婴儿推车的减振结构

婴儿推车的减振结构婴儿推车已成为现在年轻父母照顾婴童的必备用品之一，婴儿推车的创新和发展也是日新月异，主要趋势为功能多元化、造型美观化、质量轻巧化。由于婴儿推车是供自保护能力非常弱的婴童使用，其使用安全性直接关系着婴童的安全与健康，所以对婴儿推车的安全要求在世界各国标准中都非常严苛，尤其体现在结构安全、机械强度安全、阻燃性、化学毒性等方面，但目前的标准中却忽视了一个重要因素，即振动带来的伤害控制要求。为此笔者对婴儿推车的减振结构进行了研究，为进一步提高婴儿推车的减振效果以及制定相关标准来规范婴儿推车的抗振性能提供参考。1、婴儿推车振动的来源与伤害婴儿推车主要被消费者用来在室外运载婴童，道路颠簸时会产生振动激励，并通过婴儿推车传递到婴童的头部及身体其他部位。道路表面不平度［1］是振动产生的来源，按波长可将其分为长波、短波和粗糙纹理３种类型，其中长波引起车辆的低频振动，短波引起车辆的高频振动，而粗糙纹理则会引起轮胎的行驶噪音。振动对于人体的伤害是严重的，尤其是对于刚出生的婴童，因为其头部非常脆弱，大脑正处于快速生长期，而振动对大脑造成的伤害可能是不可逆的。根据人机工程学的观点，振动对人体的影响主要取决于振动频率、振动强度以及振动时间等因素。(1)振动频率人体能感受到的振动频率范围为1～1000Ｈｚ，对于低频率C20Ｈｚ以下)振动，人体以振摇和撞击而感受；对于高频率振动，人体则以疼痛甚至烧灼感而感受。不同频率振动对人体的影响详见表1［2］。(2)振动强度振动频率一定时，振动的强度C振幅或加速度)越大，对人体的影响或伤害也越大。(3)振动时间对于同强度、同频率的振动来说，振动的影响还同振动的作用时间有关，短暂时间内可以容忍的振动，时间_长振动产生的伤害就会累积。振动作用时间越长，对人体的影响也越大。振动作用时间分为连续作用和间断作用，其中连续长时间振动作用对人体的伤害较大，短期适量的振动，不但没有害处，有时还能起到良好的作用，如电子按摩器等可以用来消除身体疲劳，增加肌肉力量，恢复组织的营养，提高新陈代谢等。当振动频率较低时，则振动强度起主要作用。婴儿推车振动主要是在看护人推行过程中产生的，—般行人的速率在Skn^h-1，属于低频振动，所以振动的有害成分主要来自于振动强度，降低振动的强度包括振幅与振动加速度是非常关键的因素。2、婴儿推车采用的主要减振方式婴儿推车的减振，就是通过一系列的减振设备，有效弱化或减少道路表面不平度传导给婴儿尤其是头部的振动和不适，从而增加乘坐的舒适性和安全性。婴儿的头部约占全身比重的18%，在推行婴儿车期间，振动的冲击直接会传递到婴儿的头部，很可能会对坐在车里的婴儿造成伤害。目前婴儿推车的减振方式及手段主要是模仿汽车的减振技术，但婴儿推车的行车速度非常低，所以减振远不需要那么复杂。现行婴儿手推车采取的减振措施[3—5]主要有以下几种。(1)采用减振轮胎婴儿推车轮胎主要使用发泡轮胎，一些高档的婴儿推车开始采用充气式轮胎，这对大体积和质量的婴儿推车，其减振效果较为明显。另减振不仅与轮胎的材质有关，还与轮胎与路面的接触面积也有关系，因此轮胎越大、越宽，其减振效果就越好。(2)采用减振弹簧减振弹簧是一种附加的减振装置，将一组或者几组弹簧安装在轮子或车架上，能有效降低婴儿推车的振动。该种方式的减振效果相对更好，特别是对于最大承重比较大的婴儿推车都会采用该种减振措施，如三轮推车，双胞胎婴儿推车等。该种方式的减振效果也与弹簧本身的材质以及弹簧圈数有关，弹簧材质好，其减振效果也会相对较好。(3)车体减振车体减振主要是对车体进行整体减振设计，包括车体间隙以及在坐兜或卧兜与车架连接之间进行缓冲阻尼机构设计等。3、婴儿推车振动传递系统的数学模型分析婴儿推车作为一个系统，研究其系统的减振特性，即是通过振动对其输入信号和输出信号进行系统的频率响应分析，来反映系统对信号的传递特性C幅频特性和相频特性)，这取决于系统本身的特性，如图1所示C图中Ｋ为研究的系统，ｘCｔ)为输入信号，ｙCｔ)为输出信号，ｔ为时域方程中的时间变量)。图1系统分析示意图婴儿推车作为一机械系统，以上３种减振方式组成系统的3个传递过程，且相互之间为串联传递。不同的婴儿推车其结构不同，笔者选取功能最齐全的婴儿推车C具备充气轮胎、车架减振弹簧系统和车架部件阻尼系统)作为研究对象，对3个传递过程进行建模，并对时间域的函数进行拉氏转换变为传递函数，如图2所示。图2减振系统传递示意图振动系统传递函数如下：ＧCｓ)＝ＸｃCｓ)／ＸｒCｓ)＝Ｇ1Cｓ)·Ｇ2Cｓ)·Ｇ3Cｓ)C1)式中：Ｇ1Cｓ)为轮胎减振系统；Ｇ2Cｓ)为车架弹簧减振系统；Ｇ3Cｓ)为车架阻尼系统；ＸｒCｓ)为经拉氏转换的信号输入C频域)；ＸｃCｓ)为经拉氏转换的信号输出C频域)；ｓ为复域状态下的变量，对时间的导数。假设路面激励ｘCｔ)是频率ｆ的正弦连续函数，则有：ｘCｔ)＝ＡｓｉｎC2πｆｔ＋)C2)式中：ｆ为路面激励频率；为相位角；Ａ为路面激励振幅。轮胎减振系统，可看作线性传递系统，则轮胎传递函数为：ＦＫ1＝Ｋ1CＸ1－Ｘ2)C３)式中：Ｋ1为轮胎弹性系数；Ｘ1为婴儿推车内某点发生的位移；Ｘ2为婴儿推车内某点位置车架弹簧变形发生的位移。对于带有弹簧减振结构的车架，其传递系统函数为：ＦＫ2＝ＫＸ2C４)式中：Ｋ2为弹簧的弹性系数；Ｘ2为婴儿推车内某点位置车架弹簧变形发生的位移。对于车架各部件阻尼系统，由于阻尼是与速率成正比的，则其传递函数为：ｆＢ＝ＢｄＸ1ｄｔ－ｄＸ2ｄC)ｔC５)式中：Ｂ为车架阻尼系数。以上数学模型，构成了路面振动对婴儿推车振动传递过程的分析。为了进一步分析婴儿推车不同减振系统的减振效果，选取一台比较典型的推车进行系统分析。将以上传递函数导入计算机程序，并采用有限元分析方法，在车轮上给一路面激励的情况下，用计算机模拟出在坐兜某处产生的振动图谱。典型推车横纵车架受力图和有限元分析图分别见图３和图４。由于实际路面的路况比较复杂，因此其产生的激励也不同。有波浪式的路面，其产生的激励主要是正弦激励，ｘCｔ)＝ＡｓｉｎC2πｆｔ＋)；另外也会出现台阶式的路坑，其产生的激励主要是阶跃激励，ｘCｔ)＝ＳＴＥＰCｔｉｍｅ，0，0．５，0．0５)，其中假定位移量为５ｃｍ，见图５。图3车架受力图图４车架有限元分析图图５路面阶跃输为了很好地分析减振系统，分别将上述各个传递函数输入计算机，将另外系统屏蔽后进行模拟，分别得出婴儿推车坐兜内头部点的振动图谱如图６所示。其中，减振弹簧的振动传递系数较高，见图６Cａ)，其减振效果最差；充气轮胎的振动传递系数和减振效果次之，见图６Cｂ)；车架阻尼系统的振动传递系数最低，减振效果最好，见图６Cｃ)。图６婴儿推车不同减振系统的振动模拟输出频谱４、不同减振系统在极端路况冲击下产生的最大加速度的验证测量模型头部的最大加速度。道路的不平度产生的激励，主要来自于路面凸起引起的瞬间冲击，依据欧洲推车标准以及ＧＢ1４７４８－200６对于路面的模拟，主要是障碍块的激励引起的冲击，如图７所示。选取市场上典型的几类婴儿推车进行测试：①日本康贝品牌的具有车轮减振弹簧的推车，见图８Cａ)；②美国品牌的带有轮胎减振结构的推车，见图８Cｂ)；③英国Ｓｉｌｖｅｒｃｒｏｓｓ带有车架部件阻尼系统设计的推车，见图８Cｃ)。图７国家标准中模拟路况（两类障碍块）示意图图８测试用几类典型的婴儿推车图９实验室现场测试图图10图９为路况耐久测试现场形貌。车辆需放置在不规则表面测试设备上，车内放置并固定测试重物Ａ，使其３00ｍｍ的轴线在推车坐兜底部的中心位置。在测试过程中，为了使车辆能够保持在不规则测试设备的中心，附加弹性带应被连接到车辆的前轮支架和前轮支架侧面以及试验装备的侧面。车辆以C５±0．1)ｋｍ·ｈ－1速率行进，在模型头部C靠近顶部)上固定加速度计，测试振动加速度。带有减振弹簧结构推车的振动加速度监测图谱如图10所示，其中出现了多个峰值，最大峰值超过图10减振弹簧结构推车模型头部振动加速度输出。这些峰值主要是推车通过障碍块产生的阶跃冲击传递到婴儿模型产生的，虽然减振弹簧结构对冲击能量进行了存储，但之后能量被释放仍会形成了一个冲击传递到婴儿模型上。所以减振弹簧结构能起到一定的延缓冲击作用，但能量并未被车体吸收，仍会传递到婴儿模型上，减振弹簧的减振效果较差。典型的充气轮胎结构推车的振动试验图11加速度监测图谱如图11所示，可见振动峰值分布比较均匀，推车每次通过障碍块时产生阶跃冲击，产生的瞬间加速度接近20ｍ·ｓ－2。可见充气轮胎的减振效果要明显优于减振弹簧结构，主要是充气轮胎的直径较大，在通过障碍块时产生的车体冲击较小，同时被车轮吸收，转化成部分热能，传递到婴儿模型的能量已明显降低。典型的采用车架阻尼系统推车的振动加速度监测图谱如图12所示，图12可见在相同的路面激励下，产生的加速度峰值明显降低。由于采用了车架阻尼系统，车架连接部件之间以及车轮与坐兜之间都采用了尼龙部件进行隔离，冲击能量可被尼龙有效地吸收，因而加速度峰值低于1３ｍ·ｓ－2。５结论C1)婴儿推车的减振与车体本身的阻尼结构关系最大，充气轮胎与减振弹簧能起到一定的减振效果，但主要还是在车体本身的阻尼结构设计上，包括车架与布套之间的连接、车架连杆机构的设计以及减振弹簧的设计安装点等。C2)试验表明，在行进速率达到５ｋｍ·ｈ－1的情况下，遇到如标准值的障碍时，车体内的瞬间最大加速度可以达到５ｇCｇ为重力加速度)，也就是说产生５倍于人体重力的冲击力，这个力对婴儿的伤害是非常大的。所以，建议尽快制定我国的安全标准来规范对婴儿推车的抗振性能要求。