毕业设计(论文)电动轮椅车设计(全套图纸三维)

电动轮椅车设计
摘要
文中首先分析了国内外各种电动轮椅车的状况，在对比总结各自优缺点的基础上，由于直流电机的额定输出转矩较低，不足以驱动后轮克服地面摩擦阻力传动，根据国内实际情况，提出了一种含有机械传动减速机构的电动轮椅车，基于这种方案，设计了与之相匹配的减速器及其他传动机构，该方案采用直流电机经减速器与链条连接到后轴，以减低输出转速，增大输出转矩。

应用现代设计理论及方法、对驱动方式进行分析和再设计，优化车身骨架结构，添加必要的辅助功能装置，利用计算机辅助设计软件构建电动轮椅车及各零部件三维模型，为新型低成本电动轮椅车的设计开发打下了一定基础，提供了一种供参考的驱动方案和骨架结构。

关键词：电动轮椅车；设计；机械系统
The design of electric Patient care car
Abstract
This paper first analyzes the domestic and foreign various Patient care car status, based on comparing the advantages and disadvantages, because the rated output torque DC motor is low, not enough to drive the rear wheel to overcome the ground friction transmission, according to the actual situation, proposed the electric Patient care car with a mechanical reduction gear mechanism, based on this driving scheme, design of the reducer and other transmission mechanism is matched, the DC motor through reducer and the chain is connected to the rear axle, so as to reduce the output rotation speed, increase the output torque. Use the modern mechanical design theory and method, analyze and re-design the drive mode. Optimize the body frame structure. And add some necessary accessibility devices. Use computer aided design software to build a three-dimensional model of the Patient care car and it’s componen ts. This design of the electric Patient care car’s mechanical systems has lay a certain foundation for the new type low-cost electric Patient care car and has given a reference scheme about drive mode and body frame structure.
Keywords: Patient care car; design; mechanical system
目录
摘要 (Ⅰ)
ABSTRACT (Ⅱ)
1、引言 (1)
、选题的目的及其研究意义 (1)
、课题相关领域的研究现状和发展趋势 (1)
电动轮椅车的现状 (1)
电动轮椅车的发展趋势 (2)
1.2.3研究方法 (2)
1.2.4应用领域 (3)
、主要研究内容、途径及技术路线 (3)
.1具体研究内容 (3)
.2主要研究途径和技术路线 (3)
2、电动轮椅车驱动及转向系统设计及主要参数 (4)
、设计内容 (4)
、驱动及转向系统设计 (4)
电动轮椅车驱动及转向系统方案分析及选择 (5)
2.2.2前轮转向式驱动及转向系统设计 (7)
2.3、主要尺寸 (7)
3、驱动电机选型 (8)
4、蓄电池选用 (12)
5、减速器设计 (14)
、计算传动装置的参数 (14)
、齿轮的设计计算 (15)
5.2.1齿轮材料和热处理的选择 (15)
5.2.2按齿面接触强度计算 (15)
5.2.3齿轮几何尺寸的设计计算 (16)
5.2.4按齿根弯曲强度设计齿轮 (17)
5.2.5几何尺寸计算 (18)
6、链轮设计 (20)
7、电动轮椅车整体设计 (22)
、车身骨架设计 (22)
、控制系统设计 (23)
8、总结 (23)
致谢 (27)
参考文献 (28)
1 引言
电动轮椅车是一种以蓄电池为能源、电子装置控制驱动的动力电动轮椅车车。

使用者可通过控制装置自行驱动电动轮椅车车行进。

适用于高位截瘫、偏瘫及下肢功能障碍者使用，是一种比较理想的康复和代步工具。

选题的目的及其研究意义
随着生活水平的提高，人们对老年人和残疾人的关注度日渐提高，各种各样的电动式电动轮椅车进入消费者的视线。

我国的电动轮椅车发展比较缓慢，直到20世纪90年代后，随着中国人口的老龄化越来越严重，电动轮椅车才有了较快的发展。

电动轮椅车是老年人和肢体伤残者不可缺少的康复和代步工具。

现有的电动轮椅车以手动居多，存在一定不足，缺乏动力效能不能满足使用者日常生活和出行需要，长时间使用会让人感到疲劳，而且在实际使用中通常需要人员辅助。

目前市面上的电动轮椅车价格不菲，普通家庭消费不起，部分是以改变电机的电流来实现控制电动轮椅车速度，这不仅对电机损耗较大，而且功能不够全面，安全系数较低，实用性不强。

如当遇到刮风或者爬坡时，有时会很难前进。

由于直流电机的额定转速一般较高，远高于电动轮椅车平稳行驶时后轮所要求的转速，而直流电机的额定输出转矩又较低，不足以驱动后轮克服地面摩擦阻力转动，所以，必须在直流电机输出端设置减速器，以减低输出转速，增大输出转矩。

课题相关领域的研究现状和发展趋势
电动轮椅车的现状
电动轮椅车发展简况
国内对电动轮椅车的研究较晚，尤其是智能电动轮椅车，研究还不完善，但近几年发展很快。

国内厂商生产的电动轮椅车大部分为四轮式和六轮式，一般都具有调速、翻越简单路障和防倾倒等功能。

虽然国内电动轮椅车研究还不太完善，但在一定的基础上还是有所提高的。

例如有些生产商在原有电动轮椅车的研究上，发明出利用驱动左、右动力后轮的左、右电机串联连接设计，从而具有差动速度功能，使电动轮椅车行驶时稳定舒适、转向可靠。

近几年，还出现了手扶电动、可爬梯以及站立式电动轮椅车。

电动轮椅车发展简况
自1986年英国开始研制第一辆智能电动轮椅车以来，许多国家投入较多资金研究智能电动轮椅车。

如美国麻省理工学院WHEELESLEY项目、法国VAHM项目、德国乌尔姆
大学MAID（老年人及残疾人助动器）项目、Bremen Autonomous Patient care car项目、西班牙STAMO项目、加拿大AAI公司TAO项目、欧盟TIDE项目等。

1989年法国开始研究VAHM项目，第一阶段的智能电动轮椅车由电动轮椅车、pc486、超声波传感器、人机界面和一个可匹配用户身体能力转换的图形屏幕组成设置为手动、自动、半自动三种模式，手动时电动轮椅车执行用户具体指令和行动任务；自动状态时用户只需选定目标，电动轮椅车控制整个系统，此模式需要高度的可靠性；半自动模式下用户与电动轮椅车分享控制。

为了更好适应用户需求，研究者在康复中心进行了一系列调查，得出结论：系统必须是多功能的，不仅应适应残障人士的生理和认知能力，也应适应环境的结构和形态。

在此基础上，经改进后研制出第二代产品，相对于第一代产品，其功能更丰富，面向用户范围更广，性价比更好，改良了大量控制。

高性能电动轮椅车的生产厂家集中在国外，技术较先进的国家有美国、德国、英国、瑞典、日本和比利时等。

生产的电动轮椅车功能强大，除一般功能外，还有可记忆地图、自动导航、避障、自动行走、与用户交互等功能，结构也多种多样，有四轮式、三轮式、六轮式和履带式等多种多样，性能也较优秀，除能适应城市中平坦路况外，有些还能登山越野，适应较大坡度和不平度的路况。

近几年，国外在高档电动轮椅车方面又有了很大的发展，例如IBOT智能电动轮椅车，不仅能够轻松平稳地在崎岖和很大坡度的路面行驶，还能够上下楼梯，而且可以利用2个后轮站立或行走。

在日本，还发明了一种靠脸部表情来控制的高级电动轮椅车，使用者只需在头上系上一根特殊的带子，然后通过改变表情就可以实现电动轮椅车的运动。

电动轮椅车的发展趋势
随着机器人技术、人工智能技术和传感器技术的进步，电动轮椅车的研究朝着高性能、多功能、智能化和人性化的方向发展。

智能电动轮椅车不但可以为老年人和残疾人提供一种良好的代步工具，而且可以具有自主导航、自主避障、人机对话等服务机器人所具有的各种功能，因而可以帮助残疾人和老年人提高自己的生活自理能力和工作能力，使他们更好地融入社会。

研究方法
初期的研究，赋予电动轮椅车的功能一般都是低级控制，如简单的运动、速度控制及避障等。

随着机器人控制技术的发展，移动机器人大量技术用于电动轮椅车，电动轮椅车在更现实的基础上，有更好的交互性、适应性、自主性。

应用领域
随着科学技术的发展，电动轮椅车的强大功能不仅适用于年老体弱的老年人和重度残疾的伤患，同样的，它也适合于大型车间工人的代步工具。

主要研究内容、途径及技术路线
为了改变我国电动轮椅车的现状，解决人们对高品质生活的追求，因此，设计一款含有减速器装置以减低输出转速，增大输出转矩的电动轮椅车有很重要的意义，并将给老年人和残疾人士的生活带来极大的帮助。

.1 具体研究内容
电动轮椅车的结构特点及构造，并进行市场调查，分析研究现有电动轮椅车的优缺点以及可改进之处。

特别是调速原理。

电动轮椅车的资料，包括相关国家标准及最新成果。

3.设计多个方案，并从选出总体设计方案后对总体设计进行细化。

（1）电动轮椅车驱动及转向系统设计。

包括驱动及转向方案的分析和选择、驱动及转向系统整体设计、电动机选型、减速器设计、其他传动装置设计、蓄电池选择等。

重点是减速器的设计，计算减速范围以及车轮输出转矩。

（2）电动轮椅车车身骨架设计。

包括人体坐姿分析、前后轮布置、骨架各组成部件形状和尺寸设计等。

（3）电动轮椅车整体三位建模。

包括各零部件的建模和装配，总装配和生成二维工程图。

4.对设计进行校核，确保方案的可行性。

．2 主要研究途径和技术路线
利用所学知识和参考国内外电动轮椅车文献资料，对电动轮椅车机械系统进行讨论、画草图、分析、减速器设计，初步确定多种方案，计算减速器的转矩范围并进行校核来确定最终方案。

优化车身骨架结构，添加必要的辅助功能装置，利用计算机辅助设计软件构建电动轮椅车及各零件三维模型。

2 电动轮椅车驱动及转向系统设计及主要参数
电动轮椅车的核心部分主要由驱动及转向系统组成。

设计内容
本课题的难点是驱动及转向系统的设计，驱动及转向系统驱动电动轮椅车的行驶和转向，是电动轮椅车的核心部分。

它包括电机、与控制系统相连接电机控制器、减速器和其他传动部分等装置组成。

能否平稳行驶和灵活转向是决定电动轮椅车机械系统设计成败的关键，也是电动轮椅车机械系统设计中的重点难点驱动及转向系统的设计要求要考虑到电动轮椅车动力性、安全性、电能利用率和电动轮椅车成本等诸多方面因素，需要宏观把握，统筹兼顾。

此系统的设计要求在现有电动轮椅车驱动及转向方案的基础上通过改进提出多种
供选方案，并结合所要设计的电动轮椅车应具本有的特点和各方面因素分析各个方案的优缺点，选择一种最合适的驱动及转向方案，并对系统的各组成部分进行详细设计。

驱动及转向系统设计
驱动及转向系统完成电动轮椅车的主要动作，是电动轮椅车的核心部分。

它包括电机、与控制系统相连接并控制电机转速、转向的电机控制器、与电机输出端相连的减速器和其他传动部分等装置组成。

驱动及转向系统的设计要求其能使电动轮椅车平稳的行进或后退，灵活并尽可能大角度范围的转向，快速的制动，并保证乘坐安全舒适。

通过控制器控制直流电机转速和转向可以达到调节后轮及驱动轮转速的目的，从而控制电动轮椅车的行驶速度和行进或后退。

由于直流电机的额定转速一般较高，远高于电动轮椅车平稳行驶时后轮所要求的转速，而直流电机的额定输出转矩又较低，不足以驱动后轮克服地面摩擦阻力转动，所以，必须在直流电机输出端设置减速器，以减低输出转速，增大输出转矩。

另外，由于路况原因，即使匀速直线行驶，电动轮椅车后轮所受载荷也会有不同程度的变化，若将减速器输出端直接刚性连接到后轮轴上，后轮所受载荷的剧烈变化会直接经减速器传递到电机轴上，影响电机的正常工作和使用寿命，还会对控制系统对电机转速的控制精度有影响。

所以，在减速器输出端和后轮轴之间必须有添加其他传动机构，以减弱载荷变化的剧烈程度，使载荷趋于平稳。

考虑到以上要求，设计可行的驱动及转向系统的供选方案，并对各方案优缺点进行分析比较，确定最终方案。

电动轮椅车驱动及转向系统方案分析及选择
电动轮椅车驱动及转向系统的设计方案灵活多样，驱动及转向系统方案的选择对电动轮椅车的机械效率、整车结构布置、行驶性能及控制方案的设计等有重要的影响，由于电动轮椅车一般采用后轮驱动，所以根据转向方式的不同，有两种可采用的转向方案：1.前轮转向式（图2.1） 2.后轮转向式（图2.3）
图2.1 前轮转向式
用一个直流电机驱动两后轮传动作为电动轮椅车行驶主运动，通过调节直流电机转速来改变电动轮椅车行驶速度。

一个步进电机控制两前轮相对电动轮椅车前进方向的偏转角度，配合后轮主运动，使电动轮椅车在行驶中转向。

控制系统向步进电机输送脉冲信号使步进电机转过特定角度，步进电机通过齿轮齿条平行四边形机构驱动两前轮同步偏转（如图1.2），两前轮偏转轴顶端都装有盘形弹簧，弹簧另一端固定在电动轮椅车车身上，转向完成后，控制系统不再向步进电机输送脉冲信号，步进电机无输出，两前轮在弹簧力的作用下回复到初始位置，以完成转向后前轮自动复位。

图2.2 前轮转向机构
后轮驱动轴由一根轴组成，轴中间装有链轮，直流电机经一减速器通过链条与链轮相连，由于电动轮椅车行驶时速度较低，因此不需要差速器也可以正常行驶。

此方案的优点是驱动系统与转向系统分开，行驶方向控制与行驶速度控制相互独立，互不影响，基于这种结构的控制系统设计相对简单，易于实现。

转向原理简单，只需要通过输入步进电机的脉冲个数来控制前轮偏转角就可实现转向，且转向精度高。

此方案缺点是电动轮椅车转向必须在行驶过程中完成，转向半径大，而转向角度小，不能实现原地转向，电动轮椅车的活动性差，使电动轮椅车在室内使用不方便。

图2.3 后轮转向式
用两直流电机分别驱动两侧后轮，通过电子差速方式独立控制两侧驱动车轮转速，两后轮等速转动时，电动轮椅车直线行驶，两后轮不等速转动时，电动轮椅车向转速低的后轮一侧转向，通过控制两后轮速差的大小和不等速转动时间来调节转向角度。

转速差越大，不等速转动时间越长，转向角度越大，当一后轮正转，另一后轮反转时，电动轮椅车可原地360度转向。

采用双直流电机驱动，所需直流电机功率约为单直流电机驱动时电机功率的一半，电机尺寸可以更小，两直流电机及减速器等结构都布置在后轮轴线上，且省去了差速器和前轮的转向系统，系统结构更为紧凑。

但要求电机转速及转矩范围宽，对电机性能要求高。

使用后转向，可以任意转向角度和转向半径转向。

此方案将驱动系统和转向系统融为一体，虽只需控制两直流电机转速变化，即可实现电动轮椅车的驱动和转向。

但是转向时要求控制系统实时精确的控制两直流电机转速，对控制策略要求更高。

所要设计的电动轮椅车应能同样适应室内与户外的使用，要求有较方便的操作，而
转向的精度尤为重要，前轮转向方案可实现电动轮椅车转向精度高。

后轮转向方案由于要求电机转速及转矩范围宽，对电机性能要求高。

综上所述，决定采用前轮转向式方案。

前轮转向式驱动及转向系统设计
此系统有直流电机和相应的减速器及传动机构等都在后轮轴线方向上分布，由于电动轮椅车轮距不可能太大，这就要求直流电机和减速器的轴向尺寸不能过大。

而直流电机的轴向尺寸对直流电机的额定功率、扭矩等参数有影响，一般来说，具有越大额定功率、扭矩的同一系列电机轴向尺寸也越大。

所以，在选择直流电机时，应特别注意，既要尽可能的选择较大扭矩的电机，以减少减速器所需减速比，又要考虑到电机轴向尺寸的限制。

电动轮椅车行驶中，若前轮可随意偏转，会严重危害电动轮椅车转向性能和行驶安全。

所以必须对前轮偏转的灵活性加以限制，在两前轮偏转轴顶端都装有盘形弹簧，弹簧另一端固定在电动轮椅车车身上，转向完成后，控制系统不再向步进电机输送脉冲信号，步进电机无输出，两前轮在弹簧力的作用下回复到初始位置，以完成转向后前轮自动复位。

主要尺寸
电动轮椅车车身骨架是电动轮椅车主体和支撑结构，承载电动轮椅车车身和乘坐者重量，电动轮椅车的所有零部件最终都要装配到车身骨架上。

电动轮椅车骨架的设计应考虑驱动系统的布置，为驱动系统的部件留出充足空间，并使电动轮椅车重心分布合理。

电动轮椅车椅座形状符合人体坐姿，使乘坐舒适。

通过对人体坐姿和标准体型尺寸比例的分析，得出电动轮椅车骨架的大概尺寸范围：椅座尺寸在500mmx500mm左右，椅座离地面高度500-700mm,扶手高度250-300mm,椅背垂直高度500-700mm,倾角5°-10°，承腿架垂直高度300-450mm。

（如图2.4）
图2.4 电动轮椅车主要尺寸
3 驱动电机选型
目前常用的驱动电机有直流电机、交流异步电机、永磁无刷电机、开关磁阻电机和永磁同步电机等。

它们的各方面性能比较如下表3.1：
表3.1 电动机类型
比较内容直流电机
交流异步
感应电机永磁无刷
电机
开关磁阻电机永磁同步电机
电机功率密度差一般好一般一般转矩转速特性一般好好好好转速范围小一般大最大大功率差一般高一般高易操作性最好好好好好可靠性差好一般好一般成本高低高较高高
电机尺寸 大 一般 小 小 小 电机质量 重 一般 轻 轻 轻 控制性 好 好 好 一般 好 综合性能
差
一般
最好
好
好
电动轮椅车对驱动电机性能的基本要求：
1.足够大的启动转矩，以满足电动轮椅车快速启动、加速、爬坡、频繁启、停的要求：电机的调速范围小，一般在25%—100%最大转速范围内，近似有小转矩、恒功率的输出特性，满足电动轮椅车以较高车速匀速行驶工况的要求；
2.比功率大（比功率定义为单位质量能提供的最大功率），以最大功率计时，一般应达（1—1.25）KW/kg 以上；
3.快速的转矩响应特性，在各种车速范围内能快速柔和地控制驱动和制动转矩，要求电机可控性高、稳态精度和动态特性好；
4.具有良好的环境适应性，在不同的工作条件下能可靠地工作；
5.维护简单，工作噪声低。

无刷直流电机的特点是既有永磁体又有励磁绕组，永磁体通常嵌入转子中，励磁绕组固定于定子之上，通过调节励磁电流控制气隙磁通，它可以方便的在高速区进行弱磁调节，提高电机的驱动特性。

同时无刷直流电机采用离散转子位置反馈信号控制换相；并用交流方波供电，由于方波磁场与方波电流之间相互作用产生的转矩比正弦波大。

因此永磁无刷电动机具有转矩、功率密度大、位置检测和控制方法简单、效率高的优点。

电动轮椅车驱动电机类型的选择需要综合考虑电动车动力性要求、电机的性能、重量、尺寸等技术水平因素和成本等经济因素。

电机输出转矩经减速器等传动机构增大后带动后轮克服地面摩擦力转动，当整个驱动系统的输出转矩大于行驶中的阻力时，电动轮椅车加速行驶；当输出转矩小于行驶阻力时，电动轮椅车减速行驶。

电机输出转速经减速器等传动机构减速后的转速即为后轮转速。

电动轮椅车驱动力与行驶阻力的平衡关系可由下式给出：
j i w f F F F F F +++=τ
t
u a D T d d
m mg Au C mgf r i i T δααητ+++=sin 15.21cos 2
21 式中，τF 为驱动力；f F 为地面摩擦阻力；w F 为空气阻力；i F 为爬坡阻力；j F 为加速阻力；τT 为所有电动机输出总转矩；τη为传递效率；1i 为减速器减速比；2i 为其他传动机构传动比，r 为后轮半径；m 为整车质量；f 为滚动阻力系数；a u 为车速；α为道路坡度；D C 为空气阻力系数；A 为车辆迎风面积；δ为电动轮椅车质量换算系数。

由于我们要设计的电动轮椅车的期望行驶速度为5-15km/h ，速度较低。

行驶路况多为坡度很小的平坦路面，所以空气阻力和坡度阻力都很小，相对地面摩擦阻力可忽略不计。

所以当电动轮椅车匀速行驶时，行驶阻力约等于地面阻力。

即： 21/i i wr v =
式中，v 为电动轮椅车行驶速度；w 为电机输出转速。

大概计算驱动电机所需性能参数。

根据上一章电动轮椅车车身骨架的大概设计我们可以估测电动轮椅车空车质量约为40-50kg ，电动轮椅车车需能承载最大质量100kg 的乘客一名。

所以电动轮椅车整车最大质量约为150kg 。

电动轮椅车行驶在混凝土路面上，摩擦力为橡胶轮胎与路面的滚动摩擦力，查表可得，摩擦系数范围为0.010-0.020，取最大值020.0=f 。

可计算地面摩擦阻力为
N mgf 4.29020.08.9)50100(=⨯⨯+=
理论上，单级直齿轮减速器传动比最高不超过4，链传动传动比小于6，但由于电动轮椅车座椅下空间有限，对减速器齿轮和链轮尺寸有很大限制。

减速器和链传动的传动比不可能太大，初步设定减速器传动比为3，链传动比为3.传递效率以90%计。

电动轮椅车后轮直径约为500mm 左右。

可大概求得每个驱动电机所需输出转矩： m 4253.0)9.032.32/(25.04.29)2/(21⋅=⨯⨯⨯⨯==N i i mgfr T T t η
电动轮椅车预期平均行驶速度约为10km/h ，即2.78m/s ，所以驱动电机平均转速应约为： s r i vi w g o rad 08.10025.0/32.378.2/=⨯⨯== min 69.955n r = 工作机所需功率为
0817.01000
78.24.291000=⨯==
Fv P w kW 传动装置的总效率为
432
221ηηηηη⨯⨯⨯=
确定各部分效率：联轴器效率99.01=η，滚动轴承传动效率（一对）98.02=η，闭式齿轮传动效率96.03=η，滚子链传动效率96.04=η，代入得 867.096.096.098.099.022=⨯⨯⨯=η 所需电动机功率为 094.0867
.00817
.0==
=
η
w
d P P kW
综上以上参数，决定选用山东亚泰重型机械生产的YSE 系列直流电机，参数如下：额定功率0.2KW ；额定转矩0.5Nm ；最大转矩2Nm ；额定转速2000rpm ；重量1.8kg ；长度96mm;
调速范围20-2000rpm ；电压24V 。

转向电动机选型
步进电机可以实现准确定位，当控制系统向步进电机输送脉冲信号使步进电机转过特定角度，步进电机通过齿轮齿条平行四边形机构驱动两前轮同步偏转，配合后轮主运动，使电动轮椅车在行驶中转向。

由于该步进电机只起转向作用，因此所需功率和转矩较小。

经过分析比较选用深圳
市博美德数控设备生产的SM 40-003-30LFB 电动机，具体参数如下： 功率0.1kW ；额定转矩0.3Nm ；额定转速3000rpm ；额定电流1.6A,电压24V 。