便攜式車輛自救多功能裝置設計與分析

藏加宇，林文樹，馬　川，呂濤偉

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

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便攜式車輛自救多功能裝置設計與分析

藏加宇，林文樹*，馬川，呂濤偉

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

摘要：針對汽車發生緊急情況，尤其是在野外拋錨無人援助的情況下，設計一種便攜式車用自救多功能裝置。本論文的設計主要將棘輪棘爪結構、鋼絲繩卷筒結構、齒輪齒條結構結合在一起，并為其設計了特殊結構的底座，使其適用于農田及林區道路環境下車輛拋錨時的自救及捆綁貨物。同時，利用ANSYS軟件對設計的裝置進行可靠性分析。本裝置可實現多種功能，且性能可靠，操作簡單，制造低廉，具有較大的市場推廣價值。

關鍵詞：便攜式；多功能；自救；設計

引文格式：藏加宇，林文樹，馬川，等.便攜式車輛自救多功能裝置設計與分析[J].森林工程，2016，32(1)：59-63.

0引言

雖然隨著經濟發展私家車逐漸普及，但是在道路建設落后的地區行車或是駕車越野時，常會遇到車輛拋錨或陷入泥濘中等窘境[1]，在這種情況下請人施救非常困難，所以經常需要車主自行利用身邊工具脫困。然而以現有方法和工具對現場作業條件和人力有諸多要求，很難快速便捷地完成作業。

針對目前的汽車拖拽、牽引、起重裝置存在體積過大、操作不便、不便于攜帶等諸多問題，針對車輛遇困時施工作業難等情況設計了一款便于攜帶、使用方便、價格便宜、多功能、可單人獨立操作的便攜式車用自救多功能裝置，不僅適用于車輛脫困，還具有捆綁、收緊、起升等實用功能，可應用于林區、農田、工廠以及復雜地況的施工作業。

1總體結構設計及實施方式

利用Pro/E軟件所設計的便攜式車用自救多功能裝置如圖1所示，能夠實現以下功能[2]。

(1)作為牽引裝置能快速可靠地把車輛牽引至平坦路面。

(2)作為起升裝置能快速可靠地起升重物并能使重物保持一定的高度。

(3)作為收緊捆綁裝置有一定的收緊力和較大的捆綁能力。

(4)在車輛溺水時可作為破窗工具。

圖1　裝置存放時狀態Fig.1 The storage condition of the device

便攜式車用自救多功能裝置的功能實施方式如下。

實施方式1：扳動止回棘爪使其處于開啟狀態；扳動驅動棘爪拉出吊鉤及鋼絲繩；將吊鉤掛在被困車輛的牽引鉤上；抽出底座內的鋼釬及齒條；將鋼釬穿過底座四角處的圓孔并插入土地或砂石地中固定底座；扳動止回棘爪使其處于閉合狀態；施力使增力桿上下往復運動；增力桿通過驅動棘爪使棘輪作旋轉運動；棘輪通過鍵使小齒輪作旋轉運動；小齒輪與大齒圈嚙合使其作旋轉運動；大齒圈帶動卷筒旋轉使鋼絲繩作直線運動，從而牽引車輛脫困[3-4]。實施過程如圖2所示。

圖2　將裝置固定在地面上的狀態Fig.2 The condition of the device fixed on the ground

實施方式2：準備一段繩子，一端掛在鉤組的吊鉤上，另一端捆綁于護欄或樹干上；其他操作方式同實施方式1使鋼絲繩作直線運動從而牽引車輛脫困。實施過程如圖3所示。

圖3　將裝置固定在護欄或樹干上的狀態Fig.3 The condition of the device fixed on the guardrail or trunk

實施方式3：扳動止回棘爪使其處于開啟狀態；扳動驅動棘爪拉出吊鉤及鋼絲繩少許；將鋼釬抽出并插入底座一側的4個圓孔中，轉換裝置方向使鋼釬起到支撐作用；按實施方式1驅動裝置使大齒圈作旋轉運動；卷筒的另一側大齒圈通過和齒條嚙合帶動其沿裝置長度方向直線運動達到起升重物的目的[5-8]。實施過程如圖4所示。

實施方式4：將吊鉤掛在鉤組的吊鉤上；其他操作方式同實施方式1，最終使大齒圈帶動卷筒旋轉使鋼絲繩收回從而達到捆綁貨物的功能。實施過程如圖5所示。

圖4　裝置起升重物狀態Fig.4 The lifting condition of the device

圖5　裝置捆綁貨物狀態Fig.5 The condition of binding goods

實施方式5：拉出吊鉤及鋼絲繩將吊鉤掛在貨物上；將鉤組的吊鉤掛在車廂上；其他操作方式同實施方式1，最終使鋼絲繩收回，從而增大了貨物與車廂間的摩擦力從而達到固定貨物的功能。實施過程如圖6所示。

圖6　裝置固定貨物狀態Fig.6 The condition of fixing goods

實施方式6：模仿逃生安全錘原理將裝置上的鋼釬進行修改，如圖7所示，在車輛溺水時可進行破窗逃生，但是考慮到逃生錘發展現狀以及車窗玻璃的防爆性能，逃生錘的破窗能力有待提高，因此該安全逃生鋼釬僅作為輔助破窗工具。

圖7　安全逃生鋼釬Fig.7 Safe escape steel

另外，為了更清楚的表達局部細節，便攜式車用自救多功能裝置的棘輪棘爪和齒輪傳動部分、齒輪齒條傳動部分分別如圖8和圖9所示。

圖8　棘輪棘爪和齒輪傳動局部放大圖Fig.8 The local amplification figure ofthe ratchet pawl and gear transmission

圖9　齒輪齒條傳動局部放大圖Fig.9 The local amplification figure of the pinion and rack drive

2裝置的起升與牽引能力計算

增力桿的把手施力中心位置到增力桿的旋轉軸心距離為340 mm；棘輪相當于過輪或中介輪，從而可以省去棘輪的參數計算；小齒輪的分度圓直徑為40 mm；大齒圈的分度圓直徑為108 mm；卷筒直徑為70 mm。

通過查閱相關工具書得到數據[9-10]：手動絞盤的人工額定施力值F為700 N；圓柱形加工齒的齒輪的傳動效率ρ1為0.94~0.96；棘輪傳動的效率ρ2為0.96~0.98；齒輪與齒條的傳動效率ρ3為0.94~0.98；滑動軸承的摩擦系數μ為0.08~0.12。取齒輪傳動效率ρ1為0.95，棘輪傳動的效率ρ2為0.97；齒輪與齒條的傳動效率ρ3為0.96；滑動軸承的摩擦系數μ為0.10。

起升能力計算公式：

(1)

牽引能力計算公式：

(2)

經查詢，1.6 L排量轎車重為1.2 t左右，越野車重為1.4 t左右，2.0 L以上排量的轎車重為1.4~1.8 t，越野車重為1.6~2.0 t。因此本裝置以車重G為2.0 t進行檢驗。假設有一車輪需要支起，則：

因此，裝置的起升能力滿足要求。

把輪胎陷入凹坑情況，簡化成如圖10所示[11-12]。

圖10　輪胎陷入凹坑簡化圖Fig.10 The simplified graph of the tire falling into a pit

經受力分析可得，要想拖出車輛需滿足關系式：

(3)

將數據帶入公式(3)得：

因此，裝置的牽引能力滿足要求。

3鋼絲繩的選擇

鋼絲繩中的鋼絲在工作中的受力情況是很復雜的，針對鋼絲繩的選型需要一個系統的過程。具體的步驟總結如下：①先確定起重機的載荷；②確定鋼絲繩的倍率；③確定鋼絲繩的單繩拉力；④確定起重設備的安全系數；⑤確定鋼絲繩的最小破斷拉力(MBL)，MBL=單繩拉力×安全系數；⑥根據鋼絲繩的MBL來選擇鋼絲繩的直徑；⑦根據鋼絲繩的直徑大小，再確定卷筒，滑輪繩槽直徑[13]。由于鋼絲繩在工作時會承受拉伸、彎曲、擠壓和扭轉的分別作用或同時作用，由此產生的應力大小，不僅與鋼絲繩張力有關外，還與鋼絲繩的股數、捻制方法、螺旋角大小、鋼絲間的接觸方式以及繩芯的材料等有關，為簡化計算，可根據靜載荷來計算選擇鋼絲繩。

計算鋼絲繩直徑公式：

(4)

式中：d為鋼絲繩最小直徑，mm；C為選擇系數，mm/N；Smax為鋼絲繩最大靜拉力，N。

選擇系數C的取值與機構的工作級別有關。根據裝置的工作環境選擇其安全系數n為4，C值為0.085，根據裝置的牽引能力為19.7 kN，取Smax為19.7 kN。

根據公式(4)計算

通過上述計算選擇鋼絲繩直徑為12 mm，A級、單繞、同向捻、圓股、線接觸、光面鋼絲、有機芯鋼絲繩。鋼絲繩的一端以螺栓壓板的方式固定在卷筒上，繩身部分多層纏繞在卷筒上，鋼絲繩的另一端接吊鉤，卷筒作旋轉運動時可帶動鋼絲繩及吊鉤沿直線方向作收縮運動。

4棘爪的有限元分析

4.1分析的背景

自救裝置包括棘爪、棘輪、小齒輪、大齒圈、齒條等主要構件，由于篇幅有限，本文只對棘爪部分進行分析。此裝置中的兩個棘爪(驅動棘爪和止回棘爪)是主要受力構件。增力桿驅動棘爪推動棘輪轉動，將增力桿的往復運動轉變為棘輪的間歇運動。當裝置做牽引或起升受到外載荷時，止回棘爪阻止棘輪反轉，起到承載作用。不管是哪一種工作狀態，棘爪的作用是不變。棘爪是這一裝置中一個比較薄弱的環節，極容易出現失穩的情況。所以采用ANSYS軟件著重對棘爪進行可靠性分析。

4.2棘爪的機構設計和受力分析

(1)采用外嚙合齒式棘輪機構，材料選用Q235碳鋼，淬火處理后棘爪頭部的硬度值要達到52～56HRC。

(2)驅動棘爪安裝在增力桿上，尾部打孔與增力桿之間安裝彈簧，整體形成一個杠桿模型。彈簧的收緊力一直施加在棘爪的尾端。

(3)止回棘爪安裝在底座上，能實現開閉兩個狀態，彈簧安裝在止回棘爪和底座之間保持適當的預緊力，止回棘爪留有扳柱。

兩個棘爪受力狀態是一樣的，都是鉸接孔處的節點限制5個自由度，與棘輪接觸點處受到棘輪的切向力。

在設計方案中，棘輪齒根圓的半徑為20mm。因此，可得到驅動棘爪端部受到的力公式：

(5)

式中：F1為棘爪所受作用力；F′為操作者施力大?。籐為增力桿的計算長度；R為棘輪的半徑。

止回棘爪所受力由外作用力決定，選車用多功能自救裝置起升狀態時的額定起升值，即最大起升量作為參考值，額定起升量W是12.8 kN，大齒圈的分度圓直徑為108 mm，小齒輪的分度圓直徑為40 mm，棘輪的齒根圓直徑為46 mm，壓力角α忽略不計，摩擦作用忽略不計。因此可得到止回棘爪端部受到的力公式：

(6)

式中：F2為止回棘爪所受作用力；W為額定起升量；d2為小齒輪的分度圓直徑；d3為棘輪齒根圓直徑。

4.3建立棘爪的有限元模型

驅動棘爪和止回棘爪材料均采用碳鋼，材料的彈性模量為2.01×105MPa，泊松比為0.3，許用應力為40～46 MPa。采用自由網格劃分方法，得到驅動棘爪的位移云圖如圖11所示、應力云圖如圖12所示，止回棘爪的位移云圖如圖13所示、應力云圖如圖14所示[15]。

圖11　驅動棘爪的位移云圖Fig.11 The deformation figure of the driving ratchet

圖12　驅動棘爪的應力云圖Fig.12 The stress nephogram of the driving ratchet

圖13　止回棘爪的位移云圖Fig.13 The deformation figure of the check ratchet

圖14　止回棘爪的應力云圖Fig.14 The stress nephogram of the check ratchet

驅動棘爪的最大位移量為l1max=0.139×10-6m，止回棘爪的最大位移量為l2max=0.494×10-6m，最大位移出現在力的作用點處。根據棘爪選用材料的性質，彈性模量E=200GPa，可以求得棘爪在力的作用點的最大撓度公式：

(7)

(8)

式中：F為力的作用點處所施加的力；L為棘爪長度；E為材料的彈性模量；I為棘爪截面的慣性矩，計算公式：

(9)

由計算可知，w1>l1max，w2>l2max，所以所設計的棘爪結構及選用的材料滿足剛度要求。

驅動棘爪所受的最大應力為1 671 Pa，最大應力分布在力的作用點處。止回棘爪所受的最大應力為1 866 Pa，最大應力分布在力的作用點處，并且在安裝彈簧的小孔處產生有應力集中。根據卷筒選用材料的性質可知σmax≤[σ]。所以所設計的棘爪結構及選用的材料滿足強度要求。

5結論

本設計將牽引、收緊和起升等功能融為一體，并將各機械機構有機結合，高度集成了多種設備的功能，具有很強的實用性、便攜性，且節約人力和成本。突破了傳統牽引設備功能單一的弊端。獨有的傳動與固定系統設計，使受困人員在關鍵時刻可以從容、快速地自救使車輛脫困。通過起升與牽引能力計算得出裝置的起升能力為12.8 kN，牽引能力為19.7 kN，符合要求。通過ANSYS軟件分析得出，剛度校核時，棘爪的變形量均小于材料的最大撓度值；強度校核時，棘爪的應力值均小于材料的許用強度，即棘爪既滿足強度要求又滿足剛度要求，所以設計的棘爪是合格的。

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Design and Analysis of A Portable and Multi-function Vehicle Self-rescue Device

Zang Jiayu，Lin Wenshu*，Ma Chuan，Lv Taowei

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：A portable and multi-function car self-rescue device was designed in order to solve the problem of car emergency，especially break down in the wild without assistance.The structure of the ratchet wheel and pawl，structure of cable drum，and structure of gear rack were combined together and a base with special structure was designed which is suitable for self-rescue and binding goods when the car broke down in the farmland or forest environment.Meanwhile，ANSYS software was applied to analyze the reliability of the designed device.The device can realize multiple functions，which is reliable，simple to use，and low cost，and has great value in the market.

Keywords：portable；multi-function；self-rescue；design

*通信作者：林文樹，博士，副教授。研究方向：地面激光掃描，3D打印，計算機建模與仿真。E-mail:linwenshu@126.com

作者簡介：第一藏加宇，本科生。研究方向：計算機建模與仿真。

基金項目：東北林業大學大學生創新項目(Cx-2014-5)

收稿日期：2015-09-30

中圖分類號：S 714.8

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)01-0059-05