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

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

、履帶式等傳統(tǒng)方案的缺陷傳統(tǒng)的輪椅改進(jìn)方案中，步進(jìn)式和履帶式都存在一些缺陷。步進(jìn)式結(jié)構(gòu)雖然能夠適應(yīng)樓梯的高度，但是需要使用者自己控制步進(jìn)，使用不便。而履帶式則需要安裝輔助爬升設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，使用不便。因此，我們需要一種更為簡(jiǎn)單實(shí)用的方案。2.2星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)我們?cè)O(shè)計(jì)的星輪行星輪轉(zhuǎn)換式可爬樓輪椅采用了一種新的結(jié)構(gòu)，即星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在平地行走時(shí)，采用行星輪驅(qū)動(dòng)模式，而在爬樓梯時(shí)，采用星輪驅(qū)動(dòng)模式。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，它能夠適應(yīng)不同的地形，使用者只需要通過(guò)操縱離合器來(lái)切換驅(qū)動(dòng)模式即可。2.3導(dǎo)向輪的作用為了增強(qiáng)輪椅的越障能力，我們?cè)谌f(wàn)向輪兩側(cè)增加了一對(duì)導(dǎo)向輪。導(dǎo)向輪與萬(wàn)向輪的巧妙結(jié)合，能夠幫助輪椅越過(guò)障礙物，提高輪椅的適應(yīng)性和安全性。2.4重心位置的設(shè)計(jì)在爬樓梯時(shí)，重心位置的調(diào)節(jié)非常重要。我們采用了可調(diào)形式的靠背設(shè)計(jì)，使使用者能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)重心位置，保證爬樓時(shí)的安全性和舒適性。3結(jié)論通過(guò)對(duì)市場(chǎng)需求和前人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，我們?cè)O(shè)計(jì)出了一種新型的星輪行星輪轉(zhuǎn)換式可爬樓輪椅。該輪椅采用了新穎的行星輪和星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)，配合導(dǎo)向輪和可調(diào)形式的靠背設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)不同的地形，提高輪椅的適應(yīng)性和安全性。我們相信，這種輪椅將會(huì)為殘疾人帶來(lái)更多便利和福音。我們受到了火車曲柄連桿機(jī)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種連桿機(jī)構(gòu)，如圖1所示。這種機(jī)構(gòu)通過(guò)三個(gè)互成120度的曲柄驅(qū)動(dòng)三個(gè)踏板，使其交替與樓梯接觸前行。在平路上，它與普通輪椅車一樣，靠輪子行走。而在爬樓梯時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪切換成步進(jìn)機(jī)構(gòu)，可以沿著樓梯的棱邊較平穩(wěn)地向上爬，就像爬一個(gè)斜坡一樣。經(jīng)過(guò)分析，我們發(fā)現(xiàn)步進(jìn)式結(jié)構(gòu)需要較高的強(qiáng)度和精確的裝配，否則整體性能會(huì)受到很大影響。此外，這種結(jié)構(gòu)在平地行走時(shí)會(huì)顯得笨重，甚至影響其行走功能。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的結(jié)構(gòu)——星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)，如圖2和圖3所示。它由三個(gè)行星齒輪的行星齒輪系組成，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換得到兩種驅(qū)動(dòng)模式，分別適應(yīng)爬樓和平地行走，具有很好的適應(yīng)性和緊湊的結(jié)構(gòu)。我們還提出了兩種方案：驅(qū)動(dòng)前置和驅(qū)動(dòng)后置。驅(qū)動(dòng)后置時(shí)，該驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)置于車后作為驅(qū)動(dòng)后輪，前輪用萬(wàn)向輪。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是整車協(xié)調(diào)美觀，在爬樓時(shí)重量壓于后輪，不易打滑。但它的缺點(diǎn)是后輪支點(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。綜上所述，我們的設(shè)計(jì)方案是基于星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)前置或后置實(shí)現(xiàn)爬樓和平地行走的轉(zhuǎn)換。這種方案具有很好的適應(yīng)性和緊湊的結(jié)構(gòu)，但需要注意一些缺點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)。的設(shè)計(jì)導(dǎo)向輪的設(shè)計(jì)需要考慮到其支撐力和阻力，以及與地面的接觸面積和材質(zhì)等因素。我們選擇了采用高強(qiáng)度塑料材料制作導(dǎo)向輪，以減小重量并提高耐用性。同時(shí)，我們還進(jìn)行了導(dǎo)向輪的形狀和尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以增加支撐力和減小阻力。c.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器的選擇和設(shè)計(jì)。我們選擇了高效率、低噪音、小體積的直流無(wú)刷電機(jī)，以及高精度、低噪音的行星減速器。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，我們實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，并降低了整車的噪音和能耗。d.安全保護(hù)措施的設(shè)計(jì)為了保障用戶的安全，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中加入了多項(xiàng)安全保護(hù)措施，包括電機(jī)過(guò)載保護(hù)、電池過(guò)充過(guò)放保護(hù)、電子制動(dòng)等。同時(shí)，我們還進(jìn)行了多次的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，確保產(chǎn)品的安全性和可靠性。我們?cè)O(shè)計(jì)了一款輪椅，為了增大它能夠越過(guò)的最大高度，我們?cè)谌f(wàn)向輪前加入了前導(dǎo)向輪。由于萬(wàn)向輪翻越半徑有限，對(duì)于高度大于半徑的臺(tái)階，萬(wàn)向輪無(wú)法翻越。因此，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。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)。傳動(dòng)系統(tǒng)方面，我們選用了鏈傳動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)傳動(dòng)比，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)小變速器，但后來(lái)我們想到了一種更簡(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)軸，驅(qū)動(dòng)手柄設(shè)計(jì)成可拆卸形式。我們進(jìn)行了一些理論設(shè)計(jì)計(jì)算。首先，我們計(jì)算了能夠爬樓不打滑的條件。我們發(fā)現(xiàn)，重心設(shè)計(jì)在距后輪0.34倍的輪距處是可以實(shí)現(xiàn)的。然后，我們估算了驅(qū)動(dòng)力。在爬樓時(shí)，重力大部分壓于后輪，因此驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩主要克服重力阻力矩。我們采用了兩級(jí)鏈傳動(dòng)減速系統(tǒng)，總傳動(dòng)比為10：1，人單手所需最大驅(qū)動(dòng)力為5公斤力?？紤]到電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩較大，需要專門配備減速系統(tǒng)和大容量蓄電池，增加整車重量。因此，選擇手柄手搖驅(qū)動(dòng)，雙邊驅(qū)動(dòng)，以便于差動(dòng)轉(zhuǎn)向。在平地行走情況下，行走阻力非常小，齒輪受力狀況良好。在坡度為8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，初選齒輪模數(shù)為3，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。選用45鋼調(diào)質(zhì)處理齒輪，對(duì)中心齒輪z1，轉(zhuǎn)矩T1=14.8N·m，強(qiáng)度符合要求。在爬樓單輪著地時(shí)，行星齒輪軸受力情況最差，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合要求的結(jié)構(gòu)。根據(jù)受力分析，得到N1=917N。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到14N2+14N1=38N，因此N2=440N。根據(jù)計(jì)算，A處的彎矩最大，MA=0.024N=0.024×500=12N·m，TA=T=4.1N·m。根據(jù)公式Mca=MA+(αT)2，取α=0.6，可以得到Mca=122+(0.6×1.1)2=12.250N·m=12250N·mm?？紤]軸的材料為45鋼調(diào)質(zhì)，[σ-1]b=60MPa。根據(jù)公式A處的直徑dA≥3Mca/[σ-1]b，可以得到dA≥3×12250/(0.1×60)=12.7mm。考慮軸承內(nèi)徑并取整，得到d=15mm。齒輪鍵連接設(shè)計(jì)時(shí)，輪轂長(zhǎng)度為12選用圓頭平鍵，L=12b=h=6。根據(jù)公式σp=4T/(dhl)，可以得到σp=4×4100/(20×6×6)=25.3MPa，強(qiáng)度符合要求。軸承選擇時(shí)，F(xiàn)r1=N1=917N，F(xiàn)r2=N2=440N，中等沖擊，取fp=1.4，因此P=fpXFr=1.4×1×917=1284N。軸承所需壽命為預(yù)計(jì)使用10年，每年360天，每天工作3小時(shí)，每分鐘轉(zhuǎn)15轉(zhuǎn)，因此預(yù)期壽命Lh=10×360×3=10800。軸承所需基本額定動(dòng)載荷為3C=P3=1284×60×15×10800/(3×661010)=2740N=2.74KN。選用6202軸承，其D=35，B=11，C=5.88kg>2.74，符合要求。中心軸設(shè)計(jì)時(shí)，受力圖如圖12所示，由齒輪箱體的受力平衡有N3-N4=500N，N4=35×500，因此得N3=1125N，N4=625N，中心齒輪T=20.5N·m，鏈輪對(duì)軸的作用力F=955N。根據(jù)受力平衡公式，可以得到-14N2+955-625+1125-560=0，因此N2=895N，N1=560N。根據(jù)彎矩轉(zhuǎn)矩圖，危險(xiǎn)點(diǎn)D處M=12300，T=95000，E處M=20210，T=0。由于該軸受力狀況復(fù)雜，功能重要，因此選用45鋼調(diào)制，其[σ-1]b=60MPa。取α=0.6，可以得到Mca=EMca=M2+(αT)2=123002+(0.6×95000)2=58312，M2+(αT)2=20210。根據(jù)公式dD≥3Mca/[σ-1]b和dE≥3Mca/[σ-1]b，可以得到dD≥3×58312/(0.1×60)=21.3mm，dE≥3×20210/(0.1×60)=15.0mm。在下樓時(shí)，同樣采用星輪驅(qū)動(dòng)模式，但需要注意的是，為了避免車輛失控，需要將離合器撥到行星輪狀態(tài)，這樣可以讓車輛緩慢下降并且保持穩(wěn)定。同時(shí)，導(dǎo)向輪需要與樓梯內(nèi)沿相貼，以保持車輛的穩(wěn)定性。如果需要停下來(lái)，可以使用剎車來(lái)控制車輛的速度。本文介紹了一種新型的輪椅設(shè)計(jì)，主要特點(diǎn)是采用了星輪和行星輪兩種驅(qū)動(dòng)模式，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合。在平地上使用行星輪驅(qū)動(dòng)模式，在爬樓時(shí)使用星輪驅(qū)動(dòng)模式，這樣可以提高輪椅的適應(yīng)性。此外，導(dǎo)向輪與萬(wàn)向輪的巧妙結(jié)合也增強(qiáng)了輪椅的越障能力。同一傳動(dòng)鏈上設(shè)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，可以滿足平地行走和爬樓時(shí)不同的傳動(dòng)比要求。最終的產(chǎn)品成本可降至2000元左右，具有很好的市場(chǎng)前景。為了保證安全，在下樓時(shí)需要一名輔助者在后面扶持以防止傾翻。同時(shí)，本文還提供了產(chǎn)品實(shí)物照片，方便讀者了解產(chǎn)品的外觀和結(jié)構(gòu)。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。據(jù)我們調(diào)查，武漢市唯一一個(gè)輔助爬樓裝置價(jià)格高達(dá)6萬(wàn)元，而國(guó)外具有相似功能的IBOT3000輪椅更是