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2020年11月20日发(作者：卢肇钧)
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《创新思维与实践》课程大作业

题目
婴儿车自锁系统改良设计










姓名：
班级：2011机械工程及自动化
学号：
任课教师：
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评语：

















年月日
签名：


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摘要
目前市场上的婴儿车刹车装置一般都是手动的，家长在停车之后需要额外 的
操作去锁定车轮。当家长由于疏忽而忘记锁车时，车子有失控的危险，存在安全
隐患。本课程 设计针对婴儿车刹车问题，对现有的刹车装置进行改良，提出一种
婴儿车的自锁装置。
该设计采取现有婴儿车的基本骨架，在手把、后轮处改良结构。最终的效果
是：当推动车子时，手部对手 把产生推力，使后轮自由，此时车子可以随意前进
或后退；当停止推动，人手离开手把，后轮被自动刹紧 ，车子不能自由运动。
锁车机构主要由手把、凸轮、传动杆、弹簧、机械手爪组成。手把一端 固定
并可绕其运动，凸轮固连安装在手把定端。手爪用于“抓紧”后轮。弹簧提供给
手爪“抓紧 ”后轮的力。当手把处于一个角位置时，凸轮远休点传给到达某位置，
把传动杆顶下，传动杆把此向下的 位移传给机械手爪，克服弹簧抓紧后轮的力使
后轮得到自由。
本设计的创新点主要在于把额外的手动刹车动作省去，向婴儿车引入“自动”
刹车装置。
正文
一、引言
近几年，童车已经由婴童“奢始品”演变成为儿童成长过程中的必需品，儿
童的成长从婴儿手推车、学步车、脚踏车、电瓶车到自行车一个都不能少。根据
统计数据，按照目前新生 儿出生数量进行累积计算，全球6岁以下的儿童数量超
过8亿。每年全球童车的消费量将超过1000亿 元人民币，这是一个巨大的消费
市场。在婴儿车数量发展飞速的同时，婴儿车的质量的提升也应该得到重 视。孩
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子是父母手中的包，我们不容许因婴儿车的安全问题而使婴儿收到伤害。 而婴< br>儿车最大的一个安全问题是刹车问题。近几年不时有新闻报道因刹车问题而导致
婴儿受伤甚至夭折 的事件。那么，目前市场上的婴儿车刹车系统到底有什么缺陷
呢？
目前的婴儿车大多是在四个 轮子处安装一个脚踏制动机构，家长在停稳车子
之后需通过脚踏的方式逐个锁定车轮。而有些家长由于疏 忽，往往在停车之后没
有立即刹车，才使车中的婴儿由于婴儿车失控受到伤害。
本团队的目标 在于对目前婴儿车的刹车系统进行改进，使其能“自动”刹车，
减少因忘记锁车而带来的婴儿车失控事故 .


二、整机设计方案
目前婴儿手推车的刹车装置手动的。在后轮处安装 一个锁紧机构，通过脚踏
的方法即可锁紧车辆。本设计目的是将额外的刹车动作去掉，做到放手停止推动
车辆即可将其刹停。
本设计是基于一款现有的婴儿手推车进行结构上的改进。如下图
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图1 图2
外形和骨架基本不做变化，采用现有原型。只在适当部位做一些改进。
把图中手动锁换 成可以自动锁紧的机构，再配以1处加入的附加联动触发机
构，即可实现“自动”锁紧。
整车刹车的工作原理：
当施力于手把处时，手推力的分力使手把向下摆动，通过1处的联动机 构，
使手把处的角度位移转换为后轮刹车装置的垂直方向的位移，把刹车齿轮向下推，
使其与轮 轴齿轮啮合，达到制动效果。当施加在手把处的力消除，通过2处的弹
簧，使手把弹起，再通过1处的连 动装置使刹车齿轮提起，其与轮轴齿轮分离，
轮轴不受锁紧力，后轮得到自由。
下面详细介绍各个部分结构：
1、刹车齿轮与轮轴齿轮啮合
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图3
如图，刹车齿轮只做大概一个轮齿的四分之一，轮轴齿轮则为整轮 ，固连在
后轮轴上与后轮同步运动。
当不施力于手把，即手推车不运动时，刹车齿轮与轮轴齿 轮啮合，轮轴被锁
定，后轮不能转动。而当推动手推车时，两轮齿互相分离，后轮自由转动。
这种齿轮啮合锁定相比于摩擦锁定的优点在于可靠性高，只要齿高足够高，
就不会打滑。齿轮啮合为有级 的，但只要齿数足够多，轮齿足够密，就可近似看
作无级，这样可以基本保证在后轮没有太大角位移时即 可正确啮合。
2、传动轴
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图4
图中蓝色部分为传动轴，其通过红色的三个部件定位，传动轴可上下运动。
传动轴下端固连刹车齿轮，把上下运动传到刹车齿轮。
3、手把

图5
图中红色为手把，蓝色为弹簧机构。手把在不受手的作用力时，仅受弹簧机
构的弹力，弹 簧受压，使手把有向上运动的趋势。当人手施加作用力于其上时，
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受力如图。

图6
人手的作用力F分解为Fx，Fy两个方向的分力，其 中主要以Fy为主，其
是通过手把的安装角来保证的。Fy分力克服弹簧的弹力使手把向下摆动。
4、联动机构

图6
联动机构连接手把和传动轴。滑槽连接。是把角位移转换为线位移的环节。
整机动作联系如图：
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图7
三、自己负责部分的设计方案
分析了现有国内外婴儿车制造的现状，本团队通过讨论，确定了团队作品
的三个基本属性：
（1）去掉额外的脚踏锁车动作，把停车放手的动作作为触发锁车的动作。
（2）人的动作输入点放在手把处。
（3）锁车执行机构放在车轮处。
本人基于以 上确定的几点属性，经过思考和查阅相关书籍，制定了自己的
一套设计方案。下面是设计过程。
1、制动机构安装在前轮还是安装在后轮？
婴儿手推车前轮是可以转向的，如图

图8
若把制动机构安装在前轮，必然使机构复杂化。若安装在结构简单得多的
后 轮，则可以避免结构复杂化。
所以，应当把刹车装置安装在后轮。
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2、怎么制动车轮以达到整车制动的效果？
（1）首先观察现有的车轮制动机构。
在我们日常生活中的车轮制动机构通常都是对摩擦原理的应用。通过刹车
鼓和刹车片对车辆进行制动。据 此，取其摩擦原理，通过查找相关资料，我列出
以下几种方案。并按其动作关系，把其归为两类。
1）第一类

图a 图b
在相关书籍中找到了如上图所示的两种类似的机械手机构。
如图a所示，方形块为机架 ，其中轴处开孔可容一根圆棒在其中上下运动。
方形块下部两边各通过铰链连接安装一根杠杆，杠杆在上 端通过拉伸弹簧的作用
力使其上半部有相互靠近的趋势。圆棒端部为圆柱向圆锥过度的块头。当圆棒处< br>于如图位置时，两边的杠杆上部受圆柱的压力而分开，使其另一端相互靠近，压
紧圆球。当圆棒被 提起，使圆锥侧面接触杠杆上端部时，在拉伸弹簧的作用下，
杠杆上部靠近，下部张开，释放圆球。
该机构的优点是零部件结构简单，制造方便，但其存在一个缺点：圆棒提
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起时， 有可能提起位移过大，使杠杆上端与圆棒圆锥面脱离接触，当圆棒再次压
下时将被杠杆上端阻碍，使整个 机构失去工作能力。若要解决这个问题，需要额
外加入限定圆棒位置的装置。
如图b所示的机械手夹紧机构则无上述担忧。但结构还可以进一步简化成
图c样式。
另外，图c机构相比于图b的改进还在于，圆棒底端部与传动杆的连接由
一个铰链增加成两个铰链，使该 处铰链传动更加可靠平稳。
为了进一步增加平稳性和增大夹紧力，还可改进成图d样式。

图c 图d
经过反思，发现如图b、c、d的结构的主动力臂相比从动力臂太短，以图
d为例。如下图：
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F1、F2分别为主动力、从动力，而L1、L2分别为主动力臂、从动力 臂。
图中清晰可见主动力臂L1比从动力臂L2小很多，这会导致当平衡时主动力F1
将比从动 力F2大很多。反过来思考，当提供的F1大小有限时，通过杠杆传达
到橡胶块处的锁紧力F2将会很小 ，这对锁紧车轮是不利的。提供的F1力的大
小直接与人手提供给车把的推压力大小相关，我们的设计的 目标是希望手提供的
推压力能不衰减甚至增加地传递到车轮锁紧装置，保证车轮锁死。
为了增长主动力臂，避免动力的衰减，本人通过思考，对以上结构进行改
进，草绘出下图e。

图e
该改进结构主动力臂L1与从动力臂L2基本相等，主动力F1基本不受衰
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减地传到锁紧橡胶块。
另外，还有一增力结构。如图f：

图f
增力的方法为：使从动力臂L2减小，或使主动力臂L1增大。由于轮子半
径是固定的， 所以从动力臂不能再减小，只能采取增加主动力臂L1的方法。则
有如图f结构。由杠杆原理——F1x L1=F2xL2，可知，因L1>L2，所以F1达到增力效果。
但是，此增力机构有个明显缺点：使机构整体尺寸过大。
总结：以上为根据动作关系分成的第 一类通过摩擦锁定的机械手机构。其
结构和动作特征为：主要为一根主动圆棒，一双对称的从动杠杆手爪 组成，将圆
棒的上下运动通过传动机构转换为杠杆手爪的角位移以锁紧车轮，力臂L1、L2
的 大小决定了力F1、F2的相对大小，如下式。
由F1xL1=F2xL2，推出F2F1=L1L2 =K。不妨定义K为杠杆力的传力比。
在本设计中，K越大越好。
2）下面为根据动作关系区分的第二类摩擦锁定机构。
该类机构的共同性或者说其特点在于，把旋转运动转换成机械手的角位移
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以达到锁紧的效果。

图g 图h
图g所示机构，上部横向安装一丝杆，其两端各螺纹配合一个螺母。丝杆
两边 的螺纹旋向相反，当丝杆转动时，螺母相向或相离运动。下部两边各安装一
跟弯杆作为锁紧执行件。弯杆 下端固连于机架，上端与上述螺母铰接，跟随螺母
运动。当螺母相向运动时，锁紧车轮，当螺母相离时， 放松车轮。
该机构的优点是，因螺纹的自锁性，当锁紧车轮时，车轮的对弯杆的反作
用力（压力）不能使螺母产生相离运动而放松车轮。锁紧可靠。但其缺点也是明
显的：丝杆制造工艺复 杂，使制造成本升高，且锁紧需要旋转丝杆，操作不方便。
图h原理基本与图g相似。区别 在于把施力点与受力点分别放在支点两边，
且把螺纹副改成齿轮副。其缺点也在于制造不易，成本过高。
经过分析，选定图e的机械手机构作为锁紧后轮的执行机构。
3、人手部给手把输入什么运动才引起相关锁车、解锁运动？
人在推车时与停车离开对婴儿车动作的区别如下：
推车时：手轻握手把，双手搭在手把上对手把施加向前和向下的推力。
停车后：上述两种力量都被释放。
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对比推车时和停车离开后的变化，我列举出如下几种方案。
（1）利用手轻握手把的握力。
在手把手握部位安装握力弹块，推车时握力使弹块压下，通过传动机构转化
为上述机械手 的圆棒的向下运动，释放后轮；停车离开握力消失，导致圆棒向上
运动，自动锁紧后轮。
但这 种机构有个本质缺点：弹簧压块力臂小，必然导致使其压下的力量很大，
而这种力量直接来自于手部，若 手部施加太大力且时间过长会对手部不好。
（2）利用推车人手部对手把的推力
如下图，人推动婴儿车时，对车把有向前和向下得推力，能对两者中哪个加
以利用呢？

分析：向前的分力是比较小的，特别是当婴儿车在起动后平稳前进的过程中
更加小， 而且是断续的。而由于人手部自身的重量，使向下的分力则相比较大且
较为平稳。所以对向下的分力的利 用是较为合理的。
经过思考，我草绘出如下图形：
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手把不要做成 固定式的，要使其能在图示范围内活动。图示支点位置做成铰
链连接，且安装扭簧，使手把在不受手推力 的作用下处于如图实线位置。当受到
手部推力时，其运动到虚线位置。
4、那么，怎么把手把部位的角位移转换成刹车部分圆棒构件上下方向的线
位移呢？
我提出如下方案：

如图的弹簧一端固连机架，另一端固连双铰链块。在未施加手部 推力时，
弹簧受拉，是圆棒向上运动，机械手夹紧车轮。在手把铰接的一端连一凸轮，当
手部推 力把手把推到如图位置时，凸轮的远休点刚好转到如图角度，压下传动杆，
传动杆的另一端制一斜面，当 杆被压下时，推动下一部分的圆棒向下运动，机械
手松开车轮，此时婴儿车可以移动。
四、结论
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评价：
在设计之前，查阅了充足的相关资料，在思考设 计过程中，把搜索到的机构
应用到作品中，所以，该设计整体来说，结构比较规范，理论上基本能实现预 期
的功能。但设计中不足之处还是明显的。比如设计之前并没测量过手部推力大小，
不能清楚实 际是否能起作用；手把的安装角度没有经过具体的计算，因而不能知
道手部推力在垂直地面的分力为多少 ；作品只设计了“自动”刹车的骨架，并未
和婴儿车的实际骨架相配合等等。



参考文献：
[1] .《常见机构设计及应用图例 第二版》 化学工业出版社 孙开元 张丽杰 主编
[2] .婴儿手推车的市场调查报告 杨天赐