折疊式單雙人兩用輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析*

崔吉超, 閆俊霞, 詹民民, 李 金, 張賤發(fā), 陳紹彬

(江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214000)

折疊式單雙人兩用輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析*

崔吉超, 閆俊霞, 詹民民, 李 金, 張賤發(fā), 陳紹彬

(江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214000)

隨著人口老齡化進(jìn)程的加快，老年人的出行問題逐漸突出。市場急需可以同時(shí)攜帶兩位老年人出行的雙人輪椅。該輪椅的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)雙人共坐。并且設(shè)計(jì)中運(yùn)用有限元分析與運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)，使產(chǎn)品更具科學(xué)性。該輪椅結(jié)構(gòu)具有折疊簡單、重量輕、體積小及安全性好等特點(diǎn)。

單雙人的轉(zhuǎn)換；可折疊；有限元分析；運(yùn)動(dòng)仿真

Abstract: With the accelerated process of population aging，The problem of the elderly people′s traveling is outstanding gradually . The market needs a wheelchair which can be used by two people at the same time. The design can achieve the goal of double sitting. Motion simulation and finite element analysis technology which used in the wheelchair design make the products more scientific. And it has characteristics of being folded easily, light weight, small volume and good safety.

Key words: single or double conversion; folded; finite element design method; motion simulation

0 引 言

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步，人類的壽命逐漸延長，各國老年人口不斷增加，高齡化的社會(huì)結(jié)構(gòu)已然成為世界各國的重大挑戰(zhàn)。中國從1999年進(jìn)入老齡化社會(huì)，并且老齡化進(jìn)程正在加速。截至2010年11月1日, 60 歲以上的老年人達(dá)到了1.78 億， 占人口總數(shù)的13．26%， 其中65 歲以上的老年人為1.19 億， 占總?cè)丝诳倲?shù)的8.87%。中國是世界上唯一的老年人口數(shù)量超過1 億的國家。2014 年中國老年人口數(shù)量將超過2 億，預(yù)計(jì)2025 年將達(dá)到3 億，到2042 年老年人口比例將超過30%。作為一個(gè)人口大國， 中國的老齡化社會(huì)不同于其他國家， 為“中國特色的人口老齡化社會(huì)”。除了老年人口基數(shù)大、增長快、空巢和失能困難老人多以外，中國的老齡化還呈現(xiàn)出先與工業(yè)化、與家庭小型化相伴隨、老年撫養(yǎng)比快速攀升等特點(diǎn)[1]。在60歲以上的老年人口中，有相當(dāng)一部分在日常生活以及疾病治療和康復(fù)過程中，都需要使用輪椅。此外，隨著人口老齡化進(jìn)程的加快，年輕一代的養(yǎng)老負(fù)擔(dān)越來越重，一對(duì)夫婦贍養(yǎng)四位老人的現(xiàn)象已非常普遍，老年人的出行問題也日漸突出。現(xiàn)階段市場上的輪椅全部為單人使用式，市場急需可以同時(shí)攜帶兩位老年人出行的雙人輪椅。針對(duì)這一市場供需矛盾，設(shè)計(jì)了一種折疊式單雙人兩用輪椅，并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真與有限元分析。

1 輪椅的整體結(jié)構(gòu)

針對(duì)現(xiàn)在的市場需求，輪椅需滿足以下要求：①可以實(shí)現(xiàn)單雙人模式的轉(zhuǎn)換；②結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便；③折疊后體積小，占用空間少。提出的設(shè)計(jì)思想是將剪式收折機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組合，在主椅上附加一個(gè)副椅，主椅與副椅以旋轉(zhuǎn)副聯(lián)接，單人使用時(shí)將副椅折疊后旋轉(zhuǎn)至主椅靠背后，雙人使用時(shí)將副椅展開旋轉(zhuǎn)90°，通過牙嵌式鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊，安全可靠。輪椅的整體結(jié)構(gòu)三維圖如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)的工作原理

2.1 副椅平行四邊形機(jī)構(gòu)與限位結(jié)構(gòu)

副椅的正面與側(cè)面都用兩根桿組成剪式機(jī)構(gòu)，并通過四個(gè)套筒與副椅主架的四根支撐桿聯(lián)接形成四個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)[2-4]，這樣折疊后的體積僅為傳統(tǒng)的剪式機(jī)構(gòu)的一半，使輪椅攜帶更方便；折套筒可沿支撐桿滑動(dòng)，折疊時(shí)只需沿橫向與縱向輕輕一壓即可實(shí)現(xiàn)副椅的折疊，操作非常簡單；支撐桿上分別設(shè)置一限位塊用于限位如圖2所示。

2.2 牙嵌式鎖緊機(jī)構(gòu)

在主椅與副椅的承重桿上分別設(shè)置凸塊，凸塊交錯(cuò)排列構(gòu)成如圖3所示的牙嵌式鎖緊機(jī)構(gòu)。雙人乘坐時(shí)，將副椅承重桿上的凸塊嵌入主椅承重桿上凸塊之間的槽中，并將圖4所示的鎖緊銷插入凸塊上的孔中，凸塊內(nèi)壁上開有如圖5所示的卡槽，將鎖緊銷旋轉(zhuǎn)90°即可鎖緊，凸塊交錯(cuò)堆疊提高了強(qiáng)度與剛度，使鎖緊更可靠，輪椅的安全性更強(qiáng)。

圖1 輪椅整體結(jié)構(gòu)三維圖 圖2 限位塊

圖3 牙嵌式鎖緊機(jī)構(gòu) 圖4 鎖緊銷

2.3 副椅輪子提升機(jī)構(gòu)

在副椅的萬向輪的支撐板上開有如圖5所示的S形槽，副椅旋轉(zhuǎn)至主椅后時(shí)可將輪子提升一定高度，避免輪子拖地。

3 輪椅運(yùn)動(dòng)仿真[5]

通過運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)可以迅速地分析和比較輪椅的多種參數(shù)方案，在運(yùn)動(dòng)仿真過程中檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的工作能力是否滿足功能需要，即其工作軌跡的合理性。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，在創(chuàng)建機(jī)構(gòu)后，給每個(gè)鉸鏈點(diǎn)定義需要的運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)類型后對(duì)其進(jìn)行仿真和干涉檢驗(yàn)。在UG NX8.0環(huán)境下建立輪椅車的三維模型，并在Motion Simulation中定義仿真參數(shù)，建立輪椅車的虛擬樣機(jī)。圖6為仿真過程輪椅的各種姿態(tài)。

圖5 S形槽 圖6 輪椅仿真姿態(tài)

4 重要部件有限元分析[6-8]

4.1 副座剪式交叉桿的有限元分析和結(jié)果

如圖7所示，剪式折疊機(jī)構(gòu)由兩根桿經(jīng)過鉚釘聯(lián)接。交叉桿的兩端圓孔圓心之間的距離為420 mm，為了能使兩根桿繞鉸支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)兩桿在一定角度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，需要在其中一根桿上開一個(gè)矩形槽，這一定程度上會(huì)降低桿的剛度和強(qiáng)度，甚至導(dǎo)致桿失效，所以有必要對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

圖7 交叉桿示意圖

(1) 桿件的材料選擇 為減輕輪椅的重量增加其便捷性，交叉桿的材料選用5086鋁合金，其特性如表1所示。

表1 5086鋁合金材料特性

(2) 有限元分析結(jié)果 將桿件左端圓孔固定，右端圓孔施加F=5 000 N、方向與桿件長度方向一致的拉力。將桿件離散化后求解，結(jié)果如圖8所示。

圖8 桿的有限元分析結(jié)果

由有限元分析結(jié)果可以看出最大應(yīng)變出現(xiàn)在桿的中間，為5.292×10-3mm, 變形完全在許可范圍之內(nèi)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在孔以及干的中間位置，5.47 MPa對(duì)比材料特性，可知桿件強(qiáng)度、剛度完全符合要求。

4.2 主座位下鉸鏈的有限元分析和結(jié)果

材料仍然選用選用5086鋁合金,將左端與輪椅后架連接的孔作為固定約束，在圖中與另外一個(gè)桿件用鉚釘連接的地方施加Y軸負(fù)方向的力；在連接面右端接觸的表面也施加Y軸負(fù)方向的力，求解之后得到如圖9所示結(jié)果。

由有限元分析結(jié)果可得出雙人輪椅前鉸鏈在承載兩個(gè)人時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況，假設(shè)兩個(gè)體重為100 kg的人坐在輪椅上時(shí)，如圖9所示，鉸鏈中間位置為應(yīng)變最大的位置，為0.006 7 mm，變形完全在許可范圍之內(nèi)；左端孔位置為應(yīng)力最大的位置，最大應(yīng)力為7.588 MPa對(duì)比材料特性，可知鉸鏈強(qiáng)度、剛度完全符合要求。

圖9 鉸鏈的有限元分析結(jié)果

5 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)輪椅產(chǎn)品的不足及對(duì)新型輪椅的功能要求，設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)單雙人兩用的折疊式輪椅，并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真與有限元分析，運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明輪椅運(yùn)動(dòng)與折疊時(shí)沒有干涉現(xiàn)象；有限元分析結(jié)

果表明輪椅的重要部件的強(qiáng)度與剛度完全符合要求，從而證明輪椅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的。

[1] 趙 超,余曉潔. 全國人大報(bào)告預(yù)測(cè)2014 年中國老年人口將超過2 億[J].南方農(nóng)村，2011(4):94.

[2] 劉樹青,王興松,汪木蘭.剪式機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模與仿真[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2011,11(30)：1881-1886.

[3] 劉 恒.螺桿螺母副驅(qū)動(dòng)的剪式機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù),2010,(39),8：107-108.

[4] 歸 正.X 形剪式升降平臺(tái)機(jī)構(gòu)的分析[J].建筑機(jī)械,1997(10)：9-11.

[5] 宋曉華,方坤禮.基于UG的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2005,18(1)：102-103.

[6] 任 怡,張峻霞,張建國,等. 立臥兩用電動(dòng)輪椅車的設(shè)計(jì)[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(1)：47-50.

[7] 呂緒忠,何寧,吳戈.基于UG 的三維參數(shù)化曲面車刀建模及ANSYS 強(qiáng)度分析[J]. 機(jī)械工程師，2014(2):85-87.

[8] 王宏臣，盛定高，黃銀花.新型多功能電動(dòng)輪椅的研制[J].機(jī)械，2008(9)：72-74.

Design and Analysis of Folding Single or Double Dual Wheelchair

CUI Ji-chao， YAN Jun-xia，ZHAN Min-min，LI Jin，ZHANG Jian-fa，CHEN Shao-bin

(InstituteofMechanicalEngineering，JiangnanUniversity,WuxiJiangsu214000,China)

2014-06-23

2013年度江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310295038X)

崔吉超(1991-),男，山東無棣人，在讀本科，研究方向：機(jī)械工程與自動(dòng)化。

TH122

A

1007-4414(2014)04-0166-03