多功能輪椅(共14頁)

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 機械原理與設計課程設計計算說明書 設計題目：多功能輪椅 姓名：林浩宇 班級：機制14-2 學號： 指導教師：孫老師

2、 2015年05月30日 目錄 <一> 設計背景與整體規(guī)劃設計……………………………3 一、設計背景與意義 二、整體設計 <二> 行走機構部件的設計與計算…………………………5 一、爬樓梯功能結構設計 1. 履帶式行走機構設計： 2. 行星輪式行走機構 <三> 其他功能機構部件的設計與計算……………………10 一、車體主要部件 二、靠背平躺機構 三、防側翻機構設計 <四> 傳動系統(tǒng)設計與計算…………………………………11 一、電動機的選擇 二、減速裝置 <五&g

3、t; 設計總結與心得………………………………………13 <六> 參考文獻………………………………………………14 <一> 設計背景與整體規(guī)劃設計 一、 設計背景與意義 輪椅為殘疾人和體弱老年人必不可少的行走工具，但由于殘疾人和老年人身體相對較弱,且較多無工作能力,經(jīng)濟來源有限。而且當他們不使用輪椅時，又需要輪椅便于包裝和移動。因此，要求輪椅:輕便小巧,結構緊湊,功能單一，簡單易用,價格低廉。輪椅是康復的重要工具，它不僅是肢體傷殘者的代步工具，更重要的是使他們借助于輪椅進行身體鍛煉和參與社會活動。據(jù)史料記載，最早的輪椅出現(xiàn)在中國的南北朝時期。近

4、現(xiàn)代以來，輪椅發(fā)生了很大的改進并且人們逐漸開始把輪椅當做康復運動的工具，人們對殘疾人士的關注也隨著輪椅的廣泛普及而增加。1964年，殘障奧運會首次登場。隨著競技的需求，輪椅的設計朝向強調(diào)其功能性、舒適性、耐用性與外觀酷炫發(fā)展。 輪椅的出現(xiàn)，為眾多的殘疾人士提供了方便、舒適的生活，使他們能更好的生活、工作，使許多的殘疾人為社會奉獻了強大的力量，同時也引發(fā)人們對人生的思考，讓社會更加人性化，更加和諧。 因此如何設計和制造一個功能強大、人性化的輪椅成為了當今殘疾人士最為關心的問題?，F(xiàn)如今的許多輪椅都需要殘疾人自己用手推動或他人推動，不方便且費力，并且走在不平坦的路上易顛簸。尤其是爬樓梯的時候，如

5、果樓梯旁沒有斜坡，把輪椅抬起將會是極大地麻煩。我們小組做的就是設計一個能上下樓梯并有一些輔助功能的多功能輪椅。 二、 整體設計 1、 參照標準輪椅尺寸，整體結構尺寸選擇如下： 座寬：440mm 背高：380mm 座深：400mm 全高：900mm 全寬：670mm 全長：1000mm 扶手高：220mm 2、 設計完成后用solid works 畫出三維視圖如下： <二>行走機構部件的設計與計算 目前行星輪用于爬樓梯的底盤結構中,多為兩組行星輪(底盤對應的一邊一個行星輪,兩個為一組)或者更多。如果將行星輪結構用于輪椅爬樓梯,考慮到輪椅使

6、用的上述要求,將兩組甚至更多的行星輪用于輪椅爬樓梯是不實際的,而且多組行星輪底盤,雖然隨著行星輪組數(shù)的增多,爬樓梯底盤的承載越障能力將不斷增強,但多組行星輪底盤在平地拐彎時會有很大的問題,因此這里選擇一組行星輪用于輪椅爬樓梯。由于輪椅需要承載殘疾人或者老年人,因此使用一組行星輪爬樓梯。除了安全以外,需要解決的最大問題就是其越障的承載能力,如果承載能力不行,輪椅將無法有效載送殘疾人或者老年人越障甚至攀爬樓梯。 一、 履帶式行走機構設計： 采用履帶式設計，由主電動機驅(qū)動履帶傳動，根據(jù)電機轉速不同可實現(xiàn)轉向功能，臂桿擺動使履帶貼服在樓梯上，實現(xiàn)平穩(wěn)上下樓梯。設計如下圖：

7、 由幾何關系可的，履帶臂桿擺動時行星輪中心的軌跡是標準的橢圓方程，即帶長可保持不變。 履帶式機構的優(yōu)點：適應型好，越障和上下樓梯平穩(wěn)；機構較為可靠。 缺點：系統(tǒng)重量大，耗電量大。平整路面上履帶傳動沒有優(yōu)勢。 經(jīng)綜合考慮，最終舍棄履帶式結構，選取行星輪式結構。 二、 行星輪式行走機構 （1） 簡介： 該方案是基于一種新結構——星輪行星輪轉換式結構，如圖2和圖3所示。其基本結構是具有三個行星齒輪的行星齒輪系，在中心齒輪外依次均布三惰輪和三行星齒輪，中心齒輪和惰輪、惰輪和行星齒輪間均為外嚙合，左右兩半箱體相聯(lián)接作為轉臂，由此構成具有三個行星齒輪的行星齒輪系。在各行星齒輪軸系箱體外

8、伸端分別固定一個車輪，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鍵滑動聯(lián)接，當齒式離合器活動端與固定端沒有嚙合時，整個結構便處于行星輪結構模式，此時驅(qū)動中心軸便會驅(qū)動三個車輪旋轉，便可以在平地上行走。當撥動齒式離合器活動端使其與齒式離合器固定端結合時，中心齒輪和箱體（轉臂）鎖死，從而各齒輪均不能自轉而只能隨整個箱體一起翻轉，整個行星齒輪系將變成一個剛性的整體而轉變?yōu)樾禽喗Y構模式，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，此種結構模式可用于攀爬樓梯。 （2） 驅(qū)動輪布置： a) 驅(qū)動后置 驅(qū)動后置，即將該驅(qū)動結構置于車后作為驅(qū)動后輪，前輪

9、用萬向輪。 優(yōu)點：大輪在后小輪在前，整車協(xié)調(diào)美觀，爬樓時重量壓于后輪，不易打滑。 缺點：爬樓時，后輪支點位置不斷跳躍性變化，有側翻的可能；萬向輪在前，平地時承載較大，轉向阻力大，爬樓時萬向輪可能發(fā)生偏斜。 b) 驅(qū)動前置 驅(qū)動前置，即將該驅(qū)動結構置于車前面作為驅(qū)動前輪，后輪用萬向輪。 優(yōu)點：萬向輪作為后支點爬樓時不易傾翻，且阻礙作用相對較小。 缺點：大部分機構集中在輪椅前，輪椅后部伸出兩個很小的萬向輪，外觀不協(xié)調(diào)；爬樓時由于人對驅(qū)動輪的正壓力不夠，有打滑危險。 經(jīng)綜合考慮，我們選擇了第二種方案，即驅(qū)動前置的行星輪方案。該方案能較好的實現(xiàn)爬樓功能，。 （3） 行星輪轉換機構使用

10、 a) 使用半控式結構 普通行星輪結構有2個自由度，欲使其具有確定的運動，必須給行星輪2個確定的輸入。而目前使用的各種這類行星輪中 ,都用一個電機驅(qū)動這個行星輪的中心齒輪 ,即只給一個確定的輸入 ,另外一個自由依靠地面的情況來約束。在路面不平度較小的情況下，轉臂 (即另外一個輸入)可以根據(jù)路況做實時的自適應調(diào)整；在車輪碰到較高的障礙而停止不動時，該輪系的一個自由度受到限制，驅(qū)動輪系即可演變成行星輪系，轉臂H帶動另外兩輪繞自由度受限的車輪回轉，實現(xiàn)翻越障礙，這種驅(qū)動輪系的一個自由度不受人為控制，而是根據(jù)路面情況而調(diào)整的，稱作“半控”行星輪。其優(yōu)點在于結構簡單，不需人工操作。 b) 使用星輪行

11、星輪轉換式結構 采用該結構，當其遇到無法爬過的障礙后,不是靠地面的摩擦力束縛車輪來實現(xiàn)翻轉,而是通過離合器固定一組行星輪，主動將該結構轉換成星輪,通過驅(qū)動整個星輪來實現(xiàn)翻轉。其優(yōu)點在于越障能力較強，不易打滑。 （4） 越障能力分析 a) “半控”行星輪在遇到障礙時 ,有可能爬過障礙，打滑，翻轉越過障礙，上樓梯時，應使半控行星輪翻轉越過障礙。單組行星輪爬過障礙能力分析力學模型如圖，受力分析： N3 Ff3 Ff2 N1 F2 N2 F1 G L L1 有平衡方程: 假設路面為硬路面，忽略滾動摩擦的影響。即，；各輪轉矩平均分配，。 在行星輪和地面之間附著力達

12、到最大時,有最高越障能力,且輪 1和輪 2與地面之間的附著系數(shù)相同,則有: 其中為輪的附著系數(shù)，即附著力與車輪法向（與路面垂直的方向）壓力的比值。它可以看成是輪胎和路面之間的靜摩擦系數(shù)。這個系數(shù)越大，可利用的附著力就越大，越不容易打滑。各種路面狀況的附著系數(shù)如下表： 路面狀態(tài) 干燥水泥路面 潮濕水泥路面 下雨開始時 附著系數(shù) 0.7-1.0 0.4-0.6 0.3-0.4 假設，輪1和輪 2在垂直方向上受到地面的作用力相等。由幾何關系知，使行星輪翻轉的最小障礙高度： 行星輪可以越過的極限垂直高度為： 其中R為行星輪系桿的半徑，即 b) 在行星輪運動到如下圖

13、位置時，可分析其是否能爬上下一級臺階。 按前述假設，有平衡方程: 又 只需，即幾何關系滿足: 即可使其連續(xù)翻轉爬上樓梯 （5） 尺寸選擇（單位mm） 由建筑規(guī)范：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小于0.26M，踏步高度不應大于0.175M。故取臺階高×寬為150×300 （6） 校核輪椅底盤是否會擦碰臺階棱邊： 取底盤高度為行星輪中心到地面的距離，為=86.7，爬升一級臺階后輪椅的傾斜角，畫出對應尺寸的臺階和傾斜角為的輪椅底盤，將輪椅底盤向前移動臺階寬

14、度300距離，由圖可知，底盤不會擦碰臺階棱邊。 <三>其他功能結構設計與計算 一、車體主要部件 全車整體材料使用鋁合金，輕便防銹。 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??；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。經(jīng)綜合比較，有充氣內(nèi)胎緩沖吸振，速度適中，故選擇有充氣內(nèi)胎。 剎車：大輪應每輪均有剎車，當偏癱者只能用一只手時，只好用單手剎車，但也可裝延長桿

15、，操縱兩側剎車。剎車有兩種：（1） 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。 （2） 肘節(jié)式剎車。利用杠桿原理，通過幾個關節(jié)而后制動，其力學優(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。經(jīng)綜合比較，選擇凹口式剎車。 腳托及腿托：腿托可為橫跨兩側式，或兩側分開式，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節(jié)上，易引起該處壓瘡。 二、靠背平躺機構 1）棘輪設計： 一般采用45號鋼作為棘輪材料，考慮

16、到棘輪受載荷較小，采用圓弧形齒形，同時也可避免使用者被劃傷。 棘輪齒數(shù)取20個，模數(shù)取標準值3mm，則直徑為60mm。 2）扭簧設計： 取使用者質(zhì)量為70kg，靠背工作轉角為90º，則最大扭矩為70×9.8× 0.19=130 Nm，扭簧剛度為k==1444 最終取k=1400。扭簧直徑與轉軸相匹配，取21mm。 三、防側翻機構設計 當輪椅發(fā)生側翻時，傾斜角超過45度則會在重力矩的作用下繼續(xù)翻倒，故傾斜角小于45度時防側翻機構應打開，取40度。當防側翻的支撐桿和地面也成40度時和輪椅構成等腰三角形，受力較為均衡。故取支撐桿長約為輪椅高的一半，為400

17、mm。支撐盤底面采用耐磨材料，摩擦系數(shù)較大，考慮到其直徑應略小于椅背厚度，取直徑為60mm。 <四> 傳動系統(tǒng)設計與計算 一、電動機的選擇 有刷低速電機被電動自行車選用又名無刷無齒電機，它在電動自行車起動與爬坡時電流較大，性能較弱。有刷高速電機（3600轉/分鐘左右），它采用碳刷作為電機電源的兩個觸點，利用調(diào)速轉把和控制器來控制，通過齒輪二次減速及超越離合器來達到電動自行車0－20公里/小時的無極調(diào)速。目前采用的這種有刷高速電機含金量高，電機減速齒輪強度較強，耐磨性好，設計合理，故返修率較低；而且維修更換齒輪和電機的成本較少，有效的降低了電動自行車（電動輪椅）的維

18、修費用。 目前許多廠家選用有刷有齒電機，它是一種高速電機，所謂“有齒”就是通過齒輪減速機構，將電要轉速調(diào)低（因國標規(guī)定電動車時速不得超過20公里，故電機轉速應在170轉／分鐘左右）。由于是高速電機通過齒輪減速，故特點是啟動時騎行者感覺動力強勁，而且爬坡能力較強。但是電動輪轂是封閉的，只是在出廠前加注了潤滑劑（油），用戶很難進行日常保養(yǎng)，而且齒輪本身也有機械磨損，一年左右因潤滑不足導致齒輪磨損加劇，噪音增大，使用時電流也增大，影響電機和電池壽命。 另一種有刷無齒電機，它是一種低速電機，沒有齒輪減速機構，其動力性能和爬坡能力相對弱一些，但運行安全（沖擊力?。?，電刷磨損少（其低速特性決定了電刷磨

19、損只有有刷有齒電機的1/16左右），噪音少（因無齒輪減速裝置）是其顯著的優(yōu)點。 無刷電機由于沒有電刷，其最大優(yōu)點是從根本上消除了電刷磨損，不需要到期更換電刷，而且噪音很小。但目前無刷電機制造成本較高，因此一些中小型廠家不愿意使用。 選用有刷無齒電機，低速性適用于輪椅這類的低速場合，而且沒有齒輪傳動會使傳動效率較高，占用的空間體積較小，噪聲較小，啟動平穩(wěn)。該電動機自帶0~20km/h無極變速，正是輪椅的速度范圍。24V時額定攻率:150W~180W； 36V時額定攻率:180W~250W，考慮到需要爬坡，功率應選大一些，P500W。 設計計算： 根據(jù)此前的設計尺寸及傳動比，行星輪內(nèi)齒輪傳

20、動比為1，各齒輪尺寸相同，均為mm，模數(shù)m=2mm，齒數(shù)z=43。行走時三個小輪線速度等于輪椅行走速度Vmax=4m/s，小輪直徑d=200mm，則小輪轉速為n==380r/min。故電動機輸出轉速為380r/min. 功率校核：由摩擦系數(shù)表，輪胎與一般路面的滾動摩擦系數(shù)為0.02，取安全系數(shù)Ks=1.5，取人車總重為100kg，輪椅正常行駛時功率P=Ksmgv=1.50..84=120W；爬樓梯時，電機主要克服重力做功，所需功率較大，考慮電機所需電壓等條件的限制，最終取電機功率為500W。 二、 減速裝置 由于選擇的是無齒電機，速度較低，故無需齒輪等減速裝置。軸直接由電機帶動，

21、結構簡單，噪音較小，同時效率較高。 <五> 設計總結與心得 本學期的機械原理課程設計我選擇了《多功能助殘輪椅》這極具現(xiàn)實意義的題目。 由于實際中的多功能助殘輪椅較為復雜，我只是做了簡單的理論設計和計算，為了簡化CAD作圖和flash動畫，只畫出了整體框架和行走示意圖。 通過老師的講解以及進行此次課程設計的練習，查閱相關資料豐富了我們的相關知識，我們對機械原理有了更加深入的了解，增加了自己的學術修養(yǎng)，提高了自己的動手能力以及分析問題解決問題的能力，并通過查找相關書籍發(fā)現(xiàn)了自己有許多不足。并且本次課程設計為我們今后的專業(yè)學習提供了指導，為畢業(yè)設計和將來的學術論文提供了幫助，為以后的工作和學習打下一定的基礎。 在老師的指導和同學的幫助下，我簡單的完成了設計要求，不過由于水平所限還存在許多問題有待解決,希望老師予以諒解。 <六> 參考文獻 1.《機械設計》 第八版 濮良貴，紀名剛 主編 高等教育出版社 2.《機械原理》 第七版 孫桓 陳作模 葛文杰 主編 高等教育出版社 3.《機械原理課程設計》 李瑞琴 主編 電子工業(yè)出版社 專心---專注---專業(yè)