创新设计大赛设计说明书

1、PAGE PAGE 41编号鄂创新-006-2006年湖北省高校大学生机械创新设计大赛暨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动式残病病人洗浴浴器设计说明书书参赛者： 徐蒙 周长华华 杨溢溢 申阳阳 指导教师： 郭 柏柏 林 武 汉 理理 工 大 学学二0 0六六年五月月作品名称：多功能能移动式式残病人人洗浴器器 学校名称：武 汉汉 理 工 大大 学参赛者：1徐 蒙男机自02002机电学院2周长华男机自03001机电学院3杨 溢男机自03001机电学院4申 阳男机自04004机电学院指导教师：郭柏林林 机机电学院院 副副教授联系方式：详细通讯地地址：武武汉理工工大学机机电学院院

2、电话： 88786622880电子邮箱： HYPERLINK mailto:m guuobaailiink1633.coom Pizzza2001663.ccom目 录1. 创新新设计作作品的主主要功能能指标及及工作原原理42 创新新构思，方方案设计计443. 创新新设计作作品运动动分析和和动力分分析及必必要的设设计计算算5 4. 方案案分析与与比较2335. 创新新设计作作品与已已有相近近产品的的异同与与创新之之处236. 对作作品进行行评价、对对比、决决策分析析247. 实用用化的可可能性、成成本分析析及应用用前景248. 参考考文献 2449. 洗浴浴器初装装实物照照片225一 创新新设

3、计作作品的主主要功能能指标及及工作原原理1. 主要要功能 瘫痪残残病人人人数众多多，他们们承受着着驱体残残病痛苦苦的同时时,也遭遭受着多多种生话话不便之之处，他他们渴望望享受到到正常人人的生活活乐趣，当当然也包包括洗浴浴洁身的的基本生生活需求求。多功功能移动动式残病病人洗浴浴器是专专为卧床床不起的的瘫痪残残病人服服务的洗洗浴(淋淋浴)产产品,适适用于家家庭与医医院，同同时又兼兼有室内内轮椅和和临时睡睡床的功功能。2. 工作作原理图（1）多功能移动动式残病病人洗浴浴器由组组合浴缸缸、翻转转机构和和机架三三部分组组成，浴浴缸结构构为组合合式，按按人体形形态分为为上身部部缸体、腰腰部缸体体和腿部部缸

4、体结结构，浴浴缸主体体为柏木木或杉木木,表面面涂刷铜铜油,造造型别致致，质地地温和。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，而此时弹簧起缓冲作用。机架材

5、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 创新新构思，方方案设计计（注意意多方案案设计） 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： 图（2）方案二： 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必

6、要的设计计算（几何尺寸确定与关键零部件强度校核）方案一运动动分析图（4）（11）上身部部缸体连连杆机构构类型 该机机构为摆摆动导杆杆机构。其其中ADD杆为导导杆，EEB杆为为主动杆杆, BBA杆机架，DD为滑块块。（2）上上身部缸缸体摆动动导杆机机构自由由度分析析 该该机构有有3个活活动构件件，其中中转动副副3个，移移动副个，共共4个低低副,无无高副.以F表表示自由由度，PPL表示示低副个个数，PPH表示示高副个个数，nn表示活活动件数数。 根据： F=3n-22PL-PH 得： F=33-224-00=1该该机构主主动件自自由度数数为，故故其具有有确定运运动。（3）摆动动导杆主主动杆点与丝丝

7、杆机构构螺母铰铰接，上上身部缸缸体可以以根据预预期要求求运动，在在0700间任意意位置翻翻转并锁锁紧,其其运动轨轨迹如图图（4）所所示。2 方案案一受力力分析（11）上身身部缸体体分析上上半身缸缸体总重重量计算算(设杉杉木的密密度为)上身部部两边杉杉木板质质量： M1=0.770.3320.001538002+00.6220.3390.00153800=3.8kgg底板质质量 MM2=00.84450.5560.0023800=3.4kgg支架分分为三个个部分，质质量分别别为m11，m22，m33，且 m1=2.33（0.03880.0025-0.00350.0022）7800=3.1kg m

8、2=1.80.00010.457800=0.6kg m3=0.45（0.0250.025-0.0230.023）78002=0.6kg M3=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+M4）10 =（3.8+3.4+4.3+40）10 =515N（2）当整个洗浴器处于洗浴状态时 受力分析 图（5）如图（5）上身部刚体简图，有：AM=920mm，AD=600mm，DE=50mm，BE=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MA=0有： PAC-

9、FnAD=0 即515450-Fn600=0 Fn=385N 如图（6-b）,B点到力Fg的力臂为L1=73mm,由MB=0有： FnBE-FgL1=0 即385405-Fg73=0 Fg=2135N 丝杆直径校核（选丝杆Tr204） 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=Fgcos24=1950N，则由 其中 取 k=0.8， n=1.2， p=1118由题中丝杆大径为20mm，小径为15mm可知丝杆直径满足。 （a） (b) (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，可取许用切应力=80MPa

10、，受横向力F作用时，应 (d 为销危险截面的直径，mm)则 A处：FA=P-Fn=515-385=130NB处，Fn和Fg的夹角为， E处：FE=Fn=385N 由以上可知，A，B，E三处销强度均满足。（2）当上上身部缸缸体翻转转处于中中间状态态（即335）时 受力力分析 如图图（7）有：AM=9200mm，AAD=4480mmm，DDE=550mmm，BEE=4005mmm. 图（7） 如图(8-a,b),A点到力P的力臂L1为370mm B点到力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MA=0有： PL1-FnAD=0 即515370-Fn480

11、=0 Fn=395N由MB=0有： FnBE-FgL2=0 即395405-Fg65=0 Fg=2460N 丝杆直径校核（丝杆Tr204） 力Fg与丝杆方向夹角为54，其沿丝杆方向上的分力为FQ=Fgcos54=1445N，则由 其中 取 k=0.8， n=1.2， p=1118.由题中丝杆大径为20mm，小径为15mm可知丝杆直径满足。 校核A，B，E各处销的强度（直径均为d=10mm） (d 为销危险截面的直径，mm) （a） (b) （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=296N B处：FB为Fn与Fg的合力，其夹角为62 E

12、处：FE=Fn=395N 由以上可知，A，B，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=920mm，AD=360mm，DE=50mm，BE=405mm。 图(9) 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。设上半身缸体和人的重心C与A点距离为AC=450mm，则由MA=0有： PL1-FnAD=0 即515155-Fn360=0 Fn=220N由MB=0有： FnBE-FgL2=0 即220405-Fg75=0 Fg=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

13、FQ=Fgcos77=287N，则由 其中 取 k=0.8， n=1.2， p=1118 由题中丝杆大径为20mm，小径为15mm可知丝杆直径满足。 校核A，B，E各处销的强度（直径均为d=10mm） (d 为销危险截面的直径，mm) （a） （b） （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=487N B处：FB为Fn与Fg的合力，其夹角为123 E处：FE=Fn=220N 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 图（11）如图（11），其中s为升程，取s=4 tan =s/d1 tan =s/d1=4/3

14、.1418=0.0707 =4.04 当量摩擦系数 当整个洗浴器处于洗浴状态时 =195018tan(4.04+17.22)/2 =6830Nmm 又手摇柄长 l=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 =1444518ttan(4.004+177.222)/22 =50060NNmm 手摇摇所需的的力 FF=T/l=550600/1445=335N当当上身部部缸体翻翻转处于于终点状状态（即即70）时 =228718ttan(4.004+177.222)/22 =110055Nmm 手摇摇所需的的力 FF=T/l=11

15、0055/1445=77N3 腿腿部缸体体分析 图（112）（11）腿部部缸体连连杆机构构类型 如图（112）， OR杆杆杆长为为L1=175mmm RXX杆杆长长为L22=955mm XK杆杆杆长为为L3=1333mm KOO杆杆长长为L44=1330mmm L1+L22L33+L44 又KO杆作作为机架架，它为为最短杆杆RX杆杆对边 ，故该该机构为为以OZZR杆和和XK杆杆为摇杆杆的双摇摇杆机构构。（2）腿部部缸体双双摇杆机机构自由由度计算算与分析析 如图（12），OZZR杆，RRX杆，XXK杆，KKO杆组组成4连连杆机构构F表示自由由度，PPL表示示低副个个数，PPH表示示高副个个数，N

16、N表示杆杆数。 根据： F=3（N-1）-2PL-PH 得： FF=3（4-1）-24-00 即即： FF=1 原动动件数为为，故故该机构构具有确确定运动动。（3）腿部部缸体运运动轨迹迹腿部部部缸体可可以根据据预期要要求运动动，在水水平状态态锁紧牢牢靠，它它可在较较小外力力作用下下直接翻翻转900至竖直直状态，翻翻转过程程平稳舒舒适。（4）计算算弹簧受受力 腿部上上边柏木木板质量量M1=0.40550.22850.00238002+00.5660.22850.0023800 =33.1kkg底板板质量 M2=0.390.5560.0023800=1.7kgg2.00kg支支架分为为而两个个部分

17、，质质量分别别为m11，m22，且 m1=1.22（0.03880.0025-0.00350.0022）7800=1.7kg m2=0.45（0.0380.025-0.0350.022）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 P=（M1+M2+M3+M4）10 =（3.1+2+2.4+15）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=405mm，OR=175mm，RX=95mm，XK=130mm，KN=47mm，NW段为弹簧 设腿部缸体

18、和人的重心Z与O点距离为OZ=200mm，由K=0得， F1L1=PL2 其中L1=39mm，L2=35mm 弹簧所受力为 F1=22535/39=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杆杆杆长为为L1=4000mm， DE杆杆杆长为为L2=1600mm，EB杆杆长长为L33=3000mmm， BBA杆杆杆长为LL4=2200mmm.L1+L22L33+L44 ， 又BA作为为机架，它它为最短短杆DEE杆对边边 ，故故该机构构为以BBE杆和和ACDD杆为摇摇杆的双双摇杆机机构。（2）上身身部缸体体双摇杆杆机构自自由度计计算与分分析 如图（1

19、13），AACD杆杆，DEE杆，EEB杆，BBA杆组组成4连连杆机构构F表示自由由度，PPL表示示低副个个数，PPH表示示高副个个数，NN表示杆杆数。 根据： F=3（N-1）-2PL-PH 得： FF=3（4-1）-24-00 即即： FF=1 故满满足运动动要求。（3）上身身部缸体体运动轨轨迹图（113）如如下，上上身部缸缸体可以以根据预预期要求求运动，在在0700间任意意位置翻翻转并锁锁紧，图图示为上上身部缸缸体在00，355，70三个位位置的机机构运动动状态。图（13）5 方方案二受受力分析析 （1）上身身部缸体体洗浴状状态受力力分析 上半半身缸体体洗浴状状态受力力简图（14）如下：图

20、（14）图（15）如图（155），Fnn相对于于A的力力臂；LL1=1988mm，重重力P相相对于AA的力臂臂L2=4500mm.根据 MA=0 有有：FnnL1-PL2=0 得： Fn=11770N图（16）如图（166），Fnn相对于于B的力力臂L33=2000mmm,FQQ相对于于B的力力臂L44=1000mmm.根据MBB=0，有有： FFnL3-FQL4=0 得得： FFQ=23340NN图（17）如图（177），根根据 ， 有有：Fnncoss18-YA-P=0 得： YA=5660N根据 ， 有：FFnsinn18-XA=0， 得： XA=3662NFA=6667NFE=Fnn=

21、11170NN图（18）如图（188）， 根据 ，有：Fnsinn18-XB+FQ=0，得得：XBB=27701.6N根据 ，有有： FFncoss18-YB=0 ，得：YB=11113NNFB= 校核核A，BB，E各各处销的的强度（各各销直径径均为dd=100mm） 销联联接，销销的材料料常用335#钢，可可取许用用切应力力=880MPPa，受受 横向向力F作作用时，应应 ： (dd 为销销危险截截面的直直径，mmm) AA处 ， 则 BB处， 则 E处： 则则 由以上可知知，A，BB，E三三处销强强度均满满足。（2）上半半身缸体体翻转中中间状态态（355度）受受力分析析 上半半身缸体体翻转

22、中中间状态态（355度）受受力简图图（199）如下下：图（19）图（20）如图（200），FFn相对对于A的的力臂：L1=3900mm，重重力P相相对于AA的力臂臂L2=3699mm。 根据 有：FFnL1-PL2=0 得： Fn=4877N根据 ， 有：FFncoss42+YA-P=0 得： YA=1533N根据 ， 有：FFnsinn42-XA=0， 得： XA=3226NFA=FE=Fnn=4887N图（21）如图（211），FFn相对对于B的的力臂LL3=2855mm,FQ相相对于BB的力臂臂L4=1244.4mmm.根据，有： FnnL3-FQL4=0 得： FQ=11116NN根据

23、 ，有有：Fnnsinn42-XB+FQ=0，得得：XBB=14442NN根据 ，有有： FFncoss42-YB=0 ，得：YB=3662NFB= 校核核A，BB，E各各处销的的强度（各各销直径径均为dd=100mm） 销联联接，销销的材料料常用#35钢钢，可取取许用切切应力T=80MMPa，受受 横向向力F作作用时，应应 ： (dd 为销销危险截截面的直直径，mmm) A处处 ， 则 B处处， 则 E处： 则 由以上可知知，A，BB，E三三处销强强度均满满足。（3）上半半身缸体体翻转极极限（770度）受受力分析析 上上半身缸缸体翻转转极限（770度）受受力简图图如下：图（22）图（23）

24、图（24）如图（23），Fn相对于A的力臂；L1=366mm，重力P相对于A的力臂L2=154mm. 根据 有：FFnL1-PL2=0 得： Fn=2177N根据 ， 有：FFncoss37+YA-P=0 得： YA=1773N根据 ， 有：FFnsinn37-XA=0， 得： XA=1331NFA=FE=Fnn=2117N如图（244），FFn相对对于B的的力臂LL3=2477mm,FQ相相对于BB的力臂臂L4=1000.4mmm.根据，有： FnnL3-FQL4=0 得： FQ=5992N根据 ，有有：Fnnsinn37-XB+FQ=0，得得：XBB=7223N根据 ，有有： FFncos

25、s37-YB=0 ，得：YB=1311NFB= 校校核A，BB，E各各处销的的强度（各各销直径径均为dd=100mm） 销联联接，销销的材料料常用#35钢钢，可取取许用切切应力T=80MMPa，受受 横向向力F作作用时，应应 ： (dd 为销销危险截截面的直直径，mmm) A处 ， 则则 BB处， 则 E处： 则则 由以上可知知，A，BB，E三三处销强强度均满满足。 （4）计计算手摇摇所需的的力 tann =ss/d11 ( 中径 d1=18mmm，ss=4 ) tann =ss/d11=4/3.11418=0.007077 =4.04 当当量摩擦擦系数 上上身部缸缸体洗浴浴状态时时 =234

26、4018ttan(4.004+177.222)/22 =81196NNmm又手手摇柄长长 LL=1445mmm，且TT=Fll 手摇摇所需的的力 FF=T/l=881966/1445=555.66N上半半身缸体体翻转中中间状态态时 =1111618ttan(4.004+177.222)/22 =39909NNmm 手摇摇所需的的力 FF=T/l=339099/1445=227N上半身缸体体翻转极极限 =599218ttan(4.004+177.222)/22 =20074NNmm 手摇摇所需的的力 FF=T/l=220744/1445=114N四四 方方案分析析与比较较方案一：上上身部缸缸体为

27、摆摆动导杆杆机构和和丝杆机机构组合合,可以以在0-700任意位位置翻转转和牢固固的锁紧紧，丝杆杆始终受受到拉力力，保证证良好的的刚度要要求，且且传动平平稳，当当所需翻翻转力矩矩最大时时（此时时上身部部缸体为为水平状状态），传传动角为为度度，传力力效果最最好。手手摇驱动动力也较较小，比比较省力力，结构构紧凑；腿部缸缸体为双双摇杆机机构，水水平状态态时机构构处于死死点位置置，固定定牢靠稳稳定，由由于装了了一个弹弹簧，只只需一个个较小的的力便可可使其向向上翻转转90，向下下翻转时时,弹簧簧拉力逐逐渐增大大,起到到缓冲作作用，避避免腿部部缸体下下降过快快而产生生冲击，构构思巧妙妙，结构构紧凑，使使用方

28、便便。方案二：头头部缸体体为双摇摇杆机构构和丝杆杆机构共共同施行行运动,可以产产生0-700任意位位置的翻翻转和牢牢固的锁锁紧，运运动较平平稳，但但是丝杆杆运动时时受到径径向压力力，使其其产生弯弯曲，受受力状态态不佳；丝杆机机构需要要设置导导向装置置，结构构较复杂杂；手摇摇力在水水平状态态时比较较大，有有点费力力，使用用不太方方便;腿腿部缸体结构构分析同同上。综合以上分分析，方方案结结构紧凑凑，受力力合理.故方案案一为较较优方案案。五 创新新设计作作品与已已有相近近产品的的异同与与创新之之处（重重点阐明明创新 点）1 异同同点 从从检索资资料和市市场调查查来看，现现有国内内外市场场上的洗洗浴产

29、品品均为固固定式、整整体式浴浴缸或淋淋浴房。从从制造的的材质上上，浴缸缸一般分分为亚克克力缸、钢钢板缸、铸铸铁缸和和木桶，尽尽管市面面上现有有浴缸各各有特点点，但它它们均有有一个共共同点：为正常常人或生生活能自自理的人人提供的的洗浴产产品。多多功能移移动式洗洗浴器在在市场定定位上是是为瘫痪痪残病人人服务，在在结构上上与它们们差异显显著。2 创新新点（11）摆脱脱了现有有洗浴产产品的固固定式安安装模式式，采用用移动机机架，并并设置了了集水系系统，使使水集中中排放，使该洗浴产品能随处移动，便于搬运残病人或在不同地点进行洗浴。（2）突被了现有产品整体式浴缸的设计思路，采用组合式浴缸，利用摆动导杆机构、丝杆机