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(shè)計課程設(shè)計計算說明書 設(shè)計題目：多功能輪椅 姓名：林浩宇 班級：機制14-2 學(xué)號： 指導(dǎo)教師：孫老師

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

3、t; 設(shè)計總結(jié)與心得………………………………………13 <六> 參考文獻………………………………………………14 <一> 設(shè)計背景與整體規(guī)劃設(shè)計 一、 設(shè)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(dāng)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(jié)構(gòu)緊湊,功能單一，簡單易用,價格低廉。輪椅是康復(fù)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(dāng)做康復(fù)運動的工具，人們對殘疾人士的關(guān)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(shè)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(shè)計和制造一個功能強大、人性化的輪椅成為了當(dāng)今殘疾人士最為關(guān)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(shè)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(shè)計 1、 參照標(biāo)準輪椅尺寸，整體結(jié)構(gòu)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(shè)計完成后用solid works 畫出三維視圖如下： <二>行走機構(gòu)部件的設(shè)計與計算 目前行星輪用于爬樓梯的底盤結(jié)構(gòu)中,多為兩組行星輪(底盤對應(yīng)的一邊一個行星輪,兩個為一組)或者更多。如果將行星輪結(jié)構(gòu)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(gòu)設(shè)計： 采用履帶式設(shè)計，由主電動機驅(qū)動履帶傳動，根據(jù)電機轉(zhuǎn)速不同可實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(shè)計如下圖：

7、 由幾何關(guān)系可的，履帶臂桿擺動時行星輪中心的軌跡是標(biāo)準的橢圓方程，即帶長可保持不變。 履帶式機構(gòu)的優(yōu)點：適應(yīng)型好，越障和上下樓梯平穩(wěn)；機構(gòu)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(jié)構(gòu)，選取行星輪式結(jié)構(gòu)。 二、 行星輪式行走機構(gòu) （1） 簡介： 該方案是基于一種新結(jié)構(gòu)——星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)，如圖2和圖3所示。其基本結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)臂，由此構(gòu)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(dāng)齒式離合器活動端與固定端沒有嚙合時，整個結(jié)構(gòu)便處于行星輪結(jié)構(gòu)模式，此時驅(qū)動中心軸便會驅(qū)動三個車輪旋轉(zhuǎn)，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（轉(zhuǎn)臂）鎖死，從而各齒輪均不能自轉(zhuǎn)而只能隨整個箱體一起翻轉(zhuǎn)，整個行星齒輪系將變成一個剛性的整體而轉(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。 （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(jié)構(gòu)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(cè)翻的可能；萬向輪在前，平地時承載較大，轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)換機構(gòu)使用

10、 a) 使用半控式結(jié)構(gòu) 普通行星輪結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)臂 (即另外一個輸入)可以根據(jù)路況做實時的自適應(yīng)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(zhuǎn)臂H帶動另外兩輪繞自由度受限的車輪回轉(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)簡單，不需人工操作。 b) 使用星輪行

11、星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu) 采用該結(jié)構(gòu)，當(dāng)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(zhuǎn),而是通過離合器固定一組行星輪，主動將該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成星輪,通過驅(qū)動整個星輪來實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)越過障礙，上樓梯時，應(yīng)使半控行星輪翻轉(zhuǎn)越過障礙。單組行星輪爬過障礙能力分析力學(xué)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(shè)路面為硬路面，忽略滾動摩擦的影響。即，；各輪轉(zhuǎn)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(shè)，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(guān)系知，使行星輪翻轉(zhuǎn)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(shè)，有平衡方程: 又 只需，即幾何關(guān)系滿足: 即可使其連續(xù)翻轉(zhuǎn)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(yīng)小于0.26M，踏步高度不應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)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。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(yīng)每輪均有剎車，當(dāng)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(cè)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(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。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(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。 二、靠背平躺機構(gòu) 1）棘輪設(shè)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(biāo)準值3mm，則直徑為60mm。 2）扭簧設(shè)計： 取使用者質(zhì)量為70kg，靠背工作轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸相匹配，取21mm。 三、防側(cè)翻機構(gòu)設(shè)計 當(dāng)輪椅發(fā)生側(cè)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(cè)翻機構(gòu)應(yīng)打開，取40度。當(dāng)防側(cè)翻的支撐桿和地面也成40度時和輪椅構(gòu)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(yīng)略小于椅背厚度，取直徑為60mm。 <四> 傳動系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)/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(zhuǎn)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(shè)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(gòu)，將電要轉(zhuǎn)速調(diào)低（因國標(biāo)規(guī)定電動車時速不得超過20公里，故電機轉(zhuǎn)速應(yīng)在170轉(zhuǎn)／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(dǎo)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(gòu)，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(yīng)選大一些，P500W。 設(shè)計計算： 根據(jù)此前的設(shè)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(zhuǎn)速為n==380r/min。故電動機輸出轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單，噪音較小，同時效率較高。 <五> 設(shè)計總結(jié)與心得 本學(xué)期的機械原理課程設(shè)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(fù)雜，我只是做了簡單的理論設(shè)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(shè)計的練習(xí)，查閱相關(guān)資料豐富了我們的相關(guān)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(xué)術(shù)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(guān)書籍發(fā)現(xiàn)了自己有許多不足。并且本次課程設(shè)計為我們今后的專業(yè)學(xué)習(xí)提供了指導(dǎo)，為畢業(yè)設(shè)計和將來的學(xué)術(shù)論文提供了幫助，為以后的工作和學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)。 在老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下，我簡單的完成了設(shè)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(shè)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(shè)計》 李瑞琴 主編 電子工業(yè)出版社 專心---專注---專業(yè)