多功能輪椅(共14頁)

精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上機(jī)械原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書設(shè)計(jì)題目：多功能輪椅 姓名：林浩宇 班級(jí)：機(jī)制14-2 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師：孫老師 2015年05月30日目錄<一> 設(shè)計(jì)背景與整體規(guī)劃設(shè)計(jì)3一、設(shè)計(jì)背景與意義二、整體設(shè)計(jì)<二> 行走機(jī)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算5一、爬樓梯功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1. 履帶式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)： 2. 行星輪式行走機(jī)構(gòu)<三> 其他功能機(jī)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算10一、車體主要部件二、靠背平躺機(jī)構(gòu) 三、防側(cè)翻機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)<四> 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算11一、電動(dòng)機(jī)的選擇 二、減速裝置 <五> 設(shè)計(jì)總結(jié)與心得13<六> 參考文獻(xiàn)14<一> 設(shè)計(jì)背景與整體規(guī)劃設(shè)計(jì)一、 設(shè)計(jì)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(jì)來源有限。而且當(dāng)他們不使用輪椅時(shí)，又需要輪椅便于包裝和移動(dòng)。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(jià)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(jìn)行身體鍛煉和參與社會(huì)活動(dòng)。據(jù)史料記載，最早的輪椅出現(xiàn)在中國的南北朝時(shí)期。近現(xiàn)代以來，輪椅發(fā)生了很大的改進(jìn)并且人們逐漸開始把輪椅當(dāng)做康復(fù)運(yùn)動(dòng)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(yùn)會(huì)首次登場。隨著競技的需求，輪椅的設(shè)計(jì)朝向強(qiáng)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(huì)奉獻(xiàn)了強(qiáng)大的力量，同時(shí)也引發(fā)人們對人生的思考，讓社會(huì)更加人性化，更加和諧。因此如何設(shè)計(jì)和制造一個(gè)功能強(qiáng)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?dú)埣踩俗约河檬滞苿?dòng)或他人推動(dòng)，不方便且費(fèi)力，并且走在不平坦的路上易顛簸。尤其是爬樓梯的時(shí)候，如果樓梯旁沒有斜坡，把輪椅抬起將會(huì)是極大地麻煩。我們小組做的就是設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)1、 參照標(biāo)準(zhǔn)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(jì)完成后用solid works 畫出三維視圖如下：<二>行走機(jī)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)與計(jì)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(gè)行星輪,兩個(gè)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(shí)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(qiáng),但多組行星輪底盤在平地拐彎時(shí)會(huì)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用履帶式設(shè)計(jì)，由主電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶傳動(dòng)，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速不同可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，臂桿擺動(dòng)使履帶貼服在樓梯上，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)上下樓梯。設(shè)計(jì)如下圖：由幾何關(guān)系可的，履帶臂桿擺動(dòng)時(shí)行星輪中心的軌跡是標(biāo)準(zhǔn)的橢圓方程，即帶長可保持不變。履帶式機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)型好，越障和上下樓梯平穩(wěn)；機(jī)構(gòu)較為可靠。 缺點(diǎn)：系統(tǒng)重量大，耗電量大。平整路面上履帶傳動(dòng)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(jī)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(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)車輪，箱體中心固定有齒式離合器固定端，齒式離合器活動(dòng)端與中心軸通過花鍵滑動(dòng)聯(lián)接，當(dāng)齒式離合器活動(dòng)端與固定端沒有嚙合時(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。 （2） 驅(qū)動(dòng)輪布置：a) 驅(qū)動(dòng)后置驅(qū)動(dòng)后置，即將該驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)置于車后作為驅(qū)動(dòng)后輪，前輪用萬向輪。優(yōu)點(diǎn)：大輪在后小輪在前，整車協(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，有側(cè)翻的可能；萬向輪在前，平地時(shí)承載較大，轉(zhuǎn)向阻力大，爬樓時(shí)萬向輪可能發(fā)生偏斜。b) 驅(qū)動(dòng)前置驅(qū)動(dòng)前置，即將該驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)置于車前面作為驅(qū)動(dòng)前輪，后輪用萬向輪。優(yōu)點(diǎn)：萬向輪作為后支點(diǎn)爬樓時(shí)不易傾翻，且阻礙作用相對較小。缺點(diǎn)：大部分機(jī)構(gòu)集中在輪椅前，輪椅后部伸出兩個(gè)很小的萬向輪，外觀不協(xié)調(diào)；爬樓時(shí)由于人對驅(qū)動(dòng)輪的正壓力不夠，有打滑危險(xiǎn)。經(jīng)綜合考慮，我們選擇了第二種方案，即驅(qū)動(dòng)前置的行星輪方案。該方案能較好的實(shí)現(xiàn)爬樓功能，。（3） 行星輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)使用a) 使用半控式結(jié)構(gòu)普通行星輪結(jié)構(gòu)有2個(gè)自由度，欲使其具有確定的運(yùn)動(dòng)，必須給行星輪2個(gè)確定的輸入。而目前使用的各種這類行星輪中 ,都用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)這個(gè)行星輪的中心齒輪 ,即只給一個(gè)確定的輸入 ,另外一個(gè)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(gè)輸入)可以根據(jù)路況做實(shí)時(shí)的自適應(yīng)調(diào)整；在車輪碰到較高的障礙而停止不動(dòng)時(shí)，該輪系的一個(gè)自由度受到限制，驅(qū)動(dòng)輪系即可演變成行星輪系，轉(zhuǎn)臂H帶動(dòng)另外兩輪繞自由度受限的車輪回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)翻越障礙，這種驅(qū)動(dòng)輪系的一個(gè)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(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，不需人工操作。b) 使用星輪行星輪轉(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(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn),而是通過離合器固定一組行星輪，主動(dòng)將該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成星輪,通過驅(qū)動(dòng)整個(gè)星輪來實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)在于越障能力較強(qiáng)，不易打滑。（4） 越障能力分析a) “半控”行星輪在遇到障礙時(shí) ,有可能爬過障礙，打滑，翻轉(zhuǎn)越過障礙，上樓梯時(shí)，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：N3Ff3Ff2N1F2N2F1GLL1有平衡方程: 假設(shè)路面為硬路面，忽略滾動(dòng)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(dá)到最大時(shí),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(gè)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(shí)附著系數(shù)0.7-1.00.4-0.60.3-0.4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(yùn)動(dòng)到如下圖位置時(shí)，可分析其是否能爬上下一級(jí)臺(tái)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(tái)階宜150×300；室外臺(tái)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(tái)階高×寬為150×300（6） 校核輪椅底盤是否會(huì)擦碰臺(tái)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(jí)臺(tái)階后輪椅的傾斜角，畫出對應(yīng)尺寸的臺(tái)階和傾斜角為的輪椅底盤，將輪椅底盤向前移動(dòng)臺(tái)階寬度300距離，由圖可知，底盤不會(huì)擦碰臺(tái)階棱邊。 <三>其他功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)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(shí)心的、有充氣內(nèi)胎和無內(nèi)胎充氣型三種。實(shí)心型在平地走較快且不易爆破，易推動(dòng)，但在不平路上振動(dòng)大，且卡入與輪胎同寬的溝內(nèi)時(shí)不易拔出；有充氣內(nèi)胎的較難推，也易刺破，但振動(dòng)比實(shí)心的??；無內(nèi)胎充氣型因無內(nèi)胎不會(huì)刺破，而且內(nèi)部也充氣、坐起來舒服，但比實(shí)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(shí)，只好用單手剎車，但也可裝延長桿，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(fèi)力。調(diào)整后在斜坡上也能剎住，若調(diào)到1級(jí)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(gè)關(guān)節(jié)而后制動(dòng)，其力學(xué)優(yōu)點(diǎn)比凹口式剎車強(qiáng)，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(huì)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(jī)構(gòu)1）棘輪設(shè)計(jì)：一般采用45號(hào)鋼作為棘輪材料，考慮到棘輪受載荷較小，采用圓弧形齒形，同時(shí)也可避免使用者被劃傷。 棘輪齒數(shù)取20個(gè)，模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值3mm，則直徑為60mm。 2）扭簧設(shè)計(jì)：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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)輪椅發(fā)生側(cè)翻時(shí)，傾斜角超過45度則會(huì)在重力矩的作用下繼續(xù)翻倒，故傾斜角小于45度時(shí)防側(cè)翻機(jī)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(shí)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400mm。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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算一、電動(dòng)機(jī)的選擇有刷低速電機(jī)被電動(dòng)自行車選用又名無刷無齒電機(jī)，它在電動(dòng)自行車起動(dòng)與爬坡時(shí)電流較大，性能較弱。有刷高速電機(jī)（3600轉(zhuǎn)/分鐘左右），它采用碳刷作為電機(jī)電源的兩個(gè)觸點(diǎn)，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(dá)到電動(dòng)自行車020公里/小時(shí)的無極調(diào)速。目前采用的這種有刷高速電機(jī)含金量高，電機(jī)減速齒輪強(qiáng)度較強(qiáng)，耐磨性好，設(shè)計(jì)合理，故返修率較低；而且維修更換齒輪和電機(jī)的成本較少，有效的降低了電動(dòng)自行車（電動(dòng)輪椅）的維修費(fèi)用。目前許多廠家選用有刷有齒電機(jī)，它是一種高速電機(jī)，所謂“有齒”就是通過齒輪減速機(jī)構(gòu)，將電要轉(zhuǎn)速調(diào)低（因國標(biāo)規(guī)定電動(dòng)車時(shí)速不得超過20公里，故電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)在170轉(zhuǎn)分鐘左右）。由于是高速電機(jī)通過齒輪減速，故特點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)騎行者感覺動(dòng)力強(qiáng)勁，而且爬坡能力較強(qiáng)。但是電動(dòng)輪轂是封閉的，只是在出廠前加注了潤滑劑（油），用戶很難進(jìn)行日常保養(yǎng)，而且齒輪本身也有機(jī)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(shí)電流也增大，影響電機(jī)和電池壽命。另一種有刷無齒電機(jī)，它是一種低速電機(jī)，沒有齒輪減速機(jī)構(gòu)，其動(dòng)力性能和爬坡能力相對弱一些，但運(yùn)行安全（沖擊力?。?，電刷磨損少（其低速特性決定了電刷磨損只有有刷有齒電機(jī)的1/16左右），噪音少（因無齒輪減速裝置）是其顯著的優(yōu)點(diǎn)。無刷電機(jī)由于沒有電刷，其最大優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(jī)，低速性適用于輪椅這類的低速場合，而且沒有齒輪傳動(dòng)會(huì)使傳動(dòng)效率較高，占用的空間體積較小，噪聲較小，啟動(dòng)平穩(wěn)。該電動(dòng)機(jī)自帶020km/h無極變速，正是輪椅的速度范圍。24V時(shí)額定攻率:150W180W； 36V時(shí)額定攻率:180W250W，考慮到需要爬坡，功率應(yīng)選大一些，P500W。設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)此前的設(shè)計(jì)尺寸及傳動(dòng)比，行星輪內(nèi)齒輪傳動(dòng)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(shí)三個(gè)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(dòng)機(jī)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(dòng)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(shí)功率P=Ksmgv=1.50.84=120W；爬樓梯時(shí)，電機(jī)主要克服重力做功，所需功率較大，考慮電機(jī)所需電壓等條件的限制，最終取電機(jī)功率為500W。二、 減速裝置由于選擇的是無齒電機(jī)，速度較低，故無需齒輪等減速裝置。軸直接由電機(jī)帶動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，噪音較小，同時(shí)效率較高。<五> 設(shè)計(jì)總結(jié)與心得本學(xué)期的機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)我選擇了多功能助殘輪椅這極具現(xiàn)實(shí)意義的題目。由于實(shí)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(jì)和計(jì)算，為了簡化CAD作圖和flash動(dòng)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(jìn)行此次課程設(shè)計(jì)的練習(xí)，查閱相關(guān)資料豐富了我們的相關(guān)知識(shí)，我們對機(jī)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(dòng)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(jì)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(jì)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(jì)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(xiàn)1.機(jī)械設(shè)計(jì) 第八版 濮良貴，紀(jì)名剛 主編 高等教育出版社2.機(jī)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(jī)械原理課程設(shè)計(jì) 李瑞琴 主編 電子工業(yè)出版社專心-專注-專業(yè)