電機(jī)自動(dòng)離合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

李晶

（廣州御銀科技股份有限公司，廣東廣州 510000）

電機(jī)自動(dòng)離合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

李晶

（廣州御銀科技股份有限公司，廣東廣州 510000）

設(shè)計(jì)一種電機(jī)自動(dòng)離合機(jī)構(gòu)，當(dāng)打開錢箱上蓋時(shí)，此機(jī)構(gòu)自動(dòng)分離，壓鈔機(jī)構(gòu)和電機(jī)分開，從而很方便地加鈔票；當(dāng)打開的錢箱關(guān)閉，此機(jī)構(gòu)自動(dòng)嚙合，壓鈔機(jī)構(gòu)在電機(jī)的帶動(dòng)下順利的出鈔票。最后，借助有限元分析軟件ANSYS確定了關(guān)鍵零件彈片的厚度和形狀。

電機(jī)；離合；錢箱；彈片；ANSYS

1 概述

自助取款機(jī)的錢箱接到出鈔命令時(shí)，挖鈔機(jī)構(gòu)挖出鈔票，隨著鈔票的減少，壓鈔機(jī)構(gòu)在電機(jī)的帶動(dòng)下需要以較大的推力推動(dòng)鈔票向前移動(dòng)。當(dāng)需要往錢箱中加入鈔票時(shí)，壓鈔機(jī)構(gòu)需要和電機(jī)斷開，讓壓鈔機(jī)構(gòu)以很小的力就能前后移動(dòng)，方便往錢箱里加入鈔票，然后關(guān)上錢箱，等待出鈔。在加鈔出鈔的整個(gè)過程中，需要電機(jī)和壓鈔機(jī)構(gòu)的離合機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在的錢箱都有此離合機(jī)構(gòu)，但不是自動(dòng)的，在加鈔票時(shí)，需要一邊按住離合機(jī)構(gòu)，一邊往錢箱里放入鈔票，加鈔過程不好操作。并且在加鈔時(shí)，壓鈔機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)需要前后移動(dòng)，如果在移動(dòng)過程中，離合機(jī)構(gòu)時(shí)合時(shí)斷，很容易損壞離合機(jī)構(gòu)和電機(jī)的齒輪。

2 電機(jī)自動(dòng)離合機(jī)構(gòu)

圖1 電機(jī)分離狀態(tài)

為了解決錢箱離合機(jī)構(gòu)上述問題，本文介紹一種新型的電機(jī)離合機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)原理如圖1和圖2所示。圖1顯示的是電機(jī)分離狀態(tài)，圖2是電機(jī)嚙合狀態(tài)。它包括電機(jī)支撐板3，安裝在電機(jī)支撐板的電機(jī)2，固定在電機(jī)上的電機(jī)齒輪1，圍繞中心軸9旋轉(zhuǎn)的中心齒輪8和壓板5，中心軸9兩端通過軸承支撐在錢箱的下主體框架上，中心軸9和中心齒輪8通過銷釘固定，一起旋轉(zhuǎn)，壓板5和中心軸9沒有固定，可以在中心軸9上隨意旋轉(zhuǎn)；壓板5上安裝有離合軸7、離合軸承和離合齒輪4，中心齒輪8和離合齒輪4的中心距固定不變，所以中心齒輪和離合齒輪4永遠(yuǎn)嚙合在一起，壓板5還固定焊接有彈片6；壓板5和電機(jī)支撐板3之間通過拉伸彈簧10相連[2]。

圖2 電機(jī)嚙合狀態(tài)

與中心齒輪8固定的還有壓鈔同步帶輪，通過同步帶與壓鈔機(jī)構(gòu)相連。

如圖1所示，錢箱上蓋打開，彈片6恢復(fù)原狀，壓板5自動(dòng)在拉伸彈簧10的作用下，圍繞中心軸9旋轉(zhuǎn)，離合齒輪7和電機(jī)齒輪1分開。壓板5被旋轉(zhuǎn)一定角度后，會(huì)被擋板阻擋而停止運(yùn)動(dòng)。

如圖2所示，當(dāng)錢箱上蓋關(guān)閉，上蓋下壓彈片6，壓板5圍繞中心軸9旋轉(zhuǎn)，并克服拉伸彈簧10的阻力，直到離合軸7接觸到電機(jī)支撐板3，此時(shí)離合齒輪4和電機(jī)齒輪1剛好完全嚙合。如果離合齒輪4壓下時(shí)，和電機(jī)齒輪1發(fā)生頂齒，此時(shí)離合齒輪4將自動(dòng)發(fā)生很小角度的自轉(zhuǎn)，讓離合齒輪4和電機(jī)齒輪1能夠順利嚙合。

由于推鈔機(jī)構(gòu)只向前推鈔票，所以電機(jī)齒輪只需要單方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。電機(jī)軸和離合軸7的中心線與離合軸7和中心軸9的中心線角度接近90°，電機(jī)軸和離合軸7的中心線與水平線接近60°，根據(jù)力的方向分解原理，只需要給彈片6很小的壓力，電機(jī)齒輪1就能逆時(shí)針帶動(dòng)離合齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)。

因此，只要錢箱上蓋不打開，彈片6始終受壓力，就能保證離合齒輪4和電機(jī)齒輪1的嚙合。

本電機(jī)自動(dòng)離合機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）在錢箱上蓋打開時(shí)，離合齒輪4在瞬間自動(dòng)和電機(jī)齒輪1分離，壓鈔機(jī)構(gòu)前后移動(dòng)時(shí)，通過同步帶帶動(dòng)壓鈔同步帶輪與中心齒輪8，同時(shí)也就只帶動(dòng)了離合齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就不會(huì)帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，壓鈔機(jī)構(gòu)移動(dòng)起來(lái)會(huì)很輕松，并且能夠增加電機(jī)2和電機(jī)齒輪1的壽命。

（2）往錢箱里加鈔票時(shí)，不需要手動(dòng)一只手按住離合機(jī)構(gòu)，一只手加鈔票的繁瑣過程，只需要一只手加鈔票就可以，減少勞動(dòng)量，縮短加鈔時(shí)間，提高加鈔效率。

3 彈片分析

此電機(jī)自動(dòng)離合機(jī)構(gòu)的彈片，要求有良好的彈性和一定的回復(fù)力，并且彈性系數(shù)要合適。如果彈性系數(shù)太小，離合齒輪4和電機(jī)齒輪1有可能嚙合不完全；如果彈性系數(shù)太大，錢箱上蓋關(guān)閉時(shí)，將需要很大的力才能推動(dòng)彈片關(guān)上錢箱，不好操作并且容易損傷錢箱上蓋。

目前進(jìn)行彈片設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用試錯(cuò)法，但彈片加工需要加工和交貨周期，影響電機(jī)離合機(jī)構(gòu)整體的設(shè)計(jì)進(jìn)度。并且此處彈片由于空間的限制，彈片形狀不規(guī)則，難以用傳統(tǒng)的力學(xué)計(jì)算方法解決，本文借助有限元分析軟件ANSYS對(duì)其彈片進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，以縮短彈片設(shè)計(jì)時(shí)間，確保電機(jī)離合機(jī)構(gòu)的效果。

圖3 彈片

考慮到電機(jī)自動(dòng)離合機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)和空間限制，設(shè)計(jì)出的彈片的形狀如圖3所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，錢箱上蓋下壓的力不超過2 N時(shí)，比較合適，此時(shí)彈片A的位移在1 mm左右時(shí)，機(jī)構(gòu)整體效果比較理想，為了達(dá)到此效果，需要確定彈片的主要參數(shù)：彈片厚度。

（1）彈片選用不銹鋼材料，彈性模量210 GPa，泊松比0.3。

（2）本文目的在于確定彈片厚度和彈片高度，所以在保留主要形狀的基礎(chǔ)上，對(duì)分析影響不大的形狀進(jìn)行了簡(jiǎn)化，降低模型建立的難度和減少計(jì)算量，提高分析效率。

（3）根據(jù)彈片的實(shí)體受力類型和材料特性，選用四節(jié)點(diǎn)彈性殼單元shell63，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度，沿三個(gè)相互垂直的方向移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。為了保證彈片計(jì)算的準(zhǔn)確性和更好的有限元網(wǎng)格，所以對(duì)圓孔部分單元網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，并采用映射分網(wǎng)的方式對(duì)單元的長(zhǎng)度和數(shù)目做相應(yīng)控制［3］。

（4）彈片通過焊接彈片上的兩個(gè)圓孔固定在壓板上，所以需要約束圓孔周圍所有節(jié)點(diǎn)所有方向的自由度。當(dāng)錢箱上蓋下壓時(shí)，和彈片的接觸范圍是一條直線，這里把載荷2 N均勻施加在接觸直線上。

（5）假設(shè)彈片的厚度是0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm，但不改變彈片的約束方式，其各種彈片厚度下的應(yīng)力云圖和總位移分布如圖4～圖6所示。

分析圖4～6可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在第一個(gè)固定孔附近，并且隨著彈片厚度增加而減小。最大位移也不斷減小，其出現(xiàn)在施力面的端部處。各種彈片厚度下的最大應(yīng)力和位移見表1。

當(dāng)彈片厚度為0.4 mm時(shí)，其彈片A處最大位移為 0.96 mm，與要求的1 mm最接近，并且此時(shí)最大應(yīng)力為 223 MPa，小于其許用應(yīng)力230 MPa［4］，即是沒有發(fā)生塑性變形，具有彈性，能夠正常工作。

圖4 彈片厚度為0.3 mm

圖5 彈片厚度為0.4 mm

4 結(jié)論

（1）本文詳細(xì)說(shuō)明本電機(jī)自動(dòng)離合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)工作過程，能夠很好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)離合，輕松實(shí)現(xiàn)錢箱的加鈔和出鈔。并且此機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便。

Design and Analysis of the Motor Automatic Clutch Mechanism

LI Jing
（Guangzhou Kingteller Technology Co.，Ltd.，Guangzhou510000，China）

The paper designs a motor automatic clutch mechanism，when the cash box cover being opened，this mechanism automatically separates the pressing mechanism and the motor，so as to add money easily.When the cash box being closed，the mechanism automatic joggles，the pressing mechanism smoothly deliveries out of money drived by the motor.Finally，this paper uses finite element analysis software ANSYS identifies key parts shrapnel thickness and shape.

motor；clutch；cash box；shrapnel；ANSYS

TH693

A

1009－9492(2015)10－0043－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.011

2014－09－15；

2015－05－20