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摘要
本課題是對(duì)人體髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)部分的研制。在上個(gè)世紀(jì)，就有許多國(guó)家已經(jīng)研究出很多種的關(guān)節(jié)仿生試驗(yàn)機(jī)的設(shè)備，并且發(fā)展至今，全球已經(jīng)有幾千萬人通過置換仿生關(guān)節(jié)，重新可以正常行走。這個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)的工作原理是將股骨頭和髖臼部件試樣按照人體正常位置安裝于試驗(yàn)臺(tái)上，通過試驗(yàn)裝置使兩者之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。該試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素是使其在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中能夠正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況，以此來使試件在試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實(shí)際使用條件下相一致，從而可以準(zhǔn)確、可靠地測(cè)試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)特性參數(shù)，這些參數(shù)可以為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：仿生試驗(yàn)機(jī)；人的髖關(guān)節(jié)；摩擦性能
Abstract
This topic is the development of the mechanical transmission part of the human hip joint simulator. In the last century, many countries have studied many kinds of equipment for the bionic test machine of joint. And so far, tens of millions of people in the world have been able to walk normally through replacement of bionic joints in the world. The principle of this experiment machine is to install the specimen of the femoral and acetabular parts on the test bed in the normal position of the body, and make the relative motion between the two. The main factor to be considered in the design of the test machine is that it can correctly simulate the actual movement of the human hip joint in the laboratory environment so that the friction mechanism and wear form produced in the test process are in accordance with the actual conditions, thus the birth of the artificial joint material can be accurately and reliably tested. The tribological properties of these parameters can provide guidance test data for clinical application.
Keywords bionic testing machine human hip joint tribological properties
目 錄
摘要 I
Abstract II
1緒論 1
1.1 仿制髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)設(shè)備的背景 1
1.2人工關(guān)節(jié)仿生試驗(yàn)機(jī)到現(xiàn)在為止的研究情況 2
1.3 這次設(shè)計(jì)的主要目的 4
2設(shè)計(jì)方案的選擇 5
2.1 人體髖關(guān)節(jié)的組成和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn) 5
2.1.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng) 6
2.1.2 人工仿制的髖關(guān)節(jié)組成 6
2.2 設(shè)計(jì)的方案的提出與選擇 7
2.3 方案中各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析 10
3 試驗(yàn)機(jī)的選用設(shè)計(jì)計(jì)算 12
3.1選擇電動(dòng)機(jī)的類型 12
3.2帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 12
3.3選擇減速器的類型 15
3.4 錐齒輪的設(shè)計(jì) 16
3.4.1 錐齒輪的主要幾何尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算 16
3.5 設(shè)計(jì)主傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu) 22
3.5.1 選取軸的材料 22
3.5.2 選取軸的毛柸 22
3.5.3 確定主軸的最小直徑 23
3.5.4 設(shè)計(jì)軸上的結(jié)構(gòu)構(gòu)成 23
3.6 設(shè)計(jì)擺軸的結(jié)構(gòu) 28
3.6.1擺軸的材料的選擇 28
3.6.2擺軸的最小直徑的選擇計(jì)算 28
3.6.3擺軸上裝配的設(shè)計(jì) 28
3.6.4 進(jìn)行擺軸的強(qiáng)度校核，運(yùn)用彎扭合成校核 29
3.6.5擺軸上圓錐滾子軸承的校核計(jì)算 30
3.7 試驗(yàn)機(jī)的密封設(shè)計(jì) 31
結(jié)論 34
致謝 35
參考文獻(xiàn) 36
VI
42
1緒論
1.1 仿制髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)設(shè)備的背景
在現(xiàn)代社會(huì)中，經(jīng)過時(shí)間的變遷，人類社會(huì)的老年人越來越多，年輕人和小孩越來越少。在中國(guó)，以前的農(nóng)村一戶人家可以上升趨勢(shì)，不光是中國(guó)，西方好多國(guó)家如日本等等，都出現(xiàn)了社會(huì)人口老齡化這個(gè)問題。這個(gè)問題直接導(dǎo)致的結(jié)果就是，如果意外跌倒，髖骨損傷或者由于年紀(jì)大的原因，器官老化，加上經(jīng)過人經(jīng)過幾十年的行走運(yùn)動(dòng)，髖骨頭會(huì)從骨臼力脫離出來，這樣的話，就需要重新安裝一個(gè)仿生的髖關(guān)節(jié)。這是因?yàn)榧膊?、事故、?zhàn)爭(zhēng)等間接的其他因素造成人體內(nèi)的疾病和骨骼損傷，很多人成為失去了行走和自理的能力基礎(chǔ)。對(duì)病人、家庭和社會(huì)的生活影響非常的大，是一個(gè)非常沉重的負(fù)擔(dān)。因此，對(duì)患者來說減少痛苦，減輕生活負(fù)擔(dān)，提高生活質(zhì)量是迫切的問題，非常多的科研者都在研究仿生髖關(guān)節(jié)替換人體老化關(guān)節(jié)或者時(shí)遭受了損傷的關(guān)節(jié)的技術(shù)問題。到目前為止，整個(gè)世界基本上每一年都會(huì)由于許許多多的原因而需要去把老的關(guān)節(jié)換成仿生的關(guān)節(jié)的人數(shù)達(dá)到了驚人的5000～7000萬人，而且其中，就髖關(guān)節(jié)的替換手術(shù)就高達(dá)驚人的80萬例。這樣的數(shù)據(jù)實(shí)在是使人驚訝，所以人工髖關(guān)節(jié)仿生實(shí)驗(yàn)的成熟技術(shù)的得出迫在眉睫了。但是據(jù)目前來看，給那些需要安裝仿生髖關(guān)節(jié)的生好幾個(gè)小孩，由于人口過于龐大，一天的整個(gè)國(guó)家的消耗，居住的資源少，城市交通的擁擠等等問題，所以政府開始了計(jì)劃生育，這間接導(dǎo)致了新生人口的銳減，所以經(jīng)過幾十年的發(fā)展，老年人越來越多，老年人基數(shù)逐漸呈人會(huì)越來越多，這個(gè)人數(shù)是巨大的。
根據(jù)仿制人體的人工關(guān)節(jié)是一種可以經(jīng)過手術(shù)放置到人體中的假體，用仿制的關(guān)節(jié)經(jīng)過手術(shù)代替損壞的人體內(nèi)的關(guān)節(jié)。人工關(guān)節(jié)的仿制和實(shí)驗(yàn)是通過眾多學(xué)科領(lǐng)域的綜合知識(shí)來進(jìn)行研究的，包括了交叉學(xué)、大學(xué)里的材料力學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等等很多學(xué)科，根據(jù)這些眾多學(xué)科知識(shí)的認(rèn)識(shí)和了解，科研技術(shù)者們經(jīng)過不斷地鉆研和創(chuàng)新中，有一個(gè)關(guān)于關(guān)節(jié)力學(xué)性能特點(diǎn)地研究與人工關(guān)節(jié)替換手術(shù)有一些關(guān)聯(lián)，因?yàn)榱W(xué)特性關(guān)系到了人工關(guān)節(jié)地使用壽命時(shí)間，這一點(diǎn)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)研究中具有重要地影響和意義，所以為了提高那些人工關(guān)節(jié)地替換手術(shù)和術(shù)后的使用時(shí)間的長(zhǎng)久性，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)研制的試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)具有一定的意義，雖然沒有那些科研工作者的研究成果大，不過對(duì)整個(gè)仿生關(guān)節(jié)的實(shí)驗(yàn)有一定的數(shù)據(jù)參考。
到目前為止來看，人工仿生的股骨頭大多采用了鈦合金和不銹鋼等材料來研制的，而骨臼使高分子聚乙烯材料來研制的，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)了十幾年的成果數(shù)據(jù)來看，用鈦合金研制的股骨頭和用高分子聚乙烯材料研制的骨臼，它們相互進(jìn)行磨損時(shí)對(duì)材料的損傷時(shí)間較長(zhǎng)，但不可否認(rèn)，因?yàn)楫吘购腿梭w本身的股骨頭和骨臼不一樣，仿生的關(guān)節(jié)始終無法和人體的關(guān)節(jié)相比，所以經(jīng)過替換手術(shù)后的一段時(shí)間內(nèi)，股骨頭還是會(huì)從骨臼中因?yàn)檫^度運(yùn)動(dòng)磨損而脫落。所以為了提高人工關(guān)節(jié)的使用壽命時(shí)間和更小的降低股骨頭和骨臼的磨損，增加材料的抵抗磨損的性能，那些科學(xué)學(xué)者和醫(yī)學(xué)學(xué)者開展了許多的研究實(shí)驗(yàn)。
1.2人工關(guān)節(jié)仿生試驗(yàn)機(jī)到現(xiàn)在為止的研究情況
在上個(gè)世紀(jì)中期的時(shí)候，就有一個(gè)外國(guó)摩擦學(xué)的學(xué)者，在研究摩擦潤(rùn)滑性能的過程中發(fā)表了一篇文章，文章中表述了了大概有250種不同種類的進(jìn)行相互摩擦的試驗(yàn)機(jī)。在近期的一篇報(bào)道中，研究人員已經(jīng)研究出幾個(gè)軸一起進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，這個(gè)幾個(gè)軸一起實(shí)驗(yàn)的設(shè)備大大地提高了實(shí)驗(yàn)的效率，大大地縮短了試驗(yàn)的時(shí)間，并且也大大地使仿制的股骨頭和骨臼之間地運(yùn)動(dòng)軌跡與人的髖骨架的運(yùn)動(dòng)軌跡越來越逼真。從目前的研究情況來看，那些還在進(jìn)行試驗(yàn)的設(shè)備基本上可以歸為兩個(gè)類型：
（1） 實(shí)際使用狀態(tài)的設(shè)備和摩擦試驗(yàn)
就是在實(shí)際的場(chǎng)地中將已經(jīng)仿制好的樣品材料裝配在進(jìn)行試驗(yàn)的設(shè)備上，按照和原來的轉(zhuǎn)動(dòng)或者其他運(yùn)動(dòng)的的環(huán)境一樣的情況下來進(jìn)行試驗(yàn)，從而得出試驗(yàn)最終的結(jié)果。
（2）實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的摩擦測(cè)試試驗(yàn)
目前在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)備的種類有兩個(gè)，一個(gè)是樣品的試驗(yàn)設(shè)備，就是把仿制的樣品，這個(gè)樣品的尺寸與外形與真正的需要試驗(yàn)的相似，然后直接進(jìn)行試驗(yàn)，如下圖1-1所表示的。
一個(gè)是在已經(jīng)制成的機(jī)架上進(jìn)行試驗(yàn)，這個(gè)得需要提前定制一個(gè)可以提供需要進(jìn)行試驗(yàn)的機(jī)構(gòu)一個(gè)試驗(yàn)環(huán)境，雖然看起來比較復(fù)雜，而且制作成本可能比較高，但在試驗(yàn)的過程中，各機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中的相互摩擦磨損，最后得出的試驗(yàn)結(jié)論，都比前一個(gè)更加的具體準(zhǔn)確，更加能體現(xiàn)出試驗(yàn)的重要性和準(zhǔn)確性。如下圖2所表示的是一個(gè)人工仿制的髖關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)頭在骨臼中，兩個(gè)關(guān)節(jié)相互摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的外形機(jī)構(gòu)，試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)由底部的電機(jī)輸出的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，然后軸帶動(dòng)試件座轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)關(guān)節(jié)就是在試件座里面相互轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，加上上部由液壓缸向下施加的液壓力，然后試件座的右邊有一個(gè)叉子插在試件座上，使試件座不會(huì)跟著軸做360度轉(zhuǎn)動(dòng)，只會(huì)面向右邊的防立柱一個(gè)方向隨著主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣的運(yùn)動(dòng)軌跡，就如同人的髖關(guān)節(jié)一樣，上半身給髖關(guān)節(jié)施加的壓力如同液壓缸給試件座的壓力一樣，而試件的平衡不會(huì)搖擺就如同地球引力一樣，人走路不會(huì)搖擺會(huì)有平衡感，而底部的電機(jī)的給試件座的機(jī)械能就是人的雙腿給髖關(guān)節(jié)的力，所以這個(gè)人工髖關(guān)節(jié)仿生試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于股骨頭、骨臼、關(guān)節(jié)頭的材料的選擇和關(guān)節(jié)替換手術(shù)有非常大的意義和影響。
圖1-1 一些常見的測(cè)試試驗(yàn)機(jī)
圖1-2 人工髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)
圖1-3 人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)
1.3 這次設(shè)計(jì)的主要目的
我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師主要是讓我去設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)來研究由于人體髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)頭和骨臼的摩擦，來試驗(yàn)仿生關(guān)節(jié)頭和仿生骨臼的材料的耐磨性。和材料的使用壽命是多長(zhǎng)的周期，比如能夠摩擦磨損十年，可能就損壞了，或者二十年、三十年。主要的設(shè)計(jì)目的就是由于相互摩擦，各個(gè)仿生的材料能夠堅(jiān)持多久的壽命，試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以為現(xiàn)在的或者以后的關(guān)節(jié)仿生提供一些試驗(yàn)依據(jù)。
2設(shè)計(jì)方案的選擇
從上上個(gè)世紀(jì)以來，人工仿制的髖關(guān)節(jié)就在人類的病床上開始運(yùn)用，人工關(guān)節(jié)替換技術(shù)發(fā)展的速度大為驚人。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的臨床觀察，生物摩擦學(xué)性能對(duì)關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量和臨床使用壽命都是根據(jù)關(guān)節(jié)的材料來判別的。所以，在仿制關(guān)節(jié)材料的方面進(jìn)行了非常多的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集。為了更加可靠的讓人造關(guān)節(jié)成功地運(yùn)用于人體提供了技術(shù)的支持。從很長(zhǎng)一段時(shí)間的臨床來看，人工關(guān)節(jié)作為輔助人體運(yùn)動(dòng)的器件，應(yīng)該滿足以下要求：
1 生物相互接好。人工關(guān)節(jié)和軟組織肌肉粘在一起后，人工關(guān)節(jié)作用的高科技材料和人體軟組織會(huì)相互融合。當(dāng)然，該合金材料對(duì)人體不會(huì)產(chǎn)生任何不好的影響。
2 生物互相協(xié)調(diào)能力好。人造關(guān)節(jié)和軟組織肌肉相互協(xié)調(diào)，人體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候相互協(xié)調(diào)工作不產(chǎn)生太多的形變。
3 生物性能穩(wěn)定。人造關(guān)節(jié)和軟組織肌肉在運(yùn)作的過程中不會(huì)移動(dòng)想定的為止。
4 人造關(guān)節(jié)材料可以在人體內(nèi)降解，逐漸讓重新長(zhǎng)出來的人體組織代替人造關(guān)節(jié)。
5 耐磨性好。這個(gè)人造關(guān)節(jié)耐磨損，摩擦系數(shù)較低，在人體中可以非常多的時(shí)間內(nèi)服務(wù)。
6 抵抗腐蝕性能優(yōu)越。在人體中環(huán)境因素多變，人造關(guān)節(jié)的變壞的可能性微乎其微。
2.1 人體髖關(guān)節(jié)的組成和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)
髖關(guān)節(jié)是人的上半身與下半身相連接的地方，相當(dāng)于中心樞紐，它對(duì)于人的身體重要性非常地大，主要是因?yàn)槿巳绻凶弑仨氁y關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)才能完成，等于說髖關(guān)節(jié)出了差錯(cuò)，人將會(huì)無法行走，這是非常痛苦的一件事，將是一個(gè)災(zāi)難。如下圖2.1和圖2.2，表示的是人的髖關(guān)節(jié)的各部分組成的結(jié)構(gòu)圖。
圖2.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖
圖2.2 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖
2.1.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)
髖關(guān)節(jié)是一個(gè)由多個(gè)軸狀關(guān)節(jié)組成的關(guān)節(jié)，經(jīng)過上半身的向下的作用力，髖關(guān)節(jié)部位可以進(jìn)行彎曲伸直，股骨頭可以在骨臼里面轉(zhuǎn)動(dòng)，但是由于負(fù)載的影響，所以股骨頭深深的與骨臼相配合，又因?yàn)殛P(guān)節(jié)盂包饒的太深，所以股骨頭陷進(jìn)去的大概由一半多，這就導(dǎo)致了關(guān)節(jié)頭的表面的面域很小，因此關(guān)節(jié)頭在骨臼的運(yùn)動(dòng)被限制了很多。但是髖關(guān)節(jié)的平穩(wěn)固定的性能好，能夠承受大于人的0體重的十倍甚至幾十倍的壓力。
2.1.2 人工仿制的髖關(guān)節(jié)組成
在大腿和臀部的頂部，葉片的裝配大部分是人體的支撐和人體的活動(dòng)。負(fù)載頭。當(dāng)上半部腿部在病變的時(shí)候在骨科門診往往依靠人工髖關(guān)節(jié)假體置換變色。仰視臀部，達(dá)到挫傷的支撐點(diǎn)。圖2.3是人工髖關(guān)節(jié)的圖片。定期保費(fèi)兼容頭球。結(jié)束人體運(yùn)動(dòng)和技術(shù)所必需的運(yùn)動(dòng)。加工人工關(guān)節(jié)制成連接部分的凹凸球，一般臨床頭25毫米左右。腳跟直徑22.25mm 26mm，28毫米32毫米38毫米42mm等。
圖2-3 人體髖關(guān)節(jié)
人工關(guān)節(jié)在體內(nèi)的固定方式分為兩種：骨水泥固定和非骨水泥固定。骨水泥固定時(shí)利用甲基丙烯酸甲酯(骨水泥)將人工假體與自然骨粘結(jié)固化后達(dá)到固定目的。非骨水泥固定技術(shù)是通過改進(jìn)假體外形尺寸使之緊密嵌入髓腔或在假體外殼表面上制造出多孔結(jié)構(gòu)，以使宿主骨能夠長(zhǎng)入金屬外殼面從而達(dá)到生物學(xué)固定的目的。人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)后，承擔(dān)原人體髖關(guān)節(jié)的功能，其運(yùn)動(dòng)方式與人體自然髖關(guān)節(jié)基本一致。
2.2 設(shè)計(jì)的方案的提出與選擇
本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)是為了測(cè)試現(xiàn)在的仿制的髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)頭和仿制的骨臼在力的作用下，相互之間材料磨損的厲害程度和最終材料的工作時(shí)間到底是多久，所以我需要設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)來使仿制的關(guān)節(jié)頭和仿制的骨臼相互摩擦，它們兩個(gè)之間到底是如何摩擦的，又受到了哪些力的作用。在經(jīng)過查詢關(guān)于髖關(guān)節(jié)之間運(yùn)動(dòng)的摩擦情況的資料和書刊，和查閱了《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《機(jī)械原理》、《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》等書籍，綜合了所有資料后，我設(shè)計(jì)了三種方案。
第一種方案，是將仿制的股骨頭固定在一個(gè)底座上了，股骨頭可以在底座上繞著一個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，將軸裝配在骨臼的試件中，軸安裝在上方的支架上，支架的右側(cè)安裝一個(gè)滑塊，滑塊在電機(jī)經(jīng)過帶傳動(dòng)，上下來回滑動(dòng)，在股骨頭和滑塊中安裝一個(gè)長(zhǎng)桿，滑塊的上下來回滑動(dòng)的力來使股骨頭轉(zhuǎn)動(dòng)，在支架的左邊安裝兩個(gè)連桿，組成一個(gè)機(jī)構(gòu)，一個(gè)固定在支架上，一個(gè)固定在股骨頭上，主要是用來使股骨頭不晃動(dòng)，始終朝著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2.4所示。
圖2-4 方案一
第二種方案，是設(shè)計(jì)一個(gè)底座，電機(jī)安裝在底座上，在電機(jī)自帶的軸上安裝一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)由三個(gè)桿組成，第三個(gè)連桿裝配在試件座上，股骨頭安裝在試件座中，骨臼試件裝配在一個(gè)機(jī)架上，傳動(dòng)軸的裝配在機(jī)架的中間，在軸的上方設(shè)計(jì)一個(gè)液壓缸，從液壓缸中注入液體，由此產(chǎn)生的液壓力載荷作用在傳動(dòng)軸上，軸再將載荷作用在骨臼的試件座上，不同的液壓力產(chǎn)生不同的載荷進(jìn)行試驗(yàn)，在股骨頭的左邊安裝一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)由兩個(gè)連桿組成，一個(gè)連桿連接在支撐點(diǎn)上，另一個(gè)連桿安裝在股骨頭上，使股骨頭不會(huì)隨著試件座產(chǎn)生自
圖2-5 方案2
第三種方案，是選擇設(shè)計(jì)一個(gè)電機(jī)，由于電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速過大，所以需要減速，從電機(jī)軸上裝配一個(gè)兩根V帶的帶輪，傳動(dòng)比為2，小帶輪輪轂與電機(jī)輸出軸配合，大帶輪的輪轂與減速器的輸入軸配合，設(shè)計(jì)的是單級(jí)圓柱齒輪減速器的傳動(dòng)比為6，錐齒輪的小齒輪輪轂與減速器的輸出軸配合，選擇的錐齒輪的傳動(dòng)比為2，錐齒輪的大齒輪裝配了主軸，根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，股骨頭的承重可達(dá)體重的幾十倍，確定試驗(yàn)機(jī)需要的最大試驗(yàn)載荷。如果主軸轉(zhuǎn)速為60r/min，作用在股骨頭頭部的載荷為400公斤，就可以算出最大阻力。選擇直徑為28mm的股骨頭，可以求出最大的扭矩，由此可確定電機(jī)的功率從而計(jì)算出最小軸徑。然后由最小軸徑初步選擇各個(gè)零件的尺寸。通過校核確認(rèn)其安全以確保試驗(yàn)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度不會(huì)太高，所以我設(shè)計(jì)了三級(jí)減速裝置，電動(dòng)機(jī)通電運(yùn)轉(zhuǎn)，先開始通過V帶傳動(dòng)減速，然后通過與之配合的減速器進(jìn)行減速，再通過與之配合的錐齒輪進(jìn)行減速，最后由聯(lián)軸器帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)固定在主軸軸端的偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，試件座安裝在擺軸上和擺軸一起饒中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。使得由關(guān)節(jié)球支架固定在試件座上的關(guān)節(jié)球頭和髖臼試件之間產(chǎn)生摩擦，從而達(dá)到試驗(yàn)的目的。其中髖臼試件由骨水泥固定在髖臼座上，沖擊載荷由液壓缸提供作用于心軸上，通過髖臼支架最終作用在關(guān)節(jié)球頭上，加上關(guān)節(jié)球頭隨試件座繞中心線轉(zhuǎn)動(dòng)。在支架左側(cè)裝配一個(gè)防立柱，在防立柱上安裝兩個(gè)防轉(zhuǎn)桿，一個(gè)防轉(zhuǎn)桿安裝在關(guān)節(jié)頭試件座上，另一個(gè)防轉(zhuǎn)桿安裝在骨臼骨臼試件架上方的軸上，兩個(gè)防轉(zhuǎn)桿在受到了防立柱的阻力后，會(huì)有一個(gè)相反方向的作用力，使試件座不會(huì)隨著擺軸360度轉(zhuǎn)動(dòng)，始終朝著左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，試件座一邊隨著擺軸的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)一邊由于防轉(zhuǎn)桿的方作用力產(chǎn)生這樣實(shí)現(xiàn)模擬人體髖關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，使其產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實(shí)際使用條件下相一致，以達(dá)到設(shè)計(jì)該試驗(yàn)機(jī)的目的。見圖，
圖2-6 方案3
在充分考慮試驗(yàn)的目的和模擬人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的特性的相似度后，指導(dǎo)老師選擇了第三種方案作為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)方案。
2.3 方案中各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析
多組組合樣式：當(dāng)采用偏心輪的時(shí)候，偏心輪以不變的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，杯座的支撐軸以主軸為中心從而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，固定在軸上的相反轉(zhuǎn)桿受到力的約束，該軸在力的作用下不僅僅是回轉(zhuǎn)，自己本身也是會(huì)旋轉(zhuǎn)。該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作看圖2.8。
圖2.7通過力學(xué)原理了解了試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理圖，如果一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)鏈由N個(gè)不同的構(gòu)件構(gòu)成，當(dāng)其中一個(gè)被困住時(shí)，剩余的能夠運(yùn)作的構(gòu)件的數(shù)量是（N-1）個(gè)，運(yùn)動(dòng)鏈的自由度可以通過計(jì)算算出，如下：；當(dāng)F<0時(shí)，運(yùn)動(dòng)鏈不會(huì)動(dòng)作；對(duì)F>0的運(yùn)動(dòng)鏈，運(yùn)動(dòng)鏈如所運(yùn)動(dòng)不能被預(yù)測(cè)。只有當(dāng)原始運(yùn)動(dòng)的數(shù)量相等，才能獲得準(zhǔn)確的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。圖2-7表明：該運(yùn)動(dòng)鏈的成員數(shù)為n=5，因此它的自由度計(jì)算為：。所以在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，只有偏心輪在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般來說，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的軌跡只能用數(shù)學(xué)方程來表示。然而，髖關(guān)節(jié)在人體中承擔(dān)的壓力比較復(fù)雜。
1:機(jī)座 2：主軸 3：防轉(zhuǎn)桿 4：滑塊 5：轉(zhuǎn)動(dòng)副
圖2-7 試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動(dòng)原理圖
在操作運(yùn)動(dòng)中，時(shí)間摩擦表面的任一點(diǎn)都隨兩軸進(jìn)行周期性旋轉(zhuǎn)。表面上產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)波形如圖2-5所表示的，如果按照?qǐng)D2-9波形仿真的話，仿真結(jié)果如圖2-10所表示的。如果拿圖2-6和圖圖2-7相比較的話，它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律幾乎沒有區(qū)別。圖2-11通過試驗(yàn)充分說明，為了人體更好的平衡，主要有以下要求：①在人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)中，仿真器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是交叉進(jìn)行的，而且要求多方向的。②運(yùn)動(dòng)軌跡在運(yùn)動(dòng)過程中不斷地變化。通過以上實(shí)驗(yàn)可以得知，該設(shè)計(jì)方案可以完全可靠的實(shí)現(xiàn)方案。總之，從理論上說，雖然實(shí)驗(yàn)中的人造髖關(guān)節(jié)與天然的髖關(guān)節(jié)做不到天然一致，運(yùn)動(dòng)軌跡也做不到完全相同。但是也有它的優(yōu)點(diǎn)，它能通過實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)出它的運(yùn)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，有效做到和天然髖關(guān)節(jié)摩擦形式一致地運(yùn)動(dòng)。
圖2-8 運(yùn)動(dòng)波形圖
圖2-9 波形的仿真
3 試驗(yàn)機(jī)的選用設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1選擇電動(dòng)機(jī)的類型
根據(jù)此試驗(yàn)機(jī)的工作壓力特性，或者看看有沒有沖擊力，速度的大小和啟動(dòng)制動(dòng)次數(shù)來選擇電動(dòng)機(jī)。
此試驗(yàn)機(jī)的關(guān)節(jié)球頭的直徑選擇為28mm，試驗(yàn)機(jī)的最大承受壓力極限值為400kg，主軸的旋轉(zhuǎn)速度為60r/min。摩擦系數(shù)的選擇為為μ=0.1。
試驗(yàn)機(jī)的最大承受壓力F=400kg×9.8=3920N。
由于摩擦系數(shù)為0.1，算出摩擦力為f=F×μ=3920×0.1=392N。
所以承受的最大扭矩可以求出 T=f×d=392×0.014=5.488Nm。
根據(jù)扭矩公式為，由于最大扭矩和轉(zhuǎn)速已知，所以功率P=0.034KW。
考慮到試驗(yàn)機(jī)所需轉(zhuǎn)速不需要過高，通過查閱機(jī)械手冊(cè)可以初擬選擇Y系列4極
選用Y90S-6，額定功率為P=0.75kw，滿載轉(zhuǎn)速n=910r/min，同步轉(zhuǎn)速1000r/min。
3.2帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
由于考慮到電機(jī)的瞬時(shí)速度較高所以選用一個(gè)摩擦型帶傳動(dòng)來緩解電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于這次設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)，所以選用V帶傳動(dòng)。V帶有較大的厚度，而且撓性比較不好，并且在制作帶輪的過程很復(fù)雜。V帶傳是利用兩個(gè)側(cè)面。當(dāng)同樣的張緊下，V帶承受的摩擦力比平帶出色很多，而且平帶的承受壓力要比V帶小的多。V帶傳動(dòng)已經(jīng)發(fā)展成為最常用的傳動(dòng)了。接下來設(shè)計(jì)V帶的設(shè)計(jì)計(jì)算。
Y90S-6 異步電動(dòng)機(jī)額定功率為P=0.75kw，滿載的轉(zhuǎn)動(dòng)速度n=910r/min。假設(shè)帶輪兩齒輪的傳動(dòng)比i=2，兩班制來傳動(dòng)，大小帶輪的中心距a<700mm。
（1） 試把帶輪功率P的計(jì)算
(11.15)
式中 ——工作情況系數(shù)；
——名義傳動(dòng)功率，kW。
查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11-3，帶輪的工作情況系數(shù)K=1.4，則
（2） V帶型號(hào)的選用
上述功率P=1.05kW,n=1390r/min，再查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖11.11來選擇Z型帶。
（3） 小帶輪基準(zhǔn)直徑d和大帶輪基準(zhǔn)直徑d的計(jì)算
式中 ——小帶輪基準(zhǔn)直徑
——大帶輪基準(zhǔn)直徑
——滑動(dòng)率
查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11-4確定小帶輪d=125mm，若帶輪的潤(rùn)滑率ε=1％。
d 查表取整數(shù)大齒輪d=250mm。
（4） 檢驗(yàn)計(jì)算帶輪速度v
（11.16）
式中 ——小帶輪速度，m/s
——小帶輪轉(zhuǎn)速
算得帶輪的速度在5-25m/s的范圍之內(nèi)，可以說算得的帶速是對(duì)的。
（11.18）
式中 ——中心距
根據(jù)在a()的范圍之內(nèi)，初步選擇中心距a。所以V帶的長(zhǎng)度公式為
查詢書《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖11-10，可知Z型帶的標(biāo)準(zhǔn)。
再根據(jù)實(shí)際中心距的公式
選取中心距a的值為整數(shù)。
（5） 檢驗(yàn)計(jì)算小帶輪包角
（11.21）
，因?yàn)榇笥?20°，所以算得的包角是合適的。
（6）V帶根數(shù)的選擇Z
（11.22）
式中 ——計(jì)算功率
——單根V帶所能傳遞的功率
——包角修正系數(shù)
——帶長(zhǎng)修正系數(shù)
小帶輪,V帶的，傳動(dòng)比i為2，查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11-6，查取的V帶的額定功率P=1.91kW，查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11-8，△，查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11-10，查取,再根據(jù)參考參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11-11，查取.總合以上，根據(jù)計(jì)算帶的根數(shù)的公式
選取整數(shù)，帶的根數(shù)z=3根。
（7）V帶的剛開始的拉力的計(jì)算
（11.23）
式中各符號(hào)的意義同前所計(jì)算只有一根帶的初始拉力
（8）V帶的大小齒輪中間的軸的所承受的載荷
（11.24）
（9）V帶傳動(dòng)的組成設(shè)計(jì)
計(jì)算得帶輪的，是小于的，所以本次帶輪的材料選擇為灰鑄鐵。
帶輪的傳動(dòng)帶是裝配在輪緣上的，帶輪的輪轂一般是裝配在兩個(gè)齒輪的軸上的，而輪輻是專門裝配在輪緣和輪輻之間的。根據(jù)本次帶輪設(shè)計(jì)的大小帶輪分度圓直徑，大帶輪直徑減去小帶輪直徑的值大于，所以，本次帶輪的輪輻選用孔板式。
(10）V帶輪槽的選用
因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)選用的是Z型的普通V帶，所以根據(jù)參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11.1，可以查取Z型帶的節(jié)寬,V帶的頂?shù)膶挾?V帶的高度。
3.3選擇減速器的類型
減速器是一個(gè)關(guān)閉式的裝置去傳動(dòng)前面的發(fā)動(dòng)機(jī)和后面工作機(jī)的，它的工作情況是獨(dú)立的，減速器的用處是用來減小轉(zhuǎn)動(dòng)速度且提高轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，然后來符合各種機(jī)械的傳動(dòng)需求。減速器的類別各種各樣，它的傳動(dòng)方式來分的話，可以分成齒輪減速器、行星減速器和蝸桿減速器。通過它的傳動(dòng)級(jí)數(shù)來分的話，可以分成單級(jí)加速器和多級(jí)減速器。通過它的傳動(dòng)分布形式來分的話，大體上可以分成展開式減速器、分流式減速器和同軸式減速器。
如果我們通過減速器的傳動(dòng)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來分析的話，可以分成以下六種形式：
1、 齒輪減速器
齒輪減速器大概可以分成圓柱齒輪減速器、圓錐-圓柱齒輪減速器、錐齒輪減速器等。
2、 蝸桿減速器
蝸桿減速器大概可以分成圓柱蝸桿減速器、錐蝸桿減速器和環(huán)面蝸桿減速器等。
3、 行星齒輪減速器
4、 諧波齒輪減速器
5、 蝸桿齒輪減速器和齒輪-蝸桿減速器
6、 擺線針輪減速器
由于試驗(yàn)機(jī)在實(shí)驗(yàn)剛開始時(shí)，發(fā)動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速可能過大，所以在考慮安全和實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定后，我決定設(shè)計(jì)在電動(dòng)機(jī)前面加一個(gè)減速器，來降低軸的轉(zhuǎn)速和相對(duì)地來增大轉(zhuǎn)矩。
按照設(shè)計(jì)要求，選用用的做多的圓柱齒輪單級(jí)減速器，圓柱齒輪單級(jí)減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單精度容易保證，單級(jí)圓柱齒輪減速器的傳動(dòng)比一般在，減速器傳動(dòng)比我設(shè)計(jì)為4，輪齒選用直齒，因?yàn)橹饼X主要使用在速度比較小和承載比較小的傳動(dòng)上。通過查詢《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-6，通用減速器的精度等級(jí)范圍在之間，選用7級(jí)。
圖3-1 單級(jí)圓柱齒輪減速器
3.4 錐齒輪的設(shè)計(jì)
由于電機(jī)的瞬時(shí)速度過大，雖然由V帶輪和減速器的減速，但為了保證主軸的速度為60r/min，所以我又選擇了一個(gè)錐齒輪來減速。
3.4.1 錐齒輪的主要幾何尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算
1. 錐齒輪類型、精度等級(jí)、齒輪材料和齒輪齒數(shù)選擇計(jì)算
（1）選擇標(biāo)準(zhǔn)的直齒錐齒輪的齒輪傳動(dòng)，壓力角選為20。
（2）直齒錐齒輪的精度查詢參考文獻(xiàn)[10],《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-6，選擇7級(jí)精度，齒輪材料選擇參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-1，直齒錐齒輪的小齒輪和大齒輪的材質(zhì)都選用45鋼。
（3）選用電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n=910r/min,帶的i=2，減速器的傳動(dòng)比為4，所以錐齒輪的轉(zhuǎn)速。選取齒數(shù)比u=1.89,選取直齒錐齒輪的小齒輪的,直齒錐齒輪大齒輪的z,選取整數(shù)。
2. 直齒錐齒輪的各參數(shù)計(jì)算
(1)小齒輪的分度圓直徑,公式如下
（10-29）
式中 ——接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的載荷系數(shù)
——小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，N.mm
——齒寬系數(shù)
——區(qū)域系數(shù)
——材料的彈性影響系數(shù)
[]——接觸疲勞許用應(yīng)力
1) 上述公式里的各參數(shù)值的確定
1 初步選擇。
2 直齒錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩
3 直齒錐齒的齒寬系數(shù)。
4 根據(jù)，，查詢書《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-20得區(qū)域系數(shù)為。
5 查詢書《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-5錐齒輪的材料的彈性影響系數(shù)。
6 錐齒輪齒的表面接觸疲勞允許作用應(yīng)力[σ]。
查詢書《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-25d，小齒輪的最大接觸疲勞為σ,大齒輪的最大接觸疲勞為。
根據(jù)直齒錐齒輪的工作允許應(yīng)力循環(huán)次數(shù)計(jì)算公式
(10-15)
式中 N——工作允許應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
n——齒輪轉(zhuǎn)速,r/min
j——齒輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，同一齒面的嚙合次數(shù)
——齒輪的工作壽命，h
設(shè)錐齒輪工作壽命時(shí)間年，每年工作天，兩班制。
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-23，查得小齒輪齒的表面接觸疲勞壽命系數(shù)K=0.90，小齒輪齒的表面接觸疲勞壽命系數(shù)K=0.95。
已知齒輪的失效概率為1％，疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)S=1，齒輪的允許應(yīng)力公式 （10-14）
式中 S——疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)
——壽命系數(shù)
——齒輪的疲勞極限
σ=
σ=
因?yàn)?[σ]的值大于[σ]的值，所以選取小的值用作這個(gè)齒輪副的齒面接觸疲勞許用應(yīng)力，[σ]=[σ]。
2） 小齒輪的分度圓直徑
(2) 小齒輪分度圓的直徑的數(shù)值重新調(diào)換
1） 準(zhǔn)備錐齒輪本來的承載系數(shù)前的計(jì)算
①圓周速度v。
②錐齒輪當(dāng)量的齒寬系數(shù)φ
2) 本來的承受載荷壓力系數(shù)K的計(jì)算。
① 查詢參看文獻(xiàn)[10],《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-2得錐齒輪使用系數(shù)。
②、級(jí)精度等級(jí)（直齒錐齒輪向下降一級(jí)精度），查詢書《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-8得運(yùn)動(dòng)載荷系數(shù)。
③ 直齒錐齒輪的精度比較低，則齒輪之間的承載壓力分配系數(shù)。
④ 查詢參考文獻(xiàn)，《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-4使用插值的方法得7級(jí)精度等級(jí)、查得齒向承載分布系數(shù)K。
所以，實(shí)際上的載荷系數(shù)K=KKKK
3） 由真實(shí)的承受載荷壓力系數(shù)，計(jì)算小齒輪的分度圓直徑
(10-12)
小齒輪的模數(shù)計(jì)算得
3. 根據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
（1） 模數(shù)計(jì)算公式
（10-27）
式中 ——齒形系數(shù)
——齒根應(yīng)力修正系數(shù)
——齒寬系數(shù)
1）試確定上述公式中的各參數(shù)值
①初步選擇
②計(jì)算。
根據(jù)分錐角,分錐角,。式中的齒形系數(shù)Y根據(jù)參考文獻(xiàn)[10],《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-17查取的小齒輪的齒的形狀系數(shù)Y，大齒輪的齒的形狀系數(shù)Y。查詢書《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-18得小齒輪應(yīng)力修正系數(shù)Y，大齒輪應(yīng)力修正系數(shù)Y。查詢參考文獻(xiàn)[10],《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-24得小齒輪的齒輪根部彎曲疲勞極限為,大齒輪。查詢參考文獻(xiàn)[10],《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-22得小齒輪彎曲疲勞壽命系數(shù)K，大齒輪K。選取齒輪抵抗彎曲疲勞安全系數(shù)，由（10-14）得，
[]==
[]==
=
=
根據(jù)計(jì)算可得，大齒輪的比小齒輪的大，所以選擇
2) 嘗試初步模數(shù)的計(jì)算
(2) 重新選取齒輪的模數(shù)計(jì)算
1）準(zhǔn)備齒輪的實(shí)際上的承載系數(shù)前的計(jì)算
①圓周速度v
②齒輪的齒寬b的設(shè)計(jì)計(jì)算
2)齒輪的原來承載系數(shù)K的設(shè)計(jì)計(jì)算
1 由于上式求得的值為，而且是級(jí)精度等級(jí)，所以根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-8查取齒輪傳動(dòng)載荷系數(shù)。
2 由于本次選用的直齒錐齒輪的齒輪精度有點(diǎn)低，所以選取齒輪之間的承受壓力分配系數(shù)。
3 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-4中使用插值法查取，從而可以查得K=1.270。結(jié)合綜上所述，齒輪的承載系數(shù)
3） 錐齒模數(shù)按照實(shí)際承載系數(shù)的計(jì)算公式為
（10-13)
式中：——載荷系數(shù)
四舍五入選擇的標(biāo)準(zhǔn)的模數(shù)，分度圓直徑，通過計(jì)算公式可以求出小齒輪齒數(shù)。取整數(shù)值,根據(jù)z可以繼而求得大齒輪齒數(shù)z。由于錐齒輪大小齒輪齒數(shù)一般相互為質(zhì)數(shù)，所以大齒輪齒數(shù)為。
4. 齒輪各個(gè)重要的尺寸計(jì)算
（1） 齒輪分度圓的計(jì)算
d
(2) 錐齒輪的分錐角的計(jì)算
21′33"
δ=90°-13°21′33"=76°38′27"
（3） 齒輪的齒寬計(jì)算
所以小齒輪和大齒輪的齒寬
5. 直齒錐齒輪的零件圖
6. 綜上所述的所有設(shè)計(jì)計(jì)算總合
直齒錐齒輪小齒輪齒數(shù),直齒錐齒輪大齒輪齒數(shù),齒輪模數(shù)，直齒錐齒輪壓力角,直齒錐齒輪的變位系數(shù),直齒錐齒輪小齒輪的分錐角=13°21′33"，直齒錐齒輪大齒輪的分錐角=76°38′27"，直齒錐齒輪齒輪的寬度。直齒錐齒輪小齒輪和大齒輪的材質(zhì)最后選用鋼（調(diào)質(zhì)處理）。
3.5 設(shè)計(jì)主傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)
本次試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中，球頭的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過電機(jī)輸出軸，經(jīng)過V帶輪，再經(jīng)過減速器，然后由與錐齒輪裝配的主軸旋轉(zhuǎn)來運(yùn)動(dòng)的，因?yàn)槭亲鬓D(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的，所以選用轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸是受轉(zhuǎn)矩又受彎矩的軸?？紤]到試件座的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能只經(jīng)過主軸傳遞，所以這里主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常重要的。
3.5.1 選取軸的材料
經(jīng)過與老師的討論研究后，考慮主軸的材料選45鋼，通過查閱參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械手冊(cè)》查得它的幾個(gè)主要力學(xué)性能為抵抗拉斷極限強(qiáng)度,抵抗屈服極限強(qiáng)度為，彎曲疲勞極限為,扭轉(zhuǎn)疲勞極限為，許用靜應(yīng)力。
3.5.2 選取軸的毛柸
此次試驗(yàn)機(jī)主軸毛柸選用軋制圓鋼材。
3.5.3 確定主軸的最小直徑
因?yàn)閷?duì)于實(shí)心圓軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算，取β=0。由查看參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械手冊(cè)》選取材料系數(shù)A=115
（19.3）
式中：,即空心軸的內(nèi)徑與外徑之比；
A——系數(shù)，，可由表19.2查得。
=×
聯(lián)軸器裝配在軸上需要開槽，將軸徑變大4%-5%，取軸的直徑為30mm。
3.5.4 設(shè)計(jì)軸上的結(jié)構(gòu)構(gòu)成
（1）選擇軸上零件的排列方式
為了使軸能夠穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)，在這里我把軸上的零件設(shè)計(jì)成階梯狀，裝配方案是從最左邊到最右邊的裝配順序是錐齒輪、軸套、左端軸承、軸承蓋、半聯(lián)軸器，右端只裝配軸承和軸承蓋。這就是主動(dòng)軸的最初結(jié)構(gòu)形式。見下圖所示。
（2）軸上各零件的位置確定和計(jì)算軸的重要尺寸
1） 選用和定位軸端聯(lián)軸器 由查閱參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計(jì)》中表18-1查得聯(lián)軸器得工作情況系數(shù)K=1.3，計(jì)算扭矩T和理論扭矩T
（18.1)
式中 ——計(jì)算扭轉(zhuǎn)，N.m;
——理論（名義）扭矩，N.m;
——工作情況系數(shù)，見表18.1;
——理論（名義）工作功率，kW;
——工作轉(zhuǎn)速，r/min
——聯(lián)軸器的公稱扭矩、許用扭矩，N.m,見機(jī)械手冊(cè)。
由T的值，可以查到國(guó)標(biāo)，所以選用HL3型彈性柱銷聯(lián)軸器，選用J型軸孔，J型軸孔的孔徑=30mm，J型軸孔和軸配合為H6/k5，聯(lián)軸器的輪轂孔的長(zhǎng)度為，所以軸和聯(lián)軸器的互相配合的段長(zhǎng)度為，聯(lián)軸器的周向定位采用的是平鍵聯(lián)結(jié)，根據(jù)軸徑選用的平鍵的截面尺寸為,鍵的長(zhǎng)度為30mm（），選用的軸端擋圈直徑按照主軸的直徑選為 。
2） 確定軸承、錐齒輪的定位方式和軸段的幾個(gè)重要要尺寸 選取圓錐滾子軸承7210E型，圓錐滾子軸承的尺寸為，和圓錐滾子軸承相互配合的軸段的軸的直徑=d。相配合的軸段的長(zhǎng)，在這里右端設(shè)計(jì)采用的是軸套作軸向的定位。
在裝配錐齒輪的那個(gè)軸段的直徑為d,相互配合的那個(gè)軸段的長(zhǎng)度應(yīng)該比齒輪寬稍微短一點(diǎn)長(zhǎng)度，所以選取L，由于考慮到方便進(jìn)行裝配，軸端部設(shè)計(jì)采用的是錐面導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。在錐齒輪的左端設(shè)計(jì)采用的是軸肩定位，軸環(huán)的直徑d。設(shè)計(jì)選取錐齒輪的端面距箱體內(nèi)壁的長(zhǎng)度距離為，軸承距箱體內(nèi)壁的厚度為，所以經(jīng)過計(jì)算可以由此得知軸環(huán)寬度為。設(shè)計(jì)錐齒輪右端選用的是軸套來進(jìn)行定位，軸套的寬度距離也是由錐齒輪和軸承距離箱體內(nèi)壁的距離來確定的。綜上所述，可以知道軸承的右端相互配合的軸長(zhǎng)L。在這里錐齒輪的周向定位設(shè)計(jì)采用平鍵來定位，平鍵的尺寸為（）。軸承蓋的厚度設(shè)計(jì)選取為40mm，聯(lián)軸器和軸承蓋的距離的長(zhǎng)度為18mm，所以那個(gè)軸段長(zhǎng)L，通過考慮是階梯軸的設(shè)計(jì)，選取直徑d。
（3） 主軸的強(qiáng)度校核
1） 軸上的作用力分為垂直面受力(b)和水平面受力（d)。
2） 軸上受力分析
錐齒輪圓周力的計(jì)算為 ==
錐齒輪徑向力的計(jì)算為 ×=
錐齒輪軸向力的計(jì)算為 tan=
3) 設(shè)計(jì)計(jì)算在主軸軸上的支反力
支反力在水平面中的計(jì)算 /2
支反力在垂直面中的計(jì)算
2+Fd
4)軸的彎矩的計(jì)算，并且彎矩圖如圖所示
計(jì)算截面C處的彎矩 M=×F=
M=
M=
豎直面和平衡面的兩個(gè)彎矩圖（c、e）如圖所示，它們合成的彎矩，彎矩圖如圖（f）所示
M==
M==
5） 畫扭矩圖（g）
（6）軸的工作壽命強(qiáng)度的校驗(yàn)核實(shí)
1.確定軸的容易截?cái)嗟慕孛?
考慮到軸的三個(gè)截面，分別為Ⅱ、Ⅲ、B截面，會(huì)有軸肩或者配合所產(chǎn)生的應(yīng)力影響，結(jié)果是會(huì)減小軸的疲勞強(qiáng)度，可是這三個(gè)截面只會(huì)受到扭矩的影響，而且軸的最小直徑是通過扭矩強(qiáng)度來決定的，所以都不是非常容易截?cái)嗟拿??？紤]軸的兩個(gè)截面，Ⅵ和A截面是受到比較小的彎矩的影響，所以也不是非常容易截?cái)嗟拿?。但是通過分析，軸上裝配有齒輪的表面承受了非常大的應(yīng)力，比如軸的1鍵槽和圓角，所以是比較容易截?cái)嗟拿妫夹枰M(jìn)行安全校核計(jì)算。
2.檢驗(yàn)核實(shí)軸的疲勞強(qiáng)度
（1）計(jì)算軸的截面C的應(yīng)力
軸的抵抗彎曲面的系數(shù)計(jì)算
軸的抵抗扭轉(zhuǎn)面的系數(shù)計(jì)算
軸的彎曲應(yīng)力幅計(jì)算
軸的彎曲平均應(yīng)力計(jì)算
軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅計(jì)算
軸的扭轉(zhuǎn)平均應(yīng)力計(jì)算
（2） 軸的材料的最終疲勞的計(jì)算
查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計(jì)》表19-1查得軸的抵抗拉斷極限、彎曲疲勞極限和扭轉(zhuǎn)疲勞極限依次分別為，，對(duì)于碳鋼的等效系數(shù)選取，
（3） 計(jì)算軸的安全系數(shù)
S=[S] （19.8）
S= （19.9）
（19.10）
式中 k和k——是表示扭矩和彎矩的影響下，主軸的集中有效應(yīng)力系數(shù)；
ε和ε——是表示扭矩和彎矩影響下，主軸的絕對(duì)尺寸系數(shù)；
Β——是表示主軸的上面的狀態(tài)系數(shù)；
和——是表示應(yīng)力幅的等效系數(shù)；
k-----生命系數(shù)，當(dāng)NN的時(shí)候，k=1。
在材料質(zhì)地均和、載重和應(yīng)力計(jì)算都比較正確時(shí)，可以選取[S]=1.3-1.5,當(dāng)材料質(zhì)地不夠均和、計(jì)算的不夠正確的時(shí)候，可以選取[S]=1.5-1.8.當(dāng)材料均和性和計(jì)算精度都很小的時(shí)候，或者尺寸很大的轉(zhuǎn)軸，可以選取[S]=1.8-2.5.如果相對(duì)而言比較重要的主要軸在受到很大的力后，適當(dāng)?shù)卦黾覽S]的=值。
由于試驗(yàn)機(jī)不是人力代勞，所以會(huì)一直工作，選取，然后選取能夠應(yīng)用的安全系數(shù)[S]=1.4,公式計(jì)算如下，
,所以選取的軸是安全的。
3.6 設(shè)計(jì)擺軸的結(jié)構(gòu)
擺軸是試驗(yàn)機(jī)里面連接試件座和偏心輪的結(jié)構(gòu)，它隨著偏心輪以主軸為中心轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力傳遞給試件座，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。擺軸是一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)在擺軸上裝配了偏心輪，和圓錐滾子軸承。由于擺軸承受著來自試件座的壓力和偏心輪的扭矩，所以需要進(jìn)行校核擺軸的抗彎曲能力和扭矩是否符合要求。擺軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須在滿足軸的剛度和震動(dòng)的平穩(wěn)性上來考慮選擇。然后再根據(jù)擺軸上需要安裝偏心輪和圓錐滾子軸承，擺軸所需要承受的載荷，來選擇計(jì)算擺軸的尺寸和結(jié)構(gòu)形狀?？紤]到擺軸在轉(zhuǎn)動(dòng)，而且裝配了其他零件，所以將擺軸設(shè)計(jì)成階梯軸。
3.6.1擺軸的材料的選擇
軸的材料主要是碳鋼和合金鋼，合金鋼成本非常的高，所以選用最常用的碳鋼，主要是碳鋼對(duì)于應(yīng)力承受較強(qiáng)。所以試驗(yàn)機(jī)中的擺軸的材料選用45鋼,根據(jù)參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-1可以查取45鋼的主要的力學(xué)性能。
3.6.2擺軸的最小直徑的選擇計(jì)算
因?yàn)閿[軸材料是45鋼，熱處理是調(diào)質(zhì)，所以查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-3，選取A=116，擺軸的最小直徑計(jì)算如下，
由于擺軸上會(huì)裝配圓錐滾子軸承和偏心輪，所以需要增強(qiáng)擺軸的強(qiáng)度，在這里取擺軸的直徑為30mm。
3.6.3擺軸上裝配的設(shè)計(jì)
根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的工作要求，決定在擺軸上設(shè)計(jì)裝配圓錐滾子軸承和偏心輪，擺軸安裝在偏心輪的中間，將圓錐滾子軸承在擺軸的兩側(cè)。滾子軸承能夠承受較大的壓力，轉(zhuǎn)速比較低，符合試驗(yàn)機(jī)的工作要求。
1） 擺軸上圓錐滾子軸承的定位和軸的主要尺寸
考慮到擺軸受到的載荷，查詢書《機(jī)械手冊(cè)》選取7210E圓錐滾子軸承，圓錐滾子軸承的小徑d=50mm，圓錐滾子軸承的大徑D=90mm，圓錐滾子的厚度B=20mm，擺軸上和圓錐滾子軸承配合的軸段的直徑為d=35mm，它的左端的軸肩來軸向定位，查詢書《機(jī)械手冊(cè)》得這里軸肩的直徑要大于45mm，所以初步選定軸環(huán)的直徑為48mm。軸環(huán)左端的軸段長(zhǎng)L=20mm。圓錐滾子軸承的右端采用圓螺母來固定防止滑動(dòng)。
2） 擺軸上的工藝性設(shè)計(jì)
選擇左右兩軸端的倒角為45°，在圓錐滾子軸承配合的軸端右側(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)砂輪越程槽。
3.6.4 進(jìn)行擺軸的強(qiáng)度校核，運(yùn)用彎扭合成校核
（1）畫出擺軸的受力簡(jiǎn)圖如圖所示，然后將擺軸所受的力分為豎直面和平衡面的受力圖。
圖2 擺軸的彎矩和扭矩圖
（2）擺軸的承受載荷的計(jì)算
在計(jì)算之前，需要計(jì)算出軸承作用在擺軸上的平衡面上的支撐相反力和豎直面上的支撐相反力。根據(jù)圓錐滾子軸承施加給擺軸的力和擺軸上的壓力的分布和擺軸所承受的扭轉(zhuǎn)力，把這兩個(gè)力合成一個(gè)力作用于軸上軸承的寬度中點(diǎn)。軸上承受的支反力的位置是根據(jù)圓錐滾子軸承和分布狀況來設(shè)計(jì)的。
①擺軸上的支反力計(jì)算
③擺軸的強(qiáng)度的校核計(jì)算
根據(jù)所示的彎矩圖中分析出軸承軸段的截面B所承受的彎曲力是非常大的，所以需要進(jìn)行軸承軸段的截面B的彎曲力的校核計(jì)算。
軸承軸段的截面B的抵抗彎彎模量的計(jì)算：
3.6.5擺軸上圓錐滾子軸承的校核計(jì)算
考慮圓錐滾子軸承的基本工作情況，選擇3007107型號(hào)的軸承。查詢書《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可以查得 ，， 。
畫軸承受力簡(jiǎn)圖計(jì)算
①軸承的派生軸向力
查表的7107型軸承的派生力為：S=R/（2Y）
②圓錐滾子軸承承受的軸向壓力的計(jì)算
所以軸承2被壓緊，軸承1被放松
③圓錐滾子軸承的動(dòng)負(fù)荷當(dāng)量計(jì)算
軸承
4
④圓錐滾子軸承的工作壽命計(jì)算
根據(jù) 所以根據(jù)軸承2計(jì)算軸承的工作時(shí)間
計(jì)算的結(jié)果是達(dá)到實(shí)際強(qiáng)度校核的標(biāo)準(zhǔn)的。
3.7 試驗(yàn)機(jī)的密封設(shè)計(jì)
一般來說，密封對(duì)于在機(jī)械領(lǐng)域、石油管道輸送、天然氣管道輸送等等，都會(huì)遇到一些密封防止泄露的問題，所以如果遇到一些液體、氣體的運(yùn)輸，密封性是考慮問題的重點(diǎn)。因?yàn)槿绻麤]有密封好的話或者沒有好好的考慮密封這個(gè)問題，將會(huì)導(dǎo)致很嚴(yán)重的后果，比如一些經(jīng)濟(jì)上的損失或者尤其像石油類的泄露，這引發(fā)的后果不堪設(shè)想。所以，在設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)，液壓設(shè)計(jì)或者其他設(shè)計(jì)的時(shí)候，系統(tǒng)的密封是首先要考慮到的問題。
密封簡(jiǎn)單點(diǎn)來說就是結(jié)構(gòu)要很緊密的在一起，而且結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單，不要太復(fù)雜，在制造的過程也要很簡(jiǎn)單，并且如果壞了，修理的時(shí)候也要容易，安裝在機(jī)器上，使用的時(shí)間也要相對(duì)來說要久一點(diǎn)。
密封的結(jié)構(gòu)有很多種，每一個(gè)結(jié)構(gòu)的密封它運(yùn)用的場(chǎng)合，運(yùn)用的原理也不同，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分考慮到整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的原理，需要在哪里密封，需要密封的地方是什么，然后經(jīng)過考慮后再進(jìn)行密封圈的選擇。比如要考慮到氣體的壓力，液體的流動(dòng)速度和液體本身的溫度等等。
綜上所述，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)，我決定選用O型密封圈，因?yàn)镺型密封圈的往復(fù)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)便，而且O型密封圈還可以轉(zhuǎn)動(dòng)，它的抵抗壓力的性能非常好，抵抗高速轉(zhuǎn)動(dòng)的性能一般，抵抗熱量的性能也一般。O型密封圈一般運(yùn)用在活塞密封，在本次液壓缸的設(shè)計(jì)中，在活塞的兩側(cè)安裝了O型密封圈。
結(jié)論
這次我的畢設(shè)指導(dǎo)老師給我的題目是人工髖關(guān)節(jié)仿生試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)，主要是為了測(cè)試仿制的關(guān)節(jié)頭與仿制的骨臼在進(jìn)行模擬試驗(yàn)仿制的關(guān)節(jié)頭與仿制的骨臼人體的髖關(guān)節(jié)在正常走路的情況下，這個(gè)試件由于上方的液壓缸不同的載荷和下方的電機(jī)的機(jī)械能帶動(dòng)帶輪、減速器、錐齒輪，錐齒輪帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在主軸的最上端裝配了偏心輪，偏心輪根據(jù)主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)擺軸轉(zhuǎn)動(dòng)。擺軸與試件座裝配在一起，所以，關(guān)節(jié)頭和骨臼就根據(jù)試件座的旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行相互摩擦磨損，在試驗(yàn)的過程中，整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式和關(guān)節(jié)頭與骨臼的磨損都和人的走路的環(huán)境基本一致，進(jìn)而在一段時(shí)間或者幾年、十年、二十年來觀察仿制的關(guān)節(jié)頭的材料和骨臼的材料的抵抗磨損的性能和承受的時(shí)間的長(zhǎng)久。
致謝
不知不覺，大四下學(xué)期已經(jīng)過去，經(jīng)過一學(xué)期的學(xué)習(xí)與努力，人生中第一次也是最后一次畢業(yè)設(shè)計(jì)終于做完了。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成過程是開心與痛苦并存的，開心的是，在這一學(xué)期中，我學(xué)到了大學(xué)四年都沒有了解的機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)，而且我的自身思考想象力和解決難題的能力大大地提高了，而且我還和我的指導(dǎo)老師黃傳輝老師建立了深厚的師生情誼。痛苦的是一學(xué)期的枯燥學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)和寫論文畫圖，過程是枯燥難熬的，但最后的結(jié)果使我也感到了一絲欣慰。在制作畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，黃傳輝老師不辭辛苦的指導(dǎo)我不斷地進(jìn)步，使我感動(dòng)萬分。在這里，我萬分感謝我的指導(dǎo)老師和幫助過我的同學(xué)，真的是謝謝你們了！
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