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一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计[采用三星轮结构]【10张CAD图纸和文档资料终稿】
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10张CAD图纸和文档资料终稿
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世界最新机械设计理念来源:中国科技期刊摘要:根据目前国内外设计学者进行机械产品设计时的主要思维特点，将产品方案的设计方法概括为系统化、结构模块化、基于产品特征知识和智能。这几种方法的特点及其相互间的有机联系，提出产品方案设计计算机实现的努力方向。关键词：机械产品方案设计方法发展趋势设计文件是将语义设计网作为设计工具，在其开发的活性语义设计网ASK中，采用结点和线条组成的网络描述设计，结点表示元件化的单元(如设计任务、功能、构件或加工设备等)，线条用以调整和定义结点间不同的语义关系，由此为设计过程中的所有活动和结果预先建立模型，使早期设计要求的定义到每一个结构的具体描述均可由关系间的定义表达，实现了计算机辅助设计过程由抽象到具体的飞跃。系统化设计方法系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。系统化设计思想于70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准VDI2221技术系统和产品的开发设计方法。1. 将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。2. 将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。3. 将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分（单元）及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。4. 设计元素法用五个设计元素（功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数）描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。5. 图形建模法研制的“设计分析和引导系统”KALEIT，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接。将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点，将设计方法解与信息技术进行集成，实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。6. “构思”“设计”法将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图(机械运动简图)。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置，得到结构示意图。Roper，H.利用图论理论，借助于由他定义的“总设计单元(GE)”、“结构元素(KE)”、“功能结构元素(FKE)”、“联接结构元素(VKE)”、“结构零件(KT)”、“结构元素零件(KET)”等概念，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图，把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述，形成了有效地应用现有知识的方法，并将其应用于“构思”和“设计”阶段。7. 键合图法将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。网络技术的蓬勃发展，异地协同设计与制造，以及从用户对产品的功能需求设计加工装配成品这一并行工程的实现成为可能。但是，达到这些目标的重要前提条件之一，就是实现产品方案设计效果的三维可视化。为此，不仅三维图形软件、智能化设计软件愈来愈多地应用于产品的方案设计中，虚拟现实技术以及多媒体、超媒体工具也在产品的方案设计中初露锋芒。目前，德国等发达国家正着力于研究超媒体技术、产品数据交换标准STEP，以及标准虚拟现实造型语言上基于虚拟环境的标准交换格式)在产品设计中的应用。机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。作者认为，综合运用文中四种类型设计方法是达到这一目标有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设计的领域知识有关，而且还涉及到系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，但仍然是产品方案设计必须努力的方向。国外在这方面的研究已初见成效，我国设计学者也已意识到CAD技术与国际交流合作的重要性，及其应当采取的措施。基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。The worlds Latest Mechanical Design Conceptssource：China Science and Technology JournalAbstract:According to scholars at home and abroad to carry out mechanicaldesign product design features of the main ideas, product design method of theprogramsummarizedassystematic,modularstructure,basedonproductcharacteristics of knowledge and wisdom. The characteristics of these methods andtheir organic connection between them and put forward to achieve the computerproduct design direction.Key words: Mechanical Product Design MethodDevelopment Trends Design documents will be Semantic Web as a design tool inthe design of its Semantic Web activity of the development of ASK, using nodes andlines to describe the design a network, nodes that components of the cell (such asdesign tasks, functions, components or processing equipment, etc. ), used to adjust thelines and definitions between nodes of different semantic relations, thus the designprocess all the activities and results of pre-built models so that the definition of theearly design requirements to the specific description of each structure can be definedby the relationship between the expression, achieved a computer-aided design process,the leap from the abstract to the concrete.Asystematic design methodThe main features of a systematic design method are: the design as designed by anumber of elements of a system, the independence of each design elements, eachelement of an organic link between the existence of, and is layered, with all the designelements , you can design systems to achieve the required task.Systematic design idea in the 70s by the German scholar Professor Pahl andBeitz, the system based on the theory they developed a general pattern of the design,advocacy design work should have organized. German Engineers Association, on thebasis of this design concept to develop a standard VDI2221 technology systems andproduct development design methods.1.The user needs functional characteristics as a product concept, structuredesign and part design, process planning, job control, etc. based on the macro fromthe product development process of starting the use of quality function deploymentmethod and system to user demand information reasonably and efficiently convertedto the various stages of product development, technical goals and operational controlprocedures method.2.The level of the product life of the organism as a system, and means ofliving systems theory, the product design process can be divided into successfulhierarchy of needs to achieve the functional requirements of the conceptual level andproduct level of the specific design. At the same time life-support systems used toexpress the abstract icons of the product functional requirements, system structureformation of product features.3.The mechanical design of the application of systems science into two basicquestions: First, to be designed as a system dealing with the products, the best way todetermine its component parts (modules) and their mutual relations1; is the productdesign process as a system, according to design objectives, a correct and reasonablydetermine the various aspects of the design work and various design stage.Because each designers point of research questions and to consider the questionof emphasis, to design a specific research methods used is also different. Here aresome representative of the systematic design methods.4.Design Element MethodWith the five design elements (functions, effects, effects vector, shape, elements,and surface parameters) describe the product solutions that a product to determinethe value of the five design elements, the product of all the features and characteristicsof the value of i.e. determined. Scholars in China have adopted similar methodsdesigned to describe the products original understanding.5.Graphic modeling methodAnd developed a design analysis and guidance systems KALEIT, with thelevel of clear graphic description of a products functional structure and its associatedabstract information, to the system structure and function relationship of graphicalmodeling, and functional connection between the layers 2.Assistance will be designed to be divided into two aspects of methodology andexchange of information using the Nijssen Information Analysis Method can be usedgraphic symbols, with a rich semantic model structure, can be described as integrationconditions, can be divided into types of constraints can be achieved in relationsbetween any combination of characteristics , the design method to solve integrationand information technology to realize the design process of information betweendifferent abstraction layers between the graphical modeling.6.Concept - Design methodProducts design is divided into concept and design in two stages. Conceptphase of the task is to find, choose and mix to meet the requirements of the originalunderstanding of design tasks. Design stage of work is a concrete realization of theoriginal understanding of the conceptual stage.Of the programs idea of specific described as: In accordance with theappropriate functional structure, seeking to meet the design requirements of theoriginal understanding of the task. The functional structure of the sub-function isperformed by the structural elements to achieve, and structural elements of thephysical connection between the definition of a feature vector, feature vector andstructural elements further the interaction between the formation of the functionaldiagram ( mechanical diagram). The program design is based on functional diagram,the first qualitative description of all of the feature vector and structural elements,and then quantitatively describe all the structural elements and the connection parts( feature vectors), the shape and location to be structure diagram3. Roper, H. usinggraph theory, by means of which he defines as the total design unit (GE), structuralelements (KE), functional structural elements (FKE), connect structural elements(VKE), Structural Parts (KT), structure element part (KET) concepts, as well asdescribe the structure element size, location, and transmission parameters of theinteractions between a number of kinds of schematics, the intuitive designprofessionals have done a formal design method a description of the formation of aneffective application of existing knowledge, methods, and applied to ideas anddesign stage.7.Bond Graph MethodFunction of the composition of system components will be divided into produceenergy, consumed energy, changing energy forms, such as various types of energytransfer, and to use bond graphs to express the function component solution, hoping tofunction-based model and bond graph combine to achieve functional structure theautomatic generation and functional structure with the bond graph automaticconversion between the search for bond graph generated by a number of designmethods.To promote the product on the basis of functional analysis, the product has somefeatures broken down into one or several modular basic structure, by selection andcombination of the basic structure of these modular form into different products.These basic structures can be parts, components, or even a system.The structure should have a standardized interface (connection and co-operationdepartment),andisserialized,universal,integrated,hierarchical,agile,economic-oriented, with interchangeability, compatibility and relevance. Chinascombination of software component technology and CAD technology, variant designcombined with the modular design, according to modular principle of classification,will be divided into descending Machining Center Machine Tool product level,component level, component level and component level, and use expert knowledgeand CAD technology to combine them into different species, different specificationsof functional blocks, and then by the combination of these functions into differentmodules of the overall program processing center.To design a directory as an alternative variation of the mechanical structure ofthe tool, the solution proposed by the design elements of a complete, structured layout,the formation of the solution set design catalogs. And in the solution set designed tocomment on each one listed in the directory solution additional information, is verybeneficial to design engineers select solution elements.The vigorous development of network technology, collaborative design andmanufacturing, as well as the product from the users functional requirements design processing assembly finished product of this realization of concurrentengineering possible. However, an important prerequisite to achieve these goals oneof the conditions is to realize the effect of product design three-dimensionalvisualization. To this end, three-dimensional graphics software, more and moreintelligent design software programs used in the product design, virtual realitytechnology and multimedia, hypermedia tools for product design is also its first debut.At present, Germany and other developed countries are focused on researchhypermedia technology, product data exchange standard STEP, as well as standardvirtual reality modeling language based on a standard exchange format for virtualenvironments) in the product design applications.Mechanical product design is moving in computer-aided realization of intelligentdesign and to meet the needs of distributed collaborative design and manufacture ofdirection, due to the computer product design Study on the implementation startedlate, not yet mature, to achieve the above objectives program design tools4. Authorbelieves that the integrated use of paper, four types of design method is an effectiveway to achieve this goal. Although the integrated use of these methods are moreinvolved in the field, not only with the mechanical design of the field-relatedknowledge, but also to the systems engineering theory, artificial intelligence theory,computer hardware and software engineering, network technology areas such asdomain knowledge, it is still product design must be working for. Abroad in researchin this area has achieved initial success, our scholars have been aware of CAD designtechnology and the importance of international exchange and cooperation, and itsmeasures to be taken.Feature-based design methodology of knowledge The main features are: using acomputer can identify the language to describe the characteristics of the product andits design experts in the field of knowledge and experience to establish the appropriateknowledge base and inference engine, re-use of stored domain knowledge and theestablishment of the inference mechanism to bring computer-aided product design.The mechanical system design is mainly based on the characteristics of a product,and design experts in the field of knowledge and experience to push volume anddecision-making, the completion of body type, the number of synthesis. To achievethis stage of computer-aided design, must study the automatic acquisition ofknowledge, expression, integration, coordination, management and use. To this end,the design and scholars at home and abroad program for the mechanical systemdesign knowledge of the automated processing done a lot of research work, theapproach can be summarized into the following several.一种三星轮式电动爬楼梯轮椅的结构设计XXXXX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28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AutoCAD制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AutoCAD制图软件，对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 录摘 要IAbstractII第1章 绪 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2章 总体方案设计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3章 驱动机构设计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第4章 主要零件设计计算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 论25参考文献26致 谢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。1.2国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。1.2.1履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TopChiar公司研制的悍马-H8型，如图1.2.1a)。悍马-H8在结构上将平地电动轮椅和爬楼机构融为一体，平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。 （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。1.2.2星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。1.2.3腿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Bray发明制造的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） iFoot (b) WL-16RII图1.2.3腿足式爬楼装置1.2.4复合式鉴于履带式、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Stairmatic，它是此类型爬楼梯轮椅的一个典型例子，如图1.2.4（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）Stairmatic （b) ShrimpRobot图1.2.4复合式爬楼梯装置综上所述，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。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GB12996-91电动轮椅技术参数标准。(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。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。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)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。2.3行星轮机构设计2.3.1行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2-3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（1）s，h最小时，两小轮中心距不应大于，如图2-3-1所示，根据几何关系有： (R)2 (2-3-1)代入数值，求得：R180mm（2）s，h最大时，车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2Rh=110mm。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=150mm。2.3.3小轮半径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： rR (2-3-2)代入数值得：rR=150mm（2）小轮最小时，支架不应与楼梯沿相碰。h最小时，这种可能性大，则有几何关系知： sin= (2-3-3)tan=tan（90-）=（2-3-4）计算并代入数值： =arcsin32.606 =27.394所以 47.79mm综上可知：r的取值范围是（47.79,195），r应取较大值，以提高平地行驶速度，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=105mm。特别指出的是，以上分析中R，r的值并不是固定的，只需要在其范围内取值即可。第3章 驱动机构设计3.1动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GB12996-91可知，对其主要技术性能的规定如表3-1所示：表3-1电动轮椅国家标准参考轮椅的运行实际情况，确定其技术指标为：平地行驶时最大运行速度为7.2km/h，最大爬楼速度为每分钟20个台阶。轮椅携带四块12v蓄电池，每块电池容20Ah，一次行程40km以上。3.2驱动电机选择3.2.1驱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。3.2.2选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40kg，最大承载能力为60kg，因此轮椅的最大运行总质量为100kg，该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0.71.（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前进，前轮随之前进，同时设前轮与地面之间的摩擦力为。当时，轮椅在平地上正常行驶。前轮承受的正压力; 后轮承受的正压力：前轮承受的水平摩擦力：后轮承受的水平摩擦力：所以,满足正常行驶要求。所设计的轮椅直径为D=195mm，轮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：后驱动轮所需最大角速度为：后驱动轮最大切向加速度为：后驱动轮最大角加速度为： 后驱动轮转动惯量为：电机所需要的工作功率为：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0.85，所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。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的数值为0.010-0.018，一般的沥青和混凝土路面为0.018-0.020。平时路地行驶时我们取滚动阻力系数为0.018，爬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0.020。因为平路行驶时=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，取F=974.3N，取v=0.2m/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0.13kw，并且有一定的剩余。轮椅的电动机的型号一般为DG-M4和DYW-60B,考虑到经济性及实用性，选择DG-M4比较合适。主要性能参数如下表：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蓄电池选择轮椅装载48V的蓄电池作为供电能源，同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4-5倍，增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。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=0.13kw .而所选电机额定转速 =120 额定转矩为5已知外轮系的大径为500mm后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 可知 轴转速=60由于链轮3.4.5.6之间为等传动比传动，现假定三个链轮d=250mm 则轴的转速，由电机额定转速1.2齿轮之间的传动比4.1.2齿轮模数与齿数计算（1）初选小齿轮齿数 则大齿轮齿数取（2）按齿面接触强度设计试选载荷系数计算小齿轮传递的转矩查表可知齿宽系数 （小齿轮作悬臂布置）查手册可知材料的弹性影响系数按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 ；大齿轮的接触疲劳强度极限由齿轮的工作力循环次数N的计算式可算出两齿轮的应力循环次数则可查得接触疲劳寿命系数 （3）计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1% 安全系数S=1（3） 计算试算小齿轮分度圆直径 ，代入 中较小的值 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 查得齿间载荷分配系数查手册得使用系数而对于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查得 由 , 查手册得 故载荷系数 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径 计算模数m （2)按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公式为 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 ，大齿轮的弯曲疲劳强度极限（2） 查得弯曲疲劳寿命系数，（3） 计算弯曲疲劳许用应力， 取弯曲疲劳强度安全系数s=1.35 则 （4） 计算载荷系数k 由 ， 查得齿形系数及应力校正系数，（5） 计算大小齿轮的 并加以比较 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m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小要取决于弯曲强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数0.957并就近圆整为标准1.25mm，按接触强度算得的分度圆直径 算出小齿轮齿数，取大齿轮齿数4.1.4几何尺寸计算（1） 计算分度圆直径 中心距 齿轮宽度 取 （2） 验算 合适 齿轮 1.2 4.2 链传动设计带传动适用于两轴中心距较大的场合，改变带的长度可以适用不同的中心距;带具有良好的弹性，有缓冲和吸振的作用，因而传动平稳、噪声小。且过载时候带与带轮之间会出现打滑现象，可防止损坏其他零件，起过载保护作用，结构简单，制造、安装和维护方便，成本低廉。但是传动的外廓尺寸较大，结构不紧凑，且对轴的压力大，带与带轮之间存在弹性打滑和滑动，不能保证准确的传动比。机械效率低，带的寿命较短，需要张紧装置。链传动没有弹性打滑和滑动现象，能保证准确的平均传动比;张紧力小，轴与轴承所承受载荷较小；结构紧凑，传动可靠，传递圆周力；传动效率较高，能在高温、潮湿、多尘、油污等恶劣环境下工作。但链传动不适于载荷变化大和急速反转的场合且易磨损，从而产生跳齿脱链现象。根据条件的需要，从三个方面考虑：一、上下楼过程中轴所承受的载荷要小，这样可以提高轴的工作寿命；二、传动效率要高，这样在上下楼过程中在保证安全的同时也能减少人在推轮椅上楼的拉力，三、链轮放在坐垫下面，这样不仅减少装配空间而且封闭的链轮可以提高使用寿命。因此选择链传动比较合适。4.2.1链传动设计计算（1）确定链轮齿数Z1、Z2:因传动比i=2，查表12-6选取Z1=27则Z2=iZ1=27X2=54（2）链轮转速:N1=120r/minN2=n1/i=120/2=60r/min（3）设计功率Pd: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）选用链条:由Pd=0.098KW和n1=120r/min查图12-9选得链号为05B，节距P=8mm，单排链。（5）验算链速V :由式（12-1）V=Z1n1P/60X1000=27X120X8/60X1000=0.432m/s0.6m/s在限定范围内。（6）初选中心距ao:因结构上无限定，初选ao=35P。（7）确定链节数Lp:由式(12-5),初算链节数Lpo=2ao/p+Z1+Z2/2+(Z2-Z1/2)XP/ao=2X35P/P+27+54/2+()XP/35P=111.03 对Lpo圆整并取偶数，则Lp=112。（8）理论中心距a:因Lp-Z1/Z2-Z1=112-27/54-27=3.15,用插值法求得Ka=0.24818，则由式（12-7），得a=2Lp-（Z1+Z2
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