電動爬樓載物車傳動系統的設計與動力學仿真

陳延偉， 梁白冰， 劉洪螢

（長春工業大學 機電工程學院，長春 130012）

0 引言

在現代生活中，人們追求更高品質的生活質量逐漸成為第一需求。因此，為提高人們的生活質量，減輕爬樓攜物的勞動量，研發具有實際開發性的爬樓載物輔助裝置也應運而生。

日趨嚴重的社會老齡化，以及如何提高體力勞動者效率，成為我國面對的重大社會服務問題。一些城鎮的中低層樓房，以及物流配送貨物過程中，在不具備電梯的情況下，體力消耗很大且效率不高。因此，研發設計能同時滿足多種復雜路況具有翻爬功能的智能載物車已成為當前服務機器人領域研究的重點問題之一。國外在爬樓載物車方面的研究已處于世界先進水平，技術相對成熟，并已投入生產，但其價格昂貴，國內用戶消費不起，真正走進大眾市場為時尚早。我國在爬樓車的研究起步較晚，國內一些代表企業也自主研發了爬樓車，并有小規模的量產，價格相對國外產品要低廉很多。但國內企業的技術略顯粗糙，結構較為單一，生產的爬樓車在實用和操作性等方面存在很多不足，大批量生產為時尚早。因此設計出一種滿足成本低廉、結構合理、重量輕等要求的爬樓載物車具有很大的市場前景與空間。

基于上述考慮，選擇步進支撐式驅動形式，設計出一種基于鏈傳動的鏈腳式爬升機構，能夠實現攀爬平穩的過程。目前設計出一種傳動方案具有承載能力大、結構緊湊、價格低廉的特點，為實現批量化生產的奠定基礎，因此有著較為廣闊的市場前景。

1 爬樓載物車傳動部分的設計

1.1 現有爬樓載物車的傳動系統分析

在爬樓過程中，電動爬樓載物車需滿足的具體參數如下：1）爬樓車總重量≤30 kg；2）載荷≤80 kg；3）爬樓梯速度為1～10階/min；4）樓梯尺寸按照《建筑樓梯模數協調標準》選取進行計算。

經過計算爬樓載物車在爬升過程中需滿足的運動參數如下：爬升過程克服的阻力矩為M=109.96 N·m；輸出端鏈輪角速度ω=1.63 rad/s；鏈輪轉速n=w×60/2π=1.63÷（2×3.14）×60=15.57 r/min。

傳動系統動力源選用57BLF03型無刷直流電機。電機主要性能參數見表1。

表1 無刷直流電機主要性能參數

再根據電動機的參數，總傳動比為i=n電機/n=3 000÷15.57≈193。

在爬升裝置設計過程中，根據傳動系統在滿足結構緊湊、降速較大、扭矩傳遞較大的要求下，盡可能地降低加工成本，重新研究了鏈傳動、蝸輪蝸桿傳動、齒輪傳動等傳動形式，通過分析對比幾種傳動機構的優缺點，在滿足傳動要求的基礎上，決定采用同步帶、齒輪、鏈傳動相結合的方式實現降速過程，使得傳動裝置整體設計滿足以上各個要求。

合理地分配總傳動比即各級傳動比如何取值，是傳動方案設計的關鍵問題，它將直接影響到傳動裝置的外廓尺寸、重量及潤滑條件等。

總傳動比分配的一般原則：1）各級傳動比都應在常用的合理范圍內，以符合各種傳動形式的工作特點，并使結構比較緊湊；2）盡量使傳動裝置外廓尺寸或重量較小；3）使各級傳動尺寸協調，結構勻稱合理，便于安裝。

爬樓載物車的傳動機構原理簡圖如圖1所示。

圖1 傳動機構原理圖

1.2 鏈腳式電動爬樓載物車整體建模

在現代產品開發過程中，計算機輔助設計（CAD）變得更加重要。當代計算機輔助設計能夠快速實現設計者的思想，并能直觀醒目地將設計思想呈現出來，這樣既縮短了設計周期，也節約了開發成本。對爬樓載物車傳動系統的實體模型建立以及結構設計是項目進行中不可缺少的步驟。本文設計采用的是SolidWorks三維建模軟件進行實體模型的搭建。

根據設計的原理圖利用SolidWorks搭建其三維實體模型如圖2所示。

圖2 設計的傳動系統建模

2 爬樓載物車傳動部分動力學仿真

爬樓載物車傳動系統的運動仿真過程，是在已建立的虛擬樣機的模型基礎上，設定相應的約束關系，給定驅動的運動狀態，模擬運動形式而得出爬樓載物車傳動系統的運動速度、扭矩、力等情況。這里將使用已搭建好的虛擬樣機模型進行可視化動力學仿真，近似模擬爬樓載物車傳動系統的運動情況，了解其運動過程中轉速、扭矩以及力的變化，驗證爬樓過程的可靠性。

本文用ADAMS對傳動系統進行仿真分析，將已經建好的傳動系統三維實體模型導入到ADAMS中，對所需添加的約束進行定義，施加運動副，并對同步帶與同步帶輪之間，齒輪之間，鏈輪之間添加接觸力，ADAMS中建好的三維實體模型如圖3所示。

圖3 ADAMS中的傳動系統模型

完成各構件間的約束和接觸力后，對同步帶小帶輪輸入3 000 r/min的轉速，設定仿真時間為30 s，步數為100步，進行整體傳動系統的仿真。

通過仿真，得出輸出端的轉速曲線圖4，圖中曲線在95.446 35°/s（15.91 r/min）周圍波動，滿足理論計算的15.63 r/min第三級輸出要求。

圖4 輸出端輸出轉速圖

接下來進行輸出扭矩的仿真驗證，在ADAMS模型中，對同步帶小帶輪以STEP函數輸入0.6 N·m的扭矩，設定仿真時間為3 s，步數為10步，進行輸出扭矩的仿真。

通過仿真運算，最終得出輸出端的扭矩曲線如圖5所示，圖中曲線在達到1s穩定輸出以后，在1.125E+005N·mm（112.5 N·m）周圍波動，滿足理論計算的110.66 N·m第三級輸出扭矩要求。

圖5 輸出端輸出扭矩圖

通過ADAMS得出最終輸出軸的輸出轉速和輸出扭矩曲線，即可驗證所選的直流無刷電機符合工作要求。

對系統模擬0.5 s 1 000步傳動狀態，取出齒輪質心的坐標受力圖，如圖6所示：

圖6 齒輪質心受力圖

圖6 可以看出在啟動階段，齒輪副的嚙合力的波動幅度逐漸增大，0.1 s左右達到最大，后又遞減；在開始階段齒輪副嚙合力幅度逐漸增大；到平穩運轉階段后，齒輪的嚙合力在傳動中的靜載荷周圍做波動，波動幅度具有穩定的周期特性，反映出了齒輪傳動過程中的剛度激勵特點。

3 結語

本文在結合比較各種傳動方式優缺點后，通過同步帶、齒輪、鏈傳動3種方式的巧妙結合，設計了一套布局合理、輸出穩定的傳動機構，并對設計的傳動系統進行傳動比分配，通過SolidWorks對實體模型進行了搭建，最后通過ADAMS對整個傳動系統進行了動力學仿真，利用虛擬樣機技術驗證了該傳動系統的可行性。

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