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1、目 录第一章 课题分析11.1 课题意义11.1.1多功能风轮车市场前景11.1.2多功能风轮车社会效益分析11.1.3多功能风轮车经济效益分析11.1.4多功能风轮车推广及应用前景21.1.5多功能风轮车风轮部分设计课题意义21.2 课题的设计工作任务要求2第二章 机械方案设计分析42.1 具体设计要求分析：工作载荷、运动参数要求42.2 运动原理与力传递分析4第三章 设计组成要素分析选择63.1 基本组成结构63.2风轮叶片材料的选择9第四章 机械零件设计计算114.1 风轮产生的力矩计算114.1.1 通过考虑对车的驱动来分析转矩114.1.2 为了确定选材类型来分析转矩134.1.3
2、对轴承的寿命进行分析144.2 风轮有限元力分析154.3 对集流板进行有限元分析17第五章 结论18谢 辞20参考文献21大连交通大学2010届本科生毕业设计（论文）第一章 课题分析1.1 课题意义1.1.1多功能风轮车市场前景市场上暂无此类功能的产品。目前已有单一利用太阳能作动力的汽车产品的试验车问世，并且已经进入到市场化，受到广大消费者的关注，引起了许多研究者的兴趣。所以我们相信风电混合动力观光车也同样具有很大的市场前景：例如校园交通车、城市景点观光车、海岛旅游观光车、牧区的牧民放牧时的代步工具等。上述这些地方都可以作为风电混合动力观光车的开发市场。1.1.2多功能风轮车社会效益分析由于
3、本观光车是零排放、无污染，可以减少交通车辆的汽车尾气排放，提高空气质量，减少自然界不可再生能源的消耗量；一种新型结构的观光车，可以吸引满足游客的好奇心理，增加城市旅游的亮点；偏远地区的草原既可以做代步工具，蓄电池积蓄的能量可以满足家庭生活使用：白天利用太阳能、风能发电，晚上利用风能发电，提高自然界能量的利用效率。风电混合动力车可应用于城市风景区的观光车辆、学校大校区学生的校内交通工具、牧区、较平坦的农村作为代步工具。结合能源的应用特点，具有很好的应用前景和社会效益。该成果将转化为生产力，推广应用于有关设计、生产制造、使用单位，实现风电混合动力车的产业化和产品系列化，标准化生产，降低生产成本，形
4、成一批具有自主知识产权和较强市场竞争力的关键零部件与整车骨干企业群；并以点带面，引导市场消费，带动各类资本投入扩大市场规模，推动节能与新能源汽车跨过市场培育期，大规模进入市场，增加市场份额，促进汽车产业结构调整。将会创造巨大的经济效益和社会效益。1.1.3多功能风轮车经济效益分析产品的单位制造成本按照批量生产，初期总体成本价格应在2.5万元。市场无此类产品，国家的产业政策是鼓励利用可再生能源，我们具有独立的知识产权，因此风电混合动力观光车具有独自的合理定价权。如以单一电动观光车相比较，由于增加了风轮传动系统，则成本要高一些。但是在生产使用过程，不需要单独充电，因此使用成本可大为缩小。因此，可以
5、建议市场销售价为5万元左右。单车盈利率：100%。1.1.4多功能风轮车推广及应用前景风电混合动力车可应用于城市风景区的观光车辆、学校大校区学生的校内交通工具、牧区、较平坦的农村作为代步工具。结合能源的应用特点，具有很好的应用前景和社会效益。目前没有此类研究文献报道，成果将转化为生产力，推广应用于有关设计、生产制造、使用单位，实现风电混合动力车的产业化和产品系列化，标准化生产，降低生产成本，形成一批具有自主知识产权和较强市场竞争力的关键零部件与整车骨干企业群；并以点带面，引导市场消费，带动各类资本投入扩大市场规模，推动节能与新能源汽车跨过市场培育期，大规模进入市场，增加市场份额，促进汽车产业结
6、构调整。将会创造巨大的经济效益和社会效益。国家大力推广“节能减排”政策，国内外厂商不断研究有点混合动力的汽车。风电混合动力观光车充分利用可再生的能源作动力，可以减少排放污染，提高空气质量，减少自然界不可再生能源的消耗量。符合产业政策。目前市场存在一种电瓶车，速度较低，使用功能受到充电条件及放电时间限制，当电流较低时，速度下降较快。新型风电混合动力观光车在使用过程依靠运动过程产生的能量、自然界太阳能、风能保持不断补充蓄电池电能的特点，不需要利用电源充电，并可以单独利用风能驱动车辆。因此产品具有独特的优势，市场无此类功能产品与之竞争。目前已有单一利用太阳能作动力的汽车产品的试验车问世，相信风电混合
7、动力观光车具有很大的市场前景：校园交通车、城市景点观光车、海岛旅游观光车、牧区的牧民放牧时的代步工具等。1.1.5多功能风轮车风轮部分设计课题意义 风轮作为该多功能风轮车的主要动力部件，是车体中最主要的部件之一，目前国内以及国际上的大多机械设计比赛都有类似该风轮车的参赛作品，但风轮部分的设计一直以来都是各个参赛队伍难以攻克的课题，而且风轮部分设计的好坏直接关系到整个多功能风轮车的动力性能，更关系到整个多功能风轮车设计方案的可行性，同时，对风轮进行良好的设计与论证也关系到此类产品能否可以大规模投产。1.2 课题的设计工作任务要求设计参数：风力最大12级，风轮直径1米，风轮高度0.3米，支撑轴长度
8、1.6米；设计要求：分析风力驱动结构、支撑结构的设计要求，分析最大风力作用下风轮的受力情况（叶片、支撑轴等）。1、 分析风轮作用原理，设计结构方案；2、 分析工件回转方式，确定支撑结构；3、 画出结构设计装配图（A0图纸一张）；4、 利用有限元技术，分析叶轮、支撑轴受力，确定合理结构参数；5、 外文翻译：结合课题要求，翻译外文资料(1万印刷字符，3000字左右)。6、编写设计说明书（1万字左右）。第二章 机械方案设计分析2.1 具体设计要求分析：工作载荷、运动参数要求（1） 风电混合动力车的设计参数以二人乘用为参考设计，初步设定车辆总载荷600Kg, 道路摩擦系数与材料类型有关，一般水泥砼路面
9、在0.40.6，沥青路面在0.40.8左右。考虑实际情况，我选择水泥路面，车轮选择材料为橡胶；车辆外形尺寸：长*宽*高=2.5*1.6*1.7(m)；自重G1=400kg；载重量G2=200公斤；车轮直径600mm；最高车速V=30km/h；材料：高强铝合金；驱动方式：后轮齿轮轮驱动。根据公式可以计算摩擦阻力F=f*G，其中f为摩擦系数，在计算中选择其平均值0.6，所以F=0.36KN，摩擦阻力矩为摩擦阻力与车轮的半径之积。所以摩擦阻力矩为0.36*0.3=0.108KN.m。车辆的摩擦力矩具体计算数据见下表：表2-1 车的摩擦力矩表摩擦系数平均值2人乘车重G（Kg）摩擦阻力KN摩擦阻力矩（K
10、N.m)0.40.80.66000.360.1082.2 运动原理与力传递分析 先对集流板的作用进行分析：风力正向吹过风轮时，由于风轮叶片相对于回转轴对称布置，造成风力产生的驱动力矩与阻力矩接近于平衡，影响驱动效应。因此设计集流板引导风力作用在产生有效驱动力矩的叶片处，消除阻力矩，提高风的流动速度，实现增大驱动力矩的目的。所以，如果设计中不加上集流板的话，不仅风能得不到充分的利用，还会对转动轴产生一个较大的弯矩，这样转化为机械能的效率就会大大降低。虽然加上集流板以后，也会产生一定的弯矩，但是效果会明显有所好转。鉴于上面的分析，在设计中我加上了集流板。其作用过程如下所述：风力横向吹过风轮21时，
11、通过集流板23引导风力作用在风轮21叶片上产生驱动力矩，通过风轮轴3、锥齿轮传动18、19输出，增速器14带动发电机17工作产生电能存储；链传动1、9、10带动车辆运动。太阳能电池板1发电存储电能。风力产生的力矩不足以驱动车辆时，采用直流电机驱动。风电混合动力车作为一种新型环保小型车的雏形，涉及风能转化为机械能驱动车辆、机械能转化电能存储、电能转化为机械能驱动车辆的三种能源相互转化模型，以9级以上风的能量可将风能转化为直接驱动力驱动车辆为基本设计要求，车辆运动时产生的气流可以增大风速。当风力9级时，可以采取电动机与风轮转矩合成驱动或电机驱动模式。新型风电混合动力观光车动力原理图第三章 设计组成
12、要素分析选择3.1 基本组成结构本次设计为风电混合动力观光车的风轮部分。（如下图）3-1风轮叶片主要参数表风轮直径D(m)叶片数Z(个)叶片弦长s(m)叶片高h(m)风叶有效受风面积(m2)叶轮有效回转半径R（m）1.060.45m0.3m0.130.45设计时考虑到如果叶片靠中心传动轴固定，则叶片将会在受到风力时与中心轴之间产生一定的沿转动方向的剪切力，很容易造成叶片和中心轴的损坏。同时由于叶片较薄，将其固定到传动轴上也有一定难度，也不满足强度要求，因此，在沿叶片高方向的上下两侧分别有一个用来固定叶片的圆形薄板。在上下薄板的中央分别开有直径为40mm的圆形孔（用来穿过以及固定传动轴）。为了能
13、够更好的利用风力资源，提高利用效率，建议在安装风轮的同时安装集流板（如下图）集流板主要用来迫使风从入风口进入，这样既集中了风力，又使风向改变到有利于叶片转动的方向。现做如下假设，设计中先不安装集流板。没有集流板时风叶与风向简化如下：这种情况下会造成两片叶片上产生相反方向转矩的情况，既没有较好的利用风力，又使整个车的动力下降，既造成了资源浪费又没有很好的达到车辆行进的目的。但是在安装集流板后的受力情况就大不一样了，现将风叶与风向简化如下：由于集流板的存在，使通风口处始终保持一个叶片的存在，有效地避免了上述风力作用在不同方向产生相反转矩的情况。另外，风轮叶片的数量也应该适中，不应该过多，也不宜过少
14、。下面先说明风轮个数较少的情况，风叶简图如下：在这种情况下，风轮转动到能收到风力的位置需要一定的时间，由于风叶较少，两个风叶的间隙较大，这样会浪费大量的风能，风轮把风能转化成机械能的效率就大大降低了，起不到原本的设计目的了。相反，如果风轮数量太多，对其进行受力分析。以下是风轮数量较多的情况的简图：这种情况下，即使有集流板，由于风叶过于密集，难免会产生转矩抵消的情况，这样不仅浪费制作风叶的材料和人力，也无法达到提高风能的利用率的效果。另外，由于风叶的角度问题，其受力面积也大大减少，也无法充分利用风能，造成了资源的更大的浪费。以上说明，叶片的数量要适量选择，经过分析，风叶数量在6到12之间的效率是
15、较高的，在该次设计中，我选择了6片扇叶。3.2风轮叶片材料的选择在对叶片的材料进行选择的过程中我先后使用了如下几种叶片设计方案：1、木质叶片选用上好的优质木材加工而成。对木材的要求是：1、木质不软不硬，容易加工；2、木纹整齐无疤痕；3、不易吸水，不易变形。木质材料的机械强度不高，光洁度低，容易吸收水分，容易发生变形，经不起户外恶劣环境的侵袭。因此，桨叶成形后要在上面涂上油漆，加以保护。尽管如此，木质桨叶的使用寿命也远不如其它类型桨叶。它的优点是价格低廉、取材容易，重量轻，使用安全。这种桨叶多用于50W 以下的小型风机上。木质桨叶有两种叶型，一是两叶型，为整体结构，没有单独的叶柄，是用一块等宽的优质木材加工而成，除中间有一个安装孔外，没有任何零部件，因此是各类风机桨叶中结构最简单、价格最便宜的一种。二是三叶型，各桨叶单独制作，各有独立的叶柄与叶片相连接，叶柄的另一端与轮盘相连，组成叶轮。由于其结构与零部件比两叶型
