用于爬楼小车的端面棘轮机构的设计与性能研究

王琳，刘军

(大连科技学院，辽宁 大连 116052)



用于爬楼小车的端面棘轮机构的设计与性能研究

王琳，刘军

(大连科技学院，辽宁 大连 116052)

摘要：对传统的端面棘轮机构采用变形设计，将其应用于爬楼小车爬行中防反转的单方向制动机构，完成了棘轮机构的几何尺寸及参数设计，并利用软件对其进行三维实体造型以及对受力最大的从动棘轮进行了有限元分析。通过从动棘轮运动过程中的旋转相位应变、应力云图，找到其受力变形最大的位置，为棘轮机构结构设计中的校核提供参考依据。并通过位移变化云图，对比不同材料与位移量大小的关系，为棘轮材料的选择提供依据。

关键词：爬楼小车；端面棘轮；防反转；有限元分析

0引言

目前，人们在购物时普遍使用一种手拉小车，它方便、省力、占地小。第一代手拉购物小车是两轮的，适合走平地和上下坡。后来，为满足人们拉车上楼梯的需求，购物小车由原来的2个小轮改为了2个三脚轮。其中，每个三脚轮是由3个同圆周均匀分布的小轮与一个三脚架镶嵌而成。在上楼梯的过程中，三脚轮因受外力作用而绕车轴旋转，以达到“爬”楼效果。但通过研究发现，此类小车在功能上仍存在一定的欠缺，比如说它的工作可靠性问题。人在拉小车爬楼梯的过程中，双腿一直在做一种连续循环运动。当只有一条腿着地时，如果此时后方小车过重，可能导致三脚轮逆转，最终使人失去平衡而摔倒。

为提高爬楼小车的工作性能，对爬楼小车增设手动制动反转装置——端面棘轮机构。目前，国内对内齿、外齿棘轮的相关研究较多，而对端面棘轮的相关研究相对较少。根据棘轮机构的工作原理，是在中心车轴上加上一个变形的端面棘轮机构，在上楼梯时使三脚轮只能单向旋转，一旦要发生逆转时可及时制动，避免危险。文中阐述了如何将防反转装置——棘轮机构应用于爬楼小车的结构设计，并通过有限元分析确定棘轮的薄弱环节，为结构设计和材料选择提供参考依据。

1齿式棘轮机构的设计

1.1传统的齿式棘轮机构

传统的齿式棘轮机构由棘爪和齿式棘轮组成，通常情况下棘爪为主动件，棘轮为从动件，可实现单向间歇步进运动。其中，棘轮有外齿式、内齿式和端齿式3种类型，如图1所示。机械产品中，以外齿式应用最广，端齿式非常少见[1]。

图1　齿式棘轮机构的类型

1.2棘轮机构的应用

齿式棘轮机构具有结构简单、制造方便和运动可靠等优点，但也具有回程时棘爪在棘轮齿上滑行造成的齿尖易磨损和产生噪声等不足之处。由于棘轮机构的单向间歇运动特点，在生产实践中常用于机床中的进给、转位或分度装置、起吊设备中的制动装置等。

1.3端面棘轮机构的设计

考虑到在人拉动小车爬行楼梯过程中，由于人车整体重心不稳会带来翻转的现象发生，将棘轮机构引入三脚轮的制动中。考虑到如果选用内齿式棘轮机构，结构将会受到三脚架尺寸的制约，其强度不能满足要求，工作可靠性难以保证，所以最终选用的是端齿式棘轮机构。

a) 棘轮齿形的选择

常见的棘轮齿形有：矩形和对称梯形，用于双向式棘轮机构；不对称梯形，用于承受载荷较大的场合；三角形或圆弧形，用于承受载荷较小的场合。设计所采用的齿形为三角形。

b) 棘轮齿数的确定[2]

棘轮的齿数一般取z=8~30，设计中选取棘轮齿数z=24。

c) 齿面倾斜角及棘轮尺寸的确定

棘轮齿形若为三角形，其中包括两种形式，一种为径向齿面(倾斜角α=0°)，一种为倾斜齿面(倾斜角α≠0°)，则其齿高h与齿形有关[3]。设计采用的是径向齿面，其立面倾角为0°，斜面倾角约为45°。

经分析，端面棘轮机构的主要失效形式是轮齿的折断和结合面的挤压磨损。设计尺寸时，应以牙根抗弯能力作为强度指标，再经抗挤压校核[4]。而且，还要综合考虑在上楼梯过程中三脚架中心部位与台阶不能产生干涉以及安装合理，即中心棘轮的半径R与小轮半径r、车轴轴心到小轮中心的距离L大小的几何关联。端面齿的结构如图2所示[5]。

图2　端面齿结构示意图

最后取端面齿外径D=58mm，端面齿内径D0=40mm，端面齿齿高h=5mm。

设计采用的并非传统意义上的棘轮机构，而是发生了变形，用相同结构的另一个棘轮代替了传统机构中的棘爪，其整体强度远高于棘爪。其结构和形状如图3所示。

图3　爬楼小车棘轮机构仿真模型

2爬楼小车的棘轮机构的性能研究

为了缩短设计周期，提高设计品质，采用三维软件对该爬楼小车棘轮机构装置进行了三维实体造型、虚拟装配和机械传动的动态仿真[6]，并对其运动学仿真结果进行了分析。

2.1爬楼小车的棘轮机构的三维建模

由上述确定的参数进行了整体爬楼小车的零件建模和装配，并模仿人拉动的过程，对其施加了爬楼驱动。由于棘轮机构在爬楼运转中是受力最大的部分，因此也是受力分析的重点内容。

2.2有限元分析

对从动棘轮进行了有限元网格的划分，尤其在齿形部位、3个小轮轴孔和中轴孔部位进行了手动细致的有限元网格划分，将主动棘轮运转一周中的四个旋转相位分别做了运动分析，得到了从动棘轮的应变、应力云图，如图4-图7所示[7]。

图4　棘轮第一相位应变、应力云图

图5　棘轮第二相位应变、应力云图

图6　棘轮第三相位应变、应力云图

从图中可以看出，每次拨动主动棘轮到某一个相位时，从动棘轮受到制动作用的3个齿面部位所受应变和应力最大，应变值最大为0.015，应力值最大为4.047MPa，3个小轮轴孔处，以在楼梯台阶接触的那个孔受力最大，应变值最大为0.005，应力值最大为1.349MPa。在此基础上，对棘轮结构设计进行校核，以保证其合理性。

图7　棘轮第四相位应变、应力云图

从动棘轮的整体位移云图如图8所示，图中给定的材料为PVC。从图中可以看出，中轴孔处和回转中心，3个小轮轴孔处外边缘位移最大，其位移量大小与所选用的材料有关，PVC材料的位移量要远远大于金属材料的位移量，从而为棘轮材料的选择提供依据。

图8　棘轮位移变化云图

4结语

将传统的端面棘轮机构采用了巧妙的变形设计，应用于小车爬行楼梯过程中的防翻转的单方向制动装置，使小车的工作性能得到很好的提升。通过运动仿真过程，对受力最大的从动棘轮进行了有限元分析，从中找到了受力变形最大的位置，确定了棘轮的薄弱环节。对于棘轮在工程实践中的结构设计及其材料的选型，以及优化爬楼小车的安全性能具有重要意义。

参考文献:

[1] 孙志礼，等. 机械设计[M]. 沈阳：东北大学出版社，2000，9.

[2] 王振兵,彭飞,李关章. 基于Pro/E的棘轮机构的运动仿真及动态分析[J]. 起重运输机械,2011,(4):48-50.

[3] 王良文,李安生,唐维纲,等. 棘轮机构的参数化设计[J]. 机械传动,2010,34(12):27-29.

[4] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社,2004.

[5] 王珍华,付微,赵立德. 牙嵌式电磁离合器的设计与计算[J]. 一重技术,2003,(4):8-11.

[6] 赵建勋,代菊英,黎聪. 基于Pro/E的简单机构运动仿真及应用[J]. 机械制造与自动化,2012,41(1):128-130.

[7] 丁睿,胡继峰,龚剑. 有限元分析法在零件实体设计中的应用[J]. 舰船科学技术,2010,32(12):140-143.

Design of Facing Ratchet-Wheel Mechanism in Upstairs Cart and Its Performance Study

WANG Lin, LIU Jun

(Dalian Institute of Science and Technology, Dalian 116052, China)

Abstract:This paper describes the change of the traditional facing ratchet-wheel Mechanism which is used for the anti-reversal brake system of the upstairs cart. The parameter design of the ratchet-wheel Mechanism, three-dimension modelling and finite element analysis of the driven wheel are finished. By simulating the movement of the ratch-wheel, its biggest stress and deformation places are found out in the stress diagram and it gives a reference to its structure design. Compared with its material and displacement, the basis is provided for the choice of its materials.

Keywords:upstairs cart; facing ratchet-wheel; anti-reverse-rotation; finite element analysis

收稿日期：2015-02-16

中图分类号：TH122

文献标志码：A

文章编号：1671-5276(2015)03-0113-03

作者简介：王琳(1980-)，女，辽宁本溪人，讲师，硕士，研究方向为机械设计CAD、CAE方向。