玩具設計中馬達的選用技巧和方法

2021-02-18 玩具行

馬達是玩具能夠保持持續動力的主要動力源。設計人員在玩具生產中很少有機會設計一個馬達，主要是選用。玩具馬達的選用也有很多技巧和方法。

    在玩具製造中常用的馬達（電機），有萬寶制（Mabuchi）、標準（Standard）等，這些馬達生產廠家的產品都有馬達性能的參照表，設計人員很少有機會設計一個馬達，主要是選用，當然也可能因為某種原因而專門設計一個馬達（很多馬達廠的工程師都是從Mabuchi出來的，所以Mabuchi的標準基本可以用作玩具業的馬達標準）。


  用試驗找出合適的轉速比和扭矩


   馬達廠的標準是空載的轉速，而轉速比計算時，一般就是用空載轉速的計算。行走類玩具的轉速比在80~150之間，因玩具產品並非是一種精密的機械，所以可以通過調節齒輪的傳動來得出實際需要的傳動比。比如：齒輪傳動中某一節的齒數比為20：8，實驗發現轉速太慢則可以試一下22：6，如果轉速太快，又可以換18：10，這種辦法非常方便。

    馬達產品都有一個最大載荷的數據，還有一個載荷與轉速的關係。因為玩具產品一般不會很大而且是用電池驅動的較多，所以馬達的載荷也不會很大。一般來說，載荷與扭矩越大，馬達的體積也越大，所要的電池也越多，而且玩具的重量也越重，所以儘量選用合適的馬達。一般保險起見，載荷與轉速在曲線上升區的馬達就管用。如果要節約成本，在找到一個大功率馬達就可以起作用的情況下，換一個小功率的試一下。通過反覆試驗，找到一個功率較小又能滿足要求的馬達。

    用收音機做幹擾測試
   馬達的工作原理是不斷地通過電刷來改變線圈中的電流，從而保證連續的轉動。可以想像，馬達裡的磁鐵越大，線圈越長，則扭矩會越大，而這種電流的改變會形成一個電磁波。電磁波的存在會對很多種家用電器造成幹擾。如果一個小孩在等飛機的時候玩帶有這種馬達的玩具，還有可能影響飛機的起降。所以在實際工作中會增加一個抗幹擾的墊圈（如DV WASHER, 0.5港幣左右），但一般設計時都會在馬達的兩個電極上並聯上一個陶瓷片電容或一個電阻（穩定電路的作用），一方面減少電刷與線圈轉換時產生的電流影響，另一方面起穩定作用。實際工作中，用一個小收音機來做幹擾測試器材，如不影響所有波段的電臺就基本可以了。

    馬達轉動軸一般是鐵軸，而鐵軸一般直接緊配一個6齒或8齒的0.5模數的齒輪（或一個小帶輪或鍋杆），當是齒輪或鍋杆時，特別是鍋杆時，會因為剛起動的瞬間，齒與齒之間會卡位，這時線圈中的電流會加大，而導致鐵軸串動，串動就會解卡，所以在固定馬達時千萬不要把軸在軸的方向上固定死（致少要有0.5mm的餘量）。

    安置要注意減少噪音
    線圈是有電阻的，電流通過電阻時會發熱，所以馬達的外殼最好不能被直接接觸到，同時馬達也不能放在密閉的小盒子裡，密閉的空間會導致熱量不易散發，而且密閉的小盒子會成為一個音箱放大了馬達的噪音。

    馬達產品遇到最大的問題就是噪音，雖然這種噪聲也許不會有安全性問題，但聽起來不舒服。噪聲的最大問題出之於高速齒，一般齒與齒的中間間隙會有10個絲到20個絲之間（對0.5模的齒輪來說）。間隙太小，高速齒會碰撞發出較大的噪音；太大，一方面動力不足，另一方面也會有噪音，所以有時會用皮帶輪或用一個軟的傳動齒（如PE輪）來降低噪音，當然還可以加一點馬達油（無毒的馬達油）。

    但是，還得注意帶馬達的牙箱最好不要與製件，特別是大的帶有相對密閉空間的製件共件，即在大的製件上直接做出牙箱夾板，如電池箱、車底座等。這些相對密閉空間會起到一個擴音器的作用，幾十倍地放大噪音。筆者經歷過很多這方面的設計，如直接把馬達固定在電池箱的底部或側邊，那噪音會非常恐怖。舉一個實例，某一公司開發過一個1.5英尺大的遙控車（甲殼蟲外形），當時就是在車底直接做出牙箱，即把馬達直接固定在車底上，因為這樣省掉一套模具錢，同時降低裝配時間，但噪音振動直接傳動到車底引起車底共振，結果噪音非常大。最後只得又重新做了一套模具，把牙箱拆出來，並在牙箱與車底安裝處墊上海綿以吸振才解決問題。可見玩具的噪音很大時可以想辦法在牙箱與緊固件之間加上海綿或其它的吸振軟材料（如橡膠片等）來減少共振而得以減少噪音。

 

固定和實現正反轉的方法


馬達的兩頭專門設計有固定的位防轉動。只要參照馬達的尺寸圖，用上下兩件夾板夾住就可以了。一般不會固定馬達的殼身，因為這樣一方面散熱不好，而另一方面也很難做到固定穩當，除非結構上萬不得己，馬達也可以通過打螺絲固定（馬達上有專門打螺絲的孔）。

    一般馬達的正反轉都可以使用，即改變電池的方向而得到正反兩種轉向（可以通過機械開關來改變，也可通過電子控制），也就是說一個馬達可以得到兩種不同的動作。如：馬達正轉使四足行走的仿真動物前進，而馬達反轉，使得它停止並且搖尾巴、搖動等，這些動作的實現是通過一個齒輪傳遞轉動的過程中，主動輪有一個切向用力的原理來實現轉換的，即通過馬達正方向轉動帶動一組齒輪，而在反轉時又帶動另一組齒輪工作。可切向跳動的軸叫跳軸。

    超載保護
    對於連續工作的玩具，最大的可能會受到小孩強制性制動。如把移動的汽車直接壓在地面上，等等。此時如果沒有過載保護機構，就會使馬達線圈中的電流成倍增加，從而導致馬達發熱，嚴重能導致起火。所以一般都設有超載保護，最好的是皮帶傳動，但皮帶傳動在過載時又會過度摩擦皮帶而降低皮帶的壽命，所以一般都會再設有過載保護，而過載保護設計的原理一般都是利用某一傳動帶，使得在動作源過載時，某一齒輪能打滑或脫開動作源，從而保證馬達仍然轉動，但動作停止，如「S」片、跳軸等。

    齒輪安裝和復位機構
    馬達齒輪的安裝只有一個方法是正確的，那就是把壓齒輪的力直接作用在軸上，也就是直接抵住鐵軸末端把齒輪壓入鐵軸工作端上。
    復位機構，因為馬達是連續轉動的，當動作源被抓死或其它方式發生錯位時，一定要保證馬達工作的下一個周期或幾個周期內使動作能夠復原到設計位置，一般都無需專門設計。比如凸輪機構，是可以自行復位的，但如果是四桿機構，則有可能需要專門設計。

針對該問題，我們專業玩具群也有些討論，大家可以參考：

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