智能轮椅(机械部分)资料.doc

华 中 科 技 大 学武昌分校毕业设计（论文）智能轮椅的设计（机械部分） 系 别：机电与自动化学院 专 业 班：机电1201班 姓 名：胡天华 学 号：20121100016 指导教师：李奕 2016年5月 智能轮椅的设计（机械部分） Design Of Intelligent wheelchair (Mechanical part)摘 要 轮椅在老年人以及残疾人的生活中扮演着重要的角色，随着社会的发展，特别是城市的快速扩张和建设，以及人口老龄化问题越来越严重和残障者数量的不断增加，对辅助步行工具的需求日益提高。而高楼大厦鳞次栉比，越来越多的天桥，公园的台阶，小区上下楼等，却越来越困扰着轮椅使用者。轮椅作为残障者的唯一出行工具，受到了越来越多的制约，传统轮椅已经不能满足多数人的需求。而随着科技的发展及技术的进步，轮椅，应该被加以改进以适应现代社会的环境。综上所述，本文在经过研究论证的基础上，采用行星轮机构，针对本文中所使用的双电机分别驱动左右轮的方案，在平地行驶时，使用电机驱动，四轮着地。通过控制两侧车轮的转速从而实现转弯控制。爬楼时，通过行星轮翻转来实现上下楼梯行走。关键词：爬楼轮椅 行星轮 机构 设计Abstract Wheelchair play in the life of the disabled and the elderly in an important role, along with the development of society, especially the rapid expansion and construction of the city, as well as an increasingly serious problem of population aging and the increasing number of persons with disabilities, to assist walking the increasing demand for tools. And row upon row of tall buildings, more and more bridges, stairs park on a cell downstairs, etc., are increasingly plagued wheelchair users. As the only handicapped wheelchair travel tools, has been more and more restricted, conventional wheelchairs can not meet most peoples needs. With the advancement of technology and the development of technology, the wheelchair should be modified to adapt to the environment of modern society. In conclusion, on the basis through feasibility studies on the use of planetary gear mechanism, for dual motor used herein, the left and right wheels are driven scheme, when the ground running, use motor drive, four-wheel ground. Having four-wheel drive characteristics. By controlling the rotational speed of the wheels on both sides, to achieve turn control. When climbing stairs, driving motor is rotated by another planet rocker, two pairs of wheels alternately the ground, in order to achieve and down stairsKey words: Climbing stairs wheelchair planetary gear Mechanism Design 目 录摘要Abstract1 绪论11.1 引言 11.2 智能轮椅发展趋势11.3 本课题研究目的及任务21.4 本章小结32 上下楼梯轮椅机构选型及主要参数确定42.1 可实现上下楼梯功能机构的比较42.1.1 履带式机构42.1.2 轮式机构42.1.3 步进式机构42.2 方案比较42.3 上下楼梯轮椅机构确定52.4 车身骨架的确定82.5 本章小结83 受力分析及电机的选取83.1 行走机构的分析及电机选取93.1.1 水平路面行走受力分析93.1.2 爬坡时受力分析113.1.3 行走机构电机选取123.2 翻转机构分析123.2.1 爬楼梯时受力分析123.2.2 同心条件133.2.3 装配条件133.2.4 邻接条件133.3 行星轮系安装位置确定143.3.1 翻转电机选取153.4 蓄电池选用153.4.1 本章小结154 上下楼梯轮椅传动机构设计 174.1 行走机构结构设计174.2 定轴轮系齿轮设计及校核174.3 强度校核174.3.1 模数验算174.3.2 太阳轮轴径估算184.4 轴承的设计说明184.5 键、销、螺栓等的设计说明184.5.1 键的选择184.5.2 销的选择184.5.3 螺栓的选择204.5.4 垫圈、垫片的选择204.6 齿轮强度校核204.6.1 校核齿面接触强度204.6.2 校核齿根弯曲强度224.7内外轴传动机构234.8 本章小结235 上下楼梯轮椅整体结构设计245.1 小型化紧凑型结构设计245.2 轮椅其他部分设计245.3本章小结25总结26致谢27参考文献28IV1 绪 论1.1 引言 据联合国报告指出，全世界人口老龄化进程正在加快，今后50年内，60岁以的人口比例预计将会翻倍，由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加，他们存在不同程度的能力丧失，如行走、视力、动手及语言等12。为了提供老年及残障人士性能出色的出行工具，帮助他们外出方便，目前美国，德国，日本，法国，加拿大，西班牙及中国等国家对智能轮椅进行了研究，使智能轮椅具有记忆地图，避障，自动行走等功能，智能轮椅是将智能机器人技术运用于电动轮椅，融合多种领域的研究，包括机器视觉，机器人导航和定位，模式识别，多传感器融合及用户接口等，设计机械，控制，传感器，人工智能等技术，也称智能轮椅式移动机器人34 随着社会的发展，特别是城市的快速扩张和建设，以及人口老龄化问题越来越严重和残障者数量的不断增加，对辅助步行工具的需求日益提高。而高楼大厦鳞次栉比，越来越多的天桥，公园的台阶，小区上下楼等，却越来越困扰着轮椅使用者。轮椅作为残障者的唯一出行工具，受到了越来越多的制约，传统轮椅已经不能满足多数人的需求。而随着科技的发展及技术的进步，轮椅，应该被加以改进以适应现代社会的环境。 自二十世纪以来，在欧美，越来越多的人开始关注这方面的问题，对许多机构进行了深入的探讨和论证，然后得出了非常多的结论，也提出了多种多样的解决方案。总体而言，根据爬升结构的不同，通常采用三种结构原理5一种是采用行星轮机构，他们不仅绕自身的轴旋转还饶一个所有轮的共同轴线旋转；一种结构是履带型爬梯轮椅；一种结构是步进支撑式。我国起初在这方面由于各种原因并没有多少的重视，所以研究缓慢，但是随着经济等快速发展，在相关产业带动下，研究爬楼轮椅对我国而言有巨大的现实意义。1.2 智能轮椅发展趋势 上下智能爬楼机构/轮椅的研究已经具有相当长的历史，先后提出了各种构思的机构，如果按照机构形式分类，可以分为星轮式、履带式、步进式等61.3 本课题研究目的及任务 在经过严密仔细的调查推理之下、严谨细致的研究态度下，要求设计一台满足设计标准的自动爬梯轮椅。使爬梯轮椅在爬楼梯时轮椅能够被充分的抬起，连续以相同的幅度上升（下降）直到足以攀登上（下）第二级台阶，确保椅子的角度不变，确保了坐轮椅的人不翻到；在没有楼梯时，具有平地行走能力与转弯能力，并且可以实现水平方向移动；轮椅应具有安全可靠、舒适轻便、价格低廉的特点；总结和巩固在校4年所学的知识，使之进一步深化和系统化； 要求完成： 1、完成系统整体方案的设计； 2、完成机械的结构设计，绘制系统装配图及典型零件零件图； 3、完成设计说明书，要求不少于40页； 4、完成与设计相关的外文资料的翻译，要求不少于5000字符。1.4 本章小结 通过查阅资料，对于爬楼梯的机构有了更多的了解，初步确定设计的方案。2 上下楼梯轮椅机构选型及主要参数确定2.1 可实现上下楼梯功能机构的比较 目前比较主流的爬楼机构为履带式，星轮式，步进式。通过对比分析，选择一种合适运动机构，然后通过对下列机构的特点进行对比和分析，结合优缺点，选择最为适合本次设计要求的机构。2.1.1 履带式机构 顾名思义，履带式机构就是通过履带爬行，相当于坦克的行进方式，但是由于履带的结构构造，当履带式在爬梯过程中，重心会出现偏移，所以在楼梯上，不论是上坡还是下坡，都容易出现侧倾，这是非常危险的。履带式爬楼轮椅不适合在楼梯阶沿太光滑及斜度大于3035度的环境使用，履带的损耗会非常严重，从而导致不得不经常更换或者是维修，带来许多的经济负担，而如果使用高质量高硬度的履带，虽然履带磨损率得到了保障，但相应的会对楼梯阶沿造成损伤，尤其是木制楼梯。履带式爬楼轮椅平地行走时阻力较大，转角处拐弯不灵活7对此，国内外提出过各种各样的改进机构，但目前仍不是很理想。图 1 履带式轮椅如果电动爬梯轮椅使用履带式作为爬梯机构，那么会带来以下几个问题： 1.传动效率低，体积巨大，虽然跨越障碍时具有优势，但在平地行驶时有很大的缺点，； 2. 爬楼梯时，台阶和履带的磨损比较严重。 3. 转弯半径大，尤其在房间内，转弯很不方便。另外，由于其转弯时两侧履带速度不一样，甚至需要两侧履带做相反方向转动，履带会在地面上产生滑动，对地面磨损严重。2.1.2 轮式机构 星轮式的爬楼机构由均匀分布在“丫”型、“五角星”或“十”字形系杆上的若干个小轮构成。各个小轮既可以绕自己的轴线自转，又可以随着杆一起绕中心轴公转。当平地行走时候，各小轮绕自我轴线自转，而爬楼梯时，各小轮一起绕中心轴公转，从而实现爬梯的功能。但是就现在的研究表明，不论是上述何种轮式机构，由于各种原因，仍然会出现各种问题，例如打滑等，具有不安全的因素。目前国内在这方面的研究没有完善，许多问题没有考虑周全，比如考虑防滑制动装置等，在上下楼的过程中需要外力来帮助以防止出现各种意外，但是对于总重量接近于100公斤的轮椅而言，一旦出现打滑将会非常危险，严重时还会威胁生命，造成严重后果。因此，如何提高星轮式爬梯轮椅的安全性还有待于商讨，但是因为其结构简单和价格低廉，在低端市场仍有一定的需求。2.1.3 步进式机构 步进式机构又称腿式机构，顾名思义，是模仿动物的足来运动。所以它的地形适应能力最强，能够应对大部分环境下的行走问题，但是，步进式机器人一般具有繁复的机械结构而且效率低下，控制复杂，如果要稳定的行走，还有很多难题需要解决。2.2 方案比较及分析 通过综合分析，各机构特点如下表所示； 表1 爬楼机构特点总结价格安全性传动效率操作性复杂程度履带式中高低中中步行式高高中高高星轮式低中低低低图 2 机构传动简图2.3 上下楼梯轮椅机构确定 经过比较了履带式、行星轮式、步进式三种爬梯机构，分析了其中的优点和缺点。重点考虑到机构的安全性，能量的利用率和控制的容易与否。此外，还借鉴了各种国内外的研究方案，最终，我们采取了行星轮式的爬梯机构。 第一，顾名思义，圆形在平地滚动的运动模型是最简单的,所以，轮式机构在平地运动时有着其他机构不能比拟的优势。所以为了保障轮椅车在大部分情况下的考量，优先考虑轮式机构； 第二，因为星轮式机构具有攀爬楼梯的功能，而且可以使轮椅在平地行走时和爬楼梯时使用同一个机构，人为降低非常大的设计难度。本次设计采用双行星轮，左右布局对称。平时在平地上直线行走时，电机的运行模式相同，使得轮椅的运动方向得以控制；转弯时，分别控制两个电机的转速，使内侧电机的转速低于外侧电机，或是使两电机转向相反，从而灵活的转向；爬楼时，另外一对电机驱动行星轮系绕轴心公转实现上下楼梯的功能。该机构的传动简图如图 2-7 所示。 一个直流电机分别驱动两侧各两个行星轮。主传动轴的传动由电动机通过减速箱传递，然后由齿轮分配到了两个行星轮，为了尽可能减少传动齿轮的尺寸，在主传动轴与行星轮之间增加一个过渡齿轮。行星轮的翻转运动靠另外一个直流电动机驱动行星轮的支架来实现。采用内外轴的结构形式使得整个结构更为紧凑：行星轮翻转通过内轴驱动，驱动轮系转动通过外轴。为了使使用者更为舒适，减小振动，有两种方案可以选择；一是增加弹簧减震装置，但是市面上大部分成熟的减震装置重量较重，安装到轮椅上根本不合理，所以采用橡胶充气轮胎来减小振动。轮椅两侧各有一个万向轮（位于轮椅后端）以及两个或一个充气轮胎着地，如图2-8。在平坦路面行走或上坡时，电机2不通电，由电机1通过行星减速箱、末端圆柱齿轮副和定轴轮系同时驱动两个行星轮转动，如图 2-9 所示，从而可以满足日常情况下的运行要求。 图 3 引导轮结构 图 4 齿轮及车轮转向 如图设置的最终后果是四个行星轮在电源电力的驱使下，同一个时间、一样的方向、而且以一样的转速，这两个行星轮既可以单独作为驱动轮，也可以同时驱动，推动轮椅向前运动。这样全轮驱动不仅仅选择单轮驱动（只有一个两个行星轮驱动轮）在一些复杂的结构。但是还是有一些问题需要注意的，比如在全轮驱动，两个行星轮是左右镜像布置的情形下，前后两轮不用区分如何安排，行星轮不管怎么翻转都不会出现问题；轮椅在使用过程中，后轮承受着主要的压力，后排轮均为驱动轮的话，驱动力会远远大于只有单排轮驱动。（驱动力与作用于驱动轮上的压力成正比，也就是说双轮驱动会比单轮驱动产生大约两倍的驱动力）可以减少转弯半径。上下楼梯时，从安全方面考虑，均采用面向下楼方向的姿势，这时锁定电动机 1，由电动机 2 通过行星减速箱、末端齿轮副驱动前后四个车轮旋转，从而将整个轮椅向上抬升或下降，将轮椅车从一级台阶移动到另一个台阶，车轮连续翻转，如此重复即可实现上下楼梯功能。为了避免轮子下降过快产生冲击，可以通过电机 2 转速进行控制，使轮子缓慢下降。 在面对复杂的路面状况时，传统轮椅无法满足日常需要，但是可以改变后轮的姿势用以满足不同的使用需求和路面状况。为了减小轮椅车的重量和体积，采用了重量轻、体积小、输出扭矩大的直流电动机，经减速器输出至传动轴，减速机构在经过仔细论证下使用了与电动机集成的行星齿轮减速器和末级圆柱齿轮减速传动，它的大小适合轮椅车，传动效率高，运行时声音小，是满足电动轮椅车设计的动力装置。由于轮椅在平地行走时需要相对较高的速度，而在上下楼梯时需要非常低的速度以及比较大的扭矩，所以为两对电动机选择了不同减速比的减速器，以满足轮椅在平地行走时高速度但需要扭矩小，而在攀爬楼梯时需要低速度大扭矩的要求。2.3.1 座椅姿态调整 座椅姿态检测采用双轴倾角传感器，实吋检测座椅与水平面的姿态以保证乘坐者的安全，翻转时轮椅与地面的支撑点，增加了乘坐齐的安全性与舒适性，同时又使得行星轮在翻转的过程中所需要的力矩减少，翻转更加容易9。 图 5 座椅姿态调整装置2.4 车身骨架的确定 首先先确定轮椅主体，就是轮椅骨架的确定。首先需要考虑驱动系统及传动装置的布置，给它们留出必要的空间，还要使包括使用者在内的各个部件重心合理分配，不会出现危险情况的发生。 轮椅椅座的设计是重中之重，不仅需要满足人体工程学，还需要通过对各使用人群进行标准化分析，结合实际得出合适的尺寸，满足所有使用者的需要：支承腿架垂直高度500-900mm。椅座离地面高度600-1000mm，椅背垂直高度850-1000mm，椅座尺寸在730mm850mm左右，扶手高度240-300mm，倾角0。 图 6 轮椅外观图2.5 本章小结 经过上面的对比分析，确认双联行星轮机构。行星轮机构的操作灵活，满足日常使用需要，可以在狭小房间内使用，而且操作灵活，可以满足多种楼梯的使用需要。选择完成后，作为残障群体使用的代步工具，应满足相关的国际标准，在此基础上进行设计。3 受力分析及电机选取3.1 行走机构分析及电机选取3.1.1 水平路面行走受力分析 考虑到轮椅的使用环境和使用条件，我们要求电动机具有以下特点； 1.起动转矩足够大,因为日常环境下有许多的意外状况，为了应对突发情况，要求电机能够在满载情况下速度停止和启动，加速和减速要求灵活；因为是轮椅的使用，所以最大速度一般不高，这就要求电机的调速范围小，一般在25%100%这个区间范围内，而且必须要求输出功率恒定，转矩小的特点，可以符合电动轮椅可以满功率运行的要求；2.因为目前的电池技术瓶颈，为了使电动轮椅的使用时间延长，满足日常运行的要求，这就要求电机的能耗比达到一定的标准，具有优异的能耗比，满功率运行时要求应达(11.25)kW/kg 以上；3.为了应对路面行驶时的突发情况，要求反应迅速，电机的可操控性高，且准确；4.在任何运行环境下均能达到最佳的状态；5.因为可能是在室内运行，这就要求运行时，噪声尽可能的小，且考虑到目标人群为残障人士，这就对轮椅的可维护性有了一定的要求。表表2 各类型电机比较表 无刷直流电机的特点是永久磁铁励磁绕组，一般而言具有以下优点：1.使用电子换向来替代传统的机械换向，损坏率较低，不易损坏，使用寿命长，性能可靠；2.属于静态电机，空载电流小。3.效率高 电动轮椅的电机就好比是人体的心脏，对电动轮椅的重要性不言而喻。所以在选择电机的时候，不仅要考虑体积是否合适，重量是否合适，性能能不能满足要求，价格是否便宜，可维护性怎么样，使用寿命有多久等；还要考虑在日常使用过程中遇遇到的各种问题。所谓轮椅运动就是电机输出功率经过传动机构放大后带动轮子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，轮椅加速行驶；当输出转矩小于行驶阻力时，轮椅减速。电机输出的转速经减速器等传动机构减速后，转速即为车轮转速。电动轮椅驱动力与行驶阻力的平衡关系可由下式给出：设轮椅和人的质量分别为 40kg 和80kg，图 3-1 水平路面行走时受力分析 式中，为驱动力；为地面摩擦阻力；为空气阻力；为爬坡阻力；为加速阻力；为所有电动机输出总转矩；为传递效率；为减速器减速比； 为其他传动机构传动比；为后轮半径；为整车质量；为滚动阻力系数；为车速；为道路坡度；为空气阻力系数；为车辆迎风面积；为轮椅质量换算系数。 于我们要设计的电动轮椅的行驶速度的期望为每小时5km至10km，速度较低。行驶时的路况一般为平坦或者障碍物较小的地面，所以坡度阻力很小而空气阻力和相对地面摩擦力可以忽略不计。所以当轮椅匀速行驶时，行驶阻力约等于地面摩擦阻力。即：。 轮椅在正常匀速行驶时，电机输出转速和轮椅行驶速度有着下列关系：v = wr / i0ig 其中，v为轮椅行驶速度；w为电机输出转速。 轮椅车身骨架重量大致为40kg左右，最大载重量为80kg，轮椅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，摩擦系数范围从0.010到0.030，取最大值 =0.030。可计算地面摩擦阻力为:mgf = (40+80) 9.80.030 =35.28N 平坦路面上功率P=FV=（40+80）9.820.03=70.56W 其中，路面摩擦系数=0.03 G为重力加速度取g=9.8图 7 水平路面行走时受力分析3.1.2 爬坡时受力分析 轮椅最大可以爬30度的坡，假设爬坡时的速度为 0.5m/s，受力分析如图 3-2所示爬坡时所需的总功率为=（1176Sin30+1176Cos300.03）0.5 =309W图 8 爬坡时受力分析3.1.3 行走机构电机选取加工定制：是类别：齿轮减速机齿轮类型：圆柱齿轮减速机安装形式：卧式布局形式：同轴式齿面硬度：硬齿面用途：减速机品牌：WST型号：WST-500GB输入转速：11-780（rpm）额定功率：0.5-3.5（kw）输出转速范围：11-780（rpm）许用扭矩：0.5-3.5（N.m）使用范围：广泛级数：双级表 3 行走机构电机参数 通过以上分析，最终选取24V微型齿轮减速电机，参数如下：3.2 翻转机构分析及电机选取3.2.1 爬楼梯时受力分析 通过查阅相关资料，找到国家制定的住宅规范；1.室内楼梯的每段净宽不应小于1.4m，踏步高度不应大于160mm，踏步高度不应小于280mm；2.室外台阶的踏步高度不应大于150mm，踏步宽度不应小于300mm。 为了实现上楼连续性，轮子太小会卡住，轮子太大不容易翻转，所以应该与轮梯相适应。不仅要能保障上楼梯的顺利，还要尽可能使电动轮椅上下楼平稳不颠簸，为了使轮椅车在上下楼梯过程中不下滑，不仅要让它的重心保持稳定，而且还要使小轮的半径可以满足电动轮椅车的支撑条件，取其半径 行星轮外壳半径 mm 克服力矩 M=FS=11000.2=220Nm 当控制行星轮上楼梯的旋转速度 =0.5r/s 功率 P=M=2200.5=110W 本次行星轮系拟采用的齿轮为标准渐开线直齿轮，齿数C的=60 齿轮模数m=1mm， 齿圈直径，太阳轮a的齿数=24，太阳轮。为了便于定位安装，行星轮采用三个均布安装，行星轮K=3. 传动比 输入跟输出转速比: 3.2.2 同心条件 为了保证啮合，即 =60 故满足同心。3.2.3 装配条件 确保各行星轮能均步安装于中心齿轮之中，而且能够和两个中心齿轮啮合良好。为了计算的方便以及安装的需要，对于NGW型式应该让太阳轮和内齿轮的齿数相当于行星齿轮的整数倍，即； (3-2) 因为 故齿轮满足安装条件。3.2.4 邻接条件 各行星轮必须保证两行星轮在传动时互不碰撞，并留有至少0.5mm的间隙，行星轮齿间距满足公式： (3-3) 为齿定高系数，对于标准渐开线齿轮：=1 =（24=18）sin60=36.37 故满足邻接条件。 所谓的爬楼过程，就是行星轮在台阶上交替翻转的过程。为了简化计算，假设整个“人和车”的质心就在前后轮轴的中心位置。只有在整个轮椅完成全部虚拟设计后，才可以进行比较准确的重心计算。完成爬楼梯的过程主要有如图 3-3 所示的几种状态。图 9 爬楼梯时状态分析 当途中所示的轮子接触触到楼梯边缘，轮子1在电机和一些传动的机构驱动之下经过杆绕点进行翻转，然后一直翻转到上一个阶梯，在此之后，轮子经过杆绕点翻转，经过上述的过程，电动轮椅在它的驱动下就由下一级台阶移动到了上一级台阶，然后这个过程重复，完成了爬梯的过程。3.3 行星轮系安装位置的确定 通过综合考虑，最终将将“人+车”模型（乘坐者的后背紧靠在靠背上的情况下）整车重心置于后轮系轴心处稍靠前的位置，距后轮轴心 185mm。因为此时重心是在后轮系翻转轴的前面，所以轮椅是不会向后倾翻的，但在水平方向，重心位置离轮系翻转轴距离又很小，所以此时辅助人员只需要很小的力量就可以通过靠背后的把手操作轮椅进行一定幅度的倾斜和翻转。而在正常乘坐时，乘坐者的后背不会紧靠在靠背上，因此整个轮椅的重心还会靠前，从而保证轮椅不会向后倾翻造成危险。3.3.1 翻转机构电机选取 选取和行走电机相同的电机，参数如下：加工定制：是类别：齿轮减速机齿轮类型：圆柱齿轮减速机安装形式：卧式布局形式：同轴式齿面硬度：硬齿面用途：减速机品牌：WST型号：WST-500GB输入转速：11-780（rpm）额定功率：0.5-3.5（kw）输出转速范围：11-780（rpm）许用扭矩：0.5-3.5（N.m）使用范围：广泛级数：双级 表3.3 翻转电机参数3.4 蓄电池的选用 非常明显的是，作为家用电动轮椅，肯定是选择可循环充电的充电电源作为轮椅的动力源。所以选择常见的铅蓄电池。铅蓄电池的优点为1.放电时电动势较稳定，电压平稳；2.适用条件比较没有那么严苛，日常条件下，能在较低温度及较高温度下工作，不容易出问题，而且寿命较长，能够充电循环数百次，而且便于储存；3.价格便宜，所以被广泛适用于电动车上。 铅蓄电池原理如下： 把A、B（A、B为铅板）插入硫酸溶液中，经过一系列化学反应作用，使A、B两块铅板上形成硫酸铅，硫酸铅在溶液中饱和，这时候溶液中还没有形成电势，所以给硫酸铅溶液中充电时，在铅板两极上发生的化学反应如下： A;PbSO4+2H2O - 2e-PbO2+H2SO4+2H+; B:PbSO4+2e-Pb+SO42-; 可以看出，充电后，A板上的PbO2成为正极， B板上Pb成为负极。放电时，两极发生的反应如下： 正极：PbO2+H2SO4+2H+ -2e-PbSO4+2H2O-2e-; 负极：Pb+SO42-PbSO4+2e-; 又电机的额定电压为24V,固选用24V的铅蓄电池组。其自带充电模块。3.4 本章小结 本章首先通过爬梯轮椅的受力分析，确定了其在平地行走，跨越障碍和爬楼时所处的动力模型，不同条件下不同的情况，想办法选择一款合适的动力电机。仔细分析电动轮椅在各个环境下的运动状况，则需要选择一款体积较小且重量能符合我们要求，还要价格便宜的动力源，所以微型电机是比较合适的选择。4 上下楼梯轮椅传动机构设计4.1 行走机构结构设计 在普通路面及有倾角的路面上行走时，由直流电动机通过行星齿轮减速箱进行驱动，通过末级圆柱齿轮副将转矩传给中心轴，再分别向两侧通过过渡齿轮将转矩传给驱动齿轮，通过车轮轴带动车轮旋转。4.1.1 定轴轮系齿轮设计及校核 各轴轴线相互平行，故选用圆柱直齿轮传动。 要设计传动比为4的直齿齿轮，考虑到直齿圆柱齿轮减速器单级传动比最大为4，斜齿轮为5，行星齿轮减速器单机最大传动比为8。决定采用单级直齿圆柱齿轮传动。由于轮椅椅座下部空间的限制，所以两齿轮中心距应小于80mm。4.2 强度校核4.2.1 模数验算 齿轮模数估算按硬齿面弯曲强度估算，大小齿轮强度大致相同，采用表面淬火热处理，使硬度达到45-52HRC，差文献9公式: （4-2） 式中: -太阳齿轮的齿数 -齿轮系数 K-载荷系数，一般取K=1.1-1.8 -中心太阳轮的额定转矩 -许用弯曲应力 N/mm2，一般计算可简化 =/，为齿轮材料的弯曲疲劳强度，为最小安全系数，一般 查阅文献9和计算，各参数如下: =220/（3.53）=21N.m K=1.5 Z=24 =400N/mm2 将此公式代入(4.2)中可得： 故取m=1mm是满足要求的4.2.2 太阳轮轴径估算 由于构件主要受扭转，按许用扭应力估算轴径 查文献9公式： (4-3) 式中: d-计算剖面处的直径mm T-轴传递的额定转矩N.m -轴的许用扭转应力 Mpa 轴的材料选用40Cr 则=48Mpa 因为 T=321=63N.m 所以取输出轴径d=30-40mm，即可满足要求。4.3 轴承的设计说明 此次设计的轴承选用滚动轴承。4.4 键.销.螺栓等的设计说明4.4.1键的选定 键的规格由轴段的直径查表确定，键的长臂一般相应的轴段短5-10mm，并取标准值。选择A型键（GB1096-79），材料为45钢。4.4.2 销的选择 为了更好的使上下箱体结合，并增加连接处强度，在结合面上装上定位销；在行星外齿轮圈处也装上销，型号为普通柱销（GB119-86）D型。4.4.3 螺栓的选择 选用六角螺栓-C级(GB5780-79GB5781-86),螺纹公差为6g。4.4.4 垫圈.垫片选择 选标准型弹簧垫圈（GB93-87），材料为65Mn。垫片用在输出齿轮轴齿轮的另一端，用来轴向定位，选大垫圈（GB95-85），此外挡圈选孔用弹性挡圈-A级(GB893.1-86)，轴用弹性挡圈-A级(GB894.1-86)9。 4.5 齿轮强度校核 查文献9圆柱齿轮传动齿面接触疲劳强度与齿根弯曲强度校核公式分别为： 强度条件: 或 (4-5) (4-6) 计算应力： (4-7) (N/mm2) (4-8) 许用应力： (4-9) (N/mm2) (4-10) 安全系数： (4-11) (4-12) 式中: mn-法面模数mm，b-齿宽 mm；d1-小齿轮分度圆直径mm Ft-分度圆圆周力N；KA-使用系数；KV-动载系数 KHKF齿向载荷分布系数；KFKH-齿间载荷分配系数-计算接触应力Mpa； -材料弹性系数 -节点区域系数； -接触强度计算的重合度与螺旋角系数 -许用接触应力Mpa -润滑油膜影响