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自动跳绳机系统设计
30页 13000字数+说明书+4张CAD图纸
小带轮.dwg
摇臂.dwg
目录.doc
离合器.dwg
自动跳绳机系统设计说明书.doc
装配图.dwg
摘 要：跳绳运动是一项操作简单，方便易学的大众体育项目，内容丰富、形式多样，最令人推崇的是它具有很高的强心健身价值，被称为“最完美的健康运动”。
随着人们生活水平的不断提高，跳绳运动在世界各国有了全新的认识和研究，并被越来越多的人选择作为锻炼身体的主要运动手段。所以我相信发明一种能帮助人们在日常跳绳运动中获得更高效率和更大乐趣的跳绳机器定能受到广大跳绳运动爱好者的喜爱和青睐。从而对推广跳绳运动在大众体育中的普及度也有很大的促进作用，对提高广大人民群众的身体机能和基本身体素质也有着非常重要的现实意义。
关键词：跳绳运动；安全性；易操控性；旋转机械
目 录
摘要1
关键词1
1前言2
2方案设计3
2.1.基本功能3
2.2.设计参数及相关要求4
2.3.方案设计比较4
2.4.结构设计7
2.5.设计功能效果8
3电动机、调速器类型与参数的选择8
3.1.电机类型与参数选择8
3.2.调速器类型与参数选择9
4传动机构设计9
4.1.带传动设计与校核9
4.2.轴承选择与校核12
4.3.轴的设计与校核14
5控制部分设计
5.1.压力传感器的选择 .16
5.2.主电机的控制电路...16
5.3.自动断电保护控制17
5.4.控制面板设计.........17
6结构设计分析.17
6.1.主机架辅机架设计分析17
6.2.摇臂结构及栓绳装置结构设计分析20
6.3.摩擦离合器及安全联动控制设计分析21
6.4.游动轴承座设计分析23
6使用和维护24
6.1.跳绳机的维护与保养24
6.2.跳绳机使用24
7总结25
参考文献26
致谢27
其他形式的比赛为重点，着重开发它的竞技性，而忽视了其实用价值的开发，似乎是体育项目必须走向奥运会才是有价值的标志。对跳绳运动的忽略也折射出我国体育教育及体育发展中的一个弊端：一味追求奖牌效应，而对国民健身效应重视不够。全民健身计划实施任务中要大力提倡推广喜闻乐见的、简单易行的群众体育健身方法，我国很多民间传统体育娱乐项目具有简单易行、强身健体的功效，这是一些西式体育项目所不能替代的。从这种意义上说，跳绳运动等项目应该得到更多的重视和提倡，它必将大大有益于我国国民的身心健康。
而跳绳机的生产水平和科学技术含量在全世界范围内尚未得到明显的发展和提高，国内的发展水平和重视程度尤为低下，与国际发达国家尚有一定差距，无论是从科学技术含量上或是从对这个新鲜产品的重视和关注程度来讲，都是如此。随着人们生活水平和生活质量的提高，人们对跳绳机的要求也是越来越高，并有越来越多的人喜欢功能强大，娱乐性强的跳绳机器，这必将是一块很具有潜力的市场。相信在这块领域多下点工夫，肯定可以有所作为。
2 方案设计
2.1基本功能
自动跳绳机的基本功能就是实现机械装置自动抡绳，是以多人跳绳为目的的一项健身娱乐装备，可以广泛在居民小区、公园、学校、城市休闲广场等地方使用，代替多人跳绳的人力抡绳，满足人们健身娱乐的需要，将运动健身和娱乐融合在一起，在运动中得以锻炼。将跳绳系于跳绳机上，通过给电机供电，在控制部分的控制下执行机构完成相同的抡绳动作。结构包括驱动电机，传动，制动，控制等，实现了安全实用的多人跳绳需要。（图2-1为一种自动跳绳机使用现场）
2.2设计参数及相关要求
a.多人跳绳时的一般甩绳甩速为：30 r/min～120 r/min；
b.多人跳绳的一般甩绳高度为800mm～1600mm；
c.多人齐跳时要需要有比较稳定的甩速；
d.当有人拌绳时甩绳必需在产生危险之前停止甩动。
2.3方案设计比较
2.3.1 方案一
方案1主要由主动轮、电动机、传动带轮、V带、挡圈、常闭控制开关、轴承、传动轴、左摩擦离合器、右摩擦离合器、摇臂、弹簧、电机调速器、机架等构成。
- 内容简介：
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湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计自动跳绳机系统设计AUTOMATIC ROPE SKIPPING MACHINE SYSTEM DESIGN 学生姓名：徐 超 群 学 号：200841914223 年级专业及班级：2008级机械设计制造及其自动化 2班 指导教师及职称 ：莫亚武 副教授 学 部：理工学部湖南长沙提交日期：2012年5月 目 录摘要1关键词11前言22方案设计32.1.基本功能32.2.设计参数及相关要求42.3.方案设计比较42.4.结构设计72.5.设计功能效果83电动机、调速器类型与参数的选择83.1.电机类型与参数选择83.2.调速器类型与参数选择94传动机构设计94.1.带传动设计与校核94.2.轴承选择与校核124.3.轴的设计与校核145控制部分设计 5.1.压力传感器的选择 .16 5.2.主电机的控制电路.16 5.3.自动断电保护控制.17 5.4.控制面板设计.176结构设计分析.176.1.主机架辅机架设计分析176.2.摇臂结构及栓绳装置结构设计分析206.3.摩擦离合器及安全联动控制设计分析216.4.游动轴承座设计分析236使用和维护246.1.跳绳机的维护与保养246.2.跳绳机使用247总结25参考文献26致谢27湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日自动跳绳机系统设计 目 录摘要1关键词11前言22方案设计32.1.基本功能32.2.设计参数及相关要求42.3.方案设计比较42.4.结构设计72.5.设计功能效果83电动机、调速器类型与参数的选择83.1.电机类型与参数选择83.2.调速器类型与参数选择94传动机构设计94.1.带传动设计与校核94.2.轴承选择与校核124.3.轴的设计与校核145控制部分设计 5.1.压力传感器的选择 .16 5.2.主电机的控制电路.16 5.3.自动断电保护控制.17 5.4.控制面板设计.176结构设计分析.176.1.主机架辅机架设计分析176.2.摇臂结构及栓绳装置结构设计分析206.3.摩擦离合器及安全联动控制设计分析216.4.游动轴承座设计分析236使用和维护246.1.跳绳机的维护与保养246.2.跳绳机使用247总结25参考文献26致谢27湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日学 生：徐超群 指导老师：莫亚武(湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128) 摘 要：跳绳运动是一项操作简单，方便易学的大众体育项目，内容丰富、形式多样，最令人推崇的是它具有很高的强心健身价值，被称为“最完美的健康运动”。随着人们生活水平的不断提高，跳绳运动在世界各国有了全新的认识和研究，并被越来越多的人选择作为锻炼身体的主要运动手段。所以我相信发明一种能帮助人们在日常跳绳运动中获得更高效率和更大乐趣的跳绳机器定能受到广大跳绳运动爱好者的喜爱和青睐。从而对推广跳绳运动在大众体育中的普及度也有很大的促进作用，对提高广大人民群众的身体机能和基本身体素质也有着非常重要的现实意义。 关键词：跳绳运动；安全性；易操控性；旋转机械Automatic Rope Skipping Machine System DesignAuthor. Xu Chao-qunTutor.Mo Ya-wu(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128) Abstract：Skipping is a simple, easy Sports which has large, rich, varied items. respected is that it has a higher degree of cardiac fitness value, known as the most perfect health movement. With the continuous improvement of peoples living standards, skipping movement in the world with new knowledge and research, and more and more people choose to exercise as the main means of movement. That is why I believe that an invention can help people in day-to-day movement of skipping a higher efficiency and greater enjoyment of the machines will be able to be skipping rope skipping the majority of sports fans love and favor. Thus it will be good to promoting the skipping sport in mass sports movement of the degree of popularity, and there is great means for improveing bodily functions and basic physical fitness. Key words：skipping exercise; safety;easy manipulation;rotating machinery1 前言跳绳机的生产水平和科学技术含量在全世界范围内尚未得到明显的发展和提高， 国内的发展水平和重视程度尤为低下，与国际发达国家尚有一定差距，无论是从科学技术含量上或是从对这个新鲜产品的重视和关注程度来讲，都是如此。目前跳绳机主要分为单人跳绳机和多人跳绳机两种，前者主要用于个人和家庭，后者主要用于学校或健身中心等公共场合。而就技术难度和科研创新方面来讲，多人跳绳机似乎更有挑战性，因为涉及到机械传动方面的知识和电学以及控制原理的知识综合应用的一个过程。跳绳机在国内甚至国际上都还未打开属于它的市场来，所以现在也正是好时机打开这个市场，并且随着科学技术的不断发展和进步，相信跳绳机会越来越多地出现在群众的生活中。跳绳运动内容丰富、形式多样，最令人推崇的是它具有很高的强心健身价值，欧美一些医学专家称跳绳为“最完美的健康运动”。近年来，跳绳运动在世界各国有了全新的认识和研究，并得到了迅速发展，呈现出了组织化、规范化和普及化的特点。 随着人们生活水平的不断提高，跳绳运动在世界各国有了全新的认识和研究，并被越来越多的人选择作为锻炼身体的主要运动手段。所以我相信发明一种能帮助人们在日常跳绳运动中获得更高效率和更大乐趣的跳绳机器定能受到广大跳绳运动爱好者的喜爱和青睐。从而对推广跳绳运动在大众体育中的普及度也有很大的促进作用，对提高广大人民群众的身体机能和基本身体素质也有着非常重要的现实意义。 当今社会，基于科技的进步、经济的快速提升和经济文化的一体化，东西体育文化产生激烈的碰撞，民族传统文化在一定程度 呈弱化与衰颓之势。民族传统体育在学校体育中的应用也过于贫乏，既缺乏这方面的人才，也缺乏对这方面的科学研究。即便一些民族传统体育受到视也多是以进军奥运会、全运会或其他形式的比赛为重点，着重开发它的竞技性，而忽视了其实用价值的开发，似乎是体育项目必须走向奥运会才是有价值的标志。对跳绳运动的忽略也折射出我国体育教育及体育发展中的一个弊端：一味追求奖牌效应，而对国民健身效应重视不够。全民健身计划实施任务中要大力提倡推广喜闻乐见的、简单易行的群众体育健身方法，我国很多民间传统体育娱乐项目具有简单易行、强身健体的功效，这是一些西式体育项目所不能替代的。从这种意义上说，跳绳运动等项目应该得到更多的重视和提倡，它必将大大有益于我国国民的身心健康。而跳绳机的生产水平和科学技术含量在全世界范围内尚未得到明显的发展和提高，国内的发展水平和重视程度尤为低下，与国际发达国家尚有一定差距，无论是从科学技术含量上或是从对这个新鲜产品的重视和关注程度来讲，都是如此。随着人们生活水平和生活质量的提高，人们对跳绳机的要求也是越来越高，并有越来越多的人喜欢功能强大，娱乐性强的跳绳机器，这必将是一块很具有潜力的市场。相信在这块领域多下点工夫，肯定可以有所作为。2 方案设计2.1基本功能自动跳绳机的基本功能就是实现机械装置自动抡绳，是以多人跳绳为目的的一项健身娱乐装备，可以广泛在居民小区、公园、学校、城市休闲广场等地方使用，代替多人跳绳的人力抡绳，满足人们健身娱乐的需要，将运动健身和娱乐融合在一起，在运动中得以锻炼。将跳绳系于跳绳机上，通过给电机供电，在控制部分的控制下执行机构完成相同的抡绳动作。结构包括驱动电机，传动，制动，控制等，实现了安全实用的多人跳绳需要。（图2-1为一种自动跳绳机使用现场）2.2设计参数及相关要求a.多人跳绳时的一般甩绳甩速为：30 r/min120 r/min；b.多人跳绳的一般甩绳高度为800mm1600mm；c.多人齐跳时要需要有比较稳定的甩速；d.当有人拌绳时甩绳必需在产生危险之前停止甩动。2.3方案设计比较2.3.1 方案一方案1主要由主动轮、电动机、传动带轮、V带、挡圈、常闭控制开关、轴承、传动轴、左摩擦离合器、右摩擦离合器、摇臂、弹簧、电机调速器、机架等构成。图1自动跳绳机使用Fig.1 Automatic rope skipping machine use工作原理为：它以交流调速电机为动力，通过传动带向轴杆传递力矩，同时带轮改变传动比，达到需要转速，再由轴杆上离合器向摇臂传递力矩并使摇臂转动，通过使用调速电机与电机调速器，可以实现对跳绳转速调节，从动端的摇臂通过绳子跟随主动端的摇臂同时转动，摇臂规格一致，即抡绳高度一致，这样实现两头同时等高抡动的功能。它还装置了在踩绳或拌住时的安全保护机构。也设置了满足甩绳大、小力矩的平稳甩动的机构，它实现了自动甩绳，不会使手臂酸痛，适应了不同人群的甩绳速度的需求。以下图为列简单介绍其结构功能：（图2 方案1结构图）它由主机架（1）、电动机及调速器（2）、小带轮（3）、V带（4）、大带轮（5）、传动轴（6）、轴承座（7）、摩擦离合器（8）、圆螺母（9）、常闭控制开关（10）、弹簧（11）、传动套管（12）、摇臂（13）、辅助机架（14）、辅助旋转机构（15）组成。各部件的连接关系为：电动机及调速器（2）固定于主机架（1），小带轮（3）安装与调速电动机上，通过V带（4）与大带轮（5）连接传动。大带轮（5）固定于传动轴（6）轴端，传动轴（6）上有轴承座（7）、摩擦离合器（8），传动套管（12）一端连接摩擦离合器（8），上有圆螺母（9）、弹簧（11），摇臂（13）连接于传动套管（12）。常闭控制开关（10）固定于主机架（1）上。辅助旋转机构（15）固定于辅助机架（14）上。图2 方案1结构图Fig.2 The first Scheme structure diagram2.3.2方案二方案2是由一个主动机构和一个随动机构共同组成。主动机构主要包含：调速电动机，带传动结构，齿轮减速器，摇臂，绳子弹性搭扣以及底座组成。随动机构主要有随动摇臂，旋转轴接都，底座组成。工作原理为：当启动可以自由调速的电动机时，电动机输出轴通过键连接将转动通过带传动传递给齿轮减速机构，齿轮减速机构进一步对转速进行减速，之后将转动传递给末端工作轴，末端工作轴通过螺纹连接使扭矩传递给摇臂。主动端摇臂上将连接一个用于系绳子的弹性搭扣，可以实现了拌绳时绳子自动脱离的功能，结构相对复杂。从动端的摇臂通过绳子跟随主动端的摇臂同时甩动，并且甩绳高度一致，这样实现两头同时甩动的功能。而两边各自用来支撑和满足甩绳高度的大底座在机器不用的时候可以存放拆卸下来的零部件。方案的整体效果结构简图如下：（图3 方案2结构图）它由主机架（1）、调速电动机（2）、小带轮（3）、V带（4）、大带轮（5）、齿轮减速器（6）、摇臂（7）、弹性搭扣（8）、从动摇臂（9）、辅助旋转机构（10）、辅助机架（110）组成。 图3 方案2结构图Fig.3 The second Scheme structure diagram各部件的连接关系为：电动机（2）固定于主机架（1），小带轮（3）安装与调速电动机上，通过V带（4）与大带轮（5）连接传动。大带轮（5）固定于齿轮减速器（6）输入端，齿轮减速器（6）输出端连接摇臂（7），摇臂（7）上有弹性搭扣（8）。辅助旋转机构（15）固定于辅助机架（14）上。2.3.3 结构方案的选择 通过对上述两种设计方案的分析和比较，结合设计要求，最终选择第一种方案作为最后的设计方案。具体分析如下： （1）传动结构分析：方案2由于传动结构复杂，尤其采用了齿轮减速器，零部件采用较为繁多，设计过程较为繁琐，方案1采用电机调速器直接对电机调速，只用一级的带传动结构，传动结构简单明了； （2）机架结构分析：方案1主机架采用焊接件，结构简单制造方便，取材简单；而方案2为铸件箱体，虽然可以存放零部件，但是箱体体型庞大，给铸造加工及运输带来很大麻烦，整个设备看起来比较笨重。 （3）经济分析：方案2相比方案1在成本上增加了不少，主要来自于减速器成本、机架铸造成本增加，方案1为焊接结构件，为标准的型材，取材容易，耗材成本降低，容易焊接，加工成本降低，所以在经济因素上占有优势。 （4）使用安全性能分析：方案1装置了在踩绳或拌住时的安全保护机构，而方案2无此安全装置，方案1安全性能较好。综合分析得出，第1种方案具有经济性、安全性、结构新颖性等优点，为设计首选方案。2.4结构设计自动跳绳机主要由机架装置、动力及传动装置、制动装置、辅助连接装置、控制装置、安全装置等结构组成，将可调速电机为动力源，通过连接于电机的带传动装置向轴传递力矩，再由轴杆上上的摩擦离合器向摇臂传递力矩，使得摇臂转动，实现跳绳的摆动。另一端采用非动力的从动部件，在主动部件牵引力带动下实现与主动部件一起转动。通过带轮的传动比改变转速，并通过调速装置对调速电机进行速度调节，从而达到需要的输出转速。在跳绳的过程中如果有人踩绳或绊住时，使摇臂受到拉力作用，对摇臂的正常转动造成阻碍，并通过与摇臂连接的套管将阻力进行反向传递，最终传递于右半摩擦离合器，由于设计的右半摩擦离合器可以在轴杆上滑动，当阻力大于套管外侧弹簧设定的预紧力时候，两半摩擦离合器发生摩擦位移，右半侧离合器随即向另一侧移动，当位移量达到设定的间隙距离时，接触控制开关，使其造成电路断路，电机则停止转动，跳绳停止抡动，实现安全控制目的，确保人身安全。2.5功能效果 a.实现自动抡绳，克服了传统的人力抡绳，参与性更强，互动效果好； b.设置可调节摇臂结构，实现了抡绳于不同高度，适合各身高段人群需求； c.设计合理摇臂结构，实现摇臂转动的动态平衡，使其能平稳抡绳，同时减少机器震动，减少关键部位磨损； d.通过调速电机于调速器的搭配使用，可设定不同抡绳速度，满足不同人群需求； e.适应安全可靠，使用方便，具有易操作性； f.适用广泛性，适应于不同人群，范围广，家庭、社区、学校等地方均可使用； g.设有安全可靠的保护装置，防止踩绳拌绳时摔伤。 3 电动机、调速器类型与参数的选择 3.1电机类型与参数选择 （1）电动机类型选择根据工作要求和已知条件：多人跳绳时的一般甩绳甩速为：30 r/min120 r/min，及力矩与功率损失，选用小功率异步电机YY8014，电压220V，输出功率P=550w，电源频率。 （2）确定电动机转速电机转速为1400r/min，输出转矩1.7N.M，电机工作过程中配备一电机无机调速器，通过无级调速器实现对跳绳所需转速的调整。 （3）电动机主要外形和安装尺寸 图4 电动机主要外形和安装尺寸 Fig.4 Motor main outline and installation dimensions3.2电机调速器类型与参数选择（1）无级调速器选择SCA-B系列，该调速器能够满足电机输出功率400W的要求，实现对所选电机调速。（2）无级调速器主要外形和安装尺寸（图5） 图5 无级调速器主要外形和安装尺寸 Fig.5 Stepless speed regulator main outline and installation dimensions4 传动机构设计4.1带传动的设计和校核（1）设计功率由机械设计手册查得工况系数 （1）（2）选择带型根据=0.44kw、1400r/min，确定为选用 A型带。（3）传动比由于调速电机转速范围为90 r/min1400r/min，而跳绳转速为30 r/min120 r/min，故选择传动比 （2）（4）确定带轮的基准直径1）初选小带轮的基准直径参考3，取小带轮的基准直径2）初选大带轮的基准直径 （3）由表33.1-18取（5）跳绳的实际转速范围 （4）要求跳绳转速为30 r/min120 r/min则（6）验算带速V （5） 因为,故带速合适。（7）初定轴间距 取两轴之间距离（8）所需基准长度 （6） 由表33.1-7选取基准长度（9）实际轴间距 （7） 安装时所需最小轴间距 （8） 张紧或补偿伸长所需最大轴间距 （9）（10）小带轮包角 （10）（11）单根V带基本额定功率 根据和由表33.1-117c查的A型带（12）考虑到传动比影响，额定功率增量由查的（13）V带的根数 （11） 由表33.1-13查的 由表33.1-15查的 （12） 则取V带根数为2根（14）单根V带预紧力 由表33.1-14查的 （13）（15）带轮的结构和尺寸 由交流调速电机YCJT-400-1可知，其轴伸直径d=24mm，长度L=40mm，所以小轮带轴孔直径应取d=24mm，毂长小于40mm。由表查得，小带轮结构为实心轮。轮槽尺寸及轮宽按照表计算，参考图典型结构设。 选取大轮轴孔直径应取d=20mm，毂长40mm。4.2轴承选择与校核（1）从动轴轴承选择计算：查设计手册工况系数表，工况系数Ka=1.1计算功率Pd =KaP=1.10.4=0.44KW （14）转矩T=9550=95500.44/120=35 Nm （15）根据轴承工作条件，选d=50的单列圆锥滚子轴承。轴承承受径向载荷 （16）转速n=120r/min运转条件正常，要求寿命7200h。根据式 （17）查表7-2-87-2-12得 Fh=2.00Fn=0.201Fm=1Fd=1.2Ft=1 （18）根据式Co=SoPo 查表7-2-14 P=Fr=280N 查表7-2-16 So=1 Co= SoPor=11400=1400N （19）查表7-2-79，单列圆锥滚子轴承选32910单列圆锥滚子轴承Cr=36.8KN，Co=56KN，满足要求故选32910型单列圆锥滚子轴承。（2）游动端轴承选择查设计手册工况系数表，工况系数Ka=1.3计算功率Pd2=KaP=0.441.3=0.57KW （20）转矩T=9550=95500.57/120=45.5 Nm根据轴承工作条件，选d=35的单列圆柱滚子轴承。轴承承受径向载荷 （21）转速n=120r/min运转条件正常，要求寿命7200h。根据式 （22）查表7-2-87-2-12得 Fh=2.00Fn=0.201Fm=1Fd=1.2Ft=1 （23）根据式Co=SoPo 查表7-2-14 Por=Fr=2600N查表7-2-16 So=1Co= SoPo=12600=2600N查表7-2-61选NU1010单列圆柱滚子轴承Cr=25.0KN，Co=27.5KN，满足要求故选NU1010单列圆柱滚子轴承。4.3轴的设计与校核（1）选择轴的材料为45，调质处理。查表6-1-1得b=590MPa、s=295MPa、-1=255MPa、-1=140MPa（2）初步确定轴端直径查设计手册工况系数表，工况系数Ka=1.1计算功率Pd =KaP=1.10.4=0.44KW转矩T=9550=95500.44/120=35 Nm （24）转速n=120r/min按照表6-1-19选取，因为转速高且单向旋转，取A=103轴的输入直径mm （25）考虑到轴有键槽，轴径d应增大4%5%，故d16.7mm（3）轴的结构设计取轴颈处的直径为50mm，与标准32910单列圆锥滚子轴承孔径相同，中间自由处选取直径为60mm。（4）键强度校核选用A型平键（GB/T292-1994），与带轮连接处键的尺寸为bhL=10820，与离合器连接的键为bhL=6675。键1连接强度校核按表5-3-16公式计算，式中参数为：pp=120N/mm，k0.5h=0.58=4mm，l=L-b=20-10=10mm键连接处传递转矩为T=45.5Nm （26）键工作面的压强p为：p=pp故键1连接强度通过。键2连接强度校核按表5-3-16公式计算，式中参数为：pp=120N/mm，k0.5h=0.56=3mm，l=L-b=75-6=69mm键连接处传递转矩为T=45.5Nm （27）键工作面的压强p为：p=pp故键2连接强度通过。（5）计算支承反力、扭矩及弯矩 图6 支撑反力的计算Fig.6 Support reverse force calculationRa= （28）Rb= （29）图7 扭矩的计算Fig.7 Calculation of torqueMc=3Nm （30）Mb=11.44Nm （31）输入转矩为T=45.5Nm图8 弯矩的计算Fig.8 Bending moment calculation（6）轴的疲劳强度校核根据载荷分布与应力集中情况，取截面进行分析，确定危险截面为带轮肩胛截面，进行校核计算得：S=2.18 2取需用安全系数Sp=1.8，计算安全系数大于许用值，故轴的疲劳强度能够满足要求。5 控制部分的设计5.1 压力传感器的选择 压力开关也叫“压力信号器”，是一种位式压力传感器。通常由波纹管的变形位移决定电接点的通断，其效果与继电器相似。压力开关上的电接点常有加速动作的弹性元件，使其开闭迅速而彻底。一种高、低压组合式压力继电器原理如图5所示。图9 压力继电器原理示意图Fig. 9 Pressure relay principle diagram5.2主电机的控制电路 电机的调速和正反转都是通过控制面板上的按键来设置的。所以在设计电路时，要使用到8155扩展I/O口的键盘/显示器接口电路。这里，使用到的按键共有8个，选择使用8155的6个PA口，从PA0PA5接到芯片BIC8718DE的引脚8A3A上，其输出端引脚8Y3Y出键对应的六列；同时8155的PC口PC0和PC1接输入端，引出对应的按键的两行；如此有12个按键可控制，只需要选取其中的8个就可以了。同时，8155芯片的PB口接到芯片BIC8718的引脚8A1A上，而其输出引脚8Y1Y则控制显示器的8位段显码。显示器上要求同步显示当前的速度和跳绳个数，8位数也足够了。而且，在调节设置电机转速和选择其正反转时，要求有对应的指示灯亮者，以保证消费者对系统是否接收到了输入的状态一目了然。选择将8155的P0口P0P7接到地址锁存器74LS273的引脚D0D7上，其输出引脚Q0Q7就对应着8个发光二级管，从而控制指示灯的亮熄。 电机的正转子程序流程如下：首先是输出正转信息，然后进行速度调节；如需进行速度调节，则再进一步判断是要减速还是加速；在设置好所需的速度值后，就以当前的速度为绳子达到稳定运转状态的速度值。类似的，也可以得到电机的反转子程序流程。当系统得电后，系统会处于待机状态；此时，如果再选择了电机的正转或反转，就相当于把主电机也启动了；这时系统会按照设置的速度正常运转。5.3自动断电保护控制 前面已经选定了一种压力开关。当原落幕给的力大于设定的压力上限值时，它会自动的发出开关信号，从而控制电机自动停转。选择的主要芯片是89C51，它内部自带程序存储器。其它功能均是由它扩展开去来实现的。在89C51上设置一个引脚INT0来接压力传感器的开关信号。这里，是采用中断信号来完成预期的电路自动断电保护功能。其工作流程过程如下：中断系统保护现场停机恢复返回。这里的停机既包括主电机的停转，即通过控制芯片89C51的引脚P1.0P1.2从而控制其输出信号来实现；还包括调高装置的电机停机，即通过控制芯片89C51的引脚P1.3P1.5来实现。在这个系统里，是把不同的设置数据存储在不同的内存单元中，即不同的存储单元中对应着不同的存储内容不同的状态数据，包括速度、高度、转动方向、压力值。而这些值是放在显示缓冲区中的，系统每过一定时间就会到这个缓冲区把所有的数据都扫描一次，再将其输送到系统控制电路中，再将对应的数据值显示出来。这里的定时器中断程序流程如下（设定扫描的间隔时间为20 ms）：现场保护读显示缓冲器动态显示判断是否有键按下如果有的话就读键值保存键值还原现场返回；如果没有键按下，就直接返回。5.4控制面板的设计 控制面板的示意图如图6（包括8个按键，6个显示灯，8位数的8位段显码）。图10 控制面板示意图Fig.10 Schematic diagram of control panel6 结构设计分析6.1主机架、辅助机架设计分析设计的跳绳机结构上主要可以分为：机架装置与传动装置，机架装置主要用于固定传动装置，并设计合理高度将整个跳绳机固定于地面，使之能够安全稳定的工作。机架装置主要分为主传动机架和辅助机架两部分组成。根据跳绳机的抡绳高度的要求，首先确定跳绳机的中心高度。根据日常跳绳的经验以及带轮设计确定的带轮中心距400 mm，确定跳绳机的回转中心高为1000mm。根据轴设计的参数选定合适的轴承及轴承座，跳绳机的主传动轴为用标准的二螺栓滚动轴承座SN210（GB/T7813-1998），其轴承座的使用工作条件的要求为线速度5m/s，工作温度90，根据设计要求参数，选用的轴承座能够满足设计要求，其具体尺寸如图4-1所示。 图11 SN210滚动轴承座 Fig.11 SN210rolling bearing由其尺寸可知，其中心高为60mm，为了机架设计简单合理化，本设计中传动轴上的轴承座中心高均选为60mm，根据已确定的跳绳机的回转中心高1000mm，则可计算出机架的高度为940mm。主传动机架主要作用就是将动力源调速电机及传动系统固定，同时考虑其整个结构的刚度与强度。主机架主要采用型材焊接结构，主体框架采用热轧等边角钢（角钢号数: 5.6，GB/T9787-1988）焊接而成，固定轴承座、调速电机的结构均用钢板焊接而成，通过合理的尺寸布置设计尺寸进行焊接。连接轴承座、电机等位置的，均按照轴承座与电机底座连接的螺栓孔进行合理的机架连接孔布置。主机架焊接均采用连续角焊缝焊接，达到理想的焊接性能。 主机架的四根支腿下方均采用方形钢板焊接，增大机架与地面的接触面积，使其在使用中运行稳定，同时也保护地面不被损坏，在方形钢板上开有地脚螺栓孔，采用地脚螺栓安装于地面。 图12 主机架结构图 Fig.12 The main frame structure辅助机架主要作用就是将从动装置固定与地面，同时保证其回转中心与主机架的回转中心等高。辅助也采用型材焊接结构，主支承结构为热轧工字钢（型号: 14，GB/T706-1988）焊接而成，固定轴承座的结构用钢板焊接而成，按照轴承座连接的螺栓孔进行合理的机架连接孔布置。机架焊接采用连续角焊缝焊接，达到理想的焊接性能。机架的支腿下方采用方形钢板焊接，增大机架与地面的接触面积，使其在使用中运行稳定，在方形钢板上开有地脚螺栓孔，采用地脚螺栓安装于地面。 图13 辅助机架结构图 Fig.13 The auxiliary frame structure6.2摇臂结构及栓绳装置结构设计分析 摇臂结构为跳绳机实现抡绳动作的主要实现部件，将传动轴旋转转化为空间圆弧滑动，摇臂末端的运动轨迹为圆周。在使用过程中将跳绳一点固定于摇臂的末端，实现圆周抡绳动作。 由于摇臂为圆周转动，而且杆臂较长，考虑到运行过程中产生的转动惯量与力矩的影响，会对跳绳机工作稳定性产生影响，如：震动大，轴承磨损快等等，为了避免此因素的存在，摇臂需要一定的平衡，在杆臂对称的一侧进行加大重量达到平衡目的。本设计如图12所示。 图14 摇臂结构图Fig.14 Rocker arm structure diagram 考虑到适应不同人群的需要，设计可调式摇臂结构，在摇臂上设有5个孔，方便工作过程中摇臂长短的调节，随时可以调节摇臂的线速度，从而使得绳子平稳抡动。图10为摇臂工作调节视图。 图15 摇臂工作调节视图Fig.15 Rocker adjustment view 摇臂的栓绳装置设计成螺栓紧固套管结构，套管套于螺栓上，用两个螺母将螺栓固定于摇臂上，要求套管可以在螺栓上自由转动（设计套管两侧各预留间隙1mm），套管上滚有花纹，一端设有凸缘。当跳绳系于上面时候，花纹使得套管与跳绳之间相对摩擦力增大，凸缘可以防止跳绳脱落。套管的自由转动可以有效防止跳绳时跳绳发生扭曲。具体结构见图11，其中：1.锁紧螺母、2.摇臂、3.滚花套管、4.螺栓 图16 栓绳装置 Fig.16 Bolt rope device6.3摩擦离合器及安全联动控制设计分析 本设计的摩擦离合器，主要从跳绳机安全使用角度出发设计的，即在踩绳或拌绳时，能够实现停车功能。设计主要实现踩绳或拌绳，摇臂与传动轴脱离，摇臂停止转动，进而控制电机。摩擦离合器主要由左右两半摩擦片组成，通过左右摩擦片之间的摩擦力传递旋转力矩，实现摇臂的转动。图12为左右离合器装配图，尺寸b为两离合器片之间的错动位移量，即在踩绳或绊住时，离合器的最大位移量为b。 图17 左右离合器工作示图 Fig.17 About the clutch working diagram 其中：1.传动轴 2.紧固螺钉 3.左半离合器 4.键 5.右半联轴器 6.圆螺母 7.弹簧 8.螺纹套管 9.常闭控制开关 10.机架 11.摇臂结构 12.轴承座图18 安全联动控制结构Fig.18 Safety linkage control structure 安全联动控制结构主要由以上12个零部件组合而成（图4-8 安全联动控制结构），传动轴1左侧连接与带轮，通过带轮传递力矩，左半离合器3套于轴颈上，通过紧固螺钉2和键4与传动轴固定，右半联轴器5套于轴上，为间隙配合，右半联轴器5在轴上可以自由滑动。螺纹套管8一端焊接摇臂装置11，套管穿于轴承座12中，在轴承座左侧将弹簧7套于套管8上，将圆螺母6旋于螺纹套管上，将右半联轴器5旋于螺纹套管8螺纹端，将结构套于传动轴1上，用螺栓将轴承座固定与机架10上。将常闭控制开关9也安装于机架10上。通过调节圆螺母6可以改变弹簧的压缩量，从而改变整个套管8对右半联轴器5的侧压力，压力越大则左右离合器之间的摩擦力越大，压力越小则左右离合器之间的摩擦力越小。合理设定圆螺母6与常闭控制开关9之间的间隙距离（图16中所示a距离）。弹簧预紧力与距离a可以根据实际的使用情况设置调整（注意ab）。调速电机通过带传动装置向轴传递力矩，轴通过键将力矩传递于左半离合器，通过左右离合器之间的摩擦力，将力矩传递与右半联轴器，即带动螺纹套管转动，从而实现摇臂圆周运动。在跳绳的过程中如果有人踩绳或绊住时，使摇臂受到拉力作用，对摇臂的正常转动造成阻碍，阻力通过与摇臂连接的套管将进行反向传递，最终传递于右半摩擦离合器，由于设计的右半摩擦离合器可以在轴杆上滑动，当阻力大于套管外侧弹簧设定的预紧力时候，两半摩擦离合器发生摩擦位移，右半侧离合器随即向另一侧移动，当位移量达到设定的间隙距离时，接触控制开关，使其造成电路断路，电机则停止转动，跳绳停止抡动，实现安全控制目的，确保人身安全。6.4游动轴承座设计分析由于右半摩擦离合器可以在轴杆上滑动，则即可带动螺纹套管与摇臂的左右窜动，如果设计一位置相对固定的轴承座，则安全控制装置将达不到预计的设计不低，同时可能造成设备的损坏。设计相对可以自由游动的轴承座来满足套管游动量的补偿，可以实现安全控制功能。如图17，其中两侧的游动间隙cb/2图19 游动轴承座 Fig.19 Floating bearing7 使用和维护7.1跳绳机的维护与保养（1）在您第一次或定期使用本电动跳绳机时，请用润滑剂涂在跑步带的内表面，以减少相互间的磨擦阻力，减轻电动机的负荷。 （2）经常在跳绳机的各部位用干净的抹布清洁，除灰尘，以维护各零件正常运转的性能。 （3）定期地使用润滑油在传动轴轴承上，以保证轴承较好的滚动性能。 （4）定期地检查跳绳机的螺栓及螺帽，若有松动，请立即用工具锁紧固定。6.2跳绳机使用（1）在练习跳绳机之前，准备活动比较简单，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。 （2）如果想要跳绳机练习变得活跃、丰富起来，可以将跳绳机放置在电视机前，一边看自己喜欢的电视节目一边练习，或在练习时一边听自己喜欢的音乐一边练习也可以，但大部分的注意力一定要放在跳绳机上还可以让家人配合，在练习时经常给自己大声地鼓励，这样可以很好地活跃练习时的气氛。 （3）其他注意细节 a.即使在家中练习跳绳机，也要穿运动鞋进行练习，不要光脚练习。 b.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。 c.训练次数每周不要超过四次，在饭后一个小时进行为好。 d.训练强度不宜过大，不一定非要练得大汗淋淋，这样的效果并不见得就好，患有心脏疾病或高血压的朋友更不宜大运动量使用跳绳机。 e.如果是为了减脂而练习跳绳机，可在练习期间配合腹部力量训练，如仰卧起坐等。 f.练习跳绳机不是一两天就能看见练习效果的，要配合其他的户外有氧锻炼，在平时要注意减少高油脂食物的摄入量。 g.不要闲谈。破坏了运动节律，使动作质量数量难以保证,锻炼效果大大折扣。 跳绳机是由电机带动，则跑步者须与跑带节奏保持一致，在跑步时出现意外，要迅速的使跑步带停下来，所以在跳绳机设计时要尽多的考虑安全问题。8 总结这次设计总的来说通过电机带动工作轴旋转进而使绳子按预期要求摆动基本实现了预期目标，基本达到了任务书上的设计要求。但终观整个设计，我发现还是有很多的不足和缺点。首先，是我在本次设计中没有很好地把握设计进度与要求，造成对课题的认识不足，一开始在做该课题选用了用减速装置对电机减速的方案，走了弯路，造成了时间和资源的浪费。我觉得是很重要的一个教训，在以后的工作和设计我要牢牢吸取这一教训，先搞清楚设计的目的或目标是怎么一回事，分清哪些是重、哪些是轻，首先判断好该设计的可行度再下手去做，否则是事倍功半的效果！通过这次练习使我得到了很好的锻炼，吸取了很好的设计经验！我想这也是毕业设计的一个重要目的，那就是：通过自己的摸索来找出何为设计、如何来设计！其次，由于在这次设计过程中时间非常紧、实验器材和自己的设计水平比较有限，使得整个过程以模拟为主，我觉得很遗憾！通过这个设计我也清楚地认识到自己的所学知识储备有限，还有很多的不懂和疑惑，这需要我在以后工作中来不断学习、不断充实自己。在设计过程中也发现了自己许多的不足之处，比如在设计中还是缺乏更大的创新精神，许多工作原理也没有很好的理解等，虽然能找到很多方面的资料，并能加以利用，但由于平时对独立设计能力方面的培养还远远不够，导致在整个过程中走了许多弯路。我相信，我会积极面对困难，保持积极心态来解决问题，通过自己的坚持努力，我的设计水平能有稳步提高、个方面能力能有更大的发展。跳绳机的设计，是对我大学四年来所学理论知识的一个总结和应用，也是对我所学知识的全面检测。在整个设计过程中，我学会了如何收集和设计相关的资料，并能较好地加以利用，特别是在许多老师的指导和帮助，更
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