XXXXX畢 業(yè) 設 計設計題目: 多功能電動爬樓輪椅設計學 院:專 業(yè):班 級:學 號:學生姓名:指導教師:多功能電動爬樓輪椅設計I摘 要當前中國老齡化社會的壓力越來越大。項目針對老齡化社會護理人員多為女性且老式樓房沒有電梯的特點，設計具備爬樓梯功能的電動輪椅，從而有效提高老年人的生活質量。本次設計主要針對一種多功能電動爬樓梯輪椅的結構進行設計。首先，通過對電動爬樓輪椅結構及原理進行分析，在此分析基礎上提出了總體結構方案；接著，對主要技術參數(shù)進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設計與校核；最后，通過 AutoCAD 制圖軟件繪制了電動爬樓輪椅裝配圖及主要零部件圖。整個設計過程中包括其中的數(shù)據(jù)計算、傳動系統(tǒng)設計、電機等外購件選型、應用環(huán)境、維護保養(yǎng)等方面進行系統(tǒng)設計。通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產品的設計方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。關鍵詞：電動；爬樓；輪椅；行星輪多功能電動爬樓輪椅設計IIAbstractWith the advent of an aging society and increase number in the disabilities persons ,the wheelchairs play a more important role in the living, the staircase can be seen everywhere in life limits the use of an ordinary wheelchair, the purpose of this study is to design affordable and reasonable ,safe and reliable performance . 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 多功能電動爬樓輪椅設計III目 錄摘 要 IAbstract II第 1 章 緒 論 .11.1 課題的研究背景及意義 .11.2 國內外研究現(xiàn)狀 .11.2.1 履帶式 .11.2.2 星輪式 .21.2.3 腿足式 .21.2.4 復合式 .3第 2 章 總 體 方 案 設 計 52.1 總體類型選擇 .52.1.1 設計要求 .52.1.2 類型選擇 .52.2 總體結構設計 62.3 行星輪機構設計 .72.3.1 行星輪總體結構概述 .72.3.2 行星輪架的中心距 .72.3.3 小輪半徑 r 的范圍值 .8第 3 章 驅 動 機 構 設 計 103.1 動力系統(tǒng)參數(shù)選擇 .103.2 驅動電機選擇 .103.2.1 驅動電機的類型選擇 .103.2.2 選擇驅動電機的功率 .103.3 蓄電池選擇 .123.4 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) .133.4.1 各軸轉速 .133.4.2 各軸輸入功率 .133.4.3 各軸轉矩 .13多功能電動爬樓輪椅設計IV第 4 章 主 要 零 件 設 計 計 算 144.1 齒輪傳動設計 .144.1.1 傳動比計算 .144.1.2 齒輪模數(shù)與齒數(shù)計算 .144.1.3 載荷系數(shù)計算 .164.1.4 幾何尺寸計算 .184.2 鏈傳動設計 184.2.1 鏈傳動設計計算 .194.2.2 鏈輪結構尺寸設計 .214.3 軸及附件設計 .214.3.1 計算各軸的強度 .214.3.2 軸的結構設計 .224.3.3 軸的強度校核 .23結 論 25參 考 文 獻 .26致 謝 27多功能電動爬樓輪椅設計1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)一種自動爬樓梯的輪椅是很有必要的。該課題是為了設計一款簡單易用且價格低廉的自動爬樓梯輪椅。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)濟狀況都不甚樂觀，對于那些功能繁多卻價格昂貴的爬樓梯輪椅，并不具備購買能力，因此研發(fā)一款體積小巧、操作簡單、價格低廉的自動爬樓梯輪椅更符合我國對自動爬樓梯的市場需求，具有一定的社會價值。1.2 國內外研究現(xiàn)狀爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了較長的歷史，早在 19 世紀 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)達國家就開始向此領域沖擊，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，它們在這方面的技術也相對成熟，已經(jīng)推出此類產品。但現(xiàn)存產品都還存在各種瑕疵，還沒有一種能做到盡善盡美。我國對此類裝置的研究起步較晚，在近幾年也有一些成果產生，但距離形成成熟產品還有很長的路要走。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、腿足式以及復合式爬樓梯裝置。各種裝置都有自己的優(yōu)點，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用較廣的一種方式，其原理簡單，有多款成熟產品問世。其中較為出名的是法國 TopChiar 公司研制的悍馬-H8 型，如圖 1.2.1a)。悍馬-H8 在結構上將平地電動輪椅和爬樓機構融為一體，平地運動時履帶機構收起，由后輪驅動，爬樓時履帶機構放下，與輪椅底部成一定角度，爬樓時可調節(jié)，使乘坐者始終處于較舒適的狀態(tài)。多功能電動爬樓輪椅設計2（a)法國悍馬-H8 （b) T09-ROBY 圖 1.2.1 履帶式爬樓裝置履帶式爬樓機構行走方式連續(xù)，抓地力強，上下樓時重心平穩(wěn)，安全可靠，但體積、重量及噪聲也較大。1.2.2 星輪式輪式機構在地面的運輸工具中應用范圍最大，國外的爬樓梯裝置設計中也常常采取輪式機構。普通的殘疾人使用的輪椅及電動輪椅車也通常使用輪式機構，輪式機構體積小巧，結構簡單且容易控制，運行起來既平穩(wěn)速度又快，工作能效高，并且由于轉向時候采取的差動傳動轉向半徑，這種轉向半徑很小，且易于轉向;圓柱型輪體機構常常應用在一般的輪式機構之中，在平地行走具有很大的優(yōu)勢，但是路況較差如崎嶇路面、樓梯狀況時，普通的輪式機構又不能達到使用者的要求。普通輪式機構要想跨越臺階等障礙，其中一個必要條件就是車輪半徑至少要大于臺階高度，而且跨越臺階需要的能量很大，過程不穩(wěn)定，沖擊較大;而且樓梯臺階的寬度有限，如果一味的增大車輪半徑又會導致輪椅在臺階上失去了支撐點，這也是目前常規(guī)輪椅采用大的后輪而無法實現(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是爬樓動作是一個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 90 年代 Bray 發(fā)明制造多功能電動爬樓輪椅設計3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，運動軌跡為上升、平移、著陸，類似人的兩條腿一樣爬樓。腿足式爬樓梯裝置實際上就是模仿人類爬樓的動作。（a） iFoot (b) WL-16RII圖 1.2.3 腿足式爬樓裝置1.2.4 復合式鑒于履帶式、星輪式、腿足式等裝置的優(yōu)缺點，在研究過程中，產生了一些其它的爬升裝置。例如由英國的 Stairmatic，它是此類型爬樓梯輪椅的一個典型例子，如圖 1.2.4（a)所示，它不僅理論成熟并且已經(jīng)通過了實際應用試驗。但是，僅能上下樓梯，對平地自主適應性差，使其距完美還有一定距離。另外約 8 萬余元人民幣的價格也讓多數(shù)人難以承受。但是復合式的復雜機構與結構，致使設計、控制、分析等工作都非常復雜。（a）Stairmatic （b) ShrimpRobot圖 1.2.4 復合式爬樓梯裝置綜上所述，國內外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有較長的歷史，成果也較多，誕生了很多的專利以及產品，但是它們或者結構復雜、或者造價昂貴，總多功能電動爬樓輪椅設計4是存在這樣或那樣的缺陷。為了更好地解決老年人、殘疾人活動問題，提出一種整體結構緊湊、質量適中、安全性好、操作方便、價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將平地行駛功能做到最好?？梢钥闯觯m然爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了一定的成果，但距離完美的產品的誕生還是有很長一段路需要走的。多功能電動爬樓輪椅設計5第 2 章 總體方案設計2.1 總體類型選擇2.1.1 設計要求設計要求如下：（1）爬樓輪椅有效負重=60Kg；（2）有安全保護設計；（3）適合中國標準樓梯。根據(jù)目前爬樓梯裝置的研究現(xiàn)狀，分析已產生的各種機構的優(yōu)缺點，在充分考慮結構、造價、安全性等重要因素的基礎上，研究設計電動爬樓梯輪椅。該設計在滿足爬樓梯輪椅的基本要求前提下，盡量做到結構簡單，價格適宜，對臺階適應性強，安全性高等方面。具體要做到以下幾點:(1)能爬樓、越障，平地時可作電動輪椅使用。(2)爬樓時重心波動較小，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。(3)作為電動輪椅時要符合，國標 GB12996-91 電動輪椅技術參數(shù)標準。(4)輪椅車上下樓應與我們日常習慣一致，避免反向上樓給使用者帶來的不便，同時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構，綜合比較其缺點，見表 2-1表 2-1 典型爬樓機構優(yōu)缺點對照表爬升機構 星輪式 履帶式 腿足式臺階適應能力 一般 強 強穩(wěn)定性 一般 強 差控制難易 易 一般 難機構復雜程度 簡單 一般 復雜對臺階是否損傷 否 是 否行走阻力 小 大 大多功能電動爬樓輪椅設計6通過對比以上各種爬升機構的優(yōu)缺點，星輪式越障機構優(yōu)勢突出，結構簡單，成本低，而且傳動機構易布置，因此本課題采用星輪式越障機構。綜合考慮我國國情和普通消費者的購買能力，在三種爬樓梯機構的性能對比分析，同時滿足輪椅的設計要求的基礎上，開發(fā)了一種既可滿足爬樓梯功能，又安全可靠，操作方便，通用性好而且價格適中的行星輪式多功能電動爬樓梯輪椅車。2.2 總體結構設計輪椅的總體設計如圖 2-2 所示，主要由越障機構（行星輪機構） 、車架、座椅、驅動機構和轉向機構組成。圖 2-2 總體方案簡圖(1)越障機構：本課題采用一對星輪式機構，行星輪并且左右分別對稱安裝，通過行星輪的公轉和自傳實現(xiàn)平地行駛與越障的轉換，以便順利通過各種路況；行星輪小輪之間通過齒輪傳動，每組行星輪一側安裝一對電磁離合器，通過電磁離合器的通與斷來控制行星輪支架的翻轉。(2)車架：車架是整個輪椅車的基礎，應結合輪椅車總布置的要求來設計，多功能電動爬樓輪椅設計7還應具有足夠的強度和剛度，保證輪椅車可以順利通過各種復雜路況；質量要盡可能小，應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，因此這次設計要充分考慮使用者的要求（4）驅動機構：采用電機中置，鏈傳動與齒輪相結合的傳動方式，以使電機的傳動可以有效的傳遞給行星輪結構，驅動輪椅的運動。（5）轉向機構：鑒于設計的車輪數(shù)目較多，如果直接采用前輪轉向或是后輪轉向，則同時有 6 個輪著地，并且同時要轉到 6 個輪才能實現(xiàn)轉向，所需的轉向力將很大，造成轉向困難。為了解決這一困難，我單獨在輪椅的前邊設計了轉向輪并且還采用了機械傳動等，在平地行駛時使用者可以方便的通過控制轉向盤的傳動實現(xiàn)對輪椅的轉向，越障時依靠電機帶動轉向輪升高，防止轉向輪影響輪椅越障。2.3 行星輪機構設計2.3.1 行星輪總體結構概述行駛機構采用輪組結構。輪組結構中的小輪個數(shù)越少，結構越簡單，但是輪組的翻轉力矩也越大，輪椅重心波動也就大，穩(wěn)定性越差。但隨著小輪個數(shù)的增加，輪椅重心波動減小，但是整個輪組機構的結構也越來越復雜。因此，本文輪椅的前輪采用一個小輪構成輪組機構，后邊是由三個小輪組成輪組機構。圖 2-3 行星輪機構圖多功能電動爬樓輪椅設計82.3.2 行星輪架的中心距由建筑樓梯數(shù)協(xié)調標準 GBJ101-87 知：經(jīng)過測量樓梯的臺階長度高度在a=140mm-210mm 之間，在 220mm-320mm 之間，計算樓梯的臺階角度在 32°—35°之間。圖 2-3-1（1）s，h 最小時，兩小輪中心距不應大于 ，如圖 2-3-1 所示，2hs?根據(jù)幾何關系有：( R)2≤ (2-3-1)2minis代入數(shù)值，求得：R≤180mm（2）s，h 最大時，車體后面行星輪架至少前傾，并且一小輪應至少能登上上一臺階，所以 2R≥h =110mm。ma綜上分析知，R 的取值范圍是（110,180） 。R 應盡量大，但太大又影響體積的大小設定，所以綜合一下設計設計中取 R=150mm。2.3.3 小輪半徑 r 的范圍值（1）兩小輪半徑應小于小輪中心距，根據(jù)幾何關系有：r≤R (2-3-2)代入數(shù)值得：r≤R=150mm（2）小輪最小時，支架不應與樓梯沿相碰。h 最小時，這種可能性大，則有幾何關系知：多功能電動爬樓輪椅設計9sinα= (2-3-3)Rh3mintanβ=tan（90-α）= （2-3-minrh?4）計算并代入數(shù)值：α=arcsin ≈32.606°Rh3minβ=27.394°所以47.79mm?minr綜上可知：r 的取值范圍是（47.79,195） ，r 應取較大值，以提高平地行駛速度，但是過大行星輪支架的半徑也越大，不利于機構緊湊型和輕便型，因此我們取r=105mm。特別指出的是，以上分析中 R，r 的值并不是固定的，只需要在其范圍內取值即可。多功能電動爬樓輪椅設計10第 3 章 驅動機構設計3.1 動力系統(tǒng)參數(shù)選擇對輪椅動力系統(tǒng)進行設計，必須結合輪椅在平地和爬樓等不同路況進行分析，以滿足各種路況下輪椅都能提供足夠的動力需求。根據(jù)電動輪椅的標準GB12996-91 可知，對其主要技術性能的規(guī)定如表 3-1 所示：表 3-1 電動輪椅國家標準參考輪椅的運行實際情況，確定其技術指標為：平地行駛時最大運行速度為 7.2km/h，最大爬樓速度為每分鐘 20 個臺階。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 驅動電機選擇3.2.1 驅動電機的類型選擇選擇驅動電機的類型，輪椅車依靠蓄電池來供電，為電機提供能源，一般可選步進電機、直流電機或是無刷直流電機作為驅動電機。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制，驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，可以準確定位和調速：轉矩大、慣性小、多功能電動爬樓輪椅設計11影響頻率高，但是其能耗大、轉速低，并且伴有振動和噪聲，不利于輪椅的穩(wěn)定型和實用性。無刷直流電機繼承了直流電機的優(yōu)點，采用電子換相電路，克服了傳統(tǒng)直流電機采用機械轉換裝置的弊病，具有無噪聲、免維護、可靠性高的優(yōu)越特性。因此我們選用 48V 的無刷直流電機作為輪椅的驅動電機。3.2.2 選擇驅動電機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)對應不同的功率需求，因此先分別計算兩種狀態(tài)下驅動電機所需功率，然后再選擇驅動電機的額定功率。該輪椅自重為 40kg，最大承載能力為 60kg，因此輪椅的最大運行總質量為 100kg，該總質量由前輪和后輪共同分擔，假設前輪和后輪分別承受總質量的 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，輪椅采用后驅動輪，后驅動輪組任意兩個小輪著地，克服與地面間的摩擦力 前進，前輪隨之前進，同時設前輪與地面之間的摩擦力為 。2F 1F當 時，輪椅在平地上正常行駛。12?前輪承受的正壓力; NGN5840(1????％）人車后輪承受的正壓力： 262％）人車前輪承受的水平摩擦力： F.171μ后輪承受的水平摩擦力： N2?μ所以 ,滿足正常行駛要求。12F＞所設計的輪椅直徑為 D=195mm，輪椅平地的最大運動速度為 V=2m/s，根據(jù)輪椅行駛速度和車輪直徑，計算輪椅車在平地上行駛的相關參數(shù)：后驅動輪所需要最大轉速為： rpm19601?DVnπ后驅動輪所需最大角速度為： s/rad5.211πΩ后驅動輪最大切向加速度為： 22/96.m?Fα多功能電動爬樓輪椅設計12后驅動輪最大角加速度為： 22/8.9/sradD?αα后驅動輪轉動慣量為： 22121 /0476.8mkgmrJ?電機所需要的工作功率為： aap10VWdFP輪椅包括齒輪傳動。鏈傳動和軸傳動，因此我們設傳動總功率為 0.85，所以在平地行駛所需功率為： kwPd13.0?（2） 輪椅爬樓時，由于速度較小，忽略空氣阻力和加速阻力，只有滾動阻力和坡度阻力 ，所以輪椅行駛方程式可以表示為：αcosGfFf?αsinGFt，其中 α 為坡度角。αα總 sftf ??查表可知，良好的瀝青路面和混凝土路面的滾動阻力系數(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。平時路地行駛時我們取滾動阻力系數(shù)為 0.018，爬樓時因為大多數(shù)樓梯為混凝土或是大理石，所以我們把滾動系數(shù)取為 0.020。因為平路行駛時 α=0，所以受工作阻力為：NGfFt46.2?我們設計的輪椅最大爬坡度為 40°，所以爬樓時工作阻力為：t 3.97tf2?所以 ，取 F= =974.3N，取 v=0.2m/s，求得電機所需工作功率為：tt2F＞ tkwpPad1.0?綜上所述，為了使輪椅爬樓與越障時有足夠的驅動力，驅動電機功率必須大于 0.13kw，并且有一定的剩余。輪椅的電動機的型號一般為 DG-M4 和 DYW-60B,考慮到經(jīng)濟性及實用性，選擇 DG-M4 比較合適。主要性能參數(shù)如下表：多功能電動爬樓輪椅設計13表 3.1型號 額定功率 額定轉速 額定負載 長 寬 高DG-M4 144w 120r∕min 3.39N.m 305mm 125mm 123mm3.3 蓄電池選擇輪椅裝載 48V 的蓄電池作為供電能源，同時可以滿足平地行駛和爬樓梯的要求。為了選擇性價比最高的蓄電池，一般從電池容量、電壓大小、重量、使用壽命和價格成本等幾方面進行考慮，市場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，但是價格昂貴，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、應用歷史長、相對更加成熟，改進后的免維護鉛酸電池性能更加穩(wěn)定可靠，使用也更方便，得到了廣泛應用。因此，輪椅車選用免維護鉛酸蓄電池作為供電能源。3.4 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)3.4.1 各軸轉速電動機軸為 O 軸，與鏈傳動的高速軸為 I 軸，齒輪之間的傳動低速軸為 II軸。各軸轉速為n0=nm=120r/minni=n0/i1=120/2=60nII =nI/I2=60/3=30r/min3.4.2 各軸輸入功率按電動機額定功率 Ped 計算各軸輸入功率，即P0=Ped=144WPⅠ= P0η1=144×0.94=135.36W≈0.135KWPⅡ= PⅠη3=135.36×0.96=130W=0.13KW3.4.3 各軸轉矩T0=9550×0.144/120=11.46N.mm多功能電動爬樓輪椅設計14TI=9550×0.135/60=21.49N.mmTⅡ=9550×0.13/20=62.08N.mm將以上數(shù)據(jù)整理如下表第 4 章 主要零件設計計算4.1 齒輪傳動設計4.1.1 傳動比計算由前面已知上樓梯時，要使后輪轉動而爬上樓梯所需要的扭矩為 170 Nm?功率 P=0.13kw .而所選電機額定轉速 =120 額定轉矩為 51enminr已知外輪系的大徑為 500mm后輪由電機通過一級齒輪傳動和一級鏈輪傳動而進行上樓梯動作。由 m=9549 可知pnⅢ軸轉速 =603mir由于鏈輪 3.4.5.6 之間為等傳動比傳動，現(xiàn)假定三個鏈輪 d=250mm 則軸Ⅱ的轉速 ，由電機額定轉速2360innr?230minenr?1.2 齒輪之間的傳動比 2106ei??4.1.2 齒輪模數(shù)與齒數(shù)計算（1）初選小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù) 取150Z?2150Zi??20Z?（2）按齒面接觸強度設計 ??21312.6t EtKTZddH???????????多功能電動爬樓輪椅設計15試選載荷系數(shù) 1.3tK?計算小齒輪傳遞的轉矩 15eTNm??查表可知齒寬系數(shù) （小齒輪作懸臂布置）0.6d?查手冊可知材料的彈性影響系數(shù) 1289.EZMPa按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 ；大1li60HPa??齒輪的接觸疲勞強度極限 2lim50H??由齒輪的工作力循環(huán)次數(shù) N 的計算式 hnjL??60hhNnjLj??r齒 輪 轉 速 i齒 輪 每 轉 一 圈 時 ， 同 意 齒 面 嚙 合 的 齒 數(shù)齒 輪 的 工 作 壽 命可算出兩齒輪的應力循環(huán)次數(shù) ??81N60230186520.61jhnL????827.?則可查得接觸疲勞壽命系數(shù) 1.93HNK20.97HNK（3）計算接觸疲勞許用應力取失效概率為 1% 安全系數(shù) S=1??????1limlimlim20.935615.7.HNHNKsMPasKsa????????齒 輪 接 觸 疲 勞 壽 命 系 數(shù)齒 輪 的 接 觸 疲 勞 強 度 系 數(shù)安 全 系 數(shù)（3） 計算試算小齒輪分度圓直徑 ，代入 中較小的值1td??H?多功能電動爬樓輪椅設計16??2131 233250.7189.65327.9t EtKTZndduHm??????????????計算圓周速度 v1.230.66061tdnv ms????計算齒寬 b1.79.4t??計算齒寬與齒高之比 b/h模數(shù) 12.1.68ttmdZm??齒高 .53h674.85.7b4.1.3 載荷系數(shù)計算（1）根據(jù) , 7 級精度，查得動載系數(shù)0.36vms? 1.07vK?直齒輪，假設 10AtKFbN???tbm?使 用 系 數(shù)圓 周 力齒 寬查得齒間載荷分配系數(shù) HFK1.2??查手冊得使用系數(shù) A而對于 7 級精度的小齒輪相對支撐懸臂布置時齒向載荷分布系數(shù) HK?查得 ??23HK1.2086.70.1db???????2.1.66.74345?多功能電動爬樓輪椅設計17由 , 查手冊得 5.87bh?1.345HK? 1.273FK??故載荷系數(shù) AVH??.02?按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑3317.91.0.69ttdKm??計算模數(shù) m10.62.5Z（2)按齒根彎曲強度設計彎曲強度的設計公式為??132FaSYKTmdZ?????????確定公式內的各計算數(shù)值（1） 查手冊得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 150FEMPa??，大齒輪的彎曲疲勞強度極限 2380FEPa??（2） 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，10.865NKF?20.895N?（3） 計算彎曲疲勞許用應力， 取彎曲疲勞強度安全系數(shù)s=1.35 則??1220.865320.7.91.9NFEKMPas????（4） 計算載荷系數(shù) k AVFK???1.0721.3.65??由 ， 查得齒形系數(shù)及應力校正系數(shù)Z8多功能電動爬樓輪椅設計18， ， ，12.7FaY?1.57Sa2.16FaY?2.71SaY?（5） 計算大小齒輪的 并加以比較??F?321.650.158m??.97???12.0.133.6.5859FaSaSY???即：大齒輪的數(shù)值大對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小要取決于彎曲強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，可取由彎曲強度算得的模數(shù)0.957 并就近圓整為標準 1.25mm，按接觸強度算得的分度圓直徑 130.69dm?算出小齒輪齒數(shù) ，取 大齒輪齒數(shù)130.691254.Zd??125Z?2153.72Z???4.1.4 幾何尺寸計算（1） 計算分度圓直徑1251.23.596dZmm???中心距???123.51.273.5ad????齒輪寬度 068bm?取 12,Bm（2） 驗算1503.2tTFNd???多功能電動爬樓輪椅設計19合適13207.6108.5AtKFNmb????齒輪 1.2 12,90ZB?.25?4.2 鏈傳動設計帶傳動適用于兩軸中心距較大的場合，改變帶的長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，因而傳動平穩(wěn)、噪聲小。且過載時候帶與帶輪之間會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，可防止損壞其他零件，起過載保護作用，結構簡單，制造、安裝和維護方便，成本低廉。但是傳動的外廓尺寸較大，結構不緊湊，且對軸的壓力大，帶與帶輪之間存在彈性打滑和滑動，不能保證準確的傳動比。機械效率低，帶的壽命較短，需要張緊裝置。鏈傳動沒有彈性打滑和滑動現(xiàn)象，能保證準確的平均傳動比;張緊力小，軸與軸承所承受載荷較?。唤Y構緊湊，傳動可靠，傳遞圓周力；傳動效率較高，能在高溫、潮濕、多塵、油污等惡劣環(huán)境下工作。但鏈傳動不適于載荷變化大和急速反轉的場合且易磨損，從而產生跳齒脫鏈現(xiàn)象。根據(jù)條件的需要，從三個方面考慮：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、傳動效率要高，這樣在上下樓過程中在保證安全的同時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。因此選擇鏈傳動比較合適。4.2.1 鏈傳動設計計算（1）確定鏈輪齒數(shù) Z1、Z2:因傳動比 i=2，查表 12-6 選取 Z1=27則 Z2=iZ1=27X2=54（2）鏈輪轉速:N1=120r/minN2=n1/i=120/2=60r/min（3）設計功率 Pd:多功能電動爬樓輪椅設計20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選得鏈號為 05B，節(jié)距 P=8mm，單排鏈。（5）驗算鏈速 V :由式（12-1）V=Z1n1P/60X1000=27X120X8/60X1000=0.432m/s＜0.6m/s在限定范圍內。（6）初選中心距 ao:因結構上無限定，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?2=2X35P/P+27+54/2+( ) XP/35P754?=111.03 對 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）多功能電動爬樓輪椅設計21Fa≈1000（1.2-1.3）P/V=1000（1.2-1.3）X0.144/0.432N=400-433.33N（11）潤滑方式:由 P=8mm V=0.432m/s,查圖 12-14選用人工定期潤滑。（12）鏈條標記:05B-1x1124.2.2 鏈輪結構尺寸設計（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=68.97mmdII=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-d1damin=d+（1-1.6/Z）P-d1,得71.498mm≤d1≤73.97mm140.69mm≤d2≤142.93mm（4）齒根圓直徑 df:由表 12-2，dfI=dI-d1=68.97-5=63.97mmdfII=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；齒根圓徑向圓跳動小鏈輪為 10 級、大鏈輪為 11 級；齒根圓處端面圓跳動小鏈輪為 10 級、大鏈輪為 11 級。4.3 軸及附件設計多功能電動爬樓輪椅設計224.3.1 計算各軸的強度（1）后軸的計算該軸的轉速 功率 60minr?0.1Pkw?①初步估算軸徑選擇軸的材料為 45 鋼，經(jīng)調質處理，查手冊可得材料力學性能數(shù)據(jù)為 15650327.0bsMPaEa??????根據(jù)公式 341PdAnv???初步計算軸徑 ?????0mindnrPkwAvd???計 算 剖 面 處 軸 的 直 徑軸 的 轉 速軸 傳 遞 的 額 定 功 率掟 定 的 系 數(shù)軸 的 許 用 轉 應 力空 心 圓 軸 的 內 徑 與 外 徑 之 比初選空心軸內外之比 .75v?則可查表得 4313?15A?則 30.80.5161dm???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 軸的結構設計根據(jù)軸的受力，初選軸承 6205，已知Ⅲ軸傳遞的轉矩 3170TNm??多功能電動爬樓輪椅設計23兩外輪系圓周力 332102710568tFTdN????前面已知四個等傳動比的鏈輪參數(shù)分別為：8Z5.m??.P節(jié) 距0.Pkw?8PL1397?62vs有效圓周力 eF0.8101296ePNv??離心力引起的拉力 2cFqvq?單 位 長 度 鏈 條 的 質 量 ??kgm??vs鍵 速查表得 0.6?則 249.1cFN?鏈傳動的壓軸力 PFeKFPK?壓 軸 力 系 數(shù)對于水平傳動 1.5FP?則 1.5290483.Pe N?求支反力 1213.61.5NHtF???12VG4.3.3 軸的強度校核根據(jù)軸的結構尺寸及彎矩圖，轉矩圖，截面 C 處彎矩最大 多功能電動爬樓輪椅設計24239.8cMNm??安全系數(shù)校核計算彎曲應力幅為 caW???抗 彎 斷 面 系 數(shù)??340.1dv?50.7??316.9m28165.0a MPa????由于是對稱循環(huán)彎曲應力，故平均應力 0m??由 式 amSK???????式中， -1 ?45?鋼 彎 曲 對 稱 循 環(huán) 應 力 時 的 疲 勞 極 限取 K?正 應 力 有 效 集 中 系 數(shù) 2.6??0.9??表 面 質 量 系 數(shù) ， 查 得8?????尺 寸 系 數(shù) ， 查 得 27.47.609S??多功能電動爬樓輪椅設計25結 論畢業(yè)設計是對大學中所學知識的回顧，是對以往所學知識的綜合運用，鍛煉了我們的獨立思考能力、獨立解決工程實際問題的能力、畫圖能力，更是從課本中的理論知識到生產實際的轉變。玉米收獲機主要創(chuàng)新特點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方便拆裝，減少工作量，有利于節(jié)省成本，有一定的經(jīng)濟性。在這之前，雖然經(jīng)過四年的學習學到了很多知識，但是還沒有機會來運用和掌握這些東西。通過這次實踐，我對機械設計過程都有了全面的了解，設計、計算和繪圖方面的能力都得到了全面的訓練和提高，也使我對機械產生了更加濃厚的興趣，更堅定了我從事機械行業(yè)的信心。設計初期，我去圖書館的網(wǎng)站內下載了許多相關的文獻資料，對玉米收獲機有所了解，然后開始準備我的開題報告、任務書和文獻綜述。在總體結構設計的過程中，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。設計期間得到了我的指導老師的幫助，我覺得從與老師的溝通過程中，我能學到很多東西，老師可以從另外一個角度來啟發(fā)我，給了我很多幫助、鼓勵和指導。通過這段時間的設計，我已基本按照設計要求完成玉米收獲機的設計，但是由于本人知XXXXX畢 業(yè) 設 計設計題目: 多功能電動爬樓輪椅設計學 院:專 業(yè):班 級:學 號:學生姓名:指導教師:多功能電動爬樓輪椅設計I摘 要當前中國老齡化社會的壓力越來越大。項目針對老齡化社會護理人員多為女性且老式樓房沒有電梯的特點，設計具備爬樓梯功能的電動輪椅，從而有效提高老年人的生活質量。本次設計主要針對一種多功能電動爬樓梯輪椅的結構進行設計。首先，通過對電動爬樓輪椅結構及原理進行分析，在此分析基礎上提出了總體結構方案；接著，對主要技術參數(shù)進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設計與校核；最后，通過 AutoCAD 制圖軟件繪制了電動爬樓輪椅裝配圖及主要零部件圖。整個設計過程中包括其中的數(shù)據(jù)計算、傳動系統(tǒng)設計、電機等外購件選型、應用環(huán)境、維護保養(yǎng)等方面進行系統(tǒng)設計。通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產品的設計方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。關鍵詞：電動；爬樓；輪椅；行星輪多功能電動爬樓輪椅設計IIAbstractWith the advent of an aging society and increase number in the disabilities persons ,the wheelchairs play a more important role in the living, the staircase can be seen everywhere in life limits the use of an ordinary wheelchair, the purpose of this study is to design affordable and reasonable ,safe and reliable performance . 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 多功能電動爬樓輪椅設計III目 錄摘 要 IAbstract II第 1 章 緒 論 .11.1 課題的研究背景及意義 .11.2 國內外研究現(xiàn)狀 .11.2.1 履帶式 .11.2.2 星輪式 .21.2.3 腿足式 .21.2.4 復合式 .3第 2 章 總 體 方 案 設 計 52.1 總體類型選擇 .52.1.1 設計要求 .52.1.2 類型選擇 .52.2 總體結構設計 62.3 行星輪機構設計 .72.3.1 行星輪總體結構概述 .72.3.2 行星輪架的中心距 .72.3.3 小輪半徑 r 的范圍值 .8第 3 章 驅 動 機 構 設 計 103.1 動力系統(tǒng)參數(shù)選擇 .103.2 驅動電機選擇 .103.2.1 驅動電機的類型選擇 .103.2.2 選擇驅動電機的功率 .103.3 蓄電池選擇 .123.4 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) .133.4.1 各軸轉速 .133.4.2 各軸輸入功率 .133.4.3 各軸轉矩 .13多功能電動爬樓輪椅設計IV第 4 章 主 要 零 件 設 計 計 算 144.1 齒輪傳動設計 .144.1.1 傳動比計算 .144.1.2 齒輪模數(shù)與齒數(shù)計算 .144.1.3 載荷系數(shù)計算 .164.1.4 幾何尺寸計算 .184.2 鏈傳動設計 184.2.1 鏈傳動設計計算 .194.2.2 鏈輪結構尺寸設計 .214.3 軸及附件設計 .214.3.1 計算各軸的強度 .214.3.2 軸的結構設計 .224.3.3 軸的強度校核 .23結 論 25參 考 文 獻 .26致 謝 27多功能電動爬樓輪椅設計1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)一種自動爬樓梯的輪椅是很有必要的。該課題是為了設計一款簡單易用且價格低廉的自動爬樓梯輪椅。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)濟狀況都不甚樂觀，對于那些功能繁多卻價格昂貴的爬樓梯輪椅，并不具備購買能力，因此研發(fā)一款體積小巧、操作簡單、價格低廉的自動爬樓梯輪椅更符合我國對自動爬樓梯的市場需求，具有一定的社會價值。1.2 國內外研究現(xiàn)狀爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了較長的歷史，早在 19 世紀 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)達國家就開始向此領域沖擊，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，它們在這方面的技術也相對成熟，已經(jīng)推出此類產品。但現(xiàn)存產品都還存在各種瑕疵，還沒有一種能做到盡善盡美。我國對此類裝置的研究起步較晚，在近幾年也有一些成果產生，但距離形成成熟產品還有很長的路要走。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、腿足式以及復合式爬樓梯裝置。各種裝置都有自己的優(yōu)點，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用較廣的一種方式，其原理簡單，有多款成熟產品問世。其中較為出名的是法國 TopChiar 公司研制的悍馬-H8 型，如圖 1.2.1a)。悍馬-H8 在結構上將平地電動輪椅和爬樓機構融為一體，平地運動時履帶機構收起，由后輪驅動，爬樓時履帶機構放下，與輪椅底部成一定角度，爬樓時可調節(jié)，使乘坐者始終處于較舒適的狀態(tài)。多功能電動爬樓輪椅設計2（a)法國悍馬-H8 （b) T09-ROBY 圖 1.2.1 履帶式爬樓裝置履帶式爬樓機構行走方式連續(xù)，抓地力強，上下樓時重心平穩(wěn)，安全可靠，但體積、重量及噪聲也較大。1.2.2 星輪式輪式機構在地面的運輸工具中應用范圍最大，國外的爬樓梯裝置設計中也常常采取輪式機構。普通的殘疾人使用的輪椅及電動輪椅車也通常使用輪式機構，輪式機構體積小巧，結構簡單且容易控制，運行起來既平穩(wěn)速度又快，工作能效高，并且由于轉向時候采取的差動傳動轉向半徑，這種轉向半徑很小，且易于轉向;圓柱型輪體機構常常應用在一般的輪式機構之中，在平地行走具有很大的優(yōu)勢，但是路況較差如崎嶇路面、樓梯狀況時，普通的輪式機構又不能達到使用者的要求。普通輪式機構要想跨越臺階等障礙，其中一個必要條件就是車輪半徑至少要大于臺階高度，而且跨越臺階需要的能量很大，過程不穩(wěn)定，沖擊較大;而且樓梯臺階的寬度有限，如果一味的增大車輪半徑又會導致輪椅在臺階上失去了支撐點，這也是目前常規(guī)輪椅采用大的后輪而無法實現(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是爬樓動作是一個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 90 年代 Bray 發(fā)明制造多功能電動爬樓輪椅設計3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，運動軌跡為上升、平移、著陸，類似人的兩條腿一樣爬樓。腿足式爬樓梯裝置實際上就是模仿人類爬樓的動作。（a） iFoot (b) WL-16RII圖 1.2.3 腿足式爬樓裝置1.2.4 復合式鑒于履帶式、星輪式、腿足式等裝置的優(yōu)缺點，在研究過程中，產生了一些其它的爬升裝置。例如由英國的 Stairmatic，它是此類型爬樓梯輪椅的一個典型例子，如圖 1.2.4（a)所示，它不僅理論成熟并且已經(jīng)通過了實際應用試驗。但是，僅能上下樓梯，對平地自主適應性差，使其距完美還有一定距離。另外約 8 萬余元人民幣的價格也讓多數(shù)人難以承受。但是復合式的復雜機構與結構，致使設計、控制、分析等工作都非常復雜。（a）Stairmatic （b) ShrimpRobot圖 1.2.4 復合式爬樓梯裝置綜上所述，國內外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有較長的歷史，成果也較多，誕生了很多的專利以及產品，但是它們或者結構復雜、或者造價昂貴，總多功能電動爬樓輪椅設計4是存在這樣或那樣的缺陷。為了更好地解決老年人、殘疾人活動問題，提出一種整體結構緊湊、質量適中、安全性好、操作方便、價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，但距離完美的產品的誕生還是有很長一段路需要走的。多功能電動爬樓輪椅設計5第 2 章 總體方案設計2.1 總體類型選擇2.1.1 設計要求設計要求如下：（1）爬樓輪椅有效負重=60Kg；（2）有安全保護設計；（3）適合中國標準樓梯。根據(jù)目前爬樓梯裝置的研究現(xiàn)狀，分析已產生的各種機構的優(yōu)缺點，在充分考慮結構、造價、安全性等重要因素的基礎上，研究設計電動爬樓梯輪椅。該設計在滿足爬樓梯輪椅的基本要求前提下，盡量做到結構簡單，價格適宜，對臺階適應性強，安全性高等方面。具體要做到以下幾點:(1)能爬樓、越障，平地時可作電動輪椅使用。(2)爬樓時重心波動較小，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。(3)作為電動輪椅時要符合，國標 GB12996-91 電動輪椅技術參數(shù)標準。(4)輪椅車上下樓應與我們日常習慣一致，避免反向上樓給使用者帶來的不便，同時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構，綜合比較其缺點，見表 2-1表 2-1 典型爬樓機構優(yōu)缺點對照表爬升機構 星輪式 履帶式 腿足式臺階適應能力 一般 強 強穩(wěn)定性 一般 強 差控制難易 易 一般 難機構復雜程度 簡單 一般 復雜對臺階是否損傷 否 是 否行走阻力 小 大 大多功能電動爬樓輪椅設計6通過對比以上各種爬升機構的優(yōu)缺點，星輪式越障機構優(yōu)勢突出，結構簡單，成本低，而且傳動機構易布置，因此本課題采用星輪式越障機構。綜合考慮我國國情和普通消費者的購買能力，在三種爬樓梯機構的性能對比分析，同時滿足輪椅的設計要求的基礎上，開發(fā)了一種既可滿足爬樓梯功能，又安全可靠，操作方便，通用性好而且價格適中的行星輪式多功能電動爬樓梯輪椅車。2.2 總體結構設計輪椅的總體設計如圖 2-2 所示，主要由越障機構（行星輪機構） 、車架、座椅、驅動機構和轉向機構組成。圖 2-2 總體方案簡圖(1)越障機構：本課題采用一對星輪式機構，行星輪并且左右分別對稱安裝，通過行星輪的公轉和自傳實現(xiàn)平地行駛與越障的轉換，以便順利通過各種路況；行星輪小輪之間通過齒輪傳動，每組行星輪一側安裝一對電磁離合器，通過電磁離合器的通與斷來控制行星輪支架的翻轉。(2)車架：車架是整個輪椅車的基礎，應結合輪椅車總布置的要求來設計，多功能電動爬樓輪椅設計7還應具有足夠的強度和剛度，保證輪椅車可以順利通過各種復雜路況；質量要盡可能小，應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，因此這次設計要充分考慮使用者的要求（4）驅動機構：采用電機中置，鏈傳動與齒輪相結合的傳動方式，以使電機的傳動可以有效的傳遞給行星輪結構，驅動輪椅的運動。（5）轉向機構：鑒于設計的車輪數(shù)目較多，如果直接采用前輪轉向或是后輪轉向，則同時有 6 個輪著地，并且同時要轉到 6 個輪才能實現(xiàn)轉向，所需的轉向力將很大，造成轉向困難。為了解決這一困難，我單獨在輪椅的前邊設計了轉向輪并且還采用了機械傳動等，在平地行駛時使用者可以方便的通過控制轉向盤的傳動實現(xiàn)對輪椅的轉向，越障時依靠電機帶動轉向輪升高，防止轉向輪影響輪椅越障。2.3 行星輪機構設計2.3.1 行星輪總體結構概述行駛機構采用輪組結構。輪組結構中的小輪個數(shù)越少，結構越簡單，但是輪組的翻轉力矩也越大，輪椅重心波動也就大，穩(wěn)定性越差。但隨著小輪個數(shù)的增加，輪椅重心波動減小，但是整個輪組機構的結構也越來越復雜。因此，本文輪椅的前輪采用一個小輪構成輪組機構，后邊是由三個小輪組成輪組機構。圖 2-3 行星輪機構圖多功能電動爬樓輪椅設計82.3.2 行星輪架的中心距由建筑樓梯數(shù)協(xié)調標準 GBJ101-87 知：經(jīng)過測量樓梯的臺階長度高度在a=140mm-210mm 之間，在 220mm-320mm 之間，計算樓梯的臺階角度在 32°—35°之間。圖 2-3-1（1）s，h 最小時，兩小輪中心距不應大于 ，如圖 2-3-1 所示，2hs?根據(jù)幾何關系有：( R)2≤ (2-3-1)2minis代入數(shù)值，求得：R≤180mm（2）s，h 最大時，車體后面行星輪架至少前傾，并且一小輪應至少能登上上一臺階，所以 2R≥h =110mm。ma綜上分析知，R 的取值范圍是（110,180） 。R 應盡量大，但太大又影響體積的大小設定，所以綜合一下設計設計中取 R=150mm。2.3.3 小輪半徑 r 的范圍值（1）兩小輪半徑應小于小輪中心距，根據(jù)幾何關系有：r≤R (2-3-2)代入數(shù)值得：r≤R=150mm（2）小輪最小時，支架不應與樓梯沿相碰。h 最小時，這種可能性大，則有幾何關系知：多功能電動爬樓輪椅設計9sinα= (2-3-3)Rh3mintanβ=tan（90-α）= （2-3-minrh?4）計算并代入數(shù)值：α=arcsin ≈32.606°Rh3minβ=27.394°所以47.79mm?minr綜上可知：r 的取值范圍是（47.79,195） ，r 應取較大值，以提高平地行駛速度，但是過大行星輪支架的半徑也越大，不利于機構緊湊型和輕便型，因此我們取r=105mm。特別指出的是，以上分析中 R，r 的值并不是固定的，只需要在其范圍內取值即可。多功能電動爬樓輪椅設計10第 3 章 驅動機構設計3.1 動力系統(tǒng)參數(shù)選擇對輪椅動力系統(tǒng)進行設計，必須結合輪椅在平地和爬樓等不同路況進行分析，以滿足各種路況下輪椅都能提供足夠的動力需求。根據(jù)電動輪椅的標準GB12996-91 可知，對其主要技術性能的規(guī)定如表 3-1 所示：表 3-1 電動輪椅國家標準參考輪椅的運行實際情況，確定其技術指標為：平地行駛時最大運行速度為 7.2km/h，最大爬樓速度為每分鐘 20 個臺階。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 驅動電機選擇3.2.1 驅動電機的類型選擇選擇驅動電機的類型，輪椅車依靠蓄電池來供電，為電機提供能源，一般可選步進電機、直流電機或是無刷直流電機作為驅動電機。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制，驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，可以準確定位和調速：轉矩大、慣性小、多功能電動爬樓輪椅設計11影響頻率高，但是其能耗大、轉速低，并且伴有振動和噪聲，不利于輪椅的穩(wěn)定型和實用性。無刷直流電機繼承了直流電機的優(yōu)點，采用電子換相電路，克服了傳統(tǒng)直流電機采用機械轉換裝置的弊病，具有無噪聲、免維護、可靠性高的優(yōu)越特性。因此我們選用 48V 的無刷直流電機作為輪椅的驅動電機。3.2.2 選擇驅動電機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)對應不同的功率需求，因此先分別計算兩種狀態(tài)下驅動電機所需功率，然后再選擇驅動電機的額定功率。該輪椅自重為 40kg，最大承載能力為 60kg，因此輪椅的最大運行總質量為 100kg，該總質量由前輪和后輪共同分擔，假設前輪和后輪分別承受總質量的 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，輪椅采用后驅動輪，后驅動輪組任意兩個小輪著地，克服與地面間的摩擦力 前進，前輪隨之前進，同時設前輪與地面之間的摩擦力為 。2F 1F當 時，輪椅在平地上正常行駛。12?前輪承受的正壓力; NGN5840(1????％）人車后輪承受的正壓力： 262％）人車前輪承受的水平摩擦力： F.171μ后輪承受的水平摩擦力： N2?μ所以 ,滿足正常行駛要求。12F＞所設計的輪椅直徑為 D=195mm，輪椅平地的最大運動速度為 V=2m/s，根據(jù)輪椅行駛速度和車輪直徑，計算輪椅車在平地上行駛的相關參數(shù)：后驅動輪所需要最大轉速為： rpm19601?DVnπ后驅動輪所需最大角速度為： s/rad5.211πΩ后驅動輪最大切向加速度為： 22/96.m?Fα多功能電動爬樓輪椅設計12后驅動輪最大角加速度為： 22/8.9/sradD?αα后驅動輪轉動慣量為： 22121 /0476.8mkgmrJ?電機所需要的工作功率為： aap10VWdFP輪椅包括齒輪傳動。鏈傳動和軸傳動，因此我們設傳動總功率為 0.85，所以在平地行駛所需功率為： kwPd13.0?（2） 輪椅爬樓時，由于速度較小，忽略空氣阻力和加速阻力，只有滾動阻力和坡度阻力 ，所以輪椅行駛方程式可以表示為：αcosGfFf?αsinGFt，其中 α 為坡度角。αα總 sftf ??查表可知，良好的瀝青路面和混凝土路面的滾動阻力系數(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。平時路地行駛時我們取滾動阻力系數(shù)為 0.018，爬樓時因為大多數(shù)樓梯為混凝土或是大理石，所以我們把滾動系數(shù)取為 0.020。因為平路行駛時 α=0，所以受工作阻力為：NGfFt46.2?我們設計的輪椅最大爬坡度為 40°，所以爬樓時工作阻力為：t 3.97tf2?所以 ，取 F= =974.3N，取 v=0.2m/s，求得電機所需工作功率為：tt2F＞ tkwpPad1.0?綜上所述，為了使輪椅爬樓與越障時有足夠的驅動力，驅動電機功率必須大于 0.13kw，并且有一定的剩余。輪椅的電動機的型號一般為 DG-M4 和 DYW-60B,考慮到經(jīng)濟性及實用性，選擇 DG-M4 比較合適。主要性能參數(shù)如下表：多功能電動爬樓輪椅設計13表 3.1型號 額定功率 額定轉速 額定負載 長 寬 高DG-M4 144w 120r∕min 3.39N.m 305mm 125mm 123mm3.3 蓄電池選擇輪椅裝載 48V 的蓄電池作為供電能源，同時可以滿足平地行駛和爬樓梯的要求。為了選擇性價比最高的蓄電池，一般從電池容量、電壓大小、重量、使用壽命和價格成本等幾方面進行考慮，市場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，但是價格昂貴，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、應用歷史長、相對更加成熟，改進后的免維護鉛酸電池性能更加穩(wěn)定可靠，使用也更方便，得到了廣泛應用。因此，輪椅車選用免維護鉛酸蓄電池作為供電能源。3.4 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)3.4.1 各軸轉速電動機軸為 O 軸，與鏈傳動的高速軸為 I 軸，齒輪之間的傳動低速軸為 II軸。各軸轉速為n0=nm=120r/minni=n0/i1=120/2=60nII =nI/I2=60/3=30r/min3.4.2 各軸輸入功率按電動機額定功率 Ped 計算各軸輸入功率，即P0=Ped=144WPⅠ= P0η1=144×0.94=135.36W≈0.135KWPⅡ= PⅠη3=135.36×0.96=130W=0.13KW3.4.3 各軸轉矩T0=9550×0.144/120=11.46N.mm多功能電動爬樓輪椅設計14TI=9550×0.135/60=21.49N.mmTⅡ=9550×0.13/20=62.08N.mm將以上數(shù)據(jù)整理如下表第 4 章 主要零件設計計算4.1 齒輪傳動設計4.1.1 傳動比計算由前面已知上樓梯時，要使后輪轉動而爬上樓梯所需要的扭矩為 170 Nm?功率 P=0.13kw .而所選電機額定轉速 =120 額定轉矩為 51enminr已知外輪系的大徑為 500mm后輪由電機通過一級齒輪傳動和一級鏈輪傳動而進行上樓梯動作。由 m=9549 可知pnⅢ軸轉速 =603mir由于鏈輪 3.4.5.6 之間為等傳動比傳動，現(xiàn)假定三個鏈輪 d=250mm 則軸Ⅱ的轉速 ，由電機額定轉速2360innr?230minenr?1.2 齒輪之間的傳動比 2106ei??4.1.2 齒輪模數(shù)與齒數(shù)計算（1）初選小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù) 取150Z?2150Zi??20Z?（2）按齒面接觸強度設計 ??21312.6t EtKTZddH???????????多功能電動爬樓輪椅設計15試選載荷系數(shù) 1.3tK?計算小齒輪傳遞的轉矩 15eTNm??查表可知齒寬系數(shù) （小齒輪作懸臂布置）0.6d?查手冊可知材料的彈性影響系數(shù) 1289.EZMPa按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 ；大1li60HPa??齒輪的接觸疲勞強度極限 2lim50H??由齒輪的工作力循環(huán)次數(shù) N 的計算式 hnjL??60hhNnjLj??r齒 輪 轉 速 i齒 輪 每 轉 一 圈 時 ， 同 意 齒 面 嚙 合 的 齒 數(shù)齒 輪 的 工 作 壽 命可算出兩齒輪的應力循環(huán)次數(shù) ??81N60230186520.61jhnL????827.?則可查得接觸疲勞壽命系數(shù) 1.93HNK20.97HNK（3）計算接觸疲勞許用應力取失效概率為 1% 安全系數(shù) S=1??????1limlimlim20.935615.7.HNHNKsMPasKsa????????齒 輪 接 觸 疲 勞 壽 命 系 數(shù)齒 輪 的 接 觸 疲 勞 強 度 系 數(shù)安 全 系 數(shù)（3） 計算試算小齒輪分度圓直徑 ，代入 中較小的值1td??H?多功能電動爬樓輪椅設計16??2131 233250.7189.65327.9t EtKTZndduHm??????????????計算圓周速度 v1.230.66061tdnv ms????計算齒寬 b1.79.4t??計算齒寬與齒高之比 b/h模數(shù) 12.1.68ttmdZm??齒高 .53h674.85.7b4.1.3 載荷系數(shù)計算（1）根據(jù) , 7 級精度，查得動載系數(shù)0.36vms? 1.07vK?直齒輪，假設 10AtKFbN???tbm?使 用 系 數(shù)圓 周 力齒 寬查得齒間載荷分配系數(shù) HFK1.2??查手冊得使用系數(shù) A而對于 7 級精度的小齒輪相對支撐懸臂布置時齒向載荷分布系數(shù) HK?查得 ??23HK1.2086.70.1db???????2.1.66.74345?多功能電動爬樓輪椅設計17由 , 查手冊得 5.87bh?1.345HK? 1.273FK??故載荷系數(shù) AVH??.02?按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑3317.91.0.69ttdKm??計算模數(shù) m10.62.5Z（2)按齒根彎曲強度設計彎曲強度的設計公式為??132FaSYKTmdZ?????????確定公式內的各計算數(shù)值（1） 查手冊得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 150FEMPa??，大齒輪的彎曲疲勞強度極限 2380FEPa??（2） 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，10.865NKF?20.895N?（3） 計算彎曲疲勞許用應力， 取彎曲疲勞強度安全系數(shù)s=1.35 則??1220.865320.7.91.9NFEKMPas????（4） 計算載荷系數(shù) k AVFK???1.0721.3.65??由 ， 查得齒形系數(shù)及應力校正系數(shù)Z8多功能電動爬樓輪椅設計18， ， ，12.7FaY?1.57Sa2.16FaY?2.71SaY?（5） 計算大小齒輪的 并加以比較??F?321.650.158m??.97???12.0.133.6.5859FaSaSY???即：大齒輪的數(shù)值大對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小要取決于彎曲強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，可取由彎曲強度算得的模數(shù)0.957 并就近圓整為標準 1.25mm，按接觸強度算得的分度圓直徑 130.69dm?算出小齒輪齒數(shù) ，取 大齒輪齒數(shù)130.691254.Zd??125Z?2153.72Z???4.1.4 幾何尺寸計算（1） 計算分度圓直徑1251.23.596dZmm???中心距???123.51.273.5ad????齒輪寬度 068bm?取 12,Bm（2） 驗算1503.2tTFNd???多功能電動爬樓輪椅設計19合適13207.6108.5AtKFNmb????齒輪 1.2 12,90ZB?.25?4.2 鏈傳動設計帶傳動適用于兩軸中心距較大的場合，改變帶的長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，因而傳動平穩(wěn)、噪聲小。且過載時候帶與帶輪之間會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，可防止損壞其他零件，起過載保護作用，結構簡單，制造、安裝和維護方便，成本低廉。但是傳動的外廓尺寸較大，結構不緊湊，且對軸的壓力大，帶與帶輪之間存在彈性打滑和滑動，不能保證準確的傳動比。機械效率低，帶的壽命較短，需要張緊裝置。鏈傳動沒有彈性打滑和滑動現(xiàn)象，能保證準確的平均傳動比;張緊力小，軸與軸承所承受載荷較?。唤Y構緊湊，傳動可靠，傳遞圓周力；傳動效率較高，能在高溫、潮濕、多塵、油污等惡劣環(huán)境下工作。但鏈傳動不適于載荷變化大和急速反轉的場合且易磨損，從而產生跳齒脫鏈現(xiàn)象。根據(jù)條件的需要，從三個方面考慮：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、傳動效率要高，這樣在上下樓過程中在保證安全的同時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。因此選擇鏈傳動比較合適。4.2.1 鏈傳動設計計算（1）確定鏈輪齒數(shù) Z1、Z2:因傳動比 i=2，查表 12-6 選取 Z1=27則 Z2=iZ1=27X2=54（2）鏈輪轉速:N1=120r/minN2=n1/i=120/2=60r/min（3）設計功率 Pd:多功能電動爬樓輪椅設計20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選得鏈號為 05B，節(jié)距 P=8mm，單排鏈。（5）驗算鏈速 V :由式（12-1）V=Z1n1P/60X1000=27X120X8/60X1000=0.432m/s＜0.6m/s在限定范圍內。（6）初選中心距 ao:因結構上無限定，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?2=2X35P/P+27+54/2+( ) XP/35P754?=111.03 對 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）多功能電動爬樓輪椅設計21Fa≈1000（1.2-1.3）P/V=1000（1.2-1.3）X0.144/0.432N=400-433.33N（11）潤滑方式:由 P=8mm V=0.432m/s,查圖 12-14選用人工定期潤滑。（12）鏈條標記:05B-1x1124.2.2 鏈輪結構尺寸設計（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=68.97mmdII=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-d1damin=d+（1-1.6/Z）P-d1,得71.498mm≤d1≤73.97mm140.69mm≤d2≤142.93mm（4）齒根圓直徑 df:由表 12-2，dfI=dI-d1=68.97-5=63.97mmdfII=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；齒根圓徑向圓跳動小鏈輪為 10 級、大鏈輪為 11 級；齒根圓處端面圓跳動小鏈輪為 10 級、大鏈輪為 11 級。4.3 軸及附件設計多功能電動爬樓輪椅設計224.3.1 計算各軸的強度（1）后軸的計算該軸的轉速 功率 60minr?0.1Pkw?①初步估算軸徑選擇軸的材料為 45 鋼，經(jīng)調質處理，查手冊可得材料力學性能數(shù)據(jù)為 15650327.0bsMPaEa??????根據(jù)公式 341PdAnv???初步計算軸徑 ?????0mindnrPkwAvd???計 算 剖 面 處 軸 的 直 徑軸 的 轉 速軸 傳 遞 的 額 定 功 率掟 定 的 系 數(shù)軸 的 許 用 轉 應 力空 心 圓 軸 的 內 徑 與 外 徑 之 比初選空心軸內外之比 .75v?則可查表得 4313?15A?則 30.80.5161dm???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 軸的結構設計根據(jù)軸的受力，初選軸承 6205，已知Ⅲ軸傳遞的轉矩 3170TNm??多功能電動爬樓輪椅設計23兩外輪系圓周力 332102710568tFTdN????前面已知四個等傳動比的鏈輪參數(shù)分別為：8Z5.m??.P節(jié) 距0.Pkw?8PL1397?62vs有效圓周力 eF0.8101296ePNv??離心力引起的拉力 2cFqvq?單 位 長 度 鏈 條 的 質 量 ??kgm??vs鍵 速查表得 0.6?則 249.1cFN?鏈傳動的壓軸力 PFeKFPK?壓 軸 力 系 數(shù)對于水平傳動 1.5FP?則 1.5290483.Pe N?求支反力 1213.61.5NHtF???12VG4.3.3 軸的強度校核根據(jù)軸的結構尺寸及彎矩圖，轉矩圖，截面 C 處彎矩最大 多功能電動爬樓輪椅設計24239.8cMNm??安全系數(shù)校核計算彎曲應力幅為 caW???抗 彎 斷 面 系 數(shù)??340.1dv?50.7??316.9m28165.0a MPa????由于是對稱循環(huán)彎曲應力，故平均應力 0m??由 式 amSK???????式中， -1 ?45?鋼 彎 曲 對 稱 循 環(huán) 應 力 時 的 疲 勞 極 限取 K?正 應 力 有 效 集 中 系 數(shù) 2.6??0.9??表 面 質 量 系 數(shù) ， 查 得8?????尺 寸 系 數(shù) ， 查 得 27.47.609S??多功能電動爬樓輪椅設計25結 論畢業(yè)設計是對大學中所學知識的回顧，是對以往所學知識的綜合運用，鍛煉了我們的獨立思考能力、獨立解決工程實際問題的能力、畫圖能力，更是從課本中的理論知識到生產實際的轉變。玉米收獲機主要創(chuàng)新特點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方便拆裝，減少工作量，有利于節(jié)省成本，有一定的經(jīng)濟性。在這之前，雖然經(jīng)過四年的學習學到了很多知識，但是還沒有機會來運用和掌握這些東西。通過這次實踐，我對機械設計過程都有了全面的了解，設計、計算和繪圖方面的能力都得到了全面的訓練和提高，也使我對機械產生了更加濃厚的興趣，更堅定了我從事機械行業(yè)的信心。設計初期，我去圖書館的網(wǎng)站內下載了許多相關的文獻資料，對玉米收獲機有所了解，然后開始準備我的開題報告、任務書和文獻綜述。在總體結構設計的過程中，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。設計期間得到了我的指導老師的幫助，我覺得從與老師的溝通過程中，我能學到很多東西，老師可以從另外一個角度來啟發(fā)我，給了我很多幫助、鼓勵和指導。通過這段時間的設計，我已基本按照設計要求完成玉米收獲機的設計，但是由于本人知