履带式搬运助力车设计

符加园，李小帅，赵 航，余江鸿

（湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲412007)

网购货物日趋多样化，不仅有体积较小的商品，大型的电器等体积较大较重的物品也越来越多[1]。体积较大且较重的商品在物流配送过程中使得快递员在搬运和投递时劳动强度较大。商品上楼时，在没有电梯的楼宇，主要靠快递员肩扛上楼，易对工作人员造成身体伤害，同时也容易使商品产生碰撞，导致商品损坏，易产生纠纷。目前，市面上现有的爬楼载物车主要适用于残疾人上下楼或减轻特殊人群爬楼的负担，其结构复杂、功能强大，但价格高昂，不适合快递行业的需求。

第七届全国大学生机械创新设计大赛的主题为“服务社会——高效、便利、个性化”，其中一项为设计商品载运及助力机械装置[2]。本文结合创新大赛主题及社会需求，设计一款履带式搬运助力车，使其能满足国家《建筑楼梯模数协调标准》规定的尺寸参数，用于帮助快递员、城镇居民在楼梯上载运较大及较重的物品，降低劳动强度，实现文明安全搬运。

1 结构设计

1.1 设计要求

履带式搬运助力车的总体设计包括：动力系统选用、传动机构、支撑装置及控制装置。考虑技术要求和国家楼梯相关尺寸[3]，履带式爬楼助力车必须满足如下要求：

（1）最大载重：100 kg；

（2）爬楼速度：20～30 阶/min，可调速度；

（3）工作时符合《建筑楼梯模数协调标准》中规定的相关尺寸要求；

（4）可以连续、稳定的进行上下楼梯。

1.2 车架设计

参照《建筑楼梯模数协调标准》规定的尺寸参数，设计助力车其外形尺寸为：60 mm（长）×35 mm（宽）×120 mm（高）。绘制整体线框图模型，如图1所示。

图1 车架模型

1.3 履带选择与设计

履带式传动利用比较连续的行走方式，效率较高，在上下楼过程中装置波动比较小，支撑面积大，运动平稳，适用楼梯广，如图2所示。履带主要是用同步带制作而成，同步带包括不同的齿型、齿距和配套使用的同步带轮[4]。结合履带式搬运助力车的实际装配运行环境，选择爬楼同步带齿数z=32，分度圆直径D=80 mm，双面挡边无凸台，内径17 mm的履带。

图2 履带传动

履带式爬楼装置爬楼示意图，如图3所示。设楼梯台阶宽度为c，台阶高度为b，可以求解同步带轮之间的距离a.在根据国家标准的楼梯相关尺寸算出两级台阶边缘的距离在261～382mm之间，在根据上述设计的同步带轮分度圆直径为80mm，即可计算得出爬楼履带中心距在341～460mm之间。根据城镇居民楼数据以及履带式搬运助力车的整体车架设计工况，将同步带轮之间的距离a初步定为358mm.

图3 履带爬楼过程示意图

设计的履带式搬运助力车重量为G1=40 kg，最大承载量G2=120 kg，根据式（1）计算所需克服阻力矩[4]：

式中：M为助力车需克服的阻力矩；R为车轮半径；Fs为助力车需克服的阻力；G1为助力车自重；G2为助力车最大承载量；sinθ为楼梯台阶最小宽度和最大高度的比值。

根据国家标准，本次设计的履带式搬运助力车能满足普通楼梯运行。

履带式搬运助力车的设计速度是20～30阶/min，则上下楼梯履带的速度为：

同步带轮转速：

履带式搬运助力车在楼梯间运行所需要的驱动功率为：

由于在楼梯间的运动，受环境的一些影响，需要修正以下驱动功率：

其中f为影响系数。

结合实用性及制作能力，最终选用两条长966 mm的同步带。外齿同步带T20，内齿是同步带HTD-8M.内齿采用的HTD8M聚氨酯同步带是由热塑聚氨酯材料制成，保证传输性能好，传动准确、平稳，具有传动和传输功能[3]，同时高精度的直线定位有准确的同步传动功能，无滑差、无污染、噪音少。外齿采用T型同步带在完全相同的传动系统下，能提高电机的效率，使电机得到平顺安静的运转，利于搬运助力车从平地过渡到楼梯台阶上。

1.4 支撑装置设计

履带式搬运助力车是通过履带接触台阶实现攀爬。助力车载货时，履带需要承受一定负荷。然而履带承重时，会造成履带折弯，亦会加剧磨损，因此需要设计支撑装置，使其能：

（1）支撑履带，保证爬楼连续、稳定、可靠；

（2）变滑动摩擦为滚动摩擦力，降低能耗，提高爬楼能力；

（3）让履带式搬运助力车在爬楼时，像是在一个平面上运动。

支撑装置的大致线框形状如图4所示。

图4 支撑装置

使用的轴承型号为608-2RS，轴承参数：轴承直径8 mm；轴承外径22 mm；轴承厚度7 mm，脂润滑转速：48 000 r/min；油润滑转速：75 000 r/min.根据支撑架上轴承的厚度7 mm，设计履带的时候，考虑轴承结合履带的部分，必须为轴承的运转提供一个流道，因此设计的时候，必须把履带的背面特制流道，流道的宽度应略大于轴承的厚度，根据实际设计，把流道的宽度设定为10mm.如图5所示。

图5 履带流道图

2 电机、电源及减速机选择

助力车主要用于投递员在楼梯间运送商品，减投递员的劳动强度，所需要的驱动功率为P=476.04 W，同步带轮转速即输出轴转n=57.68 r/min，驱动力矩M=65.71 N·m，考虑工作能力及经济因素，能双向正反运动，选用500W无刷直流电机。

电源必须是可移动电源，能够连续充电，便于维护。锂电池寿命长，使用安全，绿色环保。选用型号GX-M3610-B2的裡电池作为动为供给源[4]，具体参数为：工作电压24 V；电池容量20 AH；续航时间为满电状态下空载3 h，载重1.5 h.

蜗轮蜗杆减速机具有较大减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，反向自锁，使用寿命长，结构紧凑等特点，选用WD型涡轮减速机。

3 三维建模及调试

履带式搬运助力车的装配模型图6所示，实物如图7所示。楼能力的测试。

图6 助力车模型

图7 助力车实物

调试主要是针对履带式助力车的控制系统和爬

（1）控制系统。打开电源开关，旋转无极调速旋钮，控制电机运行速度；然后测试电机正反转，也就是助力车前进后退。检测所有开关都控制正常。

（2）运行情况。助力车的运行状况，分为平地运行、楼梯运行、载物运行。平地运行和平地载物运行比较简单，没有出现跳动、载物冲击现象，使用助力车运送商品，可以明显感觉到轻松，劳动强度小。调试结果如表1所示。

表1 车体运行情况

综合多次调试结果，助力车载物上楼在25阶/min的速度爬楼时，速度在设计的范围之内，车体的振动比较小，爬楼平稳。

4 结束语

随着网上购物越来越普及，快递员在物流配送过程中投递体积较大且较重商品的情况越来越多。本文设计了一种履带式搬运助力车，以帮助快递员在投递重物时更加便捷和省力。参考《建筑楼梯模数协调标准》规定的楼梯尺寸，助力车采用履带传动，选用HTD-8M型同步带、可移动电源、可双向正反运动无刷直流电机及WD型涡轮减速器。通过虚拟样机仿真及物理样机调试显示，助力车于平地及楼梯载物运行时，在设计速度范围内，无跳动、载物冲击现象，车体运行平稳，能明显减小快递员的劳动强度。

[1]智研咨询集．2016-2022年中国快递行业市场现状分析及投资前景[R]．北京：智研咨询集团，2016．

[2]教育部高等学校机械基础课程教学指导委员会．关于发布第七届全国大学生机械创新设计大赛主题和内容的通知[EB/OL].http：//www.umic.edu.cn/show.asp id=225，2015-3-1．

[3]中华人民共和国城乡建设环境保护部．GBJ101-87建筑楼梯模数协调标准[S].北京：中国人民共和国国家计划委员会，1987．

[4]梁白冰.电动爬楼载物车的设计与研究[D]．长春：长春工业大学，2015．