拉桿箱平底萬向輪振動分析

楊保健，胡新廣，鐘永華，楊鐵牛，黃照輝

（1.五邑大學智能制造學部，廣東江門 529020；2.江門市兆盈箱包有限公司，廣東江門 510850）

0 引言

移動平穩性和轉向靈活性是拉桿箱兩個最主要的評價指標[1-2]，其好壞不僅影響了拉桿箱的使用舒適度，而且影響了拉桿箱的使用壽命。萬向輪作為拉桿箱最為重要的結構零件，其萬向輪結構的合理性能夠在很大程度上影響行李箱的平穩性和靈活性。目前，拉桿箱萬向輪與底盤有2種常見的聯結形式，即轉軸式聯結，如圖1所示；波盤式聯結，如圖3所示。轉軸式萬向輪結構簡單、制造成本低、一次性聯結，安裝后不易拆卸；波盤式萬向輪結構較復雜，制造成本較高，轉向較平穩，且方便拆卸[3-4]。本文針對拉桿箱平底萬向輪振動建立數學模型，借助ADAMS軟件虛擬樣機模擬技術平臺，對拉桿箱平底萬向輪進行建模、分析、求解，研究不同結構拉桿箱平底萬向輪其平穩性和靈活性，為研發新的拉桿箱平底萬向輪提供參考。

1 數學模型與力學分析

根據工程實際，本文分別建立了2種萬向輪數學模型，如圖2和圖4所示。圖2中，BC表示轉軸與底盤上的安裝孔之間的最大間隙；AD表示萬向輪轉軸；DE表示轉軸軸頸。荷重時，假設軸頸與底盤底面之間的夾角為θ。

圖1 轉軸式萬向輪

圖2 轉軸式萬向輪數學模型

根據工程實際，AB=32 mm，BC=0.3 mm，則：

波盤式萬向輪如圖4所示。BC表示萬向輪波盤上的孔與螺釘之間的最大間隙；AD表示底盤上與萬向輪聯結的螺釘。荷重時，假設萬向輪的波盤與底盤底面之間的夾角為α。

根據工程實際，ac=10.7 mm，ac=0.5 mm。則：

圖3 波盤式萬向輪

圖4 波盤式萬向輪數學模型

圖5 萬向輪振動數學模型

圖5 中，q為不平路面擾動輸入，Z為輸出，其振動微分方程為：

則其傳遞函數

對于轉軸式萬向輪，其偏轉位移：

對于波盤式萬向輪，其偏轉位移：

ymax=tanα?16=0.75(mm)

則

2種萬向輪的轉角頻率分別為

作對數幅頻特性漸近線，如圖6所示。

圖6 萬向輪幅頻特性

取ω=10，則

即當頻率ω＞6時，在相同頻率下，波盤式萬向輪產生的分貝數比轉軸式高約17.74 dB，波盤式萬向輪受振動發出的噪聲更大。

2 ADAMS運動學分析

本文主要研究不同萬向輪結構對拉桿箱穩定性的影響，為保證結果的準確性和提高分析效率，對萬向輪拉桿箱模型結構進行簡化，并對上述2種萬向輪及底盤采用Solidworks軟件進行3D建模。為了模擬拉桿箱實際運行復雜路面環境，建立障礙地面模型，設計了2種不同類型簡化障礙結構（梯形臺階障礙結構和三角形臺階障礙結構）[7]，以模擬實際復雜地面環境中常見的滑臺凸起式墜落和斷崖式墜落環境，如圖7所示。障礙1與障礙2高度分別為9 mm和11 mm，兩障礙間距設置為400 mm，圖中V表示為拉桿箱萬向輪行進方向。將建立好的3D模型導入ADAMS分析軟件中，定義地面模型材料和萬向輪模型材料[8]。本實驗地面模型設置為混泥土地面，萬向輪模型材料設置為ABS材料，其材料屬性定義如表1所示。

表1 ABS的材料屬性

對導入模型添加約束，將導入地面模型與Ground固定約束，萬向輪與地面添加Contact（接觸約束），添加相應的摩擦系數[9-10]，施加載荷G為豎直向下70 N，表示拉桿箱荷重；施加水平方向的推力F=10 N，表示拉桿箱水平方向驅動力。對模型進行求解。

圖7 地面障礙模型簡圖

圖8 拉桿箱底盤模型

求解完成后，可在PostProcessor（后處理）環境中查看拉桿箱某零部件模擬狀態并進行后處理。本文通過對前輪水平方向和鉛錘方向的速度進行后處理分析，仿真結果如圖9和圖10所示。

圖9 萬向輪水平方向速度變化

圖10 萬向輪鉛錘方向速度變化

由圖9發現，波盤式萬向輪速度變化曲線斜率小于撥盤式速度斜率。其表明在施加相同大小驅動力的情況下，波盤式萬向輪向水平方向的移動加速度大于轉軸式萬向輪。結果表明，波盤式萬向輪更具靈活性，在保持相同速度的行進條件下，波盤式萬向輪更為省力。從圖10可知，在平坦路面上，2種類型的萬向輪鉛錘方向的速度變化大致趨向于0，表明在平坦路面時，2種萬向輪都較為平穩。在越過障礙1時，轉軸式萬向輪在越坡降落過后再次出現1個斜坡峰，這是由于轉軸式萬向輪在降落過程中沿反斜坡降落時出現緩沖峰，而波盤式萬向輪行進速度較快，在降落過程中呈現斷崖式降落，并未出現緩沖波峰；在萬向輪通過2種障礙路面時，波盤式萬向輪鉛錘方向速度變化幅度均略大于轉軸式萬向輪，即驗證了前述的轉軸式萬向輪更平穩。

3 結束語

（1）荷重相同時，轉軸式萬向輪更平穩；

（2）在相同頻率下，波盤式萬向輪產生的分貝數比轉軸式高約17.74 dB，波盤式萬向輪受振動發出的噪聲更大，但波盤式萬向輪轉向靈活性明顯優于轉軸式萬向輪。