基于齒輪傳動的自動疊衣裝置研究

高淑芬 劉藝 李俊 付培軍 趙鵬

摘要：隨著社會經濟的快速發展，人們的生活節奏也在加快，用于做家務的時間少之又少。基于減少人們整理衣服時間這一需求，設計了一款自動疊衣裝置，其能迅速整理、放置衣服。同時，以設計自動疊衣裝置的過程為例，結合第九屆全國大學生機械創新設計大賽的要求，引出基于齒輪傳動的自動疊衣裝置的優化與實踐研究。

關鍵詞：自動疊衣;齒輪齒條;惰輪

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，人們的生活壓力也越來越大，尤其是忙碌的上班族，他們用于做家務的時間很少。市場上雖然已經出現了新型疊衣機，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，自動疊衣裝置存在著巨大的市場空間，需要有更好的設計來滿足人們的需求。

1 方案設計

通過對自動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換以及順利實現緩沖作用。為了設計方便，先對本裝置進行劃分進而開展模塊化設計。為了得到令人滿意的方案，本設計采用擴展性思維設計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構思。

在選擇方案時應綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時盡量避免直接決策，減少決策時的主觀因素，使得所選擇的方案能夠綜合最優，以便最終加工制作成自動疊衣裝置。

2 結構設計

根據自動疊衣裝置所要完成的功能，其可劃分為5個部分：底座、動力機構、傳動機構、旋轉機構、惰輪機構。

2.1? ? 底座

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

2.2? ? 動力機構

該裝置動力機構的作用是將主動齒輪的動能轉換為齒條的機械能。給定一個適合的初始力F，為了避免齒條在移動過程中速度過大或過小造成翻板轉速不穩定，應使齒條保持加速度為零的勻速運動。

選用主動齒輪的模數m=2，齒數z=20，壓力角取標準值α=20°，齒頂高系數ha*=1，頂隙系數c*=0.25，由公式齒頂高ha=ha*m，齒根高hf=（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）

翻板在轉動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板，造成疊衣失敗或者衣物卡住的情況。由于不同的軌道對齒條的摩擦不一樣，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。

2.3? ? 傳動機構

傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到碳纖維板上，使衣物疊在指定的位置。傳動機構是自動疊衣裝置設計的關鍵部位，直接決定著整個機構的實用性。傳動機構必須具備傳遞效率高、傳動穩定、結構簡單、重量輕等特點。

選用齒輪轉動使翻板轉動的方式具有傳動比穩定、傳動效率高、工作可靠性高、結構緊湊等優點，在不考慮其他條件時齒輪轉動是最優的方式。齒輪齒條傳動既省力，又可以改變力的方向，具有結構簡單、傳動平穩、價格低廉等特點。

由齒輪齒條正確嚙合條件可知，齒條的模數m=2;根據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時能同時控制兩邊纖維板的轉動，極大地提高轉動精度及效率。

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

2.4? ? 旋轉機構

旋轉機構通過特定設計的鉸鏈來完成旋轉。翻板與軸一起轉動，為了減少零部件之間的摩擦，選用合適的軸承和軸承座。同時確定軸承座的位置，避免相互干涉。

該機構要求翻板結構簡單，還需要有特殊的運動特性，能夠穩定完成旋轉動作。

2.5? ? 惰輪機構

惰輪機構作為該裝置的一種安全、高效機構，能有效使衣領翻板在規定時間內轉動特定角度。惰輪用于控制衣領翻板的轉動以及角度。惰輪機構的性能要求：精度要求高，使用過程中要承載巨大的載荷，且需要耐腐蝕。惰輪每次轉過的角度稱為旋轉角。旋轉角的大小可利用編程程序設定，從而控制翻板的角度和速度。

2.6? ? 實現方式

如圖1所示，自動疊衣裝置包括：1基座、2基板、3第一翻板、4第二翻板、驅動件和6衣領翻板，其中驅動件包括5.1電機、5.2主動齒輪、5.3從動齒輪和齒條。

（1）基座：優選采用金屬材料，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：基板的上表面應保持平整，同時為了減輕基板的重量，在基板上開設有多個減重孔。

（3）第一翻板：其可轉動式安裝于基板的一側面邊沿。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，第一樞軸可轉動式安裝于基板上，翻轉第一翻板可使鋪設于翻板上的衣物一側部分折向基板。

（4）第二翻板：其可轉動式安裝于基板與第一翻板相對的一側面邊沿，與第一翻板相似，翻轉第二翻板可使鋪設于第二翻板上的衣物一側部分折向基板上。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有多個減重孔。

（5）驅動件：包括電機、齒條、主動齒輪和兩個從動齒輪。

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

齒條：基座上開設有導槽，齒條滑動范圍小于設置的導槽總長度。

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

總之，自動疊衣裝置的實現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動式安裝于基板相對的兩個邊沿上，衣領翻板安裝于基板另一邊緣。在實際使用過程中，需要將衣物鋪設于基板、第一翻板、第二翻板和衣領翻板之上，而后利用驅動件分別驅動第一翻板和第二翻板轉動，轉動第一翻板則會將鋪設于第一翻板上的衣物折向基板，相應地，轉動第二翻板則會將鋪設于第二翻板上的衣物折向基板，轉動衣領翻板會將鋪設于衣領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的人力。

2.7? ? 斷電保護設計

通過所述主控板的電機接收繼電器信號，家用電220 V通過電源模塊可輸出供給步進電機使用的12 V和主控板使用的3 V穩定直流電壓。

在家里正常供電的情況下，繼電器輸入高電壓，程序正常運行;當家里斷電后，繼電器輸入低電壓，此時供電為備用電源，程序進入復位狀態，程序退出，如圖2所示。

3 結語

為了解決上班族做家務時間少的問題，設計了一款自動疊衣裝置，其在通電狀態下能迅速整理、放置衣服。該裝置采用了方案設計—結構設計—功能設計與實現—保護設計—反饋修改的項目式設計方法，為之后裝置的優化與改進提供了思路，本文重點介紹了其中的方案設計與機構設計。

設計初期在確定結構、傳動比、減少摩擦的情況下，為了減輕裝置的重量以及實現能量的轉化，不但要考慮加工的難易程度，還要考慮經費、效能等問題。在不斷完善的過程中，團隊通過發現問題、分析問題、解決問題，學會了如何從工程設計的角度去看待問題，意識到了團隊合作的重要性，不僅在加工階段激發自己的興趣和積極性，而且在調試階段讓團隊看到此項目的可操作性，激發他們的主動性，從而培養個人的工程實踐能力和創新能力。

[參考文獻]

[1] 鄭文緯，吳克堅.機械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2010.

[2] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].7版.北京：高等教育出版社，2001.

[3] 朱峰，林吉靚.硅鋼片自動疊片機的研究與設計[J].機械設計與制造，2014（7）：43-44.

收稿日期：2020-12-21

作者簡介：高淑芬（1989—），女，山東濱州人，實驗師，研究方向：機械設計制造及其自動化、機械控制等。

劉藝（1999—），男，湖北十堰人，研究方向：機械設計制造及其自動化。