某可躺式爬樓輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u83611.1行星輪系的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì) 2172111.1.1翻越臺(tái)階的幾何約束條件 319728（1）行星架不能碰到臺(tái)階邊沿 310144（2）能夠安全跨到下一個(gè)臺(tái)階 32488（3）不能觸碰到下一臺(tái)階的垂直面 4164571.1.2齒輪之間的齒數(shù)關(guān)系 5121481.1.3車輪與車輪之間的幾何關(guān)系 5279171.1.4各零件設(shè)計(jì)參數(shù)的范圍初選 620251.1.5最終參數(shù)確定 775681.2傳動(dòng)部分相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì) 7180051.2.1爬樓模式下的參數(shù)設(shè)計(jì) 8311111.2.2各校核參數(shù)計(jì)算 922372(1)傳動(dòng)裝置傳動(dòng)效率計(jì)算 96054(2)各軸功率計(jì)算 918628(3)各軸轉(zhuǎn)速計(jì)算 98554(4)精度確定 1020067(5)各軸轉(zhuǎn)矩計(jì)算 1029162(6)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)系數(shù) 1023151(7)計(jì)算接觸疲勞 1028738(8)計(jì)算 1098781.2.3校核接觸疲勞極限 11108481.2.4校核彎曲疲勞極限 11164161.3平地行走模式下的參數(shù)設(shè)計(jì) 1169711.1.1各校核參數(shù)計(jì)算 1230151(1)傳動(dòng)裝置傳動(dòng)效率計(jì)算 128124(2)各軸功率計(jì)算 1215750(3)各軸轉(zhuǎn)速計(jì)算 1330681(4)精度確定 136586(5)各軸轉(zhuǎn)矩計(jì)算 1323996(6)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)系數(shù) 1356(7)計(jì)算接觸疲勞 1319177(8)計(jì)算 1369991.1.2校核接觸疲勞極限 149551.1.3校核彎曲疲勞極限 141.1行星輪系的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)行星輪式爬樓梯輪椅的中包含了行星架、車輪、齒輪、軸承、銷、墊圈等一系列眾多零件。其中有部分零部件可以直接選用標(biāo)準(zhǔn)件，其他的零件也可以在滿足符合要求約束條件的一定范圍內(nèi)任意取值。下圖3-1為齒輪和車輪的相關(guān)尺寸示意圖。圖3-1齒輪車輪相關(guān)尺寸示意圖下表3-1為各個(gè)零件的尺寸參數(shù)表。名稱參數(shù)名稱參數(shù)一級(jí)齒輪齒數(shù)一級(jí)齒輪分度圓半徑二級(jí)齒輪齒數(shù)二級(jí)齒輪分度圓半徑三級(jí)齒輪齒數(shù)三級(jí)齒輪分度圓半徑齒輪模數(shù)齒輪面寬齒輪壓力角行星架有效半徑車輪半徑車輪寬度臺(tái)階高度臺(tái)階寬度表3-1各個(gè)零件的相關(guān)尺寸參數(shù)表1.1.1翻越臺(tái)階的幾何約束條件在行星輪式爬樓梯輪椅攀爬樓梯的過(guò)程中，其負(fù)責(zé)攀爬的行星輪系結(jié)構(gòu)必須滿足以下幾何約束條件。（1）行星架不能碰到臺(tái)階邊沿為了防止輪椅在攀爬樓梯過(guò)程中因行星輪系機(jī)構(gòu)與臺(tái)階接觸摩擦而引起磨損，需要保證輪椅在攀爬樓梯過(guò)程中行星架不能碰到臺(tái)階邊沿。當(dāng)行星輪處于如下圖3-2所示位置時(shí)，行星架與臺(tái)階邊沿距離最小。圖3-2臺(tái)階邊沿與行星架位置示意圖臺(tái)階邊沿到的距離為d1；行星架的外殼厚度為d2=7mm；齒輪齒頂與外殼內(nèi)壁的間隙d3=3mm；外殼距臺(tái)階邊沿的距離d4最小值為1.5mm。從上圖1.2中可以得出:（1.1）通過(guò)求解四邊形可求得（1.2）需滿足的約束條件為：（1.4）（2）能夠安全跨到下一個(gè)臺(tái)階要使輪椅能夠順利地攀爬到下一個(gè)臺(tái)階上，則必須滿足隨著行星架翻轉(zhuǎn)的第一個(gè)車輪A能夠安全地抵達(dá)下一個(gè)臺(tái)階水平面，即要保證車輪A的垂直中心軸線越過(guò)臺(tái)階的垂直面位置。如下圖3-3所示。圖3-3星輪跨到下一臺(tái)階水平面時(shí)的極限最小位置從圖中的幾何關(guān)系可以列出約束條件為：（1.5）（3）不能觸碰到下一臺(tái)階的垂直面按照本設(shè)計(jì)行星輪式爬樓梯輪椅設(shè)計(jì)期望，行星輪在攀爬樓梯的應(yīng)該是前輪抵達(dá)臺(tái)階后另外兩輪會(huì)繞著中心翻轉(zhuǎn)。如下圖1.4所示，如果半徑或車輪半徑太大而導(dǎo)致車輪C還未離開(kāi)上一時(shí)車輪A就已經(jīng)撞到下一個(gè)臺(tái)階垂直面，那么就可能出現(xiàn)卡死，而且在這種情況下整個(gè)輪椅將會(huì)因?yàn)樽矒舳?，不利于輪椅用戶的安全和舒適性體驗(yàn)。圖1.4星輪跨到下一臺(tái)階水平面時(shí)的極限最大位置從上圖中的幾何關(guān)系可以列出約束條件為：（1.6）因?yàn)檐囕喌陌霃揭∮谂_(tái)階的和，所以聯(lián)立(1.4)，(1.5)兩式可得：（1.7）1.1.2齒輪之間的齒數(shù)關(guān)系本文設(shè)計(jì)的行星輪系機(jī)構(gòu)中的三條支系都是一樣的，下面就其中一條進(jìn)行討論。行星輪系中的齒輪全部選擇。從一級(jí)齒輪到三級(jí)齒輪的半徑大小應(yīng)該呈遞減樣式，且當(dāng)=1、=20°時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪不會(huì)發(fā)生的最小齒數(shù)應(yīng)該為17。其中：（1.8）齒數(shù)互為質(zhì)數(shù)能有利于循環(huán)嚙合，延長(zhǎng)壽命。1.1.3車輪與車輪之間的幾何關(guān)系如圖3-5所示，為保證車輪與車輪之間不會(huì)互相碰撞，車輪A和車輪B的中心軸距離必須要于車輪A和輪車B的半徑之和。而取決于行星架的半徑，則有以下約束關(guān)系：（1.9）圖3-5車輪之間的幾何關(guān)系示意圖1.1.4各零件設(shè)計(jì)參數(shù)的范圍初選建筑類別項(xiàng)目在限定條件下對(duì)樓梯凈寬及踏步的要求樓梯欄桿的要求樓梯平臺(tái)凈寬要求限定條件樓梯凈寬踏步高度踏步寬度住宅公用樓梯七層及七層上≥1100≤175≥260欄桿高度≥900，欄桿垂直桿件凈空≤110平臺(tái)凈寬≥梯段凈寬且不小于1200六層及六層以下一邊設(shè)有欄桿≥1000戶內(nèi)樓梯一邊臨空時(shí)≥750≤200≥220--兩側(cè)有墻時(shí)≥900表3-2常用建筑樓梯基本技術(shù)要求表(mm)按照設(shè)計(jì)要求，車輪的半徑必須大于三級(jí)齒輪的半徑且不得高于臺(tái)階的高度和寬度。當(dāng)=1、20°時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪不發(fā)生的最小齒數(shù)應(yīng)為17。查電子機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，本文選用第一系列。考慮到本設(shè)計(jì)的行星輪在攀爬樓梯時(shí)的，本設(shè)計(jì)中三級(jí)齒輪的模數(shù)選用m=2。則三級(jí)齒輪的最小直徑為，所以r>20mm。本設(shè)計(jì)的行星架外殼厚度d2=7mm，齒輪齒頂與外殼內(nèi)壁的間隙d3=3mm。又根據(jù)以上表3-2可知常用建筑樓梯的臺(tái)階寬度均大于其高度，由此可得r<175mm。則車輪半徑r的取值范圍縮小到29mm<r<175mm。本文選用車輪半徑r=110mm。下面確定行星架半徑的取值范圍，參考上表3-2，將臺(tái)階高度的值、臺(tái)階寬度的值（能夠安全跨到這種情況下應(yīng)取臺(tái)階高度的最大值，不能觸碰的垂直面這種情況下應(yīng)取臺(tái)階寬度的最小值和臺(tái)階高度的最小值）以及車輪半徑代入到式1.6中。（1.8）據(jù)資料查詢得知，在多級(jí)減速或增速傳動(dòng)中為了使各級(jí)中間軸獲得較高轉(zhuǎn)速和較小轉(zhuǎn)矩，其傳動(dòng)比的分配原則一般可按照“”（即由速級(jí)向速級(jí)逐漸增大）。再聯(lián)立以下各式：（1.9）1.1.5最終參數(shù)確定經(jīng)過(guò)以上計(jì)算得出了各零件滿足約束條件的參數(shù)范圍，本行星輪系設(shè)計(jì)的最終參數(shù)如下表3-3所示。名稱參數(shù)名稱參數(shù)一級(jí)齒輪齒數(shù)49一級(jí)齒輪分度圓半徑49mm二級(jí)齒輪齒數(shù)34二級(jí)齒輪分度圓半徑34mm三級(jí)齒輪齒數(shù)23三級(jí)齒輪分度圓半徑23mm齒輪模數(shù)2齒輪面寬26mm齒輪壓力角20°行星架有效半徑140mm車輪半徑110mm車輪寬度60mm表3-3行星輪參數(shù)表1.2傳動(dòng)部分相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的行星輪式爬樓梯輪椅主要可以分有兩種，即爬樓模式和平地行走模式。本段落主要對(duì)傳動(dòng)部分（電機(jī)箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)）在這兩種模式下的情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)并對(duì)齒輪進(jìn)行校核。圖3-10傳動(dòng)系統(tǒng)布局圖1.2.1爬樓模式下的參數(shù)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)外圈軸齒輪1的齒數(shù)為17，外圈軸齒輪2的齒數(shù)為60，兩者都采用直齒圓柱齒輪，兩者的模數(shù)，壓力角。鑒于本設(shè)計(jì)輪椅為一般的工作機(jī)器，速度不高，可以選用7級(jí)精度REF_Ref8313\r\h[7]。齒輪材料為，調(diào)質(zhì)處理。名稱計(jì)算公式小齒輪大齒輪壓力角20°模數(shù)2齒數(shù)1760分度圓直徑34120齒頂圓直徑38124齒根圓直徑29115基圓直徑31.95112.76分度圓齒厚1.141.14齒根圓角0.760.76齒寬3230表1.4外圈軸齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)外圈軸齒輪1和外圈軸齒輪2的傳動(dòng)比為：（1.10）爬樓模式下的：（1.11）彈性影響系數(shù)；齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限=600MPa1.2.2各校核參數(shù)計(jì)算(1)傳動(dòng)裝置傳動(dòng)效率計(jì)算查《機(jī)械原理》可得一對(duì)精度為七級(jí)的齒輪傳動(dòng)取，一對(duì)軸承取，故電機(jī)經(jīng)過(guò)一對(duì)齒輪和一對(duì)軸承后的效率：（1.12）(2)各軸功率計(jì)算驅(qū)動(dòng)軸的輸入功率：（1.13）外圈軸的輸入功率：（1.14）(3)各軸轉(zhuǎn)速計(jì)算驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速：（1.15）外圈軸轉(zhuǎn)速：（1.16）(4)精度確定圓周速度:（1.17）根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)8-94，選擇7級(jí)精度。(5)各軸轉(zhuǎn)矩計(jì)算驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩：（1.18）外圈軸轉(zhuǎn)矩：（1.19）(6)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)系數(shù)假設(shè)輪椅車的工作時(shí)間為。（1.20）（1.21）(7)計(jì)算接觸疲勞取接觸疲勞壽命系數(shù)，取失效概率為，安全系數(shù)，則（1.22）（1.23）(8)計(jì)算=1.01，直齒輪=1；使用系數(shù)=1，=1.309（1.24）查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)P77得到=1.35（1.25）1.2.3校核接觸疲勞極限（1.26）（1.27）（1.28）（1.29）（1.30）（1.31）校核說(shuō)明符合接觸疲勞強(qiáng)度。1.2.4校核彎曲疲勞極限大齒輪比小齒輪受到的轉(zhuǎn)矩更大，因此下面只校核大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度。（1.32）大齒輪的彎曲強(qiáng)度疲勞極限為，m=2,由齒數(shù)查閱得到:,；使用系數(shù)，，，（1.33）（1.34）（1.35）綜上所計(jì)算，校核說(shuō)明符合彎曲強(qiáng)度1.3平地行走模式下的參數(shù)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的中心軸齒輪1的齒數(shù)為17，中心軸齒輪2的齒數(shù)為30，兩齒輪都選用標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，模數(shù)，壓力角。齒輪材料為，調(diào)質(zhì)處理。表1.5內(nèi)圈軸齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)名稱計(jì)算公式小齒輪大齒輪壓力角20°模數(shù)2齒數(shù)1730分度圓直徑3460齒頂圓直徑3864齒根圓直徑2955基圓直徑31.9556.38分度圓齒厚1.141.14齒根圓角0.760.76齒寬2018中心軸齒輪1和中心軸齒輪2的傳動(dòng)比為：（1.36）平地行走模式下電機(jī)箱內(nèi)的總傳動(dòng)比為：（1.37）彈性影響系數(shù)；齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限1.1.1各校核參數(shù)計(jì)算(1)傳動(dòng)裝置傳動(dòng)效率計(jì)算查《機(jī)械原理》可得：一對(duì)精度為七級(jí)的齒輪傳動(dòng)取，故電機(jī)經(jīng)過(guò)一對(duì)齒輪和一對(duì)軸承后的效率:（1.38）(2)各軸功率計(jì)算驅(qū)動(dòng)軸的輸入功率：（1.39）中心軸的輸入功率：（1.40）(3)各軸轉(zhuǎn)速計(jì)算驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速：（1.41）中心軸轉(zhuǎn)速：（1.42）(4)精度確定圓周速度:（1.43）根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)8-94，選擇7級(jí)精度。(5)各軸轉(zhuǎn)矩計(jì)算驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩：（1.44）中心軸轉(zhuǎn)矩：（1.45）(6)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)系數(shù)假設(shè)爬樓輪椅車的總工作時(shí)間為。（1.46）（1.47）(7)計(jì)算接觸疲勞取接觸疲勞壽命