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上下階梯小車設(shè)計(jì)

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上下階梯小車設(shè)計(jì)
第一章緒論
1.1引言
上下階梯是普通日常生活活動(dòng)中的一種，那些在大量不設(shè)電梯的七層以下的住宅樓房居住的居民，尤其是那些老年人和殘疾人，在生活上就會(huì)有諸多不便。目前無(wú)論鄉(xiāng)鎮(zhèn)還是城市無(wú)一不在飛速發(fā)展，其中階梯不少。如上下汽車、地鐵火車有階梯；橫過(guò)馬路或須上下人行道或須登越人行天橋或須竄越地下通道有階梯；城市居民走親訪友，或送貨上門也免不了爬樓下梯；樓上地下商場(chǎng)比比皆是，更免不了爬樓下梯；名山景點(diǎn)，山坡城市更是不計(jì)其數(shù)。這些階梯對(duì)那些肩背手捉旅行之人，對(duì)以送貨上門為職業(yè)的工人及商家；對(duì)那些早沒(méi)晚收流動(dòng)商販等等人群，跨越攀登這些階梯時(shí)艱難費(fèi)力。
基于以上種種因素的考慮，我們?cè)O(shè)想能不能設(shè)計(jì)個(gè)上下階梯小車，再在小車設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上改裝，解決人們?cè)谏钪杏龅降纳舷码A梯難題。該小車的設(shè)計(jì)，方便了人們的生活，具體表現(xiàn)在：
1．以該小車為載體，對(duì)殘疾人座椅進(jìn)行改造，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走和上下樓；
2．以該小車為載體，野外作業(yè)設(shè)施能夠?qū)崿F(xiàn)上下運(yùn)輸車輛的平穩(wěn)裝卸及轉(zhuǎn)運(yùn)，快速，機(jī)動(dòng)地完成布置。
因此，這種上下階梯小車的設(shè)計(jì)，無(wú)論是從實(shí)際應(yīng)用方面還是理論研究方面，都是具有很高價(jià)值的。
1.2設(shè)計(jì)背景
以前上下階梯工作或活動(dòng)時(shí)，人們都是用人工或用手動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。上下階梯的設(shè)計(jì)，老年人、病殘人可以借助它輕松自如地上下階梯，而不再需求助他人。現(xiàn)在各國(guó)都爭(zhēng)相研制各種適于上下階梯的輪椅及其配套裝置。其中以聯(lián)邦德國(guó)新近研制的履帶式輪椅配套上下階梯裝置尤為人欣賞。目前，社會(huì)上關(guān)于上下階梯裝置主要有兩種：可上下階梯的搬運(yùn)裝置和上下階梯的電動(dòng)輪椅裝置，而且都已申請(qǐng)了專利。上下階梯裝置的研究，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活有著積極的作用，解決了一些在生產(chǎn)活動(dòng)和生活中遇到的難題。
可上下階梯的搬運(yùn)裝置，其上方可承載各種物品，該裝置包括機(jī)架、設(shè)于該機(jī)架下方的兩個(gè)自由度的行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)搬運(yùn)裝置在地面上行走時(shí)，借由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)輪并自動(dòng)根據(jù)地面情況決定該搬運(yùn)裝置的輸出，當(dāng)上階梯時(shí)，輪子因受到階梯的阻力而不動(dòng)，使力量經(jīng)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由行星架輸出，以產(chǎn)生跨越階梯的動(dòng)作，當(dāng)下階梯時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)該驅(qū)動(dòng)輪，此時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自行選擇較省力的桿件作輸出，以實(shí)現(xiàn)下階梯的動(dòng)作，而在平地行走時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)該驅(qū)動(dòng)輪，此時(shí)行星架不動(dòng)，而力量經(jīng)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由輪子輸出，以完成平地行走。　
可上下階梯的電動(dòng)輪椅裝置，在輪椅座上固定上下階梯和行走的履帶式傳動(dòng)裝置，其履帶傳動(dòng)裝置由主動(dòng)輪，前后輪，履帶，前升降腿，后升降腿，電機(jī)等組成，主動(dòng)輪由支架固定在輪椅座上，通過(guò)防滑履帶分別與前輪，后輪相連接，前，后升降腿控制前，后輪的升降，由于采用了履帶式傳動(dòng)裝置，操作者可直接將輪椅上下階梯，而不必注意一級(jí)級(jí)臺(tái)階是否踩準(zhǔn)，操作方便，特別適于廣大傷殘者外出使用。
上下階梯裝置都是依靠機(jī)械傳動(dòng)上下非等高臺(tái)階的機(jī)械裝置。可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走和上下樓的殘疾人座椅和可實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)輸車輛的平穩(wěn)裝卸及裝運(yùn)的野外作業(yè)設(shè)施都是該裝置的一種。
上下階梯小車的設(shè)計(jì)，是以該小車為載體，對(duì)殘疾人座椅進(jìn)行改造，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走和上下樓；以該小車為載體，野外作業(yè)設(shè)施能夠?qū)崿F(xiàn)上下運(yùn)輸車輛的平穩(wěn)裝卸及轉(zhuǎn)運(yùn)，快速、機(jī)動(dòng)地完成布置；且該小車經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高，維修方便。對(duì)上下階梯小車的研究設(shè)計(jì)，為它在生活，生產(chǎn)的應(yīng)用做好鋪墊。
目前所研制出的各種階梯車主要有三大類：第一類是步進(jìn)式階梯車，為斷續(xù)前進(jìn)方式，其操作較復(fù)雜，工作效率較低。第二類是星形輪式階梯車，在上下階梯時(shí)其穩(wěn)定性較差，且體積較大，在窄小的樓梯上使用有所不便。第三類是履帶式電動(dòng)階梯車，其結(jié)構(gòu)是將座椅、前后車輪和電控盒等固定安裝在車架上，在后車輪的輪軸上裝有輪轂電機(jī)、變速器、離合器和制動(dòng)器等，履帶機(jī)構(gòu)裝在車架的下部，在履帶機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸上接有變速箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)等。這種電動(dòng)階梯車在上下樓梯時(shí)要將車體部分全部分托起，僅僅一口履帶機(jī)構(gòu)運(yùn)行爬樓，因此為保證安全和托起車體的穩(wěn)定，履帶機(jī)構(gòu)比較龐大，控制機(jī)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)作不夠靈活，并且能力消耗較高。
1.3論文研究的內(nèi)容和意義
針對(duì)輪式車輛上下階梯運(yùn)動(dòng)的不足之處，本文設(shè)想了一種全新的運(yùn)輸設(shè)計(jì)平臺(tái)，并在實(shí)踐中證明這種理論是可行的。它繼承了輪式車輛移動(dòng)速度快捷的特點(diǎn)，又具有上下階梯越障能力，在傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用了齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，工作可靠，控制方面，且具有很好的功能擴(kuò)展性。作為一種運(yùn)輸平臺(tái)，具有很廣闊的功能開發(fā)空間。
本論文主要完成了上下階梯小車的原理設(shè)計(jì)，方案選擇，機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，各部分零件的設(shè)計(jì)與整機(jī)的裝配，并在此基礎(chǔ)上采用CATIA軟件建立了實(shí)體模型和進(jìn)行虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真。
本課題研究的目的在于根據(jù)日常生活的需要，研制一種多能，簡(jiǎn)單，實(shí)用的輪式上下階梯小車運(yùn)輸平臺(tái)。上下階梯小車是一種用于非等高階梯，野外崎嶇不平路面運(yùn)輸中的平臺(tái)。它可以適應(yīng)各種地貌，能夠根據(jù)環(huán)境設(shè)定各種運(yùn)行狀態(tài)，它的每個(gè)前端面均裝有一組高精度的限位開關(guān)和輪滾驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，限位開關(guān)能夠準(zhǔn)確的探測(cè)到地面狀態(tài)并及時(shí)對(duì)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)解。前后驅(qū)動(dòng)輪安裝支架是用于上下階梯時(shí)，抬起車身，實(shí)現(xiàn)上下階梯運(yùn)動(dòng)。由于考慮到前后驅(qū)動(dòng)輪要能驅(qū)動(dòng)，才能在抬起車身時(shí)，帶動(dòng)車身運(yùn)動(dòng)，所以采用了驅(qū)動(dòng)源內(nèi)置于前后驅(qū)動(dòng)輪安裝支架上的設(shè)計(jì)。齒條用于與前后安裝支架組合，在齒輪的帶動(dòng)下，帶動(dòng)前后支架上下運(yùn)動(dòng)。在水平面上，車身靠后輪驅(qū)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)。
該設(shè)計(jì)的目的是提供一種體積小，運(yùn)作靈活，運(yùn)行穩(wěn)定的階梯車，也提供一種適于在怕階梯車上使用的怕階梯車用變形輪。
上下階梯車涉及非機(jī)動(dòng)車技術(shù)領(lǐng)域，特別是這種爬階梯車。目前8層以下的建筑物很少設(shè)置有電梯，這樣就給殘疾人上下樓梯帶來(lái)許多不便，市場(chǎng)上銷售的殘疾人，輪椅車的結(jié)構(gòu)是在車架上設(shè)置有兩個(gè)轉(zhuǎn)輪，在支架的前端設(shè)置有兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪，其缺點(diǎn)是該車在臺(tái)階或樓梯上很難運(yùn)行，即使強(qiáng)制運(yùn)行也會(huì)令乘坐者感到顛簸、跳動(dòng)而不舒服。一般情況下遇到臺(tái)階或樓梯，往往需要幾個(gè)人抬上抬下，很不方便。
上下階梯車的目的是提供一種通過(guò)齒輪、齒輪齒條帶車輪沿階梯水平運(yùn)動(dòng)的階梯車。該小車是這樣實(shí)現(xiàn)的，它包括齒輪傳動(dòng)、齒輪齒條通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)上下階梯和在平地上運(yùn)行，由于在上下階梯時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，所以具有爬階梯時(shí)的無(wú)顛簸，無(wú)跳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)。
該小車應(yīng)用待輪椅上，可使輪椅具備爬梯的功能，從而方便病殘人群。該小車也課應(yīng)用到旅游景點(diǎn)的旅游車上，使得具備爬階梯功能，以方便游客。

第二章上下階梯小車的原理設(shè)計(jì)及方案選擇
2.1上下階梯小車的基本原理
1.題目的內(nèi)容及要求：
該設(shè)備用于非等高階梯，野外崎嶇不平路面運(yùn)輸中，要求平穩(wěn)裝卸及轉(zhuǎn)運(yùn)的場(chǎng)合。四輪驅(qū)動(dòng)并可自行調(diào)節(jié)。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，絲桿螺母或齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
該小車的工作原理可分為三種情況：（1）平路行走（2）上階梯（3）下階梯
（1）平路行走
如圖1所示，小車在平路行走時(shí)，限位開關(guān)10與地面接觸，這時(shí)觸頭被壓下，觸發(fā)主電動(dòng)機(jī)M4轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)小車在水平方向上前進(jìn)。此時(shí)電動(dòng)機(jī)M1，M2處于非工作狀態(tài)。

圖2.1 水平行走示意圖
（2）上階梯
上階梯時(shí)，小車在水平行走的過(guò)程中主電動(dòng)機(jī)M4工作，當(dāng)小車限位開關(guān)8與垂直臺(tái)階面接觸時(shí)，觸發(fā)電動(dòng)機(jī)M2工作。前升降齒輪帶動(dòng)前齒條向下移動(dòng)，前支腿下移。當(dāng)前支腿碰到階梯時(shí)，觸發(fā)開關(guān)14工作，使電動(dòng)機(jī)M1同時(shí)工作，后齒輪、齒條帶動(dòng)后支腿向下伸出，前后同步下降，將小車抬起。當(dāng)前齒條向下移動(dòng)時(shí)，撞塊壓下行程開關(guān)15，電動(dòng)機(jī)M1，M2停止工作，同時(shí)電動(dòng)機(jī)M3工作。延時(shí)時(shí)間到則電動(dòng)機(jī)M3停止，引發(fā)電動(dòng)機(jī)M1，M2發(fā)轉(zhuǎn)，后支腿，前支腿向上，由行程開關(guān)17控制電動(dòng)機(jī)M1，電動(dòng)機(jī)M2停止。當(dāng)前后支腿復(fù)位后，主電動(dòng)機(jī)M4工作，小車?yán)^續(xù)水平前行。
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