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世界最新機械設計理念
來源:中國科技期刊
摘要:根據(jù)目前國內(nèi)外設計學者進行機械產(chǎn)品設計時的主要思維特點，將產(chǎn)品方案的設計方法概括為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)模塊化、基于產(chǎn)品特征知識和智能。這幾種方法的特點及其相互間的有機聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設計計算機實現(xiàn)的努力方向。
關鍵詞：機械產(chǎn)品方案設計方法發(fā)展趨勢
設計文件是將語義設計網(wǎng)作為設計工具，在其開發(fā)的活性語義設計網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點和線條組成的網(wǎng)絡描述設計，結(jié)點表示元件化的單元(如設計任務、功能、構(gòu)件或加工設備等)，線條用以調(diào)整和定義結(jié)點間不同的語義關系，由此為設計過程中的所有活動和結(jié)果預先建立模型，使早期設計要求的定義到每一個結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關系間的定義表達，實現(xiàn)了計算機輔助設計過程由抽象到具體的飛躍。
系統(tǒng)化設計方法
系統(tǒng)化設計方法的主要特點是：將設計看成由若干個設計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設計系統(tǒng)所需完成的任務。
系統(tǒng)化設計思想于70年代由德國學者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為基礎，制訂了設計的一般模式，倡導設計工作應具備條理性。德國工程師協(xié)會在這一設計思想的基礎上，制訂出標準VDI2221技術系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設計方法。
1. 將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設計和零件設計、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎，從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過程出發(fā)，利用質(zhì)量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術目標和作業(yè)控制規(guī)程的方法。
2. 將產(chǎn)品看作有機體層次上的生命系統(tǒng)，并借助于生命系統(tǒng)理論，把產(chǎn)品的設計過程劃分成功能需求層次、實現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設計層次。同時采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
3. 將機械設計中系統(tǒng)科學的應用歸納為兩個基本問題：一是把要設計的產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)處理，最佳地確定其組成部分（單元）及其相互關系；二是將產(chǎn)品設計過程看成一個系統(tǒng)，根據(jù)設計目標，正確、合理地確定設計中各個方面的工作和各個不同的設計階段。
由于每個設計者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同，進行方案設計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設計方法。
4. 設計元素法
用五個設計元素（功能、效應、效應載體、形狀元素和表面參數(shù)）描述“產(chǎn)品解”，認為一個產(chǎn)品的五個設計元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設計學者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。
5. 圖形建模法
研制的“設計分析和引導系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)及其相關的抽象信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能關系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。
將設計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內(nèi)容豐富的語義模型結(jié)構(gòu)、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現(xiàn)關系間的任意結(jié)合等特點，將設計方法解與信息技術進行集成，實現(xiàn)了設計過程中不同抽象層間信息關系的圖形化建模。
6. “構(gòu)思”—“設計”法
將產(chǎn)品的方案設計分成“構(gòu)思”和“設計”兩個階段。“構(gòu)思”階段的任務是尋求、選擇和組合滿足設計任務要求的原理解?！霸O計”階段的工作則是具體實現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解。
將方案的“構(gòu)思”具體描述為：根據(jù)合適的功能結(jié)構(gòu)，尋求滿足設計任務要求的原理解。即功能結(jié)構(gòu)中的分功能由“結(jié)構(gòu)元素”實現(xiàn)，并將“結(jié)構(gòu)元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設計”是根據(jù)功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”，再定量地描述所有“結(jié)構(gòu)元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結(jié)構(gòu)示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設計單元(GE)”、“結(jié)構(gòu)元素(KE)”、“功能結(jié)構(gòu)元素(FKE)”、“聯(lián)接結(jié)構(gòu)元素(VKE)”、“結(jié)構(gòu)零件(KT)”、“結(jié)構(gòu)元素零件(KET)”等概念，以及描述結(jié)構(gòu)元素尺寸、位置和傳動參數(shù)間相互關系的若干種簡圖，把設計專家憑直覺設計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應用現(xiàn)有知識的方法，并將其應用于“構(gòu)思”和“設計”階段。
7. 鍵合圖法
將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設計方案的方法。
提倡在產(chǎn)品功能分析的基礎上，將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結(jié)構(gòu)，通過選擇和組合這些模塊化基本結(jié)構(gòu)組建成不同的產(chǎn)品。這些基本結(jié)構(gòu)可以是零件、部件，甚至是一個系統(tǒng)。
本結(jié)構(gòu)應該具有標準化的接口(聯(lián)接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟化，具有互換性、相容性和相關性。我國結(jié)合軟件構(gòu)件技術和CAD技術，將變形設計與組合設計相結(jié)合，根據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產(chǎn)品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。
以設計為目錄作為選擇變異機械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設計的解元素進行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設計目錄。并在解集設計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設計工程師選擇解元素。
網(wǎng)絡技術的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設計與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求→設計→加工→裝配→成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。但是，達到這些目標的重要前提條件之一，就是實現(xiàn)產(chǎn)品方案設計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設計軟件愈來愈多地應用于產(chǎn)品的方案設計中，虛擬現(xiàn)實技術以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設計中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達國家正著力于研究超媒體技術、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準STEP，以及標準虛擬現(xiàn)實造型語言上基于虛擬環(huán)境的標準交換格式)在產(chǎn)品設計中的應用。
機械產(chǎn)品的方案設計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設計和滿足異地協(xié)同設計制造需求的方向邁進，由于產(chǎn)品方案設計計算機實現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標的方案設計工具軟件。作者認為，綜合運用文中四種類型設計方法是達到這一目標有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領域較多，不僅與機械設計的領域知識有關，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網(wǎng)絡技術等各方面的領域知識，但仍然是產(chǎn)品方案設計必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效，我國設計學者也已意識到CAD技術與國際交流合作的重要性，及其應當采取的措施。
基于產(chǎn)品特征知識設計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設計領域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，建立相應的知識庫及推理機，再利用已存儲的領域知識和建立的推理機制實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品的方案設計。
機械系統(tǒng)的方案設計主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設計領域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗進行推量和決策，完成機構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實現(xiàn)這一階段的計算機輔助設計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此，國內(nèi)外設計學者針對機械系統(tǒng)方案設計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。
一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計
XXXXX
畢 業(yè) 設 計
設計題目:
一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設計
學 院:
專 業(yè):
班 級:
學 號:
學生姓名:
指導教師:
2016年04 月 24 日
28
摘 要
當前中國老齡化社會的壓力越來越大。項目針對老齡化社會護理人員多為女性且老式樓房沒有電梯的特點，設計具備爬樓梯功能的電動輪椅，從而有效提高老年人的生活質(zhì)量。
本次設計主要針對一種三星輪式電動爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)進行設計。首先，通過對電動爬樓輪椅結(jié)構(gòu)及原理進行分析，在此分析基礎上提出了總體結(jié)構(gòu)方案；接著，對主要技術參數(shù)進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設計與校核；最后，通過AutoCAD制圖軟件繪制了電動爬樓輪椅裝配圖及主要零部件圖。整個設計過程中包括其中的數(shù)據(jù)計算、傳動系統(tǒng)設計、電機等外購件選型、應用環(huán)境、維護保養(yǎng)等方面進行系統(tǒng)設計。
通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產(chǎn)品的設計方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。
關鍵詞：電動；爬樓；輪椅；行星輪
Abstract
With the advent of an aging society and increase number in the disabilities persons ,the wheelchairs play a more important role in the living, the staircase can be seen everywhere in life limits the use of an ordinary wheelchair, the purpose of this study is to design affordable and reasonable ,safe and reliable performance . When walking on level ground as an ordinary electric wheelchair ,and in others on the stairs like a simple auxiliary function of electric stairs.
Climbing stairs electric wheelchair is one kind of the service robots ,and it is the elderly and disabled peoples’ indispensable rehabilitation and transport ,To use a wheelchair old people and disabled people can physical exercise and participate in social activities .Considering the convenience of the elderly and the disabled peoples’ traveling ,researching and developing a climb stairs function wheelchair has the significant practical significance.
The design will be up and down the stairs to the electric wheelchair design, to meet the legs disabled and elderly automatic staircase function. From the main design, structure design, including the data computation, the transmission system design, the motor and purchased parts selection, application, maintenance and other aspects of system design. And draw the electric wheelchair2D assembly drawing and parts drawing.
Key words: Electric wheelchair Star wheel climbing device Structure design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1課題的研究背景及意義 1
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2.1履帶式 1
1.2.2星輪式 2
1.2.3腿足式 2
1.2.4復合式 3
第2章 總體方案設計 5
2.1總體類型選擇 5
2.1.1設計要求 5
2.1.2類型選擇 5
2.2 總體結(jié)構(gòu)設計 6
2.3行星輪機構(gòu)設計 7
2.3.1行星輪總體結(jié)構(gòu)概述 7
2.3.2行星輪架的中心距 7
2.3.3小輪半徑r的范圍值 8
第3章 驅(qū)動機構(gòu)設計 10
3.1動力系統(tǒng)參數(shù)選擇 10
3.2驅(qū)動電機選擇 10
3.2.1驅(qū)動電機的類型選擇 10
3.2.2選擇驅(qū)動電機的功率 10
3.3蓄電池選擇 12
3.4計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) 13
3.4.1各軸轉(zhuǎn)速 13
3.4.2各軸輸入功率 13
3.4.3各軸轉(zhuǎn)矩 13
第4章 主要零件設計計算 14
4.1齒輪傳動設計 14
4.1.1傳動比計算 14
4.1.2齒輪模數(shù)與齒數(shù)計算 14
4.1.3載荷系數(shù)計算 16
4.1.4幾何尺寸計算 18
4.2 鏈傳動設計 18
4.2.1鏈傳動設計計算 19
4.2.2鏈輪結(jié)構(gòu)尺寸設計 21
4.3軸及附件設計 21
4.3.1計算各軸的強度 21
4.3.2軸的結(jié)構(gòu)設計 22
4.3.3軸的強度校核 23
結(jié) 論 25
參考文獻 26
致 謝 27
第1章 緒 論
1.1課題的研究背景及意義
輪椅為老年人及下肢傷殘者帶來生活上的方便，隨著生活水平的提升，無障礙設施日漸增多，輪椅的使用范圍也逐步加大。然而，樓梯的存在卻使輪椅的使用受到了很大的限制,因此研發(fā)一種自動爬樓梯的輪椅是很有必要的。該課題是為了設計一款簡單易用且價格低廉的自動爬樓梯輪椅。盡管目前輪椅的研發(fā)正朝著多功能、智能化的方向發(fā)展，其中不乏涵蓋了一些具有視覺或語音控制的智能輪椅。但是就我國的現(xiàn)狀而言，大多數(shù)需求輪椅的老年人或下肢傷殘者經(jīng)濟狀況都不甚樂觀，對于那些功能繁多卻價格昂貴的爬樓梯輪椅，并不具備購買能力，因此研發(fā)一款體積小巧、操作簡單、價格低廉的自動爬樓梯輪椅更符合我國對自動爬樓梯的市場需求，具有一定的社會價值。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了較長的歷史，早在19世紀90年代就已經(jīng)有了此類專利的出現(xiàn)。自此，美、英、日德等發(fā)達國家就開始向此領域沖擊，經(jīng)過不斷努力開發(fā)，也出現(xiàn)了一些成果。由于起步較早，它們在這方面的技術也相對成熟，已經(jīng)推出此類產(chǎn)品。但現(xiàn)存產(chǎn)品都還存在各種瑕疵，還沒有一種能做到盡善盡美。我國對此類裝置的研究起步較晚，在近幾年也有一些成果產(chǎn)生，但距離形成成熟產(chǎn)品還有很長的路要走。
目前已經(jīng)存在的爬樓梯裝置也是各種各樣，可以按照爬樓方式分為履帶式、星輪式、腿足式以及復合式爬樓梯裝置。各種裝置都有自己的優(yōu)點，但也都存在一定不足。
1.2.1履帶式
履帶式爬樓裝置是目前應用較廣的一種方式，其原理簡單，有多款成熟產(chǎn)品問世。其中較為出名的是法國TopChiar公司研制的悍馬-H8型，如圖1.2.1a)。悍馬-H8在結(jié)構(gòu)上將平地電動輪椅和爬樓機構(gòu)融為一體，平地運動時履帶機構(gòu)收起，由后輪驅(qū)動，爬樓時履帶機構(gòu)放下，與輪椅底部成一定角度，爬樓時可調(diào)節(jié)，使乘坐者始終處于較舒適的狀態(tài)。
（a)法國悍馬-H8 （b) T09-ROBY
圖1.2.1履帶式爬樓裝置
履帶式爬樓機構(gòu)行走方式連續(xù)，抓地力強，上下樓時重心平穩(wěn)，安全可靠，但體積、重量及噪聲也較大。
1.2.2星輪式
輪式機構(gòu)在地面的運輸工具中應用范圍最大，國外的爬樓梯裝置設計中也常常采取輪式機構(gòu)。普通的殘疾人使用的輪椅及電動輪椅車也通常使用輪式機構(gòu)，輪式機構(gòu)體積小巧，結(jié)構(gòu)簡單且容易控制，運行起來既平穩(wěn)速度又快，工作能效高，并且由于轉(zhuǎn)向時候采取的差動傳動轉(zhuǎn)向半徑，這種轉(zhuǎn)向半徑很小，且易于轉(zhuǎn)向;圓柱型輪體機構(gòu)常常應用在一般的輪式機構(gòu)之中，在平地行走具有很大的優(yōu)勢，但是路況較差如崎嶇路面、樓梯狀況時，普通的輪式機構(gòu)又不能達到使用者的要求。
普通輪式機構(gòu)要想跨越臺階等障礙，其中一個必要條件就是車輪半徑至少要大于臺階高度，而且跨越臺階需要的能量很大，過程不穩(wěn)定，沖擊較大;而且樓梯臺階的寬度有限，如果一味的增大車輪半徑又會導致輪椅在臺階上失去了支撐點，這也是目前常規(guī)輪椅采用大的后輪而無法實現(xiàn)上下樓梯功能的主要原因。
1.2.3腿足式
腿足式爬樓輪椅的主要特點是爬樓動作是一個由腿足完成的不連續(xù)過程。早期的爬樓梯裝置多數(shù)都采用這種不連續(xù)方式。18世紀90年代Bray發(fā)明制造的爬樓梯輪椅采用的方式就是不連續(xù)方式。在爬樓過程中，兩套支撐裝置中的一套作為支撐，另一套爬升，運動軌跡為上升、平移、著陸，類似人的兩條腿一樣爬樓。腿足式爬樓梯裝置實際上就是模仿人類爬樓的動作。
（a） iFoot (b) WL-16RII
圖1.2.3腿足式爬樓裝置
1.2.4復合式
鑒于履帶式、星輪式、腿足式等裝置的優(yōu)缺點，在研究過程中，產(chǎn)生了一些其它的爬升裝置。例如由英國的Stairmatic，它是此類型爬樓梯輪椅的一個典型例子，如圖1.2.4（a)所示，它不僅理論成熟并且已經(jīng)通過了實際應用試驗。但是，僅能上下樓梯，對平地自主適應性差，使其距完美還有一定距離。另外約8萬余元人民幣的價格也讓多數(shù)人難以承受。但是復合式的復雜機構(gòu)與結(jié)構(gòu)，致使設計、控制、分析等工作都非常復雜。
（a）Stairmatic （b) ShrimpRobot
圖1.2.4復合式爬樓梯裝置
綜上所述，國內(nèi)外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有較長的歷史，成果也較多，誕生了很多的專利以及產(chǎn)品，但是它們或者結(jié)構(gòu)復雜、或者造價昂貴，總是存在這樣或那樣的缺陷。為了更好地解決老年人、殘疾人活動問題，提出一種整體結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量適中、安全性好、操作方便、價格適宜的爬樓梯輪椅方案是十分必要的。此外，考慮到輪椅的主要作用是平地行駛，故在做好爬升裝置的前提下更應將平地行駛功能做到最好?？梢钥闯?，雖然爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了一定的成果，但距離完美的產(chǎn)品的誕生還是有很長一段路需要走的。
第2章 總體方案設計
2.1總體類型選擇
2.1.1設計要求
設計要求如下：
（1）爬樓輪椅有效負重=60Kg；
（2）有安全保護設計；
（3）適合中國標準樓梯。
根據(jù)目前爬樓梯裝置的研究現(xiàn)狀，分析已產(chǎn)生的各種機構(gòu)的優(yōu)缺點，在充分考慮結(jié)構(gòu)、造價、安全性等重要因素的基礎上，研究設計電動爬樓梯輪椅。該設計在滿足爬樓梯輪椅的基本要求前提下，盡量做到結(jié)構(gòu)簡單，價格適宜，對臺階適應性強，安全性高等方面。具體要做到以下幾點:
(1)能爬樓、越障，平地時可作電動輪椅使用。
(2)爬樓時重心波動較小，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。
(3)作為電動輪椅時要符合，國標GB12996-91電動輪椅技術參數(shù)標準。
(4)輪椅車上下樓應與我們?nèi)粘Ａ晳T一致，避免反向上樓給使用者帶來的不便，同時確保上下樓過程的安全性。
2.1.2類型選擇
分析現(xiàn)有的三種典型爬樓梯機構(gòu)，綜合比較其缺點，見表2-1
表2-1典型爬樓機構(gòu)優(yōu)缺點對照表
爬升機構(gòu)
星輪式
履帶式
腿足式
臺階適應能力
一般
強
強
穩(wěn)定性
一般
強
差
控制難易
易
一般
難
機構(gòu)復雜程度
簡單
一般
復雜
對臺階是否損傷
否
是
否
行走阻力
小
大
大
通過對比以上各種爬升機構(gòu)的優(yōu)缺點，星輪式越障機構(gòu)優(yōu)勢突出，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，而且傳動機構(gòu)易布置，因此本課題采用星輪式越障機構(gòu)。
綜合考慮我國國情和普通消費者的購買能力，在三種爬樓梯機構(gòu)的性能對比分析，同時滿足輪椅的設計要求的基礎上，開發(fā)了一種既可滿足爬樓梯功能，又安全可靠，操作方便，通用性好而且價格適中的行星輪式多功能電動爬樓梯輪椅車。
2.2 總體結(jié)構(gòu)設計
輪椅的總體設計如圖2-2所示，主要由越障機構(gòu)（行星輪機構(gòu)）、車架、座椅、驅(qū)動機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)組成。
圖2-2 總體方案簡圖
(1)越障機構(gòu)：本課題采用一對星輪式機構(gòu)，行星輪并且左右分別對稱安裝，通過行星輪的公轉(zhuǎn)和自傳實現(xiàn)平地行駛與越障的轉(zhuǎn)換，以便順利通過各種路況；行星輪小輪之間通過齒輪傳動，每組行星輪一側(cè)安裝一對電磁離合器，通過電磁離合器的通與斷來控制行星輪支架的翻轉(zhuǎn)。
(2)車架：車架是整個輪椅車的基礎，應結(jié)合輪椅車總布置的要求來設計，還應具有足夠的強度和剛度，保證輪椅車可以順利通過各種復雜路況；質(zhì)量要盡可能小，應布置的離地面更近一些，使輪椅重心降低，有利于提高輪椅的行駛穩(wěn)定性。
(3)座椅：座椅起著支撐人體，使輪椅操縱方便和乘坐舒適的作用，因此這次設計要充分考慮使用者的要求
（4）驅(qū)動機構(gòu)：采用電機中置，鏈傳動與齒輪相結(jié)合的傳動方式，以使電機的傳動可以有效的傳遞給行星輪結(jié)構(gòu)，驅(qū)動輪椅的運動。
（5）轉(zhuǎn)向機構(gòu)：鑒于設計的車輪數(shù)目較多，如果直接采用前輪轉(zhuǎn)向或是后輪轉(zhuǎn)向，則同時有6個輪著地，并且同時要轉(zhuǎn)到6個輪才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，所需的轉(zhuǎn)向力將很大，造成轉(zhuǎn)向困難。為了解決這一困難，我單獨在輪椅的前邊設計了轉(zhuǎn)向輪并且還采用了機械傳動等，在平地行駛時使用者可以方便的通過控制轉(zhuǎn)向盤的傳動實現(xiàn)對輪椅的轉(zhuǎn)向，越障時依靠電機帶動轉(zhuǎn)向輪升高，防止轉(zhuǎn)向輪影響輪椅越障。
2.3行星輪機構(gòu)設計
2.3.1行星輪總體結(jié)構(gòu)概述
行駛機構(gòu)采用輪組結(jié)構(gòu)。輪組結(jié)構(gòu)中的小輪個數(shù)越少，結(jié)構(gòu)越簡單，但是輪組的翻轉(zhuǎn)力矩也越大，輪椅重心波動也就大，穩(wěn)定性越差。但隨著小輪個數(shù)的增加，輪椅重心波動減小，但是整個輪組機構(gòu)的結(jié)構(gòu)也越來越復雜。因此，本文輪椅的前輪采用一個小輪構(gòu)成輪組機構(gòu)，后邊是由三個小輪組成輪組機構(gòu)。
圖2-3行星輪機構(gòu)圖
2.3.2行星輪架的中心距
由建筑樓梯數(shù)協(xié)調(diào)標準GBJ101-87知：經(jīng)過測量樓梯的臺階長度高度在a=140mm-210mm之間，在220mm-320mm之間，計算樓梯的臺階角度在32°—35°之間。
圖2-3-1
（1）s，h最小時，兩小輪中心距不應大于，如圖2-3-1所示，根據(jù)幾何關系有：
(R)2≤ (2-3-1)
代入數(shù)值，求得：R≤180mm
（2）s，h最大時，車體后面行星輪架至少前傾，并且一小輪應至少能登上上一臺階，所以2R≥h=110mm。
綜上分析知，R的取值范圍是（110,180）。R應盡量大，但太大又影響體積的大小設定，所以綜合一下設計設計中取R=150mm。
2.3.3小輪半徑r的范圍值
（1）兩小輪半徑應小于小輪中心距，根據(jù)幾何關系有：
r≤R (2-3-2)
代入數(shù)值得：r≤R=150mm
（2）小輪最小時，支架不應與樓梯沿相碰。h最小時，這種可能性大，則
有幾何關系知：
sinα= (2-3-3)
tanβ=tan（90-α）= （2-3-4）
計算并代入數(shù)值：
α=arcsin≈32.606°
β=27.394°
所以
47.79mm
綜上可知：
r的取值范圍是（47.79,195），r應取較大值，以提高平地行駛速度，但是過大行星輪支架的半徑也越大，不利于機構(gòu)緊湊型和輕便型，因此我們?nèi)=105mm。特別指出的是，以上分析中R，r的值并不是固定的，只需要在其范圍內(nèi)取值即可。
第3章 驅(qū)動機構(gòu)設計
3.1動力系統(tǒng)參數(shù)選擇
對輪椅動力系統(tǒng)進行設計，必須結(jié)合輪椅在平地和爬樓等不同路況進行分析，以滿足各種路況下輪椅都能提供足夠的動力需求。根據(jù)電動輪椅的標準GB12996-91可知，對其主要技術性能的規(guī)定如表3-1所示：
表3-1電動輪椅國家標準
參考輪椅的運行實際情況，確定其技術指標為：平地行駛時最大運行速度為7.2km/h，最大爬樓速度為每分鐘20個臺階。輪椅攜帶四塊12v蓄電池，每塊電池容20Ah，一次行程40km以上。
3.2驅(qū)動電機選擇
3.2.1驅(qū)動電機的類型選擇
選擇驅(qū)動電機的類型，輪椅車依靠蓄電池來供電，為電機提供能源，一般可選步進電機、直流電機或是無刷直流電機作為驅(qū)動電機。
步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制，驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，可以準確定位和調(diào)速：轉(zhuǎn)矩大、慣性小、影響頻率高，但是其能耗大、轉(zhuǎn)速低，并且伴有振動和噪聲，不利于輪椅的穩(wěn)定型和實用性。無刷直流電機繼承了直流電機的優(yōu)點，采用電子換相電路，克服了傳統(tǒng)直流電機采用機械轉(zhuǎn)換裝置的弊病，具有無噪聲、免維護、可靠性高的優(yōu)越特性。因此我們選用48V的無刷直流電機作為輪椅的驅(qū)動電機。
3.2.2選擇驅(qū)動電機的功率
輪椅具有平地行駛和爬樓兩種不同的工作狀態(tài)，不同工作狀態(tài)對應不同的功率需求，因此先分別計算兩種狀態(tài)下驅(qū)動電機所需功率，然后再選擇驅(qū)動電機的額定功率。該輪椅自重為40kg，最大承載能力為60kg，因此輪椅的最大運行總質(zhì)量為100kg，該總質(zhì)量由前輪和后輪共同分擔，假設前輪和后輪分別承受總質(zhì)量的40％和60％，并且取輪胎與地面間的靜摩擦系數(shù)μ為0.71.
（1） 平地所需功率
平地行駛時，輪椅采用后驅(qū)動輪，后驅(qū)動輪組任意兩個小輪著地，克服與地面間的摩擦力前進，前輪隨之前進，同時設前輪與地面之間的摩擦力為。當時，輪椅在平地上正常行駛。
前輪承受的正壓力;
后輪承受的正壓力：
前輪承受的水平摩擦力：
后輪承受的水平摩擦力：
所以,滿足正常行駛要求。
所設計的輪椅直徑為D=195mm，輪椅平地的最大運動速度為V=2m/s，根據(jù)輪椅行駛速度和車輪直徑，計算輪椅車在平地上行駛的相關參數(shù)：
后驅(qū)動輪所需要最大轉(zhuǎn)速為：
后驅(qū)動輪所需最大角速度為：
后驅(qū)動輪最大切向加速度為：
后驅(qū)動輪最大角加速度為：
后驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動慣量為：
電機所需要的工作功率為：
輪椅包括齒輪傳動。鏈傳動和軸傳動，因此我們設傳動總功率為0.85，所以在平地行駛所需功率為：
（2） 輪椅爬樓時，由于速度較小，忽略空氣阻力和加速阻力，只有滾動阻力和坡度阻力，所以輪椅行駛方程式可以表示為：，其中α為坡度角。
查表可知，良好的瀝青路面和混凝土路面的滾動阻力系數(shù)f的數(shù)值為0.010-0.018，一般的瀝青和混凝土路面為0.018-0.020。平時路地行駛時我們?nèi)L動阻力系數(shù)為0.018，爬樓時因為大多數(shù)樓梯為混凝土或是大理石，所以我們把滾動系數(shù)取為0.020。因為平路行駛時α=0，所以受工作阻力為：
我們設計的輪椅最大爬坡度為40°，所以爬樓時工作阻力為：
所以，取F==974.3N，取v=0.2m/s，求得電機所需工作功率為：
綜上所述，為了使輪椅爬樓與越障時有足夠的驅(qū)動力，驅(qū)動電機功率必須大于0.13kw，并且有一定的剩余。輪椅的電動機的型號一般為DG-M4和DYW-60B,考慮到經(jīng)濟性及實用性，選擇DG-M4比較合適。主要性能參數(shù)如下表：
表3.1
型號
額定功率
額定轉(zhuǎn)速
額定負載
長
寬
高
DG-M4
144w
120r∕min
3.39N.m
305mm
125mm
123mm
3.3蓄電池選擇
輪椅裝載48V的蓄電池作為供電能源，同時可以滿足平地行駛和爬樓梯的要求。為了選擇性價比最高的蓄電池，一般從電池容量、電壓大小、重量、使用壽命和價格成本等幾方面進行考慮，市場上有四種常見的蓄電池：鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鋅電池和鋰電池。鎳氫電池、鎳鋅電池和鋰電池性能優(yōu)越，使用壽命長，但是價格昂貴，一般比鉛酸電池高4-5倍，增加了輪椅的制造成本。鉛酸蓄電池成本較低、應用歷史長、相對更加成熟，改進后的免維護鉛酸電池性能更加穩(wěn)定可靠，使用也更方便，得到了廣泛應用。因此，輪椅車選用免維護鉛酸蓄電池作為供電能源。
3.4計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)
3.4.1各軸轉(zhuǎn)速
電動機軸為O軸，與鏈傳動的高速軸為I軸，齒輪之間的傳動低速軸為II軸。
各軸轉(zhuǎn)速為
n0=nm=120r/min
ni=n0/i1=120/2=60
nII =nI/I2=60/3=30r/min
3.4.2各軸輸入功率
按電動機額定功率Ped計算各軸輸入功率，即
P0=Ped=144W
PⅠ= P0η1=144×0.94=135.36W≈0.135KW
PⅡ= PⅠη3=135.36×0.96=130W=0.13KW
3.4.3各軸轉(zhuǎn)矩
T0=9550×0.144/120=11.46N.mm
TI=9550×0.135/60=21.49N.mm
TⅡ=9550×0.13/20=62.08N.mm
將以上數(shù)據(jù)整理如下表
第4章 主要零件設計計算
4.1齒輪傳動設計
4.1.1傳動比計算
由前面已知上樓梯時，要使后輪轉(zhuǎn)動而爬上樓梯所需要的扭矩為170 功率 P=0.13kw .而所選電機額定轉(zhuǎn)速 =120 額定轉(zhuǎn)矩為5
已知外輪系的大徑為500mm
后輪由電機通過一級齒輪傳動和一級鏈輪傳動而進行上樓梯動作。
由 m=9549 可知
Ⅲ軸轉(zhuǎn)速=60
由于鏈輪3.4.5.6之間為等傳動比傳動，現(xiàn)假定三個鏈輪d=250mm
則軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速，由電機額定轉(zhuǎn)速
1.2齒輪之間的傳動比
4.1.2齒輪模數(shù)與齒數(shù)計算
（1）初選小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù)取
（2）按齒面接觸強度設計
試選載荷系數(shù)
計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
查表可知齒寬系數(shù) （小齒輪作懸臂布置）
查手冊可知材料的彈性影響系數(shù)
按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 ；大齒輪的接觸疲勞強度極限
由齒輪的工作力循環(huán)次數(shù)N的計算式
可算出兩齒輪的應力循環(huán)次數(shù)
則可查得接觸疲勞壽命系數(shù)
（3）計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為 1% 安全系數(shù)S=1
（3） 計算
試算小齒輪分度圓直徑 ，代入 中較小的值
計算圓周速度v
計算齒寬b
計算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù)
齒高
4.1.3載荷系數(shù)計算
（1）根據(jù), 7級精度，查得動載系數(shù)
直齒輪，假設
查得齒間載荷分配系數(shù)
查手冊得使用系數(shù)
而對于7級精度的小齒輪相對支撐懸臂布置時齒向載荷分布系數(shù)
查得
由 , 查手冊得
故載荷系數(shù)
按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑
計算模數(shù)m
（2)按齒根彎曲強度設計
彎曲強度的設計公式為
確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
（1） 查手冊得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 ，大齒輪的彎曲疲勞強度極限
（2） 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)
，
（3） 計算彎曲疲勞許用應力， 取彎曲疲勞強度安全系數(shù)s=1.35
則
（4） 計算載荷系數(shù)k
由 ， 查得齒形系數(shù)及應力校正系數(shù)
，，，
（5） 計算大小齒輪的 并加以比較
即：大齒輪的數(shù)值大
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小要取決于彎曲強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù)0.957并就近圓整為標準1.25mm，按接觸強度算得的分度圓直徑 算出小齒輪齒數(shù)，取大齒輪齒數(shù)
4.1.4幾何尺寸計算
（1） 計算分度圓直徑
中心距
齒輪寬度
取
（2） 驗算
合適
齒輪 1.2
4.2 鏈傳動設計
帶傳動適用于兩軸中心距較大的場合，改變帶的長度可以適用不同的中心距;帶具有良好的彈性，有緩沖和吸振的作用，因而傳動平穩(wěn)、噪聲小。且過載時候帶與帶輪之間會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，可防止損壞其他零件，起過載保護作用，結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝和維護方便，成本低廉。但是傳動的外廓尺寸較大，結(jié)構(gòu)不緊湊，且對軸的壓力大，帶與帶輪之間存在彈性打滑和滑動，不能保證準確的傳動比。機械效率低，帶的壽命較短，需要張緊裝置。
鏈傳動沒有彈性打滑和滑動現(xiàn)象，能保證準確的平均傳動比;張緊力小，軸與軸承所承受載荷較小；結(jié)構(gòu)緊湊，傳動可靠，傳遞圓周力；傳動效率較高，能在高溫、潮濕、多塵、油污等惡劣環(huán)境下工作。但鏈傳動不適于載荷變化大和急速反轉(zhuǎn)的場合且易磨損，從而產(chǎn)生跳齒脫鏈現(xiàn)象。
根據(jù)條件的需要，從三個方面考慮：一、上下樓過程中軸所承受的載荷要小，這樣可以提高軸的工作壽命；二、傳動效率要高，這樣在上下樓過程中在保證安全的同時也能減少人在推輪椅上樓的拉力，三、鏈輪放在坐墊下面，這樣不僅減少裝配空間而且封閉的鏈輪可以提高使用壽命。因此選擇鏈傳動比較合適。
4.2.1鏈傳動設計計算
（1）確定鏈輪齒數(shù)Z1、Z2:
因傳動比i=2，查表12-6選取Z1=27
則Z2=iZ1=27X2=54
（2）鏈輪轉(zhuǎn)速:
N1=120r/min
N2=n1/i=120/2=60r/min
（3）設計功率Pd:
由表12-7，取KA=1
由表12-8，取KZ=0.684
由表（12-4），Pd=KAKZP=1X0.684X0.144=0.098KW
（4）選用鏈條:
由Pd=0.098KW和n1=120r/min查圖12-9
選得鏈號為05B，節(jié)距P=8mm，單排鏈。
（5）驗算鏈速V :
由式（12-1）
V=Z1n1P/60X1000=27X120X8/60X1000=0.432m/s＜0.6m/s
在限定范圍內(nèi)。
（6）初選中心距ao:
因結(jié)構(gòu)上無限定，初選ao=35P。
（7）確定鏈節(jié)數(shù)Lp:
由式(12-5),初算鏈節(jié)數(shù)
Lpo=2ao/p+Z1+Z2/2+(Z2-Z1/2)XP/ao
=2X35P/P+27+54/2+()XP/35P
=111.03
對Lpo圓整并取偶數(shù)，則Lp=112。
（8）理論中心距a:
因Lp-Z1/Z2-Z1=112-27/54-27=3.15,用插值法求得
Ka=0.24818，則由式（12-7），得
a=[2Lp-（Z1+Z2）]KaP
=[2X112-(27+54) ]X0.24818X8
=283.92mm
（9）實際中心距a′:
a′=a-△a △a=(0.002-0.004)a,取△a=0.004a，則
a′=a-△a=283.92-0.004X283.92=282.78mm
（10）作用在軸上的力Fa:
由式（12-9）
Fa≈1000（1.2-1.3）P/V
=1000（1.2-1.3）X0.144/0.432N
=400-433.33N
（11）潤滑方式:
由P=8mm V=0.432m/s,查圖12-14
選用人工定期潤滑。
（12）鏈條標記:05B-1x112
4.2.2鏈輪結(jié)構(gòu)尺寸設計
（1）選擇材料及熱處理方法:
選用45鋼，淬火處理，硬度為40-45HRC。
（2）分度圓直徑d:
dI=P/sin180/Z1=8/sin180/27=68.97mm
dII=P/sin180/Z2=8/sin180/54=137.93mm
（3）齒頂圓直徑da:
由表12-1，得滾子外徑d1=5mm
由表12-2，damax=d+1.25P-d1
damin=d+（1-1.6/Z）P-d1,得
71.498mm≤d1≤73.97mm
140.69mm≤d2≤142.93mm
（4）齒根圓直徑df:
由表12-2，dfI=dI-d1=68.97-5=63.97mm
dfII=dII-d1=137.93-5=132.93mm
（5）齒形:按GB1244-85
（6）鏈輪公差:
齒根圓直徑公差為h11；齒頂圓直徑公差為h11；齒坯孔徑公差為H8；齒寬公差為h14；齒根圓徑向圓跳動小鏈輪為10級、大鏈輪為11級；齒根圓處端面圓跳動小鏈輪為10級、大鏈輪為11級。
4.3軸及附件設計
4.3.1計算各軸的強度
（1）后軸的計算
該軸的轉(zhuǎn)速 功率
①初步估算軸徑
選擇軸的材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，
查手冊可得材料力學性能數(shù)據(jù)為
根據(jù)公式
初步計算軸徑
初選空心軸內(nèi)外之比
則可查表得
則
考慮到軸需要加鍵，需將其軸徑增加4%~5%
故大錐直徑取
4.3.2軸的結(jié)構(gòu)設計
根據(jù)軸的受力，初選軸承6205，已知Ⅲ軸傳遞的轉(zhuǎn)矩
兩外輪系圓周力
前面已知四個等傳動比的鏈輪參數(shù)分別為：
有效圓周力
離心力引起的拉力
查表得
則
鏈傳動的壓軸力
對于水平傳動
則
求支反力
4.3.3軸的強度校核
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸及彎矩圖，轉(zhuǎn)矩圖，截面C處彎矩最大
安全系數(shù)校核計算
彎曲應力幅為
由于是對稱循環(huán)彎曲應力，故平均應力
由 式
式中，-1
取
結(jié) 論
畢業(yè)設計是對大學中所學知識的回顧，是對以往所學知識的綜合運用，鍛煉了我們的獨立思考能力、獨立解決工程實際問題的能力、畫圖能力，更是從課本中的理論知識到生產(chǎn)實際的轉(zhuǎn)變。
玉米收獲機主要創(chuàng)新特點在于攪拌葉片的安裝方法，殼體兩端焊接蓋板，目的是為了在葉片損壞或軸斷裂時方便拆裝，減少工作量，有利于節(jié)省成本，有一定的經(jīng)濟性。
在這之前，雖然經(jīng)過四年的學習學到了很多知識，但是還沒有機會來運用和掌握這些東西。通過這次實踐，我對機械設計過程都有了全面的了解，設計、計算和繪圖方面的能力都得到了全面的訓練和提高，也使我對機械產(chǎn)生了更加濃厚的興趣，更堅定了我從事機械行業(yè)的信心。設計初期，我去圖書館的網(wǎng)站內(nèi)下載了許多相關的文獻資料，對玉米收獲機有所了解，然后開始準備我的開題報告、任務書和文獻綜述。在總體結(jié)構(gòu)設計的過程中，我也遇到了很多困難，經(jīng)過多次的數(shù)據(jù)修改才把總體方案給確定下來，開始畫圖等工作。設計期間得到了我的指導老師的幫助，我覺得從與老師的溝通過程中，我能學到很多東西，老師可以從另外一個角度來啟發(fā)我，給了我很多幫助、鼓勵和指導。通過這段時間的設計，我已基本按照設計要求完成玉米收獲機的設計，但是由于本人知識水平有限，又沒有實際工作經(jīng)驗，本設計中定存在不足之處，敬請老師同學批評指正，提出寶貴意見，以便及時糾正。當然，我知道整個畢業(yè)設計還沒有結(jié)束，因為還需要答辯，還要有答辯老師的提問與意見，我的畢業(yè)設計才能最終畫上句號。因此，我還需要繼續(xù)努力，認真準備答辯，仔細檢查我的論文，更好的完善，為我的大學畫上一個圓滿的句號。
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致 謝
四年大學生活即將結(jié)束，畢業(yè)設計是本科教育的一個重要的關鍵性的環(huán)節(jié)，能順利地完成這次畢業(yè)設計離不開各位老師和同學的幫助。
首先應該感謝我的指導老師，在我們畢業(yè)設計階段，他工作認真負責的態(tài)度讓我十分敬佩。此外，他對待學生和藹可親，不厭其煩的為學生解決設計中遇到的困難，指導我們?nèi)绾卫砬逅悸?，順利的進行設計。在設計的整個過程中，給予我精心的指導與幫助，為我們的畢業(yè)設計付出了辛勤的勞動，傾注了大量時間和精力。沒有老師的幫助就沒有今天的設計成果，在此向他表示誠摯的敬意和衷心的感謝。
通過這次設計使我意識到遇到問題首先應該獨立思考問題并解決問題，同時在此過程中還讓我明白了一些做人的道理。在此表示真誠的感謝，同時也感謝在設計過程中幫助過我的老師和同學。
最后，感謝我的同窗好友，四年來我們朝夕相處，共同進步，感謝你們在大學四年里給予我的所有關心和幫助。