家用多功能健身器的设计含18张CAD图带开题
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家用
多功能
健身器
设计
18
CAD
开题
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家用多功能健身器的设计含18张CAD图带开题,家用,多功能,健身器,设计,18,CAD,开题
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摘要设计主题是家用多功能保健装置。它由腿部练习腰部练习、手臂练习和框架组成。腿部运动机构利用链条传动工作原理和飞轮的优点来实现锻炼腿部肌肉作用。腰部训练机构利用曲柄滑块机构工作原理和弹簧的优点，实现锻炼腰部肌肉作用。手臂锻炼机构使用操作机构（摇臂和钢丝绳）、导杆（双导杆）、调节机构（杆）满足有效组合，达到锻炼手臂肌肉效果；TH.REE为该设计提供了合理组合平台。另外，此实用新型健身器具有方便、安全、成本低、噪音小等优点。高速前进的同时，中国健身器材一些问题也慢慢暴露出来。最主要就是在国际市场缺乏出名品牌而且功能比较单一。目前中国大部分制造企业还停留在仿制阶段，在产品研发与创新方面与国外该类企业相比较还有着明显不足。与国外相比较，该类产品于普通家庭中使用率以及平均每人投入到其中消费份额还比较低。因此，中国健身器材工业企业必须抓住新的发展形势，加大科技创新，努力提高产品质量，加强自主研发能力，有关部门应尽快制订出健身器材统一技术安全标准，加强售后服务。只有这样才能在新形势下立于不败之地。关键词：多功能；健器；机构；锻炼 AbstractThe theme of this design is household health care multifunctional device. It consists of leg exercises, waist exercises, arm exercises and frames. Leg motion mechanism USES the working principle of chain drive and the advantage of flywheel to realize the function of leg muscle. The waist training body USES the working principle of crank slider mechanism and the advantage of spring to realize the function of waist muscle. The arm exercise mechanism USES the operating mechanism (rocker arm and wire rope), guide bar (double guide bar), regulating mechanism (bar) and satisfying the effective combination to achieve the effect of arm muscle exercise. The framework provides a platform for a reasonable combination of TH. REE. In addition, the utility model has the features of convenience, safety, low cost and assembly design.While Chinas fitness equipment industry is developing rapidly, some problems are emerging. Especially lack of well-known brands in the international market, low value-added products, at the same time, compared with the international advanced level, China many enterprises still in the phase of imitation production, product development and technical innovation ability is insufficient. In the field of consumption, compared with developed countries such as Europe and the United States, the penetration rate of fitness equipment products in the family and the per capita consumption for fitness sports are still very low.Chinese fitness equipment industry, therefore, enterprises must seize the new situation of development, increase scientific and technological innovation, efforts to improve product quality, strengthen independent research and development ability, the relevant departments shall be worked out as soon as possible fitness equipment safety standards and strengthen after-sales service. Only in this way can we remain invincible in the new situation. Keyword: multifunctional; body-building; mechanism; exercise- II - 目 录摘要IAbstractII目 录III第1章 绪论1 1.1 健身器材的研究现状1 1.1.1 健身器材的分类与功能1 1.1.2 健身器材的发展与品牌2 1.2 课题研究背景和意义3 1.3 当前研究中存在的问题4 1.4 方案确定与分析6第2章 腿部锻炼机构的结构设计8 2.1 传动方案的选择8 2.1.1 方案一:采用带传动方式8 2.1.2 方案二:采用链传动方式8 2.2 链传动的设计计算9 2.2.1 选择链轮齿数9 2.2.2 确定计算功率9 2.2.3 链条的型号选择及节距的选择9 2.2.4 计算链节数和中心距9 2.2.5 通过计算链速来确定润滑方式9 2.2.6 计算压轴力Fp10 2.2.7 链轮的结构10 2.2.8 链轮的材料10 2.3 轴的设计10 2.3.1 求输出轴上的功率、转速和扭矩10 2.3.2 求作用在轴上的力10 2.3.3 轴的结构设计11 2.3.4 求轴上的载荷11 2.3.5 校核轴的强度12 2.4 飞轮机构12 2.4.1 飞轮转动惯量的近似计算12 2.4.2 飞轮尺寸的确定13第3章 健身器腰部锻炼机构设计14 3.1 座椅的设计14 3.1.1 初步的座椅结构设想14 3.1.2 按照实际要求选取尺寸14 3.2 曲柄滑块机构的设计15 3.2.1 机构中各个杆的尺寸设计计算15 3.2.2 连杆直径的选择816 3.2.3 弹簧的设计计算16第4章 臂力机构及机架设计18 4.1 设计材料的选定18 4.2 底座的设计18 4.3 支架的设计18 4.3.1 支架的作用18 4.3.2 该机构力学性能的分析19 4.3.3 支架的工艺处理20 4.4 配重的设计20 4.5 滑轮的设计21 4.6 钢丝绳的设计22 4.7 其他零件的设计22 4.8 标准件的选定及校核22 4.8.1 螺栓连接的选定及校核22 4.8.2 轴承的选定及校核23 4.9 导管的设计23结 论24参考文献26致 谢27- 35 - 第1章 绪论1.1健身器材的研究现状1.1.1 健身器材的分类与功能根据其年龄以及职业等因素，可以分为以下几类:（1）适合中老年人群使用：身体健康机能良好的老年人，健身车、跑步机、健步机，等可以助其更好的保持身体健康，而差一点的则可以使用相较更为温和一点的按摩装置。（2）适合年轻的女士使用：重量较轻的健身哑铃，锻炼腰腹的健身转盘以及体操垫之类的器械比较适合其使用，另外一些磁疗以及按摩设备同样适合减肥和健身。（3）适合长时间工作的人使用：这类人群相比其他人更容易感到疲惫但同时也更需要锻炼。他们可以通过运动来提神，缓解疲劳。推荐使用跑步机、划船机、健美车等设备。（4）适合青少年使用：由于年龄较小，青少年在运动时应该注意方法的科学，选择器材应贴合实际的情况，这里不给予推荐的器械。（5）适合家庭使用：一个多功能的健身器材才能满足多个家庭成员的使用。模仿跑步、划船、骑自行车和登山等功能的设备更可以满足每个家庭成员不同的锻炼需求。以功能多少来分可以分为以下类别：（1）单功能器械，如划船机、健身车、健步机、跑步机、美国腰机等都很常见。各器械分别起以下作用:划船机:主要用于增强手臂的力量和协调性。健身车:模拟骑自行车，加快人体的新陈代谢从而提高心肺的机能。健步机:模拟登山或者爬楼梯时的情况，锻炼腰腹及以下的肌肉，同时也能提高各个器官的机能。跑步机:功能类似于健步机，但更适合有基础的人群使用，锻炼力度更大，效果更好。美国腰机:主要锻炼腰部肌肉群，方式较为温和，适于工作后休息放松时使用。（2）综合多功能设备:一般包括扩胸、按摩等功能。各部分功能可以锻炼不同的肌肉群和器官，锻炼效果更为良好。虽然国内和出口市场蓬勃发展，但由于技术的落后、产品的质量以及品牌的知名程度等原因，我国的产品竞争力还有着明显的不足。因此，我们应该不断创新，不断优化产品，使健身器材发挥真正的作用。1.1.2健身器材的发展与品牌由于世界经济的发展，城市生活的压力越来越大，人们的工作时间和压力也越来越大，导致城市人缺乏锻炼，身体处于亚健康状态很长一段时间，身体紧张状况十分严重。随着全民健身计划的实施，全民健身热潮正在兴起。人们的健康观念正在发生变化，越来越多的人从传统的“养生保健”转变为现代“健身与健康”，开始认识到“健身”和“锻炼”对健康的重要性。花在锻炼上的钱和“在健身房里花钱”已经成为一种新的消费时尚。健身健康已经成为热门的投资热点。健身器材可以给人们更多的帮助。划船机能增强手臂、上肢、肩膀和腰部的肌肉。增加和改善背阔肌和肩胛肌的肌肉体积和肌肉轮廓。改善身体运动的协调性。提高髋关节的灵活性和周围肌肉和韧带的柔韧性。对于长期工作人员的腰背疲劳，老年颈椎病、腰背痛和青少年驼背现象具有良好的恢复功能。特别警告：（1）当手臂肌肉开始绷紧时，手臂不应突然用力和卸力以避免受伤和另一侧手臂。（2）划船前应充分锻炼腕关节、肘关节和肩关节，不应直接进行高强度锻炼。最早的健身器械由20世纪70年代美国和加拿大最古老的健身器材制造企业制造并贩卖。因为起步的时间早以及投入到技术创新方面的力度大，使得30多年后的今天，美国和加拿大的健身器材领先其他制造商的产品，成为行业领导者，他们的产品就代表着最好以及最专业。Precor ,Stairmaster ,Schwinn ,ConceptII ,Bodyguard ,力量设备品牌Cybex , Nautilus ,Vectra为行业发展起始，健身器材渐渐工业化。具有消费能力的部分人群大都选择了这些设备，而且他们也渐渐感受到健身器材产业有很大的发展空间。包括目前的StarTrac，Keys，Scifit，Trimline，Quinton，Hummer，Trotter等品牌厂商在当时都在这个市场上发现了巨大的商机。在1980年左右台湾也跟上脚步踏入了这一行业，许多自创品牌开始流入市场，但由于只是给国外厂家生产配件，在市场的竞争力上不是很大，直到发展了自己的技术后才渐渐取得了成功。之后的一些品牌由于技术上的劣势以及质量的低下，更是成为了反面教材。1995年左右我们的邻国韩国凭借着电子行业的发展迅速，改革了生产科技，迅速的抢占了市场。“WaTa、Lucksport、jaco”等知名品牌在全世界范围内都倍受赞誉。而在国内，1990年左右才创建了自己的品牌，但由于前面所说的各种原因，这一行业在当时的国内根本没有发展的机会，而在国外，更好的产品鳞次栉比，致使了国内健身器制造行业的发展缓慢。1.2 课题研究背景和意义随着人们的生活水平提高，身体的健康成为了接下来的问题，而健身器这种足不出户就能运动锻炼的设备很好的解决了这个问题。在拥有多个成员的家庭中，锻炼器材功能的多样性越来越重要。除了功能上的要求，当前的用户对于健身锻炼的科学性和安全程度也有着较高的要求拿应用最广泛的跑步机来说，很多改进就保证了运动的科学性和安全性。在平常的室外跑步中，由于动作的不规范和路面的状况等因素，锻炼的同时也会对身体的肌肉及韧带产生损伤。这种伤害是隐性的，但是当积累到一定程度时，就会体现为肌肉以及韧带拉伤。而经过了一代代技术改进的跑步机就可以通过橡胶以及其他材质的传送带和减震装置来减少对腿和脚关节的冲击力，从而降低对身体的损伤。另外，通过设定好的程序让运动者保持均匀的速度和强度可以更好的起到强身健体的效果。而仿照人体动力学以及生理机制的结构设计也可以纠正非专业人员错误的姿势及锻炼方法。面板上可以显示运动者的各项身体数据以及锻炼数据，运动者可以通过这些数据更好的了解自身的身体情况。80年代以来，中国确立了改革开放的道路。由于国内需求巨大(近10亿人)和相对廉价的劳动力、土地、工厂等有利因素，发达国家已将各种成熟产品转移到中国。在中国成为“世界工厂”初期，世界500强企业中有许多已经在中国设立了工厂，而且这些企业也将他们的核心技术一起带到了中国，但那时的我们最多只是充当了“组装厂”的角色，仅仅是将零部件运送回国内进行组装加工。这种做法虽然在收益上较为卓著，但实为鼠目寸光。拥有自己的技术并占领庞大的国内市场才是重中之重。这一情况使得我国在很长一段时间国内没有出名的技术过硬的品牌。在我国，虽然“摆脱垃圾场”的口号早已被提出，但电子计算机技术的发展和应用普及率较之国外仍然处于落后阶段。例如最基础的CAD制图技术，与发达国家相比我国的普及率整整低了70%，巨大的差距使得我国的技术发展受到了极大的限制。统计显示，我国的机械类产品在世界的同类产品中的占有率只有三分之一，而产品的革新研发贡献率只有区区的11%，与美国相差了惊人的40%。发达国家的工业化水平是75%到95%，而中国只有15%到30%。这些差距就是我国机械工业发展缓慢的根本原因。“科学发展才是第一生产力”，这众所周知的名言时时的提醒着我们，只有技术上不断进步，不断革新才能拉近和发达国家的差距。因此，从技术上讲，加快虚拟设计技术的发展将是解决制造业可持续发展的关键。技术上追赶上国际先进水平，市场的份额及品牌的知名度才能提高，才能真正的在时代进步的大潮中迎风破浪。1.3当前研究中存在的问题在20世纪80年代后期，中国加入了世界贸易组织并且获得了奥运会的举办权。贸易来往的提高和全民健身的热潮极大的促进了行业的发展。巨大的机遇摆在了国内机械行业制造商的面前。根据最近三年的统计数据中可以得知，中国体育用品产业的行业总产值达到了5591亿元，每一年同比增长了37.13%。而在利润方面，仅一年就累积了超过24亿元的利润。这三年的统计数据可以清晰的反映出当时我国该类产业的蓬勃发展，对国家GDP及民生有着极大的积极作用，另一方面也显现出了该产业的发展前景。所以本设计有着充分的研究意义，但研究时也会遇到一些问题，主要的问题可以分为以下几类：（1）功能的增多使得各个部件之间的连接受到很大的限制，在初期设计结构时就应该考虑到这些因素，各种部件的传动以及工作方式不一样，要避免各个部件之间相互干扰，造成无法正常工作的后果。（2）噪音也是一个重要的因素，大部分的健身装置在运行时都会或多或少的产生噪音，而目前的大部分用户对于噪音方面的要求都比较高。选择适当的传动机构及润滑方式需要着重考虑。（3）各个锻炼机构的分布也是一个重要问题，本设计是多功能家用健身器，使用时平均的活动空间很重要，一定要合理的设计每个机构的位置，避免健身时互相影响甚至无法锻炼。在满足这个前提的要求下，设计结构时也应该尽可能减小整体的占用面积以满足在室内使用的要求。（4）锻炼到的身体部位应尽可能全面，身体各部位肌肉及器官的锻炼都应该考虑到，因此设计各个部位组成时应考虑到这一问题。每个部位都照顾到一些特定的肌肉群及器官，避免功能重合，相互配合从而达到锻炼身体的效果。（5）结构的设计应尽量贴合人体的运动习惯，以免使运动者感到不舒服，但也应该尽可能考虑在设计时添加用以矫正运动者错误姿势的功能，使设计更加具有科学性，以便吸引更多的用户选择该产品。（6）在整体的材料选择上的问题也应该考虑全面。首先是在强度方面，要保证器材工作时能够承受住受到的力，同时也要保证工作寿命。其次应考虑到工作环境等的影响，潮湿的环境会加速氧化使金属生锈，选择时应避免这一问题。再次是重量方面，由于是在室内使用，重量较轻便于移动是非常重要的需要考虑的问题。最后则是价格问题，在满足其他要求的情况下，应该对备用的材料进行横向对比，尽可能选择价格较低的材料，价格的优势即时市场占有率的优势。技术方面的问题已经得到了解决。在“十五”期间，科技部（国家科学技术部）以“CAD应用工程技术的开发和应用示范”为标题的重要项目中在全国范围内普遍的推广了CAD技术。直到今天，这些技术与国外的劣势才渐渐缩小，并且在机械产业的各个方面都已经投入到了实际的应用之中。同时我国也研究了其他的快速成型技术，诸如LOM制造方法、立体印刷SLA、选择性激光烧结SLS等并且研制了相应的设备、零件、软件、注塑材料等。RP的上游技术、逆向工程、新产品造型设计、CAD / CAM技术、3D图形信息处理技术以及RPM的下游技术、快速模具制造工具和产品制造技术等都在研究和应用。基于中国国情，以及设计的要求，在简单的逆向工程基础上进行产品设计。产品的最终性能和可制造性可以在产品设计阶段的高度自信程度进行预测。在航天、军事、精密机床、微电子等领域的产品性能较高的行业中，虚拟制造和快速成型技术将得到越来越广泛的应用。本设计也可采用此种技术。1.4 方案确定与分析在设计初收集了很多有关互联网的信息以及调查研究市场上同类产品来确保整个设计贴合实际使用要求。此外，还走访了许多培训师和健身爱好者，结合反复的思考以及导师的建议确定最后的设计。大部分同类产品都具有多样功能，但是很大一部分功能过于多样，有些产品甚至包含18种功能，从而导致实际使用时有很多功能闲置，功能的过多会导致设计结构的复杂，实际工作时容易出现损坏并且维修起来较为困难。目前，全民健身的形势越来越普及，健身房如雨后春笋一般出现。虽然国民的生活水平日渐改善，但去健身房健身也仅仅是小部分人才能够承担的起，相比起来，健身器属于一次投入终身享受。虽然一次性投入较大，但对于普通家庭来说还是可以负担的。健身器在以后会发展为家电一样的生活必需品。而另一些有能力支付健身房消费的人群，由于时间的关系，他们去健身房锻炼是不现实的，而健身器就成了方便和节省时间的首个选择并且他们也负担得起用于购买健身器的消费。同时，由于中国人口众多，房子的价格高昂，致使人均住房面积小，所以能够用于放置健身器材的空间有限。根据这一原因我在设计整体结构时清楚地定义了自己的设计方向：结构上应尽可能紧密安排但不能影响正常运行，安全方面一定要确保，此外，锻炼部位的多样性以及同时多人锻炼的功能也要确保。为了节约资源以及降低机器的价格我们可以去除一些冗余的不常用的部位，提高整体的使用率。尽可能的满足用户对于舒适度、锻炼效果及价格方面的要求。根据以上的各种需求，本次论文设计了一个多功能的、一体化的健身装置，它提供了各种各样的功能，并且都比较实用。同时，根据研究，现在常用的肌肉是胸肌、肱二头肌、肱三头肌和大腿部肌肉。本次家庭多功能健身机设计可以提供四种锻炼：腿部锻炼、腰部锻炼、手部运动和手臂的锻炼。四个功能的整合，将使器械整体协调，功能多样互补。运动机构分别位于器械的顶部、中部和下方，使您可以锻炼胸大肌、腿部肌肉、腰部肌肉群等需要锻炼的部位。产品的主要受众面为家用方面，外观应简洁美观，采用折叠或拼接结构以便于运输以及包装。整体结构安全性高，噪音小，材料选择合理，价格低廉并且工作寿命长。总体结构（1）锻炼上肢的健身部件和框架：锻炼上肢的健身结构和框架由底座、柱、支架、拉手、钢丝绳、双导杆、匹配和调节杆组成。框架提供了一个供手臂部位来回移动的组合机构，通过往复运动时肌肉的绷紧与放松来锻炼上肢肌肉。（2）锻炼下肢（即腿部）的健身部件：锻炼下肢的机构包括轴、链传动结构、轴承座、以及配重飞轮等部件。飞轮可以储存腿部发出的能量，在开始时提供阻力，持续运动时维持速度平稳，是锻炼效果更加良好。（3）腰部运动机构：腰部锻炼机构为一个加装弹簧的曲柄滑块机构，座椅的设计也在这一阶段一并进行。主要以滑块的往复运动以及弹簧的作用力来实现锻炼腰腹肌肉群的目的。虽然本次设计的健身器确定了由这些部位组成，但在具体生产中还是应该因地制宜，根据实际的情况以及消费者的需求进行适当的一些改变。同时，结合市场和健身房的健身设备，大部分的设备往往使用时不能达到预期的使用寿命，这是因为各种原因导致的设备损坏，大大的增加了维修的费用同时也降低了使用寿命。更是有一些黑心厂商，以次充好，欺骗消费者，这样就是鼠目寸光，需知只有提高质量才能迎合消费者，从而产生更大的利润。第2章 腿部锻炼机构的结构设计2.1 传动方案的选择此机构在本次设计时采用机械传动结构，而机械传动在用于此处时应考虑带传动和链传动两种形式。2.1.1 方案一:采用带传动方式皮带传动的基本部件是皮带轮和皮带。理解其工作原理并分析其优缺点。传动原理：以至少两个轮子作为中间柔性部件的张力，皮带和接触表面之间的摩擦可用于传递运动和动力。优点：（1）过载保护，带轮打滑过载，可防止其它装置损坏；（2）皮带弹性好，吸收并缓冲振动，无接头，特别是V带传动特别平稳；（3）运行时产生的噪音相交于其他方式较低；（4）较于其他方式跟适合远距离传输，并且对于精度的要求不是特别高。缺点：（1）因为弹性滑动的原因，致使传动比不恒定；（2）由于两端的拉力差以及其他原因形成的弹性滑动会导致带轮与从动轮的速度损失；（3）高强度的往复伸缩会产生摩擦导致功率损失；（4）滑动传动往往皮带寿命很短；（5）皮带与皮带轮之间的摩擦会产生静电，因此不适用于高温及易燃易爆的场合。2.1.2 方案二:采用链传动方式链传动是一种柔性传动。它由一个链和链轮组成。运动和动力通过链轮齿和链环的啮合传递。工作原理:动力和运动通过两个轮子之间的啮合来传递。优点: （1）平均传动比准确,效率较高；（2）能够适应极端环境；（3）轴间承受的力小。缺点: （1）瞬时传动比不恒定；（2）安装难度较之带传动高。综合以上原因，此健身设备是室内型设备，需要平稳运行，要求噪音较小，具有过载保护和缓冲吸振的功能。根据上述要求，显然链传动较之带传动更为适合。2.2 链传动的设计计算可以使用短节距的精密滚子链。这种链在速度较低的结构中较常见，传递功率低于90kw，传递速度一般低于15m/s，推荐使用的最大传动比imax=8。结合各方面因素，最终选择主链轮转速n1=60r/min，传动比i=2，功率为P=1kw。2.2.1 选择链轮齿数考虑到传动稳定性及其他各种原因，最终将z1=19，z2=z1*i=219=38确定为最终选择，其中前者代表小链轮。2.2.2 确定计算功率结合有关标准选择个各项数据为ka=1.0，kz=1.35，单排链，据此可得到功率为 Pca=kakzP=1.01.351=1.35kw （2-1）2.2.3 链条的型号选择及节距的选择根据Pca=1.35kw及n1=60r/min，结合相关标准要求可确定节距 p=25.4mm。2.2.4 计算链节数和中心距初选中心距a0=3050p=305025.4=7621270mm取a0=800mm，相应的链长节数为Lp0=2a0p+z1+z22+z2-z122pa0=91.78 （2-2）取链长节数Lp=92节。查阅参考文献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=80 通过计算链速来确定润滑方式链速v=n1z1p601000=601925.4601000=0.5m/s （2-3）由v=0.5m/s和链号16A-1，查阅相关文献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=1000pv=100010.5=2000N （2-4）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 （2-5）2.2.7 链轮的结构结合相关标准以及本次设计需求，大小链轮结构分别采用孔板式和整体式。2.2.8 链轮的材料在运行时，小链轮的轮齿啮合数。查阅文献可知，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。2.3 轴的设计2.3.1 求输出轴上的功率、转速和扭矩 若取每级传动的效率，则 （2-6） （2-7） =9550000P3/n3=74808Nmm （2-8）2.3.2 求作用在轴上的力运行时会有两种力作用于传动轴上，其一为传动链的压轴力，另外一个为轴承对其的支撑力，详细分析图后文将会给出。集合相关经验及参考标准选取最小直径。材料方面选择45号钢，调质处理。参考标准查得，可得 （2-9）输出轴最小直径应该为安装飞轮处轴的直径和,得出=28mm2.3.3 轴的结构设计（1）零件与轴的整体结构应该满足总体要求。零件在轴上的结构方案可查阅装配图。 （2）各段的数据可根据具体定位来选择。1）I-II段右端和VIII-IX段左端需制出一轴肩，故取。2）运行时轴向力和径向力都会承受，因此应选用深沟球轴承。根据设计的要求以及前文得出的，在备选型号中选择标准精度等级的单列深沟球轴承6008， dDB=40mm90mm23mm。具体为，综合以上数据求得 。3）IV-V为安装链轮的部分，其直径；用套筒的方式定位链轮左端和位于左边的轴承。已知链轮轮毂的宽度为L=1.5d=67.5mm，由于轴段长度比轮毂宽度短时可以使套筒接触跟紧密，可知。而在右端应该使用轴肩定位，轴肩高度h0.07d，故取h=4mm，轴环处的直径。轴环宽度b1.4h，。4）轴承端盖的总宽度为20mm，取，这样在维修及养护时更为方便。到了这一步，各段轴的直径和长度均以初步确定。链轮、飞轮等在轴上的周向定位都使用平键联接。按查得平键截面为bh=149m，加工键槽时应选用专用的铣刀，长为50mm，同时为了保证链轮与轴的配合有良好的对中性，故选择链轮轮毂与轴的配合为H7/n6；同理，飞轮与轴的连接，选用平键为8mm7mm10mm，飞轮与轴的配合为H7/k6。由过渡配合来保证滚动轴承与轴的周向定位，因此选取轴的直径尺寸公差为m6.选定各个位于轴上的圆角以及倒角的尺寸。取轴端角为245，各个轴间处的圆角尺寸已经标注于附图中。2.3.4 求轴上的载荷根据轴的结构图做出轴的计算简图，并进而做出轴的弯矩图和扭矩图2.1。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面C是轴的危险截面。2.3.5 校核轴的强度轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度是校核重点。因为扭转切应力为脉动循环变应力而且轴的旋转为单线旋转，故而取，轴的计算应力为 （2-10）查阅资料可知材料为45钢并且调制处理的轴为。由于，所以该设计安全可靠。 图2.1轴的弯矩和扭矩图2.4 飞轮机构2.4.1 飞轮转动惯量的近似计算飞轮的转动惯量远大于结构中其他部件的转动惯量，做计算时可以省略其他部件的惯量计算。将稳定循环的链传动转化为一个等效的转动构件,等效驱动力矩Med为常量，等效构件的平均转速=30r/min，其转速误差要求不超过1） 该机构的运转不均匀系数 （2-11）2）等效驱动力矩MedMed2=4000.5+100(2-0.5) （2-12）3）装在等效构件上的飞轮应具有的转动惯量JF（忽略其他的转动惯量） （2-13）JF900Wmax2nm2=0.1341g/m2 （2-14）2.4.2 飞轮尺寸的确定本设计中的飞轮应将主体质量均匀分布在飞轮的边缘之上，从而获得最高的转动惯量,这种设计可以使得转动惯量集中在飞轮的边缘部分，相比之下，飞轮的其他部位的转动惯量远远小于其边缘，计算时可以忽略。轮缘的转动惯量可以近似为： JF=GAD2/4g （2-15）设轮缘的宽度为b，材料单位体积的重量为，则： （2-16）飞轮的材料为HT250，H/b为1.2，求得轮缘的横剖面尺寸为H=30mm，b=25mm。第3章 健身器腰部锻炼机构设计3.1 座椅的设计3.1.1 初步的座椅结构设想常用的座椅结构方面大同小异，主要的形状为L型，由底座和靠板组成。底座的结构应尽可能的可靠，保证可以承受人体带来的压力，其上应包覆适当的衬垫材料，保证舒适美观的前提下也可以使人体均匀承受反作用力，保护人体的骨骼。靠板也称之为靠背的主要作用为支撑人体，提高舒适度，设计时适当的给予弹性以更好的起到缓冲作用，保护背部及脊椎的安全。两种部位可采用形同的工艺铸造，材料选择HT200即可以符合设计的要求。3.1.2 按照实际要求选取尺寸（1）座椅高度：高度的选择应按照身高较低的人群的需求来选择，较高的使用者也可以适应这种高度。前缘应略低于膝盖的位置，整体应有一个贴合人体的较小弧度。最终选取440mm。（2）座椅宽度：为满足大部分消费者的需求，座椅宽度在保持舒适的前提下应尽可能的宽。根据大部分女性消费者中臀宽较大的部分为参考，最终选取420mm为最终宽度。（3）座椅深度：这里的深度意指两个边缘之间的距离。适当的深度能够保证人体的自主支撑，维护身体骨骼的安全尤其是脊椎的安全。小腿能够接触地面并进行支撑是首要的，身形高大的消费者在大腿部位较长时有可能得不到座椅的支撑，但影响很小，所以在选定尺寸时应依照身材矮小的消费者的尺寸。此举可以使该健身器适用于多数人群。故而选取最终深度为400mm。（4）靠背高度：脊椎对于人体的重要性无与伦比，背部的支撑和保护尤为重要。根据资料显示自然伸展的背部对于消费者来说最为舒适。根据经验，消费者在坐姿时脊椎的中心位置比椅面高0.25-0.3m左右，而为了更好的支撑保护支撑点应比此高度高出少许，最终选定尺寸为380mm。（5）靠背宽度：靠背的宽度也应参照消费者群众的普遍宽度，选取时应略大于平均值，用以适合更多的消费者。在形状上可以采取上宽下窄的形状，上宽用来提高受众面，下窄用来贴和椅面的结构形状。据此选取下宽为420mm，上宽为450mm。（6）倾斜角度：查阅有关人体骨骼的文献，可得知人体脊柱的正常倾角，故而最终选取120度。3.2 曲柄滑块机构的设计3.2.1 机构中各个杆的尺寸设计计算曲柄滑块机构中各杆长的确定巧妙利用了机械原理平面四杆机构及其设计、几何三角函数和人体工程学人体腰部构造中的相关知识。示意图3.1如下：图3.1曲柄滑块机构结构图由此可得：设，则 l=r/sin (r/sin)2=r2+c22-2rc2cos15 联立以上公式，可解得，取特殊角，得出： 3.2.2 连杆直径的选择连杆是整个机构受力最大的零件，其直径的大小决定了整个机构的寿命的长短。从安全角度考虑，连杆的材料应选20钢，其工作强度极限为，因此 （3-1） 根据以上计算选取d=10mm可以符合本设计的要求。3.2.3 弹簧的设计计算（1）查阅材料力学方面的书籍，对各种材料进行相互比较，贴合实际工作中的要求和具体的工作环境可以得知弹簧在应用于曲柄滑块结构中时对力学性能的要求很高。抗疲劳性首当其冲，即在高强度长时间的往复运动后依然能够拥有优良的强度和韧性，其次对于材料的抗冲击性也有较高要求。根据这些要求，50CrVA型号钢的第类弹簧符合要求，许用切应力=750MPa。（2）查阅相关文献可知旋绕比C=8,投入公式得：K=+=+1.18 （3-2） （3）结合整体结构初步选取弹簧中径D，根据C值估取弹簧丝直径，并查取弹簧丝的许用应力。初设弹簧中径D=40mm，得： =5m （3-3） （4）试算弹簧丝直径。由公式可得： 1.6FmaxKC/=4.6mm （3-4） 取d=5mm。（5）根据变形条件求出弹簧的工作圈数，由公式可知： （3-5） 结合以上可以求出各项数据、分别为：D2=D+d=45mm D1=D-d=35mm =320mm（6）由弹簧的极限工作应力=750Mpa来验算极限工作载荷 （3-6）（7）各项尺寸数据如下：内径 （3-7）外径 （3-8）旋绕比C=Dd=405=8mm （3-9）自由高度 （3-10）工作高度 （3-11）有效圈数 （3-12）展开长度 （3-13）螺旋角=arctanp/D （3-14）质量ms=d24L=1.1kg （3-15）第4章 臂力机构及机架设计4.1 设计材料的选定为了提高整体结构的可靠性和安全性，延长总体的使用寿命，在选择结构材料时应慎之又慎，全面考虑各方面的需求。对于大部分材料来说，强度和硬度是形影不离的，一味的追求强度就会造成硬度过高从而对器械的制造加工造成困难。在选用材料时应考虑这一问题，同时在满足性能的前提下应尽可能降低单位材料的价格，并且选用附近方便购买的种类以减少运输和制作成本，从而提高市场竞争力。（1）走访市面上的钢材市场并横向对比，在符合要求的情况下，选择几种材料作为备选。空心方管，标记分别为：J50X2.5-GB/T6782-2002、J45X2-GB/T6782-2002、J200X4-GB/T6782-2002、J50X30X2.5-GB/T6782-2002。（2）无缝钢管40(GB/T17395-1998)材料为Q235。（3）板材选择均为Q235。4.2 底座的设计在设计时考虑到底座为整个健身器的承重部位，大部分的配件都以其为基础安装，对强度的要求必然要很高，整体结构也要结实可靠。考虑到受力方面的原因以及装卸时的便于操作，将各类部件均匀对称的分布在底座上可以使底座的受力更为均匀，随之降低对于材料的强度要求。在装卸上对称的分布也使得对于技术的要求大大降低，对于没有装卸基础的消费者来说极为简单。根据上文的要求及实际情况，选用Q235型号的板材，尺寸方面为1700*500*30mm。4.3 支架的设计4.3.1 支架的作用本设计中支架结构用于支撑主体结构，重要性不言而喻。在设计上强调外观的观赏性以外还要有足够的强度用以稳固支撑其他部件的正常运行，一些伸缩及升降结构也应该设计进去以贴合不同消费者的需求。4.3.2 该机构力学性能的分析 （1）受力分析。 人体对截面A施加的拉力最大值为：， 配重对截面C施加的拉力最大值为：， 的值由设计要求决定，取，。 由此，可以计算出、： （4-1） （4-2）图4.1力矩图图4.2截面图（2）强度校核由力矩图4.1及截面图4.2可以看出，截面A为危险截面，需要进行强度校核。 （4-3） （4-4）支架的材料为Q235，查阅资料得，符合设计要求。4.3.3 支架的工艺处理焊接时材料选用冷弯钢管，为了便于安装滑轮，设计初就需在其上加装夹座，材料和位置也需一开始就确定下来。另外为了安全和美观考虑，还须进行打磨和烤漆。与底座的连接采用最常用的螺栓连接，进一步降低安装难度。夹座的材料方面初步选定冷弯方钢：。4.4 配重的设计对于极其重要的噪音问题，可采用一种简单的同时易于维护的方法。在配重下做四个对称的圆孔，用于安装橡胶橡胶筒，使噪音大大减少，装卸方面也没有太大的难度，便于今后维修。此外，由于材料的普遍，更换配件也无需费力。由于重量较轻，对整体重量的影响微乎其微，对于计算校核影响可以忽略。而配重的设计如下：（1）在运行时由于上下运动的重量是很重要的一个因素。在配重的设计中，市场上常用的方法是围绕一定厚度的橡胶注射成型机的重量。这种做法有一定的弊端，对于小批量生产不适合且会造成成本上升，且不易修复，一旦外橡胶反复碰撞和老化后，很容易破碎脱落，一旦橡胶脱落噪音和震动来迟，则影响使用寿命。巨大的噪音也会影响锻炼者的心情，不容易修复就会造成零部件报废。（2）导杆的重量上下滑动，导杆由1Cr18Ni9不锈钢管制成，这是比较昂贵的一种。因此，为了保护导杆，有必要改进平衡孔。（3）市场上大部分的配重是5公斤，通常人体能够施加的力不超过65公斤，根据市场上的数据需要加装13块。（4）根据调查发现，几乎所有损坏的材料都是脆裂和废钢，因为配重是用HT105（灰铸铁）铸造的，而弱的是球墨铸铁是低的，非常脆的。这会使运动过程中重量减轻，容易开裂。考虑各方面的调查和实际应用时需要注意的事项后，做出如下改进：1）为便于维修和降低噪音，不采用橡胶包覆的配重块，而是钻出四个深20mm的孔，这些孔位于橡胶筒内部17mm左右，便于健身器的日常维护也降低了噪音。2）为防止配重磨损导杆，应在导管中加适当长度的热塑料管，直到达到适当的温度，然后将其翻过来，进行表面包覆。3)在材料选择上，采用回收的板材和30mm厚的冷轧钢板，将材料标注为:Q235-GB/T699-1988，其强度不是问题，韧性也可以得到保证。在配重块重量的设计中，特别设计了一个配重(安装在顶部)，因为吊架应该举起重物，应该用一个连接装置来连接首个配重，所以配重块和吊架应该有安装关系。用螺丝钉使吊杆在配重块上能够确定一个精确的位置进行连接，使其能够提起所有的配重。而且这一装置可以使悬挂器的旋转运动受到限制，运动者在选择需要锻炼的力量时将更加方便。对于加工方面,可以首先通过气割制造一定规模的材料,然后铣磨其上的表面,之后钻洞,倒角后,注入配重砂并进行喷漆。然后钻出橡胶洞并安装橡胶。4.5 滑轮的设计滑轮在整个运动机械中起到减少摩擦的作用，由于滑轮的应力不是很大，可以采用铸造方法。采用冷冲压的焊接方式。由于在整个机械中的作用，对于滑轮一般要求应力大于6500 N，钢的应力大于此值，所以强度不是关键问题，同时由于滑轮是围绕中心运动的，所以此次设计了一个轴承，因为滑轮、轴承一起起到保持架与钢丝绳之间的协调关系，使中心孔不易磨损。它还减少了旋转过程中的摩擦，从而保证了滑轮的使用效率和使用寿命。这些机构对于精度要求不是很高，因此如果适合批量生产，可以采用冲压工艺，通过冲裁成形，然后在中间轴承上用铆钉或螺栓连接即可，这种生产方法有很多优点：材料可以保证需求的强度，节省了加工时间、加工简单、成本低、加工精度高、生产效率高。相较于需要较高昂费用以及不适合批量生产的车床加工，使用冲裁、成形、冲孔等工艺，可以降低成本，大批量生产。4.6钢丝绳的设计根据机械设计手册知道，钢丝绳的公称直径 （4-5）式中C为选择系数，S为最大静压载荷选择系数的计算公式为：c=4n/kw （4-6）式中n为安全系数，k为折断系数，为钢丝绳的充满系数=钢丝绳的断面面积/绳毛面积 （4-7）初选钢丝绳的抗拉强度为167MP，选择安全系数等级6级，k=0.82, =0.46代入公式得c=0.110结合相关标准选取数值代入=1300N求得D=2.9取整D=3，则应选取钢芯钢丝绳（GB/T8918-1998）,由于滑轮的单面间隙为1mm，且钢丝绳直径为3mm，此尺寸可以完美保证实际使用时的需求。4.7 其他零件的设计用来包覆座椅及把手之类零部件的外皮的材料均可以选用市面上常见的材料，尺寸上没有要求，只需注意价格方面。可以交由专门的制造商进行批量生产。用于连接的螺栓等零件也可使用市面上常见的，这样既降低了费用，也便于更换维护。4.8 标准件的选定及校核标准件即是用于连接结构和起到保护作用的小零件，由于设计时对于螺栓及轴承等零件的标准要求较多，选取时应慎重考虑。4.8.1 螺栓连接的选定及校核使用M12的螺栓连接支架与支撑部分，螺栓的材料为Q235，=235MP，在实际中Fa（max）=15KN，则： （4-8）其中，30mm，所以立柱取M12的是完全符合标准的 。4.8.2 轴承的选定及校核主体构造中两个链轮和滑轮部分使用到了轴承。支架上的轴承由于数量较多，平均收到的力较小，所以可以不进行校核。而两个链轮上安装的轴承型号一样，这里可以省略其中一个链轮的校核过程。查找相应的设计手册内容，深沟球轴承的型号为6008（GB/T276-1994）预设其可靠度为0.99，在径向载荷Fr=750N作用下工作应力循环次数达。结合相关技术标准取寿命修正系数a1=0.22，得出额定使用寿命： （4-9）轴承应具有的基本额定动载荷为 （4-10）由这些数据可知其寿命符合要求。4.9 导管的设计次结构对于精度的要求比较高，过低的精度会造成过高的摩擦，使用时会有许多问题，并且是材料的寿命大大降低。由于经常摩擦导致表面包覆防锈不可行，所以应该使用不锈钢管为材料起到防锈的作用。材料牌号为1Cr18Ni9，表面烤漆。结 论此课题家用多功能健身器设计，是基于传统该类产品结构基础之上并结合实际市场和消费者要求后进行结构改进设计。详细介绍了健身器设计原理及结构组成，并对各个部件功能进行了详细构思和设计。同时进行市场调查，以市面上主要畅销品牌为主，分析他们的畅销产品结构构成以及包含的功能，受消费者欢迎的主要功能以及外形外观上的优势，结合不同种类消费者的选择从而在最终功能上进行改进设计。设计主要进行以下几个工作步骤：（1）详细了解健身器主要功用及结构组成，调研市场上现存各类健身器，比较分析它们优缺点并取长补短，从而确定初步设计方案及改进策略。对于功能选择则参考有关运动与人体肌肉构成相关文献，选取能够全面并互补锻炼身体各部位功能组件来组成本次设计，同时也在其他同类产品基础上减少一些冗余部分，提高效率并且降低成本。此阶段中，严格考虑主体构成外，整个设计贴合人体这一要素也是重中之重，一定要详细查阅资料，对人体有全面了解后在进行结构设计，避免由于这一原因引起的一些问题。（2）之后进行腿部锻炼机构设计。设计时主要考虑轴和链轮型号选择，链条型号及节距选择，飞轮尺寸及质量分布以及各部分强度校核，根据计算数据以及行业标准进行结构设计。这一阶段中链条节距以及小链轮齿数选择极为重要，为提高链传动平稳性、减少磨损，小链轮齿数应多一些。理论上链节距越大，承载能力越高，但节距越大，由链条速度变化和链节啮入链轮产生冲击所引起的动载荷越大，反而使链承载能力和寿命降低。因此，设计时应尽可能选用小节距的链，重载时选取小节距多排链实际效果往往比选取大节距单排链效果更好。飞轮大部分质量应集中于边缘部分，能够更好贮存和释放动能，使该机构运行时速度平稳，锻炼效果更好。（3）然后设计腰部锻炼机构。该机构使用曲柄滑块机构，在滑块侧方加装弹簧，由弹簧运动施加阻力，起到锻炼作用。在选择零件规格时，杆尺寸以及弹簧选择尤为重要
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