用于爬樓小車的端面棘輪機構的設計與性能研究

王琳，劉軍

(大連科技學院，遼寧 大連 116052)

?

用于爬樓小車的端面棘輪機構的設計與性能研究

王琳，劉軍

(大連科技學院，遼寧 大連 116052)

摘要：對傳統的端面棘輪機構采用變形設計，將其應用于爬樓小車爬行中防反轉的單方向制動機構，完成了棘輪機構的幾何尺寸及參數設計，并利用軟件對其進行三維實體造型以及對受力最大的從動棘輪進行了有限元分析。通過從動棘輪運動過程中的旋轉相位應變、應力云圖，找到其受力變形最大的位置，為棘輪機構結構設計中的校核提供參考依據。并通過位移變化云圖，對比不同材料與位移量大小的關系，為棘輪材料的選擇提供依據。

關鍵詞：爬樓小車；端面棘輪；防反轉；有限元分析

0引言

目前，人們在購物時普遍使用一種手拉小車，它方便、省力、占地小。第一代手拉購物小車是兩輪的，適合走平地和上下坡。后來，為滿足人們拉車上樓梯的需求，購物小車由原來的2個小輪改為了2個三腳輪。其中，每個三腳輪是由3個同圓周均勻分布的小輪與一個三腳架鑲嵌而成。在上樓梯的過程中，三腳輪因受外力作用而繞車軸旋轉，以達到“爬”樓效果。但通過研究發現，此類小車在功能上仍存在一定的欠缺，比如說它的工作可靠性問題。人在拉小車爬樓梯的過程中，雙腿一直在做一種連續循環運動。當只有一條腿著地時，如果此時后方小車過重，可能導致三腳輪逆轉，最終使人失去平衡而摔倒。

為提高爬樓小車的工作性能，對爬樓小車增設手動制動反轉裝置——端面棘輪機構。目前，國內對內齒、外齒棘輪的相關研究較多，而對端面棘輪的相關研究相對較少。根據棘輪機構的工作原理，是在中心車軸上加上一個變形的端面棘輪機構，在上樓梯時使三腳輪只能單向旋轉，一旦要發生逆轉時可及時制動，避免危險。文中闡述了如何將防反轉裝置——棘輪機構應用于爬樓小車的結構設計，并通過有限元分析確定棘輪的薄弱環節，為結構設計和材料選擇提供參考依據。

1齒式棘輪機構的設計

1.1傳統的齒式棘輪機構

傳統的齒式棘輪機構由棘爪和齒式棘輪組成，通常情況下棘爪為主動件，棘輪為從動件，可實現單向間歇步進運動。其中，棘輪有外齒式、內齒式和端齒式3種類型，如圖1所示。機械產品中，以外齒式應用最廣，端齒式非常少見[1]。

圖1　齒式棘輪機構的類型

1.2棘輪機構的應用

齒式棘輪機構具有結構簡單、制造方便和運動可靠等優點，但也具有回程時棘爪在棘輪齒上滑行造成的齒尖易磨損和產生噪聲等不足之處。由于棘輪機構的單向間歇運動特點，在生產實踐中常用于機床中的進給、轉位或分度裝置、起吊設備中的制動裝置等。

1.3端面棘輪機構的設計

考慮到在人拉動小車爬行樓梯過程中，由于人車整體重心不穩會帶來翻轉的現象發生，將棘輪機構引入三腳輪的制動中。考慮到如果選用內齒式棘輪機構，結構將會受到三腳架尺寸的制約，其強度不能滿足要求，工作可靠性難以保證，所以最終選用的是端齒式棘輪機構。

a) 棘輪齒形的選擇

常見的棘輪齒形有：矩形和對稱梯形，用于雙向式棘輪機構；不對稱梯形，用于承受載荷較大的場合；三角形或圓弧形，用于承受載荷較小的場合。設計所采用的齒形為三角形。

b) 棘輪齒數的確定[2]

棘輪的齒數一般取z=8~30，設計中選取棘輪齒數z=24。

c) 齒面傾斜角及棘輪尺寸的確定

棘輪齒形若為三角形，其中包括兩種形式，一種為徑向齒面(傾斜角α=0°)，一種為傾斜齒面(傾斜角α≠0°)，則其齒高h與齒形有關[3]。設計采用的是徑向齒面，其立面傾角為0°，斜面傾角約為45°。

經分析，端面棘輪機構的主要失效形式是輪齒的折斷和結合面的擠壓磨損。設計尺寸時，應以牙根抗彎能力作為強度指標，再經抗擠壓校核[4]。而且，還要綜合考慮在上樓梯過程中三腳架中心部位與臺階不能產生干涉以及安裝合理，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大小的幾何關聯。端面齒的結構如圖2所示[5]。

圖2　端面齒結構示意圖

最后取端面齒外徑D=58mm，端面齒內徑D0=40mm，端面齒齒高h=5mm。

設計采用的并非傳統意義上的棘輪機構，而是發生了變形，用相同結構的另一個棘輪代替了傳統機構中的棘爪，其整體強度遠高于棘爪。其結構和形狀如圖3所示。

圖3　爬樓小車棘輪機構仿真模型

2爬樓小車的棘輪機構的性能研究

為了縮短設計周期，提高設計品質，采用三維軟件對該爬樓小車棘輪機構裝置進行了三維實體造型、虛擬裝配和機械傳動的動態仿真[6]，并對其運動學仿真結果進行了分析。

2.1爬樓小車的棘輪機構的三維建模

由上述確定的參數進行了整體爬樓小車的零件建模和裝配，并模仿人拉動的過程，對其施加了爬樓驅動。由于棘輪機構在爬樓運轉中是受力最大的部分，因此也是受力分析的重點內容。

2.2有限元分析

對從動棘輪進行了有限元網格的劃分，尤其在齒形部位、3個小輪軸孔和中軸孔部位進行了手動細致的有限元網格劃分，將主動棘輪運轉一周中的四個旋轉相位分別做了運動分析，得到了從動棘輪的應變、應力云圖，如圖4-圖7所示[7]。

圖4　棘輪第一相位應變、應力云圖

圖5　棘輪第二相位應變、應力云圖

圖6　棘輪第三相位應變、應力云圖

從圖中可以看出，每次撥動主動棘輪到某一個相位時，從動棘輪受到制動作用的3個齒面部位所受應變和應力最大，應變值最大為0.015，應力值最大為4.047MPa，3個小輪軸孔處，以在樓梯臺階接觸的那個孔受力最大，應變值最大為0.005，應力值最大為1.349MPa。在此基礎上，對棘輪結構設計進行校核，以保證其合理性。

圖7　棘輪第四相位應變、應力云圖

從動棘輪的整體位移云圖如圖8所示，圖中給定的材料為PVC。從圖中可以看出，中軸孔處和回轉中心，3個小輪軸孔處外邊緣位移最大，其位移量大小與所選用的材料有關，PVC材料的位移量要遠遠大于金屬材料的位移量，從而為棘輪材料的選擇提供依據。

圖8　棘輪位移變化云圖

4結語

將傳統的端面棘輪機構采用了巧妙的變形設計，應用于小車爬行樓梯過程中的防翻轉的單方向制動裝置，使小車的工作性能得到很好的提升。通過運動仿真過程，對受力最大的從動棘輪進行了有限元分析，從中找到了受力變形最大的位置，確定了棘輪的薄弱環節。對于棘輪在工程實踐中的結構設計及其材料的選型，以及優化爬樓小車的安全性能具有重要意義。

參考文獻:

[1] 孫志禮，等. 機械設計[M]. 沈陽：東北大學出版社，2000，9.

[2] 王振兵,彭飛,李關章. 基于Pro/E的棘輪機構的運動仿真及動態分析[J]. 起重運輸機械,2011,(4):48-50.

[3] 王良文,李安生,唐維綱,等. 棘輪機構的參數化設計[J]. 機械傳動,2010,34(12):27-29.

[4] 成大先. 機械設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社,2004.

[5] 王珍華,付微,趙立德. 牙嵌式電磁離合器的設計與計算[J]. 一重技術,2003,(4):8-11.

[6] 趙建勛,代菊英,黎聰. 基于Pro/E的簡單機構運動仿真及應用[J]. 機械制造與自動化,2012,41(1):128-130.

[7] 丁睿,胡繼峰,龔劍. 有限元分析法在零件實體設計中的應用[J]. 艦船科學技術,2010,32(12):140-143.

Design of Facing Ratchet-Wheel Mechanism in Upstairs Cart and Its Performance Study

WANG Lin, LIU Jun

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

Abstract:This paper describes the change of the traditional facing ratchet-wheel Mechanism which is used for the anti-reversal brake system of the upstairs cart. The parameter design of the ratchet-wheel Mechanism, three-dimension modelling and finite element analysis of the driven wheel are finished. By simulating the movement of the ratch-wheel, its biggest stress and deformation places are found out in the stress diagram and it gives a reference to its structure design. Compared with its material and displacement, the basis is provided for the choice of its materials.

Keywords:upstairs cart; facing ratchet-wheel; anti-reverse-rotation; finite element analysis

收稿日期：2015-02-16

中圖分類號：TH122

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)03-0113-03

作者簡介：王琳(1980-)，女，遼寧本溪人，講師，碩士，研究方向為機械設計CAD、CAE方向。