【文章內(nèi)容簡介】 載荷趨于平穩(wěn)?？紤]到以上要求，設(shè)計可行的驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的供選方案，并對各方案優(yōu)缺點進行分析。電動輪椅驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計方案靈活多樣，驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案的選擇對電動輪椅的機械效率、整車結(jié)構(gòu)布置、行駛性能及控制方案的設(shè)計等有重要的影響，由于電動輪椅一般采用后輪驅(qū)動，所以根據(jù)轉(zhuǎn)向方式的不同，有兩種可采用的轉(zhuǎn)向方案： 方案一：前輪轉(zhuǎn)向式方案布置示意圖用一個直流電機驅(qū)動兩后輪轉(zhuǎn)動作為輪椅行駛主運動，通過調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速來改變輪椅行駛速度。一個步進電機控制兩前輪相對輪椅前進方向的偏轉(zhuǎn)角度，配合后輪主運動，使輪椅在行駛中轉(zhuǎn)向?？刂葡到y(tǒng)向步進電機輸送脈沖信號使步進電機轉(zhuǎn)過特定角度，步進電機通過三對交錯軸斜齒輪傳動驅(qū)動兩前輪同步偏轉(zhuǎn)（如下圖）。兩前輪偏轉(zhuǎn)軸頂端都裝有盤形彈簧，彈簧另一端固定在輪椅車身上，轉(zhuǎn)向完成后，控制系統(tǒng)不再向步進電機輸送脈沖信號，步進電機無輸出，兩前輪在彈簧力的作用下回復到初始位置，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向后前輪自動復位。前輪傳動機構(gòu)后輪驅(qū)動軸由兩根半軸組成，兩半軸間裝有差速器，直流電機經(jīng)一減速器與差速器相連。輪椅直線行駛時，兩后輪所受地面摩擦阻力相同，差速器向兩半軸輸出相等轉(zhuǎn)速。前輪偏轉(zhuǎn)一定角度，使兩后輪所受地面摩擦阻力不相等，內(nèi)側(cè)后輪所受地面摩擦阻力大，差速器向兩后輪輸出不同轉(zhuǎn)速，使外側(cè)后輪轉(zhuǎn)速大于內(nèi)側(cè)后輪轉(zhuǎn)速。輪椅轉(zhuǎn)向時兩后輪被動實現(xiàn)差速。此方案的優(yōu)點是驅(qū)動系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分開，行駛方向控制與行駛速度控制相互獨立，互不影響，基于這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計相對簡單，易于實現(xiàn)。轉(zhuǎn)向原理簡單，只需通過輸入步進電機的脈沖個數(shù)來控制前輪偏轉(zhuǎn)角就可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。且轉(zhuǎn)向精度高。此方案缺點是輪椅轉(zhuǎn)向必須在行駛過程中完成，轉(zhuǎn)向半徑大，而轉(zhuǎn)向角度小，不能實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，輪椅的靈活性差，使輪椅在室內(nèi)使用不方便。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置分散，占用輪椅底部空間較大。方案二：后輪轉(zhuǎn)向式方案布置示意圖用兩直流電機分別驅(qū)動兩側(cè)后輪，通過電子差速方式獨立控制兩側(cè)驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)速，兩后輪等速轉(zhuǎn)動時，輪椅直線行駛，兩后輪不等速轉(zhuǎn)動時，輪椅向轉(zhuǎn)速低的后輪一側(cè)轉(zhuǎn)向。通過控制兩后輪速差的大小和不等速轉(zhuǎn)動時間來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向角度。轉(zhuǎn)速差越大，不等速轉(zhuǎn)動時間越長，轉(zhuǎn)向角度越大。當一后輪正轉(zhuǎn)，另一后輪反轉(zhuǎn)時，輪椅可原地360176。轉(zhuǎn)向。如上圖所示，若輪椅后輪輪距為L、后輪半徑為r，要使輪椅在時間t內(nèi)以轉(zhuǎn)向半徑R均勻轉(zhuǎn)過α角度，需要控制內(nèi)側(cè)后輪以角速度W1=(RL/2)α/（r*t）轉(zhuǎn)動，外側(cè)后輪以角速度W1=(R+L/2)α/（r*t）轉(zhuǎn)動。采用雙直流電機驅(qū)動，所需直流電機功率約為單直流電機驅(qū)動時電機功率的一半，電機尺寸可以更小，兩直流電機及減速器等結(jié)構(gòu)都布置在后輪軸線上，且省去了差速器和前輪的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊。但求電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩范圍寬，對電機性能要求高。使用后轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向靈活，可以任意轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向。此方案將驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)融為一體，雖只需控制兩直流電機轉(zhuǎn)速變化，即可實現(xiàn)輪椅的驅(qū)動和轉(zhuǎn)向。但是轉(zhuǎn)向時要求控制系統(tǒng)實時精確的控制兩直流電機轉(zhuǎn)速，對控制策略要求更高。[9][10]所要設(shè)計的電動輪椅應能同樣適應室內(nèi)與戶外的使用，要求有較高的靈活度，而轉(zhuǎn)向的靈活度尤為重要，后輪轉(zhuǎn)向方案可實現(xiàn)輪椅的任意半徑。任意角度靈活轉(zhuǎn)向，前輪轉(zhuǎn)向方案適用于室外寬闊路面小角度大半徑轉(zhuǎn)向場合，室內(nèi)轉(zhuǎn)向困難，幾乎無法在室內(nèi)使用。綜上所述，決定采用后輪轉(zhuǎn)向式方案。在后輪轉(zhuǎn)向式驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，后輪驅(qū)動軸被分成兩段半軸，兩直流電機經(jīng)過固定速比減速器減速分別獨立驅(qū)動兩側(cè)后輪，兩套電機、減速器及傳動機構(gòu)的運動互不影響，并且分別接收控制系統(tǒng)傳來的控制信號。為保證當控制系統(tǒng)向兩直流電機輸出相同控制信號時兩后輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向相同，兩直流電機應選用相同型號，相應的，兩套減速器和傳動機構(gòu)也應具有相同尺寸和傳動比。驅(qū)動方案單側(cè)示意圖此系統(tǒng)有兩套背對的直流電機和相應的減速器及傳動機構(gòu)等都在后輪軸線方向上分布，由于輪椅輪距不可能太大，這就要求直流電機和減速器的軸向尺寸不能過大。而直流電機的軸向尺寸對直流電機的額定功率、扭矩等參數(shù)有影響，一般來說，具有越大額定功率、扭矩的同一系列電機軸向尺寸也越大。所以，在選擇直流電機時，應特別注意，既要盡可能的選擇較大扭矩的電機，以減小減速器所需減速比，又要考慮到電機軸向尺寸的限制。[11]輪椅行駛中，前輪雖然不做控制，但在后輪差速轉(zhuǎn)向時，若前輪可隨意偏轉(zhuǎn)，會嚴重危害輪椅轉(zhuǎn)向性能和行駛安全。所以必須對前輪偏轉(zhuǎn)的靈活性加以限制，在前輪轉(zhuǎn)向軸上添加阻尼，以使前輪在受到地面摩擦力矩的時候才可偏轉(zhuǎn)一定的角度，并在摩擦力矩消失后自動復位。前輪阻尼裝置的設(shè)計如圖所示，扭轉(zhuǎn)彈簧一端固定在輪椅車身上，一端與前輪偏轉(zhuǎn)軸相連，車身與前輪偏轉(zhuǎn)軸之間安裝有推力滾子軸承。當前輪受到足夠大的地面摩擦力矩的時候，前輪偏轉(zhuǎn)軸克服彈簧阻力轉(zhuǎn)過一定角度，以使摩擦力矩與彈簧阻力矩相平衡。當摩擦力矩減小或消失時，前輪在彈簧力的作用下恢復到初始位置。輪椅車身骨架是電動輪椅主體和支承結(jié)構(gòu)，承載輪椅車身自重和乘坐者重量，電動輪椅的所有零部件最終都要裝配到車身骨架上。輪椅骨架的設(shè)計應考慮到驅(qū)動系統(tǒng)的布置，為驅(qū)動系統(tǒng)的部件留出充足空間，并使輪椅重心分布合理。輪椅椅座形狀需符合人體坐姿，使乘坐舒適。通過對人體坐姿和標準體型尺寸比例的分析，得出輪椅骨架的大概尺寸范圍：椅座尺寸在500mm500mm左右，椅座離地面高度500700mm，扶手高度250300mm，椅背垂直高度500700mm，傾角5176。10176。，承腿架垂直高度300450mm。（如下圖）輪椅車身側(cè)面主要尺寸車身骨架的設(shè)計要求結(jié)構(gòu)即堅固穩(wěn)定又簡單輕便，并且可靈活拆卸組裝。為了簡化輪椅骨架結(jié)構(gòu)，應盡量控制骨架組成零件數(shù)目。將不影響輪椅整體拆卸組裝的部分設(shè)計為整體，這樣可以減少了可拆卸連接件的使用，降低了車身的制造成本，也在一定程度上降低了輪椅車身自重，有助于提高電動輪椅能與利用率和運動靈活度；不必要的可拆卸部分的減少，也使車身骨架整體更加堅固，結(jié)構(gòu)也更穩(wěn)定。[12]由上圖可看出，電動輪椅車身骨架主要組成部分有椅座、椅背、扶手、底架、承腿架等，通過對市面上現(xiàn)有電動輪椅車身骨架結(jié)構(gòu)的研究和分析，決定將其設(shè)計為四部分：側(cè)面骨架、椅座、椅背和底架板。側(cè)面骨架由扶手、底架、承腿架固連在一起組成，承載輪椅重量，并傳遞到前后輪軸上。椅座、椅背和底架板都通過螺栓連接兩側(cè)側(cè)面骨架，保持兩側(cè)骨架始終平行；椅座承載乘坐者的重量；底架板上放置電機、減速器等部件。電動輪椅在行駛中突然加速或減速和緊急制動會使輪椅前傾或后傾，小角的前傾或后傾會影響輪椅行駛平穩(wěn)性，當傾斜角過大時會使輪椅傾倒，嚴重危害行駛安全。合理的分配輪椅整車重量，把輪椅后輪軸位置后移，使輪椅重心位于前后輪之間，靠近后輪的地方，可以減弱輪椅加減速和制動時前后傾的趨勢。減弱輪椅行駛中的搖擺。但是不可預知的突發(fā)外力作用依然有可能使輪椅發(fā)生大角度傾斜以致輪椅傾倒。所以，為電動輪椅設(shè)計防傾倒裝置是必要的。防傾裝置的作用是限制輪椅的最大傾角，以使輪椅只能發(fā)生小角度傾斜，防止輪椅前后傾倒。防傾裝置有前后防傾輪組成。輪椅平穩(wěn)行駛時，前后防傾輪不與地面接觸，當輪椅前傾一個較小的角度時，前防傾輪著地，以防止輪椅更大角度的前傾。如圖所示：本文要設(shè)計一種適合老年人和殘疾人使用的經(jīng)濟型電動輪椅，應具備操作簡單靈活、車身美觀堅固、座椅舒適安全、功能齊全成本低廉等特點。輪椅的設(shè)計工作包括驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計、輪椅車身骨架設(shè)計、三維建模。設(shè)計難點在于驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計。驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用后輪轉(zhuǎn)向式方案，具有轉(zhuǎn)向靈活，可以任意轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向和結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。前輪阻尼裝置有助于保證轉(zhuǎn)向的平穩(wěn)。驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由成對的電機、減速器、鏈傳動等組成。車身骨架由側(cè)面骨架、椅座、椅背和底架板組成，要求結(jié)構(gòu)堅固穩(wěn)定又簡單輕便，可靈活拆卸組裝。防傾倒裝置防止輪椅前后傾倒。第3章 詳細設(shè)計 電動輪椅機械系統(tǒng)詳細設(shè)計包括驅(qū)動電機的選型、蓄電池的選用、減速器設(shè)計、鏈傳動設(shè)計、車身骨架尺寸設(shè)計等。目前常用的驅(qū)動電機有直流電機、交流異步感應電機、永磁無刷電機、開關(guān)磁阻電機和永磁同步電機等。它們的各方面性能比較如下表：電動輪椅對驅(qū)動電機性能的基本要求有：,以滿足電動輪椅快速啟動、加速、爬坡、頻繁啟、停的要求；電機的調(diào)速范圍小，一般在 25%～100%最大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，近似有小轉(zhuǎn)矩、恒功率的輸出特性，滿足電動輪椅以較高車速勻速行駛工況的要求；(比功率定義為單位質(zhì)量能提供的最大功率)，以最大功率計時，一般應達(1～)kW/kg 以上；，在各種車速范圍內(nèi)能快速柔和地控制驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)矩，要求電機可控性高、穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)特性好；，在不同的工作條件下能可靠地工作；，工作噪聲低。無刷直流電機的特點是既有永磁體又有勵磁繞組，永磁體通常嵌入轉(zhuǎn)子之中，勵磁繞組固定于定子之上，通過調(diào)節(jié)勵磁電流控制氣隙磁通，它可以方便的在高速區(qū)進行弱磁調(diào)節(jié)，提高電機的驅(qū)動特性。同時無刷直流電機采用離散轉(zhuǎn)子位置反饋信號控制換相；