跑步机整体设计【优秀含CAD图+UG模型+说明书】
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毕业设计题 目:跑步机整体设计摘要跑步机是家庭及健身房常备的健身器材，它的优点具备结构简单、安全性能高等特点，已广泛用于家庭和健身房。专家们相信未来跑步机将以普及和人性化为主，市场也可能以高价位产品为主导，低价位产品销售也不错。本课题设计是休闲类跑步机，根据人体工程学而设计的跑步机，而且具备使用寿命长、容易维修、安全性能高、方便搬运等。本课题用三维软件UG对跑步机整体零件进行建模，结构设计和各个零件的装配。此外还使用CAD画出了装配图和重要零件的剖面图。设计包括支架、基架、滚筒、跑步板、跑步带和扭腰盘等。设计中参考现有跑步机的结构和样式，对传动机构进行了精确计算与设计；并作出合理的选择，设计出牢固、简洁又美观的基架结构；而且突出了减震系统的重要性和跑步板防静电的功能性。本课题设计不同的地方在于辅助构件扭腰盘，它能帮助健身者进行美腰锻炼，展现出本课题对跑步机的创新面。完善跑步机的缺点，真正推出人性化跑步机。关键词：跑步机；传动机构；减震系统；辅助设计AbstractTreadmill is a permanent fitness equipment for families and gymnasiums. Its advantages are simple structure and high safety performance. It has been widely used in families and gymnasiums. Experts believe that the treadmill will be dominated by popularity and humanization in the future. The market may also be dominated by high priced products, and the sales of low price products are also good. This design is a leisure treadmill, a treadmill designed according to the ergonomics, and has long service life, easy maintenance, high safety performance, convenient handling and so on. This project uses three-dimensional software UG to model, design and assemble parts of the treadmill. In addition, we use CAD to draw up the assembly drawing and the profile map of the important parts. The design includes scaffolds, chassis, rollers, running boards, running belts and waist plates. In the design, the structure and style of the existing treadmill are referred to, the precise calculation and design of the transmission mechanism are carried out, and a reasonable selection is made to design a solid, concise and beautiful base frame structure, and the importance of the shock absorption system and the anti static function of the running board are also highlighted. The design of this topic is different from the waist twisting of auxiliary components, which can help the fitness workers perform the waist exercise, showing the innovation of this topic to the treadmill. Improve the shortcomings of the treadmill, and truly launch the humanized treadmill. Key Words：Treadmill；Transmission structure；Shock absorption system；Aided design 目 录第1章绪 论1第2章 总体方案设计32.1 基本功能32.2 构造设计32.3 功能原理的确定32.4 小结5第3章 电动机类型与参数的选择73.1 类型功率选择73.2 技术参数73.3 小结8第4章 传动机构设计94.1 设计步骤及参数选择94.2 多楔带带轮结构和尺寸选择124.2.1 带轮型号134.3 带传动的张紧装置的选择134.4 小结134.5 外型结构设计144.5.1 基架的设计144.5.2 支架的设计164.6 前后罩184.7 小结18第5章 前后滚筒215.1 轴承的计算215.2 轴结构的设计225.2.1 轴的设计225.2.2 轴结构的设计235.3 轴的强度校核235.4 滚筒要求245.5 小结25第6章 跑步板及跑步带设计276.1 跑步板276.2 跑步带276.3 跑带调整：两个螺栓调整法276.4 跑台润滑油的添加296.5 小结30第7章 避震系统的设计317.1 避震系统的种类及原理317.2 小结33第8章 辅助设计358.1 扭腰盘设计358.2 连接结构设计368.3 旋转结构设计378.3.1 扭腰盘轴承选用378.3.2 单向推力轴承型号378.4 小结38第9章 使用和维护399.1 跑步机的维护与保养399.2 如何使用跑步机399.3其他注意细节399.4 小结40总 结41参考文献43致 谢45第1章绪 论生命在于运动，健康源于运动。跑步是目前国际流行并被医学界和体育界给予高度评价的有氧健身运动，是保持一个人身心健康最有效、最科学的健身方式，也越来越受到大家喜爱。跑步可以改善骨骼、心脏、心肌、肠胃等器官的功能，是人们锻炼身体，预防疾病的法宝。户外长跑曾经是大众最常用而简单的运动形式，沿着林荫道呼吸着早晨清新的空气，听着枝头的鸟鸣，既能愉悦身心，又可锻炼体魄。只是随着都市的大气变得污浊，生活节奏变得紧张，户外长跑变得不那么流行了，而跑步机则成了时下健身最热门的健身器械。跑步机不仅可以让我们免受汽车尾气之苦，也使我们可以选择自己方便的时间随时锻炼。由于电动跑步机上的电子辅助装备功能非常多，锻炼者可体验不同的跑步环境，如平地跑、上坡跑、丘陵跑、变速跑等，个人可以根据自己的锻炼目的进行锻炼。本设计共设八章，首先确定总体方案设计，认识跑步机的基本功能和原理，为下一章电机的参数选择提供必要的技术参数。之后到传动机构设计，先理清设计步骤，了解跑步机带轮传动系统的要求后确定带传动的张紧装置。根据本设计要求能够确定外型结构，设计出基架、支架的最大能够承受的应力。第四章是前后滚筒轴与轴承的设计要求，确定轴的强度校核。第五章的跑步板及跑步带是设计的重点，为了能让健身者得到完美的体验，跑步板和跑步带都要符合跑步机需求，还有避震系统的设计、辅助功能的设计。最后为了健身者能够正常使用与增长使用寿命，介绍了跑步机的维护与保养。跑步机双面宽厚的跑带带给您草地般舒适感觉，马力强劲的电机带给您澎湃恒久的动力，能够确保体重在特定范围内完美地锻炼自己。电跑以功能多、占地少而受到人们的喜爱，使人们在繁忙的工作之余仍然可以尽享运动的快感。- 45 -第2章 总体方案设计2.1 基本功能跑步机的基本功能就是构建一条运动的跑道（跑步带），跑道的运动方向与运动者的跑动方向相反，并且相对速度必须保持相同，这样就使得运动者能够在原地进行跑步锻炼了。实现跑步机的功能，对跑步带的驱动与速度控制：通常使用直流电动机驱动，直流电动机通过半导体功率器件，通过改变电枢回路串电阻调速。在跑步机的基础上通过增加一些部件来增加其它功能从而达到实现辅助性能，如扭腰和仰卧起坐等。 2.2 构造设计电动跑步机主要由以下部分组成：电机、机架和支架、前后滚筒、跑步板及跑步带、避震系统、多功能构件以及电子显示器维护，它的特征在于支架与框架垂直连接，前轴与后轴分别装在框架的两端，前滚筒与后滚筒分别用轴承套装在前后轴上，跑步带张紧绕装在前后滚筒上，支撑跑步板安装在跑步带的下方，框架的前端安装着电动机与可调电源,前滚筒的一端紧装着从动带轮，控制传感器装在电动机上，速度传感器安装在紧靠在从动带轮的框架上，皮带调节螺栓一端连接在电动机外壳的孔板上，另一端连接在焊接于框架前端的孔板上，这样就能够很好地防止跑带跑偏。跑步机扶手架设计于支架的顶端，方便健身者保持平衡。仪表控制盘安装于扶手架上。传动方式采用带传动机构，传动等级为一级。同时在支架上安有扭腰盘和仰卧起坐支架使机器实现其辅助性能。2.3 功能原理的确定目前市场上比较常见的有主动性跑步机和电动跑步机两种。主动式跑步机是依靠人体为动力而进行主动性跑步的跑步机，是锻炼者自身的肌肉收缩作为能源，人停止运动时，器械亦停止运动。在主动式跑步机上跑步时，人体除自身重量产生的震荡外，脚踝部、膝部和臀部，特别是肌腱，还要承担额外向后的扭力来确保跑带向后运动，这种额外的扭力就是产生运动伤害的根源，由于扭力过度集中在韧带、关节等几个关键受力部位，更容易使受力部位肌腱组织产生慢性疲劳，从而打破这部分组织的局部平衡、损伤其健康。这种运动方式，表面上看起来似乎能消耗更多的能量，但其造成的运动伤害也要比在大自然中跑步高出数倍。很多传统跑步机使用者，发现自己越是认真锻炼，腿部就越跑越粗，关节也越练越没有力气。图2-1 跑步机整体结构传统跑步机并不适合患有脊椎软骨突出、膝关节炎、踝关节扭伤、骨肌腱炎、以及足底筋膜炎的人，因为长期的跑步可能会加重慢性扭伤的情形或加速膝关节的老化。电动跑步机是健身房及家庭较高档的器材，这种跑步机能减轻传统训练对关节的冲击，避免运动受伤，比自然跑步有明显的优势。跑步时后脚跟先着地，顺着跑带方向运动。手脚模仿跑步的动作，前后挥动，从而使全身肌肉得到均衡的锻炼。由于跑带的运动方向与脚步移动的方向一致，韧带部位的扭力就抵消了，跑起来非常舒适。康复者、儿童、老年人也可以保持身体平衡，从而集中精力安心锻炼。如果增加运动量，可以加快舞动手脚的速度。用电动跑步机能消除关节的负载，不但能减肥健身，还有益于受伤后身体的恢复。本课题需要完成的结构如图2-1。它通过电机带动跑带使人以不同的速度被动地跑步或走动。由于被动地形成跑和走，从动作外形上看，几乎与普通在地面上跑或走一样，但从人体用力上看，在电动跑步机上跑、走比普通跑、走省去了一个蹬伸动作。正是这一点使每一个在电动跑步机上走跑的人感到十分轻松自如，可使人比普通跑步多跑13左右的路程，能量消耗也比普通走、跑为多。由于电动跑步机上的电子辅助装备功能非常多，可体验不同的跑步环境，另外本次设计还加入扭腰辅助性能。下图2-2为跑步机内部结构工作原理图。首先健身者打开电源，显示电子表，通过驱动板调节速度完成热身。电机自转，通过传动轴带动主动轮，主动轮与从动轮之间有多楔皮带连接，致使从动轮以一定的转速转动。前后滚筒也随着转动，跑步带开始匀速转动。健身者热身完，通过电子表制动驱动板，实现调速，完成健身。图2-2 跑步机工作原理2.4 小结电动跑步机就是由直流电机构造一条匀速运动的跑带，使运动者在原地进行跑步锻炼。 还能防止韧带、关节等受力部位造成慢性疲劳，影响身体健康。第3章 电动机类型与参数的选择3.1 类型功率选择一般健身者使用跑步机有健身和减肥瘦身两个目的，所以要求跑步机的驱动电动机必须能让不同体重的健身者正常地使用跑步机。当人在跑步机上跑步或走路时，跑步机所承载的重量是人体重的0.82.5倍，而马力就是在这样的载重量下，还能满足并维持所选择的速度，让人可以在跑步机上走跑自如的驱动力。通常跑步机一个马力（1HP=736W）大概可提供5060公斤的承载重量，但跑步带面积大小也和跑步机马力有相当直接的关系，跑步机的马力越大，可以带动的跑步带面积也越大，所以衡量效率及安全性后，一般建议，家用跑步机合宜的持续马力应该至少1.5马力以上，如果家人的体重有超过80公斤，则应选2.0持续马力以上的跑步机。此跑步机设计标准为120公斤，功率为1.5HP。初步确定跑步机滚筒直径为6cm所以最大转矩 Tmax=FL （3-1）式中：F为滚筒受力 L滚筒工作长度Tmax=1/21209.80.03 = 17.64 Nm 所以转速 n=vs = = 7.98 r/s （3-2）功率 P=Tn9550=17.647.98609550 0.88 kw （3-3）为此电动跑步机采用电动机ZYT42（NEMA）型永磁直流电动机图3-1该型电动机系大功率跑步机中配套的专用驱动元件，经一定的电磁、结构派生处理也可适用于相应的机械装置中作为驱动元件。该电动机显著的特点：具有转速精度高，调速方便（无级别可调），调整范围宽，启动转矩大，运行平稳，噪音低，效率高等特点。并当人在跑步机上运动时，是一个冲击负载，该机在这种冲击负载作用下一转不差，保持同步转速，如同在平地上跑步感觉一样。3.2 技术参数永磁直流电动机-ZYT42型，表3-1为电动机型号特性，各个型号的额定值都不一样，根据上面所计算的功率，选取了最佳的电动机型号ZYT42/01，它的参数如图3-2所示。图3-1 电动机外型图表3-1 电动机型号特性型号ModelUnit42ZYT0142ZYT0242ZYT03额定电压Rated VoltageVDC24额定转速Rated Speedrpm348033503350额定转矩Rated TorqueNm0.030.050.07额定功率Rated PowerW101624最大转矩Max. TorqueNm0.220.30.4转矩系数Torque ConstantNm/A0.0558效率Efficiency70电机长度Lmm8090100重量WeightKg0.30.52表3-2 技术参数型号电压功率ZYT42/01220 V1.5HP转速转向绝缘等级34807%逆时针F级3.3 小结跑步机属于健康器材类产品,如果是减肥瘦身的人来使用,因为身体较肥胖,跑不快,因此驱动电机的低速必须转矩大才能使用.相反的,健身的人跑步快,但是重量轻,因此高速时的转矩需求较小;跑步机必须满足家庭成员每一个人都能使用,因此调速范围要宽广,低速转矩要大,才能满足不同重量的人。目前跑步机使用的驱动装置以直流有刷电机为多,优点是启动快、制动及时、可在大范围内平滑内平滑地调速、控制电路相对简单等特点，另外价格也相对便宜。第4章 传动机构设计电动机的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，成本低廉，容易维护，还能缓和载荷冲击，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。4.1 设计步骤及参数选择初始条件：选择电机为专门为跑步机生产的永磁直流电动机，传动功率P=1.5KW，主动轮转速为n1=3480r/min 传动比定为i=2.1 由于多楔带适于传递功率较大而又要求结构紧凑的场合，特别能适应带轮直径小的传动，所以择之。以下计算过程所用到的表和图来源：机械传动装置设计手册（上册）1 。 图4-1 永磁直流电机（1）确定设计功率Pd Pd=KAP （4-1） 式中 P 为传动功率 KA工作情况系数，根据跑步机使用的特性，选择每天工作时间10小时，载荷变动小。根据文献1 ，选择KA=1.2,得：Pd=1.21.5=1.65 kw（2）带型号的选择 对于多楔带的型号可根据设计功率Pd=1.65KW和小带轮转速n1=3480r/min，由文献1选取,选PJ型多楔带。（3）确定带轮直径de1、de2（有效直径）小带轮有效直径：由文献1 demin=20 mm, e=1.2 由文献1（8-91） 选de1=33.5 mm小带轮节圆直径 dp1=de1+2e=33.5+21.2=35.9 mm （4-2）大带轮节圆直径 dp2=idp1=2.135.9=75.39 mm （4-3）de2=dp2-2e=75.39-21.2=72.99 mm （4-4）大轮有效直径选 de2=71 mm（4）计算带速 = dn601000 （4-5）式中：d带轮节圆直径 mm n带轮转速 r/min所以带的速度 = 3.1435.93480601000 6.54 m/s注意：带速增加时，带轮的离心力和离心应力都会增大导致单位时间内的应力循环应力次数N增加，带速减小时，因为F=Pv1000，所以当P一定时，F增大即张紧力增大。一般在525 m/s，最大30 m/s，在815 m/s较好。因为带速=6.54 m/s 30 m/s，所以符合要求。（5）初定中心距a0 中心距的大小对带传动的影响： 中心距a越大，传动结构越大，所以载荷变化时容易引起带的颤动，导致带掉； 中心距a越小，带的长度越短，在一定速度下，单位时间内带的应力变化次数 愈多，会加速带的疲劳损坏；当传动比i较大时，包角较小；对于V带传动，中心距a一般可取 2（de1+de2）a00.7（de1+de2） （4-6）73.15 mma0209 mm初定 a0=150 mm（6）确定带的有效长度Le0 Le0=2a0+（de1+de2）2+（de2-de1）24a0 （4-7）=2150+164.07+2.34=466.41 mm由（表8-52），选 =450 mm（7）计算实际中心距a 中心距的变动范围：考虑安装调整和补偿张紧力的需要（如胶带伸长而松弛后的张紧），尚需给中心距留有一定的调整余量。由表8-54知中心距的调整量为min=5 a=a0+Le0-Le2 （4-8） =150-8.205 =141.795 mm 则 a1=146.795 mm a2=133.795 mm（8）计算小带轮包角1 1=-de2-de1a （4-9） =3.14-0.264=2.88 rad（9）带每楔所传递的额定功率及其增量由带型，de1=33.5 mm，n1=3480r/min;按(表8-55) 用插值法计算得：P0=0.14 kw由i=2.1，n1=3480r/min,有(表8-55) 用插值法计算得：P0=0.02 kw（10）计算带的楔数由（表8-56）用插值法计算K=0.97，KL=0.78； 由 Z=P(P0+P0)KKL （4-10）得: Z=1.65（0.160.970.78）Z=13.63 由（表8-51）选取Z=12（11）有效圆周力 FT=Pdv103 （4-11） =0.26103 =252 N（12）作用在轴上的载荷为设计轴和轴承，需确定带传动作在轴上的力Fr，得Kr=1.57由式 Fr=KrFTsin12 (4-12)则 Fr=1.572520.991=392.08 N（13）多楔带带的选择图4-1 多楔带多楔带（图4-1）也有众多型号，每个型号的最大载荷也不同。所以根据以上计算。跑步机最优的传动机构选择12PJ450多楔带。4.2 多楔带带轮结构和尺寸选择（1） 要求根据跑步机传动系统的要求，应该选择质量小；结构工艺性好的多契带带轮；还需无过大的铸造内应力；带轮质量分均匀；转速高时要经过动平衡 ；轮槽工作面必须要精细加工，以减少带的磨损；各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等。（2） 材料带轮的材料主要采用铸铁，常用材料的牌号为HT150或HT200；转速较高时宜采用铸钢；小功率时可用铸铝或塑料。（3） 结构设计带轮由轮缘，轮辐和轮毂三部分组成 实心式：当带轮基准直径小于3d(d为轴的直径)时； 腹板式：当带轮基准直径小于300350mm时； 轮幅式：当带轮基准直径大于300350mm时；4.2.1 带轮型号带轮的结构设计主要是根据带轮的基准直径选择结构形式，并根据带的型号及根数确定轮缘宽度，根据带的型号确定轮槽尺寸。则小带轮D=33.5选取实心式，规格为：P12PJ33.5大带轮D=71选取腹板式，规格为：P12PJ71以跑步机大带轮P12PJ71为例确定其结构和尺寸：要求带轮每毫米有效直径的轮槽轴向圆跳动公差值为0.002mm.轮槽表面粗糙度Ra的最大允许值为3.2。槽距e=2.340.03，槽角=40o0.5o 楔顶圆角半径rb,最小值为0.2，槽底圆弧半径rt最大值为0.4，检验用圆球或圆柱直径db=1.50.01,2X公称值为0.23，2N最大值1.22，f最小值为1.8，有效线差公称值e=1.2径向跳动公差0.25，槽间直径差值最大0.16。n槽数为12。带轮宽=112.34+1.82=29.34 mm现在楔顶圆角半径rb，槽底圆弧半径rt均为0.3，又由槽距e=2.34，槽角=40，得到每个楔槽高度为2.06mm。4.3 带传动的张紧装置的选择因为带传动是依靠带与带轮间的摩擦力来传递运动和功率的，所以在装配时就应使带与带轮间具有一定的压紧力，使带处于张紧状态，并保持足够的初拉力。经较长时间的使用，由于带长期受拉力作用，将会发生永久变形，伸长后的传动带，减少了与带轮间的摩擦力，回使传动能力降低，时常出现打滑现象，为保持应有的张紧力，减少打滑，需要用张紧装置来调整。下表4-1为各个不同中心距所需要不同场合的张紧装置。传动中心不可变时，采用张紧轮。传动中心可调时，采用滑轨加螺旋或者浮动轴。4.4 小结多楔带适于传递功率较大而又要求结构紧凑的场合，还有带体薄，富有柔软性，特别能适应带轮直径小的传动；振动小，发热小，运转平稳；最后多契带还耐热，耐油，耐磨，使用伸长小，寿命长等特点。表4-1 张紧装置4.5 外型结构设计4.5.1 基架的设计为了保证整个跑步机系统的稳定性和减震系统的有效性，基架全部采用焊接结构。基架的设计是整个设计的基础，也是其他设计的基准。只有先设计好基架，才能更好地确定支架和滚筒，以及前后ABS塑料罩等等，都是依据基架的尺寸和形状设计的，所以设计开始首先考虑基架的设计，进行样式，结构，还有尺寸的确定。主要是通过调研，看现有市场上的跑步机的基架结构的流行设计，然后在此基础下改进，完成简洁美，在尺寸的确定方面参考了人体运动工学推算，45cm宽X130cm跑带面积，以此保证给人以足够的运动面积和足够的宽度扶手保持平衡，为主要数据展开对基架的设计，再考虑电机的尺寸，传动机构带传动的中心距离，电机的安装，前后滚筒的位置，PWM调速电源的安装位置，以及传感器安装位置的预留等等，在设计中特意将两边框设计了足够的宽度，设计出防滑道，以此为锻炼过程中短暂的休息提供两脚踩放的位置，另外也为预防跑步机失灵发生意外，人可快速两脚分开脱离旋转的跑带，提供足够的安全踩放位置。底座外形长度设计：跑步带宽512mm，故设计滚筒长度为530mm，再加上轴的固定孔位，取跑步机的整个传动系统的宽度为650mm，确定两侧平台各取44mm，所以上底座的宽L=650+244=738mm.由之前求得的实际中心距a0 =141.8mm，确定电动机的宽L1=110mm，跑步带长是1300mm，取下底座的后壁到下滚筒的距离为45mm用于安装和调节下滚筒的装置。由于电动机应与前壁有一定间隙，并有一段是为安装和调整电动机位置，用于电动机的安装。故取上滚筒与前壁的距离La=415mm，所以上底座长Lb=1300+45+415=1760mm。图4-2 基架力图图4-3 同步带承载绳断裂损坏主要：整个基架最有可能出现弯矩现象的地方在上基架中部，如上图4-2、图4-3所示。以基架一边承受65kg计算其载荷，由于有一定的冲击力，取跑步时脚相对于跑步板10m/s，与跑步板接触0.2s计算，根据底座材料了解许用应力=60MPa。跑步带长1300mm。 所以 Fs = m （4-13） F = =6500 N点1.2受力分别为 1250 N （4-14） 2000 N （4-15）弯矩 1106 （4-16）所以弯矩应力 =53.75 MPa 60 MPa （4-17）综上可用。下图为本课题根据最大许用应力设计出的基架。图4-4 基架4.5.2 支架的设计支架设计分为上下两部分，可以通过插拔的形式安装和拆卸，装卸操作简单并节省空间和安放空间，支架材料采用空心铜管，通过焊接连接，保证稳定性。支架包括扶手如图4-5，仪表安装辅助支架，扭腰盘连接处等。基架和基架的连接采用翻转连接，方便位置的调整、拆装和清洗。底部安有橡胶垫和尾套，保证平衡，最重要的是实现减震的二级缓冲。如图4-6下支架。图4-5 上支架图4-6 下支架图4-7 总支架因为很多健身者在购买跑步机时，害怕跑步机占用比较大的空间，又不好移动跑步机。所以本课题设计的跑步机能够更好地解决部分健身者的顾虑，更好地完善跑步机给健身者带来的舒适度和使用方便。图4-7为总支架。4.6 前后罩为了各机构不会相互制约，旋转传动机构必须与执行机构隔离，保证技术，同时为了紧急情况和美观感，前后罩使用ABS塑料，美观，有质感，能起到有效的防护作用。设计基准为基架，通过螺钉与基架连接，方便安装、清洗和维护维修。图4-8为前罩，图4-9为后罩。4.7 小结 跑步机前后罩能够很好地保护灰尘进入内部，使零件发生卡条，起了安全作用。还能调整螺栓，可以调节跑带偏移。图4-8 前罩图4-9 后罩第5章 前后滚筒5.1 轴承的计算根据跑步带设计要求1 计算轴上功率、转速和转矩经查手册得，多契带的传动效率为0.98则轴上功率 =15000.98 W=1470 W （5-1） 轴上转速 =3480 r/min=1657.14 r/min （5-2）轴上转矩 Nm=8.47 Nm （5-3） 计算作用在大带轮上的力 大带轮的直径=71mm 作用在大带轮上的力： =238.6 （5-4） =238.6=85.9 （5-5） 238.60=0 （5-6）综上，作用在轴上是力，设计的轴为轴固定 初步确定轴的最小直径 先初步估计轴的最小直径。按无特殊要求、重要性一般，选择应用最为广泛的轴材料刚，查得转矩计算轴时的 =10.57 mm （5-7） 轴承的选择 取安装滚动轴承处为轴头为前滚筒轴的最小直径dmin我们选轴承为深沟球轴承6301型号，旧型号为301轴承类型：深沟球轴承；轴承型号：6301轴承参数：轴承内径：12，轴承外径：37，轴承宽度：12，额定动载荷：7480，额定静载荷：4650，极限转速：22000， 润滑方式：脂润滑。工作参数：径向载荷：406.16，轴向载荷：0，使用寿命：30000，工作转速：1819.8，载荷系数：1.5。轴承特点：摩擦阻力小，转速高5.2 轴结构的设计5.2.1 轴的设计由于滚筒轴只承受弯矩，不承受扭矩（T=0，M0）所以设计的轴为心轴；轴的结构形式受载荷的性质、大小、方向等因素影响，设计时，必须具体情况具体分析。设计轴的结构时，应该满足1.轴和轴上零件应有准确的工作位置 2.轴上零件便于调整 3.轴的制造工艺性应该良好 4.轴上零件要固定不动 5.轴与轴之间防止应力集中。（1） 所以结构设计应满足的基本要求 轴与轴上零件应具有准确的工作位置定位要求 轴上零件应易于装拆和调整安装调整要求 轴上零件的固定应牢固可靠紧固要求 轴应具有良好的制造工艺性工艺要求 应尽量减少应力集中提高疲劳强度的要求（2） 轴的各部分结构名称制造安装要求 为防止零件应力集中，常将轴做成阶梯轴。 为使轴上零件易于拆装，轴端和各轴段的端部应有导角 轴的形状和尺寸要求简洁，以便于加工 轴上磨削的轴段应该有有砂轮越程槽（3） 轴的材料轴常在交变应力的作用下工作，其材料的要求是：强度高、刚度好、应力集中的敏感度小，抗疲劳，加工性能好。轴的毛坯一般用圆钢。材料主要采用中碳钢35或45钢和合金钢20Cr或40Cr等。最常用的是45#钢（含碳量.45），它具有较高的综合机械性能。此设计采用45#钢，调质处理。5.2.2 轴结构的设计（1） 轴的设计包括两个方面： 结构设计：使轴具有合理的结构形状，良好的加工工艺性。 强度计算：保证轴在正常载荷作用下不致断裂或产生过大的变形。（2） 轴的结构设计： 轴的端部应有45度倒角，以便安装时对中，防止锐边划手。（3） 轴的结构设计主要根据以下几个方面： 轴上零件的配置； 轴上零件的固定； 轴上零件的装拆； 轴的加工工艺性。（4） 轴上零件的固定可分为两个方向： 周向固定：传递扭矩和运动。采用过盈配合； 轴向固定：防止零件在运转时产生轴向移动。采用圆螺母。图5-1 滚筒结构5.3 轴的强度校核 由于心轴工作时只承受弯矩而不承受扭矩，所以在应用上式时，应取T=0。由于是固定心轴，只需考虑启动，停止等影响，弯矩在轴截面上所引起的应力可视为脉动循环变应力。查得固定心轴的许用应力=102MPa；所以最大弯矩=85.9250=21.48 （5-8）抗弯截面系数= =1.7 （5-9）弯矩应力 （5-10）则通过设计能承受足够的工作强度。5.4 滚筒要求滚筒材质市场上目前有钢质、铝质、钢质外包Pu塑料三种。钢质使用较多,性能稳定,使用寿命长；钢质外包塑料，长时间运转之后，容易发软和跑带拈连。表面处理，滚筒上有细小的螺纹，可防止刮伤，有些品牌的滚轮没有经过这样的表面处理，或处理得极为粗糙，容易生锈。一般来说,滚轮尺寸越大，在相同速度的情况下，转的圈数越少，对传动系统的压力越小，使用寿命越长，但同时家用跑步机又要考虑到马达动力及选型方面的因素。在保证马达动力足够以及家用跑步机对外形要求的前提下，有部分厂家跑步机滚筒尺寸一般以45mm和60mm左右为主。主动滚筒的外圆全跳动小于0.33mm，从动滚筒的外圆全跳动小于0.25mm。滚筒均采用2.1mm壁厚的优质钢管，光洁度达到0.8以下。滚筒均有防静电处理。滚筒外部经防锈处理。下图5-2，图5-3分别为前后滚筒。图5-2 前滚筒图5-3 后滚筒5.5 小结滚筒要求做动平衡调节、动平衡精度高，噪音低。避免滚筒偏移，导致跑步带发生扯裂，造成健身者发生意外。下图为滚筒动平衡调节模式，需要定时做的平衡调节。图5-4 滚筒的动平衡调节第6章 跑步板及跑步带设计6.1 跑步板跑步机的跑步板，它由基板以及覆盖在基板上或上下两个表面的导电耐磨层构成。导电耐磨层既可长期承受跑步带的摩擦，使用寿命高；又可随时将摩擦产生的静电荷通过底座导出，避免长期的静电对人体的不舒感和对跑步机造成的损害。基板由高密度或中密度纤维板制作，也可由其它材料制作，比如胶合板、电木板。使用高密度纤维板时的破裂强度最佳，强度较高、重量较轻，成本较低，效果较好，本身也提供一部份的吸震功能，导电耐磨层可以在基板上喷涂导电耐磨涂料固化制成，也可以在基板上复合耐磨金属板制成。电木板的绝缘阻抗高，抗静电效果好，表层任性佳，可延长跑带运动寿命，具备越用越滑顺的特性。而业界常用以中密度纤维板和高密度纤维板居多。6.2 跑步带跑带要求双层粘合跑带，具有高传导性，跑步带国际防滑型，运动时安全可靠。跑步带，其实就是提供一个跑步的面积，如果随便设计跑步带面积的大小，左右宽度及前后长度不够时，就无法自然迈开步伐，跑起來及其不顺畅，容易磕磕碰碰，造成健身者的损伤。根据之前了解的人体运动工学推算，45cm宽X130cm长，应是一个合宜的参考面积，然后再依120kg的实际条件做增减。理论上來说，在相同的马力条件下，如果跑步机所能提供的跑步带面积越大，且整台实际的占地面积越小，应是较佳的设计，让跑步者跑步时可以更加舒适。6.3 跑带调整：两个螺栓调整法 图6-1 跑带的调整（1） 两个螺栓调整法：如果跑带偏向左边，先取出钥匙，拔下电源插头。使用六角螺母扳手，以顺时针方向旋转跑台左后侧的滾筒调整螺栓转90（四分之一转），还有以反时针方向旋转跑台右后侧的滾筒调整螺栓转90（四分之一转）。勿过度锁紧跑带。完成后，插入跑步机的电源插头与钥匙，让跑带运转几分钟。重复本段动作，直到跑帶位在中央位置。图6-1所示跑带的调整图。如果跑带偏向右边，先取出钥匙，拔下电源插头。使用六角螺母扳手，以反时针方向旋转跑台左后侧的滾筒调整螺栓转90（四分之一转），还有以顺时针方向旋转跑台右后侧的滾筒调整螺栓转90（四分之一转）。勿过度锁紧跑带。完成后，插入跑步机的电源插头与钥匙，让跑带运转几分钟。重复本段动作，直到跑带位在中央位置。图6-2 跑带左右偏调整方式（2） 增减跑带张力：要增加跑带的张力时，先取出钥匙，拔下电源插头。使用六角螺母板手，以顺时针方向旋转跑台后侧的两个滾筒调整螺栓转90（四分之一转）。跑带张力适当时，应该可以将跑带的任何一边移离跑台3mm-4mm。注意不能过度锁紧跑带如图6-2。完成后，插入跑步机的电源插头与钥匙，让跑带运转几分种。重复本段动作，直到跑带张力调整到适当为止。要减少跑带的张力时，先取出钥匙，拔下电源插头。使用六角螺母扳手，以反时针方向旋转跑台后侧的两个滾筒调整螺栓转90（四分之一转）。跑帶张力适当时，应该可以将跑带的任何一边移离跑台3mm-4mm。注意不能过度锁紧跑带如图6-3。完成后，插入跑步机的電源插头与钥匙，让跑带运转几分钟。重复本段动作，直到跑带张力调整到适当为止。图6-3 跑带张力大小调整方式6.4 跑台润滑油的添加之前已经提到跑步机的跑步板，它由基板以及覆盖在基板上或上下两个表面的导电耐磨层构成。为了更好地保护机器和舒适地使用跑步机，我们从中加入了润滑油，下面是：（1） 使用润滑油的作用： 减小跑步带和跑步板之间的摩檫力，保护跑步板表面的耐磨涂层，延长跑带、跑板的使用寿命； 减少跑步机的电能消耗； 让用户在运动时更流畅。（2） 品质要求： 耐高温； 黏度高； 不易挥发。（3） 使用方法： 先停机，防止加油过程中伤到手。 加油前最好清洁一下，特别是跑步板与跑步带之间混进杂物，灰尘。 掀开左侧跑步带，将润滑油沿跑步带方向倒在跑步板上，控制用量为 10 ml，不可过量使用。右侧同左侧一样操作方法。 将跑步机通电运转在3 以内，人站上去随着跑步带一起运动，用脚有意识的踏压跑步带下涂有润滑油的区域，使其在跑步板上散布均匀。（4） 使用频率与需要加油时间： 每天健身时间3-4小时左右的，加注润滑油的周期为3个月； 每天健身时间8小时左右的，加注润滑油的周期为2个月； 每天健身时间12小时左右的，加注润滑油的周期为1个月。（5） 注意事项：不可过量使用，防止摩檫力太小以至于跑步带和传动滚筒之间出现打滑影响正常使用。下图为跑步板与跑步带。图6-4 跑步板和跑步带6.5 小结跑步板和跑步带的设计是设计的重点，不光要提供一个宽敞舒适的跑步平台，还得考虑之间的调整形式，防止出现带偏问题，造成跑步机的损坏。跑步板和跑步带之间摩擦产生的静电问题也是不可忽视的，应该尽量通过细节的设计，提供一个真正的健康的锻炼平台。第7章 避震系统的设计7.1 避震系统的种类及原理跑步机与户外跑步的差别之一就是能够很好地保护好膝盖跑步机具有缓冲减震的效果就是这个道理。使用跑步机比起在户外路跑最大的好处是：跑步机它提供了避震效果，大量消除每一步伐的反作用冲击力，保护了膝盖关节。目前市面下跑步机的避震系统主要有6种，其他的都是这6种避震方式的衍生或复合，例如加上二级避震系统。6种避震形式：（1） 摆臂式避震系统；（2） VCS避震系统； （3） Cushion Flex专利避震系统； （4） 弧形跑板减震系统； （5） Supra Cushion避震系统； （6） 软跑板避震系统。本次设计的跑步机的避震方式采用具弹性的橡胶垫将跑台和底座框架垫隔开，使跑台成悬吊状态，进而产生吸收震动的动力而达到避震的效果。因此避震效果是否可以有效的展现发挥，完全得看跑步机的基座結构是否牢靠稳固。所以采用了足够牢固的钢材规格，结构撑架以焊熔连接，没有采用螺栓，在基座结构上再加上橡胶垫和橡胶尾套，使整个基架又对力产生一个缓冲，实现二级缓冲！本设计中之前提到跑步板采用高密度纤维板，本身也提供一部份的吸震功能，但厚度至少需有2.5公分以上，以确保在吸震同時，不因冲击而龟裂，另外在使用时可在跑步机的支撑点下，加铺具有弹性的铺垫，以增加避震效果。现在高级跑步机的最大卖点之一就是避震系统，所以设计和改进跑步机避震系统首当其冲，是设计思路和技术攻克的重点。“太空”牌跑步机减震系统设计相当敏感，站上跑步板，它会自动测出你的体重，根据数据，机器自动调整适合你的减震指数，避免膝盖受伤。健身器目的是锻炼身体，好的避震系统是跑步机的保障，如果没有对力的多重缓冲，跑步机就成为了跑步的隐型杀手，在不自觉中会损伤关节，而设计独特的避震系统能给锻炼者带来草地般舒适感觉，使在跑步机上的运动真正成为一种享受。图7-1 支架减震图7-2 底座减震7.2 小结减震系统的设计，是电动跑步机的必需，也是设计思路和技术攻克的重点。减震系统的设计和考虑程度决定着所设计跑步机的档次。高档跑步机可以根据体重自动调节减震系数。能够更好地保护健身者的膝部，完成高质量的健身计划。第8章 辅助设计8.1 扭腰盘设计 图8-1 扭腰盘图8-2 扭腰盘力图根据人穿鞋子的大小，本次设计确定扭腰盘如图8-1的大小直径300mm，扭腰盘中心距支架的距离为401mm。上图8-2为使用扭腰盘时的受力图在扭腰盘上的应力通常集中在小轴的两端部分。由于扭腰无冲击力，本设计以120kg为例。那么小轴处的力矩计算如下： 则力矩 =471576 mm （8-1） （8-2） 所以，支点反力 （8-3） （8-4） （8-5）所以截面切应力 （8-6）扭腰盘设计特点：（1） 采用 ABS塑料+磁铁制成，抗冲击强度高，密度小，便于运输，完全可以替代铸件，表面光洁度好，不用喷涂，重量仅是铸件的1/7，从运费上可节省6/7，采用此产品综合成本效益可降低40%（2） 扭腰盘附有磁铁，盘面突起直指病理反射区穴位，在扭腰同时进行脚底按摩。有足疗作用。（3） 身体随着转盘扭动，使腰部、跨部得到充分锻炼，瘦腰美腿、保持身材。（4） 通过磁疗，把磁波传列到人体，在细胞内发生旋涡状的二次电流，排除多余脂肪及毒素。（5） 增强血液循环，同时达到健美和锻炼身体的目的。8.2 连接结构设计设计连接长杆直径为85mm，通过长杆与跑步机前支架相连，相连处可翻转，需要用到时，即把扭腰盘翻转到皮带上方，进行锻炼。锻炼完毕后，可直接翻转折叠与地面垂直，即扭腰盘依附在支架上，进行跑步锻炼。此连接结构的设计优点在于方便使用，避免不必要的碰伤，有助于健身者的各方面锻炼需求。如图8-3。图8-3 扭腰盘支架8.3 旋转结构设计8.3.1 扭腰盘轴承选用此扭腰盘选用单向推力轴承和深沟球轴承配合完成对轴转动的的支撑。8.3.2 单向推力轴承型号轴承类型： 单向推力球轴承(50000)，轴承代号： 51104 轴承参数：轴承内径：20，轴承外径：35，轴承宽度：10，额定动载荷：11000，额定静载荷：19800， 极限转速：6700，润滑方式：脂润滑工作参数：径向载荷：0，轴向载荷：1000，使用寿命：3000，工作转速：20，载荷系数：1.1计算结果：当量动载荷：1100.00，当量静载荷：1100.00，计算寿命：833350深沟球轴承只是简单起个轴向固定和保持轴位置的固定的作用。下图8-4为扭腰盘旋转结构的内部结构图。完善跑步机辅助构件。图8-4 扭腰盘旋转机构8.4 小结辅助设计表现在两方面，一个是通过程序的设计，设计不同的模式使锻炼者可以进行不同程度的锻炼。另一个是添加辅助器件，比如此设计中扭腰盘，但是不是功能越多越好，必须考虑彼此不影响，保证锻炼的合理性。第9章 使用和维护9.1 跑步机的维护与保养1 摆放-跑步机最好不要室外使用,若阳台使用,务必防雨防暴晒.摆放场所要干净平整,注意防潮,注意勿将跑步机放置厚地毯一类物品上,以免影响跑步机底遮板空气流通。 2 清洁-定期清除灰尘以保护部件的清洁.一定要清扫跑带两边暴露在外的部分,减少跑带下杂物的堆积.确保运动鞋干净,避免把异物携带进跑带下磨损跑步板和跑带.可用肥皂和清洁布清洗跑带,切勿使用清洁剂，并在每次使用完跑步机后，将把手，跑带上的汗水擦干。 3 润滑油的使用-跑板和跑带之间出厂前已经涂好防静电润滑油.如果你觉得在机器运转100小时后在跑带和跑板间涂一次机器自带的润滑油。 4 跑带对中调节-为了使跑步机更好的工作,我们油必要将跑带调整到最佳状态.由于我们跑步时经常左右脚的用力不一致,故有时跑带会出现偏离的现象.如果跑带偏向右边,将右边的调节螺栓沿顺时针方向旋转1/2圈,再将左边的调节螺栓沿逆时针旋转1/2圈即可.若跑带偏向左边,反之即可。9.2 如何使用跑步机（1） 在进行跑步机训练之前，一定要记得不能空腹运动，最好先吃点东西，还要进行准备活动，主要做一些腿部肌肉、关节的准备活动就可以了，比如侧压腿、活动脚腕等。而且还要穿上干净的运动鞋。（2） 跑步机上跑步的时候，记得，自己的站位很重要，必须是选择站在运动带，也就是跑带的中间部分，不要太靠前，也不要太靠后，否则太靠前会踩到前板，而太后的话，则会被跑带甩出跑步机，出现意外伤害。（3） 在跑步快结束的时候，记得，不能立刻停下来，而是需要慢慢地把速度调下来，并最终到慢走的状态。记得，一定要用这样的顺序，否则你立刻停下来，会让你出现头晕的情况。而且用这种过度的速度，也会让你的身体得到运动后的放松和肌肉松驰等。9.3 其他注意细节（1）在练习的过程中，最好每分钟就补充一定的水分，但不可太多。 （2）千万不要在跑步机上进行倒走练习。
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