康复医疗电动座椅设计【含15张CAD图纸、说明书】
摘 要本设计所要解决的技术问题是提供一种结构简单紧凑,适应多种姿态,应用范围广泛,能应用在医疗运动损伤康复的训练器配合使用的电动可调座椅。其结构与汽车上的电动调节座椅基本一致。本毕业设计分析了人与座椅的人机关系,并且结合我国国民对汽车座椅的使用要求,以人机工程学、汽车设计等学科的理论为依据,以国家和国际标准为准则,对驾驶座椅进行了设计。,从人的安全、健康的角度,现代人越来越多地的时间在汽车中度过,座椅的安全与舒适直接影响到人们的健康与安全。尤其是对人们脊椎的伤害。 本设计在参考成熟汽车电动调节座椅技术方案的基础上,针对医疗康复训练其特殊要求做相应改进。本方案的设计中,电动座椅由双向电动机,蜗轮蜗杆传动装置,座椅调节部分等组成。调整过程中,打开调整开关,电动机通电产生转矩,力矩通过传动机构蜗轮蜗杆的传动到达调节机构,之后再通过座椅的调节部分实现座椅水平前后移动、座椅上下移动、座椅靠背的角度旋转六个方向的调节。本方案的电动汽车座椅的结构主要有:可逆直流电动机、连接装置、轴承、蜗轮、蜗杆、滚珠丝杠、水平滑动导轨,滚轮等部件组成,此外,当然座椅还包括传统座椅的坐垫、靠背、靠枕、骨架、和调节机构等。关键字:汽车;电动座椅;传动机构;滚珠丝杠Abstract In todays life, the car has become a symbol of modern life, with the rapid development of automobile industry, the car has entered innumberable families, became the ordinary people in daily life often contact one of the industrial products. As part of the car, the seat is the most closely contact with people, and people of car riding comfort and driving comfort evaluation are mostly through the seat to feel. Cars on the chair is given priority to with the drivers seat, is a top priority. Starting from the service object, drivers shape, height, weight and even may affect the driver to the different requirement of the seat. So the electric chair to a greater extent of meet the requirements of different people on the seat, improve the convenience and comfort of vehicle driving, must be able to realize multidirectional adjustment of seat position. This scheme design, the electric chair by two-way motor, worm gear and worm drive device, seat adjustment part, etc. Part can be implemented through seat seat level before and after the move, seat, seat backrest Angle rotation to move up and down regulation of six directions. Car seat structure mainly has: reversible dc motor, connection device, bearings, turbine, worm, ball screw, horizontal sliding guide rail and other components, in addition, also including traditional seat cushion, seat back cushion, pillows, skeleton, and regulating mechanism and so on.Keywords: Automotive electronics;The electric chair;Worm;The turbine;Ball screw目 录摘 要II目 录IV1 绪论- 7 -1.1 康复训练电动座椅简介- 7 -1.2 国内外汽车座椅研究现状- 9 -1.2.1电动座椅国外研究现状- 9 -1.1.2 电动座椅国内研究现状- 11 -2 轿车座椅人体工程学的应用及尺寸参数- 12 -2.1人体工程学的应用- 12 -2.2轿车座椅尺寸参数- 16 -3 电动座椅的控制部分- 18 -3.1控制原理- 18 -3.2电动座椅执行系统结构- 21 -4 课题研究的意义及主要研究工作- 23 -4.1课题研究意义- 23 -4.2 电动座椅设计的背景- 24 -4.3 本文主要研究工作- 24 -5 座椅前后移动结构设计- 26 -5.1动结构方案选定- 26 -5.1.1传动调节装置的确定- 26 -5.1.2传动方案的确定- 27 -5.2 水平滑动电机的选择- 28 -5.2.1丝杆电机的选择- 28 -5.2.2选择电动机类型- 29 -5.2.3选择电动机的容量- 29 -5.3 水平移动系统中蜗轮蜗杆的设计- 31 -5.3.1选择蜗杆传动类型- 31 -5.3.2选择材料- 31 -5.3.3水平移动系统中丝杆螺母传动副的设计- 36 -5.3.4丝杆螺纹传动导程、效率、和驱动扭矩的计算- 36 -5.3.5滑动螺旋副的设计计算- 37 -6 座椅靠背倾斜结构设计- 40 -6.1仰合方案的确定- 40 -6.2 仰合电动机的选择- 42 -6.2.1 选则电动机的类型- 42 -6.2.2 选择电动机的功率- 42 -6.3 传动装置的总体设计- 44 -6.3.1 计算总传动比及分配各级传动比- 44 -6.3.2 仰合系统中蜗轮蜗杆的设计- 45 -6.4仰合系统中齿轮的设计- 47 -6.4.1选定齿轮类型、精度等级、材料、及齿数- 47 -6.4.2按齿面接触强度设计- 47 -6.5按齿轮根弯曲强度设计- 49 -6.5.1确定公式内的各计算数值- 49 -6.6 几何尺寸计算- 50 -7 座椅升降方案设计- 52 -7.1 选择电动机- 54 -7.2 传动比的分配- 55 -7.2.1 计算各轴转速- 55 -7.2.2 蜗轮蜗杆的设计- 55 -7.2.3 蜗杆与蜗轮设计的主要参数- 57 -7.2.4 滚珠丝杠的设计- 58 -7.2.5 轴承的选择- 59 -7.2.6 联轴器的选择- 60 -结 论- 61 -参 考 文 献- 62 -致 谢- 64 -附录- 65 -附录- 67 -V1 绪论 1.1 康复训练电动座椅简介 康复训练电动座椅目前在国内尚未形成规模性产业,只是在家庭、医院、疗养院、办公设备自动化、交通座椅有少量应用,电动座椅的突出特点在于俯仰、升降的调整均由电驱动系统实现,具有调节平滑,舒适度高,便于控制,稳定性及精度大大好于机械式及液压式座椅等优点。然而,通过对电动座椅市场的调研得知,国内电动座椅中所用电机大多为进口,使得整椅的价格较高,阻碍了其进一步推广;且大部分为直流有刷电机,这使得系统的可靠性、寿命及控制的灵活性收到了极大的限制。将无刷直流电机驱动系统用于电动座椅之中,可以提高整椅调速的平滑性和定位精度,提高可靠性,延长使用寿命。该产品有利于打破国外在此行业的垄断局面,实现技术突破及产业的跨越式发展,有助于提升我国电动座椅和电动床系统的技术水平,有着较大的经济及社会效益。在过去的轿车中,轿车的发明和制造以用于交通为唯一目的,然而今天的轿车的设计思想则是倡导人与汽车的融合,而汽车电动座椅的设计正是这个思想的极其重要的环节。现代汽车的设计涉及到电子学、人体工程学、工业设计学等领域方面3,随着汽车技术的发展和人们对汽车驾驶舒适性的要求越来越高,轿车的座椅已然从一个简单的部件发展到一个比较复杂和精确程度要求比较高的部件。电动座椅是衡量轿车档次的重要依据,因此世界范围内的轿车设计师都十分重视电动座椅的设计,力求从选材到结构设计都完美无缺。造型方面,汽车座椅设计时应该充分考虑人体的尺寸,人体的重量、乘坐姿势和体压分配的因素,之后应用人体工程学的研究成果和先进技术,制造出乘坐舒适、久坐不乏的安全座椅。汽车座椅的调节有手动调节和电动两种方式。最早的汽车手动调节座椅在1921年面世。最开始的手动调节需要康复人员员先通过手柄放松座椅的锁止机构,之后通过改变身体的座姿和位置来带动座椅移动,最后将锁止机构的手柄放松,将座椅固定在所选择的位置上。这种调节方式的主动施力方是座椅上的乘客,座椅调节起来也不是十分的方便。于是,在后来的设计中,尤其是在中高档轿车上,设计师和生产商都会选择电动调节的座椅,一方面可以提高汽车座椅调节的便捷性,另一方面也可以提高汽车的档次,吸引更多的消费者选择自己品牌的汽车。电动座椅是由座垫、靠背、靠枕、骨架、悬挂和调节机构等组成。其中调节机构由控制器、可逆性直流电动机和传动部件组成是电动座椅中最复杂和最关键的部分,对可逆性直流电动机的要求是必须体积小,负荷能力要大;而机械传动部件在运行时要求有十分良好的平稳性,噪音要低。控制器的控制键钮设置在驾驶者操纵方便的地方,一般在门内侧的扶手上面或座垫侧面。可逆性直流电动机一般有三个以上,它们受控制器控制并分别驱动某个调整方向的传动部件。传动部件有蜗杆轴,蜗轮、齿轴和齿条等。调整时,蜗杆轴在电动机的驱动下,带动蜗轮转动,从而将齿轴旋入或旋出,即座椅下降或上升。如果蜗轮又与齿条啮合,蜗轮转动将齿条移动,即令座椅前移或后移。图1-1 现代电动座椅结构图电动调节的座椅在调节时,座椅是施力方,乘客只需扳动控制键就可以令座椅移动,无需主动改变身体的座姿。电动座椅还可以提供更加精准的调节位置。电动座椅的使用,让康复人员能够轻松的找到最适合自己的驾驶姿势,提供良好的视野,提高了行车安全性,并能有效减轻驾驶疲劳。1.2 国内外汽车座椅研究现状 1.2.1电动座椅国外研究现状手动调节方式需要乘员先通过手柄防松座椅的锁止机构,之后通过改变身体的坐姿和位置来带动座椅移动,最后到达合适的位置后,再将锁止机构的手柄防松,将座椅固定到某个位置,达到调节座椅位置的目的。图1-2 座椅靠背手动调节器 电动座椅在之后逐步得以研究试验,并且1954年卡迪拉克汽车Eldorado款汽首先推出4路电动座椅。电动汽车座椅实际上是人体工程学和电子技术相结合的产物,它应该能够自动适应不同体型乘员的乘坐舒适性要求。这种应用微机控制技术控制的电动座椅出现在80年代,1983年日本日产(Nissan)和丰田(Toyota)公司分别在公爵(Cedric)牌轿车和皇冠(Crown)牌轿车上使用。人体工程是一门新兴的边缘学科,起源于欧洲,形成于美国,发展到今天已经有60多年的历史了。9人体工程学是研究在人们工作中、家庭生活与闲暇时怎样考虑人的健康、安全、舒适和工作效率的学科。人、机和环境和谐统一是其核心指导思想。1986年,国际人机工程学学会(IEA)在瑞士召开以座椅为主题的第一次国际学术研讨会,这次会议之后,正如预期的那样,全世界都掀起了一股座椅设计的高潮。事到至今这场运动不但没有衰减,反而依旧如火如荼。经过相当长一段时间的发展,在之后的设计中,蜗杆传动广泛应用于汽车座椅的电动调节。其原理是汽车座椅调整时,蜗杆轴在电动机的驱动下带动蜗杆轮旋转,从而将齿轴旋入或旋出,以控制座椅上升或者下降。在1922年,美国人首先创新利用平面直齿蜗杆传动,为了表彰他们的贡献,这一传动方式被誉为威式蜗杆(WildhaberWarm)。之后在五十年代,日本人学习并且逐步发展了此项技术,这也就是后来他们在世界市场上推销的,变得相当有竞争力的平面蜗杆技术(Plana Worm)。再此之后,1953年西德尼曼(Nieman)教授又为蜗杆传动做出了新的贡献,在平面直齿轮蜗杆的基础上,他创新设计,发明了凹圆弧齿圆柱蜗杆传动,这就是当今世界闻名的“Cavex Worm”。此外,日本与1972年以来也陆续在各大杂志和专业论坛上发表了一些有关新型蜗杆传动的文章,除了对机械传动作出的贡献外,也不乏对汽车座椅的一些基本应用,并且已经取得了一定的成果。 图1-3 电动座椅应用的蜗杆传动图1.1.2 电动座椅国内研究现状由于汽车起源于国外,并且在国外更早的得以批量生产和普及,所以国外汽车座椅研究比较早,几乎是伴随着汽车的诞生而开始的,到如今已经经历了百余年的历史,发展非常的成熟,除此之外,国外由于汽车使用的时间比较长,所以他们在与座椅有关的相关安全标准和法规方面也变得十分完善。相比之下,我国的汽车普及时间比较短,相关的技术非常不成熟,并且由于使用人数和时间都非常的短暂,相当多的矛盾还没有被发现,给我国的汽车研究带来阻碍。目前国内许多商家也开始关注汽车座椅的研究和生产,并且也已经新建了很多座椅生产厂家。我国汽车座椅生产商大部分都借助合资的优势,利用他们掌握的部分设计和生产技术,在一定程度上加快了我国的汽车座椅的发展,促进了就业,但是核心技术还是只有国外少数几家生产商掌握,国内的自主设计和研发仍然停留在起步阶段,落后的设计方法是阻碍我国座椅发展的主要因素。目前国内许多的座椅生产厂商还在继续沿用传统的串联生产方式,致使设计成本过高,开发周期过长。电动座椅驱动器是其最关键的部件,设计、生产难度极高。高档汽车普遍使用的电动座椅,以前只有少数国外公司能够生产。由于没有掌握核心技术,国内汽车座椅生产商只能望洋兴叹。电动座椅大面积推广和使用有一大障碍,就是其成本、售价过高。但随着国产化率的提高,电动座椅成本和价格会逐步降低。相信不久的将来,普通老百姓也能享用电动座椅。另外,我国一些企业由于对座椅的研究重视程度不够,尚未开展专门的研究。这不仅给座椅的安全带来隐患,而且制约了我国座椅的发展。随着现代汽车设计对安全、环保和节能的要求,我国座椅急需大量的资金和技术投入才能缩小与先进水平的差距,开发出适合我国生产现状的安全、轻便、低成本的座椅。丰田普瑞维亚1990年推出,很早就通过各种渠道进入中国市场,也打开了中国汽车电动座椅制造发展之门,然后越来越多的汽车厂家开始在中国发售电动座椅轿车,之后的中国汽车制造力求完美的诠释了电动座椅,使之更加完善,功能更加齐全。1991年9月5日至9日,中国汽车工程学会电器委员会在杭州召开了1991年度汽车电器学术报告会议,会议指出发展汽车电器的自动化,汽车电动座椅的设计生产就是我国赶超国外汽车车身电器的一个重要方向。至今,我国的高级轿车厂商纷纷将电动座椅视为汽车不可缺失的组成部分。随着技术的不断提高,制造价格的普遍降低,该车身电器目前正在向家用车型的方向转移。 2 轿车座椅人体工程学的应用及尺寸参数2.1人体工程学的应用坐姿是人体较自然的姿势,也是进行各种操作经常采用的姿势。座椅与人们的生活息息相关,无论是工作、学习、出门旅行、在家休息都离不开座椅。人的坐姿是个相当复杂的问题,虽然座椅伴随人类的生活己经有几千年的历史了,但是关于座椅的设计问题至今仍然是值得研究的课题。 在生物学中,当坐立时,人的身体由脊椎、胯骨、腿和脚支撑。主要用来支撑人体重量的关节为胯骨和腰椎,腰椎的第三、第四腰椎为整个脊椎骨中受力最大的部位。所以腰椎也就比上方的椎骨大而且硬得多。坐姿时,尾椎将受到压力而往前弯,有缓冲震荡的作用。坐骨构成了胯骨最下方的部位,其后下方的坐骨结节为L字母形状,当人们坐着的时候,此处往下顶住来支撑身体的重量。长期的姿势不良、受伤或者疾病,伤害就会发生在脊椎弯曲的地方,如胸弯过分弯曲就会造成圆肩或驼背;腰部脊椎过分弯曲,会造成脊椎的侧弯或是脊椎的前凸症、后凸症。 当人们在椅子上时,若坐姿不良,骨盆很容易下陷,仔细摸骨盆两侧,发现整个骨盆往后倾,整个人会感到胸廓与腰杆交界处造成腰酸背疼、驼背。长期使用电脑的上班族而言,坐姿不良通常是造成腰酸背疼得最主要的凶手。人们的脊椎在坐姿情况下就像是一根杠杆,如果头部向前倾,为了支撑前倾的头部,骨头的韧带就会产生一个拉力,当力量超过韧带所能负荷的范围,这个力量就会转移到背后的肌肉上,于是肌肉便持续暴露在张力之下。久而久之,就会出现颈部、背部、腰部肌肉酸痛的症状。 坐姿状态下,支撑身体的是脊柱、骨盆、腿和脚。脊柱是人体的主要支柱,由24节椎骨以及5块骸骨(已连成一体)和4块尾骨(己连成一体)连结组成,如图1.1所示,其中椎骨自上而下又分为颈椎(共7节)、胸椎(共12节)、腰椎(共5节)三部分,每两节椎骨之间由软骨组织和韧带相联系,使人体得以进行屈伸、侧曲和扭转动作等有限度的活动。颈椎支撑头部,肋椎与肋骨构成胸腔,腰椎、骸骨和椎间盘承担人体坐姿的主要负荷。 图2.1人体脊椎构造图 图2.2人体在不同状态下腰椎弯曲形状由于腰椎几乎承受着人的上体的全部重量,并且要实现弯腰、侧曲、扭转等人体运动,所以最容易损伤或腰曲变形。从侧面观察脊柱,可看到脊柱呈现颈、胸、腰、骸四个弯曲部位,其中颈曲和腰曲凸向前,胸曲和骸曲凸向后。脊柱的自然弯曲弧形应如图1.1所示,椎骨的支承表面相互位置正常,椎间盘没有错位的趋势。一旦人体改变这种自然弯曲状态,会引起惟间盘压力改变,使腰部疼痛。图1.2所示为人体在各种不同姿势下的腰椎弯曲形状。曲线C是最接近人体脊柱自然弯曲状态的坐姿,椎间盘上的压力可较正常分布。因此,欲使坐姿能形成接近正常的脊柱自然弯曲形态,躯干与大腿之间须有大约135的夹角,且座椅应使坐者的腰部有适当支撑,以便腰曲弧形自然弯曲,腰背肌肉处于放松状态。 人坐着时,大腿和上身的重量必须由座椅来支承。人体结构在骨盆下面有两块圆骨,称为坐骨结节,如图1.3所示。图2.3股骨正常位置这两块小面积能够支持大部分上身的重量。座面上的臀部压力分布是在坐骨结节处最大,由此向外压力逐渐减小,直至与座而前缘接触的大腿下部,压力为最小。座垫的柔软程度要适当,坐骨部分的座垫应当是支承性的,它要承受加在座位上的大约60%的重量,而其余部分则应当比它更柔软些,以便能够把重量分布在更大约面积上。座椅靠背上的压力分布,应当是肩脚骨和腰椎骨两个部位最高,此即靠背设计中所谓的“两点支承”准则。靠背的两点支承中,上支承点为肩脚骨提供凭靠,称为肩靠,其位置相当于第565节胸椎之间的高度;下支承点为腰曲部分提供凭靠,称为腰靠,其位置相当于第45节腰椎之间的高度。不同用途的座椅,两点支承的作用不一样,休息用的座椅,体、腿夹角较大(舒适角度约为115),坐着时身体向后倾斜,只要肩部分支承稳靠,没有腰靠也能得到舒适的坐姿,因此是以肩靠起主要作用;而一般操作用座椅,由于操作的要求,身体需要略向前倾,肩胖骨部分几乎接触不到靠背,因此只有腰靠起支撑作用,一般无需设置肩靠。腰靠支承是使背疼和疲劳减到最轻的主要措施,否则,将只靠肌肉来维持腰曲弧形,势必引起腰部肌肉疲劳和损伤。考虑到人的身材高矮不同,对某些座椅应当具有能调节腰靠位置的装置。 腿的主动脉紧靠着大腿下表面和膝盖的后面,在这个部位上,任何持续的压力都会给人造成极端的不好适和肿胀感觉需要借助于适当减短座深、把座垫前缘修圆和采用较软的泡沫塑料座垫等措施来防止发生这种情况。同时,还要使座面离地板的高度足够低,以便使脚能踩着地板,让人的这个重要部位感觉不到有任何压力。坐骨下面的座面应当近似是水平的。图1.3表示带有股骨的骨盆部位的前视图,股骨在股节中从连接骨盆的球孔向外伸去。用平的座位,股骨的这一部分在坐骨平面之上,因此不承受过分的压迫。 座椅的设计必须有可能让人经常地改变自己的姿势和位置,以便减轻压力和 活动伸展各部分肌肉。人在坐姿状态下,体重作用在座面和靠背上的压力分布称为坐态体压分布,它与坐姿及座椅的结构密切相关,图1.4为人体在靠背和座垫上最适宜的体压分布,对于体压的研究是目前人们对座椅进行研究的主要方法和参数。体压分布的测量一般采用等高线的形式反映压力分布状况。 就座者的骨盆可以比喻为倒立的锥体,与椅面接触的主要是臀部两块薄肌肉层下的坐骨。由坐骨向外,压力逐渐减少。为了减少臀部下部的压力,座面一般应设计成软垫,其柔软程度以使坐骨出支承人体的60%左右的重量为宜,采用软性坐垫,增大臀部与座面的接触面积,就改善了这种压力集中的现象,使整个臀部均承担体重的压力,减缓坐骨下支点处的疲劳,可以延长就座时间。但不论什 么座面,不论哪种姿势,长时间采取一种坐姿总会产生静力疲劳。因此,任何一种座椅在设计时都应考虑变换坐姿的可能性。 人体与座椅之间的压力分布称为坐姿的体压分布,坐姿的体压分布是影响乘坐舒适性的重要因素。人就坐时,身体重量的大部分(约80% )经过臀部、背部隆起部分及其附着的肌肉 压在坐椅面上。图2.4人体在靠背和座垫上最适宜的体压分布图2.5座椅各部位的受力分布2.2轿车座椅尺寸参数 国家标准GB/0000-28中国成年人人体尺寸按照人机工程学的要求提供了我国成年人人体尺寸的基本数据,座椅的座位空间及座椅的尺寸应保证适应人体舒适坐姿的生理特征,提供实现舒适做态的支承条件。GB/14774-1993工作座椅一般人类工效学要求给出了工作座椅的基本结构和主要参数,使工作座椅设计的基本依据。根据以上标准,结合轿车车内空间和驾乘人员的调节要求,确定如下参数。 (1)椅面高度:定义为椅面前缘至驾驶员驻点的垂直距离。选定驾驶员座椅椅面高度可调范围为280-380mm。 (2)椅面宽度:座椅坐垫两侧宽度。防止驾乘者在出现离心力时臂部产生横向滑动,要在座椅椅面两侧附加额外防滑凸起设计,所以椅面总宽选定512mm。 (3)椅面深度:指椅面前缘至靠背前面水平距离。深度过大时躯干相对前移,腰部得不到良好的支撑,引起疲劳;过小时,大腿得不到良好的支撑。所以为了保障驾乘者的臂部和大腿部被充分支撑和包裹,椅面深度选定520mm。 (4)靠背高度:靠背最下端到最顶端的距离。为保证座椅靠背在具有角度倾斜时同样可以保证对驾乘者的支撑,所以靠背高度选定607mm。 (5)靠背宽度:靠背两侧最宽的距离。为避免和减少驾乘者腰背部在座椅上产生横向滑移,靠背宽度选定500mm。 (6)靠背倾角:靠背倾角是指靠背与椅面水平方向的夹角,为满足驾驶舒适、安全性以及休息时的便利性、靠背倾角调节范围为80170 。 (7)椅面倾角:指椅面与水平之间的夹角。轿车夹角,为满足驾驶舒适安全性以及休息时的便利性、靠背倾角调节范围的椅面倾角应兼顾安全性和舒适、性,一般为210。 (8)头枕尺寸:根据GB/11550-1995汽车座椅头枕性能要求和试验方法,确定头枕高度为208mm,宽度为230mm,厚度为100mm,头枕可调范围0-100mm。 3 电动座椅的控制部分3.1控制原理为满足不同体型、不同坐姿的康复人员的喜好,康复人员座椅通常具有较大范围的调节功能,座椅由3个直流电机牵引,其中高度调节电机1个以支撑驾驶者在垂直方向做上下移动,水平调节和靠背调节电机各1个用来控制座椅靠背的角度变化和水平位置。直流电动机电枢电压为12V。汽车座椅自动控制系统89C52单片机、驱动模块、传动机构以及按键开关构成。电动机的转速和座椅的位置信息由安装在电机上的霍尔传感器检测,经整形和放大后送入单片机,构成系统的速度反馈。通过手动开关控制直流电动机正反转,改变传动轴的行程和方向,从而调节汽车座椅的位置。电动座椅主要由座椅开关、控制部分、位置传感器、执行机构的传动机构五大部分组成。开关包括座椅各位置(靠背、滑动、垂直)的电动开关。单片机内容包括对于电机控制,本设计中主要采用的是89C51单片机。执行机构主要包括座椅调整的驱动电动机等,而且这些电动机均可灵活地进行正反转,以执行各种装置的调整功能。座椅电控系统框图和整体结构图如图所示。图3-1 整体控制电路图片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。MCS-51单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器,引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。单片机内部虽然有振荡电路,但要形成时钟,外部还需附加电路。MCS-51单片机的复位是靠外部电路实现的。MCS-51单片机工作后,只要在它的RST引线上加载10ms以上的高电平,单片机就能够有效地复位。(1) 内部时钟方式利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件,内部振荡电路便产生自激振荡,用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。最常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡器与电容构成稳定的自激震荡器,晶体可在1.212MHz之间选择。MCS-51单片机在通常应用情况下,使用振荡频率为6MHz的石英晶体,而12Hz频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用。C1和C2可在20100pF之间取值,一般取30pF左右。(2) 外部时钟方式在由单片机组成的系统中,为了各单片机之间时钟信号的同步,应当引入惟一的合用外部振荡脉冲作为各单片机的时钟。外部时钟方式中是把外部振荡信号源直接接入XTAL1或XTAL2。由于HMOS和CHMOS单片机外部时钟进入的引线不同,其外部振荡信号源接入的方式也不同。HMOS型单片机由XTAL2进入,外部振荡信号接至XTAL2,而内部反相放大器的输入端XTAL1应接地,如图3-2所示。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的,还要接上接电阻。CHMOS型单片机由XTAL1进入,外部振荡信号接至XTAL1,而XTAL2可不接地。(3) 复位电路MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。最简单的复位电路即在上电瞬间,RC电路充电,RST引线端出现正脉冲,只要RST端保持10ms以上的高电平,就能使单片机有效地复位。在实际的应用系统中,为了保证单片机可靠地工作,常采用“看门狗”监视单片机的运行。采用MAX690的复位电路如图3-5所示,该电路具有上电复位和监视MCS-51单片机的P3.3的输出功能。一旦P3.3不输出高低电平交替变化的脉冲,MAX690就会自动产生复位信号使单片机复位。(4) 复位状态复位电路的作用是使单片机执行复位操作。复位操作主要是把PC初始化为0000H,使单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序。程序存储器的0003H单元即MCS-51单片机的外部中断0的中断处理程序的入口地址。留出的0000H0002H 3个单元地址,仅能够放置一条转移指令,因此,MCS-51单片机的主程序的第一条指令通常情况下是一条转移指令。图3-2 时钟电路和复位电路图3.2电动座椅执行系统结构(1) 电动机电动座椅大多采用永磁式电动机驱动,此类电动机多采用双向电动机。其电枢的旋转方向随电流的方向改变而改变,从而使电动机按照不同的电流方向进行正传或反转。并通过装在座位侧板上或门扶手上的肘节式控制开关来控制电路通路和电流方向,使某一电动机按所需的方向运转,以达到调整座椅的目的。为了防止电动机过载,大多数永磁式电动机内装有热过载保护断路器。有些电动座椅采用直流电动机来驱动,并装有两个磁场线圈,使其可作双向运转。这种电动机多使用继电器控制电流方向。(2) 调节开关它主要是用来调整座椅的各种位置。当按下此开关后,电控单元就会控制相应电动机运转,按照康复人员的要求调整座椅的位置。(3) 控制部分单片机是最小的应用控制系统。本课题的控制部分我主要采用89C52单片机控制电机的运转。但由于应用系统中有一些功能器件无法集成到芯片内部,如晶振、复位电路等,需要在片外加接相应的电路。对于片内无程序存储器的单片机,还应该配置片外程序存储器。构成最小应用系统时只要将单片机接上外部的晶体或时钟电路和复位电路即可。座椅位置信号取自变阻器上的电压降。根据每个自由度上的电动机驱动座椅,从而使变阻器随动。根据变阻器的电压降,控制单元识别座椅的运动机构是否到达“死点”,如果到达“死点”位置时,电控单元及时切断供电电源,保护电动机和座椅驱动机构。(4) 位置传感器位置传感器主要是用来检测座椅的各种位置,其结构如图1-7所示。设计中我采用的是霍尔传感器。它主要由齿轮、滑块和螺旋杆(可变电阻器)组成,其工作原理和一般电位计相似。螺旋杆由电动机通过齿轮驱动旋转,并带动滑块在电阻器上滑动,从而使输出电压信号发生变化。电控单元根据此电压信号决定座椅的位置。图1-6 座椅位置传感器图1-7 霍尔式座椅位置传感器的结构图4 课题研究的意义及主要研究工作4.1课题研究意义 座椅是与人接触最亲密的部件,人们对轿车平顺性的评价多是通过座椅的感受感知的,随着人们生活水平的提高和汽车技术的不断更新,康复人员对汽车座椅的舒适性要求也越来越高。对于家庭使用的汽车而言,常常是多个成员驾驶同一辆汽车,而当不同的康复人员坐同一个座椅时,由于每个人身体的差异,所需要的汽车座椅的位置各不相同,因此需要经常调节座椅位置。目前,大部分的汽车座椅没有记忆功能,使得同一个人在不同时间驾驶同一辆汽车时,汽车座椅位置可能被其他康复人员更改过而需要重新调节座椅各个方向位置。在汽车电动座椅技术成熟之前,汽车座椅都为手动调节,比较汽车电动坐骑调节而言,手动调节不但不便于操作,而且不利于康复人员找到最适合自己的位置。现代汽车的康复人员座椅多是可以电动调节的,电动座椅可使驾驶者通过键钮操纵,调整到最佳坐姿以获得最好视野,最舒适的乘坐角度及最方便的操作性能。电动座椅六向调节装置,作为电动座椅的核心部件,其研究设计可以有助于掌握汽车座椅的工作原理及发展方向,作为学生,此次课题研究有助于巩固我们所学的专业知识,提高我们的基本专业技能,培养综合运用所学的知识解决实际问题的能力和创新能力,对我们以后的工作产生一定的指导作用,养成一定的专业素质。设计所要解决的技术问题是提供一种结构简单紧凑,适应多种姿态,应用范围广泛,能应用在医疗运动损伤康复的训练器配合使用的电动可调座椅。 目前在家庭、医院、疗养院、办公设备自动化、交通座椅的应用正在迅速扩大,大有取代传统的机械调节式座椅之势。电动座椅的突出特点在于俯仰、升降的调整均由电驱动系统实现,具有调节平滑,舒适度高,便于控制,稳定性及精度大大好于机械式及液压式座椅等优点。然而,通过对电动座椅市场的调研得知,国内电动座椅中所用电机大多为进口,使得整椅的价格较高,阻碍了其进一步推广;且大部分为直流有刷电机,这使得系统的可靠性、寿命及控制的灵活性收到了极大的限制。将无刷直流电机驱动系统用于电动座椅之中,可以提高整椅调速的平滑性和定位精度,提高可靠性,延长使用寿命。该产品有利于打破国外在此行业的垄断局面,实现技术突破及产业的跨越式发展,有助于提升我国电动座椅和电动床系统的技术水平,有着较大的经济及社会效益。4.2 电动座椅设计的背景 座椅是汽车的基本附属器件,随着人们生活水平的提高,对汽车座椅的舒适性需求也越来越高,需求对汽车座椅地调节能够更加简单方便、迅速快捷。而目前,汽车座椅位置的调节多采用基于手动调节方式的机械和电动控制两种方式。轿车电动座椅以驾驶者的座椅为主。从服务对象出发,电动座椅必须要满足便利性和舒适性两大要求。也就是说驾驶者通过键钮操纵,既可以将座椅调整到最佳的位置上,使驾驶者获得最好视野,得到易于操纵方向盘、踏板、变速杆等操纵件的便利,还可以获得最舒适和最习惯的乘坐角度。为了满足这些要求,世界汽车生产大国的有关厂家都竟相采用机械和电子技术手段,制造出可调整的电动座椅。4.3 本文主要研究工作设计要求:(1) 具有3自由度,分别为水平前后移动,上下移动,靠臂俯仰。(2) 水平前后移动距离:204mm;最大速度:0.1m/s;(3) 上下移动距离:80mm;最大速度:0.1m/s;(4) 靠臂俯仰角度:0-75度;(5) 采用电机驱动;(6) 具有手动控制功能。这个方案的设计思路就是电动座椅是利用电动机的动力来调整座椅前后的位置和靠背的倾斜度, 自动适应不同体型的康复人员的乘坐舒适性要求。电动座椅能满足便利性和舒适性, 康复人员通过按键操纵, 既可以将座椅调整到最佳的位置上,已获得最佳的坐姿,利于进行康复训练我的设计就是研究设计一种电动调节式座椅,其汽车座椅位置的调节主要有三个方向,即坐垫高度调节、坐垫水平位置调节及座椅靠背倾角的调节。通过前期的仔细对比研究,确定了每个运动机构方案的构成。分别设计可逆电动机为动力源,蜗轮蜗杆、滚珠丝杠、平面连杆机构,并将它们互相组合,以达到调节座椅位置的目的。5 座椅前后移动结构设计5.1动结构方案选定5.1.1传动调节装置的确定 传动装置的作用是将电动机的动力传给座椅调节位置,使其完成座椅的调整,主要有联轴器软轴、减速器与螺纹千斤顶或蜗轮蜗杆传动机构组成。 经过分析可知:由于电动机轴与传动轴的直径相差不大,因此可直接相连,采用螺纹锁紧的简易联轴器。 传动轴的选择根据电动机的安装位置的不同有以下几种: 当采用单相电动机时,传动轴选用锥齿轮与轴相连。图5-1单轴电动机输出当采用双轴输出电机时如下图所示: 图5-2双轴电动机输出对以上两种方案进行比较,采用双轴输出电机与传动轴直接相连可使传动链变得相对紧凑,传动更加平稳。 5.1.2传动方案的确定第一种方案如下图所示: 图5-3齿轮齿条传动机构 此种方案看似结构简单,但实际有以下缺点: 在执行机构方面采用齿轮和齿条相啮合,传动时的载荷不能太大,而要传递80kg重量的载荷所需要的转矩较大,则需要增加齿轮的尺寸。 其次,齿轮的安装从受力角度来分析并不利于啮合,如齿轮齿条的间隙一扩大就会容易产生噪声和误齿合,这种现象是绝不应该出现的。 第二种方案如下图所示: 图5-4锥齿轮丝杠传动机构 在这种方案中,减速器选用锥齿轮,锥齿轮的设计和制造、安装较为方便,但是考虑到座椅的尺寸情况采用蜗轮蜗杆减速器更为适合,蜗轮蜗杆具有大的传动比和自锁功能,而且也可传递空间交错的两轴运动,给制造带来了方便,并且体积小便于安装、传动平稳等特点,正好适用于系统的减速。 根据以上两种方案的论证与总结得出第三种方案:图5-5蜗轮蜗杆丝杠传动机构 采用丝杆螺母这种传动方案即能满足电动座椅的功能要求,而且结构紧凑,便于安装调试。最大的优点就是造价便宜,且传动平稳、噪声小并且有向自锁的优点是本次设计较理想的选择。 5.2 水平滑动电机的选择 5.2.1丝杆电机的选择根据要求移动导轨的移动距离为204mm,最大速度为0.1m/s;由于导轨与螺母相连,所以螺母移动的速度为0.1m/s,根据螺母与丝杆的配合关系通过公式:v=Ln 初选丝杆的半径为8.5mm,螺距为3mm,代入公式得: n丝=v/l=v/p=100x60/3=2000r/min 根据丝杆的转速初选电机的转速为2000r/min。 5.2.2选择电动机类型 首选电动机要根据电源(交流或直流),工作条件(温度、环境、空间尺寸等)和载荷特点、性质、大小、启动性能、过载情况。 电动座椅上的电动机作用是为了电动座椅的调节机构提供动力,此类电动机多采用双向电动机,即电枢的旋转方向随电流的方向的改变而改变,使电动机按不同的电流方向进行正转或反转以达到座椅调节的目的。为防止电动机过载,电动机内装有熔断丝,以确保电气设备的安全。 无刷直流电机的优点是: 电机外特性好,非常符合电动车辆的负载特性,尤其是电机具有可贵的低速大转矩特性,能够提供大的起动转矩,满足车辆的加速要求。 速度范围宽,电机可以在任何转速下稳定大转矩高效率运行,这是无刷直流电机的独有特性,这进一步提高整车效率。 电机效率高,尤其是在轻载车况下,电机仍能保持较高的效率,这对珍贵的电池能量是很重要的。 过载能力强,这种电机比 Y 系列电动机可提高过载能力 2 倍以上,满足车辆的突起堵转需要。 再生制动效果好,因电机转子具有很高的永久磁场,在汽车下坡或制动时电机可完全进入发电机状态,给电池充电,同时起到电制动作用,减轻机械刹车负担。 电机体积小、重量轻、比功率大、可有效地减轻重量、节省空间。 电机无机械换向器,采用全封闭式结构,防止尘土进入电机内部,可靠性高。 电机控制系统比异步电机简单。缺点是电机本身比交流电机复杂,控制器比有刷直流电机复杂。 根据以上条件我们选用用磁性双向轴输出的直流电动机的sz系列。 5.2.3选择电动机的容量 电动机的容量(功率)选择是否适合,对电动机的工作和经济性都有影响。容量小于工作要求,则不能工作机的正常工作,或使电动机因长期的超载运行而过早损坏;容量选择过大,则对电动机的价格高,传动能力又不能充分利用,由于电动机经常在载荷下运转,其效率和功率因数都较低,从而造成能源的浪费。对于比较稳定,长期运转的机械,通常按照电机的额动工率进行选择,而不必校核电动机的发热和启动转矩,选择电动机容量时应保证电动机的额定功率Ped等于或稍大于工作机所需的电动机功率Pd,即: PedPd工作及所需电动机的功率为Pd=Pw/kw (5.3)式中:Pw工作及所需功率,指输入工作机轴的功率kw 由电动机至工作机的总效率工作机所需功率Pw,应有工作机的工作阻力和运动参数(线速度或转速)计算求得: Pw=FV/1000 kw或Pw= Tnw/9550 kw (5.4)式中:F工作及的阻力N V工作机的线速度,如运输机输送带的线速度m/s T工作机的阻力矩N*m nw工作机的转速r/min 根据本次设计要求:涡轮蜗杆的传动比大而且反行程具有自锁功能,常取Z=4,即四头蜗杆,其传递效率为0.800.92 球轴承的效率为0.99 联轴器的效率为0.99 丝杆的效率为0.45 功率传递流向:电机 -涡轮蜗杆-丝杆螺母 传递装置的总效率应为组成传动装置的各个运动副效率的乘积即:0.246 (5.5)工作机的转速为nw=n丝=300r/min 根据以上特性初选电动机的转速为3000r/min,功率10w,电压24v 工作机的阻力力矩就是涡轮上的转矩T. T=9.55*1000*580.75*10/(3000/10)=238.75 N/mm (5.6)故工作及所需要的输入Pw2 Pw=Tnw/9550= 283.7530095000.75=10w (5.7)在丝杆上消耗的功率: 座椅的平行负荷能力110kg,则分担在丝杆上的为55kg,可计算出: N=(G/2)cos=559.8cos (2.8) b是人与丝杆的夹角,而且很小,取b=6则N=536N,摩擦力f=G/2sin=9.855sin6=56.34N 在丝杆上消耗的功率Pw丝=f*v丝=56.34*0.015w=0.845w 又Pw=Pw丝 在工作机实际需要的电动机输出功率Pd Pd=Pw/=0.8450.246=3.43w由于sz系列是双轴输出式直流电机所以总功率为Pw总=2Pd=6.86w, 根据所计算出的功率和转速,所选电机如下: 电机的型号为:45sz01 电机的转速为:3000r/min 电机的功率为:10w 电机的电压为:24v 电机的电枢/励磁为:111/0.33 电机的允许正反转速差为:200r/min 校核所选电机的转矩 根据公式:T1=Td*i0*01 式中:Td电动轴的输出转矩Nm? T1工作轴的输入转矩,即等于涡轮上的转矩T将公式变形后如下: 通过以上的计算,说明所选电动机是满足要求的,所以水平移动部分的电机选用45sz01型号的永磁式双轴输出直流电机。5.3 水平移动系统中蜗轮蜗杆的设计 5.3.1选择蜗杆传动类型 根据GB/T10085-1988的推荐,采用渐开线蜗杆。 5.3.2选择材料 考虑到蜗杆传动的功率不大,速度只是中等,故蜗杆用45钢,故希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋齿面要求淬火,硬度为45-55HRC。涡轮用铸锡磷青铜ZcuSn10P1,金属模铸造。为了节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮芯用灰铸造HT100制造。 (1) 按齿面接触疲劳强度进行计算 根据闭式蜗杆传动的设计准则,先按齿面接触疲劳强度进行设计,再校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距 确定作用在蜗杆上的转矩T2 取Z1=4;故取效率为=0.9;(2) 载荷系数的确定 因工作载荷较稳定,故取载荷分布不均系数k=1,由机械设计表11-5,选区使用系数Ak=1, 由于转数不高,冲击不大,可取动态系数Vk=1.0,则 k=k*kv *kA=111=1确定弹性影响系数ZE 因选用的是铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆,故EZ=160Mpa确定接触系数Zp 先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值d1/a=0.35,从机械设计图11-18中可查的ZP=2.9。 (3) 确定许用应力 根据涡轮选用的材料为铸锡磷青铜ZcuSn10P1,金属膜铸造,蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC,可从表117中查出涡轮的基本许用应力,=268Mpa。应力循环次数: 寿命系数 则 中心距的计算 取中心距a=50mm,因i=10.,故从表112中取模数m=2,蜗杆分度圆直径d1=22.4,这时d1/a=0.65,从1118中可直接插的系数pZ=2.45,因为pZ小于Zp,因此以上计算结果可用。 (4) 蜗杆与涡轮的主要参数与几何尺寸轴向齿距Pa=*m=6.28mm直径系数q=d1/m=22.4/2=11.2mm齿顶圆直径,齿根圆直径 da1=d1+2ha1=d1+2ha*m=22.4+212=26.4mmda2=d1-2hf1=d1-2(ha*m+c)=22.4-2(12+0.252)=17.4mm分度圆导程角:tanr=mz1/d1=z1/q=4/11.2 r=1939 14 蜗杆轴向齿厚:sa=0.5m=0.52=3.14 蜗轮齿数Z2=39,变位系数 X2=-0.1 , 验算传动比i=9.75这时传动比误差2.5%,是允许的。 蜗轮分度圆直径:d2=mz2=239=78mm 蜗轮喉圆直径:da2=d2+2ha2=78+20.9=79.8mm 蜗轮齿根圆直径: da3=d2-2hf2=78-221.35=72.6mm 蜗轮咽喉母直径: rg2=a-2da2=10.1mm 校核齿根弯曲疲劳强度 当量齿数 根据X2=-0.1,zv2=46.69,从图1119中可查齿形系数YFa2=2.35,螺旋角系数 许用弯曲应力 从表中118中查的F=F*Kfv由ZcuSn1应力0P1制造的蜗杆的基本许用弯曲应力F=56Mpa 寿命系数 验算效率已知 从表1118中用插值法查的fv=0.0283 ,=1.1621,代入式中的=0.87大于原估计值。 (5) 精度等级公差 考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动,是属于通用机械减速器,从GB/T100891988圆柱蜗杆、涡轮精度中选择8级精度,侧隙种类种类为f,标注为8f,GB/T100891988。然后由有关手册查的要求的公差项目及表面粗糙度。 蜗轮蜗杆传动的基本几何尺寸 根据机械设计表11-3,算出普通圆柱蜗杆传动基本几何尺寸。其参数如下所示: 中心距 50 蜗轮头数 4 蜗轮齿数 39 齿形角 20 模数
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