胡碧波 王琳 秦楠

摘 要：為解決三輪爬樓拉桿箱在上樓時(shí)不安全、費(fèi)力的問題，我們運(yùn)用物理、工程力學(xué)和人體結(jié)構(gòu)等理論知識(shí)分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)輪軸僅能單向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能很好的解決此問題?；趯?shí)際拉桿箱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了一種變形棘輪，可控制大輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)閱蜗蚧螂p向，并建立形狀強(qiáng)度模型給生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供校核方案。

關(guān)鍵詞 ：省力；安全；人體運(yùn)動(dòng)分析；形狀強(qiáng)度模型

1 設(shè)計(jì)背景及意義

本設(shè)計(jì)源于傳統(tǒng)三輪拉桿箱在實(shí)際使用中的不便。我們對其分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)，能大大降低其搭載過重物品爬樓梯時(shí)將使用者拉扯摔倒的可能性，同時(shí)減輕提物上樓的負(fù)擔(dān)。

2 本設(shè)計(jì)的核心思路

如“圖1”所示，本設(shè)計(jì)的核心思路是在三輪所圍繞的輪軸上加棘輪裝置。

（a） （b）

圖1 具體設(shè)計(jì)原理示意圖

在上樓梯時(shí)，棘輪處于工作狀態(tài)，此時(shí)輪軸僅能單向轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到上樓省力、安全的要求。在平地上時(shí)，可手動(dòng)控制棘輪處于非工作狀態(tài)，此時(shí)輪軸可雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，以便能調(diào)整拉桿箱的傾角，使其更符合人的使用習(xí)慣。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明

3.1 關(guān)于運(yùn)動(dòng)尺寸設(shè)計(jì)

如圖2所示，為使輪軸不與臺(tái)階接觸，需對尺寸r，L，R進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

（a） （b）

圖2輪軸尺寸標(biāo)注示意圖

線性規(guī)劃方程如下：

例如：輪子使用市輪滑鞋輪子，r=40mm。選取合理的R=71mm。此時(shí)，L<30.58mm 。

3.2 變形棘輪機(jī)構(gòu)

（a） （b）

圖3變形棘輪爆炸圖

因“關(guān)于運(yùn)動(dòng)尺寸設(shè)計(jì)”限制，為保證棘輪齒數(shù)能達(dá)到所需要求，則設(shè)計(jì)了如 圖3。以剎車線構(gòu)成傳動(dòng)裝置，輔以模具彈簧回彈裝置，通過把手控制輪軸的轉(zhuǎn)向模式。

3.3 棘輪齒形設(shè)計(jì)

因空間和三輪拉桿箱的運(yùn)動(dòng)限制，我們將棘輪設(shè)計(jì)成如圖4所示，建立形狀模型，壓力角 ，形狀角 ，數(shù)量角 ，且存在 ，變形棘輪的齒形由 和 就能將完全確定。

圖4 棘輪形狀設(shè)計(jì)

3.4 變形棘輪齒形狀強(qiáng)度K值設(shè)計(jì)

為保棘輪在桿箱中能正常運(yùn)作，且不影響拉桿箱本身的運(yùn)動(dòng)，對棘輪尺寸有所限制。棘輪工作狀態(tài)分為通常狀態(tài)和止逆狀態(tài)。在通常狀態(tài)下，棘輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，爪齒做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)損傷多為磨損。在止逆工作狀態(tài)下，損傷多為擠壓和碰撞，參考齒輪損傷常規(guī)處理方法，碰撞損傷按擠壓損傷的倍數(shù)進(jìn)行計(jì)算修正。因變形棘輪本身形狀特殊，無可參照強(qiáng)度計(jì)算公式。所以建立一種僅與形狀有關(guān)的強(qiáng)度模型，單一參數(shù)確定強(qiáng)度以簡化計(jì)算。公式為

理論中存在兩個(gè)變量扭矩和體積，需要通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)它們對k值的影響。用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明扭矩不會(huì)影響k值：隨機(jī)假定形狀角 與 數(shù)量角 。用有限元進(jìn)行靜力分析。結(jié)果如圖5所示，扭矩不影響k值。

圖5扭矩對k值的影響

驗(yàn)證體積對強(qiáng)度k值的影響時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)規(guī)律變化，但在兩極端體現(xiàn)出無規(guī)律變化，這說明k這一形狀強(qiáng)度參數(shù)僅適用于一定施力面積與體積比的范圍內(nèi)。

（a） （b）

圖6 45鋼20CrMnTi和K值登高圖

如圖6所示，可用k值繪制強(qiáng)度登高圖，可通過k值快速確定其形狀變化范圍，也可通過形狀快速確定或比較強(qiáng)度。本模型可以推廣到單一形狀大小不等的零部件大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)計(jì)中。

4 省力原理說明

如圖7所示，忽略摩擦因素時(shí)，傳統(tǒng)三輪拉桿箱上樓拉力周期內(nèi)無限增長。實(shí)際操作中摩擦力支撐車身使拉力有上限。用拉力器進(jìn)行隨機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)表明最大拉力F約為重力的140%。分析人體機(jī)構(gòu)，用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行估算。人在提重物是，至少會(huì)用到三角肌，肱三頭肌形成杠桿結(jié)構(gòu)。設(shè)重物重G，則所有肌肉共施力2.7G+4kg。相比于提物上樓，傳統(tǒng)三輪機(jī)構(gòu)省下的力即手臂肌肉組所負(fù)擔(dān)的力。

綜上所述，傳統(tǒng)的三輪拉桿箱勻速上樓時(shí)所需的是一種周期性的變力，且過半的行程中所需的力大于重力，但小于提物上樓人所需施加的力。

本設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在輪軸單向鎖死，不存在手臂肌肉施力過程。比傳統(tǒng)三輪爬樓拉桿箱最理想的狀態(tài)還要輕松，手臂在每一個(gè)爬樓運(yùn)動(dòng)周期里都有機(jī)會(huì)放松，不用負(fù)擔(dān)額外的力。

圖7 拉力F變化曲線示意圖

5 安全原理說明

三輪拉桿箱勻速上樓所需的力是一種周期性的變力。人所用的力也是一種周期性的變力。兩種周期運(yùn)動(dòng)雖然頻率一致，但施力時(shí)間不同。人在爬樓運(yùn)動(dòng)中會(huì)有某一刻僅有一條腿著地，且重心會(huì)移動(dòng)調(diào)整。若拉桿箱的重量過大，則很可能將人往后拉倒。本設(shè)計(jì)將其單向鎖死，則三輪拉桿箱可隨時(shí)挺住，完全無需擔(dān)心向后的拉扯力所帶來的隱患。

6 結(jié)語

本設(shè)計(jì)能達(dá)到預(yù)期的安全、省力改進(jìn)效果，但因本設(shè)計(jì)中的棘輪形式無法實(shí)現(xiàn)無間斷止逆，實(shí)際效果由卡齒數(shù)量決定。k值的強(qiáng)度模型在體積論證方面存在一定問題，但以能達(dá)到設(shè)計(jì)初衷。

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本文系基金：大連科技學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（20141215），可控變形棘輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與性能研究，研究成果。