轮式可爬楼梯轮椅车设计【三维SW】【含7张CAD图纸】
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三维SW
含7张CAD图纸
轮式
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轮椅车
设计
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附录1星轮式爬楼梯轮椅摘要：为了实现轮椅爬楼梯的功能，本文设计了一种星轮爬梯机构。通过锁紧联轴器、星轮爬升机构的作用形成定轴轮系或行星轮系以实现平面行走和爬楼梯功能。通过穿越障碍分析得到轮椅能通过的最大高度和最小宽度的障碍物。在SolidWorks三维仿真中进行应力应变分析来验证材料强度。关键词：爬楼梯轮椅；行星轮机构；越障分析；Solidworks三维仿真分析1引言近些年来，轮椅正在朝着智能化发展。根据文献 1-2 ，轮椅已经拥有多功能护理功能和升降功能，甚至可以在智能家居环境中使用。它不仅满足了残疾人士的基本需求，同时也为他们的生活提供了便捷。然而，在市场上的残疾人轮椅采用的是普通轮式机构，只有地上行走的功能。当遇到上楼和下楼的情况时，这种轮椅就不能满足爬楼梯功能。在国内外主要有两种用以爬楼梯的轮椅车，一种是连续型爬楼梯轮椅车，一种是间断型爬楼梯轮椅车。连续型爬楼梯轮椅车有能量传递效率高，行走时重心的偏离波动小，运动流畅和适用的地形范围广泛这些优点。同时它也有一些缺点，比如它的重量太重，运动不够灵活，在爬楼梯的时候对楼梯的边缘会施加巨大的压力所以对楼梯有较大的损坏，在平坦的道路上前行时会受到很大的阻力，转向还不方便。连续型爬楼梯轮椅车虽然有行走机构光滑的优点，运动、功能也适用于不同大小的楼梯。但是它比连续型爬楼梯轮椅车控制要求高，操作更复杂，在地面上移动缓慢 3 。因此，为了解决上述问题以及给老年人和残障人士的出行提供一个性能更加优越的交通工具，设计一款价格低廉、安全可靠的爬楼梯轮椅车是一个有很大意义和实用价值的行为。它不仅要解决用户上下楼梯的不便，还要考虑到他们的负担能力。2机械设计2.1总体设计图1 爬楼梯轮椅车整体结构图本文中设计了一种行星轮式爬楼梯轮椅车。如图1所示，行星轮式爬楼梯轮椅车主要由机架、行星轮机构和传动部件构成。两个由固定在机架上的两个电机分别驱动的传动轴控制着行星齿轮传动装置，从而使轮椅车能够实现爬楼梯和行走的功能。2.2行星轮机构设计如图2所示，行星轮式爬楼梯机构包括传动轴1、管轴2、旋转臂3，太阳轮4，传动齿轮5，驱动齿轮6和车轮7。传动轴的一端与太阳轮相连并通过一个轴承悬空放置在旋转臂上，另一个与锥齿轮轴配合。主轴上空套的管轴一端与旋转臂固定连接，另一端连接自锁装置。过度齿轮5和驱动齿轮6分别悬空安装在手臂3和车轮7上，三个轴的中轴线是等距分布的。四组齿轮间通过各自轴的作用间接承受了整个轮椅车的重量，轮子上的齿轮绕着它自身的轴进行旋转。当自锁装置分离传动轴和管轴时，轮椅车可以在地面上平稳行驶。通过电机驱动齿轮转动可以使与地面接触的车轮获得和齿轮同样的角速度。当前车轮撞到比轮子高的障碍物停止移动时，通过锁紧联轴器与管轴锁紧的传动轴驱动管轴和手臂3旋转，从而使得三个车轮绕着中心太阳轮的轴线进行旋转进而实现翻越障碍物的功能（即爬楼梯）。图2 行星轮机构3穿越障碍分析除了有一个很强的爬楼梯技巧之外，爬楼梯轮椅车当然需要有一个越障的能力和一个障碍闪避系统 4 。本文仅对行星齿轮传动机构翻越障碍的能力以及爬楼梯时轮椅的稳定性进行了分析。图3 越障分析如图3所示，当翻越障碍时车轮组必须满足以下的关系：a（3R2 - r2） （1）其中，a是障碍物的高度；b是障碍物的宽度；r是车轮的半径；R是车轮组中心与车轮中心之间的距离；x是梯子和行星齿轮的中心之间的距离。 为了保证两个轮子之间不存在障碍物和前轮在攀爬障碍物后可靠地与材料接触，当可爬楼梯轮椅车爬上障碍物时，障碍物的宽度需要满足以下要求：B+2rR （2）根据文献 5 ，对行星轮传动机构的主要设计参数为：R = 140mm，r= 85毫米，t= 45毫米。然后通过公式（1）和（2）我们可以得到：amax =227(mm)bmax = R- 2r=72(mm)可以得出结论，行星轮式可爬楼梯机构可以跨越障碍物的最大高度为227毫米，能跨越障碍物的最小宽度为72mm，它有一个相对较高的越障能力，并且可以满足轮椅车在日常平坦道路上行走的要求。4应力应变分析为了在本文中验证设计机构结构的强度，为后续的优化设计打下基础，本文选择SolidWorks三维仿真软件进行应力应变分析。SolidWorks三维仿真软件主要由三部分组成：前处理模块、模块划分和后处理模块。由于本文所采用的模型是用SolidWorks三维软件建模的，可以直接用Solidworks三维进行仿真分析。分析步骤为：（1）零件和材料特性的定义；（2）定义夹具类型；（3）定义外部负载；（4）有限元网格划分；（5）解决；（6）视图求解结果。根据上面的步骤，以下部分的应力应变分析结果显示在图4-图9。图4 传动轴应力分析图5 传动轴应变分析图6 管轴应力分析通过以上分析，我们可以了解到零件上关键位置的最大位移和最大应力。在设计过程中，主要对应力进行了检验。通过分析关键零件图的结果，最大应力在传动轴如图4所示的杂志部分的输入部分上，最大应力位于轴的直径变化部分上，应力为41.5 MPa。以上材料的关键部件是45钢。经过查验材料手册，45钢的屈服强度为355兆帕。它大于零件的最大应力，具有较高的安全系数，满足设计要求。通过利用Solidworks三维仿真软件进行行星轮可爬楼梯轮椅车的有限元分析，既能检查出满足要求的强度，又可以为轮椅的进一步优化奠定了基础。图7 管轴应变分析图8 车轮应力分析图9 车轮应变分析5结论本文分析了常用的可爬楼梯轮椅车的特点，设计了一种行星轮
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