藏加宇，林文樹，馬　川，呂濤偉

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

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便攜式車輛自救多功能裝置設(shè)計與分析

藏加宇，林文樹*，馬川，呂濤偉

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

摘要：針對汽車發(fā)生緊急情況，尤其是在野外拋錨無人援助的情況下，設(shè)計一種便攜式車用自救多功能裝置。本論文的設(shè)計主要將棘輪棘爪結(jié)構(gòu)、鋼絲繩卷筒結(jié)構(gòu)、齒輪齒條結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，并為其設(shè)計了特殊結(jié)構(gòu)的底座，使其適用于農(nóng)田及林區(qū)道路環(huán)境下車輛拋錨時的自救及捆綁貨物。同時，利用ANSYS軟件對設(shè)計的裝置進(jìn)行可靠性分析。本裝置可實現(xiàn)多種功能，且性能可靠，操作簡單，制造低廉，具有較大的市場推廣價值。

關(guān)鍵詞：便攜式；多功能；自救；設(shè)計

引文格式：藏加宇，林文樹，馬川，等.便攜式車輛自救多功能裝置設(shè)計與分析[J].森林工程，2016，32(1)：59-63.

0引言

雖然隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展私家車逐漸普及，但是在道路建設(shè)落后的地區(qū)行車或是駕車越野時，常會遇到車輛拋錨或陷入泥濘中等窘境[1]，在這種情況下請人施救非常困難，所以經(jīng)常需要車主自行利用身邊工具脫困。然而以現(xiàn)有方法和工具對現(xiàn)場作業(yè)條件和人力有諸多要求，很難快速便捷地完成作業(yè)。

針對目前的汽車拖拽、牽引、起重裝置存在體積過大、操作不便、不便于攜帶等諸多問題，針對車輛遇困時施工作業(yè)難等情況設(shè)計了一款便于攜帶、使用方便、價格便宜、多功能、可單人獨(dú)立操作的便攜式車用自救多功能裝置，不僅適用于車輛脫困，還具有捆綁、收緊、起升等實用功能，可應(yīng)用于林區(qū)、農(nóng)田、工廠以及復(fù)雜地況的施工作業(yè)。

1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及實施方式

利用Pro/E軟件所設(shè)計的便攜式車用自救多功能裝置如圖1所示，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能[2]。

(1)作為牽引裝置能快速可靠地把車輛牽引至平坦路面。

(2)作為起升裝置能快速可靠地起升重物并能使重物保持一定的高度。

(3)作為收緊捆綁裝置有一定的收緊力和較大的捆綁能力。

(4)在車輛溺水時可作為破窗工具。

圖1　裝置存放時狀態(tài)Fig.1 The storage condition of the device

便攜式車用自救多功能裝置的功能實施方式如下。

實施方式1：扳動止回棘爪使其處于開啟狀態(tài)；扳動驅(qū)動棘爪拉出吊鉤及鋼絲繩；將吊鉤掛在被困車輛的牽引鉤上；抽出底座內(nèi)的鋼釬及齒條；將鋼釬穿過底座四角處的圓孔并插入土地或砂石地中固定底座；扳動止回棘爪使其處于閉合狀態(tài)；施力使增力桿上下往復(fù)運(yùn)動；增力桿通過驅(qū)動棘爪使棘輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；棘輪通過鍵使小齒輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；小齒輪與大齒圈嚙合使其作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；大齒圈帶動卷筒旋轉(zhuǎn)使鋼絲繩作直線運(yùn)動，從而牽引車輛脫困[3-4]。實施過程如圖2所示。

圖2　將裝置固定在地面上的狀態(tài)Fig.2 The condition of the device fixed on the ground

實施方式2：準(zhǔn)備一段繩子，一端掛在鉤組的吊鉤上，另一端捆綁于護(hù)欄或樹干上；其他操作方式同實施方式1使鋼絲繩作直線運(yùn)動從而牽引車輛脫困。實施過程如圖3所示。

圖3　將裝置固定在護(hù)欄或樹干上的狀態(tài)Fig.3 The condition of the device fixed on the guardrail or trunk

實施方式3：扳動止回棘爪使其處于開啟狀態(tài)；扳動驅(qū)動棘爪拉出吊鉤及鋼絲繩少許；將鋼釬抽出并插入底座一側(cè)的4個圓孔中，轉(zhuǎn)換裝置方向使鋼釬起到支撐作用；按實施方式1驅(qū)動裝置使大齒圈作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；卷筒的另一側(cè)大齒圈通過和齒條嚙合帶動其沿裝置長度方向直線運(yùn)動達(dá)到起升重物的目的[5-8]。實施過程如圖4所示。

實施方式4：將吊鉤掛在鉤組的吊鉤上；其他操作方式同實施方式1，最終使大齒圈帶動卷筒旋轉(zhuǎn)使鋼絲繩收回從而達(dá)到捆綁貨物的功能。實施過程如圖5所示。

圖4　裝置起升重物狀態(tài)Fig.4 The lifting condition of the device

圖5　裝置捆綁貨物狀態(tài)Fig.5 The condition of binding goods

實施方式5：拉出吊鉤及鋼絲繩將吊鉤掛在貨物上；將鉤組的吊鉤掛在車廂上；其他操作方式同實施方式1，最終使鋼絲繩收回，從而增大了貨物與車廂間的摩擦力從而達(dá)到固定貨物的功能。實施過程如圖6所示。

圖6　裝置固定貨物狀態(tài)Fig.6 The condition of fixing goods

實施方式6：模仿逃生安全錘原理將裝置上的鋼釬進(jìn)行修改，如圖7所示，在車輛溺水時可進(jìn)行破窗逃生，但是考慮到逃生錘發(fā)展現(xiàn)狀以及車窗玻璃的防爆性能，逃生錘的破窗能力有待提高，因此該安全逃生鋼釬僅作為輔助破窗工具。

圖7　安全逃生鋼釬Fig.7 Safe escape steel

另外，為了更清楚的表達(dá)局部細(xì)節(jié)，便攜式車用自救多功能裝置的棘輪棘爪和齒輪傳動部分、齒輪齒條傳動部分分別如圖8和圖9所示。

圖8　棘輪棘爪和齒輪傳動局部放大圖Fig.8 The local amplification figure ofthe ratchet pawl and gear transmission

圖9　齒輪齒條傳動局部放大圖Fig.9 The local amplification figure of the pinion and rack drive

2裝置的起升與牽引能力計算

增力桿的把手施力中心位置到增力桿的旋轉(zhuǎn)軸心距離為340 mm；棘輪相當(dāng)于過輪或中介輪，從而可以省去棘輪的參數(shù)計算；小齒輪的分度圓直徑為40 mm；大齒圈的分度圓直徑為108 mm；卷筒直徑為70 mm。

通過查閱相關(guān)工具書得到數(shù)據(jù)[9-10]：手動絞盤的人工額定施力值F為700 N；圓柱形加工齒的齒輪的傳動效率ρ1為0.94~0.96；棘輪傳動的效率ρ2為0.96~0.98；齒輪與齒條的傳動效率ρ3為0.94~0.98；滑動軸承的摩擦系數(shù)μ為0.08~0.12。取齒輪傳動效率ρ1為0.95，棘輪傳動的效率ρ2為0.97；齒輪與齒條的傳動效率ρ3為0.96；滑動軸承的摩擦系數(shù)μ為0.10。

起升能力計算公式：

(1)

牽引能力計算公式：

(2)

經(jīng)查詢，1.6 L排量轎車重為1.2 t左右，越野車重為1.4 t左右，2.0 L以上排量的轎車重為1.4~1.8 t，越野車重為1.6~2.0 t。因此本裝置以車重G為2.0 t進(jìn)行檢驗。假設(shè)有一車輪需要支起，則：

因此，裝置的起升能力滿足要求。

把輪胎陷入凹坑情況，簡化成如圖10所示[11-12]。

圖10　輪胎陷入凹坑簡化圖Fig.10 The simplified graph of the tire falling into a pit

經(jīng)受力分析可得，要想拖出車輛需滿足關(guān)系式：

(3)

將數(shù)據(jù)帶入公式(3)得：

因此，裝置的牽引能力滿足要求。

3鋼絲繩的選擇

鋼絲繩中的鋼絲在工作中的受力情況是很復(fù)雜的，針對鋼絲繩的選型需要一個系統(tǒng)的過程。具體的步驟總結(jié)如下：①先確定起重機(jī)的載荷；②確定鋼絲繩的倍率；③確定鋼絲繩的單繩拉力；④確定起重設(shè)備的安全系數(shù)；⑤確定鋼絲繩的最小破斷拉力(MBL)，MBL=單繩拉力×安全系數(shù)；⑥根據(jù)鋼絲繩的MBL來選擇鋼絲繩的直徑；⑦根據(jù)鋼絲繩的直徑大小，再確定卷筒，滑輪繩槽直徑[13]。由于鋼絲繩在工作時會承受拉伸、彎曲、擠壓和扭轉(zhuǎn)的分別作用或同時作用，由此產(chǎn)生的應(yīng)力大小，不僅與鋼絲繩張力有關(guān)外，還與鋼絲繩的股數(shù)、捻制方法、螺旋角大小、鋼絲間的接觸方式以及繩芯的材料等有關(guān)，為簡化計算，可根據(jù)靜載荷來計算選擇鋼絲繩。

計算鋼絲繩直徑公式：

(4)

式中：d為鋼絲繩最小直徑，mm；C為選擇系數(shù)，mm/N；Smax為鋼絲繩最大靜拉力，N。

選擇系數(shù)C的取值與機(jī)構(gòu)的工作級別有關(guān)。根據(jù)裝置的工作環(huán)境選擇其安全系數(shù)n為4，C值為0.085，根據(jù)裝置的牽引能力為19.7 kN，取Smax為19.7 kN。

根據(jù)公式(4)計算

通過上述計算選擇鋼絲繩直徑為12 mm，A級、單繞、同向捻、圓股、線接觸、光面鋼絲、有機(jī)芯鋼絲繩。鋼絲繩的一端以螺栓壓板的方式固定在卷筒上，繩身部分多層纏繞在卷筒上，鋼絲繩的另一端接吊鉤，卷筒作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時可帶動鋼絲繩及吊鉤沿直線方向作收縮運(yùn)動。

4棘爪的有限元分析

4.1分析的背景

自救裝置包括棘爪、棘輪、小齒輪、大齒圈、齒條等主要構(gòu)件，由于篇幅有限，本文只對棘爪部分進(jìn)行分析。此裝置中的兩個棘爪(驅(qū)動棘爪和止回棘爪)是主要受力構(gòu)件。增力桿驅(qū)動棘爪推動棘輪轉(zhuǎn)動，將增力桿的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榧喌拈g歇運(yùn)動。當(dāng)裝置做牽引或起升受到外載荷時，止回棘爪阻止棘輪反轉(zhuǎn)，起到承載作用。不管是哪一種工作狀態(tài)，棘爪的作用是不變。棘爪是這一裝置中一個比較薄弱的環(huán)節(jié)，極容易出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。所以采用ANSYS軟件著重對棘爪進(jìn)行可靠性分析。

4.2棘爪的機(jī)構(gòu)設(shè)計和受力分析

(1)采用外嚙合齒式棘輪機(jī)構(gòu)，材料選用Q235碳鋼，淬火處理后棘爪頭部的硬度值要達(dá)到52～56HRC。

(2)驅(qū)動棘爪安裝在增力桿上，尾部打孔與增力桿之間安裝彈簧，整體形成一個杠桿模型。彈簧的收緊力一直施加在棘爪的尾端。

(3)止回棘爪安裝在底座上，能實現(xiàn)開閉兩個狀態(tài)，彈簧安裝在止回棘爪和底座之間保持適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，止回棘爪留有扳柱。

兩個棘爪受力狀態(tài)是一樣的，都是鉸接孔處的節(jié)點(diǎn)限制5個自由度，與棘輪接觸點(diǎn)處受到棘輪的切向力。

在設(shè)計方案中，棘輪齒根圓的半徑為20mm。因此，可得到驅(qū)動棘爪端部受到的力公式：

(5)

式中：F1為棘爪所受作用力；F′為操作者施力大小；L為增力桿的計算長度；R為棘輪的半徑。

止回棘爪所受力由外作用力決定，選車用多功能自救裝置起升狀態(tài)時的額定起升值，即最大起升量作為參考值，額定起升量W是12.8 kN，大齒圈的分度圓直徑為108 mm，小齒輪的分度圓直徑為40 mm，棘輪的齒根圓直徑為46 mm，壓力角α忽略不計，摩擦作用忽略不計。因此可得到止回棘爪端部受到的力公式：

(6)

式中：F2為止回棘爪所受作用力；W為額定起升量；d2為小齒輪的分度圓直徑；d3為棘輪齒根圓直徑。

4.3建立棘爪的有限元模型

驅(qū)動棘爪和止回棘爪材料均采用碳鋼，材料的彈性模量為2.01×105MPa，泊松比為0.3，許用應(yīng)力為40～46 MPa。采用自由網(wǎng)格劃分方法，得到驅(qū)動棘爪的位移云圖如圖11所示、應(yīng)力云圖如圖12所示，止回棘爪的位移云圖如圖13所示、應(yīng)力云圖如圖14所示[15]。

圖11　驅(qū)動棘爪的位移云圖Fig.11 The deformation figure of the driving ratchet

圖12　驅(qū)動棘爪的應(yīng)力云圖Fig.12 The stress nephogram of the driving ratchet

圖13　止回棘爪的位移云圖Fig.13 The deformation figure of the check ratchet

圖14　止回棘爪的應(yīng)力云圖Fig.14 The stress nephogram of the check ratchet

驅(qū)動棘爪的最大位移量為l1max=0.139×10-6m，止回棘爪的最大位移量為l2max=0.494×10-6m，最大位移出現(xiàn)在力的作用點(diǎn)處。根據(jù)棘爪選用材料的性質(zhì)，彈性模量E=200GPa，可以求得棘爪在力的作用點(diǎn)的最大撓度公式：

(7)

(8)

式中：F為力的作用點(diǎn)處所施加的力；L為棘爪長度；E為材料的彈性模量；I為棘爪截面的慣性矩，計算公式：

(9)

由計算可知，w1>l1max，w2>l2max，所以所設(shè)計的棘爪結(jié)構(gòu)及選用的材料滿足剛度要求。

驅(qū)動棘爪所受的最大應(yīng)力為1 671 Pa，最大應(yīng)力分布在力的作用點(diǎn)處。止回棘爪所受的最大應(yīng)力為1 866 Pa，最大應(yīng)力分布在力的作用點(diǎn)處，并且在安裝彈簧的小孔處產(chǎn)生有應(yīng)力集中。根據(jù)卷筒選用材料的性質(zhì)可知σmax≤[σ]。所以所設(shè)計的棘爪結(jié)構(gòu)及選用的材料滿足強(qiáng)度要求。

5結(jié)論

本設(shè)計將牽引、收緊和起升等功能融為一體，并將各機(jī)械機(jī)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，高度集成了多種設(shè)備的功能，具有很強(qiáng)的實用性、便攜性，且節(jié)約人力和成本。突破了傳統(tǒng)牽引設(shè)備功能單一的弊端。獨(dú)有的傳動與固定系統(tǒng)設(shè)計，使受困人員在關(guān)鍵時刻可以從容、快速地自救使車輛脫困。通過起升與牽引能力計算得出裝置的起升能力為12.8 kN，牽引能力為19.7 kN，符合要求。通過ANSYS軟件分析得出，剛度校核時，棘爪的變形量均小于材料的最大撓度值；強(qiáng)度校核時，棘爪的應(yīng)力值均小于材料的許用強(qiáng)度，即棘爪既滿足強(qiáng)度要求又滿足剛度要求，所以設(shè)計的棘爪是合格的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蘇建成.汽車在不同道路條件下的自救與互救[J].檢測與維修，2012(4)：33-34.

[2]陳元玉.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]宋成軍，魏君波，龔立新，等.自動同步離合器棘輪棘爪碰撞問題的討論[J].熱能動力工程，2003(3)：301-303+327.

[4]潘明旭.東北人工林小型集材拖拉機(jī)絞盤機(jī)的設(shè)計與實驗研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2012.

[5]彭浩宸.齒輪齒條式頂彈器的動力學(xué)特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[6]樊濤.JJX10型自行式輕型絞盤機(jī)的設(shè)計[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2010，38(10)：43-44.

[7]潘明旭.小型絞盤機(jī)卷筒優(yōu)化設(shè)計[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012(7)：158-161.

[8]羅健康，印波.起重機(jī)卷筒有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2012(11)：185-186.

[9]呂宏，王慧.機(jī)械設(shè)計[M]北京：北京大學(xué)出版社，2009.

[10]王先逵，劉鎮(zhèn)昌，黃健求.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)(2版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[11]孫靖民，梁迎春.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(4版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[12]李靜輝.工程力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[13]文宏光，屈本寧，李劍云.鋼絲繩的拉伸疲勞性能[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報，2000，25(1)：28-33.

[14]王知行，鄧宗全.機(jī)械原理(2版)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[15]劉浩.ANSYS 15.0有限元分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

Design and Analysis of A Portable and Multi-function Vehicle Self-rescue Device

Zang Jiayu，Lin Wenshu*，Ma Chuan，Lv Taowei

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：A portable and multi-function car self-rescue device was designed in order to solve the problem of car emergency，especially break down in the wild without assistance.The structure of the ratchet wheel and pawl，structure of cable drum，and structure of gear rack were combined together and a base with special structure was designed which is suitable for self-rescue and binding goods when the car broke down in the farmland or forest environment.Meanwhile，ANSYS software was applied to analyze the reliability of the designed device.The device can realize multiple functions，which is reliable，simple to use，and low cost，and has great value in the market.

Keywords：portable；multi-function；self-rescue；design

*通信作者：林文樹，博士，副教授。研究方向：地面激光掃描，3D打印，計算機(jī)建模與仿真。E-mail:linwenshu@126.com

作者簡介：第一藏加宇，本科生。研究方向：計算機(jī)建模與仿真。

基金項目：東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項目(Cx-2014-5)

收稿日期：2015-09-30

中圖分類號：S 714.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)01-0059-05