“滑屏电视”的机构设计和工程化应用

高西成，陈伟雄

（创维集团研究院，广东深圳 518108）

0 引言

随着平板电视的日益普及以及人们对生活品质追求的不断提高，消费者对平板电视的外观要求也越来越高。将电视产品真正融入到不同环境的设计格调，实现家电与环境的完美和谐，是产品设计的方向，据调查，大多数消费者都喜欢简洁、大方的电视外观造型。所以，可隐藏音箱的“滑屏电视”概念也就应运而生。所谓滑屏电视，就是在电视关机或待机的时候，音箱能自动滑动，隐藏到屏的后面，也可以看作是屏相对滑动，把音箱遮盖起来，从而使外观看起来更简洁，与周围的环境更和谐。

1 产品分析

42L31 滑屏电视就是基于这种理念下设计的产品。

这个造型的特征是：外观造型整体包边设计，其最主要的特征是音箱的滑动方式，当电源开启时音箱滑下，露出喇叭部分，当电源关闭时音箱收起，隐藏喇叭部分，使电视外观看起来更加干净简洁和趋于整体，给人感觉高贵华丽，具有科技感。（如图1）。

图1 造型特征

通过分析，这个机型具体的功能结构要求如下：

（1）平板电视的音箱部分可隐藏；

（2）音箱部分实现电动升降，要求运行平稳，噪音符合国家环保要求；

（3）要求实现在电视开机的时候，音箱能自动下降伸出来，关机或者待机时音箱能自动缩回去；如果在上升或者下降的过程中，遇到障碍，它能自动停住；

（4）要求传动机构内置在机器的里面，结构紧凑简单，安装方便，有一定的成本要求。

为了实现产品外观和具体结构功能要求，此机型结构设计的重点就是如何把运动机构应用到平板电视的整机设计中，实现机构的工程化应用，最终实现产品批量生产。

2 方案设计

在机械设计行业，机械传动机构是指利用机械运动方式传递运动和动力的机构。为了满足产品整机功能结构要求，实现音箱根据需要自动升降，结构设计的重点和难点主要是带动音箱升降的传动结构的设计。设计思路是通过分析音箱升降的整个运动过程，结合电视产品结构设计的特点，把类似机械传动结构应用到电视整机的结构设计中。

2.1 运动参数和技术指标

机构需要满足的参数和技术指标如下：

1）机构能负载4～5 kg，音箱的外形尺寸为1 054 mm×60 mm×62 mm；

2）成套机构负载噪音不超过60 dB；

3）机构停止运动时，在不受外力的情况下可以自锁；

4）机构运行稳定可靠，精确度高，能够合理地配合在整机上；

5）机构经受连续往复升降2万次耐久性试验后，仍能正常工作；

6）机构负载升至最高位置时，电机停止工作后，负载物向下的空行程不超过0.5 mm；

7）机构带动电视音箱做匀速直线运动，行程为36 mm，速度为9～12 mm/s。

2.2 传动机构方案的选择

可以实现直线升降机构的有很多，比如有利用钢丝和滑轮的绳轮结构，齿轮齿条传动机构、丝缸传动机构、当然还有利用气缸或者液压传动等等，不同机构各有优缺点[1]。

液压、汽缸等方式因为成本和动力源的问题，所以暂不考虑。

丝杠传动是将旋转运动通过丝母转变为直线运动，由丝杠传动，可获得比较高的精度和平稳的运动。但是由于此种结构的音箱较长，且由于造型本身的限制，所以也不予考虑。

最后可选方案：绳轮结构和齿轮齿条方式。

绳轮结构在应用在汽车上的电动玻璃升降比较普遍（见图2）。这种结构一般由滑轮、钢丝绳、张力器、张力滑轮等组成，它通过驱动电动机拉钢丝绳来控音箱的升降，电动机的输出部分是一个塑料绳轮，绳轮上绕上钢丝绳，钢丝绳上装有滑块，电动机驱动绳轮，带动钢丝绳卷绕，钢丝绳上的滑块带动音箱，使之沿导轨作上下运动。通过改变电动机电机极性，使其作正反向旋转，带动机构作上下运动[2]。此种结构的优点是结构运行平稳，噪音小。缺点是结构复杂，成本较高，对导轨的要求较高，在生产的时候需要对绳子作张紧，不易控制，而且此种结构音箱和主机面壳两边有配合，且音箱较长，需要两条导轨才能升降较为平稳，从而增加安装的难度及成本，最后只好放弃。

图2 汽车玻璃升降器

齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，应用也最为广泛。齿轮传动的特点是：传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，成本较低，使用的功率、速度和尺寸范围大。例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达300 m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是齿轮啮合传动会产生噪声，齿轮配合精度要求较高。根据以上特点，结合导轨的实现方式，最后选择了齿轮齿条的传动方式。（见图3）

图3 齿轮齿条传动模块

如图3，把传动部分做成一个模块，方便安装，便于生产。把牙箱、导轨、以及长轴的轴承座固定在一块比较平整的铁板上。这个模块在整机前先组装好，在整机生产时，把这个模块固定在LCD 屏后面的大固定片上，齿条的一端固定在音箱的后壳上。定位好相对位置后就可以安装了。

2.3 方案总述

此机构以直流电为动力源，驱动微型电机，带动减速齿轮组，通过齿轮齿条传动机构并配合导轨等其他机构，实现电视音箱缓慢地做往复直线运动（见图4）。

图4 整机装配图

如图4 所示，利用齿轮齿条传动机构带动音箱做上下升降运动。这个机构主要由一个马达和一个齿轮减速箱，两个齿轮齿条机构，以及相互配套的导轨和轴承组成，减速箱输出齿轮由一条长轴相连，长轴的两端固定着两个齿轮。电机的转动通过减速箱带动长轴两端的齿轮转动，齿轮的转动带动齿条随着导轨做上下滑动。齿条的一端固定在音箱上，连着音箱一起做上下升降运动。齿条本身就是滑块，导轨固定在模块的铁板上。轴的两边靠近齿轮处安装了两个轴承座，保证了齿轮和齿条的啮合良好（见图5）。

2.4 减速箱的设计和说明

图5 齿轮齿条配合示意

齿轮减速箱是此机构的动力输出模块，是实现速度要求的关键。具体见图6，马达带动蜗杆，经过四级减速达到输出轴所需要的转速。这里的蜗轮、蜗杆用的材料为PC；其余齿轮的材料为POM。蜗轮蜗杆的传动可以传递垂直轴的减速传动，并可实现自锁。在第一级减速齿轮中两个齿轮组成复齿轮，小齿轮与大齿轮的连接有弹性元件连接作离合，无论齿轮正转或反转的时候，都可对齿轮串和电机作出保护。

图6 减速齿轮箱示意

本方案以微型电机为动力，所以驱动电机的选择是否合理在很大程度上决定了整个机器的功能实现与运行的平稳性等特征是否能保证。此机构不仅对运动速度有一定的要求，而且还要求在整个过程中电机能够顺利的完成正反转的功能。其次，电机的力矩要比较大，并且要能够实现自锁。力矩太小，可能带不动齿轮齿条；或者是即使能带动但不能实现自锁，当电机断电的时候齿轮就会在机身重力的作用下转动，从而导致运动不精确和系统的稳定性不好。

2.5 计算与说明

音箱行程为36 mm，速度为3 s，所以升降速度为12 mm/s。

电机输出轴与蜗杆连接，采用齿轮四级减速。最后输出的齿轮分度圆的直径定为d=16 mm，模数m=1，z=16 （d=mz=16 mm），齿条长度为220 mm。

有关转速的粗略计算：

L=2×3.14×8=50.24（mm），此即为齿轮转一整圈的行程。

n=36/50.24/3×60=14（r/min），即减速箱输出的转速为14 r/min。

这是空载情况下，电机经过齿轮减速箱后的输出转速，再根据这个转速，来分别确定电机，以及设计分配各级齿轮减速的变速比。选择的电机额定电压12 V；空载转速为（5 000±500）r/min，然后经过齿轮的四级变速后，减速箱的输出转速达到14 r/min的设计要求。

3 工程化问题及解决措施

3.1 误差问题

导轨与滑块的问题。因为传动装置是齿轮齿条传动。齿条与滑块为一个零件，在齿轮的驱动下在导轨上滑动。导轨与滑块的精度也直接决定了齿轮与齿条啮合的精度，从而决定了音箱运行是否平稳。如果滑块与导轨之间太紧凑，就会使运动阻力太大从而不够平稳；反过来，如果缝隙太大的话必然会使机身左右晃动，使齿轮与齿条间的缝隙变大，超过一定的程度以后必然会出现齿轮卡住等一系列问题。因此对导轨与滑块的精度及其配合精度要求比较高。

最终选择了导轨用加工精度比较好的铝型材来做。齿条用铝为原材料，机加工，这样较好的保证了精度。齿条也可以采用尺寸稳定性较好的PC料。

3.2 磨损问题

同样是滑块的问题，齿条滑块和导轨的材料都是铝，由于滑块与导轨之间是滑动摩擦而不是滚动摩擦，因此如果导轨和滑块受力不是很均匀的话，就会导致磨损使滑块与导轨之间的缝隙变大，使齿条发生偏离，从而可能会影响齿轮的运动。

克服这一问题的最主要的办法就是加润滑剂，不同的材料就要选用不同的润滑剂，比如对于铁或是钢等，就要用润滑脂来润滑，对于铝用石墨来润滑会好些[3]。还有一种方案就是导轨采用铝型材，齿条采用硬度比较硬的PC，金属与工程塑料的摩擦，磨损会好一点。

3.3 噪音问题

减速箱的噪音是一个比较棘手的问题。齿轮之间配合间隙过大，或者齿面有损伤、齿形不准，精度等级不够，都有可能造成减速箱产生噪音。任何齿轮传动都会有声音，齿轮的精度越高，齿轮传动就越平稳，因此噪音相对较小。

在面对齿轮箱出现噪音问题时，应根据具体原因具体分析，出现的声音不同，其原因也不同。

在设计齿轮的时候，第一级的齿轮组因为高速和需要减少噪音的关系，所以多为0.5模。但是越接近动力输出的齿轮，模数就越大，多为0.8～1.0模，因为需要承受较大的压力。

如果减速箱的齿轮传动时噪音很大，但是声音很均匀，这说明齿轮本身没有问题，要检查是否配合间隙过大，选用的材质及热处理是否合理，设计时齿轮的重合度是否合理，是否存在共振等等原因。

如果在传动中突然有异音出现，周期性的或非周期性的，需要检查齿面有否有损伤，齿轮装配是否倾斜，是否有异物等等原因。

3.4 音箱升降过程中碰到障碍物的问题

为了使用者的安全，音箱在上升的过程中如果遇到阻碍物，要求能自动停止，并重新启动后再回原位。电路的初步设计为当音箱受到障碍物时，电机的电流会瞬间升高，软件通过检测到电流超过设定值时，会自动断电，音箱依靠电机的自锁停在原处。行程的控制也是如此，音箱上升到顶时，会顶住主机部分，而停住；音箱下降时，当到达行程36 mm 时，结构设计的限位块会挡住音箱，防止其继续下降，这时电流增大，自动断电。

3.5 安装精度问题

最终机器能平稳滑动，也需要取决于整个机构模块的安装机构，所以安装模块时，需要很好的与屏后的PCB 固定铁板定位固定连接；齿条与音箱后壳的装配也需要设计定位连接。模块安装的精度特别是导轨的平行度可能会影响到音箱的配合，也会影响齿轮齿条的配合，滑块导轨的配合。

4 结论

经过样机的制作和测试证明此方案是可行的，并且可以达到批量生产的工艺性和成本要求。当然因为此设计涉及到机械传动，运动导轨等一些相对比较精密的配合，所以，传动机构的应用设计，必须要解决好结构配合精度问题，尤其要考虑量产时的安装精度和生产效率的问题。在此基础长进行改进和创新，“滑屏电视”的应用一定会更可靠、更经济，更富有创意。

［1］朱孝录.中国机械设计大典：第四卷.机械传动设计［M］.江西：江西科学技术出版社，2002.

［2］Camel.电动玻璃升降器的结构［EB/OL］.www.aojauto.com.

［3］李华敏.齿轮机构设计与应用［M］.北京：机械工业出版社，2007.