拉杆箱平底万向轮振动分析

杨保健，胡新广，钟永华，杨铁牛，黄照辉

（1.五邑大学智能制造学部，广东江门 529020；2.江门市兆盈箱包有限公司，广东江门 510850）

0 引言

移动平稳性和转向灵活性是拉杆箱两个最主要的评价指标[1-2]，其好坏不仅影响了拉杆箱的使用舒适度，而且影响了拉杆箱的使用寿命。万向轮作为拉杆箱最为重要的结构零件，其万向轮结构的合理性能够在很大程度上影响行李箱的平稳性和灵活性。目前，拉杆箱万向轮与底盘有2种常见的联结形式，即转轴式联结，如图1所示；波盘式联结，如图3所示。转轴式万向轮结构简单、制造成本低、一次性联结，安装后不易拆卸；波盘式万向轮结构较复杂，制造成本较高，转向较平稳，且方便拆卸[3-4]。本文针对拉杆箱平底万向轮振动建立数学模型，借助ADAMS软件虚拟样机模拟技术平台，对拉杆箱平底万向轮进行建模、分析、求解，研究不同结构拉杆箱平底万向轮其平稳性和灵活性，为研发新的拉杆箱平底万向轮提供参考。

1 数学模型与力学分析

根据工程实际，本文分别建立了2种万向轮数学模型，如图2和图4所示。图2中，BC表示转轴与底盘上的安装孔之间的最大间隙；AD表示万向轮转轴；DE表示转轴轴颈。荷重时，假设轴颈与底盘底面之间的夹角为θ。

图1 转轴式万向轮

图2 转轴式万向轮数学模型

根据工程实际，AB=32 mm，BC=0.3 mm，则：

波盘式万向轮如图4所示。BC表示万向轮波盘上的孔与螺钉之间的最大间隙；AD表示底盘上与万向轮联结的螺钉。荷重时，假设万向轮的波盘与底盘底面之间的夹角为α。

根据工程实际，ac=10.7 mm，ac=0.5 mm。则：

图3 波盘式万向轮

图4 波盘式万向轮数学模型

图5 万向轮振动数学模型

图5 中，q为不平路面扰动输入，Z为输出，其振动微分方程为：

则其传递函数

对于转轴式万向轮，其偏转位移：

对于波盘式万向轮，其偏转位移：

ymax=tanα⋅16=0.75(mm)

则

2种万向轮的转角频率分别为

作对数幅频特性渐近线，如图6所示。

图6 万向轮幅频特性

取ω=10，则

即当频率ω＞6时，在相同频率下，波盘式万向轮产生的分贝数比转轴式高约17.74 dB，波盘式万向轮受振动发出的噪声更大。

2 ADAMS运动学分析

本文主要研究不同万向轮结构对拉杆箱稳定性的影响，为保证结果的准确性和提高分析效率，对万向轮拉杆箱模型结构进行简化，并对上述2种万向轮及底盘采用Solidworks软件进行3D建模。为了模拟拉杆箱实际运行复杂路面环境，建立障碍地面模型，设计了2种不同类型简化障碍结构（梯形台阶障碍结构和三角形台阶障碍结构）[7]，以模拟实际复杂地面环境中常见的滑台凸起式坠落和断崖式坠落环境，如图7所示。障碍1与障碍2高度分别为9 mm和11 mm，两障碍间距设置为400 mm，图中V表示为拉杆箱万向轮行进方向。将建立好的3D模型导入ADAMS分析软件中，定义地面模型材料和万向轮模型材料[8]。本实验地面模型设置为混泥土地面，万向轮模型材料设置为ABS材料，其材料属性定义如表1所示。

表1 ABS的材料属性

对导入模型添加约束，将导入地面模型与Ground固定约束，万向轮与地面添加Contact（接触约束），添加相应的摩擦系数[9-10]，施加载荷G为竖直向下70 N，表示拉杆箱荷重；施加水平方向的推力F=10 N，表示拉杆箱水平方向驱动力。对模型进行求解。

图7 地面障碍模型简图

图8 拉杆箱底盘模型

求解完成后，可在PostProcessor（后处理）环境中查看拉杆箱某零部件模拟状态并进行后处理。本文通过对前轮水平方向和铅锤方向的速度进行后处理分析，仿真结果如图9和图10所示。

图9 万向轮水平方向速度变化

图10 万向轮铅锤方向速度变化

由图9发现，波盘式万向轮速度变化曲线斜率小于拨盘式速度斜率。其表明在施加相同大小驱动力的情况下，波盘式万向轮向水平方向的移动加速度大于转轴式万向轮。结果表明，波盘式万向轮更具灵活性，在保持相同速度的行进条件下，波盘式万向轮更为省力。从图10可知，在平坦路面上，2种类型的万向轮铅锤方向的速度变化大致趋向于0，表明在平坦路面时，2种万向轮都较为平稳。在越过障碍1时，转轴式万向轮在越坡降落过后再次出现1个斜坡峰，这是由于转轴式万向轮在降落过程中沿反斜坡降落时出现缓冲峰，而波盘式万向轮行进速度较快，在降落过程中呈现断崖式降落，并未出现缓冲波峰；在万向轮通过2种障碍路面时，波盘式万向轮铅锤方向速度变化幅度均略大于转轴式万向轮，即验证了前述的转轴式万向轮更平稳。

3 结束语

（1）荷重相同时，转轴式万向轮更平稳；

（2）在相同频率下，波盘式万向轮产生的分贝数比转轴式高约17.74 dB，波盘式万向轮受振动发出的噪声更大，但波盘式万向轮转向灵活性明显优于转轴式万向轮。