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本課題要求設(shè)計(jì)雙軸高度角－方位角式太陽跟蹤裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，即方位角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。根據(jù)課題所給的技術(shù)參數(shù)提出太陽能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)方案進(jìn)行分析。其結(jié)構(gòu)主要部件有：方位角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)；輔助部件有：太陽能光伏板板托，連接機(jī)架。太陽能跟蹤裝置要能夠使所有部件協(xié)調(diào)、流暢、準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)起來，在豎直方向上方位角實(shí)現(xiàn)0°～360°旋轉(zhuǎn)；水平方向上俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)0°～90°的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)太陽能光伏板對(duì)太陽光線的追蹤，解決太陽能的收集效率低的問題。具體研究?jī)?nèi)容如下：
1） 完成能改變高度角即俯仰角、回轉(zhuǎn)方位角的運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)。
2）完成改變高度角即俯仰角的機(jī)械結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)方位角的機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制裝配圖。
3）繪制改變高度角即俯仰角的機(jī)械結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)方位角的機(jī)械結(jié)構(gòu)等的零件圖。
4）根據(jù)太陽運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，實(shí)現(xiàn)水平方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和豎直方向的俯仰運(yùn)動(dòng)。
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)
太陽能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系 名：
專業(yè)班級(jí)：
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師姓名：
指導(dǎo)教師職稱：
年 月
目 錄
摘 要 II
Abstract III
第一章 緒論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 2
第二章 總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1設(shè)計(jì)要求 4
2.2方案設(shè)計(jì) 4
2.2.1方位角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)方案 4
2.2.2俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)方案 4
2.2.3總體方案確定 5
2.3結(jié)構(gòu)原理分析 6
第三章 方位角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
3.1總體參數(shù)選擇 7
3.2步進(jìn)電機(jī)的選擇 7
3.2.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 7
3.2.2電機(jī)扭矩計(jì)算 7
3.3齒輪齒圈傳動(dòng)設(shè)計(jì) 8
3.3.1選精度等級(jí)、材料和齒數(shù) 8
3.3.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 9
3.3.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 11
3.3.4幾何尺寸計(jì)算 12
3.4回轉(zhuǎn)支承設(shè)計(jì) 13
第四章 俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
4.1總體參數(shù)選擇 14
4.2步進(jìn)電機(jī)選擇 14
4.2.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 14
4.2.2電機(jī)扭矩計(jì)算 14
4.3同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 15
4.3.1同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 15
4.3.2同步帶選定 18
4.3.3同步帶輪的設(shè)計(jì) 19
4.4齒輪齒條設(shè)計(jì) 20
4.4.1齒輪齒條的材料選擇 20
4.4.2齒輪齒條的設(shè)計(jì)與校核 21
4.5軸及鍵的設(shè)計(jì) 25
4.5.1尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 25
4.5.2強(qiáng)度校核計(jì)算 26
4.5.3鍵的校核 28
4.6滑桿與搖塊的設(shè)計(jì) 28
總 結(jié) 29
參考文獻(xiàn) 30
致 謝 31
摘 要
本課題要求設(shè)計(jì)雙軸高度角—方位角式太陽跟蹤裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，即方位角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的太陽能跟蹤裝置主要部件有：方位角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)；輔助部件有：太陽能光伏板板托，連接機(jī)架。
本文首先根據(jù)課題所給的技術(shù)參數(shù)提出太陽能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)方案進(jìn)行分析。接著，對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算選擇；然后，對(duì)各主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核；最后，通過AutoCAD制圖軟件繪制了太陽能跟蹤裝置裝配圖及主要零部件圖。
通過本次設(shè)計(jì)，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識(shí)，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機(jī)械制圖等；掌握了普通機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對(duì)今后的工作于生活具有極大意義。
關(guān)鍵詞：太陽能，跟蹤裝置，方位角回轉(zhuǎn)，俯仰角調(diào)節(jié)
Abstract
This paper designed biaxial elevation - azimuth solar tracking device mechanical structure, that structure azimuth rotation, pitch angle adjustment structure. The main components of solar tracking device of this design are: azimuth rotation structure, the pitch angle adjustment structure; auxiliary components are: solar photovoltaic plate board tray, connected to the rack.
This paper proposed a solar tracking device structure of the program according to the technical parameters of the given topic, and program analysis. Next, the main technical parameters were calculated choice; then, for the main components were designed and verification; and finally, through the AutoCAD drawing software to draw a solar tracking device assembly drawings and the main parts diagram.
Through this design, the consolidation of the university is expertise, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerances and interchangeability theory, mechanical drawing, etc; mastered the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software for the future work of great significance in life.
Keywords: Solar,Tracking device, Azimuth rotation, Pitch angle adjustment
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第一章 緒論
1.1研究背景及意義
隨著煤炭、石油等不可再生的礦物質(zhì)能源的日益枯竭以及因其使用帶來的巨大的環(huán)境壓力越來越嚴(yán)峻，大力開拓新能源與可再生能源如核能、風(fēng)能、太陽能等的實(shí)際應(yīng)用成為人類解決能源緊張和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要戰(zhàn)略選擇。而能源問題將更為突出，主要有以下幾個(gè)方面：
能源短缺。世界上大部分國(guó)家能源供應(yīng)不足，不能滿足其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，全球已探明的石油儲(chǔ)量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲(chǔ)量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。
環(huán)境污染。由于燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質(zhì)拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量;局部地區(qū)形成酸雨，嚴(yán)重污染水土。
溫室效應(yīng)化石能源的利用產(chǎn)生大量的溫室氣體而導(dǎo)致溫室效應(yīng)，引起全球氣候變化。這一問題已提到全球的議事日程，有關(guān)國(guó)際組織已召開多次會(huì)議，限制各國(guó)CO2等溫室氣體的排放量。因此，人類在解決上述能源問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。
而太陽能作為新能源的重要組成部分，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
惻堵量的“無限性”。太陽每秒鐘放射的能量大約是1. 68×1023kW，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約1. 892×1013千億t，是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的一萬倍。相對(duì)于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲(chǔ)量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。
存在的普遍性。相對(duì)于其他能源來說，太陽能對(duì)于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國(guó)家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。
使用的清潔性。太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染。
使用的經(jīng)濟(jì)性。可以從兩個(gè)方面看太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時(shí)不征收任何“稅”，可以隨地取用;二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，太陽能利用不僅可能而且可行。鑒于此，太陽能必將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中擔(dān)綱重任，成為理想的替代能源。
我國(guó)的太陽能資源比較豐富 ,從其分布來看 ,西部地區(qū)的太陽能年輻射 總量均在 5 400 MJ/ ( m2 . a) 以上 ,西藏地區(qū)更是 達(dá)到了 6 700 MJ/ (m2 . a) ,開發(fā)太陽能對(duì)于西部的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。利用太陽能的關(guān)鍵是提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率 ,目前一般情況下仍是采用太陽能電池板固定朝南安裝的方式對(duì)太陽能進(jìn)行采集 ,也有利用太陽的運(yùn)動(dòng)規(guī)律采用定時(shí)的方法對(duì)太陽進(jìn)行跟蹤,但這些方法均沒有充分利用太陽能資源 ,轉(zhuǎn)換效率較低 , 成本高。作者所設(shè)計(jì)的太陽能自動(dòng)跟蹤裝置,能使太陽能電池板始終保持與太陽光垂直 ,保持最大的轉(zhuǎn)換效率 ,具有跟蹤精度高、 少維護(hù)等優(yōu)點(diǎn) , 具有很好的實(shí)用價(jià)值。
1.2國(guó)內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀
日本是世界上太陽能開發(fā)利用第一大國(guó)，也是太陽能應(yīng)用技術(shù)強(qiáng)國(guó)[4]。日本太陽熱能的利用，從1979年第二次石油危機(jī)后開始，1990年進(jìn)入普及高峰。太陽能技術(shù)日益創(chuàng)新，能量轉(zhuǎn)換率不斷提高，成本也是新能源中最低的。日本將太陽能的利用分為太陽光能和熱能兩種。太陽光能發(fā)電，是利用半導(dǎo)體硅等將光轉(zhuǎn)化為電能。從2000年起，日本太陽能發(fā)電量一直居世界首位，2003年太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約為86萬千瓦，占世界太陽能發(fā)電裝機(jī)容量的49.1%，并計(jì)劃到2010年達(dá)到482萬千瓦，增加約6倍。 德國(guó)對(duì)太陽能資源的利用可追溯到20世紀(jì)70年代，現(xiàn)在德國(guó)已經(jīng)在太陽能系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)、規(guī)劃和安裝等方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，發(fā)明了一系列高效的太陽能系統(tǒng)。1990年德國(guó)政府推出了“一千屋頂計(jì)劃” ，至1997年已完成近萬套屋頂系統(tǒng)，每套容量1～5千瓦，累計(jì)安裝量已達(dá)3.3萬千瓦。根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦太陽能經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)的數(shù)字，在過去的幾年中，德國(guó)太陽能相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)量增加了5倍，增速比其他國(guó)家平均水平高出一倍。另據(jù)德新社報(bào)道[5]，全球最大的太陽能發(fā)電廠已在德國(guó)南部巴伐利亞州正式投入運(yùn)營(yíng)。這家太陽能發(fā)電廠投資7000萬歐元，占地77萬平方米，發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)12兆瓦，能為3500多個(gè)家庭供電。截至2005年年底，德國(guó)共有670萬平方米的屋頂鋪設(shè)了太陽能集熱器，每年可生產(chǎn)4700兆瓦的熱量。已用 4%的德國(guó)家庭利用了清潔環(huán)保、用之不竭的太陽能，估計(jì)每年可節(jié)約2.7億升取暖用油。目前，美國(guó)太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)形成了從多晶硅材料提純、光伏電池生產(chǎn)到發(fā)電系統(tǒng)制造比較完備的生產(chǎn)體系。2005 年，美國(guó)光伏發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)到100萬千瓦，排在日本和德國(guó)之后，居世界第3位。為了降低太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，美國(guó)政府最近制定了陽光計(jì)劃，大幅度增加了光伏發(fā)電的財(cái)政投入，加快多晶硅和薄膜半導(dǎo)體材料的研發(fā)，提高太陽能光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率。目前，美國(guó)正在新建幾座新的太陽能電站。預(yù)計(jì)到2015年，美國(guó)光伏發(fā)電成本將從現(xiàn)在的 21～40 美分/千瓦時(shí)降到 6 美分/千瓦時(shí)，屆時(shí)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力將會(huì)大大增強(qiáng)。太陽能在能源發(fā)展中占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，據(jù)美國(guó)博士對(duì)世界一次能源替代趨勢(shì)的研究結(jié)果表明，到2050年后，核能將占第一位，太陽能占第二位，21世紀(jì)末，太陽能將取代核能占第一位，很多國(guó)家對(duì)太陽能的利用加強(qiáng)了重視。 意大利1998年開始實(shí)行“全國(guó)太陽能屋頂計(jì)劃” ，將于2002年完成，總投入5500億里拉，總?cè)萘窟_(dá)5萬千瓦。印度也于 1997 年 12 月宣布，將在2002年前推廣150萬套太陽能屋頂系統(tǒng)。法國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)了代號(hào)為“太陽神 2006”的太陽能利用計(jì)劃，按照該計(jì)劃，每年將投入3000萬法郎資金，到2006年，法國(guó)每年安裝太陽能熱水器的用戶達(dá)2萬家。 我國(guó)由建設(shè)部制定的《建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和2010年規(guī)則》中已將太陽能熱水系統(tǒng)列入成果推廣項(xiàng)目[6]。目前我國(guó)太陽能熱水器的推廣普及十分迅速，1997年銷售面積近300萬平方米，數(shù)量居世界首位。全國(guó)從事太陽能熱水器研制、生產(chǎn)、銷售和安裝的企業(yè)達(dá)1000余家，年產(chǎn)值20億元。根據(jù)我國(guó)1996～2020年太陽能光電PV（光伏發(fā)電）發(fā)展計(jì)劃，在2000年和2020年的太陽能光電總?cè)萘繉⒎謩e達(dá)到6.6萬千瓦和30萬千瓦。 在聯(lián)網(wǎng)陽光電站建設(shè)方面，計(jì)劃2020年前建成5座MW級(jí)陽光電站。由國(guó)家投資1700萬元修建的西藏第三座太陽能電站——安多光伏電站，總裝機(jī)容量100千瓦，于1998年12月建成發(fā)電。這也是世界海拔最高、中國(guó)裝機(jī)容量最大的太陽能電站?？傊罅Πl(fā)展太陽能利用技術(shù)，使節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的重要途徑。
在太陽能跟蹤方面，我國(guó)在1997年研制了單軸太陽跟蹤器[7]，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的接收效率提高了。1998年美國(guó)加州成功的研究出ATM 兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多的能量，使效率進(jìn)一步提高。2002年2月美國(guó)亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機(jī)完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)近年來有不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究，1992年推出了太陽灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，1994 年《太陽能》雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器完成了單向跟蹤。目前，太陽跟蹤系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)跟蹤太陽的方法很多，但是不外乎采用如下兩種方式：一種是光電追蹤方式，另一種是根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤；前者是閉環(huán)的隨機(jī)系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。
第二章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)要求
本課題要求設(shè)計(jì)雙軸高度角－方位角式太陽跟蹤裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，即方位角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)主要部件有：方位角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)；輔助部件有：太陽能光伏板板托，連接機(jī)架。太陽能跟蹤裝置要能夠使所有部件協(xié)調(diào)、流暢、準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)起來，在豎直方向上方位角實(shí)現(xiàn)0°～360°旋轉(zhuǎn)；水平方向上俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)0°～90°的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)太陽能光伏板對(duì)太陽光線的追蹤，解決太陽能的收集效率低的問題。
2.2方案設(shè)計(jì)
2.2.1方位角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)方案
設(shè)計(jì)要求太陽能跟蹤裝置在豎直方向上方位角實(shí)現(xiàn)0°～360°旋轉(zhuǎn)，為保證傳動(dòng)的穩(wěn)定性和精確性方位角回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動(dòng)，即有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪與固定與底座的大齒輪嚙合，因此小齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)平臺(tái)繞齒圈一同回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方位角0°～360°旋轉(zhuǎn)，而平臺(tái)與底座之間通過回轉(zhuǎn)支承裝置連接，使得平臺(tái)能夠相對(duì)回轉(zhuǎn)支承轉(zhuǎn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)方案如下圖2-1所示。
圖2-1 方位角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖
2.2.2俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)方案
設(shè)計(jì)要求太陽能跟蹤裝置能在水平方向上實(shí)現(xiàn)俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)0°～90°的旋轉(zhuǎn)。由于俯仰角調(diào)節(jié)在0°～90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，角度不大。為簡(jiǎn)化采用四桿機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)。四桿機(jī)構(gòu)可以通過演化成衍生成不同功能的機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)的太陽能跟蹤裝置的俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念就是來源于平面四桿機(jī)構(gòu)的演化，即采用曲柄搖塊機(jī)構(gòu)。由于傳動(dòng)距離較大同時(shí)為保證傳動(dòng)的精確性，曲柄搖塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)通過同步帶傳動(dòng)提供。其結(jié)構(gòu)方案如下圖2-2所示。
圖2-2 俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖
2.2.3總體方案確定
組合上述兩種結(jié)構(gòu)即得到本次設(shè)計(jì)的太陽能跟蹤裝置總體結(jié)構(gòu)方案，如下圖2-3所示。
圖2-3 總體結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖
2.3結(jié)構(gòu)原理分析
如圖2-3所示，太陽能跟蹤裝置主要由步進(jìn)底座、電機(jī)、齒圈、齒輪、同步帶、同步帶輪、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、太陽能電池板組成。
步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)齒輪繞齒圈回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方位角0°～360°旋轉(zhuǎn)；步進(jìn)電機(jī)2通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)滑桿型齒條伸縮推動(dòng)太陽能電池板擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)俯仰角0°～90°的旋轉(zhuǎn)。
第三章 方位角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1總體參數(shù)選擇
已知方位角要求實(shí)現(xiàn)0°～360°旋轉(zhuǎn)，調(diào)查國(guó)內(nèi)外太陽能跟蹤裝置通常太陽能跟蹤裝置回轉(zhuǎn)速度為90r/min。
3.2步進(jìn)電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無累計(jì)誤差、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。
3.2.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
a、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
上式中：d—直徑,齒輪外徑d=34mm
L—長(zhǎng)度=2m
P—鋼的密度=7800
經(jīng)計(jì)算得
b、X向直線運(yùn)動(dòng)件向齒輪折算的慣量
上式中：M—質(zhì)量 X向直線運(yùn)動(dòng)件M=280kg
P—齒輪螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計(jì)算得
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
查表得
因此
3.2.2電機(jī)扭矩計(jì)算
a、折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩
上式中：
J=0.0028kg/m2
ta—加速時(shí)間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經(jīng)計(jì)算得
b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩
上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N
P—齒輪螺距（m）P=0.001m
η—傳動(dòng)效率，η=0.90
I—傳動(dòng)比，I=1
經(jīng)計(jì)算得
c、折算至電機(jī)軸上的由齒輪預(yù)緊引起的附加摩擦力矩
上式中P0—滾珠齒輪預(yù)加載荷≈1500N
η0—滾珠齒輪未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為0.9
經(jīng)計(jì)算的T0=0.05N·M
則快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大扭矩
根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。
3.3齒輪齒圈傳動(dòng)設(shè)計(jì)
小齒輪轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比。
3.3.1選精度等級(jí)、材料和齒數(shù)
采用7級(jí)精度由表6.1選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS。
選小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)取
3.3.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即
1） 確定公式各計(jì)算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)
（2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
（3）小齒輪相對(duì)兩支承非對(duì)稱分布，選取齒寬系數(shù)
（4）由表6.3查得材料的彈性影響系數(shù)
（5）由圖6.14按齒面硬度查得
小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
（6）由式6.11計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（7）由圖6.16查得接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)
（8）計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力
取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得
（9）計(jì)算
試算小齒輪分度圓直徑，代入中的較小值
計(jì)算圓周速度v
計(jì)算齒寬b
計(jì)算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù)
齒高
計(jì)算載荷系數(shù)K
根據(jù)，7級(jí)精度，查得動(dòng)載荷系數(shù)
假設(shè)，由表查得
由于載荷中等振動(dòng)，由表5.2查得使用系數(shù)
由表查得
查得
故載荷系數(shù)
（10）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式可得
（11）計(jì)算模數(shù)ｍ
3.3.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
（1）確定公式內(nèi)的計(jì)算數(shù)值
由圖6.15查得
小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
由圖6.16查得彎曲疲勞壽命系數(shù)
計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1.3，得
計(jì)算載荷系數(shù)
（2）查取齒形系數(shù)
由表6.4查得
（3）查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表6.4查得
（4）計(jì)算大小齒輪的，并比較
大齒輪的數(shù)據(jù)大
（5）設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，可取有彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)1.53mm，并圓整取第一標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)值m=2.0mm，并按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑
算出小齒輪齒數(shù) 取
大齒輪齒數(shù)
3.3.4幾何尺寸計(jì)算
（1）計(jì)算分度圓直徑
（2）計(jì)算中心距
（3）計(jì)算齒寬寬度取
綜合整理兩級(jí)齒輪參數(shù)如下表：
序號(hào)
名稱
符號(hào)
參數(shù)選擇
小齒輪
大齒圈
1
齒數(shù)
Z
15
150
2
模數(shù)
m
2mm
3
分度圓直徑
4
齒頂高
5
齒根高
6
全齒高
7
頂隙
8
齒頂圓直徑
9
齒根圓直徑
10
齒寬
11
中心距
3.4回轉(zhuǎn)支承設(shè)計(jì)
回轉(zhuǎn)支承有上部體、下部體、滾珠構(gòu)成，上部體與平臺(tái)通過螺栓連接，下部體通過螺栓與底座連接。其結(jié)構(gòu)如下圖3-4所示：
圖3-4 回轉(zhuǎn)支承裝置
第四章 俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1總體參數(shù)選擇
已知俯仰角調(diào)節(jié)要求實(shí)現(xiàn)0°～90°旋轉(zhuǎn)，調(diào)查國(guó)內(nèi)外太陽能跟蹤裝置通常太陽能跟蹤裝置俯仰角調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為90r/min。
4.2步進(jìn)電機(jī)選擇
步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無累計(jì)誤差、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。
4.2.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
a、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
上式中：d—直徑,同步帶輪外徑d=64mm
L—長(zhǎng)度=2m
P—鋼的密度=7800
經(jīng)計(jì)算得
b、X向直線運(yùn)動(dòng)件向齒輪折算的慣量
上式中：M—質(zhì)量 X向直線運(yùn)動(dòng)件M=280kg
P—齒輪螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計(jì)算得
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
查表得
因此
4.2.2電機(jī)扭矩計(jì)算
a、折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩
上式中：
J=0.0028kg/m2
ta—加速時(shí)間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經(jīng)計(jì)算得
b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩
上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N
P—齒輪螺距（m）P=0.001m
η—傳動(dòng)效率，η=0.90
I—傳動(dòng)比，I=1
經(jīng)計(jì)算得
c、折算至電機(jī)軸上的由齒輪預(yù)緊引起的附加摩擦力矩
上式中P0—滾珠齒輪預(yù)加載荷≈1500N
η0—滾珠齒輪未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為0.9
經(jīng)計(jì)算的T0=0.05N·M
則快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大扭矩
根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的IFT6012，其額定轉(zhuǎn)矩為7.2。
4.3同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
4.3.1同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）電機(jī)額定輸出功率估算
=7.16W
（2）確定計(jì)算功率
電動(dòng)機(jī)每天使用24小時(shí)左右，查表得到工作情況系數(shù)=1.7。則計(jì)算功率為:
12.17W
（3）小帶輪轉(zhuǎn)速計(jì)算
（4）選定同步帶帶型和節(jié)距
由同步帶選型圖4.1可以看出，由于在這次設(shè)計(jì)中功率轉(zhuǎn)速都比較小，所以帶的型號(hào)可以任意選取，現(xiàn)在選取H型帶，節(jié)距
圖4.1 同步帶選型圖
（5）選取主動(dòng)輪齒數(shù)
查表4-2知道小帶輪最小齒數(shù)為14，現(xiàn)在選取小帶輪齒數(shù)為30。
（6）小帶輪節(jié)圓直徑確定
=
表4-2 小帶輪最小齒數(shù)表
（7）大帶輪相關(guān)數(shù)據(jù)確定
由于系統(tǒng)傳動(dòng)比為，所以大帶輪相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)與小帶輪完全相同。齒數(shù)，節(jié)距
（8）帶速v的確定
（9）初定周間間距
根據(jù)公式
得
現(xiàn)在選取軸間間距為360mm。
（10）同步帶帶長(zhǎng)及其齒數(shù)確定
=()
=
=1720.67mm
（11）帶輪嚙合齒數(shù)計(jì)算
有在本次設(shè)計(jì)中傳動(dòng)比為一，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即=20。
（12）基本額定功率的計(jì)算
查基準(zhǔn)同步帶的許用工作壓力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量表4-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。
所以同步帶的基準(zhǔn)額定功率為
==0.21KW
（13）計(jì)算作用在軸上力
==71.6N=1.3
4.3.2同步帶選定
（1）同步帶的節(jié)線長(zhǎng)度
同步帶工作時(shí)，其承載繩中心線長(zhǎng)度應(yīng)保持不變，因此稱此中心線為同步帶的節(jié)線，并以節(jié)線周長(zhǎng)作為帶的公稱長(zhǎng)皮，稱為節(jié)線長(zhǎng)度。在同步帶傳動(dòng)中，帶節(jié)線長(zhǎng)度是一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)傳動(dòng)的中心距已定時(shí)，帶的節(jié)線長(zhǎng)度過大過小，都會(huì)影響帶齒與輪齒的正常嚙合，因此在同步帶標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)梯形齒同步帶的各種哨線長(zhǎng)度已規(guī)定公差值，要求所生產(chǎn)的同步帶節(jié)線長(zhǎng)度應(yīng)在規(guī)定的極限偏差范圍之內(nèi)（見表4-4）。
（2）帶的節(jié)距Pb
如圖4-2所示，同步帶相鄰兩齒對(duì)應(yīng)點(diǎn)沿節(jié)線量度所得約長(zhǎng)度稱為同步帶的節(jié)距。帶節(jié)距大小決定著同步帶和帶輪齒各部分尺寸的大小，節(jié)距越大，帶的各部分尺寸越大，承載能力也隨之越高。因此帶節(jié)距是同步帶最主要參數(shù)．在節(jié)距制同步帶系列中以不同節(jié)距來區(qū)分同步帶的型號(hào)。在制造時(shí)，帶節(jié)距通過鑄造模具來加以控制。梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸見表4-5。
（3）帶的齒根寬度
一個(gè)帶齒兩側(cè)齒廓線與齒根底部廓線交點(diǎn)之間的距離稱為帶的齒根寬度，以s表示。帶的齒根寬度大，則使帶齒抗剪切、抗彎曲能力增強(qiáng)，相應(yīng)就能傳送較大的裁荷。
圖4-2 帶的標(biāo)準(zhǔn)尺寸
表4-5 梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸
（4）帶的齒根圓角
帶齒齒根回角半徑rr的大小與帶齒工作時(shí)齒根應(yīng)力集中程度有關(guān)t齒根圓角半徑大，可減少齒的應(yīng)力集中，帶的承載能力得到提高。但是齒根回角半徑也不宜過大，過大則使帶齒與輪齒嚙合時(shí)的有效接觸面積城小，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選適當(dāng)?shù)臄?shù)值。
（5）帶齒齒頂圓角半徑八
帶齒齒項(xiàng)圓角半徑八的大小將影響到帶齒與輪齒嚙合時(shí)會(huì)否產(chǎn)生于沙。由于在同步帶傳動(dòng)中，帶齒與帶輪齒的嚙合是用于非共扼齒廓的一種嵌合。因此在帶齒進(jìn)入或退出嚙合時(shí)，帶齒齒頂和輪齒的頂部拐角必然會(huì)超于重疊，而產(chǎn)生干涉，從而引起帶齒的磨損。因此為使帶齒能順利地進(jìn)入和退出嚙合，減少帶齒頂部的磨損，宜采用較大的齒頂圓角半徑。但與齒根圓角半徑一樣，齒頂圓角半徑也不宜過大，否則亦會(huì)減少帶齒與輪齒問的有效接觸面積。
（6）齒形角
梯形帶齒齒形角日的大小對(duì)帶齒與輪齒的嚙合也有較大影響。如齒形角霹過小，帶齒縱向截面形狀近似矩形，則在傳動(dòng)時(shí)帶齒將不能順利地嵌入帶輪齒槽內(nèi)，易產(chǎn)生干涉。但齒形角度過大，又會(huì)使帶齒易從輪齒槽中滑出，產(chǎn)生帶齒在輪齒頂部跳躍現(xiàn)象。
在這里，我們選用梯形帶。帶的尺寸如表4-6。帶的圖形如圖4-3。
表4-6 同步帶尺寸
型號(hào)
節(jié)距
齒形角
齒根厚
齒高
齒根圓角半徑
齒頂圓半徑
H
12.7
40。
6.12
4.3
1.02
1.02
圖4-3 同步帶
4.3.3同步帶輪的設(shè)計(jì)
（1）同步帶輪的設(shè)計(jì)的基本要求
a、保證帶齒能順利地嚙入與嚙出
由于輪齒與帶齒的嚙合同非共規(guī)齒廓嚙合傳動(dòng)，因此在少帶齒頂部與輪齒頂部拐角處的干涉，并便于帶齒滑入或滑出輪齒槽。
b、輪齒的齒廊曲線應(yīng)能減少嚙合變形，能獲得大的接觸面積，提高帶齒的承載能力即在選探輪齒齒廓曲線時(shí)，應(yīng)使帶齒嚙入或嚙出時(shí)變形小，磨擦損耗小，并保證與帶齒均勻接觸，有較大的接觸面積，使帶齒能承受更大的載荷。
c、有良好的加了工藝性
加工工藝性好的帶輪齒形可以減少刀具數(shù)量與切齒了作員，從而可提高生產(chǎn)率，降低制造成本。
d、具有合理的齒形角
齒形角是決定帶輪齒形的重要的力學(xué)和幾何參數(shù)，大的齒形角有利于帶齒的順利嚙入和嚙出，但易使帶齒產(chǎn)生爬齒和跳齒現(xiàn)象；而齒形角過小，則會(huì)造成帶齒與輪齒的嚙合干涉，因此輪齒必須選用合理的齒形角。
同步帶輪用梯形齒，其圖形如圖4-4。
圖4-4 同步帶輪結(jié)構(gòu)
4.4齒輪齒條設(shè)計(jì)
4.4.1齒輪齒條的材料選擇
齒條材料的種類很多，在選擇過程中應(yīng)考慮的因素也很多，主要以以下幾點(diǎn)作為參考原則：
齒輪齒條的材料必須滿足工作條件的要求。
應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成形方法及熱處理和制造工藝。
正火碳鋼，不論毛坯制作方法如何，只能用于制作載荷平穩(wěn)或輕度沖擊工作下的齒輪，不能承受大的沖擊載荷；調(diào)制碳鋼可用于制作在中等沖擊載荷下工作的齒輪。
合金鋼常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪。
飛行器中的齒輪傳動(dòng)，要求齒輪尺寸盡可能小，應(yīng)采用表面硬化處理的高強(qiáng)度合金鋼。
6）金屬制的軟齒面齒輪，配對(duì)兩輪齒面的硬度差應(yīng)保持為30～50HBS或者更多。
鋼材的韌性好，耐沖擊，還可通過熱處理或化學(xué)熱處理改善其力學(xué)性能及提高齒面硬度，故適用于來制造齒輪。由于該齒輪承受載荷比較大，應(yīng)采用硬齒面（硬度≥350HBS），故選取合金鋼，以滿足強(qiáng)度要求，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
4.4.2齒輪齒條的設(shè)計(jì)與校核
（1）起升系統(tǒng)的功率
設(shè)V為最低起鉆速度（米/秒），F(xiàn)為以V起升時(shí)游動(dòng)系統(tǒng)起重量（理論起重量，公斤）。
起升功率
F=
取0.8（米/秒）
由于整個(gè)俯仰機(jī)構(gòu)由兩個(gè)齒輪齒條所帶動(dòng)，所以每部分的平均功率為
轉(zhuǎn)矩公式：
N.mm
所以轉(zhuǎn)矩 T=
式中n為轉(zhuǎn)速（單位r/min）
（2）各系數(shù)的選定
計(jì)算齒輪強(qiáng)度用的載荷系數(shù)K，包括使用系數(shù)、動(dòng)載系數(shù)、齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分配系數(shù)，即
K=
1）使用系數(shù)
是考慮齒輪嚙合時(shí)外部因素引起的附加載荷影響的系數(shù)。
該齒輪傳動(dòng)的載荷狀態(tài)為輕微沖擊，工作機(jī)器為重型升降機(jī)，原動(dòng)機(jī)為液壓裝置，所以使用系數(shù)取1.35。
2）動(dòng)載系數(shù)
齒輪傳動(dòng)不可避免地會(huì)有制造及裝配誤差，輪齒受載后還要產(chǎn)生彈性變形，對(duì)于直齒輪傳動(dòng)，輪齒在嚙合過程中，不論是有雙對(duì)齒嚙合過渡到單對(duì)齒嚙合，或是有單對(duì)吃嚙合過渡到雙對(duì)齒嚙合的期間，由于嚙合齒對(duì)的剛度變化，也要引起動(dòng)載荷。為了計(jì)及動(dòng)載荷的影響，引入了動(dòng)載系數(shù)，如圖2-1所示。
圖2-1動(dòng)載系數(shù)
由于速度v很小，根據(jù)上圖查得，取1.0。
3）齒間載荷分配系數(shù)
一對(duì)相互嚙合的斜齒（或直齒）圓柱齒輪，有兩對(duì)（或多對(duì)）齒同時(shí)工作時(shí)，則載荷應(yīng)分配在這兩對(duì)（或多對(duì)）齒上。
對(duì)于直齒輪及修形齒輪，取。
4）齒輪載荷分布系數(shù)
當(dāng)軸承相對(duì)于齒輪做不對(duì)稱配置時(shí)，受災(zāi)前，軸無彎曲變形，齒輪嚙合正常，兩個(gè)節(jié)圓柱恰好相切;受載后，軸產(chǎn)生彎曲變形，軸上的齒輪也就隨之偏斜，這就使作用在齒面上的載荷沿接觸線分布不均勻。
計(jì)算齒輪強(qiáng)度時(shí)，為了計(jì)及齒面上載荷沿接觸線分布不均勻的現(xiàn)象，通常以系數(shù)來表征齒面上載荷分布不均勻的程度對(duì)齒輪強(qiáng)度的影響。
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表10-4取=1.37。
綜上所述，最終確定齒輪系數(shù)K==1.35111.37=1.8
（3）齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)參數(shù)、許用應(yīng)力的選擇
1）壓力角α的選擇
我國(guó)對(duì)一般用途的齒輪傳動(dòng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為α=20°。
2）齒數(shù)z的選擇
為使齒輪免于根切，對(duì)于α=20°的標(biāo)準(zhǔn)直齒輪，應(yīng)取z≥17，這里取z=20。 17
3）齒寬系數(shù)的選擇
由于齒輪做懸臂布置，取=0.6
4）預(yù)計(jì)工作壽命
10年，每年250個(gè)工作日，每個(gè)工作日10個(gè)小時(shí)
=1025010=25000h
5）齒輪的許用應(yīng)力
按下式計(jì)算
式中：S——疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)。對(duì)于接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，取S=1；進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，取S=1.25~1.5。
——考慮應(yīng)力循環(huán)次數(shù)影響的系數(shù)，稱為壽命系數(shù)。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的計(jì)算方法是：設(shè)n為齒輪的轉(zhuǎn)速（單位為r/min）；j為齒輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，同一齒面嚙合次數(shù)；為齒輪工作壽命（單位為h），則齒輪工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N按下式計(jì)算：
N=60nj
n暫取10，則N=601025000=1.5。
查機(jī)械設(shè)計(jì)表10-18可得=1.3。
——齒輪疲勞極限。彎曲疲勞極限用代入；接觸疲勞極限用代入，查機(jī)械設(shè)計(jì)圖10-21得=980。1500
=1.3 S=1
1950
850 S=1.4
607.1 （雙向工作乘以0.7）424.97
當(dāng)齒數(shù)z=20 17 時(shí)，齒形系數(shù)=2.8 2.97 應(yīng)力校正系數(shù)=1.55 1.52
基本參數(shù)選擇完畢
（4）齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算公式： ……………Km—開式齒輪磨損系數(shù)，Km=1.25（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（3卷）14-134）
轉(zhuǎn)矩 N.mm （1式）
所以 v=0.8 n=899.2/m （2式）
將1式、2式及各參數(shù)代入計(jì)算公式得：
解得：；20
取m=2 那么n=17.5，取n=18
N.m
齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式：
式中的單位為Mpa，d的單位為mm，其余各符號(hào)的意義和單位同前。
由于本傳動(dòng)為齒輪齒條傳動(dòng)，傳動(dòng)比近似無窮大，所以=1
為彈性影響系數(shù)，單位，其數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)表，取=189.8，如表2-1所示：
表2-1 材料特性系數(shù)
計(jì)算，試求齒輪分度圓直徑：
=456.75mm
通過模數(shù)計(jì)算得：m=2，z=18 所以分度圓直徑d=218=36mm
所以取兩者偏大值d=36mm
計(jì)算齒寬 b==0.636=21.6mm
齒高 h=2.25m=2.252=4.5mm
最終確定齒輪數(shù)據(jù)：
模數(shù)m=2 齒數(shù)z=18
分度圓直徑d=36mm 齒高h(yuǎn)=4.5mm
齒寬b=25mm 轉(zhuǎn)速n=90r/min
4.5軸及鍵的設(shè)計(jì)
4.5.1尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
1）軸上的功率P1,轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩T1
，，
2）初步確定軸的最小直徑
先按式初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表11.3，取，于是得：
該處開有鍵槽故軸徑加大5％～10％，且高速軸的最小直徑顯然是安裝齒輪處的直徑。?。?。
3）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
（a）為了滿足大帶輪的軸向定位的要求2軸段左端需制出軸肩，軸肩高度軸肩高度，取故取2段的直徑，長(zhǎng)度。
（b）初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承只受徑向力的作用，故選用深溝球軸承。根據(jù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的深溝球軸承6203，故，軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位，軸肩高度軸肩高度，取，因此，取。
（c）齒輪處由于齒輪分度圓直徑，故采用齒輪軸形式，齒輪寬度B=20mm。另考慮到齒輪端面與箱體間距10mm以及兩級(jí)齒輪間位置配比，取，。
4）軸上零件的周向定位
查機(jī)械設(shè)計(jì)表，聯(lián)接齒輪的平鍵截面。
4.5.2強(qiáng)度校核計(jì)算
1）求作用在軸上的力
已知高速級(jí)齒輪的分度圓直徑為，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》（軸的設(shè)計(jì)計(jì)算部分未作說明皆查此書）式(10-14)，則
2）求軸上的載荷
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖。在確定軸承支點(diǎn)位置時(shí)，從手冊(cè)中查取a值。根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖。從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖可以看出截面C是軸的危險(xiǎn)截面。先計(jì)算出截面C處的MH、MV及M的值列于下表。
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
，
，
C截面彎矩M
總彎矩
扭矩
3）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
根據(jù)式(15-5)及上表中的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取，軸的計(jì)算應(yīng)力
已選定軸的材料為45Cr，調(diào)質(zhì)處理。由表15-1查得。因此，故安全。
4）鍵的選擇
采用圓頭普通平鍵A型（GB/T 1096—1979）連接，聯(lián)接齒輪的平鍵截面，。齒輪與軸的配合為，滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是過渡配合保證的，此外選軸的直徑尺寸公差為。
4.5.3鍵的校核
（1）選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸
齒輪處選用單圓頭平鍵，尺寸為
（2）校核鍵聯(lián)接的強(qiáng)度
鍵、軸材料都是鋼，由機(jī)械設(shè)計(jì)查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為
鍵的工作長(zhǎng)度
，合適
4.6滑桿與搖塊的設(shè)計(jì)
滑桿一側(cè)與搖塊半圓弧配合，一側(cè)加工有齒條與齒輪嚙合提供滑桿滑動(dòng)的動(dòng)力，滑桿和搖塊的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：
圖4-6 滑桿及搖塊結(jié)構(gòu)尺寸
總 結(jié)
畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，通過這次對(duì)太陽能跟蹤裝置理論知識(shí)和實(shí)際設(shè)計(jì)的相結(jié)合，鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)，解決實(shí)際工程問題的能力，同時(shí)也提高了我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識(shí)水平，而且通過對(duì)整體的掌控，對(duì)局部的取舍，以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。
這是我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在，提高是有限的但卻是全面的，正是這一次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我積累了許多實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，使我的頭腦更好的被知識(shí)武裝起來，也必然讓我在未來的工作學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出更高的應(yīng)變能力，更強(qiáng)的溝通力和理解力。
順利如期的完成本此畢業(yè)設(shè)計(jì)給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識(shí)的同時(shí)也對(duì)本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足與欠缺，留下了些許遺憾，不過不足與遺憾不會(huì)給我打擊只會(huì)更好的鞭策我前行，今后我更會(huì)關(guān)注新科技新設(shè)備新工藝的出現(xiàn)，并爭(zhēng)取盡快的掌握這些先進(jìn)知識(shí)，更好的為祖國(guó)的四化服務(wù)。
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致 謝
大學(xué)生活即將結(jié)束，在這短短的四年里，讓我結(jié)識(shí)了許許多多熱心的朋友、工作嚴(yán)謹(jǐn)教學(xué)相幫的教師。畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成也脫離不了他們的熱心幫助及指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)，在此向所有給予我此次畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)和幫助的老師和同學(xué)表示最誠(chéng)摯的感謝。
首先，向本設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師表示最誠(chéng)摯的謝意。在自己緊張的工作中，仍然盡量抽出時(shí)間對(duì)我們進(jìn)行指導(dǎo)，時(shí)刻關(guān)心我們的進(jìn)展?fàn)顩r，督促我們抓緊學(xué)習(xí)。老師給予的幫助貫穿于設(shè)計(jì)的全過程，從借閱參考資料到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作，他都給予了指導(dǎo)，不僅使我學(xué)會(huì)書本中的知識(shí)，更學(xué)會(huì)了學(xué)習(xí)操作方法。也懂得了如何把握設(shè)計(jì)重點(diǎn)，如何合理安排時(shí)間和論文的編寫，同時(shí)在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，她和我們?cè)谝黄鸸餐鉀Q了設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問題。
其次，要向給予此次畢業(yè)設(shè)計(jì)幫助的老師們，以及同學(xué)們以誠(chéng)摯的謝意，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，他們也給我很多幫助和無私的關(guān)懷，更重要的是為我們提供不少技術(shù)方面的資料，在此感謝他們，沒有這些資料就不是一個(gè)完整的論文。
另外，也向給予我?guī)椭乃型瑢W(xué)表示感謝。
總之，本次的設(shè)計(jì)是老師和同學(xué)共同完成的結(jié)果，在設(shè)計(jì)的一個(gè)月里，我們合作的非常愉快，教會(huì)了大我許多道理，是我人生的一筆財(cái)富，我再次向給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)表示感謝！