多功能商品載運(yùn)爬樓車的機(jī)械設(shè)計(jì)與研究

婁季楠 桂 偉 張盼盼 康渝佳 李 洲 李 霞

（武漢商學(xué)院 機(jī)電工程與汽車服務(wù)學(xué)院，武漢 430056）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物越來(lái)越廣泛的成為廣大消費(fèi)者的一種購(gòu)物模式。但是，由于我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀和其他方面的原因，大多數(shù)低于七層的普通居民樓還沒(méi)有安裝電梯，居民及送貨員上下樓搬運(yùn)貨物很不方便。大量網(wǎng)購(gòu)商品的派送加重了送貨員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而像電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等大件商品的搬運(yùn)更加費(fèi)力且不能保證商品和送貨員的安全。在已有的有關(guān)爬樓機(jī)的文獻(xiàn)中，王淑坤提出的多適應(yīng)性輪履復(fù)合載物移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),于蔚然對(duì)可折疊爬樓助力小車進(jìn)行了創(chuàng)新優(yōu)化,劉柄辰設(shè)計(jì)、研究了一種新型全控式自平衡爬樓車,曹沖振仿真分析并且優(yōu)化設(shè)計(jì)了曲柄搖桿式載貨爬樓車的應(yīng)用[1-4]。目前市場(chǎng)上具有爬樓功能、平臺(tái)升降功能的運(yùn)貨車功能單一，而且所有運(yùn)貨車中都沒(méi)有用于鎖緊商品的機(jī)構(gòu)，增加了搬運(yùn)過(guò)程中商品從運(yùn)貨車上摔下的風(fēng)險(xiǎn)。因此，依據(jù)現(xiàn)有市場(chǎng)上小車的功能特點(diǎn)，本文提出了研究一種價(jià)格低廉，具有平臺(tái)升降、商品鎖緊以及機(jī)械爬樓等功能的運(yùn)貨小車的方案，并根據(jù)方案對(duì)多功能商品載運(yùn)爬樓車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 爬樓車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

我國(guó)《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：普通樓梯的高度為140～210mm，本設(shè)計(jì)爬樓車要能適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的樓梯尺寸范圍。

1.1 基本結(jié)構(gòu)組成

爬樓車主要由圓盤、圓盤座、滑槽、圓盤鑲嵌短軸、搖桿、曲柄、曲柄盤、車側(cè)板、v型皮帶、四輪帶輪等構(gòu)成，如圖1和圖2所示。

1.2 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)過(guò)程

通過(guò)銷釘螺栓將圓盤與圓盤座鏈接在一起，圓盤可以在銷釘螺栓上自由轉(zhuǎn)動(dòng)，滑槽套在圓盤鑲嵌短軸上，且圓盤鑲嵌短軸可以自由滑動(dòng)，保證圓盤能夠正常傳動(dòng)。搖桿與曲柄通過(guò)螺栓鏈接，曲柄與曲柄短軸鉸鏈接，曲柄盤套在軸承上，軸承套在階梯軸緊固在車側(cè)板上。曲柄盤與四輪帶輪通過(guò)A24型號(hào)的V型皮帶連接。通過(guò)扳動(dòng)圓盤鑲嵌短軸轉(zhuǎn)動(dòng)，短軸在滑槽中左右滑動(dòng)并且?guī)?dòng)滑槽上下旋動(dòng)。然后滑槽通過(guò)銷釘螺栓為軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)搖桿旋轉(zhuǎn)并且傳遞動(dòng)力，搖桿經(jīng)過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄帶動(dòng)曲柄盤360°旋轉(zhuǎn)。曲柄盤通過(guò)V型皮帶帶動(dòng)四輪帶輪以相同的線速度旋轉(zhuǎn)。

圖1 爬樓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

圖2 平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖

2 貨物升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基本結(jié)構(gòu)組成

貨物升降機(jī)構(gòu)主要由支撐平臺(tái)、液壓推桿、桿（剪臂）、升降軸、滑行桿、卡位齒、腳拉桿、彈簧、搖桿等組成，如圖3所示。

2.2 貨物升降原理及工作過(guò)程

該剪叉式升降裝置工作過(guò)程中，平臺(tái)初始位置位于最低點(diǎn)，平臺(tái)上水平面與車架上水平面平齊，同時(shí)滑行桿被卡位齒條卡位在齒槽中，不能自由滑行。當(dāng)小車需要遞接貨物的時(shí)候，通過(guò)用腳來(lái)向后拉動(dòng)腳拉環(huán)，同時(shí)搖桿下擺，卡位齒條齒槽下降，滑行桿受液壓力滑行，平臺(tái)上升。當(dāng)平臺(tái)上升到所需高度時(shí)，便可抬腳移除腳拉力，同時(shí)搖桿受到彈簧彈力，自動(dòng)上擺回位，滑行桿再次被卡在卡位齒條的齒槽中，不能自由移動(dòng)，平臺(tái)不再上升。

圖3 貨物升降機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)組成

在未裝載貨物之前，承載平臺(tái)已升到指定平齊高度，然后可以將所需運(yùn)載貨物轉(zhuǎn)移到平臺(tái)。將貨物轉(zhuǎn)移到平臺(tái)后，接著便可再次用腳拉動(dòng)腳拉桿，解除滑行桿移動(dòng)限制，載貨平臺(tái)可以自由下降，但由于有液壓桿的推力作用，滑行桿只能緩慢的滑行，從而達(dá)到了了緩降承載平臺(tái)的目的，保證了所運(yùn)載貨物的安全轉(zhuǎn)移。

3 棘齒三角架設(shè)計(jì)

棘齒三角架的基本結(jié)構(gòu)組成：卡槽側(cè)桿、卡槽豎桿、齒條、預(yù)緊彈簧和固定桿，如圖4所示。

圖4 棘齒三角架三維示意圖

棘齒三角架的作用：通過(guò)調(diào)節(jié)卡槽豎桿與齒條的結(jié)合位置，可以對(duì)裝載在小車上的不同大小的貨物進(jìn)行卡位穩(wěn)固，防止貨物搖晃受損。

4 輪組爬樓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪組爬樓原理及工作過(guò)程如圖5所示。本輪組爬樓機(jī)構(gòu)主要由大輪、第一小輪、第二小輪、輪架、帶輪四部分組成。該爬樓行星輪類似于四葉草結(jié)構(gòu)，每片葉子上裝有一大兩小共3個(gè)輪子，整個(gè)行星輪共有12個(gè)輪子。該行星輪爬樓時(shí)，動(dòng)力來(lái)自于帶輪，即，人通過(guò)作用力間接搖動(dòng)帶輪運(yùn)動(dòng)，從而帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)又帶動(dòng)四輪輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)爬樓功能。由于樓梯階梯高低不同，該爬樓行星輪組針對(duì)不同高度的階梯設(shè)計(jì)了多組小輪，這些小輪可以根據(jù)不同的情況起到減小行星輪組在爬樓時(shí)的大幅震動(dòng)作用，輔助爬樓小車載貨穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 行星輪組三維示意圖

4.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

本行星輪組在設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)臺(tái)階高度加入減震小輪，設(shè)計(jì)計(jì)算如下。

（1）臨界點(diǎn)一

行星輪組在爬樓梯翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，兩小輪同時(shí)與臺(tái)階接觸，模型簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 行星輪組爬樓示意簡(jiǎn)圖

圖7 行星輪組爬樓幾何示意圖

由行星輪組機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖6可得，AB=BD=DE=AE=R=25.00mm（其中R為大輪半徑），r=10mm（小輪半徑），BC=62.62mm（兩軸心距離），此時(shí)樓梯實(shí)際高度為H。

根據(jù)行星輪組機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系圖7可得：在△BCD中，

（2）臨界點(diǎn)二

行星輪組在爬樓梯翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，第二小輪與臺(tái)階直角接觸，并且此時(shí)第一輪恰好能與臺(tái)階面相切，模型簡(jiǎn)圖如圖8所示。CE=DC＋DE。

圖8 行星輪組爬樓示意簡(jiǎn)圖

圖9 行星輪組爬樓幾何示意圖

由行星輪組機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖8可得，AB=BG=GK=AK=R=25.00mm（其中R為大輪半徑），r=10mm（小輪半徑），BC=62.62mm（兩軸心距離），CF=r，∠β=125.12°（三軸心行成的夾角大?。?，CD=27.18mm（兩小輪軸心距離），DE=r，此時(shí)樓梯實(shí)際高度為H。

根據(jù)行星輪組機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系（如圖9所示）可得：

進(jìn)一步求解得：

GF=60.65mm；BF=65.60mm；FD=18.30mm；

β1=103.03°；β2=22.09°；α1=22.40°；

α2=68.43°；α3=146.06°；α4=33.11°

則樓梯高度：H=KG+GF=60.65+25=85.65mm

（3）臨界點(diǎn)三

行星輪組在爬樓梯翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，第二小輪恰好于臺(tái)階直角接觸并相切，模型簡(jiǎn)圖如圖10所示。

圖10 行星輪組爬樓示意簡(jiǎn)圖

圖11 行星輪組爬樓幾何示意圖

由圖10可得，AB=BE=EF=AF=R=25.00mm（其中R為大輪半徑），r=10mm（小輪半徑），CD=r，BC=76.76mm（大輪軸心與第一小輪軸心之間的距離），此時(shí)樓梯實(shí)際高度為H。

根據(jù)行星輪組機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系（如圖11所示）可得：

四邊形DEGC為矩形；GE=CD=r=10mm；CG=DE；BG=BEGE=25-10=15mm；在△ BGC中，DE=CG=75.28mm。則此時(shí)樓梯高度H=DF=DE+EF=75.28+25=100.28mm。

綜合上述三種臨界點(diǎn)所得階梯高度可得，本行星輪組可適用于樓梯階梯高度范圍為0～100.28mm。當(dāng)樓梯范圍在72.41～85.65mm時(shí)，第一小輪和第二小輪都起到減震作用；當(dāng)樓梯范圍在85.65～100.28mm或者0～72.41mm時(shí)，第一小輪起到減震作用。實(shí)際小車的尺寸為模型小車尺寸的兩倍，則實(shí)際行星輪組可適用于樓梯階梯高度范圍為0～200.56mm。當(dāng)樓梯范圍在144.82～171.30mm時(shí)，第一小輪和第二小輪都起到減震作用；當(dāng)樓梯范圍在171.30～200.56mm或者0～144.82mm時(shí)，第一小輪起到減震作用。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有爬樓車結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及用途的增加，提出了一種多功能商品載運(yùn)爬樓車的設(shè)計(jì)方案。增加了減震小輪，提高了爬樓車的爬升緩沖力。同時(shí)增加了棘齒三腳架，保證了商品運(yùn)輸過(guò)程的穩(wěn)定性。通過(guò)理論分析論證了設(shè)計(jì)的可行性，實(shí)際測(cè)試表明多功能商品載運(yùn)爬樓車的運(yùn)輸爬樓效果較好。