一种防倾倒扭扭车及其设计方法

技术领域

本发明涉及儿童玩具车技术领域，具体涉及一种防倾倒扭扭车及其设计方法。

背景技术

扭扭车又称摇摆车，是一种结构巧妙、灵活有趣的儿童玩具，其无需电瓶、电机等动力源，甚至也不需要人力推动或双脚撑地滑动，只需乘用儿童不断左右转动方向盘，即可使扭扭车向前行驶。然而，扭扭车作为一种适用于亲子户外活动的器材，却存在易倾倒、控制难等诸多问题。扭扭车主要针对儿童设计，而年龄较小的儿童往往不能很好地保持身体平衡或避免跌倒伤害，因此扭扭车的安全性保障问题就显得尤为重要，如何才能提升扭扭车的防倾倒稳定性这一课题就更加亟待解决。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种防倾倒扭扭车及其设计方法，能够提升扭扭车的防倾倒稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种防倾倒扭扭车，包括：颈部、前部和后部；

所述前部，包括：前部车体、前轮组、扭动杆和方向盘；所述方向盘设置在所述前部车体的顶部且通过所述扭动杆与所述前部车体转动连接；所述扭动杆的一端与所述方向盘固定连接，另一端贯穿过所述前部车体与所述前轮组固定连接；

所述后部，包括：后轮组、座椅部和后部车体；所述后轮组设置在所述后部车体尾端的下方；所述座椅部固定连接于所述后部车体的上表面；

所述颈部，为所述前部和所述后部的连接处，包括颈部车体和颈部角；所述颈部车体的宽度小于所述前部车体的宽度和所述后部车体的宽度，在所述颈部车体的两侧形成所述颈部角；所述颈部角用于引导乘用者将膝关节内侧靠近小腿的部分贴近所述颈部角，进而引导乘用者驾乘扭扭车时的身体姿态；所述颈部角为100至150度的圆角。

较佳地，所述前部与所述后部的长度比介于2：5与3：4之间。

较佳地，所述防倾倒扭扭车的整车长度范围为60cm至80cm；所述前部车体的长度范围为20cm至30cm；所述后部车体的长度范围为40cm至50cm；所述颈部车体的宽度范围为15cm至20cm。

较佳地，所述座椅部，根据乘用者的坐深和坐姿臀宽设计为前窄后宽的卵圆形。

较佳地，所述座椅部，向扭扭车前进方向倾斜一定的前倾角，所述前倾角的角度范围为10至20度。

较佳地，所述前部，进一步包括安全轮组；所述安全轮组与所述前轮组固定连接于所述扭动杆的同一端；所述安全轮组的底部在竖直方向上的高度高于所述前轮组的底部在竖直方向上的高度。

一种防倾倒扭扭车设计方法，在设计过程中将扭扭车划分为颈部、前部和后部；

所述前部，包括：前部车体、前轮组、扭动杆和方向盘；所述方向盘设置在所述前部车体的顶部且通过所述扭动杆与所述前部车体转动连接；所述扭动杆的一端与所述方向盘固定连接，另一端贯穿过所述前部车体与所述前轮组固定连接；

所述后部，包括：后轮组、座椅部和后部车体；所述后轮组设置在所述后部车体尾端的下方；所述座椅部固定连接于所述后部车体的上表面；

所述颈部，为所述前部和所述后部的连接处，包括颈部车体和颈部角；所述颈部车体的宽度小于所述前部车体的宽度和所述后部车体的宽度，在所述颈部车体的两侧形成所述颈部角；所述颈部角用于引导乘用者将膝关节内侧靠近小腿的部分贴近所述颈部角，进而引导乘用者驾乘扭扭车时的身体姿态；

统计目标乘用者的身体数据，根据所述身体数据仿真身体姿态受引导的乘用者的身体重心位置；以扭扭车的车轮构成的支撑面为底面，以所述身体重心位置为顶点，构建平衡锥体；通过分析所述平衡锥体的稳定性优化扭扭车的防倾倒稳定性，以获得并调整扭扭车各结构的设计尺寸；

所述身体数据包括：坐深、前臂长、肩指功能长和坐姿肘高的平均值与标准差；

根据所述身体数据，仿真得到乘用者的身体重心位置可能范围，通过限定所述身体重心位置可能范围在所述平衡锥体底面上的投影落于底面范围内，并与底面的边之间留有额外的安全冗余距离，以得到所述前部与所述后部在扭扭车前进方向上的尺寸比，以及所述前部车体、所述颈部车体和所述后部车体的设计尺寸。

较佳地，所述身体数据，进一步包括：坐姿臀宽的平均值与标准差；

根据乘用者的坐深和坐姿臀宽设计所述座椅部为前窄后宽的卵圆形，引导乘用者的身体重心尽可能靠后。

较佳地，所述通过分析所述平衡锥体的稳定性优化扭扭车的防倾倒稳定性，包括：

其他条件一定时，所述平衡锥体的高越低，所述平衡锥体的稳定性越好，扭扭车的防倾倒稳定性也越好；为降低所述平衡锥体的高，在调整所述后部车体的高度的同时，将所述座椅部向扭扭车前进方向倾斜一定的前倾角。

较佳地，所述通过分析所述平衡锥体的稳定性优化扭扭车的防倾倒稳定性，包括：

其他条件一定时，所述平衡锥体的顶点向底面的投影离底面的边越远，所述平衡锥体的稳定性越好，扭扭车的防倾倒稳定性也越好；

优化所述平衡锥体的底面等同于优化所述扭扭车的车轮的位置参数；所述扭扭车的车轮，包括：所述前轮组和所述后轮组，并进一步包括安全轮组；所述安全轮组与所述前轮组固定连接于所述扭动杆的同一端；所述安全轮组的底部在竖直方向上的高度高于所述前轮组的底部在竖直方向上的高度。

有益效果：

1、本发明通过颈部角的设计，引导乘用儿童将膝关节内侧靠近小腿的部分贴近颈部角，进而使得乘用儿童的身体姿态可控可知，在此基础上对乘用儿童的身体姿态进行仿真，得到乘用儿童的身体重心的可能位置，并以此建立平衡锥体，通过平衡锥体将乘用儿童身体姿态、扭扭车结构尺寸参数和扭扭车防倾倒稳定性这三个要素相连结，对扭扭车防倾倒稳定性进行定量的评价和优化，并最终提升设计出的扭扭车的防倾倒稳定性。

2、本发明根据乘用儿童的坐深和坐姿臀宽将座椅部设置为前窄后宽的卵圆形，引导乘用儿童的身体重心尽可能地靠后，提升扭扭车在使用过程中的防倾倒稳定性。

3、本发明通过设置座椅部向扭扭车前进方向倾斜10至20度的前倾角，使年龄较小的儿童在驾乘扭扭车时，即使因其四肢长度有限，身体重心相对更靠近扭扭车颈部和前轮组，也仍然能通过降低重心提升防倾倒稳定性。

4、本发明通过安全轮组的设置，能够提升扭扭车在方向盘大角度扭转时的防侧倾稳定性，同时也不会影响扭扭车本身依靠扭转方向盘而前进的性能。

附图说明

图1为本发明基于实施例的扭扭车结构示意图；

图2为本发明基于实施例的仅包括车体部分的颈部位置示意图；

其中，1-前部车体，2-方向盘，3-颈部角，4-颈部车体，5-座椅部，6-后部车体，7-后轮组。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种防倾倒扭扭车及其设计方法，其核心思想为：在设计过程中将扭扭车划分为颈部、前部和后部。

前部，包括：前部车体1、前轮组、扭动杆和方向盘2；方向盘2设置在前部车体1的顶部且通过扭动杆与前部车体1转动连接；扭动杆的一端与方向盘2固定连接，另一端贯穿过前部车体1与前轮组固定连接。后部，包括：后轮组7、座椅部5和后部车体6；后轮组7设置在后部车体6底部的尾部；座椅部5固定连接于后部车体6的上表面。

颈部，为前部和后部的连接处，包括颈部车体4和颈部角3；颈部车体4的宽度小于前部车体1的宽度和后部车体6的宽度，在颈部车体4的两侧形成颈部角3；颈部角3用于引导乘用儿童将膝关节内侧靠近小腿的部分贴近颈部角3，进而引导乘用儿童驾乘扭扭车时的身体姿态；颈部角3为100至150度的圆角。

统计目标乘用儿童的身体数据，根据身体数据仿真身体姿态受引导的乘用儿童的身体重心位置；以扭扭车的车轮构成的支撑面为底面，以身体重心位置为顶点，构建平衡锥体；通过分析平衡锥体的稳定性优化扭扭车的防倾倒稳定性，以获得并调整扭扭车各结构的设计尺寸。

可见，基于扭扭车这种产品本身的技术特点，如果要求扭扭车不借助电机等动力源或外力，仅通过乘用者对方向盘2的扭转而向前行驶，其前轮组的旋转中心，必须位于前轮组两个轮的中点的前方；也即，前轮组的旋转中心必须是偏置的；在这种偏置下，为扭扭车提供平衡支撑的前轮组就必须位于相对于方向盘2更靠后的位置，这会使扭扭车相对于没有偏置的一般车辆而言，其各车轮所组成的支撑面更小，扭扭车整体重心更靠近支撑面的边缘，并且随着方向盘2的扭动，扭扭车发生倾倒的可能性会进一步增加；与此同时，乘用扭扭车的儿童其手臂长度有限，这会直接导致儿童在双手握住方向盘2时，其上半身的位置受到限制，无法离方向盘2太远；该对乘用儿童的身体姿态的限制会直接反映在乘用儿童的身体重心位置上，使乘用儿童的身体重心位置可能落在扭扭车各车轮所组成的支撑面以外，此时扭扭车的倾倒风险较大。因此，如果想要提升扭扭车的防倾倒稳定性，就应在尽可能地扩大扭扭车各车轮所组成的支撑面大小的同时，通过扭扭车本身的设计，尽可能地引导乘用儿童的身体姿态，以控制乘用儿童的身体重心位置能够安全地落在扭扭车各车轮所组成的支撑面以内。因此，本发明通过颈部角3的设计，引导乘用儿童将膝关节内侧靠近小腿的部分贴近颈部角3，进而使得乘用儿童的身体姿态可控可知，在此基础上对乘用儿童的身体姿态进行仿真，得到乘用儿童的身体重心的可能位置，并以此建立平衡锥体，通过平衡锥体将乘用儿童身体姿态、扭扭车结构尺寸参数和扭扭车防倾倒稳定性这三个要素相连结，对扭扭车防倾倒稳定性进行定量的评价和优化，并最终提升设计出的扭扭车的防倾倒稳定性。

下面以一实施例进一步对本发明进行详细说明。

本发明提出了一种防倾倒扭扭车设计方法，并通过该方法设计得到了一种防倾倒扭扭车如图1和图2所示，该设计方法具体包括步骤：

步骤1：确定目标乘用儿童身体数据，具体为：

首先明确扭扭车的目标用户儿童年龄段，并根据已有的男、女儿童身体尺寸参数-年龄对照表(包含平均值与标准差)，得到扭扭车目标乘用儿童的身体尺寸参数范围。该身体尺寸参数范围为：取最低目标年龄的女性儿童的坐深、坐姿臀宽、前臂长、肩指功能长和坐姿肘高为身体尺寸参数范围的最小值；取最高目标年龄的男性儿童的坐深、坐姿臀宽、前臂长、肩指功能长和坐姿肘高为身体尺寸参数范围的最大值；且身体尺寸参数范围还需根据已知的身体尺寸参数-年龄对照表中包含的标准差数据留取适当冗余量。

在本实施例中设计的扭扭车支持亲子同乘，但是因为成年人或年龄稍大的儿童其身体平衡和身体姿态的控制能力相对较好，因此取8岁作为最高目标年龄以获得身体尺寸参数范围，使扭扭车的设计能够更好地针对低龄儿童进行优化；但在设计和调整扭扭车各结构尺寸参数时还应注意对成年人的乘用支持。

步骤2：初步设计参数，具体为：

根据预先构想的外观设计等方案初步对扭扭车各结构尺寸参数进行简单取值，得到初步设计方案，以作为后续优化调整的基础。

步骤3：仿真身体姿态以得到身体重心，具体为：

为了对乘用儿童的身体姿态进行引导，需要先在设计阶段对乘用儿童的身体姿态进行仿真以得到乘用儿童身体重心在三维空间内的位置范围。绝大多数情况下，乘用儿童会以最舒适的身体姿态乘坐在扭扭车上，本发明通过对扭扭车颈部及颈部角3的设计，引导乘用儿童自然且舒适地将膝关节内侧靠近小腿的部分靠在颈部角3处。取身体重心于身体躯干中心处，则在此姿态下存在身体姿态限制，为：乘用儿童的臀部和扭扭车座椅部5的主要接触点与扭扭车颈部间的距离等于乘用儿童的坐深；该主要接触点与乘用儿童身体重心间的距离等于乘用儿童的坐姿肘高；乘用儿童身体重心与扭扭车方向盘2间的距离介于乘用儿童的前臂长和肩指功能长之间。根据上述身体姿态限制，以及步骤1中得到的身体尺寸参数范围，以及乘用儿童在驾乘扭扭车时身体左右摇摆的幅度角估计范围，能够对乘用儿童的身体姿态进行仿真，并得到在三维空间内的全年龄乘用儿童的身体重心位置可能范围。

步骤4：构建平衡锥体，具体为：

本发明通过构建平衡锥体以将乘用儿童身体姿态、扭扭车结构尺寸参数和扭扭车防倾倒稳定性这三个要素相连结，以进一步进行防倾倒扭扭车设计。在通过步骤3得到乘用儿童的身体重心位置可能范围后，以乘用儿童的身体重心位置为锥体的顶点，以扭扭车的车轮在方向盘2转动下的实时位置为底面的各顶点，构建一个会随着方向盘2转动和身体重心位置变化而变化的锥体，即为平衡锥体。扭扭车的车轮不仅包括前轮组和后轮组7，还包括和前轮组一起安装于扭动杆同侧的安全轮组，安全轮组与前轮组固定连接于扭动杆的同一端；安全轮组的底部在竖直方向上的高度高于前轮组的底部在竖直方向上的高度。安全轮组能够提升扭扭车在方向盘2大角度扭转时的防侧倾稳定性，同时也尽可能地不影响扭扭车本身依靠扭转方向盘2而前进的性能。

步骤5：优化调整参数，具体为：

通过步骤4得到平衡锥体，此时扭扭车的防倾倒稳定性问题已经等同于平衡锥体的防倾倒稳定性问题。在最基础的情况下，锥体的顶点向底面的投影应一直落于底面的范围之内；但是如果仅满足该最基础的情况，设计出的扭扭车必然仍缺少平衡性冗余度，在使用过程中其防倾倒稳定性不能得到保证。对平衡锥体而言显而易见的是，其顶点的相对高度越低，顶点向底面的投影离底面的边越远，其平衡稳定性越好。因此可见需要从两个方面进行扭扭车的设计参数优化，为：

1、针对顶点的相对高度：在保证驾乘舒适的同时应降低座椅部5的高度，使得在相同的车轮支撑面下，平衡锥体的高更低，稳定性更好。尤其当乘用儿童的坐深较小时，其身体重心的底面投影不可避免地会接近扭扭车的前轮组(即底面的边)，使得扭扭车整体倾倒风险增加，此时更应尽可能地降低座椅部5的高度，以为扭扭车的稳定性提供冗余度。在本实施例中，扭扭车的座椅部5被设置为向扭扭车的前部以一定角度倾斜，通过这样的设计使年龄较小的儿童在驾乘扭扭车时，即使因其四肢长度有限，身体重心相对更靠近扭扭车颈部和前轮组，也仍然能避免倾倒。

2、针对顶点向底面的投影离底面的边的距离：在之前的步骤中，本发明通过引导乘用儿童的身体姿态，将其身体重心位置控制在一范围内；进而在本步骤5中，通过调整扭扭车的各结构参数，使步骤3中得到的身体重心位置可能范围投影在平衡锥体底面上，得到投影可能范围；该投影可能范围不仅应完全落在平衡锥体的底面内，而且应与底面的边之间留有一定的安全冗余距离，具体为：以投影可能范围的几何中心为基点，设定要求在任意方向上该基点与平衡锥体的底面的边的距离不小于该基点与投影可能范围的边界的距离的110％至120％。在本实施例中，以投影可能范围的几何中心为基点，设定要求在任意方向上该基点与平衡锥体的底面的边的距离不小于该基点与投影可能范围的边界的距离的115％。满足该设定要求所优化得出的扭扭车设计，其防侧倾稳定性便得到了留有足够冗余度的保证；同时，本发明通过仿真与数据构建了一种优化和评价方法，将本身难以衡量、判断和比较的防侧倾稳定性这一设计需求，落实在了实际的平衡锥体尺寸参数上，提升了设计过程的可控性和最终方案的安全性。

基于扭扭车稳定性的设计需求，根据上述两种优化方向，对步骤4中得到平衡锥体和相应的扭扭车结构尺寸参数进行优化，以及根据乘用儿童坐深和坐姿臀宽之间的比例关系，设计座椅部5的具体尺寸参数，将步骤2中得到的初步设计方案优化为改进设计方案。

步骤6：验证防倾稳定性，具体为：

对步骤5中得到的改进设计方案进行仿真验证、可行性分析和试制品实际试验，验证其防倾稳定性和其他指标是否符合设计要求；如果符合，则将改进设计方案作为最终设计方案输出；如果不符合，则查找修正仿真模型、数据或计算中的错漏，并重复进行步骤5进行优化调整，直至改进设计方案符合设计要求，再将其作为最终设计方案输出。

本实施例中，经过优化和验证得到的最终设计方案，其前部的长度L

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。