“滑屏電視”的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程化應(yīng)用

高西成，陳偉雄

（創(chuàng)維集團(tuán)研究院，廣東深圳 518108）

0 引言

隨著平板電視的日益普及以及人們對(duì)生活品質(zhì)追求的不斷提高，消費(fèi)者對(duì)平板電視的外觀要求也越來越高。將電視產(chǎn)品真正融入到不同環(huán)境的設(shè)計(jì)格調(diào)，實(shí)現(xiàn)家電與環(huán)境的完美和諧，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方向，據(jù)調(diào)查，大多數(shù)消費(fèi)者都喜歡簡潔、大方的電視外觀造型。所以，可隱藏音箱的“滑屏電視”概念也就應(yīng)運(yùn)而生。所謂滑屏電視，就是在電視關(guān)機(jī)或待機(jī)的時(shí)候，音箱能自動(dòng)滑動(dòng)，隱藏到屏的后面，也可以看作是屏相對(duì)滑動(dòng)，把音箱遮蓋起來，從而使外觀看起來更簡潔，與周圍的環(huán)境更和諧。

1 產(chǎn)品分析

42L31 滑屏電視就是基于這種理念下設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。

這個(gè)造型的特征是：外觀造型整體包邊設(shè)計(jì)，其最主要的特征是音箱的滑動(dòng)方式，當(dāng)電源開啟時(shí)音箱滑下，露出喇叭部分，當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)音箱收起，隱藏喇叭部分，使電視外觀看起來更加干凈簡潔和趨于整體，給人感覺高貴華麗，具有科技感。（如圖1）。

圖1 造型特征

通過分析，這個(gè)機(jī)型具體的功能結(jié)構(gòu)要求如下：

（1）平板電視的音箱部分可隱藏；

（2）音箱部分實(shí)現(xiàn)電動(dòng)升降，要求運(yùn)行平穩(wěn)，噪音符合國家環(huán)保要求；

（3）要求實(shí)現(xiàn)在電視開機(jī)的時(shí)候，音箱能自動(dòng)下降伸出來，關(guān)機(jī)或者待機(jī)時(shí)音箱能自動(dòng)縮回去；如果在上升或者下降的過程中，遇到障礙，它能自動(dòng)停住；

（4）要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)置在機(jī)器的里面，結(jié)構(gòu)緊湊簡單，安裝方便，有一定的成本要求。

為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品外觀和具體結(jié)構(gòu)功能要求，此機(jī)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是如何把運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用到平板電視的整機(jī)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的工程化應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品批量生產(chǎn)。

2 方案設(shè)計(jì)

在機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是指利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)構(gòu)。為了滿足產(chǎn)品整機(jī)功能結(jié)構(gòu)要求，實(shí)現(xiàn)音箱根據(jù)需要自動(dòng)升降，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)主要是帶動(dòng)音箱升降的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思路是通過分析音箱升降的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，結(jié)合電視產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，把類似機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用到電視整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

2.1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)

機(jī)構(gòu)需要滿足的參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)如下：

1）機(jī)構(gòu)能負(fù)載4～5 kg，音箱的外形尺寸為1 054 mm×60 mm×62 mm；

2）成套機(jī)構(gòu)負(fù)載噪音不超過60 dB；

3）機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，在不受外力的情況下可以自鎖；

4）機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，精確度高，能夠合理地配合在整機(jī)上；

5）機(jī)構(gòu)經(jīng)受連續(xù)往復(fù)升降2萬次耐久性試驗(yàn)后，仍能正常工作；

6）機(jī)構(gòu)負(fù)載升至最高位置時(shí)，電機(jī)停止工作后，負(fù)載物向下的空行程不超過0.5 mm；

7）機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電視音箱做勻速直線運(yùn)動(dòng)，行程為36 mm，速度為9～12 mm/s。

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇

可以實(shí)現(xiàn)直線升降機(jī)構(gòu)的有很多，比如有利用鋼絲和滑輪的繩輪結(jié)構(gòu)，齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲缸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、當(dāng)然還有利用氣缸或者液壓傳動(dòng)等等，不同機(jī)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)[1]。

液壓、汽缸等方式因?yàn)槌杀竞蛣?dòng)力源的問題，所以暫不考慮。

絲杠傳動(dòng)是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過絲母轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，由絲杠傳動(dòng)，可獲得比較高的精度和平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。但是由于此種結(jié)構(gòu)的音箱較長，且由于造型本身的限制，所以也不予考慮。

最后可選方案：繩輪結(jié)構(gòu)和齒輪齒條方式。

繩輪結(jié)構(gòu)在應(yīng)用在汽車上的電動(dòng)玻璃升降比較普遍（見圖2）。這種結(jié)構(gòu)一般由滑輪、鋼絲繩、張力器、張力滑輪等組成，它通過驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)拉鋼絲繩來控音箱的升降，電動(dòng)機(jī)的輸出部分是一個(gè)塑料繩輪，繩輪上繞上鋼絲繩，鋼絲繩上裝有滑塊，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)繩輪，帶動(dòng)鋼絲繩卷繞，鋼絲繩上的滑塊帶動(dòng)音箱，使之沿導(dǎo)軌作上下運(yùn)動(dòng)。通過改變電動(dòng)機(jī)電機(jī)極性，使其作正反向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)作上下運(yùn)動(dòng)[2]。此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，噪音小。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，對(duì)導(dǎo)軌的要求較高，在生產(chǎn)的時(shí)候需要對(duì)繩子作張緊，不易控制，而且此種結(jié)構(gòu)音箱和主機(jī)面殼兩邊有配合，且音箱較長，需要兩條導(dǎo)軌才能升降較為平穩(wěn)，從而增加安裝的難度及成本，最后只好放棄。

圖2 汽車玻璃升降器

齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一，應(yīng)用也最為廣泛。齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是：傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，工作可靠、效率高、壽命長，成本較低，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳遞功率可以從很小至幾十萬千瓦；速度最高可達(dá)300 m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至二十多米。但是齒輪嚙合傳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲，齒輪配合精度要求較高。根據(jù)以上特點(diǎn)，結(jié)合導(dǎo)軌的實(shí)現(xiàn)方式，最后選擇了齒輪齒條的傳動(dòng)方式。（見圖3）

圖3 齒輪齒條傳動(dòng)模塊

如圖3，把傳動(dòng)部分做成一個(gè)模塊，方便安裝，便于生產(chǎn)。把牙箱、導(dǎo)軌、以及長軸的軸承座固定在一塊比較平整的鐵板上。這個(gè)模塊在整機(jī)前先組裝好，在整機(jī)生產(chǎn)時(shí)，把這個(gè)模塊固定在LCD 屏后面的大固定片上，齒條的一端固定在音箱的后殼上。定位好相對(duì)位置后就可以安裝了。

2.3 方案總述

此機(jī)構(gòu)以直流電為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)微型電機(jī)，帶動(dòng)減速齒輪組，通過齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)并配合導(dǎo)軌等其他機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電視音箱緩慢地做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)（見圖4）。

圖4 整機(jī)裝配圖

如圖4 所示，利用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)音箱做上下升降運(yùn)動(dòng)。這個(gè)機(jī)構(gòu)主要由一個(gè)馬達(dá)和一個(gè)齒輪減速箱，兩個(gè)齒輪齒條機(jī)構(gòu)，以及相互配套的導(dǎo)軌和軸承組成，減速箱輸出齒輪由一條長軸相連，長軸的兩端固定著兩個(gè)齒輪。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過減速箱帶動(dòng)長軸兩端的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒條隨著導(dǎo)軌做上下滑動(dòng)。齒條的一端固定在音箱上，連著音箱一起做上下升降運(yùn)動(dòng)。齒條本身就是滑塊，導(dǎo)軌固定在模塊的鐵板上。軸的兩邊靠近齒輪處安裝了兩個(gè)軸承座，保證了齒輪和齒條的嚙合良好（見圖5）。

2.4 減速箱的設(shè)計(jì)和說明

圖5 齒輪齒條配合示意

齒輪減速箱是此機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出模塊，是實(shí)現(xiàn)速度要求的關(guān)鍵。具體見圖6，馬達(dá)帶動(dòng)蝸桿，經(jīng)過四級(jí)減速達(dá)到輸出軸所需要的轉(zhuǎn)速。這里的蝸輪、蝸桿用的材料為PC；其余齒輪的材料為POM。蝸輪蝸桿的傳動(dòng)可以傳遞垂直軸的減速傳動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)自鎖。在第一級(jí)減速齒輪中兩個(gè)齒輪組成復(fù)齒輪，小齒輪與大齒輪的連接有彈性元件連接作離合，無論齒輪正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的時(shí)候，都可對(duì)齒輪串和電機(jī)作出保護(hù)。

圖6 減速齒輪箱示意

本方案以微型電機(jī)為動(dòng)力，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇是否合理在很大程度上決定了整個(gè)機(jī)器的功能實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行的平穩(wěn)性等特征是否能保證。此機(jī)構(gòu)不僅對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有一定的要求，而且還要求在整個(gè)過程中電機(jī)能夠順利的完成正反轉(zhuǎn)的功能。其次，電機(jī)的力矩要比較大，并且要能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖。力矩太小，可能帶不動(dòng)齒輪齒條；或者是即使能帶動(dòng)但不能實(shí)現(xiàn)自鎖，當(dāng)電機(jī)斷電的時(shí)候齒輪就會(huì)在機(jī)身重力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不精確和系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好。

2.5 計(jì)算與說明

音箱行程為36 mm，速度為3 s，所以升降速度為12 mm/s。

電機(jī)輸出軸與蝸桿連接，采用齒輪四級(jí)減速。最后輸出的齒輪分度圓的直徑定為d=16 mm，模數(shù)m=1，z=16 （d=mz=16 mm），齒條長度為220 mm。

有關(guān)轉(zhuǎn)速的粗略計(jì)算：

L=2×3.14×8=50.24（mm），此即為齒輪轉(zhuǎn)一整圈的行程。

n=36/50.24/3×60=14（r/min），即減速箱輸出的轉(zhuǎn)速為14 r/min。

這是空載情況下，電機(jī)經(jīng)過齒輪減速箱后的輸出轉(zhuǎn)速，再根據(jù)這個(gè)轉(zhuǎn)速，來分別確定電機(jī)，以及設(shè)計(jì)分配各級(jí)齒輪減速的變速比。選擇的電機(jī)額定電壓12 V；空載轉(zhuǎn)速為（5 000±500）r/min，然后經(jīng)過齒輪的四級(jí)變速后，減速箱的輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到14 r/min的設(shè)計(jì)要求。

3 工程化問題及解決措施

3.1 誤差問題

導(dǎo)軌與滑塊的問題。因?yàn)閭鲃?dòng)裝置是齒輪齒條傳動(dòng)。齒條與滑塊為一個(gè)零件，在齒輪的驅(qū)動(dòng)下在導(dǎo)軌上滑動(dòng)。導(dǎo)軌與滑塊的精度也直接決定了齒輪與齒條嚙合的精度，從而決定了音箱運(yùn)行是否平穩(wěn)。如果滑塊與導(dǎo)軌之間太緊湊，就會(huì)使運(yùn)動(dòng)阻力太大從而不夠平穩(wěn)；反過來，如果縫隙太大的話必然會(huì)使機(jī)身左右晃動(dòng)，使齒輪與齒條間的縫隙變大，超過一定的程度以后必然會(huì)出現(xiàn)齒輪卡住等一系列問題。因此對(duì)導(dǎo)軌與滑塊的精度及其配合精度要求比較高。

最終選擇了導(dǎo)軌用加工精度比較好的鋁型材來做。齒條用鋁為原材料，機(jī)加工，這樣較好的保證了精度。齒條也可以采用尺寸穩(wěn)定性較好的PC料。

3.2 磨損問題

同樣是滑塊的問題，齒條滑塊和導(dǎo)軌的材料都是鋁，由于滑塊與導(dǎo)軌之間是滑動(dòng)摩擦而不是滾動(dòng)摩擦，因此如果導(dǎo)軌和滑塊受力不是很均勻的話，就會(huì)導(dǎo)致磨損使滑塊與導(dǎo)軌之間的縫隙變大，使齒條發(fā)生偏離，從而可能會(huì)影響齒輪的運(yùn)動(dòng)。

克服這一問題的最主要的辦法就是加潤滑劑，不同的材料就要選用不同的潤滑劑，比如對(duì)于鐵或是鋼等，就要用潤滑脂來潤滑，對(duì)于鋁用石墨來潤滑會(huì)好些[3]。還有一種方案就是導(dǎo)軌采用鋁型材，齒條采用硬度比較硬的PC，金屬與工程塑料的摩擦，磨損會(huì)好一點(diǎn)。

3.3 噪音問題

減速箱的噪音是一個(gè)比較棘手的問題。齒輪之間配合間隙過大，或者齒面有損傷、齒形不準(zhǔn)，精度等級(jí)不夠，都有可能造成減速箱產(chǎn)生噪音。任何齒輪傳動(dòng)都會(huì)有聲音，齒輪的精度越高，齒輪傳動(dòng)就越平穩(wěn)，因此噪音相對(duì)較小。

在面對(duì)齒輪箱出現(xiàn)噪音問題時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體原因具體分析，出現(xiàn)的聲音不同，其原因也不同。

在設(shè)計(jì)齒輪的時(shí)候，第一級(jí)的齒輪組因?yàn)楦咚俸托枰獪p少噪音的關(guān)系，所以多為0.5模。但是越接近動(dòng)力輸出的齒輪，模數(shù)就越大，多為0.8～1.0模，因?yàn)樾枰惺茌^大的壓力。

如果減速箱的齒輪傳動(dòng)時(shí)噪音很大，但是聲音很均勻，這說明齒輪本身沒有問題，要檢查是否配合間隙過大，選用的材質(zhì)及熱處理是否合理，設(shè)計(jì)時(shí)齒輪的重合度是否合理，是否存在共振等等原因。

如果在傳動(dòng)中突然有異音出現(xiàn)，周期性的或非周期性的，需要檢查齒面有否有損傷，齒輪裝配是否傾斜，是否有異物等等原因。

3.4 音箱升降過程中碰到障礙物的問題

為了使用者的安全，音箱在上升的過程中如果遇到阻礙物，要求能自動(dòng)停止，并重新啟動(dòng)后再回原位。電路的初步設(shè)計(jì)為當(dāng)音箱受到障礙物時(shí)，電機(jī)的電流會(huì)瞬間升高，軟件通過檢測到電流超過設(shè)定值時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷電，音箱依靠電機(jī)的自鎖停在原處。行程的控制也是如此，音箱上升到頂時(shí)，會(huì)頂住主機(jī)部分，而停住；音箱下降時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)行程36 mm 時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限位塊會(huì)擋住音箱，防止其繼續(xù)下降，這時(shí)電流增大，自動(dòng)斷電。

3.5 安裝精度問題

最終機(jī)器能平穩(wěn)滑動(dòng)，也需要取決于整個(gè)機(jī)構(gòu)模塊的安裝機(jī)構(gòu)，所以安裝模塊時(shí)，需要很好的與屏后的PCB 固定鐵板定位固定連接；齒條與音箱后殼的裝配也需要設(shè)計(jì)定位連接。模塊安裝的精度特別是導(dǎo)軌的平行度可能會(huì)影響到音箱的配合，也會(huì)影響齒輪齒條的配合，滑塊導(dǎo)軌的配合。

4 結(jié)論

經(jīng)過樣機(jī)的制作和測試證明此方案是可行的，并且可以達(dá)到批量生產(chǎn)的工藝性和成本要求。當(dāng)然因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)涉及到機(jī)械傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌等一些相對(duì)比較精密的配合，所以，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用設(shè)計(jì)，必須要解決好結(jié)構(gòu)配合精度問題，尤其要考慮量產(chǎn)時(shí)的安裝精度和生產(chǎn)效率的問題。在此基礎(chǔ)長進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，“滑屏電視”的應(yīng)用一定會(huì)更可靠、更經(jīng)濟(jì)，更富有創(chuàng)意。

［1］朱孝錄.中國機(jī)械設(shè)計(jì)大典：第四卷.機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)［M］.江西：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

［2］Camel.電動(dòng)玻璃升降器的結(jié)構(gòu)［EB/OL］.www.aojauto.com.

［3］李華敏.齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.