短跑阻尼跑步机的设计

短跑阻尼跑步机的设计摘要跑步机是家庭及健身房常备的器材，而且是当今家庭健身器材中最简单的一种，是家庭健身器材的最佳选择。基于目前针对专业运动员训练的跑步机技术尚未成熟，不能使运动员在训练过程中发挥出全部潜能的问题，本文给跑步机加上了阻尼调节装置，可以适当调节跑步时滚筒的阻力，增加训练强度，提高训练效率。本次设计是采用了人机工程原理，选择合适的跑步机各部分尺寸，综合了机械跑步机的工作特性而确定方案进行设计的。本次设计的重点在于设计的阻尼调节系统，它是把橡胶滚筒安装在前托辊后方，通过调整橡胶滚筒与托辊的接触力，以增大或者减小阻尼力，来达到不同的训练要求。另外，本设计给跑步机加了一个小型摩擦式发电机，在运动员训练的同时，可以带动发电机，所产生的电能被储存在蓄电池中，供照明等用途，有效的节约了能源。关键词：跑步机，阻尼调节系统，发电机TheDesignoftheSprintDampingTreadmillAbstractThetreadmillisregularequipmentoffamilyandthegym，andisthemostsimpleoneattodaysfamilyfitness，Isthebestchoiceforhomemachines.Basedonthecurrenttrainingforprofessionalathletestreadmilltechnologyisnotyetmature,andcannotmaketheathletesinthetrainingprocesstoplayoutthefullpotentialoftheproblem,thepaperaddedtothetreadmilldampingadjustmentdevicecanbeappropriatelyadjustedwhenrunningrollerresistance,increasedtrainingintensityimprovetrainingefficiency.Thisdesignistheuseofengineeringprinciplesothers,selecttheappropriatesizeofeachparttreadmill,treadmillcombinesthemechanicalcharacteristicsoftheworkprogramtodeterminethedesign.Thedesignfocusesonthedesignofdampingadjustmentsystem,whichisinstalledinthefrontoftherubberrollerdrumrear,byadjustingtherubberrollerandrollercontactforce,inordertoincreaseordecreasethedampingforce,toachievedifferenttrainingrequirements.Inaddition,thedesignofatreadmillplusasmallfriction-typegenerators,athletestrainingatthesametime,youcandrivethegenerator,thegeneratedenergyisstoredinbatteriesforlightingandotherpurposes,effectivelysavingenergy.Keyword:Treadmill,dampingcontrolsystem,generator目录1绪论51.1跑步机的介绍51.1.1跑步机的分类51.1.2跑步机存在的问题及发展趋势101.2设计内容和研究意义101.3本章小结102跑步机的人机工程设计113跑步机主要零部件的设计123.1跑步带和跑步板的设计123.1.1跑步带的设计123.1.2跑步板的设计133.2基架及底架的设计143.2.1基架的设计143.2.2底架的设计163.2.3清扫装置的设计173.2.4坡度调节装置的设计183.3滚筒的设计计算183.3.1前滚筒的设计计算183.3.2后滚筒的设计计算203.4阻尼调节装置的初步设计223.4.1阻尼装置的介绍223.4.2阻尼器的分类及优缺点223.4.3阻尼装置的选择及初步设计233.4.4其他主要零部件的初步设计233.5支撑轴的设计计算243.6扶手的设计253.7固定架和固定带的设计263.8本章小结274阻尼调节装置的最终设计284.1阻尼装置尺寸的设计285发电机的选择295.1发电机的类型295.2发电机选型296主要研究结论及进一步研究议306.1主要研究结论306.2进一步研究建议30致谢31参考文献32附录331.1跑步机的介绍1绪论世界第一台跑步机诞生于1875年，发明人是美国东部农村的一位机械师这台机器其实是一台便携式农机设备，以牲畜作为动力来源。现代意义上的跑步机从80年代流行至今已发展到第四代产品,第一代产品机械跑步机，是用圆形滚筒组合排列而成的跑台，在两个滚筒中间加装塑胶跑带及跑板,主要运动方式是依靠跑步者脚与跑步带的摩擦力带动来运行从而达到跑步及走步的效果.第二代跑步机模拟电动跑步机，是在原有第一代的基础上增加电机传动装置和升降装置,以及一些电脑控制程序和传感器,通过传感器传输和接收马达的工作信号，用电脑控制程序达到调节跑步机速度、坡度、距离等功能，第三代跑步机数字跑步机，在原有第二代跑步机的基础上去除了传感器，以单片机的数据控制马达的工作状态，不会受到外界的干扰，从而使跑步机运动更稳定、更安全。第四代跑步机是采用的数字变频技术，采用HK变频调速器和交流马达组成跑步机的动力系统，因为交流电机结构中没有碳刷，所以终生不需要维护，所以第四代变频跑步机具有更安全、更耐用、更安静、更节能、更稳定5大优点,使跑步机运动在真正意义上超越了传统室外跑步运动。跑步机主要由扶手、底架、跑步带和跑步板、支架、滚筒等几部分组成。1.1.1跑步机的分类（1）按驱动动力分类1）机械跑步机图1.1机械跑步机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，简单的说就是没有电动机的跑步机。机械跑步机的传动系统是由一个传送带套子，里面两端两根固定轴把传送带拉紧，有一个轴和滚轴连接，一个可调式开关和一个固定架构成，主要是依靠跑步者脚与跑步带的摩擦力带动来运行的；机械跑步机费力，不方便所以也不容易坚持。2）电动跑步机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。图1.2电动跑步机另外，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，使用者可根据自己的锻炼目的进行选择。（2）按用途分类1）商用跑步机商用跑步机融合了创新性的专利技术和整体娱乐选项能够提供卓越的用户体验。多重预设程序的设计实现了多样化的跑步机练习。图1.3爱康跑步机配备IFT驱动控制器；IFT驱动控制器支持4.0马力高压AC感应电机结合集成FootplantTM技术用来控制速度带，在跑步或行走过程中，带给用户平滑、自然的感受。lGroundEffects控制技术独特的悬挂系统，易于佩戴在膝盖、腿部和背部，在保持响应性的同时可以减轻冲击和控制横向运动。完全一体式娱乐选择；CardioTheater整体娱乐设计的个人可视化屏幕为使用者创造了一个独一无二的高端有氧健身房，也提高了使用者的终极会员体验服务。简易操作的电脑编程；只需6个按钮就能完成多重预设项目，包括一些多样化的跑步机练习。在运动过程中，用户可以自由选择或者改变训练内容。持久耐用；IFT驱动控制器支持4.0马力高压AC感应电机确保了此产品的持久耐用。商用跑步机系列高度的可靠性和精确性是其商用设备的代表。控制地面冲击系统；在保持皮带与人的步伐速度相对应的前提下，该跑步机独一无二的悬挂系统的设计减缓了冲击并且在保持反弹的情况下控制了侧面的振荡，从而减轻了人的膝盖、小腿以及背部的压力。感应式面板和娱乐运动一体化系统；直接可以选择26个程序：只有6个键就可以控制26个程序，包括六个体能测试程序。使用过程中操作者可以任意转换至其他程序。该按键为人提供快速的按键反应以及提示按键声，无论是初学者还是专家都很容易使用这种传统式按键，即使使用者在使用娱乐系统，也不妨碍跑步机信息的输入。2）家用跑步机图1.4商用跑步机耐用，低冲击，基本性能满足用户需求，尽显商业品质。流线型的显示屏和整合娱乐系统，使用户充分享受动感和高效的健身体验。16种健身方案；流线型显示屏；具有3.0马力功率的马达：它能够平稳地提供功率，无噪音。自我冷却马达不停旋转从而取消了风扇装置，提高马达的寿命和可靠性；控制地面冲击系统：跑步机独一无二设计控制了侧面的振荡，从而减轻了关节的压力；跑床板使运动变得更加理想：仅7.5英寸高的跑步板让任何使用者在上面如履平地，为物理治疗提供理想的区域；流线形控制面板操作简便：友好的用户界面及程序反馈使运动更加简便易行；图1.5家用跑步机（3）按功能分类1）单功能跑步机单功能跑步机从结构上分为两类，一类是滚轮式跑步机，一类是平板式跑步机。滚轮式跑步机工作时噪音很大，已被淘汰。平板式跑步机是由人主动在上面运动，所以使人感到与普通跑步一样。它的电子表可帮助训练者记录下时速、时间、心率、热量、节拍、距离等指标。使使用者可以随时了解自己跑步机的训练情况，进行有目的的调整。图1.6单功能跑步机2）多功能跑步机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。图1.7多功能跑步机1.1.2跑步机存在的问题及发展趋势尽管国内外对短跑阻尼跑步机的研制在不停地进行，但是从其目前发展情况来看，仍存在着一些问题，急需改善。（1）噪声的污染。使用在训练时受到噪声影响容易影响心情，而影响锻炼。（2）制造成本高。目前的阻尼跑步机制造成本普遍很高，因此售价也很高，这就导致一部分买不起这种专业训练跑步机，如何降低成本也是个重要的问题。（3）控制系统的智能化程度低。当使用者需要以不同速度不同坡度锻炼，或者控制锻炼时间时都要手动调节或者半自动调节，也占用了使用者的部分时间。（4）适用于运动员的专业训练跑步机技术不够成熟。（5）其他问题，如结构复杂等。从跑步机存在的问题来看，其未来的发展趋势就是将这些问题逐一解决。如改善润滑系统降低噪音，采用智能化终端控制系统等，以方便使用者。待这些问题逐渐被解决，短跑阻尼跑步机也将得到完善，大大地改善跑步机的工作情况，从而促使健身器材行业的发展越来越好。1.2设计内容和研究意义上节提到了现在的短跑阻尼跑步机存在的制造成本高、适用于运动员的专业训练跑步机技术不够成熟的问题。短跑阻尼跑步机主要由支架、滚筒、阻尼调节装置、扶手、固定架、跑步带和跑步板等及部分组成，若要满足专业运动员的训练要求，各部分技术还需进一步完善和改进。随着跑步机的发展，短跑阻尼跑步机一定也会随着出现更多的功能，更适合专业运动员进行训练。因此针对上述提到的一些问题，在机械跑步机的基础上，设计了阻尼调节装置，并安装了发电机，这样当运动员在训练时就可以自己调节阻力，增加训练强度，提高训练效果，同时还能产生电能，供照明等用途，节约了能源。本文通过给定条件：跑步机长度为1500mm，宽度为600mm；结合人机工程学设计原理，对跑步机的各部分组成系统进行了合理的选择和设计。主要包括阻尼调节装置的设计，底架、扶手、固定架和滚筒的设计。1.3本章小结本章简要介绍了跑步机的历史及分类，列举了一些目前跑步机存在的问题，并提出研究适合专业运动员训练的短跑阻尼跑步机的理念，相信随着跑步机的发展，适合不同人群不同年龄层次人群的跑步机都会相继出现并一步步得到改进和完善。最后阐述了该项设计的内容和研究意义，初步确定了研究方向和设计内容，在现有技术和成果的基础上提出了一些构想。2跑步机的人机工程设计人机工程学是本世纪50年代发展起来的一门新兴学科，它由人体科学、工程技术、环境科学、安全科学和社会科学等交叉而形成。人机工程学研究人和机器及环境的相互作用，把人的因素作为产品设计的重要条件和原则，使设计出的机器操作简便、省力、安全、可靠高效、舒适。当前，人机工程学的研究和应用越来越广泛。人机工程学的研究成果对于电动跑步机的设计有着非常重要的意义。在人机这一系统中，人是核心因素，电动跑步机的设计应符合人的生理，心理特点，在这方面的考虑失误，可能会影响人们的健身效果，甚至会影响人们的安全、健康。人体尺寸百分位数运用的基本原则：电动跑步机的设计应符合人体的尺寸，这是很容易理解的。但是由于受人的年龄、性别、种族、地区等因素的影响，人的身材大小各不相同，那么该用哪一种身材的人作为跑步机设计的依据？在对人群进行统计性的人体尺寸测量时，各种身材的人频数分布状态（出现率）用百分位数表示。在国标GB10000中分别给出了不同年龄段第1、5、10、50、90、95、99百分位的人体尺寸，在跑步机设计中，常用的是1860岁年龄组的第5百分位数和第95百分位数，它考虑了绝大多数的使用者群体。按照人机工程学原理进行设计的跑步机，人们在跑步时感到轻松自如，运动状态更贴近自然运动状态。按人体尺寸确定相关结构与空间的尺寸的原则为：（1）容空间尺寸设计按第95百分位数（P95）包容空间是指以人为中心，包容人体（或某部分）的空间。例如：最小作业空间（区域）、通道、维修空间、肢体自由活动空间、门、舱口等，对于这类空间，要求其能包容大多数人，按大身材人设计，小身材的人当然也就包括在内。（2）被包容空间尺寸设计按第5百分位数（P5）被包容空间是指以人为中心，被人体（或某部分）所包容的空间。例如，肢体的可及范围、椅面高度、搬运物的宽度等，对于这类空间，应使小身材（P5）能包容其空间，大身材人当然也就没有问题。（3）最佳工作区位置尺寸按第50百分位数（P50）在包容与被包容关系中，要求空间适应人的极限状态，而对于某些频繁使用的操纵器，则是希望能以最舒适的状态来进行操作，才不容易疲劳，并达到准确和高效。例如，重要的、使用频繁的或需精细操作的开关、旋钮等控制器的设置，各类机械主要操作手柄的设置等。这时应按中等身材人设计，因第50百分位附近，人的密度高，可使多数人处于舒适、高效的作业状态下。（4）可调节结构尺寸的调节范围为第5至第95百分位数由于人体尺寸的差异，欲使每个工作者能处于一种舒适、准确、高效的工作状态，则应将有关节结构设计成为可调节的，例如，与控制台有关的座高度和脚踏板的高度等，应是可调节的，其尺寸应以P50为基准，调节范围扩展到P5至P95。3跑步机主要零部件的设计3.1跑步带和跑步板的设计3.1.1跑步带的设计跑步带是跑步机的一个重要部件，跑步带的性能好坏直接影响跑步机的质量，影响跑步效果。要求跑步带抗延展性好，使用寿命长，不易变形。跑步带的尺寸应满足跑步这一功能的需要，长度方向应让人能轻松迈开步伐，设计为1420mm;宽度应按照人体尺寸P9的肩宽来确定，加上余量，设计为410mm。跑步带的其余参数选择如下：（1）跑步机跑带的接口：图3.1跑步带示意图咱们看到跑步机的跑带通常有平面也有锯齿接口，可是与滚轴联络最重要的技能点在于胶合技能，保证接口滑润，才会让跑带作业坚持最小的噪音，让跑步更安静。（2）跑步机跑带的构成：跑带的构成是由最上面一层橡胶，中心一层聚酯丝网，最下面的经纬纱组成的，最上面的橡胶添加冲突，背面的经纬纱削减冲突，两层材料超卓的接合是跑带质量过硬的要害之一，聚脂丝网（网格状尼龙纤维）就是最棒的媒体。经纬纱主要为网状尼龙织物能够十分有用的防止跑带发作变形，延伸距离跑带的运用寿数，加大跑带底层的耐磨性，而且十分好的减小冲突，行进跑步带的导电性，维护运用者和设备的安康。（3）跑步机跑带的厚度：跑带分为不一样的标准，从到不等，通常在国内呈现多种厚度标准的跑带，有厂家偏重超厚及柔软的舒适度，若与马力及滚轴匹配不妥，不免对马达构成过重的担负，下降运用寿数。在欧美更偏重直接地上式的跑步，且在运用跑步机时均会穿上合适的跑步鞋来添加舒适感及防止不必要的运动损伤。所以在厂家描绘跑带的时分，均会对运用性、实用性、耐久性做最佳的组合。厚一点的跑带它的导静电性能和跑起来的舒适性来说，是最好的，作为专业训练跑步机，舒适性也是影响运动员训练效果的重要因素之一，因此跑步带厚度选为3.1mm。（4）跑步机跑带的斑纹：跑带表面的那层也就是塑胶，有多种斑纹，以钻石纹和圆点纹、冰花纹为常见，意图就是让凹凸感来添加冲突力，让运动者在跑步过程中不容易摔跤，所以挑选哪种斑纹就看购买者的小我运用习气。专业运动员在训练时往往会穿比赛专用运动鞋，鞋子本身就具有了较好的摩擦力，因此跑步带相对于冲突里而言，容易清扫就变得更为重要一些，所以本跑步机选用球纹的跑步带。3.1.2跑步板的设计跑步机的跑步板，就是指起支撑作用的钢板，在跑步板上面是跑步带，当使用者在跑步时，脚踩在跑步带上面，跑步带有跑步板的支撑就不会陷下去使跑步带断裂甚至摔伤使用者。跑步板焊接在底架上面，安全可靠。用作专业跑步训练的跑步机，在跑步机高速运转的时候，人很难保持在一条直线上跑，所以才预增了跑步板的宽度，如果太宽也不好，因为跑完要下跑步机时跨距太大，不容易同时踩稳边条，而导致摔伤。鉴于跑步机宽度为600mm，因此跑步板宽度选择为600mm，厚度为4mm的钢板。当跑步板安装在前后滚筒之间，既要起到支撑作用，又不能与滚筒接触而摩擦，因此选择跑步板的长度为1100mm。在跑步板中间位置开有边长60mm、宽40mm的方形孔，以使支撑轴上的轴承可以透过跑步板接触到跑步带，既可以减小跑步带与跑步板的摩擦，又能起到良好的支撑作用，如图3.2所示。图3.2跑步板示意图3.2基架及底架的设计3.2.1基架的设计基架是跑步机组成部件的安装架，即是说所有零部件都要安装在基架上。为了便于安装和生产，基架选择用槽钢来设计。基于跑步机长度1500mm，宽度600mm，所以基架的尺寸最大为长1500mm，宽600mm。槽钢是截面为凹槽形的长条钢材。其规格以腰高(h)*腿宽(b)*腰厚(d)的毫米数表示，如120*53*5，表示腰高为120毫米，腿宽为53毫米的槽钢，腰厚为5毫米的槽钢，或称12#槽钢，如图3.3所示。h-高度1-推断圆弧半径b-腿宽d-腰厚t-平均腿宽i-惯性半径r-内圆弧半径z0-YY轴与Y1Y1轴间距离图3.3热轧普通槽钢图示及各部分含义(摘自GB/T7071988)表3.1热轧普通槽钢尺寸及其重量规格表由表3.1，现选择18#a型号的槽钢作为基架，其高度为180mm，腿宽68mm，腰厚7mm，平均腿厚10.5mm。基架上面要有跑步机各部件的安装位置，从而使所有部件能组合成一个短跑阻尼跑步机。由于基架是两个尺寸大小相等的槽钢，所以要设计一个固定架来固定住这两个槽钢不发生偏移。基架固定架采用矩形管焊接而成，共有两个，分别用螺栓螺柱固定在基架的两边特定位置，矩形管截面长边长40mm，短边长16mm，壁厚度为6mm。在基架固定架上有直径15mm的安装孔，用来将基架和该固定架固定在一起，如图3.4所示。3.2.2底架的设计图3.4基架固定架示意图底架主要由两边底管、支架和底座组成。底管的长度由基架的长度来确定，即取长1500mm，宽600mm。底管是承担人体重量和跑步时动载荷的主要零件，因此必须要有足够的刚度，保证人体站在跑步带上不变形，跑步时，不会发生颤动和振动，产生噪声。支架是用来固定基架的，以保证槽钢不会发生偏移。底座则是承载基架的座，实际上是整个跑步机的底座，底座上安装有坡度调节螺栓，可以调节跑步机的坡度。底架下面有支撑腿，高度为34mm，支撑腿与地面之间使用高密橡胶垫，可减轻震动和噪声。跑步机的底架高度应该尽量降低，减少使用者使用时的危险性。同时底架上悬吊有清扫装置，可以在使用的同时对跑步带里部进行清扫，可以保证跑步带和托辊所接触的地方尽量干净，减小摩擦力。底架用矩形钢管焊接而成，要求矩形管有足够的刚度，可以承受人和跑步机的总重量而不变形。由GB/T3094-2000选择截面长边长40mm，短边长16mm，壁6mm，的矩形钢管。由于底架上还要安装坡度调节装置，所以要预留安装坡度调节装置的安装孔。同时底架是基架的支撑架，基架要固定在底架上。底架由两部分组成，一部分时支撑腿和支撑座，主要是增加支撑腿与地面的接触面积，可以有效增加底架的稳定性，保证运动员的人身安全和跑步机的安全；第二部分是底座，底座就是基架的固定座。3.2.3清扫装置的设计1、支撑腿2、底座图3.5底架示意图清扫粘结在输送带表面的物料，对于提高跑步带的使用寿命和保证跑步机的正常运转将具有重要意义。对清扫装置的基本要求是：清扫干净，清扫阻力小，不损伤跑步带的覆盖层，结构简单而可靠。输送带的清扫效果，对于延长跑步带的使用寿命和滚筒的稳定运行有很大影响。常用的清扫装置有刮板清扫器、清扫刷，此外，还有水力冲刷、振动清扫器等，采用哪种装置，应视所输送物料的粘性而定。本次设计清扫装置分为两部分：清扫刷和固定板，固定板为宽度为20mm厚度为3mm的塑料板，清扫刷为普通刷丝，固定在塑料板上即是清扫装置。清扫装置设计为折形，安装时突出的那部分朝向前滚筒，这样在跑步带转动的时候，灰尘会沿着折行想跑步机两边移动，从而达到清扫的目的。清扫装置上面有两个孔，是用来把它固定在底架上的。整个清扫装置厚度为8mm，安装时要求刷毛与跑步带内部相接触，否则无法起到清扫作用。图3.6清扫装置示意图3.2.4坡度调节装置的设计坡度调节装置就是调节跑步机坡度的装置，前面提到坡度调节装置是安装在底架上的，所以实际上也是跑步机的支撑腿。本次设计中坡度调节装置有调节螺栓和底座两部分组成。调节螺栓采用直径20mm，长度150mm的六角螺栓，底座则是厚度为4mm，边长80mm的45号钢板，用以增加螺栓与地面的接触面积，使跑步机更稳定。坡度调节装置安装在底架的中间和前面，共四个位置，在需要调节坡度时，只需要旋扭前面的两个调节螺栓，来增加或者减小底架与地面的距离，当达到需要的坡度时，再旋扭中间的两个调节螺栓，使底架的六个支撑腿都着地，这样不仅能起到调节坡度的目的，还能是跑步机更稳定更安全。这种调节的方式优点就是操作简单，缺点是比较麻烦，需要一个个的调节，而且不太能统一四个调节螺栓的高度，但是问题不大，可以在底架的合适位置贴上带有刻度纸条，来使调节时调节的高度得到一致。3.3滚筒的设计计算1、坡度调节螺栓2、支撑座图3.7坡度调节装置示意图滚筒表面有裸露光钢面、人字形和菱形花纹橡胶覆面。小功率、小带宽及环境干燥时可采用裸露光钢面滚筒。人字形花纹胶面磨擦系数大，防滑性和排水性好，但有方向性。菱形胶面用于双向运行的输送机。用于重要场合的滚筒，最好采用硫化橡胶覆面。本次设计滚筒为槽型滚筒，可以防止跑步带跑偏。滚筒由轴、圆柱滚子轴承、内径挡圈和筒体及其他辅助零件组成。其中轴承通过轴套和紧定螺栓固定在轴上，防止轴承发生轴向移动。筒体为裸露光钢面，厚度为4mm。3.3.1前滚筒的设计计算前滚筒是无动力滚筒，由于跑步机高度180mm，在基架内部还要安装阻尼调节装置、清扫装置等，所以滚筒直径不宜过小或者过大，否则不便于安装。所以取筒体直径为197mm，筒体为厚度4mm的裸露光钢面。（1）轴的设计滚筒轴属于固定心轴，只承受弯矩，M0；不承受扭矩T=0。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要求；上零件应易于装拆和调整安装调整要求；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。轴的各部分结构名称制造安装要求：为便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯轴；为使轴上零件易于安装，轴端和各轴段的端部应有导角；轴的形状和尺寸力求简单，以便于加工；轴上磨削的轴段有砂轮越程槽；需车制螺纹的轴段，应有推刀槽；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，有的轴表面要求也较高。轴的材料主要采用中碳钢35或45钢和合金钢20Cr或40Cr等8。最常用的是45#钢（含碳量0.45），它具有较高的综合机械性能。此设计采用45#钢轴的端部为方形，以使安装滚筒时可以保持滚筒的固定，不发生横向移动后者轴向移动。根据计算，轴的最小直径应大于10.56mm，所以选择轴的端部横截面为边长20mm的正方形。在轴的两端要倒角，以方便安装。因为跑步机宽度为600mm，采用的腿宽为68mm、腿厚10.5mm的槽钢作为基架，所以轴的最小长度为485mm。为了便于安装，本次设计轴的长度为504mm，分为7段，第3-4段和第5-6段为安装轴承的位置。第1-2段和第6-7段是轴的固定部分，截面为正方形，可以使轴固定在基架上而不发生移动。（2）轴承的选择设计图3.8前滚筒轴的示意图轴承要安装在轴的第3-4段和第5-6段，因为该轴段直径为50mm，所以取轴承的内径为50mm。轴承类型：圆柱滚子轴承。轴承代号：N210/P5。轴承参数：轴承内径50mm，轴承外径90mm，轴承宽度20mm；润滑方式：脂润滑。（3）滚筒整体结构的设计本次设计滚筒轴是固定不动的，当跑步机工作时，轴承转动，带动筒体转动。由于该滚筒是槽型滚筒，所以筒体宽度要不小于跑步带的宽度，由于跑步带宽度为410mm，所以设计筒体宽度为416mm。筒体两边的挡圈直径应该大于筒体直径和跑步带厚度之和，跑步带厚度为3.1mm，筒体直径为197mm，所以挡圈直径应该大于203.1mm，取207mm。1、滚筒轴2、紧定螺钉3、轴套4、圆柱滚子轴承5、筒体6、内径挡圈图3.9前滚筒结构示意图3.3.2后滚筒的设计后滚筒相当于从动滚筒，也是无动力滚筒，结构采取和前滚筒一样的结构，也是由轴、圆柱滚子轴承、内径挡圈、筒体及其他辅助零件组成。因为后滚筒上需要安装张紧装置和发电机，所以后滚筒的轴要具有安装这些装置的部位。前面提到后滚筒轴上要有安装张紧装置和发电机的位置，所以该轴要比前滚筒轴长一点。基于本次设计所选择的发电机为12V6W的小型摩擦式发电机，发电机的摩擦头通过与后滚筒的内径挡圈的外延相接触，在后滚筒转动的时候，带动发电机摩擦头的转动，进而使发电机转子转动，产生电能。由于张紧装置实际上是通过调整轴的横向位置来张紧跑步带的，所以要使发电机不收张紧的影响，就要把发电机固定在该轴上。（1）张紧装置的设计张紧装置的作用是在跑步带太松或者太紧时，通过调整轴的位置来调整跑步带的张紧度。拉紧装置：拉紧装置分为螺旋式、车式、垂直式三种。螺旋式：适用输送机较短，80米，功率较小的输送机上，按机长1%选取螺旋行程。行程有500mm、800mm两种。选用螺旋张紧方式不仅与机长有关，而且还与功率大小有关（功率大小与螺旋的许用张力有关）。车式张紧适用输送机较长，功率较大的场合，应优先采用。垂直拉紧张紧较复杂，用在车式拉紧布置有困难的场合，缺点是改向滚筒多，螺旋型张紧装置属于手动张紧装置，它利用人力旋转螺杆，使带有螺母的滑架及安装在上面的张紧滚筒沿输送机方向纵向移动，以调节输送带张力，这种装置结构比较简单。螺旋型张紧装置一般用于结构简单，输送距离小的输送机上。本例选择螺旋式张紧装置进行设计。该螺旋式张紧装置选取一个M20长度为100mm的六角螺栓作为张紧螺栓，张紧螺栓通过轴上的螺纹孔，并被基架上的挡板挡住而不能继续移动，当需要张紧时，用六角螺栓专用扳手旋转螺栓，由于另一端无法继续向前移动忙所以只能带动滚筒轴向后移动，即可以起到张紧作用。（2）轴的设计前面提到该轴上要有安装张紧装置和发电机的位置，所以该轴的两端要有螺纹孔来安装张紧螺栓，螺纹孔的规格为要与张紧螺栓规格相匹配。轴的端部为方形，以使安装滚筒时可以保持滚筒的固定，不发生横向移动后者轴向移动。根据计算，轴的最小直径应大于10.56mm，而张紧螺栓的外螺纹20mm，所以选择轴的端部横截面为边长25mm的正方形。因为发电机也要安装在该轴上，所以要使轴的一端较长，用来焊接发电机架安装发电机。本次设计轴的材料为45#钢，轴的长度为658mm，分为7段，第3-4段和第5-6段为安装轴承的位置。第1-2段和第6-7段是轴的固定部分，截面为正方形，可以使轴固定在基架上而不发生移动。（3）发电机架的设计图3.10后滚筒轴的示意图根据发电机摩擦头直径20mm，发电机壳体直径70mm，及后滚筒轴的轴心距离基架的距离可以确定发电机架的尺寸。由于本次设计中所选择发电机为小型发电机，重量很轻，所以发电机架用厚度为4mm的45#钢板焊接而成即可。发电机架腿部为宽度为10mm的钢板，安装平台为长150mm，宽35mm的45#钢板，安装平台上面有孔，用来安装发电机。（4）滚筒的整体结构设计1、支撑腿2、固定台图3.11发电机架平面示意图发电机架要焊接在后滚筒轴上（图4.3.4中的右边），发电机安装在轴的一侧，摩擦头还要与滚筒的内径挡圈相接触，为了使发电机能获得更大的机械能，就需要挡圈与摩擦头的尺寸比例越大越好。鉴于跑步机整体结构的美观性，所以选择与发电机摩擦头接触的挡圈直径为262mm.筒体直径及轴承都与前滚筒相同。1、滚筒轴2、紧定螺钉3、轴套4、圆柱滚子轴承5、筒体6、内径挡圈图3.12前滚筒结构示意图3.4阻尼调节装置的初步设计3.4.1阻尼装置的介绍大家知道，使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，我们称之为阻尼。而安置在结构系统上的“特殊”构件可以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置，我们称为阻尼装置。工作原理：它是利用简谐振动原理被动接受特定运动而产生阻力消减能量，把外来“机械能或波能”转换为“简谐振动内能”，从而达到消减或抵消外来力或能量，即减少冲击或干扰的破坏。利用阻尼来吸能减震不是什么新技术，在航天、航空、军工、枪炮、汽车等行业中早已应用各种各样的阻尼器（或减震器）来减振消能。从二十世纪七十年代后，人们开始逐步地把这些技术转用到建筑、桥梁、铁路等结构工程中，其发展十分迅速。特别是有五十多年历史的液压粘滞阻尼器，在美国被结构工程界接受以前，经历了一个大量实验，严格审查，反复论证，特别是地震考验的漫长过程。本例中，阻尼调节装置包括阻尼橡胶圈、调节轴、调节螺栓和弹簧。阻尼橡胶圈固定在调节轴上，与前滚筒相接触，通过旋转调节螺栓可以增大或者减小阻尼橡胶圈与滚筒的接触力，以达到调节阻尼力的目的。3.4.2阻尼器的分类及优缺点阻尼器的类别、品种、型式很多，现有的健身器材以阻力加载器件来分有弹簧阻尼器，橡胶阻尼器，液压阻尼器，气压阻尼器，磁电阻尼器等。（1）弹簧阻尼器：优点就是可以减少设备运行当中发生的振动作用；制造成本低；安装较方便；可以达到较低的固有频率,一般5HZ以下；可以得到较大的静太压缩量,通常20MM的压缩量；可以承受较大的载荷；通过处理后，抗腐蚀能力强,性通稳定,使用寿命长。缺点:由于存在自振现像,空易传递中频振动；阻尼太小临界阻尼比一般只有0.005,因此对于共振频率附近的振动隔离能力较差。（2）橡胶阻尼器：橡胶的特点是既有高弹态又有高黏态，橡胶的弹性是由其卷曲分子构象爱你过的变化产生的，橡胶分子间互相作用会妨碍分子链的运动，有表现出黏性特点，以致应力与应变往往处于不平衡状态。橡胶的这种卷曲的长链分子结构及分子间存在的较弱的次级力，使得橡胶材料呈现出独特的黏弹性能，因而具有良好的减震、隔音和缓冲性能。橡胶部件广泛用于隔离震动和吸收冲击，就是因为其具有滞后、阻尼及能进行可逆大变形的特点。除此外，橡胶还具有滞后和内摩擦特性，他们通常用损耗因子表示，损耗因子越大，橡胶的阻尼和生热就越明显，减震效果越明显。综上所述，用橡胶制成的橡胶阻尼器也具有良好的阻尼效果。橡胶阻尼器的优点：可以自由确定形状，通过调整橡胶配方组分来控制硬度，可满足对各个方向刚度和强度的要求；内部摩擦大，减震效果好，有利于越过共振区，衰减高频振动和噪声；弹性模量比金属小得多，可产生较大弹性形变；没有滑动部分，易于保养；质量小，安装和拆卸方便。冲击刚度高于静刚度和动刚度,有利于冲击变形。缺点：自然频率相对较高，压宿量较小，容易受外界环境影响，性能不温定，使用寿命较短。（3）液压阻尼器的优点：防腐性好，主要零部件采用奥氏不锈钢材料，防腐性能好结构紧凑，且呈对称结构，安装空间小，受力更加合理；阻尼力大，且动态响应时间短；摩控阻力小，一般低于额定载荷的1%-2%头部，尾部铰接采用关节轴承，允许多最摆动角为6；采用特殊的液压油和密封介质，性能稳定，密封寿命长；可在93温度下连续工作，短时工作稳度可达148。缺点：要求密封性好，可能会出现漏油的现象，制造成本及加工要求都比较高。（4）气压阻尼器：可做无级调节，增、减阻力非常方便，噪声小，但需有配套的空压机及管道，比较复杂，家用健身器材中很少见。（5）磁电阻尼器：可在一定范围内进行无级调节，使用时噪声较小，但是控制系统较复杂。3.4.3阻尼装置的选择及初步设计前面列举了常用阻尼装置的优缺点，结合本次设计的总体结构及其他相关问题，拟定选择橡胶阻尼器作为跑步机的加载器件，通过一些其他配套零部件的工作来达到调节阻尼的目的。3.4.4其他主要零部件的初步设计当固定有橡胶圈的轴安装在跑步机上合适位置的时候，只能起到阻尼作用，却没有调节阻尼大小的功能，因此需要设计一个调节装来达到自由调节阻尼力大小的目的。因此可以选择在轴两端各开一个孔，用螺栓通过孔，一端固定以固定轴，螺栓上有弹簧和螺母，当旋动螺母时，会压缩或者释放弹簧，弹簧则会使轴左右移动，从而加大或者减小阻尼橡胶圈对滚筒的压力，达到调节调节阻尼力大小的目的。3.5支撑轴的设计计算1、固定板2、垫圈3、弹簧4、调节螺栓图3.13阻尼调节装置示意图支撑轴是安装在跑步机中间，即是使用者在训练时所在的位置，在支撑轴上安装有滚动轴承，在使用者训练时，轴承外表面与跑步带接触，一方面可以防止跑步带与跑步板直接接触，损坏跑步带并且增大摩擦力，另一方面还能起到支撑的作用，保证使用者的人身安全。基于基架的宽度为464mm，所以设计支撑轴的长度为464mm，支撑轴主要是起到支撑作用。图3.14支撑轴示意图支撑轴上的轴承透过跑步板，所以轴承的数量与跑步板上方形孔的数量一致。因为跑步板上的方形孔长60mm，宽40mm，所以轴承露出来的部分不能超过这个孔的尺寸，结合滚筒直径和跑步带的厚度、跑步板的厚度，以及轴承外径大小可莪已确定支撑轴安装位置尺寸。轴上有安装轴用挡圈的槽，轴用挡圈用来固定轴承。本次设计所选择的轴承为圆柱滚滚子轴承，轴承内径60mm，轴承外径110mm，轴承宽度36mm。3.6扶手的设计1、支撑轴2、轴用挡圈3、圆柱滚子轴承图3.15支撑轴及轴承安装示意图扶手的作用主要有两个:一是在跑步时，防止身体不稳定晃动而出现意外;二是在使用者跑起来后防止突发状况而使运动员重心不稳，掉下跑步机。扶手的高度必须与运动者的身高相适应，扶手太高，当使用者跑起来后双臂的摆动可能会碰到扶手，造成碰上或者影响使用者的心情及状态;扶手太低，使用者在起跑阶段则必须弓下身子才能触摸到扶手以保持自己的身体平衡，极为不方便。而且若采用一般形式的立式扶手，运动员在跑步时就要使手臂保持抬高弯曲状态，会耗费一定的体力。本设计中扶手设计在跑步带两边，可以让使用者以更舒适的手臂自然下垂的状态抓扶，而当运动员进入跑步状态之后就可以像平时在跑道上训练一样，前后摆动手臂，模拟最真实的跑步环境；另外这种扶手设计可以有效减少运动员不必要的体力消耗，使运动员吧体力都用在跑步训练上。假设运动员平均身高为180cm,那么当手臂自然下垂时，之间距离地面大概65cm，扶手高度设计为70cm。扶手的材料一般采用圆管或椭圆管，它的大小应以人握着舒适为宜，直径为30一35mm，此处选择圆管直径为32mm，材料为不锈钢Q235。由于跑步机长度为1600mm，所以扶手长度设定为750mm。提高使用者在抓握时的舒适感。扶手采用套筒式伸缩杆装置，目的是为了能让不同身高的使用者自由调节扶手高度，以使自己的训练更舒适有效。该种可伸缩装置包括支撑管、套管、锁紧部件；支撑管套接于套管内，锁紧部件为四个相同尺寸的不锈钢棍。套管为上下部直径不同的空心圆管，套管上设开口槽和定位的孔洞。套管高度为400mm。支撑管选用长度为400mm，直径42mm的无缝钢管。套管下面焊接有固定座，方便将套管固定在跑步机基架上。固定座用规格为M6、长度L=60mm的六角螺栓固定。套管上面共有四个孔，也就是说可调节的高度有四个，每个孔相距75mm。锁紧部件为和套管上孔相配合的六角螺栓，长度为60mm，直径10mm。当需要调节伸缩量时，把锁紧部件拔出来即可，调整好了之后再把锁紧部件插入孔洞之中，拧紧螺母，即可起到固定作用。其结构简单，使用方便，定位性能良好。1、扶手2、套筒3、套筒底座图3.16扶手及扶手底座示意图3.7固定架和固定带的设计固定架材料为不锈钢管，直径42mm，壁厚4mm。固定架设计在跑步机后方（即运动员训练时背对的方向）。固定架上有悬挂装置，本例悬挂装置材料为45#钢，钢板宽度为40mm，在其一侧开有直径为21的孔，固定带的挂钩挂在孔中即可起到固定作用。悬挂装置高度由运动员身高和固定带位置决定。固定带的作用是保持运动员在训练时身体的平衡，防止运动员跑动时离开跑步带上的既定跑步位置；固定带固定在运动员的腰部。假设运动员平均身高为180cm，当运动员在跑步时腰部距离地面大概在110120cm，因此挂钩高度设计在115cm处（距离跑步带上端）。固定带为帆布带，在与使用者要不接触的位置套装上海绵垫，可以增加使用者的舒适度。1、固定架底座2、固定架支架图3.17固定架和固定带示意图3.8本章小结本章根据给定尺寸要求，结合人机工程学原理，合理选择了跑步带、跑步板、扶手、固定架等的尺寸，力求更满足训练者的使用要求。对阻尼调节装置进行了初步设计，选择了性价比较高的橡胶阻尼调节器，并且对主要部分的形状进行改良设计，使整个机器看起来更美观舒服。把扶手设计在跑步机的两边也有效增加了使用者在跑步初的舒适度。最后根据选定尺寸，详细设计了其他辅助零件的尺寸。4阻尼调节装置的最终设计4.1阻尼调节装置尺寸的设计前面提到该阻尼调节装置为螺栓调节阻尼橡胶圈，安装在靠近前滚筒内部的位置，可以通过调整阻尼橡胶圈与前滚筒的筒体之间的挤压力来实现阻尼的调节。本装置中调节螺栓的规格为M20、长度L=150mm。弹簧为普通压缩弹簧，弹簧内径25mm，钢丝直径8mm，压缩强度合适。由于该橡胶阻尼器是用来调节使用者在跑步机上跑步时的阻力大小，也就是调节滚筒的转动阻力，所以可以设计一个橡胶圈，把橡胶圈固定在一根轴上，安装在跑步机上合适的位置，让橡胶圈与滚筒表面相接触，来增加摩擦，就可以达到阻尼的作用。现设计阻尼橡胶圈的外径为100mm，内径为50mm，即厚度50mm，长度为290mm。橡胶圈用轴用挡圈固定在轴上面。图4.1阻尼橡胶圈示意图阻尼调节轴设计方法与滚筒轴相同，轴长度为580mm，两端有螺纹孔，用来安装调整螺栓。轴上有安装轴用挡圈的槽，轴用挡圈是用来固定阻尼橡胶圈的。为了方便安装，在轴的两端有倒角，一方面安装。因为该轴为阻尼调节轴，只是用来调节阻尼力的大小，所以不需要有多大的强度和弯矩，因此不需要校核。图4.2阻尼调节轴示意图5.1发电机类型5发电机选型发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，包括发电机励磁绕组、电枢绕组、铁心、外壳、轴承等。发电机分为直流发电机和交流发电机；交流发电机分：同步发电机和异步发电机（很少采用）；交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。发电机的种类有很多种。从原理上分为同步发电机、异步发电机、单相发电机、三相发电机。从产生方式上分为汽轮发电机、水轮发电机、柴油发电机、汽油发电机等。从能源上分为火力发电机、水力发电机等。5.2发电机选型本次设计是短跑阻尼跑步机，给定条件中长度为1500mm，宽度为600mm。在这个空间内显然不能安装较大的发电机。另一方面，本次设计中的发电机是将使用者跑步时的动能转化为电能，一般情况下人在长跑时能够产生340-400瓦的功率，所以如果是人来带动发电机，那么所能发出的电量是很小的，因此只能选择