無(wú)碳重力燈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

沈鈺超，楊金林，李夢(mèng)雪，龐佳麗

（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州310018）

1 相關(guān)背景及研究目的

在電能還沒(méi)完全普及的今天，有很多地區(qū)的夜晚是黑暗的，人們非常需要電能，此時(shí)沒(méi)有火力、水力、核能發(fā)電的條件下，身邊有一個(gè)唾手可得的能源——重力，用重力轉(zhuǎn)化為電能供人們使用，意味著有重力的地方，就有光，可以解決貧困地區(qū)的照明問(wèn)題，為當(dāng)?shù)鼐用駧?lái)更多方便。

與此同時(shí)，重力燈的使用符合人們低碳環(huán)保的理念，作為停電時(shí)的應(yīng)急燈或者替代消耗能源的燈使用也具有非常重要的意義。

為了踐行這一理念，世界上許多人都對(duì)重力的利用做出了相應(yīng)的努力：

比如在“新手發(fā)明者大會(huì)”（GGC）上，美國(guó)一名研究生發(fā)明的“重力電燈”獲得了二等獎(jiǎng)。“重力電燈”依靠重力產(chǎn)生電力，其亮度相當(dāng)于一個(gè)12W的日光燈，使用壽命可以達(dá)到200年。來(lái)自美國(guó)弗吉尼亞州的克雷-毛爾頓，他的研究課題是一種使用發(fā)光二極管制成的燈具，這種燈具被命名為“格拉維亞”，它事實(shí)上是一個(gè)高度略大于4英尺（約1.21 m）、由丙烯酸材料做成的柱體。這種燈具的發(fā)光原理是：燈具上的重物在緩緩落下時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電能將給燈具通電并使其發(fā)光[1]。

2012年12月，英國(guó)倫敦設(shè)計(jì)師馬丁·瑞德福和吉姆·里弗斯已經(jīng)開(kāi)始為實(shí)現(xiàn)這樣一款概念環(huán)保燈而努力了[2]。就現(xiàn)狀來(lái)看，解決重力利用方法的核心問(wèn)題集中在增速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，已有的對(duì)重力的利用方案中，都是使用的多對(duì)齒輪組疊加或者是絲杠這類(lèi)機(jī)構(gòu)[3-11]，使用這類(lèi)機(jī)構(gòu)確實(shí)能夠達(dá)到很大的增速比，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)將重物慢速下落轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程，但是以上機(jī)構(gòu)要么體積偏大，要么能量利用率較低，又或者重物單次下落所能使LED燈亮的時(shí)間很短。于是本文著眼于行星齒輪機(jī)構(gòu)這一能達(dá)到極大增速比，并且傳動(dòng)效率也較高的機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新的重力燈。以此來(lái)提高能量的利用效率，延長(zhǎng)燈的照明時(shí)間，同時(shí)還能勁量減小重力燈的體積。

2 無(wú)碳重力燈的總體設(shè)計(jì)思路

2.1 工作原理簡(jiǎn)介

無(wú)碳重力燈由輸入機(jī)構(gòu)、增速機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、LED燈組成，重力燈使用流程如圖1所示，將重物懸掛至輸入機(jī)構(gòu)，通過(guò)增速機(jī)構(gòu)增速，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，使LED燈亮起。

圖1 重力燈使用流程圖

2.2 設(shè)計(jì)方法

（1）根據(jù)功率進(jìn)行發(fā)電機(jī)的選擇。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的計(jì)算，計(jì)算出重物質(zhì)量范圍。

（3）通過(guò)發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速以及假定重物勻速下降求出增速器傳動(dòng)比。

（4）結(jié)合要求傳動(dòng)比，設(shè)計(jì)增速機(jī)構(gòu)。

3 無(wú)碳重力燈的設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1 無(wú)碳重力燈的設(shè)計(jì)參數(shù)

無(wú)碳重力燈主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1 無(wú)碳重力燈主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 發(fā)電機(jī)選擇

根據(jù)無(wú)碳重力燈的設(shè)計(jì)參數(shù)知須8個(gè)0.06W的發(fā)光二極管才能達(dá)到照明要求，得出：

發(fā)光二極管的參考電流為：5mA～20mA，參考電壓為：3.0～3.8 V，選擇直流永磁電機(jī)FF-180PH作為發(fā)電機(jī)，電機(jī)參數(shù)如表2。

表2 發(fā)電機(jī)參數(shù)

3.3 重物質(zhì)量范圍計(jì)算

從發(fā)電機(jī)參數(shù)中得出Pe=0.51W，設(shè)計(jì)參數(shù)中燈亮?xí)r長(zhǎng)為15min，得出發(fā)電機(jī)所需的功為：

傳動(dòng)損耗可大致計(jì)算，增速機(jī)構(gòu)確定后再經(jīng)總體機(jī)構(gòu)正算對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，由參考文獻(xiàn)[12]可知彈性聯(lián)軸器的效率η1＝0.99，行星輪系傳動(dòng)效率為η2＝0.90，鏈傳動(dòng)效率為η3＝0.96。

可求出重力勢(shì)能需提供的能量為：

Wg=mgh，由設(shè)計(jì)參數(shù)得知h=1.8m，取重力加速度g=9.8 N/kg，可以算出質(zhì)量

3.4 增速機(jī)構(gòu)主要參數(shù)確定

由設(shè)計(jì)參數(shù)可知輸入端鏈輪直徑為d=32 mm，高度h=1.8 m，下落時(shí)間為t=15 min，可求出輸入端轉(zhuǎn)速為

由發(fā)電機(jī)參數(shù)可得，ne=10 500 rpm，可知傳動(dòng)比

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，增速機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)要求如表3所示。

表3 主要設(shè)計(jì)要求

3.5 傳動(dòng)方案及機(jī)構(gòu)原理圖

NGWN（Ⅰ）型行星傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、傳動(dòng)范圍大的優(yōu)點(diǎn)，且適用于中小功率工作，其效率雖低于NGW型行星傳動(dòng)，但仍符合無(wú)碳重力燈設(shè)計(jì)要求。

考慮到NGWN（Ⅰ）型行星傳動(dòng)的推薦傳動(dòng)比為20～100，故設(shè)計(jì)為兩級(jí)行星傳動(dòng)，結(jié)合3.4中計(jì)算出的總傳動(dòng)比，經(jīng)計(jì)算后得出每等級(jí)傳動(dòng)比為94.5，其傳動(dòng)原理圖如2所示。

圖2 無(wú)碳重力燈增速機(jī)構(gòu)原理圖

齒輪A為太陽(yáng)輪，齒輪B為輸出外齒圈，齒輪C為行星輪，一共三個(gè)；齒輪D為行星輪，一共三個(gè)，齒輪E為輸入外齒圈；輸入外齒圈是跟著輸入軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的，輸出外齒圈是固定在齒輪箱體上的，不轉(zhuǎn)動(dòng)的。

增速機(jī)構(gòu)分為兩級(jí)，每一級(jí)行星齒輪箱分為兩段增速部分，分別為輸入段和輸出段，兩段傳動(dòng)形式皆為NGWN（Ⅰ）型行星傳動(dòng)，且每段行星輪個(gè)數(shù)皆為3。

輸入段的輸入外齒圈E為輸入端，帶動(dòng)三個(gè)行星輪D轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)行星架將動(dòng)力傳給輸出段的三個(gè)行星輪C，輸出段的輸出外齒圈B固定不旋轉(zhuǎn)，三個(gè)行星輪C將動(dòng)力傳給太陽(yáng)輪A，太陽(yáng)輪A作為輸出。之后一級(jí)行星齒輪箱的輸出端與二級(jí)行星齒輪箱輸入端相連，二級(jí)行星齒輪箱輸出端與電機(jī)相連。

使用該種傳動(dòng)方案能夠?qū)崿F(xiàn)傳動(dòng)比合理分配，效率較高，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。采用三個(gè)行星輪傳動(dòng)，使得載荷均衡，并且實(shí)現(xiàn)了大傳動(dòng)比運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.6 增速機(jī)構(gòu)整機(jī)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)計(jì)算以及查閱手冊(cè)[13]的出各級(jí)齒輪齒數(shù)如表4所示。

表4 N G W N（Ⅰ）型行星傳動(dòng)（94.50）各齒輪齒數(shù)

需要校驗(yàn)行星輪齒裝配條件：

（1）同心條件

當(dāng)mA=mB=mE，各對(duì)嚙合齒輪之間的中心距相等。滿(mǎn)足同心條件。

（2）裝配條件

ZA=12、ZB=66、ZE=63齒數(shù)皆為行星輪數(shù)目3的倍數(shù)，能保證各行星輪能均布地安裝于兩中心齒輪之間，并且與兩個(gè)中心輪嚙合良好，沒(méi)有錯(cuò)位。滿(mǎn)足裝配條件。

（3）鄰接條件

必須保證相鄰兩行星輪互不相碰，并留有大于0.5倍模數(shù)的間隙，即行星輪齒頂圓半徑之和小于其中心距L：

根據(jù)以上條件，初定模數(shù)為0.5 mm，查閱齒輪設(shè)計(jì)相關(guān)手冊(cè)，初定第一二級(jí)NGWN行星輪系具體參數(shù)如下表5。

表5 一二級(jí)行星齒輪具體參數(shù)表

4 無(wú)碳重力燈設(shè)計(jì)結(jié)果

4.1 無(wú)碳重力燈三維模型的建立

根據(jù)以上結(jié)論使用solidworks建立三維模型，整體三維模型如圖3所示，核心機(jī)構(gòu)圖如圖4所示，主要部件增速器的三維模型如圖5所示。

圖3 整體三維模型

圖4 核心機(jī)構(gòu)模型

圖5 增速器三維模型

4.2 無(wú)碳重力燈實(shí)物樣機(jī)

對(duì)結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化后加工制作出的無(wú)碳重力燈實(shí)物樣機(jī)圖如圖6所示。

圖6 無(wú)碳重力燈實(shí)物樣機(jī)圖

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)碳重力燈，采用重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，在能源的利用方面采取了新的方式，采用串聯(lián)兩個(gè)NGWN型行星輪系的方式，在保證效率的情況下取得了大傳動(dòng)比的增速，從而使重力燈亮的時(shí)間大大加長(zhǎng)，且能量損失少，亮度提高，增強(qiáng)了其實(shí)用性。無(wú)碳重力燈的研發(fā)，可以幫助貧困地區(qū)的人們?cè)陔娫慈笔У那闆r下獲得照明，也可以作為應(yīng)急燈或者野外使用。后續(xù)需要一些優(yōu)化及降低成本的計(jì)算，做到更親民更普及。