多功能推车梯子设计说明书.doc

第一章 绪论1.1 研究背景 目前，很多功能单一的常规产品已经不能再满足人们生活多元化需要，功能单一的产品由于其功能的局限性，让人们为了需要不得不购买很多此类产品，浪费金钱、占用空间、使用不方便，给人们的生产、生活带来了很多不便。产品的多功能化已经成为现代设计的主流，多功能产品的市场占有率逐日上升，已经成为人们日常选择产品的主要考虑方向。多功能产品即一种产品在原有功能的基础上同时又增加了其他功能。然而在现代产品设计中，很多产品一味注重产品的多功能，而忽略了产品本身应该实现的功能。更不可置信的是，很多产品的功能之间根本不存在任何联系，从而造成了消费者使用中的障碍。常用的梯子、手推车、平板车、铲车，只具有其各自功能。常见梯子都比较大，不适合家用，人们放置或搬取高处物体时，往往用凳子叠加，这样不但麻烦，并且不安全；常见手推车、平板车、铲车等只具有在平坦路面上运动的功能，如果遇到台、楼梯，在无电梯的情况下必须人力搬运运送的货物。以上情况给人们的生活工作带来诸多不便。1.2 研究目的及意义本设计的目的在于：本设计吸收了常用的梯子、手推车、平板车、铲车的工作特点，将其进行了功能合成，成为多功能梯子推车，使其不但具有以上4种功能，并且加入了攀爬台阶的功能，让一种产品具有以上5种功能，并且使用方便，便于存放，节省空间。本设计的意义在于：通过将多个单一功能产品的功能进行合理拆组，设计出新的具有多功能的产品，实现产品的多功能应用，以及产品的更新换代。并且通过设计过程，提高自己对机械设计制造方面知识的丰富和认识的提高，检验自己学习过的成绩，为以后学习工作积累经验。1.3 设计理念根据设计目的和设计意义，以实用性为中心，以创新为思想，对项目进行设计。在设计过程中，不但要考虑到将各个产品的单一功能进行整合方法，并且要考虑到整合后的具体实用性。尽量避免各个功能之间的影响，尽量让某些重复的结构用一个结构代替，尽量考虑到人体工学，尽量从整体的角度审视整个设计，尽量寻找和合理解决设计中出现的问题。做到以最简约的结构设计，得到最强大而多样化的功能。坚持以人为本，完善人性化设计，做出最让民众喜欢和乐于接受的商品。1.4前期准备在毕业论文设计的初期，查阅了大量的相关书籍，深入了解多功能产品设计的相关知识，了解了多功能产品现实特性，参考了大量梯子、手推车、铲车、平板车、爬台阶结构等资料，尤其是功能合成后的整体设计做了分析。在设计之前，参考了关于产品的多功能设计以及产品的人性化设计等资料，为设计的总体结构方向进行了定位；在设计的过程中，先将各种功能结构进行整理，并提出了学者最新提出的三点接触比例的新念，第二章 前期总体结构分析设计2.1 多功能产品设计中的常见问题我们可以从以下几个方面进行分析：2.1.1 多功能产品使用过程中，功能之间相互影响人们在使用多功能产品的时候，定义在任何特定任务中，都只用到一种功能，而在使用这种功能的时候，其他的功能处于闲置状态，而且会在一定程度上影响正常功能的使用，因此会形成一定的不便。2.1.2 多功能造成成本的浪费多功能产品在实现多功能的时候，势必要考虑功能之间的整合，以及相对位置关系，使用中的相互影响作用，因此就会无形中增加了造型的成本，2.1.3 多功能造成功能浪费产品都是针对特定消费者进行设计的，对于产品的功能，同样需要根据具体消费者的特点进行考虑，如果产品的功能过多，势必会造成目标人群的不满意，因为他们在选择一个产品的同时也购买到这个产品的其他附属功能，而当他们不需要这些功能的时候，就造成了产品的浪费。 在之后的设计中，一定要注意并避免以上3点。2.2 产品的人性化设计方法人性化设计要求产品在满足基本的物质性功能以外,还要更多地关注产品的综合社会价值,关注人的精神和情感需求的满足,在操作上产品与人的关系应该更加友好,对产品的使用与拥有能给人带来过程的愉悦和精神上的享受。这就要求设计师在对消费者进行针对性研究的基础上,还必须将目光放到对产品被使用过程中的情景和状态进行研究,并且就产品与使用者的非物质性关联因素也要进行考究与推敲,对产品在物质与精神层面进行全方位的设计。所以,产品人性化设计的方法除了围绕功能、造型、材料和色彩等4大要素而展开的功能规划的人性化设计、造型语意的人性化设计、材料选择的人性化设计和色彩运用的人性化设计,还应该包括:设计思维的人性化设计与操作界面的人性化设计2个方面。2.2.1 设计思维设计思维人性化的一个重要的方面是不能忽视对人类自身的关怀。在环保意识越来越增强的今天,设计师也应增强自己的环保意识,要以尽可能小的资源代价,获取最大的使用价值。利用绿色设计的理念来指导我们的设计,为人类的生存和未来承担起最基本的责任和直接的义务。设计思维的人性化也强调设计师与消费者双方的沟通、联系和交流,深度挖掘超越产品基本功能以外,能够满足各种不同消费群体更深层次的心理与精神的需求,实现产品与人的更加和谐的关系。除了在产品设计工作中实现产品的人性化,给产品一个恰到好处的命名,往往会成为设计人性化的“点睛”之笔。2.2.2 功能规划在这里定义的产品功能规划是指预测产品的发展并协调各种新旧功能以适应其发展的过程,当然在此过程中要综合考虑社会需求、科技因素、价格因素、使用因素等等问题。归根到底功能是为用户服务的,功能的增加必需要增加用户的使用方便性,假设不能达到,那就证明这个功能是多余的无用的功能,这就体现了功能规划的人性化因素。2.2.3 造型语意通过设计的造型语意,引发人的情感体验和心理感受,是人性化设计的重要方法之一。人们对产品的第一印象就是通过造型来实现的,设计中的造型要素是人们对设计最关注的一方面。而所有的功能、使用方式最终也必须通过造型而得以明确与实现。2.2.4 材料选择材料的人性化设计包括:选用绿色材料使产品具备人性化特征;发挥材料的表面肌理特性体现人性化;从文化与审美层面选择材料体现人性化;从安全的角度选择材料体现人性化;从环境适应性角度选择材料体现人性化。2.2.5 色彩运用艺术心理学家认为,色彩能直接诉诸人的情感体验,它是一种情感语言,它所表达的是一种人类内心中某些极为复杂的感受。梵高说:“没有不好的颜色,只有不好的搭配。”对于产品设计也是一样,色彩是最能直接反应人们感受的一种方式,色彩也是设计人性化表达的重要方法。色彩对人引起的视觉效果反应在物理性质方面,如冷暖、远近、轻重、大小等,色彩的物理作用在产品设计中极为重要。2.2.6 操作界面操作界面的人性化实际上也属于功能规划的人性化中间的一部分,但是它非常重要, “强调一切为人所使用的物,都必须适合于人”, 确立了“以人为本”的造物原则,从此人类的产品创造步入人性化设计的时代。在界面设计中不光功能的规划很重要,还要从易于识别、易于使用的角度对产品的人机关系进行全面的思考与审视,实现产品的人性化。2.3 梯子形态下的人体舒适度及安全总体分析设计由于梯子部分是核心结构，所以本设计首先从梯子的设计入手。因为本设计需要充分体现以人为本的实用性特点，所以，结构设计的本身需要涉及到在具体使用过程中的人体舒适度，并以此为基础进行梯子结构的相应设计： 研制机器和工具的各种技术措施都不完善，除非能适应人的因素，包括人体尺寸，常规的人体姿势、动作和行为。因此符合人机工程的要求是安全工作场所的首要条件。 行为研究是必要的，特别对哪些几乎是无意识的习惯动作的研究。多动因子的动作和作业的试验，有助于对工作场所或某种器具的各个组成部分进行评价和优化。为此，进行了相应的试验，研究标准轻便直梯放置角度不同对攀登者上下梯子动作的影响。 试验的主要目的主要是：研究安全的爬梯子的常规动作，确定适合于人体度量和生物力学因素的条件，如身体尺寸、动作和各种力学。这些条件应保证人以自然动作爬梯子时发生事故的危险性减至最小。2.3.1 上下梯子所需时间从图1可以得出一个重要结论，当梯子倾角为70时，移动单位高度所需的时间最短，因此可以说它是最佳角度。这证实了Lehmann的结论，说明梯子倾角为70时，移动单位高度所小号的能量最少。如果工作人员的能力和工作效率保持不变，梯子倾角为70时，人所受到的干扰以及不良因素较少，完成某一动作所需要的时间也越短。 图2.1 爬梯子所需时间和梯子放置的倾角2.3.2 三点接触比例三点接触规律，即在上下梯子的过程中，人至少要用三个肢体同时分别接触梯子的横档和扶手。因此我们研究了梯子的倾角对总时间中三点接触周期所占比例的影响，结果发现，梯子的倾角为60时，这种比例最小，50时稍大，90时比例最大（见图2和图3）。图2.2上梯子过程中，梯子倾角不同时三点接触的周期比值图2.3 下梯子过程中，梯子倾角不同时三点接触的周期比值很明显，这说明人在上梯子时应快速抓扶以保持身体的平衡，梯子倾角为60时，生物力学条件最佳。 据相关资料显示，梯子的最佳受力角度是75，在6080内为可竖立范围。2.3.3 梯子架材料的选用制作梯子，首先需要考虑梯子可以承载人体的重量，即梯子的材料以及尺寸选择。经过查询和对比，梯子的材料选择铝合金。铝合金在现代机械制造中的应用占有很大的比例，是制作此类产品的最佳选择。以下是目前市场常用铝合金材料的一些相关信息：表2-1 铝合金的分类与性能特征表2-2 铝及铝合金管材的品种和规格范围根据这些信息，在本设计中，铝合金材料我选择7A04：超硬铝合金。选择理由是这种材料室温强度最高，很常用，各项性能优越。管材我选择 厚壁圆管。选择理由是其性能指标刚好适合本设计使用。2.3.4 梯子踏板结构设计作为梯子使用安全问题的一个重要环节，梯子形态的脚踏板必须充分体现安全设计理念。根据建筑学楼梯设计理论，舒适的楼梯，台阶高度以15cm为宜，若超过18cm，登楼梯时就会感觉累了，台阶深度以27-30cm为宜。然而梯子和楼梯不同，因此考虑到本设计具体情况，台阶数订为3，最上面的台阶由于是站立平台，因此要比下面两个台阶深度要大，3个台阶排列情况如图6所示：图2.42.3.5 台阶安全措施台阶要解决的安全隐患主要有两点：1防滑；2防碰伤刮伤防滑：登梯子或走楼梯时滑到是件很危险的事情，所以防滑设计必须做到，下面提供几种防滑措施图片：图2.5 图2.6 图2.7 图2. 8 在生活中，室内外楼梯如果没有本身的防滑结构，一般会附加如防滑贴、金属防滑条等来进行防滑。经过分析，我选择采用凸起横纹，这样不但防滑，而且可以避免凹陷横纹带来的不便于清理污垢的问题；防碰伤刮伤：带有棱角的边缘容易让使用者受伤，因此台阶部件应光滑、圆润，无突出尖锐部分，以免碰伤刮伤，但是又不能过于圆润，防止踩滑。2.3.6 台阶的材料台阶的材料我选用塑料，以下是常用塑料名称与应用表：表23 台阶的材料品种材料典型应用范围ABS丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物汽车（仪表板，工具舱门，车轮盖，反光镜盒等），电冰箱，大强度工具（头发烘干机，搅拌器，食品加工机，割草机等），电话机壳体，打字机键盘，娱乐用车辆如高尔夫球手推车以及喷气式雪撬车等。PA12聚酰胺12或尼龙12水量表和其他商业设备，电缆套，机械凸轮，滑动机构以及轴承等。PA6聚酰胺6或尼龙6由于有很好的机械强度和刚度被广泛用于结构部件。由于有很好的耐磨损特性，还用于制造轴承。PA66聚酰胺66或尼龙66同PA6相比，PA66更广泛应用于汽车工业、仪器壳体以及其它需要有抗冲击性和高强度要求的产品。PBT聚对苯二甲酸丁二醇酯家用器具（食品加工刀片、真空吸尘器元件、电风扇、头发干燥机壳体、咖啡器皿等），电器元件（开关、电机壳、保险丝盒、计算机键盘按键等），汽车工业（散热器格窗、车身嵌板、车轮盖、门窗部件等）。PC聚碳酸酯电气和商业设备（计算机元件、连接器等），器具（食品加工机、电冰箱抽屉等），交通运输行业 （车辆的前后灯、仪表板等）。PC/ABS聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和混合物计算机和商业机器的壳体、电器设备、草坪和园艺机器、汽车零件（仪表板、内部装修以及车轮盖）。PC/PBT聚碳酸酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯的混合物齿轮箱、汽车保险杠以及要求具有抗化学反应和耐腐蚀性、热稳定性、抗冲击性以及几何稳定性的产品。PE-HD高密度聚乙烯电冰箱容器、存储容器、家用厨具、密封盖等。PEI聚乙醚汽车工业（发动机配件如温度传感器、燃料和空气处理器等），电器及电子设备（电气联结器、印刷电路板、芯片外壳、防爆盒等），产品包装，飞机内部设备，医药行业（外科器械、工具壳体、非植入器械）。PET聚对苯二甲酸乙二醇酯汽车工业（结构器件如反光镜盒，电气部件如车头灯反光镜等），电器元件（马达壳体、电气联结器、继电器、开关、微波炉内部器件等）。工业应用（泵壳体、手工器械等）。PETG乙二醇改性-聚对苯二甲酸乙二醇酯医药设备（试管、试剂瓶等），玩具，显示器，光源外罩，防护面罩，冰箱保鲜盘等。POM聚甲醛POM具有很低的摩擦系数和很好的几何稳定性，特别适合于制作齿轮和轴承。由于它还具有耐高温特性，因此还用于管道器件（管道阀门、泵壳体），草坪设备等。PP聚丙烯汽车工业（主要使用含金属添加剂的PP：挡泥板、通风管、风扇等），器械（洗碗机门衬垫、干燥机通风管、洗衣机框架及机盖、冰箱门衬垫等），日用消费品（草坪和园艺设备如剪草机和喷水器等）。PPE聚丙乙烯家庭用品（洗碗机、洗衣机等），电气设备如控制器壳体、光纤联接器等。PS聚苯乙烯产品包装，家庭用品（餐具、托盘等），电气（透明容器、光源散射器、绝缘薄膜等）PVC聚氯乙烯供水管道，家用管道，房屋墙板，商用机器壳体，电子产品包装，医疗器械，食品包装等。SA苯乙烯-丙烯腈共聚物电气（插座、壳体等），日用商品（厨房器械，冰箱装置，电视机底座，卡带盒等），汽车工业（车头灯盒、反光境、仪表盘等），家庭用品（餐具、食品刀具等），化装品包装等。PMMA聚甲基丙烯酸甲酯 压克力 有机玻璃汽车工业（信号灯设备、仪表盘等），医药行业（储血容器等），工业应用（影碟、灯光散射器)，日用消费品（饮料杯、文具等）。根据此表，台阶的材料我选用：ABS或PA62.4 推车部分的设计：推车形态是本设计的第二个特色，推车部分是在梯架和脚轮的基础上进行变形，共分为三种形态：手推车、铲车、平板车，如图11图13所示：2.4.1 三种推车示意图图2.9 手推车图2.10 平板车图2.11 铲车由以上3图可以发现，3种车的结构主要是车架和脚轮，车架即梯子形态下的前杆和后杆，前面已经叙述过了，这里主要对轮子部分进行分析设计。本设计中轮子分为两类，前轮和后轮，为了实现爬楼梯功能，前轮将被设计为一组三星轮（2.5爬台阶功能部分），后轮被设计为一组万向脚轮。2.4.2 转向问题：本设计在铲车形态下，仅有一组三星轮着地，因此不存在转向问题。然而，在手推车和平板车形态下，由于是前轮后轮同时着地，所以，在运行中将涉及到转向问题。前轮已被设计为三星轮，因此后轮将设计为带转向的脚轮，如图14所示：图2.12 普通万向轮结构2.4.3 锁轮功能：手推车和平板车形态下，当停靠在带有坡度的道路上时，若无人看管，很容易自动滑行。为了避免这种情况，后轮脚轮将加入手动锁轮功能。常用锁轮结构有两种，如图15、图16所示：图2.13 自锁脚轮1图2.14 自锁脚轮2综合考虑上述两种功能，后轮脚轮将被设计为带有转向和手动锁轮功能，如图17所示：图2.15 自锁万向轮以图17为例，这种模型不但具有万向轮功能，而且在轮轴上带有一个手动柄的锁轮功能，当手动柄处于图17位置时，轮子可以正常旋转；如果转动手动柄，将手动柄上两个凸起旋转到轮子两边的金属轮框上，由于凸起的挤压作用，使得金属轮框发生形变，从而挤压到轮子，使金属轮框与轮子之间产生较大摩擦，实现锁轮功能。2.5 爬台阶部分设计2.5.1 星轮的选择本设计在推车形态下加入了爬台阶功能，其主要作用部件是推车底轮采用星轮，现行星轮主要存在两种:五星轮和三星轮，如图18、图19所示：图18 五星轮结构图2.16 三星轮实例根据世界各国现流行，三星轮的利用率比五星轮利用率高。因为三星轮比五星轮结构简单，成本低，并且可以实现多数五星轮可以达到的爬台阶功能。因此，在本设计中的爬台阶功能设计中，采用三星轮，其结构如图20 所示：图2.17铁芯三星轮2.5.2 爬台阶功能的实现：三星轮的尺寸和结构参考现行楼梯尺寸进行设计。现行楼梯台阶的尺寸为：阶高应在150-170MM，阶面深度为220-270MM，以此为依据，预设三星轮子轮直径为150MM，由上图可知，在此尺寸下，爬台阶功能很容易实现。图2.18 三星轮爬台阶示意图2.5.3 三星轮安装位置问题1 三星轮直接安装到前杆上；.第三章 具体分析设计3.1 梯子部分：图3.1梯子形态3.1.1 梯子双杆结构的固定及受力分析此结构按照普通多功能梯子结构进行设计，具体如下：3.1.1.1 前杆部分如图23所示，杆身长1200mm，宽500mm，杆管直径25mm。杆脚长30mm，在距离杆脚255mm、555mm、855mm处分别有一对孔，是安装 前杆和台阶之间的连接轴 的位置。孔直径10mm。在距离杆脚1075mm处的一对孔，是安装 前杆后杆连接器 的位置。前杆的顶端为推车形态下的扶手处，两端采用弧形结构。3.1.1.2 后杆部分如图24所示，杆身长1065mm，宽500mm，杆管直径25mm。距离杆脚855mm处，是构建梯子形态下台阶1平台的横轴，此轴直径10mm。距离杆顶10mm处有一对孔，是安装 前杆后杆连接器 的位置。图3.2前杆结构图3.3 后杆结构3.1.1.3 连接器1的设计此连接器1作用是连接前杆和后杆。如图3.4所示：图3.4 连接器13.1.1.4 前杆、后杆、连接器的组合结构将前杆、后杆上方用连接器连接在一起，其结构如图3.5所示：图3.5 前杆后杆的连接位置图3.6 前杆后杆的连接示意图3.1.1.5 受力分析 假定在平板车形态下，1000N物品放置于平板车中央，杆长1200MM，现计算弯曲应力：从上面计算可以看出，仅一只杆即可达到力学要求，而在3种推车形态下是左右2只杆在承载重物，因此此结构的力学性能对于一般重物的运输以远远足够了，反算可知，前杆或者后杆可最多承载5208N重物，约计531KG。根据公式和结构可知，梯子形态下力学性能要比推车形态下更高，因此梯子形态的承载能力达到要求。3.1.2 三个台阶的设计台阶1是本设计在梯子形态下的3个台阶的最上方的台阶，除了台阶功能，也为使用者提供了站立的平台。如图28所示，台阶1长400mm，宽260mm，高30mm。在横截面上有两孔一凹槽，孔1是用来连接前杆，孔2是用来连接联动杆，凹槽是用来搭建在后杆上的横轴处。在台阶1的顶面，有4条防滑凸纹。在台阶1的顶面两端，采用了弧形结构，起到了防碰伤刮伤效果。图3.7台阶1台阶2、3完全一样，是本设计在梯子形态下的3个台阶的中、下方的台阶。如图29所示，台阶长400mm，宽170mm，高30mm。在横截面上有两空，分别是连接前杆和联动杆。在台阶2、3的顶面，有4条防滑凸纹。在台阶2、3的顶面两端，采用了弧形结构，起到了防碰伤刮伤效果。图3.8 台阶2为了实现台阶的联动，需要两条联动条，分别安装在3个台阶的两侧，联动条如图30所示：图3.9联动条3.1.3 三个台阶在双杆间的连接杆长和角度问题的设计;本设计充分考虑到实用性，因此，在已设定了部分数据的前提下，梯子形态中关于前杆、后杆支立后角度问题以及3个台阶是否水平的问题，必须通过计算进行验证。具体分析计算过程如下：根据上面几张图的数据，将梯子形态的侧面图进行简化，即图31所示，已知数据：L1=1065mm，L2=1075mm，L3=210mm，L4=220mm，L5=200mm，L6=40mm，前杆与地面夹角=65，后杆与地面夹角=65L6垂直于L2需要证明：L5与地面基本水平证明：将L1，L2延长线交予一点，生成L7，L8，由图可知，L6、L7、L8组成直角三角形，由此可见，L5与地面基本保持水平，因此之前设定的长度和角度等数据正确可行。图3.10 梯子侧面示意图3.2 铲车部分图3.11 铲车1， 铲板的结构如图所示，在铲板主体的两侧有对称的两个挡板，此设计是为了在铲板收起时可以贴在后杆上；在铲板底部两侧有对称的两个挡条，此设计是为了在铲车形态下铲板张开后保持铲板和后杆所在平面的垂直关系，便于在铲板上放置运输的物品。图3.12 铲板图3.13 铲板在整体中的安装位置3.3 平板车和推车部分：图3.14平板车图3.15 手推车由前期设计可知，此部分主要是万向轮及其锁轮结构的设计，根据2.4.3所述，将锁轮功能的锁轮片设计为下图结构：图3.16 锁轮片中间孔两边的半球凸起，即为旋转时挤压万向轮轮架的部位。锁轮片在万向轮上的安装位置如下图所示：图3.17 锁轮结构图3.17显示位置为万向轮正常工作时锁轮片位置，当需要锁轮时，任意方向旋转锁轮片，使半球型凸起旋到轮架面上，使轮架受到挤压发生形变，从而挤压轮子，使轮子受到摩擦不能转动，起到锁定轮子的作用。图3.18 万向轮结构图3.4 爬台阶功能结构部分3.4.1 三星轮的结构三星轮的子轮，可用普通常用推车车轮，结构如图40所示。三星轮的轮架为三角形，其结构如图41所示。在轮架上安装3个轮子，组成三星轮，如图42所示。 图3.19 子轮 图3.20 轮架图3.21 三星轮3.4.2 三星轮的安装：三星轮在前杆上的安装位置，牵涉到本设计所有形态下功能的实现，在前期设计中，连接架2与前杆的连接位置预设为距离前杆杆脚125mm位置，这里对其进行分析与计算证明：首先列出三个需要达到的功能条件：（1）在平板车、手推车形态下，前杆平行于地面；（2）在铲车形态下，前杆杆脚不可以影响铲车的运行，即不要接触地面；（3）在梯子形态下，前杆前脚接触地面，三星轮不接触地面，实现梯子的稳定。由已完成结构图可知，无论安装位置如何，条件（1）都易于实现。当三星轮中心和前杆杆脚之间距离大于等于三星轮中心与地面距离时，才能实现梯子脚接触地面，由下图可知，当连接架长度和连接位置距离前杆杆脚125mm时，在前杆直立的情况下，前杆杆脚、三星轮均接触地面，此时三星轮与杆脚之间距