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寧XX大學 畢業(yè)設計(論文) 可調節(jié)病床結構設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 摘 要 隨著科學技術的發(fā)展，可調節(jié)結構的應用也顯得越來越頻繁，先進技術的發(fā)展總是不斷地從新科技的成果中獲得新的起點。目前，可調節(jié)結構在電子科技、計算機技術及機器人的制造中都起著重要的作用。無論在什么情況下，可調節(jié)病床結構要適應的變化才能提高水平和質量。我們只有將技術有效的結合才能更好的推動新科技的發(fā)展，因此可調節(jié)病床結構的設計對于解決這一難題至關重要。 關鍵詞：可調節(jié)病床結構，升降機構 29 Abstract With the development of science and technology, the application of the adjustable structure becomes more and more frequent, the development of advanced technology are continuously from the new achievements of science and technology in the new starting point. At present, the adjustable structure in the manufacture of electronic technology, computer technology and robot plays an important role in. In any case, changes to adjustable bed structure to adapt to improve the level and quality of. We only have the technology must be combined effectively in order to better promote the development of new technology, so the adjustable bed structure design is very important for solving this problem. Keywords: adjustable bed structure, lifting mechanism 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 緒論 1 1.1課題研究的目的 1 1.2可調節(jié)病床研究概況 1 1.3 本課題的研究內容 5 第2章 課題總體設計 6 2.1總體布置原則 6 2.2 可調節(jié)病床的設計 6 2.2.1可調節(jié)病床的結構形式 6 2.2.2 可調節(jié)病床的設計規(guī)范及尺寸確定 6 2.3 可調節(jié)病床開合的兩種機構形式 7 第3章 主要零部件分析計算 9 3.1 實例分析 9 3.1.1可調節(jié)病床開合的結構簡化 9 3.1.2機構受力分析 9 3.2 剪叉臂長度及安裝位置的確定 12 3.3 強度校核 13 3.3.1 剪叉臂的強度校核 13 3.3.2 底架固定橫梁的強度校核 16 3.4 軸的強度校核 19 3.4.1 內剪叉臂固定端銷軸的強度校核 19 3.4.2尾部銷軸的強度校核 19 3.4.3支撐軸的強度校核 20 第4章 絲杠結構及傳動設計 21 4.1滾珠絲桿副的選擇 22 4.1.1導程確定 22 4.1.2確定絲桿的等效轉速 22 4.1.3估計質量及負重 22 4.1.4確定絲桿的等效負載 22 4.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 23 4.1.6精度的選擇 24 4.1.7選擇滾珠絲桿型號 24 4.2校核 24 4.2.1 臨界壓縮負荷驗證 25 4.2.2臨界轉速驗證 25 4.2.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 26 總結 28 參考文獻 29 致謝 30 第1章 緒論 1.1課題研究的目的 近年來，全球范圍內自然災害、災難事故、公共衛(wèi)生事件、社會安全事件等突發(fā)公共事件頻發(fā)，已經嚴重影響了人類的生命與發(fā)展。我國每年因自然災害、災難事故以及社會治安等公共安全問題造成的GDP損失高達6％，并有約20萬人被奪去生命。在各種災難或事故現場,路面受到破壞,凸凹不平,使救護車無法到達現場,需要救護人員把傷病員從事故現場移送到救護車可到達的救護醫(yī)療點。然而很多傷病員由于在這段救援過程中,由于救援處理得不好,而造成了二次傷害，使得救援的效率大打折扣。 可調節(jié)病床作為醫(yī)院救護及運送病人過程中主要的搬移設備，首先應具有靈巧輕便且需要護理人員少的特點，這樣才能在最短時間內對病人進行轉移；其次還應具有較好的動平衡性及減震性等，以減小甚至消除病人在推送途中所受的顛簸及可能發(fā)生的二次傷害。 可調節(jié)病床作為病人的主要工具,對其使用歷來已久,人們根據各個時期對可調節(jié)病床提出的使用要求與功能,不斷的對其進行改進,使其功能越來越強大、越來越完善。目前,已經開發(fā)出一些輔助搬運器械來解決不能獨立行走病人搬運的問題，這大大降低了護理人員的工作強度及運送過程中可能對病人造成的二次傷害系數。 1.2可調節(jié)病床研究概況 我國對可調節(jié)病床的研究起步較早，就目前檢索的文獻看，國內最早關于可調節(jié)病床的專利申請是1988年戚鵬飛等研制的多功能醫(yī)用可調節(jié)病床，其設計的可調節(jié)病床可以通過控制裝置轉換為輪椅車，這標志著我國對可調節(jié)病床的研究由使用階段轉變到了開發(fā)設計階段。隨其后，國內無論是對可調節(jié)病床的專利申請還是文獻都大量增加。1990年張彥恩等人在其專利申請中介紹了一種帶斜板式病院轉移裝置,該裝置通過滾軸滑板和斜板的配合使用,在進行有高度差的床面與推車間的病人搬移時,只需將斜板在不同的高度進行固定,而后利用滑板將病人沿斜板進行推運到可調節(jié)病床上，此種搬運方法可實現病人的快速有效搬運。除此以外，該裝置還具有結構簡單,價格低等優(yōu)點。1992年黃興運在其專利設計中介紹了一種帶有可變換角度靠背及車腿可收放的可調節(jié)病床。該可調節(jié)病床的研究主要針對當時我國在急救過程中運送病員時多采用兩人抬擔架或者固定式可調節(jié)病床的現狀。當可調節(jié)病床在地上運行時，將鎖止器的鎖頭插入推車上腿一端的空槽中，進行可調節(jié)病床直立推送，當可調節(jié)病床上救護車時，拔動鎖止器鎖桿，將鎖止器鎖頭從上腿的空槽中拔出，即可輕而易舉的將可調節(jié)病床推上救護車。使用該可調節(jié)病床，可在平地上進行病人的推送又可將車帶人一起快速平穩(wěn)的進入救護車，此設計結構簡單，使用方便，同時減小了病人的痛苦。1993年馬曄楠研制出的一種可升降且利用傳送帶進行平移的可調節(jié)病床及2008年劉曉妹等在專利一種床面可平移可調節(jié)病床中介紹了利用傳送帶進行平移可調節(jié)病床，此兩種可調節(jié)病床都是利用傳送帶形式進行病人的平移操作。馬曄楠所研究的可調節(jié)病床，其工作過程是這樣的：首先通過剪式支撐臂的傳動來完成可調節(jié)病床的升降動作，以適合病床、手術床和檢測床之間的高度差；然后借助滾動軸承利用臺面沿升降架上導向槽的水平推入與退出來實現病人的床位轉換。該可調節(jié)病床運行平穩(wěn)，可減輕護理人員體力勞動與病人痛苦。劉曉妹在2008年提出的可調節(jié)病床方案將臺面取消，直接用帶有軟導軌的、比較厚的環(huán)形擔架床面來運送病人。當病人躺在環(huán)形擔架床面上時，利用手柄銷轉動槽輪轉動，槽輪轉動時通過軟導軌帶動環(huán)形臺面轉動，這樣就可以帶動病人移動，但此裝置只能將病人移動到可調節(jié)病床的邊緣地帶，但是該可調節(jié)病床大大的解決了不能很好解決病人從可調節(jié)病床上順利轉移的問題。由此二例可見，傳送帶這種搬移病人的形式，能將復雜的工作簡易化，系統(tǒng)化。1994年李向前開發(fā)了一種可升降分離板式可調節(jié)病床,利用分離板進行病人在床位間的搬運,避免了直接搬動病人可能帶來的各種二次傷害。使用此可調節(jié)病床時，首先通過升降控制機構將可調節(jié)病床調節(jié)高度與病床或者手術床大致等高，然后平移擔架板，將病人通過擔架板推送至病床上或者手術床上時，將擔架板分離，即可將病人放置于病床或者手術床中間位置；病人從病床或者手術床上移至可調節(jié)病床上的過程與前述過程恰好相反。該車利用分離板的結構形式，結構簡單，操作簡單，搬運病人快捷方便。同年,田慶彬與顧榮林二人在他們的申請專利中介紹了一種具有可調靠背和斜靠背、輸液架兩大輪兩小輪可升降可調節(jié)病床，該可調節(jié)病床功能較以前的可調節(jié)病床形式功能較多且比較完善。1997年潘秉章等人共同開發(fā)了一種床面可平移且具有減震系統(tǒng)的可調節(jié)病床，減震系統(tǒng)采用人性化設計理念，減少了病人在搬運過程中的顛簸；除此之外，此車還利用了可與可調節(jié)病床分離且可縱向橫向移動的床面，還設計了靠背裝置，這極大程度簡化了病人床位轉換的步驟。2000年陳洪濤在其專利中介紹了一種利用液壓驅動升降及橫向平移的可調節(jié)病床，首次將液壓傳動應用到了可調節(jié)病床領域。2001年鄭中富研制開發(fā)了免搬運可調節(jié)病床，該車升降系統(tǒng)采用液壓控制，平移板縱向可分成兩部分且前部分能折下折平，后半部分能在可調節(jié)病床上橫向移動。當搬運病人時，利用液壓控制系統(tǒng)對車面高度進行調節(jié)，當車面與病床或者手術床大致等高時，即可通過板的橫向移動來進行病人床位轉移操作。該車利用液壓系統(tǒng)進行控制，當時在國內已達領先水平，且搬運病人容易方便，節(jié)省了時間和人力；該車還配有減震系統(tǒng)，減少了病人的顛簸之苦。2002年周志坤等人在總結了前人的研究成果的基礎上，研制了一種運送病人水平可調節(jié)病床，該可調節(jié)病床采用新的結構形式，在以前的可調節(jié)病床的裝置上增加了輸液架、引流裝置、床板減震裝置、衣櫥等裝置，這給醫(yī)護人員帶來很大的便利，使他們在工作過程中能利用可調節(jié)病床為病員做及時有效的護理工作。2004年楊月誠等人在其專利全自動直推式可調節(jié)病床中提出了一種利用四桿機構進行控制的可全自動直推式上下救護車的可調節(jié)病床。可調節(jié)病床上車時，前撞桿撞到救護車底板時自動收攏，繼續(xù)推可調節(jié)病床，后撞桿也與救護車底板相撞，也同樣會自__動收起；下車過程與上車過程剛好相反。該可調節(jié)病床可實現單人直推，不必手動調節(jié)上下車裝置；操作迅速、質輕平穩(wěn)、節(jié)省救護時的人力和時間等一系列優(yōu)點。2005年張其江提出在可調節(jié)病床的驅動方式上利用電驅動式來改變當前多人進行推送的現狀，借助電力驅動來節(jié)省人力。2005年孫建發(fā)明的軌道側移式病員搬運轉運可調節(jié)病床、2006年華婷研制的換床單架車與2007年徐于保發(fā)明的一種方便病人搬運的可調節(jié)病床,都能實現擔架板相對車架的側向滑移,將病人進行床位轉換。孫建研究的可調節(jié)病床利用手搖裝置和齒輪驅動主擔架在支撐擔架上進行平移，利用液壓控制系統(tǒng)進行升降控制；此外，該可調節(jié)病床還配備了供氧裝置、儲物柜、可移動儲物筐、輸液架、彈簧式減震器等輔助裝置。該車運轉平穩(wěn)，功能完善，推進方向一人可控，但由于使用了液壓控制，相對于純機械，可能有漏油現象且該車結構較復雜。華婷研制的可調節(jié)病床利用上下滑塊的相對滑動進行擔架床面的平移，搬運病人時，先調節(jié)升降車高度以適應搬運需求，而后只需將擔架面沿水平推出即可實現搬運。該車利用防傾覆護欄減少了搬運過程中傾倒的可能性，該車結構合理，進行病人床位轉移時操作簡便。徐于保利用傳送帶的形式進行病人的搬運且床面可與可調節(jié)病床成一定角度轉換，其研制的可調節(jié)病床可便捷的搬運病人。2006年華曉度提出了一種利用電機驅動多塊水平床板移動且電力驅動升降的可調節(jié)病床，將電力驅動應用到了可調節(jié)病床研發(fā)領域。2008年劉曉妹等利用齒輪傳動及螺紋自鎖原理研制了一種可升降式可調節(jié)病床，利用手搖裝置對齒輪進行驅動，一對嚙合的錐齒輪的被動齒輪的內螺紋與螺桿的外螺紋相咬合，進行升降控制，該結構簡單合理，具有一定的理論意義與實踐意義。2003年許志華研制了一種半自動擔架救護車，并對該可調節(jié)病床進行了運動仿真，將可調節(jié)病床的研制理論化、系統(tǒng)化。2003年倪勇猛提出了可調節(jié)病床的人性化改進，在可調節(jié)病床的病人頭部位置增加了一組減震裝置，減輕了病人， 特別是頭部受傷的病人的痛苦。2010年王志學等人利用復雜的連桿機構進行了折疊式可調節(jié)病床的創(chuàng)新設計并已經取得成功。 在國外，人們也已經開發(fā)了多種輔助工具用于病人的床位轉移，如滑行墊、滑動板和滑動擔架等裝置，由于使用上述設備時都要使病人傾斜,有些設備使用時不免要對病人進行拉扯，這些操作都容易對病人造成二次傷害，因此這些設備很難得到大力的推廣與應用。如果需要對病人進行水平搬移，則只能依靠人力，這對護理人員來說需要很大的體力支出?；谏鲜鰡栴}，國外的研究人員將工作重心轉移到了機電一體化產品開發(fā)上，因此各種輔助搬移病人的機電設備應運而生。典型設備有由FUJIDA[32]提出的“Torancemover”。該設備主要是由安裝在可調節(jié)病床上的驅動電機和控制器來驅動安裝在上下兩金屬板上的皮帶旋轉來搬移病人。TAKAOKA等和KAKUTANI等開發(fā)了一種助力搬移設備,這種設備主要是利用控制桿來控制搬移金屬板進行病人的搬運。日本DAIHEN公司開發(fā)的擔架與搬運車分離的搬運設備，該可調節(jié)病床采用傳送帶傳送形式，利用控制算法驅動電機對傳送帶進行控制，此搬運裝置有兩種類型：（1）KASAGAMI等提出的插入板較厚的搬移設備；（2）王洪波、笠上文男提出的插入板較薄的搬移設備。第二種采用能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的模塊化設計和體積小、功能多、高智能的嵌入式控制系統(tǒng)使設備能平穩(wěn)的插入病人身下對病人實行平移搬運，該設備搬運時分為抬升、移動、放下三部分，通過控制不同驅動電機的運轉情況進行皮帶的驅動，這樣既可以實現三個工作部分的有機結合。通過臨床試驗，該設備護士的可操作性高，可實現病人不變體位進行床位轉移，大大減少護士的體力勞動。 就國內的情況可知，國內的多數研究人員__的開發(fā)與研究主要還是集中在機械式的可調節(jié)病床，可調節(jié)病床的功能逐漸趨于完善，且結構也相對簡單；而國外已經進入了機電設備研發(fā)階段。雖然機電設備護士的可操作性高，但由于目前人們對電的恐懼感，很多病人在通過機電設備的搬移設備時，總不免會緊張，甚至有些患者不適應這些機電設備，且由于機電設備造價昂貴，因此一直未能打開市場；液壓設備的漏油現象對醫(yī)院這種需要嚴格消毒的場所不免有些局限性，且液壓設備也相對較貴，結構復雜，所以要求簡單輕便的可調節(jié)病床目前還很少采用液壓式的。雖然多種多樣的可調節(jié)病床已在醫(yī)院里應用，但都沒有很好的解決不變體位的進行病人轉移操作。 現在輔助搬移病人的機電設備是一個研究熱點，很多醫(yī)療器械企業(yè)及科研工作者都將研究重心放在了機電設備的開發(fā)上，但由于目前在這方面的技術還并未成熟，所以目前機電輔助搬移設備還很少，但是隨著科學的進步及技術的發(fā)展，機電一體化或者機電液（氣）一體化,甚至復雜機電系統(tǒng)的輔助搬移設備必將成為主要發(fā)展方向。 通過本次畢業(yè)設計將對可調節(jié)病床領域有一個全新的認識，傳統(tǒng)的急救可調節(jié)病床的結構比較復雜，外觀比較笨重，減震功能小。不宜在災難急救中攜帶使用，容易對病人造成二次傷害。為了提高救護車可調節(jié)病床的舒適性，根據臥位人體振動響應的特點和汽車懸架系統(tǒng)的振動特性，本設計進行全面機構創(chuàng)新改革，應用連桿機構的傳動原理，合理設計可調節(jié)病床的減震裝置，并適應擔架支架的結構。使其結構簡單，使用方便，有效的減小了由車身輸入的振動能量，提高了降低舒適限度的耐受時間。具有簡便快捷、體型輕巧、結構簡單、便于攜帶、操作，占用救護人員少、抗震度高，對傷員二次傷害小的優(yōu)點。對于災難中對生命的及時搶救有著重要作用。 1.3 本課題的研究內容 本設計主要研究的內容有：可調節(jié)病床結構的設計計算、可調節(jié)病床機構的設計計算、傳動裝置選型，并用總布置草圖表達主要底盤部件的改動和重要工作裝置的布置；最后通過正確的計算，完成部部件設計選型，達到工藝合理、小批量加工容易、成本低、可靠性高的設計要求，并附之以總裝配圖，清楚表達設計。 第2章 課題總體設計 2.1總體布置原則 在進行總體布置時應按照以下原則： 盡量避免對可調節(jié)病床各總成位置的變動因為一些總成部件位置的變動，不僅會增加成本，而且也可能影響到整車性能。但有時為了滿足專用工作裝置的性能要求，也需要作一些改動，如截短原可調節(jié)病床的后懸、燃油箱和備胎架的位置作適當調整等。但改變的原則是不影響整車性能。 應滿足專用工作裝置性能的要求，使專用功能得到充分發(fā)揮 應符合有關法規(guī)的要求 例如對整車的長、寬、高、后懸等尺寸在相關法規(guī)中部有明確的規(guī)定，一定不能超出標準的要求。 2.2 可調節(jié)病床的設計 2.2.1可調節(jié)病床的結構形式 可調節(jié)病床一般是由前欄板、左右側欄板，圖2-3為典型的底板橫剖面呈矩形的后傾式可調節(jié)病床結構。為避免裝載時物料下落碰壞駕駛室頂孟，通常可調節(jié)病床前欄板加做向上前方延伸的防護擋板。可調節(jié)病床底板固定在可調節(jié)病床底架之上?？烧{節(jié)病床的側欄板、前后欄板外側面通常布置有加強筋。 2.2.2 可調節(jié)病床的設計規(guī)范及尺寸確定 將全金屬焊接可調節(jié)病床設計成等剛度體可調節(jié)病床是自卸汽車設計的重點.但是很難既能保證高強度又能保證輕量化。 就整車而言，可以看成由車輪、前軸、后橋殼、懸架、車架、可調節(jié)病床及其橡膠緩沖塊等不同剛度單元組合而成的彈性體，受力時，將按照各自的剛度產生各自的變形，其變形量與剛度成反比，吸收的能量與剛度成正比。 可調節(jié)病床剛度，無論是彎曲剛度還是扭轉剛度，都會增加車架的相應剛度，兩者的剛度是相輔相成、互相補償的。當汽車前后左右車輪處于高差較大的路面，車架扭曲較大時，可調節(jié)病床應該有一定的扭轉隨動性。如果車相的扭轉剛度過大，當車架扭轉到一定程度時，可調節(jié)病床前支承緩沖塊相應的一側壓到極限位置，可調節(jié)病床縱梁的另一側可能離開緩沖塊，可調節(jié)病床前端的一大部分重量轉移到一側的車架縱梁上，縱梁可能超載損壞。如果可調節(jié)病床扭轉剛度過小，能與車架扭轉隨動，當車架產生較大扭曲時，可調節(jié)病床可能因變形過大而早期損壞。 全金屬焊接等剛度可調節(jié)病床設計的規(guī)范化的定量的設計計算方法并不是很完善，根據一些經驗，可以知道一些設汁規(guī)范和經驗數據： 2.3 可調節(jié)病床開合的兩種機構形式 圖2-1 機構一 圖2-2 機構二 后可調節(jié)病床開合的兩種機構形式如圖2-1和圖2-2所示，它們只是兩側相同機構的一側。由以上兩圖可看出，機構一（圖2-1）是全部為固定鉸支座的兩平行桿同步運動的結構，機構二（圖2-2）是兩固定鉸支座和兩個滑動鉸支座的剪叉式結構。這兩種機構都可以實現上板臺面升降的運動，但相比較之下，機構一有三點不足： a) 機構一在升降過程中上板不僅有豎直方向的位移變化，而且還有水平方向的位移變化，而機構二的上板在升降過程中只有豎直方向的位移變化。這樣，在總體尺寸一樣的情況下，機構二升降時所需的空間較小。 b) 機構一在升降的過程中，所載物體的質心相對機構的支撐中心的變化很大，這樣就要求更大的動力，即要求推力更大的。結果會增加安裝尺寸和生產成本。 c) 機構一的穩(wěn)定性沒有機構二的對角雙三角的結構穩(wěn)定性好。 綜上所述，機構二較機構一更合理。所以，在結構上選擇機構二。 第3章 主要零部件分析計算 3.1 實例分析 3.1.1可調節(jié)病床開合的結構簡化 3.1.2機構受力分析 1.以整體作為研究對象，如圖3-2所示 圖3-2 整體受力分析圖 將分解到a、b兩端，則有 ..........................................(3.1) .......................................(3.2) ......................................(3.3) ........................................(3.4) ..............................................(3.5) 式中：—a點所受水平方向上的力； —a點所受豎直方向上的力； —b點所受水平方向上的力； —b點所受豎直方向上的力； —c點所受水平方向上的力； —c點所受豎直方向上的力。 2.分別以aed及ceb桿為研究對象，如圖3-2和圖3-3所示 圖3-2 aed桿受力分析圖 圖3-3 ceb桿受力分析圖 列平衡方程式，有 當d點力矩平衡，即時，則 ............ (3.6) 當b點力矩平衡，即時，則 ..........................(3.7) 又aed及ceb桿的水平與豎直方向受力平衡，即有和， 當時，有 ..................................(3.8) ...........................................(3.9) 當時，有 ................................(3.10) ..........................................(3.11) 整理解得： ...........................(3.12) 【靜態(tài)時：】 ......................................(3.13) ..........................(3.14) .............................(3.15) .............(3.16) .......................................(3.17) ......................................(3.18) 式中： —的推力； —d點所受水平方向上的力； —d點所受豎直方向上的力； —e點所受水平方向上的力； —e點所受豎直方向上的力。 3.確定角與角的函數關系 角與角的幾何關系見圖3-1 即.......................................(3.19) 4.受力分析結論 （1）各鉸點處的受力（包括推力）與載荷成正比； （2）、、、、 、值隨值的增大而增大，在值確定時，這些力又與值成正比;而、值隨值的增大而減小，在值確定時，它們隨值得減小而增大； （3）在計算推力時，動態(tài)值比靜態(tài)值增大了； （4）的推力與值成反比； （5）力、隨值的增大而增大。 3.2 剪叉臂長度及安裝位置的確定 1.剪叉臂的長度確定 為了使工作臺面下降至最低位置時不至于脫離滑道，剪叉臂的長度應該比底座的長度b小一些，一般可取 .............................(3.20) 由設計參數可知：，，。初選底座長度，系數為0.8，則根據式(3.20)可得剪叉臂的長度。 2.安裝位置的確定 由圖3-4可知 ...............................(3.21) 則 所以， 即 而 初選 ，，,,，。 而液壓機構的有效垂直升降高度為 .....................(3.22) 根據，上下交接點g、f的距離S（即的瞬時長度）為 ............................(3.23) 兩交接點之間的最大距離和最小距離分別為 設的有效行程為，為了使兩鉸接點之間的距離為最小值時，柱塞不抵到缸底，并考慮結構尺寸和（如圖3-6所示），一般應取 ...............................(3.24) 同樣，為了使兩鉸接點之間的距離為最大值時，柱塞不會脫離中的導向套，一般應取 ..............................(3.25) 式（3.24）和式（3.25）中的和根據的具體結構決定。 3.3 強度校核 整個機構，受力較大的零部件有內剪叉臂，的支撐橫梁，銷軸等，所以進行校核時，只需對這些受力較大的零件校核即可。 3.3.1 剪叉臂的強度校核 由圖3-9和圖3-10可知，內剪叉臂aed受力要遠大大于外剪叉臂bec，所以這里只校核外臂。外剪叉臂受力如圖3-1所示。又由圖4-8可知，的角度越小，則推力的值越大。若取最大值時滿足強度要求，則該剪叉臂即滿足強度要求。當機構在最低位置時，的值最小，即值最大。參照圖3-1，剪叉臂所受的力都與剪叉臂有一定的夾角，為方便受力分析，將所有的力都按沿剪叉臂方向和垂直剪叉臂方向分解，有下列式子： ...................................................................(7.1) ...................................................................(7.2) ...................................................................(7.3) ...................................................................(7.4) ............................................................................(7.5) .............................................................................(7.6) ...................................................................(7.7) .................................................................(7.8) 圖3-1 內剪叉臂aed受力圖 各力分解后的受力圖如圖3-2(a)所示，彎矩圖見圖3-2(c) 圖3-2 內剪叉臂aed的軸向及徑向分解受力圖 剪叉臂的g處由于是有一個肋板作用，可看作力作用在剪叉臂上為均布載荷。由圖3-2（c）中可知，最大彎矩發(fā)生在k點處，但需校核e、k兩點處的強度，且圖中有，，。又已知剪叉臂的橫截面寬和高分別為，，，如圖3-3所示，圖3-3（a）是e點處的截面圖，圖3-3（b）是k點處的截面圖。 e點處的抗彎截面系數為 k點處的抗彎截面系數為 圖3-3 剪叉臂e、k兩點處的截面圖 因為當時，此時e、k兩點的彎矩最大，且由式（7.8）得， ，則 選擇材料為，參照參考文獻[1]，，所以是安全的。 3.3.2 底架固定橫梁的強度校核 底架固定橫梁（如圖3-4所示）選擇的是60號方鋼，其受力情況如圖3-5所示；已知60號鋼的邊長為60mm，推力作用點到坐標系O的距離為65mm，，分別為推力在X，Y軸上的分力，且，。 當在最小角度，即工作臺在最低位置時，推力最大，雖然此時最小，即,，分力最大，所以由式(3.19)可得，則。 當在最大角度，即工作臺在最高位置時，雖然推力最大，此時最 大，即,，分力最大，所以由式(3.19)可得，則。 圖3-4 與底架連接的橫梁 圖3-5 與底架連接的橫梁截面圖 把它們平移到O點后，有 (1) 對于X軸方向，其受力如圖3-6所示 圖3-6 橫梁X軸方向的受力圖 因為梁的抗彎截面系數， 所以 （2）對于Y軸方向，固定橫梁受力如圖3-7 圖3-7 橫梁Y軸方向的受力圖 又梁的抗彎截面系數， 則 （3）當作用點平移到O點時，會產生一個扭矩，該扭矩的大小為 又，其中，此時，該扭矩對橫梁截面產生的剪切力為 參照參考文獻[7]，又由第四強度理論 帶入并化簡： 又選材料為，參照參考文獻[7]， 取安全系數為2，則，所以是安全的。 3.4 軸的強度校核 由圖分析可知，剪叉臂受力最大的地方為g點和d點，所以只需校核該兩處的銷軸即可。 3.4.1 內剪叉臂固定端銷軸的強度校核 因為銷軸較短，所以只受切應力。依圖3-2可知，剪叉臂固定端（即d點）銷軸所受的力為。當機構面處于最低位置，即時，銷軸受到的剪力最大，根據式(7.7)得。 又銷軸的直徑為，導油孔直徑為，則其橫截面積為 又銷軸受力情況見圖3-8，從圖中可知銷軸受剪力為雙剪切，又參照參考文獻[7]， 銷軸的材料為35鋼，經表面熱處理，參照參考文獻[7]，35鋼的許用應力。取安全系數為2，則有，所以滿足要求。 3.4.2尾部銷軸的強度校核 尾部銷軸的受的力即為的推力，如圖3-8所示，因為銷軸較短，所以只受切應力。又銷軸的直徑為，導油孔的直徑為，則銷軸的橫截面積為 圖3-8 尾部銷軸的受力圖 參照3.2.2節(jié)，有 選擇銷軸材料為35，又35鋼的許用應力，取安全系數為2，則有 ，所以設計的銷軸滿足要求。 3.4.3支撐軸的強度校核 依圖3-2可知，頭部支撐軸（即g點）所受的力為。當機構面處于最低位置，即時，受到的推力最大，即。又銷軸的直徑為，導油孔直徑為，則其抗彎截面系數為 又銷軸受力情況見圖3-9，參照參考文獻[7]，校核軸的彎曲強度為 圖3-9 頭部支承軸的受力圖 軸的材料為鋼，經表面熱處理，參照參考文獻[7]，鋼的許用應力。所以滿足要求。 第4章 絲杠結構及傳動設計 表 4-1滾珠絲桿副支承 支承方式 簡圖 特點 一端固定一端自由 結構簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉速都較低設計時盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。 一端固定一端游動 需保證螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數量，轉速不高時多用更經濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。 兩端固定 只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高。可以預拉伸，預拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結構和工藝都比較困難，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。 4.1滾珠絲桿副的選擇 滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個機構。他的作用就是把旋轉運動轉和直線運動進行相互轉換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉動時帶動滾珠滾動。 設最大行程為300mm,最快進給速度為18m/min,大概質量為200kg,。 4.1.1導程確定 轉速，則絲杠的導程為 取Ph=12mm 4.1.2確定絲桿的等效轉速 基本公式 最大進給速度是絲桿的轉速 最小進給速度是絲桿的轉速 絲桿的等效轉速 式中取故 4.1.3估計工作臺質量及負重 重量 4.1.4確定絲桿的等效負載 工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數為0.03，K為顛覆力矩影響系數，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為 其等效載荷按下式計算（式中取，） 4.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 fw-------負載性質系數，（查表：取fw=1.2） ft--------溫度系數（查表：取ft=1） fh-------硬度系數（查表：取fh =1） fa-------精度系數（查表：取fa =1） fk-------可靠性系數（（查表：取fk =1） Fm------等效負載 nz-------等效轉速 Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h 由上式計算得Car=17300N 表4-1-1各類機械預期工作時間Lh 表4-1-2精度系數fa 表4-1-3可靠性系數fk 表4-1-4負載性質系數fw 4.1.6精度的選擇 滾珠絲杠副的精度對電氣機床的定位精度會有影響，在滾珠絲杠精度參數中，導程誤差對機床定位精度是最明顯的。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設計的定位精度要求及其經濟性，選擇X軸Y軸精度等級為3級，Z軸為4級。 4.1.7選擇滾珠絲桿型號 計算得出Ca=Car=17.3KN, 則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN 公稱直徑Ph=12mm 則選擇FFZD型內循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為FFZD4010—3。 公稱直徑 d0=40mm 絲桿外徑d1=39.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=34.3mm 圈數=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm 4.2校核 滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動固有頻率，其扭轉剛度影響扭轉固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計算而定。 4.2.1 臨界壓縮負荷驗證 絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負荷按下列計算： 式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2） LO-------最大受壓長度（m） K1-------安全系數，取K1=1.3 Fmax-------最大軸向工作負荷（N） f1-------絲桿支撐方式系數：f1=15.1 I=絲桿最小截面慣性距（m4） 式中do--------是絲桿公稱直徑（mm） dw------------滾珠直徑（mm）， 絲桿螺紋不封閉長度Lu=工作臺最大行程+螺母長度+兩端余量 Lu=300+148+20X2=488mm 支撐距離LO應該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm 代入上式計算得出Fca=5.8X108N 可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負荷滿足要求。 4.2.2臨界轉速驗證 滾珠絲杠副高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速，要求絲杠的最高轉速： 式中：A------絲桿最小截面：A= -------絲杠內徑，單位； P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m) --------臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm ----------安全系數，可取=0.8 fZ----------絲杠支承系數，雙推-簡支方式時取18.9 經過計算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。 4.2.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計算公式 式中 A——絲杠最小橫截面，； 螺母座剛度KH=1000N/μm。 當導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。 經計算得： 式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)； KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm Kc——絲杠副內滾道的接觸剛度(N/μm)； KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)； KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。 經計算得絲杠的扭轉振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。 總結 在這不到設計中，能學到的東西真的很有限，但是不能說一點收獲都沒有，我想我知道了一般系統(tǒng)的設計框架而且我也掌握了設計一個液壓系統(tǒng)的步驟，我想本次課程設計是我們對所學知識運用的一次嘗試，是我們在液壓知識學習方面的一次有意義的實踐。 在本次設計中，我獨立完成了自己的設計任務，通過這次設計，弄懂了一些以前書本中難以理解的內容，加深了對以前所學知識的鞏固。在設計中，通過老師的指導，使自己在設計思想、設計方法和設計技能等方面都得到了一次良好的訓練。 參考文獻 [1] 徐灝.機械設計手冊3[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998. [2] 徐灝.機械設計手冊4[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998. [3] 徐灝.機械設計手冊5[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998. [4] 張建民.工業(yè)機器人[M].北京：北京理工大學出版社，1994. [8] 顏永年.機械制圖[M].大連：大連理工大學工程畫教教研室，1998. [9] 李恒權，朱明臣，王德云.畢業(yè)設計指導書[M].山東：青島海洋出版社，1990. [10] 王棟梁.機械基礎[M].北京：機械基礎，1995. [11] 隆生.UG設計與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004. [12] 黃鶴汀.機械制造技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998. [13] 吳宗澤,羅圣國.機械設計課程設計手冊[M].北京：高等教育出版社，2006 附 錄 致謝 畢業(yè)設計是將大學所學的知識融合在一起，綜合運用所有的相關專業(yè)知識，是課本知識在實際中的應用。通過這次畢業(yè)設計，使我的專業(yè)知識在原有的基礎上得到更加的鞏固和提高，這離不開老師和同學們的幫助。本設計分析是在老師的指導下完成的，在分析的過程中，尹長城老師給了我很大的鼓勵，在設計分析中引導我去思考了更多的設計思路，增強了我的學習能力，與我們一起討論問題，使我對分析有了更清晰明確的認識，使我受益非淺。 畢業(yè)設計是我們專業(yè)知識綜合應用的實踐訓練，這是我們邁向社會、從事職業(yè)工作前一個必不可少的過程?！扒Ю镏惺加谧阆隆?，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古言的真正含義。我今天認真地進行課程設計，學會腳踏實地地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎。 說實話，畢業(yè)設計真是有點累。然而一著手清理自己的設計結果，仔細回味畢業(yè)設計的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使我倦意頓消。雖然這是我剛學會走完的第一部，是我人生中的一點小小的勝利，然而它令我感到自己成熟了許多。 通過畢業(yè)設計，使我深深體會到，干任何事都必須耐心、細致。課程設計過程中，許多計算有時不免令我感到有些心煩意亂；有時應為不小心計算出錯，只能毫不留情地重做。但一想起老師平時多耐心的教導，想到今后自己應當承擔的社會責任，想到世界上因為某些細小失誤而出現的令世人無比震驚的事故，我不禁時刻提醒自己，一定要養(yǎng)成一種高度負責、一絲不茍的良好習慣。 經歷了畢業(yè)設計，使我我發(fā)現了自己所掌握的知識是真正的貧乏，自己綜合運用所學專業(yè)知識的能力是如此的不足，幾年來學習了那么多的課程，今天才知道自己并不會用。想到這里，我真的有點心急了。 由于畢業(yè)時間的倉促，很多本來應該弄懂弄透的地方都沒有時間去細細追究來源，比如網格劃分的控制、坐標系的理解、求解器的選擇等，這使我明白了大學里學的只是一個大體上的方向，離實際應用還有太遠的距離。但我相信方向才是最重要的，因為方向確定了，就會用最少的精力做好事情，這對于我以后的工作至關重要。因為在實際生產生活中，要從事的工種是千差萬別的，只有從中找到自己最拿手，最有發(fā)展前途的崗位，個人才有更多的熱情，也最可能在自己的崗位做出一些貢獻。