上下楼梯搬运器说明书.doc

上下楼梯搬运器设计

摘 要：对于国内城市居民大部分都在七层以下的低层楼房内生活、学习和工作，这些低层楼房几乎都没有安装电梯，而且如果碰上停电电梯也使用不了的情况下，本设计的上下楼梯搬运器就发挥了很大的作用。本设计主要采用四杆机构上下楼梯搬运器的原理，由棘棘轮机构、四杆机构及滑轮等机构组成。该上下楼梯搬运器最大的特点是结构简单、操作方便、成本低。
关键词：棘轮机构；四杆机构；动滑轮；定滑轮；手轮；钢丝绳；

Moving From Top to Bottom Staircase Design

Abstract: Because most of urban residents in china who live ,study and work in the building lower than 7 floors .The low building almost have no elevator , and if account to power cut the elevator can't work, the moving from top to bottom staircase can play an import role .The main theory of this machine is bar linkage, which consisted of ratchet device, bar linkage, pulley institution and so on.
The most characteristic of this machine is simple, easy to control and lowest.
Key words: Cam organization; Four organization; Fall block; Crown block; Hand wheel; Steel wire rope

1 前言
1.1 国内外研究状况
虽然国外上下楼梯搬运器的研究比较成熟，性能优越，应用广泛，但由于它们结构复杂，造价昂贵，也只能运用于比较重要的领域，并不适合在我国大量生产和大面积推广，而且只在某些特殊场合才使用。在国内，我国对楼梯搬运器的研究尚少，几乎一片空白，不但不能运用于人们的日常生活和工业生产需要，同时也不能运用于解决当前国内的需求，因此，对这种造价低廉，结构简单，操作方便，又具有良好性能的上下楼梯搬运器的需求是显而易见的。
1.2 上下楼梯搬运器研究的意义
在中国城市居民大部分都在七层以下的低层楼房内生活、学习和工作，这些低层楼房几乎都没有安装电梯,很多人都有搬运重物上下楼梯的亲身体验，尤其在搬运一些体积较大而又易损物品时，常常会给我们带来许多不便，但上下楼梯搬运器解决了在没有电梯的条件下，将重物在楼道里安全，平稳，廉价地搬迁的问题，解决了残疾人的上下楼梯问题，还可作为搬家重物，救护车辆的辅助设备等。在现代化的都市生活中，楼梯成了一栋大楼不可缺少的部分，但能在楼梯上自动爬行的机械设备却很少。虽然有高速运行于楼层之间的电梯，但是楼梯的空间和承载能力实在有限，而且电梯还有一定的安全隐患。
在我国，研制出一种高效实用的上下楼梯搬运器，已成为科技工作者不可推卸的社会责任和社会需求，我们在指导老师的悉心指导下，将空间的上下楼梯运动分解为三个独立运动，对上下楼梯搬运器的创新设计方面进行了大胆的尝试。
1.3 上下楼梯搬运器的研究的目的
设计一种能在楼梯上自动运行的自动化设备无疑能够减轻电梯的压力，更能够帮助人们运送重物。在低层没有电梯的楼里，这种设备将更会方便人们的日常生活，而且随着我们经济改革开放的步步深入，建筑厂房用的土地越来越昂贵，为了节省资源，节省占地面积，现在的厂房，车间一般都不是高楼大厦，许许多多的车间都建成二层，三层乃至四层的厂房。这些生产车间一般均不设备电梯。这就出现了工件上下楼的运输问题，通常用人力扛抬。工人体力劳动强度过大，此时上下楼梯搬运器就派上了很大的用场。本设计的搬运器体积小，重量轻，而且安全、平稳，使用方便，是装潢公司、安装公司、搬运公司以及搬运工人的实用小型机械。它能用于机械厂、加点厂、食品厂的生产装配线，也能用于楼顶防水混泥土线浇工程。即可作为修理部门、仓库房的新型工具，也可进入家庭搬运物品、存放物品等。
2 上下楼梯搬运器设计方案
2.1 设计的思路
上下楼梯搬运器的设计根据设计任务书中的有关要求，通过分析可知，该机构需要通过传递运动和力的机构来达到向前和向上运动，从而达到搬运重物的目的。但楼梯的每个台阶都是有规律的，它只能是向上运动与向前运动分开进行的，而且每个台阶都是一样的，所以机构的运动过程实际就是重复向上和向前运动的过程。通过分析得到上下楼梯搬运器的组成框图，如图所示：

图1 上下楼梯搬运器的组成框图
Fig 1 The composition of moving from top to bottom staircase
通过分析可知，能实现原动机构的技术很多，能传递运动的方式也很多，但在不同的场合综合起来就各有利弊，具体分析如下：
（1）用电动机驱动 用电动机驱动可以充分利用电力资源，节省人力，操作者只需要控制开关即可控制机构的运行。但增加电动机必然增加机构的总重量，而且使得机构的结构复杂，尺寸较大，电线是移动的，不好安装，不能控制其精确停位，不适合在楼道这种小面积的场合使用。
（2）用人工驱动 用人工驱动，可避免用电驱动时存在的问题，使设计的机构体积小，且操作灵活，且可实现从上下运动转向水平运动的平稳过渡。
（3）用齿轮、带传动 用齿轮或者带来传递运动，可稳定地达到传达的目的，且能够承受的载荷比较大，精度比较高，但采用此传递方式，则需要采用重量较大的机构来实现其传递，所以必然增加整个机构的重量，且体积较大，所以不适合楼梯范围运行。
（4）用四杆机构传动 采用四杆机构可以实现给定运动规律或轨迹，而且载荷也能达到传动的需求，运动方向的改变可采用滑轮，力的传递可采用钢丝绳，这样可减少传递机构的重量和大小，满足设计要求。
人工驱动的形式又可以用手摇动和用手推动两种。该机构的垂直运动可采用手摇来达到运动的目的，手摇机构可采用手轮机构，而机构的水平运动可采用手推运动来实现。
2.2 方案的选择
因此，通过对上述的对比，该机构的设计应选择（2）和（4）构成初步方案。由前面的分析可知，人工驱动的上下楼梯搬运器只需设计一项行动形式传递功能的机构，通过手轮的人工驱动旋转达到载物台的向前和向上运动，所以上下楼梯搬运器的组成图框如图1所示。
2.3 上下楼梯搬运器的传动原理
摇动外部棘轮，使外部机构先将载物台托起，同时带动内部机构，使内部机构的重心提高，始终保持与外部机构同步运动，从而使内部机构悬空，并与外部机构保持同步运动，但比外部机构低一个台阶。
整个机构的工作原理如图2所示，先摇动尾部机构；通过手柄带动手轮转动，手轮又带动棘轮机构运动，当棘轮顺时针旋转时，棘轮给绕在其上的钢丝绳向上的拉力，拉力通过定滑轮1和定滑轮2带动动滑轮1向下运动，从而使后腿有向下的趋势。但是此时后腿与地接触，地给后腿一个反向的作用力，从而使固定定滑轮1和定滑轮2 的载物台部分向上运动，同时钢丝绳通过定滑轮3和定滑轮4以及钢丝绳固定端使动滑轮向前，即从图2中的B1运动到B2点。短前腿和长前腿构成一个卡障构，该机构能使安装动滑轮的顶端水平运动到时短前腿上端可绕定滑轮5转动，下端绕长前腿中部的滑轮轴承转动，这样就可以保证前脚端垂直运动，而且间距略大于间距，动滑轮2向前从B到A，同时前脚从C运动到D。由于前脚与地接触，所以固定定滑轮的载物台想对于前脚（即地）向上运动。这样就保持了水平台垂直方向上的平稳运动。此时外部机构已将载物台托起，内部机构悬空。摇动内部机构棘轮，内部机构的四条腿在弹簧的拉动下复位，推动内部机构，带动重物向前运动。这样重物就抬上了一个台阶，但是外部机构还在原始的地方。此时对内部机构重复同样的运动，摇动内部棘轮对内部机构进行驱动，使其四条腿同时向下运动。当接触地面后，通过地的反作用力使其上部（载物台）相对于四条腿向上运动（顶起），从而使外部机构悬空。外部机构与内部机构同步运动，但外部机构比内部机构低一个台阶。此时外部机构悬空，内部机构机构支撑。这时摇动外部棘轮通过弹簧的拉动外部机构的四条腿复位，推动外部机构带动重物向前运动。这样外部机构和内部机构都爬上了楼梯。
在内部机构支撑外部机构悬空的情况下，打开外部机构的棘轮，外部机构的四条腿在弹簧的拉动下复位。因为内部机构与外部机构之间存在转动副，因此对外部机构施加一个转矩，外部机构就会相对内部机构转动。再在外部机构支撑内部机构悬空的情况下转动内部机构，从而循环转动到所需的角度。当其中一个机构开始上下楼梯时另外一个不动，起支撑重物的作用，也相当于在爬行一个台阶的过程中加了一个过渡装置。

图2 上下楼梯搬运器的工作原理图
Fig 2 Moving from top to bottom staircase principle of work
2.4 总体方案的设计
该机构要达到水平运动和垂直运动的平稳运行，所以可采用两个相同的机构来重复交替运动，上下楼梯的间隔通过棘轮来控制机构上下的运动的高度，为了方便水平方向的运行，脚轮采用万向脚轮。总体方案设计如下：
本方案由分别驱动上下楼梯垂直运动和水平运动的内外两个机构（内外机构各四条腿）组成，每四条腿中分为两条前腿和两条后腿。这两个机构分别由两个棘轮机构、六个定滑轮、两个动滑轮、四个四杆机构、四条后腿、载物台以及两个控制机构等部分组成，是两个自由度机构。
内部机构如3图所示，外部机构如图4所示。其中2个机构的结构和工作原理都是一样的，只是尺寸大小不一样。选用两个差不多的机构是为了增加它的平稳性，保证机器更加安全平稳的工作，能把重物搬运到目的地。本设计还选用了棘轮机构，主要运用棘轮机构的间歇运动和当其中一个机构工作时另外一个机构的止回棘爪可以防止本机构的胡乱运动，从而使两套机构更加协调地配合在一起工作。轮滑和钢丝绳则主要是传递力的作用，通过定滑轮和动滑轮拉动钢丝绳带动前后腿上下楼梯，从而达到在楼梯上搬运重物的目的。采用万向脚轮是为了实现本机器转弯和在平地上也能搬运重物的功能。

图3 上下楼梯搬运器的内部机构
Fig 3 Or so stairs carrying the implement inside organization

图4 上下楼梯搬运器的外部机构
Fig 4 Or so stairs carrying the implement outside organization
3 上下楼梯搬运器原动机构的设计
3.1 手轮的设计
手轮按样式分主要有小手轮，波纹手轮，小波纹手轮，背波纹手轮，圆轮缘手轮，双柄手轮，铸铁镀烙手轮，平面手轮，双幅条手轮等等，如图5所示，主要用于机床设备，印刷机械，纺织机械，包装机械，医疗器械，石油石化设备，锅炉锅盖配件等。根据使用要求，机构载荷不大，故手轮受力不大，一般手轮都可满足要求，考虑到成本，本设计决定采用铸铁镀烙手轮，手轮型号为：HY8313.3.C，符合JB/T7273.3---1994.材料为HT200，表面喷砂镀铬，镀铬抛光，整个手轮重量大约为1.160kg。

图5 手轮
Fig 5 Handwheel
3.2 棘轮机构的设计
棘爪棘轮机构主要由棘轮、主动棘爪、止回棘爪和机架等零件组成。棘爪棘轮机构主要是将主动件的往复摆动转换为从动棘轮的单向间歇运动。棘爪棘轮机构按结构可分为齿式棘爪棘轮机构和摩擦式棘爪棘轮机构；按啮合方式分为外啮合方式和内啮合方式；按运动形式又可分为从动件作单向间歇转动和从动件作单向间歇移动。为了更好的控制两条后腿的上下伸缩和前腿上下楼梯本设计决定采用外啮合齿式棘爪棘轮机构，主要是为了使从动件作单向转动。

图4 外啮合齿式棘爪棘轮机构
Fig 4 Outside falling-in teeth notch wheel organization
（1） 棘轮齿形的选择：
棘爪棘轮机构的齿形分为不对称梯形齿、直线形三角形齿、圆弧形三角形齿和对称性矩形齿四种。根据本机器所承受的载荷不大，本设计可选用圆弧三角形齿。
（2） 棘轮模数和齿数以及其它参数的确定：
齿数：齿数的选取可以根据所要求的棘轮最小转角 来确定，棘轮的齿距角
2π （1）
由公式（1）可见
查资料得一般，最好，本设计取Z=20，此时棘轮的最小转角=
模数：模数m的选择与齿轮一样，棘轮也以模数m来衡量其棘轮的大小，而且现在的模数均已标准化。取m=6.
则顶圆半径：
根圆半径：

其中h为齿高，且当m=6时，h=0.75m=4.5mm
齿距：
轮宽：
棘爪长度：
棘爪齿根角半径：
棘爪工作面边长：
棘爪非工作面边长：
棘爪爪尖圆角半径：
棘爪齿形角：
棘轮齿顶弦厚：
齿槽夹角：
（3）齿面倾斜角的确定:
齿面倾斜角通常取，本设计取=
4 上下楼梯搬运器传动机构的设计
传动机构包括钢丝绳、滑轮和四杆机构，定滑轮安装在四杆机构上，通过钢丝绳来传递力的作用，从而达到四杆机构按照规定的轨迹运动，所以传动机构的设计包括钢丝绳的设计，滑轮的设计以及四杆机构的设计。
4.1 钢丝绳的设计
（1）钢丝绳直径的计算及选择：
钢丝绳是国家标准件，所以只需根据钢丝绳的受力选择合适型号的钢丝绳。钢丝绳的直径可由钢丝绳的最大工作静拉力按下式确定：
（1）
式中 ——钢丝绳最小直径，mm
——选择系数，mm/
——钢丝绳最大工作静拉力，N
表1 机构利用等级
Table l Organization making use of grade
机构利用等级
总设计寿命/h
说明
T1
200
不经常使用
T2
400
不经常使用
T3
800
不经常使用
T4
1600
不经常使用
T5
3200
经常清闲地使用
T6
6300
经常中等地使用
T7
12500
不经常繁忙地使用
T8
25000
繁忙地使用
T9
50000
繁忙地使用
T10
100000
繁忙地使用
表2 机构载荷状态
Table2 Organization loading state
载荷状态
说明
L1
机构经常承受轻载荷，偶尔承受最大的载荷
L2
机构经常承受中等载荷，较少承受较大的载荷
L3

机构经常承受较重的载荷，也常承受较大的载荷
L4
机构经常承受较大的载荷
钢丝绳最大静拉力：钢丝绳最大静拉力是由起升载荷考虑滑轮组效率和承载分支数后确定，起升载荷是指起升质量的重力。起升质量包括允许起升的最大有效物品、取物装置（下滑轮组、吊钩、抓斗、容器、起重电磁铁等），悬挂挠性件及其它在升降中的设备质量。起升高度小于50m的升起钢丝绳的重量可以不计。
系数c的选择：选择系数c的取值与机构级别有关，工作级别根据表1、表2和表3确定，选择系数则由表4选择。根据钢丝绳的最大工作静拉力和系数c可计算出钢丝绳的最小直径，然后查表选择型号。
表3 机构工作级别
Table3 Organization jobs rank
机构利用等级 载荷状态
T0

M1
M2
T1

M1
M2
M3
T2
M1
M2
M3
M4
T3
M2
M3
M4
M5
T4
M3
M4
M5
M6
T5
M4
M5
M6
M7
T6
M5
M6
M7
M8
T7
M6
M7
M8

T8
M7
M8

T9
M8
M9

表4 c和n值
Table4 c and n value
机构工作级别
选取系数C
安全系数

钢丝公称抗拉强度
n

1550
1700
1850

M1~M3
0.093
0.089
0.085
4
M4
0.099
0.095
0.091
4.5
M5
0.104
0.100
0.096
5
M6
0.114
0.109
0.106
6
M7
0.123
0.118
0.113
7
M8
0.14
0.1340
0.128
9
根据表1、表2和表3可知本机器的机构工作级别为M4，此时根据表4选取C=0.099.
由于本机器的工作载荷不是很大，可选取80kg，现假设整机重量为20kg，则

此时根据公式（1）计算
圆整d=4mm选择钢丝绳类别，其含义为6个圆股，每股外层丝可到7根，中心丝（或无）外捻制1—2层钢丝，钢丝等捻距，其型号为。
（2）钢丝绳的校核
所选钢丝绳应满足最大工作载荷时所承受的最大力时正常工作而不被拉断，钢丝绳的失效方式为拉断，故只需校核其拉力，其拉力应满足下式：
（2）
式中 ——所选用钢丝绳的拉断力，N
N——钢丝绳的最小安全系数，按上表4选取。
表5 钢丝绳的最小破断拉力
Table5 Steel wire ropes minima break a form cutting off pulling force
钢丝绳公称直径d/mm
钢丝绳最小破断拉力KN
2
2.11
3
4.74
4
8.44
5
13.10
根据钢丝绳直径d=4mm和上表5可知钢丝绳的最小破断拉力为8.44KN而且由表4可知n=4.5，所以
（3）钢丝绳端头连接方法的选择
钢丝绳使用时经常需要与其他零件联接。绳的端头连接方法一般分为手插软索、手插套环、铝合金压接软索、铝合金压套环、铝合金压接锥型软索、闭口端子、开口索节和闭口索节8种，各种连接方法如下图5所示。各种连接方法的使用场合不同，根据本机构设计的需求，选用铝合金压接软索。将钢丝绳绕过套环后，用铝合金使绳端固定，鞍式零件与绳的接触条件较好，绳长的一端应放在鞍式零件的一边，以减少联接损环后绳的损耗，这种固定方法用于不经常拆卸的场合，应用比较普通。
图7 钢丝绳端头的连接方法
Fig7 Steel wire rope ends the head connection method

(4)钢丝绳的维护
钢丝绳应定期涂无水防锈油、汽缸油或专用油，使其保持良好的润滑状态。钢丝绳使用后，必需经防锈润滑养护卷乎放在库内木板上保管，每半年检查一次，确认无绣蚀和损伤后，再涂油存放。定期检查钢丝绳的状况，一般半年左右做发现钢丝绳有磨损、断丝、锈蚀、夹刺等缺陷，报废的一次强度试验。使用前检查按规定视情况降级使用或吊运赤热或者融化金属时，若温度高于150应采用石棉芯钢丝绳。
4.2 滑轮的设计
（1）滑轮的类型及构造
在起重作业中，滑轮常与索具、吊具及卷扬机等配合作业。按滑轮的数量分有单轮（其夹板有开口和闭口两种）、双轮、三轮直至十二轮滑轮等。按滑轮与吊物连接方式可分吊钩式、链接式、吊环式和吊梁式等，一般中小型滑轮为吊钩式、链环式和吊环式，而大型滑轮均为吊环式和吊梁式。按滑轮的作用分为定滑轮、动滑轮、导向滑轮及平衡滑轮，滑轮在轴上自由转动，轴套采用青铜制作在重要的机构上轴套改用滚动轴承。绳索滑轮一般用在导向和支撑，以改变绳索及其传递拉力的方向或平衡绳索分支的拉力。本设计中采用了14个滑轮，其中10个定滑轮4个动滑轮。定滑轮用来改变绳索和拉力的方向，动滑轮用来调节后腿的高度和带动前腿向上运动。
（2）滑轮的主要尺寸计算：
滑轮直径： （3）
式中 d——钢丝绳直径
h——有机构工件级别和钢丝绳结构有关的系数，按表6选
表6 系数h值
Table6 Modulus h value
机构工作级别
滑轮
M1~M3
16
M4
18

M5
20
M6
22.4
M7
25
M8
28
当机构工作级别为M4时，h=18.由公式（3）可知：

其余滑轮尺寸如下：
钢丝绳直径：
滑轮绳槽底半径：
绳槽两侧面夹角：
平衡滑轮直径：
（3）滑轮允许的荷重：
根据滑轮的允许使用负荷公式：

式中： p--------滑轮允许使用负荷，kg
D--------滑轮的轮直径，mm
n---------滑轮的轮数量
计算得滑轮的允许使用载荷kg，由此可知所选的滑轮足以满足该机构的使用要求。
（4）滑轮结构和材料
根据经验查资料可知，承受载荷不大的小尺寸滑轮（mm）一般制成实体的滑轮，用15、Q135或铸铁（HT150），受力不大的滑轮可直接安装在心轴上使用。
（5）验证钢丝绳进出滑轮时允许的偏角：（GB/T 3811--1983）

图8 钢丝绳进出滑轮时的偏角
Fig8 The steel wire rope passes in and out of the angle of depression time the pulley
根据钢丝绳绕过滑轮时，两端的钢丝绳由于受力的原因，会产生一定的偏角，但偏角不能过大，因此需要验证其偏角。如上图图8所示，钢丝绳在滑轮上绕进或绕出时，绳由滑轮一端移到另一端，因而使钢丝绳中心线与滑轮轴中心线产生偏角，如果偏角过大，会引起钢丝绳与滑槽的严重磨损，甚至让绳脱槽，或者使滑轮上的钢丝绳不能依次排列，并产生乱绳现象，因此对偏角应验证并加以限制。
由图8可知，钢丝绳的最大偏角即是图中所示的偏角，故：

即
钢丝绳绕进或者绕出滑轮槽时偏斜的最大角度（即钢丝绳中心线和与滑轮轴垂直的平面之间的角度）一般不大于，由验证可知满足要求。
（7）滑轮的维护
严格遵照出厂铭牌的使用条件，不得超负荷使用；使用前应认真检查，当发现有变形、裂痕的定位装置不完善时，不准使用。选用时，滑轮直径的大小、轮槽宽窄应与配用钢丝绳直径的大小相配。在受力方向变化较大和高空作业时，不宜使用吊钩式滑轮，应选用吊环式滑轮，以免脱钩。
4.3 四杆机构的设计
本设计中共用了四个四杆机构，其中内部机构和外部机构中各用了两个四杆机构，从而实现了在楼梯上搬运重物的要求。该设计中采用的都是曲柄滑块机构，采用曲柄滑块机构主要是实现前腿垂直向上运动，从而达到能够上楼梯的一个台阶的目的，内外部机构的重复运动从而可实现机构在垂直的台阶上平稳地运动，从而达到搬运重物的目的。

图9 前腿四杆机构
Fig 9 Foreleg four poles organization

图10 曲柄滑块机构简图
Fig10 Smooth quick crank organization sketches
本设计中曲柄滑块机构滑块的连杆BC长300mm。根据一般的楼梯宽130cm,高150mm，可知前腿的两极限位置如上图所示。设计的过程如下所示，图如上图10所示。
（1）选定长度比例尺，在平面上会出滑块的长度和摇杆CD的2个极限位置和，如上图10所示；
（2）连接，做的中垂线；
（3）延长与相交，交点即为A点；
（4）连接，则为机构的一个设计位置，如上图图10所示；
（5）测量曲柄和机架的长度，根据计算出实际长度，其中mm,,mm。
（6）校核连杆机构的尺寸条件和机架条件；
根据最长构件长度其余两构件长度之和，即上图10中的这一原则，可知本设计中的尺寸符合标准。
（7）校核最小传动角
传动角是压力角的余角，数值上等于输出构件与连杆之间所夹的锐角。传动角的大小也可以应用于度量机构的传动质量, 可作为判断机构传动性能的标志。传动角越大，机构的传力性能越好，反之，传动角越小，机构传力越费力，传动效率越低。铰链四杆机构中传动角可用连杆和输出构件之间的位置夹角表示。当是锐角时，传动角与数值上相等；当是钝角时传动角数值上等于的补角。因此最大的和最小的机构两位置传动角的数值均较小，而在上图10中的曲柄摇杆机构中，最大的和最小的机构两位置必然是主动曲柄AB转到和机架AD伸展共线、重叠共线的2个位置，则传动角的最小值必然也出现在这两个位置。在这两位置机构的位行为三角形，传动角的值根据余弦定理可知：
（4）
（5）
根据公式（4）算得：

所以
所以本设计中的曲柄四杆机构的最小传动角，满足
5 弹簧的设计
在上下楼梯搬运器的设计过程中还采用了很多弹簧，采用弹簧最主要的作用就是为了让前后腿在整个运动过程中能及时的复位，从而保证机构能重复地运行。弹簧的种类很多，从外形上看，有螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、平面涡卷弹簧和板弹簧等，本机构的设计选用螺旋弹簧，用于控制机构的运动或零件的位置，例如控制棘轮机构的止回运动，前后腿的复位运动等。
对弹簧的设计，主要是根据工作条件选择合宜的弹簧材料及结构型式，然后应用求应力、变形公式确定弹簧的主要参数d、、n，最后求出弹簧的其他结构尺寸及弹簧丝展开长度等。
（1）选择材料并确定其许用应力：
表7 弹簧材料及其许用应力
Table7 Springs material and their Xu uses strain
材料及代号
许用切应力
许用弯曲应力
Ⅰ类弹簧
Ⅱ类弹簧
Ⅲ类弹簧
Ⅲ类弹簧
Ⅲ类弹簧
65
0.3
0.4
0.5
0.5
0.625
60
480
640
800
800
1000

450
600
750
750
940
不修钢丝
330
440
550
550
690
由于该机构的载荷不大，在一般载荷条件下工作，弹簧可以按第Ⅲ类弹簧考虑。因为要利用弹簧的拉力来使前后腿复位，所以采用硅锰弹簧钢材料。根据工作台的尺寸先估算弹簧钢丝直径为3.0mm，则钢丝绳的许用弯曲应力MPa，许用切应力MPa。
（2）计算弹簧钢丝的直径：
现选取旋绕比C=6，则有
（6）

计算直径可根据公式

式中 --------弹簧的最大工作载荷；
K---------曲度系数；
C---------旋绕比
所以弹簧的直径d为：

上值与原估计值相近，去弹簧钢丝标准直径mm。此时mm，为标准值，则：

所得尺寸与标准相符，合适。
（3）计算弹簧圈数n：
根据公式
（7）
式中 G--------弹簧材料的切变模量
---------轴向变形量
n----------弹簧的有效圈数
所以弹簧的有效圈数为

取n=12圈。此时弹簧的刚度为：

（4）验算：
弹簧初拉力：
初应力由公式：

式中 --------弹簧的初拉力
所以初应力计算后得

当C=5.62时，初应力的推荐值为65~150MPa，故此初应力最合适。
极限工作应力，则

6 脚轮的设计
在设计过程中，本机构采用的是万向脚轮作为其行走机构，因为在运动过程中，楼梯的角度是不定的，故机构运行过程中要不停得对机构进行方向的转弯变动，也能方便在水平位置的运行。在脚轮的设计过程中，为节约成本，可选择金属作为脚轮的材料，用通用橡胶作轮胎材料。为了防止脚轮因为使用时间长而生锈，所有金属零件表面均要防止锈蚀，例如油漆等。
当搬运器搬运重物需要转弯时，此时整个机器的重量都集中在两个脚轮上，根据公式：

表8 脚轮的主要尺寸和主要载荷W
Table 8 feet wheels main dimension and main loading W
D
L
H

W/N

A级
B级
C级
D级
80
20
80
400
400
630
800

25
100
400
400
630
800

30
100
500

500
800
1000

37.5
100
500
500
800
1000
100
25
125
400
500
630
800

30
125
500
630
800
1000
125
25
150
500
630
800
1000

30
150
630
800
1000
1250

37.5
150
800
1000
1250
1600
由根据上表8，本设计选择mm,mm的C级脚轮，其余尺寸如表8所示。脚轮的基本形式为万向脚轮，安装方式可选择平板式，如图11所示。

图11 脚轮
Fig 11 Trundle
7 整体机构的设计
普通楼道的宽度大概130cm，故该机构的最大宽度可选择40cm，根据人体高度以及使用时方便操作，整机高可选择900mm，根据普通楼梯每个台阶的长度以及机构的操作方便，整机长度可选择660mm。根据万向脚轮的尺寸以及载荷的大小和载物台的大小，后腿尺寸选择为，后腿内退的尺寸为，前腿根据滑轮的尺寸选择为。
8 轴与轴承的设计与选择
8.1 各联接轴的设计
本机构的设计中用到了16根轴，不过都是用于联接，包括手轮与棘轮的联接，定滑轮的固定等，但所传递的力矩都不是很大，都是小轴，载荷也不是很大，故设计的轴只需满足要求即可，不需要校核其应力。在16根轴中，12个定滑轮选用固定心轴，4个动滑轮选用转动心轴，手轮、棘轮则用转轴联接。
轴是用来支撑回转类零件及传动运动和动力的。按照承受载荷的不同，轴可分为转轴、心轴和传动轴三类。
根据手轮、棘轮和滑轮的直径选择与之联接的轴的尺寸如下：
手轮：因为手轮直径mm，所以轴的直径mm,mm。
棘轮：根据棘轮直径mm，选用跟手轮一样的转轴
定滑轮：根据定滑轮直径mm，选择mm,mm。
8.2 滚动轴承的设计
8.2.1 滚动轴承的选择
滚动轴承主要是用于支撑回转零件及传动运动和动力的，例如轴，其工作原理主要是依靠元件间的滚动接触来支撑转动零件。根据滚动轴承的工作受力情况，主要承受径向载荷，初选滚动轴承的类型为深沟轴承6202，其尺寸为，额定动载荷KN，额定静载荷3.48KN。深沟球轴承主要承受径向载荷，也可同时承受小的轴向载荷，当量摩擦系数最小，在高转速时，可用来承受纯轴向载荷，且价格较低。
8.2.2 滚动轴承的校核
根据前面轴承类型的选择可知深沟球轴承6202的额定动载荷KN，额定静载荷3.48KN。
根据本机器承重75kg可计算出轴受切向力N，径向力N，轴向力N。设轴承的预期寿命h。
（1）求两轴承的径向载荷
将轴系部件受到的空间力系分解为铅垂面和水平面力系，如图所示。其中C图中的为通过另加弯矩而平移到作用轴线上；图a中的也应通过另加弯矩而平移到作用轴线上（上述两步转化图中均未画出）。由力分析可知：
根据本机器承重75kg可计算出轴受切向力N，径向力N，轴向力N，设轴承的预期寿命h。

图11 轴承载荷分布图
Fig 11 Axle bearing loading distributes picture
（2）求两轴承的径向载荷和
将轴系部件受到的空间力系分解为铅垂面和水平面两平面力系，如图所示。其中C图中的为通过另加弯矩而平移到作用轴线上；图a中的也应通过另加弯矩而平移到作用轴线上（上述两步转化图中均未画出）。由力分析可知：

（3）求两轴承的计算轴受力和
对于6202型深沟球轴承，其轴承派生轴向力
，
式中： e--------判断系值，由的大小来确定，
但现轴承轴向力未知，故先取，因此可估算

e值进行插值计算，得。再计算

两次计算值相差不大，因此确定

（4）求轴承当量动载荷
因为

查表或插值计算得径向载荷和轴向载荷系数为
对轴承1
对轴承2
因轴承运转中有中等冲击载荷，。则：

（5验算轴承寿因为，所以按轴承1的受力大小验算：

故所选轴承可满足寿命要求。
8.3 滑动轴承的选择
在本机构中，滑轮轴承的作用主要是为了实现短前腿和长前腿之间的转动，从而实现外部机构与内部机构的相互运动，这种运动的受力不大，所以对材料的要求不是很高，可选择灰铸铁及耐磨铸铁，不需要验证其P值和pv值，而且可以降低机器成本。滑轮轴承材料主要有轴承合金、铜合金、铝基轴承合金、灰铸铁及耐磨铸铁、多孔质金属材料和非金属材料6种，故选择灰铸铁的滑轮轴承，其参数如下：
许用压力为，许用速度为。
直径根据轴的直径选择mm。
9 键与销的设计
9.1 键的选择
键是一种标准件，故只需根据要求选取合适的键即可，键通常是用来连接轴及轴上的转动零件，如齿轮、皮带轮等。常用的键有普通平键、半圆键、勾头锲键和切向键。键的选择包括类型选择和尺寸选择两方面。
键的类型应根据键联接的结构特点、使用要求和工作条件来选择。根据本机器所受载荷不大，属于轻载荷，普通平键即可满足要求，所以都选用圆头普通平键（A型）。
键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来取定。键的主要尺寸为其截面
寸（一般以键宽）与长度L键的截面尺寸按轴的直径由标准中的选定。键的长度L一般可按轮毂的长度而定，即键长等于或略短于轮毂的长度，根据轴的直径本机器中的手轮和启动轴连接选择mm,mm的圆头普通平键，标记为键。棘轮和起动轴的连接根据轴的直径mm，选择mm,mm的圆头普通平键，标记为键。起动轴和后腿的连接采用标记为键的圆头普通平键。
9.2 键的强度校核
对于采用常见的材料组合和按照标准选取尺寸的普通平键联接（静联接），
其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。因此，键的联接通常只按工作面的挤压应力进行强度校核计算。根据公式：
（9）
式中： T——传递的扭矩，且，单位为N.mm;
K——键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处h为键的高度，单位为mm；