星轮行星轮转换式可爬楼轮椅设计说明书【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 星轮行星轮转换式可爬楼轮椅设计说明书 作品内容简介 针对目前普通轮椅不具备爬楼功能，而国内市场上尚未出现比较成熟、实用的爬楼轮椅这一现状，我们设计了一种实用的星轮行星轮转换式可爬楼轮椅。该轮椅既可以像普通轮椅一样在平地上行走，又可以攀爬楼梯 ，通过手摇 来驱动 。我们在行星齿轮结构的基础上加以改进，在中心轴 和转臂间设一离合器，离合器分离时，驱动中心齿轮便会带动各行星齿轮旋转，此时为行星轮驱动模式，适用于平地行走；而操纵离合器使其结合时，中心轴和转臂锁死，各行星齿轮将不能自传，驱动中心轴整个行星轮系将整体翻转，主 动翻越障碍，此时为星轮驱动模式，适用于爬楼梯。这种新的结构我们称之为星轮行星轮转换式结构（该结构我们已经申请了专利）。 在此结构的基础上，我们在万向轮两侧增加了一对起引导和越障作用的导向轮，导向轮与万向轮的巧妙结合增强了万向轮的越障能力。此外我们还准确 设计 重心位置，并将靠背设计成可调形式，爬楼时可以调节重心位置，保证了爬楼时的安全性和舒适性。 1 研制背景及意义 目前市场上的轮椅存在一个很大的不足：由于采用了传统的轮式结构，只能够在平地上行走，面对台阶、楼梯这样比较复杂的地形却显得无能为力。很多场合尤其是室外 比如银行门前，购物中心 门前等都或多或少有几级 台阶 ， 而 对于室内 仍 有很多地方没有电梯， 对于 那些乘坐轮椅的残疾人 ，他们 仍然有很多不便。 当然 ，国家 也 花费了大量的 人力和财力在某些场所 修建了相应的轮椅坡道和其它公用设施以方便残疾人活动。但由于受 各种 因素的影响，这些措施起到的作用仍然 非常有限 。 解决这一问题的最好方法就是改进残疾人使用的行走设备 ， 也就是说通过改进残疾人轮椅的机械结构，使其能够适应日常生活中所碰到大多数的地形。对 于 残疾人轮椅车的改进，已 有 不少人提出各种解决方案：有的使用履带式的辅助爬升设备帮助轮椅上下楼梯， 有 的 采用步进式的结构一步一步往上踏， 有的使用精密的陀螺仪控制两轮结构的翻转 ， 立起来上下楼梯， 但 这些方案都有一些不尽如人意的地方，比如：结构复杂，造价高，使用不便，不能很好的适应平地行驶等，因而都未能得到较广泛的应用。 在总结前人设计经验的基础上，我们 在 星轮 行星轮转换式 结构 的基础上设计一种 新型轮椅， 一种简单实用、安全可靠，即能够适应平地行走，又能够上下楼梯 的轮椅 ， 希望能够 为残疾人带来福音 。 2 设计方案 进式 受火车的曲柄连杆机构的启发，经过思考，我们想到一种连杆机构， 如图 1 所示， 通过驱动三个互成 120 度的曲柄带动三个踏板交替与楼梯接触前行。在平路的时候和普通的轮椅车是一样的，靠轮子 行走 ，在爬楼梯的时候，驱动轮则切换成 上述步进机构 ，较平稳的沿着楼梯的棱边 往上爬 ，如同爬一个斜坡一样。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 1 步进机构 经过分析发现步进式结构 强度要求较高，而装配 精度难以保证，从而使得整体性能会受很大影响 。 另外， 这种步进式结构上第一级楼梯会比较困难，平地行走时其连杆机构是一个累赘，甚至会影响其平地行走功能。 轮行星轮转换式 驱动 后 置 该方案是基于一种新结构 星轮行 星轮转换式结构 ，如图 2 和图 3 所示 。 其基本结构是具有三个行星齿轮的行星齿轮系， 在中心齿轮外依次均布三惰轮和三行星齿轮，中心齿轮和惰轮、惰轮和行星齿轮间均为外啮合，左右两半箱体相联接作为转臂，由此构成具有三个行星齿轮的行星齿轮系。在各行星齿轮轴系箱体外伸端分别固定一个车轮，箱体中心固定有齿式离合器固定端， 齿式离合器活动端 与 中心轴通过花键滑动联接，当齿式离合器活动端与固定端没有啮合时，整个结构便处于行星轮结构模式，此时驱动中心轴便会驱动三个车轮旋转，便可以在平地上行走。当拨动齿式离合器活动端使其与齿式离合器固定端 结 合时，中心齿轮和箱体（转臂）锁死，从而各齿轮均不能自转而只能随整个箱体一起翻转，整个行星齿轮系将变成一个刚性的整体而转变为星轮结构模式，此时驱动中心轴便会驱动包括行星轮系在内的整个箱体翻转，此种结构模式可用于攀爬楼梯。 该方案的优点在于，同一结构通过简单转换得到两种 驱动 模式，分别适应爬楼和平地行走，各自适应性良好，并且结构紧凑，操作方便。 图 2 星轮行星轮转换式结构 图 3 离合器局部展开图 运用此种结构也有两种方案：驱动前置和驱动后置。驱动 后 置，即将该驱动结构置于车买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 后作为驱动后轮，前轮用万向轮。 优点： 由于大轮在后小轮在前， 整车协调美观 ，爬楼时重量压于后轮，不易打滑，。 缺点：爬楼时，后轮支点位置不断跳跃性变化，有倾翻的可能；万向轮在前平地时承载较大，转向阻力大，爬楼时万向轮可能偏斜影响爬楼。 轮行星轮转换式 驱动 前 置 驱动前置，即将该驱动结构置于车前面作为驱动前轮，后轮用万向轮。出于减小爬楼时万向轮的阻碍作用我们想到了此 种 方案 ，其最大的优点就是， 万向轮作为后支点爬楼时不易倾翻，且阻碍作用相对较小。但是驱动前置有一些致命的弱点，首先就是外观问题，大部分东西集中在前面，后面悬伸两个很小的万向轮，看起来很不协调，仅外观问题基本上就具有一票否决权； 其次是打 滑问题， 爬楼时 由于人对驱动轮的正压力不够，很容易打滑。 经过综合考虑，我们选择了第二种方案，即驱动 后置 的星轮行星轮转换式方案。该方案能较好的实现爬楼功能，并且具有较好的外观。该方案还涉及到以下 具体问题。 a. 星轮行星轮转换式结构 离合器 的选用 (1)牙嵌式离合器 牙嵌式离合器 结构 简单，安装方便，承载力较大，从功能上讲基本上可以满足使用要求。但是牙嵌式离合器牙数较少，满足我们使用要求的 矩形牙嵌离合器 只有 7 个牙，离合器的活动端与固定端自然对正的几率非常小，操纵时需要反复调整，很不方便。在第一代产品试制时我们便采用 了此种方案，经实验确实操纵不便。 (2)电磁离合器 电磁离合器在通电后依靠电磁力使活动端与固定端结合，其操纵方便，只需按下开关接通电源。电磁离合器有多种型号，有摩擦式的、牙嵌式的，有干式的、湿式的。摩擦式的重量都很重，不符合我们的使用要求。根据使用条件，只有牙嵌式电磁离合器 列符合要求。 使用电磁离合器最大的优点就是操纵方便，但是也有很多弊端，首先是重量问题，电磁离合器本身 就有 ，还需要专门配备蓄电池，势必增加整车的重量。其次是可靠性问题，电磁式的没有机械式的可靠，爬楼时如果出现电磁离合器 线圈 突然烧坏或是蓄电池电 量耗完的问题，将会发生危险。另外，蓄电池需要经常充电很不方便，电磁离合器安装精度要求 很 高，尤其是活动端和固定端同轴度要求非常高，对加工和装配都提出了很高的要求。 (3)齿式离合器 齿式离合器与牙签式离合器比较相似，不同的是齿式离合器的齿数可以根据情况自己 设计，可以取较多齿数 。齿式离合器承载能力很大，根据我们的使用要求，可以取较小的模数和较多的齿数，齿端面倒成尖角，这样以来结合起来非常容易，操纵时不需要太多的调整。 综合分析比较，我们最终选择了齿式离合器， 其结构紧凑，体积小，重量轻，操纵方便，安全可靠。 b. 导向轮 由于 万向轮 翻越半径有限，对于高度大 其 半径的台阶前万向轮便无法翻越。因此，我们设计了前导向轮，通过它与万向轮之间的切线过渡来增大轮椅所能越过的最大高度。万向轮的半径为 100生活中普通楼梯的高度一般不超过 180们将前轮部分的翻越 高度 设定为 200此来设计导向轮的长度及倾角，如图 4 所示。 为了使导向轮能够比较平滑的越障，我们采用了履带式结构。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 4 导向轮设计原理 c. 传动系统 为了减小驱动力，根据我们的初步计算，摇臂 160，所需传动比为：爬楼 10： 1， 平地 1， 由于 传动距离较远，选用链传动 。 图 5 链传动系统 为了实现两个传动比，可以做一个小变速器，设 10： 1， 1 和空档三档，但这样做不够简洁，增加了整车的重量也增加 了成本。后来我们想到了一种简单可行的方案，在一级轴和二级轴分别设一驱动点，平地行走时驱动二级轴，爬楼时驱动一级轴，驱动手柄设计成可拆卸形式。 如图 5 所示。 3 理论设计计算 够爬楼不打滑的条件计算 图 6 不打滑条件受力分析 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 如图 6 所示情况最易打滑，设前后轮距为 l ,人和车重心距后轮距离为 则 Ny=x G ,1 ,y 能爬上楼的条件是 即 (1 x G 其中 = x 因驱动轮为车体的主要重量，加之爬楼时车体倾斜，人的重心自然靠后，因而重心设计在距图示位置 距 后轮 的轮距 处 是可以实现的。 动力的 估 算 爬楼时重力大部分压于后轮，忽略前轮的阻力 ，受力图如图 7 和图 8。 图 7 受力分析 图 8 受力分析 对 A 点列力矩平衡方程： 公斤力相当于力为：，人单手所需最大驱动：统，总传动比仅用两级链传动减速系驱动手柄时，单边重力阻力矩。时，驱动转矩主要克服力）重心后调后忽略前轮阻550Nr/i/ 1 6 a c o a xm a x考虑到驱动转矩比较大，若选用电机作为原动机，需要专门配备减速系统才能 达到所需转矩，而且要配备较大容量的蓄电池。这样会增加整车的重量 。通过分析比较可采用手柄手摇驱 动，双边驱动，以便于差动转向。 构设计 计算 轮设计 计算 (1)平地行走情形 如图 9 所示 2f=F 阻 2f= F 阻 T 3=f R = F 阻 /2 R R 为车轮半径， F 阻 为行走阻力，主要是滚动摩擦阻力，非常小，因而此种情况齿轮受力状况良好。 (2)在坡度为 8 度的地面行走时 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 i i s i n 88s i 则阻图 9 平地齿轮受力分析 图 10 爬楼齿轮受力分析 (3)爬楼时 如图 10 所示 (1 R，取 =x=3=50 较以上三种情况，在有坡度的地面行走时，齿轮受转矩最大。 根据三角星轮的大小要求，为降低安装精度要求，初选齿轮模数为 3，考虑结构的紧凑性 ，根据楼梯的尺寸确定 各轮轮距 ，由此确定齿轮中心距和各齿轮大小 ： 中心轮，惰轮， 行星齿轮 齿数分别为 38， 26， 18； 选用 45 钢调质处理齿轮，对中心齿轮 转矩 8 0 0 8/18/( 13311 .; T;i ml i ml i i 星齿轮 轴结构设计 图 11 行星齿轮轴受力分析 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 爬楼单轮着地时受力情况最差，此时 受力图如图 11 所示 N=G/2=500 N 3 3 N 1482N ,得 17N 1448N ，得 40N 经计算 ， A 处弯矩最大， ,45, . 2 5 0 N) 6(120 . 6,)(p d=15轮键连接设计 轮毂长度 为 12 选用圆头平键， L=12 b=h=6 强度符合要求10044 P 。 轴承选择 1=917 N , 2=440N 2 . 7 4 K 荷轴承所需基本额定动载则预期寿命转。小时，每分钟转天，每天工作年，每年用轴承所需寿命：预计使则中等冲击，取选用 6202 轴承，其 D=35 ， B=11， C=符合要求。 心轴设计 受力图如 图 12，由齿轮箱体的受力平衡有： 00N 285 500 得 125N 25N 中心齿轮 T=m 链轮对轴的作用力 F=955N 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 12 中心轴受力分析 895危险点 D 处 M=12300 T=95000 E 处 M=20210 T=0 该轴受力状况复杂，功能重要，材料选用 45 钢调制，其 -1b=60 . 0600 . 1202100 . 1 1583120 . 1 (2300)T( 633取相应取整 4 dC=0 C,E 处轴承校核 3=1125 N , 4=625N 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 2 K 6 3 K i n/处处荷轴承所需基本额定动载转速轴承所需寿命：则中等冲击，取1000904 轴承，其 d=20 , D=37 ， B=9， C=符合要求。 中心齿轮键连接设计 轮毂长度为 12 选用圆头平键， L=12 b=6， h=6 强 度 符合 要 求M P 300416622 2050044 传动设计 传动比 i= n=20r/速 v=s ,初选 3, 则 5,根据额定功率和小链轮的转速转速初选链条节距为 校核其强度符合要求。 4 工作原理及性能分析 地行走 平地行走时采用行星轮驱动模式，双边手摇驱动，利用差动来转向。由于速度比较慢，人完全可以控制其速度，因而也 不需要刹车。 越一级台阶等简单障碍 如图 13，对于简单障碍可以正着直接上去，导向轮可以将万向轮悬起，如果障碍比较矮，可直接用行星轮状态爬上去，如果障碍较高，可以拨动离合器转换为星轮状态，翻越障碍。 图 13 翻阅简单障碍 图 14 上楼 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 楼 如图 14，将离合器结合，采用星轮驱动模式，正着上楼梯，导向轮与楼梯外沿相贴，使得前 轮不会被楼梯挡死，而且不会有太大的波动。后驱动轮每转 120 度上一个台阶，并且具有一定的节奏性，中途可停留，安全省力。对于一般的楼梯后面不需要人扶，精确的 重心 设计保证了其不会后翻，对于特别的楼梯，为保证绝对的安全，可在后面增加一名辅助者防止后翻。 图 15 下楼 楼 如图 15，下楼时采用行星轮驱动模式倒着下楼，由于下楼时震动较大，速度控制难度