机械爬楼装置的传动方式和原理分析

周 平

（重庆移通学院智能工程学院，重庆 401520）

1 机械爬楼装置轨道的分类

轨道式机械爬楼装置是在楼梯上或者墙壁上安装轨道，然后让装置承载着座椅沿着轨道完成上下楼的动作。轨道是按照装置的运行轨迹面分类的，运行轨迹面指轨道的轴线垂直于楼梯表面的面，如果运行轨迹面为平面，那么轨道为直轨，直轨的形式也多种多样，如图1 所示。如果运行轨迹面为曲面，那么轨道为弯轨，同样弯轨的形式也有很多种，如图2 所示。根据这个定义，可知直轨一般只能安装在单层楼梯上，不能安装在多楼层的房屋，多层楼房只能通过弯轨来实现过渡。基于直轨圆型轨道的实用性强，外表光滑不易擦伤乘坐者，而且圆型轨道很适合布置在转弯处，圆形轨道具有良好的力学性能。本文设计的机械爬楼装置将采用圆型轨道，如图3 所示。轨道式机械爬楼装置的乘坐装置一般都会选用旋转式座椅，旋转式座椅不仅舒适且安全性很高。旋转式座椅在随着装置上下楼梯运动时要随时与地面保持水平位置，这称为座椅的垂位特性。采用控制解决座椅的垂位问题不但可以省去安装副导轨，还可以让装置拥有更小的空间占比。为了保证装置有更高的运动精度，一般在装置上选择合适的位置安装传感器，从而控制装置的上下楼运动。装置考虑到安全性，必须装配合适的蓄电池，预防突然断电的情况，驱动装置所用直流电机。采用蜗轮蜗杆或者自锁电机保证装置安全自锁。

图1 直轨的结构形式

图2 弯轨的结构形式

图3 圆型轨道截面简图

2 直轨、弯轨的传动方式

轨道式机械爬楼装置的传动方式主要包括钢丝绳牵引传动、链传动、螺旋传动和齿轮齿条啮合传动这四种传动方式。

1）钢丝绳牵引传动的优点有传递距离长、安装简单、本身无摩擦、无需润滑，成本相对较低。钢丝绳牵引传动有上牵引和自身牵引两种方式。在楼梯的顶部分别安装电动机和卷扬机，然后通过电动机带动卷扬机的转动，实现缠绕钢丝绳拉动装置的上下楼运动的方式称为上牵引。虽然钢丝绳牵引的传动方式十分容易搭建，但是使用钢丝绳牵引都会存在两个问题：一是长时间使用钢丝绳，会造成钢丝绳逐渐损耗，长时间损耗会出现断绳的危险；二是钢丝绳在卷入和卷出卷扬机时，会存在一定的波动，会让装置出现轻微的连续抖动，降低乘坐者的舒适性，钢丝绳牵引传动在直轨中的应用比较普遍[1]。

2）链传动在成本方面比钢丝绳牵引传动的成本还要低一些，链传动和齿轮传动都是依靠轮齿啮合进行传动的，所以链传动具有齿轮传动的一部分优势，而且其安装精度比齿轮传动低很多。链传动的优势有受力较好，承载能力较大，并且具有一定的缓冲和减震性能，中心距也可以适当调节，链条不需要和支撑导向装置摩擦做功，所以磨损、伸长缓慢，也不需要花费大量的人力和物力去调节链条的张力和更换链条，并且在严酷的工作环境下也可以照常工作。链传动的缺点是输出速度不稳定，不能保证恒定的瞬时传动比，工作有噪声，磨损后容易发生跳齿情况。

3）螺旋传动的工作方式是螺杆自旋，螺母与螺杆旋合，螺母沿着螺杆的方向来回运动，螺母安装在装置上带动装置来回做直线运动。因为其运动方式主要是旋转运动，力并不是在一条直线上，所以在运动时会有一定的抖动。其优势有旋转运动时会用比较小的转矩就能得到较大的推力，并且传动效率很高，传动灵敏且平稳，具有自锁功能。缺点是若螺杆长度达到一定值时，横向放置时会由于自重使轴线产生弯曲，从而产生导程累积误差，导致装置抖动加重。

4）齿轮齿条传动是一种在社会生活中经常看见的普遍传动。齿轮齿条传动较前几种传动方式，优势十分的明显。首先制造成本不高，特别是传动的平稳性好。缺点是齿轮齿条传动需要定期的加润滑剂，齿轮齿条传动时会有磨损。本文的爬楼装置对其平稳性的要求很高，齿轮齿条传动能同时满足直轨和弯轨，不用分别对直轨和弯轨设计和维护，可以大大降低制造的成本，所以齿轮齿条传动是十分好的选择[2]。

本文在弯轨上选用齿轮齿条传动，既能保证装置的平稳性，又能保证乘坐者的安全性和舒适性，同时还能满足直轨和弯轨传动方式一致，所以齿轮齿条传动是最优的选择。

2 轨道式机械爬楼装置的总体结构设计

2.1 系统的方案设计

结合轨道式机械爬楼装置以下两方面的优势，一方面是采用特殊的渐开线圆柱齿轮齿条传动作为传动系统，且传动的连续性较好，能实现空间上的运动轨迹。另一方面在设计时考虑到楼梯轨道与地面有一定的倾角，在设计时利用程序控制座椅的水平性，且装置的结构本身具有自锁性，能够有效地保证装置的安全性能。机械爬楼装置有驱动装置、传动机构、轨道、导引机构和座椅等。承力部分主要是轨道，轨道按照截面形状分为圆型轨道、工字型轨道、帆板型轨道。根据上文可知，本文装置的轨道将采用圆型轨道，因为其连续性比较好，容易加工、美观、表面平滑，同时拥有良好的力学性能。轨道式机械爬楼装置模型如图4 所示。

图4 轨道式机械爬楼装置模型

本装置由具有自锁功能的直流电机驱动。同时装备蓄电池为其供电。考虑到整个装置的安全问题，除了选择自锁电机来保障安全，在减速装置上还选择了同样具有自锁功能的蜗轮蜗杆保障乘坐者的安全问题。

作为装置最重要的部分之一的导引机构，具有转向的功能，并还具有定位的作用，机构中安装的传感器，用来探测轨道的水平度以及竖直方向上的转角。

除了从舒适的角度来设计座椅的结构，还需要对控制部件和一些电缆线路进行合理的安装。控制机构的作用是随时保持座椅与地面的相对水平，也就是座椅的垂位控制。转向机构中的传感器可以为其提供反馈信号。

座椅和踏板本身就是一个整体，两者之间由支架连接，同时其与装置本体连接以铰接形式连接。支架和座椅可以在本体上做一定角度的转动，即使装置本体与地面倾斜了一定的角度，座椅可以在控制系统的控制下始终与地面保持水平。

为了进行机械爬楼装置的结构设计，可以参考下面的系数进行设计：

圆形轨道截面的外径为100 mm，壁厚为5 mm；爬楼装置的最大承载质量为100 kg，爬楼装置的总质量为125 kg；轨道倾角根据楼梯角度而定，其范围在30°～60°之间；装置匀速运动时的速度为0.1～0.2 m/s，转弯时可控制其适当减速；电机功率为300～500 W。

2.2 机构运动原理

本文装置的驱动装置是带有自锁功能的直流电机，然后通过驱动装置和减速装置，以及各中间环节带动齿轮运转，并与轨道下端安装的齿条相啮合，从而实现整个爬楼装置沿轨道的上下运动。当遇到转弯时，由导引机构调整齿轮啮合方向，从而保证装置的顺利转弯。同时通过控制系统调整座椅与地面的水平位置。

当控制系统收到传感器传来的反馈信号时，装置会实现自动停车或者返回，此时说明装置遇到了障碍物。出现故障时电机和减速装置的自锁装置可以保证乘坐者的安全。

2.3 爬楼装置的传动部分

爬楼装置的传动部分由两部分组成，即蜗轮蜗杆减速装置、驱动齿轮和齿条传动。本文主要介绍驱动齿轮和齿条。本文设计的渐开线柱齿圆柱齿轮能有效的防止在转弯时的脱轨情况，如果用普通的渐开线齿轮，很有可能在转弯时由于齿轮齿条的干涉使整个装置脱离轨道，严重威胁乘坐者的安全，如果使用渐开线柱齿圆柱齿轮驱动，齿轮齿条就不会干涉，能很好地平稳过弯。本文运用的齿轮齿条传动为渐开线柱齿圆柱齿轮齿条啮合，作用主要是装置在转弯的情况下防止齿轮齿条啮合时相互干涉的情况，齿轮齿条相互干涉可能会导致整个装置脱轨。一般的渐开线齿轮并不能适应在弯轨的工作条件下工作。

3 结语

在现代社会中，根据法律规定6 层以下的楼房都可以不用配置电梯，况且很多公共场所包括私人住宅中都有越层结构，这样的结构对许多老人和行动不便的人造成了生活上的不便，本文提出的机械爬楼装置是在楼梯上安装，在程序控制的操纵下完成上下楼。为了实现机械爬楼转置平稳运行，本文介绍了机械爬楼装置轨道的分类和直轨、弯轨的传动方式，提出了渐开线柱齿圆柱齿轮齿条传动机构。后期对渐开线柱齿圆柱齿轮和空间齿条的具体结构参数可以进行更加细致的设计和强度计算，最终建立一个更加严谨的传动系统动力学方程。