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1、 大学生机械创新设计大赛作品设计说明项 目 名称： 城镇家庭家用升降梯城镇家庭家用升降梯 项目负责 人： 朱伟强朱伟强 所 在 学 院： 汽车与机械工程学院汽车与机械工程学院 专 业 名称： 车辆工程车辆工程 联 系 方式： 15200873063 组员： 李化 肖杰 贺黎 吕文西 年年 月月 日日目录一一 作品内容简介作品内容简介二二 研究背景及意义研究背景及意义三三 设计方案设计方案四四 理论设计计算理论设计计算五五 技术关键及性能分析技术关键及性能分析六六 创新点及应用创新点及应用七七 成本分析成本分析城镇家庭家用升降梯设计说明书城镇家庭家用升降梯设计说明书作品内容作品内容简简介介图 1
2、 作品的三维模型图（半展开状态）通过不断地对农村与城镇生活的观察与积累，我们团队研发了一款适合于城镇家庭日常生活中取物、清洁整理、家庭装修用的可升降梯子城镇家庭家用升降梯。该作品主要由两部分组成：机械传动机构与液压控制部分。机械传动部件主要用于作品的动力传递，机构的伸缩。其核心传动部分是利用四边形易于变形原理制成的伸缩架。利用这一机构，在液压力的作用下，该作品上下伸缩的幅度可以达到很大，完全可以与传统梯子达到的高度相媲美。另一部分便是液压控制系统：实际上该液压系统的原理就是液压千斤顶的液压原理，只要通过对现有液压千斤顶进行与该作品相适应的改进即可，因此很容易实现。通过液压摇杆（手控或脚控）给液
3、压系统输入一个很大的液压力，液压顶杆（输出端）便迫使平行四边形伸展，达到机械机构伸展、梯子上升的目的；再通过液压泄压阀，梯子下降。该装置的新颖性便在于，它完全突破了传统梯子的设计理念。传统的梯子的原理是，人通过爬阶梯一步一步爬上去；而我们团队研发的升降梯，只需要人站在（或坐在）梯顶上，控制液压摇杆即可达到升降的目的，并可停留在梯子的升降幅度内的任意空间位置，升降自如。并且由于人在上升或下降过程中不要太大的动作幅度，更可保证人员的安全。再者，由于该升降梯的伸缩功能，可以使其在闲置时收缩，只占很少的空间，这比起传统的梯子，尤其是在住房空间极为贵重的当下，很是凸显其空间优势。1 研究背景及意研究背景
4、及意义义图 2 两种传统的家用梯子背景：尽管人们对城镇生活的概念是方便和快捷，但在实际的日常生活中，城镇居民的生活并不处处比农村居民的生活方便，例如，农村居民可以借用梯子（农村居民住房空间普遍比较大）在自己家中爬上爬下，但当城镇居民在日常生活中想要取下高处物体、对家庭进行清洁（如对天花板）整理、对家庭进行装修时，他们很难发现有适合的支撑物。于是城镇家庭对梯子的依赖依旧很大。但由于城镇家庭受住房，居住环境的约束，不可能像农村居民一样家家户户拥有一张细长的梯子，就必须要对梯子进行改造，以适应特殊的城镇家庭。当今市场主要有两种梯子：一是靠墙梯，包括可伸缩的靠墙梯；二是人字梯，可独立于墙体。前者受墙的
5、限制，对房间中央的高处空间无法触及；后者有了一定的改进，但闲置时占据较大的空间，不太适合于城镇家庭用。为此，我们团队研发了一种专门针对城镇家庭日常生活中取物、清洁整理、家庭装修用的可升降梯子。意义：在节省城镇家庭珍贵的住房空间的同时，可满足居民日常生活的需求，可成为城镇居民的生活好帮手。2 设计设计方案方案2.1 机械传动机构图 3 当传动机构处于压缩状态时，机构很短，占很少空间图 4 当传动机构处于拉伸状态是，可以达到很大的长度机械传动机构的核心部分是利用四边形易于变形原理制成的伸缩架。利用这一机构（如图），在液压力的作用下，该作品上下伸缩的幅度可以达到很大，完全可以与传统梯子达到的高度相媲
6、美。在设计机构传动机构时主要考虑的问题是：（1） 构件的尺寸。这主要保证机构运动的稳定性与准确性（2） 构件的强度计算与材料的选择。由于传动机构必须能承载人体的重量（最大不超过 800N），在机构简约的同时，必须保证强度要求，保证人员的安全。2.2 液压控制系统图 5 该作品采用普通液压千斤顶的油路，简易、切实可行。实际上该液压系统的原理就是液压千斤顶的液压原理，只要通过对现有液压千斤顶进行与该作品相适应的改进即可，因此很容易实现。通过液压摇杆（手控或脚控）给液压系统输入一个很大的液压力，液压顶杆（输出端）便迫使平行四边形伸展，达到机械机构伸展、梯子上升的目的；再通过液压泄压阀，梯子下降。液压
7、控制系统主要考虑的问题是：（1） 液压系统与作品的适应。因作品采用的液压系统不能简单的搬用现有的液压千斤顶，必须对其进行改造，以适用机械传动系统；（2） 液压操纵的轻便与舒适。3 理理论设计计论设计计算算计算主要包括两个方面（1（机械传动零部件的强度计算图 6 在液压顶杆的作用下，平行四边形伸缩机构便伸缩，实现梯子的 升降。假设人体的最大重量为 800N，由于作品中较为脆弱的部分是伸缩架，假设其杆件截面积为 1cm*2cm,采用的材料为抗拉强度为 300MPa 的钢铁，对伸缩架的局部进行受力分析，如图。假设有 应力 =F/S杆件的受力 F=400/sin面积 S=1cm*2cm计算可得，当 a
8、=0.3838 度，即杆件的夹角达到 2a=0.77 度（还不到一度）时达到杆件的最大应力。但我们团队的作品在收缩状态（杆件间夹角最小）时夹角约为 2 度，远大于危险夹角。因此该作品在启动时（对强度挑战最大）不存在任何问题，切实可行。（2（液压摇杆的操纵力假设人体重量为 800N,液压小活塞面积为 10 平方厘米，大活塞面积为 40 平方厘米加载在大活塞上的力即为人体重量，则据帕斯卡原理易得，小活塞上的力为 200N，在通过一个杠杆机构，完全可将该力降低到 50N，此力便于人的操控。又假设液压小活塞的行程为 8 厘米，则易知液压大活塞的行程为 2 厘米，又由于本作品的伸缩架有 10 个这样的平
9、行四边形机构，累加起来也有 20cm,也就是说，每压一次摇杆，便可使升降梯上升20cm，这样的上升速度是很可观的，但也是安全的。4 技技术术关关键键及性能分析及性能分析（1） 尽可能小的梯子体积：为适应城镇居民的住房特点，该作品必须便捷、小巧、简单。收缩后的升降梯的体积：450*450*700mm。图 6、收缩后的升降梯体积小巧，可置于房间的某个角落，并不占空间。图 7、图示中梯子的高度约为 190cm，而升降梯的高度只有 70cm。图示 比较，梯子占据了很大的空间，而升降梯仅仅占据了房间的某个角落。升降梯 的体积优势一目了然。（2） 安全：该作品必须要有足够的安全度。不同于传统的靠墙式梯子，
10、该梯子是独立于墙体的，因此要更加考虑安全问题。安全承载：G800N。图 8、通过图示机构，可以使升降梯在工作时叉开支腿，保证该装置拥 有传统梯子的稳定性；而在不工作时可收起支腿，体积缩小，节省住房空间。（3） 足够的高度：城镇居民房的房屋高度约为 3.3 米，为了满足居民对高度的要求，该作品必须能达到一定的高度。升降梯的安全使用伸展高度：1.2mh2m。图 9、利用平行四边形结构可进行升降图 10、粗细相接的部件是二级升降机构，为了达到更高的伸展高度，我们采用了类似于吊车升降杆的二级升降机构。图 11、如图，可通过千斤顶的顶杆的伸缩来达到伸展升降梯的目的。图 12、完全伸展后的升降梯可以达到很
11、高的高度，可以满足城镇居民对住房内高度的需求。（4） 良好的液压操控性能：为了便于对梯子升降的操作，采用了液压装置，采用液压千斤顶的油路等。升降梯液压系统的操控性能：F50N。图 13、圆柱体部件（深色）是置于顶板下端的千斤顶，通过液压千斤顶的伸缩，可改变平行四边形机构对角线的距离，从而使升降梯升降。 图 14、液压控制部件集成与升降梯的右手边，以便于对升降的进行轻便的操作。液压操纵杆用于对升降梯提升，而液压按钮用于对升降梯进行泄压收缩。图 15、图示为该作品液压操控系统的液压油路图。通过 F1 上下摇动操纵杆，便可使液压油不断压入图中大活塞缸中，活塞顶杆作用于平行四边形机构的对角线，便可伸展
12、升降梯。（5） 伸展速率：理论计算得伸展速度是液压操纵杆每操作一次可升起高度达 20cm。5 创创新点及新点及应应用用（1） 该作品是专门针对城镇家庭日常生活用的，弥补了城镇家用梯的空白，具有广阔的市场前景；（2） 由于该作品采用独特的设计理念，可以使其在闲置时体积很小，不占用住房空间，相对传统的梯子而言具有很大的空间优势；（3） 采用独特的液压控制。由于液压控制具有传统平稳、便于布局等诸多特点，应用到该作品上使其具有良好的操控性。正如前文所叙，采用控制升降理念的家用梯子目前还没有占领市场，因此，该作品应用前景将十分广阔。6 成本分析成本分析（1） 研发成本由于处于研发阶段，必须有各种资料的查阅、各种实验、各种探索，因此研发成本约为 2000 元；（2）规模化后的制造成本预算约为 300 元。城镇家庭家用升降梯设计图纸城镇家庭家用升降梯设计图纸
