拉杆箱上下楼的装置设计
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摘要 拉杆箱作为常用的搬运工具，因为其实用 性、简便性广受欢迎，但是，因为其在上楼 和下楼时只能用提的方法而造成了相当大的 不便，有时甚至因为其过重，而无法提上 楼，或过于费力。因而本文想探索一条解决 以上问题的新方案。 关键词 拉杆箱；储能；助力 1 研究背景
拉杆箱作为旅行以及搬运重物时最常用 的工具之一，因为其便捷性被大家所喜爱与 接受。在实际生活中，几乎每人都会拥有1 到2个拉杆箱，尤其是旅行者以及外地上学 的学生。然而，在旅行以及生活过程中，并 不是到处都能利用上电梯，尤其是在一些公 共场所，往往会碰到高低不等的楼梯需要攀 登。而，此时，沉重的拉杆箱变成了我们上 楼，下楼最大的阻碍。尤其是针对于力气 比较小的老人、妇女、小孩，提拉沉重的拉 杆箱上楼已经成为了他们的负担，而一不小 心，便容易造成肢体扭到，或者跌落等惨痛 后果。因此我们计划设计一个辅助上下楼的 装置能够减少这些情况的发生。 2 设计目的
ห้องสมุดไป่ตู้
解决方案： 1） 将箱子与楼梯之间的摩擦变为滚 动摩擦。 2） 通过延伸可变杆来实现力的平移 至人舒适的角度。 方案设计： 1） 通过三个互成120°夹角的滚轮组 成三轮支架结构，来实现滚动摩擦上楼。 2） 通 过 履 带 以 及 履 带 轮 的 相 互 配 合，来实现滚动上楼。 5 方案的设计方案 方案一：
如上图弹簧所示，中心端固定镶嵌于中 心杆上，而外围，装载于圆形盒子内部，与 盒子的外壳相固定，从而使其在发生相对转 动时可以实现储能效果。
②在中心连杆处，加装机械发电装置， 使其能够在下楼时利用重力做功，切割磁感 线产生电能，从而存贮在电池中，同时在需
要时（如夜间，楼道），提供照明等功能服 务。
方案二： 原理图：
方便与女性以及老人小孩携带旅行箱上 楼，以及可以改装中小学生的书包，使其也 可以方便，轻松地上楼，为人们的生活起居 提供了大量的便利。 作者简介 梅亚飞，男，出生于1990年3月，天津人，现 就读于东南大学能源与环境学院本科。
-114-
改进拉杆箱的滚轮结构，使其能够在上 楼以及下楼的时候也可以运用拖拉的方式， 减少需要的力量，运用杠杆原理或者弹簧的 储能原理，在其下楼时将能量储存起来，而 其上楼时则运用储存的能量帮助上楼，同时 运用杠杆原理减少上楼时需要的力量。 3 设计原理
平时拉杆箱上楼，是通过双臂提供向上 的力使其与重力相平衡从而让拉杆箱离开地 面，从而能够通过双脚做功，克服拉杆箱做 的负功，达到上楼的效果。这就带来了一个 问题：当箱子重量较大时，老年人，小孩将 很难把拉杆箱提上楼梯。因此，我们设计通 过楼梯的支持力能够抵消掉一部分的箱子重 力，从而达到能够轻松提重物上楼的效果。
原理图：
上图为通过三轮装置上楼时，物体重 心的移动曲线，由上图可知，曲线近似为一 条平行于楼梯斜面的水平线，因此，可以大 致实现其重心在同一水平面上移动的减力要 求。
通过相关模型制作，以及实验，我们发 现此方案存在以下几方面的问题：
1） 轮子撞击台阶时会发出比较大的 响声，在居民区会影响到其他的人。
设计背景：要使行李箱上楼无障碍，但 现有三脚轮的上楼方式噪音大、不易控制、 上楼速度不稳定，同时当行李箱载重过大时 人依然要使很大的力。
设计思想：让行李箱的最大面接触楼 梯，采用双履带滚动，使行李箱如同在平面 上滚动，同时使用高扭矩马达驱动，提供辅 助动力，减少人上楼时的拉力。（方案来自 于坦克履带的联想）
由上图可得，如果当我们加在拉杆箱上 的力为平行于楼梯斜面的力F时，我们将达 到省力的目标，此时，我们加在拉杆箱上的 力将减少为 ，楼梯普遍设计角度为20°至 45°，最舒适为26°左右，则我们可以得出 相应需要付出的力为 ，即可以减少一半左 右的力，大大方便了用户。 4 研究过程
需要解决的困难之处： 1） 如果将箱子平放在楼梯上，通过 直接拖动箱子来上楼，则在拖动过程中，箱 体与地面接触将要消耗大量的滑动摩擦力， 同时也将造成箱体的磨损。 2） 如果需要实现人加给箱子的力F沿 平行于楼梯平面上楼，则，人需要弯腰来拖 拉箱子，因此会造成大量的不便利。
2） 由 于 采 用 三 轮 结 构 ， 在 上 下 楼 时，三轮与中心杆之间会发生相对转动，所 以可以考虑加装储能装置，方便以后在上楼 的时候可以辅助出力。或者加装机械发电装 置，可以使其上楼或下楼时，产生电能，从 而来提供夜间照明等功效。
改进方案： 1） 采用有富余弹性的轮子，使其在 撞击楼梯时，发出的声响更小。 2） ①在中心连杆处，加装，弹性储 能弹簧：涡旋弹簧，使其能够在下楼时，通 过重力做功，较紧弹簧，使其产生弹性形 变，储存能量，而在其上楼的时候可以辅助 出力。
制造
Manufacturing
中国科技信息2012年第16期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Aug.2012
DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.071
拉杆箱上下楼的装置设计
梅亚飞 冯成 林博群 洪超 东南大学，南京 210096
此方案带来的新问题：由于行李箱最大 面着地，导致原有行李箱的拉手过低，不易 人向上拉。
解决方案：采用另一种拉杆方式（如 图），这样人既可以直立拉行李箱，人发力 方向也是延楼梯斜面向上的。 6 方案图纸
主架结构：三轮构架
装配模型：
7 可行性分析 实验证明，方案一与方案二均可实现拉
杆箱的便捷性上楼，而且，比传统的拉杆箱 更具灵活性以及实用性。同时，两个方案改 进均成本低廉，易投入市场使用。 8 使用价值
拉杆箱作为旅行以及搬运重物时最常用 的工具之一，因为其便捷性被大家所喜爱与 接受。在实际生活中，几乎每人都会拥有1 到2个拉杆箱，尤其是旅行者以及外地上学 的学生。然而，在旅行以及生活过程中，并 不是到处都能利用上电梯，尤其是在一些公 共场所，往往会碰到高低不等的楼梯需要攀 登。而，此时，沉重的拉杆箱变成了我们上 楼，下楼最大的阻碍。尤其是针对于力气 比较小的老人、妇女、小孩，提拉沉重的拉 杆箱上楼已经成为了他们的负担，而一不小 心，便容易造成肢体扭到，或者跌落等惨痛 后果。因此我们计划设计一个辅助上下楼的 装置能够减少这些情况的发生。 2 设计目的
ห้องสมุดไป่ตู้
解决方案： 1） 将箱子与楼梯之间的摩擦变为滚 动摩擦。 2） 通过延伸可变杆来实现力的平移 至人舒适的角度。 方案设计： 1） 通过三个互成120°夹角的滚轮组 成三轮支架结构，来实现滚动摩擦上楼。 2） 通 过 履 带 以 及 履 带 轮 的 相 互 配 合，来实现滚动上楼。 5 方案的设计方案 方案一：
如上图弹簧所示，中心端固定镶嵌于中 心杆上，而外围，装载于圆形盒子内部，与 盒子的外壳相固定，从而使其在发生相对转 动时可以实现储能效果。
②在中心连杆处，加装机械发电装置， 使其能够在下楼时利用重力做功，切割磁感 线产生电能，从而存贮在电池中，同时在需
要时（如夜间，楼道），提供照明等功能服 务。
方案二： 原理图：
方便与女性以及老人小孩携带旅行箱上 楼，以及可以改装中小学生的书包，使其也 可以方便，轻松地上楼，为人们的生活起居 提供了大量的便利。 作者简介 梅亚飞，男，出生于1990年3月，天津人，现 就读于东南大学能源与环境学院本科。
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改进拉杆箱的滚轮结构，使其能够在上 楼以及下楼的时候也可以运用拖拉的方式， 减少需要的力量，运用杠杆原理或者弹簧的 储能原理，在其下楼时将能量储存起来，而 其上楼时则运用储存的能量帮助上楼，同时 运用杠杆原理减少上楼时需要的力量。 3 设计原理
平时拉杆箱上楼，是通过双臂提供向上 的力使其与重力相平衡从而让拉杆箱离开地 面，从而能够通过双脚做功，克服拉杆箱做 的负功，达到上楼的效果。这就带来了一个 问题：当箱子重量较大时，老年人，小孩将 很难把拉杆箱提上楼梯。因此，我们设计通 过楼梯的支持力能够抵消掉一部分的箱子重 力，从而达到能够轻松提重物上楼的效果。
原理图：
上图为通过三轮装置上楼时，物体重 心的移动曲线，由上图可知，曲线近似为一 条平行于楼梯斜面的水平线，因此，可以大 致实现其重心在同一水平面上移动的减力要 求。
通过相关模型制作，以及实验，我们发 现此方案存在以下几方面的问题：
1） 轮子撞击台阶时会发出比较大的 响声，在居民区会影响到其他的人。
设计背景：要使行李箱上楼无障碍，但 现有三脚轮的上楼方式噪音大、不易控制、 上楼速度不稳定，同时当行李箱载重过大时 人依然要使很大的力。
设计思想：让行李箱的最大面接触楼 梯，采用双履带滚动，使行李箱如同在平面 上滚动，同时使用高扭矩马达驱动，提供辅 助动力，减少人上楼时的拉力。（方案来自 于坦克履带的联想）
由上图可得，如果当我们加在拉杆箱上 的力为平行于楼梯斜面的力F时，我们将达 到省力的目标，此时，我们加在拉杆箱上的 力将减少为 ，楼梯普遍设计角度为20°至 45°，最舒适为26°左右，则我们可以得出 相应需要付出的力为 ，即可以减少一半左 右的力，大大方便了用户。 4 研究过程
需要解决的困难之处： 1） 如果将箱子平放在楼梯上，通过 直接拖动箱子来上楼，则在拖动过程中，箱 体与地面接触将要消耗大量的滑动摩擦力， 同时也将造成箱体的磨损。 2） 如果需要实现人加给箱子的力F沿 平行于楼梯平面上楼，则，人需要弯腰来拖 拉箱子，因此会造成大量的不便利。
2） 由 于 采 用 三 轮 结 构 ， 在 上 下 楼 时，三轮与中心杆之间会发生相对转动，所 以可以考虑加装储能装置，方便以后在上楼 的时候可以辅助出力。或者加装机械发电装 置，可以使其上楼或下楼时，产生电能，从 而来提供夜间照明等功效。
改进方案： 1） 采用有富余弹性的轮子，使其在 撞击楼梯时，发出的声响更小。 2） ①在中心连杆处，加装，弹性储 能弹簧：涡旋弹簧，使其能够在下楼时，通 过重力做功，较紧弹簧，使其产生弹性形 变，储存能量，而在其上楼的时候可以辅助 出力。
制造
Manufacturing
中国科技信息2012年第16期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Aug.2012
DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.071
拉杆箱上下楼的装置设计
梅亚飞 冯成 林博群 洪超 东南大学，南京 210096
此方案带来的新问题：由于行李箱最大 面着地，导致原有行李箱的拉手过低，不易 人向上拉。
解决方案：采用另一种拉杆方式（如 图），这样人既可以直立拉行李箱，人发力 方向也是延楼梯斜面向上的。 6 方案图纸
主架结构：三轮构架
装配模型：
7 可行性分析 实验证明，方案一与方案二均可实现拉
杆箱的便捷性上楼，而且，比传统的拉杆箱 更具灵活性以及实用性。同时，两个方案改 进均成本低廉，易投入市场使用。 8 使用价值