陳延偉， 梁白冰， 劉洪螢

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

0 引言

在現(xiàn)代生活中，人們追求更高品質(zhì)的生活質(zhì)量逐漸成為第一需求。因此，為提高人們的生活質(zhì)量，減輕爬樓攜物的勞動(dòng)量，研發(fā)具有實(shí)際開(kāi)發(fā)性的爬樓載物輔助裝置也應(yīng)運(yùn)而生。

日趨嚴(yán)重的社會(huì)老齡化，以及如何提高體力勞動(dòng)者效率，成為我國(guó)面對(duì)的重大社會(huì)服務(wù)問(wèn)題。一些城鎮(zhèn)的中低層樓房，以及物流配送貨物過(guò)程中，在不具備電梯的情況下，體力消耗很大且效率不高。因此，研發(fā)設(shè)計(jì)能同時(shí)滿足多種復(fù)雜路況具有翻爬功能的智能載物車已成為當(dāng)前服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一。國(guó)外在爬樓載物車方面的研究已處于世界先進(jìn)水平，技術(shù)相對(duì)成熟，并已投入生產(chǎn)，但其價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)用戶消費(fèi)不起，真正走進(jìn)大眾市場(chǎng)為時(shí)尚早。我國(guó)在爬樓車的研究起步較晚，國(guó)內(nèi)一些代表企業(yè)也自主研發(fā)了爬樓車，并有小規(guī)模的量產(chǎn)，價(jià)格相對(duì)國(guó)外產(chǎn)品要低廉很多。但國(guó)內(nèi)企業(yè)的技術(shù)略顯粗糙，結(jié)構(gòu)較為單一，生產(chǎn)的爬樓車在實(shí)用和操作性等方面存在很多不足，大批量生產(chǎn)為時(shí)尚早。因此設(shè)計(jì)出一種滿足成本低廉、結(jié)構(gòu)合理、重量輕等要求的爬樓載物車具有很大的市場(chǎng)前景與空間。

基于上述考慮，選擇步進(jìn)支撐式驅(qū)動(dòng)形式，設(shè)計(jì)出一種基于鏈傳動(dòng)的鏈腳式爬升機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)攀爬平穩(wěn)的過(guò)程。目前設(shè)計(jì)出一種傳動(dòng)方案具有承載能力大、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)的奠定基礎(chǔ)，因此有著較為廣闊的市場(chǎng)前景。

1 爬樓載物車傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)有爬樓載物車的傳動(dòng)系統(tǒng)分析

在爬樓過(guò)程中，電動(dòng)爬樓載物車需滿足的具體參數(shù)如下：1）爬樓車總重量≤30 kg；2）載荷≤80 kg；3）爬樓梯速度為1～10階/min；4）樓梯尺寸按照《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》選取進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)過(guò)計(jì)算爬樓載物車在爬升過(guò)程中需滿足的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如下：爬升過(guò)程克服的阻力矩為M=109.96 N·m；輸出端鏈輪角速度ω=1.63 rad/s；鏈輪轉(zhuǎn)速n=w×60/2π=1.63÷（2×3.14）×60=15.57 r/min。

傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力源選用57BLF03型無(wú)刷直流電機(jī)。電機(jī)主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)刷直流電機(jī)主要性能參數(shù)

再根據(jù)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，總傳動(dòng)比為i=n電機(jī)/n=3 000÷15.57≈193。

在爬升裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)在滿足結(jié)構(gòu)緊湊、降速較大、扭矩傳遞較大的要求下，盡可能地降低加工成本，重新研究了鏈傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等傳動(dòng)形式，通過(guò)分析對(duì)比幾種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，在滿足傳動(dòng)要求的基礎(chǔ)上，決定采用同步帶、齒輪、鏈傳動(dòng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)降速過(guò)程，使得傳動(dòng)裝置整體設(shè)計(jì)滿足以上各個(gè)要求。

合理地分配總傳動(dòng)比即各級(jí)傳動(dòng)比如何取值，是傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，它將直接影響到傳動(dòng)裝置的外廓尺寸、重量及潤(rùn)滑條件等。

總傳動(dòng)比分配的一般原則：1）各級(jí)傳動(dòng)比都應(yīng)在常用的合理范圍內(nèi)，以符合各種傳動(dòng)形式的工作特點(diǎn)，并使結(jié)構(gòu)比較緊湊；2）盡量使傳動(dòng)裝置外廓尺寸或重量較?。?）使各級(jí)傳動(dòng)尺寸協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)勻稱合理，便于安裝。

爬樓載物車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖

1.2 鏈腳式電動(dòng)爬樓載物車整體建模

在現(xiàn)代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）變得更加重要。當(dāng)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能夠快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者的思想，并能直觀醒目地將設(shè)計(jì)思想呈現(xiàn)出來(lái)，這樣既縮短了設(shè)計(jì)周期，也節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本。對(duì)爬樓載物車傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)體模型建立以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是項(xiàng)目進(jìn)行中不可缺少的步驟。本文設(shè)計(jì)采用的是SolidWorks三維建模軟件進(jìn)行實(shí)體模型的搭建。

根據(jù)設(shè)計(jì)的原理圖利用SolidWorks搭建其三維實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)建模

2 爬樓載物車傳動(dòng)部分動(dòng)力學(xué)仿真

爬樓載物車傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程，是在已建立的虛擬樣機(jī)的模型基礎(chǔ)上，設(shè)定相應(yīng)的約束關(guān)系，給定驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，模擬運(yùn)動(dòng)形式而得出爬樓載物車傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度、扭矩、力等情況。這里將使用已搭建好的虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行可視化動(dòng)力學(xué)仿真，近似模擬爬樓載物車傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況，了解其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速、扭矩以及力的變化，驗(yàn)證爬樓過(guò)程的可靠性。

本文用ADAMS對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，將已經(jīng)建好的傳動(dòng)系統(tǒng)三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ADAMS中，對(duì)所需添加的約束進(jìn)行定義，施加運(yùn)動(dòng)副，并對(duì)同步帶與同步帶輪之間，齒輪之間，鏈輪之間添加接觸力，ADAMS中建好的三維實(shí)體模型如圖3所示。

圖3 ADAMS中的傳動(dòng)系統(tǒng)模型

完成各構(gòu)件間的約束和接觸力后，對(duì)同步帶小帶輪輸入3 000 r/min的轉(zhuǎn)速，設(shè)定仿真時(shí)間為30 s，步數(shù)為100步，進(jìn)行整體傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真。

通過(guò)仿真，得出輸出端的轉(zhuǎn)速曲線圖4，圖中曲線在95.446 35°/s（15.91 r/min）周圍波動(dòng)，滿足理論計(jì)算的15.63 r/min第三級(jí)輸出要求。

圖4 輸出端輸出轉(zhuǎn)速圖

接下來(lái)進(jìn)行輸出扭矩的仿真驗(yàn)證，在ADAMS模型中，對(duì)同步帶小帶輪以STEP函數(shù)輸入0.6 N·m的扭矩，設(shè)定仿真時(shí)間為3 s，步數(shù)為10步，進(jìn)行輸出扭矩的仿真。

通過(guò)仿真運(yùn)算，最終得出輸出端的扭矩曲線如圖5所示，圖中曲線在達(dá)到1s穩(wěn)定輸出以后，在1.125E+005N·mm（112.5 N·m）周圍波動(dòng)，滿足理論計(jì)算的110.66 N·m第三級(jí)輸出扭矩要求。

圖5 輸出端輸出扭矩圖

通過(guò)ADAMS得出最終輸出軸的輸出轉(zhuǎn)速和輸出扭矩曲線，即可驗(yàn)證所選的直流無(wú)刷電機(jī)符合工作要求。

對(duì)系統(tǒng)模擬0.5 s 1 000步傳動(dòng)狀態(tài)，取出齒輪質(zhì)心的坐標(biāo)受力圖，如圖6所示：

圖6 齒輪質(zhì)心受力圖

圖6 可以看出在啟動(dòng)階段，齒輪副的嚙合力的波動(dòng)幅度逐漸增大，0.1 s左右達(dá)到最大，后又遞減；在開(kāi)始階段齒輪副嚙合力幅度逐漸增大；到平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)階段后，齒輪的嚙合力在傳動(dòng)中的靜載荷周圍做波動(dòng)，波動(dòng)幅度具有穩(wěn)定的周期特性，反映出了齒輪傳動(dòng)過(guò)程中的剛度激勵(lì)特點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在結(jié)合比較各種傳動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)后，通過(guò)同步帶、齒輪、鏈傳動(dòng)3種方式的巧妙結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套布局合理、輸出穩(wěn)定的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并對(duì)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行傳動(dòng)比分配，通過(guò)SolidWorks對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行了搭建，最后通過(guò)ADAMS對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)驗(yàn)證了該傳動(dòng)系統(tǒng)的可行性。

［1］ 毛謙德,李振清.袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)［M］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］ 王占禮，郭化超，陳延偉，等.爬樓梯輪椅翻轉(zhuǎn)爬升傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2014（2）：38.

［3］ 劉祚時(shí)，童俊華，莊子寶，等.基于ADAMS的爬樓梯機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真［J］.機(jī)床與液壓，2010，38（23）：114-116.

［4］ 王占禮，孟祥雨，陳延偉.一種星輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（10）：56-58.

［5］ 陳志偉，董月亮.MSC Adams多體動(dòng)力學(xué)仿真基礎(chǔ)與實(shí)例解析［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

［6］ 聞邦椿，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第2卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［7］ Shi Guanglin，Chen Shuxun.ANSYS with ADAMS/A-NSYS on Dynamic Properties of Rotating Hook-lift Garbage Truck［C］//2009 international conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation.2009.