毕业设计（论文）-脚踏式充气泵设计.doc

摘要：在我们当代生活中，越来越多的家庭在使用汽车，汽车而如何简单方便快捷的给汽车轮胎充气这个问题一直没有能够很好的解决，本次设计为了解决汽车轮胎充气的普遍问题，提出了一种简单、方便、快捷、省力的脚踏式充气泵设计方案，改良了以往现有的充气泵的结构和实现方式，完美的解决了家用汽车使用过程中可能存在的胎压不足的问题。本次设计是依据充气泵的基本工作原理，制定完整的设计方案，并对充气泵缸体、压气装置的活塞、底座支架梁的扭转弹簧、底座支架梁及活动支架梁等进行具体的设计。关键词：充气泵；汽车；扭转弹簧AbstractIn modern life, the use of car families become more and more, and how simple and convenient to the car tire inflation this problem has not been able to solve this paper in order to solve the general problems of car tire inflation, put forward A simple, convenient, fast and labor-saving foot-type inflatable pump design, improved the structure of the existing inflatable pump and the way to achieve a perfect solution to the use of domestic cars may exist in the process of tire pressure problems. This paper is based on the basic working principle of the inflatable pump, to develop a complete design scheme, and the inflatable pump cylinder, the compressor piston, the base bracket beam torsion spring, the base bracket beam and the movable support beam and so on the specific design.Keywords: Inflator, car, Torsion spring目 录AbstractIV目 录V1.1 引言11.2 充气泵的发展概况11.3 Solidwork软件的介绍21.4 课题研究的意义及目的3第二章脚踏式充气泵的设计42.1 脚踏式充气泵的设计要求42.2脚踏式充气泵的设计概述42.2.1脚踏式充气泵与其他类型充气泵原理的对比42.2.2脚踏式充气泵与其他类型充气泵特点的对比62.2.3 脚踏式充气泵的设计参数72.3脚踏式充气泵的具体设计72.3.1 充气泵缸体的设计82.3.2 压气装置活塞杆的设计132.3.3销轴的设计132.3.4脚踏式充气泵的受力分析162.3.5 底座支架梁扭转弹簧的设计172.3.6底座支架梁及活动支架梁的设计222.4脚踏式充气泵的辅助元件设计232.4.1气压表的设计232.4.2 气管的设计242.4.3 橡皮碗的设计25第三章总结与展望25参考文献26附图：27III1.1 引言 随着现代人们生活水平逐渐提升，汽车的使用变得越来越普及，相应的我们不仅对汽车的使用功能要求很高，对汽车上随车必备的辅助工具的使用功能需要也是越来越高，低价格、高品质、使用便捷等等，只有具备更加优良性价比的产品才会被广大使用者所接受。目前市场上已经有很多种类型的充气泵，大多数为各类手动式机械充气泵，这些常规功能的充气泵花费时间长，花费力气大，而且一般不配备气压表，导致其使用起来不方便，产品结构设计的不合理。为了让消费者觉得充气泵的各项性能满足其使用要求，我们需要从以下方面入手：加工生产成本低，质量安全稳定，使用寿命长，结构简单，使用方便，省力便捷。1.2 充气泵的发展概况在过去的国内，那时候自行车是国人出门办事最重要的交通工具，自行车充气的主要工具是传统的手动式机械充气泵，而手动式机械充气泵存在着许多缺点，最主要的两点就是携带不方便，充气花费大量力气。现在随着社会的进步，大家的生活水平变得越来越高，使用者对充气泵的材质、品质、外形、方便性以及使用安全稳定性等性能提出了更高的要求。现如今，很多厂家经过多年的研发创新、市场调研，设计出了一些能够满足各种需求的充气泵配套系列产品，这些充气泵可以对自行车、摩托车、小型汽车进行充气作业，也能对足球、篮球以及其他小型充气玩具进行充气作业。随着现代人们生活水平逐渐提高，汽车逐渐取代了自动车的交通工具中的领导地位，广泛走进普通家庭的日常生活中，市场上再次出现了汽车轮胎充气的各类需求，传统的手动式机械充气泵已然不能满足汽车轮胎充气的基本功能，又经过很多年不断地发展创新，出现了目前最新型的脚踏式充气泵，这种新型的脚踏式充气泵在充气作业时的气压可以满足各种球类、自行车及摩托车的需要，还能满足小型汽车的气压需求。 现如今，脚踏式充气泵的使用范围非常广泛，可供各种球类、自行车、摩托车以及小型汽车的轮胎充气作业。充气泵的实现方式也越来越繁多，充气泵的品质、外形、结构、功能以及安全稳定性都有了很大程度上地提升和改良。1.3 Solidwork软件的介绍SolidWorks为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的CATIAV5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今至2010年已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。1997年，Solidworks被法国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。SolidWorks的主要模块包括：（1）零件建模 SolidWorks 提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、薄壁 特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。通过对特征和草图的动态修改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。(2)曲面建模通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相切操作产生复杂的曲面。可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面的操作。（3）钣金设计SolidWorks 提供了顶尖的、全相关的钣金设计能力。可以直接使用各种类型的法兰、薄片等特征，正交切除、角处理以及边线切口等钣金操作变得非常容易。用户化SolidWorks 的API为用户提供了自由的、开放的、功能完整的开发工具。开发工具包括Microsoft Visual Basic for Applications (VBA)、Visual C+，以及其他支持OLE的开发程序。（4）特征识别FeatureWorks是第一个为CAD用户设计的特征识别软件。与其它CAD系统共享三维模型，充分利用原有的设计数据，更快将向SolidWorks系统过渡，这就是特征识别软件FeatureWorks所带来的好处。FeatureWorks同SolidWorks 完全集成。当引入其它CAD软件的三维模型时，FeatureWorks能够重新生成新的模型，引进新的设计思路。FeatureWorks对静态的转换文件进行智能化处理，获取有用的信息，减少了重建模型所化的时间。FeatureWorks最适合识别带有长方形、圆锥形、圆柱形的零件和钣金零件。FeatureWorks提供了崭新的灵活功能，包括在任何时间按任意顺序交互式操作以及自动进行特征识别。FeatureWorks 提供了在新的特征树内进行再识别和组合多个特征的能力，新增功能还包含识别拔模特征和筋特征的能力。1.4 课题研究的意义及目的 从目前全球市场需求布局来看，欧、美地区成为款式新、小巧、质量好、环保的充气泵的主要销售市场；中东、非洲地区主要选择老款式、简单实用价格便宜的充气泵；还有以俄罗斯为代表的高寒国家则更喜欢能耐寒，机械结构牢固的充气泵以适应当地的地理气候条件；日韩则主要关注产品的品质与安全；国内消费市场和非洲差不多能打气就行。目前充气泵的整体状况还是比较良好，已由原来的单一打气功能，不注重外观，逐渐演变为汽车或自行车充气艺术品，以外观精美结构巧妙，打气省力等特点成为新的发展方向。为进一步适应汽车产业的发展，市场上还出现了电动充气泵。现如今随着健康环保的观念不断深入人心，骑行自动车低碳出行的生活方式已成为新潮流，骑行队伍不断壮大，脚踏式充气泵行业前景可观。第二章 脚踏式充气泵的设计现有市场上常见的脚踏式充气泵结构基本上都是根据手动式机械充气泵的原理进行改良、优化结构衍生出来的产品，两者之间原理一样，区别在于两者结构不同、实现方式不同，使用方法也不相同。本篇论文中的脚踏式充气泵设计依然运用了传统手动式机械充气泵最原始的原理工作，我们在原有的理论基础上改良原有的结构和使用方法，使得本次设计的脚踏式充气泵更加优化，综合材质的选择、结构的简化，让消费者更加便捷省力的使用该充气泵，这是本篇论文脚踏式充气泵的设计初衷。2.1 脚踏式充气泵的设计要求（1）本设计中的脚踏式充气泵主要用于自行车、小型汽车轮胎等充气作业。（2）本设计之前综合考虑，该脚踏式充气泵应该具有以下功能：加工生产成本低，质量安全稳定，使用寿命长，结构简单，使用方便，省力便捷；（3）对充气泵缸体、压气装置的活塞杆、销轴、底座支架梁的扭转弹簧、底座支架梁及活动支架梁等进行具体的设计。2.2 脚踏式充气泵的设计概述2.2.1脚踏式充气泵与其他类型充气泵原理的对比（1）脚踩式充气泵的工作原理脚踩式充气泵的工作原理是通过脚踩活塞杆压缩空气，通过一个气管将充气的轮胎连接起来，把空气充入，然后达到我们使用的需要。脚踩式充气泵的缸体底部有一个小阀门，它只能向下做开启动作。同时活塞杆上也有一个阀门，它也只能向下做开启动作。整个实现过程如下，当我们用脚踩活塞杆后，活塞杆上的阀门关闭，而缸体底部的阀门开启，完成打气作业，然而当活塞杆在压缩弹簧的作用下，自行向上运动回到初始位置时，缸体底部的阀门关闭，活塞杆上的阀门开启，这时缸体内部又重新充满了空气。当我们使用脚踩式充气泵时，要将它的气管接到轮胎的气门上，气门的作用是只允许空气从充气泵进入轮胎，而不允许空气从轮胎回流进入充气泵中。脚踩式充气泵的活塞杆和缸体之间有着很小的空隙，活塞杆的末端装有一个向下凹的橡皮碗。当我们向上拉动活塞杆的时候，活塞杆下方的空气体积会突然增大，致使充气泵缸体内部压强突然减小，这样活塞杆上方的空气就会从橡皮碗与缸体四周的空隙之间挤到下方。当我们向下压动活塞杆的时候，活塞杆下方的空气体积会突然缩小，致使充气泵缸体内部压强突然增大，使得橡皮碗紧贴着缸体的内壁运动且空气不会漏到活塞杆的上方去，我们继续向下挤压活塞杆，当缸体内部的空气压强足以顶开轮胎上的气门芯时，压缩后的空气便进入了轮胎当中。图1 脚踩式充气泵三维简图（2）脚踏式充气泵的工作原理当我们用脚踩充气泵脚踏打气时，通过杠杆原理来使得充气泵缸体充气，我们事先将充气泵的气管接到汽车或者自行车的轮胎气门上，轮胎上的气门的作用是只允许空气从充气泵进入轮胎，而不允许空气从轮胎回流进入充气泵中。充气泵的活塞杆和充气泵缸体之间有着很小的空隙，活塞杆的末端装有一个向下凹的橡皮碗。当我们向上拉动活塞杆的时候，活塞杆下方的空气体积会突然增大，致使充气泵缸体内部压强突然减小，这样活塞杆上方的空气就会从橡皮碗与缸体四周的空隙之间挤到下方。当我们向下压动活塞杆的时候，活塞杆下方的空气体积会突然缩小，致使充气泵缸体内部压强突然增大，使得橡皮碗紧贴着缸体的内壁运动且空气不会漏到活塞杆的上方去，我们继续向下挤压活塞杆，当缸体内部的空气压强足以顶开轮胎上的气门芯时，压缩后的空气便进入了轮胎当中。同时缸体外部的空气从缸盖上面的空隙之间进入活塞杆的上方，当脚收缩后，扭转弹簧带动活动支架梁复位,这时装在活塞杆末端的橡皮碗收缩,空气随即从活塞杆与缸体的空隙较大处进入到充气泵缸体内,我们再将活塞杆往下压的时候,橡皮碗扩张而贴紧着缸体内壁运动将空气往下压，空气只能从活塞杆顶部的一个小孔眼（孔眼里有小铁珠）顺着气管进入到轮胎的气门。当我们再一次将活塞杆往上提的时候,橡皮碗再次收缩.这时小铁珠落下,堵住小孔眼,使得我们第一次还没有完全注入到轮胎内的空气不会被抽出，如此往复循环，最终达到将轮胎充满气的目的。我们在活塞杆的顶部还安装有一个Y型普通气压表，通过它我们可以间接监控测量出轮胎的气压值，防止充气过量导致轮胎爆胎。图2 脚踏式充气泵三维设计图2.2.2脚踏式充气泵与其他类型充气泵特点的对比传统手动式机械充气泵的缺点：使用过程中抽拉活塞杆费力，且活塞杆上的机油容易弄脏衣物、不方便使用者携带。充气泵缸体本身铁皮易变形，寿命较短。脚踏式充气泵的优点：1.产品结构简洁易折叠收纳；2.脚踏高压设计，科学时尚。3.脚踏便能充气，轻松省力。4.配有气压表，压力大小一目了然。 脚踩式充气泵的缺点：1. 脚踩式充气泵相比脚踏式充气泵来说，要费力的多，其机构并没有采用像脚踏式充气泵那样的杠杆省力结构；2. 脚踩式充气泵的工作性质只是将传动手动式机械充气泵中的用手充气改进成为用脚充气，其根本工作方式并未彻底改变。而本篇论文中的脚踏式充气泵通过巧妙的设计，将普通手动式机械充气泵的原理和杠杆原理充分结合起来，从而大大降低了操作者的使用强度，达到了安全、省力、便捷的目的。2.2.3 脚踏式充气泵的设计参数产品类别：单筒普通气压表材质：合金钢+优质塑胶重量：1.6kG规格(MM)：L300W95H250（展开时）气管长度(不带气夹)：60CM最高工作气压：0.3MPa2.3 脚踏式充气泵的具体设计脚踏式充气泵主要从五个方面进行具体设计：包括充气泵缸体、压气装置的活塞杆、销轴、底座支架梁的扭转弹簧、底座支架梁及活动支架梁；（1） 充气泵缸体依照我们现有的普通手动式机械充气泵的缸体外形，本篇论文中的充气泵缸体设计依然采用圆柱形缸体。作为常见缸体结构的一种，圆柱形缸体相对于其它形状的缸体具有加工简单、节省材料、安全系数高的特点，该缸体的材质选用普通碳钢加表面喷塑的处理方式。（2）压气装置的活塞杆由于我们使用脚踏式充气泵的时候经常需要挤压，上提压气装置的活塞杆，所以我们需要对活塞杆的稳定性进行计算校核，判断其在工作过程中保持稳定的条件。（3）底座支架梁的扭转弹簧该扭转弹簧安装于底部销轴上，将底部支架梁和活动支架梁连接起来，它的作用在于当我们用脚踩充气泵脚踏打气时，活动支架梁被踩到最低点时，脚放开后，扭转弹簧能够让活动支架梁回复到最初的状态。（4）底座支架梁及活动支架梁底座支架梁支撑着整个脚踏式充气泵，我们需要考虑其尺寸、质量、材质的强度等等因素，既要让它的结构轻便，尺寸合适，也要让其使用起来安全系数高，并结合人机工程学的基本原理，让整个充气泵的结构使用起来更加人性化合理化。2.3.1 充气泵缸体的设计缸体的结构简洁，工作可靠，与杠杆，连杆，齿轮齿条、棘轮棘爪，凸轮等机构配合使用还能实现多种机械运动或与其他传动形式组合满足各种要求，因此在气压传动系统中得到了广泛的运用。缸体有多种实现方式，按照其结构的特点不同它可分为活塞式，柱塞式和摆动式三大类；按照其作用方式又可以分为单作用和双作用两种。单作用缸体只能使活塞杆（或柱塞杆）作单方向动作，即气体只是通向缸体的一侧，而反方向的动作则必须依靠外力（如弹簧力或自重等）来实现；双作用缸体是两个方向上的动作都有气体的推动来实现。本设计中的缸体为标准的单作用活塞式缸体（通过扭转弹簧复位），而活塞式缸体又可以分为双杆和单杆两种结构形式，其固定方式又分为缸体固定式和活塞杆固定式两种。显而易见，本次设计的缸体为单杆结构形式，缸体固定式固定。（1） 充气泵缸体的尺寸计算通常来说缸体是标准件，但本设计中需要我们自行设计，对于活塞缸而言，缸体的直径指的是缸体的内径。缸体内径D和活塞杆直径d可根据最大总负载和选取的工作压力来确定。对于单杆缸体来说，活塞杆直径d可以根据工作压力或设备类型选取，计算活塞杆直径dd=D-1 式中：d-活塞杆直径，mm；D-缸体内径,mm；Di-圆筒的内直径，mm； -缸体往复速度比。缸体的速度比过大会使缸体腔内产生过大的背压，速度比过小则活塞杆太细，稳定性不好。推荐气缸的速度比如下表所示。气缸往复速度比推荐值工作压力p/MPa0.20.20.80.8往复速度比1.331.86，22我们以现在市面上常见的普通轿车为例，思域205/55 R16 这款轮胎，胎压在2.4bar2.5bar之间，最大值不超过0.3MPa,我们这里设定充气泵的最大工作压力为0.3MPa。我们这里拟定缸体内径D=66mm，往复速度比=1.86，计算活塞杆直径d=44.88mm，我们取d=45mm。（2） 缸体的输出气量计算缸体的输出气量通常与缸体内径、活塞杆直径、气缸的运动速度和工作压力有关。对于本次设计中的单杆单作用缸体来说，缸体的输出气量就是活塞杆向下挤压的气量，计算输出气量qq=D24p+papaL式中：D-缸体内径,mm；L-缸体长度，mm；Pa-大气压力，MPa；P-缸体工作压力，MPa；根据上面思域205/55 R16 这款轮胎的参数，我们可以计算出轮胎的近似体积V轮胎的高度H=20.555%2+2.5416=63.19cm轮胎的厚度d=20.51.2=24.6cm轮胎的近似体积V=63.1963.1924.6/2=49.1L经过调查，我们发现日常通常是给一般缺气30%的汽车轮胎进行充气，且我们希望在使用脚踏式充气泵的过程中能够在脚踩次数10次左右完成整个充气作业，因此我们就可以得到单次脚踩过程的输出气量q=49.130%/10=1.473L已知大气压力Pa=0.1MPa,缸体内径D=66mm，缸体工作压力P=0.3MPa，输出气量q=1.473L，计算出缸体长度L=107.6mm，我们取L=100mm。（3） 缸体壁厚的计算缸体壁厚是缸体中最重要的参数之一，缸体承受着气体作用的压力，其壁厚必须进行计算。本设计中缸体的工作气压只有0.3MPa，属于低压缸，低压缸一般用无缝钢管作为缸体主体，绝大多数都属于薄壁筒，即缸体内径D与壁厚之比大于10时，其最薄处的壁厚用材料力学薄壁圆筒公式计算缸体壁厚，即：pD2式中：p-缸体工作压力，MPa；D-缸体内径,mm；-缸体材料的许用应力，=bn，b为材料的抗拉强度，n为安全系数。安全系数n的确定相对比较复杂。充气泵缸体的安全系数大小应该考虑以下几个方面：材料性能的稳定性可能存在的偏差；估算载荷状态及数值的偏差；计算方法的精确程度；制造工艺及其允许的偏差；检验手段及其要求的严格程度；使用者的操作经验。根据经验，当D/10时一般取n=5。碳素钢是制造缸体的常用材料，压力容器用碳素钢包括普通碳素钢和优质碳素钢，普通碳素钢一般是含磷、硫杂质少，塑性好，焊接性能优异，抗冷脆性能高，时效倾向小的镇静钢。常用于制造缸体的普通碳素钢钢板有Q235-AF、Q235-A、Q235-C、20R、20HP。综合各方面考虑，加工方便，价格便宜等，这里选择缸体材质为碳素钢Q235-A。已知缸体内径D=66mm，缸体工作压力P=0.3MPa，b取最小值375MPa，计算出缸体最小壁厚=0.132mm。对于气缸来说，我们所计算出来的缸体壁厚一般都较薄，为了生产加工的方便通常需要人为地增加厚度，我们取=2mm。（4） 缸体壁厚的强度校核根据缸体结构设计遵循的原则：结构不连续处应当过渡平滑；受压缸壁一旦存在几何形状的突变或结构上的不连续情况，缸壁都会产生较高的不连续应力。所以，我们在设计时应尽量避免缸壁结构不连续的情况发生，采用过渡平滑的方式，减少突变。引起应力集中或降低缸体强度的结构应互相错开，减少应力重叠。尽可能少的采用刚性大的焊接结构。刚性大的焊接结构不仅使焊接件因施焊时膨胀和收缩受到约束而产生较大的焊接应力，而且使缸壁在使用条件不定时的变形受到约束而产生附加的应力。因此，设计时应该尽量避免该情况的发生。缸壁的强度校核分为两项： (1)计算缸壁所受应力缸壁的计算应力按下式计算：式中：t-缸壁的计算应力，MPa；e-缸壁厚度，mm.t=0.3（66+2）22MPa=5.1MPa 由此可得：tbn=375/5Mpa=75MPa(2)缸壁最大允许工作压力缸壁的最大允许工作压力按下式计算： （3-3）式中pw-最大允许工作压力，MPa。Pw=2275166+2MPa4.412MPa0.3MPa综上所述，本设计中的充气泵缸体能够满足实际使用要求。2.3.2 压气装置活塞杆的设计（1） 压气装置活塞杆的材质我们常用的碳钢比合金钢相对便宜，其对应力集中的敏感性也比较低，也可以用表面热处理的方式提高其耐磨性和强度，故使用普通碳钢加工活塞杆，我们这里选用普通碳钢中最为常见的45钢。（2） 活塞杆的稳定性计算由于脚踏式充气泵的压气装置活塞杆动作时只受到轴向的拉力或者压力，而充气泵缸体的最大工作压力为0.3Mpa，远小于活塞杆材质45钢抗拉强度极限600Mpa,所以压气装置活塞杆无需校核其强度。本设计中活塞杆的尺寸：活塞杆的直径为45mm,长度为125mm。2.3.3销轴的设计（1）销轴的尺寸该销轴为连接底座支架梁与活动支架梁之间的连接杆，在整个脚踏式充气泵结构中起到固 定连接支撑的作用。本设计中销轴的尺寸：销轴的两端部分直径10mm，长度为5mm；中间部分的直径为8mm，长度为85mm，总长95mm。图4 脚踏式充气泵销轴三维图销轴的弯曲强度校核依据脚踏式充气泵工作时的杠杆原理，当充气泵的活动支架梁被压到最低点时，此时活动支架梁与底座支架梁平行，这时销轴受到的力最大，所以我们对底座支架梁与活动支架梁之间的销轴受在水平面上的最大力（承受水平方向上的最大弯矩）进行校核。销轴的计算受力简图如下：销轴的计算受力简图（即理论力学模型）图5 销轴计算受力简图销轴的有限元分析我们这里对销轴进行应力和变形量的分析，判断其结构的可行性和可靠性。将脚踏式充气泵中其中无关零件剔除，只对销轴进行有限元分析。依据人机工程学的基本原理，成年人人体舒适的脚踩力经过实际统计测试，我们这里选定脚踩力为53KG,即施加于这根销轴上的力为530N，销轴与底座支架梁接触的部分视为固定端。下图为销轴的应力分布图，从图中可以看到应力最大值位于活动支架梁和底座支架梁侧面相接触的位置。销轴的材质选用普通碳钢45钢，在常温条件下，屈服强度355MPa。从应力分布图中可以看到销轴收到弯曲应力最大值为18888550Pa18.88MPa355MPa。同理我们从销轴的整体变形量分布图中可以看到变形量最大值为6.436e-4mm， 综上所述，说明销轴的强度满足使用要求。应力分布图整体变形量分布图2.3.4脚踏式充气泵的受力分析（1）根据人机工程学原理中正常成年人手臂的作用力值，并结合日常使用手动式机械充气泵的实际经验，综合考虑我们取压气装置活塞杆内部橡皮碗与充气泵缸体内壁的摩擦力f为10N。 (2)通过之前的计算得知，脚踏式充气泵内的工作压力在00.3Mpa之间波动。为满足最大强度的设计要求，我们选用充气压力最大的时候进行受力分析，取安全系数n为1.4，缸体内推动活塞杆时需要的最大压力：Fmax=nPmaxS =1.40.3106（0.066/2）2=1437N因此充气泵缸体内的气压力的范围为01437N。（3）依据理论力学知识得到：图11 脚踏式充气泵的受力简图考虑到脚踏式充气泵的便携性，根据设计可知，活动支架梁的总长L0为250mm，L节点为90mm，再根据之前的实际测试，得知F踏=530N；因此计算得到Tmin=l节点f=0.0910=0.9NmTmax=F踏L-l节点Fmax- l节点f=（5300.25-14370.09-0.0910）Nm=2.27 Nm因此扭转弹簧的Tmin=0.9 Nm ；Tmax=2.27 Nm。由于每次使用者的脚踏动作都伴随着扭矩弹簧的工作，故取扭转弹簧的载荷循环次数N为。2.3.5 底座支架梁扭转弹簧的设计扭转弹簧的功能扭转弹簧通常用于机械结构内部起到储能、压紧或传递扭矩的作用。该扭转弹簧安装于底部销轴上，将底部支架梁和活动支架梁连接起来，它的作用在于当我们用脚踩充气泵脚踏打气时，活动支架梁被踩到最低点时，脚放开后，扭转弹簧能够让活动支架梁回复到最初的状态。方便使用者再次施加外力，重复动作。扭转弹簧的两端带有挂钩，用于和活动支架梁固定。扭转弹簧在相邻两圈之间一般留有间距，防止扭转变形时互相摩擦。扭转弹簧的特性曲线，如下图：图9 扭转弹簧的特性曲线扭转弹簧想要能够正常使用，它的应力必须处于材料的弹性极限范围之内，所以载荷T与扭转角之间属于线性关系，图中各个符号的含义是：Tlim-极限工作扭矩，也就是达到这个载荷时，扭转弹簧中的应力已达到其弹性极限；Tmax-最大工作扭矩，也就是扭矩弹簧中的弯曲应力到达许用值的最大工作载荷；Tmin-最小工作扭矩，按扭转弹簧的功用选定，通常取Tmin=（0.10.5）Tmax；、-分别对应于上述各载荷的扭转角。扭转弹簧的材质确定其许用弯曲应力 扭转弹簧的材质选择按照扭转弹簧的载荷性质可以将其分为三类：类：受变载荷作用次数在106以上的弹簧；类：受变载荷作用次数在103105及冲击载荷的弹簧；类：受变载荷作用次数在103下的弹簧；根据扭转弹簧的工作性质，它属于类弹簧。现选用碳素弹簧钢丝B级生产加工，由表1查得=0.4，我们设计扭转弹簧钢丝直径d为3mm，由表2取=1618MPa,则=0.41618MPa=647.2MPa。表1 扭转弹簧的常用材料和许用应力选择扭转弹簧的旋绕比C并计算曲度系数K1 由表3选取C=4，则根据强度条件验证扭转弹簧钢丝直径由式d3K1Tmax0.2b=31.2522700.2647.2mm2.8mm因此之前设计的扭转弹簧钢丝直径d=3mm可用，不需要重新计算。计算扭转弹簧的基本几何参数D=Cd=43 mm=12mmD=D+d=12mm+3mm=15mmD1=D-d=12mm-3mm=9mm取扭转弹簧间距=0.5mm，则P=d+=3mm+0.5mm=3.5mm=arctanPD=arctan3.512=5.3按刚度条件计算扭转弹簧的工作圈数已知扭转弹簧的材质为碳素弹簧钢丝，而钢材的弹性模量E=2.06e11Pa=206GPa；可得扭转弹簧的弹性模量E=200000Mpa,且扭转弹簧处于自由状态时，活动支架梁与底座支架梁的设计扭转角为70；I=d464=3464mm4=3.976mm4 故可得n=EI180TD=2000003.976701802270-90012=18.81圈我们取n=18圈。计算扭转弹簧的扭矩刚度KT=EI180Dn=2000003.9761801218N.mm/()=20.45 N.mm/()计算扭转弹簧的自由高度H0扭转弹簧的轴向长度的计算，可参考拉伸弹簧自由长度H0的计算公式进行计算，即:H0=n(d+)+2Hh式中，-扭转弹簧相邻两圈之间的轴向间距，mm； Hh-两端挂钩沿扭转弹簧轴向的长度，mm。 取Hh=3.5mm，计算得到H0=n(d+0)+2Hh=18（3+0.5）+23.5=70mm 图12 扭转弹簧三维图2.3.6 底座支架梁及活动支架梁的设计正确设计底座支架梁和活动支架梁的材料、结构方式及尺寸大小，是整个脚踏式充气泵的结构设计关键。（1）底座支架梁及活动支架梁的作用底座支架梁支撑着整个脚踏式充气泵，我们需要考虑其尺寸、质量、材质的强度等等因素，既要让它的结构轻便，尺寸合适，也要让其使用起来安全系数高，并结合人机工程学的基本原理，让整个充气泵的结构使用起来更加人性化合理化。活动支架梁与底座支架梁之间通过一根销轴连接起来，上部安装有橡胶材质的脚踏板，当使用者脚踩脚踏板时，脚踩力则通过活动支架梁传递到活塞杆上，完成整个充气动作。（2）底座支架梁及活动支架梁的材料综合考虑脚踏式充气泵的生产制造成本，我们选用型号为Q195的普通碳钢作为底座支架梁和活动支架梁的材料。（3）底座支架梁及活动支架梁的设计计算底座支架梁及活动支架梁的钢板厚度选用5mm，Q195钢的屈服点=195MPa；已知：充气泵压气装置活塞杆有效长度为90mm，充气泵缸体长度为115mm 脚踏式充气泵外形示意图如下： 图13 脚踏式充气泵外形示意图取脚踏式充气泵与活动支架梁的节点为b点。由底座支架梁和活动支架梁各边长度关系可得： 可推出 =2502+902-225090cos 70=234.97mmh=sinL=sin70250mm=235mm根据人机工程学的基本原理可得，h=235mm属于正常成年人单脚抬起离地的高 度范围，因此底座支架梁及活动支架梁的设计方案符合设计要求。2.4 脚踏式充气泵的辅助元件设计2.4.1气压表的设计气压系统和各局部回路的压力大小可通过压力表观测，以便调整和控制气压系统各工作点的压力。常用的压力表是弹簧弯管式，当弹簧弯管受压力作用发生伸张变形后，通过表里的放大机构的杠杆、扇轮和小齿轮使指针偏转，压力越高，指针偏转越大。气压表有各种精度等级，它的精度等级就是该表误差占量程的百分数。我们选用气压表时应使它的量程大于系统的最高工作压力。在压力稳定的系统中，气压表量程一般为最高工作压力的1.5倍。压力波动较大系统的气压表量程应为最大工作压力的2倍，或者选用带油阻尼耐振压力表。由于本设计中脚踏式充气泵的最大工作压力为0.3Mpa，由于在充气过程中压力值在00.3Mpa之间波动，因此我们选择量程为0.6Mpa的Y-60普通气压表。如下图：图18 Y60普通气压表的实物图2.4.2 气管的设计气压传动系统常用的管道分为金属管，橡胶软管和尼龙管等三大类；本设计中脚踏式充气泵的气管材料选用橡胶软管，它的优点是：装接方便，能够减轻气压系统的冲击力，价格便宜等等。气管尺寸的确定主要根据流量和流速要求及允许的压力损失确定管径，管壁则可按薄壁容器强度公式计算确定。（1） 管道内径的计算d=4q/(3600v)式中：d-管道内径，m；q-管段内的压缩空气流量,m3/s；v-管段内的压缩空气流速，m/s。为避免过大的压力损失，一般压缩空气在管内流速在25m/s以下，最大不得超过30m/S。已知脚踏式充气泵缸体的内径为66mm，缸体长度为100mm，假设使用者在1S之内压缩完整个缸体内部的空气，计算得到q=0.03320.1/1 m/S=3.410-4m/S最终计算得到d3mm。（2） 管道壁厚的计算管道壁厚可以按薄壁容器强度公式来计算确定：=bn式中：b-管道材料的抗拉强度；n-安全系数，一般取n=68。计算得到1mm。2.4.3 橡皮碗的设计 材质：丁腈橡胶 类型：密封