一種無急回特性的兒童床設計*

楊 帆，林鈺珍，岑思燕

(衢州職業技術學院，浙江 衢州 324000)

1 前言

隨著經濟的快速發展，中國傳統式家庭模式逐漸解體，三口之家基本形成。為保證整個家庭生活的順利運行，夫妻雙方皆從事工作的形式愈加普遍。在社會復雜性與人才競爭性愈演愈烈的當今社會，很多的年輕夫婦照顧嬰兒苦不堪言。筆者設計的這種擺式嬰兒床具有運動自動平穩，可手動調整擺動幅度與頻率，從而使嬰兒獲得更加舒適的高質量睡眠，減少年輕父母的勞動負荷。

2 結構組成與工作原理［1-2］

變頻搖擺式嬰兒床機械結構主要有搖擺支架、嬰兒床床身、直流步進電機、搖柄、拉桿等組成，如圖1、2所示。

圖1 嬰兒床主體結構

圖2 嬰兒床組成

直流步進電機帶動搖柄旋轉，搖柄拉動拉桿，拉桿拉動嬰兒床床身作等幅值自動擺動。根據圖3所示，曲柄兩口中心距為r;拉桿中心孔距為L;嬰兒床床身定位尺寸，即搖桿長度為R;電機安裝水平位置尺寸為L+r，電機垂直安裝位置與擺桿最大擺幅在同一水平線上。

圖3 曲柄搖桿機構示意圖

變頻搖擺式嬰兒床電氣控制系統主要由定時器、直流電源、變頻器、直流步進電機、導線等組成，如圖4所示。

圖4 嬰兒床電氣控制系統

家長可通過定時器按照自己意愿設置搖擺時間;可根據嬰幼兒需要，通過變頻器設置擺動頻率;可根據實際需要調整擺動幅度。

3 理論設計與強度校核［1］

曲柄搖桿機構的急回特性是該嬰兒床研制的關鍵技術問題。無急回特性的曲柄搖桿機構充要條件是曲柄與機架的長度平方和等于連桿與搖桿的長度平方和，并且曲柄搖桿機構的極位夾角為0°，如圖3所示。

(1)基本位置尺寸及零件尺寸計算

按設計要求，根據擺幅確定曲柄長度r=45 mm，單邊最大擺角φ=15°。根據圖3所示極限位置幾何關系可得:

求得R≈350 mm

為使電機安裝距離床身較近，縮小因距離產生的過大扭矩，由此選取H=360 mm。

根據無急回特性充要條件的公式［5］:

求得:L≈95 mm

最終確定尺寸如下:搖桿長度R=350 mm;機架長度H=360 mm;曲柄長度r=45 mm;L=95 mm。

根據上述尺寸及位置關系，運用UG進行嬰兒床結構建模與ADAMS運動學仿真，分析出擺桿的運動及加速度，為后續的嬰兒床研制奠定理論基礎。

(2)剪切強度計算［1］

嬰兒床床身做擺動運動，因此按照離心力計算公式剪切力的大小。根據離心力計算公式:

式中:F為剪切力;m為床身與嬰兒總質量;ω為擺桿角速度;r為擺桿的長度。

求得剪切力:F=m(g+ω2r)

床身質量10 kg，初定嬰兒體重10 kg，角速度如圖5所示，取ω=0.35 rad/s。

根據剪切應力計算公式:

式中:τ為床身轉軸剪切應力;r0為床身轉軸的半徑。

本項目采用M6螺栓做床身轉軸，查找機械手冊其小徑φ=4.918。計算得到剪切應力τ=1.29×106MPa＜＜［τ］，滿足強度要求。

4 性能分析［2-4］

運用UG軟件對嬰兒床主體結構進行三維建模，并運用ADAMS軟件對其進行運動學仿真如圖5～7所示。

圖5 搖擺角速度

圖6 搖擺幅度角

圖7 搖擺角加速度

由運動學仿真圖仿真結果分析得出，擺角以及角速度基本對稱且基本無急回特性;角加速度在回程過程中有抖動，之所以有此偏差是因為曲柄以及連桿理論計算結果為近似計算，導致運動過程與理想方程曲線有所偏差。但隨著設計精度以及制造精度的提高，加速度曲線逐漸回歸對稱分布，大大加強了嬰兒床的穩定運動。

5 結論

根據上述基本理論研究及計算機仿真分析，變頻搖擺式嬰兒床如圖8所示，采用無急回特性的曲柄搖桿機構，與以往幼童床具相比創新之處在于，不僅可以充當兒童床具，還可以根據現實需要開啟搖擺功能，供幼童娛樂，減輕家長負荷，并且可巧妙地將曲柄搖桿機構運用到嬰兒床上，結合桿長變化對擺幅大小的影響，實現嬰兒床擺幅可調。考慮現實因素，引入控制裝置，實現嬰兒床擺速及擺幅可調。

圖8 變頻搖擺式嬰兒床

目前兒童家具以娛樂為主，并具有一定的實用性的床類產品稀缺，變頻搖擺式嬰兒床恰好市場空缺，填補同類家具市場的空白，應用前景廣闊。

［1］ 孫 桓，陳作模，葛文杰.機械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］ 朱金生.機械設計實用機構運動仿真圖解［M］.北京:電子工業出版社，2012.

［3］ 李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京:國防工業出版社，2006.

［4］ 鐘日銘.UG NX7.5完全自學手冊［M］.北京:機械工業出版社，2011.

［5］ 元增民，馬 璇.曲柄搖桿機構無急回特性的條件及其應用［J］.邢臺職業技術學院學報，2000，17(3):49-53.