多功能自動(dòng)輪椅行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)

1、多功能電動(dòng)輪椅行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要據(jù)調(diào)查，我國現(xiàn)在大概有近6000萬的殘疾人，其中肢殘的人數(shù)大約有877萬，中國還有1.49億的60歲及以上的老年人，人數(shù)排世界的首位，使得無論是老年人還是先天或后天肢體殘疾人，他們對于輪椅或者還有除此之外的輔助性步行工具這些的需求真的越來越緊迫。所以這些年我國的輪椅市場就打開了，而輪椅的發(fā)展也開始智能化，多功能化，便捷化?？偟膩碚f，多功能電動(dòng)輪椅車它的電源是某一種類型的電池，它的驅(qū)動(dòng)能源裝置是使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)輪椅車為什么比普通的輪椅車更受人追捧，因?yàn)殡妱?dòng)輪椅一般基本都有這些優(yōu)點(diǎn)：操作很簡單容易上手，速度平穩(wěn)安全，噪音小還沒有污染，綠色環(huán)保等等，我的這篇論文第

2、一點(diǎn)首先是對于國內(nèi)外的各種輪椅進(jìn)行分析，然后再記錄下它們的優(yōu)缺點(diǎn)。最后自己設(shè)計(jì)幾種可行的方案，進(jìn)行一一對比，直至選出來一個(gè)最優(yōu)的方案。關(guān)鍵字：電動(dòng)輪椅；轉(zhuǎn)向及驅(qū)動(dòng)；機(jī)械系統(tǒng)；BACHELOR'S DEGREE THESIS OF CISAUABSTRACTAccording to the survey, there are about 60 million disabled people in China now. The disabled number about 8 million 770 thousand, Chinese aged 60 and older population

3、 has reached 149 million. 21.4% of the world's elderly population, the top of the world. So that the demand for wheelchairs and other auxiliary walking tools is increasingly urgent for both the elderly and the disabled.In general, the power of a multi-function electric wheelchair is a type of ba

4、ttery, its driving energy device is driven by an electric motor, and why the electric wheelchair is more popular than the ordinary wheelchair, because the electric wheelchair generally has these advantages.The operation is simple and easy to handle, the speed is stable and safe, the noise is not pol

5、luted, green and so on. The first point of my thesis is to analyze all kinds of wheelchairs at home and abroad, and then record their advantages and disadvantages. Finally, we design several feasible schemes and compare them until we choose an optimal plan.Key words: wheelchair; drive and steering s

6、ystem; mechanical systeII目 錄一、引言11.1選題的目的及其研究意義11.2國內(nèi)外多功能電動(dòng)輪椅的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11.2.1電動(dòng)輪椅的現(xiàn)狀11.2.2電動(dòng)輪椅的發(fā)展趨勢21.2.3應(yīng)用領(lǐng)域21.3主要研究內(nèi)容、途徑及技術(shù)路線21.31具體研究內(nèi)容21.32主要研究途徑和技術(shù)路線2二、電動(dòng)輪椅驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及主要參數(shù)的計(jì)算42.1設(shè)計(jì)內(nèi)容42.2驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)42.2.1輪椅驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案分析和選擇42.2.2前輪轉(zhuǎn)向方式中驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)62.3 主要尺寸7三、驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型9四、蓄電池選用13五、減速器設(shè)計(jì)145.1計(jì)算傳動(dòng)裝置的參數(shù)145.2齒輪

7、的設(shè)計(jì)計(jì)算155.2.1齒輪材料和熱處理的選擇155.2.2按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算155.2.3齒輪幾何尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算165.2.4按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪175.2.5幾何尺寸計(jì)算19六、鏈輪設(shè)計(jì)21七、電動(dòng)輪椅整體設(shè)計(jì)237.1車身骨架設(shè)計(jì)237.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)24八、總結(jié)26致謝28參考文獻(xiàn)29II一、引言多功能電動(dòng)輪椅的組成其實(shí)有兩個(gè)部分，第一是作為能源的電池，第二是作為控制的電子控制裝置。輪椅車的使用者它能夠通過所加設(shè)的電子控制裝置來駕駛輪椅車做出前進(jìn)后退等行為命令。我認(rèn)為它是老年人和下肢障礙人群的理想輔助運(yùn)輸工具。1.1選題的目的及其研究意義我國輪椅市場的發(fā)展有些緩慢。輪椅是下肢有功能障

8、礙者和老人不可缺少的代步工具。因?yàn)樵谌粘Ｉ町?dāng)中大多數(shù)輪椅都是手動(dòng)的，都存有或多或少的缺點(diǎn)及不便處，不能滿足日常生活中用戶的需要。并且長時(shí)間的使用會(huì)讓使用者感覺到很累。在目前的輪椅市場中電動(dòng)輪椅的價(jià)格昂貴，普通的家庭消費(fèi)不起。1.2國內(nèi)外多功能電動(dòng)輪椅的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2.1電動(dòng)輪椅的現(xiàn)狀1.國內(nèi)電動(dòng)輪椅發(fā)展簡況在我們中國，多功能電動(dòng)輪椅的相關(guān)技術(shù)研究相對較晚，而且也很不完善，但是從90年代之后開始發(fā)展迅速。我國國內(nèi)的廠商生產(chǎn)的大部分都是六輪式和四輪式的輪椅，并且都有防傾倒，可變速調(diào)速等的功能。而且近年來，手扶電動(dòng)輪椅，站立式梯凳等多功能輪椅逐漸顯現(xiàn)。2.國外電動(dòng)輪椅發(fā)展簡況性能比較高的

9、的多功能電動(dòng)輪椅車的先進(jìn)生產(chǎn)廠家大多部分都集中在國外，其中那些擁有先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的國家比如英國，德國，美國等等.他們生產(chǎn)的多功能電動(dòng)輪椅除一般都有的功能之外，它們的特點(diǎn)還包括自動(dòng)行走，令人難忘的地圖，自動(dòng)導(dǎo)航和用戶互動(dòng)等等高級功能。也有許多類型的結(jié)構(gòu)，包括四輪，三輪，六輪和履帶式。除能適應(yīng)城市中平坦路況外，有些還能登山越野。1.2.2電動(dòng)輪椅的發(fā)展趨勢近些年，多方面的專家都表明人工智能是未來社會(huì)的一大發(fā)展趨勢，人工智能將出現(xiàn)在各行各業(yè)，當(dāng)然多功能電動(dòng)輪椅的生產(chǎn)也離不開。如果將人工智能融入在多功能電動(dòng)輪椅當(dāng)中，那這樣制造出來的多功能輪椅不僅能夠給需要的人們帶來便捷和舒適，更能夠幫助使用者自身的自理

10、能力，給社會(huì)帶來更好的一面，造福整個(gè)社會(huì)。1.2.3應(yīng)用領(lǐng)域隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，也隨著制造技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)輪椅的強(qiáng)大功能不僅僅只適用于老年人和殘疾傷患，在某些條件的情況下，它也可以作為大型車間內(nèi)工人的便捷代步工具。1.3主要研究內(nèi)容、途徑及技術(shù)路線為了改變中國多功能電動(dòng)輪椅發(fā)展的現(xiàn)狀，解決人們對高品質(zhì)生活的追求，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)降低輸出速度的模型。帶有減速裝置的電動(dòng)輪椅可增加輸出扭矩功能，希望能幫助老年人和殘疾人。我希望我的這次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠幫助更多的老人和殘疾人。1.31具體研究內(nèi)容1.充分了解電動(dòng)輪椅的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對當(dāng)前多功能電動(dòng)輪椅的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查，分析和研究，并提出可以改進(jìn)的方面。&

11、#160;特別是調(diào)速原理。2.收集在這一領(lǐng)域當(dāng)中，包括相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和最新研究成果在內(nèi)的各種各類多功能電動(dòng)輪椅車的資料。3.設(shè)計(jì)若干個(gè)方案來進(jìn)行分析和研究，并且從若干個(gè)方案里面選出一種合適的總體設(shè)計(jì)方案，最后再對于最終的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化以及細(xì)化。（1）輪椅驅(qū)動(dòng)和其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。（2）輪椅車身骨架的設(shè)計(jì)。（3）輪椅的整體三維建模。4.對本次設(shè)計(jì)進(jìn)行校核和校驗(yàn)。 1.32主要研究途徑和技術(shù)路線 利用所學(xué)習(xí)的課本知識并且借鑒國內(nèi)外學(xué)者的教材知識，參考電動(dòng)輪椅的信息，通過繪制草圖，分析，減速器設(shè)計(jì)等方式探討了輪椅的機(jī)械系統(tǒng)。然后確定出若干個(gè)方案，最后再由資料上查得的參數(shù)進(jìn)行對減速器

12、的轉(zhuǎn)矩范圍的計(jì)算并校核，最后再來確定最終的最優(yōu)方案。優(yōu)化多功能輪椅的車身骨架結(jié)構(gòu)，增加必要的輔助功能裝置，并利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD和PROE）構(gòu)建輪椅和各個(gè)部件的三維模型。二、電動(dòng)輪椅驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及主要參數(shù)的計(jì)算一般情況下，多功能電動(dòng)輪椅的核心部分主要分為兩部分：驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容輪椅的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括了以下幾方面：電動(dòng)輪椅的電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)控制器、減速器裝置、還有另外的傳動(dòng)部分裝置等等。電動(dòng)輪椅機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵就是看其能否平穩(wěn)的行駛和靈活的轉(zhuǎn)向，也是電動(dòng)輪椅機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)難點(diǎn)。 電動(dòng)輪椅機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要在現(xiàn)有電動(dòng)輪椅驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向解決方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)

13、，并提出各種選擇方案，并結(jié)合本篇論文中需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪椅應(yīng)該具有的特點(diǎn)以及分析各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇出來一種最合適的驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向方案，并且對系統(tǒng)的各個(gè)組成零件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。2.2驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是電動(dòng)輪椅的核心部分，作為完成多功能電動(dòng)輪椅的主要功能。它包括以下幾方面的裝置： 電機(jī)，連接到控制系統(tǒng)并控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的電機(jī)控制器，連接到電機(jī)輸出端的減速器以及變速器組件的其他部件。 驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下： 輪椅要求能夠穩(wěn)定地移動(dòng)或撤退，靈活且可以盡可能寬，可以快速制動(dòng)，并且可以確保乘坐安全舒適。因?yàn)槭峭ㄟ^控制器控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向從而控制

14、輪椅的行駛速度和行進(jìn)或后退的。由于直流電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速相對于其他的電機(jī)一般較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輪椅在平穩(wěn)行駛的時(shí)候后輪所要求的轉(zhuǎn)速，因此它比輪椅運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)后輪所需的轉(zhuǎn)速高得多。 但是然而直流電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩的值不足以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪椅的后輪克服地面的摩擦阻力。 我們必須在直流電機(jī)的輸出端增加一個(gè)減速裝置，以降低輸出轉(zhuǎn)速并增加輸出轉(zhuǎn)矩。 此外，減速機(jī)的附加輸出與后橋之間還必須有其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以降低負(fù)載變化的嚴(yán)重程度，從而使負(fù)載平穩(wěn)。基于以上總結(jié)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了幾種可行的駕駛和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選項(xiàng)，然后對各方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較，最后再確定最終方案。2.2.1輪椅驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案分

15、析和選擇多功能電動(dòng)輪椅驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案其實(shí)非常的靈活，也非常的多樣， 由于電動(dòng)輪椅通常使用后輪作為驅(qū)動(dòng)裝置，因此，根據(jù)電動(dòng)輪椅的不同轉(zhuǎn)向方式，我們有兩種可以采納使用的轉(zhuǎn)向方案：1.前輪轉(zhuǎn)向方式，如圖2.1所示，2.后輪轉(zhuǎn)向方式，如圖2.3所示 圖2.1 前輪轉(zhuǎn)向式輪椅的控制系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行輸送脈沖信號的行為，使得步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)到特定的角度，輪椅的步進(jìn)電機(jī)通過齒輪齒條平行四邊形機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)輪椅的兩前輪同步偏轉(zhuǎn)（如圖1.2），輪椅兩前輪偏轉(zhuǎn)軸的頂端都裝的有盤形的彈簧，彈簧的另一端都在輪椅車身上進(jìn)行固定，轉(zhuǎn)向完成之后，控制系統(tǒng)不再向電動(dòng)輪椅中的步進(jìn)電機(jī)輸送脈沖信號，這時(shí)候步進(jìn)電機(jī)

16、無輸出，電動(dòng)輪椅的兩前輪在彈簧力的作用下就會(huì)回復(fù)到初始的位置。圖2.2 前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)輪椅的后輪驅(qū)動(dòng)軸是由一根軸組成的，軸中間裝的有鏈輪，電動(dòng)輪椅的直流電機(jī)經(jīng)過減速器通過鏈條與鏈輪相連，因?yàn)殡妱?dòng)輪椅行駛的時(shí)候要保持平穩(wěn)，速度比較低，因此這樣不需要差速器也能夠正常行駛。這一種方案的優(yōu)點(diǎn)是將電動(dòng)輪椅的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分離，并且在行駛方向方面上的控制與行駛速度方面上的控制不會(huì)相互影響，相對獨(dú)立，用這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)。而且轉(zhuǎn)向原理很簡單，只需要通過輸入輪椅中步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)來控制前輪的偏轉(zhuǎn)角就可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅在行進(jìn)時(shí)的轉(zhuǎn)向，并且轉(zhuǎn)向的精度比較高。這一方案的缺點(diǎn)是必須在駕駛過程

17、中完成輪椅的轉(zhuǎn)向。這樣就不能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向的功能，而且輪椅行動(dòng)不便使輪椅不便于室內(nèi)使用。圖2.3 后輪轉(zhuǎn)向式利用電動(dòng)輪椅中的兩個(gè)直流電機(jī)分別來驅(qū)動(dòng)輪椅的兩側(cè)后輪，通過電子差速的方式獨(dú)立的控制電動(dòng)輪椅兩側(cè)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)速，電動(dòng)輪椅的兩后輪等速轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，輪椅進(jìn)行直線行駛，電動(dòng)輪椅的兩后輪不等速轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，電動(dòng)輪椅就會(huì)向轉(zhuǎn)速相對比較低的后輪一側(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)速差值越大，不等速轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間就越長，轉(zhuǎn)向的角度也就越大，當(dāng)某一個(gè)后輪進(jìn)行正轉(zhuǎn)，另一后輪進(jìn)行反轉(zhuǎn)時(shí)，輪椅就可以原地360度轉(zhuǎn)向。采用雙直流電機(jī)來作為驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，它所需要的直流電機(jī)功率大概為單直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)候的一半，這樣電機(jī)的尺寸就可以變得更小，兩個(gè)直

18、流電機(jī)以及減速器等的結(jié)構(gòu)都可以布置在電動(dòng)輪椅的后輪軸線上，但是這樣就要求輪椅的電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩范圍更寬，對于電機(jī)的性能要求更高。本篇論文所要設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪椅因?yàn)楸仨氁芡瑯舆m應(yīng)在室內(nèi)與在戶外的使用，所以要求必須要有較方便、快捷、簡單的操作，然而前輪轉(zhuǎn)向的這一方案可以實(shí)現(xiàn)輪椅轉(zhuǎn)向的精度相對來說比較高。后輪轉(zhuǎn)向方案由于要求電動(dòng)輪椅的電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩范圍更寬，對與電動(dòng)輪椅的電機(jī)性能要求更高。所以綜上所述的分析，本次的電動(dòng)輪椅行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定采用前輪轉(zhuǎn)向式方案。2.2.2前輪轉(zhuǎn)向方式中驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 前輪轉(zhuǎn)向方式中的驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的直流電機(jī)和相對應(yīng)的減速器及其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等的裝置，都在電動(dòng)輪椅的后輪軸

19、線方向上進(jìn)行分布，因?yàn)橛捎陔妱?dòng)輪椅的輪距不可能會(huì)太大，所以這就要求電動(dòng)輪椅的直流電機(jī)的軸向尺寸和減速器的軸向尺寸都不能過大。而電動(dòng)輪椅的直流電機(jī)的軸向尺寸對于直流電機(jī)的額定功率以及扭矩等各項(xiàng)參數(shù)都有一定的影響，而且一般情況下來說，同一系列電機(jī)的額定功率和扭矩越大，軸向尺寸越大。所以，在選擇輪椅的直流電機(jī)的時(shí)候，應(yīng)該特別的注意一下，既要盡可能的選擇扭矩相對比較大的電機(jī)，還要考慮到電機(jī)軸向尺寸不能過大的限制。當(dāng)輪椅行駛時(shí)，如果前輪可以自由偏轉(zhuǎn)，輪椅的轉(zhuǎn)向性能和駕駛安全性將受到嚴(yán)重危害。 因此，必須對電動(dòng)輪椅的前輪的靈活性施加一些限制。 彈簧的另一端在輪椅車身上進(jìn)行固定，在行進(jìn)過

20、程中轉(zhuǎn)向進(jìn)行完成后，控制系統(tǒng)不再向電動(dòng)輪椅的步進(jìn)電機(jī)輸送脈沖信號的時(shí)候，輪椅的步進(jìn)電機(jī)這個(gè)時(shí)候會(huì)零輸出，然后這個(gè)情況下，輪椅的兩個(gè)前輪會(huì)在彈簧力的作用下就可以回復(fù)到初始的位置，這樣就完成了轉(zhuǎn)向之后輪椅的前輪自動(dòng)復(fù)位。2.3 主要尺寸電動(dòng)輪椅車身的骨架是電動(dòng)輪椅的主體以及支撐的結(jié)構(gòu)，骨架承載著輪椅車身以及乘坐者的重量和。這樣我們可以得出輪椅骨架的大概尺寸范圍：椅座的尺寸大概在500毫米，座椅距離地面的垂直高度大概在500-700毫米區(qū)域之間,輪椅扶手的垂直高度在250-300毫米之間,輪椅椅背的垂直高度在500-700毫米之間,輪椅的承腿架垂直高度在300-450毫米區(qū)域之間。（如圖2.4） 圖

21、2.4 輪椅主要尺寸三、驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型下表就是對于如今在市場上常用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的各方面性能的比較，如下表3.1：比較內(nèi)容開關(guān)磁阻電機(jī)直流電機(jī)永磁無刷電機(jī)交流異步感應(yīng)電機(jī)永磁同步電機(jī)電機(jī)功率密度一般差好較差一般轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性好一般好好好轉(zhuǎn)速范圍最大小大一般大功率一般差高一般高易操作性好最好好好好可靠性好差一般好一般成本較高高較高低高電機(jī)尺寸小大小一般小電機(jī)質(zhì)量輕重輕一般輕控制性一般好好好好綜合性能好差最好一般好表3.1 電動(dòng)機(jī)類型本文設(shè)計(jì)的多功能電動(dòng)輪椅對驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的基本要求有以下幾個(gè)方面：1.必須要有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。2.要求比功率要大，就是單位質(zhì)量能提供的最大功率要足夠大，以最大功率計(jì)時(shí)，一般應(yīng)該

22、達(dá)到（11.25）KW/kg以上；3.要有比較快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性，能夠在各種車速范圍內(nèi)，快速地控制電動(dòng)輪椅驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)精度、可控性高和動(dòng)態(tài)特性好；4.能夠適應(yīng)不同的環(huán)境，可以在不同的工作條件下進(jìn)行可靠地工作；5.維護(hù)簡單，工作噪聲低。無刷直流電機(jī)的特點(diǎn)如下：它不單有永磁體還有勵(lì)磁繞組，永磁體通常都是嵌入在轉(zhuǎn)子中，勵(lì)磁繞組通常都是固定在定子之上，它通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來控制氣隙磁通，所以無刷直流電機(jī)可以很方便的在高速區(qū)進(jìn)行弱磁調(diào)節(jié)，用以來提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性。與此同時(shí)無刷直流電機(jī)是用離散轉(zhuǎn)子位置的反饋信號來進(jìn)行控制換相。因此選擇永磁無刷電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如下：它的轉(zhuǎn)矩、功率密度大、位置檢

23、測和控制方法不僅簡單、而且效率也高。多功能電動(dòng)輪椅的驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型的選擇必須需要對技術(shù)水平因素以及成本等經(jīng)濟(jì)因素等各個(gè)方面的來進(jìn)行考慮，電動(dòng)輪椅的驅(qū)動(dòng)電機(jī)它的輸出轉(zhuǎn)矩首先經(jīng)過減速器等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)增大，然后再帶動(dòng)輪椅的后輪克服地面摩擦力進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)輪椅的驅(qū)動(dòng)力和電動(dòng)輪椅的行駛阻力之間的平衡關(guān)系可以由下列式子給出：式中，為驅(qū)動(dòng)力；為地面摩擦阻力；為空氣阻力；為爬坡阻力；為加速阻力；是電動(dòng)輪椅中所有電動(dòng)機(jī)的輸出總轉(zhuǎn)矩；為傳遞效率；為減速器減速比；是其他的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，為電動(dòng)輪椅的后輪半徑；為整車質(zhì)量；為滾動(dòng)阻力系數(shù)；為車速；為道路坡度；為空氣阻力系數(shù)；為車輛迎風(fēng)面積；為輪椅質(zhì)量換算系數(shù)。因?yàn)楸酒撐?/p>

24、我所設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪椅的期望行駛速度要在5-15km/h之間，行駛的速度相對比較低。并且行駛阻力大約等于接觸地面的摩擦力即： 式中，為輪椅行駛速度；為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速。本篇中我所設(shè)定的電動(dòng)輪椅車的空車質(zhì)量在40-50千克區(qū)域之間，輪椅車需要能承載的最大質(zhì)量設(shè)定為100kg。所以輪椅整車最大質(zhì)量約為150kg。由機(jī)械設(shè)計(jì)課本中查表可得出，摩擦系數(shù)范圍是在0.010-0.020之間，本次計(jì)算取用最大值?？捎?jì)算地面摩擦阻力為 在一般情況下，單級直齒輪減速器的傳動(dòng)比不能夠超過4以上，鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比要必須要小于數(shù)值6。減速器和鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比受到輪椅座椅空間的影響不可能太大，所以在此初步的設(shè)定減速器的傳動(dòng)比等于3

25、，鏈傳動(dòng)比等于3.傳遞效率等于90%來計(jì)算。輪椅后輪直徑約為500mm左右。可以大概計(jì)算出來每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的輸出轉(zhuǎn)矩： 我預(yù)期電動(dòng)輪椅的平均行駛速度大概在10km/h左右，也就是每秒2.78米的前進(jìn)速度，所以我們可以得出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速應(yīng)該大概為： 工作機(jī)所需功率為 kW傳動(dòng)裝置的總效率為 其他的各部分的效率：為聯(lián)軸器效率，為滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率，為閉式齒輪傳動(dòng)效率，為滾子鏈傳動(dòng)效率，把這些的效率值代入到上式可以計(jì)算得出總效率 所需電動(dòng)機(jī)功率為 kW綜合以上計(jì)算出來的各個(gè)參數(shù)，本篇論文中決定選用山東亞泰重型機(jī)械有限公司所生產(chǎn)的YSE系列的直流電機(jī)，參數(shù)如下：額定功率0.2KW；額定轉(zhuǎn)矩0.5

26、Nm；最大轉(zhuǎn)矩2Nm；額定轉(zhuǎn)速2000rpm；重量1.8kg；長度96mm;調(diào)速范圍20-2000rpm；電壓24V。轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)的選型：由于該轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)只起到轉(zhuǎn)向的作用，所以它需要的功率和轉(zhuǎn)矩都相對于來說比較小。經(jīng)過同種類型的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析以及比較過后，本文的這次設(shè)計(jì)決定采納選用SM 40-003-30LFB電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)如下：額定功率0.1kW；額定轉(zhuǎn)矩0.3Nm；額定轉(zhuǎn)速3000rpm；額定電流1.6A,電壓24V。四、蓄電池選用蓄電池主要是為了給多功能電動(dòng)輪椅車在做行駛等動(dòng)作的過程中提供能量。常用的蓄電池主要有以下幾種：鉛酸電池：這種電池性能比較可靠、價(jià)格相對較低、壽命比較

27、長、維護(hù)起來極其方便，但是這種電池能量很低，輸出波動(dòng)很大，低溫性能比較差，而且需要充電的時(shí)間也很長。鎳鎘電池：這種鎳鎘電池最大的可取之處就是充電的時(shí)候非常的簡捷方便，并且適應(yīng)各種方法進(jìn)行充電。鎳鋅電池：這種電池來說，它的比能量高，材料成本很低，但鎳鋅電池的致命弱點(diǎn)就是循環(huán)壽命短。鎳氫電池：這種電池的能量密度比起鎳鎘電池要高40%左右，而且它并不會(huì)污染環(huán)境；但是它的循環(huán)壽命卻不如鎳鎘電池高。鋰離子電池：這種電池中使用的陽極和陰極材料是層間化合物。 使其從低能量正極材料遷移到在陽極材料層之間形成的高能量狀態(tài); 鋰離子在放電期間以更高的能量從陽極材料中排出，并且以較低的能量返回到

28、陰極材料層以釋放電能。本篇論文的多功能電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)要求中對于電池的基本要求可以總結(jié)為以下的幾個(gè)點(diǎn)：（1）高能量密度；（2）高功率密度；較長的循環(huán)壽命；（3）比較不錯(cuò)的充放電性能；（4）電池的一致性要比較好；（5）價(jià)格盡量較低；（6）使用和維護(hù)需要比較方便；（7）無污染環(huán)境問題。綜合以上的分析，在目前應(yīng)用最廣泛、最普遍的還是鉛酸蓄電池，這種電池除了以上所說的可取之處外，另一方面還是主要在于它的技術(shù)相比于其他類型的電池算是比較的成熟、價(jià)格也是相對的低廉，并且這種鉛酸電池的性能也是比較的穩(wěn)定，應(yīng)該算是比較可靠的一種選擇。所以這次的設(shè)計(jì)我選用的是24V鉛酸電池。五、減速器設(shè)計(jì)5.1計(jì)算傳動(dòng)裝置的參數(shù)1

29、.0軸（電動(dòng)機(jī)軸）2.1軸（高速軸）3.2軸（低速軸）下表5.1就是各軸的動(dòng)力運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果:表5.1 各軸動(dòng)力運(yùn)動(dòng)參數(shù)軸名稱效率輸入轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速n/(r/min)傳動(dòng)比 電機(jī)軸0.961.999603.21軸0.981.919602軸0.995.923005.2齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算5.2.1齒輪材料和熱處理的選擇本次設(shè)計(jì)我選擇的是由40Cr(調(diào)質(zhì))為制作材料的小齒輪，它的硬度等于280HBS，以及由45鋼(調(diào)質(zhì))為制作材料的大齒輪，它的硬度等于240HBS。它們二者的材料硬度差是40HBS5.2.2按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算由設(shè)計(jì)計(jì)算公式1.試選載荷系數(shù)2.取齒寬系數(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)表10-7查得3.根據(jù)齒面

30、的硬度在機(jī)械設(shè)計(jì)圖表10-21d我們可以查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限分別是，。4.取材料的彈性影響系數(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)表10-6查得5.計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) ，據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)式10-13計(jì)算6.小齒輪和大齒輪的接觸疲勞壽命系數(shù)分別是 ， ，這一數(shù)值我們可以由機(jī)械設(shè)計(jì)圖10-19查得7計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力,我們在這里的計(jì)算將安全系數(shù)S的值取為1，失效概率取為1%，然后由機(jī)械設(shè)計(jì)課本式10-12得 5.2.3齒輪幾何尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算小齒輪的分度圓直徑，我們在這里將中較小的一個(gè)值代入公式進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算 1.計(jì)算圓周速度 =2.設(shè)計(jì)齒寬b3.計(jì)算模數(shù)與齒高之比模數(shù) 齒高 4.計(jì)算載荷系數(shù)因?yàn)槲覀冞@里取得失

31、7級精度，而且，這樣動(dòng)載荷系數(shù)就可以在機(jī)械設(shè)計(jì)課本圖10-8查到；直齒輪，在機(jī)械設(shè)計(jì)表10-3查得；在機(jī)械設(shè)計(jì)課本表10-4中查得7級精度時(shí)，；根據(jù),可以在機(jī)械設(shè)計(jì)課本圖10-13查出得到；所以計(jì)算可以得出載荷系數(shù)5.先根據(jù)上述參數(shù)數(shù)據(jù)中的實(shí)際負(fù)荷系數(shù)校正，然后根據(jù)公式計(jì)算指數(shù)圓的直徑 計(jì)算得出mm6.計(jì)算模數(shù)m 5.2.4按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪由機(jī)械設(shè)計(jì)課本中的式10-5可以查得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為：1.確定公式中的各個(gè)數(shù)值（1）根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)課本圖10-20c中，我們可以查出來：電動(dòng)輪椅中用大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限為；以及小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限為；（2）根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)課本的圖10-18中，我

32、們可以查得小齒輪和大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)分別為 （3）彎曲疲勞許用應(yīng)力的計(jì)算取 S=1.4（S為彎曲疲勞安全系數(shù)），然后我們可以在機(jī)械設(shè)計(jì)課本中式(10-12)中可以查到公式并進(jìn)行計(jì)算后得到 （4）載荷系數(shù) K的計(jì)算 （5）查取齒形系數(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)課本表10-5可以分別查得小齒輪和大齒輪的齒形系數(shù)為 。（6）應(yīng)力校正系數(shù)的查取由機(jī)械設(shè)計(jì)課本表10-5查大齒輪和小齒輪的應(yīng)力校正系數(shù)分別為 。（7）分別計(jì)算出大、小齒輪的值然后我們再進(jìn)行比較 最后我們可以得出大齒輪的數(shù)值大。2.設(shè)計(jì)計(jì)算 可以計(jì)算出來小齒輪齒數(shù)：大齒輪齒數(shù)： ,取。5.2.5幾何尺寸計(jì)算1.計(jì)算分度圓直徑 2.計(jì)算中心距 3.計(jì)

33、算齒輪寬度 取 下表5.2所示為齒輪的基本參數(shù):表5.2 齒輪基本參數(shù)名稱符號公式齒1齒2齒數(shù)2993分度圓直徑17.455.8齒頂高0.60.6齒根高0.750.75齒頂圓直徑18.657齒根圓直徑15.954.3中心距36.6齒寬2318六、鏈輪設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)有許多，比如：傳動(dòng)效率比較高；這種鏈傳動(dòng)在高溫、高濕度的環(huán)境中仍然可以無壓力的使用；張緊力比較的小等等。電動(dòng)輪椅的電機(jī)在額定工作的時(shí)候，減速器的輸出軸轉(zhuǎn)速等于，后輪軸的轉(zhuǎn)速等于，傳動(dòng)功率等于。1.選擇鏈輪齒數(shù)小鏈輪齒數(shù)：取傳動(dòng)比：大鏈輪齒數(shù)：2.確定計(jì)算功率：由式得在公式中：工況系數(shù)，可由機(jī)械設(shè)計(jì)表9-6查得；驅(qū)動(dòng)鏈的鏈輪齒數(shù)系數(shù)，

34、可由機(jī)械設(shè)計(jì)圖9-13中找得到：雙排鏈的時(shí)候的值為1.75，三排鏈的時(shí)候的值為2.5；傳遞的功率，單位為。由機(jī)械設(shè)計(jì)中的表9-6查得，由機(jī)械設(shè)計(jì)中的圖9-13查得，單排鏈的時(shí)候，計(jì)算出的功率為 3.鏈節(jié)數(shù)和中心距的計(jì)算根據(jù)以及在機(jī)械設(shè)計(jì)課本中查圖9-11，可以選出。查機(jī)械設(shè)計(jì)中的表9-1，可以查得出鏈條節(jié)距為。鏈節(jié)數(shù)和中心距進(jìn)行計(jì)算初選中心距。取。相應(yīng)的鏈長節(jié)數(shù)為 取鏈長節(jié)數(shù) 節(jié)。查機(jī)械設(shè)計(jì)課本中的表9-8得到中心距計(jì)算系數(shù)為，然后計(jì)算得出鏈傳動(dòng)中的最大中心距為再計(jì)算出鏈速v后，確定潤滑方式 根據(jù)和鏈號，查機(jī)械設(shè)計(jì)課本中圖9-14可以知道應(yīng)該采用定期的人工潤滑。然后計(jì)算壓軸力有效圓周力為：因?yàn)?/p>

35、已經(jīng)知道鏈輪水平布置時(shí)的壓軸力系數(shù)，所以計(jì)算的壓軸力為七、電動(dòng)輪椅整體設(shè)計(jì)7.1車身骨架設(shè)計(jì)以下是主要由鋼管焊接而成的側(cè)面骨架，扶手鋼管的參數(shù)為直徑為30mm、內(nèi)徑20毫米，下部底架的鋼管參數(shù)為外徑40毫米、內(nèi)徑為30毫米。以下是各個(gè)組件的制作圖紙：圖7.1 側(cè)面骨架圖7.2 椅背圖7.3 底板架7.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能操縱桿控制器（見圖7.4），它主要是通過控制器上的操縱桿來同時(shí)控制電動(dòng)輪椅電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和電動(dòng)輪椅車的運(yùn)動(dòng)方向和速度。 它可以用來操作電動(dòng)輪椅的360度旋轉(zhuǎn)到位，電磁制動(dòng)器，手桿控制停車起步等等?？刂破骺梢园惭b在輪椅扶手的地方，并且可以根據(jù)使用者的需要選擇裝在輪椅的左邊

36、或者右邊。圖7.4 智能搖桿控制器八、總結(jié)本篇論文的電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)是通過查閱大量的資料，然后我又了解了現(xiàn)有各種各類的多功能電動(dòng)輪椅產(chǎn)品，并且對于多功能電動(dòng)輪椅的各種驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行對比和分析，然后提出了帶機(jī)械傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)的電動(dòng)輪椅。最終效果圖如圖8.1所示：表8.1所示的是本篇論文設(shè)計(jì)的多功能電動(dòng)輪椅的主要的技術(shù)性能指標(biāo)。表8.1 爬樓梯輪椅的主要技術(shù)性能指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)座椅距地面的高度548mm最大速度21km/h驅(qū)動(dòng)輪直徑450mm前輪直徑150mm總長度1320mm總寬度748mm總高度1228mm轉(zhuǎn)向平行四邊形機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)加鏈輪作為驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力電源DC24V自身重量46.5Kg承載重量

37、70Kg致謝我本次的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)是在王嘉偉老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的,王嘉偉老師對待工作的態(tài)度非常的認(rèn)真負(fù)責(zé),它對待我提出的問題,都能耐心回答，細(xì)心地為我檢查問題.他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和精益求精的工作作風(fēng),都深深地感染并不斷地激勵(lì)著我.從課題的選擇到論文的最終完成之際,王嘉偉老師始終都是為我耐心的講解,并且嚴(yán)格的要求我.細(xì)心地糾正我每一處的錯(cuò)誤。王嘉偉老師是我學(xué)習(xí)的榜樣,他對我今后的不論是學(xué)習(xí),生活還是工作都產(chǎn)生了非常深遠(yuǎn)的影響.在此我向王嘉偉老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意，感謝他在我大學(xué)最后的一段時(shí)間內(nèi)還能對我這么細(xì)心地指導(dǎo)和教誨。在這里，我還要感謝幫助我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)。給予我信心和鼓勵(lì)，讓我可以克服一個(gè)個(gè)困難和疑惑，