陳建楓, 周 丹, 董祖陽(yáng)

(1.攀枝花學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000; 2.浙江松田汽車電機(jī)系統(tǒng)股份有限公司，浙江 溫州 325200)

0 引 言

輪椅一直是老年人和殘疾人不可或缺的代步工具，隨著人們生活水平的提高，對(duì)輪椅有了更多的要求。而現(xiàn)有的輪椅以手動(dòng)居多，電動(dòng)輪椅雖然比手動(dòng)的要方便，但它們的功能較單一，使用者仍有不便。

因此在電動(dòng)輪椅的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一款具有電動(dòng)行駛、上廁所、升高取物、攀爬樓梯等多種功能的多功能助殘專用輪椅是非常有必要的。

1 多功能助殘專用輪椅的設(shè)計(jì)

多功能助殘專用輪椅主要由輪椅上廁所系統(tǒng)、輪椅轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪椅車身框架、輪椅攀爬樓梯系統(tǒng)、輪椅升高取物系統(tǒng)、輪椅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等構(gòu)成[1]，如圖1所示。

圖1 多功能助殘專用輪椅結(jié)構(gòu)圖

1.1 輪椅上廁所系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了方便不能自行入廁的肢殘人和老年人，在設(shè)計(jì)方案中設(shè)計(jì)了一個(gè)上廁所的方案。通過(guò)查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)市面上有座廁輪椅，分為小輪式坐廁椅、帶便桶的輪椅?？紤]到有些家庭和公共場(chǎng)所有坐便器，因此設(shè)計(jì)的輪椅下方要留有坐便器的空間，便于輪椅倒著進(jìn)入坐便器上方，讓不能自行入廁的肢殘人和老年人也能使用坐便器[2]。除此之外，在輪椅下方留有空間也便于在輪椅下方懸掛便桶，這樣便可以輕松實(shí)現(xiàn)不能自行入廁的肢殘人和老年人在戶外、室內(nèi)的上廁所難題。并且在輪椅下方留有空間也可以給輪椅以后的改進(jìn)留下空間。輪椅上廁所系統(tǒng)空間布局如圖2所示。

圖2 輪椅上廁所系統(tǒng)空間布局圖

1.2 輪椅轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前輪轉(zhuǎn)向式(三輪式)也用直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)使輪椅前進(jìn)，電機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變輪椅行駛速度。但在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中并沒(méi)有運(yùn)用電機(jī)，而是使用了一些簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)向。當(dāng)使用者坐在輪椅上搖動(dòng)手柄的時(shí)候，固定在輪椅架上的前輪隨之而左右偏移從而實(shí)現(xiàn)輪椅的轉(zhuǎn)向。輪椅轉(zhuǎn)向裝置如圖3所示。

1.3 輪椅車身框架設(shè)計(jì)

主框架部分還可以細(xì)分為:承重部分(包括電池的承重部分、電動(dòng)機(jī)的承重部分以及軸和齒輪的承重部分)、腳托和腿托部分、扶手或臂托部分。輪椅主框架如圖4所示。

圖3 輪椅轉(zhuǎn)向裝置圖 圖4 輪椅主框架圖

1.4 輪椅攀爬樓梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)

攀爬樓梯的功能實(shí)現(xiàn)、動(dòng)力的來(lái)源與代步功能相同,也來(lái)自于鏈輪傳動(dòng),兩者的不同點(diǎn)在于離合器所處方位不同。當(dāng)離合器處在中間位置，既不與主動(dòng)鏈輪(2號(hào))相連也不與內(nèi)三角輪架相連時(shí)，帶著圓柱銷的離合器與內(nèi)三腳輪架上的離合盤(pán)未咬合,動(dòng)力通過(guò)鏈輪傳動(dòng)傳至后輪主軸上帶動(dòng)固定在后輪主軸上的圓柱齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),這個(gè)中心大齒輪通過(guò)齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳至3個(gè)輪子上,這樣3個(gè)輪子全都保持獨(dú)立行走,實(shí)現(xiàn)平地移動(dòng);而當(dāng)移動(dòng)離合器, 使離合器處在右邊位置，可使其與內(nèi)三腳輪架連接在一起,這時(shí)外來(lái)動(dòng)力使后輪主軸旋轉(zhuǎn),因?yàn)殡x合器與后輪主軸通過(guò)鍵連接在一起,所以內(nèi)三腳輪架跟著主軸一起旋轉(zhuǎn),以此攀爬樓梯[3]。三角行星輪式攀爬機(jī)構(gòu)如圖5所示[4]。

1.5 輪椅升高取物系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在升高取物功能中,多功能輪椅采用了螺母絲杠機(jī)構(gòu)與平行四桿機(jī)構(gòu)的組合。使用者推動(dòng)手柄,離合器進(jìn)而移動(dòng)，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力通過(guò)主動(dòng)鏈輪(2號(hào))與從動(dòng)鏈輪(2號(hào))的鏈傳動(dòng)使圓柱齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，讓它帶動(dòng)錐齒輪傳動(dòng)，進(jìn)而使絲杠轉(zhuǎn)動(dòng);絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)后,螺母滑塊便會(huì)前后移動(dòng),向前移動(dòng)時(shí),借助平行四桿機(jī)構(gòu)使撐桿撐起座板,從而使人升高;向后移動(dòng)時(shí),就可使座板下降。使用者可以通過(guò)按控制器來(lái)控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)控制螺母滑塊的前后移動(dòng)，進(jìn)而控制座板的升高降低。

圖5 三角行星輪式攀爬機(jī)構(gòu)

圖6 輪椅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.6 輪椅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輪椅的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是多功能助殘專用輪椅的關(guān)鍵系統(tǒng)，正是該部件的設(shè)計(jì)和運(yùn)用才使得該產(chǎn)品不僅可以在平地上安全、方便的行駛，同時(shí)通過(guò)動(dòng)力的轉(zhuǎn)換，還可以實(shí)現(xiàn)輪椅的攀爬樓梯以及升高取物這些特殊功能。該系統(tǒng)部件主要由傳動(dòng)軸1、傳動(dòng)軸2、動(dòng)力轉(zhuǎn)換部件、離合器、電動(dòng)機(jī)以及若干齒輪和軸承組裝而成，如圖4所示。其運(yùn)動(dòng)的過(guò)程是：

電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸1相連使2個(gè)主動(dòng)鏈輪(1號(hào))轉(zhuǎn)動(dòng);通過(guò)鏈條傳動(dòng),將動(dòng)力傳至2個(gè)從動(dòng)鏈輪;2個(gè)從動(dòng)鏈輪分別通過(guò)與之相連的后輪主軸帶動(dòng)固定在后輪主軸上的圓柱齒輪轉(zhuǎn)動(dòng);最后依次通過(guò)圓柱齒輪傳動(dòng),將動(dòng)力傳到與后輪相連的軸上。

(1) 平動(dòng)：當(dāng)離合器處在中間位置，既不與主動(dòng)鏈輪(2號(hào))相連也不與內(nèi)三角輪架相連時(shí)，帶著圓柱銷的離合器與內(nèi)三腳輪架上的離合盤(pán)未咬合,動(dòng)力通過(guò)鏈輪傳動(dòng)傳至后輪主軸上帶動(dòng)固定在后輪主軸上的圓柱齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),這個(gè)中心大齒輪通過(guò)齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳至3個(gè)輪子上,這樣3個(gè)輪子全都保持獨(dú)立行走,實(shí)現(xiàn)平地移動(dòng)。

(2) 攀爬樓梯：而當(dāng)移動(dòng)離合器, 使離合器處在右邊位置，可使其與內(nèi)三腳輪架連接在一起,這時(shí)外來(lái)動(dòng)力使后輪主軸旋轉(zhuǎn),因?yàn)殡x合器與后輪主軸通過(guò)鍵連接在一起,所以內(nèi)三腳輪架跟著主軸一起旋轉(zhuǎn),以此攀爬樓梯。

(3) 升高取物：當(dāng)移動(dòng)離合器, 使離合器處在左邊位置，可使其與主動(dòng)鏈輪(2號(hào))連接在一起,這時(shí)外來(lái)動(dòng)力使后輪主軸旋轉(zhuǎn)并且?guī)?dòng)主動(dòng)鏈輪(2號(hào))旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)一系列的傳動(dòng)使座板上升下降，實(shí)現(xiàn)升高取物的功能。

其結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵所在就是：離合器所處位置的不同。輪椅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖6所示，離合器如圖7所示。

圖7 離合器示意圖

2 多功能輪椅車結(jié)構(gòu)有限元分析

車身主體采用的材料是Q235，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，材料的許用應(yīng)力為117.5 MPa，所采用的板的厚度分別為3、10、20 mm。通過(guò)定義面面接觸來(lái)模擬滾珠在絲杠上的滾動(dòng)，取摩擦系數(shù)為0.003，主面為滾珠絲杠副，從面為絲杠。根據(jù)輪椅實(shí)際工作情況建立了兩種典型工況 ：第一種是座板架升高到最高點(diǎn)處，此時(shí)絲杠受到的彎曲力最大，為了保證輪椅的強(qiáng)度和剛度要求，需要分析輪椅此時(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形；第二種工況是在輪椅攀爬樓梯時(shí)，此時(shí)輪椅后輪軸承受載荷較大，因此需要分析此時(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形[5]。

2.1 座椅架體升至最高點(diǎn)處的靜強(qiáng)度分析

座板架升至最高點(diǎn)應(yīng)力分布云圖如圖8所示。從圖8中可以看出，大部分零件都滿足強(qiáng)度要求，但大小座板、座板架以及框架的一些地方超過(guò)了材料許用應(yīng)力值。因此需要對(duì)這些比較薄弱的地方要進(jìn)行一些加強(qiáng)。

2.2 輪椅攀爬樓梯時(shí)的強(qiáng)度分析

(1) 在輪椅即將開(kāi)始攀爬樓梯時(shí)(即平動(dòng)狀態(tài))，大多數(shù)零件符合強(qiáng)度要求，但三角架以及后輪超過(guò)了材料許用應(yīng)力值，如圖9所示。

圖8 座板架升至最高處應(yīng)力分布 圖9 行星輪即將爬樓梯時(shí)

(2) 當(dāng)輪椅攀爬樓梯時(shí)，有一種一個(gè)后輪接觸樓梯，另外兩個(gè)懸空的情況。在這種情況下，后輪、后輪主軸、后輪軸以及兩個(gè)三角架都超過(guò)了材料許用應(yīng)力值，有較為嚴(yán)重的變形，如圖10所示。

(3) 當(dāng)輪椅攀爬樓梯時(shí)，還有另外一種更為常見(jiàn)的情況，即兩輪接觸樓梯，一輪懸空。在這種情況下，大多數(shù)零件符合強(qiáng)度要求，但三角架以及后輪超過(guò)了材料許用應(yīng)力值，如圖11所示。

圖10 行星輪一輪接觸樓梯時(shí) 圖11 行星輪兩輪接觸樓梯時(shí)

3 改進(jìn)措施及其分析結(jié)果

3.1 結(jié)合本項(xiàng)目提出改進(jìn)措施

根據(jù)以上分析結(jié)果，輪椅車整體結(jié)構(gòu)比較合理，大多數(shù)零件的強(qiáng)度都符合要求，但個(gè)別零件強(qiáng)度不夠。一方面對(duì)于強(qiáng)度不夠的零件通過(guò)增加厚度值來(lái)改善強(qiáng)度情況，如增加框架中在前下部拐角處的厚度值到25 mm，座板架的厚度值也增加到25 mm。對(duì)于強(qiáng)度有盈余的零件可以通過(guò)減少厚度值或采用空心來(lái)減少整車質(zhì)量，提高行駛里程，如將輪椅的框架都采用空心方鋼。另一方面為了增加整體的方案強(qiáng)度和剛度，對(duì)輪椅車局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改：在輪椅框架前部變形較大處加裝類似加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)。

3.2 改進(jìn)后結(jié)果

基于以上改進(jìn)措施修改了輪椅車有限元模型，對(duì)座板架升到最高處和輪椅攀爬樓梯時(shí)的強(qiáng)度分析重新計(jì)算，結(jié)果如下：

改進(jìn)后升至最高處應(yīng)力分布云圖，如圖12所示。

變形量以及應(yīng)力較之前有了改善。雖然圖中小座板仍然承受較多的應(yīng)力，但實(shí)際是框架在受力，而框架整體情況還算良好，因此改進(jìn)后基本能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

圖12 座板架升至最高處應(yīng)力分布(修改后)

4 結(jié) 論

(1) 該輪椅是根據(jù)市場(chǎng)上賣出的普通輪椅的不便之處進(jìn)行了改進(jìn)成的電動(dòng)輪椅，可以實(shí)現(xiàn)平地行駛、攀爬樓梯、升高取物、上廁所等功能，減輕了使用人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，給老年人和殘疾人士的生活帶來(lái)極大的便利和幫助。

(2) 在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用有限元方法，對(duì)輪椅車進(jìn)行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。