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畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文)
太陽能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計
系 名：
專業(yè)班級：
學(xué)生姓名：
學(xué) 號：
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國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 2
第二章 總體方案設(shè)計 4
2.1設(shè)計要求 4
2.2方案設(shè)計 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 7
3.1總體參數(shù)選擇 7
3.2步進電機的選擇 7
3.2.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 7
3.2.2電機扭矩計算 7
3.3齒輪齒圈傳動設(shè)計 8
3.3.1選精度等級、材料和齒數(shù) 8
3.3.2按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 9
3.3.3按齒根彎曲強度設(shè)計 11
3.3.4幾何尺寸計算 12
3.4回轉(zhuǎn)支承設(shè)計 13
第四章 俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
4.1總體參數(shù)選擇 14
4.2步進電機選擇 14
4.2.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 14
4.2.2電機扭矩計算 14
4.3同步帶傳動設(shè)計 15
4.3.1同步帶傳動設(shè)計計算 15
4.3.2同步帶選定 18
4.3.3同步帶輪的設(shè)計 19
4.4齒輪齒條設(shè)計 20
4.4.1齒輪齒條的材料選擇 20
4.4.2齒輪齒條的設(shè)計與校核 21
4.5軸及鍵的設(shè)計 25
4.5.1尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 25
4.5.2強度校核計算 26
4.5.3鍵的校核 28
4.6滑桿與搖塊的設(shè)計 28
總 結(jié) 29
參考文獻 30
致 謝 31
摘 要
本課題要求設(shè)計雙軸高度角—方位角式太陽跟蹤裝置的機械結(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，并對方案進行分析。接著，對主要技術(shù)參數(shù)進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設(shè)計與校核；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，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識，如：機械原理、機械設(shè)計、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產(chǎn)品的設(shè)計方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對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、太陽能等的實際應(yīng)用成為人類解決能源緊張和保護生態(tài)環(huán)境的重要戰(zhàn)略選擇。而能源問題將更為突出，主要有以下幾個方面：
能源短缺。世界上大部分國家能源供應(yīng)不足，不能滿足其經(jīng)濟發(fā)展的需要。從長遠來看，全球已探明的石油儲量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲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)國際組織已召開多次會議，限制各國CO2等溫室氣體的排放量。因此，人類在解決上述能源問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，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，具有以下幾個特點：
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量的一萬倍。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。
存在的普遍性。相對于其他能源來說，太陽能對于地球上絕大多數(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)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染。
使用的經(jīng)濟性?？梢詮膬蓚€方面看太陽能利用的經(jīng)濟性。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時不征收任何“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 達到了 6 700 MJ/ (m2 . a) ,開發(fā)太陽能對于西部的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義。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太陽能進行采集 ,也有利用太陽的運動規(guī)律采用定時的方法對太陽進行跟蹤,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)計的太陽能自動跟蹤裝置,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、 少維護等優(yōu)點 , 具有很好的實用價值。
1.2國內(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，也是太陽能應(yīng)用技術(shù)強國[4]。日本太陽熱能的利用，從1979年第二次石油危機后開始，1990年進入普及高峰。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)電裝機容量約為86萬千瓦，占世界太陽能發(fā)電裝機容量的49.1%，并計劃到2010年達到482萬千瓦，增加約6倍。 德國對太陽能資源的利用可追溯到20世紀(jì)70年代，現(xiàn)在德國已經(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，發(fā)明了一系列高效的太陽能系統(tǒng)。1990年德國政府推出了“一千屋頂計劃” ，至1997年已完成近萬套屋頂系統(tǒng)，每套容量1～5千瓦，累計安裝量已達3.3萬千瓦。根據(jù)德國聯(lián)邦太陽能經(jīng)濟協(xié)會的數(shù)字，在過去的幾年中，德國太陽能相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)量增加了5倍，增速比其他國家平均水平高出一倍。另據(jù)德新社報道[5]，全球最大的太陽能發(fā)電廠已在德國南部巴伐利亞州正式投入運營。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_12兆瓦，能為3500多個家庭供電。截至2005年年底，德國共有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%的德國家庭利用了清潔環(huán)保、用之不竭的太陽能，估計每年可節(jié)約2.7億升取暖用油。目前，美國太陽能光伏發(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，美國光伏發(fā)電總?cè)萘窟_到100萬千瓦，排在日本和德國之后，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，美國政府最近制定了陽光計劃，大幅度增加了光伏發(fā)電的財政投入，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，美國正在新建幾座新的太陽能電站。預(yù)計到2015年，美國光伏發(fā)電成本將從現(xiàn)在的 21～40 美分/千瓦時降到 6 美分/千瓦時，屆時太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的競爭力將會大大增強。太陽能在能源發(fā)展中占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，據(jù)美國博士對世界一次能源替代趨勢的研究結(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，很多國家對太陽能的利用加強了重視。 意大利1998年開始實行“全國太陽能屋頂計劃” ，將于2002年完成，總投入5500億里拉，總?cè)萘窟_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)。法國已經(jīng)批準(zhǔn)了代號為“太陽神 2006”的太陽能利用計劃，按照該計劃，每年將投入3000萬法郎資金，到2006年，法國每年安裝太陽能熱水器的用戶達2萬家。 我國由建設(shè)部制定的《建筑節(jié)能“九五”計劃和2010年規(guī)則》中已將太陽能熱水系統(tǒng)列入成果推廣項目[6]。目前我國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。全國從事太陽能熱水器研制、生產(chǎn)、銷售和安裝的企業(yè)達1000余家，年產(chǎn)值20億元。根據(jù)我國1996～2020年太陽能光電PV（光伏發(fā)電）發(fā)展計劃，在2000年和2020年的太陽能光電總?cè)萘繉⒎謩e達到6.6萬千瓦和30萬千瓦。 在聯(lián)網(wǎng)陽光電站建設(shè)方面，計劃2020年前建成5座MW級陽光電站。由國家投資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、中國裝機容量最大的太陽能電站。總之，大力發(fā)展太陽能利用技術(shù)，使節(jié)約能源和保護環(huán)境的重要途徑。
在太陽能跟蹤方面，我國在1997年研制了單軸太陽跟蹤器[7]，完成了東西方向的自動跟蹤，而南北方向則通過手動調(diào)節(jié)，接收器的接收效率提高了。1998年美國加州成功的研究出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，使效率進一步提高。2002年2月美國亞利桑那大學(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跟蹤系統(tǒng)，1994 年《太陽能》雜志介紹的單軸液壓自動跟蹤器完成了單向跟蹤。目前，太陽跟蹤系統(tǒng)中實現(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)視日運動軌跡跟蹤；前者是閉環(huán)的隨機系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。
第二章 總體方案設(shè)計
2.1設(shè)計要求
本課題要求設(shè)計雙軸高度角－方位角式太陽跟蹤裝置的機械結(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)確的運動起來，在豎直方向上方位角實現(xiàn)0°～360°旋轉(zhuǎn)；水平方向上俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)0°～90°的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)太陽能光伏板對太陽光線的追蹤，解決太陽能的收集效率低的問題。
2.2方案設(shè)計
2.2.1方位角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)方案
設(shè)計要求太陽能跟蹤裝置在豎直方向上方位角實現(xiàn)0°～360°旋轉(zhuǎn)，為保證傳動的穩(wěn)定性和精確性方位角回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用齒輪傳動，即有步進電機驅(qū)動小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪與固定與底座的大齒輪嚙合，因此小齒輪旋轉(zhuǎn)時帶動平臺繞齒圈一同回轉(zhuǎn)實現(xiàn)方位角0°～360°旋轉(zhuǎn)，而平臺與底座之間通過回轉(zhuǎn)支承裝置連接，使得平臺能夠相對回轉(zhuǎn)支承轉(zhuǎn)動，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)方案簡圖
2.2.2俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)方案
設(shè)計要求太陽能跟蹤裝置能在水平方向上實現(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。為簡化采用四桿機構(gòu)即可實現(xiàn)。四桿機構(gòu)可以通過演化成衍生成不同功能的機構(gòu)。本設(shè)計的太陽能跟蹤裝置的俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計理念就是來源于平面四桿機構(gòu)的演化，即采用曲柄搖塊機構(gòu)。由于傳動距離較大同時為保證傳動的精確性，曲柄搖塊機構(gòu)的動力由步進電機通過同步帶傳動提供。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底座、電機、齒圈、齒輪、同步帶、同步帶輪、曲柄滑塊機構(gòu)、太陽能電池板組成。
步進電機1帶動齒輪繞齒圈回轉(zhuǎn)實現(xiàn)方位角0°～360°旋轉(zhuǎn)；步進電機2通過帶傳動帶動齒輪旋轉(zhuǎn)從而帶動滑桿型齒條伸縮推動太陽能電池板擺動實現(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
3.1總體參數(shù)選擇
已知方位角要求實現(xiàn)0°～360°旋轉(zhuǎn)，調(diào)查國內(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步進電機的選擇
步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個距角增量。電機總的回轉(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。步進電機具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優(yōu)點，所以廣泛用于機電一體化產(chǎn)品中。選擇步進電動機時首先要保證步進電機的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。
3.2.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量
a、回轉(zhuǎn)運動件的轉(zhuǎn)動慣量
上式中：d—直徑,齒輪外徑d=34mm
L—長度=2m
P—鋼的密度=7800
經(jīng)計算得
b、X向直線運動件向齒輪折算的慣量
上式中：M—質(zhì)量 X向直線運動件M=280kg
P—齒輪螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計算得
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量
查表得
因此
3.2.2電機扭矩計算
a、折算至電機軸上的最大加速力矩
上式中：
J=0.0028kg/m2
ta—加速時間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經(jīng)計算得
b、折算至電機軸上的摩擦力矩
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—傳動效率，η=0.90
I—傳動比，I=1
經(jīng)計算得
c、折算至電機軸上的由齒輪預(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)緊時的傳動效率為0.9
經(jīng)計算的T0=0.05N·M
則快速空載啟動時所需的最大扭矩
根據(jù)以上計算的扭矩及轉(zhuǎn)動慣量，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。
3.3齒輪齒圈傳動設(shè)計
小齒輪轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，傳動比。
3.3.1選精度等級、材料和齒數(shù)
采用7級精度由表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按齒面接觸疲勞強度設(shè)計
由設(shè)計計算公式進行試算，即
1） 確定公式各計算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)
（2）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
（3）小齒輪相對兩支承非對稱分布，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度極限
大齒輪的接觸疲勞強度極限
（6）由式6.11計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（7）由圖6.16查得接觸疲勞強度壽命系數(shù)
（8）計算接觸疲勞強度許用應(yīng)力
取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得
（9）計算
試算小齒輪分度圓直徑，代入中的較小值
計算圓周速度v
計算齒寬b
計算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù)
齒高
計算載荷系數(shù)K
根據(jù)，7級精度，查得動載荷系數(shù)
假設(shè)，由表查得
由于載荷中等振動，由表5.2查得使用系數(shù)
由表查得
查得
故載荷系數(shù)
（10）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式可得
（11）計算模數(shù)ｍ
3.3.3按齒根彎曲強度設(shè)計
彎曲強度的設(shè)計公式為
（1）確定公式內(nèi)的計算數(shù)值
由圖6.15查得
小齒輪的彎曲疲勞強度極限
大齒輪的彎曲疲勞強度極限
由圖6.16查得彎曲疲勞壽命系數(shù)
計算彎曲疲勞許用應(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）計算大小齒輪的，并比較
大齒輪的數(shù)據(jù)大
（5）設(shè)計計算
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，可取有彎曲強度算得的模數(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幾何尺寸計算
（1）計算分度圓直徑
（2）計算中心距
（3）計算齒寬寬度取
綜合整理兩級齒輪參數(shù)如下表：
序號
名稱
符號
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
回轉(zhuǎn)支承有上部體、下部體、滾珠構(gòu)成，上部體與平臺通過螺栓連接，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
4.1總體參數(shù)選擇
已知俯仰角調(diào)節(jié)要求實現(xiàn)0°～90°旋轉(zhuǎn)，調(diào)查國內(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步進電機選擇
步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個距角增量。電機總的回轉(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。步進電機具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優(yōu)點，所以廣泛用于機電一體化產(chǎn)品中。選擇步進電動機時首先要保證步進電機的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。
4.2.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量
a、回轉(zhuǎn)運動件的轉(zhuǎn)動慣量
上式中：d—直徑,同步帶輪外徑d=64mm
L—長度=2m
P—鋼的密度=7800
經(jīng)計算得
b、X向直線運動件向齒輪折算的慣量
上式中：M—質(zhì)量 X向直線運動件M=280kg
P—齒輪螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計算得
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量
查表得
因此
4.2.2電機扭矩計算
a、折算至電機軸上的最大加速力矩
上式中：
J=0.0028kg/m2
ta—加速時間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經(jīng)計算得
b、折算至電機軸上的摩擦力矩
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—傳動效率，η=0.90
I—傳動比，I=1
經(jīng)計算得
c、折算至電機軸上的由齒輪預(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)緊時的傳動效率為0.9
經(jīng)計算的T0=0.05N·M
則快速空載啟動時所需的最大扭矩
根據(jù)以上計算的扭矩及轉(zhuǎn)動慣量，選擇電機型號為SIEMENS的IFT6012，其額定轉(zhuǎn)矩為7.2。
4.3同步帶傳動設(shè)計
4.3.1同步帶傳動設(shè)計計算
（1）電機額定輸出功率估算
=7.16W
（2）確定計算功率
電動機每天使用24小時左右，查表得到工作情況系數(shù)=1.7。則計算功率為:
12.17W
（3）小帶輪轉(zhuǎn)速計算
（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)計中功率轉(zhuǎn)速都比較小，所以帶的型號可以任意選取，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）同步帶帶長及其齒數(shù)確定
=()
=
=1720.67mm
（11）帶輪嚙合齒數(shù)計算
有在本次設(shè)計中傳動比為一，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即=20。
（12）基本額定功率的計算
查基準(zhǔn)同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(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)線長度
同步帶工作時，其承載繩中心線長度應(yīng)保持不變，因此稱此中心線為同步帶的節(jié)線，并以節(jié)線周長作為帶的公稱長皮，稱為節(jié)線長度。在同步帶傳動中，帶節(jié)線長度是一個重要參數(shù)。當(dāng)傳動的中心距已定時，帶的節(jié)線長度過大過小，都會影響帶齒與輪齒的正常嚙合，因此在同步帶標(biāo)準(zhǔn)中，對梯形齒同步帶的各種哨線長度已規(guī)定公差值，要求所生產(chǎn)的同步帶節(jié)線長度應(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，同步帶相鄰兩齒對應(yīng)點沿節(jié)線量度所得約長度稱為同步帶的節(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。在制造時，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
一個帶齒兩側(cè)齒廓線與齒根底部廓線交點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，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的有效接觸面積城小，所以設(shè)計時應(yīng)選適當(dāng)?shù)臄?shù)值。
（5）帶齒齒頂圓角半徑八
帶齒齒項圓角半徑八的大小將影響到帶齒與輪齒嚙合時會否產(chǎn)生于沙。由于在同步帶傳動中，帶齒與帶輪齒的嚙合是用于非共扼齒廓的一種嵌合。因此在帶齒進入或退出嚙合時，帶齒齒頂和輪齒的頂部拐角必然會超于重疊，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，則在傳動時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
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
（1）同步帶輪的設(shè)計的基本要求
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，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，應(yīng)使帶齒嚙入或嚙出時變形小，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
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，要求齒輪尺寸盡可能小，應(yīng)采用表面硬化處理的高強度合金鋼。
6）金屬制的軟齒面齒輪，配對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，以滿足強度要求，進行設(shè)計計算。
4.4.2齒輪齒條的設(shè)計與校核
（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起升時游動系統(tǒng)起重量（理論起重量，公斤）。
起升功率
F=
取0.8（米/秒）
由于整個俯仰機構(gòu)由兩個齒輪齒條所帶動，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
計算齒輪強度用的載荷系數(shù)K，包括使用系數(shù)、動載系數(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)
是考慮齒輪嚙合時外部因素引起的附加載荷影響的系數(shù)。
該齒輪傳動的載荷狀態(tài)為輕微沖擊，工作機器為重型升降機，原動機為液壓裝置，所以使用系數(shù)取1.35。
2）動載系數(shù)
齒輪傳動不可避免地會有制造及裝配誤差，輪齒受載后還要產(chǎn)生彈性變形，對于直齒輪傳動，輪齒在嚙合過程中，不論是有雙對齒嚙合過渡到單對齒嚙合，或是有單對吃嚙合過渡到雙對齒嚙合的期間，由于嚙合齒對的剛度變化，也要引起動載荷。為了計及動載荷的影響，引入了動載系數(shù)，如圖2-1所示。
圖2-1動載系數(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)
一對相互嚙合的斜齒（或直齒）圓柱齒輪，有兩對（或多對）齒同時工作時，則載荷應(yīng)分配在這兩對（或多對）齒上。
對于直齒輪及修形齒輪，取。
4）齒輪載荷分布系數(shù)
當(dāng)軸承相對于齒輪做不對稱配置時，受災(zāi)前，軸無彎曲變形，齒輪嚙合正常，兩個節(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。
計算齒輪強度時，為了計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齒輪強度的影響。
根據(jù)機械設(shè)計表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）齒輪傳動的設(shè)計參數(shù)、許用應(yīng)力的選擇
1）壓力角α的選擇
我國對一般用途的齒輪傳動規(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)計工作壽命
10年，每年250個工作日，每個工作日10個小時
=1025010=25000h
5）齒輪的許用應(yīng)力
按下式計算
式中：S——疲勞強度安全系數(shù)。對于接觸疲勞強度計算時，取S=1；進行齒根彎曲疲勞強度計算時，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，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按下式計算：
N=60nj
n暫取10，則N=601025000=1.5。
查機械設(shè)計表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，查機械設(shè)計圖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，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)計計算
齒輪的設(shè)計計算公式： ……………Km—開式齒輪磨損系數(shù)，Km=1.25（機械設(shè)計手冊（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
齒面接觸疲勞強度計算公式：
式中的單位為Mpa，d的單位為mm，其余各符號的意義和單位同前。
由于本傳動為齒輪齒條傳動，傳動比近似無窮大，所以=1
為彈性影響系數(shù)，單位，其數(shù)值查機械設(shè)計表，取=189.8，如表2-1所示：
表2-1 材料特性系數(shù)
計算，試求齒輪分度圓直徑：
=456.75mm
通過模數(shù)計算得：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=4.5mm
齒寬b=25mm 轉(zhuǎn)速n=90r/min
4.5軸及鍵的設(shè)計
4.5.1尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計計算
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)機械設(shè)計表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，長度。
（b）初步選擇滾動軸承。因軸承只受徑向力的作用，故選用深溝球軸承。根據(jù)，查機械設(shè)計手冊選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級的深溝球軸承6203，故，軸承采用軸肩進行軸向定位，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以及兩級齒輪間位置配比，取，。
4）軸上零件的周向定位
查機械設(shè)計表，聯(lián)接齒輪的平鍵截面。
4.5.2強度校核計算
1）求作用在軸上的力
已知高速級齒輪的分度圓直徑為，根據(jù)《機械設(shè)計》（軸的設(shè)計計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)圖作出軸的計算簡圖。在確定軸承支點位置時，從手冊中查取a值。根據(jù)軸的計算簡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是軸的危險截面。先計算出截面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)接的強度
鍵、軸材料都是鋼，由機械設(shè)計查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為
鍵的工作長度
，合適
4.6滑桿與搖塊的設(shè)計
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的動力，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)計是大學(xué)學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的學(xué)習(xí)機會，通過這次對太陽能跟蹤裝置理論知識和實際設(shè)計的相結(jié)合，鍛煉了我的綜合運用所學(xué)專業(yè)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高了我查閱文獻資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，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行畢業(yè)設(shè)計的目的所在，提高是有限的但卻是全面的，正是這一次畢業(yè)設(shè)計讓我積累了許多實際經(jīng)驗，使我的頭腦更好的被知識武裝起來，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，更強的溝通力和理解力。
順利如期的完成本此畢業(yè)設(shè)計給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識的同時也對本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心，但同時也發(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給我打擊只會更好的鞭策我前行，今后我更會關(guān)注新科技新設(shè)備新工藝的出現(xiàn)，并爭取盡快的掌握這些先進知識，更好的為祖國的四化服務(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)計指導(dǎo)和幫助的老師和同學(xué)表示最誠摯的感謝。
首先，向本設(shè)計的指導(dǎo)老師表示最誠摯的謝意。在自己緊張的工作中，仍然盡量抽出時間對我們進行指導(dǎo)，時刻關(guān)心我們的進展?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)計的全過程，從借閱參考資料到現(xiàn)場的實際操作，他都給予了指導(dǎo)，不僅使我學(xué)會書本中的知識，更學(xué)會了學(xué)習(xí)操作方法。也懂得了如何把握設(shè)計重點，如何合理安排時間和論文的編寫，同時在畢業(yè)設(shè)計過程中，她和我們在一起共同解決了設(shè)計中出現(xiàn)的各種問題。
其次，要向給予此次畢業(yè)設(shè)計幫助的老師們，以及同學(xué)們以誠摯的謝意，在整個設(shè)計過程中，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)計是老師和同學(xué)共同完成的結(jié)果，在設(shè)計的一個月里，我們合作的非常愉快，教會了大我許多道理，是我人生的一筆財富，我再次向給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)表示感謝！