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玩具设计常用的三类传动设计

作者:机械圈日期:2022-05-26 08:56:15浏览:258分类:机械设计

一、皮带传动机构

皮带传动的优劣比较

生活中皮带传动和链传动很多,自行车就是链传动,而玩具业中也使用皮带传动,利用它的低噪音和过载保护。一般玩具带传动使用开口传动。

皮带传动的优点:(1)可传递运动的距离比较远;(2)运转稳、低噪音;(3)自身通过带打滑起过载保护;(4)结构比较简单,设计精度要求不高,还可满足很多玩具动作的要求。

玩具设计常用的三类传动设计

皮带传动的缺点:(1)尺寸大,很多玩具产品没有足够的空间来使用;(2)传递降速的效率比较低,理论降速为大轮半径与小轮半径比为降速比;(3)带的寿命不长,这会导致产品使用寿命也不会很长(不过玩具的寿命也不会要求很长);(4)不能准确传动(带会打滑)。

皮带:玩具中使用得最多的皮带横切面为圆形带与方形带,材料一般为橡胶。皮带一般是注塑成型,对于一些小型玩具厂来说,他们不会自己做皮带(橡皮圈),购买反而相对便宜,一般一个橡胶圈也就几角钱,而开多一套模具得几万元。

带轮的材料一般有铜轮与POM塑胶轮。一般小的主动轮(直接打在马达上的皮带轮)会使用金属铜轮,而大轮会使用塑胶POM轮。从机械原理上来讲,皮带应与皮带轮的凹槽侧边摩擦,才是最有效的,玩具上的皮带轮也是这样设计的,但实际情况有时是直接把皮带压在轮上。

皮带轮在牙齿中要求有独立空间。因为皮带是橡胶的,而皮带轮又大多采用塑胶POM轮,但对其它的传动结构如:齿轮、马达等,因实际操作中的误差而使得噪音很大,会使用减噪的齿轮油,这种油会使橡胶皮带与带轮打滑,而且会被橡胶吸收而降低皮带的使用寿命,所以在设计牙齿时应把整个皮带及皮带轮放在一个独立的空间里,以防止油飞溅到皮带上。

常见问题及解决方案

皮带的寿命不足:即玩具不能通过寿命测试,这主要是皮带的特性决定的,但可以通过解决不必要的损耗来延长寿命。如:保证主动轮与从动轮在受皮带作用力方向上在同一个平面以及保持皮带之间的合适轴距等。

皮带传动的动力不足:皮带打滑。这就要检查是否有润滑油飞溅到皮带轮或皮带上,也有可能是皮带轮在注塑的过程中打了很多的脱模剂,还有是两个皮带轮之间的轴距大,而使得力量不足,必要时可以增加一个过渡轮来加大皮带与皮带轮之间的接触面积。

增加一个过载保护装置,使得保护装置工作的受力极限小于皮带轮打滑的力度,以减小皮带轮打滑而延长皮带轮的寿命。

二、平面连杆机构

平面连杆设计形式多样

平面连杆机构在机械设计中非常重要,几乎所有的非连续圆周运动,都会有杆的参与,而在玩具行业中更是运用广泛。因为机械设计中讲求的运动轨迹,在玩具业里没有那样严格要求,而这种不严格要求就增加了很多不同的设计方式。但总的来说,还是基本的4连杆机构、曲柄连杆机构和双曲机构。

形式多样,主要是最终动作杆的形式很多,比如,一只仿真狗,所有的腿、耳、口、眼、鼻都可以是最末端的动作杆,但玩具里的平面连杆机构不会特别的复杂,一般是单组连杆机构,最多也就三组连杆并用,这主要就是本身玩具产品的体积不会太大,就会导致连杆不会很“粗”,而且这些杆又要经受各方面的破坏测试,过多的杆难做到应有的机械强度。

平面连杆设计要点

平面连杆机构,主要的优点是结构简单,可靠性较强,这就使得运用起来很方便,比如扭屁股的仿真人就是使用了两组平行四边行机构来实现的。

平面连杆机构,主要的缺点是结构不紧凑,而在玩具产品中最大的是过载问题。比如,扭屁股的仿真人,如果你强行压住它的头,就极有可能会把平行四边形机构给压断,所以一般都会要求有过载保护机构。而另一方面它的自动复位能力不强,比如你把扭屁股的仿真人给压弯以后,他就会保持压弯状态下扭屁股,而凸轮机构则不同,在下一个循环时又可以回复到原来的状态。

玩具中的平面连杆机构的设计构思与机械中的一样,都是先从理论上来分析。构思出基本的结构后就利用玩具自身的外观部件来做杆(或曲柄),试制出一个样品,如果功能基本可以实现,就考虑安全性和可靠性的因素,对这些杆件(曲柄)进行修正以适合玩具的特征。

平面连杆机构的基本概念是设计好平面连杆机构的关键,比如曲柄的各件最短与最长杆之和要小于其它两杆之和,而且最短杆可以是曲柄,而曲柄连杆的特点是有死点及急回运动等。

如果是对称结构的设计,则最好可以使得相同位的杆(曲柄)可以互换,不行的话最好可以设计成左边的件不能装到右边的机构上,以减少装配时出错机会。

三、凸轮机构

成功案例拓宽设计思维

凸轮机构使用得非常成功的成品最著名的是毛毛B(Furby):眼皮、鼻子、上下嘴唇、耳朵、身体的振动,全部都是穿在同一根轴上的不同的凸轮带动的,它最大的用处就是动作可以在下一个循环得到复位,这点很重要。当你看到可爱的毛毛B,在张嘴时,会忍不住抓它的嘴,不让它动,这没有问题,在一个循环被打乱后,在下一个循环或几个循环中又会回复到它自身的位置。当然,毛毛B的另一大突破是利用IC程序控制,马达一会儿正转,一会儿反转,使得那些动作都出现一个假的不循环特征,也就是你所看到的动作好像是随机的。

我们知道,凸轮机构是循环的动作,只是马达电流的改变使得动作在凸轮的某一段范围内往复罢了,但这一点同样也开拓了我们的思维。电流的方向改变以及电流的随机性,可以得到意想不到的效果,而往大一点想,有时做出一些反常规的设计可以得到更好的效果。

凸轮应用优缺点

凸轮轮廓线的机制是凸轮机构的核心,而轮廓线的画法基本都是描点法,也就是计算出凸轮杆运动一个循环的位移图,而在这个位移图取等分的几个点,再把这几个点标注在凸轮的相对位置点上,在基圆半径的基础上加上位移量,最后描点成光滑曲线,即得凸轮曲线。简单地说,就是运动杆件的位移量就是凸轮曲线的点到凸轮转动中心距离的改变量(或与改变量成正比。当杆件的方向不指向凸轮中心时,与改变量成正比)。

凸轮机构总的来说结构简单、紧凑,设计方便,最大的优点是可以复位,但不能得到很大的位移量,因为大的位移量意味着凸轮直径变得很大。此外,杆与凸轮的磨损使其寿命不长或使动作失真,但对玩具产品来说,动作有点变形不是什么大事,最大的问题是在做合理性破坏测试时,顶杆易断,导致失去动作,严重的还出现小物体或弹弓外露。所以在设计凸轮机构时,对顶杆的设计也很重要,一方面最好能使顶杆在做合理性破坏测试时不受到冲击,另一方面弹弓要保护好,绝不能在机构受到破坏时外露或脱出。

凸轮机构按凸轮的形式来分有盘形凸轮、移动凸轮与圆柱凸轮。盘形凸轮、移动凸轮与其从动件的相对运动为平面运动,故属于平面凸轮机构,而圆柱凸轮从与其动件的运动来说是属于空间凸轮机构。

凸轮机构设计的注意点

杆要有滑动轨道,并且轨道可保护顶杆免受大力量冲击。

回力弹弓要固定好,合理冲撞前后不能外露或脱出,弹力不能太大,以免减少使用寿命。

顶杆与凸轮的运动应是软性接触。

一般顶杆与凸轮都选用POM或者PA,注塑成型。

凸轮面积如果过大时,应设有保护平衡的装置。

凸轮机构工作时是单向受力,所以应尽量保证装有凸轮的受力平衡。

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