適應(yīng)于多種環(huán)境的助力載運(yùn)工具的設(shè)計(jì)

王志海，戴佳驊

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

適應(yīng)于多種環(huán)境的助力載運(yùn)工具的設(shè)計(jì)

王志海，戴佳驊

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

針對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)上載運(yùn)搬運(yùn)工具存在的功能單一、效率低下、適應(yīng)性差等缺點(diǎn)，運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)的方法和材料力學(xué)檢驗(yàn)的方式設(shè)計(jì)了一款適應(yīng)于多種環(huán)境的具有助力效果的手推車(chē)，以實(shí)現(xiàn)服務(wù)社會(huì)、提高勞動(dòng)效率的目標(biāo)。本作品創(chuàng)新整合了齒條連桿、棘輪、嵌入式離合器等機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了兩輪搬運(yùn)、車(chē)廂裝卸、散貨搬運(yùn)等七大功能，考慮了復(fù)雜多變的工作環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)助力搬運(yùn)載運(yùn)的目標(biāo)。

助力；多功能；多環(huán)境；載運(yùn)搬運(yùn)

近年來(lái)，隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展，我國(guó)快遞與物流行業(yè)發(fā)展十分迅速，越來(lái)越多的人從事物流行業(yè)的相關(guān)工作。截止2013年底，我國(guó)物流企業(yè)超過(guò)1萬(wàn)所，從業(yè)人員超200萬(wàn)人。與我國(guó)物流行業(yè)快速發(fā)展形成鮮明對(duì)比的是，物流從業(yè)人員的工作條件長(zhǎng)期沒(méi)有明顯的改善，對(duì)快遞員而言異常重要的載運(yùn)工具更是如此。目前市場(chǎng)上二輪手推車(chē)、登高式手推臺(tái)車(chē)等是在搬運(yùn)過(guò)程中最常見(jiàn)、應(yīng)用最廣泛的人力作業(yè)車(chē)輛。在實(shí)際搬運(yùn)過(guò)程中，常常使用二輪手推車(chē)進(jìn)行水平搬運(yùn)，利用后兩者進(jìn)行垂直搬運(yùn)。

1 助力工具的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)適應(yīng)多種工作環(huán)境的具有助力效果的多功能設(shè)計(jì)目的，本推車(chē)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下個(gè)要求：（1）由于采用人力單向間歇?jiǎng)恿斎?，為了?shí)現(xiàn)單方向輸出和“一入多出”的要求，需要針對(duì)不同模式合理整合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。（2）為了實(shí)現(xiàn)助力效果，必須設(shè)計(jì)合理的助力機(jī)構(gòu)以達(dá)到最大化放大人力的效果來(lái)提升搬運(yùn)和運(yùn)載效率。（3）為加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，應(yīng)設(shè)計(jì)能滿足各種環(huán)境要求的換向機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)和越障能力機(jī)構(gòu)。根據(jù)以上的使用要求，該運(yùn)載工具整體模型如圖1所示。

1.1 動(dòng)力單向間歇輸入機(jī)構(gòu)

踩踏腳踏板，向下拉動(dòng)鏈條，鏈條帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn),飛輪向離合器輸入動(dòng)力。松開(kāi)腳踏板，在復(fù)位彈簧作用下回位，鏈條帶動(dòng)飛輪回轉(zhuǎn)，但飛輪此時(shí)打滑不向離合器輸入反向動(dòng)力。

1.2 換向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

將輸入至飛輪的動(dòng)力，由離合器分別將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)軸上左端的繞線盤(pán)或右端齒輪，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力向不同方向機(jī)構(gòu)傳輸，最終實(shí)現(xiàn)裝卸架抬升和頂起的目的。

1.3 模式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（1）輔助輪架限位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。輔助輪架以固定盤(pán)為圓心，繞其旋轉(zhuǎn)，由撥桿對(duì)其進(jìn)行位置的選擇，實(shí)現(xiàn)推車(chē)位姿的調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)不同功能的切換。（2）把手角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。按下把手頂塊，抬起將彈銷(xiāo)，旋轉(zhuǎn)把手至合適位置，松開(kāi)把手頂塊，把手彈銷(xiāo)在彈簧作用下插入把手固定盤(pán)的卡槽內(nèi)，可調(diào)整把手傾角，以適應(yīng)多種環(huán)境。（3）底版翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。底板能夠翻轉(zhuǎn)，定位于兩個(gè)位置。1底板與支架型鋼形成直角，進(jìn)行普通運(yùn)載工作；2當(dāng)進(jìn)如車(chē)廂裝卸模式時(shí)，翻轉(zhuǎn)至于裝卸架平齊，即可將貨物平推至車(chē)廂內(nèi)。

1.4 動(dòng)滑輪助力機(jī)構(gòu)

在車(chē)廂裝卸模式中，將離合器與繞線盤(pán)嚙合，動(dòng)力輸入至繞線盤(pán)時(shí)，動(dòng)滑輪機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，繞線盤(pán)收緊鋼繩，使滑動(dòng)支架沿導(dǎo)軌帶動(dòng)裝卸架上升。

1.5 齒輪齒條和齒條連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

車(chē)身內(nèi)藏有齒條。向右撥動(dòng)換向機(jī)構(gòu)，動(dòng)力輸入至齒輪，從而帶動(dòng)車(chē)身型鋼內(nèi)的齒條向上運(yùn)動(dòng)，依靠齒條滑塊將動(dòng)力輸入至齒條連桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)齒條連桿機(jī)構(gòu)將裝卸架頂起。

1.6 適應(yīng)不同高度樓梯的爬升輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬升輪簡(jiǎn)圖如圖2所示，利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爬升臂的收起與展開(kāi),適應(yīng)工作中不同的樓體尺寸；利用棘輪棘爪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爬升臂的自鎖；利用限位片防止連桿被反向收回；利用彈簧銷(xiāo)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)止位固定。經(jīng)測(cè)試，在樓梯攀爬過(guò)程中，推車(chē)重心變化較為穩(wěn)定。

圖1 該載運(yùn)工具整體模型圖

2 助力工具七大功能

2.1 二輪推車(chē)模式

在運(yùn)載幾何外形尺寸中等或者偏小，適合堆疊的貨物時(shí)，使用二輪手推車(chē)模式。

2.2 三輪模式

1.爬升臂 2.連桿 3.限位盤(pán) 4.法蘭盤(pán)5.棘輪盤(pán) 6.棘爪 7.扭簧 8.橡膠滾輪圖2 爬升輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

將推車(chē)斜放，通過(guò)限位機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)輔助輪架角度并固定，調(diào)節(jié)推車(chē)把手長(zhǎng)度和角度。此時(shí)可運(yùn)載體積較大貨物。

2.3 車(chē)廂裝卸模式

支起輔助輪架通過(guò)限位機(jī)構(gòu)調(diào)整推車(chē)高度，踩踏腳踏板拉動(dòng)鏈條。向左撥動(dòng)撥叉，嵌入式離合器帶動(dòng)繞線盤(pán)收緊鋼繩，使滑動(dòng)支架沿車(chē)身上的導(dǎo)軌向上拉動(dòng)裝卸架；向右撥動(dòng)撥叉，嵌入式離合器與右側(cè)齒輪嚙合，通過(guò)齒條連桿機(jī)構(gòu)將裝卸架頂起。此時(shí)可放下推車(chē)底板，將貨物直接平推至車(chē)廂內(nèi)。

2.4 三角扶梯模式

當(dāng)工人需登高取物時(shí)，無(wú)需額外獲取梯子，可將推車(chē)的裝卸架和車(chē)身通過(guò)限位機(jī)構(gòu)分別與地面的斜度為70°，即可登高取物。

2.5 爬樓模式

當(dāng)工作人員在運(yùn)載貨物的過(guò)程中遇到爬樓障礙時(shí)，利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)將爬升輪展開(kāi)。此時(shí)上拉推車(chē)，以觸點(diǎn)為支點(diǎn)，繞梯邊旋轉(zhuǎn)，三個(gè)連桿交替工作，實(shí)現(xiàn)越障功能。

2.6 躺椅模式

將推車(chē)斜放，通過(guò)限位機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)輔助輪架到合適角度并固定,此時(shí)操作人員可倚靠在推車(chē)上舒適的休憩。

2.7 散貨搬運(yùn)模式

通過(guò)限位機(jī)構(gòu)將輔助輪架收起至上限位置并鎖死，放下裝卸架頂端型鋼處掛載的折疊布袋，即可進(jìn)行散裝貨物的搬運(yùn)。

3 助力效果分析

對(duì)車(chē)體、裝卸架、連桿、齒輪齒條組成的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，將其簡(jiǎn)化為如圖3所示的機(jī)構(gòu)。AD為固定鉸鏈。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，初定：AB=BD=450mm，BC=550mm，AD與x軸正方向夾角為70°，初始時(shí)AB、AD夾角為5°。BC上放有重物，m=100kg。齒輪在轉(zhuǎn)矩T的驅(qū)動(dòng)下繞F順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

不計(jì)自重與摩擦，將機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面機(jī)構(gòu)，分析AC桿受力。

圖3 齒條連桿機(jī)構(gòu)受力分析

由受力平衡條件得

分析齒條受力可知，

取θ變化范圍 5°～70°，三維模型導(dǎo)入Adams中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

得θ=5°時(shí)，Tmax=119.287N·m；

推算踩踏踏板所需力：

棘輪機(jī)構(gòu)大徑D=75mm，棘輪機(jī)構(gòu)上鏈條拉力：

且可知，當(dāng)裝卸架抬升角度θ增大時(shí)，所需踩踏的力將顯著減小。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）適應(yīng)性強(qiáng)，功能多，能夠勝任多種環(huán)境下的搬運(yùn)載運(yùn)要求；（2）助力效果好，能有效提高物流人員等進(jìn)行搬運(yùn)載運(yùn)工作的效率，有效減少其勞動(dòng)強(qiáng)度，在一定程度上為企業(yè)也節(jié)省了成本；（3）采用人力輸入和純機(jī)械的動(dòng)力及其傳輸方式，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了該工具的復(fù)雜性，也省去了電機(jī)和電池，降低了整車(chē)的重量，低碳環(huán)保。

[1]白衛(wèi)東.物流裝卸搬運(yùn)作業(yè)的研究分析[J].科技視界,2012,26:177-178.

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