小區(qū)域電動(dòng)物流小車的設(shè)計(jì)

摘 要：現(xiàn)代快遞業(yè)的發(fā)展離不開物流運(yùn)輸，在小區(qū)域物流運(yùn)輸方向，短途貨物周轉(zhuǎn)用小型機(jī)動(dòng)車成為了主要的運(yùn)輸工具，因此為了滿足未來不斷增長的快遞物流業(yè)發(fā)展需求，對電動(dòng)物流小車進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)具有很重要的實(shí)際意義。電動(dòng)物流小車是以直流或交流電力為動(dòng)力實(shí)施起重、搬運(yùn)作業(yè)的車輛，其具有操縱控制簡便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。其電動(dòng)提升系統(tǒng)、加速控制系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都由電信號來控制，大大降低了操縱人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，這樣一來對于提高其工作效率以及工作的穩(wěn)定性有非常大的幫助。論文基于solidworks對電動(dòng)物流試驗(yàn)小車進(jìn)行三維建模，在虛擬環(huán)境中對小車進(jìn)行仿真研究，根據(jù)小車提升裝置和驅(qū)動(dòng)裝置等構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，將其簡化為具有確定相對運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件，并根據(jù)其運(yùn)動(dòng)關(guān)系和約束條件為簡化后的構(gòu)件建立相應(yīng)的參考坐標(biāo)，描述其相對運(yùn)動(dòng)，并對相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行受力分析。

關(guān)鍵詞：物流小車；電動(dòng)；三維建模；運(yùn)動(dòng)分析；受力分析

一、引言

本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)物流小車，本小車是針對物流行業(yè)快速發(fā)展，校園遞送工作量大的需要，進(jìn)行電動(dòng)物流小車比例試驗(yàn)車虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)。通過樣機(jī)與校園實(shí)際遞運(yùn)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一款適用于校園內(nèi)部快遞運(yùn)輸?shù)碾妱?dòng)物流試驗(yàn)小車，以方便校園遞運(yùn)為出發(fā)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快捷方便的目的[1]。

本款小車從解決快遞業(yè)最后一公里服務(wù)中存在的問題著手，改變傳統(tǒng)的手推車運(yùn)載小，對人力要求大，效率低的方向，對電動(dòng)叉車進(jìn)行改造，為節(jié)約成本，變液壓提升系統(tǒng)為電力提升系統(tǒng)，同時(shí)加入太陽能電力系統(tǒng)，在不使用小車時(shí)可以進(jìn)行充電，節(jié)約資源，提高能源利用率[2]。

二、小車原理及各部件設(shè)計(jì)思路

本電動(dòng)物流試驗(yàn)小車的原理是：提升系統(tǒng)是由鏈子兩端分別固定在前叉橫桿上和舵機(jī)繞線輪上，由舵機(jī)控制繞線輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鏈子纏繞在繞線輪上，從而使前叉沿著立桿向上滑動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升物體的目的；兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)后輪，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制下可控制其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，兩個(gè)前輪獨(dú)立，由兩個(gè)后輪的變速控制轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)“后驅(qū)前隨”[3]。

小車的結(jié)構(gòu)根據(jù)各部分的作用可分為幾個(gè)系統(tǒng)，分別是提升系、舵機(jī)系、前輪系、后輪系、底板、其他。小車三維效果如圖1.1。

（一）提升系

提升系由前叉，固定橫桿、支撐立桿，定滑輪，滑輪支撐桿，軸承組成，如圖1.2所示。左右叉由橫桿焊接固連在一起，從支撐立桿上端凹槽里穿過，沿著立桿可上下滑動(dòng)，立桿焊接在底板相應(yīng)位置?；喼螚U焊接在立桿上那個(gè)，裝上相應(yīng)的軸承，滑輪[4]。

（二）舵機(jī)系

舵機(jī)系由舵機(jī)底座、舵機(jī)、舵機(jī)軸、繞線環(huán)螺釘、螺母組成，如圖1.3所示。舵機(jī)底座是鑄造而成，由螺栓固定在地板上，舵機(jī)被固定在底座相應(yīng)位置，繞線環(huán)和舵機(jī)軸通過鍵連接在一起[5]。

（三）前輪系

前輪系由前輪、輪胎、前輪軸、軸承、軸承架、螺釘、螺母組成，如圖1.3所示。各個(gè)零部件之間的固定方式為：軸承架通過螺栓固定在地板上，前輪軸通過軸承固定在軸承架上，車輪通過鍵連接在軸上[6]。

（四）后輪系

后輪系由后輪、輪胎、電機(jī)、減速器、電機(jī)軸、軸承、軸承架、螺釘、螺母組成，如圖1.5所示。電機(jī)固定在電機(jī)架上，然后通過螺釘連接在地板上，電機(jī)軸穿過軸承和軸承組成的支撐架連接在車輪上，軸與車輪連接方式是鍵連接。

（五）底板

底板由不銹鋼1.4305（X8CrNiS18-9）經(jīng)加工而成，如圖1.6所示：

（六）其他

其他配件如電源護(hù)罩，座椅，車廂，車廂底板，如圖1.7所示。

三、關(guān)鍵零部件校核計(jì)算

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)有些關(guān)鍵零部件會(huì)出現(xiàn)受力過大出現(xiàn)變形或直接被破壞掉，這就需要我們在設(shè)計(jì)時(shí)對這些構(gòu)件進(jìn)行校核計(jì)算。設(shè)計(jì)中利用solidworks2014進(jìn)行三維建模，利用“simulation”模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并進(jìn)行受力仿真分析。

（一）底板

底板采用不銹鋼1.4305（X8CrNiS18-9）經(jīng)加工而成，在提升系處收到最大3000N的作用力，由仿真結(jié)果可知，底板受到的最大應(yīng)力為392MPa，小于其許用應(yīng)力[7]，最大位移為0.862mm，可以忽略不計(jì)。

（二）前叉

前叉采用鐵0.7050（EN-GJS-500-7）鑄造而成，分為左右兩個(gè)，由叉前橫桿焊接固連在一起，對一個(gè)叉進(jìn)行分析時(shí)，令其叉面受到1500N作用力，由仿真結(jié)果可知，底板受到的最大應(yīng)力為75MPa，小于其許用應(yīng)力[8]，最大位移為0.906mm，可以忽略不計(jì)。

（三）立桿

立桿由鋼1.0050（E295）機(jī)加工而成，對前叉其導(dǎo)向和支撐作用[9]。對一個(gè)桿進(jìn)行分析時(shí)，令其上頂面受到1500N的垂直作用力和225N的法向作用力，由仿真結(jié)果可知，立桿受到的最大應(yīng)力為105MPa，小于其許用應(yīng)力，最大位移為10.8mm，這是在最大載荷下最大受力處所產(chǎn)生的最大位移，在實(shí)際情況中不會(huì)大于5mm，因此也是合格的。

（四）舵機(jī)軸

舵機(jī)軸由鋼1.0050（E295）機(jī)加工而成。其受到60N/m的扭矩作用，由仿真結(jié)果可知，底板受到的最大應(yīng)力為21MPa，小于其許用應(yīng)力，最大位移為0.00382mm，可以忽略不計(jì)。

（五）載重與配重

（1）根據(jù)舵機(jī)扭矩100kg.cm與減速比1：6，得出輸出扭矩為：

10N.m×6=60N.m （2.1）

繞線輪半徑為20mm，故輸出力為：

60N.m÷0.02m=3000N （2.2）

經(jīng)過仿真驗(yàn)證，所選材料滿足要求。提升部件材料本身較輕，故忽略不計(jì)，所以本小車設(shè)計(jì)載重為3000N。

（2）裝配體的三維仿真圖如圖2.1所示，在前輪中心處建立坐標(biāo)系1，尋找到小車質(zhì)心相對于坐標(biāo)系1的坐標(biāo)（-210.063，97.286，-336.841）mm。

建立數(shù)學(xué)模型，并對模型進(jìn)行簡化后計(jì)算得知：在距離前輪中心600mm處添加：

（1000×188+3000×404-1780×378）/600=1212N （2.3）

即加載121kg的重物進(jìn)行配重，即可滿足在前叉處于最大載荷狀態(tài)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生前傾翻車的危險(xiǎn)。

四、結(jié)論

小車采用電力供能，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、噪聲小、無廢氣排放、控制方便等特點(diǎn)，利用電力控制系統(tǒng)可大大方便操縱。

本小車在小區(qū)域運(yùn)輸方面有巨大的優(yōu)勢，可以一改沉重的體力勞動(dòng)局面，進(jìn)而向自動(dòng)化物流方向轉(zhuǎn)變。

利用舵機(jī)構(gòu)件代替液壓提升機(jī)構(gòu)有效節(jié)約了從成本，并且清潔、高效、無污染。為在校園等小區(qū)域遞運(yùn)推廣提供了前提條件[10]。

（4）小車采用的后驅(qū)前隨機(jī)構(gòu)，并采用兩個(gè)電機(jī)共同控制兩后輪的運(yùn)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退，加速減速，轉(zhuǎn)彎的命令，兩前輪采用兩個(gè)獨(dú)立輪，互不干擾，便于前輪的隨動(dòng)特性。

參考文獻(xiàn)

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[5]張忠澤.電動(dòng)叉車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，1998年地06期

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[9]吳秋德.電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)及性能仿真研究[D].吉林大學(xué)，2013

[10]汪愷.機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊第二卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996

作者簡介：

曹銳（1993-），男，漢族，河南鄭州人，工學(xué)碩士，單位：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)碩士2016級研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

李登科（1993-），男，漢族，河南駐馬店人，工學(xué)碩士，單位：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)碩士2016級研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

（作者單位：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)械與信息工程學(xué)院）