车用多功能防滑链设计说明书.doc

第四届全国大学生机械创新设计大赛兰州理工大学作品 车用多功能防滑链设计说明书设 计 者：周立涛，魏永昌，王力郭红俊，何蕴指导教师：强建国，贺瑗车用多功能防滑链设计说明书设计者：周立涛，魏永昌，王力，郭红俊，何蕴指导教师：强建国，贺瑗（兰州理工大学材料工程学院，兰州 730050）作品内容简介车用多功能防滑链主要用于汽车雪天、雨天行驶时的防滑，以及在复杂路况下辅助小型汽车跨越障碍行驶。与传统防滑铁链相比，该作品是沿车轮的圆周方向布置。根据车轮型号的不同，防滑链打开后横向由三至四条单链经挂钩固连而成，每条单链由多个链节铰接而成。每个链节侧边为圆弧状，中心位置有一圆形凸起，来作为车辆重力的受力点。本作品具有防滑和辅助车辆在崎岖路面行驶的双重功能。组成防滑链的每个小方块上都有凸起，受力点较多，起到防滑作用的同时，改善了普通防滑链受力不均的缺点，降低了对轮胎和路面的损伤程度。当路况较差时，可将防滑链反置于路面，即可形成与轮胎宽度相同的平面，辅助车辆行驶。本作品与现有防滑链相比，性能优越、功能多样，且工作可靠，便于实现大批量生产和广泛使用，具有巨大的市场潜力。关键词：防滑链，链节，功能， 设计 联系人：强建国，电话09312973566Email: 1 设计背景及意义1.1市场需求经济持续快速发展，人民收入不断增加，越来越多的中国普通百姓开始享受汽车文明。根据商务部的一份报告，中国车辆增长速度在世界各国前所未有。2003年我国已经成为仅次于美国和德国的世界第三大汽车消费市场，到09年10月份中国机动车保有辆为1.9亿辆。有专家预计：如果不出意外，我国汽车需求量在2020年将有望达到1700万辆，与美国汽车消费市场规模相当。防滑链是汽车必备的安全工具，因此防滑链有非常大的市场需求规模。1.2陷车问题随着人们生活水平的不断改善，对生活质量的要求也越来越高。不论是出于生计的考虑，还是为了生活娱乐，即使是雨雪天气人们也越来越不甘于局限在室内狭小的活动空间里，出行的需求日益高涨。外出旅游，或是雨雪天出行，为保证安全，防滑就成了不可掉以轻心的问题。近年来，因为遇到冰雪地面、泥沼地、草地、地震后凹陷路面等等各种复杂、恶劣路况而使车辆被困甚至发生车祸等现象屡屡见诸报端或是新闻，引起了人们极大的担忧，同时也给人们的生活带来极大的不便。研制可靠的防滑设备，使人们遇到不利路况仍可安全、放心行车已成为大势所趋。1.3设计多路况防滑链的必要性除了以上提到的国内市场上汽车消费量越来越大，以及屡屡发生的陷车事件给人们的生活带来极大的不便甚至危及人身安全外，设计多路况防滑链还有如下不容忽视的必要性：（1） 目前市面上出售的防滑链防滑效果有限，不能很好地满足用户的需求；（2） 功能单一。大多防滑链仅能用于雪天破冰防滑，对其它复杂、恶劣路况却无能为力；（3） 很多防滑链因为结构设计或所用材质的原因，对轮胎的磨损极大，或者有些防滑链自身不能承受较大的摩擦力而导致防滑链自身的失效破坏；（4） 经过市场调研，目前市面上所售防滑链中，一些防滑效果较好的防滑链价格却很昂贵，难以满足大众化的需求，使推广应用受到极大的限制；（5）一些防滑链外观笨重，安装在车上既影响车辆的美观，也在一定程度上破坏了市容，在当今倡导和谐社会，以及人们也越来越追求时尚追求美的潮流下，这种防滑链显然是与社会主流格格不入的。针对以上各种情况，我们全面调研了各种设计参数，如多种车型（包括轿车、卡车、普通汽车等）的车身重量及载重量、轮胎直径、轮胎宽度、单轮胎或是双轮胎等，以便于在设计时进行综合考虑，科学设计，并综合考虑防滑链的工作可靠性、使用寿命、外观、重量、制造成本等进行优化设计，使我们的防滑链具有良好服役性能的同时，也能很好地迎合广大用户对外观、价格等的需求，使设计更加人性化。2 多路况防滑链工作原理2.1 防滑防滑链破冰防滑的原理是把车辆的重力集中到链条的几个点上，使链条对地面产生巨大的压强，轧透冰雪层使轮胎和防滑链整体能直接接触地面，从而增大摩擦力，加大车辆行驶的安全系数。2.2 跨越凹坑所设计的多路况防滑链具有仅能单向弯曲的特点，这就使采用这种结构的防滑链拥有了一个非常可贵的功能凹坑跨越自救。如图1（b）所示，当车辆遇到凹坑、地震后地面留下的裂缝等路况无法行驶时，这种防滑链因采用纵向与横向双向连接的结构，使用中可以作为移动路桥，就像我们见到的坦克履带一样，从而帮助车辆穿越有较大裂纹和塌陷的路面；当凹坑在车辆行驶方向的尺寸较短时，还有第二种办法，即把防滑链能弯曲的一面朝下平铺于泥坑或裂缝之上，由于不能朝下弯曲，这就相当于临时搭建了一段平整路面，同样能保证车辆安然越过凹坑。这一功能可保证车辆在泥泞路面、草地、山路、有裂缝地段等安全、顺利行驶。 (a) 防滑链正常工作示意图(b) 防滑链跨越障碍示意图图1车用多功能防滑链工作总之，这种多路况防滑链全面考虑了不同服役环境的特点，采用巧妙的结构设计，使其具有对不同的路况均有较强的变形能力和自适应能力的特点。3结构设计3.1 结构设计说明这种多路况防滑链采用三条单链中间呈菱形结构相连，链与链之间的连接采用插销结构，这样设计可减轻重量，结构稳定可靠，不易变形，能有效减少防滑链与轮胎之间的滑动，而且因为链条的固定点较多而减轻了对车胎的磨损。接头处受到杠杆原理的启发，链条对好后只需按压便可实现可靠连接，省力又方便。链条整体采用链节结构一节一节相扣，结构灵巧、紧凑，面承载能力强。相邻链节的弯曲角度，链条的抗拉强度、抗压强度以及抗弯强度等均经过精确计算，并利用有限元法进行仿真模拟，因而工作位置准确，可靠性高，防滑效果显著。采用链节结构的另一优点是可根据不同型号轮胎尺寸大小的不同而灵活增减链节数，从而大大增加了该防滑链对大小多种车型的通用性。如图2所示为车用多功能防滑链的双侧链节结构。如图3所示，每个链节采用中空的结构，不仅节省了材料，有效减轻了整个链条的重量，还因为使链条装在车上较之传统防滑链更加美观而很好地迎合了当今人们日益追求协调和时尚的需求。为了增强防滑效果，我们还合理地设计了链上的点状突起，使车轮能与地面更好地接触，增大摩擦力。此外，本防滑链因为具有单向弯曲的结构特点，我们可以利用这一点在防滑链闲置时进行折叠，尽量减小其体积，从而达到节省存放空间的目的。外侧连接内侧连接链节图2 车用多功能防滑链的双侧链节结构图3 车用多功能防滑链的链节尺寸3.2 多路况防滑链的材质为既保证防滑链工作的可靠性，又能节省材料、降低成本，并增大使用寿命，我们选用了高锰钢作为防滑链的制作材料。高锰钢在使用过程中具有加工硬化现象，是公认的高强度耐磨材料，比强度（屈服强度与抗拉强度之比）较高，耐高温，可很好地适应防滑链的工作环境，具有优良的服役性能。同时用这种材料来制作防滑链还可有效地降低成本。众所周知，链条结构简单，节省材料，制造成本低也便于工厂实现批量化生产，从而为大范围推广应用提供了可能。3.3链节承载能力设计当防滑链正装用于防滑时其受到挤压和摩擦作用，强度不需要验算，引文主要反装跨越路障时承载能力足够即可。一般小型桥车的重量为Q=1000015000 KN，车轮直径约为D=600800 mm，由于车辆由4个轮胎承重，因此载荷为P=Q/4。防滑链反装跨越路坑时可认为其为平面薄板受到集中载荷作用，其力学模型如图4所示，最大可跨越的障碍尺寸L取为轮胎直径的3倍即3D。图4 防滑链反装跨越路坑的力学模型防滑链的最大挠度为 (1)式中，y为许用挠度，由于只要车轮可跨越障碍即可，因此取y=3D/50; t为防滑链厚度，为5mm；P为车轮载荷，取最大值，为3750 KN；D为车轮直径，取最大值，为80 mm;E 为锰钢的弹性模量，为206 Gpa。经计算得防滑链的最大挠度为4.622mm，满足式（1）中的小于许用挠度。直接计算链节上各点的应力不方便，可取单个链节的变形量然后据此计算最大应力。单个连节的变形量为 (2)式中l0为单连节的长度，为60 mm。由此计算得到单个连节的变形量为0.116 mm。由此可计算得连节上的最大应力为 (3)计算得= 229.69 Mpa，远小于锰钢的屈服极限，由此可知道防滑链反装工作时强度足够。4 安装与拆卸本防滑链具有方便装卸的优点。操作过程简单明了，并不需要特殊培训，一般人员都可自行装卸，能够很好地替代专业人员的工作。方便的安装和拆卸也能有效地节省时间，为用户带来方便。车用多功能防滑链的模型外观图如图5所示。图5 车用多功能防滑链的模型外观图4.1多路况防滑链的安装说明 步骤一：准备工作在相对安全的场所和平坦的路段上来安装和拆卸链条，要确保在车前和车后留出至少10英尺的空地，可以让安装者有足够的空间移动链条；同时，安装前确保已启动停车制动，已避免发生意外；可用木块或其它工具支起车胎做为附加保护措施；最后，清理掉车胎上多余的雪或泥； 步骤二：开始安装链条 链条必须钩在起主要作用的那组轮胎上，因此首先应确认车子是靠前轮还是后轮驱动的。然后，把链条在车子底下铺开，将铺在地面上的每一个链的第一个档靠在轮胎上。确认链条布满突起的一面朝地，这是链条起最大牵引力的部分； 步骤三：使链条咬紧（或脱离） 如果车辆是后轮驱动的，就要将链条倒退着咬紧。如果是前轮驱动的，就要向前推动咬紧。检查确认每一个轮胎是否都固定住了链条，然后发动车辆引擎，慢慢带着链条将车前行或倒退2英尺左右； 步骤四：固定链条 当链条已很好地和轮胎接触，就可以将端口对好，按压搭接把手，本防滑链的接头利用杠杆原理，端口接合方便省力；步骤五：利用绳子周向串接链条，实现链条的周向固定，保证防滑链与轮胎更牢固地结合。至此，防滑链就可靠地安装到车轮上了。4.2多路况防滑链的拆卸说明拆卸链条只需按与安装链条相反的步骤进行即可，即先松开周向固定的绳子，然后打开接口，使防滑链松开，再根据具体情况向前或向后移动车身，使防滑链与轮胎脱离。4.3 多路况防滑链使用注意事项 (1) 最好在出行之前安装好防滑链，而不要在遇到不利路况之后再安装； (2) 不要在瘪胎情况下安装防滑链； (3) 防滑链也有尺寸限制，分别适合不同的轮毂尺寸和胎宽，注意选择与车轮尺寸相配的防滑链； (4) 安装防滑链后，行驶速度一般不要超过50Km小时，行车时，避免急刹车、急前进、急转弯和连续空转等行为； (5) 在非冰雪路面行车时，避免行走在带有利刃的物质及不好行车的干燥路面，当车辆驶入无需使用防滑链的路面时请及时卸去防滑链； (6) 防滑链不是为拖车、牵引车设计的。5主要创新点（1） 防滑链采用纵向与横向双向连接的结构，使用中可以作为移动路桥，类似坦克履带结构，使其除了具有雪天破冰防滑的传统功能外，还可帮助车辆穿越有较大裂纹和塌陷的路面以及草地、泥坑等路况；（2）采用仅能单面弯曲的结构，可将防滑链能弯曲的一面朝下平铺于路面上，相当于临时搭建了一段平整路面，也能保证车辆安然越过不利路段；同时单面弯曲也为防滑链的折叠存放带来方便；（3） 防滑链的材质采用高锰钢，突破了传统防滑链采用铁、牛筋、橡胶等材质的局限，兼有高性能和低价格的优点。高锰钢在使用中具有加工硬化现象，可很好地适应防滑链的服役环境；（4）防滑链链节上采用中空结构，不仅节省了材料，还可有效减轻链条重量，方便携带。（5）防滑链采用链节结构，根据不同型号轮胎尺寸大小的不同而灵活增减链节数，从而大大增加了该防滑链对大小多种车型的通用性。6推广应用价值（1）多路况防滑链功能多样，可适应多种复杂、恶劣路况，不仅防滑效果显著，而且还有凹坑跨越自救功能；（2） 防滑链设计上更加美观，安装和拆卸简单方便，能很好地满足广大用户的需求；（3） 采用高锰钢材质，制造成本相对较低，工作性能可靠，使用寿命长；（4） 多路况防滑链可有效提高不利路况的行车安全系数，保障人身安全。参考文献1 强建国主编. 机械原理创新设计M. 武汉: 华中科技大学出版社, 2008.2 裘建新. 机械原理课程设计指导书M. 北京: 高等教育出版社, 2005.3 张策. 机械原理与机械设计M. 北京: 机械工业出版社, 2004.4 邹慧君. 机械原理课程设计手册M. 北京: 高等教育出版社, 1998.5 Jonathan Cagan,Craig M. Vogel.Creating Breakthrough Products M. 北京: 机械工业出版社, 1989.6 候