(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu thiết kế cơ cấu hỗ trợ xe lăn đi cầu thang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 4 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - - LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 Hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG TP Hồ Chí Minh, tháng 09/2013 Luan van NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ tên: Nguyễn Đức Thắng Ngày, tháng, năm sinh: 01 – 11 – 1984 Quê qn: Hà Tĩnh Giới tính: Nam Nơi sinh: Biên Hịa Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: 70F/14, KP2, Tổ 19, P Tam Hoà, TP Biên Hoà, tỉnh Đồng Nai Điện thoại riêng: 0945.40.05.05 E-mail: laokhietbao@yahoo.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo: 03/2003 – 03/2009 Chính quy Nơi học: Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ khí Chế Tạo Máy Tên luận văn tốt nghiệp: Thiết kế máy dập trục khuỷu có trục nằm dọc Bảo vệ luận án tốt nghiệp: Năm 2009 Ngƣời hƣớng dẫn: TS Nguyễn Đức Tuấn III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 03/2009 – 06/2013 Công ty Vykino Kỹ sƣ khí 06/2013 – đến Công ty Otsuka Quản lý sản xuất GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG i Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu kết luận văn trung thực Ngoài phần tham khảo từ tài liệu, phần thân tự nghiên cứu chƣa công bố cơng trình khác Tp.Hồ Chí Minh, ngày… tháng 10 năm 2013 NGUYỄN ĐỨC THẮNG GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG ii Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn tri ân: Phó Giáo sƣ Tiến sĩ NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG tận tình giảng dạy, hƣớng dẫn khoa học giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Q Thầy Cơ Phịng đào tạo tất quý Thầy Cô Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, Khoa Điện, q Thầy Cơ giảng dạy suốt trình học tập Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Gia đình, anh em, bạn học viên lớp ngƣời thân giúp đỡ, đóng góp ý kiến, động viên suốt thời gian học tập Trân trọng! Tp.Hồ Chí Minh, ngày… tháng 10 năm 2013 NGUYỄN ĐỨC THẮNG GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG iii Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài : “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG “ đề tài mà đối tƣợng hƣớng vào ngƣời tàn tật, ngƣời già yếu khơng có khả tự lại, họ phải sử dụng xe lăn để tự di chuyển có ngƣời trợ giúp Xe lăn cho ngƣời tàn tật có nhiều ƣu điểm nhƣ : gọn nhẹ, giá thành hợp lý, xếp lại đƣợc mà phƣơng tiện hữu ích cho ngƣời tàn tật ngƣời già yếu Bên cạnh ƣu điểm tồn nhƣợc điểm di chuyển dễ dàng đƣờng phẳng, đoạn đƣờng hiểm trở nhƣ di chuyển lên xuống cầu thang khơng thể, thƣờng cần phải có nhiều ngƣời giúp đỡ muốn di chuyển lên xuống cầu thang Cơ cấu hỗ trợ xe lăn vƣợt cầu thang cấu tách rời so với xe lăn, sử dụng cần ngƣời trợ giúp Mỗi ngƣời sử dụng muốn di chuyển lên xuống cầu thang cần gắn cấu vào phía sau xe lăn Ngƣời ngồi với xe lăn đƣợc nâng lên di chuyển qua bậc thang vƣợt qua hết bậc thang Đây cấu có nhiều ƣu điểm dễ sử dụng gần nhƣ phù hợp với loại cầu thang Trong luận văn em tập trung vào nghiên cứu tính tốn thiết kế cấu sau vào chế tạo thử nghiệm để thấy đƣợc kết cấu thực cấu nhƣ khả hoạt động so với thiết kế ban đầu GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG iv Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG SUMMARY Thesis: "STUDY DESIGN STAIR CLIMBING SUPPORT APPARATUS FOR WHEELCHAIR” is the thesis that is the subject to wards the disabled, the elderly not have the ability to walk, they have to use a wheelchair to manually move or helpers Wheelchairs for disabled people has many advantages such as lightweight, reasonably priced, can be folded up so that it is a very useful means for the disabled and the elderly Besides the advantages that it exists only downside is that it moves easily on flat roads, and rugged roads, moving up and down stairs can not, so often need to be more people want to help when moving up and down the stairs Support structure over the stairs wheelchair is a separate structure from a wheelchair, and using just a helper Every time the user wants to move up or down the stairs, then just attach it to the back of the wheelchair He sat with wheelchairs will be lifted and moved through each step until you pass off the ladder This is a structure has many advantages such as ease of use and almost suitable for all types of stairs In this thesis I focus on research into structural design calculations and will then go on to see the prototype of the real structure as well as the ability to structure its operations from initial design GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG v Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt luận văn iv Mục lục vi Danh sách hình ix Chƣơng : GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Đặt vấn đề đối tƣợng nghiện cứu……………………………………… Phƣơng pháp nghiên cứu…………………………………………………… Chƣơng : TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan ngƣời khuyết tật khó khăn sống…… 2.2 Lịch sử phát triển xe lăn……………………………………………… 2.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu nƣớc giới…………… 2.3.1 Tình hình nghiên cứu giới…………………………………….7 2.3.1.1 Loại cấu hỗ trợ có tính tự động hố cao 2.3.1.2 Loại cấu bán tự động chuyên dùng 2.3.1.3 Loại cấu hỗ trợ xe lăn vƣợt cầu thang có ngƣời trợ giúp 2.3.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc………………………………… 10 2.4 Mục tiêu nội dung nghiên cứu………………………………………… 11 2.4.1 Mục tiêu nghiên cứu………………………………………………… 11 2.4.2 Nội dung nghiên cứu………………………………………………… 11 2.5 Ý nghĩa khoa học luận văn…………………………………………… 11 2.6 Ý nghĩa thực tiễn luận văn…………………………………………… 12 2.7 Phƣơng pháp nghiên cứu ………………………………………………… 12 Chƣơng : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Cầu thang dạng cầu thang………………………………………… 13 3.1.1 Cầu thang dạng thẳng………………………………………………… 13 GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG vi Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG 3.1.2 Cầu thang dạng gấp khúc…………………………………………… 14 3.1.3 Cầu thang dạng cong………………………………………………… 14 3.2 Giới thiệu Patent có liên quan đến đề tài nghiên cứu…………… 15 3.2.1 Loại dùng bánh di chuyển cầu thang…………………………… 15 3.2.2 Loại dùng đai để di chuyển cầu thang 21 3.2.3 Loại dùng để di chuyển cầu thang 23 Chƣơng : Ý TƢỞNG VÀ GIẢI PHÁP 4.1 Yêu cầu đặt 26 4.2 Phân loại cấu theo mức 26 4.3 So sánh phân tích mức lựa chọn phƣơng án nghiên cứu 26 4.3.1 so sánh phân tích mức 26 4.3.2 Lựa chọn phƣơng hƣớng nghiên cứu thiết kế 27 Chƣơng : TÍNH TỐN THIẾT KẾ 5.1 Yêu cầu kỹ thuật cấu 29 5.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cấu 29 5.2.1 Sơ đồ hoạt động 29 5.2.2 Nguyên lý hoạt động 30 5.3 Tính tốn thiết kế kích thƣớc bánh xe .31 5.4 Tính tốn thiết kế hệ thống truyền động 36 5.4.1 Sơ đồ truyền động 36 5.4.2 Tính tốn công suất chọn động dẫn động 37 5.4.3 Tính tốn thiết kế truyền xích 39 5.4.4 Tính tốn thiết kế truyền động đai 43 5.4.5 Tính tốn thiết kế trục 45 5.4.6 Tính tốn chọn ổ lăn 52 5.4.6.1 Tính toán chọn ổ trục III 52 5.4.6.2 Tính tốn chọn ổ trục IV 53 5.5 Hệ thống phanh 54 5.5.1 Phân tích yêu cầu 54 5.5.2 Phân loại sơ 55 GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG vii Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG 5.5.3 Các bán kính đĩa phanh 56 5.5.4 Lực ép cần thiết 57 5.5.5 Diện tích làm việc má phanh 58 Chƣơng : KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 6.1 Kết đạt đƣợc 59 6.1.1 Kết cấu khung đỡ dƣới 60 6.1.2 Kết cấu khung đỡ 63 6.1.3 Cụm bánh xe di chuyển 63 6.1.4 Kết cấu vỏ bên 64 6.1.5 Cụm truyền động 65 6.2 Nhận xét 72 Chƣơng : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 7.1 Kết luận 73 7.2 Hƣớng phát triển cho tƣơng lai 73 TÀI LIỆU THAM 75 GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG viii Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG 6.1.2 Kết cấu khung đỡ : - Khung đỡ gồm gồm có tay vịn cấu kẹp giữ xe lăn đƣợc làm từ Inox, tay vịn đƣợc làm từ ống Inox có ф22 mm đƣợc uốn cong nhƣ hình 6.3 Tay cầm đƣợc nối với khung qua pê đan xe đạp Mỗi bên khung đƣợc chế tạo từ ống Inox đƣợc lồng vào nhau, mục đích sử dụng ống lồng để điều chỉnh đƣợc chiều cao khung phù hợp với ngƣời hỗ trợ Hình 6.6: Kết cấu khung đỡ trên mơ hình 3D 6.1.3 Cụm bánh xe di chuyển : - Cụm bánh xe đƣợc làm từ thép C45 gồm chi tiết đƣợc gia công ghép lại với GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG 63 Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG Hình 6.7: Hình cụm bánh xe đỡ trên mơ hình 3D 6.1.4 Kết cấu vỏ bên : - Vỏ bên thiết bị đƣợc làm từ thép C45 dày mm, sau đƣợc gia cơng máy phay CNC theo hình dạng thiết kế, vừa có tác dụng che chắn bên ngồi vừa có tác dụng đỡ trục truyền động, hộp giảm tốc, động Các đƣợc lắp ghép với bulông chốt định vị Hình 6.8: Kết cấu 3D vỏ bên cấu GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG 64 Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG Hình 6.9: Kết cấu vỏ bên ngồi gia cơng máy phay cắt dây Hình 6.10: Kết cấu ghép thép với 6.1.5 Cụm truyền động : - Cụm truyền động gồm : động cơ, hộp giảm tốc trục vít bánh vít, đĩa xích, trục, GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG 65 Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG 66 Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG Hình 6.11: Cụm truyền động thiết bị Hình 6.12: Các đĩa xích housing đỡ ổ bi GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG 67 Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG 68 Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG Hình 6.13: Quá trình chế tạo cấu chạy thử nghiệm cụm truyền động GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG 69 Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG Hình 6.14: Cơ cấu gắn liền với xe lăn di chuyển đƣờng GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG 70 Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG Hình 6.14: Cơ cấu gắn liền với xe lăn di chuyển lên cầu thang GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG 71 Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG 6.2 Nhận xét: - Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu với giúp đỡ tận tình thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Phƣơng cuối em thiết kế cụm thiết bị truyền động để hỗ trợ xe lăn cầu thang, khơng em tham gia chế tạo lắp ráp cụm chi tiết truyền động thiết bị để thấy đƣợc nguyên lý hoạt động cấu Tuy nhiên thời gian hạn chế nhiều khó khăn trực tiếp chế tạo nên mơ hình làm chƣa thật hồn hảo, cơng suất động mơ hình chƣa tải đƣợc tải trọng thƣc tế GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG 72 Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 7.1 Kết luận Trong suốt trình thực luận văn tốt nghiệp, với cố gắng thân, dẫn tận tình thầy hƣớng dẫn, quý thầy cô Khoa Cơ khí Chế tạo máy, bạn học viên lớp, tơi hồn thành nội dung đề tài “Thiết kế cấu hỗ trợ xe lăn cầu thang”, cụ thể làm đƣợc số công việc nhƣ sau: - Về mặt lý thuyết + Phân tích lựa chọn đƣợc kết cấu để thiết kế + Lựa chọn đƣợc nguyên tắc phƣơng pháp điều khiển hoạt động cho cấu + Nghiên cứu, lựa chọn kết hợp thiết bị ứng dụng vào đời sống + Xây dựng lý thuyết cho cấu - Về mặt thực nghiệm + Chế tạo thành cơng mơ hình + Các phận hoạt động đƣợc lên xuống cầu thang + Cơ cấu hoạt động thực đƣợc công việc đạt yêu cầu đề - Vấn đề tồn + Tối ƣu kết cấu động học cấu + Cần hoàn thiện thêm phận thắng + Cần hoàn thiện thêm phận khung đỡ + Chƣa tải đƣợc tải trọng nhƣ tính tốn 7.2 Hƣớng phát triển cho tƣơng lai: - Đề tài có tính mở, cịn nhiều vấn đề cần tiếp tục đƣợc triển khai nghiên cứu - Trang bị thêm khung đỡ để thay nâng hàng hóa GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG 73 Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG - Xây dựng cấu cân động để ngƣời sử dụng tự thao tác - Xây dựng hoàn thiện khả hoạt động cấu - Thiết kế mô hình nhỏ gọn hơn, tăng cơng suất động để cò thể chở thêm hàng Vấn đề tồn nhiều, nhiên giới hạn phạm vi luận văn thời gian có hạn nên em chƣa thể hoàn thiện vấn đề Đây đề tài có tính ứng dụng cao có nhiều hƣớng phát triển có tính thực tế cao Nếu có điều kiện em tiếp tục nghiên cứu phát triển cấu GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG 74 Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc, Chi tiết máy, Nhà xuất đại học quốc gia Tp HCM, 2008 [2] Trịnh Chất-Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, Nhà xuất giáo dục, 2002 [2] GS.TS Nguyễn Đắc lộc, PGS.TS Lê văn Tiến, PGS.TS Ninh Đức Tốn, PGS.TS Trần Xuân Việt, Sổ tay công nghệ chế tạo máy ( Tập 1, 2, 3), Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2005 Tiếng Anh [4] Alber, U., Stair Climbing Device, United States Patent 5.263.547, 1993 [5] William B Martin, Stair climbing wheel utilizing an involute curve configuration, United States Patent 4,674,757 [6] Kenneth R.Cox, Stair Climbing Wheel chair, United States Patent 4.512.588, 1985 [7] Jack M Feliz, Step Climbing Wheel chair, United States Patent 4.222.449, 1980 [8] Cecil J Watkins, Simon R Watkins, Stair vehicle, United States Patent 4.421.189, 1983 [9] R.K Brown Etal, Stair Climbing Wheel chair, United States Patent 3.283.839, 1966 [10] Thomas J Rhodes, Stair Climbing Wheelchair, United States Patent 4.108.499, 1978 [11] Werner Last, Chassis for a Vehicle Capable of Travelling Over Obtructions, United States Patent 4.061.199, 1977 GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG 75 Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU HỖ TRỢ XE LĂN ĐI CẦU THANG [11] Edward G King, Hilmer H.Shackelord, Jr., Leo M Kahl, Stair Climbing Robot, United States Patent 4.993.912, 1991 [12] Jack M Feliz, Stair Climbing Conveyance, United States Patent 4.566.551, 1986 [13] Franz Bihler, Anton Abele, Stair climbing apparatus for wheelchair, United States Patent 4.556.229, 1985 [14] Beat W.Studer, Wheel chair Carrier, United States Patent 4.401.178, 1983 [15] Laurence I Jayne, Stair Climbing Wheel chair, United States Patent 4.618.155, 1986 [16] Heinz Kluth, Stair climbing wheelchair, United States Patent 4.569.409, 1986 GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG 76 Luan van HVTH: NGUYỄN ĐỨC THẮNG Luan van