鄧末芝，鄭峰，徐瑞康，程世杰，牛禮民

（安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

0 引言

行李箱是日常出行中不可缺少的物品，但在出行過程中難免遇到樓梯、臺階等不方便行李箱行走的路段。在火車站、地鐵站等地方經(jīng)?？吹铰每吞釘y沉重的行李箱上下樓梯，入住酒店需要提著行李箱跨過酒店門口的臺階，十分不便。針對上述問題，本團(tuán)隊(duì)基于TRIZ理論分析，設(shè)計(jì)了一種爬梯半徑可連續(xù)變化的三星輪，將其與普通行李箱相結(jié)合，構(gòu)成了爬梯式行李箱的主體部分，該設(shè)計(jì)很好地解決了出行中提攜行李箱上下樓梯困難的問題，為TRIZ理論的實(shí)際應(yīng)用提供了有益參考。

1 爬梯式行李箱研究現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展及交通的愈加便利，現(xiàn)今人們的出行變得頻繁，對于一款可以爬梯的行李箱具有較大的市場需求，因此行李箱的設(shè)計(jì)不僅要注重產(chǎn)品質(zhì)量、外觀、材質(zhì)等，更要注重產(chǎn)品附加的爬梯功能。高天禹等[1]在行李箱的背面設(shè)置滑動履帶，從而實(shí)現(xiàn)爬梯功能。章天奇等[2]設(shè)計(jì)的會上樓梯的可變?nèi)菘烧郫B的行李箱，利用三星輪機(jī)構(gòu)通過星輪架繞回轉(zhuǎn)中心公轉(zhuǎn)，星輪輪流作支點(diǎn)交替翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)攀爬樓梯的功能。

在上述的爬梯式行李箱設(shè)計(jì)研究中，大多設(shè)計(jì)方案都是采用履帶式和三星輪式這兩種爬梯方案。但是這兩種設(shè)計(jì)方案都存在一定的不足之處，其適用范圍都有一定的局限性。

2 現(xiàn)有爬梯式行李箱存在的問題

2.1 履帶式爬梯行李箱

圖1所示為履帶式爬梯行李箱腹部圖，爬梯動作的完成需先將行李箱放倒，姿態(tài)如圖2所示，然后拖拽行李箱拉桿，使得行李箱沿樓梯前行。在到達(dá)樓梯盡頭時，需要將行李箱提起，并調(diào)整拉桿。

圖1 行李箱腹部

圖2 行李箱爬梯姿態(tài)

履帶式爬梯行李箱使用時存在以下問題：

1）無法很好地適應(yīng)臺階數(shù)量少的情況，使用時十分不便；由于履帶式爬梯行李箱的履帶本身長度較長，在臺階數(shù)量較少（例如酒店、宿舍樓等入口處的臺階）時，往往在尚未拖拽行李箱或者拖拽極短的距離時，行李箱就需要重新提起。在這種情況下，使用履帶式爬梯行李箱就很麻煩，不能很好地解決問題。

2）其拖拽時所占空間較大，無法適應(yīng)人流量大、擁擠場所的樓梯（例如通過火車站、地鐵口、商場的樓梯）；如圖2所示，在爬梯時，行李箱與水平方向的傾角較小，導(dǎo)致其拖拽時需要占據(jù)較大的空間。

3）部分履帶式爬梯行李箱的履帶使用電動機(jī)驅(qū)動，并采用內(nèi)置式，即將履帶收于圖1所示的行李箱腹部，此外電驅(qū)動設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這樣擠占了較大的儲物空間。

2.2 三星輪式爬梯行李箱

圖5所示為三星輪式爬梯行李箱，其工作原理是每個星輪及星輪架可以繞星輪架主軸公轉(zhuǎn)，同時每個星輪也可以繞自身星輪軸自轉(zhuǎn)[2]。三星輪機(jī)構(gòu)通過星輪架繞回轉(zhuǎn)中心公轉(zhuǎn)，星輪輪流作支點(diǎn)交替翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)攀爬樓梯的功能[4]。使用三星輪式爬梯行李箱時存在以下問題：1）三星輪式爬梯時存在較大的沖擊載荷。三星輪機(jī)構(gòu)通過星輪架繞回轉(zhuǎn)中心公轉(zhuǎn)，星輪輪流作支點(diǎn)交替翻轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)攀爬樓梯，在此過程中，由于星輪的交替翻轉(zhuǎn)與臺階面接觸的過程中會產(chǎn)生沖擊載荷。2）三星輪式行李箱三星輪的回轉(zhuǎn)半徑為確定值。如果采用大回轉(zhuǎn)半徑的三星輪，可攀爬的臺階高度范圍較大，適用于不同高度的臺階，但是在爬梯時其所受的沖擊載荷大。但如果采用回轉(zhuǎn)半徑小的三星輪，可攀爬的臺階高度范圍較窄，無法很好地適應(yīng)不同高度的臺。為此，需要用TRIZ理論方法加以分析設(shè)計(jì)。

圖3 行李箱受力分析

圖4 行李箱所需拉力函數(shù)圖

圖5 三星輪式爬梯行李箱

3 TRIZ理論分析設(shè)計(jì)

3.1 爬梯技術(shù)方案比較分析

履帶式爬梯行李箱的履帶設(shè)計(jì)安裝會占據(jù)較大的儲物空間，人力拖拽行李箱所需拉力遠(yuǎn)大于三星輪式行李箱，如果采用電動機(jī)驅(qū)動，就會使得行李箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，自重大幅度增加，給行李箱的運(yùn)輸放置帶來不便，并進(jìn)一步壓縮儲物空間。同時復(fù)雜的電氣結(jié)構(gòu)將提高行李箱制造成本，不利于行李箱的應(yīng)用推廣。三星輪式爬梯行李箱存在的主要問題為三星輪在進(jìn)行爬梯時的攀爬半徑，也就是星輪到主軸回轉(zhuǎn)中心的距離是固定值，無法很好地適應(yīng)不同高度的臺階，應(yīng)用范圍受到了一定限制。綜合比較現(xiàn)有的兩類爬梯技術(shù)方案，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)三星輪式爬梯的技術(shù)方案更為簡單有效，且成本較低。

3.2 TRIZ原理解決方案

TRIZ理論是一種可有效解決技術(shù)問題或發(fā)明問題的創(chuàng)造學(xué)方法，為解決問題建立合理的模型提供一種方法論的指引，使得設(shè)計(jì)過程有據(jù)可循，少走彎路[4]。為了得到三星輪式爬梯行李箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，采用了以下TRIZ發(fā)明原理：1）發(fā)明原理1——抽取原理。抽取原理為將物體中有用的必要因素和有害的部分抽取出來，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。包括從物體中抽取出有害部分和從物體中抽取有用的必要因素。三星輪式爬梯行李箱的行星架部分相對回轉(zhuǎn)軸固定不動，限制了行李箱的適用范圍，為有害部分。三星輪式爬梯行李箱的星輪機(jī)構(gòu)通過星輪架繞回轉(zhuǎn)中心公轉(zhuǎn)，星輪輪流作支點(diǎn)交替翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)攀爬樓梯的功能，為有用的必要部分。2）發(fā)明原理11——動態(tài)原理。動態(tài)原理為通過運(yùn)動或柔性處理，以提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，將物體不動的部分變成可動的，增加其運(yùn)動性[5]。對三星輪機(jī)構(gòu)的行星架做動態(tài)處理，即將行星架設(shè)計(jì)為可動的。3）發(fā)明原理6——嵌套原理。嵌套原理為使得兩個物體內(nèi)部契合或置入，其中包含有一個物體通過另一個物體的空腔。根據(jù)嵌套原理設(shè)計(jì)一個安裝殼，安裝殼固定在回轉(zhuǎn)主軸上，并沿周向均勻地開3個方形孔，行星架通過方形孔進(jìn)入安裝殼的空腔中，在安裝殼中的推動機(jī)構(gòu)和方形孔的作用下完成沿著安裝殼徑向的移動。4）發(fā)明原理8——預(yù)置防范原理。預(yù)置防范原理指事先準(zhǔn)備，應(yīng)對可能出現(xiàn)的故障或問題，以提高系統(tǒng)的可靠性。在三星輪式爬梯行李箱爬梯時，行星架會遭受一定的沖擊載荷。根據(jù)預(yù)置防范原理，三星輪的安裝殼內(nèi)部設(shè)置有圖6所示的導(dǎo)軌，可改善行星架的受力情況，提高爬梯過程中三星輪的穩(wěn)定性。

圖6 三星輪安裝殼

4 爬梯式行李箱創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

4.1 爬梯式行李箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對三星輪式爬梯行李箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，提出一種爬梯半徑可連續(xù)變化的三星輪（如圖7），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示，以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一種連續(xù)變徑三星輪式爬梯行李箱（如圖9），其中可連續(xù)變徑三星輪的結(jié)構(gòu)主要由行星架主軸、安裝殼、蓋體、星輪、行星架、蝸輪、蝸桿、調(diào)節(jié)旋鈕、回轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)軸、連接板等組成。該三星輪的安裝殼固定在行星架主軸上，并沿安裝殼周向均勻分布3個行星架，其中行星架的一端安裝有星輪，另一端穿過安裝殼，并且通過連接板與安裝殼內(nèi)部的轉(zhuǎn)盤相連接，轉(zhuǎn)盤與驅(qū)動機(jī)構(gòu)相連，驅(qū)動機(jī)構(gòu)由蝸輪和蝸桿組成。

圖7 可連續(xù)變徑三星輪

圖8 可連續(xù)變徑三星輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖9 連續(xù)變徑三星輪式爬梯行李箱

通過擰動調(diào)節(jié)旋鈕使得蝸桿轉(zhuǎn)動從而帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，然后蝸輪帶動回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。回轉(zhuǎn)盤通過連接板推動行星架沿安裝殼徑向移動，行星架在安裝殼中伸縮變化，實(shí)現(xiàn)了三星輪的攀爬半徑可在一定的數(shù)值范圍內(nèi)連續(xù)變化。驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用蝸輪、蝸桿，不僅結(jié)構(gòu)簡單而且可以自鎖，可以防止爬梯過程中因沖擊載荷而導(dǎo)致攀爬直徑變化。與普通三星輪式爬梯行李箱相比，連續(xù)變徑三星輪式爬梯行李箱可以通過調(diào)整行星架在安裝殼中的徑向移動，改變?nèi)禽喌呐逝腊霃?，以?yīng)對不同場景的樓梯及不同高度的臺階，適用范圍更廣。

4.2 行李箱工作狀態(tài)分析

三星輪的初始狀態(tài)所對應(yīng)的爬梯半徑為最小爬梯半徑，此時3個行星架及連接板在回轉(zhuǎn)盤上的相對位置相同。連接板沿著回轉(zhuǎn)盤周向均勻安裝，并與行星架末端鉸接，回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動通過其上均勻布置的連接板同步同弧度推動行星架，從而保證了行星架的伸縮變化為同步同心。

圖10 三星輪最小爬梯半徑狀態(tài)

圖11 三星輪最大爬梯半徑狀態(tài)

如圖12所示，連接板的長度為a，行星架與連接板之間的夾角為θ，星輪半徑為r，將回轉(zhuǎn)中心到星輪中心的直線距離定義為爬梯半徑。初始狀態(tài)三星輪的爬梯半徑即最小爬梯半徑R1=L+r，三星輪的爬梯半徑R的近似公式為R=L+r+acos θ；本設(shè)計(jì)中三星輪處于最小爬梯半徑狀態(tài)時所對應(yīng)的θ角近似為90°，最大爬梯狀態(tài)所對應(yīng)的θ≈0°，故最大爬梯半徑R2=L+r+acos 0°=L+r+a；三星架的伸縮幅度變化為ΔR=R2－R1=a，由此可見三星輪所能適應(yīng)不同樓梯高度的范圍與連接板的長度有關(guān)。目前的樓梯建造要求的臺階高度為140～210 mm，所對應(yīng)的臺階寬度為200～320 mm。本設(shè)計(jì)的三星輪機(jī)構(gòu)參數(shù)選取r=30 mm，a=60 mm，L=150 mm，最小回轉(zhuǎn)半徑R1=180 mm，最大回轉(zhuǎn)半徑R2可以達(dá)到240 mm，這可適應(yīng)絕大部分不同高度的樓梯。

圖12 三星輪局部結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

本文分析了現(xiàn)有的行李箱爬梯技術(shù)方案所存在的問題，綜合比較履帶式爬梯和三星輪式爬梯技術(shù)方案，發(fā)現(xiàn)三星輪式爬梯行李箱更具有改進(jìn)優(yōu)化的空間，并利用TRIZ理論優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)有的三星輪式爬梯行李箱，提出了一種可連續(xù)變徑的三星輪式爬梯行李箱。本文對TRIZ創(chuàng)新發(fā)明原理的應(yīng)用，拓展了設(shè)計(jì)師對爬梯式行李箱（多功能行李箱）的設(shè)計(jì)思路，為后續(xù)爬梯式行李箱的設(shè)計(jì)提供了理論參考。