電機自動離合機構設計及分析

李晶

（廣州御銀科技股份有限公司，廣東廣州 510000）

電機自動離合機構設計及分析

李晶

（廣州御銀科技股份有限公司，廣東廣州 510000）

設計一種電機自動離合機構，當打開錢箱上蓋時，此機構自動分離，壓鈔機構和電機分開，從而很方便地加鈔票；當打開的錢箱關閉，此機構自動嚙合，壓鈔機構在電機的帶動下順利的出鈔票。最后，借助有限元分析軟件ANSYS確定了關鍵零件彈片的厚度和形狀。

電機；離合；錢箱；彈片；ANSYS

1 概述

自助取款機的錢箱接到出鈔命令時，挖鈔機構挖出鈔票，隨著鈔票的減少，壓鈔機構在電機的帶動下需要以較大的推力推動鈔票向前移動。當需要往錢箱中加入鈔票時，壓鈔機構需要和電機斷開，讓壓鈔機構以很小的力就能前后移動，方便往錢箱里加入鈔票，然后關上錢箱，等待出鈔。在加鈔出鈔的整個過程中，需要電機和壓鈔機構的離合機構，現在的錢箱都有此離合機構，但不是自動的，在加鈔票時，需要一邊按住離合機構，一邊往錢箱里放入鈔票，加鈔過程不好操作。并且在加鈔時，壓鈔機構會根據需要前后移動，如果在移動過程中，離合機構時合時斷，很容易損壞離合機構和電機的齒輪。

2 電機自動離合機構

圖1 電機分離狀態

為了解決錢箱離合機構上述問題，本文介紹一種新型的電機離合機構，結構原理如圖1和圖2所示。圖1顯示的是電機分離狀態，圖2是電機嚙合狀態。它包括電機支撐板3，安裝在電機支撐板的電機2，固定在電機上的電機齒輪1，圍繞中心軸9旋轉的中心齒輪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，壓板5和中心軸9沒有固定，可以在中心軸9上隨意旋轉；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永遠嚙合在一起，壓板5還固定焊接有彈片6；壓板5和電機支撐板3之間通過拉伸彈簧10相連[2]。

圖2 電機嚙合狀態

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構相連。

如圖1所示，錢箱上蓋打開，彈片6恢復原狀，壓板5自動在拉伸彈簧10的作用下，圍繞中心軸9旋轉，離合齒輪7和電機齒輪1分開。壓板5被旋轉一定角度后，會被擋板阻擋而停止運動。

如圖2所示，當錢箱上蓋關閉，上蓋下壓彈片6，壓板5圍繞中心軸9旋轉，并克服拉伸彈簧10的阻力，直到離合軸7接觸到電機支撐板3，此時離合齒輪4和電機齒輪1剛好完全嚙合。如果離合齒輪4壓下時，和電機齒輪1發生頂齒，此時離合齒輪4將自動發生很小角度的自轉，讓離合齒輪4和電機齒輪1能夠順利嚙合。

由于推鈔機構只向前推鈔票，所以電機齒輪只需要單方向逆時針旋轉。電機軸和離合軸7的中心線與離合軸7和中心軸9的中心線角度接近90°，電機軸和離合軸7的中心線與水平線接近60°，根據力的方向分解原理，只需要給彈片6很小的壓力，電機齒輪1就能逆時針帶動離合齒輪4轉動。

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和電機齒輪1的嚙合。

本電機自動離合機構的優點在于：

（1）在錢箱上蓋打開時，離合齒輪4在瞬間自動和電機齒輪1分離，壓鈔機構前后移動時，通過同步帶帶動壓鈔同步帶輪與中心齒輪8，同時也就只帶動了離合齒輪4轉動，這樣就不會帶動電機轉動，壓鈔機構移動起來會很輕松，并且能夠增加電機2和電機齒輪1的壽命。

（2）往錢箱里加鈔票時，不需要手動一只手按住離合機構，一只手加鈔票的繁瑣過程，只需要一只手加鈔票就可以，減少勞動量，縮短加鈔時間，提高加鈔效率。

3 彈片分析

此電機自動離合機構的彈片，要求有良好的彈性和一定的回復力，并且彈性系數要合適。如果彈性系數太小，離合齒輪4和電機齒輪1有可能嚙合不完全；如果彈性系數太大，錢箱上蓋關閉時，將需要很大的力才能推動彈片關上錢箱，不好操作并且容易損傷錢箱上蓋。

目前進行彈片設計時，一般采用試錯法，但彈片加工需要加工和交貨周期，影響電機離合機構整體的設計進度。并且此處彈片由于空間的限制，彈片形狀不規則，難以用傳統的力學計算方法解決，本文借助有限元分析軟件ANSYS對其彈片進行設計和分析，以縮短彈片設計時間，確保電機離合機構的效果。

圖3 彈片

考慮到電機自動離合機構的整體結構和空間限制，設計出的彈片的形狀如圖3所示。根據經驗，錢箱上蓋下壓的力不超過2 N時，比較合適，此時彈片A的位移在1 mm左右時，機構整體效果比較理想，為了達到此效果，需要確定彈片的主要參數：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上，對分析影響不大的形狀進行了簡化，降低模型建立的難度和減少計算量，提高分析效率。

（3）根據彈片的實體受力類型和材料特性，選用四節點彈性殼單元shell63，每個節點有六個自由度，沿三個相互垂直的方向移動和轉動。為了保證彈片計算的準確性和更好的有限元網格，所以對圓孔部分單元網格進行了細化，并采用映射分網的方式對單元的長度和數目做相應控制［3］。

（4）彈片通過焊接彈片上的兩個圓孔固定在壓板上，所以需要約束圓孔周圍所有節點所有方向的自由度。當錢箱上蓋下壓時，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，最大應力出現在第一個固定孔附近，并且隨著彈片厚度增加而減小。最大位移也不斷減小，其出現在施力面的端部處。各種彈片厚度下的最大應力和位移見表1。

當彈片厚度為0.4 mm時，其彈片A處最大位移為 0.96 mm，與要求的1 mm最接近，并且此時最大應力為 223 MPa，小于其許用應力230 MPa［4］，即是沒有發生塑性變形，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 結論

（1）本文詳細說明本電機自動離合機構的運動工作過程，能夠很好地實現自動離合，輕松實現錢箱的加鈔和出鈔。并且此機構結構簡單，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