电气与信息工程
河南科技
Henan Science and Technology
总第811期第17期
2023年9月收稿日期：2023-03-23
基金项目：湖北省2022年大学生创新训练项目（S202213248008）；湖北省教育厅科学技术研究项目
（D2*******、B2021145）；湖北省十堰市社科项目（2022R005）。
作者简介：吴昕怡（2002—），女，本科生，研究方向：机械设计制造及其自动化。
通信作者：曹占龙（1983—），男，硕士，副教授，研究方向：工程图形学、机械设计制造等。
吴昕怡1
曹占龙2
黄紫茜1
魏宇忠1
王崇和1
谭
浩3
（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）
摘要：【目的】由于人们旅游出行所携带的东西过重，遇到坑洼地面时行李箱振动会过大，容易损
坏箱内易碎物品，且大多数车站和机场较为空旷，拖拽行李箱不方便出行。为解决上述问题，设计一款灵活可代步的电动行李箱。【方法】该行李箱的运动系统采用麦克纳姆轮，能提高行李箱的灵活性，减震系统采用弹簧减震和气缸减震的双重减震方法。【结果】该设计能使行李箱实现平动，无须转弯半径，并能成为一种短途代步工具，方便人们出行。【结论】应用Solidworks 技术对灵活可代步的电动行李箱进行整体设计，通过Ansys 对其主要受力部位进行有限元分析，结果表明，灵活可代步的行李箱设计合理。
关键词：电动行李箱；可代步；灵活中图分类号：TH122
文献标志码：A
文章编号：1003-5168（2023）17-0014-04
汽车行李箱DOI ：10.19968/jki.hnkj.1003-5168.2023.17.003
A Flexible and Portable Electric Suitcase Design
WU Xinyi 1CAO Zhanlong 2
HUANG Zixi 1
WEI Yuzhong 1
WANG Chonghe 1
TAN Hao 3
(1.School of Science and Technology,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442000,China;2.School of Mechanical Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442000,China;
3.Dongfeng Commercial Vehicle Co.,Ltd.,Digital Department Technology,Shiyan 442000,China)
Abstract:[Purposes ]At present,since people tend to carry too heavy things when traveling,the vibra⁃
tion of the suitcase will be too large when encountering potholes,which is easy to damage the fragile
items in the box,and most stations and airports are empty,it is not convenient to travel with a suitcase.In order to deal with the above problems,a flexible and portable electric suitcase is designed.[
Methods ]The motion system adopts McNamm wheel to improve the flexibility of the suitcase,and the shock ab⁃
sorption system adopts double shock absorption of spring and cylinder.[Findings ]The design allows the suitcase to move without turning radius,and can be used as a short-distance transportation tool,which is convenient for people to use.[Conclusions ]The Solidworks technology is applied to the overall design of
the flexible and portable electric suitcase.The finite element analysis of the main stress parts of the suit⁃case by Ansys shows that the design of the flexible and portable suitcase is reasonable.
Keywords:electric luggage;transportable;flexible
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。
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1正面结构示意
图2
侧面结构示意
图3行李箱三维模型
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
拉杆
外壳
B行动轮
把手
箱体
合页
A B
B A
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69cm×48cm×30cm 的行李箱可承重50kg 。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3000N 的力，来分析其是否能满足需求。在分析时，将3000N 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橡胶的力学性能力学
性能数据
张力强度/MPa 13.8
弹性模量/MPa 6.1
泊松比0.490
屈服强度/MPa 9.24
抗剪模量/MPa 2.9
由表1可知，材料的屈服强度σs 为9.24MPa 。
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]=6.28MPa ，即
许用应力为6.28MPa 。
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0.009mm ，等效
应力为171.46～10783.00Pa ，满足设计要求。
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
力学性能数据
密度/（kg·m -3）7890
弹性模
量/GPa 206
泊松比0.269
屈服强度/MPa 355
抗拉强度/
MPa 600
由表2可知，材料的屈服强度σs 为355MPa 。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]=
236.67MPa ，即许用应力为236.67MPa 。
轮毂的有限元分析结果如图8、图9所示。
图6辊子形变分析
图7
辊子应力分析
A:Static Structural
图类型：总变形单位：mm 时间：1
A:Static Structural 图类型：等效（Von-Mises ）应力单位：MPa 时间：1
9.23120e-3最大
8.20510e-37.17982e-36.15413e-35.12844e-34.10276e-33.07707e-32.05138e-31.02569e-30.00000最小
Y
Z
1.07828e-2最大
9.60378e-38.42474e-37.24570e-36.06666e-34.88762e-33.70858e-32.52954e-31.35050e-3
1.71459e-4最小
Y
Z
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
（mm ）
0.00
22.50
45.0067.50
90.00（mm ）
X
X
轮毂的形变量仅为1.3071×10-6mm ，等效应力为0.84283～12795Pa ，满足设计要求。
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。
参考文献：
［1］王景夏，成意.自动跟随行李箱的设计［J ］.轻工科技，2013（4）：70，93.
［2］谭舒月，关煜宇，龚凤华.自动跟随避障的防盗旅李箱设计［J ］.信息技术与信息化，2021（10）：214-216.
［3］王浩，周建华，蒋钊锋.爬楼行李箱的设计与实现［J ］.机电信息，2019（29）：117-118.
［4］武明超，田文启，段新涛.指纹防盗式智能助力行李箱的研究［J ］.物联网技术，2019（4）：73-74，77.
图8
轮毂形变分析
图9
轮毂应力分析
B:Static Structural 图
类型：总变形单位：mm 时间：1
1.3071e-6最大1.6180e-61.0166e-68.7137e-67.2614e-75.8092e-74.3569e-7
2.9046e-71.4523e-70最小
B:Static Structural 图类型：等效（Von-Mises ）应力单位：MPa 时间：1
1.27948e-2最大1.13732e-29.95170e-38.53015e-37.10860e-35.68705e-34.26550e-3
2.84394e-31.42239e-38.42830e-7
X
Z
X
Z
0.00
25.00
45.00
75.00100.00（mm ）
0.00
25.0050.0075.00100.00（mm ）
Y Y
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