坐躺两用摇动椅资料.docx

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坐躺两用摇动椅资料

江苏科技大学

机械原理大作业

题目：

做躺两用摇动椅

学院电子信息学院

专业测控技术与仪器

学生姓名谢伟骏

2013年12月

设计题目……………………………………………………………

（2）

设计目的……………………………………………………………

（2）

原始数据和设计要求………………………………………………

（2）

设计方案的选取……………………………………………………

（2）

设计步骤……………………………………………………………（3）

（1）工作原理……………………………………………………（3）

（2）机构设计说明………………………………………………（4）

（3）尺寸数据计算………………………………………………（6）

心得体会……………………………………………………………（12）

参考文献……………………………………………………………（13）

设计说明书

设计题目：

坐躺两用摇动椅

设计目的：

机械原理课程设计是培养学生掌握机械系统运动方案设计能力的技术基础课程，它是机械原理课程学习过程中的一个重要实践环节。

其目的是以机械原理课程的学习为基础，进一步巩固和加深所学的基本理论、基本概念和基本知识，培养学生分析和解决与本课程有关的具体机械所涉及的实际问题的能力，使学生熟悉机械系统设计的步骤及方法，其中包括选型、运动方案的确定、运动学和动力学的分析和整体设计等，并进一步提高计算、分析，计算机辅助设计、绘图以及查阅和使用文献的综合能力。

此次课程设计要求我们熟悉和并熟练运用机械原理所学到的知识，设计一个坐躺两用摇动椅，通过手动和重力调节可使坐躺角度为90°—150°，摇动角度为25°，座椅安全舒适。

原始数据和设计要求：

（1）座椅可以实现坐躺角度为90°—150°；

（2）摇动角度为25°；

（3）操作动力源为手动和重力；

（4）安全舒适。

设计方案的选取：

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之后可以停止固定，则需要一个调角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调角锁止功能，但是间歇运动机构中的棘轮机构可以实现调角和锁止，轮系也可以实现调角，又经过查资料，我们总结出要实现靠背坐躺角度可以调节需要用到的可以调角的结构，可以通过下面两种方式实现：

第一种是利用旋转手柄式调角器，它的工作过程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，止动板与坐垫固定连接，调整臂与靠背相连，旋转手柄则使调角器靠背角度发生改变，从而达到调节靠背角度的目的。

图一旋转手柄式调角器的原理图

1.止动板2、3.偏心轮4调节臂

第二种是采用掀动手柄式调角器，它主要由棘轮结构构成，通过手柄操纵锁止棘爪，使得棘爪与棘轮分开，此时，人调节靠背到所需角度，然后松开手柄，手柄在回位弹簧的作用下回复，从而使棘轮和棘爪结合，棘轮被制动，达到椅子靠背的制动目的。

经过分析比较，第一种方案结构复杂，制造成本高，如要进行大范围调角则调角速度很慢，因此我们选择了第二个方案，即掀动手柄式调角器的方案，因为它结构简单，成本低廉，运动可靠，调角方便，对此方案我们进行了部分机构的设计。

为了实现座椅可以摇动一定角度，我们的设计采用了常规摇椅的摇动原理，既为椅子底部受力横杆为弧形结构，弧度值为所需要的摇动角度值，从而实现了摇椅的可摇动性，并且摇动角度处于一个范围内。

设计步骤：

（一）工作原理：

图二椅子结构原理图

实现坐躺角度调节利用了机械板式调角器，调角器是对靠背、坐垫夹角进行调整和锁止的机构。

我们的设计采用机械板式调角器，利用棘轮棘爪工作原理以及弹簧的复位结构，最大能够实现180°范围有级调节及折叠。

要实现可摇动角度25°，我们采用了弧形结构底座，弧度值为25°，从而实现摇动要求。

（二）机构设计说明：

图三棘轮结构原理图

棘轮结构设计说明：

该椅座躺两用功能的实现主要是利用了棘轮机构，我们采用的是齿式棘轮机构，它的特点是机构简单，制造方便，转角准确，运动可靠，动程可在较大范围内调节。

它由棘轮，主动棘爪，止回棘爪和机架组成，棘轮固定在座椅上不动，棘爪转轴固定在靠背上，靠人力旋转锁止棘爪，使得棘轮和棘爪分离，旋转靠背摆动到一个合适的角度，松开棘爪，靠背上的主动棘爪便在回位弹簧的作用，插入棘轮的齿间，与棘轮贴合，达到制动目的，此时棘轮棘爪都静止不动，椅子的靠背固定便在这个角度不再旋转。

因为角度的调节只需要在90°—150°范围内调节，说明棘轮的有效齿数不是所有的棘轮齿，经计算，要使角度的调节在90°—150°范围内，通过对比分析，我们在可调角度90-150°范围内设定了五个档位，每隔15°可停，因此得到棘轮总齿数z=24，可用齿数=5。

图四棘轮运动原理图

人通过旋转把手给棘爪一个向外的力，棘爪旋转（旋转方向如图90°位置所示）复位弹簧收紧，此时人搬动座椅靠背到合适的角度，放开把手，此时复位弹簧因为出于收紧状态有一个回复力，所以开始回复原状态（如图四第二个状态所示），连接的棘爪同时受到弹簧的力，开始收回，插入棘轮齿槽内，贴紧棘爪，使得棘轮机构锁止，椅子便保持在了新的角度的静止状态。

摇动角度实现结构说明：

该椅摇动角度实现是靠了一段摇动圆弧，弧度为25°，圆弧两端为长度10CM与圆弧相切的平直杆，当摇椅摇到两个极限位置时，变为平直杆着地，摇椅不能在摇动，从而使得摇动角度控制在25°之内。

摇椅支撑杆的最底端为两个可以伸出和收回的短杆，当不想使用摇动功能时便可以将此两杆伸出，从而使椅子不能摇动。

图五椅子实现摇动角度的结构原理

图六使用时两个极限位置时椅子状态

（三）尺寸数据计算：

要使得坐躺舒适，椅子要适合一般人身体的结构尺寸，对此，我们对若干人身体的尺寸进行了测量和计算，得到了较为综合的数据，从而设计椅子各部位数据如下：

椅高45CM，椅坐长60CM，椅坐宽50CM，椅子靠背高90CM。

我们设计的椅子骨架截面为圆形，直径均为2CM。

（1）棘轮机构的几何尺寸：

以上已经推算出我们在可调角度90-150°范围内设定了五个档位，每隔15°可停，得到了棘轮总齿数z=24，可用齿数=5。

棘轮主要几何尺寸计算：

经过分析，当选定模数m、齿数z、齿顶厚a、齿高h、齿槽夹角θ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θ。

根据棘轮棘爪主要几何尺寸计算公式：

表一棘轮主要几何尺寸计算公式

尺寸名称

代表符号

计算公式

顶圆直径

da

da=mz

根圆直径

df

df=da-2h

齿距

p

p=Πm

轮宽

b

b=（1-4）m

棘爪长度

L

L=2p

表二棘轮棘爪部分尺寸

棘

轮

模数m/mm

0.6

0.8

1

1.25

1.5

2

2.5

3

4

5

6

8

10

12

14

…

齿高h/mm

0.8

1.0

1.2

1.5

1.8

2.0

2.5

3.0

3.5

4

0.75m

齿顶弦厚a/rad

（1.2-1.5）m

m

齿槽夹角θ

55°

60°

齿根角半径r/mm

0.3

0.5

1.0

1.5

棘

爪

工作面边长h1/mm

3

45

6

8

10

12

14

…

非工作面边长a1/mm

23

4

6

8…

爪尖圆角半径r1/mm

0.4

0.8

1.5

2

齿形角θ1

50°

55°

60°

棘轮直径da小于80CM，因此选定模数m=3，又结合棘轮各个尺寸对应的一系列的常用标准值，可以得到所需要棘轮机构的各各几何尺寸如下：

齿高h=3mm,齿距p=9.43mm，齿轮顶圆直径da=72mm,根圆直径df=66mm，棘轮受力较大，因此选定α=10°，齿顶弦厚a=3mm，齿槽夹角θ=60°，棘爪长度L=18.86mm，工作面边长h1=4mm,非工作面边长a1=3mm,爪尖圆角半径r1=1.5mm。

图七棘轮齿形的确定

另有棘轮α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

}①

式中,

由

（1）式可求得

}②

由此可确定棘轮齿面长度及倾斜角为

}③

}④

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，α角应满足摩擦条件，一般应有。

定棘爪位置时，使得棘轮棘爪工作面贴合，测量棘爪旋转中心点的位置得到棘轮棘爪的相对位置如图

图八棘爪位置尺寸图

（2）椅子平衡质量的添加计算：

椅子如果采用常规摇椅的支撑点位于重心处则椅子的摇动圆弧位置过于靠后如图。

图九常规摇椅

在靠背没有或者只有一个小角度的旋转时，整体结构很不匀称，因此，我们便将椅子支撑点前移，另外在椅子前部加上了一个平衡质量，使得椅子摇动时可以平衡。

图十计算原理说明图

因为人坐于椅子上时人的重心位于椅子后部，根据人的平均体重，取60kg，当人坐上去时，若要使椅子保持平衡需要使人和椅子的重心位于圆弧最低点，根据我们的设计，椅坐长60cm椅子圆弧最低点位于靠椅背端20cm处，因此需要在椅子最前端加上平衡质量30kg，使得人坐于椅子上时椅子使用摇动功能时椅子可以保持平衡。

在椅子支撑杆的最下端是两个可以伸出和收回的短杆，当不使用摇动功能时，此四个短杆便伸出，其底部连线与圆弧相切，使得此时椅子六点着地，增加了椅子的平稳性。

如图十一，为我们设计的椅子的结构图

图十一

经过对各个机构的各项分析计算，我们用Proe软件（proe是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称。

是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一）做出了整体的结构图，如图。

图十二整体结构图

设计心得及体会：

这次的课程设计，对我来说是一次全新的体验，不仅让我学到了如何设计一件小机械，如何使它最优化，而且让我在这个过程中学会了团队合作，学会了坚持不懈的努力，更从中学会了如何做人的道理，让我受益颇多。

尤其值得一提的是，在这个过程中，我学到了许多知识，更加了解了机械的奇妙之处，也了解了一些人机的知识，为以后的学习做了铺垫。

在整个设计过程中我们遇到了很多困难，但是我们一一将其解决，从而也体会到了战胜困难的快乐。

在整个课程设计过程中我得到了许多帮助，这些对于我以后的为人处事都有很大的好处，在此，非常感谢给予我帮助的队友，老师和同学。

这件作品，是大家共同努力的结晶，相信会给我大学生活添上浓重的一笔。

经过紧张的策划、制作、调试与处理，我们的坐躺两用椅终于圆满完工了，在制作过程中，我们不仅体会到了学以致用的喜悦，进一步提升了对机械原理知识的理解与掌握的；更体会到了合作的快乐，我们一起解决问题，一起讨论、协同工作，交流经验、取长补短，使得工作高效地进行。

由于时间的关系，让我们的一些很好的设想没有实现，但是我们从中获得了更多的知识、更多的快乐，更多的与人沟通交流的方法与技巧，这种能力的培养对于我们以后的发展很有必要的，授人以鱼不如授人以渔，从这次课程设计中我们理解到，大学并不是只要求我们学习成绩的好坏，而是还有在我们自主解决问题时，我们