楼梯平地两用电动购物车设计
3. 在毕业设计过程中，根据进展情况，完成参考文献的查阅与检索，要求10篇以上（其中英文文献不少于2篇），并分别写出不少于200字的摘要；3. 在毕业设计过程中，根据进展情况，完成参考文献的查阅与检索，要求10篇以上（其中英文文献不少于2篇），并分别写出不少于200字的摘要；4. 撰写毕业设计论文（不少于1.5万字），并符合“江苏科技大学本科生毕业设计（论文）撰写规范”；5. 软件包一套（刻录成光盘）。三、完成日期及进度自 2015年2月18 日起至 2015年6月12 日止进度安排：3.1～3.10 检索文献、查阅资料、调查研究；3.11～3.31 完成英文翻译，拟写综合报告；3.25～4.5 开题报告；4.16～4.30 功能设计、原理分析；5.4～5.25 系统结构设计、三维建模和仿真；5.26～6.5 撰写论文及其他文档资料；6.6～6.9 审查，修改，完善；6.10日之前 必须提交论文；6.11～6.12 毕业答辩。四、同组设计者（若无则留空）： 苏安东 五、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:[1] 冯鹏，石爱平，刘进等。智能楼梯平地两用运货小车的设计[J].现代制造技术与装配，2014（1）[2] 赵书晓，赵凯，宋数权。基于Pro/E的爬楼梯小车的设计和仿真[J].机械工程师，2008年第7期[3]童俊华. 行星轮式爬楼梯机器人小车的研究[D].江西理工大学 2009.[4]周琪. 一种平地、爬楼两用助行装置的设计与工程实现[D].南京理工大学. 2013 [5]吴颖. 一种平地--楼梯两用助行装置设计与控制系统的研究[D].南京理工大学. 2012 [6]任泰安. 简易楼梯平地两用小车轮体设计[J].河南科技学院学报(自然科学版), 2007，35（1）[7]王占礼,郭化超,陈延伟,胡艳娟. 爬楼梯轮椅翻转爬升传动系统设计与仿真分析. 2014[8]王晓鹏,甘新基. 一种爬楼路行两用电动车的结构设计[J].科技经济市场. 2013 系(教研室)主任： （签章） 年 月 日 学院主管领导： （签章）
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J].河南科技学院学报(自然科学版), 2007，35（1）[7]王占礼,郭化超,陈延伟,胡艳娟. 爬楼梯轮椅翻转爬升传动系统设计与仿真分析. 2014[8]王晓鹏,甘新基. 一种爬楼路行两用电动车的结构设计[J].科技经济市场. 2013 系(教研室)主任： （签章） 年 月 日 学院主管领导： （签章） 年 月 日摘 要摘 要随着我国城市化建设的发展，国内城市以多层公寓式楼房居多，然而目前人们出行时使用的便携式购物车，大都采用简单的圆柱形车轮，这种购物车一般只适合于路况比较好的平地，上下楼梯时极不方便。国外销售的高档全自动可爬楼梯电动购物车价格都很昂贵，不适宜我国普通家庭使用。为了解决这些问题，就需要设计出一种能够爬楼梯和平地行驶的购物车，本论文的重点是对购物车进行结构设计。本论文将设计的购物车设定为半自动的形式。首先给出购物车的总体设计方案，并阐述其爬楼梯和平地行驶的原理；然后根据其工作原理估算购物车运动过程中所受的阻力矩和所需功率，选择合适的电动机和电池；再对购物车进行传动系统设计以及完成购物车的机械结构设计，并用Pro/E软件建立购物车的三维模型；最后用Pro/e软件对购物车爬楼梯和平地运动过程进行运动仿真。关键字： 电动购物车; 爬楼梯; 结构设计; 运动仿真 目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 目前国内外的研究现状 1
1.3 本课题主要研究内容 5
第二章 电动购物车的总体设计 6
2.1 购物车电动机和电池的选择 6
2.1.1 技术指标 6
2.1.2 电动机选择 6
2.1.3 电动机功率和力矩计算 7
2.1.4 电池选择 8
2.2 电动购物车的总体设计 9
2.2.1 购物车的设计要求 9
2.2.2 总体结构图 9
2.2.3 工作原理 10
2.3 电动购物车的传动设计 10
2.3.1 传动方式选择 10
2.3.2 各轴动力参数计算 11
2.3.3 V带传动总体设计 12
2.3.4 蜗轮蜗杆传动总体设计 13
2.3.5 直齿轮传动总体设计 14
2.3.6 平地运动的链条传动设计 14
2.4 电动购物车的结构设计 15
2.4.1 整体车架的设计 15
2.4.2 轴的结构设计 15
2.4.3 星形轮的结构设计 26
2.4.4 联轴器的设计 28
第三章 电动购物车的建模与仿真 29
3.1 pro/e软件介绍 29
3.2 购物车的建模 30
3.2.1 整体车架的建模 30
3.2.2 V带传动建模 30
3.2.3 轴装配建模 31
3.2.4 星形轮建模 33
3.2.5 链轮传动的建模 34
3.3 购物车的运动仿真 35
3.3.1 平地运动仿真 35
3.3.2 爬楼运动仿真 36
结 论 38
致 谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
目前我国城市里高楼大厦居多，并且根据最新的《住宅设计规范》规定，七层以下的建筑不需要配备电梯设施[1]。换句话讲，除了高层建筑外，国内的住宅楼大都属于无电梯楼房。现实生活中人们出行时经常使用一种便携式购物车，这种购物车均采用简单的圆柱形车轮，一般只适合于路况较好的平地，爬楼梯的时候是很不方便的。通过对爬楼梯车的性能研究，我们知道如果购物车能够全自动自主地上下楼梯，这是最佳的实现方式。但研究同时发现，如果爬楼梯车为了实现该功能就需要有很强的自动调节能力，复杂的结构设计以及高端的控制系统，这样会使购物车的制造成本大大提高。国外市场就有这种高端全自动爬楼梯车，但是价格相当高，根本不适合中国的普通民众使用。从考虑成本的角度，我们可以将爬楼梯车的实现方式设计为半自动式的，即在上下楼梯过程中，人需要辅助购物车爬楼运动。
为了解决这类问题，迫切需要设计出一种新型的电动购物车。该购物车具有结构合理、操作简单、高效省力和价格便宜的特点，以及能够帮助人们上下楼运载货物，这样的电动购物车才有广阔的市场和推广的意义。
1.2 目前国内外的研究现状
研究爬楼梯装置，国外的起步时间比我们早，而且技术上也比我们成熟。1892年美国Bray发明了爬楼梯轮椅[1]，这是第一个爬楼梯轮椅专利，接着各国纷纷投入资金开展有关这方面的研究，相关的研究成果不断地公布于世，技术水平也是不断地成熟，部分产品已经成功地推广市场中。但是国外的这些产品都价格昂贵，国内普通民众都难以承受。相对于国外来讲，我国在此类装置的研究方面开始的比较晚，目前正处于成长的时期。当然我国的研究人员也申请了一些爬楼梯装置专利，不过这些设计方案大都停留在理论方面，很少实际上做出实物模型、进行生产制造再投入市场中。国内有很多学术人员研究爬楼梯装置，代表人物有清华大学的项海筹、乌兰木奇等[2]。
目前已推出或正在研究的爬楼梯装置形式多种多样，从爬楼装置的结构角度可以分为轮组式、履带式、行走式、升降式和混合式等[2]。下面谈谈各种爬楼装置目前的研究现状以及各自的特点。
轮组式
美国发明家 Dean Kamen 发明了一种两轮组式轮椅iBOT，如图1.1[2]。该产品在现有的可爬楼星形轮结构装置中性能是最好的，它总共有 6 个轮子，前面那一对脚轮是实心结构的，而后面的两对行星结构轮胎是可以充气的，两后轮通过围绕中心轴旋转交替爬上楼梯。我国内蒙古民族大学机电学院的苏和平教授等人在iBOT 装置的基础上进行改进。他们采用星形轮结构作为爬楼梯结构，设计出一种双联星形结构电动爬楼梯轮椅，如题1.2[20]。该轮椅爬楼时需要人工辅助或者楼梯扶手的辅助支撑，这样可以平衡其重心位置，使重心位置不至于波动太大，从而安全爬楼，它的价格比较低。
图1.1 Ibot装置示意图 图1.2双联星形轮电动爬楼梯轮椅
行星轮式爬楼梯装置可以楼梯平地两用，其结构比较简单，爬楼连续性好，是爬楼梯设计方案中较为合理的。车轮数目的增加可以让车体在运动过程中处于平稳状态，但是如果车轮数目过多又会造成装置体积过大，质量增加。
(2)履带式
履带式爬楼梯装置的工作原理和坦克差不多，它的工作原理比较简单。例如法国 Topchair 公司研制的电动爬楼梯装置，如图1.3[3]。平地行走时，它靠底部的四个车轮旋转驱动，当遇到一些像陡坡等复杂地形时，用户自己可以通过开关按钮先把这四个车轮收起来，然后把两侧的履带慢慢地放下，在这种情况下就不需要人的辅助作用就能够自动地完成爬楼动作。
图1.3单节双履式爬楼梯产品实物图
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J].河南科技学院学报(自然科学版), 2007，35（1）[7]王占礼,郭化超,陈延伟,胡艳娟. 爬楼梯轮椅翻转爬升传动系统设计与仿真分析. 2014[8]王晓鹏,甘新基. 一种爬楼路行两用电动车的结构设计[J].科技经济市场. 2013 系(教研室)主任： （签章） 年 月 日 学院主管领导： （签章） 年 月 日摘 要摘 要随着我国城市化建设的发展，国内城市以多层公寓式楼房居多，然而目前人们出行时使用的便携式购物车，大都采用简单的圆柱形车轮，这种购物车一般只适合于路况比较好的平地，上下楼梯时极不方便。国外销售的高档全自动可爬楼梯电动购物车价格都很昂贵，不适宜我国普通家庭使用。为了解决这些问题，就需要设计出一种能够爬楼梯和平地行驶的购物车，本论文的重点是对购物车进行结构设计。本论文将设计的购物车设定为半自动的形式。首先给出购物车的总体设计方案，并阐述其爬楼梯和平地行驶的原理；然后根据其工作原理估算购物车运动过程中所受的阻力矩和所需功率，选择合适的电动机和电池；再对购物车进行传动系统设计以及完成购物车的机械结构设计，并用Pro/E软件建立购物车的三维模型；最后用Pro/e软件对购物车爬楼梯和平地运动过程进行运动仿真。关键字： 电动购物车; 爬楼梯; 结构设计; 运动仿真 目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 目前国内外的研究现状 1
1.3 本课题主要研究内容 5
第二章 电动购物车的总体设计 6
2.1 购物车电动机和电池的选择 6
2.1.1 技术指标 6
2.1.2 电动机选择 6
2.1.3 电动机功率和力矩计算 7
2.1.4 电池选择 8
2.2 电动购物车的总体设计 9
2.2.1 购物车的设计要求 9
2.2.2 总体结构图 9
2.2.3 工作原理 10
2.3 电动购物车的传动设计 10
2.3.1 传动方式选择 10
2.3.2 各轴动力参数计算 11
2.3.3 V带传动总体设计 12
2.3.4 蜗轮蜗杆传动总体设计 13
2.3.5 直齿轮传动总体设计 14
2.3.6 平地运动的链条传动设计 14
2.4 电动购物车的结构设计 15
2.4.1 整体车架的设计 15
2.4.2 轴的结构设计 15
2.4.3 星形轮的结构设计 26
2.4.4 联轴器的设计 28
第三章 电动购物车的建模与仿真 29
3.1 pro/e软件介绍 29
3.2 购物车的建模 30
3.2.1 整体车架的建模 30
3.2.2 V带传动建模 30
3.2.3 轴装配建模 31
3.2.4 星形轮建模 33
3.2.5 链轮传动的建模 34
3.3 购物车的运动仿真 35
3.3.1 平地运动仿真 35
3.3.2 爬楼运动仿真 36
结 论 38
致 谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
目前我国城市里高楼大厦居多，并且根据最新的《住宅设计规范》规定，七层以下的建筑不需要配备电梯设施[1]。换句话讲，除了高层建筑外，国内的住宅楼大都属于无电梯楼房。现实生活中人们出行时经常使用一种便携式购物车，这种购物车均采用简单的圆柱形车轮，一般只适合于路况较好的平地，爬楼梯的时候是很不方便的。通过对爬楼梯车的性能研究，我们知道如果购物车能够全自动自主地上下楼梯，这是最佳的实现方式。但研究同时发现，如果爬楼梯车为了实现该功能就需要有很强的自动调节能力，复杂的结构设计以及高端的控制系统，这样会使购物车的制造成本大大提高。国外市场就有这种高端全自动爬楼梯车，但是价格相当高，根本不适合中国的普通民众使用。从考虑成本的角度，我们可以将爬楼梯车的实现方式设计为半自动式的，即在上下楼梯过程中，人需要辅助购物车爬楼运动。
为了解决这类问题，迫切需要设计出一种新型的电动购物车。该购物车具有结构合理、操作简单、高效省力和价格便宜的特点，以及能够帮助人们上下楼运载货物，这样的电动购物车才有广阔的市场和推广的意义。
1.2 目前国内外的研究现状
研究爬楼梯装置，国外的起步时间比我们早，而且技术上也比我们成熟。1892年美国Bray发明了爬楼梯轮椅[1]，这是第一个爬楼梯轮椅专利，接着各国纷纷投入资金开展有关这方面的研究，相关的研究成果不断地公布于世，技术水平也是不断地成熟，部分产品已经成功地推广市场中。但是国外的这些产品都价格昂贵，国内普通民众都难以承受。相对于国外来讲，我国在此类装置的研究方面开始的比较晚，目前正处于成长的时期。当然我国的研究人员也申请了一些爬楼梯装置专利，不过这些设计方案大都停留在理论方面，很少实际上做出实物模型、进行生产制造再投入市场中。国内有很多学术人员研究爬楼梯装置，代表人物有清华大学的项海筹、乌兰木奇等[2]。
目前已推出或正在研究的爬楼梯装置形式多种多样，从爬楼装置的结构角度可以分为轮组式、履带式、行走式、升降式和混合式等[2]。下面谈谈各种爬楼装置目前的研究现状以及各自的特点。
轮组式
美国发明家 Dean Kamen 发明了一种两轮组式轮椅iBOT，如图1.1[2]。该产品在现有的可爬楼星形轮结构装置中性能是最好的，它总共有 6 个轮子，前面那一对脚轮是实心结构的，而后面的两对行星结构轮胎是可以充气的，两后轮通过围绕中心轴旋转交替爬上楼梯。我国内蒙古民族大学机电学院的苏和平教授等人在iBOT 装置的基础上进行改进。他们采用星形轮结构作为爬楼梯结构，设计出一种双联星形结构电动爬楼梯轮椅，如题1.2[20]。该轮椅爬楼时需要人工辅助或者楼梯扶手的辅助支撑，这样可以平衡其重心位置，使重心位置不至于波动太大，从而安全爬楼，它的价格比较低。
图1.1 Ibot装置示意图 图1.2双联星形轮电动爬楼梯轮椅
行星轮式爬楼梯装置可以楼梯平地两用，其结构比较简单，爬楼连续性好，是爬楼梯设计方案中较为合理的。车轮数目的增加可以让车体在运动过程中处于平稳状态，但是如果车轮数目过多又会造成装置体积过大，质量增加。
(2)履带式
履带式爬楼梯装置的工作原理和坦克差不多，它的工作原理比较简单。例如法国 Topchair 公司研制的电动爬楼梯装置，如图1.3[3]。平地行走时，它靠底部的四个车轮旋转驱动，当遇到一些像陡坡等复杂地形时，用户自己可以通过开关按钮先把这四个车轮收起来，然后把两侧的履带慢慢地放下，在这种情况下就不需要人的辅助作用就能够自动地完成爬楼动作。
图1.3单节双履式爬楼梯产品实物图
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