三轮爬楼机构安全省力设计

胡碧波 王琳 秦楠

摘 要：为解决三轮爬楼拉杆箱在上楼时不安全、费力的问题，我们运用物理、工程力学和人体结构等理论知识分析发现当轮轴仅能单向转动时，能很好的解决此问题。基于实际拉杆箱结构，设计出了一种变形棘轮，可控制大轮转动方向为单向或双向，并建立形状强度模型给生产设计提供校核方案。

关键词 ：省力；安全；人体运动分析；形状强度模型

1 设计背景及意义

本设计源于传统三轮拉杆箱在实际使用中的不便。我们对其分析和改进设计，能大大降低其搭载过重物品爬楼梯时将使用者拉扯摔倒的可能性，同时减轻提物上楼的负担。

2 本设计的核心思路

如“图1”所示，本设计的核心思路是在三轮所围绕的轮轴上加棘轮装置。

（a） （b）

图1 具体设计原理示意图

在上楼梯时，棘轮处于工作状态，此时轮轴仅能单向转动，以达到上楼省力、安全的要求。在平地上时，可手动控制棘轮处于非工作状态，此时轮轴可双向转动，以便能调整拉杆箱的倾角，使其更符合人的使用习惯。

3 结构设计说明

3.1 关于运动尺寸设计

如图2所示，为使轮轴不与台阶接触，需对尺寸r，L，R进行设计计算。

（a） （b）

图2轮轴尺寸标注示意图

线性规划方程如下：

例如：轮子使用市轮滑鞋轮子，r=40mm。选取合理的R=71mm。此时，L<30.58mm 。

3.2 变形棘轮机构

（a） （b）

图3变形棘轮爆炸图

因“关于运动尺寸设计”限制，为保证棘轮齿数能达到所需要求，则设计了如 图3。以刹车线构成传动装置，辅以模具弹簧回弹装置，通过把手控制轮轴的转向模式。

3.3 棘轮齿形设计

因空间和三轮拉杆箱的运动限制，我们将棘轮设计成如图4所示，建立形状模型，压力角 ，形状角 ，数量角 ，且存在 ，变形棘轮的齿形由 和 就能将完全确定。

图4 棘轮形状设计

3.4 变形棘轮齿形状强度K值设计

为保棘轮在杆箱中能正常运作，且不影响拉杆箱本身的运动，对棘轮尺寸有所限制。棘轮工作状态分为通常状态和止逆状态。在通常状态下，棘轮做旋转运动，爪齿做直线往复运动。此时损伤多为磨损。在止逆工作状态下，损伤多为挤压和碰撞，参考齿轮损伤常规处理方法，碰撞损伤按挤压损伤的倍数进行计算修正。因变形棘轮本身形状特殊，无可参照强度计算公式。所以建立一种仅与形状有关的强度模型，单一参数确定强度以简化计算。公式为

理论中存在两个变量扭矩和体积，需要通过实验检验它们对k值的影响。用控制变量法进行实验。 设计实验证明扭矩不会影响k值：随机假定形状角 与 数量角 。用有限元进行静力分析。结果如图5所示，扭矩不影响k值。

图5扭矩对k值的影响

验证体积对强度k值的影响时，实验数据在一定范围内呈现规律变化，但在两极端体现出无规律变化，这说明k这一形状强度参数仅适用于一定施力面积与体积比的范围内。

（a） （b）

图6 45钢20CrMnTi和K值登高图

如图6所示，可用k值绘制强度登高图，可通过k值快速确定其形状变化范围，也可通过形状快速确定或比较强度。本模型可以推广到单一形状大小不等的零部件大规模生产设计中。

4 省力原理说明

如图7所示，忽略摩擦因素时，传统三轮拉杆箱上楼拉力周期内无限增长。实际操作中摩擦力支撑车身使拉力有上限。用拉力器进行随机数据实验表明最大拉力F约为重力的140%。分析人体机构，用数学模型进行估算。人在提重物是，至少会用到三角肌，肱三头肌形成杠杆结构。设重物重G，则所有肌肉共施力2.7G+4kg。相比于提物上楼，传统三轮机构省下的力即手臂肌肉组所负担的力。

综上所述，传统的三轮拉杆箱匀速上楼时所需的是一种周期性的变力，且过半的行程中所需的力大于重力，但小于提物上楼人所需施加的力。

本设计的优势在轮轴单向锁死，不存在手臂肌肉施力过程。比传统三轮爬楼拉杆箱最理想的状态还要轻松，手臂在每一个爬楼运动周期里都有机会放松，不用负担额外的力。

图7 拉力F变化曲线示意图

5 安全原理说明

三轮拉杆箱匀速上楼所需的力是一种周期性的变力。人所用的力也是一种周期性的变力。两种周期运动虽然频率一致，但施力时间不同。人在爬楼运动中会有某一刻仅有一条腿着地，且重心会移动调整。若拉杆箱的重量过大，则很可能将人往后拉倒。本设计将其单向锁死，则三轮拉杆箱可随时挺住，完全无需担心向后的拉扯力所带来的隐患。

6 结语

本设计能达到预期的安全、省力改进效果，但因本设计中的棘轮形式无法实现无间断止逆，实际效果由卡齿数量决定。k值的强度模型在体积论证方面存在一定问题，但以能达到设计初衷。

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本文系基金：大连科技学院大学生创新创业训练计划项目（20141215），可控变形棘轮机构的设计与性能研究，研究成果。