基于嬰兒車的自動(dòng)搖扇設(shè)計(jì)研究

劉岳開（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都　610031）

基于嬰兒車的自動(dòng)搖扇設(shè)計(jì)研究

劉岳開
（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都610031）

針對(duì)目前風(fēng)扇風(fēng)力嬰幼兒太大，設(shè)計(jì)了一種基于嬰兒車的自動(dòng)搖扇機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)方向包括續(xù)航能力、產(chǎn)品銷售模式、人性化設(shè)計(jì)和綠色設(shè)計(jì)。在室外運(yùn)動(dòng)中第一車輪作為原動(dòng)件提供動(dòng)力，帶輪一與車輪固定，通過普通平帶動(dòng)力傳遞到帶輪二。在推車休息時(shí)，蓄電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)棘輪連桿機(jī)構(gòu)使搖扇擺動(dòng)；材料選擇可降解的聚乳酸和聚碳酸酯。產(chǎn)品銷售模式將機(jī)械設(shè)計(jì)與嬰兒車作為組合產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力柔和、環(huán)保戰(zhàn)略目標(biāo)，提高了能源利用率和產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)平滑度。

自動(dòng)搖扇結(jié)構(gòu)；循環(huán)動(dòng)力；綠色設(shè)計(jì)；人性化設(shè)計(jì)

0　引言

在炎熱的夏季，因?yàn)殡娚却党龅娘L(fēng)較為強(qiáng)烈，家長(zhǎng)們只能自己親自為幼兒扇風(fēng)、納涼。如果采用電磁式自動(dòng)搖扇設(shè)計(jì)，通過對(duì)兩組電磁鐵組件輪流通電，帶動(dòng)扇葉做往復(fù)的搖扇動(dòng)作其壽命較短且續(xù)航能力有限。采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)自動(dòng)搖扇裝置，利用蓄電池供電容易出現(xiàn)續(xù)航能力不足。特此設(shè)計(jì)一種人力和電力交替循環(huán)提供動(dòng)力的自動(dòng)搖扇機(jī)構(gòu)，滿足顧客需求同時(shí)盡力克服弊端。

1　人力、電力循環(huán)動(dòng)力自動(dòng)搖扇設(shè)計(jì)

自動(dòng)搖扇是新型節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品的一個(gè)典范。機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，原動(dòng)機(jī)采用低功耗低公害的產(chǎn)品。該設(shè)計(jì)采用人工-電力循環(huán)供電系統(tǒng)進(jìn)行能源供入，極大地迎合了目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)［1］。當(dāng)前，世界上一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)污染物的排放已經(jīng)有了新的法律法規(guī)［2］，設(shè)計(jì)中采用的低公害可循環(huán)利用蓄電池恰好解決了這方面的問題。

1.1設(shè)計(jì)方向

（1）續(xù)航能力。從續(xù)航能力上考慮，設(shè)計(jì)上利用人力和電力交替循環(huán)提供動(dòng)力。相比于傳統(tǒng)的蓄電池供電模式續(xù)航能力更強(qiáng)。

（2）產(chǎn)品銷售模式。將該設(shè)計(jì)與嬰兒車作為組合產(chǎn)品，以此提高產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的平滑度。組合產(chǎn)品即利用現(xiàn)行銷量較好的一種產(chǎn)品帶動(dòng)另一種產(chǎn)品的銷售。

（3）人性化設(shè)計(jì)。人性化設(shè)計(jì)［3］在設(shè)計(jì)形式上迎合嬰幼兒家庭的需求，如加上嬰幼兒喜愛的卡通人物裝飾，在材料選擇上采用適合嬰幼兒的無毒聚酯樹脂。

（4）綠色設(shè)計(jì)。環(huán)保型材料在機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品中的應(yīng)用［4］，能夠達(dá)到保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的目的。首先，材料及資源的選擇應(yīng)盡量為可再生利用的，在產(chǎn)品的加工過程中，對(duì)這些材料應(yīng)盡可能進(jìn)行回收利用，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使用能進(jìn)行回收利用的材料。綠色制造技術(shù)的核心就是在節(jié)能環(huán)保的要求下完成對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)以及生產(chǎn)，以提高資源的利用率，并達(dá)到環(huán)保的目的。

1.2設(shè)計(jì)要求

（1）為避免傷到嬰幼兒同時(shí)保證搖扇的扇風(fēng)效率，通過傳動(dòng)系統(tǒng)后，搖扇的擺動(dòng)頻率不超過1Hz。

（2）兩種運(yùn)行狀態(tài)互不影響。即在狀態(tài)一下，人推車前進(jìn)帶動(dòng)搖扇擺動(dòng)，同時(shí)電機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)而不是耗電轉(zhuǎn)動(dòng)。在狀態(tài)二下，電機(jī)帶動(dòng)搖扇轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪與皮帶輪部分處于靜止。

（3）機(jī)構(gòu)整體高度不超過600mm。

（4）桿件傳動(dòng)部分不出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

（5）在兩種狀態(tài)下能夠快速平滑切換為另一種狀態(tài)。

（6）結(jié)構(gòu)盡量緊湊、簡(jiǎn)單、具有良好的動(dòng)力學(xué)特性。

1.3設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研所獲得的嬰兒車基本尺寸參數(shù)，擬定自動(dòng)搖扇機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)。

表1　自動(dòng)搖扇的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of automatic shaking fan

1.4機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

自動(dòng)搖扇分兩種運(yùn)行狀態(tài)，狀態(tài)一下手推嬰兒車前行，車輪作為原動(dòng)機(jī)，帶輪一與車輪固定。通過普通平帶動(dòng)力傳遞到帶輪二，與帶輪二鉸鏈接合的棘爪推動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，棘輪中心通過減速器最終與電機(jī)相連，電機(jī)在該狀態(tài)下向蓄電池充電。同時(shí)，棘輪連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)搖扇轉(zhuǎn)動(dòng)。狀態(tài)二是在停止推車休息時(shí)，蓄電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)棘輪連桿機(jī)構(gòu)使搖扇擺動(dòng)，在這一狀態(tài)下，棘輪棘爪發(fā)生超越過程，配合無效。即車輪并不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)蓄電池可以在室內(nèi)充電后再外出，從而提高搖扇的續(xù)航能力。圖1和圖2為本文設(shè)計(jì)方案。

圖1　自動(dòng)搖扇狀態(tài)一Fig.1 The first modea bout automatic shaking fan

圖2　自動(dòng)搖扇狀態(tài)二Fig.2 The second mode about automatic shaking fan

1.5設(shè)計(jì)用途

該設(shè)計(jì)在配合嬰兒車的情況下，在室外炎熱環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)為嬰兒自動(dòng)扇風(fēng)納涼的功能。

2　機(jī)構(gòu)尺度綜合分析

2.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

圖3　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)［6］Fig.3 Slider-crank mechanism

（2）解析法計(jì)算桿件長(zhǎng)度。如圖4所示，結(jié)合已知行程和極位夾角情況下的設(shè)計(jì)方法［9］，求出各桿件的尺寸如下：

圖4　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算圖Fig.4 Illustration of slider-crank mechanism for design and calculation

2.2棘輪棘爪離合器

（1）試湊法設(shè)計(jì)。棘輪棘爪離合器廣泛應(yīng)用于起重機(jī)械的主起升機(jī)構(gòu)，船舶動(dòng)力系統(tǒng)［8］，航空航天傳動(dòng)系統(tǒng)。為滿足不同的需求，棘輪棘爪機(jī)構(gòu)形式根據(jù)具體工況變化多種多樣，設(shè)計(jì)沒有規(guī)范化的設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。遂采用試湊法設(shè)計(jì)。

（2）基本尺寸初選。由大皮帶輪直徑d2=110mm，棘輪棘爪機(jī)構(gòu)整體大小D≤100mm，取棘輪加工毛坯圓柱直徑d3*= 80mm。棘爪為保證傳遞動(dòng)力的剛度截面尺寸S4≥20mm2。

（3）Solidworks建模及尺寸驗(yàn)算。如圖5所示，在選定基本尺寸后，為保證整體比例合理，總體尺寸D≤100mm，選棘輪軸承孔d3=20mm，棘輪輪齒高度d3-1=5mm。通過Solid works建模仿真驗(yàn)證，整體符合設(shè)計(jì)要求。

圖5　人力、電力循環(huán)動(dòng)力自動(dòng)搖扇三維模型Fig.5 3D model of automatic shaking fan with circulating motive power from manpower and electronic power

3　結(jié)論

（1）優(yōu)點(diǎn)：基于嬰兒車的自動(dòng)搖扇設(shè)計(jì)利用人力和電力交替循環(huán)提供動(dòng)力續(xù)航能力更強(qiáng)。環(huán)保型材料的應(yīng)用，能夠達(dá)到保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源順應(yīng)了綠色設(shè)計(jì)、人性化設(shè)計(jì)的主流設(shè)計(jì)方向。產(chǎn)品銷售模式將機(jī)械設(shè)計(jì)與嬰兒車作為組合產(chǎn)品，以此提高產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的平滑度。組合產(chǎn)品即利用現(xiàn)行銷量較好的一種產(chǎn)品帶動(dòng)另一種產(chǎn)品的銷售。分狀態(tài)運(yùn)行，且兩種狀態(tài)并不會(huì)產(chǎn)生干涉。實(shí)用性高能夠在調(diào)整帶傳動(dòng)張緊裝置后適應(yīng)一定范圍內(nèi)變化中心距的多種型號(hào)嬰兒車。在材料上選擇可降解的二氧化碳合成塑料，緩解了目前全球溫室效應(yīng)所帶來的種種潛在危害的可能，又避免了傳統(tǒng)塑料所帶來的白色污染問題。構(gòu)件多采用圓角設(shè)計(jì)，既避免了用力集中，又能防止嬰兒車對(duì)小孩帶來的潛在危害。

（2）缺陷。帶傳動(dòng)在安裝時(shí)需要預(yù)調(diào)根據(jù)中心距的大小還要預(yù)調(diào)張緊力，對(duì)于用戶自行安裝存在一定困難。另外，對(duì)帶傳動(dòng)由于受到小帶輪包角的限制，所以中心距的調(diào)整也受到一定限制，所以只限于大部分型號(hào)的嬰兒車安裝。由于發(fā)電機(jī)采用的是狀態(tài)二下的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，發(fā)電效率不及一般的發(fā)電機(jī)。但如果另外安裝發(fā)電系統(tǒng)，則整個(gè)裝置將過于龐大略顯冗余。由于該裝置本身要安裝在嬰兒車上，所以對(duì)應(yīng)的安裝難度也將增加。怎樣更好地應(yīng)用好這一理念，值得大家繼續(xù)探討。

致謝：特別感謝西南交通大學(xué)導(dǎo)師何朝明博士和雜志社匿名評(píng)審專家的指導(dǎo)！

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A Design of Automatic Shaking Fan Based on Baby Carriage

LIU Yue-Kai
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

Because present fan had stronger wind for infants，an automatic Shaking fan was designed for their needs.The design included cruising power，sales models，humanization design and green design.In the moving process，the first wheel acts as driving link to provide power which the first pulley is fixed with carriage wheel in order to deliver to the second pulley through driving force from flat plastic belt. In the rest process，storage battery drives motor working to put the linkage with ratchet wheel in motion to make the fan swinging.The fan adopts biodegradable polylactic-acid and Makrolon.Sales models combined machinery design with baby carriage.It provides soft wind，protects environment，and improves the level of resources utilization and evenness which product enters market.

the structure of Automatic Shaking fan；cycling power；green design；humanization design

TH132

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.015

1002-6673（2015）05-039-03

2015-08-04

劉岳開（1994-），男，湖南湘陰人，大學(xué)本科學(xué)生。研究方向：機(jī)械自動(dòng)化。