按摩靠背设计论文(机械类毕业设计).doc

新型按摩靠背的设计 引言0.1按摩器具的现状随着按摩器具的发展，已从最初的简单的纯机械的按摩和单一的功能的振动按摩，发展到了如今的三维空间的机械手合远程控制系统，实现了揉捏。锤击、拍打、指压、推拿等诸多手法结合的组合式按摩，尤其是近两年，我国按摩器具的发展越来越明显，功用也越来越多，受到广大群众的喜好1。 电动按摩器具的品种很多，主要包括按摩椅、按摩床、加热或不加热按摩垫(汽车按摩垫、按摩座垫、床垫、靠背垫)、围腰、围肩、手持式锤振按摩棒、足底按摩洗浴盆、小腿揉捏等各种振动、按摩功能的器具。它对人体起着消除疲劳和保健作用。电动按摩器具作为新兴产业，是小电机很有发展前景的应用领域，市场广阔2。按摩器械通过对人体全身或局部的按摩，达到美容保健、医疗保健及运动保健的目的。按摩器按其结构分为电磁式、电动式，此外还有红外线水松弛手脚振动式和洒浴气泡按摩器。按摩器的型号规格很多：用于美容保健科的手提式按摩器；用于医疗保健或运动保健的强弱可调的按摩器；用于全身按摩洒浴气泡按摩器；对手脚按摩的水松弛手脚振动按摩器等。 近年来，国际市场对我国按摩器具产品一直保持强劲的需求态势，而国内制造水平的提高，也导致世界产能逐渐转移到我国，使我国成为世界按摩器具的制造中心。 0.2 本课题研究的意义 中医经络学指出，人体的背部为阳中之阳，为督脉和足太阳膀胱经循行之处，督脉总督一身之阳，太阳经主一身之表。人体的脊椎神经因处于直立状态，受地心引力及自身重量的负荷作用，加上坐姿或立兹不良，脊椎始终处于负重受压状态，而使脊椎极易产生变形，导致神经失调，百病从生，通过背部推拿，按压等多种按摩手法能使受压变形的脊椎在规律、力度适中的调整纠正下回归原位，恢复脊椎的正常状态。按摩靠背是采用机械方式模拟中医推拿按摩手法，作用于人的后背，按摩经络穴位，可保健养身，达到增加血液循环，让肌肉得到松弛的目的。人体接受按摩以后，能使大小循环系统畅通，血流丰富，加速人体各器官组织的新陈代谢，消除疲劳，解除病痛，具有延年益寿之功效3。随着按摩器具行业的不断发展，人们对按摩器具的要求也越来越高，种类也越来越多。但是缺少利用机械方式模拟中医推拿按压及振动手法的机构。因此设计一台新型按摩靠背具有非常重要的现实意义。0.3 本课题研究的内容 通过市场调查、企业参观等方法，了解按摩器材的现状，分析总结现有按摩靠背的优缺点，设计一台新型按摩靠背，该按摩靠背可模拟中医推拿的按压及振动手法，通过永磁直流小电机驱动蜗杆传动及齿轮动，轮齿之间相互啮合实现上下直线运动和旋转拍打按压运动，而且外接电池还能使按摩头振动，实现振动功能。原始数据：（1） 按摩靠背的速度：0.5r/s（2） 按摩靠背的功率：25W设计思路： 根据给定的数据，从按摩靠背所需的功率Pw出发，消去运转过程中的效率损耗，推算出所需电动机的功率Pd，然后根据按摩靠背的使用环境和条件选用合适的电机。通过电机的转速与按摩靠背的转速之比得出靠背所需传动比，再分配传动比，计算传动装置的运动和动力参数，从而计算出蜗杆传动和齿轮传动的各种设计参数。根据这些计算参数大小，绘制零件图，确定传动结构的零件尺寸，从而设计出按摩靠背的内部传动结构装配尺寸，绘制完整的CAD图纸。 1 按摩靠背的整体方案设计1.1 按摩靠背的整体结构蜗轮齿轮齿轮轴蜗轮轴齿条轴承蜗杆蜗轮调整垫片按摩头座按摩头齿轮电机按压滚子底座 图1 按摩靠背的主要结构 该设计的按摩靠背的结构主要由机座、电机、轴、轴承、蜗杆、蜗轮、齿轮、齿条、按摩头座、按摩头、旋转滚子等零部件组成。如图1所示。该结构的传动部分要实现两种运动，轴的旋转运动和齿轮齿条传动的直线运动，主要零部件的作用分别为：(1) 底座 底座除了有支撑电机的作用之外，底部还有四个滚子槽，当电机启动后，能够使按摩靠背在电机的带动下上下移动时而不至于摩擦阻力过大。（2）电机 在整个传动部分中，靠电机提供传动能量，驱动后面传动部件的运转。本课题研究中，采用单个电机控制两个运动，实现旋转运动和直线运动。（3）蜗杆通过电机带动蜗杆转动，然后蜗杆与蜗轮啮合，使得轴可以实现旋转运动，带动旋转滚子实现按压功能；蜗杆还能与蜗轮相啮合，一级一级传动到齿条，实现按摩靠背的上下直线运动。（4） 齿轮 齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，传递动力大、效率高；寿命长，工作平稳，可靠性高；能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动4。按摩靠背采用斜齿轮传动，斜齿轮传动平稳，冲击、噪声和振动小，适用于靠背的高速传动。（5）按摩头座、按摩头、旋转滚子 按摩头座起到固定按摩头的作用，不至于按摩头移动。靠背设有六个振动按摩头，通过接入外界电池，能够实现振动按摩功能，使人体后背具有极高的按摩舒适度。旋转滚子随着轴的转动而转动，在上下移动过程中能够作用于人体后背实现滚子的按压功能。 （6）调整垫片 调整垫片由多片很薄的软金属制成，用以调整轴承间隙，有的还要起调整传动零件（如斜齿轮等）轴向位置的作用。1.2 传动原理分析 蜗杆 蜗杆传动 带动按压滚子旋转电机 蜗轮 蜗杆 蜗杆传动 齿轮 齿轮 蜗轮 齿条（控制上下直线运动） 其中齿轮、齿轮中的大小齿轮都为同轴齿轮，如图2所示。启动后，电机带动蜗杆高速运转，蜗杆和涡轮啮合，蜗杆传动提供大的传动比，它具有减速作用，使得传到靠背的速度满足人体要求而不至于过大。而且与蜗轮的同轴小齿轮与齿轮啮合实现运动，最后一级级运动传到齿条，齿轮齿条的啮合使得按摩靠背来回运动，按摩头的振动及按摩滚子的旋转对人体背部的不同部位进行按摩。 图2 传动部件图蜗杆传动可以实现大的传动比，尺寸紧凑，传动平稳，具有减速作用，与齿轮传动同时应用时，宜布置在高速级，以获得较小的结构尺寸，电机传输出来的高速运转通过蜗杆传动实现减速功能，等传输到靠背的按摩速度刚好符合人体的需求，而且蜗杆传动效率较低，所以比较适用于中、小功率间歇运动的场合；斜齿轮传动啮合性能好，传动平稳，噪声小，重合度大，降低了每对轮齿的载荷，提高了齿轮的承载能力。 2 主要零部件的参数设计计算2.1 电动机的选用 电动机作为整个设计中的动力元件，起作用是将电能转化为机械能。 而在本设计当中，电动机是整个结构完成既定要求的基本条件，在控制转向反面的时间缓冲上也有很大的作用。当按摩靠背进行按摩时，人体后背作用于按摩靠背的重量平均为50Kg，而电机就是在这样的载重下满足并维持所选择的速度，让人可以自如的接受靠背的按摩。按摩靠背应尽量保证不同重量的人都可以使用，而且一般的靠背速度为0.5r/s，蜗杆传动又具有大的传动比，靠背能实现正反转。故一般选择具有小功率高转速的永磁式直流伺服电机。 (1) 选择电机的容量由按摩靠背的功率,传动效率损耗代入（1）式得电机的功率: （1）其中：为蜗杆传动效率；为轴承传动效率（一对）；为齿轮传动效率。(2) 确定电机的转速按摩靠背的工作转速为:取蜗杆传动比范围：，圆柱齿轮传动比：，则总传动比合理范围为：。故电动机的可选范围为：根据容量和转速，按工作的要求和条件，由手册5查得选用SY系列的永磁式直流伺服电动机。电机的技术参数： 型号：45SY03 电压：12V 电流：3.8A 功率：28W 转速：900015% r/min 转矩：0.030 Nm 允许顺逆差转速：400 r/min2.2 传动装置的总传动比的确定和传动比的分配 分配总传动比，即各级传动比如何取值，是设计中的重要问题，传动比分配的合理，可使传动装置得到较小的外廓尺寸或较轻的重量，以实现降低成本和结构紧凑的目的；也可以使传动零件获得较低的圆周速度以减小动载荷或降低传动精度等级；还可以得到较好的润滑条件6。（1） 由选定的电机转速和按摩靠背的转速可得传动装置总传动比为 （2）将带入（2）式得传动装置的总传动比：（2） 分配传动装置传动比 （3）根据靠背的传动结构取蜗杆传动比：则由式（3）得齿轮传动比为： （3） 分配各级传动比蜗杆传动：齿轮传动：齿轮齿条的传动比为无穷大2.3 传动装置的运动和动力参数计算（1）各轴输入转速涡轮轴 （4）涡轮轴 （5）齿轮轴 （6）齿轮轴 （7）（2） 各轴输入功率蜗杆轴： （8）涡轮轴： （9）涡轮轴： （10）齿轮轴： （11）齿轮轴： （12）（3） 各轴输入转矩蜗杆轴： （13）涡轮轴： （14）涡轮轴： （15）齿轮轴： （16）齿轮轴： （17）2.4 蜗杆传动的设计 蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意值，常用的为，由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断地螺旋齿，它和蜗杆齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿数又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低7。蜗杆传动中蜗轮在蜗杆的上方，通过蜗杆蜗轮的啮合带动按压滚子旋转。 已知参数：输入功率P=27.34W,蜗杆转速n=9500n/min,传动比i=5.65，蜗轮上的转矩。 1） 根据GB/T 100851988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）。8蜗杆的传动功率不大，根据使用环境，蜗杆采用塑胶材料，且用斜齿轮代替蜗轮的设计，斜齿轮也采用塑胶材料。 图3 蜗杆传动2） 按齿面接触疲劳强度进行设计 a. 由式（1112），传动中心距为： b. 确定载荷系数K 因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均匀系数；由表115选取使用系数；可取动载荷系数；则 c. 确定弹性影响系数因选用塑料蜗杆与斜齿轮相配，故d. 确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值，从图1118中可查得=2.9。e. 确定许用接触应力斜齿轮的许用接触应力。应力循环次数 寿命系数 则 f. 计算中心距 4） 预选蜗杆特性系数，按齿面强度计算公式求得中心距。取。则模数 由标准选取,则相对应的标准值为18，则中心距为： 圆整中心距，取，则变位系数 则符合要求范围。5） 蜗杆尺寸分度圆直径 节圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 6） 蜗轮的尺寸分度圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 斜齿轮齿宽 圆整为设计三维建模9如图3所示。2.5 蜗杆传动传动的设计 蜗杆传动中蜗轮在蜗杆的右边，蜗杆的转动带动涡轮转动，使得与蜗轮轴的小齿轮与蜗轮同速运转。 已知参数：输入功率,蜗杆转速,传动比，涡轮上的转矩。 参考蜗杆传动的计算，计算结果为： 图4 蜗杆传动蜗轮的参数尺寸 涡轮齿数 分度圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 齿宽 设计三维建模如图4所示。 2.6齿轮传动的设计齿轮传动时机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛。在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高，如一级圆柱齿轮传动的效率可达99%。而且在同样的使用条件下，啮合传动所需的空间尺寸一般较小。而且工作可靠，寿命长，设计制造使用合理，使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长达一二十年， 像按摩靠背这种按摩器材，是不可能经常拆开的，所以需要使用寿命长的齿轮传动10 。已知参数：输入功率，传动比，转速。该设计中，齿轮传动是与蜗轮同轴的小齿轮与齿轮中的大齿轮传动，小齿轮与齿轮中的大齿轮相啮合实现传动，带动齿轮中的小齿轮同速转速。1） 根据使用环境和条件，选用7级，齿轮材料为塑料。 选小齿轮齿数，大齿轮齿数 取，初选螺旋角。2） 按齿面接触疲劳强度设计 图5 齿轮传动 由设计计算公式（109a)进行试算，即 确定公式内的各计算值a. 试选b. 由图1030选取区域系数c. 由经验公式得 d. 接触许用应力，由表106查得弹性影响系数3）计算a. 小齿轮的分度圆直径由计算公式得： b. 计算圆周速度 c. 计算齿宽及模数。 d. 计算纵向重合度。 e. 计算载荷系数K。已知，根据，7级精度，由图108查得动载系数；由表104查得；由图1013查得；由表103查得。故动载系数 f. 按实际的载荷系数校正所得到的分度圆直径，由式（1010a)得 g. 计算模数。 h. 计算中心距。 圆整中心距为20mm。i. 修正。 4） 大小齿轮设计尺寸。分度圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 端面压力角 基圆直径 设计三维建模如图5所示。2.7 齿轮传动的设计已知参数：输入功率，传动比，转速。该传动为齿轮中的同轴小齿轮与齿轮中的同轴大齿轮相互啮合实现转动，带动齿轮中的小齿轮与齿轮同速运转。 图6 齿轮传动参数计算方法参考上述2.6节传动的设计计算。1）根据使用环境和条件，选用7级，齿轮材料为塑料。 选小齿轮齿数，大齿轮齿数 ，取。 取，初选螺旋角。2）按齿面接触疲劳强度设计 由设计计算公式（109a)进行试算，即 确定公式内的各计算值a. 试选b. 由图1030选取区域系数c. 由经验公式得 d. 接触许用应力，由表106查得弹性影响系数3）计算a. 小齿轮的分度圆直径由计算公式得： b. 计算圆周速度 c. 计算齿宽及模数。 d. 计算纵向重合度。 e. 计算载荷系数K。已知，根据，7级精度，由图108查得动载系数；由表104查得；由图1013查得；由表103查得。故动载系数 f. 按实际的载荷系数校正所得到的分度圆直径，由式（1010a)得 g. 计算模数。 4） 按齿根弯曲强度设计由式（1017） a. 计算载荷系数。 b. 根据纵向重合度，从图1028查得螺旋角影响系数。c. 计算当量齿数。 d. 由表105查得齿形系数; 由表105查得应力校正系数e. 计算大、小齿轮的并加以比较。 小齿轮的数值大。5） 设计计算 对比结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，取，已可满足弯曲强度，但为了同时满足接触疲劳强度算得的分度圆直径来计算应有的齿数。于是由 取，则,取。6） 几何尺寸计算a. 计算中心距 圆整中心距取为45mm。b. 按圆整后的中心距修正 因值改变不多，故参数、等不必修正。c. 计算大小齿轮的分度圆直径 d. 计算齿轮宽度 圆整后取， 7) 大小齿轮设计尺寸。计算结果为： 齿数 模数 螺旋角 分度圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 端面压力角 基圆直径 设计三维建模如图6所示。2.8 齿轮齿条传动的设计 齿轮齿条传动能保证瞬时传动比恒定，平稳性高，传递运动准确可靠。采用非圆齿轮，瞬时传动比可按所需变化规律设计11。 齿轮的同轴小齿轮与齿条啮合，电机启动后，蜗杆高速运转，一级一级传到齿轮，齿轮转动，使得小齿轮与齿条啮合，来回实现上下运动，使人体后背不同部位得到按摩。其中小齿轮计算参数为： 齿数 模数 分度圆直径 齿顶圆直径 齿宽 齿条的齿数根据按摩靠背作用于人体后背的面积来考虑，本研究设计中齿条的参数为：齿数 图7 齿轮齿条传动模数 齿形角 齿全高 设计三维建模如图7所示。2.9 其他零部件的设计1） 底座与机盖 当传动部分设计完成并进行合理的装配后，需要加上底座机盖才能支撑、固定整个传动装置，底座及机盖的设计需要根据传动装置的分配进行尺寸定位，在不干涉的情况下进行设计装配，根据按摩器材的使用条件及环境，机体选择塑胶材料。在整个按摩靠背结构中，机体起着很重要的作用，而且机体的设计要在不浪费材料的情况下做到最合理的分配。其三维建模如图8所示。 图8 底座机盖的装配图2） 按摩头、按摩头座及旋转滚子 1.按摩靠背作用在人体背部的按摩需要通过按摩头及旋转滚子起作用，所以按摩头的形状不能随意，需要考虑到人体背部的舒适度，一般情况下按摩头做成半圆球状，按摩头大小适中，按摩头可以使用多个，在本研究课题中采用六个振动按摩头，六个振动按摩头分配良好，使得按摩范围更大，更深入的到达按摩部位。三维建模如图9所示。 2.在设计中，考虑到按摩头的固定，所以需要设计按摩头座， 图9 按摩头并且按摩头座用螺钉固定在上盖，其三维建模如图10所示。 图10 按摩头座 3.由于时间的关系，对于按压功能的实现采用简单的滚子旋转。滚子固定在涡轮轴上，随着轴的转动而运转，达到按压拍打的功能。三维建模如图11所示。 图11 旋转滚子 其它轴类零件、固定件及垫片等的三维建模图略。2.10 蜗轮轴的强度校核 其结构中轴的材料选用原则为：轴常在交变应力的作用下工作，其材料的要求是强度高、刚度好、应力集中的敏感度小，抗疲劳，加工性能好，有的轴表面要求也较高。轴的材料主要采用中碳钢35或45钢和合金钢20Cr或40Cr等。最常用的是45#钢（含碳量.45），它具有较高的综合机械性能。故此按摩靠背的设计采用45#钢。 蜗轮轴的受力分析及其弯矩图与扭矩图如图12所示。图12 蜗杆轴的弯矩图与扭矩图图中T为扭矩，大小等于电机传到蜗轮轴的输出力矩，为139.74N/mm,F1为人的后背作用在靠背重力的一半，选用人的平均重力为500N，则F1=250N。所以弯矩。此轴的危险截面是连接涡轮部分的轴。按第三强度理论15，计算应力 (18) 通常由弯矩所产生的弯曲应力是对称循环应力，而由扭矩所产生的扭转切应力常常不是对称循环应力，为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数，则计算应力为 (19) 式中的弯曲应力为对称循环变应力，当扭矩切应力为静应力时，取；当扭矩切应力为脉动循环变应力时，取；若扭转切应力亦为对称循环变应力时，则取。此蜗杆轴取。对于直径为d的圆轴，弯曲应力为，扭转切应力为,将和带入式(19),则轴的弯扭合成条件为 (20) 对于蜗杆轴的抗弯抗扭截面系数计算为，则由式（20）得 所以此轴的强度是足够的。 对所设计的零件进行装配，检查干涉，做必要的尺寸修改，由于本按摩靠背结构比较简单，而且受力不大，由文献13得： 故一律选用脂润滑，而且脂润滑形成的润滑强度高，能承受较大的载荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以维持相当长的一段时间。根据轴的外径和各类轴承的性能，选用滚动轴承，轴承型号为6200。 3 结论 本课题研究的是关于新型按摩靠背的设计，通过课题安排，先进行按摩靠背的市场调查，了解现今按摩业的状况，各种功能和性能区别，优缺点的对比，在此基础上最终确定自己的设计方案，设计一款带有按压及振动手法的机构。此机构采用永磁直流电机驱动蜗杆转动，蜗杆与涡轮啮合及齿轮与齿轮的啮合实现上下直线运动和旋转运动，此机构设有六个振动按摩头以及旋转拍打机构。按照任务书给定的参数，从选电动机，分配传动比到计算蜗杆，涡轮机齿轮传动部分的各类参数等经过一段时间。然后根据算出的参数，用Pro/Engineer软件进行三维设计。在设计过程中发现有些数据是计算出来了，但设计的时候还是要根据一些设计经验来绘图，而且在齿轮的啮合部分还是出现很大的问题，很多地方还需要进行改进。毕业设计是对自己大学所学知识的一个很好的应用，也是对自己的一个挑战，虽然设计任务完成了，但还有很多需要改进的地方。比如：对于材料的选择是否考虑承载载荷和材料的浪费；装配过程中一些间隙过大过小该如何调整等问题。在设计的过程中发现有很多地方可以改进，如：1.旋转按压滚子用导轨带动，实现更大的背部按摩接触面；2.采用两个电机驱动按摩靠背的传动，实现更多的功能，更好的满足人们的需求，而且在控制部分还能加上红外加热功能，根据人体体温适当调节按摩的速度。但鉴于时间关系和个人知识水平的有限，没有进行深入了解，希望以后能够更多的学习这方面的知识，提高设计创新意识。 致谢语 经过为期三个多月的毕业设计，我基本完成了按摩靠背的传动分析及内部结构设计，通过这次设计使我获益良多，总体提高了自我的创新意识及绘图能力。在毕业设计期间，我遇到了不少的困难，碰到很多自己难以解决的问题，这期间多亏了*老师给予的悉心指导和谆谆教诲。在按摩靠背的方案选择和整体布局以及选用电机方面及绘图和论文撰写方面给予了很大的帮助。*老师严谨的治学态度和生活作风对于我将来的学习和工作将是一笔宝贵的精神财富，在此向*老师表示最衷心的感谢。 在设计过程中，我查阅了大量的资料，开阔了视野。而且班上同学和本组同学给予了许多有益的建议和帮助。在此向他们表示感谢。 我能顺利的完成本次的设计，与老师的指导分不开，也离不开同学的帮助，最后再次感谢给予我帮助与关怀的老师和同学们。 参考文献1 舒小红 按摩器具的发展与前景分析2 张旭东，小电机在电动按摩器具中的应用，2007.123 Textual 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