自動上樓輪椅說明書

PAGEPAGE2目錄TOC\o"1-3"\h\u317771緒論 1115951.1課題的研究背景及意義 1237231.2國內外研究現(xiàn)狀 115012自動輪椅總體設計 493452.1概述 4310652.2總體結構設計 5108032.3行星輪機構設計 611363動力系統(tǒng)的設計 9323953.1動力系統(tǒng)參數(shù)設計 9184843.2驅動電機參數(shù)設計 930653.3電池選擇 11174974關鍵零件的設計計算 1277764.1配齒計算 1272404.2鏈傳動計算 1632330參考文獻： 19PAGE11緒論1.1課題的研究背景及意義隨著人口的急劇膨脹，我國的人口老齡化也隨之加快，給社會及家庭帶來的壓力也不斷增大。在《人口老齡化發(fā)展趨勢預測研究報告》中全國老齡委最新發(fā)布的資料說明了一個問題：我們所處的21世紀將會是人口老齡化的時期。而我國早在20世紀末就已經(jīng)步入了老齡化時代，相對于其他國家較早，這更應該引起我們的重視。中國不僅是進入老齡化較早的國家，同時也是老年人口最多的國家。在這個占有世界近1/5人口的國度里的問題就不僅僅是自身的問題了，它也會影響到世界老齡化程度以及進程，這個問題應該值得關注。另外，由于各種生產(chǎn)事故、交通事故、各種災害等意外事故導致大量殘疾人的出現(xiàn)，這也是整個社會一直面臨的問題。在殘疾人數(shù)量統(tǒng)計的相關報告表明：世界以及我國的一次大量增加，據(jù)官方不完全統(tǒng)計，漢川地震造成殘疾人數(shù)超過7000人，青海玉樹地震造成殘疾的數(shù)量也是一個巨大數(shù)據(jù)。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展人們的壽命在延長的時間變長。另外由于現(xiàn)代高節(jié)奏的生活致使汽車的使用率大幅度提高，交通事故隨之增加，導致殘疾發(fā)生的風險也在加大。以上情況都驗證了一個觀點，就是殘疾人口的數(shù)量將不斷增加。輪椅是現(xiàn)在大多數(shù)年老體弱者及肢體傷殘人士使用較為廣泛的代步工具。輪椅的發(fā)展也隨著社會的需求變得多種多樣，人類的智慧引領輪椅行業(yè)的發(fā)展，智能輪椅在越來越高的使用需求中得到了更多的重視，隨著科技的飛速發(fā)展，將逐步替代手動輪椅和電動而國內城市尤其是在中小城市中以多層公寓式樓房居多，電梯的使用還沒有普及到所有的居民住宅，也給輪椅使用者造成諸多不便。由于考慮到使用區(qū)域的廣泛性，設計一款使用方便、重量適宜、價格合理的電動爬樓梯輪椅可能會大大的改善老年人和殘疾人的生活質量，讓他們的出行更為方便，樓梯和路障將不再成為他們出行的障礙。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(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。我國對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)品還有很長的路要走。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(chǎn)品，但是它們或者結構復雜、或者造價昂貴，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(chǎn)品的誕生還是有很長一段路需要走的。 自動輪椅總體設計2.1概述根據(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，研究設計一種星輪式電動爬樓梯輪椅。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。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4所示，主要由越障機構（行星輪機構）、車架、座椅和座椅調節(jié)平衡機構、驅動機構和轉向機構組成。圖4(1)越障機構：本課題采用兩對星輪式機構，前后各一組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鏈連接，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，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)座椅和座椅調節(jié)平衡機構：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。座椅調節(jié)機構采用了一種滾道滑軌式固結在車架上，滾軸一端連接座椅，一端安裝有軸承，通過軸承在圓弧軌道中的滾動，實現(xiàn)座椅調節(jié)的目的。（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8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，本文輪椅的前輪由三個小輪構成輪組機構，后邊是由四個小輪組成輪組機構，即都為行星輪機構。如圖平地運行狀態(tài)，鏈傳動動力，小輪著地運行。后輪為主動輪，前輪為從動輪。開始爬樓梯時，圓臺結構外移與輪體相連夾緊，整體運動，小輪由鏈條鎖緊防止?jié)L動出現(xiàn)危險。爬樓梯結束，由外側彈簧推回圓臺，小輪繼續(xù)運行。圖42.3.2行星輪架的中心距由建筑樓梯數(shù)協(xié)調標準GBJ101-87知：樓梯踏步高度h的取值范圍為140mm-220mm，樓梯踏步寬度必須控制在220mm-320mm之間，樓梯梯段最大坡度不宜超過38°。（1）s，h最小時，兩小輪中心距不應大于，如圖2-3-1所示，根據(jù)幾何關系有：(R)2≤(2-3-1)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。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=145mm。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=145mm（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：sinα=(2-3-3) tanβ=tan（90-α）= （2-3-4）計算并代入數(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=65mm。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。3動力系統(tǒng)的設計3.1動力系統(tǒng)參數(shù)設計對輪椅動力系統(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驅動電機參數(shù)設計3.2.1驅動電機的類型選擇驅動電機是自動上樓輪椅整個輪椅車動力系統(tǒng)的核心，其正常運行不僅要為輪椅提供足夠的動力，也要確保輪椅車在使用過程中，特別是爬樓時的安全性和可靠性。首先，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、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。直流電機響應速度快、控制特性好，可以在很寬的范圍內進行平滑調節(jié)，而且具有很高的靈敏性，滿足輪椅的突發(fā)情況下的要求，但傳統(tǒng)的直流電機均采用換相器和電刷以機械方法進行換相，因此存在相對的機械摩擦，由此帶來噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等問題，需要經(jīng)常維護。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50kg，最大承載能力為100kg，因此輪椅的最大運行總質量為150kg，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.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。當時，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：后驅動輪所需最大角速度為：后驅動輪最大切向加速度為：后驅動輪最大角加速度為：后驅動輪轉動慣量為：電機所需要的工作功率為：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：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：，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：我們設計的輪椅最大爬坡度為40°，所以爬樓時工作阻力為：所以，取F==974.3N，取v=0.2m/s，求得電機所需工作功率為：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0.35kw，并且有一定的剩余。所選驅動電機主要性能參數(shù)如下表：（上海瑞克）型號額定功率（w）額定轉矩（nm）額定電流（A）額定轉速(rpm)額定效率(%)額定電壓(v)起始轉速(rpm)90ZE0240054.2230≥80482853.3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。4關鍵零件的設計計算4.1配齒計算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功率P=0.23kw.而所選電機額定轉速=230額定轉矩為5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Ⅲ軸轉速=61.8由于鏈輪之間為等傳動比傳動，現(xiàn)假定四個鏈輪d=200mm則軸Ⅱ的轉速，由電機額定轉速1.2齒輪之間的傳動比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)?。?）按齒面接觸強度設計試選載荷系數(shù)計算小齒輪傳遞的轉矩查表可知齒寬系數(shù)（小齒輪作懸臂布置）查手冊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度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限由齒輪的工作力循環(huán)次數(shù)N的計算式可算出兩齒輪的應力循環(huán)次數(shù)則可查得接觸疲勞壽命系數(shù)（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計算試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值計算圓周速度v計算齒寬b計算齒寬與齒高之比b/h模數(shù)齒高4.1.3載荷系數(shù)計算（1）根據(jù),7級精度，查得動載系數(shù)直齒輪，假設查得齒間載荷分配系數(shù)查手冊得使用系數(shù)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)查得由,查手冊得故載荷系數(shù)按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑計算模數(shù)m（2)按齒根彎曲強度設計彎曲強度的設計公式為確定公式內的各計算數(shù)值查手冊得小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲疲勞強度極限查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，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則計算載荷系數(shù)k由，查得齒形系數(shù)及應力校正系數(shù)，，，計算大小齒輪的并加以比較即：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算出小齒輪齒數(shù)，取大齒輪齒數(shù)4.1.4幾何尺寸計算（1）計算分度圓直徑中心距齒輪寬度?。?）驗算合適齒輪1.24.2鏈傳動計算4.2.1鏈傳動比已知電機功率，轉速，小滾輪直徑。水平運動時，由電機驅動所能使輪椅行走的最大速度，則小輪所在軸的轉速已知電機額定轉速則鏈傳動之間的傳動比4.2.2鏈傳動的設計（1）選擇鏈輪齒數(shù)初選（由于鏈節(jié)數(shù)常是偶數(shù)，為考慮磨損均勻，鏈輪齒數(shù)一般應取與鏈節(jié)數(shù)互為質數(shù)的奇數(shù)）則?。?）修正功率查《機械設計手冊》第2卷可得平穩(wěn)運轉狀態(tài)下的工作情況系數(shù)則（3）確定鏈條節(jié)數(shù)初定中心距，則鏈節(jié)數(shù)為?。?）確定鏈條的節(jié)距P按小鏈輪的轉速估計，查手冊可得小鏈輪齒輪系數(shù)選取單排鏈，又查得多排鏈系數(shù)故得小鏈輪所需傳送的功率為根據(jù)小鏈輪轉速及功率查手冊可選取鏈號為單排鏈則其鏈節(jié)距（5）確定鏈長及中心距a中心距減小量實際中心距?。?）驗算鏈速與原假設相符（7）計算分度圓直徑（8）作用在軸上的后軸力按水平布置取后軸力系數(shù)故