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1、电动式无针美容注射器摘要无针注射器是一种通过压力注射的设备，是一种全新的注射方式，与传统的注射器相比较，它没有针头，是通过高压使药液以极高的速度从一个微小的孔中喷射出来，直接穿透皮肤给药。利用此技术，可以不使用传统注射器针头，进行针对皮内、皮下等部位的给药，而且具有无针、无痛、无交叉感染、便捷、高效、微量、安全的特点。此次设计的电动式无针注射器是由直流电机提供能量，依靠齿轮来传递动力，通过压缩弹簧将弹性势能转化为喷射药液的动能使药液直接穿透皮肤给药的一种产品。本论文首先从注射器的功能结构开始设计，分析并比较了三种注射器的方案设计；通过分析电动式无针注射器的工作过程，最终确定注射器的系统原理方案
2、；产品中传动机构的设计是依靠齿轮来传递动力，我采用弹簧作为主要的动力源，通过压缩弹簧来提供能量使药液激发出去，并且对齿轮进行了设计计算以及对注射力、速度进行了校核；电路设计中本产品采用了直流微型电机，通过计算选择合适转速及功率的电机型号；最后，进行了模拟皮肤注射实验。通过实验结果分析，本产品各方面都满足课题要求，达到了设计初的目的。 关键词 无针注射器；系统设计；传动机构；实验全套图纸，加153893706The dynamoelectric type of needle-free injection systemAbstract Needle-free injection system is
3、 a kind of equipments which inject through a pressure, is all new one kind to inject a way, compare with inject of tradition machine, it have no needle, is through a high pressure to make medicine liquid with very Gao of the speed is from minuteness of the bore jet come out, direct wear a skin deepl
4、y to the medicine.Make use of this technique, can not usage tradition inject machine needle, carry on aim at inside skin, the skin inferior part of to the medicine, have have no needle, have no pain, have never cross infection, convenience, efficiently, little, safety of characteristics.I design ele
5、ctrical syringe needle-free by the DC motor to provide energy and rely on gear to transfer power through the compression spring will be converted into elastic potential energy of the moving liquid spray liquid can penetrate the skin directly as a drug delivery products. In this paper, first of all,
6、the function of the structure from the beginning of the syringe design, analysis and comparison of three programs designed syringe; through the analysis of electrical syringe needle-free process, and ultimately the system to determine the principle of a syringe programs; products in the design of tr
7、ansmission is to rely on gear to transfer power, I used the spring as the main power source, through the compression spring to provide the excitation energy to make liquid out, and gear for the design and calculation as well as the injection power, speed check; circuit design used in this product DC
8、 micro-motor, by calculating the speed and power choose a suitable model of the motor; Finally, the simulation of the skin test injection.The experimental results through the analysis of all aspects of this product to meet the task requirements to achieve the purpose of the beginning of the design.K
9、eywords Needle-free injection system; System Design; Transmission;Experiment目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 无针注射器简介11.1.1 无针注射的概念11.1.2 无针注射的原理11.1.3 无针注射的分类21.2 课题研究的目的及意义21.3 国内外无针注射技术的发展现状31.3.1 国外发展现状31.3.2 国内发展现状41.4 本文的主要研究工作5第2章 无针注射器产品设计62.1 无针注射器的概念设计62.1.1 概念设计的一般过程62.1.2 无针注射器功能结构设计62.2 系统方案构思及
10、比较72.2.1 方案1分析设计82.2.2 方案2分析设计82.2.3 方案3分析设计92.2.4 电动式无针美容注射器动作分析102.3 系统方案设计112.3.1 结构设计112.3.2 调节结构设计122.3.3 活塞设计132.3.4 弹簧设计142.3.5 传动机构设计142.3.6 校核力是否合格172.3.7 齿轮校核182.3.8 计算喷射时的速度192.3.9 电路部分设计192.4 三维造型设计192.4.1 Pro/E简介192.4.2 创建产品三维实体造型202.5 本章小结21第3 章 总结与展望223.1 存在问题及可能的解决途径223.2 总结223.3 展望2
11、3致谢24参考文献25附录 英文翻译27千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 无针注射器简介无针注射器是一种通过压力注射的设备，它的原理是通过高压使液体药品通过一个极细的孔后，产生一个液体柱，穿透皮肤喷射到皮下。它的优点是消除了被注射者对针头的恐惧，消除了疼痛，同时也避免了交叉感染的产生，大量应用于胰岛素，疫苗等小量液体药品的注射。无针注射技术在欧美国家百年前就已诞生，但没有被大量应用，主要原因是由于技术原因所设计的设备庞大，操作复杂。现今市场上也有一些无针注射器产
12、品，但大多采用的是手动机械储能方式，操作不方便，并且入药后注射剂量不可调，不能连续注射。本课题中将改变原有无针注射器的蓄能方法，实现自动蓄能的目的，设计能够调整注射剂量与注射强度的便携式自动无针注射器。1.1.1 无针注射的概念从广义上讲，所谓无针注射是指以物理学、物理化学、分析化学、药剂学、药理学、药物代谢动力学、生物药剂学等学科理论为基础，综合运用计算机设计、数控机电加工技术、物理化工技术和药剂成型技术，设计研制无针头射流喷射给药新器械，利用此项新技术，针对皮内、皮下、黏膜或创口部位给药，形成不使用传统注射器针头的新型给药方法。无针注射器具有无针、无痛、无交叉感染、使用方便等优点，医护人员
13、或自我给药病人都能很方便地学会使用，尤其适用于有恐针病人和小儿患者，可显著提高患者的顺应性。从狭义上讲，无针注射给药系统的标志性特征是通过强力弹簧或高压气体的能量转化，加速液态药物形成射流喷射或加速粉末状固态药物形成粉末喷射，经过具有特殊形状的喷管，药物被喷射到皮内、皮下或黏膜部位，发挥药效。1.1.2 无针注射的原理无针注射与传统的注射方式的区别在于，它不需要针头，而是使用一个可以产生高压的动力源，使药液(或粉末状药物微粒)以极高的速度从一个微小的孔中喷射出来，其流速和压力足以刺破人体皮肤，在人体皮肤上制造一个微小创口，并将药液注射进皮下、肌肉或黏膜组织。通常它包含两个步骤：第一步，高速液流
14、首先在表面形成一个小孔，穿透表皮、脂肪及肌肉组织，表皮小孔与喷射小孔的宽度相似，但比标准的针头注射在表皮形成的小孔(0.0410.71mm)要小的多，而它们的愈合时间大致相同；第二步，注射的药液以较低的速度通过第一步穿刺形成的小孔扩散到周边组织里。1.1.3 无针注射的分类科学的分类方法不仅反应无针注射给药系统的工作原理，也间接体现其模型药物选择适用范围，无针注射可依据不同方法进行分类。按给药器具的动力源差异分为：机械动力(弹簧动力)无针注射、高压气体动力无针注射和弹药激发无针注射。按药物存在形式，无针注射可分为：传递液态药物的无针注射夜和传递包括微球、微囊和微粒等的粉末型无神注射；以上分类方
15、法从不同侧面反映了无针注射的特征，但针对某一具体药物制剂，其完整性不能得到全面反映。因此，可依照动力源和药物存在形式进行综合分类：机械动力液体无针注射给药系统、高压气体动力液体无针注射给药系统、弹簧压缩粉末无针注射给药系统、高压气体喷射粉末无针注射给药系统。1.2 课题研究的目的及意义本课题研究的目的是设计一种能够调整注射剂量与注射强度的便携式自动无针注射器，用以取代传统的药物注射方式。无痛无针注射器相对于传统的注射方式有着的如下技术优势：1、无针注射器消除注射时造成的疼痛（注射引起疼痛，是每个接受注射治疗的病友都必须面对的问题，也是许多病人为什么拒绝，不配合临床治疗的主要原因。如果在某次注射
16、时，疼痛异常明显，常常是因为进针部位碰到了某根皮下神经，此时如疼痛尚能忍受，可迅速注射完毕拔针。如果疼痛无法忍受，可更换注射部位再注射。而采用无针注射再也不会出现疼痛的情况）；2、无针注射器避免有针注射带来的泄漏现象出现（高压无针注射器高压作用，使注射更加迅速、准确）；3、无针注射器克服脂肪垫、脂肪萎缩等脂肪情况出现（喷雾状注射，扩散吸收，吸收曲线更接近于生理分布状态）； 4、无针注射器不会有感染现象（高压无针注射和专业消毒用具更大程度保证无菌操作，避免皮肤感染受损）；5、无针注射器减轻初期使用治疗的患者由于注射而造成的水肿现象（雾化的喷射流入皮肤，作用范围更大，吸收更好更迅速，避免了初期患者
17、由于注射大量而造成的水肿现象出现）；6、无针注射器药物注射剂量精确（0.01ml可调）；7、无针注射器操作简单易学，无需专业的医护技能即可操作；8、无针注射器 消除针头刺破事故的发生； 9、无针注射器可与多种药物和疫苗一起使用。综上所述，本课题的研究有着广泛的意义和实用价值。1.3 国内外无针注射技术的发展现状发达国家对无针注射器的研制非常重视，无针注射技术发展迅速，除了已经被人们所熟知的液体无针注射技术，粉末无针注射也开始发展和应用。与应用于液体无针注射器比起来，粉末无针注射是一种更新的注射平台。第一个施用于液体的无针注射器于20世纪40年代设计，用于大规模疫苗接种，液体无针注射器从那里便开
18、展起来。而第一个粉末无针注射的专利在1993年发表，第一次临床试验则在1997年。近年来，随着我国生物工程技术的日益成熟和广泛应用，大量的生物技术药物问世 ，为开辟更简便的蛋白/多肽类药物和基因药物的给药途径，研制出了无针注射给药系统。胰岛素是蛋白/多肽类药物中的典型代表，有多种新型给药系统用于开发胰岛素新制剂，与使用有针头注射器的传统注射剂相比，无针注射给药系统更适合于有恐针感的病人、儿童患者，并且消除了交叉感染的风险1。1.3.1 国外发展现状经过七十多年的研究积淀，国外对无针注射的研究已经进入市场开发阶段，目前，英国、美国在该领域处于领先地位。目前，Medi-Ject公司主要从事机械动力
19、无针注射给药系统的研究，已开发了系列产品。与其他无针注射技术相比，机械动力无针注射给药系统科技含量较低，提高药液传递效率必须使用高强度弹簧，其优势在于较容易进行器械加工，使用时不产生噪音。Weston医药公司和Bioject公司分别开发了系列高压气体动力无针注射液产品，应用于递送罗氏公司的干扰素和抗菌素、Medeva公司的流感疫苗、Fragmin公司的小分子量肝素、其他的还有乙型肝炎疫苗、胰岛素、吗啡、利多卡因、红细胞生成素、生长激素等药物。Weston医药公司开发的产品主要以高压氮气为动力源，Bioject公司开发的产品以高压二氧化碳为动力源。英国PowderJect制药公司开发的经皮粉末喷
20、射剂（Intradermal PowerJect）和口腔黏膜粉末喷射剂（Oral PowerJect）是此类无针注射剂的代表，产品已经推向市场，在英国、法国、比利时等国可买到。PowderJect公司于Kymed公司合作开发了可重复使用的多剂量无针注射器，与Chioscience公司合作开发了利多卡因粉末无针注射剂，与葛兰素-威尔康公司合作开发了乙型肝炎基因疫苗粉末无针注射剂，其他研发项目还有：胰岛素、降钙素、生长激素、前列地尔以及眼用粉末喷射剂等。还有美国的R.P Scherer公司研制的局麻药、麻风病治疗药、青霉素、链霉素、肘关节病治疗药等粉末无针注射剂，以及日本的Nidec Tosok公
21、司开发的与Ped-O-Jet,Med-E-Jet,Hyjettor,Hypospray等无针注射剂研究等。以下是国外正在研发的系列无针注射产品13如表1-1： 表1-1 无针注射器产品产品名适应症进展利多卡因(经皮给药)局部麻醉III期临床利多卡因(口腔黏膜给药)牙科局部麻醉II期临床前列地尔勃起功能障碍II期临床GM-CSF黑色素瘤II期临床流感疫苗预防流感I期临床HIV疫苗艾滋病预防I期临床非小细胞肺癌疫苗肺癌I期临床单纯疱疹病毒疫苗生殖器疱疹I期临床降钙素骨质酥松症I期临床胰岛素糖尿病临床前乙型肝炎疫苗感言预防临床前人乳头状瘤病毒疫苗生殖器疣临床前抗过敏药过敏症临床前PJ0503骨质酥松
22、症临床前PJ2204急性偏头痛临床前PJ2305血液疾病临床前PJ1506生长缺陷临床前 1.3.2 国内发展现状目前，我国在无针注射器研制上仍然处于起步阶段，已有国产化SSP型无针注射器，SSP型无针注射器是我国自主研制的试验用无针注射器。此外，浙江省医疗器械研究所与浙江大学也在联合研究无针注射器产品，并且再进一步做临床分析。随着科技进步的步伐，无针注射剂存在的问题将逐步得到解决，加快发展。在不久的将来，各种无针注射剂产品必然受到广大消费者的普遍认可。无针注射药物品种将会有更大的选择空间，蛋白质组学研究的推进将发掘更多适于无针注射给药的蛋白-多肽类药物，国外在无针注射领域已很成熟，我国也在不
23、断的研究，在不久的将来，我国也会在这一领域有所发展和创新。1.4 本文的主要研究工作1、阐述无针注射器的研究目的及意义，以及国内外发展状况；2、在深入分析产品需求的基础上，提出无针注射器研制的要求，并结合机械产品概念设计的理论和方法，完成无针注射器的概念设计；之后在详细设计的步骤中主要完成选择方案的设计；3、考虑无针注射器创新传动机构设计以及送药的行程控制；4、实现无针注射器送药的速度控制，并且改变传统无针注射器的注射剂量，可以控制器注射剂量的大小；5、改变传统无针注射器的蓄能方法，实现自动蓄能控制。第2章 无针注射器产品设计2.1 无针注射器的概念设计对于概念设计的认识和理解还在不断的深化。
24、不管哪种类型工程设计，它的前期工作均可统称为概念设计。Pahl,Beitz在工程设计学一书中将概念设计定义为：在明确设计要求，通过抽象化明确总功能，进而列出功能结构，最后能实现的作用原理及其组合，这一部分设计工作叫做概念设计。2.1.1 概念设计的一般过程概念设计一般过程，主要包括明确设计要求、建立功能结构、原理方案设计、原理解的组合及组合解的优选等步骤，如图2-1所示： 图2-1 概念设计的一般过程2.1.2 无针注射器功能结构设计机械产品的功能是指机械产品的用途或所具有的特定工作能力。机械系统与其它系统一样都存在着能量流、物质流和信息流的传递和变换。因此机械产品的功能具体来说，是实现能量、
25、物料、信号的传递与变换；从本质上说，是实现作用对象(物料、能量和信息)的特征变化。通过对无针注射器的抽象化描述之后，可以把总功能描述为无针条件下进行喷射注射，它的黑箱示意图如图2-2所示。它是以物料的转换为主的机械系统，也即物料流是主流，输入物料是药物和人体的某部位，输出物料流是已完成注射的人体某部位。 图2-2 无针注射器黑箱示意图由无针注射器的喷射流程分析可得，无针注射器由储药、加载、触发、喷射、注射几个步骤组成，其流程图如2-3所示： 图2-3 无针注射器动作流程图2.2 系统方案构思及比较设计合理的机构，实现无针注射器的研发研究与开发，通过高压液流使药剂穿透皮肤给药，形成不使用传统注射
26、器针头的新剂型，不但为使用者提供了方便，而且抑制了伤口感染的可能。无针注射系统的目的功能分解为动力、喷射两大功能，每一个复杂的动作分解结果并不是唯一的，有多种方案可供选择，不同的工艺动作分解方案在性能和价格方面有很大的差异需要进行评价和决策以确定分解方案。此时，需要考虑到方案的功效实用性、技术经济性以及结构工艺性等方面的要求，实现无针注射，有三种较为合理的分解方案：1、 机械动力无针注射，动力源采用机械能；2、 高压气体动力无针注射，动力源为空气动力；3、 电磁铁动力无针注射，动力源为电磁能。2.2.1 方案1分析设计工作原理：采用弹簧为动力源，将压缩弹簧的势能转化为喷射药液的动能。工作过程：
27、(1)手动压缩弹簧；(2)安装装有药液的安瓿； (3)注射:被压缩的弹簧被释放后，压迫连接杆向前推进，推动装有药液的安瓿底部的活塞使药液由安瓿前面的小孔喷出,药液释放到体内，达到注射目的。能量源形式:这里是由直流微型电机来提供的，其体积较小，会使整体结 构较为轻便，易于操作。 原理如图2-4所示：图2-4 机械动力注射器原理图采用机械动力源，优点如下：a) 较容易进行机械加工，制造成本较低；b) 安全性、可靠性较高，产品精度较高；c) 机构体积较小，易于操作。从其工作原理及过程来看，存在如下缺点：a) 操作繁琐，不能自动注射；b) 吸入药液后，不能调节注射剂量；c) 不能连续注射；d) 会产生
28、噪音，但不是很大。2.2.2 方案2分析设计工作原理：采用高压气体为动力源，将压缩弹簧的势能转化为喷射药液的动能，药液被注射到皮下或肌肉内发挥药效。工作过程：运用气压推动弹簧压缩，给定一定的大气压，弹簧就储存相应的势能，从而实现调速功能，接下来注射过程和方案一过程相同。能量源形式：采用气泵作为能量源。采用高压气体动力源，优点如下：a) 递送系统功能稳定好；b) 安全性、可靠性较高，产品精度较高。从其工作原理及过程来看，存在如下缺点：a) 对装置的安全性要求高，密封性要求严格，较难加工，所以制造成本较高；b) 操作繁琐，不能自动注射；c) 由于采用气泵提供能量，其体积较大，操作不方便。d) 吸入
29、药液后，不能调节注射剂量，不能连续注射；e) 产生噪音大；2.2.3 方案3分析设计工作原理：采用电磁铁为动力源，压缩弹簧的势能转化为喷射药液的动能。工作过程：(1)电磁铁压缩弹簧；(2)安装装有药液的安瓿； (3)注射:被压缩的弹簧被释放后，使撞击轴推打击锤，然后压迫连接杆向前推进，推动装有药液的安瓿底部的活塞使药液由安瓿前面的小孔喷出,药液释放到体内，达到注射目的。电路设计：电磁式无针注射器的电路设计采用整流桥连接电路，主要是把电磁线圈的电流转化为能量。原理如图2-5所示： 图2-5 电磁式无针注射器原理图此机构的优点如下：a) 操作简便，机构较为简单，易于加工；b) 安全性、稳定性较好；
30、c) 噪音相对较小。从其工作原理及过程来看，存在如下缺点：a) 电路连接较为复杂，需要电工元件较多b) 操作繁琐，不能自动注射；c) 吸入药液后，不能调节注射剂量；d) 不能连续注射；通过对三种方案的分析和优缺点的比较，我们从制造成本、可靠性、制造难易程度等方面综合评估后，我们选定方案1，即电动式无针注射器，我们这里采用直流微型电机，它较电磁式注射器稳定性要好，结构又较气动式注射器简单并且体积较小，便于携带，所选机构较为简单，这样可以减少制造和装配难度、降低制造成本，使之可以更广泛地适用于普通人群，满足了设计要求。2.2.4 电动式无针美容注射器动作分析电动无针美容注射器的工作过程可以分为两个
31、过程：压缩弹簧蓄能过程和释放弹性势能注射过程。每个过程可以通过一种装置来实现，如图2-6所示： 图2-6 电动式无针注射器工作原理图其工作原理为：采用弹簧为动力源，将压缩弹簧的势能转化为喷射药液的动能，药液被注射到皮下或肌肉内发挥药效。其机械原理为：打开开关，电机自动蓄能，由齿轮和齿条传动动力，来压缩弹簧，被压缩的弹簧被激发后，压迫活塞向其推进，撞击撞针，撞针推动装有药液的安瓿瓶底部的活塞使药液由安瓿前面的小孔喷出，药液释放到体内，达到无针注射的目的。电动式无针注射器与传统的注射器相比，皮肤对药物吸收性较好，注射到体内后药物分布较均匀，所以吸收药液能力较好，对比如图2-7所示：图2-7 无针注
32、射与传统注射方式对比图但是此种机构的最大问题是要想提高药液传低效率必须使用高强度弹簧，并且不可以调节注射速度，这样不适合所有的人群使用。2.3 系统方案设计机械产品概念设计最终要实现机械运动方案设计，也就是执行机构系统方案设计。执行机构设计的构思与设计是概念设计中非常重要的部分，主要是动力系统、传动及执行系统和控制系统，其中传动及执行机构系统是执行机构设计的核心。本次设计的电动式无针美容注射器，机构设计方案是电机把能量传递给齿轮，靠齿轮传递能量给弹簧，弹簧作为主要的动力源，使压缩弹簧的弹性势能转化为使药液喷出的动能。所以，在设计传动机构时，不仅要对弹簧进行设计还要进行齿轮设计，压缩弹簧的力在下
33、一章的实验中介绍过，可以求出，我们这里来验证，齿轮的能量传到弹簧时的力是否满足要求。此外，我们还会验证喷射速度是否能足够喷射到皮肤中。2.3.1 结构设计容纳所有机械零件的箱体结构，在注射过程中，其振动幅度较小，所以采用尼龙6来加工壳体。由于尼龙的重量较轻，弹性较好且有较好的消振和消声性，也可以使整体结构更加轻便。箱体内有一些沟槽是来固定内部的零件，箱体两片有螺丝钉来固定，我设计的波箱壁厚大约为5mm。 轴承座是波箱里面用来固定齿轮轴的零件，这里共有6个轴承座，因为箱体里只有3组齿轮。由于注射器中轴的尺寸较小，轴的转速不是很高我们这里采用滑移轴承座，材料为聚丙烯(PP)，它刚性好、耐磨性强、耐
34、腐蚀性好，而且运行起来比较安静，这是由于摩擦力比较小，所以比一般的结构钢的轴承座安静许多，此外，较金属的轴承座其造价较低，其结构如图2-8所示： 图2-8 轴承座结构图此外，我们采用安瓿瓶装药液，它最多能装0.3ml液体，而且要保证其密封性要好，三维造型结构如下图2-9所示： 图2-9 安瓿瓶三维造型2.3.2 调节结构设计调节结构的设计主要目的是为了调节注射剂量，由于设计的无针注射器每次注射后，不能自动给药，所以需要通过此机构来调节，整个机构是由五个零件装配而成的，调节杆和调节环内部都有梯形螺纹。调节机构的材料是45号钢，经过调质处理，表面较为光滑，其三维造型结构如图2-10所示： 图2-1
35、0 调节机构三维造型图2.3.3 活塞设计活塞的动力来自半齿轮，是有半齿轮来带动活塞内的齿条，然后活塞向后退，压缩弹簧，当半齿轮的最后一个齿脱离活塞上齿条上的齿的时候，活塞就会因为弹簧的压力向前冲，压缩汽缸中的空气击打击锤，最后通过连接杆是要也喷射出去。活塞中镶有齿条的结构。总之，活塞在整个传动机构中起着必不可少的作用,这里它的材料选用HT20-40。其三维造型如图2-11所示： 图2-11 活塞三维造型图2.3.4 弹簧设计弹簧是在设计最初就确定的机构，它是作为主要的动力源，药液穿透皮肤的速度完全有压缩弹簧的势能来提供，安瓿瓶口的初速度大约有左右，这是长期从事无针注射的研究者们得出的结论，我
36、们这里只是用它来验证，由于初始速度很高，说以要求弹簧的倔强系数很大。一般的弹簧，承受负荷的能力很低，所以我们这里用的弹簧倔强系数很大，经实验其倔强系数：k=2300N/m,后面我们会对其验证是否满足强度要求，其造型如图2-12所示： 图2-12 弹簧三维造型图弹簧中经；弹簧丝直径；弹簧指数,弹簧指数C越大，说明弹簧刚度越大。弹簧材料选择合金弹簧钢丝YB/T 5318-2006,牌号为60Si2MnA，其强度高，弹性较好2.3.5 传动机构设计 齿轮在整个机构中的作用是传递动力。齿论设计这一部分是依据玩具手枪模型设计的，我们在波箱中装三个齿轮来传递动力，当电机上的锥形齿轮深入波箱内工作时侯，与另
37、一个锥形齿轮啮合带动一个大小齿轮传动，大小齿轮再与另一个大小齿轮啮合，然后半齿轮拉动齿条，之后齿条带动弹簧使弹簧受压缩，这个过程就是齿轮传动的整个过程。其结构简图如图2-13示： 图2-13 齿轮传动简图1. 选定齿轮类型、精度等级、材料、齿数及初定齿轮5分度圆直径(1) 类型选择按图2-9所示的传动简图，选用齿轮2、3、4、5、6为直齿圆柱齿轮，其中齿轮6为半齿轮，齿轮6与齿条啮合传动；齿轮0、1为直齿圆锥齿轮，其中齿轮0与电动机相连(2) 精度选择齿轮精度为8级(3) 材料选择 为了使设计的无针注射器使用更加轻便，并且造价低，我们采用塑料齿轮，其塑料品种我们选用ABS,它具有良好的综合性能
38、，即高的冲击韧度和良好的机械强度；优良的耐热性，尺寸稳定，易加工。塑料齿轮较金属齿轮其质轻、噪声低、吸振性好、不腐蚀，耐磨损且传动效率较高，并具有自润滑特性。(4) 初定齿数 半齿轮6的齿数Z6=20；直齿圆柱齿轮齿数Z5=54,Z4=24,Z3=48,Z2=12； 直齿圆锥齿轮的齿数Z1=32,Z0=10(5) 齿轮6分度圆直径 前面已经提到，齿轮传动机构是依据玩具手枪设计改造的，所以初定齿轮6的分度圆直径2. 传动比的计算和分配过程(1) 分配传动比 齿轮6与齿条传动比： 所以(2) 各轴转速=(3) 各轴扭矩3. 确定4、5大小齿轮弯曲疲劳应力(1) 齿轮弯曲疲劳应力(2) 设计系数：假
39、设0.5m1.5时，(3) 温度修正系数(4) 设计寿命(5) 弯曲疲劳应力由式 得： 4. 计算模数(1) 查零件手册：，, , , (2) 载荷修正系数(3) 模数由式得：按系列标准取 5. 计算分度圆直径2.3.6 校核力是否合格由第三章的实验得出弹簧的倔强系数：，压缩弹簧行程压缩弹簧的力因为 所以综上：,所以力足够压缩弹簧，满足要求。2.3.7 齿轮校核(1) 齿轮6圆周力：线速度查机械设计6按表5.7校核速度，因，故合格。(2) 校核齿根接触疲劳强度查机械设计手册7知：，查表4-6知：疲劳极限：由机械设计手册7知： 得：所以，齿轮6满足工作要求。经验证，所有齿轮均满足要求，其计算过程
40、和校核齿轮6相似，在这里详细计算。 2.3.8 计算喷射时的速度无针注射器机构工作过程主要是蓄能过程和压缩弹簧给药过程，药液喷出时的速度可以用能量守恒定律来求解，即压缩弹簧的弹性势能转化为喷射药液的动能。计算过程如下：压缩弹簧所做的功安瓿瓶摩擦力做的功喷射药液的动能注射体积：能量守恒公式：喷射速度：根据有关资料考证，喷射速度在，药液注射到皮肤里吸收性更好，所以设计中的喷射速度满足要求。2.3.9 电路部分设计电动式无针注射器的电路设计较为简单，主要是由电路片把电池和电机部分联系在一起的电气装置。电路片一端连接电池的正负极，另外一端连接电机的正负极，中间的就是启动部分。当扳机扣动时，一块小铜片接
41、触两端，电流接通，启动电机工作。通过前面的计算，我们求出了不完整齿轮的轴向力，通过齿轮传动比，我们可以求得电动机输入轴的扭矩，从而得到了电动机的转速。这里用8节1.5V的干电池作为电源部分，电机选用的是直流微型电机，型号为DC Motor-RS-380SH，电压,电流,功率,转速。2.4 三维造型设计在完成对产品的系统结构设计后，进行了三维造型的设计，在前面的论文中已经简单的描述了各个零件的造型结构。接下来详细的介绍一下三维造型的整个过程以及Pro/E软件的介绍。2.4.1 Pro/E简介1989年，美国PTC公司的一批技术人员研发推出了Pro/E软件的第一个版本，它一经面世，就以它的尺寸驱动
42、、基于特征设计的实体造型软件深受用户欢迎。Pro/E软件很快就被广泛应用于自动化、机械、电子、模具、汽车、航空航天、医疗器械等多个领域。我应用的是Pro/E Wildfire 3.0完成产品的三维造型，它具有易学易用、功能强大、互联互通三大特色，全面提升了设计效率，达到节省时间和成本、大幅度提升产品设计品质的目标，它具有以下方面的特点。(1) 更加友好的用户界面(2) 更加完善的3D绘图(3) 更加丰富的CAD互操作性(4) 更加强大的互联互通功能(5) 更加便捷的操控板(6) 更加快速的草绘工具(7) 更加快速的装配(8) 更加快速的制图(9) 更加快速的CAM总之，Pro/E Wildfi
43、re 3.0全面细致的技术改进更加贴近了用户，这些重要的设计思想也是三维CAD系统的发展方向。 Pro/E的主要功能草绘模块、零件模块、装配模块、曲面模块、工程图模块、在设计产品过程中，前四种模块都应用到了产品造型设计。Pro/E是基于特征的实体模型化系统，对设计对象的形状、结构、装配以及相互关系等进行合理的抽象即可获得各种类型的特征。PTC公司突破了机械CAD/CAE/CAM的传统观念提出了单一数据库、参数化、基于特征、全相关的设计新思想，Pro/E系统正是利用这种独特的建模方式和设计思路开发出来的第三代优秀机械CAD/CAM/CAM产品，因而表现出了于一般CAD软件的优越建模特性，能将设计
44、至生产过程集成到一起，让所有用户同时进行同一产品的设计制造工作，这就是所谓的并行工程。2.4.2 创建产品三维实体造型我设计的产品共有大约30个零件，每个零件图按照严格的设计尺寸通过拉伸、旋转、可变剖面扫描、螺旋扫描等命令完成的，在完成各个零件的绘制后，进入了装配阶段，打开Pro/E界面，单击文件中新建，选择组件，接下来进入装配模块，单击插入，选择元件中的装配，然后选择将要装配的零件。装配过程由左到右装配，由顶到下依次装配，主要通过找各个面的关系，对各零件进行定位，然后单击“放置”菜单，选择合适的约束类型，例如匹配、对齐、插入等约束，在装配过程中，齿轮装配较为复杂，齿与齿之间必须啮合上，这就要
45、求在草绘时，要保证其尺寸的精准性，下图为无针注射器的三维造型，如图2-14所示。图2-14 电动式无针注射器三维造型2.5 本章小结本章完成了对无针注射器的概念设计，并详细介绍了三种不同形式动力源的注射器，分别分析了其工作过程，机器机构的优缺点，并最终确定设计方案。同时，进一步分析了电动式无针注射器的原理及其结构功能设计，从外型结构到重要的零件都进行了较为详细的解释说明，并且着重的对其传动机构进行了设计，并且对其速度和出力进行验证。 第3章 总结与展望3.1 存在问题及可能的解决途径近年来，无针注射技术发展快速，但仍存在一些待解决，但仍存在一些待解决的问题。(1)给药量小是各种无针注射器的普遍问题。无针注射液一般的给药体积在0.11ml，现有的产品中最大注射体积不超过1.5ml，若体积太大，则会引起严重的疼痛。粉末无针注射剂的剂量必须控制在6mg以下，剂量加大时药物递送效率降低，目前看来，它只适用于高活性、低剂量、溶解度大的药物。尤其适用于基因药物、蛋白/多肽类药物、生物工程药物以及符合要求的化学药品。(2)无针注射器加工难度大。无针注射器械喷射孔的直径要控制在76360um之间，加工精度要求高，需要联合精密仪器加工制造企业共同参与，而且，难于进行批量生产。(3)不能实现连续注射，操作较为繁琐，每次注射一次须再调节。(4)无针注射器的动力源弹簧
