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1、目 录1.绪论 42.正文 52.1“如履平地”爬楼梯小车的各部分介绍 52.1.1 拉杆部分 52.1.2 托盘部分 62.1.3 轮架部分 62.1.4行星轮 62.1.5棘轮 62.2整体工作流程 82.3 研究方法 92.4理论分析 92.4.1托盘受力分析 92.5仿真分析 112.5.1设计步骤 112.5.2 产品使用具体工况 122.5.3应力状态分析 122.5.4分析结论 143结论 144.参考文献 155致谢 151.绪论爬楼梯是人们日常生活中必须要面对的事情，然而在有些情况下它却远远超出了人们的掌控。例如，很多人在搬某件重物上楼梯时时常会感到力不从心，假使有一种产品能

2、让物体在楼梯上也能“如履平地”那就好了。爬楼梯小车的研究对解放人们，在人不能直接提升物体的情况下中进行作业，具有重要的意义。针对各种不同的运动环境，一直以来爬楼梯小车所采用的运动方式大体包括轮式、履带式、足式等。总结目前国内外现有的爬楼梯小车装置和专利，按爬楼梯功能实现的原理主要分为履带式、轮组式、步行式爬楼梯装置。早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运

3、兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式。轮组式爬楼梯轮椅的爬楼梯机构由均匀分布在“Y”形或“+”字形系杆上的若干个小轮构成。各个小轮既可以绕各自的轴线自转，又可以随着系杆一起绕中心轴公转。在平地行走时，各小轮自转，而爬楼梯时，各小轮一起公转，从而实现爬楼梯的功能。我国在上世纪八十年代对轮组式爬楼梯装置已有研究，1987年专利号为86210653的国家专利中介绍了一种平地、楼梯运行多用轮椅，前滚轮和后滚轮都用多个星形轮组成，除自转外还绕滚轮轴公转而实现上下楼。内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了iBOT的爬楼方

4、式，采用星形轮系作为爬楼梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。这两种机构的设计都是针对轮椅的。那么能否将这种轮椅的设计运用到我们的产品呢？答案是肯定的。但我们首先需要比较一下以上几种爬楼机构的优劣。步进式爬楼机构对控制的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。而履带式重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏；且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。轮组式设计很好的弥补了以上两种方式的缺陷，活动范围广，运动灵活。能很好地于我们的爬楼小车设计。但是轮组式机构容易倒转，需要人力的始终控制。综上所述，目

5、前相对比较成熟的爬楼机构为履带式和轮组式。针对我们的产品，履带式是不适用的。而当前的轮组式爬楼机构又具有其自身的局限性。由此可见，为了解决爬楼机构使用受限的问题，同时考虑到我国使用者的经济承受能力，需要研究一种价格低廉、功能多样的爬楼梯装置。2.正文2.1“如履平地”爬楼梯小车的各部分介绍本小车主要由拉杆，托盘，行星轮，轮架及棘轮四部分构成（图 1）2.1.1 拉杆部分拉杆部分的材料为 由一固定拉杆和一活动拉杆构成。二者之间通过铰链连接。当小车处于使用状态时，在人的拉力作用下，活动拉杆伸直，两个部分处于同一平面上。当小车处于非使用状态时，可以将活动拉杆折叠，这样就可以大大减小产品所占的空间。2

6、.1.2 托盘部分托盘部分的材料 其作用为装载货物。使用的时候托盘处于与拉杆垂直的位置；闲置状态下托盘可折叠起来，减小小车的存放空间，如图1。2.1.3 轮架部分小车含有左右共两个轮架，每个轮架由三根互成120角的臂杆固结而成。轮架中心出有一孔结构，用以安装中心轴。在臂杆的末端各有一孔结构，用以安装与行星轮连接的轴。2.1.4行星轮图 2小车总共由左右各三个共六个行星轮构成，每个行星轮都具有两个自由度，即可绕自身的轴自转，也可绕中心轴公转。现在以一侧的行星轮为研究对象对其运动进行分析。当小车在平地上运动时，有两个行星轮与地面紧密接触，绕中心轴公转的自由度受到限制，不能翻转。当任一行星轮碰到楼梯

7、时，楼梯给行星轮一水平向后的挤压力，同时由于人的拉力的作用，使得中心轴给轮架一个斜向上的拉力。这两个力的作用将使得与楼梯接触的行星轮对应的臂杆发生翻转，从而带动两外两个行星轮翻上楼梯。2.1.5棘轮棘轮是该产品设计中的创新点。在爬楼梯的过程中，面临的一大问题就是容易倒转。但安装棘轮可以有效避免倒转现象的发生。棘轮安装在中心轴上，棘爪安装在拉杆上。小车只能向上运动，当下滑时棘轮会产生自锁。如图3 所示。2.2整体工作流程如图4所示，“如履平地”爬楼梯小车的工作流程：首先是根据楼梯的高度差与轮架的高度相比较，判断小车是否能顺利的爬过楼梯，如果能够满足要求，那么开始行走；如果不能满足条件，则必须要调

8、节行星轮与轴线的距离，即轮架的长度，轮架长度的调节采用手动，类似与雨伞的自动扣结构，用力一拉轮距便会伸长，而在受力情况下由于它处于稳定状态，因此并不会缩短，要想缩短必须要给一个垂直与杆方向的力。它可以满足楼梯高度差之后，则小车便开始爬楼梯。在上楼梯的过程中，人们可能会由于太累或者不小心而松力，这样普通的小车便会有向下的趋势，而“如履平地”爬楼梯小车则由于中心轴线上的棘轮机构，实现自锁功能，有效的避免了意外的发生。当然了，在下楼的过程中，通过一个手刹可以改变棘爪的方向，这样同样可以避免下楼的过程中意外的发生。2.3 研究方法在机构的设计中采用功能分析的方法，确定机构各尺寸关系间的约束关系。运动学

9、分析：建立合理的运动学模型，从而对不同运动阶段进行分析。运动学仿真与分析：在爬楼梯越障的运动学模型基础上，改变机构相关尺寸进行仿真分析，从而得到最优解。对机体质心及其稳定性进行分析，选取合适参数做仿真，得到最优解。介绍了爬楼梯小车结构实现方法，从传动设计、零件组成及选用，从设计方面对爬楼梯小车的结构进行了详细说明。机构动力消耗问题的研究。设计的机构在模态环境和非模态环境下使用情况的对比，验证其适应性。 2.4理论分析2.4.1托盘受力分析托盘结构相当于悬臂梁，采用合金钢管40Cr，力学特征如下图5：图 6实际结构如上图6所示。最大载重为50kg，杆长为500mm（实际尺寸为450mm），则作用

10、点位于中心250mm处。外径为50mm，壁厚为4mm，计算杆的受力情况。（弯曲正应力=250MPa）计算：=Mmax/WzMmax=50*10*250*10-3=125N.mWz=/32*D4（1-4）=6.13*10-7=Mmax/Wz=125/6.13*10-7=203MPa250MPa=托盘满足弯曲应力条件。2.5仿真分析该项目的仿真分析主要应用的是solidworks2010这款软件，作品如图1。 图 12.5.1设计步骤第一步，我们对零件的尺寸进行的大致的设计，确定零件尺寸的区间为下一步建模做准备。这是我们产品中最主要的三角行星架的设计图纸。（图X） 图 2第二步，根据已有的尺寸对产

11、品进行三维建模，并根据相互之间的几何关系确定一些相配合的尺寸值。这是该产品中防止小车倒退的棘轮机构的三维设计图（图3）和实际产品中的棘轮结构效果图（图4）。图 3 图 4第三步，对产品中的关键零件和构件进行实际受力模拟以及分析，从而确定零件的材料以及最经济合理的尺寸。 2.5.2 产品使用具体工况：产品基本尺寸（折叠）（mm550*300*450产品基本尺寸（展开）（mm550*600*900最大载重量（kg）100 2.5.3应力状态分析： 产品在最大载重的情况下，我们选用安全因数=3，对产品的几个主要受力零件以及构件进行了受力分析。1.首先是最主要的受力零件三角行星架的静态应力图（图5）。

12、材料为20MnCr5合金钢。图 5三角行星架静态应力图2.第二个是支撑轮子的支架的静态应力图，材料为AISI 4130 钢，正火温度为 870 屈服强度为460Mpa。 图 6轮子支架的静态应力图3.连接轮子与轮子支撑架的轴的静态应力图。材料为AISI 4340钢 屈服强度710Mpa. 图 7 连接轴的静态应力图4.棘轮以及棘爪的静态应力分析。采用的材料为20MnCr5合金钢。2.5.4分析结论 在安全因数=3的条件下，该产品的主要受力零件均满足强度条件，经过优化的尺寸均能在许用载荷下正常工作。3结论通过对现有国内外爬楼梯装置资料的查阅，我们对爬楼梯装置有了一个全面的了解，在对比各个不同机构

13、的优劣之后，我们优先选用了传统的行星轮机构来实现小车的爬楼梯过程，其中不仅考虑了材料价格，消费偏向，性价比等问题，而且考虑到了最广大人们的需求，我们用尽可能低的成本来实现最多的功能。 在整个设计过程中，我们对爬楼梯小车的设计，从二维图到三维图，从理论分析到仿真分析，辩证地分析了不同的方案，对它的可行性进行了认真的思考和激烈的讨论，采用科学的设计流程，实现了产品的工程化设计。现在的小车可以解决不同高度的楼梯差的爬行问题，而且运行平稳，可以运载易碎的产品，这是其它的产品所不能的。整个小车质量轻盈，而且可折叠十分便携。并且造价低，适合的各个消费群体使用，增加的棘轮机构可以实现小车在上升过程中的倒转问题，而手刹可以轻易的在上下楼梯间切换。4.参考文献1 郑文纬，吴克坚.机械原理机械（第七版） M.北京:高等教育出版社,19972 徐灏.机械设计手册.北京:机械工业出版社,19913 邹家祥.现代机械设计理论与方法.北京:科学出版社,19905致谢葛培琪老师对开题报告仔细审阅，指出错误，并提出了修改意见。张勤河老师也对我们的工作提供了重要帮助。在此对葛培琪老师和张勤河老师致以最衷心的感谢！