星輪式可爬樓梯輪椅車的設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說明書】
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附錄1
星輪式爬樓梯輪椅
摘要:為了實(shí)現(xiàn)輪椅爬樓梯的功能,本文設(shè)計(jì)了一種星輪爬梯機(jī)構(gòu)。通過鎖緊聯(lián)軸器、星輪爬升機(jī)構(gòu)的作用形成定軸輪系或行星輪系以實(shí)現(xiàn)平面行走和爬樓梯功能。通過穿越障礙分析得到輪椅能通過的最大高度和最小寬度的障礙物。在SolidWorks三維仿真中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析來驗(yàn)證材料強(qiáng)度。
關(guān)鍵詞:爬樓梯輪椅;行星輪機(jī)構(gòu);越障分析;Solidworks三維仿真分析
1引言
近些年來,輪椅正在朝著智能化發(fā)展。根據(jù)文獻(xiàn)[ 1-2 ],輪椅已經(jīng)擁有多功能護(hù)理功能和升降功能,甚至可以在智能家居環(huán)境中使用。它不僅滿足了殘疾人士的基本需求,同時(shí)也為他們的生活提供了便捷。然而,在市場(chǎng)上的殘疾人輪椅采用的是普通輪式機(jī)構(gòu),只有地上行走的功能。當(dāng)遇到上樓和下樓的情況時(shí),這種輪椅就不能滿足爬樓梯功能。
在國內(nèi)外主要有兩種用以爬樓梯的輪椅車,一種是連續(xù)型爬樓梯輪椅車,一種是間斷型爬樓梯輪椅車。連續(xù)型爬樓梯輪椅車有能量傳遞效率高,行走時(shí)重心的偏離波動(dòng)小,運(yùn)動(dòng)流暢和適用的地形范圍廣泛這些優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)它也有一些缺點(diǎn),比如它的重量太重,運(yùn)動(dòng)不夠靈活,在爬樓梯的時(shí)候?qū)翘莸倪吘墪?huì)施加巨大的壓力所以對(duì)樓梯有較大的損壞,在平坦的道路上前行時(shí)會(huì)受到很大的阻力,轉(zhuǎn)向還不方便。連續(xù)型爬樓梯輪椅車雖然有行走機(jī)構(gòu)光滑的優(yōu)點(diǎn),運(yùn)動(dòng)、功能也適用于不同大小的樓梯。但是它比連續(xù)型爬樓梯輪椅車控制要求高,操作更復(fù)雜,在地面上移動(dòng)緩慢[ 3 ]。
因此,為了解決上述問題以及給老年人和殘障人士的出行提供一個(gè)性能更加優(yōu)越的交通工具,設(shè)計(jì)一款價(jià)格低廉、安全可靠的爬樓梯輪椅車是一個(gè)有很大意義和實(shí)用價(jià)值的行為。它不僅要解決用戶上下樓梯的不便,還要考慮到他們的負(fù)擔(dān)能力。
2機(jī)械設(shè)計(jì)
2.1總體設(shè)計(jì)
圖1 爬樓梯輪椅車整體結(jié)構(gòu)圖
本文中設(shè)計(jì)了一種行星輪式爬樓梯輪椅車。如圖1所示,行星輪式爬樓梯輪椅車主要由機(jī)架、行星輪機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)部件構(gòu)成。兩個(gè)由固定在機(jī)架上的兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)軸控制著行星齒輪傳動(dòng)裝置,從而使輪椅車能夠?qū)崿F(xiàn)爬樓梯和行走的功能。
2.2行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖2所示,行星輪式爬樓梯機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)軸1、管軸2、旋轉(zhuǎn)臂3,太陽輪4,傳動(dòng)齒輪5,驅(qū)動(dòng)齒輪6和車輪7。傳動(dòng)軸的一端與太陽輪相連并通過一個(gè)軸承懸空放置在旋轉(zhuǎn)臂上,另一個(gè)與錐齒輪軸配合。主軸上空套的管軸一端與旋轉(zhuǎn)臂固定連接,另一端連接自鎖裝置。過度齒輪5和驅(qū)動(dòng)齒輪6分別懸空安裝在手臂3和車輪7上,三個(gè)軸的中軸線是等距分布的。
四組齒輪間通過各自軸的作用間接承受了整個(gè)輪椅車的重量,輪子上的齒輪繞著它自身的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)自鎖裝置分離傳動(dòng)軸和管軸時(shí),輪椅車可以在地面上平穩(wěn)行駛。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)可以使與地面接觸的車輪獲得和齒輪同樣的角速度。
當(dāng)前車輪撞到比輪子高的障礙物停止移動(dòng)時(shí),通過鎖緊聯(lián)軸器與管軸鎖緊的傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)管軸和手臂3旋轉(zhuǎn),從而使得三個(gè)車輪繞著中心太陽輪的軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)翻越障礙物的功能(即爬樓梯)。
圖2 行星輪機(jī)構(gòu)
3穿越障礙分析
除了有一個(gè)很強(qiáng)的爬樓梯技巧之外,爬樓梯輪椅車當(dāng)然需要有一個(gè)越障的能力和一個(gè)障礙閃避系統(tǒng)[ 4 ]。本文僅對(duì)行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)翻越障礙的能力以及爬樓梯時(shí)輪椅的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。
圖3 越障分析
如圖3所示,當(dāng)翻越障礙時(shí)車輪組必須滿足以下的關(guān)系:
a≤(3R2 - r2) (1)
其中,a是障礙物的高度;b是障礙物的寬度;r是車輪的半徑;R是車輪組中心與車輪中心之間的距離;x是梯子和行星齒輪的中心之間的距離。
為了保證兩個(gè)輪子之間不存在障礙物和前輪在攀爬障礙物后可靠地與材料接觸,當(dāng)可爬樓梯輪椅車爬上障礙物時(shí),障礙物的寬度需要滿足以下要求:
B+2r≤R (2)
根據(jù)文獻(xiàn)[ 5 ],對(duì)行星輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:R = 140mm,r= 85毫米,t= 45毫米。然后通過公式(1)和(2)我們可以得到:
amax ==227(mm)
bmax = R- 2r=72(mm)
可以得出結(jié)論,行星輪式可爬樓梯機(jī)構(gòu)可以跨越障礙物的最大高度為227毫米,能跨越障礙物的最小寬度為72mm,它有一個(gè)相對(duì)較高的越障能力,并且可以滿足輪椅車在日常平坦道路上行走的要求。
4應(yīng)力應(yīng)變分析
為了在本文中驗(yàn)證設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ),本文選擇SolidWorks三維仿真軟件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。SolidWorks三維仿真軟件主要由三部分組成:前處理模塊、模塊劃分和后處理模塊。由于本文所采用的模型是用SolidWorks三維軟件建模的,可以直接用Solidworks三維進(jìn)行仿真分析。分析步驟為:
(1)零件和材料特性的定義;
(2)定義夾具類型;
(3)定義外部負(fù)載;
(4)有限元網(wǎng)格劃分;
(5)解決;
(6)視圖求解結(jié)果。
根據(jù)上面的步驟,以下部分的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果顯示在圖4-圖9。
圖4 傳動(dòng)軸應(yīng)力分析
圖5 傳動(dòng)軸應(yīng)變分析
圖6 管軸應(yīng)力分析
通過以上分析,我們可以了解到零件上關(guān)鍵位置的最大位移和最大應(yīng)力。在設(shè)計(jì)過程中,主要對(duì)應(yīng)力進(jìn)行了檢驗(yàn)。
通過分析關(guān)鍵零件圖的結(jié)果,最大應(yīng)力在傳動(dòng)軸如圖4所示的雜志部分的輸入部分上,最大應(yīng)力位于軸的直徑變化部分上,應(yīng)力為41.5 MPa。以上材料的關(guān)鍵部件是45鋼。經(jīng)過查驗(yàn)材料手冊(cè),45鋼的屈服強(qiáng)度為355兆帕。它大于零件的最大應(yīng)力,具有較高的安全系數(shù),滿足設(shè)計(jì)要求。通過利用Solidworks三維仿真軟件進(jìn)行行星輪可爬樓梯輪椅車的有限元分析,既能檢查出滿足要求的強(qiáng)度,又可以為輪椅的進(jìn)一步優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
圖7 管軸應(yīng)變分析
圖8 車輪應(yīng)力分析
圖9 車輪應(yīng)變分析
5結(jié)論
本文分析了常用的可爬樓梯輪椅車的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種行星輪式可爬樓梯輪椅車,通過使用行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)擁有爬樓梯和平地行走兩種功能。通過行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì),并對(duì)越障能力的分析,我們可以獲得這種越障能力高,適應(yīng)各種不同尺寸樓梯能力強(qiáng),重量輕,結(jié)構(gòu)緊湊,安全性好的行星輪式可爬樓梯輪椅車。
附錄2
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