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摘要：分析了梯步车的研发现状，对梯步车目前存在的技术问题进行了研究，研发了一种采用蓄电池作为动力、电流电机变速传动、履带结构、可上梯步的电动车。介绍了可上梯步平板推车的总体布置、技术参数、基本性能。分析了可上梯步平板推车在上、下梯步中的应用特点，认为：研发一款履带式、环保型的电动可上梯步平板推车是非常必要的。
关键词：梯步车；货运；履带式；电传动；智能控制
1.问题的提出
在没有电梯的楼房和陡峭的山道上，向上搬运重物是件困难的事情。上、下阶梯是普通日常生活活动中的一种，那些在大量没有电梯的住宅楼房居住的居民，还有那些老年人和残疾人，在生活上就会有诸多不便。目前，无论乡镇还是城市无一不在飞速发展，其中阶梯不少。如上、下地铁通道有阶梯；横过马路上、下人行道或登越人行天桥，城市居民走亲访友，或送货上门也免不了爬楼下梯；楼上地下商场比比皆是，更免不了爬楼下梯；名山景点，山坡城市更是不计其数。这些阶梯对那些肩挑手提的货物搬运之人，对以送货上门为职业的工人等人群，跨越攀登这些阶梯时艰难费力。
因此，可上、下阶梯的电动梯步车的研发，无论是从实际应用方面还是理论研究方面，都是具有很高价值的。现在各国都争相研制各种适于上、下阶梯的电动轮椅及其配套装置。其中以联邦德国新近研制的履带式轮椅，加上配套的上、下阶梯装置尤为人欣赏。上、下阶梯装置的研究，对工业生产和社会生活有着积极的作用，解决了在生产活动和生活中遇到的难题。
目前，国内并没有一个完善、实用的可以上下梯步的电动梯步车，尤其是需要搬运货运上下楼梯的工人，特别需要一种可以减轻体力劳动的上梯步电动平板推车（简称：梯步车，下同）。因此，设计、研发一种适用于货运的梯步车就成了当务之急。
2、梯步车的设计
2.1总体方案的确定
梯步车最大的难度就是，如何爬梯步？梯步台阶的棱角的摩擦力有多大？梯步车需要同时作用在几个台阶上最好呢？用户提出的梯步车的长度要求是1200mm，驱动轮320mm，引导轮280mm，而接地部分长度只有600mm，所以只能同时作用于两个梯步台阶。
为了爬上梯步，需要的牵引力比较大。梯步车重量200kg，载重量200kg，整车重量400kg在30°的台阶上，整体的下滑力就是整车重量的一半200kg，此外还需要一个向上的推力，才能推动梯步车前进。
楼房梯步宽度280~300mm，梯步高度150~180mm，梯步斜度28~31°左右。根据楼房梯步的结构特点，确定采用履带式结构。梯步车外形尺寸确定为：1200×750×1500mm。梯步车主要由：底盘、平板车、电气系统组成。底盘主要由车架、履带、驱动轮、引导轮、支重轮、张紧装置、牵引电机、蓄电池安装、控制器安装组成。梯步车采用人工操纵，同步跟进。梯步车装配图如图1所示。
图1 梯步车结构示意图
1-驱动轮；2-平板车；3-蓄电池；4-支重轮；5-履带；6-底盘；7 -导向轮。
履带式底盘是整个梯步车的主要部件，它对整个装置起着支撑作用。平板车与底盘的连接采用固定方式，以便梯步车上下楼梯时，平板车与梯步的角度保持一致。梯步车采用电动机作为动力，蓄电池为动力源，采用履带式结构，克服人工搬运费工费力、效率低的问题。
梯步车主要技术参数：
整机重量：200kg；
型号：XT-TB-02；
行走速度：1~3km/h；
爬坡能力：≤30°；
载重量：150kg；
外形尺寸：1200×750×1500mm
驱动轮半径：160mm；
电机功率：2kw（1kw×2个）
电机转速：1400r/min；
电机电压：48V；
蓄电池规格：48V×40Ah
履带规格：200×72×40；
底盘轴距：948mm；
底盘轨距：550mm；
2.2底盘设计
底盘是保证梯步车运行的关键。采用刚性车体形式，车架与机体、支重轮均为刚性连接。其结构简单，便于总体布置，由于梯步车是低速运行的机械，地面直接传递到机体上的冲击力不大。一般的履带式工程机械，如挖掘机、起重机、装载机等，都采用刚性车体。底盘的车架上布置有驱动轮、导向轮、承重轮。在车架中间安装有两组直流电机和大速比的涡轮减速机，还有大容量的铁锂蓄电池及控制器。底盘的结构如图2所示。
图2 梯步车底盘
1-车架；2-减速机；3-电机；4-蓄电池；5-导向轮；6驱动轮。
动力的传递过程是：电机和减速机之间采用法兰连接固定，电机轴与减速机轴套配合，通过平键把动力传递给减速机的输入轴，减速机的输入轴通过涡轮蜗杆机构，减速输出。涡轮输出轴套与驱动轮轴连接，通过平键把动力传递给驱动轮轴，再把动力传递给驱动轮，驱动轮再带动履带，使得梯步车向前移动。
在梯步车上下台阶时，由于台阶棱角的作用，橡胶履带变形较大，一般变形在50mm左右，如果支重轮在棱角上时，梯步车有一个明显受力颠簸。为了上下梯步的安全性，在底盘下面安装了平衡保护装置，防止在运行中发生倾翻的可能，并且使得运行更平稳。
2.3 设计分析
驱动轮在履带底盘上的位置可以在后部也可以在前部。前置的驱动轮在前进时，驱动区段很长，履带在受力大的驱动段内转动次数多，损失大，前置驱动轮通常用于前置驾驶室底盘上，方便瞭望。一般履带底盘均为后置驱动轮，后置可减少驱动段长度，减少功率损失。但是随着车速的提高，由于橡胶履带振跳而损失能量增加，驱动轮后置的功率损失反而更大。因此一般认为：车速小于15km/h时，驱动轮后置有利。梯步车速为2km/h，因此采用驱动轮后置的方式。驱动轮在减速器驱动转矩的作用下，通过驱动轮上的轮齿和履带链之间的啮合，连续不断地把履带从后方卷起。接地的那部分履带给地面一个向后的作用力，而地面相应地给履带一个向前的反作用力，这个反作用是推动机器向前行驶的驱动力。当驱动力足以克服行走阻力时，支重轮就在履带上表面向前滚动，从而使机器向前行驶。
2.3.1履带的选择
履带合理的宽度与长度的配合，对提高底盘的牵引附着性能有较大影响。窄而长的履带，滚动阻力小，有较好的牵引附着性能，但是转向力矩较大。履带的宽度与长度比，一般用途：0.2~0.25。在梯步车的设计中，履带的宽与长度比是0.26，基本符合要求。
2.3.2支重轮
支重轮用来将履带底盘的重量传到履带上，使整个梯步车沿着履带轨道滚动。支重轮的尺寸和布置，应使接地压力均匀分布，因此采用直径小、个数多的支重轮。但是支重轮太小，将使支重轮滚动阻力增加。一般支重轮与履带节距的比是d/t=1~1.25（d-支重轮直径，t-履带节距），梯步车的这一比值是125/72=1.7。
2.3.3底盘重量
由于梯步车的载重要求200kg，而梯步的斜度在30°左右，既要爬上去还要可以转弯，因此底盘的外形尺寸就受得了严格的限制，底盘自身的重量也要尽可能轻一些，因此底盘的重量控制在200kg左右。两只电机对称布置，单独控制，分别改变电机转速以改变履带转速，从而改变前进的方向。
2.4 驱动轮轴组成
驱动轮用来将动力传递给履带。驱动轮和履带的啮合质量，影响动力的传递和运行的均匀性。驱动轮和履带啮合中的摩擦损失是齿轮啮合传动的数倍，这是由于啮合表面特别粗糙，在啮合过程中产生冲击而造成的。
驱动轮的齿数较少，为了使得卷绕在驱动轮的履带板节数增加，提高履带运动速度的均匀性，驱动轮直径就比较大，引起底盘高度及重量增加。驱动轮组成如图3所示。
驱动轮直径是320mm，它通过平键与轴同步转动。轴的两端采用轴承固定，轴承外圈通过轴承压盖与底盘骨架连接，轴的外端用防松螺母压紧。整个驱动轮组成布局合理，结构紧凑，满足梯步车力的传递和转动扭矩的要求。
图3 驱动轮轴示意图
1-锁紧螺母；2-轴承；3-轴承套；4-驱动轮；5-平键；6-减速机；7-电机。
2.5 电气系统
梯步车采用蓄电池供电，直流电机驱动。梯步车具有运行，前进与后退，刹车与转弯功能，采用18管智能控制器，对电机的过载，蓄电池的放电进行检测、控制，保证梯步车的安全运行。梯步车的控制与保护具有如下的特点：
2.5.1 超静音功能，软启动功能，欠压保护，过流保护。
针对无刷电机脉动电流的缺点，将启动过程中的噪音及振动降到最低。安全启动，增大启动转矩，使启动更平稳。当电池电压降低于设定电压时，自动停止输出，以免电池组过放电而失效。当输出电流超过设定值时，自动停止输出，可保护电机和电池组免受大电流冲击。
2.5.2 断电刹车功能，柔性EABS刹车功能，限速和限流功能。
EABS+机械刹车，高、低电平，大大增加了整车制动的安全性和可靠性。达到了刹车静音，柔和的效果；减小了给电机带来的冲击，完全不损害电机；降低了刹车静音。将行使速度控制在设定速度范围内。
2.5.3 防飞车功能，MOS管短路保护功能，完全断电功能，过温保护功能，自检功能。
解决因调速不良或线路故障引起的飞车现象。同时启动防飞车功能，提高了系统的安全性。上电时，自动检测MOS管短路故障，防止引起连环短路，损坏其他MOS管。当关闭电门锁后，控制器将自动关闭电源。可减少误操作现象，大幅度提高安全性能。当控制器自身温度超过一定温度后，自动降低输出电流，并有最高温度保护。当控制器上电后，控制器会自动捡测：转把，刹车，霍尔，MOS管等，保证行车安全。
3.梯步车的试验
梯步车装配完成后，进行了上、下楼梯的试验，梯步车非常容易就踏上台阶，顺利爬上台阶。结果证明：梯步车的设计是成功的，总体结构紧凑合理，牵引力满足牵引要求。
由于楼梯台阶的角度在30°左右，梯步车上梯步时，因为重心靠后，所以是后退进行的。履带靠上台阶，平稳起步，整体重量由第一个支重轮和安全机构的被动轮承担，直到整个梯步车与台阶角度一致，平稳上行。梯步车安装有保护机构，提高了安全可靠性。成功进行了载货试验，说明动力的匹配是合理的。梯步运行试验如图4所示，这是已经爬上台阶的状况。
图4 梯步车已经爬上了台阶
4.结语
经过研发、试制的可上梯步平板推车，采用大功率铁锂蓄电池，大功率直流无刷永磁电动机，智能化多管直流控制器，使得梯步车具有前进、后退、转弯功能。完成了爬台阶试验，整体性能稳定，满足用户的要求。
采用橡胶履带，摩擦力大，起步平稳，踏上台阶沉稳有力。
可上梯步平板推车的研发成功，使得该产品具有了向电动平板车、电动梯步车延伸发展的可能。
参考文献：
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[3]赵文生，履带式行走机构设计分析，[J]，湖北农机化研究，2010，（4）.
论文作者:陈立功,吴章平,秦维,王文乐
论文发表刊物:《电力设备》2016年第17期
论文发表时间:2016/11/9
标签：履带论文; 底盘论文; 驱动轮论文; 台阶论文; 电机论文; 蓄电池论文; 阶梯论文; 《电力设备》2016年第17期论文;