一种灵活可代步的电动行李箱设计

吴昕怡 曹占龙 黄紫茜 魏宇忠 王崇和 谭 浩

（1.湖北汽车工业学院科技学院，湖北 十堰 442000；2.湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北 十堰 442000；3.东风商用车有限公司数字化部，湖北 十堰 442000）

0 引言

近年来，随着社会的快速发展，科技水平不断提高，智能化技术被广泛应用于各行各业中。传统的行李箱笨重、拖拉不方便，在遇到坑洼地面时震动大，容易震坏箱中的易碎物品。因此，有必要设计一种电动行李箱来满足人们出行的需要。目前，有学者对电动行李箱进行设计。王景夏等［1］设计出一种自动跟随行李箱，实现智能跟随的功能；谭舒月等［2］提出一种自动跟随避障的防盗旅李箱设计，能有效提升人们的旅行品质和旅行体验；王浩等［3］设计出一种爬楼行李箱，能有效提高出行效率；武明超等［4］设计出一种指纹防盗式智能助力行李箱，能有效确保出行旅客行李箱安全。以上设计虽解决了电动行李箱的一些问题，但转向问题仍是一个比较难解决的问题。因此，本研究提出一种基于麦克纳姆轮的电动行李箱来解决转向难的问题。

1 行李箱整体结构设计

灵活可代步行李箱整体结构可分为控制组、动力组和整体外壳，如图1、图2 所示。当位于蓄电池附近的控制组接收到手机传过来的电信号后，会发出指令来控制动力组的行动。动力组由4 个麦克纳姆轮和其所连接的电机组成。其中，动力组总控件发出控制指令，电机根据指令来控制整体转向移动，电池负责提供动能。行李箱外壳由4 部分组成，其中，整体壳体和上半部分外壳用合页连接，拉杆和壳体相连接。电动行李箱移动是依靠手机上相应软件来进行操控的，不用转弯半径就可实现前进和倒退。减震系统采用弹簧和气缸双重减震的方法，弹簧减震不仅能承载行李箱重量，还可起到缓冲作用，而气缸减震可起到防震消音的作用。通过弹簧减震和气缸减震的配合，能实现更好的减震效果。行李箱三维模型如图3所示。

图1 正面结构示意

图2 侧面结构示意

图3 行李箱三维模型

由于行李箱主要应用环境为机场、火车站、旅游景点等人员聚集场所，传统转向方式使其无法正常进行转向。因此，采用麦克纳姆轮作为设计的行李箱轮子。麦克纳姆轮可实现前进、后退、左右平移、斜向、原地掉头等动作，能有效解决因空间狭窄而无法转向的问题。麦克纳姆轮的主轮轴周边按一定角度排布一圈轮轴，本研究选用的设计角度为45°，通过不同驱动组合将主轮的转动力转移到其他方向，从而实现全向移动。根据夹角的不同，麦克纳姆轮可分为互为镜像关系的A 轮和B 轮，本研究采用ABAB的排列方式，排列方式如图4所示。

图4 麦克纳姆轮排列方式

4 个麦克纳姆轮由4 个电机单独控制，行动组三维模型如图5 所示。当4 个轮子都向前转时，A轮、B 轮可相互抵消轴向动力，只剩下向前动力，底盘可向前直行，确保行李箱不会跑偏。同理，后退时4 个轮子都向后转，只剩下向后动力；当A 轮正转、B 轮反转时，向前、向后的动力会抵消，仅剩下向右的动力，底盘就会向右平移；相反，如果A 轮反转、B 轮正转，底盘就会向左平移；当底盘左侧轮子正转、右侧轮子反转，就可以实现向右旋转；反之，底盘就会向左旋转了。此外，当A轮正转、B轮不动时，底盘会向右前方运动；当A轮反转、B轮不动时，底盘向左后方运动。相应地，当A轮不动、B轮正转时，底盘向左前方运动；当A轮不动、B轮反转时，底盘向右后方运动。

图5 行动组三维模型

2 关键结构受力分析

在实际使用过程中，行李箱的主要受力部分为轮子，通过对轮子的轮毂和辊子进行有限元分析，查询资料可知，一般长、宽、高为69 cm×48 cm×30 cm的行李箱可承重50 kg。为证明使用麦克纳姆轮可实现所需功能，对辊子和轮毂分别施加3 000 N的力，来分析其是否能满足需求。在分析时，将3 000 N 的力分别施加到辊子和轮毂上，计算其形变量、在接受压力过程中每一处产生的应力和最大应力处产生的形变量。辊子外圈采用的材料为橡胶，材料的力学性能见表1。

表1 橡胶的力学性能

由表1 可知，材料的屈服强度σs为9.24 MPa。在工作过程中，不发生破坏的条件是其所受最大应力值σmax不超过许用应力[σ]，即σmax≤[σ]，而许用应力[σ]=σs∕s。当安全系数s取1.5时，得[σ]=6.28 MPa，即许用应力为6.28 MPa。

关键结构有限元受力分析结果如图6、图7 所示。由图可知，棍子的形变量仅有0.009 mm，等效应力为171.46～10 783.00 Pa，满足设计要求。

图6 辊子形变分析

图7 辊子应力分析

为验证轮毂能实现所需功能，需要对轮毂进行受力及形变模拟。轮毂采用的材料为结构钢，材料力学性能见表2。

表2 结构钢的力学性能

由表2 可知，材料的屈服强度σs为355 MPa。在工作过程中，不发生破坏的条件是其所受最大应力值σmax不超过许用应力[σ]，即σmax≤[σ]。而许用应力[σ]=σs∕s。当安全系数s取1.5 时，得出[σ]=23 6.67 MPa，即许用应力为236.67 MPa。

轮毂的有限元分析结果如图8 、图9 所示。轮毂的形变量仅为1.307 1×10-6mm，等效应力为0.8 42 83～12 795 Pa，满足设计要求。

图8 轮毂形变分析

图9 轮毂应力分析

3 结语

作为一种传统行李箱产品的升级产品，电动行李箱市场庞大。本研究设计一种灵活可代步的电动行李箱，能减轻行李负担，方便人们出行，提高人们出行效率。该行李箱采用麦克纳姆轮，转弯时无需转弯半径，使行李箱的灵活性大大提高。本研究完成了电动行李箱的结构原理分析、机械结构设计、控制系统设计，且对其关键受力部分进行有限元分析，分析表明其变形量十分微小。后续研究可从提高空间利用率、显示重量、自动跟随等方面深入探讨。