新型行星輪爬樓車設計

德州學院機電工程學院 楊超 王志坤

引言

行李箱給人們的出行帶來了極大的方便，在生活中人們主要依靠人力拉動使其搬運行李，可若遇到上下樓梯就極其費力，人們的勞動強度相應增加，不僅使其搬運效率降低還易使人們身心俱?！，F有的行李箱僅能夠在平坦地面拉動，當人們要拉行李上樓時，在一些不具備電梯的低層樓房中爬樓則極為不便。本文針對現有行李箱的不足，提出一種可與行李箱配合的太陽能充電爬樓車。

1 機構設計

經過調查得知現在市場上流行的主要有兩種爬樓機構，分別是履帶式機構和行星輪式機構。在分析了其運動靈活性、控制難易度等方面的性能后，結合設計價值對比，最終選定行星輪式機構并對其進行了改良，增加了緩沖輪，通過電機驅動。

2 工作原理

本文爬樓機構采用行星輪式設計方法，運用緩沖輪來減小緩沖力，并通過電機驅動減速器軸轉動來帶動行星輪的翻轉，實現爬樓過程。

3 參數確定

我國樓梯設計標準為：（1）室內樓梯踏步寬度為260mm×300mm，踏步高度為150mm×175mm；（2）室外臺階的踏步寬度為270mm×300mm，踏步高度為150mm×200mm。本設計中的爬樓車架要能適應標準規定的樓梯尺寸范圍。假設在實際建筑設計過程中，踏步寬度取270mm，踏步高度取150mm。

圖1 行星輪圖

設行星輪緩沖輪的半徑為R，支撐輪的半徑為r，行星架的臂長為L。通過對樓梯尺寸和爬樓車行星輪實際工作情況的分析，可用圖1表示，并出如下方程：

解上述方程得到爬樓車行星輪主要尺寸：緩沖輪半徑為110mm，支撐輪半徑為55mm，行星架臂長175mm。

4 爬樓車的受力分析

設樓梯臺階給緩沖輪的支持力為N1，臺階面提供給兩個支撐輪的支持力分別為N2、N3，地面給兩個支撐輪的摩擦力為f2、f3，爬樓車設計的重力為G，電機帶動減速器給緩沖輪提供的驅動力為F1，電機帶動減速器給支撐輪提供的驅動力為F2、F3，爬樓車的重心到行星架中心的距離為P。可以得到改進后的爬樓車行星輪受力平衡方程：

假設忽略摩擦力f2、f3,由力矩關系可得：

5 性能指標

（1）爬樓車質量為10kg，載質量為60kg，貨物尺寸為900mm×600mm×400mm。

（2）適用樓梯臺階高度150mm以下，寬度270～300mm。

（3）最大爬樓速度25級/min。

6 太陽能供電原理

爬樓車表面的太陽能薄膜經陽光照射后產生光信號，而后將光信號傳遞給太陽能轉化儲存模塊，同時太陽能轉化儲存模塊將光信號轉化成電信號儲存在爬樓車自身攜帶的蓄電池中，當爬樓車工作時，蓄電池輸出穩定的電壓給電機，電機通過馬達驅動減速器輸出軸轉動，從而驅動行星輪轉動，進而實現爬樓動作，帶動整個系統開始運行。

太陽能供電流程圖可用圖2表示：

圖2 太陽能供電流程圖

7 結束語

本文提出的爬樓車結構緊湊、操作簡便、使用時省事省力。其作為爬樓輔助裝置，增加了緩沖輪，減小了緩沖力，增強了穩定性，可幫助操作人們輕松地實現重物安全快捷的上下樓梯，可與行李箱配合，亦可稍加改動與嬰兒車、購物車結合，減輕人們勞動強度、提高生活效率，可廣泛應用于學校、火車站、居民小區等場合。

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