基于模型分析的減力拉桿箱結(jié)構(gòu)設計

閆肖肖 黎綿海 黃少偉 唐剛 李志彪

摘 要：拉桿箱已成為人們出差旅行的常備工具，短期出門可帶一個小型拉桿箱，長期旅行則一般需大型拉桿箱。相對于小型拉桿箱，大型拉桿箱具有容量大、移動不便且費力的特點。為了克服大型拉桿箱的缺點，使其更好地適應人們的長期出差旅行，本文通過模型分析優(yōu)化設計了一種減力拉桿箱。此拉桿箱主要由三角輪結(jié)構(gòu)、減力支撐結(jié)構(gòu)、電驅(qū)助力裝置、折疊結(jié)構(gòu)等組成，移動方便、省時省力、節(jié)約空間，特別適用于裝載許多行李及上下樓梯，具有重要的實用價值。

關鍵詞：拉桿箱;模型分析;減力結(jié)構(gòu);電驅(qū)助力

目前市場上的大型拉桿箱體積大、容量多，可滿足旅客出行需要攜帶大量行李的需求。與此同時，其也存在一些缺點，如上下樓梯不便，若行李過重，則拖動起來比較困難[1]。目前，拉桿箱的移動大部分是通過人力拉動來完成，小型拉桿箱容易拉動，而重型拉桿箱拖動則相對困難[2]。為此，本文通過模型分析優(yōu)化設計一種減力拉桿箱，其具有儲物空間大、移動方便、路面適應性強、閑置時可折疊等優(yōu)點，可有效解決目前拉桿箱存在的問題，具有重要的實用價值。

1 拉桿箱總體結(jié)構(gòu)設計

本文設計的拉桿箱的主體框架采用優(yōu)質(zhì)的鋁合金材料，鋁合金材料具有結(jié)構(gòu)堅固、外形美觀、抗壓力，不易生銹等特點，這種材料廣泛應用于各種箱體的結(jié)構(gòu)制造。

為解決小型拉桿箱易拉動、重型拉桿箱拖動相對困難的問題，本文設計一種減力支撐結(jié)構(gòu)，同時采用電驅(qū)動三角輪為大型箱體移動助力[3]。

本設計的總體模型如圖1所示，1為箱體伸縮拉桿;2為上部箱體;3為下部箱體;4為減力支撐機構(gòu);5為固定伸縮拉桿;6為伸縮節(jié)點1;7為伸縮節(jié)點2;8為伸縮節(jié)點3;9為減力支撐結(jié)構(gòu)收縮控制手柄;10為萬向輪;11為三角輪結(jié)構(gòu);12為主動輪;13為滾動輪;整體尺寸為580mm×390mm×270mm。

2 關鍵結(jié)構(gòu)模型分析及優(yōu)化設計

2.1 三角輪結(jié)構(gòu)和減力支撐結(jié)構(gòu)

如圖2所示，三角輪結(jié)構(gòu)是由三個互成120°夾角的構(gòu)架和支架上的三個滾動輪構(gòu)成三輪支架結(jié)構(gòu)，可將箱子上下樓梯時與樓梯之間的無摩擦變?yōu)槿禽喤c樓梯的滾動摩擦，實現(xiàn)滾動摩擦上樓[1]。滾動輪的直徑為70mm，滾輪軸到三角輪構(gòu)架中心軸的長度為90mm。三角構(gòu)架和支架上的6個滾動輪可通過控制系統(tǒng)來分別控制三角構(gòu)架和滾動輪的正反轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)速，在箱體運動中起到電動助力的作用。三角輪結(jié)構(gòu)使得拉桿箱可在各種路況移動。

2.2 固定伸縮拉桿和折疊伸縮結(jié)構(gòu)

如圖3所示，固定伸縮拉桿分為三節(jié)，第一節(jié)形狀設計為U型，第二節(jié)和第三節(jié)形狀設計為橢圓形。第二節(jié)設計有三個節(jié)點：伸縮節(jié)點1（6）、伸縮節(jié)點2（7）、伸縮節(jié)點3（8）;總長度為200cm。插銷位于不同的節(jié)點對應箱體與路面的傾斜角度分別為60°、52°、45°;當減力支撐結(jié)構(gòu)收起時，收入第二節(jié)，第一節(jié)可容納第二節(jié)，使空間利用最大化。第二節(jié)與第三節(jié)連的接處通過銷連接，第一節(jié)和第二節(jié)連接銷上裝有一個反向彈簧。在放下減力支撐結(jié)構(gòu)時保證伸縮拉桿處于筆直的狀態(tài)，對支撐面板起到支撐的作用;當減力支撐結(jié)構(gòu)收起時，固定伸縮拉桿繞銷旋轉(zhuǎn)收縮。

圖4所示為折疊伸縮拉桿結(jié)構(gòu)16，包括兩根橢圓形管、插銷17及控制手柄18。下部管有兩個節(jié)點：折疊桿節(jié)點1（19）和折疊桿節(jié)點2（20）;總長度：270cm，可通過調(diào)節(jié)插銷所在的位置來控制箱體內(nèi)部儲物容量及箱體的高度，實現(xiàn)箱體內(nèi)部儲物容量及箱體高度的靈活使用[4]。

2.3 電驅(qū)助力裝置

如圖1所示，電驅(qū)助力裝置是與三角輪結(jié)構(gòu)配合使用，在箱體上下樓梯或遇惡劣路面時，通過控制電路讓主軸（12）旋轉(zhuǎn)，主軸的旋轉(zhuǎn)由電動機帶動[5]?？刂浦鬏S轉(zhuǎn)動的小型電動機置于箱體的內(nèi)部;六個滾動輪屬于小型的電動輪，其原理類似電動自行車驅(qū)動輪。

3 三角輪構(gòu)架有限元仿真分析

三角輪構(gòu)架受力如圖5所示，分析過程如下：在solidworks軟件中打開三角輪構(gòu)架三維模型，進入靜力分析頁面;對模型添加材料（鋁合金）;添加約束，固定七個圓孔;選擇三角輪構(gòu)架中間部分的曲面，施加1000N的力;點擊運算，結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖可知，三角輪構(gòu)架發(fā)生形變的最小應力F1=225.594N/m2;完全形變時的最大應力F2=847645N/m2;受力最大點位于圓柱曲面與兩三角塊的連接處，設計拉桿箱的三角輪構(gòu)架時應適當?shù)卦黾尤菈K的厚度以達到額定負載，確保此處不會發(fā)生失效變形[6]。

4 結(jié)語

本文以目前市場上的寸拉桿箱為參考，對拉桿箱做出了新概念設計，即在普通拉桿箱的基礎上增加了三角輪結(jié)構(gòu)、折疊結(jié)構(gòu)、減力支撐結(jié)構(gòu)和電驅(qū)助力裝置，并給出了具體的相關參數(shù)值及三維模型。此外，本文對所設計拉桿箱的伸縮拉桿做了強度校核;通過solidworks軟件對三角輪架結(jié)構(gòu)做了靜力分析，由分析結(jié)構(gòu)并結(jié)合現(xiàn)實情況對拉桿箱的相關零部件的參數(shù)和材料做出了相應調(diào)整。

參考文獻：

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[5]宋丕偉，劉東升，李偉堯，董淑婧.電動助力代步拉桿箱的研究與設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（9）：15.

[6]楊黎明，楊志勤.機構(gòu)選型與運動設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007，113-116.