许志康， 董淑婧， 林叶
（大连科技学院，辽宁大连116052）
摘 要：电动载物爬楼车在爬升过程中，四杆机构由电机主轴驱动，从而实现了攀爬楼梯的过程。电机主轴受到两端弯矩、转矩的作用而影响到电动载物爬楼车的爬楼稳定性。因此需要对电机主轴和四杆机构中的四杆轴进行有限元分析来验证强度，文中利用SoildWorks软件来实现爬楼车电机输出轴的设计和有限元分析。
关键词：输出轴；有限元分析；应力；变形；安全系数
随着当代社会城市化建设的加快，医疗保健的进步，社会人口老龄化的趋势日益严重，老年人等人群携物上下楼梯难问题也日趋凸显。爬楼载物车可作为普通市民和体为劳动者日常工作生活中携物的辅助工具，普通市民和体力劳动者可借助爬楼载物车的辅助作用，较为方便地解决高层建筑携物上下楼梯难问题。
本文所设计的电动载物爬楼机的整体结构由5部分组成，包括主体框架、减速器、电机、电池以及传动机构，如图1所示。
电动载物爬楼机利用四杆机构来实现动力传输，在电动机5通电时，通过减速箱11带动四杆机构装置，利用曲柄摇杆机构运动特性实现往复升降动作，从而使电动载物爬楼机实现上楼或者下楼的功能。
爬楼载物车在实际工况工作中，整套装置的轻便程度决定了电机输出端转矩值，并且在一定程度上决定了装置的稳定性，因此，在设计过程中，构件的重量同样是设计的考虑重点，还要验证其部件强度要求等是否合理。因此对爬楼载物车中关键部件的有限元分析验证是整个设计中的关键步骤。
图1 电动载物爬楼机的整体结构建模
1.连杆 2.车轮 3.三脚架 4.挡泥板 5.电动机 6.车架 7.电瓶 8.固定铰链 9.摇杆 10.曲柄 11.减速器
图2 电动机主轴三维模型
利用SolidWorks软件对整套爬楼装置结构进行了设计，并完成了对爬楼载物车的实体建模，并借助有限元分析插件SolidWorks Simulation对爬楼载物车关键部件电机主轴和四杆轴进行强度与刚度分析。
2.1 关键零部件导入
爬楼载物车爬升过程中，四杆机构伴随着电机主轴的转动从而实现攀爬楼梯的过程，电机主轴受到两端弯矩、转矩的作用直接影响到爬楼载物车的爬楼稳定性。因此对电机主轴和四杆机构中的四杆轴进行有限元分析来验证强度要求。本节所分析电机主轴和四杆轴模型分别如图2和图3所示。
其中，电机主轴和四杆轴进行网格划分时二者的材料均采用合金钢，使用材料的具体参数如表1所示。划分结果如图4和图5所示。电机主轴划分的总节点数为12 155个，单元数为7718个。四杆轴划分的总节点数为12685个，单元数为8196个。
2.2 仿真计算结果的分析
图3 四杆轴三维模型
图4 电动机主轴网格划分图
图5 四杆轴网格划分图
图6 电机主轴应力图
图7 电机主轴位移图
图8 电机主轴安全系数图
图9 四杆轴应力图
图10 四杆轴位移图
图11 四杆轴安全系数图
通过SolidWorks Simulation仿真计算的结果观察零件应力云图及总体位移图来分析链节强度、刚度是否满足设计要求。经SolidWorks Simulation计算所得的电机主轴所受应力、变形及安全系数情况如图6、图7和图8所示。
由表2可以得出爬升主轴位置最大应力为326.278 MPa，小于合金钢屈服极限620 MPa，能够满足工作过程中强度要求，最大位移变形量微乎其微，对于轴承装配、润滑等，亦可抵消电机主轴变形的影响。
表1 材料详细信息
表2 电机主轴最大应力与位移及最小安全系数
表3 四杆轴最大应力与位移及最小安全系数
四杆轴所受应力、变形及安全系数情况如图9、图10和图11所示。
由表3可以得出四杆轴位置最大应为300.717 MPa，小于合金钢屈服极限620 MPa，能够满足工作过程中强度要求，最大位移变形量微乎其微，对于轴承装配、润滑等，亦可抵消电机主轴变形的影响。
利用SolidWorks Simulation仿真计算功能，在对爬楼车输出轴进行实体建模的基础上，对输出轴进行了有限元分析，得出了输出轴所受应力、变形及安全系数参数，为输出轴的设计提供了可靠的依据，保证了爬楼车的稳定性。
［参考文献］
[1]韩永康.基于有限元分析的输出轴的设计[J].机械制造与研究, 2006,35(5):13-15.
[2]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].8版.北京:高等教育出版社,2001.
[3]李庆忠,于秀坤.减速器传动齿轮轴的有限元分析 [J].沈阳航空航天大学学报,2000(1):21-22.
[4]岳玉梅,毛雅丽,张洪亭,等.有限元分析在轴结构设计中的应用[J].沈阳工程学院学报(自然科学版),2001(4):53-55.
[5]陈龙,文湘隆,丁国平.基于有限元分析的轴的设计[J].现代机械, 2005(1):36-37.
（编辑 黄荻）
Finite Element Analysis on Spindle of Cargo Electric Stair Climbing Trolley
XU Zhikang,DONG Shujing,LIN Ye
(Dalian Institute ofScience and Technology,Dalian 116052,China)
Abstract：In the climbing process of cargo electric stair climbing trolley,four-bar mechanism is driven by the motor spindle to achieve the process of climbing the stairs.The main shaft of the motor is subjected to bending moment and torque,which affects the stability of the climbing of the cargo electric stair climbing trolley.Finite element analysis of the four-bar shaft in the motor spindle and the four-bar mechanism is carried out to verify the strength.The design and finite element analysis of the motor output shaft of the cargo electric stair climbing trolley are realized using SoildWorks software.
Keywords：spindle;finite element analysis;stress;deformation;safety factor
中图分类号：TP 242
文献标志码：B
文章编号：1002－2333（2017）07－0063－02
作者简介：许志康（1995—），男，本科学生，机械设计制造及其自动化专业；董淑婧（1981—），女，副教授，研究方向为机械设计。
通信作者：董淑婧，dongshujing817@126.com。
收稿日期：2016-12-03
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