创新设计大赛设计说明书

1、2006年湖北省高校大学生机械创新设计大赛暨编鄂创新-06-号第二届全国大学生机械创新设计大赛湖北分区预赛多功能移动式残病人洗浴器设计说明书参赛者：徐蒙周长华杨溢申阳指导教师：郭柏林武汉理工大学二00六年五月作品名称：多功能移动式残病人洗浴器学校名称：武汉理工大学参赛者：1徐蒙男机自0202机电学院2周长华男机自0301机电学院3杨溢男机自0301机电学院4中阳男机自0404机电学院指导教师：郭柏林机电学院副教授联系方式：详细通讯地址：武汉理工大学机电学院电话：电子邮箱：P目录2. 创新构思，方案设计3. 创新设计作品运动分析和动力分析及必要的设计计算54. 方案分析与比较235. 创新设计作

2、品与已有相近产品的异同与创新之处236. 对作品进行评价、对比、决策分析247. 实用化的可能性、成本分析及应用前景248. 参考文献 249. 洗浴器初装实物照片25一创新设计作品的主要功能指标及工作原理1. 主要功能瘫痪残病人人数众多，他们承受着驱体残病痛苦的同时, 也遭受着多种生话不便之处，他们渴望享受到正常人的生活乐趣，当然也包括洗浴洁身的基本生活需求。多功能移动式残病人洗浴器是专为卧床不起的瘫痪残病人服务的洗浴（淋浴）产品,适用于家庭与医院，同时又兼有室内轮椅和临时睡床的功能。2. 工作原理图（ 1）多功能移动式残病人洗浴器由组合浴缸、翻转机构和机架三部分组成，浴缸结构为组合式，按人

3、体形态分为上身部缸体、腰部缸体和腿部缸体结构，浴缸主体为柏木或杉木,表面涂刷铜油, 造型别致，质地温和。上身部缸体和腿部缸体结构可手动翻转；上身部缸体翻转机构由丝杆机构和摆动导杆机构组合而成，使得所需翻转力矩最大时（此时上身部缸体处于水平位置），传动角等于90 度 ,传力性能最佳；由人机工程学原理，翻转角度70 度时， 人靠在椅子上较舒服；腿部缸体翻转机构巧妙的运用了双摇杆机构,凸轮机构和弹簧构成组合机构，当向上翻转至水平位置时，借助弹簧拉力与重力的平衡作用，使翻转操作轻便，同时利用死点使腿部缸体可靠地定位在水平位置；向下翻转时，采用凸轮机构破坏死点位置，使腿部缸体在重力作用下向下翻转复位，而

4、此时弹簧起缓冲作用。机架材料为不锈钢，防水防锈，外表亮丽美观；机架可移动，且能升降以适应不同家庭床面高度，同时采用了集水系统，保证洗浴时水不任意泄漏，集中排水，使得可在家庭不同地点洗浴。产品结构紧凑，可收缩成轮椅状，便于在场所狭小的家庭内推送。二创新构思，方案设计（注意多方案设计） 为了更好地完成这一设计，我们构思了多种方案，现列举两种如下： 方案一：H方案一与方案二的不同之处在于上身部翻转机构，方案一采用摆动导杆机构和丝杆机 构组合，方案二则采用双摇杆机构和丝杆机构组合， 脚部缸体翻转机构均采用双摇杆机构、 凸轮机构和弹簧组成，两方案的对比评价将在下节进行。三创新设计作品运动分析和动力分析及

5、必要的设计计算（几何尺寸确定与关键零部件强度校核)1方案一运动分析2图(4)(1)上身部缸体连杆机构类型该机构为摆动导杆机构。其中 AD杆为导杆，EB杆为主 动杆,BA杆机架，D为滑块。(2)上身部缸体摆动导杆机构自由度分析该机构有3个活动构件，其中转动副3个，移动副1个， 共4个低副，无高副.以F表示自由度，PL表示低副个数，PH表示高副个数，n表示活动件 数。根据：F=3X n-2 X PL-PH得：F=3X 3-2 X 4-0=1该机构主动件自由度数为1 ,故其具有确定运动。(3)摆动导杆主动杆G点与丝杆机构螺母校接， 上身部缸体可以根据预期要求运动，在0 700间任意位置翻转并锁紧，其

6、运动轨迹如图(4)所示。2方案一受力分析(1)上身部缸体分析上半身缸体总重量计算(设杉木的密度为380kg/m3)上身部两边杉木板质量：M1=0.7X 0.32 义 0.015 义 380X 2+0.62 义 0.39 义 0.015 义 380=3.8kg底板质量M2=0.845X 0.56 X 0.02 X 380=3.4kg支架分为三个部分，质量分别为 m1, m2 m3,且m1=2.3 (0.038 X 0.025-0.035 X 0.022 ) X 7800=3.1kgm2=1.8X 0.0001 X 0.45 X 7800=0.6kgm3=0.45X (0.025 X0.025-0

7、.023 X 0.023) X 7800X 2=0.6kgM3=m1+m2+m3=3.2+0.6+0.7=4.3kg人按一般重量计算，设其上半身质量为M4=40kg则上半身缸体总重量为P= (M1+M2+M3+M4X 10=(3.8+3.4+4.3+40 )X10=515N(2)当整个洗浴器处于洗浴状态时受力分析H图（5）如图（5）上身部刚体简图，有： AM=920mmAD=600mmDE=50mmBE=405mm如图（6-a）,设上半身缸体和人的重心 C与A点距离为AC=450mm则由三MA=0有：PX AC-FnX AD=0即 515X 450-Fn X 600=0Fn=385N如图（6-

8、b） ,B点到力Fg的力臂为L1=73mm由12MB=0有：FnXBE-FgX L1=0 即 385X 405-Fg X 73=0Fg=2135N丝杆直径校核（选丝杆Tr20X4）如图（6-b）,力Fg与水平方向夹角为24 ,其沿丝杆方向上的分力为 FQ=FgX cos240 =1950N,则由d k、Fq0.8 , 19507.6: 9.7mm（11:18）,1.2（11 : 18） 其中取 k=0.8, n=1.2, p=11 18由题中丝杆大径为20mm小彳空为15mnmT知丝杆直径满足(c)图（6）校核A, B, E各处销的强度（各销直径均为 d=10mm销联接，销的材料常用35#钢，

9、可取许用切应力=80MPa,受横向力F作用时，应-4F2（d为销危险截面的直径，mm）d贝U A处：FA=P-Fn=515-385=130N4F a4 130-F42 1.7MPa 80MPad 0.01B处,Fn和Fg的夹角为66,2Fg 2FnF4 201020.0125.6MPa 80MPaE处:FE=Fn=385N4E2d4 38524.46MPa 80MPa0.01A, B, E三处销强度均满足。（2）当上身部缸体翻转处于中间状态（即 35 ）时如图（7）有：AM=920m）mAD=480mmDE=50mmBE=405mm.r-图（7）如图（8-a,b）,A 点到力P的力臂L1为37

10、0mmB（到力Fg的力臂L2为65mm设上半身缸体和人的重心 C与A点距离为AC=450mm则由12 MA=0有：PX L1-Fn 义 AD=0即 515X 370-Fn 义 480=0Fn=395N由 12 M=0 有：FnXBE-FgX L2=0 即 395X 405-Fg X 65=0Fg=2460N丝杆直径校核（丝杆 Tr20X4）力Fg与丝杆方向夹角为54 ,其沿丝杆方向上的分力为FQ=FgX cos54 =1445N 则由kJFq/(11: 18) 0.8 J14%2(11 : 18) 6.5 : 8.4mm其中取 k=0.8, n=1.2, p=11 18.由题中丝杆大径为20m

11、m小彳全为15mnmT知丝杆直径满足。校核A, B, E各处销的强度（直径均为d=10mm-4%（d为销危险截面的直径，mm）(c) (d)图(8)如图(8-c, d) A处：FA为P与Fn的合力，其夹角为145 ,计算得FA=296N4Fa2d4 29620.013.77MPa 80MPaB处：FB为Fn与Fg的合力，其夹角为 620Fb F2 Fg 2FnFgCos 3952 24602 2 395 2460cos62o2300N4F b 4 2300B22d 0.0129.3MPa 80MPaE处：FE=Fn=395N4 39520.015.03MPa 80MPa由以上可知，A, B,

12、E三处销强度均满足。(3)当上身部缸体翻转处于终点状态(即 70 )时 受力分析 如图（9）有：AM=920m）mAD=360mmDE=50mmBE=405mmM图如图（10-a,b）A点到力P的力臂L1为155mm B点到力Fg的力臂L2为75mm设上半身缸体和人白重心 C与A点距离为AC=450mm则由12 MA=0有：PX L1-FnXAD=0即 515X 155-FnX 360=0Fn=220N由 12 M=0 有：FnXBE-FgX L2=0 即 220X 405-Fg X 75=0Fg=1190N丝杆直径校核力Fg与丝杆方向夹角为77 ,其沿丝杆方向上的分力为FQ=FgX cos7

13、70 =287N,则由d kJ%: 18） 0.8 J28%2（11: 18） 2.9: 37mm其中取 k=0.8, n=1.2, p=11 18由题中丝杆大径为20mm小彳全为15mnW知丝杆直径满足。校核A, B, E各处销的强度（直径均为d=10mm-4F（d为销危险截面的直径，mm）(c) (d)图(10如图(10-c, d) A处：FA为P与Fn的合力，其夹角为110 ,计算得 FA=487N4 48720.016.2MPa 80MPaB处：FB为Fn与Fg的合力，其夹角为1232222Fb Fn Fg 2FnFgCos220 1190 2 2201190cos110o 1280N

14、4F b 4 1280B22d 0.0116.3MPa 80MPaE处：FE=Fn=220N4EE2d由以上可知,4 2202 2.8MPa 80MPa0.01A, B, E三处销强度均满足。(4)计算手摇所需的力图（ii如图（11）,其中s为升程，取s=4tan =s/ ditan =s/ d1=4/3.14 x 18=0.0707 =4.040当量摩擦系数 fv fcos0.3cosi50 0.31arctan f arctan0.31 17.220 vv当整个洗浴器处于洗浴状态时T FQd12tan、2=1950X 18tan（4.04 +17.22 ）/2=6830N mm又手摇柄长l

15、=145mm且T=Fl.手摇所需的力 F=T/l=6830/145=47N当上身部缸体翻转处于中间状态（即 35 ）时T FQd12tan、2=1445X 18tan（4.04 +17.22 ）/2=5060N- mm.手摇所需的力 F=T/l=5060/145=35N当上身部缸体翻转处于终点状态（即 70 ）时T FQd12tanv 2=287X 18tan（4.04 +17.22 ）/2=1005N- mm,手摇所需的力F=T/l=1005/145=7N3腿部缸体分析Fl0图(1)腿部缸体连杆机构类型如图(12),OR杆杆长为L1=175mmRX杆长为L2=95mmXK杆杆长为L3=133

16、mmKO杆长为L4=130mmL1+L2L3+L4又KO杆作为机架，它为最短杆RX杆对边，故该机构为以OZR干和XK杆为摇杆 的双摇杆机构。(2)腿部缸体双摇杆机构自由度计算与分析如图(12), OZR干，RX杆，XK杆，KO杆组成4连杆机构F表示自由度，PL表示低副个数，PH表示高副个数，N表示杆数。根据：F=3X (N-1) -2XPL-PH得:F=3X (4-1) -2X4-0即：F=1原动件数为1 ,故该机构具有确定运动。(3)腿部缸体运动轨迹腿部部缸体可以根据预期要求运动，在水平状态锁紧牢靠，它可在较小外力作用下直接翻转90至竖直状态，翻转过程平稳舒适。(4)计算弹簧受力腿部上边柏木

17、板质量MT =0.405 义 0.285 义 0.02 义 380X 2+0.56 义 0.285 义 0.02 义 380=3.1kg底板质量M2 =0.39 X 0.56 X 0.02 X 380=1.7kg = 2.0kg支架分为而两个部分，质量分别为m1, m2且m1=1.2 (0.038 X 0.025-0.035 X 0.022 ) X 7800=1.7kgm2=0.45X (0.038 X0.025-0.035 X 0.022 ) X 7800=0.7kg M3 =m1+m2=1.7+0.7=2.4kg人按一般重量计算，设其下肢质量为 M4 =15kg,则前面支架所要支承的重量为

18、P= (MT +M2 +M3 +M4 ) 乂 10=(3.1+2+2.4+15)义 10=225N由题意可知，当腿部缸体处于竖直状态时，弹簧所受里F1最大，此时如图（12）有:OT=405mmOR=175mmRX=95m mXK=130m m KN=47m m NW 为弹簧设腿部缸体和人的重心 Z与。点距离为OZ=200mm由12 K=0得，F1 X L1=PX L2 其中 Ll=39mm L2=35mm弹簧所受力为 F1=225X 35/39=200N4方案二运动分析图（13）为头部缸体运动轨迹图（1）上身部缸体连杆机构类型AC杆杆长为L1=400mm DE杆杆长为L2=160mmEB杆杆长

19、为L3=300mm BA杆杆长为L4=200mm.L1+L2L3+L4又BA作为机架，它为最短杆DE杆对边，故该机构为以BE杆和ACD干为摇杆的双摇 杆机构。（2）上身部缸体双摇杆机构自由度计算与分析如图（13）, ACD干，DE杆，EB杆，BA杆组成4连杆机构F表示自由度，PL表示低副个数，PH表示高副个数，N表示杆数。根据：F=3X （N-1） -2XPL-PH得:F=3X （4-1） -2X4-0即：F=1故满足运动要求。（3）上身部缸体运动轨迹图（13）如下，上身部缸体可以根据预期要求运动，在 0 700间任意位置翻转并锁紧，图示为上身部缸体在0 , 35。，700三个位置的机构运动状

20、态。图（13）5方案二受力分析（1）上身部缸体洗浴状态受力分析上半身缸体洗浴状态受力简图（14）如下：图（14）图（15）如图（15）, Fn相对于A的力臂；L1=198mm重力P相对于A的力臂L2=450mm.g据汇MA=0 有：FnX L1-PXL2=0得：Fn=1170N图（16）如图（16）, Fn相对于B的力臂L3=200mm,FQ目对于B的力臂L4=100mm.根据E MB=0,有：FnX L3-FQX L4=0得：FQ=2340N图（17）如图（17）,根据 Y 0,有：FnXcos18 -YA-P=0 得：YA=560N根据 X 0,有：FnX sin18 -Xa=0,得：XA

21、=362NFa=5602 3622 667NFE=Fn=1170N如图（18）,根据 X 0,有：FnX sin18 -Xb+FQ=0,得：Xb=2701.6N根据 Y 0,有：FnXcos18 -Yb=0,得：YB=1113NFB= .2701.62 11132 2922N校核A, B, E各处销的强度（各销直径均为 d=10mm销联接，销的材料常用35#钢，可取许用切应力=80MPa,受横向力F作用时，应:4F（d为销危险截面的直径，mm）A处，贝U A 4FA4 667 2 8.5MPa 80MPad 0.01B 处，贝U R 4F4 4 29222 37.2MPa 80MPa B22d

22、 0.014f e4 1170E 处：则 E -F-E 2 14.9MPa 80MPad 0.01由以上可知，A, B, E三处销强度均满足。（2）上半身缸体翻转中间状态（35度）受力分析上半身缸体翻转中间状态（35度）受力简图（19）如下:图（19）图（20）如图（20）, Fn相对于A的力臂：L1=390mm重力P相对于A的力臂L2=369mm根据 A 0有：FnXL1-PX L2=0 得：Fn=487N根据 Y 0,有：FnX cos42 +Y-P=0 得：YA=153N根据 X 0,有：FnXsin42 -Xa=0,得：Xa=326NFa= 1532 3262 360NFE=Fn=48

23、7N图（21）如图（21）, Fn相对于B的力臂L3=285mm,FQ目对于B的力臂L4=124.4mm.根据 B 0,有：FnX L3-FQX L4=0 得：FQ=1116N根据 X 0,有：FnX sin42 -Xb+Fq=0,得：XB=1442N根据 Y 0,有：FnXcos42 -Yb=0,得：YB=362NFB= 一 14422 3622 1486.8N校核A, B, E各处销的强度（各销直径均为 d=10mm销联接，销的材料常用#35钢，可取许用切应力T=80MPa,受横向力F作用时，应:4F2d（d为销危险截面的直径，mm）图(22)图（23）图（24）A处，则 A 4FA4 3

24、60 2 4.6MPa 80MPad 0.01B 处，贝U R 4Fy 4 1486.8 20.0MPa 80MPa B22d 0.01E处：WJ E 4F44 487 2 6.2MPa 80MPad 0.01由以上可知，A, B, E三处销强度均满足。（3）上半身缸体翻转极限（70度）受力分析上半身缸体翻转极限（70度）受力简图如下：如图（23）,Fn相对于A的力臂；Li=366mm重力P相对于A的力臂L2=154mm.根据 A 0有：FnXLi-PX L2=0得：Fn=217N根据 Y 0,有：FnX cos37 +Y-P=0 得：Ya=173N根据 X 0,有：FnXsin37 -Xa=

25、0,得：XA=131NFA=.1732 1312217NFE=Fn=217N如图（24）, Fn相对于B的力臂L3=247mm,FQ目对于B的力臂L4=100.4mm.根据 B 0,有：FnX L3-FQX L4=0 得：FQ=592N根据 X 0,有：FnX sin37 -Xb+Fq=0,得：XB=723N根据 Y 0,有：FnXcos37 -Yb=0,得：YB=131NFb= 7232 3622 808.6N校核A, B, E各处销的强度（各销直径均为 d=10mm销联接，销的材料常用#35钢，可取许用切应力T=80MPa,受横向力F作用时，应:-4F（d为销危险截面的直径，mm）dA处，

26、贝U A 4FA4 217 2 2.8MPa 80MPad 0.01aw 44 808.6B 处，贝U B -Ff 2 10.3MPa 80MPad 0.0144 487E处：WJ E -F4 2 6.2MPa 80MPad 0.01由以上可知，A, B, E三处销强度均满足。（4）计算手摇所需的力tan =s/ d1（中径 d1=18mm s=4）tan =s/ d1=4/3.14 x 18=0.0707 =4.040当量摩擦系数fv fCos0.3 cos15o0.31arctan f arctan0.31 17.220 vv上身部缸体洗浴状态时2FQdi tan=2340X 18tan(

27、4.04 +17.22 )/2 =8196N mm又手摇柄长L=145mm且T=Fl.手摇所需的力 F=T/l=8196/145=55.6N上半身缸体翻转中间状态时2TF Qgd 1 tan=1116X 18tan(4.04 +17.22 )/2 =3909N- mm二手摇所需的力 F=T/l=3909/145=27N 上半身缸体翻转极限2F Qgd 1tan=592X 18tan(4.04 +17.22 )/2 =2074N- mm,手摇所需的力 F=T/l=2074/145=14N四方案分析与比较方案一：上身部缸体为摆动导杆机构和丝杆机构组合，可以在0 -70任意位置翻转 和牢固的锁紧，丝

28、杆始终受到拉力，保证良好的刚度要求，且传动平稳，当所需翻转力矩 最大时（此时上身部缸体为水平状态），传动角为9 0度，传力效果最好。手摇驱动力也 较小，比较省力，结构紧凑；腿部缸体为双摇杆机构，水平状态时机构处于死点位置，固 定牢靠稳定，由于装了一个弹簧，只需一个较小的力便可使其向上翻转 90 ,向下翻转时, 弹簧拉力逐渐增大，起到缓冲作用，避免腿部缸体下降过快而产生冲击，构思巧妙，结构 紧凑，使用方便。方案二：头部缸体为双摇杆机构和丝杆机构共同施行运动 ，可以产生0 -70任意位 置的翻转和牢固的锁紧，运动较平稳，但是丝杆运动时受到径向压力，使其产生弯曲，受 力状态不佳；丝杆机构需要设置导向装置，结构较复杂；手摇力在水平状态时比较大，有 点费力，使用不太方便；腿部缸体结构分析同上。综合以上分析，方案1结构紧凑，受力合理.故方案一为较优方案。五创新设计作品与已有相近产品的异同与创新之处（重点阐明创新点）1 异同点从检索资料和市场调查来看，现有国内外市场上的洗浴产品均为固定式、整体式浴缸或淋浴房。从制造的材质上，浴缸一般分为亚克力缸、钢板缸、铸铁缸和木桶，尽管市面上现有浴缸各有特点，但它们均有一个共同点：为正常人或生活能自理的人提供的洗浴产品。 多功能移动式洗浴器在市场定位上是为瘫痪