陶曉琪，魯宇明，祥鷂懷，趙辰瑜

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

0 引言

玩具對(duì)兒童的身心發(fā)展與認(rèn)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(wú)法讓小孩在參與玩具車組裝過(guò)程中鍛煉實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)親子互動(dòng)，還可以開(kāi)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(jiǎn)單，靈活性更強(qiáng)，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(dòng)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(wú)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(jī)，做出巧奪天工、渾然天成、天衣無(wú)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(guó)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(duì)本次榫卯工藝風(fēng)電玩具車的設(shè)計(jì)研究中解決如何穩(wěn)定牢固地連接構(gòu)件的問(wèn)題具有重要參考意義[2]。

1 總體結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計(jì)

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(gè)長(zhǎng)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(jiǎn)單，通過(guò)在第一長(zhǎng)木條1、第二長(zhǎng)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(guò)直流電動(dòng)機(jī)13驅(qū)動(dòng)第一扇葉18和第二扇葉19轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)成玩具車的動(dòng)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(qiáng)，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(jì)

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(zhǎng)木條10構(gòu)件兩端設(shè)計(jì)短形榫頭8，分別連接在第一長(zhǎng)木條1和第二長(zhǎng)木條2所對(duì)應(yīng)的榫眼9上；第一、二長(zhǎng)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(guò)軸承將中心開(kāi)口的大車輪與帶卡口3的第一、二長(zhǎng)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(shí)牢固的一個(gè)整體[4]。如圖3所示，通過(guò)3個(gè)長(zhǎng)木條結(jié)合成穩(wěn)定的三角形，從而構(gòu)成整個(gè)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(jiǎn)單[5]。大車輪外圍安裝一個(gè)小車輪于側(cè)端的設(shè)計(jì)可防止玩具車在行駛過(guò)程中左右晃動(dòng)。這樣的行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)力裝置設(shè)計(jì)

榫卯工藝風(fēng)電玩具車的第三長(zhǎng)木條7上固定設(shè)置有立柱10，如圖4所示，立柱上開(kāi)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(dòng)機(jī)13配合的圓弧切口15，直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)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(zhǎng)木條1、第二長(zhǎng)木條2上設(shè)置有電池板23，直流電動(dòng)機(jī)13和電池板23上均設(shè)置有電源觸點(diǎn)24，電源觸點(diǎn)之間通過(guò)電線連接。電線接通后，開(kāi)關(guān)開(kāi)啟電池板將會(huì)供電給直流電動(dòng)機(jī)，為扇葉提供轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，促使直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)玩具車前進(jìn)，在行駛過(guò)程中風(fēng)力會(huì)繼續(xù)帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)玩具車達(dá)到一定速度關(guān)閉開(kāi)關(guān)以減少電力消耗，若因風(fēng)力不足導(dǎo)致車速減慢會(huì)再開(kāi)啟開(kāi)關(guān)繼續(xù)提供動(dòng)力，形成電力和風(fēng)力相互切換的動(dòng)力裝置。

圖4 披針形扇葉與直流電動(dòng)機(jī)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(jì)如圖5所示。扇葉身的長(zhǎng)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(kuò)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(jì)，可以將風(fēng)聚集在扇葉表面往一個(gè)方向吹動(dòng)。在扇葉正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因上方弧線較長(zhǎng)的披針形，其上方表面的空氣流速會(huì)比下方快，根據(jù)流體力學(xué)分析，由于上方的壓強(qiáng)較小，扇葉會(huì)受到一個(gè)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(huì)推動(dòng)下方的空氣流動(dòng)，加上披針形扇葉與圓木片的斜接的設(shè)計(jì)會(huì)向下?lián)軇?dòng)空氣，帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)做圓周運(yùn)動(dòng)[7]。另一方面，扇葉受到的風(fēng)力則被分解為2個(gè)方向的力，一個(gè)是沿軸向傳遞的力，另一個(gè)是沿徑向傳遞的力，通過(guò)風(fēng)施加于軸向下壓的壓力可減少玩具車擺動(dòng)并維持其穩(wěn)定性，沿徑向傳遞的力則帶動(dòng)玩具車前行。在保證空氣動(dòng)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(jì)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(qiáng)[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(jì)方案中，針對(duì)玩具車構(gòu)件披針形扇葉，下文運(yùn)用有限元技術(shù)對(duì)榫卯構(gòu)件所涉及的空氣動(dòng)力學(xué)等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究。

2 有限元建模與仿真

為了研究扇葉對(duì)周圍空氣的影響，并驗(yàn)證披針形扇葉的設(shè)計(jì)自身物理屬性是否滿足要求。在Fluent軟件中采用無(wú)滑移的流動(dòng)模型對(duì)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(yùn)動(dòng)，且扇葉中心分子受到慣性力與壓差力后能做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。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(chǎng)域的矢量圖整體趨勢(shì)呈現(xiàn)較為平順的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)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(jì)能夠很好地避免旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的湍流，達(dá)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(guò)流體力學(xué)分析可以驗(yàn)證扇葉的披針形設(shè)計(jì)達(dá)到了所需的標(biāo)準(zhǔn)，具備可投入使用的條件。

3 結(jié)論

本文從外觀設(shè)計(jì)、構(gòu)件連接、風(fēng)向分析3個(gè)層面對(duì)玩具車進(jìn)行設(shè)計(jì)研究與優(yōu)化創(chuàng)新，最后通過(guò)流體仿真對(duì)設(shè)計(jì)研究方案進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)價(jià)。主要研究成果如下：1）對(duì)榫卯工藝風(fēng)電玩具車進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，從車穩(wěn)定性、組裝方式、動(dòng)力來(lái)源進(jìn)行聚類分析，設(shè)計(jì)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(guò)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(dòng)機(jī)與風(fēng)力結(jié)合驅(qū)動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)成動(dòng)力裝置。2）基于玩具車外觀設(shè)計(jì)，對(duì)玩具車扇葉構(gòu)件進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出符合空氣動(dòng)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(jì)研究方案，通過(guò)有限元軟件Fluent進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了扇葉披針形設(shè)計(jì)符合空氣動(dòng)力學(xué)原理，并驗(yàn)證了該玩具車設(shè)計(jì)方案的可行性。