德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 楊超 王志坤

引言

行李箱給人們的出行帶來了極大的方便，在生活中人們主要依靠人力拉動(dòng)使其搬運(yùn)行李，可若遇到上下樓梯就極其費(fèi)力，人們的勞動(dòng)強(qiáng)度相應(yīng)增加，不僅使其搬運(yùn)效率降低還易使人們身心俱疲?，F(xiàn)有的行李箱僅能夠在平坦地面拉動(dòng)，當(dāng)人們要拉行李上樓時(shí)，在一些不具備電梯的低層樓房中爬樓則極為不便。本文針對現(xiàn)有行李箱的不足，提出一種可與行李箱配合的太陽能充電爬樓車。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過調(diào)查得知現(xiàn)在市場上流行的主要有兩種爬樓機(jī)構(gòu)，分別是履帶式機(jī)構(gòu)和行星輪式機(jī)構(gòu)。在分析了其運(yùn)動(dòng)靈活性、控制難易度等方面的性能后，結(jié)合設(shè)計(jì)價(jià)值對比，最終選定行星輪式機(jī)構(gòu)并對其進(jìn)行了改良，增加了緩沖輪，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2 工作原理

本文爬樓機(jī)構(gòu)采用行星輪式設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用緩沖輪來減小緩沖力，并通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器軸轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)行星輪的翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)爬樓過程。

3 參數(shù)確定

我國樓梯設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：（1）室內(nèi)樓梯踏步寬度為260mm×300mm，踏步高度為150mm×175mm；（2）室外臺(tái)階的踏步寬度為270mm×300mm，踏步高度為150mm×200mm。本設(shè)計(jì)中的爬樓車架要能適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的樓梯尺寸范圍。假設(shè)在實(shí)際建筑設(shè)計(jì)過程中，踏步寬度取270mm，踏步高度取150mm。

圖1 行星輪圖

設(shè)行星輪緩沖輪的半徑為R，支撐輪的半徑為r，行星架的臂長為L。通過對樓梯尺寸和爬樓車行星輪實(shí)際工作情況的分析，可用圖1表示，并出如下方程：

解上述方程得到爬樓車行星輪主要尺寸：緩沖輪半徑為110mm，支撐輪半徑為55mm，行星架臂長175mm。

4 爬樓車的受力分析

設(shè)樓梯臺(tái)階給緩沖輪的支持力為N1，臺(tái)階面提供給兩個(gè)支撐輪的支持力分別為N2、N3，地面給兩個(gè)支撐輪的摩擦力為f2、f3，爬樓車設(shè)計(jì)的重力為G，電機(jī)帶動(dòng)減速器給緩沖輪提供的驅(qū)動(dòng)力為F1，電機(jī)帶動(dòng)減速器給支撐輪提供的驅(qū)動(dòng)力為F2、F3，爬樓車的重心到行星架中心的距離為P。可以得到改進(jìn)后的爬樓車行星輪受力平衡方程：

假設(shè)忽略摩擦力f2、f3,由力矩關(guān)系可得：

5 性能指標(biāo)

（1）爬樓車質(zhì)量為10kg，載質(zhì)量為60kg，貨物尺寸為900mm×600mm×400mm。

（2）適用樓梯臺(tái)階高度150mm以下，寬度270～300mm。

（3）最大爬樓速度25級/min。

6 太陽能供電原理

爬樓車表面的太陽能薄膜經(jīng)陽光照射后產(chǎn)生光信號(hào)，而后將光信號(hào)傳遞給太陽能轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存模塊，同時(shí)太陽能轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)儲(chǔ)存在爬樓車自身攜帶的蓄電池中，當(dāng)爬樓車工作時(shí)，蓄電池輸出穩(wěn)定的電壓給電機(jī)，電機(jī)通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速器輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)爬樓動(dòng)作，帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)開始運(yùn)行。

太陽能供電流程圖可用圖2表示：

圖2 太陽能供電流程圖

7 結(jié)束語

本文提出的爬樓車結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、使用時(shí)省事省力。其作為爬樓輔助裝置，增加了緩沖輪，減小了緩沖力，增強(qiáng)了穩(wěn)定性，可幫助操作人們輕松地實(shí)現(xiàn)重物安全快捷的上下樓梯，可與行李箱配合，亦可稍加改動(dòng)與嬰兒車、購物車結(jié)合，減輕人們勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生活效率，可廣泛應(yīng)用于學(xué)校、火車站、居民小區(qū)等場合。

[1]劉炳辰，宋其江，凌志成，季鵬.一種新型全控式自平衡爬樓車的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2015.

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