【《履带式自动爬楼梯轮椅机械结构设计案例》5200字】

履带式自动爬楼梯轮椅机械结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u2271履带式自动爬楼梯轮椅机械结构设计案例 1124271.1设计理念 1220281.2爬楼梯轮椅爬升方式选择 2209091.3三角履带轮主要组成结构 354591.3.1三角履带轮结构设计 4301931.3.2橡胶履带选择 491701.4行走电动机的设计与选型 5296171.5减速器齿轮的设计 7239381.5.1齿轮齿数的选择 886941.5.2直齿圆柱齿轮强度校核 9256851.6链传动原理 12280841.6.1链传动的设计 1284671.6.2传动主轴的设计与计算 13机械结构的设计主要是为了使其满足爬楼轮椅机械结构更加紧凑，质量轻便，能够合理的规划行走路径，实现连续爬升的一个运动过程，机械结构设计的核心所在就是行走机构的设计。1.1设计理念通过对比和分析国内外目前存在的各种爬楼梯轮椅，计划设计一款结构简单、价格便宜，适合于老龄人群和残障人士使用的电动自动爬楼梯轮椅，能够实现平地行走和爬楼越障的功能。具体设计内容要求如下：（1）可在一人的辅助下实现攀爬楼梯越障功能；（2）按照《建筑楼梯模数协调标准》，规定楼梯高度为140mm～210mm；宽度为220mm～320mm；楼梯宽度和高度的关系必须满足2a+b≤600mm（a-踏步高度，b-踏步宽度）［23］；（3）具有安全预警和保护功能，并且在角度较小的楼梯面或坡面行驶时其具有保护能力和紧急制动功能。1.2爬楼梯轮椅爬升方式选择爬楼轮椅不仅要求在平地具有良好的实用性，而且在爬升过程中具有稳定性，要能够实现平地行走、稳定爬楼的功能［13］，同时还需要满足运在动过程中保证舒适性和安全性。该类装置按照其结构类型和工作原理可以分为履带式、轮组式和腿足式四种，通过查询文献和资料，对国内外爬楼梯轮椅装置的研究，国内外不同机构的优缺点对比如表1.1所示。表1.1不同爬楼梯装置优缺点对比由表1.1可知，通过对比以上各种机构，分析其优势和不足，履带式爬楼梯装置对台阶的适应能力强，稳定性高，能够更快、更稳的爬楼梯。所以最终选择履带式作为本课题的电动爬楼梯轮椅的爬升装置，履带可以在楼梯上爬升。由于现阶段国内对爬楼梯轮椅的研究主要处于实验室研究阶段，未形成一定规模的市场化产品，而且也没有建立爬楼梯轮椅的性能标准。所以将按照国标规定的《电动轮椅车》标准进行设计。如表1.2所示。表1.2电动轮椅的性能要求项目内容标准要求室内室外道路最大速度（km/h）≤4.5≤6≤15爬坡能力（°）≥3≥6≥8水平路面制动（m）≤1.0≤1.5≤3.5本设计可在室内外不同场合下使用，拟设计轮椅的性能参数如表1.3所示。表1.3履带式爬楼梯轮椅主要性能参数主要性能参数设计值外形尺寸（长*宽*高）最大爬楼速度1.88km/h最大爬梯角度33°最大载重120kg1.3三角履带轮主要组成结构本设计采用的是利用三角履带翻转带动轮椅爬升的工作原理。其基本工作方式为步进电机为履带提供动力，使得履带转动从而带动轮椅前进。关节电机为三角履带轮提供动力，带动三角履带轮翻转，让三角履带轮能够自如的翻越障碍从而实现翻转爬楼的功能。轮椅在爬楼梯翻转越障过程示意图如图1.1所示。分别为轮椅在平地行驶的过程和轮椅爬楼梯时翻转的过程。当轮椅在翻转爬楼时，均会以前履带轮为中心和支撑点进行转动，实现翻转爬楼的功能。运动过程中步进电机和关节电机均是通过减速器将动力传递出去，链传动组件负责将内外轮组件连接到一起。图1.1三角履带爬楼翻转爬楼越障示意图1.3.1三角履带轮结构设计三角履带主要由橡胶履带、引导轮、支撑架以及驱动轮组成，如图1.2所示。1橡胶履带、2支撑架、3引导轮、4驱动轮图1.2三角履带车轮组成结构橡胶履带是由橡胶、钢丝、金属或纤维材料制成的滚轮，具有重量轻、振动幅度小、噪声低、低压高、高速、对路面损伤小、耐用年限长等优点。这类履带表面粗糙、块状的图案增加了轮椅的附着力，使其能够更好地在复杂的地形中穿行。同时相对比与三角形履带轮的内部结构，橡胶履带可以很好的起到动力传递的作用。支撑架与驱动轮和导向轮连接，保持轨道的三角形形状，并能缓冲轨道轮的冲击，防止车轮脱落现象，使其不变形，并起到传递动力和承载的作用。引导轮可以提高轮椅爬楼的翻转能力。驱动轮连接驱动桥并提供动力，动力通过各种齿轮传动传到轨道上。1.3.2橡胶履带选择橡胶履带按其内部结构分为有芯金橡胶履带和无芯金橡胶履带两类。有芯金橡胶履带的芯金属沿轨道纵向布置，有助于提高橡胶轨道的横向刚度，使接触面的横向接地压力分布均匀。所述无芯金橡胶履带内侧的橡胶耳与所述主动轮啮合，以取代所述无芯金。主通过在主软线层旁边添加一个偏置软线层，轨道的应力将不会在它旋转时发生偏移。与带芯的金橡胶履带相比，不带芯的金橡胶履带振动较小，载重能力更强，平稳性更好，故选择无芯金履带[24]。1.4行走电动机的设计与选型在这种设计中，链条传动装置负责连接两个内轮组件和外轮组件，这意味着步进电机驱动履带在一侧行走。由计算公式Pm=k其中：K——安全系数，取1.5；Pwη——总传动效率；Pm由计算公式PW式中：F牵V为整个履带轮椅的行走速度，m/s。设定履带与地面之间摩擦系数为μ=0.5，已知轮椅的最大承重量为120Kg，且两个步进电机作用于履带轮椅上的牵引力与摩擦力f相等，则FF由设计参数可知，设定轮椅的行走速度为V=0.4m/s～0.8m/s，取V最大值为0.8m/s,计算得出PP履带在运动的过程中，步进电机与履带之间通过减速器连接，减速器与履带之间又通过链传动组件连接，因此查《机械设计手册》得到各传动部件的传动效率，如表1.4所示：表1.4各传动部件的传动效率因此可以计算得到总传动效率为=PPm本设计中步进电机的选择是无刷直流电机，直流无刷电机相对于其他类型的电机具有响应速度快，启动转矩大，从零速到额定转速都可以提供额定转矩的优点。根据以上计算，轮椅步进电机在实际运行中所需的输出功率为386.6W。故选择采用步进电机的品牌为瑞士MAXON无刷直流电机，型号为EC-4POLE32，工作额定功率为480W，额定转速n为6420r/min。步进电机的具体参数如图1.3所示。图1.3行走电机详细参数由设计三维图可知内轮的直径为260mm，且要求轮椅的行进速度为0.4～0.8m/s，根据计算,履带行走的最大转速为：n=1.5减速器齿轮的设计已知所选步进电机的额定功率为480W，额定速度n=6420r/min，履带运动的速度为57r/min。如果直接通过减速器进行减速，根据以上结果则要求减速器的总传动比为113。考虑到要求履带轮椅结构简单，重量轻，减速器的体积应较小，因此选择行星齿轮减速器作为减速器。可以将总传动比分别分配到步进电机减速器，齿轮减速器和链传动减速器上。可以得到i=i电机齿轮减速器作为原动机与工作机之间的一个独立的传动装置，通过降低转速、增加转矩来满足实际工作的需要。已知本设计中的齿轮减速器的减速比为1。通常推荐所选用的单级齿轮减速器的传动比为i≤8—10，齿轮减速器效率高，可靠性高，工作寿命长，维护简单。由于本次设计中的履带转动的工作转矩比较大，直齿主要是用于速度较低（v≤8m/s）载荷较轻的传动，故选择单级直齿圆柱齿轮作为减速器齿轮。1.5.1齿轮齿数的选择目前，一般齿轮传动的设计通常仅根据保证齿根弯曲疲劳强度和保证齿面接触疲劳强度两个标准进行计算。对于高速大功率的齿轮传动，要保证齿面抗胶合能力的标准计算。在闭式齿轮传动中，当传动速度较高时，应确保齿面的接触疲劳强度。为了提高其传动的稳定性并减少冲击振动，通常选用多齿齿轮。开式齿轮传动应根据两个标准进行计算，以确保齿面的耐磨性和齿根的抗断裂性。。在保证接触强度的前提下，增加齿数可以增加齿轮重合度，可以提高齿轮传动的平稳性。降低齿高，可以减少加工过程中的切削量，节省制造成本。为防止齿轮啮合和齿根切割，需要小齿轮的齿数Z1≥17。由于本设计中齿轮传动的高速性，故选择小齿轮齿数为Z1=30。在确定了主动齿轮齿数之后，可以通过齿数的比率来确定大齿轮的齿数。为了使轮齿磨损均匀，Z1和Z2通常是互质数，故Z2=30。直齿圆柱齿轮传动的基本参数如表表1.5直齿圆柱齿轮传动的基本参数1.5.2直齿圆柱齿轮强度校核齿轮材料对齿轮的承载能力和结构尺寸具有很大的影响，合理的选择齿轮材料是齿轮设计的重要内容。确定直齿圆柱齿轮材质为Q235A，并且齿轮表面经热处理回火，齿轮副的参数如表1.6所示。表1.6斜齿轮副参数齿轮模数(m)齿数(z)转速(n)分度圆直径（mm）功率(p)主动齿轮1.530104r/min45200W从动齿轮1.530104r/min45（1）齿轮接触疲劳强度校核1）计算主动齿轮名义转矩T选择直齿轮材料的接触疲劳极限应力为σH2）计算主动齿轮的的圆周力F3）许用接触疲劳强度计算主动齿轮应力循环次数：N从动齿轮应力循环次数：N取安全系数S取ZN1=0.95则许用接触疲劳强度为：σσ4）直齿轮齿面接触疲劳强度校核：取齿宽系数ϕd则齿宽为b=齿轮传动比u=齿轮重合度ε取重合度系数Z节点区域系数Z弹性系数Z载荷系数K=2.669直齿面接触疲劳强度校核：σ=189.8×2.5×0.95×得到结果：σH（2）直齿轮弯曲疲劳强度校核1）确定载荷系数：取KA=1.75取齿间载荷分配系数KFα取KHβ=1.15则K=2）确定齿形参数，根据机械设计手册图10-17查的主动齿轮和从动齿轮齿形系数分别为YFα1=2.23、YFα2=2.65。应力修正系数分别为重合度系数为Y3）确定直齿轮弯曲疲劳许用应力齿轮弯曲疲劳许用应力为σ查机械设计手册图10-25d，得到小齿轮和大齿轮的弯曲疲劳极限分别为σFlim由机械设计手册图10-23查的弯曲疲劳强度寿命系数：YN1=0.86取应力修正系数Y取弯曲疲劳强度安全系数S则弯曲疲劳许用应力：σσ4）校核齿轮弯曲疲劳强度：YY按主动齿轮校核齿轮弯曲疲劳强度：σ齿轮接触疲劳为：σ=189.8×2.5×0.95×弯曲疲劳强度为：σ对疲劳强度进行比较：σH＜σH1σF2＜σF11.6链传动原理1.6.1链传动的设计链传动是由大链轮、链条和小链轮组成，通过链轮的轮齿和链条的链节之间的啮合传递动力，链传动没有弹性滑动和整体打滑的现象，能够保持准确的平均传动，工作效率高。链传动主要用于工作可靠，两轴相对较远，低速过载的情况下。本次设计主要采用的常规滚子链，通常用于低速传动系统中，且最大传动比i=8。1）链轮设计与计算链轮轮齿应该有足够的耐磨性和强度，由于小链轮啮合的齿轮齿数次数远远超过大链轮，遭受的冲击也是最大的。当链条与链轮啮合时，链节之间的相对旋转角度增大，使这增加了链条传动的圆周力并导致整个链条传动的磨损。因为链传动时啮合传动，链条和链轮之间没有发生相对滑动的情况，所以平均链速和平均传动比都是恒定的。根据链轮的传动比为1.5:1，可得到：Z链轮节距P越大，承载能力越强，但P越大也意味着链轮整体尺寸越大，但振动、冲击和噪声会越严重［25］。2）链传动的计算计算当量的单排链的计算功率P式中：KA——工况系数，查《机械设计手册》表9-6，确定工况系数为1.0；

Kz——小链轮齿数系数，查《机械设计手册》图9-13，确定小链轮齿数系数为1.65；

KP——多排链系数，确定双排链时取KP——传递的功率，KW。计算得到：P根据计算得到的排链的计算功率Pca和小链轮的转速n1=104r/min，链条型号的确定应根据当量的单排链计算功率，单排链额定功率和主动链轮转速由《机械设计手册》图9-11得到，查表时应保证Pca≤计算链条的链速V，确定润滑方式，链条平均链速V=查《机械设计手册》图9-14选择采用定期人工润滑的方式。3）链传动的张紧链条传动张紧的目的是为了避免链条松散边过大而导致链条啮合不良和链条振动，增加链条与链轮的啮合角［27］。张紧轮的设计应使其直径接近小链轮的直径。拟设计小链轮的齿数为16，故设计张紧链轮的齿数为11，型号为25B。1.