爬楼梯式手推车

机械创新设计课程设计

可爬楼梯式手推车

周东

班级：机制本（2 ）班

（井冈山大学机电工程学院，江西吉安343009）

指导老师：康志成

摘要

日常生活中，当我们去超市购买很多东西时，一般会需要用到超市里提供的手推车。很多超市为了节省空间并不会建造类似于正规医院里的那种绿色通道，所以当我们推着手推车在超市的一楼里买了一些东西后想要到二楼去购物，这时就没有办法把手推车推上二楼去辅助购物了。为了解决这一问题，方便广大市民在超市里购物，同时提升超市对顾客的吸引力。我提出了爬楼梯式手推车的初步设计。论文首先手推车的设计背景、结构及工作流程，然后对其结构进行运动分析，最后谈到了该设计的创新点及应用前景。可爬楼梯式手推车不仅可以帮助市民方便快捷的在在超市、商场购物，同时也可以用在学校的图书馆来辅助的搬运书籍等场合。

关键词:可爬楼梯式手推车；十字轮；平地-爬楼转换、越障；初步设计

Abstract

In daily life，When we go to the supermarket to buy a lot of things , Usually need to use the supermarket provides the cart。Many supermarkets in order to save the space will not build similar to normal hospital in of that kind of the green channel，So when we push cart in the ground floor of the supermarket to buy some things want to go shopping on the second floor，At this time there is no way to put the cart on the second floor to assist the shopping。In order to solve this problem，Facilitate the majority of citizens in the supermarket shopping，While increasing supermarkets on the customer's appeal。I put forward stepwise climb a preliminary design of the cart。The paper first cart design background, structure and working process, and then the structure motion analysis was carried out。Finally talked about the design of the innovation points and the applica tion prospect，Can climb stepwise cart can not only help people convenient in supermarkets, shopping mall, at the same time also can be used in the school library to assist the handling books and so on。

Keywords: can climb stepwise cart; The wheel; The ground - climbing up conversion, the barrier; Preliminary design

目录

摘要 ........................................................................................................................... II Abstract...................................................................................................................... III 第一章绪论.. (2)

§1.1 设计背景 (2)

§1.2 方案设计说明 (2)

§1.3 性能指标 (4)

第二章设计 (4)

§2.1爬楼基本结构设计 (4)

§2.2 性能指标 (6)

§2.3 爬楼及平等-爬楼转换 (9)

§2.4 越障原理说明 (11)

§2.5 动力设计 (12)

§2.6 十字轮动力尺寸的确定 (13)

§2.7 主要创新点 (14)

第三章应用前景与推广 (15)

§3.1 应用领域 (15)

§3.2 应用前景 (15)

参考文献 (15)

心得与致谢 (16)

第一章绪论

§1.1 设计背景

目前我国很多手推车系列的产品功能都比较单一，大多都无法实现上下楼梯的功能，因此要在室内的楼层之间搬运很多货物时就会显得很不方便。虽然我们可以通过电梯或是吊机等工具来搬运东西，但是电梯价格昂贵，很多地方都用不起，而像类似于吊机的这种工具安装和操作都比较复杂，因此设计一种能在上下楼梯之间高效、快捷的搬运东西且易于操作、存放的运输工具就有其实用的价值了。该可爬楼式手推车功率大、性能出众、功能完备、适用性强、性价比高，可以在各种场合使用并推广。

§1.2 方案设计说明

可爬楼梯式手推车分为手推平地行走和电动爬楼梯两大模块，主体为爬楼梯机构。设计中在满足使用条件的前提下尽量选用结构相对简单、性价比高的机构方案。

本作品是一款全新设计的可爬楼的手推车，它采用电力驱动，实现了自动爬楼以及平地行走的功能。整车采用模块化设计，由前驱动轮、后从动轮、电动机、棘轮机构、蜗轮蜗杆传动机构、齿轮传动机构、带传动机构。整机主要结构为四个十字形的轮架。其中两个前驱动轮通过蜗轮蜗杆传动机构与电动机

连接，实现动力传递，并可经过齿轮、带传动将动力传给滚轮进行平地行走。两驱动轮经过差速转换可以实现转弯等动作。通过棘轮机构可进行平地行走与爬楼两种状态的切换。从动轮在驱动轮的带动下可以自动翻越楼梯台阶，实现爬楼功能。另外，由于十字轮的特殊结构，机器人可以轻松跨越160mm的障碍物。其结构见如图1.1。

图 1.1

如图1所示，整车子分为爬楼机构与平地行走机构。平地行走时有两种状态，开启电机与不开启，不开启时与普通手推车一样，靠人力推动；开启电机时把电机1一调成反转，通过联轴器1带动蜗杆2转动，继而带动主轴9上的蜗轮4使得主轴逆时针旋转。此时由于十字轮架中心处的棘轮5的作用，此时主轴不带动整个十字轮架转动。由于主轴与主轴端的大齿轮6（太阳轮）固定，主轴可以带动其转动。通过齿轮传动使得小齿轮17行星轮）转动，继而通过

同一根小轴上的带轮8的带传动使得滚轮9逆时针转动，此时整车前进。当要爬楼梯时把电机调到正转从而使得主轴顺时针旋转，此时棘轮锁死，主轴带动整个十字轮逆时针转动，进入爬楼状态。

§1.3 性能指标

●机器人设计用于高效爬上尺寸为280 160mm左右的普通居民楼楼梯。

●可以轻松翻越160mm以内高度的障碍物。

第一章设计

§2.1 爬楼梯基本结构设计

考虑到机构体积和爬楼效率问题，爬楼结构基本单

元选用了十字形的轮架式结构（如右图所示）。十字轮的

基本尺寸依靠280 160mm左右的普通居民楼楼梯尺寸确定。确定过程详见附录。

（1）方案1——摩擦型爬楼机构

图2.1 摩擦型爬楼机构

如图 2.1,十字轮采用带传动，动力源于对称点的轮子内的电机，爬楼时依靠轮子和楼梯壁的摩擦力实现。但是摩擦力很可能无法大到能够带动整车的程度。

（2）方案2——前翻后推式机构

图2.2 前翻后推式机构

如图 2.3,十字轮中心有电机形成主动力，在爬楼过程中提供动力，后轮采用伸缩式结构，爬楼时进行辅助推动。缺点是后轮难以控制，车身难以保持稳定。

（3）最终方案——前后双十字轮机构

图2.3 双十字轮机构

如图2.4,采用两个十字轮结构，前轮为主动力源，后轮从动。运动的过程为A、B、C、D点形成的可变平行四边形的运动。

综合各方面因素考虑，最终选定方案3为爬楼结构的最终方案。

§2.2 性能指标

实现平地行走的部件是滚轮，滚轮安装在十字轮每根支脚的顶端，如图2.4 所示：

图2.4 平地行走方案

要实现平地行走，必须要将主轴动力传递至每个滚轮。同时平地行走必须不影响十字轮的正常爬楼梯。为此我决定使用这种方案。

。

最终方案——齿轮与带传动

如图2.7太阳轮（中心大齿轮）和主轴固连，行星轮（四周小齿轮）和带轮2固连，滚轮与带轮1固连，这样一来，当主轴旋转时带动太阳轮旋转，通过齿轮传动以及带传动使得滚轮转动。该方案简单易行，实现容易，而且还可

以方便地由齿轮传动确定传动比，使得平地行走速度快于爬楼速度。固我们将其定为最终方案。我们选定的齿轮传动比为55:27，带传动为1:1。该方案不仅能够简单实现动力源从主轴传递到十字轮架四端的滚轮从而进行平地行走，更可以在爬楼的状态下进行滚轮的自锁（制动），这一点将在2.3节中详述。

图2.7 齿轮与带传动

图2.9 十字轮结构

§2.3 爬楼及平地-爬楼转换

2.3.1 爬楼状态的制动问题

以我们选定的基本结构方案3（见

2.1）要实现爬楼功能，必须使得主轴的

动力传给整个十字轮使得十字轮翻转从

而一级一级爬上楼梯。此时，如果四周

的滚轮无法和十字轮架保持相对静止，

则可能在翻楼时出现“打滑”现象（见

图2.10）。因此，必须保证在爬楼状态中

滚轮和十字轮架杆保持锁定即相对静止，使得滚轮和十字轮架成为一个整体进行爬楼。为此我决定用以下这种方案：

该方案就是我们在2.2节中所描述的最终方案。如图2.11所示：

图2.11同步转动式自锁制动

图2.10

当进入爬楼状态时，主轴带动中心太阳轮转动，但同时主轴和十字轮架也是同步转动的，因此在十字轮架上的行星轮和太阳轮之间是相对静止的，因此也就不存在齿轮啮合传动，这样一来行星轮也就不会带动带轮从而不会使滚轮相对十字轮架转动，这样一来便实现了滚轮在爬楼状态中的自锁效果，爬楼时滚轮与十字轮架形成一体，爬楼时不会出现“打滑”。

2.3.2 平地-爬楼转换机构

通过棘轮机构可以实现我想要的效果，棘轮具有单向驱动的作用。故在此我们将棘轮用于状态切换。当主轴反转（从图2.12的左视图看主轴顺时针转动）时，棘轮出于自由转动状态，不会驱动十字轮中心环，即动力不会传到十字轮上，而只是将动力从主轴传至太阳轮，这时由太阳轮驱动行星轮进行平地行走（详见2.1节最终方案）状态；当主轴正转，棘轮内外圈锁定，驱动十字轮中心环，使整个十字轮翻转，同时中心齿轮也在以同十字轮同样的转速转动，这就是爬楼状态（详见2.4.1中最终方案）。

我们采用的棘轮是取自于自行车的飞轮。为了更好地将飞轮安装在十字轮中心环上，我们设置了棘轮安装套与棘轮安装环（图2.17）。棘轮中心套上螺套并固定，螺套与主轴间使用键连接。两个飞轮分别安装在大铝环两端，使用M8的螺栓进行固定。再将这一整体用M5的螺钉固定在十字轮中心环上，从而与十字轮架成为一体。

按照该方案，主轴与所有的轴上零件都是固定连接，零件个数大为减少，大大简化了结构，同时机构可靠性也得到了保证。而进行切换只需通过电机正

反转改变主轴转向即可。

图2.12 棘轮式状态转换机构

§2.4越障原理说明

对于我们采用的十字轮结构车架而言，越障的实现很方便。只要在平地行进时切换到爬楼状态，使用十字轮整体进行翻越，就可以越过障碍物。具体原理和爬楼原理基本一致。

图2.13 越障过程

§2.5动力设计

我设计的手推车使用了一个电机，采用蜗轮蜗杆传动的方式将动力从电机轴传递给主轴。采用蜗轮蜗杆的目的是在保证功率足够的情况下减小主轴转速提高爬楼时的转矩。而平地行走时则靠行星轮系中太阳轮到行星轮的加速效果使得平地行走速度快于爬楼的速度。

图2.14 行动动力机构图

§2.6十字轮动力尺寸的确定

图6.1 尺寸计算

取L=280mm ，H=160mm 则可计算出S=644mm

mm

l l l H

L H 228tan cos 15

304530280160tan =?=+=-==?==

αααββ

175∠=

160r

t a n 1e r c o s 15-

∠=- 4.66r -3.79e =r =50e =19?若，

则

故，若选择半径为50mm 的轮子，且十字轮架杆的宽度小于38mm ，爬楼的过程就不存在干扰现象。最终我们选择了半径为50的轮子，十字轮架杆宽选择了30mm 。

§2.7主要创新点

（1） 高效集成：将爬楼功能与平地行走功能能合二为一，方便实用。

（2） 机构创新：巧妙地利用棘轮正反转两种状态进行平地行走和爬楼两种状

态的切换。在保持电机转速不变的情况下，利用蜗轮蜗杆进行减速从而增大爬楼转矩，继而通过齿轮增速传动使得平地行走速度加快。

§2.8小车整体模型图

第三章应用前景与推广

§3.1 应用领域

该可爬楼式手推车操作容易、结构相对简单。可适用于各种场合的多层建筑，如超市、政府机关，机场、火车站、汽车站、公寓、医工厂，学校等来辅助搬运东西，方便人们的生活。

§3.2 应用前景

（1）本作品大部分由简单部件组成，易于生产。车身主体由五根角钢和三根轴通过孔或轴承连接而成，且车身不大，一旦成产业，可大批量生产。（2）实现低成本制造，经济合理，适合普及推广。目前单件制造成本大致为2000多元，若能批量生产，成本会更低。

参考文献

[1] 高志，黄纯颖．机械创新设计[M]. 2版．北京：高等教育出版社，2009：351~354

[2] 刘鸿文．简明材料力学[M]. 2版．北京：高等教育出版社，2008：107~112

[3] 孙桓，陈作模．机械原理[M]. 7版．北京：高等教育出版社，2006：116~119

[4] 濮良贵，纪名刚．机械设计[M]. 8版．北京：高等教育出版社，2006：238~241

心得与致谢

通过这次创新设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致。课程设计过程中，有时不免令我感到有些心烦意乱，有两次因为不小心我计算出错，只能毫无情意地重来。但想到今后成为了一名工程师，自己绘制的图纸决定着整个工程的成败，想到今后自己应当承担的社会责任，我不禁时刻提示自己，一定必须养成一种高度负责，认真对待的良好习惯。这次创新设计使我在工作作风上得到了一次难得的磨练。

创新设计的整个过程虽然不是很长，但使我发现了自己所掌握的知识竟是如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力竟是如此的不足，几年来的学习了那么多的课程，今天才知道自己并不会用。想到这里，我真的心急了，而正是这种迫切与担忧，是我明白了以后需要努力与加强的方向，那就是理论必须结合实践，如果只会书本上的理论而不会应用，那与赵括的纸上谈兵有何不同？

创新是一个国家的灵魂，是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是给机构提供解决方案的一种改进措施。通过这次创新设计，我深深体会到这句话真正含义。

最后，我要感谢我的老师，是您的点拨让我们明白了何处才是突破问题的关键，是您的支持和帮助鼓励了我。还有我的同学，是你在我不知道怎么往下做的时候，给我思路，让我顺利完成这次创新设计。还要感谢我的父母和家人在精神和生活上给予我无法衡量的支持和鼓励。