機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽全國一等獎?wù)f明書

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽全國一等獎?wù)f明書第四屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽作品設(shè)計說明書PAGEPAGE3第四屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽決賽參賽作品多功能救災(zāi)背包設(shè)計說明書設(shè)計者：楊凱，徐超，張恩，吳剛亮，楊飛指導(dǎo)教師：朱育權(quán)，萬宏強(qiáng)西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院2010年10月多功能救災(zāi)背包設(shè)計者：楊凱，徐超，張恩，吳剛亮，楊飛指導(dǎo)教師：朱育權(quán)，萬宏強(qiáng)（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710032）摘要：以便捷、實用、高效的解決救災(zāi)過程中的運輸、醫(yī)療救治、住宿、飲食問題的設(shè)備為研究對象。提出了一種可分離的四折疊框架結(jié)構(gòu)，再巧妙地配以折疊帆布和帳篷，便制成了一種可運輸物資又可變?yōu)閾?dān)架、帳篷的背包。實驗結(jié)果表明，該設(shè)備工作穩(wěn)定，性能可靠，功能實現(xiàn)效果良好。關(guān)鍵詞：背包；擔(dān)架；帳篷；多功能；救援避難作品內(nèi)容簡介本作品跟據(jù)本屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽的主旨要求而設(shè)計，屬于“救援、避難類機(jī)械”。此背包主體為金屬框架結(jié)構(gòu)，寬50cm，厚30cm，高70cm，凈重8kg。背包狀態(tài)可用來運送物資。卸下物品后開啟側(cè)連接機(jī)構(gòu)，展開背包變?yōu)閾?dān)架，擔(dān)架長200cm，寬50cm。翻轉(zhuǎn)擔(dān)架并開啟開合裝置，揭開粘扣，向兩側(cè)拉開擔(dān)架，拉出帳篷與擔(dān)架布面結(jié)合，再由折疊此背包設(shè)計容量90L背包與擔(dān)架共用同一布體，由于擔(dān)架變形為帳篷時需要拉伸擔(dān)架，這樣就產(chǎn)生了兩種布體的設(shè)計，可拆卸式和折疊式。方案一（圖6）布體采用可拆卸式，周圍伸出的布塊帶有粘扣。背包與擔(dān)架狀態(tài)布體用粘扣與框架連接，變形帳篷時需卸下布體。其優(yōu)點在于布體結(jié)構(gòu)簡單，輕便。缺點是用粘扣連接承載強(qiáng)度低，由于要拆卸，一體化程度差，不方便攜帶。方案二（圖7）布體采用折疊式，周圍伸出的布塊繞過框架管與自身相逢合。背包與擔(dān)架布體為折疊狀態(tài)，變形帳篷時展開布體，與帳篷底面相連。其優(yōu)點在于將所有布整合為一體連接在框架上，易于操作，便于攜帶，并且為帳篷加厚了底面，使其更加舒適。缺點是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。綜合考慮，采用方案二。圖6方案一左圖紅圈中布體折疊方法示意圖左圖紅圈中布體折疊方法示意圖圖7方案二3理論設(shè)計計算3.1總體尺寸設(shè)計此作品最大特點在于背包、擔(dān)架、帳篷三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，因此只有設(shè)計好各狀態(tài)的結(jié)構(gòu)尺寸才能合理、協(xié)調(diào)的實現(xiàn)其功能。（1）背包外形尺寸：為了使人背負(fù)舒適，背包應(yīng)上不過頸、下不過臀，故背包高度取70cm。再根據(jù)成年人的負(fù)重能力及美觀角度考慮，背包厚度取30cm。背包的寬度即擔(dān)架的寬度，故綜合較大的背包寬度尺寸、較小的擔(dān)架寬度尺寸，定為5（2）擔(dān)架外形尺寸：根據(jù)市場主流擔(dān)架尺寸，擔(dān)架的長度取200cm，兩端各留出10cm的距離供人手抓握，因而擔(dān)架實際承載布面長度為（3）帳篷外形尺寸：根據(jù)市場主流三人帳篷尺寸，帳篷底面邊長取2m×1.8m，高145cm（4）結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)尺寸：為了滿足三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，各部分的尺寸取值如圖８所示。圖8金屬框架結(jié)構(gòu)尺寸示意圖3.2強(qiáng)度與剛度校核此作品對背包與帳篷的強(qiáng)度設(shè)計沒有特別要求，必然滿足使用條件。擔(dān)架設(shè)計載重120kg，我們參考了市場上性能類似擔(dān)架的選材，并結(jié)合此作品的結(jié)構(gòu)及設(shè)計要求對承重管件進(jìn)行了校核（圖9）。120kg擔(dān)架桿120擔(dān)架桿圖9擔(dān)架承重模擬示意圖3.2.1擔(dān)架框架上，限位鉸鏈和伸縮管的選材強(qiáng)度遠(yuǎn)大于擔(dān)架的管材，就承重而言，擔(dān)架框架可簡化為兩根1976mm擔(dān)架桿的受力可以簡化為如下簡支梁模型，其中。已知：擔(dān)架桿的材料為鋁合金，屈服強(qiáng)度，彈性模量，取安全系數(shù)，擔(dān)架桿的外徑為，內(nèi)徑為，設(shè)計承受最大重量為120kg，受力如圖10所示。圖10擔(dān)架桿受力圖（１）計算最大工作載荷擔(dān)架承受最大的載荷單根擔(dān)架桿承受的最大載荷均布載荷（２）計算支座反力由載荷的對稱性可知：（３）計算剪力和彎矩剪力彎矩（４）畫出剪力圖和彎矩圖如圖11所示。圖11擔(dān)架桿剪力、彎矩圖（５）計算最大彎曲正應(yīng)力對Z軸的慣性矩抗彎界面系數(shù)最大彎曲正應(yīng)力（６）校核擔(dān)架桿的強(qiáng)度許用彎曲應(yīng)力顯然，滿足強(qiáng)度要求。3.2.2擔(dān)架桿的剛度計算由以上簡化模型可知，在擔(dān)架承受最大載荷狀態(tài)下的最大變形量（撓度）為：由此，擔(dān)架的最大彎曲變形為4.4cm，并且出現(xiàn)在擔(dān)架桿的中心位置，完全滿足使用要求。3.3部分工程圖圖12開和裝置外套圖13開和裝置內(nèi)套圖14卡環(huán)圖15擋圈4工作原理及性能4.1工作原理下面對背包變?yōu)閾?dān)架，再變?yōu)閹づ竦倪^程予以說明。（1）如圖16為背包狀態(tài)。黑色的帶子為固定帶，背包狀態(tài)時可約束包體，擔(dān)架狀態(tài)可固定傷員。（2）揭開背包蓋，打開側(cè)連接機(jī)構(gòu)(圖17)，揭開背包兩側(cè)的粘扣，展開背包，變?yōu)閾?dān)架（圖18）。這時側(cè)連接機(jī)構(gòu)為擔(dān)架的四個支座，如圖19所示。圖16背包圖17側(cè)連接機(jī)構(gòu)圖18擔(dān)架圖19擔(dān)架支座（3）翻轉(zhuǎn)擔(dān)架，將側(cè)連接機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)90°與地面平行，用于帳篷和地面的固定。（4）取出折疊干，翻起帳篷包（圖20），打開兩端的螺紋開合裝置（圖21），將擔(dān)架分為兩部分，揭開粘扣，向兩側(cè)拉開擔(dān)架，如圖22所示。圖20帳篷包圖21開合裝置圖22拉開擔(dān)架（5）鋪開帳篷，與擔(dān)架地面用拉鏈拉合。接好兩根折疊桿，插入四個角框架上的圓孔中，如圖23所示。圖23帳篷折疊桿安裝圖（6）拉起帳篷布體，與折疊桿綁定，及變?yōu)閹づ?，如圖24所示。圖24帳篷4.2性能（1）背包寬50cm，高70cm，厚30cm，自重約（2）擔(dān)架長200cm，承載布面長180（3）帳篷底面邊長為2m×1.8m，高1455實物照片背包、擔(dān)架和帳篷實物圖分別見圖25-27。圖25背包圖26擔(dān)架圖27帳篷6創(chuàng)新點及應(yīng)用6.1創(chuàng)新點1）將與救援、避難有關(guān)的三件設(shè)備巧妙的結(jié)合了起來，獨立解決了救災(zāi)過程中的一系列問題。2）四折疊可分離框架結(jié)構(gòu)、側(cè)連接機(jī)構(gòu)、開合裝置的創(chuàng)新設(shè)計。3）采用時間分離原理的設(shè)計及布置，實現(xiàn)了側(cè)連接機(jī)構(gòu)、帆布、固定帶在不同狀態(tài)下的不同功能。6.2應(yīng)用此多功能救災(zāi)背包可大批量庫存。地震、洪水、山崩、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生時，可集成放入臥具、食品、藥品，供救援人員使用?？梢越鉀Q災(zāi)后中小規(guī)模的物資運輸、被困災(zāi)民的醫(yī)療救治、傷員的轉(zhuǎn)移，以及被困災(zāi)民的住宿這一系列問題。除救災(zāi)外還可用于幾個人的戶外徒步旅行。此背包重量輕、制造容易、使用方便，單件制造成本為480元，批量化生產(chǎn)成本還可降低，有良好的市場前景。參考文獻(xiàn)[1]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計.北京：高等教育出版社.2006[