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休闲 电动 摇椅 设计

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湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文（设计）中 期 检 查 表学 院： 东方科技学院 学生姓名刘国平学 号200841930112年级专业及班级2008级 汽车服务工程 (1)班指导教师姓名岳大军指导教师职称教授论文（设计）题目休闲式电动摇椅的设计毕业论文（设计）工作进度已完成的主要内容尚需解决的主要问题1.收集了相关资料2.确定了整体方案3.初步完成了总体设计1.电路的设计2.传动装置设计3.附属装置的设计4.绘图,撰写设计说明书指导教师意见 签名： 2012 年 月 日 检查小组意见 组长签名： 2012年 月 日 注：1.此表可用黑色签字笔填写，也可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。2.此表可从教务处网站下载中心下载。目 录摘要41 前言51.1 摇椅的历史51.2 研究的背景与现实意义51.2.1 研究的背景51.2.2 研究的理论与现实意义51.3 研究动机与目的61.4 国内外研究现状62 基于休闲理念的设计观72.1 对休闲理念的解读72.2 休闲式设计的特点92.3 电动摇椅休闲化设计的影响因素103 电动摇椅的总体结构设计113.1 总体设计113.2 椅架和椅身的结构设计123.2.1 椅架的结构设计123.2.2 椅身的简单设计134 传动机构的总体设计134.1 确定传动方案134.2 电动机的选取144.2.1 选择电动机的类型和结构型式144.2.2 选择电动机功率144.2.3 确定电动机转速154.3 计算总传动比及分配各级传动比154.3.1 总传动比154.3.2 分配各级传动比154.3.3 计算各轴的转速164.3.4 传动装置的总效率164.3.5 调速部分164.4 计算传动装置的运动和动力参数174.4.1 各轴输入功率174.4.2 各轴输入转矩174.5 设计V带和带轮184.5.1 确定V带型号184.5.2 验算带速184.5.3 取V带基准长度和中心距a184.5.4 验算小带轮包角184.5.5 求V带根数Z184.5.6 求作用在带轮轴上的压力194.6 减速器齿轮的设计194.6.1 高速级大小齿轮的设计194.6.2 低速级大小齿轮的设计204.7 减速器机体结构尺寸214.8 减速器轴的设计224.8.1 高速轴设计224.8.2 中间轴的设计234.8.3 从动轴的设计244.9 减速器其他部分的设计284.10 减速器润滑方式的确定284.11 电动机带轮的设计284.12 四杆机构的设计284.12.1 选用四杆机构的原因284.12.2 四杆机构的设计294.12.3 材料的选择314.13万向轮的选择315. C8051F311单片机的选用325.1 选用C8051F311单片机的原因325.2 单片机的使用325.3 驱动电路设计326. 结论34参考文献34致谢35休闲式电动摇椅的设计摘 要：休闲文化是指人在进行休闲活动时创造和构建的生活状态和文化方式。它是人类社会发展的产物,是社会进步的标志。本文进行休闲式电动摇椅的设计，其中摇椅安装在底座上，摇摆单元形成一个平面曲柄摇杆机构，接通电源，电动机转动，带动曲柄作圆周运动，曲柄驱动连杆做平面运动，摇摆单元绕架体单元上的两个同轴对称支座连续摇摆。本文创新是使用一种以C8051F311单片机为核心的座椅自动控制系统，系统具有自动测量座椅安装的位置极限，记忆多个座椅位置等功能。关键词：休闲文化；摇椅；电动机；减速器；C8051F311单片机Leisure Design of Electric Rocking ChairStudent: Liu Guo-ping Tutor: Yue Da-jun(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128 )Abstract: Leisure culture is people produce and structure of life state and culture mode on leisure activities.It is the product of development of human society, is a symbol of social progress. In this paper, design electric rocking chair rocking, which is installed on the base, swing unit form a planar crank and rocker mechanism, Power on and the motor rotation, drive crank to make circumferential motion, crank drive linkage doing plane movement, swing unit continuous rolling around the frame body unit on the two coaxial symmetric support. This innovation is use a automatic seat control system , the core is C8051F311 chip,system with automatic measuring seat mounting position limit, memory a plurality of seating position and other functions.Key words: Leisure culture; Rocking chair；electric motor；reduce；C8051F311 chip 1 前言1.1 摇椅的历史我们都知道坐在摇椅上悠闲地前后摇摆着身体是件多么惬意的事情，其实，前后摇摆身体是一种人体自然的生理反应，当人感到害怕、疼痛、悲伤、孤独、生气和承受压力的时候都会情不自禁地摇摆自己的身体，因为这个动作能够使人宽心，感到放松，而且这个反应全人类通用，与文化、地区、习俗均无关系。所以与其说摇椅的出现带给人们舒适感，倒不如说是因为人类的这种本能催生了摇椅的产生。其实人类在母亲的子宫里就会这种摇摆动作，也因此无论坐在随波荡漾的小船上，还是躺在花园里的吊床上，人们都会因为这种轻柔的摇摆动作而感到放松和舒服。但摇椅的出现却远在摇篮和摇摆木马之后。15世纪出现了摇篮，之后又有了摇摆木马，而直到18世纪，摇椅才被正式发明出来，在这之前，还没有人想到要为成年人发明这种可供放松的家具。历史上能找到的最早的有摇摆动作的是炼金术符号，一个雌雄同体的人站在弯弯的月亮上，出自1625年德国人HHamsthaler的木版画。也正是由于人类摇摆身体的本能，摇椅被发明后就受到了人们的热烈推崇，美国总统、毕加索、马克吐温等许多名人都有自己钟爱的摇椅，因为这种放松的方式不仅能让人感到心情愉悦，同时还能降低血压，放缓呼吸甚至能锻炼身体的平衡性，到了1787年，摇椅（Rocking Chair）一词被正式收录在牛津词典里 1。1.2 研究的背景与现实意义1.2.1 研究的背景在物质相对丰富的当代，人们的心理和行为正慢慢发生变化，在进行室内活动时对休闲椅的需求已不再停留在单纯的物质功能上，他们期望休闲椅在具有良好功能性的同时，还能为其带来心理的愉悦。这使得以机械化方式大批量生产的休闲椅在满足使用者多元化，时尚化，情感化需求等方面表现出了越来越多的局限性，时代背景下的工业设计应当如何应对这一问题成为备受关注的焦点之一。1.2.2 研究的理论与现实意义就理论层而言，本文对休闲式电动摇椅的设计是休闲式理论的应用性研究。这是休闲式设计不断发展的需要，有利与丰富休闲式的相关理论。本文的研究课题也是工业设计理论发展的需要结合时代的脉动，以新的视角去审视自身，进行不断的补充和完善，将休闲式设计理论融入具体的设计实践有利于工业设计理论拓展 2 。就现实层面而言，电动摇椅与现代人的活动息息相关，并且从一定程度上象征着生活的品质，有着广阔的发展前景，对它的和谐化设计研究具有较强的现实意义。生产企业应用和谐化设计的相关理论，把握好这一设计的新趋势，能够使休闲椅设计具有时代性，受到更多群体的欢迎，本文的研究课题为其提供了新的，有益的指导。1.3 研究动机与目的传统“安乐摇椅”虽然使人逍遥舒适，但是它美中不足：一是不能自己摇动，要靠使用者自己的腿作用于地面而前后摇动，如老年人、残疾人、疲劳的人或即将入睡的人，他们的作用力不够时，便不能摇动。二是椅底部为两根弧杆在地面上摇动碾压，将会对室内的地面造成严重损伤，带来经济损失。由于以上原因，“安乐摇椅”这个深受人们欢迎的家具产品，虽然从古到今有着悠久的历史，但始终登不了“大雅之堂”。相反，随着家具的日益现代化，家庭地板的日益高档化，安乐摇椅越来越不敢“上正席”，大有悄然退避三舍之势。所以，休闲式电动摇椅的问世得到了发开与支持。休闲式电动遥椅，是以人们喜爱的“安乐摇椅”为基础，加上电机驱动装置而成。它既保持了传统“安乐摇椅”的优点，又吸收了现代科学技术。“休闲式电动遥椅”在原有的“安乐摇椅”的基础上作了改进。一是加了一个固定式底座；二是加了电机驱动及调速、定时等装置。改进后有六大好处：1)、能以电力为动力自动前后摇动，节省体力。可制造成“交流电式”和“蓄电池式”二种，室内室外皆宜；2)、有“定时”和“调速”功能，摇动的快慢和时间长短能随心所欲调节；3)、具有“人工”和“自动”两种工作方式，可随意切换;4)、以软性材料做成的底座，在室内使用时不损伤地板。5)、配上电子按摩器、电子催眠音乐等设备，更有利身心健康。6)、使用比较经济。该产品使用的电机为90-120W(单人式)，使用一小时仅耗电量0.1度电左右，约人民币5-8分钱。 休闲式电动摇椅，既是家具产品，也是家电产品，更是装饰工艺品。三者科学组装，完美的结合，成为新一代新概念家具、新潮流家电的杰出代表。1.4 国内外研究现状最近几年，国际关于电动摇椅的开发与专利层出不穷。总结有以下原因：1）、人们的消费变化不断提高，对生活舒适质量提出新的需求，这是电动摇椅问世的基础。随着社会工业化的进程加快，人们的工作繁忙，压力大，无法有充分的时间休息，因此，人们对睡眠质量的要求很是重视，需要一个体积小巧、不占空间、使用灵活方便的电动摇椅。2）、中国人口年龄结构变化趋势，是电动逍遥椅问世的前奏。据光明日报2003年2月17日报道，中国60岁以上的人口已超过1.3亿，占全国总人口的10%，已经进入了老龄化时代，老年人问题已成为全社会倍加关注的大问题。然而，在人们生活快节奏、工作高效率的今天和明天，无法对老人的照料周，有一台“休闲式电动摇椅”，除轻摇悠摆，有利于老年人修心养性之外，能为老人保健按摩、可以通过调节靠背和脚踏板角度来变换坐卧姿势。3）、中华民族的优秀传统文化，是电动逍遥椅问世的温床。中国是文明古国，是著名的礼仪之邦，文明之邦。“休闲式电动摇椅”作为高级礼品，送一台豪华型给上司和老首长表忠心，送一台保健型给父母、岳父岳母、公婆尽孝心，送一台情侣浪漫型给新婚的新朋好友表真情，更是人之常情。因此，为开发商提供了无数的商机。4）成熟的专利技术，是电动摇椅问世的保障。科技的不断进步，各种专利技术给电动摇椅的发展提供了方便与基础。同时，原料生产简单，制造及售后服务容易。 总结看来，目前国内的摇椅开发与其他他发达国家相比，发展较慢。国内的产品生产粗糙，结构简单，实用性不强，还有很大的开发空间。而国外，以日本及美国的发展发展最为迅速，其科技用得到了很好的推广及普及 3。2 基于休闲理念的设计观2.1 对休闲理念的解读 对于休闲这一概念解释颇多,但就其基本内涵来讲,还是比较一致的。“休”,“人依木而休”,古指吉庆、美善、欢乐之意;“闲”,古多指道德、法度,并有约束、限制之意。因此,“休闲”一词多指轻松悠闲的生活。和“休闲”这一概念对应的英文词汇是“leisure”,它源于希腊语中的“schole”,其意为休闲与教育,在娱乐中受益,提高知识水平。从词义溯源上可以看出“休闲”一词所内含的道德、教育属性。 亚里士多德认为,休闲是一种“不需要考虑生存问题的心无羁绊”的状态。马克思没有直接论及“休闲”的问题,但在研究其他相关问题时涉及此而形成了理论副产品。他认为,自由时间就是“可以自由支配的时间,也就是有真正的财富,这种时间不被直接生产劳动所吸收,而是用于娱乐和休息,从而为自由活动和发展开辟广阔天地。”结合马克思主义有关劳动创造了人,劳动推动了社会发展以及社会生产力极大丰富以后,社会将进入“自由人的联合体”阶段,人类将得到全面发展等思想,可以体会出这样的思想脉络:人类的生存、社会的发展所依赖的基础是劳动,而劳动的目的是为了获得尽可能多的物质财富。那么获得物质财富又是为了什么呢?是为了人的自由、全面的发展,摆脱自然界的束缚而在真正的意义上“成为人”。那么,这里就内在地包含了劳动可以使人获得自由支配的时间,并将其用于做自己愿意做的事情的含义。人努力改造物质客体,并非仅仅为了满足人对客体的征服欲,而是同时具有相当的“功利性”,目的在于使主体摆脱客体的束缚而获得更多的自由。劳动,仅是利用自然界、摆脱对立物的一种手段,而使人成为马克思所讲的“自由人的联合体”,获得全面的发展,才是手段背后的目的。我们尊重知识,尊重劳动,是由于知识和劳动可以通过加强“手段”而加速达到目的而已。据此分析,笔者认为,是否可以将休闲的概念界定为:休闲是在一定的物质条件下,在必要劳动时间之余的一种生活状态和行为方式。 休闲本身包含着或者说折射着丰富的社会历史内容。从物质维度看,休闲是社会物质资料的创造达到一定阶段的产物,与生产力的发展成正比:生产力愈发展,人类获得的物质生活保障愈雄厚,休闲时间也就愈多,形式也就愈多样,内容也就愈丰富;从精神维度看,休闲是通过自主的无功利的行为满足人的精神文化需要和发展要求,它反映了人类的精神文明程度。也就是说,人的休闲方式和休闲内容反映着社会的文明程度和物质生产力水平,并折射出一个国家的人文精神状态。千百年来,休闲在社会发展过程中已逐渐成为一种举足轻重的文化现象。这种文化现象,一方面指休闲的物质载体形式,另一方面指休闲的人文精神内容。休闲文化不仅彰显着社会的文明程度,同时还反映着不同休闲主体的高低雅俗的文化层次 4。 休闲文化现象绝非始于今日,自从人类脱离了自然界成其为“人”以后,人们在劳动之余就自然地产生了休闲活动。原始的舞蹈、音乐、竞技在刚产生时,是与当时社会的生产活动、宗教活动紧密相连的,随着这几种活动方式的固定化,它们便逐渐带上了休闲的色彩,成为一种原始的休闲。我们现在还可以在一些反映人类早期生活的影片中看到如下的镜头:一些强壮的小伙儿在众人的围观下驰马竞套前方奔跑的羊群,青年男女劳动之余在暮色苍苍的河边对唱山歌,众人在篝火周围欢快地跳着原始的舞蹈随着社会的进步,现代文明在为人类提供了相对富足的物质财富的同时,也为人类提供了广阔的休闲空间。人类的休闲方式日趋多样,内容日渐丰富。不仅出现了琴棋书画、咏诗品茗等侧重精神享受的休闲,也出现了诸如旅游、竞技、体育锻炼等休闲;既出现了欢聚畅饮、品尝美食以满足口腹之快的休闲,也出现了回归自然、采菊篱下的休闲。 尽管休闲的内容与形式不胜枚举,但它们都是凭借社会日益发展所提供的条件创造出来的、有益于身心健康的、给人带来更大精神满足的休闲活动。美国学者杰弗瑞戈比说:“休闲是从文化环境和物质环境的外力下解脱出来的一种相对自由的生活,它使个体能够以自己喜欢的、本能地感到有价值的方式,在内心之爱的驱动下,为信仰提供一个基础。”休闲给人们一种文化底蕴,因此,被称为是一种文化力量。 休闲文化随着人类社会的发展而发展,构成了人类社会生活的一个重要方面,从中可以映照出人类的物质生活和精神生活的状况,映照出历史、人文、道德、审美等侧面。虽然休闲文化折射出了如此之多的社会内容,但非常遗憾的是,我们至今对休闲文化的关注和所做的追索与休闲文化内蕴的人文精神含量相比,还远远不够,甚至可以说是一片空白。社会的发展呼唤对休闲文化的研究,而对休闲文化的深层次研究又绝对离不开对休闲伦理学的探索 5 。2.2 休闲式设计的特点 基于对休闲化理念的认识及对其设计内涵的理解，本文将休闲化设计的特点归纳为五个方面，即：整体性、民族性、现代性、人文性、科学性。所谓整体性是指休闲化设计要从整体出发去处理一切设计问题。比如，设计一款休闲式电动摇椅。首先，要从休闲椅的整体出发去处理好各部分之间的关系。其次， 要从一个空间环境的整体出发去协调好休闲电动椅与周围环境的关系。最后，还要从一个的整体出发去处理好电动椅与室内规划的关系。任何一件设计作品，无论其局部设计多么精美，但如果与它的整体及周围环境不协调，从总体看， 是没有审美价值的，甚至还会降低其实用价值；民族性本文是指和谐化设计应以中国传统“和”文化为思想基础，体现了中华民族的文化传统和民族特征。在全球化的背景下，休闲式设计突出民族特色，把全球化与民族化有机结合起来，有助于形成具有中国特色的现代艺术设计；休闲式设计采用了现代设计的最新思想，适应了建设和谐社会的实践要求，反映了现时代的特征。传统文化是现代设计的历史文化前提，而现代设计是传统文化的必然结果。突出设计的现代性，是休闲式设计的本质要求；人文性的核心思想是以人为本，构建和谐的人际关系。从表层看，休闲式设计是在协调人与物的关系，但从本质上看，是在协调人与人的关系。无论任何一件作品的设计，其最终目的是为了人。如绿色设计、生态设计，从表面看是为了协调人与自然环境的关系，但实质上是为了协调当代人与后代人的关系。可见，休闲式设计体现了人文关怀；休闲式设计应把现代科学技术作为设计的主要手段，使艺术与现代科学技术有机结合起来，并使艺术设计建立在尊重客观规律的基础上6 。2.3 电动摇椅休闲化设计的影响因素： 一个好的设计师,首 先应具备人体结构和人体尺度的知识; 其次还必须知道人的生理,以及人的心理因素。在设计理论上,包豪斯提出了 艺术与技术 的新统 一、设 计的目 的是人 而不是 作品、设计必须遵循自然法则来进行的基本观点,并在以功能至上为特点的功能主义 设计领域进 行了最为 广泛的尝试,也取 得了巨大 的成功。功能主义要求的主要特点就是 遵循人机 工学的 要求,创作 出与人相关的设计作品。下面根据国内外家具研究工作者的大量研究成果, 就设计椅子时的注意事项作一概述。 (1) 人体在椅子上坐 时,大 部分体 重应由 坐骨节 点部位 支撑,最好不要让大腿后侧承受压力。(2) 使用形状和 尺寸适当 的靠背，能减少 不必要的肌 肉活动。但是,靠背一定 不能 限 制脊 柱 和手 臂 的 活动 ,影响 正 常的 作 业。 （3) 设计时,通常是 以正确姿势 , 即 脊柱 处于 自然 伸展 状 态的 姿势 为依据。 (4) 正如肌 肉总 是活 动着 的那 样,人体 也是 经 常运 动的。 因此,要保持正确姿势,类似于 完全模 拟人体曲 面的椅 子是不 好的,必须允许姿势有自由活动的余地。(5) 坐面高度是影响 椅子功 能最重 要的因 素之一。一 般情 况下,作业功能越强的椅子, 坐面也越高, 随着其休息功能 的增加,坐面高度要相应降低。(6) 椅子的高度应该用功能上的坐位基准点,即坐骨节点 的高度来表示。因此,采用弹性材料制作的软垫椅子, 其作为基准 点应以人体下沉 后的最终稳 定姿势来 确定,而与产品的 成品尺寸 无直接关系。(7) 为了提高椅子的 通用性,坐面 高度与 坐深,应以身 材矮 的人为依据来考虑。就一般成年人使 用的椅子 而言,按平时 的女 性尺寸来计算便可满需大多数人的需要。(8) 同样,坐面宽和 扶手椅的内 空尺寸,则以体 胖的人为 准进行计算。考 虑到人要经 常活动,还必须 增加适当 的余量。坐 面和靠背的夹角 ,在 任何情况下 均不得 小于 9 0。该角 度 随椅 子舒 适性增加,通过常 以 100-110为宜。如 超 过这 一数 字,靠背 倾 斜角随之增大 ,相 比 之 下坐 面 倾 斜 角 则 过 小,其 结 果 臀 部 向 前 滑动,姿 势不稳定 。(9) 随着休息功能的增加,靠背不只是 支撑腰部,不如 此就不能保持自然的姿势。作业功能强的椅子,靠 背如果过高,将 妨碍上身的动作。反之,休息功 能强的 椅子,靠背过 低时,由于 头部 没有支撑,将加重肩部的负担 ,不能保持姿势的稳定。(10) 从椅子上起立时,因重力关系,脚要向后靠拢,坐面越低 ,越有这个必要。因此,椅子的前两脚间应留有空位,以不妨 碍脚的这一移动。(11) 扶手的一项重要作用,是当人站立 或坐下时,用手 臂支撑人的上身, 以变换姿势。对与着重休息功能的椅子, 应特别 注意扶手的作用。(12) 就坐面和靠背的柔软性而言,是硬 些好还是软些好,常常成为一个问题。一般来说只要能保 持自然 姿势都 应该说 是好的 ,不过最后还应该由个人的喜好和椅子的用途而定。采用柔软的软性材料,成品椅 子的形状和 人落坐后 的最终稳定 姿势之间 存在很大差异,要使支撑条件合 理,便应进行深思熟虑的设计。(13) 应将椅子和与其配套的桌子以及使用者看成一个不可分割的系统。如前所述,桌子的高度是以根据 不同的使用目的、选定的坐姿基准点为基准, 加上差 尺来确 定的。差尺 是由坐 面与 肘高的关系计算得出的,用 于休息 的椅子,因上 体倾斜 角度大,肘 的位置较低,其差尺数值较小 。(14) 要保持自燃的椅坐姿势,桌下应 留有脚 能自由 进出 的空间,桌下活动的空间由大 腿和脚的活动范围来确定。(15) 家具是可以移动的,尤 其是椅 子,而 且作业 功能 越高,活动越频繁。因此,作业 用椅 子重 量应 在6kg以 下,以 便携 带和 运输。带脚轮的椅子如果脚轮的钢性 不够,因摩擦 过大会 妨碍 脚轮的转动,反而不便,做这种椅子选用具有一定易滑性的材料为好 7 。3 电动摇椅的总体结构设计3.1 总体设计电动摇椅由铰座(1)，销轴（2），杆件1 (3)，万向轮 (4)，杆件2(5),电动机(7)，底座(8)，支座(9)，椅座(10)，轴用弹性挡圈(11)等部分组成。首先把两个支座(9)对称固定连接在底座(8)后部，形成架体单元;接着把三个铰座(1)固定连接在躺椅(10)底面上，并注意三个铰座(1)的位置与架体上支座(9)及电动机(7)安装位置对应，形成摆动单元; 把电动机(7)固定连接在底座(8)前部，曲柄(5)一端与电动机轴(6)固定连接，另一端用销轴与杆件(3)一端铰接，电动机(7)、销轴(2)、连杆机构形成传动单元;最后把摇摆单元置于架体单元上方，摇摆单元后部的两个铰座(1)对准架体单元后部的两个同轴对 图1 电动摇椅示意图Fig.1 Electric rocking chair schemes称支座(9)，把两个销轴分别插入铰座(1)与支座(9)孔中，在销轴弹性挡圈沟槽内装上轴用弹性挡圈(11)，形成转动副;再把连杆另一端与摇摆单元躺椅(10)前端底面上固定的一个铰座(1)用销轴(2)铰接，完成了电动摇椅组装。销轴端部加工出弹性挡圈沟槽或钻出径向小孔，装配时在沟槽内装入轴用弹性挡圈或在径向小孔中装入开口销，防止销轴轴向脱出。本实用新型的工作原理是:组装完成的休闲式电动摇椅，架体单元、曲柄(5)、杆件(3),摇摆单元形成一个平面曲柄摇杆机构，接通电源，电动机(7)转动，带动曲柄(5)作圆周运动，曲柄驱动连杆(3)做平面运动，摇摆单元绕架体单元上的两个同轴对称支座(9)连续摇摆。3.2 椅架和椅身的结构设计3.2.1 椅架的结构设计传统摇椅的摇摆通过弧状椅架，依靠人力摆动。而电动摇椅通过电机驱动，不再需要人力，因此将底架设计成长方体形状。此外还需要支撑椅身的部分，因此设计在底架上放置支撑椅身的部分，垂直于底架，并且在与底架之间采用筋支撑。椅身与椅架采用销连接，间隙配合，因此，在椅架部分设计出安装销的部分。在椅架上还须设计出安装传动部分中的减速器、V带轮和电动机部分，均采用螺栓连接。此部分椅架与底板平行，之间有一定距离，且通过一根杆件彼此焊接相连。此椅架的各个零件部分均通过焊接相连。椅架具体设计如图2所示，详细尺寸见附件CAD图。图2 椅架结构设计示意图Fig.2 Schemes of structure design on chair shelf3.2.2 椅身的简单设计传统摇椅由于本身没有底座，在摇动的时候很容易划伤地板，本设计了底座，从而避免摇椅的摇动对地板的损坏。椅身和普通摇椅没有区别。底座选用45号钢，椅身选用木材等家具材料。椅子具体设计如图3所示，详细尺寸见附件CAD图。图3 椅身的设计示意图Fig.3 Schemes of body of chair4.传动机构的总体设计4.1确定传动方案拟定传动方案时，往往由几种传动形式组成多级传动，要合理布置其传动顺序，根据图4，可以查得：带传动承载能力较低，传递相同转矩时，结构尺寸较大；但传动平稳，能缓冲吸振，因此应布置在高速级；链传动运动不均匀，有冲击，宜布置在低速级；蜗杆传动的传动比大，承载能力较齿轮低，常布置在传动系统的高速级，以获得较小的结构尺寸；锥齿轮（大模数的）的加工比较困难，一般宜置于高速级，以减小其直径和模数。故本设计采用V带传送。图4 常用传动机构的性能及使用范围Fig.4 Common transmissions properties and the application scope4.2 电动机的选取4.2.1选择电动机的类型和结构型式生产单位一般用三相交流电源，通常都采用三相交流异步电动机。三相交流异步电动机根据其额定功率（指连续运转下电机发热不超过许可温升的最大功率）和满载转速（指负荷相当于额定功率时电机转速）的不同，具有系列型号。在经常起动、制动和反转的场合，要求电动机转动惯量小和过载能力大，此时宜选用YZ型和YZR型三相交流异步电动机 8 。4.2.2选择电动机功率所选电动机的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。 （1）F：工作机的阻力，N； V：工作机的线速度，m/s；其中工作机阻力Fv即人的重力，大约等于1000N。4.2.3确定电动机转速额定功率相同的同类型电动机有若干种转速可供设计选用：电动机转速越高，则磁极越小，尺寸及重量越小，价格也越低；电动机转速越高，当工作机低速时，减速传动所需的总传动比越大，传动级数增多，从而使传动装置的成本增加。因此，确定电动机转速时应同时兼顾电动机和传动装置。根据设计，选用二级齿轮减速器传动，查表,选取,。且估算,所以，根据公式，得电动机转速 （2）4.3计算总传动比及分配各级传动比4.3.1总传动比总传动比： （3）分配传动比：取 则,取经计算,注：为杆传动比，为高速级传动比，为低速级传动比。4.3.2分配各级传动比（1）各级传动的传动比最好在推荐范围内选取；（2）应注意使传动级数少、传动机构数少、传动系统简单，以提高传动效率和减少精度的降低；（3）应使各级传动的结构尺寸协调、匀称及利于安装，绝对不能造成互相干涉；（4）应使传动装置的外轮廓尺寸尽可能紧凑；在卧式齿轮减速器中，常设计各级大齿轮直径相近，可使浸油深度大致相等，便于齿轮浸油润滑；对于平稳载荷，各级传动比可取简单的整数；对周期性变动载荷，为防止局部损坏，各级传动比通常取为质数 9 。取 则,取经计算,注：为杆传动比，为高速级传动比，为低速级传动比4.3.3 计算各轴的转速图5 带式运输机传动示意图Fig.5 Belt conveyor drive diagram （4） （5） （6）4.3.4 传动装置的总效率 （7）所需电动机的功率： （8）综上所述，选用YS系列三相异步电动机，具体型号为：YU2114，其额定功率120W，转速1400r/min，额定电压220V，额定电流1.88A，外形尺寸（长宽高）247mm140mm178mm。4.3.5 调速部分调速控制，加装变频器，通过改变异步电动机定子端输人电源的频率，且使之连续可调来改变它的同步转速，实现电动机调速。此调速的优点是:无附加转差损耗，效率高，调速范围宽；对于低负载运行时间较多，或起停运行较频繁的场合，可以达到节电和保护电机的目的。缺点：技术较复杂，价格较高。4.4计算传动装置的运动和动力参数4.4.1 各轴输入功率 (9) (10) (11)4.4.2 各轴输入转矩 (12) (13) (14) (15) (16)表1 系统运动和动力参数表Table 1 Analysis on system movement and dynamic parameter轴名 输入功率kW 输出功率kW 输入转矩N.m 输出转矩N.m 转速r/min电动机轴 0.11 2.2 14001轴 0.106 0.103 2.2 2.1 4592轴 0.1 0.098 6.3 5.8 145.73轴 0.095 0.094 26.5 25.4 60.214轴 0.094 0.09 25.3 24.1 60.21 4.5 设计V带和带轮4.5.1 确定V带型号查表1得： 则根据=0.132, =1400r/min,选择A型V带，取。，查表取。为带传动的滑动率=0.01-0.02。4.5.2 验算带速 (17)带速在5-25m/s范围内，合适。4.5.3 取V带基准长度和中心距a初步选取中心距a：，取。由表2得： (18)查表取。计算实际中心距：。4.5.4 验算小带轮包角。 （19）4.5.5 求V带根数Z (20)由内插值法得 。 EF=0.1=1.37+0.1=1.38 EF=0.08 查表2，得。由内插值法得 =163.0 ,EF=0.009=0.95+0.009=0.959因此，由式（19），取Z=1根。4.5.6 求作用在带轮轴上的压力查表2,得q=0.10kg/m，得单根V带的初拉力： (21)作用在轴上压力：。 (22)4.6 减速器齿轮的设计4.6.1 高速级大小齿轮的设计(1)材料高速级小齿轮选用45钢调质，齿面硬度为250HBS。高速级大齿轮选用45钢正火，齿面硬度为220HBS 10 。 (2) 查表得： , ，故 。又 ，故 。（3）按齿面接触强度设计9级精度制造，查表得：载荷系数，取齿宽系数 计算中心距。由公式得： （23）考虑高速级大齿轮与低速级大齿轮相差不大取 则取 实际传动比：传动比误差：齿宽：取高速级大齿轮： 高速级小齿轮： （4）验算轮齿弯曲强度查表得： 按最小齿宽计算： （24），所以安全。齿轮的圆周速度： （25）查表知选用9级的的精度是合适的。4.6.2 低速级大小齿轮的设计(1)材料11低速级小齿轮选用45号钢调质，齿面硬度为250HBS。低速级大齿轮选用45号钢正火，齿面硬度为220HBS。 （2）查表得： ，查表得： 。故 。查表得： 。故 。（3）按齿面接触强度设计9级精度制造，查表得：载荷系数，取齿宽系数。计算中心距，由式（23），取 则 取 。计算传动比误差：合适。齿宽：则取 。低速级大齿轮： 低速级小齿轮： （4）验算轮齿弯曲强度查表得：。按最小齿宽计算，由式（24），安全。（5）齿轮的圆周速度查表,知选用9级的的精度是合适的。4.7 减速器机体结构尺寸表2 减速器机体结构尺寸Table 2 Physical dimension on reducer organism 名称 符号 计算公式 结果箱座厚度 10箱盖厚度 9箱盖凸缘厚度 12续表2名称 符号 计算公式 结果箱座凸缘厚度 15箱座底凸缘厚度 25地脚螺钉直径 M24地脚螺钉数目 查手册表 6轴承旁联结螺栓直径 M12轴承旁联结螺栓直径 M12盖与座联结螺栓直径 =（0.5 0.6） M10轴承端盖螺钉直径 =（0.40.5） 10视孔盖螺钉直径 =（0.30.4） 8定位销直径 =（0.70.8） 8，至外箱壁的距离 查手册表 34 22 18，至凸缘边缘距离 查手册表 28 16外箱壁至轴承端面距离 =+（510） 50大齿轮顶圆与内箱壁距离 1.2 15齿轮端面与内箱壁距离 10箱盖，箱座肋厚 9 8.5轴承端盖外径 +（55.5） 120（1轴）125（2轴）150（3轴）轴承旁联结螺栓距离 120（1轴）125（2轴）150（3轴 4.8 减速器轴的设计4.8.1 高速轴设计（1）轴的设计选用45号钢调质处理。查表14-2 C=100。则， （26）又因为装小带轮的电动机轴径，又因为高速轴第一段轴径装配大带轮，且.所以查机械设计手册，取. L1=1.75d1-3=60。因为大带轮要靠轴肩定位，且还要配合密封圈，所以查机械设计手册取，L2=m+e+l+5=28+9+16+5=58。段装配轴承且，所以查手册取。选用6009轴承。L3=B+2=16+10+2=28。段主要是定位轴承，取。L4根据箱体内壁线确定后在确定。装配齿轮段直径：判断是不是作成齿轮轴： 查手册51页表4-1得：，得：e=5.96.25。段装配轴承所以mm,L6=L3=28mm。（2）键的设计与校核 根据，确定V带轮选铸铁HT200，参考表,由于在范围内，故轴段上采用键：, 采用A型普通键:键校核.为L1=1.75d1-3=60综合考虑取=50得： （27）查表，所选键为：。4.8.2 中间轴的设计（1）轴的设计选用45号钢调质处理。查表，取，C=100。根据式（26），段要装配轴承，所以查表取，选用6208轴承。L1=B+=18+10+10+2=40。装配低速级小齿轮，且取，L2=128，因为要比齿轮孔长度少。段主要是定位高速级大齿轮，所以取，L3=10。装配高速级大齿轮，取 L4=84-2=82。段要装配轴承，所以查表取，选用6208轴承。L1=B+3+=18+10+10+2=43。（2）键的设计与校核已知。由于所以取，因为齿轮材料为45钢。查表，得MPa。L=128-18=110，取键长为110。L=82-12=70，取键长为70。根据挤压强度条件，由式（27）所以所选键为:、。4.8.3 从动轴的设计（1）轴的设计因为轴主要承受转矩作用，所以按扭转强度计算，由式（26）得：考虑到该轴段上开有键槽，因此取，查表，圆整成标准值，取。为使联轴器轴向定位，在外伸端设置轴肩，则第二段轴径。查表，此尺寸符合轴承盖和密封圈标准值，因此取。设计轴段，为使轴承装拆方便，查手册，采用挡油环给轴承定位。选轴承6215: D=130，B=25，da=84，。设计轴段，考虑到挡油环轴向定位，故取设计另一端轴颈，取，轴承由挡油环定位，挡油环另一端靠齿轮齿根处定位。轮装拆方便，设计轴头，取，查手册9页表1-16取。设计轴环及宽度b，使齿轮轴向定位，故取，取，。（2）确定各轴段长度有联轴器的尺寸决定。因为,所以轴头长度因为此段要比此轮孔的长度短其它各轴段长度由结构决定。（3）校核该轴和轴承L1=97.5 L2=204.5 L3=116求作用力、力矩和和力矩、危险截面的当量弯矩。作用在齿轮上的圆周力： （28）径向力： （29） （30）求垂直面的支反力： （31） （32）计算垂直弯矩： （33） （34）求水平面的支承力： （35） （36）计算、绘制水平面弯矩图： （37） （38）求F在支点产生的反力： （39） （40）求F力产生的弯矩图： （41） （42）F在a处产生的弯矩： (43)求合成弯矩图：考虑最不利的情况，把与直接相加。 (44)求危险截面当量弯矩：从图可见，m-m处截面最危险，其当量弯矩为：（取折合系数） (45)计算危险截面处轴的直径：因为材料选择45号钢调质，查表得，得许用弯曲应力， (46)考虑到键槽的影响，取因为，所以该轴是安全的。(4)轴承寿命校核轴承寿命可由式： (47)进行校核，由于轴承主要承受径向载荷的作用，所以，查表取取。按最不利考虑，则有： ，则该轴承寿命为64.8年,所以轴上的轴承是适合要求的。（5）弯矩及轴的受力分析图如下图6 输出轴弯矩及受力分析Fig.6 Analysis on output shaft Bending moment and its stress（6）键的设计与校核因为d1=63装联轴器，查表选键为，得MPa。因为L1=107初选键长为100,校核： （48）所以所选键为:。装齿轮，查表选键为，得MPa。因为L6=122初选键长为100,校核，由式（48）,所以所选键为:。4.9 减速器其他部分的设计采用腹板式结构.表3 减速器部分结构尺寸结算Table 3 Partial structure size calculation on reducer代号 结构尺寸和计算公式 结果轮毂处直径 72轮毂轴向长度 84倒角尺寸 1齿根圆处的厚度 10腹板最大直径 321.25板孔直径 62.5腹板厚度 25.2齿根圆处的厚度 10腹板最大直径 321.25板孔直径 62.5腹板厚度 25.24.10 减速器润滑方式的确定因为传动装置属于轻型的，且传速较低，所以其速度远远小于，所以采用脂润滑，箱体内选用SH0357-92中的50号润滑，装至规定高度。4.11 电动机带轮的设计 查机械设计手册可得表44.12 四杆机构的设计4.12.1 选用四杆机构的原因优点：由于两构件之间是面接触，所以单位面积所承受的压力小，且便于润滑，磨损小；加工比较容易，易获得较高的精度；两构件之间的接触可以靠本身几何封闭来实现；能较好的实现生产实际中多种运动规律和运动轨迹的要求。 缺点：机构复杂，积累误差较大，影响其传动精度，效率较低。不过，四杆机构总体能满足设计要求。 表4 电动机带轮设计尺寸计算Table 4 Size calculation on motor pulley代号 结构尺寸和计算公式 结果 38mm =68.4mm 68.4mm =60mm 60mm 81mm =74.7mm 74.7mm 10mm 15mm 5mm 4.2.2 四杆机构的设计经过分析设计，四杆机构中选用曲柄摇杆机构。设计要求从动件3与主动件1的转角满足一系列的对应位置关系，即=f(),i=1，2，n。在图5所示机构中，运动变量为机构的转角，由设计要求知、为已知条件，仅为未知。又因机构按比例放大或者缩小，不会改变各机构的相对转角关系，故设计变量应为各构件的相对长度，如取a/a=1，b/a=l，c/a=m，d/a=n。故设计变量为l、m、n以及、的计量起始角、共5个。如图6所示建立坐标系Oxy，并把各杆矢量坐标轴投影，可得 （49） （50）为消去未知角，将上两式子两端各平方后想加，经整理可得 （51） 令=m，=-m/n，则上式可化简为 （52）上式中包含5个待定参数、及，故四杆机构最多可按两杆架杆的5个对应位置精确求解。图6 四杆机构设计示意图Fig.6 Design sketch on four-bar linkage现不妨设定摇椅中四杆机构，；，。因此时N=3，则No=5-N=2，即可预选两个参数。通常，预选、，如取并将、三组对应值分别代入（52）式后，可得如下线性方程组： 解此方程组，可得。从而可求得各杆的相对长度为m=3.1335，n=4.442，l=2.283。再根据结构条件，摇椅上下摇晃垂直高度设定为60cm，即曲柄长度为30cm，由此，可依次得到：a=30cm，b=62cm，c=100，d=120cm。由杆长条件：a+db+c，符合存在周转副条件；且最短杆为连架杆，符合存在曲柄条件。所以此设计成立。图7 四杆机构计算示意图Fig.7 Calculation schemes on four-bar linkage4.12.3 材料的选择根据所做的设计，四杆机构中机架就是椅架，摇臂为椅身，曲柄和连杆为传动部分。由于椅子本身承受人的重力，一般不会很大，椅身、曲柄和连杆选用45号钢，完全能够满足抗弯、刚性等设计要求。又考虑到坐在摇椅上的人的舒适性，椅身材料选择木材等传统家用材料即可。4.13 万向轮的选择摇椅安装好后本身体积比较大，重量比较大，因此移动性不强，需要安装活动脚轮使摇椅能够移动，使用起来更加方便。万向轮就是所谓的活动脚轮，他的结构允许水平360度旋转，无论在动载或者静载下均可实现旋转。此外万向轮还具有刹车装置，能够使电动摇椅固定在一个地方使用。12选用的万向轮安装在椅架下面死角处，通过螺栓与椅架连接。根据所设计的椅架的尺寸以及安装要求，选用万向轮具体参数如下：表5 万向轮参数Table 5 Parameters of Omni-directional wheels最大载荷 载重 厚度 规格100(kN) 65(kg) 2(mm) 60-70-80-130(mm)此外，万向轮的轮胎材料选择橡胶，其余零件选用45号钢 13 。5. C8051F311单片机的选用5.1选用C8051F311单片机的原因电动摇椅由于在不同坏境的内部空间不相同，摇椅在各方向所能移动的位置极限也不同；摇椅在电动机牵引下移动，而目前电动摇椅不能自动测量安装的极限位置，座椅很容易在到达极限位置时仍继续运行，容易使电动机因长时间工作在堵转状态而烧毁。文中提供一种具有自动测量和记忆功能的电动摇椅自动控制系统的设计方法。145.2单片机的使用C8051F311是美国Silicon Labs 公司推出的以传统8051单片机为核心的微控制器，它有25个I/O口，所有I/O口线都具有强大的控制功能，可以编程为弱上拉或推挽输出，也可设置成漏极开路；加上上拉电阻后可以与TTL电平直接接口。单片机具有独特的数字开关阵列，可以将单片机的内部硬件资源（如外部中断、UART、SPI等）配置到I/O口P0、P1和P2口上。如图9所示，单片机的外部中断0（INT0）被配置到端口P0的P0.0。 C8051F311单片机具有较大程序存储器FLASH ROM和片内RAM，单片机16K的FLASH存储器可用来存放程序代码和非易失性的数据，电动摇椅电动机的位置信息以及记忆的位置信息等数据，都作为非易失性数据存储在FLASH ROM内。15图8 摇椅硬件框图Fig.8 Rocking chair hardware block diagram自动座椅系统的硬件设计如图8所示： 34的矩阵键盘作为系统的操作手柄；P1口连接驱动电路，用来控制电动机，整型电路将霍尔传感器信号放大、整型成与单片机直接接口的TTL电平信号。操作手柄上设有3个存储按键，分别用来记忆和恢复3个不同的座椅位置。座椅记忆功能的设计原理是：通过手动调节按键手动控制座椅各方向的电动机，使摇椅到达感觉最舒适的位置，同时计算各电机上霍尔传感器所产生的脉冲数（即摇椅的位置信息），然后按下存储按键时间超过3秒，系统将此时摇椅电动机的位置信息存入FLASH ROM的指定单元中，则完成摇椅位置的记忆。当需要恢复所记忆的摇椅位置时，按下相应的存储按键时间不超过3秒，系统将记忆的座椅各电动机位置信息从FLASH ROM中读出，并与当前的座椅位置信息比较，控制电机移动至所记忆的位置；系统设有多个存储按键，用来记忆多个座椅位置。5.3驱动电路设计图9中，J1为电动机接线端口；其中端子3和4连接电动机的电枢；端子1和2连接霍尔传感器。通过控制C8051F311单片机的P1.0和P1.1电平变化来控制电动机的转向16。P1.0为高电平，P1.1为低电平时，晶体管Q2开通，继电器K1吸合；晶体管Q3断开，继电器K2闭合，电源经继电器K1常开触点和K2的常闭触点与电动机电枢相联，假设此时电动机正转。当P1.0为低电平，P1.1为高电平时，电动机反转。通过控制C8051F311单片机的P1口电平的变化来控制电动机转动的方向及转动时间，从而控制摇椅方向移动。霍尔传感器的整型电路，将反馈的霍