洗澡搓澡按摩机器人设计

摘要 -3- 摘摘 要要 在我们现在的都市生活中，我们不难发现我们现代人的生活节奏很快，生 活工作压力很大，特别是有很多的白领阶层，他们白天上班通常都是坐办公室 一坐就是一天，下班回来身体十分疲惫。心想着“我连澡都懒得洗就想躺倒床 上好好睡上一觉，要是能有一个可以帮我把澡洗了的机器就好了”。 洗澡对于老年人，不得不说是一件不太方便的事情，有不少的老年人由于 身体上的不方便，浴室地面上有很多的水，到浴室洗澡地面很滑，有不少的老 人就抱怨说曾在浴室滑倒受伤，给老年人带来很大的不便。还有一些老年人患 有一些“老年病”，腿脚也不是很方便，这就给老人洗澡带来了潜在的不便与 不安全。 随着人们生活水平的不断提高，住房条件逐步改善和老龄化社会日益临近， 采取坐姿进行家庭洗浴并得到背部的自动搓洗是人们尤其是中老年人的一大乐 趣。传统的洗背方式使用毛巾、搓澡巾或简单的搓澡头来进行清洗，这种方式 不仅能给人们带来了不便，还使洗澡成为了人们的负担。因此，研发一种舒适 型洗澡搓澡一体机非常有必要，此种设备可使人在坐姿状态下使用按摩搓背清 洗功能，简化了搓背方式，保证了背部有效舒适的清洗。 关键词 洗澡机；智能；一体化；助老 Abstract -4- Abstract In our modern urban life, we can easily find that our modern life is very fast, life and work pressure, especially there are a lot of white-collar workers, they usually go to work during the day by sitting in an office all day long, i came back from work very tired. I dont even want to take a bath, I want to lie down on the bed to sleep, if only there was a machine to help me take a bath. . Bathing for the elderly, I have to say is not a very convenient thing, there are many elderly due to the physical inconvenience, there is a lot of water on the bathroom floor, to the bathroom bath floor is very slippery, quite a few old people complain that they have slipped and hurt themselves in the bathroom, which brings great inconvenience to the old people. Still have a few old people to suffer from a fewold age disease, the leg is not very convenient also, this brought latent inconvenience and insecurity to old people to bathe. With the continuous improvement of peoples living standards, the gradual improvement of housing conditions and the approaching of population ageing, it is a great pleasure for people, especially the middle-aged and old people, to take a sitting position to take a family bath and get the automatic back rub. The traditional way to wash the back is to use a towel, a washcloth or a simple head to wash the back. This way not only brings inconvenience to people, but also makes bathing become a burden to people. Therefore, it is necessary to develop a comfortable one-piece machine for bathing and scrubbing, which can make people use the function of massaging and scrubbing back in a sitting position, simplify the way of scrubbing back, and ensure the effective and comfortable cleaning of back. Keywords 目录 -5- 目录 摘 要.3 ABSTRACT.4 目录.5 1 绪论.7 1.1 洗澡搓澡一体机现状.7 1.1.1 洗澡搓澡一体机的发展史.7 1.1.2 洗澡搓澡一体机在国内的发展状况 .9 1.1.3 洗澡搓澡一体机的近期发展.10 1.2 本课题的来源.12 1.3 本文主要内容.12 1.4 本章小结.12 2 洗澡搓澡一体机的研究.14 2.1 电机的选择.14 2.1.1 电动机的类型和结构的选择.14 2.1.2 选择电动机的容量.14 2.2 传动装置的设计.15 2.2.1 三大传动机构的分布及其功能的实现 .16 2.3 总体尺寸设计.17 2.4 链条传动设计.18 2.4.1 链传动的主要参数.18 2.4.2 链传动的计算.19 2.5 链轮的选用.20 2.6 本章小结.21 3 齿轮的设计.22 3.1 齿轮的参数和啮合要求.22 3.2 齿轮的强度和尺寸的计算.22 3.3 本章小结.23 4 轴的设计.24 4.1 轴的设计方法.24 4.1.1 轴的材料及其选择.24 4.1.2 轴设计的主要内容.24 目录 -6- 4.2 各轴的结构设计.25 4.3 各轴尺寸、强度计算.26 4.4 确定各轴轴长.27 4.5 轴承、键的选取.30 4.5.1 轴承的选择.30 4.6 本章小结.31 5 按摩搓澡装置和整体外观功能的设计 .32 5.1 搓澡按摩器的设计.32 5.2 搓澡材料的选取与设计.33 5.3 椅面和踏板的设计.34 5.4 本章小结.35 结论.36 参考文献.37 致谢.38 绪论 -7- 1 绪论 1.1 洗澡搓澡一体机现状 1.1.1 洗澡搓澡一体机的发展史 随着人们生活水平不断提高，住房条件逐步改善，和老龄化社会日益临近， 采取坐姿进行家庭洗浴，并得到背部的自动搓洗，是人们尤其是中老年人的一 大乐趣。“自动搓澡机”极大的方便了对人体背部的洗、搓、擦等作用。使洗 浴成为一种享受。通常的洗背方式是手攥毛巾两端，斜上斜下来回拉锯式或毛 巾放在后背，两手在前往复式运动。这种传统方式费劲还不彻底。使老年人更 感为难，经常请子女或其它人帮助，而搓澡机简化了这一切，也不必请外人帮 忙，即可以达到洗、搓等功用。提高了人们的生活质量，方便生活，改善生活， 大大提高了生活的品味。 图 1.1 -8- 首先提出洗澡机器人创新的国家是日本，在 1970 年的日本大阪世博会上， 三洋电机就展示了这样一款全自动洗澡机。这款产品外形酷似豆芽，使用者需 要沿着梯子爬上去才能使用。用户需要首先设定好理想的水温，然后便会启动 漂洗状态，洗澡机会向用户身上喷热水并持续 5 分钟。然后“豆芽”将充满热 水，并进行 3 分钟的按摩洗涤，这时将会有高压水柱喷向用户并有许多高尔夫 球大小的按摩球向用户撞击。随后，超声波发生器会发出大量的气泡，将污物 从用户身上带走。最后便是漂洗和烘干。这款洗澡机器人的优点： 清洗程度较高（利用超声波将身体污渍排除） 智能化程度高（用户不需要进行任何操作） 日本在护理机器人方面研究时间长，已经开发出一系列用于洗澡的机器人。 2015 年 8 月，日本设计师发明了 Santelubain999 自动洗澡机，可为人们提供专 业级洗澡体验。这款机器人可以 360 出水，由顶部的控制板控制水温、水流大 。 小以及出水位置等。该机器人还具有烘干功能， 洗澡结束后可自动烘干人体， 烘干的温度和风速可在控制面板中调节。此外，该洗浴机器人还具有音乐播放 功能，在洗澡过程中，洗浴者可通过操作控制面板听音乐，充分放松神经，享 受洗浴过程。 图 1.2 这款 Santelubain999 其实是一台机器人，一台能帮助我们洗澡的机器人。它 可以提供多种服务，比如给你沐浴露，汗蒸，声音 Spa 等等，而且洗完澡还会 给你涂润肤露。而你，只需要乖乖地躺着，或者睡觉，就可以完成一次程序复 杂的洗澡任务。在你完成了洗澡任务之后，这款机器通过本身自带的红外线来 -9- 消毒，也有自带的清洗功能，可以将机器内部清理烘干，不用我们来操心。 不过，从图片上来看，Santelubain999 的占用空间比较大，因此比较适合那 些拥有别墅或者居住条件比较富裕的朋友，另外这台机器只能容纳单个人使用 且价格比较昂贵。这款机器的优点： 科技化程度高（用户可以享受多种不同的服务） 机器本身更加干净卫生（利用红外线对机器本身进行消毒） 舒适化程度高（用户只需躺着或者睡觉就可以完成一次洗澡） 随后，日本 Bishamon 公司研发了轮椅浴缸结合式机器人。该款机器人将椅 子与浴缸相结合，设计简洁灵活，专为行动不便的老年人或残疾人士设计。这 款机器人的缺点是：仍然需要护理人员在旁边为老年人提供翻身等帮助。 1.1.2 洗澡搓澡一体机在国内的发展状况 中国已开始进入老年化。一份最新的调查显示，中国已经有 21 个省进入老 年型社会，目前，中国 60 岁以上的老年人口为 1.34 亿，占总人口的百分之十 一左右。全中国老年人口的增长速度比人口增长速度高出百分之一点七。根据 目前的发展趋势，可以预见，中国的老年人在社会人口中占越来越多的比例。 当前社会生存压力巨大，房价居高不下，生活成本高，失业率高位徘徊， 通货膨胀等因素，年轻人为了工作，四处奔波，很多时候根本无力照顾老人， 以致于空巢老人，留守一族等现象比比皆是。 现今，中国拥有十大洗澡机企业，他们对中国洗澡机行业有突出性的贡献 和成就。 LG 洗澡机：LG 洗澡机是国内家用洗澡机最早的企业之一，全面致力于节能、 供热、环保事业，具备技术研究、产品开发、生产、销售、售后服务及系统工 程设计、实施的完整体系。 TCL 洗澡机：TCL 洗澡机是专业研发制造洗澡机，是中国最大最专业洗澡机 制造商，拥有 40 多项国家专利；TCL 洗澡机产品出口德、美、法等欧美市场， 出口量连续多年行业领先。 史密斯洗澡机：浙江史密斯电器有限公司是中德合资组建的高科技企业， 致力于用洗澡机的生产与研究，公司在空洗澡机低温加热技术、SBC 热交换技 术处于国际领先水平。公司建立了先进的 NCC 环境模拟智能实验室，是国内最 大的空洗澡机生产基地之一。 “中锐”牌洗澡机：品质卓越的洗澡机产品。其生产基地的洗澡机产品已 远销国外，业务遍及全球 90 多个国家和地区，在全球拥有乌克兰、美国、英国、 -10- 印尼、智利、南非多家科研合作机构，国内拥有厦门、海宁、东莞、佛山四大 生产基地，并在福州、厦门、泉州、宁德等设立多家分公司。 格力洗澡机：中国格力集团(香港)股份有限公司成立于 2007 年，总部设香 港九龙长沙湾。生产基地位于中国家电产业制造中心广东顺德工业区佛山格力 电器有限公司。中国格力集团(香港)股份有限公司是以电器制造、科技研发、国 际贸易为平台。拥有自主知识产权的高科技企业。是一家高起点，高投入的股 份制集团公司。洗澡机组系列产品具有节能环保、安全可靠等优点，多项技术 填补了国内空白并达到了国际领先水平。 菲普森洗澡机：江门菲普森电器制造有限公司创办于 2005 年，是最早把空 气转化为能量的概念带到千家万户中的企业之一。菲普森生产基地座落于著名 的侨乡一广东省江门市，是一家专业从事洗澡机、多功能洗澡机、洗脸洗澡机 洗澡机等家用型和商用型高效节能产品的研发、生产和销售的企业。产品广泛 应用于家庭、学校、宾馆、酒店、医院、厂、洗浴中心、美容美发连锁店等大 量使用热水的场所。公司秉承“求质生存、锐意创新”的经营理念，以能源开发、 绿色环保为宗旨的产品发展方针，造福于社会、人类。 美的洗澡机：大型综合性家电集团，是中国最具规模的白色家电生产基地 和出口基地之一，其空气能产品在 2007 年面世，凭借其完善的网点和良好的用 户口碑，在 2009 年取得了非凡的成绩，但美的洗澡机并没有自己生产基地。 1.1.3 洗澡搓澡一体机的近期发展 近些年，余成龙发明了一款移动洗澡机。移动洗澡机又叫家用移动洗澡机， 可移动洗澡机、便携式洗澡机、或可移动电热水器、便携式电热水器、便携式 淋浴宝、移动式沐浴宝 、便携落地式热水器、便携式热水器、落地式热水器。 洗澡机是继储水式电热水器、即热式电热水器、速热式电热水器、燃气热水器、 太阳能之后又一洗澡工具，移动洗澡机又可以称为家用洗澡机，可移动洗澡机、 便携式洗澡机、或可移动热水器、便携式电热水器、移动式淋浴宝、移动式沐 浴宝。洗澡机是一种便携式的淋浴器，通俗地说移动热水器。其特点是无需上 墙安装、自带脚轮可移动、开放式 水箱可不依赖自来水或选用不同水源、插电 即用、恒温恒压淋浴。 移动洗澡机是一款新型的可移动式家用电热水器，相比较其他类型的热水 器，这款洗澡机最大的特点就是不需要安装，使用地点不受任何限制，即使在 没有自来水的地方，也可以让用户洗上一个安全、舒适的热水澡。即便是生活 住房饱受困难的农村居民与外地工作者，也可不必再受地域、条件等因素限制， -11- 而在洗澡方面有一定的不便。 图 1.3 这款洗澡机器人省电又省水，水温加热至 30-50C 之间限温、恒温出水随 意调节更加节能，洗澡水的温度与人体温接近为宜，也就是比人体体温高 3 即可，即 35-42 度，若水温过高，会使全身表皮血管扩张，心脑血流量减少发 生缺氧，所以更加节能。储水容量限量更加环保，淋浴时用水每人约 40-60 升 为适量，淋浴约时间 15-25 分钟为合适，避免了淋浴时间过常造成洗澡水的浪 费，所以更加省水环保。当然，这款机器人也有很多非常亲民的优点： 智能控制，操作简单（自动上水，智能加热，一键启动洗浴，操作简单 方便，每个工作状态都有指示灯显示，一目了然） 50 度限温，远离水垢（智能限温技术，从原理上规避了结水垢的条件， 真正实现健康洗浴） 恒温出水、老少皆宜（梦里寻她千百度，想要几度就几度，洗浴时不用 调温，直接恒温出水，特别适合老人、儿童使用） 水电隔离、超长寿命（绝缘晶体发热结构，水电隔离，真正实现长寿耐 用；同时保证用电安全） -12- 1.2 本课题的来源 对于都市中的我们来说，洗澡已经成为日常生活当中必不可少的一件事。 有些爱干净的人士甚至偏激地认为一天不吃饭可以,但是不能一天不洗澡，冼澡 不仅能清除汗垢油污，消除疲劳，舒筋活血，改善睡眠，提高皮肤的代谢功能 和抗病力，而且通过温水的浸泡，能够治疗某些疾病。 随着我国老龄化程度较高，越来越多的老年人在生活中会遇到各种各样的 困扰，洗澡本是用来放松身心的，可是越来越多腿脚不便的老人认为在浴室洗 澡也是一项危险的运动。越来越多的年轻人在结束了一天忙碌的工作中，想回 到家后舒舒服服的洗个澡，可是一个人住的时候往往会因为搓洗不到后背导致 体验较差。 上了大学以后，父母的年纪也越来越大，经常会出现腰部、颈部的酸痛， 于是我就想结合一下现有的按摩椅和洗澡机，让我们能够在洗澡的过程中对身 体各部位进行有效地清洗，并且在完成清洗任务后对身体进行适当的按摩，让 我们在洗澡的过程中完全解放双手，在椅子上好好享受洗澡带来的极致体验。 坐姿洗澡机也能有效解决“空穴”老人洗澡面临的腿脚不便、滑倒等问题。 所以我想改良一下现有的按摩椅和洗澡机，让我们可以在洗澡的同时享受 按摩，使之在降低成本的同时，改进原来存在的一些缺点和短板，是洗澡搓澡 一体机的市场更加全面。 1.3 本文主要内容 本文主要设计并实现洗澡搓澡技术和按摩技术相结合，并且了解国内国外 洗澡机的发展史，不同种类洗澡机的优点和缺点、分析市场对这种洗澡按摩一 体机的需求，对比国内外洗澡机水平差异、洗澡机品牌的介绍、洗澡机各阶段 的详细说明。重点讲述了洗澡机的洗澡按摩原理和各型号洗澡机的诟病。 1.4 本章小结 本章主要通过查阅相关资料以及老师的指导，分析了洗澡搓澡一体机的发 展史以及可行性，对比中外助老机器人的发展，发现现有的机器仍存在有待改 进的地方。通过对现今中国社会老龄化趋势的分析以及越来越多的助老机器人 的问世来阐述论文课题来源，并且说明课题的可行性。 在查阅相关资料的时候遇到很多困难，国内对洗澡搓澡相关的研究不太升 -13- 入，很难在网上找到与此相关的资料，类似的论文也几乎没见到。但是在老师 的指导下，在杂志期刊上能找到部分洗澡搓澡一体机的发展史。通过对学生、 白领、老人的采访调查，发现洗澡搓澡一体机有较大的市场。通过对比中外的 研究，总结出各类型洗澡机存在的优缺点，在此过程中遇到了很多的困难，但 是在老师的帮助下都逐个解决。 -14- 2 洗澡搓澡一体机的研究 2.1 电机的选择 电动机的选择包括选择类型、结构形式、容量和转速，并确定型号。 2.1.1 电动机的类型和结构的选择 工业上一般用三相交流电源，没有特别要求的时候，一般选择三相交流异 步电动机。最常用的是 Y 系列笼式三相异步交流电动机。它的效率高、结构简 单、价格低廉，适用于不易燃、不易爆，无特殊要求的场合。由于其起动性能 好，也适用于要求较高起动转矩的机械。 经常起动。制动和反转的机械要求电动机的转动惯量较小、过载能力较强， 应该选用起重及冶金用的 YZ 系列或者 YZR系列异步电动机。 电动机的结构形式主要分为：卧式和立式（安装位置不同）；开启式、防 护式、封闭式和防爆式（防护方式不同）等。可以根据安装需要和防护要求选 择适合的电动机结构。最常用的结构为卧式封闭型电动机。 2.1.2 选择电动机的容量 选择电动机的容量就是确定电动机的额定功率。决定电动机的功率时需要 考虑电机的发热情况、过载能力以及起动能力三个因素。一般情况下电动机的 容量主要由发热条件而定。电动机的发热与工作时间有关。对于一些载荷变化 不太大的情况下，并且在常温下连续工作的电机，只要它的输出功率小于额定 功率，工作室就不会出现过热现象，可以不用计算发热情况。 工作时所需功率 w P 工作所需功率应由工作阻力和运动系数确定。 w P 当已知主动轴的输出转矩 T（Nm）和转速（r/min）时，主动轴所需 w n 功率 （kw） 9550 nw w T P 如果给出输送机驱动卷筒的圆周力 F（N）和输送带速度 v（m/s），则卷筒 轴所需的功率为 -15- （kw） 1000 v w F P 输送带速度 v 与卷筒直径 D（mm）、转速的关系为 w n v=（m/s） 100060 nw D 电动机的输出功率 d P 考虑传动装置的功率损耗，电动机的输出功率为 w d P P 公式中，是电动机至工作机主动轴之间的总效率，即 n21 其中，为传动系统中的各级传动副、联轴器和各对轴承的效率。 n21 、 确定电动机的转速 同一类型的电动机具有多种转速。高转速电动机的尺寸和质量较小，价格 较低。但是传动装置的总传动比、尺寸质量增加。低转速的电动机情况与之相 反。因此，选择电动机应该结合以上因素考虑。各级传动的传动比范围如下表 2.1 所示。 表 2.1 机械传动的单级传动比推荐值 类型平带传动V 带传动圆柱齿轮传动圆锥齿轮传动蜗杆传动链传动 推荐值2-42-43-6直齿 2-310-402-5 最大值5710直齿 6807 为了达到便携性，在踏板链轮处安装一个直流电动机，来实现机器的手动和 自动随意转换的功能，大大提高了用户体验。 2.2 传动装置的设计 洗澡搓澡一体机的输入功率 P：50-60w，输入转速 n：15-60r/min. 洗澡搓澡一体机是一款利用机械传动实现搓澡按摩的机器，是一款既科学 又环保的机器。机械传动机构主要分为：链条传动、齿轮传动、曲柄滑块，链 条传动主要采用单排滚子链作为传送介质，其中，有两条紧轮起导向、张紧链 -16- 条作用；齿轮传动部分主要采用圆柱直齿齿轮，有两对外啮合齿轮，分别位于 链轮的两侧，在传动过程中起到了平衡传输功率的作用；曲柄滑块主要是由曲 轴、连杆、滑块三部分构成，来起到搓澡按摩的作用。 2.2.1 三大传动机构的分布及其功能的实现 图 2.2 传动机构图 链轮 1 装在踏轴 1 上，链轮 2 装在踏轴 2 上，链轮 1 链轮 2 由单排滚子链 连接；踏齿轮 2 分别分布在踏轴 2 上，在链轮 2 的两侧对称分布，踏齿轮 3 分 别分布在与踏齿轮 2 相对应的位置踏轴 3 上，分别与对应的踏齿轮 2 互相啮合； 曲柄滑块机构有两组，对称分布在踏轴 3 上，两踏齿轮 3 之间。传动装置如上 图图 2.1 所示。 功能的实现：驱动踏轴 1-链轮 1 转动-带动链条运动-链轮 2 转动-踏轴 2 转动，踏齿轮 2 转动，搓澡按摩装置 1 工作-踏齿轮 3 啮合转动-曲柄滑块工作- -17- 搓澡按摩装置 2 工作。三位效果图如下图图 2.2 所示。 图 2.3 三位传动机构图 2.3 总体尺寸设计 洗澡搓澡一体机的总体尺寸的设计要求：椅子的总体尺寸要求要合理，经 济科学，用最合适的尺寸来发挥最大的作用。 洗澡搓澡一体机的总体尺寸的设计方案： 根据一班家庭的椅子、沙发以及按摩椅的外观结构尺寸调查发现，长为 500-1200mm，宽为 400-700mm，椅子离地面的高度（可调节）为 500- 750mm。 洗澡搓澡一体机结合本身的结构特点、综合因素，合理的设计尺寸如下： 长为 500mm，宽为 650mm，最低高度为 600mm，前支座距椅端面的距离为 400mm，踏轴 1 距椅面 320mm，总体尺寸视图如下图 2.3 所示。 -18- 图 2.4 总体尺寸图 2.4 链条传动设计 2.4.1 链传动的主要参数 链传动设计需要确定的主要参数有：链节距、排数及链轮齿数、传动比、 中心距、链节数等。 链的节距及排数 链节距越大，则链的零件尺寸越大，承载能力越强，但传动时的不平稳性、 动载荷和噪声也就越大。链的排数越多，则其承载能力越强，传动的轴向尺寸 越大。因此，选择链条时应在其承载能力要求的前提下，尽量选用较小节距的 单排链，如果是高速大功率，应选择小节距的多排链。 链齿轮数和传动比 为保证传动平稳，减少冲击和动载荷，小链齿轮数不宜过小（一般大于 1 Z -19- 17），通常按表一选取。大链轮齿数=i，所以不宜过大，齿数过大不但 2 Z 1 Z 2 Z 会增大传动尺寸和重量外，也会出现跳齿和脱链的现象。通常8 1 Z 172135 滚子链的传动比 i（i=/）不宜大于 7，一般推荐 i=2-3.5，只有在低速 2 Z 1 Z 运动时 i 才可取较大些。i 过大。i 过大，链条在小链轮上的包角减小，啮合的 轮齿数减小，从而会导致轮轮齿的磨损。 中心距和链节数 如果中心距过小，则链条在小链轮上的包角减小，从而导致严重磨损，并 且容易产生跳齿、脱链的现象。同时链条的绕转次数增多，加剧了疲劳磨损， 从而影响链条的寿命。如果中心距过大，则链传动的结构过大，从而导致链条 松边的垂直度大产生抖动。 2.4.2 链传动的计算 选择链轮齿数、 1 Z 2 Z 初定传递功率 P=100w=0.1kw，转速=60r/min，传动比 1 n =60/40=1.5。初步估计链速 v0.6m/s，希望结构较紧凑，由上表 2.4 12 i 21 n/n 可查得小链轮齿数=19，大链轮齿数=191.5=2817-226614-70 22-3087 0.25-0.4 18-90 30-3810822-110 38-4412828-140 44-50149 0.4-0.6 36-160 踏齿轮 2、踏齿轮 3 都采用平键来传递扭矩，踏齿轮 2 采用 6610mm 的 平键，踏齿轮 3 采用 8714mm 的平键。 3.3 本章小结 本章主要通过对齿轮的参数和啮合要求来确定齿轮的尺寸，分析机构的工 作条件和磨损情况进一步来确定适合的尺寸，来完成机构的正常运转，一共 2 组，共四个踏齿轮 2 和踏齿轮 3，踏齿轮 2 为主动轮，通过齿轮之间的啮合来 实现动力传输，从而带动机构的传动。通过确定齿轮的结构尺寸进而可以确定 键的尺寸标准。 -24- 4 轴的设计 4.1 轴的设计方法 轴的设计步骤主要分为以下六步： 根据轴的工作条件选择轴的材料，确定许用应力。 根据扭转强度估计轴的最小直径。 设计轴的结构。 按弯扭合成进行轴的强度校核。 对轴进行修改再次确定轴的直径。 绘制轴的零件图。 4.1.1 轴的材料及其选择 轴的常用材料有碳素钢与合金钢。碳素钢对应力集中在一起的敏感性比较 低，还可以通过热处理来改善其他的综合性能，价格也比合金钢要低廉，因此 应用较为广泛，一般常用 45 钢。合金钢具有更高的的机械性能和更好的淬火性 能。因此，在传动大动力，并且减小尺寸与质量的前提下，提高轴颈的耐磨性， 以及处于高温下或低温条件下工作的轴，一般采用合金钢。 在一般温度下碳素钢的弹性模量大致相同。因此，用合金钢代替碳素钢并不能 提高轴的刚度。各种处理（高频淬火、淬碳、氮化等）以及表面强化处理（喷 丸、液压等），对提高轴的抗疲劳强度都有明显的效果。 4.1.2 轴设计的主要内容 轴的设计主要包括工作能力计算和结构设计两方面内容。 轴的结构设计根据轴上的零件装配、定位以及轴的加工等方面的要求合理 的确定各部分的形状尺寸。轴的设计是否合理会直接影响轴的工作能力和轴上 -25- 零件的工作可靠性，还会直接影响到轴上零件装配的难易程度。因此，轴的结 构设计是非常重要的内容。 轴的工作能力计算是对轴进行强度、刚度和振动稳定性的计算。对于一般 的机械轴，只需要对轴进行强度计算，来防止断裂变形；对于有刚度要求的轴， 还需要进行刚度计算，来防止轴发生过大的弹性变形；对于高速转动的轴，还 要进行振动稳定性计算，来防止发生共振导致的损坏。 4.2 各轴的结构设计 轴的结构设计主要有以下几个因素：轴在机器中的安装位置及形式、轴上 零件的布置和固定方式、轴的受力情况、轴的加工工艺过程等。 轴的结构应该满足：轴和轴上零件要有准确、牢固的工作位置；轴上零件 装拆和调整比较方便；轴具有良好的制造工艺性。在洗澡搓澡一体机装置中， 有三种运动的轴：踏轴 1、2、3。这三根轴分别起到动力传输、驱动搓澡按摩 的作用。 踏轴 1 的设计： 踏轴 1 是个阶梯轴，是第一个输入接收轴，并带动链条工作。踏轴 1 上装 有齿数为 19 的链轮 1 和深沟球轴承以及踏板的连杆。踏轴 1 的结构图如下图 4.1 所示。 图 4.1 踏轴 1 的结构设计图 踏轴 1 的 c 端安装齿数为 19 的链轮，采用平键周向定位，卡环轴向定位， 在 c 区平键两侧有卡环槽。b、d 区是安装轴承，采用轴肩定位并且 b、d 的直 径小于 c 的直径，基轴是过盈配合。a、e 区是安装踏板连杆，两轴端有铣扁， 各轴端铣两面，用于周向定位，传递转矩采用卡环、轴肩定位，轴两端设有卡 环槽。 踏轴 2 的设计： 踏轴 2 是阶梯轴，是第二个输入接收轴，用来驱动齿轮和搓澡按摩器 1 工 -26- 作。踏轴 2 装有齿数为 28 的链轮 2、搓澡按摩器 1、轴承和齿轮。因此，踏轴 2 的结构如下图 4.2 所示。 图 4.2 踏轴 2 的结构设计图 踏轴 2 的 d 端安装齿数为 28 的链轮，采用平键周向定位，卡环轴向定位， 在 d 区平键两侧有卡环槽。c、e 段安装搓澡按摩器 1，c、e 段各铣两端用于周 向定位，传递扭矩，基轴是过盈配合，采用轴肩轴向定位。b、f 段安装齿轮， 采用平键周向定位，轴肩、套筒轴向定位。a、g 段安装轴承，基轴是过盈配合。 踏轴 3 的设计： 踏轴 3 是曲轴，是第三个输入接收轴，带动搓澡按摩器 2 工作。踏轴 3 装 有搓澡按摩器 2、齿轮和轴承。因此，踏轴 3 的结构设计图如下图 4.3 所示。 图 4.3 踏轴 3 的结构设计图 踏轴 3 的 c、d 段安装按摩器的连杆。采用双轴肩轴向定位，基轴是间隙配合。 b、e 段安装齿轮。采用平键周向定位，轴肩、套筒轴向定位。a、f 段安装轴承， 轴肩轴向定位，基轴过盈配合。 4.3 各轴尺寸、强度计算 对于只受扭矩作用或者主要承受扭矩作用的传动轴，应该按照扭转强度条 件计算轴的直径。对于既受弯矩又受扭矩的轴，在还没有设计出轴的结构之前， 通常不能确定支反力和弯矩的大小，只能按扭转强度条件估算最小直径， min d 用降低许用扭转剪应力的 0000000000000000000 办法来补偿弯矩对轴的强度的 影响。 踏轴 1 的尺寸、强度计算： 输入功率 p：70-100w，转速 n：60r/min -27- 由于中小功率选用 45 调质钢，查阅机械设计基础得强度极限 =650Mpa，按脉动循环处理得=70Mpa；查阅机械设计基础得 c=107- B OB 118，因此，轴两端的直径为： d=12.7mm，由于轴两端铣扁的存在，直径n/p 3 C60/1 . 0118107 3 ）（ 会加大 3%-5%，因此，直径 d=13-14.7mm。 a、e 两端装有踏板连杆，取13mm，mm，b、d 两端 ea dd25 ea LL 装轴承，根据轴承的选用条件，mm，mm，在 c 端安17dd db 18 db LL 装齿数为 19 的链轮，考虑链轮的选取条件，取mm，mm。22dc56 c L 踏轴 1 的全长为 142mm，套用自行车踏轴的最小直径 d12mm，所以， 踏轴 1 的强度符合要求，不需要进行强度校核验算。 踏轴 2 的尺寸、强度计算： 输入功率 p：0.1kw，转速 n：40r/min，属于中小功率，材料选用 45 调质 钢。查阅机械设计基础得强度极限=650Mpa，属于脉动处理。 B =70Mpa，查阅机械设计基础得 c=107-118，因此轴两端的直径为： OB d=14.5-16mmn/p 3 C40/1 . 0118107 3 ）（ 由于考虑到轴承选用的安装，取最小轴径mm；考虑到 b、f 段17dd ga 需要安装齿轮，所以mm，考虑到 c、e 段需要安装搓澡按摩器 1，20dd fb 取mm，考虑到 d 段要安装链轮，取mm。24dd ec 28dd 4.4 确定各轴轴长 考虑到轴承的选用和安装，齿轮用套筒轴向定位，取mm，32 ga LL mm，考虑到搓澡按摩器 1 的安装以及箱体的安装。最后确定28 fb LL mm，考虑到链轮 2 的安装，取mm，踏轴 2 的全长为121 ec LL58 4 L 420mm。 踏轴 2 的强度计算：已知踏齿轮 2 的圆周力N，径向力420 t21 t FF -28- N，轴向力N，mm，=320mm，轴的受力图120 r2r1 FF60 a F50 31 LL 2 L 如下图 4.3 所示。 图 4.3 轴的受力分析图 在 H 水平面的受力分析图如下图 4.4 所示。 图 4.4 水平面受力分析图 /=420N