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1、毕业设计题目：手推折叠轮椅的设计姓名：樊有鑫所在院系：机电工程学院专业班级：07机一指导老师：尹飞鸿2011年4月摘要目前绝大多数折叠式轮椅皆仅止于左右折叠，所以收折之后所占的体积仍是非常庞大，如此将造成搬运、载送上的困难，且施力不易，携带相当不方便，对于必须经常外出而行动不方便者，将形成非常大的负担。目前市面上亦有两三种可收折成手提箱大小的折叠式轮椅，称为组合式轮椅，但其最大的缺点是组装程序相当的复杂和费时，在每一次的使用前与收复过程中，必须经过相当繁琐的步骤，对于使用时间短而使用次数多的患者而言，是一个非常困扰的问题。本设计所要研究的手推型折叠轮椅仅以连杆机构所组成，从经过设计和设计要求的
2、限制，及各类参考文献中得出了最适合此类机构的是WatIl型六连杆机构，并且进行了应用材料确实定、杆件的力学分析和整体的结构设计，最后完成了实体3D模型的制作。所以本设计所研究的手推型折叠轮椅是由单一自由度收折，并且没有别离的零件，不需使用任何拆卸工具即可以到达收折后体积小、重量轻、操作简便，像行李箱拖行及站立收藏等特性，适用于下肢瘫痪、年老体弱多病和行动不方便者，是一种非常理想的代步工具。关键词：手推折叠轮椅；Wattl六联杆机构；3D模型；有限元分析AbstractMostofthefoldingwheelchaircanonlybefoldedinlateraldirectionandth
3、efoldedvolumeisstilltoobigtocarryortotransportanditbecomesaterribleburdenforactivewheelchairusers.Therearetwoorthreefoldingwheelchairssellinginthemarket,whichcanbefoldedintothesizeofasuitcaseandiscalledassemblywheelchairZ,Theirmajordefectislengthyandcomplicatedassemblingprocedures.Everytimetheuserfo
4、ldsorunfoldsthewheelchair,atediousprocessmustbeconducted,whichcausessevereproblemstodailywheelchairusers.Thisresearchdevelopedalinkage-typeportablewheelchair.AnoptimalWatt-Isix-barmechanismwasfoundaccordingtothedesignrequirementsanddesignconstraints.Afull-sizemockupwasbuiltafterthedimensionalanalysi
5、swasaccomplished.Theportablewheelchairdevelopedinthisresearchhasone-DOFwithnoseparatedparts.Itrequiresnotoolstooperate.Thenewdesignhascompactfoldedvolumeandlightweight.Itiseasytooperateandcanbedraggedlikealuggagecase.Therefore,itisanidealmobiletoolforeldersandhandicappedpersons.Keywords：hand-pushwhe
6、elchair；Watt-Isix-bar;3DModel;Finiteelementanalysis第一章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，而产品设计那么是关键。没有高质量的设计，就不可能有高质量的产品；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、经济性及平安性。1.1 折叠轮椅的研究现状由于
7、现代医学的开展和进步，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，其身体各局部器官正逐渐退化，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。根据中华人民共和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开展报告提供的数据，2005年底，中国60岁以上老年人口1.44亿，占总人口的比例达ll%o世界上60岁以上人口超过1亿的只有中国。现在我国60岁以上老年人口每年以3%的速度递增。在60岁以上的老年人口中，有相当
8、一局部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。另据第二次全国残疾人抽样调查数据推算，全国各类残疾人的总数为8296万人。其中肢体残疾有2412万人，占29.07%；多重残疾1352万人，占16.30%。在肢体残疾和多重残疾的群体中，有相当一局部在生活、工作中，在治疗疾病和康复训练中，也需要使用轮椅。如今，随着老年群体病人的增加，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。1.2 设计所需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平安标准是相当重视的。而经过现有的手推型轮椅收折机构的分类和分析后，
9、本课题所涉及的主要内容有：（1）需通过200Kg的配重检验，以到达平安标准的相关规定；（2）能产生导引轮椅翻转收折的动作机构；13）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，到达轻量化的设计。第二章折叠轮椅的方案选择2.1 折叠轮椅的结构方案归纳目前市场上的手推型折叠轮椅的收折方式可区分为剪式、连杆式、组合式及特殊构造等4种类型便携式收折机构。(1)、剪式收折机构，具有剪式收折机构的轮椅，其收折机构均配置一组或数组交叉对(cro
10、ssingpairs),使轮椅在收折机构时能像剪刀般作运动，从而将整体折叠收好。折叠此收折机构时，仅需将轮椅底架四周的垂直杆件向内并拢，使结合块依垂直杆件而向上方滑动，到达收折的效用，且收折完毕后，整台轮椅将呈束状，对于轮椅的运送或收纳均有很大的效果。如图2.1所示(2)、连杆式收折机构，此型轮椅为连杆数6、接头数7的单一自由度的折叠轮椅，假设将后杆10视为地杆，可将此收折机构归纳为Wattl型的6连杆组。利用焊接在活动基板上的挡板来阻挡后杆继续忘后运动，因此将拥有强度较佳的挡板设计。收折轮椅时，将椅背杆忘前翻转，因连杆的相互作用将迫使各杆运动而收折轮椅。此收折机构对于缩小收折后的体积有相当显
11、著的效果，单一动作即可到达轮椅的展开或收折，并且拥有站立收藏的功能，是具有进步性的创新设计。如图2.2所示图2.2连杆式收折机构(3)、组合式收折机构，此型轮椅收折后的体积小，可如行李箱运送，但在使用前所有零件必须一一装起，故此型轮椅为目前所有轮椅中收折体积最小者，但由于操作较为复杂，对于使用时间短而使用次数多的患者而言，是一个非常困难的问题。如图2.3所示图2.3组合式收折机构(4)、特殊构型收折机构，此型轮椅为了避开轮椅收折后的干预情形，左右的梯接位置不同，当轮椅收折时，先将左右的踏板向上翻起，再将右侧扶手向内翻折，最后收起左侧扶手，便完成了轮椅收折的动作，虽然构造简单，但是所到达的成效并
12、不逊于结构较复杂的轮椅，因此此型为一有效的轮椅收折设计。如图2.4所示图2.4特殊构型收折机构2.2 折叠轮椅的结构设计本课题所设计的手推式折叠轮椅，如下图2.2.1,此型轮椅为连杆数6、接头数7的图2.2.1手推式折叠轮椅的结构设计图如下图，活动构件数为5,低副数PL=7,没有高副，故自由度F=3n-2PL-PH=3X5-27-0=1o第三章折叠轮椅的材料选择与力学分析3.1 根据强度理论选择折叠轮椅的材料取一等截面直杆，在其外表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。从杆件外表可观察到：ab和Cd直线分别平
13、移至albl和Cldl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。根据观察到的外表现象，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。如下图3.1.1bl图3.1.1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,那么该横截面上的正应力为=NA(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
14、证杆件正常工作，那么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b=今cr(MPa)式中b表示杆件材料的许用应力，MPao本设计的轮椅主结构将采用直径为2CM管材，截面积A=-J2=314(mn),假设需4通过20Okg的重量，那么b=63.7(MPa).目前市场上轮椅的材料大多数都使用硬铝A合金管材，其最大的抗拉强度是370M2,即最大许用应力为370M2,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 根据刚度理论选择折叠轮椅的材料圆轴扭转时的刚度条件为：圆轴的最大单位长度扭转角m不超过许用单位长度扭转T角内，即(rad)O/
15、PTQ1000T180,或Omax=F-X6()mGlp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axW或ax网式中，y和分别为许用挠度和许用转角。扭转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，如下图3.2.IoMeMC图3.2.1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O表示，0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，外表纵向线的倾斜角用/表示。如下图322图3.2.2杆件扭转时的变形Jrd 4又(1 Ci) 0.1(74(I-Gf4)32所用的硬铝合金管材的许用单位长度扭转角。二1()m,切变模量G=8l(m,(mm4),根据上面的公式，得。a=理更X图二GIp0.73(o)m=1(o)m所以，该硬铝合金管材的刚度足够。弯曲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3.2.3(a)
