星輪行星輪可爬樓梯式輪椅車設(shè)計-含開題報告（全套含18張CAD圖紙）
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星輪行星輪可爬樓梯式輪椅車設(shè)計
摘 要
隨著社會的發(fā)展，先進的科技給人們的生活帶來了很多方便，但也給殘疾人帶來了好多麻煩，諸如汽車越來越多，就會造成更多的車禍，會使殘疾人越來越多。樓層越來越高，帶臺階的地方也越來越多。這就給殘疾人的出行帶來了好多不便。
在日常生活中，我們會很容易地發(fā)現(xiàn)那些下肢部分有殘疾的人在生活中常常會碰到很多麻煩。隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，殘疾人的生活上的問題和面臨的困難也越來越引起人們的重視。
為了解決這一麻煩，我通過查找資料和研究設(shè)計了一種輪椅車。它通過星輪行星輪之間的運行轉(zhuǎn)換而實現(xiàn)爬樓梯和平地運行。當(dāng)齒式離合器放松時，鏈輪帶動星輪轉(zhuǎn)動，他在平地行走，等齒式離合器把箱體鎖緊時，整個齒輪系成為整個剛體，它通過翻轉(zhuǎn)可以爬上樓梯結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟實惠，安全可靠，可以適應(yīng)大部分的地形，可以解決大部分殘疾人的出行問題。第一章通過市場的調(diào)研，看一看產(chǎn)品的市場前景。第二章是通過研究履帶式輪椅、步進式輪椅、翻轉(zhuǎn)式輪椅而確定設(shè)計方案為星輪行星輪式。第三章是設(shè)計原理，第四章設(shè)計的計算，受力的分析，可靠性的計算等。第五章是結(jié)構(gòu)的設(shè)計，先是齒輪傳動設(shè)計，再是鏈輪傳動設(shè)計，最后是軸的設(shè)計，車架的設(shè)計。最后是總結(jié)，致謝和參考文獻。
關(guān)鍵字： 星輪行星輪；齒式離合器；傳動
abstract
With the development of society, the advanced technology for the life of people brought many convenient, but also for the disabled, and bring a lot of trouble, such as automobile, will cause more accidents, can make the disabled people more and more. Floor more and more high, take steps to become more and more places. This is for the disabled, travel havebrought many inconvenience.
In daily life, We would be very easy to find those parts of lower limb disability will often come into contact with a lot of trouble in life. With the development of the society and the people's standard of living improves, the problems and difficultions of people who limb disability in their daily life are attention with more people.
In order to solve the problems, I find information through research and design a king daoud. It is through the star wheel planetary wheel and realize the operation between stairs peace. When the clutch is relaxed, gear wheel drive sprockets, he walked in the ground, the box lock gear clutch, the gear is rigid, it becomes the flip through can climb stairs structure is simple, economical and safe, reliable, and can adapt to most of the terrain, can solve most problems of travel. The first chapter of market research, through a look of product market prospect. The second chapter is through the research USES a wheelchair, stepping wheelchair, tilting wheelchair and determine the design scheme for star wheel planetary wheel. The third chapter is design principle and design calculation of chapter 4, stress analysis and calculation of the reliability, etc. The fifth chapter is structure design, first gear design, design, final drive is the chain is the design, the axial frame design. Finally, thanks and references.
Key words: star wheel planetary wheel ；gear clutch ；transmission
目 錄
引言 5
1 緒論 6
1.1 課題背景 6
1.1.1 市場背景分析 6
1.1.2 需求預(yù)測 6
1.3 課題的研究目的及意義 6
2 方案設(shè)計 7
2.1設(shè)計要求 7
2.2方案的提出 7
2.3方案比較 11
3 工作原理 12
3.1星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)基本原理 12
3.2導(dǎo)向輪基本原理 12
3.3 雙驅(qū)動點兩級鏈傳動系統(tǒng)基本原理 13
4 設(shè)計方案 14
4.1樓梯臺階的尺寸確定 14
4.2能夠爬樓不打滑的條件計算 15
4.3驅(qū)動力的計算 16
5 機構(gòu)的設(shè)計 17
5.1 總體結(jié)構(gòu)的尺寸分析和確定 17
5.1.1 總體結(jié)構(gòu)的尺寸分析 17
5.1.2總體結(jié)構(gòu)的確定 19
5.2齒輪部分的研究和設(shè)計 21
5.2.1齒輪的介紹 21
5.2.2漸開線直齒圓柱齒輪的嚙合傳動 25
5.2.3齒輪的設(shè)計計算 29
5.2.4齒輪傳動 30
5.3鏈傳動的研究和設(shè)計 31
5.3.1鏈傳動的特點和應(yīng)用 31
5.3.2傳動鏈的結(jié)構(gòu)特點 32
5.3.3滾子鏈鏈輪的結(jié)構(gòu)和材料 33
5.3.4鏈傳動的運動特性 33
5.3.5鏈傳動的受力分析 36
5.3.6滾子鏈傳動的設(shè)計計算 36
5.3.7鏈傳動的布置、張緊和潤滑 39
5.3.8鏈的尺寸計算 40
5.4軸的研究和設(shè)計 40
5.4.1軸得扭轉(zhuǎn)強度計算 40
5.4.2軸得彎曲合成強度計算 41
5.4.3軸的材料及選擇 42
5.4.4軸的設(shè)計 42
5.5鍵聯(lián)接 45
5.6 底架材料的選用和結(jié)構(gòu)的設(shè)計 46
5.7 靠背的設(shè)計與制造 48
5.8其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計 48
5.8.1齒式離合器 48
5.8.2軸承 49
5.8.3其他 50
5.9總裝配圖 50
總 結(jié) 52
參考文獻 54
引言
在21世紀(jì)，世界機械工業(yè)的發(fā)展進入了前所未有的高速發(fā)展階段，與其他行業(yè)相比，機械工業(yè)的發(fā)展具有地位化、規(guī)?；?、全球化和高技術(shù)化的特點。在發(fā)展多元化的21世紀(jì)，機械制造業(yè)的重要特征表現(xiàn)在它的全球化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化以及環(huán)保協(xié)調(diào)的綠色制造等，而柔性化、靈捷化、智能化、信息化便成為21世紀(jì)初機械制造業(yè)的發(fā)展的總趨勢。
隨著人口的急劇增長，人們的住宅也越來越向高層發(fā)展，這就給腿部有殘疾的人們帶來了諸多不便。目前市場上的輪椅有一個很大的不足：由于采用了傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，只能在平地上行走，面對臺階、樓梯等比較復(fù)雜的地形卻顯得無能為力。很多場合尤其是室外，比如銀行、購物中心門前都或多或少有幾級臺階，室內(nèi)也有很多地方?jīng)]有電梯，對于那些乘坐輪椅的殘疾人，有很多不便。當(dāng)然，國家也花費了大量的人力和財力在某些公共場所修建了相應(yīng)的輪椅坡道和其他公共設(shè)施以方便殘疾人活動。由于受各種因素的影響，這些措施起到的作用非常有限。
解決這一問題的最好方法就是改進殘疾人使用的行走設(shè)備，也就是說通過改進殘疾人輪椅的機械結(jié)構(gòu)，使其能夠適應(yīng)日常生活中所碰到的大多數(shù)地形。
1 緒論
1.1 課題背景
1.1.1市場背景分析
由于目前市場上的輪椅車大部分都是單功能的平地輪椅，即使有可爬樓梯式的輪椅車也是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。所以一種經(jīng)濟實用的可爬樓梯輪椅將具有很強的市場競爭力。
1.1.2需求預(yù)測
（1）醫(yī)院國內(nèi)現(xiàn)有的15，000余家縣級以上醫(yī)院，財力雄厚，不斷添置新型醫(yī)療設(shè)備來完善其病房設(shè)施。對可爬樓輪椅車有必然的需求。醫(yī)院不會每一間病房都配置可爬樓輪椅車，按每所縣級以上醫(yī)院擁有10只可爬樓輪椅車，共有15萬只。國內(nèi)區(qū)級醫(yī)院超過8萬家，以方便就近為殘疾人疾患服務(wù)為優(yōu)勢，此類醫(yī)院面臨互相競爭、迫切需要提高自己的形象和檔次，要搞一些上水平的病房，就單個的醫(yī)院而言，對可爬樓輪椅車的需量略少于縣級以上醫(yī)院， 2只可爬樓輪椅車，市場容量分別為16萬只。
（2）保健業(yè)隨著社會衛(wèi)生保健事業(yè)的發(fā)展，正在興起的殘疾人活動中心，也是潛在市場。
（3）個人據(jù)了解，目前我國的殘疾人有八千二百多萬人，其中有三分之一殘疾人要用到輪椅車。
結(jié)論：綜上所述，可爬樓輪椅車，總需求量 ：醫(yī)院31萬只，個人合計2700萬只?？偠灾?，可爬樓輪椅車有著極其廣泛的國內(nèi)市場。
國外市場預(yù)測：經(jīng)濟發(fā)達國家因人工費昂貴，比國內(nèi)更需要這種椅子，口前景廣闊。
1.3 課題的研究目的及意義
設(shè)計出性能更加可靠，經(jīng)濟實惠的可爬樓輪椅車。
目前，現(xiàn)有的可爬樓輪椅車數(shù)量本來就少，而且主要是面對醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)，價格高昂，功能單一，對殘疾人也是不適應(yīng)的。因此，本次設(shè)計所面對的是廣大殘疾人，其優(yōu)點在于：
（1）成本低廉并能對實現(xiàn)輪椅車的相關(guān)功能。
（2）該產(chǎn)品無需專業(yè)醫(yī)護人員操作，只要自己操作即可，連續(xù)使用、方便可靠。
（3）能起到使殘疾人可以在各種地形上行走的目的
2 方案設(shè)計
2.1設(shè)計要求
設(shè)計的輪椅車主要是使殘疾人能夠在平地和樓梯上進行行走，由使用者本人對機械機構(gòu)進行控制,相比較傳統(tǒng)輪椅車較為先進，運用齒輪、鏈條傳動,反映整個機構(gòu)的機械化?？膳罉禽喴诬囘€運用了離合器對輪椅車的行進方式進行調(diào)節(jié)，使用者可以根據(jù)自身的需要對輪椅車的行進方式進行調(diào)節(jié),可以更好的行進。
運動要求：齒輪鏈條轉(zhuǎn)動；
動力要求：人力帶動；
控制要求：可以在平地和樓梯間進行轉(zhuǎn)換。
2.2方案的提出
方案一：使用履帶式的輔助攀爬設(shè)備幫助輪椅上下樓梯。如圖2-1所示：
圖2-1 履帶式爬樓車
履帶輪椅爬樓車的技術(shù)特點爬樓車。 它提供了即時的和經(jīng)濟的無障礙通道。獨特的平臺設(shè)計將適用于所有形式的輪椅，包括：電動、兒童、運動和普通的輪椅。
大型便攜式輪椅平臺爬樓車適用于公共場所和私人住宅。大型便攜式輪椅平臺爬樓車用兩個直流電機作為動力，用鑲嵌有鐵絲的橡膠履帶，運行在樓梯上。一次充電可攀爬15個樓層。大型平臺適合于任何類型的輪椅。醒目的控制面板使操作更為方便。多種安全功能，如電子安全帶和停車剎車等確保乘客的安全。
(1)頭墊: 可調(diào)整位置，使乘客感到舒適控制面板: 簡單方便操作并有蓄電池充電顯示燈和鎖控開關(guān)以防止無關(guān)人員擅自使用。
(2)安全帶: 電子安全帶扣提供了進一步的安全措施。當(dāng)安全帶不扣緊時將不能使用。
(3)蓄電池動力: 便攜式24伏可充電蓄電池提供了強大的動力。自動充電器安裝與車上。
(4)輔助輪: 輔助輪提供了便攜式輪椅平臺爬樓車方便的運行在樓梯平臺和平地上。
(5)輪椅鎖緊帶: 4個可調(diào)節(jié)輪椅鎖緊帶將輪椅安全的鎖緊在便攜式輪椅平臺爬樓車上。
（6）履帶: 用鐵絲加固的橡膠履帶確保其履帶的強度和耐用性。這種特殊設(shè)計的履帶可牢靠的運行于任何材料制成的樓梯平臺: 大型平臺可裝載任何尺寸的輪椅，包括電動輪椅和運動員輪椅。
（7）停車剎車: 當(dāng)便攜式輪椅平臺爬樓車停車時，車上的電動剎車將牢固的剎住爬樓車。
（8）裝載坡板: 車上帶有防滑面的裝載坡板，使輪椅車上下及為方便。便攜式輪椅平臺爬樓車，可迅速的解決你的無障礙通道的問題。你將不需要對建筑物進行任何改造，從而免去了大量的建筑花費。但是輪椅平臺爬樓車的價格確只是斜掛梯或電梯的幾分之一。便攜式的另一個有利的之處是，可用于同一建筑物的中不同樓梯，在必要時可用在不同的建筑物上。并且不存在永久性的占用樓梯的空間。便攜式輪椅平臺爬樓車的操作非常簡便。以下的步序?qū)⒔忉屓绾尾僮?。因為爬樓車運作很輕便，任何人都能掌握自如的運送一個乘客和一輛電動輪椅上下樓梯。
電動輪椅被四個可調(diào)節(jié)輪椅鎖緊帶安全的鎖緊在爬樓車上。電子安全帶扣提供了進一步的安全措施。當(dāng)你完成了裝載輪椅，爬樓車可以很容易的用輔助輪在平面層移動到樓梯出。當(dāng)你用完爬樓車時，也可使用輔助輪將其移動至儲藏處儲藏。便攜式輪椅平臺爬樓車爬行角度最大可答35°。當(dāng)乘客舒適的坐在爬樓車上,載車平臺調(diào)整至水平并且爬樓車履帶已靠在樓梯上，爬樓車可開始運行。充足電的蓄電池將驅(qū)動雙重的電動馬達使爬樓車一次可爬上15層樓。
特殊設(shè)計的履帶提供卓越的穩(wěn)定性，使操作人員只要扶住爬樓車不需用力。配備大型平臺可裝載任何尺寸的輪椅，包括電動輪椅和運動員輪椅。車上帶有防滑面的裝載坡板.兩個大力電機可推動200 kg的負載,可充電蓄電池和充電器,適用于室內(nèi)和室外,寬闊的雙履帶安全的運行在臺階上,大型車輪允許爬樓車行駛與平坦層面上,可調(diào)節(jié)輪椅鎖緊帶和輪椅安全帶鎖緊輪椅在爬樓車的平臺上,可調(diào)節(jié)靠頭墊,操作簡單容易,堅固耐用的公共,利益,即時的無障礙通道解決措施,與電梯和斜掛式輪椅平臺相比這是最經(jīng)濟的方法,無須任何建筑物的改建和安裝工程,不阻礙樓梯的通道,一臺設(shè)備可提供多個樓梯使用,不使用時可方便的儲藏在,與電梯和斜掛式輪椅平臺相比不需要任何維修保養(yǎng),如果在失去電力的情況下，這是最好的緊急疏散工具技術(shù)指標(biāo)最大載重量200kgs 最大爬行角度35°，動力24V封閉式蓄電池充電。自動115/230 vac 。剎車不安全時電磁自動剎車重量115kgs。向上速度7.5米/分鐘，向下度11.0米/分鐘。
方案二：采用步進式的結(jié)構(gòu)一步一步往上走。如圖2-2所示：
圖2-2 步進式爬樓車
這種輪椅是利用中間的倆條腿進行過渡，等后輪著地時他起前輪的作用，等前輪著地時它起后輪的作用，如此反復(fù)就起到了下樓的目的。
方案三：使用精密的陀螺儀控制兩輪結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)。立起來上下樓梯。如圖2-3所示：
圖2-3 兩輪翻轉(zhuǎn)式爬樓車
在美國食品及藥物管理局顧問們的一致推薦下，世界第一輛會爬樓梯的輪椅邁出了它進軍市場的重要一步。據(jù)美國有線新聞網(wǎng)報道，這種新式輪椅被稱為IBOT3000，是著名發(fā)明家德安·卡門設(shè)計的。IBOT4個一樣大小的輪子前后交替運動，就可以上下樓梯了。由于安裝有傳感器和回轉(zhuǎn)儀，因此既可以平衡車輪，還可以順利地上樓梯。
另外，該產(chǎn)品還首次賦予輪椅以爬樓梯功能。通過改變4個輪子的驅(qū)動力，還能夠輕松上下山坡。還可以自動升高，輪椅上的人不必再像以前一樣需要抬頭與人說話，當(dāng)然也可以從以前夠不著的書架上拿書。除了上下樓梯，這種輪椅還有其他優(yōu)越性，比如能夠隨意升降，能與站在身旁的人以正常高度交談。
美國食品及藥物管理局的顧問們在贊賞IBOT的同時，也指出了它的缺陷。這一發(fā)明并不適用于每個人。
首先，使用者必須要有足夠的手勁來操縱輪椅，在上下樓時，還要前俯后仰以調(diào)整重心。所以它只可用于年齡較大的少年和成年人。
鑒于上述兩個問題，購買這種輪椅必須要有醫(yī)生和康復(fù)專家們的處方，而使用者也要通過測試，證明他們能安全操作。
20位測試者參加了為期兩周的測試，科學(xué)家在觀察和比較它和普通輪椅的可操作性。其中有12個患者能自己操縱IBOT爬樓梯，而其余的需要助手。用普通輪椅，有兩個患者自己下了樓梯，但沒有人可以上一步樓梯。
有3個人從IBOT里摔出來，2個人從普通輪椅摔出來，證明IBOT和當(dāng)代的成熟技術(shù)輪椅安全系數(shù)相近。
新罕布爾什州迪爾頓的卡爾·巴納德乘坐IBOT后，能自己到超市獨立購物。雖然家里沒有樓梯，但他可以在山地上游蕩，并能穿越農(nóng)場和墓地，這些令他十分欣喜。
然而巴納德認為，IBOT高達2．9萬美元的預(yù)計價位“過于昂貴”，所以不是到了老得轉(zhuǎn)不動普通輪椅時，他是不會去買IBOT的。
雖然該輪椅的價格遠遠高于普通輪椅，但是生產(chǎn)廠商指出，坐輪椅的人們平均花費在斜板，起降器和其他家用輔助器材上的開銷是4萬美元，而有了IBOT，這些花費就可以省去了。
方案四：采用星輪行星輪轉(zhuǎn)換式方案。
它是通過星輪行星輪之間的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)爬樓和平地行走的，也是本設(shè)計要用到的方案。
2.3方案比較
在上面給出的三種方案中，主要不同的就是在爬樓的方式有所不同。第一種方案結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且比較笨重，使用不方便。第二種方案結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，不能很好的適應(yīng)平地行駛。第三種方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。第四種方案結(jié)構(gòu)簡單，輕巧?？梢院芎玫倪m應(yīng)樓梯和平地行走，雖然上樓梯時座椅有點向后傾斜，但并不是很嚴(yán)重。綜合比較還是第四種方案比較好，所以選用第四種方案。
3 工作原理
我們采用的是星輪行星輪轉(zhuǎn)換式方案，驅(qū)動后置。其基本原理是：平地行走時，后三角輪兩輪著地。驅(qū)動行星齒輪系的中心齒輪便可以前進；爬樓時，利用一個離合器鎖緊機構(gòu)將行星齒輪系鎖住，驅(qū)動中心齒輪便會使三角輪整體翻轉(zhuǎn)逐級爬上樓梯。如圖3-1所示。
圖3-1 工作原理圖
3.1星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)基本原理
它的基本結(jié)構(gòu)是具有3個行星齒輪的行星齒輪系，在中心太陽輪外依次均不三惰輪，在三惰輪外布三星齒輪，又有左右兩半箱體相連接作為轉(zhuǎn)臂，由此構(gòu)成具有三個行星齒輪的行星齒輪系。箱體中心固定有齒式離合器固定端，齒式離合器活動端與中心軸通過花間滑動連接。當(dāng)齒式離合器活動端與固定端分離時，整個機構(gòu)便處于行星輪活動結(jié)構(gòu)模式，此時驅(qū)動中心軸便會驅(qū)動太陽輪帶動惰輪轉(zhuǎn)動，再由惰輪帶動星輪轉(zhuǎn)動，從而使車輪轉(zhuǎn)動，便可以在平地上行走。當(dāng)撥動齒式離合器活動端使其與齒式離合器固定端結(jié)合時，中心齒輪和箱體鎖住，從而使各齒輪均不自轉(zhuǎn)而只隨整個箱體一起翻轉(zhuǎn)，整個行星齒輪系將變成一個剛性整體而轉(zhuǎn)變?yōu)樾禽喗Y(jié)構(gòu)模式。此時，驅(qū)動中心軸便會驅(qū)動包括行星輪系在內(nèi)的整個箱體翻轉(zhuǎn)，此種結(jié)構(gòu)模式可用于攀爬樓梯。
3.2導(dǎo)向輪基本原理
根據(jù)上表人體的身長結(jié)構(gòu)特點，椅子的高度即座板對地面的高度為450mm，座板的座寬為530mm，座深為450mm，靠背的長度為750mm。萬向輪無法翻越高度大于半徑2/3的臺階。因此我們通過成排的多個導(dǎo)向輪來增大輪椅所能越過臺階的高度。輪椅車前面萬向輪的半徑取100mm，而生活中普通樓梯的高度一般不超過180mm。把前輪部分的翻越高度設(shè)定為200mm，據(jù)此計算導(dǎo)向輪排的長度及對地面的傾角，為了使導(dǎo)向輪能夠比較平穩(wěn)的越障，采用了履帶式結(jié)構(gòu)。如圖3-2所示
圖3-2 導(dǎo)向輪工作原理圖
3.3 雙驅(qū)動點兩級鏈傳動系統(tǒng)基本原理
為了減小驅(qū)動力，根據(jù)初步計算，搖臂160mm時，爬樓所需要的傳動比為10∶1，走平地時為3.5∶1。由于傳動距離較大，選用兩級鏈傳動。
為了滿足爬樓和平地行走不同的傳動比要求，在一級軸和二級軸各設(shè)一驅(qū)動點。平地行走時驅(qū)動二級軸，爬樓時驅(qū)動一級軸，驅(qū)動手柄設(shè)計成可拆卸模式，如圖3-3所示
圖3-3 鏈輪傳動工作原理圖
4 設(shè)計方案
4.1樓梯臺階的尺寸確定
查資料得：室內(nèi)臺階宜150×300；室外臺階寬宜350左右，高寬比不宜大于1：2.5
住宅公用樓梯踏步寬不應(yīng)小于0.26M，踏步高度不應(yīng)大于0.175M 。
住宅梯段寬度不應(yīng)小于1.1M（6層及以下一邊設(shè)欄桿的可為1.0M），凈空高度2.2M
規(guī)定是戶內(nèi)的寬>220,高不大于200。
公用的樓梯(多戶使用),為寬不小于260,高不大于175,有地方規(guī)范的地區(qū)如:北京/上海/天津等一般都比這個規(guī)定的175緩點,至少一樣。
如果是老樓,原規(guī)范規(guī)定的公用樓梯寬度是不小于250,高不大于180.也就是現(xiàn)規(guī)范樓梯踏步變寬了,高度變緩了。 如圖4-1所示
圖4-1 臺階圖
4.2能夠爬樓不打滑的條件計算
如下圖4-2所示的情況是最容易打滑的，設(shè)定前后輪之間的就距離是l，人和車的重心與后輪軸的間隔為Xl。那么就有公式
Ny = xG, N1=（1-x），Nx=Nytan30o。 （4-1）
能爬上樓的條件是μN1≥Nx，即μ（1-x）G≥XGtan30o。 （4-2）
其中，μ=0.3，0.3（1-x）≥0.58x 得 x≤0.34。
因為驅(qū)動輪為車體的主要重量，加之爬樓時車體向后傾斜。人的重心向后移動，因此中心設(shè)計在如圖所示距后輪軸0.34倍的倆輪軸距處。
圖4-2 不打滑條件圖
4.3驅(qū)動力的計算
爬樓時重力大部分壓于后輪，忽略前輪的阻力，受力圖如圖4-3所示。
圖4-3a 受力分析——————重力阻礙翻轉(zhuǎn)
圖4-3b 受力分析——————重力有助翻轉(zhuǎn)
對后輪接力點A列力矩平衡方程：
T=GaCOSθ, （4-3）
θ≤90o時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩主要克服重力阻力距。
設(shè)人和車的總重為100kg，因為主要是后輪受力，所以
a=0.16m，單邊G=50×10N=500N
θ=0o時，Tmax=500×0.16N·m=80N·m
驅(qū)動手柄r=0.20m，僅用兩級傳動減速系統(tǒng)，總傳動比10∶1，人單手所需最大驅(qū)動力為：
Fmax=T/ir=50N （4-4）
考慮到驅(qū)動轉(zhuǎn)矩比較大，若選用電動機作為原動機，需要專門配備減速系統(tǒng)，而且要配備較大容量的蓄電池。這樣會增加整車的重量。
通過分析比較，采用手柄手搖驅(qū)動，雙邊驅(qū)動，以便于差動轉(zhuǎn)向。
5 機構(gòu)的設(shè)計
5.1 總體結(jié)構(gòu)的尺寸分析和確定
5.1.1總體結(jié)構(gòu)的尺寸分析
人坐著時，大腿和上肢的重量必須由座面來支撐，人的骨盆下面有兩塊小面積的圓骨能支持上身的大部分體重。座面上的臀部壓力分布應(yīng)是在坐骨結(jié)節(jié)處最大，并由此向外，壓力逐步減少，直至與座面前緣接觸的大腿下部，此處壓力最少。 坐骨下面的座面應(yīng)近似水平，以使股骨不承受過分的壓迫，斗形的座面或座面過于松軟會使股骨趨于向上轉(zhuǎn)動而受力，從而引起不舒適感。
椅子尺寸設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：
? 人的軀干重量應(yīng)有坐骨、臀部及脊椎支撐；
? 上身應(yīng)保持穩(wěn)定；
? 座位的高度應(yīng)不使大腿肌肉受壓；
? 可以變換或調(diào)節(jié)坐姿，盡量減少身體的不舒適感。
在遵循以上原則的情況下，對椅子的座高，座深，座寬，靠背等尺寸進行設(shè)計。
座高是指地面至就坐后面上坐骨支承處的高度。合適的座高應(yīng)使臀部受力符合要求。座位過高，則不能使體重正確地壓在臀部，而使大腿肌肉受壓，而且上、下腿和背部肌肉都會緊張。座高過低，則會使背部肌肉緊張，久而久之會產(chǎn)生背痛。因此，座高一般不宜超過小腿高（約為身高的1/4），按中國人的標(biāo)準(zhǔn)，可取為380—450mm。
座深是指座面的前后距離。座深應(yīng)使臀部得到全部的支撐，同時，要求座面的前沿不過分伸出，以防止擠壓小腿，而且座面前沿應(yīng)離開小腿一定的距離，以保證小腿的靈活性。一般情況下，座深應(yīng)取450mm。
座寬應(yīng)滿足臀部就坐所需要的尺度，使人能自如地調(diào)整坐姿，一般取400—500mm，，肩并肩坐的排座，座寬應(yīng)能保證人能自由活動。因此，座寬應(yīng)比人的肘間寬稍大一些，530mm的座寬能滿足95％人的需要。
靠背應(yīng)適當(dāng)?shù)闹С盅?，使腰關(guān)節(jié)能自由能自由運動，靠背壓于腰部的面積愈寬愈好。因此，靠背的水平形狀應(yīng)適合于腰圍，靠背的斜度因工作的不同而要求不同
圖5-1 人體尺寸圖
圖5-1為我國成年人人體尺寸的比例關(guān)系，下面以男性為例，選取不同身高來計算人體各部分的尺寸大小，見表5-1。
表 5-1 人體尺寸
受測者身高
肩膀?qū)挾?
膝蓋高度
手臂長度
臀部寬度
165 cm
36.96 cm
43.73 cm
75.08 cm
30.03 cm
170 cm
38.08 cm
45.05 cm
77.35 cm
30.94 cm
175 cm
39.20 cm
46.38 cm
79.63 cm
31.85 cm
180 cm
40.32 cm
47.70 cm
81.90 cm
32.76 cm
185 cm
41.44 cm
49.03 cm
84.18 cm
33.67 cm
5.1.2總體結(jié)構(gòu)的確定
⑴輪椅的基本結(jié)構(gòu)：
①輪椅架：有固定式和折疊式兩仲。固定式結(jié)構(gòu)簡單，強度和剛度好；折疊式折起后體積小、便于攜帶。輪椅兩側(cè)扶手有固定式和可拆卸式兩種?？刹鹦妒椒奖闶褂谜咴谳喴闻c床、汽車等之間的轉(zhuǎn)移。輪倚架多為薄壁鋼管成，表面鍍鉻、烤漆或噴塑。高檔輪椅架采用合金材科、以減輕輪椅重量。本輪椅選用固定式，材料選用薄壁鋼管，表面鍍烙。
②輪：輪椅裝有一對大輪和一對小輪、每個大輪都裝有驅(qū)動輪圈，使用者雙手驅(qū)動輪圈使輪椅前進、后退或轉(zhuǎn)向。一對前小輪，可自由轉(zhuǎn)動。其輪胎分為充氣和實芯兩種
③制動裝置： 輪椅的制動裝置均采用手扳式剎車、起駐車作用。
④座墊和靠背： 采用人造革、尼龍牛津布等材料。采用尼龍布。
⑵輪椅主要部件的功能：
①大車輪 承載主要的重量。輪的直徑有51、56、61、66cm數(shù)種。除了少數(shù)使用環(huán)境要求而用實心輪胎外，多用充氣輪胎。因為采用的是星輪行星輪機構(gòu)所以采用3個小輪，小輪的直徑為200mm。
②小車輪 直徑有12、15、18、20cm數(shù)種，直徑大的小輪易于越過小的障礙物和特殊的地毯。但直徑太大使整個輪椅所占空間變大，行動不方便。正常小輪在大輪之前，但在下肢截癱者用的輪椅，常將小輪放在大輪之后。操作中要注意的是小輪的方向最好可與大輪垂直，否則易傾倒。因為要爬樓梯所以小車輪的直徑選用200mm。
③手輪圈 為輪椅所獨有，直徑一般比大輪圈小5cm。偏癱用單手驅(qū)動時，再加一個直徑更小者以供選擇。手輪圈一般由患者直接推動，若功能不佳，為易于驅(qū)動，可有下列方式的改動在手輪圈表面加橡皮等以增加磨檫力。沿手輪圈四周增加推動把手（knob）。推把有以下幾種水平推把。用于C5脊柱損傷時。因此時，肱二頭肌健全，手放在推把上，靠屈肘力可推車前進。若無水平推把，則無法推動。垂直推把。用于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎肩手關(guān)節(jié)活動受限時。因此時無法使用水平推把。加粗推把。用于手指運動嚴(yán)重受限而不易握拳的患者，也適用于骨關(guān)節(jié)炎、心臟疾病或老年病人。因本輪椅后輪是星輪行星輪機構(gòu)，所以手輪圈設(shè)計在輪椅車的中部，輪圈的大小為460mm。表面加裝橡皮套增加摩擦力，增設(shè)水平推把。
④輪胎 有實心的、有充氣內(nèi)胎和無內(nèi)胎充氣型三種。實心型在平地走較快且不易爆破，易推動，但在不平路上振動大，且卡入與輪胎同寬的溝內(nèi)時不易拔出；有充氣內(nèi)胎的較難推，也易刺破，但振動比實心的小；無內(nèi)胎充氣型因無內(nèi)胎不會刺破，而且內(nèi)部也充氣、坐起來舒服，但比實心者較難推。輪胎采用無內(nèi)胎充氣型。
⑤剎車 大輪應(yīng)每輪均有剎車，當(dāng)然象偏癱者只能用一只手時，只好用單手剎車，但也可裝延長桿，操縱兩側(cè)剎車。剎車有兩種凹口式剎車。此剎車安全可靠，但較費力。調(diào)整后在斜坡上也能剎住，若調(diào)到1級在平地上不能剎住為失效。肘節(jié)式剎車。利用杠桿原理，通過幾個關(guān)節(jié)而后制動，其力學(xué)優(yōu)點比凹口式剎車強，但失效較快。為加大患者的剎車力，常在剎車上加延長桿，但此桿易損傷，如不經(jīng)常檢查會影響安全。為了安全采用凹口式剎車。
⑥椅座 其高、深、寬取決于患者的體型，其材料質(zhì)地也取決于病種。一般深為41、43cm，寬40、46cm，高45、50cm。深取43cm，寬取46cm，高取50cm。
⑦座墊 為避免壓瘡，對墊子要高度注意，有可能盡量用蛋簍（eggcrate）型或Roto墊，這種墊由一塊大塑料，上面有大量直徑5cm左右的乳頭狀塑膠空心柱組成，每個柱都柔軟易動，患者坐上后受壓面變成大量的受壓點，而且患者稍一移動，受壓點隨乳頭的移動而改變，這樣就可以不斷地變換受壓點，避免經(jīng)常壓迫同一部位造成壓瘡。如無上述墊子，則需用層型泡沫塑料，其厚度應(yīng)有10cm，上層為0.5cm 厚的高密度聚氯基甲酸酯（polyarethane）泡沫塑料，下層為中密度的同樣性質(zhì)的塑料，高密度者支持性強，中密度者柔軟舒適。 在坐位時，坐骨結(jié)節(jié)承壓很大，常超出正常毛細血管端壓力的1~16倍，易于缺血形成壓瘡。為避免此處壓力過大，常在相應(yīng)處的墊子上挖去一塊，讓坐骨結(jié)節(jié)架空，挖時前方應(yīng)在坐骨結(jié)節(jié)前2.5cm處，側(cè)方應(yīng)在該結(jié)節(jié)外側(cè)2.5cm處，深度在7.5cm左右，挖后墊子呈凹字形，缺口在后，若采用上述墊子加上切口，可以相當(dāng)有效地防止壓瘡的產(chǎn)生。
⑧腳托及腿托 腿托可為橫跨兩側(cè)式，或兩側(cè)分開式，這兩種托都以采用能搖擺到一邊和可以拆卸的為最理想。必須注意腳托的高度。腳托過高，則屈髖角度過大，體重就更多地加在坐骨結(jié)節(jié)上，易引起該處壓瘡。采用倆側(cè)分開式。
⑨靠背 靠背有高矮及可傾斜和不可傾斜之分。如患者對軀干的平衡和控制較好，可選用低靠背的輪椅，使患者有較大的活動度。反之，要選用高靠背輪椅。選用高靠背，可傾斜式。
⑩扶手或臂托 一般高出椅座面22.5~25cm，有些臂托可調(diào)節(jié)高度。還可在臂托上架上搭板（lap board），供讀書、用餐。采用25cm。
5.2齒輪部分的研究和設(shè)計
5.2.1齒輪的介紹
⑴傳動特點：
效率高，傳動比穩(wěn)定，工作可靠，壽命長；
實用的速度和傳遞的功率范圍廣；
可用于平行軸、相交軸和交錯軸之間的傳動；
成本高，噪聲大。
⑵類型
外嚙合
直齒圓柱齒輪機構(gòu)
內(nèi)嚙合
平面齒輪機構(gòu)
齒輪齒條
外齒輪
平行軸斜齒輪機構(gòu)
內(nèi)齒輪
齒輪齒
直齒
斜齒
曲線齒
圓錐齒輪機構(gòu)
（相角軸）
交錯軸斜齒輪機構(gòu)（螺旋齒輪）
空間齒輪機構(gòu)
蝸桿機構(gòu)
⑶齒廓嚙合基本定律
要使一對齒輪的傳動比為常數(shù)，那么其齒廓的形狀必須是：不論兩齒廓在哪一點嚙合，過嚙合點所作的齒廓公法線都與連心線交與一定點P——齒廓嚙合基本定律（輪齒齒廓正確嚙合的條件 ）
⑷共軛曲線
凡滿足齒廓嚙合基本定律的一對齒輪的齒廓稱共軛齒廓，共軛齒廓的齒廓曲線稱為共軛曲線
⑸齒廓曲線的選擇
·滿足定傳動比的要求；
·考慮設(shè)計、制造等方面通常采用漸開線、擺線、變態(tài)擺線
⑥直齒圓柱齒輪各部分名稱及代號
如圖5-2所示
圖5-2 直齒圓柱齒輪圖
基本參數(shù)：齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)
齒數(shù)——Z，齒槽
①齒頂圓ra
②齒根圓rf
③在任意圓上rk
齒槽寬ek
齒厚SK
齒數(shù)PK=eK+SK （5-1）
④分度圓，r，d，s，e，p
P=s+e （5-2）
d=m z ，m為標(biāo)準(zhǔn)值
⑤齒頂高ha：d與da之間
齒根高hf：d與df之間
齒全高h：h=ha+hf （5-3）
⑥基節(jié)
基節(jié)——基圓上的周節(jié)（齒距）Pb
⑺直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)
①模數(shù)m
定義模數(shù)
（5-4）
定義模數(shù) 或
∴d=mz 單位：mm ； m標(biāo)準(zhǔn)化。
根據(jù)三角星輪的大小要求，為降低安裝精度要求，初選齒輪模數(shù)m=3。
②分度圓壓力角α
（5-5）
（5-6）
GB1356-88規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值α=20°某些場合：α=14.5°、15°、22.5°、25°。
嚙合角選取為20 o
③齒數(shù)z
表明：齒輪的大小和漸開線齒輪形狀都與齒數(shù)有關(guān)
考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性，根據(jù)樓梯的尺寸確定車輪的軸距為設(shè)定太陽輪與惰輪之間中心距a=96mm，惰輪與星輪的中心距a=66mm，所以太陽輪的齒數(shù)z=38，惰輪的齒數(shù)z=26，星輪的齒數(shù)z=18.
④齒頂高系數(shù)ha*和頂隙系數(shù)c*
（5-7）
（5-8）
標(biāo)準(zhǔn)值：ha*=1，c*=0.25
非標(biāo)準(zhǔn)短齒：ha*=0.8，c*=0.3
⑻標(biāo)準(zhǔn)直齒輪的幾何尺寸
標(biāo)準(zhǔn)齒輪：標(biāo)準(zhǔn)齒輪是指m、α、ha*、c* 均取標(biāo)準(zhǔn)值，且分度圓齒厚等于齒槽寬的齒輪。
一個齒輪：
D太=mz太=114mm D惰=78mm D星=54mm ha= ha*m=3
da=d+2ha=(z+2 ha*)m hf=( ha*+ c*)m=3.75
da太=120mm，da惰=84mm h=ha+hf=(2 ha*+ c*)m=6.9
da星=60mm P=πm=9.4
df=d-2hf=(z-2 ha*-2 c*)m df太=106.5mm，df惰=70.5mm
df星=46.5mm
db=dcosα
db太=108.3mm，db惰=74.1mm，db星=17.1mm
一對標(biāo)準(zhǔn)齒輪：
（5-9）
①m、z決定了分度圓的大小，而齒輪的大小主要取決于分度圓，
因此m、z是決定齒輪大小的主要參數(shù)
②輪齒的尺寸與m， ha* ， c* 有關(guān)與z無關(guān)
③至于齒形，與m，z，α有關(guān)
5.2.2漸開線直齒圓柱齒輪的嚙合傳動
⑴正確嚙合條件
兩對齒分別在a，b點嚙合，根據(jù)嚙合基本定律如圖5-3所示
a，b點在N1N2上
ab——法向齒距
Pb1 = ab Pb2 = ab
∴Pb1=Pb2 （5-10）
（5-11）
（5-12）
圖5-3 齒輪嚙合圖
⑵齒輪傳動的連續(xù)條件和重合度
①連續(xù)傳動的條件
或
②重合度（重疊系數(shù)）
如圖5-4所示
端面重合度 （5-13）
重合度不僅是齒輪傳動的連續(xù)性條件，而且是衡量齒輪承載能力和傳動平穩(wěn)性的重要指標(biāo)。
對于標(biāo)準(zhǔn)齒輪：
（5-14）
（5-15）
圖5-4 嚙合圖
⑶齒輪傳動的無側(cè)隙嚙合條件及標(biāo)準(zhǔn)中心距齒側(cè)間隙（側(cè)隙）
如圖5-5所示
圖5-5 嚙合圖
①無側(cè)隙嚙合的條件
（5-16）
②標(biāo)準(zhǔn)齒輪的安裝
標(biāo)準(zhǔn)安裝
（5-17）
分度圓與節(jié)圓重合
實際中心距：
（5-18）
標(biāo)準(zhǔn)中心距：
（5-19）
嚙合角a’=a=20°
頂隙
（5-20）
非標(biāo)準(zhǔn)安裝——有側(cè)隙
由圖5-6可知：
（5-21）
（5-22）
實際中心距：
（5-23）
或：a' cosa'= a cosa
圖5-6 嚙合圖
③傳動比
（5-24）
（5-25）
5.2.3齒輪的設(shè)計計算
⑴平地行走情況
如圖5-7所示
2f=F阻
T3=f·R=F阻/2·R
R為車輪半徑，F(xiàn)阻為行走阻力，主要是滾動摩擦阻力，非常小，因而此種情況齒輪受力狀況良好。圖5-7
圖5-7 地行走圖
⑵在坡度為8o的地面行走時
2f=Gsin8o+F阻≈Gsin8o （5-25）
則 f=0.5Gsin8o=0.5×500sin8oN=34.8N （5-26）
T3=f·R=34.8×0.1N·m=3.5 N·m （5-27）
⑶爬樓時
如圖5-8所示
T3=μ（1-x）GR,取μ=0.3，x=0.3
T3=0.3×0.7×50×0.1 N·m=1.05 N·m
圖5-8 爬樓圖
比較以上三種情況，在有坡度的地面行走時，齒輪受轉(zhuǎn)矩最大。
5.2.4齒輪傳動
⑴主要特點
優(yōu)點：①形閉合，效率高(0.98~0.99)；
②工作可靠，壽命長；
③結(jié)構(gòu)緊湊，外廓尺寸小；
④瞬時i 為常數(shù)。
缺點：①制造費用大，需專用機床和設(shè)備；
②精度低時，振動、噪音大；
③不適于中心距大的場合。
⑵分類
按工作條件分（失效形式不同）
開式傳動：低速傳動，潤滑條件差，易磨損；
半開式傳動：裝有簡單的防護罩，但仍不能嚴(yán)密防止雜物侵入；
閉式傳動：齒輪等全封閉于箱體內(nèi)，潤滑良好，使用廣泛。
選用閉式傳動
⑶基本要求
①傳動平穩(wěn)（i=const）。——運動要求
②承載能力高?！獋鬟f動力要求
⑷齒輪傳動的主要參數(shù)
主要參數(shù)
①基本齒廓、模數(shù)、中心距—查《機械原理》、表4.3 ~4.4
②傳動比i、齒數(shù)比u
減速傳動：i＞1
增速傳動：i＜1
減速傳動：u=i
增速傳動：u=1/i
③變位系數(shù)
徑向變位齒輪：加工時刀具從標(biāo)準(zhǔn)位置移動一徑向距離xm。
⑸失效形式
輪齒折損
齒面接觸疲勞磨損（齒面點蝕）
失效形式
齒面膠合
齒面損傷
齒面磨粒磨損
齒面塑性流動
齒輪材料選用45號調(diào)質(zhì)鋼，對太陽輪z1，轉(zhuǎn)矩
T1=2T31/i13=2×3.5/（18/38）N·m=14.8 kN·m=14800 N·m （5-28）
σFlim=270MP
YN=2,YST=2,SFlim=1.5
σfp=σFlim YST/ SFlim·YN=720Mpa （5-29）
Yfa=2.8,YSA=1.52,取Ψd=0.08，K=1.5
σf=2KT1/Ψdm3z2·YfaYsa=60.6MPa＜σfp
所以強度符合要求。
5.3鏈傳動的研究和設(shè)計
5.3.1鏈傳動的特點和應(yīng)用
組成：鏈傳動由裝在平行軸上的主動鏈輪、從動鏈輪和繞在鏈輪上的鏈條組成。工作時，靠鏈條鏈節(jié)與鏈輪輪齒的嚙合帶動從動輪回轉(zhuǎn)并傳遞運動和動力。
特點：
⑴由于鏈傳動屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動，所以可獲得準(zhǔn)確的平均傳動比；
⑵與帶傳動相比，鏈傳動預(yù)緊力小，所以鏈傳動軸壓力小，而傳遞的功率較大，效率較高，鏈傳動還可以在高溫、低速、油污等情況下工作；
⑶與齒輪傳動相比，兩軸中心距較大，制造與安裝精度要求較低，成本低廉。
⑷鏈傳動運轉(zhuǎn)時不能保持恒定的瞬時傳動比和瞬時鏈速，所以傳動平穩(wěn)性較差，工作時有噪音且鏈速不宜過高。
應(yīng)用：適用于中心距較大，要求平均傳動比準(zhǔn)確的場合。傳動鏈傳遞的功率一般在100kW以下，最大傳動比，鏈速不超過15m/s。本章主要討論滾子鏈。
5.3.2傳動鏈的結(jié)構(gòu)特點
⑴滾子鏈
滾子鏈?zhǔn)怯蓾L子1、套筒2、銷軸3、內(nèi)鏈板4和外鏈板5組成。內(nèi)鏈板和套筒之間、外鏈板與銷軸之間分別用過盈聯(lián)接固聯(lián)。滾子與套筒之間、套筒與銷軸之間均為間隙配合。當(dāng)內(nèi)、外鏈板相對撓曲時，套筒可繞銷軸自由轉(zhuǎn)動。滾子活套在套筒上，工作時，滾子沿鏈輪齒廓滾動，減輕了齒廓的磨損。鏈的磨損主要發(fā)生在銷軸與套筒的接觸面上。因此，內(nèi)、外鏈板間應(yīng)留少許間隙，以便潤滑油滲入銷軸和套筒的摩擦面間。內(nèi)、外鏈板制成8字形，是為了使鏈的各剖面具有相近的抗拉強度，也可減輕鏈的質(zhì)量和運動時的慣性力。
傳動鏈?zhǔn)褂脮r首尾相連成環(huán)形，當(dāng)鏈節(jié)數(shù)為偶數(shù)時，接頭處可用內(nèi)、外鏈板搭接，插入開口銷或彈簧夾鎖住。若鏈節(jié)為奇數(shù)，需采用一個過渡鏈節(jié)才能首尾相連，鏈條受拉時，過渡鏈節(jié)將受附加彎矩，所以應(yīng)盡量采用偶數(shù)鏈節(jié)的鏈條。
滾子鏈與鏈輪嚙合的基本參數(shù)是節(jié)距p、滾子外徑d1和內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬b1。其中，節(jié)距是滾子鏈的主要參數(shù)。節(jié)距增大時，鏈條中各零件的尺寸也要相應(yīng)增大，可傳遞的功率也隨之增大。但當(dāng)鏈輪齒數(shù)一定時，節(jié)距越大，鏈輪直徑D也越大，為使D不致過大，當(dāng)載荷較大時，可用小節(jié)距的雙排鏈或多排鏈。多排鏈的承載能力與排數(shù)成正比，列數(shù)越多，承載能力越高。但由于制造、安裝誤差，很難使各排的載荷均勻，列數(shù)越多，不均勻性越嚴(yán)重，故排數(shù)不宜過多，一般不超過四列。
考慮到我國鏈條生產(chǎn)的歷史和現(xiàn)狀，以及國際上幾乎所有國家的鏈節(jié)距均用英制單位，我國鏈條標(biāo)準(zhǔn)GB1243.1-83中規(guī)定節(jié)距用英制折算成米制的單位。鏈號與相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)鏈號一致，鏈號數(shù)乘以25.4/16mm即為節(jié)距值。后綴A或B分別表示A或B系列。A系列用于重載、重要、較高速的傳動，B系列用于一般的傳動中。
滾子鏈標(biāo)記：鏈號—排數(shù)*鏈節(jié)數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)編號 例：10A—1*88 GB1243.1--83
⑵齒形鏈
齒形鏈又稱無聲鏈。由一組帶有兩個齒的鏈板左右交錯并列鉸接而成。每個齒的兩個側(cè)面為工作面，齒形為直線，工作時鏈齒外側(cè)邊與鏈輪輪齒相嚙合來實現(xiàn)傳動。
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