婴儿车折叠机构创新设计及运动学分析

婴儿车折叠机构创新设计及运动学分析摘要：婴儿车折叠机构的创新设计是基于现有的自由度六连杆机构，充分利用死点构形的特点，以满足折叠机构在开放时，达到特定的死点位置，从而增加婴儿车的安全性。同时进行婴儿车折叠机构的位移分析和静力分析。经位移分析可以找出各杆件在运动时对应的角度，经静力分析求出机构在每个位置所需的平衡扭力，从而作为婴儿车安全性的参考依据。关键字：婴儿车折叠机构 创新设计 死点构形 位移分析 静力分析1婴儿车折叠机构研究意义婴儿车是有婴儿家庭中的必用品，适合家人带婴儿外出时的代步工具。婴儿车起源于1733年的欧洲，但直到1848年才有新的设计出现，由于婴儿车的重量太重不方便携带，因此在1965年才由英国人使用轻型的铝材框架，设计第一台折叠式婴儿车，并使得婴儿车携带方便可折叠，在1980年普遍使用折叠式婴儿车。至今的产品非常多样化，有居家外出的轻便型，也有专为婴儿舒适设计的豪华型，还有婴儿车附加了其它的功能，可将座椅拆成汽车的安全座椅。现在市面上的婴儿车都是可折叠式，考虑的是婴儿车收折时，不占存放的空间，且设计开合方便让家长容易使用。本论文的可折叠式婴儿车是单自由度，单自由度机构只需一次折叠就能完成收折，比变自由度机构收折方便。折叠机构以连杆机构为主，在婴儿车打开时必须保持刚性，是婴儿能安全的在车内。但是目前的产品都是以卡榫固定开放时的婴儿车，当卡榫断裂或者变形，会有不可预期的收折。故本论文将针对婴儿车开放的位置，加入死点构形，增加婴儿车的安全性，且同时拥有单自由度可折叠机构的收折优点。2 婴儿车折叠机构研究现状市面上见到的婴儿车折叠机构大多是六连杆折叠机构，如图1-1所示。婴儿车开放位置 婴儿车闭合位置图1-1 六连杆折叠机构该机构由把手（1）、扶手（2）、座椅（3）、前轮（4）与后轮（6）组成。并以杆1、2、6、5构成四杆回路，及杆1、2、4、3构成另一四杆回路，其中杆1、2为三接头连杆，将选定操作在开合婴儿车时，最顺手的把手（1）为固定杆，则会变成两个固定的四杆回路。此机构收折的动作是固定把手，并有扶手（2）杆件带动整个连杆完成闭合。上述可折叠机构的优点是只需一个步骤就能完成收折不必考虑收折顺序。缺点是闭合时所占的空间较大。且婴儿车打开时必须有机构变成一个静定的结构，不会因为固定的卡榫断裂而造成不预期的收折，而事实上从机构学的角度来看是机构到死点构形。上述的婴儿车，在展开的情况下都并非死点构形，因此需要有效利用机构的死点特性作设计。本论文将死点构形加入婴儿车开放位置，使得婴儿车在打开时会变成结构，使用上更安全稳固。3 新型机构构形设计的整体方案本论文依照运动链再生创意性设计的方法，增加限制，合成出符合设计需求的新型婴儿车折叠机构。由先前介绍的单自由度六连杆机构为基础，订出新型机构之需求与限制，然后进行分析，最后评估新型机构在开放位置是否能满足死点情形。3.1 平面六连杆机构死点情形根据死点判别定义，当机构到达特定构形时，输入杆无法再继续运动，会变成结构的状态，此时机械利益为零。若要脱离此构形，需把输入换到其他杆件上，即不再是死点构形，因此机构的死点构形与输入杆有密切的关系。以四连杆为例，如图3-1所示，当输入为杆2，输出为杆4，机械利益可用输入与输出的角速度比值来表示，即 （3-1）以瞬心的圆解法可得到 （3-2）其中瞬心的距离，可以依据几何比例转换成角度求得 （3-3）当等于或者时机械利益会为零，即为此机构的死点构形，如图杆3会与杆4共线。反之等于或者时机械利益会无穷大，则杆2会与杆3共线，并为机构的极限位置。图3-1 平面四连杆机构3.2 订定设计需求与限制婴儿车机构的设计，主要的零件包括把手、扶手、座椅、前轮与后轮。在新设计的机构中，应有效利用死点构形。我们知道构成死点条件，必须至少有两杆共线为可动杆，且无法在使用时对此两杆施加外力。使得六连杆能用的杆件只剩下四杆，而无法将婴儿车所有的零件都放到该设计中。因此从婴儿车的外观来看，可以省略座椅，并不会影响婴儿车的收折与面积。3.2.1 设计需求婴儿车的开放位置，必须为死点构形，且此构形中的输入杆不可为不动杆。因为不动杆不可少于四杆，所以选定由两个可动杆构成的死点条件，将这两杆定为可动杆A与可动杆B。3.2.2 设计限制（1）由于用婴儿车时，展开或收折都会握把手，因此将把手设为固定杆，以方便使用。（2）为了使用者方便起见，设计输入杆都与固定杆邻接。扶手当成婴儿车展开的输入，可动杆A为收折的输入，所以将这两杆都与固定杆邻接。（3）可动杆A、B为死点构形的二连杆，因此可动杆B必须与可动杆A邻接。经过上述设计，我们可以得出新型机构示意图如3-2所示。（a） （b）3-2 新型折叠机构示意图如图所示，杆4为输入杆，杆5、6为车轮，杆2、3为构成死点条件的可动杆。目前未知尺寸的情况下，图中是机构开放与闭合时的位置。（a）图中，图中的固定杆为把手，并可知道车轮与地面接触，都符合婴儿车原有的设计。同时死点构形的限制条件由杆2、3构成，当图3-2（a）的等于0时，此构形能达到死点设计需求。图3-2（b）所示，是机构的闭合位置，其中的杆件都能收折至把手位置。由以上评估可以判断新型构形满足所有的需求。4 婴儿车折叠机构位移分析在婴儿车折叠机构位移分析的过程中，可以找出各杆件在运动过程中对应的角度，对新型机构进行位移分析，由于此机构是两个四杆回路构成，因此先求解其中一个回路，再将相同角度带入第二个回路，也就是可按照四杆回路的解法求解，完成位移分析。以上述机构为例，将输入杆放在杆6，分析杆6、5、42、12的四杆回路，如图4-1所示。图4-1 机构向量回路图此回路的向量回路方程式表示为 （4-1）将（4-1）分解为两条纯量方程式 （4-2） （4-3）上式中代表各杆件长度，代表各杆件与水平轴的夹角。上述两式中为固定杆的角度与输入角都是已知角，因此两方程式必需求解与两个未知数。将（4-2）式与（4-3）式改写成 （4-4） （4-5）其中将（4-4）式与（4-5）式平方相加可消除，并简化成只有的函数 （4-6）其中利用半角三角函数之间的关系，将（4-6）式改写成一元二次方程式 （4-7）其中即可从式（4-7）中求得 （4-8）求得后代入（4-4）式与（4-5）式中，两式联立可求得 （4-9）完成此机构的第一个四杆回路的位移分析。并进行第二个回路位移分析，如图4-1所示，由杆11、41、3、2构成。此回路中和已知，因此根据以上四杆回路的解法，即可求出与各位置的角度。5 婴儿车折叠机构静力分析针对婴儿车杆件的重量，利用静力平衡的观念，找出机构开放时所需的扭力。而接头间的摩擦力很小可以忽略，且实际使用时速度快，惯性力造成的影响很小，所以不考虑重力的问题。在此利用虚功原理推导出平衡扭力与重力之间的关系式，引用此做法求得婴儿车开放时所需要的扭力。以新构形为例，其各杆件代号与向量回路仍参照图4-1，其受力情形如图5-1所示。机构现为婴儿车开放时的状态，并将座椅原点定在输入杆接头上，其中杆件受力的位置位于各杆件中间。图5-1 新型机构受力图此机构四条纯量拘束式可写成 （5-1） （5-2） （5-3） （5-4）将以上纯量拘束式对广义坐标进行一次变分，可得到此机构的拘束矩阵 （5-5）此机构为单自由度机构，但在此式中有五个虚位移量，因此其中有四个是相依的一个是独立的，可选择四个相依广义坐标如下 （5-6）与一个独立广义坐标 （5-7）（5-5）式即可以表示为两个次矩阵的组成 （5-8）其中 为相依广义坐标系数矩阵与独立广义坐标系数矩阵，则此机构的虚位移可写成 （5-9）移向整理后得 （5-10）则独立与相依广义坐标虚位移之间的转换矩阵可写成 （5-11）根据上式可将广义坐标虚位移改写成与之间的关系式 （5-12）将（5-11）代入（5-12）可得 （5-13）参照图5-1，定义此机构所受的重力以表示，分别为、与，其重力大小会因杆件长度不同而有所改变，在卡式坐标可写成 （5-14）并根据图5-1中的各项参数，重力作用位置与坐标原点距离可写成 （5-15） （5-16） （5-17） （5-18） （5-19） （5-20） （5-21） （5-22）（5-23） （5-24）其中为作用力与坐标原点的距离，将其对应广义坐标进行一次变分，即可得到 （5-25）上式中为卡式坐标虚位移量，其中为此机构重力作用处的广义坐标与卡式坐标虚位移量之间的转换矩阵，可写成 （5-26）上式中、表示与。将（5-12）式代入（5-25）后可得 （5-27）此机构受力情形，以虚功原理表示所需的平衡扭力与杆件重力之间的关系 （5-28）上式中为平衡扭力，且因为机构受到拘束运动，输入的扭力只有一个，因此以独立广义坐标表示。将（5-27）代入（5-28）后可得到 （5-29）再将上式左右两边的消除，即可得到平衡扭力公式 （5-30）最后将（5-13）、（5-14）与（5-26）式代入（5-30）式中，即可得到该机构所需的平衡扭力。6 实例模型为了使产生的新机构能够满足设计的要求，在此用Pro/E软件绘制了此机构模型，并进行了运动模拟，保证了该机构能正常运行。如图6-1所示。6-1 婴儿车折叠机构实例制作模型图7 结论与建议本设计突破了以前婴儿车折叠机构的弊端，发现了婴儿车在展开情况下并应用机构死点的特性。因此针对六连杆婴儿车折叠机构，以创意性设计的方法纳入死点情形，保证了婴儿车的安全性。同时对婴儿车新机构进行了位移分析和静力分析，使新机构能正常运行。经由位移分析找出各杆件在运动过程中对应的角度，并利用虚功原理求出机构在每个位置所需的平衡扭力，作为婴儿车安全性的参考依据。对于六连杆机构的死点构形，本论文都是使用两杆共线的死点作为创意设计的设计需求，并没有考虑六连杆其它不同的死点构形，以至于不能找出其它的创新机构。参考文献1 颜鸿森,机械装置的创意性设计,台湾东华股份有限公司,台北(2006).2 From Invention to Present Day Strollers, /strollerhistory.html3 黄达成,婴儿车折叠机构的构造设计分析与最佳化尺度合成, 台湾科技大学机械工程研究所, 2008.4 吴东宝,六连杆硬顶式汽车敞篷机构的分析,台湾科技大学机械工程研究所,2007.5 Ryoichi Kaneko and Tokihiko Ikuno and Toshiro Yoshie, “Baby carriage,” U.S.Pat., B2(2003).6 Yung-ha Huang,”Automatic folding frame for Baby Carriage,” U.S.Pat., B2(1997).7 Hayato Takahashi, “coll