轮腿式残疾人轮椅设计【8张CAD图纸+毕业论文】【答辩优秀】
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摘 要
轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的代步工具，但障碍物却使轮椅受到很大限制。现代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。高通过性轮椅设计是采用轮腿式机器人结构，正常行驶时轮式工作，采用四轮驱动；遇到障碍时腿式工作，从而适应大多数地形；车身则采用自动导轨式调平结构，该结构简单，调节方便。本次设计的主要工作包括：确定轮椅的工作方式以及工作结构形式、主体尺寸，并确定各主要零、部件的结构尺寸及其选型。
关键词：轮椅 高通过性 轮腿式机器人
Abstract
Wheelchairs are frail elderly and the disabled limb indispensable means of transport, but the obstacles while filling the wheelchair is very restricted. As with a traditional modern wheeled structure, can only walk on flat ground, facing steps, stairs, but this is more complex terrain powerless. High-pass design is the use of a wheelchair wheel legged robot structure, normal driving wheel work, the use of four-wheel drive; encounter obstacles leg work to accommodate most of the terrain; body is leveling automatic slide-type structure, the structure is simple, easy to adjust. The design of the main tasks include: determining wheelchair work and the working structure, body size, and identify the major components and parts of the structure size and selection.
Keywords: wheelchair high adoption round legged robot
目 录
1 绪论1
1．1 研究目的1
1．2 国内外发展现状1
2 方案选择2
2．1 常见方案2
2.1.1 轮组式2
2.1.2 履带式2
2.1.3 腿式3
2.1.4复合式3
2．2 方案分析4
2.2.1 目前研究中所存在的问题4
2.2.2 方案选择4
2.3 具体方案5
2.3.1 总体方案5
2.3.2 结构分析5
2.3.3转向机构6
2.3.4 越障功能6
2.3.5 移动方式8
3 结构设计9
3.1 主要参数设计9
3.2 电机选择9
3.2.1 选择电动机的类型和结构形式9
3.2.2 行走机构电机选择计算12
3.2.3 行走机构电机功率的计算12
3.3 驱动轮系统设计12
3.3.1 总体结构12
3.3.2 驱动轮的结构设计12
3.3.3套筒(轮轴)的结构设计13
3.4 轴设计与校核14
3.4.1 总体设计14
3.4.2 轴的结构设计14
3.4.3 轴的校核14
3.5 V带设计15
3.5.1确定计算功率15
3.5.2 选择V带类型15
3.5.3确定带轮的基准直径并验算带速15
3.5.4验算带速15
3.5.5确定V带的中心距和基准长度15
3.5.6验算小带轮上的包角16
3.5.7 计算带的根数16
3.5.8 计算单根V带的初拉力的最小值16
3.5.9 计算压轴力17
3.5.10 带轮的结构设计17
3.6 车轮半径尺寸研究17
结 论19
参考文献20
致 谢21
1 绪论
1．1 研究目的
轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的代步工具，随着无障碍设施的增多，轮椅使用者的活动范围逐步加大。但障碍物却使轮椅受到很大限制，因此研发价格低廉、简单易用的可翻越障碍物的轮椅是康复工程工作者面临的一项比较紧迫的任务。现代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。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。
本次设计的题目高通过性轮椅设计，其主要原理在于四个轮子在正常运动中四轮驱动行走；而在遇到障碍的时候可以像腿一样的行走，以通过障碍物；而在车身则采用滑轨式自动调平结构。
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摘 要 轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的代步工具 ， 但 障碍物 却使轮椅受到很大限制 。现代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。高通过性轮椅设计是采用轮腿式机器人结构，正常行驶时轮式工作，采用四轮驱动；遇到障碍时腿式工作，从而适应大多数地形；车身则采用自动导轨式调平结构，该结构简单，调节方便。本次设计的主要工作包括：确定轮椅的工作方式以及工作结构形式、主体尺寸，并确定各主要零、部件的结构尺寸及其选型。 关键词 ：轮椅 高通过性 轮腿式机 器人nts Abstract Wheelchairs are frail elderly and the disabled limb indispensable means of transport, but the obstacles while filling the wheelchair is very restricted. As with a traditional modern wheeled structure, can only walk on flat ground, facing steps, stairs, but this is more complex terrain powerless. High-pass design is the use of a wheelchair wheel legged robot structure, normal driving wheel work, the use of four-wheel drive; encounter obstacles leg work to accommodate most of the terrain; body is leveling automatic slide-type structure, the structure is simple, easy to adjust. The design of the main tasks include: determining wheelchair work and the working structure, body size, and identify the major components and parts of the structure size and selection. Keywords: wheelchair high adoption round legged robot nts 目 录 1 绪论 . 1 1 1 研究目的 . 1 1 2 国内外发展现状 . 1 2 方案选择 . 2 2 1 常见方案 . 2 2.1.1 轮组式 . 2 2.1.2 履带式 . 2 2.1.3 腿式 . 3 2.1.4复合式 . 3 2 2 方案分析 . 4 2.2.1 目前研究中所存在的问题 . 4 2.2.2 方案选择 . 4 2.3 具体方案 . 5 2.3.1 总体方案 . 5 2.3.2 结构分析 . 5 2.3.3转向机构 . 6 2.3.4 越障功能 . 6 2.3.5 移动方式 . 8 3 结构设计 . 9 3.1 主要参数设计 . 9 3.2 电机选择 . 9 3.2.1 选择电动机的类型和结构形式 . 9 3.2.2 行走机构电机选择计算 . 12 3.2.3 行走机构电机功率的计算 . 12 3.3 驱动轮系统设计 . 12 3.3.1 总体结构 . 12 3.3.2 驱动轮的结构设计 . 12 3.3.3 套筒 (轮轴 )的结构设计 . 13 3.4 轴设计与校核 . 14 3.4.1 总体设计 . 14 3.4.2 轴的结构设计 . 14 3.4.3 轴的校核 . 14 3.5 V 带设计 . 15 3.5.1确定计算功率 . 15 3.5.2 选择 V带类型 . 15 3.5.3确定带轮的基准直径并验算带速 . 15 nts 3.5.4 验算带速 v . 15 3.5.5确定 V带的中心距 a 和基准长度 . 15 3.5.6验算小带轮上的包角 . 16 3.5.7 计算带的根数 . 16 3.5.8 计算单根 V带的初拉力的最小值 . 16 3.5.9 计算压轴力 . 17 3.5.10 带轮的结构设计 . 17 3.6 车轮半径尺寸研究 . 17 结 论 . 19 参考文献 . 20 致 谢 . 21 nts 1 1 绪论 1 1 研究目的 轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的代步工具 ， 随着无障碍设施的增多 ， 轮椅使用者的活动范围逐步加大 。 但 障碍物 却使轮椅受到很大限制 ， 因此研发价格低廉 、 简单易用的 可翻越障碍物的 轮椅是康复工程工作者面临的一项比较紧迫的任务 。现代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。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。 本次设计的题目高通过性轮椅设计，其主要原理在于四个轮子在正常运动中四轮驱动行走；而在遇到障碍的时候可以像腿一样的行走，以通过障碍物；而在车身则采用滑轨式自动调平结构。 1 2 国内外发展现状 国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是 1892年美国的 Bray发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。我国对此类 装置的研究虽然起步较晚，但近年来也涌现了很多这方面的专利，然而投入实际使用的还很少。 日本千叶工业大学开发出了一款全新的轮椅，这个轮椅的独特之处就是能够轻易地在不公正的地面上使用。这款轮椅配有一排感应器来探测障碍和地面变化，并能够自动进行调整。借助于四轮驱动和五轴的结构设计，该款智能机器人轮椅能够完成多种难度动作。 平常，它像普通的轮椅一样通过滚动前行，但是如果碰到台阶或者沟道的话，它的轮子就可以变得像腿一样通过障碍。使用者需要做的仅仅是通过操纵杆告诉它往什么方向移动，这个智能机器人轮椅会自动 评估周围的地形然后做出正确动作。当然如果路面不平的话，它会自动控制座椅确保它保持水平。 nts 2 2 方案选择 2 1 常见方案 2.1.1 轮组式 轮组式的特点是每个轮组依照星形轮的方式进行运动：平地行驶时，各小轮绕各自轴线自转；爬楼梯时，各小轮一起绕中心轴公转。 内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了 iBOT 的爬楼方式，采用星形轮系作为爬楼梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。改轮椅爬楼时需要人工辅助或者楼梯扶手的辅助支撑，使其能调整重心的位置，安全爬楼。 图 2-1 双联星形爬楼梯轮椅图 图 2-2 双联星形爬楼梯轮椅改进图 2.1.2 履带式 履带式爬 楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，技术较成熟，操作简单，行走时重心波动很小，对楼梯的形状、尺寸适应性强。英国 Baronmead 公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为35 度，上下楼梯速度为每分钟 15-20个台阶。法国 Topchalr 公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。 nts 3 图 2-3 履式机器人 2.1.3 腿式 早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式轮椅，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。 2.1.4复合式 现今，爬楼装置一个研究创新点是将上述的轮组、腿式、履带机构相互结合，吸取各自的优点。比较广泛的组合思路有以下两种：一是轮履、腿履复合。比如中国科学技术大学精密机械与精密仪器系 研制的一种小型全自主多种移动方式相融合的复合式越障轮椅。二是采用了轮一履复合 如图 1-6 所示和轮腿一履带复合 如图 1-7 所示等结构。设计主要是依靠腿式机构来完成越障，以及履带平稳性和轮组的灵活性来达到功能的完整。 nts 4 图 2-4 轮一履复合图 图 2-5 轮腿一履复合图 2 2 方案分析 2.2.1 目前研究中所存在的问题 履带式的缺点就是对 路面 施加的强压力，不可避免的对 障碍 沿有一定的损坏，不适合大绝大多数室内 障碍 。自重较大，平地行走时阻力较大，相对于其他结构，履带式转弯需要更大的动力，使用过程中噪声很大。这些都限制了它在日常生活中的推广，被接受程度低。 腿式爬楼装置有最好的地形适应力，但承载重量较小，具有较大危险性，且重心偏高。运动相对比较平稳，颠簸感轻微，但同时运行速度较缓。此外，该类型装置对控制的要求较高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。 复合式爬楼装置各种机构的复合也给控制方面提出了更高的要求，而且爬楼过程中的稳定性、如何适应不同尺寸的楼梯、如何实现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁等问题仍然存在。 2.2.2 方案选择 本次设计的指导思想必须满足以下几个性能： 平地、 越障 两用；平地行驶效率高，操作方 便简单； 越障 时重心波动缓和，稳定性好；不平坦地形下对系统的重心作适时调节，避免车体倾斜给使用者带来恐惧；轮椅结构尽量简单，造价低廉。 为了满足上述要求，考虑到 复 合式 具有良好的越障能力，所以本次设计采用轮腿式复合机器人结构， 正常行驶时轮式工作，采用四轮驱动；遇到障碍时腿式nts 5 工作，从而适应大多数地形；车身则采用自动导轨式调平结构，该结构简单，调节方便。 该种结构的优点有： 第一， 平顺的行驶能力。轮椅小车在平地行驶时，由于其结构上的特点， 四轮 都有 单独的电动机驱动 ，利用 轮轴系统 传递动力，使小车轮快速的前进，其 效率与普通轮式驱动车辆相同。当遇到可跨越的障碍时， 四轮 演变成 腿式机器人 形星翻 越障碍物 前进。 第二， 可靠的 越障 能力。轮椅小车 翻越障碍 时，小车轮 四轮 驱动电 动 机停止，抬腿电动机驱动抬腿以通过障碍 ， 转向时通过单独的电动机驱动 ，轮 子 不转动。这使得在 翻越障碍 过程中，小车轮不会发生滚动，使得运动方位的控制得到精确的保证。这一优点对小车 越障 控制尤其重要。 第三，对 控制方式容易实现。任意时刻轮椅 四轮同步驱动行走 ， 转向和抬腿都由单独的电动机驱动， 这样就能准确控制移动轮椅的行走状态。 第四， 由电动机调速控制器 来实现轮椅的 正常前进 、 实现转向 、 抬腿前进 三个基本运动单元。 2.3 具体方案 2.3.1 总体方案 本设计方案中的轮腿式机器人 它 是 具有足够的流动性简单的机构为目标的环境中，其作用机理是不同的从那些 其他 的移动机器人。四个车轮被安装在每一个腿尖，和腿机构是很简单的。 在此轮椅 系统有四个活动轮， 只有 五个活动 轴，而机器人可以 直接 移动 通过 一部分的水平的地形。 当遇到障碍物的时候 它 可以像一个机器人移动也走在台阶上像腿式机器人，尽管组成的 机械结构简单 。 2.3.2 结构分析 根据本次设计的要求有一下三个前提： 轮腿 机器人作为机器人的基本讨论 越障 地形合适的机制，因为这两个车轮和腿是必要的崎岖地形的机器人 ， 这类 机器人，同时具有高速和高非结构化地形的适应性 ； 提出了机器人在地面上有四个接触点。四是最小数目，以维持其稳定性当它提出了一条腿支撑它的身体其他 nts 6 三条腿 ； 连接到每个车轮的前端的一条腿，因为在很多情况下，没有足够的空间可设置的腿和车轮单独的机器人身体上。 2.3.3转向机构 对于机器人轮椅来说 方向控制机器人是必要的 ，在正常行驶的过程中，以及在越过障碍的时候，都是需要准确控制的。 对于这一点，阿克曼转向机构或机制图 1中示出的是用于转向。 图 2-6转向机构 2.3.4 越障功能 一般功能腿机制有利于示于 下 表。当所有的腿不具备多个自由度，无法实现的 转向 功能，在 下 表（图 2）。假设只有 运动 1和 2的是可以实现的，因为不一定需要功能 3腿尖位置 进行调整车轮。其结果是，使腿机制可以变得相当简单。为了实现功能 2，它至少是必要的腿顶端能够移动垂直及横向，如图 3中所示。 图 2-7：身体位置调整，而不 离开 图 2-8：腿型机器人可以选择 支持任意位置。 支承点的位移优选的是，实现两个或多个功能的一个的自由度，以避免了复杂的机制。因此，轴由在轧制控制方向，这两个函数（ ）和（ 4）来实现，作为如图 4所示。此外，（ ）及（ v），实现了由其他可驱动 的轴设置，如图 4所示。nts 7 这机制下称腿像车轴。为了四条腿（图 5）实现的功能，机器人配备与上面的前部和后部的腿状轴。 图 2-9 腿像车轴机制 图 2-10 在两个腿像轴前部和后部， 所以每腿可以提高其轮。 图 2-11 身体有可能下降，如果所有的车轮不能被驱动。 驱动和控制每个车轮独立地是由于以下原因 ：当轮椅车体 掉落在斜坡上移动时，在粗糙地形有一种可能性，如图 6中所示，如果所有的车轮还没有激活的车轮 ； 左车轮的右轮的速度是不同的，即使在粗糙地形上直线移动，最后，附着在车体 上的调整轴 。 该设计轮椅的 四个 车轮和四条腿的功能，并具有一个可控制的片的一部分，因此，它可以移动崎岖地形上的人或骑在它的水平的东西。另一方面，有四个主动车轮和其他五个主动轴。 轮腿式机器人 具有最小的自由度，除其他机器人具有相同的迁移率式样。所以，这是一个新型崎岖地形的机器人。 nts 8 2.3.5 移动方式 在下图中给出了轮腿式机器人的运动方式，以及越障过程，按照顺序给出了轮椅越过障碍，向前移动的过程图。 图 2-12 运动方式图 崎岖的地形上移动战略腿部模式每个前轮的步骤超过了一个洞。之后，每个以同样的方式在孔后轮步骤。 nts 9 3 结构设计 3.1 主要参数设计 主要尺寸 长度： 1200mm，宽度： 820mm，高度： 350mm 重量 120kg 轮圈尺寸 半径： 100mm，宽度： 30mm 电机 （直流电机） 23 W 40 W 电池 36 V 图 3-1参数数据 3.2 电机选择 3.2.1 选择电动机的类型和结构形式 因为我们的轮椅需要能够爬楼越障，所以对电机的要求就比较高。所以我们选择电动单轮车的驱动电机作为电动轮椅的电机。永磁直流无刷电机是一种典型的机电一体化电机 , 除了有普通直流电机调试性能好、调速范围宽和调速方式简单的特点外 , 还有功率因素高、转动惯量小、运行效率高等优点 , 特别是由于它不存在机械换相器与电刷 , 大大的减少了换相火花 , 机械磨损和机械噪声 , 使得它在中小功率范围内得到了更加广泛的应用 , 是电机的 主要发展方向之一。 对于永磁直流无刷电机的控制方式 , 可以分为两大类有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。典型的有位置传感器控制方式是使用霍尔传感器控制方式。无位置传感器控制方式是目前比较广泛使用且较为新颖的一类控制方式 , 包含有反电动势控制方法、磁链计算法、状态观测器法和人工神经网络控制法等。反电动势控制方法中对驱动桥和电机在外电路过流时的保护极为重要 , 对软件发生错误动作时负载的保护也提出了较高的要求 6。目前我国电动车所使用的nts 10 电机一般为直流电机，直流电动机具有运行效率高、调速性能好等优点。传统 的直流电机是有刷直流电机，但由于电刷的存在，带来了因机械摩擦而产生的噪声、火花、电磁干扰等缺点，再加上电机的制造成本高、维修困难、使用寿命短等，其使用范围受到很大影响。 目前在直流无刷电动机中常用的位置传感器种类主要有如下几种： 第一，电磁式位置传感器。电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置的，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关电路等多种类型，在 BLDCM 中用的较多的是开口变压器。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、对环境要求不高等优点，但这种传感器体积较大，信噪比较低， 同时，其输出波形为交流，一般需经整流、滤波方可使用。 第二，磁敏式位置传感器。磁敏式传感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随周围磁场变化而变化的原理制成。其基本原理是霍尔效应和磁阻效应。目前，常见的磁敏式传感器由霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻和磁敏二极管等组成。一般来说，这种器件对环境适应性很强，成本低廉。 第三，光电式位置传感器。光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电动机转子一起旋转的遮光部分和固定不动的光源等部件组成。有绝对式编码器和增量式编码器之分，增量式编码器精度很高，多用 于精密控制中，价格昂贵，且需要附加初始位置定位装置；绝对式编码器价格低廉，不需要初始定位，但精度不高，可用于一定的速度控制中。总之，光电式位置传感器性能比较稳定，体积小、重量轻，但对环境要求较高。逆变器将直流电转换成交流电向电机供电，与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。 BLDCM 由于采用自控式逆变器，电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是 BLDCM 的重要优点之一。 本次我们选用的无刷电动机型号是 24V， 600W 的电动机，蓄电池采用的就是24V能充电的干蓄电池。直流无刷电机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。在控制无刷电动机的系统中，基本框架如图 1.6所示。 nts 11 图 3-2 三相无刷直流电动机控制系统框图 电动机的类型和结构形式应根据电源种类为直流，根据工作条件以及工作方式，确定电机为直流 ZYT系列直流永磁马达。一、 ZYT系列直流马达概述 ZYT系列永磁直流马达采用铁磁体永久磁铁激磁，系封闭自冷式。作 为小功率直流马达，可在各种装置中用作驱动元件。二、使用条件海拔不超过 4000m;环境温度： -25C40C；相对湿度：小于等于 95%（ 25C） 允许温升：不超过 75K（海拔为 1000m时）三、型号说明 如： 90 ZYT 08/H1 90 表示：机座号用 55、 70、 90、 110表示其相应机座外径为 55 110mm。 ZYT表示：永磁式直流电动机 08 表示：铁芯长代号 0-49表示短铁芯产品， 51-99表示长铁芯产品， 101-149示特长铁芯产品。 H1表示：派生结构，其代号用 H1、 H2、 H3每个 机座号按用户提出 要求顺序排列功率在： 30W1.2KW 匹配直流调速器可无级调速。四、技术参数：功率：20W1200W；电压： 24V、 36V 、 48V 、 90V、 110V、 180V、 220V ；扭矩：0.050mN.m3822mN.m；转速： 1500r/min 3000r/min 6000r/min(55、 70)；安装方式： A1 底脚安装 A3 法兰安装 (6)机座外径为 (mm)： 55、 70、 90、 110、 130五、安装形式 安装机构型式 安装结构型式代号 机座号 单轴伸 双轴伸 机 壳外圆安装 A5 AA5 55-110 nts 12 图 3-3 安装机构 3.2.2 行走机构电机选择计算 高通过性轮椅最大质量为 M=160Kg。选取轮与地面的摩擦系数 f 为 O 25，机器人由四轮驱动，故每个轮承担的最大重量为 m=40kg，根据摩擦力计算公式F=fmg=0.25*40*10=100N 。力矩公式 T=FR ，代人得所需电机的转矩T=100*100=10000N mm。 3.2.3 行走机构电机功率的计算 根据公式 Pw=Fv/1000=100*1.4=140W,因此得到所需的电动机功率为 140W。 所以选择四个驱动轮电机为 150W，选用无极调速。 3.3 驱动轮系统设计 3.3.1 总体结构 电机与车体之间的连接是通过螺栓、 L 型铝材和开槽圆柱头螺钉来实现的。联接驱动轮的套筒材料选用强度和刚度较好的 45钢。该驱动系统的动力传递过程是：电机轴转动，带动与之连接的套简转动从而使驱动后轮转动，于是实现了机器人的前进。套筒与驱动轮问采用较紧的过盈配合，套筒与电机 轴配合采用较小的过盈配合。 3.3.2 驱动轮的结构设计 如图 5所示，驱动轮外因材料为橡胶。轮觳材料为尼龙 66。为减轻轮子重量，在轮上有六个均匀分布的减重孔。驱动轮的轴孔是根据电机的轴径而定的。 端盖凸缘安装 A3 AA3 55-110 底脚安装 A1 AA1 55-110 nts 13 图 3-4驱动轮结构简图 图 3-5套筒 (轮轴 )的结构简图 3.3.3 套筒 (轮轴 )的结构设计 (1)机构设计。如图所示。该轴在 T作中承受扭矩和不大的弯矩故为传动轴。由于要与电机轴相连，故做成空心轴 (套简 )。由于外联驱动轮，故做成光轴。套筒与电机轴用 M3的 标准圆柱销联接套筒上开一 3mm销孔。套筒的长度主要取决于后轮的宽度及电机轴的长度，计算为 32mm。套筒上销孔与筒端的距离取为 6mm。 (2)强度校核。行走机构属于重要的部件。套简要承受一定的载荷，故选用 45号钢。该轴主要承受扭矩及不大的弯矩，故按扭矩来计算轴的强度。 图 3-6 电机固定板结构图 图 3-7 固定板结构简图 (3)电机 固 定板结构设计。如图 7所示。我们将驱动轮电机固定板加 I：成 L形。电机同定板材料选用 LYl2，尺寸据电机的尺寸而定。电机与同定板 的联接使用 3个 M3的标准螺钉。同定板与底盘的联接使用 3个 M6的六角头螺栓，分布如左图。 nts 14 3.4 轴设计与校核 3.4.1 总体设计 本次设计的电动轮椅中共有两根轴，材料均为 45号钢，调质处理 HBS300250 ， 45号钢的 6 0 0 M P ab ，其屈服极限为 3 5 5 M P as ，对塑性材料有：弯曲 2.11 F ，扭转 0 .5 0 .6 ，挤压 1 .5 2 .5 p ，剪切 0 .6 0 .8 j 。因 45号钢许用拉应力为 355 1 7 7 . 5 M P a2sn ， n为安全系数，对塑性材料通常取 2.25.1 ，故 1 7 8 M P a ， 90M Pa 。 其设计如下： 轴的扭转强度条件为： 395500000 . 2TTTPT nWd 则有： 3 nPAd ，取25A，则mmd 25.2105.1 6.025 3 ，取与轮配合的轴径为 mmk 20。 3.4.2 轴的结构设计 根据轴的直径选择相应的键，从而确定键槽尺寸 ,此轴中间一段只要一般的粗糙度即可，而两端与轴承配合的轴要保证相当的精度，其余的保证普通精度即可。 3.4.3 轴的校核 此轴主要受扭矩作用，所以只要对 轴进行扭转应力强度校核即可，查阅参考文献可知校核公式为： PWT。 轴的两端为危险截面，应对它进行扭应力强度较核： m axm ax PWTnts 15 式中： KNnpT 457.505.1 6.095509550m a x ； 33 0 0 0 1 5 8.016 mdW p 。 代入数据可得： M P aM P aWTp90476.3000158.0 457.5m a xm a x 。 由此可知强度符合要求，设计合理。 3.5 V 带设计 3.5.1确定计算功率 由机械设计表 8-7查得工作情况系数2.1AK，故kwPKP Aca 576.048.02.1 3.5.2 选择 V 带类型 根据 caP ， 1n =970r/min， 由机械设计图 8-11可知，选用 B型带 3.5.3确定带轮的基准直径并验算带速 初选小带轮基准直径 1dd ,查表 8-6 1dd minad =60mm 大带轮直径 1dd / 2dd = 1/2 nn ，得出 2dd =60mm 3.5.4 验算带速 v smndv d 10100 060 100 060100 060 11 因为 smvsm 255 ，故带速合适。 3.5.5确定 V 带的中心距 a 和基准长度 (1)由式 )(2)(7.0 2121 0 dddd ddadd 得 450200 0 a，取mm2300 nts 16 (2)计算带所需的基准长度 dL mma ddddaL ddddd 94.5 404 )()(22020 12210 由机械设计表 8-2选取 V带基准长度mmLd 550(3)计算实际中心距 a mmLLaa dd 5502 00 mmLaa d 55003.0m ax mmL d 550015.in 3.5.6验算小带轮上的包角 1201573.57)(180121 add dd 3.5.7 计算带的根数 查机械设计表 8-5得 K （ 0.95-0.93） （ 156.83-155） /(160-155)+0.93=0.94 查表 8-2得 07.1LK 查表 8-4a,8-4b得 oP （ 3.17-2.66） （ 970-950） /(1200-950)+2.66=0.580KW kwKKPPP Lr 6.0)( 00 38.2rcaPPz取 3根 V带。 3.5.8 计算单根 V带的初拉力的最小值 由机械设计表 8-3得 A型带的单位长度质量 mkgq 18.0 ，所以 NqvzvK PKF ca 09.118)5.2(500)( 2m in0 nts 17 应使带的实际初拉力 min00 )(FF 。 3.5.9 计算压轴力 压轴力的最小值为 1 =156.83 NFzF p 42.1872sin)(2)( 1m in0m in 3.5.10 带轮的结构设计 因为带轮直径较小故采用实心式，取带轮宽为 30mm。 3.6 车轮半径尺寸研究 图 3-8车轮半径 尺寸的车轮半径 R是凸在单轮模式 如图 2，腿的运动模式在 2步中，当移动 时 所示，后面 的步骤获得关注。开始时，我觉得最低值。车轮半径小移动在腿部模式轮心理的优点是在接触工序在该过程中，它能够降低摆动的步 伐。级摆动 8， R1（图步幅车轮半径或以骑差异，和 R2）是必需的。所需的步幅在车轮半径的差异但我示于 左 图的变化如何。步幅实现由移动转向轴调整，但文学硬脂酸更多所需的操作量的运作调整轴的静态稳定性影响的脚的模式，如尽可能小然而，凹凸轮模式到一个较小的车轮半径地面移动性降低。我这里的凸块我觉得从车轮扭矩眼睛所需的最小尺寸的车轮。 轮椅 是凸的，和前轮车轮模式移动至 下 图中的 第一 块接触时， 轮 的状态。在这个时候，四轮驱动的轮驱动力的后轮和前轮的驱动力 Ffront frear，因为它是一个动态我可以利用。但是，在另一方面，前 ，后，显示在图 中 条在某些情况下，两个轮子是在同一时间在与凸块接触。在这种情况下，例如登高凸块只驱动力各车轮应。因此，这是在与凸块接触确定的最低值的R比一个车轮的驱动力。接触的凸块图 10是前轮的驱动扭矩我告诉你是怎么。在这里，nts 18 前车轮转矩发生力施加重量 GF 几个阶段，到前轮，从步骤接点 G N 的角度 W 的，和 N， Hbump高度凸块，汽车我和车轮半径为 R由它自己的前轮的前轮驱动转矩我把电源 Ffront切线。一个 3 Ffront， N，和 G下列等式成立的权力平衡。 Ffront = GsinW N= GCOSW 此外，下式成立时前轮最多的凸块。 Ffront =N 为静摩擦系数，是小于的最大静摩擦系数 max 。台阶高度是确定上述 当你强迫的输出范围内 Ffront。如混凝土或沥青和汽车轮胎的一般道路表面的静摩擦系数 的这是说， 0.6至约 0.8。 a 有障碍的路上 b 图 3-9车轮静模型 在 Ffront=0.6N下， W= 31 ，当公式 = 0.6 新局面。此时，关系 R 和 Hbump之间的它可表示为。换句话说，没有另一车轮模式的车轮的驱动力，使每个车轮爬升 Hbump将大约七分之一的 R。上 式中的 R或更多，这是必要的，如果你想移动至图的情况下，即使在凸块 Hbump。如果一个单一的， Hbump你正在努力去表达当然使用其他的车轮的驱动力，如图这是可能的爬上凸部（ 4个）以上。有关以上车轮的尺寸的结论 7HbumpR 它是在下面，所以 需要更少的比最大步长的腿模式 R.，取值范围为 （迈开腿模式的最大 距离 ） R nts 19 结 论 一个好的设计需要注意到方方面面，稍微的马虎就能给整个设计带来不必要的麻烦，而要成为一个好的设计师就要充分考虑到设计过程中可能遇到的诸多问题，养成良好的设计习惯，积累更多的设计经验，对于设计工作都是相当重要的。经过几个月的毕业设计，尽管设计之中有许多的缺点和不足，甚至出现了不应该有的错误，但是都是通过自 己认真设计下来的，对于每一个问题体会会相当的深刻。 随着毕业设计接近尾声，大学学习和生活也即将结束，收获颇多，感受颇多，也希望自己在将来的设计道路上走的更好，不枉大学四年的学习和老师的教导。 通过此次设计，发现自己在设计过程中存在许多缺点与不足。例如：灵感思维欠缺，产品创新思维未能很好的表达，对于细节的把握不够准确，个别方案的结构并不是十分合理，自己所设计出的产品相比于现有产品并没有太大突破；对产品的生产工艺、加工方式、结构细节等方面的了解不够，缺乏足够的技
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