基于齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)疊衣裝置研究

高淑芬 劉藝 李俊 付培軍 趙鵬

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活節(jié)奏也在加快，用于做家務(wù)的時(shí)間少之又少?；跍p少人們整理衣服時(shí)間這一需求，設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)疊衣裝置，其能迅速整理、放置衣服。同時(shí)，以設(shè)計(jì)自動(dòng)疊衣裝置的過程為例，結(jié)合第九屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的要求，引出基于齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)疊衣裝置的優(yōu)化與實(shí)踐研究。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)疊衣;齒輪齒條;惰輪

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活壓力也越來越大，尤其是忙碌的上班族，他們用于做家務(wù)的時(shí)間很少。市場上雖然已經(jīng)出現(xiàn)了新型疊衣機(jī)，但沒有得到大面積推廣，其總體上還存在一定的缺陷和局限性，不能滿足人們的需求。因此，自動(dòng)疊衣裝置存在著巨大的市場空間，需要有更好的設(shè)計(jì)來滿足人們的需求。

1 方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)自動(dòng)疊衣裝置的功能分析可知，該裝置衣物需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換以及順利實(shí)現(xiàn)緩沖作用。為了設(shè)計(jì)方便，先對(duì)本裝置進(jìn)行劃分進(jìn)而開展模塊化設(shè)計(jì)。為了得到令人滿意的方案，本設(shè)計(jì)采用擴(kuò)展性思維設(shè)計(jì)每一個(gè)模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。

在選擇方案時(shí)應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時(shí)盡量避免直接決策，減少?zèng)Q策時(shí)的主觀因素，使得所選擇的方案能夠綜合最優(yōu)，以便最終加工制作成自動(dòng)疊衣裝置。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)疊衣裝置所要完成的功能，其可劃分為5個(gè)部分：底座、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、惰輪機(jī)構(gòu)。

2.1? ? 底座

該裝置底座不用承受很大的力，精度要求低。同時(shí)，考慮到重量、加工和成本等因素，該裝置采用矩形底座。

2.2? ? 動(dòng)力機(jī)構(gòu)

該裝置動(dòng)力機(jī)構(gòu)的作用是將主動(dòng)齒輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為齒條的機(jī)械能。給定一個(gè)適合的初始力F，為了避免齒條在移動(dòng)過程中速度過大或過小造成翻板轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，應(yīng)使齒條保持加速度為零的勻速運(yùn)動(dòng)。

選用主動(dòng)齒輪的模數(shù)m=2，齒數(shù)z=20，壓力角取標(biāo)準(zhǔn)值α=20°，齒頂高系數(shù)ha*=1，頂隙系數(shù)c*=0.25，由公式齒頂高h(yuǎn)a=ha*m，齒根高h(yuǎn)f=（ha*+c*）m，可以推出：

分度圓直徑：d=mz=40 mm（1）

齒頂圓直徑：da=d+2ha=44 mm（2）

齒根圓直徑：df=d-2hf=35 mm（3）

翻板在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中保持速度稍大，防止衣物的自重使衣物的袖口滑落側(cè)板，造成疊衣失敗或者衣物卡住的情況。由于不同的軌道對(duì)齒條的摩擦不一樣，因此挑選相同粗糙度的軌道可使齒條能平滑地在軌道上滑動(dòng)。

2.3? ? 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到碳纖維板上，使衣物疊在指定的位置。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是自動(dòng)疊衣裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，直接決定著整個(gè)機(jī)構(gòu)的實(shí)用性。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須具備傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕等特點(diǎn)。

選用齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)使翻板轉(zhuǎn)動(dòng)的方式具有傳動(dòng)比穩(wěn)定、傳動(dòng)效率高、工作可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在不考慮其他條件時(shí)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)是最優(yōu)的方式。齒輪齒條傳動(dòng)既省力，又可以改變力的方向，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

由齒輪齒條正確嚙合條件可知，齒條的模數(shù)m=2;根據(jù)底座的高度選取齒條的長度和寬度均為20 mm。

采用齒輪齒條配合是為了使齒條移動(dòng)時(shí)能同時(shí)控制兩邊纖維板的轉(zhuǎn)動(dòng)，極大地提高轉(zhuǎn)動(dòng)精度及效率。

從動(dòng)齒輪選取相同的模數(shù)m=2，齒數(shù)z=20，壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)1，頂隙系數(shù)0.25，其分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑都可以根據(jù)上文所述公式計(jì)算出來，從而選取適合的齒條和從動(dòng)齒輪。

2.4? ? 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過特定設(shè)計(jì)的鉸鏈來完成旋轉(zhuǎn)。翻板與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，為了減少零部件之間的摩擦，選用合適的軸承和軸承座。同時(shí)確定軸承座的位置，避免相互干涉。

該機(jī)構(gòu)要求翻板結(jié)構(gòu)簡單，還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性，能夠穩(wěn)定完成旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

2.5? ? 惰輪機(jī)構(gòu)

惰輪機(jī)構(gòu)作為該裝置的一種安全、高效機(jī)構(gòu)，能有效使衣領(lǐng)翻板在規(guī)定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)特定角度。惰輪用于控制衣領(lǐng)翻板的轉(zhuǎn)動(dòng)以及角度。惰輪機(jī)構(gòu)的性能要求：精度要求高，使用過程中要承載巨大的載荷，且需要耐腐蝕。惰輪每次轉(zhuǎn)過的角度稱為旋轉(zhuǎn)角。旋轉(zhuǎn)角的大小可利用編程程序設(shè)定，從而控制翻板的角度和速度。

2.6? ? 實(shí)現(xiàn)方式

如圖1所示，自動(dòng)疊衣裝置包括：1基座、2基板、3第一翻板、4第二翻板、驅(qū)動(dòng)件和6衣領(lǐng)翻板，其中驅(qū)動(dòng)件包括5.1電機(jī)、5.2主動(dòng)齒輪、5.3從動(dòng)齒輪和齒條。

（1）基座：優(yōu)選采用金屬材料，需將其固定于平整的連接面上，以便于折疊衣物。考慮到重量問題，也可選用木材。

（2）基板：基板的上表面應(yīng)保持平整，同時(shí)為了減輕基板的重量，在基板上開設(shè)有多個(gè)減重孔。

（3）第一翻板：其可轉(zhuǎn)動(dòng)式安裝于基板的一側(cè)面邊沿。第一翻板與第一樞軸配合，加上軸承與軸承座固定軸的位置，第一樞軸可轉(zhuǎn)動(dòng)式安裝于基板上，翻轉(zhuǎn)第一翻板可使鋪設(shè)于翻板上的衣物一側(cè)部分折向基板。

（4）第二翻板：其可轉(zhuǎn)動(dòng)式安裝于基板與第一翻板相對(duì)的一側(cè)面邊沿，與第一翻板相似，翻轉(zhuǎn)第二翻板可使鋪設(shè)于第二翻板上的衣物一側(cè)部分折向基板上。需要注意的是，與基板相類似，第一翻板和第二翻板上均開設(shè)有多個(gè)減重孔。

（5）驅(qū)動(dòng)件：包括電機(jī)、齒條、主動(dòng)齒輪和兩個(gè)從動(dòng)齒輪。

兩個(gè)從動(dòng)齒輪的輸出端分別連接第一翻板和第二翻板，以驅(qū)動(dòng)第一翻板和第二翻板翻轉(zhuǎn)。在自動(dòng)疊衣裝置中，第一從動(dòng)齒輪套設(shè)于第一翻板的第一樞軸上，第二從動(dòng)齒輪套設(shè)于第二翻板的第二樞軸上，主動(dòng)齒輪設(shè)置于第一從動(dòng)齒輪和第二從動(dòng)齒輪之間，且主動(dòng)齒輪套設(shè)于電機(jī)的輸出端，齒條分別與第一從動(dòng)齒輪、第二從動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪嚙合。對(duì)于驅(qū)動(dòng)件的設(shè)置必須要驅(qū)動(dòng)第一翻板和第二翻板先后翻轉(zhuǎn)，因此要求齒條長度L大于第一從動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪的中心距a1，大于第二從動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪的中心距a2，且齒條長度小于第一從動(dòng)齒輪和第二從動(dòng)齒輪的中心距a3，即L>a1，L>a2，L

齒條：基座上開設(shè)有導(dǎo)槽，齒條滑動(dòng)范圍小于設(shè)置的導(dǎo)槽總長度。

（6）衣領(lǐng)翻板：設(shè)置于第一翻板和第二翻板之間。衣領(lǐng)翻板由惰輪控制，并安裝于基板邊緣。

總之，自動(dòng)疊衣裝置的實(shí)現(xiàn)方式是將基座固定于可靠的連接面，基板安裝于基座之上，第一翻板和第二翻板分別可轉(zhuǎn)動(dòng)式安裝于基板相對(duì)的兩個(gè)邊沿上，衣領(lǐng)翻板安裝于基板另一邊緣。在實(shí)際使用過程中，需要將衣物鋪設(shè)于基板、第一翻板、第二翻板和衣領(lǐng)翻板之上，而后利用驅(qū)動(dòng)件分別驅(qū)動(dòng)第一翻板和第二翻板轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)第一翻板則會(huì)將鋪設(shè)于第一翻板上的衣物折向基板，相應(yīng)地，轉(zhuǎn)動(dòng)第二翻板則會(huì)將鋪設(shè)于第二翻板上的衣物折向基板，轉(zhuǎn)動(dòng)衣領(lǐng)翻板會(huì)將鋪設(shè)于衣領(lǐng)翻板上的衣物折向基板，從而完成衣物的折疊，減少折疊衣物所耗費(fèi)的人力。

2.7? ? 斷電保護(hù)設(shè)計(jì)

通過所述主控板的電機(jī)接收繼電器信號(hào)，家用電220 V通過電源模塊可輸出供給步進(jìn)電機(jī)使用的12 V和主控板使用的3 V穩(wěn)定直流電壓。

在家里正常供電的情況下，繼電器輸入高電壓，程序正常運(yùn)行;當(dāng)家里斷電后，繼電器輸入低電壓，此時(shí)供電為備用電源，程序進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，程序退出，如圖2所示。

3 結(jié)語

為了解決上班族做家務(wù)時(shí)間少的問題，設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)疊衣裝置，其在通電狀態(tài)下能迅速整理、放置衣服。該裝置采用了方案設(shè)計(jì)—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)—保護(hù)設(shè)計(jì)—反饋修改的項(xiàng)目式設(shè)計(jì)方法，為之后裝置的優(yōu)化與改進(jìn)提供了思路，本文重點(diǎn)介紹了其中的方案設(shè)計(jì)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)初期在確定結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)比、減少摩擦的情況下，為了減輕裝置的重量以及實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，不但要考慮加工的難易程度，還要考慮經(jīng)費(fèi)、效能等問題。在不斷完善的過程中，團(tuán)隊(duì)通過發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，學(xué)會(huì)了如何從工程設(shè)計(jì)的角度去看待問題，意識(shí)到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性，不僅在加工階段激發(fā)自己的興趣和積極性，而且在調(diào)試階段讓團(tuán)隊(duì)看到此項(xiàng)目的可操作性，激發(fā)他們的主動(dòng)性，從而培養(yǎng)個(gè)人的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

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收稿日期：2020-12-21

作者簡介：高淑芬（1989—），女，山東濱州人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、機(jī)械控制等。

劉藝（1999—），男，湖北十堰人，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。