基于TRIZ理論的爬梯式行李箱設計

鄧末芝，鄭峰，徐瑞康，程世杰，牛禮民

（安徽工業大學機械工程學院，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?？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，本團隊基于TRIZ理論分析，設計了一種爬梯半徑可連續變化的三星輪，將其與普通行李箱相結合，構成了爬梯式行李箱的主體部分，該設計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理論的實際應用提供了有益參考。

1 爬梯式行李箱研究現狀

隨著經濟社會的發展及交通的愈加便利，現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，因此行李箱的設計不僅要注重產品質量、外觀、材質等，更要注重產品附加的爬梯功能。高天禹等[1]在行李箱的背面設置滑動履帶，從而實現爬梯功能。章天奇等[2]設計的會上樓梯的可變容可折疊的行李箱，利用三星輪機構通過星輪架繞回轉中心公轉，星輪輪流作支點交替翻轉實現攀爬樓梯的功能。

在上述的爬梯式行李箱設計研究中，大多設計方案都是采用履帶式和三星輪式這兩種爬梯方案。但是這兩種設計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。在到達樓梯盡頭時，需要將行李箱提起，并調整拉桿。

圖1 行李箱腹部

圖2 行李箱爬梯姿態

履帶式爬梯行李箱使用時存在以下問題：

1）無法很好地適應臺階數量少的情況，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，導致其拖拽時需要占據較大的空間。

3）部分履帶式爬梯行李箱的履帶使用電動機驅動，并采用內置式，即將履帶收于圖1所示的行李箱腹部，此外電驅動設備結構復雜，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，同時每個星輪也可以繞自身星輪軸自轉[2]。三星輪機構通過星輪架繞回轉中心公轉，星輪輪流作支點交替翻轉實現攀爬樓梯的功能[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。三星輪機構通過星輪架繞回轉中心公轉，星輪輪流作支點交替翻轉以實現攀爬樓梯，在此過程中，由于星輪的交替翻轉與臺階面接觸的過程中會產生沖擊載荷。2）三星輪式行李箱三星輪的回轉半徑為確定值。如果采用大回轉半徑的三星輪，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，無法很好地適應不同高度的臺。為此，需要用TRIZ理論方法加以分析設計。

圖3 行李箱受力分析

圖4 行李箱所需拉力函數圖

圖5 三星輪式爬梯行李箱

3 TRIZ理論分析設計

3.1 爬梯技術方案比較分析

履帶式爬梯行李箱的履帶設計安裝會占據較大的儲物空間，人力拖拽行李箱所需拉力遠大于三星輪式行李箱，如果采用電動機驅動，就會使得行李箱內部結構過于復雜，自重大幅度增加，給行李箱的運輸放置帶來不便，并進一步壓縮儲物空間。同時復雜的電氣結構將提高行李箱制造成本，不利于行李箱的應用推廣。三星輪式爬梯行李箱存在的主要問題為三星輪在進行爬梯時的攀爬半徑，也就是星輪到主軸回轉中心的距離是固定值，無法很好地適應不同高度的臺階，應用范圍受到了一定限制。綜合比較現有的兩類爬梯技術方案，發現改進三星輪式爬梯的技術方案更為簡單有效，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問題或發明問題的創造學方法，為解決問題建立合理的模型提供一種方法論的指引，使得設計過程有據可循，少走彎路[4]。為了得到三星輪式爬梯行李箱結構設計的優化方案，采用了以下TRIZ發明原理：1）發明原理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，并進行相應的處理。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構通過星輪架繞回轉中心公轉，星輪輪流作支點交替翻轉實現攀爬樓梯的功能，為有用的必要部分。2）發明原理11——動態原理。動態原理為通過運動或柔性處理，以提高系統的適應性，將物體不動的部分變成可動的，增加其運動性[5]。對三星輪機構的行星架做動態處理，即將行星架設計為可動的。3）發明原理6——嵌套原理。嵌套原理為使得兩個物體內部契合或置入，其中包含有一個物體通過另一個物體的空腔。根據嵌套原理設計一個安裝殼，安裝殼固定在回轉主軸上，并沿周向均勻地開3個方形孔，行星架通過方形孔進入安裝殼的空腔中，在安裝殼中的推動機構和方形孔的作用下完成沿著安裝殼徑向的移動。4）發明原理8——預置防范原理。預置防范原理指事先準備，應對可能出現的故障或問題，以提高系統的可靠性。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。根據預置防范原理，三星輪的安裝殼內部設置有圖6所示的導軌，可改善行星架的受力情況，提高爬梯過程中三星輪的穩定性。

圖6 三星輪安裝殼

4 爬梯式行李箱創新設計方案

4.1 爬梯式行李箱結構設計

對三星輪式爬梯行李箱結構進行創新性設計，提出一種爬梯半徑可連續變化的三星輪（如圖7），其內部結構如圖8所示，以此為基礎，設計出一種連續變徑三星輪式爬梯行李箱（如圖9），其中可連續變徑三星輪的結構主要由行星架主軸、安裝殼、蓋體、星輪、行星架、蝸輪、蝸桿、調節旋鈕、回轉盤、轉軸、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部的轉盤相連接，轉盤與驅動機構相連，驅動機構由蝸輪和蝸桿組成。

圖7 可連續變徑三星輪

圖8 可連續變徑三星輪內部結構

圖9 連續變徑三星輪式爬梯行李箱

通過擰動調節旋鈕使得蝸桿轉動從而帶動蝸輪轉動，然后蝸輪帶動回轉盤轉動?；剞D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，實現了三星輪的攀爬半徑可在一定的數值范圍內連續變化。驅動機構采用蝸輪、蝸桿，不僅結構簡單而且可以自鎖，可以防止爬梯過程中因沖擊載荷而導致攀爬直徑變化。與普通三星輪式爬梯行李箱相比，連續變徑三星輪式爬梯行李箱可以通過調整行星架在安裝殼中的徑向移動，改變三星輪的攀爬半徑，以應對不同場景的樓梯及不同高度的臺階，適用范圍更廣。

4.2 行李箱工作狀態分析

三星輪的初始狀態所對應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盤上的相對位置相同。連接板沿著回轉盤周向均勻安裝，并與行星架末端鉸接，回轉盤轉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

圖11 三星輪最大爬梯半徑狀態

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，將回轉中心到星輪中心的直線距離定義為爬梯半徑。初始狀態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；本設計中三星輪處于最小爬梯半徑狀態時所對應的θ角近似為90°，最大爬梯狀態所對應的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不同樓梯高度的范圍與連接板的長度有關。目前的樓梯建造要求的臺階高度為140～210 mm，所對應的臺階寬度為200～320 mm。本設計的三星輪機構參數選取r=30 mm，a=60 mm，L=150 mm，最小回轉半徑R1=180 mm，最大回轉半徑R2可以達到240 mm，這可適應絕大部分不同高度的樓梯。

圖12 三星輪局部結構圖

5 結論

本文分析了現有的行李箱爬梯技術方案所存在的問題，綜合比較履帶式爬梯和三星輪式爬梯技術方案，發現三星輪式爬梯行李箱更具有改進優化的空間，并利用TRIZ理論優化改進現有的三星輪式爬梯行李箱，提出了一種可連續變徑的三星輪式爬梯行李箱。本文對TRIZ創新發明原理的應用，拓展了設計師對爬梯式行李箱（多功能行李箱）的設計思路，為后續爬梯式行李箱的設計提供了理論參考。