新型老人助力爬樓裝置設(shè)計(jì)-電動(dòng)爬樓梯輪椅含9張CAD圖,新型,老人,白叟,助力,裝置,設(shè)計(jì),電動(dòng),樓梯,輪椅,cad 任 務(wù) 書(shū) 一、設(shè)計(jì)題目 新型老人助力爬樓裝置設(shè)計(jì) 二、主要任務(wù)及要求 1）主要任務(wù)： 新型老人助力爬樓裝置設(shè)計(jì) 2）根據(jù)主要任務(wù)，通過(guò)比較、分析，確定最終方案，針對(duì)解決方案進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，完成機(jī)械結(jié)構(gòu)（制造工藝）和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。 3）說(shuō)明書(shū)中要求進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)方案對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律和文化的影響，以及這些制約因素對(duì)項(xiàng)目實(shí)施的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。 4）能夠體現(xiàn)機(jī)械、電氣、信息等多學(xué)科背景，體現(xiàn)團(tuán)隊(duì)的有效溝通、合作共事及個(gè)體的作用。 5）圖紙規(guī)范、準(zhǔn)確。 三、上交材料 (1) 系統(tǒng)方案圖及相關(guān)圖紙（折合1.5張A0圖紙）； (2) 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(包含方案設(shè)計(jì)、主要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算、根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行的方案相關(guān)分析等內(nèi)容，8000字左右) 四、指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ) 項(xiàng)目 優(yōu)秀 良好 中等 及格 不及格 滿分 得分 設(shè)計(jì)解決方案 方案合理新穎，計(jì)算準(zhǔn)確，圖紙表達(dá)規(guī)范 方案合理，計(jì)算比較準(zhǔn)確，圖紙比較規(guī)范 方案一般，計(jì)算基本準(zhǔn)確，圖紙基本規(guī)范 方案基本合理，計(jì)算有小部分錯(cuò)誤，圖紙欠規(guī)范 方案不合理，計(jì)算錯(cuò)誤較多，圖紙不規(guī)范 40 工程與社會(huì) 方案與社會(huì)相互影響的分析、評(píng)價(jià)合理，內(nèi)容全面、準(zhǔn)確 方案與社會(huì)相互影響的分析、評(píng)價(jià)比較合理，內(nèi)容全面，基本準(zhǔn)確 方案與社會(huì)相互影響的分析、評(píng)價(jià)基本合理，內(nèi)容一般，準(zhǔn)確性一般 方案與社會(huì)相互影響的分析、評(píng)價(jià)一般，內(nèi)容一般，有小錯(cuò)誤 方案與社會(huì)相互影響的分析、評(píng)價(jià)缺失或不合理，內(nèi)容不全 20 個(gè)人和團(tuán)隊(duì) 多學(xué)科背景下團(tuán)隊(duì)的有效溝通、合作共事及個(gè)體的作用體現(xiàn)明顯 多學(xué)科背景下團(tuán)隊(duì)的有效溝通、合作共事及個(gè)體的作用體現(xiàn)比較明顯 多學(xué)科背景下團(tuán)隊(duì)的有效溝通、合作共事及個(gè)體的作用體現(xiàn)中等 多學(xué)科背景下團(tuán)隊(duì)的有效溝通、合作共事及個(gè)體的作用體現(xiàn)一般 多學(xué)科背景下團(tuán)隊(duì)的有效溝通、合作共事及個(gè)體的作用體現(xiàn)較差 10 答辯 自述及回答問(wèn)題準(zhǔn)確流利 自述及回答問(wèn)題比較準(zhǔn)確 自述及回答問(wèn)題基本準(zhǔn)確 自述及回答問(wèn)題欠準(zhǔn)確 自述及回答錯(cuò)誤 30 總分 100 綜合評(píng)定成績(jī)： □優(yōu)秀 □良好 □中等 □及格 □不及格 指導(dǎo)教師： 日 期： 摘 要 當(dāng)前中國(guó)社會(huì)人口老齡化的問(wèn)題越來(lái)越突出。本文主要考慮到老年人人群以及殘疾人人群行動(dòng)不便，還有部分老式樓房沒(méi)有電梯的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)具有爬樓梯功能的電動(dòng)輪椅，從而提高他們的生活質(zhì)量。 本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)電動(dòng)爬樓梯輪椅進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，通過(guò)對(duì)電動(dòng)爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出總體設(shè)計(jì)方案，本設(shè)計(jì)決定采用星輪式的爬樓輪椅。其次是對(duì)輪椅主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算以及對(duì)各主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)及校核，主要包括對(duì)輪椅座椅骨架的設(shè)計(jì)，座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及輪椅傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)制圖軟件繪制電動(dòng)爬樓梯輪椅的裝配圖及主要部件零件圖。 本電動(dòng)爬樓梯輪椅在普通輪椅的基礎(chǔ)上安裝了星輪式爬樓裝置、座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)、電機(jī)及其相關(guān)控制系統(tǒng)。這樣可以方便使用人群，減少他們出行的困難，提高他們的生活質(zhì)量。 在中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，電動(dòng)爬樓梯輪椅的需求逐年增加，市場(chǎng)潛力巨大，電動(dòng)爬樓輪椅行業(yè)發(fā)展機(jī)遇廣闊，生產(chǎn)前景良好。 關(guān)鍵詞：行星輪 座椅調(diào)平機(jī)構(gòu) 控制系統(tǒng) 輪椅  Abstract The current problem of aging population in China is becoming more and more prominent. This article mainly takes into account the elderly people and the disabled population mobility, there are some old buildings without the characteristics of the elevator, designed to climb the stairs function of electric wheelchairs, thereby enhancing their quality of life. This design is mainly for electric climbing stairs wheelchair design. First of all, through the analysis of the structure and movement principle of the electric climbing staircase wheelchair, and on this basis, put forward the overall design plan, the design decided to use the wheel-type climbing wheelchair. Followed by the design and calculation of the main structural parameters of the wheelchair and the design and verification of the major components, including the design of the wheelchair seat frame, seat leveling mechanism design and wheelchair transmission mechanism design. Finally, through the mapping software to draw electric climbing wheelchair assembly diagram and the main parts of the assembly map. The electric climbing staircase wheelchair in the ordinary wheelchair on the basis of the installation of a star-type climbing equipment, seat leveling mechanism, motor and its related control system. This makes it easy to use the crowd, reduce the difficulty of their travel, and improve their quality of life. In China's national economic development, the demand for electric climbing stair wheelchair increased year by year, the market has great potential, electric climbing wheelchair industry development opportunities are vast, the production prospects are good. Keywords： planet wheel seat leveling mechanism control system wheelchair  目 錄 摘要 Ⅲ Abstract Ⅳ 1 緒論 1 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì) 2 2.1 爬樓機(jī)構(gòu)的選擇 2 2.2 爬樓輪椅總體結(jié)構(gòu)概述 3 2.3 輪椅座椅骨架設(shè)計(jì) 4 2.3.1.座椅寬度 5 2.3.2.座椅深度 5 2.3.3.座椅靠背的高和寬 5 2.3.4.座椅靠背傾角 5 2.3.5.扶手尺寸 5 2.3.6.腳踏板高度 5 2.4 星輪爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 2.5 座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 9 3 電氣系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 12 3.1 電機(jī)的選擇 12 3.2 蓄電池選擇 16 3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 3.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 17 3.3.2 電機(jī)調(diào)速原理 18 3.3.3 PLC控制系統(tǒng) 19 3.3.4 PLC相關(guān)參數(shù) 21 4.傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì) 23 4.1 傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 23 4.2 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 24 4.3傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 28 4.3.1 輸出軸的設(shè)計(jì) 28 4.3.2 車(chē)輪軸的設(shè)計(jì) 31 參考文獻(xiàn) 36 1 緒論 隨著社會(huì)發(fā)展和人類(lèi)文明的進(jìn)步，特別是城市快速擴(kuò)張和建設(shè)，人口老齡化問(wèn)題日益嚴(yán)重，殘疾人人數(shù)不斷增加，對(duì)輔助步行工具的需求也日益增加。而目前我國(guó)高層建筑云集，天橋越來(lái)越多，公園的臺(tái)階，沒(méi)有電梯的小區(qū)樓房臺(tái)階，這些都困擾著輪椅使用者。輪椅作為殘疾人人群唯一的出行工具，卻受到越來(lái)越多的限制，對(duì)于這些臺(tái)階及障礙，此時(shí)傳統(tǒng)的輪椅已經(jīng)無(wú)法滿足大多數(shù)人的需求。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們應(yīng)改進(jìn)輪椅，使其功能更加完善，以此來(lái)適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)，公司和研究機(jī)構(gòu)對(duì)爬樓裝置進(jìn)行了深入研究，提出了各種產(chǎn)品或解決方案。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)不同的爬樓機(jī)構(gòu)，可分為以下幾種機(jī)構(gòu)：一種是采用星輪式爬樓機(jī)構(gòu)，星輪不僅圍繞著自己的軸線旋轉(zhuǎn)，而且還共同圍繞一根旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；一種是履帶式爬樓機(jī)構(gòu)；還有腿足式爬樓機(jī)構(gòu)和復(fù)合式爬樓機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)在，中國(guó)輪椅行業(yè)發(fā)展緩慢，在國(guó)內(nèi)可以爬樓梯的多功能輪椅，還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品。但隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人民生活水平的提高，考慮到老年人和殘疾人的出行便利需求，研制具有爬樓梯功能的輪椅將具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì) 2.1 爬樓機(jī)構(gòu)的選擇 作為爬樓梯電動(dòng)輪椅，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由兩部分組成，其中一部分是爬樓梯機(jī)構(gòu)，另一部分是平地行駛機(jī)構(gòu)。本課題設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)在于爬樓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，平地行駛機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及如何將爬樓梯功能與普通電動(dòng)輪椅的功能相結(jié)合。 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外爬樓梯裝置的分析研究，大致將爬升機(jī)構(gòu)分為星輪式、履帶式、腿足式及復(fù)合式。通過(guò)比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)，得出下表2.1。 表2.1 典型爬升機(jī)構(gòu)性能對(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 控制難易度 簡(jiǎn)單 一般 困難 機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度 簡(jiǎn)單 一般 復(fù)雜 行走阻力 小 大 大 對(duì)臺(tái)階有無(wú)損傷 無(wú) 有 無(wú) 噪音 小 大 小 靈活程度 較好 一般 好 價(jià)格 低 中 高 通過(guò)對(duì)比以上各種爬升機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到控制的難易程度、使用的安全性、運(yùn)動(dòng)的靈活性等，最終確定采用星輪機(jī)構(gòu)作為爬升機(jī)構(gòu)。 該爬樓機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有： （1）平穩(wěn)的行駛能力。輪椅在地面行駛時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，任何時(shí)候都有六個(gè)小輪與地面接觸，利用星輪的定軸輪系來(lái)傳遞動(dòng)力，使小輪快速地向前或向后。當(dāng)面臨障礙物時(shí)，車(chē)輪變成行星輪系進(jìn)行翻轉(zhuǎn)向前推進(jìn)。 （2）可靠的爬樓梯能力。當(dāng)輪椅上下樓梯時(shí)，電機(jī)控制三個(gè)星輪繞中心軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)行星齒輪減速器和蝸輪蝸桿式大減速比裝置形成自鎖功能，使控制動(dòng)作得到準(zhǔn)確保證。這一特點(diǎn)對(duì)于控制輪椅爬樓梯特別重要。 （3）控制方式易于實(shí)現(xiàn)。任意時(shí)刻輪椅左側(cè)和右側(cè)輪組的輪子速度相同，從而可以精確控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。 （4）通過(guò)電機(jī)的調(diào)速控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)輪椅的轉(zhuǎn)彎，向前或向后直線前進(jìn)，爬坡，爬樓等功能。轉(zhuǎn)彎中所需的半徑即為車(chē)身寬度。 2.2 爬樓輪椅總體結(jié)構(gòu)概述 該輪椅的總體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，我在其上做了改進(jìn)。本課題電動(dòng)爬樓輪椅主要由爬樓機(jī)構(gòu)（星輪式機(jī)構(gòu)）、輪椅框架、座椅、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成。 圖2.1 星輪式爬樓輪椅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 （1）爬樓機(jī)構(gòu)：本輪椅采用一組星輪式爬樓機(jī)構(gòu)，行星輪左右分別對(duì)稱(chēng)安裝，通過(guò)行星輪的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)平地行駛與爬樓功能的轉(zhuǎn)換。 （2）輪椅框架：輪椅框架是整個(gè)輪椅的基礎(chǔ)，應(yīng)結(jié)合輪椅整體布局的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)輪椅框架還應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，確保輪椅在各種復(fù)雜路況下安全行駛。輪椅框架的質(zhì)量應(yīng)盡可能小，盡量降低輪椅總體的重心，這樣可以使輪椅行駛起來(lái)更穩(wěn)定。 （3）座椅：輪椅座椅應(yīng)該使乘坐者感覺(jué)舒適，所以這個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮到用戶的具體身體狀況。 （4）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：采用電機(jī)接齒輪的傳動(dòng)方式，使電機(jī)的傳動(dòng)力可以有效地傳遞到驅(qū)動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)的行星輪機(jī)構(gòu)上，從而驅(qū)動(dòng)輪椅前進(jìn)。 （5）座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)：設(shè)計(jì)一個(gè)滾道滑座調(diào)平機(jī)構(gòu)。主要由圓弧形軌道和滾軸組成。滑軌通過(guò)焊接固定在輪椅底座上，滾軸與輪椅座椅底部的托架采用螺紋連接。其軸端裝有滾動(dòng)軸承，使其可以在滑軌中滑動(dòng)以實(shí)現(xiàn)座椅的調(diào)平。 （6）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：鑒于車(chē)輪數(shù)量的設(shè)計(jì)較多，如果直接使用前輪和后輪都是行星輪的形式，那么就有8個(gè)輪子與地面接觸，那就必須同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)8個(gè)輪子才能轉(zhuǎn)向，所需的轉(zhuǎn)向力就會(huì)很大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向困難，同時(shí)其行走阻力也很大。為了解決這一困難，我把輪椅前邊的行星輪改成了2個(gè)轉(zhuǎn)向輪，這樣一來(lái)就同時(shí)有6個(gè)輪子著地，減小了轉(zhuǎn)向力及行走阻力。 2.3 輪椅座椅骨架設(shè)計(jì) 電動(dòng)輪椅主體骨架包括電動(dòng)輪椅主體和支撐結(jié)構(gòu)，承載著輪椅重量和乘坐者的重量，電動(dòng)輪椅所有部件必須安裝在輪椅主體骨架上。 輪椅座椅的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置，為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)留出足夠的空間，使輪椅的重心合理分布。輪椅座椅尺寸要符合人體坐姿尺寸，讓乘坐者感到舒適，具體人體坐姿尺寸見(jiàn)下表。 表2.2 坐姿人體尺寸 測(cè)量項(xiàng)目 男（18—60歲） 女（18—55歲） 坐高/mm 858 908 947 958 809 855 891 901 坐姿肘高/mm 228 263 291 298 215 251 277 284 坐姿大腿厚/mm 112 130 146 151 113 130 146 151 坐姿膝高/mm 456 493 523 532 424 458 485 493 小腿加足高長(zhǎng)/mm 383 413 439 448 342 382 399 405 坐深/mm 421 457 486 494 401 408 461 469 1.座椅寬度 座椅寬度是指座椅左右之間的距離。設(shè)計(jì)時(shí)要注意座椅的寬度需比人體坐姿時(shí)的臀部寬度大，這樣可以使乘坐者自由地調(diào)整坐姿。所以根據(jù)表2.2最終確定座椅寬度為420mm。 2.座椅深度 座椅深度是指座椅前后之間的距離。人體臀圍到大腿全長(zhǎng)的3/4大概就是這個(gè)深度的大小。綜合上表最后確定為450mm。 3.座椅靠背的高和寬 座椅靠背的高度應(yīng)該接近于人體坐姿的高度?？勘车膶挾葢?yīng)該約等于人體肩寬的大小。經(jīng)查閱資料，最終取靠背高度為700mm，靠背寬度為420mm。 4.座椅靠背傾角 此傾角是指座椅靠背和水平面之間所夾的角度?？勘潮３忠欢ǖ膬A斜角度可使乘坐者的脊椎時(shí)刻處于放松狀態(tài)，該角度一般為95°~120°。所以最終取100°。 5.扶手尺寸 座椅扶手主要考慮到兩個(gè)尺寸，即扶手的高度以及左右扶手的間距。考慮到人體兩肘之間的寬度以及肘部平放時(shí)的高度，參照上表2.2，最后確定扶手的高度取為210mm，左右扶手間的間距取為420mm。 6.腳踏板高度 腳踏板的高度即指其與座椅之間的距離。其位置最好是能使其與大腿保持大于90°的夾角，并且盡量使人體小腿平行于上身。這樣可使腿部時(shí)刻處于放松狀態(tài)以及保證腿腳有足夠的活動(dòng)空間。所以參照表2.2最后確定為420mm。 2.4 星輪爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 輪椅的爬樓機(jī)構(gòu)選用星輪輪組結(jié)構(gòu)。星輪輪組結(jié)構(gòu)中小輪數(shù)量越少，結(jié)構(gòu)就越簡(jiǎn)單，但是驅(qū)動(dòng)輪組翻越障礙所需的轉(zhuǎn)矩也越大，在行駛過(guò)程中輪椅重心波動(dòng)的問(wèn)題也越大，穩(wěn)定性也就越差。但隨著小輪數(shù)量的增加，整個(gè)輪組的結(jié)構(gòu)又將變得復(fù)雜。因此，經(jīng)過(guò)研究分析，最終確定該輪椅的前輪即導(dǎo)向輪采用一個(gè)小輪來(lái)形成一個(gè)輪組機(jī)構(gòu)，后輪一個(gè)輪組機(jī)構(gòu)由三個(gè)小輪組成。 圖2.2 三星輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 我國(guó)《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：室內(nèi)樓梯踏步高度不宜大于，并不宜小于；樓梯踏步寬度不宜大于，并不宜小于，計(jì)算樓梯的臺(tái)階角度在之間，我們一般取來(lái)計(jì)算；樓梯踏步高與寬的關(guān)系要滿足：。輪椅要適應(yīng)規(guī)定的尺寸范圍，才能夠順利的上下樓梯，即強(qiáng)調(diào)輪椅的適應(yīng)能力。輪椅車(chē)輪應(yīng)能在最小寬度的臺(tái)階上穩(wěn)定的支撐輪椅，并能做一定距離的滾動(dòng)。根據(jù)這個(gè)條件，星輪直徑，所以綜合以上因素選擇星輪直徑為。 在樓梯踏步尺寸最小的情況下，輪椅車(chē)攀爬樓梯的難度最大，所以對(duì)車(chē)輪直徑可行性的驗(yàn)證以及兩輪中心距的確定均在踏步寬度為，踏步高度為的臺(tái)階上進(jìn)行。星輪機(jī)構(gòu)爬樓狀態(tài)，如圖2.3所示。其中，為星輪架臂長(zhǎng)，為星輪半徑，為星輪架臂寬，為星輪中心距，為星輪中心與樓梯邊緣的距離。 （a） 星輪組爬樓示意 （b）星輪示意 （c）星輪架示意 圖2.3 星輪機(jī)構(gòu)爬樓梯示意簡(jiǎn)圖 根據(jù)圖2.3，可以得出以下式子： （2—1） （2—2） 取，又由已知條件可知，得到： 同理取時(shí)，同上可得： 所以最終在這個(gè)范圍中取星輪架臂長(zhǎng)。 當(dāng)輪組結(jié)構(gòu)中兩個(gè)星輪相切時(shí)，此時(shí)星輪半徑為最大，其最大值的計(jì)算公式為： （2—3） 代入，得出，所以確定是合理的。 當(dāng)星輪半徑以及星輪架臂長(zhǎng)取一定值時(shí)，根據(jù)圖2.3可推導(dǎo)出： （2—4） 代入相關(guān)數(shù)值解得，即星輪架臂寬。 結(jié)合以上公式(2—1)、(2—2)、(2—3)、(2—4)的計(jì)算結(jié)果，最終確定星輪的主要參數(shù)為： 2.5 座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 爬樓輪椅在爬樓梯時(shí)，由于重心波動(dòng)導(dǎo)致輪椅座椅是傾斜的，而這則會(huì)使乘坐者感到不舒服。所以為了消除這個(gè)弊端，我查閱了相關(guān)文獻(xiàn)，最終設(shè)計(jì)了一種滑軌式的座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)。其中主要由圓弧形軌道和滾軸組成，其中圓弧形軌道的弧度取120°，軌道焊接在輪椅底部的支架上（位置關(guān)系如圖2.4所示）。 圖2.4 滑軌與輪椅座椅位置關(guān)系 。在其軸端裝有滾動(dòng)軸承，使其可以在滑軌中滑動(dòng)以實(shí)現(xiàn)座椅的調(diào)平，具體結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。 圖2.5 滾道滑軌式座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)圖 軸承選用滾動(dòng)軸承6204 GB/T 276—1994，以下對(duì)滾軸軸端進(jìn)行校核，主要是校核軸端的彎曲應(yīng)力及切應(yīng)力。因?yàn)?5號(hào)鋼的綜合力學(xué)性能良好，所以該滾軸材料采用45號(hào)鋼并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，取該滾軸軸端直徑，并對(duì)其進(jìn)行校核。受力簡(jiǎn)圖如下圖2.6所示： 800N 20cm 20cm A B 400N 400N 圖2.6 滾軸兩軸端受力簡(jiǎn)圖 校核滾軸軸端的正應(yīng)力強(qiáng)度，可得軸端最大彎矩值為： 通過(guò)查閱相關(guān)資料得知圓形截面的彎曲截面系數(shù)公式為： （2—5） 把以上相關(guān)數(shù)據(jù)代入式解得： 最大正應(yīng)力的計(jì)算公式為： （2—6） 把以上相關(guān)數(shù)據(jù)代入式解得： 校核滾軸軸端的切應(yīng)力強(qiáng)度，從圖中可知： 通過(guò)查閱相關(guān)資料得知最大切應(yīng)力公式為： （2—7） 把以上相關(guān)數(shù)據(jù)代入式解得： 綜上所述，當(dāng)滾軸軸端直徑時(shí)，滾軸軸端的正應(yīng)力和切應(yīng)力強(qiáng)度均滿足要求，所以是安全的。 3 電氣系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 根據(jù)平地或爬樓等不同實(shí)際環(huán)境下的具體要求，參考國(guó)標(biāo) GB12996—1991——電動(dòng)輪椅車(chē)標(biāo)準(zhǔn)，確定控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。 國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電動(dòng)輪椅車(chē)的主要技術(shù)性能規(guī)定如表所示。 表3.1 電動(dòng)輪椅國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 項(xiàng)目?jī)?nèi)容 性能指標(biāo) 室內(nèi)型 室外型 速度（km/h） ≤4.5 ≤6.0 爬坡能力 ≥8° ≥8° 一次充電最大行程（km） ≥10 ≥20 參考表3.1確定本輪椅的技術(shù)指標(biāo)如下：平地時(shí)最大運(yùn)行速度為，最大爬樓速度為每分鐘個(gè)臺(tái)階。該電動(dòng)輪椅攜帶蓄電池自主供電。 3.1 電機(jī)的選擇 3.1.1 電機(jī)類(lèi)型選擇 考慮到電動(dòng)輪椅的戶外使用條件，我們需要選擇永勵(lì)直流電機(jī)。該電機(jī)根據(jù)有無(wú)機(jī)械換向裝置可分為有刷直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。 無(wú)刷直流電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 屬于靜態(tài)電機(jī)，電機(jī)空載時(shí)的電流??； （1） 利用電子換向來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向，其性能優(yōu)良、磨損較小、故障率低； （2） 電機(jī)體積較小。 （3） 電機(jī)傳動(dòng)效率相對(duì)較高； （4） 但是雖然目前電動(dòng)輪椅大部分都是采用無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并且還有很多相應(yīng)的控制器。但其還有如下缺點(diǎn)： 低速啟動(dòng)時(shí)會(huì)有輕微的振動(dòng)； （1） （2） 電機(jī)價(jià)格較高，相應(yīng)的控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高； （3） 容易形成共振。 變速相對(duì)平穩(wěn)，幾乎感覺(jué)不到振動(dòng)； 而相比于無(wú)刷直流電機(jī)，有刷直流電機(jī)則具有以下優(yōu)點(diǎn)： 升溫慢，可靠性好； （1） 價(jià)格比無(wú)刷直流電機(jī)便宜，控制器結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單。 （2） （3） 基于有刷直流電機(jī)的平穩(wěn)可靠性以及低成本，本電動(dòng)爬樓輪椅最終選用有刷直流電機(jī)。同時(shí)也要注意碳刷的保養(yǎng)，以及及時(shí)更換碳刷。 3.1.2 電機(jī)功率計(jì)算 爬樓梯電動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)形式可分為平地行駛、爬坡運(yùn)動(dòng)和爬樓梯三種形式，根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)狀況，采用理想狀態(tài)下的假設(shè)情況來(lái)計(jì)算電機(jī)所需的功率。 根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求確定該輪椅的具體參數(shù)如下： 輪椅總重量：60kg以下；輪椅承重量：80kg以下； 平地行駛最大速度： 最大爬坡角度：20°；此時(shí)最大速度為： 爬樓梯速度： 1. 行走功率計(jì)算 取平地運(yùn)動(dòng)時(shí)的滾動(dòng)摩擦系數(shù)取0.03，重力加速度g取，則所需的電機(jī)功率為： 2.爬坡功率計(jì)算 假設(shè)爬坡時(shí)的最大坡度為20°，爬坡速度為0.3m/s，此時(shí)電機(jī)的功率為： 3.爬樓功率計(jì)算 爬樓梯的動(dòng)作實(shí)際上就是將整體質(zhì)量往上一級(jí)臺(tái)階抬升的過(guò)程，輪椅在爬樓過(guò)程中需要克服車(chē)體和人的重力進(jìn)行做功。經(jīng)初步估計(jì)爬樓過(guò)程中重力作用線與驅(qū)動(dòng)軸之間的垂直距離，所以計(jì)算所需克服的阻力矩為： 驅(qū)動(dòng)輪的角速度為： 爬樓速度最大為，從而確定驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為： 爬樓所需功率為： 綜上所述：三種運(yùn)動(dòng)形式中爬坡時(shí)的功率最大，為142.8W，所以所選電機(jī)的額定總功率應(yīng)大于142.8W，所以我初步選用額定功率為144W的電機(jī)。 3.1.3 電機(jī)相關(guān)參數(shù) 經(jīng)計(jì)算所需扭矩及功率等參數(shù)，又綜合考慮質(zhì)量?jī)r(jià)格等諸多因素，最終我選用蘭州萬(wàn)里航空機(jī)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的輪椅車(chē)專(zhuān)用電機(jī)DG—M4，具體相關(guān)參數(shù)見(jiàn)下圖及下表。 圖3.2 電機(jī)輸出軸的接口尺寸 表3.2 DG—M4電機(jī)參數(shù) 電機(jī)類(lèi)型 永磁直流電動(dòng)機(jī)，直流24V 離合器類(lèi)型 電磁離合器，直流24V 額定電流 6A 空載電流 最大3.3A 最大輸出功率 65R/M時(shí)230W 持續(xù)扭矩 1.1Nm/A 最大扭矩 使用40A控制器時(shí)44Nm 使用50A控制器時(shí)55Nm 離合器制動(dòng)扭矩 輸出軸，大于50Nm 輸出軸空載轉(zhuǎn)速 正常120RPM 減速比 i＝32.88 絕緣等級(jí) F 重量 5.5kg 電機(jī)殼體顏色 黑色 推薦輪子尺寸 31.75cm (12.5〞) 該電動(dòng)機(jī)構(gòu)由具有電磁離合器（制動(dòng)）裝置的永磁電動(dòng)機(jī)和具有一級(jí)直齒和一級(jí)蝸輪蝸桿副傳動(dòng)的全封閉變速箱組成。蝸輪蝸桿副傳動(dòng)對(duì)于爬樓裝置來(lái)說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)自鎖，這對(duì)爬樓這一動(dòng)作提供了安全保障。通過(guò)計(jì)算平地行駛電機(jī)，爬樓翻轉(zhuǎn)電機(jī)均可以是DG-M4。 3.2 蓄電池選擇 為滿足爬樓電動(dòng)輪椅的使用要求，本輪椅必須能實(shí)現(xiàn)自主供電，所以決定采用蓄電池作為輪椅供電電源。電池的種類(lèi)根據(jù)使用次數(shù)不同大致上可以分為一次電池和二次電池。一次電池就是指只能使用一次而不可再補(bǔ)充能量的電池；而可以重復(fù)補(bǔ)充能量的電池就稱(chēng)為二次電池。由于爬樓電動(dòng)輪椅的電池是需要重復(fù)使用的以及從環(huán)保的角度來(lái)想，所以本次設(shè)計(jì)決定采用二次電池即蓄電池。二次電池的種類(lèi)也相當(dāng)多，其中包括鎳錫電池、鎳氫電池、鋰離子電池等等。 考慮到電池的容量、電壓的大小、使用壽命等因素，本次設(shè)計(jì)選用鋰離子電池。經(jīng)查閱相關(guān)資料，得知鋰離子電池有以下優(yōu)點(diǎn)： （1） 能量密度高，其體積能量密度和質(zhì)量能量密度分別可達(dá)450W.h/和150W.h/kg，而且還在不斷提高； （2） 平均輸出電壓高，為Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍； （3） 自放電量小，平均每月少于10％，小于Ni-Cd，Ni-MH的一半； （4） 可以快速的充電和放電，充電容量高達(dá)額定容量的80％； （5） 工作溫度范圍寬，-30?+45℃，隨著電解液和正負(fù)極的改善，有希望能擴(kuò)展至，低溫可擴(kuò)展至； （6） 電池殘留容量檢測(cè)更方便；無(wú)需維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境污染較小。 最終選擇型號(hào)GX—M3610—B2的鋰離子電池。其主要參數(shù)如表3.4所示。 表3.4 鋰電池主要參數(shù) 額定電壓 電池容量 最大放電電流 工作溫度 24V 20Ah 10~15A -20℃~55℃ 3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 電機(jī)速度控制系統(tǒng)中常用的方法是速度負(fù)反饋法，這種控制方法可以得到良好的調(diào)節(jié)速度性能。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常使用速度傳感器，但其成本相對(duì)較高。由于本控制系統(tǒng)的速度控制過(guò)程要求不高，所以可以使用電壓負(fù)反饋法來(lái)估算電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。 電壓負(fù)反饋法雖然可以較為精確的控制電機(jī)調(diào)速，但其控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能卻不夠理想。因此，為了得到良好的電機(jī)調(diào)速性能，通過(guò)查閱資料選取了5個(gè)N溝道MOSFET管搭建的H橋電路進(jìn)行控制，其原理圖如3.3所示，其中，V+、V-分別為電機(jī)兩端電壓。電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將V+、V-電壓值送入單片機(jī)，計(jì)算后可得出電樞電壓，即。然后通過(guò)計(jì)算電阻R兩端的電壓差即可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。 圖3.3 調(diào)速系統(tǒng)原理圖 從圖中可以看出，當(dāng)M1、M4、M5導(dǎo)通時(shí)，M3、M2關(guān)斷，此時(shí)電機(jī)為正轉(zhuǎn)即下樓過(guò)程；當(dāng)M2、M3導(dǎo)通時(shí)，M1、M4、M5關(guān)斷，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)即上樓過(guò)程。 3.3.2 電機(jī)調(diào)速原理 為了更好的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)查閱資料我找到了由東莞市杰勝電機(jī)有限公司生產(chǎn)的直流調(diào)速器，主要通過(guò)改變輸出占空比，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。其相關(guān)產(chǎn)品信息及參數(shù)見(jiàn)下圖。 產(chǎn)品信息 品名 直流調(diào)速器 型號(hào) JS—30AB 電壓 DC 12V—50V 最大電流 30A 功率 支持0~1.5kW 調(diào)速范圍 0~100% 尺寸 37×83×110mm 該直流調(diào)速器有以下注意事項(xiàng)： （1）直流調(diào)速板調(diào)速器輸入為直流，不能直接連接交流電（如：家用電220V）；（2）直流電源正負(fù)極不能接反，否則會(huì)損壞調(diào)速器； （3）電動(dòng)機(jī)可以不分正負(fù)極，當(dāng)行駛方向和期望不一致時(shí)，可以通過(guò)跳線順序改變方向； （4）電位器調(diào)節(jié)旋鈕可通過(guò)改變調(diào)速器輸出占空比來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速； 根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程： （5）該調(diào)速器只能用于直流有刷電機(jī)的速度控制，不適用于無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，也不能作為調(diào)壓器或穩(wěn)壓器使用。 （3—1） 可推導(dǎo)出有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速： （1） 調(diào)節(jié)電樞電壓； （2） 改變勵(lì)磁磁通量； （3） 改變電樞回路電阻。 對(duì)于需要在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最好是調(diào)整電壓。改變電樞電阻只能是有級(jí)調(diào)速，而勵(lì)磁磁通的調(diào)速范圍不大。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)控制通常由電壓調(diào)節(jié)為主。 直流調(diào)速器的控制原理是控制原理，是通過(guò)改變功率管的通斷時(shí)間來(lái)改變電機(jī)的電樞電壓，然后改變電樞上的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，該裝置也稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 的輸出波形如圖3.6所示，周期為，一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為，則加在電機(jī)兩端的平均電壓為： （3—2） 其中，稱(chēng)為占空比，為電源電壓。 由式可知直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端電壓成正比，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，所以控制波形的占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。 3.3.3 PLC控制系統(tǒng) 1. 輸入/輸出分配表 表3.6 輪椅平地，爬樓行駛控制的PLC輸入/輸出分配情況 輸入 輸出 輸入繼電器 輸入元件 作用 輸出繼電器 輸出元件 作用 X00 平地啟動(dòng)按鈕 Y00 平地行駛 X01 爬樓啟動(dòng)按鈕 Y01 爬樓過(guò)程 X02 停止按鈕 2. 硬件接線 圖3.7 PLC的外部硬件接線圖 3. 梯形圖 圖3.8 電動(dòng)爬樓輪椅電機(jī)控制程序梯形圖 按下SB1時(shí)，輸入繼電器X00接通，平地行駛電機(jī)啟動(dòng)；按下SB2時(shí)，輸入繼電器X01接通，爬樓電機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)遇到平地行駛或爬樓情況時(shí)，只需啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的電機(jī)即可，兩個(gè)電機(jī)不能同時(shí)工作，它們之間形成互鎖關(guān)系。 3.3.4 PLC相關(guān)參數(shù) 通過(guò)查閱資料，我最終選取了深圳市智力機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的可編程控制器FBs—PLC。 該系列的PLC指令超過(guò)300種以上，并采用最人性化，可讀性最高之多輸入/多輸出指令格式，一個(gè)指令即可達(dá)成大部分其它牌PLC數(shù)個(gè)指令才能做到的功能，使程式大為精簡(jiǎn)，同時(shí)運(yùn)算結(jié)果可直接由內(nèi)部或外部輸出取得。 所選擇的PLC相關(guān)參數(shù)如下表及下圖所示： 表3.7 FBs—10MA—C的主要參數(shù) 型號(hào) 規(guī)格 FBs—10MA—C 6點(diǎn)24VDC數(shù)字輸入(2點(diǎn)高速100KHz,2點(diǎn)中速20KHz,2點(diǎn)中速總和5KHz)；4點(diǎn)繼電器或晶體管輸出（2點(diǎn)高速100KHz,2點(diǎn)中速20KHz）；一個(gè)RS232或USB通訊端口（最大可擴(kuò)至3個(gè)）；I/O不可擴(kuò)充。 4 傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì) 根據(jù)爬樓梯輪椅的要求，我們應(yīng)該考慮到爬樓梯輪椅的功能、尺寸、重量、工作環(huán)境條件、成本、工作壽命和性價(jià)比等等。 電動(dòng)爬樓梯輪椅傳動(dòng)方式的選擇理由如下： （1）充分考慮提高傳動(dòng)效率，降低能耗，齒輪傳動(dòng)方式可保證傳動(dòng)比的恒定；而且其工作壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高。 （2）在爬樓過(guò)程中，傳動(dòng)要求嚴(yán)格，輪椅結(jié)構(gòu)要求緊湊，爬樓速度要求較低，所以最終選擇齒輪傳動(dòng)。 本輪椅采用的是行星輪系的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在前進(jìn)過(guò)程中行駛電機(jī)1通過(guò)中心軸驅(qū)動(dòng)中心輪帶動(dòng)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)輪椅前進(jìn)；通過(guò)翻轉(zhuǎn)電機(jī)2帶動(dòng)行星架實(shí)現(xiàn)爬樓梯動(dòng)作。其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4.1所示。 圖4.1 行星輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 4.1 傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 由表常用傳動(dòng)的單級(jí)傳動(dòng)比推薦值可得出： 取該爬樓輪椅翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的齒輪傳動(dòng)比 類(lèi)型 平帶傳動(dòng) V帶傳動(dòng) 圓柱齒輪傳動(dòng) 圓錐齒輪傳動(dòng) 蝸桿蝸輪傳動(dòng) 鏈傳動(dòng) 推薦值 2~4 2~4 3~6 直齒2~3 10~40 2~5 最大值 5 7 10 直齒6 80 7 表 常用機(jī)械傳動(dòng)的單級(jí)傳動(dòng)比推薦值 1.各軸轉(zhuǎn)速 假設(shè)在爬樓過(guò)程中輸出軸為軸，車(chē)輪軸為1軸。 2. 各軸輸入功率 按電動(dòng)機(jī)額定功率計(jì)算各軸輸入功率，即 其中：為電機(jī)與輸出軸間的傳動(dòng)效率 為圓柱齒輪的傳動(dòng)效率 3.各軸轉(zhuǎn)矩 為滾動(dòng)軸承的傳動(dòng)效率 4.2 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 1.選擇齒輪的材料，熱處理方式及其精度等級(jí) （1）考慮到爬樓輪椅為一般工作機(jī)器，速度不高，故齒輪選用級(jí)精度 因?yàn)閭鬟f功率不大，轉(zhuǎn)速不高，所以選用軟齒面齒輪傳動(dòng) （3）小齒輪：號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為 大齒輪：號(hào)鋼（正火），硬度為 2. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度初步計(jì)算齒輪齒數(shù) 因?yàn)殡妱?dòng)爬樓輪椅傳動(dòng)機(jī)構(gòu)處于封閉狀態(tài)且載荷沖擊不大，所以傳動(dòng)齒輪選用閉式軟齒面齒輪，故先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出以下公式： （4—1） 式中各參數(shù)選擇如下： （1） 試選載荷系數(shù) （2） 小齒輪的轉(zhuǎn)矩 （3） 按機(jī)械設(shè)計(jì)課本取齒寬系數(shù) （4） 傳動(dòng)比 （5） 取， （7）許用接觸應(yīng)力計(jì)算式如下： （6） 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)齒輪取2.5，查閱課本得彈性影響系數(shù) （4—2） 由應(yīng)力循環(huán)次數(shù)公式： 通過(guò)查閱課本可知接觸疲勞極限 （4—3） 其中：j=1，為齒輪的工作壽命，取 代入式得： 查閱課本得接觸疲勞壽命系數(shù) 取安全系數(shù) 把以上數(shù)據(jù)代入式則得： 所以取 根據(jù)以上，把數(shù)據(jù)代入式得： 3. 確定傳動(dòng)尺寸 （1） 計(jì)算圓周速度 所以齒輪選用級(jí)精度合適 （2） 計(jì)算載荷系數(shù) 由課本可知載荷系數(shù)的計(jì)算公式如下： （4—4） 其各系數(shù)如下：使用系數(shù) 動(dòng)載系數(shù) 齒間載荷分配系數(shù) 齒間載荷分布系數(shù) 把以上數(shù)據(jù)代入式得： 由以下公式： （3） 對(duì)進(jìn)行修正 （4—5） 把數(shù)據(jù)代入式得： （4） 確定模數(shù)m 根據(jù)國(guó)標(biāo)取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) （5） 計(jì)算中心距 （6）精算分度圓直徑 （7）計(jì)算齒寬 4. 校核齒根彎曲強(qiáng)度 取 根據(jù)以下公式： （4—6） 式中各參數(shù)的計(jì)算如下： （1） 值同前 查閱課本可知：齒形系數(shù) 應(yīng)力校正系數(shù) 把以上數(shù)據(jù)代入式得： （2）許用彎曲應(yīng)力計(jì)算式如下： （4—7） 通過(guò)查閱課本可知：彎曲疲勞極限 彎曲疲勞壽命系數(shù) 為應(yīng)力修正系數(shù)，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取為2.0 安全系數(shù) 把以上數(shù)據(jù)代入式（4—7）得： 因?yàn)?，所以滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度要求。 綜上所述，根據(jù)GB/T 1357—2008選用M2.5×Z20和M2.5×Z60的標(biāo)準(zhǔn)齒輪作翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)齒輪。 由于行星輪系齒輪的傳動(dòng)比為1且其在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中只起傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，所以在此不做設(shè)計(jì)，考慮到系桿箱空間，最終選用M2×39的標(biāo)準(zhǔn)齒輪。 4.3 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 4.3.1 輸出軸的設(shè)計(jì) 1.選擇軸的材料，并查閱資料確定其相關(guān)的許用應(yīng)力系數(shù) 材料選用號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理 由機(jī)械設(shè)計(jì)課本可知： 2.計(jì)算軸的載荷 主動(dòng)軸傳遞的轉(zhuǎn)矩為： 作用在齒輪上的力有：圓周力 徑向力 3.初步估算軸的最小直徑 軸向力 經(jīng)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)得出以下計(jì)算公式： （4—8） 當(dāng)選取軸的材料為45號(hào)鋼時(shí)， 所以把以上數(shù)據(jù)代入式（4—8）得： 考慮到軸上開(kāi)有鍵槽，軸徑需要增大3%~5%，所以取16mm 4.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （2）根據(jù)軸向定位的要求，確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 （1） 擬定軸上零件的裝配方案，軸上的零件包括齒輪，軸承，套筒，端蓋等 ①齒輪段 根據(jù)，軸段Ⅰ與軸段Ⅵ的長(zhǎng)度由齒輪的齒寬決定，所以經(jīng)查閱資料最終確定為，。 ②端蓋固定段 考慮到齒輪的裝拆方便，取=17mm,為保證套筒緊靠齒輪左端使齒輪軸向固定，略小于齒輪寬度，所以取=17mm。 ③套筒段 套筒起隔離兩個(gè)物體及定位的作用，考慮到齒輪及其它零件的裝拆空間最終取其長(zhǎng)度為以及。 ④軸承段 根據(jù)直齒輪無(wú)軸向力及，選用深溝球軸承6204 GB/T 276—1994，所以取軸承段=20mm，=14.5mm。 ⑤軸肩段 齒輪右端采用軸肩定位，所以取，。 （3）軸上的齒輪與軸的徑向固定采用平鍵連接，同時(shí)為了保證齒輪與軸肩有良好的對(duì)中性，采用的配合，滾動(dòng)軸承與軸的配合為。 （4）定位軸肩的圓角半徑的值，以及軸端倒角取1×45°。 5. 軸承的支反力 根據(jù)軸承支反力的作用點(diǎn)以及軸承和齒輪在軸上的位置建立力學(xué)模型 其中經(jīng)查閱資料取 水平面上的支反力： 垂直面上的支反力： 由于選用深溝球軸承，所以 6. 主動(dòng)軸上齒輪段處的彎矩 水平面上的彎矩： 垂直面上的彎矩： 合成彎矩： 7. 按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算來(lái)校核軸的強(qiáng)度 當(dāng)量彎矩計(jì)算公式為： （4—9） 其中，把以上數(shù)據(jù)代入式（4—9）得： 而且 通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)課本得知： 所以綜上所述，，此軸是安全的。 4.3.2 車(chē)輪軸的設(shè)計(jì) 1.選擇軸的材料，并查閱資料確定其相關(guān)的許用應(yīng)力系數(shù) 材料選用號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理 由機(jī)械設(shè)計(jì)課本可知： 2. 計(jì)算軸的載荷 從動(dòng)軸所傳遞的最大扭矩為： 作用在齒輪上的力為：圓周力 徑向力 3.初步估算軸的最小直徑 軸向力 當(dāng)選取軸的材料為45號(hào)鋼時(shí)， 所以把以上數(shù)據(jù)代入式（4—8）得： 考慮到軸上開(kāi)有鍵槽，軸徑需要增大，所以取16mm。 4. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1） 軸上的零件裝配方案，軸上零件包括齒輪、軸承，軸承端蓋等。 （2）根據(jù)要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度。 ①軸承段 這段軸徑由軸承的內(nèi)圈孔來(lái)決定，選用深溝球軸承6204 GB/T 276—1994，所以取。軸段長(zhǎng)度。 ②軸肩段 齒輪右端用軸肩定位，按設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦軸肩比齒輪段直徑大6~10mm，所以取軸肩段直徑，取軸環(huán)寬度。 ③齒輪段 軸段Ⅲ的長(zhǎng)度由齒輪的齒寬決定，所以經(jīng)查閱資料最終確定為，。 ④套筒段 套筒起隔離兩個(gè)物體及定位的作用，考慮到齒輪及其它零件的裝拆空間最終取其長(zhǎng)度為以及。 ⑤軸承端蓋段 這一段起到軸向固定及支撐的作用，所以經(jīng)查閱資料取，。 ⑥車(chē)輪接觸段 考慮到車(chē)輪的裝拆空間及車(chē)輪輪轂孔徑的大小，取，。 （3）軸上的齒輪與軸的徑向固定采用平鍵連接，同時(shí)為了保證齒輪與軸肩有良好的對(duì)中性，采用的配合，滾動(dòng)軸承與軸的配合為，三星輪與軸的配合為。 （4）定位軸肩的圓角半徑R的值，以及軸端倒角取1×45°。 .軸承的支反力 其中經(jīng)查閱資料取 水平面上的支反力： 垂直面上的支反力： 由于選用深溝球軸承，所以 水平面上的彎矩： 6. 從動(dòng)軸上齒輪段處的彎矩 垂直面上的彎矩： 合成彎矩： 7. 作用在軸上的載荷： 8. 校核軸的強(qiáng)度 負(fù)載作用在軸承處的彎矩： 把以上數(shù)據(jù)代入式得： 而且 通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)課本得知： 所以綜上所述，，此軸是安全的。 參考文獻(xiàn) [1]何清華,黃素平,黃志雄. 智能輪椅的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 機(jī)器人技術(shù) 與應(yīng)用,2003,(02):12-16. 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