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XXXXX 畢 業(yè) 設 計 設計題目 一種三星輪式電動爬樓梯輪 椅的結(jié)構(gòu)設計 學 院 專 業(yè) 班 級 學 號 學生姓名 指導教師 2016 年 04 月 24 日 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 I 摘 要 老齡化社會的壓力越來越大 項目對社會老齡化和老年人的照顧更多的婦女 沒有電梯的建筑 樓梯的功能和設計的電動輪椅 從而提高老年人的生活質(zhì) 量 本次設計主要針對一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)進行設計 首先 通 過結(jié)構(gòu)和工作原理電動輪椅的樓梯 在分析的基礎上 對整個結(jié)構(gòu)的主要技術(shù) 參數(shù) 并選擇 然后對主要零部件進行設計和控制 最終實現(xiàn)AutoCAD圖紙 通過軟件實現(xiàn)對電動輪椅上的裝配圖和主要零件的設計過程 包括數(shù)據(jù)的計 算 如發(fā)動機的傳動設計 購買選擇 環(huán)境保護方面的應用 系統(tǒng)的發(fā)展 通過設計和大學知識的鞏固 如機械工程 力學 機械原理 機械公差和互 換性理論 掌握常用的機械設計CAD軟件 可以為今后的工作和生活中有著重 要的意義 關鍵詞 電動 爬樓 輪椅 行星輪 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 II Abstract With 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 III 目 錄 摘 要 I Abstract II 第 1 章 緒 論 1 1 1 課題的研究背景及意義 1 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1 2 1 履帶式 1 1 2 2 星輪式 2 1 2 3 腿足式 2 1 2 4 復合式 3 第 2 章 總 體 方 案 設 計 5 2 1 總體類型選擇 5 2 1 1 設計要求 5 2 1 2 類型選擇 5 2 2 總體結(jié)構(gòu)設計 6 2 3 行星輪機構(gòu)設計 7 2 3 1 行星輪總體結(jié)構(gòu)概述 7 2 3 2 行星輪架的中心距 7 2 3 3 小輪半徑 r 的范圍值 8 第 3 章 驅(qū) 動 機 構(gòu) 設 計 10 3 1 動力系統(tǒng)參數(shù)選擇 10 3 2 驅(qū)動電機選擇 10 3 2 1 驅(qū)動電機的類型選擇 10 3 2 2 選擇驅(qū)動電機的功率 10 3 3 蓄電池選擇 12 3 4 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) 13 3 4 1 各軸轉(zhuǎn)速 13 3 4 2 各軸輸入功率 13 3 4 3 各軸轉(zhuǎn)矩 13 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 IV 第 4 章 主 要 零 件 設 計 計 算 14 4 1 齒輪傳動設計 14 4 1 1 傳動比計算 14 4 1 2 齒輪模數(shù)與齒數(shù)計算 14 4 1 3 載荷系數(shù)計算 16 4 1 4 幾何尺寸計算 18 4 2 鏈傳動設計 18 4 2 1 鏈傳動設計計算 19 4 2 2 鏈輪結(jié)構(gòu)尺寸設計 21 4 3 軸及附件設計 21 4 3 1 計算各軸的強度 21 4 3 2 軸的結(jié)構(gòu)設計 22 4 3 3 軸的強度校核 23 結(jié) 論 25 參 考 文 獻 26 致 謝 27 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 1 第 1 章 緒 論 1 1 課題的研究背景及意義 輪椅為老年人及下肢傷殘者帶來生活上的方便 隨著生活水平的提升 無 障礙設施日漸增多 輪椅的使用范圍也逐步加大 然而 樓梯的存在卻使輪椅 的使用受到了很大的限制 因此研發(fā)一種自動爬樓梯的輪椅是很有必要的 該課 題是為了設計一款簡單易用且價格低廉的自動爬樓梯輪椅 盡管目前輪椅的研 發(fā)正朝著三星輪 智能化的方向發(fā)展 其中不乏涵蓋了一些具有視覺或語音控 制的智能輪椅 但是就我國的現(xiàn)狀而言 大多數(shù)需求輪椅的老年人或下肢傷殘 者經(jīng)濟狀況都不甚樂觀 對于那些功能繁多卻價格昂貴的爬樓梯輪椅 并不具 備購買能力 因此研發(fā)一款體積小巧 操作簡單 價格低廉的自動爬樓梯輪椅 更符合我國對自動爬樓梯的市場需求 具有一定的社會價值 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 樓梯裝置的研究有著悠久的歷史 在 19 世紀 90 年代 已經(jīng)證明了這種專 利 此后 美國 英國 日本和德國等發(fā)達國家的沖擊開始在這一領域的發(fā)展 通過不斷努力 但也取得了一些成績 但是 由于起步較早 他們在這方面的 技術(shù)比較成熟 有這些產(chǎn)品的現(xiàn)有產(chǎn)品 但仍有許多錯誤 還沒有一個這樣的 設備在中國開始研究 近年來也取得了一些成績 但距離成熟的產(chǎn)品還有很長 的路要走 現(xiàn)有的爬樓梯爬樓裝置不同 分為履帶式 星形輪 腿 腳和復合樓梯裝 置有自己的優(yōu)勢 但也存在一些缺陷 1 2 1 履帶式 履帶式爬樓梯裝置的廣泛應用 其原理很簡單 有幾個成熟的產(chǎn)品出現(xiàn) 在法國相對眾所周知 公司開發(fā)的龍蝦 421 8 型 如圖 8 1 2 1a 結(jié)構(gòu)有關 的地面和樓梯的電動輪椅機構(gòu)運動綜合的和平機制 后輪驅(qū)動 履帶 履帶式 爬樓梯機制下降 在某個角度和爬樓梯輪椅乘客可以調(diào)整 所以仍然在一個相 對舒適的狀態(tài) 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 2 a 法國悍馬 H8 b T09 ROBY 圖 1 2 1 履帶式爬樓裝置 履帶式爬樓梯機制 如良好的牽引力和持續(xù)向上和向下 重心穩(wěn)定 安全 可靠 但其尺寸 重量和噪音也越大 1 2 2 星輪式 運輸輪的當?shù)亟M織中最大的外國爬樓梯裝置的設計 通常也在車輪機構(gòu) 輪椅和電動輪椅也通常采用輪機構(gòu)機制 體積小 結(jié)構(gòu)簡單 易于控制 運行 穩(wěn)定 快速 有工作效率高 而且由于不同的驅(qū)動 如果要轉(zhuǎn)彎 轉(zhuǎn)彎半徑很 小 這種輕微的旋轉(zhuǎn)圓柱輪體 輪機構(gòu)一般經(jīng)常 在腳上具有很大的優(yōu)勢 但是 惡劣的道路條件 如在堅硬的路面狀況 樓梯 普通機構(gòu)不能達到 用戶的要求 車輪機構(gòu)想和其他干擾的步驟 其中一個必 要條件是車輪半徑至少大于臺階高度 必須在大 門口的能量和穩(wěn)定的過程 影響較大 樓梯的寬 度是有限的 如果只輪車 并導致半徑增加輪椅 在樓梯上沒有支撐點 這是目前使用的常規(guī)輪椅后輪不到樓梯功能的主要原因 1 2 3 腿足式 腿和腳的主要特點是運動型輪椅爬樓梯的樓梯是一個不連續(xù)的腳和腿的方 法完成 最早爬樓梯裝置的非連續(xù)的方式 在 1890 年發(fā)明了爬樓梯輪椅嘶叫不 斷 在爬樓梯的過程 在一系列的兩個支持支持另一種軌跡上升 降落 翻譯 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 3 類似于人的兩條腿 在腿和腳爬樓梯 事實上在樓梯爬樓裝置模仿人類的動作 a iFoot b WL 16RII 圖 1 2 3 腿足式爬樓裝置 1 2 4 復合式 鑒于星形輪 履帶 腿和腳像設備的優(yōu)缺點 在研究過程中 有一些其他 的例子 英國爬樓梯輪椅這種類型 這是一個典型的例子 如圖 1 a 顯示 不僅成熟的理論和實踐中的實驗 但只有在樓梯 地板本身的適應性 仍然遠 離完美 約 8 萬元的費用讓大多數(shù)人難以承受 但復合復雜的機構(gòu)和結(jié)構(gòu)的設 計 分析和控制 是十分復雜的 a Stairmatic b ShrimpRobot 圖 1 2 4 復合式爬樓梯裝置 綜上所述 國內(nèi)外樓梯裝置主體 具有悠久的歷史 結(jié)果是更多的出生 許多專利和產(chǎn)品 但它是昂貴的 或復雜的結(jié)構(gòu)總是有這樣或那樣的缺陷 針 對老年人 殘疾人的活動 結(jié)構(gòu)緊湊 質(zhì)量適中 安全可靠 使用方便 價格 為輪椅在樓梯上 必要的程序 在輪椅的一個主要功能的前提下 平底 所以 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 4 爬裝置在平坦的土地使用功能應做到最好 可以看到 雖然已經(jīng)研究了裝置的 樓梯一些的成就 但是距離理想的產(chǎn)品誕生了 還有很長的路要走 第 2 章 總體方案設計 2 1 總體類型選擇 2 1 1 設計要求 設計要求如下 1 爬樓輪椅有效負重 60Kg 2 有安全保護設計 3 適合中國標準樓梯 根根據(jù)目前的研究狀況 爬樓梯裝置 分析了其優(yōu)缺點 考慮到不同的機 構(gòu) 結(jié)構(gòu) 成本 安全和其他重要因素的基礎上 對電動輪椅爬樓梯 爬樓梯 輪椅的設計條件是最基本的要求 所以盡可能的步驟 結(jié)構(gòu)簡單 適應性強 安全 價格合理 具體要做到以下幾點 1 爬樓梯 克服障礙 可作為電動輪椅的和平 爬樓梯 2 重心波動較小 具有良好的穩(wěn)定性和可靠性 3 為電動輪椅 電動輪椅 gb12996 91 GB 技術(shù)參數(shù)標準 4 輪椅向上和向下與我們的日常習慣 避免向后 向上為用戶帶來的 不便向上和向下移動 并確保安全 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 5 通過比較的優(yōu)點和缺點 不同的機構(gòu)更多的攀登 越障機構(gòu)的星形輪具有 結(jié)構(gòu)簡單 成本低 易于布置和驅(qū)動鏈輪的 所以這個問題的機構(gòu) 考慮到國情和消費者購買力在三層樓梯 機構(gòu)的性能和比較分析的要求 開發(fā)了基于輪椅的樓梯是一個功能的滿足 而且安全可靠 操作簡單 通用性 強 價格適中的行星三星輪樓梯的輪椅 2 2 總體結(jié)構(gòu)設計 輪椅的總體設計如圖 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 主題 一個障礙的機制 機制的恒星 行星和行星是由左 右對稱安 裝 使革命的自傳和沖積土和轉(zhuǎn)換障礙 成功的道路 通過齒輪行星之間的渡 輪 每一組行星輪安裝在側(cè) 通過一個電磁離合器電磁離合器的通斷來控制行 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 6 星齒輪旋轉(zhuǎn) 2 圖片 圖片是基于整個輪椅輪椅后 應與總布置的要求開發(fā)的 還 應具有足夠的強度和剛度 以確保輪椅可以很容易地通過各種復雜路面 質(zhì)量 要盡可能小 越接近地面 使輪椅在重力的影響下 提高汽車的行駛平順性為 輪椅使用者 3 總部 總部支持輪椅的人起作用 操作方便和舒適性 所以設計應 滿足用戶的要求 4 發(fā)動機驅(qū)動齒輪 鏈條和傳動的發(fā)動機相結(jié)合 可以有效的行星 結(jié)構(gòu)的輪椅運動 5 轉(zhuǎn)向機構(gòu)設計 鑒于數(shù)輪或后輪與前輪轉(zhuǎn)向 如果直接在六輪 然 后在地板上 同時 六輪所需的力 造成很大的困難 為了解決這個問題 我 獨自坐在輪椅上的方向盤和前設計包括機械傳動在平地上 用戶可以很容易地 通過控制傳輸時 在方向盤上 克服障礙 輪椅依賴 防止增加電機驅(qū)動車輪 車輪的輪椅 2 3 行星輪機構(gòu)設計 2 3 1 行星輪總體結(jié)構(gòu)概述 結(jié)構(gòu)輪驅(qū)動車輪組機構(gòu) 在 數(shù)量少 結(jié)構(gòu)簡單 但更多的輪椅車輪旋轉(zhuǎn) 扭矩波動也大 穩(wěn)定性差 但隨著數(shù)量的輪椅重心降低 波動 但整個輪組結(jié) 構(gòu)變得越來越復雜 因此 一個小輪子的輪椅前輪后面的一組三個機構(gòu) 展開 一輪組構(gòu)成 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 7 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)標準 GBJ101 87 知 經(jīng)過測量樓梯的臺階長度高度在 a 140mm 210mm 之間 在 220mm 320mm 之間 計算樓梯的臺階角度在 32 35 之間 圖 2 3 1 這種分析知道 R 值的范圍 110180 應大 但大和體積大小的影響 綜 合設計 所以設計一點 r 150mm 2 3 3 小輪半徑 r 的范圍值 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 8 R 值的范圍 47 79195 R 值越大 速度 以便土壤 但大不利于行星輪半徑 結(jié)構(gòu)緊湊 重量輕的機構(gòu)類型 因此我們的 R 105mm 指出 上面分析的 R 值 不固定的框架 只有在其價值的可能 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 9 第 3 章 驅(qū)動機構(gòu)設計 3 1 動力系統(tǒng)參數(shù)選擇 輪椅動力系統(tǒng)的設計 必須結(jié)合不同的輪椅在爬樓梯上下 分析了各種道 路需要提供足夠的動力的輪椅 電動輪椅 gb12996 91 根據(jù)標準 主要技術(shù)性能 表的規(guī)定 表 3 1 電動輪椅國家標準 輪椅上的運行 以確定技術(shù)規(guī)格 最大速度 7 2km 平底 h 最大速度為每 分鐘 20 步爬樓梯輪椅 四塊電池 每個電池為 20Ah 航程 40 公里以上 3 2 驅(qū)動電機選擇 3 2 1 驅(qū)動電機的類型選擇 輪椅驅(qū)動方式的選擇 一般的電池能量 一個可選的電機 步進電機 直 流電機 無刷直流電機或驅(qū)動 步進電機是電脈沖信號或位移中心線位移驅(qū)動控制的步驟 以一個固定的 角度 可以準確定位的速度和轉(zhuǎn)矩 慣性 影響頻率高 但能量大 速度低 振動和噪聲的陪同下 不利于輪椅的穩(wěn)定性和繼承直流直流電流的電子電路的 優(yōu)點 克服了傳統(tǒng)直流電機的機械裝置的弊端 具有無噪聲 維護 可靠性高 選擇 48V 無刷直流電機為輪椅推進 3 2 2 選擇驅(qū)動電機的功率 平底的輪椅的樓梯和兩個不同的國家不同的狀態(tài) 根據(jù)不同的需求 驅(qū)動 電機功率的計算 這兩個國家的需要 然后選擇驅(qū)動電機的額定功率 輪椅重 量公斤 最大承載能力的最大總重量 600 公斤 100 公斤的輪椅車 總重量前 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 10 面和后輪或前后輪之間的聯(lián)合通過總質(zhì)量的 40 和 60 輪胎與路面間的靜摩擦 系數(shù)為 0 71 1 平地所需功率 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 11 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 cosGfFf sinGFt 其中 為坡度角 總 sftf 該表顯示 良好的瀝青和混凝土路面的滾動阻力系數(shù) f 值一般 0 010 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 12 0 018 瀝青和瀝青混凝土 通常為 0 018 0 020 in 我們遠離滾動 0 018 爬樓 梯 因為樓梯是大多數(shù)混凝土或大理石的系數(shù) 所以我們的角色 因為在 0 020 道路阻力 0 所以 總之 以輪椅爬樓梯的障礙有足夠的驅(qū)動力和驅(qū)動電機 必須大于 0 13kw 和一定程度的剩余 M4 DG 和 dyw 60B 型一般 考慮到經(jīng)濟性和實 用性 選擇 DG 1 的 M4 是合適的 主要參數(shù)如下表 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 123mm 3 3 蓄電池選擇 48V 的電池作為電源和輪椅滿足平坦的地面和樓梯跑 為了選擇最便宜的 電池 通常是電池的容量 電壓 尺寸 重量 成本和價格等多方面考慮 市 場上一般有四個 鉛酸電池 氫電池電池 鎳鋅電池和鋰離子電池 鎳鋅電池 和鋰離子電池使用性能和壽命 但價格昂貴 一般比鉛的 4 5 倍鉛酸電池的成 本 在成本低 具有悠久的歷史 改進的相對成熟 鉛蓄電池廠的可靠 穩(wěn)定 方便 廣泛 因此 輪椅 免維護鉛酸電池作為供電方式的選擇 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 13 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 min ni n0 i1 120 2 60 nII nI I2 60 3 30r min 3 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 144W P P0 1 144 0 94 135 36W 0 135KW P P 3 135 36 0 96 130W 0 13KW 3 4 3 各軸轉(zhuǎn)矩 T0 9550 0 144 120 11 46N mm TI 9550 0 135 60 21 49N mm T 9550 0 13 20 62 08N mm 將以上數(shù)據(jù)整理如下表 第 4 章 主要零件設計計算 4 1 齒輪傳動設計 4 1 1 傳動比計算 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 14 4 1 2 齒輪模數(shù)與齒數(shù)計算 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 15 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 53h 674 85 7b 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)0 36vms 1 07vK 直齒輪 假設 10AtKFbN 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 16 130 6921 5mdZm 2 按齒根彎曲強度設計 彎曲強度的設計公式為 132FaSYKTdZ s 1 3 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 17 5 則 1220 865320 7 91 9NFEKMPas 1 計算載荷系數(shù) k AVFK 072 31 65 由 查得齒形系數(shù)及應力校正系數(shù)1Z8 1 FaY 1 7Sa2 1FaY2 71SaY 2 計算大小齒輪的 并加以比較 F 321 650 158m 97 12 0 133 6 5859FaSaSY 4 1 4 幾何尺寸計算 1 計算分度圓直徑 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 18 1251 23 596dZmm 中心距 123 51 273 5ad 齒輪寬度 068bm 取 12 Bm 2 驗算 1503 2tTFNd 合適76108 AtKmb 齒輪 1 2 125 930ZB 25 4 2 鏈傳動設計 從帶中心在大軸的長度 以不同的中心距 帶具有良好的成形性和沖擊和 振動作用 少開車太慢了 如果這過載時打滑 防止損壞其他零件 起過載保 護作用 結(jié)構(gòu)簡單 制造裝配和維修的成本 但是 轉(zhuǎn)移規(guī)模大 結(jié)構(gòu)不緊湊 在軸和皮帶輪之間的壓力和彈性滑動和滑動 不能提供準確的傳輸效率低 壽 命短 需要張緊裝置 非彈性鏈滑 確保準確的傳輸 如軸電壓 負荷小 結(jié)構(gòu)緊湊 傳動可靠 傳動效率高 其力 能在高溫 潮濕 灰塵和污垢的惡劣傳動鏈是不適合的負 荷大 速度快 易磨損的齒鏈 降低的現(xiàn)象 根據(jù)條件的需要三個方面 一軸 向上和向下的負荷小 使軸的工作壽命 第二 效率高 所以 在向上和向下 在保證安全的過程也可以坐輪椅的人往 上拉 三星在枕頭上 使安裝空間與封閉的鏈輪鏈條的使用壽命當不能匹配 4 2 1 鏈傳動設計計算 1 確定鏈輪齒數(shù) Z1 Z2 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 19 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 20 283 92mm 9 實際中心距 a 12 鏈條標記 05B 1x112 4 2 2 鏈輪結(jié)構(gòu)尺寸設計 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 21 6 鏈輪公差 根直徑公差為 H11 齒頂圓直徑齒坯公差 H11 孔徑公差公差 H8 齒寬為 14 小時 根圈徑向跳動大鏈輪鏈 10 類為 11 度 根界不小的鏈輪結(jié)束 10 類 大鏈輪 11 4 3 軸及附件設計 4 3 1 計算各軸的強度 1 后軸的計算 初選空心軸內(nèi)外之比 0 75v 則可查表得 4313 15A 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 22 則 30 815130 56dm 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)設計 38Z 15 dm 15 87P 節(jié) 距 0kwL1397m 62vs 有效圓周力 eF0 8101296ePNv 離心力引起的拉力 2cFqv q 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 23 12150NVFGN 4 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 239 8cMNm 安全系數(shù)校核計算 彎曲應力幅為 caW 抗 彎 斷 面 系 數(shù) 340 1dv 50 7 316 9m28165 0a MPa 由于是對稱循環(huán)彎曲應力 故平均應力 0m 由 式 amSK 270 47 689S 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 24 結(jié) 論 設計學院是由過去的知識 鍛煉了我們的綜合利用能力 獨立思考 獨立 解決工程實際問題的能力 比能力 從課本上的理論知識在實踐中的變化 玉米收獲機的創(chuàng)新特點是刀片安裝在一個外殼兩端焊接在葉片損壞或斷軸 的拆裝 減少工作量 節(jié)約成本 經(jīng)濟 在這之前 雖然經(jīng)過四年的學習 學到了很多 但沒有機會 這些東西和 掌握 通過這次實踐 我了解到有一個全面的機械設計 結(jié)構(gòu)設計 計算和綜 合能力的訓練和提高 我的機器產(chǎn)生了更加濃厚的興趣 更堅定了我在機械行 業(yè)中的信仰 在設計階段 的網(wǎng)站上下載的 我去了圖書館 許多相關文獻 了解玉米收獲我的報告 然后開始打開 轉(zhuǎn)讓和文學 在總體結(jié)構(gòu)規(guī)劃 我遇 到了許多困難 經(jīng)過多次修改數(shù)據(jù) 總體方案確定之前 得到了我的指導老師 我覺得從與老師的溝通過程中 我可以學到很多東西 老師可以從不同的角度 啟發(fā)了我 給了我很多的幫助 支持和指導 在此期間 我的設計 符合玉米 收獲機的設計 但也因為我的知識有限 沒有實際經(jīng)驗 設計中存在的缺陷 如果教師對學生的批評和建議 使他們及時糾正我知道整個項目還沒有結(jié)束 因為我們需要的答案 也和教師意見調(diào)查恩 我可以設計終于結(jié)束了 所以 我要繼續(xù)努力 準備答辯論文 認真 仔細的檢查我的完美 我的大學 畫一 個完美的結(jié)局 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 25 參考文獻 1 蘇和平 王人成 爬樓梯輪椅的研究發(fā)展 J 中過康復醫(yī)學雜志 2005 20 5 366 367 2 項?；I 烏蘭木其 張濟川 手動爬樓梯輪椅 J 中國康復醫(yī)學 1999 9 2 62 66 3 蔡春源 新編機械設計手冊 遼寧科學技術(shù)出版社 1993 4 陳卓君 徐寶信 楊文通 丁津原 摩擦學試驗方法的研究及發(fā)展 J 機械 設計與制造 1999 6 62 63 5 吳宗擇羅圣國 機械設計課程設計手冊 北京 高等教育出版社 1999 6 6 孫桓 陳作模 葛文杰 機械原理 北京 高等教育出版社 2006 5 7 濮良貴 紀名剛 機械設計 高等教育出版社 2005 8 周志雄孫宗禹 機械設計制造及自動化英語教程 湖南大學出版 社 2000 9 原魁 智能輪椅的研究現(xiàn)狀與趨勢 J 中國醫(yī)療器械信息 2009 15 1 32 33 10 孟祥雨 一種星輪式爬樓梯電動輪椅設計與研究 長春工業(yè)大學碩士生論 文 2012 3 11 王麗娟 行星滾輪轉(zhuǎn)換步行式驅(qū)動爬樓梯輪椅設計 蘇州大學碩士生論文 2010 4 12 蘇和平 王人成 一種雙聯(lián)星形輪機構(gòu)電動爬樓梯輪椅的設計 J 中國臨床 康復 2005 13 白聿欽 侯守明 莫亞林 工程圖學 中國電力出版社 2007 14 孔慶華 母福生 劉傳紹 極限配合與測量技術(shù)基礎 統(tǒng)計大學出版社 第二版 2001 15 Dan Ding Cooper R A Electric powered wheelchairs J Control Systems IEEE 2005 Volume 25 Issue 2 22 34 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 26 致 謝 四年的大學生活結(jié)束后 他的設計是一個重要的高等教育的關鍵 可以順 利的畢業(yè)設計不能沒有我的老師和同學們的幫助 首先 我感謝老師對我們的設計工作中 負責任的 他讓我很他對待學生 有耐心 友好 為學生解決困難的設計 我們的設計思路 順利進行 在整個 發(fā)展過程中 給予我精心的指導和幫助 設計我們的努力工作 花大量的時間 和精力 如果沒有老師的幫助不是設計的性能 對他表示誠摯的敬意和感謝 通過這次設計 我意識到一個問題首先應該獨立思考和解決問題 并在這 個過程中也曾經(jīng)了解一些做人的道理 在此表示衷心的感謝 也感謝在設計的 同學和老師 幫助過我的人 最后 感謝我的同學 朋友 我們的生活中共同進步 感謝四年的大學四 年 我所有的關心和幫助 XXXXX 畢 業(yè) 設 計 設計題目 一種三星輪式電動爬樓梯輪 椅的結(jié)構(gòu)設計 學 院 專 業(yè) 班 級 學 號 學生姓名 指導教師 2016 年 04 月 24 日 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 I 摘 要 當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 本次設計主要針對一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)進行設計 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 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 整個設計過程中包括其中的數(shù)據(jù)計算 傳動系統(tǒng)設計 電機等外購 件選型 應用環(huán)境 維護保養(yǎng)等方面進行系統(tǒng)設計 通過本次設計 鞏固了大學所學專業(yè)知識 如 機械原理 機械設計 材料 力學 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 關鍵詞 電動 爬樓 輪椅 行星輪 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 II Abstract With 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 III 目 錄 摘 要 I Abstract II 第 1 章 緒 論 1 1 1 課題的研究背景及意義 1 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1 2 1 履帶式 1 1 2 2 星輪式 2 1 2 3 腿足式 2 1 2 4 復合式 3 第 2 章 總 體 方 案 設 計 5 2 1 總體類型選擇 5 2 1 1 設計要求 5 2 1 2 類型選擇 5 2 2 總體結(jié)構(gòu)設計 6 2 3 行星輪機構(gòu)設計 7 2 3 1 行星輪總體結(jié)構(gòu)概述 7 2 3 2 行星輪架的中心距 7 2 3 3 小輪半徑 r 的范圍值 8 第 3 章 驅(qū) 動 機 構(gòu) 設 計 10 3 1 動力系統(tǒng)參數(shù)選擇 10 3 2 驅(qū)動電機選擇 10 3 2 1 驅(qū)動電機的類型選擇 10 3 2 2 選擇驅(qū)動電機的功率 10 3 3 蓄電池選擇 12 3 4 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) 13 3 4 1 各軸轉(zhuǎn)速 13 3 4 2 各軸輸入功率 13 3 4 3 各軸轉(zhuǎn)矩 13 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 IV 第 4 章 主 要 零 件 設 計 計 算 14 4 1 齒輪傳動設計 14 4 1 1 傳動比計算 14 4 1 2 齒輪模數(shù)與齒數(shù)計算 14 4 1 3 載荷系數(shù)計算 16 4 1 4 幾何尺寸計算 18 4 2 鏈傳動設計 18 4 2 1 鏈傳動設計計算 19 4 2 2 鏈輪結(jié)構(gòu)尺寸設計 21 4 3 軸及附件設計 21 4 3 1 計算各軸的強度 21 4 3 2 軸的結(jié)構(gòu)設計 22 4 3 3 軸的強度校核 23 結(jié) 論 25 參 考 文 獻 26 致 謝 27 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 1 第 1 章 緒 論 1 1 課題的研究背景及意義 輪椅為老年人及下肢傷殘者帶來生活上的方便 隨著生活水平的提升 無 障礙設施日漸增多 輪椅的使用范圍也逐步加大 然而 樓梯的存在卻使輪椅 的使用受到了很大的限制 因此研發(fā)一種自動爬樓梯的輪椅是很有必要的 該課 題是為了設計一款簡單易用且價格低廉的自動爬樓梯輪椅 盡管目前輪椅的研 發(fā)正朝著多功能 智能化的方向發(fā)展 其中不乏涵蓋了一些具有視覺或語音控 制的智能輪椅 但是就我國的現(xiàn)狀而言 大多數(shù)需求輪椅的老年人或下肢傷殘 者經(jīng)濟狀況都不甚樂觀 對于那些功能繁多卻價格昂貴的爬樓梯輪椅 并不具 備購買能力 因此研發(fā)一款體積小巧 操作簡單 價格低廉的自動爬樓梯輪椅 更符合我國對自動爬樓梯的市場需求 具有一定的社會價值 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 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(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) 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) 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 2 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用范圍最大 國外的爬樓梯裝置設計中也 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 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 90 年代 Bray 發(fā)明制造 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 3 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)通過了實際應用試 驗 但是 僅能上下樓梯 對平地自主適應性差 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 但是復合式的復雜機構(gòu)與 結(jié)構(gòu) 致使設計 控制 分析等工作都非常復雜 a Stairmatic b ShrimpRobot 圖 1 2 4 復合式爬樓梯裝置 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)復雜 或者造價昂貴 總 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 4 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 置的前提下更應將平地行駛功能做到最好 可以看出 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 5 第 2 章 總體方案設計 2 1 總體類型選擇 2 1 1 設計要求 設計要求如下 1 爬樓輪椅有效負重 60Kg 2 有安全保護設計 3 適合中國標準樓梯 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上 研究設計電動爬樓梯輪椅 該設計在滿足爬樓梯輪椅的基本要求前提下 盡量做到結(jié)構(gòu)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(shù)參數(shù)標準 4 輪椅車上下樓應與我們?nèi)粘Ａ晳T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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 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(jié)構(gòu)設計 輪椅的總體設計如圖 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 應結(jié)合輪椅車總布置的要求來設計 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 7 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(zhì)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 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 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) 圖 2 3 行星輪機構(gòu)圖 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 8 2 3 2 行星輪架的中心距 由建筑樓梯數(shù)協(xié)調(diào)標準 GBJ101 87 知 經(jīng)過測量樓梯的臺階長度高度在 a 140mm 210mm 之間 在 220mm 320mm 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 兩小輪中心距不應大于 如圖 2 3 1 所示 2hs 根據(jù)幾何關系有 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 150mm 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 150mm 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 9 sin 2 3 3 Rh3min tan tan 90 2 3 minrh 4 計算并代入數(shù)值 arcsin 32 606 Rh3min 27 394 所以 47 79mm minr 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(gòu)緊湊型和輕便型 因此我們?nèi)?r 105mm 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 10 第 3 章 驅(qū)動機構(gòu)設計 3 1 動力系統(tǒng)參數(shù)選擇 對輪椅動力系統(tǒng)進行設計 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)電動輪椅的標準 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 電動輪椅國家標準 參考輪椅的運行實際情況 確定其技術(shù)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(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 機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 可以準確定位和調(diào)速 轉(zhuǎn)矩大 慣性小 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 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 假設前輪和后輪分別承 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) 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 同時設前輪與地面之間的摩擦力為 2F 1F 當 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 171 后輪承受的水平摩擦力 N2 所以 滿足正常行駛要求 12F 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(qū)動輪所需要最大轉(zhuǎn)速為 rpm19601 DVn 后驅(qū)動輪所需最大角速度為 s rad5 211 后驅(qū)動輪最大切向加速度為 22 96 m F 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 12 后驅(qū)動輪最大角加速度為 22 8 9 sradD 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 cosGfFf sinGFt 其中 為坡度角 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 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 0 所以受工作阻力為 NGfFt46 2 我們設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 t kwpPad1 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 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 123mm 3 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 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 min ni n0 i1 120 2 60 nII nI I2 60 3 30r min 3 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 144W P P0 1 144 0 94 135 36W 0 135KW P P 3 135 36 0 96 130W 0 13KW 3 4 3 各軸轉(zhuǎn)矩 T0 9550 0 144 120 11 46N mm 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 14 TI 9550 0 135 60 21 49N mm T 9550 0 13 20 62 08N mm 將以上數(shù)據(jù)整理如下表 第 4 章 主要零件設計計算 4 1 齒輪傳動設計 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pn 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 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 按齒面接觸強度設計 21312 6t EtKTZddH 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 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 53h 674 85 7b 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)0 36vms 1 07vK 直齒輪 假設 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 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) m 10 62 5Z 2 按齒根彎曲強度設計 彎曲強度的設計公式為 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)及應力校正系數(shù)Z8 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 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 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 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 19 合適13207 6108 5AtKFNmb 齒輪 1 2 12 90ZB 25 4 2 鏈傳動設計 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 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 能保證準確的平均傳動比 張緊力小 軸 與軸承所承受載荷較小 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 min N2 n1 i 120 2 60r min 3 設計功率 Pd 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 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 35P 754 111 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 21 Fa 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 鏈條標記 05B 1x112 4 2 2 鏈輪結(jié)構(gòu)尺寸設計 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 97mm dII 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 d1 damin d 1 1 6 Z P d1 得 71 498mm d1 73 97mm 140 69mm d2 142 93mm 4 齒根圓直徑 df 由表 12 2 dfI dI d1 68 97 5 63 97mm dfII 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 軸及附件設計 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 22 4 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 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 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)設計 根據(jù)軸的受力 初選軸承 6205 已知 軸傳遞的轉(zhuǎn)矩 3170TNm 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 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 2cFqv q 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 12VG 4 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 24 239 8cMNm 安全系數(shù)校核計算 彎曲應力幅為 caW 抗 彎 斷 面 系 數(shù) 340 1dv 50 7 316 9m28165 0a MPa 由于是對稱循環(huán)彎曲應力 故平均應力 0m 由 式 amSK 式中 1 45 鋼 彎 曲 對 稱 循 環(huán) 應 力 時 的 疲 勞 極 限 取 K 正 應 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 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 25 結(jié) 論 畢業(yè)設計是對大學中所學知識的回顧 是對以往所學知識的綜合運用 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)過四年的學習學到了很多知識 但是還沒有機會來運用 和掌握這些東西 通過這次實踐 我對機械設計過程都有了全面的了解 設計 計算和繪圖方面的能力都得到了全面的訓練和提高 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 設計初期 我去圖書館的網(wǎng)站 內(nèi)下載了許多相關的文獻資料 對玉米收獲機有所了解 然后開始準備我的開 題報告 任務書和文獻綜述 在總體結(jié)構(gòu)設計的過程中 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 設計期間得 到了我的指導老師的幫助 我覺得從與老師的溝通過程中 我能學到很多東西 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 通過這段 時間的設計 我已基本按照設計要求完成玉米收獲機的設計 但是由于本人知 一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計 26 識水平有限 又沒有實際工作經(jīng)驗 本設計中定存在不足之處 敬請老師同學 批評指正 提出寶貴意見 以便及時糾正 當然 我知道整個畢業(yè)設計還沒有 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)設計才能最 終畫上句號 因此 我還需要繼續(xù)努力 認真準備答辯 仔細檢查我的論文 更好的完善 為我的大學畫上一個圓滿的句號 參考文獻 1 蘇和平 王人成 爬樓梯輪椅的研究發(fā)展 J 中過康復醫(yī)學雜志 2005 20 5 366 367 2 項?；I 烏蘭木其 張濟川 手動爬樓梯輪椅 J 中國康復醫(yī)學 1999 9 2 62 66 3 蔡春源 新編機械設計手冊 遼寧科學技術(shù)出版社 1993 4 陳卓君 徐寶信 楊文通 丁津原 摩擦學試驗方法的研究及發(fā)展 J 機械 設計與制造 1999 6 62 63 5 吳宗擇羅圣國 機械設計課程設計手冊 北京 高等教育出版社 1999 6 6 孫桓 陳作模 葛文杰 機械原理 北京 高等教育出版社 2006 5 7 濮良貴 紀名剛 機械設計 高等教育出版社 2005 8 周志雄孫宗禹 機械設計制造及自動化英語教程 湖南大學出版 社 2000 9 原魁 智能輪椅的研究現(xiàn)狀與趨勢 J 中國醫(yī)療器械信息 2009 15 1 32 33 10 孟祥雨 一種星輪式爬樓梯電動輪椅設計與研究 長春工業(yè)大學碩士生論 文 2012 3 11 王麗娟 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