一種三星輪式電動(dòng)爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[采用三星輪結(jié)構(gòu)]

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When walking on level ground as an ordinary electric wheelchair ,and in others on the stairs like a simple auxiliary function of electric stairs. Climbing stairs electric wheelchair is one kind of the service robots ,and it is the elderly and disabled peoples’ indispensable rehabilitation and transport ,To use a wheelchair old people and disabled people can physical exercise and participate in social activities .Considering the convenience of the elderly and the disabled peoples’ traveling ,researching and developing a climb stairs function wheelchair has the significant practical significance. The design will be up and down the stairs to the electric wheelchair design, to meet the legs disabled and elderly automatic staircase function. From the main design, structure design, including the data computation, the transmission system design, the motor and purchased parts selection, application, maintenance and other aspects of system design. And draw the electric wheelchair2D assembly drawing and parts drawing. Key words: Electric wheelchair Star wheel climbing device Structure design 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1課題的研究背景及意義 1 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2.1履帶式 1 1.2.2星輪式 2 1.2.3腿足式 2 1.2.4復(fù)合式 3 第2章 總體方案設(shè)計(jì) 5 2.1總體類型選擇 5 2.1.1設(shè)計(jì)要求 5 2.1.2類型選擇 5 2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 2.3行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 2.3.1行星輪總體結(jié)構(gòu)概述 7 2.3.2行星輪架的中心距 7 2.3.3小輪半徑r的范圍值 8 第3章 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 3.1動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選擇 10 3.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 10 3.2.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型選擇 10 3.2.2選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率 10 3.3蓄電池選擇 12 3.4計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 13 3.4.1各軸轉(zhuǎn)速 13 3.4.2各軸輸入功率 13 3.4.3各軸轉(zhuǎn)矩 13 第4章 主要零件設(shè)計(jì)計(jì)算 14 4.1齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 14 4.1.1傳動(dòng)比計(jì)算 14 4.1.2齒輪模數(shù)與齒數(shù)計(jì)算 14 4.1.3載荷系數(shù)計(jì)算 16 4.1.4幾何尺寸計(jì)算 18 4.2 鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì) 18 4.2.1鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 19 4.2.2鏈輪結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 21 4.3軸及附件設(shè)計(jì) 21 4.3.1計(jì)算各軸的強(qiáng)度 21 4.3.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 4.3.3軸的強(qiáng)度校核 23 結(jié) 論 25 參考文獻(xiàn) 26 致 謝 27 第1章 緒 論 1.1課題的研究背景及意義 輪椅為老年人及下肢傷殘者帶來生活上的方便，隨著生活水平的提升，無障礙設(shè)施日漸增多，輪椅的使用范圍也逐步加大。然而，樓梯的存在卻使輪椅的使用受到了很大的限制,因此研發(fā)一種自動(dòng)爬樓梯的輪椅是很有必要的。該課題是為了設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單易用且價(jià)格低廉的自動(dòng)爬樓梯輪椅。盡管目前輪椅的研發(fā)正朝著多功能、智能化的方向發(fā)展，其中不乏涵蓋了一些具有視覺或語音控制的智能輪椅。但是就我國(guó)的現(xiàn)狀而言，大多數(shù)需求輪椅的老年人或下肢傷殘者經(jīng)濟(jì)狀況都不甚樂觀，對(duì)于那些功能繁多卻價(jià)格昂貴的爬樓梯輪椅，并不具備購(gòu)買能力，因此研發(fā)一款體積小巧、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的自動(dòng)爬樓梯輪椅更符合我國(guó)對(duì)自動(dòng)爬樓梯的市場(chǎng)需求，具有一定的社會(huì)價(jià)值。 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了較長(zhǎng)的歷史，早在19世紀(jì)90年代就已經(jīng)有了此類專利的出現(xiàn)。自此，美、英、日德等發(fā)達(dá)國(guó)家就開始向此領(lǐng)域沖擊，經(jīng)過不斷努力開發(fā)，也出現(xiàn)了一些成果。由于起步較早，它們?cè)谶@方面的技術(shù)也相對(duì)成熟，已經(jīng)推出此類產(chǎn)品。但現(xiàn)存產(chǎn)品都還存在各種瑕疵，還沒有一種能做到盡善盡美。我國(guó)對(duì)此類裝置的研究起步較晚，在近幾年也有一些成果產(chǎn)生，但距離形成成熟產(chǎn)品還有很長(zhǎng)的路要走。 目前已經(jīng)存在的爬樓梯裝置也是各種各樣，可以按照爬樓方式分為履帶式、星輪式、腿足式以及復(fù)合式爬樓梯裝置。各種裝置都有自己的優(yōu)點(diǎn)，但也都存在一定不足。 1.2.1履帶式 履帶式爬樓裝置是目前應(yīng)用較廣的一種方式，其原理簡(jiǎn)單，有多款成熟產(chǎn)品問世。其中較為出名的是法國(guó)TopChiar公司研制的悍馬-H8型，如圖1.2.1a)。悍馬-H8在結(jié)構(gòu)上將平地電動(dòng)輪椅和爬樓機(jī)構(gòu)融為一體，平地運(yùn)動(dòng)時(shí)履帶機(jī)構(gòu)收起，由后輪驅(qū)動(dòng)，爬樓時(shí)履帶機(jī)構(gòu)放下，與輪椅底部成一定角度，爬樓時(shí)可調(diào)節(jié)，使乘坐者始終處于較舒適的狀態(tài)。 （a)法國(guó)悍馬-H8 （b) T09-ROBY 圖1.2.1履帶式爬樓裝置 履帶式爬樓機(jī)構(gòu)行走方式連續(xù)，抓地力強(qiáng)，上下樓時(shí)重心平穩(wěn)，安全可靠，但體積、重量及噪聲也較大。 1.2.2星輪式 輪式機(jī)構(gòu)在地面的運(yùn)輸工具中應(yīng)用范圍最大，國(guó)外的爬樓梯裝置設(shè)計(jì)中也常常采取輪式機(jī)構(gòu)。普通的殘疾人使用的輪椅及電動(dòng)輪椅車也通常使用輪式機(jī)構(gòu)，輪式機(jī)構(gòu)體積小巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且容易控制，運(yùn)行起來既平穩(wěn)速度又快，工作能效高，并且由于轉(zhuǎn)向時(shí)候采取的差動(dòng)傳動(dòng)轉(zhuǎn)向半徑，這種轉(zhuǎn)向半徑很小，且易于轉(zhuǎn)向;圓柱型輪體機(jī)構(gòu)常常應(yīng)用在一般的輪式機(jī)構(gòu)之中，在平地行走具有很大的優(yōu)勢(shì)，但是路況較差如崎嶇路面、樓梯狀況時(shí)，普通的輪式機(jī)構(gòu)又不能達(dá)到使用者的要求。 普通輪式機(jī)構(gòu)要想跨越臺(tái)階等障礙，其中一個(gè)必要條件就是車輪半徑至少要大于臺(tái)階高度，而且跨越臺(tái)階需要的能量很大，過程不穩(wěn)定，沖擊較大;而且樓梯臺(tái)階的寬度有限，如果一味的增大車輪半徑又會(huì)導(dǎo)致輪椅在臺(tái)階上失去了支撐點(diǎn)，這也是目前常規(guī)輪椅采用大的后輪而無法實(shí)現(xiàn)上下樓梯功能的主要原因。 1.2.3腿足式 腿足式爬樓輪椅的主要特點(diǎn)是爬樓動(dòng)作是一個(gè)由腿足完成的不連續(xù)過程。早期的爬樓梯裝置多數(shù)都采用這種不連續(xù)方式。18世紀(jì)90年代Bray發(fā)明制造的爬樓梯輪椅采用的方式就是不連續(xù)方式。在爬樓過程中，兩套支撐裝置中的一套作為支撐，另一套爬升，運(yùn)動(dòng)軌跡為上升、平移、著陸，類似人的兩條腿一樣爬樓。腿足式爬樓梯裝置實(shí)際上就是模仿人類爬樓的動(dòng)作。 （a） iFoot (b) WL-16RII 圖1.2.3腿足式爬樓裝置 1.2.4復(fù)合式 鑒于履帶式、星輪式、腿足式等裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，在研究過程中，產(chǎn)生了一些其它的爬升裝置。例如由英國(guó)的Stairmatic，它是此類型爬樓梯輪椅的一個(gè)典型例子，如圖1.2.4（a)所示，它不僅理論成熟并且已經(jīng)通過了實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)。但是，僅能上下樓梯，對(duì)平地自主適應(yīng)性差，使其距完美還有一定距離。另外約8萬余元人民幣的價(jià)格也讓多數(shù)人難以承受。但是復(fù)合式的復(fù)雜機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)，致使設(shè)計(jì)、控制、分析等工作都非常復(fù)雜。 （a）Stairmatic （b) ShrimpRobot 圖1.2.4復(fù)合式爬樓梯裝置 綜上所述，國(guó)內(nèi)外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有較長(zhǎng)的歷史，成果也較多，誕生了很多的專利以及產(chǎn)品，但是它們或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜、或者造價(jià)昂貴，總是存在這樣或那樣的缺陷。為了更好地解決老年人、殘疾人活動(dòng)問題，提出一種整體結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量適中、安全性好、操作方便、價(jià)格適宜的爬樓梯輪椅方案是十分必要的。此外，考慮到輪椅的主要作用是平地行駛，故在做好爬升裝置的前提下更應(yīng)將平地行駛功能做到最好?？梢钥闯?，雖然爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了一定的成果，但距離完美的產(chǎn)品的誕生還是有很長(zhǎng)一段路需要走的。 第2章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1總體類型選擇 2.1.1設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)要求如下： （1）爬樓輪椅有效負(fù)重=60Kg； （2）有安全保護(hù)設(shè)計(jì)； （3）適合中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)樓梯。 根據(jù)目前爬樓梯裝置的研究現(xiàn)狀，分析已產(chǎn)生的各種機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，在充分考慮結(jié)構(gòu)、造價(jià)、安全性等重要因素的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)電動(dòng)爬樓梯輪椅。該設(shè)計(jì)在滿足爬樓梯輪椅的基本要求前提下，盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格適宜，對(duì)臺(tái)階適應(yīng)性強(qiáng)，安全性高等方面。具體要做到以下幾點(diǎn): (1)能爬樓、越障，平地時(shí)可作電動(dòng)輪椅使用。 (2)爬樓時(shí)重心波動(dòng)較小，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。 (3)作為電動(dòng)輪椅時(shí)要符合，國(guó)標(biāo)GB12996-91電動(dòng)輪椅技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 (4)輪椅車上下樓應(yīng)與我們?nèi)粘Ａ?xí)慣一致，避免反向上樓給使用者帶來的不便，同時(shí)確保上下樓過程的安全性。 2.1.2類型選擇 分析現(xiàn)有的三種典型爬樓梯機(jī)構(gòu)，綜合比較其缺點(diǎn)，見表2-1 表2-1典型爬樓機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)照表 爬升機(jī)構(gòu) 星輪式 履帶式 腿足式 臺(tái)階適應(yīng)能力 一般 強(qiáng) 強(qiáng) 穩(wěn)定性 一般 強(qiáng) 差 控制難易 易 一般 難 機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度 簡(jiǎn)單 一般 復(fù)雜 對(duì)臺(tái)階是否損傷 否 是 否 行走阻力 小 大 大 通過對(duì)比以上各種爬升機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，星輪式越障機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)突出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，而且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)易布置，因此本課題采用星輪式越障機(jī)構(gòu)。 綜合考慮我國(guó)國(guó)情和普通消費(fèi)者的購(gòu)買能力，在三種爬樓梯機(jī)構(gòu)的性能對(duì)比分析，同時(shí)滿足輪椅的設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種既可滿足爬樓梯功能，又安全可靠，操作方便，通用性好而且價(jià)格適中的行星輪式多功能電動(dòng)爬樓梯輪椅車。 2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 輪椅的總體設(shè)計(jì)如圖2-2所示，主要由越障機(jī)構(gòu)（行星輪機(jī)構(gòu)）、車架、座椅、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成。 圖2-2 總體方案簡(jiǎn)圖 (1)越障機(jī)構(gòu)：本課題采用一對(duì)星輪式機(jī)構(gòu)，行星輪并且左右分別對(duì)稱安裝，通過行星輪的公轉(zhuǎn)和自傳實(shí)現(xiàn)平地行駛與越障的轉(zhuǎn)換，以便順利通過各種路況；行星輪小輪之間通過齒輪傳動(dòng)，每組行星輪一側(cè)安裝一對(duì)電磁離合器，通過電磁離合器的通與斷來控制行星輪支架的翻轉(zhuǎn)。 (2)車架：車架是整個(gè)輪椅車的基礎(chǔ)，應(yīng)結(jié)合輪椅車總布置的要求來設(shè)計(jì)，還應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證輪椅車可以順利通過各種復(fù)雜路況；質(zhì)量要盡可能小，應(yīng)布置的離地面更近一些，使輪椅重心降低，有利于提高輪椅的行駛穩(wěn)定性。 (3)座椅：座椅起著支撐人體，使輪椅操縱方便和乘坐舒適的作用，因此這次設(shè)計(jì)要充分考慮使用者的要求 （4）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：采用電機(jī)中置，鏈傳動(dòng)與齒輪相結(jié)合的傳動(dòng)方式，以使電機(jī)的傳動(dòng)可以有效的傳遞給行星輪結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)。 （5）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：鑒于設(shè)計(jì)的車輪數(shù)目較多，如果直接采用前輪轉(zhuǎn)向或是后輪轉(zhuǎn)向，則同時(shí)有6個(gè)輪著地，并且同時(shí)要轉(zhuǎn)到6個(gè)輪才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，所需的轉(zhuǎn)向力將很大，造成轉(zhuǎn)向困難。為了解決這一困難，我單獨(dú)在輪椅的前邊設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向輪并且還采用了機(jī)械傳動(dòng)等，在平地行駛時(shí)使用者可以方便的通過控制轉(zhuǎn)向盤的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的轉(zhuǎn)向，越障時(shí)依靠電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪升高，防止轉(zhuǎn)向輪影響輪椅越障。 2.3行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1行星輪總體結(jié)構(gòu)概述 行駛機(jī)構(gòu)采用輪組結(jié)構(gòu)。輪組結(jié)構(gòu)中的小輪個(gè)數(shù)越少，結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，但是輪組的翻轉(zhuǎn)力矩也越大，輪椅重心波動(dòng)也就大，穩(wěn)定性越差。但隨著小輪個(gè)數(shù)的增加，輪椅重心波動(dòng)減小，但是整個(gè)輪組機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。因此，本文輪椅的前輪采用一個(gè)小輪構(gòu)成輪組機(jī)構(gòu)，后邊是由三個(gè)小輪組成輪組機(jī)構(gòu)。 圖2-3行星輪機(jī)構(gòu)圖 2.3.2行星輪架的中心距 由建筑樓梯數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)GBJ101-87知：經(jīng)過測(cè)量樓梯的臺(tái)階長(zhǎng)度高度在a=140mm-210mm之間，在220mm-320mm之間，計(jì)算樓梯的臺(tái)階角度在32°—35°之間。 圖2-3-1 （1）s，h最小時(shí)，兩小輪中心距不應(yīng)大于，如圖2-3-1所示，根據(jù)幾何關(guān)系有： (R)2≤ (2-3-1) 代入數(shù)值，求得：R≤180mm （2）s，h最大時(shí)，車體后面行星輪架至少前傾，并且一小輪應(yīng)至少能登上上一臺(tái)階，所以2R≥h=110mm。 綜上分析知，R的取值范圍是（110,180）。R應(yīng)盡量大，但太大又影響體積的大小設(shè)定，所以綜合一下設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中取R=150mm。 2.3.3小輪半徑r的范圍值 （1）兩小輪半徑應(yīng)小于小輪中心距，根據(jù)幾何關(guān)系有： r≤R (2-3-2) 代入數(shù)值得：r≤R=150mm （2）小輪最小時(shí)，支架不應(yīng)與樓梯沿相碰。h最小時(shí)，這種可能性大，則 有幾何關(guān)系知： sinα= (2-3-3) tanβ=tan（90-α）= （2-3-4） 計(jì)算并代入數(shù)值： α=arcsin≈32.606° β=27.394° 所以 47.79mm 綜上可知： r的取值范圍是（47.79,195），r應(yīng)取較大值，以提高平地行駛速度，但是過大行星輪支架的半徑也越大，不利于機(jī)構(gòu)緊湊型和輕便型，因此我們?nèi)=105mm。特別指出的是，以上分析中R，r的值并不是固定的，只需要在其范圍內(nèi)取值即可。 第3章 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選擇 對(duì)輪椅動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須結(jié)合輪椅在平地和爬樓等不同路況進(jìn)行分析，以滿足各種路況下輪椅都能提供足夠的動(dòng)力需求。根據(jù)電動(dòng)輪椅的標(biāo)準(zhǔn)GB12996-91可知，對(duì)其主要技術(shù)性能的規(guī)定如表3-1所示： 表3-1電動(dòng)輪椅國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 參考輪椅的運(yùn)行實(shí)際情況，確定其技術(shù)指標(biāo)為：平地行駛時(shí)最大運(yùn)行速度為7.2km/h，最大爬樓速度為每分鐘20個(gè)臺(tái)階。輪椅攜帶四塊12v蓄電池，每塊電池容20Ah，一次行程40km以上。 3.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 3.2.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型選擇 選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型，輪椅車依靠蓄電池來供電，為電機(jī)提供能源，一般可選步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)或是無刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，可以準(zhǔn)確定位和調(diào)速：轉(zhuǎn)矩大、慣性小、影響頻率高，但是其能耗大、轉(zhuǎn)速低，并且伴有振動(dòng)和噪聲，不利于輪椅的穩(wěn)定型和實(shí)用性。無刷直流電機(jī)繼承了直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，采用電子換相電路，克服了傳統(tǒng)直流電機(jī)采用機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置的弊病，具有無噪聲、免維護(hù)、可靠性高的優(yōu)越特性。因此我們選用48V的無刷直流電機(jī)作為輪椅的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 3.2.2選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率 輪椅具有平地行駛和爬樓兩種不同的工作狀態(tài)，不同工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的功率需求，因此先分別計(jì)算兩種狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需功率，然后再選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率。該輪椅自重為40kg，最大承載能力為60kg，因此輪椅的最大運(yùn)行總質(zhì)量為100kg，該總質(zhì)量由前輪和后輪共同分擔(dān)，假設(shè)前輪和后輪分別承受總質(zhì)量的40％和60％，并且取輪胎與地面間的靜摩擦系數(shù)μ為0.71. （1） 平地所需功率 平地行駛時(shí)，輪椅采用后驅(qū)動(dòng)輪，后驅(qū)動(dòng)輪組任意兩個(gè)小輪著地，克服與地面間的摩擦力前進(jìn)，前輪隨之前進(jìn)，同時(shí)設(shè)前輪與地面之間的摩擦力為。當(dāng)時(shí)，輪椅在平地上正常行駛。 前輪承受的正壓力; 后輪承受的正壓力： 前輪承受的水平摩擦力： 后輪承受的水平摩擦力： 所以,滿足正常行駛要求。 所設(shè)計(jì)的輪椅直徑為D=195mm，輪椅平地的最大運(yùn)動(dòng)速度為V=2m/s，根據(jù)輪椅行駛速度和車輪直徑，計(jì)算輪椅車在平地上行駛的相關(guān)參數(shù)： 后驅(qū)動(dòng)輪所需要最大轉(zhuǎn)速為： 后驅(qū)動(dòng)輪所需最大角速度為： 后驅(qū)動(dòng)輪最大切向加速度為： 后驅(qū)動(dòng)輪最大角加速度為： 后驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 電機(jī)所需要的工作功率為： 輪椅包括齒輪傳動(dòng)。鏈傳動(dòng)和軸傳動(dòng)，因此我們?cè)O(shè)傳動(dòng)總功率為0.85，所以在平地行駛所需功率為： （2） 輪椅爬樓時(shí)，由于速度較小，忽略空氣阻力和加速阻力，只有滾動(dòng)阻力和坡度阻力，所以輪椅行駛方程式可以表示為：，其中α為坡度角。 查表可知，良好的瀝青路面和混凝土路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)f的數(shù)值為0.010-0.018，一般的瀝青和混凝土路面為0.018-0.020。平時(shí)路地行駛時(shí)我們?nèi)L動(dòng)阻力系數(shù)為0.018，爬樓時(shí)因?yàn)榇蠖鄶?shù)樓梯為混凝土或是大理石，所以我們把滾動(dòng)系數(shù)取為0.020。因?yàn)槠铰沸旭倳r(shí)α=0，所以受工作阻力為： 我們?cè)O(shè)計(jì)的輪椅最大爬坡度為40°，所以爬樓時(shí)工作阻力為： 所以，取F==974.3N，取v=0.2m/s，求得電機(jī)所需工作功率為： 綜上所述，為了使輪椅爬樓與越障時(shí)有足夠的驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率必須大于0.13kw，并且有一定的剩余。輪椅的電動(dòng)機(jī)的型號(hào)一般為DG-M4和DYW-60B,考慮到經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性，選擇DG-M4比較合適。主要性能參數(shù)如下表： 表3.1 型號(hào) 額定功率 額定轉(zhuǎn)速 額定負(fù)載 長(zhǎng) 寬 高 DG-M4 144w 120r∕min 3.39N.m 305mm 125mm 123mm 3.3蓄電池選擇 輪椅裝載48V的蓄電池作為供電能源，同時(shí)可以滿足平地行駛和爬樓梯的要求。為了選擇性價(jià)比最高的蓄電池，一般從電池容量、電壓大小、重量、使用壽命和價(jià)格成本等幾方面進(jìn)行考慮，市場(chǎng)上有四種常見的蓄電池：鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鋅電池和鋰電池。鎳氫電池、鎳鋅電池和鋰電池性能優(yōu)越，使用壽命長(zhǎng)，但是價(jià)格昂貴，一般比鉛酸電池高4-5倍，增加了輪椅的制造成本。鉛酸蓄電池成本較低、應(yīng)用歷史長(zhǎng)、相對(duì)更加成熟，改進(jìn)后的免維護(hù)鉛酸電池性能更加穩(wěn)定可靠，使用也更方便，得到了廣泛應(yīng)用。因此，輪椅車選用免維護(hù)鉛酸蓄電池作為供電能源。 3.4計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 3.4.1各軸轉(zhuǎn)速 電動(dòng)機(jī)軸為O軸，與鏈傳動(dòng)的高速軸為I軸，齒輪之間的傳動(dòng)低速軸為II軸。 各軸轉(zhuǎn)速為 n0=nm=120r/min ni=n0/i1=120/2=60 nII =nI/I2=60/3=30r/min 3.4.2各軸輸入功率 按電動(dòng)機(jī)額定功率Ped計(jì)算各軸輸入功率，即 P0=Ped=144W PⅠ= P0η1=144×0.94=135.36W≈0.135KW PⅡ= PⅠη3=135.36×0.96=130W=0.13KW 3.4.3各軸轉(zhuǎn)矩 T0=9550×0.144/120=11.46N.mm TI=9550×0.135/60=21.49N.mm TⅡ=9550×0.13/20=62.08N.mm 將以上數(shù)據(jù)整理如下表 第4章 主要零件設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 4.1.1傳動(dòng)比計(jì)算 由前面已知上樓梯時(shí)，要使后輪轉(zhuǎn)動(dòng)而爬上樓梯所需要的扭矩為170 功率 P=0.13kw .而所選電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 =120 額定轉(zhuǎn)矩為5 已知外輪系的大徑為500mm 后輪由電機(jī)通過一級(jí)齒輪傳動(dòng)和一級(jí)鏈輪傳動(dòng)而進(jìn)行上樓梯動(dòng)作。 由 m=9549 可知 Ⅲ軸轉(zhuǎn)速=60 由于鏈輪3.4.5.6之間為等傳動(dòng)比傳動(dòng)，現(xiàn)假定三個(gè)鏈輪d=250mm 則軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速，由電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 1.2齒輪之間的傳動(dòng)比 4.1.2齒輪模數(shù)與齒數(shù)計(jì)算 （1）初選小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù)取 （2）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 試選載荷系數(shù) 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 查表可知齒寬系數(shù) （小齒輪作懸臂布置） 查手冊(cè)可知材料的彈性影響系數(shù) 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 由齒輪的工作力循環(huán)次數(shù)N的計(jì)算式 可算出兩齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 則可查得接觸疲勞壽命系數(shù) （3）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1% 安全系數(shù)S=1 （3） 計(jì)算 試算小齒輪分度圓直徑 ，代入 中較小的值 計(jì)算圓周速度v 計(jì)算齒寬b 計(jì)算齒寬與齒高之比b/h 模數(shù) 齒高 4.1.3載荷系數(shù)計(jì)算 （1）根據(jù), 7級(jí)精度，查得動(dòng)載系數(shù) 直齒輪，假設(shè) 查得齒間載荷分配系數(shù) 查手冊(cè)得使用系數(shù) 而對(duì)于7級(jí)精度的小齒輪相對(duì)支撐懸臂布置時(shí)齒向載荷分布系數(shù) 查得 由 , 查手冊(cè)得 故載荷系數(shù) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑 計(jì)算模數(shù)m （2)按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 （1） 查手冊(cè)得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 （2） 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) ， （3） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力， 取彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)s=1.35 則 （4） 計(jì)算載荷系數(shù)k 由 ， 查得齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) ，，， （5） 計(jì)算大小齒輪的 并加以比較 即：大齒輪的數(shù)值大 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)0.957并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)1.25mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 算出小齒輪齒數(shù)，取大齒輪齒數(shù) 4.1.4幾何尺寸計(jì)算 （1） 計(jì)算分度圓直徑 中心距 齒輪寬度 取 （2） 驗(yàn)算 合適 齒輪 1.2 4.2 鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì) 帶傳動(dòng)適用于兩軸中心距較大的場(chǎng)合，改變帶的長(zhǎng)度可以適用不同的中心距;帶具有良好的彈性，有緩沖和吸振的作用，因而傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小。且過載時(shí)候帶與帶輪之間會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，可防止損壞其他零件，起過載保護(hù)作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝和維護(hù)方便，成本低廉。但是傳動(dòng)的外廓尺寸較大，結(jié)構(gòu)不緊湊，且對(duì)軸的壓力大，帶與帶輪之間存在彈性打滑和滑動(dòng)，不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。機(jī)械效率低，帶的壽命較短，需要張緊裝置。 鏈傳動(dòng)沒有彈性打滑和滑動(dòng)現(xiàn)象，能保證準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比;張緊力小，軸與軸承所承受載荷較小；結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)可靠，傳遞圓周力；傳動(dòng)效率較高，能在高溫、潮濕、多塵、油污等惡劣環(huán)境下工作。但鏈傳動(dòng)不適于載荷變化大和急速反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合且易磨損，從而產(chǎn)生跳齒脫鏈現(xiàn)象。 根據(jù)條件的需要，從三個(gè)方面考慮：一、上下樓過程中軸所承受的載荷要小，這樣可以提高軸的工作壽命；二、傳動(dòng)效率要高，這樣在上下樓過程中在保證安全的同時(shí)也能減少人在推輪椅上樓的拉力，三、鏈輪放在坐墊下面，這樣不僅減少裝配空間而且封閉的鏈輪可以提高使用壽命。因此選擇鏈傳動(dòng)比較合適。 4.2.1鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）確定鏈輪齒數(shù)Z1、Z2: 因傳動(dòng)比i=2，查表12-6選取Z1=27 則Z2=iZ1=27X2=54 （2）鏈輪轉(zhuǎn)速: N1=120r/min N2=n1/i=120/2=60r/min （3）設(shè)計(jì)功率Pd: 由表12-7，取KA=1 由表12-8，取KZ=0.684 由表（12-4），Pd=KAKZP=1X0.684X0.144=0.098KW （4）選用鏈條: 由Pd=0.098KW和n1=120r/min查圖12-9 選得鏈號(hào)為05B，節(jié)距P=8mm，單排鏈。 （5）驗(yàn)算鏈速V : 由式（12-1） V=Z1n1P/60X1000=27X120X8/60X1000=0.432m/s＜0.6m/s 在限定范圍內(nèi)。 （6）初選中心距ao: 因結(jié)構(gòu)上無限定，初選ao=35P。 （7）確定鏈節(jié)數(shù)Lp: 由式(12-5),初算鏈節(jié)數(shù) Lpo=2ao/p+Z1+Z2/2+(Z2-Z1/2)XP/ao =2X35P/P+27+54/2+()XP/35P =111.03 對(duì)Lpo圓整并取偶數(shù)，則Lp=112。 （8）理論中心距a: 因Lp-Z1/Z2-Z1=112-27/54-27=3.15,用插值法求得 Ka=0.24818，則由式（12-7），得 a=[2Lp-（Z1+Z2）]KaP =[2X112-(27+54) ]X0.24818X8 =283.92mm （9）實(shí)際中心距a′: a′=a-△a △a=(0.002-0.004)a,取△a=0.004a，則 a′=a-△a=283.92-0.004X283.92=282.78mm （10）作用在軸上的力Fa: 由式（12-9） Fa≈1000（1.2-1.3）P/V =1000（1.2-1.3）X0.144/0.432N =400-433.33N （11）潤(rùn)滑方式: 由P=8mm V=0.432m/s,查圖12-14 選用人工定期潤(rùn)滑。 （12）鏈條標(biāo)記:05B-1x112 4.2.2鏈輪結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) （1）選擇材料及熱處理方法: 選用45鋼，淬火處理，硬度為40-45HRC。 （2）分度圓直徑d: dI=P/sin180/Z1=8/sin180/27=68.97mm dII=P/sin180/Z2=8/sin180/54=137.93mm （3）齒頂圓直徑da: 由表12-1，得滾子外徑d1=5mm 由表12-2，damax=d+1.25P-d1 damin=d+（1-1.6/Z）P-d1,得 71.498mm≤d1≤73.97mm 140.69mm≤d2≤142.93mm （4）齒根圓直徑df: 由表12-2，dfI=dI-d1=68.97-5=63.97mm dfII=dII-d1=137.93-5=132.93mm （5）齒形:按GB1244-85 （6）鏈輪公差: 齒根圓直徑公差為h11；齒頂圓直徑公差為h11；齒坯孔徑公差為H8；齒寬公差為h14；齒根圓徑向圓跳動(dòng)小鏈輪為10級(jí)、大鏈輪為11級(jí)；齒根圓處端面圓跳動(dòng)小鏈輪為10級(jí)、大鏈輪為11級(jí)。 4.3軸及附件設(shè)計(jì) 4.3.1計(jì)算各軸的強(qiáng)度 （1）后軸的計(jì)算 該軸的轉(zhuǎn)速 功率 ①初步估算軸徑 選擇軸的材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理， 查手冊(cè)可得材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)為 根據(jù)公式 初步計(jì)算軸徑 初選空心軸內(nèi)外之比 則可查表得 則 考慮到軸需要加鍵，需將其軸徑增加4%~5% 故大錐直徑取 4.3.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)軸的受力，初選軸承6205，已知Ⅲ軸傳遞的轉(zhuǎn)矩 兩外輪系圓周力 前面已知四個(gè)等傳動(dòng)比的鏈輪參數(shù)分別為： 有效圓周力 離心力引起的拉力 查表得 則 鏈傳動(dòng)的壓軸力 對(duì)于水平傳動(dòng) 則 求支反力 4.3.3軸的強(qiáng)度校核 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸及彎矩圖，轉(zhuǎn)矩圖，截面C處彎矩最大 安全系數(shù)校核計(jì)算 彎曲應(yīng)力幅為 由于是對(duì)稱循環(huán)彎曲應(yīng)力，故平均應(yīng)力 由 式 式中，-1 取 結(jié) 論 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)大學(xué)中所學(xué)知識(shí)的回顧，是對(duì)以往所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，鍛煉了我們的獨(dú)立思考能力、獨(dú)立解決工程實(shí)際問題的能力、畫圖能力，更是從課本中的理論知識(shí)到生產(chǎn)實(shí)際的轉(zhuǎn)變。 玉米收獲機(jī)主要?jiǎng)?chuàng)新特點(diǎn)在于攪拌葉片的安裝方法，殼體兩端焊接蓋板，目的是為了在葉片損壞或軸斷裂時(shí)方便拆裝，減少工作量，有利于節(jié)省成本，有一定的經(jīng)濟(jì)性。 在這之前，雖然經(jīng)過四年的學(xué)習(xí)學(xué)到了很多知識(shí)，但是還沒有機(jī)會(huì)來運(yùn)用和掌握這些東西。通過這次實(shí)踐，我對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)過程都有了全面的了解，設(shè)計(jì)、計(jì)算和繪圖方面的能力都得到了全面的訓(xùn)練和提高，也使我對(duì)機(jī)械產(chǎn)生了更加濃厚的興趣，更堅(jiān)定了我從事機(jī)械行業(yè)的信心。設(shè)計(jì)初期，我去圖書館的網(wǎng)站內(nèi)下載了許多相關(guān)的文獻(xiàn)資料，對(duì)玉米收獲機(jī)有所了解，然后開始準(zhǔn)備我的開題報(bào)告、任務(wù)書和文獻(xiàn)綜述。在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，我也遇到了很多困難，經(jīng)過多次的數(shù)據(jù)修改才把總體方案給確定下來，開始畫圖等工作。設(shè)計(jì)期間得到了我的指導(dǎo)老師的幫助，我覺得從與老師的溝通過程中，我能學(xué)到很多東西，老師可以從另外一個(gè)角度來啟發(fā)我，給了我很多幫助、鼓勵(lì)和指導(dǎo)。通過這段時(shí)間的設(shè)計(jì)，我已基本按照設(shè)計(jì)要求完成玉米收獲機(jī)的設(shè)計(jì)，但是由于本人知識(shí)水平有限，又沒有實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中定存在不足之處，敬請(qǐng)老師同學(xué)批評(píng)指正，提出寶貴意見，以便及時(shí)糾正。當(dāng)然，我知道整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)還沒有結(jié)束，因?yàn)檫€需要答辯，還要有答辯老師的提問與意見，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)才能最終畫上句號(hào)。因此，我還需要繼續(xù)努力，認(rèn)真準(zhǔn)備答辯，仔細(xì)檢查我的論文，更好的完善，為我的大學(xué)畫上一個(gè)圓滿的句號(hào)。 參考文獻(xiàn) [1] 蘇和平，王人成，爬樓梯輪椅的研究發(fā)展［J］.中過康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2005.20 （5）：366-367. 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