爬楼梯小车设计原理

爬楼梯小车设计原理

一、设计原理

本文利用齿轮齿条原理设计了一款可爬楼梯的机器小车。

摘要: 运用齿轮齿条原理设计了一款可爬楼梯的小车, 同时以Pro /E 为设计平台建立了小车的参数化模型, 提高了爬楼梯小车的设计效率, 验证设计的合理性。

爬楼梯小车分为两个组成部分：控制部分和车体部分。

控制部分主要功能就是控制车体各部分的电机运动，包括前后两齿轮的正反转，以及前后轮的正反转。

车体部分重要部分就是爬升机构，爬升机构采用两组齿轮齿条机构，各分部在前后两处。具体爬楼原理为: 当刚开始上台阶时, 前齿轮正转, 使得前齿轮连同前轮抬升, 等前轮上升到一个台阶高度时, 后轮转动, 将前轮放在上一个台阶上; 然后后轮停止转动, 前齿轮反转,后齿轮正转，使得车身中部得以抬升, 此时前后两轮同时向前运动使得小车中部也落到上一个台阶，然后反转后齿轮，抬升后轮与前轮一平，继续前进小车。这样小车就顺利地上了一个台阶。这样一直循环, 就可以使小车顺利爬完楼梯。

与其它可以上楼梯的车子相比有以下优点:

（1）设计原理直观;

（2）小车结构简单, 容易制造;

（3）可爬变高度的楼梯。

（4）整个爬升过程能保持车身安全平稳运动。

（5）依照上升原理，同样可以进行下台阶运动。

二、三维实体模型的建立和装配

2.1 实体模型的建立

实体建模是产品设计和仿真的基础, 模型建立的好坏直接影响到后面仿真和运动分析的结果。我们所研究的小车最主要的零部件是其爬升的关键部分齿轮齿条机构, 其他零件还有底盘、轴、车轮等。齿轮的建模是一项繁琐的工作, 参数化的齿轮可以使设计工作成倍地减小, 直齿圆柱齿轮的建模可以分为以下几步 :

( 1) 设置必需的参数, 如模数、齿数、压力角、分度圆直径等。用公式设置它们之间的关系。

( 2) 使用“草绘”工具创建齿轮的分度圆、基圆、齿底圆和齿顶圆。( 3) 根据渐开线的方程创建齿槽的轮廓曲线。如果选坐标系为圆柱坐标, 则方程可以是:

r=db/( 2 *cos( 45* t) )

th eta=tan( 45 *t) *18 0/pi -( 45*t)

( db 为基圆直径)

z=0

( 4) 使用“拉伸”工具创建齿轮的实体轮廓。

( 5) 使用“拉伸”工具创建轮齿特征。

( 6) 创建其他特征。

齿条的建模过程与齿轮相似, 建立好的齿轮如图1。

图1

2.2 模型装配

建模工作完成后, 就可以进行零件的装配, 因为后面要进行运动仿真, 所以装配之前要考虑好各个零件的连接和约束关系。各零件间的连接关系如图2 所示。

图2 爬楼梯小车结构图

在这里, 齿轮和齿条的装配成为关键, 齿轮和轴作为一个整体和底板用“销钉”连接, 然后作为一个整体与齿条连接, 约束条件是“滑动杆”。为了防止齿条和齿轮发生干涉, 可以先进入机构模块, 使用凸轮连接使齿轮的渐开面和齿条的渐开面配合。这样就可以使装配无干涉。齿条和齿轮的配合如图3 所示。

3 结论

本文以Pro/E 为工具, 进行了爬楼梯小车的建模以及装配。通过对爬楼梯小车的设计, 可以看出, Pro/E 作为一款功能强大的设计分析软件, 增加了产品设计的直观性, 大大提高产品设计的效率和质量。

4参考文献

[1] 曹岩.Pro/ENGINEER Wildfi re 3.0 曲面建模实例精解[ M] .北京: 机械工业出版社, 2007.

[2] 葛友华.机械CAD/CAM[ M] . 西安: 西安电子科技大学出版社,2008.

[3] 万志坚. 基于Pro_Engineer 建模的装配仿真研究[ J] . 汽车工艺与材料, 2008( 2) :30- 33.

[4] 钟日铭.Pro/ENGINEER Wi ldfire 4.0 中文版装配设计与产品实例[M] .北京: 机械工业出版社, 2007. ( 编辑明涛)

作者简介: 赵书晓( 1986- ) , 男, 研究方向为数字化制造。

收稿日期

机械工程师年第期35

制造业信息化

仿真/ 建模/ CAD/CAM/CAE/CAPP MANUFACTURING INF ORMATIZATION :2008- 04-28

2008 7 1