| 标题 | 一种爬楼路行两用电动车的结构设计 |
| 范文 | 王晓鹏+甘新基
摘 ?要：本文为了解决居民上下楼和出行购物时携带重物的问题，设计了一种以三轮机构为关键装置的具备爬楼与路行两种功能的电力驱动的代步小车。本文首先对小车的结构组成和爬楼原理进行了分析，然后对小车平地行走速度、小车爬楼驱动力矩用Matlab进行了理论分析和计算，证明了小车具备了足够的平地行走速度和爬楼驱动力矩。最后，通过Soliworks的仿真模块分析了受力的关键零件--三叉轮架的受力情况，证明了在正常负载情况下其结构和材料强度是足够安全的。上述的理论分析和计算表明本文设计的爬楼路行两用电动车能够达到电力助力的爬楼和较快的路行速度的能力，基本能够满足居住在无电梯楼房中的人们的既要平地快速行驶又要载物爬楼的需要。 关键词：电动车;轮式;爬楼 0 ?引言 我国城镇化进程加速了居民楼的快速建设，但是居于我国发展现状和其它各方面原因，大多数低于7层以下的普通居民楼都还没有安装电梯，居民上下楼搬运货物很不方便。市场上现有的几种载物爬楼的小车[1～2]，只有爬楼但不具备平地快速行驶的功能，而且以人力为动力。为了解决这些缺点，本文在分析了国内外大部分爬楼车的基础上，根据一些相关爬楼车的资料[3～5]，提出了一种适合城市居民使用的轮式爬楼路行两用电动车的设计方案，据其方案对其进行了结构设计和驱动力理论分析。 1 ?机械系统设计 该轮式爬楼路行两用电动车的主要平地行走机构采用的是三轮驱动方案，其中后轮是平地行走的驱动轮。爬楼驱动单独占用一个驱动电机，因此该小车采用了双电机驱动--爬楼电机驱动和平地行走电机驱动。小车爬楼驱动机构采用的关键装置是一个三轮机构1（如图1示），该三轮机构的作用是在爬楼时，由一个爬楼驱动电机驱动4向前翻转，当三轮机构中的一个轮子搭在上面的一个楼梯台阶时，在电机扭矩的作用下，轮子做翻转运动，使得后一个轮子旋转并落在上面的楼梯台阶上，这样三个小轮依次旋转使得小车能够连续地爬上楼梯。当小车在平地行走时，用锁死机构将三轮机构锁死，使一个轮子着地行走，这样实现了爬楼与行走功能的转换。 2 ?小车行走与爬楼功能的理论分析与计算 2.1 ?小车路行路行速度分析 小车在路行时由一个单独的路行驱动电机驱动向前行驶，电机轴与车轮轴之间相连。小车行驶速度主要受小车负载、驱动电机功率和车轮与地面的摩擦系数等因素影响。驱动电机的输出扭矩与功率的关系为 n=9554P/T ? ? ? ? ? ? （1） 其中n为电机的转速，单位r/min，电机的单位为KW，T的单位为Nm。考虑地面摩擦系数和载荷等因素时，式（1）可表示为 n=■ ? ? ? ? ? ? ?（2） 则每小时的行走速度为 V=■（km/h） ? ?（3） 本文中行走驱动电机功率为350W，假设摩擦系数为0.05，小车车身与人、负载总的载荷为100Kg，根据式（3）计算得到小车每小时行走速度为20km/h。该速度基本可以达到居民快速出行的需要 2.2 ?小车爬楼驱动力矩特性 在小车爬楼过程中，随着三轮机构中三个轮子的向前转动，每个轮子都会顺序与楼梯的台阶接触，小车的倾斜角度 也会随之不断变化，在此过程中爬楼驱动电机输出的力矩也随之变化。分析中各参数如下：G为小车的质心，a为质心与三轮机构驱动轴的距离，h1为三轮机构驱动轴与小车车体板的距离，h2为平地行走轮驱动轴与小车车体板的距离，e为三轮机构各小轮的公转半径，r为三轮机构各小轮的自身半径，R为平地行走轮的半径，h为楼梯台阶高度，b为楼梯台阶宽度。电机驱动力矩可以表示为 T=Gecos3？琢+Lcos？兹 ? ? ? （4） 式中，？琢为三叉轮架的转角，？兹=sin■■。 在给定一般的楼梯空间尺寸和设计的小车参数下，根据上述的理论公式计算可以确定在小车整体重量为50Kg的负荷下，350W功率的直流驱动电机就可以满足其对驱动力矩的要求。 3 ?结语 本文为了解决普通居民携带重物上下楼梯和日常出行不便的问题，设计并研制出了集电动助力爬楼和平地快速行驶于一体的新型双功能电动车。通过转换三轮机构的工作状态和双驱动电机，可以方便地实现爬楼和平地行走的功能，满足了居住在无电梯楼房中居民的实际需要。 参考文献： [1] 苏和平，王人成.爬楼轮椅的研究进展[J].中国康复医学杂志，2005，20（5）：366. [2] 乌兰本其.手动爬楼梯爬楼车辆的设计与研究[D].北京：清华大学，1994. [3]武明，项海筹，张济川. 新型爬楼车辆稳定性的灵敏度分析[J]. 甘肃工业大学学报，1998，24（1）：40-45. [4]项海筹，乌兰术其，张济川. 手动爬楼梯爬楼车辆[J].中国康复医学杂志，1994，9（2）：62-66. [5]武明. 一种新型爬楼梯爬楼车辆的设汁与动态稳定性研究[D]. 北京：清华大学，1996. 本文为2013年国家大学生创新创业计划项目"轮式爬楼路行两用电动车" |
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