多功能跑步机的毕业设计论文.doc

杭州电子科技大学本科毕业论文多功能跑步机的毕业设计论文目录第一章 绪论1第二章 总体方案设计22.1基本功能设计22.2构造设计22.3功能原理的确定和多功能的介绍32.4小结4第三章 传动结构及参数设计53.1电动机类型功率选择53.2电动机技术参数63.3传动机构设计步骤及参数选择73.4多楔带带轮材料结构和尺寸选择103.5带传动的张紧装置的选择113.6小结12第四章 外型结构和滚筒设计134.1机架的设计134.2支架的设计154.3机罩174.4轴的设计和轴承选择184.5轴结构的设计204.6强度计算204.7滚筒要求21第五章 跑步板及跑步带设计235.1跑步板235.2跑步带235.3跑带调整245.4跑台润滑油的填加255.5小结26第六章 多功能设计276.1避震系统的设计276.2扭腰盘的设计286.3连接结构设计296.4旋转结构设计306.5仰卧起坐架设计316.6小结32第七章 结论与展望33致 谢34参考文献35 第一章 绪论生命在于运动，健康源于运动。跑步是目前非常流行的一种有氧健身运动，它在医学界和体育界享有高度评价，它是保持一个人身心健康最有效、最科学的健身方式。近年来，健康越来越成为人们关注的焦点，健身器材产业随之蓬勃发展，跑步机的出现，一方面满足了人们在室内进行跑步锻炼的需要：另一方面由于省去了蹬伸动作比在陆地上多跑1/3的路程，能量消耗也大于陆地训练。此外户外跑步条件的不断被缩减，城市污染的逐渐严重，汽车尾气排放于大街小巷，使我们生活的环境中越来越缺少鸟语花香和清新空气，又由于运动场地还未普及，我们对于户外跑步的兴趣越来越少。因此家中备置跑步机，或者到健身房锻炼成为了一种时尚。跑步机，它分为机械式跑步机和电动跑步机。年龄较大的人员可以选择机械型跑步机，它是一种主动式的跑步方式，跑步的快慢由自己掌握，使用者可根据自身状况进行散步、慢跑或快跑。年轻人可以选择电动跑步机，它是一种被动式的跑步方式，根据自身体能首先设定跑步速度，强行训练者按此速度进行跑步。机械跑步机是依靠跑步者脚与跑步带的摩擦力带动来运行的，简单的说电动跑步机是依靠电机带动跑步带运行。电动跑步机是健身房及家庭较高档的器材，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1/3左右的路程，能量消耗也比普通走、跑为多。另外，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，如平地跑、上坡跑、丘陵跑、变速跑等，您可根据您的锻炼目的进行选择。一台多功能跑步机是由跑步机、划船器、卧式健身车、立式健身车、放松机、腰旋器等功能器材组合而成， 以功能多、占地少而受到一些人的喜爱。它的锻炼方法同普通跑步机一样，但从健身器所应具备的使用舒服、方便，技术动作准确合理上看，多功能跑步机有一定缺陷。因此，本次对多功能跑步机进行重新设计，本设计先通过预估后进行强度计算进行校核，通过大量的计算和校核，设计出既牢固、简洁又合理美观的内部传动结构和外部基架结构的设计，并对多功能设计的结构也做了一定的设计，尽量弥补一些传统跑步机所存在的缺陷。第二章 总体方案设计2.1基本功能设计跑步机的基本功能是构建一条运动的跑带，跑道的运动方向与运动者的跑步方向相反，并且能达到相对速度保持相同，这样能使运动着相对静止的在跑步机上，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，使用脉冲宽度控制方式实现调速。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多功能的目的。其基本功能设计包括跑步、仰卧起坐等。2.2构造设计 多功能电动跑步机主要由机架、电动机、可调电源、跑步皮带及仪表控制盘组成，其特征在于框架与支架垂直连接，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，跑步皮带张紧绕装在前后滚筒上，跑步皮带下装有支撑跑步板，从动皮带轮紧装在前滚筒的一端，电动机、可调电源，安装在框架的前端，控制传感器装在电动机上，速度传感器安装在紧靠在从动皮带轮的框架上，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，跑步机扶手架安装于支架的顶端，仪表控制盘安装于扶手架上。传动方式采用带传动机构，传动级为一级1。同时在支架上安有扭腰盘和伏地挺身架使机器实现其多功能性。图2-1 跑步机外型图2.3功能原理的确定表2.1跑步机功能分解多功能可折叠电动跑步机跑步功能跑步系统带传动电动调节坡度坡度调节系统齿轮齿条+杆机构手动实现折叠折叠系统杆机构手动辅助锻炼辅助锻炼系统轴与轴承手动安全防护安全防护系统 安全带，防滑道，急停开关控制选项电控系统 另行设计 对机器的动力功能，传动功能，执行功能进行功能分解。功能分解的目的是有更多的方案解用来参考，以便找到最优的设计方案。动力功能 传动功能 执行功能2.4小结 电动跑步机就是构造在电力作用下使电机带动一条跑带运动，使运动者在原地进行跑步锻炼，既提供了跑步运动环境，又节省了空间。本设计在构造设计上主要在单一跑步机的外形基础上通过改变、添加构件等方法来实现实用方便、功能多样化等。第三章 传动结构及参数设计3.1电动机类型功率选择电机是整台机器的动力源，跟心脏对人体的作用一样的重要。电机的种类很多，使用交流电的有三相异步电动机、步进电机、交流伺服电机，使用直流的有永磁无刷直流电机、永磁直流电机、直流伺服电机等。结合机器在跑步时要噪音小、输出稳定、使用时间长等要求，采用步进电机2。步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。且一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积；电机外表面允许的最高温为130度以上，耐高温；步进电机可以超出其额定值范围工作。但选择时不应偏离额定值太远等优点。正是由于步进电动机具有上述一系列优点，在本设计中电动跑步机选择以步进电机作为驱动电机。此跑步机设计标准为100公斤，则电动跑步机转用电动机ZYT42型永磁直流电动机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，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，如同在平地上一样感觉。初步确定跑步机滚筒直径为60mm，所以最大转矩转速次/s则电动跑步机用电动机ZYT42（NEMA）型永磁直流电动机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，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，如同在平地上一样感觉。表现在调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能（启动转矩大），运行平稳，噪音低，效率高。3.3传动机构设计步骤及参数选择 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，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。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=3400r/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，图3-1为多楔带传动示意图：跑步系统由支架，电机，电控系统，带轮，多楔带，滚筒，轴，轴承，跑带，安全防滑道，安全带等部分组成，电控系统控制电机旋转带动带轮转动，通过带传动，实现一级变速。机器开始运行后跑带带动人在其上奔跑。通过两滚筒间距调节预紧跑带。跑带采用防滑带，带两侧设有防滑道，系统设置急停开关，以防止意外发生。跑步机是由电机带动，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，所以在跑步机设计时要尽多的考虑安全问题。防滑道跑带多楔带轮多楔带电机图3-3 多楔带传动示意图以下计算过程所用到的表和图来源： 卜炎主编. 机械传动装置设计手册（上册），机械工业出版社，19994。 （1）确定设计功率Pd： PdKAP （3-1）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。KA=1.1见表8-9Pd=1.1*1.5=1.65kw（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=3400r/min由图821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：由表8-90选demin=20mm，由表8-91选de1=33.5mm，大带轮有效直径：小带轮节圆直径：dp1=de1+2e=33.5+2*1.2=35.9mm由表8-90，e=1.2大带轮节圆直径 dp2=idp1=2.1*35.9=75.39mmde2=dp2-2e=75.39-2*1.2=72.99mm由表8-91，选de2=71mm（4）计算带速v：按式 （3-2）验算带的速度 =m/s=6.388m/s注意：v 离心力、离心应力FQ单位时间内的应力循环次数Nv P=Fv/100可知，P一定时，F张紧力 一般v在525m/s，最大30m/s，在815m/s较好,所以v=6.388m/s30m/s，适合。（5）初定中心距a0： 中心距的大小对带传动的影响： a结构大由于载荷变化引起带的颤动掉带 a带的长度在一定速度下，单位时间内带的应力变化次数N愈多，会加速带的疲劳损坏；当传动比i较大时，包角 对于V带传动，中心距a一般可取0.7（+）p1 故按p2计算轴承寿命。温度系数ft由9-4得ft=0.85。 轴承适用4.8滚筒要求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5.0mm壁厚的优质钢管，光洁度达到0.8以下11。滚筒均有防静电处理，滚筒外部经防锈处理，前后滚筒的外形如图4-9、4-10所示。图4-9 前滚筒图 4-10 后滚筒4.8小结整个结构的设计用SOLIDWORKS进行三维的实体设计，使设计简单化和设计化，使设计的跑步机以三维模型的形式直观的展示在我们面前，有助于我们的理解和观察，也便于二维图纸的绘制。滚筒要求做动平衡调节、动平衡精度高、噪音低。第五章 跑步板及跑步带设计5.1跑步板电动跑步机的跑步板，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。使用高密度或中密度纤维板时，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。导电耐磨涂料层工艺较简单，成本也较低。复合耐磨金属板则更牢固。复合耐磨金属板为复合铜板时效果更好，更耐磨。根据滚筒和基架的长度，确定跑步板的长宽为LXb=1100x540mm，高h=12mm.应为本设计的最大载重为80kg。已知中密度的纤维板的静曲强度为20MPa12，所以最大弯矩抗弯截面弯矩应力所以可用，跑步板的长宽高Lxbxh=1100x540x12mm。由于本设计有一个自动微调设计，这就要求在跑步板的靠前端和考后端开一个方框，用于安装两个压力感应器。5.2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。跑步机，其实就是提供一个跑步的面积，所以绝对要在乎跑步带面积的大小，左右宽度及前后长度都要够，否则无法自然迈开步伐，跑起來弯扭不顺畅，更容易跌倒。根据人体运动工学推算，45cm宽X 130cm长，应是一个合宜的参考面积，然后再依个人的实际条件做增减。有不少厂商生产“加码”跑步机，跑台加宽，左右踏条增大，以营造物超所值得虚胖假象，但最重要的跑步带面积并没增加；所以焦点要放在跑步带面积上。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13。本设计要求跑步带的宽度为450mm，取跑道长为1300mm。材料选择草地纹双层材料，厚度为2.5mm的跑带带给用户草地般舒适感觉。5.3跑带调整图5-1 跑带的调整两个螺栓调整法：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。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5-2 跑带左右偏调整方式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各四分之一转。跑带张力适当时，应该可以将跑带的任何一边移离跑台3-4。不能过度锁紧跑带。完成后，插入跑步机的电源插头与钥匙，让跑带运转几分种。重复本段动作，直到跑带张力适当为止14。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各四分之一转。跑帶张力适当时，应该可以将跑带的任何一边移离跑台3-4。不能过度锁紧跑带。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，直到跑带张力适当为止。图 5-3 跑带张力大小调整方式5.4坡度调节及折叠系统设计坡度调节系统采用杠杆原理，手轮转动带动齿轮转动，然后将旋转运动传给齿条作直线运动，在与调节杠杆连接处施力，调节杆杆支点固定在跑步机支架上，通过杆机构调节实现坡度调节，原理图如图2-3。图2-4所示为折叠前后机构极限位置。支架跑道齿轮齿条手轮图2-4坡度调节及折叠机构5.5跑台润滑油的填加润滑油作用：1、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。2、减少跑步机的电能消耗。3、让用户在运动时更流畅。品质要求：1、耐高温。2、黏度高。3、不易挥发。使用方法：1、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。2、右侧同左侧一样操作方法。3、将跑步机通电运转在3 KM / H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。使用频率：6个月加注1次润滑油注意事项：不可过量使用，防止摩檫力太小后跑步带和传动滚筒之间打滑影响正常使用。5.6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，还得考虑之间的摩擦问题，还有摩擦产生的静电问题，尽量通过细节的设计，提供一个真正的健康的锻炼平台。第六章 多功能设计6.1避震系统的设计跑步的“头等大事”就是要保护好膝盖跑步鞋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。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功能而达到避震的效果。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15。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6-1 支架减震图6-2 底座减震所以，支点反力 所以截面切应力 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，可节省费用3-5元，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%盘面突起直指病理反射区穴位，在扭腰同时进行脚底按摩。6.2连接结构设计设计直径为250mm，通过长杆与支架相连 ，用时把铁销把出，旋转放在皮带上方，即可使用，锻炼完毕旋转折叠，插上铁销，则扭腰盘依附与支架上，可以进行别的项目的锻炼，图6-5为支架连接示意图。图6-7 扭腰盘折叠图6.5仰卧起坐架设计根据美国医疗协会报导,做仰卧起坐对人体新陈代谢有绝对的帮助,其可增进肺部运动量因而提升免疫力16。此设计结构简单，与支架焊接在一起，平稳坚固、使用简单，属于很大众化的设计，对强化胸部、腰部大小肌肉，消除腹部赘肉最有效，在锻炼中与跑步配合，使跑步机不再成为乏味的单一运动器械，而且结构位置丝毫不影响跑步带锻炼，图6-8为仰卧起坐架示意图。图6-8 仰卧起坐架6.6小结多功能的设计表现在两方面，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，另一个是添加附属器件，比如此设计中扭腰盘和仰卧起坐架，但是不是功能越多越好，必须考虑彼此不影响，保证锻炼的准确性。第七章 结论与展望今天跑步已成为国内外千百万人参加的群众性健身运动，深受人们欢迎，被誉为最好的健身方法，最完美的健身运动。而多功能跑步机在跑步机的基础上添加了其他的运动器材，从而实现一机多用节省空间，更实用的目的。本文着重介绍了跑步机的传动机构和外形设计，本设计采用折叠分离式设计，拆装方便简易，对空间要求较小；本设计的多功能设计结构合理，各方面校核完善，而且功能多样，可以供不同人群使用；避震设计十分完善，可以大大避免使用者在运动中容易出现的不必要事故。本文对跑步机的传动结构做了详细计算，作出了即牢固由节省材料的结构设计，并作出了详细的附图和介绍，由于本人大四第一个学期考研复