一种可变结构运输车的创新设计

王敏娜，孙亮波，梁家伟，龚俊杰，伍正楷

(武汉轻工大学 机械工程学院，湖北 武汉 430048)

0 引 言

电子商务的兴起带动了快递行业的发展，据统计2017年我国快递量就已达到205亿件[1]。在当今快递运输中，大部分以厢式货车进行快递运输，从而存在安全性差、装卸不便、识别度低、包裹无序等问题。例如大型家具、冰箱和空调等商品通常徒手装卸，导致劳动强度高、装卸效率低，且易造成商品损伤，降低运输效率。而手机、电脑等电子产品在运输过程中也存在挤压损坏的可能性，增加运输成本。

目前国内市场上的产品及其性能分析如表1所示[2]。

通过对国内外的运输车的市场调研可知，现有运输车主要存在以下问题：

(1) 货物积压损坏；

(2) 无法分类存放，车厢空间利用不合理；

(3) 人工装卸繁琐低效。

对现有运输车存在的问题进行分析，创新设计了可变结构运输车，实现车厢的分层功能，避免货物积压，保证货物平稳安全；对车厢纵向进行分列，合理利用车厢空间。车厢门在保留传统旋转门的基础上，改造成辅助滑动式斜接门，配合车厢内部传送板，能够辅助货物的装卸，减轻工人劳动强度。

表1 现有的快递运输车性能分析

1 可变结构运输车设计思路

基于以上调查研究，创新设计了可变结构运输车，其设计思路如图1所示。

图1 设计思路

可变结构运输车的三维造型图如图2所示，通过三层传送带2、3、5进行分层，通过分隔网架1分区，实现对不同货物的合理分类和对车厢空间的有效利用。翻转门4分别与三层传送带2、3、5配合，实现半自动化装卸货物。

图2 可变结构运输车三维造型图 1.分隔网架 2.顶层传送带 3.中层传送带 4.翻转门 5.底层传送带

2 作品功能分析与实现

2.1 分层功能的实现

为了解决货物的积压问题，达到降低货物损坏率，优化商品运输环境的目的，设计了车厢分层的结构。设计了上、中、下三层货物存放支撑板，相邻两层之间的距离可以根据货物实际尺寸大小进行任意层高调节，在避免货物积压损坏的情况下，进一步更加合理利用空间。

如图3所示，利用轴辊传送板3给车厢分层。每层经由缆绳1悬吊在车厢顶部。通过控制缆绳1进而控制每层传送板的高度，使其能够适应不同尺寸货物的需要。在车厢侧面内壁加装导轨4，横向固定传送板，防止传送板在车厢内晃动。传送板内部加装电机2带动轴辊旋转使其能够运送货物进出。

图3 分层机构示意图1.缆绳 2.电机 3.分层传送板 4.导轨

变胞机构具有构态变化和自动组合的特点，应用在具有多个不同工作阶段的场合 , 并且由一 个工作阶段到另一个工作阶段中, 总是以改变机构的拓扑结构(由此改变机构的自由度)呈现出不同机构类型或运动性能来实现功能要求，极大的减少了机构数量，节省了内部空间[3-4]。

为了实现对中、上两层传送板进行分别控制，达到减少原动机的数目，降低成本的目的，采用了差动轮系与棘轮组成的变胞机构，完成了动力分配和放松的双重功能。如图4所示的顶部升降机构，利用了差动轮系、蜗轮蜗杆、万向节、普通锥齿轮的组合传递动力。

车厢内分为三层，底层1固定不动，上、下两层需要单独控制升降，此处创新设计了差动轮系分配动力。电机4将动力输入至差动轮系8。如图5所示差动轮系的自由度为：

F=3n-(2p1+ph)=3×4-(2×4+1×2)=2

(1)

差动轮系8的两个输出端各有一个棘轮7，电机动力输入至H杆，当齿轮1输出端被棘轮锁死时，此时该差动轮系的自由度为1。动力由2轮输出，经由万向节5、蜗轮蜗杆9、传动轴、锥齿轮10组成的传动链将动力传至四角的绞轮4，绞轮4通过缆绳11控制顶层传送板的升降。反之，当2轮锁死，则动力由2轮输出，控制中层传送板的升降。

图5 分层升降机构简图

考虑到车辆行进过程中震动较为强烈，在车辆行进过程中同时锁死1,2轮两个输出端，系统自由度为零。保证分层高度不会变化，进一步保障货物安全。

2.2 分列功能的实现

为了提高空间利用率，满足不同类型、不同地域货物的分类运输要求，采用分隔网架和传送板相互配合对车厢空间分区。

如图6所示，卷线机构3利用电机驱动蜗杆，蜗杆带动双蜗轮，缆绳1穿过走线管2连接双蜗轮，双蜗轮收放线，带动缆绳1移动，从而控制网架4左右平移，改变分列的宽度。网架四角都连有缆绳1，保证网架4移动时不会倾斜卡死。在横轨上左右滑动的同时，分隔网4随层高变化在竖轨上伸缩滑动，从而进行更合理空间分配。

图6 分隔网示意图1.缆绳 2.走线管 3.卷线机构 4.分隔网架

2.3 辅助装卸功能的实现

翻转门保留了传统的货柜车侧开的方式，装卸货物时可将门板从侧面打开，如图7所示。

图7 传统打开方式

此外，为了优化卸货过程，降低快递人员的劳动强度，提高工作效率，防止暴力运输，创新设计了翻转打开的方式。

如图8所示为翻转门的机构简图，其为曲柄滑块机构，自由度为：

F=3n-(2p1+ph)=3×3-2×4=1

(2)

电机转动，推动齿条前进，横轨4同齿条前进。在门板的四角增加滑块1，能够在滑轨2上滑动。利用三角函数分析，有:

|CB|sinα=|CD|

(3)

所以车门在运动行程范围内，满足

0°≤α≤90°， 0≤|CD|≤|CB|

当电机工作，带动门倾斜，可以形成一定角度且能在任意高度锁止，配合车厢内部传送板送出货物，在装载货物时也可以借助这个翻转门将货物推送到传送板上。当车门完全打开，门板CB接近水平，在B处难以将门板推起，故在D处添加助力弹簧3。

取门板CB质量M=2 kg，取弹簧不受力时长度为行程的一半S=150 mm，估算所需弹簧的弹性系数

(4)

因门板需承载货物则选用弹簧弹性系数为K=100 N/m。

图9为翻转门辅助装卸图，通过传送带与翻转门配合，实现对货物的装卸。增加挡板防止货物打滑下落损坏。

图8 翻转门机构简图图9 翻转门辅助装卸图1.滑块 2.竖轨 3.助力弹簧 4.横轨

3 结 论

如图10所示，该可变结构运输车以1：6比例制作完成模型样机。

图10 可变结构运输车模型图

与市场已有产品相比，该运输车具有如下特点：

(1) 使用差动轮系与锁紧机构组合的变胞机构，采用多杆平行机构和传送板相互配合，实现分层分列组合对车厢分配空间，防止货物积压，满足分类运输需要。

(2) 采用电机驱动的传送板，升降装置，翻转门等可大大优化货物装卸方式，降低劳动强度并提高工作效率。

(3) 该运输车空间利用率较高，可改善货物运输环境，辅助人工装卸，能节省劳力，降低劳动成本，提高运输效率，具有一定的市场推广使用价值。