课程设计技术总结报满分版Word格式文档下载.docx

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目录

1.绪论4

2.正文5

2.1“如履平地”爬楼梯小车的各部分介绍5

2.1.1拉杆部分5

2.1.2托盘部分6

2.1.3轮架部分6

2.1.4行星轮6

2.1.5棘轮6

2.2整体工作流程8

2.3研究方法9

2.4理论分析9

2.4.1托盘受力分析9

2.5仿真分析11

2.5.1设计步骤11

2.5.2产品使用具体工况12

2.5.3应力状态分析12

2.5.4分析结论14

3结论14

4.参考文献15

5致谢15

1.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。

2.1.2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

①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。

②运动学分析：

建立合理的运动学模型，从而对不同运动阶段进行分析。

③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。

④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。

⑤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。

⑥机构动力消耗问题的研究。

⑦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[σ]=250MPa）

计算：

σ=Mmax/Wz

Mmax=50*10*250*10-3=125N.m

Wz=П/32*D4（1-α4）=6.13*10-7

σ=Mmax/Wz=125/6.13*10-7=203MPa<

250MPa=[σ]

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1

2.5.1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）（mm

550*300*450

产品基本尺寸（展开）（mm

550*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）。

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AISI4130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AISI4340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,1997

[2]徐灏.机械设计手册.北京:

机械工业出版社,1991

[3]邹家祥.现代机械设计理论与方法.北京:

科学出版社,1990

5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！