履帶式搬運助力車設計

符加園，李小帥，趙 航，余江鴻

（湖南工業大學機械工程學院，湖南 株洲412007)

網購貨物日趨多樣化，不僅有體積較小的商品，大型的電器等體積較大較重的物品也越來越多[1]。體積較大且較重的商品在物流配送過程中使得快遞員在搬運和投遞時勞動強度較大。商品上樓時，在沒有電梯的樓宇，主要靠快遞員肩扛上樓，易對工作人員造成身體傷害，同時也容易使商品產生碰撞，導致商品損壞，易產生糾紛。目前，市面上現有的爬樓載物車主要適用于殘疾人上下樓或減輕特殊人群爬樓的負擔，其結構復雜、功能強大，但價格高昂，不適合快遞行業的需求。

第七屆全國大學生機械創新設計大賽的主題為“服務社會——高效、便利、個性化”，其中一項為設計商品載運及助力機械裝置[2]。本文結合創新大賽主題及社會需求，設計一款履帶式搬運助力車，使其能滿足國家《建筑樓梯模數協調標準》規定的尺寸參數，用于幫助快遞員、城鎮居民在樓梯上載運較大及較重的物品，降低勞動強度，實現文明安全搬運。

1 結構設計

1.1 設計要求

履帶式搬運助力車的總體設計包括：動力系統選用、傳動機構、支撐裝置及控制裝置?？紤]技術要求和國家樓梯相關尺寸[3]，履帶式爬樓助力車必須滿足如下要求：

（1）最大載重：100 kg；

（2）爬樓速度：20～30 階/min，可調速度；

（3）工作時符合《建筑樓梯模數協調標準》中規定的相關尺寸要求；

（4）可以連續、穩定的進行上下樓梯。

1.2 車架設計

參照《建筑樓梯模數協調標準》規定的尺寸參數，設計助力車其外形尺寸為：60 mm（長）×35 mm（寬）×120 mm（高）。繪制整體線框圖模型，如圖1所示。

圖1 車架模型

1.3 履帶選擇與設計

履帶式傳動利用比較連續的行走方式，效率較高，在上下樓過程中裝置波動比較小，支撐面積大，運動平穩，適用樓梯廣，如圖2所示。履帶主要是用同步帶制作而成，同步帶包括不同的齒型、齒距和配套使用的同步帶輪[4]。結合履帶式搬運助力車的實際裝配運行環境，選擇爬樓同步帶齒數z=32，分度圓直徑D=80 mm，雙面擋邊無凸臺，內徑17 mm的履帶。

圖2 履帶傳動

履帶式爬樓裝置爬樓示意圖，如圖3所示。設樓梯臺階寬度為c，臺階高度為b，可以求解同步帶輪之間的距離a.在根據國家標準的樓梯相關尺寸算出兩級臺階邊緣的距離在261～382mm之間，在根據上述設計的同步帶輪分度圓直徑為80mm，即可計算得出爬樓履帶中心距在341～460mm之間。根據城鎮居民樓數據以及履帶式搬運助力車的整體車架設計工況，將同步帶輪之間的距離a初步定為358mm.

圖3 履帶爬樓過程示意圖

設計的履帶式搬運助力車重量為G1=40 kg，最大承載量G2=120 kg，根據式（1）計算所需克服阻力矩[4]：

式中：M為助力車需克服的阻力矩；R為車輪半徑；Fs為助力車需克服的阻力；G1為助力車自重；G2為助力車最大承載量；sinθ為樓梯臺階最小寬度和最大高度的比值。

根據國家標準，本次設計的履帶式搬運助力車能滿足普通樓梯運行。

履帶式搬運助力車的設計速度是20～30階/min，則上下樓梯履帶的速度為：

同步帶輪轉速：

履帶式搬運助力車在樓梯間運行所需要的驅動功率為：

由于在樓梯間的運動，受環境的一些影響，需要修正以下驅動功率：

其中f為影響系數。

結合實用性及制作能力，最終選用兩條長966 mm的同步帶。外齒同步帶T20，內齒是同步帶HTD-8M.內齒采用的HTD8M聚氨酯同步帶是由熱塑聚氨酯材料制成，保證傳輸性能好，傳動準確、平穩，具有傳動和傳輸功能[3]，同時高精度的直線定位有準確的同步傳動功能，無滑差、無污染、噪音少。外齒采用T型同步帶在完全相同的傳動系統下，能提高電機的效率，使電機得到平順安靜的運轉，利于搬運助力車從平地過渡到樓梯臺階上。

1.4 支撐裝置設計

履帶式搬運助力車是通過履帶接觸臺階實現攀爬。助力車載貨時，履帶需要承受一定負荷。然而履帶承重時，會造成履帶折彎，亦會加劇磨損，因此需要設計支撐裝置，使其能：

（1）支撐履帶，保證爬樓連續、穩定、可靠；

（2）變滑動摩擦為滾動摩擦力，降低能耗，提高爬樓能力；

（3）讓履帶式搬運助力車在爬樓時，像是在一個平面上運動。

支撐裝置的大致線框形狀如圖4所示。

圖4 支撐裝置

使用的軸承型號為608-2RS，軸承參數：軸承直徑8 mm；軸承外徑22 mm；軸承厚度7 mm，脂潤滑轉速：48 000 r/min；油潤滑轉速：75 000 r/min.根據支撐架上軸承的厚度7 mm，設計履帶的時候，考慮軸承結合履帶的部分，必須為軸承的運轉提供一個流道，因此設計的時候，必須把履帶的背面特制流道，流道的寬度應略大于軸承的厚度，根據實際設計，把流道的寬度設定為10mm.如圖5所示。

圖5 履帶流道圖

2 電機、電源及減速機選擇

助力車主要用于投遞員在樓梯間運送商品，減投遞員的勞動強度，所需要的驅動功率為P=476.04 W，同步帶輪轉速即輸出軸轉n=57.68 r/min，驅動力矩M=65.71 N·m，考慮工作能力及經濟因素，能雙向正反運動，選用500W無刷直流電機。

電源必須是可移動電源，能夠連續充電，便于維護。鋰電池壽命長，使用安全，綠色環保。選用型號GX-M3610-B2的裡電池作為動為供給源[4]，具體參數為：工作電壓24 V；電池容量20 AH；續航時間為滿電狀態下空載3 h，載重1.5 h.

蝸輪蝸桿減速機具有較大減速比，輸入軸和輸出軸不在同一軸線上，反向自鎖，使用壽命長，結構緊湊等特點，選用WD型渦輪減速機。

3 三維建模及調試

履帶式搬運助力車的裝配模型圖6所示，實物如圖7所示。樓能力的測試。

圖6 助力車模型

圖7 助力車實物

調試主要是針對履帶式助力車的控制系統和爬

（1）控制系統。打開電源開關，旋轉無極調速旋鈕，控制電機運行速度；然后測試電機正反轉，也就是助力車前進后退。檢測所有開關都控制正常。

（2）運行情況。助力車的運行狀況，分為平地運行、樓梯運行、載物運行。平地運行和平地載物運行比較簡單，沒有出現跳動、載物沖擊現象，使用助力車運送商品，可以明顯感覺到輕松，勞動強度小。調試結果如表1所示。

表1 車體運行情況

綜合多次調試結果，助力車載物上樓在25階/min的速度爬樓時，速度在設計的范圍之內，車體的振動比較小，爬樓平穩。

4 結束語

隨著網上購物越來越普及，快遞員在物流配送過程中投遞體積較大且較重商品的情況越來越多。本文設計了一種履帶式搬運助力車，以幫助快遞員在投遞重物時更加便捷和省力。參考《建筑樓梯模數協調標準》規定的樓梯尺寸，助力車采用履帶傳動，選用HTD-8M型同步帶、可移動電源、可雙向正反運動無刷直流電機及WD型渦輪減速器。通過虛擬樣機仿真及物理樣機調試顯示，助力車于平地及樓梯載物運行時，在設計速度范圍內，無跳動、載物沖擊現象，車體運行平穩，能明顯減小快遞員的勞動強度。

[1]智研咨詢集．2016-2022年中國快遞行業市場現狀分析及投資前景[R]．北京：智研咨詢集團，2016．

[2]教育部高等學校機械基礎課程教學指導委員會．關于發布第七屆全國大學生機械創新設計大賽主題和內容的通知[EB/OL].http：//www.umic.edu.cn/show.asp id=225，2015-3-1．

[3]中華人民共和國城鄉建設環境保護部．GBJ101-87建筑樓梯模數協調標準[S].北京：中國人民共和國國家計劃委員會，1987．

[4]梁白冰.電動爬樓載物車的設計與研究[D]．長春：長春工業大學，2015．