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上下階梯小車設計

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更新時間：2014-09-20
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上下階梯小車設計
第一章緒論
1.1引言
上下階梯是普通日常生活活動中的一種，那些在大量不設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，在生活上就會有諸多不便。目前無論鄉鎮還是城市無一不在飛速發展，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；樓上地下商場比比皆是，更免不了爬樓下梯；名山景點，山坡城市更是不計其數。這些階梯對那些肩背手捉旅行之人，對以送貨上門為職業的工人及商家；對那些早沒晚收流動商販等等人群，跨越攀登這些階梯時艱難費力。
基于以上種種因素的考慮，我們設想能不能設計個上下階梯小車，再在小車設計的基礎上改裝，解決人們在生活中遇到的上下階梯難題。該小車的設計，方便了人們的生活，具體表現在：
1．以該小車為載體，對殘疾人座椅進行改造，可實現自動行走和上下樓；
2．以該小車為載體，野外作業設施能夠實現上下運輸車輛的平穩裝卸及轉運，快速，機動地完成布置。
因此，這種上下階梯小車的設計，無論是從實際應用方面還是理論研究方面，都是具有很高價值的。
1.2設計背景
以前上下階梯工作或活動時，人們都是用人工或用手動的方式來實現的。上下階梯的設計，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。現在各國都爭相研制各種適于上下階梯的輪椅及其配套裝置。其中以聯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，社會上關于上下階梯裝置主要有兩種：可上下階梯的搬運裝置和上下階梯的電動輪椅裝置，而且都已申請了專利。上下階梯裝置的研究，對工業生產和社會生活有著積極的作用，解決了一些在生產活動和生活中遇到的難題。
可上下階梯的搬運裝置，其上方可承載各種物品，該裝置包括機架、設于該機架下方的兩個自由度的行星齒輪傳動機構及驅動機構。當搬運裝置在地面上行走時，借由驅動機構驅動傳動機構的驅動輪并自動根據地面情況決定該搬運裝置的輸出，當上階梯時，輪子因受到階梯的阻力而不動，使力量經由傳動機構由行星架輸出，以產生跨越階梯的動作，當下階梯時，驅動機構驅動該驅動輪，此時傳動機構自行選擇較省力的桿件作輸出，以實現下階梯的動作，而在平地行走時，驅動機構驅動該驅動輪，此時行星架不動，而力量經由傳動機構由輪子輸出，以完成平地行走。　
可上下階梯的電動輪椅裝置，在輪椅座上固定上下階梯和行走的履帶式傳動裝置，其履帶傳動裝置由主動輪，前后輪，履帶，前升降腿，后升降腿，電機等組成，主動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裝置，操作者可直接將輪椅上下階梯，而不必注意一級級臺階是否踩準，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械傳動上下非等高臺階的機械裝置。可實現自動行走和上下樓的殘疾人座椅和可實現上下運輸車輛的平穩裝卸及裝運的野外作業設施都是該裝置的一種。
上下階梯小車的設計，是以該小車為載體，對殘疾人座椅進行改造，可實現自動行走和上下樓；以該小車為載體，野外作業設施能夠實現上下運輸車輛的平穩裝卸及轉運，快速、機動地完成布置；且該小車經濟性好，可靠性高，維修方便。對上下階梯小車的研究設計，為它在生活，生產的應用做好鋪墊。
目前所研制出的各種階梯車主要有三大類：第一類是步進式階梯車，為斷續前進方式，其操作較復雜，工作效率較低。第二類是星形輪式階梯車，在上下階梯時其穩定性較差，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階梯車，其結構是將座椅、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、變速器、離合器和制動器等，履帶機構裝在車架的下部，在履帶機構的驅動軸上接有變速箱、驅動電機和制動機構等。這種電動階梯車在上下樓梯時要將車體部分全部分托起，僅僅一口履帶機構運行爬樓，因此為保證安全和托起車體的穩定，履帶機構比較龐大，控制機構復雜，運作不夠靈活，并且能力消耗較高。
1.3論文研究的內容和意義
針對輪式車輛上下階梯運動的不足之處，本文設想了一種全新的運輸設計平臺，并在實踐中證明這種理論是可行的。它繼承了輪式車輛移動速度快捷的特點，又具有上下階梯越障能力，在傳動系統設計上采用了齒輪傳動設計，結構相對簡單，工作可靠，控制方面，且具有很好的功能擴展性。作為一種運輸平臺，具有很廣闊的功能開發空間。
本論文主要完成了上下階梯小車的原理設計，方案選擇，機構的實現，各部分零件的設計與整機的裝配，并在此基礎上采用CATIA軟件建立了實體模型和進行虛擬裝配和運動仿真。
本課題研究的目的在于根據日常生活的需要，研制一種多能，簡單，實用的輪式上下階梯小車運輸平臺。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輸中的平臺。它可以適應各種地貌，能夠根據環境設定各種運行狀態，它的每個前端面均裝有一組高精度的限位開關和輪滾驅動系統，限位開關能夠準確的探測到地面狀態并及時對電機狀態進行調解。前后驅動輪安裝支架是用于上下階梯時，抬起車身，實現上下階梯運動。由于考慮到前后驅動輪要能驅動，才能在抬起車身時，帶動車身運動，所以采用了驅動源內置于前后驅動輪安裝支架上的設計。齒條用于與前后安裝支架組合，在齒輪的帶動下，帶動前后支架上下運動。在水平面上，車身靠后輪驅動來帶動。
該設計的目的是提供一種體積小，運作靈活，運行穩定的階梯車，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動車技術領域，特別是這種爬階梯車。目前8層以下的建筑物很少設置有電梯，這樣就給殘疾人上下樓梯帶來許多不便，市場上銷售的殘疾人，輪椅車的結構是在車架上設置有兩個轉輪，在支架的前端設置有兩個轉向輪，其缺點是該車在臺階或樓梯上很難運行，即使強制運行也會令乘坐者感到顛簸、跳動而不舒服。一般情況下遇到臺階或樓梯，往往需要幾個人抬上抬下，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動的階梯車。該小車是這樣實現的，它包括齒輪傳動、齒輪齒條通過電機實現上下階梯和在平地上運行，由于在上下階梯時的運動軌跡為直線，所以具有爬階梯時的無顛簸，無跳動優點。
該小車應用待輪椅上，可使輪椅具備爬梯的功能，從而方便病殘人群。該小車也課應用到旅游景點的旅游車上，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計及方案選擇
2.1上下階梯小車的基本原理
1.題目的內容及要求：
該設備用于非等高階梯，野外崎嶇不平路面運輸中，要求平穩裝卸及轉運的場合。四輪驅動并可自行調節。采用直線電機驅動，絲桿螺母或齒輪齒條機構實現。
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，限位開關10與地面接觸，這時觸頭被壓下，觸發主電動機M4轉動，驅動小車在水平方向上前進。此時電動機M1，M2處于非工作狀態。

圖2.1 水平行走示意圖
（2）上階梯
上階梯時，小車在水平行走的過程中主電動機M4工作，當小車限位開關8與垂直臺階面接觸時，觸發電動機M2工作。前升降齒輪帶動前齒條向下移動，前支腿下移。當前支腿碰到階梯時，觸發開關14工作，使電動機M1同時工作，后齒輪、齒條帶動后支腿向下伸出，前后同步下降，將小車抬起。當前齒條向下移動時，撞塊壓下行程開關15，電動機M1，M2停止工作，同時電動機M3工作。延時時間到則電動機M3停止，引發電動機M1，M2發轉，后支腿，前支腿向上，由行程開關17控制電動機M1，電動機M2停止。當前后支腿復位后，主電動機M4工作，小車繼續水平前行。
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