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        一種可變結構運輸車的創(chuàng)新設計

        2018-11-05 09:28:52王敏娜孫亮波梁家偉龔俊杰伍正楷
        機械研究與應用 2018年5期
        關鍵詞:動輪纜繩運輸車

        王敏娜,孫亮波,梁家偉,龔俊杰,伍正楷

        (武漢輕工大學 機械工程學院,湖北 武漢 430048)

        0 引 言

        電子商務的興起帶動了快遞行業(yè)的發(fā)展,據統(tǒng)計2017年我國快遞量就已達到205億件[1]。在當今快遞運輸中,大部分以廂式貨車進行快遞運輸,從而存在安全性差、裝卸不便、識別度低、包裹無序等問題。例如大型家具、冰箱和空調等商品通常徒手裝卸,導致勞動強度高、裝卸效率低,且易造成商品損傷,降低運輸效率。而手機、電腦等電子產品在運輸過程中也存在擠壓損壞的可能性,增加運輸成本。

        目前國內市場上的產品及其性能分析如表1所示[2]。

        通過對國內外的運輸車的市場調研可知,現有運輸車主要存在以下問題:

        (1) 貨物積壓損壞;

        (2) 無法分類存放,車廂空間利用不合理;

        (3) 人工裝卸繁瑣低效。

        對現有運輸車存在的問題進行分析,創(chuàng)新設計了可變結構運輸車,實現車廂的分層功能,避免貨物積壓,保證貨物平穩(wěn)安全;對車廂縱向進行分列,合理利用車廂空間。車廂門在保留傳統(tǒng)旋轉門的基礎上,改造成輔助滑動式斜接門,配合車廂內部傳送板,能夠輔助貨物的裝卸,減輕工人勞動強度。

        表1 現有的快遞運輸車性能分析

        1 可變結構運輸車設計思路

        基于以上調查研究,創(chuàng)新設計了可變結構運輸車,其設計思路如圖1所示。

        圖1 設計思路

        可變結構運輸車的三維造型圖如圖2所示,通過三層傳送帶2、3、5進行分層,通過分隔網架1分區(qū),實現對不同貨物的合理分類和對車廂空間的有效利用。翻轉門4分別與三層傳送帶2、3、5配合,實現半自動化裝卸貨物。

        圖2 可變結構運輸車三維造型圖 1.分隔網架 2.頂層傳送帶 3.中層傳送帶 4.翻轉門 5.底層傳送帶

        2 作品功能分析與實現

        2.1 分層功能的實現

        為了解決貨物的積壓問題,達到降低貨物損壞率,優(yōu)化商品運輸環(huán)境的目的,設計了車廂分層的結構。設計了上、中、下三層貨物存放支撐板,相鄰兩層之間的距離可以根據貨物實際尺寸大小進行任意層高調節(jié),在避免貨物積壓損壞的情況下,進一步更加合理利用空間。

        如圖3所示,利用軸輥傳送板3給車廂分層。每層經由纜繩1懸吊在車廂頂部。通過控制纜繩1進而控制每層傳送板的高度,使其能夠適應不同尺寸貨物的需要。在車廂側面內壁加裝導軌4,橫向固定傳送板,防止傳送板在車廂內晃動。傳送板內部加裝電機2帶動軸輥旋轉使其能夠運送貨物進出。

        圖3 分層機構示意圖1.纜繩 2.電機 3.分層傳送板 4.導軌

        變胞機構具有構態(tài)變化和自動組合的特點,應用在具有多個不同工作階段的場合 , 并且由一 個工作階段到另一個工作階段中, 總是以改變機構的拓撲結構(由此改變機構的自由度)呈現出不同機構類型或運動性能來實現功能要求,極大的減少了機構數量,節(jié)省了內部空間[3-4]。

        為了實現對中、上兩層傳送板進行分別控制,達到減少原動機的數目,降低成本的目的,采用了差動輪系與棘輪組成的變胞機構,完成了動力分配和放松的雙重功能。如圖4所示的頂部升降機構,利用了差動輪系、蝸輪蝸桿、萬向節(jié)、普通錐齒輪的組合傳遞動力。

        車廂內分為三層,底層1固定不動,上、下兩層需要單獨控制升降,此處創(chuàng)新設計了差動輪系分配動力。電機4將動力輸入至差動輪系8。如圖5所示差動輪系的自由度為:

        F=3n-(2p1+ph)=3×4-(2×4+1×2)=2

        (1)

        差動輪系8的兩個輸出端各有一個棘輪7,電機動力輸入至H桿,當齒輪1輸出端被棘輪鎖死時,此時該差動輪系的自由度為1。動力由2輪輸出,經由萬向節(jié)5、蝸輪蝸桿9、傳動軸、錐齒輪10組成的傳動鏈將動力傳至四角的絞輪4,絞輪4通過纜繩11控制頂層傳送板的升降。反之,當2輪鎖死,則動力由2輪輸出,控制中層傳送板的升降。

        圖5 分層升降機構簡圖

        考慮到車輛行進過程中震動較為強烈,在車輛行進過程中同時鎖死1,2輪兩個輸出端,系統(tǒng)自由度為零。保證分層高度不會變化,進一步保障貨物安全。

        2.2 分列功能的實現

        為了提高空間利用率,滿足不同類型、不同地域貨物的分類運輸要求,采用分隔網架和傳送板相互配合對車廂空間分區(qū)。

        如圖6所示,卷線機構3利用電機驅動蝸桿,蝸桿帶動雙蝸輪,纜繩1穿過走線管2連接雙蝸輪,雙蝸輪收放線,帶動纜繩1移動,從而控制網架4左右平移,改變分列的寬度。網架四角都連有纜繩1,保證網架4移動時不會傾斜卡死。在橫軌上左右滑動的同時,分隔網4隨層高變化在豎軌上伸縮滑動,從而進行更合理空間分配。

        圖6 分隔網示意圖1.纜繩 2.走線管 3.卷線機構 4.分隔網架

        2.3 輔助裝卸功能的實現

        翻轉門保留了傳統(tǒng)的貨柜車側開的方式,裝卸貨物時可將門板從側面打開,如圖7所示。

        圖7 傳統(tǒng)打開方式

        此外,為了優(yōu)化卸貨過程,降低快遞人員的勞動強度,提高工作效率,防止暴力運輸,創(chuàng)新設計了翻轉打開的方式。

        如圖8所示為翻轉門的機構簡圖,其為曲柄滑塊機構,自由度為:

        F=3n-(2p1+ph)=3×3-2×4=1

        (2)

        電機轉動,推動齒條前進,橫軌4同齒條前進。在門板的四角增加滑塊1,能夠在滑軌2上滑動。利用三角函數分析,有:

        |CB|sinα=|CD|

        (3)

        所以車門在運動行程范圍內,滿足

        0°≤α≤90°, 0≤|CD|≤|CB|

        當電機工作,帶動門傾斜,可以形成一定角度且能在任意高度鎖止,配合車廂內部傳送板送出貨物,在裝載貨物時也可以借助這個翻轉門將貨物推送到傳送板上。當車門完全打開,門板CB接近水平,在B處難以將門板推起,故在D處添加助力彈簧3。

        取門板CB質量M=2 kg,取彈簧不受力時長度為行程的一半S=150 mm,估算所需彈簧的彈性系數

        (4)

        因門板需承載貨物則選用彈簧彈性系數為K=100 N/m。

        圖9為翻轉門輔助裝卸圖,通過傳送帶與翻轉門配合,實現對貨物的裝卸。增加擋板防止貨物打滑下落損壞。

        圖8 翻轉門機構簡圖圖9 翻轉門輔助裝卸圖1.滑塊 2.豎軌 3.助力彈簧 4.橫軌

        3 結 論

        如圖10所示,該可變結構運輸車以1:6比例制作完成模型樣機。

        圖10 可變結構運輸車模型圖

        與市場已有產品相比,該運輸車具有如下特點:

        (1) 使用差動輪系與鎖緊機構組合的變胞機構,采用多桿平行機構和傳送板相互配合,實現分層分列組合對車廂分配空間,防止貨物積壓,滿足分類運輸需要。

        (2) 采用電機驅動的傳送板,升降裝置,翻轉門等可大大優(yōu)化貨物裝卸方式,降低勞動強度并提高工作效率。

        (3) 該運輸車空間利用率較高,可改善貨物運輸環(huán)境,輔助人工裝卸,能節(jié)省勞力,降低勞動成本,提高運輸效率,具有一定的市場推廣使用價值。

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