机械创新课程作品设计说明书

大学机械创新设计课程

作品设计说明书

作品名称：设 计 者：专业班级：指导教师：

自立式电动升降平移梯

机自

目 录

一、作品简介 …………………………………………………………………2 二、创作基于的背景及意义…………………………………………………2 三、产品结构及工作原理分析………………………………………………2

1.总体结构……………………………………………………………………2 2.升降系统传动方案…………………………………………………………2 3.梯架结构……………………………………………………………………3 4.转向机构……………………………………………………………………4 5.踏板滑块机构………………………………………………………………5

四、设计参数的确定及必要的计算…………………………………………5

1、梯子功能参数………………………………………………………………5 2.致确定所需要的电动机参数，选择相关电动机……………………………6

1）、升降系统电机…………………………………………………………6 2）、驱动系统电机…………………………………………………………6 3）、转向系统电机…………………………………………………………7 4）、电池粗略选择…………………………………………………………8 5）、驱动轴校核计算………………………………………………………8

五、本次课程作品设计主要创新点……………………………………………9

六、参考文献…………………………………………………………………………10

一、作品简介

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本多功能电动升降梯采用人字形自立式踏板升降梯的基本结构形式，通过采用机电一体化设计，可遥控实现电动梯的升降、平移、转向等动作，以适应使用者在多点连续工作的需要。产品的机械部分主要由梯架、升降系统、驱动系统、转向系统等四部分组成，在控制部分我们参照其它智能小车模式准备使用逻辑、电机、无线收发、红外避障等模块来实现其功能。经过与普通的自立式便携梯相比较，我们可以看到该产品做到了自动化和智能化，使用户的工作效率显著提高，劳动强度大幅降低 。此外，与具有类似功能的升降平台相比，该产品成本低，结构紧凑，使用方便，能满足用户在室内使用的需求。经过本组成员的考察发现该产品在家庭以及室内装修装潢公司、商场仓库、会展布置单位、汽车零配件仓库、药品和服饰企业等多个场合具有很大的市场潜力，因此具有很高的推广应用价值。

二、创作基于的背景及意义

在日常生活当中，我们发现梯具是一种使用非常广泛的登高工具，在人们的工作生活中扮演着很重要的角色。虽然目前市场上的大中型梯具已经部分实现自动化，使得产品综合性能得到很大程度的提高，但是这些产品受高负载这一功能要求的限制，自重和体积都较大，不能做到便携及室内使用，主要应用于室外工作场合，例如工程抢险、安全消防等，并且一般成本很高，多为专业用户定做，不适合大众用户。小型梯具使用最为广泛，占大众用户市场的主体地位，其中更是以简易便携梯为主，但是经过日常观察，小组成员分析发现这类梯具普遍存在以下问题：

1、用户攀登时，必须双手抓紧梯子，小心攀登，否则容易出现危险，如果用户需要携带重物登高则更加不便；

2、当需要频繁变换工作地点时，使用者必须多次中断工作将梯子搬运到目的地后再继续工作，往复上下梯子，费时费力，工作效率低。

3、梯子踏棍（踏板）数量有限，间隔高度不连续，极易造成用户工作姿势不佳，由于长时间的静力作用而引起全身酸痛，使用户倍感疲惫；

针对梯具市场的发展现状，综合考虑各方面因素，结合《机械创新设计》课程所学知识，我们小组三人经过探讨后进行了本次作品设计。本作品将大型梯具的部分功能移植到小型梯具这一平台上，模拟户外高空作业机，如路灯维修机、高空抢险机等的工作方式，同时对其工作原理进行了优化和改进，使其具有了户外作业机可无级升降、平移、转弯的

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功能。它具备大型梯具的功能优势和小型梯具的市场优势，同时有效避免了小型梯具在使用过程中存在的种种缺陷，适用范围更为广泛。本产品功能齐全，操作简单，安全可靠，使用维护成本较低，可广泛应用于多种工作场合。

三、产品结构及工作原理分析

1.总体结构

本作品机械部分由升降、平移、转向和机架四大部分组成，具体结构如下图①所示。

结构包括：

1-梯子后支撑架； 2-后侧踏棍； 3-转向控制箱； 4-转向轮； 5-驱动轮； 6-主控制箱； 7-升降踏板；

8-滑道（同时为前支架）。

2.升降系统传动方案

自动升降功能是本产品的基本功能，升降系统使用最频繁、消耗功率最大，对产品整体性能影响最大，是本产品设计的重点。

为了将电机的旋转运动转换为踏板的直线运动， 我们采用了绳轮与定滑轮配合使用的传动方案，具体传动方案如图所示，图中导轨及梯架未画出：

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绳轮将电动机的旋转运动转换为钢丝绳的直线运动，再经过多个定滑轮的换向，最终将运动转换为踏板沿滑道的直线运动，通过改变电动机的转动方向即可改变踏板的运动方向。与丝杆传动、光杆传动等其他传动方案相比，该传动方案配合精度要求较低，结构简单，成本明显降低，更为可贵的是，该传动方案可以大幅地降低整机质量。

3.梯架结构

梯架是梯子的主体支架，同时又是滑动踏板的轨道，对梯子整体强度、重量以及踏板的滑动效果有重要影响。本作品选择使用“C”型铝合金型材，其横截面示意图如左图所示，其中A面为承重面。

4.转向机构

转向机构结构如图所示，平行四边形转向架的中间杆与齿轮轴固结在一起，减速直流电机通过一级齿轮传动将旋转运动转换为中间杆的左右摆动，从而带动平行四边形转向架摆动，进而引起转向轮绕竖直轴转动，实现转弯动作。

其具体结构：

1—梯架； 2—带座轴承； 3—滚动轴承；

4—平行四边形转向架； 5—中间杆； 6—竖直轴；

7—转向连接块； 8—齿轮；

9—带座轴承； 10—减速直流电机；

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5.踏板滑块机构

踏板—滑块机构如下图所示。两侧滑块由滑动轮、轮架及销轴组成，滑动轮采用尼龙轮，内部嵌有滚动轴承，具有噪声低、滚阻小等优点；踏板是由一块板料经过空间弯折变形获得，制作简单，成本低。踏板与滑块的轮架通过过盈配合联接，成为一个整体功能部件。

具体结构：

1—主承重轮； 2—轮架； 3—销轴； 4—侧轮； 5—踏板

四、设计参数的确定及必要的计算 1、梯子功能参数

查阅机械手册和相关文献后，根据类似产品的功能参数要求，应用类比法确定梯子基本功能参数如下所示：

项目 h b α β V1 V2 ω G W 名称 梯高 内测攀登支撑垂直升移动速转向轮转额定重量 宽度 腿夹腿夹降速度 度 速 载荷 角 角 数值 2m 320mm 65° 70° 0.08m/s 0.12m/s 0.9rad/s 100kg 30kg

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2.致确定所需要的电动机参数，选择相关电动机

η1 绳轮传动效率 0.96

η2定滑轮传动效率0.96

η3滑动块传动效率0.90

η4开式齿轮传动效率0.95 η5轴承传动效率 0.98 1）、升降系统电机

钢丝绳线速度:

v10.08v00.0883m/s

sin65sin65绳轮直径取35mm,则电动机转速为：

v00.0883n606048.21r/min

2r20.50.035电动梯所需功率：

PgGgv11009.80.0878.4W

电动机输出功率：

PdPg12378.494.5W

0.960.960.90电动机输出扭矩：

PdT94.56018.73Nm

248.212）、驱动系统电机

满负荷时，电动梯对地总压力：

FG（10030）9.81274N

按四个轮平均受力计算，每个轮所受压力： FNFG/412744318.5N

已知轮与地面的滑动摩阻系数2~8mm,取5mm，轮半径R50mm则行走

过程中，水平驱动力：

F4FN45318.5115.82N R50可得驱动功率：

PgFV2115.820.1213.89W 电动机输出功率：

PdPg13.8914.92W

0.980.9545取驱动轮直径为100mm,则驱动轮转速：

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v20.12606022.93r/min 2R20.50.1当一级齿轮传动比为1时，电动机转速为23r/min

3）、转向系统电机

n1转向时各部分受力如图所示：

滚动阻力：

Ff1Ff2FNR5318.531.85N 50阻力矩：

M1M2FfL31.850.061.91Nm

理论转向力矩：

MrM1M21.9123.82Nm

取各级铰接处传动效率为η=0.9，则电动机输出力矩：

MdMr3.824.56Nm

0.90.950.9845取转向轮转速0.63rad/s，则电动机输出功率：

PdT4.561.25.47W

结合机械手册和机械创新设计课程所学知识，通过查阅相关文献选择电动机额的类型和参数如下：

电动机 升降电机 类型 蜗轮蜗杆减速电机 额定电压 额定电流 空载转速 负载转速 输出扭矩 12V 12V 12V 4A 1A 0.55A 35r/min 20r/min 10r/min 26.5r/min 15r/min 8r/min 9Nm 2.2Nm 1Nm 行星齿轮平移电机 减速电机 转向电机

行星齿轮减速电机 7

4）、电池粗略选择

本次设计中经过小组成员的讨论决定选用普遍使用的大容量锂电池，因为该种电池具有体积小、放电稳定、充电电流大、免维护、寿命长等优点，在系统连续动作的情况下，可供整个系统连续工作大约2h。 5）、驱动轴校核计算

轴的受力图、合成弯矩图、转矩图及当量弯矩图如下图所示，应力校正系数0.6，

许用应力值[1b]60MPa,经计算知，在B、C、D三处当量弯矩较大，分别为：

MB=16435.5N·mm ，MC=17405N·mm ，MD=16414N·mm（均为该种类型梯具在日常生活当中的原始负载的数据，通过查略相关类似产品说明书得到）校核C处轴的直径：

dc3Mc17405313.26mm14mm

0.1[1b]0.160所以C处取直径14mm就可以达到安全水准。

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图⑨ 驱动轴校核图

五、本次课程作品设计主要创新点

1.小型化设计

本产品主要用于室内工作场合。模拟大型移动平台、户外高空作业机的工作方式，并对其工作原理进行了改进和优化，使其更能满足小型化、低成本的要求，无级升降、自动平移、自动升降等功能使产品综合性能大幅提高，有效解决了普通小型梯具使用过程中的种种缺陷；

2.最优传动方案

升降系统中采用绳轮—定滑轮组合的传动方式，结构紧凑，制造简单，装配精度要求低，并且系统质量小；驱动和转向系统采用大减速比直流电机，使得外部传动链变短，产品制作、维护更简单； 3.人字形结构设计

电动梯采用人字形的基本结构形式，与剪叉式、伸缩式等结构相比，该结构稳定性高，结构简单，布局紧凑，容易实现便携，收缩后储藏占地面积小； 4.无线遥控控制

无线遥控设计使产品操作更加简便灵活，有效避免了面板式控制方案中存在的线路复杂、安装位置无法确定、维护不便等诸多问题； 5.电动机可靠自锁

本作品中所使用的电机均有一定的自锁能力，其中升降系统中使用的为涡轮蜗杆自锁电机，能实现可靠自锁，可保证升降过程中运动平稳，使用安全； 6.高性能锂电池供电

采用智能设备普遍使用的高性能锂电池供电，具有容量大，体积小，输出电压稳定，充电电流大、免维护等突出优点。

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六、参考文献

[1] 成大先.《机械设计手册.第四卷》. 北京.化学工业出版社.1993.12

[2] 王晶.《第二届全国大学生机械创新设计大赛决赛作品集》.北京.高等教育出版社.2007.07

[3] 朱龙根.《简明机械零件设计手册》.北京.机械工业出版社.2005.08

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