一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计【全套CAD图纸+毕业论文答辩资料】

  业  设  计  设计题目 : 一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计  学     院 :  专     业 :  班     级 :  学     号 :  学生姓名 :  指导教师 :  2016 年 04 月  24 日需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 摘   要  当前中国老龄化社会的压力越来越大。项目针对老龄化社会护理人员多为女性且老式楼房没有电梯的特点，设计具备爬楼梯功能的电动轮椅，从而有效提高老年人的生活质量。  本次设计主要针 对 一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构 进行 设计 。首先，通过对 电动爬楼轮椅 结构及原理进行分析，在此分析 基础上提出了总体结构方案；接着，对主要技术参数进行了计算选择；然后，对各主要零部件进行了设计与校核；最后，通过 图软件绘制了 电动爬楼轮椅 装配图及主要零部件图。整个设计过程中 包括其中的数据计算、传动系统设计、电机等外购件选型、应用环境、维护保养等方面进行系统设计。  通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用 今后的工作于生活具有极大意义。  关键词 ： 电动； 爬楼 ；轮椅；行星 轮  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 of an in a in be in of an of is to  on as an in on a of  is of it is To a in of a be up to to of  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 目   录  摘   要  . I .  1 章  绪  论  . 1 题的研究背景及意义 . 1 内外研究现状 . 1 带式 . 1 轮式 . 2 足式 . 2 合式 . 3 第 2 章  总体方案设计  . 5 体类型选择 . 5 计要求 . 5 型选择 . 5 体结构设计 . 6 星轮机构设计 . 7 星轮总体结构概述 . 7 星轮架的中心距 . 7 轮半径 r 的范围值  . 8 第 3 章  驱动机构设计  . 10 力系统参数选择 . 10 动电机选择 . 10 动电机的类型选择 . 10 择驱动电机的功率 . 10 电池选择 . 12 算传动装置的运动和动力参数 . 13 轴转速 . 13 轴输入功率 . 13 轴转矩 . 13 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第 4 章  主要零件设计计算  . 14 轮传动设计 . 14 动比计算 . 14 轮模数与齿数计算 . 14 荷系数计算 . 16 何尺寸计算 . 18 传动设计 . 18 传动设计计算 . 19 轮结构尺寸设计 . 21 及附件设计 . 21 算各轴的强度 . 21 的结构设计 . 22 的强度校核 . 23 结  论  . 25 参考文献  . 26 致  谢  . 27 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第 1 章  绪  论  题的研究背景及意义  轮椅为老年人及下肢伤残者带来生活上的方便，随着生活水平的提升，无障碍设施日渐增多，轮椅的使用范围也逐步加大。然而，楼梯的存在却使轮椅的使用受到了很大的限制 ,因此研发一种自动爬楼梯的轮椅是很有必要的。该课题是为了设计一款简单易用且价格低廉的自动爬楼梯轮椅。尽管目前轮椅的研发正朝着多功能、智能化的方向发展，其中不乏涵盖了一些具有视觉或语音控制的智能轮椅。但是就我国的现状而言， 大多数需求轮椅的老年人或下肢伤残者经济状况都不甚乐观，对于那些功能繁多却价格昂贵的爬楼梯轮椅，并不具备购买能力，因此研发一款体积小巧、操作简单、价格低廉的自动爬楼梯轮椅更符合我国对自动爬楼梯的市场需求，具有一定的社会价值。  内外研究现状  爬楼梯装置的研究已经有了较长的历史，早在 19世纪 90年代就已经有了此类专利的出现。自此，美、英、日德等发达国家就开始向此领域冲击，经过不断努力开发，也出现了一些成果。由于起步较早，它们在这方面的技术也相对成熟，已经推出此类产品。但现存产品都还存在各种瑕疵，还没有一种 能做到尽善尽美。我国对此类装置的研究起步较晚，在近几年也有一些成果产生，但距离形成成熟产品还有很长的路要走。  目前已经存在的爬楼梯装置也是各种各样，可以按照爬楼方式分为履带式、星轮式、腿足式以及复合式爬楼梯装置。各种装置都有自己的优点，但也都存在一定不足。  带式  履带式爬楼装置是目前应用较广的一种方式，其原理简单，有多款成熟产品问世。其中较为出名的是法国 图 悍马 地运动时履带机构收起，由后轮驱 动，爬楼时履带机构放下，与轮椅底部成一定角度，爬楼时可调节，使乘坐者始终处于较舒适的状态 。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 （ a)法国悍马                  （ b)  图 履带式爬楼机构行走方式连续，抓地力强，上下楼时重心平稳，安全可靠，但体积、重量及噪声也较大。  轮式  轮式机构在地面的运输工具中应用范围最大，国外的爬楼梯装置设计中也常常采取轮式机构。普通的残疾人使用的轮椅及 电动轮椅车也通常使用轮式机构，轮式机构体积小巧，结构简单且容易控制，运行起来既平稳速度又快，工作能效高，并且由于转向时候采取的差动传动转向半径，这种转向半径很小，且易于转向 ;圆柱型轮体机构常常应用在一般的轮式机构之中，在平地行走具有很大的优势，但是路况较差如崎岖路面、楼梯状况时，普通的轮式机构又不能达到使用者的要求。  普通轮式机构要想跨越台阶等障碍，其中一个必要条件就是车轮半径至少要大于台阶高度，而且跨越台阶需要的能量很大，过程不稳定，冲击较大 ;而且楼梯台阶的宽度有限，如果一味的增大车轮半径又会导致轮椅在台 阶上失去了支撑点，这也是目前常规轮椅采用大的后轮而无法实现上下楼梯功能的主要原因。  足式  腿足式爬楼轮椅的主要特点是爬楼动作是一个由腿足完成的不连续过程。早期的爬楼梯装置多数都采用这种不连续方式。 18 世纪 90 年代 明制造的需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 爬楼梯轮椅采用的方式就是不连续方式。在爬楼过程中，两套支撑装置中的一套作为支撑，另一套爬升，运动轨迹为上升、平移、着陆，类似人的两条腿一样爬楼。腿足式爬楼梯装置实际上就是模仿人类爬楼的动作。  （ a）                   (b)  楼装置  合式  鉴于履带式、星轮式、腿足式等装置的优缺点，在研究过程中，产生了一些其它的爬升装置。例如由英国的 是此类型爬楼梯轮椅的一个典型例子，如图 a)所示，它不仅理论成熟并且已经通过了实际应用试验。但是，仅能上下楼梯，对平地自主适应性差，使其距完美还有一定距离。另外约8万余元人民币的 价格也让多数人难以承受。但是复合式的复杂机构与结构，致使设计、控制、分析等工作都非常复杂。  （ a）              （ b)  综上所述，国内外在爬楼梯装置方面的研究已经有较长的历史，成果也较多，诞生了很多的专利以及产品，但是它们或者结构复杂、或者造价昂贵，总是存在需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 这样或那样的缺陷。为了更好地解决老年人、残疾人活动问题，提出一种整体结构紧凑、质量适中、安全性好、操作方便、价格适宜的爬楼梯轮椅方案是十分必要的。此外，考虑到轮椅的主要作用是平地行驶，故在做好爬升装置的前提下更应将平地行驶功能做到最好。可以看出 ，虽然爬楼梯装置的研究已经有了一定的成果，但距离完美的产品的诞生还是有很长一段路需要走的。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第 2 章  总体 方案 设计  体类型选择  计要求  设计要求 如下：  （ 1）爬楼轮椅有效负重 =60 （ 2）有安全保护设计；  （ 3）适合中国标准楼梯。  根据目前爬楼梯装置的研究现状，分析已产生的各种 机构的优缺点，在充分考虑结构、造价、安全性等重要因素的基础上， 研究设计电动爬楼梯轮椅。该设计在满足爬楼梯轮椅的基本要求前提下，尽量做到结构简单，价格适宜，对台阶适应性强，安全性高等方 面。具体要做到以下几点 : (1)能爬楼、越障，平地时可作电动轮椅使用。  (2)爬楼时重心波动较小，具有良好的稳定性和可靠性 。  (3)作为电动轮椅时要符合，国标  (4)轮椅车上下楼应与我们日常习惯一致，避免反向上楼给使用者带来的不便，同时确保上下楼过程的安全性 。  型选择  分析现有的三种典型爬楼梯机构，综合比较其缺点，见表 2 2通过对比以上各种爬升机构的优缺点，星轮式越障机构优势突出，结构简单，成本低，而且传动机构易布置，因此本课题采用星轮式越障机构。  综合考虑我国国情和普通消费者的购买能力，在三种爬楼梯机构的性能对比分析，同时满足轮椅的设计要求的基础上，开发了一种既可满足爬楼 梯功能，又爬升机构  星轮式  履带式  腿足式  台阶适应能力  一般  强  强  稳定性  一般  强  差  控制难 易  易  一般  难  机构复杂程度  简单  一般  复杂  对台阶是否损伤  否  是  否  行走阻力  小  大  大  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 安全可靠，操作方便，通用性好而且价格适中的行星轮式多功能电动爬楼梯轮椅车。  体结构设计  轮椅的总体设计如图 2示，主要由越 障机构（行星轮机构）、车架、座椅、驱动机构和转向机构组成。  图 2体方案简图  (1)越障机构：本课题采用 一 对星轮式机构，行星轮并且左右分别对称安装，通过行星轮的公转和自传实现平地行驶与越障的转换，以便顺利通过各种路况；行星轮小轮之间通过 齿轮传动 ， 每组行星轮一侧安装一对电磁离合器，通过电磁离合器的通与断来控制行星轮支架的翻转。  (2)车架：车架是整个轮椅车的基础，应结合轮椅车总布置的要求来设计，还应具有足够的强度和刚度，保证轮椅车可以顺利通过各种复杂路况；质量要尽可能小，应布置的离地面更近一些，使轮 椅重心降低，有利于提高轮椅的行驶稳定性。  (3)座椅：座椅起着支撑人体，使轮椅操纵方便和乘坐舒适的作用，因此这需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 次设计要充分考虑使用者的要求  （ 4）驱动机构：采用电机中置，链传动与齿轮相结合的传动方式，以使电机的传动可以有效的传递给行星轮结构，驱动轮椅的运动。  （ 5）转向机构：鉴于设计的车轮数目较多，如果直接采用前轮转向或是后轮转向，则同时有 6 个轮着地，并且同时要转到 6个轮才能实现转向，所需的转向力将很大，造成转向困难。为了解决这一困难，我单独在轮椅的前边设计了转向轮并且还采用了机械传动等， 在平地行驶时使用者 可以方便的通过控制转向盘的传动实现对轮椅的转向，越障时依靠电机带动转向轮升高，防止转向轮影响轮椅越障。  星轮机构设计  星轮总体结构概述  行驶机构采用轮组结构。轮组结构中的小轮个数越少，结构越简单，但是轮组的翻转力矩也越大，轮椅重心波动也就大， 稳定性越差。但随着小轮个数的增加，轮椅重心波动减小，但是整个轮组机构的结构也越来越复杂。因此，本文轮椅的前轮 采用一 个小轮构成轮组机构，后边是由 三 个小轮组成轮组机构。  图 2星轮 架的 中心距  由建筑楼梯数协调标准 ： 经过测量楼梯的台阶长度 高度在a=140在 220算楼梯的台阶角度在 32 35之间。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 图 2 1） s， 小轮中心距不应大于 22  ，如图 2据几何关系有：  ( 2 R)2 2                  (2代入数值，求得： R 180 2） s， 体后面行星轮架至少前倾，并且一小轮应至少能登上上一台阶，所以 2R 10 综上分析知， R 的取值范围是（ 110,180） 。 R 应尽量大，但太大又影响体积的大小设定，所以综合一下设计设计中取 R=150 轮半径 r 的范围值  （ 1） 两小轮半径应小于小轮中心距，根据几何关系有：  r R                           (2代入数值得： r R=150 2） 小轮最小时，支架不应与楼梯沿相碰。 种可能性大，则  有几何关系知：  90= 2 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 计算并代入数值：   = = 所以  上可知：  95） ， 提高平地行驶速度，但是过大行星轮支架的半径也越大，不利于机构紧凑型和轻便型，因此我们取 r=105别指出的是，以上分析中 R， 需要在其范围内取值即可。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第 3 章  驱动机构 设计  力系统参数 选择  对轮椅动力系统 进行设计，必须结合轮椅在平地和爬楼等不同路况进行分析，以满足各种路况下轮椅都能提供足够的动力需求。根据电动轮椅的标准其主要技术性能的规定如表 3 表 3参考轮椅的运行实际情况， 确定其技术指标为：h，最大爬楼速度为每分钟 20个台阶。轮椅携带四块 12块电池容 20次行程 40 动电机 选择  动电机的类型选择  选择驱动电机的类型，轮椅车依靠蓄电池来供电，为电机提供能源，一般可选步进电机、直流电机或是无刷直流电机作为驱动电机。  步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制，驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，可以准确定位和调速： 转矩大、惯性小、影响频率高，但是其能耗大、转速低，并且伴有振动和噪 声，不利于轮椅的稳定型和实用性。 无刷直流电机继承了直流电机的优点，采用电子换相电路，克服了传统直流电机采用机械转换装置的弊病，具有无噪声、免维护、可靠性高的优越特性。因此我们选用 48V 的无刷直流电机作为轮椅的驱动电机。  择驱动电机的功率  轮椅具有平地行驶和爬楼两种不同的工作状态，不同工作状态对应不同的功需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 率需求，因此先分别计算两种状态下驱动电机所需功率，然后再选择驱动电机的额定功率。 该轮椅自重为 40大承载能力为 60此轮椅的最大运行总质量为 100总质量由前轮和后轮共同分担，假 设前轮和后轮分别承受总质量的 40和 60，并且取轮胎与地面间的静摩擦系数为 （ 1）  平地所需功率  平地行驶时，轮椅采用后驱动轮，后驱动轮组任意两个小轮着地，克服与地面间的摩擦力 2F 前进，前轮随之前进，同时设前轮与地面之间的摩擦力为 1F 。当 12  时，轮椅在平地上正常行驶。  前轮承受的正压力 ;  8 840(1 ）人车后轮承受的正压力：  8 260(2 ）人车前轮承受的水平摩擦力：  后轮承受的水平摩擦力：  所以 12 ,满足正常行驶要求。  所设计的轮椅直径为 D=195椅平地的最大运动速度为 V=2m/s，根据轮椅行驶速度和车轮直径，计算轮椅车在平地上行驶的相关参数 ：  后驱动轮所需要最大转速为： 601 后驱动轮所需最大角速度为： s/r a 1 后驱动轮最大切向加速度为： 22 m /   22 / 后驱动轮转动惯量为： 22121 /  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 电机所需要的工作功率为：aa 轮椅包括齿轮传动。链传动和轴传动，因此我们设传动总功率为 以在平地行驶所需功率为：  2）  轮椅爬楼时，由于速度较小，忽略空气阻力和加速阻力，只有滚动阻力f 和坡度阻力 ，所以轮椅行驶方程式可以表示为：总 s s ，其中为坡度角。  查表可知，良好的沥青路面和混凝土路面的滚动阻力系数 f 般的沥青和混凝土路面为 时路地行驶时我们取滚动阻力系数为 楼时因为大多数楼梯为混凝土或是大理石，所以我们把滚动系数取为 为平路行驶时 =0，所以受工作阻力为：  我们设计的轮椅最大爬坡度为 40，所以爬楼时工作阻力为：  所以 F ，取 F= v=s，求得电机所需工作功率为：  综上所述，为了使轮椅爬楼与越障时有足够的驱动力，驱动电机功率必须大于 且有一定的剩余。 轮椅的电动机的型号一般为  虑到经济性及实用性，选择 主要性能参数如下表：  表 号  额定功率  额定转速  额定负载  长  宽  高  44w 120r m 3052523 电池选择  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 轮椅装载 48时可以满足平地行驶和爬楼梯的要求。为了选择性价比最高的蓄电池，一般从电池容量、电压大小、重量、使用寿命和价格成本等几方面进行考虑，市场上有四种常见的蓄电池：铅酸电 池、镍氢电池、镍锌电池和锂电池。镍氢电池、镍锌电池和锂电池性能优越，使用寿命长，但是价格昂贵，一般比铅酸电池高 4加了轮椅的制造成本。铅酸蓄电池成本较低、应用历史长、相对更加成熟，改进后的免维护铅酸电池性能更加稳定可靠，使用也更方便， 得到了广泛应用。因此，轮椅车选用免维护铅酸蓄电池作为供电能源。  算传动装置的运动和动力参数  轴转速  电动机轴为 链传动的高速轴为 I 轴，齿轮之间的传动低速轴为  各轴转速为  n0=20r/ni=n0/20/2=60 =2=60/3=30r/ 各轴输入功率  按电动机额定功率   44W P = =144 = P 3=30W= 各轴转矩  550 20=I=9550 0= =9550 0=以上数据整理如下表  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第 4 章  主要 零件设计计算  轮传动设计  动比计算  由前面已知上楼梯时，要使后轮转动而爬上楼梯所需要的扭矩 为 170 功率  P= 120  额定转矩为 5 已知外轮系的大径为 500轮由电机通过一级齿轮传动和一级链轮传动而进行上楼梯动作。  由  m=9549轴转速3n=60 由于链轮 间为等传动比传动，现假定 三 个链轮 d=250则轴的转速23 6 0 m i nn n r， 由电机额定转速 2 3 0 m 轮之间的传动比2120 260n 轮模数与 齿数 计算  （ 1）初选小齿轮齿数1 50Z 则大齿轮齿数21 2 5 0 1 0 0Z 取2 100Z （ 2）按齿面接触强度设计 213112 . 3 26t 试选载荷系数 计算小齿轮传递的转矩1 5 N m 查表可知齿宽系数    （小齿轮作悬臂 布置）  查手册可知材料的弹性影响系数 121 8 9 . 8 P a按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限1l i m 6 0 0H M P a ；大齿轮的接触疲劳强度极限2l i m 5 5 0H M P a 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 由齿轮的工作力循环次数 N 的计算式 60hN  60 n j 转 速 每 转 一 圈 时 ， 同 意 齿 面 啮 合 的 齿 数齿 轮 的 工 作 寿 命可算出两齿轮的应力循环次数   811N 6 0 6 0 2 3 0 1 8 3 6 5 2 0 8 . 0 6 1 0 8 82 8 . 0 6 1 0N 2 . 1 7 1 03 . 7 2 则可查得接触疲劳寿命系数1 2 （ 3） 计算接触疲劳许用应力  取失效概率为  1%  安全系数 S=1 11l i ml i ml i  9 3 5 6 0 056115 5 0 0 . 9 7 5 3 3 . 5H N    P  P a 齿 轮 接 触 疲 劳 寿 命 系 数齿 轮 的 接 触 疲 劳 强 度 系 数安 全 系 数（ 3）  计算  试算小齿轮分度圆直径1入 H  中较小的值   213123312 . 3 21 . 3 5 1 0 3 . 7 2 1 1 8 9 . 82 . 3 20 . 6 3 . 7 2 5 3 3 . 52 7 . 9t u 计算圆周速度 v 11 2 7 . 9 2 3 0 0 . 3 3 66 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0m s 计算齿宽 b 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 1 0 . 6 2 7 . 9 1 6 . 7 4tb d d m m 计算齿宽与齿高之比 b/h 模数    11 2 7 . 9 2 2 1 . 2 6 8d Z m m 齿高    2 . 2 5 2 . 8 5 3h m t m m  1 6 . 7 4 2 . 8 5 3 5 . 8 7 荷系数 计算  （ 1）根据 m s ,  7级精度，查得动载系数 直齿轮，假设 100 b N m m m m使 用 系 数圆 周 力齿 宽查得齿间载荷分配系数 1 查手册得使用系数对于 7级精度的小齿轮相对支撑悬臂布置时齿向载荷分布系数得 2 2 3 . 1 2 0 . 1 8 1 6 . 7 0 . 2 3 1 0d d b 2 2 31 . 1 2 0 . 1 8 1 6 . 7 0 . 6 0 . 6 0 . 2 3 1 0 1 6 . 7 41 . 3 4 5 由   ,  查手册得  故载荷系数   A V H  K K K1 1 . 0 7 1 . 2 1 . 3 4 5 1 . 7 3 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径  3311 2 7 . 9 1 . 7 3 1 . 3 3 0 . 6 9d K K m m 计算模数 m 11 3 0 . 6 9 2 2 1 . 3 9 5m d Z m m 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 （ 2)按齿根弯曲强度设计  弯曲强度的设计公式为   13 212 F a S  F 确定公式内的各计算数值  （ 1）  查手册得小齿轮的弯曲疲劳强度极限1 500 P a ，大齿轮的弯曲疲劳强度极限2 380 P a （ 2）  查得弯曲疲劳寿命系数  1 ，2 0  5（ 3）  计算弯曲疲劳许用应力，  取弯曲疲劳强度安全系数s= 则   1122120 . 8 6 5 5 0 0 3 2 0 . 3 71 . 3 50 . 8 9 5 3 8 0 2 5 1 . 9 31 . 3 5N F   P  P （ 4）  计算载荷系数 k    A V F  K K K1 1 . 0 7 1 . 2 1 . 2 7 3 1 . 6 3 5  由  1 ，  2 82Z 查得齿形系数及应力校正系数  1 ，1 ，2 ，2 （ 5）  计算大小齿轮的   加以比较  3 22 1 . 6 3 5 5 0 0 0 0 . 0 1 5 5 80 . 6 2 2m 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 1122122 . 7 2 1 . 5 7 0 . 0 1 3 3 33 2 0 . 3 72 . 2 1 6 1 . 7 7 1 0 . 0 1 5 5 82 5 1 . 9 3F a S aF a S 即： 大齿轮的数值大  对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 于齿轮模数 与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数 就近圆整为标准 接触强度算得的分度圆直径1 3 0 d 出小齿轮齿数11 3 0 . 6 9 1 . 2 5 2 4 . 5 5Z d m ， 取1 25Z 大齿轮齿数21 2 5 3 . 7 2 9 3 何尺寸计算 &