高西成，陳偉雄

（創(chuàng)維集團研究院，廣東深圳 518108）

0 引言

隨著平板電視的日益普及以及人們對生活品質追求的不斷提高，消費者對平板電視的外觀要求也越來越高。將電視產品真正融入到不同環(huán)境的設計格調，實現家電與環(huán)境的完美和諧，是產品設計的方向，據調查，大多數消費者都喜歡簡潔、大方的電視外觀造型。所以，可隱藏音箱的“滑屏電視”概念也就應運而生。所謂滑屏電視，就是在電視關機或待機的時候，音箱能自動滑動，隱藏到屏的后面，也可以看作是屏相對滑動，把音箱遮蓋起來，從而使外觀看起來更簡潔，與周圍的環(huán)境更和諧。

1 產品分析

42L31 滑屏電視就是基于這種理念下設計的產品。

這個造型的特征是：外觀造型整體包邊設計，其最主要的特征是音箱的滑動方式，當電源開啟時音箱滑下，露出喇叭部分，當電源關閉時音箱收起，隱藏喇叭部分，使電視外觀看起來更加干凈簡潔和趨于整體，給人感覺高貴華麗，具有科技感。（如圖1）。

圖1 造型特征

通過分析，這個機型具體的功能結構要求如下：

（1）平板電視的音箱部分可隱藏；

（2）音箱部分實現電動升降，要求運行平穩(wěn)，噪音符合國家環(huán)保要求；

（3）要求實現在電視開機的時候，音箱能自動下降伸出來，關機或者待機時音箱能自動縮回去；如果在上升或者下降的過程中，遇到障礙，它能自動停住；

（4）要求傳動機構內置在機器的里面，結構緊湊簡單，安裝方便，有一定的成本要求。

為了實現產品外觀和具體結構功能要求，此機型結構設計的重點就是如何把運動機構應用到平板電視的整機設計中，實現機構的工程化應用，最終實現產品批量生產。

2 方案設計

在機械設計行業(yè)，機械傳動機構是指利用機械運動方式傳遞運動和動力的機構。為了滿足產品整機功能結構要求，實現音箱根據需要自動升降，結構設計的重點和難點主要是帶動音箱升降的傳動結構的設計。設計思路是通過分析音箱升降的整個運動過程，結合電視產品結構設計的特點，把類似機械傳動結構應用到電視整機的結構設計中。

2.1 運動參數和技術指標

機構需要滿足的參數和技術指標如下：

1）機構能負載4～5 kg，音箱的外形尺寸為1 054 mm×60 mm×62 mm；

2）成套機構負載噪音不超過60 dB；

3）機構停止運動時，在不受外力的情況下可以自鎖；

4）機構運行穩(wěn)定可靠，精確度高，能夠合理地配合在整機上；

5）機構經受連續(xù)往復升降2萬次耐久性試驗后，仍能正常工作；

6）機構負載升至最高位置時，電機停止工作后，負載物向下的空行程不超過0.5 mm；

7）機構帶動電視音箱做勻速直線運動，行程為36 mm，速度為9～12 mm/s。

2.2 傳動機構方案的選擇

可以實現直線升降機構的有很多，比如有利用鋼絲和滑輪的繩輪結構，齒輪齒條傳動機構、絲缸傳動機構、當然還有利用氣缸或者液壓傳動等等，不同機構各有優(yōu)缺點[1]。

液壓、汽缸等方式因為成本和動力源的問題，所以暫不考慮。

絲杠傳動是將旋轉運動通過絲母轉變?yōu)橹本€運動，由絲杠傳動，可獲得比較高的精度和平穩(wěn)的運動。但是由于此種結構的音箱較長，且由于造型本身的限制，所以也不予考慮。

最后可選方案：繩輪結構和齒輪齒條方式。

繩輪結構在應用在汽車上的電動玻璃升降比較普遍（見圖2）。這種結構一般由滑輪、鋼絲繩、張力器、張力滑輪等組成，它通過驅動電動機拉鋼絲繩來控音箱的升降，電動機的輸出部分是一個塑料繩輪，繩輪上繞上鋼絲繩，鋼絲繩上裝有滑塊，電動機驅動繩輪，帶動鋼絲繩卷繞，鋼絲繩上的滑塊帶動音箱，使之沿導軌作上下運動。通過改變電動機電機極性，使其作正反向旋轉，帶動機構作上下運動[2]。此種結構的優(yōu)點是結構運行平穩(wěn)，噪音小。缺點是結構復雜，成本較高，對導軌的要求較高，在生產的時候需要對繩子作張緊，不易控制，而且此種結構音箱和主機面殼兩邊有配合，且音箱較長，需要兩條導軌才能升降較為平穩(wěn)，從而增加安裝的難度及成本，最后只好放棄。

圖2 汽車玻璃升降器

齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，應用也最為廣泛。齒輪傳動的特點是：傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，成本較低，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳遞功率可以從很小至幾十萬千瓦；速度最高可達300 m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至二十多米。但是齒輪嚙合傳動會產生噪聲，齒輪配合精度要求較高。根據以上特點，結合導軌的實現方式，最后選擇了齒輪齒條的傳動方式。（見圖3）

圖3 齒輪齒條傳動模塊

如圖3，把傳動部分做成一個模塊，方便安裝，便于生產。把牙箱、導軌、以及長軸的軸承座固定在一塊比較平整的鐵板上。這個模塊在整機前先組裝好，在整機生產時，把這個模塊固定在LCD 屏后面的大固定片上，齒條的一端固定在音箱的后殼上。定位好相對位置后就可以安裝了。

2.3 方案總述

此機構以直流電為動力源，驅動微型電機，帶動減速齒輪組，通過齒輪齒條傳動機構并配合導軌等其他機構，實現電視音箱緩慢地做往復直線運動（見圖4）。

圖4 整機裝配圖

如圖4 所示，利用齒輪齒條傳動機構帶動音箱做上下升降運動。這個機構主要由一個馬達和一個齒輪減速箱，兩個齒輪齒條機構，以及相互配套的導軌和軸承組成，減速箱輸出齒輪由一條長軸相連，長軸的兩端固定著兩個齒輪。電機的轉動通過減速箱帶動長軸兩端的齒輪轉動，齒輪的轉動帶動齒條隨著導軌做上下滑動。齒條的一端固定在音箱上，連著音箱一起做上下升降運動。齒條本身就是滑塊，導軌固定在模塊的鐵板上。軸的兩邊靠近齒輪處安裝了兩個軸承座，保證了齒輪和齒條的嚙合良好（見圖5）。

2.4 減速箱的設計和說明

圖5 齒輪齒條配合示意

齒輪減速箱是此機構的動力輸出模塊，是實現速度要求的關鍵。具體見圖6，馬達帶動蝸桿，經過四級減速達到輸出軸所需要的轉速。這里的蝸輪、蝸桿用的材料為PC；其余齒輪的材料為POM。蝸輪蝸桿的傳動可以傳遞垂直軸的減速傳動，并可實現自鎖。在第一級減速齒輪中兩個齒輪組成復齒輪，小齒輪與大齒輪的連接有彈性元件連接作離合，無論齒輪正轉或反轉的時候，都可對齒輪串和電機作出保護。

圖6 減速齒輪箱示意

本方案以微型電機為動力，所以驅動電機的選擇是否合理在很大程度上決定了整個機器的功能實現與運行的平穩(wěn)性等特征是否能保證。此機構不僅對運動速度有一定的要求，而且還要求在整個過程中電機能夠順利的完成正反轉的功能。其次，電機的力矩要比較大，并且要能夠實現自鎖。力矩太小，可能帶不動齒輪齒條；或者是即使能帶動但不能實現自鎖，當電機斷電的時候齒輪就會在機身重力的作用下轉動，從而導致運動不精確和系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好。

2.5 計算與說明

音箱行程為36 mm，速度為3 s，所以升降速度為12 mm/s。

電機輸出軸與蝸桿連接，采用齒輪四級減速。最后輸出的齒輪分度圓的直徑定為d=16 mm，模數m=1，z=16 （d=mz=16 mm），齒條長度為220 mm。

有關轉速的粗略計算：

L=2×3.14×8=50.24（mm），此即為齒輪轉一整圈的行程。

n=36/50.24/3×60=14（r/min），即減速箱輸出的轉速為14 r/min。

這是空載情況下，電機經過齒輪減速箱后的輸出轉速，再根據這個轉速，來分別確定電機，以及設計分配各級齒輪減速的變速比。選擇的電機額定電壓12 V；空載轉速為（5 000±500）r/min，然后經過齒輪的四級變速后，減速箱的輸出轉速達到14 r/min的設計要求。

3 工程化問題及解決措施

3.1 誤差問題

導軌與滑塊的問題。因為傳動裝置是齒輪齒條傳動。齒條與滑塊為一個零件，在齒輪的驅動下在導軌上滑動。導軌與滑塊的精度也直接決定了齒輪與齒條嚙合的精度，從而決定了音箱運行是否平穩(wěn)。如果滑塊與導軌之間太緊湊，就會使運動阻力太大從而不夠平穩(wěn)；反過來，如果縫隙太大的話必然會使機身左右晃動，使齒輪與齒條間的縫隙變大，超過一定的程度以后必然會出現齒輪卡住等一系列問題。因此對導軌與滑塊的精度及其配合精度要求比較高。

最終選擇了導軌用加工精度比較好的鋁型材來做。齒條用鋁為原材料，機加工，這樣較好的保證了精度。齒條也可以采用尺寸穩(wěn)定性較好的PC料。

3.2 磨損問題

同樣是滑塊的問題，齒條滑塊和導軌的材料都是鋁，由于滑塊與導軌之間是滑動摩擦而不是滾動摩擦，因此如果導軌和滑塊受力不是很均勻的話，就會導致磨損使滑塊與導軌之間的縫隙變大，使齒條發(fā)生偏離，從而可能會影響齒輪的運動。

克服這一問題的最主要的辦法就是加潤滑劑，不同的材料就要選用不同的潤滑劑，比如對于鐵或是鋼等，就要用潤滑脂來潤滑，對于鋁用石墨來潤滑會好些[3]。還有一種方案就是導軌采用鋁型材，齒條采用硬度比較硬的PC，金屬與工程塑料的摩擦，磨損會好一點。

3.3 噪音問題

減速箱的噪音是一個比較棘手的問題。齒輪之間配合間隙過大，或者齒面有損傷、齒形不準，精度等級不夠，都有可能造成減速箱產生噪音。任何齒輪傳動都會有聲音，齒輪的精度越高，齒輪傳動就越平穩(wěn)，因此噪音相對較小。

在面對齒輪箱出現噪音問題時，應根據具體原因具體分析，出現的聲音不同，其原因也不同。

在設計齒輪的時候，第一級的齒輪組因為高速和需要減少噪音的關系，所以多為0.5模。但是越接近動力輸出的齒輪，模數就越大，多為0.8～1.0模，因為需要承受較大的壓力。

如果減速箱的齒輪傳動時噪音很大，但是聲音很均勻，這說明齒輪本身沒有問題，要檢查是否配合間隙過大，選用的材質及熱處理是否合理，設計時齒輪的重合度是否合理，是否存在共振等等原因。

如果在傳動中突然有異音出現，周期性的或非周期性的，需要檢查齒面有否有損傷，齒輪裝配是否傾斜，是否有異物等等原因。

3.4 音箱升降過程中碰到障礙物的問題

為了使用者的安全，音箱在上升的過程中如果遇到阻礙物，要求能自動停止，并重新啟動后再回原位。電路的初步設計為當音箱受到障礙物時，電機的電流會瞬間升高，軟件通過檢測到電流超過設定值時，會自動斷電，音箱依靠電機的自鎖停在原處。行程的控制也是如此，音箱上升到頂時，會頂住主機部分，而停住；音箱下降時，當到達行程36 mm 時，結構設計的限位塊會擋住音箱，防止其繼續(xù)下降，這時電流增大，自動斷電。

3.5 安裝精度問題

最終機器能平穩(wěn)滑動，也需要取決于整個機構模塊的安裝機構，所以安裝模塊時，需要很好的與屏后的PCB 固定鐵板定位固定連接；齒條與音箱后殼的裝配也需要設計定位連接。模塊安裝的精度特別是導軌的平行度可能會影響到音箱的配合，也會影響齒輪齒條的配合，滑塊導軌的配合。

4 結論

經過樣機的制作和測試證明此方案是可行的，并且可以達到批量生產的工藝性和成本要求。當然因為此設計涉及到機械傳動，運動導軌等一些相對比較精密的配合，所以，傳動機構的應用設計，必須要解決好結構配合精度問題，尤其要考慮量產時的安裝精度和生產效率的問題。在此基礎長進行改進和創(chuàng)新，“滑屏電視”的應用一定會更可靠、更經濟，更富有創(chuàng)意。

［1］朱孝錄.中國機械設計大典：第四卷.機械傳動設計［M］.江西：江西科學技術出版社，2002.

［2］Camel.電動玻璃升降器的結構［EB/OL］.www.aojauto.com.

［3］李華敏.齒輪機構設計與應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.