电机自动离合机构设计及分析

李晶

（广州御银科技股份有限公司，广东广州 510000）

电机自动离合机构设计及分析

李晶

（广州御银科技股份有限公司，广东广州 510000）

设计一种电机自动离合机构，当打开钱箱上盖时，此机构自动分离，压钞机构和电机分开，从而很方便地加钞票；当打开的钱箱关闭，此机构自动啮合，压钞机构在电机的带动下顺利的出钞票。最后，借助有限元分析软件ANSYS确定了关键零件弹片的厚度和形状。

电机；离合；钱箱；弹片；ANSYS

1 概述

自助取款机的钱箱接到出钞命令时，挖钞机构挖出钞票，随着钞票的减少，压钞机构在电机的带动下需要以较大的推力推动钞票向前移动。当需要往钱箱中加入钞票时，压钞机构需要和电机断开，让压钞机构以很小的力就能前后移动，方便往钱箱里加入钞票，然后关上钱箱，等待出钞。在加钞出钞的整个过程中，需要电机和压钞机构的离合机构，现在的钱箱都有此离合机构，但不是自动的，在加钞票时，需要一边按住离合机构，一边往钱箱里放入钞票，加钞过程不好操作。并且在加钞时，压钞机构会根据需要前后移动，如果在移动过程中，离合机构时合时断，很容易损坏离合机构和电机的齿轮。

2 电机自动离合机构

图1 电机分离状态

为了解决钱箱离合机构上述问题，本文介绍一种新型的电机离合机构，结构原理如图1和图2所示。图1显示的是电机分离状态，图2是电机啮合状态。它包括电机支撑板3，安装在电机支撑板的电机2，固定在电机上的电机齿轮1，围绕中心轴9旋转的中心齿轮8和压板5，中心轴9两端通过轴承支撑在钱箱的下主体框架上，中心轴9和中心齿轮8通过销钉固定，一起旋转，压板5和中心轴9没有固定，可以在中心轴9上随意旋转；压板5上安装有离合轴7、离合轴承和离合齿轮4，中心齿轮8和离合齿轮4的中心距固定不变，所以中心齿轮和离合齿轮4永远啮合在一起，压板5还固定焊接有弹片6；压板5和电机支撑板3之间通过拉伸弹簧10相连[2]。

图2 电机啮合状态

与中心齿轮8固定的还有压钞同步带轮，通过同步带与压钞机构相连。

如图1所示，钱箱上盖打开，弹片6恢复原状，压板5自动在拉伸弹簧10的作用下，围绕中心轴9旋转，离合齿轮7和电机齿轮1分开。压板5被旋转一定角度后，会被挡板阻挡而停止运动。

如图2所示，当钱箱上盖关闭，上盖下压弹片6，压板5围绕中心轴9旋转，并克服拉伸弹簧10的阻力，直到离合轴7接触到电机支撑板3，此时离合齿轮4和电机齿轮1刚好完全啮合。如果离合齿轮4压下时，和电机齿轮1发生顶齿，此时离合齿轮4将自动发生很小角度的自转，让离合齿轮4和电机齿轮1能够顺利啮合。

由于推钞机构只向前推钞票，所以电机齿轮只需要单方向逆时针旋转。电机轴和离合轴7的中心线与离合轴7和中心轴9的中心线角度接近90°，电机轴和离合轴7的中心线与水平线接近60°，根据力的方向分解原理，只需要给弹片6很小的压力，电机齿轮1就能逆时针带动离合齿轮4转动。

因此，只要钱箱上盖不打开，弹片6始终受压力，就能保证离合齿轮4和电机齿轮1的啮合。

本电机自动离合机构的优点在于：

（1）在钱箱上盖打开时，离合齿轮4在瞬间自动和电机齿轮1分离，压钞机构前后移动时，通过同步带带动压钞同步带轮与中心齿轮8，同时也就只带动了离合齿轮4转动，这样就不会带动电机转动，压钞机构移动起来会很轻松，并且能够增加电机2和电机齿轮1的寿命。

（2）往钱箱里加钞票时，不需要手动一只手按住离合机构，一只手加钞票的繁琐过程，只需要一只手加钞票就可以，减少劳动量，缩短加钞时间，提高加钞效率。

3 弹片分析

此电机自动离合机构的弹片，要求有良好的弹性和一定的回复力，并且弹性系数要合适。如果弹性系数太小，离合齿轮4和电机齿轮1有可能啮合不完全；如果弹性系数太大，钱箱上盖关闭时，将需要很大的力才能推动弹片关上钱箱，不好操作并且容易损伤钱箱上盖。

目前进行弹片设计时，一般采用试错法，但弹片加工需要加工和交货周期，影响电机离合机构整体的设计进度。并且此处弹片由于空间的限制，弹片形状不规则，难以用传统的力学计算方法解决，本文借助有限元分析软件ANSYS对其弹片进行设计和分析，以缩短弹片设计时间，确保电机离合机构的效果。

图3 弹片

考虑到电机自动离合机构的整体结构和空间限制，设计出的弹片的形状如图3所示。根据经验，钱箱上盖下压的力不超过2 N时，比较合适，此时弹片A的位移在1 mm左右时，机构整体效果比较理想，为了达到此效果，需要确定弹片的主要参数：弹片厚度。

（1）弹片选用不锈钢材料，弹性模量210 GPa，泊松比0.3。

（2）本文目的在于确定弹片厚度和弹片高度，所以在保留主要形状的基础上，对分析影响不大的形状进行了简化，降低模型建立的难度和减少计算量，提高分析效率。

（3）根据弹片的实体受力类型和材料特性，选用四节点弹性壳单元shell63，每个节点有六个自由度，沿三个相互垂直的方向移动和转动。为了保证弹片计算的准确性和更好的有限元网格，所以对圆孔部分单元网格进行了细化，并采用映射分网的方式对单元的长度和数目做相应控制［3］。

（4）弹片通过焊接弹片上的两个圆孔固定在压板上，所以需要约束圆孔周围所有节点所有方向的自由度。当钱箱上盖下压时，和弹片的接触范围是一条直线，这里把载荷2 N均匀施加在接触直线上。

（5）假设弹片的厚度是0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm，但不改变弹片的约束方式，其各种弹片厚度下的应力云图和总位移分布如图4～图6所示。

分析图4～6可以看出，最大应力出现在第一个固定孔附近，并且随着弹片厚度增加而减小。最大位移也不断减小，其出现在施力面的端部处。各种弹片厚度下的最大应力和位移见表1。

当弹片厚度为0.4 mm时，其弹片A处最大位移为 0.96 mm，与要求的1 mm最接近，并且此时最大应力为 223 MPa，小于其许用应力230 MPa［4］，即是没有发生塑性变形，具有弹性，能够正常工作。

图4 弹片厚度为0.3 mm

图5 弹片厚度为0.4 mm

4 结论

（1）本文详细说明本电机自动离合机构的运动工作过程，能够很好地实现自动离合，轻松实现钱箱的加钞和出钞。并且此机构结构简单，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