1、“浮云” 旅行箱设计说明书选送单位： 电子科技大学参与人员 ： 张国成 吴兵硕 翟奇 王博 刘哲指导教师： 黄智 蒋劲茂电子科技大学二 一二年四月电子科技大学UESTC 第五届全国大学生机械创新设计大赛（四川赛区）1目录一. 设计背景（2）二. 作品介绍（2）三.设计方案 （2）3.1 总体设计构想（2）3.2 上楼的方式（2）3.3 翻转轮放置的位置（3）3.4 翻转轮支撑杆的设计（3）3.5 翻转轮材料的选择（3）四.相关计算（4）4.1 曲柄摇杆机构的计算（4）24.2 上楼梯时箱子受力分析（5）4.3 上楼梯时曲柄摇杆机构强度校核（9）五.作品创新点（13）六.实际应用及推广价值（13
2、）七.设计改进（14）八.相关工程图（14）九.产品附图（14）十参考文献（14）第五届全国大学生机械创新设计大赛（四川赛区）3一. 设计背景在日常生活中，旅行箱是我们外出旅行不可缺少的好帮手。纵观旅行箱的发展，旅行箱最初的只是一个箱子，后来旅行箱按上了轮子和拉杆，人们方便了拖动使用。现在我们见到的旅行箱大多都是这样的一种形状。然而，一种在广大人群中使用的日常用品，需要与时俱进才能满足人们日益增长的需要，于是我们考虑在旅行箱的方便省力上做文章，希望借助简单的设计让人们享受到舒适性，且在低成本的支持下，能够很好地在市场中推广。这时，我们回想起旅途中我们带着旅行箱面对长长的楼梯那种无奈的心情。能不
3、能有一个方法能简单有效地解决旅行箱上楼梯的问题呢？我们带着这个问题开始设计我们的旅行箱。二. 作品介绍本作品是一个通过对原有的旅行箱进行改进的新型旅行箱，可以实现爬楼梯的功能，以达到将存储的物品省力搬运的目的。主要是通过翻转轮和四杆机构实现。本次比赛的内容为“休闲娱乐机械和家庭用机械的设计和制作” ，通过对日常生活的观察，制作可以使人们的生活更丰富和便利的机械装置。本旅行箱正是每个家庭都必备的家庭器械，作品功能符合题目中“对家庭或宿舍内物品进行清洁、整理、储存和维护用机械”储存物品的初衷。旅行箱有翻转轮帮助箱子上下楼梯，有杆件机构帮助轮子的收放，能带给用户良好的用户体验。三.设计方案3.1 总
4、体设计构想以原有的旅行箱为基础，通过加装新的部件实现旅行箱爬楼梯的功能，加装的新部件要简单实用，在实现爬楼梯的基础上要求机构更加简单轻巧。3.2 上楼的方式A:在旅行箱背部按上履带，上楼时将旅行箱卧在楼梯上，通过拉动箱子，履带在台阶上滚动，达到在台阶上也如履平地。B:在旅行箱两侧装上两个可以转动的“十字架”，上楼时，用连杆带动十字架转动，十字架四个杆之一会抵住地面，在转动过程中通过杠杆作用抬升箱子，第五届全国大学生机械创新设计大赛（四川赛区）4结合拉动箱子达到上楼的目的。C:加大旅行箱轮子的尺寸，在直径大小高过楼梯台阶高度的时候，能在上下级台阶间滚动爬升，完成上楼动作。D:在旅行箱两侧按上两个
5、翻转轮，两个轮子在碰到楼梯竖直面时，加上手的拉力，会完成转动，通过不断的转动，轮子完成翻转上台阶的动作。上楼方式对比分析：A 方案符合我们设计简单的初衷，但是考虑到加装履带会改动箱体背部的结构，很用可能占用旅行箱背部的空间，而且推广改装不方便，我们放弃了这一种方案。B 方案中，我们考虑了多种带动“十字架” 转动的连杆机构，但是经过多次改动，要设计保持两边的十字架同步运动，并且用类似握力器的装置带动的话，机构显得累赘，我们最后也放弃这种方案。C 方案是最简单直接的方法，但是要在原来的旅行箱上改进，轮子势必要挂在两边，且和 D 方案对比后，发现不如 D 方案省力。经过前面的方案吸收对比，我们改进出
6、 D 方案，这个方案保持了 B 方案中十字架的类似结构，也解决了翻转轮转动动力的问题。3.3 翻转轮放置的位置A: 翻转轮固定在箱子的中部。B:在上楼梯时，翻转轮可以放下接触地面，在平地行走时翻转轮可以收起放在箱子两侧。方案对比：B 方案虽然带来了机构上的复杂性，但是翻转轮可以收回，不容易在平地行走过程中碰撞，保护了轮子。3.4 翻转轮支撑杆的设计：A:两个轮子由一连轴联动，通过拉动连轴达到上下放置三角翻转轮的目的。B:两个轮子分别独立由一个四杆机构控制放置和收回翻转轮的动作，通过设计连杆和连接杆的尺寸，设计一个死点，使得翻转轮在下放到最低点，即工作点的时候，翻转轮位置固定。方案对比：两个方案
7、都达到了放置和回收翻转轮的目的，但是 B 方案相比之下，有了死点的设计，从机构的设计上来说，巧妙地通过机械原理知识解决了固定翻转轮的目的。图 1 翻转轮示意图第五届全国大学生机械创新设计大赛（四川赛区）53.5 翻转轮材料的选择：A:普通的塑料。B:普通塑料轮子加上橡胶皮。C：PU 发泡材料。方案对比：B 方案在加上了橡胶皮之后，轮子滚动的柔软度和与楼梯碰撞时的减震作用效果明显。但是如果每个塑料轮子都要加工，不适合广泛使用。C 方案使用 PU 材料后，由于材料本身硬度及减震性适中，所以最后我们选择了 C 方案。四.相关计算4.1 曲柄摇杆机构的计算：根据机械理论知识四杆机构曲柄摇杆机构的条件为
8、：1） 取最短杆为连架杆；2）最短杆与最长杆的长度和小于或等于其他两杆的长度和。 如图 2 中， 为曲柄，为最短杆，且为连架杆。满足杆长条件1AB111ABDCll 图 2 曲柄连杆机构第五届全国大学生机械创新设计大赛（四川赛区）6图 3 杆件计算图一 图 4 杆件计算图二在曲柄摇杆机构中当摇杆主动而曲柄处于和连杆成一直线的两个极限位置时连杆传给曲柄的力不能产生使曲柄回转的力矩。利用这个原理，我们在轮子上安装了曲柄摇杆机构帮助旅行箱爬楼梯时轮子的固定。已知两个机架的位置、一个连架杆的长度和两个连架杆的两个极限位置，作如图 4，可以根据曲柄图 5 主要机构组成图摇杆的知识得两个极限位置时：分别对
9、两极限位置列出方程：ABl联立，解得： 2ABl其中， ，带入可得： 360,253ABABll第五届全国大学生机械创新设计大赛（四川赛区）7A=303， B=57 ， 机架长取 D=343，杆长度取 C=100因为 D+BA+C 即满足杆长条件，而且最短杆是连架杆，所以是曲柄摇杆机构。由于以摇杆作为主动件，所以有死点的存在。4.2 上楼梯时箱子受力分析4.2.1 当 恰好与台阶平面在同一水平面时1O图 6 箱体受力分析图一如图 6，由于上楼梯时箱子两边的轮子是对称的，相对应的轮子的运动状态相同，两边轮子受到的力对箱子的中心平面力矩抵消，因此可以把箱子受力的力学模型建模在箱子的中心平面，设人手
10、给箱子拉力为 ，箱子重力为 G，F拉图 6 中 为阶梯给 轮子的作用力； 为阶梯给 轮子的作用力。箱子重心1N1O2N2O为 C，翻转轮三个轮子圆心分别为 、 、 ， O 为翻转轮中心轴。箱子与水13平面夹角为 。从图 6 中可知：重力 G 对 O 力臂为 ， 对 O 力臂为 ，GACLlF拉 =BDLl拉对 O 点力臂为 ， 对 O 力臂为 。1N1L2N2C第五届全国大学生机械创新设计大赛（四川赛区）8图 7 力简化图一图 7 中以 O 为研究对象，将所有力等效到 O 点来列力的平衡方程和力矩方程。1） 水平方向力平衡：得 0xF1cos2N拉2） 竖直方向力平衡：得 y 2inG拉3)
11、力矩平衡：M（o）=0 即： 得 mnM1 2GNLFLN拉 拉联立，解得： 21cosinF拉 拉如图 8 所示， 为箱子与地面夹角，O 为图 6 中翻转轮中心轴位置， C 为箱子重心，N 为摇杆与箱体连接轴， CN垂直于箱体于 P 点，MO 为摇杆，垂直箱体于点 M。CE 为铅锤方向，延长 NO 交CE 于点 E，过 O 做 OF 垂直于 CE 于点F，则重力对于点 O 的力臂为 OF。sintanCPNOMll由几何关系可知， ，即：GACOFLl第五届全国大学生机械创新设计大赛（四川赛区）9sintanCPNGMOlLl图 8 重力力臂计算图力臂长 12 305-864.9,83.5,=1,(15)sintanGLL拉当 时，带入 通式，解得:=0F拉57%FG拉由此可以看出，在与地面成 60角拉旅行箱时，只会用到相当于旅行箱重力57%的力。4.2.2 当 恰好与台阶竖直面在同一铅锤面时2O如图 9 中，设人手给箱子拉力为 ，箱子重力为 G，图 9 中 为阶梯给F拉 1N轮子的作用力； 分别为阶梯给 轮子的作用力。箱子重心为 C，翻转轮1O2N2O三个轮子圆心分别为 、 、 ，O 为翻转轮中心轴。箱子与水平面夹角为13。图 9 箱体受力分析图二
