自動(dòng)多功能可調(diào)式便老輪椅的設(shè)計(jì)

李欣疏，徐樹平，王琛瑋，任祉亦，李春陽

(吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林，132022)

隨著我國人口老齡化日趨嚴(yán)重，高齡化的社會(huì)結(jié)構(gòu)已成為我國面臨的重大挑戰(zhàn).面對(duì)老年人日常行走和生活移動(dòng)等諸多困難，使用助老輪椅可以有效提升老年人群的生活質(zhì)量.既可以有效節(jié)省社會(huì)勞動(dòng)力，創(chuàng)造更大的社會(huì)價(jià)值，同時(shí)能夠滿足老年人群在日常生活中的基本活動(dòng).市面現(xiàn)售的輪椅價(jià)格在1.2～4.5萬不等，價(jià)格高昂且功能性較單一，難以滿足多功能的日常需求.本產(chǎn)品在普通輪椅的基礎(chǔ)上將其功能進(jìn)行改進(jìn)和整合，既能夠?qū)崿F(xiàn)輪椅靠背的自動(dòng)調(diào)整，也能夠?qū)崿F(xiàn)人員的“傳送”功能，使產(chǎn)品更加人性化[1-2].

1 輪椅的組成部分

輪椅總寬度為65 cm，總長度為104 cm，椅座的高度為51 cm，由輪椅架、扶手、輪、制動(dòng)裝置、靠背和座椅等主要部分組成.輪椅架采用折疊式結(jié)構(gòu)，折起后體積小，便于攜帶，材料選用薄壁鋼管，表面鍍鉻烤漆，重量較輕.輪椅裝有一對(duì)大輪和一對(duì)小輪，每個(gè)大輪裝有驅(qū)動(dòng)輪圈，使用者雙手驅(qū)動(dòng)輪圈使輪椅前進(jìn)、后退或轉(zhuǎn)向，前置小輪，可萬向轉(zhuǎn)動(dòng).制動(dòng)裝置采用手扳式剎車，起駐車作用.座椅和靠背內(nèi)置多根滾軸，外包皮革，實(shí)現(xiàn)人員的傳送，同時(shí)靠背由不完全齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整角度.如圖1所示.

圖1 輪椅實(shí)物圖

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 靠背和座椅的結(jié)構(gòu)

靠背和座椅均采用滾軸加皮帶的結(jié)構(gòu)，其原理同運(yùn)輸帶相同，可以方便使用者從床、沙發(fā)到輪椅間的轉(zhuǎn)移，如圖2所示.

圖2 靠背和座椅結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)靠背和座椅的尺寸，靠背安裝14根滾軸，座椅安裝11根滾軸，均勻分布，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且緊湊，受載均勻.滾軸采用空心三型聚苯乙烯管，重量較輕，既可以減輕輪椅的總體重量，又能保證座椅和靠背的強(qiáng)度.皮帶纏繞在均勻排布的滾軸外部，采用硅膠板材質(zhì)，有良好的彈性，耐老化，同時(shí)具有防水、阻燃、耐磨、耐油等優(yōu)良性能[3].

靠背采用自動(dòng)可調(diào)式結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)類似汽車座椅的靠背.座椅舒適度的好壞將直接影響乘坐者對(duì)輪椅的體驗(yàn)感，因此選擇舒適度較高的能夠滿足人機(jī)工程學(xué)要求的座椅，使輪椅的靠背能夠?qū)崿F(xiàn)從90°～180°調(diào)整.當(dāng)使用者需要移動(dòng)到床、沙發(fā)時(shí)，打開調(diào)節(jié)開關(guān)，靠背自動(dòng)展開，展至合適角度后停下進(jìn)行移動(dòng).

2.2 靠背調(diào)節(jié)方案

靠背通過液壓千斤頂來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使靠背實(shí)現(xiàn)角度的調(diào)節(jié)，液壓式千斤頂結(jié)構(gòu)緊湊，工作平穩(wěn)，有自鎖作用，如圖3所示.

圖3 液壓千斤頂

2.3 液壓自動(dòng)調(diào)節(jié)方案

千斤頂活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)可以通過凸輪機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和不完全齒輪機(jī)構(gòu)等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，為了保證傳動(dòng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，采用不完全齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[4-5].

主動(dòng)齒輪保留4個(gè)輪齒，根據(jù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間和停歇時(shí)間要求，從動(dòng)齒條加工16個(gè)輪齒.齒輪傳動(dòng)過程如下：主動(dòng)齒輪與齒條1進(jìn)入嚙合，齒條單向運(yùn)動(dòng)；主動(dòng)齒輪與齒條1退出嚙合，齒條靜止；繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的主動(dòng)齒輪與齒條2進(jìn)入嚙合，齒條反向運(yùn)動(dòng)；主動(dòng)齒輪與齒條2退出嚙合，齒條靜止.兩齒條由保持架固定，同步運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)示意圖如圖4所示.通過主動(dòng)輪帶動(dòng)的齒條往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)液壓千斤頂活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且整體尺寸較小，節(jié)省空間，使輪椅的造型更加簡(jiǎn)潔美觀.液壓自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置安裝位置如圖5所示.

圖4 不完全齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖

圖5 輪椅裝配圖

3 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)的選擇

電機(jī)阻力F=2 000 N,速度v=0.02 m/s，電機(jī)的有效功率為：

(1)

電機(jī)所需功率為：

(2)

故選擇直流減速電機(jī)，型號(hào)為XD37GB555系列永磁直流減速電機(jī)，具有體積小、低噪音、扭力大、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn).

3.2 齒輪的設(shè)計(jì)

3.2.1 工作條件及基本參數(shù)

采用不完全直齒圓柱齒輪，轉(zhuǎn)速n=20 r/min，扭矩T=62 N·mm，使用壽命10 y，每天預(yù)計(jì)使用8 h，中等沖擊[3-4].基本參數(shù)見表1.

表1 齒輪參數(shù)表

3.2.2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核

齒形系數(shù)YFa=2.97，應(yīng)力修正系數(shù)YSa=1.52，載荷系數(shù)K=1.3，彎曲疲勞強(qiáng)度極限σFmax=450 MPa，彎曲疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)YN=1,安全系數(shù)SF=1.4，計(jì)算需用彎曲應(yīng)力：

(3)

校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度：

=0.274 MPa<[σF] .

(4)

彎曲強(qiáng)度符合要求.

3.3 軸承的壽命校核

根據(jù)GB/T 276—1994選擇6000型號(hào)深溝球軸承，基本參數(shù)如表2所示.

表2 軸承基本參數(shù)表

深溝球軸承X=1，Y=0，當(dāng)量動(dòng)載荷：

(5)

軸承的壽命計(jì)算公式：

(6)

滿足設(shè)計(jì)要求.

3.4 輪椅架的設(shè)計(jì)

輪椅架需要承擔(dān)人體及座椅靠背皮帶等重量，總重量約G=1 250 N.輪椅架材料選擇45鋼，抗拉強(qiáng)度為600 MPa，屈服強(qiáng)度為355 MPa，則輪椅架支撐材料截面積：

(7)

輪椅的主結(jié)構(gòu)采用直徑為20mm的薄壁鋼管，符合設(shè)計(jì)需求[6-10].

4 結(jié) 論

在人口老齡化日益嚴(yán)重的現(xiàn)代社會(huì)，越來越多年老者的日常生活需求需要被滿足.本設(shè)計(jì)能夠滿足年老者對(duì)輪椅的多重需求，提高年老者的自理能力.輪椅靠背的角度可實(shí)現(xiàn)90°～180°的調(diào)節(jié)，使用者可以選擇適合自己的角度；通過不完全齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)千斤頂活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)更加穩(wěn)定；靠背放平調(diào)至180°，通過座椅和靠背內(nèi)置的滾軸，實(shí)現(xiàn)從輪椅至沙發(fā)和床等位置的移動(dòng).