榫卯工藝風電玩具車的設計

陶曉琪，魯宇明，祥鷂懷，趙辰瑜

（南昌航空大學a.經濟管理學院；b.航空制造學院；c.飛行器工程學院；d.測試與光電工程學院，南昌 330063）

0 引言

玩具對兒童的身心發展與認知發展有著至關重要的作用，而現有的玩具車大多數為成品，無法讓小孩在參與玩具車組裝過程中鍛煉實踐能力，大多數普通外觀的玩具車其可玩性也較差。

本文設計了一款親子協作完成組裝的榫卯工藝風電玩具車，既能實現親子互動，還可以開發智力。榫卯工藝風電玩具車采用成本較低的木制材料且構件可拆卸或組裝。其底部框架采用的是具穩定性的三角形結構，此結構組裝流程更為簡單，靈活性更強，也方便安裝、使用與攜帶，更利于激發孩子自主創新的興趣，提高動手操作能力[1]。另一方面，現代工業生產中絕大多數玩具車采用膠水等化學物質黏合劑粘連，存在一定程度上的危害。無需一釘一劑的榫卯結構是藏在木頭里的靈魂，一榫一卯、一轉一折、暗藏玄機，做出巧奪天工、渾然天成、天衣無縫的效果。榫卯——傳統藝術中的結構美學，一種驚艷千年的中國美，堪稱人類輕工制造史上的奇跡，可極大地提升玩具車的耐看性與持久性。該技術對本次榫卯工藝風電玩具車的設計研究中解決如何穩定牢固地連接構件的問題具有重要參考意義[2]。

1 總體結構及方案設計

1.1 榫卯工藝風電玩具車基本結構

榫卯工藝風電玩具車整體結構如圖1所示。玩具車由3個長木條構成車身底部框架，不僅可保證玩具車結構穩定，而且結構簡單，通過在第一長木條1、第二長木條2上安裝大車輪5與小車輪22，構成玩具車的行走結構；通過直流電動機13驅動第一扇葉18和第二扇葉19轉動，構成玩具車的動力裝置；將扇葉設置成披針形，外形更為美觀且增大了扇風量，從而比一般小汽車型玩具車的可玩性強，綜上所述即構成榫卯工藝風電玩具車的基本結構[3]。

圖1 榫卯工藝風電玩具車基本結構

1.2 行走結構設計

在拼接上，榫卯工藝風電玩具車部分榫卯連接口如圖2所示。玩具車的第三長木條10構件兩端設計短形榫頭8，分別連接在第一長木條1和第二長木條2所對應的榫眼9上；第一、二長木條兩端均設置有斜面切口4貼于大車輪5，而第一圓木棍6通過軸承將中心開口的大車輪與帶卡口3的第一、二長木條構件采用圓榫的榫接方式貫穿連接，多種榫接方式結合使各構件更緊密地組合在一起，成為結實牢固的一個整體[4]。如圖3所示，通過3個長木條結合成穩定的三角形，從而構成整個玩具車底部框架，既可以保證榫卯工藝風電玩具車的穩定牢固，又可以使此結構組裝更為簡單[5]。大車輪外圍安裝一個小車輪于側端的設計可防止玩具車在行駛過程中左右晃動。這樣的行走結構設計使玩具車不易發生偏移，確保了車輪垂直方向的穩定。

圖2 榫卯連接口

圖3 榫卯工藝風電玩具車俯視

1.3 動力裝置設計

榫卯工藝風電玩具車的第三長木條7上固定設置有立柱10，如圖4所示，立柱上開設的安裝槽11中可拆卸地設置有安裝座12，其上設有與直流電動機13配合的圓弧切口15，直流電動機通過與第二圓木片14上的插槽16配合連接。如圖1與圖3所示，第一長木條1、第二長木條2上設置有電池板23，直流電動機13和電池板23上均設置有電源觸點24，電源觸點之間通過電線連接。電線接通后，開關開啟電池板將會供電給直流電動機，為扇葉提供轉動的動力來源，促使直流電動機運行轉動帶動玩具車前進，在行駛過程中風力會繼續帶動扇葉轉動。當玩具車達到一定速度關閉開關以減少電力消耗，若因風力不足導致車速減慢會再開啟開關繼續提供動力，形成電力和風力相互切換的動力裝置。

圖4 披針形扇葉與直流電動機連接

1.4 披針形扇葉風向分析

榫卯工藝風電玩具車的扇葉構件設計如圖5所示。扇葉身的長度為寬度的4～5倍，中部以下為最寬，上部漸狹，形成披針形的形狀可擴大覆蓋面積，不僅低阻節能，還可以產生較大風力[6]。扇葉與圓木片以暗榫的方式拼接并與玩具車的軸向成一定角度，固定的披針形扇葉一邊高于風向與另一邊低于風向的設計，可以將風聚集在扇葉表面往一個方向吹動。在扇葉正常運轉時，因上方弧線較長的披針形，其上方表面的空氣流速會比下方快，根據流體力學分析，由于上方的壓強較小，扇葉會受到一個向上的力，根據牛頓第三定律中作用力與反作用力相等的原理，扇葉會推動下方的空氣流動，加上披針形扇葉與圓木片的斜接的設計會向下撥動空氣，帶動扇葉轉動做圓周運動[7]。另一方面，扇葉受到的風力則被分解為2個方向的力，一個是沿軸向傳遞的力，另一個是沿徑向傳遞的力，通過風施加于軸向下壓的壓力可減少玩具車擺動并維持其穩定性，沿徑向傳遞的力則帶動玩具車前行。在保證空氣動力學穩定性和風壓中心與玩具車質心重合的前提下，考慮玩具車扇葉的各處壓力分布，披針形扇葉的設計不僅外形美觀，還增大了扇風量，比一般小汽車型玩具車的可玩性強[8]。

圖5 披針形扇葉俯視

綜上所述，在榫卯工藝風電玩具車的設計方案中，針對玩具車構件披針形扇葉，下文運用有限元技術對榫卯構件所涉及的空氣動力學等相關內容進行研究。

2 有限元建模與仿真

為了研究扇葉對周圍空氣的影響，并驗證披針形扇葉的設計自身物理屬性是否滿足要求。在Fluent軟件中采用無滑移的流動模型對披針形扇葉壁面表面的空氣分子仿真[9]，圖6是x-y平面及x-z平面速度矢量圖，表明扇葉周圍的空氣分子能在黏性力的作用下做布朗運動，且扇葉中心分子受到慣性力與壓差力后能做勻速圓周運動。圖7為扇葉各部位速度矢量圖，表明披針形扇葉中心域網格較密，而非加密區的流場域的矢量圖整體趨勢呈現較為平順的流場運動方向。圖8為x-y及x-z平面速度云圖，表明扇葉的披針形外形設計能夠很好地避免旋轉時產生的湍流，達到減小空氣阻力的效果[10]。

圖6 x-y平面及x-z平面速度矢量

圖7 扇葉各部位速度矢量

圖8 x-y及x-z平面速度云圖

通過流體力學分析可以驗證扇葉的披針形設計達到了所需的標準，具備可投入使用的條件。

3 結論

本文從外觀設計、構件連接、風向分析3個層面對玩具車進行設計研究與優化創新，最后通過流體仿真對設計研究方案進行驗證與評價。主要研究成果如下：1）對榫卯工藝風電玩具車進行設計研究，從車穩定性、組裝方式、動力來源進行聚類分析，設計出榫卯工藝風電玩具車的結構，三角形底部車身框架通過榫卯結構連接大小車輪構成行走結構，直流電動機與風力結合驅動扇葉轉動構成動力裝置。2）基于玩具車外觀設計，對玩具車扇葉構件進行分析，設計出符合空氣動力學原理的披針形扇葉結構。3）根據榫卯工藝風電玩具車的設計研究方案，通過有限元軟件Fluent進行仿真，驗證了扇葉披針形設計符合空氣動力學原理，并驗證了該玩具車設計方案的可行性。