自动摇绳机的设计

摘要

在日益增长的学习和工作压力下，人们更多地关注体育活动，并确保身体健康。采用

机械部件和控制部件相结合的方法进行研究，目的是开发一种可以快速、便捷地进行个体

或群体训练的新型室内运动设备一一自动摇绳机本文主要是在杳阅了大量资料的基础

上，提出了一种新型的自动摇绳机，对它的设计思想及构造原理进行了分析，然后，确定

了电动机及调节器的选型，按照所选择的电动机参数，介绍了一种自动摇绳器的驱动设计,

自动摇绳装置的选型与计算，最终的结果是，在摇绳机上实现自动甩绳，具有自动调节速

度的特性，该设计易于构造，易于维护，有实际价值和市场前景。

关键词：摇绳机；自动；电动机；调速器

I

ABSTRACT

Underincreasingpressuretostudyandwork,peoplepaymoreattentiontophysicalactivity

andensuregoodhealth.Thepurposeoftheresearchistodevelopanewtypeofindoorsports

equipment-automaticropeshakingmachine-thatcanquicklyandeasilytrainindividualsor

groups.Thispaperismainlybasedonalargenumberofinformation,putforwardanewtypeof

automaticropeshakingmachine,itsdesignideasandconstructionprinciplesareanalyzed,and

then,determinetheselectionofmotorandregulator,accordingtotheselectedmotorparameters,

introduceanautomaticropeshakerdrivedesign,automaticropeshakerselectionandcalculation,

thefinalresultistorealizeautomaticropethrowingontheropeshakingmachine,withthe

characteristicsofautomaticspeedadjustment,thedesigniseasytoconstruct,easytomaintain,

haspracticalvalueandmarketprospects.

Keywords：ropeshakingmachine;Automatic;Motor;Governor

目录

第1章绪论...................................................................3

1.1研究目的及意义.......................................................3

1.2国内外研究现状.......................................................3

1.3研究内容.............................................................4

第2章总体方案的分析与确定...............................................5

2.1概述.......................................................5

2.2方案的选择...........................................................5

2.3结构及工作原理.......................................................6

第3章电机及调速器的选择................................................8

3.1电动机的选择要求.....................................................8

3.2电机类型的选择.......................................................8

3.2.1确定电动机参数.................................................8

3.2.2电动机主要外形和安装尺寸.......................................9

3.3无级调速器选择.......................................................9

3.3.1无级调速概述...................................................9

3.3.2无级调速器主要外形和安装尺寸..................................9

第4章自动摇绳机传动系统的设计..............................................10

4.1传动系统的设计功率..................................................10

4.2选择带型....................................................10

4.3传动比...............................................................1()

4.4确定带轮的基准直径..................................................10

4.5摇绳的实际转速范围..................................................1()

4.6验算带速V...................................................................................................................10

4.7轴间距及参数的确定..................................................11

4.8主机架、辅助机架设计分析............................................12

4.9摇臂结构及栓绳装置结构设计分析......................................14

4.10摩擦离合器及安全联动控制设计分析...................................15

4.11游动轴承座设计分析.................................................17

4.12传动系统整体设计.....................................................18

第5章自动摇绳机其他零部件的选择和计算.......................................19

5.1轴承的选择..................................................19

5.1.1从动轴轴承选择及校核..........................................19

5.1.2游动端轴承选择及校核..........................................20

5.2轴的选择.............................................................21

5.2.1轴的类型及材料选择...........................................21

5.2.2轴端直径的确定................................................21

5.2.3轴的结构设计..................................................22

5.2.4键强度校核....................................................22

5.2.5支承反力、扭矩及弯矩的计算...................................22

5.2.6轴的疲劳强度校核.............................................23

第6章控制部分的设计.......................................................24

6.1压力传感器的选择....................................................24

6.2主电机的控制甩路....................................................24

6.3调高装置电机的控制..................................................25

6.4自动断电保护控制....................................................25

6.5控制面板的设计......................................................26

6.6计数装置的设计......................................................26

结论..........................................................................28

参考文献......................................................................29

致谢..........................................................

附录..........................................................

2

第1章绪论

1.1研究目的及意义

自动摇绳是一台自动摇绳机器，用机器而不是用手来甩绳子，这是一项非常重要的消

遣方式，跳绳运动风靡各地，当出现用机器代替人手动甩绳，这一点，将满足人们的需求,

另一点，也推动着科学技术的进步。自动摇绳机，它满足了人民对体育的需求，也提高了

运动效率。随着大家生活日益改善，世界各地对摇绳运动有了新的理解与研究，并且越来

越多的人将其作为一种主要的健身方式。因此，我坚信，能够创造出一种能够让大家在每

天都能进行更高效、更有乐趣的摇绳机，一定会得到广大摇绳者的喜欢。这将极大地推动

摇绳运动在群众体育中的普及，这对提高大家的身体素质，提高他们的基本素质，都有很

大的现实意义。

1.2国内外研究现状

我国长期以来一直限制着摇绳机的发展，与国外的一些国家相比，已经有了不小的差

距。目前状况的起因是，一点是由于科技水平低下造成的；另一方面，对这类产品的关注

很少，使它无法再吸引更多的资金。现在，跳绳项目的比赛形式主要有个人和多人两种，

在个人跳绳项目中，大部分选手都是学牛，参加多人跳的人通常都是家庭成员°用千多人

跳绳竞赛的多人摇绳机的研制要比单人困难得多，在这一程序中，不只是机械的转向，功

率调节，也包括了许多其它方面的研究。国产摇绳机一直没有进入市场。至今为止，是时

候打开国内市场了，科技的进步永不停息，新型的摇绳机即将面世。

跳绳的项目很多，跳绳的方式更多。跳绳是一种全身运动，能量消耗很大，用来燃烧

体内多余的脂肪，所以，人们把跳绳称作最好的一种运动。在国内和国外，跳绳是一项越

来越受欢迎的运动川。人民生活水平不断提高，跳绳在许多地区得到了快速的发展，跳绳

越来越受到人们的关注。自动甩绳机的研制迫在眉混。这样就能增加跳绳的效率，也能增

加跳绳的乐趣。自动摇绳机将使跳绳运动更加普及，这将大大推动跳绳运动的普及。现在,

世界经济整合，世界上有许多国家，国与国之间的文化交流，特别是在运动文化方面。体

育文化对我国大学生的教育意义重大，这很重要，但现在，我们国家缺乏这种人才，这一

行业的人才素质也是良莠不齐。现代运动文化的重要性被忽视了，为弥补这一不足，我们

主张对跳绳给予更多的关注，提高青少年的体质，茁壮成长。至今，国内尚无专业的机器,

科技实力停滞不前，国内外科技水平相差悬殊，和别的国家比起来，我们国家对此仍不甚

3

了解，缺乏对制造的重视⑺。生活日益改善，多样化需求日益增加。就在这时，一种操作

简单，性能价格比高的摇绳机的诞生，那将会是一场巨大的体育盛宴。

1.3研究内容

在日益增长的学习和工作压力下，人们更多地关注体育活动，并确保身体健康。采用

机械部件和控制部件相结合的方法进行研究，目的是开发一种可以快速、便捷地进行个体

或群体训练的新型室内运动设备。一一自动摇绳机。这个仪器的作用如下：自动抛绳和前、

后抛绳；自动速度调节；具有自动停电保护功能；适用于单跳和多人跳；可以按照跳绳的

数量和高度来调整绳子的长度和甩绳的高度。

设计参数

a.多个人一起跳时，拦绳索速度是：30r/min~120r/min；

b.多人共同跳绳时，摇的平均高度应为800mm〜1600mm；

c.多人一起跳时需要有相对稳定摆动速度；

d.当有人绊绳子时，应当在事故前阻止绳子的摇摆。

4

第2章总体方案的分析与确定

2.1概述

本课题的主要研究内容是对机械部件中各个机械部件的设计，它突破了手工跳绳观

念，可进行自动摇绳操作C然后，它还有几个必要的功能：（1）步进电动机的无级调速,

可满足不同人群甩绳速度的要求；可同时进行正向和反向操作，为不同使用者提供不同的

抛绳方向；（2）配有高低调整器，满足各种身高需要；（3）带绳长度调整装置，适合不

同数量的跳绳运动员对绳长度的需求；（4）平顺，易操作，无需专门训练；（5）高度安

全性，配有一个压力开关，以及一个在绳索被卡住时能自动停止的水箱，基座稳定，安全。

2.2方案的选择

方案1是两个机构，一个是主动机构，另一个是被动机构。主动机构是由：调转速的

电机，大小齿轮，带传动组，传动轴，摇臂，松紧扣以及底座组成。

随动机构则由随动摇臂以及旋转轴和基座组成。

工作原理为：在打开可任意调节转速的电机时，电动机的输出轴，由键连接把动力由

带传动传递于齿轮减速机构，齿轮减速装置使速度更慢，然后把转矩传到最后的工作轴上,

末端的轴利用螺纹连接使扭矩转移给摇臂。主动端摇臂上，在绳索上装上一个有弹性的扣

子，在拌绳过程中，可以实现绳索自动分离的功能，构造比较复杂。随着主动端的摇臂摆

动，从动端的摇臂通过绳子一起摆动。而且甩绳的高度也是一样的，如此可达到两端同时

摇摆的作用。两侧都有一个巨大的底座，用来支撑和保证甩绳的高度，这样在不使用的时

候，就可以将拆卸下来的零件储存起来。

之间的联系是这样的：电动机安装在主机架上，小带轮固定在可调电机上，利用V带

和大带轮连接，进行传动,大带轮安装在齿轮减速器输入处，齿轮减速器输出端安装于有

弹性搭扣摇臂。辅助旋转安装在辅助机架上。

方案2主动小带轮、电机、传动大带轮、V带、挡板、常闭控制开关、轴承、传动轴、

左摩擦离合器、右摩擦离合器、摇臂、弹簧、电机调速器、主机架、副机架等一起组成。

随动机构主要有随动摇臂，旋转轴，底座组成。

零件之间的联系是这样的：主机架安装着调速器和电机，电机传输动力上面安装着小

带轮，大带轮与小带轮通过带链接。大带轮与传动轴固定，轴连接右摩擦离合器，右摩擦

离合器与左摩擦离合器相连接，传动套固定在左摩擦离合器左端，整个轴系统通过轴承座

安装在机架上，摇臂连接于传动套，上有圆螺母，弹簧。常闭开关在主机架上左摩擦离合

5

器左下端。辅助旋转机构安在辅助架上。

在对前两个方案进行了分析、对比，并根据工程实际情况，确定了方案2为最终设计

方案

下面是详细的分析：

(1)传动结构分析：方案1相对于方案2传动结构过为复杂，使用的是齿轮减速器，

具有较多零件，设计起来比较麻烦在方案2中，使用电动机调节器，直接调节电动机的速

度，只使用一阶带驱动的结构，其传动结构简洁而明确：

(2)机架结构分析：方案2主要框架为焊件，构造简单，易于制作，材料易得；而方

案1则是一个铸件箱子，里面的零件可以用来储存，不过箱子的体积太大了，这也给铸造

加工和运输带来了很大的困难，而且整个装置也显得有些笨重。

(3)经济分析：方案1在减速器成本、机架铸造成本的经济成本相对于方案2提高。

方案2是一种焊接结构件，它是一种标准的型材，因此，它的材料很容易获得，耗材成本

也会降低，而且易于进行焊接，加工成本也会降低，因此，它在经济因素方面占据着优势。

(4)使用安全性能分析：方案2有一种用于踩断绳子或搅动时的安全防护装置，而方

案1没安全设施，方案2更安全。

综合分析，第2方案具有经济，安全，结构新颖的特点，是最好的设计方案。

2.3结构及工作原理

自动摇绳机的结构主要包括机架装置，传动装置，制动的装置，辅助连接装置，控制

装置，安全装置等，电机作为动力源，搭配调速器，动力源提供动力，带动小带轮，小带

轮通过带传动带动大带轮，将扭矩传给主轴，主轴通过两片摩擦离合器把扭矩传给摇臂，

无动力从动端一起运动，实现摇绳。利用皮带轮的齿数率来控制皮带轮的转速，再由调速

机构来调整调速马达的转速，以获得所需的输出转速。

在工作中，如果有人绊倒发生意外，摇臂通过绳子受到瞬间的拉力，阻碍摇臂的正常

运转，摇臂上有一个套筒，实现了逆向传递扭矩，传递到右摩擦离合器，在比套筒外部弹

簧所设置的预张力更大的情况下，两半摩擦式离合器的摩擦偏移，然后把右边的离合器移

到左边，在位移量到达设置的空隙时，触碰右侧开关，电机停止，停止摆动绳索，达到安

全管理的目标，以保证人员的安全。

工作原理为：在启动可任意调节转速的电机，电机输出轴的旋转由皮带传动装置传递

到齿轮减速器，齿轮减速装置使速度更慢，然后，将旋转力施加到端部工作轴上，端部工

作轴通过螺钉将力矩传递到摇臂上。主动端摇臂上在绳索上装上一个有弹性的扣子，在搅

拌过程中，可以实现绳索自动分离，构造比较复杂。被驱动的一头的摇臂随着主动头的一

头的一根绳索一起摆动，而且甩绳的高度是一样的，这样就可以实现两边同时甩动的功能。

两侧有两个巨大的基座，可以让机器在不使用的情况下，放置零件。

6

图2.1结构图

7

第3章电机及调速器的选择

3.1电动机的选择要求

选电机要安全；要不然，一方面会浪费资源，另一方面也会损坏电机。与比同时.，电

机的电压，电流，结构形式等都是选择电机的一个重要参数。结合本课题对自动绳机的设

计要求，在这三个参数中，电机的速度，功率，起动转矩。

(1)机械特性

电机的机械性能与电机的工作机械性能相匹配，使电机工作平稳；该电机的起动扭矩

和最大扭矩等性能指标均达到了工作状态。在特殊材质上，确保其力学性能的稳定性和安

全性。

(2)功率

功率，在使用机器时，应该按照实际需求来选用，尽可能将马达保持在额定负荷，防

止出现不匹配状况。为了防止电机在没有电源时出现短路等情况，需要设置相应的功率效

率。

(3)转速

电动机的速度必须符合实际工作条件，它的最高转速，变速率，速度调节等特性，满

足了装置在工作状态下的工作需要。

(4)经济效益性

应尽量选用结构简单、性能可靠、造价低廉的电机，以满足工作条件为前提。

(5)运行经济性

为减少整体机器的能量消耗，减少电动汽车的整体成本，应该选用具有不同效能水平。

使用年限较短，年费较低的设备，马达的效率不会对总体能量消耗有太大影响，因此，没

有把重点放在马达的效率上。但是另外一种具有较高年利用率的设备，如空调，为了减少

总体能源消耗，需要选择高效的马达。

3.2电机类型的选择

按照工作需要和已知的情况：多人同时跳时，抛绳速度为：30r/min-120r/min,功耗:

P=1.732XUX1Xcos4)=1.732*220*2.62*0.5=499.16w(3-1)

所以，选择了220V、输出功率P=550W、供电频率为220V的小功率感应电动机

YY8014o

3.2.1确定电动机参数

8

电动机的速度是1400转/分钟，输出扭矩是1.7牛顿。马达工作时配有一马达无极调

速，由无极调速来调节所需要的速度。

3.2.2电动机主要外形和安装尺寸

图3.1电动机主要外形和安装尺寸

3.3无级调速器选择

3.3.1无级调速概述

无级调速指的是整个过程中电机通过调速对工作速度进行调整，进行稳定速度调整⑶。

所以无级调节也称为连续调速。这种方式，适合于对旋转速度有要求的工作机械载荷，例

如程控自动加工设备。而且，这种调速方式具有很好的适应性，易于实现自动调节，因此

被广泛应用于工业设备中C

SCA-B系列，这种调节器可以达到400瓦的输出功率，对选定的电动机进行速度调节。

3.3.2无级调速器主要外形和安装尺寸

（图32）

SCA-B1180W-550W外型尺J

SCA.-B1接线I号

O

O

图3.2无级调速器主要外形和安装尺寸

9

第4章自动摇绳机传动系统的设计

传动系统中电机提供动力，小带轮通过带传动把动力传给大带轮，大带轮带动轴运动。选择

传动时。考虑选择哪种传动方式，带传动更加适合这次设计机器，传动简单。

4.1传动系统的设计功率

从机械设计手册中⑶查找工作状态系数

(4-1)

4.2选择带型

根据=0.44kw、-1400r/min,最后决定选择A型带。⑵

4.3传动比

因为调速电机的转速范围是90i7min-1400r/min,而跳绳的转速是30r/min-120r/min,

所以选择了传动比：

(4-2)

4.4确定带轮的基准直径

1)小带轮参考直径的计算参考[3],取小带轮的基准直径

2)初用，大带轮的基准直径：

(4-3)

由表33.L18取

4.5摇绳的实际转速范围

跳绳的速度在30转/分到120转/分之间则：

(4-4)

4.6验算带速V

(4-5)

因为，所以传送速度是适当的。

10

4.7轴间距及参数的确定

测量两根轴线间的距离

要求的参考长度：

(4-6)

由表33.1-7选取基准长度

真实轴距：

(4-7)

最小安装间距：

(4-8)

用于张紧或补偿延伸的最大轴距：

(4-9)

小轮包角：

(4-10)

单根V带基本额定功率

根据和

A型带

在计及传动比的情况下，额定功率的增加是

V带数目：

(4-11)

表33.1-13中所列4:0%网

33.1-15所列

(4-12)

然后V带的根数是2。

单条带预紧：

(4-13)

由《机械原理》表33.1-14查的网

11

(4-14)

带轮的构造与大小

用AC速度控制的电动机YCJT-400-1可以理解，由于其轴伸直径d=24mm,长度

L=40mm,因此，小轮带轴孔直径应该取d=24mm,而长不超过40mm。

从表格中可以看出，小带轮实心。根据表格计算出轮沟大小和轮宽。参考书类型的结

构9⑻。

所选择的大轮轴孔径为d=20毫米，长度为40毫米。

所以，绳子的最大长度是15米，最多10人使用。

大小带轮的选择一定要做到稳定且能正常运行，各方面的适配性一定要高C

4.8主机架、辅助机架设计分析

该装置在结构上为以下几个部分：机架装置与传动装置，支架机构主要是为了固定传

送机构，通过设置合适，把整台跳绳机都定在地上，以保证其安全、稳定运行C

机架装置主要由两个部分构成：主驱动机架和轼助机架。按跳绳机摆动高度，首先把

跳绳装置的中心标高。断定的带轮中心距400mm,将跳绳装置的旋转中心定为1000毫米。

按照轴的设计参数，选择合适的，跳绳机的主传动轴-标准的二螺栓滚动轴承座SN210

(GB/T78I3-1998),规则是：线速度不超5米/秒，温度不大于90摄氏度，依据现实要求，

轴承座应满足设计要求，它们的具体大小如图4.1所示。

IV0

S06

图4.1轴承座

从它的大小来看，心高度是60毫米，简化机架设计，在这个设计中，各驱动轴的支

承座中高都选择了60毫米，按跳绳机转盘中心高度设定1000mm,那么计算出机架高是

940mmo

12

主传动机架的主要功能：1传动系统，2调速电机。

同时还要考虑到整体结构的刚度和强度。主机架主要采用型材焊接结构，主架使用等

角钢热轧（角钢号数:5.6,GB/T9787-1988）,采用了合理的尺寸排列，对其进行了焊接。

连接轴承座、电机等部位的，都要根据轴承座和电机底座连接的螺栓孔来进行合理的机架

连接孔排列。主要框架全部用连续的角焊缝焊接，获得完美的可焊接性⑼。形状合理，做

工注意细节。

主机架下方的四根都选方形钢板焊接，增加架与地板的触碰面，在使用时保持稳定，

为防止地板受到破坏，在方板上留有锚钉洞，并利用锚钉固定在地板上。

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图4.2主机架结构图

辅助机架的功能在于将随动设备稳定在地面，并保持其旋转重心与主架的旋转重心等

rnj

辅机也是用轮廓线焊接构造，主支承件采用热轧工字钢。热轧工字钢型号：14,

GB/T706-1988o由钢板安装支撑支架。牢固底座，安全稳定，根据支承座联接的螺钉孔对

框架联接孔的合理排列。使用连续的角焊缝焊接框架，实现良好的可焊性。让整体稳定还

特别可靠⑼。

13

机架的支柱下面用方钢焊接，增加车架与地板的接触面，在使用时保持稳定，在正方

形的钢板上设有锚栓洞，利用锚栓将锚栓固定在地面上。

图4.3辅助机架结构图

4.9摇臂结构及栓绳装置结构设计分析

在跳绳机中，摇臂结构是完成甩绳动作的主要实施构件，从轴心转动到空间弧形滑移

的转换，摇杆的尾端以圆为圆的轨迹。在使用时，把一根跳绳固定在摇杆的一端，完成一

次挥动绳子的动作。

因为摇臂为圆周旋转，臂较长，考虑了运转时所引起的惯性力矩效应，会影响跳绳装

置的工作稳定性1⑼，例如：振动大、轴承易磨损等，为避免出现这种情况，摇杆要有一些

平衡，通过增加体重来保持平衡，通过增加体重来达到平衡。在图4.4中可以看到。

於0

图4.4摇臂结构图

14

顾及各种群体的需求，可调节的摇杆结构，摇臂上开了5个洞，便于在工作中调整摇

杆长度，摇臂线速可在任何时候调整，这样才能让绳索顺利地旋转。图10是摇杆操作调

整的视图。

图4.5摇臂工作调节视图

摇杆上的绳索锚固器设计，套在螺钉上的套管，用两个螺帽把这些螺栓固定在摇杆上,

要求套筒能够在螺钉上自由旋转（套筒两边留有1毫米的空隙），带滚压图案的套筒，并

在一端设有法兰。当一根绳子绑在它上时，增加套筒与跳绳间的相对摩擦，带边的跳绳不

会掉下来。套筒的自由旋转能有效地避免在跳绳过程中出现扭结现象。

图4.6显示了特定的结构，在此：1.锁定螺母，2.摇臂，3.滚花套管，4.螺栓

---------

1

I

4.10摩擦离合器及安全联动控制设计分析

摩擦式离合器，主要是考虑到跳绳装置的使用安全性，也就是在踩绳子或搅拌绳子的

时候，停止。主要实现的功能是压或拌，摇杆从驱动轴上脱开，摇杆不转，并以此来控制

马达。摩擦力离合器主要是由左、右两个部分构成，转动力矩由左、右两个摩擦片间的摩

15

擦力来传递，使摇臂旋转"L图4.7是左、右离合器总成的示意图，尺寸b为两个离合器

板间的错位位移，当踩在绳子上或被绑上时，离合器位移最大为b。

图4.7左右离合器工作示图

.4——1

1.传动轴2.紧固螺钉3.左半离合器4.键5.右半联轴器6.圆螺母7.弹簧8.螺纹套管9.常闭控制

开关10.机架11.摇臂结构12.轴承座

图4.8安全联动控制结构

安全连接控制体系结构包括上面提到的12个部分。（图4-8为安全联动控制结构），

驱动轴1的左侧连接到皮带轮上，用皮带轮传送扭矩，把左半部离合器3放入轴颈，用螺

丝2和4把传动轴拧紧，把右半离合器5安装到轴上，组合成间隙配合，右半联轴器5可

以在轴上自由滑动。带螺纹的套筒8的一端焊接摇杆机构11,套筒穿过支承支架12,把

弹簧7固定在支承支座的左边的套筒8上，在带螺纹的套筒上拧紧圆形螺母6,用带螺纹

的套筒8拧紧右侧的半耦合器5,把该装置安装到驱动轴1上，把支承座用螺钉固定在框

架10上。在框架10上也安装正常关闭的控制开关9。弹簧的压缩可由调整圆形螺母6来

16

调整，这样就能使整个套筒8的侧向压力发生变化，当压力较大时，左、右离合器间的摩

擦较大，而当压力较低时，摩擦较小。圆形螺母6和正常关闭的控制开关9之间的间隔（a

间距表示在图4.9中）被合理地设置。可以根据实际的使用情况来设定和调节弹簧的预紧

力和距离a（注意aWb）o

调速机经由皮带驱动机构将力矩传递给轴，轴用建把扭矩传到左半离合器，靠左和右

离合器间的摩擦，用右侧半耦合器传送扭矩，使螺纹套旋转，这样就能完成摇臂的圆周运

动。

当运动员跳到绳子上或被绳子缠住时.，给摇臂施加牵引力，妨碍摇杆正常旋转，阻力

由与摇杆相连的套筒逆向传递，最后转到右摩擦的离合器上，因其可在轴连杆上滑动而设

计的右摩擦离合器，在比套筒外部弹簧所设置的预张力更大的情况下，两半摩擦式离合器

的摩擦偏移，然后把右边的离合器移到左边，在位移量到达设置的空隙时，触点操纵开关,

把它弄得断电，不动了，不摆动跳绳，达到安全管理的目标，以保证人员的安全。

4.11游动轴承座设计分析

因为右半摩擦离合器能在连杆上打滑，这样就可以驱动螺母和摇臂左右移动了。假如

把支承座设在一个比较固定的位置，那么就会使安全控制装置无法达到预期的设计高度，

而同时也有可能对设备产生损害。

通过设计一种能够在一定范围内自由滑动的支承体，使其能够在一定范围内对套管进

行游动补偿，从而达到安全控制的目的。在两个侧面上的游动间隙c大于或等于b/2,如

图4.9

17

4.12传动系统整体设计

电机提供动力，带动小带轮旋转，通过带传动，把动力传给大带轮，大带轮连接轴，

动力传到轴上，轴的动力通过摩擦离合器，传给套筒，带动摇柄旋转，从动端一起同步运

转。当运动员跳到绳子上或被绳子缠住时•，给摇臂施加牵引力，妨碍摇杆正常旋转，阻力

由与摇杆相连的套筒逆向传递，最后转到右摩擦的离合器上，因其可在轴连杆上滑动而设

计的右摩擦离合器，在比套筒外部弹簧所设置的预张力更大的情况下，两半摩擦式离合器

的摩擦偏移，然后把右边的离合器移到左边，在位移量到达设置的空隙时，触点操纵开关,

把它弄得断电，不动了，不摆动跳绳，达到安全管理的目标，以保证人员的安全。如图4-1()

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图4.10传动系统

18

第5章自动摇绳机其他零部件的选择和计算

5.1轴承的选择

现代机械装备的关键部件一一轴承。

功能：

1,支承一台旋转机器

2,在移动时减小摩擦力

3,并确保了它的旋转精度。

从移动部件的摩擦特性看，轴承可以分成两种类型，一种是滚动的，一种是滑动的。

其中，滚动轴承虽然已经实现了标准化和系列化，但是相对于滑动轴承，其径向尺寸大,

振动噪声大，成本高。不利于使用【⑵。

根据滚动体的外形，可将其划分为两种类型：滚珠轴承和滚珠轴承。

5.1.1从动轴轴承选择及校核

请查阅设计手册操作系数表，操作系数Ka=l.l

功率：

Pd二KaxP=1.1x0.4=0.44KW(5-1)

扭矩：

T=9550=9550X0.44/120=35Nm(5-2)

按照工作状态，选单列锥形滚子轴承，直径二50c

径向负荷：

(5-3)

转速n=120r/min

运行状况良好，使用年限7200小时

根据式:

(5-4)

19

查表7-2-8〜7-2-12得［⑵

Fh=2.00

Fn=0.201

Fm=1

Fd=1.2

Ft=l

(5-5)

根据式Co=SoxPo

表07-2-14P=Fr=280N

07-2-16So=l

Co=SoxPor=lx1400=1400N(5-6)

查表7-2-79,单列圆锥滚子轴承””

选32910单列圆锥滚子轴承

Cr=36.8KN,Co=56KN,满足要求

故选32910型单列圆锥滚子轴承。

5.1.2游动端轴承选择及校核

请查阅设计手册操作系数表，操作系Ka=1.3⑺

计算功率

Pd2=KaxP=0.44x1.3=0.57KW(5-7)

转矩7=9550=9550x0.57/120=45.5Nm

根据轴承工作条件、选d=35的单列圆柱滚子轴承。

轴承的径向负荷

(5-8)

转速n=120r/min

运行状况良好，使用年限7200小时

根据式

(5-9)

查表7・2-8~7-2-12得

Fh=2.00

Fn=0.201

Fm=1

Fd=1.2

Ft=l

(5-10)

根据式Co=SoxPo

20

查表7-2-14

Por=Fr=2600N,21

查表7-2-16

So=l

Co=SoxPo=Ix2600=26()0N

查表7261⑵

选NU1010单列圆杆滚子轴承

Cr=25.0KN,Co=27.5KN,满足要求

故选NU1010单列圆柱滚子轴承。

5.2轴的选择

5.2.1轴的类型及材料选择

轴是圆柱形物件，但少量是方的。轴是一种机械部件，它支撑着旋转部件弁随其旋转,

以传递运动，扭矩或弯曲力矩。通常是一根圆形的金属棒，每一节可以有不同的宜径。做

圆周运动的机械部件正好安装在轴。

轴的材质包括了碳素钢，35、45、50等优质碳素结构钢，其综合力学性能较高。在许

多领域都有应用，45钢是最普遍的。为提高其机械性能，必须对其进行正火。无关紧要或

不太吃力的轴，那么就可以使用Q235Q275,其他类型的碳素结构钢⑼。

一种机械性能好，但价格昂贵的合金，通常用来制造对其有特殊要求的轴类零件。比

如带滑动轴承高速轴，低碳合金结构钢2()Cr,2OCrMnTi,通过渗碳处理，可以改善轴承的

耐磨性能；汽轮发电机转子轴在高温，高速，重载的情况下工作，对其高温机械性能提出

了很高的要求，通常使用的是40CrNi,38CrMoAlA等合金结构钢。轴类零件的坯料优先为

锻件，其次为圆钢；如果尺寸较大，或者结构复杂，可以考虑铸钢或者球墨铸铁。比如说,

采用球墨铸铁制造曲轴、凸轮轴，其成本低、吸收振动能力强、抗应力集中能力强、强度

iWjo

本论文选用45号轴材，经调质处理。

查表6-1-1得=59()MPa、=295MPa、=255MPa、=140MPa

5.2.2轴端直径的确定

系数Ka=l.l⑵

计算功率：

Pd=KaxP=1.1x0.4=0.44KW(5-10)

转矩：

21

T=9550=9550X0.44/120=35Nm(5-11)

转速n=120r/min

根据表6-1-19进行选择，这是由于旋转速度高和单向转动，取A=103⑶

轴的输入直径：

(5-12)

由于轴是有键槽的，所以轴径d应该增加4〜5%,所以d应该大于16.7mm。

5.2.3轴的结构设计

轴颈的直径取50亳米，与32910单排圆锥滚子轴承的口径一致，而中间的空隙选择

60毫米。

5.2.4键强度校核

选用A型平键(GB/T292-1994),与带轮连接处键的尺寸为bxhxL=10x8x20,与离

合器连接的键为bxhxL-6x6x75o

按表5-3-16的公式计算1的联结强度校核，式中参数为：

8pp=120.0N/mm2,k^0.5h=0.5x8=4mm,l=L-b=20-10=10mm

键连接处传递转矩为：

(5-11)

压强p为：

(5-12)

故键1连接强度通过,

根据表5-3-16的公式，对键2的连接强度进行校核式中数为：6pp=120N/mm2,

0.5h=0.5X6=3mm,l=L-b=75-6=69mm[2]

键连接处传递转矩为：

(5-13)

键工作面的压强p为：

故键2连接强度通过,

5.2.5支承反力、扭矩及弯矩的计算

।D」

22

图5.1支撑反力的计算

(5-14)

(5-15)

Mc==3Nm(5-16)

(5-17)

输入转矩为:

(5-18)

5.2.6轴的疲劳强度校核

根据载荷分布和应力集中状况，取散射截面通过解析,得出危险截面的带轮肩胛横截面,

通过校正计算结果得:S=2.18

取需用安全性关系Sp=1.8,测量安全性关系远大于其使用值，故轴的动态疲劳程度能够

满足此要求。

23

第6章控制部分的设计

6.1压力传感器的选择

压力开关，亦称“压力信号”，是一种位型的压力传感器.电触点的切换通常由波纹管

的变形和位移决定，其功能与保护器相似。压力开关的电接触部分一般都装有一种加速度

的弹性部件，可以迅速地完全开闭。一种高低压结合式压力保护器，其工作原理如图5所

示

P

图6.1一种高低压组合式压力继电器原理示意图

该压力传感器能够调整其最大压力，一旦绳索的张紧力超出最大压力，则主机马达将

自动切断电源并停止运转c将L设为绳索两端直线距离的二分之一，通过计算可以得出绳

索张紧力f随绳索角速度W和抛抛高度H的变化规律；

(6-1)

在公式中：k是加在绳索上的负载系数，它是考虑绳索的材质，

取k=l。

(6-2)

f正比于1/H,那么Hmin-fhiax,将H的极小值和L的值进行代换，此时f的值可

以被计算出来，也即压力感应器应设定的最大值

6.2主电机的控制电路

电动机的速度调节和正反向调节均可由控制板上的按钮调节。因此，在设计电路的时

候，需要用到8155扩展I/O口的键盘/显示器接口电路。此处，所用的是八个按键，其中，

24

8155的六个PA端口被用于选择，并从PAO至PA5连接到芯片BIC8718DE的8A至3A,8

Y至3Y为该键所对应的6行的输出端。与此同时，8155的PC口PCO和PC1接输入端,

引出对应的按键的两行；一共有十二个按钮，只要选择八个按钮就行了。与此同时,8155

芯片的PB端口被连接到芯片BIC8718的8A-1A,而它的输出端口8Y-1Y控制着显示的

8比特分段的显码。在屏幕上，要求既要显示目前的速度，又要显示跳绳的数目，8位数

字就可以了。更何况，调节设定电机转速并选择电机的正、反向时，必须用合适的指示灯

照明，以确保使用者能一目了然地看到系统是否收到输入。通过将8155的P0端DPO至

P7连接到地址锁存器74LS273的管脚DO至D7,并且该8155的输出管脚Q0至Q7与8

个光发射辅助管相对应，用来控制灯光的亮度。

电动机的正转子序列为：首先是正向旋转的信号的输出，接着是转速的调整；如果需

要调整速，还要确定是否需要减速或加速；在设定了要求的转速值之后，就用目前的转速

作为绳索达到稳定运行状态的转速值。同样地，还能得出电动机的倒转程序。在系统启动

后，系统将进入备用模式；就在这时，如果再次选定马达的正向旋转或逆向旋转，就像是

开启了主引擎一样；此时，系统将以设定好的速率运行。

6.3调高装置电机的控制

可按照不同跳绳人的高度来调整机构的高度。而高度的调整就是利用控制高度调整装

置的电动机正反转来进行的。对于电机的电路控制部分，只对该电器加以相应的限制就可

以了。

这里必须选择正确的高度增量数值，也就是每按下一个高度控制键所增加的高度数

值。而这个数值是根据每按下一个键,步进电机所旋转的高度或者是其所旋转的圈数而确

定的。根据步进电机的最大走距角为1.8°，而设计的马达的最大转速是1000r/min,那么可以

设定为每按下一次,马达就旋转了十七转，大约历时1s;即经历了17X360/1.8=3400步。对

该马达的监控，就是利用芯片89型C51上的引脚PI.3〜P1.5输出来完成的，而其增量步数,

则是可以透过调节每一个对应的驱动器的输出位置来调节的。高度调整子程序流程如下：

进入子程序的系统一先确定是不是要执行高度调整：如有需要的话，就继续确定高度是要

调高或者降低一只要高度是必须调整那么就控制电机正转；反之，则控制电机反转一选择

好所要求的高度f然后执行转速的调节一确定好所要求的转速值