多功能家用小车的升降机构设计

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｐａｐｅｒ， ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ／ａｉｒ ｐｒｅｍｉｘｅｄ ｆｌａｍｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｕａｔｅｄ ｂｙ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｆｌｕｅｎｔ ｉｎ ａ ｓｍｏｏｔｈ ｓｑｕａｒｅ ｃｈａｎｎｅｌ ａｔ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｂｏｔｈ ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ k－ε ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ＥＤＣ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ． Ｔｈｅ ｆｌａｍｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｆｌａｍｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ， ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ， ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｉｍｅ－ｏｆ－ａｒｒｉｖａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｃａｎ ｂｅ ｅｘａｍｉｎｅｄ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ ａｘｉａｌ． Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｌａｍｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｒｉｇｉｎａｌｌｙ ａｕｇｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ． Ｔｈｅ ｆｌａｍｅ ｍａｘｉｍａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｃｃｕｒｓ ａｔ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ １０５ ｍｍ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ． Ａｔ t ＝ ９．１ ｍｓ， ａ ｔｙｐｉｃａｌｌｙ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ｔｕｌｉｐ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｌａｍｅ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ． Ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ－ｆｅｅｄｂａｃｋ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｌｏｏｐ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ ｕｎｂｕｒｎｔ ｍｉｘｔｕｒｅｓ ｂｙ ｔｈｅ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｓｈｏｃｋ ａｈｅａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌａｍｅ ｆｒｏｎｔ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｇａｒｄｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎｌｙ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｆｌａｍｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ． Ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙ， ｔｈｅ ｆｌａｍｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗａｖｅｓ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｒｉｇｈｔ－ｈａｎｄ ｔｅｒｍｉｎｕｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｇｅｎ；ｆｌａｍｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ；ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ k－ε ｍｏｄｅｌ；ＥＤＣ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ
Ａ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ／Ａｉｒ Ｐｒｅｍｉｘｅｄ Ｆｌａｍｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ａ Ｓｍｏｏｔｈ Ｓｑｕａｒｅ Ｃｈａｎｎｅｌ
ＬＩ Ｓｈｕ－ｍｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｕ－ｌｏｎｇ，ＣＨＥＮＧ Ｇｕａｎ－ｂｉｎｇ （ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｉｖｉｌ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３００，Ｃｈｉｎａ ）
分析可知三根杆一共所需要的最大力为 １ ５００ Ｎ。
所需要的功率为：
P ＝ FV ＝ １ ５００×０．１ ＝ １５０ Ｗ
（１）
各传动零件的传动效率分别为：８ 级精度闭式圆
柱齿轮传动：η１ ＝ ０．９８，链传动 η２ ＝ ０．９，电动机的传
动效率：ηT ＝ ０．８。电动机所需功率：
２
２
Pd ＝（P／nT n１）（P／nT n１）（P／nT n１ n２）
有确定的运动轨迹。通过分析多连杆机构升降平台 它活动构件数 n ＝ ７，低副约束数 PL ＝ ９，自由度 F ＝ ３n － ２PL ＝ ３×７ － ２×９ ＝ ３。此时采用电机在底座上 对每对连杆进行运动控制即可以实现多连杆机构升 降平台仅含有升降方向的运动。
（ａ）三维图
（ｂ）侧视图
图 ２ 多连杆机构升降平台
中图分类号：ＴＨ１２２
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１３）１１－００２１－０２
随着我国城镇化改造的进行，城市人口的增加， 土地的日益减少，生活空间变得越来越狭窄，而且由 于人们的生活水平不断提高，生活资料和家居越来 越多，对存储空间要求也越来越多［１］，因此家庭里的 储物柜正变得越来越高。在不久的将来，甚至可能出 现家庭里的物品摆放变得像立体仓库一样，往高层 摆放从而节约空间。但物品高处摆放带来的拿取问 题也日益突出，部分家庭采取用折叠梯子解决，但是 随着空巢老人的增加，采用折叠梯子危险性较高，难 以从根本上解决这一问题。
１ 升降机构的设计思路
１．１ 升降机构现状 目前的载重升降装置大致有三大类： （１）液压剪叉移动式； （２）电动机剪叉移动式； （３）固定层叠垂直式［２］。 液压剪叉移动式主要是由液压装置控制升降，
结构复杂，效率不高，且操作不够灵活［３］。电动机剪叉 移动式主要由电动机控制升降如图 １ 所示，其升降 结构为传统的剪叉式，由电动机、底座和升降臂组 成，所述的底座上部设有与底座固结、并由连杆铰接 组成的 Ｘ 型升降臂［４］。固定层叠垂直式由行走底架、
n nn nn n ＝
５０ ０．８×０．９８
５０
＋
２
０．８×０．９８
５０
＋
２
０．８×０．９８ ×０．９
＝ ２０１．１６ Ｗ
（２）
选择的电机的额定功率 Pe 应大于电机所需的总
功率 Pd 总，即 Pe ＞ Pd 总，并且传动系统机构复杂，如果
电机功率过小，则导致电机起动不了，所以根据要求
本次设计传动部分电机额定功率选择要稍微大一
《装备制造技术》２０１３ 年第 １１ 期
多功能家用小车的升降机构设计
李岩舟，官丽金，韦周平，滕庆庆
（广西大学 机械工程学院，广西 南宁 ５３０００４）
摘 要：随着房价的不断上涨，室内高层空间的利用率也越来越高。如何方便的拿取高处的重物已成为降低家务劳动强 度的重点。针对这一问题，设计了一种能帮助取放高处重物的多功能家用小车升降机构，其能满足平稳控制平台的升 降，且结构简单，轻便，价格相对低廉，能方便的安装在多功能家用小车上满足室内使用的尺寸需求。 关键词：连杆机构；升降平台；家用小车
２００９，３９（４）：４１９－４２３．
ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗｓ ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
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ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９７４，３（２）：２６９－２８９．
究． 中国工程热物理学会［Ｃ］． ２０１１．
收稿日期：２０１３－０８－０３ 基金项目：广西大学“大学生创新创业训练计划”－ 小型多功能家用小车（编号：１２０１０１４） 作者简介：李岩舟（１９７９—），男，河北易县人，讲师，硕士研究生，研究方向为机械振动与动力学。
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为了解决这一问题，提出设计一种能帮助取放 高处重物的多功能家用小车升降机构，其能满足平 稳控制平台的升降，且结构简单，轻便，价格相对低 廉，能满足室内使用的尺寸需求。
起升桅柱、工作平台、液压系统、电气系统组成，行走 底架为型材焊接结构，装有硬胶轮及 ４ 个活动支腿， 在支腿下，装有胶质软垫，在转动的作业期间不损伤 地面。升降采用液压驱动，双链条传动［５］。液压系统由 电动油泵、油缸、油箱、截止阀、电磁支撑阀、油管等 组成。电器系统包括电动机和上、下电器操纵盒。这 种结构较为新颖，灵活性有很大提高，但是设备复 杂，制作成本高［６］。以上所述三种装置在升降工作时 单人操作不方便，设备庞大而不能够简便地在小空 间内使用，而且只有移动升降功能，相对单一，不能 满足现代家庭多功能多元化的需求。
连杆 Ｂ ；
（３）输入轴→齿轮 １→齿轮 ３→齿轮 ４→齿轮
６→链条 ７→连杆 Ｃ。
Ｂ
５
４
６
７ 链传动
Ｃ
图 ３ 传动系统
２ １３ Ａ
图 ４ 传动系统示意图
４ 电动机的选择
２ 升降机构的尺寸设计
由于本设计用于取放室内高处的物品，所以要 求升降机构在满足取放功能的基础上，尺寸要尽可 能小。所以通过查阅资料可知国内一般住宅每层楼 的平均高是 ２．８ ｍ［７］，且中国男性平均身高是 １．７１ ｍ， 女性平均身高为 １．５９ ｍ［８］。结合实际考虑方便取放高 处物品，所设计升降台最高能升到 ０．９ ｍ。通过受力 分析可知连杆转到垂直时受力趋向于无限大，所以 设定连杆所转的最大角度为 ７０ °。可求的每个连杆 的长度为 ４７９ ｍｍ，为了方便加工对其进行取整得到 ５００ ｍｍ。考虑室内尺寸，设计工平台的长、宽都为 ４８０ ｍｍ。根据人平均重量为 ６７．７ ｋｇ，一般家用升降台 升的平均速度为 ０．１ ｍ／ｓ。所设升降台上升的平均速 度为 ０．１ ｍ／ｓ，工作台能承受的压力为 ７００ Ｎ，运用仿 真软件对连杆及升降平面和底座进行计算分析，获 得最优尺寸为连杆长 ５００ ｍｍ，宽 １１ ｍｍ， 厚 ９ ｍｍ。底 座尺寸为长 ４８０ ｍｍ，宽 ４８０ ｍｍ，厚 １．０ ｍｍ。升降平 台尺寸为长 ４８０ ｍｍ，宽 ４８０ ｍｍ，厚 ５．０ ｍｍ，材料皆 为材料为铝合金。
点，额定功率为 ０．２５ ｋＷ。
因为连杆的转速为 ４ ｒ／ｍｉｎ，并且考虑到齿轮的
传动比和齿轮传动的效率以及齿轮传动系统起动时
的扭矩等，本次设计选择带有减速的电机，其额定转
速为 １ ５００ ｒ／ｍｉｎ。
根据上述选择的电动机的类型和额定功率以及
电动机的同步转速，经查表可选择电动机的型号为
１００ＹＹＪＴ２５０－３ 型，其额定电压为 ２２０Ｖ，通过自带的
图 １ 电动机剪叉升降台
１．２ 多连杆机构升降平台的设计方案 为了降低机构的复杂性，减轻重量和成本，所设
计的连杆机构如图 ２ 所示，其是一种特殊的铰链多 连杆机构，由三对位置错开的连杆构成，三对连杆通 过活动铰链与上下平面连接且成对称分布。三对连 杆在平面上成三角形安装。考虑到升降平台的受力 情况，及稳定性采用一前两后的布置，后面两对杆与 上下平面的连接点在一条直线上。上平面为升降台 面，下平面为底座。在底部安置有电动机，电动机通 过齿轮及链轮、链条将力矩输出到连杆上。由于升降 平台只有一个升降运动，为了保证升降平稳、安全和 可靠要求整个多连杆机构升降平台在电机控制下具
齿轮减速到为 ６ ｒ／ｍｉｎ，减速比为 i ＝ ２００。其最大允许
负载为 ２５ Ｎ·ｍ。经查表可知电机的安装尺寸为：中心
高 H ＝来自百度文库６０ ｍｍ，外伸轴径 ８ ｍｍ，轴外伸长度 ３８ ｍｍ［１０］。
４ 结束语
在生活空间日益紧张的今天，一款轻便的多功
（下转第 ２６ 页）
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（１）输入轴→齿轮 １→齿轮 ２→连杆 Ａ； （２）输入轴→齿轮 １→齿轮 ３→齿轮 ４→齿轮５→
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多功能小车属于家用电器设备，电压是 ２２０ Ｖ。
工作平台上升或下降的速度小且要求平稳，起动转
矩不大，所以选用 ＹＹ 系列三相异步电动机［９］。升降台
运行速度平均为 ０．１ ｍ／ｓ，转速 ４ ｒ／ｍｉｎ。根据 ＡＤＡＭＳ
３ 传动系统
升降台上升或下降运动是由传动系统实现的， 如图 ３ 所示。系统由一个电机通过齿轮传递带动三 根连杆同时转动且转速相等，确保三根连杆同时以 相等的转速转动，且在一条直线上的两个连杆以相 反的方向转动。齿轮传动系统分为三部分：一个单级 圆柱齿轮和两个双级圆柱齿轮，其中双级圆柱齿轮 有分为包含链传动和不包含链传动如图 ４ 所示。当 电动机工作时，动力传递路线分为三条：
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