自动升降轮椅

多功能轮椅设计说明书

多功能轮椅

【摘要】联合国发表报告指出：当二十一世纪上半叶到来时，全球人口将增加0．6倍，而老年人口将增加2.3倍，老年人口占总人口的比例将上升到20％。也就是说全世界人口老龄化进程正在加快，今后50年内，60岁以上的人口比例预计将会翻一番。而我国是人口最多的国家，老龄化和残疾是我们不得不面对的重大问题，据老龄委统计结果显示，目前我国60岁以上的老年人已达到1.43亿，超过总人口的10％。而我国有残疾人6000多万，平均每5个家庭就有一个残疾人。另一项调查显示，2000年，我国60岁以上老年人中有腿脚不便情况的人已接近2800万。此外，根据中残联统计数据，目前我国肢体残疾人接近900万，其下肢残疾人为200万左右。随着老年人和残疾人的日益增多，服务需求将会日益增加。作品以“关爱残疾人”为设计主题、以“创新、简约、实用”为设计理念，通过深入广泛的市场调研及多方论证，最终确定在现有普通型轮椅上增设座垫升降装置与简易工作装置。利用座垫升降装置，双腿残疾人士可以根据需要独立调节轮椅座垫高度；简易工作装置结构新颖，方便了双腿残疾人士的学习、生活。通过以上改进，提升残疾人士的生活质量，增强生活自信心。

一、设计主题

在我国，双腿残疾人士人数众多，是一个不容忽视的弱势群体。由于他们生活学习极不方便，从而导致生活自信不足。虽然市面上为他们提供的轮椅品种繁多，能满足部分生活需要，但他们普遍希望能有一种轮椅可以根据需要独立调节轮椅坐垫高度，满足某些生活需要，如独立上床休息、吃饭、娱乐、高处取物等，从而提高生活自理能力，改善生活质量，增强生活自信心。

二、设计理念

1、创新

经过市场调研，目前市面上还没有座垫可以升降的轮椅，但是广大残疾人士非常需要具有这项功能的轮椅。因此我们决定在普通型轮椅上增设座垫升降装置，同时为了方便他们的生活、学习又加装了简易工作装置。

2、简约

座垫升降装置与简易工作装置设计巧妙，结构简单，成本低廉，充分考虑了广大残疾人士经济承受能力。

3、实用

改装后的轮椅座垫升降方便、操作省力；根据生活与学习需要，简易工作装置可以很方便地安装、拆卸。经残疾人士试用，得到了一致好评。

三、方案论证

1、方案的提出

简易工作装置即在扶手前加装一个可折叠的小平板，通过铰链机构可以方便地实现安装与拆卸；对轮椅座垫升降装置提出了以下的三种方案：

方案一：利用液压传动来实现轮椅的升降。

方案二：加装一套千斤顶装置来实现轮椅的升降。

方案三：利用丝杆驱动螺母运动而带动双滑杆上升（或下降）来实现轮椅的升降。

2、方案的比较

3、方案的确定

通过比较，我们采用方案三来实现本作品的功能。

4、工作原理：

轮椅升降运动就是利用丝杆和螺母的相对运动关系来实现的运动，利用丝杆和螺母组成螺纹副来实现传动要求的螺纹传动，丝杆的旋转运动驱动螺母水平直线运动，驱时双滑杆在竖直方向上的运动。人给手柄一个旋转的力，使手柄带动螺杆做旋旋运动，在丝杆上做正反两个螺纹，以正反两个螺纹相配合，丝杆正转时两螺母相互靠近，丝杆反转时两螺母相互远离，这样来拉动或推动双滑杆的上下运动，从而使轮椅完成上升或下降运动的功能。

5、座垫升降装置结构简图：

四、设计计算

1、起始角α和终止角β的确定

已知

AE=420mm,CE=200mm A

则可以根据已知条件和简图来得出下面的结论

E

B α β C

D

2、螺杆、螺母及手轮主要参数的确定

?

??

=?=?==

=

==

=

=?

=?=?==

65,266.64428.0arctan 428.01

.467200200cos 1

.467898

.0420cos 42045.25476.0arctan 476.0420

200tan 取取故βαβββα

αααl

BE l

1

已知丝杆使用的是标准梯形螺纹，牙型角为?=?=15,30βα单mm d 25=

kg

m 90=(人的体重) μ（摩擦系数）=2.0至25.0

由图分析得 α

ααα

s i n 2c o s 2

s i n s i n 221G F G F F G F =

=

==

618

110===

=

摇的圈数

螺母滑动距离n s p .mm 1 ①

tan 2

d p

πλ=

②

2d =26495.0d p d ?-=mm

1.21③

由①②③得194

.50909.01

.2114.36tan =?=?=λλ

当量摩擦角v v μ?arctan =,其中当量摩擦系数为'

cos β

μ

μ=v

且 15'=β 得996.015cos =

μ取2.0

所以207.0=v μ

故69.11207.0arctan ==v ? 因为v ?λ〈,从而得到丝杆能够自锁

施加在摇柄上的力矩为T ,用于克服螺纹副的摩擦阻力矩为1T 和被连接件。 支撑面的摩擦力矩2T

)(221T T T +=

??

?????

?++=??????++=222.0)69.11194.5tan(sin 2cos 2)tan(2

222221221

3

d G d G d F d

F D F v ααμ?λ

而 898.0c o s

=α 438.0s i n =α N G 900= 2d mm 1.21= 得mm N D F D F ?=?=6.153258.76622

1313

1

N F 1003=时 mm

D 256.1531=

3、插销直径的确定:

选用45钢,其屈服强度MPa s 360=σ

而该插销在此为剪切螺栓连接[]2884

2

==d

G

T π

即

mm

d d 98.34

288

9004

288

9002

=?

=

?=

π

π

取插销的直径mm d 5=

座垫升降装置主要参数表

4、丝杆螺母副传动的校核

丝杆螺母副工作时，主要承受转矩及轴向拉力（或压力）的作用，同时在丝杆与螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动。其失效形式主要是螺纹磨损。因此滑动螺纹副通常是根据耐磨性条件算出丝杆直径和螺母的高度，并参照标准确定螺纹副各主要参数，然后进行强度、自锁、稳定性等校核.

（1）螺母的强度校核

其强度的条件为 []p hz

d F

A

F p ≤=

=

2π

式中F —轴向力，α

αsin cos G F =由

892

.0cos =α 438.0s i n =α N G 900=

则 N

F 44.916438

.02892.0900=??=

2d —螺纹中径，21.1mm ；

h —螺纹工作高度，;mm

h

z —螺纹工作圈数，即6圈；

[]p —许用压强，45钢低速运行可查表得22MPa 。

为了方便起见，令2

d H =ψ，H 为螺母高度 即mm H 36=；

,2

p

d p H

z ψ=

=代入上式中便可得2d 的公式，即[]

p FP

d ψ≥

2

对于梯形螺纹，P h 5.0=，为[]

p FP

d ψ8.02≥ ，ψ取1.2至 1.5之

间（整体螺母）。

mm

mm

z H p h 36

365.05

.05.0=?=

==

所以 M P a mm mm N

hz

d F

p 769.06

31.2114.344.9162=???=

=

π<22MPa

[]

mm p PF

82.222

7.144

.916769.065

.065

.0=??=ψ<21.1mm

则经校核符合要求。

（2）丝杆的强度校核

丝杆受轴向压力（或拉力）F 和扭矩T 的作用，丝杆危险截面上既有压缩

（或拉伸）应力，又有扭切应力。根据第四强度理论，螺纹危险截面的强度条件为

[]σπτ

σ

σ≤???

? ?

?+???? ??=

+=

2

3

112

212

2

2.0343d T d F e

式中e σ—危险截面的当量应力，MPa ；

1d —螺纹小径，18.85mm ；

1T —摩擦力矩，5.9494

1.21900

2.02

221=??

==mm

N d G T μ

,mm N ?可

由上式确定；

[]σ—丝杆材料的许用应力，MPa 。

所以

MPa

N N d T d F e 51.385.182.05.949385.1814.344.91642.0342

3

2

22

3

11

2

2

1=??

?

???+??? ????=

???

? ?

?+???? ?

?=

πσ

[]4s σσ= （s σ为屈服强度，查表可得MPa

s

353=σ）

[]MPa

MPa

25.884

353==

σ

则σ<[]σ, 最后得知丝杆强度符合要求。

（3）纹牙的剪切强度校核

通常螺母的材料强度低于丝杆，所以只需校核螺母的强度，纹牙根部

受到弯曲应力和剪力，其强度条件为：

弯曲强度 []τππσ≤==z

db Fh

db h

z F b 2

236

2

剪切强度 []τπτ≤=d b z

F

式中 b σ —螺母大径处的弯曲应力，MPa ；

b —牙根厚度，对梯形牙MPa MPa P b 5.0769.065.065.0=?==； []b σ —螺母材料的许用弯曲应力，可查表得

[]=b σ 1.1[]σMPa =?1.1MPa

MPa

175.9125.88=

[]τ —螺母材料的许用切应力，MPa ，可查表得

[][]M P a M P a 95.5225.886.06.0=?==στ

根据上面查表计算的数据和条件N F 44.916=，

mm h 3=，mm d 25=可得

MPa

MPa mm mm N z

db Fh

b 02.706

5.02514.3344.916332

2

=?????=

=

πσ<[]b σ

MPa

MPa mm N

dbz

F

89.36

5.02514.344.916=???=

=

πτ<[]τ

其剪切强度符合要求。

（4） 丝杆稳定性校核

丝杆稳定性条件为

S

F

Fc ≥

式中 S —稳定性较核安全系数，S 常取2.5—4；

c F

—临界载荷，N 。

临界载荷与丝杆柔度i

l

μλ=

有关，可根据λ的大小选择公式，

λ <40时不必进行稳定性计算，而λ>40则选择不同的公式计算，

在此式中

μ —长度系数，丝杆两端固定可查表得5.0=μ；

l —丝杆工作长度，即mm l 420=；

i —丝杆危险截面的惯性半径，由于丝杆危险截面积为4

2

1d A π=

，

（1d 为丝杆的小径，即mm d 5.181=）则mm mm

d i 713.44

85.184

1==

=。

所以56

.45713.44205.0=?=

=mm

mm i l

μλ

即40<λ<100，可选择公式 4/)57.2461(21d F c πλ-=，即

N

F c 4

2

1028.94/5.1814.3)56.4557.2461(?=???-=

则 N F 44.916= 即 26.10144.9161028.94

=?=

N

N F F c >S (S 常取2.5—4)

由此得知丝杆的稳定性符合要求。

（5） 双滑杆的稳定性校核

在此校核中，可以只对一根双滑杆进行校核，为了保证双滑杆有足够的稳定性，要求工作应力 σ 小于其极限值cr σ，并且符合双滑杆的稳定条件

βσ

σcr w n =

或w

cr n σσ≤

（3A 材料的稳定安全系数w n 的植在1.8到3.0之间） 双滑杆采用3A 钢管，查表得：弹性模量GPa E 206=， 比例极限MPa

p

200=σ

， 其临界应力22/p cr E λπσ=

则 临界柔度：

101200

10

20614.33

22

≈??=

=

P

p E σπλ

所以

MPa cr 199101

10

20614.32

3

2

=??=

σ

同时A

F =

σ （F 为杆的轴向压力，A 为杆的横截面积）

N

G F 5.10264384

.045026sin /2

==

?=

2

2

2

2

2

47.1324

5

.1614.34

21

30144

4

mm r R A A A r R =?-

?=

-

=-=ππ

因此 MPa

77.747

.1325.1026==σ

即

w cr n MPa

MPa >==

61.2577.7199σ

σ

经校核符合要求。

五、技术经济性分析

本作品的座垫升降装置与简易工作装置结构紧凑、简单，加工容易，安装方便，成本低，经济实用。

总结

围绕“关爱残疾人”的设计主题，经过设计小组成员两个多月的共同努力，完成了本次设计的任务。本作品简单可靠、操作方便，经济实用。

通过本次设计，使我们更深刻地体会到创新在机械设计中的重要性，同时也掌握了机械设计的基本方法，锻炼了实际加工能力。由于时间紧、经验欠缺，本作品可能不太完善，某些设计细节考虑不周，我们的设计仍有很多值得改进的地方，如结构可以做得更合理些。

参考文献：

1、陈立德主编《机械设计基础》北京：高等教育出版社

第一版2004

2、王茂元主编《机械制造技术》北京：机械工业出版社

第一版2005

3、刘力主编《机械制图》北京：高等教育出版社

第一版2000

4、胡仁喜许艳君张俊生等编著《Auto CAD 2005中文版标准教程》

第一版2004 北京：科海电子出版社

5、倪祥明张红英主编《机械基础》北京：中国商业出版社

第一版2003