模型分析下的減力拉桿箱結構設計
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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化設計了一種減力拉桿箱。此拉桿箱主要由三角輪結構、減力支撐結構、電驅助力裝置、折疊結構等組成，移動方便、省時省力、節約空間，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;減力結構;電驅助力
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拉桿箱總體結構設計
本文設計的拉桿箱的主體框架采用優質的鋁合金材料，鋁合金材料具有結構堅固、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構制造。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構，同時采用電驅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;5為固定伸縮拉桿;6為伸縮節點1;7為伸縮節點2;8為伸縮節點3;9為減力支撐結構收縮控制手柄;10為萬向輪;11為三角輪結構;12為主動輪;13為滾動輪;整體尺寸為580mm×390mm×270mm。
2關鍵結構模型分析及優化設計
2．1三角輪結構和減力支撐結構
如圖2所示，三角輪結構是由三個互成120°夾角的構架和支架上的三個滾動輪構成三輪支架結構，可將箱子上下樓梯時與樓梯之間的無摩擦變為三角輪與樓梯的滾動摩擦，實現滾動摩擦上樓［1］。滾動輪的直徑為70mm，滾輪軸到三角輪構架中心軸的長度為90mm。三角構架和支架上的6個滾動輪可通過控制系統來分別控制三角構架和滾動輪的正反轉及其轉速，在箱體運動中起到電動助力的作用。三角輪結構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構
如圖3所示，固定伸縮拉桿分為三節，第一節形狀設計為U型，第二節和第三節形狀設計為橢圓形。第二節設計有三個節點:伸縮節點1(6)、伸縮節點2(7)、伸縮節點3(8);總長度為200cm。插銷位于不同的節點對應箱體與路面的傾斜角度分別為60°、52°、45°;當減力支撐結構收起時，收入第二節，第一節可容納第二節，使空間利用最大化。第二節與第三節連的接處通過銷連接，第一節和第二節連接銷上裝有一個反向彈簧。在放下減力支撐結構時保證伸縮拉桿處于筆直的狀態，對支撐面板起到支撐的作用;當減力支撐結構收起時，固定伸縮拉桿繞銷旋轉收縮。圖4所示為折疊伸縮拉桿結構16，包括兩根橢圓形管、插銷17及控制手柄18。下部管有兩個節點:折疊桿節點1(19)和折疊桿節點2(20);總長度:270cm，可通過調節插銷所在的位置來控制箱體內部儲物容量及箱體的高度，實現箱體內部儲物容量及箱體高度的靈活使用［4］。
2．3電驅助力裝置
如圖1所示，電驅助力裝置是與三角輪結構配合使用，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，主軸的旋轉由電動機帶動［5］?？刂浦鬏S轉動的小型電動機置于箱體的內部;六個滾動輪屬于小型的電動輪，其原理類似電動自行車驅動輪。
3三角輪構架有限元仿真分析三角輪構架受力
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;選擇三角輪構架中間部分的曲面，施加1000N的力;點擊運算，結果如圖6和圖7所示。由圖可知，三角輪構架發生形變的最小應力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架時應適當地增加三角塊的厚度以達到額定負載，確保此處不會發生失效變形［6］。
4結語
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構、折疊結構、減力支撐結構和電驅助力裝置，并給出了具體的相關參數值及三維模型。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軟件對三角輪架結構做了靜力分析，由分析結構并結合現實情況對拉桿箱的相關零部件的參數和材料做出了相應調整。
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］．科技創新與應用，2017(9):15．
［6］楊黎明，楊志勤．機構選型與運動設計［M］．北京:國防工業出版社，2007，113-116．
作者：閆肖肖 黎綿海 黃少偉 唐剛 李志彪 單位：南昌工程學院
