毕业设计（论文）-可调节办公椅分析与设计

PAGE原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的相应责任。学位论文作者签名：日期指导教师签名：日期XX大学本科毕业设计PAGE4摘要本文首先针对市场上的可调节办公椅整理分类与分析，发现目前绝大数的办公椅的调节功能集中在座椅的垂直升降，缺少其它的调节功能，且存在操作复杂，机构过大等一些缺点。如此一来就会造成使用不便，也使调节椅的成本增加。因此，如何使可调节式办公椅使用起来更加舒适方便，同时满足一定的经济性，成为我们面临的一大问题。本文总结市场上调节椅的优缺点，取长补短，提出一种新的调节椅设计方案。同时利用Pro/EngineerWildfire5.0完成3D模型的建立，设计了椅背调节机构，主要内容包括角度调节机构、控制机构、自动复位机构三部分；并设计了椅座椅腿调节机构，主要包括椅座调节机构、椅腿调节机构两部分。本产品结构简单，操作方便，可实现椅背、椅座和椅腿三部分的调节，以满足使用者的不同使用需求。关键词：可调节式办公椅；调节功能；调节机构；3D模型AbstractFirstly,onthemarketforanadjustableofficechairfinishingclassificationandanalysis,foundthatthevastmajorityofthecurrentregulatoryfunctionsoftheofficechairseatverticallyfocusedonthelackofotherregulatoryfunctions,andthereiscomplicated,andsomeotherlargeinstitutionsshortcomings.Inthiswayitwillcauseinconvenienttouse,butalsotoincreasethecostofadjustingchair.Therefore,howtomakeadjustableofficechairsmorecomfortableandconvenienttouse,whilemeetingsomeoftheeconomy,aswefaceabigproblem.Thisarticlesummarizestheadvantagesanddisadvantagesofmarketregulationchairfromeachother,presentsanewadjustingchairdesign.WhileusingPro/EngineerWildfire5.0complete3Dmodel,designedthebackadjustingmechanism,themaincontentsincludeangleadjustmentmechanism,thecontrolmechanism,automaticresetmechanismofthreeparts;anddesignedachairseatlegregulatoryagencies,includingthechairseatadjustmentmechanism,chairlegsadjustmentmechanismintwoparts.Theproductstructureissimple,easytooperate,enablingtheback,seatandchairlegsthree-partadjustabletomeettheusers'differentneeds.Keywords:adjustableofficechairs;adjustmentfunction;adjustingmechanism;3Dmodel目录前言 11.研究背景 22.调节椅分类 32.1依椅座调节运动型式的分类 32.1.1垂直升降 32.1.2前后滑移 42.1.3倾斜翻转 52.2依椅背调节运动型式的分类 62.2.1前后仰躺 62.2.2相对滑移 72.2.3圆弧轨迹 83.可调节办公椅总体设计 103.1设计说明 103.2可调节办公椅的3D建模 114.椅背调节机构设计 134.1椅背调节概述 134.2角度调节机构设计 134.2.1调节方案的选择 134.2.2棘轮及齿轮的选择 144.2.3棘轮及齿轮的连接方式 154.2.4角度的固定 164.3控制机构设计 174.4自动复位机构设计 185.椅座椅腿调节机构设计 205.1椅座调节机构设计 205.1.1椅座调节机构概述 205.1.2伸长板的设计 205.1.3传动机构的设计 205.2.椅腿调节机构设计 21结论 23参考文献 24致谢 25附录 26PAGE1可调节办公椅分析与设计前言座椅在日常生活中是一种非常普遍的必需品，现在不少国家中超过50%的职员都在办公室中工作。座椅首先必须舒适，能满足不同使用者的需求，且经济适用，对于可调节办公椅要求结构尽量简单，操作方便，符合人体工艺学，并配合不同的工作需要。这不仅与工作效率有关，而且与人的健康有着密切的关系，因此座椅的研究设计受到了广泛的重视。从以前的传统座椅演变成现在的多功能调节椅，就是要让使用者在不同情况下都能满足其舒适度。而不同的使用者，其对座椅的需求也不尽相同，因此需具有多功能的调节椅，才不会导致使用者因长期使用而影响健康[1]。本研究通过对市场上的可调节时办公椅比较研究，分析其优缺点，取长补短，提出一种新的设计方案，设计一种以椅背调节为主，同时满足椅座调节、椅腿调节的新型调节椅。使用者通过操作扶手处的控制器，向后依靠椅背，以重力使椅背向后倾斜，可实现椅背垂直于椅座到椅背水平6级调节，基本满足使用者对椅背倾斜的需求。同时椅座前部会随着椅背倾斜角度的增大自动翻转出伸长板，可以让使用者更舒适的躺在办公椅上休息。可调节办公椅的总体技术性能如下：（1）外形尺寸：坐高410mm，坐深497.5mm，坐宽425mm，椅背高度755mm，椅背宽度（2）调节功能：椅背从垂直于椅座到水平位置之间6级调节；伸长板通过平面四杆机构与椅背连接，随椅背运动自动调节，且当椅背水平时，伸长板亦翻至水平位置；椅腿前后长度可调节，调节范围150mm，以防止办公椅平躺用时因重心移动发生反转。1.研究背景近年来，家具产业，尤其是强调低成本的家具厂商，开始专注降低生产成本，已达到一定的经济规模来获得更多的利益。然而在低价产品上，所赚取的产品附加值就相对的有限，往往忽略了最重要的产品的实用性，于是部分家具厂商选择生产设计具有高附加值的产品，例如：开发可调节式办公椅、组合式的家具、系统办公室设计等，以应对市场需求，开发少量多样及高附加值的产品，与低价家具制品市场进行区分。而在家具的领域中，又以座椅与人的关系最为密切。由经验可知，座椅必须舒适，并配合不同的工作需要，这不仅与工作效率有关，而且与人的健康有着密切的关系，因此座椅的研究设计受到了广泛的重视。座椅在日常生活中是一种非常普遍的必需品，而且使用的时间日益拉长，所以不管是办公用椅或是休闲用椅，都需要更加的要求其舒适与合用性。由于现代社会的进步和发展，现在不少国家中超过50%的职员都在办公室中工作，他们都需要有合适的办公椅，以致办公椅市场迅速成为一个独立且非常重要的椅子设计领域。从以前的传统座椅演变成现在的多功能调节椅，就是要让使用者在不同的情况下都能够满足其舒适度。而对于不同身材的使用者，其对座椅的需求也不尽相同，因此需具有多功能的调节椅，才不会导致使用者长期使用而影响健康。然而在对现在市场上销售的调节椅相关产品研究分析后发现，大多数调节椅都只能调节座椅的高度，有少数的产品具有调节椅背的功能，但是此类的产品价格也都普遍的偏高，而且体积也由于调节的功能过多而相对较大，有的操作起来繁琐不便，因此造成市场占有率始终无法普及。故本次研究设计的新型可调节式办公椅，不仅具有椅背、椅座的调节功能，而且其调节控制机构就在扶手处，使用者可以在坐在办公椅上时方便的对椅背角度进行任意调节，或是让椅背完全水平。2.调节椅分类本文在广泛收集与调节椅相关的各种文献，包括论文、学术期刊及专利公报等后，观察到椅座和椅背的调节为调节椅最普遍的功能，所以将椅座和椅背两种运动型式分别分类探讨，充分了解市面上调节椅的趋势与功能[1、2]。以下针对椅座运动型式、椅背运动型式两种类型，将其加以分类，进而充分的了解市面上调节椅的优缺点，尽可能综合其优点排除缺点，再加以改进后设计新产品。2.1依椅座调节运动型式的分类根据椅座调节的运动型式，大致可以将座椅分为垂直升降、前后滑移及倾斜翻转三种类型：垂直升降类型主要是以气压棒或螺杆等机构带动，使椅座能够升降调节，让使用者可以任意调节座椅高度，不仅能符合自己的身高，又能适应不同高度的桌子。前后滑移类型主要是用来调节使用者的椅座深度，因为不同使用者所需要的椅座深度也不相同，所以调节椅有此功能，更能让使用者得到舒适的坐姿。除了椅座高度及深度外，椅座与地面高度也不能忽视，所以倾斜翻转类型主要就是以改变调节椅的椅座角度，来让使用者达到最符合人体工学的坐姿。以下就针对不同调节椅座的运动型式加以详细分类与分析。2.1.1垂直升降现在一般市售的产品都会有椅座调节功能，而垂直升降类型更是占了大部分，由此可见椅座的高度调节方面是大部分使用者的主要需求。垂直升降型式主要是以气压棒或螺杆安置在坐垫下方，改变椅座与地面的高度，使之能适应不同的使用者。下面以一螺杆型式的调节椅为例加以说明。如图2-1所示，安置以导螺杆与旋转螺帽在椅座下方，利用将旋转螺帽做顺、逆时针旋转达到椅座的高度调节。此类型在市面上也常见，虽然无法达到气压棒型式的调节速度，不过相对也有较为精准稳固的优点。图2-1椅座升降调节图2.1.2前后滑移一般市面上的座椅做前后方向移动的产品较为少见。前后滑移型式主要是用来调节椅座的前后方向位置，其主要功能主要是让使用者能轻松的调节座椅深度，能适应不同身高和年龄层的使用者。下面将一个典型的前后滑移式调节椅加以说明：如图2-2所示，跟一般垂直升降类型相同是利用气压棒来驱动，差异是在椅座下安置一横躺的气压棒，气压棒一端固定在椅座上，另一端则直接与椅座连接，利用改变气压棒的伸缩达到椅座的前后滑移，进而改变使用者的椅座深度。图2-2椅座滑移调节图2.1.3倾斜翻转椅座除了高低及前后调节之外，椅座与地面夹角调节功能不能忽略，倾斜翻转型式就是改变椅座的角度倾斜，主要功能是要让使用者不管在工作或是休息状态都能得到合适的椅座角度，达到符合人体工学的状态。以下就一典型的倾斜翻转式调节椅来加以说明：如图2-3所示，此椅座及椅背夹角为固定不变，但本节只探讨椅座的运动型式，是由一旋转对与滑槽组合而成的，将椅座(4)以一旋转对（8）连接在底座上，再利用凸点（9）在滑槽（11）中滑动，达到椅座的角度变化。图2-3椅座翻转调节图2.2依椅背调节运动型式的分类根据椅座调节的运动型式分类，可将调节椅分为前后仰躺、相对滑移及圆弧轨迹三种类型：前后仰躺主要是改变椅背与椅座的角度，能满足使用者在不同状态下的使用，兼具有办公与休息的功能，现在大客车上的座椅都有此功能。相对滑移主要是改变椅背的离地高度，让不同高度的使用者都能得到适当的背部依托，也有少数的相对滑移是前后方向，尤其是在成长中的儿童，其成长速度较快，所需的椅背高度及椅座深度变化甚快，所以此功能有其重要性，不仅能适用于不同的使用者，也能让成长中的儿童拥有较适当的坐姿，不会影响到其学习状态与健康。最后一种类型是比较特别的圆弧轨迹的类型，此类型主要是以连杆来带动椅背做圆弧轨迹的移动，其所作的调节并不仅是椅背的高度，椅座的深度也同时得到调节，即为经一次调节动作同时改变两个参数。2.2.1前后仰躺前后仰躺型式是一般市场上最常见的椅背调节的运动型式，其主要功能是以机构来调节椅背仰躺的角度，让使用者不管是在工作或是休息都能自由调节椅背的仰躺角度，达到最舒适的状态。以下以一典型前后仰躺式调节椅来加以说明：如图2-4所示，此产品为两个自由度的椅背调节，其一以气压棒来带动，扳动杆件（51）触动气压棒（6），带动与气压棒（6）另一端连接的杆件（31），而杆件（31）摆动引起与之连接的椅背（2）前后仰躺。另一自由度是椅背两侧设有扇形凹槽（33）的固定座，并在凹槽两端装设弹性元件（73）、（74），另在凹槽内装置扇形凸块，并以弹性元件将其压紧，进而令椅背具有弹性旋转及自动复位的功能。图2-4椅背仰躺调节图2.2.2相对滑移相对滑移型式主要功能是调节椅背的高度位置，是为了使不同身高的使用者，都能使背部得到适当的高度依托。也有少部分产品是调节椅背前后位置来达到椅座深度的改变，甚至有少数专利文献能够经由一次调节即能达到多个参数变化的产品。下面以一相对滑移式调节椅加以说明：如图2-5所示，此产品是以一旋钮（12）来控制椅背（51）的高度，不过由于其椅背伸缩的内外管（52）、（11）为向后方倾斜状，所以调节椅背不仅只有做高度位置的调节，同时也能调节椅座（30）的深度，此类的产品较符合人体工学，能让使用者得到较适当的坐姿。图2-5椅背滑移调节图2.2.3圆弧轨迹圆弧轨迹型式是较为特别的调节型式，主要功能是以连杆机构让椅背呈现圆弧的运动轨迹调节，可同时调节椅座深度及椅背高度，即为经过一次调节动作同时达到改变两个参数。下面以一个圆弧轨迹式调节椅加以说明：如图2-6所示，利用椅座（10）底后端的支架（20）并且在支架顶端与椅背（40）背后之间，由杆件（31）与杆件（32）相互连接，以杆件（31）上端与椅背连接，而杆件（32）上端与椅背的连接呈45度角，且两杆件底端与支架的连接也是45度角，即为四连杆组机构运用，以便调节椅背座任何角度变化时，可令椅背保持垂直状态。图2-6椅背圆弧轨迹图3.可调节办公椅总体设计3.1设计说明本办公椅的设计主要是要实现椅背及椅座前部伸长同步调节，并由扶手处的控制机构方便调节。同时配合以椅腿的调节。调节机构包括椅背角度调节机构、椅座伸长机构、椅腿调节机构三大部分。表3-1办公椅尺寸标准[3]参数名称男女参数名称男女坐高410～430390～410靠背高度410～420390～400坐深400～420380～400靠背宽度400～420400～420坐面前宽400～420400～420靠背倾斜度98～102°98～102°坐面后宽380～400380～400可调节办公椅结构如图3-1所示：图3-1可调节办公椅三维结构图设计说明：（1）座椅角度的调节主要是由一组差速齿轮和棘轮、气弹簧实现，通过控制棘爪与棘轮的结合、分离控制椅背角度的固定和调节。（2）椅座下面通过平面四杆机构将椅背与椅座伸长板连接，使椅背的运动能传递到伸长板。（3）为防止椅背大角度调节时中心不稳，椅腿设计成可调节式，配合椅背调节作前后滑移。3.2可调节办公椅的3D建模将所设计各调节机构装配到座椅各部位，并将齿轮罩、座垫、靠背、椅腿脚垫等装配上去。利用3D绘图软件Pro/E对办公椅进行3D建模[4、5]。图3-2可调节办公椅三维总装图图3-3可调节办公椅调节效果图可调节办公椅三视图如图3-4所示：主视图左视图俯视图图3-4可调节办公椅三视图4.椅背调节机构设计4.1椅背调节概述由第三章分析得，市场上座椅依椅背调节方式一般可分为前后仰躺、相对滑移及圆弧轨迹三种类型。本次设计属于前后仰躺，主要是改变椅背与椅座之间的角度，使之能符合使用者在不同状态下的使用要求，兼具办公与休息两种功能。本座椅的椅背与椅座之间通过一组差速齿轮和双向棘轮的连接，可实现90度到180度之间6级调节，即，椅背从垂直于椅座到平躺，以15度为单位任意调节，可满足大多数人的需要。同时角度调节好后，用止回棘爪将椅背固定。待再次想调节角度时，扳动控制机构，使止动棘爪缩回。在使用者后背重力作用下，向下调节椅背，或在气弹簧弹力作用下使椅背自动复位到90度。4.2角度调节机构设计4.2.1调节方案的选择机械机构主要有平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系、间歇运动机构等。分析得到，要想实现角度可以调节，并且调节到一定角度后可停止固定，则需要一个调教机构和一个锁止机构，常用的连杆机构和凸轮机构无法实现角度锁止功能，但是间歇运动机构中的棘轮机构可以实现角度调节和锁止，轮系也可以调节角度。又经查阅资料，总结得，实现椅背角度调节可以通过以下两种方式：第一种是利用旋转手柄式调角器，如图4-1所示。它的工作原理是通过旋转手柄带动手柄轮旋转，手柄轮的偏心转动驱动轴转轮做周转运动，制动板与椅座固定连接，调节臂与椅背相连，旋转手柄则使调角器椅背角度发生改变，从而达到调节椅背角度的目的。1.止动板2、3偏心轮4.调节臂图4-1旋转手柄式调角器工作原理图第二种是采用掀动手柄式调角器，它主要是由棘轮机构构成，通过手柄操纵锁止棘爪，使棘爪与棘轮分开，此时调节角度。松开手柄后，棘爪在回位弹簧的作用下回复，与棘轮结合，棘轮锁止，从而达到椅背角度调节及锁止的目的。经分析比较，第一种方案，结构复杂，制造成本高，且大角度调节时速度慢，使用不方便。而第二种方案结构简单，调角方便，克服了第一种方案的缺点。因此选择第二种方案作为角度调节机构的设计方案。4.2.2棘轮及齿轮的选择在在角度调节固定后，既要防止椅背向下运动，又要防止椅背在弹力作用下的向上运动。因此这里选用双向棘轮。棘轮齿数z一般由棘轮机构的使用条件和运动要求选定。对于一般进给和分度所用的棘轮机构，可根据所要求的棘轮的最小转角来确定棘轮的齿数(z≤250，一般取z=8～30)，然后选定模数。因为椅背需承受较大的力，相应的棘轮受力也较大，若齿数太多，则齿易折断，故选择齿数z=12，棘轮的3D模型如图4-2。又因椅背角度调节行程为90度至180度，共90度。如果直接用棘轮连接椅背和椅座，则椅背调节角度只有90度、120度、150度和180度共4个角度，不能满足一般使用者的需要。故使用两个相互啮合的传动比为1:2的齿轮用于椅背与椅座之间的连接。这样椅背90度的转角，体现在齿轮2上就有180度。于是，当椅背调节90度时，棘轮转过180度，以15度为单位可实现6级调节[6~12]。图4-2双向棘轮三维实体图4.2.3棘轮及齿轮的连接方式齿轮1安装在椅背下面的轴3上，与椅背固连，随椅背角度变化而旋转。与齿轮1啮合的齿轮2安装在椅座下的轴4上，可以自由旋转。棘轮也安装在轴4上与齿轮一同旋转。结构简图如图4-3：(a)(b)图4-3齿轮、棘轮三维装配图4.2.4角度的固定当椅背调到合适的角度后需要将椅背固定住，既要防止椅背向下移动，又要防止椅背在复位机构的弹力下自动复位。于是就需要一个稳定的角度固定机构。本设计是利用上节的棘轮和一个棘爪及回位弹簧所成。棘爪如图4-4。图4-4棘爪三维实体图当需要调节椅背角度时，操作控制机构经过控制闸线使棘爪缩回，此时棘轮可以随着齿轮1、2转动，椅背即可调节角度。调节完毕，松开控制机构，棘爪在回位弹簧的作用力下自动弹出，制动棘轮，齿轮1、2和椅背也同时停止固定。4.3控制机构设计为让使用者在坐躺状态下方便调节办公椅椅背角度，将控制机构安装在扶手前端。本设计的灵感来自自行车车闸，用控制闸线与棘爪相连，通过操作控制扳手，可以拉出棘爪以调节角度，如图4-5、4-6所示。图4-5控制器三维实体图图4-6控制机构三维装配图4.4自动复位机构设计自动复位，即是当通过控制器使棘爪与棘轮分开后，椅背能自动回到垂直的位置，于是就需要给椅背一个使之有回复趋势的弹力。这里选用气弹簧来实现这个功能。气弹簧的原理是，在密闭的压力缸内充入惰性气体或是油气混合物，使腔体内的压力高于大气压的几倍或是几十倍，利用活塞杆的横截面积小于活塞的横截面积从而产生的压力差来实现活塞杆的运动。由于原理上的根本不同，气弹簧比普通弹簧有着很显著的优点：速度相对缓慢、动态力变化不大（一般在1：1.2以内）、容易控制，与机械弹簧相比，气弹簧具有近乎线性的弹性曲线。利用这些特点，可以使椅背复位时，速度适中，且弹力变化很小，从而避免了过大的弹力对使用者可能造成的伤害。气弹簧根据其结构和功能分类，有自由式气弹簧、自锁式气弹簧、牵引式气弹簧、随意停气弹簧等几种。这里使用自由式气弹簧就能实现需要的功能，且较经济[13]。气弹簧如图4-7所示。图4-7气弹簧三维实体图图4-8自动复位机构三维装配图5.椅座椅腿调节机构设计5.1椅座调节机构设计5.1.1椅座调节机构概述目前市场上调节椅的椅座调节运动型式主要有垂直升降，前后滑移，倾斜翻转三种类型。前后滑移主要是用来调节椅座的前后方向的深度，以满足不同身高、年龄层的使用者。本次设计的办公椅要实现的椅座调节是随椅背向后仰躺的角度的加大，椅座前部自动翻出伸长板。直至椅背水平时，伸长板也翻转到水平位置。要实现这种功能，就需要一种机构将椅背和伸长板连接起来。5.1.2伸长板的设计伸长板铰接在椅座前横梁上，可绕其旋转。当椅背垂直于椅座，或是做小角度调节时，伸长板处在椅座下面。当椅背大角度调节，直至水平时，伸长板随椅背运动而自动翻转出来，极限位置为与椅背同处于水平位置。伸长板结构如图5-1所示。图5-1伸长板三维结构图5.1.3传动机构的设计如上节所述，椅背（原动件）的运动要经过一个不与椅座（机架）直接相连的中间构件（连杆）传动到伸长板(从动件)，这即是连杆机构的定义。于是此功能就可以用平面四杆机构来实现。平面四杆机构主要有三种基本类型：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构，在机械中还广泛地采用由基本型式演化的其他型式的四杆机构。平面四杆机构的杆长条件为：最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和。当最短杆为连架杆时，机构为曲柄摇杆机构；当最短杆为机架时，为双曲柄机构；当最短杆为连杆时，为双摇杆机构[6、14]。图5-2平面四杆机构简图图5-3椅座伸长机构三维装配图5.2.椅腿调节机构设计由于本次所设计调节椅不做椅座垂直升降调节，故只需安装普通的四条椅腿型式即可。但当椅背大角度调节，或调到到水平位置时，躺在上面的使用者重心就会后移，若使用普通的椅腿，则可能因重心移动而发生座椅向后翻转，甚至危及使用者的安全。而如果将椅腿前后距离加大，后移，又会影响座椅的美观。考虑到以上各因素，将椅腿设计成可以在前后方向滑移的型式。如图5-4所示，座椅两条前腿固定在椅座下面，两条后腿不与椅座直接相连，可在滑槽内前后滑移，滑移行程为150mm。当椅背只在小角度内调节时，椅腿只在初始位置（后腿滑移距离为0）即可；当大角度调节或躺下休息时，可根据具体情况将后腿向后滑移适当距离[10、15]。图5-4椅腿调节机构三维装配图结论本论文设计了一款可调节办公椅，主要工作如下:（1）对市场