第一章 绪论
1.1引言
上下阶梯是普通日常生活活动中的一种，那些在大量不设电梯的七层以下的住宅楼房居住的居民，尤其是那些老年人和残疾人，在生活上就会有诸多不便。目前无论乡镇还是城市无一不在飞速发展，其中阶梯不少。如上下汽车、地铁火车有阶梯；横过马路或须上下人行道或须登越人行天桥或须窜越地下通道有阶梯；城市居民走亲访友，或送货上门也免不了爬楼下梯；楼上地下商场比比皆是，更免不了爬楼下梯；名山景点，山坡城市更是不计其数。这些阶梯对那些肩背手捉旅行之人，对以送货上门为职业的工人及商家；对那些早没晚收流动商贩等等人群，跨越攀登这些阶梯时艰难费力。
基于以上种种因素的考虑，我们设想能不能设计个上下阶梯小车，再在小车设计的基础上改装，解决人们在生活中遇到的上下阶梯难题。该小车的设计，方便了人们的生活，具体表现在：
1．以该小车为载体，对残疾人座椅进行改造，可实现自动行走和上下楼；
2．以该小车为载体，野外作业设施能够实现上下运输车辆的平稳装卸及转运，快速，机动地完成布置。
因此，这种上下阶梯小车的设计，无论是从实际应用方面还是理论研究方面，都是具有很高价值的。
1.2设计背景
以前上下阶梯工作或活动时，人们都是用人工或用手动的方式来实现的。上下阶梯的设计，老年人、病残人可以借助它轻松自如地上下阶梯，而不再需求助他人。现在各国都争相研制各种适于上下阶梯的轮椅及其配套装置。其中以联邦德国新近研制的履带式轮椅配套上下阶梯装置尤为人欣赏。目前，社会上关于上下阶梯装置主要有两种：可上下阶梯的搬运装置和上下阶梯的电动轮椅装置，而且都已申请了专利。上下阶梯装置的研究，对工业生产和社会生活有着积极的作用，解决了一些在生产活动和生活中遇到的难题。
可上下阶梯的搬运装置，其上方可承载各种物品，该装置包括机架、设于该机架下方的两个自由度的行星齿轮传动机构及驱动机构。当搬运装置在地面上行走时，借由驱动机构驱动传动机构的驱动轮并自动根据地面情况决定该搬运装置的输出，当上阶梯时，轮子因受到阶梯的阻力而不动，使力量经由传动机构由行星架输出，以产生跨越阶梯的动作，当下阶梯时，驱动机构驱动该驱动轮，此时传动机构自行选择较省力的杆件作输出，以实现下阶梯的动作，而在平地行走时，驱动机构驱动该驱动轮，此时行星架不动，而力量经由传动机构由轮子输出，以完成平地行走。
可上下阶梯的电动轮椅装置，在轮椅座上固定上下阶梯和行走的履带式传动装置，其履带传动装置由主动轮，前后轮，履带，前升降腿，后升降腿，电机等组成，主动轮由支架固定在轮椅座上，通过防滑履带分别与前轮，后轮相连接，前，后升降腿控制前，后轮的升降，由于采用了履带式传动装置，操作者可直接将轮椅上下阶梯，而不必注意一级级台阶是否踩准，操作方便，特别适于广大伤残者外出使用。
上下阶梯装置都是依靠机械传动上下非等高台阶的机械装置。可实现自动行走和上下楼的残疾人座椅和可实现上下运输车辆的平稳装卸及装运的野外作业设施都是该装置的一种。
上下阶梯小车的设计，是以该小车为载体，对残疾人座椅进行改造，可实现自动行走和上下楼；以该小车为载体，野外作业设施能够实现上下运输车辆的平稳装卸及转运，快速、机动地完成布置；且该小车经济性好，可靠性高，维修方便。对上下阶梯小车的研究设计，为它在生活，生产的应用做好铺垫。
目前所研制出的各种阶梯车主要有三大类：第一类是步进式阶梯车，为断续前进方式，其操作较复杂，工作效率较低。第二类是星形轮式阶梯车，在上下阶梯时其稳定性较差，且体积较大，在窄小的楼梯上使用有所不便。第三类是履带式电动阶梯车，其结构是将座椅、前后车轮和电控盒等固定安装在车架上，在后车轮的轮轴上装有轮毂电机、变速器、离合器和制动器等，履带机构装在车架的下部，在履带机构的驱动轴上接有变速箱、驱动电机和制动机构等。这种电动阶梯车在上下楼梯时要将车体部分全部分托起，仅仅一口履带机构运行爬楼，因此为保证安全和托起车体的稳定，履带机构比较庞大，控制机构复杂，运作不够灵活，并且能力消耗较高。
1.3论文研究的内容和意义
针对轮式车辆上下阶梯运动的不足之处，本文设想了一种全新的运输设计平台，并在实践中证明这种理论是可行的。它继承了轮式车辆移动速度快捷的特点，又具有上下阶梯越障能力，在传动系统设计上采用了齿轮传动设计，结构相对简单，工作可靠，控制方面，且具有很好的功能扩展性。作为一种运输平台，具有很广阔的功能开发空间。
本论文主要完成了上下阶梯小车的原理设计，方案选择，机构的实现，各部分零件的设计与整机的装配，并在此基础上采用CATIA软件建立了实体模型和进行虚拟装配和运动仿真。
本课题研究的目的在于根据日常生活的需要，研制一种多能，简单，实用的轮式上下阶梯小车运输平台。上下阶梯小车是一种用于非等高阶梯，野外崎岖不平路面运输中的平台。它可以适应各种地貌，能够根据环境设定各种运行状态，它的每个前端面均装有一组高精度的限位开关和轮滚驱动系统，限位开关能够准确的探测到地面状态并及时对电机状态进行调解。前后驱动轮安装支架是用于上下阶梯时，抬起车身，实现上下阶梯运动。由于考虑到前后驱动轮要能驱动，才能在抬起车身时，带动车身运动，所以采用了驱动源内置于前后驱动轮安装支架上的设计。齿条用于与前后安装支架组合，在齿轮的带动下，带动前后支架上下运动。在水平面上，车身靠后轮驱动来带动。
该设计的目的是提供一种体积小，运作灵活，运行稳定的阶梯车，也提供一种适于在怕阶梯车上使用的怕阶梯车用变形轮。
上下阶梯车涉及非机动车技术领域，特别是这种爬阶梯车。目前8层以下的建筑物很少设置有电梯，这样就给残疾人上下楼梯带来许多不便，市场上销售的残疾人，轮椅车的结构是在车架上设置有两个转轮，在支架的前端设置有两个转向轮，其缺点是该车在台阶或楼梯上很难运行，即使强制运行也会令乘坐者感到颠簸、跳动而不舒服。一般情况下遇到台阶或楼梯，往往需要几个人抬上抬下，很不方便。
上下阶梯车的目的是提供一种通过齿轮、齿轮齿条带车轮沿阶梯水平运动的阶梯车。该小车是这样实现的，它包括齿轮传动、齿轮齿条通过电机实现上下阶梯和在平地上运行，由于在上下阶梯时的运动轨迹为直线，所以具有爬阶梯时的无颠簸，无跳动优点。
该小车应用待轮椅上，可使轮椅具备爬梯的功能，从而方便病残人群。该小车也课应用到旅游景点的旅游车上，使得具备爬阶梯功能，以方便游客。
第二章 上下阶梯小车的原理设计及方案选择
2.1上下阶梯小车的基本原理
1.题目的内容及要求：
该设备用于非等高阶梯，野外崎岖不平路面运输中，要求平稳装卸及转运的场合。四轮驱动并可自行调节。采用直线电机驱动，丝杆螺母或齿轮齿条机构实现。
该小车的工作原理可分为三种情况：（1）平路行走 （2）上阶梯 （3）下阶梯
（1）平路行走
如图1所示，小车在平路行走时，限位开关10与地面接触，这时触头被压下，触发主电动机M4转动，驱动小车在水平方向上前进。此时电动机M1，M2处于非工作状态。
图2.1 水平行走示意图
（2）上阶梯
上阶梯时，小车在水平行走的过程中主电动机M4工作，当小车限位开关8与垂直台阶面接触时，触发电动机M2工作。前升降齿轮带动前齿条向下移动，前支腿下移。当前支腿碰到阶梯时，触发开关14工作，使电动机M1同时工作，后齿轮、齿条带动后支腿向下伸出，前后同步下降，将小车抬起。当前齿条向下移动时，撞块压下行程开关15，电动机M1，M2停止工作，同时电动机M3工作。延时时间到则电动机M3停止，引发电动机M1，M2发转，后支腿，前支腿向上，由行程开关17控制电动机M1，电动机M2停止。当前后支腿复位后，主电动机M4工作，小车继续水平前行。
运动示意图如下
a)水平行走至上台阶 b)前端齿条下移
c)上台阶行走
图2.2 上阶梯示意图
3）下阶梯
下阶梯时，当小车在水平运动过程中限位开关10悬空时，电动机M2工作，齿轮带动前齿条和前支腿一起下移。当前支腿下移到地面时，开关14被压下，电动机M2停止，电动机M3工作。通过延时使小车整体被拉出，电动机M1，M2反向工作，将小车放下到地面，开关10压下。通过延时期M4工作，使后支腿脱离地面后，电动机M1，M2继续工作，由开关16，17控制电动机M1，M2，使前后支腿复位。电动机M4工作，小车水平前进，实现下阶梯运动。
运动示意图如下
a)水平行走至下台阶 b)前端齿条下降
c) 下台阶行走 d) 水平行走
图2.3 下台阶运动示意图
上下阶梯小车的基本原理是由路面行走小车的基本原理发展而来，如图2.4所示。为了在抬起车身时受力平衡，前后支架的驱动轮才用双轮驱动。为了提高车辆的上下阶梯能力，前后驱动支架上的四个车轮采用独立驱动。为了实现小车可以在水平面行走，水平面上四个轮采用后轮驱动。
各车轮、前后驱动支架的如图所示。
图2.4小车整体图
2.2上下阶梯小车方案设计
1．驱动方式的选择
常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类型，三种主要的驱动方式比较如表2-1如所示：
表2-1驱动方式的比较
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液压驱动
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气压驱动
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电气驱动
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交、直流电机
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步进电机、伺服电机
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输出力
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大
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小
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大
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小
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控制性能
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可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制
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气体压缩性大，精确定位困难，阻尼效果差，低速不易控制
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控制性能差，惯性大，不易精确定位
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控制性能好，能精确定位，但控制系统复杂
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体积
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在输出力相同的条件下体积小
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较大
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要有减速装置，故体积较大
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较小
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维修及使用
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方便，但油液对环境温度有一定的要求
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方便
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方便
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较复杂
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对环境的影响
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易漏油、易燃
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排气有噪声
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无
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无
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成本
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成本较高
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成本低
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成本低
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成本较高
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该小车要求质量轻便，所以结合设计需要，选择TZ51—2型磁滞式同步电动机。其主要技术数据如下：
图2.5 电动机示意图
使用电源： 单相；
额定电压：220（V）；
同步转速：3000（r/min）；
起动转矩：130g.cm 12.7mn.m；
最大同步转矩：130g.cm 12.7mn.m；
输出功率：4（W）；
输入功率：30（W）；
电容量：21；
质量：0.9kg。
2．前后支架方案的选择
前后支架的运动方式是小车性能的一个重要指标，衡量小车运动性能的主要指标是机体的稳定性。单轮支撑在支起车身时会出现不稳定状态，车身无法平稳上下阶梯，所以支架的驱动轮数目应大于等于2，大于2时对支架的驱动机构就复杂了，所以前后支架的支撑轮应各为2个。
实现前后支架的上下运动方式有以下几种：1齿轮带动齿条实现上下运动；2 曲柄滑块机构；3凸轮机构。
1．如图：
图2.6 齿轮齿条机构
自由度F=2X3-2-2-1=1
在静态时，齿轮可以防止齿条往下运动。
2．如图
图2.7曲柄划块机构
自由度F=3x3-2x4=1
3．如图：
图2.8 滚子推杆凸轮机构
自由度F=3x3-（2x3+1）=1
根据小车的设计要求，3方案虽然也能实现上下运动，但不能符合小车的抬起功用。方案1能防止前后支架往下运动，方案2不能实现，所以本设计中采用方案1的设计，采用齿轮齿条作为实现上下运动的机件。
齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机构，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力。
第三章 小车结构设计
3.1传动比计算
后轮驱动的传动示意图如下：
图3.1后轮驱动系统
传动比计算：
（1） I轴与II轴的i计算
i12=Z2/Z1=56/28=2
(2) II轴与III轴的i计算
i23=Z3/Z2=56/28=2
(3) III轴与IV轴的i计算
i34=Z4/Z3=28/56=0.5
总传动比i IV轴与III轴的传动
比i=0.5
3.2轴的设计
3.2.1轴的简述
轴是组成机器的主要零件之一。一切作回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴。按本设计中的需要，选择了转轴。
3.2.2轴材料的选择
轴的材料主要是碳钢和合金钢，钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。
由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最常用的是45钢。
本设计的轴材料采用45钢。
3.2.3轴的结构设计
轴的结构设计包括定出轴的合理外型和全部结构尺寸。
小车的轴根据设计，都才用直径为20mm的尺寸。在此对后车轮转动轴进行设计。轴的示意图如下：
图3.2车后轴
轴的结构设计主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型，尺寸，数量以及和轴联接的方法；载荷的性质，大小，方向及分布情况；轴的加工工艺等。
3.2.3.1轴上零件的定位
为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求者外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。
1.零件的轴向定位
传动轴上装配了齿轮，滚动轴承。根据装配方案，轴上对齿轮的轴向定位是以弹性垫圈来实现的；而对滚动轴承的定位，是以弹性垫圈和卡片来实现的。
2.零件的周向定位
轴与齿轮的周向定位，是以键来实现的，既简单又方便。
3.2.3.2轴的计算
1.按扭转强度条件计算
轴的扭转强度条件为：
τT =T/WT =
≤【τT 】
式中: 
τT -----扭转切应力,单位为MPa；
T-----轴所受的扭转,单位为N.mm；
WT ----轴的抗扭截面系数,单位为mm3；
n -----轴的转速,单位为r/min；
P -----轴传递的功率,单位为KW；
d -----计算截面处轴的直径,单位为mm；
【τT 】 -----许用扭转切应力,单位为MPa,见下表
表3-1
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轴的材料
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Q235-A.20
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Q275.35
(1Cr18Ni9Ti)
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45
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40Cr.35SiMn
38SiMnMo.3Cr13
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【τT 】/MPa
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15-25
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20-35
|
25-45
|
35--55
|
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A0
|
149-126
|
135-112
|
126-103
|
112-97
|
P=30w；
n=30r/min；
d=20mm。
得τT =5.97MPa <【τT 】
符合设计要求。
2.车轮后轴的工程分析
车轮的示意图如下：
图3.3车后轴
......
