基于模型分析的減力拉桿箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(mén)可帶一個(gè)小型拉桿箱，長(zhǎng)期旅行則一般需大型拉桿箱。相對(duì)于小型拉桿箱，大型拉桿箱具有容量大、移動(dòng)不便且費(fèi)力的特點(diǎn)。為了克服大型拉桿箱的缺點(diǎn)，使其更好地適應(yīng)人們的長(zhǎng)期出差旅行，本文通過(guò)模型分析優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)方便、省時(shí)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(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：拉桿箱;模型分析;減力結(jié)構(gòu);電驅(qū)助力

目前市場(chǎng)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(shí)，其也存在一些缺點(diǎn)，如上下樓梯不便，若行李過(guò)重，則拖動(dòng)起來(lái)比較困難[1]。目前，拉桿箱的移動(dòng)大部分是通過(guò)人力拉動(dòng)來(lái)完成，小型拉桿箱容易拉動(dòng)，而重型拉桿箱拖動(dòng)則相對(duì)困難[2]。為此，本文通過(guò)模型分析優(yōu)化設(shè)計(jì)一種減力拉桿箱，其具有儲(chǔ)物空間大、移動(dòng)方便、路面適應(yīng)性強(qiáng)、閑置時(shí)可折疊等優(yōu)點(diǎn)，可有效解決目前拉桿箱存在的問(wèn)題，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 拉桿箱總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)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(jiān)固、外形美觀、抗壓力，不易生銹等特點(diǎn)，這種材料廣泛應(yīng)用于各種箱體的結(jié)構(gòu)制造。

為解決小型拉桿箱易拉動(dòng)、重型拉桿箱拖動(dòng)相對(duì)困難的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種減力支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用電驅(qū)動(dòng)三角輪為大型箱體移動(dòng)助力[3]。

本設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu);5為固定伸縮拉桿;6為伸縮節(jié)點(diǎn)1;7為伸縮節(jié)點(diǎn)2;8為伸縮節(jié)點(diǎn)3;9為減力支撐結(jié)構(gòu)收縮控制手柄;10為萬(wàn)向輪;11為三角輪結(jié)構(gòu);12為主動(dòng)輪;13為滾動(dòng)輪;整體尺寸為580mm×390mm×270mm。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)模型分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(gè)互成120°夾角的構(gòu)架和支架上的三個(gè)滾動(dòng)輪構(gòu)成三輪支架結(jié)構(gòu)，可將箱子上下樓梯時(shí)與樓梯之間的無(wú)摩擦變?yōu)槿禽喤c樓梯的滾動(dòng)摩擦，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦上樓[1]。滾動(dòng)輪的直徑為70mm，滾輪軸到三角輪構(gòu)架中心軸的長(zhǎng)度為90mm。三角構(gòu)架和支架上的6個(gè)滾動(dòng)輪可通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)分別控制三角構(gòu)架和滾動(dòng)輪的正反轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)速，在箱體運(yùn)動(dòng)中起到電動(dòng)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(dòng)。

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(shè)計(jì)為U型，第二節(jié)和第三節(jié)形狀設(shè)計(jì)為橢圓形。第二節(jié)設(shè)計(jì)有三個(gè)節(jié)點(diǎn)：伸縮節(jié)點(diǎn)1（6）、伸縮節(jié)點(diǎn)2（7）、伸縮節(jié)點(diǎn)3（8）;總長(zhǎng)度為200cm。插銷位于不同的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)箱體與路面的傾斜角度分別為60°、52°、45°;當(dāng)減力支撐結(jié)構(gòu)收起時(shí)，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(guò)銷連接，第一節(jié)和第二節(jié)連接銷上裝有一個(gè)反向彈簧。在放下減力支撐結(jié)構(gòu)時(shí)保證伸縮拉桿處于筆直的狀態(tài)，對(duì)支撐面板起到支撐的作用;當(dāng)減力支撐結(jié)構(gòu)收起時(shí)，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(gè)節(jié)點(diǎn)：折疊桿節(jié)點(diǎn)1（19）和折疊桿節(jié)點(diǎn)2（20）;總長(zhǎng)度：270cm，可通過(guò)調(diào)節(jié)插銷所在的位置來(lái)控制箱體內(nèi)部?jī)?chǔ)物容量及箱體的高度，實(shí)現(xiàn)箱體內(nèi)部?jī)?chǔ)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(shí)，通過(guò)控制電路讓主軸（12）旋轉(zhuǎn)，主軸的旋轉(zhuǎn)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)[5]。控制主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的小型電動(dòng)機(jī)置于箱體的內(nèi)部;六個(gè)滾動(dòng)輪屬于小型的電動(dòng)輪，其原理類似電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)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(guò)程如下：在solidworks軟件中打開(kāi)三角輪構(gòu)架三維模型，進(jìn)入靜力分析頁(yè)面;對(duì)模型添加材料（鋁合金）;添加約束，固定七個(gè)圓孔;選擇三角輪構(gòu)架中間部分的曲面，施加1000N的力;點(diǎn)擊運(yùn)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(yīng)力F1=225.594N/m2;完全形變時(shí)的最大應(yīng)力F2=847645N/m2;受力最大點(diǎn)位于圓柱曲面與兩三角塊的連接處，設(shè)計(jì)拉桿箱的三角輪構(gòu)架時(shí)應(yīng)適當(dāng)?shù)卦黾尤菈K的厚度以達(dá)到額定負(fù)載，確保此處不會(huì)發(fā)生失效變形[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以目前市場(chǎng)上的寸拉桿箱為參考，對(duì)拉桿箱做出了新概念設(shè)計(jì)，即在普通拉桿箱的基礎(chǔ)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(guān)參數(shù)值及三維模型。此外，本文對(duì)所設(shè)計(jì)拉桿箱的伸縮拉桿做了強(qiáng)度校核;通過(guò)solidworks軟件對(duì)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(shí)情況對(duì)拉桿箱的相關(guān)零部件的參數(shù)和材料做出了相應(yīng)調(diào)整。

參考文獻(xiàn)：

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