一種吸附式車載行李架的仿生設(shè)計(jì)

蔣敏隆

摘 要：本文基于形態(tài)仿生，提供了一種吸附式車載行李架的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，利用分散的橡膠吸盤和抽氣閥的配合使行李架縱梁吸附在汽車不同寬度的表面上，同時(shí)改善傳統(tǒng)汽車行李架拆卸繁瑣等情況，從而提高汽車出行的便捷體驗(yàn)。它是由支撐桿、支撐裝置、限位裝置和吸附式底座等零部件組合而成。

關(guān)鍵詞：仿生;吸附式底座;車載行李架;組合

1 引言

汽車在中國市場作為消費(fèi)品的需求程度不斷提升，其互補(bǔ)產(chǎn)品也很熱門。我們通常選擇在車頂利用汽車行李架對運(yùn)動器材、大件行李等貨物實(shí)現(xiàn)裝載出行。但傳統(tǒng)行李架的裝卸存在一定局限性，對于沒有車頂架結(jié)構(gòu)的車型更需要通過焊接或者鉚接來固定行李架，也有設(shè)想通過吸盤吸附的固定方式，但往往采用單一尺徑的吸盤結(jié)構(gòu)，對寬度比吸盤直徑小或者較大弧度彎曲的表面無法正常吸附，從而導(dǎo)致該類承載結(jié)構(gòu)的適用環(huán)境也有一定局限。

本文所介紹的車載行李架的優(yōu)化性設(shè)計(jì)表現(xiàn)在吸盤多觸點(diǎn)吸附和組合形式的實(shí)現(xiàn)。

2 章魚觸腕的優(yōu)性分析

在考慮利用吸盤作為支撐結(jié)構(gòu)的時(shí)候，章魚觸腕有很大的借鑒意義。通過其他資料對章魚腕足的特征形態(tài)進(jìn)行分析后，我們總結(jié)了其中的兩項(xiàng)優(yōu)性。一項(xiàng)是章魚觸腕的柔性。柔性的觸腕意味著對起伏變化的表面的附著性能良好，因此需要在滿足強(qiáng)度要求的條件下適當(dāng)增加吸附裝置的柔性。另一項(xiàng)是觸腕上吸盤的獨(dú)立性。章魚觸腕的部分區(qū)塊接觸其他表面時(shí)，依然能起到良好的吸附效果，可見章魚對觸腕上尺寸不盡相同又能獨(dú)立工作的吸盤可以統(tǒng)一控制。

3 吸附式車載行李架的主要構(gòu)成

總體構(gòu)成。該吸附式車載行李架由若干根組合式支撐梁組成，每根支撐梁包括了支撐桿、支撐裝置、限位裝置和吸附式底座等。其相對關(guān)系如圖1所示：

3.1 吸附式底座

吸附式底座包括底座主體、螺紋柱、橫向抽氣裝置、14個(gè)結(jié)構(gòu)相同的縱向抽氣裝置、上蓋板、推盤、若干吸盤等多個(gè)零部件。整體底座如圖2所示：

吸盤排布如圖 3所示，分布在底座主體底面內(nèi)的吸盤組包括了14個(gè)小吸盤、1個(gè)中型吸盤、24個(gè)輔助性吸盤。輔助性吸盤均勻地分布在相鄰小吸盤的間隙中，不直接產(chǎn)生主要的吸附力。抽氣裝置只控制中型吸盤和小吸盤的工作。在主體兩側(cè)，縱向抽氣裝置的推桿一端都與推盤固聯(lián)。這樣壓動推盤可以同時(shí)對7個(gè)小吸盤進(jìn)行擠壓排氣，并使各個(gè)小吸盤在結(jié)構(gòu)功能上有各自獨(dú)立的可能。

吸附式底座的吸盤分散化后，一個(gè)小吸盤吸附未能成功時(shí)對其他小吸盤的工作不產(chǎn)生影響，這使得整個(gè)底座部分在一定程度上對不同寬度，不同彎曲程度的車頂表面均有吸附能力。底座主體的主要部分是一類板狀對稱結(jié)構(gòu)，兩端較大圓盤與中心圓盤連接處相對更窄，因?yàn)榈鬃嗖捎孟鹉z材質(zhì)，這樣使得底座在一定彎曲角度內(nèi)能柔性彎曲，這三塊區(qū)域內(nèi)的吸盤組能成分別吸附在不同的線性表面上。

吸附式底座周圍還設(shè)有裙擺結(jié)構(gòu)。汽車行駛時(shí)，氣流會在底座吸盤間流動，產(chǎn)生不可預(yù)期的干擾應(yīng)力，影響底座的吸附性能，對吸盤進(jìn)行擠壓排氣后，吸盤內(nèi)腔真空度提高，底座的整體高度下降，此時(shí)軟性的裙擺結(jié)構(gòu)緊緊貼附車表面，阻擋大部分的氣流。裙擺結(jié)構(gòu)不僅能減少氣流影響，還能減少主體的扭轉(zhuǎn)變形，起到穩(wěn)定吸附的輔助作用。底座主體的截面圖如圖 4所示：

3.2 支撐裝置

支撐裝置提供主要的支撐力，包括了支撐轉(zhuǎn)向頭、螺紋升降裝置和螺紋基座。支撐桿可以順利穿過支撐轉(zhuǎn)向頭的矩形通槽。螺紋升降裝置下端的外螺紋通過和螺紋基座上端的內(nèi)螺紋相旋合，導(dǎo)致螺紋咬合長度變化，進(jìn)而在垂直方向上調(diào)整一定的距離。其截面圖如圖 5所示：

3.3 限位裝置

限位裝置包括了兩個(gè)限位頭，螺紋基座和螺栓件。限位頭能夠限制支撐桿一端的位移，并繞著螺栓中心線可旋轉(zhuǎn)一定角度，這樣可以讓支撐桿在兩個(gè)不同高度吸附點(diǎn)之間傾斜放置。限位裝置的螺栓組合件靠預(yù)緊力限制限位頭的自由轉(zhuǎn)動。如圖6所示：

4 工作原理

4.1 吸盤組工作原理

吸附式底座主要的工作元件是對稱排列的吸盤組，該車載行李架的固定依靠吸盤組在車頂面產(chǎn)生的吸附作用。其中，輔助性吸盤的真空度難以控制，忽略它考慮產(chǎn)生的次要作用力。對單個(gè)吸盤而言，吸盤通過擠壓排氣式在內(nèi)腔產(chǎn)生負(fù)壓，由內(nèi)外表面的壓力差提供分力。由《液壓氣動技術(shù)手冊》查得，多個(gè)吸盤產(chǎn)生的合力可按（1）計(jì)算：

F=n（S1N1+S2N2）（P1-P2）/（K1K2K3）（1）

式中：F——總吸力;

n——吸附式底座的數(shù)量：

S1——小吸盤內(nèi)腔負(fù)壓強(qiáng)時(shí)的有效吸附面積，m2;

S2——中型吸盤內(nèi)腔負(fù)壓強(qiáng)時(shí)的有效吸附面積，m2;

N1——小吸盤的數(shù)量;

N2——中型吸盤的數(shù)量;

P1——吸盤外部氣體壓力，N/m2;

P2——吸盤內(nèi)腔氣體壓力，N/m2;

K1——安全系數(shù)，一般取K1=1.2～2;

K2——工作情況系數(shù)，一般取K2=1～3;

K3——姿態(tài)系數(shù)（當(dāng)吸附表面處于水平位置時(shí)，K3=1;當(dāng)吸附表面處于垂直位置時(shí)，K3=1/f，f為吸盤與被吸物體的摩擦系數(shù)）。

4.2 組合關(guān)系

支撐桿穿過支撐裝置的轉(zhuǎn)向頭，兩端分別插入限位裝置限位頭的凹槽內(nèi)。限位裝置與支撐裝置都通過各自螺紋基座的內(nèi)螺紋與吸附式底座上螺紋柱的外螺紋相配合。中間連接結(jié)構(gòu)采用多螺紋連接，承載力方向主要為豎直方向的正壓力，整體結(jié)構(gòu)連接穩(wěn)固，也便于拆卸和組合。

5 假設(shè)性分析

假設(shè)汽車穩(wěn)定行駛速度為90km/h，吸附式底座周圍氣流產(chǎn)生伯努利效應(yīng)，從而可按（2）近似計(jì)算吸盤外部氣壓P1：

P1+0.5ρv2=P0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：ρ——空氣密度，kg/m3，ρ取1.29kg/m3;

v——相對速度，m/s;

P0——空氣流速為0時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)氣壓，P0取101.3kPa;

吸盤內(nèi)腔的氣壓P2可按（3）計(jì)算：

p=P0-P2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：p——真空度

吸盤的p值可參考表1取得：

由《常用鋼鐵材料摩擦因數(shù)表》查得，吸盤和常規(guī)汽車車頂面之間的摩擦系數(shù)f=0.9。

根據(jù)運(yùn)動關(guān)系，汽車變速時(shí)，承載的重物會因?yàn)閼T性力對吸盤產(chǎn)生切向作用力。我們?nèi)∑囈话銊x車加速度a=8m/s2，吸盤上承受的總載荷G≈700N。根據(jù)吸盤產(chǎn)生滑動的臨界條件，按（3）計(jì)算：

Ga/g=F ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

把（1）、（2）、（3）代入（4）可得到：

Ga/g=n（S1N1+S2N2）（P0-0.5ρv2-P0+p）f/（K1K2K3） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

在一個(gè)吸附式底座中，中型吸盤有效吸附面積約為小吸盤的四倍，數(shù)量關(guān)系為N1=14N2，一套行李架中至少包括了6個(gè)相同的底座，n取6，理想情況下把相應(yīng)參數(shù)帶入上式可得：

S1min=7.85cm2

由Πd2=S1可估計(jì)小吸盤極限吸附時(shí)的直徑：

d=1.58cm

中型吸盤極限吸附時(shí)的直徑：

D=2d=3.16cm

該車載行李架能吸附最窄的表面寬度hmin≥1.6cm。

6 工作模式

基于汽車表面首先確定支撐桿的擺放形式，按照各部分的組合關(guān)系組裝出支撐架。組裝完成后，將吸附式底座以一定壓力壓在車頂面上，先推動橫向抽氣筒，對中型吸盤擠壓抽氣，然后垂直按壓兩側(cè)的推盤，讓14個(gè)結(jié)構(gòu)相同的小吸盤產(chǎn)生有效的吸附力。底座整體高度下降后，輔助性吸盤也能吸附在車頂表面。兩個(gè)限位頭可以繞中心緊固螺栓控制支撐桿一端，所以該車載行李架可以實(shí)現(xiàn)延伸組合。

7 結(jié)語

本文以一種新型的吸附式車載行李架為例，從吸附式底座的形態(tài)仿真設(shè)計(jì)和行李架的整體組合性提供一種優(yōu)化的思路，并討論了在正常工況下，底座中的大小吸盤應(yīng)該具有的最小吸附面積，通過有效面積的計(jì)算進(jìn)一步得到了底座能吸附的最窄寬度的表面。這表明該行李架的吸附對象不局限于車頂面，在法規(guī)允許的情況下，行李架可以在車表面多處建立起搭載不同的承載平臺。但實(shí)際情況下考慮到吸盤的有效吸附面積、漏氣、受力形式等不確定因素的存在，對設(shè)計(jì)的可靠性仍需進(jìn)一步的分析研究。

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