基于齿轮传动的自动叠衣装置研究

高淑芬 刘艺 李俊 付培军 赵鹏

摘要：随着社会经济的快速发展，人们的生活节奏也在加快，用于做家务的时间少之又少。基于减少人们整理衣服时间这一需求，设计了一款自动叠衣装置，其能迅速整理、放置衣服。同时，以设计自动叠衣装置的过程为例，结合第九届全国大学生机械创新设计大赛的要求，引出基于齿轮传动的自动叠衣装置的优化与实践研究。

关键词：自动叠衣;齿轮齿条;惰轮

0 引言

随着社会经济的快速发展，人们的生活压力也越来越大，尤其是忙碌的上班族，他们用于做家务的时间很少。市场上虽然已经出现了新型叠衣机，但没有得到大面积推广，其总体上还存在一定的缺陷和局限性，不能满足人们的需求。因此，自动叠衣装置存在着巨大的市场空间，需要有更好的设计来满足人们的需求。

1 方案设计

通过对自动叠衣装置的功能分析可知，该装置衣物需要完成重力势能的转换以及顺利实现缓冲作用。为了设计方便，先对本装置进行划分进而开展模块化设计。为了得到令人满意的方案，本设计采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多种可行的方案和构思。

在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得所选择的方案能够综合最优，以便最终加工制作成自动叠衣装置。

2 结构设计

根据自动叠衣装置所要完成的功能，其可划分为5个部分：底座、动力机构、传动机构、旋转机构、惰轮机构。

2.1    底座

该装置底座不用承受很大的力，精度要求低。同时，考虑到重量、加工和成本等因素，该装置采用矩形底座。

2.2    动力机构

该装置动力机构的作用是将主动齿轮的动能转换为齿条的机械能。给定一个适合的初始力F，为了避免齿条在移动过程中速度过大或过小造成翻板转速不稳定，应使齿条保持加速度为零的匀速运动。

选用主动齿轮的模数m=2，齿数z=20，压力角取标准值α=20°，齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.25，由公式齿顶高ha=ha*m，齿根高hf=（ha*+c*）m，可以推出：

分度圆直径：d=mz=40 mm（1）

齿顶圆直径：da=d+2ha=44 mm（2）

齿根圆直径：df=d-2hf=35 mm（3）

翻板在转动过程中保持速度稍大，防止衣物的自重使衣物的袖口滑落侧板，造成叠衣失败或者衣物卡住的情况。由于不同的轨道对齿条的摩擦不一样，因此挑选相同粗糙度的轨道可使齿条能平滑地在轨道上滑动。

2.3    传动机构

传动机构的功能是把动力和运动传递到碳纤维板上，使衣物叠在指定的位置。传动机构是自动叠衣装置设计的关键部位，直接决定着整个机构的实用性。传动机构必须具备传递效率高、传动稳定、结构简单、重量轻等特点。

选用齿轮转动使翻板转动的方式具有传动比稳定、传动效率高、工作可靠性高、结构紧凑等优点，在不考虑其他条件时齿轮转动是最优的方式。齿轮齿条传动既省力，又可以改变力的方向，具有结构简单、传动平稳、价格低廉等特点。

由齿轮齿条正确啮合条件可知，齿条的模数m=2;根据底座的高度选取齿条的长度和宽度均为20 mm。

采用齿轮齿条配合是为了使齿条移动时能同时控制两边纤维板的转动，极大地提高转动精度及效率。

从动齿轮选取相同的模数m=2，齿数z=20，压力角α=20°，齿顶高系数1，顶隙系数0.25，其分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径都可以根据上文所述公式计算出来，从而选取适合的齿条和从动齿轮。

2.4    旋转机构

旋转机构通过特定设计的铰链来完成旋转。翻板与轴一起转动，为了减少零部件之间的摩擦，选用合适的轴承和轴承座。同时确定轴承座的位置，避免相互干涉。

该机构要求翻板结构简单，还需要有特殊的运动特性，能够稳定完成旋转动作。

2.5    惰轮机构

惰轮机构作为该装置的一种安全、高效机构，能有效使衣领翻板在规定时间内转动特定角度。惰轮用于控制衣领翻板的转动以及角度。惰轮机构的性能要求：精度要求高，使用过程中要承载巨大的载荷，且需要耐腐蚀。惰轮每次转过的角度称为旋转角。旋转角的大小可利用编程程序设定，从而控制翻板的角度和速度。

2.6    实现方式

如图1所示，自动叠衣装置包括：1基座、2基板、3第一翻板、4第二翻板、驱动件和6衣领翻板，其中驱动件包括5.1电机、5.2主动齿轮、5.3从动齿轮和齿条。

（1）基座：优选采用金属材料，需将其固定于平整的连接面上，以便于折叠衣物。考虑到重量问题，也可选用木材。

（2）基板：基板的上表面应保持平整，同时为了减轻基板的重量，在基板上开设有多个减重孔。

（3）第一翻板：其可转动式安装于基板的一侧面边沿。第一翻板与第一枢轴配合，加上轴承与轴承座固定轴的位置，第一枢轴可转动式安装于基板上，翻转第一翻板可使铺设于翻板上的衣物一侧部分折向基板。

（4）第二翻板：其可转动式安装于基板与第一翻板相对的一侧面边沿，与第一翻板相似，翻转第二翻板可使铺设于第二翻板上的衣物一侧部分折向基板上。需要注意的是，与基板相类似，第一翻板和第二翻板上均开设有多个减重孔。

（5）驱动件：包括电机、齿条、主动齿轮和两个从动齿轮。

两个从动齿轮的输出端分别连接第一翻板和第二翻板，以驱动第一翻板和第二翻板翻转。在自動叠衣装置中，第一从动齿轮套设于第一翻板的第一枢轴上，第二从动齿轮套设于第二翻板的第二枢轴上，主动齿轮设置于第一从动齿轮和第二从动齿轮之间，且主动齿轮套设于电机的输出端，齿条分别与第一从动齿轮、第二从动齿轮和主动齿轮啮合。对于驱动件的设置必须要驱动第一翻板和第二翻板先后翻转，因此要求齿条长度L大于第一从动齿轮和主动齿轮的中心距a1，大于第二从动齿轮和主动齿轮的中心距a2，且齿条长度小于第一从动齿轮和第二从动齿轮的中心距a3，即L>a1，L>a2，L

齿条：基座上开设有导槽，齿条滑动范围小于设置的导槽总长度。

（6）衣领翻板：设置于第一翻板和第二翻板之间。衣领翻板由惰轮控制，并安装于基板边缘。

总之，自动叠衣装置的实现方式是将基座固定于可靠的连接面，基板安装于基座之上，第一翻板和第二翻板分别可转动式安装于基板相对的两个边沿上，衣领翻板安装于基板另一边缘。在实际使用过程中，需要将衣物铺设于基板、第一翻板、第二翻板和衣领翻板之上，而后利用驱动件分别驱动第一翻板和第二翻板转动，转动第一翻板则会将铺设于第一翻板上的衣物折向基板，相应地，转动第二翻板则会将铺设于第二翻板上的衣物折向基板，转动衣领翻板会将铺设于衣领翻板上的衣物折向基板，从而完成衣物的折叠，减少折叠衣物所耗费的人力。

2.7    断电保护设计

通过所述主控板的电机接收继电器信号，家用电220 V通过电源模块可输出供给步进电机使用的12 V和主控板使用的3 V稳定直流电压。

在家里正常供电的情况下，继电器输入高电压，程序正常运行;当家里断电后，继电器输入低电压，此时供电为备用电源，程序进入复位状态，程序退出，如图2所示。

3 结语

为了解决上班族做家务时间少的问题，设计了一款自动叠衣装置，其在通电状态下能迅速整理、放置衣服。该装置采用了方案设计—结构设计—功能设计与实现—保护设计—反馈修改的项目式设计方法，为之后装置的优化与改进提供了思路，本文重点介绍了其中的方案设计与机构设计。

设计初期在确定结构、传动比、减少摩擦的情况下，为了减轻装置的重量以及实现能量的转化，不但要考虑加工的难易程度，还要考虑经费、效能等问题。在不断完善的过程中，团队通过发现问题、分析问题、解决问题，学会了如何从工程设计的角度去看待问题，意识到了团队合作的重要性，不仅在加工阶段激发自己的兴趣和积极性，而且在调试阶段让团队看到此项目的可操作性，激发他们的主动性，从而培养个人的工程实践能力和创新能力。

[参考文献]

[1] 郑文纬，吴克坚.机械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2010.

[2] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].7版.北京：高等教育出版社，2001.

[3] 朱峰，林吉靓.硅钢片自动叠片机的研究与设计[J].机械设计与制造，2014（7）：43-44.

收稿日期：2020-12-21

作者簡介：高淑芬（1989—），女，山东滨州人，实验师，研究方向：机械设计制造及其自动化、机械控制等。

刘艺（1999—），男，湖北十堰人，研究方向：机械设计制造及其自动化。