611 光伏发电智能追日系统的设计

摘要

人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具 有储量无限，普遍存在，利用清洁，使用经济等优点。但是太阳能又存在着低密度，间 歇性，空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一些列太阳能设备对太阳能的利用率不 高。光伏发电智能追日系统解决了太阳能利用率不高的问题。本文对追日系统进行了机 械设计和自动跟踪系统控制部分的设计。

第一，机械部分设计：

机械结构主要包括底座，主轴，齿轮等，当太阳光线发生偏离时，控制部分发出控 制信号驱动步进电机1通过减速器带动 Z向主轴转动，实现水平方向跟踪，同时控制信 号驱动步进电机 2 带动齿轮 1，齿轮 1 带动齿轮 2 和 Y 向主轴转动，从而使太阳能电池 板实现垂直方向转动，通过步进电机1，步进电机2的共同工作实现对太阳的跟踪。

第二，控制部分设计：

主要包括信号转换电路，单片机系统和电机驱动电路等。系统采用电压检测模式实 现对太阳的跟踪。将太阳能电池板用两块遮光板隔开，当太阳能电池板接受的光强度不 同时，输出电压不同，通过比较电路将信号送给单片机，驱动步进电机正反转，实现电 池板对太阳的跟踪。

关键词:太阳能,跟踪,单片机,步进电机

Abstract 

The humanity is facing fossil fuel depletion and so on petroleum and coal threaten seriouslies, the solar energy takes one kind of new energy to have the reserves infinite, the universal existence, the use is clean, merits and so on use economy, but the solar energy has the low density, the intermittence, the spatial distribution changes unceasingly the shortcoming, this causes the present some row solar energy equipment not to be high to the solar energy use factor. The light bent down the electricity generation intelligence to pursue the date system to solve the solar energy use factor not high problem. This article to pursued the date system to carry on the machine design and the automatic tracking loop control section design. 

First, the mechanical part of the design : 

Mechanical structure including a base , spindle, gear , etc., when the sun's rays to deviate from the control part to issue control signals to drive stepper motor driven by reducer Z to spindle rotation, the horizontal direction tracking , while controlling the signal to drive stepper motor a driven gear , the gear a drive gear 2 and Y rotation to the spindle , so that the solar panels perpendicular to the direction of rotation by a stepper motor , stepper motor work together to achieve the tracking of the sun . 

Second , the control part of the design : 

Including the signal conversion circuit , microcontroller and motor driver circuit . The system uses a voltage detection mode to achieve the tracking of the sun . Solar panels will be separated by a two shade when the light intensity is not accepted by the solar panels at the same time , the output voltage signal is sent to the microcontroller through the comparison circuit drive a stepper motor , solar panels to the sun tracking. 

Keywords: solar energy, tracking , microcontroller,stepper motor

目录 

1. 绪论.........................................................................................................................1 

1.1 课题来源.........................................................................................................1 1.2 课题目的.........................................................................................................1 1.3 课题意义.........................................................................................................1 1.4 国内外研究现状与发展趋势..........................................................................3 1.5 研究内容.........................................................................................................4 1.6 研究方案.........................................................................................................5 2. 系统机械部分设计 ..............................................................................................6 

2.1 机械部分工作原理.........................................................................................6 2.2 转矩计算.........................................................................................................6 2.3 电机选型.........................................................................................................7 2.4 减速器设计...................................................................................................12 2.5 轴的结构设计...............................................................................................17 2.6 齿轮设计.......................................................................................................18 3. 机械零件的校核及选用 ...................................................................................26 

3.1 联轴器的选用...............................................................................................26 3.2 轴承的分类及选用.......................................................................................26 3.3 键的分类及选用...........................................................................................27 4. 系统控制部分设计 ............................................................................................29 

4.1 单片机的选型...............................................................................................29 4.2 单片机外部接线设计....................................................................................30 4.3 单片机控制方案...........................................................................................31 5. 结论.......................................................................................................................34 

5.1 结论...............................................................................................................34 5.2 展望...............................................................................................................34

参考文献...................................................................................................................35 致谢............................................................................................................................35

1. 绪论 

1.1 课题来源

本课题来自科研课题和社会需要，是设计一种自动调节太阳能电池板角度以加强对 光能的利用率的系统，基于单片机控制，实现太阳角的测量、步进电机的驱动，可实现 自动控制，精确定位等功能，显著提高太阳能光伏组件的发电效率。 

1.2 课题目的

太阳能是资源丰富、无污染的能源替代品，如何提高对太阳能的利用率逐渐成为了 各国关注和研究的焦点。太阳能的利用主要存在以下问题：首先，太阳能虽然资源非常 丰富，但能量比较分散，集中在某点的能量较少，并且太阳光照的方向决定了较长时间 内不可能在固定方向一直获取较大的能量；第二，太阳能受环境条件的制约，只有在白 天太阳光线较好的情况下，才能获得稳定的太阳能；第三，太阳能电池板的转换效率不 高，目前世界上太阳能电池板的转换效率最高也只有30％，而国内使用的转换效率大都

[1]

在20％左右 。

追日跟踪系统是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线随时垂直照 射太阳能电池板的动力装置，与固定式相比，追日跟踪系统将增加大于 35%的太阳辐射

[2] 接收量，能够显著提高太阳能光伏组件的发电效率 。 

1.3 课题意义

随着人类发展的速度加快，社会现代化、能源化的进步，世界各国各地对能源的消 耗量和需求量越来越大，对能源的开采也越来越凶猛，已经达到了肆无忌惮，完全不顾 虑可再生和环境问题了，造成了世界范围内的能源危机，而能源危机直接影响到了人类 的发展延续，如果在地球上所有储备的化石能源(石油、煤炭等)消耗完之前找到可以替 代的大规模绿色安全能源，不要说人类文明的停滞，出现战争也是不可避免的。因此， 能源危机现在不仅仅是当今世界关注的热点问题，还已经成为了各国发展的焦点问题了

[3]

。

按照可持续发展的目标模式，我们不能单靠消耗矿物原料来维持口益增长的能源需

求。因此越来越多的国家都在致力十对可再生能源的深度开发和广泛利用。其中具有独

特优势的太阳能具有能源巨大，接收面广，供应几乎无时间限制，具有广阔的开发前景，

[4] 在人类能源科学尚未出现突破性进展的前提下，这几乎就是最绿色有效的能源了 。

太阳能有以下几点好处: （1） 普遍性

太阳光照射的面积散布地球大部分角落，除了南北极外几乎不会有死角，而在平均 太阳照射最强烈的赤道上，又大多数地带是海洋，属于世界上可以共同开发的地区，不 会出现什么技术垄断，地域端争端的问题[5]  。

（2） 永久性

太阳的寿命安全期就有 50 亿年，因此几乎不用考虑其寿命，即可以视太阳能为永 久能源。

（3） 无污染性

现今使用最多的矿物能源(石油、煤炭、木材等)，滋生的问题几乎都是废物的处理， 所谓物质不灭，能源消耗越多，产生污染也急剧增加，太阳能则无危险及污染，在人与

[6] 自然和平共处的原则下，使用太阳能最和谐 。

煤炭、石油等矿物燃料产生大量有害气体和废渣，而使用太阳能则不会带来污染， 不会排放出任何对环境不良影响的物质，是一种清洁的能源。不过，大量的使用太阳能， 由于太阳能的充分利用，结果会使环境的温度稍微升高，但是放射到地球的太阳能总量

[7] 是一定的，人类保留太阳热量达不到温室气体的效果，所以不致对环境造成不良影响 。

（4） 太阳能安全可靠性

核能发电会有核泄漏的危险，一旦核泄漏了便会造成极大的生态危机，而太阳能绝 没有这种情况，是十分可靠的。

（5） 节省运输费用

太阳能发电如果能普及，那么除了极少的地区，大部分城市和农村都可以有自己的 太阳能发电基地，节约了大量的管道线路架设、维护、防盗费用，就算主要传输线路被 切断，或者交通、通讯被切断，只要太阳还能照射到这里，那么生产生活就可以继续维 持，也是人类文明安全系数提高的表现[8]  。

太阳能是“取之不尽，用之不竭”的，无污染的可再生能源。在人类出现之前到现 在这很长一段时间内，太阳能大部分从我们身边溜走，只有及少的转化为化学能保留了 下来，但人类就依靠这亿万年以来残留的极少部分能源发展到了现在。

随着科学技术的飞速发展，太阳能逐渐被开发利用，并已成为最有发展前景的环保

能源之一。

基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁” 的严重问题，该系统的目的是为了更充分的利用太阳能，提高太阳能的利用率而进行的 智能追日系统的研究与发展，这对我们面临的能源问题有重大的意义。同时，太阳能又 是一种无污染的清洁能源，大力发展太阳能，对节约能源，保护环境也具有重大的意义 

[9] 

。

太阳能是一种低密度，间歇性，空间分布不断变化的能源[10]  ，这样的特点对太阳能

的收集和利用提出了更高的要求。尽管各国相继研发出一系列的太阳能装置如太阳能热 水器，太阳能干燥器，太阳能电池等等，但是太阳能的利用还远远不够，究其原因，主 要是对太阳能的利用率不高。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高对太阳能 的利用率，仍为国内学者研究的热点问题，解决这一问题可以从以下两个方面着手[11]  ， 一是提高太阳能装置对太阳能量的转换率，二是提高对太阳能的接受效率，前者属于能 量转换领域，还有待研究，而后者则可以利用现有的技术来解决。光伏发电智能追日系 统为解决这一问题提供了可能。 

1.4 国内外研究现状与发展趋势

虽然我国有着十分丰富的太阳能资源，尤其是西部地区由于地理位置较好，太阳辐 射总量很大，但是我国的太阳能事业还处于起步阶段，现在也只是开发了一些小型的太 阳能设备。比如：太阳能热水器，太阳灶，太阳能热发电系统和小型太阳能光伏发电系 统，这些太阳能设备只能满足一小部分人的需要[12]  。

在太阳能跟踪方面，我国在 1997 年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自 动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接受效率提高了。19998 年美国加州成 功的研究了 ATM 两轴跟踪器[13]  ，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使 小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。2002年2月美国亚利桑那大 学退出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构， 结构紧凑，重量轻，大大扩宽了跟踪器的应用领域。在国内近年来有不少专家学者也相 继开展了这方面的研究，1992 年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994 年太阳能杂志介绍 的单轴液压自动跟踪器完成了单向跟踪。

目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是可以概括为以下两种：一种 是光端追从方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开

环的程控系统[14]  。 

1.5 研究内容

（1） 课题预计达到的目标

通过对市面上一经出现的相关同类产品以及国内外的各种专利进行研究与分析，从 使用的实用性，可行性，简易性出发，以减少制造成本，增加可利用性，满足后续设计 研发和创新的目的，设计一个基于单片机控制的光伏发电追日系统，能够通过电机的驱 动、各部分传动机构的传输以及单片机技术的控制，实现由单片机控制的太阳能电池板 自动旋转与俯仰，以达到提高光能利用率的功能。与此同时，通过本次设计对自动追日 系统有一定的了解，清晰了自动追日系统结构设计全过程及工作特点，运用所学知识解 决设计中问题，达到综合训练的目的，提高独立工作能力，巩固所学知识，并有所进步， 增强机械创新设计的能力。

跟踪器实现自动跟踪的原理如图1­1所示，当太阳光线发生偏移的时候，太阳能电 池板产生电压，经过A/D转换，将信号传递给单片机，单片机通过计算输出控制信号驱 动步进电机1带动轴 1运动，并通过齿轮传递给轴2使得转动架与太阳能电池板转动， 同时控制信号驱动步进电机2带动轴 3使得电池板做俯仰运动，从而实现太阳能电池板

角度的自动控制。

图1-1智能追日系统控制结构框图

（2） 电机类型

电动机按用途可划分为驱动用电动机和控制用电动机。

驱动用电动机可划分：电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工 具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟 机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包 括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。

控制用电动机可划分为步进电动机和伺服电动机。 （3） 传动机构

机械传动机构，可以将动力所提供的运动的方式、方向或速度加以改变，被人们有 目的地加以利用。我们主要用的传动机构有齿轮传动、带传动、链传动以及滚珠丝杠副 传动等。

（4） 控制系统

电气控制方面主要分为PLC控制和单片机控制。 

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 它采用可 以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术 运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生 产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩 展其功能的原则而设计。

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的 中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器 /计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换 器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域 的广泛应用。

1.6 研究方案

（1） 通过资料查阅与分析，了解技术的国内外现状和发展趋势（对国内外技术及 现有产品进行对比分析）；

（2） 分析设计要求，比较几种可行的传动方案性能；

（3） 按所需要求， 对智能追日系统进行整体规划 （包括智能追日系统的传动方式、 模块化设计等）；

（4） 确定各个机构的类型并进行具体设计 （包括零件尺寸设计、 零件材料选择）； （5） 制定机械结构的加工工艺路线；

（6） 完成电气控制部分设计 （包括供电方式、 控制顺序、 单片机程序及接线图 ）； （7） 绘制图纸； （8） 完成设计说明书。

2. 系统机械部分设计 

2.1 

机械部分工作原理

图2-1工作原理图

机械部分工作原理：

工作时，步进电机1通过减速器带动 Z向主轴旋转实现太阳能电池板的水平旋转， 步进电机2通过齿轮传动带动 Y向主轴旋转实现太阳能电池板的俯仰。 

2.2 转矩计算

由 UG 软件测得，支架的体积为 2749253.629867941 mm^3，又 45 号钢密度为 7.85g/cm³，则质量为 21.528415444 kg，太阳能电池板的质量为20Kg。

当太阳刚升起或落下是太阳能电池板处于最低处，力矩最大，受力图如图所示：将 太阳能电池板简化成一质点，则电池板与支架的重力 G » 420 N 。

图2-2 受力分析图

由图2­2受力分析图可得方程： 

mg ´ L ´ cos 87 ° = Fr 1 

可求得F=138.4N。 将力矩转换到电机轴上 

T1  = Fr . 43 N · m 2 = 7 

转动惯量 

æ 1 D ö 2 J = W 3 ÷ ´ GL » 3 . 6 

2 10 è ø

2 

（2-1）

（2-2）

（2-3） 

2.3 电机选型

电动机的类型根据动力源和工作要求选用步进电机。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控 制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民 经济领域都有应用[16]  。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接 收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时还可以通过控 制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机按照工作原理可分为反应式（磁阻式）、永磁式和混合式（永磁感应式） 步进电动机。利弊权衡，从体积、价格以及总的传动比等考虑，电机 1 决定采用 110RB121­604 型号的系列二四相混合式步进电机，因为反应式（磁阻式）步进电动机 的定子和转子不含永久磁铁，绕组线圈一旦断电，磁场即消失，所以反应式步进电动机 掉电后不自锁且动态性能较差，电动机升温较高。而永磁式步进电动机的转子由永久磁 钢制成，虽然动态性能好，断电是有自锁能力，但制作成本较高。其转子又受磁钢加工 的限制，因而步矩角较大，要求与之配套的驱动电源有细分功能。

之所以选择 110RB121­604 型电机是因为该电机性能良好，可以满足要求。并且混 合式（永磁感应式）步进电动机的转子上嵌有永久磁钢，定子和转子的导磁又与反应式 相似，所以是永磁式和反应式相结合的一种形式。该类型电动机的特点是输出转矩大、 动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低。具有较高的性能/价格比，在现代工 业生产中有广泛的应用。 

110RB121­604型电动机的主要性能参数如表2­1所示

表2-1 110RB121-604电动机主要性能参数

技术参数

110RB121­604型电动机的外形尺寸如图2­3

所示

图2-3 110RB121-604型电动机外形尺寸

步进电机2选择130BYGH3170­6003A型，负载转矩为0.0425，其主要性能参数如 表2­2所示

表2-2 130BYGH3170-6003A电动机主要性能参数 

130BYGH3170­6003A型步进电机机械尺寸如图2­4所示

频距特性：

图2-4 130BYGH3170-6003A型步进电机机械尺寸

图2-5 130BYGH3170-6003A型步进电机频距特性

图2-6 130BYGH3199-6003A

型步进电机频距特性

图2-7 130BYGH3226-6003A

型步进电机频距特性

图2-8 130BYGH3280-6003A型步进电机频距特性

2.4 减速器设计 

2.4.1 确定减速器总传动比及其分配： 减速器总传动比选择 

i = n 电机 / n 工作机 = 20 

式中i—传动装置总传动比

n 电机 —步进电机转速，单位r/min n 工作机 —工作机的转速，单位r/min 

2.4.2 计算传动装置的运动和动力参数： （1） 各轴的输入功率： 电机轴 

P= 2 p nM / 60 = 2 p ´ 0 . 02 ´ 0 . 0425 / 60 = 8 . 9 ´ 10 - 5 

1  kw 

轴1 

P P h 联h 轴 = 8 

. 9 ´ 10 - 4 ´ 0 . 99 ´ 0 . 99 = 8 . 723 ´ 10 - 5 1 = kw 轴2 

P- 4 - 5 

2  = P 1 h 蜗h 轴 h 联 = 8. 

723 ´ 10 ´ 0 . 99 ´ 0 . 99 ´ 0 . 8 = 6 . 84 ´ 10 kw （2） 各轴的转速： 电动机 

n m = 0.  

02 r / min 轴1 

n 1 = n m = 0 

. 02 r / min 轴2 

nn - 3 

2  = 1 / i = 1 

´ 10 r / min （3） 各轴的输入转矩： 电动机轴

（2-4）

（2-5）

（2-6）

-5  

T = 9550 p / n = 9550 ´ 8 . 9 ´ 10 / 0 . 02 = 42 . 4975 N · m d d d 

（2-7）

轴1 

-5  T1  = 9550 p ´ 8 . 723 ´ 10 / 0 . 02 = 41 . 652 N · m 1 / n 1 = 9550 

轴2 

-5  - 3 T2  = 9550 p ´ 6 . 84 ´ 10 / 1 ´ 10 = 653 . 22 N · m 2 / n 2 = 9550 

2.4.3 蜗轮蜗杆的设计计算：

（1） 选择蜗轮蜗杆类型，材料，精度：

根据GB/T10085­1988的推荐，采用渐开线蜗杆(ZI)蜗杆材料选用45钢，整体调质， 表面淬火，齿面硬度45~50HRC，8级精度，标准保证侧隙c。

（2） 计算步骤： 1）

按接触疲劳强度设计：

设计公式

æ 3 ö . 25 z e 

÷ m 2 d ³ KT 1 2 ÷ mm s z è h 2 ø

2 

（2-8）

① 选 z1  , z 2 : 取 z 1 = 2 。 

- 3 

z ´ 0 . 02 / 1 ´ 10 = 40 2 = z 1 ´ n 1 / n 2 = 2 

（2-9） 

z 2 在30~64之间，故合乎要求。 初估 h = 0 . 82 。 ② 涡轮转矩 T 2 ： 

6 -5  

T2 = T i ´ h = 9 . 55 ´ 10 ´ 8 . 723 ´ 10 ´ 20 ´ 0 . 82 / 0 . 02 » 683098 N · mm （2-10） 1 ´

③ 载荷系数 K: 

因载荷平稳，查表取 K=1.1。 ④ 材料系数 Z e ： 查表 Z e = 156MP a 

⑤ 许用接触应力[ sq H ] ： 查表取[ sq H ] =220MPa

- 3 

N = 60 ´ jn ´ L = 60 ´ 1 ´ 10 ´ 1 ´ 12000 = 720 2 h 

（2-11） （2-12） （2-13）

Z N = 8 7

= 8 7 

= 3 . 3 

s N ] = Z N [ sq H ] = 3 . 3 ´ 220 = 726 Mpa [

2 

⑥ m d 1 ：

æ 3 ö . 25 Z . 25 ´ 156 ö æ 3 2 e 

÷ m d ³ KT = 1 . 1 ´ 683098 ´ . 17 mm ÷ = 2494 1 2 ÷ s Z 220 ´ 40 è ø è h 2 ø

⑦ 初选 m 2 ， d 1 的值： 查表取 m=6.3， d1  =63。 

2

m d . 47 > 2494 . 17 1 = 2500 

2 

2 

（2-14）

⑧ 导程角：

tan g = 

mz 6 . 3 ´ 2 1

= = 0 . 2 d 63 1 

（2-15）

g = arctan 0 . 2 = 11 . 3 °

⑨ 滑动速度 V s ： 

V s =

p d 1n  1 

60 ´ 1000 ´ cos g

=

63 ´ 0 . 02 p - 5 

= 6 . 7 ´ 10 m / s 

60 ´ 1000 ´ cos 11 . 3 °

（2-16）

⑩ 啮合效率

- 5

由 V . 7 ´ 10 m / s 查表的 v = 1° 16 ' s = 6 

h 1 = 

tan g tan 11 . 3 °

= 0 . 2 / 0 . 236 = 0 . 896 

tan g + f v tan( 11 . 3 ° + 1 . 8 ° ) 

（2-17） 

11 传动效率h：

取轴承效率 h 2 = 0 . 99 ，搅油效率 h 3 = 0 . 98 

h = h h h . 845 ´ 0 . 99 ´ 0 . 98 = 0 . 82 1 2 3 = 0 

6 -5  

T2 = T i ´ h = 9 . 55 ´ 10 ´ 8 . 723 ´ 10 ´ 20 ´ 0 . 82 / 0 . 02 » 684670 . 3 N · mm 1 ´ 2 

12 检验 m d 1 的值：

æ 3 ö . 25 Z . 25 ´ 156 ö æ 3 2 e ÷ m d ³ KT = 1 . 1 ´ 684670 . 3 ´ . 3 < 2500 . 47 ÷ = 2498 1 2 ÷ 2 

2 

è s h Z 2 ø è 220 ´ 40 ø 原选参数满足齿面接触疲劳强度要求。 2）

确定传动的主要尺寸： 

m = 6 . 3 mm ， d 1 = 63 mm ， z 1 = 2 ， z 2 = 39 ① 中心距a 

a =

( d 1 + mz 2 ) ( 63 + 2 = 6 . 3 ´ 39 ) 2 

= 154 . 35 mm 

② 蜗杆尺寸： 分度圆直径 d 1 d1  = 63 mm 

齿顶圆直径 d a 1 d a1  = d 1 + 2 h a 1 = ( 

63 + 2 ´ 6 . 3 ) = 75 . 6 mm 齿根圆直径 d f 1 d f 1 = d 1 - 2 

h f = 63 - 2 ´ 6 . 3 ( 1 + 0 . 2 ) = 47 . 88 mm 导程角 tang = 11 . 30993247 ° 右旋

轴向齿距 

P X 1 =p

m = 3 . 14 ´ 6 . 3 = 19 . 78 mm 齿轮部分长度 b 1 b1  ³ m ( 11 + 0 . 06 ´ z 2 ) = 6 

. 3 ´ ( 11 + 0 . 06 ´ 39 ) = 84 . 04 mm 取 b1  = 90 mm ③ 涡轮尺寸： 分度圆直径 d 2 

d 2 = mz 2 = 6 

. 3 ´ 39 = 245 . 7 mm 齿顶高 h a 2 = h a * ´ m = 6 

. 3 ´ 1 = 6 . 3 mm 齿根高 h f 2 = ( h a * + c * ) ´ m = ( 1 + 0 . 2 ) ´ 6 . 3 = 7 . 56 mm 齿顶圆直径 d a 2 d a 2 = d 2 + 2 h a 2 = 245 

. 7 + 2 ´ 6 . 3 ´ 1 . 2 = 230 . 58 mm 齿根圆直径 d f 2 d f 2 = d 2 - 2 m ( h a * + c 

* ) = 384 - 19 . 2 = 364 . 8 mm 导程角 tang = 11 . 30993247 ° 右旋

轴向齿距 P X 2 = P X 1 = p m = 3 . 14 ´ 6 . 3 = 19 . 78 mm 涡轮齿宽 b 2 

b 2 = 0 . 75 d a1  = 0 

. 75 ´ 75 . 6 = 56 . 7 mm 齿宽角 sin( a/ 2 ) = b2 / d 1 = 56 

. 7 / 63 = 0 . 9 （2-18）

3） 热平衡计算：

估算散热面积 A 

æ a ö

A = 0 . 33 ÷

è 100 ø

1 . 75 

. 35 ö æ 154 = 0 . 33 ÷

è 100 ø

1 . 75 

= 0 . 7053 m 2 

（2-19）

验算油的工作温度 t i 室温 t ° 。 0 ：通常取 20 

2 

散热系数 k ： k = 20 W / m · ° C ) 。 ( s s

1000 ( 1 - h ) P 1000 ( 1 - 0 . 87 ) ´ 5 . 8 1

t =+ t = + 20 = 73 . 45 ° C < 80 ° C （2-20） i 0 

k 20 ´ 0 . 7053 s A 

油温未超过限度。 4）

润滑方式：

- 6 2 

根据 V . 84 m / s ，查表采用浸油润滑，油的运动粘度 V 40 °C  = 350 ´ 10 m / s s = 4

2.4.4 蜗轮蜗轮轴的结构设计： 1）

蜗轮轴的设计：

① 选择轴的材料：

选取 45 钢，调质，硬度 HBS=230，强度极限 s B = 600 Mpa ，由表查的其许用弯曲应力

s -1[   = 55 Mpa  ]b

② 最小直径估算： 

d min ³ c ´ C查机械设计手册得 c = 60

- 5 

6 . 84 ´ 10 

d min ³ 60 ´ = 47 - 3 

1 ´ 10 

p n 

（2-21） 

根据机械设计选 d min = 48 ③ 确定轴各段直径和长度： 蜗轮轴最下端与轴承配合 d1  = 70 d 2 与蜗轮配合，取 d 2 = 77 

d 3 为轴肩，用于定位齿轮，取 d3 = 87 

d 4 与轴承配合，取 d 4 = 70 d 5 与联轴器配合，取 d 5 = 50 2）

蜗杆轴的设计：

① 选择轴的材料

选取45钢， 调质处理， 硬度 HBS=230， 强度极限 s B = 650 Mpa ， 屈服极限 s S = 360 Mpa ， 弯曲疲劳极限 s -1Mpa ，剪切疲劳极限 t -1Mpa ，对称循环变应力是的许用应 = 300  = 155 力[ s -1  = 60 Mpa 。 ]b

② 最小直径估算： 

- 5 

p 8 . 723 ´ 10 

d min ³ c ´ = 60 ´ = 12 

n 0 . 02 

取 d min = 30 

蜗杆和轴做成一体，即蜗杆轴。 

2.5 轴的结构设计 

Z向主轴主要起支撑与传递旋转运动的作用，最下端与联轴器相连，上端通过焊接 与支撑板相连。轴的各段直径与长度如图2­9

所示

图2-9 Z向轴各段直径与长度 

Y向主轴主要起传递俯仰运动的作用，两端通过键连接与太阳能支撑架相连。轴的 各段直径与长度如图2­10所示

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hph1.html