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1、创新思维与实践课程大作业题目婴儿车自锁系统改良设计姓名： 班级：2011机械工程及自动化学号：任课教师： 评语：年月日签名：摘要目前市场上的婴儿车刹车装置一般都是手动的，家长在停车之后需要额外的操作去锁定车轮。当家长由于疏忽而忘记锁车时，车子有失控的危险，存在安全隐患。本课程设计针对婴儿车刹车问题，对现有的刹车装置进行改良，提出一种婴儿车的自锁装置。 该设计采取现有婴儿车的基本骨架，在手把、后轮处改良结构。最终的效果是：当推动车子时，手部对手把产生推力，使后轮自由，此时车子可以随意前进或后退；当停止推动，人手离开手把，后轮被自动刹紧，车子不能自由运动。 锁车机构主要由手把、凸轮、传动杆、弹簧、
2、机械手爪组成。手把一端固定并可绕其运动，凸轮固连安装在手把定端。手爪用于“抓紧”后轮。弹簧提供给手爪“抓紧”后轮的力。当手把处于一个角位置时，凸轮远休点传给到达某位置，把传动杆顶下，传动杆把此向下的位移传给机械手爪，克服弹簧抓紧后轮的力使后轮得到自由。 本设计的创新点主要在于把额外的手动刹车动作省去，向婴儿车引入“自动”刹车装置。正文一、引言近几年，童车已经由婴童“奢始品”演变成为儿童成长过程中的必需品，儿童的成长从婴儿手推车、学步车、脚踏车、电瓶车到自行车一个都不能少。根据统计数据，按照目前新生儿出生数量进行累积计算，全球6岁以下的儿童数量超过8亿。每年全球童车的消费量将超过1000亿元人民
3、币，这是一个巨大的消费市场。在婴儿车数量发展飞速的同时，婴儿车的质量的提升也应该得到重视。孩子是父母手中的包，我们不容许因婴儿车的安全问题而使婴儿收到伤害。而婴儿车最大的一个安全问题是刹车问题。近几年不时有新闻报道因刹车问题而导致婴儿受伤甚至夭折的事件。那么，目前市场上的婴儿车刹车系统到底有什么缺陷呢？目前的婴儿车大多是在四个轮子处安装一个脚踏制动机构，家长在停稳车子之后需通过脚踏的方式逐个锁定车轮。而有些家长由于疏忽，往往在停车之后没有立即刹车，才使车中的婴儿由于婴儿车失控受到伤害。本团队的目标在于对目前婴儿车的刹车系统进行改进，使其能“自动”刹车，减少因忘记锁车而带来的婴儿车失控事故.二、
4、整机设计方案目前婴儿手推车的刹车装置手动的。在后轮处安装一个锁紧机构，通过脚踏的方法即可锁紧车辆。本设计目的是将额外的刹车动作去掉，做到放手停止推动车辆即可将其刹停。本设计是基于一款现有的婴儿手推车进行结构上的改进。如下图 图1 图2外形和骨架基本不做变化，采用现有原型。只在适当部位做一些改进。把图中手动锁换成可以自动锁紧的机构，再配以1处加入的附加联动触发机构，即可实现“自动”锁紧。整车刹车的工作原理：当施力于手把处时，手推力的分力使手把向下摆动，通过1处的联动机构，使手把处的角度位移转换为后轮刹车装置的垂直方向的位移，把刹车齿轮向下推，使其与轮轴齿轮啮合，达到制动效果。当施加在手把处的力消
5、除，通过2处的弹簧，使手把弹起，再通过1处的连动装置使刹车齿轮提起，其与轮轴齿轮分离，轮轴不受锁紧力，后轮得到自由。下面详细介绍各个部分结构：1、刹车齿轮与轮轴齿轮啮合 图3如图，刹车齿轮只做大概一个轮齿的四分之一，轮轴齿轮则为整轮，固连在后轮轴上与后轮同步运动。当不施力于手把，即手推车不运动时，刹车齿轮与轮轴齿轮啮合，轮轴被锁定，后轮不能转动。而当推动手推车时，两轮齿互相分离，后轮自由转动。这种齿轮啮合锁定相比于摩擦锁定的优点在于可靠性高，只要齿高足够高，就不会打滑。齿轮啮合为有级的，但只要齿数足够多，轮齿足够密，就可近似看作无级，这样可以基本保证在后轮没有太大角位移时即可正确啮合。2、传动
6、轴 图4图中蓝色部分为传动轴，其通过红色的三个部件定位，传动轴可上下运动。传动轴下端固连刹车齿轮，把上下运动传到刹车齿轮。3、手把 图5图中红色为手把，蓝色为弹簧机构。手把在不受手的作用力时，仅受弹簧机构的弹力，弹簧受压，使手把有向上运动的趋势。当人手施加作用力于其上时，受力如图。 图6人手的作用力F分解为Fx，Fy两个方向的分力，其中主要以Fy为主，其是通过手把的安装角来保证的。Fy分力克服弹簧的弹力使手把向下摆动。4、联动机构 图6联动机构连接手把和传动轴。滑槽连接。是把角位移转换为线位移的环节。整机动作联系如图： 图7三、自己负责部分的设计方案 分析了现有国内外婴儿车制造的现状，本团队通
7、过讨论，确定了团队作品的三个基本属性：（1）去掉额外的脚踏锁车动作，把停车放手的动作作为触发锁车的动作。（2）人的动作输入点放在手把处。（3）锁车执行机构放在车轮处。本人基于以上确定的几点属性，经过思考和查阅相关书籍，制定了自己的一套设计方案。下面是设计过程。1、制动机构安装在前轮还是安装在后轮？ 婴儿手推车前轮是可以转向的，如图 图8若把制动机构安装在前轮，必然使机构复杂化。若安装在结构简单得多的后轮，则可以避免结构复杂化。所以，应当把刹车装置安装在后轮。2、怎么制动车轮以达到整车制动的效果？（1）首先观察现有的车轮制动机构。在我们日常生活中的车轮制动机构通常都是对摩擦原理的应用。通过刹车鼓
8、和刹车片对车辆进行制动。据此，取其摩擦原理，通过查找相关资料，我列出以下几种方案。并按其动作关系，把其归为两类。1）第一类 图a 图b在相关书籍中找到了如上图所示的两种类似的机械手机构。如图a所示，方形块为机架，其中轴处开孔可容一根圆棒在其中上下运动。方形块下部两边各通过铰链连接安装一根杠杆，杠杆在上端通过拉伸弹簧的作用力使其上半部有相互靠近的趋势。圆棒端部为圆柱向圆锥过度的块头。当圆棒处于如图位置时，两边的杠杆上部受圆柱的压力而分开，使其另一端相互靠近，压紧圆球。当圆棒被提起，使圆锥侧面接触杠杆上端部时，在拉伸弹簧的作用下，杠杆上部靠近，下部张开，释放圆球。该机构的优点是零部件结构简单，制造
9、方便，但其存在一个缺点：圆棒提起时，有可能提起位移过大，使杠杆上端与圆棒圆锥面脱离接触，当圆棒再次压下时将被杠杆上端阻碍，使整个机构失去工作能力。若要解决这个问题，需要额外加入限定圆棒位置的装置。如图b所示的机械手夹紧机构则无上述担忧。但结构还可以进一步简化成图c样式。另外，图c机构相比于图b的改进还在于，圆棒底端部与传动杆的连接由一个铰链增加成两个铰链，使该处铰链传动更加可靠平稳。为了进一步增加平稳性和增大夹紧力，还可改进成图d样式。图c 图d经过反思，发现如图b、c、d的结构的主动力臂相比从动力臂太短，以图d为例。如下图： F1、F2分别为主动力、从动力，而L1、L2分别为主动力臂、从动力
10、臂。图中清晰可见主动力臂L1比从动力臂L2小很多，这会导致当平衡时主动力F1将比从动力F2大很多。反过来思考，当提供的F1大小有限时，通过杠杆传达到橡胶块处的锁紧力F2将会很小，这对锁紧车轮是不利的。提供的F1力的大小直接与人手提供给车把的推压力大小相关，我们的设计的目标是希望手提供的推压力能不衰减甚至增加地传递到车轮锁紧装置，保证车轮锁死。为了增长主动力臂，避免动力的衰减，本人通过思考，对以上结构进行改进，草绘出下图e。 图e该改进结构主动力臂L1与从动力臂L2基本相等，主动力F1基本不受衰减地传到锁紧橡胶块。另外，还有一增力结构。如图f： 图f增力的方法为：使从动力臂L2减小，或使主动力臂
11、L1增大。由于轮子半径是固定的，所以从动力臂不能再减小，只能采取增加主动力臂L1的方法。则有如图f结构。由杠杆原理F1xL1=F2xL2，可知，因L1L2，所以F1F2，达到增力效果。但是，此增力机构有个明显缺点：使机构整体尺寸过大。总结：以上为根据动作关系分成的第一类通过摩擦锁定的机械手机构。其结构和动作特征为：主要为一根主动圆棒，一双对称的从动杠杆手爪组成，将圆棒的上下运动通过传动机构转换为杠杆手爪的角位移以锁紧车轮，力臂L1、L2的大小决定了力F1、F2的相对大小，如下式。由F1xL1=F2xL2，推出F2/F1=L1/L2=K。不妨定义K为杠杆力的传力比。在本设计中，K越大越好。2）下
12、面为根据动作关系区分的第二类摩擦锁定机构。该类机构的共同性或者说其特点在于，把旋转运动转换成机械手的角位移以达到锁紧的效果。图g 图h 图g所示机构，上部横向安装一丝杆，其两端各螺纹配合一个螺母。丝杆两边的螺纹旋向相反，当丝杆转动时，螺母相向或相离运动。下部两边各安装一跟弯杆作为锁紧执行件。弯杆下端固连于机架，上端与上述螺母铰接，跟随螺母运动。当螺母相向运动时，锁紧车轮，当螺母相离时，放松车轮。 该机构的优点是，因螺纹的自锁性，当锁紧车轮时，车轮的对弯杆的反作用力（压力）不能使螺母产生相离运动而放松车轮。锁紧可靠。但其缺点也是明显的：丝杆制造工艺复杂，使制造成本升高，且锁紧需要旋转丝杆，操作不
13、方便。 图h原理基本与图g相似。区别在于把施力点与受力点分别放在支点两边，且把螺纹副改成齿轮副。其缺点也在于制造不易，成本过高。经过分析，选定图e的机械手机构作为锁紧后轮的执行机构。3、人手部给手把输入什么运动才引起相关锁车、解锁运动？ 人在推车时与停车离开对婴儿车动作的区别如下： 推车时：手轻握手把，双手搭在手把上对手把施加向前和向下的推力。 停车后：上述两种力量都被释放。对比推车时和停车离开后的变化，我列举出如下几种方案。（1）利用手轻握手把的握力。 在手把手握部位安装握力弹块，推车时握力使弹块压下，通过传动机构转化为上述机械手的圆棒的向下运动，释放后轮；停车离开握力消失，导致圆棒向上运动
14、，自动锁紧后轮。但这种机构有个本质缺点：弹簧压块力臂小，必然导致使其压下的力量很大，而这种力量直接来自于手部，若手部施加太大力且时间过长会对手部不好。（2）利用推车人手部对手把的推力 如下图，人推动婴儿车时，对车把有向前和向下得推力，能对两者中哪个加以利用呢？分析：向前的分力是比较小的，特别是当婴儿车在起动后平稳前进的过程中更加小，而且是断续的。而由于人手部自身的重量，使向下的分力则相比较大且较为平稳。所以对向下的分力的利用是较为合理的。经过思考，我草绘出如下图形：手把不要做成固定式的，要使其能在图示范围内活动。图示支点位置做成铰链连接，且安装扭簧，使手把在不受手推力的作用下处于如图实线位置。当受到手部推力时，其运动到虚线位置。4、那么，怎么把手把部位的角位移转换成刹车部分圆棒构件上下方向的线位移呢？我提出如下方案：如图的弹簧一端固连机架，另一端固连双铰链块。在未施加手部推力时，弹簧受拉，是圆棒向上运动，机械手夹紧车轮。在手把铰接的一端连一凸轮，当手部推力把手把推到如图位置时，凸轮的远休点刚好转到如图角度，压下传动杆，传动杆的另一端制一斜面，当杆被压下时，推动下一部分的圆棒向下运动，机械手松开车轮，
