機(jī)械設(shè)計制造及其自動化康復(fù)式電動輪椅設(shè)計

1、梧州學(xué)院畢業(yè)論文論文題目 康復(fù)式電動輪椅設(shè)計系 別專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造與其自動化班 級學(xué) 號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師（簽名）完成時間2013 年 5 月摘要進(jìn)入 21 世界以來，人們的生活水平日益提高，對生活健康看得越來越 重，康復(fù)式醫(yī)療理念也日漸深入人心?？祻?fù)式醫(yī)療器材就在此背景下應(yīng)運(yùn)而 生，其中的康復(fù)式輪椅結(jié)合了代步與康復(fù)醫(yī)療的功能，在康復(fù)醫(yī)療體系中占有 非常重要的地位。本課題是康復(fù)式電動輪椅設(shè)計，以直流電機(jī)為動力源，通過齒輪配合，分 解成兩個獨(dú)立運(yùn)動單元。一個為輪椅提供行走動力，使輪椅能夠按照一定速度 運(yùn)動，完成代步功能；另一個為仿生運(yùn)動機(jī)構(gòu)提供動力，仿生運(yùn)動機(jī)構(gòu)由傳動 軸，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)組成，組

2、合完成康復(fù)醫(yī)療功能。本論文是對康復(fù)式電動輪椅設(shè)計過程說明。其主要內(nèi)容有電機(jī)的選擇與PWM 控制系統(tǒng)的設(shè)計；車架設(shè)計與受力分析；傳動系統(tǒng)設(shè)計與對軸、鍵類零 件受力分析；康復(fù)醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計與仿生運(yùn)動功能的實(shí)現(xiàn)；標(biāo)準(zhǔn)件的列表和參 數(shù)。關(guān)鍵詞： 康復(fù)式電動輪椅； 仿生運(yùn)動機(jī)構(gòu)； 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)； PWM 控 制系統(tǒng)The Design of Electric Wheelchair For RecoveryAbstractWith the development of people ' slife standard in the 21 st century, health becomes a mor

3、e and more important thing in the common life. And rehabilitation treatment, as a healthy concept is getting popular in our life .Under the background rehabilitation wheelchairs among the medical equipment for rehabilitation come into being. Rehabilitation wheelchairs play a very important role in t

4、he whole healthcare system, for it integrates the functions of walk and rehabilitation.Rehabilitation wheelchair, as the theme of the design, is divided into two units, with a DC motor as the power resource and matched with wheel gears. The former keeps the wheelchair moving in a certain speed; and

5、the latter supplies the bionic motion mechanism which is consists of crank joystick mechanism, with power, it helps to perfect the function of rehabilitation.The instruction contains the design process of this rehabilitation wheelchair. The main content includes :the choose of the motor and the desi

6、gn of pwm control system; the framework of the wheelchair and force analysis;the design of the driving system and the force analysis of the countershafts and the key parts ;the design of healthcare system and the realization of bionic motion;the list for the standard parts and parameters.Key words:

7、rehabilitation wheelchair bionic motion mechanism crank joystick mechanism PWM control system目錄1.1 本課題的研究背景 1.1.2 本課題國內(nèi)外研究動態(tài) 1.1.3 本課題研究意義與主要內(nèi)容 1.第二章 主要零部件與總體方案設(shè)計 3.2.1 輪椅的總功能原理圖 3.2.2 檔位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與傳動示意圖 4.2.3 模擬肢體運(yùn)動機(jī)構(gòu)示意圖 5.2.4 輪椅方向控制機(jī)構(gòu) 3D 圖 6.第三章 直流電機(jī)的選擇與 PWM 電路控制設(shè)計 7.3.1 輪椅轉(zhuǎn)速與極限轉(zhuǎn)矩的確定 7.3.2 選擇電動機(jī)的類型與參數(shù) 1

8、.0.3.3 脈寬調(diào)制 PWM 電路設(shè)計原理 1.1.第四章 車架設(shè)計與受力分析 2.0.4.1 輪椅車架尺寸設(shè)計 2.0.4.2 輪椅車架主要承載件受力分析與材料確定 2.1第五章 傳動系統(tǒng)設(shè)計與對零件受力分析 2.6.5.1 傳動系統(tǒng)各零件的參數(shù)確定 2.7.5.2 傳動系統(tǒng)零部件的校核計算 錯. 誤 ! 未定義書簽。5.3 齒輪的設(shè)計與校核計算 3.2.第六章 輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計 3.6.6.1 控制把手設(shè)計 3.6.6.2 方向控制系統(tǒng)設(shè)計 3.7.6.3 檔位控制系統(tǒng)設(shè)計 3.9.6.4 剎車系統(tǒng)設(shè)計 4.0.第七章 仿生運(yùn)動分析與功能實(shí)現(xiàn) 4.2.7.1 仿生運(yùn)動分析與實(shí)現(xiàn) 4.2.

9、7.2 仿生運(yùn)動機(jī)構(gòu)零部件的校核計算 4.8.7.3 齒輪的設(shè)計與校核計算 4.9.第八章 總裝配圖 5.4.參考文獻(xiàn) 5.5.附錄 5.6致謝 6.2第一章 緒論1.1 本課題的研究背景康復(fù)醫(yī)療是指運(yùn)用物理醫(yī)療手段對肢體障礙與相關(guān)重癥患者在恢復(fù)階段進(jìn) 行的一種輔助性醫(yī)療手段 8 ?？祻?fù)式輪椅的主要功能是模擬肢體運(yùn)動幫助有運(yùn) 動障礙的人群完成運(yùn)動功能的恢復(fù)訓(xùn)練并能幫助無法康復(fù)的人群進(jìn)行肢體運(yùn) 動，促進(jìn)血液循環(huán)，減少并發(fā)癥。1.2 本課題國內(nèi)外研究動態(tài)目前世界上康復(fù)式輪椅的研究處于剛起步狀態(tài)，能在市場上銷售的更是少 之又少。在國內(nèi)該領(lǐng)域尚處于萌芽狀態(tài)，要普與到有需要的人群更是任重而道 遠(yuǎn)?？祻?fù)式

10、輪椅：采用電動或手動設(shè)計，在普通代步輪椅的設(shè)計理念上添加了 康復(fù)式理念。讓使用者在實(shí)現(xiàn)代步功能時，完成普通康復(fù)訓(xùn)練。在我國， 2006 年吳鋒申請專利“組合式康復(fù)訓(xùn)練輪椅”。1.3 本課題研究意義與主要內(nèi)容1.3.1 本課題的研究意義輪椅使用者在生活中一般因?yàn)橥饶_不方便，外出較困難。在非平坦的路面 上靠雙手轉(zhuǎn)動輪椅太累且不能行走較遠(yuǎn)路程，而且速度較慢。此外長時間的使 用輪椅會讓使用者感覺到疲勞。且由于身體的壓迫，血液無法正常循環(huán)，更加 不利于患者的康復(fù)。目前市場上的輪椅存在兩個主要問題：一是國內(nèi)輪椅發(fā)展緩慢，很多國內(nèi) 器材商對使用人群（殘疾人和老年人）的關(guān)注度不高，不愿意花費(fèi)資金研發(fā)更為人性化

11、的輪椅設(shè)備；二是輪椅設(shè)計大同小異，很多針對肢體殘疾者的輪椅都是一樣的，只是作為一個代步工具，對殘疾人的身體沒有起到很多作用。以上兩個最大問題導(dǎo)致了我國的輪椅市場是由普通單調(diào)產(chǎn)品和國外進(jìn)口產(chǎn)品組成。 國外進(jìn)口的輪椅功能先進(jìn)，但價格極其昂貴。因此，本課題研究設(shè)計的輪椅應(yīng)以方便使用者為主要目標(biāo)，幫助使用者解 決生活中遇到的困難，給使用者提供一個簡易的康復(fù)醫(yī)療平臺。降低生產(chǎn)成 本，能讓更多的普通患者使用。本課題研究對象是康復(fù)式電動輪椅設(shè)計，運(yùn)用機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、人機(jī) 工程學(xué)等知識與 CAD 、CAM 、CAE 等軟件設(shè)計零件實(shí)體模型，并實(shí)現(xiàn)功能 的模擬仿真。1.3.2 本課題的設(shè)計的主要內(nèi)容（1）根

12、據(jù)設(shè)計參數(shù)要求，理清設(shè)計思路，抓住設(shè)計要領(lǐng)。（2）初擬總體設(shè)計方案。（3）動力源選擇與控制系統(tǒng)的設(shè)計。（4）車架設(shè)計與受力分析。（5）傳動系統(tǒng)設(shè)計與對軸、鍵類零件受力分析。（6）康復(fù)醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計與仿生運(yùn)動功能的實(shí)現(xiàn)。（7）標(biāo)準(zhǔn)件的列表和參數(shù)。（8）確定各零件結(jié)構(gòu)尺寸，完成零件圖。（9）完成裝配圖。10 ）完成模擬仿真。11 ）總結(jié)。第二章 主要零部件與總體方案設(shè)計2.1 輪椅的總功能原理圖如圖 2-1 所示為該課題所設(shè)計的輪椅總裝示意圖，包含該輪椅的主要機(jī)構(gòu) 和總體布局。通過電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動后輪傳動軸的運(yùn)動，使輪椅運(yùn)行；電機(jī)轉(zhuǎn)動 的同時帶動傳動軸，利用曲柄搖桿原理帶動腳踏板擺動，實(shí)現(xiàn)康復(fù)式運(yùn)動功

13、 能。該輪椅的主體設(shè)計中，除了電機(jī)部分，需要采用 PWM 電路控制之外，將 大量采用機(jī)械機(jī)構(gòu)，包括了齒輪傳動、雙搖桿、曲柄搖桿、軸承支承等。之所以采用機(jī)械機(jī)構(gòu)的主要原因是因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)操作簡單，維修方便，安全耐用, 符合康復(fù)式輪椅的安全、穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)實(shí)用的性質(zhì)。圖2-1功能原理圖2.2檔位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與傳動示意圖該裝置擬采用齒輪傳動，如圖 2-2所示：電機(jī)安裝在可移動導(dǎo)軌上。當(dāng)電 機(jī)處于工位一時，主傳動軸與后輪軸同時轉(zhuǎn)動，使輪椅實(shí)現(xiàn)在行走中進(jìn)行康復(fù) 訓(xùn)練；當(dāng)電機(jī)處于工位二時，接通電機(jī)與后輪軸，使輪椅在不進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的 同時正常行走；當(dāng)電機(jī)處于工位三時，電機(jī)只與主傳動軸接通，使輪椅在不行 走時也能進(jìn)行康復(fù)

14、訓(xùn)練，滿足患者足不出戶也能達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的效果；2.3模擬肢體運(yùn)動機(jī)構(gòu)示意圖該裝置擬采用六桿機(jī)構(gòu)。如圖 2-3所示傳動輪在轉(zhuǎn)動時帶動連桿左右移動 并使腳踏搖桿在一定角度內(nèi)完成循環(huán)擺動動作，利用平行四邊形原理，使活動 踏板能模擬人在行走時腳板與小腿間所成的夾角，從而完成整個膝關(guān)節(jié)和踝關(guān) 節(jié)的模擬循環(huán)運(yùn)動動作。計算桿桿件的自由度，查文獻(xiàn)10可知自由度計算公式為：F 3n 2Pl Ph（ 2-1）由公式2-1可知，F(xiàn)為自由度數(shù)；n為活動桿件；Pl為低副；Ph為高 副。再根據(jù)圖2-3所示，n 5， Pl 7，Ph 0。代入公式2-1得：所以可知該桿件有唯一原動件。符合設(shè)計要求圖2-3康復(fù)式仿生運(yùn)動功能示

15、意圖2.4輪椅方向控制機(jī)構(gòu) 3D圖該裝置擬采用雙搖桿接搖桿滑塊機(jī)構(gòu)，如圖2-4所示，掰動手柄左右搖動，可控制輪椅前輪的方向，從而控制輪椅的運(yùn)行方向。圖2-4方向控制示意圖第三章直流電機(jī)的選擇與PWM電路控制設(shè)計3.1輪椅轉(zhuǎn)速與極限轉(zhuǎn)矩的確定輪椅的各級轉(zhuǎn)速確定康復(fù)式輪椅的一個主要功能是模仿正常人的行走姿態(tài)，所以其運(yùn)行速度將 模擬人走路的三種速度，分別是散步、正常行走、慢跑。經(jīng)過測試取平均值得 到這三種行走姿態(tài)的速度分別為：V散步 1.8Km/hV正常行走3.6 Km/hV慢跑 7.2Km/h根據(jù)輪椅的設(shè)計要求，后輪的直徑D=550mm ，根據(jù)求周長公式可得L=1.72m。所以輪椅的主動輪轉(zhuǎn)速分別

16、為：In散步 17.5 r/min%常行走35 r/minn慢跑 70 r/min電動輪椅的主傳輪的傳動齒輪與電機(jī)傳動齒輪的傳動比 i 1:2 數(shù)據(jù)求得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速：n 散步35r/ minn正常行走70 r / minn 慢跑140r / min根據(jù)以上可知當(dāng)控一對滾動軸承：一對齒輪聯(lián)軸器： 由總傳動效率公式可求：n01n0 0.995n 1 0.990.995 0.99 0.985各級傳動效率計算 根據(jù)輪椅傳動示意圖可查表常用傳動零件和裝置的傳動效率 1 制檔位處于第一工位時傳動效率為：四對滾動軸承：n00.995兩對齒輪聯(lián)軸器：n10.99由總傳動效率公式可求：42 n 0 10.995

17、424 0.992 0.96當(dāng)檔位控制處于第二工位時傳動效率：三對滾動軸承：n00.995一對齒輪聯(lián)軸器：n10.99由總傳動效率公式可求：n3 2n0 10.9953 0.991 0.975當(dāng)檔位控制處于第三工位時傳動效率：輪椅主動輪轉(zhuǎn)矩計算根據(jù)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩公式 ?？芍?dāng)電機(jī)負(fù)載啟動時，Tst T ,且電流1st約等于2-4倍In。因此，當(dāng)輪椅處于爬坡啟動時，會產(chǎn)生最大啟動轉(zhuǎn)矩。受力分析如圖3-1 :圖3-1爬坡受力圖假設(shè)輪椅行走時路況最差的是泥路，根據(jù)預(yù)設(shè)路況查滾動摩擦系數(shù)3可知：K 0.1 0.2,取最大值 Kmax=0.2。轉(zhuǎn)矩公式：Tmax F r K（ 2-1）F F支承F推（2-

18、2）（2-3）（2-4）有上述公式綜合可得：Tmax F r K(cos12 sin12 ) G K2 2(cos12 sin12 ) 750 0.275 0.2(0.978 0.208) 750 0.275 0.248.92N m查文獻(xiàn)2可知轉(zhuǎn)矩與功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系公式為:當(dāng)輪椅以V=7.2km/h爬坡時，n=70r/min輸出最大。由此可知主動輪輸出功率：p輸出皿n 48.92 70 035Kw輸 95509550設(shè)該直流有刷電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n0 1400r/ min，由上述中可知電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n輸出140r/min。即該電機(jī)屬減速型直流有刷電機(jī)，其減速比為i 10:1。由此可知該減速器類型為

19、二級減速器，即有3對齒輪嚙合減速?？汕髠鬟f功率為：3減速 0.990.97所以：總減速0.97 0.960.9312電動機(jī)額定功率：PH輸岀0.350.375KW，近似取值為0.4KW?？?.9312電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩：T 9550P95500.42.72! 3N mn。14003.2選擇電動機(jī)的類型與參數(shù)由于電動輪椅所用的場合為低速、平穩(wěn)、低振動，且要求生產(chǎn)成本較經(jīng) 濟(jì)。直流有刷電機(jī)雖然有碳刷易磨損，更換較為麻煩；運(yùn)行電流大，電機(jī)磁鋼 易退磁，降低了電機(jī)與電池的壽命等缺點(diǎn)，但其變速平穩(wěn)，幾乎感覺不到振 動；溫升低，可靠性好；成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，非常符合電動輪的電機(jī)選用要求。由上述優(yōu)點(diǎn)確定選用有刷直流

20、電機(jī)，其型號為Bswt-44-132 ，具體參數(shù)如表3-1所示表3-1電機(jī)型號參數(shù)型號額定電流（mA）額定電壓（V）額定轉(zhuǎn)矩（N m ）質(zhì)量(Kg)體積（mm ）4413211.13637.5160x60x603.3脈寬調(diào)制PWM電路設(shè)計原理調(diào)速采用 PWM （ Pulse Width Modulation ）脈寬調(diào)制。通過產(chǎn)生矩形 波，改變占空比，以達(dá)到調(diào)整脈寬的目的 3。直接通過單片機(jī)控制有刷直流電 機(jī)的正反轉(zhuǎn)以與調(diào)速等功能。PWM電路控制相比較PLC控制而已，首先其控制方法更簡單，成本也較 低，在小型控制電路中也更能體現(xiàn)其優(yōu)勢；其次就是該控制電路比PLC控制電路使用壽命更長，單片機(jī)屬于微

21、型處理器，對電壓要求更低，不會因?yàn)殡妷?不穩(wěn)定而無法控制輪椅正常運(yùn)行，為使用者提供了更好的安全保障。電路功能要求設(shè)計一種以單片機(jī) AT89C52為控制核心的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，通過控制 器ULN2003使電機(jī)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速測量元件為ST151。以實(shí)現(xiàn)控制命令通過按鈕的輸入驅(qū)動電機(jī)，并通過調(diào)整PWM方波控制轉(zhuǎn)速，利用數(shù)碼管顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速等功能。功能要求：（1）電機(jī)速度分 350r/m、700r/m、1400r/m 共3檔。（2）通過按鈕選擇速度。（3）檢測并顯示各檔速度。所需兀器件如表3-2所示表3-2元器件清單名稱型號參數(shù)數(shù)量PCB電路板單面板80*401單片機(jī)AT89C521電容30PF210UF2

22、數(shù)碼管共陰、四位一體1測速儀器ST1511晶振12HZ1電阻0.1100 K若干二極管若干按鍵若干用戶通過按鍵鍵入控制指令（幵關(guān)與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)），控制器在收到指令后改變輸出的PWM方波，驅(qū)動器在接收到不同的方波時使電機(jī)做出不同的轉(zhuǎn)速響 應(yīng)。從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來實(shí)現(xiàn)設(shè)計時預(yù)定參數(shù)。傳感器 ST151可以根據(jù) 電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量并反饋回 4位共陰極數(shù)碼管上，從而使使用者能夠直觀的知道 當(dāng)前的車速，以免發(fā)生意外。332電路設(shè)計直流電機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖3-2 :脈寬調(diào)制電路模塊單片機(jī)控制模塊A電機(jī)驅(qū)動模塊圖3-2電路設(shè)計框圖硬件系統(tǒng)設(shè)計(1 )時鐘電路單片機(jī)時鐘電路是用來配合外部晶體實(shí)現(xiàn)振蕩的電路，可以為單片機(jī)提

23、供 運(yùn)行時鐘。如果運(yùn)行時鐘為 0的話，單片機(jī)就不工作；反之超出單片機(jī)的工作 頻率的時鐘也會導(dǎo)致單片機(jī)不工作。時鐘電路由晶體振蕩器、晶震控制芯片和電容組成。本系統(tǒng)同樣采用由一 個晶振與兩個電容組成的振蕩電路，單片機(jī)的XTAL1與XTAL2引腳分別接晶振的兩個引腳，電容并聯(lián)串入電路中，由此為控制器提供時鐘源。具體接線圖 如3-3所示。 - - -KI . - - - 2PFF':.0306:30PF -CRYSTAL U1> c 口w'XTAL2圖 3-3 時鐘電路(2 )按鍵電路五個按鈕分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)停、正反轉(zhuǎn)以與各檔轉(zhuǎn)速。P0 口為電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制按鍵，按鍵一按下， P

24、0輸出高電平，P0=1與 PWM方波一致，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之按鍵松幵， P0=0與PWM方波相反，電機(jī) 反轉(zhuǎn)。按鍵二為電機(jī)啟停。按鍵二按下，P1=1，電機(jī)啟動，反之按鍵松 幵,P1=0，電機(jī)停止。其他按鍵分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速按鍵，按鍵三為檔位一，按鍵四為檔位二，按鍵五為檔位三。具體接線圖如3-4所示圖3-4按鍵電路(3 )顯示部分顯示系統(tǒng)采用測速器反饋數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)。數(shù)碼管的位選端單片機(jī)的P2.0P2.3管腳，端選段 AG與DP分別接單片機(jī)的P0.0P0.7管腳。具體接線圖如3-5所示。RPI .cTE.T*hn /wrci rn -lj&pii bn zmnzP0說巧pn扁用亦po日成1山日FV

25、 7測華臨nwP2. "JM F/皿怕 F2.3.1i P2 *h12 P2 Si 王 FZ 1114 PZ.JSP EVRD1 P. IXb FH.ZW® P3.M4TIP3 -*Tn 陽.±11 m單 PH.TE圖3-5顯示電路(4)電機(jī)控制與驅(qū)動部分電機(jī)通過改變PWM方波進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。PWM方波通過微控制器輸出具體接線圖如3-6所示。P3D/RXDP3.1/TKOP324HTP PSa/iNWP3-阿P3.5iT1PJ.7/RD10F性13_15 -11 :17teTR1R2 COMIB1C2Bi2C3C4B<CSB«C6BAC7B7CLIL

26、teDOA9Ifl15IT_!1133DIODE<TE：rr>- 圖3-6電機(jī)控制與驅(qū)動電路(5)復(fù)位電路如圖3-7所示，復(fù)位按鈕為整個系統(tǒng)提供復(fù)位功能。RST崗ALFEA圖 3-7 復(fù)位電路(6 )完整仿真電路圖如圖3-8所示，為電路整體設(shè)計圖rai II r HI.T 口.+起H口 in? Hhxa<雹 * | 口*Zflt/riR»77k*ra 1.T-T-pawni713Pl *iTTi ZS7TP3.Wd匕 if .UHLJ衛(wèi)圖3-8總電路軟件系統(tǒng)設(shè)計AT89C52單片機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的部分C語言程序見附錄第四章車架設(shè)計與受力分析4.1輪椅車架尺寸設(shè)計在

27、設(shè)計輪椅車架尺寸時，課題要求適用人群身高為150-180cm ，在具體分析研究中，取適中值 175cm為研究對象。假設(shè)以黃金比例分割點(diǎn)計算，可知，肚臍是頭頂至腳底的分割點(diǎn)；膝關(guān)節(jié) 是腳底至肚臍的分割點(diǎn)，咽喉是肚臍至頭頂?shù)姆指铧c(diǎn)。根據(jù)以上材料可求出車 架的各個重要尺寸，如圖 4-1所示：圖4-1車架按黃金比例計算下半身長度 L下 1750 0.618 1081.5mm上半身長度 L上 1750 1 0.618668.5mm小腿的長度 L小腿L下 1-0.618413.1mm車坐墊至地面高l1 L小腿，所以L1 450mm當(dāng)身體坐直時，肚臍與坐墊距離約為200mm所以L2 L下-L小腿- 200

28、468mm，取接近整數(shù)得l2 500mm。由于咽喉是上半身的黃金分割點(diǎn)，所以求得L咽喉513.1mm，在使用時，當(dāng)靠背位于肩膀附近時，患者將獲得最舒適體驗(yàn)。所以L3 L咽喉，固L3取值為L3480MM。在設(shè)計車寬時，先假設(shè)車寬為Lt 500m m，其有效坐靠范圍為小于等于450mm?？蓾M足腰圍約為1413mm 的患者使用。查文獻(xiàn)4，按人體手臂運(yùn)動分解，可知手臂在自然屈肘，平放時有最舒適感，因此可以設(shè)計出：Ls 375mm、L6 200mm。4.2輪椅車架主要承載件受力分析與材料確定前后輪支承架Fn=375NFz=375N圖4-2軸力圖如圖4-2 所示，截面1-1處所受的軸力根據(jù)軸力公式5:FX

29、 0 FN FP 0G可求：截面1-1處所受軸力：FN1 Fn - 375N4為減輕車架重量與降低成本，擬采用Q235鋼管作為該機(jī)構(gòu)的材料，所以可知材料的屈服強(qiáng)度為300 MPa o根據(jù)桿件所受的載荷和材料的許用應(yīng)力，按式確定桿件的橫截面積，然后 再根據(jù)工程上的其他要求，確定其幾何形狀。A Fn37526 12.5mm300 106鋼管外徑確定為20mm。由A 12.5mm2，又考慮到薄壁鍵焊接工藝復(fù)雜成本咼，固確定內(nèi)徑為16mm o4.2.2坐墊支承架根據(jù)車架圖可知，坐墊支承架由3根外徑為D 20mm的Q235鋼管組成。受力情況如圖4-3所示:圖4-3支承桿受力分析1FraFrb qL 25

30、0 N2(4-1 )1當(dāng)X 0時，F(xiàn)s（x） ；qL qX 250N1當(dāng)X L時，F(xiàn)s（x） qqL qX 250N圖4-4剪力圖按彎矩方程列公式5得:MxFraX（4-2）當(dāng)X0時M X0當(dāng)XL時Mx0當(dāng)X-時MX1 2-qL231.25N m1 1 22qLX 2qX2 8彎矩圖如圖4-5所示:圖4-5彎矩圖根據(jù)桿的材料(Q235)的許用應(yīng)力235MPa與桿所受載荷，先按公式5求出抗彎截面系數(shù) Wz，再根據(jù)公式整理公式求得:(4-3 )4.44D d D4(14)6464(4-4 )L r D4 d4 _64_a ,64D4i(i d)dD把上述結(jié)果代入公式（4-3 ）中得，WZ 1.32

31、 10 6，靠背支承架根據(jù)車架圖可知，坐墊支承架由4根外徑為D 20mm的Q235鋼管組成。受力圖如圖4-6所示:圖4-6支承桿受力分析1Fra Frb qL 100N2(4-5)1當(dāng)X 0時,Fs（x）才qL qX 100N1當(dāng)X L時，F(xiàn)s（x） 2qL qX 100N由公式Fsx可知，剪力方程為線性函數(shù)，剪力圖如圖4-7所示:按彎矩公式圖4-7剪力圖5列方程得：X 112M x FraX qXqLX qX2 22當(dāng)X 0時MX 0當(dāng)X L時Mx 0當(dāng)X1時Mx】qL22 815.625N ?m(4-5)彎矩圖如圖4-8所示:圖4-8彎矩圖根據(jù)桿的材料（不銹鋼 304 ）的許用應(yīng)力205M

32、Pa與桿所受載荷4，先按公式求出抗彎截面系數(shù) Wz，再根據(jù)公式:(4-6 )D4 d4 D44(1 4)6464(4-7 )求出內(nèi)徑d。整理公式求得： WZ 1.32 10 6，d 18mm。第五章傳動系統(tǒng)設(shè)計與對零件受力分析傳動系統(tǒng)設(shè)計包括的零部件有軸、平鍵、齒輪、軸承。軸承與平鍵鍵為標(biāo)準(zhǔn)件，其標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)查查文獻(xiàn)。5.1傳動系統(tǒng)各零件的參數(shù)確定如圖5-1所示，后輪主軸由兩個深溝球軸承配合裝配在車架上。根據(jù)GB/T 276 1994，查文獻(xiàn)，可確定該軸承如表 5-1所示：表5-1軸承參數(shù)軸 承 代 號基本尺寸/mm安裝尺寸/mm基本額定動載荷Cr基本額定靜載荷Cor極限轉(zhuǎn)速/（r/mi n ）原

33、軸承代號dDBrs mi nda mi nDamaxrasmax/KN脂潤滑油潤滑600735621414156116.210.5900012000107根據(jù)小徑d 35mm，安裝尺寸dmin 41mm，倒圓r$ q 1mm。可確定后輪主軸部分尺寸。根據(jù)軸的部分尺寸，根據(jù)GB/T 1995 2003。查相關(guān)資料可確定軸承上的平鍵參數(shù)如表5-2所示：表5-2平鍵參數(shù)軸鍵鍵槽公稱直徑d公稱尺寸bxh寬度b深度半徑r公稱尺極限偏差軸t轂t1正常連接軸N9 轂JS9公稱極限公稱極限偏最小 最寸b尺寸偏差尺寸差大>22308x7800.036+0.0180.0184+0.23.3+0.20.160

34、.25>384412x81200.043+0.02150.02155+0.23.3+0.20.250.40鍵的長度系列6，8，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，50注：鍵材料的抗拉強(qiáng)度應(yīng)不小于 590MPa由于預(yù)設(shè)齒輪寬度 B=50mm，后輪輪轂寬度 Bi=46mm。根據(jù)平鍵的長度系列，可確定為 L=40mm與Li=40mm。后輪主軸具體參數(shù)如圖 5-2所示：40圖5-2后輪主軸后輪主軸的校核計算按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計算，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度公式為:（5-1）因?yàn)榍袘?yīng)力沿半徑呈線性分布，實(shí)心軸圓心附近處應(yīng)力較小，材料未能盡量發(fā)揮作用，空心軸相當(dāng)于把軸心處的材料邊緣化，從

35、而提高了軸的強(qiáng)度。在考慮經(jīng)濟(jì)成本與車身重量的前提下，盡可能的節(jié)省材料，固可采用空心軸模式?？招膱A軸截面的抗扭截面系數(shù)1:（5-2）根據(jù)平鍵的深度可知空心圓軸的壁厚為6mm，即內(nèi)徑d 18mm。后輪主軸的受力如圖5-3所示：X圖5-3后輪主軸受力圖由于后輪主軸的材料為45鋼，因此，t20 45MPa，取最小值t 20MPa，當(dāng)后輪主軸只僅受扭矩時，可求出B、E點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。MtAmax B max16 25394WP3.14 303 1 01 0.64Mt16 50E maxWp3.14 423 10 91 (3)475MPa T4.2MPa t因此后輪主軸符合材料扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件，符合設(shè)計要求。按

36、彎扭強(qiáng)度條件計算，通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，軸上零件位置，以與外載荷和支承力的作用位置均已確定，如圖5-3所示。Fra Fc FrB Fd 4375NAC段Fsac F ra 375NMac FrAX 375 0.045 16.275N mCD段F SCDM CDDB段Fsdb Frb 375NMdb FrbX 375 0.045 16.275N m做出剪力圖與彎矩圖如圖5-4所示圖5-4剪力與彎矩圖由圖5-4可知，輪椅后輪主軸的危險截面出現(xiàn)在 AC、DB間。因此，需要對該段進(jìn)行彎扭合成強(qiáng)度校核計算。軸的彎扭合成強(qiáng)度公式5為:ca2Wz2T4 一2WzM 2 T 2Wz(5-3)式中

37、,ca為軸的計算應(yīng)力;M為軸所受的彎矩;Wz為軸的抗彎截面系數(shù):（5-4）1為對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力，已知材料為45鋼，所以i =50MPa ; T為軸所受的扭矩將已知數(shù)據(jù)代入軸的彎扭合成強(qiáng)度公式計算，可知:ACDB24 T2WZ15MPa所以，滿足軸的彎扭合成強(qiáng)度條件，符合設(shè)計要求軸承的校核計算軸承的壽命計算公式為:（5-5）式中，C為基本額定動載荷，Cr 16.2Kn ； P為當(dāng)量動載荷，P fP XFr YFa ； fp為載荷系數(shù)，查表可知為中等沖擊載荷，固fp 1.8 ； Fr為純徑向載荷，F(xiàn)r 0.375Kn ； Fa為純軸向載荷；X和Y由的值是否大于e確Fa定；對于輪椅后

38、輪傳動軸軸承來說，其軸向載荷很小，固取X=1和Y=0 ;軸承為深溝球軸承，所以可知3。輪椅的使用壽命預(yù)設(shè)計為20年，即理論Lh1.752 105h。, 10 6CL h60 nP10616.2 360701 .80.3755 .710 6hLh符合設(shè)計要求。5.3齒輪的設(shè)計與校核計算選擇齒輪材料與精度等級根據(jù)輪椅設(shè)計內(nèi)容可知，設(shè)電機(jī)功率無損耗，電機(jī)功率等于輸出功率P 0.4KW ；小齒輪（電機(jī)傳動齒輪）轉(zhuǎn)速為n1 140r /min ；大齒輪（后輪主軸傳動齒輪）轉(zhuǎn)速為 n2 70r / min ；傳動比 i 2 ；設(shè)計理論工作時間為 20 年。45 鋼調(diào) 初步估計 1可確定精度等查文獻(xiàn) 1 ，

39、常用齒輪材料的性能與應(yīng)用范圍，可確定小齒輪選用 質(zhì)，硬度為 220HBW ；大齒輪選用 45 鋼正火，硬度為 170HBW 齒輪線速度 V 2m/s 。查表圓柱齒輪轉(zhuǎn)動各級精度的應(yīng)用范圍 級為 9 級。確定齒輪許用應(yīng)力 試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限 Hlin570MPa530MPa200MPa190MPa小于等于 350HBW ）參數(shù) SH 1和Hlin1Hlin 2 試驗(yàn)齒輪彎曲疲勞極限 FlinFlin1Flin 2 安全因 數(shù) SH、 SF 取軟 齒面SF 1.3 。根據(jù)理論工作時間，求得應(yīng)力循環(huán)數(shù)Lh 20 360 24 172800h9N1 60n1 jLh 60 140 1 172800

40、 1.45 1098N2 60n1 jLh 60 70 1 172800 7.25 108按接觸疲勞壽命因數(shù)ZN 可知碳鋼經(jīng)正火、調(diào)質(zhì)后的接觸疲勞壽命因數(shù)：ZN1 1ZN2 1.03按彎曲疲勞壽命因數(shù) Yn可知碳鋼正火、調(diào)質(zhì)后的彎曲疲勞壽命因數(shù):Yni根據(jù)許用應(yīng)力公式分別求出齒輪的許用應(yīng)力Z N 1 Hlin 11 570570MPaH1Sh1H 2Zn2 Hli n21.03 530546MPaSh1Yn1Flin 11 200154MPaF1Sf1.3YN2Flin 21 190146MPaF2Sf1.3533按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計小齒輪上傳遞的最大理論扭矩為:9550 P 95500.4

41、27.3N mni140據(jù)設(shè)計要求工作平穩(wěn)、輕微沖擊取K 1.1選擇小齒輪的齒數(shù)Z1 28，則大齒輪的齒數(shù)乙i乙56，采取懸臂布置，d 0.35。45號碳鋼的材料彈性系數(shù)Ze 189.8 MPa 。由軟齒面接觸強(qiáng)度公式可計算出d13.53Ze2KT11d3 3.53 189.83 V 54621.1 27.32 10.35 257.8mm因設(shè)計要求，可確定 d1 70mm，所以取模數(shù)。查漸幵線圓柱齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，可知該齒輪傳動中的齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)為m=2.5mm計算大、小齒輪的基本參數(shù)分度圓d1 m乙 2.5 28 70mmd2 mZ22.5 56 140mm齒頂圓da1m(Z1 2h：) 2.5

42、(2821)75mmda2m(Z2 2h：) 2.5 (5621)145mm齒根圓df1m(Z12h； 2c*) 2.5 (28 2120.25) 63.75mmdf2m(Z22h： 2c*) 2.5 (56 2120.25) 133.75mm全齒高* *h1 h2 m 2ha c 5.65mm中心距d1 d2 a270 1402105mm根據(jù)設(shè)計需求，設(shè)齒輪厚度 b1dd125、a 50。5.3.5校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度查文獻(xiàn)1正常齒標(biāo)準(zhǔn)外齒輪的齒形修正因數(shù)Yf和應(yīng)力修正因數(shù)YsYF12.58 YF2 2.38Ys1 1.61Ys21.722彎曲疲勞強(qiáng)度為2KTF12FS1bm Z12 1.1

43、 27.325 2.52 282.58 1.6156.58MPaF12KT1 Y Y-2 r TF2 TS2b2m Z12 1.1 27.350 2.52 282.38 1.722 27.82MPaF2符合設(shè)計要求第六章輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計6.1控制把手設(shè)計控制把手的形狀設(shè)計如圖6-1所示:圖6-1方向控制把手如圖所示，操作把手的組成有：把手主體、操作手柄、鉸接孔和連接空組成。操作手柄為中空設(shè)計，內(nèi)設(shè) PCB板，結(jié)合第三章中 PWM電路控制，設(shè) 計 4 個按鈕，由上至下分別為：正反轉(zhuǎn)按鈕、中速按鈕（速度為 2 檔）、高 速按鈕（速度為 3 檔）、停機(jī)按鈕。把手主體預(yù)設(shè)線槽，連接電機(jī)。 鉸接孔用來連

44、接把手與輪椅扶手，設(shè)計時要求，鉸接后能令把手沿鉸接軸 線自由轉(zhuǎn)動角度為 060 0 。連接孔連接方向控制桿，通過轉(zhuǎn)動把手控制輪椅的方向。 把手的具體設(shè)計參數(shù)見工程圖紙。6.2 方向控制系統(tǒng)設(shè)計 方向控制系統(tǒng)的圖 6-2 如下方向腔封隆樂圖6-2方向控制系統(tǒng)如圖6-2所示：控制把手與方向控制桿鍵連接，且鎖緊；方向控制桿鍵與 前輪車架連接。其工作原理是利用了四桿機(jī)構(gòu)中的雙搖桿機(jī)構(gòu)，使在轉(zhuǎn)動手柄 帶動方向控制桿轉(zhuǎn)動時，帶動右前輪擺動的同時帶動連桿做左右往返運(yùn)動，從 而使左前輪同步擺動，這樣設(shè)計的好處是可以使左右前輪同步擺動，擺動幅度 一致，增強(qiáng)輪椅行駛的穩(wěn)定性。具體設(shè)計參數(shù)見工程圖紙。由于前輪架承載輪椅重量，在前輪架與車架連接配合處，需裝配推力軸承，以達(dá)到靈活轉(zhuǎn)動的效果。其具體參數(shù)如表6-1所示：表6-1推力軸承參數(shù)摘錄軸承代號基本尺寸/mm安裝尺寸/mm基本額定動載基本額定冃靜載