1、四川大學本科畢業論文電動輪椅機械系統設計本科生畢業論文（設計）題 目 電動輪椅機械系統設計 學 院 制造科學與工程學院 專 業 機械設計制造及其自動化專業 學生姓名 張耀祖 學 號_ 0743021260 年 級 2007級_ _指導教師 侯力 教務處制表二一一 年 五 月 十一 日電動輪椅機械系統設計專業：機械設計制造及其自動化專業學生：張耀祖 指導教師：侯力摘要：電動輪椅是一種以蓄電池為能源、電機驅動的輪椅車。具有省力、操作簡便、車速平穩、無污染和低噪音的特點。適于下肢殘疾、高位截癱或偏癱以及年老體弱者使用，是一種比較理想的移動或代步工具。但是在市面上的電動輪椅價格還普遍較高，難以在老年人

2、和殘疾人人群中普及。設計開發一種價格低廉的電動輪椅必將會有廣闊的市場空間。在對國內外電動輪椅機械系統研究的基礎上，應用現代設計理論及方法，對驅動方式進行分析和再設計，優化車身骨架結構，添加必要的輔助功能裝置，利用計算機輔助設計軟件構建輪椅及各零部件三維模型。提出一種后輪驅動差速轉向的驅動方案，兩電機分別控制兩后輪的轉向和轉速來達到輪椅調速和轉向的目的，后輪差速轉向的驅動方案具有轉向靈活等優點。基于這種驅動方案，設計了與之相匹配的減速器及其他傳動機構。車身的設計采用了一種簡化型的車身骨架，結構堅固穩定又簡單輕便，并可靈活拆卸。電動輪椅的機械系統的設計，為新型低成本電動輪椅的設計開發打下了一定基礎

3、，提供了一種供參考的驅動方案和骨架結構。關鍵字：電動輪椅 設計開發 機械系統 差速轉向 計算機輔助設計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目錄第1章 緒論51.1課題背景及意義51.2國內外研究現狀61.3 本章小結8第2章 系統設計92.1設計分析92.1.1設計思路92.1.2本設計的主要工作92.1.3本設計的難點92.2驅動及轉向系統設計102.2.1輪椅驅動及轉向系統方案分析及選擇102.2.2后輪轉向式驅動及轉向系統設計132.3車身骨架設計152.4防傾裝置設計162.5本章小結17第3章 詳細設計183.1驅動電機的選型183.2蓄電池的

11、選用203.3減速器設計213.4鏈傳動設計253.5車身骨架設計263.6電動輪椅基本參數283.7 inventor三維建模28第4章 圖例30第5章 結論及展望31參考文獻32第1章 緒論電動輪椅是一種以蓄電池為能源、電機驅動的輪椅車。具有省力、操作簡便、車速平穩、無污染和低噪音的特點。適于下肢殘疾、高位截癱或偏癱以及年老體弱者使用,是一種比較理想的移動或代步工具。1.1課題背景及意義隨著社會的發展，人口老齡化問題已經越來越凸顯，全球60歲以上的老年人口已達6億左右。2006年歐洲65歲以上的人口大約占該地區總人口的14.7%，達一億人以上，預計到2035年后將會超過16%，日本政府的一

12、份調查顯示，未來10年內，日本65歲以上人口的比例可能突破四分之一。我國也正在進入人口老齡化階段，60歲及以上的老年人已達到1.43億，占全國人口總數的10.97以上。預計到2010年我國老齡人口將達1.6億，約占人口總數的12%，并將于2015年突破2億，而到2044年前后甚至將高達4億。1這將意味著我國正面臨著世界各國從未遇到過的一場人口危機，即不遠的將來我國有勞動能力的人的數量要大幅度減少，而需要照顧的高齡者人數將要增加。高齡人的一個很大的障礙就是步行能力減弱，最后還可能不能行走，在這種條件下，需要有勞動能力的人照顧他們。為了節省勞動力，讓有勞動能力的人為國家作貢獻創造社會財富，就應該使

13、需要照顧的老年人和肢體殘疾者行動自立。因此，為老齡人和殘疾人提供一種方便、簡單、安全可靠的代步工具越來越引起全社會的重視和關注，對于這方面的基礎研究和產品設備的開發也將是我國未來經濟發展的重要課題。隨著科技的進步、工業的發展、環境的污染、交通的緊張，意外事故頻繁發生，殘疾人數在急劇增加。我國的殘疾人口每年以七十萬到八十萬的速度在增長，也就是說，每天增加兩千多名殘疾人，每四十秒鐘左右就要增加一名殘疾人。據2006年4月1日起至5 月31日結束的第二次全國殘疾人抽樣調查，目前，我國各類殘疾人總數 8296 萬人，殘疾人占全國總人口的比例為6.34。各類殘疾人的人數中肢體殘疾2412萬人，占29.0

14、7。2由于他們喪失了行走能力，因此他們的各種生活權益急需要得到保障，為殘疾群體的特殊需求也應得到關注。輪椅通常作為殘疾人和老年人的代步工具，現有手動輪椅存在一定缺陷，不能滿足使用者日常生活和出行需要。手動輪椅則缺乏動力效能，使用不方便。如當遇到刮風或者爬破時，普通的手動輪椅有時會很難前進，且大部分老年人體力虛弱，難以支持長時間的手推輪椅行駛。電動輪椅可以成為老年人、殘疾人及下肢癱瘓病人的代步工具，幫助他們提高行動自由度，讓他們能參加到健全人的正常生活中區，重新融入社會。電動輪椅相比普通輪椅更加方便，更安全，行駛平穩，速度可調節。電動輪椅還可以幫助部分下肢活動不便的病人更快的康復。近幾年，電動輪

15、椅以其諸多優點受到越來越多的老年人和殘疾人的歡迎。2009年全球對殘障人士電動車的需求約為72萬輛，其中電動輪椅為34萬輛，電動代步車為38萬輛，預計全球殘障人士機動用車于2012年的總需求量約達80萬輛。3電動輪椅有著廣闊的市場空間。隨著中國經濟的發展和中國老齡化程度的加劇,電動輪椅將會有很大的市場潛力。據了解,在國外高性能電動輪椅生產廠家集中在美國、德國、英國、瑞典和日本。但是電動的輪椅價格不菲。最低檔次的價格也在人民幣3萬元左右, 多功能和高性能進口電動輪椅價格達到人民幣十幾萬、甚至幾十萬元。這樣的價格對我國的普通百姓來說太昂貴了，我國普通家庭的購買力有限，這就要求國內生產的電動輪椅不僅

16、實用性要強，價格也要便宜。經設計改裝的多功能輪椅，雖然在外觀和有些性能參數上還不及國外的高檔電動輪椅，但是對一般的家庭來說，它的實用性較強，成本也非常低廉，符合我國一般家庭的購買能力。因此，開發并研制高性能、低成本的電動輪椅有很重要的意義，并將給老年人和殘疾人士的生活帶來極大的幫助。1.2國內外研究現狀高性能電動輪椅的生產廠家集中在國外，技術較先進的國家有美國、德國、英國、瑞典、日本和比利時等。生產的電動輪椅功能強大，除一般功能外，還有可記憶地圖、自動導航、避障、自動行走、與用戶交互等功能，結構也多種多樣，有四輪式、三輪式、六輪式和履帶式等多種樣式，性能也較優秀，除能適應城市中平坦路況外，有些

17、還能登山越野，適應較大坡度和不平度的路況。近幾年，國外在高檔輪椅方面又有了很大的發展，例如IBOT智能輪椅，不僅能夠輕松平穩地在崎嶇和很大坡度的路面行駛，還能夠上下樓梯，而且可以利用2個后輪站立或行走。在日本，還發明了一種靠臉部表情來控制的高級電動輪椅，使用者只需在頭上系上一根特殊的帶子，然后通過改變表情就可以實現輪椅的運動。國內對電動輪椅的研究較晚，研究還不怎么完善，但近幾年發展很快。國內廠商生產的電動輪椅大部分為四輪式和六輪式，一般都具有調速、翻越簡單路障和防傾倒等功能。雖然國內電動輪椅研究還不太完善，但在一定的基礎上還是有所提高的。例如國內有些生產商在原有輪椅的研究上，發明出利用驅動左、

18、右動力后輪的左、右電機串聯連接設計，從而具有差動速度功能，使電動輪椅車行駛時穩定舒適、轉向可靠。4近幾年，還出現了可立可臥的多功能電動輪椅。湖南開福樂 可立可躺電動輪椅隨著機器人技術、人工智能技術和傳感器技術的進步，電動輪椅的研究朝著智能輪椅的方向發展。智能輪椅是智能型電動輪椅的簡稱。智能輪椅是將智能機器人技術應用于電動輪椅，融合多種領域的研究，包括機器人導航和定位、模式識別、多傳感器融合及人-機接口等，涉及機械、控制、傳感器、人工智能、通訊等技術，也稱智能輪椅式移動機器人。智能輪椅的種類很多，目前尚沒有一個統一的或權威性的定義。高性能智能輪椅通常同時具有電動輪椅與智能機器人的多種功能。作為一

19、種典型的服務機器人，智能輪椅不但可以為老年人和殘疾人提供一種良好的代步工具，而且可以具有自主導航、自主避障、人機對話等服務機器人所具有的各種功能，因而可以幫助殘疾人和老年人提高自己的生活自理能力和工作能力，使他們更好地融入社會。自1986年英國開始研制第一輛智能輪椅來,許多國家投入較多資金研究智能輪椅。如美國麻省理工學院WHEELESLEY項目、法國VAHM項目、德國烏爾姆大學MAID(老年人及殘疾人助動器)項目、Bremen Autonomous Wheelchair項目、西班牙SIAMO項目、加拿大AAI公司TAO項目、歐盟TIDE項目、KISS學院TINMAN項目、臺灣中正大學電機系LU

20、OSON項目、我國863智能機器人智能輪椅項目及第三軍醫大學外科研究所項目等，由于各個實驗室的目標及研究方法不盡相同,每種輪椅解決的問題及達到的能力也不同。初期的研究,賦予輪椅的功能一般都是低級控制,如簡單的運動、速度控制及避障等。隨著機器人控制技術的發展,移動機器人大量技術用于輪椅,智能輪椅在更現實的基礎上,有更好的交互性、適應性、自主性。56智能輪椅向著高性能、多功能、智能化和人性化的方向發展。國外研制的智能輪椅法國VAHM 德國MAID 麻省理工 威爾斯利 日本 Orpheu1.3 本章小結 電動輪椅是老年人、殘疾人及其他行動不便者的理想代步工具，有著廣闊的市場空間。但現在市面上的電動輪

21、椅價格普遍較高，研制開發一種價格低廉、功能齊全的電動輪椅勢在必行。國外電動輪椅的研究較早，技術較先進的國家有美國、德國、英國、瑞典、日本和比利時等。國內對電動輪椅的研究較晚，研究還不怎么完善，但近幾年發展很快。隨著機器人技術、人工智能技術和傳感器技術的進步，電動輪椅的研究朝著智能輪椅的方向發展。第2章 系統設計電動輪椅機械系統主要由驅動及轉向系統、支承系統（車身骨架）、防傾倒裝置及其他輔助結構組成。2.1設計分析2.1.1設計思路本課題旨在設計開發一種適合老年人和殘疾人使用的經濟型電動輪椅。根據老年人和殘疾人心理和生理特點，電動輪椅必須有與之相適應的性能特點，分析國內外同類產品，結合我國的實際

22、情況，總結出要設計的電動輪椅應具備以下功能和特點：1.操作簡單靈活。乘坐者通過位于扶手上操作面板控制輪椅，上車即能駕駛，無需復雜的啟動工作。可輕松進退，靈活轉向，軟起動，軟停車，自動停止、智能剎車。操作面板上的液晶顯示屏可實時顯示輪椅功能狀態（車速、轉彎角度、電池剩余電量等），方便用戶控制。2.車身美觀堅固。輪椅外觀要美觀大方，可在戶內、戶外使用。車身骨架堅固，能承受較大沖擊而不變形，保證用戶安全。輪椅結構穩定，前后要有防傾翻裝置。3.座椅舒適安全。座椅結構設計要符合人體工程學原理，長久乘坐也不會感到疲勞。座椅的設計還要使4.功能齊全、成本低廉。除以上功能外，還應具有照明、警報等功能，以應對特

23、殊狀況。而輪椅總成本不能過高，應在5000元人民幣以內，以使大部分中國家庭都能接受。782.1.2本設計的主要工作設計開發一臺電動輪椅，首先要對國內外電動輪椅有較為細致的了解，以期借鑒優點改進不足，研究國內外現有電動輪椅的驅動方案和車身結構。前期的準備工作有以下兩點：1.搜集國內外電動輪椅領域的研究資料，了解電動輪椅領域的先進技術。2.調查市面上的主流電動輪椅，分析研究現有電動輪椅的優缺點以及可改進之處。特別是驅動方式以及各種方案的特點及適用環境。本課題的主要設計任務是電動輪椅的機械系統設計，主要有以下幾部分組成：1.輪椅驅動及轉向系統設計。 包括驅動及轉向方案的分析和選擇、驅動及轉向系統的整

24、體設計、電動機的選型、減速器的設計、其他傳動裝置的設計、蓄電池的選擇等。2.輪椅車身骨架設計。 包括人體坐姿分析、前后輪布置、骨架各組成部件形狀和尺寸設計等。3.輪椅整體三維建模。包括各零部件的建模和裝配，總裝配和生成二維工程圖。2.1.3本設計的難點本課題的難點是驅動及轉向系統的設計，驅動及轉向系統驅動電動輪椅的行駛和轉向，是電動輪椅的核心部分。它包括電機、與控制系統相連接電機控制器、減速器和其他傳動部分等裝置組成。能否平穩行駛和靈活轉向是決定電動輪椅機械系統設計成敗的關鍵，也是電動輪椅機械系統設計中的重點難點驅動及轉向系統的設計要求要考慮到電動輪椅動力性、安全性、電能利用率和輪椅成本等諸多

25、方面因素，需要宏觀把握，統籌兼顧。此系統的設計要求在現有電動輪椅驅動及轉向方案的基礎上通過改進提出多種供選方案，并結合所要設計的電動輪椅應具本有的特點和各方面因素分析各個方案的優缺點，選擇一種最合適的驅動及轉向方案，并對系統的各組成部分進行詳細設計。2.2驅動及轉向系統設計驅動及轉向系統完成電動輪椅的主要動作，是電動輪椅的核心部分。它包括電機、與控制系統相連接并控制電機轉速、轉向的電機控制器、與電機輸出端相連的減速器和其他傳動部分等裝置組成。驅動及轉向系統的設計要求其能使輪椅平穩的行進或后退，靈活并盡可能大角度范圍的轉向，快速的制動，并保證乘坐安全舒適。通過控制器控制直流電機轉速和轉向可以達到

26、調節后輪及驅動輪轉速和轉向的目的，從而控制輪椅的行駛速度和行進或后退。由于直流電機的額定轉速一般較高，遠高于輪椅平穩行駛時后輪所要求的轉速，而直流電機的額定輸出轉矩又較低，不足以驅動后輪克服地面摩擦阻力轉動，所以，必須在直流電機輸出端設置減速器，以減低輸出轉速，增大輸出轉矩。另外，由于路況原因，即使勻速直線行駛，輪椅后輪所受載荷也會有不同程度的變化，若將減速器輸出端直接剛性連接到后輪軸上，后輪所受載荷的劇烈變化會直接經減速器傳遞到電機軸上，影響電機的正常工作和使用壽命，還會對控制系統對電機轉速的控制精度有影響。所以，在減速器輸出端和后輪軸之間必須有添加其他傳動機構，以減弱載荷變化的劇烈程度，使

27、載荷趨于平穩。考慮到以上要求，設計可行的驅動及轉向系統的供選方案，并對各方案優缺點進行分析。2.2.1輪椅驅動及轉向系統方案分析及選擇電動輪椅驅動及轉向系統的設計方案靈活多樣，驅動及轉向系統方案的選擇對電動輪椅的機械效率、整車結構布置、行駛性能及控制方案的設計等有重要的影響，由于電動輪椅一般采用后輪驅動，所以根據轉向方式的不同，有兩種可采用的轉向方案：1.前輪轉向式 2.后輪轉向式方案一：前輪轉向式方案布置示意圖用一個直流電機驅動兩后輪轉動作為輪椅行駛主運動，通過調節直流電機轉速來改變輪椅行駛速度。一個步進電機控制兩前輪相對輪椅前進方向的偏轉角度，配合后輪主運動，使輪椅在行駛中轉向。控制系統向

28、步進電機輸送脈沖信號使步進電機轉過特定角度，步進電機通過三對交錯軸斜齒輪傳動驅動兩前輪同步偏轉（如下圖）。兩前輪偏轉軸頂端都裝有盤形彈簧，彈簧另一端固定在輪椅車身上，轉向完成后，控制系統不再向步進電機輸送脈沖信號，步進電機無輸出，兩前輪在彈簧力的作用下回復到初始位置，以實現轉向后前輪自動復位。前輪傳動機構后輪驅動軸由兩根半軸組成，兩半軸間裝有差速器，直流電機經一減速器與差速器相連。輪椅直線行駛時，兩后輪所受地面摩擦阻力相同，差速器向兩半軸輸出相等轉速。前輪偏轉一定角度，使兩后輪所受地面摩擦阻力不相等，內側后輪所受地面摩擦阻力大，差速器向兩后輪輸出不同轉速，使外側后輪轉速大于內側后輪轉速。輪椅轉

29、向時兩后輪被動實現差速。此方案的優點是驅動系統與轉向系統分開，行駛方向控制與行駛速度控制相互獨立，互不影響，基于這種結構的控制系統設計相對簡單，易于實現。轉向原理簡單，只需通過輸入步進電機的脈沖個數來控制前輪偏轉角就可實現轉向。且轉向精度高。此方案缺點是輪椅轉向必須在行駛過程中完成，轉向半徑大，而轉向角度小，不能實現原地轉向，輪椅的靈活性差，使輪椅在室內使用不方便。系統結構布置分散，占用輪椅底部空間較大。方案二：后輪轉向式方案布置示意圖用兩直流電機分別驅動兩側后輪，通過電子差速方式獨立控制兩側驅動車輪轉速，兩后輪等速轉動時，輪椅直線行駛，兩后輪不等速轉動時，輪椅向轉速低的后輪一側轉向。通過控制

30、兩后輪速差的大小和不等速轉動時間來調節轉向角度。轉速差越大，不等速轉動時間越長，轉向角度越大。當一后輪正轉，另一后輪反轉時，輪椅可原地360°轉向。如上圖所示，若輪椅后輪輪距為L、后輪半徑為r，要使輪椅在時間t內以轉向半徑R均勻轉過角度，需要控制內側后輪以角速度W1=(R-L/2)/（r*t）轉動，外側后輪以角速度W1=(R+L/2)/（r*t）轉動。采用雙直流電機驅動，所需直流電機功率約為單直流電機驅動時電機功率的一半，電機尺寸可以更小，兩直流電機及減速器等結構都布置在后輪軸線上，且省去了差速器和前輪的轉向系統，系統結構更為緊湊。但求電機轉速及轉矩范圍寬，對電機性能要求高。使用后轉

31、向，轉向靈活，可以任意轉向角度和轉向半徑轉向。此方案將驅動系統和轉向系統融為一體，雖只需控制兩直流電機轉速變化，即可實現輪椅的驅動和轉向。但是轉向時要求控制系統實時精確的控制兩直流電機轉速，對控制策略要求更高。910所要設計的電動輪椅應能同樣適應室內與戶外的使用，要求有較高的靈活度，而轉向的靈活度尤為重要，后輪轉向方案可實現輪椅的任意半徑。任意角度靈活轉向，前輪轉向方案適用于室外寬闊路面小角度大半徑轉向場合，室內轉向困難，幾乎無法在室內使用。綜上所述，決定采用后輪轉向式方案。2.2.2后輪轉向式驅動及轉向系統設計在后輪轉向式驅動及轉向系統中，后輪驅動軸被分成兩段半軸，兩直流電機經過固定速比減速

32、器減速分別獨立驅動兩側后輪，兩套電機、減速器及傳動機構的運動互不影響，并且分別接收控制系統傳來的控制信號。為保證當控制系統向兩直流電機輸出相同控制信號時兩后輪轉速、轉向相同，兩直流電機應選用相同型號，相應的，兩套減速器和傳動機構也應具有相同尺寸和傳動比。驅動方案單側示意圖此系統有兩套背對的直流電機和相應的減速器及傳動機構等都在后輪軸線方向上分布，由于輪椅輪距不可能太大，這就要求直流電機和減速器的軸向尺寸不能過大。而直流電機的軸向尺寸對直流電機的額定功率、扭矩等參數有影響，一般來說，具有越大額定功率、扭矩的同一系列電機軸向尺寸也越大。所以，在選擇直流電機時，應特別注意，既要盡可能的選擇較大扭矩的

33、電機，以減小減速器所需減速比，又要考慮到電機軸向尺寸的限制。11輪椅行駛中，前輪雖然不做控制，但在后輪差速轉向時，若前輪可隨意偏轉，會嚴重危害輪椅轉向性能和行駛安全。所以必須對前輪偏轉的靈活性加以限制，在前輪轉向軸上添加阻尼，以使前輪在受到地面摩擦力矩的時候才可偏轉一定的角度，并在摩擦力矩消失后自動復位。前輪阻尼裝置的設計如圖所示，扭轉彈簧一端固定在輪椅車身上，一端與前輪偏轉軸相連，車身與前輪偏轉軸之間安裝有推力滾子軸承。當前輪受到足夠大的地面摩擦力矩的時候，前輪偏轉軸克服彈簧阻力轉過一定角度，以使摩擦力矩與彈簧阻力矩相平衡。當摩擦力矩減小或消失時，前輪在彈簧力的作用下恢復到初始位置。2.3車

34、身骨架設計輪椅車身骨架是電動輪椅主體和支承結構，承載輪椅車身自重和乘坐者重量，電動輪椅的所有零部件最終都要裝配到車身骨架上。輪椅骨架的設計應考慮到驅動系統的布置，為驅動系統的部件留出充足空間，并使輪椅重心分布合理。輪椅椅座形狀需符合人體坐姿，使乘坐舒適。通過對人體坐姿和標準體型尺寸比例的分析，得出輪椅骨架的大概尺寸范圍：椅座尺寸在500mm×500mm左右，椅座離地面高度500-700mm，扶手高度250-300mm，椅背垂直高度500-700mm，傾角5°-10°，承腿架垂直高度300-450mm。（如下圖）輪椅車身側面主要尺寸車身骨架的設計要求結構即堅固穩定又

35、簡單輕便，并且可靈活拆卸組裝。為了簡化輪椅骨架結構，應盡量控制骨架組成零件數目。將不影響輪椅整體拆卸組裝的部分設計為整體，這樣可以減少了可拆卸連接件的使用，降低了車身的制造成本，也在一定程度上降低了輪椅車身自重，有助于提高電動輪椅能與利用率和運動靈活度；不必要的可拆卸部分的減少，也使車身骨架整體更加堅固，結構也更穩定。12由上圖可看出，電動輪椅車身骨架主要組成部分有椅座、椅背、扶手、底架、承腿架等，通過對市面上現有電動輪椅車身骨架結構的研究和分析，決定將其設計為四部分：側面骨架、椅座、椅背和底架板。側面骨架由扶手、底架、承腿架固連在一起組成，承載輪椅重量，并傳遞到前后輪軸上。椅座、椅背和底架板

36、都通過螺栓連接兩側側面骨架，保持兩側骨架始終平行；椅座承載乘坐者的重量；底架板上放置電機、減速器等部件。2.4防傾裝置設計電動輪椅在行駛中突然加速或減速和緊急制動會使輪椅前傾或后傾，小角的前傾或后傾會影響輪椅行駛平穩性，當傾斜角過大時會使輪椅傾倒，嚴重危害行駛安全。合理的分配輪椅整車重量，把輪椅后輪軸位置后移，使輪椅重心位于前后輪之間，靠近后輪的地方，可以減弱輪椅加減速和制動時前后傾的趨勢。減弱輪椅行駛中的搖擺。但是不可預知的突發外力作用依然有可能使輪椅發生大角度傾斜以致輪椅傾倒。所以，為電動輪椅設計防傾倒裝置是必要的。防傾裝置的作用是限制輪椅的最大傾角，以使輪椅只能發生小角度傾斜，防止輪椅前

37、后傾倒。防傾裝置有前后防傾輪組成。輪椅平穩行駛時，前后防傾輪不與地面接觸，當輪椅前傾一個較小的角度時，前防傾輪著地，以防止輪椅更大角度的前傾。如圖所示：2.5本章小結本文要設計一種適合老年人和殘疾人使用的經濟型電動輪椅，應具備操作簡單靈活、車身美觀堅固、座椅舒適安全、功能齊全成本低廉等特點。輪椅的設計工作包括驅動及轉向系統設計、輪椅車身骨架設計、三維建模。設計難點在于驅動及轉向系統設計。驅動及轉向系統采用后輪轉向式方案，具有轉向靈活，可以任意轉向角度和轉向半徑轉向和結構緊湊的優點。前輪阻尼裝置有助于保證轉向的平穩。驅動及轉向系統由成對的電機、減速器、鏈傳動等組成。車身骨架由側面骨架、椅座、椅背

38、和底架板組成，要求結構堅固穩定又簡單輕便，可靈活拆卸組裝。防傾倒裝置防止輪椅前后傾倒。第3章 詳細設計 電動輪椅機械系統詳細設計包括驅動電機的選型、蓄電池的選用、減速器設計、鏈傳動設計、車身骨架尺寸設計等。3.1驅動電機的選型目前常用的驅動電機有直流電機、交流異步感應電機、永磁無刷電機、開關磁阻電機和永磁同步電機等。它們的各方面性能比較如下表：電動輪椅對驅動電機性能的基本要求有：1.足夠大的起動轉矩,以滿足電動輪椅快速啟動、加速、爬坡、頻繁啟、停的要求；電機的調速范圍小，一般在 25%100%最大轉速范圍內，近似有小轉矩、恒功率的輸出特性，滿足電動輪椅以較高車速勻速行駛工況的要求；2.比功率大

39、(比功率定義為單位質量能提供的最大功率)，以最大功率計時，一般應達(11.25)kW/kg 以上；3.快速的轉矩響應特性，在各種車速范圍內能快速柔和地控制驅動和制動轉矩，要求電機可控性高、穩態精度和動態特性好；4.具有良好的環境適應性，在不同的工作條件下能可靠地工作；5.維護簡單，工作噪聲低。無刷直流電機的特點是既有永磁體又有勵磁繞組，永磁體通常嵌入轉子之中，勵磁繞組固定于定子之上，通過調節勵磁電流控制氣隙磁通，它可以方便的在高速區進行弱磁調節，提高電機的驅動特性。同時無刷直流電機采用離散轉子位置反饋信號控制換相；并用交流方波供電，由于方波磁場與方波電流之間相互作用產生的轉矩比正弦波大。因此永

40、磁無刷電動機具有轉矩、功率密度大、位置檢測和控制方法簡單、效率高的優點。13電動輪椅驅動電機類型的選擇需要綜合考慮電動車動力性要求、電機的性能、重量、尺寸等技術水平因素和成本等經濟因素。電機輸出轉矩經減速器等傳動機構增大后帶動后輪克服地面摩擦力轉動，當整個驅動系統的輸出轉矩大于行駛中的阻力時，輪椅加速行駛；當輸出轉矩小于行駛阻力時，輪椅減速行駛。電機輸出轉速經減速器等傳動機構減速后的轉速即為后輪轉速。電動輪椅驅動力與行駛阻力的平衡關系可由下式給出：Ft=Ff+Fw+Fi+FjTtqi0igTr=mgfcos+CDAua221.15+mgsin+mdudt式中，Ft為驅動力；Ff為地面摩擦阻力；

41、Fw為空氣阻力；Fi為爬坡阻力；Fj為加速阻力；Ttq為所有電動機輸出總轉矩；T為傳遞效率；i0為減速器減速比； ig為其他傳動機構傳動比；r為后輪半徑；m為整車質量；f為滾動阻力系數；ua為車速；為道路坡度；CD為空氣阻力系數；A為車輛迎風面積；為輪椅質量換算系數。1415由于我們要設計的電動輪椅的期望行駛速度為515km/h，速度較低。行駛路況多為坡度很小的平坦路面，所以空氣阻力和坡度阻力都很小，相對地面摩擦阻力可忽略不計。所以當輪椅勻速行駛時，行駛阻力約等于地面摩擦阻力。即：mgf。輪椅勻速正常行駛時，電機輸出轉速與輪椅行駛速度有以下關系：v = wr / i0 ig 式中，v為輪椅行駛

42、速度；w為電機輸出轉速。現在我們來大概計算驅動電機所需性能參數。根據上一章輪椅車身骨架的大概設計我們可以估測電動輪椅車空車質量約為4050kg，輪椅車需能承載最大質量100kg的乘客一名。所以輪椅整車最大質量約為150kg。輪椅行駛在混凝土路面上，摩擦力為橡膠輪胎與路面的滾動摩擦力，查表可得，摩擦系數范圍為0.0100.020，取最大值f =0.020。可計算地面摩擦阻力為mgf = (100+50) ×9.8×0.020 =29.4N理論上，單級直齒輪減速器傳動比最高不超過4，鏈傳動傳動比小于8，但由于輪椅座椅下空間的有限，對減速器齒輪和鏈輪尺寸有很大限制。減速器和鏈傳動

43、的傳動比不可能太大。初步設定減速器傳動比為3，鏈傳動傳動比為3。傳遞效率以90%計。輪椅后輪直徑約在500mm左右。可大概求得每個驅動電機所需輸出轉矩：Ttq=mgf r/ (2 i0 igT) =29.4×0.25/(2×3×3×0.9) =0.4537N·m輪椅預期平均行駛速度約為10km/h，即2.78m/s.所以驅動電機平均轉速應約為：w = v i0 ig / r=2.78×3×3/0.25 =100.08rad/sn=955.69 r/min綜合考慮以上參數，決定選用山東博山山特電機廠生產的70ZW系列直流電機，

44、參數如下：額定功率0.1KW；額定轉矩0.5Nm；最大轉矩1Nm；額定轉速2000rpm；重量1.5kg；長度92mm；調速范圍202000rpm；電壓24V3.2蓄電池的選用蓄電池為電動輪椅行駛提供能量，是電動輪椅的又一重要部件。蓄電池作為電動輪椅唯一的能量來源，要具有容量大、工作穩定、壽命長和充電時間短等特點。常用的蓄電池主要有以下幾種：鉛酸電池：鉛酸電池的主要構成有正極板群、負極板群、隔離板、電槽、液口栓、防爆栓、玻璃棉及其它附件等。這種電池具有性能可靠、價格低、壽命長、維護方便，鉛原料豐富等優點，但其比能量低，輸出波動大，低溫性能差，充電時間長。目前電動汽車用電池約 95%是鉛酸電池。

45、鎳鎘電池：鎳鎘電池最大的優點是充電簡單，既可快速充電又可慢速充電，既可脈沖充電又可直流充電。其充放電循環次數高，循環壽命高達 2000 次，但必須周期性地進行全放電，否則在極板上將會產生大顆粒的活性物質結晶，失去活性，電池的容量會很快下降，出現通常所說的記憶效應，在電池貯存之后必須重新充電。鎳鋅電池：鎳鋅電池比能量高、材料成本低，但鋅電極有限的使用壽命限制了它的商業應用。鎳鋅電池的致命弱點是循環壽命短，大約僅為 300 次。這主要是由于鋅部分溶于電解液，而電解液中的鋅不能在同一位置以相同的形態得到分解和沉積，鋅電極形態的變化導致了電池容量衰退。鎳氫電池：與鎳鎘電池相比，鎳氫電池的能量密度要高4

46、0%左右，且不會污染環境；但其循環壽命不如鎳鎘電池高，這是由于該電池充電后期發熱量很大，會導致貯氫合金材料粉末化，貯氫量明顯下降，因此最好采用間歇式充電方法，其充電時間會比鎳鎘電池長，自放電速度也明顯大于鎳鎘電池，所以需要定期地進行全充電。其比能量和循環壽命均較鉛酸電池大2倍以上，適用于要求一次充電行駛距離較長的場合。銀鋅電池：正極板是氧化銀(AgO)，負極板是鋅(Zn)，電解液是氫氧化鉀溶液，外殼用不銹鋼或塑料制作。這種電池能量高，重量輕，溫度特性穩定，但價格高，壽命短。鋰離子電池：鋰離子電池使用的正負極材料都是層間化合物，充電時由外界輸入電能作用于鋰離子，使它由能量較低的正極材料遷徙到負極

47、材料層間形成高能狀態；放電時鋰離子自然地從能量較高的負極材料間脫出，返回到能量較低的正極材料層間，同時通過外電路釋放電能。電動輪椅動力蓄電池與一般起動蓄電池不同，它是以較長時間的中等電流持續放電為主，間或以大電流放電，用于啟動、加速或爬坡。電動輪椅對電池的基本要求可以歸納為以下幾點:(1)高能量密度(高質量比能量、高體積比能量)；(2)高功率密度(高質量比功率、高體積比功率)；(3)較長的循環壽命(充放電循環次數、工作年數多)；(4)較好的充放電性能(快速充放電性能和抗過充、過放能力好)；(5)電池一致性好；(6)價格較低；(7)使用維護方便；(8)其它性能好，無環境污染問題(電池生產、使用、

48、報廢回收的過程中不能對環境產生不良影響)。綜合上述，目前應用最廣泛的還是鉛酸電池，除了以上優點外，還主要在于它的技術比較成熟、價格比較便宜和穩定可靠的性能。目前實用化的動力蓄電池除了電動自行車外，各種特種車輛和電動車也都使用鉛酸電池。所以選用鉛酸電池作為電動輪椅蓄電池。3.3減速器設計要設計傳動比為3 的齒輪減速器， 考慮到直齒圓柱齒輪減速器單級傳動比最大為4，斜齒輪為5，行星齒輪減速器單機最大傳動比為8。16決定采用單級直齒圓柱齒輪減速器。由于輪椅椅座下部空間的限制，減速器的尺寸應在200×150×120mm以內。所以兩齒輪中心距應小于80mm。1.選擇齒輪材料小齒輪 4

49、5 調質 HB2=240大齒輪 45 調質 HB2=2402.初步計算齒寬系數d：取d=1接觸疲勞極限 Hlim :Hlim1 = 590MPaHlim2 = 590MPa初步計算需用接觸應力H：H1=0.9Hlim1=0.9×590=531MPaH2=0.9Hlim2=0.9×590=531MPaAd值：取Ad=90（直齒輪 =0°）初步計算小齒輪直徑d1：d13T1dH22×u+1u=90×31×10001×5312×3+13=15.11mm由于軸最小徑向尺寸和軸承最小內徑的限制，取d1=29mm.初步確定齒寬

50、：b=dd1=1×29=29mm3.齒面接觸疲勞強度計算圓周速度v：v=×d1×n60×1000=×29×200060×1000=3.04m/s精度等級：選8級精度齒輪齒數Z：取Z1=29，則Z2=i2Z1=3×29=87，取Z2=89.模數m：m=d1Z1=2929=1使用系數KA取1.5動載荷系數Kv取1.1齒間載荷分配系數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齒向載荷分布系數KH：KH=A+Bbd12+C×10-3b=1.17+0.1629292+0.61×10-3×29=1.35載荷系數K：K=KAKvKHKH=1.5×1.1×1.73×1.35=3.85彈性系數ZE=189.8節點區域系數ZH=2.5重合度系數Z：Z=4-31-+=4-1.7331-0+0=0.87接觸應力最小安全系數SHmin=1.05應力循環次數NL：按電動輪椅每天以10km/h的平均速度行駛3h預期輪椅壽命為五年計

52、算。NL1=10×10000.5×9×5×365×5=3.14×108NL2=NL1/i=5.23×108/3=1.05×108接觸壽命系數ZN1=1.14 ; ZN2=1.16許用接觸應力H：H1=Hlim1ZN1SHlim=590×1.141.05=641MPaH2=Hlim2ZN2SHlim=590×1.161.05=652MPa驗算許用接觸應力H=ZEZHZ2KTbd12×u+1uH=189.8×2.5×0.872×3.85×1×

53、;100029×292×3+13=267.84MPaH=267.84MPa<H1計算結果表明，接觸疲勞強度符合要求；否則應調整齒輪參數或改變齒輪材料，并再次進行驗算。4.確定傳動主要尺寸實際分度圓直徑d：d1=mZ1=1×29=29mmd2=mZ2=1×89=89mm實際傳動比：i=Z2Z1=8929=3.07中心距：a=d1+d2/2=59mm齒寬：b=dd1=1×29=295.齒根彎曲疲勞強度驗算齒形系數YFa：Zv1=29 ; Zv2=89取 YFa1=2.54 ;YFa2=2.20應力修正系數YSa：取 YSa1=1.62 ;YS

54、a2=1.80重合度系數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齒間載荷分配系數KF：KF=KH=1.73齒向載荷分配系數KF：b/h=29/2.25×1=12.89 , KF=1.3載荷系數K：K=KAKvKFKF=1.5×1.1×1.73×1.3=3.71彎曲疲勞極限Flim：Flim1=Flim2=600MPa彎曲最小安全系數：SFmin=1.25彎曲壽命系數：YN1=0.95; YN2=0.97尺寸系數：Yx=1許用彎曲應力

55、F：F1=Flim1YN1YXSFmin=600×0.95×11.25=456MPaF2=Flim2YN2YXSFmin=600×0.97×11.25=465.6MPa驗算彎曲強度：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 符合要求減速

56、器3.4鏈傳動設計鏈傳動具有傳動效率高；能在溫度較高、濕度較大的環境中使用；張緊力小，軸上載荷小等優點。電機額定工作時，減速器輸出軸轉速為666.7rad/min，后輪軸轉速為215rad/min；傳動功率0.1kw。選擇鏈輪齒數小鏈輪齒數：取z1=19傳動比：i=n1/n2=666.7/215=3.1大齒輪齒數：z2=iz1=3.1×19=59選取鏈節距初定中心距：取a=50p鏈節數：Lp=z1+z22+2ap+z2-z122pa=19+592+250pp+59-1922p50p 取Lp=142p傳動功率：P0KAPkzkp=1.1×0.11×1 P00.11k

57、w選用套筒鏈 JIS B1801:1997 04C-1 p=6.35確定實際中心距a=p4Lp-z1+z22+Lp-z1+z222-8z2-z122a=6.354142-19+592+142-19+5922-859-1922取 a=324.5mm計算作用在軸上載荷鏈速：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軸上載荷：FQ1.2KAF1=1.2×1.1×74.63 FQ=98.5N鏈傳動3.5車身骨架設計側面骨架主要有鋼管焊接而成，下部底架采用外徑40mm、內徑30mm的鋼管，扶手和承腿架部分鋼管外徑30mm、內徑20mm。側面骨架與椅座和底架板相連接的地方沿鋼管焊接厚度為2mm的鋼板，以方便打孔，用以