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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。目前無論鄉(xiāng)鎮(zhèn)還是城市無一不在飛速發(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)的無顛簸，無跳動(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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