基于曲柄摇杆机构原理的手足联动玩具车创新设计

摘要：基于曲柄摇杆机构原理设计了一款手足联动的玩具车，本儿童玩具车装有手动、脚动两套动力系统，能单系统提供动力，也能混合联动，其转向由脚来控制。本手足联动玩具车除了具有一般儿童脚踏三轮车轻便、环保节能、安全的优点外，同时也具备健身的作用，能提高儿童的四肢力量及其协作能力。

关键词： 曲柄摇杆；手足联动；玩具车

儿童体育的重要意义被越来越多的人所认识。现在市场上儿童健身玩具虽然很多，但四肢同时参与进行一定强度锻炼的却很少，而且传统脚踏三轮车存在上坡难，下坡不安全的问题。故本文从这一背景出发，设计了一款手足联动的玩具车，让孩子在娱乐之余，同时还能锻炼四肢及其全身的协作能力，又进一步保证其安全，使其健康成长！

1.设计目标

本车要实现手足联动，即本玩具车必须装有手动、脚动两套动力系统。手动动力系统，此系统需要把手的动力传到车轮，实现车轮的滚动。脚动动力系统，此系统需要把脚的运动转化为轮子的滚动以实现车子的运动。

2.手动系统的实现：

手动系统的设计基于曲柄摇杆机构能把往复摆动变为整周回转运动的原理，如图1所示，故手动系统可以设计为当人的手臂以不同步的速度摆动时即可带动轮的转动，此结构简单，易于制造。

3.理论设计计算

根据本作品的实际情况，已知的条件有：曲柄长： =10mm， 摇杆摆角： =80°，机架长l =45mm；初定行程速比系数：K=1.25.

用解析法求连杆及摇杆长度：

如图2所示，ABCD是一有急回特性的曲柄摇杆机构。摇杆的两极位置是C D、C D，C D=C D=l3， ∠C DC = 、曲柄AB =AB =l ，连杆 =B C =l ，∠C AC = θ为极位夹角，AD=l4.取A为坐标原点。

4.工作原理及创新分析

4.1.手动系统的工作原理：手的动力通过曲柄摇杆机构传递。孩子摆动两摇杆，可使后轮前进或者后退，从而使车子前进、后退。因该机构存在死点问题，为了避开死点，两摇杆摆动是不同步的。

4.2.脚动系统：脚的动力通过踩踏板的方式传递。这与传统脚踩三轮车的功能类似，只需踩动，就能实现车的前进。

4.3.方向的控制：方向由脚控制。方向控制不仅简单，而且还可锻炼脚的灵活性。

4.4.刹车的实现：需要刹车时，手握住双摇杆，后轮由滚动状态变为滑动状态，刹车得以实现。

作品实物如图3所示

5. 结论：

本车解决了传统儿童脚踏三轮车上坡难，下坡不安全的问题。在上坡时，可以手足联动，增加上坡的动力；在下坡时，可通过握住曲柄摇杆机构，及时有效刹车。同时本车结构简单，孩子易学，安全性能相对较好；成本低廉，可以满足普通家庭的需求，因此本车有广阔的发展前景。

参考文献：

[1]《机械原理第七版》，高等教育出版社，主编：孙桓。

[2]《机械创新设计（第2版）》，高等教育出版社，主编：高志、黄纯颖。

[3]《机械创新设计构思方法》，湖南科学技术出版社，主编：符炜。

[4]《少儿健身与娱乐：我跟妈妈学》，北京体育大学出版，主编：社刘善云。

[5]《青少年儿童立体健身处方》，中国地质大学出版社有限责任公司，主编：张先松。