多功能病床的设计

多功能病床的设计多功能病床的设计1目目 录录摘要 3关键词 3Abstrac 3Key words 3第 1 章 绪论41.1 设计的目的和意义41.2 设计的目标和任务 4第 2 章 方案的比较和选择 52.1 方案一 52.1.1 床板结构示意图 52.1.2 坐起及曲膝的方案 52.1.3 左右翻身的方案 62.1.4 床上排便的方案 72.1.5 吃饭装置的方案 72.2 方案二 82.2.1 床板结构示意图 82.2.2 坐起及曲膝的方案 92.2.3 左右翻身的方案发 102.2.4 床上排便的方案 102.2.5 吃饭装置的方案 11 2.3 方案的对比和选择 11第 3 章 机构设计 113.1 基本参数的设计 113.2 电动机的选择123.3 坐起及曲膝机构的设计153.4 翻转机构的设计153.5 排便活门机构设计153.6 餐桌机构的设计16第 4 章 零件设计 174.1 纵轴的设计与校核174.2 横轴一、横轴二的设计与校核174.3 螺杆的设计与校核184.4 翻身机构中零件的设计与校核204.5 坐起机构中零件的设计与校核2124.6 曲腿机构中零件设计与校核 21第 5 章 设计总结 22 5.1 方案的评价与成本估算 22 5.2 与相近产品的比较及主要创新点 22 5.3 应用前景 23 5.4 存在的问题和改进建议 23参考文献 233摘 要 随着人口老龄化速度的加快，护理业服务受到了严峻的挑战，医疗和社会保险系统面临前所未有的压力。为老年患者服务的护理型病床的需求正不断增加。本文详细论述了针对缺乏自理能力的老年人及行动不便的病人设计的多功能护理床的基本结构和功能原理。该病床能够帮助病人实现翻身、坐起、屈膝、排便及吃饭，解决了护理病人过程中的诸多不便，进而增强了我国护理业服务，有力地促进了我国的医疗保健事业的发展。 该设计对病床的各项功能进行了方案选择、原理分析、零件尺寸计算及强度较核，基本上实现了各个装置的正常运行。关键词 医疗设备；护理床；医院病床；设计The design of Multi-functional hospital bedAbstract With the speed of population ageing，care services industry has been in the face of challenges. Medical and social insurance system is facing unprecedented pressure. Care-beds which serve the old patients are in increasing demand。 The basic structure and functional principles of multifunctional care-beds which are designed for those old patients who lack of governance of themselves and those patients who lack of the ability to control their mobility are elaborated in the essay. Much inconvenience in the course of nursing patient can be resolved by the care-beds which can help patients turn over themselves ,sit up ,bend knees and also spot. This in turn augments nursing service in our country and effectively promotes the development of the cause of our health care . The design has finished the options of programme, analysis of the principle, calculation of parts size and check of the strength security, as a result achieves the realization of normal operation to each device in the care-beds.Key words Medical equipment；Nurse bed；Hospital beds；design；4 绪绪 论论1.11.1 设计的目的和意义设计的目的和意义在今日的医院面临护理水平和技术迅速提高的总要求下，配置符合世界性护理系统标准的病床是每个医疗单位都关心的问题。不仅如此， 随着经济水平的提高，在很多发达国家，病床的使用甚至超出医疗单位(福利院、康复中心)，延续到患者(老年病、慢性病)的家庭。中国己于1999年10月提前进入人口老龄化国家的行列。据报道，中国不仅是世界上老龄化人口绝对数最多的国家，而且也是世界上老龄化速度最快的国家之一。60岁及其以上老年人口已达132亿，占全国总人口的1096(65岁以上老年人口为8687万，占7)，并以年均332的速度持续增长。更为突出的是，我国80岁_以上老年人口已达1100万，并以年均54的速度惊人递增。人口老龄化的趋势使老人有更多患慢性病的机会，根据统计资料约791的老人至少有一种或一种以上的慢性病，而慢性病的患者有较高的残疾机会、较差的功能状态和较高的死亡率，因而将出现一个健康最弱的群体。其中突出的现象就是高龄老年人自我照料能力减弱，对家庭、社区、政府依赖程度加大。据调查，在80岁以上男性老人中，能自我照料的只占357。目前“空巢家庭”也已成为社会发展趋势，家庭式护理对老年人的关照也日趋减弱，客观上增加了老年人、残疾人护理的困难。由此可见我国增强老年护理业服务、提高护理医疗设施的重要性和迫切性。在国外，医疗护理器械高新技术含量越来越多，对新工艺、新材料的要求越来越高。医疗器械的发展趋势可从材料和产品形式两个方面来分析。从材料方面看目前手术器械产品材质丰富，除广泛采用含钼不锈钢外，还采用铜、铝、特殊台金和塑料等材料；从产品形式来看，手木器械采用了现代新技术后正突破传统结构，向高效能、设备性发展，但国外这种复杂的多功能的护理器械造价高昂，功能操作相对复杂，在我国现在的经济水平下很难得到大众化的推广应用；在国内，相关的医疗护理器械发展不太成熟，特别是护理病床的发展远远不能满足实际的需要，功能比较单一、自动化程度不高等原因是现有一些多功能护理病床得不到大众化推广的原因之一。为了增强我国护理业服务，解决护理病人过程中的诸多不便，我们设计制造了这款新型的多功能病床，该病床共可以实现帮助病人翻身、坐起、屈膝、排便及吃饭五大功能，能够很好地解决病人护理过程中的大部分问题，并且病床由病人自己点动控制，按自己的感觉和意愿调整卧姿，舒适自知。同时螺旋连杆机构以简单易于加工的特点决定了其低成本性，适合大批生产和大众化的推广，对增强我国护理业服务，有力地促进了我国的医疗保健事业的发展有着重要的现实意义。1.21.2 设计的目标和任务设计的目标和任务 常见的一些新型护理病床有手动可升降病床、遥控气动可升降病床、电动遥控病床等。本设计结合护理业的实际情况和病人的实际需要，我们这款多功能病床主要可以实现以下五大功能： 帮助病人坐起功能，使病人在任何坐卧姿势下感觉舒适(自主控制)。 帮助病人屈膝功能，使病人腿部置于所需的舒适的位置(自主控制)。 帮助病人左右翻身功能，实现病人的左右翻身(自主控制)。 帮助病人排便功能，使病人在床上能很方便的排便(自主控制)。 辅助病人用餐和看书的功能，使病人在床上用餐，看书时有一个比较舒适的位置和放置饭菜书本的地方。以上五个功能中，前四项功能都采用电动机控制实现，并且可以自主根据病人的实际需要点动控制，按自己的感觉和意愿调整卧姿，唯辅助病人用餐和看书的功能采用手动操作，可以说自动化程度较高，操作也比较人性化。通过以上五项功能可以很好地解决病人护理和自理过程中的大部分问题。由此，我的5服务对象比较广泛：外伤病人、骨科病人、手术后康复病人及其它重症病人、卧床不起行动不便的病人或老人等。 方案的比较和选择方案的比较和选择2.12.1 方案一方案一2.1.12.1.1 床板结构示意图床板结构示意图图 2-1 方案一：床板结构示意图床板分为 8 块，相互间用合叶铰接（如图） ，左右翻时 1、3、5、7 或 2、4、6、8 一起绕 X 轴翻转；坐起时 1、2 一起绕轴翻转；曲膝时 5、6 一起绕轴向上翻转，翻转的同1Y2Y时 7、8 板同时被拖起，7、8 板一起绕 Y3相对于 5、6 板转动，从而达到了曲膝的目的。图中 A、B 为排便的滑板，排便时 A、B 分别沿 Y 轴正负方向往外滑动，打开一活门，从而满足排便需要。未工作时床板平置于床架上，和普通的病床一样。采用此种结构的床板，制造简易，且很轻松的克服了各功能间的相互干扰，满足了各个功能协调动作的要求。2.1.22.1.2 坐起及曲膝的方案坐起及曲膝的方案6 图 2-2 方案一：坐起及曲膝原理（平躺状态） 图 2-3 坐起及曲膝原理（坐起状态）这部分的设计，采取坐起和曲膝的功能分别驱动的思路。如图分别是床板平置和坐起及曲膝动作完成之后的状态。床板平置时，人躺在床上和普通病床一样，当需要坐起时由图中左边的电动机驱动螺杆 9 转动，使得螺套 7 向右运动，再由连杆 6 带动转臂 5 旋转，最后由转臂驱动床板 1 绕 J 点旋转，从而使人坐起。需要曲膝时，同样右边的电动机工作，通过螺旋传动使得转臂 12 旋转，将床板 3 顶起，达到曲膝的目的。坐起和曲膝动作如图“坐起状态” 。此方案主要为螺旋传动，优点是结构简单，加工容易，成本低廉，传动精确；缺点是承受的轴向推力大，效率低，摩擦严重。2.1.32.1.3 左右翻身的方案左右翻身的方案图 2-4 左右翻身方案一左右翻身的实现同上面的原理，由另外一台电动机驱动，通过螺旋传动完成翻转。如图，电动机工作，螺杆 2 转动，带动螺套 1 向右运动，由连杆 3 带动转臂 4 旋转，使得床板 5绕 G 点旋转。当电动机反转时，同理使得床板 6 绕 G 旋转，从而达到左右翻的目的。此方案主体也采用了螺旋传动，优点是结构简单，加工容易，成本低廉，传动精确；7缺点是承受的轴向推力大，效率低，摩擦严重。2.1.42.1.4 床上排便的方案床上排便的方案图 2-5 床上排便方案一如图，7、8 为用滑道连接在床板上的滑板，可在床板上滑动；6 为一根弹簧，两端固定在 7、8 两板上，并保持一定的张力，将板拉紧。2、3 为两个定滑轮，分别固定在床板的两端；4、5 为两根钢丝绳，一端固定在滑板的一边，另一端固定在有凹槽的轮子 1 上；1 为由电动机驱动的轮子；排便时，电动机工作，带动轮子 1 转动，钢丝绳被拉紧绕在轮子上，并将 7、8 板往外拉开；排便完后，电动机反转，带动轮 1 反转，钢丝绳慢慢松开，7、8 板在弹簧的拉力下合拢。此方案采用了钢丝绳、定滑轮拖动结构，结构简单，却很好的满足了排便的要求。2.1.52.1.5 吃饭装置的方案吃饭装置的方案8 图 2-6 吃饭装置方案一如图，1 为一根弯折成 90 度的杆，A 端处可绕 4 转动，4 为床架；2 也为一根弯折成90 度的杆，2 杆的一端可绕 1 杆的 B 处转动，2 杆的另一端用合叶 D、E 铰接一块板 3，吃饭时将 3 板翻转过去，由焊接在另一边的板 F 支撑。图中 C 处为一销子，在床板上开一个凹槽，当 2 转动到吃饭的位置时，销子刚好卡在凹槽里，将板固定好。不用时可将板折叠置于床下。此装置，结构简单，制造容易，作为病床上的餐桌很实用。2.22.2 方案二方案二: :2.2.12.2.1 床板结构示意图床板结构示意图图 2-7 床板结构方案二床板分为 6 块，相互间用合叶铰接（如图） ，左右翻时 1、3、5、或 2、4、6、一起绕X 轴翻转；坐起时 1、2 一起绕轴向上翻转，同时 5、6 一起绕轴向下翻转，达到曲膝1Y2Y的目的。图中 A、B 为排便的滑板，排便时 A、B 分别沿 Y 轴方向往外拖动，从而满足排便需要。未工作时床板平置于床架上，和普通的病床一样。 92.2.22.2.2 坐起及曲膝的方案坐起及曲膝的方案图 2-8 坐起及曲膝方案二（平躺状态）图 2-9 坐起及曲膝方案二（坐起状态）这部分的设计，采取坐起和曲膝的功能同时驱动的思路。如图分别是床板平置和坐起及曲膝动作完成之后的状态。床板平置时，人躺在床上和普通病床一样，杆 4、5、6 组成的连杆机构处于死点状态，达到足够的刚度和稳定性。当需要坐起时由图中的电动机驱动蜗杆 1 转动，蜗杆 1 再驱动蜗轮 2 转动，从而带动转臂运动，将床板 9 绕 C 点顶起，与此同时和蜗轮同步的带轮 2带动小带轮 4 转动，4 带轮的旋转使得曲柄连杆机构中的曲柄4转动，摆脱死点状态，摇杆 6 转动，使得床板 7 在重力的作用下绕 D 点转动，最后同时满足坐起和曲膝的功能。坐起和曲膝动作如图“坐起状态” 。该方案采用蜗轮蜗杆带轮组合传动，其优点是传动平稳，冲击载荷小传动比大；缺点是效率低磨损较严重，且蜗轮蜗杆加工难度大，制作成本高。带轮负载大时可能造成皮带打滑，并且其曲腿功能和坐起只能同时满足，无法独立动作。102.2.32.2.3 左右翻身的方案左右翻身的方案图 2-10 左右翻身方案二左右翻身同样由蜗轮蜗杆来实现。如图，电动机工作，蜗杆 1 转动，驱动蜗轮转动，从而使得转臂 2转动。当电动机反转时，同理使得床板的另一块翻转，从而达到左右翻的目的。此方案也采取了蜗轮蜗杆传动的原理，其优点是可获得较大的传动比，结构紧凑，传动平稳；缺点是效率低，磨损较严重，制造蜗轮成本大且工艺要求高。2.2.42.2.4 床上排便的方案床上排便的方案图 2-11 床上排便方案二（关闭状态）图 2-12 床上排便方案二（打开状态）要实现排便功能，必须满足两点，其一，床板能拉开，其二，床板能翻转。为了解决这两点，我们可以采取如上螺旋传动的空间连杆机构。如图，1、4 为用球铰连接的螺杆，分别为左旋螺杆和右旋螺杆，1 螺杆左端 A 处为一圆柱副连接，4 螺杆右端 D 处与电动机相连；2、3 为螺套，分别和滑板 G、F 固定，其中 G、F 为用滑道固定床板上的滑板，可在床板上滑动。电动机工作时螺杆 4 转动，并带动螺杆 1 转动，由于分别为左右螺旋，故可分别驱动 2、3 螺套相对运动，将滑板 G、F 往两边拉开。电动机反转时同理可使得滑板关闭。左右翻时由于 1、4 间为球面副连接，故可实现翻转。本方案采用螺旋传动，中间用球面副联接以实现翻转运动。优点是使用了空间机构，11创新性强，结构巧妙，但对加工和安装的精度要求高。2.2.52.2.5 吃饭装置的方案吃饭装置的方案同方案一吃饭装置。2.32.3 方案的对比和选择方案的对比和选择表 2-1实现的功能采用的结构实现情况加工工艺及成本坐起螺旋连杆组合机构结构简单，传动平稳，效率低加工易，成本低曲膝螺旋连杆组合机构结构简单，传动平稳，效率低加工易，成本低左右翻螺旋连杆组合机构结构简单，传动平稳，效率低加工易，成本低排便钢丝绳、定滑轮拖动结构结构简单，传动较稳定加工易，成本低方案一吃饭可翻折连杆结构简单，实用加工易，成本低坐起蜗轮蜗杆带轮组合传动传动平稳，传动比大，效率低加工难，成本高曲膝蜗轮蜗杆带轮组合传动坐起和曲膝只能同时动作加工难，成本高左右翻蜗轮蜗杆传动传动平稳，传动比大，效率低加工难，成本高排便螺旋传动的空间连杆结构结构巧妙，传动稳定加工难，成本高且安装精度高方案二吃饭可翻折连杆结构简单，实用加工易，成本低综合考虑各个功能的实现情况，制造的工艺性以及加工成本，最终决定采用方案一。12 机构设计机构设计3.13.1 基本参数的设计基本参数的设计根据一般常识确定床的基本尺寸为：长 1900mm、宽 100mm、高 610mm. 左右翻身时床板运动范围为 080、坐起时床板的运动范围为 085、曲腿时床板的运动范围为 050、方便门两边各打开 100mm.3.23.2 电动机的选择电动机的选择、坐起电动机1)功率取 t=40s.极限角度 取 85，转臂角速度.2/20.0393/40rad s转臂速度.负载.则转臂传递的功率22 20.0393 0.620.0244/vtm s21000TN.（忽略转臂自重） 。电动机的许用功率22224.4/PT vm s .（忽略了轴的转动惯量22242224.4750.4 0.98 0.990.99PPW许螺杆联轴器轴承滚子及连杆自重） 。电动机实际功率.选用额定功率为 120W 的单相电容22 1.290PPW许式减速电动机。2）转速由图 3-1 可知坐起螺杆导程 l 最短约为 300mm.13图 3-1 坐起时螺杆导程示意图那么由上身坐起的时间 t=40s.螺杆螺纹间距 d=5mm，可以得出电动机的最低转速约为300540 6090 /minnr 、曲腿电动机的选择1)功率t=30s. 极限角度 取 50,转臂角速度.转臂速度35 /180.035/30rad s.负载.则转臂所传递的功率33 30.035 0.370.013/vtm s31000TN.(忽略了轴的转动惯量及33222213420.4 0.98 0.990.99PPW许螺杆联轴器轴承滚子连杆质量)。电动机实际功率.33 1.250PPW许 选用额定功率为 60W 的单相电容式减速电动机。 2）转速由 3-2 图可知屈膝螺杆导程 l 最短约为 213mm.14图 3-2 曲膝时螺杆导程示意图那么由上身坐起的时间 t=40s.螺杆螺纹间距 d=5mm，可以得出电动机的最低转速约为213 530 6085 /minnr 、翻身电动机 31)功率设定翻身时间为 t=40s .极限角度 取 80，则转臂角速度. . 转臂速度.负载1/20.0393/40rad s11 10.0393 0.340.0134/vlm s.则转臂传递的功率W （忽略转臂自重） 。电动机许用功率11000TN11 113.4PTv.(忽略连杆自重及轴转动惯量)。电动机实际功率112742PPW许螺杆辊子联轴器轴承.11 1.250PPW许（安全系数）选用额定功率为 60W 的单相电容式减速电动机。2）转速由图 3-3 可知左右翻身螺杆导程 l 最短为 297.2mm,约为 300mm.15图 3-3 翻身时螺杆导程示意图那么翻身一侧的螺杆行程约为 150mm，且翻身的时间 t=40s.螺杆螺纹间距 d=5mm，由此可以得出电动机的最低转速约为r/min.150540 6045n 方便活门的电机选择 4因排便活门采用滚珠滚动装置，磨擦较小且所使用恢复小弹簧的弹径系数较小，因此所需功率也很小，根据实际情况选用功率 10W，转速 n=120r/min 的较小电动机。3.33.3 坐起及曲膝机构的设计坐起及曲膝机构的设计图 3-4 坐起曲膝运动简图机构运动简图如图 3-4 所示，传动的效率与传动角有很大的关系，故应保证尽量大的传动角，参考传动角范围 6090） ，考虑各构件间的相互位置，可初步确定各构件的尺寸：坐起机构：转臂 5 长度为 600mm；连杆 6 长 330mm ，连杆 5长 150mm，螺杆导程l=300mm，故螺杆螺纹长度取 350mm，据床的整体结构确定螺杆长度为 450mm。曲膝机构：转臂 12 长为 370mm，连杆 11 长 300mm ，连杆 12长 150mm ，螺杆导程 l=213mm，故螺杆螺纹长度取 250mm，据床的整体结构确定螺杆长度为 450mm。左右翻螺杆行程163.43.4 翻转机构的设计翻转机构的设计图 3-5 左右翻身机构运动简图同理选取参考传动角范围 8090） ，初步确定各构件的尺寸：转臂 4 的长为 310mm，连杆 3 长 300mm ，连杆 4长 150mm . 翻身时螺套需沿螺杆两边运动，螺杆导程l=300mm，螺杆螺纹长度取 350mm，根据床的整体结构确定螺杆长度为 500mm. 3.53.5 排便活门机构的设计排便活门机构的设计图 3-6结合实际条件，根据床的整体结构，确定部分零件的尺寸：定滑轮 2、3 的外径30mm，轮 1 外径 50mm，钢丝绳各长 1 米。173.63.6 餐桌机构的设计餐桌机构的设计图 3-7 餐桌方案示意图如图，根据床体可大致确定餐桌机构的尺寸，总高大约为 600mm，1 杆长为 150mm，高100mm，2 杆高 500mm，长 500mm，3 板尺寸 500mm180mm。 零件设计零件设计4.14.1 纵轴的设计与校核纵轴的设计与校核a、求轴上的功率 P1，转速 n1，和转矩 T1 . (忽略连杆自重)。21160 0.4 0.9924PPW螺杆电机轴承11600.375 /min2nr111249.559.556120.375PTN mN mn经整体规划将轴设计为空心光轴。b、初步确定轴的直径18. (机械设计 15-3)13310440.024d10040(1)0.375(1 0.5 )PAmmn选用内径为 27mm，外径为 45mm 的 45 钢经调质处理。 c、轴的结构设计根据轴向和周向定位要求，将轴与转臂套筒用螺栓联在一起，具体位置由床整体结构来确定。固定孔偏离转臂套筒固定孔 37，见附录纵轴零件图。d、初步选定滚动轴承 因轴承所承受的轴向力可忽略，认为只受径向力，选用深沟球轴承。e、轴的强度校核 只校核轴的危险截面，因该轴所受弯矩可忽略，下面只按扭转强度校核。 轴的计算应力.（材料力学 3.12）11171caTMpaMpaW 其中.（材料力学 3.15）13344142(1)(1 0.76 )1632TdW 由前面轴的材料为 45 钢，调质处理。查得.1155Mpa 因此 ，故安全。1ca4.24.2 横轴一、横轴二的设计与校核横轴一、横轴二的设计与校核a、求轴上的功率 P2、P3 转速 n1、n2 及转矩 T2、T3 . .（忽略连杆重量）2222120 0.4 0.9947PPW螺杆电机轴承.22360 0.4 0.9924PPW螺杆3电机轴承.22600.375 /min2nr .33600.334 /min2nr222479.559.5511970.375PTN mN mn.333249.559.556860.334PTN mN mn 将轴设计为空心光轴。b、初步确定轴的直径 . .233204320.04710050(1)0.375(1 0.5 )PdAmmn19 因计算比较保守，先选用外径 42mm ,内径 32mm 的 45 钢管，待后面校核。.333304330.02410042(1)0.334(1 0.5 )PdAmmn 同以上选择一样。c、轴的结构设计 根据轴向和周向定位要求将轴与转臂套筒用螺栓固定，同时考虑到传动角的范围将连杆在轴上的固定孔偏离转臂套筒固定孔 40.见图示。d、初步选定滚动轴承 因轴承所受轴向力可忽略，认为只受径向力，选用角接触球轴承。 （型号）e、轴的强度校核 因这两根轴所受弯矩很小，可忽略，认为只受扭矩作用，故按扭转强度校核。 轴的计算应力 . .2223411970001210.2 42(1 0.76 )caTMpaMpaMpaW.33334686000690.2 42(1 0.76 )caTMpaMpaMpaW由以上计算确定轴的材料为 45 钢，经调质处理。查得.因此.故两轴均安全。1155Mpa321caca4.34.3 螺杆的设计与校核螺杆的设计与校核a、螺杆的确定因三根螺杆中使病人坐起机构中螺杆受力最大，故先设计该机构中的螺杆。 负载 T2=1000N，螺杆轴向力最大为 1000N.根据螺旋传动的设计计算公式. （李国君,王成金.多功能病床）2()/2/2VmTQtgdQfd其中 Q轴向载荷 1000N.螺纹伸角=5 ，当量摩擦角=5.V 螺纹中径，查找相关资料取=20mm.2d2d 支撑面平均直径，=20mm.mdmd2d 摩擦系数，取=0.1.ff因此计算得.28TN m 由此得出螺纹最小扭矩为 28时即可将 1000N 负载支起。N m 而电动机提供给螺杆的转矩为.1209.55382830TN mN m 故符合要求。b、螺纹长度的确定由前面电动机选择过程中求电动机转速时算出的数据：20翻身螺杆导程为 300mm,螺纹选 350mm, 据床的整体结构确定螺杆总长度 500mm. 坐起螺杆导程为 300mm,螺纹选 350mm, 据床的整体结构确定螺杆总长度 450mm.屈膝螺杆导程为 213mm,螺纹选 250mm, 据床的整体结构确定螺杆总长度 450mm.材料选用 45 钢。c、螺杆强度校核 （机械设计 5.49）223caTFTAW 其中 F 为轴向压力.2/21602VdFTtgN A 为螺纹段的危险截面面积，（为螺纹小径） 。214Ad1d 为螺杆螺纹抗扭截面系数， .TW3116TWd T 为螺杆所受扭矩，.38TN mA 经计算得 .前面已选定 45 钢，29caMpa查表得.因此 ，故安全。155Mpa1cad、螺杆稳定性校核 因坐起螺杆和曲腿螺杆柔度故不必进行稳定性校核，只校核翻身机构中的40s螺杆。 . 56sti . 425222182.06 1064162500.5 500crEIFNt .2/()/21195VFTtgdN1625013.63.55.01195CCrSSFSSF故认为螺杆稳定。4.44.4 翻身机构中零件的设计与校核翻身机构中零件的设计与校核翻身运动中连杆的设计 1a、连杆选材 根据传动角范围及整个机构的要求，初步确定两根连杆长度分别为连杆一 300mm ，连杆二 150mm . 根据实际经验及查找相关资料初步确定连杆一直径为 25mm .b、连杆强度校核 因连杆一所受弯矩较连杆二小，故只校核连杆二21 .122cossin1195 cos60sin8015088263MFlN mm图 4-1连杆受拉力 .（较小可忽略） 。12coscos104NFFN .38826356.50.1 25caMMpaW所选材料为 45 钢，调质处理 .170Mpa因此 . 故安全。1ca翻身机构中转臂的设计 2a、转臂选材将纵轴一的位置及床整体结构的限制，初步确定转臂的长为 310mm .材料为结构用冷弯矩形空心型钢，标准 GB/T67281986. Amm=50 ，Bmm=25 ，壁 tmm=1.2 .b、转臂强度校核 . . 转臂所受弯矩最大为60=155000N/mm2 6ZbhW maxcosMT l 15MPa 材料的许用应力 75MPamaxcaZMW 因为，故安全1ca4.54.5 坐起机构中零件的设计与校核坐起机构中零件的设计与校核连杆的设计 a、初步确定连杆材料 连杆一：330mm ，连杆二：150mm ，直径：28mm ，45 钢调质处理。 b、连杆强度校核 同上，只校核连杆二 .122cossin2160 cos70sin80150108486MFlN mm(一个特定位置)。 连杆所受轴向力可忽略。 . 因 .故安全。3108486490.1 28caMMpaW170caMpa转臂的设计22a、转臂选材据横轴一的位置及床整体结构，确定转臂长度为 570mm ，.材料为结构用冷弯矩形空心型钢，标准 GB/T67281986. Amm=50 ，Bmm=25 ，壁 tmm=1.2 .b、转臂强度校核杆所受最大弯矩60=300000N/mmmaxcosMT l 28.8MPa 材料的许用应力 75MPamaxcaZMW 因为，故安全1ca4.64.6 曲腿机构中零件设计与校核曲腿机构中零件设计与校核连杆的设计 1a、初步确定连杆尺寸及材料 连杆一：300mm ，连杆二：150mm ，直径：25mm ，45 钢经调质处理。b、连杆强度校核 因本机构中连杆材料及尺寸与翻身机构中一样，但所受力较前者小，故无需强度校核。转臂的设计 2a、转臂选材据横轴二内位置及床的整体结构，确定转臂长为 370mm ,材料与前面一样。b、转臂强度校核 因本机构中转臂所受弯矩较坐起机构中小得多，故也无需进行强度校核。 设计总结设计总结5.15.1 方案的评价与成本估算方案的评价与成本估算这款病床主体传动装置采用了螺旋连杆组合机构，简单实用的传动方式与灵活的连接形式使其轻松的克服了各项功能相互干扰的弊端。从而摈弃了以往设计时为克服上述弊端而采用床板与传动装置固定连接或采用气囊等复杂的结构，以简单的传动原理实现了各项功能。从经济性和实用性上考虑，螺旋连杆机构以简单易于加工的特点决定了其低成本性，从而为大批生产时的成本压缩奠定了基础。另外，该病床适用于所有因病或其它原因引起的身体不便移动的人（包括瘫痪病人，重症病人等） ，而不仅仅为家庭老人而设计，因而有巨大的市场需求。 成本估算成本估算： 电动机（四个）： 1500 元 标准件（轴承、螺栓等）：80 元 材料： 角钢 4040mm 10 米 方钢 2020mm 6 米23 扁钢 40mm 2 米 钢管 直径 40mm 3 米 合计约 50kg 504.5 元/千克=225 元 加工费：零件加工较简单故可算约等于材料费 即 225 元 表面处理：20 元 合计：2050 元 利润估算利润估算：若投放市场，该病床定价为 5000 元是各大医院可接受的价格。毛利：5000-2050=2950 元营销费用：600 元税收：500 元纯利润：2950-600-500=1850 元5.25.2 与相近产品的比较及主要创新点与相近产品的比较及主要创新点与以往的设计相比较，该病床结构简单，制造容易，且实现了所有功能的自动控制，很好的解决了护理工作中的诸多不便，其主要创新点如下：将病床床板分割成 8 块，用铰链联接，搁置在床架上，病人平躺时安全可靠，坐起、曲膝和翻身时，运动灵活。床板和传动装置的转臂之间没有联接，可接触可分离，从而克服了坐起、曲膝与翻身的传动干涉。排便活门的开闭采用了钢丝绳、定滑轮组合机构，传动稳定可靠。转臂轴由螺旋连杆组合机构驱动，传动角接近 90，传动效率高。全部采用低副机构，加工简单、力量大，磨损小。各功能采用独立的电机驱动，在电路设计上根据动作的需要，设置了相应的自锁和互锁，并有行程开关限位，由病人自己点动控制，舒适自知。 5.35.3 应用前景应用前景该病床适用于各种原因引起的卧床不起，身体不能自主移动的病人，且目前市场上还没有如此功能完善且操作简单的产品，因而有巨大的市场需求。该病床由病人自己点动控制，按自己的感觉和意愿调整卧姿，舒适自知，可有效促进血液循环和防止褥疮的发生，且减轻了护理人员的劳动强度。该病床技术含量较高，成本低，加工简单，工作可靠。5.45.4 存在的问题和改进建议存在的问题和改进建议其一，由于目前处于样机生产阶段，只能利用工厂已有的材料种类和规格，以便节约制造成本，致使该病床重量较大。如果该病床能进入批量生产，在达到强度和刚度要求的前提下，应尽量减轻重量，降低成本。其二，控制装置可以进一步完善，改为无线遥控，则其使用会更加方便。参考文献参考文献1张东，谢存禧，禧吴剑。机器人化多功能护理床的研究与开发。机器人技术与应用，2003 年第 6 期2孙桓，陈作模.机械原理（第六版）.高等教育出版社.2001.5243洪钟德.简明机械设计手册.同济大学出版社.2002.54李国君,王成金. 多功能病床. 现代日用科学.2001(1)5刘鸿文.材料力学.高等教育出版社. 1992.96范钦珊，殷雅俊. 材料力学.北京，清华大学出版社.20047康晓东，甑向明，冯军。新型自动病床的研制。Medica1 Equipment Vo1 12 No 8濮良贵，纪名刚.机械设计. 高等教育出版社.2001.4 第7版9任钧国等.材料力学.国防科技大学出版社.2004.610李杞仪，赵韩主编. 机械原理. 武汉：武汉理工大学出版社，2001.811吴宗泽.机械零件设计手册.机械工业出版社.2004.112王昆等.机械设计课程设计.高等教育出版社.1995.1213王文斌等.机械设计手册. 第3版.北京，机械工业出版社.2004.8 14陆润民主编.计算机辅助绘图基础（2002 版）.北京：清华大学出版社，200215卜玉坤主编.Subject-Based English机械英语1.北京：外语教学与研究出版社，2001 16朱冬梅，胥北澜.画法几何及机械制图.第5版.高等教育出版社.2000.1217张东煜,李树森,唐铉峰,史超. 遥控气动可升降病床的设计. 林业机械与木工设备.2004,32(8)18喻恒锋，周金娥，黎清香，喻永明。介绍一种新型“医用升降翻身车”。江西医药2004年第39卷第3期19Kerstin Petzall, Jan Petz.all.Transportation with hospital beds. Applied Ergonomics 34 (2003) 383392.20Margaret Wan Nar Wong, Daniel Hung Kei Chow, Chi Kei Li. Rotational stability of Seidel nail distal locking mechanism.Injury, Int. J. Care Injured (2005) 36, 1201120521 M.M. Brzoska,K. Majewska,J. Moniuszko-Jakoniuk. Mineral status and mechanical properties of lumbar spine of female rats chronically exposed to various levels of cadmium. Bone 34 (2004) 517 52625附件 8武汉交通职业学院毕业论文（设计）毕业论文（设计） （范文）（范文）课题名称 经济型数控车床主运动传动系统设计经济型数控车床主运动传动系统设计学生姓名 张三张三 学号 05xx 系 部 机电工程系机电工程系 专业年级 05 数控一班数控一班 指导教师 张桂花张桂花 年年 月月26经济型立式数控车床主运动传动系统设计经济型立式数控车床主运动传动系统设计目 录摘要1关键词1Abstract1Key Words 11. 设计要求22. 总体方案的拟定及说明22.1 拟定总体传动方案 22.2 方案的选择 33. 无级变速传动链的设计33.1 求计算转速 nj 33.2 无级变速传动链的设计 34. 切削功率的估算及电动机的选择54.1 估算切削功率 54.2 选择电动机 54.2.1 初步估算电机所需功率 54.2.2 选择电动机 64.3 反算各轴传递的功率和恒功率下的最大转矩 65. 齿轮的设计及校核65.1 确定设计公用模数的齿轮副 65.2 设计齿轮副 z3/z4 75.2.1 选择齿轮类型，材料75.2.2 按齿根弯曲疲劳强度进行设计 75.2.3 按齿面接触强度设计 85.2.4 计算几何尺寸 95.3 校核齿轮副z1/z2（31/78）95.3.1 选定齿轮类型、材料95.3.2 校核齿根弯曲疲劳强度105.3.3 校核齿面接触疲劳强度105.3.4 确定几何尺寸115.4 校核其余两对齿轮副115.5 设计锥齿轮副z9/z10（79/79)125.5.1 确定齿轮材料125.5.2 按齿根弯曲强度进行设计12275.5.3 按齿面接触强度设计135.5.4 计算几何尺寸135.5.5 齿轮的结构146. 轴的设计及校核 146.1 主轴的设计146.1.1 主轴上的功率 P主、转速 n主 min和转矩 T主 max及其他受力146.1.2 求恒功率、计算转速下，工件所受的切削力146.1.3 求作用在锥齿轮上的力146.1.4 初步确定轴的最小直径146.1.5 主轴的结构设计156.2 主轴的校核166.2.1 求轴上的载荷166.2.2 校核主轴的强度167. 轴承的计算 197.1 主轴轴承的受力197.1.1 单向推力球轴承的受力197.1.2 深沟球轴承的受力197.2 求轴承的当量动载荷197.2.1 单向推力球轴承的当量动载荷197.2.2 深沟球轴承的当量动载荷197.3 校核轴承的寿命197.3.1 校核单向推力球轴承的寿命197.3.2 校核深沟球轴承的寿命208. 键联接的选择及计算 208.1 各轴上键传递的转矩208.2 验算各轴上键的强度208.2.1 校核主轴上键的强度218.2.2 校核轴 3 上键的强度218.2.3 校核轴 3 上键的强度219. 润滑与密封及滑移齿轮的控制 229.1 齿轮的润滑229.2 轴承的润滑229.3 滑移齿轮的控制2210. 结论22参考文献 2228摘摘 要要本课题采用常规的设计方法，设计一种精度较高、加工范围较大的经济型数控立式车床的主运动传动系统。本设计通过查阅大量相关文献资料，分析了我国数控产业的发展现状与存在的问题，并提出相应的对策。根据设计要求制定总体传动方案，完成传动机构的设计，功率的估算，电机的选择，齿轮的设计及校核，轴的设计及校核，箱体的机构设计等。该系统多采用普通材料和大多数的标准件，具有良好的经济性。我国资源短缺，设计经济型的数控机床能够满足使用要求，也符合我国国情，有很好的应用前景。关键词关键词立式数控车床；主运动传动系统；变速传动链；齿轮的设计；主轴的设计Main Movement Drive System Design for Economical Vertical CNC LatheAbstractConventional design methods are taken advantage of to design a main movement drive system with high precision, large range of processing for economical vertical CNC lathe. A large number of relevant documents are consulted and the current situation and problems in the development of numerical technology are analyzed in the design which has proposed appropriate countermeasures. According to the design requirements, overall transmission programme are made, the design of drive mechanism, estimation of power, option of electric motors, design of gears and shaft, check of the strength security on gears and shafts, etc. are finished in the design. The system mainly adopts ordinary materials and standard components, which have the characteristic of economical quality. For our country is lack of resources, economical type of CNC lathe designed can meet the needs in use and also can be in line with Chinas national conditions, which will have broad prospects for use.Key Words29vertical CNC lathe; main movement drive system; transmission chain for shift; design of gears; design of spindle1 设计要求主要研究内容：设计一台经济型立式数控车床的主运动传动系统，该机床的设计要求如下：X、Z 轴行程：300500X、Z 轴快进：10/10 m/min主轴转速：30-5000rpm刀库：4 刀加工精度：IT6寿命：10年、单班工作制2 总体方案的拟定及说明2.1拟定总体传动方案根据设计要求，拟定方案如图 2-1、图 2-2注：1变频调速电动机2、3中间轴，垂直布置4主轴，垂直布置30图 2-1：方案一注：1变频调速电动机2、3、4中间轴，水平布置5主轴，垂直布置图 2-2：方案二2.2 方案的选择 本设计参照卧式车床的传动方案，在其基础上设计无级变速传动链。方案一的传动链较方案二短且简单，但三联滑移齿轮垂直布置，需要另设定位锁紧装置，因此结构和控制上较方案二复杂。所以选择方案二进行设计。3 无级变速传动链的设计3.1 求计算转速 nj由各类机床的主轴计算转速表（许晓旸，2003） ，根据设计要求查中型通用机床和用途较广的半自动机床计算转速公式nj=nmin(nmax/nmin)0.3所以 nj=30*(5000/30)0.3=140r/min3.2 无级变速传动链的设计（戴曙，1993）31主轴要求的恒功率调速范围Rnp=5000/140=35.7电机的恒功率调速范围Rp=4500/1500=3Rnp远大于 Rp，故必须配以分级变速箱。取变速箱的公比= Rp，则无级变速时FZFpFZnpRR1故变速箱的变速级数25. 33lg7 .35lglglgFnpRZ取 Z=3。则，。传动系统和转速图见图 3-1、3-2a，37 .35lg3lglgnpFR293. 3F图 3-2b 为主轴的功率特性。从图 3-2a 可看出，电机经 31/78 定比传动降速后，如果经88/31 传动到主轴，则电机转速从 4500r/min 降至 1500r/min（恒功率区）时，主轴转速从5000r/min 降至 1667r/min。如果经 54/64 传动至主轴，电机在恒功率段运转时，主轴的转速范围为 1520r/min504r/min。当经过 23/96 传动至主轴，电机在恒功率段运转时，主轴的转速范围为 420r/min140r/min。但当主轴运行在 1667r/min1520r/min 或504r/min420r/min 时，电机则运转在 1500r/min1368r/min 或 1500r/min1250r/min（恒转矩区） 。这两段为功率波动“缺口” 。为使系统在这两段转速运转时，仍能得到要求的切削功率，电动机的最大输出功率只能选大一些