張玉葉,張 靖,趙蓓蓓
(1.蘇州托普信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215311;2.空軍濟(jì)南航空四站裝備修理廠,山東 濟(jì)南 250022)
我國目前已進(jìn)入老齡化社會(huì),截至2017年底,中國60歲及以上老年人口已超過2.41億,到2050年預(yù)計(jì)將達(dá)到4.87億[1]149。輪椅是很多老年人和相關(guān)的肢體殘疾人的代步工具,目前市場(chǎng)上的很多輪椅體積都比較大,并且沒有爬樓功能,在老年人出行的時(shí)候,都需要相關(guān)的輔助人員。
世界上的第一款爬樓機(jī)構(gòu)就是采用星輪爬樓方式,最初是由美國的一位工程師開發(fā)設(shè)計(jì)的,結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單實(shí)用。履帶式爬樓機(jī)構(gòu)是繼星輪爬樓機(jī)構(gòu)之后使用最多的爬樓機(jī)構(gòu),該種爬樓機(jī)構(gòu)相對(duì)于星輪式具有很好的適應(yīng)性。支撐式爬樓梯輪椅機(jī)構(gòu)工作原理主要來自于仿生學(xué),模仿人爬樓的動(dòng)作,兩個(gè)支撐裝置分別支撐,交替向前,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)爬樓動(dòng)作。
王占禮等[2]56通過單輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)三星輪組進(jìn)行爬樓翻轉(zhuǎn)試驗(yàn),爬樓機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊,動(dòng)作靈活,但動(dòng)力有所欠缺,且對(duì)翻轉(zhuǎn)過程中的平衡性考慮較少;李育文等設(shè)計(jì)了履帶式爬樓輪椅,雖穩(wěn)定性及其對(duì)各種路況的適應(yīng)能力有所提高,但也加劇了樓梯的磨損[3]135;Quaglia等將三星輪與履帶相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)爬樓,但履帶造成樓梯磨損的不足仍存在[4]84;周秋雨等通過在驅(qū)動(dòng)輪上安裝桿件翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)輪椅爬樓,但桿件前端橡膠套與臺(tái)階接觸面積小,受力集中,易損壞[5]74。
本文針對(duì)目前輪椅爬樓較為困難和爬樓輪椅舒適性的不足,設(shè)計(jì)了一款以星輪為基礎(chǔ)的爬樓輪椅,該輪椅爬樓方便,在使用時(shí)可保證乘坐者的舒適性。
依據(jù)目前爬樓機(jī)構(gòu)的種類,綜合對(duì)比各種爬樓機(jī)構(gòu)類型,其結(jié)果如表1[6]286所示。
表1 不同爬升越障機(jī)構(gòu)的對(duì)比
從表1的對(duì)比分析中可以看出,在所有類型中星輪式的爬樓機(jī)構(gòu)整體評(píng)價(jià)較好[7]25-29,因此本文選擇星輪機(jī)構(gòu)作為爬樓機(jī)構(gòu)的主要裝置,該種機(jī)構(gòu)具有爬樓穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),并且在平面行駛的時(shí)候,可通過電機(jī)完成動(dòng)力的提供。
首先需要對(duì)相關(guān)的關(guān)鍵部件進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì),因此在本文中,首先就要確定的是星輪尺寸和星輪架尺寸,星輪和星輪架的尺寸主要是依據(jù)樓梯來進(jìn)行確定,若爬樓機(jī)構(gòu)尺寸過大,則爬樓效果較差,會(huì)與臺(tái)階的臺(tái)面發(fā)生接觸干涉;如果尺寸太小,此時(shí)雖然爬樓效果較好,但是在平面行駛的狀況下,其適應(yīng)能力較差,遇到坑洼地面,則輪椅無法行駛,因此對(duì)爬樓機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)必須實(shí)用,需做較為深入的分析。
通過查閱文獻(xiàn)《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》,確定國內(nèi)普通臺(tái)階的高度不超過20cm,不低于14cm,臺(tái)階寬度不超過30cm,不低于20cm,并且寬度和高度需要滿足下式:
式中:a-臺(tái)階高度;
b-臺(tái)階寬度。
因此若需要保證星輪爬樓機(jī)構(gòu)的適應(yīng)能力,在最小寬度的臺(tái)面獲得穩(wěn)定支撐,臺(tái)階的支撐寬度應(yīng)該至少為20cm。依據(jù)該條件,可以確定星輪的直徑必須小于20cm,由于輪轂電機(jī)可以確定,因此另外兩個(gè)星輪尺寸需要依據(jù)輪轂電機(jī)確定。通過查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第六版,本文選用電機(jī)齒輪為19cm,因此星輪的直徑也為19cm。
通過公式1的條件,從而可確定踏步寬度bmin=20cm的時(shí)候,則可以確定的是踏步高度amin=14cm,踏步高度amax=20cm??梢钥闯雠罉歉叨群团_(tái)階寬度呈現(xiàn)反比的關(guān)系。
在圖1中,星輪半徑為r,輪架臂長為R,星輪中心距為l,星輪中心和樓梯邊緣之間的距離為x,依據(jù)圖1分析可以得到下式:
取a=amin,b=bmin,又由已知條件可知r+x≤20cm,得到:Rmax=14.1cm;
同理取a=amax,b=bmin時(shí),同上可以得到:Rmin=9.7cm。
最終確定星輪臂長R=12cm。
由圖1可以看出,兩個(gè)星輪安裝相切的時(shí)候,則星輪尺寸為最大:
代入a=amax,b=bmax時(shí)得出rmax>r,所以上文中的r=9.5cm較為合理。
通過圖1可以看出星輪尺寸和輪架尺寸為固定值的時(shí)候,可以推出關(guān)于輪臂寬度公式:
圖1 星輪機(jī)構(gòu)主要參數(shù)示意圖
將上述固定數(shù)值代入公式5,從而可以計(jì)算出t=4cm,因此星輪臂寬2t=8cm。
通過上文的計(jì)算,最終可以確定星輪機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)尺寸:R=12cm,r=9.5cm,t=4cm。
在爬樓機(jī)構(gòu)進(jìn)行爬樓的時(shí)候,機(jī)體處于下傾的狀態(tài),因此其所承受的扭矩等力也較大,為了保證整體質(zhì)量和體積較小,以減少爬樓負(fù)載,因此需要使結(jié)構(gòu)盡量地緊湊,在機(jī)械設(shè)計(jì)上需要設(shè)計(jì)有鏈傳動(dòng)、渦輪蝸桿和齒輪傳動(dòng)等機(jī)構(gòu)。
通過對(duì)各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析,最終本文采用行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)具有噪聲小、傳動(dòng)效率低等特點(diǎn)。
傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)原理如圖2所示,本機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)由兩級(jí)減速構(gòu)成,整體設(shè)計(jì)緊湊,第一級(jí)采用錐齒輪傳動(dòng),第二級(jí)傳動(dòng)采用星輪差速傳動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)中所采用的齒輪均為標(biāo)準(zhǔn)的漸開線齒輪,齒輪的模數(shù)均為2mm,通過圖2可以計(jì)算得出:
圖2 行星輪系機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理
首先固定齒輪4的齒數(shù)為70,因此該齒輪直徑可以通過模數(shù)計(jì)算得出,其結(jié)果為140mm,本文取其傳動(dòng)比為10,因此依據(jù)差速傳動(dòng)比計(jì)算公式得:
此外依據(jù)2K-H行星輪系裝配條件,從而可以得到公式7:
在上式中S、Z7和Z6均為相關(guān)的公因式,其中np為行星輪個(gè)數(shù),本設(shè)計(jì)上該數(shù)量取3,其次依據(jù)公式得:
從而可得出輪7的齒數(shù)為67,依據(jù)模數(shù),從而可以計(jì)算出輪7直徑為134mm,依據(jù)上式從而可以計(jì)算得出輪5的齒數(shù)為22,從而可以計(jì)算出其直徑為44mm。在安裝上輪5和輪6固定安裝在一個(gè)軸上,因此為了滿足以上條件,從而可以計(jì)算出輪6的齒數(shù)為20。
本文所設(shè)計(jì)的爬樓輪椅結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其中所涉及的零件較多。本文中對(duì)于模型的建模采用UG軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模。
星輪機(jī)構(gòu)是爬樓機(jī)構(gòu)中最為重要的一種機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)決定爬樓是否能夠成功,該系統(tǒng)中的星輪機(jī)構(gòu)包括前星輪與后星輪,前星輪只是三個(gè)普通的輪椅車輪組合在一起,而后星輪則是接受來自電機(jī)的動(dòng)力,從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器進(jìn)行工作,因此后星輪作為驅(qū)動(dòng)輪與前星輪的設(shè)計(jì)有所不同,后星輪的三個(gè)工作輪,主要是三個(gè)帶輪,需要通過帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)其進(jìn)行工作。在三個(gè)星輪中間處設(shè)計(jì)一個(gè)原動(dòng)帶輪,該帶輪的主要?jiǎng)恿碓从谥鬏S。通過主軸的轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)原動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)上下兩側(cè)的張緊輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),最終帶動(dòng)三個(gè)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而驅(qū)動(dòng)整機(jī)進(jìn)行爬樓。其三維建模如圖3所示。
圖3 后星輪三維模型
本文所設(shè)計(jì)的爬樓輪椅主要采用電驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng),通過直流電瓶對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),電機(jī)通過帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),最終經(jīng)過二級(jí)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)星輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。此外,還設(shè)計(jì)了電機(jī)固定架,其三維模型如圖4所示。
圖4 傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型
在爬樓輪椅進(jìn)行爬樓的時(shí)候,整個(gè)輪椅一定會(huì)發(fā)生向下傾斜的狀態(tài),為了保證爬樓的安全性以及乘坐者的乘坐舒適性,乘坐者的位置也要保持向下傾斜的狀態(tài)。因此椅座與機(jī)架之間的連接方式主要是采用滑輪的方式進(jìn)行連接,整機(jī)機(jī)架如圖5所示。
圖5 整機(jī)機(jī)架
座椅的安裝方式是將兩個(gè)軸穿過座椅,因此在工作的時(shí)候,通過滾動(dòng)軸承在滑軌之間的滑動(dòng),即可進(jìn)行滑動(dòng),其最終模型如圖6所示(圖6見下頁)。
圖6 爬樓座椅三維模型
筆者對(duì)該爬樓機(jī)構(gòu)進(jìn)行ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真,在軟件中設(shè)初始的輪轂轉(zhuǎn)速為55rom,三個(gè)輪轂所受到的合力為370N/m,將該項(xiàng)數(shù)據(jù)代入ADAMS中進(jìn)行仿真分析,從而可以得到輪轂角速度的仿真結(jié)果如圖7所示。
圖7 輪轂角速度
依據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù),對(duì)爬樓機(jī)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。由圖7可以看出,輪轂角速度變化較為頻繁,但是隨著時(shí)間不斷的推進(jìn),雖然數(shù)值一直在波動(dòng),但是變化量較小,整體穩(wěn)定在534o/s。輪轂理論角速度通常為527o/s,理論計(jì)算的數(shù)值和仿真所得到的結(jié)果,相差較小,因此說明該種仿真結(jié)果比較可信。通過仿真計(jì)算,該爬樓機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比主要依據(jù)齒輪傳動(dòng)和星輪之間的差動(dòng)所決定,上述理論在計(jì)算中,減速器為5∶1,傘齒輪傳動(dòng)比為3∶1,行星齒輪差速器傳動(dòng)比為11∶1,因此該種減速比為165∶1。
本文利用剛體動(dòng)力學(xué)方法[8]68,將其轉(zhuǎn)換成瞬態(tài)問題,該種方法可以較為簡(jiǎn)單地分析出傳動(dòng)輪齒的剛度和強(qiáng)度,施加相關(guān)的受力條件,其分析結(jié)果如圖8和圖9所示。
圖8 轉(zhuǎn)化等效應(yīng)力值
圖9 位移變形量
利用ADAMS軟件對(duì)爬梯機(jī)翻轉(zhuǎn)爬升系統(tǒng),在軟件中進(jìn)行了攀樓輔助裝備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和攀樓輪轂運(yùn)動(dòng)的仿真分析,從數(shù)據(jù)結(jié)果分析得到本方案設(shè)計(jì)的攀樓輔助設(shè)備的攀樓機(jī)可行性較高。應(yīng)用ADAMS軟件中的相關(guān)仿真模塊對(duì)輸出齒進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠性,并為之后的攀樓輔助設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化提供了依據(jù)。
本文針對(duì)國內(nèi)外研究、應(yīng)用現(xiàn)狀,創(chuàng)新性地提出了一種利用行星輪系爬樓的爬樓輪椅機(jī)構(gòu),并對(duì)其整體方案的設(shè)計(jì)以及各種關(guān)鍵問題作了深入地研究分析。主要完成了:
1.爬升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在眾多爬樓方案對(duì)比中選擇星輪作為爬樓機(jī)構(gòu)的主要爬樓裝置,并對(duì)其進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)與傳動(dòng)設(shè)計(jì)。
2.完成對(duì)模型的三維建模,應(yīng)用UG三維建模軟件,對(duì)輪椅的各個(gè)部分進(jìn)行建模,最后完成對(duì)模型的裝配處理。
3.應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,確保爬樓輪椅設(shè)計(jì)的可行性。