一种无急回特性的儿童床设计*

杨 帆，林钰珍，岑思燕

(衢州职业技术学院，浙江 衢州 324000)

1 前言

随着经济的快速发展，中国传统式家庭模式逐渐解体，三口之家基本形成。为保证整个家庭生活的顺利运行，夫妻双方皆从事工作的形式愈加普遍。在社会复杂性与人才竞争性愈演愈烈的当今社会，很多的年轻夫妇照顾婴儿苦不堪言。笔者设计的这种摆式婴儿床具有运动自动平稳，可手动调整摆动幅度与频率，从而使婴儿获得更加舒适的高质量睡眠，减少年轻父母的劳动负荷。

2 结构组成与工作原理［1-2］

变频摇摆式婴儿床机械结构主要有摇摆支架、婴儿床床身、直流步进电机、摇柄、拉杆等组成，如图1、2所示。

图1 婴儿床主体结构

图2 婴儿床组成

直流步进电机带动摇柄旋转，摇柄拉动拉杆，拉杆拉动婴儿床床身作等幅值自动摆动。根据图3所示，曲柄两口中心距为r;拉杆中心孔距为L;婴儿床床身定位尺寸，即摇杆长度为R;电机安装水平位置尺寸为L+r，电机垂直安装位置与摆杆最大摆幅在同一水平线上。

图3 曲柄摇杆机构示意图

变频摇摆式婴儿床电气控制系统主要由定时器、直流电源、变频器、直流步进电机、导线等组成，如图4所示。

图4 婴儿床电气控制系统

家长可通过定时器按照自己意愿设置摇摆时间;可根据婴幼儿需要，通过变频器设置摆动频率;可根据实际需要调整摆动幅度。

3 理论设计与强度校核［1］

曲柄摇杆机构的急回特性是该婴儿床研制的关键技术问题。无急回特性的曲柄摇杆机构充要条件是曲柄与机架的长度平方和等于连杆与摇杆的长度平方和，并且曲柄摇杆机构的极位夹角为0°，如图3所示。

(1)基本位置尺寸及零件尺寸计算

按设计要求，根据摆幅确定曲柄长度r=45 mm，单边最大摆角φ=15°。根据图3所示极限位置几何关系可得:

求得R≈350 mm

为使电机安装距离床身较近，缩小因距离产生的过大扭矩，由此选取H=360 mm。

根据无急回特性充要条件的公式［5］:

求得:L≈95 mm

最终确定尺寸如下:摇杆长度R=350 mm;机架长度H=360 mm;曲柄长度r=45 mm;L=95 mm。

根据上述尺寸及位置关系，运用UG进行婴儿床结构建模与ADAMS运动学仿真，分析出摆杆的运动及加速度，为后续的婴儿床研制奠定理论基础。

(2)剪切强度计算［1］

婴儿床床身做摆动运动，因此按照离心力计算公式剪切力的大小。根据离心力计算公式:

式中:F为剪切力;m为床身与婴儿总质量;ω为摆杆角速度;r为摆杆的长度。

求得剪切力:F=m(g+ω2r)

床身质量10 kg，初定婴儿体重10 kg，角速度如图5所示，取ω=0.35 rad/s。

根据剪切应力计算公式:

式中:τ为床身转轴剪切应力;r0为床身转轴的半径。

本项目采用M6螺栓做床身转轴，查找机械手册其小径φ=4.918。计算得到剪切应力τ=1.29×106MPa＜＜［τ］，满足强度要求。

4 性能分析［2-4］

运用UG软件对婴儿床主体结构进行三维建模，并运用ADAMS软件对其进行运动学仿真如图5～7所示。

图5 摇摆角速度

图6 摇摆幅度角

图7 摇摆角加速度

由运动学仿真图仿真结果分析得出，摆角以及角速度基本对称且基本无急回特性;角加速度在回程过程中有抖动，之所以有此偏差是因为曲柄以及连杆理论计算结果为近似计算，导致运动过程与理想方程曲线有所偏差。但随着设计精度以及制造精度的提高，加速度曲线逐渐回归对称分布，大大加强了婴儿床的稳定运动。

5 结论

根据上述基本理论研究及计算机仿真分析，变频摇摆式婴儿床如图8所示，采用无急回特性的曲柄摇杆机构，与以往幼童床具相比创新之处在于，不仅可以充当儿童床具，还可以根据现实需要开启摇摆功能，供幼童娱乐，减轻家长负荷，并且可巧妙地将曲柄摇杆机构运用到婴儿床上，结合杆长变化对摆幅大小的影响，实现婴儿床摆幅可调。考虑现实因素，引入控制装置，实现婴儿床摆速及摆幅可调。

图8 变频摇摆式婴儿床

目前儿童家具以娱乐为主，并具有一定的实用性的床类产品稀缺，变频摇摆式婴儿床恰好市场空缺，填补同类家具市场的空白，应用前景广阔。

［1］ 孙 桓，陈作模，葛文杰.机械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］ 朱金生.机械设计实用机构运动仿真图解［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［3］ 李增刚.ADAMS入门详解与实例［M］.北京:国防工业出版社，2006.

［4］ 钟日铭.UG NX7.5完全自学手册［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［5］ 元增民，马 璇.曲柄摇杆机构无急回特性的条件及其应用［J］.邢台职业技术学院学报，2000，17(3):49-53.