基于TRIZ理論的爬梯式行李箱設(shè)計

鄧末芝，鄭峰，徐瑞康，程世杰，牛禮民

（安徽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

0 引言

行李箱是日常出行中不可缺少的物品，但在出行過程中難免遇到樓梯、臺階等不方便行李箱行走的路段。在火車站、地鐵站等地方經(jīng)?？吹铰每吞釘y沉重的行李箱上下樓梯，入住酒店需要提著行李箱跨過酒店門口的臺階，十分不便。針對上述問題，本團隊基于TRIZ理論分析，設(shè)計了一種爬梯半徑可連續(xù)變化的三星輪，將其與普通行李箱相結(jié)合，構(gòu)成了爬梯式行李箱的主體部分，該設(shè)計很好地解決了出行中提攜行李箱上下樓梯困難的問題，為TRIZ理論的實際應(yīng)用提供了有益參考。

1 爬梯式行李箱研究現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展及交通的愈加便利，現(xiàn)今人們的出行變得頻繁，對于一款可以爬梯的行李箱具有較大的市場需求，因此行李箱的設(shè)計不僅要注重產(chǎn)品質(zhì)量、外觀、材質(zhì)等，更要注重產(chǎn)品附加的爬梯功能。高天禹等[1]在行李箱的背面設(shè)置滑動履帶，從而實現(xiàn)爬梯功能。章天奇等[2]設(shè)計的會上樓梯的可變?nèi)菘烧郫B的行李箱，利用三星輪機構(gòu)通過星輪架繞回轉(zhuǎn)中心公轉(zhuǎn)，星輪輪流作支點交替翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)攀爬樓梯的功能。

在上述的爬梯式行李箱設(shè)計研究中，大多設(shè)計方案都是采用履帶式和三星輪式這兩種爬梯方案。但是這兩種設(shè)計方案都存在一定的不足之處，其適用范圍都有一定的局限性。

2 現(xiàn)有爬梯式行李箱存在的問題

2.1 履帶式爬梯行李箱

圖1所示為履帶式爬梯行李箱腹部圖，爬梯動作的完成需先將行李箱放倒，姿態(tài)如圖2所示，然后拖拽行李箱拉桿，使得行李箱沿樓梯前行。在到達樓梯盡頭時，需要將行李箱提起，并調(diào)整拉桿。

圖1 行李箱腹部

圖2 行李箱爬梯姿態(tài)

履帶式爬梯行李箱使用時存在以下問題：

1）無法很好地適應(yīng)臺階數(shù)量少的情況，使用時十分不便；由于履帶式爬梯行李箱的履帶本身長度較長，在臺階數(shù)量較少（例如酒店、宿舍樓等入口處的臺階）時，往往在尚未拖拽行李箱或者拖拽極短的距離時，行李箱就需要重新提起。在這種情況下，使用履帶式爬梯行李箱就很麻煩，不能很好地解決問題。

2）其拖拽時所占空間較大，無法適應(yīng)人流量大、擁擠場所的樓梯（例如通過火車站、地鐵口、商場的樓梯）；如圖2所示，在爬梯時，行李箱與水平方向的傾角較小，導(dǎo)致其拖拽時需要占據(jù)較大的空間。

3）部分履帶式爬梯行李箱的履帶使用電動機驅(qū)動，并采用內(nèi)置式，即將履帶收于圖1所示的行李箱腹部，此外電驅(qū)動設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這樣擠占了較大的儲物空間。

2.2 三星輪式爬梯行李箱

圖5所示為三星輪式爬梯行李箱，其工作原理是每個星輪及星輪架可以繞星輪架主軸公轉(zhuǎn)，同時每個星輪也可以繞自身星輪軸自轉(zhuǎn)[2]。三星輪機構(gòu)通過星輪架繞回轉(zhuǎn)中心公轉(zhuǎn)，星輪輪流作支點交替翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)攀爬樓梯的功能[4]。使用三星輪式爬梯行李箱時存在以下問題：1）三星輪式爬梯時存在較大的沖擊載荷。三星輪機構(gòu)通過星輪架繞回轉(zhuǎn)中心公轉(zhuǎn)，星輪輪流作支點交替翻轉(zhuǎn)以實現(xiàn)攀爬樓梯，在此過程中，由于星輪的交替翻轉(zhuǎn)與臺階面接觸的過程中會產(chǎn)生沖擊載荷。2）三星輪式行李箱三星輪的回轉(zhuǎn)半徑為確定值。如果采用大回轉(zhuǎn)半徑的三星輪，可攀爬的臺階高度范圍較大，適用于不同高度的臺階，但是在爬梯時其所受的沖擊載荷大。但如果采用回轉(zhuǎn)半徑小的三星輪，可攀爬的臺階高度范圍較窄，無法很好地適應(yīng)不同高度的臺。為此，需要用TRIZ理論方法加以分析設(shè)計。

圖3 行李箱受力分析

圖4 行李箱所需拉力函數(shù)圖

圖5 三星輪式爬梯行李箱

3 TRIZ理論分析設(shè)計

3.1 爬梯技術(shù)方案比較分析

履帶式爬梯行李箱的履帶設(shè)計安裝會占據(jù)較大的儲物空間，人力拖拽行李箱所需拉力遠大于三星輪式行李箱，如果采用電動機驅(qū)動，就會使得行李箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，自重大幅度增加，給行李箱的運輸放置帶來不便，并進一步壓縮儲物空間。同時復(fù)雜的電氣結(jié)構(gòu)將提高行李箱制造成本，不利于行李箱的應(yīng)用推廣。三星輪式爬梯行李箱存在的主要問題為三星輪在進行爬梯時的攀爬半徑，也就是星輪到主軸回轉(zhuǎn)中心的距離是固定值，無法很好地適應(yīng)不同高度的臺階，應(yīng)用范圍受到了一定限制。綜合比較現(xiàn)有的兩類爬梯技術(shù)方案，發(fā)現(xiàn)改進三星輪式爬梯的技術(shù)方案更為簡單有效，且成本較低。

3.2 TRIZ原理解決方案

TRIZ理論是一種可有效解決技術(shù)問題或發(fā)明問題的創(chuàng)造學(xué)方法，為解決問題建立合理的模型提供一種方法論的指引，使得設(shè)計過程有據(jù)可循，少走彎路[4]。為了得到三星輪式爬梯行李箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方案，采用了以下TRIZ發(fā)明原理：1）發(fā)明原理1——抽取原理。抽取原理為將物體中有用的必要因素和有害的部分抽取出來，并進行相應(yīng)的處理。包括從物體中抽取出有害部分和從物體中抽取有用的必要因素。三星輪式爬梯行李箱的行星架部分相對回轉(zhuǎn)軸固定不動，限制了行李箱的適用范圍，為有害部分。三星輪式爬梯行李箱的星輪機構(gòu)通過星輪架繞回轉(zhuǎn)中心公轉(zhuǎn)，星輪輪流作支點交替翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)攀爬樓梯的功能，為有用的必要部分。2）發(fā)明原理11——動態(tài)原理。動態(tài)原理為通過運動或柔性處理，以提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，將物體不動的部分變成可動的，增加其運動性[5]。對三星輪機構(gòu)的行星架做動態(tài)處理，即將行星架設(shè)計為可動的。3）發(fā)明原理6——嵌套原理。嵌套原理為使得兩個物體內(nèi)部契合或置入，其中包含有一個物體通過另一個物體的空腔。根據(jù)嵌套原理設(shè)計一個安裝殼，安裝殼固定在回轉(zhuǎn)主軸上，并沿周向均勻地開3個方形孔，行星架通過方形孔進入安裝殼的空腔中，在安裝殼中的推動機構(gòu)和方形孔的作用下完成沿著安裝殼徑向的移動。4）發(fā)明原理8——預(yù)置防范原理。預(yù)置防范原理指事先準備，應(yīng)對可能出現(xiàn)的故障或問題，以提高系統(tǒng)的可靠性。在三星輪式爬梯行李箱爬梯時，行星架會遭受一定的沖擊載荷。根據(jù)預(yù)置防范原理，三星輪的安裝殼內(nèi)部設(shè)置有圖6所示的導(dǎo)軌，可改善行星架的受力情況，提高爬梯過程中三星輪的穩(wěn)定性。

圖6 三星輪安裝殼

4 爬梯式行李箱創(chuàng)新設(shè)計方案

4.1 爬梯式行李箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

對三星輪式爬梯行李箱結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新性設(shè)計，提出一種爬梯半徑可連續(xù)變化的三星輪（如圖7），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示，以此為基礎(chǔ)，設(shè)計出一種連續(xù)變徑三星輪式爬梯行李箱（如圖9），其中可連續(xù)變徑三星輪的結(jié)構(gòu)主要由行星架主軸、安裝殼、蓋體、星輪、行星架、蝸輪、蝸桿、調(diào)節(jié)旋鈕、回轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)軸、連接板等組成。該三星輪的安裝殼固定在行星架主軸上，并沿安裝殼周向均勻分布3個行星架，其中行星架的一端安裝有星輪，另一端穿過安裝殼，并且通過連接板與安裝殼內(nèi)部的轉(zhuǎn)盤相連接，轉(zhuǎn)盤與驅(qū)動機構(gòu)相連，驅(qū)動機構(gòu)由蝸輪和蝸桿組成。

圖7 可連續(xù)變徑三星輪

圖8 可連續(xù)變徑三星輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖9 連續(xù)變徑三星輪式爬梯行李箱

通過擰動調(diào)節(jié)旋鈕使得蝸桿轉(zhuǎn)動從而帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，然后蝸輪帶動回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。回轉(zhuǎn)盤通過連接板推動行星架沿安裝殼徑向移動，行星架在安裝殼中伸縮變化，實現(xiàn)了三星輪的攀爬半徑可在一定的數(shù)值范圍內(nèi)連續(xù)變化。驅(qū)動機構(gòu)采用蝸輪、蝸桿，不僅結(jié)構(gòu)簡單而且可以自鎖，可以防止爬梯過程中因沖擊載荷而導(dǎo)致攀爬直徑變化。與普通三星輪式爬梯行李箱相比，連續(xù)變徑三星輪式爬梯行李箱可以通過調(diào)整行星架在安裝殼中的徑向移動，改變?nèi)禽喌呐逝腊霃?，以?yīng)對不同場景的樓梯及不同高度的臺階，適用范圍更廣。

4.2 行李箱工作狀態(tài)分析

三星輪的初始狀態(tài)所對應(yīng)的爬梯半徑為最小爬梯半徑，此時3個行星架及連接板在回轉(zhuǎn)盤上的相對位置相同。連接板沿著回轉(zhuǎn)盤周向均勻安裝，并與行星架末端鉸接，回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動通過其上均勻布置的連接板同步同弧度推動行星架，從而保證了行星架的伸縮變化為同步同心。

圖10 三星輪最小爬梯半徑狀態(tài)

圖11 三星輪最大爬梯半徑狀態(tài)

如圖12所示，連接板的長度為a，行星架與連接板之間的夾角為θ，星輪半徑為r，將回轉(zhuǎn)中心到星輪中心的直線距離定義為爬梯半徑。初始狀態(tài)三星輪的爬梯半徑即最小爬梯半徑R1=L+r，三星輪的爬梯半徑R的近似公式為R=L+r+acos θ；本設(shè)計中三星輪處于最小爬梯半徑狀態(tài)時所對應(yīng)的θ角近似為90°，最大爬梯狀態(tài)所對應(yīng)的θ≈0°，故最大爬梯半徑R2=L+r+acos 0°=L+r+a；三星架的伸縮幅度變化為ΔR=R2－R1=a，由此可見三星輪所能適應(yīng)不同樓梯高度的范圍與連接板的長度有關(guān)。目前的樓梯建造要求的臺階高度為140～210 mm，所對應(yīng)的臺階寬度為200～320 mm。本設(shè)計的三星輪機構(gòu)參數(shù)選取r=30 mm，a=60 mm，L=150 mm，最小回轉(zhuǎn)半徑R1=180 mm，最大回轉(zhuǎn)半徑R2可以達到240 mm，這可適應(yīng)絕大部分不同高度的樓梯。

圖12 三星輪局部結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

本文分析了現(xiàn)有的行李箱爬梯技術(shù)方案所存在的問題，綜合比較履帶式爬梯和三星輪式爬梯技術(shù)方案，發(fā)現(xiàn)三星輪式爬梯行李箱更具有改進優(yōu)化的空間，并利用TRIZ理論優(yōu)化改進現(xiàn)有的三星輪式爬梯行李箱，提出了一種可連續(xù)變徑的三星輪式爬梯行李箱。本文對TRIZ創(chuàng)新發(fā)明原理的應(yīng)用，拓展了設(shè)計師對爬梯式行李箱（多功能行李箱）的設(shè)計思路，為后續(xù)爬梯式行李箱的設(shè)計提供了理論參考。