基于模型分析的减力拉杆箱结构设计

    闫肖肖 黎绵海 黄少伟 唐刚 李志彪

    

    

    

    摘 要：拉杆箱已成为人们出差旅行的常备工具，短期出门可带一个小型拉杆箱，长期旅行则一般需大型拉杆箱。相对于小型拉杆箱，大型拉杆箱具有容量大、移动不便且费力的特点。为了克服大型拉杆箱的缺点，使其更好地适应人们的长期出差旅行，本文通过模型分析优化设计了一种减力拉杆箱。此拉杆箱主要由三角轮结构、减力支撑结构、电驱助力装置、折叠结构等组成，移动方便、省时省力、节约空间，特别适用于装载许多行李及上下楼梯，具有重要的实用价值。

    关键词：拉杆箱;模型分析;减力结构;电驱助力

    目前市场上的大型拉杆箱体积大、容量多，可满足旅客出行需要携带大量行李的需求。与此同时，其也存在一些缺点，如上下楼梯不便，若行李过重，则拖动起来比较困难[1]。目前，拉杆箱的移动大部分是通过人力拉动来完成，小型拉杆箱容易拉动，而重型拉杆箱拖动则相对困难[2]。为此，本文通过模型分析优化设计一种减力拉杆箱，其具有储物空间大、移动方便、路面适应性强、闲置时可折叠等优点，可有效解决目前拉杆箱存在的问题，具有重要的实用价值。

    1 拉杆箱总体结构设计

    本文设计的拉杆箱的主体框架采用优质的铝合金材料，铝合金材料具有结构坚固、外形美观、抗压力，不易生锈等特点，这种材料广泛应用于各种箱体的结构制造。

    为解决小型拉杆箱易拉动、重型拉杆箱拖动相对困难的问题，本文设计一种减力支撑结构，同时采用电驱动三角轮为大型箱体移动助力[3]。

    本设计的总体模型如图1所示，1为箱体伸缩拉杆;2为上部箱体;3为下部箱体;4为减力支撑机构;5为固定伸缩拉杆;6为伸缩节点1;7为伸缩节点2;8为伸缩节点3;9为减力支撑结构收缩控制手柄;10为万向轮;11为三角轮结构;12为主动轮;13为滚动轮;整体尺寸为580mm×390mm×270mm。

    2 关键结构模型分析及优化设计

    2.1 三角轮结构和减力支撑结构

    如图2所示，三角轮结构是由三个互成120°夹角的构架和支架上的三个滚动轮构成三轮支架结构，可将箱子上下楼梯时与楼梯之间的无摩擦变为三角轮与楼梯的滚动摩擦，实现滚动摩擦上楼[1]。滚动轮的直径为70mm，滚轮轴到三角轮构架中心轴的长度为90mm。三角构架和支架上的6个滚动轮可通过控制系统来分别控制三角构架和滚动轮的正反转及其转速，在箱体运动中起到电动助力的作用。三角轮结构使得拉杆箱可在各种路况移动。

    2.2 固定伸缩拉杆和折叠伸缩结构

    如图3所示，固定伸缩拉杆分为三节，第一节形状设计为U型，第二节和第三节形状设计为椭圆形。第二节设计有三个节点：伸缩节点1（6）、伸缩节点2（7）、伸缩节点3（8）;总长度为200cm。插销位于不同的节点对应箱体与路面的倾斜角度分别为60°、52°、45°;当减力支撑结构收起时，收入第二节，第一节可容纳第二节，使空间利用最大化。第二节与第三节连的接处通过销连接，第一节和第二节连接销上装有一个反向弹簧。在放下减力支撑结构时保证伸缩拉杆处于笔直的状态，对支撑面板起到支撑的作用;当减力支撑结构收起时，固定伸缩拉杆绕销旋转收缩。

    图4所示为折叠伸缩拉杆结构16，包括两根椭圆形管、插销17及控制手柄18。下部管有两个节点：折叠杆节点1（19）和折叠杆节点2（20）;总长度：270cm，可通过调节插销所在的位置来控制箱体内部储物容量及箱体的高度，实现箱体内部储物容量及箱体高度的灵活使用[4]。

    2.3 电驱助力装置

    如图1所示，电驱助力装置是与三角轮结构配合使用，在箱体上下楼梯或遇恶劣路面时，通过控制电路让主轴（12）旋转，主轴的旋转由电动机带动[5]。控制主轴转动的小型电动机置于箱体的内部;六个滚动轮属于小型的电动轮，其原理类似电动自行车驱动轮。

    3 三角轮构架有限元仿真分析

    三角轮构架受力如图5所示，分析过程如下：在solidworks软件中打开三角轮构架三维模型，进入静力分析页面;对模型添加材料（铝合金）;添加约束，固定七个圆孔;选择三角轮构架中间部分的曲面，施加1000N的力;点击运算，结果如图6和图7所示。由图可知，三角轮构架发生形变的最小应力F1=225.594N/m2;完全形变时的最大应力F2=847645N/m2;受力最大点位于圆柱曲面与两三角块的连接处，设计拉杆箱的三角轮构架时应适当地增加三角块的厚度以达到额定负载，确保此处不会发生失效变形[6]。

    4 结语

    本文以目前市场上的寸拉杆箱为参考，对拉杆箱做出了新概念设计，即在普通拉杆箱的基础上增加了三角轮结构、折叠结构、减力支撑结构和电驱助力装置，并给出了具体的相关参数值及三维模型。此外，本文对所设计拉杆箱的伸缩拉杆做了强度校核;通过solidworks软件对三角轮架结构做了静力分析，由分析结构并结合现实情况对拉杆箱的相关零部件的参数和材料做出了相应调整。

    参考文献：

    [1]陈凤花.一种滑动式上下楼梯的行李箱.中国：CN201310733466.8[P]，2013.12.25.

    [2]苏博雅.旅行箱包的选购提示[J].福建质量技术监督，2011（1）：52.

    [3]梅亚飞，冯成，林博群，洪超.拉杆箱上下楼的装置设计[J].中国科技信息，2012（16）：114.

    [4]张兰红.电动自行车的发展前景研究[J].科技资讯，2008（21）：9.

    [5]宋丕伟，刘东升，李伟尧，董淑婧.电动助力代步拉杆箱的研究与设计[J].科技創新与应用，2017（9）：15.

    [6]杨黎明，杨志勤.机构选型与运动设计[M].北京：国防工业出版社，2007，113-116.