浅谈传动机构在电动产品中的应用

浅谈传动机构在电动产品中的应用1浅谈传动机构在电动剃须产品中的应用作者:冯琳单位:比克(上海)文化用品制造有限公司摘要电动产品的运动形式多式多样，常见的运动形式多是旋转式运动，往复式运动，直线式运动等，产品外部的运动形式是其内部机构运动形式的体现。本文以电动剃须产品为例,剖析了旋转式电动剃须产品和往复式剃须产品的内部运动机构，并附运动简图。本文在对往复式电动剃须产品进行分析时，引入了由直线电机驱动的剃须产品，它的关键点是以虚拟电磁场技术代替了传统的运动机构，比较了由运动机构驱动的产品和由直线电机驱动的产品的优缺点，并展望了由直线电机驱动的电动产品的发展空间和方向。最后，本文简要介绍了一种新型伞齿轮在产品中的开发和实际应用，提出开发伞齿轮过程中出现的问题和难点，以及解决这些难点所采取的措施。关键词:旋转运动，往复运动，偏心轮，直线电机，齿轮，交错轴前言在日常生活中，无论是在家用的,工业应用的,还是在玩具类产品的应用中，电动产品随处可见。当人们在手持一电动产品时，可能对它能实现什么样功能，怎样工作都很了解，但是对其内部机构是怎样实现此类运动的细节不是很了解，通过本文对电动产品内部运动结构的分析，会加深读者对运动形式的了解。本文以电动剃须产品为例，浅谈了其实现运动的内部机构。运动机构决定了运动形式，运动形式的多样性也展示了运动机构的多样性。在对电动产品运动机构的分析方法上，采取了顺藤摸瓜的方式，即先分析产品的运动形式，继而分析其运动机构。一、电动剃须产品的分类及简要介绍在市场上琳琅满目的电动剃须产品中，按照其刀网的运动方式可为分两大类，一类是往复式剃须产品，一类是旋转式剃须产品；按照刀头数量可分为单刀电动剃须产品，双刀电动剃须产品以及三刀电动剃须产品。从运动角度来讲，单刀、双刀及多刀产品都是由传动机构驱动来实现，本质区别只是动刀的数量不同。本文的主要目的是分析电动剃须产品的内部传动机构，在此以往复式和旋转式剃须产品作为研究分析的例子。1.1往复式剃须产品的定义及介绍往复式电动剃须产品，顾名思义，是其产品在工作过程中，是依靠刀网往复运动实现切割毛发的功能，即动刀按照固定轨迹往复运动，和静刀网剪切配合切割毛发。往复式剃须产品的动刀是由多片刀片平行排列组成的一个部件，然后安装在一个摇杆上，随着摇杆的摆动，这些刀片做着有规律的摆动。实际上，此类动刀的运动并非纯直线运动，而是做圆弧摆动，因为圆弧的半径足够大，摆动的轨迹近似往复直线运动。往复式剃须产品刀网轻薄，可以较紧密的贴合皮肤，剃须效果较好。其刀网和运动形式决定浅谈传动机构在电动产品中的应用2了往复式剃须产品可以设计的比较轻巧。1.2旋转式剃须产品的定义及介绍旋转式电动剃须产品，顾名思义，是其动刀通过旋转运动和静刀网共同作用实现切割毛发的功能。其动刀也是由多片刀片组成的部件，区别是其动刀片是以一旋转轴为中心圆周排列，当动刀旋转时,和定刀配合实现切割毛发功能。旋转式电动剃须产品的传动机构比较简单，一般是由电机直接驱动动刀旋转或者通过齿轮系统驱动多个动刀旋转。单刀，双刀及三刀的区别也即在此，由电机直接驱动动刀旋转的产品是单刀剃须产品（包括毛球修剪器等）；由齿轮传动系统驱动动刀旋转是多刀剃须产品。单刀剃须产品因为其动刀旋转半径大，旋转稳定性差，剃须效果与手感和多刀相比不甚理想，已渐渐退出市场，目前市场上多见双刀和三刀剃须产品。旋转式剃须产品具有运转平稳和刀网厚的优点，其功能和性能也较可靠。1.3优缺点及应用人群往复式剃须产品具有体积小，便于携带，剃须干净等优点，其网孔细腻，适合毛发较细软的人群,缺点就是其刀网轻薄，容易破损。旋转式剃须刀转动稳定可靠，刀网厚而坚固，动力更强，适合毛发较粗硬的人群。二、传动机构在电动剃须产品中的应用2.1齿轮传动系统机构对于单刀剃须产品来讲，无需传动机构即可实现其剃须功能。单刀剃须产品的弊端在于动刀的体积，若刀网较小，工作时会既费时又费力;若刀网大一些，动刀的旋转半径过大，会产生旋转不稳，传动轴易疲劳,振动等现象，因此逐渐在市场上消迹。目前市面上双刀及三刀旋转式剃须产品基本上是通过齿轮传动系统实现其功能。其动力由电机提供,经齿轮系统减速传递动力矩,带动动刀进行旋转。下面简要介绍一下齿轮传动系统，齿轮传动系统可分为定轴轮系，周转轮系和复合轮系。其中定轴轮系最为常见，也在旋转电动剃须产品用得最多。定轴轮系又称为普通轮系，当轮系中各齿轮运动时，各齿轮轴线的位置固定不动且平行，示意图如1所示1。图1定轴轮系示意图旋转式电动剃须产品多采用定轴轮系，双刀与三刀的区别在于主动齿轮是驱动两个从动齿轮还是三个从动齿轮。电动剃须产品中齿轮轮系示意图如图2所示。图2电动剃须产品齿轮传动系统示意图（二刀与三刀传动机构）1电机2主动齿轮3,4,5从动齿轮2.2往复运动机构2.2.1偏心轮摇杆运动机构偏心轮摇杆机构是一种把电机旋转运动转浅谈传动机构在电动产品中的应用3化为其他形式运动的一种机构。偏心轮摇杆机构实际上是把曲柄做成偏心轮形状的平面四杆机构。平面四杆机构如图3所示。图3平面四杆机构运动简图平面四杆机构工作原理如下:机架AD固定不动，曲柄AB绕运动副A做定轴旋转，连杆BC随着运动副B的旋转进行运动，带动摇杆CD做定轴摆动。往复式电动剃须产品多使用偏心轮摇杆机构，其结构示意图如图4所示。偏心轮摇杆机构,偏心轮上偏心轴即运动副B，曲柄AB做成偏心轮部件。当电机驱动偏心轮工作时，偏心轮上的偏心轴轴心将围绕主轴心转动，形成一个有一定半径的圆的轨迹，摇杆在此轨迹的带动下做横向往复运动，从而带动刀网部件做往复运动。图4偏心轮机构在剃须产品中的应用1、电机2、偏心轮3、摇杆机构2.2.2直线电机运动机构所谓直线电机，是利用电磁工作原理，将电能直接转换直线运动动能的设备。其广泛应用在磁悬浮列车，电气锤，电磁搅拌器上。直线电机应用于要求直线运动的某些场合时，可以简化中间传动机构，使运动系统的响应速度、稳定性、精度得以提高。随着技术进一步发展，直线电机在小电动产品上的应用也越来越广泛。直线电机具有体积小，运行平稳等优点。若将直线电机应用在往复运动的电动产品上，既可省去中间的运动机构，又可和其他部件作为一体，即减小体积，又节约成本。旋转电机和直线电机的运动形式不同，旋转电机切割磁力线后驱使转子做旋转运动，直线电机切割磁力线后驱使次级做直线运动，他们工作原理示意图如图5所示。图5旋转电机与直线电机工作原理示意图直线电机的初级相当于传统旋转电机的定子，次级相当于旋转电机的转子。当初级中通以交流电流，次级就在电磁力的作用下沿着初级作直线运动。初级和次级通常有一个做的比较长，即可以固定初级，次级移动，也可以初次移动，次级固定。直线电机因为气隙大会导致功率因数和效率降低，会存在单边磁拉力等缺点。为了抵消初级磁场对次级的单边磁吸力，平板形直线异步电动机通常采用双边结构，即有两个初级将次级夹在中间的结构形式2。初级铁心由硅钢片叠成，其表面的槽中嵌有三相绕组（有些是单相或两相绕组），次级由整块钢板或铜板制成片状，其中也可以嵌入导条。将直线电机应用在剃须产品中，次级一般和动刀共同装配在一个小部件中，当次级在运动时，刀网也随之往复运动。此类电动产品与由传统机浅谈传动机构在电动产品中的应用4械机构驱动的产品相比，具有体积更小，形状更具有变化性，运行更平稳，启动更及时等优点。在技术不断的完善和创新下，直线电机在电动产品中的应用也将会越来越广泛。三新型齿轮传动的研究和开发3.1空间交错轴线传递力矩的直齿轮研究前节介绍的齿轮传动机构中所有齿轮轴线都与电机驱动轴线平行,而在实际的产品开发应用中,因为空间和体积的限制,会出现要求动刀的旋转中心与电机的旋转中心在空间上呈交错的现象.例如在设计开发的一个电动剃须产品项目中,因其空间结构的影响，要求动刀旋转轴中心与电机旋转中心不平行，呈空间交错。刀网旋转图6刀网旋转中心与电机轴旋转中心呈空间交错结构示意图中心与电机轴旋转中心呈空间交错结构示意图如图6所示。在此项目中，电机只能竖直摆放,而从人机工程角度出发,刀网面需倾斜一定角度，使其更贴合皮肤。怎样实现交错轴的传动？一般情况下，斜齿轮传动可实现这样的交错轴设计。交错斜齿轮传动（过去称为螺旋齿轮传动）是用来传递空间交错轴之间的运动的，就单个齿轮来说，他们都是渐开线斜齿圆柱齿轮。交错斜齿轮属于点接触，点接触与齿向方向的相对滑动是其承受能力低和功率损耗较高的原因，因此这种齿轮副不宜用于高速大功率的传动，通常用于传递运动或载荷不大的辅助传动中。从成本,加工难易,以及应用空间场合的考虑。开发一款既可传递具有一定空间角度的力矩，又属于直齿轮范畴的伞状齿轮比较具有现实意义。伞状齿轮在此传动系统中起介动齿轮作用,当电机驱动主齿轮旋转时,伞齿轮的下半段异型齿与主齿轮啮合传动,由伞齿轮上半段直齿带动从动齿轮旋转。伞传动传动结构示意图如图7所示:图7伞齿轮在传动系统中应用示意图3.2研究开发新理念以及开发阶段本文所研究的新型伞齿轮是通过齿轮定轴转动,改变力矩方向，由伞齿轮上半段直齿轮传递力矩给从动齿轮。在此传递过程中，伞齿轮和介动齿轮功能相似，不同点是改变了力矩的空间方向。此伞齿轮采用POM耐磨材料，通过模具加工制造而成。本新型伞齿轮在电动剃须产品中的项目开发主要经过以下几个阶段：1、萌芽阶段。以开发具有一定角度的齿轮传动系统的剃须产品为目标，制定几个可行的方案，从成本，加工制造，以及实现的可行性方面综合考虑，选择最优解决方案。即确定伞齿轮开发项目。2、理论分析阶段。选定方案后对该方案进行计算和评估，通过初步理论知识计算，得到该齿轮的相关参数。根据齿轮变位，以及齿轮制造数据的计算和处理，得到伞齿轮一系列参数。3、建模阶段。根据理论计算数据进行建模，通过3D软件建模，并模拟其装配和运动轨迹，制定其加工制造流程等。浅谈传动机构在电动产品中的应用54、初步试验阶段。通过3D打印制造出齿轮模型，并安装测试，进而调节参数进行优化。5、模具开发与小批量试制阶段。通过模具加工制造实际样品，小批量装配调试，解决相应问题。6、批量投产。相应得到问题解决后，进行批量生产。3.3研究开发问题及解决在本齿轮的开发过程中，问题主要集中以下几个方面：1、理论计算的精准度。计算不精准，将导致模型的失败和产品的不可靠。理论计算是开发之源头，因此要求计算务必精准。2、建模的复杂性。此类模型既涉及直齿轮又涵盖了锥齿轮等概念，因此建模具有一定的复杂性。3、实际应用后的效果。此类齿轮属于新开发产品，存在许多未知因素和不确定性，因此在实际应用中效果的好坏也是产品开发的重中之重。4、其寿命的长短及可靠性。伞齿轮开发的终极目标是在产品中的应用，因此其寿命长短直接影响到产品的寿命，因此它也成为开发人员的比较关心的问题。面对这些问题，开发人员克服重重困难，通过查阅资料，悉心钻研，以及勤勤恳恳的态度逐一解决了各种问题。结论运动形式来源于运动机构，运动机构决定着运动形式。无论是齿轮传动系统还是摇杆连杆运动机构或直线电机的驱动，都能体现运动的价值。作为技术人员，基于创新的精神，不断的创新发展，一定会有更多的收获和发现。参考文献1、齿轮传动设计手册HANDBOOKOFGEARDESIGN，朱孝录，279-280页。2、直线电机工作原理及特点。浅谈传动机构在电动产品中的应用1附录