毕业设计（论文）-室内小型多功能单人健身器设计.doc

学学 号：号：20122100662012210066 XINJIANG INSTITUTE OF ENGINEERING 毕毕业业设设计计（论论文文） 设计题目：室内小型多功能单人健身器设计设计题目：室内小型多功能单人健身器设计 学生姓名：学生姓名： 专专 业：机械设计制造及其自动化业：机械设计制造及其自动化 班班 级：机制级：机制 12-312-3 班（本）民班（本）民 系系 部：机械工程系部：机械工程系 指导教师：指导教师： 二一七年五月 24 日 摘摘 要要 本次设计的主题是多功能健身器。该款多功能健身器由腿部锻炼 机构、腰部锻炼 机构、 手臂锻炼机构和机架四部分组成。腿部锻炼机构利用了链传动的工 作原理和飞轮的优点，达到锻炼腿部肌肉的效果；腰部锻炼机构利 用了曲柄滑块机构的工作原理和弹簧的优点，达到锻炼腰部肌肉的 效果；手臂锻炼机构利用了操纵机构（拉手和钢丝绳）、导向机构 （双导杆）、调节机构（调节杆）和配重的有效组合，达到锻炼手 臂肌肉的效果；机架为三个机构的合理组合提供平台。此外，该款 多功能健身器具有使用方便、安全性好、成本低和拼装设计的特点。 关键词：多功能；健身器；机构；锻炼 AbstracAbstrac The subject of this design is multifunctional body-building device. Multifunctional body- building device is composed of four parts: leg exercise mechanism, waist exercise mechanism, arm exercise mechanism and the rack. To take leg part muscles exercise effect, leg exercise mechanism uses the working principle of belt transmission and the advantage of flywheel. To take waist part muscles exercise effect, waist exercise mechanism uses the working principle of slider crank mechanism and the advantage of spring. To take arm part muscles exercise effect, arm exercise mechanism uses the effective combination of operated control devices (fixer and cable), guiding mechanism (twin guide bars),controlled device(control lever) and counterweight. Furthermore, this multifunctional body-building device is provided with the advantages of applying easy, safety, cheap and assembly design. KeywordKeyword: multifunctional; body-building; mechanism; exercise 目录目录 摘摘 要要 AbstractAbstract . 目录目录. 1.前言前言. 1.1 方案确定于分 析. 1.1.1 在国外研究状况。 。 1.1.2 在国内研究状况。 。 1.1.3 设计要 求. 1.2 整体结整体结 构构 . 1.3 手臂锻炼机构及机 架 1.4 腰部锻炼机 构 2.健身器腰部锻炼机构健身器腰部锻炼机构 设设 2.1 座椅的设计构 设. 2.1.1 座椅的设计构 想. 2.1.2 座椅的尺 寸. 2.2 臂力机构及机架设计臂力机构及机架设计. 2.2.1 设计材料的选 定 2.2.2 底座的设 计 2.2.3 支架的设 计 3.1.支架的作支架的作 用用. 3.2.支架的力学性能分支架的力学性能分 析析 3.3.配重的设配重的设 计计. 4.1 滑轮的设滑轮的设 计计 4.2 刚丝绳的设刚丝绳的设 计计. 4.3 其他零件的设其他零件的设 计计. 4.4 导管的设导管的设 计计. 摘摘 要要 本次设计的主题是多功能健身器。该款多功能健身器由腿部锻炼 机构、腰部锻炼 机构、 手臂锻炼机构和机架四部分组成。腿部锻炼机构利用了链传动的工 作原理和飞轮的优点，达到锻炼腿部肌肉的效果；腰部锻炼机构利 用了曲柄滑块机构的工作原理和弹簧的优点，达到锻炼腰部肌肉的 效果；手臂锻炼机构利用了操纵机构（拉手和钢丝绳）、导向机构 （双导杆）、调节机构（调节杆）和配重的有效组合，达到锻炼手 臂肌肉的效果；机架为三个机构的合理组合提供平台。此外，该款 多功能健身器具有使用方便、安全性好、成本低和拼装设计的特点。 关键词：多功能；健身器；机构；锻炼 AbstracAbstrac The subject of this design is multifunctional body-building device. Multifunctional body- building device is composed of four parts: leg exercise mechanism, waist exercise mechanism, arm exercise mechanism and the rack. To take leg part muscles exercise effect, leg exercise mechanism uses the working principle of belt transmission and the advantage of flywheel. To take waist part muscles exercise effect, waist exercise mechanism uses the working principle of slider crank mechanism and the advantage of spring. To take arm part muscles exercise effect, arm exercise mechanism uses the effective combination of operated control devices (fixer and cable), guiding mechanism (twin guide bars),controlled device(control lever) and counterweight. Furthermore, this multifunctional body-building device is provided with the advantages of applying easy, safety, cheap and assembly design. KeywordKeyword: multifunctional; body-building; mechanism; exercise 1 1 前言前言 1.11.1 方案确定于分析方案确定于分析 体育健身器械的创新设计是一门实践性的课题，我在确定方案的时候做 了许多的市场调查，并在网上收集了许多相关的资料。除此之外，我还走访了 许多的健身教练及健身爱好者，最后在老师的指导下，经过我仔细的思考最终 确定了这次设计的思路：由于目前市场上的健身器械大多是单人多功能健身器 械，好多一味追求功能的齐全，有的产品甚至包含了十八种功能，这样就造成 了许多功能的闲置，而由于设计复杂，工作时常出现故障，维修困难。随着人 们生活水平的提高，大众健身的意识越来越强，高效，社区纷纷开设了健身房， 但由于目前人们的消费水平还不满足人人到健身房消费，虽然健身器械看起来 还是有点超出普通人的消费水平，但依然比去健身房实惠，而且能更加方便， 所以以后的产品针对的人是大部分的白领，及以上够消费的人群。他们由于时 间的原因，去健身房不太适合时间安排，而且他们也消费的起，同时由于中国 人口众多，人均房屋面积低下，同时造成房价暴涨，现在让人们普遍住在商品 房里所以空间有限，所以我在设计的时候明确了自己的设计方案，要求作品结 构紧凑，相对占地较小，安全性能高，能满足人们对多种肌肉的锻炼，一方面 增加锻炼的多功能性，另一方面也让人们舒适锻炼，方便锻炼。为此在功能上 进行优化选择，将一些不常用的功能删除，提高机械使用效率，节约资源，以 符合人们健身的需求。 我设计的是一款多功能的单人健身器，它虽然只提供了单人健身锻炼，但 是它提高了多项功能。同时具我的调查，现在人们普遍锻炼肌肉时：胸肌，肱 二头肌，肱三头肌。我设计的单人多功能健身器可以提高以下三种锻炼：腰部 锻炼，做手向前的锻炼，以及站立手拉拉杆的锻炼。这三种功能接合起来，就 会使得器械整体比较协调，而且看起来特别美观，这样就可以锻炼多块肌肉 如：胸大肌，趾长肌，股直肌，肱二头肌，肱三头肌，三角肌，背阔肌，斜方 肌等肌肉。 1.1.1 在国外室内设计研究状况在国外室内设计研究状况 公元前古埃及贵族宅邸的遗址中，抹灰墙上绘有彩色竖直条纹，地上铺有 草编织物，配有各类家具和生活用品。古埃及卡纳克的阿蒙神宙，宙前雕塑及 宙内石柱的装饰纹样均极为精美，神宙大柱厅内硕大的石柱群和极为压抑的厅 内空间，正是符合古埃及神宙所需的森严神秘的室内氛围，是神宙的精神功能 所需要的。 古希腊和罗马在建筑艺术和室内装饰方面已发展到很高的水平。古 希腊雅典卫城帕提隆神宙的柱廊，起到室内外空间过渡的作用，精心推敲的尺 度、比例和石材性能的合理运用，形成了梁、柱、枋的构成体系和具有个性的 各类柱式。古罗马庞贝城的遗址中，从贵族宅邸室内墙面的壁饰，铺地的大理 石地面，以及家具、灯饰等加工制作的精细程度来看，当时的室内装饰已相当 成熟。罗马万神宙室内高旷的、具有公众聚会特征的拱形空间，是当今公共建 筑内中庭设置最早的原型。 欧洲中世纪和文艺复兴以来，哥特式、古典式、巴 洛克和洛可可等风格的各类建筑及其室内均日臻完美，艺术风格更趋成熟，历 代优美的装饰风格和手法，至今仍是我们创作时可供借鉴的源泉。 1919 年在德国创建的鲍豪斯学派，摒弃因循守旧，倡导重视功能，推进现 代工艺技术和新型材料的运用，在建筑和室内设计方面，提出与工业社会相适 应的新观念。鲍豪斯学派的创始人格罗皮乌斯当时就曾提出：“我们正处在一 个生活大变动的时期。旧社会在机器的冲击之下破碎了，新社会正在形成之中。 在我们的设计工作里，重要的是不断地发展，随着生活的变化而改变表现方式 。”20 年代格罗皮乌斯设计的鲍豪斯校舍和密斯凡德罗设计的巴塞罗 那展览馆都是上述新观念的典型实例。 1.1.2 在国内室内设计研究状况在国内室内设计研究状况 原始社会西安半坡村的方形、圆形居住空间，已考虑按使用需要将室内作 出分隔，使入口理。方形居住空间近门的火炕安排有进风的浅槽，圆形居住空 间入口处两侧，也设置起引导气流作用的短墙。 早在原始氏族社会的居室里，已经有人工做成的平整光洁的石灰质地面， 新石器时代的居室遗址里，还留有修饰精细、坚硬美观的红色烧土地面，即使 是原始人穴居的洞窟里，壁面上也已绘有兽形和围猎的图形。也就是说，即使 在人类建筑活动的初始阶段，人们就已经“使用和氛围”、“物质和精神”两 方面的功能同时给予关注。 商朝的宫室，从出土遗址显示，建筑空间秩序井然，严谨规正，宫室里装 饰着朱彩木料， 雕饰白石，柱下置有云雷纹的铜盘。及至秦时的阿房宫和西汉的未央宫， 虽然宫室建筑已荡然无存，但从文献的记载，从出土的瓦当、器皿等实物的制 作以及从墓室石刻精美的窗棂、 栏杆的装饰纹样来看，毋庸置疑，当时的室内装饰已经相当精细和华丽。 春秋时期思想家老子在道德经中提出：“凿户牖以为室，当其无，有室之 用。故有之以为利，无之以为用。”形象生动地论述了“有”与“无”、围护 与空间的辩证关系，也提示了室内空间的围合组织和利用是建筑室内设计的核 心问题。 同时，从老子朴素的辩证法思想来看，“有”与“无”，也是相互依存， 不可分 割地对待的。 室内设计与建筑装饰紧密地联系在一起，自古以来建筑装饰纹样的运用， 也正说明人们对生活环境、精神功能方面的需求。 在历代的文献考工记、梓人传、营造法式以及计成的园 冶中，均有涉及室内设计的内容。 清代名人笠翁李渔对我国传统建筑室内设计的构思立意，对室内装修的要领 和做法，有极为深刻的见解。在专著一家言居室器玩部的居室篇中李渔论 述：“盖居室之前，贵精不贵丽，贵新奇大雅，不贵纤巧烂漫”，“窗棂以明 透为先，栏杆以玲珑为主，然此皆属第二义其首重者，止在一字之坚，坚而后 论工拙”，对室内设计和装修的构思立意有独到和精辟的见解。 我国各类民居，如北京的四合院、四川的山地住宅、云南的“一颗印”、 傣族的干阑式住宅以及上海的里弄建筑等，在体现地域文化的建筑形体和室内 空间组 织、在建筑装饰的设计与制作等许多方面，都有极为宝贵的可供我们借 鉴的成果。 1.21.2 设计要求设计要求 根据健身器械的要求，作品应该满足以下要求： （1）只能提供单人锻炼，但为多功能器械； （2）安全可靠，工作平稳，无噪声； （3）锻炼量可调节，每级 5 千克，操作方便； （4）设计合理，解决目前市场上健身器械设计的不足，并便于 生产 制造； （5）外形美观，采用拼装结构，便于包装运输；选材合理，经济性能好。 （6）选材合理，经济性能好。 图 1 三维效果图1 Fig.1 3D Efect 1.3 整体结构整体结构 1.3.1 手臂锻炼机构及机架 手臂锻炼机构及机架由底座、立柱、支架、拉手、钢丝绳、双导杆、配合 调节杆组成，机架位整个机构提供有效地组合平台，手臂锻炼机构通过拉手操 作的配种的上下移动，以达到锻炼效果。 1.3.2 腰部锻炼机构腰部锻炼机构 腰部锻炼机构由座椅、曲柄滑块机构、座椅固定架和弹簧组成。通过靠背 （即曲柄）向后的转动，链动滑块和弹簧（弹簧挂钩一端固定在机架，另一端 固定在滑块上）移动，弹簧受力之后，进而将滑块拉回原处。 虽然单人多功能健身器由上面这几部分组成，但在具体装配过程中依然可 能会有些许的变动，因为它涉及得到零件的配合关系，以及当地的地理环境。 同时结合市场以及健身房里的健身器械，虽大部分都属于单人多功能型的， 但由于某些体育公司为了谋求利益使得器械的强度达不到应有的强度要求，由 此一旦器械坏了，将造成器械维修麻烦和器械的使用寿命不高等。所以在我的 设计中非常注意材料的选择，只有注意了这方面才能有效地提高器械的性价比。 1.3.3 腿部锻炼机构腿部锻炼机构 腿部锻炼机构由链传动机构、轴（包括轴承、轴承座）和飞轮组成，腿部 的运动通过链传动机构将能量传递并储存到飞轮，进而飞轮把储存的能量反过 来传递到小链轮上，链动腿部运动起来。 2 健身器腰部锻炼机构设计健身器腰部锻炼机构设计 2.1 传动方案的选择2 腿部锻炼机构采用机械传动的形式，带传动和链传动为两种可供考虑的方 案。 2.1.12.1.1 方案一方案一: :采用带传动方式采用带传动方式 定义：带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮和传动带。当主动 带轮转动时，利用带轮和传动带间的摩擦和啮合作用，将运动和动力通过传动带传递 给从动带轮。 传动原理：以张紧在至少两轮上带作为中间挠性件，靠带与轮接触面间产生摩擦 力来传递运动与动力 优点：1）有过载保护作用 ，过载时带在带轮上打滑，可以防止其它器件损坏 2）传动带具有良好的弹性，能缓冲吸振，尤其是 V 带没有接头，传动较平稳，噪声 小 3）运行平稳无噪音 4）适于远距离传动（=15m） 5）制造、安装精度要求不 max a 高 缺点：1）有弹性滑动使传动比 i 不恒定 2）张紧力较大（与啮合传动相比）轴 上压力较大 3）结构尺寸较大、不紧凑 4）打滑，使带寿命较短 5）带与带轮间会产 生摩擦放电现象，不适宜高温、易燃、易爆的场合。 2.1.22.1.2 方案二：采用链传动方式方案二：采用链传动方式 定义：链传动也是一种挠性传动。它由链条和链轮组成。通过链轮轮齿与链条链 节的啮合来传递运动和动力。 工作原理：靠两轮间的链条（中间挠性元件）啮合来传递动力和运动。 优点：平均传动比准确，无滑动 结构紧凑，轴上压力 Q 小 传动效率高 =98% 承载能力高 P=100KW 可传递远距离传动=5m，可用于温度高、 max a 环境恶劣的场合 成本低 缺点：瞬时传动比不恒定 传动不平稳 传动时有噪音、冲击 比较方案一和方案二，健身器为室内型器材，要求运行平稳且无噪声和冲击，有 过载保护和缓冲吸振的作用。综上所述，初步确定方案二较为合理，即采用链传动的 方案。 2.2 链传动的设计计算 采用短节距精密滚子链。滚子链常用于传动系统的低速级，一般传递的功率在 100kW 以下，链速不超过 15m/s，推荐使用的最大传动比 imax=8。 根据实际情况，设定主动链轮的转速 n1=60r/min，传动比 i=2，链传动所需传递 的功率为 P=1kW。 2.2.1 选择链轮齿数 取小链轮齿数 z1=19，大链轮齿数为 z2=iz1=219=38。 2.2.2 确定计算功率 由表 9-6 查得 KA=1.0，由图 9-13 查得 KZ=1.35，单排链，则计算功率为 Pca=KAKZP=1.01.351kW=1.35kW 2.2.3 选择链条型号和节距 根据 Pca=1.35kW 及 n1=60r/min 查图 9-11，可选 16A-1。查表 9-1，链条节距为 p=25.4mm。 2.2.4 计算链节数和中心距 初选中心距 a0=（3050）p=（3050）25.4mm=7621270mm 取 a0=800mm，相应的链长节数为 Lp0 = 2a0/p + （z1+z2）/2 + (z2-z1)/2p/a0 =91.78 取链长节数 Lp=92 节。 查表 9-7 得到中心距计算系数 f1=0.24883,则链传动的最大中心距为 a=f1p2Lp-(z1+z2)=0.2488325.4292-(19+38）=802.68800 2.2.5 计算链速 v，确定润滑方式 v=n1z1p/(601000)=601925.4/(601000)m/s0.5m/s 由 v=0.5m/s 和链号 16A-1，查图 9-14 可知应采用定期人工润滑。 2.2.6 计算压轴力 Fp 有效圆周力为 Fe=1000p/v=10001/0.5=2000N 链轮垂直布置时的压轴力系数 KFP=1.05，则压轴力为 FpKFPFe=1.052000=2100N 2.2.7 链轮的结构 小链轮制成整体式，大链轮制成孔板式。 2.2.8 链轮的材料 链轮轮齿要具有足够的耐磨性和强度。由于小链轮轮齿的啮合次数比大链轮多， 所受的冲击也较大，故小链轮应采用较好的材料制造。查表 9-5 可知，小链轮采用 15 号钢，大链轮采用 20 号钢，热处理方式为渗碳、淬火和回火，热处理后的硬度为 5060 HRC。 2.12.1 座椅的设计座椅的设计 2.1.12.1.1 座椅的设计构思座椅的设计构思 座椅设计成靠背可转动的形式主要构件为座板和靠背。座板配有足够垫料 和适当硬度的座椅，使其有助于体重压力均匀地分布于坐骨结节区域。背靠应 适当的设置，为腰椎下部提供支撑，降低背部紧张度。座板和背靠均采用铸造 工艺，所用的材料为 HT200，符合设计要求。 2.1.22.1.2 座椅的尺寸座椅的尺寸 （1）座高：座高按低身材人群设计，座面前缘比人体膝窝高度低 35 厘 米。且有半径为 2.55 厘米的弧度，取 450mm。 （2）座深：座深指椅面前缘至后缘的距离，正确的座深应使靠背方便地 支持腰椎部位，身体高大的人只要小腿得到稳定的支持，也不会子大腿部位引 起压力疲劳。因此为适应绝大多数使用者，座深应按身材小人群作为标准设计， 取 400mm。 （3）座宽:座宽按照身材粗壮的人群作为标准设计，参考尺寸是臀宽，以 女性群体尺寸上限为设计根据，取 450mm。 （4）靠背高度：人体背部处于自然形态时最舒适，此时腰椎部分前凸，成 年人腰椎部中心位置约在座位上方 2326 厘米处，腰椎支点应略高于此尺度， 以支持背部重量，取 420mm。 （5）靠背宽度：靠背宽度以人的肩宽作为标准设计，从整体的布局角 度考虑，靠背宽度与座椅一致，取 450mm。 （6）靠背倾斜角度：人脊柱正常形态来看，该角为 115 度较为合适。 2.22.2 臂力机构及机架设计臂力机构及机架设计 2.2.12.2.1 设计材料的选定设计材料的选定 臂力机构机机架的的设计核心是材料的选定，材料的选定决定了臂力机构 及机架的使用性能，安全性能和它的寿命。一般情况下，大好的材料强度较高， 硬度也会相应提高，这样对机械加工会带来较大的困难。尤其是对健身器械而 言，大部分钢材都是选用型材及板材。为避免所选材料造成太大的浪费和给加 工链带来的一些麻烦，所选材料应是在考虑满足性能要求下同时尽可能购买周 边的材料，这样可以减少运输费用，降低设计和制造成本。 （1）为满足设计标准和制造要求，根据对钢材大市场的调研，选取以下 材料作为参考：空心方管，标记分别为：J50X2.5GB/T67822002 J45X2GB/T67822002 J200X4GB/T67822002 J50X30X2.5 GB/T67822002 （2）无缝钢管 40（GB/T173951998）材料为 Q235（屈服强度 235MP) （3）板材都为 Q235 2.2.22.2.2 底座的设计底座的设计 底座的设计特别的重要，它关系到整台机械的使用性能。它是 支架，配 重和立柱及导向装置的安装基础，所以它的强度要高，结实要扎实。 在设计底座时，必须先考虑底座的受力情况，由于底座上安装左右立柱， 支架，导向装置，及上支架配重等。为了拆装的方便，这些部件均采用对称安 装，同时可以简化底座的受力情况。参考健身器装置图可知，底座主要是受其 上面型材的重力。 综上所述，底座的材料为 Q235 型号的板材，长度为 1700mm，宽度为 500mm，厚度为 30mm。 2.3.32.3.3 支架的设计支架的设计 （1）支架的作用：支架是这台器械的重要部件，它提供锻炼者以舒服的运 动环境，支架设计是一个比较实际的问题，它的外表不仅要美观大方，而且要 有很多人性化热点，能适应不同锻炼者的身体条件。 （2）支架力学性能分析 1）受力分析 截面 A 受到的力为人对它的拉力，取其最大值为 FAmax=980N，截面 C 受 到 的力为配重对它的拉力，取其最大值为 FCmax=650N, L1、L2 的值由设计要 求决定，取 L1=1195mm，L2=153mm。 由此，可以计算出 MA、Mc MA=FA*L1=980*1195*N*m=1171N*m 3 10 Mc=FC*L2=650*153*=99.45N*m 3 10 图 4 示意图 （3）强度校核 由力矩图可以看出，截面 A 为危险截面，需要进行强度校核。 SA=a*b=100*50*=0.196Mpa 3 10 3 10 2 m 支架的材料为 Q235，缝合设计要求。 3 支架的工艺处理支架的工艺处理 该支架在加工时选用冷弯方管焊接，还要在上面安装滑轮夹座， 在焊接的时候校准变形并打磨毛刺，表面烤漆。该支架的底板采用 螺栓连接，以减少震动，便于拆装。 3 配重的设计配重的设计 3.1 滑轮的设计滑轮的设计 滑轮在整台健身机械中的作用：滑轮在器械中承担着钢丝的导 向及减少摩擦的作用，由于整个滑轮的受力不得很大，可以采用铸 造的办法获得，也可以使用冷冲压后焊接的办法获得，滑轮在此台 器械中主要受压力的作用而且一般不会超过 6500N，然而一般钢材 的受力都大于此数值，所以强度不是重点考虑的问题，同时由于滑 轮的运动都是围绕中心运动，所以我设计在里面加一个轴承，由于 滑轮，轴承，及夹座三者之间有一定的配合关系，这样使得中心孔 不易磨损。并且在转动的时候摩擦也减小了，从而保证了滑轮的使 用要求和使用寿命。 采用俩个上面的组装起来即可。这样适合如果大规模生产，可 以采用冲压工艺，通过落料形成，然后在中间放上轴承厚度铆钉或 螺旋链接就可以这样的生产方法有许多优点：首先选材保证了它的 强度，同时用料省，加工简单，成本低，加工精度高，生产率高， 但不适合小规模生产，原因是现在磨具的设计制造费用相当昂贵， 它大致工艺为，下料，成型，冲孔等，这样就降低了成本。 3.2 钢丝绳的设计钢丝绳的设计 根据机械设计手册知道，钢丝绳得 公称直径 D=C式中 C 为s 选择系数，S 为最大静压载荷 选择系数的计算公式为： C= k n4 式为 n 为安全系数，k 为折断系数，为钢丝绳的充满系数 其中的算法为=钢丝绳的断面面积/绳毛面积 初选钢丝绳的抗拉强度为 167MP，取安全系数值为 6 级， k=0.82，=0.46 代入公式的 c=0.110 根据手册 c 取 0.114 代入 Cs 其中 Smax=1300N 算的 D=2.9 取整 D=3， 所以选择的钢丝绳为钢 芯钢丝绳（GB/T8918-1998），标记为 3NAT6X21S+IWR16708Z5.39 钢丝绳的直径为