機械爬樓裝置的傳動方式和原理分析

周 平

（重慶移通學院智能工程學院，重慶 401520）

1 機械爬樓裝置軌道的分類

軌道式機械爬樓裝置是在樓梯上或者墻壁上安裝軌道，然后讓裝置承載著座椅沿著軌道完成上下樓的動作。軌道是按照裝置的運行軌跡面分類的，運行軌跡面指軌道的軸線垂直于樓梯表面的面，如果運行軌跡面為平面，那么軌道為直軌，直軌的形式也多種多樣，如圖1 所示。如果運行軌跡面為曲面，那么軌道為彎軌，同樣彎軌的形式也有很多種，如圖2 所示。根據這個定義，可知直軌一般只能安裝在單層樓梯上，不能安裝在多樓層的房屋，多層樓房只能通過彎軌來實現過渡。基于直軌圓型軌道的實用性強，外表光滑不易擦傷乘坐者，而且圓型軌道很適合布置在轉彎處，圓形軌道具有良好的力學性能。本文設計的機械爬樓裝置將采用圓型軌道，如圖3 所示。軌道式機械爬樓裝置的乘坐裝置一般都會選用旋轉式座椅，旋轉式座椅不僅舒適且安全性很高。旋轉式座椅在隨著裝置上下樓梯運動時要隨時與地面保持水平位置，這稱為座椅的垂位特性。采用控制解決座椅的垂位問題不但可以省去安裝副導軌，還可以讓裝置擁有更小的空間占比。為了保證裝置有更高的運動精度，一般在裝置上選擇合適的位置安裝傳感器，從而控制裝置的上下樓運動。裝置考慮到安全性，必須裝配合適的蓄電池，預防突然斷電的情況，驅動裝置所用直流電機。采用蝸輪蝸桿或者自鎖電機保證裝置安全自鎖。

圖1 直軌的結構形式

圖2 彎軌的結構形式

圖3 圓型軌道截面簡圖

2 直軌、彎軌的傳動方式

軌道式機械爬樓裝置的傳動方式主要包括鋼絲繩牽引傳動、鏈傳動、螺旋傳動和齒輪齒條嚙合傳動這四種傳動方式。

1）鋼絲繩牽引傳動的優點有傳遞距離長、安裝簡單、本身無摩擦、無需潤滑，成本相對較低。鋼絲繩牽引傳動有上牽引和自身牽引兩種方式。在樓梯的頂部分別安裝電動機和卷揚機，然后通過電動機帶動卷揚機的轉動，實現纏繞鋼絲繩拉動裝置的上下樓運動的方式稱為上牽引。雖然鋼絲繩牽引的傳動方式十分容易搭建，但是使用鋼絲繩牽引都會存在兩個問題：一是長時間使用鋼絲繩，會造成鋼絲繩逐漸損耗，長時間損耗會出現斷繩的危險；二是鋼絲繩在卷入和卷出卷揚機時，會存在一定的波動，會讓裝置出現輕微的連續抖動，降低乘坐者的舒適性，鋼絲繩牽引傳動在直軌中的應用比較普遍[1]。

2）鏈傳動在成本方面比鋼絲繩牽引傳動的成本還要低一些，鏈傳動和齒輪傳動都是依靠輪齒嚙合進行傳動的，所以鏈傳動具有齒輪傳動的一部分優勢，而且其安裝精度比齒輪傳動低很多。鏈傳動的優勢有受力較好，承載能力較大，并且具有一定的緩沖和減震性能，中心距也可以適當調節，鏈條不需要和支撐導向裝置摩擦做功，所以磨損、伸長緩慢，也不需要花費大量的人力和物力去調節鏈條的張力和更換鏈條，并且在嚴酷的工作環境下也可以照常工作。鏈傳動的缺點是輸出速度不穩定，不能保證恒定的瞬時傳動比，工作有噪聲，磨損后容易發生跳齒情況。

3）螺旋傳動的工作方式是螺桿自旋，螺母與螺桿旋合，螺母沿著螺桿的方向來回運動，螺母安裝在裝置上帶動裝置來回做直線運動。因為其運動方式主要是旋轉運動，力并不是在一條直線上，所以在運動時會有一定的抖動。其優勢有旋轉運動時會用比較小的轉矩就能得到較大的推力，并且傳動效率很高，傳動靈敏且平穩，具有自鎖功能。缺點是若螺桿長度達到一定值時，橫向放置時會由于自重使軸線產生彎曲，從而產生導程累積誤差，導致裝置抖動加重。

4）齒輪齒條傳動是一種在社會生活中經常看見的普遍傳動。齒輪齒條傳動較前幾種傳動方式，優勢十分的明顯。首先制造成本不高，特別是傳動的平穩性好。缺點是齒輪齒條傳動需要定期的加潤滑劑，齒輪齒條傳動時會有磨損。本文的爬樓裝置對其平穩性的要求很高，齒輪齒條傳動能同時滿足直軌和彎軌，不用分別對直軌和彎軌設計和維護，可以大大降低制造的成本，所以齒輪齒條傳動是十分好的選擇[2]。

本文在彎軌上選用齒輪齒條傳動，既能保證裝置的平穩性，又能保證乘坐者的安全性和舒適性，同時還能滿足直軌和彎軌傳動方式一致，所以齒輪齒條傳動是最優的選擇。

2 軌道式機械爬樓裝置的總體結構設計

2.1 系統的方案設計

結合軌道式機械爬樓裝置以下兩方面的優勢，一方面是采用特殊的漸開線圓柱齒輪齒條傳動作為傳動系統，且傳動的連續性較好，能實現空間上的運動軌跡。另一方面在設計時考慮到樓梯軌道與地面有一定的傾角，在設計時利用程序控制座椅的水平性，且裝置的結構本身具有自鎖性，能夠有效地保證裝置的安全性能。機械爬樓裝置有驅動裝置、傳動機構、軌道、導引機構和座椅等。承力部分主要是軌道，軌道按照截面形狀分為圓型軌道、工字型軌道、帆板型軌道。根據上文可知，本文裝置的軌道將采用圓型軌道，因為其連續性比較好，容易加工、美觀、表面平滑，同時擁有良好的力學性能。軌道式機械爬樓裝置模型如圖4 所示。

圖4 軌道式機械爬樓裝置模型

本裝置由具有自鎖功能的直流電機驅動。同時裝備蓄電池為其供電。考慮到整個裝置的安全問題，除了選擇自鎖電機來保障安全，在減速裝置上還選擇了同樣具有自鎖功能的蝸輪蝸桿保障乘坐者的安全問題。

作為裝置最重要的部分之一的導引機構，具有轉向的功能，并還具有定位的作用，機構中安裝的傳感器，用來探測軌道的水平度以及豎直方向上的轉角。

除了從舒適的角度來設計座椅的結構，還需要對控制部件和一些電纜線路進行合理的安裝。控制機構的作用是隨時保持座椅與地面的相對水平，也就是座椅的垂位控制。轉向機構中的傳感器可以為其提供反饋信號。

座椅和踏板本身就是一個整體，兩者之間由支架連接，同時其與裝置本體連接以鉸接形式連接。支架和座椅可以在本體上做一定角度的轉動，即使裝置本體與地面傾斜了一定的角度，座椅可以在控制系統的控制下始終與地面保持水平。

為了進行機械爬樓裝置的結構設計，可以參考下面的系數進行設計：

圓形軌道截面的外徑為100 mm，壁厚為5 mm；爬樓裝置的最大承載質量為100 kg，爬樓裝置的總質量為125 kg；軌道傾角根據樓梯角度而定，其范圍在30°～60°之間；裝置勻速運動時的速度為0.1～0.2 m/s，轉彎時可控制其適當減速；電機功率為300～500 W。

2.2 機構運動原理

本文裝置的驅動裝置是帶有自鎖功能的直流電機，然后通過驅動裝置和減速裝置，以及各中間環節帶動齒輪運轉，并與軌道下端安裝的齒條相嚙合，從而實現整個爬樓裝置沿軌道的上下運動。當遇到轉彎時，由導引機構調整齒輪嚙合方向，從而保證裝置的順利轉彎。同時通過控制系統調整座椅與地面的水平位置。

當控制系統收到傳感器傳來的反饋信號時，裝置會實現自動停車或者返回，此時說明裝置遇到了障礙物。出現故障時電機和減速裝置的自鎖裝置可以保證乘坐者的安全。

2.3 爬樓裝置的傳動部分

爬樓裝置的傳動部分由兩部分組成，即蝸輪蝸桿減速裝置、驅動齒輪和齒條傳動。本文主要介紹驅動齒輪和齒條。本文設計的漸開線柱齒圓柱齒輪能有效的防止在轉彎時的脫軌情況，如果用普通的漸開線齒輪，很有可能在轉彎時由于齒輪齒條的干涉使整個裝置脫離軌道，嚴重威脅乘坐者的安全，如果使用漸開線柱齒圓柱齒輪驅動，齒輪齒條就不會干涉，能很好地平穩過彎。本文運用的齒輪齒條傳動為漸開線柱齒圓柱齒輪齒條嚙合，作用主要是裝置在轉彎的情況下防止齒輪齒條嚙合時相互干涉的情況，齒輪齒條相互干涉可能會導致整個裝置脫軌。一般的漸開線齒輪并不能適應在彎軌的工作條件下工作。

3 結語

在現代社會中，根據法律規定6 層以下的樓房都可以不用配置電梯，況且很多公共場所包括私人住宅中都有越層結構，這樣的結構對許多老人和行動不便的人造成了生活上的不便，本文提出的機械爬樓裝置是在樓梯上安裝，在程序控制的操縱下完成上下樓。為了實現機械爬樓轉置平穩運行，本文介紹了機械爬樓裝置軌道的分類和直軌、彎軌的傳動方式，提出了漸開線柱齒圓柱齒輪齒條傳動機構。后期對漸開線柱齒圓柱齒輪和空間齒條的具體結構參數可以進行更加細致的設計和強度計算，最終建立一個更加嚴謹的傳動系統動力學方程。