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创新设计大赛设计说明书

43
2020年6月23日
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编号
鄂创新-06-

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
二0 0六年五月

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
申 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: 87862280

电子邮箱:

目 录

1. 创新设计作品的主要功能指标及工作原理-----------------4
2 创新构思, 方案设计-----------------------------------------4
3. 创新设计作品运动分析和动力分析及必要的设计计算--------5
4. 方案分析与比较--------------------------------------23
5. 创新设计作品与已有相近产品的异同与创新之处----------23
6. 对作品进行评价、 对比、 决策分析----------------------24
7. 实用化的可能性、 成本分析及应用前景------------------24
8. 参考文献------------------------------------------- 24
9. 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, 她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, 她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:
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

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=3×n-2×PL-PH
得: F=3×3-2×4-0=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点与丝杆机构螺母铰接, 上身部缸体能够根据预期要求运动, 在0°——70°间任意位置翻转并锁紧,其运动轨迹如图( 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)
上身部两边杉木板质量:
M1=0.7×0.32×0.015×380×2+0.62×0.39×0.015×380=3.8kg
底板质量
M2=0.845×0.56×0.02×380=3.4kg
支架分为三个部分, 质量分别为m1, m2, m3, 且
m1=2.3( 0.038×0.025-0.035×0.022) ×7800=3.1kg
m2=1.8×0.0001×0.45×7800=0.6kg
m3=0.45×( 0.025×0.025-0.023×0.023) ×7800×2=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
① 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:
P×AC-Fn×AD=0 即515×450-Fn×600=0
∴ Fn=385N
如图( 6-b) ,B点到力Fg的力臂为L1=73mm,由∑MB=0有:
Fn×BE-Fg×L1=0 即385×405-Fg×73=0
∴ Fg=2135N
② 丝杆直径校核( 选丝杆Tr20×4)
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=Fg×cos24°=1950N, 则由

其中 取 k=0.8, n=1.2, [p]=11～18
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)
③ 校核A, B, E各处销的强度( 各销直径均为d=10mm)
销联接, 销的材料常见35#钢, 可取许用切应力[]=80MPa, 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=130N

B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) 当上身部缸体翻转处于中间状态( 即35°) 时
① 受力分析
如图( 7) 有: AM=920mm, AD=480mm, DE=50mm, BE=405mm.

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:
P×L1-Fn×AD=0 即515×370-Fn×480=0
∴ Fn=395N
由∑MB=0有: Fn×BE-Fg×L2=0 即395×405-Fg×65=0
∴ Fg=2460N
② 丝杆直径校核( 丝杆Tr20×4)
力Fg与丝杆方向夹角为54°, 其沿丝杆方向上的分力为
FQ=Fg×cos54°=1445N, 则由

其中 取 k=0.8, n=1.2, [p]=11～18.
由题中丝杆大径为20mm, 小径为15mm可知丝杆直径满足。
③ 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
① 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:
P×L1-Fn×AD=0 即515×155-Fn×360=0
∴ Fn=220N
由∑MB=0有: Fn×BE-Fg×L2=0 即220×405-Fg×75=0
∴ Fg=1190N
② 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=Fg×cos77°=287N, 则由

其中 取 k=0.8, n=1.2, [p]=11～18
由题中丝杆大径为20mm, 小径为15mm可知丝杆直径满足。
③ 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=4/3.14×18=0.0707
∴ =4.04°
当量摩擦系数

当整个洗浴器处于洗浴状态时

=1950×18tan(4.04°+17.22°)/2
=6830N·mm
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

=1445×18tan(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

=287×18tan(4.04°+17.22°)/2
=1005N·mm
∴ 手摇所需的力 F=T/l=1005/145=7N
3 腿部缸体分析

图( 12)
( 1) 腿部缸体连杆机构类型
如图( 12) ,
OR杆杆长为L1=175mm RX杆杆长为L2=95mm
XK杆杆长为L3=133mm KO杆杆长为L4=130mm
L1+L2<L3+L4
又KO杆作为机架, 它为最短杆RX杆对边 , 故该机构为以OZR杆和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杆, 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=3×( N-1) -2×PL-PH
得: F=3×( 4-1) -2×4-0
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
腿部部缸体能够根据预期要求运动, 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
腿部上边柏木板质量
M1′=0.405×0.285×0.02×380×2+0.56×0.285×0.02×380
=3.1kg
底板质量
M2′=0.39×0.56×0.02×380=1.7kg≈2.0kg
支架分为而两个部分, 质量分别为m1, m2, 且
m1=1.2( 0.038×0.025-0.035×0.022) ×7800=1.7kg
m2=0.45×( 0.038×0.025-0.035×0.022) ×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
设腿部缸体和人的重心Z与O点距离为OZ=200mm, 由∑K=0得,
F1×L1=P×L2 其中L1=39mm, L2=35mm
∴ 弹簧所受力为 F1=225×35/39=200N
4 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=160mm,
EB杆杆长为L3=300mm, BA杆杆长为L4=200mm.
L1+L2<L3+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杆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杆, 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=3×( N-1) -2×PL-PH
得: F=3×( 4-1) -2×4-0
即: F=1
故满足运动要求。
( 3) 上身部缸体运动轨迹图( 13) 如下, 上身部缸体能够根据预期要求运动, 在0°——70°间任意位置翻转并锁紧, 图示为上身部缸体在0°, 35°,
70°三个位置的机构运动状态。

图( 13)

5 方案二受力分析
( 1) 上身部缸体洗浴状态受力分析
① 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.根据 ∑MA=0 有: Fn×L1-P×L2=0 得: Fn=1170N

图( 16)
如图( 16) , Fn相对于B的力臂L3=200mm,FQ相对于B的力臂L4=100mm.
根据∑MB=0, 有: Fn×L3-FQ×L4=0 得: FQ=2340N

图( 17)
如图( 17) , 根据 , 有: Fn×cos18°-YA-P=0 得: YA=560N
根据 , 有: Fn×sin18°-XA=0, 得: XA=362N
FA=667N
FE=Fn=1170N

图( 18)
如图( 18) , 根据 , 有: Fn×sin18°-XB+FQ=0, 得: XB=2701.6N
根据 , 有: Fn×cos18°-YB=0 , 得: YB=1113N
FB=
② 校核A, B, E各处销的强度( 各销直径均为d=10mm)
销联接, 销的材料常见35#钢, 可取许用切应力[]=80MPa, 受 横向力F作用时, 应 :
(d 为销危险截面的直径, mm)
A处 , 则
B处, 则
E处: 则
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
① 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 有: Fn×L1-P×L2=0 得: Fn=487N
根据 , 有: Fn×cos42°+YA-P=0 得: YA=153N
根据 , 有: Fn×sin42°-XA=0, 得: XA=326N
FA=
FE=Fn=487N

图( 21)
如图( 21) , Fn相对于B的力臂L3=285mm,FQ相对于B的力臂L4=124.4mm.
根据, 有: Fn×L3-FQ×L4=0 得: FQ=1116N
根据 , 有: Fn×sin42°-XB+FQ=0, 得: XB=1442N
根据 , 有: Fn×cos42°-YB=0 , 得: YB=362N
FB=
② 校核A, B, E各处销的强度( 各销直径均为d=10mm)
销联接, 销的材料常见#35钢, 可取许用切应力[T]=80MPa, 受 横向力F作用时, 应 :
(d 为销危险截面的直径, mm)
A处 , 则
B处, 则
E处: 则
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
① 上半身缸体翻转极限( 70度) 受力简图如下:

图( 22)

图( 23) 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: Fn×L1-P×L2=0 得: Fn=217N
根据 , 有: Fn×cos37°+YA-P=0 得: YA=173N
根据 , 有: Fn×sin37°-XA=0, 得: XA=131N
FA=
FE=Fn=217N
如图( 24) , Fn相对于B的力臂L3=247mm,FQ相对于B的力臂L4=100.4mm.
根据, 有: Fn×L3-FQ×L4=0 得: FQ=592N
根据 , 有: Fn×sin37°-XB+FQ=0, 得: XB=723N
根据 , 有: Fn×cos37°-YB=0 , 得: YB=131N
FB=
② 校核A, B, E各处销的强度( 各销直径均为d=10mm)
销联接, 销的材料常见#35钢, 可取许用切应力[T]=80MPa, 受 横向力F作用时, 应 :
(d 为销危险截面的直径, mm)
A处 , 则
B处, 则
E处: 则
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=4/3.14×18=0.0707
∴ =4.04°
当量摩擦系数

上身部缸体洗浴状态时

=2340×18tan(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

=1116×18tan(4.04°+17.22°)/2
=3909N·mm
∴ 手摇所需的力 F=T/l=3909/145=27N
上半身缸体翻转极限

=592×18tan(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,能够在0°-70°任意位置翻转和牢固的锁紧, 丝杆始终受到拉力, 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９０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,能够产生0°-70°任意位置的翻转和牢固的锁紧, 运动较平稳, 可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残病人服务, 在结构上与它们差异显著。
2 创新点
( 1) 摆脱了现有洗浴产品的固定式安装模式, 采用移动机架, 并设置了集水系统, 使水集中排放, 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、 丝杆机构、 双摇杆机构、 凸轮机构等组成翻转机构,进行收缩翻转, 并巧妙地利用弹簧力进行力平衡和缓冲, 使产品结构紧凑, 操作轻便,运行 、 定位可靠,便于在空间狭小的家庭、 室内使用。
六 对作品进行评价、 对比、 决策分析

该产品是专为瘫痪残病人服务的洗浴产品, 属于开发性设计产品, 产品构思新颖, 结构巧妙, 加工制造容易, 安装方便, 批量生产, 成本较低。相对于其它现有洗浴产品, 有其明确独特的市场定位, 填补了残病人洗浴产品市场空白.

七 实用化的可能性、 成本分析及应用前景

对于生活不能自理的残疾病人来说, 由于受到生活环境的限制, 洗浴非常不方便, 多功能移动式残病人洗浴器则为广大残疾病人提供了方便, 只需一人操作, 就能够把残疾病人移动到浴室或其它室内场所洗浴, 同时兼有室内轮椅和临时睡床的功能。本产品结构简单巧妙, 加工比较容易, 可在一般机床( 车床, 钻床及焊机) 上进行加工, 如果批量生产, 缸体采用ABS板注塑成型,再加上选用普通钢材, 成本较低, 价格完全可为一般工薪家庭接受, 市场前景相当广泛。该产品还可考虑采用电动驱动, 虽然成本有所提高, 但定位于经济条件好的家庭, 市场容量也相当可观。

八 参考文献

1 彭文生等主编《机械设计》 第一版 北京: 高等教育出版社,
2 李桌球等主编《理论力学》 第二版 武汉: 武汉理工大学出版社,
3 赵 光等主编《AutoCAD 》第一版 北京; 电子工业出版社,
4 孙恒等主编 《机械原理》 第五版 北京: 高等教育出版社, 1998

九. 多功能移动式残病人洗浴器初装实物照片

多功能移动式残病人洗浴器初装实物图(1)

多功能移动式残病人洗浴器初装实物图(2)

上身部缸体翻转状态, 其翻转机构由摆动导杆机构和
丝杆机构组合构成

多功能移动式残病人洗浴器初装实物图(3)

腿部缸体翻转机构由双摇杆机构、 凸轮机构及弹簧组成,
利用死点使腿部缸体可品地定位在水平位置

多功能移动式残病人洗浴器初装实物图(4)