手推折疊輪椅設計——成品

1、機械創(chuàng)新設計題目：手推折疊輪椅的設計學 院：機械工程學院專業(yè)班級：機械設計制造及其自動化姓 名：指導老師：2010年10 月25日目錄1.折疊輪椅設計的概述11.1 折疊輪椅設計的研究現(xiàn)狀11.2 折疊輪椅設計的關鍵點21.3 本設計所研究的內(nèi)容22.折疊輪椅的結構設計33.折疊輪椅的力學設計和材料選擇43.1 按照強度理論選擇折疊輪椅的材料43.2 按照剛度理論選擇折疊輪椅的材料6扭轉(zhuǎn)時的剛度計算73.2.2 彎曲時的剛度計算84.折疊輪椅的功能分析95.折疊輪椅前景展望96.參考文獻101.折疊輪椅設計的概述機械設計的最終目的是為市場提供優(yōu)質(zhì)高效、價廉物美的機械產(chǎn)品，在市場競爭中取得優(yōu)勢，

2、贏得客戶，取得良好的經(jīng)濟效益。產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟效益取決于設計、制造和管理的綜合水平，而產(chǎn)品設計則是關鍵。沒有高質(zhì)量的設計，就不可能有搞高質(zhì)量的產(chǎn)品；沒有經(jīng)濟觀念的設計者，決不可能設計出性能價格比好的產(chǎn)品。因此，在機械產(chǎn)品設計中，應特別強調(diào)和重視從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，合理地確定系統(tǒng)的功能；應注重新技術、新工藝及新材料等的采用；應努力提高產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟性及安全性。1.1 折疊輪椅設計的研究現(xiàn)狀由于現(xiàn)代醫(yī)學的發(fā)展和進步，人類的壽命正逐漸的往上提升，致使各國老年人口將不斷增加，然而高齡化的社會結構已然成為世界各國的重大挑戰(zhàn)。針對這些年長而行動不方便的使用者而言，其身體各部分器官正逐漸退化，再加上神經(jīng)肌

3、肉萎縮，自行驅(qū)動輪椅是非常困難的事，因此他們將不適合使用具有手輪圈的自推型輪椅，而手推型輪椅較能符合其需求。許多行動不便者在解決移動能力障礙時，最直接使用的工具便是輪椅。根據(jù)我國統(tǒng)計部門統(tǒng)計，截止到2006年4月1號，全國現(xiàn)有各類殘疾人總數(shù)約8296萬人，占總?cè)丝跀?shù)的比例為6.34%，而屬于肢體殘疾的占總殘疾人數(shù)的比例為29.07%，人數(shù)達到2412萬，如圖1.1所示。與1987年第一次全國殘疾人抽樣調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，肢體殘疾人數(shù)略有所增加。2005年底，中國60歲以上老年人口1.44億，占總?cè)丝诘谋壤_11%?，F(xiàn)在我國60歲以上老年人口每年以3%的速度遞增，如圖1.2所示。在60歲以上的

4、老年人口中，有相當一部分老年人在日常生活和工作中，在疾病治療和康復過程中，都需要借助使用輪椅。這對于家庭生計、社會成本與國家經(jīng)濟均會造成嚴重的影響，不可輕視。對于青壯年的肢體障礙患者而言，輪椅可使他們重新返回職場，以改善家庭生計和降低社會負擔；對于行動不便的高齡老人或出現(xiàn)重度神經(jīng)肌肉萎縮的患者而言，輪椅是他們走出戶外的最佳輔具，不但能改善他（她）們的精神生活，而且在心靈層面上更得到慰藉。根據(jù)中國國務院新聞辦公室2006年12月在北京發(fā)布的中國老齡事業(yè)的發(fā)展報告提供的數(shù)據(jù)顯示，2005年底，中國60歲以上老年人口1.44億，占總?cè)丝诘谋壤_11%?，F(xiàn)在我國60歲以上老年人口每年以3%的速度遞增，

5、如圖1.2所示。圖1.2 60歲以上占總?cè)丝跀?shù)1.2 折疊輪椅設計的關鍵點本設計所研究的折疊機構是以四連桿組為出發(fā)點，利用桿件特殊翻轉(zhuǎn)的特性來作為此折疊機構最初的概念設計。還有就是在測試當輪椅在展開的使用狀態(tài)時，使用者的體重加諸于輪椅上，所造成結構的應力分布及材料變形，借此了解各部分零件的強度和剛度是否足夠，還有要兼顧接頭和桿件的強度、加工上的難易程度、桿件與各個零件之間的干涉問題、操作步驟的簡便性，并盡量減低輪椅的重量和降低成本等等，以作為生產(chǎn)制造的參考。1.3 本設計所研究的內(nèi)容手推型的折疊輪椅是以重度病患者或年長老人為使用對象，因此本設計所要設計的折疊輪椅本身的安全規(guī)范是相當重視的。而經(jīng)

6、過現(xiàn)有的手推型輪椅收折機構的分類和分析后，本課題所涉及的主要內(nèi)容有：（1）需通過200Kg的配重檢驗，以達到安全規(guī)范的相關規(guī)定；（2）能產(chǎn)生導引輪椅翻轉(zhuǎn)收折的動作機構；（3）收折完成的手推型折疊輪椅必須可以站立，以利于收藏和擺放；（4）收折完成后的手推型折疊輪椅必須可以拖行，以利于運送；（5）為確保結構的穩(wěn)定性，必須討論其各個桿件的受力情況；（6）在折疊輪椅強度和剛度足夠的條件下，達到輕量化的設計。2.折疊輪椅的結構設計機械結構設計是機械設計基本環(huán)節(jié)之一，是以多學科理論為基礎，將理論知識和實踐經(jīng)驗緊密結合，進行優(yōu)化和創(chuàng)新的一項設計工作。由于金屬材料的強度高、重量輕、質(zhì)量穩(wěn)定等特性，因此本設計的

7、輪椅絕大部分機械結構都采用金屬材料，通過焊接、鉚釘或螺栓等方式，按一定的規(guī)律連接制成基本構件后，再用焊接、鉚釘或螺栓將基本構件連接成能夠承受外載荷的結構物，保證折疊機構能夠有良好的運動性能。本課題所設計的手推式折疊輪椅，如圖2.1所示，此型輪椅為連桿數(shù)6、接頭數(shù)7的單一自由度的折疊輪椅，其中C點是雙重接頭，將此雙重接頭拆在坐墊桿上，則前腳桿與坐墊桿為三元桿，而其余桿件為二元桿。圖2. 1 手推式折疊輪椅的結構設計圖假如視底架桿為地桿，則可將此六連桿組定義為Watt I型六連桿組，所以其結構設計簡圖，如圖2. 2所示圖2.2 Watt I型六連桿組由圖2.1所示的結構簡圖可知，輪椅的結構共有活動

8、構件數(shù)為，低副，沒有高副。故其自由度應為圖2.3 折疊輪椅的整體結構3.折疊輪椅的力學設計和材料選擇在生產(chǎn)實踐中，各種機械和工程結構得到廣泛應用，任何構件都由某種材料制成，并受到某種載荷的作用。實際的構件并非是靜力學所理想化的那種剛體，任何構件在外力作用下都將不同程度地發(fā)生形狀和尺寸的改變。如果構件的形狀、尺寸設計不合理，或選用材料不當，則構件在一定載荷的作用下，會發(fā)生過度的變形或破壞。為了保證機械和工程結構的正常工作，在載荷作用下，構件都應該具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。這些基本要求，不僅與構件的截面形狀和尺寸有關，而且還與材料的力學性能有關，而這些又都關系到制造成本，因此合理的選擇構件的材

9、料，如何正確的確定構件的截面形狀，使構件即滿足使用要求，又降低制造成本，便成為構件設計的一個十分重要的問題。3.1 按照強度理論選擇折疊輪椅的材料軸向拉伸與壓縮是桿件變形中最簡單的形式。在機械和儀器中，承受拉伸和壓縮作用的桿件最多，在折疊輪椅的過程中，聯(lián)接常常用到螺栓，被擰緊后，螺栓就承受拉力。分析受軸向拉伸或軸向壓縮作用的桿件的受力情況可知，桿件拉伸和壓縮的受力特點是作用在桿件兩端的兩力大小相等、方向相反，且作用線與桿件的軸線相重合。其變形的特點是桿件沿軸向伸長或縮短，而其橫截面變細或變粗，分別如圖3.1（a）、(b)所示圖3.1 拉伸與壓縮由上可知，不論是受拉伸還是壓縮，桿件橫截面上的內(nèi)力

10、均沿著桿件的軸線，這種力稱為軸力，軸力可以是拉力，也可以是壓力。以受拉桿件橫截面上的內(nèi)力分部來確定橫截面上各點的應力，桿件在外力的作用下不僅要產(chǎn)生內(nèi)力，同時還要產(chǎn)生變形，而且內(nèi)力與變形之間是密切相關的。所以可以實驗來觀察變形，以了解內(nèi)力的分布。取一等截面直桿，在其表面畫兩條垂直于桿軸的橫線ab和cd，并在兩條橫線間畫兩條平行于桿軸的縱向線。然后在桿兩端加上一對軸向拉力，使桿件產(chǎn)生拉伸變形。從桿件表面可觀察到：ab和cd直線分別平移至a1b1和c1d1位置，仍為直線且和桿軸垂直；兩條縱向線伸長，且伸長量相等，并仍然與桿軸平行。根據(jù)觀察到的表面現(xiàn)象，可作出平面假設：變形前為平面的橫截面，變形后仍為

11、平面，但沿軸線發(fā)生了平移。如圖3.2所示圖3.2 受拉桿件截面上的應力根據(jù)平面假設可知，任意兩橫截面間的各縱向線的伸長（或縮短）均相同。由材料的均勻連續(xù)性假設可知，橫截面上的內(nèi)力是均勻分布的，即各點的應力相等。設桿件橫截面的面積為A，橫截面上的軸力為N，則該橫截面上的正應力為=N/A（的正負號與軸力相同，當N為正時，也為正，稱為拉應力；當N為負時，也為負，稱為壓應力。）由上所述可知，桿件的材料所能承受的應力是有限的，要保證桿件正常工作，則桿件的工作應力必須不超過其材料的許用應力，因此，桿件受拉伸或壓縮時的強度條件為 （）式中表示桿件材料的許用應力，。本課題所設計的已知輪椅主結構將采用直徑為2C

12、M管材，假設需通過200KG的重量，即截面積A=314 (mm),即根據(jù)桿件受拉伸或壓縮時的強度公式 （）得=63.7 目前市場上輪椅的材料大多數(shù)都使用硬鋁合金管材，其最大的抗拉強度是370,即最大許用應力為370，而計算所得到的結果遠遠小于其最大許用應力，故輪椅的主結構采用硬鋁合金。3.2 按照剛度理論選擇折疊輪椅的材料桿件在不同的荷載的作用下，會產(chǎn)生不同的變形。根據(jù)荷載本身的性質(zhì)及荷載作用的位置不同，變形可以分為軸向拉伸（壓縮）、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲四種基本變形。軸向拉伸和壓縮本節(jié)不詳細敘述，以下將重點分析扭轉(zhuǎn)和彎曲理論在輪椅選材上的應用。圓軸扭轉(zhuǎn)時的剛度條件為：圓軸的最大單位長度扭轉(zhuǎn)角不超過

13、許用單位長度扭轉(zhuǎn)角, 即 = (rad) 或 = ( °)/m梁彎曲時的剛度條件為：是在梁彎曲變形時，某指定截面的撓度和轉(zhuǎn)角不允許超過許用值，即 或 式中，y和 分別為許用撓度和許用轉(zhuǎn)角，兩者都可在有關設計手冊中查到。3.2.1扭轉(zhuǎn)時的剛度計算如果在直桿的兩端各受到一個外力偶Me的作用，且二者的大小相等、轉(zhuǎn)向相反，作用面與桿件的軸線垂直，那么桿件的橫截面將繞軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，這種變形稱為扭轉(zhuǎn)，如圖3.3所示。圖3.3 桿件的扭轉(zhuǎn)變形其變形特點是：桿件任意兩個橫截面都繞桿軸線作相對轉(zhuǎn)動，兩橫截面之間的相對角位移稱為扭轉(zhuǎn)角，用表示，表示截面B相對于截面A的扭轉(zhuǎn)角。扭轉(zhuǎn)時桿的縱向線發(fā)生微小

14、傾斜，表面縱向線的傾斜角用表示。如圖3.4所示圖3.4 桿件扭轉(zhuǎn)時的變形已知所用的硬鋁合金管材的許用單位長度扭轉(zhuǎn)角=1( °)/m，切變模量G=810，即根據(jù)上面得到的公式= ( °)/m， 又 （mm），得= 0.73 ( °)/m <=1( °)/m所以，該硬鋁合金管材的剛度足夠。3.2.2 彎曲時的剛度計算如果直桿在兩端各受到一個外力偶Me的作用，且二者的大小相等、轉(zhuǎn)向相反，作用面都與包含桿軸的某一縱向平面重合，或者是受到位于縱向平面內(nèi)且垂直于桿軸線的外力F作用時，桿件的軸線就要變彎，這種變形稱為彎曲，如圖3.5（a）、（b）所示，圖（a）所

15、示為純彎曲，圖（b）所示為橫力彎曲。圖3.5 桿件彎曲時的變形下面著重介紹下本課題所設計的輪椅主結構梁的彎曲剛度，繪制主結構支梁的剪力圖和彎矩圖，分析的最終結構剪力圖和彎矩圖如圖3.6所示圖3.6 主結構的剪力圖和彎矩圖梁彎曲時的許用撓度為y，只要選用的材料最大的撓度不要超過其許用撓度，即可，得主結構梁的最大的撓度=(式中 截面的慣性矩， 抗彎截面模量，)又因為所采用的材料是空心鋁合金管材，所以分別存在管材截面慣性矩 ，和抗彎截面模型 ，即根據(jù)彎曲時的剛度條件=，只要選用的材料最大的撓度小于材料彎曲時的許用撓度為y即可，通過實驗和分析，本課題設計的輪椅所采用的硬鋁合金完全滿足條件，剛度足夠，故

16、主體結構材料采用硬鋁合金是滿足要求的。4.折疊輪椅的功能分析此款輪椅是對市場上銷售的輪椅進行改造的基礎上設計與制作的，該輪椅是一種輔助殘疾和行動不方便的高齡老年人產(chǎn)品，它除了具有市場上輪椅普遍具有的行走功能外，還具有斜躺和平躺的功能，當使用者感覺坐的時間較長的話，使用者可以方便的操作以便使自己趟下，減輕使用者的疲勞系數(shù)，達到安全，舒適，快捷等功能。5.折疊輪椅前景展望輪椅是康復的重要工具，它不僅是肢體傷殘者的代步工具，更重要的是使他們借助于輪椅進行身體鍛煉和參與社會活動。隨著社會的發(fā)展和人類文明程度的提高，人們特別是殘疾人愈來愈需要運用現(xiàn)代高新技術來改善他們的生活質(zhì)量和生活自由。再加上當今世界

17、各大城市都面臨老齡化問題，根據(jù)聯(lián)合國預測，1990-2020年世界老齡人口平均年增速度為2.5%，同期我國老齡人口的遞增速度為3.3%，老齡化速度快于世界老齡化速度。隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，預計在不久的將來，輪椅的社會需求總量逐年增長，這給輪椅行業(yè)帶來巨大的市場空間。輪椅開發(fā)和生產(chǎn)技術隨著社會的發(fā)展，也在快速的發(fā)展，隨著社會消費水平及消費檔次的提升，未來輪椅設計技術也會有很大的提升，將逐步向輔助行動、方便輕巧、功能多樣等等方面發(fā)展。還有隨著社會的發(fā)展和人類文明程度的提高，人們特別是殘疾人愈來愈需要運用現(xiàn)代高新技術來改善他們的生活質(zhì)量和生活自由度。因為各種交通事故、天災人禍和種種疾病，每年均有成千上萬的人喪失一種或多種能力（如行走、動手能力等）。因此，對用于幫助殘障人行走的機器人輪椅的研究已逐漸成為熱點，如西班牙、意大利等國，中國科學院自動化研究所也成功研制了一種具有視覺和口令導航功能并能與人進行語音交互的機器人輪椅。機器人輪椅關鍵技術是安全導航問題，采用的基本方法是靠超聲波和紅外測距，個別也采用了口令控制。超聲波和紅外導航的主要不足在于可控測范圍有限，視覺導航可以克服這方面的不足。在機器人輪椅中，輪椅的使用者應是整個系統(tǒng)的中心和積極的組成部分。對使用者來說，機器人輪椅應具有與人交互的功能。這種交互功