机动玩具中不完全齿轮机构的设计特点及应用

第27卷第4期　

2009年8月

　

轻工机械

LightIndustryMachin

ery

　

Vol.27No.4

　

Aug.2009

　[安装・使用・改进]

机动玩具中不完全齿轮机构的

设计特点及应用

靳桂芳　　

(,天津　300457)　　

摘　要:、结构、材料应用和加。,对玩具动作过程进行了详细描述;根据动作过程,对动作机构不同的设计,应用不完全齿轮机构可以使玩具实现多动作,并且结构简单、紧凑、动作可靠。关　键　词:机动玩具;不完全齿轮机构;动作机构;设计特点

中图分类号:TS958.2　　　文献标志码:A　　　文章编号:100522895(2009)0420102204

DesignCharacteristicsandApplicationsofIntermittent

GearMechanismsinActionToys

JINGui2fang

(CollegeofArtDesign,TianjinUniversityofScienceandTechnology,Tianjin300457,China)

Abstract:Intermittentgearmechanismsarewidelyusedinactiontoydesign.Designcharacteristicsofintermittentgear

mechanismsofactiontoysareintroducedintoothform,structure,materialapplyingandmanufacturingtechnology.

Takingactiontoyasexamples,theactionprocessesareexpatiated.Differentdesignsofactionmechanismsareanalyzedaccordingtotheactionprocesses.Comparingwithothermechanisms,atoywithintermittentgearmechanismcanmakemoreactions,thestructureissimpleandcompact,theactionisreliable.

Keywords:actiontoy;intermittentgearmechanism;actionmechanism;designcharacteristic0　引言

1　不完全齿轮机构的运动特点

[124]

机动玩具的特点是能够表现灵活多样的动作,无论是人物、动物、运输工具、日常生活的各种活动都可以通过运动机构的巧妙设计用玩具的动作表现出来,因此这类玩具一直深受儿童的喜爱。机动玩具动作的设计主要来自于模拟自然界中存在的各种现象,有的趋于写实,有的表现夸张。虽然动作五花八门,但其设计原理却不外乎几种常见运动机构的合理应用,如四杆机构、凸轮机构、齿轮机构、棘轮机构、不完全齿轮机构等,其中不完全齿轮(不完全齿轮齿条)机构由于设计灵活、动作可靠,被广泛应用于机动玩具中。

收稿日期:2009202223;修回日期:2009203231

不完全齿轮机构属于间歇机构,它可以把主动件

的连续转动转换成被动件单方向的、有规则的时动时停的间歇运动,其结构如图1所示。图中主动轮1有一个或几个轮齿,其余部分为凸锁止弧;被动轮2有部分轮齿和凹锁止弧。主动轮作连续转动,当轮齿与被动轮的轮齿相啮合时,带动被动轮转动;2轮轮齿脱离啮合时由于锁止弧

图1　不完全齿轮

机构结构图

基金项目:天津科技大学科研基金“玩具在开发婴幼儿智力潜能中的积极作用的研究”(0218172)

作者简介:靳桂芳(1961-),女,河北安国人,教授,现任天津科技大学艺术设计学院工业设计系主任,玩具设计教研室主任,主要研究方向为机动玩具设计,发表论文20篇。

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机动玩具中不完全齿轮机构的设计特点及应用　　　　　　　　　　　　・103・

的定位作用,被动轮停止。通过设计主、从动轮不同的齿数和轮齿的分布,可以决定从动轮一周中动作的次数以及动和停的时间。

利用不完全齿轮机构这个运动特点,通过巧妙的结构设计,机动玩具就可以很方便地完成多个动作之间的转换以及动作过程中多次不同停、动时间的变化要求。

2　机动玩具中不完全齿轮机构的设计特点

3　不完全齿轮机构在机动玩具中的应用实例3.1　海豚顶小球

这个玩具外形是一个海豚,头上顶着一个圆球,海豚尾巴和左右2个鳍组成3点支撑,使玩具能够站立。

玩具外形轮廓如图

2所示。

用在设计上有其自己的特点2.1　,为了保证其强度和使用性能,。机动玩具由于内部有动力源、传动机构、执行机构等部件,也属于机械的范畴,但是与一般机械相比,玩具具有尺寸小、重量轻、负载小等特点,实际使用的齿轮、凸轮、杆等大部分零件都用塑料代替金属。机动玩具中的齿轮和不完全齿轮大都使用工程塑料,如聚甲醛(POM)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)等,这些材料完全满足玩具的强度要求

[526]

图2　玩具外形轮廓图

3.1.1　动作描述

玩具动作有4部分,小球始终在高速旋转;2鳍向后摆动撑起身体;依靠2鳍的摆动,借助尾巴的支撑,使身体向前移动,每摆1次,向前移动1步,连续动10次;然后2鳍回摆离开支撑面,使玩具失去平衡身体向前倾倒,在旋转小球的作用下,身体借助小球的滚动,在支撑面上转1圈;此后2鳍再向后摆动把身体撑起,继续下1个动作循环。3.1.2　动作机构设计方案分析

。

2.2　机动玩具中不完全齿轮对齿形要求不高,只要

满足主、从动轮便于接合即可

由于运动精度及平稳性要求,一般机械中不完全齿轮的齿形大部分都是渐开线形状,加工工艺比较复杂。而对于玩具来说运动和精度要求都相对不高,只要满足运动过程中主、从动轮能顺利接合即可,因此可以采用便于加工的轮齿形状。现在玩具中轮齿齿形都用圆弧齿,加工采用注塑成型,工艺简单,制造方便。至于不完全齿轮机构在运动过程中动、静变换所产生的冲击,由于玩具本身载荷较小,运动速度较低,对玩具的动作不会有太大的影响。

2.3　通过简单的结构设计即可完成复杂的动作

这个玩具的特点是动作多,在1个运动循环内要完成向前迈步、身体倒下、身体转圈、重新站立这4个不同的动作,因此设计时要综合考虑各种机构的特点,合理运用,用最简单的设计达到最终的动作效果。玩具的几个动作中,小球的高速旋转和身体倒下后的转动都容易实现,只要通过机芯传动系统,把连接小球的传动轴带动起来即可实现小球的高速旋转;身体倒地后的转动是因为倒下以后,只要对地面有足够的正压力,小球即可以像轮子一样在地面上作纯滚动,从而带动整个身体转动。

2个鳍的运动是该玩具动作的关键。2鳍的运动

对于动作多、动作复杂的机动玩具,应用不完全齿轮机构比用其他间歇机构其结构简单,动作可靠。虽然凸轮机构、棘轮机构和槽轮机构都可以作间歇运动,但一般情况下,这几种机构主要用来实现单一的、规则的重复性动作,如果要完成多动作之间的变换,机构设计会很复杂甚至不可能实现,而利用不完全齿轮机构则很容易。如通过改变主动轮轮齿的个数,就可以决定1个运动周期内玩具动作的次数;通过改变被动轮轮齿的分布状况,就可以控制玩具动作和停止的时间

[728]

是间歇的,先摆动10次,使身体向前移动,然后停下,海豚在地上转1圈后站起来再摆动向前。如果只是单纯的向前摆动,用凸轮机构或曲柄连杆机构都可以很容易地完成,但是在这里必须要做到的是,摆动10次以后,2鳍要摆到向前的位置,这样2鳍才能离开支撑面,使玩具失去重心倾倒;而身体在支撑面上转1圈后,2鳍必须刚好开始向后摆,才能把身体支撑起来。用凸轮机构或四杆机构很难实现动作要求,而如果用

。

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期

1对不完全齿轮,通过轮齿位置的设计则很容易实现

这一目标。3.1.3　动作机构

图3是这个玩具的动作机构简图。电机输出轴带动1对蜗杆蜗轮以获得较大的降速比。在最上面的传动轴上装有1个端面凸齿离合器,起过载保护作用,它的右端与齿片相联,左端与双联盆齿轮联为一体空套在轴上,当出现过载时(如小孩玩时有可能会按住小球不让它转动),2电机和齿轮起保护作用。轮的运动来控制

廓时,小齿轮不再被拨动,在扭簧作用下上摆,回到初始位置,使2鳍离开支撑面,海豚身体失去支撑而倒地,在小球的滚动作用下,以海豚肚子最高点为支点在支撑面上转1圈。为了便于小球滚动,在小球与支撑面接触的直径上套1橡胶圈,。1,使2鳍后摆,。

,设计得最巧妙的就是2,通过齿轮圆周上轮齿位置的变化,完成海豚向前跨步、倒地、转圈、再立起这一系列动作,机构既简单又可靠。

在设计这类玩具时应该注意的是,

不完全齿轮的转速要慢一些,太快会造成动作之间的不协调。本例中传动系统用1对蜗轮蜗杆和3对齿轮降速,使不完全齿轮获得比较低的转速。3.2　迷彩战车这是一款电动玩具,造型为一辆吉普型战车,表面用迷彩图案装饰,图4是该玩具的外形示意图。3.2.1　动作描述

该车以回轮机构为驱动轮,前轮为装饰轮,后轮为随动轮。打开开关玩具开始向前行驶,行驶1段距离以后,后车门打开,里面驶出来

1辆载着士兵的

图3　动作机构简图

图3中右图是放大的不完全齿轮结构示意图,大齿轮为主动轮,小齿轮为被动轮,大齿轮圆周上有10个均匀分开布置的凸齿,在第1个凸齿的前面有1段与小齿轮对应相啮合的连续齿,小齿轮与2鳍相连,带动2鳍摆动。

2鳍的动作过程为:大齿轮始终随轴作慢速转动,

转到与小齿轮啮合位置时,在这段连续齿的作用下,带动小齿轮顺时针方向转动,把倒下的海豚身体撑起。身体直立以后,2轮上连续齿的啮合正好脱开,小齿轮轴上装有扭簧,在扭簧的作用下,小齿轮逆时针回摆到初始位置。同时大齿轮继续旋转,当小齿轮刚刚回摆到初始位置时,大齿轮上的第1个单齿又与小齿轮齿接触,拨动小齿轮再顺时针转动,带动2鳍后摆,身体向前跨1步,然后2轮轮齿又脱离,2鳍再摆回原位。大齿轮上均匀分布的10个齿,每1个拨动小齿轮摆动1次,完成海豚前进1步,共走10步。

图4　迷彩战车外形示意图

小车,然后小车退回,后车门关上,该动作循环发生。同时坐在车前开车的司机身体左右摆动,模拟驾驶。战车配有“开火!开火!”的呐喊声,车顶装有红、绿、蓝三色灯,闪亮发光。3.2.2　动作机构分析

当大齿轮的10个单齿都转完以后,到没有齿的轮

回轮机构动作原理这里不再赘述,主要动作机构是小车从车后门出来和司机的摆动。机构示意如图5所示。

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也随着退回车里。战车的后门与车体之间有扭簧连

接,车门被顶开时扭簧产生扭转变形,小车退后到车里以后,在弹簧扭力的作用下车门关上。

该玩具主要动作机构是不完全齿轮和带齿条的滑动片的结构设计,它利用2,把主动,结构并不复,。不完全齿轮被,,即小车出来该玩具利用了常见的回轮机构,在车向前运动过程中,车后门突然打开,从里边又开出来一辆小战车,儿童看了会很意外和刺激,再配上声光效果,儿童会很喜欢。

图5　动作机构简图

　　通过机芯传动机构减速有2个动作输出轴,轴1

带动曲柄摆杆机构,摆杆与司机身体相连,通过输出轴1的转动完成司机的摆动。

4　结语

玩具的各种动作依靠各种机构的组合来完成,衡量1个玩具的好坏不在于内部结构多么复杂,用最简单的方法实现玩具的预定目标则是最好的设计。作为玩具设计师不但要设计出优美漂亮的外形,还要灵活运用各种机构,设计出动作有趣好玩的玩具。参考文献:

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输出轴2带动小齿轮2与大齿轮3啮合,齿轮3

的上面装有1个不完全齿轮(该玩具的不完全齿轮是把1个常用的齿轮切去一部分,形成不完全齿轮),2轮一起转动,与不完全齿轮相啮合的是一侧带有齿条的滑动片。当不完全齿轮的轮齿转到与齿条相啮合的位置时,带动滑动片向后滑动。滑动片上固定着载有士兵的小车,小车随滑动片运动时,它的端部顶开战车的后门,小车向外移动。2个圆柱销1个固定在战车底板上,作为滑动片的运动轨迹挡销,另1个固定在滑动片上,2销之间连接着弹簧,当滑动片向后移动时,弹簧被拉长。

当不完全齿轮转过有齿部分时,与齿条不再有啮合部分,滑动片在弹簧的拉力作用下被拉回原位,小车

工业出版社,2008.

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[信息・简讯]

・企业管理・

造纸工业废纸制浆新标准于7月1日实施

　　清洁生产标准造纸工业(废纸制浆)(HJ468-2009)于2009年7月1日开始实施。

新标准贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国清洁生产促进法》,为废纸制浆造纸工业企业开展清洁生产提供技术支持和导向。新标准规定了在达到国家和地方污染物排放标准的基础上,根据当前的行业技术、装备水平和管理水平,造纸工业(废纸制浆)企业清洁生产的一般要求。该标准分为3级:一级代表国际清洁生产先进水平,二级代表国内清洁生产先进水平,三级代表国内清洁生产基本水平。新标准将造纸工业(废纸制浆)清洁生产指标分为5类,即生产工艺与装备要求、资源能源利用指标、污染物产生指标(末端处理前)、废物回收利用指标和环境管理要求。新标准适用于废纸制浆造纸工业企业的清洁生产审核、清洁生产潜力与机会的判断,以及清洁生产绩效评定和清洁生产绩效公告制度,也适用于环境影响评价、排污许可证管理等环境管理制度。随着技术的不断进步和发展,新标准将适时修订。

(摘自《中国造纸杂志社》网2009206226)

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