基于婴儿车的自动摇扇设计研究

刘岳开（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都　610031）

基于婴儿车的自动摇扇设计研究

刘岳开
（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都610031）

针对目前风扇风力婴幼儿太大，设计了一种基于婴儿车的自动摇扇机构；设计方向包括续航能力、产品销售模式、人性化设计和绿色设计。在室外运动中第一车轮作为原动件提供动力，带轮一与车轮固定，通过普通平带动力传递到带轮二。在推车休息时，蓄电池驱动电机转动，带动棘轮连杆机构使摇扇摆动；材料选择可降解的聚乳酸和聚碳酸酯。产品销售模式将机械设计与婴儿车作为组合产品。实现了风力柔和、环保战略目标，提高了能源利用率和产品进入市场平滑度。

自动摇扇结构；循环动力；绿色设计；人性化设计

0　引言

在炎热的夏季，因为电扇吹出的风较为强烈，家长们只能自己亲自为幼儿扇风、纳凉。如果采用电磁式自动摇扇设计，通过对两组电磁铁组件轮流通电，带动扇叶做往复的摇扇动作其寿命较短且续航能力有限。采用蜗轮蜗杆传动自动摇扇装置，利用蓄电池供电容易出现续航能力不足。特此设计一种人力和电力交替循环提供动力的自动摇扇机构，满足顾客需求同时尽力克服弊端。

1　人力、电力循环动力自动摇扇设计

自动摇扇是新型节能环保型产品的一个典范。机械产品的设计过程中，原动机采用低功耗低公害的产品。该设计采用人工-电力循环供电系统进行能源供入，极大地迎合了目前产品设计的新趋势［1］。当前，世界上一些发达国家对污染物的排放已经有了新的法律法规［2］，设计中采用的低公害可循环利用蓄电池恰好解决了这方面的问题。

1.1设计方向

（1）续航能力。从续航能力上考虑，设计上利用人力和电力交替循环提供动力。相比于传统的蓄电池供电模式续航能力更强。

（2）产品销售模式。将该设计与婴儿车作为组合产品，以此提高产品进入市场的平滑度。组合产品即利用现行销量较好的一种产品带动另一种产品的销售。

（3）人性化设计。人性化设计［3］在设计形式上迎合婴幼儿家庭的需求，如加上婴幼儿喜爱的卡通人物装饰，在材料选择上采用适合婴幼儿的无毒聚酯树脂。

（4）绿色设计。环保型材料在机械设计产品中的应用［4］，能够达到保护环境、节约能源的目的。首先，材料及资源的选择应尽量为可再生利用的，在产品的加工过程中，对这些材料应尽可能进行回收利用，在结构设计时，尽量使用能进行回收利用的材料。绿色制造技术的核心就是在节能环保的要求下完成对机械产品的研发以及生产，以提高资源的利用率，并达到环保的目的。

1.2设计要求

（1）为避免伤到婴幼儿同时保证摇扇的扇风效率，通过传动系统后，摇扇的摆动频率不超过1Hz。

（2）两种运行状态互不影响。即在状态一下，人推车前进带动摇扇摆动，同时电机处在发电状态而不是耗电转动。在状态二下，电机带动摇扇转动，车轮与皮带轮部分处于静止。

（3）机构整体高度不超过600mm。

（4）杆件传动部分不出现干涉现象。

（5）在两种状态下能够快速平滑切换为另一种状态。

（6）结构尽量紧凑、简单、具有良好的动力学特性。

1.3设计数据

根据市场调研所获得的婴儿车基本尺寸参数，拟定自动摇扇机构的主要参数。

表1　自动摇扇的主要参数Tab.1 Main parameters of automatic shaking fan

1.4机构设计原理

自动摇扇分两种运行状态，状态一下手推婴儿车前行，车轮作为原动机，带轮一与车轮固定。通过普通平带动力传递到带轮二，与带轮二铰链接合的棘爪推动棘轮转动，棘轮中心通过减速器最终与电机相连，电机在该状态下向蓄电池充电。同时，棘轮连杆机构驱动摇扇转动。状态二是在停止推车休息时，蓄电池驱动电机转动，带动棘轮连杆机构使摇扇摆动，在这一状态下，棘轮棘爪发生超越过程，配合无效。即车轮并不会转动。同时蓄电池可以在室内充电后再外出，从而提高摇扇的续航能力。图1和图2为本文设计方案。

图1　自动摇扇状态一Fig.1 The first modea bout automatic shaking fan

图2　自动摇扇状态二Fig.2 The second mode about automatic shaking fan

1.5设计用途

该设计在配合婴儿车的情况下，在室外炎热环境下，实现为婴儿自动扇风纳凉的功能。

2　机构尺度综合分析

2.1曲柄滑块机构

图3　曲柄滑块机构［6］Fig.3 Slider-crank mechanism

（2）解析法计算杆件长度。如图4所示，结合已知行程和极位夹角情况下的设计方法［9］，求出各杆件的尺寸如下：

图4　曲柄滑块机构设计计算图Fig.4 Illustration of slider-crank mechanism for design and calculation

2.2棘轮棘爪离合器

（1）试凑法设计。棘轮棘爪离合器广泛应用于起重机械的主起升机构，船舶动力系统［8］，航空航天传动系统。为满足不同的需求，棘轮棘爪机构形式根据具体工况变化多种多样，设计没有规范化的设计的准则。遂采用试凑法设计。

（2）基本尺寸初选。由大皮带轮直径d2=110mm，棘轮棘爪机构整体大小D≤100mm，取棘轮加工毛坯圆柱直径d3*= 80mm。棘爪为保证传递动力的刚度截面尺寸S4≥20mm2。

（3）Solidworks建模及尺寸验算。如图5所示，在选定基本尺寸后，为保证整体比例合理，总体尺寸D≤100mm，选棘轮轴承孔d3=20mm，棘轮轮齿高度d3-1=5mm。通过Solid works建模仿真验证，整体符合设计要求。

图5　人力、电力循环动力自动摇扇三维模型Fig.5 3D model of automatic shaking fan with circulating motive power from manpower and electronic power

3　结论

（1）优点：基于婴儿车的自动摇扇设计利用人力和电力交替循环提供动力续航能力更强。环保型材料的应用，能够达到保护环境、节约能源顺应了绿色设计、人性化设计的主流设计方向。产品销售模式将机械设计与婴儿车作为组合产品，以此提高产品进入市场的平滑度。组合产品即利用现行销量较好的一种产品带动另一种产品的销售。分状态运行，且两种状态并不会产生干涉。实用性高能够在调整带传动张紧装置后适应一定范围内变化中心距的多种型号婴儿车。在材料上选择可降解的二氧化碳合成塑料，缓解了目前全球温室效应所带来的种种潜在危害的可能，又避免了传统塑料所带来的白色污染问题。构件多采用圆角设计，既避免了用力集中，又能防止婴儿车对小孩带来的潜在危害。

（2）缺陷。带传动在安装时需要预调根据中心距的大小还要预调张紧力，对于用户自行安装存在一定困难。另外，对带传动由于受到小带轮包角的限制，所以中心距的调整也受到一定限制，所以只限于大部分型号的婴儿车安装。由于发电机采用的是状态二下的驱动电机，发电效率不及一般的发电机。但如果另外安装发电系统，则整个装置将过于庞大略显冗余。由于该装置本身要安装在婴儿车上，所以对应的安装难度也将增加。怎样更好地应用好这一理念，值得大家继续探讨。

致谢：特别感谢西南交通大学导师何朝明博士和杂志社匿名评审专家的指导！

［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.日本设计策略：节能环保与人性化设计［J］.大连大学学报，2009，5.

［4］钱锦高.工程机械产品设计中节能与环保［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，刘建伟.基于MATLAB_Simulink的偏置式曲柄滑块机构运动学仿真［J］.机械工程师，2008，10.

［7］俞惠溥.偏置曲柄滑块机构尺度确定的又一种方法［J］.陕西工学院学报，1996，2.

［8］冀相安，马永明，桂文彬，等.一种同步离合器棘轮棘爪机构棘合过程的仿真分析［J］.船舶工程，2005，4.

［9］苏有良.给定行程、极位夹角解析设计偏置曲柄滑块机构［J］．徐州职业技术学院学报，2010，3.

［10］苏有良．根据许用压力角、行程速比系数和行程设计曲柄滑块机构的解析法［J］．机械设计，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

刘岳开（1994-），男，湖南湘阴人，大学本科学生。研究方向：机械自动化。