拉桿箱平底萬向輪振動(dòng)分析

楊保健，胡新廣，鐘永華，楊鐵牛，黃照輝

（1.五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東江門 529020；2.江門市兆盈箱包有限公司，廣東江門 510850）

0 引言

移動(dòng)平穩(wěn)性和轉(zhuǎn)向靈活性是拉桿箱兩個(gè)最主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)[1-2]，其好壞不僅影響了拉桿箱的使用舒適度，而且影響了拉桿箱的使用壽命。萬向輪作為拉桿箱最為重要的結(jié)構(gòu)零件，其萬向輪結(jié)構(gòu)的合理性能夠在很大程度上影響行李箱的平穩(wěn)性和靈活性。目前，拉桿箱萬向輪與底盤有2種常見的聯(lián)結(jié)形式，即轉(zhuǎn)軸式聯(lián)結(jié)，如圖1所示；波盤式聯(lián)結(jié)，如圖3所示。轉(zhuǎn)軸式萬向輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、一次性聯(lián)結(jié)，安裝后不易拆卸；波盤式萬向輪結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造成本較高，轉(zhuǎn)向較平穩(wěn)，且方便拆卸[3-4]。本文針對(duì)拉桿箱平底萬向輪振動(dòng)建立數(shù)學(xué)模型，借助ADAMS軟件虛擬樣機(jī)模擬技術(shù)平臺(tái)，對(duì)拉桿箱平底萬向輪進(jìn)行建模、分析、求解，研究不同結(jié)構(gòu)拉桿箱平底萬向輪其平穩(wěn)性和靈活性，為研發(fā)新的拉桿箱平底萬向輪提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型與力學(xué)分析

根據(jù)工程實(shí)際，本文分別建立了2種萬向輪數(shù)學(xué)模型，如圖2和圖4所示。圖2中，BC表示轉(zhuǎn)軸與底盤上的安裝孔之間的最大間隙；AD表示萬向輪轉(zhuǎn)軸；DE表示轉(zhuǎn)軸軸頸。荷重時(shí)，假設(shè)軸頸與底盤底面之間的夾角為θ。

圖1 轉(zhuǎn)軸式萬向輪

圖2 轉(zhuǎn)軸式萬向輪數(shù)學(xué)模型

根據(jù)工程實(shí)際，AB=32 mm，BC=0.3 mm，則：

波盤式萬向輪如圖4所示。BC表示萬向輪波盤上的孔與螺釘之間的最大間隙；AD表示底盤上與萬向輪聯(lián)結(jié)的螺釘。荷重時(shí)，假設(shè)萬向輪的波盤與底盤底面之間的夾角為α。

根據(jù)工程實(shí)際，ac=10.7 mm，ac=0.5 mm。則：

圖3 波盤式萬向輪

圖4 波盤式萬向輪數(shù)學(xué)模型

圖5 萬向輪振動(dòng)數(shù)學(xué)模型

圖5 中，q為不平路面擾動(dòng)輸入，Z為輸出，其振動(dòng)微分方程為：

則其傳遞函數(shù)

對(duì)于轉(zhuǎn)軸式萬向輪，其偏轉(zhuǎn)位移：

對(duì)于波盤式萬向輪，其偏轉(zhuǎn)位移：

ymax=tanα?16=0.75(mm)

則

2種萬向輪的轉(zhuǎn)角頻率分別為

作對(duì)數(shù)幅頻特性漸近線，如圖6所示。

圖6 萬向輪幅頻特性

取ω=10，則

即當(dāng)頻率ω＞6時(shí)，在相同頻率下，波盤式萬向輪產(chǎn)生的分貝數(shù)比轉(zhuǎn)軸式高約17.74 dB，波盤式萬向輪受振動(dòng)發(fā)出的噪聲更大。

2 ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

本文主要研究不同萬向輪結(jié)構(gòu)對(duì)拉桿箱穩(wěn)定性的影響，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性和提高分析效率，對(duì)萬向輪拉桿箱模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并對(duì)上述2種萬向輪及底盤采用Solidworks軟件進(jìn)行3D建模。為了模擬拉桿箱實(shí)際運(yùn)行復(fù)雜路面環(huán)境，建立障礙地面模型，設(shè)計(jì)了2種不同類型簡(jiǎn)化障礙結(jié)構(gòu)（梯形臺(tái)階障礙結(jié)構(gòu)和三角形臺(tái)階障礙結(jié)構(gòu)）[7]，以模擬實(shí)際復(fù)雜地面環(huán)境中常見的滑臺(tái)凸起式墜落和斷崖式墜落環(huán)境，如圖7所示。障礙1與障礙2高度分別為9 mm和11 mm，兩障礙間距設(shè)置為400 mm，圖中V表示為拉桿箱萬向輪行進(jìn)方向。將建立好的3D模型導(dǎo)入ADAMS分析軟件中，定義地面模型材料和萬向輪模型材料[8]。本實(shí)驗(yàn)地面模型設(shè)置為混泥土地面，萬向輪模型材料設(shè)置為ABS材料，其材料屬性定義如表1所示。

表1 ABS的材料屬性

對(duì)導(dǎo)入模型添加約束，將導(dǎo)入地面模型與Ground固定約束，萬向輪與地面添加Contact（接觸約束），添加相應(yīng)的摩擦系數(shù)[9-10]，施加載荷G為豎直向下70 N，表示拉桿箱荷重；施加水平方向的推力F=10 N，表示拉桿箱水平方向驅(qū)動(dòng)力。對(duì)模型進(jìn)行求解。

圖7 地面障礙模型簡(jiǎn)圖

圖8 拉桿箱底盤模型

求解完成后，可在PostProcessor（后處理）環(huán)境中查看拉桿箱某零部件模擬狀態(tài)并進(jìn)行后處理。本文通過對(duì)前輪水平方向和鉛錘方向的速度進(jìn)行后處理分析，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 萬向輪水平方向速度變化

圖10 萬向輪鉛錘方向速度變化

由圖9發(fā)現(xiàn)，波盤式萬向輪速度變化曲線斜率小于撥盤式速度斜率。其表明在施加相同大小驅(qū)動(dòng)力的情況下，波盤式萬向輪向水平方向的移動(dòng)加速度大于轉(zhuǎn)軸式萬向輪。結(jié)果表明，波盤式萬向輪更具靈活性，在保持相同速度的行進(jìn)條件下，波盤式萬向輪更為省力。從圖10可知，在平坦路面上，2種類型的萬向輪鉛錘方向的速度變化大致趨向于0，表明在平坦路面時(shí)，2種萬向輪都較為平穩(wěn)。在越過障礙1時(shí)，轉(zhuǎn)軸式萬向輪在越坡降落過后再次出現(xiàn)1個(gè)斜坡峰，這是由于轉(zhuǎn)軸式萬向輪在降落過程中沿反斜坡降落時(shí)出現(xiàn)緩沖峰，而波盤式萬向輪行進(jìn)速度較快，在降落過程中呈現(xiàn)斷崖式降落，并未出現(xiàn)緩沖波峰；在萬向輪通過2種障礙路面時(shí)，波盤式萬向輪鉛錘方向速度變化幅度均略大于轉(zhuǎn)軸式萬向輪，即驗(yàn)證了前述的轉(zhuǎn)軸式萬向輪更平穩(wěn)。

3 結(jié)束語

（1）荷重相同時(shí)，轉(zhuǎn)軸式萬向輪更平穩(wěn)；

（2）在相同頻率下，波盤式萬向輪產(chǎn)生的分貝數(shù)比轉(zhuǎn)軸式高約17.74 dB，波盤式萬向輪受振動(dòng)發(fā)出的噪聲更大，但波盤式萬向輪轉(zhuǎn)向靈活性明顯優(yōu)于轉(zhuǎn)軸式萬向輪。