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(guó)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(gè)家庭生活的順利運(yùn)行，夫妻雙方皆從事工作的形式愈加普遍。在社會(huì)復(fù)雜性與人才競(jìng)爭(zhēng)性愈演愈烈的當(dāng)今社會(huì)，很多的年輕夫婦照顧嬰兒苦不堪言。筆者設(shè)計(jì)的這種擺式嬰兒床具有運(yùn)動(dòng)自動(dòng)平穩(wěn)，可手動(dòng)調(diào)整擺動(dòng)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(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)主要有搖擺支架、嬰兒床床身、直流步進(jìn)電機(jī)、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(jī)帶動(dòng)搖柄旋轉(zhuǎn)，搖柄拉動(dòng)拉桿，拉桿拉動(dòng)?jì)雰捍泊采碜鞯确底詣?dòng)擺動(dòng)。根據(jù)圖3所示，曲柄兩口中心距為r;拉桿中心孔距為L(zhǎng);嬰兒床床身定位尺寸，即搖桿長(zhǎng)度為R;電機(jī)安裝水平位置尺寸為L(zhǎng)+r，電機(jī)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(jī)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(shí)器、直流電源、變頻器、直流步進(jìn)電機(jī)、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(zhǎng)可通過(guò)定時(shí)器按照自己意愿設(shè)置搖擺時(shí)間;可根據(jù)嬰幼兒需要，通過(guò)變頻器設(shè)置擺動(dòng)頻率;可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整擺動(dòng)幅度。

3 理論設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核［1］

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性是該嬰兒床研制的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。無(wú)急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)充要條件是曲柄與機(jī)架的長(zhǎng)度平方和等于連桿與搖桿的長(zhǎng)度平方和，并且曲柄搖桿機(jī)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(jì)算

按設(shè)計(jì)要求，根據(jù)擺幅確定曲柄長(zhǎng)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(jī)安裝距離床身較近，縮小因距離產(chǎn)生的過(guò)大扭矩，由此選取H=360 mm。

根據(jù)無(wú)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(zhǎng)度R=350 mm;機(jī)架長(zhǎng)度H=360 mm;曲柄長(zhǎng)度r=45 mm;L=95 mm。

根據(jù)上述尺寸及位置關(guān)系，運(yùn)用UG進(jìn)行嬰兒床結(jié)構(gòu)建模與ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，分析出擺桿的運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度計(jì)算［1］

嬰兒床床身做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因此按照離心力計(jì)算公式剪切力的大小。根據(jù)離心力計(jì)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(zhǎng)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(jì)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(xiàng)目采用M6螺栓做床身轉(zhuǎn)軸，查找機(jī)械手冊(cè)其小徑φ=4.918。計(jì)算得到剪切應(yīng)力τ=1.29×106MPa＜＜［τ］，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

4 性能分析［2-4］

運(yùn)用UG軟件對(duì)嬰兒床主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)仿真圖仿真結(jié)果分析得出，擺角以及角速度基本對(duì)稱(chēng)且基本無(wú)急回特性;角加速度在回程過(guò)程中有抖動(dòng)，之所以有此偏差是因?yàn)榍约斑B桿理論計(jì)算結(jié)果為近似計(jì)算，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過(guò)程與理想方程曲線有所偏差。但隨著設(shè)計(jì)精度以及制造精度的提高，加速度曲線逐漸回歸對(duì)稱(chēng)分布，大大加強(qiáng)了嬰兒床的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。

5 結(jié)論

根據(jù)上述基本理論研究及計(jì)算機(jī)仿真分析，變頻搖擺式嬰兒床如圖8所示，采用無(wú)急回特性的曲柄搖桿機(jī)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(shí)需要開(kāi)啟搖擺功能，供幼童娛樂(lè)，減輕家長(zhǎng)負(fù)荷，并且可巧妙地將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)用到嬰兒床上，結(jié)合桿長(zhǎng)變化對(duì)擺幅大小的影響，實(shí)現(xiàn)嬰兒床擺幅可調(diào)。考慮現(xiàn)實(shí)因素，引入控制裝置，實(shí)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?shī)蕵?lè)為主，并具有一定的實(shí)用性的床類(lèi)產(chǎn)品稀缺，變頻搖擺式嬰兒床恰好市場(chǎng)空缺，填補(bǔ)同類(lèi)家具市場(chǎng)的空白，應(yīng)用前景廣闊。

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

［2］ 朱金生.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真圖解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

［3］ 李增剛.ADAMS入門(mén)詳解與實(shí)例［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

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

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