多功能移動式殘病人洗浴器設計說明書(doc 29頁).doc

1、編號鄂創(chuàng)新-06-2006年湖北省高校大學生機械創(chuàng)新設計大賽暨第二屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽湖北分區(qū)預賽多功能移動式殘病人洗浴器設計說明書參賽者： 徐蒙 周長華 楊溢 申陽 指導教師： 郭 柏 林 武 漢 理 工 大 學二0 0六年五月作品名稱：多功能移動式殘病人洗浴器 學校名稱：武 漢 理 工 大 學參賽者：1徐 蒙男機自0202機電學院2周長華男機自0301機電學院3楊 溢男機自0301機電學院4申 陽男機自0404機電學院指導教師：郭柏林 機電學院 副教授聯(lián)系方式：詳細通訊地址：武漢理工大學機電學院電話： 87862280電子郵箱： Pizza201

2、63.com目 錄1. 創(chuàng)新設計作品的主要功能指標及工作原理-42 創(chuàng)新構思，方案設計-43. 創(chuàng)新設計作品運動分析和動力分析及必要的設計計算-5 4. 方案分析與比較-235. 創(chuàng)新設計作品與已有相近產(chǎn)品的異同與創(chuàng)新之處-236. 對作品進行評價、對比、決策分析-247. 實用化的可能性、成本分析及應用前景-248. 參考文獻- 249. 洗浴器初裝實物照片-25一 創(chuàng)新設計作品的主要功能指標及工作原理1. 主要功能 癱瘓殘病人人數(shù)眾多，他們承受著驅體殘病痛苦的同時,也遭受著多種生話不便之處，他們渴望享受到正常人的生活樂趣，當然也包括洗浴潔身的基本生活需求。多功能移動式殘病人洗浴器是專為臥床

3、不起的癱瘓殘病人服務的洗浴(淋浴)產(chǎn)品,適用于家庭與醫(yī)院，同時又兼有室內(nèi)輪椅和臨時睡床的功能。2. 工作原理圖（1）多功能移動式殘病人洗浴器由組合浴缸、翻轉機構和機架三部分組成，浴缸結構為組合式，按人體形態(tài)分為上身部缸體、腰部缸體和腿部缸體結構，浴缸主體為柏木或杉木,表面涂刷銅油,造型別致，質(zhì)地溫和。上身部缸體和腿部缸體結構可手動翻轉；上身部缸體翻轉機構由絲桿機構和擺動導桿機構組合而成，使得所需翻轉力矩最大時(此時上身部缸體處于水平位置)，傳動角等于90 度,傳力性能最佳；由人機工程學原理，翻轉角度70度時，人靠在椅子上較舒服；腿部缸體翻轉機構巧妙的運用了雙搖桿機構,凸輪機構和彈簧構成組合機構

4、，當向上翻轉至水平位置時，借助彈簧拉力與重力的平衡作用，使翻轉操作輕便，同時利用死點使腿部缸體可靠地定位在水平位置；向下翻轉時，采用凸輪機構破壞死點位置，使腿部缸體在重力作用下向下翻轉復位，而此時彈簧起緩沖作用。機架材料為不銹鋼，防水防銹，外表亮麗美觀；機架可移動，且能升降以適應不同家庭床面高度，同時采用了集水系統(tǒng)，保證洗浴時水不任意泄漏，集中排水，使得可在家庭不同地點洗浴。產(chǎn)品結構緊湊，可收縮成輪椅狀，便于在場所狹小的家庭內(nèi)推送。二 創(chuàng)新構思，方案設計（注意多方案設計） 為了更好地完成這一設計，我們構思了多種方案，現(xiàn)列舉兩種如下：方案一： 圖（2）方案二： 方案一與方案二的不同之處在于上身部

5、翻轉機構，方案一采用擺動導桿機構和絲桿機構組合，方案二則采用雙搖桿機構和絲桿機構組合，腳部缸體翻轉機構均采用雙搖桿機構、凸輪機構和彈簧組成，兩方案的對比評價將在下節(jié)進行。三 創(chuàng)新設計作品運動分析和動力分析及必要的設計計算（幾何尺寸確定與關鍵零部件強度校核）1 方案一運動分析圖（4）（1）上身部缸體連桿機構類型 該機構為擺動導桿機構。其中AD桿為導桿，EB桿為主動桿, BA桿機架，D為滑塊。（2）上身部缸體擺動導桿機構自由度分析 該機構有3個活動構件，其中轉動副3個，移動副個，共4個低副,無高副.以F表示自由度，PL表示低副個數(shù)，PH表示高副個數(shù)，n表示活動件數(shù)。 根據(jù)： F=3n-2PL-PH

6、 得： F=33-24-0=1該機構主動件自由度數(shù)為，故其具有確定運動。（3）擺動導桿主動桿點與絲桿機構螺母鉸接，上身部缸體可以根據(jù)預期要求運動，在070間任意位置翻轉并鎖緊,其運動軌跡如圖（4）所示。2 方案一受力分析（1）上身部缸體分析上半身缸體總重量計算(設杉木的密度為)上身部兩邊杉木板質(zhì)量： M1=0.70.320.0153802+0.620.390.015380=3.8kg底板質(zhì)量 M2=0.8450.560.02380=3.4kg支架分為三個部分，質(zhì)量分別為m1，m2，m3，且 m1=2.3（0.0380.025-0.0350.022）7800=3.1kg m2=1.80.0001

7、0.457800=0.6kg m3=0.45（0.0250.025-0.0230.023）78002=0.6kg M3=m1+m2+m3=3.2+0.6+0.7=4.3kg人按一般重量計算，設其上半身質(zhì)量為M4=40kg，則上半身缸體總重量為 P=（M1+M2+M3+M4）10 =（3.8+3.4+4.3+40）10 =515N（2）當整個洗浴器處于洗浴狀態(tài)時 受力分析 圖（5）如圖（5）上身部剛體簡圖，有：AM=920mm，AD=600mm，DE=50mm，BE=405mm。 如圖（6-a）,設上半身缸體和人的重心C與A點距離為AC=450mm則由MA=0有： PAC-FnAD=0 即515

8、450-Fn600=0 Fn=385N 如圖（6-b）,B點到力Fg的力臂為L1=73mm,由MB=0有： FnBE-FgL1=0 即385405-Fg73=0 Fg=2135N 絲桿直徑校核（選絲桿Tr204） 如圖（6-b）,力Fg與水平方向夾角為24，其沿絲桿方向上的分力為 FQ=Fgcos24=1950N，則由 其中 取 k=0.8， n=1.2， p=1118由題中絲桿大徑為20mm，小徑為15mm可知絲桿直徑滿足。 （a） (b) (c) 圖（6） 校核A，B，E各處銷的強度（各銷直徑均為d=10mm） 銷聯(lián)接，銷的材料常用35#鋼，可取許用切應力=80MPa，受橫向力F作用時，應

9、 (d 為銷危險截面的直徑，mm)則 A處：FA=P-Fn=515-385=130NB處，F(xiàn)n和Fg的夾角為， E處：FE=Fn=385N 由以上可知，A，B，E三處銷強度均滿足。（2）當上身部缸體翻轉處于中間狀態(tài)（即35）時 受力分析 如圖（7）有：AM=920mm，AD=480mm，DE=50mm，BE=405mm. 圖（7） 如圖(8-a,b),A點到力P的力臂L1為370mm B點到力Fg的力臂L2為65mm。設上半身缸體和人的重心C與A點距離為AC=450mm，則由MA=0有： PL1-FnAD=0 即515370-Fn480=0 Fn=395N由MB=0有： FnBE-FgL2=0

10、 即395405-Fg65=0 Fg=2460N 絲桿直徑校核（絲桿Tr204） 力Fg與絲桿方向夾角為54，其沿絲桿方向上的分力為FQ=Fgcos54=1445N，則由 其中 取 k=0.8， n=1.2， p=1118.由題中絲桿大徑為20mm，小徑為15mm可知絲桿直徑滿足。 校核A，B，E各處銷的強度（直徑均為d=10mm） (d 為銷危險截面的直徑，mm) （a） (b) （c） （d） 圖（8）如圖（8-c，d） A處：FA為P與Fn的合力，其夾角為145，計算得FA=296N B處：FB為Fn與Fg的合力，其夾角為62 E處：FE=Fn=395N 由以上可知，A，B，E三處銷強度

11、均滿足。（3）當上身部缸體翻轉處于終點狀態(tài)（即70）時 受力分析如圖（9）有：AM=920mm，AD=360mm，DE=50mm，BE=405mm。 圖(9) 如圖(10-a,b)A點到力P的力臂L1為155mm， B點到力Fg的力臂L2為75mm。設上半身缸體和人的重心C與A點距離為AC=450mm，則由MA=0有： PL1-FnAD=0 即515155-Fn360=0 Fn=220N由MB=0有： FnBE-FgL2=0 即220405-Fg75=0 Fg=1190N 絲桿直徑校核 力Fg與絲桿方向夾角為77，其沿絲桿方向上的分力為FQ=Fgcos77=287N，則由 其中 取 k=0.8

12、， n=1.2， p=1118 由題中絲桿大徑為20mm，小徑為15mm可知絲桿直徑滿足。 校核A，B，E各處銷的強度（直徑均為d=10mm） (d 為銷危險截面的直徑，mm) （a） （b） （c） （d） 圖（10）如圖（10-c，d） A處：FA為P與Fn的合力，其夾角為110，計算得FA=487N B處：FB為Fn與Fg的合力，其夾角為123 E處：FE=Fn=220N 由以上可知，A，B，E三處銷強度均滿足。(4) 計算手搖所需的力 圖（11）如圖（11），其中s為升程，取s=4 tan =s/d1 tan =s/d1=4/3.1418=0.0707 =4.04 當量摩擦系數(shù) 當整個

13、洗浴器處于洗浴狀態(tài)時 =195018tan(4.04+17.22)/2 =6830Nmm 又手搖柄長 l=145mm，且T=Fl 手搖所需的力 F=T/l=6830/145=47N當上身部缸體翻轉處于中間狀態(tài)（即35）時 =144518tan(4.04+17.22)/2 =5060Nmm 手搖所需的力 F=T/l=5060/145=35N當上身部缸體翻轉處于終點狀態(tài)（即70）時 =28718tan(4.04+17.22)/2 =1005Nmm 手搖所需的力 F=T/l=1005/145=7N3 腿部缸體分析 圖（12）（1）腿部缸體連桿機構類型 如圖（12）， OR桿桿長為L1=175mm R

14、X桿桿長為L2=95mm XK桿桿長為L3=133mm KO桿桿長為L4=130mm L1+L2L3+L4 又KO桿作為機架，它為最短桿RX桿對邊 ，故該機構為以OZR桿和XK桿為搖桿的雙搖桿機構。（2）腿部缸體雙搖桿機構自由度計算與分析 如圖（12），OZR桿，RX桿，XK桿，KO桿組成4連桿機構F表示自由度，PL表示低副個數(shù)，PH表示高副個數(shù)，N表示桿數(shù)。 根據(jù)： F=3（N-1）-2PL-PH 得： F=3（4-1）-24-0 即： F=1 原動件數(shù)為，故該機構具有確定運動。（3）腿部缸體運動軌跡腿部部缸體可以根據(jù)預期要求運動，在水平狀態(tài)鎖緊牢靠，它可在較小外力作用下直接翻轉90至豎直狀

15、態(tài)，翻轉過程平穩(wěn)舒適。（4）計算彈簧受力 腿部上邊柏木板質(zhì)量M1=0.4050.2850.023802+0.560.2850.02380 =3.1kg底板質(zhì)量 M2=0.390.560.02380=1.7kg2.0kg支架分為而兩個部分，質(zhì)量分別為m1，m2，且 m1=1.2（0.0380.025-0.0350.022）7800=1.7kg m2=0.45（0.0380.025-0.0350.022）7800=0.7kg M3=m1+m2=1.7+0.7=2.4kg人按一般重量計算，設其下肢質(zhì)量為M4=15kg，則前面支架所要支承的重量為 P=（M1+M2+M3+M4）10 =（3.1+2+2

16、.4+15）10 =225N 由題意可知，當腿部缸體處于豎直狀態(tài)時，彈簧所受里F1最大，此時如圖（12）有：OT=405mm，OR=175mm，RX=95mm，XK=130mm，KN=47mm，NW段為彈簧 設腿部缸體和人的重心Z與O點距離為OZ=200mm，由K=0得， F1L1=PL2 其中L1=39mm，L2=35mm 彈簧所受力為 F1=22535/39=200N4 方案二運動分析 圖（13）為頭部缸體運動軌跡圖（1）上身部缸體連桿機構類型 AC桿桿長為L1=400mm， DE桿桿長為L2=160mm，EB桿桿長為L3=300mm， BA桿桿長為L4=200mm.L1+L2L3+L4

17、， 又BA作為機架，它為最短桿DE桿對邊 ，故該機構為以BE桿和ACD桿為搖桿的雙搖桿機構。（2）上身部缸體雙搖桿機構自由度計算與分析 如圖（13），ACD桿，DE桿，EB桿，BA桿組成4連桿機構F表示自由度，PL表示低副個數(shù)，PH表示高副個數(shù)，N表示桿數(shù)。 根據(jù)： F=3（N-1）-2PL-PH 得： F=3（4-1）-24-0 即： F=1 故滿足運動要求。（3）上身部缸體運動軌跡圖（13）如下，上身部缸體可以根據(jù)預期要求運動，在070間任意位置翻轉并鎖緊，圖示為上身部缸體在0，35，70三個位置的機構運動狀態(tài)。圖（13）5 方案二受力分析 （1）上身部缸體洗浴狀態(tài)受力分析 上半身缸體洗浴

18、狀態(tài)受力簡圖（14）如下：圖（14）圖（15）如圖（15），F(xiàn)n相對于A的力臂；L1=198mm，重力P相對于A的力臂L2=450mm.根據(jù) MA=0 有：FnL1-PL2=0 得： Fn=1170N圖（16）如圖（16），F(xiàn)n相對于B的力臂L3=200mm,FQ相對于B的力臂L4=100mm.根據(jù)MB=0，有： FnL3-FQL4=0 得： FQ=2340N圖（17）如圖（17），根據(jù) ， 有：Fncos18-YA-P=0 得： YA=560N根據(jù) ， 有：Fnsin18-XA=0， 得： XA=362NFA=667NFE=Fn=1170N圖（18）如圖（18）， 根據(jù) ，有：Fnsin18

19、-XB+FQ=0，得：XB=2701.6N根據(jù) ，有： Fncos18-YB=0 ，得：YB=1113NFB= 校核A，B，E各處銷的強度（各銷直徑均為d=10mm） 銷聯(lián)接，銷的材料常用35#鋼，可取許用切應力=80MPa，受 橫向力F作用時，應 ： (d 為銷危險截面的直徑，mm) A處 ， 則 B處， 則 E處： 則 由以上可知，A，B，E三處銷強度均滿足。（2）上半身缸體翻轉中間狀態(tài)（35度）受力分析 上半身缸體翻轉中間狀態(tài)（35度）受力簡圖（19）如下：圖（19）圖（20）如圖（20），F(xiàn)n相對于A的力臂：L1=390mm，重力P相對于A的力臂L2=369mm。 根據(jù) 有：FnL1-

20、PL2=0 得： Fn=487N根據(jù) ， 有：Fncos42+YA-P=0 得： YA=153N根據(jù) ， 有：Fnsin42-XA=0， 得： XA=326NFA=FE=Fn=487N圖（21）如圖（21），F(xiàn)n相對于B的力臂L3=285mm,FQ相對于B的力臂L4=124.4mm.根據(jù)，有： FnL3-FQL4=0 得： FQ=1116N根據(jù) ，有：Fnsin42-XB+FQ=0，得：XB=1442N根據(jù) ，有： Fncos42-YB=0 ，得：YB=362NFB= 校核A，B，E各處銷的強度（各銷直徑均為d=10mm） 銷聯(lián)接，銷的材料常用#35鋼，可取許用切應力T=80MPa，受 橫向力

21、F作用時，應 ： (d 為銷危險截面的直徑，mm) A處 ， 則 B處， 則 E處： 則 由以上可知，A，B，E三處銷強度均滿足。（3）上半身缸體翻轉極限（70度）受力分析 上半身缸體翻轉極限（70度）受力簡圖如下：圖（22）圖（23） 圖（24）如圖（23），F(xiàn)n相對于A的力臂；L1=366mm，重力P相對于A的力臂L2=154mm. 根據(jù) 有：FnL1-PL2=0 得： Fn=217N根據(jù) ， 有：Fncos37+YA-P=0 得： YA=173N根據(jù) ， 有：Fnsin37-XA=0， 得： XA=131NFA=FE=Fn=217N如圖（24），F(xiàn)n相對于B的力臂L3=247mm,FQ相

22、對于B的力臂L4=100.4mm.根據(jù)，有： FnL3-FQL4=0 得： FQ=592N根據(jù) ，有：Fnsin37-XB+FQ=0，得：XB=723N根據(jù) ，有： Fncos37-YB=0 ，得：YB=131NFB= 校核A，B，E各處銷的強度（各銷直徑均為d=10mm） 銷聯(lián)接，銷的材料常用#35鋼，可取許用切應力T=80MPa，受 橫向力F作用時，應 ： (d 為銷危險截面的直徑，mm) A處 ， 則 B處， 則 E處： 則 由以上可知，A，B，E三處銷強度均滿足。 （4）計算手搖所需的力 tan =s/d1 ( 中徑 d1=18mm，s=4 ) tan =s/d1=4/3.1418=0

23、.0707 =4.04 當量摩擦系數(shù) 上身部缸體洗浴狀態(tài)時 =234018tan(4.04+17.22)/2 =8196Nmm又手搖柄長 L=145mm，且T=Fl 手搖所需的力 F=T/l=8196/145=55.6N上半身缸體翻轉中間狀態(tài)時 =111618tan(4.04+17.22)/2 =3909Nmm 手搖所需的力 F=T/l=3909/145=27N上半身缸體翻轉極限 =59218tan(4.04+17.22)/2 =2074Nmm 手搖所需的力 F=T/l=2074/145=14N四 方案分析與比較方案一：上身部缸體為擺動導桿機構和絲桿機構組合,可以在0-70任意位置翻轉和牢固的

24、鎖緊，絲桿始終受到拉力，保證良好的剛度要求，且傳動平穩(wěn)，當所需翻轉力矩最大時（此時上身部缸體為水平狀態(tài)），傳動角為度，傳力效果最好。手搖驅動力也較小，比較省力，結構緊湊；腿部缸體為雙搖桿機構，水平狀態(tài)時機構處于死點位置，固定牢靠穩(wěn)定，由于裝了一個彈簧，只需一個較小的力便可使其向上翻轉90，向下翻轉時,彈簧拉力逐漸增大,起到緩沖作用，避免腿部缸體下降過快而產(chǎn)生沖擊，構思巧妙，結構緊湊，使用方便。方案二：頭部缸體為雙搖桿機構和絲桿機構共同施行運動,可以產(chǎn)生0-70任意位置的翻轉和牢固的鎖緊，運動較平穩(wěn)，但是絲桿運動時受到徑向壓力，使其產(chǎn)生彎曲，受力狀態(tài)不佳；絲桿機構需要設置導向裝置，結構較復雜；手

25、搖力在水平狀態(tài)時比較大，有點費力，使用不太方便;腿部缸體結構分析同上。綜合以上分析，方案結構緊湊，受力合理.故方案一為較優(yōu)方案。五 創(chuàng)新設計作品與已有相近產(chǎn)品的異同與創(chuàng)新之處（重點闡明創(chuàng)新 點）1 異同點 從檢索資料和市場調(diào)查來看，現(xiàn)有國內(nèi)外市場上的洗浴產(chǎn)品均為固定式、整體式浴缸或淋浴房。從制造的材質(zhì)上，浴缸一般分為亞克力缸、鋼板缸、鑄鐵缸和木桶，盡管市面上現(xiàn)有浴缸各有特點，但它們均有一個共同點：為正常人或生活能自理的人提供的洗浴產(chǎn)品。多功能移動式洗浴器在市場定位上是為癱瘓殘病人服務，在結構上與它們差異顯著。2 創(chuàng)新點（1）擺脫了現(xiàn)有洗浴產(chǎn)品的固定式安裝模式，采用移動機架，并設置了集水系統(tǒng)，使水集中排放，使該洗浴產(chǎn)品能隨處移動，便于搬運殘病人或在不同地點進行洗浴。（2）