玩具结构设计常见结构设计方法.docx
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玩具结构设计常见结构设计方法
玩具结构设计常见结构设计方法
[概述]：
本系列教程详细讲解了在玩具产品结构设计过程中使用的各种常用结构的实现方法和尺寸规格。
对于有至于从事玩具设计的新手还是老手们都有很高的参考和指导作用。
本系列教程的内容将包括如下
1.选择材料的考虑因素
2.壁厚（料厚）设定原则
3.加强筋的处理方法
4.出模角大小确定
5.司柱尺寸设定方法
6.司柱套（司筒）尺寸设定方法
7.常见扣位设计及尺寸
8.超音波焊接技术
9.电池箱设计方法
10.滑轮设计方法
11.喇叭的基本装配方法
12.止口的使用及尺寸
13.齿轮的设计指引
14.齿轮箱的基本设计
15.离合器设计规范
1.0选择材料的考虑因素
任何一件工业产品在设计的早期过程中，一定牵涉考虑选择成形物料。
因为在产品生产时、装配时、和完成的时间，物料有着相互影响的关系。
除此之外，品质检定水平、市场销售情况和价格的厘定等也是需要考虑之列。
所以这是无法使用概括全面的考虑因素而定出一种系统性处理方法来决定所选择的材料和生产过程是为最理想。
1.1不同材料的特性
A。
ABS
用途:
玩具、机壳、日常用品
特性:
坚硬、不易碎、可涂胶水，但损坏时可能有利边出现。
（Fig.1.1.2）
设计上的应用:
多数应用于玩具外壳或不用受力的零件。
B.PP
用途:
玩具、日常用品、包装胶袋、瓶子
特性:
有弹性、韧度强、延伸性大、但不可涂胶水。
设计上的应用:
多数应用于一些因要接受跌落试验而拆件的地方。
c.PVC
用途:
软喉管、硬喉管、软板、硬板、电线、玩具Fig.1.1.4（PVC）
特性:
柔软、坚韧而有弹性。
设计上的应用:
多数用于玩具卡通公仔，或一些需要避震或吸震的地方
D.POM（赛钢）
用途:
机械零件、齿轮、家电外壳
特性:
耐磨、坚硬但脆弱，损坏时容易有利边出现（Fig.1.1.6）。
设计上的应用:
多数用于胶齿轮、滑轮、一些需要传动，承受大扭力或应力的地方
E.Nylon（尼龙）
用途:
齿轮、滑轮
特性:
坚韧、吸水、但当水份完全挥发后会变得脆弱。
设计上的应用:
因为精准度比较难控制，所以大多用于一些模数较大的齿轮
F.Kraton（搪胶）
用途:
马达垫
特性:
柔软，有弹性，韧度高，延伸性强。
设计上的应用:
多数作为摩打垫，吸收摩打震动，减低噪音。
附表，塑胶属性
2.0壁厚[WallThickness]
壁厚的大小取决于产品需要承受的外力、是否作为其它零件的支撑、承接柱位的数量、伸出部份的多少以及选用的塑料材料而定。
一般的热塑性塑料的壁厚设计应以4mm为限。
从经济角度来看，过厚的产品设计不但增加物料成本，延长生产周期（冷却时间），增加生产成本。
从产品设计角度来看，过厚的产品增加引至产生空穴（气孔）的可能性，大大削弱产品的刚性及强度。
最理的壁厚分布无疑是切面在任何一个地方都是均一的厚度，但为满足功能上的需求以致壁厚有所改变总是无可避免的。
在此情形，由厚胶料的地方过渡到薄胶料的地方应尽可能顺滑。
太突然的壁厚过渡转变会导致因冷却速度不同和产生乱流而造成尺寸不稳定和表面问题。
2.1不同材料的常用壁厚
A.ABS
一般最先选择的材料，壁厚通常为1,1.2,1.5,2,2.5,3mm，视乎产品的大细和功能而定。
更多精彩，
B.PP
因为比较软身，而且基于缩水的问题，所以不能太厚，一般为1,1.2,1.5mm。
C.PVC
因为多用由于figure上和多是实心，所以限制不大。
D.POM
一般为1,1.2,1.5,2,2.5,3mm视乎产品大细而定。
E.Nylon（尼龙）
因为缩水率比较高，所以平均料厚和筋骨的比例可比较少。
F.Kraton（搪胶）
因为多数用作摩打垫或不外露件，所以限制不大。
3.0加强筋（Ribs）
加强筋在塑料部件上是不可或缺的功能部份。
加强筋有效地如『工』字铁般增加产品的刚性和强度而无需大幅增加产品切面面积，但没有如『工』字铁般出现倒扣难于成型的形状问题，对一些经常受到压力、扭力、弯曲的塑料产品尤其适用。
此外，加强筋更可充当内部流道，有助模腔充填，对帮助塑料流入部件的支节部份很大的作用（Fig.3.0.1）。
加强筋一般被放在塑料产品的非接触面，其伸展方向应跟随产品最大应力和最大偏移量的方向，选择加强筋的位置亦受制于一些生产上的考虑，如模腔充填、缩水及脱模等。
加强筋的长度可与产品的长度一致，两端相接产品的外壁，或只占据产品部份的长度，用以局部增加产品某部份的刚性。
要是加强筋没有接上产品外壁的话，未端部份亦不应突然终止，应该渐次地将高度减低，直至完结，从而减少出现困气、填充不满及烧焦痕等问题，这些问题经常发生在排气不足或封闭的位置上。
而且因为缩水的问题，筋骨的厚度不能大过平均壁厚的厚度。
一般的设计方法:
平均壁厚’0.65~0.7
Fig.3.0.2加强肋的缩水情况
Fig.3.0.3肋加强的基本设计
4.0出模角[DraftAngle]
塑料产品在设计上通常会为了能够轻易的使用产品由模具脱离出来而需要在边缘的内侧和外侧各设有一个倾斜（出模角）。
若然产品附有垂直外壁并且与开模方向相同的话，则模具在塑料成形后需要很大的开模力才能打开，而且，在模具开启后，产品脱离模具的过程亦相信十分困难。
要是该产品在产品设计的过程上已预留出模角及所有接触产品的模具零件在加工过程当中经过高度抛光的话，脱模就变成轻而易举的事情。
因此，出模角的考虑在产品设计的过程是不可或缺的。
因注塑件冷却收缩后多附在凸模上，为使产品壁厚平均及防止产品在开模后附在较热的凹模上，出模角对应于凹模及凸模是应该相等的。
不过，在特殊情况下若然要求产品于开模后附在凹模的话，可将相接凹模部份的出模角尽量减少，或刻意在凹模加上适量的倒扣位。
出模角的大小是没有一定的准则，多数是凭经验和依照产品的深度来决定。
此外，成型的方式，壁厚和塑料的选择也在考虑之列。
一般来说，高度抛光的外壁可使用1/8度或1/4度的出模角。
深入或附有织纹的产品要求出模角作相应增加，习惯上每0.025mm深的织纹,便需要额外1度的出模角。
此外，当产品需要长而深的肋骨较少的出模角时，顶针的设计须有特别的处理。
1. 出模角的大少是没有一定的淮则，多数是依照产品的深度来决定。
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2. 一般的出模角为0.5°~1.0°。
3. 在深入或附有织纹的产品上，出模角的要求是视乎织纹的深度而相应增加，一般为2°~3°。
4. 一般的晒纹版上已清楚例出可供作参考之用的要求出模角。
5.0司柱（Boss）
1.支柱突出胶料壁厚是用以装配产品、隔开对象及支撑承托其它零件之用。
2.空心的支柱可以用来嵌入镶件、收紧螺丝等。
这些应用均要有足够强度支持压力而不致于破裂。
3.支柱尽量不要单独使用，应尽量连接至外壁或与加强筋一同使用，目的是加强支柱的强度及使胶料流动更顺畅。
此外，因过高的支柱会导致塑料部件成形时困气，所以支柱高度一般是不会超过支柱直径的两倍半。
4.加强支柱的强度的方法（尤其是远离外壁的支柱），除了可使用加强筋外，加强块的使用亦十分常见。
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6.0支柱套（Bossholder）
1.如成品是以支柱收紧螺丝的时侯，在成品的上壳身必须要有支柱套来作定位之用。
2.跟据一般的安全规格标准，螺丝头必须收藏于不能触摸的位置，所以高度必须有2.5mm或以上
3.以及，因为加上支柱套后会有Shapeedge的关系，所以在每一个支柱套上壳收螺丝的地方，必须加上R1.0或以上的roundfillet。
4.为方便生产装配时的导入，所以在每一个支柱套的底部都可以不多不少的加上Chamfer作导入之用。
5.而且因为定位的关系，在支柱套底部必须要有至少1mm的深度来收藏支柱。
7.0扣位
1.扣位提供了一种不但方便快捷而且经济的产品装配方法，因为扣位的组合部份在生产成品的时候同时成型，装配时无须配合其它如螺丝、介子等紧锁配件，只要需组合的两边扣位互相配合扣上即可.
2.扣位的设计虽可有多种几何形状，但其操作原理大致相同:
当两件零件扣上时，其中一件零件的勾形伸出部份被相接零件的凸缘部份推开，直至凸缘部份完结为止;及后，借着塑料的弹性，勾形伸出部份实时复位，其后面的凹槽亦即被相接零件凸缘部份嵌入，此倒扣位置立时形成互相扣着的状态。
3.如以功能来区分，扣位的设计可分为成永久型和可拆卸型两种。
永久型扣位的设计方便装上但不容易拆下，可拆卸型扣位的设计则装上、拆下均十分方便。
其原理是可拆卸扣位的勾形伸出部份附有适当的导入角及导出角方便扣上及分离的动作，导入角及导出角的大少直接影响扣上及分离时所需的力度，永久型的扣位则只有导入角而没有导出角的设计，所以一经扣上，相接部份即形成自我锁上的状态，不容易拆下。
7.1.其它常用扣位设计
7.1.1永久式三瓣爪
7.1.2可拆卸式三瓣爪
7.1.3卡通公仔扣位设计（冬菇头）
7.1.4玩具子弹扣位设计。
因为安全问题玩具子弹头的半圆不能少于R2，而且为防止子弹自动弹出和扣位磨损的问题，所以子弹尾的凹坑必须有1.0mm的深度和在扣位的钩上加上一些倒扣位。
8.0超音波焊接技术（UltrasonicWelding）
1.速度快
超音波焊接技术的周期很短，使用标准机器每分钟可处理三十件工作。
2.效果一致
只要接头设计完善，焊接参数调校正确，便能获得清洁及一致的焊接效果，因为焊接效果不受操作人员的操作情况所影响。
3.强度高
超音波焊接技术是将塑料熔合起来，因此能产生出无内应力的高强的接合。
4.不需夹紧
当工件离开机器后便告完成，不需进行焊接后加工。
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5.用途较广
超音波焊接法可用来焊接那些不能用任何其它黏合剂的物料。
6.安全性
由于不需使用化学物品，因此不会产生化学中毒。
若要超音焊接头达致所需要强度及美观程度，那么接头必须设计恰当，以及就要个别应用情况及个别塑料性质来设计。
（Fig.8.0.1）
9.0电池箱
9.1电池箱设计基本守则
1.电池与电池之间一定要有胶料分隔。
（Fig.9.1.1）
2.如有产品的市场目标是3岁以下的小童，便需要加上防电池水糟。
（Fig.9.1.2）
3.如所用电池为Csize或以上，而且数量为两粒或以上的时候。
电池门便需要两粒或以上的螺丝。
9.2电池门设计基本守则
1.因为只有平均料厚的电池门是非常单薄。
所以必须加上加强筋作强化作用。
（Fig.9.2.3）
2.在者,如电池门的位置是在成品的中央，而且在电池门的四周没有凹坑的时候。
必须加上一凹形的手指位，作方便开启电池门之用。
（Fig.9.2.2）
9.3电池门基本装配方法
1. 一般电池门都以丝帽收紧电池门的装配螺丝，而且以冷打或热融固定丝帽。
（Fig.9.3.1）
2. 电池门遮丑盖
如电池门利仔需要到在产品壳身上做一些颇大的擦穿孔的时候，便需要有一个cover用作防静电及遮丑用。
（Fig.9.3.2~9.3.3）
9.4电池匣
1.如成品的长度和宽度不足以放置要求的电池数量的时候，可以用电池匣作代替。
（Fig.9.4.1~9.4.2）
2.参考一个典型的电池箱的基本规格，一般的AA-size的电池厢大小如下图:
10.0滑轮（pulley）
1. 一般玩具的设计都会以滑轮作第一级的传动方法。
因为第一级的传动是非常高速的关系，如经齿轮作传动方法会发出很大的噪音。
相反，如以滑轮作转动方法，噪音便会减至最少。
2. 很多时因空间的问题，滑轮的减速比不能太大，而且传动的扭力亦都不大。
如使用滑轮传动会有打滑的情况出现。
3. 因为接触面的问题，一般都会用方形皮带作传动媒介。
4. 因皮带的作用力的关系，所以一般滑轮的轴承都是担得越长越好。
5. 因为橡胶皮带的关系，皮带的作用力会使皮带变形及皮带的大细不一，亦都会影响转动的效能。
6. 如果使用方形皮带时，滑轮的V坑内需加上一条凹糟作解决的方法。
（Fig.10.0.1~10.0.2）
7. 由于牙箱内会涂上润滑油，而皮带若接触润滑油便会打滑及老化，故必须与齿轮分隔。
8. 但某些厂商会将滑轮拆件，再以超音波焊接一起，这样可以防止滑轮件出现夹口而损坏橡胶皮带。
11.0喇叭的基本装配方法（speaker）
11.1.喇叭筒
因为声音广散问题，所以必须要有一个喇叭筒来围着喇叭的四周，以便声波在成品内发生共鸣，扩大音量。
11.2.定位骨
在喇叭的上下，必须要有一些定位骨作装配用途。
Fig.11.0.1喇叭筒与定位骨
11.3.喇叭坑
如成品的喇叭坑是外露的时候，必须做一些擦穿坑作遮丑用，以及防止喇叭被一些小而尖的物品破坏。
11.4喇叭孔
如成品的喇叭不是外露的时候，可以在壳身上做一些喇叭孔代替喇叭坑。
Fig.11.0.3喇叭孔
11.5H形坑位
此为另一种喇叭的装配方法，利用胶料本身的弹性，把喇叭压在壳身上。
12.0止口
12.1真止口
用途:
生产装配时作较对之用，而且可作涂胶水之用。
12.2假止口
用途:
在外形上可作遮丑之用。
12.3半假止口.
用途:
如平均料厚有2.0mm或以上时，因为凹槽太深的关系，所以需要在纸口的位置加多一层料，保持成品外形的美观。
12.4双止口
用途:
多用于一些需要有防水功能的成品上。
而且，会以超音波焊接法作装配，加强较对效用。
13.0齿轮的使用指引
正齿轮（spurgear）
优点:
可以承受大扭力，以复齿的方式对模数做出改变。
缺点:
直线的转动方式不能转向。
1. 复齿轮（compoundgear）
优点:
在齿轮串中，可对模数做出改变。
缺点:
直线的转动方式不能转向。
2. 皇冠齿（crowngear）
优点:
可与正齿轮配合作直角传动转向之用。
缺点:
a. 因为与正齿轮的齿合点只在皇冠齿的节径发生，所以不能承受太大的扭力
b. 而且，因为需要避空正齿轮的干涉，所以皇冠齿的齿可能会变得很尖，齿轮所能承受的扭力亦相对减弱，造成扫牙问题。
所以一般的王冠齿不能太小。
3. 蜗齿轮（wormgear）
优点:
a. 可以和螺旋齿配合做出比较大的齿轮比。
b. 扭力大而且噪音少。
缺点:
装配数需要非常精准，如虚位太大，一样会发出很大的噪音，而且铜工的成本比较贵。
4. 螺旋齿（helicalgear）
优点:
可以和蜗齿轮配合做出比较大的齿轮比。
缺点:
一般只可作直角传动。
5. 伞齿（bevelgear）
o 优点:
1.传动的转向角度可因设计的要求作出调效，比王冠齿只能直角的转向有效大的弹性。
2.因为伞齿的齿形是正统的齿形，所以可以承受的扭力比王冠齿大。
o 缺点:
如定位的设计不足，虚位太大，导致齿的啮合面太小便会出现跳齿的情况。
6. 内齿轮（internalgear）
o 优点:
可与正齿轮配合作出比较大的齿轮比，相对的扭力亦会加大。
o 缺点:
成本贵，如内齿轮与正齿轮的齿数不配合时，会有干涉的情况出现，导致齿轮不能转动。
14.0齿轮箱的基本设计守则
14.1滑轮盖
用途:
如齿轮箱的项层有滑轮组件的时候，为防止齿轮滑油对橡胶皮带的腐蚀，一定要加上一个pulleycover作隔层之用。
14.2齿轮串
用途:
1. 在第一级的齿轮组因为高速和需要减少噪音的关系，所以多为0.5模。
但是越接近动力输出的齿轮，模数就越大，多为0.8~1.0模，因为需要承受较大的压力。
2.在齿轮面与面之间最少必须要有1.0mm的虚位来防止干涉发生。
（Fig.14.2.2）
14.3齿轮轴
用途:
1. 齿轮的承托轴必须因应齿轮的大少，需要承受的压力和齿轮箱内的空间而加长，这样便可防止齿轮因受压移位的情况。
（Fig.14.3.1）
2. 在齿轮箱的上下身，需要有套筒作对齿轮轴装配导入和防止移位之用。
（Fig.14.3.2）
14.4齿轮箱
用途:
1. 如齿轮箱有一层或以上时便需要有定位针来用作在生产时的较对。
（Fig.14.4.1）
2. 齿轮与齿轮箱的内壁之间最少需要有1.5~2.5mm虚位来防止干涉的发生。
（Fig.14.4.2）
14.5齿轮虚位
I. 正齿轮
因为赛钢是一种耐磨性高的胶料，所以在上下壳身、齿轮和铁轴的装配环境底下，齿轮是松配铁轴，如铁轴为2.0mm直径，齿的中心便要为2.05mm直径作松配。
而在下壳身的丝筒柱更需要为2.00mm直径，用作和铁轴作紧配之用。
因为装配的问题在上壳身的定位套筒和齿轮的中心直径一样为2.05mm直径。
而且在齿轮和上下壳身之间同样必需要有0.2mm的虚位，用作给齿轮顺滑的旋转之用。
II. 蜗齿轮
和正齿轮的情况一样，蜗齿轮的中心直径为2.05mm与2.00mm的铁轴作松配之用，但两边的承托则同样为2.00mm作紧配之用，而且因为如蜗齿轮的虚位太大时会发出很大的嘈音，所以在蜗齿轮与壳身之间的虚位不能像正齿轮一样，所以只给与0.10mm的空间就足够。
15.0Clutch（离合器）
为避免对齿轮的损坏，所以在齿轮串中的第一或第二级会加上一个clutch作保护。
1. 双向clutch
以胶料本身的弹性作离合，无论齿轮正转或反转的时候，都可对齿轮串作出保护。
2. 单向clutch
同样以胶料本身的弹性作离合，但只可作单向的转动。
3. 双向离心clutch
以高速转动的离心力，把clutch内的两件半月形的胶件向外抛出，以胶料与胶料之间的摩擦力作传动。
所以这离心clutch只适用于较接
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