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作者:洪永杰、劉子吉(2004-11-11);推薦:徐業良(2004-11-11);最近更新:黃柏森(2006-01-18)

附註:本文為九十四學年度元智大學機械工程研究所黃柏森碩士論文「多功能健康休閒座椅之設計」第五章。

第五章 多功能健康休閒座椅椅背角度變換機構設計

本章為多功能健康休閒座椅的核心功能,是可於正常位置、舒適位置、平躺位置、緩和倒立位置、與輔助起身位置間做角度變換調整,包含坐墊角度變換機構與椅背角度變換機構兩部份,本章即在描述椅背角度變換機構設計。

5.1 椅背角度變換機構設計概念

整體椅背角度變換機構的設計概念如圖5.1所示,坐墊框架與椅背框架間採用直接樞接的方式,利用位於椅背端上的接座1、坐墊端上的接座2、與致動器所組成四連桿機構來改變椅背與坐墊間夾角。致動器前後樞接點分別鎖固於接座1與接座2上,利用致動器前端蝸桿的伸縮來推動接座1使其繞著坐墊與椅背樞接點的旋轉,即可帶動椅背的角度變化。圖5.2為致動器蝸桿伸長達成椅背與坐墊呈90度示意圖。

5.1 椅背角度變換機構的設計概念(平躺姿態)

5.2 椅背角度與座墊呈90度(座椅姿態)

此多功能健康休閒座椅椅背角度變換機構基本功能設計目標的敘述如下:

l          椅背與坐墊間夾角能從90度連續變化至180度。

l          在任何位置均有足夠支撐力。

l          機構所佔空間,特別是椅背後突出空間要小。

5.2     椅背角度變換機構尺寸設計

5.2.1 椅背角度變換機構設計變數推導

椅背角度變換機構細部設計所需設計變數條列如下(如圖5.3):

l          a==接座2接點到椅背與坐墊樞接點距離

l          b==接座1接點到椅背與坐墊樞接點距離

l          ==接座1長度

l          ==接座2長度

l          c==致動器與接座2接點至椅背與坐墊樞接點距離

l          d==致動器與接座1接點至椅背與坐墊樞接點距離

l          =致動器固實長度

l          =致動器最大長度

l          *=接座1與水平夾角

l          *=接座2與水平夾角

l          =接座1、接座2與椅背、坐墊樞接點所形成之夾角

5.3 相關參數示意圖

在設計變數中是由致動器規格所決定,另外cd設計變數值可由圖5.4與公式(1)~公式(6)計算得知。

5.4 設計變數三角關係圖

                                                       (1)

                                                     (2)

其中=180°-∠PQT-∠RQS

        PQT=                 (3)

        RQS=                   (4)

致動器固實長度                        (5)

致動器最大伸長長度= (6)

由式(1)與式(2)中可知,當決定ab6個設計變數後,即可獲得中介變數cd,進而推得致動器相關規格。

以下將針對3種不同的致動器規格進行尺寸設計與最終致動器規格的選擇。

5.2.2 致動器的選擇與電腦模擬分析

Working Model 6.1機構動態分析軟體,模擬線性致動器對椅背與坐墊間進行角度變換的過程,對此過程中實際所需的推力與螺桿的自鎖力進行分析,進而選擇適當致動器。

5.5為椅背與坐墊間角度變換機構模擬模型,其中坐墊部份於模擬過程中將被固定以作為基準面。運動模擬期間,須給定的參數為線性致動器的推力,而欲求取的參數為在此推力下所能撐起的使用者最大重量、螺桿的自鎖力、與螺桿行程。

5.5 椅背角度變換機構模擬分析模型

模擬初始給定條件如下:

(1)   椅背與坐墊的角度變化為180°→90°(由平躺位置→座椅位置),如圖5.6所示。

(2)   線性致動器初始推力的給定係利用現有市售產品的規格為基準,尋找產品型錄,選擇3組規格化的致動器作為最大推力與最大自鎖力的模擬初始設定,如表5.1所示。

5.1 致動器規格(大銀微系統公司線性致動器型錄)

致動器型號

最大推力(N)

最大自鎖力(N)

固實長度(mm)

行程(mm)

LAS3-1

1200

800

246

100

LAM-2

2000

1200

253

100

LAM-1

4000

4000

253

100

(3)   於椅背施加一持續負荷500N(約為使用者最大體重100公斤之一半),作用點為椅背中點位置350mm

5.6 .模擬時角度變化示意圖

在模擬分析時,初步給定2組可行尺寸變數(表5.2),將上述3組致動器最大推力與自鎖力等參數代入模擬,可分別獲得其所能撐起的最大負荷、螺桿最大自鎖力所能抵抗的最大負荷、致動器所需行程與致動器最大長度,所獲得的數據如表5.3

5.2 可行尺寸參數

        變數

組別

a

b

1(LAS3-1)

225mm

80mm

76mm

140mm

60mm

80mm

246mm

2(LAM-2, LAM-1)

225mm

80mm

86mm

140mm

60mm

80mm

253mm

5.3 不同線性致動器所對應相關參數比值表

致動器型號

支撐最大負荷

抵抗最大負荷

行程(mm)

(mm)

LAS3-1

170N

167N

80

326

LAM-2

260N

278N

69

322

LAM-1

520N

535N

69

322

由表5.3可看出,此3組線性致動器中僅有型式LAM-1的致動器符合需求,接下利用此致動器規格,求取數組可行尺寸參數並從中擇一較佳的設計作為最終設計。

5.4與圖5.7顯示以LAM-1致動器規格,利用力學推導與Working Model模擬分析動作全程致動器出力,兩者所得結果近似,致動器在0度和90度時有最大出力,中間過程出力較小。

5.4 力學推導與Working Model模擬數值比較

推力(N)       角度

0°

30°

45°

60°

75°

90°

力學推導

3861N

2708N

2638N

2750N

3054N

3639N

Working Model模擬

3840N

2710N

2635N

2745N

3050N

3610N

 

5.7 力學推導與Working Model模擬數值比較圖

5.2.3 可行設計方案合成與選擇

在搜尋可行設計方案時,我們訂立下列5項限制條件:

(1)   椅背與坐墊間夾角能從90度連續變化至180度。

(2)   參數a的設計限制條件為其長度須小於或等於坐墊長度的一半,即a250mm

(3)   接座1的突出量()越小越好,因此初步限制100mm

(4)   線性致動器能在設定的負荷下(500N),提供足夠的推力使角度變換的過程中在任何位置均有足夠支撐力,同時所需推力須小於或等於4000N

(5)   為考量產品的生產成本,致動器行程的選擇為標準行程。

依據上述5項限制條件,我們合成(synthesize)下列5個可行設計方案(如表5.5),其中設計方案5的椅背後突出量最小,且所需推力小於4000N,故選擇設計方案5為本多功能健康休閒座椅椅背角度變換設計方式。

5.5 相關設計方案

 

設計方案1

設計方案2

設計方案3

設計方案4

設計方案5

a(mm)

224

230

230

230

230

b(mm)

42

44

60

58

60

(mm)

85

94

100

100

100

(mm)

200

208

197

200

200

55°

50°

45°

45°

40°

90°

90°

90°

90°

90°

253

253

253

253

253

352

358

354

354

347

行程

99

105

101

101

94

所需推力(N)

3984

3337

3776

3627

3770

突出量

69.63

72

70.7

70.7

64.3

經由上述電腦模擬分析之後,多功能休閒座椅椅背角度變換機構設計概念的可行性已經獲得驗證,整體椅背角度變換機構外觀如圖5.8

5.8 椅背角度變換機構外觀3D圖與細部零件圖