星輪行星輪轉(zhuǎn)換式可爬樓輪椅設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、星輪行星輪轉(zhuǎn)換式可爬樓輪椅設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)者：趙青，趙德文，胡照，金強(qiáng)，唐陶鑫（華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，武漢 430074）作品內(nèi)容簡(jiǎn)介針對(duì)目前普通輪椅不具備爬樓功能，而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上尚未出現(xiàn)比較成熟、實(shí)用的爬樓輪椅這一現(xiàn)狀，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種實(shí)用的星輪行星輪轉(zhuǎn)換式可爬樓輪椅。該輪椅既可以像普通輪椅一樣在平地上行走，又可以攀爬樓梯，通過(guò)手搖來(lái)驅(qū)動(dòng)。我們?cè)谛行驱X輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，在中心軸和轉(zhuǎn)臂間設(shè)一離合器，離合器分離時(shí)，驅(qū)動(dòng)中心齒輪便會(huì)帶動(dòng)各行星齒輪旋轉(zhuǎn)，此時(shí)為行星輪驅(qū)動(dòng)模式，適用于平地行走；而操縱離合器使其結(jié)合時(shí)，中心軸和轉(zhuǎn)臂鎖死，各行星齒輪將不能自傳，驅(qū)動(dòng)中心軸整個(gè)行星輪系將整體翻轉(zhuǎn)，主動(dòng)翻越障礙

2、，此時(shí)為星輪驅(qū)動(dòng)模式，適用于爬樓梯。這種新的結(jié)構(gòu)我們稱(chēng)之為星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)（該結(jié)構(gòu)我們已經(jīng)申請(qǐng)了專(zhuān)利）。在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們?cè)谌f(wàn)向輪兩側(cè)增加了一對(duì)起引導(dǎo)和越障作用的導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪與萬(wàn)向輪的巧妙結(jié)合增強(qiáng)了萬(wàn)向輪的越障能力。此外我們還準(zhǔn)確設(shè)計(jì)重心位置，并將靠背設(shè)計(jì)成可調(diào)形式，爬樓時(shí)可以調(diào)節(jié)重心位置，保證了爬樓時(shí)的安全性和舒適性。聯(lián)系人：趙青，聯(lián)系電話13277086837，email：cuicannianhua shazidefeiyang1 研制背景及意義目前市場(chǎng)上的輪椅存在一個(gè)很大的不足：由于采用了傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，只能夠在平地上行走，面對(duì)臺(tái)階、樓梯這樣比較復(fù)雜

3、的地形卻顯得無(wú)能為力。很多場(chǎng)合尤其是室外比如銀行門(mén)前，購(gòu)物中心門(mén)前等都或多或少有幾級(jí)臺(tái)階，而對(duì)于室內(nèi)仍有很多地方?jīng)]有電梯，對(duì)于那些乘坐輪椅的殘疾人，他們?nèi)匀挥泻芏嗖槐?。?dāng)然，國(guó)家也花費(fèi)了大量的人力和財(cái)力在某些場(chǎng)所修建了相應(yīng)的輪椅坡道和其它公用設(shè)施以方便殘疾人活動(dòng)。但由于受各種因素的影響，這些措施起到的作用仍然非常有限。解決這一問(wèn)題的最好方法就是改進(jìn)殘疾人使用的行走設(shè)備，也就是說(shuō)通過(guò)改進(jìn)殘疾人輪椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其能夠適應(yīng)日常生活中所碰到大多數(shù)的地形。對(duì)于殘疾人輪椅車(chē)的改進(jìn)，已有不少人提出各種解決方案：有的使用履帶式的輔助爬升設(shè)備幫助輪椅上下樓梯，有的采用步進(jìn)式的結(jié)構(gòu)一步一步往上踏，有的使用精密的

4、陀螺儀控制兩輪結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)，立起來(lái)上下樓梯，但這些方案都有一些不盡如人意的地方，比如：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，使用不便，不能很好的適應(yīng)平地行駛等，因而都未能得到較廣泛的應(yīng)用。在總結(jié)前人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們?cè)谛禽喰行禽嗈D(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種新型輪椅，一種簡(jiǎn)單實(shí)用、安全可靠，即能夠適應(yīng)平地行走，又能夠上下樓梯的輪椅，希望能夠?yàn)闅埣踩藥?lái)福音。2 設(shè)計(jì)方案2.1 步進(jìn)式受火車(chē)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的啟發(fā)，經(jīng)過(guò)思考，我們想到一種連桿機(jī)構(gòu)，如圖1所示，通過(guò)驅(qū)動(dòng)三個(gè)互成120度的曲柄帶動(dòng)三個(gè)踏板交替與樓梯接觸前行。在平路的時(shí)候和普通的輪椅車(chē)是一樣的，靠輪子行走，在爬樓梯的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)輪則切換成上述步進(jìn)機(jī)構(gòu)，較平穩(wěn)的沿

5、著樓梯的棱邊往上爬，如同爬一個(gè)斜坡一樣。圖 1 步進(jìn)機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)步進(jìn)式結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高，而裝配精度難以保證，從而使得整體性能會(huì)受很大影響。另外，這種步進(jìn)式結(jié)構(gòu)上第一級(jí)樓梯會(huì)比較困難，平地行走時(shí)其連桿機(jī)構(gòu)是一個(gè)累贅，甚至?xí)绊懫淦降匦凶吖δ堋?2.2 星輪行星輪轉(zhuǎn)換式驅(qū)動(dòng)后置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(gè)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(gè)行星齒輪的行星齒輪系。在各行星齒輪軸系箱體外伸端分別固定一個(gè)車(chē)輪，箱體中心固定有齒式離合器

6、固定端，齒式離合器活動(dòng)端與中心軸通過(guò)花鍵滑動(dòng)聯(lián)接，當(dāng)齒式離合器活動(dòng)端與固定端沒(méi)有嚙合時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)便處于行星輪結(jié)構(gòu)模式，此時(shí)驅(qū)動(dòng)中心軸便會(huì)驅(qū)動(dòng)三個(gè)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)，便可以在平地上行走。當(dāng)撥動(dòng)齒式離合器活動(dòng)端使其與齒式離合器固定端結(jié)合時(shí)，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(gè)箱體一起翻轉(zhuǎn)，整個(gè)行星齒輪系將變成一個(gè)剛性的整體而轉(zhuǎn)變?yōu)樾禽喗Y(jié)構(gòu)模式，此時(shí)驅(qū)動(dòng)中心軸便會(huì)驅(qū)動(dòng)包括行星輪系在內(nèi)的整個(gè)箱體翻轉(zhuǎn)，此種結(jié)構(gòu)模式可用于攀爬樓梯。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于，同一結(jié)構(gòu)通過(guò)簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換得到兩種驅(qū)動(dòng)模式，分別適應(yīng)爬樓和平地行走，各自適應(yīng)性良好，并且結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便。 圖 2 星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu) 圖 3 離

7、合器局部展開(kāi)圖運(yùn)用此種結(jié)構(gòu)也有兩種方案：驅(qū)動(dòng)前置和驅(qū)動(dòng)后置。驅(qū)動(dòng)后置，即將該驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)置于車(chē)后作為驅(qū)動(dòng)后輪，前輪用萬(wàn)向輪。優(yōu)點(diǎn)：由于大輪在后小輪在前，整車(chē)協(xié)調(diào)美觀，爬樓時(shí)重量壓于后輪，不易打滑，。缺點(diǎn)：爬樓時(shí)，后輪支點(diǎn)位置不斷跳躍性變化，有傾翻的可能；萬(wàn)向輪在前平地時(shí)承載較大，轉(zhuǎn)向阻力大，爬樓時(shí)萬(wàn)向輪可能偏斜影響爬樓。2.3 星輪行星輪轉(zhuǎn)換式驅(qū)動(dòng)前置驅(qū)動(dòng)前置，即將該驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)置于車(chē)前面作為驅(qū)動(dòng)前輪，后輪用萬(wàn)向輪。出于減小爬樓時(shí)萬(wàn)向輪的阻礙作用我們想到了此種方案，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是，萬(wàn)向輪作為后支點(diǎn)爬樓時(shí)不易傾翻，且阻礙作用相對(duì)較小。但是驅(qū)動(dòng)前置有一些致命的弱點(diǎn)，首先就是外觀問(wèn)題，大部分東西集中在前面

8、，后面懸伸兩個(gè)很小的萬(wàn)向輪，看起來(lái)很不協(xié)調(diào)，僅外觀問(wèn)題基本上就具有一票否決權(quán)；其次是打滑問(wèn)題，爬樓時(shí)由于人對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的正壓力不夠，很容易打滑。經(jīng)過(guò)綜合考慮，我們選擇了第二種方案，即驅(qū)動(dòng)后置的星輪行星輪轉(zhuǎn)換式方案。該方案能較好的實(shí)現(xiàn)爬樓功能，并且具有較好的外觀。該方案還涉及到以下具體問(wèn)題。a. 星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)離合器的選用(1)牙嵌式離合器牙嵌式離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，承載力較大，從功能上講基本上可以滿足使用要求。但是牙嵌式離合器牙數(shù)較少，滿足我們使用要求的矩形牙嵌離合器只有7個(gè)牙，離合器的活動(dòng)端與固定端自然對(duì)正的幾率非常小，操縱時(shí)需要反復(fù)調(diào)整，很不方便。在第一代產(chǎn)品試制時(shí)我們便采用了此種方

9、案，經(jīng)實(shí)驗(yàn)確實(shí)操縱不便。(2)電磁離合器電磁離合器在通電后依靠電磁力使活動(dòng)端與固定端結(jié)合，其操縱方便，只需按下開(kāi)關(guān)接通電源。電磁離合器有多種型號(hào)，有摩擦式的、牙嵌式的，有干式的、濕式的。摩擦式的重量都很重，不符合我們的使用要求。根據(jù)使用條件，只有牙嵌式電磁離合器dly0系列符合要求。使用電磁離合器最大的優(yōu)點(diǎn)就是操縱方便，但是也有很多弊端，首先是重量問(wèn)題，電磁離合器本身就有1.5kg重，還需要專(zhuān)門(mén)配備蓄電池，勢(shì)必增加整車(chē)的重量。其次是可靠性問(wèn)題，電磁式的沒(méi)有機(jī)械式的可靠，爬樓時(shí)如果出現(xiàn)電磁離合器線圈突然燒壞或是蓄電池電量耗完的問(wèn)題，將會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。另外，蓄電池需要經(jīng)常充電很不方便，電磁離合器安裝精

10、度要求很高，尤其是活動(dòng)端和固定端同軸度要求非常高，對(duì)加工和裝配都提出了很高的要求。(3)齒式離合器齒式離合器與牙簽式離合器比較相似，不同的是齒式離合器的齒數(shù)可以根據(jù)情況自己設(shè)計(jì)，可以取較多齒數(shù)。齒式離合器承載能力很大，根據(jù)我們的使用要求，可以取較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)，齒端面倒成尖角，這樣以來(lái)結(jié)合起來(lái)非常容易，操縱時(shí)不需要太多的調(diào)整。綜合分析比較，我們最終選擇了齒式離合器，其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，操縱方便，安全可靠。b. 導(dǎo)向輪由于萬(wàn)向輪翻越半徑有限，對(duì)于高度大其半徑的臺(tái)階前萬(wàn)向輪便無(wú)法翻越。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了前導(dǎo)向輪，通過(guò)它與萬(wàn)向輪之間的切線過(guò)渡來(lái)增大輪椅所能越過(guò)的最大高度。萬(wàn)向輪的半徑為1

11、00mm,而生活中普通樓梯的高度一般不超過(guò)180mm,我們將前輪部分的翻越高度設(shè)定為200mm，據(jù)此來(lái)設(shè)計(jì)導(dǎo)向輪的長(zhǎng)度及傾角，如圖4所示。為了使導(dǎo)向輪能夠比較平滑的越障，我們采用了履帶式結(jié)構(gòu)。圖 4 導(dǎo)向輪設(shè)計(jì)原理c. 傳動(dòng)系統(tǒng)為了減小驅(qū)動(dòng)力，根據(jù)我們的初步計(jì)算，搖臂160mm時(shí)，所需傳動(dòng)比為：爬樓10：1，平地3.5：1，由于傳動(dòng)距離較遠(yuǎn)，選用鏈傳動(dòng) 。圖 5 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)傳動(dòng)比，可以做一個(gè)小變速器，設(shè)10：1，3.5：1和空檔三檔，但這樣做不夠簡(jiǎn)潔，增加了整車(chē)的重量也增加了成本。后來(lái)我們想到了一種簡(jiǎn)單可行的方案，在一級(jí)軸和二級(jí)軸分別設(shè)一驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，平地行走時(shí)驅(qū)動(dòng)二級(jí)軸，爬樓時(shí)驅(qū)動(dòng)一級(jí)

12、軸，驅(qū)動(dòng)手柄設(shè)計(jì)成可拆卸形式。如圖5所示。3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算3.1能夠爬樓不打滑的條件計(jì)算圖 6 不打滑條件受力分析如圖6所示情況最易打滑，設(shè)前后輪距為l ,人和車(chē)重心距后輪距離為xl .則 ny=xg ,n1=(1-x)g ,nx=ny tg30。，能爬上樓的條件是n1nx ，即(1-x)gxg tg30。，其中=0.30.3(1-x) 0.58x得 x0.34 因驅(qū)動(dòng)輪為車(chē)體的主要重量，加之爬樓時(shí)車(chē)體傾斜，人的重心自然靠后，因而重心設(shè)計(jì)在距圖示位置距后輪0.34倍的輪距處是可以實(shí)現(xiàn)的。3.2驅(qū)動(dòng)力的估算爬樓時(shí)重力大部分壓于后輪，忽略前輪的阻力，受力圖如圖7和圖8。圖 7 受力分析-重力阻礙翻

13、轉(zhuǎn) 圖 8 受力分析-重力有助翻轉(zhuǎn)對(duì)a點(diǎn)列力矩平衡方程： 考慮到驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較大，若選用電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，需要專(zhuān)門(mén)配備減速系統(tǒng)才能達(dá)到所需轉(zhuǎn)矩，而且要配備較大容量的蓄電池。這樣會(huì)增加整車(chē)的重量。通過(guò)分析比較可采用手柄手搖驅(qū) 動(dòng)，雙邊驅(qū)動(dòng)，以便于差動(dòng)轉(zhuǎn)向。3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算(1)平地行走情形 如圖9所示 2f=f阻 2f= f阻t 3=f r = f阻/2rr為車(chē)輪半徑，f阻為行走阻力，主要是滾動(dòng)摩擦阻力，非常小，因而此種情況齒輪受力狀況良好。(2)在坡度為8度的地面行走時(shí) 圖 9 平地齒輪受力分析 圖 10 爬樓齒輪受力分析(3)爬樓時(shí) 如圖10所示t3=(1-x)gr，取=

14、0.3，x=0.3t3=0.30.7500.1=1.05比較以上三種情況，在有坡度的地面行走時(shí)，齒輪受轉(zhuǎn)矩最大。根據(jù)三角星輪的大小要求，為降低安裝精度要求，初選齒輪模數(shù)為3，考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性，根據(jù)樓梯的尺寸確定各輪輪距，由此確定齒輪中心距和各齒輪大小：中心輪，惰輪，行星齒輪齒數(shù)分別為38，26，18；選用45鋼調(diào)質(zhì)處理齒輪，對(duì)中心齒輪z1, 轉(zhuǎn)矩 3.3.2行星齒輪軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 11 行星齒輪軸受力分析爬樓單輪著地時(shí)受力情況最差，此時(shí)受力圖如圖11所示 n=g/2=500 n ft=t/r3=1.1/0.0175=63 n fr=fttana=630.364=23 n 14fr+28n1=52

15、n ,得 n1=917n 14n2+14n1=38n ，得 n2=440n 經(jīng)計(jì)算 ，a 處彎矩最大，考慮軸承內(nèi)徑并取整 d=15mm齒輪鍵連接設(shè)計(jì)輪轂長(zhǎng)度 為12 選用圓頭平鍵，l=12 b=h=6 。軸承選擇 fr1=n1=917 n , fr2=n2=440n選用 6202軸承，其 d=35 ，b=11，c=5.88kg2.74 ,符合要求。 3.3.3中心軸設(shè)計(jì) 受力圖如圖12，由齒輪箱體的受力平衡有： n3-n4=500n 28n4=35500 得 n3=1125n n4=625n中心齒輪 t=20.5nm鏈輪對(duì)軸的作用力 f=955n圖 12 中心軸受力分析 做出彎矩轉(zhuǎn)矩圖危險(xiǎn)點(diǎn)

16、d處 m=12300 t=95000 e處 m=20210 t=0該軸受力狀況復(fù)雜，功能重要，材料選用45鋼調(diào)制，其-1b=60mpa .相應(yīng)取整 dd=24 dc=de=20c,e 處軸承校核fr3=n3=1125 n , fr4=n4=625n選用 1000904軸承，其 d=20 , d=37 ，b=9，c=5.02kn ,符合要求。中心齒輪鍵連接設(shè)計(jì) 輪轂長(zhǎng)度為12 選用圓頭平鍵，l=12 b=6，h=6 3.3.4鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)傳動(dòng)比i=3.5 , n=20r/min,鏈速 v=0.1m/s ,初選z1=13, 則z2=45,根據(jù)額定功率和小鏈輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速初選鏈條節(jié)距為9.525，經(jīng)校核

17、其強(qiáng)度符合要求。 4 工作原理及性能分析4.1平地行走平地行走時(shí)采用行星輪驅(qū)動(dòng)模式，雙邊手搖驅(qū)動(dòng)，利用差動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)向。由于速度比較慢，人完全可以控制其速度，因而也不需要?jiǎng)x車(chē)。4.2翻越一級(jí)臺(tái)階等簡(jiǎn)單障礙如圖13，對(duì)于簡(jiǎn)單障礙可以正著直接上去，導(dǎo)向輪可以將萬(wàn)向輪懸起，如果障礙比較矮，可直接用行星輪狀態(tài)爬上去，如果障礙較高，可以撥動(dòng)離合器轉(zhuǎn)換為星輪狀態(tài)，翻越障礙。 圖 13 翻閱簡(jiǎn)單障礙 圖 14 上樓4.3上樓如圖14，將離合器結(jié)合，采用星輪驅(qū)動(dòng)模式，正著上樓梯，導(dǎo)向輪與樓梯外沿相貼，使得前輪不會(huì)被樓梯擋死，而且不會(huì)有太大的波動(dòng)。后驅(qū)動(dòng)輪每轉(zhuǎn)120度上一個(gè)臺(tái)階，并且具有一定的節(jié)奏性，中途可停留，安全

18、省力。對(duì)于一般的樓梯后面不需要人扶，精確的重心設(shè)計(jì)保證了其不會(huì)后翻，對(duì)于特別的樓梯，為保證絕對(duì)的安全，可在后面增加一名輔助者防止后翻。圖 15 下樓4.3下樓如圖15，下樓時(shí)采用行星輪驅(qū)動(dòng)模式倒著下樓，由于下樓時(shí)震動(dòng)較大，速度控制難度大，容易后翻，因而下樓時(shí)需要一輔助者在后面扶持以防止傾翻。完成制作后，作品實(shí)物照片見(jiàn)圖16圖 16 產(chǎn)品實(shí)物照片5 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用.(1)星輪行星輪可轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)，通過(guò)在傳統(tǒng)行星輪結(jié)構(gòu)上增設(shè)一個(gè)離合器，使系統(tǒng)具有星輪和行星輪兩種驅(qū)動(dòng)模式；(2)平地上使用行星輪驅(qū)動(dòng)模式，爬樓時(shí)使用星輪驅(qū)動(dòng)模式，適應(yīng)性好；(3)導(dǎo)向輪與萬(wàn)向輪的巧妙結(jié)合增強(qiáng)了萬(wàn)向輪的越障能力；(4)同一傳動(dòng)鏈上設(shè)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，滿足了平地行走和爬樓時(shí)不同的傳動(dòng)比要求。本產(chǎn)品可廣泛用于社區(qū)，養(yǎng)老院，醫(yī)院等場(chǎng)合，適用于腿腳不便的殘疾人或老年人。相對(duì)于現(xiàn)有的可爬樓輪椅，我們的產(chǎn)品適應(yīng)性好、性價(jià)比高。在批量生