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XXXXX毕毕 业业 设设 计计设计题目: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 年年 04 月月 24 日日一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计I摘 要老龄化社会的压力越来越大。项目对社会老龄化和老年人的照顾更多的妇女没有电梯的建筑，楼梯的功能和设计的电动轮椅，从而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，通过结构和工作原理电动轮椅的楼梯，在分析的基础上，对整个结构的主要技术参数；并选择，然后对主要零部件进行设计和控制，最终实现AutoCAD图纸；通过软件实现对电动轮椅上的装配图和主要零件的设计过程，包括数据的计算，如发动机的传动设计，购买选择，环境保护方面的应用，系统的发展。 通过设计和大学知识的巩固，如机械工程，力学，机械原理，机械公差和互换性理论，掌握常用的机械设计CAD软件，可以为今后的工作和生活中有着重要的意义。关键词：电动；爬楼；轮椅；行星轮一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计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 一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计III目 录摘摘 要要 .IAbstract .II第第 1 章章 绪绪 论论.11.1 课题的研究背景及意义.11.2 国内外研究现状.11.2.1 履带式.11.2.2 星轮式.21.2.3 腿足式.21.2.4 复合式.3第第 2 章章 总总体体方方案案设设计计 .52.1 总体类型选择.52.1.1 设计要求.52.1.2 类型选择.52.2 总体结构设计.62.3 行星轮机构设计.72.3.1 行星轮总体结构概述.72.3.2 行星轮架的中心距.72.3.3 小轮半径 r 的范围值 .8第第 3 章章 驱驱动动机机构构设设计计 .103.1 动力系统参数选择.103.2 驱动电机选择.103.2.1 驱动电机的类型选择.103.2.2 选择驱动电机的功率.103.3 蓄电池选择.123.4 计算传动装置的运动和动力参数.133.4.1 各轴转速.133.4.2 各轴输入功率.133.4.3 各轴转矩.13一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计IV第第 4 章章 主主要要零零件件设设计计计计算算 .144.1 齿轮传动设计.144.1.1 传动比计算.144.1.2 齿轮模数与齿数计算.144.1.3 载荷系数计算.164.1.4 几何尺寸计算.184.2 链传动设计.184.2.1 链传动设计计算.194.2.2 链轮结构尺寸设计.214.3 轴及附件设计.214.3.1 计算各轴的强度.214.3.2 轴的结构设计.224.3.3 轴的强度校核.23结结 论论 .25参参考考文文献献 .26致致 谢谢 .27一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计1第 1 章 绪 论1.1 课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三星轮、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。1.2 国内外研究现状楼梯装置的研究有着悠久的历史，在 19 世纪 90 年代，已经证明了这种专利。此后，美国、英国、日本和德国等发达国家的冲击开始在这一领域的发展，通过不断努力，但也取得了一些成绩。但是，由于起步较早，他们在这方面的技术比较成熟，有这些产品的现有产品，但仍有许多错误，还没有一个这样的设备在中国开始研究，近年来也取得了一些成绩，但距离成熟的产品还有很长的路要走。 现有的爬楼梯爬楼装置不同，分为履带式，星形轮、腿、脚和复合楼梯装置有自己的优势，但也存在一些缺陷。1.2.1 履带式履带式爬楼梯装置的广泛应用，其原理很简单，有几个成熟的产品出现。在法国相对众所周知，公司开发的龙虾 4218 型） ，如图 8 1.2.1a 结构有关的地面和楼梯的电动轮椅机构运动综合的和平机制，后轮驱动，履带，履带式爬楼梯机制下降，在某个角度和爬楼梯轮椅乘客可以调整，所以仍然在一个相对舒适的状态。一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计2 （a)法国悍马-H8 （b) T09-ROBY 图 1.2.1 履带式爬楼装置履带式爬楼梯机制，如良好的牵引力和持续向上和向下，重心稳定，安全可靠，但其尺寸，重量和噪音也越大。1.2.2 星轮式运输轮的当地组织中最大的外国爬楼梯装置的设计，通常也在车轮机构。轮椅和电动轮椅也通常采用轮机构机制，体积小，结构简单，易于控制，运行稳定、快速、有工作效率高，而且由于不同的驱动，如果要转弯，转弯半径很小，这种轻微的旋转圆柱轮体，轮机构一般经常在脚上具有很大的优势，但是，恶劣的道路条件，如在坚硬的路面状况，楼梯，普通机构不能达到用户的要求。 车轮机构想和其他干扰的步骤，其中一个必要条件是车轮半径至少大于台阶高度，必须在大门口的能量和稳定的过程，影响较大；楼梯的宽度是有限的，如果只轮车，并导致半径增加轮椅在楼梯上没有支撑点，这是目前使用的常规轮椅后轮不到楼梯功能的主要原因。1.2.3 腿足式腿和脚的主要特点是运动型轮椅爬楼梯的楼梯是一个不连续的脚和腿的方法完成。最早爬楼梯装置的非连续的方式。在 1890 年发明了爬楼梯轮椅嘶叫不断。在爬楼梯的过程，在一系列的两个支持支持另一种轨迹上升，降落，翻译，一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计3类似于人的两条腿，在腿和脚爬楼梯。事实上在楼梯爬楼装置模仿人类的动作。 （a） iFoot (b) WL-16RII图 1.2.3 腿足式爬楼装置1.2.4 复合式鉴于星形轮，履带，腿和脚像设备的优缺点，在研究过程中，有一些其他的例子，英国爬楼梯轮椅这种类型，这是一个典型的例子，如图 1（a）显示，不仅成熟的理论和实践中的实验，但只有在楼梯，地板本身的适应性，仍然远离完美。约 8 万元的费用让大多数人难以承受。但复合复杂的机构和结构的设计，分析和控制，是十分复杂的。 （a）Stairmatic （b) ShrimpRobot图 1.2.4 复合式爬楼梯装置综上所述，国内外楼梯装置主体，具有悠久的历史，结果是更多的出生，许多专利和产品，但它是昂贵的，或复杂的结构总是有这样或那样的缺陷。针对老年人、残疾人的活动，结构紧凑，质量适中，安全可靠，使用方便，价格为轮椅在楼梯上，必要的程序，在轮椅的一个主要功能的前提下，平底，所以一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计4爬装置在平坦的土地使用功能应做到最好。可以看到，虽然已经研究了装置的楼梯一些的成就，但是距离理想的产品诞生了，还有很长的路要走。第 2 章 总体方案设计2.1 总体类型选择2.1.1 设计要求设计要求如下：（1）爬楼轮椅有效负重=60Kg；（2）有安全保护设计；（3）适合中国标准楼梯。根根据目前的研究状况，爬楼梯装置，分析了其优缺点，考虑到不同的机构，结构，成本，安全和其他重要因素的基础上，对电动轮椅爬楼梯。爬楼梯轮椅的设计条件是最基本的要求，所以尽可能的步骤，结构简单，适应性强，安全，价格合理。具体要做到以下几点： （1）爬楼梯，克服障碍，可作为电动轮椅的和平。 爬楼梯（2）重心波动较小，具有良好的稳定性和可靠性。 （3）为电动轮椅，电动轮椅 gb1299691 GB 技术参数标准。 （4）轮椅向上和向下与我们的日常习惯，避免向后，向上为用户带来的不便向上和向下移动，并确保安全。2.1.2 类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 2-1表 2-1 典型爬楼机构优缺点对照表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一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计5通过比较的优点和缺点，不同的机构更多的攀登、越障机构的星形轮具有结构简单，成本低，易于布置和驱动链轮的，所以这个问题的机构。 考虑到国情和消费者购买力在三层楼梯，机构的性能和比较分析的要求，开发了基于轮椅的楼梯是一个功能的满足，而且安全可靠，操作简单，通用性强，价格适中的行星三星轮楼梯的轮椅。2.2 总体结构设计轮椅的总体设计如图 2-2 所示，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 2-2 总体方案简图（1）主题：一个障碍的机制，机制的恒星，行星和行星是由左、右对称安装，使革命的自传和冲积土和转换障碍，成功的道路。通过齿轮行星之间的渡轮，每一组行星轮安装在侧，通过一个电磁离合器电磁离合器的通断来控制行一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计6星齿轮旋转。 （2）图片：图片是基于整个轮椅轮椅后，应与总布置的要求开发的，还应具有足够的强度和刚度，以确保轮椅可以很容易地通过各种复杂路面，质量要尽可能小，越接近地面，使轮椅在重力的影响下，提高汽车的行驶平顺性为轮椅使用者。 （3） 、总部：总部支持轮椅的人起作用，操作方便和舒适性，所以设计应满足用户的要求 （4）：发动机驱动齿轮，链条和传动的发动机相结合，可以有效的行星结构的轮椅运动。 （5）转向机构设计：鉴于数轮或后轮与前轮转向，如果直接在六轮，然后在地板上，同时，六轮所需的力，造成很大的困难，为了解决这个问题，我独自坐在轮椅上的方向盘和前设计包括机械传动在平地上，用户可以很容易地通过控制传输时，在方向盘上，克服障碍，轮椅依赖，防止增加电机驱动车轮，车轮的轮椅。2.3 行星轮机构设计2.3.1 行星轮总体结构概述结构轮驱动车轮组机构。在“数量少，结构简单，但更多的轮椅车轮旋转扭矩波动也大，稳定性差，但随着数量的轮椅重心降低，波动，但整个轮组结构变得越来越复杂。因此，一个小轮子的轮椅前轮后面的一组三个机构，展开一轮组构成。一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计7图 2-3 行星轮机构图2.3.2 行星轮架的中心距由建筑楼梯数协调标准 GBJ101-87 知：经过测量楼梯的台阶长度高度在a=140mm-210mm 之间，在 220mm-320mm 之间，计算楼梯的台阶角度在 3235之间。图 2-3-1这种分析知道，R 值的范围（110180） ，应大，但大和体积大小的影响，综合设计，所以设计一点 r150mm。2.3.3 小轮半径 r 的范围值一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计8 R 值的范围（47.79195） ，R 值越大，速度，以便土壤，但大不利于行星轮半径，结构紧凑，重量轻的机构类型，因此我们的 R = 105mm.指出，上面分析的 R 值不固定的框架，只有在其价值的可能。一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计9第 3 章 驱动机构设计3.1 动力系统参数选择轮椅动力系统的设计，必须结合不同的轮椅在爬楼梯上下，分析了各种道路需要提供足够的动力的轮椅，电动轮椅 gb12996 91 根据标准，主要技术性能表的规定：表 3-1 电动轮椅国家标准轮椅上的运行，以确定技术规格：最大速度 7.2km 平底h，最大速度为每分钟 20 步爬楼梯轮椅。四块电池，每个电池为 20Ah，航程 40 公里以上。3.2 驱动电机选择3.2.1 驱动电机的类型选择轮椅驱动方式的选择，一般的电池能量，一个可选的电机，步进电机，直流电机，无刷直流电机或驱动。 步进电机是电脉冲信号或位移中心线位移驱动控制的步骤，以一个固定的角度，可以准确定位的速度和转矩，惯性，影响频率高，但能量大、速度低、振动和噪声的陪同下，不利于轮椅的稳定性和继承直流直流电流的电子电路的优点，克服了传统直流电机的机械装置的弊端，具有无噪声、维护、可靠性高选择 48V 无刷直流电机为轮椅推进。3.2.2 选择驱动电机的功率平底的轮椅的楼梯和两个不同的国家不同的状态，根据不同的需求，驱动电机功率的计算，这两个国家的需要，然后选择驱动电机的额定功率。轮椅重量公斤，最大承载能力的最大总重量 600 公斤，100 公斤的轮椅车，总重量前一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计10面和后轮或前后轮之间的联合通过总质量的 40%和 60%，轮胎与路面间的静摩擦系数为 0.71。（1） 平地所需功率一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计11（2） 轮椅爬楼时，由于速度较小，忽略空气阻力和加速阻力，只有滚动阻力和坡度阻力，所以轮椅行驶方程式可以表示为：cosGfFfsinGFt，其中 为坡度角。总sincosGGfFFFtf该表显示，良好的沥青和混凝土路面的滚动阻力系数 f 值一般 0.010-一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计120.018 沥青和沥青混凝土，通常为 0.018-0.020.in 我们远离滚动 0.018，爬楼梯，因为楼梯是大多数混凝土或大理石的系数，所以我们的角色，因为在0.020。道路阻力 0，所以 总之，以轮椅爬楼梯的障碍有足够的驱动力和驱动电机，必须大于0.13kw，和一定程度的剩余。M4：DG 和 dyw60B 型一般，考虑到经济性和实用性，选择 DG-1 的 M4 是合适的。主要参数如下表：表 3.1型号额定功率额定转速额定负载长宽高DG-M4144w120rmin3.39N.m305mm125mm123mm3.3 蓄电池选择48V 的电池作为电源和轮椅满足平坦的地面和楼梯跑。为了选择最便宜的电池，通常是电池的容量，电压，尺寸，重量，成本和价格等多方面考虑，市场上一般有四个：铅酸电池，氢电池电池，镍锌电池和锂离子电池、镍锌电池和锂离子电池使用性能和寿命，但价格昂贵，一般比铅的 4.5 倍铅酸电池的成本，在成本低，具有悠久的历史，改进的相对成熟，铅蓄电池厂的可靠、稳定、方便、广泛。因此，轮椅，免维护铅酸电池作为供电方式的选择。3.4 计算传动装置的运动和动力参数3.4.1 各轴转速一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计13电动机轴为 O 轴，与链传动的高速轴为 I 轴，齿轮之间的传动低速轴为 II轴。各轴转速为n0=nm=120r/minni=n0/i1=120/2=60nII =nI/I2=60/3=30r/min3.4.2 各轴输入功率按电动机额定功率 Ped 计算各轴输入功率，即P0=Ped=144WP= P01=1440.94=135.36W0.135KWP= P3=135.360.96=130W=0.13KW3.4.3 各轴转矩T0=95500.144/120=11.46N.mmTI=95500.135/60=21.49N.mmT=95500.13/20=62.08N.mm将以上数据整理如下表第 4 章 主要零件设计计算4.1 齿轮传动设计4.1.1 传动比计算一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计14 4.1.2 齿轮模数与齿数计算一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计15 213123312.321.3 5 103.72 1189.82.320.63.72533.527.9tEtK TZndduHmm 计算圆周速度 v1127.9 2300.33660 100060 1000td nvm s计算齿宽 b10.6 27.916.74tbd dmm计算齿宽与齿高之比 b/h模数 1127.9 221.268ttmdZmm齿高 2.252.853hmtmm 16.74 2.8535.87b h 4.1.3 载荷系数计算（1）根据, 7 级精度，查得动载系数0.336vm s1.07vK 直齿轮，假设100AtK F bN mm一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计16 1130.69 221.395mdZmm（2)按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公式为 13212FaSaY YKTmdZFs=1.3一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计175 则 1122120.865 500320.371.350.895 380251.931.35NFENFEKFFMPasKFFMPas（1）计算载荷系数 k AVFFKK K KK 1 1.07 1.2 1.2731.635 由 ， 查得齿形系数及应力校正系数12.2Z 282Z ，12.72FaY11.57SaY22.216FaY21.771SaY（2）计算大小齿轮的 并加以比较FaSaY YF 322 1.635 50000.015580.6 22m 0.957 1122122.72 1.570.01333320.372.216 1.7710.01558251.93FaSaFaSaY YFYYF4.1.4 几何尺寸计算（1） 计算分度圆直径一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计18 112225 1.2531.2593 1.25116.25dZ mmmdZ mmm 中心距 12131.25 116.25273.752addmm 齿轮宽度 10.6 31.2518.75bddmm 取 1220,22Bmm Bmm（2） 验算 1122 500032031.25tTFNd 合适1 32017.06710018.75AtK FN mmN mmb 齿轮 1.2 121225,9320,22ZZBB1.25m 4.2 链传动设计从带中心在大轴的长度，以不同的中心距；带具有良好的成形性和冲击和振动作用，少开车太慢了，如果这过载时打滑，防止损坏其他零件，起过载保护作用，结构简单，制造装配和维修的成本。但是，转移规模大，结构不紧凑，在轴和皮带轮之间的压力和弹性滑动和滑动，不能提供准确的传输效率低，寿命短，需要张紧装置。 非弹性链滑，确保准确的传输，如轴电压，负荷小，结构紧凑，传动可靠，传动效率高，其力；能在高温、潮湿、灰尘和污垢的恶劣传动链是不适合的负荷大，速度快。 ”易磨损的齿链，降低的现象。 根据条件的需要三个方面：一轴，向上和向下的负荷小，使轴的工作寿命；第二，效率高，所以，在向上和向下，在保证安全的过程也可以坐轮椅的人往上拉，三星在枕头上，使安装空间与封闭的链轮链条的使用寿命当不能匹配。4.2.1 链传动设计计算（1）确定链轮齿数 Z1、Z2:一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计19因传动比 i=2，查表 12-6 选取 Z1=27则 Z2=iZ1=27X2=54（2）链轮转速:一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计20=283.92mm（9）实际中心距 a:（12）链条标记:05B-1x1124.2.2 链轮结构尺寸设计一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计21（6）链轮公差:根直径公差为 H11；齿顶圆直径齿坯公差 H11；孔径公差公差 H8，齿宽为14 小时；根圈径向跳动大链轮链 10。类为 11 度，根界不小的链轮结束 10。类，大链轮 11。4.3 轴及附件设计4.3.1 计算各轴的强度（1）后轴的计算初选空心轴内外之比 0.75v 则可查表得 431 11.13v115A 一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计22则 30.81151.1330.5161.8dmm考虑到轴需要加键，需将其轴径增加 4%5%故大锥直径取 35dmm4.3.2 轴的结构设计 38Z 153.8dmm15.875P 节距 0.8Pkw88PL 1397Lmm0.62vm s有效圆周力eF0.81000100012900.62ePFNv离心力引起的拉力2cFqv q单位长度链条的质量kg mvm s键速查表得0.60q 则 20.60 0.490.144cFN链传动的压轴力 PFPeFKFFPK压轴力系数对于水平传动 1.15FPK则 1.151.15 12901483.5PeFFN求支反力 12131483.56802163.5NHNHPtFFFFN一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计23 1212550NVNVFFGN4.3.3 轴的强度校核根据轴的结构尺寸及弯矩图，转矩图，截面 C 处弯矩最大 239.83cMN m安全系数校核计算弯曲应力幅为caMWW 抗弯断面系数340.11Wdv 340.1 35 1 0.75 31356.59mm9239.831761356.59 10aMPa由于是对称循环弯曲应力，故平均应力 0m由 式 1amSK 2700.4742.62820.88 0.92S一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计24结 论设计学院是由过去的知识，锻炼了我们的综合利用能力，独立思考，独立解决工程实际问题的能力，比能力，从课本上的理论知识在实践中的变化。 玉米收获机的创新特点是刀片安装在一个外壳两端焊接在叶片损坏或断轴的拆装，减少工作量，节约成本，经济。 在这之前，虽然经过四年的学习，学到了很多，但没有机会，这些东西和掌握。通过这次实践，我了解到有一个全面的机械设计、结构设计、计算和综合能力的训练和提高，我的机器产生了更加浓厚的兴趣，更坚定了我在机械行业中的信仰。在设计阶段，的网站上下载的，我去了图书馆，许多相关文献，了解玉米收获我的报告，然后开始打开，转让和文学。在总体结构规划，我遇到了许多困难，经过多次修改数据，总体方案确定之前，得到了我的指导老师，我觉得从与老师的沟通过程中，我可以学到很多东西，老师可以从不同的角度启发了我，给了我很多的帮助，支持和指导。在此期间，我的设计，符合玉米收获机的设计，但也因为我的知识有限，没有实际经验，设计中存在的缺陷，如果教师对学生的批评和建议，使他们及时纠正我知道整个项目还没有结束，因为我们需要的答案，也和教师意见调查恩，我可以设计终于结束了。所以，我要继续努力，准备答辩论文，认真，仔细的检查我的完美，我的大学，画一个完美的结局。一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计25参考文献1 苏和平，王人成，爬楼梯轮椅的研究发展J.中过康复医学杂志，2005.20 （5）：366-367. 2 项海筹，乌兰木其，张济川，手动爬楼梯轮椅J.中国康复医学，1999,9 （2）:62-66. 3 蔡春源，新编机械设计手册. 辽宁科学技术出版社.1993.4 陈卓君，徐宝信，杨文通，丁津原, 摩擦学试验方法的研究及发展J.机械 设计与制造，1999,(6):62-63.5 吴宗择罗圣国，机械设计课程设计手册，北京：高等教育出版社，1999.66 孙桓，陈作模，葛文杰，机械原理，北京：高等教育出版社，2006.57 濮良贵，纪名刚，机械设计，高等教育出版社，20058 周志雄孙宗禹. 机械设计制造及自动化英语教程. 湖南大学出版 社.2000. 9 原魁智能轮椅的研究现状与趋势J中国医疗器械信息，2009，15（1）： 32-33 10 孟祥雨，一种星轮式爬楼梯电动轮椅设计与研究，长春工业大学硕士生论 文，2012.3；11 王丽娟行星滚轮转换步行式驱动爬楼梯轮椅设计，苏州大学硕士生论文， 2010.4 12 苏和平，王人成一种双联星形轮机构电动爬楼梯轮椅的设计J中国临床 康复，2005，13 白聿钦，侯守明，莫亚林， 工程图学 ，中国电力出版社，200714 孔庆华，母福生，刘传绍， 极限配合与测量技术基础 ，统计大学出版社（第二版） ，200115Dan Ding ; Cooper, R.A.Electric powered wheelchairsJ.Control Systems, IEEE, 2005,Volume:25,Issue: 2,22 - 34.一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计26致 谢四年的大学生活结束后，他的设计是一个重要的高等教育的关键，可以顺利的毕业设计不能没有我的老师和同学们的帮助。 首先，我感谢老师对我们的设计工作中，负责任的，他让我很他对待学生有耐心，友好，为学生解决困难的设计，我们的设计思路，顺利进行。在整个发展过程中，给予我精心的指导和帮助，设计我们的努力工作，花大量的时间和精力。如果没有老师的帮助不是设计的性能，对他表示诚挚的敬意和感谢。 通过这次设计，我意识到一个问题首先应该独立思考和解决问题，并在这个过程中也曾经了解一些做人的道理。在此表示衷心的感谢。也感谢在设计的同学和老师，帮助过我的人。 最后，感谢我的同学，朋友，我们的生活中共同进步，感谢四年的大学四年，我所有的关心和帮助。一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计PAGE IXXXXX毕 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 日一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计PAGE 摘 要老龄化社会的压力越来越大。项目对社会老龄化和老年人的照顾更多的妇女没有电梯的建筑，楼梯的功能和设计的电动轮椅，从而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，通过结构和工作原理电动轮椅的楼梯，在分析的基础上，对整个结构的主要技术参数；并选择，然后对主要零部件进行设计和控制，最终实现AutoCAD图纸；通过软件实现对电动轮椅上的装配图和主要零件的设计过程，包括数据的计算，如发动机的传动设计，购买选择，环境保护方面的应用，系统的发展。 通过设计和大学知识的巩固，如机械工程，力学，机械原理，机械公差和互换性理论，掌握常用的机械设计CAD软件，可以为今后的工作和生活中有着重要的意义。关键词：电动；爬楼；轮椅；行星轮AbstractWith 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 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc450875563 摘 要 PAGEREF _Toc450875563 h I HYPERLINK l _Toc450875564 Abstract PAGEREF _Toc450875564 h II HYPERLINK l _Toc450875565 第1章 绪 论 PAGEREF _Toc450875565 h 1 HYPERLINK l _Toc450875566 1.1课题的研究背景及意义 PAGEREF _Toc450875566 h 1 HYPERLINK l _Toc450875567 1.2国内外研究现状 PAGEREF _Toc450875567 h 1 HYPERLINK l _Toc450875568 1.2.1履带式 PAGEREF _Toc450875568 h 1 HYPERLINK l _Toc450875569 1.2.2星轮式 PAGEREF _Toc450875569 h 2 HYPERLINK l _Toc450875570 1.2.3腿足式 PAGEREF _Toc450875570 h 2 HYPERLINK l _Toc450875571 1.2.4复合式 PAGEREF _Toc450875571 h 3 HYPERLINK l _Toc450875572 第2章 总体方案设计 PAGEREF _Toc450875572 h 5 HYPERLINK l _Toc450875573 2.1总体类型选择 PAGEREF _Toc450875573 h 5 HYPERLINK l _Toc450875574 2.1.1设计要求 PAGEREF _Toc450875574 h 5 HYPERLINK l _Toc450875575 2.1.2类型选择 PAGEREF _Toc450875575 h 5 HYPERLINK l _Toc450875576 2.2 总体结构设计 PAGEREF _Toc450875576 h 6 HYPERLINK l _Toc450875577 2.3行星轮机构设计 PAGEREF _Toc450875577 h 7 HYPERLINK l _Toc450875578 2.3.1行星轮总体结构概述 PAGEREF _Toc450875578 h 7 HYPERLINK l _Toc450875579 2.3.2行星轮架的中心距 PAGEREF _Toc450875579 h 7 HYPERLINK l _Toc450875580 2.3.3小轮半径r的范围值 PAGEREF _Toc450875580 h 8 HYPERLINK l _Toc450875581 第3章 驱动机构设计 PAGEREF _Toc450875581 h 10 HYPERLINK l _Toc450875582 3.1动力系统参数选择 PAGEREF _Toc450875582 h 10 HYPERLINK l _Toc450875583 3.2驱动电机选择 PAGEREF _Toc450875583 h 10 HYPERLINK l _Toc450875584 3.2.1驱动电机的类型选择 PAGEREF _Toc450875584 h 10 HYPERLINK l _Toc450875585 3.2.2选择驱动电机的功率 PAGEREF _Toc450875585 h 10 HYPERLINK l _Toc450875586 3.3蓄电池选择 PAGEREF _Toc450875586 h 12 HYPERLINK l _Toc450875587 3.4计算传动装置的运动和动力参数 PAGEREF _Toc450875587 h 13 HYPERLINK l _Toc450875588 3.4.1各轴转速 PAGEREF _Toc450875588 h 13 HYPERLINK l _Toc450875589 3.4.2各轴输入功率 PAGEREF _Toc450875589 h 13 HYPERLINK l _Toc450875590 3.4.3各轴转矩 PAGEREF _Toc450875590 h 13 HYPERLINK l _Toc450875591 第4章 主要零件设计计算 PAGEREF _Toc450875591 h 14 HYPERLINK l _Toc450875592 4.1齿轮传动设计 PAGEREF _Toc450875592 h 14 HYPERLINK l _Toc450875593 4.1.1传动比计算 PAGEREF _Toc450875593 h 14 HYPERLINK l _Toc450875594 4.1.2齿轮模数与齿数计算 PAGEREF _Toc450875594 h 14 HYPERLINK l _Toc450875595 4.1.3载荷系数计算 PAGEREF _Toc450875595 h 16 HYPERLINK l _Toc450875596 4.1.4几何尺寸计算 PAGEREF _Toc450875596 h 18 HYPERLINK l _Toc450875597 4.2 链传动设计 PAGEREF _Toc450875597 h 18 HYPERLINK l _Toc450875598 4.2.1链传动设计计算 PAGEREF _Toc450875598 h 19 HYPERLINK l _Toc450875599 4.2.2链轮结构尺寸设计 PAGEREF _Toc450875599 h 21 HYPERLINK l _Toc450875600 4.3轴及附件设计 PAGEREF _Toc450875600 h 21 HYPERLINK l _Toc450875601 4.3.1计算各轴的强度 PAGEREF _Toc450875601 h 21 HYPERLINK l _Toc450875602 4.3.2轴的结构设计 PAGEREF _Toc450875602 h 22 HYPERLINK l _Toc450875603 4.3.3轴的强度校核 PAGEREF _Toc450875603 h 23 HYPERLINK l _Toc450875604 结 论 PAGEREF _Toc450875604 h 25 HYPERLINK l _Toc450875605 参考文献 PAGEREF _Toc450875605 h 26 HYPERLINK l _Toc450875606 致 谢 PAGEREF _Toc450875606 h 27第1章 绪 论1.1课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三星轮、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。1.2国内外研究现状楼梯装置的研究有着悠久的历史，在19世纪90年代，已经证明了这种专利。此后，美国、英国、日本和德国等发达国家的冲击开始在这一领域的发展，通过不断努力，但也取得了一些成绩。但是，由于起步较早，他们在这方面的技术比较成熟，有这些产品的现有产品，但仍有许多错误，还没有一个这样的设备在中国开始研究，近年来也取得了一些成绩，但距离成熟的产品还有很长的路要走。 现有的爬楼梯爬楼装置不同，分为履带式，星形轮、腿、脚和复合楼梯装置有自己的优势，但也存在一些缺陷。1.2.1履带式履带式爬楼梯装置的广泛应用，其原理很简单，有几个成熟的产品出现。在法国相对众所周知，公司开发的龙虾4218型），如图8 1.2.1a 结构有关的地面和楼梯的电动轮椅机构运动综合的和平机制，后轮驱动，履带，履带式爬楼梯机制下降，在某个角度和爬楼梯轮椅乘客可以调整，所以仍然在一个相对舒适的状态。 （a)法国悍马-H8 （b) T09-ROBY 图1.2.1履带式爬楼装置履带式爬楼梯机制，如良好的牵引力和持续向上和向下，重心稳定，安全可靠，但其尺寸，重量和噪音也越大。1.2.2星轮式运输轮的当地组织中最大的外国爬楼梯装置的设计，通常也在车轮机构。轮椅和电动轮椅也通常采用轮机构机制，体积小，结构简单，易于控制，运行稳定、快速、有工作效率高，而且由于不同的驱动，如果要转弯，转弯半径很小，这种轻微的旋转圆柱轮体，轮机构一般经常在脚上具有很大的优势，但是，恶劣的道路条件，如在坚硬的路面状况，楼梯，普通机构不能达到用户的要求。 车轮机构想和其他干扰的步骤，其中一个必要条件是车轮半径至少大于台阶高度，必须在大门口的能量和稳定的过程，影响较大；楼梯的宽度是有限的，如果只轮车，并导致半径增加轮椅在楼梯上没有支撑点，这是目前使用的常规轮椅后轮不到楼梯功能的主要原因。1.2.3腿足式腿和脚的主要特点是运动型轮椅爬楼梯的楼梯是一个不连续的脚和腿的方法完成。最早爬楼梯装置的非连续的方式。在1890年发明了爬楼梯轮椅嘶叫不断。在爬楼梯的过程，在一系列的两个支持支持另一种轨迹上升，降落，翻译，类似于人的两条腿，在腿和脚爬楼梯。事实上在楼梯爬楼装置模仿人类的动作。 （a） iFoot (b) WL-16RII图1.2.3腿足式爬楼装置1.2.4复合式鉴于星形轮，履带，腿和脚像设备的优缺点，在研究过程中，有一些其他的例子，英国爬楼梯轮椅这种类型，这是一个典型的例子，如图1（a）显示，不仅成熟的理论和实践中的实验，但只有在楼梯，地板本身的适应性，仍然远离完美。约8万元的费用让大多数人难以承受。但复合复杂的机构和结构的设计，分析和控制，是十分复杂的。 （a）Stairmatic （b) ShrimpRobot图1.2.4复合式爬楼梯装置综上所述，国内外楼梯装置主体，具有悠久的历史，结果是更多的出生，许多专利和产品，但它是昂贵的，或复杂的结构总是有这样或那样的缺陷。针对老年人、残疾人的活动，结构紧凑，质量适中，安全可靠，使用方便，价格为轮椅在楼梯上，必要的程序，在轮椅的一个主要功能的前提下，平底，所以爬装置在平坦的土地使用功能应做到最好。可以看到，虽然已经研究了装置的楼梯一些的成就，但是距离理想的产品诞生了，还有很长的路要走。第2章 总体方案设计2.1总体类型选择2.1.1设计要求设计要求如下：（1）爬楼轮椅有效负重=60Kg；（2）有安全保护设计；（3）适合中国标准楼梯。根根据目前的研究状况，爬楼梯装置，分析了其优缺点，考虑到不同的机构，结构，成本，安全和其他重要因素的基础上，对电动轮椅爬楼梯。爬楼梯轮椅的设计条件是最基本的要求，所以尽可能的步骤，结构简单，适应性强，安全，价格合理。具体要做到以下几点： （1）爬楼梯，克服障碍，可作为电动轮椅的和平。 爬楼梯（2）重心波动较小，具有良好的稳定性和可靠性。 （3）为电动轮椅，电动轮椅gb1299691 GB技术参数标准。 （4）轮椅向上和向下与我们的日常习惯，避免向后，向上为用户带来的不便向上和向下移动，并确保安全。2.1.2类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2-1表2-1典型爬楼机构优缺点对照表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通过比较的优点和缺点，不同的机构更多的攀登、越障机构的星形轮具有结构简单，成本低，易于布置和驱动链轮的，所以这个问题的机构。 考虑到国情和消费者购买力在三层楼梯，机构的性能和比较分析的要求，开发了基于轮椅的楼梯是一个功能的满足，而且安全可靠，操作简单，通用性强，价格适中的行星三星轮楼梯的轮椅。2.2 总体结构设计轮椅的总体设计如图2-2所示，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2-2 总体方案简图（1）主题：一个障碍的机制，机制的恒星，行星和行星是由左、右对称安装，使革命的自传和冲积土和转换障碍，成功的道路。通过齿轮行星之间的渡轮，每一组行星轮安装在侧，通过一个电磁离合器电磁离合器的通断来控制行星齿轮旋转。 （2）图片：图片是基于整个轮椅轮椅后，应与总布置的要求开发的，还应具有足够的强度和刚度，以确保轮椅可以很容易地通过各种复杂路面，质量要尽可能小，越接近地面，使轮椅在重力的影响下，提高汽车的行驶平顺性为轮椅使用者。 （3）、总部：总部支持轮椅的人起作用，操作方便和舒适性，所以设计应满足用户的要求 （4）：发动机驱动齿轮，链条和传动的发动机相结合，可以有效的行星结构的轮椅运动。 （5）转向机构设计：鉴于数轮或后轮与前轮转向，如果直接在六轮，然后在地板上，同时，六轮所需的力，造成很大的困难，为了解决这个问题，我独自坐在轮椅上的方向盘和前设计包括机械传动在平地上，用户可以很容易地通过控制传输时，在方向盘上，克服障碍，轮椅依赖，防止增加电机驱动车轮，车轮的轮椅。2.3行星轮机构设计2.3.1行星轮总体结构概述结构轮驱动车轮组机构。在“数量少，结构简单，但更多的轮椅车轮旋转扭矩波动也大，稳定性差，但随着数量的轮椅重心降低，波动，但整个轮组结构变得越来越复杂。因此，一个小轮子的轮椅前轮后面的一组三个机构，展开一轮组构成。图2-3行星轮机构图2.3.2行星轮架的中心距由建筑楼梯数协调标准GBJ101-87知：经过测量楼梯的台阶长度高度在a=140mm-210mm之间，在220mm-320mm之间，计算楼梯的台阶角度在3235之间。图2-3-1这种分析知道，R值的范围（110180），应大，但大和体积大小的影响，综合设计，所以设计一点r150mm。2.3.3小轮半径r的范围值 R值的范围（47.79195），R值越大，速度，以便土壤，但大不利于行星轮半径，结构紧凑，重量轻的机构类型，因此我们的R = 105mm.指出，上面分析的R值不固定的框架，只有在其价值的可能。第3章 驱动机构设计3.1动力系统参数选择轮椅动力系统的设计，必须结合不同的轮椅在爬楼梯上下，分析了各种道路需要提供足够的动力的轮椅，电动轮椅gb12996 91根据标准，主要技术性能表的规定：表3-1电动轮椅国家标准轮椅上的运行，以确定技术规格：最大速度7.2km平底h，最大速度为每分钟20步爬楼梯轮椅。四块电池，每个电池为20Ah，航程40公里以上。3.2驱动电机选择3.2.1驱动电机的类型选择轮椅驱动方式的选择，一般的电池能量，一个可选的电机，步进电机，直流电机，无刷直流电机或驱动。 步进电机是电脉冲信号或位移中心线位移驱动控制的步骤，以一个固定的角度，可以准确定位的速度和转矩，惯性，影响频率高，但能量大、速度低、振动和噪声的陪同下，不利于轮椅的稳定性和继承直流直流电流的电子电路的优点，克服了传统直流电机的机械装置的弊端，具有无噪声、维护、可靠性高选择48V无刷直流电机为轮椅推进。3.2.2选择驱动电机的功率平底的轮椅的楼梯和两个不同的国家不同的状态，根据不同的需求，驱动电机功率的计算，这两个国家的需要，然后选择驱动电机的额定功率。轮椅重量公斤，最大承载能力的最大总重量600公斤，100公斤的轮椅车，总重量前面和后轮或前后轮之间的联合通过总质量的40%和60%，轮胎与路面间的静摩擦系数为0.71。平地所需功率轮椅爬楼时，由于速度较小，忽略空气阻力和加速阻力，只有滚动阻力和坡度阻力，所以轮椅行驶方程式可以表示为：，其中为坡度角。该表显示，良好的沥青和混凝土路面的滚动阻力系数f值一般0.010-0.018沥青和沥青混凝土，通常为0.018-0.020.in我们远离滚动0.018，爬楼梯，因为楼梯是大多数混凝土或大理石的系数，所以我们的角色，因为在0.020。道路阻力0，所以 总之，以轮椅爬楼梯的障碍有足够的驱动力和驱动电机，必须大于0.13kw，和一定程度的剩余。M4：DG和dyw60B型一般，考虑到经济性和实用性，选择DG-1的M4是合适的。主要参数如下表：表3.1型号额定功率额定转速额定负载长宽高DG-M4144w120rmin3.39N.m305mm125mm123mm3.3蓄电池选择48V的电池作为电源和轮椅满足平坦的地面和楼梯跑。为了选择最便宜的电池，通常是电池的容量，电压，尺寸，重量，成本和价格等多方面考虑，市场上一般有四个：铅酸电池，氢电池电池，镍锌电池和锂离子电池、镍锌电池和锂离子电池使用性能和寿命，但价格昂贵，一般比铅的4.5倍铅酸电池的成本，在成本低，具有悠久的历史，改进的相对成熟，铅蓄电池厂的可靠、稳定、方便、广泛。因此，轮椅，免维护铅酸电池作为供电方式的选择。3.4计算传动装置的运动和动力参数3.4.1各轴转速电动机轴为O轴，与链传动的高速轴为I轴，齿轮之间的传动低速轴为II轴。各轴转速为n0=nm=120r/minni=n0/i1=120/2=60nII =nI/I2=60/3=30r/min3.4.2各轴输入功率按电动机额定功率Ped计算各轴输入功率，即P0=Ped=144WP= P01=1440.94=135.36W0.135KWP= P3=135.360.96=130W=0.13KW3.4.3各轴转矩T0=95500.144/120=11.46N.mmTI=95500.135/60=21.49N.mmT=95500.13/20=62.08N.mm将以上数据整理如下表第4章 主要零件设计计算4.1齿轮传动设计4.1.1传动比计算 4.1.2齿轮模数与齿数计算 计算圆周速度v计算齿宽b计算齿宽与齿高之比b/h模数 齿高 4.1.3载荷系数计算（1）根据, 7级精度，查得动载系数直齿轮，假设 （2)按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公式为 s=1.35 则 计算载荷系数k 由 ， 查得齿形系数及应力校正系数，计算大小齿轮的 并加以比较 4.1.4几何尺寸计算（1） 计算分