电脑椅的设计

电脑椅的设计 成都理工大学工程技术学院毕业论文 基于Pro/E电脑椅的设计 作者姓名: 专业名称: 指导教师: 基于Pro/E的电脑椅设计 摘要 随着全球市场一体化形成，人们的生活水平越来越高，对物质的最求也随之越好。电脑椅已广泛普及于人们的工作和学习及生产场所。具有一定的人体工学性，有利于健康。不论在办公室还是在家里，坐在电脑前不挪窝地连续作战是很多年轻人的习惯。时间长了，就会出现眼睛模糊、腰酸背疼等毛病，这是因为如果电脑椅与办公桌高度不够匹配，很容易对眼睛和关节造成伤害。所以电脑桌的设计很重要，包括桌面高度、键盘抽屉、走线等要符合自己实际情况和工作习惯。 关键词:可调节 规范坐姿 电脑椅 舒适度 人体工程学 I 基于Pro/E的电脑椅设计 Abstract With the formation of global market integration, the manufacturing industry is extremely competitive, with new product development and rapid market has become a key factor in market competition.Increasing the level of people's lives, most of the material also will be seeking better. Computer chairs have been widely popular in people's work and learning and production sites. Has some ergonomic, there has been conducive to health. Whether in the office or at home, sitting in front of the computer does not move house to continuous fighting habits of many young people. A long time, there will be eyes and blurred, Backache Back pain and other illnesses, it is because the computer chair and desk height if not match, it is easy on the eyes and joints hurt. Therefore, the design of computer desk is very important, including the desktop height, keyboard drawer, take the lines to meet their actual conditions and work habits. Adjustable, Specifications sitting, Computer Chair, Comfort, ergonomics Key words: II 基于Pro/E的电脑椅设计 目录 摘要 ..................................................................... I Abstract ................................................................ II 目录 ................................................................... III 前 言 .................................................................... 1 1 绪 论 ................................................................ 2 1.1家具形态设计中的结构形态设计 ........................................ 2 1.2电脑椅简介 .......................................................... 6 2 电脑椅的设计 .......................................................... 10 2.1电脑椅的设计调研 ................................................... 10 2.2电脑椅的设计 ................................................... 10 3 电脑椅的力学 ..................................................... 13 3.1电脑椅的受力分析 ................................................... 13 3.2电脑椅强度条件的建立 ............................................... 17 3.3电脑椅的计算 ....................................................... 21 3.4设计总结 ........................................................... 23 4 基于Pro/E电脑椅的实体设计 ............................................ 24 4.1 Pro/E的介绍 ....................................................... 24 4.2 各构件的基于Pro/E的实体设计 ...................................... 25 4.3 电脑椅的装配 ...................................................... 28 总结 .................................................................... 30 致 谢 .................................................................. 31 参考文献 ................................................................ 32 III 基于Pro/E的电脑椅设计 前 言 当今时代，电脑在人们的生活、学习和工作中受到了越来越广泛的应用。与此同时，我国也迎来了第三次计算机普及的高潮，这意味着电脑必将广泛进入办公室、学校课堂和家庭。然而在电脑带给人们方便快捷和高科技的同时，人们也越来越注意到它带来的许多负面影响。比如长时间进行电脑作业人们会感到手腕、手臂、肩、背、腰和颈等处的肌肉疼痛，从而导致这些肌肉群疲劳或损伤等综合症。另外还会引起近视和精神上的疲劳等疾病。因此研究如何从人体工程学角度出发，分析设计合理的电脑桌椅，使其符合人体的生理、心理及解剖学特性，以提高人们在电脑作业时的舒适度和工作效率已成为当今家具设计领域的一个重大课题。 1 基于Pro/E的电脑椅设计 1 绪 论 1.1家具形态设计中的结构形态设计 通常，物体形态的存在必须依赖于物体本身的结构。一切物体要保持自己的形态，必须要有一定的强度、刚度和稳定性的结构来支撑。家具产品的形态也是如此。结构在家具产品中的地位，如同人体的骨架对人的重要性一样。一件家具产品，如果没有像骨架一样的结构来连接和支撑，也许只是一堆废料，既不能构成产品的形态，也满足不了使用功能。 一件优秀的家具产品，必然要使用具有一定强度的材料，通过一定的接合方式来实现其功能和基本要求，同时还应注重其审美功能和结构的新颖独特。 家具产品的结构强度是实现其基本功能的基础。没有一定强度的家具产品，无论外怎么优美华丽，也只是虚有其表，根本满足不了使用功能。 然而家具产品的结构构成需要通过一定的接合方式才能完成。在家具产品中，除了一些传统的接合方式仍在沿用外，为适应家具产品“可拆装”的要求，连接件接合是使用最多的方式。 由家具产品结构的形式特点所决定的家具产品形态可以称之为家具的结构形态。家具产品的结构形态主要表现在两个方面:一是由于内部结构不同而被决定了家具外观形态;二是家具的结构形式直接反映在家具的外观上。 因此，研究家具产品的结构形态，可以从以下几个方面着手:家具产品结构形态的意义;家具产品的结构形态与接合方式;家具产品的内在结构形态与外在结构形态及其表现形式;家具产品形态设计与结构创新。 1.1.1家具产品结构形态的意义 家具产品之所以表现出它特有的结构形态类型，其意义是二:一是创造出家具产品应有的使用功能;二是保证家具产品具有足够的强度和稳定性特征。 2 基于Pro/E的电脑椅设计 家具作为一种工业产品，首先应该具有使用功能。家具产品的功能特点是通过人的使用体现出来的，而家具产品的结构形式是体现其功能的具体手段。工业设计能否充分体现功能的科学性、使用合理、舒适、安全、省力和高效等都反映出产品结构是否合理、造型是否全宜。除了满足使用功能外，家具产品的某些外部结构还具有审美功能。例如中国传统家具中椅子腿上的横档和矮老，以及桌腿间牙条、牙板和桌腿与桌面间牙头等的使用，不仅加强了各个零、部件之间的强度，实现其应用的使用功能，还起到了很强的装饰作用。 家具产品要实现基本的使用功能，其结构必须具有足够的强度。结构的强度与结构本身的构成形式有着密切的内在关系。首先，结构的强度与家具所使用的材料形态有着很大的关系。例如，两个材料相同，截面积相同的不同形态的材料，其截面积为方形的强度要比截面积为圆形的强度高。根据力学测定，力对材料的影响主要作用于材料相对的两端，而材料的中间部分，即中性轴部分，受力的影响相对较少，同样面积的方形和圆形材料相比较，圆形中性轴上的材料要比方形的多，故圆形材料受力部分要相对少一些。因此，方形材料要比圆形材料的强度高。其次，结构强度还受受力方向的制约。 结构本身的稳定性对家具产品基本功能的实现也起着至关重要的作用。如三角形结构形式是一种最稳定的结构形式，很多家具产品都利用了这一结构原理。 然而，在中国，很多家具产品在设计和制造过程中，企业和设计人员并没有重视对结构的力学强度进行合理分析，有的只停留在以往的经验或个人单纯的外部感官上，但是随着新材料、新技术的不断涌现，设计者对结构形式的不断开发创新，某些过进的经验和个人的感官未必还能奏效。因此，笔者认为，家具产品的设计应注重对结构的力学分析，做到结构科学、强度合理。 1.1.2家具产品的结构形态与接合方式 对于绝大部分家具产品而言，如果没有运用一定的接合方式对其零、部件之间进行连接，家具将“面目全非”，毫无用处，更构不成家具产品的外观形态，对其结构形态的分析也只能是“纸上谈兵”、“天马行空”，毫无意义可言。 从产品的角度来看，则于其接合方式的不同，赋予了家具产品不同的形态。如，传统家具中的榫铆接合，形成了独特的以线、面等形式构成要素为主的框式家具形态;各种连接件的使用又使现代家具形态有别于传统家具形态。现代家具如板式家具，以面、体的形态构成要素为主，通过部件、单体的形式来构成产品形态(如32mm系列板式家 3 基于Pro/E的电脑椅设计 具);而适用于金属、塑料等材料的焊接、粘结和胶结等接合方式又赋予了家具产品别具一格的整体构成形态。 连接件对家具产品的结构组成是至关重要的，其功能有二:连接和装饰。连接件的连接功能就如人体骨骼间的“关节”，连接着各个零、部件，把本来毫无生机的各种材料组合起来，从而赋予了家具应有的功能和使用要求，同时构成了各种生动活泼、姿态万千的家具形态，也实现了设计者的各种创意梦想。 此外，各种连接件的使用，对家具产品的外观形态起到了很大的装饰作用，有“画龙点睛”之功效。中国古代传统家具常使用五金件，这些金属饰件形式多样，造型优美，使传统家具倍增光彩，如包角、套腿、合叶、吊牌、吊环的使用。又如，现代家具产品中形态各异的拉手，由于所使用的材料、造型不同和色彩上的千变万化，使家具形态产生不同的视觉效果。如儿童家具中圆形、三角形等几何形拉手的使用，加上其鲜艳明亮的色彩，给儿童家具增添了几分童趣。 1.1.3家具产品的内在结构形态与外在结构形态及其表现形式 家具产品的内在结构形态包含两个方面的含义:一是指由材料本身的结构特性所决定的，不同材料种类所产生的不同的家具产品形态。如金属家具、塑料家具、竹藤家具、充气家具及软体家具等都有自己独特的结构特点和表现形式。这是一张使用玻璃纤维增强树脂制造而成的，名为“佛罗瑞斯”的儿童椅。设计师利用材料的特殊性质设计出了这把结构和造型非同一般的椅子。另外，人造板如胶合板、刨花板、纤维板等，由于其材料本身内部与天然实木的内部结构大不相同，因此人造板家具形态与实木家具也存在着很大差异;二是指隐藏在家具外观形态之内，不易被人们察觉的家具零、部件之间的连接结构形态以及由它们所决寂静的家具造型形态。此沙发的外表很一般、很简单，但隐藏在其外表之后的内部结构却比较复杂。为了达到展开一折叠的使用要求，其内部必须运用多个零、部件通过一定的连接方式，及采用一些特殊的连接件才能完成。 家具产品的外在结构，即指外观结构，它充分暴露在人的视觉范围之内。家具产品的外在结构与内在结构最大的区别就在于外在结构直接表现在产品的外观形式上，它在满足产品基本功能和要求的同时，还具有很强的审美功能。如，世界著名设计师华伦•普拉特勒(Warren Platner)在1996年设计的金属扶手椅系列堪称经典。其史无前例的使用多根棒状结构产生的光学效果，使产品外观表现出很强的现代感，优雅而又豪华。椅子和桌子的基座展现出由钢环连接着的精细金属棒构成的金属结构，产生了奇特的光学效果一波纹效应，就像带水的丝绸，美丽而又富有动感。又如，传统家具中的榫、铆 4 基于Pro/E的电脑椅设计 结构形式反映了家具外表的结构美;外露的销、钉等反映出“点”的特性，拉手反映出“线”的特征等，这些都是对家具外表起到了不同程度的装饰作用。 但是外观形态与结构之间并不存在对应的关系。比如同一结构形式，若使用不同的材料和颜色，家具产品将会产生截然不同的外观效果。 1.1.4家具产品形态设计与结构创新 古往今来，家具产品形态设计上的求新、求变，其主要途径之一即是力求结构形态上的变化创新。家具产品在满足其基本功能和使用要求的条件下，设计者就在努力探索如何在结构上进行变化，以求产品功能的拓展和形态的新颖独特。 家具产品的结构形态是实现其功能的基础。因此，家具产品使用功能的开发与拓展需要进行结构创新。这把多功能休闲椅正如它广告词所说的“It extends on its own”， 它完全依靠其本身结构上的变化来产生各种姿势。更巧妙的是它只是多使用了一根弧形金属滑竿和滑套就实现了。 另一方面，通过对家具产品结构创新，还可以提高产品的审美功能，尤其是对产品外在结构的创新。这就是有名的“钻石安乐椅”，由设计师阿里托(哈里)伯尔托亚(Arieto (Harry) Bertoia)于20世纪50年代工设计的。椅背和扶手采用相互贯穿的钢网结构连成一体，“像雕塑一样主要由空气组成，空间贯穿在其中”。 然而不可否认，家具产品结构形态上的创新，新技术、新材料、新工艺的发明起了至关重要的作用 。它们的出现和使用家具产品的新结构和新造型从“空想”变成现实。面对现代家具设计师“异想天开”的杰作，如埃诺•阿尼奥(Eero Aarnio)的“泡沫椅”，“佛罗瑞斯”儿童椅，古代家具设计师也只能望洋兴叹，望尘莫及。又如，随着人造板的发明及相关技术的发展，32mm系列自装配家具以前所未有的新型结构形式诞生了。这种全新的结构形式不仅与以往的框架结构完全不同，还顺应时代的发展实现了家具产品的标准化、系列化、通用化以及便于装配和运输的功能和要求。这些都是人类的不断探索创新和科技的发展进步所带来的。由此可见，家具产品结构的科学性与合理性能体现出一个时代的科技成果及该时代人们对新的生活方式的追求。 此外，大自然也是物体基本结构产生的源泉，它对家具的结构创新有着很大启发性。例如，人类在吸取了大自然中科学合理的基本结构原理之后，创造出如壳体结构、折板结构、蜂窝板结构和充分结构等多种多样的新颖结构。 5 基于Pro/E的电脑椅设计 随着人类对自然的不断认识，对生物结构的不断探索和研究，以及对不断出现的新材料、新艺、新技术的使用，家具产品的结构形式将会越来越多样化，家具产品也会不断满足使用者的生理、心理需求，甚至各种个性需求。 综上可知，家具产品的结构形态设计是家具设计的主要内容之一，其地位和作用在家具产品形态设计中是任何要素都无法替代的。家具产品的结构形态设计需要考虑很多方面的因素。归结起来包括产品功能的满足与拓展、材料的强度、零部件的接合方式、连接件的使用以及新材料、新技术、新工艺的发明和使用等主客观因素。 1.2电脑椅简介 电脑椅已广泛普及于人们的工作和学习及生产场所。具有一定的人体工学性，有利于健康。 1.2.1分类 1、 按适用地方分 通常有以下几类: 1)工作椅:适用于生产车间等工作场所，椅子，的组成简单。 2)学生椅:适用于学校及会议性场所等。同样椅子的组成简单。 6 基于Pro/E的电脑椅设计 3)职员椅:广泛适用于办公环境，椅子体积少，占用空间少。 4)中班椅:椅子体积较大，占用地方偏大，通常的使用者为管理层一类的人员。 5)大班椅:又称为老板椅，外观大气。 6)会议椅:外观新颖，时尚，椅子的舒适感不是设计者的第一要素。 2、按面料分 通常有以下几类: 1)麻戎椅:工作椅、职员椅、中班椅采用多。 2)网布椅:早几年中班椅、会议椅、班前椅，采用较多，此类面料的椅子有较强透气性，相对适合久坐。现已在职员椅上得到大量采用。 3)皮椅:大班椅使用最多。皮:真皮、仿皮之分。95%以上是仿皮。 4)防静电椅:椅子表面采用防静电处理，或防静电的配件及面料。 1.2.2电脑椅的组成及质量要素 A 脚轮:普通脚轮、PU轮(软性材料，适合于木地板，及机房)。B 椅脚: 弓形架(铁架或木架): 铁架的厚度直接影响椅子使用寿命。表面处理:喷漆、烤漆(表面光泽，不易脱漆)、电镀(木架不可以电镀)，电镀质量好，才不易生锈。现在大部份的椅子电镀质量都不算好。三个月内不生锈的就算好了。通常电镀质量好不好，看表面打磨，表面及焊接处打磨好，电镀可能就好点。而且电镀产品不环保，发达国家都严格控制电镀处理厂的数量和环保设施的投入。 C 气杆 又叫伸降杆，用来调节椅子的高度和旋转。气杆的内部充有高压气体。在气杆没有发明以前，椅子的高度和旋转是靠锣杆来调节，因使用时不够人性化而淘汰。 D 底盘 托起椅座的部份，下面与气杆相连接。 零售价格在160元以下的椅子底盘很多没有套管，使用久了之后易裂开、摇晃，容易有些铁板厚度也不够，用卡尺量，只有1.7mm厚,通常要有1.9mm厚才算可以。底盘的弹簧，很多长度不够或没有热处理。热处理过的新弹簧，表面呈猪肝色，而非铁的本色。 E 椅座 由木板、海绵、面料组成。 木板的质量通常消费者感觉不到。 海绵:再生绵、新绵。99%厂家都是两者搭配使用， 7 基于Pro/E的电脑椅设计 越厚越硬，成本就越高，厚度适当，硬度适当就可。用手压椅座，如果感到很手软，或不用什么力压椅座的就感到已到底(木板)，质量为不好。现也有些不良厂家，用泡沫、没有进行再加工的碎海绵、珍珠绵等物品充当海棉。易变形，没用回弹力。 面料:麻戎，网布，皮。 现有些椅子的座没有木板和海绵，只是个塑料框压上网布。此类椅子，更符合透气性。坐在上面不会很快发烧，而更舒服。 F 扶手 厚薄影响质量。 G 椅背座连接(角码) 椅座和椅背是分体的，采用钢管或钢板连接，钢管里面再套有钢管为最好，只有小部份有套。钢板，通常为6mm或8mm厚。但宽度小于6cm的钢板，必须8mm厚。否则易弯。 H 椅背 和椅座的材料、质量评定方法差不多，但硬度相对软些。太软同样不好。 钢架框，塑料框的椅子，采用网布相结合制成，具有透气性。 I 腰枕 有些椅子有，有些椅子没有，必要性，则看椅子的舒适度。 J 头枕 有些椅子有，有些椅子没有，必要性，则看椅子的舒适度。 可调功能 一些高档的电脑椅，其椅座、扶手、椅背、腰枕、头枕可以调节高度等。低档的椅子，表面相对粗糙。 中国是电脑椅制造强国。其主要生产基地为广东顺德，浙江安吉。而顺德龙江引领着全国的电脑椅款式和质量，如佛泰办公家具厂。 1.2.3五爪材料种类 1)普通塑料脚:现基本淘汰，质量可靠性差。大部分是一些小椅子在用。由于塑料的再生利用，此类产品相对环保。 2)尼龙塑料脚:现已大量使用，质量多档次。如果把五爪上的轮子不装，用砖头把五个爪尖垫起，重1.5吨的车，车轮在五爪上压过，或静压不断，质量就完全放心。由于塑料的再生利用，此类产品相对环保。 3)钢制铁脚(烤漆，电镀):易锈，焊接处易裂开。 4)木脚:铁架，木头面只起装饰作用。 5)铝合金脚: 功能 角度自由调节、无级无段锁定、弧形贴背设计、弓形架强度及弹性处理、扶手弧形流线处理等 品牌 韩国DSP帝雅双背椅 帝雅系列 超越普格瑞斯 乐都 金豪 台湾普格瑞斯11bh双背椅 8 基于Pro/E的电脑椅设计 Hoba Life艾西 尼尔 尼克 温佳美 鑫欣 曲美 美迪斯 对腰部的保护 不论在办公室还是在家里，坐在电脑前不挪窝地连续作战是很多年轻人的习惯。时间长了，就会出现眼睛模糊、腰酸背疼等毛病，这是因为如果电脑椅与办公桌高度不够匹配，很容易对眼睛和关节造成伤害。应该及时挑选一把合适的电脑椅为好。 9 基于Pro/E的电脑椅设计 2 电脑椅的设计 2.1电脑椅的设计调研 我国家具与室内设计行业从80年代开始起步，到90年代已形成独立生产的行业，其产值已达到80亿元，到1997年达到1000亿，到2002年已达到2100亿，其发展前景十分广阔。 据文籍记载，椅子的名称始见于唐代，而椅子的形象则要上溯到汉魏时传入北方的胡床。到现在椅子的类型也是千变万化，有办公椅，酒店用椅，电脑椅等。电脑椅是专门为电脑工作者提供的一套舒适化办公设备， 通常由滑轮和可转动椅面以及扶手组成。 专业运用于电脑工作。 网吧家具行业容量预测:据不完全估计，目前中国的网吧数量大约有二十多万家，(这还没有计算那些无牌的黑网吧)每年还在以5%的速度增长，而网吧行业在这二十年至少是一个朝阳行业，就算美国，日本、韩国这些发达国家，他们的网吧数量也是呈几何数字发展的，何况信息远远落后于他们的中国、印度等人口大国，因此，可以断定，网吧行业是个不死的行业，至少这二十年是这样的。那对于网吧家具行业而言，随着网吧数量的增长，相应的网吧家具的市场容量也会随之增长。就以现有的网吧数量为例，二十万家网吧，每间网吧以平均150个位来计算，每套桌椅以人民币500元来算，则现有的市场容量为200000×150×500,150亿，这还是保守估计，如按每年递增网吧数量5%来算，未来中国网吧桌椅行业容量更为惊人。这还没有计算诸如商务酒店、休闲厅、电教室等要使用网吧家具的容量。因此，电脑椅的发展前景甚为远大。 2.2电脑椅的设计方案 2.2.1电脑椅的功能设计 椅子的各部位尺寸，不论是坐位的高低、深度和宽度，扶手和靠背，以及坐面的弯曲度都要的严格的依据，如果稍有差错就会影响人体的肌肉、韧带和关节等组织，使人感到不安和痉挛，所以椅子的各部位尺寸都要适合人体的尺寸。 坐高: 坐高是指坐板前沿高度，这个高度决定了椅子的舒适程度。根据人体工程学的理论，人体质量和压力的散布和紧张的松弛乃是获得舒适的基础，这是因为人坐在 10 基于Pro/E的电脑椅设计 椅子上的时候，身体质量由脊骨至坐骨，尽管坐骨结节点承受了最大压力，但因骨盆拱骨的尖端力学作用，臀部的各部位均分别承受不同压力使压感略有减缓。坐面的高低使人体的接触面也不同，因而决定了坐椅的舒适程度，通过以小腿高为标准的坐高与高于小腿高度的坐面实测，可以看出其体压是不同的。理想的坐面高度要与人的小腿长度相等，最好是略小于坐者的小腿长度，使脚部能安置在地面上，并使腿部能完全放松。如果坐位太低，要保持身体平衡惟有把双脚向后屈，但这样会使上身全部质量集中在臀部中央，使臀部的一些肌肉受到很大压力，同时两腿又容易疲劳，很难得到休息。但是坐面过高，大腿前半部近膝窝处就会受到约20kPa的压力。这种压力虽不算大，但时间长了易引起血液循环障碍，肌腱就会发胀而麻木。椅面过高相对桌降低，令人不得不把身体向前俯斜，把全部力量压在椅座前沿，只要坐上片刻便会感到背部和小腿麻痹。由上述可知，坐高的决定与人的小腿高度有密切关系，按照人体工学的基本原理，坐高应小于人体坐姿态时小腿肋窝到地面的高度，根据我国男性平均胭窝为408mm，女性为385mm，再加上2.5-3.5mm鞋的高度，则高为420-430mm，考虑到小腿的活动作地，一般采用400-410为宜。 坐深:坐深确定通常是根据人体大腿水平长度，即胭窝到臀部后端的距离作为依据，为养活小腿内侧受到压近或使靠背失去作用，坐位浓度实际尺寸还应减去椅座前沿到胭窝之间大约60mm的空隙，也就是坐深小于坐者大腿的长度，使膝下没有压力，为了使坐深设计得适合于多种人体尺寸的需要，下腿水平长度应取平均值。如果坐位过深，会令人背部无法触及靠背，使腰部的支撑点悬空，上身一部分质量要靠颈项来支持，同时下身还有向外滑出趋势，使人无法久坐。一般来说普通椅子在通常就坐的情况下，由于腰椎到盆骨之间接近垂直状态，其坐深可以浅一些，对于倾斜度大的休息用椅，因使人腰椎至盆骨也呈倾斜状态，故坐深就要加大一些。我国成年男女的大腿水平长度尺寸平均可取420mm，故一般常用的靠背椅坐深不宜大于420mm。 坐宽:坐位宽度必须大于臀部的宽度，使身体改变姿势时有足够的移动空间，但坐宽过大两臂不能均匀地倚靠扶手，坐宽过窄没有横向挪支的作地，易产生促感，这样很容易产生疲劳。根据我国人体尺寸，一般靠背椅坐宽不应小于380mm,扶手椅不小于460mm。座必须有适宜的弧度或弹性，使全身压力不致集中在骨盆的承重尖端。 靠背高度:靠背高度是指椅背上沿至椅背与坐面交接处的距离，是沿椅背平面中线测量的长度，靠背必须具有支持背部的作用，并且根据需要稍向后倾斜，以支持身体的质量，两者之间必须形成95度或更大的角度，它的作用是使人的身体保持一定的姿态，同时分担部分人体质量，如果靠背垂直和太低，就使人腹部凹曲，腰部肌肉被拉紧，尤其是背部受椅背板边缘压迫。这样的椅子，会使人身体的压力有一部分向前滑去。正确椅背高度应依据椅子的使用功能而定，一般椅背应在肩胛骨以下，以便于背部肌肉得到适当的休息，同时也便于上肢活动;对工作用椅为全球上肢前后左右活动，高度要低于腰椎骨上沿;休息用椅坐者处在躺坐之间，靠背应加高至颈部或头产。此外，坐位和靠背的位置最好可以自由调节，以适应各种姿态需要。 扶手:扶手是增加坐椅舒适性的补助支撑构件。坐者前臂得到自然支撑，减轻两臂 11 基于Pro/E的电脑椅设计 和背部的疲劳，对上肢肌肉的休息也有作用。扶手高度应与人体坐骨结节点到自然垂下的肘部下端的垂直距离相近，通常认为距坐面高240mm左右最为合适，并应与坐面平等。扶手过低两肘不能自然落在扶手上，前臂得不到有效支撑;扶手过高，双臂不能自然下垂，会造成坐者抬肘耸肩的不良坐肩部、背部和上臂的多处肌肉处于紧张状态。两扶手内侧距离在420-440之间，扶手前端应比后端稍宽，一般是两侧分另张开10度左右。 2.2.2 部件与部件的协调 部件之间的协调可以增加人体与支撑面的接触，将过于集中的体压分散开。人坐在椅子上可有多种不同姿态，对椅子各部件的作用力也就有所不同。所以舒适的坐椅最好是从坐面与靠背所构成的角度和支撑的位置选择来设计。水平的坐面和垂直的靠背椅子不适应人体自然活动状态，坐和倚靠都不舒服，因为这时候很大一部分人体重量都通过靠背伟给椅座，这样靠背和坐面必须依使用需要向后倾斜，靠背与水平面之间成夹角B以支撑身体重量。至于倾斜多少，这要根据使用要求决定，通常认为在90度,120度的范围内改变靠背的角度，同时上下移动支撑点能获得较好的舒适效果。根据人体测试数值表明，一般倾斜角度的支撑位置在第二到第四腰椎之间;再稍倾斜时支撑位置在第九胸椎和第二腰椎两处;倾斜度再大些时，支撑位置在腰椎、胸椎下部和关部三处。其中以腰椎的支撑最为紧要。从上述分析可以看出，随着靠背斜度B角的增加，靠背支撑点的位置也需逐步上移，也可以从一个支点增加到两个支点。轻休息和休息椅由于B角较大，靠背支撑点的位置也需逐步上移，也可从一个支点增加到两个支点。躺椅因使用功能以躺卧为主，B角增加一点枕头部位的功能，其长度可与颅骨枕外隆突点的位置一致，枕头点上沿离椅面的距离可在720——775mm范围内选用。写字及餐饮用椅斜度就要小些，这类椅子的靠背只需做间隔条形，能承受很小的倚靠就可以。休息性强的椅子靠背要支撑整个背部以不露空隙为好，使之具有支持背部的作用。由于靠背的倾斜坐面也相应的后倾角，使坐面与水平面之间形成夹角ɑ，这样使可以使身体稍向后倾。平坐面容易使整个身体向滑支，使休重移至背的下部与大。 我们从前人的研究基础上，可以得到很多的理论知识，从人类功效学数据可以看到一些有关设计椅子的原理，椅子的坐面应向后倾斜14,24度(相对与水平面)，以使臀部不向前移滑。靠背与坐面的夹角应在105,110度。靠背与水平面的夹角应在110,130度。靠背在相应腰的地方要鼓起，它距坐面的垂直高度从10,18厘米。腰部凸起，可以减少脊椎后凸，并使脊柱尽量接近与自然状态。 本次设计的电脑椅可适合身高在 1.37 米—2.06 米之间的人，坐在其上与坐在普通椅子上的高度完全一样，无论在办公室还是在家里，使用这种 坐具都很合适。它使人们从长期坐旧式椅子所带来的腰背疾病痛苦中解脱出 来，给人们以舒适感。 12 基于Pro/E的电脑椅设计 3 电脑椅的力学分析 3.1电脑椅的受力分析 电脑椅的受力分析情况如图3.1。靠近座板前边有载P作用，根据已知条件，可做 如下受力分析 。 图3.1 分别在A、B点取距，前、后腿受力公式如下: N，s,P，(s,c,f,b，cos,) A1 13 基于Pro/E的电脑椅设计 N，s,P，(f，c，b，cos,) B1 可得: scfbP(,,,，cos,)，1N„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.1 ,As s，c，f，b，cos,1„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.2 N,，PBs 分别取各杆件为研究对象，各铰支点摩擦忽略不计，如图3.2所示。计算结果如下: 根据座板受力情况，依M点取距，有 f„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.3 N,N',，PDYDYc N,N',N，N CYCYADY s,c,f,b，cos,f1(，)，P =„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.4 cs 依C点取距可求出: N，cos,(a，b),P，(N，sin,,N，cos,) A1DX1DY2 ,,,f，cos(s,c,f,b，cos)，(a，b)，cos111N,(，)，P„„„„„„„3.5 DX,,c，sins，a，sin11由图3.2可知: N,N',N',N,N,N'„„„„„„„„„„„„„„„„„3.6 DXDXMXMXCXCX若C点取距可有: f，cN,N',，P„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.7 MYMYc 各结点受力的方向如图3.2所示。 14 基于Pro/E的电脑椅设计 (a) (b) 15 基于Pro/E的电脑椅设计 (c) (d) 图3.2 16 基于Pro/E的电脑椅设计 3.2电脑椅强度条件的建立 前、后腿和座板的强度条件 前、后腿和座板是铰链，简化后均可看作是简支梁AC、DG和BC，三杆所受法向力 及弯距如图3.3所示。后腿AC的危险点为D，将各支点的力都分解成垂直于杆件的弯曲 力和沿着杆件作用的轴向力，A点的杆件垂直力: R,N，cos,„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.8 AA1 M,R，AD,b，N，cos,„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.9 maxAA1 Mb，N，cos,maxA1,,„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.10 ,WWWZZ 式中:为D点后腿抗弯截面模量。 由后腿受力分析可知， AD段受轴向力作用: P,N，sin,„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.11 YA1 PY,,„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.12 YA ,,,，, WY总 ,,b，N，cosN，sinA1A1,,，,, =„„„„„„„„„„„„„„„„3.13 WAZ 式中: A—结点D处后腿截面面积; ,,, —后腿材料的许用应力 对于座板DG的危险点在M处。 ''R,N DDY R,N MMY 17 基于Pro/E的电脑椅设计 f'„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.14 M,N，c,，P，c,f，PDYmaxc MP，fmax,,,„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.15 WWWZZ NMX,„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.16 ,LA NP，fMX,,,,,，,,，,,„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.17 WL总WAZ 式中:A—座板M处的截面积; W—座板M处的抗弯截面模量; Z ,, ,—座板材料的许用应力; 由于前腿BC的危险点在M处(如图3.3所示)，前腿在结点C处垂直与前腿的分 力为: '''R,N，sin,，N，cos,„„„„„„„„„„„„„„„„„3.18 eCX2CY2 'M,R，e emax ''(N，sin,，N，cos,)，e =„„„„„„„„„„„„„„„„3.19 CX2CY2 Mmax,, WWZ ''(N，sin，Ncos)，e,,CXCY22=„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.20 WZ R作用在前腿C点的力，又沿着杆件的轴向力。由图3.3可知在MC上轴向力为: L ''P,N，sin,,N，cos,„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.21 LCY2CX2 ,,,，, WL总 '''',,,,N，，N，，eN，,N，(sincos)sincosCX2CY2CY2CX2 =„„„3.22 ,,，,,WAZ 18 基于Pro/E的电脑椅设计 式中:A—前腿在M处的截面积; —前腿在M结点处的抗弯截面模量; WZ ,,—前腿材料的许用应力; , 在静载荷作用下座板的变形为: 2f，(c，f)Y,，P„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3.23 jj3EI 式中:E—座板材料的弹性模量; I—座板惯性距。 K当座板受动载荷作用时，以往使用动载荷系数相乘，来求得各自应力及变形量，d 最后进行比较。 ? 19 基于Pro/E的电脑椅设计 ? ? 图3.3 20 基于Pro/E的电脑椅设计 3.3电脑椅的计算 已知电脑椅设计的数据: a=e=500mm; b=d=150mm; f=50mm; c=200mm;s=600mm; ,,,,,66.41P=1960N ; 12 根据3.1至3.23的公式，不难求出电脑椅的各组数据。 前腿与后腿的受力公式如下: scfbP(,,,，cos,)，1N=490N ,As s，c，f，b，cos,1N,，P=1470N Bs 其中前、后腿为空心圆柱,可得前、后腿的抗弯截面模量计算公式: 3,d4W,W,(1,,) ZY32 d0其中,, d d和分别为外径和内径 d0 根据座板受力情况，依M点取距，有 fN,N',，P=490N DYDYc N,N',N，N CYCYADY s,c,f,b，cos,f1(，)，P ==980N cs 其中座板为实心长方体,可得其抗弯截面模量公式: 22bhhbW,W,; ZY66 21 基于Pro/E的电脑椅设计 依C点取距可求出 ,,,f，cos(s,c,f,b，cos)，(a，b)，cos111N,(，)，P=1140.6N DX,,c，sins，a，sin11N,N',N',N,N,N'=1140.6N DXDXMXMXCXCX f，c=2450N N,N',，PMYMYc A点的杆件垂直力: R,N，cos,=196N AA1 M,R，AD,b，N，cos,=98000N?mm maxAA1 Mb，N，cos,maxA1,,=164.3MPa ,WWWZZ 后腿AD段受轴向力作用: P,N，sin,=449N YA1 PY,,=0.7MPa YA ,,,，,=165MPa WY总 ''R,N=490N DDY R,N=2450N MMY f'=98000N?mm M,N，c,，P，c,f，PDYmaxc MP，fmax,,,=0.61MPa WWWZZ NMX,,=0.11MPa LA NP，fMX,,,，,,，=0.72MPa WL总WAZ 由于前腿BC的危险点在M处，前腿在结点C处垂直与前腿的分力为: '''R,N，sin,，N，cos,1436.827N eCX2CY2 Mmax,,=361.3N?mm WWZ 22 基于Pro/E的电脑椅设计 在MC上轴向力为 ''P,N，sin,,N，cos,=441.94N LCY2CX2 ,,,，,=362MPa WL总 3.4设计总结 其中前腿与后腿都为空心圆柱材料,根据上述数据的前腿与后腿的许用应力在100 至400之间,查表可得前腿与后腿的材料可为合金钢。 23 基于Pro/E的电脑椅设计 4 基于Pro/E电脑椅的实体设计 4.1Pro/E的介绍 Pro/E(Pro/Engineer操作软件)是美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation，简称PTC)的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。 Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决牲的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。 Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。 目前Pro/E最高版本为2009年6月发布的Pro/ENGINEER Wildfire 5.0(野火4.0)。 4.1.1参数化设计和特征功能 Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 4.1.2 单一数据库 Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC(数控)工具路径也会自动更新;组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与 24 基于Pro/E的电脑椅设计 工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。 Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图(三维造型还可移动，放大或缩小和旋转)。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括:筋(Ribs)、槽(Slots)、倒角(Chamfers)和抽空(Shells)等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS标准)，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL)和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer功能如下: 1( 特征驱动(例如:凸台、槽、倒角、腔、壳等); 2( 参数化(参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等); 3( 通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间(如表面积等)的关系来进行设计。 4( 支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件，交替排列，Pro,PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等)。 5( 贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动)。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro,ENGINEER的基本功能。 4.2 各构件的基于Pro/E的实体设计 4.2.1电脑椅上部 图4.1为座椅上部与扶手的连接图,其连接方式为螺母连接。 25 基于Pro/E的电脑椅设计 图4.1 4.2.2电脑椅中部 图4.2为座椅上部与支撑杆的连接图,其连接方式为焊接。 图4.2 26 基于Pro/E的电脑椅设计 4.2.3电脑椅下部 图4.3为座椅支撑杆与滚珠夹盘的连接图,其连接方式为销连接。 图4.3 图4.4为滚珠夹盘与滚珠的连接图,其连接方式为嵌入。 图4.4 27 基于Pro/E的电脑椅设计 4.3电脑椅的装配 图4.5-4.6为电脑椅的实体装配图。 图4.5 图4.6 28 基于Pro/E的电脑椅设计 图4.7-4.8为电脑椅的着色实体装配图。 图4.7 图4.8 29 基于Pro/E的电脑椅设计 总结 经过了三个月的学习和工作，我终于完成了基于Pro/E电脑椅的设计。从开始接到论文题目到设计方案的确定，再到论文文章的完成，每走一步对于我来说都是新的尝试和挑战。这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受。通过这次设计我开始独立的学习和探索，查看相关的资料和书籍，让自己头脑模糊的大概到逐渐清晰，使自己的设计逐步完善起来，每一次改进都使我受益颇丰。从中我也了解到Pro/E的重要性。 虽然我的设计不是很成熟，还有很多不足之处，但是我付出了自己的劳动，这是我引以自豪的地方，我相信只有经历过的人才会明白其中的酸甜苦辣。 这次做设计的经历也使我终身受益，我感受到做设计是要真正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程。没有学习就不可能有研究的能力，对自己的研究就不会有所突破，那也就不叫设计，希望这次经历能让我在以后的工作学习中激励我继续进步。 30 基于Pro/E的电脑椅设计 致 谢 在毕业设计期间，无论是确定工作方案、收集资料还是撰写论文，我都得到了向老师的全力帮助和耐心指导。向老师学识渊博、治学严谨、平易近人，是我们学习和生活的榜样，在此我特向向老师表示最崇高的敬意和由衷的感谢。 大学几年的生活转眼就要结束了，这几年是我人生中最重要的学习时间。在大学的校园里，我不仅学到了丰富的专业知识，也学到了终身受用的学习知识和积极的生活态度，通过对课程的学习和与相关专业老师的沟通，使我深感机会难得，获益非浅。母校严谨的学风和老师的广博丰富的知识令我敬佩。各位老师的悉心授课使我对机械专业有了更多、更丰富的认识，为今后的学习和工作打下了坚实的基础。 此时此刻，我要感谢自动化系的全体老师几年来对我的指导和帮助，他们广博精湛的学识，严谨的治学态度使我得到的不仅是知识，还有他们对知识孜孜不倦的追求精神及做人的品质，这将使我终身受益，尤其是对向老师表示由衷的感谢。向老师在百忙之中对我的设计给予了细心和耐心的指导，他在学术上精益求精、一丝不苟的精神和工作上严谨求实的作风，以及忘我的学习态度给我留下了深刻的印象。 另外在设计过程中还得到了设计小组成员的大力帮助，在此表示感谢，我将在以后的工作中不断努力学习，在不久的将来成为一名优秀的技术人才。 最后再次感谢母校和各位老师对我三年的培养和帮助。 31 基于Pro/E的电脑椅设计 参考文献 [1]申永胜.机械原理教程.北京:清华大学出版社，2005 [2]张策.机械原理与机械设计.北京:机械工业出版社，2004 [3]华大年，华继宏，吕静平.连杆结构设计.上海:上海科技出版社，1995 [4]曾宗福.机械基础.北京:化学工业出版社，2002 [5]吴克坚，于晓红，钱瑞明.机械设计.北京:高等教育出版社，2003 [6]许德珠，朱起凡，吕烨.机械工程材料.北京:高等教育出版社，2001 [7]单辉祖.材料力学教程.北京:国防工业出版社，1982 [8]张鄂.现代设计理论与方法.北京:科学出版社，2007 [9]戚昌滋.机械现代化设计方法学.北京:中国建筑工业出版社，1987 [10]王令其,张思第.数控加工技术.北京:机械工业出版社，2007 [11]韩鸿鸾，刘德成.数控加工工艺.北京:中国电力出版社，2008 [12]徐正坦:《关于价值工程的机械评价与配套方案研究》.2006 [13] 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