发动机余热发电系统设计

发动机余热发电系统设计 本文提出了发动机余热发电系统设计，它是在发电器两端施加强制温差并利用热电效应将热能转换为电能的一种器件，它包括冷源、热源和微小型热电发电器三险要部件，具有寿命长、可靠性高、无污染、安静无噪声和无可动部件等优点。 本文结合热电堆式热电发电器的理论模型，考虑到汤姆孙效应的影响，建立了发动机余热发电系统的模型。 关键词:关键词1:设计; 关键词2:分析; 关键词3:结构; 关键词4:尺寸; 关键词5:组合 I Abstract The widely use of MEMS prompted the extensive research of Power MEMS(Micro (small) thermoelectric generation device is one of the research programs for Power MEMS. In the paper, the design of system for waste thermal of generator was put forward, and the theory of which is put temperature in difference actively to two sides of the micro (small) thermoelectric generator. The device includes mainly three parts such as heat source, sink source and micro (small) thermoelectric generator etc, which has merits of quiet, long life-span for use, no pollution and having no movable components etc. Combined with perfect model of common thermoelectric generator, generator were built up based on such factors as the effect of Thomson effect ，then the design of system for waste thermal of generator were optimized. Key word: 1. design 2. analyze 3. configuration 4. size 5. Combination II 目 录 中文摘要 英文摘要 第1章 绪 论 .................................................. 1 1.1 课研究的背景................................................ 1 1.2 课题研究的意义................................................ 2 1.3 国内外余热发电的研究现状...................................... 2 第2章 余热发电系统的原理与理论设计 .............................. 4 2.1余热发电系统的原理 ............................................ 4 2.1.1 余热发电器的原理.......................................... 4 2.1.2 塞贝克效应 ................................................ 4 2.1.3 帕尔帖效应................................................ 5 2.1.4 汤姆逊效应................................................ 6 2.2 余热发电器的理论模型 .......................................... 7 2.3余热发电系统的理论计算 ........................................ 7 2.3.1 余热发电系统温度梯度的计算................................ 7 2.3.2 单个电偶臂的功率计算和效率计算............................ 9 2.3.3 余热发电系统的功率与效率的理论计算....................... 10 第3章 余热发电系统的设计 ...................................... 12 3.1热电发生器结构分析 ........................................... 12 3.2.1 美国普林斯顿大学研究的方案............................... 12 3.2.2 美国普林斯顿大学研究的方案............................... 14 3.2.3 热电堆式热电发电器....................................... 15 3.2 余热电发电器模块的设计....................................... 16 3.2.1 通气管道的结构设计 ....................................... 18 3.2.2 通水管道的结构设计 ....................................... 19 3.2.3 余热发电器的设计 ......................................... 21 3.2.4 余热发电器的结构制作..................................... 25 3.2.5 余热发电器的工艺设计..................................... 27 3.3余热发电器模块的固定框架设计 ................................. 29 3.4余热发电器模块和固定框架装配 ................................. 31 3.5余热发电器模块之间的连接部件 ................................. 31 第4章 总 结 ................................................ 33 参考文献 ....................................................... 34 附录 .......................................... 错误～未定义书签。36 致谢 ........................................................... 36 III 第1章 绪 论 1.1 课题研究的背景 我国建设节约型社会的现状不容乐观，进入21世纪以来，我国经济社会继续保持了快速发展的势头，取得了有目共睹的伟大成就，也遭遇前所未曾有过的资源约束和环境制约。针对这些情况，中央适时地提出了建设资源节约型、环境友好性社会等一系列新的观念和决策。 节约型社会目的是通过“加快建设资源节约型社会，推动循环经济发展。解决全面建设小康社会面临的资源约束和环境压力问题。保障国民经济持续快速协调健康发展(国办发(2004330号文件)，强调在经济活动中节约资源和保护环境的同等重要性，要求经济效率和环境保护并驾齐驱。要求人类发展生态经济，追求以节约资源、能源和减少污染为前提的生念经济效率，要求人类在经济活动中实现经济与环境的协凋统一。目前，建没节约型社会多从节能技术、绿色技术、循环经济等方面展开，这有利于节约型社会建设的深入发展。在现在这个飞速发展的社会中交通无疑是很重要的一块，而汽车、飞机、船舶等交通运输工具又是不可或缺的，而发动机是汽车、飞机、船舶等交通运输工具的核心部件，其应用范围非常广泛。随着人类社会的发展，发动机的数量急速增加。以汽车为例，2005年汽车保有量达3300万台，预计2010年将超过7000万台。与之相对应的是发动机数量的剧增和废热的大量排放。调查研究表明，发动机燃料燃烧所发出的能量只有34,,38,(柴油机)或25,,28,(汽油机)被有效利用。其它的能量被排放到发动机体外，仅由排气带走的热量就占进入发动机中的燃料所产生热量的30,,45,。这一方面造成了较大的能源浪费，另一方面使周边环境温度升高，带来了城市的热岛效应等不良影响。热污染首当其冲的受害者是水生物，由于水温升高使水中溶解氧减少，水体处于缺氧状态，同时又使水生生物代谢率增高而需要更多的氧，造成一些水生生物在热效力作用下发育受阻或死亡，从而影响环境和生态平衡。此外，河水水温上升给一些致病微生物造成一个人工温床，使它们得以滋生、泛滥，引起疾病流行，危害人类健康。随着人口和耗能量的增长，城市排入大气的热量日益增多。按照热力学定律，人类使用的全部能量终将转化为热，传入大气，逸向太空。这样，使 1 地面反射太阳热能的反射率增高，吸收太阳辐射热减少，沿地面空气的热减少，上升气流减弱，阻碍云雨形成，造成局部地区干旱，影响农作物生长。近一个世纪以来，地球大气中的二氧化碳不断增加，气候变暖，冰川积雪融化，使海水水位上升，一些原本十分炎热的城市，变得更热。造成热污染最根本的原因是能源未能被最有效、最合理地利用。在其它工程机械、船舶、飞机运输工具中，发动机对能量的利用效率也存在同样的效率低、能源浪费等问题。现代化国家的经济发展和能源有着密切的关系，在正常的情况下，经济发展与能源之间存在着正相关，也就是说，能源消费量越大，国民生产总值也越高。反之，能源不足就会影响国民经济的发展，甚至会造成巨大的损失。据分析，由于能源不足所引起的国民经济损失，约为能源本身价值的20到60倍。由此可见，不论哪个国家哪一个时期，若要加快发展国民经济，就必须保证能源消费量的相应增长。目前，我国正处于改革开放的前期阶段，要尽快发展社会主义经济建设，除了其他的必要条件外，还必须重视能源这一重要的物质基础。因此，能源是我国更好地进行社发济的关键。一方面要增加能源的采集，另一方面还要注重提高能源的利用率。 1.2 课题研究的意义 节能与环保是21 世纪人类面临的严重问题。中国正处在持续发展的关键阶段, 开发新能源和充分利用低品位能源、废能源具有重大意义。同时, 通过节能可以节约大量燃料, 对于降低我国在二氧化碳, 二氧化硫和氮氧化物的排放都具有直接的影响。我国在各种工业过程中存在大量的热能浪费现象, 发展各种环境友好的节能技术, 是十分重要的。 本课题的意义在于:一方面不仅提高了对能源的利用率，节约了能源，另外一方面也减少了对大自然的热污染，保护了环境。 1.3 国内外余热发电的研究现状 目前在微小型热电发电器的研究方面，国外对微型热电发电机研究比较完善的有Princeton 大学、南加州大学和Michigan 大学。美国USC 空气动力实验室于2000 年推出微型热电发电机(MicroFire)，德国Dresden 科技大学，利用铜箔作为介质研发了一种微型热电发电器，其面积为16*30mm^2,输出电压 2 达到250mV。美国和日本是目前国际上对热电材料与工程研究投入最多的国家。美国的研究主要侧重于军事、航天、理论和高科技方面日本的研究侧重于废热利用，同时相应地着力于耐高温的陶瓷温差电材料的研究在大尺寸的范围，热电发电装置已经取得实际的应用。国内研究现状:热电现象本身是可逆的, 温差发电和半导体致冷是热电现象的两个方面, 互相可逆。可同一个PN 结, 若施加温差则可用来发电,若对其通电, 则可用于在一端致冷。国内对半导体致冷现象和应用研究具有一定水平, 目前已有商品器件和设备出售, 但对温差发电,则几乎是一片空白. 这主要是因为我国在军事高技术研究能力方面相对落后, 未能刺激起足够的需求. 随着国际学术交流的广泛开展,国内不少学者到国外接触了相关技术, 相信我国在这一领域相对落后的面貌将逐渐改观. 3 第2章 余热发电系统的原理与理论设计 2.1余热发电系统的原理 2.1.1 余热发电器的原理 余热发电器主要是利用热电材料的热电效应产生电流而工作的。热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，它包括塞贝克(Seebeck)效应，帕尔帖(Peltier)效应和汤姆逊(Thomson)效应。这三个效应通过开尔文(Kelvin)关系式联系在一起。这三个效应奠定了热力学热电理论发展的基础。热电效应还伴随产生了其它效应:焦耳热效应和傅立叶效应。下面分别介绍热电发电器的基本理论。 图 2,1 热电转换工作原理 2.1.2 塞贝克效应 1821 年法国物理学家T.J.Seebeck 在考察 Bi-Cu 与Bi-Te 回路的电磁效应时发现了热电流、他的实验表明，当由两种不同导体材科构成的闭合回路的两个节点温度不同时，回路中有热电流产生，这就是Seebeck 效应如图所示 4 图2-2 赛贝克效应图 不同导体材料,a.b 两端节点存在温差?T 时，便会产生Seebeck 电势?V，定义Seebeck 电势率αab=V/T,当?T?0 时,写成: αab = dV/Dt (2,1) αab 称为塞贝克系数,其符号取决于组成热电偶的材料本身及节点的温度/一般规定在低温是a 到b,其值为正,他的大小取决于两节点的温度和金属导体的材料性质。 2.1.3 帕尔帖效应 1834 年,法国物理学家C.A.Peltier 观察到当电流通过两个不同导体的节点时，在节点附近有温度变化:当电流从某一方向流经回路的节点时，节点会变冷，而当电流反向的时候，结点温度会变热。Lenz 于1838 年给出Peltier 效应的本质特征。Peltier 效应显示出热电致冷的可能性。 Peltier 效应表明，流经两种不同的导体组成的回路的结点的微小电流会产生可逆的热效应，在时间dt 内其热量dQp 的大小与流过的电流I 成正比: dQp=πabIdt=πabq (2-2) 比例系数π ab 称为Peltier 系数，也叫Peltier 电势，q 是传输的电荷。当电流由a 到b, πab 为正，dQ>0,吸热:反之则放热。πab 的大小与节点温度及热电偶组成材料有关。Peltier 效应产生的原因是位于节点两边材料中载流子浓 5 度与Fermi 能级不一样，当电流通过节点时，为了维持能量和电荷守恒必须与环境交换能量。 2.1.4 汤姆逊效应 1854 年，Thomson 发现当电流通过一个单一导体，且该导体中存在温度梯度，就会有可逆的热效应产生，称为Thomson 效应，产生的热为Thomson 热。Thomson 热与通过的电流，经历的时间成正比，假定温度梯度较小: dQT =τ IdT / dx (2,3) 比例系数τ为汤姆逊(Thomson)系数。符号规则与Peltier 效应相同，当电流流向热端，dT>0，τ>0，dQ>0，吸热。 三个热电系数可以通过开尔文(Kelvin)关系式联系起来: T 为绝对温度。从上两项关系式可导出单一材料的Seekeck 系数和Thomson系数的关系: 从该关系式看出，如果知道Thomson 系数，就可以通过积分得到的单一材料的Seebeck 系数。 可见，热电效应是热传导和电传导之间的一种可逆的交叉耦合效应。根据电导，热导的通常定义，可把这种热—电偶合效应表示为: 矩阵表示形式为: 6 式中，，分别是电流，熵流和热流密度，，以及分别为电场强度、温度差、电导率、Seebeck 系数、热导率和温度。式(2—6a)T 表明了材料存在温度差，则可以产生电流;反之，式(2—6b)显示了电流可以在材料中产生热流。 2.2 余热发电器的理论模型 描述热电发电器热电转换性能的参数主要包括输出功率和热电转换效率。对微小型热电发电机而言，还有质量(体积)比功率(或称为输出能量密度)等性能指标。对普通尺寸热电发电器，一般按照图2,2 这种一对P、N 电偶臂简化模型进行分析计算。理想模型主要包括导热覆盖基板、导流层和电偶臂三部分。当电偶臂两端存在温差时，P、N 结两种不同热电材料将产生塞贝克(Seebeck)效应，故而在回路中产生电流。 图 2,3 热发电器单对电偶臂理想结构 2.3余热发电系统的理论计算 2.3.1 余热发电系统温度梯度的计算 图2,2为理论的一对PN 电偶臂热电发电器结构。一对PN 电偶臂热电发电器主要包括电绝缘导热覆盖片、导流铜片和焊料层。导热覆盖片为高导热率的绝缘片，冷热端的材料、尺寸一样，则可以得到三者的热导率分别为: K c1 =错误～未找到引用源。 K c2=错误～未找到引用源。 K c3 =错误～未找到引用源。 (2,8) 7 容易推得总的热导率为: K, =错误～未找到引用源。 (2,9) 式中: λc 1 ,导热覆盖基板有效热导率; λc2 ,导流片的有效热导率; λc3,电偶臂有效热导率; l c1,导热覆盖基板厚度; l c2,导流片厚度; lc3,电偶臂厚度; A c1,导热覆盖基板的面积; A c2,导流片的面积; A c3,电偶臂面积; K c1,导热覆盖基板导热率; K c2,导流层导热率; K c3,电偶臂导热率。 导热覆盖基板的材料是氧化铝陶瓷，有效热导率λc 1(20 W/m.?,30 W/m.?)，这里设置导热系数依次递增λc 1 = 5 W/m.? (存在接触间隙) 导热覆盖基板厚度取:l c1 = 1 mm 导热覆盖基板的面积取:A c1= 100mm*100mm 导流片的材料是铜, 有效热导率λc 2 = 401W/m.? (查自《传热学》赵镇南 高等教育出版社 P492 附录 3) 导流片厚度取:l c2= 1 mm 导流片面积取: A c2= 21mm*1mm 电偶臂材料是 Bi2Se3，有效热导率λc 3 = 140 W/m.? 电偶臂厚度取:l c3= 16.4 mm 电偶臂面积取: A c3= 3mm*3mm 所以: 8 K c1 =错误～未找到引用源。 = 50 W/? K c2 =错误～未找到引用源。 =8.421 W/? K c3 =错误～未找到引用源。 = 0.077 W/? K, =错误～未找到引用源。=0.076 错误～ 未找到引用源。W/? 傅立叶效应 Qk= 错误～未找到引用源。(Th-Tc) = KT 设:热端温度启始为800? 冷端温度为20? 所以:Qk总= K,T总 = 0.076 W/? * 780? =10.184 W Qk1= K c1T1 = Qk2= K c2T2 = Qk3= K c3T3 = Qk总 = 10.184W 所以: T1 = 0.2 ? 错误～未找到引用源。T2 =1.2 ? 错误～未找到引用源。T3 = 132.3 ? 2.3.2 单个电偶臂的功率计算和效率计算 按照牛顿热力学定律，热电发电器电偶臂两端存在温差时，产生热流。电偶臂从热源吸收的热量为帕尔特热、焦耳热和传导热三部分之和，即: 式中: η ,发电效率; P ,输出到负载上的电能; I ,回路中产生的电流; Q h ,热端的热流; 9 Q l ,低温热源从低温端吸收的热流; R L ,负载电阻; R ,电偶臂的内阻; αNP ,塞贝克(Seebeck)系数; K ,热传导系数; T1 ′ ,热源温度; T2 ′,冷源温度。 由电流回路，消除未知量电流I ，可以得到发电器的输出功率P 为: (2,12) 由上述三式可得到热电发电器的转换效率为: 上述公式中，内阻R 为P 、N 半导体电偶臂的电阻，其计算公式为: (2,14) 式中: ρN ,N 型电偶臂电导率;L N ,N 型电偶臂臂长;A N ,N 型电 偶臂截面积; ρP ,P 型电偶臂电导率;L P ,P 型电偶臂臂长; P ,P 型电偶 臂截面积。 ρN,ρP,5 根据实验得出 L /A,0.55mm αNP= ,200(μv/?) R,0.00275 Ω T1 ′,800?,0.2?,1.2?,798.6? T2 ′,798.6?,132.3?,666.3? T1 ′, T2 ′,132.3? 当 R L,R 时，功率最大 10 所以: 2.3.3 余热发电系统的功率与效率的理论计算 热电发电器电偶臂截面尺寸为3mm×3mm，高度为16.4mm，电偶臂对数199对。 选择开始水温为:20 ? 水的流量为:q1 , v1*s 末温为 25? 选择尾气温度为:800? 尾气的流速为:v2,3 m/s 末温为100? 水的比热C1,4200 j/kg*? 尾气的比热 C2=1003 j/kg*? 水的密度ρ1,1000kg/错误～未找到引用源。 尾气的密度 ρ1,1.29kg/错误～未找到引用源。 假设:忽略热的损耗，则 Q水,Q气 Q= C*M*,C*ρ*V*=C*ρ*v*s*t* 设: S水道 , S气道 t1 , t2 则 C1*ρ1*q1*1,C2*ρ2*v 2*2 错误～未找到引用源。 现在假设有三个模块组成余热发电系统错误～未找到引用源。P=错误～未找到引用源。=152.8W 错误～未找到引用源。= C错误～未找到引用源。M错误～未找到引用源。错误～未找到引用源。 C错误～未 11 找到引用源。ρ错误～未找到引用源。V错误～未找到引用源。=C错误～未找到引用源。ρ错误～未找到引用源。v错误～未找到引用源。s(通气管道截面积)错误～未找到引用源。t错误～未找到引用源。 选择尾气温度为:800? 末温为100? 尾气的比热 C2=1003 j/kg*? 尾气的密度 ρ1,1.29 kg/错误～未找到引用源。 尾气的流速为:v2,1 m/s t=错误～未找到引用源。= 错误～未找到引用源。 = 0.104 s s(通气管道截面积)= 0.1错误～未找到引用源。0.1 = 0.01错误～未找到引用源。 = 700 ? 错误～未找到引用源。 错误～未找到引用源。= C错误～未找到引用源。M错误～未找到引用源。错误～未找到引用源。 C错误～未找到引用源。ρ错误～未找到引用源。V错误～未找到引用源。=C错误～未找到引用 12 源。ρ错误～未找到引用源。v错误～未找到引用源。s错误～未找到引用源。t错误～未找到引用源。错误～未找到引用源。2825.8 W 错误～未找到引用源。 错误～未找到引用源。=错误～未找到引用源。 13 第3章 余热发电系统的设计 3.1热电发生器结构分析 归纳起来在目前研究和应用比较普遍和成功的结构上，热电发电器主要有微卷式，热电堆和薄膜热电发电器等等几种结构。我们在这里选择3种来进行说明讲解，再进行性能和优、缺点比较从而选出我们所需要的发生器类型来进行研究分析和优化。 3.2.1 美国普林斯顿大学研究的方案 图 3-1 SWISS ROLL 在此装置中，双盘旋的管道是燃气化学反应的场所，所以称为SWISS ROLL，我们也称为微卷式电热发生器，他的尺寸大小大约为12.5mm*12.5mm*5mm，材料为氧化铝陶瓷，通过Daestro 微加工方法实现三维实物，管道宽度为0.075mm,燃料和空气由泵注入通道，在Swiss Roll 中心通过两个电极点燃，引发燃料的持续燃烧(燃料燃烧后的废气通过管道排出。普林斯顿大学研究了包括氢、甲烷、甲醇和乙醇等燃料，由于大部分的燃料进行持续催化燃烧需要一定的初始温度(300oC 以上)才能持续燃烧，需要通过其他热源进行预热，其中氢气可在室温下开始催化反应(研究还表明在300oC 以上时，氢气和空气的混合气可以在较大范围的比例下反应，反应产生的热量从2瓦到12 瓦，经过热电转换，能点燃100 毫 14 瓦的灯泡。 与此相类似的还有南加州大学的方案，他们运用的也是Swills Roll 的结构，是名叫Micro-fire 的微型电源系统，他是用电化学微机械加工技术(EFAB)将微燃机。微热发电机和热交换器集成在一个微器件中。他们设计了微型和中型的两种方案，如下图 图 3-2 Swiss Roll 的2 维和3 维的结构模型 这就是这种Swiss Roll 的2 维和3 维的结构模型。研究人员通过控制气体燃料的流入来改变火焰燃烧温度，采用热电偶测定发电器不同位置的温度，并通过气相色谱仪分析燃烧后的气体成分来进行相关实验分析发电器中，微型和中型燃烧器的管径分别问0.13mm 和3mm,分别研究了低速流动、长时间停留、低温，高速流动、短时间停留、高温两种情况，获得了详细的无焰燃烧可持续进行的温度范围，以及在结构中的温度分布仿真。得到的仿真结果如图3-3所示。 15 图 3-3 Swiss Roll温度分布仿真 实验研究还表明，三维的Swiss Roll 结构能减少热量的损失 3.2.2 美国普林斯顿大学研究的方案 这是由德国斯图加特大学研制的In-Plane 微型热电发生器，如下图 图 3-4 In-Plane 微型热电发生器 In-Plane 型微热电发电器件的结构可以用IC 的薄膜工艺，方便地形成半导体电偶臂之间的金属电连接导流层，因而与IC 工艺兼容。英国Cardiff 大学的热电研究中心先后采用蓝宝石上的硅膜和石英上的多晶硅膜作为热电材料，制作了为心脏起搏器供电的微型热电发电器件。其测试器件大小为:5mm*10mm*0.45mm，为了测试的目的，内含不同数量和尺寸的热电臂。测试结果表明，每个长、宽、高分别为450μm, 100μm,0.4μm 的热电偶在两种薄膜材料内的塞贝克电压都可以达到0.5mV/K 左右。使用热导率较低的石英时，由于衬底热泄露大大降低，器件能量转换效率可提高50 倍,德国斯图加特大学用 16 晶体硅微加工技术，制造了桥结构的In-Plane 型微热电发电器件。其测试器件由硅材料构成，P 型和N 型的热电臂长宽分别为500μm 和7μm，通过在中间10μm 厚的硅薄膜上掺杂形成，掺杂深度为lμm，热电偶连接的数量有10 个。这种结构用衬底的垂直侧面提供温差，因而衬底内部与热电臂平行的热流损失得到了降低。实验结果为，衬底垂直侧面温差为10K 时,器件的热电功率达到1.5μm 。 3.2.3 热电堆式热电发电器 它是由美国喷气动力实验室(JPL)研制的Cross-Plane。如下图 图3-5 Cross-Plane 这种器件的结构和普通的Cross-Plane 型微热电制冷器件是一样，Cross-Plane 结构微热电制冷器件的原理和传统的体热电制冷器件非常类似，只是衬底和热电偶臂本体半导体材料换成了薄膜材料，由于在这种结构的制冷器中，热流的方向与衬底表面垂直故有如此称呼。两层衬底为发电器的冷端和热端中间夹着连接在一起的热电偶。其原理是:根据塞贝克效应，当发电器热端和冷端存在温差时，会在回路中产生电流。他们摈弃了体技术，而采用了厚膜Bi2Te3 合金材料，在保持热电臂截面积与长度之比不变的条件下，缩小热电臂，提高了热电功率单位体积内的密度。同时，一个微热电发电器件连接数万个热电偶，以在低温差下获得伏特级的高电压，此微热电发电器件的另一特点是，其制造工艺结合了电化学淀积和集成电路的刻蚀工艺。实际的测试器件由2300 个热电偶连成，热电臂的长度为50μm,直径为6μm,在8.5K 温差下， 17 可以以4.1V 的电压提供22mw 的功率。实验结果表明，以上方法完全可以用于MEMS 微系统，为其提供微型电源。目前，JPL 正在研究用P 型和N 型Bi2T3, 纳米线代替厚膜合金，便用类似的方法实现更小尺寸的半导体电偶臂。 JPL 的Cross-Plane 微热电发生器件虽然能达到很高的功率密度值，但是某些应用场合却需要更低的微瓦级功率，如小型传感器和放大器线路的供电。另外这种Cross-Plane 结构固有的缺点就是，热电偶臂之间的金属导流层不容易制造。 当然发电器的结构还有很多，如自停止多晶硅金属结构微热电发电器等等，但是就我们目前的选取的几种经过上述分析比较得出的结果是:微卷式热电转换器热损失比较小，对热能的利用率比较高，但其微加工比较困难;同时由于热电材料沿温度梯度方向线性串联排列，每一部分热电材料的温差事实上不大，使其产生的功率也受到了限制。薄膜式热电发电方案从微加工技术方面来说是比较成熟的，其体积尺寸也比较小(但其产生的功率普通较低，一般只有微瓦级热电堆的PN 结相对于温度场是并联结构，每一对PN 结均有相同的温差，故每一对PN结串联后，产生的功率相对较大另外，其热源腔可以设计得相对较大，燃料的燃烧，温控等相对容易，但其热损失比微卷式发电器要大。 我们在这里选择热电堆式热电发生器作为热电电源的核心部件来设计。 3.2 余热发电器模块的设计 热电堆式微小型热电发电器主要包括上下导热覆盖片、导流片、焊料层、PN结电偶臂和输出导线等部分。微小型热电发电器的输出功率和效率受到接触内阻、汤姆孙效应和温度变化的影响以及导热覆盖片、导流片和焊料层对导热系数的影响(该设计中由于体积较大，故可忽略焊料层对导热系数的影响)。 热电发电器模块的设计主要包括水流道、气流道和热电发电偶臂的结构设计。设计这个模块的整体形状要以热量的最大利用为目标。 我考虑过的形状有:微卷式(SwissRoll)、热电堆和薄膜热电发电器 。微卷式(SwissRoll)热电转换器热损失比较小，对热能的利用率比较高，但其微加工比较困难所以没有采用。由资料可知:薄膜式热电发电方案从微加工技术方面来说是比较成熟的，其体积尺寸也比较小，但其产生的功率普遍较低， 18 一般只有微瓦级，所以在设计中也没有予以采用。而热电堆的PN结相对于温度场是并联结构，每一对PN 结均有相同的温差，故每一对PN结串联后，产生的功率相对较大，最终选择了热电堆式热电发电器作为热电电源的核心部件来设计。设计流道是以热量的最大利用为目标的，所以我考虑到了“双管形热电发电器”和“方形热电发电器”，双管形热电发电器的热量利用率虽然比方形热电发电器要高，但其应用于实际当中制作方面要求较高而且维修不方便，方形热电发电器不但具有较高的热利用率而且后期用于实际中制作方便，维修简单，所以最后在我和老师的讨论下决定设计方形热电发电器模块。 下面我以简图的形式来介绍一下方形热电发电器电偶臂的具体组成: 图 3-6 方形热电发电器电偶臂 下面的是余热发电器系统的水、气流向简图: 图 3-7 发电器系统的水、气流向简图 19 3.2.1 通气管道的结构设计 位于发电器模块中心的是一通气管道，材料为导热较好的铜，在管道的内部加了一井字形的材料为铜的导热肋板，提高整个管道的导热率，提高整体的热利用率。 图3,8 通气管道 位于通气管道外面的是连接通气管道，其材料为铝合金(4.5,Cu，1.5%Mg，0.6%Mn),其安装方式是为底部四边用75,和95,的铅锡合金焊接在通气管道的四边上。通气管道的这种隆起设计是为了将尾气分散导入通气管道，避免尾气堵塞，也可以将尾气中的余热更好的被铜片吸收传递给导热层，提高热利用率。 20 图3-9 通气管道连接零件 3.2.2 通水管道的结构设计 位于通气管道外面的是两对尺寸不一但形状一样的通水管道，其材料为铝合金(4.5,Cu，1.5%Mg，0.6%Mn)，该管道的元件有:2个管道接头、三块铝合金板(两块小的规格为:182.8*20*2,还有一块大的规格为:405.6*104*2)。 管道的制作步骤为:管接头用75,和95,的铅锡合金焊接在打好孔的小铝合金板上，焊接时避免产生空隙，防止以后漏水的现象产生，然后将那块大的铝合金按照图纸折好，用75,和95,的铅锡合金焊接好，最后整体焊接，最后水检查看是否有漏水现象的产生，及时将漏水处的漏洞修补好，以备以后正常使用。 21 图3,10 通水管道(1) 通水管道(2)的制作方式是一样的，只是材料的规格不一样的，总的一点要求就是:焊接完毕后进行水检，查看何处漏水，及时进行修补，避免后期漏水。 22 图3,11 通水管道(2) 3.2.3 余热发电器的设计 发电电偶臂主要包括导热覆盖基板、导流层和电偶臂三部分。当电偶臂两端存在温差时，P、N 结两种不同热电材料将产生塞贝克(Seebeck)效应，故而在回路中产生电流。 图 3,12 电偶臂的理论图形 位于通气管道和通水管道的中间是PN 电偶臂热电发电器，一对PN 电偶臂热电发电器主要包括电绝缘导热覆盖片、导流铜片和PN 电偶臂，导热覆盖层采用95,的氧化铝陶瓷，导流层为导铜片，焊料层为75,和95,的铅锡合金以及导 23 电银胶和耐高温银胶。电偶臂材料是 Bi2Se3，热电发电器电偶臂截面尺寸为3mm×3mm，高度为16.4mm，电偶臂对数199对。由前面的理论分析知道，选用的热电材料赛贝克系数越高越好，同时，也希望该材料能耐高温(温差越大，热电材料的赛贝克电压就越大)。 图3-13 电绝缘导热覆盖片 24 图3-14 导流层 25 图3-15 电偶臂 电偶臂中的电流流向如下图所示: 图3-16 电偶臂中电流的流向 26 3.2.4 余热发电器的结构制作 普通热电堆式热电发电器主要包括氧化铝陶瓷片制作加工，热电材料的配制、PN半导体材料的制作，热电发电器的装配等几部分工艺，其制作工艺也呈规模化、集成化特点。 小型热电电源的结构包括陶瓷基板、铜导流层、焊料层、热电偶电偶臂以及引出导线等几部分。其加工工艺如图3,17。 下面来介绍热电发电器制作工艺: (1) 陶瓷基板的选用与制作 陶瓷基板上的导流层则主要采取覆盖铝层工艺，也有部分厂家采用渗铜工艺形成。导流层阵列见图3,18，图左和图右分别覆盖基板导流层阵列图形以及半导体电偶臂阵列结构图。根据基板导流层阵列，这里用SU-8 胶制作出焊料层掩模，见图3,19，掩模的通孔和基板导流层重合并压合紧固。然后在方形槽内注入高温导电银胶，从而形成需要的焊料层。 (2) 热电材料的选用与电偶臂的制作 和普通热电发电器热电材料制作工艺一样，将碲化铋材料以及一些添加剂按照一定比例配方，在920K 以上的高温下融化，再进行晶棒的拉制，切片，晶粒的切割等工艺，从而得到我们所需要的PN 热电电偶臂颗粒。采用专门定制的模具，见图3,20，将P 型电偶臂颗粒和N 型电偶臂颗粒间隔排列模具的方槽中。 27 图3,17 小型热电发电器加工工艺框图 图3,18 发电器覆盖基板导流层结构 28 图3,19 焊料层掩模 图 3,20 小型电偶臂阵列模具 (3) 发电器的装配与封装 将P、N 型电偶臂颗粒依次间隔排列在专用模具中后，再将模具对准氧化铝陶瓷下覆盖基板，让P、N 电偶臂对牢导流层，通过焊料层将电偶臂与覆盖层粘接在一起。然后再用焊料将导出引线与导流层出口粘接在一起。采取同样方式将上覆盖基板与电偶臂颗粒粘接。等导电胶凝固后，将发电器置于高温恒温炉中静置10 小时以上，让焊料充分和电偶臂导流层充分焊合。高温炉温度保持在450K,550K 的范围。在高温炉中静置一段时间后，将发电器取出，用电阻仪初步测试引线两端的电阻，如电阻不是无穷大(一般在1,10 欧姆的范围)，说明焊合正常。此时用高温硅胶把发电器四周封合固化，以起到保护作用。这样，热电发电器的制作就完成。该工艺与杭州建华半导体致冷器有限公合作，初步试制获得成功。 3.2.5 余热发电器的工艺设计 热电发电器电偶臂的截面尺寸一般在1mm2 及以上，颗粒尺寸相对较大，热电材料的切割相对比较容易。将PN 结电偶臂置于专用的模具中进行阵列，一般可采用手工方法，总的加工相对容易。具体流程图如图3,21。 现具体阐述如下: 在加工好带导流层的陶瓷基板后，接下来就是电偶臂的制作。由于电偶臂尺寸小，材料脆性较大，故这里采用了硅模工艺，即首先制作好一种带方孔阵列的硅模，然后注入熔融的热电材料，和发电器覆盖基板焊合后，再去除原有的硅 29 模，留下热电电偶臂。 具体硅模工艺如下:根据设计的热电发电器，制作出掩模胶片，用于光刻胶曝光。选择抛光硅片，其厚度为0.3mm~0.5mm，尺寸为8”。先清洗硅片，用氢氟酸缓冲剂作为腐蚀液去除表面的二氧化硅。然后放在涂胶机上涂一层光刻胶PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂)。光刻胶厚度达到50 微米左右。经过曝光显影，光刻胶在硅片表面形成方孔阵列，然后通过深度光刻，使硅片形成方孔阵列，该方孔阵列不是通孔而是一个方形槽阵列。然后在去除掉硅片上的光刻胶。翻转硅片，在另外一面涂上光刻胶，重复曝光显影、光刻、清洗等工作，在另一面形成方形槽阵列。两面的方形槽呈间隔排列。这就制成了我们需要的硅模。在高温炉中，分别将P 型和N 型半导体电偶臂材料置于石英容器中进行高温加热，直至熔化(熔化温度在650?左右)。然后将P 型热电材料注入到硅模一面的方形槽中。待硅模冷却，P 型材料固化后，翻转硅模，将N 型热电材料注入到硅模另外一面的方形槽中。再次待硅模冷却，热电材料固化。最后对硅模两面进行研磨，直至露出热电电偶臂，并根据需要的热电电偶臂高度，确定研磨量和研磨后硅模的厚度。经过电偶臂与焊料层的键合、发电器的切割封装后，就得到需要的热电发电器。 通过图形表示。整个工艺主要包括涂胶、曝光显影、光刻、铸模以及键合封装等工艺，主要反应了硅模和电偶臂的制作工艺。 30 图3,21 微型热发电器制作工艺流程 3.3 余热发电器模块的固定框架设计 发电器模块的固定框架的材料是:硬度较高的不锈钢材料。固定框的形状是将内部的元件包紧在一起，固定框的两端用自加工的螺丝螺母加以固定，并施加一定的锁紧力，使得内部的元件不能移动，保证整个机构能正常的工作。顶端留下一定的间隙是为了将该发电机构连接固定到车体上。具体的安装手段以及自加工的螺丝螺母的详细请看附录上的 图纸。 31 图3-22 固定框架 32 3.4 余热发电器模块和固定框架装配 通水管道 导热肋板 通气管道 道 电绝缘导热电偶臂 层、导流层 紧定框架 图3-23 余热发电器模块 装配的主要要求是:确保每一个部分紧密的结合在一起，避免产生过多间隙使得电阻增大。 3.5 余热发电器模块之间的连接部件 模块之间的连接件采用外部购买的不锈钢编织软管，购买的单位为:上海沪旋旋转接头厂，该单位供应的RL型金属软管，内管是EPDM(三元乙丙橡胶)的，耐高温高压，外表是不绣钢丝编织而成，材质:铜芯铜帽 铝丝/不锈钢丝或者是铜芯锌帽 铝丝/不绣刚丝，我现在在我的设计中选用的材质是: 铜芯锌帽、不绣刚丝外套。在该公司购买的金属软管的长度可以根据自己的需求设定，在这里软管的长度尽量可以选的短一点以节约空间，另外在汽车排放尾气管道上加工一定量的螺纹以连接该金属软管。由于在该设计中没有多少压力的要求，所以可以在一定程度上降低金属软管的压力要求，以减少软管的成本。 33 图3-24 金属软管选购表 34 第4章 总 结 在进行发动机余热发电系统设计的开始我首先了解了有关于热电的一些基础理论和国内外有关于这一领域的相关论文，认识到了这一设计对以后能源的利用有着很大的意义，同时也了解了热电发电的原理和主要计算过程，在此基础上我开始动手设计我的发动机余热发电系统的设计，首先是考虑如何将余热利用最大化，于是最开始联想到了美国普林斯顿大学研究方案的形状，但是意识到后期制作和维修方面的问题，所以没有再想下去，于是第二种方案应运而生--方形包围余热发电器，这种想法在后期的制作方面比较简单而且热利用率也比较好，不足的是比较笨重，难看，存在一点热散失。一些结构、尺寸方面还有些地方有待楼伟同学的优化。通过这次的毕业设计使我有幸接触到了很多新的领域的知识，不仅开阔了自己的眼界，而且也考验了我活用知识的能力。这次设计不仅增强我个人的自信，也培养了与他人的团结和作精神。 35 参考文献 [1] . 童志义, 赵晓东. 国外MEMS 器件现状及发展趋势. 电子工业专用设备, 2002,31(4):200-206. 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MEMS 技术的发展与应用. 半导体技术, 2003,28(1):29-32. 37 致谢 本人的学位论文是在博士生宋瑞银老师的精心指导下完成的。宋瑞银老师知 识渊博，思维开阔活跃，经验丰富，治学态度严谨，在我们做毕业设计期间，他 给我的不仅仅是学术上的知识，还有平常学习生活中无微不至的关怀和爱护。 课题的整个进行过程中还得到宋瑞银老师的全力指导。在老师的指导下使我 受益非浅，宋老师作为课题主要负责人之一，和蔼可亲，在指导工作时认真细致，善于对我的工作加以肯定和鼓励，使我不时充满信心。值此论文完成之际，特向导师致以崇高的敬意和深深的祝福! 此外,本论文在某些方面还存在欠缺,希望老师多多指导,谢谢!! 38 付:外文 机械设计 摘要 机器是机构与其他零件的组合，为了有益的用途而转换、传递或利用能量、力或者运动实例有发动机、涡轮、车辆、卷扬机、印刷机、洗衣机和电影摄影机.许多适用于机器设计的原理和力法也适用于不是真正机器的制成品，从轮毂盖和档案橱柜到仪表和核压力容器。“机械设计”这一术语比“机器设计”更为广义，它包括机器设计。而对于某些仪器，如用以确定热、流动线路和体积的热力以及流体方面的问题要单独考虑。但是，在机械设计时要考虑运动和结构方面的问题以及保存和封装的规定。在机械工程领域以及其他工程领域应用机械设计，都需要诸如开关、凸轮、阀门、容器和搅拌器等机械装置。 关键词:机械设计机构设计过程工差 设计过程 设计始于真正的或想象的需要。现有的仪器可能需要在耐用性、效率、重量、速度或成本上加以改进。可能需要新的仪器来完成以前由人做的功能，如装配或保养。目标全部或部分地确定后，设计的下一步就是构思能够完成所需功能的机构及其布置为此，徒手画草图价值极大，它不但作为一个人想法的记录和与其他人讨论的辅助手段，而且尤其适于与自己的想法交流，作为创造性思路的兴奋剂还需要有关于部件的广泛知识，因为一台新机器常常由熟知的各类零件重新安排或替换而成，也许改变了尺寸和材料。无论在构思过程中还是之后，一个设计者都会进行快速或粗略的计算或分析以确定一般尺寸和可行性。当些关于所需或可用空间量的想法确定后，可以开始按比例画草图。 最后，一项基于功能和可靠性的设计完成了，就可以制造样机了。如果测试满意，而且如果装置要大量生产，就要对最初的设计进行一定的修改以确保以较低成本大量生产。在随后几年的制造和使用期间，设计有可能因构思了新想法或者基于测试和经验基础上的进一步分析所显示的改变而改变。销售吸引力、客户满意度和制造成本都与设计有关，设计能力与工程投资的成功密切相关。 一些设计准则 在这一部分，有人建议运用创造性的态度进行的分析，这种分析可以引起重大改进以及对备用产品的构思和完善，也许产品功能更多、更经济、更耐用。创造阶段无须是最初和独立的阶段。虽然分析人员可能并不负责整个设计，但是他不仅仅是能从数字上提出要他解决的问题的正确答案，不仅仅是给出应力值、尺寸或者工作限制。他可以提出更广泛的见解，以便改进或方案。由于在分析前或分析过程中，他会熟悉装置及其工作条件，他就处于一个构思备选方案的有利位置。最好他能提出建议改变形状来消除力矩或应力集中，而不是允许构建具有 39 大截面和过多动态载荷的机构最好是他报废他的细致的设计而不是后来看到机械报废。 为了激发创造性思维，建议设计人员和分析人员使用以下准则。前6条准则尤其适用于分析人员，虽然他可能涉及到所有这10项。 1.创造性地利用所需的物理性能并控制不需要的。 2.认识实用载荷及其重要性。 3.预先考虑没有作用的载荷。 4.发明更有利的加载条件。 5.提供最小重量的最有利的应力分布和刚性。 6.用基本方程计算比例并使尺寸最优化。 7.选取材料以获得性能组合。 8.在备件和集成零件间仔细选择。 9.修改功能设计以适应生产过程和降低成本。 10.考虑装配中使部件精确定位和互不干扰。 机械设计 整个机械设计是一个复杂的过程。设计人员必须在这样的领域，如静力学、运动学、动力学和材料力学具有良好的素养，此外，还必须熟悉制造材料和制造工艺。设计人员必须能够组合所有相关的事实，进行训渭、制作草图和制图来把制造要求传递到车间。 任何产品设计的第一步工作之一是选择用于制造每个部件的材料。今天的设计人员可得到无数的。在选择时，产品的功能、外观、材料成本和制造成本都很重要。在任何计算之前必须仔细评估材料的性能。 有必要仔细计算以确保设计的有效性.计算从不出现在图上,而是由十各种原因被存起来。一旦任何一个部件失效，就要弄清楚在最初设计这个有缺陷的零件时做了什么;而且，从对过去的项目的计算中可以获得一份经验文件。当需要类似的设计时，过去的记录会有极大的帮助。 计算(和图上尺寸)的检查最为重要。一个小数点放错位置可以毁掉一个本来可以接受的项目。例如，如果一个人要设计一个能支撑100磅的托架，而它本应该能支撑1000磅，结果肯定会失败。必须检查再检查设计工作的方方面面。 40 计算机对于工作人员来讲是一个很有用的工具，可以减轻乏味的计算并且对现有数据提供扩展分析。基于计算机性能的交互系统使计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)成为可能。通过这样的系统，就可能把一个初步构思传送到打孔纸带用于数字加工控制而无须绘制正式的施工图。 实验室测试、模型和样机对于机械设计很有帮助。实验室提供了很多建立基本概念所需的信息，然而，还可用它们获得一些关于产品在现场会如何工作的认识 最后，一个成功的设计人员应尽最大努力跟上时代步伐。每天都会出现新材料和生产方法。绘图和设计人员如果不熟悉现代方法和材料就可能失去作用。一个好的设计人员应经常阅读技术期刊以跟上新的发展 工程工差 固体由其表面边界确定界限。典型地，设计人员给一个零件指定公称尺寸以使其满足其需要。实际上由于表面不规则以及固有的表面粗糙度，各个零件不能重复地做成公称尺寸必须允许尺寸有一些变化以确保能够制造。但是，所允许的变化一定不能太大以至于使装配件的性能变差。单个零件所允许的变化称为公差。 公差这一术语不仅适用于由制造工艺产生的部件尺寸的可以接受的范围，而且适用于机械或加工的输出。例如，一个给定型号的内燃机的功率每台都有所变化。实际上，我们常常发现这种变化模型会是频率分布曲线，例如t.态分布(又叫高斯分布)。设计人员的工作之一就是给一个零件指定尺寸和允许的变化，这个值能够产生可以接受的性能。 零件公差 当图中没有指定确切尺寸时，大多数组织都有适用于尺寸的通用公差。对于加工尺寸，通用公差可能是?0.5毫米。因此，被指定为15.0毫米的尺寸的范围可以是14.5毫米到15.5毫米之间。其他通用公差可以适用于如角度、钻孔和冲孔，铸件、锻件、焊缝和焊角等情形。 在给一个零件指定公差时，可以参考以前的图或一般的工程实践。典型的公差被指定为英武成JSO标准所定义的幅度。对于一个给定公差，比如H7/s6，对于正在研究的零件尺寸就有一组与图表对应的数值可用。下面这段将给出关于装入孔内的轴或柱形配合的具体例子。 孔和轴的标准配合 一项标准的工程工作是确定一个柱形零件的公差，比如安装在一个相应的筒形零件或孔内的(或者是在其内部旋转的轴配合的松紧取决于应用例如，一个定位在轴上的齿轮就需要“紧”的静配合，这里轴的直径实际上比齿轮毅的内径稍微大一些以便能传递所需的扭矩。再者，滑动轴承的直径必须大于轴的直径以使其旋转。假定从经济上讲不能把部件制造成精确的尺寸，轴和孔尺寸上的大小变化就必须确定。但是，变化的范围不应太大以免装配时受损 41 为了不至于有无穷无尽的被指定的公差尺寸，已经制定了国家和国际标准确定了公差带，比如hll/cll。为了使用这一资料，给出了传统公差使用中的定义。通常使用的是基孔制，因为这会使公司内部所需的钻头、绞刀、拉刀和计量工具种类的减少。 尺寸:以专用单位表示尺寸数字值的数。 实际尺寸:通过测量得到的部件尺寸。 尺寸极限:零件允许的最大和最小尺寸。 最大尺寸极限:两个尺寸极限中较大的。 最小尺寸极限:两个尺寸极限中较小的 基本尺寸:用以固定尺寸极限的参考尺寸 偏差:一个尺寸与其对应的基本尺寸的代数差 实际偏差:实际尺寸与其对应的基本尺寸的代数差。 上偏差:最大尺寸极限与其对应的基本尺寸的代数差 下偏差:最小尺寸极限与其对应的基本尺寸的代数差 公差:最大尺寸极限与最小尺寸极限的差值。 轴:指定一个部件所有外部特征的惯用术语 孔:指定一个部件所有内部特征的惯用术语。 初步设计产生满足指定需求的解决方案。初步设计可以代表组成整个系统的所有子系统和零部件的总和。Ion和Smith把初步设计描述为由一系列形成和评估阶段组成的一个反复的过程，各阶段合在一起形成好的解决方案。在反复的每一阶段，构思更加详细，可以更全面的评估。 产生尽可能多的或经济便利的构思和想法是重要的。有一种诱惑，让你接受第一个有希望的构思并进行详细的设计直到最终产品。应该抵抗这种诱惑，因为这样结果总会更好些。值得一提的是，或早或晚你的设计会不得不与那些来自其他制造商的设计竞争，因此产生研制的思想应谨慎。 产生了想法和构思后，下一步就是对它们进行评估并选择最佳构思(一种评估方法是使用列表矩阵。矩阵由一系列准则组成(构思必须借助它们打分。如果合适，准则的重要性可以加权，最适合的构思会具有最高总分。这一方法提供了组织的评估技术(而且使团队内的个人很难推行他们自己的不合理的想法。 42 产生了初步的解决方案，下一步就是表达它们，以便它们能与所有涉及总体设 计过程的人交流实际上，这一步可以采用绘制草图或三维模型的形式，既可是物 理模型也可是计算机生成的模型。到总草图己经完成并进行计算来确定解决方案 对于产品设计规范的兼容性时，细节设计阶段的基础就已建立起来了。 Mechanical Design Abstract: A machine is a combination of mechanisms and other components which transforms, transmits, or utilizes energy, force, or motion for a useful purpose. Examples are engines, turbines, vehicles, hoists, printing presses, washing machines, and movie cameras. Many of the principles and methods of design that apply to machines also apply to manufactured articles that are not true machines, from hub caps and filing cabinets to instruments and nuclear pressure vessels. The term "mechanical design" is used in a broader sense than "machine design" to include their design. For some apparatus, the thermal and fluid aspects that determine the requirements of heat, flow path, and volume are separately considered. However, the motion and structural aspects and the provisions for retention and enclosure are considerations in mechanical design. Applications occur in the field of mechanical engineering, and in other engineering fields as well, all of which require mechanical devices, such as switches, cams, valves, vessels, and mixers. Keywords: Mechanical Designmechanisms Design Process Tolerance Design process The design begins from real of or the demand of imagination.The existing instrument may need to take in to improve on the enduring, efficiency, weight, speed or the cost.May need new instrument to complete before function done by person, such as Assemble or maintain.The target is all or partly after making sure, design of the next move is to conceive outline the organization that can complete the function needed and it arranges for this, drawing grass diagram to be worth barehanded biggest, it isn't only one personal record of viewpoint with with others discussion of 43 assistance means, and be suitable for to communicate with own viewpoint particularly, is the stimulant which creates sex way of thinking to still need extensive knowledge concerning parts, because a the set new machine usually from be familiar with of each kind of spare parts reschedule or substitute but become, changed size and material perhaps.Regardless at conceive outline process in still after, a design will carry on a fast or rough calculation or analyze to make sure regulation size and possibility.When some concerning need or can use amount of space of viewpoint assurance after, can start pro rata painting grass diagram. Finally, 1 completed according to the design of the function and the credibility, can make kind machine.If test satisfied, and if the device wants mass production, will to the first design carry on a certain modification to insure with lower cost mass-produce.Later on several years of make and use a period, design probably because of conceive outline new viewpoint perhaps according to test and experience foundation of further analytical the change shown but change.Sell attraction, customer's satisfaction and manufacturing costs to all have something to do with design, the success which designs ability and engineering investment is closely related. Some design standards At this part, someone suggests the attitude of the usage creation carries on of analysis, this kind of analysis can cause a graveness improvement and to back up the product conceive outline with perfect, perhaps the product function is more, more economic and more enduring.Creating the stage's needing not is first with independent stage.Although analyze personnel the whole probably irresponsible design, he isn't only the right answer of[with] problem that can be from the numeral put forward wanting him to resolve only, not only only is give should dint value, the size works to limit perhaps.He can put forward more extensive views, for the purpose of improvement norm or project.Because in the analysis the front or the analysis the process, he will acquaint with to equip and its work condition, he is fully placed in a beneficial position which conceives outline to choose a project.Best he can put forward a suggestion change shape to Elimination moment of force or should dint concentration, not allow to set up to have to cut the organization that noodles and excessive dynamic state carry a lotus greatly best is he discards his meticulous of design but is not see a machine discard afterwards. For stiring up to create sex thinking, the suggestion designs a personnel and analytical the personnel use following standard.6 ex- standards are particularly applicable to an analysis personnel, although he may involve to all this 10. 1.Create the physical function that sex land utilization need when using combine the control don't need. 2.Know practical carry lotus and its importance. 44 3.Consider in advance there is no function carrying a lotus. 4.Invent to add to carry a condition more beneficially. 5.Provide minimum weight the most beneficial of distribute in response to the dint with rigid. 6.Use a basic and square distance calculation a comparison and make size superior to turn. 7.Select by examinations material to acquire a function combination. 8.At spare parts and integrated spare parts careful choice. 9.Modify a function design with the orientation production line and decline low cost. 10.Consider to make parts accurate to position in the assemble with with each other not interference Mechanical Design The whole machine design is a complicated process.Designing the personnel have to at thus of realm, such as calm down mechanics, kinetics, dynamics and material mechanics have good cultivated manners, have to also acquaint with manufacturing material and make a craft in addition.Designing the personnel has to can combine all related facts, carrying on Teaches Wei and creating grass diagram and graphics to come to deliver the manufacturing request to the car. The square one that any product designs works it an is the material that the choice useds for making each parts.The design personnel of today can get an innumerable.While choosing, function, external appearance, material cost and manufacturing costs of product are all very important.Had to be careful to evaluate the function of material before any calculation. It is necessary a careful calculation with the usefulness of insuring the design.Compute to never appear on the diagram, but from ten various reason be saved.Once the whichever parts loses efficacy, will clear up to do what while designing this defective spare parts at the beginning;And, can acquire an experience document from compute past item.While needing the design for ising similar to, the past record will have a tremendous help. The check of computing(with diagram top size) is the most important.A decimal point's mislaying position can ruin an original and acceptable item.For example, if a person wants to design a bracket that can prop up 100 pounds, but it should can prop up 1000 pounds originally, the result affirmation will fail.The square aspect noodles had to check a check to design again a work. The calculator speaks to is an of great use tool for the staff member, can ease a dull calculation and provide to expand analysis to the existing data. Hand over system to make the calculator assistance design(CAD) with each other according to the calculator function and the calculator lend support to a manufacturing(CAM) to make possible.Pass thus of system, may conceive outline a first step to deliver to beat bore paper to take to 45 used for numeral to process control but need not to draw formal construction diagram. The machine design for the laboratory test, model and kind machine is very helpful.The laboratory provided a lot of build up basic concept need of information, however, can also acquire with them some concerning product how on the spot would the understanding for working. Finally, a design personnel of success should offer the step that the utmost effort keeps up with ages.Will appear new material and produce a method everyday.If painting and design personnel's don't acquainting with modern method and material may put out action.A good design personnel should usually read technique periodical to keep up with a new development The engineering work is bad The solid is made sure boundary by its surface boundary.Typical model ground, design a personnel to specify Mr. to call size to a spare parts to make it contented its demand.Actually because of the surface irregular and proper surface rough degree, each spare parts can't make into Mr. to call size's hasing to allow size to have some varieties can make with insuring repeatedly.But, the variety allowed can't certainly too big with as for make to assemble the function of the piece to become bad.Single the variety allowed by spare parts is called business trip. Business trip this technical term not only is applicable to from the acceptable scope of the parts size of[with] manufacturing craft creation, but also is applicable to a machine or processes of exportation.For example, a give already set number of thepower each pedestals of I.C. engine have variety.Actually, we usually discover this kind of variety model will be a frequency to distribute curve, for example t.The distributes.(call the Gauss distribute again)One of the work which designs a personnel is the variety which specifies size for a spare parts and allows, this value canproduce acceptable function. Spare parts business trip When there is no appointed accurate size in the diagram, most organizations all have in general use business trip of being applicable to the size.For process size, in general use business trip's maying be a ? is 0.5 millimeters.Therefore being specified to 15.0 millimeter scopes of sizes can be of 14.5-15.5 millimeters.Other in general use business trips can be applicable to such as the angle and drill a hole with blunt bore, The casting, the forging, the welded joint and weld the angle) etc. situation. Can make reference to the diagram of past or general engineering to practice while giving the appointed business trip of a spare parts.The business trip of typical model's ising specified is martial become JSO standard define of range.Give to settle business trip to 1, for example H7/s 6, can use for being studying of spare parts size having 1 set and chart to shoulding of number.Underneath this will give concerning pack 46 into inside bore of the concrete example with the stalk or the pillar form match. The standard match of bore and stalk A standard of the engineering work is the business trip which makes sure a pillar form spare parts, installing for example in a tube form spare parts or bore for corresponding of.perhaps is the stalk which revolves in its inner part to match with of loose be decided by application tightly for example, a wheel gear which positions on the stalk needs to be"tight" of quiet match, here stalk of the diameter compares wheel gear actually of inside path a little bit a little bit big in order to can deliver need of Torque .Furthermore, the diameter of glide bearings has to be big in the diameter of the stalk to make it revolve.On the supposition that speak to can't become the accurate size to the parts manufacturing from the economy, all of the variety of stalk and bore size have to make sure.But, variety of scope shouldn't the too big in order to prevent assemble hour damaged For being unlikely to there is everlasting drive appointed business trip size endlessly, have already drawn up national and international standard to make sure business trip to take, for example hll/cll.For using this data, gave the definition in the traditional business trip usage.Usually what to use is the Basic hole system, because this meeting makes company internal auger needed, wring knife and pull knife and calculate the decrease of tool category. Size:Mean the number of the size numerical value by appropriation unit.Actual size:The parts size got through a diagraph Size extreme limit:The spare parts allows of biggest with most baby size. The biggest size extreme limit:Bigger in two size extreme limits Most baby size extreme limit:Smaller in two size extreme limits of Basic size:Fix the reference size of size extreme limit in order to Deviation:A size with it to should of the algebra of basic size bad Actual deviation:Actual size with it to should of the algebra of basic size bad. Last deviation:The biggest size extreme limit with it to should of the algebra of basic size bad Descend deviation:Most baby size extreme limit with it to should of the algebra of basic size bad Business trip:The biggest size extreme limit with most the bad value of baby size extreme limit. Stalk:Specifying an exterior characteristics with all parts consistently uses technical term Bore:Specify a parts all internal characteristics to consistently use technical term. The initial design creation satisfies appointed demanding solution.The initial design can represent all sub- systems of 47 constituting the whole system with the total of zero partses.Ion and Smith describe an initial design for is become by a series and evaluate a stage to constitute of an iterative process, each stage matches together to become a good solution.At each iterative stage conceive outline more in detail, can more overall valuation. Produce possibly many of or the economy is convenient of conceive outline and the viewpoint is important.There is 1 kind to lure, let you accept the first hopeful conceive outline and carry on a detailed design until end product.Should resist this kind of come-on, because of so as a result the head quarter is more quite a few.Well worth mentioning BE, or early or late your design would have to with those designs competitions which come from other manufactories, so the creation develop of the thoughts should be careful. Is to them to carry on valuation to combine choice next move after producing viewpoint and conceiving outline the best conceive outline.a kind of valuation method is to use row watch matrix.The matrix constitutes to?from a series of standard. conceive outline have to ask for help them to beat a cent.If suitable, the importance of the standard can add power, conceiving outline most in keeping withly will have a tallest total cent.This method provided a built-up valuation technique. and make personal viewpoint that can hardly promote their own absurdity in the team. Produced the solution of first step, the next move was to express them, in order to they ability and all involve total design process of the persons communicate actually, this one step can adopt forms of drawing the grass diagram or 3D models, since but physical model also but the calculator born model. Of the total plan has been completed and calculated to determine solutions for product design compatibi-Lity, details of the design phase had been created. 48