创新设计大赛设计说明书

2006年湖北省高校大学生机械创新设计大赛暨第二届全国大学生机械创新设计大赛湖北分区预赛多功能移动式残病人洗浴器设计说明书参赛者：徐蒙周长华杨溢申阳指导教师：郭柏林武汉理工大学二00六年五月作品名称：多功能移动式残病人洗浴器学校名称：武汉理工大学参赛者：1徐蒙男机自0202机电学院2周长华男机自0301机电学院3杨溢男机自0301机电学院4申阳男机自0404机电学院指导教师：郭柏林机电学院副教授联系方式：详细通讯地址：武汉理工大学机电学院电子邮箱：P目录1.创新设计作品的主要功能指标及工作原理-----------------42创新构思，方案设计-----------------------------------------43.创新设计作品运动分析和动力分析及必要的设计计算--------54.方案分析与比较--------------------------------------235.创新设计作品与已有相近产品的异同与创新之处----------23编号鄂创新-06-6.对作品进行评价、对比、决策分析----------------------247.实用化的可能性、成本分析及应用前景------------------248.参考文献-------------------------------------------249.洗浴器初装实物照片-------------------------------------------25一创新设计作品的主要功能指标及工作原理1.主要功能瘫痪残病人人数众多，他们承受着驱体残病痛苦的同时,也遭受着多种生话不便之处，他们渴望享受到正常人的生活乐趣，当然也包括洗浴洁身的基本生活需求。多功能移动式残病人洗浴器是专为卧床不起的瘫痪残病人服务的洗浴(淋浴)产品,适用于家庭与医院，同时又兼有室内轮椅和临时睡床的功能。2.工作原理图（1）多功能移动式残病人洗浴器由组合浴缸、翻转机构和机架三部分组成，浴缸结构为组合式，按人体形态分为上身部缸体、腰部缸体和腿部缸体结构，浴缸主体为柏木或杉木,表面涂刷铜油,造型别致，质地温和。上身部缸体和腿部缸体结构可手动翻转；上身部缸体翻转机构由丝杆机构和摆动导杆机构组合而成，使得所需翻转力矩最大时(此时上身部缸体处于水平位置)，传动角等于90度,传力性能最佳；由人机工程学原理，翻转角度70度时，人靠在椅子上较舒服；腿部缸体翻转机构巧妙的运用了双摇杆机构,凸轮机构和弹簧构成组合机构，当向上翻转至水平位置时，借助弹簧拉力与重力的平衡作用，使翻转操作轻便，同时利用死点使腿部缸体可靠地定位在水平位置；向下翻转时，采用凸轮机构破坏死点位置，使腿部缸体在重力作用下向下翻转复位，而此时弹簧起缓冲作用。机架材料为不锈钢，防水防锈，外表亮丽美观；机架可移动，且能升降以适应不同家庭床面高度，同时采用了集水系统，保证洗浴时水不任意泄漏，集中排水，使得可在家庭不同地点洗浴。产品结构紧凑，可收缩成轮椅状，便于在场所狭小的家庭内推送。二创新构思，方案设计（注意多方案设计）为了更好地完成这一设计，我们构思了多种方案，现列举两种如下：方案一：图（2）方案二：方案一与方案二的不同之处在于上身部翻转机构，方案一采用摆动导杆机构和丝杆机构组合，方案二则采用双摇杆机构和丝杆机构组合，脚部缸体翻转机构均采用双摇杆机构、凸轮机构和弹簧组成，两方案的对比评价将在下节进行。三创新设计作品运动分析和动力分析及必要的设计计算（几何尺寸确定与关键零部件强度校核）1方案一运动分析图（4）（1）上身部缸体连杆机构类型该机构为摆动导杆机构。其中AD杆为导杆，EB杆为主动杆,BA杆机架，D为滑块。（2）上身部缸体摆动导杆机构自由度分析该机构有3个活动构件，其中转动副3个，移动副１个，共4个低副,无高副.以F表示自由度，PL表示低副个数，PH表示高副个数，n表示活动件数。根据：F=3×n-2×PL-PH得：F=3×3-2×4-0=1该机构主动件自由度数为１，故其具有确定运动。（3）摆动导杆主动杆Ｇ点与丝杆机构螺母铰接，上身部缸体可以根据预期要求运动，在0°——70°间任意位置翻转并锁紧,其运动轨迹如图（4）所示。2方案一受力分析（1）上身部缸体分析上半身缸体总重量计算(设杉木的密度为3380kgm)上身部两边杉木板质量：M1=0.7×0.32×0.015×380×2+0.62×0.39×0.015×380=3.8kg底板质量M2=0.845×0.56×0.02×380=3.4kg支架分为三个部分，质量分别为m1，m2，m3，且m1=2.3（0.038×0.025-0.035×0.022）×7800=3.1kgm2=1.8×0.0001×0.45×7800=0.6kgm3=0.45×（0.025×0.025-0.023×0.023）×7800×2=0.6kg∴M3=m1+m2+m3=3.2+0.6+0.7=4.3kg人按一般重量计算，设其上半身质量为M4=40kg，则上半身缸体总重量为P=（M1+M2+M3+M4）×10=（3.8+3.4+4.3+40）×10=515N（2）当整个洗浴器处于洗浴状态时①受力分析图（5）如图（5）上身部刚体简图，有：AM=920mm，AD=600mm，DE=50mm，BE=405mm。如图（6-a）,设上半身缸体和人的重心C与A点距离为AC=450mm则由∑MA=0有：P×AC-Fn×AD=0即515×450-Fn×600=0∴Fn=385N如图（6-b）,B点到力Fg的力臂为L1=73mm,由∑MB=0有：Fn×BE-Fg×L1=0即385×405-Fg×73=0∴Fg=2135N②丝杆直径校核（选丝杆Tr20×4）如图（6-b）,力Fg与水平方向夹角为24°，其沿丝杆方向上的分力为FQ=Fg×cos24°=1950N，则由19500.87.69.7(1118)1.2(1118)Fqdkmm其中取k=0.8，n=1.2，[p]=11～18由题中丝杆大径为20mm，小径为15mm可知丝杆直径满足。（a）(b)(c)图（6）③校核A，B，E各处销的强度（各销直径均为d=10mm）销联接，销的材料常用35#钢，可取许用切应力[]=80MPa，受横向力F作用时，应24Fd(d为销危险截面的直径，mm)则A处：FA=P-Fn=515-385=130N22441301.7800.01AAMPaMPaFdB处，Fn和Fg的夹角为66，22222cos23852135cos6620103852135BngngNFFFFF2244201025.6800.01BBMPaMPaFdE处：FE=Fn=385N22443854.46800.01EEMPaMPaFd由以上可知，A，B，E三处销强度均满足。（2）当上身部缸体翻转处于中间状态（即35°）时①受力分析如图（7）有：AM=920mm，AD=480mm，DE=50mm，BE=405mm.图（7）如图(8-a,b),A点到力P的力臂L1为370mmB点到力Fg的力臂L2为65mm。设上半身缸体和人的重心C与A点距离为AC=450mm，则由∑MA=0有：P×L1-Fn×AD=0即515×370-Fn×480=0∴Fn=395N由∑MB=0有：Fn×BE-Fg×L2=0即395×405-Fg×65=0∴Fg=2460N②丝杆直径校核（丝杆Tr20×4）力Fg与丝杆方向夹角为54°，其沿丝杆方向上的分力为FQ=Fg×cos54°=1445N，则由14450.86.58.4(1118)1.2(1118)Fqdkmm其中取k=0.8，n=1.2，[p]=11～18.由题中丝杆大径为20mm，小径为15mm可知丝杆直径满足。③校核A，B，E各处销的强度（直径均为d=10mm）24Fd(d为销危险截面的直径，mm)（a）(b)（c）（d）图（8）如图（8-c，d）A处：FA为P′与Fn′的合力，其夹角为145°，计算得FA=296N22442963.77800.01AAMPaMPaFdB处：FB为Fn′与Fg′的合力，其夹角为62°22222cos23952460cos6223003952460BngngNFFFFF2244230029.3800.01BBMPaMPaFdE处：FE=Fn=395N22443955.03800.01EEMPaMPaFd由以上可知，A，B，E三处销强度均满足。（3）当上身部缸体翻转处于终点状态（即70°）时①受力分析如图（9）有：AM=920mm，AD=360mm，DE=50mm，BE=405mm。图(9)如图(10-a,b)A点到力P的力臂L1为155mm，B点到力Fg的力臂L2为75mm。设上半身缸体和人的重心C与A点距离为AC=450mm，则由∑MA=0有：P×L1-Fn×AD=0即515×155-Fn×360=0∴Fn=220N由∑MB=0有：Fn×BE-Fg×L2=0即220×405-Fg×75=0∴Fg=1190N②丝杆直径校核力Fg与丝杆方向夹角为77°，其沿丝杆方向上的分力为FQ=Fg×cos77°=287N，则由2870.82.93.7(1118)1.2(1118)Fqdkmm其中取k=0.8，n=1.2，[p]=11～18由题中丝杆大径为20mm，小径为15mm可知丝杆直径满足。③校核A，B，E各处销的强度（直径均为d=10mm）24Fd(d为销危险截面的直径，mm)（a）（b）（c）（d）图（10）如图（10-c，d）A处：FA为P′与Fn′的合力，其夹角为110°，计算得FA=487N22444876.2800.01AAMPaMPaFdB处：FB为Fn′与Fg′的合力，其夹角为123°22222cos22201190cos11012802201190BngngNFFFFF2244128016.3800.01BBMPaMPaFdE处：FE=Fn=220N22442202.8800.01EEMPaMPaFd由以上可知，A，B，E三处销强度均满足。(4)计算手摇所需的力图（11）如图（11），其中s为升程，取s=4tan=s/d1tan=s/d1=4/3.14×18=0.0707∴=4.04°当量摩擦系数0.30.31coscos15vffarctanarctan0.3117.22vvf当整个洗浴器处于洗浴状态时2tan12QvTFd=1950×18tan(4.04°+17.22°)/2=6830N·mm又手摇柄长l=145mm，且T=Fl∴手摇所需的力F=T/l=6830/145=47N当上身部缸体翻转处于中间状态（即35°）时2tan12QvTFd=1445×18tan(4.04°+17.22°)/2=5060N·mm∴手摇所需的力F=T/l=5060/145=35N当上身部缸体翻转处于终点状态（即70°）时2tan12QvTFd=287×18tan(4.04°+17.22°)/2=1005N·mm∴手摇所需的力F=T/l=1005/145=7N3腿部缸体分析图（12）（1）腿部缸体连杆机构类型如图（12），OR杆杆长为L1=175mmRX杆杆长为L2=95mmXK杆杆长为L3=133mmKO杆杆长为L4=130mmL1+L2L3+L4又KO杆作为机架，它为最短杆RX杆对边，故该机构为以OZR杆和XK杆为摇杆的双摇杆机构。（2）腿部缸体双摇杆机构自由度计算与分析如图（12），OZR杆，RX杆，XK杆，KO杆组成4连杆机构F表示自由度，PL表示低副个数，PH表示高副个数，N表示杆数。根据：F=3×（N-1）-2×PL-PH得：F=3×（4-1）-2