机械创新设计大赛全国一等奖说明书

机械创新设计大赛全国一等奖说明书第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书PAGEPAGE3第四届全国大学生机械创新设计大赛决赛参赛作品多功能救灾背包设计说明书设计者：杨凯，徐超，张恩，吴刚亮，杨飞指导教师：朱育权，万宏强西安工业大学机电学院2010年10月多功能救灾背包设计者：杨凯，徐超，张恩，吴刚亮，杨飞指导教师：朱育权，万宏强（西安工业大学机电工程学院，西安710032）摘要：以便捷、实用、高效的解决救灾过程中的运输、医疗救治、住宿、饮食问题的设备为研究对象。提出了一种可分离的四折叠框架结构，再巧妙地配以折叠帆布和帐篷，便制成了一种可运输物资又可变为担架、帐篷的背包。实验结果表明，该设备工作稳定，性能可靠，功能实现效果良好。关键词：背包；担架；帐篷；多功能；救援避难作品内容简介本作品跟据本届机械创新设计大赛的主旨要求而设计，属于“救援、避难类机械”。此背包主体为金属框架结构，宽50cm，厚30cm，高70cm，净重8kg。背包状态可用来运送物资。卸下物品后开启侧连接机构，展开背包变为担架，担架长200cm，宽50cm。翻转担架并开启开合装置，揭开粘扣，向两侧拉开担架，拉出帐篷与担架布面结合，再由折叠此背包设计容量90L背包与担架共用同一布体，由于担架变形为帐篷时需要拉伸担架，这样就产生了两种布体的设计，可拆卸式和折叠式。方案一（图6）布体采用可拆卸式，周围伸出的布块带有粘扣。背包与担架状态布体用粘扣与框架连接，变形帐篷时需卸下布体。其优点在于布体结构简单，轻便。缺点是用粘扣连接承载强度低，由于要拆卸，一体化程度差，不方便携带。方案二（图7）布体采用折叠式，周围伸出的布块绕过框架管与自身相逢合。背包与担架布体为折叠状态，变形帐篷时展开布体，与帐篷底面相连。其优点在于将所有布整合为一体连接在框架上，易于操作，便于携带，并且为帐篷加厚了底面，使其更加舒适。缺点是结构较为复杂。综合考虑，采用方案二。图6方案一左图红圈中布体折叠方法示意图左图红圈中布体折叠方法示意图图7方案二3理论设计计算3.1总体尺寸设计此作品最大特点在于背包、担架、帐篷三种状态之间的转换，因此只有设计好各状态的结构尺寸才能合理、协调的实现其功能。（1）背包外形尺寸：为了使人背负舒适，背包应上不过颈、下不过臀，故背包高度取70cm。再根据成年人的负重能力及美观角度考虑，背包厚度取30cm。背包的宽度即担架的宽度，故综合较大的背包宽度尺寸、较小的担架宽度尺寸，定为5（2）担架外形尺寸：根据市场主流担架尺寸，担架的长度取200cm，两端各留出10cm的距离供人手抓握，因而担架实际承载布面长度为（3）帐篷外形尺寸：根据市场主流三人帐篷尺寸，帐篷底面边长取2m×1.8m，高145cm（4）结构协调尺寸：为了满足三种状态之间的转换，各部分的尺寸取值如图８所示。图8金属框架结构尺寸示意图3.2强度与刚度校核此作品对背包与帐篷的强度设计没有特别要求，必然满足使用条件。担架设计载重120kg，我们参考了市场上性能类似担架的选材，并结合此作品的结构及设计要求对承重管件进行了校核（图9）。120kg担架杆120担架杆图9担架承重模拟示意图3.2.1担架框架上，限位铰链和伸缩管的选材强度远大于担架的管材，就承重而言，担架框架可简化为两根1976mm担架杆的受力可以简化为如下简支梁模型，其中。已知：担架杆的材料为铝合金，屈服强度，弹性模量，取安全系数，担架杆的外径为，内径为，设计承受最大重量为120kg，受力如图10所示。图10担架杆受力图（１）计算最大工作载荷担架承受最大的载荷单根担架杆承受的最大载荷均布载荷（２）计算支座反力由载荷的对称性可知：（３）计算剪力和弯矩剪力弯矩（４）画出剪力图和弯矩图如图11所示。图11担架杆剪力、弯矩图（５）计算最大弯曲正应力对Z轴的惯性矩抗弯界面系数最大弯曲正应力（６）校核担架杆的强度许用弯曲应力显然，满足强度要求。3.2.2担架杆的刚度计算由以上简化模型可知，在担架承受最大载荷状态下的最大变形量（挠度）为：由此，担架的最大弯曲变形为4.4cm，并且出现在担架杆的中心位置，完全满足使用要求。3.3部分工程图图12开和装置外套图13开和装置内套图14卡环图15挡圈4工作原理及性能4.1工作原理下面对背包变为担架，再变为帐篷的过程予以说明。（1）如图16为背包状态。黑色的带子为固定带，背包状态时可约束包体，担架状态可固定伤员。（2）揭开背包盖，打开侧连接机构(图17)，揭开背包两侧的粘扣，展开背包，变为担架（图18）。这时侧连接机构为担架的四个支座，如图19所示。图16背包图17侧连接机构图18担架图19担架支座（3）翻转担架，将侧连接机构扭转90°与地面平行，用于帐篷和地面的固定。（4）取出折叠干，翻起帐篷包（图20），打开两端的螺纹开合装置（图21），将担架分为两部分，揭开粘扣，向两侧拉开担架，如图22所示。图20帐篷包图21开合装置图22拉开担架（5）铺开帐篷，与担架地面用拉链拉合。接好两根折叠杆，插入四个角框架上的圆孔中，如图23所示。图23帐篷折叠杆安装图（6）拉起帐篷布体，与折叠杆绑定，及变为帐篷，如图24所示。图24帐篷4.2性能（1）背包宽50cm，高70cm，厚30cm，自重约（2）担架长200cm，承载布面长180（3）帐篷底面边长为2m×1.8m，高1455实物照片背包、担架和帐篷实物图分别见图25-27。图25背包图26担架图27帐篷6创新点及应用6.1创新点1）将与救援、避难有关的三件设备巧妙的结合了起来，独立解决了救灾过程中的一系列问题。2）四折叠可分离框架结构、侧连接机构、开合装置的创新设计。3）采用时间分离原理的设计及布置，实现了侧连接机构、帆布、固定带在不同状态下的不同功能。6.2应用此多功能救灾背包可大批量库存。地震、洪水、山崩、泥石流等自然灾害发生时，可集成放入卧具、食品、药品，供救援人员使用。可以解决灾后中小规模的物资运输、被困灾民的医疗救治、伤员的转移，以及被困灾民的住宿这一系列问题。除救灾外还可用于几个人的户外徒步旅行。此背包重量轻、制造容易、使用方便，单件制造成本为480元，批量化生产成本还可降低，有良好的市场前景。参考文献[1]濮良贵，纪名刚.机械设计.北京：高等教育出版社.2006[