一種便攜式滑板車的設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析

李曉光

(安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 合肥 230012)

滑板車作為一款集交通及健身于一體的交通工具，逐漸被人們所喜愛和接受，有著極為廣闊的市場發(fā)展前景。同時(shí)，為便于攜帶，人們對滑板車的設(shè)計(jì)要求也不斷提高，陳維對歐洲滑板車知名品牌Jdbug的研制進(jìn)行了研究[1]，張澤坤對我國的滑板車市場需求進(jìn)行了分析[2],但是對滑板車的設(shè)計(jì)依然缺乏系統(tǒng)性分析。為此，筆者針對目前市場滑板車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和人們對滑板車的需求，對便攜式滑板車進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，為推動(dòng)滑板車的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 便攜式滑板車的關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)改進(jìn)

從以下4個(gè)方面對滑板車的關(guān)鍵部件進(jìn)行改進(jìn)。

1)便攜式滑板車方向桿的伸縮采用扳手旋鈕式結(jié)構(gòu)，以適用于不同身高的兒童，結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

2)折疊旋轉(zhuǎn)裝置整個(gè)折疊過程簡單，用戶操作方便，并且方向桿和腳踏板能夠直接地鏈接并牢固可靠，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3)剎車結(jié)構(gòu)簡單可靠，并根據(jù)用戶需要可自行調(diào)節(jié)剎車距離，避免快速急剎可能引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)[3]，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4)滑板車外觀要與產(chǎn)品功能和安全相結(jié)合[4]。

滑板車的總體外觀設(shè)計(jì)見圖4。

結(jié)合市場上現(xiàn)有的滑板車結(jié)構(gòu)，根據(jù)市場對便攜式滑板車的市場需求，便攜式滑板車的方向桿采用了扳手旋鈕式伸縮結(jié)構(gòu)，并且滑板車采用的折疊旋轉(zhuǎn)裝置安全可靠，提高用戶的便攜性，改進(jìn)了剎車結(jié)構(gòu)， 便于不同年齡段用戶調(diào)節(jié)剎車距離，提高用戶使用安全性能，有助于提高產(chǎn)品的市場競爭力[5-8]。

2 便攜式滑板車動(dòng)力學(xué)分析

對便攜式滑板車進(jìn)行整車模型的仿真分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。主要用Adams View仿真平臺(tái)對整車模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，分析主要對象為整車的運(yùn)動(dòng)情況及管件部件的受力情況；通過仿真數(shù)據(jù)，對整車運(yùn)動(dòng)情況及關(guān)鍵部件參數(shù)的設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行評估，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性[9-10]。

2.1 便攜式滑板車模型導(dǎo)入及材料處理

在整車模型導(dǎo)入前，需要對模型進(jìn)行處理，將在仿真過程中相對無運(yùn)動(dòng)關(guān)系的部件進(jìn)行合并，以便能夠簡化模型實(shí)體部件數(shù)量，提高仿真效率；用Solidworks裝配體平臺(tái)中的連接重組模塊對模型進(jìn)行合并處理，并將簡化合并后的模型保存為通用格式.x_t，以方便后期導(dǎo)入模型進(jìn)行分析。

在仿真過程中，將方向桿設(shè)為金屬材料鋁，輪子設(shè)置成非金屬材料橡膠，腳踏板設(shè)置為非金屬材料尼龍。由于Adams View中沒有提供相應(yīng)的材料類型，因此需建立新材料尼龍，并將其材料屬性賦予腳踏板。其他材料都統(tǒng)一設(shè)置為金屬材料鋼。將腳踏板設(shè)置成尼龍材料牌號(hào)PA6-GF30，材料的密度為1.15 g/cm3，彈性模量為2.32 GPa，泊松比為0.34[11]。將文中的單位設(shè)置為mm、g、MPa，尼龍材料的屬性主要設(shè)置參數(shù)如下圖6所示，并將其賦予腳踏板。

2.2 添加約束

為滿足仿真需要，要求對上述模型添加相應(yīng)的約束，以實(shí)現(xiàn)模型可以模擬正常使用的效果，如圖7所示；針對腳踏板和路面添加了3個(gè)約束副，即腳踏板和路面的方向副、腳踏板和路面的垂直副及腳踏板和路面的平行副，其目的是將人體作用腳踏板上的力通過部件之間的相互作用力傳遞到輪軸上，從而保證輪軸受力的合理性。

2.3 施加驅(qū)動(dòng)

在模型中添加2個(gè)驅(qū)動(dòng)力，即人體所施加的力和便攜式滑板車的驅(qū)動(dòng)力。其中仿真的目的側(cè)重于主要部件輪軸的受力。驅(qū)動(dòng)力是為了實(shí)現(xiàn)便攜式滑板車的動(dòng)態(tài)受力情況的添加,因此將人體所施加的力設(shè)置為變量，以驗(yàn)證便攜式滑板車所能承受的最大載荷情況。文中需對載荷進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)以滿足仿真需求[12]。對人體對腳踏板的受力設(shè)置變量如圖8所示。

施加的驅(qū)動(dòng)力如圖9所示，圖示箭頭為力的方向，為保證受力合理性，將人體對腳踏板的施加力設(shè)置為負(fù)值，以保證實(shí)際受力的合理性。

2.4 結(jié)果及后處理

對輪軸的應(yīng)力情況進(jìn)行處理，用Adams view中提供的創(chuàng)建函數(shù)方式，直接對輪軸的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，從而將校核及仿真融為一體，提高仿真效率，節(jié)省校核所需要的時(shí)間，因而后處理中需要對前輪及后輪豎直方向受力情況及輪軸應(yīng)力分析函數(shù)的受力情況進(jìn)行測量，如圖10和圖11所示。

用Adams view中所提供的Design Exploration模塊中的F(t)對輪軸進(jìn)行應(yīng)力分析函數(shù)創(chuàng)建[13]，同時(shí)在創(chuàng)建過程中，需要借助創(chuàng)建的應(yīng)力函數(shù)來完成。由于設(shè)計(jì)中輪子為標(biāo)準(zhǔn)件，輪軸的軸徑為8 mm，具體創(chuàng)建結(jié)果如圖12所示。

后輪軸在10、20、30、40、50、60 kg載荷作用下的受力情況如圖13和圖14所示，其中在最大載荷下的受力情況最大；由后處理中的數(shù)據(jù)提取結(jié)果查詢可知，前輪軸受力最大值為-324.58 N，后輪軸受力最大值為-384.44 N，其中負(fù)號(hào)代表受力方向與系統(tǒng)中Y軸的方向相反，符合理論結(jié)果。從而可知后輪軸的實(shí)際受力較大，因而要對后輪軸的抗剪應(yīng)力情況進(jìn)行校核，其結(jié)果如圖15所示。

由圖15所提供的數(shù)據(jù)捕捉可知，輪軸在60 kg載荷下，受到抗剪應(yīng)力最大數(shù)值為1.61 MPa，小于常用材料Q235的許用值15 MPa，由此驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)是合理的。

從上文可知便攜式滑板車在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下輪軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由此看出不同的豎直載荷對滑板車的運(yùn)動(dòng)狀況影響不大。現(xiàn)主要針對載荷為60 kg時(shí)滑板車的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)經(jīng)后處理得到結(jié)果如圖16所示。

由圖16可知，在上述驅(qū)動(dòng)力的作用下，滑板車的整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)較為平穩(wěn)，同時(shí)也從側(cè)面說明了模型設(shè)計(jì)的合理性。

3 結(jié)論

本文對便攜式滑板車的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，用Adams View完成對便攜式滑板車模型的運(yùn)動(dòng)和在10、20、30、40、50、60 kg質(zhì)量狀態(tài)下滑板車的受力情況。研究發(fā)現(xiàn)在最大載荷作用下，前輪軸受力最大值為-324.58 N，后輪軸受力最大值為-384.44 N。直接將理論校核和仿真相結(jié)合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)模型的準(zhǔn)確性，證明了設(shè)計(jì)的合理性，為機(jī)械設(shè)計(jì)研究人員提供了一種新的設(shè)計(jì)校核思路，具有一定的借鑒性。