具有防翻轉(zhuǎn)功能爬樓小車的設(shè)計(jì)與性能研究

王琳，劉軍，胡碧波

(大連科技學(xué)院，遼寧 大連 116052)

具有防翻轉(zhuǎn)功能爬樓小車的設(shè)計(jì)與性能研究

王琳，劉軍，胡碧波

(大連科技學(xué)院，遼寧 大連 116052)

摘要：設(shè)計(jì)一款具有防翻轉(zhuǎn)功能的爬樓小車，將傳統(tǒng)的端面棘輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了巧妙的變形設(shè)計(jì)，應(yīng)用于爬樓小車爬行中防翻轉(zhuǎn)的單方向制動(dòng)裝置，由手動(dòng)操縱線閘完成。通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真，針對(duì)小車爬樓梯過(guò)程進(jìn)行了受力分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，優(yōu)化了爬樓小車的結(jié)構(gòu)，對(duì)提高爬樓小車的安全性具有應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：爬樓小車；端面棘輪；防翻轉(zhuǎn)；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

Design and Performance Study of Upstairs Cart with Anti-reverse-rotation

Function

WANG Lin,LIU Jun,HU Bibo

(Dalian Institute of Science and Technology, Dalian 116052, China)

Abstract:This paper designs an upstairs cart with anti-reverse-rotation. Its modified design is derived from the traditional facing ratchet-wheel organization. It is applied to the unidirectional brake system which is used to prevent the upstairs cart from rolling back. This device is operated by the manual calliper brake. The upstairs cart structure is optimized through the motion simulation and the analysis of motion and force. It is very important to improve its safety performance.

Keywords:upstairs cart; facing ratchet-wheel; anti-reverse-rotation; analysis of motion

0引言

目前，人們?cè)谫?gòu)物時(shí)普遍使用一種手拉小車，它方便、省力、占地面積小。在設(shè)計(jì)之初，第一代手拉購(gòu)物小車是兩輪的，適合走平地和上下坡。后來(lái)，為了滿足人們拉車上樓梯的需求，購(gòu)物小車由原來(lái)的兩個(gè)小輪改為了兩個(gè)三腳輪。其中，每個(gè)三腳輪是由三個(gè)同圓周均勻分布的小輪與一個(gè)三腳架鑲嵌而成。在上樓梯的過(guò)程中，三腳輪因受外力作用而繞車軸旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到“爬”樓效果。但通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，此類小車在功能上仍存在一定的欠缺，比如，工作可靠性問題。在拉購(gòu)物小車爬樓梯的過(guò)程中，人的雙腿一直在做連續(xù)地循環(huán)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)只有一條腿著地時(shí)，可能因后方購(gòu)物小車過(guò)重引發(fā)三腳輪逆轉(zhuǎn)，最終使人失去平衡而摔倒。由此考慮到對(duì)爬樓小車增設(shè)手動(dòng)制動(dòng)反轉(zhuǎn)裝置，即在中心車軸上加上一個(gè)變形的端面棘輪機(jī)構(gòu)，使在上樓梯時(shí)三腳輪只能單向旋轉(zhuǎn)，一旦要發(fā)生逆轉(zhuǎn)時(shí)可及時(shí)制動(dòng)，避免危險(xiǎn)[1]。文中闡述如何把端面棘輪機(jī)構(gòu)應(yīng)用于爬樓小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并研究了棘輪的使用性能。

1爬樓小車的設(shè)計(jì)

1.1爬樓小車的整體設(shè)計(jì)

目前，市場(chǎng)上銷售的爬樓小車仍在不斷地改進(jìn)。比如折疊車架、車軸材質(zhì)的改變，使其承重性更好，車身更穩(wěn)；車輪材質(zhì)的改進(jìn)，使其噪音更小，更耐磨；購(gòu)物袋的改進(jìn)，使其容量更大，結(jié)實(shí)耐用，可拆洗等等。綜合以上的考慮，研究設(shè)計(jì)了一款美觀、實(shí)用，具有防翻轉(zhuǎn)功能的爬樓小車，其整體外觀如圖1所示。

圖1　爬樓小車的整體設(shè)計(jì)

1.2傳統(tǒng)爬樓小車受力分析

傳統(tǒng)三腳輪爬樓小車在上樓時(shí)會(huì)經(jīng)歷三個(gè)階段，即平地前進(jìn)階段，豎直上升階段，翻滾跨越階段，如圖2所示。

圖2　爬樓小車上樓梯的三個(gè)階段

在平地前進(jìn)階段，人施加的拉力主要是用來(lái)克服摩擦力，并使小車?yán)^續(xù)前行。

在豎直上升階段，人所提供的拉力主要用于克服車的總質(zhì)量以及垂直面的內(nèi)力消耗。

在翻轉(zhuǎn)跨越階段，具體受力分析如圖3所示[2]。

圖3　翻轉(zhuǎn)跨越階段的受力分析

(1)

且：

(2)

(3)

如果人手施力不滿足上述條件，小車就會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，而如果此時(shí)在手動(dòng)位置設(shè)計(jì)一防翻轉(zhuǎn)的單方向制動(dòng)裝置，即可避免危險(xiǎn)發(fā)生。

1.3棘輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到在人手拉動(dòng)小車爬行樓梯過(guò)程中，由于人車整體質(zhì)心不穩(wěn)會(huì)帶來(lái)翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象發(fā)生，將棘輪機(jī)構(gòu)引入三腳輪的制動(dòng)裝置中。同時(shí)，考慮到如果選用內(nèi)齒式棘輪機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)將會(huì)受到三腳架尺寸的制約，其強(qiáng)度不能滿足要求，工作可靠性難以保證，所以最終選用的是端齒式棘輪機(jī)構(gòu)。

常見的棘輪齒形有：矩形和對(duì)稱梯形，用于雙向式棘輪機(jī)構(gòu)；不對(duì)稱梯形，用于承受載荷較大的場(chǎng)合；三角形或圓弧形，用于承受載荷較小的場(chǎng)合[3]。現(xiàn)設(shè)計(jì)所采用的齒形為三角形，其結(jié)構(gòu)和形狀如圖4、圖5所示[4]。

圖4　端面棘輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

圖5　端面棘輪形狀

在進(jìn)行棘輪尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮了在上樓梯過(guò)程中三腳架中心部位與臺(tái)階不能產(chǎn)生干涉以及需要合理安裝的因素，即中心棘輪的半徑R與小輪半徑r、車軸軸心到小輪中心的距離L大小具有一定的幾何關(guān)聯(lián)，簡(jiǎn)化后如圖6所示。

圖6　幾何關(guān)系簡(jiǎn)化圖

利用臺(tái)階剛好接觸到三腳架最內(nèi)側(cè)點(diǎn)這一極限位置的角度關(guān)系，可以確定L、R、r之間的關(guān)系：

(4)

所以得出：

(5)

端面棘輪機(jī)構(gòu)的主要失效形式是輪齒的折斷和結(jié)合面的擠壓磨損。設(shè)計(jì)尺寸時(shí)，應(yīng)以牙根抗彎能力作為強(qiáng)度指標(biāo)，再經(jīng)抗擠壓校核[5]。

1.4棘輪機(jī)構(gòu)的控制設(shè)計(jì)

棘輪機(jī)構(gòu)的控制裝置部分是以自行車的剎車線作為力的傳動(dòng)裝置，從手柄位置控制卡齒的脫開和接合，最終達(dá)到控制棘輪的目的[6]。當(dāng)卡齒被拉離時(shí)，中心棘輪可自由轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)卡齒在復(fù)位彈簧的推力作用下逐漸恢復(fù)原位時(shí)，中心棘輪僅能作單向轉(zhuǎn)動(dòng)。其具體結(jié)構(gòu)和形狀如圖7-圖8所示[7]。

圖7　棘輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

圖8　棘輪機(jī)構(gòu)的形狀

2爬樓小車的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為了縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，采用三維軟件對(duì)該爬樓小車棘輪機(jī)構(gòu)裝置進(jìn)行了三維實(shí)體造型、虛擬裝配和機(jī)械傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真[8]，并對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行分析[9]。

對(duì)小車手動(dòng)操縱部分分別施加了水平和垂直方向的驅(qū)動(dòng)力和相應(yīng)的作用時(shí)間，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)仿真，力求盡量模擬爬樓的真實(shí)過(guò)程，抓取了小車爬行樓梯過(guò)程中的軌跡，如圖9所示。從圖中可以看出，在經(jīng)過(guò)第一個(gè)樓梯臺(tái)階時(shí)出現(xiàn)了軌跡的突變現(xiàn)象，與實(shí)際情況相符，而后續(xù)軌跡成循環(huán)狀態(tài)[10]。

圖9　爬樓梯軌跡圖

在上述的爬樓軌跡下，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到小車的x軸向位移和y軸向位移，如圖10、圖11所示。

圖10　x軸向位移

圖11　y軸向位移

從圖中可以看出，在運(yùn)行到0.65s之前的時(shí)間段屬于小車的初始狀態(tài)，其位移有突變，之后隨著臺(tái)階的跨越呈現(xiàn)周期性規(guī)律性變化。

最后，得到小車的x軸向速度和y軸向速度，如圖12、圖13所示。

圖12　x軸向速度

從圖中可以看出，在運(yùn)行到1.95s之前的時(shí)間段小車速度略有起伏，之后隨著臺(tái)階的跨越呈現(xiàn)周期性規(guī)律性變化。

所得到小車的x軸向加速度和y軸向加速度，如圖14、圖15所示。

圖14　x軸加速度

圖15　y軸加速度

從圖中可以看出，整體加速度趨于穩(wěn)定，只是在跨越臺(tái)階處出現(xiàn)了較大的突變，加速度數(shù)值大小反映了小車慣性力的大小，也體現(xiàn)了小車對(duì)臺(tái)階的沖擊作用。很明顯，y軸方向的沖量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于x軸向的沖量，完全符合實(shí)際的受力情況。

3結(jié)語(yǔ)

將傳統(tǒng)的端面棘輪機(jī)構(gòu)采用了巧妙的變形設(shè)計(jì)，應(yīng)用于小車爬行中防翻轉(zhuǎn)的單方向制動(dòng)裝置，并通過(guò)手動(dòng)操縱線閘來(lái)完成，最終設(shè)計(jì)出一款具有防翻轉(zhuǎn)功能的爬樓小車。通過(guò)三腳輪爬行樓梯過(guò)程的運(yùn)行軌跡和受力分析，在保證盡可能小尺寸的情況下，設(shè)計(jì)了小車帶有防翻轉(zhuǎn)制動(dòng)的齒形棘輪結(jié)構(gòu)和幾何尺寸。通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真，針對(duì)小車爬樓梯過(guò)程進(jìn)行了受力分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，優(yōu)化爬樓小車的結(jié)構(gòu)，對(duì)于提高爬樓小車的的安全性能具有重要意義。

參考文獻(xiàn):

[1] 殷鴻梁,朱邦賢. 間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1996.

[2] 北京科技大學(xué),東北大學(xué)編. 工程力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社,2008.1.

[3] 孫志禮，等. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社,2000.

[4] 楊衛(wèi)南. 端面棘齒的齒形參數(shù)計(jì)算[J]. 現(xiàn)代制造工程,2000,(10):36-36.

[5] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[6] 王珍華,付微,趙立德. 牙嵌式電磁離合器的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].一重技術(shù),2003,(4):8-11.

[7] 汪健,王樹林. 基于UG的波浪形棘輪參數(shù)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化,2012,41(3):120-122.

[8] 趙建勛,代菊英,黎聰. 基于Pro/E的簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真及應(yīng)用[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化,2012,41(1):128-130.

[9] 候鳳國(guó),田楊. 基于Workbench的某牛頭刨運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化,2012,41(3):77-78.

[10] 王洪欣,馮雪君. 機(jī)械原理[M]. 南京：東南大學(xué)出版社,2007.

收稿日期：2015-03-25

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)04-0194-04

作者簡(jiǎn)介：王琳(1980-)，女，遼寧本溪人，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)CAD、CAE方向。