李桂林，麦云飞

（上海理工大学机械工程学院，上海200093）

1 设计背景

就目前中国的大环境而言，年轻的父母忙于工作，有很多孩子与祖辈生活在一起，而祖孙的生活都是以孩子为中心的。在超市门口、公园里及广场上，儿童坐在摇摇车上玩乐不肯下来的时候，爷爷奶奶只能在一旁苦等，却不能有自己的休闲方式。家中有人因为行动不便而不方便出门，又没有合适的乘坐工具将他们带到户外呼吸新鲜空气、晒晒太阳。那么能不能有一种器械让行动不便的人群出行休闲变得简单，让孩子娱乐与老人休闲两不误。鉴于此，本文设计出集娱乐与休闲为一体的小车，它的多功能座椅能来回晃动，供小孩乘骑，让小孩子享受骑马的乐趣，同时也能够供腿脚不太方便的人群比如老人使用。

2 结构设计

2.1 总体结构设计

本文设计的供儿童和老人娱乐及休闲的小车结构示意图如图1所示，主要由链传动1、车体、多功能座椅、连杆、摇杆、链传动2、曲柄和离合器机构等组成。当孩子需要陪伴、玩耍的时候，该小车的多功能座椅让小孩乘骑并且来回晃动，如同让孩子骑上马在草原上奔驰一样。在孩子享受乐趣的同时，爷爷也可以骑着它四处转转，休闲一下。阳光灿烂或者茶余饭后腿脚不太方便的人群比如说老人，在想出去晒晒太阳、走一走的时候，将小车的多功能座椅变形一下，任它的主人乘骑，载着主人去他想去的地方。

图1 儿童和老人娱乐及休闲小车结构示意图

2.2 小车工作原理

（1）驱动方式的实现：儿童和老人娱乐及休闲小车采用两轮前置式的三轮结构，前轮作为转向轮，后轮为驱动轮，并沿用了自行车的链传动方式，通过双脚交替蹬踏板来驱动后轮，从而推动小车向前行驶。儿童和老人娱乐及休闲小车前部安装有多功能座椅，小孩与成人可以乘坐以及可以用来装载一些物品。

（2）娱乐功能的实现：牙嵌离合器与大链轮9、曲柄3安装在轴11上，飞轮7安装在轴6上，大连轮9与飞轮7通过链条8连接。前轮轴与前轮固连，后轮驱动小车前进时，前轮轴6转动，带动大链轮9转动，在牙嵌离合器的作用下，轴将动力传递给曲柄。曲柄摇杆机构5上安装有多功能座椅，曲柄有了动力之后，使曲柄摇杆机构按照设计的轨迹运动。通过曲柄摇杆机构带动座椅实现摇晃动作，具体结构如图2所示。

（3）休闲功能的实现：将牙嵌离合器的左盘2和右盘10通过拨叉1分离，这样轴11就不会随着链轮的转动而转动，从而使曲柄失去动力，为了稳固性更强，将曲柄与摇杆通过销钉4连接，曲柄与摇杆锁定，曲柄不再随着前轮轴的旋转而转动，即座椅不再晃动。

图2 娱乐功能原理图

2.3 传动部分计算

本设计中的小车采用普通自行车的驱动方式，人在踩踏板时，由与踏板相连的链轮带动后面的飞轮转动，从而带动后轮转动，由于车轮与地面之间是纯滚动，因而后车轮与前车轮在相同的时间内转过的弧长相等，又由于两轮大小一样，因而前后车轮的转速相同。这里选取链轮齿数Z1=32，后轮飞轮齿数Z2=18，故传动比为i12=1.78。

现对图2中的链传动进行设计，取传动比为i34=1.6。

（1）为了使结构紧凑，飞轮的齿数不易过多，飞轮齿数的多少对传动平稳性和使用寿命有很大的影响，飞轮的齿数Z过少，会增加链传动的不均匀性和动载荷，链传动的寿命会降低，链节在进入和退出啮合时，相对转角增大，磨损增加，功率损耗也增大，因而飞轮的齿数Z不宜过少［1］，于是取飞轮的齿数Z1=20，则大链轮齿数

（2）初选中心距a0

中心距a0太大会使链发生抖动，为了使结构紧凑，初取中心距为a0=17p。

（3）计算链节数

取整为60 mm。

（4）计算功率

取车轮与地面之间的动摩擦系数为f=0.15，小车可承受的最大负载为300 kg，其对地面的总压力为G=300×9.8 N=2 940 N。因为总重是由三个车轮共同承担，且每个车轮的负重基本相同，因而每个车轮受到的摩擦力为F=fG=×0.15×2940=147 N。

经查资料得知，正常情况下人蹬踏板的转速为n0=2 r／s，则飞轮的转速为

经查阅相关手册，选择链号为08A，节距为12.70 mm。

（5）中心距

（6）验算链速

查表知速度在0.6～3 m／s时，齿数17≤Z3≤21，取Z3=20，飞轮的齿数符合条件。

（7）多功能座椅摇摆范围确定

本设计中的多功能座椅的摇摆是通过曲柄摇杆机构实现的，一方面要能使小孩儿享受骑马的乐趣，另一方面要避免座椅摇晃的幅度过大，带来一些不安全因素，因此本文运用图解法对该部分的曲柄摇杆机构进行了设计，确定了各杆件的尺寸和摆角的大小。

一般情况下，曲柄摇杆机构具有急回特性，即摇杆在工作行程时速度比较慢，在回程时速度比较快［2］。本设计要达到规定的要求，因此该曲柄摇杆机构不能具有急回特性，即其行程速比系数K=1，极位夹角θ=0°，此时当摇杆在两个极限位置时，曲柄和连杆恰好都共线，曲柄与机架的平方和等于连杆和摇杆的平方和［3］。在进行方案设计时，先确定了曲柄和摇杆的长度，分别为40 mm和70 mm，然后利用图解法，确定出机架和连杆的尺寸以及摆角，如图3所示。

图3 无急回特性的曲柄摇杆机构简图

3 样车的制作及试验

经过分析、计算和设计图纸后，制造和装配出样车，如图4所示。经组装、调试，样车能灵活运行，可实现娱乐功能、休闲功能、载货功能及可折叠存放功能，从而验证了设计的可行性。从儿童角度来讲，可以行走的摇摇车比固定在某些场合的摇摇车更具有吸引力，给孩子带来骑马的乐趣；从家长角度来讲，前置的儿童车座在出行中让孩子始终在家长的视线内，孩子更安全，家长更放心；从老人的角度来讲，既可以与子女一同出游，又可以载着腿脚不灵活的老伴进行散步、晒太阳等休闲活动，还可以如同小马车一样帮助老人们解决买米油等难运回家的困境；从结构上来讲，本设计中的小车比两轮式自行车稳定性更强，又比传统三轮车结构小巧，还可折叠存放，节省空间，且在设计上更加人性化，如同牛马一样任劳任怨。

图4 小车实物图片

4 结 论

本文设计并制作出一种供儿童和老人娱乐及休闲的小车，改变了传统儿童摇摇车只能在某一位置（公园、超市门口）固定的状况，通过巧妙的设计，让小车与简单代步工具相结合，让家长带孩子出行变得简单又充满快乐。

前置座椅可人为调节，既能实现孩子的娱乐、老人的休闲，又能够实现重物（比如超市采购米、油等生活用品）搬运的功能，所谓一“马”多用。就目前中国社会来讲，留守儿童和老人居多，这种稳定性强，功能多种多样，极富娱乐性又操作简单的小车，既深得儿童喜欢，还能为老人们的生活娱乐带来许多便利，故其适用范围极广，具有极大地应用前景。

［1］濮良贵，纪名刚.机械设计（第7版）［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］马 璇，马 英，高英敏.无急回特性的曲柄摇杆机构的性质和设计［J］.机械科学与技术，2003，22（s1）：152-153.

［3］曹冬美，蒋兆军.无急回特性曲柄摇杆机构的图解分析和设计［J］.无锡职业技术学院学报，2009，8（5）：35-38.