力，这是新能源的发现，这将会给国家的发展起到重要的作用，解决了生活中能源传输中的消耗资源，满足了人类生活的基本需求。能够开发利用压力能，设计一整套系统，对微电子供能意义重大。3、主要研究内容采用机械式和压电陶瓷相结合的方式设计一种压力能收集转换装置，用于收集日常生活中零散的压力能，将其储存备用，并对主要零部件进行受力分析。具体任务如下：6. 采用机械式和压电陶瓷相结合的方式设计一种压力能转化装置。7. 设计压力能收集及储存装置。8. 绘制三维结构图。4. 对主要部件进行受力分析。5. 撰写毕业论文一份。四、研究方案方案：通过杠杆机构与转向装置的连接，将直线方向的压力，转化为作循环圆周运动的力，带动发电机工作，产生电能，并储存起来，达到压力能转化为电能并收集的目的。同时，利用该压力为压电陶瓷提供压力能，使压力能得到多倍的利用，实现机械式和压电陶器相结合而设计的一种能量收集装置。5、研究步骤1.方案制定；2.实验验证；3.绘制三维结构图，构建机械结构；4.软件设计；5.主要部件受力分析；6.撰写论文六、论文（设计）工作量的估计、存在的问题、解决措施工作量的估计：该设计主要进行的是三维建模，由于该装置零件众多，后期得进行装配组装仿真，并进行论文的撰写，预期工作量是挺大的。存在的问题：1.如何将杠杆机构与转向装置连接设计好2.该设计主要进行的是机械结构的设计，最终论文的饱满度有待解决。解决措施：1.积极查阅相关文献及资料，及时与指导老师沟通方案的可行性。 2.初步打算将机械结构设计与电能收集电路装置相结合，解决后期论文饱满度不够的问题。参考文献1辛雪花.压电振子发电的基本特性及试验研究D.长春:：吉林大学,2006.2任思源,何青.基于压电材料的振动能量收集试验研究J.现代电力,2010.3曾平,佟刚,程光明,杨志刚,唐可洪,阚君武.压电发电能量储存方法的初步研究J.压电与声光,2008.4王强,骆英,顾建祖.基于压电材料的振动能量获取技术的研究J.电子元件与材料, 20085 Paradiso J A , Starner T .Energy scavenging for mobile and wireless electronics J .Pervasive Computing, 2005 , 4(1):18 -27 .6 刘辉. 振动能量采收系统关键技术研究D. 江西理工大学. 2009. 6 江晓安、董秀峰. 模拟电子技术M. 陕西：西安电子科技大学出版社，2008.7 梁成洋. 基于压电能量收集技术的充电器设计D.河北工业大学,2014.8 齐洪东. 提高振动发电机充电效率实验研究D.西南交通大学,2009.9丁乐. 提高振动发电机充电效率实验研究D.北京交通大学,2015.10 魏双会. 压电陶瓷发电特性及其应用研究D. 大连理工大学. 200811 SODANO H A, PA RK G, LEO D J .Use of piezoelectric energy harvesting devices for charging batteries J .Center for Intelligen Material Systems and Strctures irginina Polytechinic Instiute and State University Black- sburg , 2005 , 5 050:101-108.12 余义斌,余江,王贵,曹长修. 传感器节点环境能量的收集方法J. 广东海洋大学学报.2007(06):97-100.13孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理M.西北工业大学机械原理及机械零件教研室 编.201314孙靖民，米成秋.机械结构优化设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1985.15梁崇高，等.平面连杆机构的计算设计M.北京;高等教育出版社，1993.选题符合专业要求,学生通过此论文能将理论和实际相结合,锻炼实际动手能力,工作量饱满,现同意开提,继续进行后期工作! 指导教师签名： 年 月 日毕业论文工作组意见及建议准予开题毕业论文工作组组长签字： 年 月 日注：1.此表由学生填写后，交指导教师签署意见，经毕业论文（设计）工作组审批后，才能开题。2.此表随毕业论文装订并由学院存档。中期检查表论文（设计）题目 压力能收集转化装置的结构设计及分析学生姓名 学号 指导教师计划完成时间 20XX 年 5 月 25 日按照进度安排应完成的任务1 月-2 月，方案制定；2 月-2 月中旬，方案论证；2 月中旬-3 月初，三维建模；3 月初-4 月初，运动仿真，典型杆件受力分析；4 月初-5 月初，撰写论文。实际完成情况1. 方案制定如期完成；2. 方案论证如期完成；3. 三维建模如期完成；4. 运动仿真正在进行；5. 论文撰写正在进行。目前有哪些问题和困难，拟采取的解决方法问题：运动仿真运动方向正在调试，遇到一点瓶颈。解决方法：查阅资料，视频教程学习仿真软件。(以上栏目由学生填写)检查中发现的问题与建议目前，毕设工作完成良好，遇到问题需和老师及时沟通。毕业论文工作组组长签名： 年 月 日注：1.最后一栏由指导教师填写。2.此表随毕业论文装订并由学院存档。指导教师评分表学院：XX 专业班级：XXXX 学生姓名：XXXX 学号：XXX毕业论文题目 压力能收集转化装置的结构设计及分析评 价 项 目（参考） 分值 打分01 工作态度，工作作风工作态度 02 毕业论文完成情况20 2003 查阅文献资料能力04 综合运用知识能力05 研究方案的设计能力06 研究方法和手段的运用能力能力水平07 外文应用能力40 3408 文题相符程度09 写作水平10 写作规范程度11 篇幅，论文工作量论文质量12 论文的理论或实际价值40 31综合评定成绩 85评价意见1. 学习态度认真，能按时参加定期辅导，并按要求完成规定的任务工作量。2. 论文内容设计合理，工作量符合要求；通过设计过程很好的锻炼了学生的设计分析能力，设计方案具有一定的应用价值。3. 论文写作较规范，格式符合要求。达到了本科生的毕业设计要求，同意答辩。是否同意答辩 同意指导教师（签名）： 年 月 日注：此表随毕业论文装订并由学院存档。评阅教师评分表学院：XXXXX 专业班级：XXXX 学生姓名：XXXXX 学号：XXXXXXX毕业论文题目 压力能收集转化装置的结构设计及分析评 价 项 目（参考） 分值 打分01 查阅文献资料能力02 综合运用知识能力03 研究方案的设计能力04 研究方法和手段的运用能力能力水平05 外文应用能力50 37.006 文题相符程度07 写作水平08 写作规范程度09 篇幅，论文工作量论文质量10 论文的理论或实际价值50 41.0综合评定成绩 78.0评价意见本文作者采用机械式和压电陶瓷相结合的方式设计了一种压力能收集转化装置，具有一定的应用和研究价值。论文观点正确，论据充分，论文逻辑结构合理，叙述语言基本规范。但存在部分图表、公式字体字号不规范，图表跨页等问题；结束语、参考文献应出现在奇数页面。同意该生参加答辩。是否同意答辩 同意评阅教师（签名）： 年 月 日注：此表随毕业论文装订并由学院存档。答辩及成绩评定表学生姓名 学号 专业名称答辩时间 答辩地点 指导教师题 目 压力能收集转化装置的结构设计及分析 记录人姓 名 职 称 姓 名 职 称答辩小组成 员提问及回答情况记录（34 个主要问题）：1.0.31 与 0.31%？PPT 制作过程中的失误，多了一个百分号，我一定吸取粗心的教训，马上改正。2. 运动仿真中曲柄摇杆的作用？通过机械机构进行力的传递，将上底板的压力转化为曲柄的循环往复的圆周运动，带动发电机工作，进行发电。3. 压电片效率低的因素是什么？压电片自身产电量少，外加电路电量损耗，最终造成压电陶瓷效率低。4. 电容是如何存电和放电？两个互相平行靠近的金属极板，当两极板分别连接电池的正负极时，电源开始对电容器充电；电容器放电，电流流出电容器 电容器两端电压下降 电容器中电荷被释放记录人签字：年 月 日答辩小组评语及成绩该同学在毕业论文写作过程中，态度端正，论证严谨，论文写作规范，能恰当回答与论文有关的问题。答辩小组经过充分讨论，根据该生论文质量和答辩中的表现，答辩成绩建议 82分，评定论文成绩为“良好”.答辩小组组长签字： 年 月 日指导教师成绩 85.040% =34评阅教师成绩 78.020% =15.6毕业论文总评成绩82.4 论文 等 级 良好答辩成绩 82.040% =32.8毕业论文工作组意见：毕业论文工作组组长签名： 年 月 日注：1、总评成绩=指导教师成绩40%评阅教师成绩20%答辩成绩40%。2、论文等级分优秀（90 分） 、良好（80-89 分） 、中等（70-79 分） 、及格（60-69分） 、不及格（60 分） 。3、此表随毕业论文装订并由学院存档I摘要近代人类社会飞速发展，蒸汽时代的革命与电气时代的革命，使人类社会从农业封建的生产方式转变为机械科学的生产方式，人类科技文明飞速发展，科技的发展离不开动力，动力的发展离不开能源，因此，能源也是世界各国发展所重视的问题。能源分为可再生能源与不可再生能源，而随着不可再生能源的短缺，人类将能源研究方向转变到了不可再生能源，现阶段人类已经可以将太阳能、风能、水能、生物能等可再生能源利用和使用。本课题研究的装置也是属于可再生能源的一种，为了将生活中在无意识中产生的压力能转化为电能并收集起来，设计了一种机械式和压电式相结合的一种压力能收集转换装置，用于收集日常生活中零散的压力能，将其储存备用。通过使用三维建模软件设计该装置的机构和运动仿真，并对主要杆件进行受力分析。通过研究设计使该装置能实现压力能转化为电能并收集储存起来，得到利用和使用。关键词：能源；机械式；压电式；收集转化装置；三维建模压力能收集转化装置的机构设计及分析IIABSTRACTThe rapid development of modern human society, the revolution of the steam age and the revolution of the electrical age made the human society transformed from the agricultural feudal production mode to the mode of production of mechanical science, the rapid development of human science and technology civilization, the development of science and technology without power, and the development of power without energy. Therefore, energy is also the whole of the world. The problem of development. Energy is divided into renewable energy and non renewable energy, and with the shortage of non renewable energy, mankind has changed the research direction of energy to non renewable energy. At this stage, we can use and use renewable energy, such as solar energy, wind energy, water energy, biological energy and so on. This research device is also a kind of renewable energy. In order to convert the pressure energy produced in the unconscious into electric energy in life and collect it, a kind of pressure energy collection and conversion device, which combines mechanical and piezoelectric type, is designed to collect the scattered pressure energy in daily life and store it in reserve. . By using 3D modeling software, the mechanism and motion simulation of the device are designed, and the stress analysis of the main rod is carried out. Through research and design, the device can realize the conversion of pressure energy into electrical energy and collect and store it, so that it can be used and used. IIIKey words: energy; mechanical; piezoelectric; collecting and transforming device；3D modeling压力能收集转化装置的机构设计及分析IV目录摘要 .IABSTRACT .II1 绪论 .11.1 选题目的和意义 .11.2 国内外的研究状况及发展趋势 .21.2.1 国内外研究现状 .21.2.2 发展趋势 .31.3 本课题主要研究问题 .31.4 本章小结 .32 收集装置结构设计 .42.1 方案选择 .42.1.1 曲柄摇杆机构杆长的确定 .62.1.2 克服曲柄摇杆机构死点问题 .82.2 三维建模 .82.2.1 零件图绘制 .82.2.2 装配体的构建 .122.3 运动仿真 .132.4 典型杆件受力分析 .14V3. 电能转换效率估算 .173.1 压电式转化效率 .173.1.1 压电陶瓷简介 .173.1.2 压电陶瓷转化效率理论计算 .183.1.3 测试数据 .193.2 机械式转化效率 .203.2.1 机械式转化效率理论计算 .203.3 压力能转化为电能效率估算 .223.4 压力能收集转化装置的实际应用 .22结束语 .23参考文献 .24致 谢 .2611 绪论1.1 选题目的和意义随着我国现代化飞速发展，人们对能源的需求持续增长，能源供给矛盾也越来越突出，为了实现能源的可持续发展，开发新能源和可再生能源是能源可持续发展的重要途径之一 1。我国的能源供应结构里，煤炭、石油与天然气等不可再生能源占绝大部分比重，尽管我国风能、太阳能等新能源的利用和使用已经走在了世界前列，但新能源和可再生能源开发仍然不足，这不仅造成环境污染等一系列问题，也严重制约能源工业发展，故而国家大力提倡开发新能源和可再生能源，优化能源结构，以便缓解能源的需求压力 2。当前世界各国都严重面临能源短缺的问题，开发新能源和可再生能源势必成为主流。能源收集便应运而生。本选题与传统发电机产生电能的不同之处在于，它是将环境中人们未能利用的能源转换成可供人类使用的电能并存储，以实现能源的回收和再利用。由于受到外力而产生振动的现象，生活中无处不在。像如人流密集的场所车站、地壳运动产生的地震、以及军队正步所产生的振动等众多场合都会产生振动，由于其几乎遍布我们生活的点点滴滴，而且具有非常高的能量密度的特点，因此对振动产生的能量转化并收集利用的科学研究逐步被人们所重视。人们采用电磁式、静电式以及压电式的工作方式将运动产生的振动能量转化为我们所需的能源电能，这些能量转化收集装置已经被人们所研究开发。任何事不会是十全十美，每一种转换器都有其优缺点，一般来说，静电式能量收集转换器一般需要维持非常小的空气间隙，而且其功率很低；电磁式能量收集转换器的输出电压不高；而压电式能量收集转换器依赖压电陶瓷，依据对压电陶瓷的方式进行理论、仿真和测验发现，对当前生活中大部分的用电器材来说，以上三种能量收集转换器中压电式要有非常可观的应用潜力。对于拥有结构简单、环保、容易加工、能量密度高等优点的压电陶瓷能量转换发电装置，非常适用于各种各样的微电子产品中传感器网络和监测系统。所以，压电式能量收集转换技术是一种具有非常大发展前途的收集方式。压力能收集转化装置的机构设计及分析2通过该课题的研究，采用机械式和压电陶瓷相结合的方式设计一种压力能收集转换装置，用于收集日常生活中零散的压力能，将其储存备用。这对于提高压力能收集效率，促进开发利用新能源有重要意义。1.2 国内外的研究状况及发展趋势1.2.1 国内外研究现状在国内，我国新能源的种类很多，但由于我国人口众多，国家能源的消耗巨大，仅有的能源不足以满足国内市场的需求，国内对于能源的收集，有：太阳能、水能、热能、风能、煤炭、石油、天然气和核能等，对于这些能源，收集方式比较成熟，而关于压力能的收集还不够重视，还没有相对成熟的转换收集方案。发电装置大致可以分为以下两种：一种是利用发电机转动，利用切割磁感线的方式，产生电荷，进行发电。其产生动力的方式主要有水力、火力、风力、内燃机等,二是利用化学反应发电的方式，其产生化学反应的方式主要有燃料电池、太阳能、垃圾、细菌等。 类比于当今社会所拥有的发电装置，压电发电技术是一个未被探索研究的领域。压电陶瓷在外力的作用下会产生电荷，当其产生的电荷积攒到一定量时，便可以用来构建压电发电装置或者可以直接用来为某些微电子产品供应电量。利用人类是一个运动的几何体，通过四肢运动激励压电陶瓷的方式是可以被开发利用的，压电鞋的探索研究已经说明了这一点的可行性。除此之外，我们还可以利用环境中的激励和振动来为压电发电装置提供能量。经各项试验数据证明压电发电的可行性。当然，我们在开发和利用这些能量的装置研究方面以及优化和扩大其转化效率方面的困难还是非常多的，但是其优点还是非常明显的，适合在体积小、集成化高的集成电路中应用，如果效率能被提高利用，其用途将会大大扩大到各个领域。3由于压电陶瓷为换能媒介的压电发电研究目前正处于开发研究探索阶段，压电陶瓷涉及了机械、材料、电子等众多门学科，目前仍尚有大量的理论和试验研究需要解决 3。目前，在国外为数不多的几个发达国家相继开始利用压电陶瓷发电以及相关的能量存储技术的研究，但是在国内目前尚未发现与此方面的研究有关的学术研究和报道 4。1.2.2 发展趋势当前世界能源面临短缺和殆尽，新能源的探索开发和利用已经成为今后世界各国的主题之一，各种各样形式的新能源不断的被人们所重视研究，各国特别重视新能源的开发与利用，能够有效的利用和节约能源是人们关注的热潮，充分利用人们生活的环境所带来的免费能源，为国家节约能源是非常有必要的。能源问题将会引起诸多反应，环境问题首当其冲，环境问题已经是全世界各国都急须严肃对待并为了我们的子孙后代不受其害所必须解决的重要问题之一，解决环境问题的根本出路便是加大对新能源的探索开发和利用。 所以，就当前的情况来看，压力能是很有效的能源之一，它是人类生活中产生的源动力，这是新能源的发现，这将会给国家的发展起到重要的作用，解决了生活中能源传输中的消耗资源，满足了人类生活的基本需求。能够开发利用压力能，设计一整套系统，对微电子供能意义重大。1.3 本课题主要研究问题采用机械式和压电陶瓷相结合的方式设计一种压力能收集转换装置，用于收集日常生活中零散的压力能，将其储存备用，并对主要零部件进行受力分析。具体任务如下：1.采用机械式和压电陶瓷相结合的方式设计一种压力能转化装置。2.设计压力能收集及储存装置。3.绘制三维结构图。4.对主要部件进行受力分析。压力能收集转化装置的机构设计及分析41.4 本章小结本章阐述了机械式和压电式压电能量收集的目的和意义，并介绍压力能转换收集装置在国内外的研究现状以及发展趋势，明确了课题的主要研究内容。52 收集装置结构设计本次设计的目的是为了采用机械式和压电式相结合的方式来实现压力转化为电能，机械式主要针对机械机构的设计来带动发电机工作，压电式主要利用压电陶瓷进行发电，二者相结合，可以使电能收集效率大大提高。2.1 方案选择本机械结构设计，主要是要将直线方向的力，转化为循环往复的作圆周运动的力，来带动发电机工作。方案 1：曲柄滑块机构曲柄连杆机构是指用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构 5。曲柄滑块机构中与机架构成移动副的构件为滑块，通过转动副联接曲柄和滑块的构件为连杆 6。图 2.1 曲柄滑块曲柄滑块机构广泛应用于往复活塞式发动机、压缩机、冲床等的主机构中，把往复移动转换为不整周或整周的回转运动 7；压缩机、冲床以曲柄为主动件，把整周转动转换为往复移动 8。该机构主动件多为曲柄，是我们要实现的逆过压力能收集转化装置的机构设计及分析6程，与我们的目的相背离，故而舍弃该方案。方案二：齿轮齿条机构如图 2.2 齿轮齿条机构所示，齿轮齿条机构目的就是实现直线运动和转动相互转化的机构 9。图 2.2 齿轮齿条机构优点：1.结构简单、紧凑；2.传动效率高达 90%；缺点：1.逆效率高(60% 70%)；2.加工精度要求高；3.噪音大；综合以上优缺点，该机构逆运动（直线运动转化为转动运动）实现起来不太适合该设计，故而放弃该方案。方案三：杠杆机构与曲柄摇杆机构相结合曾经有这样一句名言“加入给我一个支点，我将翘起整个地球 10”这句话便完美的诠释了杠杆原理。如图 2.3。7图 2.3 杠杆如图 2.4 曲柄摇杆机构。图 2.4 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构是将摆动转变为圆周运动，而摇杆的运动和杠杆的一端运动方式一致，二者结合，便可实现力的传动，将直线方向的力转变为曲柄摇杆机构中曲柄的运动，然后由曲柄带动发电机工作，进行发电 11。该复合机构结构简单，易于设计，能实现目标要求，因此，最终选择该方案作为本次设计的最佳方案。2.1.1 曲柄摇杆机构杆长的确定在铰链四杆机构的两个连架杆中，若其中一杆为曲柄，另一杆为摇杆，则称其为曲柄摇杆机构 12。在曲柄摇杆机构中，若以曲柄为原动件时，可将曲柄的连续运动转变为摇杆的往复摆动，若以摇杆为原动件时，可将摇杆的摆动转变为曲柄的整周转动 13。 本次设计利用的便是后者。铰链四杆机构有曲柄的条件:压力能收集转化装置的机构设计及分析8平面四杆机构有曲柄的前提是其运动副中必有周转副存在，故下面前来确定转动副为周转副的条件。如图 2.4 所示，设四杆机构各杆的长度分别为 a、 b、c、d。要转动副 A 成为周转副，则 AB 杆应能处于图中任何位置。而当 AB 杆与 CD 杆两次共线时分别可得到 2 个三角形。而由三角形的边长关系可得 cbda即cb)(dc即adcb将上述三式分别两两相加，则得， ，bacda即 a 杆应为最短杆之一。分析上述各式，可得出转动副 A 为周转副的条件是：。此条件称为杆长条件。其 余 两 杆 长 度 之 和最 长 杆 长 度最 短 杆 长 度 组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。上述条件表明，当四杆机构各杆长度满足杆长条件时，有最短杆参与与构成的转动副都是周转副，而其余的转动副都是摆动福。由此可得出，四杆机构有曲柄的条件为：1.各杆的长度应满足杆长条件。2.其最短杆为连架杆或机架,当最短杆为连架杆时，机构为曲柄摇杆机构。当最短杆为机架时，则为双曲柄机构 14。本次设计，最短杆为连架杆的曲柄摇杆机构。9考虑到本次设计主要是对其运动仿真，其尺寸可不按照实际尺寸设计，因此，设计尺寸如下：9mm，47mm，128mm，108mm通过小程序运行方案数据的可行性，如图 2.5 所示图 2.5 曲柄摇杆机构设计数据模拟图2.1.2 克服曲柄摇杆机构死点问题考虑到该机构实际运动中存在死点问题，为了解决该问题，我们在实际生活中，在转动副 A 处添加飞轮，利用飞轮运动过程中的惯性，使机构在死点位置克服死点，使整个机构可以连续往复的运动，实现压力能转化为电能，并收集起来。2.2 三维建模SolidWorks 软件是世界上第一个基于 Windows 开发的三维 CAD 系统，由压力能收集转化装置的机构设计及分析10于技术创新符合 CAD 技术的发展潮流和趋势，SolidWorks 公司于两年间成为CAD/CAM 产业中获利最高的公司 15。Solidworks 软件功能全面，组件众多 。Solidworks 拥有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案，SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量，SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个学者和设计师来说，操作界面简单方便、易学易用 16。本次设计利用 Solidworks 软件进行结构设计和运动仿真，并对典型杆件进行受力分析。2.2.1 零件图绘制1. 上压板的绘制上压板由方板和压电陶瓷组成，如图 2.5 所示。图 2.6 上压板2. 上底板的绘制上底板分别是由压电陶瓷安放槽、底板和压杆共同组成，其轴测图如图 2.6所示11图 2.7 上底板3. 下底板的绘制下底板是由底板和弹簧组成。轴测图如图 2.7 所示。图 2.8 下底板4. 杠杆的绘制杠杆是由支架和杆 3 组成。支架和杆 3 的轴测图如图 2.8、2.9 所示。压力能收集转化装置的机构设计及分析12图 2.9 支架图 2.10 杆 35. 四杆机构的绘制四杆机构分别由杆 1、杆 2、杆 3、杆 4 共同组成。杆 3 轴测图如图 2.9 所示，杆 1、2、4 轴测图分别如图 2.10、2.11 、2.12 所示。13图 2.11 杆 1图 2.12 杆 2图 2.13 杆 46. 发电机的绘制发电机轴测图如图 2.13 所示。压力能收集转化装置的机构设计及分析14图 2.14 发电机2.2.2 装配体的构建装配体是表达机器或部件的工作原理、运动方式、零件间的连接及其装配关系的图样，它是生产中的主要技术文件之一 17。 本次设计需对绘制的零件图进行装配，并进行运动算例仿真。配合连接方式如图 2.14。装配体轴测图如图2.15 所示。装配时首先我们固定角度，设置约束，进行定位，使得整个装配体在图中能有有个固定位置，不会因为部件的运动使得整个装配体乱动。接下来，进行各零部件连接约束。杆 1、杆 2 同心，杆 2 杆 3 同心，杆 4、杆 3 同心，杆 2、杆 1 重合，杆 4、杆 1 重合，杆 3、上底板同心，上底板、下底板平行，上底板、下底板距离设置，上底板、上压板重合，杆 4、杆 1 同心，杆 4、杆 3 重合，杆3 上底板重合，杆 1、销同心，杆 1、销 1 重合，杆 1、销 2 同心，杆 1、销 2重合，杆 3、销 3 同心，杆 3、销 3 重合，销 4、杆 3 相切，杆 3、销 4 重合，销 5、杆 3 相切，杆 3、销 5 重合，杆 4、支架重合，支架、上视基准面平行，杆 4、电动机重合，电动机、上视基准面平行，电动机、销 1 距离设置，上底板、下底板重合，上底板、上压板重合。进行以上约束连接，整个装配体装配15完成。图 2.15 配合连接方式图 2.16 装配体该设计的结构在后期应用实验中，我们将设计外围支架，将整个装配体安放于支架中，如图 2.17 装配体与外围支架图所示。在实际应用中，我们将该装配体安放于地面下，进行压力收集。压力能收集转化装置的机构设计及分析16图 2.17 装配体与外围支架图2.3 运动仿真本设计需要实现的动作是，假设上压板由一成年人用脚去踩，给予上压板压力，上压板与上底板之间安放的是压电陶瓷，压电陶瓷受力会产生电荷，由超级 电容进行收集。然后上压板与上底板共同作用于压杆，然后由压杆使杠杆工作，杠杆又使曲柄摇杆机构工作，最后由曲柄带动发电机工作，进行电能收集。装配体按照要求进行约束，然后进行受力设置等相关操作，如图 2.16 所示，最后进行运动仿真，导出运动视频。运动仿真如图 2.17 所示。图 2.18 上压板受力图17图 2.19 运动仿真2.4 典型杆件受力分析SolidWorks 受力分析就是运用 SolidWorks Simulation 插件进行静应力分析 18。SolidWorks Simulation 是一个与 SolidWorks 完全集成的插件设计分析系统 19。SolidWorks Simulation 除了拥有静应力分析，还提供了一个界面解决方案来进行频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析等众多分析功能 20。SolidWorks Simulation 凭借着快速解算器的强有力支持，使得我们能够使用计算机快速分析出大型问题，并能进行直观的对比比较 21。分析可以帮助我们完成以下任务：1. 在计算机软件上仿真模型的运动过程来模拟昂贵的现场实验，从而降低研发费用；2. 通过减少产品开发周期次数来缩短产品上市时间；3. 快速测试许多概念和情形，然后做出最终决定。4. 根据软件分析得出的安全系数与实际情况，可调整材料种类或减少零件材料，以达到降低研发成本。这样，我们就有更多的时间考虑新的设计，从而快速改进产品，减少研发压力能收集转化装置的机构设计及分析18费用，降低产品成本。本次设计正是利用 SolidWorks Simulation 对典型杆件及整体部件初步进行受力分析。以下 2.18、2.19、2.20 图示，分别是杆 3，上底板，装配体的受力分析应力应变位移等分析图。图 2.20 杆 3 分析图图 2.21 上底板分析图19图 2.22 装配体分析图以上分析，均从以一正常成年人的体重 60kg，即受力 600N 作以参考，从上图 SolidWorks Simulation 受力分析可知：1.杆 3 的应力集中在销钉位置，其余部分应力均匀分布，为了克服销钉位置应力集中，我们需加强销钉强度，从材料方面作克服应力处理。2.上底板静应力主要集中在上底板面、弹簧套筒和压杆处，应力沿上底板面到弹簧套筒径向逐渐增大，沿轴向均匀分布。应力集中易导致部件产生变形，易损害部件，因此，我们需从受力位置方面做到均匀分布。3.装配体的应力主要集中于上压板、上底板和压杆处，此处应力相对比较集中，如材料选取不当，易产生变形，因此，我们在选材和受力部位需试验处理。压力能收集转化装置的机构设计及分析203. 电能转换效率估算本设计电能转换主要分为 2 部分，一部分是压力使压电陶瓷发电，产生的电能；另一部分为机械结构经过传动使发电机发电产生的电能。本章节主要对这 2 部分的转化效率进行整合、估算，得出该设计电能转化效率。3.1 压电式转化效率3.1.1 压电陶瓷简介压电式电能收集是将压力能转化为电能，该部分使用的主要元件是压电陶瓷。压电陶瓷是压电材料的一种，属于无机非金属材料，它是一种具有正压电效应（压电效应分为两种：正压电效应是将振动产生压力能转换为电能，逆压电效应是将电能转换为机械振动）的功能陶瓷，由于其生产工艺和陶瓷相似，所以被称为压电陶瓷 22。压电陶瓷工作原理是：当这类陶瓷片受到压力或者拉力的时，其内部的晶体会发生变形，从而在晶体的两段产生极性相反的电荷，在形成通路的条件下，便产生了电流；而当变形发生一段时间后，警惕会慢慢恢复至原状态，而其表面的电荷与空气中的电荷中和，恢复至不带电的状态。压电陶瓷就如同电源一样，虽然单片产电量小，但是多片压电陶瓷并联，可以提高其输出电流；将压电陶瓷串联，可以提高其输出电压。本次设计所采用的压电陶瓷的单片电压为 315V，但电流很小，所以采用将并联的方式提高压电陶瓷的输出电流，以此有效的保证输出功率。21图 3.1 压电陶瓷实物图3.1.2 压电陶瓷转化效率理论计算根据前人实验，实验系统采用反复拍打压电陶瓷的形式，统计液晶屏显示的数据。系统的稳定输出设置为 3.6V、100mA ，为了得出更具说服力的数据，因此，本次测试在电机转速为 20r/min、拍击高度为 25mm、物体重为 0.8kg 的情况下，分别对 8 片和 4 片压电陶瓷进行测试转化效率。在试验前，进行理论计算。在进行定量分析前，需得出系统的转换效率，而转换效率由收集的电能和压力能的输入量之比得出。压力能的输入量也就是拍击力所做的功，其公式如下：W 为所做的功，单位为 N*m 或 J，F 为拍击力，单位为 N，l 为力做功的路程，单位为 m。在试验系统中，电机带动顶杆运动，故 l 为一个随时间递增的值。电能的收集量公式为：)/2U-（*21CEL*W压力能收集转化装置的机构设计及分析22E 为电能变化量，单位为 J，C 为储能元件超级电容的额定容量，单位为F，U1 为当前电压，U2 为初始电压，单位为 V。233.1.3 测试数据第一个试验：在前面条件不变的情况下，采用 8 片压电陶瓷，测试超级电容的电量随时间的变化及转换效率（由于短时间内电压值的变化量很小，所以采用每隔 10 分钟测试一次转换效率，以得到相对准确的转换效率值） 。表 3.1 实验一的测试数据表时间(分钟) 电压(V) 电压变化量(V)转换效率(%)0 0.34 0 010 0.34 0 020 0.35 0.01 0.230 0.35 0.01 0.240 0.36 0.02 0.2第二个实验：采用 4 片压电陶瓷的情况下，测试超级电容的电量随时间的变化及转换效率。表 3.2 实验二的测试数据表时间（分钟）电压（V）电压变化量（V）转换效率(%)0 0.36 0 010 0.36 0 020 0.36 0 0压力能收集转化装置的机构设计及分析2430 0.37 0.01 0.140 0.37 0.01 0.1由表 5.1 和 5.2 对比可以发现，发现通过不同的压电陶瓷片数对超级电容进行充电，统计出充电电量和转换效率，发现在增大压电陶瓷受力面积的前提下，压电陶瓷的数量和转换效率成正比。因此，为了有效的利用压电陶瓷这一发电特性，应将压电陶瓷平铺在受力点较集中处。本设计采用的是 12 片压电陶瓷，在保证其他条件不变的情况下，根据以上结论可以得出本设计压电式转化效率为 0.3。3.2 机械式转化效率3.2.1 机械式转化效率理论计算假设在理想条件下，即弹簧在整个装置中的无能量消耗，其机械效率值取100%； 4321总表 3.1 简单传动机构和运动副的效率25压力能收集转化装置的机构设计及分析26续