折叠式单双人两用轮椅结构设计与分析*

2014-07-24崔吉超闫俊霞詹民民张贱发陈绍彬

机械研究与应用 2014年4期

关键词：凸块双人杆件

崔吉超, 闫俊霞, 詹民民, 李金, 张贱发, 陈绍彬

(江南大学机械工程学院，江苏无锡 214000)

折叠式单双人两用轮椅结构设计与分析*

崔吉超, 闫俊霞, 詹民民, 李金, 张贱发, 陈绍彬

(江南大学机械工程学院，江苏无锡 214000)

随着人口老龄化进程的加快，老年人的出行问题逐渐突出。市场急需可以同时携带两位老年人出行的双人轮椅。该轮椅的设计，可以实现双人共坐。并且设计中运用有限元分析与运动仿真技术，使产品更具科学性。该轮椅结构具有折叠简单、重量轻、体积小及安全性好等特点。

单双人的转换；可折叠；有限元分析；运动仿真

Abstract: With the accelerated process of population aging，The problem of the elderly people′s traveling is outstanding gradually . The market needs a wheelchair which can be used by two people at the same time. The design can achieve the goal of double sitting. Motion simulation and finite element analysis technology which used in the wheelchair design make the products more scientific. And it has characteristics of being folded easily, light weight, small volume and good safety.

Key words: single or double conversion; folded; finite element design method; motion simulation

0 引言

随着现代医学的发展和进步，人类的寿命逐渐延长，各国老年人口不断增加，高龄化的社会结构已然成为世界各国的重大挑战。中国从1999年进入老龄化社会，并且老龄化进程正在加速。截至2010年11月1日, 60 岁以上的老年人达到了1.78 亿，占人口总数的13．26%，其中65 岁以上的老年人为1.19 亿，占总人口总数的8.87%。中国是世界上唯一的老年人口数量超过1 亿的国家。2014 年中国老年人口数量将超过2 亿，预计2025 年将达到3 亿，到2042 年老年人口比例将超过30%。作为一个人口大国，中国的老龄化社会不同于其他国家，为“中国特色的人口老龄化社会”。除了老年人口基数大、增长快、空巢和失能困难老人多以外，中国的老龄化还呈现出先与工业化、与家庭小型化相伴随、老年抚养比快速攀升等特点[1]。在60岁以上的老年人口中，有相当一部分在日常生活以及疾病治疗和康复过程中，都需要使用轮椅。此外，随着人口老龄化进程的加快，年轻一代的养老负担越来越重，一对夫妇赡养四位老人的现象已非常普遍，老年人的出行问题也日渐突出。现阶段市场上的轮椅全部为单人使用式，市场急需可以同时携带两位老年人出行的双人轮椅。针对这一市场供需矛盾，设计了一种折叠式单双人两用轮椅，并对其进行了运动仿真与有限元分析。

1 轮椅的整体结构

针对现在的市场需求，轮椅需满足以下要求：①可以实现单双人模式的转换；②结构简单、操作简便；③折叠后体积小，占用空间少。提出的设计思想是将剪式收折机构与旋转机构组合，在主椅上附加一个副椅，主椅与副椅以旋转副联接，单人使用时将副椅折叠后旋转至主椅靠背后，双人使用时将副椅展开旋转90°，通过牙嵌式锁紧机构锁紧，安全可靠。轮椅的整体结构三维图如图1所示。

2 结构的工作原理

2.1 副椅平行四边形机构与限位结构

副椅的正面与侧面都用两根杆组成剪式机构，并通过四个套筒与副椅主架的四根支撑杆联接形成四个平行四边形机构[2-4]，这样折叠后的体积仅为传统的剪式机构的一半，使轮椅携带更方便；折套筒可沿支撑杆滑动，折叠时只需沿横向与纵向轻轻一压即可实现副椅的折叠，操作非常简单；支撑杆上分别设置一限位块用于限位如图2所示。

2.2 牙嵌式锁紧机构

在主椅与副椅的承重杆上分别设置凸块，凸块交错排列构成如图3所示的牙嵌式锁紧机构。双人乘坐时，将副椅承重杆上的凸块嵌入主椅承重杆上凸块之间的槽中，并将图4所示的锁紧销插入凸块上的孔中，凸块内壁上开有如图5所示的卡槽，将锁紧销旋转90°即可锁紧，凸块交错堆叠提高了强度与刚度，使锁紧更可靠，轮椅的安全性更强。

图1 轮椅整体结构三维图图2 限位块

图3 牙嵌式锁紧机构图4 锁紧销

2.3 副椅轮子提升机构

在副椅的万向轮的支撑板上开有如图5所示的S形槽，副椅旋转至主椅后时可将轮子提升一定高度，避免轮子拖地。

3 轮椅运动仿真[5]

通过运动仿真技术可以迅速地分析和比较轮椅的多种参数方案，在运动仿真过程中检验机构的工作能力是否满足功能需要，即其工作轨迹的合理性。为了验证设计的合理性，在创建机构后，给每个铰链点定义需要的运动副和驱动类型后对其进行仿真和干涉检验。在UG NX8.0环境下建立轮椅车的三维模型，并在Motion Simulation中定义仿真参数，建立轮椅车的虚拟样机。图6为仿真过程轮椅的各种姿态。

图5 S形槽图6 轮椅仿真姿态

4 重要部件有限元分析[6-8]

4.1 副座剪式交叉杆的有限元分析和结果

如图7所示，剪式折叠机构由两根杆经过铆钉联接。交叉杆的两端圆孔圆心之间的距离为420 mm，为了能使两根杆绕铰支点转动，从而实现两杆在一定角度范围内的转动，需要在其中一根杆上开一个矩形槽，这一定程度上会降低杆的刚度和强度，甚至导致杆失效，所以有必要对其进行有限元分析。

图7 交叉杆示意图

(1) 杆件的材料选择为减轻轮椅的重量增加其便捷性，交叉杆的材料选用5086铝合金，其特性如表1所示。

表1 5086铝合金材料特性

(2) 有限元分析结果将杆件左端圆孔固定，右端圆孔施加F=5 000 N、方向与杆件长度方向一致的拉力。将杆件离散化后求解，结果如图8所示。

图8 杆的有限元分析结果

由有限元分析结果可以看出最大应变出现在杆的中间，为5.292×10-3mm, 变形完全在许可范围之内，最大拉应力出现在孔以及干的中间位置，5.47 MPa对比材料特性，可知杆件强度、刚度完全符合要求。

4.2 主座位下铰链的有限元分析和结果

材料仍然选用选用5086铝合金,将左端与轮椅后架连接的孔作为固定约束，在图中与另外一个杆件用铆钉连接的地方施加Y轴负方向的力；在连接面右端接触的表面也施加Y轴负方向的力，求解之后得到如图9所示结果。

由有限元分析结果可得出双人轮椅前铰链在承载两个人时的应力应变情况，假设两个体重为100 kg的人坐在轮椅上时，如图9所示，铰链中间位置为应变最大的位置，为0.006 7 mm，变形完全在许可范围之内；左端孔位置为应力最大的位置，最大应力为7.588 MPa对比材料特性，可知铰链强度、刚度完全符合要求。