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多功能轮椅
机械原理与设计课程设计计算说明书
设计题目：
多功能轮椅
姓名：
林浩宇
班级：
机制14-2
学号：
指导教师：
孙老师
2015年05月30日
<一>设计背景与整体规划设计……………………………3
一、设计背景与意义
二、整体设计
<二>行走机构部件的设计与计算…………………………5
一、爬楼梯功能结构设计
1.履带式行走机构设计：
2.行星轮式行走机构
<三>其他功能机构部件的设计与计算……………………10
一、车体主要部件
二、靠背平躺机构
三、防侧翻机构设计
<四>传动系统设计与计算…………………………………11
一、电动机的选择
二、减速装置
<五>设计总结与心得………………………………………13
<六>参考文献………………………………………………14
<一>设计背景与整体规划设计
一、设计背景与意义
轮椅为残疾人和体弱老年人必不可少的行走工具，但由于残疾人和老年人身体相对较弱,且较多无工作能力,经济来源有限。
而且当他们不使用轮椅时，又需要轮椅便于包装和移动。
因此，要求轮椅:
轻便小巧,结构紧凑,功能单一，简单易用,价格低廉。
轮椅是康复的重要工具，它不仅是肢体伤残者的代步工具，更重要的是使他们借助于轮椅进行身体锻炼和参与社会活动。
据史料记载，最早的轮椅出现在中国的南北朝时期。
近现代以来，轮椅发生了很大的改进并且人们逐渐开始把轮椅当做康复运动的工具，人们对残疾人士的关注也随着轮椅的广泛普及而增加。
1964年，残障奥运会首次登场。
随着竞技的需求，轮椅的设计朝向强调其功能性、舒适性、耐用性与外观酷炫发展。
轮椅的出现，为众多的残疾人士提供了方便、舒适的生活，使他们能更好的生活、工作，使许多的残疾人为社会奉献了强大的力量，同时也引发人们对人生的思考，让社会更加人性化，更加和谐。
因此如何设计和制造一个功能强大、人性化的轮椅成为了当今残疾人士最为关心的问题。
现如今的许多轮椅都需要残疾人自己用手推动或他人推动，不方便且费力，并且走在不平坦的路上易颠簸。
尤其是爬楼梯的时候，如果楼梯旁没有斜坡，把轮椅抬起将会是极大地麻烦。
我们小组做的就是设计一个能上下楼梯并有一些辅助功能的多功能轮椅。
二、整体设计
1、参照标准轮椅尺寸，整体结构尺寸选择如下：
座宽：
440mm
背高：
380mm
座深：
400mm
全高：
900mm
全宽：
670mm
全长：
1000mm
扶手高：
220mm
2、设计完成后用solidworks画出三维视图如下：
<二>行走机构部件的设计与计算
目前行星轮用于爬楼梯的底盘结构中,多为两组行星轮（底盘对应的一边一个行星轮,两个为一组）或者更多。
如果将行星轮结构用于轮椅爬楼梯,考虑到轮椅使用的上述要求,将两组甚至更多的行星轮用于轮椅爬楼梯是不实际的,而且多组行星轮底盘,虽然随着行星轮组数的增多,爬楼梯底盘的承载越障能力将不断增强,但多组行星轮底盘在平地拐弯时会有很大的问题,因此这里选择一组行星轮用于轮椅爬楼梯。
由于轮椅需要承载残疾人或者老年人,因此使用一组行星轮爬楼梯。
除了安全以外,需要解决的最大问题就是其越障的承载能力,如果承载能力不行,轮椅将无法有效载送残疾人或者老年人越障甚至攀爬楼梯。
一、履带式行走机构设计：
采用履带式设计，由主电动机驱动履带传动，根据电机转速不同可实现转向功能，臂杆摆动使履带贴服在楼梯上，实现平稳上下楼梯。
设计如下图：
由几何关系可的，履带臂杆摆动时行星轮中心的轨迹是标准的椭圆方程，即带长可保持不变。
履带式机构的优点：
适应型好，越障和上下楼梯平稳；机构较为可靠。
缺点：
系统重量大，耗电量大。
平整路面上履带传动没有优势。
经综合考虑，最终舍弃履带式结构，选取行星轮式结构。
二、行星轮式行走机构
（1）简介：
该方案是基于一种新结构——星轮行星轮转换式结构，如图2和图3所示。
其基本结构是具有三个行星齿轮的行星齿轮系，在中心齿轮外依次均布三惰轮和三行星齿轮，中心齿轮和惰轮、惰轮和行星齿轮间均为外啮合，左右两半箱体相联接作为转臂，由此构成具有三个行星齿轮的行星齿轮系。
在各行星齿轮轴系箱体外伸端分别固定一个车轮，箱体中心固定有齿式离合器固定端，齿式离合器活动端与中心轴通过花键滑动联接，当齿式离合器活动端与固定端没有啮合时，整个结构便处于行星轮结构模式，此时驱动中心轴便会驱动三个车轮旋转，便可以在平地上行走。
当拨动齿式离合器活动端使其与齿式离合器固定端结合时，中心齿轮和箱体（转臂）锁死，从而各齿轮均不能自转而只能随整个箱体一起翻转，整个行星齿轮系将变成一个刚性的整体而转变为星轮结构模式，此时驱动中心轴便会驱动包括行星轮系在内的整个箱体翻转，此种结构模式可用于攀爬楼梯。
（2）驱动轮布置：
a）驱动后置
驱动后置，即将该驱动结构置于车后作为驱动后轮，前轮用万向轮。
优点：
大轮在后小轮在前，整车协调美观，爬楼时重量压于后轮，不易打滑。
缺点：
爬楼时，后轮支点位置不断跳跃性变化，有侧翻的可能；万向轮在前，平地时承载较大，转向阻力大，爬楼时万向轮可能发生偏斜。
b）驱动前置
驱动前置，即将该驱动结构置于车前面作为驱动前轮，后轮用万向轮。
优点：
万向轮作为后支点爬楼时不易倾翻，且阻碍作用相对较小。
缺点：
大部分机构集中在轮椅前，轮椅后部伸出两个很小的万向轮，外观不协调；爬楼时由于人对驱动轮的正压力不够，有打滑危险。
经综合考虑，我们选择了第二种方案，即驱动前置的行星轮方案。
该方案能较好的实现爬楼功能，。
（3）行星轮转换机构使用
a）使用半控式结构
普通行星轮结构有2个自由度，欲使其具有确定的运动，必须给行星轮2个确定的输入。
而目前使用的各种这类行星轮中,都用一个电机驱动这个行星轮的中心齿轮,即只给一个确定的输入,另外一个自由依靠地面的情况来约束。
在路面不平度较小的情况下，转臂（即另外一个输入）可以根据路况做实时的自适应调整；在车轮碰到较高的障碍而停止不动时，该轮系的一个自由度受到限制，驱动轮系即可演变成行星轮系，转臂H带动另外两轮绕自由度受限的车轮回转，实现翻越障碍，这种驱动轮系的一个自由度不受人为控制，而是根据路面情况而调整的，称作“半控”行星轮。
其优点在于结构简单，不需人工操作。
b）使用星轮行星轮转换式结构
采用该结构，当其遇到无法爬过的障碍后,不是靠地面的摩擦力束缚车轮来实现翻转,而是通过离合器固定一组行星轮，主动将该结构转换成星轮,通过驱动整个星轮来实现翻转。
其优点在于越障能力较强，不易打滑。
（4）越障能力分析
a）“半控”行星轮在遇到障碍时,有可能爬过障碍，打滑，翻转越过障碍，上楼梯时，应使半控行星轮翻转越过障碍。
单组行星轮爬过障碍能力分析力学模型如图，受力分析：
N3
Ff3
Ff2
N1
F2
N2
F1
G
L
L1
有平衡方程:
假设路面为硬路面，忽略滚动摩擦的影响。
即，；各轮转矩平均分配，。
在行星轮和地面之间附着力达到最大时,有最高越障能力,且轮1和轮2与地面之间的附着系数相同,则有:
其中为轮的附着系数，即附着力与车轮法向（与路面垂直的方向）压力的比值。
它可以看成是轮胎和路面之间的静摩擦系数。
这个系数越大，可利用的附着力就越大，越不容易打滑。
各种路面状况的附着系数如下表：
路面状态
干燥水泥路面
潮湿水泥路面
下雨开始时
附着系数
0.7-1.0
0.4-0.6
0.3-0.4
假设，轮1和轮2在垂直方向上受到地面的作用力相等。
由几何关系知，使行星轮翻转的最小障碍高度：
行星轮可以越过的极限垂直高度为：
其中R为行星轮系杆的半径，即
b）在行星轮运动到如下图位置时，可分析其是否能爬上下一级台阶。
按前述假设，有平衡方程:
又
只需，即几何关系满足:
即可使其连续翻转爬上楼梯
（5）尺寸选择（单位mm）
由建筑规范：
室内台阶宜150×300；室外台阶宽宜350左右，高宽比不宜大于1：
2.5。
住宅公用楼梯踏步宽不应小于0.26M，踏步高度不应大于0.175M。
故取台阶高×宽为150×300
（6）校核轮椅底盘是否会擦碰台阶棱边：
取底盘高度为行星轮中心到地面的距离，为=86.7，爬升一级台阶后轮椅的倾斜角，画出对应尺寸的台阶和倾斜角为的轮椅底盘，将轮椅底盘向前移动台阶宽度300距离，由图可知，底盘不会擦碰台阶棱边。
<三>其他功能结构设计与计算
一、车体主要部件
全车整体材料使用铝合金，轻便防锈。
轮胎：
有实心的、有充气内胎和无内胎充气型三种。
实心型在平地走较快且不易爆破，易推动，但在不平路上振动大，且卡入与轮胎同宽的沟内时不易拔出；有充气内胎的较难推，也易刺破，但振动比实心的小；无内胎充气型因无内胎不会刺破，而且内部也充气、坐起来舒服，但比实心者较难推。
经综合比较，有充气内胎缓冲吸振，速度适中，故选择有充气内胎。
刹车：
大轮应每轮均有刹车，当偏瘫者只能用一只手时，只好用单手刹车，但也可装延长杆，操纵两侧刹车。
刹车有两种：
（1）凹口式刹车。
此刹车安全可靠，但较费力。
调整后在斜坡上也能刹住，若调到1级在平地上不能刹住为失效。
（2）肘节式刹车。
利用杠杆原理，通过几个关节而后制动，其力学优点比凹口式刹车强，但失效较快。
为加大患者的刹车力，常在刹车上加延长杆，但此杆易损伤，如不经常检查会影响安全。
经综合比较，选择凹口式刹车。
脚托及腿托：
腿托可为横跨两侧式，或两侧分开式，这两种托都以采用能摇摆到一边和可以拆卸的为最理想。
必须注意脚托的高度。
脚托过高，则屈髋角度过大，体重就更多地加在坐骨结节上，易引起该处压疮。
二、靠背平躺机构
1）棘轮设计：
一般采用45号钢作为棘轮材料，考虑到棘轮受载荷较小，采用圆弧形齿形，同时也可避免使用者被划伤。
棘轮齿数取20个，模数取标准值3mm，则直径为60mm。
2）扭簧设计：
取使用者质量为70kg，靠背工作转角为90º，则最大扭矩为70×9.8×0.19=130Nm，扭簧刚度为k==1444最终取k=1400。
扭簧直径与转轴相匹配，取21mm。
三、防侧翻机构设计
当轮椅发生侧翻时，倾斜角超过45度则会在重力矩的作用下继续翻倒，故倾斜角小于45度时防侧翻机构应打开，取40度。
当防侧翻的支撑杆和地面也成40度时和轮椅构成等腰三角形，受力较为均衡。
故取支撑杆长约为轮椅高的一半，为400mm。
支撑盘底面采用耐磨材料，摩擦系数较大，考虑到其直径应略小于椅背厚度，取直径为60mm。
<四>传动系统设计与计算
一、电动机的选择
有刷低速电机被电动自行车选用又名无刷无齿电机，它在电动自行车起动与爬坡时电流较大，性能较弱。
有刷高速电机（3600转/分钟左右），它采用碳刷作为电机电源的两个触点，利用调速转把和控制器来控制，通过齿轮二次减速及超越离合器来达到电动自行车0－20公里/小时的无极调速。
目前采用的这种有刷高速电机含金量高，电机减速齿轮强度较强，耐磨性好，设计合理，故返修率较低；而且维修更换齿轮和电机的成本较少，有效的降低了电动自行车（电动轮椅）的维修费用。
目前许多厂家选用有刷有齿电机，它是一种高速电机，所谓“有齿”就是通过齿轮减速机构，将电要转速调低（因国标规定电动车时速不得超过20公里，故电机转速应在170转／分钟左右）。
由于是高速电机通过齿轮减速，故特点是启动时骑行者感觉动力强劲，而且爬坡能力较强。
但是电动轮毂是封闭的，只是在出厂前加注了润滑剂（油），用户很难进行日常保养，而且齿轮本身也有机械磨损，一年左右因润滑不足导致齿轮磨损加剧，噪音增大，使用时电流也增大，影响电机和电池寿命。
另一种有刷无齿电机，它是一种低速电机，没有齿轮减速机构，其动力性能和爬坡能力相对弱一些，但运行安全（冲击力小），
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