基于嬰兒車的自動搖扇設計研究

劉岳開（西南交通大學 機械工程學院，四川 成都　610031）

基于嬰兒車的自動搖扇設計研究

劉岳開
（西南交通大學 機械工程學院，四川 成都610031）

針對目前風扇風力嬰幼兒太大，設計了一種基于嬰兒車的自動搖扇機構；設計方向包括續航能力、產品銷售模式、人性化設計和綠色設計。在室外運動中第一車輪作為原動件提供動力，帶輪一與車輪固定，通過普通平帶動力傳遞到帶輪二。在推車休息時，蓄電池驅動電機轉動，帶動棘輪連桿機構使搖扇擺動；材料選擇可降解的聚乳酸和聚碳酸酯。產品銷售模式將機械設計與嬰兒車作為組合產品。實現了風力柔和、環保戰略目標，提高了能源利用率和產品進入市場平滑度。

自動搖扇結構；循環動力；綠色設計；人性化設計

0　引言

在炎熱的夏季，因為電扇吹出的風較為強烈，家長們只能自己親自為幼兒扇風、納涼。如果采用電磁式自動搖扇設計，通過對兩組電磁鐵組件輪流通電，帶動扇葉做往復的搖扇動作其壽命較短且續航能力有限。采用蝸輪蝸桿傳動自動搖扇裝置，利用蓄電池供電容易出現續航能力不足。特此設計一種人力和電力交替循環提供動力的自動搖扇機構，滿足顧客需求同時盡力克服弊端。

1　人力、電力循環動力自動搖扇設計

自動搖扇是新型節能環保型產品的一個典范。機械產品的設計過程中，原動機采用低功耗低公害的產品。該設計采用人工-電力循環供電系統進行能源供入，極大地迎合了目前產品設計的新趨勢［1］。當前，世界上一些發達國家對污染物的排放已經有了新的法律法規［2］，設計中采用的低公害可循環利用蓄電池恰好解決了這方面的問題。

1.1設計方向

（1）續航能力。從續航能力上考慮，設計上利用人力和電力交替循環提供動力。相比于傳統的蓄電池供電模式續航能力更強。

（2）產品銷售模式。將該設計與嬰兒車作為組合產品，以此提高產品進入市場的平滑度。組合產品即利用現行銷量較好的一種產品帶動另一種產品的銷售。

（3）人性化設計。人性化設計［3］在設計形式上迎合嬰幼兒家庭的需求，如加上嬰幼兒喜愛的卡通人物裝飾，在材料選擇上采用適合嬰幼兒的無毒聚酯樹脂。

（4）綠色設計。環保型材料在機械設計產品中的應用［4］，能夠達到保護環境、節約能源的目的。首先，材料及資源的選擇應盡量為可再生利用的，在產品的加工過程中，對這些材料應盡可能進行回收利用，在結構設計時，盡量使用能進行回收利用的材料。綠色制造技術的核心就是在節能環保的要求下完成對機械產品的研發以及生產，以提高資源的利用率，并達到環保的目的。

1.2設計要求

（1）為避免傷到嬰幼兒同時保證搖扇的扇風效率，通過傳動系統后，搖扇的擺動頻率不超過1Hz。

（2）兩種運行狀態互不影響。即在狀態一下，人推車前進帶動搖扇擺動，同時電機處在發電狀態而不是耗電轉動。在狀態二下，電機帶動搖扇轉動，車輪與皮帶輪部分處于靜止。

（3）機構整體高度不超過600mm。

（4）桿件傳動部分不出現干涉現象。

（5）在兩種狀態下能夠快速平滑切換為另一種狀態。

（6）結構盡量緊湊、簡單、具有良好的動力學特性。

1.3設計數據

根據市場調研所獲得的嬰兒車基本尺寸參數，擬定自動搖扇機構的主要參數。

表1　自動搖扇的主要參數Tab.1 Main parameters of automatic shaking fan

1.4機構設計原理

自動搖扇分兩種運行狀態，狀態一下手推嬰兒車前行，車輪作為原動機，帶輪一與車輪固定。通過普通平帶動力傳遞到帶輪二，與帶輪二鉸鏈接合的棘爪推動棘輪轉動，棘輪中心通過減速器最終與電機相連，電機在該狀態下向蓄電池充電。同時，棘輪連桿機構驅動搖扇轉動。狀態二是在停止推車休息時，蓄電池驅動電機轉動，帶動棘輪連桿機構使搖扇擺動，在這一狀態下，棘輪棘爪發生超越過程，配合無效。即車輪并不會轉動。同時蓄電池可以在室內充電后再外出，從而提高搖扇的續航能力。圖1和圖2為本文設計方案。

圖1　自動搖扇狀態一Fig.1 The first modea bout automatic shaking fan

圖2　自動搖扇狀態二Fig.2 The second mode about automatic shaking fan

1.5設計用途

該設計在配合嬰兒車的情況下，在室外炎熱環境下，實現為嬰兒自動扇風納涼的功能。

2　機構尺度綜合分析

2.1曲柄滑塊機構

圖3　曲柄滑塊機構［6］Fig.3 Slider-crank mechanism

（2）解析法計算桿件長度。如圖4所示，結合已知行程和極位夾角情況下的設計方法［9］，求出各桿件的尺寸如下：

圖4　曲柄滑塊機構設計計算圖Fig.4 Illustration of slider-crank mechanism for design and calculation

2.2棘輪棘爪離合器

（1）試湊法設計。棘輪棘爪離合器廣泛應用于起重機械的主起升機構，船舶動力系統［8］，航空航天傳動系統。為滿足不同的需求，棘輪棘爪機構形式根據具體工況變化多種多樣，設計沒有規范化的設計的準則。遂采用試湊法設計。

（2）基本尺寸初選。由大皮帶輪直徑d2=110mm，棘輪棘爪機構整體大小D≤100mm，取棘輪加工毛坯圓柱直徑d3*= 80mm。棘爪為保證傳遞動力的剛度截面尺寸S4≥20mm2。

（3）Solidworks建模及尺寸驗算。如圖5所示，在選定基本尺寸后，為保證整體比例合理，總體尺寸D≤100mm，選棘輪軸承孔d3=20mm，棘輪輪齒高度d3-1=5mm。通過Solid works建模仿真驗證，整體符合設計要求。

圖5　人力、電力循環動力自動搖扇三維模型Fig.5 3D model of automatic shaking fan with circulating motive power from manpower and electronic power

3　結論

（1）優點：基于嬰兒車的自動搖扇設計利用人力和電力交替循環提供動力續航能力更強。環保型材料的應用，能夠達到保護環境、節約能源順應了綠色設計、人性化設計的主流設計方向。產品銷售模式將機械設計與嬰兒車作為組合產品，以此提高產品進入市場的平滑度。組合產品即利用現行銷量較好的一種產品帶動另一種產品的銷售。分狀態運行，且兩種狀態并不會產生干涉。實用性高能夠在調整帶傳動張緊裝置后適應一定范圍內變化中心距的多種型號嬰兒車。在材料上選擇可降解的二氧化碳合成塑料，緩解了目前全球溫室效應所帶來的種種潛在危害的可能，又避免了傳統塑料所帶來的白色污染問題。構件多采用圓角設計，既避免了用力集中，又能防止嬰兒車對小孩帶來的潛在危害。

（2）缺陷。帶傳動在安裝時需要預調根據中心距的大小還要預調張緊力，對于用戶自行安裝存在一定困難。另外，對帶傳動由于受到小帶輪包角的限制，所以中心距的調整也受到一定限制，所以只限于大部分型號的嬰兒車安裝。由于發電機采用的是狀態二下的驅動電機，發電效率不及一般的發電機。但如果另外安裝發電系統，則整個裝置將過于龐大略顯冗余。由于該裝置本身要安裝在嬰兒車上，所以對應的安裝難度也將增加。怎樣更好地應用好這一理念，值得大家繼續探討。

致謝：特別感謝西南交通大學導師何朝明博士和雜志社匿名評審專家的指導！

［1］Jacques Lamothe，Khaled Hadj-Hamou，Michel Aldanondo.An optimization model for selecting a product family and designing its supply chain［J］.European Journal of Operational Research 169，2006.

［2］Daniel Collado-Ruiz，Hesamedin Ostad-Ahmad-Ghorabi.Comparing LCAresultsoutofcompetingproducts：developingreferencerangesfrom a product family approach［J］.Journal of Cleaner Production 18，2010.

［3］唐立春.日本設計策略：節能環保與人性化設計［J］.大連大學學報，2009，5.

［4］錢錦高.工程機械產品設計中節能與環保［J］.Machinery and Equipment，2009，2.

［5］Heng Liu，Ozalp Ozer.Dynamic Model and Computed-Torque Control of Slider-Crank Mechanism.Int.［J］.Mechanisms For Manufacturing 122，2009.

［6］漆小敏，劉建偉.基于MATLAB_Simulink的偏置式曲柄滑塊機構運動學仿真［J］.機械工程師，2008，10.

［7］俞惠溥.偏置曲柄滑塊機構尺度確定的又一種方法［J］.陜西工學院學報，1996，2.

［8］冀相安，馬永明，桂文彬，等.一種同步離合器棘輪棘爪機構棘合過程的仿真分析［J］.船舶工程，2005，4.

［9］蘇有良.給定行程、極位夾角解析設計偏置曲柄滑塊機構［J］．徐州職業技術學院學報，2010，3.

［10］蘇有良．根據許用壓力角、行程速比系數和行程設計曲柄滑塊機構的解析法［J］．機械設計，2008，9.

A Design of Automatic Shaking Fan Based on Baby Carriage

LIU Yue-Kai
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

Because present fan had stronger wind for infants，an automatic Shaking fan was designed for their needs.The design included cruising power，sales models，humanization design and green design.In the moving process，the first wheel acts as driving link to provide power which the first pulley is fixed with carriage wheel in order to deliver to the second pulley through driving force from flat plastic belt. In the rest process，storage battery drives motor working to put the linkage with ratchet wheel in motion to make the fan swinging.The fan adopts biodegradable polylactic-acid and Makrolon.Sales models combined machinery design with baby carriage.It provides soft wind，protects environment，and improves the level of resources utilization and evenness which product enters market.

the structure of Automatic Shaking fan；cycling power；green design；humanization design

TH132

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.015

1002-6673（2015）05-039-03

2015-08-04

劉岳開（1994-），男，湖南湘陰人，大學本科學生。研究方向：機械自動化。