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家庭多功能健身器的设计【跑步机】,家庭,多功能,健身器,设计,跑步
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塔里木大学毕业论文（设计）任务书学院机械电气化工程学院班级12-2学生姓名学号课题名称家庭多功能健身器起止时间2011年12月1日 2012 年 5月 25日（共 14周）指导教师职称讲师课题内容1.分析研究国内外健身器发展现状；2.进行家庭多功能健身器结构设计；3.进行家庭多功能健身器主要运动部件设计计算；4.进行家庭多功能健身器运动仿真；5.完成毕业设计图纸及设计。拟定工作进度（以周为单位）第1到2周： 熟悉题目,开始查阅资料，完成开题报告。第3到4周： 消化资料，设计方案。 第5周： 方案研究，确定具体方案，做出开题报告。第6到7周： 进行结构分析，计算。第8到9周： 进行设计结构草图。第10到11周：完成图纸，进行设计论文。第12到13周：完成设计论文，准备有关毕业答辩。第14周： 交毕业设计的各种资料，并进行答辩。主要参考文献1机械设计手册联合编写组机械设计手册M化学工业出版社1979年版2 周开勤.机械零件手册M.高等教育出版社.1994年3 濮良贵，纪名钢. 机械设计第六版)M. 高等教育出版社1996年任务下达人（签字） 年 月 日任务接受人意见任务接受人签名 年 月 日注：1、此任务书由指导教师填写，任务下达人为指导教师。2、此任务书须在学生毕业实践环节开始前一周下达给学生本人。3、此任务书一式三份，一份留学院存档，一份学生本人留存，一份指导教师留存。家庭多功能健身器的设计设计说明书学生姓名 XXXXXXXX 学 号 XXXXXXXX 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 指导教师 XXXXXXXX 日 期 2012.6 XXXXXXXX大学教务处制前 言随着世界城市经济的发展和人民生活水平的迅速提高，城市居民的健康意识逐渐增强，健身也成为人们日常生活中的重要组成部分。然而日常生活中难免有无法进行户外锻炼的日子，如坏天气，应酬太多，工作时间等等都让人们无法每天在户外进行锻炼。健身器的出现尤其是室内健身器材起到了足不出户也可以锻炼身体的作用。然而，现有的健身器一般都功能单一，结构简单，只能对身体单一部位进行锻炼，满足不了健身者对多方面健身的要求，直接影响了生产企业的经济效益。为此，该课题提出设计一部家庭用多功能健身器，以适应市场需求。本文主要对家庭多功能健身器从实际健身者需求着手，针对现在产品中存在着规模大功能少，价格高，性价比低等缺点，意在实现健身的大众化、家庭化、多功能化，一机多用，为消费者减少经济负担。本课题介绍了家庭多功能健身器的基本特征，介绍了家庭多功能健身器的构成，工作原理。指出了家庭多功能健身器的主要内容，综述了家庭多功能健身器研究现状，比较设计出市场所需求的家庭多功能健身器产品类型。目 录1.绪论12.方案设计12.1基本功能12.2结构功能设计12.3功能原理确定23.外型结构设计33.1基架的设计33.2机架的设计33.3机盖设计44.电动机类型与参数的选择44.1电动机类型和功率选择44.2电动机的技术参数选择44.3电动机的保护55.传动机构的选择55.1带和带轮的选择65.2带传动的张紧装置的选择65.3带传动的使用与维护66.轴和滚筒的设计76.1轴的结构设计76.2轴的强度校核76.3轴承的选择和计算76.4滚筒的结构设计87.跑步板及跑步带设计87.1跑步板的设计87.2跑步带87.3跑带调整97.4跑步台润滑油的添加98.折叠机构设计108.1折叠功能设计108.2气压杆的工作原理109.避震系统的设计1110.轮结构设计1211.多功能设计1211.1仰卧起坐支撑架1211.2扭腰盘设计1211.3俯卧撑支架1311.4角度调节器1311.5哑铃功能1311.6音乐功能1412.调速机构的选择1413.跑步机的日常维护保养15小 节16致 谢17参考文献18 塔里木大学毕业设计1.绪论随着人们生活节奏越来越快，特别是生活在城市当中的人们，工作压力日益加大，身体所受的压力也越来越大，增加体育锻炼，改善身体机能，成为广大上班族的迫切需求，但有限的生活空间，和有限的业余时间，使得体育健身变得困难，忙里抽闲来锻炼身体成为一种奢求。在这种情况下，鉴于现有市场家庭健身器材的结构、功能单一、体积庞大等缺点，从而设计一款造型、结构与人机的配合程度达到一定标准的跑步机，在不影响安全、功能、外观的前提下，尽量达到用材环保、工艺简练、节约成本的目的，实现健身的大众化、家庭化、多功能化、一机多用，为消费者减少经济负担,还能得到高品质全面的运动效果。相信多功能跑步机会从其舒适性、设计合理性、多功能方向发展，成为城市家庭运动的首选运动器械。本课题介绍了家庭多功能健身器的基本特征，介绍了家庭多功能健身器的构成，工作原理。指出了家庭多功能健身器的主要内容，综述了家庭多功能健身器研究现状，比较设计出市场所需求的家庭多功能健身器产品类型.2.方案设计2.1基本功能家庭多功能健身器的基本功能是实现跑步运动，即跑步机的功能。为了实现跑步带的可调速功能，对跑步带的驱动与速度进行控制，通常针对电动跑步机的脉冲式负载转矩特性, 以小功率直流电机驱动为例，利用PHILIPSP87LPC768单片机开发了一种电动跑步机专用的数字式速度调节单元。该调速单元充分利用单片机的资源，采用 FUZZY-PID算法，通过对PID参数的自动调整产生PWM信号, 实现对跑步机速度的控制。该单元结构简单，性价比高，能对电动跑步机的速度实现精确控制，同时该方法也可应用于其它同类运动装置的速度控制。总体示意图如下：图2-1 总体示意图2.2结构功能设计多功能健身器为了实现其多功能性，主要由机架、跑步机带部分、电动机、可调电源、扶手部分、扭腰盘、折叠机构、仪表控制盘组成。机架部分设有仰卧起坐机构、跑步机扶手架安装于机架的顶端、在机架后下端安装有可折叠的扭腰盘，按摩器装置安装在机架横杆上，仪表控制盘安装于扶手架上。跑步机部分，跑步机底座框架通过轴连接在机架底部的两端，机架底端框架横梁与跑步机框架设计有可升缩的气压杆，用来坐跑步机部分的折叠支撑机构。前轴与后轴分别装在底座框架的两端，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。另外跑步带两边框上设有紧急情况踩踏板，末端安装有俯卧撑支架。2.3功能原理确定通过对国内市场上家庭多功能健身器的了解，现有家庭多功能健身器多是集中于臂力，腿部肌肉的力量练习，很少有结合跑步，臂力，腰背，按摩，健身娱乐于一体的综合性多功能健身器材。同时还设计有跑步机的可折叠功能，充分减少了跑步机的占地空间，为城市居室有效节约了空间。跑步机的选择。跑步是目前国际流行并被医学界和体育界给予高度评价的有氧健身运动，是保持身心健康最有效、最科学的健身方式，也越来越受到大家喜爱。目前市场上比较常见的有传统跑步机和电动跑步机两种。传统跑步机，俗称“被动式跑步机”，是我国从国外引进健身观念时、为适应当时国情而开发的具有符合国人特色的过渡产物。它的动力来源是使用者通过自身臂部、膝部、踝关节的活动，推动跑步机而产生运动。速度由运动者自己控制。这种运动方式，表面上看起来似乎能消耗更多的能量，但其造成的运动伤害也要比在大自然中跑步高出数倍。所以我们考虑选择用电动跑步机来设计1。折叠总体示意图如下:图2-2 折叠后总体示意图多功能结构的选择。一般家庭健身运动者的运动需求可以概括为几个方面：(1)臂力练习，一般用哑铃做举重运动，或者做俯卧撑来实现，所以我设计了哑铃支架，和俯卧撑支架；(2)腰背练习，设计的仰卧起坐装置和扭腰盘可以实现；(3)在健身娱乐方面，在仪表控制盘上安装有数码音乐播放器，插上耳机，健身的同时你可以在有节奏的音乐旋律中享受运动的快乐。(4)可折叠功能，用气撑杆作为支撑构件，气动支撑杆以高压惰性气体为动力，在整个工作行程中支撑力是恒定的，并具有缓冲机构，避免了到位的冲击，这是优越于普通弹簧的最大特点，并具有安装方便，使用安全无需保养等优点。3.外型结构设计3.1基架的设计基架的设计是整个设计的基础，也是其他设计的基准。为了保证整个系统的稳定性和减震系统的有效性，基架全部采用焊接结构2。机架，滚筒的选择，以及上下机盖等等，都是依据基架的尺寸和形状设计的，所以设计开始首先考虑基架的设计，进行样式，结构，还有尺寸的确定。通过对市场上的跑步机的基架结构的流行设计，再加上自己对外形的理解，对外形进行改进。在尺寸的确定方面参考了人体运动工学推算，45cm宽X130cm跑带面积，以此保证给人以足够的运动面积，从而逐步的进行其他尺寸的确定。先考虑电机的尺寸，然后是传动机构带传动的中心距离，电机的安装，前后滚筒的位置，PWM调速电源的安装位置，以及传感器安装位置的预留等。在设计中特意将两边框设计了足够的宽度，以此为锻炼过程中短暂的休息提供两脚踩放的位置，也是作为紧急情况时，人可两脚快速分开离开运行的跑带，提供足够的安全踩放位置1。基架图如下：图3-1 基架3.2机架的设计机架的外形结构是参照现有市场比较流行的设计结构，又加以自己的改进完成。所用材料是空心钢管和方钢，连接为焊接，保证了稳定性。支架包括扶手，仪表安装辅助支架，扭腰盘连接处等，仰卧起坐架直接焊接于竖直连杆上。与基架的连接采用螺栓连接，方便位置的调整和拆装。底部安有橡胶垫，保证平衡，还可以达到减震的效果。机架图如下图：图3-2 机架3.3机盖设计传动机构为了保证安全性，要进行传动机构的隔离，同时为了技术保护和美观，上下机盖都使用塑料钢材料，通过螺钉与基架相连。材料有一定的硬度，还能在做仰卧起坐的时候起到一定的腿部支撑作用，同时能起到有效的防护作用。上下机盖如下图：图 3-3 上机盖图3-4 下机盖4.电动机类型与参数的选择4.1电动机类型和功率选择个人在选择跑步机时，只要根据自己的体形选择对应马力的电动机即可。家庭用户在选择跑步机时，则跑步机应该满足所有家庭成员的使用。而马力越大的跑步机，其适应的人群也就越广，但相应的，跑步机价格也就越贵。因此，综合考虑家庭成员的体形情况后，选择合适马力的电机才能达到最大的性价比。当人在跑步时，跑步机或地面受到的冲击力为人体自身重量的1-2.5倍，电动机作为跑步机的动力，不但要满足载重量的要求，还需要保证跑步机跑台以一定速度运转。一般来说，电动机1个马力可以保证60公斤的人在跑步机上面自如运动，另外跑步机跑台的面积越大，所需要的马力也更大。因此，在选择电动机时要综合考虑这两个因素，在确保安全及效率的前提下，专家建议一般家用选择的电动机马力最好在1.5HP以上，而对于体重偏大的人（超过80公斤），则应该选择2HP以上的电动机。 此跑步机设计标准为100公斤，电动跑步机专用电动机Z3-31型永磁直流电动机（图4-1）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。4.2电动机的技术参数选择根据电动机修理手册得得；型号Z3-31 电压220 VDC输出功率 2.2 KW 电流不大于12.5A转速3000r/min 转向 逆时针绝缘等级 B级图4-1 Z3-31型永磁直流电动机图4-2 电动机外形图4.3电动机的保护电动机的保护与控制关系电动机的保护主要有两大类，采用电流检测型的有热继电器、带有热-磁脱扣的电动机保护用断路器、电子式和固态继电器、带电子式脱扣的电动机保护用断路器以及软启动器：直接检测电压降低或为零时的欠压保护和失压保护。(1)电动机的保护往往与其控制方式有一定关系，及保护中有控制，控制中有保护。(2)电动机保护装置电动机的损坏主要是绕组过热或绝缘性能降低引起的。而绕组的过热往往是流经绕组的电流过大引起的。对电动机的保护主要有电流、温度检测两大类。(3)保护装置与异步电动机的修调配合为了确保异步电动机的正常运行及对其进行有效地保护。必须考虑异步电动机与保护装置之间的协调配合。特别是大容量电网中使用小容量异步电动机时，保护的协调配合更为突出。(4)异步电动机的保护是涉及电气装置和机械设备可靠、正常运转的关键。直接检测电动机绕组的温度来保护过载引起的过热是很有效的保护方式，但由于需直接埋入电动机绕组里，价格较贵、维修困难等原因，仅在部分频繁操作场合使用；从经济性考虑，采用电流检 测型更为有利，加热继电器仍是一种价廉、简单、可靠的电动机保护形式(从实际使用情况看，目前使用量占大多数)；对动作性能要求较高及功能要求全或价格昂贵的大容量电动机保护，则可采用电子式或固态继电器；对一般要求，则采用带热磁脱扣的电动机保护用断路 器更为实用。但不管采用何种保护装置，必须考虑过载保护装置与电动机、过载保护装置与短路保护装置的协调配合。5.传动机构的选择传动机构载荷有轻度冲击，结构传动类型选择带传动,是定传动比匀速转动机构。动力来源：电力220V。速度允差小于5%。具有结构简单，成本低廉，缓冲载荷的作用，运行平稳，噪声小，过载时将引起带在带轮上打滑，可以防止其他零件的损坏，具有过载保护的作用，所以择之3。电动机的选择为跑步机专用生产的永磁直流电动机，传动功率P=2.2KW，主动轮转速为n1=3000r/min 传动比为i=1.07， 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。5.1带和带轮的选择(1)普通V带的选择 普通V带由顶胶、抗拉体（承载层）、底胶和包布组成，抗拉体由帘布或线绳组成，是承受负载拉力的主体。其上下的顶胶和底胶分别承受弯曲时的拉伸和压缩变形。线绳结构普通V带具有柔韧性好的特点，适用于带轮直径较小，转速较高的场合。(2)V带带轮的要求对带轮的主要要求是质量小且分布均匀、工艺性好、与带接触的工作表面加工精度要高，以减少带的磨损。转速高时要进行动平衡，对于铸造和焊接带轮的内应力要小。6。带轮材料要求：带轮材料多采用灰铸铁，牌号一般选用HT150或HT200，也可选用钢或非金属材料（塑料、木材）。铸铁带轮允许的最大圆周速度为25m/s，速度更高时，可采用铸钢或钢板冲压而成 5。所以我们分别选择小带轮和大带轮D1=71，D2=75，并选取实心式带轮5.2带传动的张紧装置的选择由于传动带不是完全的弹性体，带工作一段时间后，会因伸长变形而产生松驰现象，使初拉力降低，带的工作能力也随之下降。因此，为保证必需的初拉力，应经常检查并及时重新张紧。常用的张紧方法是改变带传动的中心距，如把装有带轮的电动机安装在滑道上并用螺钉调整或摆动电机底座并调整螺栓使底座转动，即可达到张紧的目的。如果带传动的中心距是不可调整的，则可采用张紧轮装置。张紧轮一般放置在带的松边。V带传动常将张紧轮压在松边的内侧并靠近大带轮，以免使带承受反向弯曲，降低带的寿命，且不使小带轮上的包角减小过多。带传动常用的张紧方法是调节中心距张紧，本跑步机中心距是可调的。图5-1 带的定期张紧装置5.3带传动的使用与维护正确安装、使用和妥善保养，是保证带传动正常工作、延长胶带寿命的有效措施。一般注意以下几点：(1) 安装时两轮轴线应相互平行，各带轮轴线的平行度应小于0.006a（a轴间距）；两轮相对应的V型槽的对称平面应重合，误差不得超过20，否则将加剧带的磨损，甚至使带从带轮上脱落。(2) 安装V带时，应先缩小中心距，将V带套入槽中后，再调整中心距并予以张紧，不应将带硬往带轮上撬，以免损坏带的工作表面和降低带的弹性。(3) 胶带不宜与酸、碱或油接触，工作温度不宜超过60，应避免日光直接曝晒。(4) 带传动装置应加防护罩，以免发生意外事故(5) 定期检查胶带，发现其中一根过渡松弛或疲劳破坏时，应全部更换新带，不能新旧混合使用。6.轴和滚筒的设计6.1轴的结构设计轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸8。其主要要求是：(1)轴与轴上零件应具有准确的工作位置 (2)轴上零件应固定，牢固可靠(3)各零件要牢固而可靠地相对固定(4)轴的形状和尺寸尽量简单，比便加工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。常用的是45#钢（含碳量0.45%），因为它具有较高的综合机械性能。经过比较，此设计采用45#钢。图6-1 前后轴6.2轴的强度校核 根据文献工程力学广州：华南理工大学出版社，1989.57因为心轴工作时只承受弯矩而不承受扭矩，所以在应用上式时，应取T=0。由于是固定心轴考虑启动，停止等影响，弯矩在轴截面上所引起的应力可视为脉动循环变应力。所以固定心轴的许用应力为1.7-1 。FQ=2z F0sin/2=2290sin178/2=360N根据公式：M= FQ L/2最大弯矩：M=0.68360/2=122.4N.M抗弯截面系数：W=d4/64 =3.14(0.03)4/64=410-8 强度：P=M/W=122.4/(d4/64)=122.4/410-8=30.6MPa材料采用45号调质钢许用弯应力为102MP，30.6MPa102MPa所以，通过设计计算能承受足够的工作强度。6.3轴承的选择和计算本方案采用的是滚动轴承，滚动轴承是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成，内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转；外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用；滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命；保持架能使滚动体均匀分布，防止滚动体脱落，引导滚动体旋转起润滑作用。轴承类型：深沟球轴承，轴承代号：630轴承参数：轴承内径：30，轴承外径：40，轴承宽度：12，额定动载荷：7480，额定静载荷：4650，极限转速：22000， 润滑方式：脂润滑。工作参数：径向载荷：406.16，轴向载荷：0，使用寿命：30000，工作转速：1819.8，载荷系数：1.5。计算结果：当量动载荷：609.24当量静载荷：609.24 计算寿命：16950轴承的三维图如下：图6-2 滚动轴承6.4滚筒的结构设计滚筒为圆柱形的零件，分驱动和从动。滚筒的生产主要有辊体初车、初校静平衡、轴头过盈装配焊接、精车和精校动平衡等工序组成。若对行为公差如圆度、圆柱度和直线度等要求在0.2mm以下的，则在精车后需要上外圆磨床或轧辊磨床磨削加工。对表面硬度有要求的，则需要增加热处理工序。 滚筒成型后，出于防锈防腐、耐磨和支撑的需要，还需要表面处理或包覆如喷漆、镀锌、TEFLON喷涂、包橡胶、镀铬、陶瓷喷涂和氧化等工序。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2.1mm壁厚的优质钢管，光洁度达到0.8以下9。图6-3滚筒、轴、轴承装配体7.跑步板及跑步带设计7.1跑步板的设计 本跑步板是新型设计一种跑步板，是设在跑步机的机架上，可供跑步带获得支撑，该跑步板包含有油脂材料覆在该跑步板的表层，该表层是相对于跑步带的内环面，且构成该表层的主原料中混含有润滑油脂。当该跑步带运转且与跑步板因摩擦而生热时，该表层内部的润滑油脂会自动释出，而降低跑步带与跑步板之间的摩擦阻力，从而使跑步带跟顺畅的运转。图7-1 跑步版7.2跑步带电动跑步机用的跑步带采用双层布基、双层PVC橡塑结构，使跑步带具有较低的延展性和优良的物理性能，专门的布底设计，从而能达到正常动行情况下中减少润滑剂的添加的效果，同时表面花纹的独特设计，提供良好的枛力，适合多种受力情况下的各种鞋底要求。根据人体运动工学推算，45cm宽X130cm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。跑步带就是按照这个尺寸设计，适应所有体型的家庭成员。图7-2 跑步带7.3跑带调整两个螺栓调整法：图7-3 跑带的调紧机构可以通过调节左右两个六角螺栓来调节轴距来，从而调整跑带的松紧程度。要增加跑带的张紧力时，用六角螺母扳手顺时针方向调整六角螺栓，知道跑带张力适当为止。反之，要减少跑带张紧力时，逆时针调整六角螺栓。调节装置图如上图：7.4跑步台润滑油的添加加润滑油的作用：(1)减小跑步带和跑步板之间的摩檫力，保护跑步板表面耐磨涂层，延长跑带、跑板的使用寿命。 (2)减少跑步机的用电消耗。 (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10ml。(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。家用健身：3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。图7-4 跑步板及跑步带8.折叠机构设计8.1折叠功能设计大家都知道现在城市人们生活的空间越来越窄，很多人都会为了怎么才能有效地合理利用空间发愁。因此，大件商品的折叠功能受到了人们的欢迎，随着折叠技术的发展，技术人员将这种技术应用到各行各业，从而解决了很多空间上的难题。本折叠机构是借鉴现在市场上流行的折叠床，折叠家具用的自由型气动支撑杆机构，自由型气动支撑杆在自由状态下长度最长（行程最小），在受到大于自身推力的外界压力后，可以被压缩，直至最小长度（行程最大）。自由型气动支撑杆只有压缩状态（外界施加压力）和自由状态两种，在它的行程中无法进行自行锁紧。自由型气动支撑杆主要起支撑作用，轻松地抬起并支撑起整个跑步台，最终达到跑步机的折叠功能，简单方便，实用。图8-1 折叠效果示意图8.2气压杆的工作原理在铁管内充上高压气体，运动活塞上有通孔，保证整个铁管内的压力不会随着活塞的移动而变化。而气动支撑杆的力主要是铁管和外界大气压作用于活塞杆横截面上的压力差（压力F压强P*受力面积S）。气动支撑杆以高压惰性气体为动力，在整个工作行程中支撑力是稳定的。并具有缓冲机构，避免了到位冲击，这是优于普通支撑杆的最大特点。并且有安装方便、使用安全、无需保养等优点。由于铁管内的气压力不变，而活塞杆的横截面是一定的，所以在整个行程中气动支撑杆的力保持稳定。图8-2 折叠机构9.避震系统的设计跑步的重要环节就是要保护好膝盖，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结构是否牢靠稳固。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，以确保在吸震同时，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。图9-1底板支架减震图9-2 底座减震10.轮结构设计为了方便用户方便移动，放置跑步机，设计了跑步机的轮结构。此设计的轮的材料是中间轮轴采用钢结构，而外包围材料为橡胶，在实现滚动作用的同时，还可以用作跑步时的支撑、减噪和缓冲的作用，一举两得，结实耐用。图10-1 轮结构11.多功能设计11.1仰卧起坐支撑架为了合理利用跑步机支架部分和跑步带的空间，和满足运动者的需求，设计了这个仰卧起坐结构。是由四根钢管焊接在支架立杆两侧，两杆宽度距离适合于两脚踝和小腿部位的宽度，钢管外部套有蓝色的海绵体结构，运动者可以躺在跑步台上，两脚夹在杆之间，舒适的进行仰卧起坐运动。如下图所示：图11-1 仰卧起坐支撑架11.2扭腰盘设计 本跑步机设计的扭腰盘的设计结构是连接在跑步机机架后方，扭腰盘是通过按摩圆盘与中间的轴相连，实现转动的，扭腰盘表面设计有半圆形颗粒，可以在你扭腰的同时起到按摩保健的作用。在使用健身扭腰盘同时带给我们身体的好处：使用按摩健身扭腰盘，可使您的腰部、胸部、腿部、腹部得到锻炼从而达到减腹瘦腰、丰胸美腿、增强皮肤弹性等作用。图11-2 扭腰盘11.3俯卧撑支架利用跑步台两侧的钢架结构，设计了这个俯卧撑支撑架，焊接在跑步台底座支架上，手握部位加上了蓝色海绵材料，减少对手的摩擦，压迫损伤。做俯卧撑的好处：(1)发展力量素质。可以提高人体静力性和动力性力量。其主要作用是发展人的上肢力量和腹肌力量。(2)提高人体生理机能。对发展平衡和支撑能力起着重要作用。可以改善中枢神经系统，有盆于骨的坚实，关节的灵活，韧带的牢固，肌肉的粗壮及弹性，同时能加速血液循环，增大肺活量，促进生长发育，提高运动能力。(3)增强体质，增进健康。经常全面锻炼，对身心发展是有益处的，可以调节人的心理，使人精力充沛，起到强健体魄，陶冶情操，锻炼意志，延年盆寿的作用。图11-3 俯卧撑支架11.4角度调节器 为了能够有效地调节跑步板的角度（坡度），设计了这个具有三个不同高度调节档位的调节器，通过把插销插到不同的调节孔，来调节跑步台的高度，这个装置是钢架结构，底部嵌有橡胶底座，在起到调节角度的同时，还可以在跑步的同时起到减震，缓冲，和减噪的功能。图11-4 角度调节器11.5哑铃功能为了合理利用跑步机机架的空间，和使多功能跑步机锻炼的多样化，设计了哑铃挂钩，和哑铃（每个10Kg）。哑铃的锻炼效果和作用：用哑铃能锻炼胸、背、肩、肱二头肌、肱三头肌、腿部的肌肉。图11-5 哑铃及其挂钩11.6音乐功能为了运动者可以在运动中享受自的音乐，同时也是可以在音乐的节奏下享受运动的快乐，我们在控制仪表盘上安装了MP3数码播放器，并设有一个耳机插孔，方便运动者可以插上耳麦在跑步中进行运动。仪表盘如下图：图11-6 仪表盘及音乐播放器12.调速机构的选择针对电动跑步机的脉冲式负载转矩特性, 以小功率直流电机驱动为例，利用PHILIPS P87LPC768 单片机开发了一种电动跑步机专用的数字式速度调节单元。该调速单元充分利用单片机的资源，采用 FUZZY-PID 算法，通过对 PID 参数的自动调整产生PWM 信号，实现对跑步机速度的控制。工业化试验结果表明: 该单元结构简单，性价比高，能对电动跑步机的速度实现精确控制，同时该方法也可应用于其它同类运动装置的速度控制4。人在跑步机上跑步过程中，负载转矩随之发生周期性波动，随着跑步机的运行速度不同，其负载转矩的波动频率不同，为了保证不同速度下跑步过程的平稳和舒适度，电动跑步机的调速单元应在不同频率脉动负载的冲击下具备良好的动态性能。目前，国内外主流的直流驱动型电动跑步机调速单元主要由模拟电路组成，该系统结构简单、经济，具有较高的性能价格比，但同时也存在电路复杂、模拟器件多、调试和批量生产工艺相对复杂、维护困难等方面的缺陷。本文结合电动跑步机对调速单元的特殊要求，利用 PHILIPS P87LPC768 单片机，采用 FUZZY-PID算法，开发了一种新型的数字式调速单元，该调速单元简化了电路的设计，降低了成本，简化了产品的生产和调试工艺过程； 同时在软件设计中对跑步机的异常运行采取了相应的保护措施，保障了健身者的人身安全。图12-1 调速单元结构框图调速单元组成及工作原理：调速单元在硬件结构上主要由整流电路、滤波器、斩波电路、P87LPC768单片机、控制及驱动电路连接构成，显示及操作单元的单片机(通常采用51系列)作为上位机，对其发送速度给定，如上图所示。P87LPC768是PHILIPS公司的一种80C51改进型MPU 1，具有128 bit的RAM,4kb的OTP型程序存储器，4路8位的 A/ D 转换器，4路10位的PWM 输出。P87LPC768根据上位机发送的速度给定指令，利用其PWM口，产生17 kHz 固定频率、占空比可变的PWM信号，PWM 的频率由其寄存器CNSW0，CNSW1中的值决定，脉宽由其寄存器CP-SW中的值决定。该信号经光隔、放大后驱动MOS管，对整流电压进行直流斩波，不同有效值的斩波电压驱动直流电机，实现调速。13.跑步机的日常维护保养跑步机的维护与保养(1)清洁 要延长跑步机使用寿命，应保持机内清洁，每隔一个月进行一次清洁工作。清洁前必须首先切断电源，打开机盖，清除各部件的灰尘。然后盖上机盖，清洁跑步机上的灰尘及检查各部件的螺是否有松动的现象，如有请拧紧。 (2)跑步带跑偏 跑步机使用一段时间后如果出现跑步带跑偏现象，一般与运动者的落脚点不在跑步带中心及两脚用力不均匀有关。人为的跑偏现象只需要空载（无人运动）运行几分钟就可以恢复正常。对于无法恢复的跑偏现象需要用随机附带的扳手以半圈为单位调整跑步带的螺丝。 调整方法如下：如跑步带跑偏方向右偏，紧右面的调节螺丝或松左面的调节螺丝。如跑步带偏方向为左偏，紧左面的调螺丝或松右面的调节螺丝。 (3)跑步带打滑 跑步机在使用一段时间后跑步带可能被微量拉长，出现运动者跑步时有停顿的感觉，空载（无人运动）却正常的现象。当出现这种情况时，按顺时针方向同步调整后面的调节螺丝，以半圈为单位进行调节，两边调整量需相同，直到跑步带不打滑不跑偏。每次调整不应超过2圈半，不可调整过紧以免损坏跑步带。 (4)跑步机的折叠和收藏 为了节约您的存储空间，此机特设计有主架气压泵辅助折叠功能，当您运动完后不使用的时候，您只需要站在跑台傍边轻轻的将主架的尾部抬起，直到底座上的弹簧销卡入主架底面的合叶片即为折叠好，如需要移动时，双手扶住主架尾部，稍微倾斜然后移动到您要放置的位置即可。 如果你长时间不使用本机器的话，为安全起见，将机器放置于靠墙的位置，尽量不要让幼童和宠物靠近折叠后的跑步机，以免发生意外。小 节经过几个月的不懈努力，终于完成了我的课题。从一开始看到题目时的不知所措，到通过自己的努力把问题一个一个的解决了，这个过程是艰难的，但却是一个不断学习的过程，从中增长了很多知识。健身行业一直是我国的一个比较低落的行业，近年来，随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，人们对自身的健康也日益关注，健身成为一种流行时尚，健身器材行业也逐步兴起为一个大的消费领域，电动跑步机作为一种重要的健身器材得到了越来越广泛的应用，具有广阔的市场前景。希望通过我们的努力能够对我国家庭健身器实现大众化，多功能化做出一些贡献。致 谢经过几个多月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的指导老师XXXXXXXX老师。他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从框架设计到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，编写说明书等整个过程中都给予了我悉心的指导并且为我的设计提供优良的外部条件。除了敬佩指导老师的专业水平外，和他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。本次毕业设计还使我从中学到了相互协作和不断进取的精神，知道了独立思考和创新是我们以后工作的一个重要条件，在今后的工作中，要锻炼自己这方面的能力，使自己养成良好的设计理念。另外，感谢我身边的所有帮助我的同学们，谢谢同学们在设计过程给予我的建议，也就是在不断的解决，和同学们给我的设计提出的问题的同时我完成了我大学生崖的最后一课。感谢各位老师和同学在大学的生活给我的关心和帮助，让我在完成自己学业的同时也学到很多的技能，为我走向社会提供了基石。四年的专业学习，使我真正掌握了很多的学习方法，这是大学给我的最宝贵的东西，也是各位老师给我的最宝贵的东西，在这里向辛勤工作的各位老师表示由衷的感谢。最后，祝愿我们的老师和同学们工作顺利，身体健康。参考文献1 孙桓.机械原理.第七版.北京:高等教育出版社,2006. 2 吴宗泽.机械结构设计.北京：机械工业出版社,1988. 3 卜炎.机械传动装置设计手册（上册）,机械工业出版社,1999.4 周航慈,周立功.PHILIPS51LPC单片机原理及应用设计M.北京: 北京航空航天大学出版社, 2001.5 王忠.机械工程材料.北京：清华大学出版社,2005.6 沈乐年.机械设计基础.北京:清华大学出版社,1997.7 禹奇才、张亚芳.工程力学广州：华南理工大学出版社,1989.5.8 程光蕴,李仲生主编,机械设计基础M.北京：高等教育出版社,2006.5.9 机械设计手册编委会.机械设计手册新版2,3卷,机械工业出版社,2004.18塔里木大学毕业论文（设计）开题报告课题名称 家庭多功能健身器 学生姓名 学 号 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化班 级 机械12-2 指导教师 起止时间 2011.122012.5 机械电气化工程学院教务办制填 表 说 明一、学生撰写开题报告应包含的内容：1、本课题来源及研究的目的和意义；2、本课题所涉及的问题在国内（外）研究现状及分析；3、对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析；4、本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路；5、完成本课题所必须的工作条件及解决的办法；6、完成本课题的工作方案及进度计划；7、主要参考文献（不少于7篇）。二、本报告必须由承担毕业论文（设计）课题任务的学生在接到“毕业论文（设计）任务书”的两周内独立撰写完成，并交指导教师审阅。三、开题报告要求手写体，字数在3000字以上，由学生在本报告册内填写，页面不够可自行添加A4纸张。四、每个毕业论文（设计）课题须提交开题报告一式三份，一份学生本人留存，一份指导教师存阅，一份学生所在学院存档，备检备查。1.来源及研究的目的和意义随着世界城市经济的发展和人民生活水平的迅速提高，城市居民的健康意识逐渐增强，健身也成为人们日常生活中的重要组成部分。然而由于工作量繁多，生活节奏加快，各种由于身体没有得到有效锻炼而衍生出的疾病也在困扰的人们。没有时间去健身房，没有适合的健身场所这些都是身体得不到锻炼的问题根源。而目前市场销售的各种健身器材都向着新功能，高科技的方向发展，但实际生活中会发现，不论是室外亦或是室内的各内健身器材，其功能都比较单一，而且价格也比较昂贵，因此我觉得很有必要设计一款具多功能于一体，同时又物美价廉、设计合理的健身器材。近几年，市场上流行的健身器材种类很多，有的健身器材功能单一，虽价格较低，但一般消费者认为并不划算；另外一些健身器材功能较多，但结构复杂，使用空间大，价格较高，大多数消费者又接受不了。所以真正能进入家庭的产品并不是很多。此次设计的目的就是为了研发出一种与现在市场上出现的健身器械不同的一部健身器。克服功能单一，结构复杂，使用空间大，价格较高的缺点，提高使用效果，价格合理，占地小，噪音低的特点。意义在于为每一户购买健身器的家庭节约资金，用一台机器达到多台机器的锻炼效果，增强人们的体质，给千家万户带来健康，从而使产品可以在市场中有一定的竞争力。2.国内（外）研究现状及分析一个国家的体育消费水平决定了该国的体育市场的发展程度。世界许多经济发达的国家家庭的体育消费都十分可观。1994年，英国家庭体育消费为130亿美元，意大利为94亿美元，西班牙为81亿美元，德国为640亿马克。1996年法国家庭体育消费为462亿法郎，占整个体育消费的49%。相比之下我国的体育消费就很低了，据国家体育总局公布的2001年中国群体体育现状调查报告，我国城乡居民以家庭为单位全年体育消费平均为397.42元，其中用于购买家庭健身器械平均为92.09元，表明我国家庭健身器械的市场消费水平很低。从国际视角比较来看我国在体育产值，体育消费水平及体育产业吸纳就业人口比重三个方面，与西方发达国家都存在较大的差距，这些问题直接或间接的反映了当前我国体育市场整体上还处于起步和初级发展阶段，近你那来家庭健身器械的总销售额虽有增长，却非常缓慢，同时也预示着家庭健身器械领域市场开拓的潜力巨大。国外对健身器材的研究集中于两个方面。一方面是从运动健身的生理学方面，如不同锻炼方式的能量消耗量、运动方式对不同肌群的锻炼效果等，对健身器材的健身效果进行研究。通过运动消耗的能量以及健身者身体生理特征的变化，寻找更合理的锻炼方式，并运用到健身器材的设计上。这属于较高层次的对健身器材的研究。另一方面，主要研究健身器材的功能实现方式，如力的产生与变化功能的实现、满足功能基础上功能合理性的研究等。而从人机工程学的角度，对健身者和家用健身器材之间良好的适配关系方面的研究，并不多见。有关这方面的研究，很多健身器材公司仅仅根据市场需求和购买心理，对家用健身器材的造型和颜色搭配方面做了相应的改进。在我国健身器材的研究主要集中于健身器材厂家，研究的对象是健身器材，研究的方面主要是健身器材功能的实现性，而非健身器材和健身者的适配关系。总体来说进行模仿外国健身器材设计的居多，很多的运动参数是直接从国外器材获取的，没有真正从中国人的生理特点和心理特点，对健身器材的功能组合、功能尺寸、运动参数进行研究。有部分学者对部分健身器材的尺寸合理性和健身器材的宜人性方面，做了一定的分析和研究，但不够系统。健身器材设计的科学性和合理性，一方面体现在它是否能够从运动生理学方面，对人们的健身运动产生更有效率的健身效果；另一方
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