机械设计创新设计

1、ABSTRACT机械创新设计说明书题 目 工程机械座椅下部机构设计分析 专 业 班 级 班 学 生 指导教师 2014年5月18摘 要随着工程建设越来越多，工程机械的运用也越来越广。然而工程机械工作的环境普遍比较恶劣，如果没有一个安全可靠的舒适座椅，对于工程机械驾驶员而言，无疑是一场噩梦。工程机械驾驶室是操作人员工作和活动的空间，除了具有良好的视野，足够的刚度和强度之外，还得保证操作环境舒适、方便，满足的人机工程，利于操作人员高效、可靠地工作。本文叙述了工程机械座椅的设计要求，同时设计了工程机械下部机构和座椅的骨架，并对某些重要元件进行了校核，确保了机构的合理性。本文主要的工作如下：(1)查找

2、工程机械座椅重要部件的设计要求，对座椅的设计有个总体的了解，。(2)通过对座椅舒适性的研究，设计座椅的一些结构，使所设计的座椅尽量符合人的需求。(3)通过查找资料，设计了工程机械下部支撑机构和座椅的骨架，对具体结构尺寸进行了设计，同时阐述了腰部支撑部件的有关原理与求解方法。(4)对关键部件进行了校核，保证了座椅结构的安全性能。关键词：座椅，工程机械座椅，座椅下部结构设计ABSTRACTABSTRACTWith the increasing use of engineering construction, engineering machinery is used more widely. Ho

3、wever, 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 rigi

4、dity 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 mach

5、inery 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

6、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 calcula

7、tion 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机械设计创新设计目录目录··················&

8、#183;·················································&

9、#183;····i第1章 绪论············································

10、·····················11.1 工程机械座椅创新设计概述··························&

11、#183;···················11.2 工程机械设计原则····························

12、··························11.3 本课题的创意说明······················

13、;································2第2章 工程机械座椅主要部件及腰部支撑部件的设计·············

14、3;·················22.1 工程机械座椅主要部件的设计·····························

15、3;··············22.2 工程机械腰部支撑部件的设计································

16、3;···········22.2.1 齿轮齿条的设计····································&#

17、183;·············22.2.2 推柄的设计··································&#

18、183;···················62.2.3 棘轮棘爪机构的设计···························

19、3;···················62.2.4 轴的设计·····························

20、;···························102.2.5 凸轮的设计····················

21、3;·································122.2.6 各支撑部件的装配··············

22、··································13第3章 关键部件的校核··············

23、;··········································143.1 齿轮齿条啮合处齿根弯曲疲劳强度的校核····

24、;·····························143.2 连接轴的校核···················

25、;······································16第4章 感想及致谢··········

26、··················································

27、17附录一 参考文献················································&#

28、183;·············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的主要功能件之一。座椅的舒适性在工程机械的个性化设计中非常重要，同时也是保障工程机械安全性能的一部分。设计合理的工程机械座椅能为驾乘人员提供安全、舒适、便于操作和不易疲劳的驾乘感受。工程机械技术的飞速发展和人们对工程机械各方面性能要求的提高，对工程机械座椅的要求也在不断提高。本文基于人们对工程机械座椅的要求，对其设计进行了简要的介绍。1.2 工程机械座椅设计的基本原则工程

29、机械座椅设计是一项复杂的系统工程，它涉及机械、化工、防止、喷涂、热处理、美学、力学、人体工程学等多门学科，设计时应根据人机工程学原理综合考虑座椅的舒适性、减振性、安全性以及座椅的合理布置，此外，还要考虑人体生理特征及尺寸，进行量身定做，以提高座椅的乘坐舒适性。（1）安全设计时首先要绝对保证驾乘者的安全，这就要求座椅要有足够的强度，在发生碰撞时，座椅不会或可以减轻对乘坐者造成伤害，并能起到一定的保护作用。（2）操纵方便设计的座椅还需要操纵方便，调整手柄和按钮的布置必须在驾乘者伸手可及的位置，并符合常人的习惯且操纵力量适中。（3）乘坐舒适设计的座椅必须能使乘客保持良好的坐姿，使其脊柱自然弯曲，保证

30、合理的体压分布冰使其肌肉松弛，上体通向大腿的血管不受压迫，血液循环正常；冰具有腰椎依托感、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的振动，满足大多数驾乘者坐姿舒适性的要求。1.3 本课题的创意说明工程机械技术的飞速发展和人们对工程机械各方面性能要求的提高，对工程机械座椅的要求也在不断提高。本文基于人们对工程机械座椅的要求，对工程机械座椅的创新设计进行了简单的介绍。座椅的舒适性在工程机械的个性化设计中非常重要，同时也是保障工程机械安全性能的一部分。本创意主要是设计合理的工程机械座椅，为驾乘人员提供安全、舒适、便于操作和不易疲劳的驾乘条件。其中采用的推轮、棘轮、凸轮机构使座椅的位置调

31、节更方便、可靠。第2章 工程机械座椅及腰部支撑部件的设计2.1工程机械座椅主要部件设计座椅部件主要包括坐垫、靠背、头枕、骨架蒙皮、减振机构调整机构等，设计原则的依据是：座椅靠背的造型和曲线应与人体放松状态下的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)要求和使用要求，通过对座椅的前后上下、靠背的倾斜角度、头枕前后上下等位置的有限调节，使大部分人处于舒适状态。坐垫、靠背、头枕、骨架蒙皮等部件在设计时都大同小异，在此不做详细介绍。2.2工程机械腰部支撑部件的设计工程机械支撑部件主要由齿轮齿条、推柄、棘轮棘爪机

32、构、轴类、凸轮构成，下面一次介绍上述部件的设计计算过程及其装配方案。2.2.1齿轮齿条的设计1.选择材料齿轮：QT500-3，调质处理，齿面硬度230-270HBS；齿条：QT500-7，正火处理，齿面硬度180-200HBS。2.根据齿根弯曲疲劳强度确定模数初取齿轮齿数为20，齿条齿距高度为20,座椅每天调整2次，寿命是20年。查参考文献【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.按齿面接触强度确定中心距方法介绍：正齿轮的计算牵涉到齿厚及中心距之间的关系，由于计算中要有详细的三角函数表和渐开线函数表，故很不方便。但

33、是，在进行计算时，使用预先计算好的数据这样一种新的方法，便可使计算能很方便地进行。这种新的计算方法在便用两个无量纲系数齿厚系数 及中心距系数 的同时，还使用把两个系数联系起来的预先计算好的数据。两个无量纲系数的定义为：式中齿轮对的工作压力角为：或 对于已知的标谁压力角及齿厚系数的数值范围，可根据上述公式预先计算好数据，标准压力角为。计算中心距为 4.齿轮齿条的主要参数齿轮：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，无须修正。所以齿轮齿条参数为：齿轮：轮毂直径d2=20mm，长度为20mm齿轮面宽为12mm。齿条：考虑到座椅的实际尺寸，其腰部支撑

34、部位的靠背厚度不能超过120mm所以选齿条长度为100mm，其面宽度应和齿轮对应，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 推柄的设计1.选择材料推柄材料选用HT200抗拉强度极限为。2.尺寸计算当人坐在座椅上时对靠背的压力为0.3倍的人体重量，即：，假设一个人的重量为70kg，此时对靠背的压力为,但考虑工程机械在行驶时颠簸、猛的向后靠背等产生的冲击力会很大，一般都能和自身的重量差不多，甚至要超过自身的重量，为了安全起见设定该力：因使用的材料为脆性材料，零件的主要失效形式为脆性断裂。考虑推柄所退的

35、物件长度尺寸大约为200mm，宽度尺寸大约为50mm，为保持平衡性等各项因素，初步设定推柄的截面尺寸为：长 宽 高考虑到该推柄要与齿条配合，使齿条动时带动推柄，从方便安装的角度，在推杆的中间挖一个和齿条配合的槽，使齿条嵌入槽中形成配合。在推柄前侧挖两个孔的作用为连接减震装置，用2个螺栓连接。2.2.3 棘轮棘爪机构的设计1.选择材料：棘轮：QT500-3，调质处理，齿面硬度230-270HBS；锯齿：45号钢，正火处理，齿面硬度217255HBS；2.确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，棘轮的齿形即完全确定，构成齿槽的两面应汇交于根圆，且其夹角为。由几何学可知两

36、齿面与根圆的交点E位于经A、B两点且圆周角为的圆上。现有资料即据此通过作图确定E点位置，进而量出齿面倾斜角。下面给出E点位置及角的精确计算公式。设过A、B两点且圆周角为的圆的圆心位于F点，E点即为该圆与根圆的交点。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确定棘轮齿面长度及倾斜角为式中，。已知AE后， 即完全确定，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，角应满足摩擦条件，一般应有。加工时若刀具按以上计算数据调整倾角，则由于加工圆角:的存在，实际根圆半径比理论值，大，即齿高缩短。若齿根圆角的圆心为03，则实际根圆半径和实际齿高为：其中3.摇空程角的计算一个送进运动

37、过程中摇杆往复摆动的最小角度与棘轮转角之差称为最小空程角。通过对的计算不仅可确定摇杆应有的最小摆角，并可估计当用止回棘爪进行单向定位防止棘轮逆转时所能达到的精度要求。当棘轮每次只转过一个齿时，的计算如下：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点接触摇的角，即：若考虑棘轮齿根圆角齿顶圆角及棘爪顶部圆角，则摇杆的一个极限位置对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 棘爪的确定 棘爪顶部进入棘轮齿槽后(如图26实线位置)对应于空程结束时刻，棘爪顶部圆弧与齿槽相切于M、N两点，故其中图2-2 棘爪

38、外形尺寸的确定为点至直线的距离，它可由下式求得为保证棘爪能顺利进入棘轮齿槽，摇杆摆角必须。4.棘爪外形尺寸的确定如图2-2所示，棘爪零件外形设计的关键是确定工作面的倾斜角及该面相对于棘爪转动中心的距离，而现有设计资料中均未提供确定、的方法和公式，从而给棘爪零件的精确设计带来不便。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对应齿面完全贴合，故有： 式中和均可由余弦定理求得。由、即可确定非工作面的倾斜角及位置。5.所设计的棘轮棘爪机构的各项尺寸如下：棘轮：，轮毂直径，面宽.棘爪：，,。2.2.4 轴的设计1. 选择材料：轴的材料为选择45号钢, 调质处理。2. 初步

39、估定轴工作中承受扭转和弯曲联合作用，但以扭转作用为主。所以按扭转作用进行近似计算，然后用增加安全系数以降低材料的许用应力的方法弥补由于忽略弯曲作用所引起的误差。轴受扭转时的强度条件为：式中截面上最大剪应力，； 轴传递的扭矩，； 抗扭截面模量，； 降低后的扭转剪应力，。对于实心圆截面轴；所以，初定轴的直径。3. 考虑弯曲载荷一按弯扭联合作用设计计算由于不规则运动，故轴径向也受力，使在承担扭矩的同时还承受弯矩作用。因此，轴的强度计算应综合考虑这两大应力共同作用下的受力情况。弯曲载荷与轴径形状、段数、安装位置以及有无挡板等因素有关，这些因素的综合作用结果会引起不平衡的水力作用。应力由下式计算:式中

40、剪切应力，；截面模量，；等效力矩， ；轴径，；扭矩，；轴所承受的弯矩，；，运动效应系数；功率，；轴转速，；作用于轴上的径向载荷，;径向载荷作用点距支点的距离，。通常，材料的许用剪应力与材料的伸强度有故轴的直径4.轴的刚度计算为避免转动搅拌轴产生过大的扭转运转中产生振动而造成轴封泄漏，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的刚度条件，即式中轴扭转变形的扭转角，；弹性模量，；轴截面的级惯性矩，；许用扭转角，。5.轴的尺寸参数：连接齿轮段轴径，每过一个阶梯轴径变大。结手柄段为节省材料，不需要继续加粗，因为设计此段轴径为。2.2.5 凸轮的设计当支撑元件伸出靠背过长是就要求其往回

41、运动，但有棘爪的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，就需要有个机构能够顶开棘爪，使棘轮脱离棘爪的束缚，为此设计了凸轮机构来实现这一功能。图2-3 凸轮草图从动件的运动规律是根据从动件要实现的工艺动作要求决定的。有两种情况。一种情况是从动件的运动规律完全有机械工艺动作要求决定，另一种情况是从动件的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，而要求设计者从已有的一些常用运动规律中选择满足工艺过程的运动学和动力学要求的。本机构由于设计凸轮所要达到的目的仅仅是单一的顶开棘爪，因而所设计的凸轮机构只需要两种工作状态：一个是凸轮和棘爪接触，另一个是不接触；接触时棘爪被顶开，而不接触时棘爪由于弹簧的作用与棘轮保持接触，以阻止棘轮反转。本次设计的凸轮机构比较简单，草图如图2-3所示：当凸轮转到A点时，能够与棘爪接触从而顶开棘爪，使其与棘轮脱离，当转到B点时由于此段的半径小，不能与棘爪接触，因而不能顶开棘爪，也不能与棘轮脱离。凸轮的宽度为，另设计一段轴与凸轮连接，以便于控制。2.2.6 各支撑部件的装配按照各轴、齿轮齿条、棘轮机构等个部分的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，结构应尽量紧凑(图2-4)。配合时保证齿轮齿条严格按啮合要点啮合，棘轮与棘爪的接触位置等等。本文所设计的机构传动为：转动手柄，通过轴带动棘轮和齿轮，齿轮再通