基于非接觸式薄型IC卡發(fā)票機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì)

楊如軍，徐駿善，劉玉偉

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094)

0 引言

隨著全球城市軌道交通的快速發(fā)展，AFC系統(tǒng)設(shè)備中自動(dòng)售票設(shè)備對車票發(fā)售模塊的需求也不斷增加，對該模塊技術(shù)規(guī)格的要求也不斷提高［1］。近年來國內(nèi)軌道交通進(jìn)入了快速發(fā)展階段，特別是北京、上海、廣州、南京等地。由于目前國內(nèi)應(yīng)用的地鐵售票機(jī)多為國外技術(shù)，故成本特別高，近些年來國家也開始加大了自主研發(fā)力度。

本文主要根據(jù)某市地鐵設(shè)計(jì)的要求，自主設(shè)計(jì)了一款新型的薄卡發(fā)卡裝置，其中票箱的升降機(jī)構(gòu)是較為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)。在國內(nèi)現(xiàn)用的發(fā)票機(jī)構(gòu)中，多數(shù)為滾珠絲杠結(jié)構(gòu)。但滾珠絲杠結(jié)構(gòu)承載能力比較低，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中噪聲比較大，而且其加工成本很高，不利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最優(yōu)原則［1］。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一款彈簧式的升降機(jī)構(gòu)，利用彈簧的張緊力，來控制票箱的升降。這種純機(jī)械式的結(jié)構(gòu)大大降低了機(jī)構(gòu)的成本。由于這種結(jié)構(gòu)對彈簧的要求比較高，需要精確的計(jì)算與驗(yàn)算。

1 機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，設(shè)計(jì)了一款新型的TVM，其票箱升降機(jī)構(gòu)如圖1。車票發(fā)送升降機(jī)構(gòu)利用彈簧張緊的方式拉動(dòng)升降機(jī)構(gòu)的托板，將票箱內(nèi)的車票壓緊到刮卡機(jī)構(gòu)底板上，供刮卡機(jī)構(gòu)刮票［2］。

圖1 票箱升降機(jī)構(gòu)圖

從圖1中可以看出，彈簧一端固定在機(jī)構(gòu)底座上，另一端勾住票箱托板，隨著票箱內(nèi)票的遞減，托盤在彈簧拉力的作用下往上提升。

本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何有效確定彈簧的工作載荷，如果工作載荷過小則彈簧拉力不夠而導(dǎo)致彈簧不能有效工作，相反如果工作載荷過大則彈簧會(huì)頂死票卡，刮刀無法掛出車票，出現(xiàn)卡票現(xiàn)象。故本文設(shè)計(jì)了圖2彈簧設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖，能夠有效地避免卡票和彈簧不工作現(xiàn)象。

圖2 彈簧設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖

2 電機(jī)及皮帶的選型

在該機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)了兩個(gè)票的傳輸通道，如圖3所示，共需2個(gè)刮票電機(jī)和3個(gè)傳輸電機(jī)共5個(gè)電機(jī)。

圖3 發(fā)票機(jī)構(gòu)工作示意圖

根據(jù)出票速度技術(shù)要求(即≤1s/張)，出票每個(gè)過程可按如下分配:

1)掛票卡，處理時(shí)間0.2s(票卡從刮卡器到主通道入口)；

2)控制票卡運(yùn)動(dòng)到讀寫區(qū)，處理時(shí)間0.2s；

3)讀寫票卡，處理時(shí)間0.3s；

4)送出票卡，處理時(shí)間0.2s(票卡從讀寫位置到出票口)。

測量所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)長度知，A通道的刮票行程、傳輸行程、出卡行程分別為SB1=75mm，SB2=291.240 6mm，SB3=155.5mm。根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)間 TB1=0.2s，TB2=0.3s，TB3=0.1s，由公式 V=S/T 計(jì)算得 VB1=375mm/s，VB2=970.802mm/s，VB3=1 555mm/s。

結(jié)合扭矩需要，選定刮票電機(jī)1為TG-401B-AU-14-CKA(轉(zhuǎn)速303r/min，力矩0.392N·m)，傳輸電機(jī)1為TG-99DA-CKA(不帶減速器，使用皮帶輪減速，減速后轉(zhuǎn)速1 650r/min，力矩0.12N·m)，傳輸電機(jī)2為TG-401B-AU-4-CKA(轉(zhuǎn) 速 1 074r/min，力矩0.117 6N·m)。

由此可得，A通道所需時(shí)間為TB=0.87s。由于A通道行程比B短，故而直接選定刮票電機(jī)2為TG-401BAU-14-CKA，傳輸電機(jī)3為TG-401B-AU-4-CKA，同理計(jì)算得TA=0.77s。A，B通道均滿足要求。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境要求:1)小功率傳動(dòng)；2)要求傳動(dòng)速度快、精確，與卡票接觸時(shí)能有足夠摩擦力；3)噪聲小，要能夠承受適當(dāng)?shù)臏囟茸兓?。?jù)此刮票機(jī)構(gòu)部分選擇了霓達(dá)公司的G30-LBU無縫環(huán)狀皮帶。對于傳動(dòng)部分，由于其對兩軸要求嚴(yán)格同步，故而用同步帶傳動(dòng)。

3 彈簧參數(shù)的設(shè)計(jì)

機(jī)械彈簧可分為三類:

1)受變負(fù)荷作用次數(shù)在106次以上的彈簧；

2)受變負(fù)荷作用次數(shù)在103～105次及沖擊負(fù)荷的彈簧；

3)受變負(fù)荷作用次數(shù)在103以下的彈簧［3］。

本設(shè)計(jì)中每個(gè)票箱儲(chǔ)票量為1 000張，故而屬于第三類彈簧。由于本機(jī)構(gòu)中彈簧所要承受的應(yīng)力是對票的拉應(yīng)力，故而選擇常用的圓柱螺旋拉伸彈簧。

3.1 根據(jù)機(jī)構(gòu)特性選定彈簧參數(shù)

根據(jù)之前設(shè)計(jì)知，刮票電機(jī)的力矩為0.392N·m，且皮帶的傳動(dòng)比為1，故可算得圖4中軸上傳動(dòng)輪所受力矩為0.392N·m。由理論力學(xué)相關(guān)知識(shí)可得無縫環(huán)狀皮帶所受外力F，即刮刀對票卡的力F1。

圖4 齒輪傳動(dòng)示意圖

在刮票機(jī)構(gòu)中，票卡所受力如圖5所示，其中F2為彈簧的拉力，G是票卡的重力，f是摩擦力。顯然要想票卡能夠被順利刮出，必須 f≤F1［4］。

圖5 票卡受力示意圖

根據(jù)f=μsN得0.23N≤F1=21.374，N≤92.930(其中μS=0.23)，所以N=F2-G≤92.930(其中G包括托盤的質(zhì)量和票自身的質(zhì)量)。

當(dāng)票的數(shù)量為1張時(shí)，3.973 9N≤F2min≤96.903 9N；當(dāng)票的數(shù)量為1 000張時(shí)(即票箱裝滿)，57.82N≤F2max≤150.750N。其中托盤質(zhì)量為0.4kg，每張票的質(zhì)量為5.5g，尺寸為 85mm×54mm×0.5mm。［5］

從而可以選定彈簧的參數(shù)為:P1=20N，P2=90N，λ=F2-F1=999×0.5=499.5mm。并且從外形上選擇LⅡ圓鉤環(huán)。

3.2 彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)選擇材料

根據(jù)要求選用碳素彈簧鋼絲(GB4357-89C級)。初步假設(shè)鋼絲直徑為d=1.6mm。取G=78×103MPa，且查表可得碳素彈簧鋼絲抗拉強(qiáng)度為σb=1 810MPa，則［τ］=0.4σb=724MPa= τjs［6］。

2)確定鋼絲直徑

在宋代瓷器中是否有仿古現(xiàn)象呢？在南宋中期的龍泉窯中出現(xiàn)了不少模仿古代銅器和玉器造型的器物，仿銅器的有鬲、觚、投壺等，仿玉器的有琮，宋瓷的仿古一方面適應(yīng)禮儀祭祀活動(dòng)的需要，另一方面仿古造型的瓷器也用于日常的使用和賞玩。例如宋瓷中常見的鼎式爐，可以說是對商周用于烹煮的青銅炊器的模仿，但是其體積明顯縮小，可用作佛前供器，也做日常焚香之用?？梢哉J(rèn)為，宋瓷中的仿古現(xiàn)象是對古代的經(jīng)典器型的一種繼承，跟宋代玉器的仿古類似，與宋代金石學(xué)、古器物學(xué)和復(fù)古潮流都有所關(guān)聯(lián)。

由不同鋼絲直徑d應(yīng)選用的C值表取 C=D/d=6.5，從而查表得曲度系數(shù) K=1.22，根據(jù)公式 d≥1.6得d≥1.589mm，與假設(shè)基本相符合，故取d=1.6mm。［7］

3)計(jì)算彈簧圈直徑

D=Cd=6.5×1.6=10.4mm

D1=D-d=10.4-1.6=8.8mm

D2=D+d=10.4+1.6=12mm

4)計(jì)算彈簧剛度

5)計(jì)算彈簧圈數(shù)

n==405.748圈，取 n=406圈

6)計(jì)算彈簧初拉力

7)計(jì)算彈簧試驗(yàn)載荷及極限載荷

試驗(yàn)載荷:

極限載荷:Pj=1.2P2=1.2×90=108N，對應(yīng)的極限應(yīng)力 τj=1.2τ=868.8MPa。

8)計(jì)算彈簧的變形

9)特性校核

???基本滿足要求。

10)計(jì)算其他結(jié)構(gòu)參數(shù)

自由長度H0= ( n+1) d+2D1= ( 406+1 )×1.6+2×8.8=668.8mm

螺旋角

尺寸基本滿足發(fā)票機(jī)構(gòu)的尺寸要求。

11)繪制彈簧工作圖

圖6 彈簧工作圖

4 結(jié)語

針對非接觸式薄形IC卡發(fā)票機(jī)構(gòu)的彈簧進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，所取得的主要成果如下:根據(jù)用戶需求選擇電機(jī)的類型，從而依據(jù)電機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)確定彈簧所需的工作環(huán)境，然后按彈簧設(shè)計(jì)守則和所設(shè)計(jì)的發(fā)票機(jī)構(gòu)的尺寸反復(fù)校對彈簧的尺寸，使其能夠正確安裝在發(fā)票機(jī)構(gòu)上。

［1］王凱元.車票發(fā)售模塊的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2009，38(12):67-69.

［2］汪萍.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)［J］.2011，2，19(1):84-85.

［3］王華坤，范元?jiǎng)?機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)下冊［M］.南京:南京理工大學(xué)翻印.

［4］范欽珊，陳建平.理論力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［5］丁潮.票卡回收模塊的設(shè)計(jì)與研究.［D］.南京:南京理工大學(xué)碩士論文，2011.

［6］機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［7］殷仁龍.機(jī)械彈簧設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1993.