小區域電動物流小車的設計

摘 要：現代快遞業的發展離不開物流運輸，在小區域物流運輸方向，短途貨物周轉用小型機動車成為了主要的運輸工具，因此為了滿足未來不斷增長的快遞物流業發展需求，對電動物流小車進行研究和設計具有很重要的實際意義。電動物流小車是以直流或交流電力為動力實施起重、搬運作業的車輛，其具有操縱控制簡便、靈活的優點。其電動提升系統、加速控制系統以及驅動系統都由電信號來控制，大大降低了操縱人員的勞動強度，這樣一來對于提高其工作效率以及工作的穩定性有非常大的幫助。論文基于solidworks對電動物流試驗小車進行三維建模，在虛擬環境中對小車進行仿真研究，根據小車提升裝置和驅動裝置等構件的運動關系，將其簡化為具有確定相對運動的構件，并根據其運動關系和約束條件為簡化后的構件建立相應的參考坐標，描述其相對運動，并對相關構件進行受力分析。

關鍵詞：物流小車；電動；三維建模；運動分析；受力分析

一、引言

本文設計了一種電動物流小車，本小車是針對物流行業快速發展，校園遞送工作量大的需要，進行電動物流小車比例試驗車虛擬樣機設計。通過樣機與校園實際遞運相結合，設計一款適用于校園內部快遞運輸的電動物流試驗小車，以方便校園遞運為出發點，實現快捷方便的目的[1]。

本款小車從解決快遞業最后一公里服務中存在的問題著手，改變傳統的手推車運載小，對人力要求大，效率低的方向，對電動叉車進行改造，為節約成本，變液壓提升系統為電力提升系統，同時加入太陽能電力系統，在不使用小車時可以進行充電，節約資源，提高能源利用率[2]。

二、小車原理及各部件設計思路

本電動物流試驗小車的原理是：提升系統是由鏈子兩端分別固定在前叉橫桿上和舵機繞線輪上，由舵機控制繞線輪的轉動，帶動鏈子纏繞在繞線輪上，從而使前叉沿著立桿向上滑動，進而實現提升物體的目的；兩個電機分別驅動兩個后輪，在電機驅動系統的控制下可控制其轉速、轉矩，兩個前輪獨立，由兩個后輪的變速控制轉向，實現“后驅前隨”[3]。

小車的結構根據各部分的作用可分為幾個系統，分別是提升系、舵機系、前輪系、后輪系、底板、其他。小車三維效果如圖1.1。

（一）提升系

提升系由前叉，固定橫桿、支撐立桿，定滑輪，滑輪支撐桿，軸承組成，如圖1.2所示。左右叉由橫桿焊接固連在一起，從支撐立桿上端凹槽里穿過，沿著立桿可上下滑動，立桿焊接在底板相應位置。滑輪支撐桿焊接在立桿上那個，裝上相應的軸承，滑輪[4]。

（二）舵機系

舵機系由舵機底座、舵機、舵機軸、繞線環螺釘、螺母組成，如圖1.3所示。舵機底座是鑄造而成，由螺栓固定在地板上，舵機被固定在底座相應位置，繞線環和舵機軸通過鍵連接在一起[5]。

（三）前輪系

前輪系由前輪、輪胎、前輪軸、軸承、軸承架、螺釘、螺母組成，如圖1.3所示。各個零部件之間的固定方式為：軸承架通過螺栓固定在地板上，前輪軸通過軸承固定在軸承架上，車輪通過鍵連接在軸上[6]。

（四）后輪系

后輪系由后輪、輪胎、電機、減速器、電機軸、軸承、軸承架、螺釘、螺母組成，如圖1.5所示。電機固定在電機架上，然后通過螺釘連接在地板上，電機軸穿過軸承和軸承組成的支撐架連接在車輪上，軸與車輪連接方式是鍵連接。

（五）底板

底板由不銹鋼1.4305（X8CrNiS18-9）經加工而成，如圖1.6所示：

（六）其他

其他配件如電源護罩，座椅，車廂，車廂底板，如圖1.7所示。

三、關鍵零部件校核計算

在進行設計時有些關鍵零部件會出現受力過大出現變形或直接被破壞掉，這就需要我們在設計時對這些構件進行校核計算。設計中利用solidworks2014進行三維建模，利用“simulation”模塊進行結構分析，并進行受力仿真分析。

（一）底板

底板采用不銹鋼1.4305（X8CrNiS18-9）經加工而成，在提升系處收到最大3000N的作用力，由仿真結果可知，底板受到的最大應力為392MPa，小于其許用應力[7]，最大位移為0.862mm，可以忽略不計。

（二）前叉

前叉采用鐵0.7050（EN-GJS-500-7）鑄造而成，分為左右兩個，由叉前橫桿焊接固連在一起，對一個叉進行分析時，令其叉面受到1500N作用力，由仿真結果可知，底板受到的最大應力為75MPa，小于其許用應力[8]，最大位移為0.906mm，可以忽略不計。

（三）立桿

立桿由鋼1.0050（E295）機加工而成，對前叉其導向和支撐作用[9]。對一個桿進行分析時，令其上頂面受到1500N的垂直作用力和225N的法向作用力，由仿真結果可知，立桿受到的最大應力為105MPa，小于其許用應力，最大位移為10.8mm，這是在最大載荷下最大受力處所產生的最大位移，在實際情況中不會大于5mm，因此也是合格的。

（四）舵機軸

舵機軸由鋼1.0050（E295）機加工而成。其受到60N/m的扭矩作用，由仿真結果可知，底板受到的最大應力為21MPa，小于其許用應力，最大位移為0.00382mm，可以忽略不計。

（五）載重與配重

（1）根據舵機扭矩100kg.cm與減速比1：6，得出輸出扭矩為：

10N.m×6=60N.m （2.1）

繞線輪半徑為20mm，故輸出力為：

60N.m÷0.02m=3000N （2.2）

經過仿真驗證，所選材料滿足要求。提升部件材料本身較輕，故忽略不計，所以本小車設計載重為3000N。

（2）裝配體的三維仿真圖如圖2.1所示，在前輪中心處建立坐標系1，尋找到小車質心相對于坐標系1的坐標（-210.063，97.286，-336.841）mm。

建立數學模型，并對模型進行簡化后計算得知：在距離前輪中心600mm處添加：

（1000×188+3000×404-1780×378）/600=1212N （2.3）

即加載121kg的重物進行配重，即可滿足在前叉處于最大載荷狀態時不會產生前傾翻車的危險。

四、結論

小車采用電力供能，具有能量轉換效率高、噪聲小、無廢氣排放、控制方便等特點，利用電力控制系統可大大方便操縱。

本小車在小區域運輸方面有巨大的優勢，可以一改沉重的體力勞動局面，進而向自動化物流方向轉變。

利用舵機構件代替液壓提升機構有效節約了從成本，并且清潔、高效、無污染。為在校園等小區域遞運推廣提供了前提條件[10]。

（4）小車采用的后驅前隨機構，并采用兩個電機共同控制兩后輪的運動，能實現前進后退，加速減速，轉彎的命令，兩前輪采用兩個獨立輪，互不干擾，便于前輪的隨動特性。

參考文獻

[1]秦艷超.基于離散事件仿真的汽車備件倉儲系統建模及優化研究[D].武漢理工大學，2014

[2]夏中楠.新型倉儲物流車輛電驅動輪測試系統的研究[D].浙江工業大學，2015.

[3]張潤林.國內外電動叉車的結構特點分析[J].工程機械，1998年03期

[4]張凱，蔣超.電動叉車驅動機構的設計改進 [J].常熟理工學院學報，2011年07期

[5]張忠澤.電動叉車傳動系統設計[J].機電工程，1998年地06期

[6]李杰.電動平衡重式叉車轉向機構設計研究[D].廣西大學，2013

[7]朱滄浩.電動叉車用異步電機調速系統的研究[D].安徽理工大學，2014.

[8]姚成.專用汽車結構拓撲優化設計及強度分析[D].合肥工業大學，2002

[9]吳秋德.電動汽車動力系統匹配設計及性能仿真研究[D].吉林大學，2013

[10]汪愷.機械設計標準應用手冊第二卷[M].北京：機械工業出版社，1996

作者簡介：

曹銳（1993-），男，漢族，河南鄭州人，工學碩士，單位：中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院機械工程專業碩士2016級研究生，研究方向：計算機輔助設計。

李登科（1993-），男，漢族，河南駐馬店人，工學碩士，單位：中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院機械工程專業碩士2016級研究生，研究方向：計算機輔助設計。

（作者單位：中國礦業大學（北京）機械與信息工程學院）