無碳重力燈的結構設計及計算

沈鈺超，楊金林，李夢雪，龐佳麗

（浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江 杭州310018）

1 相關背景及研究目的

在電能還沒完全普及的今天，有很多地區的夜晚是黑暗的，人們非常需要電能，此時沒有火力、水力、核能發電的條件下，身邊有一個唾手可得的能源——重力，用重力轉化為電能供人們使用，意味著有重力的地方，就有光，可以解決貧困地區的照明問題，為當地居民帶來更多方便。

與此同時，重力燈的使用符合人們低碳環保的理念，作為停電時的應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，世界上許多人都對重力的利用做出了相應的努力：

比如在“新手發明者大會”（GGC）上，美國一名研究生發明的“重力電燈”獲得了二等獎。“重力電燈”依靠重力產生電力，其亮度相當于一個12W的日光燈，使用壽命可以達到200年。來自美國弗吉尼亞州的克雷-毛爾頓，他的研究課題是一種使用發光二極管制成的燈具，這種燈具被命名為“格拉維亞”，它事實上是一個高度略大于4英尺（約1.21 m）、由丙烯酸材料做成的柱體。這種燈具的發光原理是：燈具上的重物在緩緩落下時帶動轉子旋轉，由電磁感應產生的電能將給燈具通電并使其發光[1]。

2012年12月，英國倫敦設計師馬丁·瑞德福和吉姆·里弗斯已經開始為實現這樣一款概念環保燈而努力了[2]。就現狀來看，解決重力利用方法的核心問題集中在增速機構的設計上，已有的對重力的利用方案中，都是使用的多對齒輪組疊加或者是絲杠這類機構[3-11]，使用這類機構確實能夠達到很大的增速比，以此來實現將重物慢速下落轉變為發電機高速旋轉的過程，但是以上機構要么體積偏大，要么能量利用率較低，又或者重物單次下落所能使LED燈亮的時間很短。于是本文著眼于行星齒輪機構這一能達到極大增速比，并且傳動效率也較高的機構，設計了一種新的重力燈。以此來提高能量的利用效率，延長燈的照明時間，同時還能勁量減小重力燈的體積。

2 無碳重力燈的總體設計思路

2.1 工作原理簡介

無碳重力燈由輸入機構、增速機構、發電機、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構，通過增速機構增速，帶動發電機發電，使LED燈亮起。

圖1 重力燈使用流程圖

2.2 設計方法

（1）根據功率進行發電機的選擇。

（2）根據設計要求進行能量轉化的計算，計算出重物質量范圍。

（3）通過發電機的額定轉速以及假定重物勻速下降求出增速器傳動比。

（4）結合要求傳動比，設計增速機構。

3 無碳重力燈的設計過程

3.1 無碳重力燈的設計參數

無碳重力燈主要設計參數如表1。

表1 無碳重力燈主要設計參數

3.2 發電機選擇

根據無碳重力燈的設計參數知須8個0.06W的發光二極管才能達到照明要求，得出：

發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FF-180PH作為發電機，電機參數如表2。

表2 發電機參數

3.3 重物質量范圍計算

從發電機參數中得出Pe=0.51W，設計參數中燈亮時長為15min，得出發電機所需的功為：

傳動損耗可大致計算，增速機構確定后再經總體機構正算對設計參數進行微調，由參考文獻[12]可知彈性聯軸器的效率η1＝0.99，行星輪系傳動效率為η2＝0.90，鏈傳動效率為η3＝0.96。

可求出重力勢能需提供的能量為：

Wg=mgh，由設計參數得知h=1.8m，取重力加速度g=9.8 N/kg，可以算出質量

3.4 增速機構主要參數確定

由設計參數可知輸入端鏈輪直徑為d=32 mm，高度h=1.8 m，下落時間為t=15 min，可求出輸入端轉速為

由發電機參數可得，ne=10 500 rpm，可知傳動比

根據以上計算結果，增速機構的主要設計要求如表3所示。

表3 主要設計要求

3.5 傳動方案及機構原理圖

NGWN（Ⅰ）型行星傳動具有結構緊湊、體積小、傳動范圍大的優點，且適用于中小功率工作，其效率雖低于NGW型行星傳動，但仍符合無碳重力燈設計要求。

考慮到NGWN（Ⅰ）型行星傳動的推薦傳動比為20～100，故設計為兩級行星傳動，結合3.4中計算出的總傳動比，經計算后得出每等級傳動比為94.5，其傳動原理圖如2所示。

圖2 無碳重力燈增速機構原理圖

齒輪A為太陽輪，齒輪B為輸出外齒圈，齒輪C為行星輪，一共三個；齒輪D為行星輪，一共三個，齒輪E為輸入外齒圈；輸入外齒圈是跟著輸入軸一起轉動的，輸出外齒圈是固定在齒輪箱體上的，不轉動的。

增速機構分為兩級，每一級行星齒輪箱分為兩段增速部分，分別為輸入段和輸出段，兩段傳動形式皆為NGWN（Ⅰ）型行星傳動，且每段行星輪個數皆為3。

輸入段的輸入外齒圈E為輸入端，帶動三個行星輪D轉動，通過行星架將動力傳給輸出段的三個行星輪C，輸出段的輸出外齒圈B固定不旋轉，三個行星輪C將動力傳給太陽輪A，太陽輪A作為輸出。之后一級行星齒輪箱的輸出端與二級行星齒輪箱輸入端相連，二級行星齒輪箱輸出端與電機相連。

使用該種傳動方案能夠實現傳動比合理分配，效率較高，結構緊湊，體積小。采用三個行星輪傳動，使得載荷均衡，并且實現了大傳動比運轉。

3.6 增速機構整機設計

經過計算以及查閱手冊[13]的出各級齒輪齒數如表4所示。

表4 N G W N（Ⅰ）型行星傳動（94.50）各齒輪齒數

需要校驗行星輪齒裝配條件：

（1）同心條件

當mA=mB=mE，各對嚙合齒輪之間的中心距相等。滿足同心條件。

（2）裝配條件

ZA=12、ZB=66、ZE=63齒數皆為行星輪數目3的倍數，能保證各行星輪能均布地安裝于兩中心齒輪之間，并且與兩個中心輪嚙合良好，沒有錯位。滿足裝配條件。

（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倍模數的間隙，即行星輪齒頂圓半徑之和小于其中心距L：

根據以上條件，初定模數為0.5 mm，查閱齒輪設計相關手冊，初定第一二級NGWN行星輪系具體參數如下表5。

表5 一二級行星齒輪具體參數表

4 無碳重力燈設計結果

4.1 無碳重力燈三維模型的建立

根據以上結論使用solidworks建立三維模型，整體三維模型如圖3所示，核心機構圖如圖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 核心機構模型

圖5 增速器三維模型

4.2 無碳重力燈實物樣機

對結構方案優化后加工制作出的無碳重力燈實物樣機圖如圖6所示。

圖6 無碳重力燈實物樣機圖

5 結語

無碳重力燈，采用重力勢能轉化為電能，在能源的利用方面采取了新的方式，采用串聯兩個NGWN型行星輪系的方式，在保證效率的情況下取得了大傳動比的增速，從而使重力燈亮的時間大大加長，且能量損失少，亮度提高，增強了其實用性。無碳重力燈的研發，可以幫助貧困地區的人們在電源缺失的情況下獲得照明，也可以作為應急燈或者野外使用。后續需要一些優化及降低成本的計算，做到更親民更普及。