（机械设计及理论专业论文）轨道式爬楼机械装置的关键技术研究.pdf

哈尔滨工业人学工学硕上学位论义摘要为行动不便的病人或老年人提供无电梯情况下自行控制爬楼装置，是现实社会福利的需要。本课题提出的轨道式机械爬楼梯装置，是在楼梯或墙擘上安装轨道，使装置沿轨道实现上下楼的运动。该装置能够实现在多种窄问结构形式的轨道上运行，有很大的应用价值和社会意义。本文提出并设计了一种新型的渐开线柱齿圆柱齿轮齿条传动机构，对该传动机构中的渐开线柱齿圆柱齿轮和空间锥孔齿条的结构进行了设计，并给出了该对齿轮和齿条的成形原理，推导出了环状渐开线圆柱齿轮的齿廓参数方程；进步的分析并推导出渐开线柱齿圆柱齿轮齿条一定啮合传动条件下所能实现的空间最小转弯半径。同时，为了使装置能够平稳和灵活的转弯，提出了导引机构，并刈其进行了结构设汁。这种新型齿轮齿条的结构形式能够实现平稳和灵活转弯，从而带动装置实现在空间曲线轨道上运行。轨道式爬楼机械装置传动系统的整体动态特性，不仅影响到整个装置的稳定性，而且对装置控制系统的设计具有指导意义。所以，本文采用集中参数法，考虑输出端横向振动与系统扭转振动的耦合作用，建立了爬楼机械装置传动系统的横一扭耦合动力学模型，并根据l a g r a n g e 方程，推导出了传动系统的动力学方程。由于轨道式爬楼机械装置在爬楼过程中力学模型的时变性，所以不宜求得精确的解析解。为了对爬楼装置进行定量的分析，必须利用仿真软件来进行仿真计算。本文使用了动力学仿真软件a d a m s ，对装置的总体运动特性进行了仿真，得出了整个装置的一些动力学特性曲线，对具体的结构设计具有指导意义。通过仿真也验证了我们提出的新型齿轮齿条传动能够实现空州的运动轨迹，对新型齿轮齿条的优化设计提供了有用的设计方法和设计依据。关键词轨道式爬楼机械装置；渐开线柱齿圆柱齿轮齿条传动；动力学方程动态仿真：一= ：= ：= = ：望竺鎏三些尘兰三茎堡耋童竺鎏耋= ：= = ：= ：a b s t r a c ta f f o r d i n gc o n t r o la n dc l i m b i n gd e v i c eb yo n e s e l fu n d e rh a v i n gn ol i f tt op a t i e n to ro l dp e o p l ei san e e do ft h er e a l i s t i cs o c i a lw e l f a r e t h es t a i r l i f tp u tf o r w a r di nt h i sp a p e rc a nm o v eo nt h er a i lw h i c hi si n s t a l l e di ns t a i r so rw a l la n di sv a r i o u ss p a c ec o n f i g u r a t i o n s ，h a v i n gs o m ea p p l i c a t i o nv a l u ea n ds o c i a lm e a n i n g t h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo ft h ei n v o l u t ec o l u m nc y l i n d r i c a lg e a ra n dr a c ki si n t r o d u c e da n dd e s i g n e df i r s t l yi nt h i sp a p e r ，t h e nt h es t r u c t u r ea n df o r m a t i o np r i n c i p l eo ft h eg e a ra n dr a c ka r ep u tf o r w a r di te m p h a s i z e st h a tt h es t r u c t u r eo fd r i v eg e a ra n di t sp r o f i l ee q u a t i o nm u s tb ei n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，t h ed r i v i n gg u i d em e c h a n i s ma n di t ss t r u c t u r ea r ep u tf o r w a r d t h es p a c ec o n f i g u r a t i o no ft h i sk i n do fg e a rr a c ki sf i tf o r t h ec u r v et h es t a b i l i t yo ft h ee n t i r ed e v i c ea n dt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mc a nb ea f f e c t e db yt h eo v e r a l ld y n a m i cc a p a b i l i t yo ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e m i nt h i sp a p e rl u m p e dp a r a m e t e rm e t h o di sa d o p t e dt oe s t a b l i s ht h ec o u p l e dt r a n s v e r s e - t o r s i o n a ld y n a m i c sm o d e lo ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e m t h es y s t e md y n a m i ce q u a t i o ni se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h el a g r a n g ee q u a t i o n s i n c et h em e c h a n i c sm o d e li sc h a n g e dd u r i n gt h ec l i m b i n g ，i t sh a r dt og e ta c c u r a t es o l u t i o n s t h em o d e lm u s tb es i m u l a t e du n d e ra d a m si no r d e rt oc a r r yo u tt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s t h ed y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m sh a sb e e nu s e dt os i m u l a t eo v e r a l lm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt or e a c hs o m ed y n a m i c sp r o p e r t yc u r v e so fe n t i r ed e v i c ew h i c ha r eu s e f u lf o rs p e c i f i cs t r u c t u r a ld e s i g n t h ed i m e n s i o n a lf e a s i b i l i t yo ft h en e wg e a rr a c kt r a n s m i s s i o ni sv e r i f i e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o nw h i c hi sa l s ou s e dt oo f f e r su s e f u lm e t h o d sa n de v i d e n c ef o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h en e w g e a rr a c k k e y w o r d ss t a i r l i f t ，i n v o l u t ec o l u m nc y l i n d r i c a lg e a ra n dr a c kt r a n s m i s s i o n ，d y n a m i c se q u a t i o n ，d y n a m i cs i m u l a t i o ni l哈尔滨工业人学工学硕士学位论文第1 章绪论1 1 课题研究的目的和意义目前我国老年人口在总人口中所占比例越来越大，未来几十年的增k 势头在全世界也将位居前列“1 。另外我国肢体残疾人中，约有截瘫患者5 0 万。这类患者主要由于交通或体育事故等原因造成脊椎损伤，或者由于脑外伤、脑血管意外、脑瘫等中枢神经系统疾病，导致四肢瘫或偏瘫。脊髓损伤的存活率很高，但存活后病人医疗问题、生活问题、社会问题较多，病人和全社会都要承担巨大的经济压力。提及瘫痪，人人畏之，因为瘫痪病人运动不能自主，生活不能自理，牛1 括质量下降，给家人和社会带来沉重的经济和精神负担。当今中低层楼房仍然被人们所看好，国内现存的绝大多数6 层以下的老式楼房都没有安装电梯，楼房结构也不允许安装电梯，而这里的老年人又占了很大的比例”、。这样就使得老年人及行动不方便的人上下楼成为一个重要的社会问题。另外随着我国城市化建设的不断发展，生活质量的提高，人们丌始选择别墅度假和养老，同时大量的新建楼房出现室内楼梯，但对于轮椅使用者和老年人来说，室内以及室外公共场所的各种楼梯、台阶已经成为他们活动的障碍，以至于失去了许多参与社会生活的机会。所以针对居住在无电梯设备楼房内或家庭别墅中的老年人及其它行动不便人员上、下楼的问题，有必要开发一种能替代电梯的载人装置，也就是我们提出的轨道式爬楼机械装置，这种爬楼梯装置相对于电梯米说，安装方便，占用空间小，可以在现有楼梯的基础上进行安装，不需要提供专门的安装空间和位置，而且其成本只是电梯成本的十分之一。本课题提出的轨道式机械爬楼梯装置，旨在通过机械、控制及机械动力学的交叉研究，实现在多种空间结构形式的楼梯扶手或墙壁上安装轨道，在程序控制装置的操纵下来控制机械爬楼梯座椅在轨道上运动，使残疾人及老年人等行动不方便人群能够自已上下楼梯，为行动不便的人和老年人带来个新的希望。我们所设计爬楼座椅体积小、运动灵活、折叠后占用的体积和空问小。爬楼座椅的控制装置，可以随时控制爬楼梯装置自动的停行和以不同的速度运动。爬楼座椅的哈尔滨1 业大学工学硕士学位论义轨道可以安装在楼梯扶手上，也可以安装在墙壁上，轨道的体积小、蕈量轻、传动平稳、可以适合空间曲线的轨道形式。冈此，该课题的研究具有很大的应用价值和社会意义。1 2 轨道式爬楼机械装置国内外研究现状上楼机械装置的形式多样，其中主要有轨道式爬楼机械装置、承载轮椅的平台形式、悬挂于房顶轨道的上楼装置、上下楼通道的电梯| 1 = i j 形式、多功能上楼轮椅等形式。这罩主要介绍的是轨道式爬楼机械装置。目前，国内对轨道式爬楼机械装置的研究尚属初级阶段，这方面的研究还很少，仍没有成型产品的出现，这也意味着国内在该领域有很大的发展前景”、“。国内有很多人在研究上楼轮椅，其中代表人物有清华大学的项海筹、鸟兰木奇等”“。另外，国内有些公司能够生产具有上下楼通道的电梯间，如苏州嘉和电梯技术有限公司“，上海三菱，台湾润成集团公司等。能够承载轮椅的平台形式的上楼装置现已在北京、上海、香港等地的车站、机场应用。其他形式的卜楼装置的研究相对就比较滞后了。国外很多国家，尤其是一些发达国家，很早就对老年人和行动不便的人上下楼的问题开始关注。它们己进行了很多二楼机械装置的开发，主要的丌发公司有瑞士的l i f l e c h 公司和d e c k e n l i f t 公司、德国的r e h a l i f i 公司、荷兰的f r e e t i f l 公司、美国的a m e r i g l i d e 公司、b r u n o 公司、a c o r n 公司、s u m m i t 公司、a c c e s s 公司、i n c l i n a t o r 公司等等，此外还有英国、加拿大和日本等国家的一些公司也在研究丌发相类似的产品“。轨道式爬楼机械装置通过在楼梯上安装轨道来实现轮椅等机械装置的上、卜楼运动。如果是公共楼梯间，为了人们出行的方便，轨道应安装在靠近扶手一侧。如果是室内楼梯，轨道安装在楼梯内外侧均可。轨道的空间结构有直轨和弯轨之分，我们把经过轨道轴线并垂直丁，楼梯表而的面称为装置的运行轨迹面。当轨迹面为平面时，我们称此时的轨道形式为直轨，如图1 1 所示。当轨迹面为曲面时，我们称之为弯轨，如图l 一2 和幽卜3 所示。图l _ 2 所示为布置在楼梯外侧的弯轨形式，图1 3 所示为布置在楼梯内侧的弯轨形式。根据这一定义很容易知道，直轨只能布置在单跑楼梯上。竺垒堡三些尘兰三兰堡圭兰堡丝塞a 19 0 0 平展或螺旋形式a 、9 0 0f l a to rs p i r a lt u r nb ) 直轨r 、下端伸出形式b t o po rb o t t o mo v e r r u n图1 - 1 直轨的结构形式f i g 1 - 1t h es t r a i g h tr a i lf o r mc ) 直轨中间平台形式e ) 双9 0 0 平展或螺旋形式c 1d o u b l e9 0 。n a to rs p i r a lt u r nd ) 9 0 ”人转弯半径e ) 1 8 0 大转弯半释d ) 9 0 0l a r g er a d i u st u r ne ) 18 0 0l a r g er a d i u st u r n图12 布置在楼梯外侧的弯轨形式f i g 1 2c r o w e dr a i la r r a n g e do u t b o a r dt h es t a i r c a s e| | 弹绥一，叫，fh哈尔滨工业人学工学硕十学位论史酽萌b 11 8 0 0 内弯形式b 11 8 0 0i n s i d et u r n酽髀d ) 9 0 0 大转弯半径d ) l a r g er a d i u s9 0 0t u r ne ) 1 8 0 0 大转弯半释e 1l a r g er a d i u sl8 0 0t u r nc ) 双9 0 0 内弯形式c ) d o u b l e9 0 0i n s i d et u r n图卜3 布置在楼梯内侧的弯轨形式f i g 1 3c u r v e dr a i la r r a n g e di n b o m dt h es t a i r c a s e根据轨道截面形式的不同，轨道又可以分为圆型轨道、凹槽型轨道、工字钢型轨道、帆板型轨道等等。直轨多采用的是圆型和凹槽型。弯轨常采用后几种形式，但最常用的还是圆型轨道。圆型轨道外表不仅美观、平滑，而且转弯时能使装置具有良好的力学性能。爬楼装置绝大多数都采用旋转座椅的形式，这样给乘坐者以安全、舒适的感觉。运动过程中座椅要随时保持水平，我们称之为座椅的垂位特性。“。在主轨道旁加副轨道可以解决座椅的垂位问题，但这需要主、副导轨之间有相当精确的配合才能实现，并且对弯轨来说会更加困难。对制造和安装也会带来不便，经济性很差。所以，可以采用控制的方式来实现装置的垂位和转弯问题”。这样可以省去副导轨，使占用的空间更小，并且能很好的保证装置的运动精度。在装置上安装传感器来实现运动控制。装置使用电池系统，直流电机驱动。安全自锁可以采用具有自锁特性的机构，如蜗轮蜗杆，也可以采用自锁电机来实现。传动方式主要采用的是齿轮齿条传动、钢丝绳传动、螺旋传动和链传动等矍兰鎏三些奎兰：! 耋至圭兰竺兰兰等。这几种传动方式部可以直接应用于直轨形式。装置的最大载重量可达1 5 0 k g左右，适合楼梯的倾斜角度为3 0 6 0 度左右。其上有操作手柄，可手动摔制其上f 楼。无线数字射频技术的使用让使用者可以在楼卜、楼下对装置进行自山召唤。座椅下部装有传感器，遇到障碍时可以自动停车和自动返回。可以在轨道上下端对电池充电，即使突然断电，装置也能正常工作。这一装置体积小，并且具何一定的折叠功能，可以节省空间。另外，它的造价低廉，可实施性强。1 2 。1 直轨轨道形式传动方案的选择也与轨道形式有关。直轨的传动方式主要有四种。第一种是钢丝绳牵引的传动方式；第二种是链传动的方式；第三种是螺旋传动；第四种是逝轮齿条啮合的传动方式。轨道的结构形式根据轨道和楼梯间的相互关系来确定。如图1 1 中：a ) 所示的导轨与楼梯的关系，我们可以采用截面为凹槽形式的导轨，也可以采用截而形式为圆型的轨道。其巾截面为凹槽形式的导轨应用的比较多，因为它的结构较易实现。对于图b 1 和图c ) 的情况来说，导轨的截面形状就更加多样化了，有圆犁的，凹槽形的，工字形的等等，导轨一般都有主副之分，为的是确保装置的稳定性。下面是种导轨截面形状为圆型的装置的传动情况“。图1 4 所示为当导轨截面形状为圆形时，装置在导轨上的运行简图。装置采用齿轮齿条传动，驱动齿轮安装在装置的本体内，它的动力是通过电机和减速装置传递的。圆型轨道的下端安装有齿条，驱动齿轮就是通过与齿条的啮合来使装置实现卜下运动的。所以，整个传动系统由电机、减速装置和齿轮齿条传动装置组成。可以选用制动式直流电机驱动。由蜗轮蜗杆和齿轮组成的减速装置除了减速外，还有自锁的功能。所以，足以保证乘坐者的安全。整个传动在平面内进行，驱动齿轮选用标准渐开线齿轮，齿条选用普通齿条即可。另外，齿条的侧面又可以当作定位面，再加上导引轮和夹紧轮的共同作用，可以保证装置的平稳运行。可以看出，直轨的传动形式比较简单。因为它不涉及到转弯的问题，控制起来也容易些。直轨形式中，座椅垂位特性的保证可以通过加副导轨和自动控制两种方法来解决。本体和座椅之间为铰接形式，相互之间可以相对转动。根据轨道轴线角度的变化，调整座椅和本体之间的位置，使座椅时刻保持水平位置。哈尔滨l ：业人学工学硕士学位论文图1 4 装置运行简图f i g1 4t h em o v e l n e n ls k e t c ho f t h es t a i r l i f = 【图1 5 表示的是安装有副导轨时装置的运行情况。图1 - 5 安装副导轨的装置运行简图f i g1 5t h em o v e m c e n ts k e t c hw i t ha d d i t i o n a lr a i l由图卜4 和卜5 可以看出，装置主要由导轨系统、导引机构、本体和座椅等几大部分构成。其中，主、副导轨组成了导轨系统。主、副导轨的相对安装位置由主导轨的倾斜角度决定。本体沿主导轨运动过程中可以转动，以适应不同的倾斜角度。运动过程中时刻保持座椅水平的装置有副导轨、导引机构和探测装置。首先由探测装置判断导轨倾斜的角度，然后调节副导轨和导引机构之间的何置，使其保持某一预先确定好的值。探测装置至少有一个滚轮，使其在副导轨上滚动，它和导引机构一起随装置运动。稳定轮安装在本体结构上，同定于主轨道下端齿条的侧表面，随着装置的运动，沿齿条侧表面滚动。图1 - 6 所示为无副导轨和安装有副导轨的爬楼装置的结构简图，从图中我们可以更清楚的看到装置的相对位置关系。盘曲无副导轨的结构简图b ) 安有副导轨的结构简图a 1w i t h o u ta d d i t i o n a lr a i lb ) w i t ha d d i t i o n a lr a i l图i - 6 装置的结构简图f i g 1 - 6t h ec o n f i g u r a i o ns k e t c ho f t h es t a i r l i f t1 2 2 弯轨轨道形式弯轨的形式就更加的多样化了，有螺旋线形式的，直角形式的。有单轨的喻尔滨一】二业人学工学硕士学位论文也有双轨的。轨道截面形状有圆型轨道，槽形轨道，电有帆板型轨道。图1 7 中的a ) 和b ) 分别为圆型轨道和帆板型轨道的截面示意图，图a ) 中轨道的加工非常的困难而且造价昂贵。传动形式大多为钢丝绳牵引。形式的多样性，注定了弯轨形式的爬楼装置的复杂性。这种形式爬楼装置稳定性的保证比直轨形式的更加困难，设计难度更大，结构也更复杂，要解决的问题比直轨形式更多。我们只对其天键技术进行研究，为实际的产品设计提供理论依据。轨道同样采用的是圆型截面，驱动机构的齿条也是安装在轨道的卜端，传动方式与直轨圆型轨道基本相同。由于弯轨涉及到转弯的问题，所以它的导引机构利控制系统也就比直轨形式更加复杂“”1 。a ) 圆犁轨道截而示意图b ) 帆板型轨道截面示意图a 1t h ec y l i n d r i c a lr a i l砩t h es a i l b o a r dr a i l图卜7 轨道截面示意幽f i g 1 - 7t h ec r o s s - s e c t i o nv i e wo f t h er a i l1 3 论文的主要研究内容本课题的主要研究工作包括以下几个方面：1 ) 广泛收集国内外关于轨道式爬楼机械装置的资料，选择确定总体结构的设汁方案，并进行传动方案的选择和导引机构的设计；2 、推导出一定条件下，渐开线柱齿圆柱齿轮齿条啮合传动所能实现的最小转弯半径；3 1 推导出渐丌线柱齿圆柱齿轮的齿廓方程；哈尔滨工业大学工学硕上学位论文4 1 利用传统的动力学方程进行传动系统的动力学分析。采用集中参数法建立爬楼装置的横扭耦合的动力学模型，根据l a g r a n g e 方程，推导出传动系统的动力学方程，计算传动系统的部分动力性能参数，为机械结构的设计提供理论计算依据。5 ) 进行装置的动力学仿真。利用i 维建模软件s o l i d w o r k s 建立轨道式爬楼机械装置总体结构的i 维立体模型，将建好的模型导入动力学仿真程序a d a m s中，在a d a m s 环境下对装置的各个部件之间的连接部分施加约束，得出整个系统的动态仿真模型及系统的输入、输出特性曲线，将所得到的仿真结果用r 指导此装置的设计。晴尔滨丁业大学r 学硕十学位论文第2 章轨道式爬楼机械装置的总体结构设计2 1 系统的组成及方案设计轨道式爬楼机械装置与其它上楼装置相比有两方面的优势：第一是它的传动系统采用特殊的渐开线柱齿圆柱齿轮齿条传动，所以传动的连续性好，并能实现空间的运动轨迹。第二，在设训时考虑到楼梯轨道与地面之间有定的倾角，所以设计中一方面利用电路及程序控制，保证了坐椅的水平性：另一方面在结构设计中保证了坐椅时时的自锁性，使得整个结构设计的安全性高。整个系统主要由轨道、驱动装置( 电机) 、传动机构、导引机构和座椅等儿部分组成。其中驱动、传动、导引称为装置的本体部分。轨道是装置最主要的承力部件，轨道截面形状可以为圆型轨、工字型轨、帆板型等等。本装置采用圆型轨，因为它的连续性比较好，容易加工，美观，表面平滑，可以避免乘坐者被刮伤。轨道的结构形式确定以后，接下来就是传动方式的问题了。国内外常用的传动方式主要有以下几种：第一种为钢丝绳传动。钢丝绳传动比较简单，易实现，本身无摩擦，无需润滑，造价也比较低。它有一卜：牵引和自身牵引两种形式。所谓的上牵引就是电机和卷扬安装在楼梯顶端，通过钢丝绳的缠绕实现装置的上下楼运动。这种方式可以减轻装置的重量，节省装置的空间，但钢丝绳和其支撑导向装置之间自摩擦做功，会消耗一部分功率。自身牵引是将电机和卷扬布置在装置内部，钢丝绳术端固定在楼梯顶端，这在定程度上加大了装置的空间和结构复杂性，增加了装置的重量但钢丝绳和其支撑导向装置f b j 无相对运动，所以几乎没有摩擦功耗。卜下牵引方式实现起来还是比较容易的。但钢丝绳在使用过程中通常存在两大问题：一方面当其强度降低后潜伏着断绳的危险；另一方面，钢丝绳在卷入、卷出卷筒时，即使卷筒上开有凹槽，仍会有一定的波动。可以通过使用高强度的钢丝绳或定期更换来解决断绳的问题，自锁安全装置也可以保证乘坐者的安令。这种传动方式的安全性能够保障，稳定性也可以，在直轨中应用也是比较普遍的。坠堡鎏三些查耋三兰堡圭兰竺篁兰第_ 是链传动。链传动也是。种比较经济的传动方案，它足属于具有中间挠性什的啮合传动，兼有齿轮传动的一些特点。与齿轮传动相比，链传动的制造与安装精度要求较低，链轮齿受力情况较好，承载能力较大，有定的缓冲和减震性能，中心距可以很大而结构轻便。此外，链条的磨损伸长比较缓慢，张紧调节工作量较小，并且能在恶劣环境条件下工作。链条布置在轨道上，链轮安装在装置本体上，通过链轮与链条的啮合，实现装置的上下运动。链传动的传动力式，其输出速度不稳定，不能保持瞬时传动比恒定，工作时有噪声，磨损后易发牛跳齿。如果要求精确和等速输出，链传动不是最佳选择“。第三是螺旋传动。螺旋传动是通过螺杆和螺母的旋合来传递运动和动力的。它主要是将旋转运动变成直线运动，施加以较小的转矩得到很大的推力，它的传动效率很高，传动灵敏、平稳，工作寿命k ，另外它还有自锁功能。但螺杆长度达到一定值，常会因自重使轴线产生弯曲变形，产生导程累积误差，还会使螺母受载不均。第四是齿轮齿条传动。齿轮齿条传动是应用最普遍的一种传动方式。与上面几种传动方式比较，齿轮齿条传动需要润滑装置，同时齿轮齿条传动有一定的磨损。但齿轮齿条传动相对上面几种传动方案，其传动的平稳性更好，另外它的造价也不高，所以应用是比较广泛的。以上几种传动方式均适合直轨形式，但要实现弯轨形式只有钢丝绳牵引能够做到。但钢丝绳牵引的稳定性比较差，在转弯时表现尤为明显，所以我们采用厂甲稳性很好的特殊的齿轮齿条传动，这种齿轮齿条会在后面加以详细的介绍。齿条固定安装在圆型轨道的下端，通过齿轮齿条的啮合来实现装置的上下运动。本装置采用能自锁的直流电机驱动，由电池为其供电。电池可以充电，使片j起来很方便。装置最重要的就是安全问题，所以除了自锁电机的安全性保证之外，我们还可以采用具有自锁功能的蜗轮蜗杆减速装置来保证断电或电机故障时乘坐者的安全。导引机构是装置最重要的部分之一，它不仅具有转向的功能，还要有定位的作用。机构中安有探测装置，用柬探洲轨道水平和竖直方向上的转角。座椅结构除了要舒适外，还要适应控制机构和一些线路的安装。控制机构的作用是保持座椅时刻保持水平，这一过程称为座椅的垂位箨制。转向机构中的探= = ：呈垒鎏三些奎兰三兰竺；! 差堡兰兰：= =测装置可以为其提供反馈信号。系统的组成如图2 - l 所示。其中，座椅跟可折叠踏板之间由支架连接，它们组成一个整体，并且与本体部分以铰接的形式连接。支架跟座椅起可以在本体上转动，即使本体倾斜角度发生变化，座椅也能在控制系统的控制下始终保持垂位。座椅机架支架可折叠踏板j 。了i坛j 拳图2 - 1 弯轨形式的爬楼装置简图f i g 2 1c u r v e dr a i ls k e t c ho f t h es t a i r l i f t为了进行爬楼装置的结构设计，给出以下各项外部参数：1 1 圆形轨道截面的外径为1 0 0 m m ，壁厚为5 m m ：2 1 爬楼装置的最大载重量为1 0 0 k g ，爬楼装置的总重为12 5 k g ；3 ) 轨道倾角根据楼梯角度而定，其范围在3 0 0 6 0 0 之刚；4 1 装置匀速运动时的速度为0 ，1 0 2 m s ，转弯时可控制其适当减速5 ) 电机功率为3 0 0 - 5 0 0 w 。2 2 机构运动原理及结构设计本装置采用了带自锁的直流电机驱动，由电机通过减速装置等中间环节带动驱动齿轮，齿轮与轨道下端安装的齿条相啮合，从而带动整个爬楼装置沿轨道上下运动，实现上下楼的目的。遇到转弯处时由导引机构调整齿轮啮合方向，保证竺堑堡! ；些查茎三兰堡圭兰竺丝兰装置的顺利转弯，同时进行座椅的垂位控制，调整座椅的位置使其保持水平。当遇到障碍物时，通过由传感器反馈【亘j 来的信号，反馈到装置的控制系统实现自动停车或自动返回。出现故障时由自锁装置保证乘坐者的安令。2 2 1 传动机构及其结构设计爬楼装置的传动部分主要由蜗轮蜗杆减速装置、驱动齿轮和齿条传动组成。这里主要介绍驱动齿轮和齿条。如果使用普通的渐开线式驱动齿轮，转弯时一定会发生齿轮齿条之间的干涉，严重时会使齿轮和整个装置脱离轨道，威胁乘坐者的安全。所以我们设计了一种新型的驱动齿轮，使装置能够实现平稳转弯。本装置采用的齿轮齿条传动形式不同于常见的齿轮齿条传动。我们把它命名为渐丌线柱齿圆柱齿轮齿条啮合。齿轮轮齿形状是上端为渐开而的柱体，它是渐开线绕自身极轴旋转一周形成的。齿条形状为锥孔。因为装置运行时需要沿空问曲线移动，所以可以把此种齿条称为空间齿条。采用此种新型齿轮齿条传动的优点是装置能够实现转弯，因为齿轮齿条的啮合过程中，在导引机构的作用卜，渐开线柱齿圆柱齿轮的轮齿相对于齿条的锥孔有一定的偏转，而且随着驱动齿轮继续的运动，可以实现齿轮轮齿和齿条齿槽的啮合复位，不会像一般齿轮齿条传动在转弯过程中齿和齿之间产生干涉现象。此种齿轮齿条传动的可实现性将在第四章的总体仿真中得到证实。相比较而言，这种齿轮齿条传动的连续性要好得多。图2 2 为此种齿轮齿条啮合的三维简图。a 1 等轴测视图b ) 俯视图a ) v i e wt oi s o m e t r i c a lb ) v i e wo r i e n t a t i o nt ot o p幽2 - 2 渐开线柱齿噬柱齿轮齿条啮合的三维简图f i g 2 2t h et h r e e d i m e n s i o n a lm e s h i n gs k e t c ho f t h eg e a rr a c k：= = ：= ：丝i 篓三些奎兰三兰竺圭兰堡篁兰= ：在下面的研究中，我们会对渐开线柱齿圆柱齿轮进行详细的论述。图2 3 给出了此种齿轮齿条的结构型式。莎、，j。，告 “j 附7 1 - 一十i l。太“= 。+ 一。“7 “7 图2 3 齿轮齿条结构示意图f i g 2 3t h es t r u c t u r es k e t c ho f t h eg e a rr a c k由于我们设计的渐开线柱齿圆柱齿轮为非标准齿轮，所以设计时，将齿轮分为主体和轮齿两个部分，这样轮齿可以单独加工，然后安装到主体部分中去，简化了制备工艺。主体部分分为左右对称的两部分，这样可以卡紧轮齿，完成安装定位。主体左右两部分的连接可以采用均布形式的螺栓连接。这样使齿轮的加i 。和安装都比较容易实现。2 2 2 最小转弯半径计算根据齿轮尺寸的刁；同，设计时齿条上锥孔之间的间距和锥孔自身的大小随之变化，在满足一定啮合条件的情况下，装置转弯半径的范围也会随之确定。但实际的情况是，我们般都是根据楼梯的形状来布置轨道，轨道布置完以后，各部分弯度处的转弯半径也随之确定，然后选择最小的转弯半径，看它在不在根据齿轮齿条尺寸确定的转弯半径的范围内，如果不在，就要调整齿轮齿条的尺寸或轨道的弯度。但有时轨道的弯度不能改变，所以就只有调整齿轮齿条的尺寸了。下面我们推导在给定齿轮齿条尺寸的条件f ，装置所能转过的转弯半径是多少。有时由于装置自身外部尺寸的关系，转弯半径不会很小，也就是比预期转过的弯度要小。图2 4 为转弯半径示意简图，图中f 表示齿条上两个锥孔之间的距离，齿轮尺寸确定以后，也随之确定。，为锥孔的半径，也是为定值。坠垒堡三些奎兰三兰竺：! 耋堡篁塞d图2 4 转弯半径示意简酬f i g2 4t h es k e t c ho f t u r nr a d i u s图中所示为装置能够转弯的边界条件，驱动齿轮预定的轨迹是沿a c 方向，若要装置实现转弯，驱动齿轮必须要啮入锥孔爿后再啮入锥孔b 中，那么就要求齿轮轮齿的中心至少要位于锥孔占的边缘处，也就是锥孔c 的中心落在锥孔日的边缘处，b c 此时的距离就是锥孔的半径，。当b c 间的距离大于r 时，齿轮脱轨，装置无法转弯。所以，b c 间的距离要小于，。当b cf n j 的距离等于，时，此时求得的转弯半径r 就是临界转弯半径。转弯半径r 的范围就为：r5 r在a b c 中，有c o s o则s i n 0生二蔓2 1 2而：y 4 1 2 r 丢| 2 _ ；- _ r 4 ：去再j在o a d ，s i n 0 = ；月2尺：丝：!s i n 0r - , 4 1 2 一r 2r ! !r r 、4 1 2 一r 2反映到驱动齿轮上时，r 和，的表达式分别为：，= 扣口( s + m , z , i n v a ，t = p = s 十e = 玎辫( 2 1 )( 2 2 )( 2 3 )：= ：竺尘鎏三些奎兰! ；：塑圭兰竺兰兰：= = ：= !：=式中最驱动齿轮基圆齿厚；1j 驱动齿轮的分度圆齿厚，s = 一17 2z 齿轮齿数；m 模数；口分度圆压力角：e 分度圆齿槽宽。将式( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 代入( 2 - 1 ) 得：r 1 ；：! ：一( 2 - 4 )m c 。s 口( 三+ z z n v 口 s z 2 m 2 一2c 。s 2 口( 兰+ z 加v 口 22 2 3 齿廓方程计算接下束我们进行渐丌线柱齿圆柱齿轮齿廓方程的推导。渐开线柱齿圆柱齿轮是由直齿轮演变而米的，其齿廓曲而方程必然与直齿圆柱齿轮的齿廓曲线有必”“1 。对于直齿圆柱齿轮，建立如图2 5 所示的坐标系。一，广淞壮一k 7tai占磁从图2 - 5 渐开线 ：齿圆柱虚轮平面坐标系f i g 2 5c o o r d i n a t es y s t e mo f t h ei n v o l u t ec o l u m nc y l i n d r i c a lg e a r哈尔滨工业大学工学硕士学位论文在y 。一坐标系内，渐开线厂的径矢为ik ，根据渐开线形成原理，渐jr 线的方程可以写成：，t 2 0 k 2 0 m + m k 2 r 一屹吼声2 ，a c o s o j + s i n ) 一哦( 一s i n 皖f + c o s 皖，)( 2 5 )2 ，a ( c o s o , + 包s i n 讳) f + ( s i n 皖一岛c o s o k ) j 】其巾，i 足基圆m 点的径矢，厅+ 是基圆在吖点的幺切矢( 渐开线点法矢) 。式( 2 - 5 ) 又可写成下面的形式：j x 0 = r bc o s o k + 吼s i n 吼 y 0 = s i n o k 一包c o s o 女1 z o = 0用极坐标表示：设纯为极角，p = l 磊l 为k 点在极坐标下的向径标方程可以写成：p = 一二l，饵= 皖一口 = t a n 口一口女t r b t a n c t = 玩)( 2 6 )则渐丌线的檄坐其中，为渐开线在k 点处的压力角，皖为滚动角，竹为渐丌线展角。已知在坐标系y 。一中，渐开线的参数方程如下：卜忆吩斟其中，变换矩阵m ( z ，乏) 由图2 - 5 可知为：fs i n d ：一c o s 嘎0 1m z ，五= c o s 0 区s i n 0 嘎。1ij( 2 7 )( 2 8 )( 2 9 )( 2 1 0 )f 吒礴c o s ( o lr 6 o ks i n ( o kl0c o s 岛s i n 嘎o最) 一s i n ( o t 一嘎) 嘎) + c o s ( 吼一色) 】r h ( e o s 皖+ 皖s i n 皖) r b ( s i n 最一鼠c o s b ) l0l图2 - 6 中相邻轮齿所夹中心角为：妒：一2 7 t ，。为渐开线柱齿圆柱齿轮的当量齿数z v i。疋， 6 ! 互竺兰：竺：! 竺竺：旦+ 2 f m z v lc o s 口：v l1( 妒一2 疋) 2 =圈2 - 6 齿轮齿形图f i g 2 6t h es k e t c ho f t h eg e a rt o o t h1 8 ( 2 1 1 )( 2 1 2 )( 2 一1 3 )叭叫嗡嗡。咭j - _ 叫jh hj j_【t-_1_j_lh 抄f=一j j嘎2傥船旦眦一旦= = = = = = 。：塑尘塑! 三! ! 竺耋三兰堡占兰竺篁圣将式( 2 _ 1 1 ) 所示的渐开线绕极轴旋转一周则得到轮齿的渐丌线曲面，如图2 、7 所示。lyj。、二1i k ( x ，舭)l j1 1i jf0 f11戈、一 y +、j 、foj其中y 轴为极轴。易知，过坐标轴y 的平面族与球面齿廓的截线为标准渐开线，所有这些渐开线的集合构成了柱齿圆柱齿轮的渐开面齿廓曲面。圣1 = 足c y ，r ，、 ； = ( _ ：薹ii 兰： f 1 = f i i ：写成矢量方程的形式：面，= x c o s y r + 谚xs i n y e= ：= ：= ：竺至堡三兰奎兰三兰堡茎堡垒圣：=：卜亿嘞阻= l 戈s i n 占z - - c o s ( 9 2 濉引l oj( 2 1 6 )( 2 1 7 )绕极轴旋转后得到渐丌面的法矢量为：i = 一c o s ( g 一8 2 ) c o s r f s i n ( o k 一乏) 7 + c o s ( 晚一8 2 ) s i n y e( 2 1 8 )2 2 4 导引机构及其结构设计导引机构是装置最重要的部分之一，它同时具有转向导引和定位支撑的作用。导引机构跟本体的机架部分以铰接的形式连接，能够在机架上转动，使装茸能够转过一定的弯度，并且保证了转弯的灵活性。导引机构的上部跟机架之间使用正常的球铰，而下部使用的是限制性球铰，这是为了保证导引机构和轨道的相对位置，以保持装置的稳定性，使其具有更好的力学性能。导引机构简图如图2 - 8 所示，导引机构由定位轮、弹性支撑轮和外部框架组成。机架部分连接存导引机构的外部框架上。外部框架的下端安装的是限制性球铰。定位轮的作用除了定位外，还可以调节力学性能，尤其在转弯的时候。支撑轮依靠弹簧装置与轨道表面保持随时接触。图2 - 8 给出了两种形式的导引机构，冈a ) 和罔b ) 的区别在于支撑轮的位置。图a ) 中的支撑轮l 、2 与定位轮2 成1 2 0 0 布置；图b 1 中的支撑轮是横跨在轨道中间位置，定位轮位置不变。装置采用了导引机构和传动机构相结合的方式，这样可以节省空n = 】。装置可以采用双导引机构，这样更能增加转弯的灵活性和范围。双导引时，可以采用双导引双驱动和双导引单驱动。采用双驱动就是使用双电机驱动，这样可以增加装置的稳定性，保证安全性。即使有一个电机不能正常工作，装置也可以正常运行。这样我们可以选择两个小型电机，并且还省去了额外的制动装置。双导引单驱动也能够很好的实现，即使电机故障，传动机构也有自锁功能，可以保证乘坐者的安全。哈尔滨工业大学 _ 学硕上学位论文a ) 均布形式a 1u n i f o r m i t yd i s p o s a l2 3 本章小结女# 齄2圆型轨道定位麓2定位轮1馘疆动齿轮垭颦支鼙轮b ) 横跨形式b ) t r a n s v e r s eb e s t r i d e幽2 - 8 导引机构简图f i g 2 - 8t h es k e t c ho f t h eg u i d em e c h a n i s m冒型孰擅定位盹2本章主要对整个爬楼装置进行了方案选择和结构设计，其中主要设计传动机构和导引机构。在传动机构的设计中，主要设计了一对柱齿圆柱齿轮齿条传动：推导出驱动齿轮齿廓参数方程；计算出了一定条件下空间齿轮运动时所能实现的装置的最小转弯半径；对整个装置中的重要部分导引机构进行了结构设计。在导引机构的设计中，提出了两种导引机构形式，并论证了这两种结构形式的可行性。一心。，飘门h。一蠢管。漱潍一：=：堡垒! 鎏些奎兰三耋堑圭兰竺篁兰：=：3 。l 引言第3 章传动系统动力学模型的建立轨道式爬楼机械装置传动系统的整体动态特性，不仪影响到整个装置的稳定性，而且对装置控制系统的设计具有指导意义。所以，要实现传动系统动态优化，首先需要对传动系统进行动力学分析，而建立系统动力学模型和方程则是进行动力学分析的前提和基础。本章主要是建立爬楼装置的传动系统的动力学模型和推导其动力学方程。传动系统由蜗轮蜗杆传动和直齿圆柱齿轮传动组成，称其为齿轮传动系统。从结构动力学分析的原理出发，可以将齿轮传动装置分为箱体和齿轮传动轴系两个子系统。首先通过对传动轴系的动态特性分析，获得各支承处的动态支承力；然后以此动态力作为对箱体的激励，分析箱体的动念响应，进而进行结构的整体动态特性分析。因而，对齿轮传动轴系进行动力学特性分析具有重要意义。奉章以轨道式爬楼机械装置传动系统中的齿轮传动轴系作为一个动态系统，建立该传动系统的动力学模型及方程。在齿轮系统动力学分析中，轮齿间的相互啮合使得各方向的振动相互耦合，形成了齿轮动力学中独特的啮合耦合型振动。实际的齿轮传动轴系是个复杂的动态系统，动力学模型的建立应该既能保证真实地反映系统的动力学特征、动力学分析的准确性，又要有适当的简化，以减少动态响应求解过程中的复杂性，避免计算量过于庞大。奉章根据轨道式爬楼机械装置的齿轮传动轴系的结构特点，采用集中参数法，分别考虑输出端横向振动与系统扭转振动的耦合作用，建立了齿轮传动系统的横一扭耦合动力学模型，并采用基于能量方法的l a g r a n g e 方程建立了该系统的动力学方程”“”1 。图3 - 1 所示为传动系统的简图，图中1 为蜗杆、2 为蜗轮，3 、4 、5 为直齿圆柱齿轮，6 为输出齿轮，也就是我们前面提出的渐开线柱齿圆柱齿轮。动力由蜗杆1 输入，驱动齿轮6 输出。堕尘堡! 些垒兰三兰堡圭兰堡丝兰6345i 【、一二王，一 ：。l 二l一a )b )图3 - 1 传动系统简图f i g3 1t h es k e t c ho f t h et r a n s m i s s i o ns y s t e m3 2 建立传动系统的动力学模型这里我们不考虑传动减速装置箱体的动态特性，只针对传动部分进行分析。这里所说的传动系统主要是指齿轮装置的轴系部分，具体主要包括齿轮、轴、轴承等零部件。本文采用集中参数法建立齿轮传动轴系的动力学模型。在建立该系统的动力学模型时，根据其结构特点，需要做一定的假设和处理。建模时不考虑轴承的支承刚度、减速器的箱体刚度及两侧齿轮轴的弯曲刚度。为了计算方便，把传动轴的转动惯量按照动能等效原理转化到该轴的齿轮上。齿轮系统的载荷不均是由于齿轮传动系统的误差及时变啮合刚度引起的，因此必须在动力学模型中考虑各级啮合齿轮副的综合误差、啮合冲击及啮合刚度。输出端驱动齿轮的横向振动直观地反映了齿轮的载荷不均状况，对于轨道式爬楼机械装置的齿轮传动系统，输出端的横向振动对系统的整体振动性能有重要影响，因此，我们在动力学模型中必须考虑输出端驱动齿轮的横向振动情况。根据图3 1 中所示的传动系统的布置形式，可建立传动系统的横一扭耦合振动动力学模型，如图3 2 所示。哈尔演丁业大学丁学硕+ 学位论文图3