机械毕业设计（论文）-基于UG的家用多功能电动跑步机设计【全套图纸UG三维】 .pdf

1 华侨大学厦门工学院 毕 业 设 计（论 文） 课题名称：基于 ug 的家用多功能电动跑步机设计 所在学院： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2015 年年 3 月月 2 摘 要 跑步机是家庭日常生活经常用到的器材，它具有结构简单、可靠性高等优点，已广泛用 于各场所和家庭。根据人体工程学而设计的跑步机，符合一般人的健身要求，这样的设计科 学合理。 本题目是休闲娱乐类跑步机, 跑步机为主要设计对象，并驾驶，动力由共同提供，并且 使用寿命长，容易维修，可在路面长时间行驶，安全性能高的跑步机。 跑步机在现今市场上依旧比较少见，其原因主要在于其市面已有结构设计部分不合理， 使用的稳定性不高。至此导致市面上多为跑步机较为少见。此次课题设计，力求设计出优于 市面原有的产品，完善跑步机的缺点，真正意义上的让跑步机推广出来。 关键词：跑步机，跑步机，健身，机械设计 全套图纸，三维，加全套图纸，三维，加 153893706 3 4 abstract the treadmill is family often used in daily life of equipment, it has the advantages of simple structure, high reliability, has been widely used in various places and families. the treadmill is designed according to human body engineering, accords with the general fitness requirements, this design is scientific and reasonable. this topic is entertainment treadmill, running as the main design object, and driving, power is to provide, and long service life, easy to repair, be on the road a long time running, high safety performance. running on a treadmill on the market today is still relatively rare, the main reason is that the market has been part of the structural design is unreasonable, the stability is not high. this leads to the market for the treadmill is rare. this topic design, and strive to design better than the market existing products, improve treadmill shortcomings, the true sense of the extended out to the treadmill. key words:,treadmill, treadmills, fitness, mechanical design 5 目 录 摘 要 2 abstract. 4 目 录 5 第 1 章 绪论 7 1.1 跑步机市场调查 . 7 1.1.1 前言 7 1.1.2 跑步机的发展史 7 1.2 种类分析 . 9 1.3 跑步机的设计分析 . 9 第 2 章 人体工程学与跑步机设计 13 2.1 设计原则 . 13 2.2 人机工程设计设计 . 14 2.3 影响跑步机性能的人体因素 . 15 2.4 跑步机设计结构要素分析 . 17 2.5 人一机动态特性分析 18 第 3 章 总体机械结构设计 19 3.1 跑步机的构成 19 3.2 跑步机方案设计 . 19 3.3 同步带的概述 . 20 3.3.1 同步带介绍 . 20 3.3.2 同步带的特点 . 21 3.3.3 同步带传动的主要失效形式 . 21 3.3.4 同步带传动的设计准则 23 3.3.5 同步带分类 . 23 3.4 同步带传动计算 . 24 3.4.1 同步带计算选型 24 3.4.2 同步带的主要参数（结构部分） 27 6 3.4.3 同步带的设计 29 3.4.4 同步带轮的设计 29 3.5 带传动的张紧装置的选择 . 30 3.6 轴的设计 . 32 3.6.1 带轮上力的计算 . 32 3.6.2 材料 . 32 3.6.3 计算轴的最小直径 . 32 3.6.4 轴的结构设计 . 32 3.7 轴的校核 . 33 3.8 键的校核 . 33 3.9 轴承的校核 . 34 结 论 36 参考文献 38 致 谢 39 7 第 1 章 绪论 1.1 跑步机市场调查 1.1.1 前言 跑步机的设计涉及到功能、造型、材料、结构、技术、艺术等多方面要素，有深厚的理论基础 和广泛的应用实践价值，更是一个国家家具设计水平的最好体现。跑步机不仅仅用于供人休息，除 了提供座位之外，还可以挂放衣物和包之类的东西。跑步机是人类坐姿活动不可缺少的家具，根据 实用性质的不同，跑步机包括多种形态，而且由于材料、结构等的差别，又可以形成许多不同的形 式。 1.1.2 跑步机的发展史 早的古埃及的黄金扶手器材到当前多种多样的坐具， 跑步机经历了一个漫长的发展 历程，从重象征性、装饰性向重实用性、舒适性发展。发展至当代，虽然各种跑步机在 设计风格方面的界限已经不那麽分明，但我们仍可以将其归结为以下几种：即波普及后 现代主义风格；简约设计风格；有机现代主义风格：高技术派设计风格。 跑步机的名称始见于唐代，而跑步机的形象则要上溯到汉魏时传入北方的胡床。敦 煌 285 窟壁画就有两人分坐在跑步机上的图象；257 窟壁画中有坐方凳和交叉腿长凳的 妇女；龙门莲花洞石雕中有坐圆凳妇女。这此图象生动地再现了南北朝时期器材、凳在 仕宦贵族家庭中的使用情况。尽管当时的坐具已具备了跑步机、凳子的形状，但因其时 没有器材、凳的称谓，人们还习惯称之为“胡床” ，在寺庙内，常用于坐禅，故又称禅 床。唐代以后，跑步机的使用逐渐增多， 跑步机设计子的名称也被广泛使用，才从床 的品类中分离出来。因此，论及器材、凳的起源，必须从汉魏时的胡床谈起。高承事 物纪原引风俗通称： “汉灵帝好胡服，景师作胡床，此盖其始也，今交器材是也” 。 后汉书。五行志一 ： “汉灵帝好胡服、胡帐、胡床、胡坐、胡饭，京都贵戚皆竟 为之。 ”这两段记载可证，我国古代跑步机的出现当在汉灵帝时期（168-189 年） 。胡床 在魏晋南北朝至隋唐时期使用较广，有钱、有势人家不仅居室必备，就是出行时还要由 侍从扛着胡床跟随左右以备临时休息之用。胡床在当时家具品类中是等级较高的品种， 通常只有家中男主人或贵客才有资格享用。在方人雅士中还多有褒词及生动描述。如南 朝梁庾肩吾咏胡床诗曰： 传名乃外域，入用信中京。 8 足欹形已正，文斜体自平。 临堂对远客，命旅誓出征。 何如淄馆下，淹流奉盛明。 胡床因其形态特点又有“交床”和“绳床”之称。隋朝称“交床” ，是因为隋高祖意在 忌“胡”字，器物涉“胡”字者，咸令改之。宋。陶清异录云： “胡床施转关以交 足，穿绷带以容坐，转缩须臾，重不数斤。相传明皇行幸频多，从臣扈驾，欲息无以寄 身，遂创意如此，当时称逍遥坐 ” 。胡床开始并无靠背，形如今天所见的马扎儿。唐 代始有靠背。这种逍遥坐很可能就是带靠背的胡床。胡床最早出现于汉代，比唐明皇早 几百年，要说为唐明皇创意显然不妥。所以这里所说的创意，应指增加了靠背。胡床在 唐宋时期盛行，宋代尤甚，不过宋时称胡床者渐少，而称其为交器材的逐渐增多了。 带靠背的胡床始自唐明皇，还可以从唐代济渎庙北海坛祭器杂物铭。碑阴的记载中 得到印证，文中记有： “绳床十，内四跑步机” 。从这段记载可知在唐代贞元元年已有了 跑步机的名称。这里所说的“绳床十，内四跑步机”是指在十件绳床中有四件是可以倚 靠的跑步机， 显然是为了与另外六件无靠背绳床相区别。 可见， 跑步机的名称虽已出现， 在日常生活中可是常见家具，但它还未完全从床概念中分离出来。在唐代的典籍中，把 跑步机称为床的仍很普遍。唐代著名诗人杜甫在少年行。七绝中写道： 马上谁家白面郎，临街下马坐人床。 不通姓名粗豪甚，指点银瓶索酒尝。 五代至宋，高型坐具空前普及，跑步机的形式也多起来，出现靠背器材、扶手器 材、圈器材等。同时根据尊卑等级的不同，跑步机的形制、质料和功能也有所区别。五 代至两宋时期的家具大体保留着唐代遗风，只是高型家具较前更加普及了。高型家具的 使用在民间形成时尚，居家必备高型桌器材，这从当时的绘画中可见一斑。如宋代张择 端清明上河图中的市肆小店，无不陈放各式高型家具。宋代会昌九老图中描绘 的圈器材也是前代没有品种。在近年发掘的宋代墓葬中还有以石、陶制作的家具模型或 在墓室墙壁用砖砌成或雕成各式家具，其中表现墓主夫妇对坐在跑步机上的场面最为普 遍。如河南方城出土的石器材残件、河北井径县柿庄七号宋墓墓室砖雕桌器材、柿庄二 号墓墓室壁画对坐图中的桌器材、洛阳涧西宋墓墓室的砖雕家具等。这说明跑步机 等高型坐具不仅在人们日常生活中普遍使用，还被人微言轻殉葬用器。 9 1.2 种类分析 跑步机价格较为廉价，已然普遍到各家各户，随着“时尚、运动、健康、绿色、环 保”理念的深入人心，跑步机类产品的设计、材料、工艺、款式也跟随市场需求，新材 料、精加工、巧构思、高品质和高附加值的跑步机精品不断涌现。跑步机不但成为人们 的代步交通工具，而且进入运动、休闲、娱乐、时尚领域，并融入更多的科技、文化元 素，成为所有家庭的必备用具。跑步机发展，在使用功能上说变化已很少了，现代跑步 机的主要发展在于机架的造型行变化，表面的处理如烤漆、商标的变化使其外观更美； 对自机上的每一个零件进行精雕细琢的改进，使其更合理、美观；对跑步机的材料上的 选用与开发。由此致使跑步机功能上的变化也没有很大的改变。 1.3 跑步机的设计分析 1.3.1 设计流程设计流程 跑步机是对人们活动起辅助作用的工具，首先必须能够承受人们活动带来的各种力 量和冲击。设计师在设计初期就应该考虑到跑步机对外部冲击的承受力，否则就不能充 分体现跑步机的实用功能。因此设计师应在充分了解跑步机构造的基础上进行设计，以 达到既美观又实用的目的。为实现这个目的构筑了如下的设计流程。 1 概念化阶段概念化阶段 概念化阶段是整体设计的理念和宗旨，是保证今后具体设计得以顺利进行的前提条 件。对跑步机设计概念化进行设定的过程，涉及跑步机相关的功能性、构造和材料以及 形状等问题。对于“某种设计为什么应该采取那样的形状或构造？” “为什么应该用那 样的材料生产？”等问题，概念化阶段都要做出总体的说明。设计的概念化要充分反映 设计师的理念和价值，发挥他们的创造性，所以它不应是其他人的意见，而应该是设计 师自己的想法。 2 体化阶段体化阶段 具体化阶段是按照在概念化阶段设定的设计方案，解决家具的构造、功能和美观问 题并创造出其基本形状。在这个阶段要画很多草图、图样，做出模型，还要选择材料， 讨论跑步机的构造以及其他一些细节问题等。跑步机设计的具体化阶段就是创造出产品 形状的过程，简单地讲就是做出跑步机造型的外观图样，并对其进行论证。 3 整体外观阶段阶段 10 跑步机设计的关键是将重点放在符合整体的外观和核心架构的设计上。产品的外 观、跑步机的造型以及稳定的构造应该既反映设计师的精湛设计，又能实现人们对舒适 的要求，这就是设计家具的重点。为实现这一目标，我们以在具体化阶段提出的产品外 观为基准做出了如下的骨架模型。可以说这是为实现自顶向下的设计方式而做出的基本 模型。跑步机设计的关键是将重点放在符合整体的外观和核心架构的设计上。产品的外 观、跑步机的造型以及稳定的构造应该既反映设计师的精湛设计，又能实现人们对舒适 的要求，这就是设计家具的重点。为实现这一目标，我们以在具体化阶段提出的产品外 观为基准做出了如下的骨架模型。可以说这是为实现自顶向下的设计方式而做出的基本 模型。 从这个骨架模型中，我们不仅可以看到体现着产品概念的外观，还可以获得产品各 种配件位置和连接的信息，如核心架构（core） ，倾斜度(tilt)，底座（base） ，扶手 （armrest）等。这可以由设计师在设计产品并做出草图的同时，从 3 个角度，即曲面 （surface） ，曲线（curve） ，基准面（datumplane）来表现。这种骨架模型是与上面提 到的三个阶段中对家具设计的内容相联系的，用于设计师很少接触的筋（rib） ，凸台 （boss） ，体格构造等的设计中。当然这对于没有相关基本知识的设计师来说几乎是不 可能的事情，但只要是在内部开发过 2 个以上模型产品的设计师，都可以亲自完成模型 各部分器具设计。 4 计检验阶段计检验阶段 通过以上各阶段步骤完成的产品设计并不是完美的。尤其是跑步机与人体结构有着 密切的关系，可以说人们对产品设 跑步机设计合理性和适用性的评判是很重要的。因此应该对设计进行检验。对于跑步机 的设计来说， 跑步机的大腿底座 （base） 部分能否稳定地支撑人体体重是很重要的。 当然除此之外对 back，即支撑人体背部的器材背部分和 armrest，即扶手部分的检验也 是很必要的。 对跑步机底座（base）的说明通过以上一系列说明，我们可以了解设计师对产品零部件 进行亲自设计的整个过程。当然比起专门的零部件设计者来说，他们的设计可能还存在 着不足，但是这拓展了设计师的工作领域，重要的是创造产品的设计师通过参与产品的 整个开发过程，可以开发出更具亲和力，符合人体工程学的产品。 1.3.2 设计要素设计要素 11 1 实用性实用性 实用性就是泛指满足人们生活需求开始与发展的。现代家具不但要可靠、适用、安 全，更重要的是满足它的使用功能与舒适度。无论是静负荷类家具或动负荷类家具，都 应根据人体工效学的基本法则，结合人体的生理和心理的需求，设计出合理的家具尺度 的和空间分割距离， 给消费者创造一种最大限度的舒适和方便以及安全感、 视觉美感等， 最终回归到最佳实用效果的目的上来。现代家具赋予人们的美感是，通过人们的视觉、 触觉感官来体会与感应的。而家具的实用性程度，则是通过人们的反复使用、接触与鉴 别验证的。现代家具设计师水平的高低，只有通过努力探索、长期实践与不断总结，才 能使自己的设计作品逐步达到日臻完善的设计追求目的。 2 艺术性艺术性 现代家具已不单纯是简单的日用消费品，家具产品作为一种文化现象发展到今天， 它已经是现代人类生活中调剂居室环境的艺术品、装饰品、是融艺术与实用于一体的一 代全新消费品。同时也是直接影响到室内陈设艺术效果和现代居室文化品味的重要乐章 和主旋律。为此，现代家具设计师就必须从这一高度来认真研究与分析家具设计的要素 中的艺术性问题。家具设计过程中，不可或缺地要灵活借用实用美术设计中的一些基本 做法，其中如产品外观形体稳定的均衡；线型的谐和与灵气；装饰纹样的生动与形象逼 真；五金辅件的格调的选择；都需要设计师在实践工作中，不断提高自己的实用美术学 科修养水平，才能适应当前中国国内市场国际化的激烈竞争态势。没有好的产品设计， 便没有较多市场份额的占有。 3 工艺性工艺性 诚如以上所述，当前，我国家具工业产品的科技制造含量已经发生了巨大变化，几 代构造特点的不同工艺构造款式的家具，都在不同的陈设环境与商场中频烦亮相、争奇 斗妍。发展最为突出的是板式家具，或称实木家具。70 年代跑步机设计 宣传比较多的 kd 型家具，今天已经发展到具有国际先进水平的 rta 型家具。笔者可以 断言，板块构成，实木装饰型的新一代板式家具将会在我国家具工业产品系列中，长期 占有一席之地，其发展前景也是举足轻重的。 早在 1995 年的家具杂志编委年会上，业内着名学者专家就曾针对中国国内家 具业发展趋势，明确提出了今后我国家具工业新产品设计开发目标应本着“板式家具高 档化，实木家具艺术化，现代家具时装化，设计手法个性化”的设计理论导向和真知灼 12 见。姑且不论上述论点正确与否，但有一点勿庸置辩，现代家具，无论其工艺构成特点 与含量如何，企业为适应国内市场国际化的竟争需要，愈来愈趋向多品种、小批量、短 周期的设计与生产方式。为便于家具实现工业化生产，又要兼顾到这类产品的工艺特殊 性，形势迫使我们家具设计师在完成造型设计的同时，还必须把握与驾驭产品工艺设计 一环的工作。先迸的技术设备是实现造型工艺的具体手段，由于科技的发展，给复杂的 造型工艺提供了可靠保证， 设计师匠心独造和综合技术， 可以创造出新的造型表现形式， 传统的加工方式，技术与造型的关系是同等的，现代家具设计师，则必须是家具工业生 产领域内先进设备与高工艺水平加工技艺的熟知者与掌握者。从事专业设计的工程技术 人员，应该是具有新型结构工艺制造学方面的复合型人材，方能挑起历史赋予我们的重 任。 4 经济性经济性 现代家具设计中，经济性设计亦应是设计师不容忽视的一个重要设计环节，这其 中也包涵了工艺性设计的外延与内涵，诸如加工手段与方法、材料的选择与构成,工艺 程序排列等等。板式家具设计中的单块构件下料法(配料法)与零部件综合下料法，前后 两者对比，后一种方法可节约原料 8-10%。其中，同样也包括人造板材类型的选择与应 用；装饰贴在材料的应用方法与成本节约问题。 举一例，毗邻的两家工厂设计一种雷同的巴洛克风格的休闲器材，由于其中一家工 厂不注重研究产品设计中的经济性没计内容和方法，忽视了物耗成本这一价值规律，结 果是两家工厂的材料利用率相差 3-5%。诚然，这其中不乏含有设计师水平高低之别。现 代家具设计师只有在设计实践中，将实用性、艺术性、工艺性、经济性(目标成本法则) 有机地结合与灵活运用，才能实现不断推出好的产品,奉献给广大消费者 13 第 2 章 人体工程学与跑步机设计 2.1 设计原则设计原则 跑步机的设计尺寸是根据人体尺寸来设计的,各个部分的定位均参照人体尺寸。人 体的主要尺寸:国标 gb10000-1988 给出身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长 共六项主要尺寸数据。 下表是我国成年人人体主要尺寸和坐姿人人体尺寸(摘自 gb10000-1988中国成年 人人体尺寸): 主要尺寸 男(1860 岁) 女(1555 岁) 百分位数 5 50 95 5 50 95 身高 1583 1678 1775 1484 1570 1659 体重kg 48 59 75 42 52 66 上臂长 289 313 338 262 284 308 前臂长 216 237 258 193 213 234 大腿长 428 465 505 402 438 476 小腿长 338 369 403 313 344 376 坐姿尺寸 男(1860 岁) 女(1555 岁) 坐高 858 908 958 809 855 901 坐姿颈椎 615 657 701 579 617 657 坐姿眼高 749 798 847 695 739 783 坐姿肩高 557 598 641 518 556 594 坐姿肘高 228 263 298 215 251 284 坐姿大腿 112 130 151 113 130 151 坐姿膝高 456 493 532 424 458 493 小腿加足 383 413 448 342 382 405 坐深 421 457 494 401 433 469 臀膝距 515 554 595 496 529 570 坐姿下肢 921 992 1063 851 912 975 表 我国成年人人体主要尺寸和坐姿人体尺寸 14 设计要点： 1. 座的形式与尺度及其功用有关 2. 座材的尺度必须参照人体测量学数据确定 3. 身体的主要重量应由臀部坐骨结节承担 4. 座材前缘处，大腿与跑步机之间压力应尽量减小 5. 腰椎下部应提供支承，设置适当的靠背以降低背部紧张度 6. 器材垫必须有足够的垫料和适当的硬度，使其有助于体重压力均匀地分布于坐骨结 节区域 组成跑步机的功能是供人骑行，就发挥跑步机的功能作用而言，把人看作跑步机的 组成部分是完全合理的。因此，人在骑机时组成了人一机系统，该人一机系统中的人一 机界面关系可由图1-1来进行分析。 2.2 人机工程设计设计人机工程设计设计 1、人与支撑部件的关系 支撑部件主要有机架、前叉、鞍座等，是跑步机的构架。支撑部分将其他零部件 固定在相互间正确的位置上，保证跑步机的整体性，实现跑步机的功能。从人机关系 来看，鞍座、机把和机架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑机人的位置 和肌肉的动作有着性的设计参数。 2、人与动力接受部件关系 动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑机人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动 的力使曲柄转动而产生的。为了使人省力和有舒适感，必须在骑跑步机人的体格和体 力与跑步机元件的尺寸关系上下功夫，即研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之 间的能量转换问题。 3、人与传动部件关系、人与传动部件关系 传动部件主要是滚珠、链条和带轮。人的作用力是通过链条和带轮传动而带动后 轮转动，从而使跑步机前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性， 且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的 输出功率。 4、人与工作部件关系、人与工作部件关系 15 工作部件就是机轮，即机圈、轮胎等。绝大部分轮胎是充气的，少数是实心的。 机轮一方面把骑机人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方 面将骑机人的握力转换为与接地部分所产生的刹机阻力。在设计跑步机的各部分尺 寸、机闸及变速器等时，应该着眼于骑机人一动力一传动一工作的连贯性，才可能设 计出同骑机人手的大小或握力相适应的闸把、刹机力适当的机闸，才不会发生刹机阻 力不够而造成失误现象。 2.3 影响跑步机性能的人体因素影响跑步机性能的人体因素 影响跑步机性能的人体因素很多，如图1-2 所示。现主要分析下述几点： 1人的体格因素人的体格因素 以身高 h 为基本因素，其他身体的能力与 h 成比例，并有与 h2、 h3成比例的 特性。如手 臂、腿、气管等的长度与身高成比例，从而以骨关节为中心所产生的 力矩、步幅等，都取决于 h 的大小。肌肉、大动脉、骨骼的截面积以及肺泡的表面积 等都可看成与 h2成比例。肺活量、血液量、心脏容量等都可看成与 h3成比例。体格 对出力性能的影响，从理论上讲，弹跳能力与 h 成比例，速度能力与 h2成比例，作 功能力和 h3成比例。但实际上因每个人身体素质不同，常有20以上的偏差。 2人的下肢肌力人的下肢肌力 跑步机骑行的原动力，主要是骑机人的下肢肌力。人骑机时，骨骼肌肉内部的 化学能转换为肌肉收缩的机械能。跑步机脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完成 的，一般说腿肌长的人比腿肌短的人有利。肌肉收缩时产生的力，一般与肌肉的截面 积成比例，约为每平方厘米40-50n ，通过一定训练的人可提高到65n 。 16 图1-2 影响跑步机性能的人体因素 3人的输出功率人的输出功率 人输出的功率随着骑机人的体格、体力、骑机姿势、持续时间和速比等的变化而 变化。一般成年男人的最大输出功率约为 0.7 马力（ 0.51 kw ) ，能持续 10s 左右。 如果持续时间长，其值要小得多，持续 lh ，大约只有 1.0-0.7马力（0.07-0.15kw） 。 4人的脚踏速度人的脚踏速度 跑步机运动是很有节奏的，其节奏常常与人的心脏节律保持一定关系。健康人的 心脏跳动为70 次min ，一般脚踏以 60r/min 节奏转动较为合适。设计时以这一常 用速度来确定相关设计参数。 5人的平衡机能人的平衡机能 骑机人本身的平衡机能是影响跑步机性能的重要因素，如果缺少平衡机能，哪 怕是运动性能很好的跑步机也不能平稳行驶；若人有很好的平衡机能，却可掩盖跑步 机设计上的某些缺陷。 6人的手和握力人的手和握力 影响刹机性能的人的因素主要是人的手和握力，男性和女性，成年人和儿童， 手的大小和握力都不相同。据试验，为了长时间施闸而不致使手有疼痛的感觉，希望 只用最大握力的10左右便能得到必要的减速度。 17 7 人的疲劳人的疲劳 人体疲劳和疼痛是对骑机出力性能的不利因素，其产生原因有人体因素，也有跑 步机结构因素。疲劳和疼痛一般是由于部分肌肉负担过大，骑机姿势不合适，以及体 重对鞍座的体压分体不合适等引起的。此外，影响出力因素还有人的最大摄氧量。 2.4 跑步机设计结构要素分析跑步机设计结构要素分析 影响跑步机性能的因素除了上述人的因素外，还有许多机械因素，如图1-3所示。 为了获得跑步机较佳的性能，必须把人的因素与机械因素有机地结合起来，以使人一 机协调。为此，着重分析与人体相关的结构要素。 1速比速比 大小带轮的齿数比，与带轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.0的范围内。利用 速比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度。速比要合适，如果太小，无论人 的肌力有多大， 由于不能充分提高转速， 所以就得不到大的输出功率。 也由于速比小， 在限定的曲柄转速下，得不到必要的骑行速度（后轮转速） 。速比过大时，要求的踏 力也大，容易使人疲劳。为了保持不疲倦的持续骑行，希望肌肉的负担约为最大肌力 的10% ，按此选择速比和曲柄转速，可得到比较好的效果。 2曲柄长度曲柄长度 传统的跑步机设计， 一般从杠杆原理考虑比较多， 对人研究少， 认为曲柄越长越有力。 曲柄 过长后，为了不使脚蹬碰到前泥板，不得不加大中轴至前轴的距离（前心距） 。这样 势必加长机架，影响了正确的坐机姿势，使人感到臀部痛。若能按人的身长或下肢长 来考虑曲柄长度， 则可使人省力和舒适。 通常曲柄长度的基准， 取人体身长的 110 ， 也相当于大腿骨长的 12 。 4 鞍座位置鞍座位置 鞍座装得过低，骑行时双脚始终呈弯曲状态，腿部肌肉得不到放松，时间长了就会感 到疲软 无力；鞍座装得过高，骑行时腿部的肌肉拉得过紧，脚趾部分用力过多，双脚也容易 疲劳。骑机时适当的用力部位是脚掌。设计或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使 手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配带轮的中轴心为宜。人体 各部尺寸都有一定的联系，只要腋窝中心至中指的长度确定下来，鞍座高度便可大致 18 确定。行驶较快的机，鞍座位置要向前移动，行驶较慢的机，鞍座位置要向后移动， 否则都不利于骑行，如图1-4 ( b ） 、 （ c ）所示。 5 机闸机闸 设计时，闸把开挡、力率和闸把力要与人手的大小和握力相适应。灵敏度高的机闸， 随着闸把上力的增大，刹机力也按比例地增加。如果闸把力到达某一程度不发生刹机 作用，继而又骤然生效，说明这种机闸设计不良。在紧急情况下操纵时，理想的施闸 力和减速度见表1-1 。 表1-1 理想的施闸力和减速度 闸把施闸力闸把施闸力/n 相对握力相对握力% 减速度减速度 说明说明 60 350 500 10 70 100 0.1g 0.6g 0.8g 控制下坡控制下坡 速度速度 全刹机全刹机 紧急全刹机紧急全刹机 注：注：g=9.8m/s2 2.5 人一机动态特性分析人一机动态特性分析 1 动态稳定性动态稳定性 跑步机的稳定是行驶过程中的稳定，是一种动态平衡的稳定性。动态稳定性影响 到跑步机骑行中的动作，包括直进稳定性和前后左右方向的稳定性，见图 1-5(a） 。显 然，稳定性对安全行驶是必不可少的特性。 2力学特性力学特性 跑步机行驶在平地上转弯的条件是侧向力（与离心力平衡）与跑步机总重量（人 和机的重量）的合力作用线要通过轮胎与地面的接触点。这当然与骑机人有关，但更重 要的是跑步机的造型要有适合这种力学特征的结构形式。 人体和机身向内倾的角度相等。即骑机人身体的中心线和机子的中心线一致时，跑 步机就可以转弯，即所谓中倾旋转，见图 1-5(b) ；骑机人的倾斜角比机子的倾斜角大 时，此时的转弯即所谓内倾旋转，见图（c） ；骑机人的倾斜角比机子的倾斜角小时，此 时的转弯即所谓外倾旋转。 19 第 3 章 总体机械结构设计 3.1 跑步机的构成跑步机的构成 跑步机的整体构成由以下几大模块： (1).机身 在行驶中，机身的造型对整个行驶的效率有着很大的影响，因为机身的造型直接影 响到的是行进的阻力。此处设计的水陆跑步机的机体造型也已达到最小阻力位佳，通过 流体力学，我们可以针对各种造型在水中行进时所受的阻力进行分析，核定最佳造型设 计以达到最佳运动效率。 (2).传动系统 通过机械设计我们可以比较确切的分析各种传动系统的传动关系进而计算出总传动系 统的传动效率进行核算。 (4).导向机构 正常直线行驶时，导向机构应不构成阻力，设计的导向机构应简单便捷为好。 3.2 跑步机方案设计跑步机方案设计 目前跑步机设计各式各样，这里的设计主要从传动系统方面来结合设计。分析以上 性能需求 工作机构类型选择带传动,属于定传动比匀速转动机构。带传动具有结构简单，成 20 本低廉 能缓和载荷冲击，运行平稳，无噪声，过载时将引起带在带轮上打滑，因而可 防止其他零件的损坏，具有过载保护作用 3.3 同步带的概述同步带的概述 3.3.1 同步带介绍同步带介绍 同步带是综合了带传动、链条传动和齿轮传动的优点而发展起来的新塑传动带。它 由带齿形的一工作面与齿形带轮的齿槽啮合进行传动，其强力层是由拉伸强度高、伸长 小的纤维材料或金属材料组成，以使同步带在传动过程中节线长度基本保持不变，带与 带轮之间在传动过程中投有滑动，从而保证主、从动轮间呈无滑差的间步传动。 同步带传动（见图3- 1）时，传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油，耐磨 性好，抗老化性能好，一般使用温度- 2080，v= = 故该轴承 6206 能满足要求。 、其他轴的轴承校核同上，均符合要求。 图 3-2 ug 跑步机整体设计图 36 结 论 经过几个月的努力，并且在指导老师和同学的帮助下完成了此次跑步机的毕业设 计， 从最开始查找各种关于本次毕业设计的资料到确定总体方案， 机械传动部件的选型， 最后到撰写说明书，这是一个学习的过程，更是一个实践的过程。在大学四年当中，我 接触和吸收了大量机械知识，通过此次的毕业设计设计，让我能有机会把学到的理论知 识用到实践中。在今后的学习生活中，这次毕业设计的经历将起到重要帮助作用，通过 设计使我更加接近生产实际，锻炼了将理论运用于实际的分析和解决实际问题的能力， 巩固、加深了有关机械设计方面的知识。 通过这次的毕业设计，我对机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，机械 传动部件的选用原则，机械传动部件设计计算方案的原理等方面都有了一定的认识。此 次设计，我认为最重要的事情就是让我明白了，无论做什么事情，要想做好，必须态度 端正；要善于学习，时刻学习；做事要严谨、认真，细致、不怕吃苦，还要有创新精神。 37 38 参考文献 1丁玉兰人机工程学第三版 北京理工出版社, 2005 2 邹慧君主编机械原理 北京高等教育出版社 1999 3 申永胜主编机械原理教程 北京、清华大学出版社 1999 4 张伟社主编机械原理 西北工业大学出版社 2001 5 邹慧君主编机械原理课程设计手册 高等教育出版社 1998 6 赵松年主编现代机械创新产品分析与设计 2000 7 杨家军主编机械系统创新设计 华中理工大学出版社 2000 8 张春林主编机械创新设计 机械工业出版社 1999 9 机械设计手册编委会机械设计手册新版 2，3 卷 机械工业出版社，2004 10卜炎主编机械传动装置设计手册（上册） 机械工业出版社 1999 11何灿群人体工学与艺术设计 长沙湖南大学出版社，2004 12阮宝湘/郡祥华工业设计人体工程 北京机械工业出版社 2005.05 13 王三明主编机械原理与设计课程设计 北京机械工业出版社，2005 14.闫卫工业产品造型设计程序与实例.机械工业出版社，2003.2，第一版 15. 沈法，王庆斌，杨足，丁熊计算机辅助产品造型设计表现技法.人民邮电出版社， 2002.9，第一版 16.张展，王虹产品设计.上海人民美术出版社，2002.1，第一版 17.王玉林，苏全忠，曲远方产品造型设计材料与工艺.天津大学出版社，1994.12， 第一版 18.程能林，产品造型设计手册.机械工业出版社，1994.8，第一版 19.朱序璋.人机工程学.西安:西安电子科技大学出版社.1999 年 11 月 20.刘春荣.人机工程学应用.上海:上海人民美术出版社.2004 年 7 月 参考文献 39 致 谢 通过本次设计我可以更加系统的了解跑步机方面的知识；能够加强跑步机结构设 计；能够加强跑步机功能部件的选型和设计计算；能够加强跑步机的方法和理论；能够 检验自己能否将三年学习的理论知识转化为实际应用；能够培养自己自学和与人合作的 能力。 本次毕业设计涉及的全部内容是在指导老师 xx 老师的悉心指导下完成的。感谢 xx 老师给我提供了良好的课题条件，让我从这次设计中得到了很好的锻炼。同时也为我讲 解了不少难题，在此特别感谢。xx 老