机械创新设计任务计划书.doc

机械创新设计
阐明书

题 目 工程机械座椅下部机构设计分析
专 业
班 级 班
学 生
指引教师

5月

摘 要

随着工程建设越来越多，工程机械运用也越来越广。然而工程机械工作环境普遍比较恶劣，如果没有一种安全可靠舒服座椅，对于工程机械驾驶员而言，无疑是一场恶梦。工程机械驾驶室是操作人员工作和活动空间，除了具备良好视野，足够刚度和强度之外，还得保证操作环境舒服、以便，满足人－机工程，利于操作人员高效、可靠地工作。
本文论述了工程机械座椅设计规定，同步设计了工程机械下部机构和座椅骨架，并对某些重要元件进行了校核，保证了机构合理性。本文重要工作如下：
(1)查找工程机械座椅重要部件设计规定，对座椅设计有个总体理解，。
(2)通过对座椅舒服性研究，设计座椅某些构造，使所设计座椅尽量符合人需求。
(3)通过查找资料，设计了工程机械下部支撑机构和座椅骨架，对详细构造尺寸进行了设计，同步阐述了腰部支撑部件关于原理与求解办法。
(4)对核心部件进行了校核，保证了座椅构造安全性能。

核心词：座椅，工程机械座椅，座椅下部构造设计

ABSTRACT

With the increasing use of engineering construction，engineering machinery is used more widely. However，the work of engineering machinery environment is bad，which is undoubtedly a nightmare for the engineering machinery drivers if they can not get a safe and comfortable seats,. Construction machinery cab operators work and activities of the space，in addition to having good vision，enough rigidity and strength，to ensure the operation environment is comfortable and convenient，man machine engineering meet，facilitate the operation efficiency，reliable work.
This paper describes the design requirements engineering machinery seat，while the design of the lower mechanism of engineering machinery and the seat frame，and some of the important components of a check，ensure the rationality of the agency. In this paper，the main work is as follows:
(1) An important part of mechanical engineering design requirements for design of seat，seat of a general understanding,.
(2) Even through the study of seat comfort，some structural design of the seat，so that the design of the seat as far as possible to meet human needs.
(3) By looking for information，design engineering machinery supporting mechanism and seat frame，the structure size of the design，and expounds the principle and calculation method of the lumbar support components.
(4) Check the key parts，guarantee the safety of the seat structure.

Keywords：engineering machinery seat，seat，seat structure design

目录

目录·········································································i
第1章 绪论·································································1
1.1 工程机械座椅创新设计概述··············································1
1.2 工程机械设计原则······················································1
1.3 本课题创意阐明······················································2
第2章 工程机械座椅重要部件及腰部支撑部件设计·······························2
2.1 工程机械座椅重要部件设计············································2
2.2 工程机械腰部支撑部件设计············································2
2.2.1 齿轮齿条设计··················································2
2.2.2 推柄设计······················································6
2.2.3 棘轮棘爪机构设计···············································6
2.2.4 轴设计························································10
2.2.5 凸轮设计······················································12
2.2.6 各支撑部件装配················································13
第3章 核心部件校核························································14
3.1 齿轮齿条啮合处齿根弯曲疲劳强度校核·································14
3.2 连接轴校核·························································16
第4章 感想及道谢····························································17
附录一 参照文献······························································18

第1章 绪论

1.1 工程机械座椅创新设计综述

座椅是工程机械重要功能件之一。座椅舒服性在工程机械个性化设计中非常重要，同步也是保障工程机械安全性能一某些。设计合理工程机械座椅能为驾乘人员提供安全、舒服、便于操作和不易疲劳驾乘感受。工程机械技术飞速发展和人们对工程机械各方面性能规定提高，对工程机械座椅规定也在不断提高。本文基于人们对工程机械座椅规定，对其设计进行了简要简介。
1.2 工程机械座椅设计基本原则

工程机械座椅设计是一项复杂系统工程，它涉及机械、化工、防止、喷涂、热解决、美学、力学、人体工程学等多门学科，设计时应依照人机工程学原理综合考虑座椅舒服性、减振性、安全性以及座椅合理布置，此外，还要考虑人体生理特性及尺寸，进行量身定做，以提高座椅乘坐舒服性。
（1）安全
设计时一方面要绝对保证驾乘者安全，这就规定座椅要有足够强度，在发生碰撞时，座椅不会或可以减轻对乘坐者导致伤害，并能起到一定保护作用。
（2）操纵以便
设计座椅还需要操纵以便，调节手柄和按钮布置必要在驾乘者伸手可及位置，并符合常人习惯且操纵力量适中。
（3）乘坐舒服
设计座椅必要能使乘客保持良好坐姿，使其脊柱自然弯曲，保证合理体压分布冰使其肌肉松弛，上体通向大腿血管不受压迫，血液循环正常；冰具备腰椎依托感、腰背部贴和感和侧向稳定感。能有效隔离或衰减路面不平产生振动，满足大多数驾乘者坐姿舒服性规定。

1.3 本课题创意阐明
工程机械技术飞速发展和人们对工程机械各方面性能规定提高，对工程机械座椅规定也在不断提高。本文基于人们对工程机械座椅规定，对工程机械座椅创新设计进行了简朴简介。座椅舒服性在工程机械个性化设计中非常重要，同步也是保障工程机械安全性能一某些。本创意重要是设计合理工程机械座椅，为驾乘人员提供安全、舒服、便于操作和不易疲劳驾乘条件。其中采用推轮、棘轮、凸轮机构使座椅位置调节更以便、可靠。

第2章 工程机械座椅及腰部支撑部件设计

2.1工程机械座椅重要部件设计

座椅部件重要涉及坐垫、靠背、头枕、骨架蒙皮、减振机构调节机构等，设计原则根据是：座椅靠背造型和曲线应与人体放松状态下背部曲线和臀部曲线相吻合，能支撑到腰椎部位，不会因血液循环不良而引起肢体麻木，长时间乘坐不易感到疲劳；骨架及各机构应能满足强度(安全)规定和使用规定，通过对座椅先后上下、靠背倾斜角度、头枕先后上下等位置有限调节，使大某些人处在舒服状态。
坐垫、靠背、头枕、骨架蒙皮等部件在设计时都大同小异，在此不做详细简介。

2.2工程机械腰部支撑部件设计
工程机械支撑部件重要由齿轮齿条、推柄、棘轮棘爪机构、轴类、凸轮构成，下面一次简介上述部件设计计算过程及其装配方案。

2.2.1齿轮齿条设计
1.选取材料
齿轮：QT500-3，调质解决，齿面硬度230--270HBS；
齿条：QT500-7，正火解决，齿面硬度180--200HBS。
2.依照齿根弯曲疲劳强度拟定模数
初取齿轮齿数为20，
齿条齿距高度为20,座椅每天调节2次，寿命是。
查参照文献【1】机械设计图10-24c查得,
取安全系数
计算应力循环次数:

查图3-5得，又
,取
由得

查图3-4得，则

取，则

取m=2。
3.按齿面接触强度拟定中心距
办法简介：
正齿轮计算牵涉到齿厚及中心距之间关系，由于计算中要有详细三角函数表和渐开线函数表，故很不以便。但是，在进行计算时，使用预先计算好数据这样一种新办法，便可使计算能很以便地进行。
这种新计算办法在便用两个无量纲系数——齿厚系数 及中心距系数 同步，还使用把两个系数联系起来预先计算好数据。两个无量纲系数定义为：

式中

齿轮对工作压力角为：

或

对于已知标谁压力角及齿厚系数数值范畴，可依照上述公式预先计算好数据，原则压力角为。
计算中心距为

4.齿轮齿条重要参数
齿轮：Z1=20,m=2

按b/d5=70/100=0.7，考虑齿轮悬臂布置
，

计算载荷系数

与相近，不必修正。
因此齿轮齿条参数为：
齿轮：轮毂直径d2=20mm，长度为20mm齿轮面宽为12mm。
齿条：考虑到座椅实际尺寸，其腰部支撑部位靠背厚度不能超过120mm因此选齿条长度为100mm，其面宽度应和齿轮相应，也为12mm。
初定齿条齿距高度为20mm，嵌入模板里10mm
周节数

齿厚
S=1.5708
齿顶高
h1=m=2
齿根高

齿工作高度

齿全高

2.2.2 推柄设计
1.选取材料
推柄材料选用HT200抗拉强度极限为。
2.尺寸计算
当人坐在座椅上时对靠背压力为0.3倍人体重量，即：，假设一种人重量为70kg，此时对靠背压力为,
但考虑工程机械在行驶时颠簸、猛向后靠背等产生冲击力会很大，普通都能和自身重量差不多，甚至要超过自身重量，为了安全起见设定该力：

因使用材料为脆性材料，零件重要失效形式为脆性断裂。考虑推柄所退物件长度尺寸大概为200mm，宽度尺寸大概为50mm，为保持平衡性等各项因素，初步设定推柄截面尺寸为：
长 宽 高
考虑到该推柄要与齿条配合，使齿条动时带动推柄，从以便安装角度，在推杆中间挖一种和齿条配合槽，使齿条嵌入槽中形成配合。
在推柄前侧挖两个孔作用为连接减震装置，用2个螺栓连接。

2.2.3 棘轮棘爪机构设计
1.选取材料：
棘轮：QT500-3，调质解决，齿面硬度230--270HBS；
锯齿：45号钢，正火解决，齿面硬度217—255HBS；
2.拟定棘轮齿面倾斜角
当选定模数m、齿数z、齿顶厚a、齿高h、齿槽角后，棘轮齿形即完全拟定，构成齿槽两面应汇交于根圆，且其夹角为。由几何学可知两齿面与根圆交点E位于经A、B两点且圆周角为圆上。既有资料即据此通过作图拟定E点位置，进而量出齿面倾斜角。下面给出E点位置及角精准计算公式。设过A、B两点且圆周角为圆圆心位于F点，E点即为该圆与根圆交点。建立坐标系，则E点坐标满足下列关系

式中

由上可求得

由此可拟定棘轮齿面长度及倾斜角为

式中
，
。
已知AE后， 即完全拟定，从而可求出及。
为使棘爪在工作时能顺利进入棘轮齿槽并啮紧不脱，α角应满足摩擦条件，普通应有。
加工时若刀具按以上计算数据调节倾角，则由于加工圆角:存在，实际根圆半径比理论值，，大，即齿高缩短。若齿根圆角圆心为03，则实际根圆半径和实际齿高为：

其中

3.摇空程角计算
一种送进运动过程中摇杆往复摆动最小角度与棘轮转角之差称为最小空程角。通过对计算不但可拟定摇杆应有最小摆角，并可预计当用止回棘爪进行单向定位防止棘轮逆转时所能达到精度规定。当棘轮每次只转过一种齿时，计算如下：
如图2-1所示，若不考虑棘轮齿根圆角、齿顶圆角及棘爪顶部圆角时，应为棘爪尖点从与棘轮齿顶A点接触到与齿根E点接触摇角，即：

若考虑棘轮齿根圆角齿顶圆角及棘爪顶部圆角，则摇杆一种极限位置相应于棘爪顶部圆弧与棘轮接触于齿顶圆弧，如图3-8所示虚线位置，此时

图2-1 棘爪拟定

棘爪顶部进入棘轮齿槽后(如图26实线位置)相应于空程结束时刻，棘爪顶部圆弧与齿槽相切于M、N两点，故

其中

图2-2 棘爪外形尺寸拟定
为点至直线距离，它可由下式求得

为保证棘爪能顺利进入棘轮齿槽，摇杆摆角必要。
4.棘爪外形尺寸拟定
如图2-2所示，棘爪零件外形设计核心是拟定工作面倾斜角及该面相对于棘爪转动中心距离，而既有设计资料中均未提供拟定、办法和公式，从而给棘爪零件精准设计带来不便。
由图2-2可知，当棘爪进入棘轮齿槽两者一起运动时，棘爪工作面理论上应与棘轮相应齿面完全贴合，故有：

式中和均可由余弦定理求得。
由、即可拟定非工作面倾斜角及位置。
5.所设计棘轮棘爪机构各项尺寸如下：
棘轮：
，，，，，
轮毂直径，面宽.
棘爪：
，,,。

2.2.4 轴设计
1. 选取材料：
轴材料为选取45号钢，调质解决。
2. 初步估定
轴工作中承受扭转和弯曲联合伙用，但以扭转作用为主。因此按扭转作用进行近似计算，然后用增长安全系数以减少材料许用应力办法弥补由于忽视弯曲作用所引起误差。
轴受扭转时强度条件为：

式中——截面上最大剪应力，；
——轴传递扭矩，；
——抗扭截面模量，；
——减少后扭转剪应力，。
对于实心圆截面轴
；
因此，初定轴直径。
3. 考虑弯曲载荷一按弯扭联合伙用设计计算
由于不规则运动，故轴径向也受力，使在承担扭矩同步还承受弯矩作用。因而，轴强度计算应综合考虑这两大应力共同作用下受力状况。弯曲载荷与轴径形状、段数、安装位置以及有无挡板等因素关于，这些因素综合伙用成果会引起不平衡水力作用。应力由下式计算:

式中 ——剪切应力，；
——截面模量，；
——等效力矩， ；
——轴径，；
——扭矩，；
——轴所承受弯矩，；
，——运动效应系数；
——功率，；
——轴转速，；
——作用于轴上径向载荷，
;——径向载荷作用点距支点距离，。
普通，材料许用剪应力与材料伸强度有

故轴直径

4.轴刚度计算
为避免转动搅拌轴产生过大扭转运转中产生振动而导致轴封泄漏，应限制
扭转变形。工程上以单位长度扭转角不超用扭转角作为扭转刚度条件，即

式中——轴扭转变形扭转角，；
——弹性模量，；
——轴截面级惯性矩，；
——许用扭转角，。
5.轴尺寸参数：
连接齿轮段轴径，每过一种阶梯轴径变大。结手柄段为节约材料，不需要继续加粗，由于设计此段轴径为。

2.2.5 凸轮设计
当支撑元件伸出靠背过长是就规定其往回运动，但有棘爪存在就限制了这一运动，为使棘爪能脱离棘轮而使棘轮反向转动时，就需要有个机构可以顶开棘爪，使棘轮脱离棘爪束缚，为此设计了凸轮机构来实现这一功能。

图2-3 凸轮草图
从动件运动规律是依照从动件要实现工艺动作规定决定。有两种状况。一种状况是从动件运动规律完全有机械工艺动作规定决定，另一种状况是从动件工艺动作对凸轮机构只严格给出凸轮机构各段转角及行程，而规定设计者从已有某些惯用运动规律中选取满足工艺过程运动学和动力学规定。本机构由于设计凸轮所要达到目仅仅是单一顶开棘爪，因而所设计凸轮机构只需要两种工作状态：一种是凸轮和棘爪接触，另一种是不接触；接触时棘爪被顶开，而不接触时棘爪由于弹簧作用与棘轮保持接触，以制止棘轮反转。
本次设计凸轮机构比较简朴，草图如图2-3所示：当凸轮转到A点时，可以与棘爪接触从而顶开棘爪，使其与棘轮脱离，当转到B点时由于此段半径小，不能与棘爪接触，因而不能顶开棘爪，也不能与棘轮脱离。
凸轮宽度为，另设计一段轴与凸轮连接，以便于控制。

2.2.6 各支撑部件装配
按照各轴、齿轮齿条、棘轮机构等个某些尺寸大小设计了箱体，因该机构需要放置在座椅靠背里面，其尺寸不能过大，构造应尽量紧凑(图2-4)。
配合时保证齿轮齿条严格按啮合要点啮合，棘轮与棘爪接触位置等等。本文所设计机构传动为：转动手柄，通过轴带动棘轮和齿轮，齿轮再通过其配合将齿条先后移动，而齿条连接支撑部件，从而实现了腰部支撑。示意图如图2-4。

图2-4 腰部支撑机构装配示意图
在图2-4中1所示小框为内部有一弹簧，该弹簧作用为：给棘爪一种面向棘轮轮心弹力，使棘爪和棘轮在转动每个时刻都保持接触，以免在棘轮浮现反转时，棘爪不能较好卡住棘轮。

第3章 核心部件校核

3.1齿轮齿条啮合处齿根弯曲疲劳强度校核
按Z1=20,
由参照文献[1]图10=24C查得
由参照文献[1]图10-17查得
Y=1.0，Y=1.0
m=3mm<5mm,
故Y=Y=1.0
取Y=2.0，S=1.4
计算许用弯曲应力

由参照文献[1]图10-17查得

由参照文献[1]图10-18查得

计算，由于，取

计算尺根弯曲应力

安全。

安全。

3.2 连接轴校核

图3-1 轴平面图
连接轴重要受到齿条和齿轮配合时给轴弯矩和扭矩作用，因而校核时依照弯扭强度理论进行校核。如图3-1依照受力和其机构分析可知截面A处受到弯矩最大，而轴上各处扭矩大小同样，因此最危险截面为A截面，要校核轴安全系数只要校核A截面安全系数即可。
齿轮齿条配合时其产生纵向挤压力相对于后背对推杆里来说很小，因而可以忽视不记，这里重要计算后背对轴产生弯矩：

做轴扭矩和弯矩图，如图3-2。

图3-2 轴弯矩和扭矩图

查参照文献[1]表15-1得。
查参照文献[1]表15-3得。
按第三强度理论进行强度校核得：

因而所设计轴安全。

第4章 感想及道谢

初次接触创新设计，有一种全新感觉，和此前接触是完全不同境界。一切都从零开始，翻阅资料，购书学习，然后试着设计、计算、校核、绘图，并且不断修改，重复进行。每一某些、每一种环节都让咱们感到受益非浅。有时因一种小小错误，看起来并不影响什么，但通过重复思考，才发现这样一种不起眼小错误就会导致意想不到后果，这让我懂得了千里之堤，毁于蚁穴道理；有时还会浮现别不合理地方。
由于在设计方面咱们没有经验，理论知识学不牢固，在设计中难免会浮现问题，如：在选取计算原则间是也许会浮现误差，如果是联系紧密或者循序渐进计算误差会更大，在查表和计算上精度不够精确。 
创新设计运用到了诸多知识，例如将理论力学，材料力学，机械设计，机械原理，是我对此前学习知识有了更深刻体会。 
创新设计让咱们有机会把理论和实践相结合，学会了用理论去指引实践，同步也只有通过实践检查才懂得理论对的与否。同步在这次创新设计中咱们深刻体会到机械设计发展速度之快，在社会各领域 地位也越来越高。虽然，咱们如期完毕了创新设计，但应当承认，咱们设计全面性还不够，考虑问题周密性也不强，所设计最后成果还没有达到最优效果。这其中有多方面因素， 这涉及对所学知识不够纯熟，也涉及咱们对现实中机械零件不够理解，这规定咱们后来再实践中加强，因而在这方面咱们应不断学习，不断更新知识，不断充实自己，这样才干适应信息时代发展。 
本次创新设计过程中，指引教师提出了许多实质性建议，同步装备1班同窗也给了我诸多协助，在此表达衷心感谢。

附录一
参照文献

[1]濮良贵，陈国定，吴立言主编.机械设计（M），第9版.北京：高等教诲出版社，5月
[2] 孙桓，陈作模，葛文杰主编.机械原理，第七版.北京：高等教诲出版社，5月
[3]青色柠檬，新浪微博，
[4]zhg349，百度文库，