手推折叠轮椅设计——成品12页.doc

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机械创新设计题目：手推折叠轮椅的设计学院：机械工程学院专业班级：机械设计制造及其自动化姓名：指导老师：2010年10月25日目录1.折叠轮椅设计的概述1 1.1折叠轮椅设计的研究现状1 1.2折叠轮椅设计的关键点2 1.3本设计所研究的内容2 2.折叠轮椅的结构设计3 3.折叠轮椅的力学设计和材料选择4 3.1按照强度理论选择折叠轮椅的材料4 3.2按照刚度理论选择折叠轮椅的材料6 3.2.1扭转时的刚度计算7 3.2.2弯曲时的刚度计算8 4.折叠轮椅的功能分析9 5.折叠轮椅前景展望9 6.参考文献10 1.折叠轮椅设计的概述机械设计的最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中取得优势，赢得客户，取得良好的经济效益。产品的质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计则是关键。没有高质量的设计，就不可能有搞高质量的产品；没有经济观念的设计者，决不可能设计出性能价格比好的产品。因此，在机械产品设计中，应特别强调和重视从系统的观点出发，合理地确定系统的功能；应注重新技术、新工艺及新材料等的采用；应努力提高产品的可靠性、经济性及安全性。1.1折叠轮椅设计的研究现状由于现代医学的发展和进步，人类的寿命正逐渐的往上提升，致使各国老年人口将不断增加，然而高龄化的社会结构已然成为世界各国的重大挑战。针对这些年长而行动不方便的使用者而言，其身体各部分器官正逐渐退化，再加上神经肌肉萎缩，自行驱动轮椅是非常困难的事，因此他们将不适合使用具有手轮圈的自推型轮椅，而手推型轮椅较能符合其需求。许多行动不便者在解决移动能力障碍时，最直接使用的工具便是轮椅。根据我国统计部门统计，截止到2006年4月1号，全国现有各类残疾人总数约8296万人，占总人口数的比例为6.34%，而属于肢体残疾的占总残疾人数的比例为29.07%，人数达到2412万，如图1.1所示。与1987年第一次全国残疾人抽样调查统计数据可以看出，肢体残疾人数略有所增加。2005年底，中国60岁以上老年人口1.44亿，占总人口的比例达11%。现在我国60岁以上老年人口每年以3%的速度递增，如图1.2所示。在60岁以上的老年人口中，有相当一部分老年人在日常生活和工作中，在疾病治疗和康复过程中，都需要借助使用轮椅。这对于家庭生计、社会成本与国家经济均会造成严重的影响，不可轻视。对于青壮年的肢体障碍患者而言，轮椅可使他们重新返回职场，以改善家庭生计和降低社会负担；对于行动不便的高龄老人或出现重度神经肌肉萎缩的患者而言，轮椅是他们走出户外的最佳辅具，不但能改善他（她）们的精神生活，而且在心灵层面上更得到慰藉。根据中国国务院新闻办公室2006年12月在北京发布的《中国老龄事业的发展》报告提供的数据显示，2005年底，中国60岁以上老年人口1.44亿，占总人口的比例达11%。现在我国60岁以上老年人口每年以3%的速度递增，如图1.2所示。图1.2 60岁以上占总人口数1.2折叠轮椅设计的关键点本设计所研究的折叠机构是以四连杆组为出发点，利用杆件特殊翻转的特性来作为此折叠机构最初的概念设计。还有就是在测试当轮椅在展开的使用状态时，使用者的体重加诸于轮椅上，所造成结构的应力分布及材料变形，借此了解各部分零件的强度和刚度是否足够，还有要兼顾接头和杆件的强度、加工上的难易程度、杆件与各个零件之间的干涉问题、操作步骤的简便性，并尽量减低轮椅的重量和降低成本等等，以作为生产制造的参考。1.3本设计所研究的内容手推型的折叠轮椅是以重度病患者或年长老人为使用对象，因此本设计所要设计的折叠轮椅本身的安全规范是相当重视的。而经过现有的手推型轮椅收折机构的分类和分析后，本课题所涉及的主要内容有：（1）需通过200Kg的配重检验，以达到安全规范的相关规定；（2）能产生导引轮椅翻转收折的动作机构；（3）收折完成的手推型折叠轮椅必须可以站立，以利于收藏和摆放；（4）收折完成后的手推型折叠轮椅必须可以拖行，以利于运送；（5）为确保结构的稳定性，必须讨论其各个杆件的受力情况；（6）在折叠轮椅强度和刚度足够的条件下，达到轻量化的设计。2.折叠轮椅的结构设计机械结构设计是机械设计基本环节之一，是以多学科理论为基础，将理论知识和实践经验紧密结合，进行优化和创新的一项设计工作。由于金属材料的强度高、重量轻、质量稳定等特性，因此本设计的轮椅绝大部分机械结构都采用金属材料，通过焊接、铆钉或螺栓等方式，按一定的规律连接制成基本构件后，再用焊接、铆钉或螺栓将基本构件连接成能够承受外载荷的结构物，保证折叠机构能够有良好的运动性能。本课题所设计的手推式折叠轮椅，如图2.1所示，此型轮椅为连杆数6、接头数7的单一自由度的折叠轮椅，其中C点是双重接头，将此双重接头拆在坐垫杆上，则前脚杆与坐垫杆为三元杆，而其余杆件为二元杆。图2.1手推式折叠轮椅的结构设计图假如视底架杆为地杆，则可将此六连杆组定义为Watt I型六连杆组，所以其结构设计简图，如图2.2所示图2.2 Watt I型六连杆组由图2.1所示的结构简图可知，轮椅的结构共有活动构件数为，低副，没有高副。故其自由度应为图2.3折叠轮椅的整体结构3.折叠轮椅的力学设计和材料选择在生产实践中，各种机械和工程结构得到广泛应用，任何构件都由某种材料制成，并受到某种载荷的作用。实际的构件并非是静力学所理想化的那种刚体，任何构件在外力作用下都将不同程度地发生形状和尺寸的改变。如果构件的形状、尺寸设计不合理，或选用材料不当，则构件在一定载荷的作用下，会发生过度的变形或破坏。为了保证机械和工程结构的正常工作，在载荷作用下，构件都应该具有足够的强度、刚度和稳定性。这些基本要求，不仅与构件的截面形状和尺寸有关，而且还与材料的力学性能有关，而这些又都关系到制造成本，因此合理的选择构件的材料，如何正确的确定构件的截面形状，使构件即满足使用要求，又降低制造成本，便成为构件设计的一个十分重要的问题。3.1按照强度理论选择折叠轮椅的材料轴向拉伸与压缩是杆件变形中最简单的形式。在机械和仪器中，承受拉伸和压缩作用的杆件最多，在折叠轮椅的过程中，联接常常用到螺栓，被拧紧后，螺栓就承受拉力。分析受轴向拉伸或轴向压缩作用的杆件的受力情况可知，杆件拉伸和压缩的受力特点是作用在杆件两端的两力大小相等、方向相反，且作用线与杆件的轴线相重合。其变形的特点是杆件沿轴向伸长或缩短，而其横截面变细或变粗，分别如图3.1（a）、(b)所示图3.1拉伸与压缩由上可知，不论是受拉伸还是压缩，杆件横截面上的内力均沿着杆件的轴线，这种力称为轴力，轴力可以是拉力，也可以是压力。以受拉杆件横截面上的内力分部来确定横截面上各点的应力，杆件在外力的作用下不仅要产生内力，同时还要产生变形，而且内力与变形之间是密切相关的。所以可以实验来观察变形，以了解内力的分布。取一等截面直杆，在其表面画两条垂直于杆轴的横线ab和cd，并在两条横线间画两条平行于杆轴的纵向线。然后在杆两端加上一对轴向拉力，使杆件产生拉伸变形。从杆件表面可观察到：ab和cd直线分别平移至a1b1和c1d1位置，仍为直线且和杆轴垂直；两条纵向线伸长，且伸长量相等，并仍然与杆轴平行。根据观察到的表面现象，可作出平面假设：变形前为平面的横截面，变形后仍为平面，但沿轴线发生了平移。如图3.2所示图3.2受拉杆件截面上的应力根据平面假设可知，任意两横截面间的各纵向线的伸长（或缩短）均相同。由材料的均匀连续性假设可知，横截面上的内力是均匀分布的，即各点的应力相等。设杆件横截面的面积为A，横截面上的轴力为N，则该横截面上的正应力为=N/A（的正负号与轴力相同，当N为正时，也为正，称为拉应力；当N为负时，也为负，称为压应力。）由上所述可知，杆件的材料所能承受的应力是有限的，要保证杆件正常工作，则杆件的工作应力必须不超过其材料的许用应力，因此，杆件受拉伸或压缩时的强度条件为（）式中[]表示杆件材料的许用应力，。本课题所设计的已知轮椅主结构将采用直径为2CM管材，假设需通过200KG的重量，即截面积A==314(mm),即根据杆件受拉伸或压缩时的强度公式（）得==63.7目前市场上轮椅的材料大多数都使用硬铝合金管材，其最大的抗拉强度是370,即最大许用应力[]为370，而计算所得到的结果远远小于其最大许用应力，故轮椅的主结构采用硬铝合金。3.2按照刚度理论选择折叠轮椅的材料杆件在不同的荷载的作用下，会产生不同的变形。根据荷载本身的性质及荷载作用的位置不同，变形可以分为轴向拉伸（压缩）、剪切、扭转、弯曲四种基本变形。轴向拉伸和压缩本节不详细叙述，以下将重点分析扭转和弯曲理论在轮椅选材上的应用。圆轴扭转时的刚度条件为：圆轴的最大单位长度扭转角不超过许用单位长度扭转角[],即=(rad)或=[(°)/m]梁弯曲时的刚度条件为：是在梁弯曲变形时，某指定截面的挠度和转角不允许超过许用值，即或式中，[y]和[]分别为许用挠度和许用转角，两者都可在有关设计手册中查到。3.2.1扭转时的刚度计算如果在直杆的两端各受到一个外力偶Me的作用，且二者的大小相等、转向相反，作用面与杆件的轴线垂直，那么杆件的横截面将绕轴线发生相对转动，这种变形称为扭转，如图3.3所示。图3.3杆件的扭转变形其变形特点是：杆件任意两个横截面都绕杆轴线作相对转动，两横截面之间的相对角位移称为扭转角，用表示，表示截面B相对于截面A的扭转角。扭转时杆的纵向线发生微小倾斜，表面纵向线的倾斜角用表示。如图3.4所示图3.4杆件扭转时的变形已知所用的硬铝合金管材的许用单位长度扭转角[]=1(°)/m，切变模量G=810，即根据上面得到的公式=[(°)/m]，又（mm），得==0.73(°)/m<[]=1(°)/m所以，该硬铝合金管材的刚度足够。3.2.2弯曲时的刚度计算如果直杆在两端各受到一个外力偶Me的作用，且二者的大小相等、转向相反，作用面都与包含杆轴的某一纵向平面重合，或者是受到位于纵向平面内且垂直于杆轴线的外力F作用时，杆件的轴线就要变弯，这种变形称为弯曲，如图3.5（a）、（b）所示，图（a）所示为纯弯曲，图（b）所示为横力弯曲。图3.5杆件弯曲时的变形下面着重介绍下本课题所设计的轮椅主结构梁的弯曲刚度，绘制主结构支梁的剪力图和弯矩图，分析的最终结构剪力图和弯矩图如图3.6所示图3.6主结构的剪力图和弯矩图梁弯曲时的许用挠度为[y]，只要选用的材料最大的挠度不要超过其许用挠度，即可，得主结构梁的最大的挠度=(式中——截面的惯性矩，，——抗弯截面模量，)又因为所采用的材料是空心铝合金管材，所以分别存在管材截面惯性矩，和抗弯截面模型，即根据弯曲时的刚度条件=，只要选用的材料最大的挠度小于材料弯曲时的许用挠度为[y]即可，通过实验和分析，本课题设计的轮椅所采用的硬铝合金完全满足条件，刚度足够，故主体结构材料采用硬铝合金是满足要求的。4.折叠轮椅的功能分析此款轮椅是对市场上销售的轮椅进行改造的基础上设计与制作的，该轮椅是一种辅助残疾和行动不方便的高龄老年人产品，它除了具有市场上轮椅普遍具有的行走功能外，还具有斜躺和平躺的功能，当使用者感觉坐的时间较长的话，使用者可以方便的操作以便使自己趟下，减轻使用者的疲劳系数，达到安全，舒适，快捷等功能。5.折叠轮椅前景展望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。随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由。再加上当今世界各大城市都面临老龄化问题，根据联合国预测，1990-2020年世界老龄人口平均年增速度为2.5%，同期我国老龄人口的递增速度为3.3%，老龄化速度快于世界老龄化速度。随着我国经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，预计在不久的将来，轮椅的社会需求总量逐年增长，这给轮椅行业带来巨大的市场空间。轮椅开发和生产技术随着社会的发展，也在快速的发展，随着社会消费水平及消费档次的提升，未来轮椅设计技术也会有很大的提升，将逐步向辅助行动、方便轻巧、功能多样等等方面发展。还有随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为各种交通事故、天灾人祸和种种疾病，每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力（如行走、动手能力等）。因此，对用于帮助残障人行走的机器人轮椅的研究已逐渐成为热点，如西班牙、意大利等国，中国科学院自动化研究所也成功研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅。机器人轮椅关键技术是安全导航问题，采用的基本方法是靠超声波和红外测距，个别也采用了口令控制。超声波和红外导航的主要不足在于可控测范围有限，视觉导航可以克服这方面的不足。在机器人轮椅中，轮椅的使用者应是整个系统的中心和积极的组成部分。对使用者来说，机器人轮椅应具有与人交互的功能。这种交互功能可以很直观地通过人机语音对话来实现。尽管个别现有的移动轮椅可用简单的口令来控制，但真正具有交互功能的移动机器人和轮椅尚不多见。有理由相信，未来的轮椅设计领域将有广阔的发展空间。6.参考文献[1]张策.机械原理与机械设计.北京：机械工业出版社，2004[2]华大年，华继宏，吕静平.连杆结构设计.上海：上海科技出版社，1995[3]许德珠，朱起凡，吕烨.机械工程材料.北京：高等教育出版社，2001[4]单辉祖.材料力学教程.北京：国防工业出版社，1982[5]徐正会，吴家锃：《携带式轮椅的创新设计》.中国台湾，2008[6]徐正会，黎淳弘：《折叠式轮椅的研发》.中国台湾，2004。