电动爬楼载物车传动系统的设计与动力学仿真

陈延伟， 梁白冰， 刘洪萤

（长春工业大学 机电工程学院，长春 130012）

0 引言

在现代生活中，人们追求更高品质的生活质量逐渐成为第一需求。因此，为提高人们的生活质量，减轻爬楼携物的劳动量，研发具有实际开发性的爬楼载物辅助装置也应运而生。

日趋严重的社会老龄化，以及如何提高体力劳动者效率，成为我国面对的重大社会服务问题。一些城镇的中低层楼房，以及物流配送货物过程中，在不具备电梯的情况下，体力消耗很大且效率不高。因此，研发设计能同时满足多种复杂路况具有翻爬功能的智能载物车已成为当前服务机器人领域研究的重点问题之一。国外在爬楼载物车方面的研究已处于世界先进水平，技术相对成熟，并已投入生产，但其价格昂贵，国内用户消费不起，真正走进大众市场为时尚早。我国在爬楼车的研究起步较晚，国内一些代表企业也自主研发了爬楼车，并有小规模的量产，价格相对国外产品要低廉很多。但国内企业的技术略显粗糙，结构较为单一，生产的爬楼车在实用和操作性等方面存在很多不足，大批量生产为时尚早。因此设计出一种满足成本低廉、结构合理、重量轻等要求的爬楼载物车具有很大的市场前景与空间。

基于上述考虑，选择步进支撑式驱动形式，设计出一种基于链传动的链脚式爬升机构，能够实现攀爬平稳的过程。目前设计出一种传动方案具有承载能力大、结构紧凑、价格低廉的特点，为实现批量化生产的奠定基础，因此有着较为广阔的市场前景。

1 爬楼载物车传动部分的设计

1.1 现有爬楼载物车的传动系统分析

在爬楼过程中，电动爬楼载物车需满足的具体参数如下：1）爬楼车总重量≤30 kg；2）载荷≤80 kg；3）爬楼梯速度为1～10阶/min；4）楼梯尺寸按照《建筑楼梯模数协调标准》选取进行计算。

经过计算爬楼载物车在爬升过程中需满足的运动参数如下：爬升过程克服的阻力矩为M=109.96 N·m；输出端链轮角速度ω=1.63 rad/s；链轮转速n=w×60/2π=1.63÷（2×3.14）×60=15.57 r/min。

传动系统动力源选用57BLF03型无刷直流电机。电机主要性能参数见表1。

表1 无刷直流电机主要性能参数

再根据电动机的参数，总传动比为i=n电机/n=3 000÷15.57≈193。

在爬升装置设计过程中，根据传动系统在满足结构紧凑、降速较大、扭矩传递较大的要求下，尽可能地降低加工成本，重新研究了链传动、蜗轮蜗杆传动、齿轮传动等传动形式，通过分析对比几种传动机构的优缺点，在满足传动要求的基础上，决定采用同步带、齿轮、链传动相结合的方式实现降速过程，使得传动装置整体设计满足以上各个要求。

合理地分配总传动比即各级传动比如何取值，是传动方案设计的关键问题，它将直接影响到传动装置的外廓尺寸、重量及润滑条件等。

总传动比分配的一般原则：1）各级传动比都应在常用的合理范围内，以符合各种传动形式的工作特点，并使结构比较紧凑；2）尽量使传动装置外廓尺寸或重量较小；3）使各级传动尺寸协调，结构匀称合理，便于安装。

爬楼载物车的传动机构原理简图如图1所示。

图1 传动机构原理图

1.2 链脚式电动爬楼载物车整体建模

在现代产品开发过程中，计算机辅助设计（CAD）变得更加重要。当代计算机辅助设计能够快速实现设计者的思想，并能直观醒目地将设计思想呈现出来，这样既缩短了设计周期，也节约了开发成本。对爬楼载物车传动系统的实体模型建立以及结构设计是项目进行中不可缺少的步骤。本文设计采用的是SolidWorks三维建模软件进行实体模型的搭建。

根据设计的原理图利用SolidWorks搭建其三维实体模型如图2所示。

图2 设计的传动系统建模

2 爬楼载物车传动部分动力学仿真

爬楼载物车传动系统的运动仿真过程，是在已建立的虚拟样机的模型基础上，设定相应的约束关系，给定驱动的运动状态，模拟运动形式而得出爬楼载物车传动系统的运动速度、扭矩、力等情况。这里将使用已搭建好的虚拟样机模型进行可视化动力学仿真，近似模拟爬楼载物车传动系统的运动情况，了解其运动过程中转速、扭矩以及力的变化，验证爬楼过程的可靠性。

本文用ADAMS对传动系统进行仿真分析，将已经建好的传动系统三维实体模型导入到ADAMS中，对所需添加的约束进行定义，施加运动副，并对同步带与同步带轮之间，齿轮之间，链轮之间添加接触力，ADAMS中建好的三维实体模型如图3所示。

图3 ADAMS中的传动系统模型

完成各构件间的约束和接触力后，对同步带小带轮输入3 000 r/min的转速，设定仿真时间为30 s，步数为100步，进行整体传动系统的仿真。

通过仿真，得出输出端的转速曲线图4，图中曲线在95.446 35°/s（15.91 r/min）周围波动，满足理论计算的15.63 r/min第三级输出要求。

图4 输出端输出转速图

接下来进行输出扭矩的仿真验证，在ADAMS模型中，对同步带小带轮以STEP函数输入0.6 N·m的扭矩，设定仿真时间为3 s，步数为10步，进行输出扭矩的仿真。

通过仿真运算，最终得出输出端的扭矩曲线如图5所示，图中曲线在达到1s稳定输出以后，在1.125E+005N·mm（112.5 N·m）周围波动，满足理论计算的110.66 N·m第三级输出扭矩要求。

图5 输出端输出扭矩图

通过ADAMS得出最终输出轴的输出转速和输出扭矩曲线，即可验证所选的直流无刷电机符合工作要求。

对系统模拟0.5 s 1 000步传动状态，取出齿轮质心的坐标受力图，如图6所示：

图6 齿轮质心受力图

图6 可以看出在启动阶段，齿轮副的啮合力的波动幅度逐渐增大，0.1 s左右达到最大，后又递减；在开始阶段齿轮副啮合力幅度逐渐增大；到平稳运转阶段后，齿轮的啮合力在传动中的静载荷周围做波动，波动幅度具有稳定的周期特性，反映出了齿轮传动过程中的刚度激励特点。

3 结语

本文在结合比较各种传动方式优缺点后，通过同步带、齿轮、链传动3种方式的巧妙结合，设计了一套布局合理、输出稳定的传动机构，并对设计的传动系统进行传动比分配，通过SolidWorks对实体模型进行了搭建，最后通过ADAMS对整个传动系统进行了动力学仿真，利用虚拟样机技术验证了该传动系统的可行性。

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