手推折叠轮椅设计——成品

1、机械创新设计题目：手推折叠轮椅的设计学 院：机械工程学院 专业班级：机械设计制造及其自动化 姓 名： 指导老师：2010 年 10 月 25 日目录1. 折叠轮椅设计的概述 11.1 折叠轮椅设计的研究现状 11.2 折叠轮椅设计的关键点 21.3 本设计所研究的内容 22. 折叠轮椅的结构设计 33. 折叠轮椅的力学设计和材料选择 43.1 按照强度理论选择折叠轮椅的材料 43.2 按照刚度理论选择折叠轮椅的材料 63.2.1 扭转时的刚度计算 73.2.2 弯曲时的刚度计算 84. 折叠轮椅的功能分析 95. 折叠轮椅前景展望 96. 参考文献 101. 折叠轮椅设计的概述机械设计的最终目

2、的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中 取得优势，赢得客户，取得良好的经济效益。产品的质量和经济效益取决于设计、制造 和管理的综合水平，而产品设计则是关键。没有高质量的设计，就不可能有搞高质量的 产品；没有经济观念的设计者，决不可能设计出性能价格比好的产品。因此，在机械产 品设计中，应特别强调和重视从系统的观点出发，合理地确定系统的功能；应注重新技 术、新工艺及新材料等的采用；应努力提高产品的可靠性、经济性及安全性。1.1 折叠轮椅设计的研究现状由于现代医学的发展和进步，人类的寿命正逐渐的往上提升，致使各国老年人口将 不断增加，然而高龄化的社会结构已然成为世界各国的重大挑战。

3、针对这些年长而行动 不方便的使用者而言，其身体各部分器官正逐渐退化，再加上神经肌肉萎缩，自行驱动 轮椅是非常困难的事，因此他们将不适合使用具有手轮圈的自推型轮椅，而手推型轮椅 较能符合其需求。许多行动不便者在解决移动能力障碍时，最直接使用的工具便是轮椅。根据我国统 计部门统计，截止到 2006 年 4 月 1 号，全国现有各类残疾人总数约 8296 万人，占总人 口数的比例为 6.34%，而属于肢体残疾的占总残疾人数的比例为 29.07%，人数达到 2412 万，如图 1.1 所示。与 1987 年第一次全国残疾人抽样调查统计数据可以看出，肢体残 疾人数略有所增加。 2005 年底，中国 60

4、 岁以上老年人口 1.44 亿，占总人口的比例达 11%。现在我国 60岁以上老年人口每年以 3%的速度递增，如图 1.2 所示。在 60 岁以上 的老年人口中，有相当一部分老年人在日常生活和工作中，在疾病治疗和康复过程中， 都需要借助使用轮椅。这对于家庭生计、社会成本与国家经济均会造成严重的影响，不 可轻视。对于青壮年的肢体障碍患者而言，轮椅可使他们重新返回职场，以改善家庭生 计和降低社会负担；对于行动不便的高龄老人或出现重度神经肌肉萎缩的患者而言，轮 椅是他们走出户外的最佳辅具，不但能改善他（她）们的精神生活，而且在心灵层面上 更得到慰藉。根据中国国务院新闻办公室 2006年 12 月在北

5、京发布的中国老龄事业的发展报 告提供的数据显示， 2005 年底，中国 60 岁以上老年人口 1.44 亿，占总人口的比例达 11%。现在我国 60 岁以上老年人口每年以 3%的速度递增，如图 1.2 所示。35000量数口人总占60岁以上老年人总数（万）300002500020000150001000050001990 2000 2010 2020 2030 2040年份198060岁以上老年人总数（万）图 1.2 60 岁以上占总人口数1.2 折叠轮椅设计的关键点本设计所研究的折叠机构是以四连杆组为出发点， 利用杆件特殊翻转的特性来作为 此折叠机构最初的概念设计。还有就是在测试当轮椅在展开

6、的使用状态时，使用者的体 重加诸于轮椅上，所造成结构的应力分布及材料变形，借此了解各部分零件的强度和刚 度是否足够，还有要兼顾接头和杆件的强度、加工上的难易程度、杆件与各个零件之间 的干涉问题、操作步骤的简便性，并尽量减低轮椅的重量和降低成本等等，以作为生产 制造的参考。1.3 本设计所研究的内容手推型的折叠轮椅是以重度病患者或年长老人为使用对象， 因此本设计所要设计的 折叠轮椅本身的安全规范是相当重视的。 而经过现有的手推型轮椅收折机构的分类和分 析后，本课题所涉及的主要内容有： （1）需通过 200Kg 的配重检验，以达到安全规范的 相关规定；（2）能产生导引轮椅翻转收折的动作机构； （

7、3）收折完成的手推型折叠轮椅 必须可以站立，以利于收藏和摆放； （4）收折完成后的手推型折叠轮椅必须可以拖行， 以利于运送；（5）为确保结构的稳定性，必须讨论其各个杆件的受力情况； （6）在折叠 轮椅强度和刚度足够的条件下，达到轻量化的设计。2. 折叠轮椅的结构设计机械结构设计是机械设计基本环节之一，是以多学科理论为基础，将理论知识和实 践经验紧密结合，进行优化和创新的一项设计工作。由于金属材料的强度高、重量轻、 质量稳定等特性，因此本设计的轮椅绝大部分机械结构都采用金属材料，通过焊接、铆 钉或螺栓等方式，按一定的规律连接制成基本构件后，再用焊接、铆钉或螺栓将基本构 件连接成能够承受外载荷的结

8、构物，保证折叠机构能够有良好的运动性能。本课题所设计的手推式折叠轮椅，如图 2.1 所示，此型轮椅为连杆数 6、接头数 7的单一自由度的折叠轮椅， 其中 C 点是双重接头，将此双重接头拆在坐垫杆上，则前脚图 2. 1 手推式折叠轮椅的结构设计图假如视底架杆为地杆，则可将此六连杆组定义为 Watt I 型六连杆组，所以其结构设计简图，如图 2. 2 所示图 2.2 Watt I 型六连杆组n 5 ，低副 PL 7 ，由图 2.1 所示的结构简图可知，轮椅的结构共有活动构件数为没有高副。故其自由度应为 F 3n 2PL PH 3 5 2 7 0 1图 2.3 折叠轮椅的整体结构3. 折叠轮椅的力学

9、设计和材料选择在生产实践中，各种机械和工程结构得到广泛应用，任何构件都由某种材料制成， 并受到某种载荷的作用。实际的构件并非是静力学所理想化的那种刚体，任何构件在外 力作用下都将不同程度地发生形状和尺寸的改变。如果构件的形状、尺寸设计不合理， 或选用材料不当，则构件在一定载荷的作用下，会发生过度的变形或破坏。为了保证机 械和工程结构的正常工作， 在载荷作用下， 构件都应该具有足够的强度、 刚度和稳定性。 这些基本要求，不仅与构件的截面形状和尺寸有关，而且还与材料的力学性能有关，而 这些又都关系到制造成本，因此合理的选择构件的材料，如何正确的确定构件的截面形 状，使构件即满足使用要求， 又降低制

10、造成本， 便成为构件设计的一个十分重要的问题。3.1 按照强度理论选择折叠轮椅的材料 轴向拉伸与压缩是杆件变形中最简单的形式。在机械和仪器中，承受拉伸和压缩作 用的杆件最多， 在折叠轮椅的过程中， 联接常常用到螺栓， 被拧紧后， 螺栓就承受拉力。分析受轴向拉伸或轴向压缩作用的杆件的受力情况可知， 杆件拉伸和压缩的受力特点是 作用在杆件两端的两力大小相等、方向相反，且作用线与杆件的轴线相重合。其变形的 特点是杆件沿轴向伸长或缩短，而其横截面变细或变粗，分别如图3.1(a)、(b) 所示图 3.1 拉伸与压缩由上可知，不论是受拉伸还是压缩，杆件横截面上的内力均沿着杆件的轴线，这种 力称为轴力，轴力

11、可以是拉力，也可以是压力。以受拉杆件横截面上的内力分部来确定 横截面上各点的应力，杆件在外力的作用下不仅要产生内力，同时还要产生变形，而且 内力与变形之间是密切相关的。所以可以实验来观察变形，以了解内力的分布。取一等截面直杆，在其表面画两条垂直于杆轴的横线 ab 和 cd，并在两条横线间画 两条平行于杆轴的纵向线。然后在杆两端加上一对轴向拉力，使杆件产生拉伸变形。从 杆件表面可观察到： ab 和 cd 直线分别平移至 a1b1 和 c1d1 位置，仍为直线且和杆轴垂 直；两条纵向线伸长，且伸长量相等，并仍然与杆轴平行。根据观察到的表面现象，可 作出平面假设：变形前为平面的横截面，变形后仍为平面

12、，但沿轴线发生了平移。如图3.2 所示图 3.2 受拉杆件截面上的应力根据平面假设可知，任意两横截面间的各纵向线的伸长（或缩短）均相同。由材料 的均匀连续性假设可知，横截面上的内力是均匀分布的，即各点的应力相等。设杆件横截面的面积为 A ，横截面上的轴力为 N，则该横截面上的正应力为=N/A（ 的正负号与轴力相同， 当 N 为正时， 也为正， 称为拉应力； 当 N 为负时， 也为负，称为压应力。 ）由上所述可知，杆件的材料所能承受的应力是有限的，要保证杆件正常工作，则杆 件的工作应力必须不超过其材料的许用应力，因此，杆件受拉伸或压缩时的强度条件为FN（ MPa ）A式中 表示杆件材料的许用应力

13、， MPa 。本课题所设计的已知轮椅主结构将采用直径为 2CM 管材，假设需通过 200KG 的重 量，即截面积 A= d 2=314 （mm2 ）,即根据杆件受拉伸或压缩时的强度公式4FN（ MPa ）A得 = FN =63.7 MPa Aa目前市场上轮椅的材料大多数都使用硬铝合金管材， 其最大的抗拉强度是 370 MPa , 即最大许用应力 为 370MPa ，而计算所得到的结果远远小于其最大许用应力，故轮 椅的主结构采用硬铝合金。3.2 按照刚度理论选择折叠轮椅的材料杆件在不同的荷载的作用下，会产生不同的变形。根据荷载本身的性质及荷载作用 的位置不同，变形可以分为轴向拉伸（压缩） 、剪切

14、、扭转、弯曲四种基本变形。轴向 拉伸和压缩本节不详细叙述，以下将重点分析扭转和弯曲理论在轮椅选材上的应用。圆轴扭转时的刚度条件为： 圆轴的最大单位长度扭转角 max不超过许用单位长度扭 转角 , 即 max= T （rad）GI Pma=1000T 180 GI P( )/m梁弯曲时的刚度条件为：是在梁弯曲变形时，某指定截面的挠度和转角不允许超过 许用值，即 ym a x y 或 m a x 式中， y 和 分别为许用挠度和许用转角，两者都可在有关设计手册中查到。 3.2.1 扭转时的刚度计算如果在直杆的两端各受到一个外力偶 Me 的作用，且二者的大小相等、转向相反， 作用面与杆件的轴线垂直，

15、那么杆件的横截面将绕轴线发生相对转动，这种变形称为扭 转，如图 3.3 所示。图 3.3 杆件的扭转变形 其变形特点是：杆件任意两个横截面都绕杆轴线作相对转动，两横截面之间的相对 角位移称为扭转角， 用 表示， 表示截面 B 相对于截面 A 的扭转角。 扭转时杆的纵向 线发生微小倾斜，表面纵向线的倾斜角用 表示。如图 3.4 所示图 3.4 杆件扭转时的变形已知所用的硬铝 合金 管材的许用单 位长 度扭转角 =1( )/m，切变模量 G=8 104 MP a ，即根 据 上 面 得 到 的 公 式 max = 1000T 180 ( )/m ， 又 max GI Pd 4 4 4 4IP (1

16、 4) 0.1d4(1 4) (mm4 )，321000T 180得 max= 0.73 ( )/m =1( )/mGI P所以，该硬铝合金管材的刚度足够3.2.2 弯曲时的刚度计算如果直杆在两端各受到一个外力偶 Me 的作用，且二者的大小相等、转向相反，作 用面都与包含杆轴的某一纵向平面重合， 或者是受到位于纵向平面内且垂直于杆轴线的 外力 F 作用时，杆件的轴线就要变弯，这种变形称为弯曲，如图 3.5（a）、（b）所示， 图（ a）所示为纯弯曲，图（ b）所示为横力弯曲。图 3.5 杆件弯曲时的变形下面着重介绍下本课题所设计的轮椅主结构梁的弯曲刚度， 绘制主结构支梁的剪力图和弯矩图，分析的

17、最终结构剪力图和弯矩图如图 3.6 所示图 3.6 主结构的剪力图和弯矩图梁弯曲时的许用挠度为 y ，只要选用的材料最大的挠度不要超过其许用挠度， 即可， 得主结构梁的最大的挠度IZymax=WZZ抗弯截面模量， mm3 )又因为所采用的材料是空心铝合金管材，所以分别存在管材截面惯性矩(式中 IZ 截面的惯性矩，mmWZ4 d 3IZ64 (1 4) ，和抗弯截面模型 WZ 3d2 (1 4) ，即根据弯曲时的刚度条件 验和分析，本课题设计的轮椅所采用的硬铝合金完全满足条件，刚度足够，故主体结构 材料采用硬铝合金是满足要求的。ym axIZ ，只要选用的材料最大的挠度小于材料弯曲时的许用挠度为

18、 y 即可，通过实WZ4. 折叠轮椅的功能分析此款轮椅是对市场上销售的轮椅进行改造的基础上设计与制作的， 该轮椅是一种辅 助残疾和行动不方便的高龄老年人产品，它除了具有市场上轮椅普遍具有的行走功能 外，还具有斜躺和平躺的功能，当使用者感觉坐的时间较长的话，使用者可以方便的操 作以便使自己趟下，减轻使用者的疲劳系数，达到安全，舒适，快捷等功能。5. 折叠轮椅前景展望轮椅是康复的重要工具，它不仅是肢体伤残者的代步工具，更重要的是使他们借助 于轮椅进行身体锻炼和参与社会活动。随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特 别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由。 再加上当 今世界各大城市都面临老龄化问题，根据联合国预测， 1990-2020 年世界老龄人口平均 年增速度为 2.5%，同期我国老龄人口的递增速度为 3.3%，老龄化速度快于世界老龄化 速度。随着我国经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，预计在不久的将来，轮椅 的社会需求总量逐年增长，这给轮椅行业带来巨大的市场空间。轮椅开发和生产技术随着社会的发展，也在快速的发展，随着社会消费水平及消费 档次的提升，未来轮椅设计技术也会有很大的提升，将逐步向辅助行动、方便轻巧、功 能多样等等方面发展。还有随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾