齿轮减速快换多功能锯结构的设计与实现

丰志明，冯荷飞，陆建华

（1.浙江金美电动工具有限公司研发中心，浙江 金华 321000；2.浙江科贸职业技术学院电子信息系，浙江 金华321000；3.南京美特威机械设备有限公司品管部，南京 210000）

1 引言

针对市场上的多功能锯普遍存在的缺陷，设计了一种带齿轮减速的快换多功能锯。这种多功能锯能实现快速装卸各种锯片、铲刀、砂盘的功能，使用户在切、磨、铲、砂、锯等工作需求中快速切换。同时，设计了齿轮减速结构，在输出转速更低的情况下，极大地提高了电机功率和输出扭矩，产品性能显著提高，实现振动更小、功率更大【1，2】。

2 多功能金属总体设计

2.1 快换结构的设计

设计的多功能锯快换结构由17 个零部件组成，具体是：快换扳扣（1）、偏心块（2）、卡簧（3）、圆柱销（4）、头壳（5）、深沟球轴承（6）、卡簧（7）、拨叉（8）、滚针轴承（9）、输出轴（10）、活动杆（11）、弹簧夹头（12）（一个有弹性的夹头，类似于车床、钻床上使用的那一种）、胀紧杆（13）、圆柱压缩弹簧（14）、刀架（15）、密封圈（16）、锯片或铲刀或砂盘（17）等零部件。具体如图1 所示。

2.2 返回限位结构的设计

设计的多功能锯返回限位结构，主要由6 个零部件组成，具体是：快换扳扣（1）、头壳（5）、限位块（A-1）、φ2mm 圆柱销（A-2）、小扭簧（A-3）、强磁钢（A-4）等零部件，具体如图 2 所示。

2.3 齿轮减速结构的设计

设计的快换多功能锯齿轮减速结构包括机壳、头壳、电机和减速摆动机构，所述的减速摆动机构主要由12 个零部件组成，具体是：转子（B1）、轴承（B2）、小齿轮（B3）、中间盖（B4）内部带轴承、球面轴承（B5）、偏心轴（B6）、大齿轮（B7）、轴承（B8）、轴承（6）、拨叉（8）、轴承（9）、输出轴（10）等零部件。齿轮传动和偏心结构具体如图3 所示。

图1 多功能锯快换结构分解图

图2 多功能锯返回限位结构分解图

图3 多功能锯齿轮减速结构示意图

3 功能设计

3.1 快换结构功能设计

设计的多功能锯快换结构，主要是采用1 个偏心结构，以圆柱销（4）为转动中心，用快换扳扣（1）带动偏心块（2）旋转一定角度，由于偏心距的存在，抵消圆柱压缩弹簧（14）的弹力，将活动杆（11）往下压，带动底部的胀紧杆（13）（活动杆和胀紧杆采用螺纹连接），移动1 个距离t，使胀紧杆（13）离开弹簧夹头（12）端面。此时，活动杆（11）继续下压（直到快换扳扣（1）转动到B 状态），使弹簧夹头（12）离开刀架（15）端面。弹簧夹头（12）和刀架（15）上都设计有相应的锥度，在弹簧夹头（12）离开刀架（15）的过程中，在相互锥度的作用下向内缩小，直到外径缩小到φ9.5mm，具体结构如图4 所示。此时，锯片或铲刀或砂盘（17）就可以直接套在弹簧夹头（12）上，然后快换扳扣（1）回到A 状态，胀紧杆（13）在圆柱压缩弹簧（14）的作用下，带动弹簧夹头（12），压紧锯片或铲刀或砂盘（17），同时胀紧杆（13）将弹簧夹头（12）胀大到φ13mm，具体结构如图5 所示。以上所述是锯片的安装过程，卸下锯片或铲刀或砂盘（17）的过程和安装的过程是一样的，就是将快换扳扣（1）转动到B 状态后，弹簧夹头（12）径缩小到φ9.5mm 后，取下锯片或铲刀或砂盘（17）即可。

图4 快换多功能锯安装锯片过程结构示意图

图5 快换多功能锯锁紧锯片结构示意图

3.2 返回限位结构的功能设计

设计的快速多功能锯返回限位结构（见图6），主要是采用1 个扭簧和限位块的结构（见图6a），将图6a 所示位置设为原始状态，将快换扳扣（1）沿图中箭头方向转动，限位块（A-1）在小扭簧（A-3）的作用下，始终跟随快换扳扣（1）转动，至图6b的位置，限位块（A-1）停止转动，快换扳扣（1）继续转动，至图6c 的位置，此时头壳（2）内部的弹簧夹头（12）缩小，可以将锯片或铲刀或砂盘（17）装入刀架（15）上，刀架（15）上有 3 颗强磁钢（A-4），可以锯片吸牢，防止自重脱落。

在锁紧锯片过程中，需将快换扳扣（1）往回转动，由于限位块（A-1）的存在，快换扳扣（1）至图6d 的位置则会被限制继续往下，有效地对图中阴影区域进行了保护（这个区域内经常会有手指、手背操作时握持）。快换扳扣（1）处于图6e 的位置时，手动转动限位块（A-1）上的手柄，沿着图中箭头F 的方向压下快换扳扣（1），使其回到原始状态（图6f）。

图6 快换多功能锯返回限位结构示意图

3.3 齿轮减速结构的功能设计

设计的齿轮减速结构，主要采用圆柱斜齿轮来传递运动和力。在转子轴上设计了小齿轮如图7d 中转子（B1）+小齿轮（B3），采用轴承（B2）支撑转子（B1）+小齿轮（B3）。大齿轮（B7）和偏心轴（B6）装配在一起，采用轴承（B8）和中间盖（B4）内部的轴承（B4-1）支撑，具体见图7b。偏心轴（B6）设有偏心结构（见图7a 和图 7b），将球面轴承（B5）装入偏心轴（B6）（见图7c）。

转子（B1）转动后带动小齿轮（B3）转动，小齿轮（B3）通过齿轮连接带动大齿轮（B7）转动，通过传动比i 进行减速。大齿轮（B7）转动后，带动偏心轴（B6）转动。球面轴承（B5）装配在偏心轴（B6）的偏心轴档上，球面轴承（B5）会进行偏心转动。拨叉（8）接触的设置在球面轴承（B5）的外圈上，球面轴承（B5）进行偏心运动，使得拨叉（8）可以做左右摆动，拨叉（8）摆动带动锯片或铲刀或砂盘（17）往复工作。

图7 快换多功能锯齿轮减速结构示意图

4 三维建模仿真

UG NX 是集CAD/CAE/CAM 于一体的三维参数化软件，是面向制造行业的CAID/CAD/CAE/CAM 高端软件，是当今最先进、最流行的工业设计软件之一。它集合了概念设计、工程设计、分析与加工制造的功能，实现了优化设计与产品生产过程的组合，被广泛应用于机械、汽车、航空行体、家电及化工等各个行业。人们使用UG NX 设计快换多功能锯所有核心零部件和装配结构（见图8、图9），用UG NX 对快换结构、返回限位结构、齿轮减速结构进行结构分析和运动仿真，确认产品设计的合理性【3~6】。

5 结语

从市场上现有多功能锯的缺点出发，设计了一种全新的带齿轮减速的快换多功能锯。这种多功能锯不需要借助任何工具，就能实现快速装夹各种锯片、铲刀、砂盘的结构。同时，为了避免用户在使用过程中可能受到伤害，设计了返回限位结构的保护措施。

图8 快换多功能锯三维设计

图9 快换多功能锯三维装配图

最重要的是，这种多功能锯还设计了齿轮减速结构，在提升电机功率和转速的同时，还能满足多功能产品偏心运动时，输出转速不能过快的要求。齿轮减速的设计，降低了偏心齿轮轴和球面轴承的转速，从而保证了拨叉在合适的速度范围内往复摆动，提高了多功能产品的使用效果。