人工髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機機體部分設(shè)計說明書

1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文）人工髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機機體部分設(shè)計 學(xué) 院 機 械 工 程 學(xué) 院 專 業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化年級班別 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2013 年 06 月 05 日目目 錄錄摘要摘要1abstractabstract21 1 緒論緒論 31.11.1 研究背景研究背景31.21.2 人工髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機的研究現(xiàn)狀人工髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機的研究現(xiàn)狀41.31.3 本課題的目的及意義本課題的目的及意義62 2 設(shè)計方案設(shè)計方案72.12.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運動分析髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運動分析72.22.2 方案的提出方案的提出92.32.3 設(shè)計方案設(shè)計方案102.42.4 機械

2、傳動部分的運動特性分析機械傳動部分的運動特性分析113 3 設(shè)計計算過程設(shè)計計算過程153.13.1 初選電機功率初選電機功率153.23.2 主傳動軸的設(shè)計主傳動軸的設(shè)計153.33.3 初選擺軸的大小初選擺軸的大小173.43.4 液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計183.53.5 裝配圖及主要零件圖設(shè)計裝配圖及主要零件圖設(shè)計184 4 零件校核零件校核234.14.1 求軸上載荷求軸上載荷234.24.2 校核軸的強度校核軸的強度234.34.3 主動軸上軸承的校核主動軸上軸承的校核254.44.4 擺軸的校核擺軸的校核264.54.5 擺軸上軸承的校核擺軸上軸承的校核28結(jié)論結(jié)論

3、30致致 謝謝 31參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)32人工髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機機體部分設(shè)計摘要本課題是對人體髖關(guān)節(jié)模擬試驗機機械傳動部分的研制。其工作原理是將股骨頭和髖臼部件試樣按照其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)的實際運動工況，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機理、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)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)人體運動時，股骨頭的承重可達(dá)體重的 10 或 10 余倍，確定試驗機需要的最大試驗載荷。如果主軸轉(zhuǎn)速為 60rpm，作用在股

4、骨頭頭部的載荷為 1t，則可以算出最大阻力。選擇直徑為 50mm 的股骨頭，求出最大扭矩，由此可確定電機的功率從而計算出最小軸徑。根據(jù)最小軸徑初選各個零件的尺寸。通過校核確認(rèn)其安全以確保試驗機正常運轉(zhuǎn)。電機運轉(zhuǎn)時通過聯(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自定心軸上，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。這樣實現(xiàn)模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運動，使其產(chǎn)生的摩擦機理、磨損

5、形式與實際使用條件下相一致，以達(dá)到設(shè)計該試驗機的目的。關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)試驗機 ;模擬試驗 ;人體髖關(guān)節(jié) ;摩擦機理abstractthis topic is on human hip joint simulation testing machine mechanical transmission part of the development. its working principle is to sample femoral head and acetabulum component installed in accordance with its normal position on the

6、 test bench, the test device through a relative movement between the two. the test machine main factors to consider when designing it in a lab environment is able to correctly simulate the actual movement of the hip human condition so that the specimen during the test the friction mechanism of wear

7、in the form and the actual conditions of use phasor consistent, which can accurately and reliably test artificial joint materials tribological properties of biological parameters to provide guidance for the clinical application of test data. according to human movement, the femoral head bearing up t

8、o the weight of 10 or more than 10 times the tester needs to determine the maximum test load. if the spindle speed of 60rpm, the loads acting on the femoral head is 1t, you can calculate the maximum resistance. select the femoral head diameter of 50mm, the maximum torque is obtained, whereby the ele

9、ctrical power can be determined in order to calculate the minimum shaft. primary shaft according to the minimum size of each part. confirmed by their safety check to ensure the normal operation of testing machine. when the motor is running through the coupling driven spindle, thus boosting the fixed

10、 eccentric shaft of the spindle rotation specimen holder mounted on the pendulum and pendulum shaft axis along the central axis of rotation rao. ball joints so that the bracket base of the specimen head and acetabulum ball joints friction between the test piece, so as to achieve the purpose of testi

11、ng. in which the specimen by the acetabular cement fixation of acetabular seat, shock load provided by a hydraulic cylinder acting on the self-centering shaft bracket through the final act on the acetabular articular ball head, coupled with the specimen ball joint seat around the centerline of rotat

12、ion. such simulate the human body to achieve the actual movement of the hip joint, to produce the friction mechanism, wear phasor form consistent with the actual conditions of use in order to achieve the purpose of the design of the test machine.keywords: joint test machine; simulation test; human h

13、ip joint; friction mechanism1 緒論1.1 研究背景隨著人類社會步入高齡化階段，各種與高齡有關(guān)的關(guān)節(jié)疾病，如大腿骨骨折、關(guān)節(jié)炎等病癥，將會大量發(fā)生，因此對人工關(guān)節(jié)的需求也會日益增加。目前，全球已有約 3000 萬人植入了人工關(guān)節(jié)，每年的置換量約為 200 萬例，僅在美國，每年大約有 50 萬人進(jìn)行關(guān)節(jié)置換手術(shù)。針對全球的這一情況，聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織將 21 世紀(jì)第一個十年定為“骨和關(guān)節(jié)十年” 。關(guān)節(jié)疾病同樣是中國人群中的高發(fā)病率病種。據(jù)統(tǒng)計，在 2010 年，我國進(jìn)行人工關(guān)節(jié)置換的患者約有 220 萬例。1目前要求人工髖關(guān)節(jié)在人體內(nèi)工作 30 年或更長時間，2于是新

14、的問題出現(xiàn)了。如同 mallory 所言：“所有的人工髖關(guān)節(jié)最終都會失敗，這是一個患者壽命與假體壽命的賽跑。 ”3因此，研制生物力學(xué)相容性的人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)，提高置換關(guān)節(jié)的機械性能，延長使用壽命，具有現(xiàn)實而深遠(yuǎn)的意義。目前關(guān)節(jié)的修復(fù)方法主要有兩種，一是通過人體自身的生物機能進(jìn)行骨骼的再生或植入帶有生物化的小塊異種骨誘導(dǎo)骨生長。這類方法效果好，但時間長，見效慢，且只適合于小塊缺損骨的修復(fù)。另一種方法是用人造生物材料（金屬、高分子材料、陶瓷等）進(jìn)行植入置換，替代病變部位關(guān)節(jié)，該方法已得到廣泛應(yīng)用，并且非常成熟，已成為一項常規(guī)外科手術(shù)。1963 年英國曼徹斯特人 john charnley 首先報道

15、全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)治療類風(fēng)濕性髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎。他利用不銹鋼制作 22.25mm 直徑的股骨頭，以聚四氟乙烯（ptfe）制作髖臼，用聚甲基丙烯酸（骨水泥）固定，形成 charnley 型低摩擦全髖關(guān)節(jié)假體，奠定了現(xiàn)代人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的基礎(chǔ)。4自此以后，人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)發(fā)展迅速，日益成為治療關(guān)節(jié)傷痛、重建關(guān)節(jié)功能的重要手段。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界每年因各種疾病需要更換關(guān)節(jié)的人數(shù)高達(dá) 4000 萬6000 萬人，5僅全髖關(guān)節(jié)置換就達(dá) 80 萬例。自從第一例低磨損人工髖關(guān)節(jié)運用于臨床實際以來，人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)迅速發(fā)展。醫(yī)學(xué)實踐表明，關(guān)節(jié)材料性能及其生物摩擦學(xué)特性對于關(guān)節(jié)使用質(zhì)量及臨床壽命起著決定性的作用。

16、因此，人們在這方面開展了大量的研究工作。這為提高人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)的成功率、延長置換關(guān)節(jié)的使用年限提供了強有力的理論支持和技術(shù)保障。從臨床醫(yī)學(xué)來看，人工關(guān)節(jié)作為一種植入器官，其制作材料一般應(yīng)滿足以下幾點要求：、生物相容性好。要求人工關(guān)節(jié)材料和人體組織接觸后，在材料組織界面發(fā)生一系列相互作用后最終被人體組織所接受，且材料對人體的正常生理功能無不良影響，無毒，無排異反應(yīng)；、生物力學(xué)相容性好。植入材料和所處部位的生物組織彈性形變特性要相匹配，在負(fù)載情況下，人工關(guān)節(jié)假體與其接觸的組織所發(fā)生的形變要彼此協(xié)調(diào)；、生物結(jié)合性能好。要求人工關(guān)節(jié)材料與周圍骨組織結(jié)合良好，使用過程中不發(fā)生相對移動和下沉；、材料要具

17、有一定的可降解性，可以逐漸被人體再生骨組織所替代；、優(yōu)良的生物摩擦學(xué)性能。要求材料的摩擦系數(shù)低，耐磨損能力強，磨損顆粒生成率低，以保證置換關(guān)節(jié)有較長的臨床壽命；、良好的耐腐蝕、耐疲勞性能。要求植入假體在體內(nèi)所發(fā)生的組織反應(yīng)不引起材料的劣化，反復(fù)承受交變應(yīng)力不會引起材料的破損。迄今為止，植入人工關(guān)節(jié)的替代材料，主要是高分子材料（如 uhmwpe） 、陶瓷、金屬材料（如不銹鋼，鈷鉻合金，鈦及其合金等） 。研究表明，鈦合金、uhmwpe(超高分子聚乙烯)、骨水泥等置換材料經(jīng)生物摩擦磨損的產(chǎn)物磨屑，直接引起置換關(guān)節(jié)晚期松動，是導(dǎo)致關(guān)節(jié)置換失敗的重要原因之一。磨屑對關(guān)節(jié)置換的影響，促使人們尋求生物摩擦磨

18、損性能更優(yōu)異的人工關(guān)節(jié)置換材料，或?qū)Σ牧媳砻孢M(jìn)行表面改性，以達(dá)到提高材料耐磨性的目的。研究人員在這方面開展了大量的研究工作。這為提高人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)的成功率、延長置換關(guān)節(jié)的使用年限提供了強有力的理論支持和技術(shù)保障，因此關(guān)節(jié)材料的耐磨性評價方法及設(shè)備至關(guān)重要。本課題屬于自擬課題，是通過平面銷/盤式變向摩擦試驗機和自行研制的空間交叉復(fù)合運動的球臼型人工髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機對人工關(guān)節(jié)材料進(jìn)行摩擦磨損試驗，通過實驗數(shù)據(jù)分析人工關(guān)節(jié)材料的摩擦磨損性能，這對于提高人工關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量，延長其臨床壽命和減輕患者痛苦具有重要的現(xiàn)實意義。1.2 人工髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機的研究現(xiàn)狀在 20 世紀(jì) 60 年代，美國潤

19、滑工程師學(xué)會列出了超過 200 多種類型在用的磨損試驗機或設(shè)備。最近，多軸磨損試驗機的應(yīng)用，提供了更好模擬人體內(nèi)的活動類型，這對于研究生物材料磨損具有特殊的意義。一般而言，實驗室用的磨損試驗機主要分為兩類：（1）磨損測試試驗機如圖 1-1 所示，是人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)常規(guī)試驗設(shè)備，以滑動接觸方式進(jìn)行摩擦磨損試驗，通過圓盤與加工成銷狀的試驗樣品之間所形成的相對運動來研究材料的摩擦性能和滑液的潤滑性能。它們專門提供所研究材料的固有特性的信息，其測試過程很快。但是該試驗機不能準(zhǔn)確的反映測試生物材料的幾何特性，而其幾何特性影響接觸面的潤滑和接觸應(yīng)力。因此它只能近似的再現(xiàn)假體材料在人體內(nèi)相同磨損機制，但是使用

20、的是較簡化的模型而不是仿人體關(guān)節(jié)假體。因此，由于在試驗中忽略了材料形態(tài)方面的區(qū)別，該試驗機對移植關(guān)節(jié)的磨損率測試不夠準(zhǔn)確。7圖 1-1 一些常見的沒順測試試驗機（2）關(guān)節(jié)磨損試驗機該試驗機主要是依靠基座與斜面底座之間的相對運動來模擬髖關(guān)節(jié)在三個不同平面的擺動動作，是對真實假肢在模擬生理環(huán)境中的特性進(jìn)行測試。如圖 1-2 所示，即所謂的髖關(guān)節(jié)模擬試驗機，髖關(guān)節(jié)模擬試驗機可以預(yù)測磨損經(jīng)過，通過測試人體磨損模式，研究假體材料的臨床性能。8該試驗機基本上能夠模擬實際環(huán)境下人體髖關(guān)節(jié)的運動情況，能夠準(zhǔn)確地測試人工髖關(guān)節(jié)的摩擦磨損性能，對人工髖關(guān)節(jié)的選材和人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)有著重要的意義。赫爾辛基技術(shù)大學(xué)研

21、制的關(guān)節(jié)磨損試驗機 hut-brm hip-joint simulator 試驗機如圖 1-2a)所示。9在 hut-brm 實驗機中，由于條件的限制，設(shè)計者省略了在橫截面上的運動，而合成運動對于磨損量、磨粒形狀的形成、模擬步態(tài)的形態(tài)和摩擦因子的大小是十分關(guān)鍵的因素。10中國礦業(yè)大學(xué)摩擦學(xué)與可靠性工程研究所設(shè)計并制造的人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機如圖 1-2 b)所示，該試驗機按結(jié)構(gòu)和運動原理也屬于擺軸型試驗機。 a）hut-brm 髖關(guān)節(jié)試驗機 b）人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗及圖 1-2 關(guān)節(jié)磨損試驗機1.3 本課題的目的及意義本試驗機屬于關(guān)節(jié)磨損試驗機，是對人工髖關(guān)節(jié)在模擬人體真實運動環(huán)境中的特性進(jìn)行測試

22、。設(shè)計該機械設(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)的實際運動工況，使安裝在臼杯座中的髖臼試件與關(guān)節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復(fù)合運動，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機理、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)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗數(shù)據(jù)。2 設(shè)計方案2.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運動分析2.1.1 人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)髖關(guān)節(jié)位于人體中部，是人體中最重要的關(guān)節(jié)之一。圖 2-1 給出人體髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖。圖 2-1 人體髖關(guān)節(jié)股骨上部大轉(zhuǎn)子與髖骨相支承，承受了人體的大部分重量及人體活動時的大部分載荷。當(dāng)股骨上部發(fā)生創(chuàng)傷時，在臨床骨科醫(yī)學(xué)上

23、，常常采用植入人工髖關(guān)節(jié)來代替原先破損的髖關(guān)節(jié)，以達(dá)到支撐點的目的。圖 2-2 示出了人工髖關(guān)節(jié)的實物照片。與天然髖關(guān)節(jié)相對應(yīng)，人工關(guān)節(jié)也分為股骨球頭和關(guān)節(jié)臼窩。為完成人體必需的運動及加工工藝的需要，人工關(guān)節(jié)聯(lián)接部分做成凸球凹球形式。臨床上常用球頭半徑為 22.25mm、25mm、26mm、28mm、32mm、38mm、42mm 等。圖 2-2 人工髖關(guān)節(jié)照片人工關(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

24、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。2.1.2 髖關(guān)節(jié)運動特性分析由于人體下肢運動的多樣性（走、跑、跳等） ，使得髖關(guān)節(jié)的運動呈現(xiàn)出很強的復(fù)雜性。股骨頭根據(jù)運動需要，可在髖臼中圍繞其球心向任何方向轉(zhuǎn)動。因此，僅就人體運動的不確定性而言，髖關(guān)節(jié)的運動軌跡是不可能用常規(guī)數(shù)學(xué)方法表達(dá)的。考慮到關(guān)節(jié)置換病人的特殊性，此處僅討論人體正常行走時股骨頭在髖臼中的運動軌跡。r.c.johnston、j.l.smidt 等的研究結(jié)果表明，人體正常行走時，髖關(guān)節(jié)在一個步態(tài)中的主要運動角度變化如圖 2-2 所示。fe 角（fl

25、exion-extension）的變化幅度為 046，aa 角（abduction-adduction）和 ier 角（internal-external rotation）的變化幅度同為 012。fe 角和 aa 角的相位相差 /2。在足跟離地前 0.1t 時，關(guān)節(jié)彎曲度達(dá)到最大；腳尖離地前 0.1t 時關(guān)節(jié)拉伸度達(dá)到最（t 為步態(tài)周期，單位：秒） 。v.saikko、o.cabonius 等根據(jù)圖 2-3 所示運動曲線，利用計算機模擬技術(shù)對髖關(guān)節(jié)摩擦面上隨機選取點的運動軌跡進(jìn)行了相應(yīng)計算，其結(jié)果如圖 2-4 所示。可以看出，這些點的運動軌跡很不規(guī)則，大致上呈橢圓形，且軌跡形狀隨選取點在球體

26、上位置的不同而有所變化。這一結(jié)果表明，天然髖關(guān)節(jié)間的相對運動為交叉狀、多方向性復(fù)合轉(zhuǎn)動摩擦。圖 2-3 人體步態(tài)運動波形圖 圖 2-4 選取點的運動軌跡圖2.2 方案的提出關(guān)節(jié)頭試件由夾具夾持固定于試驗機主軸上。試驗時載荷的施加由加載油缸完成。向加載油缸的上腔輸入壓力油，活塞桿將向下移動，并通過花鍵軸帶動關(guān)節(jié)頭試件壓向臼杯試件。利用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓油的壓強，可滿足試驗時不同載荷要求。臼杯座中可安裝不同規(guī)格（20mm50mm）的髖臼試件，并通過組合軸承部件固定在支撐斜板上。裝配有臼杯座的軸即可以圍繞其軸線自由轉(zhuǎn)動。 支撐斜板在電機驅(qū)動下作勻速旋轉(zhuǎn)運動，防轉(zhuǎn)桿受到試驗機立柱的阻擋產(chǎn)生反方向阻力，通

27、過軸承固定于支撐斜板上的臼杯座在合力作用下一邊繞試驗機主軸旋轉(zhuǎn)，一邊往復(fù)擺動。安裝在臼杯座中的髖臼試件與關(guān)節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復(fù)合運動。 圖 2-5 試驗機草圖2.3 設(shè)計方案人體關(guān)節(jié)模擬試驗機是一臺集機、電、液技術(shù)于一體的專用臺架試驗設(shè)各。該試驗機設(shè)計時考慮的主要因素是使其在試驗室環(huán)境中能夠正確模擬人體髓關(guān)節(jié)的實際運動情況，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機理、磨損形式與實際使用條件相一致，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)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗數(shù)據(jù)。該試驗設(shè)備主要有機械傳動部分和液壓加載系統(tǒng)組成。關(guān)節(jié)頭試件由夾具夾持固定于試驗機主軸上。試驗時載荷的施加由加載

28、油缸完成。向加載油缸的上腔輸入壓力油，活塞桿將向下移動，并通過軸帶動關(guān)節(jié)頭試件壓向臼杯試件。利用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓油的壓強，可滿足試驗時不同載荷要求。臼杯座中可安裝不同規(guī)格（20mm50mm）的髖臼試件，并通過組合軸承部件固定在支撐斜板上。支撐斜板在電機驅(qū)動下作勻速旋轉(zhuǎn)運動，防轉(zhuǎn)桿受到試驗機立柱的阻擋產(chǎn)生反方向阻力，通過軸承固定于支撐斜板上的臼杯座在合力作用下一邊繞試驗機主軸旋轉(zhuǎn)，一邊往復(fù)擺動。安裝在臼杯座中的髖臼試件與關(guān)節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復(fù)合運動。2.4 機械傳動部分的運動特性分析多向復(fù)合方式：采用該方式試驗時，偏心輪以恒角速度 旋轉(zhuǎn)，臼杯座支承軸在其帶動下圍繞主軸軸線作圓錐狀回轉(zhuǎn)，

29、固定在支承軸上的防轉(zhuǎn)桿受機座限制產(chǎn)生反向阻力，在該力作用下支承軸除繞主軸軸線回轉(zhuǎn)外還要自轉(zhuǎn)，此時試驗機的運動簡圖可以表示成圖 2-6 所示形式（為分析方便，防轉(zhuǎn)桿與機座的點接觸形成的級運動副用兩個運動副及一個運動副代替）：圖 2-6 試驗機運動原理圖由機械原理知，若某空間運動鏈由 n 個構(gòu)件組成，當(dāng)固定其中之一為機架后，所剩活動構(gòu)件數(shù)為 n=n1，如果在組成運動鏈時共加入 p1 個 i 級副、p2 個級副、p3 個級副、p4 個級副及 p5 個級副，則空間運動鏈相對于機架的自由度為： 1234523456pppppnff0 時運動鏈不可能產(chǎn)生相對運動。對 f0 的運動鏈，當(dāng)原動件數(shù)小于機構(gòu)自由

30、度時，構(gòu)件間的相對運動是無規(guī)則的；原動件數(shù)大于 f 時，機構(gòu)不能運動；只有當(dāng)原動件數(shù)等于 f 時，構(gòu)件之間才能獲得確定的相對運動。分析可知，該空間運動鏈的構(gòu)件數(shù) n5，共包括 3 個 v 級副和 2 個 iv 級副，因此其自由度為：f6（51）53421關(guān)節(jié)模擬試驗機運轉(zhuǎn)時，只有一個原動件，即偏心輪的旋轉(zhuǎn)運動，因此可知，該空間機構(gòu)能夠獲得確定的相對運動。盡管從理論上講，有確定相對運動的運動軌跡可以用數(shù)學(xué)方程來唯一表達(dá)，然而，由于髖關(guān)節(jié)運動時所固有的復(fù)雜性，人們在研究摩擦表面的運動特性時，往往采用模擬軌跡法或刻痕軌跡法，以達(dá)到簡單、形象地描繪出運動軌跡的目的。本試驗機從結(jié)構(gòu)原理上看，應(yīng)屬于雙軸型

31、全髖關(guān)節(jié)模擬試驗機。該類型試驗機運行時主要依靠下試件相對于上試件作往復(fù)式圓弧狀擺動以實現(xiàn)摩擦面間的交叉狀復(fù)合運動。在運行過程中，下試件摩擦表面上的任一點均相對于水平、垂直二軸作周期性轉(zhuǎn)動。若以與其中一軸的夾角為 fe，與另一軸的夾角為 aa，則摩擦面上任一點的運動波形可以表達(dá)成圖 2-7 所示形式：圖 2-7 試驗機的運動波形分析以此運動波形為基礎(chǔ)，在摩擦面上隨機地挑選幾個點計算其運動軌跡，模擬結(jié)果如圖 2-8 所示。可以看出，隨著所分析點在摩擦面上所處位置的不同，其運動軌跡相差很大。在球的端部出現(xiàn)一個標(biāo)準(zhǔn)圓周軌跡，該軌跡所對應(yīng)的點恰為臼杯座支承軸軸線與關(guān)節(jié)副對摩表面的交點。因該點位于臼杯試件

32、自轉(zhuǎn)軸線上，在試驗過程中不會因臼杯試件的自轉(zhuǎn)產(chǎn)生水平方向的相對位移，因此其運動軌跡為一個標(biāo)準(zhǔn)圓。從該點依次向外，點的軌跡逐漸變成非對稱橢圓形，且隨著與球頂點距離的增大，運動軌跡越來越不規(guī)則，當(dāng)點到達(dá)試件邊緣時，其運動軌跡變?yōu)椤?”字型。v.saikko 等為驗證該模擬結(jié)果的正確性，在髖臼試件的不同位置嵌入 17 個硬質(zhì)針頭，并將此試件與關(guān)節(jié)頭試件一同裝入雙軸型試驗機，加載后運行一個周期。在顯微鏡下觀察關(guān)節(jié)頭試件的表面劃痕并用墨水描出軌跡。如圖 2-10 所示。比較圖 2-8、圖 2-9 可發(fā)現(xiàn)，兩種模擬結(jié)果的對應(yīng)性非常好。圖 2-8 brm 關(guān)節(jié)試驗機運動軌跡模擬圖在自行研制的髖關(guān)節(jié)模擬試驗機

33、上，采用與 v.saikko 類似的方法得關(guān)節(jié)摩擦面間的運動軌跡如圖 2-11 所示。與圖 2-10、圖 2-11 比較后可看出，它們的運動相同。 圖 2-9 關(guān)節(jié)試驗機運動實測圖研究資料表明，為了準(zhǔn)確、逼真地再現(xiàn)人體髖關(guān)節(jié)的運動特性，模擬試驗機在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)滿足以下兩點要求：1、偶副對摩面在實驗過程中應(yīng)呈交叉狀、多方向性相對運動；2、對摩面上任一點的運動軌跡在運動過程中應(yīng)持續(xù)改變。通過以上模擬結(jié)果可知，本試驗機可以較好地實現(xiàn)這兩種功能。因此，從理論上分析，盡管本試驗機所提供的運動形式與天然髖關(guān)節(jié)相比不盡相同，但它能夠較好地模擬關(guān)節(jié)運動的特殊性和復(fù)雜性，并使得在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的摩擦形式、磨損機理

34、與天然關(guān)節(jié)一致。3 設(shè)計計算過程3.1 初選電機功率選擇關(guān)節(jié)球頭的直徑為 50mm，已知最大試驗載荷為 1t，主軸轉(zhuǎn)速為 60rpm.。取摩擦系數(shù)1 . 0最大正壓力 f=1000kg 9.8=9800n因此摩擦力nff98098001 . 0得出最大扭矩 t=fd=980 0.025=24.5n由公式 n=60 轉(zhuǎn)/minnpt6109550得出 p0.15kw查機械手冊知，初擬使用 y 系列 4 極電動機選用 y8014，p=0.55kw, n=1390 轉(zhuǎn) m=17kg3.2 主傳動軸的設(shè)計3.2.1 選擇軸的材料選擇軸的材料為 45 鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,其機械性能由表查得=60mpa,=6

35、40mpa,=275mpa,=155mpab1b113.2.2 初步確定軸的最小直徑按扭轉(zhuǎn)強度初步計算軸的最小直徑.取材料系數(shù)=1120ad =112 23.4mm.0a輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑，此外，此軸上要求安裝一個平鍵，開有鍵槽應(yīng)放大 3%左右，即 23.4 1.03=24.1mm。經(jīng)圓整后取此軸的最小軸徑為 25mm。3.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計因軸中間安裝軸承，外伸端安裝聯(lián)軸器，故軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計為直徑中間大兩頭小的的階梯軸，外伸端軸徑最小，向內(nèi)逐漸增大。左軸承用軸肩和軸承座固定，右軸承用軸承座和緊固螺母固定，兩軸承的周向固定采用過盈配合，聯(lián)軸器安裝在軸的右端采用平鍵作周向

36、固定。如下圖所示：36055. 03np圖 3-1 主傳動軸的結(jié)構(gòu)根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度，確定軸段 e 的直徑和長度。輸出軸的最小直徑顯然是安裝在聯(lián)軸器處的直徑=25mm，根據(jù)半聯(lián)軸器長度初步確定ed=40mm。el3.2.2.1 初步選擇滾動軸承確定 c 段直徑和長度。因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用單列圓錐滾子軸承。參照工作要求并根據(jù)=25mm，查表 gb/t 297-94，選擇單列圓錐滾子軸ed承 30207，故=35mm，t=18.25mm,d=72mm,=48mm。cdcl3.2.2.2 確定軸段 b 處直徑和長度因左端軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊上查

37、得 30207 的定位軸肩高度，因此=43mm，初步確定 b 端長度為 30mm。bd3.2.2.3 確定軸段 d 處直徑和長度因右端軸承采用圓螺母鎖緊，根據(jù)軸承的尺寸要求查表 gb812-88 初步確定圓螺母為 m30 1.5，d=48mm,m=10mm =30mm，左端開長度為 5mm 的退刀槽。dl3.2.2.4 確定軸段 a 處直徑和長度a 段和偏心輪配合，需靠軸肩進(jìn)行軸向定位，因此初選=35mm，=30mm。至此adal已初步確定軸的各段直徑和長度。3.2.3 軸上零件的周向定位半聯(lián)軸器的周向定位采用平鍵聯(lián)接，由手冊查得平鍵截面=8 7，長為hb28mm，軸槽深 t=4mm,轂槽深為

38、 3.3mm.同時為保證軸上各零件的良好的對中性，半聯(lián)軸器于軸的配合為 h8/f7，偏心輪與軸的配合為 h8/js7，滾動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為 m6。3.2.4 確定軸上倒角取軸端倒角為 1。453.3 初選擺軸的大小3.3.1 選擇軸的材料選擇軸的材料為 45 鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,其機械性能由表查=60mpa,=640mpa,b1b=275mpa,=155mpa113.3.2 初步確定軸的最小直徑按彎曲應(yīng)力初步計算軸的最小直徑.查手冊知其55 ,6001 b所以最大彎距nmmfm781462023sinmax由公式：最小直徑因軸中間安裝軸承，故軸的結(jié)構(gòu)

39、設(shè)計為直徑中間大兩頭小的的階梯軸，外伸端軸徑最小，向內(nèi)逐漸增大。左軸承用軸肩和軸承座固定，右軸承用軸承座和緊固螺母固定，兩軸承的周向固定采用過盈配合。3.3.2.1 擺軸軸承由圖 3-2 可知擺軸的結(jié)構(gòu)和主傳動軸的結(jié)構(gòu)類似，因此擺軸上選用與主軸一樣的軸承，從而確定了擺軸上 c 段的直徑為 35mm，初步確定 c 段的長度為 39mm。3.3.2.1 確定軸段直徑和長度因左端軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。查表 gb/t 297-94，選擇單列圓錐滾子軸承32007，故=35mm，t=18mm,d=62mm, =48mm，=42mm，初步確定 b 端長度為cdbd10mm。3.3.2.2 確定軸段直徑

40、和長度mmmdb22.24551 . 078146 1 . 0331cl因右端軸承采用圓螺母鎖緊，根據(jù)軸承的尺寸要求查表 gb812-88 初步確定圓螺母為 m33 1.5，m=10,=20mm，左端開長度為 5mm 的退刀槽。52kddl初選 a 段直徑為 30mm，長度為 15mm。至此已初步確定擺軸各段長度和直徑。3.4 液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計（1）選擇液壓缸的類型：選擇活塞式液壓缸 選擇液壓缸的安裝方式：頭部法蘭型（2）液壓缸體尺寸計算 缸內(nèi)徑 d: 公式 d= f液壓缸推力（kn）,f=10kn p選定的工作壓力（mpa）查手冊知 p=2.3mpa 所以 d=3.57 =74.4mm

41、經(jīng)圓整后取內(nèi)徑 d 為 75mm. 活塞桿直徑: 由公式：d 其中為活塞桿的許用應(yīng)力，選用 45 號碳素鋼，取 120mpa. d =17mm 又上式可得活塞桿的直徑只需大于 17mm 即可， 由液壓缸的結(jié)構(gòu)選取活塞桿的直徑為 50mm3.5 裝配圖及主要零件圖設(shè)計3.5.1 裝配圖草圖pf21057. 33 . 2101021057. 32f120101057. 32圖 3-2 試驗機草圖 3.5.2 零件圖圖 3-3 擺軸 圖 3-4 主傳動軸圖 3-5 偏心輪 圖 3-6 軸承座圖 3-7 聯(lián)軸器圖 3-8 液壓缸體4 零件校核4.1 求軸上載荷首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)畫出軸的計算簡圖。在確定軸

42、承的支點位置時，應(yīng)從手冊中查取 a 值。對于 30207 型圓錐滾子軸承，由手冊中查的 a=13.5mm，因此作為簡支梁的軸的支承跨距為 89.5mm。根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖、扭矩圖和計算彎矩圖。力簡圖如下：圖 4-1 軸的受力簡圖4.2 校核軸的強度4.2.1 畫受力簡圖畫軸空間受力簡圖，將軸上作用力分解水平面受力圖和垂直面受力圖。分別求出水平面上的支反力和垂直面上的支反力。對于零件作用與軸上的分布載荷或扭矩（因軸上零件如聯(lián)軸器有寬度）可當(dāng)作集中力作用于軸上零件的寬度中點。對于支反力的位置，隨軸承類型和布置方式的不同而異。4.2.2 求作用在軸上的支反力已知nra382923sin8

43、 . 91000 nfa902123cos8 . 91000 0yf21ffra nmm 0am5 .1678715 .895 .6321ff nf67242nf28951 mmnm5 .1678710mnnpt875426055. 01055. 91055. 9664.2.3 校核軸的強度從應(yīng)力集中對軸的影響來看，截面 b 處引起的應(yīng)力集中最重要；從受載情況來看，b 處所受彎矩最大。因此該軸只須校核截面 b 左右兩側(cè)即可。左側(cè)：抗彎截面模量 3335 .4287351 . 01 . 0mmdw抗扭截面模量 3338575352 . 02 . 0mmdwt截面 b 左側(cè)的彎矩 mmnlrmma

44、b411013101截面 b 上的扭矩 t=87542nmm截面 b 上的彎曲應(yīng)力 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 查表得 ,s取 1.51 . 0kk1 . 005. 028.3101 . 09 .951 . 03001maks25544. 31 . 044. 31 . 01551maksmpawttt2 .10857587542mpawmb9 .955 .4287411013右側(cè)：抗彎截面模量 3335 .4287351 . 01 . 0mmdw抗扭截面模量 3338575352 . 02 . 0mmdwt截面 b 右側(cè)的彎矩 mmnlfmb174824222截面 b 上的扭矩 t=87542nmm截

45、面 b 上的彎曲應(yīng)力 mpawmb8 .405 .4287174824截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 mpawttt2 .10857587542查表得 1 . 0kk1 . 005. 025544. 31 . 044. 31 . 01551maks7 .702555 .732555 .732222ssssssca綜上可得：此軸達(dá)到強度要求。4.3 主動軸上軸承的校核根據(jù)工況，初選 30207。查機械設(shè)計手冊得 kncr2 .54knc5 .630e=0.37 y=1.6 ,5 . 0x2 . 1pf畫軸承受力簡圖計算 計算派生軸向力21ss查表的 30207 型軸承的派生力為：s=r/（2y）n9052

46、. 3/28952 . 3/11 fsn21012 . 3/67242 . 3/22 fs5 . 13125528.3125528.312222ssssssca5 .738 .401 . 0300s 計算軸承所受的軸向負(fù)荷因為 21sfsa所以 nfsfaa9926902190512nsfa90511 計算當(dāng)量動負(fù)荷effa31. 0289590511nfp289511effa48. 16724992622nyfxffpap22285)99266 . 167244 . 0(2 . 1)(222 軸承壽命的計算因 故按軸承 2 計算軸承壽命21pp 53775)2228554200(601667

47、0)(1667031010pcnl4.4 擺軸的校核（1）求軸上載荷首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)畫出軸的計算簡圖。在確定軸承的支點位置時，應(yīng)從手冊中查取 a 值。對于 32007 型圓錐滾子軸承，由手冊中查的 a=13.5mm，因此作為簡支梁的軸的支承跨距為 50.5mm。根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖、扭矩圖和計算彎矩圖。圖4-2 軸彎矩圖、扭矩圖和計算彎矩圖（2）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度畫受力簡圖畫軸空間受力簡圖，將軸上作用力分解水平面受力圖和垂直面受力圖。分別求出水平面上的支反力和垂直面上的支反力。對于零件作用與軸上的分布載荷或扭矩（因軸上零件如聯(lián)軸器有寬度）可當(dāng)作集中力作用于軸上零件的寬度中點。

48、對于支反力的位置，隨軸承類型和布置方式的不同而異。計算軸上支反力已知 nrnfaa382923sin8 . 91000902123cos8 . 91000mmlmml125 .3821 0yf21ffra 0am05 .505 .3821ffnfnf122851611421校核軸的強度由彎矩圖可以看出截面 c 所受彎曲應(yīng)力最大，因此只須校核 c 處的彎曲應(yīng)力?？箯澖孛婺Ａ浚?335 .4287351 . 01 . 0mmdwampwm69.205 .428788690max5 . 106.1769.20353maxpsss4.5 擺軸上軸承的校核根據(jù)工況，初選 32007。查機械設(shè)計手冊得 k

49、ncr8 .46knc2 .630x=0.4 y=2 2 . 1pf畫軸承受力簡圖計算計算派生軸向力21ss查表的 32007 型軸承的派生力為：s=r/（2y）nrsnrs30714/40284/2211計算軸承所受的軸向負(fù)載因為 211304990214028snfsa所以軸承 2 被壓緊，軸承 1 被放松 因此 nsfnfsfaaa3071130492112計算當(dāng)量動負(fù)荷 軸承 1 erfa19. 01611430711111rp erfa06. 11228513049224=37214n. 0(2 . 1)(222apyfxrfp軸承壽命的計算因 故按軸承 2

50、 計算軸承壽命12pp 59646)3721446800(6016670)(1667031031010pcnlr至此校核全部結(jié)束，零件全部符合要求。結(jié)論本課題所設(shè)計的人工關(guān)節(jié)模擬試驗機能夠正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運動工況，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機理、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)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗數(shù)據(jù)。本次設(shè)計中的液壓系統(tǒng)和機械傳動部分均已經(jīng)在裝配圖中標(biāo)出。致致 謝謝本文是在指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下完成的，從論文的選題、開展、定稿到最后的結(jié)果，指導(dǎo)老師都認(rèn)真指導(dǎo)，并給予了很大的支持和幫助。在學(xué)習(xí)期間，不僅感受到了導(dǎo)師極好的人格

51、魅力，也不斷地為他的學(xué)識、工作風(fēng)格、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)精神所折服。在此向指導(dǎo)老師致以深深的謝意。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識以及勤奮的工作作風(fēng)將使本人以后的人生受益匪淺。正是由于老師對本人細(xì)心、耐心的指導(dǎo)，并對設(shè)計質(zhì)量嚴(yán)格要求，使本人能夠順利的完成畢業(yè)設(shè)計，在此向我所敬愛的老師們致以深深的謝意！同時同學(xué)們在設(shè)計期間也給予我無私的幫助。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1戴振東. 人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)的研究. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志. 2006, 23(3):6696732戴克戎. 影響人工關(guān)節(jié)元氣效果的多因素分析. 中華骨科雜志. 1995, 15:2503葛世榮, 熊黨生, 王紀(jì)湘. 人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)問題及其研究現(xiàn)狀j.

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