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(chē)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(ài)和接受，有著極為廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。同時(shí)，為便于攜帶，人們對(duì)滑板車(chē)的設(shè)計(jì)要求也不斷提高，陳維對(duì)歐洲滑板車(chē)知名品牌Jdbug的研制進(jìn)行了研究[1]，張澤坤對(duì)我國(guó)的滑板車(chē)市場(chǎng)需求進(jìn)行了分析[2],但是對(duì)滑板車(chē)的設(shè)計(jì)依然缺乏系統(tǒng)性分析。為此，筆者針對(duì)目前市場(chǎng)滑板車(chē)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和人們對(duì)滑板車(chē)的需求，對(duì)便攜式滑板車(chē)進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，為推動(dòng)滑板車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

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

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

1)便攜式滑板車(chē)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(guò)程簡(jiǎn)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(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，并根據(jù)用戶需要可自行調(diào)節(jié)剎車(chē)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(chē)外觀要與產(chǎn)品功能和安全相結(jié)合[4]。

滑板車(chē)的總體外觀設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

結(jié)合市場(chǎng)上現(xiàn)有的滑板車(chē)結(jié)構(gòu)，根據(jù)市場(chǎng)對(duì)便攜式滑板車(chē)的市場(chǎng)需求，便攜式滑板車(chē)的方向桿采用了扳手旋鈕式伸縮結(jié)構(gòu)，并且滑板車(chē)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(chē)結(jié)構(gòu)， 便于不同年齡段用戶調(diào)節(jié)剎車(chē)距離，提高用戶使用安全性能，有助于提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[5-8]。

2 便攜式滑板車(chē)動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)便攜式滑板車(chē)進(jìn)行整車(chē)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(duì)整車(chē)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，分析主要對(duì)象為整車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況及管件部件的受力情況；通過(guò)仿真數(shù)據(jù)，對(duì)整車(chē)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(píng)估，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性[9-10]。

2.1 便攜式滑板車(chē)模型導(dǎo)入及材料處理

在整車(chē)模型導(dǎo)入前，需要對(duì)模型進(jìn)行處理，將在仿真過(guò)程中相對(duì)無(wú)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的部件進(jìn)行合并，以便能夠簡(jiǎn)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(duì)模型進(jìn)行合并處理，并將簡(jiǎn)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(guò)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(méi)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(duì)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(duì)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(guò)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(chē)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(chē)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(chē)所能承受的最大載荷情況。文中需對(duì)載荷進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)以滿足仿真需求[12]。對(duì)人體對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(guò)程中，需要借助創(chuàng)建的應(yīng)力函數(shù)來(lái)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(duì)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(chē)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(duì)滑板車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀況影響不大。現(xiàn)主要針對(duì)載荷為60 kg時(shí)滑板車(chē)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(chē)的整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)較為平穩(wěn)，同時(shí)也從側(cè)面說(shuō)明了模型設(shè)計(jì)的合理性。

3 結(jié)論

本文對(duì)便攜式滑板車(chē)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，用Adams View完成對(duì)便攜式滑板車(chē)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(chē)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。