摘 要 本設(shè)計(jì)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，適應(yīng)多種姿態(tài)，應(yīng)用范圍廣泛，能應(yīng)用在醫(yī)療運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)的訓(xùn)練器配合使用的電動(dòng)可調(diào)座椅。其結(jié)構(gòu)與汽車上的電動(dòng)調(diào)節(jié)座椅基本一致。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)分析了人與座椅的人機(jī)關(guān)系，并且結(jié)合我國(guó)國(guó)民對(duì)汽車座椅的使用要求，以人機(jī)工程學(xué)、汽車設(shè)計(jì)等學(xué)科的理論為依據(jù)，以國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)則，對(duì)駕駛座椅進(jìn)行了設(shè)計(jì)。，從人的安全、健康的角度，現(xiàn)代人越來(lái)越多地的時(shí)間在汽車中度過(guò)，座椅的安全與舒適直接影響到人們的健康與安全。尤其是對(duì)人們脊椎的傷害。 本設(shè)計(jì)在參考成熟汽車電動(dòng)調(diào)節(jié)座椅技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練其特殊要求做相應(yīng)改進(jìn)。 本方案的設(shè)計(jì)中，電動(dòng)座椅由雙向電動(dòng)機(jī)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置，座椅調(diào)節(jié)部分等組成。調(diào)整過(guò)程中，打開調(diào)整開關(guān)，電動(dòng)機(jī)通電產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，力矩通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)蝸輪蝸桿的傳動(dòng)到達(dá)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，之后再通過(guò)座椅的調(diào)節(jié)部分實(shí)現(xiàn)座椅水平前后移動(dòng)、座椅上下移動(dòng)、座椅靠背的角度旋轉(zhuǎn)六個(gè)方向的調(diào)節(jié)。 本方案的電動(dòng)汽車座椅的結(jié)構(gòu)主要有：可逆直流電動(dòng)機(jī)、連接裝置、軸承、蝸輪、蝸桿、滾珠絲杠、水平滑動(dòng)導(dǎo)軌，滾輪等部件組成，此外，當(dāng)然座椅還包括傳統(tǒng)座椅的坐墊、靠背、靠枕、骨架、和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等。 關(guān)鍵字：汽車；電動(dòng)座椅；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；滾珠絲杠 Abstract In today's life, the car has become a symbol of modern life, with the rapid development of automobile industry, the car has entered innumberable families, became the ordinary people in daily life often contact one of the industrial products. As part of the car, the seat is the most closely contact with people, and people of car riding comfort and driving comfort evaluation are mostly through the seat to feel. Cars on the chair is given priority to with the driver's seat, is a top priority. Starting from the service object, drivers' shape, height, weight and even may affect the driver to the different requirement of the seat. So the electric chair to a greater extent of meet the requirements of different people on the seat, improve the convenience and comfort of vehicle driving, must be able to realize multidirectional adjustment of seat position. This scheme design, the electric chair by two-way motor, worm gear and worm drive device, seat adjustment part, etc. Part can be implemented through seat seat level before and after the move, seat, seat backrest Angle rotation to move up and down regulation of six directions. Car seat structure mainly has: reversible dc motor, connection device, bearings, turbine, worm, ball screw, horizontal sliding guide rail and other components, in addition, also including traditional seat cushion, seat back cushion, pillows, skeleton, and regulating mechanism and so on. Keywords： Automotive electronics;The electric chair;Worm;The turbine;Ball screw 目 錄 摘 要 II 目 錄 IV 1 緒論 - 7 - 1.1 康復(fù)訓(xùn)練電動(dòng)座椅簡(jiǎn)介 - 7 - 1.2 國(guó)內(nèi)外汽車座椅研究現(xiàn)狀 - 9 - 1.2.1電動(dòng)座椅國(guó)外研究現(xiàn)狀 - 9 - 1.1.2 電動(dòng)座椅國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 - 11 - 2 轎車座椅人體工程學(xué)的應(yīng)用及尺寸參數(shù) - 12 - 2.1人體工程學(xué)的應(yīng)用 - 12 - 2.2轎車座椅尺寸參數(shù) - 16 - 3 電動(dòng)座椅的控制部分 - 18 - 3.1控制原理 - 18 - 3.2電動(dòng)座椅執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu) - 21 - 4 課題研究的意義及主要研究工作 - 23 - 4.1課題研究意義 - 23 - 4.2 電動(dòng)座椅設(shè)計(jì)的背景 - 24 - 4.3 本文主要研究工作 - 24 - 5 座椅前后移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 26 - 5.1動(dòng)結(jié)構(gòu)方案選定 - 26 - 5.1.1傳動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的確定 - 26 - 5.1.2傳動(dòng)方案的確定 - 27 - 5.2 水平滑動(dòng)電機(jī)的選擇 - 28 - 5.2.1絲桿電機(jī)的選擇 - 28 - 5.2.2選擇電動(dòng)機(jī)類型 - 29 - 5.2.3選擇電動(dòng)機(jī)的容量 - 29 - 5.3 水平移動(dòng)系統(tǒng)中蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì) - 31 - 5.3.1選擇蝸桿傳動(dòng)類型 - 31 - 5.3.2選擇材料 - 31 - 5.3.3水平移動(dòng)系統(tǒng)中絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)副的設(shè)計(jì) - 36 - 5.3.4絲桿螺紋傳動(dòng)導(dǎo)程、效率、和驅(qū)動(dòng)扭矩的計(jì)算 - 36 - 5.3.5滑動(dòng)螺旋副的設(shè)計(jì)計(jì)算 - 37 - 6 座椅靠背傾斜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 40 - 6.1仰合方案的確定 - 40 - 6.2 仰合電動(dòng)機(jī)的選擇 - 42 - 6.2.1 選則電動(dòng)機(jī)的類型 - 42 - 6.2.2 選擇電動(dòng)機(jī)的功率 - 42 - 6.3 傳動(dòng)裝置的總體設(shè)計(jì) - 44 - 6.3.1 計(jì)算總傳動(dòng)比及分配各級(jí)傳動(dòng)比 - 44 - 6.3.2 仰合系統(tǒng)中蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì) - 45 - 6.4仰合系統(tǒng)中齒輪的設(shè)計(jì) - 47 - 6.4.1選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料、及齒數(shù) - 47 - 6.4.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) - 47 - 6.5按齒輪根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) - 49 - 6.5.1確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 - 49 - 6.6 幾何尺寸計(jì)算 - 50 - 7 座椅升降方案設(shè)計(jì) - 52 - 7.1 選擇電動(dòng)機(jī) - 54 - 7.2 傳動(dòng)比的分配 - 55 - 7.2.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速 - 55 - 7.2.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì) - 55 - 7.2.3 蝸桿與蝸輪設(shè)計(jì)的主要參數(shù) - 57 - 7.2.4 滾珠絲杠的設(shè)計(jì) - 58 - 7.2.5 軸承的選擇 - 59 - 7.2.6 聯(lián)軸器的選擇 - 60 - 結(jié) 論 - 61 - 參 考 文 獻(xiàn) - 62 - 致 謝 - 64 - 附錄Ⅰ - 65 - 附錄Ⅱ - 67 - V 1 緒論 1.1 康復(fù)訓(xùn)練電動(dòng)座椅簡(jiǎn)介 康復(fù)訓(xùn)練電動(dòng)座椅目前在國(guó)內(nèi)尚未形成規(guī)模性產(chǎn)業(yè)，只是在家庭、醫(yī)院、療養(yǎng)院、辦公設(shè)備自動(dòng)化、交通座椅有少量應(yīng)用，電動(dòng)座椅的突出特點(diǎn)在于俯仰、升降的調(diào)整均由電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具有調(diào)節(jié)平滑，舒適度高，便于控制，穩(wěn)定性及精度大大好于機(jī)械式及液壓式座椅等優(yōu)點(diǎn)。然而，通過(guò)對(duì)電動(dòng)座椅市場(chǎng)的調(diào)研得知，國(guó)內(nèi)電動(dòng)座椅中所用電機(jī)大多為進(jìn)口，使得整椅的價(jià)格較高，阻礙了其進(jìn)一步推廣；且大部分為直流有刷電機(jī)，這使得系統(tǒng)的可靠性、壽命及控制的靈活性收到了極大的限制。將無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于電動(dòng)座椅之中，可以提高整椅調(diào)速的平滑性和定位精度，提高可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。該產(chǎn)品有利于打破國(guó)外在此行業(yè)的壟斷局面，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破及產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展，有助于提升我國(guó)電動(dòng)座椅和電動(dòng)床系統(tǒng)的技術(shù)水平，有著較大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。 在過(guò)去的轎車中，轎車的發(fā)明和制造以用于交通為唯一目的，然而今天的轎車的設(shè)計(jì)思想則是倡導(dǎo)人與汽車的融合，而汽車電動(dòng)座椅的設(shè)計(jì)正是這個(gè)思想的極其重要的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)涉及到電子學(xué)、人體工程學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)等領(lǐng)域方面[3]，隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)汽車駕駛舒適性的要求越來(lái)越高，轎車的座椅已然從一個(gè)簡(jiǎn)單的部件發(fā)展到一個(gè)比較復(fù)雜和精確程度要求比較高的部件。 電動(dòng)座椅是衡量轎車檔次的重要依據(jù)，因此世界范圍內(nèi)的轎車設(shè)計(jì)師都十分重視電動(dòng)座椅的設(shè)計(jì)，力求從選材到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都完美無(wú)缺。造型方面，汽車座椅設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮人體的尺寸，人體的重量、乘坐姿勢(shì)和體壓分配的因素，之后應(yīng)用人體工程學(xué)的研究成果和先進(jìn)技術(shù)，制造出乘坐舒適、久坐不乏的安全座椅。 汽車座椅的調(diào)節(jié)有手動(dòng)調(diào)節(jié)和電動(dòng)兩種方式。 最早的汽車手動(dòng)調(diào)節(jié)座椅在1921年面世。最開始的手動(dòng)調(diào)節(jié)需要康復(fù)人員員先通過(guò)手柄放松座椅的鎖止機(jī)構(gòu)，之后通過(guò)改變身體的座姿和位置來(lái)帶動(dòng)座椅移動(dòng)，最后將鎖止機(jī)構(gòu)的手柄放松，將座椅固定在所選擇的位置上。 這種調(diào)節(jié)方式的主動(dòng)施力方是座椅上的乘客，座椅調(diào)節(jié)起來(lái)也不是十分的方便。 于是，在后來(lái)的設(shè)計(jì)中，尤其是在中高檔轎車上，設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)商都會(huì)選擇電動(dòng)調(diào)節(jié)的座椅，一方面可以提高汽車座椅調(diào)節(jié)的便捷性，另一方面也可以提高汽車的檔次，吸引更多的消費(fèi)者選擇自己品牌的汽車。 電動(dòng)座椅是由座墊、靠背、靠枕、骨架、懸掛和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。其中調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由控制器、可逆性直流電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)部件組成是電動(dòng)座椅中最復(fù)雜和最關(guān)鍵的部分，對(duì)可逆性直流電動(dòng)機(jī)的要求是必須體積小，負(fù)荷能力要大；而機(jī)械傳動(dòng)部件在運(yùn)行時(shí)要求有十分良好的平穩(wěn)性，噪音要低?？刂破鞯目刂奇I鈕設(shè)置在駕駛者操縱方便的地方，一般在門內(nèi)側(cè)的扶手上面或座墊側(cè)面。 可逆性直流電動(dòng)機(jī)一般有三個(gè)以上，它們受控制器控制并分別驅(qū)動(dòng)某個(gè)調(diào)整方向的傳動(dòng)部件。傳動(dòng)部件有蝸桿軸，蝸輪、齒軸和齒條等。調(diào)整時(shí)，蝸桿軸在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將齒軸旋入或旋出，即座椅下降或上升。如果蝸輪又與齒條嚙合，蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)將齒條移動(dòng)，即令座椅前移或后移。 圖1-1 現(xiàn)代電動(dòng)座椅結(jié)構(gòu)圖 電動(dòng)調(diào)節(jié)的座椅在調(diào)節(jié)時(shí)，座椅是施力方，乘客只需扳動(dòng)控制鍵就可以令座椅移動(dòng)，無(wú)需主動(dòng)改變身體的座姿。電動(dòng)座椅還可以提供更加精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)位置。電動(dòng)座椅的使用，讓康復(fù)人員能夠輕松的找到最適合自己的駕駛姿勢(shì)，提供良好的視野，提高了行車安全性，并能有效減輕駕駛疲勞。 1.2 國(guó)內(nèi)外汽車座椅研究現(xiàn)狀 1.2.1電動(dòng)座椅國(guó)外研究現(xiàn)狀 手動(dòng)調(diào)節(jié)方式需要乘員先通過(guò)手柄防松座椅的鎖止機(jī)構(gòu)，之后通過(guò)改變身體的坐姿和位置來(lái)帶動(dòng)座椅移動(dòng)，最后到達(dá)合適的位置后，再將鎖止機(jī)構(gòu)的手柄防松，將座椅固定到某個(gè)位置，達(dá)到調(diào)節(jié)座椅位置的目的。 圖1-2 座椅靠背手動(dòng)調(diào)節(jié)器 電動(dòng)座椅在之后逐步得以研究試驗(yàn)，并且1954年卡迪拉克汽車Eldorado款汽首先推出4路電動(dòng)座椅。 電動(dòng)汽車座椅實(shí)際上是人體工程學(xué)和電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它應(yīng)該能夠自動(dòng)適應(yīng)不同體型乘員的乘坐舒適性要求。這種應(yīng)用微機(jī)控制技術(shù)控制的電動(dòng)座椅出現(xiàn)在80年代，1983年日本日產(chǎn)（Nissan）和豐田（Toyota）公司分別在公爵（Cedric）牌轎車和皇冠（Crown）牌轎車上使用。 人體工程是一門新興的邊緣學(xué)科，起源于歐洲，形成于美國(guó)，發(fā)展到今天已經(jīng)有60多年的歷史了。[9]人體工程學(xué)是研究在人們工作中、家庭生活與閑暇時(shí)怎樣考慮人的健康、安全、舒適和工作效率的學(xué)科。人、機(jī)和環(huán)境和諧統(tǒng)一是其核心指導(dǎo)思想。1986年，國(guó)際人機(jī)工程學(xué)學(xué)會(huì)（IEA）在瑞士召開以座椅為主題的第一次國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)，這次會(huì)議之后，正如預(yù)期的那樣，全世界都掀起了一股座椅設(shè)計(jì)的高潮。事到至今這場(chǎng)運(yùn)動(dòng)不但沒(méi)有衰減，反而依舊如火如荼。 經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間的發(fā)展，在之后的設(shè)計(jì)中，蝸桿傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于汽車座椅的電動(dòng)調(diào)節(jié)。其原理是汽車座椅調(diào)整時(shí)，蝸桿軸在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)蝸桿輪旋轉(zhuǎn)，從而將齒軸旋入或旋出，以控制座椅上升或者下降。 在1922年，美國(guó)人首先創(chuàng)新利用平面直齒蝸桿傳動(dòng)，為了表彰他們的貢獻(xiàn)，這一傳動(dòng)方式被譽(yù)為威式蝸桿（WildhaberWarm）。之后在五十年代，日本人學(xué)習(xí)并且逐步發(fā)展了此項(xiàng)技術(shù)，這也就是后來(lái)他們?cè)谑澜缡袌?chǎng)上推銷的，變得相當(dāng)有競(jìng)爭(zhēng)力的平面蝸桿技術(shù)（Plana Worm)。 再此之后，1953年西德尼曼（Nieman）教授又為蝸桿傳動(dòng)做出了新的貢獻(xiàn)，在平面直齒輪蝸桿的基礎(chǔ)上，他創(chuàng)新設(shè)計(jì)，發(fā)明了凹圓弧齒圓柱蝸桿傳動(dòng)，這就是當(dāng)今世界聞名的“Cavex Worm”。此外，日本與1972年以來(lái)也陸續(xù)在各大雜志和專業(yè)論壇上發(fā)表了一些有關(guān)新型蝸桿傳動(dòng)的文章，除了對(duì)機(jī)械傳動(dòng)作出的貢獻(xiàn)外，也不乏對(duì)汽車座椅的一些基本應(yīng)用，并且已經(jīng)取得了一定的成果。 。 圖1-3 電動(dòng)座椅應(yīng)用的蝸桿傳動(dòng)圖 1.1.2 電動(dòng)座椅國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 由于汽車起源于國(guó)外，并且在國(guó)外更早的得以批量生產(chǎn)和普及，所以國(guó)外汽車座椅研究比較早，幾乎是伴隨著汽車的誕生而開始的，到如今已經(jīng)經(jīng)歷了百余年的歷史，發(fā)展非常的成熟，除此之外，國(guó)外由于汽車使用的時(shí)間比較長(zhǎng)，所以他們?cè)谂c座椅有關(guān)的相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)方面也變得十分完善。相比之下，我國(guó)的汽車普及時(shí)間比較短，相關(guān)的技術(shù)非常不成熟，并且由于使用人數(shù)和時(shí)間都非常的短暫，相當(dāng)多的矛盾還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，給我國(guó)的汽車研究帶來(lái)阻礙。目前國(guó)內(nèi)許多商家也開始關(guān)注汽車座椅的研究和生產(chǎn)，并且也已經(jīng)新建了很多座椅生產(chǎn)廠家。我國(guó)汽車座椅生產(chǎn)商大部分都借助合資的優(yōu)勢(shì)，利用他們掌握的部分設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)，在一定程度上加快了我國(guó)的汽車座椅的發(fā)展，促進(jìn)了就業(yè)，但是核心技術(shù)還是只有國(guó)外少數(shù)幾家生產(chǎn)商掌握，國(guó)內(nèi)的自主設(shè)計(jì)和研發(fā)仍然停留在起步階段，落后的設(shè)計(jì)方法是阻礙我國(guó)座椅發(fā)展的主要因素。目前國(guó)內(nèi)許多的座椅生產(chǎn)廠商還在繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的串聯(lián)生產(chǎn)方式，致使設(shè)計(jì)成本過(guò)高，開發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)。 電動(dòng)座椅驅(qū)動(dòng)器是其最關(guān)鍵的部件,設(shè)計(jì)、生產(chǎn)難度極高。高檔汽車普遍使用的電動(dòng)座椅,以前只有少數(shù)國(guó)外公司能夠生產(chǎn)。由于沒(méi)有掌握核心技術(shù),國(guó)內(nèi)汽車座椅生產(chǎn)商只能望洋興嘆。電動(dòng)座椅大面積推廣和使用有一大障礙,就是其成本、售價(jià)過(guò)高。但隨著國(guó)產(chǎn)化率的提高,電動(dòng)座椅成本和價(jià)格會(huì)逐步降低。相信不久的將來(lái),普通老百姓也能享用電動(dòng)座椅。 另外，我國(guó)一些企業(yè)由于對(duì)座椅的研究重視程度不夠，尚未開展專門的研究。這不僅給座椅的安全帶來(lái)隱患，而且制約了我國(guó)座椅的發(fā)展。隨著現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)對(duì)安全、環(huán)保和節(jié)能的要求，我國(guó)座椅急需大量的資金和技術(shù)投入才能縮小與先進(jìn)水平的差距，開發(fā)出適合我國(guó)生產(chǎn)現(xiàn)狀的安全、輕便、低成本的座椅。 豐田普瑞維亞1990年推出，很早就通過(guò)各種渠道進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，也打開了中國(guó)汽車電動(dòng)座椅制造發(fā)展之門，然后越來(lái)越多的汽車廠家開始在中國(guó)發(fā)售電動(dòng)座椅轎車，之后的中國(guó)汽車制造力求完美的詮釋了電動(dòng)座椅，使之更加完善，功能更加齊全。 1991年9月5日至9日，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)電器委員會(huì)在杭州召開了1991年度汽車電器學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)議，會(huì)議指出發(fā)展汽車電器的自動(dòng)化，汽車電動(dòng)座椅的設(shè)計(jì)生產(chǎn)就是我國(guó)趕超國(guó)外汽車車身電器的一個(gè)重要方向。 至今，我國(guó)的高級(jí)轎車廠商紛紛將電動(dòng)座椅視為汽車不可缺失的組成部分。隨著技術(shù)的不斷提高，制造價(jià)格的普遍降低，該車身電器目前正在向家用車型的方向轉(zhuǎn)移。 2 轎車座椅人體工程學(xué)的應(yīng)用及尺寸參數(shù) 2.1人體工程學(xué)的應(yīng)用 坐姿是人體較自然的姿勢(shì)，也是進(jìn)行各種操作經(jīng)常采用的姿勢(shì)。座椅與人們的生活息息相關(guān)，無(wú)論是工作、學(xué)習(xí)、出門旅行、在家休息都離不開座椅。人的坐姿是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，雖然座椅伴隨人類的生活己經(jīng)有幾千年的歷史了，但是關(guān)于座椅的設(shè)計(jì)問(wèn)題至今仍然是值得研究的課題。 在生物學(xué)中，當(dāng)坐立時(shí)，人的身體由脊椎、胯骨、腿和腳支撐。主要用來(lái)支撐人體重量的關(guān)節(jié)為胯骨和腰椎，腰椎的第三、第四腰椎為整個(gè)脊椎骨中受力最大的部位。所以腰椎也就比上方的椎骨大而且硬得多。坐姿時(shí)，尾椎將受到壓力而往前彎，有緩沖震蕩的作用。坐骨構(gòu)成了胯骨最下方的部位，其后下方的坐骨結(jié)節(jié)為L(zhǎng)字母形狀，當(dāng)人們坐著的時(shí)候，此處往下頂住來(lái)支撐身體的重量。長(zhǎng)期的姿勢(shì)不良、受傷或者疾病，傷害就會(huì)發(fā)生在脊椎彎曲的地方，如胸彎過(guò)分彎曲就會(huì)造成圓肩或駝背;腰部脊椎過(guò)分彎曲，會(huì)造成脊椎的側(cè)彎或是脊椎的前凸癥、后凸癥。 當(dāng)人們?cè)谝巫由蠒r(shí)，若坐姿不良，骨盆很容易下陷，仔細(xì)摸骨盆兩側(cè)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)骨盆往后傾，整個(gè)人會(huì)感到胸廓與腰桿交界處造成腰酸背疼、駝背。長(zhǎng)期使用電腦的上班族而言，坐姿不良通常是造成腰酸背疼得最主要的兇手。人們的脊椎在坐姿情況下就像是一根杠桿，如果頭部向前傾，為了支撐前傾的頭部，骨頭的韌帶就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)拉力，當(dāng)力量超過(guò)韌帶所能負(fù)荷的范圍，這個(gè)力量就會(huì)轉(zhuǎn)移到背后的肌肉上，于是肌肉便持續(xù)暴露在張力之下。久而久之，就會(huì)出現(xiàn)頸部、背部、腰部肌肉酸痛的癥狀。 坐姿狀態(tài)下，支撐身體的是脊柱、骨盆、腿和腳。脊柱是人體的主要支柱，由24節(jié)椎骨以及5塊骸骨(已連成一體)和4塊尾骨(己連成一體)連結(jié)組成，如圖1.1所示，其中椎骨自上而下又分為頸椎(共7節(jié))、胸椎(共12節(jié))、腰椎(共5節(jié))三部分，每?jī)晒?jié)椎骨之間由軟骨組織和韌帶相聯(lián)系，使人體得以進(jìn)行屈伸、側(cè)曲和扭轉(zhuǎn)動(dòng)作等有限度的活動(dòng)。頸椎支撐頭部，肋椎與肋骨構(gòu)成胸腔，腰椎、骸骨和椎間盤承擔(dān)人體坐姿的主要負(fù)荷。 圖2.1人體脊椎構(gòu)造圖 圖2.2人體在不同狀態(tài)下腰椎彎曲形狀 由于腰椎幾乎承受著人的上體的全部重量，并且要實(shí)現(xiàn)彎腰、側(cè)曲、扭轉(zhuǎn)等人體運(yùn)動(dòng)，所以最容易損傷或腰曲變形。從側(cè)面觀察脊柱，可看到脊柱呈現(xiàn)頸、胸、腰、骸四個(gè)彎曲部位，其中頸曲和腰曲凸向前，胸曲和骸曲凸向后。脊柱的自然彎曲弧形應(yīng)如圖1.1所示，椎骨的支承表面相互位置正常，椎間盤沒(méi)有錯(cuò)位的趨勢(shì)。一旦人體改變這種自然彎曲狀態(tài)，會(huì)引起惟間盤壓力改變，使腰部疼痛。圖1.2所示為人體在各種不同姿勢(shì)下的腰椎彎曲形狀。曲線C是最接近人體脊柱自然彎曲狀態(tài)的坐姿，椎間盤上的壓力可較正常分布。因此，欲使坐姿能形成接近正常的脊柱自然彎曲形態(tài)，軀干與大腿之間須有大約135°的夾角，且座椅應(yīng)使坐者的腰部有適當(dāng)支撐，以便腰曲弧形自然彎曲，腰背肌肉處于放松狀態(tài)。 人坐著時(shí)，大腿和上身的重量必須由座椅來(lái)支承。人體結(jié)構(gòu)在骨盆下面有兩塊圓骨，稱為坐骨結(jié)節(jié)，如圖1.3所示。 圖2.3股骨正常位置 這兩塊小面積能夠支持大部分上身的重量。座面上的臀部壓力分布是在坐骨結(jié)節(jié)處最大，由此向外壓力逐漸減小，直至與座而前緣接觸的大腿下部，壓力為最小。座墊的柔軟程度要適當(dāng)，坐骨部分的座墊應(yīng)當(dāng)是支承性的，它要承受加在座位上的大約60%的重量，而其余部分則應(yīng)當(dāng)比它更柔軟些，以便能夠把重量分布在更大約面積上。座椅靠背上的壓力分布，應(yīng)當(dāng)是肩腳骨和腰椎骨兩個(gè)部位最高，此即靠背設(shè)計(jì)中所謂的“兩點(diǎn)支承”準(zhǔn)則。 靠背的兩點(diǎn)支承中，上支承點(diǎn)為肩腳骨提供憑靠，稱為肩靠，其位置相當(dāng)于第5~65節(jié)胸椎之間的高度；下支承點(diǎn)為腰曲部分提供憑靠，稱為腰靠，其位置相當(dāng)于第4~5節(jié)腰椎之間的高度。不同用途的座椅，兩點(diǎn)支承的作用不一樣，休息用的座椅，體、腿夾角較大(舒適角度約為115°)，坐著時(shí)身體向后傾斜，只要肩部分支承穩(wěn)靠，沒(méi)有腰靠也能得到舒適的坐姿，因此是以肩靠起主要作用；而一般操作用座椅，由于操作的要求，身體需要略向前傾，肩胖骨部分幾乎接觸不到靠背，因此只有腰靠起支撐作用，一般無(wú)需設(shè)置肩靠。腰靠支承是使背疼和疲勞減到最輕的主要措施，否則，將只靠肌肉來(lái)維持腰曲弧形，勢(shì)必引起腰部肌肉疲勞和損傷。考慮到人的身材高矮不同，對(duì)某些座椅應(yīng)當(dāng)具有能調(diào)節(jié)腰靠位置的裝置。 腿的主動(dòng)脈緊靠著大腿下表面和膝蓋的后面，在這個(gè)部位上，任何持續(xù)的壓力都會(huì)給人造成極端的不好適和腫脹感覺(jué)需要借助于適當(dāng)減短座深、把座墊前緣修圓和采用較軟的泡沫塑料座墊等措施來(lái)防止發(fā)生這種情況。同時(shí)，還要使座面離地板的高度足夠低，以便使腳能踩著地板，讓人的這個(gè)重要部位感覺(jué)不到有任何壓力。坐骨下面的座面應(yīng)當(dāng)近似是水平的。圖1.3表示帶有股骨的骨盆部位的前視圖，股骨在股節(jié)中從連接骨盆的球孔向外伸去。用平的座位，股骨的這一部分在坐骨平面之上，因此不承受過(guò)分的壓迫。 座椅的設(shè)計(jì)必須有可能讓人經(jīng)常地改變自己的姿勢(shì)和位置，以便減輕壓力和 活動(dòng)伸展各部分肌肉。人在坐姿狀態(tài)下，體重作用在座面和靠背上的壓力分布稱為坐態(tài)體壓分布，它與坐姿及座椅的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，圖1.4為人體在靠背和座墊上最適宜的體壓分布，對(duì)于體壓的研究是目前人們對(duì)座椅進(jìn)行研究的主要方法和參數(shù)。體壓分布的測(cè)量一般采用等高線的形式反映壓力分布狀況。 就座者的骨盆可以比喻為倒立的錐體，與椅面接觸的主要是臀部?jī)蓧K薄肌肉層下的坐骨。由坐骨向外，壓力逐漸減少。為了減少臀部下部的壓力，座面一般應(yīng)設(shè)計(jì)成軟墊，其柔軟程度以使坐骨出支承人體的60%左右的重量為宜，采用軟性坐墊，增大臀部與座面的接觸面積，就改善了這種壓力集中的現(xiàn)象，使整個(gè)臀部均承擔(dān)體重的壓力，減緩坐骨下支點(diǎn)處的疲勞，可以延長(zhǎng)就座時(shí)間。但不論什 么座面，不論哪種姿勢(shì)，長(zhǎng)時(shí)間采取一種坐姿總會(huì)產(chǎn)生靜力疲勞。因此，任何一種座椅在設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)考慮變換坐姿的可能性。 人體與座椅之間的壓力分布稱為坐姿的體壓分布，坐姿的體壓分布是影響乘坐舒適性的重要因素。人就坐時(shí)，身體重量的大部分(約80% )經(jīng)過(guò)臀部、背部隆起部分及其附著的肌肉 壓在坐椅面上。 圖2.4人體在靠背和座墊上最適宜的體壓分布 圖2.5座椅各部位的受力分布 2.2轎車座椅尺寸參數(shù) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/0000-28《中國(guó)成年人人體尺寸》按照人機(jī)工程學(xué)的要求提供了我國(guó)成年人人體尺寸的基本數(shù)據(jù)，座椅的座位空間及座椅的尺寸應(yīng)保證適應(yīng)人體舒適坐姿的生理特征，提供實(shí)現(xiàn)舒適做態(tài)的支承條件。GB/14774-1993《工作座椅一般人類工效學(xué)要求》給出了工作座椅的基本結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)，使工作座椅設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合轎車車內(nèi)空間和駕乘人員的調(diào)節(jié)要求，確定如下參數(shù)。 （1）椅面高度：定義為椅面前緣至駕駛員駐點(diǎn)的垂直距離。選定駕駛員座椅椅面高度可調(diào)范圍為280-380mm。 （2）椅面寬度：座椅坐墊兩側(cè)寬度。防止駕乘者在出現(xiàn)離心力時(shí)臂部產(chǎn)生橫向滑動(dòng)，要在座椅椅面兩側(cè)附加額外防滑凸起設(shè)計(jì)，所以椅面總寬選定512mm。 （3）椅面深度：指椅面前緣至靠背前面水平距離。深度過(guò)大時(shí)軀干相對(duì)前移，腰部得不到良好的支撐，引起疲勞；過(guò)小時(shí)，大腿得不到良好的支撐。所以為了保障駕乘者的臂部和大腿部被充分支撐和包裹，椅面深度選定520mm。 （4）靠背高度：靠背最下端到最頂端的距離。為保證座椅靠背在具有角度傾斜時(shí)同樣可以保證對(duì)駕乘者的支撐，所以靠背高度選定607mm。 （5）靠背寬度：靠背兩側(cè)最寬的距離。為避免和減少駕乘者腰背部在座椅上產(chǎn)生橫向滑移，靠背寬度選定500mm。 （6）靠背傾角：靠背傾角是指靠背與椅面水平方向的夾角，為滿足駕駛舒適、安全性以及休息時(shí)的便利性、靠背傾角調(diào)節(jié)范圍為80°—170° 。 （7）椅面傾角：指椅面與水平之間的夾角。轎車夾角，為滿足駕駛舒適安全性以及休息時(shí)的便利性、靠背傾角調(diào)節(jié)范圍的椅面傾角應(yīng)兼顧安全性和舒適、性，一般為2°—10°。 （8）頭枕尺寸：根據(jù)GB/11550-1995《汽車座椅頭枕性能要求和試驗(yàn)方法》，確定頭枕高度為208mm，寬度為230mm，厚度為100mm，頭枕可調(diào)范圍0-100mm。 3 電動(dòng)座椅的控制部分 3.1控制原理 為滿足不同體型、不同坐姿的康復(fù)人員的喜好，康復(fù)人員座椅通常具有較大范圍的調(diào)節(jié)功能，座椅由3個(gè)直流電機(jī)牽引，其中高度調(diào)節(jié)電機(jī)1個(gè)以支撐駕駛者在垂直方向做上下移動(dòng)，水平調(diào)節(jié)和靠背調(diào)節(jié)電機(jī)各1個(gè)用來(lái)控制座椅靠背的角度變化和水平位置。直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓為12V。汽車座椅自動(dòng)控制系統(tǒng)89C52單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及按鍵開關(guān)構(gòu)成。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和座椅的位置信息由安裝在電機(jī)上的霍爾傳感器檢測(cè)，經(jīng)整形和放大后送入單片機(jī)，構(gòu)成系統(tǒng)的速度反饋。通過(guò)手動(dòng)開關(guān)控制直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，改變傳動(dòng)軸的行程和方向，從而調(diào)節(jié)汽車座椅的位置。電動(dòng)座椅主要由座椅開關(guān)、控制部分、位置傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)五大部分組成。開關(guān)包括座椅各位置（靠背、滑動(dòng)、垂直）的電動(dòng)開關(guān)。單片機(jī)內(nèi)容包括對(duì)于電機(jī)控制，本設(shè)計(jì)中主要采用的是89C51單片機(jī)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括座椅調(diào)整的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)等，而且這些電動(dòng)機(jī)均可靈活地進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，以執(zhí)行各種裝置的調(diào)整功能。座椅電控系統(tǒng)框圖和整體結(jié)構(gòu)圖如圖所示。 圖3-1 整體控制電路圖 片機(jī)是由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備以及輸出設(shè)備共五個(gè)基本部分組成的。單片機(jī)是把包括運(yùn)算器、控制器、少量的存儲(chǔ)器、最基本的輸入輸出口電路、串行口電路、中斷和定時(shí)電路等都集成在一個(gè)尺寸有限的芯片上。 MCS-51單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路是一個(gè)高增益反相放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機(jī)內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，外部還需附加電路。MCS-51單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的。MCS-51單片機(jī)工作后，只要在它的RST引線上加載10ms以上的高電平，單片機(jī)就能夠有效地復(fù)位。 (1) 內(nèi)部時(shí)鐘方式 利用其內(nèi)部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩，用示波器可以觀察到XTAL2輸出的時(shí)鐘信號(hào)。最常用的是在XTAL1和XTAL2之間連接晶體振蕩器與電容構(gòu)成穩(wěn)定的自激震蕩器，晶體可在1.2~12MHz之間選擇。MCS-51單片機(jī)在通常應(yīng)用情況下，使用振蕩頻率為6MHz的石英晶體，而12Hz頻率的晶體主要是在高速串行通信情況下才使用。C1和C2可在20～100pF之間取值，一般取30pF左右。 (2) 外部時(shí)鐘方式 在由單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，為了各單片機(jī)之間時(shí)鐘信號(hào)的同步，應(yīng)當(dāng)引入惟一的合用外部振蕩脈沖作為各單片機(jī)的時(shí)鐘。外部時(shí)鐘方式中是把外部振蕩信號(hào)源直接接入XTAL1或XTAL2。由于HMOS和CHMOS單片機(jī)外部時(shí)鐘進(jìn)入的引線不同，其外部振蕩信號(hào)源接入的方式也不同。HMOS型單片機(jī)由XTAL2進(jìn)入，外部振蕩信號(hào)接至XTAL2，而內(nèi)部反相放大器的輸入端XTAL1應(yīng)接地，如圖3-2所示。由于XTAL2端的邏輯電平不是TTL的，還要接上接電阻。CHMOS型單片機(jī)由XTAL1進(jìn)入，外部振蕩信號(hào)接至XTAL1，而XTAL2可不接地。 (3) 復(fù)位電路 MCS-51單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路即在上電瞬間，RC電路充電，RST引線端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。 在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證單片機(jī)可靠地工作，常采用“看門狗”監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行。采用MAX690的復(fù)位電路如圖3-5所示，該電路具有上電復(fù)位和監(jiān)視MCS-51單片機(jī)的P3.3的輸出功能。一旦P3.3不輸出高低電平交替變化的脈沖，MAX690就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)使單片機(jī)復(fù)位。 (4) 復(fù)位狀態(tài) 復(fù)位電路的作用是使單片機(jī)執(zhí)行復(fù)位操作。復(fù)位操作主要是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從程序存儲(chǔ)器的0000H單元開始執(zhí)行程序。程序存儲(chǔ)器的0003H單元即MCS-51單片機(jī)的外部中斷0的中斷處理程序的入口地址。留出的0000H～0002H 3個(gè)單元地址，僅能夠放置一條轉(zhuǎn)移指令，因此，MCS-51單片機(jī)的主程序的第一條指令通常情況下是一條轉(zhuǎn)移指令。 圖3-2 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路圖 3.2電動(dòng)座椅執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (1) 電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)座椅大多采用永磁式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，此類電動(dòng)機(jī)多采用雙向電動(dòng)機(jī)。其電樞的旋轉(zhuǎn)方向隨電流的方向改變而改變，從而使電動(dòng)機(jī)按照不同的電流方向進(jìn)行正傳或反轉(zhuǎn)。并通過(guò)裝在座位側(cè)板上或門扶手上的肘節(jié)式控制開關(guān)來(lái)控制電路通路和電流方向，使某一電動(dòng)機(jī)按所需的方向運(yùn)轉(zhuǎn)，以達(dá)到調(diào)整座椅的目的。為了防止電動(dòng)機(jī)過(guò)載，大多數(shù)永磁式電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有熱過(guò)載保護(hù)斷路器。有些電動(dòng)座椅采用直流電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，并裝有兩個(gè)磁場(chǎng)線圈，使其可作雙向運(yùn)轉(zhuǎn)。這種電動(dòng)機(jī)多使用繼電器控制電流方向。 (2) 調(diào)節(jié)開關(guān) 它主要是用來(lái)調(diào)整座椅的各種位置。當(dāng)按下此開關(guān)后，電控單元就會(huì)控制相應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，按照康復(fù)人員的要求調(diào)整座椅的位置。 (3) 控制部分 單片機(jī)是最小的應(yīng)用控制系統(tǒng)。本課題的控制部分我主要采用89C52單片機(jī)控 制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。但由于應(yīng)用系統(tǒng)中有一些功能器件無(wú)法集成到芯片內(nèi)部，如晶振、復(fù)位電路等，需要在片外加接相應(yīng)的電路。對(duì)于片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)，還應(yīng)該配置片外程序存儲(chǔ)器。構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)只要將單片機(jī)接上外部的晶體或時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可。座椅位置信號(hào)取自變阻器上的電壓降。根據(jù)每個(gè)自由度上的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)座椅，從而使變阻器隨動(dòng)。根據(jù)變阻器的電壓降，控制單元識(shí)別座椅的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是否到達(dá)“死點(diǎn)”，如果到達(dá)“死點(diǎn)”位置時(shí)，電控單元及時(shí)切斷供電電源，保護(hù)電動(dòng)機(jī)和座椅驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 (4) 位置傳感器 位置傳感器主要是用來(lái)檢測(cè)座椅的各種位置，其結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。設(shè)計(jì)中我采用的是霍爾傳感器。它主要由齒輪、滑塊和螺旋桿（可變電阻器）組成，其工作原理和一般電位計(jì)相似。螺旋桿由電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)滑塊在電阻器上滑動(dòng)，從而使輸出電壓信號(hào)發(fā)生變化。電控單元根據(jù)此電壓信號(hào)決定座椅的位置。 圖1-6 座椅位置傳感器 圖1-7 霍爾式座椅位置傳感器的結(jié)構(gòu)圖 4 課題研究的意義及主要研究工作 4.1課題研究意義 座椅是與人接觸最親密的部件，人們對(duì)轎車平順性的評(píng)價(jià)多是通過(guò)座椅的感受感知的，隨著人們生活水平的提高和汽車技術(shù)的不斷更新，康復(fù)人員對(duì)汽車座椅的舒適性要求也越來(lái)越高。對(duì)于家庭使用的汽車而言，常常是多個(gè)成員駕駛同一輛汽車，而當(dāng)不同的康復(fù)人員坐同一個(gè)座椅時(shí)，由于每個(gè)人身體的差異，所需要的汽車座椅的位置各不相同，因此需要經(jīng)常調(diào)節(jié)座椅位置。目前，大部分的汽車座椅沒(méi)有記憶功能，使得同一個(gè)人在不同時(shí)間駕駛同一輛汽車時(shí)，汽車座椅位置可能被其他康復(fù)人員更改過(guò)而需要重新調(diào)節(jié)座椅各個(gè)方向位置。 在汽車電動(dòng)座椅技術(shù)成熟之前，汽車座椅都為手動(dòng)調(diào)節(jié)，比較汽車電動(dòng)坐騎調(diào)節(jié)而言，手動(dòng)調(diào)節(jié)不但不便于操作，而且不利于康復(fù)人員找到最適合自己的位置?，F(xiàn)代汽車的康復(fù)人員座椅多是可以電動(dòng)調(diào)節(jié)的，電動(dòng)座椅可使駕駛者通過(guò)鍵鈕操縱，調(diào)整到最佳坐姿以獲得最好視野，最舒適的乘坐角度及最方便的操作性能。 電動(dòng)座椅六向調(diào)節(jié)裝置，作為電動(dòng)座椅的核心部件，其研究設(shè)計(jì)可以有助于掌握汽車座椅的工作原理及發(fā)展方向，作為學(xué)生，此次課題研究有助于鞏固我們所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，提高我們的基本專業(yè)技能，培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力，對(duì)我們以后的工作產(chǎn)生一定的指導(dǎo)作用，養(yǎng)成一定的專業(yè)素質(zhì)。 設(shè)計(jì)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，適應(yīng)多種姿態(tài)，應(yīng)用范圍廣泛，能應(yīng)用在醫(yī)療運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)的訓(xùn)練器配合使用的電動(dòng)可調(diào)座椅。 目前在家庭、醫(yī)院、療養(yǎng)院、辦公設(shè)備自動(dòng)化、交通座椅的應(yīng)用正在迅速擴(kuò)大，大有取代傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)節(jié)式座椅之勢(shì)。電動(dòng)座椅的突出特點(diǎn)在于俯仰、升降的調(diào)整均由電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具有調(diào)節(jié)平滑，舒適度高，便于控制，穩(wěn)定性及精度大大好于機(jī)械式及液壓式座椅等優(yōu)點(diǎn)。然而，通過(guò)對(duì)電動(dòng)座椅市場(chǎng)的調(diào)研得知，國(guó)內(nèi)電動(dòng)座椅中所用電機(jī)大多為進(jìn)口，使得整椅的價(jià)格較高，阻礙了其進(jìn)一步推廣；且大部分為直流有刷電機(jī)，這使得系統(tǒng)的可靠性、壽命及控制的靈活性收到了極大的限制。將無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于電動(dòng)座椅之中，可以提高整椅調(diào)速的平滑性和定位精度，提高可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。該產(chǎn)品有利于打破國(guó)外在此行業(yè)的壟斷局面，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破及產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展，有助于提升我國(guó)電動(dòng)座椅和電動(dòng)床系統(tǒng)的技術(shù)水平，有著較大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。 4.2 電動(dòng)座椅設(shè)計(jì)的背景 座椅是汽車的基本附屬器件，隨著人們生活水平的提高，對(duì)汽車座椅的舒適性需求也越來(lái)越高，需求對(duì)汽車座椅地調(diào)節(jié)能夠更加簡(jiǎn)單方便、迅速快捷。而目前，汽車座椅位置的調(diào)節(jié)多采用基于手動(dòng)調(diào)節(jié)方式的機(jī)械和電動(dòng)控制兩種方式。 轎車電動(dòng)座椅以駕駛者的座椅為主。從服務(wù)對(duì)象出發(fā)，電動(dòng)座椅必須要滿足便利性和舒適性兩大要求。也就是說(shuō)駕駛者通過(guò)鍵鈕操縱，既可以將座椅調(diào)整到最佳的位置上，使駕駛者獲得最好視野，得到易于操縱方向盤、踏板、變速桿等操縱件的便利，還可以獲得最舒適和最習(xí)慣的乘坐角度。為了滿足這些要求，世界汽車生產(chǎn)大國(guó)的有關(guān)廠家都竟相采用機(jī)械和電子技術(shù)手段，制造出可調(diào)整的電動(dòng)座椅。 4.3 本文主要研究工作 設(shè)計(jì)要求： (1) 具有3自由度，分別為水平前后移動(dòng)，上下移動(dòng)，靠臂俯仰。 (2) 水平前后移動(dòng)距離：204mm;最大速度：0.1m/s； (3) 上下移動(dòng)距離：80mm;最大速度：0.1m/s； (4) 靠臂俯仰角度：0-75度； (5) 采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)； (6) 具有手動(dòng)控制功能。 這個(gè)方案的設(shè)計(jì)思路就是電動(dòng)座椅是利用電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來(lái)調(diào)整座椅前后的位置和靠背的傾斜度, 自動(dòng)適應(yīng)不同體型的康復(fù)人員的乘坐舒適性要求。電動(dòng)座椅能滿足便利性和舒適性, 康復(fù)人員通過(guò)按鍵操縱, 既可以將座椅調(diào)整到最佳的位置上,已獲得最佳的坐姿，利于進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練 我的設(shè)計(jì)就是研究設(shè)計(jì)一種電動(dòng)調(diào)節(jié)式座椅，其汽車座椅位置的調(diào)節(jié)主要有三個(gè)方向，即坐墊高度調(diào)節(jié)、坐墊水平位置調(diào)節(jié)及座椅靠背傾角的調(diào)節(jié)。 通過(guò)前期的仔細(xì)對(duì)比研究，確定了每個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的構(gòu)成。分別設(shè)計(jì)可逆電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，蝸輪蝸桿、滾珠絲杠、平面連桿機(jī)構(gòu)，并將它們互相組合，以達(dá)到調(diào)節(jié)座椅位置的目的。 5 座椅前后移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.1動(dòng)結(jié)構(gòu)方案選定 5.1.1傳動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的確定 傳動(dòng)裝置的作用是將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳給座椅調(diào)節(jié)位置，使其完成座椅的調(diào)整，主要有聯(lián)軸器軟軸、減速器與螺紋千斤頂或蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。 經(jīng)過(guò)分析可知：由于電動(dòng)機(jī)軸與傳動(dòng)軸的直徑相差不大，因此可直接相連，采用螺紋鎖緊的簡(jiǎn)易聯(lián)軸器。 傳動(dòng)軸的選擇根據(jù)電動(dòng)機(jī)的安裝位置的不同有以下幾種： 當(dāng)采用單相電動(dòng)機(jī)時(shí)，傳動(dòng)軸選用錐齒輪與軸相連。 圖5-1單軸電動(dòng)機(jī)輸出 當(dāng)采用雙軸輸出電機(jī)時(shí)如下圖所示： 圖5-2雙軸電動(dòng)機(jī)輸出 對(duì)以上兩種方案進(jìn)行比較，采用雙軸輸出電機(jī)與傳動(dòng)軸直接相連可使傳動(dòng)鏈變得相對(duì)緊湊，傳動(dòng)更加平穩(wěn)。 5.1.2傳動(dòng)方案的確定 第一種方案如下圖所示： 圖5-3齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 此種方案看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但實(shí)際有以下缺點(diǎn)： 在執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面采用齒輪和齒條相嚙合，傳動(dòng)時(shí)的載荷不能太大，而要傳遞80kg重量的載荷所需要的轉(zhuǎn)矩較大，則需要增加齒輪的尺寸。 其次，齒輪的安裝從受力角度來(lái)分析并不利于嚙合，如齒輪齒條的間隙一擴(kuò)大就會(huì)容易產(chǎn)生噪聲和誤齒合，這種現(xiàn)象是絕不應(yīng)該出現(xiàn)的。 第二種方案如下圖所示： 圖5-4錐齒輪絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 在這種方案中，減速器選用錐齒輪，，錐齒輪的設(shè)計(jì)和制造、安裝較為方便，但是考慮到座椅的尺寸情況采用蝸輪蝸桿減速器更為適合，蝸輪蝸桿具有大的傳動(dòng)比和自鎖功能，而且也可傳遞空間交錯(cuò)的兩軸運(yùn)動(dòng)，給制造帶來(lái)了方便，并且體積小便于安裝、傳動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，正好適用于系統(tǒng)的減速。 根據(jù)以上兩種方案的論證與總結(jié)得出第三種方案： 圖5-5蝸輪蝸桿絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 采用絲桿螺母這種傳動(dòng)方案即能滿足電動(dòng)座椅的功能要求，而且結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝調(diào)試。最大的優(yōu)點(diǎn)就是造價(jià)便宜，且傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小并且有向自鎖的優(yōu)點(diǎn)是本次設(shè)計(jì)較理想的選擇。 5.2 水平滑動(dòng)電機(jī)的選擇 5.2.1絲桿電機(jī)的選擇 根據(jù)要求移動(dòng)導(dǎo)軌的移動(dòng)距離為204mm，最大速度為0.1m/s； 由于導(dǎo)軌與螺母相連，所以螺母移動(dòng)的速度為0.1m/s，根據(jù)螺母與絲桿的配合關(guān)系通過(guò)公式： v=L·n 初選絲桿的半徑為8.5mm，螺距為3mm，代入公式得： n絲=v/l=v/p=100x60/3=2000r/min 根據(jù)絲桿的轉(zhuǎn)速初選電機(jī)的轉(zhuǎn)速為2000r/min。 5.2.2選擇電動(dòng)機(jī)類型 首選電動(dòng)機(jī)要根據(jù)電源（交流或直流），工作條件（溫度、環(huán)境、空間尺寸等）和載荷特點(diǎn)、性質(zhì)、大小、啟動(dòng)性能、過(guò)載情況。 電動(dòng)座椅上的電動(dòng)機(jī)作用是為了電動(dòng)座椅的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，此類電動(dòng)機(jī)多采用雙向電動(dòng)機(jī)，即電樞的旋轉(zhuǎn)方向隨電流的方向的改變而改變，使電動(dòng)機(jī)按不同的電流方向進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)以達(dá)到座椅調(diào)節(jié)的目的。為防止電動(dòng)機(jī)過(guò)載，電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有熔斷絲，以確保電氣設(shè)備的安全。 無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是： ① 電機(jī)外特性好，非常符合電動(dòng)車輛的負(fù)載特性，尤其是電機(jī)具有可貴的低速大轉(zhuǎn)矩特性，能夠提供大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，滿足車輛的加速要求。 ② 速度范圍寬，電機(jī)可以在任何轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定大轉(zhuǎn)矩高效率運(yùn)行，這是無(wú)刷直流電機(jī)的獨(dú)有特性，這進(jìn)一步提高整車效率。 ③ 電機(jī)效率高，尤其是在輕載車況下，電機(jī)仍能保持較高的效率，這對(duì)珍貴的電池能量是很重要的。 ④ 過(guò)載能力強(qiáng)，這種電機(jī)比 Y 系列電動(dòng)機(jī)可提高過(guò)載能力 2 倍以上，滿足車輛的突起堵轉(zhuǎn)需要。 ⑤ 再生制動(dòng)效果好，因電機(jī)轉(zhuǎn)子具有很高的永久磁場(chǎng)，在汽車下坡或制動(dòng)時(shí)電機(jī)可完全進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)，給電池充電，同時(shí)起到電制動(dòng)作用，減輕機(jī)械剎車負(fù)擔(dān)。 ⑥ 電機(jī)體積小、重量輕、比功率大、可有效地減輕重量、節(jié)省空間。 ⑦ 電機(jī)無(wú)機(jī)械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，防止塵土進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，可靠性高。 ⑧ 電機(jī)控制系統(tǒng)比異步電機(jī)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)是電機(jī)本身比交流電機(jī)復(fù)雜，控制器比有刷直流電機(jī)復(fù)雜。 根據(jù)以上條件我們選用用磁性雙向軸輸出的直流電動(dòng)機(jī)的sz系列。 5.2.3選擇電動(dòng)機(jī)的容量 電動(dòng)機(jī)的容量（功率）選擇是否適合，對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。ηη容量小于工作要求，則不能工作機(jī)的正常工作，或使電動(dòng)機(jī)因長(zhǎng)期的超載運(yùn)行而過(guò)早損壞；容量選擇過(guò)大，則對(duì)電動(dòng)機(jī)的價(jià)格高，傳動(dòng)能力又不能充分利用，由于電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，其效率和功率因數(shù)都較低，從而造成能源的浪費(fèi)。 對(duì)于比較穩(wěn)定，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械，通常按照電機(jī)的額動(dòng)工率進(jìn)行選擇，而不必校核電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選擇電動(dòng)機(jī)容量時(shí)應(yīng)保證電動(dòng)機(jī)的額定功率Ped等于或稍大于工作機(jī)所需的電動(dòng)機(jī)功率Pd，即： Ped≥Pd 工作及所需電動(dòng)機(jī)的功率為 Pd=Pw/ηkw (5.3) 式中：Pw——工作及所需功率，指輸入工作機(jī)軸的功率kw η——由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的總效率 工作機(jī)所需功率Pw，應(yīng)有工作機(jī)的工作阻力和運(yùn)動(dòng)參數(shù)（線速度或轉(zhuǎn)速）計(jì)算求得： Pw=FV/1000 kw或Pw= Tnw/9550 kw (5.4) 式中：F——工作及的阻力N V——工作機(jī)的線速度，如運(yùn)輸機(jī)輸送帶的線速度m/s T——工作機(jī)的阻力矩N*m nw——工作機(jī)的轉(zhuǎn)速r/min 根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求：渦輪蝸桿的傳動(dòng)比大而且反行程具有自鎖功能，常取Z=4，即四頭蝸桿，其傳遞效率為0.80~0.92 球軸承的效率為0.99 聯(lián)軸器的效率為0.99 絲桿的效率為0.45 功率傳遞流向：電機(jī) ----渦輪蝸桿-----絲桿螺母 傳遞裝置的總效率應(yīng)為組成傳動(dòng)裝置的各個(gè)運(yùn)動(dòng)副效率的乘積即：0.246 （5.5） 工作機(jī)的轉(zhuǎn)速為nw=n絲=300r/min 根據(jù)以上特性初選電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000r/min，功率10w，電壓24v 工作機(jī)的阻力力矩就是渦輪上的轉(zhuǎn)矩T. T=9.55*1000*580.75*10/（3000/10）=238.75 N/mm (5.6） 故工作及所需要的輸入Pw2 Pw=Tnw/9550ηω= 283.75×300÷9500÷0.75=10w (5.7) 在絲桿上消耗的功率： 座椅的平行負(fù)荷能力110kg，則分擔(dān)在絲桿上的為55kg，可計(jì)算出： N=(G/2)cosθ=55×9.8×cosθ (2.8) b是人與絲桿的夾角，而且很小，取b=6°則N=536N，摩擦力 f=G/2sinθ=9.8×55sin6°=56.34N 在絲桿上消耗的功率 Pw絲=f*v絲=56.34*0.015w=0.845w 又Pw=Pw絲 在工作機(jī)實(shí)際需要的電動(dòng)機(jī)輸出功率Pd Pd=Pw/η=0.845÷0.246=3.43w 由于sz系列是雙軸輸出式直流電機(jī)所以總功率為Pw總=2Pd=6.86w， 根據(jù)所計(jì)算出的功率和轉(zhuǎn)速，所選電機(jī)如下： 電機(jī)的型號(hào)為：45sz01 電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：3000r/min 電機(jī)的功率為：10w 電機(jī)的電壓為：24v 電機(jī)的電樞/勵(lì)磁為：111/0.33 電機(jī)的允許正反轉(zhuǎn)速差為：200r/min 校核所選電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 根據(jù)公式： T1=Td*i0*η01 式中：Td——電動(dòng)軸的輸出轉(zhuǎn)矩Nm? T1——工作軸的輸入轉(zhuǎn)矩，即等于渦輪上的轉(zhuǎn)矩T將公式變形后如下： 通過(guò)以上的計(jì)算，說(shuō)明所選電動(dòng)機(jī)是滿足要求的，所以水平移動(dòng)部分的電機(jī)選用45sz01型號(hào)的永磁式雙軸輸出直流電機(jī)。 5.3 水平移動(dòng)系統(tǒng)中蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì) 5.3.1選擇蝸桿傳動(dòng)類型 根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，采用漸開線蝸桿。 5.3.2選擇材料 考慮到蝸桿傳動(dòng)的功率不大，速度只是中等，故蝸桿用45鋼，故希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45-55HRC。渦輪用鑄錫磷青銅ZcuSn10P1，金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄造HT100制造。 (1) 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算 根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動(dòng)中心距 確定作用在蝸桿上的轉(zhuǎn)矩T2 取Z1=4；故取效率為η=0.9； (2) 載荷系數(shù)的確定 因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)kβ=1，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11-5，選區(qū)使用系數(shù)Ak=1, 由于轉(zhuǎn)數(shù)不高，沖擊不大，可取動(dòng)態(tài)系數(shù)Vk=1.0,則 k=kβ*kv *kA=1×1×1=1 確定彈性影響系數(shù)ZE 因選用的是鑄錫磷青銅渦輪和鋼蝸桿，故EZ=160Mpa 確定接觸系數(shù)Zp 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和傳動(dòng)中心距a的比值d1/a=0.35，從《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖11-18中可查的ZP=2.9。 (3) 確定許用應(yīng)力 根據(jù)渦輪選用的材料為σ鑄錫磷青銅ZcuSn10P1，金屬膜鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，可從表11——7中查出渦輪的基本許用應(yīng)力,[σ]=268Mpa。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 壽命系數(shù) 則 中心距的計(jì)算 取中心距a=50mm，因i=10.，故從表11——2中取模數(shù)m=2，蝸桿分度圓直徑d1=22.4，這時(shí)d1/a=0.65，從11——18中可直接插的系數(shù)pZ=2.45，因?yàn)閜Z小于Zp，因此以上計(jì)算結(jié)果可用。 (4) 蝸桿與渦輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 軸向齒距Pa=π*m=6.28mm 直徑系數(shù)q=d1/m=22.4/2=11.2mm 齒頂圓直徑，齒根圓直徑 da1=d1+2ha1=d1+2ha*m=22.4+2×1×2=26.4mm da2=d1-2hf1=d1-2(ha*m+c)=22.4-2(1×2+0.25×2)=17.4mm 分度圓導(dǎo)程角：tanr=mz1/d1=z1/q=4/11.2 r=19°39' 14" 蝸桿軸向齒厚：sa=0.5πm=0.5×π×2=3.14 蝸輪齒數(shù)Z2=39，變位系數(shù) X2=-0.1 ， 驗(yàn)算傳動(dòng)比i=9.75 這時(shí)傳動(dòng)比誤差2.5%，是允許的。 蝸輪分度圓直徑：d2=mz2=2×39=78mm 蝸輪喉圓直徑:da2=d2+2ha2=78+2×0.9=79.8mm 蝸輪齒根圓直徑： da3=d2-2hf2=78-2×2×1.35=72.6mm 蝸輪咽喉母直徑： rg2=a-2da2=10.1mm 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 當(dāng)量齒數(shù) 根據(jù)X2=-0.1，zv2=46.69，從圖11——19中可查齒形系數(shù)YFa2=2.35,螺旋角系數(shù) 許用彎曲應(yīng)力 從表中11——8中查的[σF]=[σF]’*Kfv由ZcuSn1應(yīng)力0P1制造的蝸桿的基本許用彎曲應(yīng)力[σF]'=56Mpa 壽命系數(shù) 驗(yàn)算效率η 已知 從表11——18中用插值法查的fv=0.0283 ，=1.1621，代入式中的η=0.87大于原估計(jì)值。 (5) 精度等級(jí)公差 考慮到所設(shè)計(jì)的蝸桿傳動(dòng)是動(dòng)力傳動(dòng)，是屬于通用機(jī)械減速器，從GB/T10089——1988圓柱蝸桿、渦輪精度中選擇8級(jí)精度，側(cè)隙種類種類為f，標(biāo)注為8f，GB/T10089——1988。然后由有關(guān)手冊(cè)查的要求的公差項(xiàng)目及表面粗糙度。 蝸輪蝸桿傳動(dòng)的基本幾何尺寸 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11-3，算出普通圓柱蝸桿傳動(dòng)基本幾何尺寸。其參數(shù)如下所示： 中心距 50 蝸輪頭數(shù) 4 蝸輪齒數(shù) 39 齒形角 20 模數(shù)