□ 张佳欣 □ 兰艺闻 □ 孙宏达 □ 郝 哲 □ 王洪洋 □ 张雪粉

沈阳理工大学 机械工程学院 沈阳 110159

1 设计背景

当前,我国人口老龄化问题突出,城市老年人口比例持续升高,越来越多的老年人面临上下楼梯不便这一困难[1]。如今市面上流通的拐杖并不适用于上下楼梯,笔者从这一方面入手,设计出一种楼梯平地两用折叠拐杖。

这一拐杖使用时有两种状态,分别为折叠状态和展开状态。在折叠状态时,作用与普通拐杖类似。在展开状态时,拐杖支点可以同时支撑在两个台阶上,以达到更有效的稳定效果,使老年人在上下楼梯的过程中减少因拐杖滑动而发生摔倒。

2 结构设计

2.1 总体结构

楼梯平地两用折叠拐杖的结构如图1所示。

2.2 折叠部分

主要由五组连杆相互连接配合,以此实现拐杖的折叠[2]。在平地使用时,可以将折叠机构闭合,作为普通单脚拐杖来使用。遇到台阶时,便可将折叠机构展开,形成一个双脚拐杖。展开时,折叠机构的连杆相互配合,形成两个共线三角形结构来使整个拐杖更加稳定。

▲图1 楼梯平地两用折叠拐杖结构

2.3 操作手柄

操作手柄位于楼梯平地两用折叠拐杖上半部分扶手的下方,通过一根长杆与折叠机构相连接,以此来拉动折叠机构的连杆,实现对拐杖两种状态的控制。扶手下方设置两个卡槽,在折叠状态时,手柄滑动到滑动槽的最底端。展开时,操作手柄滑动到最上端。操作手柄如图2所示。

▲图2 操作手柄

2.4 插销

为了使楼梯平地两用折叠拐杖使用时更安全可靠,设计了一个插销。在折叠状态时,插销插入拐杖上半部末端的销孔中,提高拐杖的稳定性。插销拔出后,滑动操作手柄即可实现折叠机构的展开。插销如图3所示。

▲图3 插销

3 工作原理

楼梯平地两用折叠拐杖工作原理如图4所示。

▲图4 拐杖工作原理

在拐杖连杆组机构中,活动构件数为五个,包含七个低副,所以机构的自由度为1,连杆组机构有确定的运动[3]。

使用者滑动操作手柄,带动构件1向上滑动,通过构件1带动连杆2及连杆5向上,拐杖折叠机构展开。在拐杖折叠机构展开后,连杆2、连杆3、连杆4,以及连杆4、连杆5、拐杖上半部分分别形成两个三角形结构。由于三角形结构的稳定性,拐杖具有良好的负载承受能力。

考虑到一般居民楼台阶高度,当拐杖折叠机构展开时,拐杖上、下部分末端距离为201.24 mm,横向距离为175 mm。基于三角形结构特点,两滑块间距离为98 mm。拐杖展开结构尺寸如图5所示。

▲图5 拐杖展开结构尺寸

4 关节轴强度与刚度校核

基于理论力学及材料力学知识,对楼梯平地两用折叠拐杖各个连杆之间的关节轴列平衡方程,进行强度与刚度校核[4-5]。拐杖关节轴分布如图6所示,拐杖整体受力分析如图7所示。

▲图6 拐杖关节轴分布

图7中,F为使用者对拐杖施加的力,G为地面对拐杖的支持力,FN1X、FN1Y分别为拐杖在C点受到的水平方向及竖直方向的力,FN2X、FN2Y分别为拐杖在E点受到的水平方向及竖直方向的力。

对拐杖进行受力分析,有:

▲图7 拐杖整体受力分析

∑F(x)=0

(1)

式中:F(x)为拐杖X方向的合力。

Fsin53°-FN1X-FN2X=0

(2)

∑F(y)=0

(3)

式中:F(y)为拐杖Y方向的合力。

Fsin53°+G-FN1Y-FN2Y=0

(4)

∑M(E)=0

(5)

式中:M(E)为拐杖关于E点的扭矩。

185Fsin53°+(455+300)Fsin53°+

(185/2)G-185FN1Y-(300-100)FN1X=0

(6)

∑M(A)=0

(7)

式中:M(A)为拐杖关于点A的扭矩。

(455+300)FN2X+185FN2X+(455+100)FN1X-

(185/2)G=0

(8)

由式(2)、式(4)、式(6)、式(8)解得:

FN2X=-1 141.51 N

FN1Y=1.5 N

FN2Y=309.196 N

拐杖折叠机构展开时受力分析如图8所示。

对拐杖进行受力分析,有:

Fsin53°+F1sin60°+F2-F3sin60°-FN1X=0

(9)

式中:F1为连杆5对拐杖上半部分的力;F2为连杆4对拐杖上半部分的力;F3为连杆2对拐杖上半部分主体的力。

FN1Y+F1cos60°-Fcos53°-G-F3cos60°=0

(10)

(455+100)Fsin53°+367F1sin60°+100F2-

90F3sin60°=0

(11)

解得:

F1=-887.1 N

F2=724.3 N

F3=-1 368.1 N

对受力最大的关节轴1进行受力分析,如图9所示,关节轴1长度l为20 mm,直径d为8 mm,材料为40CrNiMoA,许用应力为291 MPa。

▲图8 拐杖折叠机构展开时受力分析

▲图9 关节轴1受力分析

图9中,F1P为关节轴1在P点受到的力,M1为F1P对S点的扭矩,F1Q为关节轴1在Q点受到的力,F1S为关节轴1在S点受到的力。

对关节轴1进行受力分析,有:

F1S=F1=887.1 N

∑F(Y)=0

(12)

F1P+F1Q-F1S=0

(13)

∑M(S)=0

(14)

式中:∑M(S)为拐杖关于S点的扭矩。

F1Pl/2-F1Ql/2=0

(15)

F1P=F1Q=F1S/2=443.55 N

M1=F1Pl/2=4.44 N·m

抗弯截面系数Wz为:

Wz=πd3/32=50.265 mm3

关节轴1最大应力σmax为:

σmax=M1/Wz=88.3 MPa

可见,关节轴1满足强度要求。

同理可得关节轴2、关节轴3、关节轴4、关节轴5均满足强度要求,故拐杖满足强度要求[6]。

通过对拐杖关节轴的强度计算及校核,结合实际分析,确认笔者设计的楼梯平地两用折叠拐杖的承重能力完全可以满足老年人上下楼梯的行走需求,能够平稳完成连杆折叠、展开,以及拐杖下部分的上下移动等动作。

市面上现有的辅助老年人行走的装置[7-10],往往存在价格昂贵或稳定性不足等方面的缺陷。笔者设计的楼梯平地两用折叠拐杖结构简单,成本低廉,能够较好地弥补以上不足。

5 结束语

笔者设计了一种既可以辅助老年人上下楼梯,又可以在平地使用的楼梯平地两用折叠拐杖,着重分析了拐杖展开与折叠的流畅性、稳定性和老年人使用时的安全性等问题,确认拐杖满足使用要求。