毕业设计存档

1、四川大学本科毕业论文电动轮椅机械系统设计本科生毕业论文（设计）题 目 电动轮椅机械系统设计 学 院 制造科学与工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化专业 学生姓名 张耀祖 学 号_ 0743021260 年 级 2007级_ _指导教师 侯力 教务处制表二一一 年 五 月 十一 日电动轮椅机械系统设计专业：机械设计制造及其自动化专业学生：张耀祖 指导教师：侯力摘要：电动轮椅是一种以蓄电池为能源、电机驱动的轮椅车。具有省力、操作简便、车速平稳、无污染和低噪音的特点。适于下肢残疾、高位截瘫或偏瘫以及年老体弱者使用，是一种比较理想的移动或代步工具。但是在市面上的电动轮椅价格还普遍较高，难以在老年人

2、和残疾人人群中普及。设计开发一种价格低廉的电动轮椅必将会有广阔的市场空间。在对国内外电动轮椅机械系统研究的基础上，应用现代设计理论及方法，对驱动方式进行分析和再设计，优化车身骨架结构，添加必要的辅助功能装置，利用计算机辅助设计软件构建轮椅及各零部件三维模型。提出一种后轮驱动差速转向的驱动方案，两电机分别控制两后轮的转向和转速来达到轮椅调速和转向的目的，后轮差速转向的驱动方案具有转向灵活等优点。基于这种驱动方案，设计了与之相匹配的减速器及其他传动机构。车身的设计采用了一种简化型的车身骨架，结构坚固稳定又简单轻便，并可灵活拆卸。电动轮椅的机械系统的设计，为新型低成本电动轮椅的设计开发打下了一定基础

3、，提供了一种供参考的驱动方案和骨架结构。关键字：电动轮椅 设计开发 机械系统 差速转向 计算机辅助设计Mechanical system design of electric powered wheelchairMajor: Mechanical Design, Manufacturing and AutomationStudent: Yaozu Zhang Instructor: Li HouAbstract:Electric powered wheelchair is a wheeled vehicle which takes storage battery as power and mo

4、tor as driving with characteristics of labor saving, easy operation, stable speed, free-pollution and low noise. It very benefits for the people with lower or upper extremely impairment, the old or the valetudinarians. To these people, Electric powered wheelchair is their primary and ideal means of

5、mobility. However, the price of the electric wheelchair on the market is also generally high. Its hard to popularize among the old people and the disabled. The design and development of a kind low-cost electric powered wheelchair will certainly have a broad market space. On the basis of the study of

6、 the electric powered wheelchair mechanical system at home and abroad, use the modern mechanical design theory and method, analyse and re-design the drive mode. Optimize the body frame structure. And add some necessary accessibility devices. Use computer aided design software to build a three-dimens

7、ional model of the wheelchair and its components. A scheme with rear wheel drive, differential steering has been proposed. Two motors control the rotation direction and rotation speed of the two rear wheels respectively to make the running speed and driving directions of the wheelchair change. This

8、scheme has the advantage of change direction flexibly. Based on this driving scheme, speed reduction unit and other transmissions matched with the scheme have been designed. A simplified type of body frame has been used in the body design.The structure of this type of body frame strong, stable, simp

9、le and light. And can be dismantled easily. This design of the electric wheelchairs mechanical systems has lay a certain foundation for the new type low-cost electric powered wheelchair, and has given a reference scheme about drive mode and body frame structure.Key Words：Electric powered wheelchair,

10、 Design and development, Mechanical systems, Differential steering, Computer aided design目录第1章 绪论51.1课题背景及意义51.2国内外研究现状61.3 本章小结8第2章 系统设计92.1设计分析92.1.1设计思路92.1.2本设计的主要工作92.1.3本设计的难点92.2驱动及转向系统设计102.2.1轮椅驱动及转向系统方案分析及选择102.2.2后轮转向式驱动及转向系统设计132.3车身骨架设计152.4防倾装置设计162.5本章小结17第3章 详细设计183.1驱动电机的选型183.2蓄电池的

11、选用203.3减速器设计213.4链传动设计253.5车身骨架设计263.6电动轮椅基本参数283.7 inventor三维建模28第4章 图例30第5章 结论及展望31参考文献32第1章 绪论电动轮椅是一种以蓄电池为能源、电机驱动的轮椅车。具有省力、操作简便、车速平稳、无污染和低噪音的特点。适于下肢残疾、高位截瘫或偏瘫以及年老体弱者使用,是一种比较理想的移动或代步工具。1.1课题背景及意义随着社会的发展，人口老龄化问题已经越来越凸显，全球60岁以上的老年人口已达6亿左右。2006年欧洲65岁以上的人口大约占该地区总人口的14.7%，达一亿人以上，预计到2035年后将会超过16%，日本政府的一

12、份调查显示，未来10年内，日本65岁以上人口的比例可能突破四分之一。我国也正在进入人口老龄化阶段，60岁及以上的老年人已达到1.43亿，占全国人口总数的10.97以上。预计到2010年我国老龄人口将达1.6亿，约占人口总数的12%，并将于2015年突破2亿，而到2044年前后甚至将高达4亿。1这将意味着我国正面临着世界各国从未遇到过的一场人口危机，即不远的将来我国有劳动能力的人的数量要大幅度减少，而需要照顾的高龄者人数将要增加。高龄人的一个很大的障碍就是步行能力减弱，最后还可能不能行走，在这种条件下，需要有劳动能力的人照顾他们。为了节省劳动力，让有劳动能力的人为国家作贡献创造社会财富，就应该使

13、需要照顾的老年人和肢体残疾者行动自立。因此，为老龄人和残疾人提供一种方便、简单、安全可靠的代步工具越来越引起全社会的重视和关注，对于这方面的基础研究和产品设备的开发也将是我国未来经济发展的重要课题。随着科技的进步、工业的发展、环境的污染、交通的紧张，意外事故频繁发生，残疾人数在急剧增加。我国的残疾人口每年以七十万到八十万的速度在增长，也就是说，每天增加两千多名残疾人，每四十秒钟左右就要增加一名残疾人。据2006年4月1日起至5 月31日结束的第二次全国残疾人抽样调查，目前，我国各类残疾人总数 8296 万人，残疾人占全国总人口的比例为6.34。各类残疾人的人数中肢体残疾2412万人，占29.0

14、7。2由于他们丧失了行走能力，因此他们的各种生活权益急需要得到保障，为残疾群体的特殊需求也应得到关注。轮椅通常作为残疾人和老年人的代步工具，现有手动轮椅存在一定缺陷，不能满足使用者日常生活和出行需要。手动轮椅则缺乏动力效能，使用不方便。如当遇到刮风或者爬破时，普通的手动轮椅有时会很难前进，且大部分老年人体力虚弱，难以支持长时间的手推轮椅行驶。电动轮椅可以成为老年人、残疾人及下肢瘫痪病人的代步工具，帮助他们提高行动自由度，让他们能参加到健全人的正常生活中区，重新融入社会。电动轮椅相比普通轮椅更加方便，更安全，行驶平稳，速度可调节。电动轮椅还可以帮助部分下肢活动不便的病人更快的康复。近几年，电动轮

15、椅以其诸多优点受到越来越多的老年人和残疾人的欢迎。2009年全球对残障人士电动车的需求约为72万辆，其中电动轮椅为34万辆，电动代步车为38万辆，预计全球残障人士机动用车于2012年的总需求量约达80万辆。3电动轮椅有着广阔的市场空间。随着中国经济的发展和中国老龄化程度的加剧,电动轮椅将会有很大的市场潜力。据了解,在国外高性能电动轮椅生产厂家集中在美国、德国、英国、瑞典和日本。但是电动的轮椅价格不菲。最低档次的价格也在人民币3万元左右, 多功能和高性能进口电动轮椅价格达到人民币十几万、甚至几十万元。这样的价格对我国的普通百姓来说太昂贵了，我国普通家庭的购买力有限，这就要求国内生产的电动轮椅不仅

16、实用性要强，价格也要便宜。经设计改装的多功能轮椅，虽然在外观和有些性能参数上还不及国外的高档电动轮椅，但是对一般的家庭来说，它的实用性较强，成本也非常低廉，符合我国一般家庭的购买能力。因此，开发并研制高性能、低成本的电动轮椅有很重要的意义，并将给老年人和残疾人士的生活带来极大的帮助。1.2国内外研究现状高性能电动轮椅的生产厂家集中在国外，技术较先进的国家有美国、德国、英国、瑞典、日本和比利时等。生产的电动轮椅功能强大，除一般功能外，还有可记忆地图、自动导航、避障、自动行走、与用户交互等功能，结构也多种多样，有四轮式、三轮式、六轮式和履带式等多种样式，性能也较优秀，除能适应城市中平坦路况外，有些

17、还能登山越野，适应较大坡度和不平度的路况。近几年，国外在高档轮椅方面又有了很大的发展，例如IBOT智能轮椅，不仅能够轻松平稳地在崎岖和很大坡度的路面行驶，还能够上下楼梯，而且可以利用2个后轮站立或行走。在日本，还发明了一种靠脸部表情来控制的高级电动轮椅，使用者只需在头上系上一根特殊的带子，然后通过改变表情就可以实现轮椅的运动。国内对电动轮椅的研究较晚，研究还不怎么完善，但近几年发展很快。国内厂商生产的电动轮椅大部分为四轮式和六轮式，一般都具有调速、翻越简单路障和防倾倒等功能。虽然国内电动轮椅研究还不太完善，但在一定的基础上还是有所提高的。例如国内有些生产商在原有轮椅的研究上，发明出利用驱动左、

18、右动力后轮的左、右电机串联连接设计，从而具有差动速度功能，使电动轮椅车行驶时稳定舒适、转向可靠。4近几年，还出现了可立可卧的多功能电动轮椅。湖南开福乐 可立可躺电动轮椅随着机器人技术、人工智能技术和传感器技术的进步，电动轮椅的研究朝着智能轮椅的方向发展。智能轮椅是智能型电动轮椅的简称。智能轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅，融合多种领域的研究，包括机器人导航和定位、模式识别、多传感器融合及人-机接口等，涉及机械、控制、传感器、人工智能、通讯等技术，也称智能轮椅式移动机器人。智能轮椅的种类很多，目前尚没有一个统一的或权威性的定义。高性能智能轮椅通常同时具有电动轮椅与智能机器人的多种功能。作为一

19、种典型的服务机器人，智能轮椅不但可以为老年人和残疾人提供一种良好的代步工具，而且可以具有自主导航、自主避障、人机对话等服务机器人所具有的各种功能，因而可以帮助残疾人和老年人提高自己的生活自理能力和工作能力，使他们更好地融入社会。自1986年英国开始研制第一辆智能轮椅来,许多国家投入较多资金研究智能轮椅。如美国麻省理工学院WHEELESLEY项目、法国VAHM项目、德国乌尔姆大学MAID(老年人及残疾人助动器)项目、Bremen Autonomous Wheelchair项目、西班牙SIAMO项目、加拿大AAI公司TAO项目、欧盟TIDE项目、KISS学院TINMAN项目、台湾中正大学电机系LU

20、OSON项目、我国863智能机器人智能轮椅项目及第三军医大学外科研究所项目等，由于各个实验室的目标及研究方法不尽相同,每种轮椅解决的问题及达到的能力也不同。初期的研究,赋予轮椅的功能一般都是低级控制,如简单的运动、速度控制及避障等。随着机器人控制技术的发展,移动机器人大量技术用于轮椅,智能轮椅在更现实的基础上,有更好的交互性、适应性、自主性。56智能轮椅向着高性能、多功能、智能化和人性化的方向发展。国外研制的智能轮椅法国VAHM 德国MAID 麻省理工 威尔斯利 日本 Orpheu1.3 本章小结 电动轮椅是老年人、残疾人及其他行动不便者的理想代步工具，有着广阔的市场空间。但现在市面上的电动轮

21、椅价格普遍较高，研制开发一种价格低廉、功能齐全的电动轮椅势在必行。国外电动轮椅的研究较早，技术较先进的国家有美国、德国、英国、瑞典、日本和比利时等。国内对电动轮椅的研究较晚，研究还不怎么完善，但近几年发展很快。随着机器人技术、人工智能技术和传感器技术的进步，电动轮椅的研究朝着智能轮椅的方向发展。第2章 系统设计电动轮椅机械系统主要由驱动及转向系统、支承系统（车身骨架）、防倾倒装置及其他辅助结构组成。2.1设计分析2.1.1设计思路本课题旨在设计开发一种适合老年人和残疾人使用的经济型电动轮椅。根据老年人和残疾人心理和生理特点，电动轮椅必须有与之相适应的性能特点，分析国内外同类产品，结合我国的实际

22、情况，总结出要设计的电动轮椅应具备以下功能和特点：1.操作简单灵活。乘坐者通过位于扶手上操作面板控制轮椅，上车即能驾驶，无需复杂的启动工作。可轻松进退，灵活转向，软起动，软停车，自动停止、智能刹车。操作面板上的液晶显示屏可实时显示轮椅功能状态（车速、转弯角度、电池剩余电量等），方便用户控制。2.车身美观坚固。轮椅外观要美观大方，可在户内、户外使用。车身骨架坚固，能承受较大冲击而不变形，保证用户安全。轮椅结构稳定，前后要有防倾翻装置。3.座椅舒适安全。座椅结构设计要符合人体工程学原理，长久乘坐也不会感到疲劳。座椅的设计还要使4.功能齐全、成本低廉。除以上功能外，还应具有照明、警报等功能，以应对特

23、殊状况。而轮椅总成本不能过高，应在5000元人民币以内，以使大部分中国家庭都能接受。782.1.2本设计的主要工作设计开发一台电动轮椅，首先要对国内外电动轮椅有较为细致的了解，以期借鉴优点改进不足，研究国内外现有电动轮椅的驱动方案和车身结构。前期的准备工作有以下两点：1.搜集国内外电动轮椅领域的研究资料，了解电动轮椅领域的先进技术。2.调查市面上的主流电动轮椅，分析研究现有电动轮椅的优缺点以及可改进之处。特别是驱动方式以及各种方案的特点及适用环境。本课题的主要设计任务是电动轮椅的机械系统设计，主要有以下几部分组成：1.轮椅驱动及转向系统设计。 包括驱动及转向方案的分析和选择、驱动及转向系统的整

24、体设计、电动机的选型、减速器的设计、其他传动装置的设计、蓄电池的选择等。2.轮椅车身骨架设计。 包括人体坐姿分析、前后轮布置、骨架各组成部件形状和尺寸设计等。3.轮椅整体三维建模。包括各零部件的建模和装配，总装配和生成二维工程图。2.1.3本设计的难点本课题的难点是驱动及转向系统的设计，驱动及转向系统驱动电动轮椅的行驶和转向，是电动轮椅的核心部分。它包括电机、与控制系统相连接电机控制器、减速器和其他传动部分等装置组成。能否平稳行驶和灵活转向是决定电动轮椅机械系统设计成败的关键，也是电动轮椅机械系统设计中的重点难点驱动及转向系统的设计要求要考虑到电动轮椅动力性、安全性、电能利用率和轮椅成本等诸多

25、方面因素，需要宏观把握，统筹兼顾。此系统的设计要求在现有电动轮椅驱动及转向方案的基础上通过改进提出多种供选方案，并结合所要设计的电动轮椅应具本有的特点和各方面因素分析各个方案的优缺点，选择一种最合适的驱动及转向方案，并对系统的各组成部分进行详细设计。2.2驱动及转向系统设计驱动及转向系统完成电动轮椅的主要动作，是电动轮椅的核心部分。它包括电机、与控制系统相连接并控制电机转速、转向的电机控制器、与电机输出端相连的减速器和其他传动部分等装置组成。驱动及转向系统的设计要求其能使轮椅平稳的行进或后退，灵活并尽可能大角度范围的转向，快速的制动，并保证乘坐安全舒适。通过控制器控制直流电机转速和转向可以达到

26、调节后轮及驱动轮转速和转向的目的，从而控制轮椅的行驶速度和行进或后退。由于直流电机的额定转速一般较高，远高于轮椅平稳行驶时后轮所要求的转速，而直流电机的额定输出转矩又较低，不足以驱动后轮克服地面摩擦阻力转动，所以，必须在直流电机输出端设置减速器，以减低输出转速，增大输出转矩。另外，由于路况原因，即使匀速直线行驶，轮椅后轮所受载荷也会有不同程度的变化，若将减速器输出端直接刚性连接到后轮轴上，后轮所受载荷的剧烈变化会直接经减速器传递到电机轴上，影响电机的正常工作和使用寿命，还会对控制系统对电机转速的控制精度有影响。所以，在减速器输出端和后轮轴之间必须有添加其他传动机构，以减弱载荷变化的剧烈程度，使

27、载荷趋于平稳。考虑到以上要求，设计可行的驱动及转向系统的供选方案，并对各方案优缺点进行分析。2.2.1轮椅驱动及转向系统方案分析及选择电动轮椅驱动及转向系统的设计方案灵活多样，驱动及转向系统方案的选择对电动轮椅的机械效率、整车结构布置、行驶性能及控制方案的设计等有重要的影响，由于电动轮椅一般采用后轮驱动，所以根据转向方式的不同，有两种可采用的转向方案：1.前轮转向式 2.后轮转向式方案一：前轮转向式方案布置示意图用一个直流电机驱动两后轮转动作为轮椅行驶主运动，通过调节直流电机转速来改变轮椅行驶速度。一个步进电机控制两前轮相对轮椅前进方向的偏转角度，配合后轮主运动，使轮椅在行驶中转向。控制系统向

28、步进电机输送脉冲信号使步进电机转过特定角度，步进电机通过三对交错轴斜齿轮传动驱动两前轮同步偏转（如下图）。两前轮偏转轴顶端都装有盘形弹簧，弹簧另一端固定在轮椅车身上，转向完成后，控制系统不再向步进电机输送脉冲信号，步进电机无输出，两前轮在弹簧力的作用下回复到初始位置，以实现转向后前轮自动复位。前轮传动机构后轮驱动轴由两根半轴组成，两半轴间装有差速器，直流电机经一减速器与差速器相连。轮椅直线行驶时，两后轮所受地面摩擦阻力相同，差速器向两半轴输出相等转速。前轮偏转一定角度，使两后轮所受地面摩擦阻力不相等，内侧后轮所受地面摩擦阻力大，差速器向两后轮输出不同转速，使外侧后轮转速大于内侧后轮转速。轮椅转

29、向时两后轮被动实现差速。此方案的优点是驱动系统与转向系统分开，行驶方向控制与行驶速度控制相互独立，互不影响，基于这种结构的控制系统设计相对简单，易于实现。转向原理简单，只需通过输入步进电机的脉冲个数来控制前轮偏转角就可实现转向。且转向精度高。此方案缺点是轮椅转向必须在行驶过程中完成，转向半径大，而转向角度小，不能实现原地转向，轮椅的灵活性差，使轮椅在室内使用不方便。系统结构布置分散，占用轮椅底部空间较大。方案二：后轮转向式方案布置示意图用两直流电机分别驱动两侧后轮，通过电子差速方式独立控制两侧驱动车轮转速，两后轮等速转动时，轮椅直线行驶，两后轮不等速转动时，轮椅向转速低的后轮一侧转向。通过控制

30、两后轮速差的大小和不等速转动时间来调节转向角度。转速差越大，不等速转动时间越长，转向角度越大。当一后轮正转，另一后轮反转时，轮椅可原地360°转向。如上图所示，若轮椅后轮轮距为L、后轮半径为r，要使轮椅在时间t内以转向半径R均匀转过角度，需要控制内侧后轮以角速度W1=(R-L/2)/（r*t）转动，外侧后轮以角速度W1=(R+L/2)/（r*t）转动。采用双直流电机驱动，所需直流电机功率约为单直流电机驱动时电机功率的一半，电机尺寸可以更小，两直流电机及减速器等结构都布置在后轮轴线上，且省去了差速器和前轮的转向系统，系统结构更为紧凑。但求电机转速及转矩范围宽，对电机性能要求高。使用后转

31、向，转向灵活，可以任意转向角度和转向半径转向。此方案将驱动系统和转向系统融为一体，虽只需控制两直流电机转速变化，即可实现轮椅的驱动和转向。但是转向时要求控制系统实时精确的控制两直流电机转速，对控制策略要求更高。910所要设计的电动轮椅应能同样适应室内与户外的使用，要求有较高的灵活度，而转向的灵活度尤为重要，后轮转向方案可实现轮椅的任意半径。任意角度灵活转向，前轮转向方案适用于室外宽阔路面小角度大半径转向场合，室内转向困难，几乎无法在室内使用。综上所述，决定采用后轮转向式方案。2.2.2后轮转向式驱动及转向系统设计在后轮转向式驱动及转向系统中，后轮驱动轴被分成两段半轴，两直流电机经过固定速比减速

32、器减速分别独立驱动两侧后轮，两套电机、减速器及传动机构的运动互不影响，并且分别接收控制系统传来的控制信号。为保证当控制系统向两直流电机输出相同控制信号时两后轮转速、转向相同，两直流电机应选用相同型号，相应的，两套减速器和传动机构也应具有相同尺寸和传动比。驱动方案单侧示意图此系统有两套背对的直流电机和相应的减速器及传动机构等都在后轮轴线方向上分布，由于轮椅轮距不可能太大，这就要求直流电机和减速器的轴向尺寸不能过大。而直流电机的轴向尺寸对直流电机的额定功率、扭矩等参数有影响，一般来说，具有越大额定功率、扭矩的同一系列电机轴向尺寸也越大。所以，在选择直流电机时，应特别注意，既要尽可能的选择较大扭矩的

33、电机，以减小减速器所需减速比，又要考虑到电机轴向尺寸的限制。11轮椅行驶中，前轮虽然不做控制，但在后轮差速转向时，若前轮可随意偏转，会严重危害轮椅转向性能和行驶安全。所以必须对前轮偏转的灵活性加以限制，在前轮转向轴上添加阻尼，以使前轮在受到地面摩擦力矩的时候才可偏转一定的角度，并在摩擦力矩消失后自动复位。前轮阻尼装置的设计如图所示，扭转弹簧一端固定在轮椅车身上，一端与前轮偏转轴相连，车身与前轮偏转轴之间安装有推力滚子轴承。当前轮受到足够大的地面摩擦力矩的时候，前轮偏转轴克服弹簧阻力转过一定角度，以使摩擦力矩与弹簧阻力矩相平衡。当摩擦力矩减小或消失时，前轮在弹簧力的作用下恢复到初始位置。2.3车

34、身骨架设计轮椅车身骨架是电动轮椅主体和支承结构，承载轮椅车身自重和乘坐者重量，电动轮椅的所有零部件最终都要装配到车身骨架上。轮椅骨架的设计应考虑到驱动系统的布置，为驱动系统的部件留出充足空间，并使轮椅重心分布合理。轮椅椅座形状需符合人体坐姿，使乘坐舒适。通过对人体坐姿和标准体型尺寸比例的分析，得出轮椅骨架的大概尺寸范围：椅座尺寸在500mm×500mm左右，椅座离地面高度500-700mm，扶手高度250-300mm，椅背垂直高度500-700mm，倾角5°-10°，承腿架垂直高度300-450mm。（如下图）轮椅车身侧面主要尺寸车身骨架的设计要求结构即坚固稳定又

35、简单轻便，并且可灵活拆卸组装。为了简化轮椅骨架结构，应尽量控制骨架组成零件数目。将不影响轮椅整体拆卸组装的部分设计为整体，这样可以减少了可拆卸连接件的使用，降低了车身的制造成本，也在一定程度上降低了轮椅车身自重，有助于提高电动轮椅能与利用率和运动灵活度；不必要的可拆卸部分的减少，也使车身骨架整体更加坚固，结构也更稳定。12由上图可看出，电动轮椅车身骨架主要组成部分有椅座、椅背、扶手、底架、承腿架等，通过对市面上现有电动轮椅车身骨架结构的研究和分析，决定将其设计为四部分：侧面骨架、椅座、椅背和底架板。侧面骨架由扶手、底架、承腿架固连在一起组成，承载轮椅重量，并传递到前后轮轴上。椅座、椅背和底架板

36、都通过螺栓连接两侧侧面骨架，保持两侧骨架始终平行；椅座承载乘坐者的重量；底架板上放置电机、减速器等部件。2.4防倾装置设计电动轮椅在行驶中突然加速或减速和紧急制动会使轮椅前倾或后倾，小角的前倾或后倾会影响轮椅行驶平稳性，当倾斜角过大时会使轮椅倾倒，严重危害行驶安全。合理的分配轮椅整车重量，把轮椅后轮轴位置后移，使轮椅重心位于前后轮之间，靠近后轮的地方，可以减弱轮椅加减速和制动时前后倾的趋势。减弱轮椅行驶中的摇摆。但是不可预知的突发外力作用依然有可能使轮椅发生大角度倾斜以致轮椅倾倒。所以，为电动轮椅设计防倾倒装置是必要的。防倾装置的作用是限制轮椅的最大倾角，以使轮椅只能发生小角度倾斜，防止轮椅前

37、后倾倒。防倾装置有前后防倾轮组成。轮椅平稳行驶时，前后防倾轮不与地面接触，当轮椅前倾一个较小的角度时，前防倾轮着地，以防止轮椅更大角度的前倾。如图所示：2.5本章小结本文要设计一种适合老年人和残疾人使用的经济型电动轮椅，应具备操作简单灵活、车身美观坚固、座椅舒适安全、功能齐全成本低廉等特点。轮椅的设计工作包括驱动及转向系统设计、轮椅车身骨架设计、三维建模。设计难点在于驱动及转向系统设计。驱动及转向系统采用后轮转向式方案，具有转向灵活，可以任意转向角度和转向半径转向和结构紧凑的优点。前轮阻尼装置有助于保证转向的平稳。驱动及转向系统由成对的电机、减速器、链传动等组成。车身骨架由侧面骨架、椅座、椅背

38、和底架板组成，要求结构坚固稳定又简单轻便，可灵活拆卸组装。防倾倒装置防止轮椅前后倾倒。第3章 详细设计 电动轮椅机械系统详细设计包括驱动电机的选型、蓄电池的选用、减速器设计、链传动设计、车身骨架尺寸设计等。3.1驱动电机的选型目前常用的驱动电机有直流电机、交流异步感应电机、永磁无刷电机、开关磁阻电机和永磁同步电机等。它们的各方面性能比较如下表：电动轮椅对驱动电机性能的基本要求有：1.足够大的起动转矩,以满足电动轮椅快速启动、加速、爬坡、频繁启、停的要求；电机的调速范围小，一般在 25%100%最大转速范围内，近似有小转矩、恒功率的输出特性，满足电动轮椅以较高车速匀速行驶工况的要求；2.比功率大

39、(比功率定义为单位质量能提供的最大功率)，以最大功率计时，一般应达(11.25)kW/kg 以上；3.快速的转矩响应特性，在各种车速范围内能快速柔和地控制驱动和制动转矩，要求电机可控性高、稳态精度和动态特性好；4.具有良好的环境适应性，在不同的工作条件下能可靠地工作；5.维护简单，工作噪声低。无刷直流电机的特点是既有永磁体又有励磁绕组，永磁体通常嵌入转子之中，励磁绕组固定于定子之上，通过调节励磁电流控制气隙磁通，它可以方便的在高速区进行弱磁调节，提高电机的驱动特性。同时无刷直流电机采用离散转子位置反馈信号控制换相；并用交流方波供电，由于方波磁场与方波电流之间相互作用产生的转矩比正弦波大。因此永

40、磁无刷电动机具有转矩、功率密度大、位置检测和控制方法简单、效率高的优点。13电动轮椅驱动电机类型的选择需要综合考虑电动车动力性要求、电机的性能、重量、尺寸等技术水平因素和成本等经济因素。电机输出转矩经减速器等传动机构增大后带动后轮克服地面摩擦力转动，当整个驱动系统的输出转矩大于行驶中的阻力时，轮椅加速行驶；当输出转矩小于行驶阻力时，轮椅减速行驶。电机输出转速经减速器等传动机构减速后的转速即为后轮转速。电动轮椅驱动力与行驶阻力的平衡关系可由下式给出：Ft=Ff+Fw+Fi+FjTtqi0igTr=mgfcos+CDAua221.15+mgsin+mdudt式中，Ft为驱动力；Ff为地面摩擦阻力；

41、Fw为空气阻力；Fi为爬坡阻力；Fj为加速阻力；Ttq为所有电动机输出总转矩；T为传递效率；i0为减速器减速比； ig为其他传动机构传动比；r为后轮半径；m为整车质量；f为滚动阻力系数；ua为车速；为道路坡度；CD为空气阻力系数；A为车辆迎风面积；为轮椅质量换算系数。1415由于我们要设计的电动轮椅的期望行驶速度为515km/h，速度较低。行驶路况多为坡度很小的平坦路面，所以空气阻力和坡度阻力都很小，相对地面摩擦阻力可忽略不计。所以当轮椅匀速行驶时，行驶阻力约等于地面摩擦阻力。即：mgf。轮椅匀速正常行驶时，电机输出转速与轮椅行驶速度有以下关系：v = wr / i0 ig 式中，v为轮椅行驶

42、速度；w为电机输出转速。现在我们来大概计算驱动电机所需性能参数。根据上一章轮椅车身骨架的大概设计我们可以估测电动轮椅车空车质量约为4050kg，轮椅车需能承载最大质量100kg的乘客一名。所以轮椅整车最大质量约为150kg。轮椅行驶在混凝土路面上，摩擦力为橡胶轮胎与路面的滚动摩擦力，查表可得，摩擦系数范围为0.0100.020，取最大值f =0.020。可计算地面摩擦阻力为mgf = (100+50) ×9.8×0.020 =29.4N理论上，单级直齿轮减速器传动比最高不超过4，链传动传动比小于8，但由于轮椅座椅下空间的有限，对减速器齿轮和链轮尺寸有很大限制。减速器和链传动

43、的传动比不可能太大。初步设定减速器传动比为3，链传动传动比为3。传递效率以90%计。轮椅后轮直径约在500mm左右。可大概求得每个驱动电机所需输出转矩：Ttq=mgf r/ (2 i0 igT) =29.4×0.25/(2×3×3×0.9) =0.4537N·m轮椅预期平均行驶速度约为10km/h，即2.78m/s.所以驱动电机平均转速应约为：w = v i0 ig / r=2.78×3×3/0.25 =100.08rad/sn=955.69 r/min综合考虑以上参数，决定选用山东博山山特电机厂生产的70ZW系列直流电机，

44、参数如下：额定功率0.1KW；额定转矩0.5Nm；最大转矩1Nm；额定转速2000rpm；重量1.5kg；长度92mm；调速范围202000rpm；电压24V3.2蓄电池的选用蓄电池为电动轮椅行驶提供能量，是电动轮椅的又一重要部件。蓄电池作为电动轮椅唯一的能量来源，要具有容量大、工作稳定、寿命长和充电时间短等特点。常用的蓄电池主要有以下几种：铅酸电池：铅酸电池的主要构成有正极板群、负极板群、隔离板、电槽、液口栓、防爆栓、玻璃棉及其它附件等。这种电池具有性能可靠、价格低、寿命长、维护方便，铅原料丰富等优点，但其比能量低，输出波动大，低温性能差，充电时间长。目前电动汽车用电池约 95%是铅酸电池。

45、镍镉电池：镍镉电池最大的优点是充电简单，既可快速充电又可慢速充电，既可脉冲充电又可直流充电。其充放电循环次数高，循环寿命高达 2000 次，但必须周期性地进行全放电，否则在极板上将会产生大颗粒的活性物质结晶，失去活性，电池的容量会很快下降，出现通常所说的记忆效应，在电池贮存之后必须重新充电。镍锌电池：镍锌电池比能量高、材料成本低，但锌电极有限的使用寿命限制了它的商业应用。镍锌电池的致命弱点是循环寿命短，大约仅为 300 次。这主要是由于锌部分溶于电解液，而电解液中的锌不能在同一位置以相同的形态得到分解和沉积，锌电极形态的变化导致了电池容量衰退。镍氢电池：与镍镉电池相比，镍氢电池的能量密度要高4

46、0%左右，且不会污染环境；但其循环寿命不如镍镉电池高，这是由于该电池充电后期发热量很大，会导致贮氢合金材料粉末化，贮氢量明显下降，因此最好采用间歇式充电方法，其充电时间会比镍镉电池长，自放电速度也明显大于镍镉电池，所以需要定期地进行全充电。其比能量和循环寿命均较铅酸电池大2倍以上，适用于要求一次充电行驶距离较长的场合。银锌电池：正极板是氧化银(AgO)，负极板是锌(Zn)，电解液是氢氧化钾溶液，外壳用不锈钢或塑料制作。这种电池能量高，重量轻，温度特性稳定，但价格高，寿命短。锂离子电池：锂离子电池使用的正负极材料都是层间化合物，充电时由外界输入电能作用于锂离子，使它由能量较低的正极材料迁徙到负极

47、材料层间形成高能状态；放电时锂离子自然地从能量较高的负极材料间脱出，返回到能量较低的正极材料层间，同时通过外电路释放电能。电动轮椅动力蓄电池与一般起动蓄电池不同，它是以较长时间的中等电流持续放电为主，间或以大电流放电，用于启动、加速或爬坡。电动轮椅对电池的基本要求可以归纳为以下几点:(1)高能量密度(高质量比能量、高体积比能量)；(2)高功率密度(高质量比功率、高体积比功率)；(3)较长的循环寿命(充放电循环次数、工作年数多)；(4)较好的充放电性能(快速充放电性能和抗过充、过放能力好)；(5)电池一致性好；(6)价格较低；(7)使用维护方便；(8)其它性能好，无环境污染问题(电池生产、使用、

48、报废回收的过程中不能对环境产生不良影响)。综合上述，目前应用最广泛的还是铅酸电池，除了以上优点外，还主要在于它的技术比较成熟、价格比较便宜和稳定可靠的性能。目前实用化的动力蓄电池除了电动自行车外，各种特种车辆和电动车也都使用铅酸电池。所以选用铅酸电池作为电动轮椅蓄电池。3.3减速器设计要设计传动比为3 的齿轮减速器， 考虑到直齿圆柱齿轮减速器单级传动比最大为4，斜齿轮为5，行星齿轮减速器单机最大传动比为8。16决定采用单级直齿圆柱齿轮减速器。由于轮椅椅座下部空间的限制，减速器的尺寸应在200×150×120mm以内。所以两齿轮中心距应小于80mm。1.选择齿轮材料小齿轮 4

49、5 调质 HB2=240大齿轮 45 调质 HB2=2402.初步计算齿宽系数d：取d=1接触疲劳极限 Hlim :Hlim1 = 590MPaHlim2 = 590MPa初步计算需用接触应力H：H1=0.9Hlim1=0.9×590=531MPaH2=0.9Hlim2=0.9×590=531MPaAd值：取Ad=90（直齿轮 =0°）初步计算小齿轮直径d1：d13T1dH22×u+1u=90×31×10001×5312×3+13=15.11mm由于轴最小径向尺寸和轴承最小内径的限制，取d1=29mm.初步确定齿宽

50、：b=dd1=1×29=29mm3.齿面接触疲劳强度计算圆周速度v：v=×d1×n60×1000=×29×200060×1000=3.04m/s精度等级：选8级精度齿轮齿数Z：取Z1=29，则Z2=i2Z1=3×29=87，取Z2=89.模数m：m=d1Z1=2929=1使用系数KA取1.5动载荷系数Kv取1.1齿间载荷分配系数KH：Ft=2Td1=2×1×100029=68.97NKAFtb=1.5×68.97293.57N/mm<100N/mm=1.88-3.21Z1+1Z2

51、cos=1.88-3.2129+189×1=1.73=0=+=1.73KH=KF=1.73齿向载荷分布系数KH：KH=A+Bbd12+C×10-3b=1.17+0.1629292+0.61×10-3×29=1.35载荷系数K：K=KAKvKHKH=1.5×1.1×1.73×1.35=3.85弹性系数ZE=189.8节点区域系数ZH=2.5重合度系数Z：Z=4-31-+=4-1.7331-0+0=0.87接触应力最小安全系数SHmin=1.05应力循环次数NL：按电动轮椅每天以10km/h的平均速度行驶3h预期轮椅寿命为五年计

52、算。NL1=10×10000.5×9×5×365×5=3.14×108NL2=NL1/i=5.23×108/3=1.05×108接触寿命系数ZN1=1.14 ; ZN2=1.16许用接触应力H：H1=Hlim1ZN1SHlim=590×1.141.05=641MPaH2=Hlim2ZN2SHlim=590×1.161.05=652MPa验算许用接触应力H=ZEZHZ2KTbd12×u+1uH=189.8×2.5×0.872×3.85×1×

53、;100029×292×3+13=267.84MPaH=267.84MPa<H1计算结果表明，接触疲劳强度符合要求；否则应调整齿轮参数或改变齿轮材料，并再次进行验算。4.确定传动主要尺寸实际分度圆直径d：d1=mZ1=1×29=29mmd2=mZ2=1×89=89mm实际传动比：i=Z2Z1=8929=3.07中心距：a=d1+d2/2=59mm齿宽：b=dd1=1×29=295.齿根弯曲疲劳强度验算齿形系数YFa：Zv1=29 ; Zv2=89取 YFa1=2.54 ;YFa2=2.20应力修正系数YSa：取 YSa1=1.62 ;YS

54、a2=1.80重合度系数Y：av=1.88-3.21Zv1+1Zv2cos=1.88-3.2129+189cos0=1.73Y=0.25+0.75av=0.25+0.751.73=0.68齿间载荷分配系数KF：KF=KH=1.73齿向载荷分配系数KF：b/h=29/2.25×1=12.89 , KF=1.3载荷系数K：K=KAKvKFKF=1.5×1.1×1.73×1.3=3.71弯曲疲劳极限Flim：Flim1=Flim2=600MPa弯曲最小安全系数：SFmin=1.25弯曲寿命系数：YN1=0.95; YN2=0.97尺寸系数：Yx=1许用弯曲应力

55、F：F1=Flim1YN1YXSFmin=600×0.95×11.25=456MPaF2=Flim2YN2YXSFmin=600×0.97×11.25=465.6MPa验算弯曲强度：F1=2KTbd1mYF1YS1Y=2×3.71×1×100029×29×1×2.54×1.62×0.68=24.7MPaF2=F1YF2YS2YF1YS1=24.7×2.2×1.82.54×1.62=23.8MPaF1<F1 ; F2<F2 符合要求减速

56、器3.4链传动设计链传动具有传动效率高；能在温度较高、湿度较大的环境中使用；张紧力小，轴上载荷小等优点。电机额定工作时，减速器输出轴转速为666.7rad/min，后轮轴转速为215rad/min；传动功率0.1kw。选择链轮齿数小链轮齿数：取z1=19传动比：i=n1/n2=666.7/215=3.1大齿轮齿数：z2=iz1=3.1×19=59选取链节距初定中心距：取a=50p链节数：Lp=z1+z22+2ap+z2-z122pa=19+592+250pp+59-1922p50p 取Lp=142p传动功率：P0KAPkzkp=1.1×0.11×1 P00.11k

57、w选用套筒链 JIS B1801:1997 04C-1 p=6.35确定实际中心距a=p4Lp-z1+z22+Lp-z1+z222-8z2-z122a=6.354142-19+592+142-19+5922-859-1922取 a=324.5mm计算作用在轴上载荷链速：v=n1z1p60×1000=666.7×19×6.3560×1000 v=1.34m/s有效拉力：F1=1000Pv=1000×0.11.34 F1=74.63N轴上载荷：FQ1.2KAF1=1.2×1.1×74.63 FQ=98.5N链传动3.5车身骨架设计侧面骨架主要有钢管焊接而成，下部底架采用外径40mm、内径30mm的钢管，扶手和承腿架部分钢管外径30mm、内径20mm。侧面骨架与椅座和底架板相连接的地方沿钢管焊接厚度为2mm的钢板，以方便打孔，用以