一種供兒童和老人娛樂及休閑小車的設計與制作

李桂林，麥云飛

（上海理工大學機械工程學院，上海200093）

1 設計背景

就目前中國的大環(huán)境而言，年輕的父母忙于工作，有很多孩子與祖輩生活在一起，而祖孫的生活都是以孩子為中心的。在超市門口、公園里及廣場上，兒童坐在搖搖車上玩樂不肯下來的時候，爺爺奶奶只能在一旁苦等，卻不能有自己的休閑方式。家中有人因為行動不便而不方便出門，又沒有合適的乘坐工具將他們帶到戶外呼吸新鮮空氣、曬曬太陽。那么能不能有一種器械讓行動不便的人群出行休閑變得簡單，讓孩子娛樂與老人休閑兩不誤。鑒于此，本文設計出集娛樂與休閑為一體的小車，它的多功能座椅能來回晃動，供小孩乘騎，讓小孩子享受騎馬的樂趣，同時也能夠供腿腳不太方便的人群比如老人使用。

2 結構設計

2.1 總體結構設計

本文設計的供兒童和老人娛樂及休閑的小車結構示意圖如圖1所示，主要由鏈傳動1、車體、多功能座椅、連桿、搖桿、鏈傳動2、曲柄和離合器機構等組成。當孩子需要陪伴、玩耍的時候，該小車的多功能座椅讓小孩乘騎并且來回晃動，如同讓孩子騎上馬在草原上奔馳一樣。在孩子享受樂趣的同時，爺爺也可以騎著它四處轉轉，休閑一下。陽光燦爛或者茶余飯后腿腳不太方便的人群比如說老人，在想出去曬曬太陽、走一走的時候，將小車的多功能座椅變形一下，任它的主人乘騎，載著主人去他想去的地方。

圖1 兒童和老人娛樂及休閑小車結構示意圖

2.2 小車工作原理

（1）驅動方式的實現(xiàn)：兒童和老人娛樂及休閑小車采用兩輪前置式的三輪結構，前輪作為轉向輪，后輪為驅動輪，并沿用了自行車的鏈傳動方式，通過雙腳交替蹬踏板來驅動后輪，從而推動小車向前行駛。兒童和老人娛樂及休閑小車前部安裝有多功能座椅，小孩與成人可以乘坐以及可以用來裝載一些物品。

（2）娛樂功能的實現(xiàn)：牙嵌離合器與大鏈輪9、曲柄3安裝在軸11上，飛輪7安裝在軸6上，大連輪9與飛輪7通過鏈條8連接。前輪軸與前輪固連，后輪驅動小車前進時，前輪軸6轉動，帶動大鏈輪9轉動，在牙嵌離合器的作用下，軸將動力傳遞給曲柄。曲柄搖桿機構5上安裝有多功能座椅，曲柄有了動力之后，使曲柄搖桿機構按照設計的軌跡運動。通過曲柄搖桿機構帶動座椅實現(xiàn)搖晃動作，具體結構如圖2所示。

（3）休閑功能的實現(xiàn)：將牙嵌離合器的左盤2和右盤10通過撥叉1分離，這樣軸11就不會隨著鏈輪的轉動而轉動，從而使曲柄失去動力，為了穩(wěn)固性更強，將曲柄與搖桿通過銷釘4連接，曲柄與搖桿鎖定，曲柄不再隨著前輪軸的旋轉而轉動，即座椅不再晃動。

圖2 娛樂功能原理圖

2.3 傳動部分計算

本設計中的小車采用普通自行車的驅動方式，人在踩踏板時，由與踏板相連的鏈輪帶動后面的飛輪轉動，從而帶動后輪轉動，由于車輪與地面之間是純滾動，因而后車輪與前車輪在相同的時間內(nèi)轉過的弧長相等，又由于兩輪大小一樣，因而前后車輪的轉速相同。這里選取鏈輪齒數(shù)Z1=32，后輪飛輪齒數(shù)Z2=18，故傳動比為i12=1.78。

現(xiàn)對圖2中的鏈傳動進行設計，取傳動比為i34=1.6。

（1）為了使結構緊湊，飛輪的齒數(shù)不易過多，飛輪齒數(shù)的多少對傳動平穩(wěn)性和使用壽命有很大的影響，飛輪的齒數(shù)Z過少，會增加鏈傳動的不均勻性和動載荷，鏈傳動的壽命會降低，鏈節(jié)在進入和退出嚙合時，相對轉角增大，磨損增加，功率損耗也增大，因而飛輪的齒數(shù)Z不宜過少［1］，于是取飛輪的齒數(shù)Z1=20，則大鏈輪齒數(shù)

（2）初選中心距a0

中心距a0太大會使鏈發(fā)生抖動，為了使結構緊湊，初取中心距為a0=17p。

（3）計算鏈節(jié)數(shù)

取整為60 mm。

（4）計算功率

取車輪與地面之間的動摩擦系數(shù)為f=0.15，小車可承受的最大負載為300 kg，其對地面的總壓力為G=300×9.8 N=2 940 N。因為總重是由三個車輪共同承擔，且每個車輪的負重基本相同，因而每個車輪受到的摩擦力為F=fG=×0.15×2940=147 N。

經(jīng)查資料得知，正常情況下人蹬踏板的轉速為n0=2 r／s，則飛輪的轉速為

經(jīng)查閱相關手冊，選擇鏈號為08A，節(jié)距為12.70 mm。

（5）中心距

（6）驗算鏈速

查表知速度在0.6～3 m／s時，齒數(shù)17≤Z3≤21，取Z3=20，飛輪的齒數(shù)符合條件。

（7）多功能座椅搖擺范圍確定

本設計中的多功能座椅的搖擺是通過曲柄搖桿機構實現(xiàn)的，一方面要能使小孩兒享受騎馬的樂趣，另一方面要避免座椅搖晃的幅度過大，帶來一些不安全因素，因此本文運用圖解法對該部分的曲柄搖桿機構進行了設計，確定了各桿件的尺寸和擺角的大小。

一般情況下，曲柄搖桿機構具有急回特性，即搖桿在工作行程時速度比較慢，在回程時速度比較快［2］。本設計要達到規(guī)定的要求，因此該曲柄搖桿機構不能具有急回特性，即其行程速比系數(shù)K=1，極位夾角θ=0°，此時當搖桿在兩個極限位置時，曲柄和連桿恰好都共線，曲柄與機架的平方和等于連桿和搖桿的平方和［3］。在進行方案設計時，先確定了曲柄和搖桿的長度，分別為40 mm和70 mm，然后利用圖解法，確定出機架和連桿的尺寸以及擺角，如圖3所示。

圖3 無急回特性的曲柄搖桿機構簡圖

3 樣車的制作及試驗

經(jīng)過分析、計算和設計圖紙后，制造和裝配出樣車，如圖4所示。經(jīng)組裝、調(diào)試，樣車能靈活運行，可實現(xiàn)娛樂功能、休閑功能、載貨功能及可折疊存放功能，從而驗證了設計的可行性。從兒童角度來講，可以行走的搖搖車比固定在某些場合的搖搖車更具有吸引力，給孩子帶來騎馬的樂趣；從家長角度來講，前置的兒童車座在出行中讓孩子始終在家長的視線內(nèi)，孩子更安全，家長更放心；從老人的角度來講，既可以與子女一同出游，又可以載著腿腳不靈活的老伴進行散步、曬太陽等休閑活動，還可以如同小馬車一樣幫助老人們解決買米油等難運回家的困境；從結構上來講，本設計中的小車比兩輪式自行車穩(wěn)定性更強，又比傳統(tǒng)三輪車結構小巧，還可折疊存放，節(jié)省空間，且在設計上更加人性化，如同牛馬一樣任勞任怨。

圖4 小車實物圖片

4 結 論

本文設計并制作出一種供兒童和老人娛樂及休閑的小車，改變了傳統(tǒng)兒童搖搖車只能在某一位置（公園、超市門口）固定的狀況，通過巧妙的設計，讓小車與簡單代步工具相結合，讓家長帶孩子出行變得簡單又充滿快樂。

前置座椅可人為調(diào)節(jié)，既能實現(xiàn)孩子的娛樂、老人的休閑，又能夠實現(xiàn)重物（比如超市采購米、油等生活用品）搬運的功能，所謂一“馬”多用。就目前中國社會來講，留守兒童和老人居多，這種穩(wěn)定性強，功能多種多樣，極富娛樂性又操作簡單的小車，既深得兒童喜歡，還能為老人們的生活娛樂帶來許多便利，故其適用范圍極廣，具有極大地應用前景。

［1］濮良貴，紀名剛.機械設計（第7版）［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］馬 璇，馬 英，高英敏.無急回特性的曲柄搖桿機構的性質(zhì)和設計［J］.機械科學與技術，2003，22（s1）：152-153.

［3］曹冬美，蔣兆軍.無急回特性曲柄搖桿機構的圖解分析和設計［J］.無錫職業(yè)技術學院學報，2009，8（5）：35-38.