王敏娜，孫亮波，梁家偉，龔俊杰，伍正楷

(武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048)

0 引 言

電子商務(wù)的興起帶動(dòng)了快遞行業(yè)的發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)2017年我國快遞量就已達(dá)到205億件[1]。在當(dāng)今快遞運(yùn)輸中，大部分以廂式貨車進(jìn)行快遞運(yùn)輸，從而存在安全性差、裝卸不便、識(shí)別度低、包裹無序等問題。例如大型家具、冰箱和空調(diào)等商品通常徒手裝卸，導(dǎo)致勞動(dòng)強(qiáng)度高、裝卸效率低，且易造成商品損傷，降低運(yùn)輸效率。而手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中也存在擠壓損壞的可能性，增加運(yùn)輸成本。

目前國內(nèi)市場上的產(chǎn)品及其性能分析如表1所示[2]。

通過對國內(nèi)外的運(yùn)輸車的市場調(diào)研可知，現(xiàn)有運(yùn)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(xiàn)有運(yùn)輸車存在的問題進(jìn)行分析，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了可變結(jié)構(gòu)運(yùn)輸車，實(shí)現(xiàn)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(jìn)行分列，合理利用車廂空間。車廂門在保留傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)門的基礎(chǔ)上，改造成輔助滑動(dòng)式斜接門，配合車廂內(nèi)部傳送板，能夠輔助貨物的裝卸，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

表1 現(xiàn)有的快遞運(yùn)輸車性能分析

1 可變結(jié)構(gòu)運(yùn)輸車設(shè)計(jì)思路

基于以上調(diào)查研究，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了可變結(jié)構(gòu)運(yùn)輸車，其設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)思路

可變結(jié)構(gòu)運(yùn)輸車的三維造型圖如圖2所示，通過三層傳送帶2、3、5進(jìn)行分層，通過分隔網(wǎng)架1分區(qū)，實(shí)現(xiàn)對不同貨物的合理分類和對車廂空間的有效利用。翻轉(zhuǎn)門4分別與三層傳送帶2、3、5配合，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化裝卸貨物。

圖2 可變結(jié)構(gòu)運(yùn)輸車三維造型圖 1.分隔網(wǎng)架 2.頂層傳送帶 3.中層傳送帶 4.翻轉(zhuǎn)門 5.底層傳送帶

2 作品功能分析與實(shí)現(xiàn)

2.1 分層功能的實(shí)現(xiàn)

為了解決貨物的積壓問題，達(dá)到降低貨物損壞率，優(yōu)化商品運(yùn)輸環(huán)境的目的，設(shè)計(jì)了車廂分層的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)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(jù)貨物實(shí)際尺寸大小進(jìn)行任意層高調(diào)節(jié)，在避免貨物積壓損壞的情況下，進(jìn)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(jīng)由纜繩1懸吊在車廂頂部。通過控制纜繩1進(jìn)而控制每層傳送板的高度，使其能夠適應(yīng)不同尺寸貨物的需要。在車廂側(cè)面內(nèi)壁加裝導(dǎo)軌4，橫向固定傳送板，防止傳送板在車廂內(nèi)晃動(dòng)。傳送板內(nèi)部加裝電機(jī)2帶動(dòng)軸輥旋轉(zhuǎn)使其能夠運(yùn)送貨物進(jìn)出。

圖3 分層機(jī)構(gòu)示意圖1.纜繩 2.電機(jī) 3.分層傳送板 4.導(dǎo)軌

變胞機(jī)構(gòu)具有構(gòu)態(tài)變化和自動(dòng)組合的特點(diǎn)，應(yīng)用在具有多個(gè)不同工作階段的場合 , 并且由一 個(gè)工作階段到另一個(gè)工作階段中, 總是以改變機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(由此改變機(jī)構(gòu)的自由度)呈現(xiàn)出不同機(jī)構(gòu)類型或運(yùn)動(dòng)性能來實(shí)現(xiàn)功能要求，極大的減少了機(jī)構(gòu)數(shù)量，節(jié)省了內(nèi)部空間[3-4]。

為了實(shí)現(xiàn)對中、上兩層傳送板進(jìn)行分別控制，達(dá)到減少原動(dòng)機(jī)的數(shù)目，降低成本的目的，采用了差動(dòng)輪系與棘輪組成的變胞機(jī)構(gòu)，完成了動(dòng)力分配和放松的雙重功能。如圖4所示的頂部升降機(jī)構(gòu)，利用了差動(dòng)輪系、蝸輪蝸桿、萬向節(jié)、普通錐齒輪的組合傳遞動(dòng)力。

車廂內(nèi)分為三層，底層1固定不動(dòng)，上、下兩層需要單獨(dú)控制升降，此處創(chuàng)新設(shè)計(jì)了差動(dòng)輪系分配動(dòng)力。電機(jī)4將動(dòng)力輸入至差動(dòng)輪系8。如圖5所示差動(dòng)輪系的自由度為：

F=3n-(2p1+ph)=3×4-(2×4+1×2)=2

(1)

差動(dòng)輪系8的兩個(gè)輸出端各有一個(gè)棘輪7，電機(jī)動(dòng)力輸入至H桿，當(dāng)齒輪1輸出端被棘輪鎖死時(shí)，此時(shí)該差動(dòng)輪系的自由度為1。動(dòng)力由2輪輸出，經(jīng)由萬向節(jié)5、蝸輪蝸桿9、傳動(dòng)軸、錐齒輪10組成的傳動(dòng)鏈將動(dòng)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(dāng)2輪鎖死，則動(dòng)力由2輪輸出，控制中層傳送板的升降。

圖5 分層升降機(jī)構(gòu)簡圖

考慮到車輛行進(jìn)過程中震動(dòng)較為強(qiáng)烈，在車輛行進(jìn)過程中同時(shí)鎖死1,2輪兩個(gè)輸出端，系統(tǒng)自由度為零。保證分層高度不會(huì)變化，進(jìn)一步保障貨物安全。

2.2 分列功能的實(shí)現(xiàn)

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(yùn)輸要求，采用分隔網(wǎng)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(jī)構(gòu)3利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿，蝸桿帶動(dòng)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(dòng)纜繩1移動(dòng)，從而控制網(wǎng)架4左右平移，改變分列的寬度。網(wǎng)架四角都連有纜繩1，保證網(wǎng)架4移動(dòng)時(shí)不會(huì)傾斜卡死。在橫軌上左右滑動(dòng)的同時(shí)，分隔網(wǎng)4隨層高變化在豎軌上伸縮滑動(dòng)，從而進(jìn)行更合理空間分配。

圖6 分隔網(wǎng)示意圖1.纜繩 2.走線管 3.卷線機(jī)構(gòu) 4.分隔網(wǎng)架

2.3 輔助裝卸功能的實(shí)現(xiàn)

翻轉(zhuǎn)門保留了傳統(tǒng)的貨柜車側(cè)開的方式，裝卸貨物時(shí)可將門板從側(cè)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(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，防止暴力運(yùn)輸，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了翻轉(zhuǎn)打開的方式。

如圖8所示為翻轉(zhuǎn)門的機(jī)構(gòu)簡圖，其為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，自由度為：

F=3n-(2p1+ph)=3×3-2×4=1

(2)

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)齒條前進(jìn)，橫軌4同齒條前進(jìn)。在門板的四角增加滑塊1，能夠在滑軌2上滑動(dòng)。利用三角函數(shù)分析，有:

|CB|sinα=|CD|

(3)

所以車門在運(yùn)動(dòng)行程范圍內(nèi)，滿足

0°≤α≤90°， 0≤|CD|≤|CB|

當(dāng)電機(jī)工作，帶動(dòng)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(nèi)部傳送板送出貨物，在裝載貨物時(shí)也可以借助這個(gè)翻轉(zhuǎn)門將貨物推送到傳送板上。當(dāng)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(zhì)量M=2 kg，取彈簧不受力時(shí)長度為行程的一半S=150 mm，估算所需彈簧的彈性系數(shù)

(4)

因門板需承載貨物則選用彈簧彈性系數(shù)為K=100 N/m。

圖9為翻轉(zhuǎn)門輔助裝卸圖，通過傳送帶與翻轉(zhuǎn)門配合，實(shí)現(xiàn)對貨物的裝卸。增加擋板防止貨物打滑下落損壞。

圖8 翻轉(zhuǎn)門機(jī)構(gòu)簡圖圖9 翻轉(zhuǎn)門輔助裝卸圖1.滑塊 2.豎軌 3.助力彈簧 4.橫軌

3 結(jié) 論

如圖10所示，該可變結(jié)構(gòu)運(yùn)輸車以1：6比例制作完成模型樣機(jī)。

圖10 可變結(jié)構(gòu)運(yùn)輸車模型圖

與市場已有產(chǎn)品相比，該運(yùn)輸車具有如下特點(diǎn)：

(1) 使用差動(dòng)輪系與鎖緊機(jī)構(gòu)組合的變胞機(jī)構(gòu)，采用多桿平行機(jī)構(gòu)和傳送板相互配合，實(shí)現(xiàn)分層分列組合對車廂分配空間，防止貨物積壓，滿足分類運(yùn)輸需要。

(2) 采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳送板，升降裝置，翻轉(zhuǎn)門等可大大優(yōu)化貨物裝卸方式，降低勞動(dòng)強(qiáng)度并提高工作效率。

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