多功能電動爬樓輪椅設(shè)計-行星輪機構(gòu)輪椅【含10張CAD圖】
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多功能電動爬樓輪椅設(shè)計I多功能電動爬樓輪椅設(shè)計摘 要當(dāng)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(shè)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(zhì)量。本次設(shè)計主要針多功能電動爬樓輪椅進行設(shè)計。首先，通過對電動爬樓輪椅結(jié)構(gòu)及原理進行分析，在此分析基礎(chǔ)上提出了總體結(jié)構(gòu)方案；接著，對主要技術(shù)參數(shù)進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設(shè)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(shè)計過程中包括其中的數(shù)據(jù)計算、傳動系統(tǒng)設(shè)計、電機等外購件選型、應(yīng)用環(huán)境、維護保養(yǎng)等方面進行系統(tǒng)設(shè)計。通過本次設(shè)計，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識，如：機械原理、機械設(shè)計、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產(chǎn)品的設(shè)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(guān)鍵詞：電動；爬樓；輪椅；行星輪多功能電動爬樓輪椅設(shè)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(shè)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(nèi)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(fù)合式 .....................................................................................................3第 2 章 總 體 方 案 設(shè) 計 ....................................................................................52.1 總體類型選擇 ...................................................................................................52.1.1 設(shè)計要求 .................................................................................................52.1.2 類型選擇 .................................................................................................52.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 ..................................................................................................62.3 行星輪機構(gòu)設(shè)計 ...............................................................................................72.3.1 行星輪總體結(jié)構(gòu)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(qū) 動 機 構(gòu) 設(shè) 計 ..................................................................................103.1 動力系統(tǒng)參數(shù)選擇 .........................................................................................103.2 驅(qū)動電機選擇 .................................................................................................103.2.1 驅(qū)動電機的類型選擇 ...........................................................................103.2.2 選擇驅(qū)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(zhuǎn)速 ...............................................................................................133.4.2 各軸輸入功率 .......................................................................................133.4.3 各軸轉(zhuǎn)矩 ...............................................................................................13多功能電動爬樓輪椅設(shè)計IV第 4 章 主 要 零 件 設(shè) 計 計 算 ..........................................................................144.1 齒輪傳動設(shè)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(shè)計 ....................................................................................................184.2.1 鏈傳動設(shè)計計算 ...................................................................................194.2.2 鏈輪結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 ...............................................................................214.3 軸及附件設(shè)計 .................................................................................................214.3.1 計算各軸的強度 ...................................................................................214.3.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .......................................................................................224.3.3 軸的強度校核 .......................................................................................23結(jié) 論 ............................................................................................................25參 考 文 獻 .......................................................................................................26致 謝 ............................................................................................................27多功能電動爬樓輪椅設(shè)計1第 1 章 緒 論1.1 課題的研究背景及意義當(dāng)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。另外，由于各種生產(chǎn)事故、交通事故、各種災(zāi)害等意外事故導(dǎo)致大量殘疾人的出現(xiàn)，這也是整個社會一直面臨的問題。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(lǐng)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輪椅。由于考慮到使用區(qū)域的廣泛性，設(shè)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(zhì)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。設(shè)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(zhì)量。1.2 國內(nèi)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(jì) 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(lǐng)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(shù)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。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(fù)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(yīng)用較廣的一種方式，其原理簡單，有多款成熟產(chǎn)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(jié)構(gòu)上將平地電動輪椅和爬樓機構(gòu)融為一體，平地運動時履帶機構(gòu)多功能電動爬樓輪椅設(shè)計2收起，由后輪驅(qū)動，爬樓時履帶機構(gòu)放下，與輪椅底部成一定角度，爬樓時可調(diào)節(jié)，使乘坐者始終處于較舒適的狀態(tài)。（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(gòu)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(gòu)在地面的運輸工具中應(yīng)用范圍最大，國外的爬樓梯裝置設(shè)計中也常常采取輪式機構(gòu)。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(gòu)，輪式機構(gòu)體積小巧，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向時候采取的差動傳動轉(zhuǎn)向半徑，這種轉(zhuǎn)向半徑很小，且易于轉(zhuǎn)向;圓柱型輪體機構(gòu)常常應(yīng)用在一般的輪式機構(gòu)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(gòu)又不能達到使用者的要求。普通輪式機構(gòu)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(dǎo)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 腿足式多功能電動爬樓輪椅設(shè)計3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(jì) 90 年代 Bray 發(fā)明制造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(fù)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(chǎn)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(yīng)用試驗。但是，僅能上下樓梯，對平地自主適應(yīng)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(fù)合式的復(fù)雜機構(gòu)與結(jié)構(gòu)，致使設(shè)計、控制、分析等工作都非常復(fù)雜。（a）Stairmatic （b) ShrimpRobot圖 1.2.4 復(fù)合式爬樓梯裝置多功能電動爬樓輪椅設(shè)計4綜上所述，國內(nèi)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(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)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(yīng)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。多功能電動爬樓輪椅設(shè)計5第 2 章 總體方案設(shè)計2.1 總體類型選擇2.1.1 設(shè)計要求設(shè)計要求如下：（1）爬樓輪椅有效負重=60Kg；（2）有安全保護設(shè)計；（3）適合中國標(biāo)準(zhǔn)樓梯。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(gòu)的優(yōu)缺點，在充分考慮結(jié)構(gòu)、造價、安全性等重要因素的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計電動爬樓梯輪椅。該設(shè)計在滿足爬樓梯輪椅的基本要求前提下，盡量做到結(jié)構(gòu)簡單，價格適宜，對臺階適應(yīng)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(biāo) GB12996-91 電動輪椅技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。(4)輪椅車上下樓應(yīng)與我們?nèi)粘Ａ?xí)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(gòu)，綜合比較其缺點，見表 2-1表 2-1 典型爬樓機構(gòu)優(yōu)缺點對照表爬升機構(gòu) 星輪式 履帶式 腿足式臺階適應(yīng)能力 一般 強 強穩(wěn)定性 一般 強 差控制難易 易 一般 難機構(gòu)復(fù)雜程度 簡單 一般 復(fù)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(shè)計6通過對比以上各種爬升機構(gòu)的優(yōu)缺點，星輪式越障機構(gòu)優(yōu)勢突出，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，而且傳動機構(gòu)易布置，因此本課題采用星輪式越障機構(gòu)。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(gòu)的性能對比分析，同時滿足輪椅的設(shè)計要求的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)設(shè)計輪椅的總體設(shè)計如圖 2-2 所示，主要由越障機構(gòu)（行星輪機構(gòu)） 、車架、座椅、驅(qū)動機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)組成。圖 2-2 總體方案簡圖(1)越障機構(gòu)：本課題采用一對星輪式機構(gòu)，行星輪并且左右分別對稱安裝，通過行星輪的公轉(zhuǎn)和自傳實現(xiàn)平地行駛與越障的轉(zhuǎn)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(cè)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(zhuǎn)。(2)車架：車架是整個輪椅車的基礎(chǔ)，應(yīng)結(jié)合輪椅車總布置的要求來設(shè)計，多功能電動爬樓輪椅設(shè)計7還應(yīng)具有足夠的強度和剛度，保證輪椅車可以順利通過各種復(fù)雜路況；質(zhì)量要盡可能小，應(yīng)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(shè)計要充分考慮使用者的要求（4）驅(qū)動機構(gòu)：采用電機中置，鏈傳動與齒輪相結(jié)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(jié)構(gòu)，驅(qū)動輪椅的運動。（5）轉(zhuǎn)向機構(gòu)：鑒于設(shè)計的車輪數(shù)目較多，如果直接采用前輪轉(zhuǎn)向或是后輪轉(zhuǎn)向，則同時有 6 個輪著地，并且同時要轉(zhuǎn)到 6 個輪才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，所需的轉(zhuǎn)向力將很大，造成轉(zhuǎn)向困難。為了解決這一困難，我單獨在輪椅的前邊設(shè)計了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向盤的傳動實現(xiàn)對輪椅的轉(zhuǎn)向，越障時依靠電機帶動轉(zhuǎn)向輪升高，防止轉(zhuǎn)向輪影響輪椅越障。2.3 行星輪機構(gòu)設(shè)計2.3.1 行星輪總體結(jié)構(gòu)概述行駛機構(gòu)采用輪組結(jié)構(gòu)。輪組結(jié)構(gòu)中的小輪個數(shù)越少，結(jié)構(gòu)越簡單，但是輪組的翻轉(zhuǎn)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(gòu)的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。因此，本文輪椅的前輪采用一個小輪構(gòu)成輪組機構(gòu)，后邊是由三個小輪組成輪組機構(gòu)。多功能電動爬樓輪椅設(shè)計8圖 2-3 行星輪機構(gòu)圖2.3.2 行星輪架的中心距由建筑樓梯數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn) GBJ101-87 知：經(jīng)過測量樓梯的臺階長度在 20-25cm 之間，高度在 15-18cm 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(yīng)大于 ，如圖 2-3-1 所示，2hs?根據(jù)幾何關(guān)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(yīng)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(yīng)盡量大，但太大又影響體積的大小設(shè)定，所以綜合一下設(shè)計設(shè)計中取 R=150mm。2.3.3 小輪半徑 r 的范圍值（1）兩小輪半徑應(yīng)小于小輪中心距，根據(jù)幾何關(guān)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(yīng)與樓梯沿相碰。h 最小時，這種可能性大，則有幾何關(guān)系知：多功能電動爬樓輪椅設(shè)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(yīng)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(gòu)緊湊型和輕便型，因此我們?nèi)=125mm。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(nèi)取值即可。多功能電動爬樓輪椅設(shè)計10第 3 章 驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計3.1 動力系統(tǒng)參數(shù)選擇對輪椅動力系統(tǒng)進行設(shè)計，必須結(jié)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(biāo)準(zhǔn)GB12996-91 可知，對其主要技術(shù)性能的規(guī)定如表 3-1 所示：表 3-1 電動輪椅國家標(biāo)準(zhǔn)參考輪椅的運行實際情況，確定其技術(shù)指標(biāo)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(qū)動電機選擇3.2.1 驅(qū)動電機的類型選擇選擇驅(qū)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(qū)動電機。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制，驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，可以準(zhǔn)確定位和調(diào)速：轉(zhuǎn)矩大、慣性小、多功能電動爬樓輪椅設(shè)計11影響頻率高，但是其能耗大、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)動電機。3.2.2 選擇驅(qū)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(yīng)不同的功率需求，因此先分別計算兩種狀態(tài)下驅(qū)動電機所需功率，然后再選擇驅(qū)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(zhì)量為 100kg，該總質(zhì)量由前輪和后輪共同分擔(dān)，假設(shè)前輪和后輪分別承受總質(zhì)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(qū)動輪，后驅(qū)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(shè)前輪與地面之間的摩擦力為 。2F 1F當(dāng) 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(shè)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(guān)參數(shù)：后驅(qū)動輪所需要最大轉(zhuǎn)速為： rpm19601?DVnπ后驅(qū)動輪所需最大角速度為： s/rad5.211πΩ后驅(qū)動輪最大切向加速度為： 22/96.m?Fα多功能電動爬樓輪椅設(shè)計12后驅(qū)動輪最大角加速度為： 22/8.9/sradD?αα后驅(qū)動輪轉(zhuǎn)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(shè)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?nèi)L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(shè)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(qū)動力，驅(qū)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(shè)計13表 3.1型號 額定功率 額定轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩T0=9550×0.144/120=11.46N.mm多功能電動爬樓輪椅設(shè)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(shè)計計算4.1 齒輪傳動設(shè)計4.1.1 傳動比計算由前面已知上樓梯時，要使后輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速 =120 額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速 ，由電機額定轉(zhuǎn)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(shè)計 ??21312.6t EtKTZddH???????????多功能電動爬樓輪椅設(shè)計15試選載荷系數(shù) 1.3tK?計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)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(zhuǎn) 速 i齒 輪 每 轉(zhuǎn) 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(yīng)力循環(huán)次數(shù) ??81N60230186520.61jhnL????82..7.?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(yīng)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(shè)計16??2131 2332..50.7189.65327.9t 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(shè) 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(shè)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(shè)計彎曲強度的設(shè)計公式為??132FaSYKTmdZ?????????確定公式內(nèi)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(yīng)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(yīng)力校正系數(shù)Z8多功能電動爬樓輪椅設(shè)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(jié)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(guān)，可取由彎曲強度算得的模數(shù)0.957 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn) 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(shè)計19合適13207.6108.5AtKFNmb????齒輪 1.2 12,90ZB?.25?4.2 鏈傳動設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhǔn)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(zhǔn)確的平均傳動比;張緊力小，軸與軸承所承受載荷較??；結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)的場合且易磨損，從而產(chǎn)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(shè)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(zhuǎn)速:N1=120r/minN2=n1/i=120/2=60r/min（3）設(shè)計功率 Pd:多功能電動爬樓輪椅設(shè)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(nèi)。（6）初選中心距 ao:因結(jié)構(gòu)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(shè)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(biāo)記:05B-1x1124.2.2 鏈輪結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)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(shè)計多功能電動爬樓輪椅設(shè)計224.3.1 計算各軸的強度（1）后軸的計算該軸的轉(zhuǎn)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(diào)質(zhì)處理，查手冊可得材料力學(xué)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(zhuǎn) 速軸 傳 遞 的 額 定 功 率掟 定 的 系 數(shù)軸 的 許 用 轉(zhuǎn) 應(yīng) 力空 心 圓 軸 的 內(nèi) 徑 與 外 徑 之 比初選空心軸內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)軸的受力，初選軸承 6205，已知Ⅲ軸傳遞的轉(zhuǎn)矩 3170TNm??多功能電動爬樓輪椅設(shè)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(zhì) 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(jié)構(gòu)尺寸及彎矩圖，轉(zhuǎn)矩圖，截面 C 處彎矩最大 多功能電動爬樓輪椅設(shè)計24239.8cMNm??安全系數(shù)校核計算彎曲應(yīng)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(yīng)力，故平均應(yīng)力 0m??由 式 amSK???????式中， -1 ?45?鋼 彎 曲 對 稱 循 環(huán) 應(yīng) 力 時 的 疲 勞 極 限取 K?正 應(yīng) 力 有 效 集 中 系 數(shù) 2.6??0.9??表 面 質(zhì) 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(shè)計25結(jié) 論畢業(yè)設(shè)計是對大學(xué)中所學(xué)知識的回顧，是對以往所學(xué)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(chǎn)實際的轉(zhuǎn)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(xué)習(xí)學(xué)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(shè)計過程都有了全面的了解，設(shè)計、計算和繪圖方面的能力都得到了全面的訓(xùn)練和提高，也使我對機械產(chǎn)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(shè)計初期，我去圖書館的網(wǎng)站內(nèi)下載了許多相關(guān)的文獻資料，對玉米收獲機有所了解，然后開始準(zhǔn)備我的開題報告、任務(wù)書和文獻綜述。在總體結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計期間得到了我的指導(dǎo)老師的幫助，我覺得從與老師的溝通過程中，我能學(xué)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(dǎo)。通過這段時間的設(shè)計，我已基本按照設(shè)計要求完成玉米收獲機的設(shè)計，但是由于本人知多功能電動爬樓輪椅設(shè)計26識水平有限，又沒有實際工作經(jīng)驗，本設(shè)計中定存在不足之處，敬請老師同學(xué)批評指正，提出寶貴意見，以便及時糾正。當(dāng)然，我知道整個畢業(yè)設(shè)計還沒有結(jié)束，因為還需要答辯，還要有答辯老師的提問與意見，我的畢業(yè)設(shè)計才能最終畫上句號。因此，我還需要繼續(xù)努力，認真準(zhǔn)備答辯，仔細檢查我的論文，更好的完善，為我的大學(xué)畫上一個圓滿的句號。參考文獻[1]孟曉東. 輪履組合式電動爬樓輪椅的研究[D].長春理工大學(xué),2013. 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