自動(dòng)上樓輪椅說(shuō)明書(shū)

目錄TOC\o"1-3"\h\u317771緒論 1115951.1課題的研究背景及意義 1237231.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 115012自動(dòng)輪椅總體設(shè)計(jì) 493452.1概述 4310652.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5108032.3行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 611363動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9323953.1動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì) 9184843.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì) 930653.3電池選擇 11174974關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 1277764.1配齒計(jì)算 1272404.2鏈傳動(dòng)計(jì)算 1632330參考文獻(xiàn)： 191緒論1.1課題的研究背景及意義隨著人口的急劇膨脹，我國(guó)的人口老齡化也隨之加快，給社會(huì)及家庭帶來(lái)的壓力也不斷增大。在《人口老齡化發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究報(bào)告》中全國(guó)老齡委最新發(fā)布的資料說(shuō)明了一個(gè)問(wèn)題：我們所處的21世紀(jì)將會(huì)是人口老齡化的時(shí)期。而我國(guó)早在20世紀(jì)末就已經(jīng)步入了老齡化時(shí)代，相對(duì)于其他國(guó)家較早，這更應(yīng)該引起我們的重視。中國(guó)不僅是進(jìn)入老齡化較早的國(guó)家，同時(shí)也是老年人口最多的國(guó)家。在這個(gè)占有世界近1/5人口的國(guó)度里的問(wèn)題就不僅僅是自身的問(wèn)題了，它也會(huì)影響到世界老齡化程度以及進(jìn)程，這個(gè)問(wèn)題應(yīng)該值得關(guān)注。另外，由于各種生產(chǎn)事故、交通事故、各種災(zāi)害等意外事故導(dǎo)致大量殘疾人的出現(xiàn)，這也是整個(gè)社會(huì)一直面臨的問(wèn)題。在殘疾人數(shù)量統(tǒng)計(jì)的相關(guān)報(bào)告表明：世界以及我國(guó)的一次大量增加，據(jù)官方不完全統(tǒng)計(jì)，漢川地震造成殘疾人數(shù)超過(guò)7000人，青海玉樹(shù)地震造成殘疾的數(shù)量也是一個(gè)巨大數(shù)據(jù)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展人們的壽命在延長(zhǎng)的時(shí)間變長(zhǎng)。另外由于現(xiàn)代高節(jié)奏的生活致使汽車的使用率大幅度提高，交通事故隨之增加，導(dǎo)致殘疾發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)也在加大。以上情況都驗(yàn)證了一個(gè)觀點(diǎn)，就是殘疾人口的數(shù)量將不斷增加。輪椅是現(xiàn)在大多數(shù)年老體弱者及肢體傷殘人士使用較為廣泛的代步工具。輪椅的發(fā)展也隨著社會(huì)的需求變得多種多樣，人類的智慧引領(lǐng)輪椅行業(yè)的發(fā)展，智能輪椅在越來(lái)越高的使用需求中得到了更多的重視，隨著科技的飛速發(fā)展，將逐步替代手動(dòng)輪椅和電動(dòng)而國(guó)內(nèi)城市尤其是在中小城市中以多層公寓式樓房居多，電梯的使用還沒(méi)有普及到所有的居民住宅，也給輪椅使用者造成諸多不便。由于考慮到使用區(qū)域的廣泛性，設(shè)計(jì)一款使用方便、重量適宜、價(jià)格合理的電動(dòng)爬樓梯輪椅可能會(huì)大大的改善老年人和殘疾人的生活質(zhì)量，讓他們的出行更為方便，樓梯和路障將不再成為他們出行的障礙。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了較長(zhǎng)的歷史，早在19世紀(jì)90年代就已經(jīng)有了此類專利的出現(xiàn)。自此，美、英、日德等發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始向此領(lǐng)域沖擊，經(jīng)過(guò)不斷努力開(kāi)發(fā)，也出現(xiàn)了一些成果。由于起步較早，它們?cè)谶@方面的技術(shù)也相對(duì)成熟，已經(jīng)推出此類產(chǎn)品。但現(xiàn)存產(chǎn)品都還存在各種瑕疵，還沒(méi)有一種能做到盡善盡美。我國(guó)對(duì)此類裝置的研究起步較晚，在近幾年也有一些成果產(chǎn)生，但距離形成成熟產(chǎn)品還有很長(zhǎng)的路要走。1.2.1履帶式履帶式爬樓裝置是目前使用較廣的一種方式，其原理簡(jiǎn)單，有多款成熟產(chǎn)品問(wèn)世。其中較為出名的是法國(guó)TopChiar公司研制的悍馬-H8型，如圖1a。悍馬-H8在結(jié)構(gòu)上將平地電動(dòng)輪椅和爬樓機(jī)構(gòu)融為一體，平地運(yùn)動(dòng)時(shí)履帶機(jī)構(gòu)收起，由后輪驅(qū)動(dòng)，爬樓時(shí)履帶機(jī)構(gòu)放下，和輪椅底部成一定角度，爬樓時(shí)可調(diào)節(jié)，使乘坐者始終處于較舒適的狀態(tài)，由履帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪椅爬樓，由于功能強(qiáng)大，售價(jià)也不菲，約20萬(wàn)人民幣;也有一類履帶式爬樓裝置設(shè)計(jì)成獨(dú)立模塊，和普通輪椅配合使用，圖1b為加拿大T09-ROBh型爬樓裝置，該裝置可和普通輪椅的后輪、背部固定起來(lái)，由專人操縱輔助完成上下樓，雖然功能沒(méi)有悍馬-H8強(qiáng)大，但價(jià)格相對(duì)便宜，約3萬(wàn)人民幣，平時(shí)可放在固定樓道附近使用。（a)法國(guó)悍馬-H8（b)T09-ROBY圖1履帶式爬樓裝置履帶式爬樓機(jī)構(gòu)行走方式連續(xù)，抓地力強(qiáng)，上下樓時(shí)重心平穩(wěn)，安全可靠，但體積、重量及噪聲也較大。1.2.2星輪式輪式機(jī)構(gòu)在地面的運(yùn)輸工具中使用范圍最大，國(guó)外的爬樓梯裝置設(shè)計(jì)中也常常采取輪式機(jī)構(gòu)。普通的殘疾人使用的輪椅及電動(dòng)輪椅車也通常使用輪式機(jī)構(gòu)，輪式機(jī)構(gòu)體積小巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且容易控制，運(yùn)行起來(lái)既平穩(wěn)速度又快，工作能效高，并且由于轉(zhuǎn)向時(shí)候采取的差動(dòng)傳動(dòng)轉(zhuǎn)向半徑，這種轉(zhuǎn)向半徑很小，且易于轉(zhuǎn)向;圓柱型輪體機(jī)構(gòu)常常使用在一般的輪式機(jī)構(gòu)之中，在平地行走具有很大的優(yōu)勢(shì)，但是路況較差如崎嶇路面、樓梯狀況時(shí)，普通的輪式機(jī)構(gòu)又不能達(dá)到使用者的要求。普通輪式機(jī)構(gòu)要想跨越臺(tái)階等障礙，其中一個(gè)必要條件就是車輪半徑至少要大于臺(tái)階高度，而且跨越臺(tái)階需要的能量很大，過(guò)程不穩(wěn)定，沖擊較大;而且樓梯臺(tái)階的寬度有限，如果一味的增大車輪半徑又會(huì)導(dǎo)致輪椅在臺(tái)階上失去了支撐點(diǎn)，這也是目前常規(guī)輪椅采用大的后輪而無(wú)法實(shí)現(xiàn)上下樓梯功能的主要原因。通常來(lái)講，輪子的個(gè)數(shù)和輪式機(jī)構(gòu)對(duì)路況的適應(yīng)性能力強(qiáng)弱成正比，可是，如果輪子個(gè)數(shù)很多，那么勢(shì)必會(huì)是小車體積增大，重量增加。所以要是輪式機(jī)構(gòu)完成爬樓梯的性能，就要改進(jìn)它的機(jī)構(gòu)。能爬樓梯及可以越障的輪式機(jī)器人通常使用行星輪機(jī)構(gòu)，行星輪的形態(tài)一般排列成十字形或Y型，這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)它的功能。強(qiáng)生公司的IBOT，如右圖）所采用的就是行星輪式爬升機(jī)構(gòu)。1.2.3腿足式腿足式爬樓輪椅的主要特點(diǎn)是爬樓動(dòng)作是一個(gè)由腿足完成的不連續(xù)過(guò)程。早期的爬樓梯裝置多數(shù)都采用這種不連續(xù)方式。18世紀(jì)90年代Bray發(fā)明制造的爬樓梯輪椅采用的方式就是不連續(xù)方式。在爬樓過(guò)程中，兩套支撐裝置中的一套作為支撐，另一套爬升，運(yùn)動(dòng)軌跡為上升、平移、著陸，類似人的兩條腿一樣爬樓。腿足式爬樓梯裝置實(shí)際上就是模仿人類爬樓的動(dòng)作。腿足式爬樓輪椅的研究日本的技術(shù)比較成熟，經(jīng)過(guò)數(shù)十年研究，出了很多專利甚至產(chǎn)品。在日本的豐田公司，“iFoot”，和“iUnit"可以讓輪椅使用者能夠像正常人一樣隨心所欲地到處運(yùn)動(dòng)。“iFoot”，外觀猶如一個(gè)長(zhǎng)著機(jī)器腿的大椅子，或者說(shuō)是一個(gè)從日本卡通片中逃出來(lái)的機(jī)器人，如圖1.2.3（a)所示，它能夠像人一樣兩條腿走路。如果你覺(jué)得太慢，那么還有“iUnit"可供選擇，這種設(shè)計(jì)有四個(gè)輪子，使用者坐在距離地面較低的輪椅里面。但是這種裝置還處在概念階段，沒(méi)有到可以上市的程度。另一個(gè)正在研制中的輪椅和“iFoot”比較像，盡管外觀上不像“iFoot”那樣漂亮，但它更實(shí)用。這是日本研發(fā)的又一腿足式爬樓裝置，名字"WL-16RII"，如圖1.2.3（b）。也是有兩條腿的椅子，座椅底安裝了陀螺儀系統(tǒng)，每條腿上也都裝有壓力傳感器，通過(guò)信息采集以及陀螺儀聯(lián)合控制處理來(lái)保持平衡，可以上下樓梯，并且可以調(diào)高或者調(diào)低，可為老年人和殘疾人提供新的行動(dòng)能力。不過(guò)，這種輪椅目前也沒(méi)能上市。（a）iFoot(b)WL-16RII圖2腿足式爬樓裝置綜上所述，國(guó)內(nèi)外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有較長(zhǎng)的歷史，成果也較多，誕生了很多的專利以及產(chǎn)品，但是它們或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜、或者造價(jià)昂貴，總是存在這樣或那樣的缺陷。為了更好地解決老年人、殘疾人活動(dòng)問(wèn)題，提出一種整體結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量適中、安全性好、操作方便、價(jià)格適宜的爬樓梯輪椅方案是十分必要的。此外，考慮到輪椅的主要作用是平地行駛，故在做好爬升裝置的前提下更應(yīng)將平地行駛功能做到最好?？梢钥闯觯m然爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了一定的成果，但距離完美的產(chǎn)品的誕生還是有很長(zhǎng)一段路需要走的。自動(dòng)輪椅總體設(shè)計(jì)2.1概述根據(jù)目前爬樓梯裝置的研究現(xiàn)狀，分析已產(chǎn)生的各種機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，在充分考慮結(jié)構(gòu)、造價(jià)、安全性等重要因素的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)一種星輪式電動(dòng)爬樓梯輪椅。該設(shè)計(jì)在滿足爬樓梯輪椅的基本要求前提下，盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格適宜，對(duì)臺(tái)階適應(yīng)性強(qiáng)，安全性高等方面。具體要做到以下幾點(diǎn):(1)能爬樓、越障，平地時(shí)可作電動(dòng)輪椅使用。(2)爬樓時(shí)重心波動(dòng)較小，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。(3)作為電動(dòng)輪椅時(shí)要符合，國(guó)標(biāo)GB12996-91電動(dòng)輪椅技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。(4)輪椅車上下樓應(yīng)和我們?nèi)粘Ａ?xí)慣一致，避免反向上樓給使用者帶來(lái)的不便，同時(shí)確保上下樓過(guò)程的安全性。分析現(xiàn)有的三種典型爬樓梯機(jī)構(gòu)，綜合比較其缺點(diǎn)，見(jiàn)表2-1表2-1典型爬樓機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)照表爬升機(jī)構(gòu)星輪式履帶式腿足式臺(tái)階適應(yīng)能力一般強(qiáng)強(qiáng)穩(wěn)定性一般強(qiáng)差控制難易易一般難機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度簡(jiǎn)單一般復(fù)雜對(duì)臺(tái)階是否損傷否是否行走阻力小大大通過(guò)對(duì)比以上各種爬升機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，星輪式越障機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)突出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，而且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)易布置，因此本課題采用星輪式越障機(jī)構(gòu)。綜合考慮我國(guó)國(guó)情和普通消費(fèi)者的購(gòu)買能力，在三種爬樓梯機(jī)構(gòu)的性能對(duì)比分析，同時(shí)滿足輪椅的設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種既可滿足爬樓梯功能，又安全可靠，操作方便，通用性好而且價(jià)格適中的行星輪式多功能電動(dòng)爬樓梯輪椅車。2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輪椅的總體設(shè)計(jì)如圖4所示，主要由越障機(jī)構(gòu)（行星輪機(jī)構(gòu)）、車架、座椅和座椅調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成。圖4(1)越障機(jī)構(gòu)：本課題采用兩對(duì)星輪式機(jī)構(gòu)，前后各一組行星輪并且左右分別對(duì)稱安裝，通過(guò)行星輪的公轉(zhuǎn)和自傳實(shí)現(xiàn)平地行駛和越障的轉(zhuǎn)換，以便順利通過(guò)各種路況；行星輪小輪之間通過(guò)鏈連接，每組行星輪一側(cè)安裝一對(duì)電磁離合器，通過(guò)電磁離合器的通和斷來(lái)控制行星輪支架的翻轉(zhuǎn)。(2)車架：車架是整個(gè)輪椅車的基礎(chǔ)，應(yīng)結(jié)合輪椅車總布置的要求來(lái)設(shè)計(jì)，還應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證輪椅車可以順利通過(guò)各種復(fù)雜路況；質(zhì)量要盡可能小，應(yīng)布置的離地面更近一些，使輪椅重心降低，有利于提高輪椅的行駛穩(wěn)定性。(3)座椅和座椅調(diào)節(jié)平衡機(jī)構(gòu)：座椅起著支撐人體，使輪椅操縱方便和乘坐舒適的作用，因此這次設(shè)計(jì)要充分考慮使用者的要求。座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用了一種滾道滑軌式固結(jié)在車架上，滾軸一端連接座椅，一端安裝有軸承，通過(guò)軸承在圓弧軌道中的滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)座椅調(diào)節(jié)的目的。（4）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：采用電機(jī)中置，鏈傳動(dòng)和齒輪相結(jié)合的傳動(dòng)方式，以使電機(jī)的傳動(dòng)可以有效的傳遞給行星輪結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)。（5）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：鑒于設(shè)計(jì)的車輪數(shù)目較多，如果直接采用前輪轉(zhuǎn)向或是后輪轉(zhuǎn)向，則同時(shí)有8個(gè)輪著地，并且同時(shí)要轉(zhuǎn)到6個(gè)輪才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，所需的轉(zhuǎn)向力將很大，造成轉(zhuǎn)向困難。為了解決這一困難，我單獨(dú)在輪椅的前邊設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向輪并且還采用了機(jī)械傳動(dòng)等，在平地行駛時(shí)使用者可以方便的通過(guò)控制轉(zhuǎn)向盤(pán)的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的轉(zhuǎn)向，越障時(shí)依靠電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪升高，防止轉(zhuǎn)向輪影響輪椅越障。2.3行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1行星輪總體結(jié)構(gòu)概述行駛機(jī)構(gòu)采用輪組結(jié)構(gòu)。輪組結(jié)構(gòu)中的小輪個(gè)數(shù)越少，結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，但是輪組的翻轉(zhuǎn)力矩也越大，輪椅重心波動(dòng)也就大，穩(wěn)定性越差。但隨著小輪個(gè)數(shù)的增加，輪椅重心波動(dòng)減小，但是整個(gè)輪組機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。因此，本文輪椅的前輪由三個(gè)小輪構(gòu)成輪組機(jī)構(gòu)，后邊是由四個(gè)小輪組成輪組機(jī)構(gòu)，即都為行星輪機(jī)構(gòu)。如圖平地運(yùn)行狀態(tài)，鏈傳動(dòng)動(dòng)力，小輪著地運(yùn)行。后輪為主動(dòng)輪，前輪為從動(dòng)輪。開(kāi)始爬樓梯時(shí)，圓臺(tái)結(jié)構(gòu)外移和輪體相連夾緊，整體運(yùn)動(dòng)，小輪由鏈條鎖緊防止?jié)L動(dòng)出現(xiàn)危險(xiǎn)。爬樓梯結(jié)束，由外側(cè)彈簧推回圓臺(tái)，小輪繼續(xù)運(yùn)行。圖42.3.2行星輪架的中心距由建筑樓梯數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)GBJ101-87知：樓梯踏步高度h的取值范圍為140mm-220mm，樓梯踏步寬度必須控制在220mm-320mm之間，樓梯梯段最大坡度不宜超過(guò)38°。（1）s，h最小時(shí)，兩小輪中心距不應(yīng)大于，如圖2-3-1所示，根據(jù)幾何關(guān)系有：(R)2≤(2-3-1)代入數(shù)值，求得：R≤180mm（2）s，h最大時(shí)，車體后面行星輪架至少前傾，并且一小輪應(yīng)至少能登上上一臺(tái)階，所以2R≥h=110mm。綜上分析知，R的取值范圍是（110,180）。R應(yīng)盡量大，但太大又影響體積的大小設(shè)定，所以綜合一下設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中取R=145mm。2.3.3小輪半徑r的范圍值（1）兩小輪半徑應(yīng)小于小輪中心距，根據(jù)幾何關(guān)系有：r≤R(2-3-2)代入數(shù)值得：r≤R=145mm（2）小輪最小時(shí)，支架不應(yīng)和樓梯沿相碰。h最小時(shí)，這種可能性大，則有幾何關(guān)系知：sinα=(2-3-3) tanβ=tan（90-α）= （2-3-4）計(jì)算并代入數(shù)值：α=arcsin≈32.606°β=27.394°所以47.79mm綜上可知：r的取值范圍是（47.79,195），r應(yīng)取較大值，以提高平地行駛速度，但是過(guò)大行星輪支架的半徑也越大，不利于機(jī)構(gòu)緊湊型和輕便型，因此我們?nèi)=65mm。特別指出的是，以上分析中R，r的值并不是固定的，只需要在其范圍內(nèi)取值即可。3動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)輪椅動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須結(jié)合輪椅在平地和爬樓等不同路況進(jìn)行分析，以滿足各種路況下輪椅都能提供足夠的動(dòng)力需求。根據(jù)電動(dòng)輪椅的標(biāo)準(zhǔn)GB12996-91可知，對(duì)其主要技術(shù)性能的規(guī)定如表3-1所示：表3電動(dòng)輪椅國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參考輪椅的運(yùn)行實(shí)際情況，確定其技術(shù)指標(biāo)為：平地行駛時(shí)最大運(yùn)行速度為7.2km/h，最大爬樓速度為每分鐘20個(gè)臺(tái)階。輪椅攜帶四塊12v蓄電池，每塊電池容20Ah，一次行程40km以上。3.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)3.2.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)是自動(dòng)上樓輪椅整個(gè)輪椅車動(dòng)力系統(tǒng)的核心，其正常運(yùn)行不僅要為輪椅提供足夠的動(dòng)力，也要確保輪椅車在使用過(guò)程中，特別是爬樓時(shí)的安全性和可靠性。首先，選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型，輪椅車依靠蓄電池來(lái)供電，為電機(jī)提供能源，一般可選步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)或是無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，可以準(zhǔn)確定位和調(diào)速：轉(zhuǎn)矩大、慣性小、影響頻率高，但是其能耗大、轉(zhuǎn)速低，并且伴有振動(dòng)和噪聲，不利于輪椅的穩(wěn)定型和實(shí)用性。直流電機(jī)響應(yīng)速度快、控制特性好，可以在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，而且具有很高的靈敏性，滿足輪椅的突發(fā)情況下的要求，但傳統(tǒng)的直流電機(jī)均采用換相器和電刷以機(jī)械方法進(jìn)行換相，因此存在相對(duì)的機(jī)械摩擦，由此帶來(lái)噪聲、火花、無(wú)線電干擾以及壽命短等問(wèn)題，需要經(jīng)常維護(hù)。無(wú)刷直流電機(jī)繼承了直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，采用電子換相電路，克服了傳統(tǒng)直流電機(jī)采用機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置的弊病，具有無(wú)噪聲、免維護(hù)、可靠性高的優(yōu)越特性。因此我們選用48V的無(wú)刷直流電機(jī)作為輪椅的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。3.2.2選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率輪椅具有平地行駛和爬樓兩種不同的工作狀態(tài)，不同工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的功率需求，因此先分別計(jì)算兩種狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需功率，然后再選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率。該輪椅自重為50kg，最大承載能力為100kg，因此輪椅的最大運(yùn)行總質(zhì)量為150kg，該總質(zhì)量由前輪和后輪共同分擔(dān)，假設(shè)前輪和后輪分別承受總質(zhì)量的40％和60％，并且取輪胎和地面間的靜摩擦系數(shù)μ為0.71.平地所需功率平地行駛時(shí)，輪椅采用后驅(qū)動(dòng)輪，后驅(qū)動(dòng)輪組任意兩個(gè)小輪著地，克服和地面間的摩擦力前進(jìn)，前輪隨之前進(jìn)，同時(shí)設(shè)前輪和地面之間的摩擦力為。當(dāng)時(shí)，輪椅在平地上正常行駛。前輪承受的正壓力;后輪承受的正壓力：前輪承受的水平摩擦力：后輪承受的水平摩擦力：所以,滿足正常行駛要求。所設(shè)計(jì)的輪椅直徑為D=195mm，輪椅平地的最大運(yùn)動(dòng)速度為V=2m/s，根據(jù)輪椅行駛速度和車輪直徑，計(jì)算輪椅車在平地上行駛的相關(guān)參數(shù)：后驅(qū)動(dòng)輪所需要最大轉(zhuǎn)速為：后驅(qū)動(dòng)輪所需最大角速度為：后驅(qū)動(dòng)輪最大切向加速度為：后驅(qū)動(dòng)輪最大角加速度為：后驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：電機(jī)所需要的工作功率為：輪椅包括齒輪傳動(dòng)。鏈傳動(dòng)和軸傳動(dòng)，因此我們?cè)O(shè)傳動(dòng)總功率為0.85，所以在平地行駛所需功率為：輪椅爬樓時(shí)，由于速度較小，忽略空氣阻力和加速阻力，只有滾動(dòng)阻力和坡度阻力，所以輪椅行駛方程式可以表示為：，其中α為坡度角。查表可知，良好的瀝青路面和混凝土路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)f的數(shù)值為0.010-0.018，一般的瀝青和混凝土路面為0.018-0.020。平時(shí)路地行駛時(shí)我們?nèi)L動(dòng)阻力系數(shù)為0.018，爬樓時(shí)因?yàn)榇蠖鄶?shù)樓梯為混凝土或是大理石，所以我們把滾動(dòng)系數(shù)取為0.020。因?yàn)槠铰沸旭倳r(shí)α=0，所以受工作阻力為：我們?cè)O(shè)計(jì)的輪椅最大爬坡度為40°，所以爬樓時(shí)工作阻力為：所以，取F==974.3N，取v=0.2m/s，求得電機(jī)所需工作功率為：綜上所述，為了使輪椅爬樓和越障時(shí)有足夠的驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率必須大于0.35kw，并且有一定的剩余。所選驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要性能參數(shù)如下表：（上海瑞克）型號(hào)額定功率（w）額定轉(zhuǎn)矩（nm）額定電流（A）額定轉(zhuǎn)速(rpm)額定效率(%)額定電壓(v)起始轉(zhuǎn)速(rpm)90ZE0240054.2230≥80482853.3電池選擇輪椅裝載48V的蓄電池作為供電能源，同時(shí)可以滿足平地行駛和爬樓梯的要求。為了選擇性價(jià)比最高的蓄電池，一般從電池容量、電壓大小、重量、使用壽命和價(jià)格成本等幾方面進(jìn)行考慮，市場(chǎng)上有四種常見(jiàn)的蓄電池：鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鋅電池和鋰電池。鎳氫電池、鎳鋅電池和鋰電池性能優(yōu)越，使用壽命長(zhǎng)，但是價(jià)格昂貴，一般比鉛酸電池高4-5倍，增加了輪椅的制造成本。鉛酸蓄電池成本較低、使用歷史長(zhǎng)、相對(duì)更加成熟，改進(jìn)后的免維護(hù)鉛酸電池性能更加穩(wěn)定可靠，使用也更方便，得到了廣泛使用。因此，輪椅車選用免維護(hù)鉛酸蓄電池作為供電能源。4關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1配齒計(jì)算4.1.1傳動(dòng)比計(jì)算由前面已知上樓梯時(shí)，要使后輪轉(zhuǎn)動(dòng)而爬上樓梯所需要的扭矩為170功率P=0.23kw.而所選電機(jī)額定轉(zhuǎn)速=230額定轉(zhuǎn)矩為5已知外輪系的大徑為500mm后輪由電機(jī)通過(guò)一級(jí)齒輪傳動(dòng)和一級(jí)鏈輪傳動(dòng)而進(jìn)行上樓梯動(dòng)作。由m=9549可知Ⅲ軸轉(zhuǎn)速=61.8由于鏈輪3.4.5.6之間為等傳動(dòng)比傳動(dòng)，現(xiàn)假定四個(gè)鏈輪d=200mm則軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速，由電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1.2齒輪之間的傳動(dòng)比4.1.2齒輪模數(shù)和齒數(shù)計(jì)算（1）初選小齒輪齒數(shù)則大齒輪齒數(shù)?。?）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)試選載荷系數(shù)計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩查表可知齒寬系數(shù)（小齒輪作懸臂布置）查手冊(cè)可知材料的彈性影響系數(shù)按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限由齒輪的工作力循環(huán)次數(shù)N的計(jì)算式可算出兩齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)則可查得接觸疲勞壽命系數(shù)（3）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1%安全系數(shù)S=1計(jì)算試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值計(jì)算圓周速度v計(jì)算齒寬b計(jì)算齒寬和齒高之比b/h模數(shù)齒高4.1.3載荷系數(shù)計(jì)算（1）根據(jù),7級(jí)精度，查得動(dòng)載系數(shù)直齒輪，假設(shè)查得齒間載荷分配系數(shù)查手冊(cè)得使用系數(shù)而對(duì)于7級(jí)精度的小齒輪相對(duì)支撐懸臂布置時(shí)齒向載荷分布系數(shù)查得由,查手冊(cè)得故載荷系數(shù)按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑計(jì)算模數(shù)m（2)按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值查手冊(cè)得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力，取彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)s=1.35則計(jì)算載荷系數(shù)k由，查得齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)，，，計(jì)算大小齒輪的并加以比較即：大齒輪的數(shù)值大對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，僅和齒輪直徑（即模數(shù)和齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)0.957并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)1.25mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑算出小齒輪齒數(shù)，取大齒輪齒數(shù)4.1.4幾何尺寸計(jì)算（1）計(jì)算分度圓直徑中心距齒輪寬度?。?）驗(yàn)算合適齒輪1.24.2鏈傳動(dòng)計(jì)算4.2.1鏈傳動(dòng)比已知電機(jī)功率，轉(zhuǎn)速，小滾輪直徑。水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)所能使輪椅行走的最大速度，則小輪所在軸的轉(zhuǎn)速已知電機(jī)額定轉(zhuǎn)速則鏈傳動(dòng)之間的傳動(dòng)比4.2.2鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)（1）選擇鏈輪齒數(shù)初選（由于鏈節(jié)數(shù)常是偶數(shù)，為考慮磨損均勻，鏈輪齒數(shù)一般應(yīng)取和鏈節(jié)數(shù)互為質(zhì)數(shù)的奇數(shù)）則?。?）修正功率查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第2卷可得平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的工作情況系數(shù)則（3）確定鏈條節(jié)數(shù)初定中心距，則鏈節(jié)數(shù)為?。?）確定鏈條的節(jié)距P按小鏈輪的轉(zhuǎn)速估計(jì)，查手冊(cè)可得小鏈輪齒輪系數(shù)選取單排鏈，又查得多排鏈系數(shù)故得小鏈輪所需傳送的功率為根據(jù)小鏈輪轉(zhuǎn)速及功率查手冊(cè)可選取鏈號(hào)為單排鏈則其鏈節(jié)距（5）確定鏈長(zhǎng)及中心距a中心距減小量實(shí)際中心距?。?）驗(yàn)算鏈速