榫卯工艺风电玩具车的设计

陶晓琪，鲁宇明，祥鹞怀，赵辰瑜

（南昌航空大学a.经济管理学院；b.航空制造学院；c.飞行器工程学院；d.测试与光电工程学院，南昌 330063）

0 引言

玩具对儿童的身心发展与认知发展有着至关重要的作用，而现有的玩具车大多数为成品，无法让小孩在参与玩具车组装过程中锻炼实践能力，大多数普通外观的玩具车其可玩性也较差。

本文设计了一款亲子协作完成组装的榫卯工艺风电玩具车，既能实现亲子互动，还可以开发智力。榫卯工艺风电玩具车采用成本较低的木制材料且构件可拆卸或组装。其底部框架采用的是具稳定性的三角形结构，此结构组装流程更为简单，灵活性更强，也方便安装、使用与携带，更利于激发孩子自主创新的兴趣，提高动手操作能力[1]。另一方面，现代工业生产中绝大多数玩具车采用胶水等化学物质黏合剂粘连，存在一定程度上的危害。无需一钉一剂的榫卯结构是藏在木头里的灵魂，一榫一卯、一转一折、暗藏玄机，做出巧夺天工、浑然天成、天衣无缝的效果。榫卯——传统艺术中的结构美学，一种惊艳千年的中国美，堪称人类轻工制造史上的奇迹，可极大地提升玩具车的耐看性与持久性。该技术对本次榫卯工艺风电玩具车的设计研究中解决如何稳定牢固地连接构件的问题具有重要参考意义[2]。

1 总体结构及方案设计

1.1 榫卯工艺风电玩具车基本结构

榫卯工艺风电玩具车整体结构如图1所示。玩具车由3个长木条构成车身底部框架，不仅可保证玩具车结构稳定，而且结构简单，通过在第一长木条1、第二长木条2上安装大车轮5与小车轮22，构成玩具车的行走结构；通过直流电动机13驱动第一扇叶18和第二扇叶19转动，构成玩具车的动力装置；将扇叶设置成披针形，外形更为美观且增大了扇风量，从而比一般小汽车型玩具车的可玩性强，综上所述即构成榫卯工艺风电玩具车的基本结构[3]。

图1 榫卯工艺风电玩具车基本结构

1.2 行走结构设计

在拼接上，榫卯工艺风电玩具车部分榫卯连接口如图2所示。玩具车的第三长木条10构件两端设计短形榫头8，分别连接在第一长木条1和第二长木条2所对应的榫眼9上；第一、二长木条两端均设置有斜面切口4贴于大车轮5，而第一圆木棍6通过轴承将中心开口的大车轮与带卡口3的第一、二长木条构件采用圆榫的榫接方式贯穿连接，多种榫接方式结合使各构件更紧密地组合在一起，成为结实牢固的一个整体[4]。如图3所示，通过3个长木条结合成稳定的三角形，从而构成整个玩具车底部框架，既可以保证榫卯工艺风电玩具车的稳定牢固，又可以使此结构组装更为简单[5]。大车轮外围安装一个小车轮于侧端的设计可防止玩具车在行驶过程中左右晃动。这样的行走结构设计使玩具车不易发生偏移，确保了车轮垂直方向的稳定。

图2 榫卯连接口

图3 榫卯工艺风电玩具车俯视

1.3 动力装置设计

榫卯工艺风电玩具车的第三长木条7上固定设置有立柱10，如图4所示，立柱上开设的安装槽11中可拆卸地设置有安装座12，其上设有与直流电动机13配合的圆弧切口15，直流电动机通过与第二圆木片14上的插槽16配合连接。如图1与图3所示，第一长木条1、第二长木条2上设置有电池板23，直流电动机13和电池板23上均设置有电源触点24，电源触点之间通过电线连接。电线接通后，开关开启电池板将会供电给直流电动机，为扇叶提供转动的动力来源，促使直流电动机运行转动带动玩具车前进，在行驶过程中风力会继续带动扇叶转动。当玩具车达到一定速度关闭开关以减少电力消耗，若因风力不足导致车速减慢会再开启开关继续提供动力，形成电力和风力相互切换的动力装置。

图4 披针形扇叶与直流电动机连接

1.4 披针形扇叶风向分析

榫卯工艺风电玩具车的扇叶构件设计如图5所示。扇叶身的长度为宽度的4～5倍，中部以下为最宽，上部渐狭，形成披针形的形状可扩大覆盖面积，不仅低阻节能，还可以产生较大风力[6]。扇叶与圆木片以暗榫的方式拼接并与玩具车的轴向成一定角度，固定的披针形扇叶一边高于风向与另一边低于风向的设计，可以将风聚集在扇叶表面往一个方向吹动。在扇叶正常运转时，因上方弧线较长的披针形，其上方表面的空气流速会比下方快，根据流体力学分析，由于上方的压强较小，扇叶会受到一个向上的力，根据牛顿第三定律中作用力与反作用力相等的原理，扇叶会推动下方的空气流动，加上披针形扇叶与圆木片的斜接的设计会向下拨动空气，带动扇叶转动做圆周运动[7]。另一方面，扇叶受到的风力则被分解为2个方向的力，一个是沿轴向传递的力，另一个是沿径向传递的力，通过风施加于轴向下压的压力可减少玩具车摆动并维持其稳定性，沿径向传递的力则带动玩具车前行。在保证空气动力学稳定性和风压中心与玩具车质心重合的前提下，考虑玩具车扇叶的各处压力分布，披针形扇叶的设计不仅外形美观，还增大了扇风量，比一般小汽车型玩具车的可玩性强[8]。

图5 披针形扇叶俯视

综上所述，在榫卯工艺风电玩具车的设计方案中，针对玩具车构件披针形扇叶，下文运用有限元技术对榫卯构件所涉及的空气动力学等相关内容进行研究。

2 有限元建模与仿真

为了研究扇叶对周围空气的影响，并验证披针形扇叶的设计自身物理属性是否满足要求。在Fluent软件中采用无滑移的流动模型对披针形扇叶壁面表面的空气分子仿真[9]，图6是x-y平面及x-z平面速度矢量图，表明扇叶周围的空气分子能在黏性力的作用下做布朗运动，且扇叶中心分子受到惯性力与压差力后能做匀速圆周运动。图7为扇叶各部位速度矢量图，表明披针形扇叶中心域网格较密，而非加密区的流场域的矢量图整体趋势呈现较为平顺的流场运动方向。图8为x-y及x-z平面速度云图，表明扇叶的披针形外形设计能够很好地避免旋转时产生的湍流，达到减小空气阻力的效果[10]。

图6 x-y平面及x-z平面速度矢量

图7 扇叶各部位速度矢量

图8 x-y及x-z平面速度云图

通过流体力学分析可以验证扇叶的披针形设计达到了所需的标准，具备可投入使用的条件。

3 结论

本文从外观设计、构件连接、风向分析3个层面对玩具车进行设计研究与优化创新，最后通过流体仿真对设计研究方案进行验证与评价。主要研究成果如下：1）对榫卯工艺风电玩具车进行设计研究，从车稳定性、组装方式、动力来源进行聚类分析，设计出榫卯工艺风电玩具车的结构，三角形底部车身框架通过榫卯结构连接大小车轮构成行走结构，直流电动机与风力结合驱动扇叶转动构成动力装置。2）基于玩具车外观设计，对玩具车扇叶构件进行分析，设计出符合空气动力学原理的披针形扇叶结构。3）根据榫卯工艺风电玩具车的设计研究方案，通过有限元软件Fluent进行仿真，验证了扇叶披针形设计符合空气动力学原理，并验证了该玩具车设计方案的可行性。