一种娱乐健身车的设计 娱乐健身小车的设计计算

毕业设计(论文)（20xx届）娱乐健身小车的设计计算学生姓名 xxx 学 号 000000 院 系 工学院 专 业 指导教师 完成日期 20xx-x 摘要娱乐式健身小车应用广泛。现有的健身器一般都采用，对人体单一部位进行锻炼，而对那些要求全身得到锻炼的适应能力比较差，直接影响了生产企业的经济效益。为此，该课题提出设计一种娱乐式的健身小车，以适应市场需求。本文主要对娱乐式健身小车从，针对现在产品中存在着规模大功能少等缺点，多功能化，为本项目市场化、产业化运营奠定了基础。鉴于本产品的定位，首先是为了健身的目的，再一个是一定要体现出小车的趣味性。所以在设计时，要充分的发挥娱乐的目的。像一般的健身式的小车或者自行车，往往运动量较大，同时整个锻炼的过程枯燥乏味。这样就很难引起人们的兴趣，再一个在市场的定位上，主要是针对都市的白领。因为白领们的工作压力较大，并且他们一般没有大量的时间去参加一些锻炼性的活动。普通的健身方式也很难引起他们的兴趣，这样一种集娱乐和锻炼于一体的健身器材可定会在市场上有不错的反响的。文章的开始总结归纳了现有的一些小车的特点，并且阐述了国内外的健身小车的发展状况，对国内这种健身小车的市场的前景进行了分析，得出了本小车在国内还是有非常广阔的市场；在文章的后面，根据机械原理上的已有的一些机构的运动的原理进行了分析，同时结合本健身小车的实现的功能，得出了小车的主要部分转向系统和前进系统采用的结构形式，转向是采用的齿轮的传动，前进是齿轮齿条的传动，这样同时可以锻炼身体的三个主要部位；对小车的整体进行了受力的分析，并且对小车的关键部件进行了强度和寿命的校核。关键字：娱乐；健身；齿轮传动。AbstractThe bike of entertainment fitness is widely used. Fitness existing devices are generally single function，a single site on the human body to exercise，and for those who require full-body exercise has been relatively poor ability to adapt to a direct impact on the economic benefits of the production enterprises。To this end, the design of the subject of a multi-purpose family fitness, and to adapt to market demand。This paper focuses on the entertainment training equipment from the actual work needs to proceed, for now there is less large-scale features, aimed at the family-oriented, multi-functional, our project market-oriented, industrial operations laid the foundation,In view of the positioning of this product, the first is for the purpose of fitness, then one must reflect the cars interesting. At design time, to fully play entertainment purposes. Car or bicycle-like general fitness, often large amount of movement, while the entire exercise boring. This makes it difficult to attract interest, and then a positioning in the market, mainly for urban white-collar. Because of the white-collar work pressure, and they generally do not have a lot of time to participate in some exercise activities. The ordinary fitness is difficult to arouse their interest, such a set of fun and exercise in one of the fitness equipment will have a good response in the market.The beginning of the article summarizes some of the existing features of the car, and describes the development of the car at home and abroad fitness, this fitness car market outlook, come to the car at home or have a very broad market; later in the article, according to the principles of the movement of the mechanical principle on some bodies of the analysis, combined to achieve the function of the fitness car come to a main part of a car steering system and forward system using structure, steering gear drive, forward is the rack and pinion drive, can exercise the three main parts of the body; analysis of the force of the car as a whole, and the key components of the car checking of strength and life.Key word: Entertainment; Fitness; Gear drive目录第一章 娱乐健身小车简介11.1 选题背景11.2 国内外的研究现状21.3 课题研究的目的和意义51.4 课题研究的内容5第二章 健身小车结构的可行性设计72.1 设计灵感72.2 健身小车实现的功能设计72.2.1 转向功能实现72.2.2 前进动力的实现82.3 健身小车结构设计92.3.1 健身小车转向系统设计92.3.2 健身小车动力系统设计122.4 本章小结13第三章 关键零部件的强度校核153.1 车轮前轴的校核153.2 轴承的强度校核183.3 齿轮上键的强度的校核193.4 车架焊件的强度的校核193.5 本章小结20第四章 总结和展望22致谢23参考文献24第一章 娱乐健身小车简介1.1 选题背景随着经济的飞速发展，人们生活节奏不断加快，休息时间与工作时间对于大部分的都市白领来说，已经没有了明显的界限，在这样的大背景下，越来越多的人患上了职业病：屏幕脸、胃病、鼠标手电脑椎、沙发臀。在这种亚健康的情况下，身体是非常容易出毛病的，然而像一些普通的运动既枯燥又乏味，很难引起人们的兴趣。如果发明一件运动器材，既简易方便又有趣，那肯定会有不错的效果。由于人们物质生活水平的提高，人们对生活品质的要求也越来越高，精神生活要求不断增加。现有的一些运动已经不能够抓住人们的眼球，并且国家对于现在市场上的一些健身产品的安全性要求更为严格，这样为一些新型安全的健身器材提供了很好的发展空间。健身小车在现有的健身产品中是属于新兴事物，并且提出了新的健身理念，这种健身器材的出现，改变了以往人们健身的的方式，提高了人们生活休闲水平。并且这样的健身器材操作简单易行，很容易引起人们的兴趣，并且能够得到很好的推广。现在的很多趣味健身器材在市场上大都得到了很好的反应，像弹簧跳舞机、腹板机等，得到了市场的肯定。还有一些模拟冲浪的健身车，得到了很多年轻人的喜爱，尤其是在现在社会的高压下，人们更渴望得到身体和心灵上的放松，因此这些带有趣味性的运动就得到了大家的认可。在国内虽然全民健身的理念是比较早的，但是大都关注与一些简单传统的运动，往往这些运动枯燥乏味，在当今这个飞速发展的年代是很难吸引大家，让大家坚持下来的。国内在一些基础健身设施方面，还没能够真正的得到很好的普及，只是在2008年北京奥运会后，开始慢慢变得普及，但是这些健身器材并没能真正发挥他们的功能。可以说在趣味健身这一方面，国内市场还是一个空白，因此在这一方面还是有很大的市场潜力的。但是现在健身器材市场在国内的状况是，国外的一些品牌在瓜分着我们的市场，国内的产品想要发展壮大遇到了重重的阻力。但是随着现在我国体育事业的蓬勃发展，以及国家对国内的体育事业的大力的支持，现在的国内产品遇到了一个发展的机遇。像英派斯、体之杰、舒华、昊康、同欣都是国内近几年发展起来的运动器材体育品牌，质量是企业的生命、服务是企业的灵魂、创新是企业发展之源，国内体育品牌秉承“以优质的产品和服务不断满足顾客需求”的企业精神只要用心做事、用心承诺。坚持不懈、不断超越是全体昊康人的梦想。我们坚信，伴随着“全民健身工程”的深入开展，国内体育品牌一定会走出一条自己民族品牌之路。1.2 国内外的研究现状一个国家的体育事业是否发达状况往往取决于这个国家在体育市场上的消费量。发达国家在体育方面的花费量是十分巨大的，同时他们的体育市场也相对比较火爆。二十世纪末，在英国相对于平民这一块市场的消费量就达到了130亿美元；其次是意大利他们的市场达到了94亿美元；在此时西班牙达到了81亿美元；法国体育消费是最大的占到了市场的49%，达到了462亿法郎。于此同时我国的体育市场就相对小多了，据我国体育总局公示的“中国体育现状调查报告”，我国城镇户口的居民以每个家庭为单位显示，每个家庭在购买健身器材方面的花费约为92元，这个数据表明我国的健身器材市场还是相对较小的。我们以跑步机为例，剖析一下我国在体育市场方面的霞飞水平以及我国的体育市场。美国总共有2.81亿的人口，他们每年大约要卖掉300万台跑步机；韩国棒子大约的人口总数是4600万，每年他们要卖掉100万台跑步机；我国人口数量是13亿，人口最多，但是我国跑步机每年只能够卖掉10万台左右。也就是说只有1%的中国家庭在使用跑步机。虽然近年来，国内在体育器材方面的消费在不断的增加，但是我们与欧美国家的差距还是比较大的，从另一个角度说就是我国的健身器材市场潜力是非常巨大的。国内市面上存在一些小车如下图所示：图1.1 健身小车从国际的大环境来看，国内在体育市场的建设、体育设施的投入、以及体育产业的发展等方面，尤其是在体育行业吸纳高端人才上，与各发达国家还是有很大的差距的。当然这也从另一个方面反映了我国在体育产业这一块还是一张白纸，体育市场还处于起步阶段，虽然近几年有了一定的发展，但是整个发展的过程却是异常的缓慢。如果能够把我国这个体育市场给发展起来，其中的潜力是不言而喻的。国内在健身器材市场方面存在以下几个缺点：整个体育市场还不是很完善尊在许多弊端；平均的需求量不足；市场发展没有能够得到一个很好的发展环境或者政策。本课题的设计不同于以往的简单的结构设计，本次设计的目的首先要实现的是产品的趣味性，就是要能吸引人们的眼球，使人们热爱上这项运动，再一个要实现他的多功能性，就是要人们在做这项运动的时候能够同时实现多方面的锻炼。在二十世纪后期在运动器材方面有了这一概念，运动器材的出现对于人们生活品质的提高，增加人们的生活水平起到了不可磨灭的作用。从运动器材的发展历程上看来，在出现的初期他们的功能都是比较单一的，只能够实现一些简单的锻炼，并且结构也是比较笨重的。随着科技的发展，他的功能越来越强大，同时健身器材的科技含量也是与日俱增。整个机器的结构也更为轻盈，并且安全性也越来越高。科技发展是第一生产力的这一铁讯在健身器材的发展上得到了很好的提现。进入二十一世纪以来，科技发展日新月异，同时科技的进步也带动了健身器材科技含量的提高。首先在新材料、微电子、计算机技术方面有了很好的发展，同时在仿生学方面的发展，许多仿生学技术也用到了健身器材上面。并且现在已经发展到了，针对不同的年龄层或者不同的身体健康层面的人们开发出了具有不同性能的健身器材。随着改革开放的深入发展，我国的市场经济体制已经有了一个深刻的变化。许多行业随着我国加入世贸组织后，进行了一个行业的大洗牌，那么我国的健身器材行业何去何从呢？全国工商联副主席张宏伟最近说，“预计未来5年，在全国副省级以上的城市会有一半的企业被外资兼并”。由于自由市场经济体制，在这种体制内往往是市场决定产品，产品要适应市场，但同时也要面临市场上的激烈的竞争，物竞天择，适者生存，在这里得到了很好的提现。但我们必须明确，中国健身器材行业的命运应该是掌握在自己的手里，我们的企业必须自重、自醒、自立、自强。企业为了自身的生存与发展，必须降低成本，提升效益，增强市场竞争力。这款娱乐健身小车是顺应市场的需求而设计出来的。它集锻炼腰部、腿部、胳膊和颈部的功能于一身。考虑到小车的娱乐性和健身性集一身，因此在设计之初就想到占地面积这一问题。这款集合了多种健身器功能于一身的新型健身器结构紧凑，在户外使用时不会占用很大的空间，同时在平时不用收起来时可以很方便的储藏。国内研究健身器材的初期，是以国外的产品为基础，并且首先是从借鉴模仿开始的。在国外的一些研究资料以及一些研究参数的基础上，建立起了符合国内行情的模型。并且结合一些国内基本要求，进行了自己的创新。虽然国内在在健身器材研究方面起步比欧美等发达国家是比较晚的，但是借助国外研究平台基础上，国内健身器材发展起点还是很高的，尤其是在机器的材料方面，国内已经有很多高校在轻型化材料研究方面有了很大的成果。当前国内的健身器材在市场上已经有了很强的话语权，有了很大的市场占有率，尤其是随着我国近十年的潜心的努力，在技术上也已经和国外的相差不大，并且我们占有价格的优势。现在国家对健身器材安全性能要求越来越高，舒适性要求也越来越严格，同时随着国家政策的支持，也为健身器材的发张提供了很好的外部环境。1.3 课题研究的目的和意义由于我国体育事业的强大，尤其是在08奥运会以后，我国体育事业呈现出了一个蓬勃发展的迹象。现在国内的很多家庭都开始注重生活的品质，很多家境现在已经开始购置一些健身的器材，在家中进行锻炼，已达到强身健体的作用。并且由于人们现在对于产品的质量要求的饿不断提高，尤其是产品的安全性上。所以产品要能够引起人们的注意一定要有自己的特点，在性能上也要有保障。现在有许多的健身俱乐部在市场上也悄然的兴起，这也为健身器材的发展提供了足够的空间。近几年，有许许多多的运动器材充斥在市场上，但是总是没能够得到很好的普及，有的健身器材是有价无市，有的健身器材功能单一，虽价格较低，但一般消费者认为并不划算；另外一些健身器材功能较多，但结构复杂，使用空间大，价格较高，大多数消费者又接受不了。所以真正能进入家庭的产品并不是很多。国内的健身器材是在国外产品测绘的基础上制造出来的，其在外形和血统上与国外的产品近乎一样。作为健身器材核心部件的一些受力元件一般式采购国外的现货，在几年以前，主要的受力关键件都被国外的厂家垄断，但随着国内技术的发展，打破了国外的垄断，并且产品质量也不比国外的差，只是在一些理论基础的研究上还有待提高。由于由于健身器材功能的独特性，很难对他们进行定性的分析。随着计算机技术的发展，我们现在可以应用一些大型的CAE软件，对一些关键的受力部件进行仿真分析。这样不仅可以直观的看到整个运动过程特点，同时还可以获得一些用实验无法获得的数据，为我们的设计研究提供了方便。1.4 课题研究的内容本课题设计的宗旨是，设计一款适合家用的饿集娱乐性和健身性雨一身的多功能小车，以满足人们的健身的需求。本文主要从以下几个方面入手对课题进行研究论证：1：文章的开始总结归纳了现有的一些小车的特点，并且阐述了国内外的健身小车的发展状况，对国内这种健身小车的市场的前景进行了分析，得出了本小车在国内还是有非常广阔的市场；2：在文章的后面，根据机械原理上的已有的一些机构的运动的原理进行了分析，同时结合本健身小车的实现的功能，得出了小车的主要部分转向系统和前进系统采用的结构形式，转向是采用的齿轮的传动，前进是齿轮齿条的传动，这样同时可以锻炼身体的三个主要部位；3：对小车的整体进行了受力的分析，并且对小车的关键部件进行了强度和寿命的校核。第二章 健身小车结构的可行性设计2.1 设计灵感目前自行车骑行运动在人们的生活中流行了起来，同时像一些有趣味性的双人自行车也在人们的生活中得到了越来越多人的喜好。从这一点出发，本文想设计一个集趣味性和实用性一体的自行车。现在市面上也已经存在一些带有趣味性的器材，但是都没得到过很好的普及。首先是操作性上比较复杂，再一个安全性上也存在问题。2.2 健身小车实现的功能设计根据现在社会上存在的一些职业病，像颈椎、腰椎最容易出现问题，所以本产品的设计目的要达到锻炼腰部、颈部、腿和手的目的。像腰部的锻炼一般就是要能够扭动，腿和手臂要能够伸缩，颈部要能够实现摇动。再设计上还要兼顾一个理念，结构尽量简便，质量要轻盈。2.2.1 转向功能实现由于设计的是一个娱乐性的健身小车，那么就要有小车的基本功能，首先小车要有转向的功能，再结合之前分析的腰部靠扭动来实现锻炼，所以设计上想能够靠腰部的扭动来实现小车的转向。图2.1 转向示意图2.2.2 前进动力的实现日常生活中的自行车的动力源自用脚踩踏板，通过链传动实现前进的动力。根据这一理念，我们还是引用这种动力的形式，但是我们想能够同时用脚和手提供动力。这样手脚并用的话，就能够达到同时锻炼手脚，同时手脚并用的形式，在运动的过程中也会带动颈部的运动。这样就可以达到了手、腿、颈部的锻炼，一种结构三种方式。图2.2 前进示意图2.3 健身小车结构设计2.3.1 健身小车转向系统设计首先参考现有的自行车的转向设计如图2.3所示，原理是通过手转动车把实现转向。车把是固定在车架之上的，车把和车架通过关节轴承连接。图2.3 自行车根据之前的设计理念，为了达到锻炼腰部的目的，小车的转向是通过腰部的扭动来实现的。人是坐在座椅之上的，那么要实现转向是通过座椅来带动车轮实现。因此转向机构可以设计为齿轮的传动，座椅下面装一个大齿轮，车轮竖轴上固定一个小齿轮，这样就可以通过转动座椅来实现小车的转向。转向系统的原理图如图2.4所示：图2.4 转向系统原理图通过以上的分析可知，转向系统是通过一对圆柱齿轮传动实现的，由于转型系统要求相对较低，并且转速也不高，因此选用的齿轮的等级为7级精度。小齿轮材料选为40Cr（调质处理），硬度是280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。小齿轮齿数，大齿轮齿数，取。这样就选定了齿轮的类型、精度、材料齿数等。选用载荷系数： （2.1）通过齿轮传递的扭矩： （2.2）选取齿宽系数；弹性影响系数；查的小齿轮的疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。 （2.3） （2.4）再确定齿轮的接触疲劳寿命系数：。取失效概率为1%，安全系数S=1，得 （2.5） （2.6）计算小齿轮的分度圆直径：mm（2.7）齿宽b的确定： （2.8）模数： （2.9）齿高： （2.10）确定载荷系数： （2.11）校正的分度圆直径： （2.12）弯曲强度得： （2.13）齿轮几何尺寸计算（1）计算分度圆直径： （2.14） （2.15）（2）计算中心距： （2.16）（3）计算齿轮宽度： （2.17）取。图2.5 设计的转向系统2.3.2 健身小车动力系统设计在上面转向系统的设计可以很好的锻炼腰部，那在小车的前进系统的设计上，希望能够实现胳膊、腿和颈部的锻炼。腿部的锻炼一般是通过伸缩来实现的，这样在设计理念上，就可以通过腿部的运动来给小车提供动力。腿部的伸缩一般是直线运动，这样可以选用机械上的齿轮齿条传动。前进的动力原理确定后，现在考虑胳膊的锻炼，胳膊也是通过伸缩来实现锻炼的，并且如果单纯的靠腿部的伸缩来实现小车的前进，动力还是有不足的。因此，可以通过胳膊的运动辅助小车的前进，这样可以一条钢丝绳来实现。这样小车的前进系统的原理也就确定了如图2.6所示。图2.6 小车动力系统原理图齿轮齿条的传动，其实和圆柱齿轮传动是一样的，只是其中的一个圆柱齿轮的直径无限大，这样我们的设计和上面转向系统的设计步骤是一样的。首先分析传动部分运动需要的力，腿部的伸缩带动齿条，而后通过齿轮带动小车前轮轴的转动，从而带动小车前进。齿轮齿条的传动设计图如下图所示：图2.7 齿轮齿条传动设计图通过以上的分析设计，那么把小车的传动系统的设计机构如下图所示：图2.8 动力系统设计图2.4 本章小结本章首先是通过已有的自行车的设计出发，通过已有的设计为原型，而后结合自己的设计理念，对健身小车实现的功能进行了设计，对小车主要结构进行了优化。接下来对小车要实现的结构原理图结合已有的一些机械结构的知识，进行了设计，主要是小车的转向系统和小车的前进系统的设计。通过原理的分析，小车转向系统采用的是齿轮传动，并且对齿轮系统进行了设计计算确定了齿轮的模数m、分度圆直径和齿宽B。接着对小车的前进系统进行了设计计算，确定了前进系统的原理结构，采用齿条齿轮的传动，所实现的动作时，用脚推动齿条的运动带动前轴的齿轮运动从而实现小车的前进，但是鉴于前进的动力不足同时也为了起到锻炼胳膊的作用，采用手臂拉动钢丝绳作为辅助的动力，这样一个传动的动作就实现了同时锻炼腿部和胳膊的功能。并且在手臂和腿部结合作业的过程中，还同时起到了锻炼颈部的作用。第三章 关键零部件的强度校核文章的前面确定了小车的机构设计，现在要对小车的主要结构件进行强度校核，首先对校车的整体进行受力的分析，如下图所示：图3.1 整体受力分析小车在竖直方向上的受力是，人的重力G、地面在三个车轮上的支持力F，这三个作用力在竖直方向上平衡的： （3.1）式中，G是人体的重力（N）;是地面对小车后轮的支持力（N）；是地面对小车前面两个轮的支持力（N）。3.1 车轮前轴的校核首先假设一个人的体重有90kg，那么G=900N。则前面两个车轮受力分析图如下图：图3.2 轴的受力简图图3.3 轴的剪力图图3.4 轴的扭矩图首先根据第四强度理论且忽略键槽影响 （3.2）（，） （3.3）所以轴的强度满足。校核轴的疲劳强度抗弯截面系数 （3.4）抗扭截面系数 （3.5）截面A左侧的弯矩M为： （3.6） 截面A上的弯曲应力 （3.7）截面A上的扭转切应力 （3.8）轴的材料为40Cr，调质处理查得材料的敏性系数为 q=0.82, =0.85应力集中系数为k=1+q-1=1.853 （3.9）k=1+q-1=1.510 （3.10）查得表面质量系数 =0.92查得尺寸系数为 =0.73；查得扭转尺寸系数为 =0.80计算得综合系数为K=k+1-1=2.625 （3.11）K=k+1-1=1.974 （3.12）取40Cr的特征系数为=0.10.2，取=0.1 =0.050.1，取=0.05计算安全系数S=-1Ka+m=10.43 （3.13）S=-1Ka+m=8.358 （3.14）Sca=SSS2+S2=10.438.35810.432+8.3582=6.42S=1.5 （3.15）综合以上分析，轴强度合格3.2 轴承的强度校核要据设计的尺寸轴承初选72005 GB/T29294，对于球轴承： （3.16） （3.17）图3.5 轴承受力分析图对于7000C型轴承，按参考文献1 表137计算轴承的派生轴向力： （3.18）e为参考文献1 表135的判断系数。 （3.19） （3.20） （3.21） （3.22）所以轴承1被挤压，轴承2被放松。 （3.23） （3.24） （3.25） （3.26）对轴承10.44 1.12对轴承2 （3.27） （3.28） （3.29）验算轴承寿命：轴承预计寿命 （3.29）轴承寿命符合要求。3.3 齿轮上键的强度的校核 （3.30） （3.31）所以键符合设计的要求3.4 车架焊件的强度的校核健身小车的车架是一个焊件，车架的受力简图如下图所示：图3.6 车架受力简图 （3.32） （3.33）可见 （3.34） （3.35） （3.36）其中:K取为焊脚尺寸, 为闭合圆形焊缝周长，A为焊缝计算面积（3.37）其中为环形焊缝抗弯截面模量，；：即 （3.37）3.5 本章小结本章对设计的健身小车的整体的受力进行了分析，绘制了小车受力简图，并且对小车的主要部件进行了强度和寿命的校核。首先对小车的主轴进行了强度上的校核，经计算得出轴符合设计的要求；对轴承进行了强度上的校核，进过验证得出，多选的轴承满足强度和寿命的要求；并且对齿轮上的键进行了校核；最后对小车的整个小车机架焊件，进行了受力的分析，验证了小车受力寿命符合要求。第四章 总结和展望由于人们物质生活水平的提高，人们对生活品质的要求也越来越高，精神生活要求不断增加。现有的一些运动已经不能够抓住人们的眼球，并且国家对于现在市场上的一些健身产品的安全性要求更为严格，这样为一些新型安全的健身器材提供了很好的发展空间。文章的开始总结归纳了现有的一些小车的特点，并且阐述了国内外的健身小车的发展状况，对国内这种健身小车的市场的前景进行了分析，得出了本小车在国内还是有非常广阔的市场。在文章的后面，根据机械原理上的已有的一些机构的运动的原理进行了分析，同时结合本健身小车的实现的功能，得出了小车的主要部分转向系统和前进系统采用的结构形式，转向是采用的齿轮的传动，前进是齿轮齿条的传动，这样同时可以锻炼身体的三个主要部位。对小车的整体进行了受力的分析，并且对小车的关键部件进行了强度和寿命的校核。本文由于作者精力有限，因此在一些设计上面还是有许多不理想的方面，后续的研究者可以从以下几个方面对娱乐健身小车进行补充性的设计，以便使小车的设计更为完美：1：在结构的设计上，采用的是齿轮式的传动，此种传动的方式虽然简单，但是还是存在一