自動多功能可調式便老輪椅的設計

李欣疏，徐樹平，王琛瑋，任祉亦，李春陽

(吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林，132022)

隨著我國人口老齡化日趨嚴重，高齡化的社會結構已成為我國面臨的重大挑戰.面對老年人日常行走和生活移動等諸多困難，使用助老輪椅可以有效提升老年人群的生活質量.既可以有效節省社會勞動力，創造更大的社會價值，同時能夠滿足老年人群在日常生活中的基本活動.市面現售的輪椅價格在1.2～4.5萬不等，價格高昂且功能性較單一，難以滿足多功能的日常需求.本產品在普通輪椅的基礎上將其功能進行改進和整合，既能夠實現輪椅靠背的自動調整，也能夠實現人員的“傳送”功能，使產品更加人性化[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、制動裝置、靠背和座椅等主要部分組成.輪椅架采用折疊式結構，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.輪椅裝有一對大輪和一對小輪，每個大輪裝有驅動輪圈，使用者雙手驅動輪圈使輪椅前進、后退或轉向，前置小輪，可萬向轉動.制動裝置采用手扳式剎車，起駐車作用.座椅和靠背內置多根滾軸，外包皮革，實現人員的傳送，同時靠背由不完全齒輪機構實現自動調整角度.如圖1所示.

圖1 輪椅實物圖

2 設計方案

2.1 靠背和座椅的結構

靠背和座椅均采用滾軸加皮帶的結構，其原理同運輸帶相同，可以方便使用者從床、沙發到輪椅間的轉移，如圖2所示.

圖2 靠背和座椅結構圖

根據靠背和座椅的尺寸，靠背安裝14根滾軸，座椅安裝11根滾軸，均勻分布，結構簡單且緊湊，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度.皮帶纏繞在均勻排布的滾軸外部，采用硅膠板材質，有良好的彈性，耐老化，同時具有防水、阻燃、耐磨、耐油等優良性能[3].

靠背采用自動可調式結構，此結構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輪椅的體驗感，因此選擇舒適度較高的能夠滿足人機工程學要求的座椅，使輪椅的靠背能夠實現從90°～180°調整.當使用者需要移動到床、沙發時，打開調節開關，靠背自動展開，展至合適角度后停下進行移動.

2.2 靠背調節方案

靠背通過液壓千斤頂來實現自動調節，活塞桿的往復運動帶動柱塞往復運動，從而使靠背實現角度的調節，液壓式千斤頂結構緊湊，工作平穩，有自鎖作用，如圖3所示.

圖3 液壓千斤頂

2.3 液壓自動調節方案

千斤頂活塞的往復運動可以通過凸輪機構、曲柄搖桿機構和不完全齒輪機構等進行驅動，為了保證傳動的穩定性與準確性，采用不完全齒輪機構進行驅動[4-5].

主動齒輪保留4個輪齒，根據運動時間和停歇時間要求，從動齒條加工16個輪齒.齒輪傳動過程如下：主動齒輪與齒條1進入嚙合，齒條單向運動；主動齒輪與齒條1退出嚙合，齒條靜止；繼續轉動的主動齒輪與齒條2進入嚙合，齒條反向運動；主動齒輪與齒條2退出嚙合，齒條靜止.兩齒條由保持架固定，同步運動，傳動示意圖如圖4所示.通過主動輪帶動的齒條往復運動，從而實現液壓千斤頂活塞桿的往復運動，且整體尺寸較小，節省空間，使輪椅的造型更加簡潔美觀.液壓自動調節裝置安裝位置如圖5所示.

圖4 不完全齒輪機構傳動示意圖

圖5 輪椅裝配圖

3 產品的設計

3.1 電機的選擇

電機阻力F=2 000 N,速度v=0.02 m/s，電機的有效功率為：

(1)

電機所需功率為：

(2)

故選擇直流減速電機，型號為XD37GB555系列永磁直流減速電機，具有體積小、低噪音、扭力大、調速范圍寬等優點.

3.2 齒輪的設計

3.2.1 工作條件及基本參數

采用不完全直齒圓柱齒輪，轉速n=20 r/min，扭矩T=62 N·mm，使用壽命10 y，每天預計使用8 h，中等沖擊[3-4].基本參數見表1.

表1 齒輪參數表

3.2.2 齒根彎曲疲勞強度校核

齒形系數YFa=2.97，應力修正系數YSa=1.52，載荷系數K=1.3，彎曲疲勞強度極限σFmax=450 MPa，彎曲疲勞強度壽命系數YN=1,安全系數SF=1.4，計算需用彎曲應力：

(3)

校核齒根彎曲疲勞強度：

=0.274 MPa<[σF] .

(4)

彎曲強度符合要求.

3.3 軸承的壽命校核

根據GB/T 276—1994選擇6000型號深溝球軸承，基本參數如表2所示.

表2 軸承基本參數表

深溝球軸承X=1，Y=0，當量動載荷：

(5)

軸承的壽命計算公式：

(6)

滿足設計要求.

3.4 輪椅架的設計

輪椅架需要承擔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，抗拉強度為600 MPa，屈服強度為355 MPa，則輪椅架支撐材料截面積：

(7)

輪椅的主結構采用直徑為20mm的薄壁鋼管，符合設計需求[6-10].

4 結 論

在人口老齡化日益嚴重的現代社會，越來越多年老者的日常生活需求需要被滿足.本設計能夠滿足年老者對輪椅的多重需求，提高年老者的自理能力.輪椅靠背的角度可實現90°～180°的調節，使用者可以選擇適合自己的角度；通過不完全齒輪機構驅動千斤頂活塞往復運動，傳動更加穩定；靠背放平調至180°，通過座椅和靠背內置的滾軸，實現從輪椅至沙發和床等位置的移動.