適應于多種環境的助力載運工具的設計

王志海，戴佳驊

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

適應于多種環境的助力載運工具的設計

王志海，戴佳驊

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

針對現有市場上載運搬運工具存在的功能單一、效率低下、適應性差等缺點，運用機械設計的方法和材料力學檢驗的方式設計了一款適應于多種環境的具有助力效果的手推車，以實現服務社會、提高勞動效率的目標。本作品創新整合了齒條連桿、棘輪、嵌入式離合器等機構，實現了兩輪搬運、車廂裝卸、散貨搬運等七大功能，考慮了復雜多變的工作環境，最終實現助力搬運載運的目標。

助力；多功能；多環境；載運搬運

近年來，隨著電子商務的快速發展，我國快遞與物流行業發展十分迅速，越來越多的人從事物流行業的相關工作。截止2013年底，我國物流企業超過1萬所，從業人員超200萬人。與我國物流行業快速發展形成鮮明對比的是，物流從業人員的工作條件長期沒有明顯的改善，對快遞員而言異常重要的載運工具更是如此。目前市場上二輪手推車、登高式手推臺車等是在搬運過程中最常見、應用最廣泛的人力作業車輛。在實際搬運過程中，常常使用二輪手推車進行水平搬運，利用后兩者進行垂直搬運。

1 助力工具的機械結構設計

針對適應多種工作環境的具有助力效果的多功能設計目的，本推車設計應滿足以下個要求：（1）由于采用人力單向間歇動力輸入，為了實現單方向輸出和“一入多出”的要求，需要針對不同模式合理整合傳動機構。（2）為了實現助力效果，必須設計合理的助力機構以達到最大化放大人力的效果來提升搬運和運載效率。（3）為加強對環境的適應性，應設計能滿足各種環境要求的換向機構、限位機構和越障能力機構。根據以上的使用要求，該運載工具整體模型如圖1所示。

1.1 動力單向間歇輸入機構

踩踏腳踏板，向下拉動鏈條，鏈條帶動飛輪旋轉,飛輪向離合器輸入動力。松開腳踏板，在復位彈簧作用下回位，鏈條帶動飛輪回轉，但飛輪此時打滑不向離合器輸入反向動力。

1.2 換向機構的設計

將輸入至飛輪的動力，由離合器分別將動力傳遞給傳動軸上左端的繞線盤或右端齒輪，實現動力向不同方向機構傳輸，最終實現裝卸架抬升和頂起的目的。

1.3 模式轉換機構的設計

（1）輔助輪架限位機構的設計。輔助輪架以固定盤為圓心，繞其旋轉，由撥桿對其進行位置的選擇，實現推車位姿的調節以實現不同功能的切換。（2）把手角度調節機構。按下把手頂塊，抬起將彈銷，旋轉把手至合適位置，松開把手頂塊，把手彈銷在彈簧作用下插入把手固定盤的卡槽內，可調整把手傾角，以適應多種環境。（3）底版翻轉機構。底板能夠翻轉，定位于兩個位置。1底板與支架型鋼形成直角，進行普通運載工作；2當進如車廂裝卸模式時，翻轉至于裝卸架平齊，即可將貨物平推至車廂內。

1.4 動滑輪助力機構

在車廂裝卸模式中，將離合器與繞線盤嚙合，動力輸入至繞線盤時，動滑輪機構開始工作，繞線盤收緊鋼繩，使滑動支架沿導軌帶動裝卸架上升。

1.5 齒輪齒條和齒條連桿機構的設計

車身內藏有齒條。向右撥動換向機構，動力輸入至齒輪，從而帶動車身型鋼內的齒條向上運動，依靠齒條滑塊將動力輸入至齒條連桿機構，通過齒條連桿機構將裝卸架頂起。

1.6 適應不同高度樓梯的爬升輪機構設計

爬升輪簡圖如圖2所示，利用曲柄連桿機構實現爬升臂的收起與展開,適應工作中不同的樓體尺寸；利用棘輪棘爪機構實現爬升臂的自鎖；利用限位片防止連桿被反向收回；利用彈簧銷機構實現止位固定。經測試，在樓梯攀爬過程中，推車重心變化較為穩定。

圖1 該載運工具整體模型圖

2 助力工具七大功能

2.1 二輪推車模式

在運載幾何外形尺寸中等或者偏小，適合堆疊的貨物時，使用二輪手推車模式。

2.2 三輪模式

1.爬升臂 2.連桿 3.限位盤 4.法蘭盤5.棘輪盤 6.棘爪 7.扭簧 8.橡膠滾輪圖2 爬升輪機構簡圖

將推車斜放，通過限位機構調節輔助輪架角度并固定，調節推車把手長度和角度。此時可運載體積較大貨物。

2.3 車廂裝卸模式

支起輔助輪架通過限位機構調整推車高度，踩踏腳踏板拉動鏈條。向左撥動撥叉，嵌入式離合器帶動繞線盤收緊鋼繩，使滑動支架沿車身上的導軌向上拉動裝卸架；向右撥動撥叉，嵌入式離合器與右側齒輪嚙合，通過齒條連桿機構將裝卸架頂起。此時可放下推車底板，將貨物直接平推至車廂內。

2.4 三角扶梯模式

當工人需登高取物時，無需額外獲取梯子，可將推車的裝卸架和車身通過限位機構分別與地面的斜度為70°，即可登高取物。

2.5 爬樓模式

當工作人員在運載貨物的過程中遇到爬樓障礙時，利用曲柄連桿機構將爬升輪展開。此時上拉推車，以觸點為支點，繞梯邊旋轉，三個連桿交替工作，實現越障功能。

2.6 躺椅模式

將推車斜放，通過限位機構調節輔助輪架到合適角度并固定,此時操作人員可倚靠在推車上舒適的休憩。

2.7 散貨搬運模式

通過限位機構將輔助輪架收起至上限位置并鎖死，放下裝卸架頂端型鋼處掛載的折疊布袋，即可進行散裝貨物的搬運。

3 助力效果分析

對車體、裝卸架、連桿、齒輪齒條組成的機構進行分析，將其簡化為如圖3所示的機構。AD為固定鉸鏈。根據設計要求，初定：AB=BD=450mm，BC=550mm，AD與x軸正方向夾角為70°，初始時AB、AD夾角為5°。BC上放有重物，m=100kg。齒輪在轉矩T的驅動下繞F順時針旋轉。

不計自重與摩擦，將機構簡化為平面機構，分析AC桿受力。

圖3 齒條連桿機構受力分析

由受力平衡條件得

分析齒條受力可知，

取θ變化范圍 5°～70°，三維模型導入Adams中進行運動學仿真。

得θ=5°時，Tmax=119.287N·m；

推算踩踏踏板所需力：

棘輪機構大徑D=75mm，棘輪機構上鏈條拉力：

且可知，當裝卸架抬升角度θ增大時，所需踩踏的力將顯著減小。

4 結語

（1）適應性強，功能多，能夠勝任多種環境下的搬運載運要求；（2）助力效果好，能有效提高物流人員等進行搬運載運工作的效率，有效減少其勞動強度，在一定程度上為企業也節省了成本；（3）采用人力輸入和純機械的動力及其傳輸方式，提高了系統的穩定性，降低了該工具的復雜性，也省去了電機和電池，降低了整車的重量，低碳環保。

[1]白衛東.物流裝卸搬運作業的研究分析[J].科技視界,2012,26:177-178.

TM571

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1671-0711（2017）05（下）-0159-02