榫卯工藝風(fēng)電玩具車的設(shè)計

陶曉琪，魯宇明，祥鷂懷，趙辰瑜

（南昌航空大學(xué)a.經(jīng)濟管理學(xué)院；b.航空制造學(xué)院；c.飛行器工程學(xué)院；d.測試與光電工程學(xué)院，南昌 330063）

0 引言

玩具對兒童的身心發(fā)展與認知發(fā)展有著至關(guān)重要的作用，而現(xiàn)有的玩具車大多數(shù)為成品，無法讓小孩在參與玩具車組裝過程中鍛煉實踐能力，大多數(shù)普通外觀的玩具車其可玩性也較差。

本文設(shè)計了一款親子協(xié)作完成組裝的榫卯工藝風(fēng)電玩具車，既能實現(xiàn)親子互動，還可以開發(fā)智力。榫卯工藝風(fēng)電玩具車采用成本較低的木制材料且構(gòu)件可拆卸或組裝。其底部框架采用的是具穩(wěn)定性的三角形結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)組裝流程更為簡單，靈活性更強，也方便安裝、使用與攜帶，更利于激發(fā)孩子自主創(chuàng)新的興趣，提高動手操作能力[1]。另一方面，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中絕大多數(shù)玩具車采用膠水等化學(xué)物質(zhì)黏合劑粘連，存在一定程度上的危害。無需一釘一劑的榫卯結(jié)構(gòu)是藏在木頭里的靈魂，一榫一卯、一轉(zhuǎn)一折、暗藏玄機，做出巧奪天工、渾然天成、天衣無縫的效果。榫卯——傳統(tǒng)藝術(shù)中的結(jié)構(gòu)美學(xué)，一種驚艷千年的中國美，堪稱人類輕工制造史上的奇跡，可極大地提升玩具車的耐看性與持久性。該技術(shù)對本次榫卯工藝風(fēng)電玩具車的設(shè)計研究中解決如何穩(wěn)定牢固地連接構(gòu)件的問題具有重要參考意義[2]。

1 總體結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計

1.1 榫卯工藝風(fēng)電玩具車基本結(jié)構(gòu)

榫卯工藝風(fēng)電玩具車整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。玩具車由3個長木條構(gòu)成車身底部框架，不僅可保證玩具車結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且結(jié)構(gòu)簡單，通過在第一長木條1、第二長木條2上安裝大車輪5與小車輪22，構(gòu)成玩具車的行走結(jié)構(gòu)；通過直流電動機13驅(qū)動第一扇葉18和第二扇葉19轉(zhuǎn)動，構(gòu)成玩具車的動力裝置；將扇葉設(shè)置成披針形，外形更為美觀且增大了扇風(fēng)量，從而比一般小汽車型玩具車的可玩性強，綜上所述即構(gòu)成榫卯工藝風(fēng)電玩具車的基本結(jié)構(gòu)[3]。

圖1 榫卯工藝風(fēng)電玩具車基本結(jié)構(gòu)

1.2 行走結(jié)構(gòu)設(shè)計

在拼接上，榫卯工藝風(fēng)電玩具車部分榫卯連接口如圖2所示。玩具車的第三長木條10構(gòu)件兩端設(shè)計短形榫頭8，分別連接在第一長木條1和第二長木條2所對應(yīng)的榫眼9上；第一、二長木條兩端均設(shè)置有斜面切口4貼于大車輪5，而第一圓木棍6通過軸承將中心開口的大車輪與帶卡口3的第一、二長木條構(gòu)件采用圓榫的榫接方式貫穿連接，多種榫接方式結(jié)合使各構(gòu)件更緊密地組合在一起，成為結(jié)實牢固的一個整體[4]。如圖3所示，通過3個長木條結(jié)合成穩(wěn)定的三角形，從而構(gòu)成整個玩具車底部框架，既可以保證榫卯工藝風(fēng)電玩具車的穩(wěn)定牢固，又可以使此結(jié)構(gòu)組裝更為簡單[5]。大車輪外圍安裝一個小車輪于側(cè)端的設(shè)計可防止玩具車在行駛過程中左右晃動。這樣的行走結(jié)構(gòu)設(shè)計使玩具車不易發(fā)生偏移，確保了車輪垂直方向的穩(wěn)定。

圖2 榫卯連接口

圖3 榫卯工藝風(fēng)電玩具車俯視

1.3 動力裝置設(shè)計

榫卯工藝風(fēng)電玩具車的第三長木條7上固定設(shè)置有立柱10，如圖4所示，立柱上開設(shè)的安裝槽11中可拆卸地設(shè)置有安裝座12，其上設(shè)有與直流電動機13配合的圓弧切口15，直流電動機通過與第二圓木片14上的插槽16配合連接。如圖1與圖3所示，第一長木條1、第二長木條2上設(shè)置有電池板23，直流電動機13和電池板23上均設(shè)置有電源觸點24，電源觸點之間通過電線連接。電線接通后，開關(guān)開啟電池板將會供電給直流電動機，為扇葉提供轉(zhuǎn)動的動力來源，促使直流電動機運行轉(zhuǎn)動帶動玩具車前進，在行駛過程中風(fēng)力會繼續(xù)帶動扇葉轉(zhuǎn)動。當玩具車達到一定速度關(guān)閉開關(guān)以減少電力消耗，若因風(fēng)力不足導(dǎo)致車速減慢會再開啟開關(guān)繼續(xù)提供動力，形成電力和風(fēng)力相互切換的動力裝置。

圖4 披針形扇葉與直流電動機連接

1.4 披針形扇葉風(fēng)向分析

榫卯工藝風(fēng)電玩具車的扇葉構(gòu)件設(shè)計如圖5所示。扇葉身的長度為寬度的4～5倍，中部以下為最寬，上部漸狹，形成披針形的形狀可擴大覆蓋面積，不僅低阻節(jié)能，還可以產(chǎn)生較大風(fēng)力[6]。扇葉與圓木片以暗榫的方式拼接并與玩具車的軸向成一定角度，固定的披針形扇葉一邊高于風(fēng)向與另一邊低于風(fēng)向的設(shè)計，可以將風(fēng)聚集在扇葉表面往一個方向吹動。在扇葉正常運轉(zhuǎn)時，因上方弧線較長的披針形，其上方表面的空氣流速會比下方快，根據(jù)流體力學(xué)分析，由于上方的壓強較小，扇葉會受到一個向上的力，根據(jù)牛頓第三定律中作用力與反作用力相等的原理，扇葉會推動下方的空氣流動，加上披針形扇葉與圓木片的斜接的設(shè)計會向下?lián)軇涌諝?，帶動扇葉轉(zhuǎn)動做圓周運動[7]。另一方面，扇葉受到的風(fēng)力則被分解為2個方向的力，一個是沿軸向傳遞的力，另一個是沿徑向傳遞的力，通過風(fēng)施加于軸向下壓的壓力可減少玩具車擺動并維持其穩(wěn)定性，沿徑向傳遞的力則帶動玩具車前行。在保證空氣動力學(xué)穩(wěn)定性和風(fēng)壓中心與玩具車質(zhì)心重合的前提下，考慮玩具車扇葉的各處壓力分布，披針形扇葉的設(shè)計不僅外形美觀，還增大了扇風(fēng)量，比一般小汽車型玩具車的可玩性強[8]。

圖5 披針形扇葉俯視

綜上所述，在榫卯工藝風(fēng)電玩具車的設(shè)計方案中，針對玩具車構(gòu)件披針形扇葉，下文運用有限元技術(shù)對榫卯構(gòu)件所涉及的空氣動力學(xué)等相關(guān)內(nèi)容進行研究。

2 有限元建模與仿真

為了研究扇葉對周圍空氣的影響，并驗證披針形扇葉的設(shè)計自身物理屬性是否滿足要求。在Fluent軟件中采用無滑移的流動模型對披針形扇葉壁面表面的空氣分子仿真[9]，圖6是x-y平面及x-z平面速度矢量圖，表明扇葉周圍的空氣分子能在黏性力的作用下做布朗運動，且扇葉中心分子受到慣性力與壓差力后能做勻速圓周運動。圖7為扇葉各部位速度矢量圖，表明披針形扇葉中心域網(wǎng)格較密，而非加密區(qū)的流場域的矢量圖整體趨勢呈現(xiàn)較為平順的流場運動方向。圖8為x-y及x-z平面速度云圖，表明扇葉的披針形外形設(shè)計能夠很好地避免旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的湍流，達到減小空氣阻力的效果[10]。

圖6 x-y平面及x-z平面速度矢量

圖7 扇葉各部位速度矢量

圖8 x-y及x-z平面速度云圖

通過流體力學(xué)分析可以驗證扇葉的披針形設(shè)計達到了所需的標準，具備可投入使用的條件。

3 結(jié)論

本文從外觀設(shè)計、構(gòu)件連接、風(fēng)向分析3個層面對玩具車進行設(shè)計研究與優(yōu)化創(chuàng)新，最后通過流體仿真對設(shè)計研究方案進行驗證與評價。主要研究成果如下：1）對榫卯工藝風(fēng)電玩具車進行設(shè)計研究，從車穩(wěn)定性、組裝方式、動力來源進行聚類分析，設(shè)計出榫卯工藝風(fēng)電玩具車的結(jié)構(gòu)，三角形底部車身框架通過榫卯結(jié)構(gòu)連接大小車輪構(gòu)成行走結(jié)構(gòu)，直流電動機與風(fēng)力結(jié)合驅(qū)動扇葉轉(zhuǎn)動構(gòu)成動力裝置。2）基于玩具車外觀設(shè)計，對玩具車扇葉構(gòu)件進行分析，設(shè)計出符合空氣動力學(xué)原理的披針形扇葉結(jié)構(gòu)。3）根據(jù)榫卯工藝風(fēng)電玩具車的設(shè)計研究方案，通過有限元軟件Fluent進行仿真，驗證了扇葉披針形設(shè)計符合空氣動力學(xué)原理，并驗證了該玩具車設(shè)計方案的可行性。