楊 帆，林鈺珍，岑思燕

(衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 衢州 324000)

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國傳統(tǒng)式家庭模式逐漸解體，三口之家基本形成。為保證整個家庭生活的順利運行，夫妻雙方皆從事工作的形式愈加普遍。在社會復(fù)雜性與人才競爭性愈演愈烈的當(dāng)今社會，很多的年輕夫婦照顧嬰兒苦不堪言。筆者設(shè)計的這種擺式嬰兒床具有運動自動平穩(wěn)，可手動調(diào)整擺動幅度與頻率，從而使嬰兒獲得更加舒適的高質(zhì)量睡眠，減少年輕父母的勞動負(fù)荷。

2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理［1-2］

變頻搖擺式嬰兒床機械結(jié)構(gòu)主要有搖擺支架、嬰兒床床身、直流步進(jìn)電機、搖柄、拉桿等組成，如圖1、2所示。

圖1 嬰兒床主體結(jié)構(gòu)

圖2 嬰兒床組成

直流步進(jìn)電機帶動搖柄旋轉(zhuǎn)，搖柄拉動拉桿，拉桿拉動嬰兒床床身作等幅值自動擺動。根據(jù)圖3所示，曲柄兩口中心距為r;拉桿中心孔距為L;嬰兒床床身定位尺寸，即搖桿長度為R;電機安裝水平位置尺寸為L+r，電機垂直安裝位置與擺桿最大擺幅在同一水平線上。

圖3 曲柄搖桿機構(gòu)示意圖

變頻搖擺式嬰兒床電氣控制系統(tǒng)主要由定時器、直流電源、變頻器、直流步進(jìn)電機、導(dǎo)線等組成，如圖4所示。

圖4 嬰兒床電氣控制系統(tǒng)

家長可通過定時器按照自己意愿設(shè)置搖擺時間;可根據(jù)嬰幼兒需要，通過變頻器設(shè)置擺動頻率;可根據(jù)實際需要調(diào)整擺動幅度。

3 理論設(shè)計與強度校核［1］

曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性是該嬰兒床研制的關(guān)鍵技術(shù)問題。無急回特性的曲柄搖桿機構(gòu)充要條件是曲柄與機架的長度平方和等于連桿與搖桿的長度平方和，并且曲柄搖桿機構(gòu)的極位夾角為0°，如圖3所示。

(1)基本位置尺寸及零件尺寸計算

按設(shè)計要求，根據(jù)擺幅確定曲柄長度r=45 mm，單邊最大擺角φ=15°。根據(jù)圖3所示極限位置幾何關(guān)系可得:

求得R≈350 mm

為使電機安裝距離床身較近，縮小因距離產(chǎn)生的過大扭矩，由此選取H=360 mm。

根據(jù)無急回特性充要條件的公式［5］:

求得:L≈95 mm

最終確定尺寸如下:搖桿長度R=350 mm;機架長度H=360 mm;曲柄長度r=45 mm;L=95 mm。

根據(jù)上述尺寸及位置關(guān)系，運用UG進(jìn)行嬰兒床結(jié)構(gòu)建模與ADAMS運動學(xué)仿真，分析出擺桿的運動及加速度，為后續(xù)的嬰兒床研制奠定理論基礎(chǔ)。

(2)剪切強度計算［1］

嬰兒床床身做擺動運動，因此按照離心力計算公式剪切力的大小。根據(jù)離心力計算公式:

式中:F為剪切力;m為床身與嬰兒總質(zhì)量;ω為擺桿角速度;r為擺桿的長度。

求得剪切力:F=m(g+ω2r)

床身質(zhì)量10 kg，初定嬰兒體重10 kg，角速度如圖5所示，取ω=0.35 rad/s。

根據(jù)剪切應(yīng)力計算公式:

式中:τ為床身轉(zhuǎn)軸剪切應(yīng)力;r0為床身轉(zhuǎn)軸的半徑。

本項目采用M6螺栓做床身轉(zhuǎn)軸，查找機械手冊其小徑φ=4.918。計算得到剪切應(yīng)力τ=1.29×106MPa＜＜［τ］，滿足強度要求。

4 性能分析［2-4］

運用UG軟件對嬰兒床主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并運用ADAMS軟件對其進(jìn)行運動學(xué)仿真如圖5～7所示。

圖5 搖擺角速度

圖6 搖擺幅度角

圖7 搖擺角加速度

由運動學(xué)仿真圖仿真結(jié)果分析得出，擺角以及角速度基本對稱且基本無急回特性;角加速度在回程過程中有抖動，之所以有此偏差是因為曲柄以及連桿理論計算結(jié)果為近似計算，導(dǎo)致運動過程與理想方程曲線有所偏差。但隨著設(shè)計精度以及制造精度的提高，加速度曲線逐漸回歸對稱分布，大大加強了嬰兒床的穩(wěn)定運動。

5 結(jié)論

根據(jù)上述基本理論研究及計算機仿真分析，變頻搖擺式嬰兒床如圖8所示，采用無急回特性的曲柄搖桿機構(gòu)，與以往幼童床具相比創(chuàng)新之處在于，不僅可以充當(dāng)兒童床具，還可以根據(jù)現(xiàn)實需要開啟搖擺功能，供幼童娛樂，減輕家長負(fù)荷，并且可巧妙地將曲柄搖桿機構(gòu)運用到嬰兒床上，結(jié)合桿長變化對擺幅大小的影響，實現(xiàn)嬰兒床擺幅可調(diào)?？紤]現(xiàn)實因素，引入控制裝置，實現(xiàn)嬰兒床擺速及擺幅可調(diào)。

圖8 變頻搖擺式嬰兒床

目前兒童家具以娛樂為主，并具有一定的實用性的床類產(chǎn)品稀缺，變頻搖擺式嬰兒床恰好市場空缺，填補同類家具市場的空白，應(yīng)用前景廣闊。

［1］ 孫 桓，陳作模，葛文杰.機械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］ 朱金生.機械設(shè)計實用機構(gòu)運動仿真圖解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

［3］ 李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［4］ 鐘日銘.UG NX7.5完全自學(xué)手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［5］ 元增民，馬 璇.曲柄搖桿機構(gòu)無急回特性的條件及其應(yīng)用［J］.邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2000，17(3):49-53.