一种新型便捷式滑轨楼梯扶手设计

王 敏，刘 直，万长东

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

0 引言

通过对市场上各种上下楼辅助工具进行调查，结果显示大部分家庭选择普通楼梯扶手，这种扶手结构采用台阶递进，外加一条倾斜扶手作为协助，少部分家庭选择电梯代替人们完成上下楼的动作，这两种上下楼辅助工具都存在一些弊端。行动不便的老年人或者下肢功能不健全的人群使用普通楼梯侧面的扶手在上楼时难使劲，下楼时抓握不牢固，容易滑倒跌落；电梯占用空间较大，还需定期做检查与保养，价格昂贵，市场接受能力不高。本文针对上述问题，通过分析运动原理，设计了一种新型便捷式滑轨楼梯扶手[1-2]。

1 运动原理分析

1.1 运动要求

上楼时金属手柄应具备向上可以滑动、向下自锁的功能；下楼时金属手柄在自身重力的作用下，沿扶手向下运动，需要支撑时停止并卡紧自锁。完成上楼或下楼动作后，可将金属手柄自然下垂放置于楼梯扶手末端，避免影响其他人正常通行。

1.2 运动原理

图1为上下楼各阶段金属手柄受力分析。其中，G为手柄自身重力，F为人作用在扶手上的力，f为阻碍金属扶手运动的阻力。对借助滑轨楼梯扶手上楼的运动过程进行分析，将上楼过程分为两部分。图1(a)所示为金属手柄在受到使用者推力沿滑轨向上运动的过程，向上运动时向下的力主要为金属手柄自身重力G沿滑轨方向的分力及其与滑轨之间的动摩擦力f，当向上的推力F大于等于向下的力时，金属手柄会沿扶手向上运动；图1(b)所示为金属手柄自锁时，使用者握住金属手柄向上运动的过程，此时金属手柄受到向下的力包括使用者的拉力F和手柄自身重力G沿滑轨方向的分力，向上的阻力包括棘齿对卡舌的反作用力和沿滑轨向上的静摩擦力f静，金属手柄沿滑轨方向向下和向上的作用力相等，金属手柄处于静止状态，方便使用者抓稳后进行向上运动。

图1 上下楼各阶段金属手柄受力

对借助滑轨楼梯扶手下楼的运动过程进行分析，同样将下楼过程分为两部分。如图1(c)所示为松开金属手柄上卡舌，金属手柄在自身重力G及使用者轻微推力F的作用下，沿滑轨向下运动,此时沿滑轨向上的摩擦阻力f与使用者向下的推力F和金属手柄重力G沿滑轨方向向下的分力平衡，可以保证金属手柄沿扶手轨道匀速向下运动，当卡舌卡紧后，金属手柄自锁，不会继续向下运动，处于静止状态，受力与上楼时金属手柄自锁情况相似，不再分析,使用者可以借此扶着保持平衡，避免自己控制不好抓不稳发生前冲摔下楼梯，然后一步一步向下迈从而完成下楼动作[3]。

2 新型便捷式滑轨楼梯扶手结构设计

2.1 总体设计

楼梯扶手滑轨设计为棱状，避免滑轨上的金属手柄一端发生绕滑轨旋转的现象，在楼梯扶手两端增加一段柱状延长区，直径略小于金属手柄与滑轨连接处末端套筒的内侧圆，可用于将闲置时的横向金属手柄自然垂于地面放置其中；滑轨楼梯扶手末端需要安装阻隔圆头，防止处于放置区的金属横向手柄掉落；设计棘齿和卡舌配合解决自锁问题[4]。新型便捷式滑轨楼梯扶手结构如图2所示。

1-滑轨；2-棘齿条；3-金属手柄；4-卡舌

2.2 零部件设计

通过分析滑轨楼梯扶手的运动原理可知，新型便捷式滑轨楼梯扶手的关键在于自锁设计，自锁装置主要由位于扶手上的棘齿和手柄上的卡舌组成。正常向上滑动时，卡舌与棘齿紧密相贴，但不会发生啮合自锁现象影响滑动，当金属手柄停止滑动后，卡舌与棘齿啮合卡死形成自锁，自锁状态下手柄无法向下滑动；手柄下滑时，通过调节金属手柄上的按钮开关来控制卡舌，松开卡舌后的金属手柄将可以沿滑轨扶手进行上下滑动，到终点时通过阻隔圆头作为超行程保护[5]。

在UG NX9.0软件中绘制滑轨扶手、横向金属手柄、棘齿条、卡舌等零件三维模型[6-7]，如图3所示。

图3 主要零件三维模型

2.3 装配设计

新型便捷式滑轨楼梯扶手在普通楼梯扶手的基础上进行加装，在棱柱形楼梯扶手的侧面加装单向棘齿条，用于和卡舌配合形成自锁防止手柄下滑。额外添加横向金属手柄以及连接件，金属手柄与滑轨楼梯扶手的棱柱部分采用间隙配合，可以保证金属手柄在滑轨上进行滑动而不会产生较大的阻力。

在UG装配模块中进行装配，通过添加滑轨扶手组件，使用固定命令让组件固定。添加横向金属手柄组件，类型选择“接触对齐”，方位选择“自动判断中心/轴”，分别选择滑轨扶手的侧壁和横向金属手柄的内壁；类型选择“接触对齐”，方位选择“首选接触”，分别选择金属手柄内表面与滑轨扶手下边线；类型选择“垂直”，分别选择金属手柄与滑轨扶手外表面。手柄组件添加完成后，添加卡舌组件，首先使用“接触对齐”，方位选择“自动判断中心/轴”，分别选择金属手柄和卡舌的表面；类型选择“触对齐”，方位选择“首选接触”，分别选择卡舌外表面与金属手柄内表面。卡舌添加完成后如图4所示。最终得到的滑轨扶手二维装配图如图5所示[8]。

1-卡舌；2-金属手柄

3 强度校验

新型便捷式滑轨楼梯扶手在结构强度上需满足手柄足够支撑成年人体重的使用要求，上下楼时金属手柄剪切力作用如图6所示。金属手柄采用45钢制作，通过查阅手册可知，45钢屈服强度为355 MPa,整个结构安全系数取3.5[9]。

图6 剪切力作用点

查阅手册[10]可知，许用应力为：

(1)

其中：σs为材料的屈服极限;n为安全系数。将σs=355 MPa,n=3.5代入式(1)得：[σ]=101 MPa。

根据经验公式,许用剪切应力为：

(2)

将相关参数代入式(2)得：[τ]=58 MPa。

根据设计可知，金属手柄外直径D=40 mm，中空直径d=34 mm,截面积计算公式为:

(3)

将相关参数代入式(3)计算得：A=3.5×10-4m2。

手柄可承载最大剪切力载荷为:

(4)

其中：g为重力加速度。将相关参数代入式(4)计算得：W=2 071 kg。

金属手柄可承载最大剪切力载荷为2 071 kg，远大于成年人的体重，理论验证金属手柄设计强度满足使用要求，足够安全。

4 结论

本文设计了一种新型便捷式滑轨楼梯扶手，该扶手主要由扶手滑轨本体、横向金属手柄、卡舌、棘齿条组成，可靠性高，加工简单，成本低，安装时只要在普通楼梯的基础上稍加改进即可实现，对行动不便人群有较大的安全保障提升作用。本文提出的锁紧方式也为同类产品的设计研发提供了参考。