基于非接触式薄型IC卡发票机构的弹簧设计

2014-09-12 03:40杨如军徐骏善刘玉伟

机械制造与自动化 2014年4期

杨如军，徐骏善，刘玉伟

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094)

0 引言

随着全球城市轨道交通的快速发展，AFC系统设备中自动售票设备对车票发售模块的需求也不断增加，对该模块技术规格的要求也不断提高［1］。近年来国内轨道交通进入了快速发展阶段，特别是北京、上海、广州、南京等地。由于目前国内应用的地铁售票机多为国外技术，故成本特别高，近些年来国家也开始加大了自主研发力度。

本文主要根据某市地铁设计的要求，自主设计了一款新型的薄卡发卡装置，其中票箱的升降机构是较为关键的一项技术。在国内现用的发票机构中，多数为滚珠丝杠结构。但滚珠丝杠结构承载能力比较低，在运转过程中噪声比较大，而且其加工成本很高，不利于产品设计的最优原则［1］。鉴于此，本文设计了一款弹簧式的升降机构，利用弹簧的张紧力，来控制票箱的升降。这种纯机械式的结构大大降低了机构的成本。由于这种结构对弹簧的要求比较高，需要精确的计算与验算。

1 机构的总体设计思路

根据设计的需要，设计了一款新型的TVM，其票箱升降机构如图1。车票发送升降机构利用弹簧张紧的方式拉动升降机构的托板，将票箱内的车票压紧到刮卡机构底板上，供刮卡机构刮票［2］。

图1 票箱升降机构图

从图1中可以看出，弹簧一端固定在机构底座上，另一端勾住票箱托板，随着票箱内票的递减，托盘在弹簧拉力的作用下往上提升。

本设计的难点在于如何有效确定弹簧的工作载荷，如果工作载荷过小则弹簧拉力不够而导致弹簧不能有效工作，相反如果工作载荷过大则弹簧会顶死票卡，刮刀无法挂出车票，出现卡票现象。故本文设计了图2弹簧设计的系统框图，能够有效地避免卡票和弹簧不工作现象。

图2 弹簧设计的系统框图

2 电机及皮带的选型

在该机构中设计了两个票的传输通道，如图3所示，共需2个刮票电机和3个传输电机共5个电机。

图3 发票机构工作示意图

根据出票速度技术要求(即≤1s/张)，出票每个过程可按如下分配:

1)挂票卡，处理时间0.2s(票卡从刮卡器到主通道入口)；

2)控制票卡运动到读写区，处理时间0.2s；

3)读写票卡，处理时间0.3s；

4)送出票卡，处理时间0.2s(票卡从读写位置到出票口)。

测量所设计机构长度知，A通道的刮票行程、传输行程、出卡行程分别为SB1=75mm，SB2=291.240 6mm，SB3=155.5mm。根据设计时间 TB1=0.2s，TB2=0.3s，TB3=0.1s，由公式 V=S/T 计算得 VB1=375mm/s，VB2=970.802mm/s，VB3=1 555mm/s。

结合扭矩需要，选定刮票电机1为TG-401B-AU-14-CKA(转速303r/min，力矩0.392N·m)，传输电机1为TG-99DA-CKA(不带减速器，使用皮带轮减速，减速后转速1 650r/min，力矩0.12N·m)，传输电机2为TG-401B-AU-4-CKA(转速 1 074r/min，力矩0.117 6N·m)。

由此可得，A通道所需时间为TB=0.87s。由于A通道行程比B短，故而直接选定刮票电机2为TG-401BAU-14-CKA，传输电机3为TG-401B-AU-4-CKA，同理计算得TA=0.77s。A，B通道均满足要求。

传动机构的工作环境要求:1)小功率传动；2)要求传动速度快、精确，与卡票接触时能有足够摩擦力；3)噪声小，要能够承受适当的温度变化。据此刮票机构部分选择了霓达公司的G30-LBU无缝环状皮带。对于传动部分，由于其对两轴要求严格同步，故而用同步带传动。

3 弹簧参数的设计

机械弹簧可分为三类:

1)受变负荷作用次数在106次以上的弹簧；

2)受变负荷作用次数在103～105次及冲击负荷的弹簧；

3)受变负荷作用次数在103以下的弹簧［3］。

本设计中每个票箱储票量为1 000张，故而属于第三类弹簧。由于本机构中弹簧所要承受的应力是对票的拉应力，故而选择常用的圆柱螺旋拉伸弹簧。

3.1 根据机构特性选定弹簧参数

根据之前设计知，刮票电机的力矩为0.392N·m，且皮带的传动比为1，故可算得图4中轴上传动轮所受力矩为0.392N·m。由理论力学相关知识可得无缝环状皮带所受外力F，即刮刀对票卡的力F1。

图4 齿轮传动示意图

在刮票机构中，票卡所受力如图5所示，其中F2为弹簧的拉力，G是票卡的重力，f是摩擦力。显然要想票卡能够被顺利刮出，必须 f≤F1［4］。

图5 票卡受力示意图

根据f=μsN得0.23N≤F1=21.374，N≤92.930(其中μS=0.23)，所以N=F2-G≤92.930(其中G包括托盘的质量和票自身的质量)。

当票的数量为1张时，3.973 9N≤F2min≤96.903 9N；当票的数量为1 000张时(即票箱装满)，57.82N≤F2max≤150.750N。其中托盘质量为0.4kg，每张票的质量为5.5g，尺寸为 85mm×54mm×0.5mm。［5］

从而可以选定弹簧的参数为:P1=20N，P2=90N，λ=F2-F1=999×0.5=499.5mm。并且从外形上选择LⅡ圆钩环。

3.2 弹簧的结构设计

1)选择材料

根据要求选用碳素弹簧钢丝(GB4357-89C级)。初步假设钢丝直径为d=1.6mm。取G=78×103MPa，且查表可得碳素弹簧钢丝抗拉强度为σb=1 810MPa，则［τ］=0.4σb=724MPa= τjs［6］。

2)确定钢丝直径

在宋代瓷器中是否有仿古现象呢？在南宋中期的龙泉窑中出现了不少模仿古代铜器和玉器造型的器物，仿铜器的有鬲、觚、投壶等，仿玉器的有琮，宋瓷的仿古一方面适应礼仪祭祀活动的需要，另一方面仿古造型的瓷器也用于日常的使用和赏玩。例如宋瓷中常见的鼎式炉，可以说是对商周用于烹煮的青铜炊器的模仿，但是其体积明显缩小，可用作佛前供器，也做日常焚香之用。可以认为，宋瓷中的仿古现象是对古代的经典器型的一种继承，跟宋代玉器的仿古类似，与宋代金石学、古器物学和复古潮流都有所关联。

由不同钢丝直径d应选用的C值表取 C=D/d=6.5，从而查表得曲度系数 K=1.22，根据公式 d≥1.6得d≥1.589mm，与假设基本相符合，故取d=1.6mm。［7］

3)计算弹簧圈直径

D=Cd=6.5×1.6=10.4mm

D1=D-d=10.4-1.6=8.8mm

D2=D+d=10.4+1.6=12mm

4)计算弹簧刚度