新型脚轮上部连接的结构设计及优化

张文 徐同华

摘  要：传统办公室的转椅底部的转轮连接主要依靠圆柱上的螺纹，使用久了容易磨损而使螺纹不能起到固定作用从而转轮容易脱离连接，而另一种卡口式则在损坏更换的拆卸中需要更换者使用很强的外力来进行拆卸，容易对更换的人员造成伤害，稳定性一般，局限性较大，因此有必要对现有技术进行改进，本次设计在分析了传统脚轮连接存在的缺点和不足后，提出一种新的连接方式，阐述了新型脚轮连接设计的基本结构并对设计加以改善。

关键词：脚轮连接;结构设计;结构优化

中图分类号：TH133        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）17-0034-02

Abstract： The runner connection at the bottom of the traditional office swivel chair mainly relies on the thread on the cylinder. After longtime usage， the thread will not be fixed and the runner can be easily disconnected. Meanwhile， for the other bayonet type， during the replacement disassembly after the damage， a strong external force is needed， which is easy to hurt the replacement personnel. This type also has the disadvantage of poor stability and limitations. Therefore， it is necessary to improve the existing technology; after the analysis of the traditional caster connection shortcomings， a new connection method is proposed， and the basic structure of the new caster connection design is expounded and optimized.

Keywords： caster connection; structural design; structural optimization

1 概述

万向轮就是所谓的活动脚轮，它的结构允许水平360度旋转。脚轮是个统称，包括活动脚轮和固定脚轮。固定脚轮没有旋转结构，不能水平转动只能垂直转动。这两种脚轮一般都是搭配用的，比如手推车的结构是前边两个固定轮，后边靠近推动扶手的是两个活动万向轮。

万向轮是指安装在脚轮轮子的支架能在动载或者静载中水平360度旋转。制造万向轮的材料有多种，最普遍的材料是：尼龙，聚氨酯，橡胶，铸铁等材料。广泛应用于矿山、机械设备、电子设备、医疗设备、工程装修、纺织、印染、家具、物流设备、仓储、周转车、机箱、机柜、设备、机电、无尘车间、生产流水线、大型超市等众多行业和各种领域。根据其不同的用处，轴承分铁芯、铝芯、塑芯，尺寸1寸至8寸不等。其中铁芯、铝芯一般为重型承重轮，使用时常配备刹车器具。

2 设计中存在的问题

传统的办公椅上的脚轮是靠螺纹或卡扣进行连接的，螺纹连接使用久了容易磨损，从而导致螺纹不能起到固定作用，万向轮与椅脚脱离连接。另一种卡口式则在损坏更换的拆卸中需要更换者使用很强的外力来进行拆卸，容易对更换的人员造成伤害。

为了解决上述设计中存在的不足，笔者对万向轮的连接作了一定的改进，改进后的万向轮连接包括转椅椅脚主体，弹簧，开口销及脚轮。具体是在传统的脚轮插杆柱上开一个孔，在脚轮插杆柱与椅脚连接后加装一根弹簧，通过开孔安装开口销，在弹簧的弹性作用下顶住开口销，拆卸时则将开口销拆下实现结构分离。

改进万向轮连接结构实现了传统脚轮连接中的易磨损导致脱离连接，拆卸费事费力的问题。使用光滑的脚轮插杆柱，杜绝了由于螺纹磨损而产生的连接失效问题。使用开口销进行固定，则在拆卸和安装的过程中减少了操作人员的受伤概率。同时在开口销下方安装有加固弹簧，提高了安装的稳固性，同时避免了脚轮连接的晃动和万向轮的损坏。

但实际上，通过受力分析可以发现，此设计很难达到预期目的，因为设计存在着两个问题：

（1）椅脚延伸处拐角较为薄弱，存在应力集中。影响使用寿命和使用安全。

（2）不管脚轮处于何位置，其插杆柱与椅脚总会因安装间隙而产生径向力的作用，使插杆柱受力不均，在某处过度磨耗，造成断裂。

3 结构设计与优化

针对初次设计中存在的不足，从插杆柱与脚轮的连接稳定性、开口销防松脱等四个方面入手，分别对它的设计结构进行了改进和优化，改进后的设计如图2所示。

（1）插杆柱与脚椅的连接稳定性设计。包括椅脚1、移动轮7和壳体12，通过在壳体12的顶部转动安装有端盖11，将端盖11的顶部固定安装有插杆柱10，插入插杆柱10的外围滑动安装有椅脚1的内部，插入后利用椅脚1上端的插杆柱10内部滑动安装有开口销2，可以避免装置插杆柱10插入椅脚1后出现滑落的现象，提高装置的稳定性。

（2）开口销的防松脱设计。通过在开口销2下端的插杆柱10外围固定安装有弹簧3，可以利用弹簧3所具备的弹性与复位性使本装置在使用过程中能够有效的对开口销2进行支撑，避免装置在移动时开口销2出现掉落的现象，提高装置整体的稳定性。

（3）支架的稳定性设计。通过在壳体12的内部通过车轴8转动安装有移动轮7，可以更方便使用人员对装置进行移动，利用壳体12的一侧转动安装有脚踏阀4，可以通过脚踏的方式对装置的位置进行限制，通过在壳体12的表面固定安装有固定台5，利用固定台5的表面通过限位栓13固定安装有连接台6，可以根据实际情况对连接台6两侧固定安装有支架9的位置进行调节，从而更好的对装置进行使用，且支架9之间固定安装有加固杆901，利用三角形的稳定性原理来增加支架9之间的稳定性、坚定性和耐压性，优化了其使用過程。

（4）使用强度优化设计。针对椅脚延伸拐角处存在的应力集中问题，将椅脚材质更换为硬度和延展性更好的金属材料，且对拐角处进行圆弧过渡，延伸处上方为光滑曲面，减小应力集中。针对插杆柱因安装间隙产生受力不均从而导致过渡磨损的问题，将转椅椅脚与插杆柱连接处改为平面结构，且增加一定厚度，增大插杆柱与转椅椅脚接触面，防止插杆柱过渡磨耗，造成断裂。

4 结论

新型转椅脚轮连接的设计，优化了传统脚轮的连接方式，保证了连接的稳固性，解决了初代设计存在的设计缺陷和返修率高、更换困难等问题，为脚轮连接提供了一种可靠性高、经济实用的方法。它增加了设计的立体感和美观度，并且达到了设计的预期效果。

参考文献：

[1]王海东，王国栋，洪鹰.基于AGV万向轮特性的动力学分析[J].机械设计，2015，32（04）：96-100.

[2]李振刚.三种新型万向轮的动力学分析和应用[J].机械工程师，2002（08）：43-44.

[3]邵磊.动力拖动用万向轮的技术改造[J].叉车技术，2011（04）：20-21.

[4]顾猷，邱遵文.万向轮结构及材料的优化[J].机械工程师，2000（12）：28-29.