浮动万向轮的结构设计 (2)

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1、浮动万向轮的结构设计 浮动 万向轮的结构设计张 克贵 摘要：在分析了浮动式万向轮原始设计存在的缺点和不足之后，提出一种新的结构设计方案，并对两种设计方案在理论上进行了分析和对比。关键词：浮动式；万向轮；结构设计；对比1引言对一个专业的图书设备厂来说，登高书梯（ 如图 1）是 不可或缺的产品之一。不可或缺的产品之一。 为了能够提高书梯的使用性能，方便书梯的移动，通常在书梯的4个脚上各安装1个万向轮。 考虑到书梯的规格 （ 高1000mm宽500mm 长 600mm） 较小及其整体美观性， 一般都采用滚子直径较小的万向轮 （ 滚子直径!50mm左右） ， 但用户在使用时经常会遇到这样两个问题: （

2、 1） 人爬上去以后书梯有晃动， 不安全； （ 2） 长期使用后万向轮容易损坏， 返修率较高。2 浮动式万向轮的 “ 原始” 设计为了解决上述设计中存在的不足，部分厂家对万向轮的结构作了一定改进，改进后的万向轮结构基本如图 2 所示， 笔者称之为 “ 浮动式万向轮”。改进万向轮结构的主要目的是实现书梯在空载时能依靠弹簧的弹力作用使其四脚离开地面，这样书梯就能在水平拉力的作用下依靠万向轮作任意方向的移动， 但当人攀爬而使书梯负载之后，弹簧的承压增大， 压缩后书梯的四脚着地，这样就可以避免书梯的晃动和万向轮的损坏。 但实际上， 此种浮动机构的设计很难达到预期目的， 因为设计本身在理论上就存在两个缺

3、点:（ 1） 不管万向轮处于何位置， 其上方的滑杆总在承受着一定径向力的作用， 极易产生 “ 卡死” 现象;（ 2） 书梯四脚离地距离不等， 整体处于倾斜状态， 甚至在书梯移动过程中产生脚碰擦地面的现象。3 浮动式万向轮的结构改进针对图 2 设计中存在的不足，笔者对它的浮动机构作了结构改进， 改进后的浮动机构如图 3所示。它不但从根本上解决了图 2 万向轮的 “ 卡死”现象，而且对书梯四脚离地距离不一致的现象亦有较大改观，并且达到了设计的预期效果。4 两种结构设计的分析和对比下面从理论力学和几何学的角度对图 2 和图 3 两种书梯浮动式万向轮的受力和四脚离地距离进行分析和对比。首先分析图 2

4、的万向轮浮动机构，选取图 4 这一典型位置来对万向轮进行受力分析，同时寻找书梯四脚离地距离的对比关系。在对图 2进行分析之前， 要先说明两个问题: （ 1） 书梯在移动过程中， 4 个万向轮的摆动方向应该一致； （ 2） 书梯在进行方案设计时， 考虑到 4 个万向轮的受力均衡性， 一般都将书梯的重心置于四脚的中心位置。基于上述两点，图 2 万向轮的受力分析如图 4 所示，此时图 4 的前后两只万向轮刚好承受书梯总重量的一半。 考虑到计算方便并结合书梯的实际结构尺寸， 选取L1=L0 /4， L2=L0 /12。根据力矩平衡原理不难得出:万向轮 1所受作用力F1= （ L0- L1+L2 ） /

5、 （ 2L0- 2L1 ） G/2=5G/18万向轮 2所受作用力F2= （ L0- L1- L2 ） / （ 2L0- 2L1 ） G/2=4G/18那么： F1/F2=5/4如果暂且忽略万向轮滑杆所受径向力的作用，那么可以近似认为两弹簧的变形长度与两轮所受作用力大小成正比关系,即 1/ 2=5/4 。从而可以根据几何学的三角形相似原理计算得到前后两脚离地的距离之比为:h1/h220/11。依照同样的方法对图 3 万向轮浮动机构进行受力分析 （ 见图 5） 后可以得到 F1/F2=13/11, h1/h213/11。通过比较图 4、 图 5的两种浮动机构的受力分析过程和计算结果， 不难发现两点:（ 1） 两种浮动机构的书梯在万向轮处于同一位置时，四脚离地距离的一致性确实存在很大差异， 图 3相对图 2能较好地解决距离一致性的问题。在设计图 2 万向轮浮动机构时， 如果未能充分意识到四脚离地距离的差异性，设计时弹簧的刚度选择过小， 或者书梯空载时， 四脚离地距离设计过低， 亦或万向轮滚子直径选得过大， 都有可能使书梯的某脚在万向轮的方向变换过程中触及地面。（ 2） 两种书梯的万向轮位置变换都将直接影响 4 个万向轮的受力大小和书梯四脚离地距离的一致性，仅以某一脚离地距离为例，它的大小将随着万向轮的圆周方向的旋转而呈周期性变化。读者不妨对万向轮进行换位计算比较。