三輪爬樓機構安全省力設計

胡碧波 王琳 秦楠

摘 要：為解決三輪爬樓拉桿箱在上樓時不安全、費力的問題，我們運用物理、工程力學和人體結構等理論知識分析發現當輪軸僅能單向轉動時，能很好的解決此問題。基于實際拉桿箱結構，設計出了一種變形棘輪，可控制大輪轉動方向為單向或雙向，并建立形狀強度模型給生產設計提供校核方案。

關鍵詞 ：省力；安全；人體運動分析；形狀強度模型

1 設計背景及意義

本設計源于傳統三輪拉桿箱在實際使用中的不便。我們對其分析和改進設計，能大大降低其搭載過重物品爬樓梯時將使用者拉扯摔倒的可能性，同時減輕提物上樓的負擔。

2 本設計的核心思路

如“圖1”所示，本設計的核心思路是在三輪所圍繞的輪軸上加棘輪裝置。

（a） （b）

圖1 具體設計原理示意圖

在上樓梯時，棘輪處于工作狀態，此時輪軸僅能單向轉動，以達到上樓省力、安全的要求。在平地上時，可手動控制棘輪處于非工作狀態，此時輪軸可雙向轉動，以便能調整拉桿箱的傾角，使其更符合人的使用習慣。

3 結構設計說明

3.1 關于運動尺寸設計

如圖2所示，為使輪軸不與臺階接觸，需對尺寸r，L，R進行設計計算。

（a） （b）

圖2輪軸尺寸標注示意圖

線性規劃方程如下：

例如：輪子使用市輪滑鞋輪子，r=40mm。選取合理的R=71mm。此時，L<30.58mm 。

3.2 變形棘輪機構

（a） （b）

圖3變形棘輪爆炸圖

因“關于運動尺寸設計”限制，為保證棘輪齒數能達到所需要求，則設計了如 圖3。以剎車線構成傳動裝置，輔以模具彈簧回彈裝置，通過把手控制輪軸的轉向模式。

3.3 棘輪齒形設計

因空間和三輪拉桿箱的運動限制，我們將棘輪設計成如圖4所示，建立形狀模型，壓力角 ，形狀角 ，數量角 ，且存在 ，變形棘輪的齒形由 和 就能將完全確定。

圖4 棘輪形狀設計

3.4 變形棘輪齒形狀強度K值設計

為保棘輪在桿箱中能正常運作，且不影響拉桿箱本身的運動，對棘輪尺寸有所限制。棘輪工作狀態分為通常狀態和止逆狀態。在通常狀態下，棘輪做旋轉運動，爪齒做直線往復運動。此時損傷多為磨損。在止逆工作狀態下，損傷多為擠壓和碰撞，參考齒輪損傷常規處理方法，碰撞損傷按擠壓損傷的倍數進行計算修正。因變形棘輪本身形狀特殊，無可參照強度計算公式。所以建立一種僅與形狀有關的強度模型，單一參數確定強度以簡化計算。公式為

理論中存在兩個變量扭矩和體積，需要通過實驗檢驗它們對k值的影響。用控制變量法進行實驗。 設計實驗證明扭矩不會影響k值：隨機假定形狀角 與 數量角 。用有限元進行靜力分析。結果如圖5所示，扭矩不影響k值。

圖5扭矩對k值的影響

驗證體積對強度k值的影響時，實驗數據在一定范圍內呈現規律變化，但在兩極端體現出無規律變化，這說明k這一形狀強度參數僅適用于一定施力面積與體積比的范圍內。

（a） （b）

圖6 45鋼20CrMnTi和K值登高圖

如圖6所示，可用k值繪制強度登高圖，可通過k值快速確定其形狀變化范圍，也可通過形狀快速確定或比較強度。本模型可以推廣到單一形狀大小不等的零部件大規模生產設計中。

4 省力原理說明

如圖7所示，忽略摩擦因素時，傳統三輪拉桿箱上樓拉力周期內無限增長。實際操作中摩擦力支撐車身使拉力有上限。用拉力器進行隨機數據實驗表明最大拉力F約為重力的140%。分析人體機構，用數學模型進行估算。人在提重物是，至少會用到三角肌，肱三頭肌形成杠桿結構。設重物重G，則所有肌肉共施力2.7G+4kg。相比于提物上樓，傳統三輪機構省下的力即手臂肌肉組所負擔的力。

綜上所述，傳統的三輪拉桿箱勻速上樓時所需的是一種周期性的變力，且過半的行程中所需的力大于重力，但小于提物上樓人所需施加的力。

本設計的優勢在輪軸單向鎖死，不存在手臂肌肉施力過程。比傳統三輪爬樓拉桿箱最理想的狀態還要輕松，手臂在每一個爬樓運動周期里都有機會放松，不用負擔額外的力。

圖7 拉力F變化曲線示意圖

5 安全原理說明

三輪拉桿箱勻速上樓所需的力是一種周期性的變力。人所用的力也是一種周期性的變力。兩種周期運動雖然頻率一致，但施力時間不同。人在爬樓運動中會有某一刻僅有一條腿著地，且重心會移動調整。若拉桿箱的重量過大，則很可能將人往后拉倒。本設計將其單向鎖死，則三輪拉桿箱可隨時挺住，完全無需擔心向后的拉扯力所帶來的隱患。

6 結語

本設計能達到預期的安全、省力改進效果，但因本設計中的棘輪形式無法實現無間斷止逆，實際效果由卡齒數量決定。k值的強度模型在體積論證方面存在一定問題，但以能達到設計初衷。

參考文獻：

[1] 吳金友，李艷麗，范蟠果.無刷直流電機控制系統在電動自行車上的應用[J].電機與控制應用.2008（01）：63-65.

[2] 吳世訓，堀洋一.基于人類運動控制的用于電動輔助輪椅的重力抑制控制方法[J].河北工業大學學報.2007（02）：27-33.

[3] 褚文強，辜承林.電動車用輪轂電機研究現狀與發展趨勢[J].電機與控制應用.2007（04）：1-5.

[4] 王耀北，閆英敏，胡長義.基于DSP控制的IPM數字化直流伺服驅動系統設計[J].電氣傳動自動化.2006（05）：13-15.

[5] 李化良，林輝.基于DSP和CPLD的雙無刷直流電動機全數字控制[J].微電機： 伺服技術.2006（02）：42-45.

[6] 孫迪生，王同剛.新型電動輪椅的直流無刷伺服系統[J].伺服控制.

2006（01）：36-37.

[7] 唐鴻儒，宋愛國，章小兵.基于傳感器信息融合的移動機器人自主爬樓梯技術研究[J].傳感技術學報.2005（04）：828-833.

[8] 李笑，李瑰賢，趙永強，等.機械爬樓裝置的傳動系統方案研究[J].機械傳動.2005（04）：12-13.

[9] 蘇和平，王人成.一種雙聯星形輪機構電動爬樓梯輪椅的設計[J].中國臨床康復.2005（26）：144-145.

[10] 徐維廣，鄒江峰.智能功率模塊IGBT-IPM在逆變器中的應用[J].電氣應用.2005（04）：74-76.

本文系基金：大連科技學院大學生創新創業訓練計劃項目（20141215），可控變形棘輪機構的設計與性能研究，研究成果。