一种吸附式车载行李架的仿生设计

蒋敏隆

摘 要：本文基于形态仿生，提供了一种吸附式车载行李架的优化设计思路，利用分散的橡胶吸盘和抽气阀的配合使行李架纵梁吸附在汽车不同宽度的表面上，同时改善传统汽车行李架拆卸繁琐等情况，从而提高汽车出行的便捷体验。它是由支撑杆、支撑装置、限位装置和吸附式底座等零部件组合而成。

关键词：仿生;吸附式底座;车载行李架;组合

1 引言

汽車在中国市场作为消费品的需求程度不断提升，其互补产品也很热门。我们通常选择在车顶利用汽车行李架对运动器材、大件行李等货物实现装载出行。但传统行李架的装卸存在一定局限性，对于没有车顶架结构的车型更需要通过焊接或者铆接来固定行李架，也有设想通过吸盘吸附的固定方式，但往往采用单一尺径的吸盘结构，对宽度比吸盘直径小或者较大弧度弯曲的表面无法正常吸附，从而导致该类承载结构的适用环境也有一定局限。

本文所介绍的车载行李架的优化性设计表现在吸盘多触点吸附和组合形式的实现。

2 章鱼触腕的优性分析

在考虑利用吸盘作为支撑结构的时候，章鱼触腕有很大的借鉴意义。通过其他资料对章鱼腕足的特征形态进行分析后，我们总结了其中的两项优性。一项是章鱼触腕的柔性。柔性的触腕意味着对起伏变化的表面的附着性能良好，因此需要在满足强度要求的条件下适当增加吸附装置的柔性。另一项是触腕上吸盘的独立性。章鱼触腕的部分区块接触其他表面时，依然能起到良好的吸附效果，可见章鱼对触腕上尺寸不尽相同又能独立工作的吸盘可以统一控制。

3 吸附式车载行李架的主要构成

总体构成。该吸附式车载行李架由若干根组合式支撑梁组成，每根支撑梁包括了支撑杆、支撑装置、限位装置和吸附式底座等。其相对关系如图1所示：

3.1 吸附式底座

吸附式底座包括底座主体、螺纹柱、横向抽气装置、14个结构相同的纵向抽气装置、上盖板、推盘、若干吸盘等多个零部件。整体底座如图2所示：

吸盘排布如图 3所示，分布在底座主体底面内的吸盘组包括了14个小吸盘、1个中型吸盘、24个辅助性吸盘。辅助性吸盘均匀地分布在相邻小吸盘的间隙中，不直接产生主要的吸附力。抽气装置只控制中型吸盘和小吸盘的工作。在主体两侧，纵向抽气装置的推杆一端都与推盘固联。这样压动推盘可以同时对7个小吸盘进行挤压排气，并使各个小吸盘在结构功能上有各自独立的可能。

吸附式底座的吸盘分散化后，一个小吸盘吸附未能成功时对其他小吸盘的工作不产生影响，这使得整个底座部分在一定程度上对不同宽度，不同弯曲程度的车顶表面均有吸附能力。底座主体的主要部分是一类板状对称结构，两端较大圆盘与中心圆盘连接处相对更窄，因为底座多采用橡胶材质，这样使得底座在一定弯曲角度内能柔性弯曲，这三块区域内的吸盘组能成分别吸附在不同的线性表面上。

吸附式底座周围还设有裙摆结构。汽车行驶时，气流会在底座吸盘间流动，产生不可预期的干扰应力，影响底座的吸附性能，对吸盘进行挤压排气后，吸盘内腔真空度提高，底座的整体高度下降，此时软性的裙摆结构紧紧贴附车表面，阻挡大部分的气流。裙摆结构不仅能减少气流影响，还能减少主体的扭转变形，起到稳定吸附的辅助作用。底座主体的截面图如图 4所示：

3.2 支撑装置

支撑装置提供主要的支撑力，包括了支撑转向头、螺纹升降装置和螺纹基座。支撑杆可以顺利穿过支撑转向头的矩形通槽。螺纹升降装置下端的外螺纹通过和螺纹基座上端的内螺纹相旋合，导致螺纹咬合长度变化，进而在垂直方向上调整一定的距离。其截面图如图 5所示：

3.3 限位装置

限位装置包括了两个限位头，螺纹基座和螺栓件。限位头能够限制支撑杆一端的位移，并绕着螺栓中心线可旋转一定角度，这样可以让支撑杆在两个不同高度吸附点之间倾斜放置。限位装置的螺栓组合件靠预紧力限制限位头的自由转动。如图6所示：

4 工作原理

4.1 吸盘组工作原理

吸附式底座主要的工作元件是对称排列的吸盘组，该车载行李架的固定依靠吸盘组在车顶面产生的吸附作用。其中，辅助性吸盘的真空度难以控制，忽略它考虑产生的次要作用力。对单个吸盘而言，吸盘通过挤压排气式在内腔产生负压，由内外表面的压力差提供分力。由《液压气动技术手册》查得，多个吸盘产生的合力可按（1）计算：

F=n（S1N1+S2N2）（P1-P2）/（K1K2K3）（1）

式中：F——总吸力;

n——吸附式底座的数量：

S1——小吸盘内腔负压强时的有效吸附面积，m2;

S2——中型吸盘内腔负压强时的有效吸附面积，m2;

N1——小吸盘的数量;

N2——中型吸盘的数量;

P1——吸盘外部气体压力，N/m2;

P2——吸盘内腔气体压力，N/m2;

K1——安全系数，一般取K1=1.2～2;

K2——工作情况系数，一般取K2=1～3;

K3——姿态系数（当吸附表面处于水平位置时，K3=1;当吸附表面处于垂直位置时，K3=1/f，f为吸盘与被吸物体的摩擦系数）。

4.2 组合关系

支撑杆穿过支撑装置的转向头，两端分别插入限位装置限位头的凹槽内。限位装置与支撑装置都通过各自螺纹基座的内螺纹与吸附式底座上螺纹柱的外螺纹相配合。中间连接结构采用多螺纹连接，承载力方向主要为竖直方向的正压力，整体结构连接稳固，也便于拆卸和组合。

5 假设性分析

假设汽车稳定行驶速度为90km/h，吸附式底座周围气流产生伯努利效应，从而可按（2）近似计算吸盘外部气压P1：

P1+0.5ρv2=P0                    （2）

式中：ρ——空气密度，kg/m3，ρ取1.29kg/m3;

v——相对速度，m/s;

P0——空气流速为0时的标准气压，P0取101.3kPa;

吸盘内腔的气压P2可按（3）计算：

p=P0-P2                          （3）

式中：p——真空度

吸盘的p值可参考表1取得：

由《常用钢铁材料摩擦因数表》查得，吸盘和常规汽车车顶面之间的摩擦系数f=0.9。

根据运动关系，汽车变速时，承载的重物会因为惯性力对吸盘产生切向作用力。我们取汽车一般刹车加速度a=8m/s2，吸盘上承受的总载荷G≈700N。根据吸盘产生滑动的临界条件，按（3）计算：

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）

在一個吸附式底座中，中型吸盘有效吸附面积约为小吸盘的四倍，数量关系为N1=14N2，一套行李架中至少包括了6个相同的底座，n取6，理想情况下把相应参数带入上式可得：

S1min=7.85cm2

由Πd2=S1可估计小吸盘极限吸附时的直径：

d=1.58cm

中型吸盘极限吸附时的直径：

D=2d=3.16cm

该车载行李架能吸附最窄的表面宽度hmin≥1.6cm。

6 工作模式

基于汽车表面首先确定支撑杆的摆放形式，按照各部分的组合关系组装出支撑架。组装完成后，将吸附式底座以一定压力压在车顶面上，先推动横向抽气筒，对中型吸盘挤压抽气，然后垂直按压两侧的推盘，让14个结构相同的小吸盘产生有效的吸附力。底座整体高度下降后，辅助性吸盘也能吸附在车顶表面。两个限位头可以绕中心紧固螺栓控制支撑杆一端，所以该车载行李架可以实现延伸组合。

7 结语

本文以一种新型的吸附式车载行李架为例，从吸附式底座的形态仿真设计和行李架的整体组合性提供一种优化的思路，并讨论了在正常工况下，底座中的大小吸盘应该具有的最小吸附面积，通过有效面积的计算进一步得到了底座能吸附的最窄宽度的表面。这表明该行李架的吸附对象不局限于车顶面，在法规允许的情况下，行李架可以在车表面多处建立起搭载不同的承载平台。但实际情况下考虑到吸盘的有效吸附面积、漏气、受力形式等不确定因素的存在，对设计的可靠性仍需进一步的分析研究。

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