一種可變結構運輸車的創(chuàng)新設計

王敏娜，孫亮波，梁家偉，龔俊杰，伍正楷

(武漢輕工大學 機械工程學院，湖北 武漢 430048)

0 引 言

電子商務的興起帶動了快遞行業(yè)的發(fā)展，據統計2017年我國快遞量就已達到205億件[1]。在當今快遞運輸中，大部分以廂式貨車進行快遞運輸，從而存在安全性差、裝卸不便、識別度低、包裹無序等問題。例如大型家具、冰箱和空調等商品通常徒手裝卸，導致勞動強度高、裝卸效率低，且易造成商品損傷，降低運輸效率。而手機、電腦等電子產品在運輸過程中也存在擠壓損壞的可能性，增加運輸成本。

目前國內市場上的產品及其性能分析如表1所示[2]。

通過對國內外的運輸車的市場調研可知，現有運輸車主要存在以下問題：

(1) 貨物積壓損壞；

(2) 無法分類存放，車廂空間利用不合理；

(3) 人工裝卸繁瑣低效。

對現有運輸車存在的問題進行分析，創(chuàng)新設計了可變結構運輸車，實現車廂的分層功能，避免貨物積壓，保證貨物平穩(wěn)安全；對車廂縱向進行分列，合理利用車廂空間。車廂門在保留傳統旋轉門的基礎上，改造成輔助滑動式斜接門，配合車廂內部傳送板，能夠輔助貨物的裝卸，減輕工人勞動強度。

表1 現有的快遞運輸車性能分析

1 可變結構運輸車設計思路

基于以上調查研究，創(chuàng)新設計了可變結構運輸車，其設計思路如圖1所示。

圖1 設計思路

可變結構運輸車的三維造型圖如圖2所示，通過三層傳送帶2、3、5進行分層，通過分隔網架1分區(qū)，實現對不同貨物的合理分類和對車廂空間的有效利用。翻轉門4分別與三層傳送帶2、3、5配合，實現半自動化裝卸貨物。

圖2 可變結構運輸車三維造型圖 1.分隔網架 2.頂層傳送帶 3.中層傳送帶 4.翻轉門 5.底層傳送帶

2 作品功能分析與實現

2.1 分層功能的實現

為了解決貨物的積壓問題，達到降低貨物損壞率，優(yōu)化商品運輸環(huán)境的目的，設計了車廂分層的結構。設計了上、中、下三層貨物存放支撐板，相鄰兩層之間的距離可以根據貨物實際尺寸大小進行任意層高調節(jié)，在避免貨物積壓損壞的情況下，進一步更加合理利用空間。

如圖3所示，利用軸輥傳送板3給車廂分層。每層經由纜繩1懸吊在車廂頂部。通過控制纜繩1進而控制每層傳送板的高度，使其能夠適應不同尺寸貨物的需要。在車廂側面內壁加裝導軌4，橫向固定傳送板，防止傳送板在車廂內晃動。傳送板內部加裝電機2帶動軸輥旋轉使其能夠運送貨物進出。

圖3 分層機構示意圖1.纜繩 2.電機 3.分層傳送板 4.導軌

變胞機構具有構態(tài)變化和自動組合的特點，應用在具有多個不同工作階段的場合 , 并且由一 個工作階段到另一個工作階段中, 總是以改變機構的拓撲結構(由此改變機構的自由度)呈現出不同機構類型或運動性能來實現功能要求，極大的減少了機構數量，節(jié)省了內部空間[3-4]。

為了實現對中、上兩層傳送板進行分別控制，達到減少原動機的數目，降低成本的目的，采用了差動輪系與棘輪組成的變胞機構，完成了動力分配和放松的雙重功能。如圖4所示的頂部升降機構，利用了差動輪系、蝸輪蝸桿、萬向節(jié)、普通錐齒輪的組合傳遞動力。

車廂內分為三層，底層1固定不動，上、下兩層需要單獨控制升降，此處創(chuàng)新設計了差動輪系分配動力。電機4將動力輸入至差動輪系8。如圖5所示差動輪系的自由度為：

F=3n-(2p1+ph)=3×4-(2×4+1×2)=2

(1)

差動輪系8的兩個輸出端各有一個棘輪7，電機動力輸入至H桿，當齒輪1輸出端被棘輪鎖死時，此時該差動輪系的自由度為1。動力由2輪輸出，經由萬向節(jié)5、蝸輪蝸桿9、傳動軸、錐齒輪10組成的傳動鏈將動力傳至四角的絞輪4，絞輪4通過纜繩11控制頂層傳送板的升降。反之，當2輪鎖死，則動力由2輪輸出，控制中層傳送板的升降。

圖5 分層升降機構簡圖

考慮到車輛行進過程中震動較為強烈，在車輛行進過程中同時鎖死1,2輪兩個輸出端，系統自由度為零。保證分層高度不會變化，進一步保障貨物安全。

2.2 分列功能的實現

為了提高空間利用率，滿足不同類型、不同地域貨物的分類運輸要求，采用分隔網架和傳送板相互配合對車廂空間分區(qū)。

如圖6所示，卷線機構3利用電機驅動蝸桿，蝸桿帶動雙蝸輪，纜繩1穿過走線管2連接雙蝸輪，雙蝸輪收放線，帶動纜繩1移動，從而控制網架4左右平移，改變分列的寬度。網架四角都連有纜繩1，保證網架4移動時不會傾斜卡死。在橫軌上左右滑動的同時，分隔網4隨層高變化在豎軌上伸縮滑動，從而進行更合理空間分配。

圖6 分隔網示意圖1.纜繩 2.走線管 3.卷線機構 4.分隔網架

2.3 輔助裝卸功能的實現

翻轉門保留了傳統的貨柜車側開的方式，裝卸貨物時可將門板從側面打開，如圖7所示。

圖7 傳統打開方式

此外，為了優(yōu)化卸貨過程，降低快遞人員的勞動強度，提高工作效率，防止暴力運輸，創(chuàng)新設計了翻轉打開的方式。

如圖8所示為翻轉門的機構簡圖，其為曲柄滑塊機構，自由度為：

F=3n-(2p1+ph)=3×3-2×4=1

(2)

電機轉動，推動齒條前進，橫軌4同齒條前進。在門板的四角增加滑塊1，能夠在滑軌2上滑動。利用三角函數分析，有:

|CB|sinα=|CD|

(3)

所以車門在運動行程范圍內，滿足

0°≤α≤90°， 0≤|CD|≤|CB|

當電機工作，帶動門傾斜，可以形成一定角度且能在任意高度鎖止，配合車廂內部傳送板送出貨物，在裝載貨物時也可以借助這個翻轉門將貨物推送到傳送板上。當車門完全打開，門板CB接近水平，在B處難以將門板推起，故在D處添加助力彈簧3。

取門板CB質量M=2 kg，取彈簧不受力時長度為行程的一半S=150 mm，估算所需彈簧的彈性系數

(4)

因門板需承載貨物則選用彈簧彈性系數為K=100 N/m。

圖9為翻轉門輔助裝卸圖，通過傳送帶與翻轉門配合，實現對貨物的裝卸。增加擋板防止貨物打滑下落損壞。

圖8 翻轉門機構簡圖圖9 翻轉門輔助裝卸圖1.滑塊 2.豎軌 3.助力彈簧 4.橫軌

3 結 論

如圖10所示，該可變結構運輸車以1：6比例制作完成模型樣機。

圖10 可變結構運輸車模型圖

與市場已有產品相比，該運輸車具有如下特點：

(1) 使用差動輪系與鎖緊機構組合的變胞機構，采用多桿平行機構和傳送板相互配合，實現分層分列組合對車廂分配空間，防止貨物積壓，滿足分類運輸需要。

(2) 采用電機驅動的傳送板，升降裝置，翻轉門等可大大優(yōu)化貨物裝卸方式，降低勞動強度并提高工作效率。

(3) 該運輸車空間利用率較高，可改善貨物運輸環(huán)境，輔助人工裝卸，能節(jié)省勞力，降低勞動成本，提高運輸效率，具有一定的市場推廣使用價值。