機(jī)械式電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文PAGE49目錄TOC\o"1-3"\h\u115441.前言3911.1本課題研究的目的與意義 155861.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1304901.3本課題的研究內(nèi)容及技術(shù)方法路線 4163762.總體設(shè)計(jì)24712.1機(jī)械式電池的基本原理及組成 7164972.2三種機(jī)械電池的方案設(shè)計(jì) 878092.2.1搖柄式機(jī)械電池 88292.2.2拉繩式機(jī)械電池 1114592.2.3定時(shí)器式機(jī)械電池 1392172.3本章小結(jié) 15289143.變速器的設(shè)計(jì)方案19813.1傳動裝置 17109953.1.1傳動裝置（I） 17105543.1.2傳動裝置（II） 19231983.1.3傳動裝置（III） 20220103.2發(fā)電機(jī)的選擇 22145203.3本章小結(jié) 24183614.增速裝置的設(shè)計(jì)51114.1機(jī)械式電池方案的確定 2599034.2傳動比的確定 2578384.3相關(guān)參數(shù)的確定 2690214.4有關(guān)軸的設(shè)計(jì) 2966744.4.1輸入軸的設(shè)計(jì) 2924734.4.2中間傳遞軸的設(shè)計(jì) 30225414.4.3輸出軸的設(shè)計(jì) 3123254.5本章小結(jié) 3216165.結(jié)論28376參考文獻(xiàn) 378454致謝 38

1.前言1.1本課題研究的目的與意義創(chuàng)新被越來越認(rèn)識到是技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動力，隨著知識的不斷創(chuàng)新，科技的突飛猛進(jìn)己經(jīng)為整個(gè)人類帶來了翻天覆地的變化。無論是我國黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人，還是我國科技界都指出加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新對我國的國際地位具有決定性的意義。機(jī)械電池就是一種綜合先進(jìn)科技技術(shù)形成的創(chuàng)新微小機(jī)電產(chǎn)品。眾所周知:化學(xué)電池以其方便而被廣泛使用，但化學(xué)電池存在著材料浪費(fèi)，容易造成污染，和處理麻煩等缺點(diǎn)，但是由于沒有更好的替代產(chǎn)品，因此始終大量的制造和生產(chǎn)。從目前的電池市場來看，無疑化學(xué)電池占據(jù)了幾乎電池市場的全部份額。人們在二十世紀(jì)末開始加大了新型的環(huán)保電池研制，目前己經(jīng)有一些太陽能電池、燃料電池等應(yīng)用，但是，這些新型電池還完全不足以與化學(xué)電池相比。在環(huán)保要求越來越嚴(yán)格的今天，環(huán)保電池的研究力度越來越大同時(shí)，故對機(jī)械電池的研制與開發(fā)同樣是十分必要的，也是符合社會發(fā)展需求的。盡快解決機(jī)械電池這類環(huán)保型電池的一些關(guān)鍵性的難點(diǎn)，讓這種機(jī)械式電池更能接近實(shí)際應(yīng)用和日常的生活，才會廣泛應(yīng)用在未來的生活中。在這種情況下，研究環(huán)保型的機(jī)械式電池己成為必然。機(jī)械電池屬于新型微小機(jī)電產(chǎn)品的范疇。這些產(chǎn)品正隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展大量的涌現(xiàn)出來。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年電子產(chǎn)品、移動通信產(chǎn)品朝著微型化、便攜式的方向發(fā)展，對高容量、微型化電池的需求量迅速增長。據(jù)國際數(shù)據(jù)公司統(tǒng)計(jì)，1989年全球無線尋呼用戶共1900萬戶，其中美國988萬戶（占52%）、亞太地區(qū)228萬戶（占12%）：1995年全球無線尋呼用戶共8500萬戶，美國2800萬戶仍名列第一、中國2010萬戶名列第二。移動通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，對微型高容量電池的需求也大幅度增長。人們對環(huán)境意識的增強(qiáng)，祈盼“綠色電池”的呼聲越來越高。當(dāng)前，化學(xué)電池以其方便而被廣泛使用，但化學(xué)電池存在著材料浪費(fèi)，容易造成污染和處理麻煩等缺點(diǎn)。由于沒有更好的替代產(chǎn)品，化學(xué)電池始終大量的制造和生產(chǎn)。在這種情況下，研究環(huán)保型的機(jī)械式電池已成為必然。機(jī)械式電池是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。目前，在將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能方面，國內(nèi)還沒有相關(guān)報(bào)道，國外則有過類似的實(shí)踐。九十年代初，英國人發(fā)明了機(jī)械發(fā)電收音機(jī)，其基本原理是，將發(fā)條的機(jī)械能驅(qū)動小型發(fā)電機(jī)，提供收音機(jī)電源，從而收聽節(jié)目。差不多在同期，日本精工公司制造出利用人體動能產(chǎn)生電能的人動電能手表。在該結(jié)構(gòu)中，主要是利用了微型技術(shù)，將發(fā)電機(jī)微化在手表中，通過人體的運(yùn)動驅(qū)動慣性飛輪轉(zhuǎn)動，動力元件帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)生磁力切割產(chǎn)生電流，并送到大容量的電容器中儲存，然后不斷供給指針。這些都是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行單一應(yīng)用的實(shí)例，顯然，這些裝置都只是應(yīng)用于其各自的單一商品中，而不能進(jìn)行廣泛應(yīng)用。將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能方面，可以追溯到早期的自行車所用的摩電燈。在車輪的帶動下工作的微型發(fā)動機(jī)為自行車燈提供電源，就屬于機(jī)械能轉(zhuǎn)換電能的一種裝置。近年來，隨著電子元件的迅速發(fā)展和環(huán)保日益嚴(yán)格的要求，人們開始嘗試新的機(jī)械能轉(zhuǎn)換電能的應(yīng)用研究。上世紀(jì)九十年代初，英國人發(fā)明了機(jī)械發(fā)條絲收音機(jī)，其基本原理是將發(fā)條的機(jī)械能驅(qū)動小型發(fā)電機(jī)，提供收音機(jī)電源從而收聽節(jié)目。據(jù)報(bào)道，這一產(chǎn)品曾在美國攻打阿富汗的反恐戰(zhàn)爭中，通過飛機(jī)向山區(qū)的阿富汗居民空投，為美軍和反塔利班陣線的進(jìn)攻提供宣傳工具。圖1-1英國法條收音機(jī)原理圖通過前期的研究和實(shí)驗(yàn)，我們提出在手機(jī)電池中運(yùn)用我們的機(jī)械電池，主要有驅(qū)動結(jié)構(gòu)、變速器、發(fā)電機(jī)、整流器、存儲器（小體積的鋰電）組成，這樣在外出等特殊情況下，一旦手機(jī)沒電了，我們只要擰動驅(qū)動機(jī)構(gòu)就可以充電了，另外還可以將機(jī)械電池用在手電中，這一技術(shù)已經(jīng)成熟，英國的freeplayenergy公司已經(jīng)作為其一項(xiàng)產(chǎn)品見圖1-1。圖1-2機(jī)械充電式手電筒差不多在同一時(shí)期，日本精工公司制造出利用人體動能的人動能手表。在該結(jié)構(gòu)中主要利用了微型技術(shù)將發(fā)電機(jī)微化在手表中，通過人體的運(yùn)動驅(qū)動慣性飛輪轉(zhuǎn)動。動力元件帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)生磁力切割產(chǎn)生電流，并送到大容量的電容器中儲存，然后不斷供給指針，見圖1-3。從日本將人動電能手表的使用來看，由于該產(chǎn)品利用了人手臂揮動提供的能量，從而可以使手表正常工作。一般揮動的時(shí)間不超過一天都可以正常工作。當(dāng)時(shí)間不提供動力時(shí)，則通過使電路進(jìn)入休眠狀態(tài)，維持低電量消耗，從而在恢復(fù)能源提供后再正常工作。因此可以維持較長的使用時(shí)間。這些產(chǎn)品都是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能應(yīng)用的實(shí)例。圖1-3日本精工人動電能手表內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1.3本課題的研究內(nèi)容及技術(shù)方法路線需要指出：無論是自行車的摩電燈、英國機(jī)械發(fā)電收音機(jī)，還是日本的人動電能手表，這些裝置都只是應(yīng)用于其各自的單一商品中，其能源系統(tǒng)是不能單獨(dú)和互換，進(jìn)而廣泛應(yīng)用。我們知道電池最大的一個(gè)特點(diǎn)是互換性，他不針對某一種電器，而是可以普遍使用。因此，基于電池的這一特性，提出了開發(fā)機(jī)械電池的研究，并已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。我們的設(shè)計(jì)是將機(jī)械動力系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)從具體的電器元件獨(dú)立出來，制成可以提供電源的機(jī)械式電池。當(dāng)產(chǎn)品使用時(shí)，只需要把機(jī)械電池的正負(fù)極像普通電池一樣與電器元件連接，就可以使其正常工作。鑒于這種機(jī)械電池一般用人力驅(qū)動，因此更適合非長時(shí)間工作的電器，除上面提到的人動手表、收音機(jī)外，還可以在手電筒、應(yīng)急燈、玩具等應(yīng)用。另外，在前期的研究中，我們還進(jìn)行了電容器和機(jī)械傳動部分的分離工作，并提出了并聯(lián)充電，串聯(lián)使用的新的設(shè)計(jì)原理。按照這一方案得到的機(jī)械電池有電動分離的特點(diǎn)，因此具有重復(fù)使用的特點(diǎn)，體積也會減小。同時(shí)，除了我們自己研制的發(fā)電充電裝置以外，電池的電容部分還可以用普通的充電器變壓后充電。這種構(gòu)思除了方便以外，還有簡單、價(jià)格低廉等很多好處。當(dāng)時(shí)，也存在一般難于在使用中直接進(jìn)行充電的缺點(diǎn)。如前所述，隨著微小型化的微電子器件進(jìn)入機(jī)械領(lǐng)域，使得微電子與機(jī)械進(jìn)一步集成，從而設(shè)計(jì)制造出結(jié)構(gòu)和功能獨(dú)特的微型機(jī)電系統(tǒng)。迄今，人們采用不同的工藝方法在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)制造成功各種微器件已形成年產(chǎn)值幾十億美元的規(guī)模，并且還在迅速發(fā)展。國外已經(jīng)在人動電能和機(jī)械收音機(jī)等方面成功開發(fā)了產(chǎn)品。因此機(jī)械電池的開發(fā)不僅將研究推廣為用途更加廣泛、且有利于環(huán)境保護(hù)的產(chǎn)品，而且有著練好的社會效益和巨大的經(jīng)濟(jì)潛力。圖1-4機(jī)械電池原理圖圖1-4為機(jī)械電池的基本原理圖，主要有機(jī)械動力源、傳動機(jī)構(gòu)、微型發(fā)電機(jī)、連接部件組成，當(dāng)驅(qū)動機(jī)械動力源以后，通過傳動機(jī)構(gòu)來增速并將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳到微型發(fā)電機(jī)上，這樣產(chǎn)生的電就可供其他電器使用。機(jī)械式電池的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，由驅(qū)動裝置、機(jī)械傳動、機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電能存儲器和控制電路幾大部分集成而成的，其基本工作流程見圖1-5.圖1-5機(jī)械電池工作流程圖由于像機(jī)械電池這類新型微小機(jī)電產(chǎn)品要在功能上實(shí)現(xiàn)要求，在較小的尺寸間，將動力、傳動、能量轉(zhuǎn)換、控制電路和輸出集成在一處，因此其設(shè)計(jì)也就帶來許多問題。其中的矛盾有：如尺寸和強(qiáng)度之間，尺寸小，強(qiáng)度一般要低：結(jié)構(gòu)與功能上，結(jié)構(gòu)不易太復(fù)雜，但又必須滿足其功能；設(shè)計(jì)與制造加工之間的矛盾等等。歸結(jié)起來，主要是產(chǎn)品微型化帶來的問題。本研究的技術(shù)路線如圖1-6。圖1-6研究技術(shù)路線流程圖總之，在機(jī)械電池的設(shè)計(jì)過程中，既要在材料的選取要充分考慮如何達(dá)到要求，又要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面都必須更具其特點(diǎn)進(jìn)行微型化設(shè)計(jì)。因此，照搬宏觀的機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械傳動、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)、發(fā)電、供電設(shè)備設(shè)計(jì)等理論和原理是很難實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)理論和方法上具有其自身特點(diǎn)。綜上所述，可以看出：機(jī)械電池可以用在很多場合，比如手電筒、收音機(jī)、電動玩具等等，如果做成普通電池形狀和體積，那就可以部分取代化學(xué)電池，用在很多地方，可替換性和多場合使用也是機(jī)械電池的一大優(yōu)點(diǎn)，通過這個(gè)特點(diǎn)，也是我們的設(shè)計(jì)有別于其他的機(jī)械發(fā)電結(jié)構(gòu)，它們的使用場合單一，卻缺少可移植性，因此，機(jī)械電池是現(xiàn)在小型機(jī)械發(fā)電裝置基礎(chǔ)上的一種原理上的創(chuàng)新。同時(shí)，機(jī)械電池具有典型微小機(jī)電產(chǎn)品的特征，與普通發(fā)電設(shè)備不同。它將所有的機(jī)電部分集成在尺寸為幾十毫米的產(chǎn)品中。而其領(lǐng)域卻涵蓋機(jī)械設(shè)計(jì)、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)、發(fā)電裝置和電路等多學(xué)科，構(gòu)成了一個(gè)微型動力轉(zhuǎn)換、機(jī)械傳動、發(fā)電、供電和控制系統(tǒng)，因此其設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)的技術(shù)水平。另一方面，由于尺寸的限制，要在非常有限的空間內(nèi)，設(shè)計(jì)出具有使用價(jià)值的，可部分替代化學(xué)電池的機(jī)械電池。所以，對他的研究也將帶來在設(shè)計(jì)、制造技術(shù)上的創(chuàng)新。

2.總體設(shè)計(jì)2.1機(jī)械式電池的基本原理及組成機(jī)械式電池主要由輸入裝置（如手柄、拉繩）、增速機(jī)構(gòu)、發(fā)電裝置、蓄電裝置和輸出裝置組成。其基本原理是通過人動輸入裝置(如手柄、拉繩)，使增速機(jī)構(gòu)運(yùn)行起來，帶動發(fā)電機(jī)，使其產(chǎn)生電能，儲存到蓄電裝置中以備輸出裝置使用。其流程圖如圖2-1.輸入裝置（手柄）輸入裝置（手柄）增速機(jī)構(gòu)發(fā)電裝置增速裝置輸出裝置蓄電裝置圖2.12.2三種機(jī)械電池的方案設(shè)計(jì)2.2.1搖柄式機(jī)械電池在搖柄式中基本想法就是增大臂長。這樣，在驅(qū)動變速器帶動發(fā)電機(jī)的時(shí)候就可以節(jié)省很多的力，但共有著方便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，針對這種驅(qū)動方式，設(shè)計(jì)了搖柄式機(jī)械電池，其結(jié)構(gòu)見圖2-2，在這款電池中，就采用了搖柄式驅(qū)動結(jié)構(gòu)作為動力源，讓搖柄連接變速器，這樣搖動搖柄就可以帶動變速器運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣發(fā)電機(jī)就可以工作了。圖2-2手搖式機(jī)械電池原理示意圖搖柄式這種驅(qū)動方式在很多場合下都有運(yùn)用，比如機(jī)械收音機(jī)、手電筒、機(jī)械電池等都可以引入搖柄式驅(qū)動方式，平時(shí)使用時(shí)只要搖動手柄，就可以讓發(fā)電機(jī)發(fā)電并將電存在存儲器中，供照明使用。考慮的搖柄式機(jī)械電池的操作方便性，在制作這款電池時(shí)體積相對較大，但偏大部分是充電器部分，而存儲器部分則和普通化學(xué)電池相當(dāng)大小，只要充入足夠的電量，其完全可以取代普通的化學(xué)電池使用，經(jīng)過對模型各部件的設(shè)計(jì)及完整性的可行性分析，我們可以按設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行實(shí)際模型的制作，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)模型的實(shí)際可行性。首先是選購合適的發(fā)電機(jī)、增速器及可充電容量較大的電容器；再將發(fā)電機(jī)、增速器及用作動力輸入的手柄連接成一個(gè)整體，作為發(fā)電裝置；最后增速器及用作動力輸入的手柄聯(lián)接成一個(gè)整體，作為發(fā)電裝入電路內(nèi)，按照設(shè)計(jì)的電路制作試驗(yàn)用的電路板，并將試驗(yàn)電容器焊接完成充電電路的制作。模型制作完畢后，就可以按理論設(shè)計(jì)來進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，按理論上設(shè)計(jì)來說，只要搖動手柄，通過齒輪變速器傳遞到發(fā)電機(jī)發(fā)電，給電容器充足電量，設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)該能夠滿足需要。在整個(gè)系統(tǒng)傳動過程中，摩擦阻力過大，且變速器選用的是一傳動比為1:15.42的三級齒輪傳動的增速器，在實(shí)驗(yàn)制作模型時(shí)，模型制作的精度不夠高，電機(jī)主軸與齒輪變速器輸出端的連結(jié)對心問題處理有一定誤差，能量損失過多，按50r/min的平均轉(zhuǎn)動速率搖動手柄，用萬用表量得發(fā)電裝置輸出電壓只是在0.4～0.5V左右。但通過充電時(shí)電容器組并聯(lián)而使用時(shí)電容器組串聯(lián)的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)在充電時(shí)電容器組輸入電壓0.4～0.5V左右或以下的前提下，在放電使用時(shí)通過電容器組并串轉(zhuǎn)換(并串方式的自動轉(zhuǎn)換是利用二極管的單向?qū)ㄐ詫?shí)現(xiàn)的)使得輸出電壓達(dá)1.2～5V.總的來說，發(fā)電裝置能夠產(chǎn)生一定的電量，設(shè)計(jì)的電路也能夠?qū)崿F(xiàn)充放電且能夠放大輸入電壓，應(yīng)該說基本上達(dá)到了試驗(yàn)的預(yù)期目的。圖2-3為儲電器原理圖。將微型發(fā)電機(jī)與傳動裝置的輸出端相連，而傳動裝置的輸入端與機(jī)械動力源(搖動手柄)相連，當(dāng)搖動手柄，產(chǎn)生動力(要素:力矩與轉(zhuǎn)速)，通過變速器將轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩通過聯(lián)軸器傳遞到發(fā)電機(jī)軸上，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后充入電容器。這樣的幾個(gè)電容器連結(jié)成電容器組后就可以存儲足夠的電能了，利用二極管的單向?qū)ㄐ?，能夠?qū)崿F(xiàn)電容器組充電時(shí)串聯(lián)與放電使用時(shí)并聯(lián)兩種方式的自動轉(zhuǎn)換，以提高放電輸出電壓，從而可供一般的使用要求。由微型發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過電源線將正負(fù)極分別引出到外殼的頭尾，這樣具有機(jī)械能的電池就可以用于不同的電器了。圖2-3儲電器設(shè)計(jì)原理示意圖圖2-2為整個(gè)機(jī)械式電池的原理圖。當(dāng)通過搖柄給電容器充入足夠的電量以后，就取出電池，這時(shí)的電池可以替代普通電池使用。在理論上，機(jī)械式電池可以部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學(xué)電池使用。設(shè)計(jì)過程是:在選定發(fā)電機(jī)、變速器、電容器之后，故對于各部分裝置進(jìn)行初步估算，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，假設(shè)設(shè)計(jì)模型，并根據(jù)模型中的各部分的要求選擇相適應(yīng)的參數(shù)的部件。基于上述條件及要求，提出以下改進(jìn)措施:(1)原定變速比是1:15.42，還可再稍微增大變速比，目前實(shí)驗(yàn)選用的是三級齒輪傳動，級數(shù)過多，會引起過多的摩擦及能量損失，沒必要增加齒輪級數(shù)，可以設(shè)法提高每級的傳動比，以提高總的增速比，但同時(shí)要盡量控制設(shè)計(jì)的尺寸，注意提高加工精度，及盡量改善工作條件，加強(qiáng)傳動級間的潤滑改良，這樣能夠盡量減少摩擦及傳動能量損失。(2)在選擇發(fā)電機(jī)、變速箱時(shí)，在保證尺寸的同時(shí)，盡量選擇軸徑大的。這樣，在進(jìn)行軸連接時(shí)可以選擇多一些比較柔的連接，也可以選用尼龍、橡膠等進(jìn)行連接，可以減少振動，降低能耗。(3)對于電容器的選擇，應(yīng)在普通電池尺寸的基礎(chǔ)上，合理利用其間的空間，放入可能多的電容器，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中，電容器越多，充入的電量也就越多，這樣使用的時(shí)間也就更長，實(shí)驗(yàn)效果更加明顯。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于該結(jié)構(gòu)主要是利用搖動手柄作為原動機(jī)構(gòu)，經(jīng)過多級齒輪增速裝置，傳遞動力到發(fā)電機(jī)軸上，帶動微型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)生磁力切割產(chǎn)生電流，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成為電能，然后充入電容器。這樣的幾個(gè)電容器并聯(lián)以后就可以存儲足夠的電能了，可供一般的使用要求。(1)機(jī)械式電池摩擦特性的要求各不相同，對于作為運(yùn)動阻力的摩擦盡量避免，甚至實(shí)現(xiàn)零摩擦。若將設(shè)計(jì)擴(kuò)展到微電領(lǐng)域，微機(jī)電系統(tǒng)往往利用摩擦作為牽引或驅(qū)動力，此時(shí)則要求摩擦力具有穩(wěn)定的數(shù)值而且可以適時(shí)控制，建立微機(jī)械電池性能實(shí)驗(yàn)裝置將盡可能考慮不同工況條件；微機(jī)械電池的摩擦副間隙很小，而微機(jī)電系統(tǒng)的能源很小，因而要求盡可能的降低摩擦能耗，因此將可能要利用分子膜潤滑技術(shù)以達(dá)到減摩的目的。(2)齒輪傳動級數(shù)過多，會引起過多的摩擦及能量損失，可以設(shè)法減少齒輪級數(shù)，盡量提高每級的傳動比，但同時(shí)要盡量控制設(shè)計(jì)的尺寸。(3)驅(qū)動機(jī)構(gòu)、變速器、發(fā)電機(jī)在連接時(shí)應(yīng)充分考慮同軸度的問題，如果精度不夠，將會造成運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)很大的偏心問題，所以應(yīng)確保這些部件軸徑盡量大一些，相對減小偏心問題。(4)在制作電池時(shí)，我們?yōu)榱俗岆姵啬軌蛴懈蟮氖褂每臻g，設(shè)計(jì)和普通電池外型大小相同，并且還要加入轉(zhuǎn)換電路，這樣在充電和使用的轉(zhuǎn)換過程就會很簡單。2.2.2拉繩式機(jī)械電池拉繩式驅(qū)動結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)盤、發(fā)條、細(xì)繩索、外部框架組成，如圖2-4所示，將發(fā)條放在轉(zhuǎn)盤中，發(fā)條一端固定在轉(zhuǎn)盤上，而另一端則固定在外殼上，轉(zhuǎn)盤和變速器連接在一起，繩索纏繞在轉(zhuǎn)盤外圍，并延伸到外殼的外部，這樣一旦拉動繩索，就會帶動轉(zhuǎn)盤和法條，發(fā)條由于有一段固定在外殼上面，所以發(fā)條會被纏繞，從而能夠存儲一定的勢能，當(dāng)放松拉繩的時(shí)候，變速器會在發(fā)條的帶動下轉(zhuǎn)動，從而使發(fā)電機(jī)工作。圖2-4拉繩式機(jī)械電池原理圖在該設(shè)計(jì)中，我已經(jīng)對機(jī)械式電池的各個(gè)組件做了詳細(xì)的分析，但還沒有選擇電容器，因?yàn)樵趽u柄式機(jī)械電池中我已經(jīng)就電容器的選擇和電路設(shè)計(jì)做了具體的分析，在這款機(jī)械式電池中，我們還是選擇和搖柄式機(jī)械電池相同的電容器，規(guī)格為GC920型電容器，其額定電壓是2.4V，電容為0.33F。這樣拉繩式微機(jī)械電池的部件就基本選定，經(jīng)過對模型各部件的設(shè)計(jì)及完整性的可行性分析，我們可以按設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行實(shí)際模型的制作，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)模型的實(shí)際可行性。首先是選購合適的電動機(jī)、增速器及可充電容量較大的電容器:再將電動機(jī)、增速器及用作動力輸入的轉(zhuǎn)盤、蝸卷彈簧聯(lián)接成一個(gè)整體，作為發(fā)電裝置；最后，將發(fā)電機(jī)的輸出端通過特定的線路連接到電容器兩端，同時(shí)將電容器兩端通過機(jī)械式電池的外殼連接到外部，以方便供其他電器使用。在實(shí)驗(yàn)與制作中解決的關(guān)鍵問題有:(1)機(jī)械式電池摩擦特性的要求各不相同，對于作為運(yùn)動阻力的摩擦盡量避免，甚至實(shí)現(xiàn)零摩擦。若將設(shè)計(jì)擴(kuò)展到微電領(lǐng)域，微機(jī)電系統(tǒng)往往利用摩擦作為牽引或驅(qū)動力，此時(shí)則要求摩擦力具有穩(wěn)定的數(shù)值而且可以適時(shí)控制，建立微機(jī)械電池性能實(shí)驗(yàn)裝置將盡可能考慮不同工況條件；微機(jī)械電池的摩擦副間隙很小，而微機(jī)電系統(tǒng)的能源很小，因而要求盡可能的降低摩擦能耗，因此將可能要利用分子膜潤滑技術(shù)以達(dá)到減模的目的。（2）齒輪傳動會有一定的摩擦及能量損失，可以設(shè)法減小齒輪級數(shù)，盡量提高每級的傳動比，但同時(shí)要盡量控制設(shè)計(jì)的尺寸。（3）在選擇發(fā)電機(jī)、變速器時(shí)，在保證尺寸的同時(shí)，盡量選擇軸徑大的。這樣，在進(jìn)行軸連接時(shí)可以選擇多一些比較柔的連接，這樣可以減少振動，降低能耗。（4）對于電容器的選擇上，應(yīng)在普通電池尺寸的基礎(chǔ)上，合理利用其間的空間，放入可能多的電容器，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中，電容器越多，充入的電量也就越多，這樣使用的時(shí)間也就更長，實(shí)驗(yàn)效果更加明顯。模型制作完畢后，就可以按理論設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，按理論上設(shè)計(jì)來說，只要拉動細(xì)繩，通過轉(zhuǎn)盤、齒輪變速器傳遞到發(fā)電機(jī)發(fā)電，給電容器充足電量，設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)該能夠滿足需要。在整個(gè)系統(tǒng)傳動過程中，要克服一定的摩擦阻力，且變速器選用的是一傳動比為1:81的二級齒輪傳動的增速器，在實(shí)驗(yàn)制作模型時(shí)，模型制作的精度不夠高，電機(jī)主軸與齒輪變速器輸出端的連結(jié)對心問題處理有一定誤差，有一定能量損失，按3r/s的平均速度拉動細(xì)繩，用萬用表測得發(fā)電裝置輸出電壓只是在1.2～1.5V左右。但通過充電時(shí)電容器組并聯(lián)而使用時(shí)電容器組串聯(lián)的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)在充電時(shí)電容器組輸入電壓1.2～1.5V左右或前提下，在放電使用時(shí)通過電容器組并、串轉(zhuǎn)換（并串方式的自動轉(zhuǎn)換是利用二極管的單向?qū)ㄐ詫?shí)現(xiàn)的）時(shí)的輸出電壓達(dá)1～5V.總的來說，發(fā)電裝置能夠產(chǎn)生一定的電量，設(shè)計(jì)的電路也能夠?qū)崿F(xiàn)充放電且能夠放大輸入電壓，應(yīng)該說基本上達(dá)到了試驗(yàn)的預(yù)期目的。由于機(jī)械式電池器元件方便回收和處理，因此相對與化學(xué)電池而言，機(jī)械式電池對環(huán)保上的意義是顯而易見的。此外，機(jī)械式電池采用發(fā)條裝置作為原動機(jī)構(gòu)，可隨時(shí)充電和反復(fù)使用，它還是用于在一些緊急場合或偏遠(yuǎn)山區(qū)等場合。機(jī)械式電池主要以機(jī)械零件為主，使用壽命取決于內(nèi)部零件的使用壽命，所以壽命也長，這種新型電池將是未來能源的一個(gè)新的方向，而且其工作原理比較簡單，可以部分的代替現(xiàn)有的化學(xué)電池。在前一階段的研究中，工作重點(diǎn)是使機(jī)械電池工作，因此體積和功率并不是主要矛盾。本項(xiàng)目的工作重點(diǎn)有二：一是解決機(jī)械電池體積過大這一問題點(diǎn)，由于資金、設(shè)備和加工方面限制，現(xiàn)采用的元件尺寸較大，通過實(shí)驗(yàn)和理論上的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，可以在很多地方可以減少很多元件，如驅(qū)動裝置、定位機(jī)構(gòu)、外殼等：二是增大電池的功率，在這方面后期的工作主要是增大發(fā)電機(jī)的功率和電容器的功率。具體設(shè)想是，通過提高磁通量和二級變速實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)過程是：在選定發(fā)電機(jī)、變速器、電容器之后，故對于各部分裝置進(jìn)行初步估算，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，假設(shè)設(shè)計(jì)模型，并根據(jù)模型中的各部分的要求選擇相適應(yīng)的參數(shù)的部件。按照原理圖，將涉及選擇的各個(gè)部件裝配好，并放在前面設(shè)計(jì)的機(jī)械式電池的外殼里面，這樣整個(gè)裝配就完成了（見圖2-5），從圖中我們可以看出，這個(gè)機(jī)械式電池的體積還是比較小的，其體積約為：直徑40mm、厚度10mm。也希望在后面的設(shè)計(jì)比這個(gè)電池能夠更小，這樣他的適用范圍就會更多，也會更方便。圖2-5拉繩式機(jī)械電池比較照片2.2.3定時(shí)器式機(jī)械電池經(jīng)過對模型各部件的設(shè)計(jì)以及完整的可行性分析，我們可以按設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行實(shí)際模型的制作，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)模型的實(shí)際可行性。設(shè)計(jì)過程是：在選定發(fā)電機(jī)、變速器、電容器之后，故對于各部分裝置進(jìn)行初步估算，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，修改設(shè)計(jì)模型，并根據(jù)模型中的各部分的要求選擇相適應(yīng)的參數(shù)的部件。在本設(shè)計(jì)中要解決的關(guān)鍵問題機(jī)械式電池摩擦特性的要求各不相同，對于作為運(yùn)動阻力的摩擦盡量避免，甚至實(shí)現(xiàn)零摩擦。若將設(shè)計(jì)擴(kuò)展到微電領(lǐng)域，微機(jī)電系統(tǒng)往往利用牽引或驅(qū)動力，此時(shí)則要求摩擦力具有穩(wěn)定的數(shù)值而且可以適時(shí)控制，建立微機(jī)械電池性能試驗(yàn)裝置將盡可能考慮不同工況條件：為機(jī)械電池的摩擦副間隙很小，因而要求盡可能的降低摩擦能耗，因此將可能要利用分子膜潤滑技術(shù)已達(dá)到減摩的目的。齒輪傳動級數(shù)過多，會引起過多的摩擦及能量損失，可以設(shè)法減少齒輪級數(shù)，盡可能提高每級的傳動比，但同時(shí)要盡量控制設(shè)計(jì)的尺寸。在選擇發(fā)電機(jī)、變速箱時(shí)，在保證尺寸的同時(shí)，盡量選擇軸徑大的。這樣，在進(jìn)行軸連接時(shí)可以選擇多一些比較柔的連接，也可以選用尼龍、橡膠等進(jìn)行連接，可以減少振動，降低能耗。對于電容器的選擇上，應(yīng)在普遍電池尺寸的基礎(chǔ)上，合理利用其間的空間，放入可能多的電容器，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中，電容器越多，充入的電量也就越多，這樣使用的時(shí)間也就更長，實(shí)驗(yàn)效果更加明顯。模型制作完畢后，就可以按理論設(shè)計(jì)來進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，按理論上設(shè)計(jì)來說，只要擰動旋鈕，并按照定時(shí)器的設(shè)定時(shí)間，就可以讓發(fā)電機(jī)工作，通過齒輪變速器傳遞到發(fā)電機(jī)發(fā)電，給電池充足電量，設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)該能夠滿足需要。在整個(gè)系統(tǒng)傳動過程中，有一定摩擦阻力，且變速器選用的是一傳動比1:2896的五級齒輪傳動的增速器，在實(shí)驗(yàn)制作模型是，模型制作時(shí)精度不夠高，電機(jī)主軸與齒輪變速器輸出端的連結(jié)對心問題處理有一定誤差，而且電機(jī)切割磁力線不是很充分，并造成棘輪和發(fā)電機(jī)主軸的連結(jié)體被發(fā)電機(jī)固定機(jī)構(gòu)吸住，造成整個(gè)機(jī)構(gòu)不能正常工作，目前已經(jīng)分析出具體原因，主要是定時(shí)機(jī)構(gòu)的最后一級齒輪不能限制住棘輪的縱向自由度，目前已經(jīng)構(gòu)思出具體解決方案，就是在棘輪的底端加固定環(huán)，當(dāng)棘輪縱向被吸住時(shí)，其底端的固定環(huán)就被變速器的最后一級齒輪擋住，縱向自由度被限制住，這樣就可以正常工作，由于考慮到摩擦力的因素，這一設(shè)計(jì)正在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。但和前面幾款電池同樣有輸出電壓偏低的缺點(diǎn)，我們會采用相同的處理方式，通過充電時(shí)，電容器組并聯(lián)而使用時(shí)電容器組串聯(lián)的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)充電時(shí)電容器組輸入電壓1V左右（根據(jù)最后一級轉(zhuǎn)速估計(jì)）或以下的前提下，在放電使用時(shí)通過電容器組并、串轉(zhuǎn)換（并串方式的自動轉(zhuǎn)換是利用二極管的單向?qū)ㄐ詫?shí)現(xiàn)的）時(shí)的輸出電壓3～4V?？偟膩碚f，發(fā)電裝置能夠產(chǎn)生一定的電量，設(shè)計(jì)的電路也能實(shí)現(xiàn)充放電且能夠放大輸入電壓，應(yīng)該說基本上達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)期目的，制作完成的機(jī)械式電池（見圖2-6）圖2-6定時(shí)器機(jī)械式電池外觀圖基于上述要求，提出以下改進(jìn)措施：(1)原定變速比是1:2896，還可以再稍微增大變速比，目前選用的齒輪傳動，級數(shù)過多，會引起過大的摩擦及能量損失，沒必要過多增加齒輪級數(shù)，可以設(shè)法提高每級的傳動比，以提高總的增速比，但同時(shí)要控制設(shè)計(jì)的尺寸，注意提高加工精度，及盡量改善工作條件，加強(qiáng)傳動級間的潤滑改良，這樣能夠盡量減少摩擦及能量損失。(2)在選擇發(fā)電機(jī)、變速箱時(shí)，在保證尺寸的同時(shí)，盡量選擇軸徑大的。這樣，在進(jìn)行軸連接時(shí)可以選擇多一些比較柔的連接，也可以選用尼龍、橡膠等進(jìn)行連接，可以減少振動，降低能耗。(3)對于電容器的選擇上，應(yīng)在普遍電池尺寸的基礎(chǔ)上，合理利用其間的空間，放入可能多的電容器，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中，電容器越多，充入的電量也就越多，這樣使用的時(shí)間也就更長，實(shí)驗(yàn)效果更加明顯。(4)本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于該結(jié)構(gòu)主要是利用蝸卷彈簧作為遠(yuǎn)東機(jī)構(gòu)，引入棘輪機(jī)構(gòu)控制蝸卷彈簧釋放的快慢，利用定時(shí)器原理設(shè)計(jì)變速器，這樣就可以長時(shí)間的讓發(fā)電機(jī)發(fā)電，同樣采用了并聯(lián)充電，串聯(lián)放電的設(shè)計(jì)思路，這樣的幾個(gè)電容器并聯(lián)以后就可以存儲足夠的電能力，可供一般電器長時(shí)間使用要求。2.3本章小結(jié)本章主要介紹了三款可行性機(jī)械式電池的設(shè)計(jì)方案，分別為搖柄式機(jī)械電池、拉繩式機(jī)械電池和定時(shí)器式機(jī)械電池，這三款設(shè)計(jì)均能滿足我們預(yù)期的目的，都有其各自的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，所以要根據(jù)我們的設(shè)計(jì)方案的要求取最優(yōu)化方案，這將會在后面的設(shè)計(jì)中可以得到解決。

3.變速器的設(shè)計(jì)方案從設(shè)計(jì)的具體要求來考慮，我們選擇傳動機(jī)構(gòu)不僅為了傳動，更是一個(gè)增速過程，所以我們選擇的傳動機(jī)構(gòu)都選擇變速器，然后選擇變速器的傳動方式，綜合齒輪和蝸桿傳動的特點(diǎn)進(jìn)行分析：蝸桿傳動雖然能以單級傳動獲得較大的傳動比，但在嚙合處有相對滑動，摩擦損失較大，傳動效率較低，易出現(xiàn)發(fā)熱和溫升過高的現(xiàn)象，磨損也較嚴(yán)重，常需用成本較高的耐磨的材料（如錫青銅等）來制造蝸輪，因而制造成本較高；而且蝸桿傳動對工作條件的要求比較高，當(dāng)滑動速度很大，工作條件不夠良好時(shí)，會產(chǎn)生較嚴(yán)重的摩擦與磨損，從而引起過分發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化。故從經(jīng)濟(jì)成本和工作要求兩方面而言，蝸桿傳動都不是較好的選擇。齒輪傳動的效率明顯高于蝸桿傳動，圓柱齒輪傳動的效率可達(dá)99%，而發(fā)電裝置發(fā)電的過程也是能量轉(zhuǎn)化的過程，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能和其他形式能的過程，變速器的傳動效率越高，在轉(zhuǎn)化過程中轉(zhuǎn)化為其他損耗能的比率越小，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率也就越高；齒輪傳動結(jié)構(gòu)緊湊，對比其他常用的機(jī)械傳動方式，在同樣的使用條件下，齒輪傳動所需的空間尺寸一般較小，而實(shí)驗(yàn)要求的變速器傳動也沒有要求傳動距離較大，齒輪在傳動距離上完全符合實(shí)驗(yàn)要求，且具有空間尺寸小的優(yōu)點(diǎn)；齒輪傳動的傳動比穩(wěn)定，而傳動比穩(wěn)定正是實(shí)驗(yàn)變速器對傳動性能的基本要求，使用齒輪傳動能夠保證工作的穩(wěn)定性；齒輪傳動工作可靠、壽命長，只要設(shè)計(jì)制造合理、使用維護(hù)良好，工作十分可靠，壽命可長達(dá)一、二十年，這也是蝸桿傳動等其他機(jī)械傳動所不能比擬的。因此，基于變速器的傳動要求，從實(shí)際制造經(jīng)濟(jì)成本、工作可靠穩(wěn)定性、傳動效率、結(jié)構(gòu)緊湊性等多方面考慮，變速器的傳動方式選擇為齒輪傳動。齒輪類型選擇偽漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，這主要是考慮到這類齒輪使用比較廣泛普遍，有標(biāo)準(zhǔn)可依，故加工制造及采購都比較方便，且在工作條件良好的前提下傳動效率可高達(dá)99%，齒輪傳動的裝置形式選擇為半開式，易于制造及使用維護(hù)。選擇變速器的類型，綜合各種類型變速器的特點(diǎn)進(jìn)行分析：由圓錐-圓柱齒輪增速器構(gòu)成傳動系統(tǒng)。圓錐齒輪一般置于高速級，可減少圓錐齒輪尺寸、便于加工。這種增速器的極其總體布置橫向尺寸小，比較緊湊，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造成本較高。由蝸桿增速器構(gòu)成傳動系統(tǒng)。蝸桿傳動的傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕。但制造安裝較困難、傳動效率低，蝸輪邊緣需用有色金屬制造，制造成本高。由展開式圓柱齒輪增速器構(gòu)成傳動系統(tǒng)。圓柱齒輪增速器結(jié)構(gòu)簡單、效率高、容易制造、使用壽命長、維護(hù)方便。有標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，由專業(yè)工廠生產(chǎn)。因此，從實(shí)驗(yàn)變速器的要求考慮，選擇變速器的類型為二級展開式圓柱齒輪增速器。3.1傳動裝置3.1.1傳動裝置（I）根據(jù)我們后面設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的需要，結(jié)合數(shù)據(jù)初步計(jì)算分析，要使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的平均電壓在1.2-1.5V之間，所需電機(jī)主軸平均轉(zhuǎn)速至少500r/min，而按正常速度搖動手柄的平均轉(zhuǎn)速為50r/min，故在動力源與電機(jī)主軸之間必須有一個(gè)增速裝置，且增速比至少為10:1。這個(gè)增速器通常可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求而用市場中常用的變速器來代替，只需將增速器的動力輸入、輸出端位置對調(diào)即可（即將動力源與增速器的輸出端相聯(lián)，而將電機(jī)主軸與增速器的輸入端相聯(lián)）。只要該增速器沒有傳動具有自鎖性的特點(diǎn)，反接便能達(dá)到增速的要求。設(shè)計(jì)變速器的變速比主要考慮兩方面問題，一方面是變速器的增速比要達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，另一方面是要選擇合適的變速器類型及變速器級數(shù)。因?yàn)樽兯倨鞯淖兯俦刃t達(dá)不到實(shí)驗(yàn)變速器的變速要求，但變速比越大，則隨之帶來的傳動阻力也越大，同樣變速器的變速級數(shù)越多，則傳動阻力也相應(yīng)越大。故初步設(shè)計(jì)變速器的變速比定在10：1和20:1之間，變速器每一級的變速比不應(yīng)太大，因?yàn)閱渭壸兯俦冗^大會帶來過大的傳動阻力；變速器各級的變速比應(yīng)相差不大，否則會造成傳動阻力過大及載荷分布過度不均的結(jié)果；變速器的變速級數(shù)設(shè)計(jì)為三級，因單級或二級變速的單級傳動比較大，幾乎每級接近10:1，而四級或四級以上變速則變速級數(shù)過多，級與級之間的傳動損耗較大，累積傳動阻力也較大，故三級變速較為合適，各級增速比應(yīng)均為2:1與3:1之間，且總體增速比為10:1與20:1之間。根據(jù)以上要求原則，以及理論分析和具體制作的要求，，該變速器類型為三級展開式圓柱直齒輪變速器，其三級變速比分別為2.467、2.5、2.5，總體變速比為15.42，均滿足實(shí)驗(yàn)需要。標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)：齒頂高系數(shù)頂隙系數(shù)齒數(shù)：模數(shù)壓力角選用的實(shí)驗(yàn)變速器傳動示意圖如下圖（見圖3-1）所示：圖3-1變速器傳動示意圖其中，齒輪2與齒輪3是連成一體的，齒輪4與齒輪5是連成一體的。齒輪1與齒輪2的傳動是第一級傳動，第一級傳動比；齒輪3與齒輪4的傳動是第二級傳動，第二級傳動比；齒輪5與齒輪6的傳動,是第三級傳動，第三季傳動比。總傳動比3.1.2傳動裝置（II）這款變速器其相對尺寸較小，主要是為微機(jī)械電池所設(shè)計(jì)，由于體積小，而且每個(gè)齒輪的厚度不到一毫米，故變速器的級數(shù)不宜太多，相對情況下，可以把每級的傳動比調(diào)大一點(diǎn)，從變速器的要求考慮，選擇變速器的類型為二級展開式圓柱齒輪增速器。根據(jù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算分析，要是發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的平均電壓在1.2-1.5V之間，所需電機(jī)主軸平均轉(zhuǎn)速至少為200r/s，而拉動轉(zhuǎn)盤一般平均轉(zhuǎn)速為3r/s，故在動力源與電機(jī)主軸之間必須有一個(gè)增速裝置，且增速比至少為70:1.由于整個(gè)機(jī)械式電池的體積偏小，加工制作有一定的難度，我們選擇手表中的齒輪，然后配對組裝，使其的增速必要達(dá)到要求，通過實(shí)驗(yàn)我們選擇了二級增速器齒輪，其第一級變速比為3.6:1，第二級也為3.6:1，這樣整個(gè)變速比為12.96:1，可以滿足我們的需要。標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)：齒頂高系數(shù)：頂隙系數(shù)：齒數(shù)：模數(shù):壓力角：選用的實(shí)驗(yàn)變速器傳動示意圖（見圖3-2）圖3-2二級齒輪傳動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖設(shè)計(jì)變速器的變速比主要考慮兩方面問題，一方面是變速器的增速比要達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，另一方面是要選擇合適的變速器類型及變速器級數(shù)。因?yàn)樽兯倨鞯淖兯俦刃t達(dá)不到實(shí)驗(yàn)變速器的變速要求，但變速比越大，則隨之帶來的傳動阻力也越大，同樣變速器的變速級數(shù)越多，則傳動阻力也相應(yīng)越大。3.1.3傳動裝置（III）這款設(shè)計(jì)主要為定時(shí)器式電池設(shè)計(jì)的，根據(jù)初步計(jì)算分析以及電路中的要求，要是發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的平均電壓要高于二極管的導(dǎo)通電壓0.7V，所以必須要有個(gè)增速機(jī)構(gòu)，和前面的實(shí)驗(yàn)相同，在動力源與電機(jī)主軸之間必須有一個(gè)增速裝置，由于這款機(jī)械式電池有定時(shí)機(jī)構(gòu)，所以在設(shè)計(jì)增速器的同時(shí)必須要考慮到定時(shí)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在這里定時(shí)機(jī)構(gòu)和增速器的第一級是相連的，這樣就可以通過定時(shí)機(jī)構(gòu)來控制增速器的運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)變速器的變速比主要考慮兩方面問題，設(shè)計(jì)變速器的變速比主要考慮兩方面問題，一方面是變速器的增速比要達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，另一方面是要選擇合適的變速器類型及變速器級數(shù)。因?yàn)樽兯倨鞯淖兯俦刃t達(dá)不到實(shí)驗(yàn)變速器的變速要求，但變速比越大，則隨之帶來的傳動阻力也越大，同樣變速器的變速級數(shù)越多，則傳動阻力也相應(yīng)越大。由于我們的定時(shí)機(jī)構(gòu)使用蝸卷彈簧機(jī)構(gòu)，那么其繞的最大圈數(shù)有一定的限制，為了讓它能夠在較長的時(shí)間里面工作，故初步設(shè)計(jì)變速器的變速比要較大，變速器每一級的變速比不應(yīng)太大，因?yàn)閱渭壸兯俦冗^大會帶來過大的傳動阻力；變速器各級的變速比應(yīng)相差不大，否則會造成傳動阻力過大及載荷分布過度不均的結(jié)果；變速器的變速級數(shù)設(shè)計(jì)為五級，因單級或二級變速傳動太大。首先選擇五級展開式圓柱直齒輪變速器作為實(shí)驗(yàn)用的變速器。由于實(shí)驗(yàn)用變速器的增速比要求比較大，而且變速器每一級的變速比不應(yīng)太大，五級中各級的變速比應(yīng)相差不大，否則會造成傳動阻力過大及載荷分布過度不均的結(jié)果，隨之而來的影響是增速器達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求及變速器內(nèi)的齒輪零件使用壽命大大縮短。故實(shí)驗(yàn)用變速器的要求是，各級增速比應(yīng)均為3:1與6:1之間。根據(jù)以上要求原則，以及理論分析和具體制作的要求，該變速器類型為五級展開式圓柱直齒輪變速器，其三級變速比分別為5.5、5、3.33、5.75、5.5，總體變速比為2896，均能滿足實(shí)驗(yàn)需要。標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)：齒頂高系數(shù)頂隙系數(shù)齒數(shù)：,直徑：,壓力角：傳動比：選用的實(shí)驗(yàn)變速器傳動示意圖（見圖3-3）圖3-3變速器傳動示意圖總共有五級變速，這樣總傳動比：約為2896. 按照以上原理設(shè)計(jì)的定時(shí)器（見圖3-4）圖3-4定時(shí)器實(shí)物圖3.2發(fā)電機(jī)的選擇選用發(fā)電機(jī)，從使用的方便性出發(fā)，應(yīng)該是輕巧便攜式的；而另一方面，由于該裝置尚處于試驗(yàn)階段，結(jié)構(gòu)也不能過于復(fù)雜，只要能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求即可。故先選用一般的小型直流電動機(jī)或控制電路的微型發(fā)電機(jī)即可，該發(fā)電機(jī)只需一般低速（幾十轉(zhuǎn)每分鐘）便可驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光，而要驅(qū)動小燈泡發(fā)光則需中速（幾百轉(zhuǎn)每分鐘）轉(zhuǎn)動，則可以通過設(shè)計(jì)時(shí)連結(jié)變速器來實(shí)現(xiàn)，從而提高發(fā)電裝置的輸出電壓，以擴(kuò)大設(shè)計(jì)裝置的適用范圍。一般來說，直流發(fā)電機(jī)的電壓建立，是在空載（即不帶負(fù)載）的情況下進(jìn)行的。這時(shí)，一方面要給發(fā)電機(jī)主磁極的勵磁繞組通以勵磁電流，以產(chǎn)生主磁通量。另一方面發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由原動機(jī)拖動，電樞繞組便切割主磁通而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。感應(yīng)電動勢就等于電樞兩端的電壓，及,從而=Cen。故當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，正比于。而電機(jī)的主磁通隨激勵電流的變化而變化，再發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速較平均的前提下，。故發(fā)電機(jī)內(nèi)線圈數(shù)越多，產(chǎn)生的主磁通也就夠大，就可以產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)要求的電壓。由于發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能可以通過充電裝置儲存起來使用，故對發(fā)電裝置的能量輸出要求不高，不需要能量輸出穩(wěn)定，只需要輸出電壓必須高于某個(gè)最低電壓輸出值，也就是說，不需要發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，只要求轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值。因此，對實(shí)驗(yàn)用發(fā)電機(jī)的要求不高，只要體積小、電機(jī)內(nèi)線圈不至于太少，即可符合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求。因此，我選擇了常見的小型直流馬達(dá)作為實(shí)驗(yàn)用的直流電動機(jī)，這種小型直流電動機(jī)多用于小型機(jī)電產(chǎn)品（如電動須刨、電動玩具等）上作為小型動力源。當(dāng)馬達(dá)的電刷的導(dǎo)出銅片兩端用導(dǎo)線分別連接上小型直流電源的正負(fù)極時(shí)，馬達(dá)的主軸即能按一定的轉(zhuǎn)動方向以一定速率轉(zhuǎn)動。而由電磁感應(yīng)定律可知，反過來，當(dāng)馬達(dá)的主軸在外力作用下按一定的轉(zhuǎn)動方向以一定速率轉(zhuǎn)動時(shí)，就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，此時(shí)若用導(dǎo)線分別將馬達(dá)的電刷導(dǎo)出銅片兩端連入閉合回路，回路中就會有感應(yīng)電流產(chǎn)生。同理可知，當(dāng)馬達(dá)的主軸在傳入的外力作用下按一定的轉(zhuǎn)動方向以一定速率轉(zhuǎn)動時(shí)，將馬達(dá)的電刷導(dǎo)出銅片兩端分別用導(dǎo)線接入設(shè)計(jì)的充電電路，則可將產(chǎn)生的感應(yīng)電流儲存入電容內(nèi)，需要時(shí)才慢慢釋放出來使用。在拉繩式機(jī)械電池中選擇的微型發(fā)電機(jī)見圖3-5。圖3-5發(fā)電機(jī)零件實(shí)物照片而在定時(shí)器式機(jī)械電池當(dāng)中，其發(fā)電機(jī)的選擇和拉繩式機(jī)械電池中的發(fā)電機(jī)是一樣的，但其定位方式是不同的，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)要放在定時(shí)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)上面，所以我們必須要設(shè)計(jì)一定的定位機(jī)構(gòu)，選用發(fā)電機(jī)，首先還是從使用的方便性、輕巧便攜型出發(fā)，由于該裝置尚處于試驗(yàn)階段，結(jié)構(gòu)也不能過于復(fù)雜，只要能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求即可。故先選用一般的小型直流電動機(jī)或控制電路的微型發(fā)電機(jī)即可，見圖3-6。圖3-6發(fā)電機(jī)和定位件組合圖由于是采用定時(shí)器方式的變速機(jī)構(gòu)，所以其末端的轉(zhuǎn)速相對較慢，這是它的輸出電壓就會相應(yīng)要低點(diǎn)，可能就不能滿足一些電氣設(shè)備的額定電壓，這時(shí)就更需要我們的充電電池來解決電壓不足的問題，充電電池仍然用并聯(lián)充電，串聯(lián)放電的方式，對于我們設(shè)計(jì)的充電電池的性能和額定電壓方面的研究，在后面章節(jié)會對此作詳細(xì)分析。3.3本章小結(jié)在這一章中，主要是設(shè)計(jì)了三種變速器，不同的傳動比，使用不同的要求，變速比小的用在搖柄驅(qū)動，因?yàn)樽兯俦忍?，主要是根?jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和搖柄的轉(zhuǎn)速決定，而變速比偏大的是用在拉繩驅(qū)動結(jié)構(gòu)中，最大的是用在定時(shí)器驅(qū)動中，主要是有工作時(shí)間決定的。

4.增速裝置的設(shè)計(jì)4.1機(jī)械式電池方案的確定考慮到搖柄式機(jī)械電池的操作及攜帶方便性，且存儲器部分和普通化學(xué)電池相當(dāng)大小，只要充入足夠的電量，其完全可以取代普通的化學(xué)電池使用，經(jīng)過對模型各部件的設(shè)計(jì)及完整性的可行性分析，該結(jié)構(gòu)主要是利用搖動手柄作為原動機(jī)構(gòu)，經(jīng)過多級齒輪增速裝置，傳遞動力到發(fā)電機(jī)軸上，帶動微型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)生磁力切割產(chǎn)生電流，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成為電能，然后充入電容器。這樣的幾個(gè)電容器并聯(lián)以后就可以存儲足夠的電能了，可供一般的使用要求。且該設(shè)計(jì)均滿足各方面所需的要求。經(jīng)各方面綜合因素的充分分析，本設(shè)計(jì)最終采用了手搖式機(jī)械電池。4.2傳動比的確定本設(shè)計(jì)最終采取了增速器的傳動比，這款變速器其相對尺寸較小，主要是為微機(jī)械電池所設(shè)計(jì)，由于體積小，而且每個(gè)齒輪的厚度不到一毫米，故變速器的級數(shù)不宜太多，相對情況下，可以把每級的傳動比調(diào)大一點(diǎn)，從變速器的要求考慮，選擇變速器的類型為二級展開式圓柱齒輪增速器。根據(jù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算分析，要是發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的平均電壓在1.2-1.5V之間，所需電機(jī)主軸平均轉(zhuǎn)速至少為500r/min，而按正常速度搖動手柄的平均轉(zhuǎn)速為50r/min，故在動力源與電機(jī)主軸之間必須有一個(gè)增速裝置，且增速比至少為10:1。在放電使用時(shí)通過電容器組并串轉(zhuǎn)換(并串方式的自動轉(zhuǎn)換是利用二極管的單向?qū)ㄐ詫?shí)現(xiàn)的)使得輸出電壓達(dá)1.2～5V。這個(gè)增速器通?？梢愿鶕?jù)設(shè)計(jì)要求而用市場中常用的變速器來代替，只需將增速器的動力輸入、輸出端位置對調(diào)即可（即將動力源與增速器的輸出端相聯(lián)，而將電機(jī)主軸與增速器的輸入端相聯(lián)）。由于整個(gè)機(jī)械式電池的體積偏小，加工制作有一定的難度，我們選擇手表中的齒輪，然后配對組裝，使其的增速必要達(dá)到要求，通過實(shí)驗(yàn)我們選擇了二級增速器齒輪，其第一級變速比為3.2:1，第二級也為3.5:1，這樣整個(gè)變速比為11.2:1，可以滿足我們的需要。標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)：齒頂高系數(shù)：頂隙系數(shù)：齒數(shù)：模數(shù):壓力角：選用的實(shí)驗(yàn)變速器傳動示意圖（見圖4-1）圖4-1二級齒輪傳動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖設(shè)計(jì)變速器的變速比主要考慮兩方面問題，一方面是變速器的增速比要達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，另一方面是要選擇合適的變速器類型及變速器級數(shù)。因?yàn)樽兯倨鞯淖兯俦刃t達(dá)不到實(shí)驗(yàn)變速器的變速要求，但變速比越大，則隨之帶來的傳動阻力也越大，同樣變速器的變速級數(shù)越多，則傳動阻力也相應(yīng)越大。最終確定的傳動比為：4.3相關(guān)參數(shù)的確定齒數(shù)：齒頂高系數(shù)：頂隙系數(shù)：模數(shù)：壓力角：齒頂高：齒根高：分度圓：齒頂圓直徑：齒厚：標(biāo)準(zhǔn)中心距：齒輪寬度：圓整后取圓整后取經(jīng)查閱相關(guān)蓄電池的參數(shù)可知即知通過手柄的平均輸入轉(zhuǎn)速為50r/min可知為傳動軸的總效率，即其中為圓柱齒輪的傳動效率，其值為0.96～0.98圖4-2傳動裝置各軸轉(zhuǎn)速（）各軸輸入功率其中、各軸輸入轉(zhuǎn)矩4.4有關(guān)軸的設(shè)計(jì)4.4.1輸入軸的設(shè)計(jì)初步確定輸入軸的最小直徑先按課本(15-2)初步估算軸的最小直徑，選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)手冊可知取整后，因?yàn)檩斎胼S是連接手柄的，故無需聯(lián)軸器，只需通過一花鍵連接即可，充分考慮到該機(jī)械式電池的體積，所以與花鍵的連接應(yīng)選取合理的值，。根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度A、為了滿足軸向定位的要求,Ⅰ-Ⅱ軸段右端需要制出一軸肩,故?、?Ⅲ的直徑；左端用軸端擋圈定位,按軸端直徑取擋圈直徑半聯(lián)軸器與軸配合的輪轂孔長度為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸端上,故Ⅰ-Ⅱ的長度應(yīng)比略短一些,現(xiàn)取B、初步選擇滾動軸承.因軸承主要承受徑向力和輕微的軸向力的作用,故選用深溝球軸承.參照工作要求并根據(jù),由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組標(biāo)準(zhǔn)精度級的深溝球軸承球軸承6002型.，故，而C、右端滾動軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位.由手冊上查得6002C型軸承定位軸肩高度。D、取安裝齒輪處的軸段；齒輪的右端與左軸承之間采用套筒定位.已知齒輪的寬度為15mm,為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪,此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度,故取.齒輪的左端采用軸肩定位,軸肩高3.5,取.軸環(huán)寬度,取。E、軸承端蓋的總寬度為20mm(由減速器及軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而定).根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對軸承添加潤滑脂的要求,取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面間的距離,故取.F、經(jīng)查閱相關(guān)資料可知，則至此,已初步確定了輸入軸的各端直徑和長度.4.4.2中間傳遞軸的設(shè)計(jì)1）、初步確定輸中間軸的最小直徑先按課本(15-2)初步估算軸的最小直徑，選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)手冊可知取整后，因?yàn)橹虚g傳動軸是連接輸入軸，故無需聯(lián)軸器，只需通過齒輪連接即可，。2）、根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度A、為了滿足軸向定位的要求,Ⅰ-Ⅱ軸段右端需要制出一軸肩,故?、?Ⅲ的直徑；左端用軸端擋圈定位,按軸端直徑取擋圈直徑半聯(lián)軸器與軸配合的輪轂孔長度為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸端上,故Ⅰ-Ⅱ的長度應(yīng)比略短一些,現(xiàn)取B、初步選擇滾動軸承.因軸承主要承受徑向力和輕微的軸向力的作用,故選用深溝球軸承.參照工作要求并根據(jù),由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組標(biāo)準(zhǔn)精度級的深溝球軸承球軸承6202型.，故，而C、右端滾動軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位.由手冊上查得6002C型軸承定位軸肩高度。F、經(jīng)查閱相關(guān)資料可知，則至此,已初步確定了中間傳動軸的各端直徑和長度4.4.3輸出軸的設(shè)計(jì)1）、初步確定輸出軸的最小直徑先按課本(15-2)初步估算軸的最小直徑，選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)手冊可知取整后，因?yàn)檩斎胼S是連接手柄的，故無需聯(lián)軸器，只需通過一花鍵連接即可，充分考慮到該機(jī)械式電池的體積，所以與花鍵的連接應(yīng)選取合理的值，。2）、根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度為了滿足軸向定位的要求,Ⅰ-Ⅱ軸段右端需要制出一軸肩,故?、?Ⅲ的直徑.B、初步選擇滾動軸承.因軸承主要承受徑向力和輕微的軸向力的作用,故選用深溝球軸承.參照工作要求并根據(jù),由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組標(biāo)準(zhǔn)精度級的深溝球軸承球軸承6002型.，故，而C、右端滾動軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位.由手冊上查得6302C型軸承定位軸肩高度。D、取安裝齒輪處的軸段；齒輪的右端與左軸承之間采用套筒定位.已知齒輪的寬度為11mm,為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪,此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度,故取.齒輪的左端采用軸肩定位,軸肩高3.5,取.軸環(huán)寬度,取。E、軸承端蓋的總寬度為20mm(由減速器及軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而定).根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對軸承添加潤滑脂的要求,取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面間的距離,故取.F、經(jīng)查閱相關(guān)資料可知，則至此,已初步確定了輸出軸的各端直徑和長度.現(xiàn)在三根軸都已經(jīng)設(shè)計(jì)完成。4.5本章小結(jié)本章的主要任務(wù)是確定機(jī)械式電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)，其中最為關(guān)鍵的是確定該設(shè)計(jì)的大小、尺寸及形狀。設(shè)計(jì)到此也基本上能完成了一大部分也是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

5.結(jié)論機(jī)械電池的環(huán)保型是它的最大優(yōu)勢。由于機(jī)械式電池器元件方便回收和處理，因此相對與化學(xué)電池而言，機(jī)械式電池對環(huán)保上的意義是顯而易見的。機(jī)械式電池主要以機(jī)械零件為主，使用壽命取決于內(nèi)部零件的使用壽命，一般壽命也較長。此外，，機(jī)械式電池采用搖柄裝置作為原動機(jī)構(gòu)可隨時(shí)充電和反復(fù)使用，它還是用于在一些緊急場合或偏遠(yuǎn)山區(qū)等場合。在通過人力簡單為電池提供能量后，就可以得到所需的電能。不會像化學(xué)電池或充電電池那樣長時(shí)間不用會導(dǎo)致失效、漏電等問題。這種新型電池將是未來能源的一個(gè)新的方向，而且其工作原理比較簡單，可以部分的代替現(xiàn)有的化學(xué)電池。因此，前景將是十分廣闊。國外現(xiàn)有的相似的研究，但均限定與具體點(diǎn)其共同使用，這里提出和已經(jīng)進(jìn)行的工作在國內(nèi)目前還沒有相關(guān)報(bào)道。特別需要指出：國內(nèi)外對電池和蓄電池的研究工作非常重視。對現(xiàn)在使用的電池對環(huán)保的影響也同樣十分關(guān)注。近年來，國家指導(dǎo)性科技攻關(guān)項(xiàng)目中以高性能新型化學(xué)電池開發(fā)為目的指南，表明了它們的重要性。我們認(rèn)為：不僅應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)有的化學(xué)電池領(lǐng)域投入人力、物力和財(cái)力開展深入的研究，但也盡可能對未來新型電池領(lǐng)域開創(chuàng)一個(gè)暫新的途徑。從發(fā)展趨勢來看：這種新型微機(jī)械電池，具有綠色產(chǎn)品的特點(diǎn)和特定的使用區(qū)域，可以平時(shí)使用，在偏遠(yuǎn)山區(qū)或停電的時(shí)候更有使用價(jià)值，所以這種為機(jī)械電池將會有廣闊的使用空間，在未來更加注重環(huán)保的明天，它的價(jià)值將會更加突出。本設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處有：（1）首先提出了和開展了機(jī)械式電池研究。相對于其他現(xiàn)有的將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置而言，機(jī)械式電池是獨(dú)立的電源，可以運(yùn)用于多種場合，用途廣泛；（2）采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)你的聯(lián)想類比法，將外形設(shè)計(jì)與常規(guī)電池相似，英雌在使用時(shí)可無需改變已有電器結(jié)構(gòu)，有利于推廣運(yùn)用；（3）在機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)中將引入簡易彈簧拉伸和定時(shí)裝置；在電路方面，引入并聯(lián)充電，串聯(lián)放電結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)特色之處在于：（1）相對于化學(xué)電池而言，由于采用了機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，所以機(jī)械式電池不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，有利于環(huán)保；（2）由于其結(jié)構(gòu)組織大多是機(jī)械零件，可以反復(fù)使用。其主要失效形式為零部件的磨損，因此回收和處理將十分方便；（3）機(jī)械式電池成本不高，而且可以反復(fù)使用，壽命長，如能批量生產(chǎn)，將會產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。通過對機(jī)械電池的設(shè)計(jì)從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究，分別設(shè)計(jì)了三款不同的機(jī)械電池，都是在前面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成的，各自擁有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。主要開展了以下研究：（1）電池的設(shè)計(jì)與制造我們先后設(shè)計(jì)了三款機(jī)械電池，分別為搖柄式機(jī)械電池、拉繩式微機(jī)械電池、定時(shí)機(jī)械電池，都已達(dá)到我們目前的目的，后面設(shè)計(jì)的都是在前面一款的基礎(chǔ)上完成了，解決了前面的缺點(diǎn)，但也暴露了自己的弱點(diǎn)，還需進(jìn)一步完善。（2）機(jī)械電池結(jié)構(gòu)微型化研究通過機(jī)械電池性能實(shí)驗(yàn)裝置研制，對機(jī)械電池的性能加以測試，機(jī)械電池性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)研究；以及儲存器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過對結(jié)構(gòu)微型化的相關(guān)研究，對機(jī)械電池的驅(qū)動方式、傳動方式等機(jī)械部件減小結(jié)構(gòu)尺寸的微型化，探索機(jī)械電池微型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)律問題，使其盡可能簡單、方便設(shè)計(jì)與制造。另外，對現(xiàn)有控制電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，掌握其工作過長的充放電規(guī)律，使其在結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步微型化，且工作更加可靠和實(shí)用。（3）機(jī)械電池機(jī)械性能研究從強(qiáng)度設(shè)計(jì)和摩擦學(xué)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論兩方面的研究。建立機(jī)械電池性能實(shí)驗(yàn)裝置，對強(qiáng)度和摩擦學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對機(jī)械電池驅(qū)動和傳動機(jī)構(gòu)中相互作用的載荷、摩擦力（應(yīng)力、摩擦系數(shù)）等隨設(shè)計(jì)參數(shù)（入速度、傳動比、精度、光潔度等）的變化規(guī)律的研究。將所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與所建立的機(jī)械模型進(jìn)行數(shù)值分析結(jié)構(gòu)比較，并與相應(yīng)的經(jīng)典設(shè)計(jì)理論與方法進(jìn)行比較，已掌握其特有的機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)律，進(jìn)行尺寸和形狀對機(jī)械電池基本力學(xué)性能影響的研究，確定適用于機(jī)械電池性能的材料選用準(zhǔn)則。（4）存儲電器、電路的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)中，我們選擇了合適的存儲設(shè)備，針對產(chǎn)生電壓不夠高而提出的并聯(lián)充電、串聯(lián)放電的想法，并設(shè)計(jì)制作了具體的電路，在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步對電路的性能加以分析。通過前一階段的研究，我們發(fā)現(xiàn)機(jī)械電池也有其自身的弱點(diǎn)，需要進(jìn)一步完善和深入研究。不足之處主要包括：（1）機(jī)械電池的體積尺寸的微型化在前一階段的研究中，我們采用的元件本身較大，通過實(shí)驗(yàn)和理論上的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，我們在很多地方可以減少很多元件，如驅(qū)動裝置、定位機(jī)構(gòu)、外殼等，通過微型化達(dá)到減少尺寸的目的，在體積限定的尺寸內(nèi)，一般的電量比化學(xué)電池要小很多。使用時(shí)間較短在前面的設(shè)計(jì)中，搖柄式機(jī)械電池使用的時(shí)間比其他兩款時(shí)間要短，總體來說使用時(shí)間都不夠理想