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郑州科技学院毕业设计（论文）任务书题目 椭圆机的设计及仿真 专业 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：一、主要内容本课题主要研究内容椭圆机的整体机构设计，即设计出一套家庭用椭圆机。1椭圆机整体结构设计：包括椭圆机的外把手、前立柱、飞轮、脚踏曲杆等。2多功能电子表盘设计：能准确的显示时间、路程、卡路里等相关数据。要求所设计的椭圆机可靠安全、维护简易、使用方便、有较好的舒适感。同时体积小、适合家庭使用、阻力可调节、减震效果好。二、现有条件椭圆机原理图如下：动杆联接两回转副，固定导杆联接两移动副，导杆呈十字形，动杆上各点轨迹为长短径不同的椭圆。三、基本要求1完成开题报告1份：含对本课题的调研资料、设计目的、要求、思路与预期成果。2查阅文献资料一般不小于12篇，其中外文资料不少于2篇。完成文献综述和外文文献及翻译各1份：文献综述不少于3000字，外文文献翻译不少于3000字。3完成毕业设计说明书1份，设计说明书2万字左右。4完成椭圆机的总装配图1张（A0）、零件图8张（A2）。5掌握一种仿真软件，完成装配与运动仿真动画1份。四、主要参考资料1濮良贵,纪名刚.机械设计M. 第九版.北京：高等教育出版社. 2013.52孙桓，陈作模.机械原理M.第八版.北京：高等教育出版社.2013.53周开勤.机械零件设计手册.高等教育出版社，2001.7完 成 期 限： 指导教师签名： 专业负责人签名： 填 表 日 期： 本科毕业设计（论文）题 目 椭圆机的设计 姓 名 专 业 学 号 指导教师 郑州科技学院电气工程学院 二一六年四月椭圆机的设计及仿真摘 要 家庭用椭圆机应用广泛。现有的健身器一般都采用单一功能，对人体单一部位进行锻炼，而对那些要求全身得到锻炼的适应能力比较差，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。本文主要对家庭用椭圆机从实际工作需求着手，针对现在产品中存在着规模大功能少等缺点，旨在实现家庭化，多功能化，为本项目市场化、产业化运营奠定了基础。 为此，本文主要进行了如下研究工作： 介绍了家庭用椭圆机的基本特征，指出了家庭用椭圆机的主要内容和难点，综述了家庭用椭圆机研究现状，论证了家庭用椭圆机市场化的必要性和重要意义。介绍了家庭用椭圆机的构成，工作原理。通过优化家庭用椭圆机设置方案，合理选材，合理设计家庭用椭圆机的工作流程及各级传动比的分配，设计开发新一代多功能健身器装置。 该健身器适用于家庭室内使用，价格低，功能多。关键词：家庭用，椭圆机，机械运动，踏板33AbstractHousehold elliptical machine widely used. Existing fitness generally used single-function, single parts of the human body for exercise, but for those who claim the body to get exercise relatively poor ability to adapt, direct impact on the economic efficiency of production enterprises. To this end, the subject of a proposed design multifunction home fitness equipment, to meet market demand.This paper focuses on the needs of working families from the actual work with the elliptical machine, there are products for large-scale functions and less disadvantage now, aimed at families, multi-functional, market-oriented projects and industrialization operations of the foundation.To this end, this paper carried out the following work:It introduces the basic features of an elliptical machine for home use, pointing out that the current situation of household elliptical machine with the main content and research family difficulties elliptical machines reviewed, demonstrates the necessity of the market for home use elliptical machine and importance.It describes the structure, working principle of family with elliptical machines.By optimizing the elliptical machine for home use setting program, a reasonable selection, reasonable design family with elliptical machine workflow and distribution at all levels of the transmission ratio, design and development of a new generation of multi-functional fitness equipment.The exercise is suitable for indoor household use, low cost, multi-function.Keywords: household, elliptical machines, mechanical movement, pedal目 录第1章 绪论11.1健身器材的定位，作用，意义及我们健身器材发展现状11.1.1健身器材的定位11.1.2健身器的作用11.1.3健身器的意义21.1.4我国健身器发展现状21.2家庭用多功能健身器简介31.3研究的目的和意义3第2章 家庭用椭圆机总体设计52.1 设计原则52.2 人机工程设计62.3 影响家庭用椭圆机性能的人体因素72.4 家庭用椭圆机设计结构要素分析82.5 人一车动态特性分析92.6 家庭用椭圆机的构成102.7 家庭用椭圆机方案设计11第3章 健身器材的现状与发展123.1健身器材的产生与发展过程123.1.1健身器材的产生123.1.2健身器材的发展123.2家庭用椭圆机的特点123.3家庭用椭圆机的组成13第4章 家庭用椭圆机的设计计算与说明144.1家庭用椭圆机可行性分析144.2家庭用椭圆机的原理144.3家庭用椭圆机各部分的设计说明与计算154.3.1车架的设计与计算164.3.2 动力装置174.4 键的设计及强度校核174.5 轴的设计及强度校核184.7轴承的选择及校核224.8 润滑与密封234.9 滚动轴承的受力244.10 踏板车辅助结构的说明274.11本章小结28第5章 家庭用椭圆机安装测试说明295.1零件组安装说明295.2踏板车的测试29结论30参考文献31致谢32第1章 绪论1.1健身器材的定位，作用，意义及我们健身器材发展现状1.1.1健身器材的定位健身器材就是用于身体锻炼的器械，例如哑铃、跑步机等都属于健身器材。依据用途分，它可以分为专业的和非专业的。按照空间分，它可以分为户外的和室内的。这件设计属于室内健身器材，可以让人足不出户便可得到身体各方位的锻炼。1.1.2健身器的作用 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。然而在日常生活中难免有无法进行户外锻炼的日子。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必要的锻炼。健身器的出现尤其是室内健身器材起到了足不出户也可锻炼身体的作用。无论天气如何恶劣，无论白天黑夜只要拥有一台室内健身器便可以达到锻炼身体的目的。随着我们国家经济的发展，人们生活水平不断提高，在物质生活得到满足的前提下，人们开始追求更高的生活质量，通过不同的方式使生活变的更加丰富多彩。由于这样或那样的原因，健身器材越来越受人们所青睐。我们随处可以感受到人们对健身的重视，不管是老年人，中年人还是儿童都会选择一定的方式来健身。选择什么样的健身方式和选择什么样健身器材也是值得人们所考虑的问题。健身器材起源于20世纪70年代初的美国和加拿大，它的发明是一个很让人认可的事，将人们的运动由室外转向室内，这是一个创举。我们不用为每天刮风下雨影响锻炼效果而在意，这样就使得跑步机成为健身器材中最受欢迎的设备。经过30年的工业创新，使的美国及加拿大的产品成为全球健身器材产品的领跑者，人们意识到了健身器材工业是一个朝阳产业，而且越来越为广大使用者接受。我国到了90年代末才出现了一些厂家生产健身器材，这是我国健身器材工业的开始。现在大多数的健身器材都是固定在某个场所，如健身俱乐部，体育场馆和家庭等。这样的健身器材虽然能够达到一定的健身目的，但是很难提升人们健身的乐趣。怎样才能让人们既达到了健身的目的，又对健身产生乐趣。一种新型的健身器材脚踏摆动健身踏板车的产生可以为我们解决这些问题。它的使用场合很广，如在上学的路上，在上班的路上都可以健身，健身变得方便和具有乐趣。在健身的同时可以享受大自然的美丽，给人们在身体上和精神上的享受。 家庭用椭圆机在许多方面优越于现有的运动健身器材，使其更具有市场，会越来越受人所青睐。家庭用椭圆机设计为自拟课题，具有创新的设计，要综合考虑机械运动原理、机械设计学和人因工程学方面的知识。这次设计对我来说是一次很好的锻炼机会，通过老师的指点，同学的帮助，对课题的内容进行了探索和设计，现将设计过程和内容阐述于下。1.1.3健身器的意义 社会时代的飞速发展，让人们生活水平迅速提高。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。如今“健身器”成了时下热议的名词，它的出现让人们不在为身体得不到锻炼而烦恼。只需在家里，可以是睡前一点时间，可以在清晨起床后的一点点时间，用了健身器身体便会得到足够的锻炼。增强的体质，提高了免疫能力。可以说健身器为现代生活中的人们带来了健康。尤其是对那些工作量大，空闲时间少的上班一族来说更是有很大的好处1.1.4我国健身器发展现状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。从一个国家的人口总数和家庭所拥有的健身器械的比例来看，美国人口2.81亿，其跑步机一年的销量为300万台；韩国人口4600多万。2002年跑步机销量为100万台；而中国拥有13亿，跑步机一年的销量仅在20万台左右，目前跑步机在中国家庭的普及率仅为1%。虽然近年来，我国对于家庭健身器械的消费有所增长，但相比国外发达国家的家庭拥有量，还有很大的距离。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。我国家庭健身器发展主要存在：有效需求不足，健身器械市场主体不成熟，家庭健身器发展的市场机遇这些问题。本次设计打破常规，多功能可以满足各种需求，使其具有很高的市场竞争力和存活力，从而在健身器这一领域中占据重要位置。1.2家庭用多功能健身器简介 这款家庭用多功能健身器是应时下人们对健身器的要求而设计的。它综合了握力器，拉力器，坐蹬训练器，划船器等多种健身器材的功能，可以有效地锻炼您的身体各处。考虑到由于是家庭室内使用，因此在设计之初就想到占地面积这一问题。这款集合了多种健身器功能于一身的新型健身器占地面积并不大，可以再绝大部分室内摆放。按照人体构造设计各个零件，符合人性化要求。 为了满足多功能而且占地面积要小的要求，这款家庭多功能健身器计划初变考虑到增加适当高度来减少占地面积从而满足任何人在自己室内使用该健身器的愿望。1.3研究的目的和意义 随着全民健身热的兴起，每个家庭的健身意识正在不断提高，不少家庭把健身器械购回家里，进行健身锻炼，以期达到健康身体，陶冶情操和家庭和谐享受的目的。因此，人们也越来越关心市场上各种各样的健身器械，着意进行比较和选择，挑选适合自己的家庭成员健身健美的产品，建立起自己的家庭健身俱乐部。其实，人们对自己拥有的健身器械的要求并不很高，总的来说有三点：一是效果明显；二是价格合理；三是外观好，占地小，噪音低。凡具有上述特点的家用健身器材就特别受消费者的欢迎。近几年，市场上流行的健身器材种类很多，但流行不一定受欢迎。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。此次设计研究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。从而在市场中立于不败之地。此次研究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.第2章 家庭用椭圆机总体设计2.1 设计原则家庭用椭圆机的设计尺寸是根据人体尺寸来设计的,各个部分的定位均参照人体尺寸。人体的主要尺寸:国标GB10000-1988给出身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长共六项主要尺寸数据。下表是我国成年人人体主要尺寸和坐姿人人体尺寸(摘自GB10000-1988中国成年人人体尺寸):表2-1 我国成年人人体主要尺寸和坐姿人体尺寸主要尺寸男(1860岁)女(1555岁)百分位数 5 50 95 5 50 95身高158316781775148415701659体重kg485975425266上臂长289313338262284308前臂长216237258193213234大腿长428465505402438476小腿长338369403313344376坐姿尺寸男(1860岁) 女(1555岁)坐高858908958809855901坐姿颈椎615657701579617657坐姿眼高749798847695739783坐姿肩高557598641518556594坐姿肘高228263298215251284坐姿大腿112130151113130151坐姿膝高456493532424458493小腿加足383413448342382405坐深421457494401433469臀膝距515554595496529570坐姿下肢9219921063851912975设计要点：1. 座的形式与尺度及其功用有关2. 座材的尺度必须参照人体测量学数据确定3. 身体的主要重量应由臀部坐骨结节承担4. 座材前缘处，大腿与家庭用椭圆机之间压力应尽量减小5. 腰椎下部应提供支承，设置适当的靠背以降低背部紧张度6. 器材垫必须有足够的垫料和适当的硬度，使其有助于体重压力均匀地分布于坐骨结节区域组成家庭用椭圆机的功能是供人骑行，就发挥家庭用椭圆机的功能作用而言，把人看作家庭用椭圆机的组成部分是完全合理的。因此，人在骑车时组成了人一车系统，该人一车系统中的人一车界面关系可由图1-1来进行分析。2.2 人机工程设计1、人与支撑部件的关系 图1-1 人-车界面关系 支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是家庭用椭圆机的构架。支撑部分将其他零部件固定在相互间正确的位置上，保证家庭用椭圆机的整体性，实现家庭用椭圆机的功能。从人机关系来看，鞍座、车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着性的设计参数。2、人与动力接受部件关系动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。为了使人省力和有舒适感，必须在骑家庭用椭圆机人的体格和体力与家庭用椭圆机元件的尺寸关系上下功夫，即研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。3、人与传动部件关系传动部件主要是滚珠、带条和带轮。人的作用力是通过带条和带轮传动而带动后轮转动，从而使家庭用椭圆机前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。 4、人与工作部件关系工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。绝大部分轮胎是充气的，少数是实心的。车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。在设计家庭用椭圆机的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于骑车人一动力一传动一工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。2.3 影响家庭用椭圆机性能的人体因素影响家庭用椭圆机性能的人体因素很多，如图1-2 所示。现主要分析下述几点：1人的体格因素以身高 H 为基本因素，其他身体的能力与 H 成比例，并有与H2、 H3成比例的特性。如手臂、腿、气管等的长度与身高成比例，从而以骨关节为中心所产生的力矩、步幅等，都取决于H的大小。肌肉、大动脉、骨骼的截面积以及肺泡的表面积等都可看成与 H2成比例。肺活量、血液量、心脏容量等都可看成与 H3成比例。体格对出力性能的影响，从理论上讲，弹跳能力与H成比例，速度能力与 H2成比例，作功能力和 H3成比例。但实际上因每个人身体素质不同，常有20以上的偏差。2人的下肢肌力家庭用椭圆机骑行的原动力，主要是骑车人的下肢肌力。人骑车时，骨骼肌肉内部的化学能转换为肌肉收缩的机械能。家庭用椭圆机脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完成的，一般说腿肌长的人比腿肌短的人有利。肌肉收缩时产生的力，一般与肌肉的截面积成比例，约为每平方厘米40-50N ，通过一定训练的人可提高到65N 。 3人的输出功率人输出的功率随着骑车人的体格、体力、骑车姿势、持续时间和速比等的变化而变化。一般成年男人的最大输出功率约为 0.7 马力（ 0.51 kw ) ，能持续 10s左右。如果持续时间长，其值要小得多，持续 lh ，大约只有 1.0-0.7马力（0.07-0.15kw）。 4人的脚踏速度家庭用椭圆机运动是很有节奏的，其节奏常常与人的心脏节律保持一定关系。健康人的心脏跳动为70 次min ，一般脚踏以 60r/min 节奏转动较为合适。设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。5人的平衡机能骑车人本身的平衡机能是影响家庭用椭圆机性能的重要因素，如果缺少平衡机能，哪怕是运动性能很好的家庭用椭圆机也不能平稳行驶；若人有很好的平衡机能，却可掩盖家庭用椭圆机设计上的某些缺陷。6人的手和握力 影响刹车性能的人的因素主要是人的手和握力，男性和女性，成年人和儿童，手的大小和握力都不相同。据试验，为了长时间施闸而不致使手有疼痛的感觉，希望只用最大握力的10左右便能得到必要的减速度。 7 人的疲劳人体疲劳和疼痛是对骑车出力性能的不利因素，其产生原因有人体因素，也有家庭用椭圆机结构因素。疲劳和疼痛一般是由于部分肌肉负担过大，骑车姿势不合适，以及体重对鞍座的体压分体不合适等引起的。此外，影响出力因素还有人的最大摄氧量。2.4 家庭用椭圆机设计结构要素分析影响家庭用椭圆机性能的因素除了上述人的因素外，还有许多机械因素，如图1-3所示。为了获得家庭用椭圆机较佳的性能，必须把人的因素与机械因素有机地结合起来，以使人一车协调。为此，着重分析与人体相关的结构要素。1速比大小带轮的齿数比，与带轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.0的范围内。利用速比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度。速比要合适，如果太小，无论人的肌力有多大，由于不能充分提高转速，所以就得不到大的输出功率。也由于速比小，在限定的曲柄转速下，得不到必要的骑行速度（后轮转速）。速比过大时，要求的踏力也大，容易使人疲劳。为了保持不疲倦的持续骑行，希望肌肉的负担约为最大肌力的10% ，按此选择速比和曲柄转速，可得到比较好的效果。2曲柄长度传统的家庭用椭圆机设计，一般从杠杆原理考虑比较多，对人研究少，认为曲柄越长越有力。曲柄过长后，为了不使脚蹬碰到前泥板，不得不加大中轴至前轴的距离（前心距）。这样势必加长车架，影响了正确的坐车姿势，使人感到臀部痛。若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度，则可使人省力和舒适。通常曲柄长度的基准，取人体身长的 110 ，也相当于大腿骨长的 12 。3 三接点位置正确的骑车姿势，是由骑车人和家庭用椭圆机三个接点位置决定的，如图1-4(a）中所示的鞍座位置 A 、车把位置B 、脚蹬位置C 。按三点调整法，AB 和AC 约等，一般 AB = ( AC 一 3 ) cm , A点略低于B点，约为5cm 。 4 鞍座位置鞍座装得过低，骑行时双脚始终呈弯曲状态，腿部肌肉得不到放松，时间长了就会感到疲软无力；鞍座装得过高，骑行时腿部的肌肉拉得过紧，脚趾部分用力过多，双脚也容易疲劳。骑车时适当的用力部位是脚掌。设计或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配带轮的中轴心为宜。人体各部尺寸都有一定的联系，只要腋窝中心至中指的长度确定下来，鞍座高度便可大致确定。5 车闸设计时，闸把开挡、力率和闸把力要与人手的大小和握力相适应。灵敏度高的车闸，随着闸把上力的增大，刹车力也按比例地增加。如果闸把力到达某一程度不发生刹车作用，继而又骤然生效，说明这种车闸设计不良。在紧急情况下操纵时，理想的施闸力和减速度见表1-1 。2.5 人一车动态特性分析1 动态稳定性家庭用椭圆机的稳定是行驶过程中的稳定，是一种动态平衡的稳定性。动态稳定性影响到家庭用椭圆机骑行中的动作，包括直进稳定性和前后左右方向的稳定性，见图 1-5(a）。显然，稳定性对安全行驶是必不可少的特性。2力学特性家庭用椭圆机行驶在平地上转弯的条件是侧向力（与离心力平衡）与家庭用椭圆机总重量（人和车的重量）的合力作用线要通过轮胎与地面的接触点。这当然与骑车人有关，但更重要的是家庭用椭圆机的造型要有适合这种力学特征的结构形式。3 转向特性家庭用椭圆机转弯时可能有三种情况： 人体和车身向内倾的角度相等。即骑车人身体的中心线和车子的中心线一致时，家庭用椭圆机就可以转弯，即所谓中倾旋转，见图1-5(b) ；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角大时，此时的转弯即所谓内倾旋转，见图（c）；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角小时，此时的转弯即所谓外倾旋转，见图(d)。2.6 家庭用椭圆机的构成家庭用椭圆机的整体构成由以下几大模块： (1).车身在行驶中，车身的造型对整个行驶的效率有着很大的影响，因为车身的造型直接影响到的是行进的阻力。此处设计的水陆家庭用椭圆机的车体造型也已达到最小阻力位佳，通过流体力学，我们可以针对各种造型在水中行进时所受的阻力进行分析，核定最佳造型设计以达到最佳运动效率。(2).传动系统通过机械设计我们可以比较确切的分析各种传动系统的传动关系进而计算出总传动系统的传动效率进行核算。 (4).导向机构 正常直线行驶时，导向机构应不构成阻力，设计的导向机构应简单便捷为好。2.7 家庭用椭圆机方案设计目前家庭用椭圆机设计各式各样，这里的设计主要从传动系统方面来结合设计。分析以上性能需求，并根据本设计需要，针对推传动系统的的设计提出以下方案的特点及创新:1. 该方案采取大量三角形结构，从而确保该产品的稳定性及耐用性2.带条传动使动力能更好的传递，达到省力的效果。 3. 该产品人性化设计，提高了该产品的实用性。椭圆机的设计及仿真第3章 健身器材的现状与发展3.1健身器材的产生与发展过程3.1.1健身器材的产生健身器材起源于20世纪70年代初的美国和加拿大，它的发明是一个很让人认可的事，将人们的运动由室外转向室内，这是一个创举。我们不用为每天刮风下雨影响锻炼效果而在意，这样就使得跑步机成为健身器材中最受欢迎的设备。经过30年的工业创新，使的美国及加拿大的产品成为全球健身器材产品的领跑者，人们意识到了健身器材工业是一个朝阳产业，而且越来越为广大使用者接受。我国到了90年代末才出现了一些厂家生产健身器材，这是我国健身器材工业的开始。3.1.2健身器材的发展健身器材从当初单一的跑步机、室内自行车等发展到现在的多功能家庭用椭圆机、健身椅等等，容入越来越多的科学技术与科学的健身方法，使得健身越来越有成效。健身器材同时也向室外发展，我们可以在居民小区里看到一些健身器材，那些健身器材小巧，使用方便，适合大众化的健身需求。作为一种室外健身器材，家庭用椭圆机有它独特的优势，那就是能够移动健身，能够在上班的路上、上学的路上，在公园休闲时体验健身。3.2家庭用椭圆机的特点家庭用椭圆机具有传统踏板车的小巧，灵活，可以折叠等等特点，正得到越来越多的健身爱好者的喜爱。它又有独特的设计，那就是具有动力装置，使踏板车得到了改进与发展，健身者通过脚踩踏板，使动力通过动力装置传递给车轮，从而使得车子前进。它能够达到时速20公里，动力装置由棘轮和零件机构组合而成，由于单一的基本机构往往由于其本身所固有的局限性而无法满足多方面的要求，采用组合机构，既发挥了各基本结构的特长，又避免各机构的局限性，形成一种新的机构系统.3.3家庭用椭圆机的组成 家庭用椭圆机主要包括以下5部分的内容： 1. 车架 2. 动力装置 3. 车轮 4. 其他装置下面就家庭用椭圆机方案的可行性进行分析，对家庭用椭圆机4个部分的设计进行计算和说明。第4章 家庭用椭圆机的设计计算与说明4.1家庭用椭圆机可行性分析家庭用椭圆机采用脚踩踏板使踏板摆动，踏板带动零件棘轮组合件，传递给零件机构，再通过链条把动力传递到车轮，实现整个动力的传递。如踏板车要求时速达到20公里，那么后轮的线速度为1。 （3.1）后轮的转速（选择直径为300的轮子） （3.2）取踏板的转速动力传递方面，取踏板车和人的总重量为80kg，与地面的摩檫系数取0.1。后轮传递提供的功率2。 （3.4）其余各轴所传递的功率分别为 （3.7）人只要提供0.554kw的功率就可以是踏板车运动。4.2家庭用椭圆机的原理大自然离我们有多远，我们离健康就有多远。身处城市，我们的运动健身空间被压缩。但是空间少了并不意味着放弃运动健身。我们需要一种运动健身器械，它应满足：1.它是一种充满趣味的运动器材，时尚且平易近人让人们使用的时候既能接受，又能具有实用价值。2.它应当符合全民健身这么一个概念。这就需要它老少兼宜安全并且具有容易上手使用的特点。3.作为一种户外的运动工具它应当保证一定的运动量，并且在此基础上有一种高效的运动健身效率。这就是设计“脚踏摆动家庭用椭圆机”的原始动机。 脚踏健身踏板车的动力传递部分由棘轮和零件机构组合而成，通过踏板的来回摆动带动零件棘轮组合件的摆动，再带动零件增速机构，最后通过链传动把动力传递给后轮，实现后轮驱动。在使用过程中首先需要使用者单脚蹬地，使车子获得一定的速度后将两脚一左一右放在踏板上，轻轻摆动上身，通过重心的移动来踩动踏板。由于棘轮机构存在一定的空程，速度越小空程影响就越明显，所以只有当车子获得一定的初速度后才能踩动踏板，而在静止状态下直接踩动踏板将不能获得理想的效果。运动原理图如图4-1所示：图4-1 运动原理图椭圆机原理图如下：动杆联接两回转副，固定导杆联接两移动副，导杆呈十字形，动杆上各点轨迹为长短径不同的椭圆。 按照图中标出的箭头方向，可以看出动力传递的方向，最后通过脚踏把动力传递给后轮，实现后轮驱动。4.3家庭用椭圆机各部分的设计说明与计算家庭用椭圆机是一个机构的组合体，它由各个功能不同的机构按照一定的组合来共同完成踏板车的功能，现将各部分的功能说明如下3。4.3.1车架的设计与计算车架需要安装轴及零件等几乎全部的零部件，它的尺寸将影响车子的主要重量，设计合理的车架形状能够使得车子变的轻巧，美观等，除此之外，其强度也需要满足它的使用者。在参考有关踏板车的资料后，决定采用类似T型截面的铸铁梁结构的材料制成车架，结构简单，通过校核其强度来满足使用要求。铸铁虽然属于脆性材料，不具备好的抗拉强度，但具备较好的塑性，抗压强度较好，在使用过程中车架主要承受抗压，所以在承受压力时不易变形，保证零件传动的稳定。设计时主要考虑其抗压和抗拉强度是否满足使用要求，此外，为了使踏板车设计更加美观与小巧，对车架的宽度在满足能够安装零件，零件运动过程中不相互干涉后进行缩小，以便使得车子的重量进一步缩小。 车架平面图如图4-2所示： 图4-2 车架结构图4.3.2 动力装置家庭用椭圆机使用踏板与零件棘轮组合件的配合来完成动力的传递，这也是本次设计过程中最重要的部分之一，这中配合有多种方案可以选择，经过对比后，我选择踏板车左右各有一个踏板配合。4.4 键的设计及强度校核1.对于小带轮的键，选用半圆头平键C855，GB109679多功能健身器上的键都为静联接，材料为钢，则许用挤压应力 取100 ,由参考文献1 P103 公式61 强度符合2大带轮上键校核选用半圆头平键C836，GB109679 强度符合3.小齿轮上键校核选用半圆头平键C8 45，GB1096794.大齿轮上键校核选用半圆头平键C1050，GB109679强度符合4.5 轴的设计及强度校核按弯扭合成应力校核轴的强度设计轴的尺寸由参考文献1 公式152 由 参考文献1 表153取110 所以传动轴D124mm搅拌轴D235mm 图4-3 齿轮受力分析图1.齿轮的力分析计算：圆周力Ft = 径向力Fr = 轴向力 2. 对H面上各力分析 =322N=4970N3. 对V面上各个力分析 以下图组为轴受力分析图：图4-4 轴受力总图 图4-5 轴H面受力及力矩图图4-6 V面受力及力矩分析图图4-7 扭矩图4. 当量弯矩：由轴的结构简图及当量弯矩图可知截面A处当量弯矩最大，是轴的危险截面。进行校核时，只校核轴上承受最大当量弯矩的截面的强度 合成弯矩： 当转矩T=300000N；取得：当量弯矩：由参考文献1 公式155 由参考文献1 公式1514 0.12轴强度足够。4.7轴承的选择及校核要据设计的尺寸轴承初选72005 GB/T29294，对于球轴承： 图4-8 轴承受力分析图对于7000C型轴承，按参考文献1 表137计算轴承的派生轴向力： e为参考文献1 表135的判断系数。 所以轴承1被挤压，轴承2被放松。 对轴承10.44 1.12对轴承2 由参考文献1 公式1319 按轴承2受力大小分析并验算轴承寿命：轴承预计寿命 由参考文献1 公式1321 轴承寿命符合要求。4.8 润滑与密封1、齿轮的润滑：采用定时加油润滑，由于齿轮间的啮合不能浸在油液中，所以只能人工的定时给相互啮合的齿轮加油。2、轴承的润滑：滑动轴承与轴固定在一起，在法兰盘里滚动，通过法兰上部的油标向滑动轴承里加油，轴承内侧加毡圈油封，防止油液流出。轴承外侧加透盖，起固定和密封的作用。3、润滑油的选择:齿轮与轴承用同种润滑油较为便利，考虑到该装置用于小型设备,选用L-AN15润滑油。4、搅拌桶与搅拌轴配合挡面环，防止面粉尘进入法兰盘中，同时也是对毡圈油封密封作用的再次加强。4.9 滚动轴承的受力滚动轴承工作时，可以是外圈固定，内圈转动，也可以是内圈固定、外圈转动。对于固定套圈，处在承载区内的各接触点，按其所在位置的不同，将受到不同在载荷。处于载荷作用线上的点将受到最大的接触载荷。对于每一个具体的点，每当一个滚动体滚过时，便承受一次载荷，其大小是不变的，也就是承受稳定的脉动循环载荷的作用。载荷变动的频率快慢取决于滚动体中心的圆周速度。转动套圈上的各点的受载情况类似于滚动体的受载情况。他的任一点在开始进入承载区后，当该点与某一滚动体接触时，载荷由零变到某一数值，继变到零。当该点下次与另一滚动体接触时，载荷就由零边到另一数值，故同一点上的载荷14及应力是周期性不稳定变化的。滚动轴承的失效形式及计算准则根据工作情况，滚动轴承失效形式主要有：（1）疲劳破坏由于载荷的反复作用，首先在表面下一定深度处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面，形成疲劳点蚀，使轴承不能正常工作。通常疲劳点蚀是滚动轴承的主要失效形式。（2）永久变形当轴承转速很低或间歇摆动时，一般不会产生疲劳破坏，但在很大的静载荷或冲击载荷的作用下，会使轴承滚道和滚动体接触处产生永久变形（滚道表面形成塑性变形凹坑），而使轴承在运转中产生剧烈震动和噪声，以至轴承不能正常工作。决定轴承尺寸时，要针对主要失效形式进行必要的计算轴承的寿命计算：（1）滚动轴承的基本额定寿命一个滚动轴承在工作中发生疲劳点蚀前所经过的总转数或工作小时数成为轴承的疲劳寿命。而由于制造精度、材料的均质程度的差异，即使是同样材料、同样尺寸以及同一批生产出来的轴承，在完全相同的情况下工作，他们的疲劳寿命也会极不相同。轴承的最长疲劳寿命与最短疲劳寿命可相差几倍甚至几十倍。轴承的疲劳寿命不能以同一批实验轴承种的最长寿命或者最短寿命作为标准。因为前者过于不安全，在实际使用中，提前破坏的可能性几乎为100%；而后者又过于保守使几乎100%的轴承都可以超过标准寿命而继续工作。那么如何确定滚动轴承的疲劳寿命呢？现在规定：一组相同的轴承，在相同的条件下运转，其中10%的轴承发生点蚀破坏，而90%的轴承不发生点蚀破坏前的总转数（以106为单位）或一定转速下的工作小时数作为轴承的疲劳寿命，并把这个疲劳寿命叫做基本额定寿命，以（或）表示。由于基本额定寿命与破坏几率有关，所以在按基本额定寿命计算而选择出的一批轴承中，可能有10%的轴承提前发生破坏；同时也能有90%的轴承超过基本额定寿命后还能继续工作，甚至还有相当多的轴承还能再工作一个、两个或三个基本额定寿命期。对于每一个轴承来说，它能在基本额定寿命期内正常工作的概论是90%，而在基本额定寿命期未结束之前发生点蚀破坏的概率为10%。在作轴承的寿命计算时，必须先根据机器的类型、使用寿命及对可靠性的要求，确定一个相当的预期计算寿命，即设计机器时所要求的轴承寿命。（2）滚动轴承的基本额定载荷轴承的疲劳寿命与所受载荷的大小有关，工作载荷越大，引起的接触应力也就越大，因而在发生点蚀破坏前所能经受的应力变化次数也就越少，即轴承的疲劳寿命越短。所谓轴承的基本额定动载荷，就是使轴承的基本额定寿命15恰好为106r时，轴承所能承受的最大载荷值，用字母C表示。这个基本额定动载荷，对于相心轴承，指的是纯经向载荷，称为经向基本额定动载荷，以Cr表示；对推力轴承，指的是纯轴向载荷，称为轴向基本额定动载荷，以Ca表示；对角接触轴承，指的是使套圈产生纯径向位移的载荷的径向分量。不同型号的轴承有不同的基本额定动载荷值，它表征了不同型号的轴承的成在能力，C值越大，承载能力越大。轴承样本中对每个型号的轴承都给出了他的基本额定动载荷值C，单位N。（3）滚动轴承寿命的计算公式对于具有基本额定动载荷C的轴承，当它所受的载荷P恰好等于C时，其基本额定寿命就是106 r。但是当它所受的载荷时，轴承的寿命为多少？这就是轴承寿命计算所要求解决的一类问题。轴承寿命计算所需要解决的另一类问题是，轴承所受的载荷等于P，而且要求轴承具有的寿命为（以106r）为单位时，那么，须选用具有最大的基本额定动载荷的轴承。下面就是有关寿命的计算方法：因为P=C时，故有 即 式中寿命指数对于球轴承=3；对于滚子轴承=10/3。实际计算时，用小时表示轴承的寿命比较方便。令n代表轴承的转速（r/min）,则以小时数表示的轴承寿命为 由于在轴承样本中列出的额定载荷值C仅适用于一般工作温度，如果轴承在温度高于1200C的环境下工作时，轴承的额定动载荷值有所降低，故引用温度系数予以修正，可查表：工作温度/0C120125150200250300350温度系数10.950.90.80.70.60.5温度系数参数表进行上述修正后，寿命计算公式为 如果载荷P和转速n已知，预期轴承寿命已取定，则所选轴承应能承受的额定动载荷可按下式计算 以上两式是设计计算时用到的，由此可确定轴承的寿命和尺寸型号。踏板车采用深沟球轴承。4.10 踏板车辅助结构的说明通过踏板的上下运动来控制摆杆的来回摆动，摆杆的来回摆动控制摆杆支撑杆的上下运动以实现左右两踏板的上下控制。踏板机构如图4-9：图4-9踏板机构在图4-9中可以比较清楚的看出摆杆与踏板以及过渡摆杆所组成的四杆机构的模型。最初在设计时由于摆杆是直立地连接在踏板和轴之间，当踩动踏板时产生了无法实现摆杆摆动的问题，也就无法实现摆动变转动，而且考虑到摆杆的支点将在轴上，将对轴的强度带来不小的影响。后来经过老师的指点，采用四杆机构把原先直立的摆杆换到水平位置，通过过渡摆杆把踏板与摆杆相连接，这样不仅解决了摆动变转动的问题，同时，摆杆通过轴的支撑靠一个轴承来完成，由于摆杆摆动过程中所产生的轴向力很小，故可以选用深沟球轴承，只要使轴承定位，摆杆便能固定于轴承上通过轴承实现摆动。为了能使轴承安装顺利，在安装轴承的一侧，轴的前半部分用间隙配合，轴的后半部分采用过渡配合，摆动变转动的目的最终完成。轴承支架与轴的配合说明：支架能够大大降低车子本身的重量，主要完成对轴承的安装与定位。在定位轴承时，利用轴承支架上的小孔边缘对轴承的外圈定位，利用轴套定位轴承的内圈。支架通过螺栓螺母连接安装于车架上。为了能够使轴上的零件能够顺利啮合，在安装的时候需要不断校正轴承支架的位置。4.11本章小结本章首先研究了家庭多功能健身器传动系统的方式，然后对家庭多功能健身器的传动系统进行了设计，校核，最后分析了各部分润滑与密封的特点。椭圆机的设计及仿真第5章 家庭用椭圆机安装测试说明5.1零件组安装说明 经过几个月来的努力，在老师和同学的帮助下，终于完成了踏板车理论上的设计，为了能够让设计更贴近实际，使理论能够比较符合实际中的制作，需对安装进行必要的说明。首先各部分安装零件应达到图纸上的要求，为了能够达到安装要求，在钻车架上的孔时，要求每个孔都与车架两边缘测量距离，以保证孔位置的准确度，才不会因为钻孔时造成的偏差使后面的零件没有相互啮合，并在钻孔时就要把轴和零件放入，注意零件与零件之间是否有啮合，并依次钻其他孔，安装完成后看看零件是否能够顺滑的转动，再用螺栓、螺母通过轴支架锁紧于车架上，如此完成零件组的安装。5.2踏板车的测试 踏板车安装完成后，可以对踏板车进行测试。测试时使踏板车离开地面一段距离，处于空载状态下，试摆动踏板，看看零件相对传动是否顺畅，在转动过程中是否有干涉现象发生。再把车放于地面，通过单脚蹬地推动车身前进，待车子达到一定的速度后将两脚一左一右放在踏板上，轻轻摆动上身，利用身体重心的前后摆动踩动踏板，从而控制车子前进的速度，在此过程中看看是否能达到轻松的踩动踏板，能否达到时速20km的速度，结构是否紧凑。结论通过这一阶段的毕业设计，我受益匪浅，不仅锻炼了良好的逻辑思维能力，而且培养了弃而不舍的求学精神和严谨作风。回顾此次毕业设计，是大学四年所学知识很好的总结。此次家庭用椭圆机的设计不仅重温了过去所学知识，而且学到了很多新的内容。相信这次毕业设计对我今后的工作会有一定的帮