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作者:鄭智銘(2001-10-29);推薦:徐業良(2001-10-30)
附註:本文為九十學年度元智大學機械系大三機械設計課程實作計畫。

機械設計實作計畫-機械傳動元件選用與系統設計

1. 市售幼兒玩具傳動系統介紹

指南車相傳為黃帝所製造,指南車與指南針不同的地方在於指南針是以地磁力方式指引方向,而指南車則是完全機械式的設計,當車子轉向時,指南車上方的小人手指總是指向一定的方向。如圖1所示,指南車是利用齒輪與差動原理所製造的機械裝置,當指南車左轉時左右兩方的車輪轉動不同圈數,利用齒輪與差動的原理,此時被車輪帶動的小齒輪會使中央平躺的大齒輪會朝反方向右轉,抵銷車子左轉的方位。

1. 指南車示意圖【1

常見的幼兒玩具多半是以單一動力源的方式配合傳動元件與機構,完成具有創意而有趣能吸引兒童注意的往復動作。如圖2的釣魚玩具,由外觀看起來是以單一馬達驅動放置小魚的圓盤轉動,拆開驅動裝置後,在圖3中我們可以看到傳動系統內部不僅只是馬達而已,還搭配了一組減速齒輪組。同樣的我們可以看到雞蛋寶寶爬梯滑梯遊戲中,如圖4所示的雞蛋寶寶唯一的動力源僅是圓盤帶動樓梯上下動作,當然其內部除了馬達之外也是需要搭配如圖5所示的適當減速裝置。我們可以發現,釣魚遊戲與雞蛋寶寶爬梯滑梯遊戲都是以蝸桿與蝸齒輪的形式提供較高的減速比,控制機構維持適當的動作速率,並有較大的扭力。

2. 釣魚遊戲傳動裝置外觀

3. 釣魚遊戲馬達減速機構

4.雞蛋寶寶遊戲傳動系統

5. 雞蛋寶寶遊戲馬達減速機構

市售玩具中有一款撞到牆壁能自動轉向的電動車,乍看之下可能以為這台車子需要向前直行以及轉向兩個不同的動力源,拆開後發現如圖6所示,車子前行與轉向的動力源是相同的傳動裝置,車子轉向的原理是因為馬達傳動車輪軸的位置不是在正中央,因此無障礙物時馬達提供車子向前直行的力量,當遇到牆壁停止時馬達便發揮所有的扭力轉向,僅僅利用相垂直的斜齒輪便能達到自動轉向的功能。

6. 電動車傳動與轉向裝置

2. 幼兒玩具傳動系統設計

Part 1. 機械設計e-Advisor程式使用

選用傳動元件時必須要考慮到許多工程與機械上的因素,以鍊條選用為例,必須考慮馬達扭力、轉速、減速比、皮帶運轉線速度等因素,往往需要經過複雜繁瑣的計算工作。最佳化設計實驗室的e-Advisor提供簡明的操作介面,依序將設定條件填入便可幫助你選用適當的傳動鍊條與皮帶,請試著使用e-AdvisorV-Belt Transmission System Roller Chain Transmission System程式完成以下問題中鍊條與皮帶的選用。

(1)       古代時的人們以繩索吊起水桶取井中的水,隨著電動機的發明,可以用機器取代人力。我們以此為例,以50hp的電動馬達作為動力來源,並以適當的V型皮帶作為傳動,希望能以675rpm的轉速帶動水桶繩索將水桶吊起,請依據給定的條件並合理假設其他參數,決定適合的V型皮帶。

(2)       你們最後所選定的V型皮帶規格為何?除了列出e-Advisor程式的輸出之外,試著解釋皮帶每一項規格參數所代表的意義為何,最後設計是否合理。

(3)       同樣的條件下,如果你們改用鍊條作為傳動元件,你們最後所選定的鍊條規格為何?除了列出e-Advisor程式的輸出之外,試著解釋鏈條每一項規格參數所代表的意義為何,最後設計是否合理。

(4)       在這個例子你覺得選用V型皮帶或鍊條作為傳動元件比較適當?你可能的考慮因素可能包括價錢、空間、傳輸距離等因素,敘述你們合理假設下的想法。

Part 2. 樂高與傳動元件實作計畫

Project 2的計畫單元中,每一小組均為自己設計的幼兒玩具擬定了一份故事與劇情,也思考規劃了幼兒玩具預期產生的動作以及概念設計、空間配置方式等。在11/1(四)的課堂時間,將再安排一次樂高元件的實作機會,讓同學將自己所設計的幼兒玩具以樂高元件組合呈現,藉此我們可以實際呈現幼兒玩具的動作,觀察是否會發現先前未想到的問題。

(1)   你們所規劃的幼兒玩具故事中,幼兒玩具需要達成哪些有創意的動作?試著以說故事的方式由機械角度敘述傳動系統動力源是如何帶動傳動元件,並完成你們預期的動作?

(2)   你們所設計的傳動系統,一共需要幾個動力源?動力是否需要長距離的傳輸?是否需要作90度轉向?你預期以哪些傳動元件完成你們的傳動系統?

(3)   11/1(四)課堂時間,同學實際利用實驗室所提供的各式傳動元件與樂高元件,組合出你們幼兒玩具預期達成的動作,助教群將以數位相機拍下你們當天傳動系統實際動作的情形,可以附加在Project 3報告中。

(4)   除了實體照片之外,亦請將你們的傳動設計以簡圖表示,並說明其傳動方式、計算其減速比等。

(5)   你們所設計的幼兒玩具傳動系統,實際呈現時是否遇到當初沒有考慮到的問題?或是察覺當初的設計概念是不可行的,整個實作的過程中對你們幼兒玩具的設計以及問題的釐清是否有幫助?你們的幼兒玩具是否因此有設計變更的後續動作?

參考資料

1.      精密機械研究發展中心,http://www.pmc.org.tw/

2.      陳有凡,滾子鍊條傳動系統設計e-Advisor原理介紹及使用說明,http://designer.mech.yzu.edu.tw

3.      陳有凡,(2001-06-27) V型皮帶傳動系統設計e-Advisor原理介紹及使用說明,http://designer.mech.yzu.edu.tw