吳昕怡 曹占龍 黃紫茜 魏宇忠 王崇和 譚 浩

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院科技學(xué)院，湖北 十堰 442000；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442000；3.東風(fēng)商用車有限公司數(shù)字化部，湖北 十堰 442000）

0 引言

近年來，隨著社會的快速發(fā)展，科技水平不斷提高，智能化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。傳統(tǒng)的行李箱笨重、拖拉不方便，在遇到坑洼地面時震動大，容易震壞箱中的易碎物品。因此，有必要設(shè)計一種電動行李箱來滿足人們出行的需要。目前，有學(xué)者對電動行李箱進(jìn)行設(shè)計。王景夏等［1］設(shè)計出一種自動跟隨行李箱，實現(xiàn)智能跟隨的功能；譚舒月等［2］提出一種自動跟隨避障的防盜旅李箱設(shè)計，能有效提升人們的旅行品質(zhì)和旅行體驗；王浩等［3］設(shè)計出一種爬樓行李箱，能有效提高出行效率；武明超等［4］設(shè)計出一種指紋防盜式智能助力行李箱，能有效確保出行旅客行李箱安全。以上設(shè)計雖解決了電動行李箱的一些問題，但轉(zhuǎn)向問題仍是一個比較難解決的問題。因此，本研究提出一種基于麥克納姆輪的電動行李箱來解決轉(zhuǎn)向難的問題。

1 行李箱整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

靈活可代步行李箱整體結(jié)構(gòu)可分為控制組、動力組和整體外殼，如圖1、圖2 所示。當(dāng)位于蓄電池附近的控制組接收到手機(jī)傳過來的電信號后，會發(fā)出指令來控制動力組的行動。動力組由4 個麥克納姆輪和其所連接的電機(jī)組成。其中，動力組總控件發(fā)出控制指令，電機(jī)根據(jù)指令來控制整體轉(zhuǎn)向移動，電池負(fù)責(zé)提供動能。行李箱外殼由4 部分組成，其中，整體殼體和上半部分外殼用合頁連接，拉桿和殼體相連接。電動行李箱移動是依靠手機(jī)上相應(yīng)軟件來進(jìn)行操控的，不用轉(zhuǎn)彎半徑就可實現(xiàn)前進(jìn)和倒退。減震系統(tǒng)采用彈簧和氣缸雙重減震的方法，彈簧減震不僅能承載行李箱重量，還可起到緩沖作用，而氣缸減震可起到防震消音的作用。通過彈簧減震和氣缸減震的配合，能實現(xiàn)更好的減震效果。行李箱三維模型如圖3所示。

圖1 正面結(jié)構(gòu)示意

圖2 側(cè)面結(jié)構(gòu)示意

圖3 行李箱三維模型

由于行李箱主要應(yīng)用環(huán)境為機(jī)場、火車站、旅游景點等人員聚集場所，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向方式使其無法正常進(jìn)行轉(zhuǎn)向。因此，采用麥克納姆輪作為設(shè)計的行李箱輪子。麥克納姆輪可實現(xiàn)前進(jìn)、后退、左右平移、斜向、原地掉頭等動作，能有效解決因空間狹窄而無法轉(zhuǎn)向的問題。麥克納姆輪的主輪軸周邊按一定角度排布一圈輪軸，本研究選用的設(shè)計角度為45°，通過不同驅(qū)動組合將主輪的轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)移到其他方向，從而實現(xiàn)全向移動。根據(jù)夾角的不同，麥克納姆輪可分為互為鏡像關(guān)系的A 輪和B 輪，本研究采用ABAB的排列方式，排列方式如圖4所示。

圖4 麥克納姆輪排列方式

4 個麥克納姆輪由4 個電機(jī)單獨控制，行動組三維模型如圖5 所示。當(dāng)4 個輪子都向前轉(zhuǎn)時，A輪、B 輪可相互抵消軸向動力，只剩下向前動力，底盤可向前直行，確保行李箱不會跑偏。同理，后退時4 個輪子都向后轉(zhuǎn)，只剩下向后動力；當(dāng)A 輪正轉(zhuǎn)、B 輪反轉(zhuǎn)時，向前、向后的動力會抵消，僅剩下向右的動力，底盤就會向右平移；相反，如果A 輪反轉(zhuǎn)、B 輪正轉(zhuǎn)，底盤就會向左平移；當(dāng)?shù)妆P左側(cè)輪子正轉(zhuǎn)、右側(cè)輪子反轉(zhuǎn)，就可以實現(xiàn)向右旋轉(zhuǎn)；反之，底盤就會向左旋轉(zhuǎn)了。此外，當(dāng)A輪正轉(zhuǎn)、B輪不動時，底盤會向右前方運動；當(dāng)A輪反轉(zhuǎn)、B輪不動時，底盤向左后方運動。相應(yīng)地，當(dāng)A輪不動、B輪正轉(zhuǎn)時，底盤向左前方運動；當(dāng)A輪不動、B輪反轉(zhuǎn)時，底盤向右后方運動。

圖5 行動組三維模型

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)受力分析

在實際使用過程中，行李箱的主要受力部分為輪子，通過對輪子的輪轂和輥子進(jìn)行有限元分析，查詢資料可知，一般長、寬、高為69 cm×48 cm×30 cm的行李箱可承重50 kg。為證明使用麥克納姆輪可實現(xiàn)所需功能，對輥子和輪轂分別施加3 000 N的力，來分析其是否能滿足需求。在分析時，將3 000 N 的力分別施加到輥子和輪轂上，計算其形變量、在接受壓力過程中每一處產(chǎn)生的應(yīng)力和最大應(yīng)力處產(chǎn)生的形變量。輥子外圈采用的材料為橡膠，材料的力學(xué)性能見表1。

表1 橡膠的力學(xué)性能

由表1 可知，材料的屈服強度σs為9.24 MPa。在工作過程中，不發(fā)生破壞的條件是其所受最大應(yīng)力值σmax不超過許用應(yīng)力[σ]，即σmax≤[σ]，而許用應(yīng)力[σ]=σs∕s。當(dāng)安全系數(shù)s取1.5時，得[σ]=6.28 MPa，即許用應(yīng)力為6.28 MPa。

關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有限元受力分析結(jié)果如圖6、圖7 所示。由圖可知，棍子的形變量僅有0.009 mm，等效應(yīng)力為171.46～10 783.00 Pa，滿足設(shè)計要求。

圖6 輥子形變分析

圖7 輥子應(yīng)力分析

為驗證輪轂?zāi)軐崿F(xiàn)所需功能，需要對輪轂進(jìn)行受力及形變模擬。輪轂采用的材料為結(jié)構(gòu)鋼，材料力學(xué)性能見表2。

表2 結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能

由表2 可知，材料的屈服強度σs為355 MPa。在工作過程中，不發(fā)生破壞的條件是其所受最大應(yīng)力值σmax不超過許用應(yīng)力[σ]，即σmax≤[σ]。而許用應(yīng)力[σ]=σs∕s。當(dāng)安全系數(shù)s取1.5 時，得出[σ]=23 6.67 MPa，即許用應(yīng)力為236.67 MPa。

輪轂的有限元分析結(jié)果如圖8 、圖9 所示。輪轂的形變量僅為1.307 1×10-6mm，等效應(yīng)力為0.8 42 83～12 795 Pa，滿足設(shè)計要求。

圖8 輪轂形變分析

圖9 輪轂應(yīng)力分析

3 結(jié)語

作為一種傳統(tǒng)行李箱產(chǎn)品的升級產(chǎn)品，電動行李箱市場龐大。本研究設(shè)計一種靈活可代步的電動行李箱，能減輕行李負(fù)擔(dān)，方便人們出行，提高人們出行效率。該行李箱采用麥克納姆輪，轉(zhuǎn)彎時無需轉(zhuǎn)彎半徑，使行李箱的靈活性大大提高。本研究完成了電動行李箱的結(jié)構(gòu)原理分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計，且對其關(guān)鍵受力部分進(jìn)行有限元分析，分析表明其變形量十分微小。后續(xù)研究可從提高空間利用率、顯示重量、自動跟隨等方面深入探討。