人工關(guān)節(jié)仿生試驗機(jī)的設(shè)計含9張CAD圖
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人工關(guān)節(jié)仿生試驗機(jī)的設(shè)計
DESIGN OF BIONIC TESTING MACHINE FOR ARTIFICIAL JOINTS
摘要
本課題是對人體髖關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)機(jī)械傳動部分的研制。在上個世紀(jì)，就有許多國家已經(jīng)研究出很多種的關(guān)節(jié)仿生試驗機(jī)的設(shè)備，并且發(fā)展至今，全球已經(jīng)有幾千萬人通過置換仿生關(guān)節(jié)，重新可以正常行走。這個實驗機(jī)的工作原理是將股骨頭和髖臼部件試樣按照人體正常位置安裝于試驗臺上，通過試驗裝置使兩者之間產(chǎn)生相對運動。該試驗機(jī)設(shè)計時考慮的主要因素是使其在實驗室環(huán)境中能夠正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運動狀況，以此來使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實際使用條件下相一致，從而可以準(zhǔn)確、可靠地測試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)特性參數(shù)，這些參數(shù)可以為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：仿生試驗機(jī)；人的髖關(guān)節(jié)；摩擦性能
Abstract
This topic is the development of the mechanical transmission part of the human hip joint simulator. In the last century, many countries have studied many kinds of equipment for the bionic test machine of joint. And so far, tens of millions of people in the world have been able to walk normally through replacement of bionic joints in the world. The principle of this experiment machine is to install the specimen of the femoral and acetabular parts on the test bed in the normal position of the body, and make the relative motion between the two. The main factor to be considered in the design of the test machine is that it can correctly simulate the actual movement of the human hip joint in the laboratory environment so that the friction mechanism and wear form produced in the test process are in accordance with the actual conditions, thus the birth of the artificial joint material can be accurately and reliably tested. The tribological properties of these parameters can provide guidance test data for clinical application.
Keywords bionic testing machine human hip joint tribological properties
目 錄
摘要 I
Abstract II
1緒論 1
1.1 仿制髖關(guān)節(jié)試驗設(shè)備的背景 1
1.2人工關(guān)節(jié)仿生試驗機(jī)到現(xiàn)在為止的研究情況 2
1.3 這次設(shè)計的主要目的 4
2設(shè)計方案的選擇 5
2.1 人體髖關(guān)節(jié)的組成和運動特點 5
2.1.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的運動 6
2.1.2 人工仿制的髖關(guān)節(jié)組成 6
2.2 設(shè)計的方案的提出與選擇 7
2.3 方案中各機(jī)構(gòu)的運動特性分析 10
3 試驗機(jī)的選用設(shè)計計算 12
3.1選擇電動機(jī)的類型 12
3.2帶傳動的設(shè)計 12
3.3選擇減速器的類型 15
3.4 錐齒輪的設(shè)計 16
3.4.1 錐齒輪的主要幾何尺寸設(shè)計計算 16
3.5 設(shè)計主傳動軸的結(jié)構(gòu) 22
3.5.1 選取軸的材料 22
3.5.2 選取軸的毛柸 22
3.5.3 確定主軸的最小直徑 23
3.5.4 設(shè)計軸上的結(jié)構(gòu)構(gòu)成 23
3.6 設(shè)計擺軸的結(jié)構(gòu) 28
3.6.1擺軸的材料的選擇 28
3.6.2擺軸的最小直徑的選擇計算 28
3.6.3擺軸上裝配的設(shè)計 28
3.6.4 進(jìn)行擺軸的強(qiáng)度校核，運用彎扭合成校核 29
3.6.5擺軸上圓錐滾子軸承的校核計算 30
3.7 試驗機(jī)的密封設(shè)計 31
結(jié)論 34
致謝 35
參考文獻(xiàn) 36
IV
1緒論
1.1 仿制髖關(guān)節(jié)試驗設(shè)備的背景
在現(xiàn)代社會中，經(jīng)過時間的變遷，人類社會的老年人越來越多，年輕人和小孩越來越少。在中國，以前的農(nóng)村一戶人家可以上升趨勢，不光是中國，西方好多國家如日本等等，都出現(xiàn)了社會人口老齡化這個問題。這個問題直接導(dǎo)致的結(jié)果就是，如果意外跌倒，髖骨損傷或者由于年紀(jì)大的原因，器官老化，加上經(jīng)過人經(jīng)過幾十年的行走運動，髖骨頭會從骨臼力脫離出來，這樣的話，就需要重新安裝一個仿生的髖關(guān)節(jié)。這是因為疾病、事故、戰(zhàn)爭等間接的其他因素造成人體內(nèi)的疾病和骨骼損傷，很多人成為失去了行走和自理的能力基礎(chǔ)。對病人、家庭和社會的生活影響非常的大，是一個非常沉重的負(fù)擔(dān)。因此，對患者來說減少痛苦，減輕生活負(fù)擔(dān)，提高生活質(zhì)量是迫切的問題，非常多的科研者都在研究仿生髖關(guān)節(jié)替換人體老化關(guān)節(jié)或者時遭受了損傷的關(guān)節(jié)的技術(shù)問題。到目前為止，整個世界基本上每一年都會由于許許多多的原因而需要去把老的關(guān)節(jié)換成仿生的關(guān)節(jié)的人數(shù)達(dá)到了驚人的5000～7000萬人，而且其中，就髖關(guān)節(jié)的替換手術(shù)就高達(dá)驚人的80萬例。這樣的數(shù)據(jù)實在是使人驚訝，所以人工髖關(guān)節(jié)仿生實驗的成熟技術(shù)的得出迫在眉睫了。但是據(jù)目前來看，給那些需要安裝仿生髖關(guān)節(jié)的生好幾個小孩，由于人口過于龐大，一天的整個國家的消耗，居住的資源少，城市交通的擁擠等等問題，所以政府開始了計劃生育，這間接導(dǎo)致了新生人口的銳減，所以經(jīng)過幾十年的發(fā)展，老年人越來越多，老年人基數(shù)逐漸呈人會越來越多，這個人數(shù)是巨大的。
根據(jù)仿制人體的人工關(guān)節(jié)是一種可以經(jīng)過手術(shù)放置到人體中的假體，用仿制的關(guān)節(jié)經(jīng)過手術(shù)代替損壞的人體內(nèi)的關(guān)節(jié)。人工關(guān)節(jié)的仿制和實驗是通過眾多學(xué)科領(lǐng)域的綜合知識來進(jìn)行研究的，包括了交叉學(xué)、大學(xué)里的材料力學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等等很多學(xué)科，根據(jù)這些眾多學(xué)科知識的認(rèn)識和了解，科研技術(shù)者們經(jīng)過不斷地鉆研和創(chuàng)新中，有一個關(guān)于關(guān)節(jié)力學(xué)性能特點地研究與人工關(guān)節(jié)替換手術(shù)有一些關(guān)聯(lián)，因為力學(xué)特性關(guān)系到了人工關(guān)節(jié)地使用壽命時間，這一點在整個實驗研究中具有重要地影響和意義，所以為了提高那些人工關(guān)節(jié)地替換手術(shù)和術(shù)后的使用時間的長久性，本次畢業(yè)設(shè)計研制的試驗機(jī)設(shè)計具有一定的意義，雖然沒有那些科研工作者的研究成果大，不過對整個仿生關(guān)節(jié)的實驗有一定的數(shù)據(jù)參考。
到目前為止來看，人工仿生的股骨頭大多采用了鈦合金和不銹鋼等材料來研制的，而骨臼使高分子聚乙烯材料來研制的，因為實驗了十幾年的成果數(shù)據(jù)來看，用鈦合金研制的股骨頭和用高分子聚乙烯材料研制的骨臼，它們相互進(jìn)行磨損時對材料的損傷時間較長，但不可否認(rèn)，因為畢竟和人體本身的股骨頭和骨臼不一樣，仿生的關(guān)節(jié)始終無法和人體的關(guān)節(jié)相比，所以經(jīng)過替換手術(shù)后的一段時間內(nèi)，股骨頭還是會從骨臼中因為過度運動磨損而脫落。所以為了提高人工關(guān)節(jié)的使用壽命時間和更小的降低股骨頭和骨臼的磨損，增加材料的抵抗磨損的性能，那些科學(xué)學(xué)者和醫(yī)學(xué)學(xué)者開展了許多的研究實驗。
1.2人工關(guān)節(jié)仿生試驗機(jī)到現(xiàn)在為止的研究情況
在上個世紀(jì)中期的時候，就有一個外國摩擦學(xué)的學(xué)者，在研究摩擦潤滑性能的過程中發(fā)表了一篇文章，文章中表述了了大概有250種不同種類的進(jìn)行相互摩擦的試驗機(jī)。在近期的一篇報道中，研究人員已經(jīng)研究出幾個軸一起進(jìn)行摩擦實驗的設(shè)備，這個幾個軸一起實驗的設(shè)備大大地提高了實驗的效率，大大地縮短了試驗的時間，并且也大大地使仿制的股骨頭和骨臼之間地運動軌跡與人的髖骨架的運動軌跡越來越逼真。從目前的研究情況來看，那些還在進(jìn)行試驗的設(shè)備基本上可以歸為兩個類型：
（1） 實際使用狀態(tài)的設(shè)備和摩擦試驗
就是在實際的場地中將已經(jīng)仿制好的樣品材料裝配在進(jìn)行試驗的設(shè)備上，按照和原來的轉(zhuǎn)動或者其他運動的的環(huán)境一樣的情況下來進(jìn)行試驗，從而得出試驗最終的結(jié)果。
（2）實驗室設(shè)備的摩擦測試試驗
目前在實驗室里進(jìn)行摩擦磨損試驗設(shè)備的種類有兩個，一個是樣品的試驗設(shè)備，就是把仿制的樣品，這個樣品的尺寸與外形與真正的需要試驗的相似，然后直接進(jìn)行試驗，如下圖1-1所表示的。
一個是在已經(jīng)制成的機(jī)架上進(jìn)行試驗，這個得需要提前定制一個可以提供需要進(jìn)行試驗的機(jī)構(gòu)一個試驗環(huán)境，雖然看起來比較復(fù)雜，而且制作成本可能比較高，但在試驗的過程中，各機(jī)構(gòu)在運動過程中的相互摩擦磨損，最后得出的試驗結(jié)論，都比前一個更加的具體準(zhǔn)確，更加能體現(xiàn)出試驗的重要性和準(zhǔn)確性。如下圖2所表示的是一個人工仿制的髖關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)頭在骨臼中，兩個關(guān)節(jié)相互摩擦磨損試驗機(jī)的外形機(jī)構(gòu)，試驗機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動由底部的電機(jī)輸出的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能帶動軸轉(zhuǎn)動，然后軸帶動試件座轉(zhuǎn)動，兩個關(guān)節(jié)就是在試件座里面相互轉(zhuǎn)動摩擦，加上上部由液壓缸向下施加的液壓力，然后試件座的右邊有一個叉子插在試件座上，使試件座不會跟著軸做360度轉(zhuǎn)動，只會面向右邊的防立柱一個方向隨著主軸轉(zhuǎn)動，這樣的運動軌跡，就如同人的髖關(guān)節(jié)一樣，上半身給髖關(guān)節(jié)施加的壓力如同液壓缸給試件座的壓力一樣，而試件的平衡不會搖擺就如同地球引力一樣，人走路不會搖擺會有平衡感，而底部的電機(jī)的給試件座的機(jī)械能就是人的雙腿給髖關(guān)節(jié)的力，所以這個人工髖關(guān)節(jié)仿生試驗設(shè)備的試驗結(jié)果對于股骨頭、骨臼、關(guān)節(jié)頭的材料的選擇和關(guān)節(jié)替換手術(shù)有非常大的意義和影響。
圖1-1 一些常見的測試試驗機(jī)
圖1-2 人工髖關(guān)節(jié)試驗機(jī)
圖1-3 人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)
1.3 這次設(shè)計的主要目的
我的畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師主要是讓我去設(shè)計一個機(jī)構(gòu)來研究由于人體髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)頭和骨臼的摩擦，來試驗仿生關(guān)節(jié)頭和仿生骨臼的材料的耐磨性。和材料的使用壽命是多長的周期，比如能夠摩擦磨損十年，可能就損壞了，或者二十年、三十年。主要的設(shè)計目的就是由于相互摩擦，各個仿生的材料能夠堅持多久的壽命，試驗的數(shù)據(jù)可以為現(xiàn)在的或者以后的關(guān)節(jié)仿生提供一些試驗依據(jù)。
2設(shè)計方案的選擇
從上上個世紀(jì)以來，人工仿制的髖關(guān)節(jié)就在人類的病床上開始運用，人工關(guān)節(jié)替換技術(shù)發(fā)展的速度大為驚人。經(jīng)過長時間的臨床觀察，生物摩擦學(xué)性能對關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量和臨床使用壽命都是根據(jù)關(guān)節(jié)的材料來判別的。所以，在仿制關(guān)節(jié)材料的方面進(jìn)行了非常多的試驗和數(shù)據(jù)采集。為了更加可靠的讓人造關(guān)節(jié)成功地運用于人體提供了技術(shù)的支持。從很長一段時間的臨床來看，人工關(guān)節(jié)作為輔助人體運動的器件，應(yīng)該滿足以下要求：
1 生物相互接好。人工關(guān)節(jié)和軟組織肌肉粘在一起后，人工關(guān)節(jié)作用的高科技材料和人體軟組織會相互融合。當(dāng)然，該合金材料對人體不會產(chǎn)生任何不好的影響。
2 生物互相協(xié)調(diào)能力好。人造關(guān)節(jié)和軟組織肌肉相互協(xié)調(diào)，人體運動的時候相互協(xié)調(diào)工作不產(chǎn)生太多的形變。
3 生物性能穩(wěn)定。人造關(guān)節(jié)和軟組織肌肉在運作的過程中不會移動想定的為止。
4 人造關(guān)節(jié)材料可以在人體內(nèi)降解，逐漸讓重新長出來的人體組織代替人造關(guān)節(jié)。
5 耐磨性好。這個人造關(guān)節(jié)耐磨損，摩擦系數(shù)較低，在人體中可以非常多的時間內(nèi)服務(wù)。
6 抵抗腐蝕性能優(yōu)越。在人體中環(huán)境因素多變，人造關(guān)節(jié)的變壞的可能性微乎其微。
2.1 人體髖關(guān)節(jié)的組成和運動特點
髖關(guān)節(jié)是人的上半身與下半身相連接的地方，相當(dāng)于中心樞紐，它對于人的身體重要性非常地大，主要是因為人如果要行走必須要髖關(guān)節(jié)運動才能完成，等于說髖關(guān)節(jié)出了差錯，人將會無法行走，這是非常痛苦的一件事，將是一個災(zāi)難。如下圖2.1和圖2.2，表示的是人的髖關(guān)節(jié)的各部分組成的結(jié)構(gòu)圖。
圖2.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖
圖2.2 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖
2.1.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的運動
髖關(guān)節(jié)是一個由多個軸狀關(guān)節(jié)組成的關(guān)節(jié)，經(jīng)過上半身的向下的作用力，髖關(guān)節(jié)部位可以進(jìn)行彎曲伸直，股骨頭可以在骨臼里面轉(zhuǎn)動，但是由于負(fù)載的影響，所以股骨頭深深的與骨臼相配合，又因為關(guān)節(jié)盂包饒的太深，所以股骨頭陷進(jìn)去的大概由一半多，這就導(dǎo)致了關(guān)節(jié)頭的表面的面域很小，因此關(guān)節(jié)頭在骨臼的運動被限制了很多。但是髖關(guān)節(jié)的平穩(wěn)固定的性能好，能夠承受大于人的0體重的十倍甚至幾十倍的壓力。
2.1.2 人工仿制的髖關(guān)節(jié)組成
在大腿和臀部的頂部，葉片的裝配大部分是人體的支撐和人體的活動。負(fù)載頭。當(dāng)上半部腿部在病變的時候在骨科門診往往依靠人工髖關(guān)節(jié)假體置換變色。仰視臀部，達(dá)到挫傷的支撐點。圖2.3是人工髖關(guān)節(jié)的圖片。定期保費兼容頭球。結(jié)束人體運動和技術(shù)所必需的運動。加工人工關(guān)節(jié)制成連接部分的凹凸球，一般臨床頭25毫米左右。腳跟直徑22.25mm 26mm，28毫米32毫米38毫米42mm等。
圖2-3 人體髖關(guān)節(jié)
人工關(guān)節(jié)在體內(nèi)的固定方式分為兩種：骨水泥固定和非骨水泥固定。骨水泥固定時利用甲基丙烯酸甲酯(骨水泥)將人工假體與自然骨粘結(jié)固化后達(dá)到固定目的。非骨水泥固定技術(shù)是通過改進(jìn)假體外形尺寸使之緊密嵌入髓腔或在假體外殼表面上制造出多孔結(jié)構(gòu)，以使宿主骨能夠長入金屬外殼面從而達(dá)到生物學(xué)固定的目的。人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)后，承擔(dān)原人體髖關(guān)節(jié)的功能，其運動方式與人體自然髖關(guān)節(jié)基本一致。
2.2 設(shè)計的方案的提出與選擇
本次的畢業(yè)設(shè)計是為了測試現(xiàn)在的仿制的髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)頭和仿制的骨臼在力的作用下，相互之間材料磨損的厲害程度和最終材料的工作時間到底是多久，所以我需要設(shè)計一個機(jī)構(gòu)來使仿制的關(guān)節(jié)頭和仿制的骨臼相互摩擦，它們兩個之間到底是如何摩擦的，又受到了哪些力的作用。在經(jīng)過查詢關(guān)于髖關(guān)節(jié)之間運動的摩擦情況的資料和書刊，和查閱了《機(jī)械設(shè)計》、《機(jī)械原理》、《機(jī)械設(shè)計手冊》等書籍，綜合了所有資料后，我設(shè)計了三種方案。
第一種方案，是將仿制的股骨頭固定在一個底座上了，股骨頭可以在底座上繞著一個點轉(zhuǎn)動，將軸裝配在骨臼的試件中，軸安裝在上方的支架上，支架的右側(cè)安裝一個滑塊，滑塊在電機(jī)經(jīng)過帶傳動，上下來回滑動，在股骨頭和滑塊中安裝一個長桿，滑塊的上下來回滑動的力來使股骨頭轉(zhuǎn)動，在支架的左邊安裝兩個連桿，組成一個機(jī)構(gòu)，一個固定在支架上，一個固定在股骨頭上，主要是用來使股骨頭不晃動，始終朝著一個方向轉(zhuǎn)動。如圖2.4所示。
圖2-4 方案一
第二種方案，是設(shè)計一個底座，電機(jī)安裝在底座上，在電機(jī)自帶的軸上安裝一個連桿機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)由三個桿組成，第三個連桿裝配在試件座上，股骨頭安裝在試件座中，骨臼試件裝配在一個機(jī)架上，傳動軸的裝配在機(jī)架的中間，在軸的上方設(shè)計一個液壓缸，從液壓缸中注入液體，由此產(chǎn)生的液壓力載荷作用在傳動軸上，軸再將載荷作用在骨臼的試件座上，不同的液壓力產(chǎn)生不同的載荷進(jìn)行試驗，在股骨頭的左邊安裝一個連桿機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)由兩個連桿組成，一個連桿連接在支撐點上，另一個連桿安裝在股骨頭上，使股骨頭不會隨著試件座產(chǎn)生自
圖2-5 方案2
第三種方案，是選擇設(shè)計一個電機(jī)，由于電機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速過大，所以需要減速，從電機(jī)軸上裝配一個兩根V帶的帶輪，傳動比為2，小帶輪輪轂與電機(jī)輸出軸配合，大帶輪的輪轂與減速器的輸入軸配合，設(shè)計的是單級圓柱齒輪減速器的傳動比為6，錐齒輪的小齒輪輪轂與減速器的輸出軸配合，選擇的錐齒輪的傳動比為2，錐齒輪的大齒輪裝配了主軸，根據(jù)人體運動時，股骨頭的承重可達(dá)體重的幾十倍，確定試驗機(jī)需要的最大試驗載荷。如果主軸轉(zhuǎn)速為60r/min，作用在股骨頭頭部的載荷為400公斤，就可以算出最大阻力。選擇直徑為28mm的股骨頭，可以求出最大的扭矩，由此可確定電機(jī)的功率從而計算出最小軸徑。然后由最小軸徑初步選擇各個零件的尺寸。通過校核確認(rèn)其安全以確保試驗機(jī)正常運轉(zhuǎn)。由于試驗機(jī)的運轉(zhuǎn)速度不會太高，所以我設(shè)計了三級減速裝置，電動機(jī)通電運轉(zhuǎn)，先開始通過V帶傳動減速，然后通過與之配合的減速器進(jìn)行減速，再通過與之配合的錐齒輪進(jìn)行減速，最后由聯(lián)軸器帶動主軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動固定在主軸軸端的偏心輪轉(zhuǎn)動，試件座安裝在擺軸上和擺軸一起饒中心軸線轉(zhuǎn)動。使得由關(guān)節(jié)球支架固定在試件座上的關(guān)節(jié)球頭和髖臼試件之間產(chǎn)生摩擦，從而達(dá)到試驗的目的。其中髖臼試件由骨水泥固定在髖臼座上，沖擊載荷由液壓缸提供作用于心軸上，通過髖臼支架最終作用在關(guān)節(jié)球頭上，加上關(guān)節(jié)球頭隨試件座繞中心線轉(zhuǎn)動。在支架左側(cè)裝配一個防立柱，在防立柱上安裝兩個防轉(zhuǎn)桿，一個防轉(zhuǎn)桿安裝在關(guān)節(jié)頭試件座上，另一個防轉(zhuǎn)桿安裝在骨臼骨臼試件架上方的軸上，兩個防轉(zhuǎn)桿在受到了防立柱的阻力后，會有一個相反方向的作用力，使試件座不會隨著擺軸360度轉(zhuǎn)動，始終朝著左側(cè)轉(zhuǎn)動，試件座一邊隨著擺軸的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動一邊由于防轉(zhuǎn)桿的方作用力產(chǎn)生這樣實現(xiàn)模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運動，使其產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實際使用條件下相一致，以達(dá)到設(shè)計該試驗機(jī)的目的。見圖，
圖2-6 方案3
在充分考慮試驗的目的和模擬人體髖關(guān)節(jié)運動的特性的相似度后，指導(dǎo)老師選擇了第三種方案作為我的畢業(yè)設(shè)計方案。
2.3 方案中各機(jī)構(gòu)的運動特性分析
多組組合樣式：當(dāng)采用偏心輪的時候，偏心輪以不變的角速度轉(zhuǎn)動，杯座的支撐軸以主軸為中心從而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，固定在軸上的相反轉(zhuǎn)桿受到力的約束，該軸在力的作用下不僅僅是回轉(zhuǎn)，自己本身也是會旋轉(zhuǎn)。該機(jī)構(gòu)運動動作看圖2.8。
圖2.7通過力學(xué)原理了解了試驗機(jī)的運動原理圖，如果一個空間運動鏈由N個不同的構(gòu)件構(gòu)成，當(dāng)其中一個被困住時，剩余的能夠運作的構(gòu)件的數(shù)量是（N-1）個，運動鏈的自由度可以通過計算算出，如下：；當(dāng)F<0時，運動鏈不會動作；對F>0的運動鏈，運動鏈如所運動不能被預(yù)測。只有當(dāng)原始運動的數(shù)量相等，才能獲得準(zhǔn)確的機(jī)構(gòu)運動。圖2-7表明：該運動鏈的成員數(shù)為n=5，因此它的自由度計算為：。所以在實驗操作時，只有偏心輪在做旋轉(zhuǎn)運動。一般來說，相對運動的軌跡只能用數(shù)學(xué)方程來表示。然而，髖關(guān)節(jié)在人體中承擔(dān)的壓力比較復(fù)雜。
1:機(jī)座 2：主軸 3：防轉(zhuǎn)桿 4：滑塊 5：轉(zhuǎn)動副
圖2-7 試驗機(jī)運動原理圖
在操作運動中，時間摩擦表面的任一點都隨兩軸進(jìn)行周期性旋轉(zhuǎn)。表面上產(chǎn)生的運動波形如圖2-5所表示的，如果按照圖2-9波形仿真的話，仿真結(jié)果如圖2-10所表示的。如果拿圖2-6和圖圖2-7相比較的話，它的運動規(guī)律幾乎沒有區(qū)別。圖2-11通過試驗充分說明，為了人體更好的平衡，主要有以下要求：①在人體髖關(guān)節(jié)的運動中，仿真器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是交叉進(jìn)行的，而且要求多方向的。②運動軌跡在運動過程中不斷地變化。通過以上實驗可以得知，該設(shè)計方案可以完全可靠的實現(xiàn)方案?？傊?，從理論上說，雖然實驗中的人造髖關(guān)節(jié)與天然的髖關(guān)節(jié)做不到天然一致，運動軌跡也做不到完全相同。但是也有它的優(yōu)點，它能通過實驗展現(xiàn)出它的運動形式和運動的復(fù)雜性，有效做到和天然髖關(guān)節(jié)摩擦形式一致地運動。
圖2-8 運動波形圖
圖2-9 波形的仿真
3 試驗機(jī)的選用設(shè)計計算
3.1選擇電動機(jī)的類型
根據(jù)此試驗機(jī)的工作壓力特性，或者看看有沒有沖擊力，速度的大小和啟動制動次數(shù)來選擇電動機(jī)。
此試驗機(jī)的關(guān)節(jié)球頭的直徑選擇為28mm，試驗機(jī)的最大承受壓力極限值為400kg，主軸的旋轉(zhuǎn)速度為60r/min。摩擦系數(shù)的選擇為為μ=0.1。
試驗機(jī)的最大承受壓力F=400kg×9.8=3920N。
由于摩擦系數(shù)為0.1，算出摩擦力為f=F×μ=3920×0.1=392N。
所以承受的最大扭矩可以求出 T=f×d=392×0.014=5.488Nm。
根據(jù)扭矩公式為，由于最大扭矩和轉(zhuǎn)速已知，所以功率P=0.034KW。
考慮到試驗機(jī)所需轉(zhuǎn)速不需要過高，通過查閱機(jī)械手冊可以初擬選擇Y系列4極
選用Y90S-6，額定功率為P=0.75kw，滿載轉(zhuǎn)速n=910r/min，同步轉(zhuǎn)速1000r/min。
3.2帶傳動的設(shè)計
由于考慮到電機(jī)的瞬時速度較高所以選用一個摩擦型帶傳動來緩解電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于這次設(shè)計的試驗機(jī)，所以選用V帶傳動。V帶有較大的厚度，而且撓性比較不好，并且在制作帶輪的過程很復(fù)雜。V帶傳是利用兩個側(cè)面。當(dāng)同樣的張緊下，V帶承受的摩擦力比平帶出色很多，而且平帶的承受壓力要比V帶小的多。V帶傳動已經(jīng)發(fā)展成為最常用的傳動了。接下來設(shè)計V帶的設(shè)計計算。
Y90S-6 異步電動機(jī)額定功率為P=0.75kw，滿載的轉(zhuǎn)動速度n=910r/min。假設(shè)帶輪兩齒輪的傳動比i=2，兩班制來傳動，大小帶輪的中心距a<700mm。
（1） 試把帶輪功率P的計算
(11.15)
式中 ——工作情況系數(shù)；
——名義傳動功率，kW。
查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計》表11-3，帶輪的工作情況系數(shù)K=1.4，則
（2） V帶型號的選用
上述功率P=1.05kW,n=1390r/min，再查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計》圖11.11來選擇Z型帶。
（3） 小帶輪基準(zhǔn)直徑d和大帶輪基準(zhǔn)直徑d的計算
式中 ——小帶輪基準(zhǔn)直徑
——大帶輪基準(zhǔn)直徑
——滑動率
查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計》表11-4確定小帶輪d=125mm，若帶輪的潤滑率ε=1％。
d 查表取整數(shù)大齒輪d=250mm。
（4） 檢驗計算帶輪速度v
（11.16）
式中 ——小帶輪速度，m/s
——小帶輪轉(zhuǎn)速
算得帶輪的速度在5-25m/s的范圍之內(nèi)，可以說算得的帶速是對的。
（11.18）
式中 ——中心距
根據(jù)在a()的范圍之內(nèi)，初步選擇中心距a。所以V帶的長度公式為
查詢書《機(jī)械設(shè)計》圖11-10，可知Z型帶的標(biāo)準(zhǔn)。
再根據(jù)實際中心距的公式
選取中心距a的值為整數(shù)。
（5） 檢驗計算小帶輪包角
（11.21）
，因為大于120°，所以算得的包角是合適的。
（6）V帶根數(shù)的選擇Z
（11.22）
式中 ——計算功率
——單根V帶所能傳遞的功率
——包角修正系數(shù)
——帶長修正系數(shù)
小帶輪,V帶的，傳動比i為2，查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計》表11-6，查取的V帶的額定功率P=1.91kW，查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計》表11-8，△，查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計》表11-10，查取,再根據(jù)參考參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計》表11-11，查取.總合以上，根據(jù)計算帶的根數(shù)的公式
選取整數(shù)，帶的根數(shù)z=3根。
（7）V帶的剛開始的拉力的計算
（11.23）
式中各符號的意義同前所計算只有一根帶的初始拉力
（8）V帶的大小齒輪中間的軸的所承受的載荷
（11.24）
（9）V帶傳動的組成設(shè)計
計算得帶輪的，是小于的，所以本次帶輪的材料選擇為灰鑄鐵。
帶輪的傳動帶是裝配在輪緣上的，帶輪的輪轂一般是裝配在兩個齒輪的軸上的，而輪輻是專門裝配在輪緣和輪輻之間的。根據(jù)本次帶輪設(shè)計的大小帶輪分度圓直徑，大帶輪直徑減去小帶輪直徑的值大于，所以，本次帶輪的輪輻選用孔板式。
(10）V帶輪槽的選用
因為本次設(shè)計選用的是Z型的普通V帶，所以根據(jù)參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計》表11.1，可以查取Z型帶的節(jié)寬,V帶的頂?shù)膶挾?V帶的高度。
3.3選擇減速器的類型
減速器是一個關(guān)閉式的裝置去傳動前面的發(fā)動機(jī)和后面工作機(jī)的，它的工作情況是獨立的，減速器的用處是用來減小轉(zhuǎn)動速度且提高轉(zhuǎn)動力矩，然后來符合各種機(jī)械的傳動需求。減速器的類別各種各樣，它的傳動方式來分的話，可以分成齒輪減速器、行星減速器和蝸桿減速器。通過它的傳動級數(shù)來分的話，可以分成單級加速器和多級減速器。通過它的傳動分布形式來分的話，大體上可以分成展開式減速器、分流式減速器和同軸式減速器。
如果我們通過減速器的傳動特點和結(jié)構(gòu)特點來分析的話，可以分成以下六種形式：
1、 齒輪減速器
齒輪減速器大概可以分成圓柱齒輪減速器、圓錐-圓柱齒輪減速器、錐齒輪減速器等。
2、 蝸桿減速器
蝸桿減速器大概可以分成圓柱蝸桿減速器、錐蝸桿減速器和環(huán)面蝸桿減速器等。
3、 行星齒輪減速器
4、 諧波齒輪減速器
5、 蝸桿齒輪減速器和齒輪-蝸桿減速器
6、 擺線針輪減速器
由于試驗機(jī)在實驗剛開始時，發(fā)動時的瞬時轉(zhuǎn)速可能過大，所以在考慮安全和實驗結(jié)果穩(wěn)定后，我決定設(shè)計在電動機(jī)前面加一個減速器，來降低軸的轉(zhuǎn)速和相對地來增大轉(zhuǎn)矩。
按照設(shè)計要求，選用用的做多的圓柱齒輪單級減速器，圓柱齒輪單級減速器結(jié)構(gòu)簡單精度容易保證，單級圓柱齒輪減速器的傳動比一般在，減速器傳動比我設(shè)計為4，輪齒選用直齒，因為直齒主要使用在速度比較小和承載比較小的傳動上。通過查詢《機(jī)械設(shè)計》表10-6，通用減速器的精度等級范圍在之間，選用7級。
圖3-1 單級圓柱齒輪減速器
3.4 錐齒輪的設(shè)計
由于電機(jī)的瞬時速度過大，雖然由V帶輪和減速器的減速，但為了保證主軸的速度為60r/min，所以我又選擇了一個錐齒輪來減速。
3.4.1 錐齒輪的主要幾何尺寸設(shè)計計算
1. 錐齒輪類型、精度等級、齒輪材料和齒輪齒數(shù)選擇計算
（1）選擇標(biāo)準(zhǔn)的直齒錐齒輪的齒輪傳動，壓力角選為20。
（2）直齒錐齒輪的精度查詢參考文獻(xiàn)[10],《機(jī)械設(shè)計》表10-6，選擇7級精度，齒輪材料選擇參考《機(jī)械設(shè)計》表10-1，直齒錐齒輪的小齒輪和大齒輪的材質(zhì)都選用45鋼。
（3）選用電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n=910r/min,帶的i=2，減速器的傳動比為4，所以錐齒輪的轉(zhuǎn)速。選取齒數(shù)比u=1.89,選取直齒錐齒輪的小齒輪的,直齒錐齒輪大齒輪的z,選取整數(shù)。
2. 直齒錐齒輪的各參數(shù)計算
(1)小齒輪的分度圓直徑,公式如下
（10-29）
式中 ——接觸疲勞強(qiáng)度計算的載荷系數(shù)
——小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，N.mm
——齒寬系數(shù)
——區(qū)域系數(shù)
——材料的彈性影響系數(shù)
[]——接觸疲勞許用應(yīng)力
1) 上述公式里的各參數(shù)值的確定
1 初步選擇。
2 直齒錐齒輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩
3 直齒錐齒的齒寬系數(shù)。
4 根據(jù)，，查詢書《機(jī)械設(shè)計》圖10-20得區(qū)域系數(shù)為。
5 查詢書《機(jī)械設(shè)計》表10-5錐齒輪的材料的彈性影響系數(shù)。
6 錐齒輪齒的表面接觸疲勞允許作用應(yīng)力[σ]。
查詢書《機(jī)械設(shè)計》圖10-25d，小齒輪的最大接觸疲勞為σ,大齒輪的最大接觸疲勞為。
根據(jù)直齒錐齒輪的工作允許應(yīng)力循環(huán)次數(shù)計算公式
(10-15)
式中 N——工作允許應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
n——齒輪轉(zhuǎn)速,r/min
j——齒輪每轉(zhuǎn)一圈時，同一齒面的嚙合次數(shù)
——齒輪的工作壽命，h
設(shè)錐齒輪工作壽命時間年，每年工作天，兩班制。
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計》圖10-23，查得小齒輪齒的表面接觸疲勞壽命系數(shù)K=0.90，小齒輪齒的表面接觸疲勞壽命系數(shù)K=0.95。
已知齒輪的失效概率為1％，疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)S=1，齒輪的允許應(yīng)力公式 （10-14）
式中 S——疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)
——壽命系數(shù)
——齒輪的疲勞極限
σ=
σ=
因為 [σ]的值大于[σ]的值，所以選取小的值用作這個齒輪副的齒面接觸疲勞許用應(yīng)力，[σ]=[σ]。
2） 小齒輪的分度圓直徑
(2) 小齒輪分度圓的直徑的數(shù)值重新調(diào)換
1） 準(zhǔn)備錐齒輪本來的承載系數(shù)前的計算
①圓周速度v。
②錐齒輪當(dāng)量的齒寬系數(shù)φ
2) 本來的承受載荷壓力系數(shù)K的計算。
① 查詢參看文獻(xiàn)[10],《機(jī)械設(shè)計》表10-2得錐齒輪使用系數(shù)。
②、級精度等級（直齒錐齒輪向下降一級精度），查詢書《機(jī)械設(shè)計》圖10-8得運動載荷系數(shù)。
③ 直齒錐齒輪的精度比較低，則齒輪之間的承載壓力分配系數(shù)。
④ 查詢參考文獻(xiàn)，《機(jī)械設(shè)計》表10-4使用插值的方法得7級精度等級、查得齒向承載分布系數(shù)K。
所以，實際上的載荷系數(shù)K=KKKK
3） 由真實的承受載荷壓力系數(shù)，計算小齒輪的分度圓直徑
(10-12)
小齒輪的模數(shù)計算得
3. 根據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計
（1） 模數(shù)計算公式
（10-27）
式中 ——齒形系數(shù)
——齒根應(yīng)力修正系數(shù)
——齒寬系數(shù)
1）試確定上述公式中的各參數(shù)值
①初步選擇
②計算。
根據(jù)分錐角,分錐角,。式中的齒形系數(shù)Y根據(jù)參考文獻(xiàn)[10],《機(jī)械設(shè)計》圖10-17查取的小齒輪的齒的形狀系數(shù)Y，大齒輪的齒的形狀系數(shù)Y。查詢書《機(jī)械設(shè)計》圖10-18得小齒輪應(yīng)力修正系數(shù)Y，大齒輪應(yīng)力修正系數(shù)Y。查詢參考文獻(xiàn)[10],《機(jī)械設(shè)計》圖10-24得小齒輪的齒輪根部彎曲疲勞極限為,大齒輪。查詢參考文獻(xiàn)[10],《機(jī)械設(shè)計》圖10-22得小齒輪彎曲疲勞壽命系數(shù)K，大齒輪K。選取齒輪抵抗彎曲疲勞安全系數(shù)，由（10-14）得，
[]==
[]==
=
=
根據(jù)計算可得，大齒輪的比小齒輪的大，所以選擇
2) 嘗試初步模數(shù)的計算
(2) 重新選取齒輪的模數(shù)計算
1）準(zhǔn)備齒輪的實際上的承載系數(shù)前的計算
①圓周速度v
②齒輪的齒寬b的設(shè)計計算
2)齒輪的原來承載系數(shù)K的設(shè)計計算
1 由于上式求得的值為，而且是級精度等級，所以根據(jù)《機(jī)械設(shè)計》圖10-8查取齒輪傳動載荷系數(shù)。
2 由于本次選用的直齒錐齒輪的齒輪精度有點低，所以選取齒輪之間的承受壓力分配系數(shù)。
3 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計》表10-4中使用插值法查取，從而可以查得K=1.270。結(jié)合綜上所述，齒輪的承載系數(shù)
3） 錐齒模數(shù)按照實際承載系數(shù)的計算公式為
（10-13)
式中：——載荷系數(shù)
四舍五入選擇的標(biāo)準(zhǔn)的模數(shù)，分度圓直徑，通過計算公式可以求出小齒輪齒數(shù)。取整數(shù)值,根據(jù)z可以繼而求得大齒輪齒數(shù)z。由于錐齒輪大小齒輪齒數(shù)一般相互為質(zhì)數(shù)，所以大齒輪齒數(shù)為。
4. 齒輪各個重要的尺寸計算
（1） 齒輪分度圓的計算
d
(2) 錐齒輪的分錐角的計算
21′33"
δ=90°-13°21′33"=76°38′27"
（3） 齒輪的齒寬計算
所以小齒輪和大齒輪的齒寬
5. 直齒錐齒輪的零件圖
6. 綜上所述的所有設(shè)計計算總合
直齒錐齒輪小齒輪齒數(shù),直齒錐齒輪大齒輪齒數(shù),齒輪模數(shù)，直齒錐齒輪壓力角,直齒錐齒輪的變位系數(shù),直齒錐齒輪小齒輪的分錐角=13°21′33"，直齒錐齒輪大齒輪的分錐角=76°38′27"，直齒錐齒輪齒輪的寬度。直齒錐齒輪小齒輪和大齒輪的材質(zhì)最后選用鋼（調(diào)質(zhì)處理）。
3.5 設(shè)計主傳動軸的結(jié)構(gòu)
本次試驗機(jī)設(shè)計中，球頭的轉(zhuǎn)動是通過電機(jī)輸出軸，經(jīng)過V帶輪，再經(jīng)過減速器，然后由與錐齒輪裝配的主軸旋轉(zhuǎn)來運動的，因為是作轉(zhuǎn)動運動的，所以選用轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸是受轉(zhuǎn)矩又受彎矩的軸。考慮到試件座的轉(zhuǎn)動機(jī)械能只經(jīng)過主軸傳遞，所以這里主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是非常重要的。
3.5.1 選取軸的材料
經(jīng)過與老師的討論研究后，考慮主軸的材料選45鋼，通過查閱參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械手冊》查得它的幾個主要力學(xué)性能為抵抗拉斷極限強(qiáng)度,抵抗屈服極限強(qiáng)度為，彎曲疲勞極限為,扭轉(zhuǎn)疲勞極限為，許用靜應(yīng)力。
3.5.2 選取軸的毛柸
此次試驗機(jī)主軸毛柸選用軋制圓鋼材。
3.5.3 確定主軸的最小直徑
因為對于實心圓軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算，取β=0。由查看參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械手冊》選取材料系數(shù)A=115
（19.3）
式中：,即空心軸的內(nèi)徑與外徑之比；
A——系數(shù)，，可由表19.2查得。
=×
聯(lián)軸器裝配在軸上需要開槽，將軸徑變大4%-5%，取軸的直徑為30mm。
3.5.4 設(shè)計軸上的結(jié)構(gòu)構(gòu)成
（1）選擇軸上零件的排列方式
為了使軸能夠穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動，在這里我把軸上的零件設(shè)計成階梯狀，裝配方案是從最左邊到最右邊的裝配順序是錐齒輪、軸套、左端軸承、軸承蓋、半聯(lián)軸器，右端只裝配軸承和軸承蓋。這就是主動軸的最初結(jié)構(gòu)形式。見下圖所示。
（2）軸上各零件的位置確定和計算軸的重要尺寸
1） 選用和定位軸端聯(lián)軸器 由查閱參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計》中表18-1查得聯(lián)軸器得工作情況系數(shù)K=1.3，計算扭矩T和理論扭矩T
（18.1)
式中 ——計算扭轉(zhuǎn)，N.m;
——理論（名義）扭矩，N.m;
——工作情況系數(shù)，見表18.1;
——理論（名義）工作功率，kW;
——工作轉(zhuǎn)速，r/min
——聯(lián)軸器的公稱扭矩、許用扭矩，N.m,見機(jī)械手冊。
由T的值，可以查到國標(biāo)，所以選用HL3型彈性柱銷聯(lián)軸器，選用J型軸孔，J型軸孔的孔徑=30mm，J型軸孔和軸配合為H6/k5，聯(lián)軸器的輪轂孔的長度為，所以軸和聯(lián)軸器的互相配合的段長度為，聯(lián)軸器的周向定位采用的是平鍵聯(lián)結(jié)，根據(jù)軸徑選用的平鍵的截面尺寸為,鍵的長度為30mm（），選用的軸端擋圈直徑按照主軸的直徑選為 。
2） 確定軸承、錐齒輪的定位方式和軸段的幾個重要要尺寸 選取圓錐滾子軸承7210E型，圓錐滾子軸承的尺寸為，和圓錐滾子軸承相互配合的軸段的軸的直徑=d。相配合的軸段的長，在這里右端設(shè)計采用的是軸套作軸向的定位。
在裝配錐齒輪的那個軸段的直徑為d,相互配合的那個軸段的長度應(yīng)該比齒輪寬稍微短一點長度，所以選取L，由于考慮到方便進(jìn)行裝配，軸端部設(shè)計采用的是錐面導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。在錐齒輪的左端設(shè)計采用的是軸肩定位，軸環(huán)的直徑d。設(shè)計選取錐齒輪的端面距箱體內(nèi)壁的長度距離為，軸承距箱體內(nèi)壁的厚度為，所以經(jīng)過計算可以由此得知軸環(huán)寬度為。設(shè)計錐齒輪右端選用的是軸套來進(jìn)行定位，軸套的寬度距離也是由錐齒輪和軸承距離箱體內(nèi)壁的距離來確定的。綜上所述，可以知道軸承的右端相互配合的軸長L。在這里錐齒輪的周向定位設(shè)計采用平鍵來定位，平鍵的尺寸為（）。軸承蓋的厚度設(shè)計選取為40mm，聯(lián)軸器和軸承蓋的距離的長度為18mm，所以那個軸段長L，通過考慮是階梯軸的設(shè)計，選取直徑d。
（3） 主軸的強(qiáng)度校核
1） 軸上的作用力分為垂直面受力(b)和水平面受力（d)。
2） 軸上受力分析
錐齒輪圓周力的計算為 ==
錐齒輪徑向力的計算為 ×=
錐齒輪軸向力的計算為 tan=
3) 設(shè)計計算在主軸軸上的支反力
支反力在水平面中的計算 /2
支反力在垂直面中的計算
2+Fd
4)軸的彎矩的計算，并且彎矩圖如圖所示
計算截面C處的彎矩 M=×F=
M=
M=
豎直面和平衡面的兩個彎矩圖（c、e）如圖所示，它們合成的彎矩，彎矩圖如圖（f）所示
M==
M==
5） 畫扭矩圖（g）
（6）軸的工作壽命強(qiáng)度的校驗核實
1.確定軸的容易截斷的截面
考慮到軸的三個截面，分別為Ⅱ、Ⅲ、B截面，會有軸肩或者配合所產(chǎn)生的應(yīng)力影響，結(jié)果是會減小軸的疲勞強(qiáng)度，可是這三個截面只會受到扭矩的影響，而且軸的最小直徑是通過扭矩強(qiáng)度來決定的，所以都不是非常容易截斷的面。考慮軸的兩個截面，Ⅵ和A截面是受到比較小的彎矩的影響，所以也不是非常容易截斷的面。但是通過分析，軸上裝配有齒輪的表面承受了非常大的應(yīng)力，比如軸的1鍵槽和圓角，所以是比較容易截斷的面，都需要進(jìn)行安全校核計算。
2.檢驗核實軸的疲勞強(qiáng)度
（1）計算軸的截面C的應(yīng)力
軸的抵抗彎曲面的系數(shù)計算
軸的抵抗扭轉(zhuǎn)面的系數(shù)計算
軸的彎曲應(yīng)力幅計算
軸的彎曲平均應(yīng)力計算
軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅計算
軸的扭轉(zhuǎn)平均應(yīng)力計算
（2） 軸的材料的最終疲勞的計算
查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計》表19-1查得軸的抵抗拉斷極限、彎曲疲勞極限和扭轉(zhuǎn)疲勞極限依次分別為，，對于碳鋼的等效系數(shù)選取，
（3） 計算軸的安全系數(shù)
S=[S] （19.8）
S= （19.9）
（19.10）
式中 k和k——是表示扭矩和彎矩的影響下，主軸的集中有效應(yīng)力系數(shù)；
ε和ε——是表示扭矩和彎矩影響下，主軸的絕對尺寸系數(shù)；
Β——是表示主軸的上面的狀態(tài)系數(shù)；
和——是表示應(yīng)力幅的等效系數(shù)；
k-----生命系數(shù)，當(dāng)NN的時候，k=1。
在材料質(zhì)地均和、載重和應(yīng)力計算都比較正確時，可以選取[S]=1.3-1.5,當(dāng)材料質(zhì)地不夠均和、計算的不夠正確的時候，可以選取[S]=1.5-1.8.當(dāng)材料均和性和計算精度都很小的時候，或者尺寸很大的轉(zhuǎn)軸，可以選取[S]=1.8-2.5.如果相對而言比較重要的主要軸在受到很大的力后，適當(dāng)?shù)卦黾覽S]的=值。
由于試驗機(jī)不是人力代勞，所以會一直工作，選取，然后選取能夠應(yīng)用的安全系數(shù)[S]=1.4,公式計算如下，
,所以選取的軸是安全的。
3.6 設(shè)計擺軸的結(jié)構(gòu)
擺軸是試驗機(jī)里面連接試件座和偏心輪的結(jié)構(gòu)，它隨著偏心輪以主軸為中心轉(zhuǎn)動，將動力傳遞給試件座，然后進(jìn)行實驗。擺軸是一個重要的結(jié)構(gòu)，設(shè)計在擺軸上裝配了偏心輪，和圓錐滾子軸承。由于擺軸承受著來自試件座的壓力和偏心輪的扭矩，所以需要進(jìn)行校核擺軸的抗彎曲能力和扭矩是否符合要求。擺軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須在滿足軸的剛度和震動的平穩(wěn)性上來考慮選擇。然后再根據(jù)擺軸上需要安裝偏心輪和圓錐滾子軸承，擺軸所需要承受的載荷，來選擇計算擺軸的尺寸和結(jié)構(gòu)形狀?？紤]到擺軸在轉(zhuǎn)動，而且裝配了其他零件，所以將擺軸設(shè)計成階梯軸。
3.6.1擺軸的材料的選擇
軸的材料主要是碳鋼和合金鋼，合金鋼成本非常的高，所以選用最常用的碳鋼，主要是碳鋼對于應(yīng)力承受較強(qiáng)。所以試驗機(jī)中的擺軸的材料選用45鋼,根據(jù)參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計》表15-1可以查取45鋼的主要的力學(xué)性能。
3.6.2擺軸的最小直徑的選擇計算
因為擺軸材料是45鋼，熱處理是調(diào)質(zhì)，所以查詢參考文獻(xiàn)[15],《機(jī)械設(shè)計》表15-3，選取A=116，擺軸的最小直徑計算如下，
由于擺軸上會裝配圓錐滾子軸承和偏心輪，所以需要增強(qiáng)擺軸的強(qiáng)度，在這里取擺軸的直徑為30mm。
3.6.3擺軸上裝配的設(shè)計
根據(jù)試驗機(jī)的工作要求，決定在擺軸上設(shè)計裝配圓錐滾子軸承和偏心輪，擺軸安裝在偏心輪的中間，將圓錐滾子軸承在擺軸的兩側(cè)。滾子軸承能夠承受較大的壓力，轉(zhuǎn)速比較低，符合試驗機(jī)的工作要求。
1） 擺軸上圓錐滾子軸承的定位和軸的主要尺寸
考慮到擺軸受到的載荷，查詢書《機(jī)械手冊》選取7210E圓錐滾子軸承，圓錐滾子軸承的小徑d=50mm，圓錐滾子軸承的大徑D=90mm，圓錐滾子的厚度B=20mm，擺軸上和圓錐滾子軸承配合的軸段的直徑為d=35mm，它的左端的軸肩來軸向定位，查詢書《機(jī)械手冊》得這里軸肩的直徑要大于45mm，所以初步選定軸環(huán)的直徑為48mm。軸環(huán)左端的軸段長L=20mm。圓錐滾子軸承的右端采用圓螺母來固定防止滑動。
2） 擺軸上的工藝性設(shè)計
選擇左右兩軸端的倒角為45°，在圓錐滾子軸承配合的軸端右側(cè)設(shè)計一個砂輪越程槽。
3.6.4 進(jìn)行擺軸的強(qiáng)度校核，運用彎扭合成校核
（1）畫出擺軸的受力簡圖如圖所示，然后將擺軸所受的力分為豎直面和平衡面的受力圖。
圖2 擺軸的彎矩和扭矩圖
（2）擺軸的承受載荷的計算
在計算之前，需要計算出軸承作用在擺軸上的平衡面上的支撐相反力和豎直面上的支撐相反力。根據(jù)圓錐滾子軸承施加給擺軸的力和擺軸上的壓力的分布和擺軸所承受的扭轉(zhuǎn)力，把這兩個力合成一個力作用于軸上軸承的寬度中點。軸上承受的支反力的位置是根據(jù)圓錐滾子軸承和分布狀況來設(shè)計的。
①擺軸上的支反力計算
③擺軸的強(qiáng)度的校核計算
根據(jù)所示的彎矩圖中分析出軸承軸段的截面B所承受的彎曲力是非常大的，所以需要進(jìn)行軸承軸段的截面B的彎曲力的校核計算。
軸承軸段的截面B的抵抗彎彎模量的計算：
3.6.5擺軸上圓錐滾子軸承的校核計算
考慮圓錐滾子軸承的基本工作情況，選擇3007107型號的軸承。查詢書《機(jī)械設(shè)計手冊》可以查得 ，， 。
畫軸承受力簡圖計算
①軸承的派生軸向力
查表的7107型軸承的派生力為：S=R/（2Y）
②圓錐滾子軸承承受的軸向壓力的計算
所以軸承2被壓緊，軸承1被放松
③圓錐滾子軸承的動負(fù)荷當(dāng)量計算
軸承
4
④圓錐滾子軸承的工作壽命計算
根據(jù) 所以根據(jù)軸承2計算軸承的工作時間
計算的結(jié)果是達(dá)到實際強(qiáng)度校核的標(biāo)準(zhǔn)的。
3.7 試驗機(jī)的密封設(shè)計
一般來說，密封對于在機(jī)械領(lǐng)域、石油管道輸送、天然氣管道輸送等等，都會遇到一些密封防止泄露的問題，所以如果遇到一些液體、氣體的運輸，密封性是考慮問題的重點。因為如果沒有密封好的話或者沒有好好的考慮密封這個問題，將會導(dǎo)致很嚴(yán)重的后果，比如一些經(jīng)濟(jì)上的損失或者尤其像石油類的泄露，這引發(fā)的后果不堪設(shè)想。所以，在設(shè)計一個機(jī)械設(shè)計，液壓設(shè)計或者其他設(shè)計的時候，系統(tǒng)的密封是首先要考慮到的問題。
密封簡單點來說就是結(jié)構(gòu)要很緊密的在一起，而且結(jié)構(gòu)要設(shè)計的簡簡單單，不要太復(fù)雜，在制造的過程也要很簡單，并且如果壞了，修理的時候也要容易，安裝在機(jī)器上，使用的時間也要相對來說要久一點。
密封的結(jié)構(gòu)有很多種，每一個結(jié)構(gòu)的密封它運用的場合，運用的原理也不同，所以在進(jìn)行設(shè)計的時候要充分考慮到整個設(shè)計結(jié)構(gòu)的原理，需要在哪里密封，需要密封的地方是什么，然后經(jīng)過考慮后再進(jìn)行密封圈的選擇。比如要考慮到氣體的壓力，液體的流動速度和液體本身的溫度等等。
綜上所述，結(jié)合本實驗機(jī)的設(shè)計，我決定選用O型密封圈，因為O型密封圈的往復(fù)運動簡便，而且O型密封圈還可以轉(zhuǎn)動，它的抵抗壓力的性能非常好，抵抗高速轉(zhuǎn)動的性能一般，抵抗熱量的性能也一般。O型密封圈一般運用在活塞密封，在本次液壓缸的設(shè)計中，在活塞的兩側(cè)安裝了O型密封圈。
結(jié)論
這次我的畢設(shè)指導(dǎo)老師給我的題目是人工髖關(guān)節(jié)仿生試驗機(jī)的設(shè)計，主要是為了測試仿制的關(guān)節(jié)頭與仿制的骨臼在進(jìn)行模擬試驗仿制的關(guān)節(jié)頭與仿制的骨臼人體的髖關(guān)節(jié)在正常走路的情況下，這個試件由于上方的液壓缸不同的載荷和下方的電機(jī)的機(jī)械能帶動帶輪、減速器、錐齒輪，錐齒輪帶動主軸轉(zhuǎn)動，在主軸的最上端裝配了偏心輪，偏心輪根據(jù)主軸旋轉(zhuǎn)帶動擺軸轉(zhuǎn)動。擺軸與試件座裝配在一起，所以，關(guān)節(jié)頭和骨臼就根據(jù)試件座的旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行相互摩擦磨損，在試驗的過程中，整個機(jī)構(gòu)的運動形式和關(guān)節(jié)頭與骨臼的磨損都和人的走路的環(huán)境基本一致，進(jìn)而在一段時間或者幾年、十年、二十年來觀察仿制的關(guān)節(jié)頭的材料和骨臼的材料的抵抗磨損的性能和承受的時間的長久。
致謝
不知不覺，大四下學(xué)期已經(jīng)過去，經(jīng)過一學(xué)期的學(xué)習(xí)與努力，人生中第一次也是最后一次畢業(yè)設(shè)計終于做完了。這次畢業(yè)設(shè)計的完成過程是開心與痛苦并存的，開心的是，在這一學(xué)期中，我學(xué)到了大學(xué)四年都沒有了解的機(jī)械設(shè)計知識，而且我的自身思考想象力和解決難題的能力大大地提高了，而且我還和我的指導(dǎo)老師黃傳輝老師建立了深厚的師生情誼。痛苦的是一學(xué)期的枯燥學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計知識和寫論文畫圖，過程是枯燥難熬的，但最后的結(jié)果使我也感到了一絲欣慰。在制作畢業(yè)設(shè)計的過程中，黃傳輝老師不辭辛苦的指導(dǎo)我不斷地進(jìn)步，使我感動萬分。在這里，我萬分感謝我的指導(dǎo)老師和幫助過我的同學(xué)，真的是謝謝你們了！
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