康復(fù)醫(yī)療電動座椅設(shè)計【含15張CAD圖紙、說明書】

摘 要 本設(shè)計所要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊，適應(yīng)多種姿態(tài)，應(yīng)用范圍廣泛，能應(yīng)用在醫(yī)療運動損傷康復(fù)的訓(xùn)練器配合使用的電動可調(diào)座椅。其結(jié)構(gòu)與汽車上的電動調(diào)節(jié)座椅基本一致。 本畢業(yè)設(shè)計分析了人與座椅的人機關(guān)系，并且結(jié)合我國國民對汽車座椅的使用要求，以人機工程學、汽車設(shè)計等學科的理論為依據(jù)，以國家和國際標準為準則，對駕駛座椅進行了設(shè)計。，從人的安全、健康的角度，現(xiàn)代人越來越多地的時間在汽車中度過，座椅的安全與舒適直接影響到人們的健康與安全。尤其是對人們脊椎的傷害。 本設(shè)計在參考成熟汽車電動調(diào)節(jié)座椅技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，針對醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練其特殊要求做相應(yīng)改進。 本方案的設(shè)計中，電動座椅由雙向電動機，蝸輪蝸桿傳動裝置，座椅調(diào)節(jié)部分等組成。調(diào)整過程中，打開調(diào)整開關(guān)，電動機通電產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，力矩通過傳動機構(gòu)蝸輪蝸桿的傳動到達調(diào)節(jié)機構(gòu)，之后再通過座椅的調(diào)節(jié)部分實現(xiàn)座椅水平前后移動、座椅上下移動、座椅靠背的角度旋轉(zhuǎn)六個方向的調(diào)節(jié)。 本方案的電動汽車座椅的結(jié)構(gòu)主要有：可逆直流電動機、連接裝置、軸承、蝸輪、蝸桿、滾珠絲杠、水平滑動導(dǎo)軌，滾輪等部件組成，此外，當然座椅還包括傳統(tǒng)座椅的坐墊、靠背、靠枕、骨架、和調(diào)節(jié)機構(gòu)等。 關(guān)鍵字：汽車；電動座椅；傳動機構(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)練電動座椅簡介 - 7 - 1.2 國內(nèi)外汽車座椅研究現(xiàn)狀 - 9 - 1.2.1電動座椅國外研究現(xiàn)狀 - 9 - 1.1.2 電動座椅國內(nèi)研究現(xiàn)狀 - 11 - 2 轎車座椅人體工程學的應(yīng)用及尺寸參數(shù) - 12 - 2.1人體工程學的應(yīng)用 - 12 - 2.2轎車座椅尺寸參數(shù) - 16 - 3 電動座椅的控制部分 - 18 - 3.1控制原理 - 18 - 3.2電動座椅執(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 電動座椅設(shè)計的背景 - 24 - 4.3 本文主要研究工作 - 24 - 5 座椅前后移動結(jié)構(gòu)設(shè)計 - 26 - 5.1動結(jié)構(gòu)方案選定 - 26 - 5.1.1傳動調(diào)節(jié)裝置的確定 - 26 - 5.1.2傳動方案的確定 - 27 - 5.2 水平滑動電機的選擇 - 28 - 5.2.1絲桿電機的選擇 - 28 - 5.2.2選擇電動機類型 - 29 - 5.2.3選擇電動機的容量 - 29 - 5.3 水平移動系統(tǒng)中蝸輪蝸桿的設(shè)計 - 31 - 5.3.1選擇蝸桿傳動類型 - 31 - 5.3.2選擇材料 - 31 - 5.3.3水平移動系統(tǒng)中絲桿螺母傳動副的設(shè)計 - 36 - 5.3.4絲桿螺紋傳動導(dǎo)程、效率、和驅(qū)動扭矩的計算 - 36 - 5.3.5滑動螺旋副的設(shè)計計算 - 37 - 6 座椅靠背傾斜結(jié)構(gòu)設(shè)計 - 40 - 6.1仰合方案的確定 - 40 - 6.2 仰合電動機的選擇 - 42 - 6.2.1 選則電動機的類型 - 42 - 6.2.2 選擇電動機的功率 - 42 - 6.3 傳動裝置的總體設(shè)計 - 44 - 6.3.1 計算總傳動比及分配各級傳動比 - 44 - 6.3.2 仰合系統(tǒng)中蝸輪蝸桿的設(shè)計 - 45 - 6.4仰合系統(tǒng)中齒輪的設(shè)計 - 47 - 6.4.1選定齒輪類型、精度等級、材料、及齒數(shù) - 47 - 6.4.2按齒面接觸強度設(shè)計 - 47 - 6.5按齒輪根彎曲強度設(shè)計 - 49 - 6.5.1確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 - 49 - 6.6 幾何尺寸計算 - 50 - 7 座椅升降方案設(shè)計 - 52 - 7.1 選擇電動機 - 54 - 7.2 傳動比的分配 - 55 - 7.2.1 計算各軸轉(zhuǎn)速 - 55 - 7.2.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計 - 55 - 7.2.3 蝸桿與蝸輪設(shè)計的主要參數(shù) - 57 - 7.2.4 滾珠絲杠的設(shè)計 - 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 - 62 - 致 謝 - 64 - 附錄Ⅰ - 65 - 附錄Ⅱ - 67 - V 1 緒論 1.1 康復(fù)訓(xùn)練電動座椅簡介 康復(fù)訓(xùn)練電動座椅目前在國內(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)備自動化、交通座椅有少量應(yīng)用，電動座椅的突出特點在于俯仰、升降的調(diào)整均由電驅(qū)動系統(tǒng)實現(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械式及液壓式座椅等優(yōu)點。然而，通過對電動座椅市場的調(diào)研得知，國內(nèi)電動座椅中所用電機大多為進口，使得整椅的價格較高，阻礙了其進一步推廣；且大部分為直流有刷電機，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。將無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)用于電動座椅之中，可以提高整椅調(diào)速的平滑性和定位精度，提高可靠性，延長使用壽命。該產(chǎn)品有利于打破國外在此行業(yè)的壟斷局面，實現(xiàn)技術(shù)突破及產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展，有助于提升我國電動座椅和電動床系統(tǒng)的技術(shù)水平，有著較大的經(jīng)濟及社會效益。 在過去的轎車中，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)計思想則是倡導(dǎo)人與汽車的融合，而汽車電動座椅的設(shè)計正是這個思想的極其重要的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代汽車的設(shè)計涉及到電子學、人體工程學、工業(yè)設(shè)計學等領(lǐng)域方面[3]，隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和人們對汽車駕駛舒適性的要求越來越高，轎車的座椅已然從一個簡單的部件發(fā)展到一個比較復(fù)雜和精確程度要求比較高的部件。 電動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)計師都十分重視電動座椅的設(shè)計，力求從選材到結(jié)構(gòu)設(shè)計都完美無缺。造型方面，汽車座椅設(shè)計時應(yīng)該充分考慮人體的尺寸，人體的重量、乘坐姿勢和體壓分配的因素，之后應(yīng)用人體工程學的研究成果和先進技術(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)有手動調(diào)節(jié)和電動兩種方式。 最早的汽車手動調(diào)節(jié)座椅在1921年面世。最開始的手動調(diào)節(jié)需要康復(fù)人員員先通過手柄放松座椅的鎖止機構(gòu)，之后通過改變身體的座姿和位置來帶動座椅移動，最后將鎖止機構(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)方式的主動施力方是座椅上的乘客，座椅調(diào)節(jié)起來也不是十分的方便。 于是，在后來的設(shè)計中，尤其是在中高檔轎車上，設(shè)計師和生產(chǎn)商都會選擇電動調(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，吸引更多的消費者選擇自己品牌的汽車。 電動座椅是由座墊、靠背、靠枕、骨架、懸掛和調(diào)節(jié)機構(gòu)等組成。其中調(diào)節(jié)機構(gòu)由控制器、可逆性直流電動機和傳動部件組成是電動座椅中最復(fù)雜和最關(guān)鍵的部分，對可逆性直流電動機的要求是必須體積小，負荷能力要大；而機械傳動部件在運行時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。 可逆性直流電動機一般有三個以上，它們受控制器控制并分別驅(qū)動某個調(diào)整方向的傳動部件。傳動部件有蝸桿軸，蝸輪、齒軸和齒條等。調(diào)整時，蝸桿軸在電動機的驅(qū)動下，帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，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)動將齒條移動，即令座椅前移或后移。 圖1-1 現(xiàn)代電動座椅結(jié)構(gòu)圖 電動調(diào)節(jié)的座椅在調(diào)節(jié)時，座椅是施力方，乘客只需扳動控制鍵就可以令座椅移動，無需主動改變身體的座姿。電動座椅還可以提供更加精準的調(diào)節(jié)位置。電動座椅的使用，讓康復(fù)人員能夠輕松的找到最適合自己的駕駛姿勢，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 國內(nèi)外汽車座椅研究現(xiàn)狀 1.2.1電動座椅國外研究現(xiàn)狀 手動調(diào)節(jié)方式需要乘員先通過手柄防松座椅的鎖止機構(gòu)，之后通過改變身體的坐姿和位置來帶動座椅移動，最后到達合適的位置后，再將鎖止機構(gòu)的手柄防松，將座椅固定到某個位置，達到調(diào)節(jié)座椅位置的目的。 圖1-2 座椅靠背手動調(diào)節(jié)器 電動座椅在之后逐步得以研究試驗，并且1954年卡迪拉克汽車Eldorado款汽首先推出4路電動座椅。 電動汽車座椅實際上是人體工程學和電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它應(yīng)該能夠自動適應(yīng)不同體型乘員的乘坐舒適性要求。這種應(yīng)用微機控制技術(shù)控制的電動座椅出現(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科，起源于歐洲，形成于美國，發(fā)展到今天已經(jīng)有60多年的歷史了。[9]人體工程學是研究在人們工作中、家庭生活與閑暇時怎樣考慮人的健康、安全、舒適和工作效率的學科。人、機和環(huán)境和諧統(tǒng)一是其核心指導(dǎo)思想。1986年，國際人機工程學學會（IEA）在瑞士召開以座椅為主題的第一次國際學術(shù)研討會，這次會議之后，正如預(yù)期的那樣，全世界都掀起了一股座椅設(shè)計的高潮。事到至今這場運動不但沒有衰減，反而依舊如火如荼。 經(jīng)過相當長一段時間的發(fā)展，在之后的設(shè)計中，蝸桿傳動廣泛應(yīng)用于汽車座椅的電動調(diào)節(jié)。其原理是汽車座椅調(diào)整時，蝸桿軸在電動機的驅(qū)動下帶動蝸桿輪旋轉(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，美國人首先創(chuàng)新利用平面直齒蝸桿傳動，為了表彰他們的貢獻，這一傳動方式被譽為威式蝸桿（WildhaberWarm）。之后在五十年代，日本人學習并且逐步發(fā)展了此項技術(shù)，這也就是后來他們在世界市場上推銷的，變得相當有競爭力的平面蝸桿技術(shù)（Plana Worm)。 再此之后，1953年西德尼曼（Nieman）教授又為蝸桿傳動做出了新的貢獻，在平面直齒輪蝸桿的基礎(chǔ)上，他創(chuàng)新設(shè)計，發(fā)明了凹圓弧齒圓柱蝸桿傳動，這就是當今世界聞名的“Cavex Worm”。此外，日本與1972年以來也陸續(xù)在各大雜志和專業(yè)論壇上發(fā)表了一些有關(guān)新型蝸桿傳動的文章，除了對機械傳動作出的貢獻外，也不乏對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 電動座椅應(yīng)用的蝸桿傳動圖 1.1.2 電動座椅國內(nèi)研究現(xiàn)狀 由于汽車起源于國外，并且在國外更早的得以批量生產(chǎn)和普及，所以國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，國外由于汽車使用的時間比較長，所以他們在與座椅有關(guān)的相關(guān)安全標準和法規(guī)方面也變得十分完善。相比之下，我國的汽車普及時間比較短，相關(guān)的技術(shù)非常不成熟，并且由于使用人數(shù)和時間都非常的短暫，相當多的矛盾還沒有被發(fā)現(xiàn)，給我國的汽車研究帶來阻礙。目前國內(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。我國汽車座椅生產(chǎn)商大部分都借助合資的優(yōu)勢，利用他們掌握的部分設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)，在一定程度上加快了我國的汽車座椅的發(fā)展，促進了就業(yè)，但是核心技術(shù)還是只有國外少數(shù)幾家生產(chǎn)商掌握，國內(nèi)的自主設(shè)計和研發(fā)仍然停留在起步階段，落后的設(shè)計方法是阻礙我國座椅發(fā)展的主要因素。目前國內(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)計成本過高，開發(fā)周期過長。 電動座椅驅(qū)動器是其最關(guān)鍵的部件,設(shè)計、生產(chǎn)難度極高。高檔汽車普遍使用的電動座椅,以前只有少數(shù)國外公司能夠生產(chǎn)。由于沒有掌握核心技術(shù),國內(nèi)汽車座椅生產(chǎn)商只能望洋興嘆。電動座椅大面積推廣和使用有一大障礙,就是其成本、售價過高。但隨著國產(chǎn)化率的提高,電動座椅成本和價格會逐步降低。相信不久的將來,普通老百姓也能享用電動座椅。 另外，我國一些企業(yè)由于對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隱患，而且制約了我國座椅的發(fā)展。隨著現(xiàn)代汽車設(shè)計對安全、環(huán)保和節(jié)能的要求，我國座椅急需大量的資金和技術(shù)投入才能縮小與先進水平的差距，開發(fā)出適合我國生產(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，很早就通過各種渠道進入中國市場，也打開了中國汽車電動座椅制造發(fā)展之門，然后越來越多的汽車廠家開始在中國發(fā)售電動座椅轎車，之后的中國汽車制造力求完美的詮釋了電動座椅，使之更加完善，功能更加齊全。 1991年9月5日至9日，中國汽車工程學會電器委員會在杭州召開了1991年度汽車電器學術(shù)報告會議，會議指出發(fā)展汽車電器的自動化，汽車電動座椅的設(shè)計生產(chǎn)就是我國趕超國外汽車車身電器的一個重要方向。 至今，我國的高級轎車廠商紛紛將電動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的應(yīng)用及尺寸參數(shù) 2.1人體工程學的應(yīng)用 坐姿是人體較自然的姿勢，也是進行各種操作經(jīng)常采用的姿勢。座椅與人們的生活息息相關(guān)，無論是工作、學習、出門旅行、在家休息都離不開座椅。人的坐姿是個相當復(fù)雜的問題，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)計問題至今仍然是值得研究的課題。 在生物學中，當坐立時，人的身體由脊椎、胯骨、腿和腳支撐。主要用來支撐人體重量的關(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，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字母形狀，當人們坐著的時候，此處往下頂住來支撐身體的重量。長期的姿勢不良、受傷或者疾病，傷害就會發(fā)生在脊椎彎曲的地方，如胸彎過分彎曲就會造成圓肩或駝背;腰部脊椎過分彎曲，會造成脊椎的側(cè)彎或是脊椎的前凸癥、后凸癥。 當人們在椅子上時，若坐姿不良，骨盆很容易下陷，仔細摸骨盆兩側(cè)，發(fā)現(xiàn)整個骨盆往后傾，整個人會感到胸廓與腰桿交界處造成腰酸背疼、駝背。長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，骨頭的韌帶就會產(chǎn)生一個拉力，當力量超過韌帶所能負荷的范圍，這個力量就會轉(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，每兩節(jié)椎骨之間由軟骨組織和韌帶相聯(lián)系，使人體得以進行屈伸、側(cè)曲和扭轉(zhuǎn)動作等有限度的活動。頸椎支撐頭部，肋椎與肋骨構(gòu)成胸腔，腰椎、骸骨和椎間盤承擔人體坐姿的主要負荷。 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，并且要實現(xiàn)彎腰、側(cè)曲、扭轉(zhuǎn)等人體運動，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，椎間盤沒有錯位的趨勢。一旦人體改變這種自然彎曲狀態(tài)，會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，大腿和上身的重量必須由座椅來支承。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，坐骨部分的座墊應(yīng)當是支承性的，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)當是肩腳骨和腰椎骨兩個部位最高，此即靠背設(shè)計中所謂的“兩點支承”準則。 靠背的兩點支承中，上支承點為肩腳骨提供憑靠，稱為肩靠，其位置相當于第5~65節(jié)胸椎之間的高度；下支承點為腰曲部分提供憑靠，稱為腰靠，其位置相當于第4~5節(jié)腰椎之間的高度。不同用途的座椅，兩點支承的作用不一樣，休息用的座椅，體、腿夾角較大(舒適角度約為115°)，坐著時身體向后傾斜，只要肩部分支承穩(wěn)靠，沒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，將只靠肌肉來維持腰曲弧形，勢必引起腰部肌肉疲勞和損傷。考慮到人的身材高矮不同，對某些座椅應(yīng)當具有能調(diào)節(jié)腰靠位置的裝置。 腿的主動脈緊靠著大腿下表面和膝蓋的后面，在這個部位上，任何持續(xù)的壓力都會給人造成極端的不好適和腫脹感覺需要借助于適當減短座深、把座墊前緣修圓和采用較軟的泡沫塑料座墊等措施來防止發(fā)生這種情況。同時，還要使座面離地板的高度足夠低，以便使腳能踩著地板，讓人的這個重要部位感覺不到有任何壓力。坐骨下面的座面應(yīng)當近似是水平的。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，因此不承受過分的壓迫。 座椅的設(shè)計必須有可能讓人經(jīng)常地改變自己的姿勢和位置，以便減輕壓力和 活動伸展各部分肌肉。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，對于體壓的研究是目前人們對座椅進行研究的主要方法和參數(shù)。體壓分布的測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兩塊薄肌肉層下的坐骨。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，使整個臀部均承擔體重的壓力，減緩坐骨下支點處的疲勞，可以延長就座時間。但不論什 么座面，不論哪種姿勢，長時間采取一種坐姿總會產(chǎn)生靜力疲勞。因此，任何一種座椅在設(shè)計時都應(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，身體重量的大部分(約80% )經(jīng)過臀部、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) 國家標準GB/0000-28《中國成年人人體尺寸》按照人機工程學的要求提供了我國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)計的基本依據(jù)。根據(jù)以上標準，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)離心力時臂部產(chǎn)生橫向滑動，要在座椅椅面兩側(cè)附加額外防滑凸起設(shè)計，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。深度過大時軀干相對前移，腰部得不到良好的支撐，引起疲勞；過小時，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同樣可以保證對駕乘者的支撐，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個直流電機牽引，其中高度調(diào)節(jié)電機1個以支撐駕駛者在垂直方向做上下移動，水平調(diào)節(jié)和靠背調(diào)節(jié)電機各1個用來控制座椅靠背的角度變化和水平位置。直流電動機電樞電壓為12V。汽車座椅自動控制系統(tǒng)89C52單片機、驅(qū)動模塊、傳動機構(gòu)以及按鍵開關(guān)構(gòu)成。電動機的轉(zhuǎn)速和座椅的位置信息由安裝在電機上的霍爾傳感器檢測，經(jīng)整形和放大后送入單片機，構(gòu)成系統(tǒng)的速度反饋。通過手動開關(guān)控制直流電動機正反轉(zhuǎn)，改變傳動軸的行程和方向，從而調(diào)節(jié)汽車座椅的位置。電動座椅主要由座椅開關(guān)、控制部分、位置傳感器、執(zhí)行機構(gòu)的傳動機構(gòu)五大部分組成。開關(guān)包括座椅各位置（靠背、滑動、垂直）的電動開關(guān)。單片機內(nèi)容包括對于電機控制，本設(shè)計中主要采用的是89C51單片機。執(zhí)行機構(gòu)主要包括座椅調(diào)整的驅(qū)動電動機等，而且這些電動機均可靈活地進行正反轉(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 片機是由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備以及輸出設(shè)備共五個基本部分組成的。單片機是把包括運算器、控制器、少量的存儲器、最基本的輸入輸出口電路、串行口電路、中斷和定時電路等都集成在一個尺寸有限的芯片上。 MCS-51單片機內(nèi)部的振蕩電路是一個高增益反相放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成時鐘，外部還需附加電路。MCS-51單片機的復(fù)位是靠外部電路實現(xiàn)的。MCS-51單片機工作后，只要在它的RST引線上加載10ms以上的高電平，單片機就能夠有效地復(fù)位。 (1) 內(nèi)部時鐘方式 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輸出的時鐘信號。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) 外部時鐘方式 在由單片機組成的系統(tǒng)中，為了各單片機之間時鐘信號的同步，應(yīng)當引入惟一的合用外部振蕩脈沖作為各單片機的時鐘。外部時鐘方式中是把外部振蕩信號源直接接入XTAL1或XTAL2。由于HMOS和CHMOS單片機外部時鐘進入的引線不同，其外部振蕩信號源接入的方式也不同。HMOS型單片機由XTAL2進入，外部振蕩信號接至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型單片機由XTAL1進入，外部振蕩信號接至XTAL1，而XTAL2可不接地。 (3) 復(fù)位電路 MCS-51單片機通常采用上電自動復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。最簡單的復(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，就能使單片機有效地復(fù)位。 在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證單片機可靠地工作，常采用“看門狗”監(jiān)視單片機的運行。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就會自動產(chǎn)生復(fù)位信號使單片機復(fù)位。 (4) 復(fù)位狀態(tài) 復(fù)位電路的作用是使單片機執(zhí)行復(fù)位操作。復(fù)位操作主要是把PC初始化為0000H，使單片機從程序存儲器的0000H單元開始執(zhí)行程序。程序存儲器的0003H單元即MCS-51單片機的外部中斷0的中斷處理程序的入口地址。留出的0000H～0002H 3個單元地址，僅能夠放置一條轉(zhuǎn)移指令，因此，MCS-51單片機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 時鐘電路和復(fù)位電路圖 3.2電動座椅執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (1) 電動機 電動座椅大多采用永磁式電動機驅(qū)動，此類電動機多采用雙向電動機。其電樞的旋轉(zhuǎn)方向隨電流的方向改變而改變，從而使電動機按照不同的電流方向進行正傳或反轉(zhuǎn)。并通過裝在座位側(cè)板上或門扶手上的肘節(jié)式控制開關(guān)來控制電路通路和電流方向，使某一電動機按所需的方向運轉(zhuǎn)，以達到調(diào)整座椅的目的。為了防止電動機過載，大多數(shù)永磁式電動機內(nèi)裝有熱過載保護斷路器。有些電動座椅采用直流電動機來驅(qū)動，并裝有兩個磁場線圈，使其可作雙向運轉(zhuǎn)。這種電動機多使用繼電器控制電流方向。 (2) 調(diào)節(jié)開關(guān) 它主要是用來調(diào)整座椅的各種位置。當按下此開關(guān)后，電控單元就會控制相應(yīng)電動機運轉(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單片機控 制電機的運轉(zhuǎn)。但由于應(yīng)用系統(tǒng)中有一些功能器件無法集成到芯片內(nèi)部，如晶振、復(fù)位電路等，需要在片外加接相應(yīng)的電路。對于片內(nèi)無程序存儲器的單片機，還應(yīng)該配置片外程序存儲器。構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時只要將單片機接上外部的晶體或時鐘電路和復(fù)位電路即可。座椅位置信號取自變阻器上的電壓降。根據(jù)每個自由度上的電動機驅(qū)動座椅，從而使變阻器隨動。根據(jù)變阻器的電壓降，控制單元識別座椅的運動機構(gòu)是否到達“死點”，如果到達“死點”位置時，電控單元及時切斷供電電源，保護電動機和座椅驅(qū)動機構(gòu)。 (4) 位置傳感器 位置傳感器主要是用來檢測座椅的各種位置，其結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。設(shè)計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相似。螺旋桿由電動機通過齒輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，并帶動滑塊在電阻器上滑動，從而使輸出電壓信號發(fā)生變化。電控單元根據(jù)此電壓信號決定座椅的位置。 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，人們對轎車平順性的評價多是通過座椅的感受感知的，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)人員對汽車座椅的舒適性要求也越來越高。對于家庭使用的汽車而言，常常是多個成員駕駛同一輛汽車，而當不同的康復(fù)人員坐同一個座椅時，由于每個人身體的差異，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有記憶功能，使得同一個人在不同時間駕駛同一輛汽車時，汽車座椅位置可能被其他康復(fù)人員更改過而需要重新調(diào)節(jié)座椅各個方向位置。 在汽車電動座椅技術(shù)成熟之前，汽車座椅都為手動調(diào)節(jié)，比較汽車電動坐騎調(diào)節(jié)而言，手動調(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調(diào)節(jié)的，電動座椅可使駕駛者通過鍵鈕操縱，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。 電動座椅六向調(diào)節(jié)裝置，作為電動座椅的核心部件，其研究設(shè)計可以有助于掌握汽車座椅的工作原理及發(fā)展方向，作為學生，此次課題研究有助于鞏固我們所學的專業(yè)知識，提高我們的基本專業(yè)技能，培養(yǎng)綜合運用所學的知識解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，對我們以后的工作產(chǎn)生一定的指導(dǎo)作用，養(yǎng)成一定的專業(yè)素質(zhì)。 設(shè)計所要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊，適應(yīng)多種姿態(tài)，應(yīng)用范圍廣泛，能應(yīng)用在醫(yī)療運動損傷康復(fù)的訓(xùn)練器配合使用的電動可調(diào)座椅。 目前在家庭、醫(yī)院、療養(yǎng)院、辦公設(shè)備自動化、交通座椅的應(yīng)用正在迅速擴大，大有取代傳統(tǒng)的機械調(diào)節(jié)式座椅之勢。電動座椅的突出特點在于俯仰、升降的調(diào)整均由電驅(qū)動系統(tǒng)實現(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械式及液壓式座椅等優(yōu)點。然而，通過對電動座椅市場的調(diào)研得知，國內(nèi)電動座椅中所用電機大多為進口，使得整椅的價格較高，阻礙了其進一步推廣；且大部分為直流有刷電機，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。將無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)用于電動座椅之中，可以提高整椅調(diào)速的平滑性和定位精度，提高可靠性，延長使用壽命。該產(chǎn)品有利于打破國外在此行業(yè)的壟斷局面，實現(xiàn)技術(shù)突破及產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展，有助于提升我國電動座椅和電動床系統(tǒng)的技術(shù)水平，有著較大的經(jīng)濟及社會效益。 4.2 電動座椅設(shè)計的背景 座椅是汽車的基本附屬器件，隨著人們生活水平的提高，對汽車座椅的舒適性需求也越來越高，需求對汽車座椅地調(diào)節(jié)能夠更加簡單方便、迅速快捷。而目前，汽車座椅位置的調(diào)節(jié)多采用基于手動調(diào)節(jié)方式的機械和電動控制兩種方式。 轎車電動座椅以駕駛者的座椅為主。從服務(wù)對象出發(fā)，電動座椅必須要滿足便利性和舒適性兩大要求。也就是說駕駛者通過鍵鈕操縱，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慣的乘坐角度。為了滿足這些要求，世界汽車生產(chǎn)大國的有關(guān)廠家都竟相采用機械和電子技術(shù)手段，制造出可調(diào)整的電動座椅。 4.3 本文主要研究工作 設(shè)計要求： (1) 具有3自由度，分別為水平前后移動，上下移動，靠臂俯仰。 (2) 水平前后移動距離：204mm;最大速度：0.1m/s； (3) 上下移動距離：80mm;最大速度：0.1m/s； (4) 靠臂俯仰角度：0-75度； (5) 采用電機驅(qū)動； (6) 具有手動控制功能。 這個方案的設(shè)計思路就是電動座椅是利用電動機的動力來調(diào)整座椅前后的位置和靠背的傾斜度, 自動適應(yīng)不同體型的康復(fù)人員的乘坐舒適性要求。電動座椅能滿足便利性和舒適性, 康復(fù)人員通過按鍵操縱, 既可以將座椅調(diào)整到最佳的位置上,已獲得最佳的坐姿，利于進行康復(fù)訓(xùn)練 我的設(shè)計就是研究設(shè)計一種電動調(diào)節(jié)式座椅，其汽車座椅位置的調(diào)節(jié)主要有三個方向，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)。 通過前期的仔細對比研究，確定了每個運動機構(gòu)方案的構(gòu)成。分別設(shè)計可逆電動機為動力源，蝸輪蝸桿、滾珠絲杠、平面連桿機構(gòu)，并將它們互相組合，以達到調(diào)節(jié)座椅位置的目的。 5 座椅前后移動結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.1動結(jié)構(gòu)方案選定 5.1.1傳動調(diào)節(jié)裝置的確定 傳動裝置的作用是將電動機的動力傳給座椅調(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機構(gòu)組成。 經(jīng)過分析可知：由于電動機軸與傳動軸的直徑相差不大，因此可直接相連，采用螺紋鎖緊的簡易聯(lián)軸器。 傳動軸的選擇根據(jù)電動機的安裝位置的不同有以下幾種： 當采用單相電動機時，傳動軸選用錐齒輪與軸相連。 圖5-1單軸電動機輸出 當采用雙軸輸出電機時如下圖所示： 圖5-2雙軸電動機輸出 對以上兩種方案進行比較，采用雙軸輸出電機與傳動軸直接相連可使傳動鏈變得相對緊湊，傳動更加平穩(wěn)。 5.1.2傳動方案的確定 第一種方案如下圖所示： 圖5-3齒輪齒條傳動機構(gòu) 此種方案看似結(jié)構(gòu)簡單，但實際有以下缺點： 在執(zhí)行機構(gòu)方面采用齒輪和齒條相嚙合，傳動時的載荷不能太大，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分析并不利于嚙合，如齒輪齒條的間隙一擴大就會容易產(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錐齒輪絲杠傳動機構(gòu) 在這種方案中，減速器選用錐齒輪，，錐齒輪的設(shè)計和制造、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比和自鎖功能，而且也可傳遞空間交錯的兩軸運動，給制造帶來了方便，并且體積小便于安裝、傳動平穩(wěn)等特點，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蝸輪蝸桿絲杠傳動機構(gòu) 采用絲桿螺母這種傳動方案即能滿足電動座椅的功能要求，而且結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝調(diào)試。最大的優(yōu)點就是造價便宜，且傳動平穩(wěn)、噪聲小并且有向自鎖的優(yōu)點是本次設(shè)計較理想的選擇。 5.2 水平滑動電機的選擇 5.2.1絲桿電機的選擇 根據(jù)要求移動導(dǎo)軌的移動距離為204mm，最大速度為0.1m/s； 由于導(dǎo)軌與螺母相連，所以螺母移動的速度為0.1m/s，根據(jù)螺母與絲桿的配合關(guān)系通過公式： 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)速初選電機的轉(zhuǎn)速為2000r/min。 5.2.2選擇電動機類型 首選電動機要根據(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、性質(zhì)、大小、啟動性能、過載情況。 電動座椅上的電動機作用是為了電動座椅的調(diào)節(jié)機構(gòu)提供動力，此類電動機多采用雙向電動機，即電樞的旋轉(zhuǎn)方向隨電流的方向的改變而改變，使電動機按不同的電流方向進行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)以達到座椅調(diào)節(jié)的目的。為防止電動機過載，電動機內(nèi)裝有熔斷絲，以確保電氣設(shè)備的安全。 無刷直流電機的優(yōu)點是： ① 電機外特性好，非常符合電動車輛的負載特性，尤其是電機具有可貴的低速大轉(zhuǎn)矩特性，能夠提供大的起動轉(zhuǎn)矩，滿足車輛的加速要求。 ② 速度范圍寬，電機可以在任何轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定大轉(zhuǎn)矩高效率運行，這是無刷直流電機的獨有特性，這進一步提高整車效率。 ③ 電機效率高，尤其是在輕載車況下，電機仍能保持較高的效率，這對珍貴的電池能量是很重要的。 ④ 過載能力強，這種電機比 Y 系列電動機可提高過載能力 2 倍以上，滿足車輛的突起堵轉(zhuǎn)需要。 ⑤ 再生制動效果好，因電機轉(zhuǎn)子具有很高的永久磁場，在汽車下坡或制動時電機可完全進入發(fā)電機狀態(tài)，給電池充電，同時起到電制動作用，減輕機械剎車負擔。 ⑥ 電機體積小、重量輕、比功率大、可有效地減輕重量、節(jié)省空間。 ⑦ 電機無機械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，防止塵土進入電機內(nèi)部，可靠性高。 ⑧ 電機控制系統(tǒng)比異步電機簡單。 缺點是電機本身比交流電機復(fù)雜，控制器比有刷直流電機復(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機的sz系列。 5.2.3選擇電動機的容量 電動機的容量（功率）選擇是否適合，對電動機的工作和經(jīng)濟性都有影響。ηη容量小于工作要求，則不能工作機的正常工作，或使電動機因長期的超載運行而過早損壞；容量選擇過大，則對電動機的價格高，傳動能力又不能充分利用，由于電動機經(jīng)常在載荷下運轉(zhuǎn)，其效率和功率因數(shù)都較低，從而造成能源的浪費。 對于比較穩(wěn)定，長期運轉(zhuǎn)的機械，通常按照電機的額動工率進行選擇，而不必校核電動機的發(fā)熱和啟動轉(zhuǎn)矩，選擇電動機容量時應(yīng)保證電動機的額定功率Ped等于或稍大于工作機所需的電動機功率Pd，即： Ped≥Pd 工作及所需電動機的功率為 Pd=Pw/ηkw (5.3) 式中：Pw——工作及所需功率，指輸入工作機軸的功率kw η——由電動機至工作機的總效率 工作機所需功率Pw，應(yīng)有工作機的工作阻力和運動參數(shù)（線速度或轉(zhuǎn)速）計算求得： Pw=FV/1000 kw或Pw= Tnw/9550 kw (5.4) 式中：F——工作及的阻力N V——工作機的線速度，如運輸機輸送帶的線速度m/s T——工作機的阻力矩N*m nw——工作機的轉(zhuǎn)速r/min 根據(jù)本次設(shè)計要求：渦輪蝸桿的傳動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 ----渦輪蝸桿-----絲桿螺母 傳遞裝置的總效率應(yīng)為組成傳動裝置的各個運動副效率的乘積即：0.246 （5.5） 工作機的轉(zhuǎn)速為nw=n絲=300r/min 根據(jù)以上特性初選電動機的轉(zhuǎn)速為3000r/min，功率10w，電壓24v 工作機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： 座椅的平行負荷能力110kg，則分擔在絲桿上的為55kg，可計算出： 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 在工作機實際需要的電動機輸出功率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所以總功率為Pw總=2Pd=6.86w， 根據(jù)所計算出的功率和轉(zhuǎn)速，所選電機如下： 電機的型號為：45sz01 電機的轉(zhuǎn)速為：3000r/min 電機的功率為：10w 電機的電壓為：24v 電機的電樞/勵磁為：111/0.33 電機的允許正反轉(zhuǎn)速差為：200r/min 校核所選電機的轉(zhuǎn)矩 根據(jù)公式： T1=Td*i0*η01 式中：Td——電動軸的輸出轉(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： 通過以上的計算，說明所選電動機是滿足要求的，所以水平移動部分的電機選用45sz01型號的永磁式雙軸輸出直流電機。 5.3 水平移動系統(tǒng)中蝸輪蝸桿的設(shè)計 5.3.1選擇蝸桿傳動類型 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) 按齒面接觸疲勞強度進行計算 根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計，再校核齒根彎曲疲勞強度。傳動中心距 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《機械設(shè)計》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和傳動中心距a的比值d1/a=0.35，從《機械設(shè)計》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d1/a=0.65，從11——18中可直接插的系數(shù)pZ=2.45，因為pZ小于Zp，因此以上計算結(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 ， 驗算傳動比i=9.75 這時傳動比誤差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度 當量齒數(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大于原估計值。 (5) 精度等級公差 考慮到所設(shè)計的蝸桿傳動是動力傳動，是屬于通用機械減速器，從GB/T10089——1988圓柱蝸桿、渦輪精度中選擇8級精度，側(cè)隙種類種類為f，標注為8f，GB/T10089——1988。然后由有關(guān)手冊查的要求的公差項目及表面粗糙度。 蝸輪蝸桿傳動的基本幾何尺寸 根據(jù)《機械設(shè)計》表11-3，算出普通圓柱蝸桿傳動基本幾何尺寸。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)