原创《三轮爬楼机构安全省力设计》：关于免费三轮论文范文在这里免费下载与阅读,为您的三轮相关论文写作提供资料。
摘 要：为解决三轮爬楼拉杆箱在上楼时不安全、费力的问题,我们运用物理、工程力学和人体结构等理论知识分析发现当轮轴仅能单向转动时,能很好的解决此问题.基于实际拉杆箱结构,设计出了一种变形棘轮,可控制大轮转动方向为单向或双向,并建立形状强度模型给生产设计提供校核方案.
关键词 ：省力；安全；人体运动分析；形状强度模型
1 设计背景及意义
本设计源于传统三轮拉杆箱在实际使用中的不便.我们对其分析和改进设计,能大大降低其搭载过重物品爬楼梯时将使用者拉扯摔倒的可能性,同时减轻提物上楼的负担.
2 本设计的核心思路
如“图1”所示,本设计的核心思路是在三轮所围绕的轮轴上加棘轮装置.
（a） （b）
图1 具体设计原理示意图
在上楼梯时,棘轮处于工作状态,此时轮轴仅能单向转动,以达到上楼省力、安全的要求.在平地上时,可手动控制棘轮处于非工作状态,此时轮轴可双向转动,以便能调整拉杆箱的倾角,使其更符合人的使用习惯.
3 结构设计说明
3.1 关于运动尺寸设计
如图2所示,为使轮轴不与台阶接触,需对尺寸r,L,R进行设计计算.
（a） （b）
图2轮轴尺寸标注示意图
线性规划方程如下：
例如：轮子使用市轮滑鞋轮子,r等于40mm.选取合理的R等于71mm.此时,L<30.58mm .
3.2 变形棘轮机构
（a） （b）
图3变形棘轮爆炸图
因“关于运动尺寸设计”限制,为保证棘轮齿数能达到所需要求,则设计了如 图3.以刹车线构成传动装置,辅以模具弹簧回弹装置,通过把手控制轮轴的转向模式.
3.3 棘轮齿形设计
因空间和三轮拉杆箱的运动限制,我们将棘轮设计成如图4所示,建立形状模型,压力角 ,形状角 ,数量角 ,且存在 ,变形棘轮的齿形由 和 就能将完全确定.
图4 棘轮形状设计
3.4 变形棘轮齿形状强度K值设计
为保棘轮在杆箱中能正常运作,且不影响拉杆箱本身的运动,对棘轮尺寸有所限制.棘轮工作状态分为通常状态和止逆状态.在通常状态下,棘轮做旋转运动,爪齿做直线往复运动.此时损伤多为磨损.在止逆工作状态下,损伤多为挤压和碰撞,参考齿轮损伤常规处理方法,碰撞损伤按挤压损伤的倍数进行计算修正.因变形棘轮本身形状特殊,无可参照强度计算公式.所以建立一种仅与形状有关的强度模型,单一参数确定强度以简化计算.公式为
理论中存在两个变量扭矩和体积,需要通过实验检验它们对k值的影响.用控制变量法进行实验. 设计实验证明扭矩不会影响k值：随机假定形状角 与 数量角 .用有限元进行静力分析.结果如图5所示,扭矩不影响k值.
图5扭矩对k值的影响
验证体积对强度k值的影响时,实验数据在一定范围内呈现规律变化,但在两极端体现出无规律变化,这说明k这一形状强度参数仅适用于一定施力面积与体积比的范围内.
（a） （b）
图6 45钢20CrMnTi和K值登高图
如图6所示,可用k值绘制强度登高图,可通过k值快速确定其形状变化范围,也可通过形状快速确定或比较强度.本模型可以推广到单一形状大小不等的零部件大规模生产设计中.
4 省力原理说明
如图7所示,忽略摩擦因素时,传统三轮拉杆箱上楼拉力周期内无限增长.实际操作中摩擦力支撑车身使拉力有上限.用拉力器进行随机数据实验表明最大拉力F约为重力的140%.分析人体机构,用数学模型进行估算.人在提重物是,至少会用到三角肌,肱三头肌形成杠杆结构.设重物重G,则所有肌肉共施力2.7G+4kg.相比于提物上楼,传统三轮机构省下的力即手臂肌肉组所负担的力.
综上所述,传统的三轮拉杆箱匀速上楼时所需的是一种周期性的变力,且过半的行程中所需的力大于重力,但小于提物上楼人所需施加的力.
本设计的优势在轮轴单向锁死,不存在手臂肌肉施力过程.比传统三轮爬楼拉杆箱最理想的状态还要轻松,手臂在每一个爬楼运动周期里都有机会放松,不用负担额外的力.
图7 拉力F变化曲线示意图
5 安全原理说明
三轮拉杆箱匀速上楼所需的力是一种周期性的变力.人所用的力也是一种周期性的变力.两种周期运动虽然频率一致,但施力时间不同.人在爬楼运动中会有某一刻仅有一条腿着地,且重心会移动调整.若拉杆箱的重量过大,则很可能将人往后拉倒.本设计将其单向锁死,则三轮拉杆箱可随时挺住,完全无需担心向后的拉扯力所带来的隐患.
6 结语
本设计能达到预期的安全、省力改进效果,但因本设计中的棘轮形式无法实现无间断止逆,实际效果由卡齿数量决定.k值的强度模型在体积论证方面存在一定问题,但以能达到设计初衷.
参考文献：
[1] 吴金友,李艳丽,范蟠果.无刷直流电机控制系统在电动自行车上的应用[J].电机与控制应用.2008（01）：63-65.
[2] 吴世训,堀洋一.基于人类运动控制的用于电动辅助轮椅的重力抑制控制方法[J].河北工业大学学报.2007（02）：27-33.
[3] 褚,辜承林.电动车用轮毂电机研究现状与发展趋势[J].电机与控制应用.2007（04）：1-5.
[4] 王耀北,闫英敏,胡长义.基于DSP控制的IPM数字化直流伺服驱动系统设计[J].电气传动自动化.2006（05）：13-15.
[5] 李化良,林辉.基于DSP和CPLD的双无刷直流电动机全数字控制[J].微电机： 伺服技术.2006（02）：42-45.
[6] 孙迪生,王同刚.新型电动轮椅的直流无刷伺服系统[J].伺服控制.
2006（01）：36-37.
[7] 唐鸿儒,宋爱国,章小兵.基于传感器信息融合的移动机器人自主爬楼梯技术研究[J].传感技术学报.2005（04）：828-833.
[8] 李笑,李瑰贤,赵永强,等.机械爬楼装置的传动系统方案研究[J].机械传动.2005（04）：12-13.
[9] 苏和平,王人成.一种双联星形轮机构电动爬楼梯轮椅的设计[J].中国临床康复.2005（26）：144-145.
[10] 徐维广,邹江峰.智能功率模块IGBT-IPM在逆变器中的应用[J].电气应用.2005（04）：74-76.
本文系基金：大连科技学院大学生创新创业训练计划项目（20141215）,可控变形棘轮机构的设计与性能研究,研究成果.
三轮论文参考资料：
结论：三轮爬楼机构安全省力设计为关于对不知道怎么写三轮论文范文课题研究的大学硕士、相关本科毕业论文三轮论文开题报告范文和文献综述及职称论文的作为参考文献资料下载。
