具有防翻轉功能爬樓小車的設計與性能研究

王琳，劉軍，胡碧波

(大連科技學院，遼寧 大連 116052)

具有防翻轉功能爬樓小車的設計與性能研究

王琳，劉軍，胡碧波

(大連科技學院，遼寧 大連 116052)

摘要：設計一款具有防翻轉功能的爬樓小車，將傳統的端面棘輪機構進行了巧妙的變形設計，應用于爬樓小車爬行中防翻轉的單方向制動裝置，由手動操縱線閘完成。通過運動仿真，針對小車爬樓梯過程進行了受力分析和運動學分析，優化了爬樓小車的結構，對提高爬樓小車的安全性具有應用價值。

關鍵詞：爬樓小車；端面棘輪；防翻轉；運動學分析

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，人們在購物時普遍使用一種手拉小車，它方便、省力、占地面積小。在設計之初，第一代手拉購物小車是兩輪的，適合走平地和上下坡。后來，為了滿足人們拉車上樓梯的需求，購物小車由原來的兩個小輪改為了兩個三腳輪。其中，每個三腳輪是由三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，工作可靠性問題。在拉購物小車爬樓梯的過程中，人的雙腿一直在做連續地循環運動。當只有一條腿著地時，可能因后方購物小車過重引發三腳輪逆轉，最終使人失去平衡而摔倒。由此考慮到對爬樓小車增設手動制動反轉裝置，即在中心車軸上加上一個變形的端面棘輪機構，使在上樓梯時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[1]。文中闡述如何把端面棘輪機構應用于爬樓小車的結構設計，并研究了棘輪的使用性能。

1爬樓小車的設計

1.1爬樓小車的整體設計

目前，市場上銷售的爬樓小車仍在不斷地改進。比如折疊車架、車軸材質的改變，使其承重性更好，車身更穩；車輪材質的改進，使其噪音更小，更耐磨；購物袋的改進，使其容量更大，結實耐用，可拆洗等等。綜合以上的考慮，研究設計了一款美觀、實用，具有防翻轉功能的爬樓小車，其整體外觀如圖1所示。

圖1　爬樓小車的整體設計

1.2傳統爬樓小車受力分析

傳統三腳輪爬樓小車在上樓時會經歷三個階段，即平地前進階段，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階段

在平地前進階段，人施加的拉力主要是用來克服摩擦力，并使小車繼續前行。

在豎直上升階段，人所提供的拉力主要用于克服車的總質量以及垂直面的內力消耗。

在翻轉跨越階段，具體受力分析如圖3所示[2]。

圖3　翻轉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，小車就會發生逆轉，而如果此時在手動位置設計一防翻轉的單方向制動裝置，即可避免危險發生。

1.3棘輪機構的結構設計

考慮到在人手拉動小車爬行樓梯過程中，由于人車整體質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裝置中。同時，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。

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[3]。現設計所采用的齒形為三角形，其結構和形狀如圖4、圖5所示[4]。

圖4　端面棘輪機構的結構

圖5　端面棘輪形狀

在進行棘輪尺寸設計時，綜合考慮了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聯，簡化后如圖6所示。

圖6　幾何關系簡化圖

利用臺階剛好接觸到三腳架最內側點這一極限位置的角度關系，可以確定L、R、r之間的關系：

(4)

所以得出：

(5)

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[5]。

1.4棘輪機構的控制設計

棘輪機構的控制裝置部分是以自行車的剎車線作為力的傳動裝置，從手柄位置控制卡齒的脫開和接合，最終達到控制棘輪的目的[6]。當卡齒被拉離時，中心棘輪可自由轉動；當卡齒在復位彈簧的推力作用下逐漸恢復原位時，中心棘輪僅能作單向轉動。其具體結構和形狀如圖7-圖8所示[7]。

圖7　棘輪機構的結構

圖8　棘輪機構的形狀

2爬樓小車的運動學分析

為了縮短設計周期，提高設計質量，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[8]，并對運動學仿真結果進行分析[9]。

對小車手動操縱部分分別施加了水平和垂直方向的驅動力和相應的作用時間，經過多次反復仿真，力求盡量模擬爬樓的真實過程，抓取了小車爬行樓梯過程中的軌跡，如圖9所示。從圖中可以看出，在經過第一個樓梯臺階時出現了軌跡的突變現象，與實際情況相符，而后續軌跡成循環狀態[10]。

圖9　爬樓梯軌跡圖

在上述的爬樓軌跡下，進行了運動學分析，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，在運行到0.65s之前的時間段屬于小車的初始狀態，其位移有突變，之后隨著臺階的跨越呈現周期性規律性變化。

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，在運行到1.95s之前的時間段小車速度略有起伏，之后隨著臺階的跨越呈現周期性規律性變化。

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，整體加速度趨于穩定，只是在跨越臺階處出現了較大的突變，加速度數值大小反映了小車慣性力的大小，也體現了小車對臺階的沖擊作用。很明顯，y軸方向的沖量遠遠大于x軸向的沖量，完全符合實際的受力情況。

3結語

將傳統的端面棘輪機構采用了巧妙的變形設計，應用于小車爬行中防翻轉的單方向制動裝置，并通過手動操縱線閘來完成，最終設計出一款具有防翻轉功能的爬樓小車。通過三腳輪爬行樓梯過程的運行軌跡和受力分析，在保證盡可能小尺寸的情況下，設計了小車帶有防翻轉制動的齒形棘輪結構和幾何尺寸。通過運動仿真，針對小車爬樓梯過程進行了受力分析和運動學分析，優化爬樓小車的結構，對于提高爬樓小車的的安全性能具有重要意義。

參考文獻:

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[10] 王洪欣,馮雪君. 機械原理[M]. 南京：東南大學出版社,2007.

收稿日期：2015-03-25

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0194-04

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