人体髋关节仿生试验机设计-机械毕业设计说明书论文CAD图
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摘 要本次设计主要将该试验机分为三个部分来逐一设计。首先是对仿生部件进行研究设计，使其可以完全模拟人体髋关节的功能，选择适合的材料，对其进行运动分析以及运行时磨损的分析；其次通过计算选择合适的电动机，确定电动机的各项参数。最后通过计算选择合适的液压缸，确定其各项参数。因为在仿生试验时，要将三者组合在一起进行运动模拟，此时必须提供与人体髋关节相似的环境，这样才能使得运行时的磨损情况与其相似。此次设计决定采用最大负荷为1.2t的试验机，发动机主轴转速确定为70rpm。通过各项对比，决定采用直径为 60毫米的腿骨。通过这几项数据以及参照研究文献来计算该试验机各部分的具体数值。使得三个部分直径可以很好的装配，来实现其运动流程。利用发动机带动主轴旋转，主轴与偏心轴之间用齿轮啮合，从而带动偏心轮的旋转，进而使整个仿生部件旋转。液压机给人工髋关节提供压力，模拟出人体髋关节受到人体的压力。同时人工髋关节的髋臼座与股骨球头的配合，股骨球头的旋转使其必定会与髋臼座之间产生磨损，利用这一点进行关节磨损试验，来模拟人体髋关节在人体中的磨损（当然二者之间的试验环境必须保持相似）。关键词 人体髋关节仿生试验机；磨损试验；运动流程AbstractThis paper is mainly for the design of human hip simulator. Human hip bionic test machine is mainly composed of hydraulic cylinder, electric motor, bionic part, etc. The test machine works by installing the components that can simulate the completion of the human hip joint in the relevant position of the test machine, giving the bionic test machine a certain load to simulate the weight of the bodys hip joint, and ensuring that the component can exercise regularly over a period of time. Wear is inevitable because the test opportunity moves under mechanical control. The wear and tear of the whole test machine can be similar to that of the human hip joint by studying the relevant data, conducting experiments and testing the properties of the materials used. In summary, the maximum load of the test machine selected for this design is 1.2t, and the spindle speed is determined to be 70rpm. The simulated leg bone with a diameter of 60mm is selected to determine its maximum torque, according to which the normal operating power of the engine is determined, the minimum diameter is calculated, and the dimensions of the main parts are determined according to the above data. Finally determine the movement flow of the test machine: through the motor to drive the operation of the test machine, the use of couplings to drive the rotation of the spindle, and drive the eccentric wheel rotation, so that the entire component around the center axis rotation. In order to simulate the wear and tear of the hip part of the human body, experiments can be made using the friction between the rotation of the ball head and the grooves secured to the seat.Keywords artificial joints hip motion analysis friction analysis35目 录摘要IAbstractII 1 绪论11.1研究背景11.2人造关节11.3髋关节置换术21.4髋关节仿生试验机的研究重点22方 案52.1摩擦学的基本背景52.1.1表面力学52.2髋关节的组成及其运动方式解析52.2.1人体髋关节组成52.2.2人工髋关节组成62.3 设计方案72.3.1:方案一：82.3.2方案二92.4 机械传动部分的运动分析112.5关节假体的疲劳分析142.5.1载荷和边界条件152.5.2磨损162.5.3疲劳与磨损分析172.6温控装置分析183设计计算过程193.1初选电机功率193.2主传动轴的设计193.2.1确定材料193.2.2初步确定轴的最小直径193.2.3轴的结构设计193.2.4轴上零件的周向定位203.2.5倒角213.3摆轴的设计213.3.1材料的213.3.2初步确定轴的最小直径213.3.3初步设计轴各段尺寸大小223.4液压缸的结构尺寸设计223.4.1液压缸主要参数的确定223.5 装配图及主要零件图设计253.5.1装配图草图253.5.2零件图草图264零件校核274.1主传动轴的校核274.1.1轴上承受的负荷274.1.2校核轴强度274.2轴承的校核294.3摆轴校核304.4校核摆轴上轴承325设计说明335.1重要部件加工工艺335.2润滑及密封33结论34致谢35参考文献36 1 绪论1.1研究背景随着人的年龄不断地增长以及生活中发生的各种意外事故，人体的关节会受到许多的伤害，在以前，人们只能通过外物的辅助来暂时保证自己的生活条件不受影响，比如轮椅和拐杖来帮助人们行走等。但是因为现代社会科技的不断发展，人们开始将目光放在了人体内部，希望通过一种方法能使得人体关节复原，在不借助外物辅助的情况下来使人们恢复到以前的生活。于是用人工关节来替代人体已受损的关节的方法被研究出来了。而人工髋关节的置换则使人工关节置换中最为典型的。全球每年大概会做100多万起髋关节置换手术，接受手术后的人可以极大地改善自己的生活质量，让自己可以行走。单单是我国，每年就会有将近300多万人因为各种天灾人祸导致自己的骨骼受损，从而不能行走。所以说髋关节置换手术在我国的需求量是十分巨大的。但是现阶段，该实验仍面临着一些未曾解决的难题。比如说人工髋关节在人体内长期使用后会发生磨损变形，从而影响到它的使用寿命。现阶段还没有找到一种材料可以完美地契合人体。所以说人工髋关节置换仍需要专家们不断研究改进。本次毕业设计侧重于通过研读各种资料来丰富自己，为自己接下来的髋关节试验机的设计打好基础。为了完成这一目标，则需要将所有的变量完全控制好，例如在进行试验时，必须保证试验环境和人体内环境相似，温度控制在人体正常温度。所以说我们还需要额外设计出一套成熟的温控系统。1.2人造关节在临床治疗上，患者因为关节损伤而不能正常活动这一病症一直困扰着专家们，为了解决这一现象，人造关节从此诞生。它被用来代替患者损伤的部位，从而让人体可以再次实现因关节损伤而不能进行的活动。经过几十年科学家的不断研究，人工关节以及被开发出许多种类，比如说人工膝盖关节，人工髋关节，人工肩关节等等。因为要将人工关节和人体受伤的关节进行替换，所以说必须得进行手术，这肯定是有风险的，所以说只有不断地完善人工髋关节，让其可以使用更多年限，来减少手术的次数。现如今，一个正常的人工髋关节最多能够使用20几年。随着科技的不断进步，我相信人工关节的寿命还有很高的提升空间。又因为人工关节替换手术的成功率不断上升，我相信在不久的将来，人工关节的替换将成为一项基础的技术来增加人们的生活品质。1.3髋关节置换术按照人们理想的情况，当进行过髋关节置换手术后，人工关节可以永久性地在人体内使用。但是这显然是不可能的，人体髋关节在植入人体后因为不停地运动必定会受到损失。大大减少其使用寿命，虽然可以再次进行髋关节置换来延长其使用寿命，但是手术并不是没有风险的，尤其是对于已过古稀之年的老年人来说，能避免手术就需要尽量避免。所以说，必须想办法进一步完善人工髋关节，来使它可以在人体内多用一些时候。目前是有以下几种方向：1.尽量想办法减少髋关节在人体内运转时所遭受到的磨损，这就要从摩擦和润滑的角度来考虑。但是毕竟环境是人体内，所以说想要加大润滑的话几乎很难实现，而减少摩擦的话也很困难，因为人体的活动是十分复杂多变的。2.选择更合适的材料，这个就需要科研人员的不断努力了。本次髋关节的设计主要从减少磨损这一方面考虑。通过三个部分的研究来减少人工髋关节的磨损。1：钻研髋关节在活动时的运动规律，它们的接触点是哪些，主要磨损的地方是那些。2：研究人工髋关节的材料，以及设计出的形状。髋臼座和股骨球头的材料的选择来增强它们的抗磨损性。股骨球头的形状来更好地契合髋臼座，减少其接触面，从而减少磨损。3.认真研读各类科学文件，学习专家们为解少磨损而采取的一系列行动。1.4髋关节仿生试验机的研究重点主要研究其运转时的磨损，磨损的程度决定该试验机是否设计地成功。因为人工髋关节的使用寿命大多数是由其运转时受到的磨损情况决定，而且过度地磨损还会对人体产生危害，比如说会导致整个人工髋关节不能正常运转，甚至使关节脱落。因为磨损而掉下来的微小颗粒也不会自然分解或者被人体排出，只能堆积在人体中，对人体骨骼、肌肉等造成严重伤害。尽管磨损的危害极大，研究人员也在不断地试验想要找出髋关节的摩擦规律，但是直到现在，人工髋关节的摩擦规律仍然没有被完全破解。因为技术的限制，人工髋关节无论是运动规律还是各部位的受力，都不能和人体髋关节完美对应。但是我们在进行试验时，还是得考虑所有能考虑的因素，尽量使人工髋关节达到实物的标准。所以说它的运行必须与人体髋关节尽可能完全相同，试验的环境也必须和人体内环境完全相似，这样才能保证我们最后试验得出的数据具有参考意义。在进行磨损试验时，短时间的运行是完全没有意义的，必须尽可能地延长其运行次数，现阶段要求进行磨损试验时，人工髋关节运动次数不得少于3*106转，这需要很长时间的运转。又因为本次实验只做一组数据是完全不行的，必须用多种工作原理相同但是数据不同的仿生部件来进行试验，如果真要一次次进行试验的话，效率低下，需要很长的时间。所以说在本次试验中，我选择做出四件结构相同但是数据不同的仿生部件，用一个电动机通过齿轮啮合带动它们运转，同时使用一个液压缸对这四个部件同时施加压力，来大幅度地减少实验时间，加大实验效率。不同年龄、身体状况的人，他们的需求是不同的，所以说不能用同一种髋关节置换方法来治疗他们，这时候就需要研究出面对不同情况下最适合的置换方法来满足病人的需要。本次论文主要介绍其中的两种：全款关节置换手术；重修的髋关节置换术。如下图。图1.1 全髋关节置换手术 图1.2重修的髋关节置换术图1.3植入物材料的连接图1.4 圆度，粗糙度和波纹它们二者之间最大的差异就是替换的骨头数量不同。全髋关节置换术是用股骨球头加上金属骨柄包裹在股骨上，与人工制造的髋臼座连接。而重修的髋关节置换术则只是用金属杯和套覆盖股骨，替换的骨头会少一点。髋关节置换术中经常使用的材料主要有塑料（P）,金属（M）以及陶瓷（C）。这些材料具体用于不同的部位，比如说塑料因为重量轻，不易腐蚀骨骼，经常被用于套子套在骨骼上，金属和陶瓷则是因为其强度高，耐磨损，经常被用于髋臼座以及球头。由于历史因素的影响，国内对于髋关节方式实验是没有外国那么深入的，在国外已经制造出可以用来测试摩擦性的机器时，国内还并未对该项目进行系统性的研究，所以说国内对于髋关节的研究其实是远远落后于国外的，但是国外一开始制造的机械功能过于单一，不能够完全仿真地模仿人体髋关节的运动状况，同样地也不能模拟其摩擦状况，所以说这类机器并没有被广泛地使用。我国作为研究人工髋关节地后起之秀，不鸣则已，一鸣惊人。通过不断吸收国外机械地缺点加以改正，还不断地创新，最终研制出了我国自己的人工髋关节方式试验机，相较于国外的试验机可以更好地模仿人体髋关节的真实运动状况，磨损状况也比国外的机器更加准确，最后得出的书籍也更加的精确。但是毕竟国外研究的早一点，我在网上只能找到他们研究时记录的数据。在下表中。表1.5模拟试验机设计数据2方 案2.1摩擦学的基本背景2.1.1表面力学设计人工髋关节仿生试件时，主要的摩擦发生在其髋臼座与球头之间，因为二者是人工配合的，所以说必然会产生一定的间隙。当研究物体表面的摩擦时，表面越粗糙，不规整的话，受到的摩擦就会越大。虽然在计算时，我们会默认髋臼座与关节球头之间的接触面是球形，但是我们必须得明白，关节间的接触表面不可能是完全规整的球形，最多在还未运动之前偏向球形，当人工髋关节进行长时间运动后，接触面的粗糙程度会慢慢加剧。这时候如果按球形来计算关节之间的摩擦，会产生非常大的误差。所以说为了避免在计算时，结果和实际有着很大的差距，我们能需要利用两个名词粗糙度Ra和平方根粗糙度Rq。他们之间的关系如下 Ra=1ni=1nyi和Rq=1ni=1nyi2 i=1.2n （2-1) 2.2髋关节的组成及其运动方式解析2.2.1人体髋关节组成图2-1髋关节的组成 图2-1所展示的为人体的髋关节，他的主要作用就是带动腿骨的运动，使得人体完成一系列的运动。同时延缓人体上半身所受到的压力。髋关节髋臼里面充满了脂肪，当受到过大的压力时，髋臼里面的脂肪会被挤出来起一个缓冲作用。同时，在日常生活中会发现我们腿骨虽然可以左右旋转，但是旋转角度绝对不会超过180度，这是因为髋关节出还有髋骨韧带，他会阻止大腿大幅度的向后转，避免人体肌肉产生损伤。髋关节对于人体十分重要，所以说我们必须要重视髋关节的保护，不能够长时间的站立与坐下，注重休息，不要给髋关节太大的负担，从而减少髋关节的磨损，还要注意保暖，因为髋关节运行的最适宜的温度即为人体体温。用电脑模拟2-2所展示地动作曲线，计算得出2-3.可以看出点在运动地时候基本上是按照椭圆形轨迹运动的，但是也不是所有的都按照椭圆形轨迹运动。这更加说明了其运动造成的摩擦力的方向是不确定的，是多种力合成产生的效果。图2-2 运动曲线 图2-3 运动轨迹2.2.2人工髋关节组成图2-4所示为现阶段最常见的人工髋关节实物，它主要是由股骨球头、骨柄和髋臼杯组成。骨柄是用来与大腿腿骨连接，髋臼杯是和股骨连接，股骨球头和髋臼杯的结合模拟了人体髋关节关节球头和髋臼座的结合，可以实现球头绕着轴线转动。其实髋关节置换并不是一定要完全置换，当人体的髋关节只有部分损坏时，完全可以用部分原件来替换，这样可以更好的和人体契合，减少手术的工作量，同时也能减少手术带来的风险，以及加快术后的适应与恢复。图2-4人工髋关节实物照片为了使人工髋关节可以很好地在人体内运转，在进行髋关节置换术之前，必须得对人工髋关节进行一系列的实验，确保其功能正常。实验是选择将人工髋关节的各部分安装在试验机上，保证其组合的方式和人体髋关节一致，通过发动机带动旋转，模拟人体腿骨球头的旋转运动。再通过液压机给予其压力，模拟人体髋关节受到的压力。只有进行过严格的实验，记录下各种实验数据，最后才能确定该人工关节是否符合病人的要求。图2-5 人工髋关节仿生试验机2.3设计方案在设计时，为了使自己设计分工明确，我们首先得确定设定得步骤。在设计人体髋关节仿生试验机时，我主要将其分为三个步骤：首先设计其机械传动部分。这一部分主要研究人工髋关节的运动方式，保证其运转可以很好的与人体髋关节相似。其次设计的就是其温控部分了，这一部分主要是为了给试验机的运转提供与人体内部相似的环境。起控制变量的作用；最后设计的就是其液压部分了，主要功能是给人工髋关节提供压力，模拟人体髋关节在日常生活中受到的负载。本次设计为了尽可能地减少实验时间，最终决定使用一个电动机带动四个数据不同但是工作原理一致的试件，这样可以在同一时间内得出四组数据，大大提高了实验效率。2.3.1:方案一：在安装人工髋关节试件时，必须要注意以下几点：1.股骨球头的圆心一定要与发动机主传动轴的轴线在同一条直线上。2整个试件座必须固定在偏心轮上。3.必须使用液压机给关节提供压力，让球头靠近髋臼座，模拟人体髋关节受到的压力。为了可以让试验机的工作模式得到切换，选择通过插入和拔出固定销。还是一样的，方案一中还是选择一个电动机带动四个试件同时进行实验，通过齿轮啮合的方式来驱动四个试件，大幅度提高实验效率，同样的，利用一个液压机对四个试件提供压力。2.3.1.1多向复合滑动模式要实现多向复合滑动模式，需要插入固定销。此时主传动轴本应带动偏心轮作360度的周期旋转，但是因为装置上安装了一个防转杆，它的一段固定子啊主传动轴的外壳上，不会随着主传动轴的旋转而旋转，另一端固定于活塞杆的外壳上，同样不会随着活塞杆的上下活动而运动。此时将试件座等固定于防转杆上，当偏心轮带动试件座旋转时，防转杆会产生一种与旋转方向相反的阻力来阻止其进一步的旋转，同时在此阻力和旋转力的合力作用下，试件会随着主传动作周期往复的摆动。2.3.1.2旋转方式第二种运动方式：旋转方式则是拔出试件座固定于防转杆上的固定销，此时因为试件座与偏心轮连接，所以说在发动机的带动下，试件座会随发动机的旋转而旋转。为了减少球头与试件座之间的摩擦，降低磨损，此时需要在试件座的上方、与球头连接的地方加入润滑油。图2-6方案12.3.2方案二第二种方案工作原理相较于第一种而言较为简单，但是其需要的试件也更多了，需要两个发动机来带动试验机运动。首先试验机的上方需要加上一个发动机，目的是让其通过齿轮啮合带动关节球头绕试件座旋转。注意，这里的旋转是指球头以轴线进行旋转，相对于人体髋关节的功能来说是远远不够的，所以说这时需要在下方再安装一个发动机，目的是让试件座绕着轨道旋转，这样子相对于球头来说，所作的运动就远远不止绕轴线旋转了，还多了类似多向摆动的运动，使得实验更加准确。同样的，该方案仍需要一个液压机来给整个装置提供压力。也需要田间润滑油来给球头与试件座之间减少磨损。图2-7方案二通过比较两个方案，最终选择方案一作为本次报告的设计方案。因为方案一所需要的装置更少，在进行实物设计以及安装的时候更为简单。下面附上方案一设计出来的人体髋关节仿生试验机的草图。图2-8装配草图2.4 机械传动的运动分析电动机通过齿轮带动轴旋转，导致支撑斜面旋转，试件和摆轴绕着主传动轴的轴线旋转（圆锥），而同时间，固定于试件座上的防转杆会阻止试件座进一步的旋转，产生一个与旋转方向相反的阻力，两者的合力在摆轴上，会让他发生转动。其运动原理图如下。图2-8运动原理图空间机构自由度： F=6ni=15Pi （2-2）有五个运动链的构件，其中有三个V级副和两个IV级副 F=6515342=1 （2-3）当F等于运动件个数时，构件之间才会发生相对运动，本次设计中原动件的数量是1，该系统的机械传动是符合条件的。试验机可以正常地运转。 此次设计BRM型试验机。该类试验机运转的时候，主要是通过下方的电动机带动髋臼座旋转，因为电动机和髋臼座之间存在偏心轮，这使得其旋转方式更加具有多向性，不是单纯地绕着一个固定地轴旋转，这也使得在与上方地关节球头接触时，二者之间地摩擦更具有多向性。为了研究其摩擦地具体情况，我们选择在球头上面确定点位，研究其相对于髋臼座的轨迹。又为了可以更加简便地叙述，我们以水平方向为x轴，垂直方向为y轴（x、y轴其实也分别对应两个中心轴），作一个直角坐标系。假设该轨迹与x轴、y轴之间的角度分别为，。则可以绘出接触面上点的运动图。即图2-9。图2-9 摩擦面运动波形图以此为基础，通过在试件上找出几个定点，来计算得出它的运动轨迹。图中可以看出来，不同位置的点，对应的运动曲线也是不一样的。因为关节球头上方的运动轨迹为圆型，此点之外找点的话，它们对应的轨迹就不是标准的圆形了，而且越远离这个点，轨迹就愈发偏向于不规则的椭圆。当距离该点到极限时，会呈现出一个类“8”字的轨迹。选择在髋臼试件中不同的地方插入若干针头，然后再重复上述试验，在实验进行一周后取下，使用显微镜仔细观察关节球头上划痕的轨迹。他们用这种方法来校验上述实验的正确性。最后可以看出在试件表面留下的划痕轨迹在趋于关节球头的顶端时趋于圆形。图2-10 BRM试验机运动轨迹 图2-11 关节球头划痕轨迹 人工髋关节仿生试验机的传动机构部分必须得满足以下两种条件，这样才能保证实验的精确。第一：试件在运动时必须保证其运动的多方向性，而不是刻板地选择其运动方向。第二：关节球头地摩擦表面上各个点必须不断改变其运动状态。 2.5关节假体的疲劳分析关于关节假体与人体关节的对应，现可知：髋关节之间的骨连接可以用固定连接。密制骨与松质骨在人工关节中可以以股骨对应，髋部茎可以用线性各向材料对应，骨水泥等等也是一样。根据2-12可以看出，皮质骨是与上述部位不同的，它是一种具有直线性质的材料，它受力情况主要发生在两个呈正交的情况。其坐标基础主要是以股骨决定，例如x轴是对应其内部的方向，y轴是对应其远处的方向，z轴则是对应其前端方向。 表2-1髋关节各部分数据髋关节组件元素模态材料皮质骨17,85034,233矫性材料松质骨7,06212,203E=2.7Gpa,=0.35骨水泥4,3008,172E=2.7GPa, =0.35髋部茎22,27935,102E=230MPa,=0.32.5.1载荷和边界条件设计时需要保证关节远端的受力均衡，来保证其不受动态负荷的影响。根据图2-13b分析，为了模拟人体髋关节受到的来自腿部（支撑身体）的力，所以我们会在人工髋关节大转子处，以1250N的力来给他施加压力。模型对应为图2-13。静态分析是研究人体在走路的时候，髋关节受到的载荷。我们以平均体重为3000N的人体来模拟。图2-13髋关节的受力分析图2-14具体受力情况应力的大小满足要求，每次都是在2.8秒处观察到其最大应力值（约264.Mpa），小于各自使用材料的许用应力。当骨水泥受到高应力时，通过观察图2-15可以看出，在其厚度较低的部分（小于1mm处）发现了其应力。图2-15骨应力分布图 表2-2应力变化趋势表2-2应力曲线2.5.2磨损磨损指零部件在日常使用中的损耗，比如接触面如果粗糙的话，其磨损就会加大、二者之间相对位移很大的时候，磨损同样也会很大。这种损耗会使零件的体积变小。在该试验机中，我们需要采取一定的方法来减少磨损。人工髋关节的磨损主要发生在使用粘合剂安装试件时，会对其产生磨损。如果安装时对那一部分不满意，或者是某一部分的外表面出现一些瑕疵。这时候需要使用磨料来对其进行打磨，就会产生磨损。（2-4） （2-5）为了研究出S滑动距离，我们需要进行实验来测量在一个行走周期里，髋关节发生的滑动距离。但是由于人体髋关节内部的情况我们不得而知，所以说只能从网上查询一些资料，最后得出人体髋关节的运动流程。首先在人体向前行走一步的时候，髋关节的腿骨球头会先向里面收缩，然后在向前迈步的时候会旋转。为了计算髋关节的滑动距离，我们可以利用三角函数，通过测试滑动方向与人腿骨的角度，再查询资料找出人体腿骨球头的平均半径（20.25mm），这样就能轻松计算出其滑动距离。最终通过实验得出，人体在走一步的过程中，腿骨旋转了81度,即1.40radS= r1.40=28.35mm （r是关节球头的半径）h=kwS=0.00000035140.002835=1.38915107mm（h为磨损深度）本次实验设计的人工髋关节的寿命定为至少15年，查询资料得知，正常人每年大概会走106步，我们按照最小值来计算，得出髋臼座与关节球头的接触表面至少要加厚2.08mm，相比之下在髋臼座上加厚较为方便。2.5.3疲劳与磨损分析因为人工髋关节不停地运动，会致其材料疲劳，减少其寿命。所以在设计时，必须得对其进行疲劳分析。通过上文中对于设计出来的模型，利用电脑进行仿真运行，动态分析，我们可以看出其在2.8s是，受到的应力最大，约为252Mpa。是小于我们设计材料的许用应力的。为了计算出髋臼座满足人工髋关节运行的值，通过计算得出 m 5.98MPa和为2.01MPa。在图2-18中，将计算得出的点标记出来。2-3恒定生命所受力的均值与交变应力 表2-4交变应力虽然髋臼座因为其定位与材料设计导致了它不会受疲劳的影响减少寿命，但是随着时间的推移，人工髋关节不断的运动，它的外型会因为磨损逐渐变化，到最后可能与关节球头不能够完美地啮合。这样会导致该现象愈加恶化，产生更多因为磨损而掉落地碎片。在目前的设计中，关节球头所允许的最大直径为2mm，如果超过这个值，球头就不能和髋臼座很好的啮合，对人工髋关节的正常使用产生影响，磨损情况也会加剧，甚至会导致关节球头与髋臼座之间不能匹配，产生错位。2.6温控装置分析在进行试验时环境温度上需要与人体温度匹配，所以说我们将试验温度定在人体正常体温37度左右。图2-18温控装置模拟图上图温控装置是由电热丝进行加热（通过电热丝发射红外线），温控器的作用是检测设备内的温度，防止温度过高，温控器的另一端连接着加热器的电源。当进行试验时，首先打开加热器的电源，电热丝通电发热，来加热试验环境，当环境温度达到预定值的时候，温控器连接着的热电偶就会检测到环境温度达到预期值，发送信号给温控器，这时候温控器就会自动调，当环境温度过高时，就会断开电路，让加热器断电降温；当环境温度低于预期值时，就会打开开关，使加热器通电加热。通过这样的方法来自动调节环境的温度，让环境温度一直保持在与人体差不多的温度下。3设计计算过程3.1初选电机功率本次试验机的设计，我们选取关节球头半径为25mm。整个试验机能够承受的最大负荷为1200kg，电动机带动的主轴以70转每分钟的速度旋转。可知试件能承受的最大正压力为F=mg=11760N（重力加速度g取值为9.8）髋关节试件所受摩擦力f=F=117600.1=1176N（动摩擦因素=0.1）最大扭矩T=fd=11760.025=29.4kg*m假设一个电动机只给一个单元试件提供动力，可以计算出发动机需要的功率由公式T=9550Pn算出 P=0.215KW通过查询相关资料，确定使用Y801-4型三项异步电动机。3.2主传动轴的设计3.2.1确定材料查询相关资料，最终确定选择45钢来作为其材料并对其进行调质处理从而使得该钢拥有更好的综合机械性能，进一步满足试验的需要。查表得其主要参数1b=60Mpa,b=640Mpa,1=275Mpa,1=155Mpa3.2.2初步确定轴的最小直径轴的最小直径是由其所能承受的最大应力而造成的扭矩决定的，只要轴的粗细能够承受其受到的最大扭矩，那么该轴的强度就基本上符合要求。计算公式为： dA(pn)13 （3-1）其中：d 轴的最小直径，mm A 由轴所使用的材料决定，也受到弯曲的影响的一个系数。 P 选用电动机的功率，KW。 n 选用电动机的额定转速，rpm。因为本次实验中，轴的材料选择为45号钢，所以说阅读机械设计手册得A=110。最终算出发动机带动得主传动轴的最小直径应为23.02mm。但是因为装配时不是单纯地将轴放入，与其他零件配合，相连时需要在零件侧面开键槽，这势必会在轴上面挖去一段，导致轴的强度会发生很大的变化。因为本次设计的轴直径是达不到开两个键槽的情况的，所以我们得考虑弥补开一个键槽对轴强度的削弱，这边的解决方法是将轴的整体直径加大0.06倍，得出轴满足条件后直径的最小值为：24.4mm，去除小数点得到25mm。3.2.3轴的结构设计在设计主传动轴时，首先需要确定其大体结构。本次设计的髋关节仿生机器需要用到的轴主要有以下几个方面的作用。首先其一段需要与偏心轴连接，所以说需要设计的细一点，而主传动轴上一般还需要安装轴承，为了使强度达标，必须再次部分设计地粗一点。综合上述情况，最终决定采用中间粗两端细的结构设置。图3-1 主传动轴的结构与装配3.2.3.1轴承的选择选择使用单列圆锥滚子轴承，查询机械设计，因为主传动轴确定的最小直径为d=25mm，所以最终确定选择单列圆锥滚子轴承30208，其参数d=40mm，T=19.75mm，D=80mm，所以d=40mm，lc=55mm。3.2.3.2轴承各段的直径与长度因为需要在A段上安装支撑用的零件，为了保证后期组装的时候，可以准确方便地安装，所以说要在A段上进行定位。通过在A段处设计轴肩来达到这一目的。这要求A段需要有足够的直径和长度。最终确定该处的长度l为30mm，直径r为38mm。B段位于A、C两端之间，该处也需要设计一个轴肩，这样的话在安装零件的时候会更加的便利。同样的，该轴肩也起到了定位的作用使得安装的时候不会安错位置。最终确定其直径d为50mm，长度l和A处一样都为30mm。在D段同样需要采用方法来定位，此处因为夹在C与E之间，且E处直径要比其大，所以说不方便设计轴肩来给其安装零件时进行定位。这时候需要采用安装定位螺母。因为AB处已选择的尺寸，最终决定选用螺距为1.5mm和直径为35mm的圆螺母，其m为10。所以说D段的长度和直径必须满足安装该螺母，最终确定其长度l为30mm，直径d为35mm。因为需要机床加工出该轴，所以说为了加工时的便利，可以设计一个长度为4mm的退刀槽.3.2.4轴上零件的周向定位该轴上安装的零件很多，所以对于定位来说有很严格的要求；同时因为零件多，在安装和拆卸方面也需要尽可能地方便。于是决定使用平键来达到这一目的。根据机械设计，选择普通平键bh=87，L=26mm。其对应的键槽深度在轴t和毂t1上分别为4mm和3mm。同时为了保证轴上面零件可以更好的配合，定位时更高地达到同轴度，所以说最终确定半联轴器与轴选择配合为H8/f7，偏心轮和轴配合为H8/js7。3.2.5倒角将主传动轴上端面等地方的棱角切削成斜面，斜面与水平面之间的夹角为45度。从而可以使组件之间的组装更加方便。3.3摆轴的设计3.3.1材料的选择45钢，调质处理。数据为1b=60Mpa，=640Mpa，=265MPA,=155Mpa。3.3.2初步确定轴的最小直径查手册知其=600,1b=55所以最大弯距 (3-2)由公式：得出最小直径图3-2 摆轴的结构与装配3.3.3初步设计轴各段的尺寸大小首先从外而内确定D段的具体数据。通过观察设计草图可以看出，D处是要用来固定轴承的，必然要设计方法。目前可以用来固定的方法有加轴肩或者用螺母定位等，为了不影响D处的尺寸对其强度产生影响以及方便拆装，决定采用圆螺母。选择直径为33mm，螺距为1.5的螺母。所以说可以借螺母规格初步确定D段尺寸。L=20mm。为了方便加工以及在加工的进退刀时不对C段产生影响，可以在其左边设计一个可以用来退刀的地方。初步决定其长定为5mm。其次设计C段时，因为C段需要用来安装轴承，所以说在考虑其尺寸时，可以参照轴承的选用。本次试验决定采用自润滑轴承，该轴承通过固体润滑剂进行润滑，可以避免使用润滑油时，还要给其另外给其设计一套润滑系统，使得设计更加简洁。也易于拆卸安装。C段的直径要和该轴承一样，但是长度要比他少一点。最终得出其直径r=34mm，长度为38mm。设计B段时，因为需要在其左边安装轴承，所以说同样可以通过参考轴承尺寸来决定其尺寸，此处选择的固定轴承的方法是设计轴肩。通过查询机械设计，选择dh=3339的滑动轴承。因为B处要安装轴肩，所以在确定其直径时要加上轴肩的宽度l=3.5.最终确定其直径D=34+(23.5)=40mm，其长度L=10mm。A段直径30mm，长15mm。3.4液压缸的结构尺寸设计3.4.1液压缸主要参数的确定1.液压缸筒直径的计算查表得其计算公式为： D=4F1p103=41200063.14=50.48mm (3-3)式中：F液压缸受到的最大载荷，N。 P液压缸工作压力，Mpa。为了方便计算以及加工，最终选择缸筒直径为51mm。2、计算活塞杆查询机械原理得其计算公式为： d=D-1 （3-4）式中：D液压缸筒的直径，mm。 指活塞杆伸出和收缩时速度的比值。查表，因为该液压缸的最大压强为6Mpa。所以说取值为1.33。代入上式中得出d=25.4mm。取整得26mm。3、活塞受到推力的大小 F=4D2p=12256.92N (3-5)4、活塞受到拉力的大小 F=4D2d2p=9071.34N (3-6)5、液压缸的活塞能够运行的最大距离想要确定该距离，需要考虑活塞杆的最大长度L。当其长度大于其直径的10到15倍之间时，根据 Lk=2EIFkmm (3-7)可以算出其直径的最大值，但是该式中一些数据还未得到，需要另外计算。其中I的计算公式如下。 I=(d4)/64 (3-8)将式（3-8）带入式（3-7）中得到 Lk=d28EFk （3-9）式中： E 钢材的弹性模量。 d 活塞杆的直径，mm。还剩未知量Fk以及E，Fk其为活塞杆弯曲失稳临界压缩力。其需要满足的条件是：FknkF。其中nk为安全系数，在这里我们取3。F为活塞杆上的作用力，因为我们要求的的是其长度的最大值，所以说，在这里，我们选择其所受到的最大的力F=12256.92N。，最终算出Fk=36770.76N。通过查表得，45钢的弹性模量为2.1105N/mm2将上述数据全部带入式（3-9）得L=2248.89mm。因为活塞杆最大长度为2248.89mm，要远远大于其所需要运行的距离。所以说活塞杆的行程可以满足。具体数值为125mm。6、计算缸筒的长度在确定缸筒的具体长度时，我们需要考虑在其内运动的活塞杆的长度以及其运行的距离。一般来说，其长度只要满足L（2030）D就行。本次试验选用的液压缸长度为225mm，满足这一条件，所以可行。3.5 装配图及主要零件图设计3.5.1装配图草图图3-3装配图草图3.5.2零件图草图图3-4主传动轴图3-5轴承套图3-6摆轴 4零件校核4.1主传动轴的校核4.1.1轴上承受的负荷 需要确定支点的位置，通过分析其受力情况以及计算其各项受力数值，画出受力图。查询机械设计， 30208型圆锥滚子轴承a=16.9mm，作为简支梁的轴的支承跨距l=88.1mm。图4-1弯矩图、扭矩图和弯矩图4.1.2校核轴强度 分析受力情况分析作用力，分解成 x方向和y方向，做出受力简图。并且分别就算出到的支反力的各项数值以及零件作用于轴上的力的数值，在画出计算简图。支反力的计算首先计算作用于轴上的径向、轴向力： Fa=F1+F2=10009.8sin230=3830N (4-1) Fb=10009.8cos230=9030N (4-2)因为该轴上受到的弯矩为0，所以说可以得出：F166.9+F288.1R44=0 （4-3） 最终通过解该二元一次方程得F1=7850N， F2=4097N校核强度在分析轴的各部分所受应力的情况时，发现C处所受的应力要比其它几处大，力的分布相较于其他几段也更加密集。观察到其处截面b应力弯矩都很大。（1）截面B的左侧：抗弯截面系数 (4-4)抗扭截面系数 W=0.2d3=0.2403=12800mm3 (4-5)则弯矩： (4-6)因为扭矩T=87542Nmm，所以弯曲应力： b=MW=424636.16400=66.3MPa (4-7)扭转切应力 T=TWT=8754212800=6.8MPa (4-8)由于，查询教材可得，尺寸系数，扭转尺寸系数，轴的表面质量系数是，.解得： (4-9) (4-10) (4-11) (4-12)因为 ,取s=1.5 (4-13) (4-14) ; (4-15)右侧：抗弯截面系数 (4-16)抗扭截面系数 (4-17)该处的弯矩 (4-18)因为T=87542Nmm，所以可得出：该处弯曲应力 (4-19)扭转切应力 (4-20)求得 (4-21) (4-22) (4-23)综上所述该轴的强度符合标准。4.2轴承的校核查机械设计得出30208圆锥滚子轴承参数为： ，e=0.37， Y=1.6 取 ,1、计算派生轴向力查询教材得轴承的派生力为：Fd=r/2y得出： (4-24) (4-25)2、计算其轴向负荷 (4-26) (4-27)解得Fa2=Fd2=1292.5N 3、算动负荷 (4-28) (4-29) (4-30) 4、寿命校核 (4-31)满足要求。4.3摆轴校核分析其受力方向即大小做出其计算简图。通过查询机械原理得出作为简支梁的轴支撑跨距l=64mm。图4-2摆轴的弯矩图、扭矩图和计算弯矩图2、按应力校核分析其受力情况，将力分解成x方向以及y方向，再计算该支反力的具体数值以及零件作用于主轴上的集中力。 支反力已知 Y方向上的合力及弯矩为0 (4-32) (4-33)解得 校核强度C处的弯曲应力最大，对其进行校核。抗弯截面模量： (4-34) (4-35) (4-36)4.4校核摆轴上轴承平均压力p (4-37)轴承 (4-38) (4-39) 综上所述，其强度达标。5设计说明5.1重要部件加工工艺偏心轮是重要的连接部件，其承上启后的重要作用，也对整个系统的工作稳定有着不可磨灭的贡献。对其进行加工工艺分析。如下：1、下料：选A3钢作为原材料，长72mm，直径150mm。2、车：车床选用CA6140，先粗车，主要车其端面至60mm以及外圆至150m。再精车端面至60mm。3、钳：找到圆心，画出一个直径为62mm的圆作为偏心孔。4、铣：用铣床X62W粗铣出加工斜面。5、镗：以150mm外圆表面定位，先半精镗孔到60mm，精镗孔到61.85，精铰到62+0.046 mm止口定位。6、钳：利用手工划线，画出偏心孔35 mm的圆心和加工中心。7、镗。找正，半精镗孔到34 mm，精镗孔到34.85，精铰到35+0.01 mm。8、钳：抛光到表面粗糙度为Ra0.4。5.2润滑及密封主要在关节球头和髋臼座的接触缝隙之间润滑，因为试验机的磨损绝大多数都是发生在这一部位。其他部位，例如发动机靠齿轮啮合传动的齿轮部分也需要进行润滑，减小齿轮转动时的磨损。因为本实验机安装有温控系统，所以说密封必不可少，可以很大程度上保持温度的稳定，避免温度的波动影响实验数据。主要选择在传动系统以及关节球头和髋臼座处进行密封。5.3试验机的使用说明1.实验开始之前，需要打开温控系统的的开关，关上缸盖，等系统内部的温度达到37摄氏度后，再进行下一步的操作。2.首先打开液压机开关，待压力到达指定数值后，打开电动机开关，之后通过插入与拔开固定销来记录下试验机在两种运动下的数据3.结束实验时，需要先关闭液压机，去除试验机上的负荷，再关闭电动机，这样可以避免试验机的损坏。最后关闭温控装置。4.实验结束后记得清理试验机的部件，保证其干净整洁。结论本次毕业设计已经尽我可能地去完成人工髋关节仿生试验机的设计。我的设计的侧重点还是对于磨损的研究，在通过一系列的方法与设计后，我尽量地将人工髋关节的磨损情况与人体髋关节的磨损情况靠拢。设计出的人工髋关节的运动情况、功能性也和人体髋关节尽量相似。最终得出的一系列数据也具有一定的参考性，也方便了人工关节的发展。本论文总共分为了以下几个部分：1. 对于人工髋关节的研究现状以及贡献的详述。2. 选择和设计合适的人工髋关节方案。3. 确定了电动机和液压机的参数，以及各部分的零件的选择。
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