毕业设计（论文）-自走式家用自动折叠跑步机设计

目录第1章绪论 31.1.课题背景与研究意义 31.2.家用跑步机研究现状 41.2.1.国外研究现状 41.2.2.国内研究现状 61.3.主要研究内容 9第2章方案的选择与结构设计分析 102.1.方案的选择 102.1.1.传动方案的选择 102.1.2.驱动电机的选择 112.2.整机结构设计与分析 132.3.重要组件的结构设计与分析 152.3.1.跑步驱动组件的结构设计与分析 152.3.2.爬坡功能的设计与分析 162.3.3.折叠功能的设计与分析 182.3.4.智能化控制组件 192.3.5.监测器组件 202.3.6.LED调速全触控制组件 202.3.7.主动辊的设计与分析 21第3章整机参数的设计计算与选型校核 233.1.基本参数设定 233.2.跑步主动辊转速计算 233.3.爬坡受力分析与参数计算 243.4.传动系统的设计计算与选型 243.4.1.传动系统总效率 243.4.2.传动比的分配 253.4.3.跑步辊电机的计算选型 253.5.同步带的计算与选型 263.5.1.确定计算功率Pd 26 263.5.2.选择带型 263.5.3.确定同步带轮的基准直径 273.5.4.验证带速 283.5.5.确定传动中心距a和带的基准长度 283.5.6.确定带宽 283.6.关键零部件的校核 293.6.1.主动辊轴的校核 293.6.2.键的校核 29第4章跑步机主要机构设计和三维建模 314.1.跑步机机械装置的各模块功能原理分析和功能分解 314.1.1.跑步台基座的设计建模 314.1.2.爬坡驱动支架架体的设计建模 314.1.3.底座的设计建模 324.1.4.竖支梁的设计建模 334.1.5.显示屏支架的设计建模 334.1.6.主动辊的设计建模 344.2.跑步机装配效果（工作、爬坡和折叠分解） 34参考文献 37绪论课题背景与研究意义随着现代社会生活节奏的加快和工作压力的增加，越来越多的人开始关注身体健康和健身锻炼。然而，由于时间和空间的限制，许多人难以坚持去健身房进行规律的运动。在这种背景下，家用跑步机作为一种便捷、高效的室内健身器材，逐渐成为家庭健身的首选设备。家用跑步机不仅能够满足人们日常的有氧运动需求，还可以根据个人情况进行个性化的训练设置，为用户提供全天候的健身解决方案。近年来，全球家用跑步机市场呈现出快速增长的趋势。据统计，2020年全球家用跑步机市场规模已达到45亿美元，预计到2025年将增长至65亿美元，年均复合增长率为7.5%。这一增长趋势主要得益于人们健康意识的提升、居家健身需求的增加以及家用跑步机技术的不断进步。例如，随着智能家居概念的普及，越来越多的家用跑步机开始集成智能功能，如语音控制、虚拟现实训练和健康数据分析等，极大地提升了用户的使用体验。同时，COVID-19疫情的爆发也加速了家用跑步机市场的扩张，越来越多的人选择在家中购置跑步机以维持日常锻炼。疫情期间，健身房和户外运动场所的关闭使得家用跑步机成为许多人保持健康的重要工具，进一步推动了市场的快速增长[1]。家用跑步机的研究与设计具有重要的理论价值和现实意义。从理论角度来看，深入研究家用跑步机的结构设计、控制系统和人机交互等方面，可以推动运动器材工程学、人机工程学等相关学科的发展，为健身器材的创新设计提供理论支撑。例如，通过对跑步机减震系统的研究，可以进一步优化运动对人体的冲击力分布，减少运动损伤的风险；通过对控制系统的研究，可以提高设备的智能化水平，使其更好地适应用户的个性化需求。这些理论研究不仅为家用跑步机的设计提供了科学依据，还为其他健身器材的开发提供了参考。从实践角度来看，优化家用跑步机的性能和功能，可以提高用户的运动体验和健身效果，促进全民健身事业的发展。例如，通过改进跑步机的减震系统，可以为用户提供更加舒适的运动体验，减少运动后的疲劳感；通过增加智能化功能，如心率监测、运动数据分析等，可以帮助用户更好地掌握自己的运动状态，制定科学的健身计划。此外，家用跑步机的普及还可以缓解公共健身设施的压力，为更多人提供便捷的健身选择。此外，家用跑步机的智能化研究还将推动物联网、大数据等技术在健身领域的应用，为健康管理和个性化训练提供新的解决方案。例如，通过将家用跑步机与智能手机或智能手表连接，用户可以实时查看自己的运动数据，如跑步距离、消耗的卡路里、心率变化等，并通过云端存储和分析这些数据，生成个性化的健身报告。这种基于大数据的健康管理方式不仅可以帮助用户更好地了解自己的身体状况，还可以为医生或健身教练提供有价值的参考信息，从而制定更加科学的训练计划。总之，家用跑步机的研究与设计不仅具有重要的理论价值，还具有广泛的现实意义。通过不断优化家用跑步机的性能和功能，可以为用户提供更加优质的运动体验，推动全民健身事业的发展，同时促进物联网、大数据等技术在健身领域的应用，为健康管理和个性化训练提供新的解决方案。家用跑步机研究现状国外研究现状家用跑步机的研究与设计在国外已有较长的发展历史。20世纪60年代，美国工程师WilliamStaub发明了第一台现代意义上的家用跑步机[1]，为后续的研究奠定了基础。Staub的设计灵感来源于医院中用于心脏康复的跑步机REF_Ref28703\r\h[2]，他将其改进为适合家庭使用的版本，开启了家用跑步机的商业化进程。此后，随着材料科学、电子技术和计算机技术的进步，家用跑步机在结构设计、控制系统和功能扩展等方面都取得了显著进展。在结构设计方面，国外研究者致力于提高跑步机的稳定性、舒适性和空间效率。例如，Johnson等人提出了一种可折叠式跑步机框架设计REF_Ref29281\r\h[3]，大大减少了设备的占地面积。这种设计不仅方便了用户在不使用时的存放，还适应了现代家庭空间有限的需求。具体来说，Johnson团队采用了一种创新的铰链结构，使得跑步机可以在几秒钟内折叠成一个紧凑的单元，方便放置在墙角或壁橱中。此外，他们还使用了高强度铝合金材料，确保折叠后的跑步机依然保持足够的稳定性和耐用性。这种设计特别适合城市中的小户型家庭，解决了空间有限的问题。Smith和Brown则开发了一种新型减震系统REF_Ref29676\r\h[4]，有效降低了跑步时对关节的冲击力。这种减震系统通过多层弹性材料和智能阻尼技术的结合，能够根据用户的体重和运动强度自动调整减震效果，提供更加舒适的运动体验。具体来说，Smith和Brown的团队设计了一种基于压电传感器的智能减震模块，能够实时监测用户的跑步姿态和地面反作用力，并通过调整减震垫的硬度来优化减震效果。例如，当系统检测到用户体重较大或跑步速度较快时，会自动增加减震垫的弹性，以减少对膝盖和脚踝的冲击。这种设计不仅提高了用户的运动舒适性，还降低了运动损伤的风险。在控制系统方面，国外研究主要集中在电机控制、速度调节和坡度调节等方面。Lee等人提出了一种基于模糊逻辑的智能速度控制系统，能够根据用户的运动状态自动调整跑步机速度。这种系统通过实时监测用户的心率如REF_Ref11758\h图2.1所示、步频和运动姿态，动态调整跑步机的速度，确保用户在最佳运动状态下进行锻炼。具体来说，Lee团队开发了一种多传感器融合算法REF_Ref30140\r\h[5]，能够综合心率监测器、加速度传感器和压力传感器的数据，精确判断用户的运动状态。例如，当系统检测到用户心率过高时，会自动降低跑步机速度，以确保用户的安全；而当用户进入稳定状态时，系统则会根据预设的训练目标调整速度，帮助用户高效完成锻炼。图2.SEQ图\*ARABIC1全球第一台心率训练跑步机此外，一些研究者还探索了虚拟现实技术在跑步机控制系统中的应用，如Anderson和Wilson开发的VR跑步系统REF_Ref30408\r\h[6]，为用户提供了沉浸式的运动体验。这种系统通过头戴式显示器和运动传感器的结合如REF_Ref11882\h图2.2所示，使用户在跑步时仿佛置身于虚拟环境中，增加了运动的趣味性和挑战性。例如，用户可以选择在虚拟的森林、海滩或城市街道中跑步，系统会根据用户的跑步速度和方向实时调整虚拟场景的变化，提供更加真实的运动体验。这种设计不仅提高了用户的运动兴趣，还帮助用户更好地坚持锻炼计划。图2.SEQ图\*ARABIC2VR跑步系统在功能扩展方面，国外研究者将注意力转向了数据采集、健康监测和个性化训练等领域。Taylor等人设计了一种集成生物传感器的跑步机扶手，可以实时监测用户的心率、血压等生理指标。这种设计不仅提高了健康监测的准确性，还为用户提供了实时的运动反馈，帮助他们更好地掌握运动状态。具体来说，Taylor团队在跑步机扶手上集成了多个生物传感器REF_Ref30685\r\h[7]，能够通过用户的皮肤接触实时采集心率、血压和血氧饱和度等数据，并通过显示屏或手机应用程序反馈给用户如REF_Ref12049\h图2.3所示。例如，当系统检测到用户心率异常时，会立即发出警报，提醒用户调整运动强度或停止锻炼。图2.SEQ图\*ARABIC3具备AI学习功能的跑步机尽管国外在家用跑步机研究方面取得了显著成果，但仍存在一些局限性。例如，部分高端功能的设计成本较高，难以在普通家用跑步机上普及；一些智能化功能的实用性和可靠性还有待进一步验证；此外，如何平衡跑步机的功能复杂度和用户操作的简便性，仍是需要解决的重要问题。未来的研究方向可能会集中在降低成本、提高智能化功能的实用性和用户体验上，以推动家用跑步机技术的进一步普及和应用。例如，研究者可以通过优化算法和硬件设计，降低智能控制系统的成本；同时，通过用户调研和测试，改进智能化功能的操作界面，使其更加直观和易用。国内研究现状我国家用跑步机的研究起步较晚，但发展迅速。20世纪90年代，随着国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，家用跑步机开始进入中国市场。初期，国内企业主要以引进和模仿国外产品为主，缺乏自主创新能力。进入21世纪后，随着国内科研水平的提升和市场需求的扩大，家用跑步机行业逐渐走上了自主创新的道路，涌现出一批具有自主知识产权的产品和技术。在结构设计方面，国内研究者结合中国家庭环境特点，提出了一系列创新设计方案。例如，张等人开发了一种适用于小户型家庭的超薄型跑步机REF_Ref31890\r\h[8]，大大节省了空间占用如REF_Ref12529\h图2.4所示。这种设计通过优化框架结构和采用高强度轻质材料，实现了跑步机的轻薄化。图2.SEQ图\*ARABIC4轻薄款的家用跑步机具体来说，张团队采用了铝合金和碳纤维复合材料作为框架的主要材料，不仅减轻了设备的整体重量，还提高了其稳定性和耐用性。此外，该跑步机还采用了可折叠设计，用户在不使用时可以将其折叠存放，极大地节省了室内空间。这种设计特别适合中国城市中常见的紧凑型住宅，满足了小户型家庭的需求如REF_Ref12855\h图2.5所示。图2.SEQ图\*ARABIC5国产简约家用跑步机李和王则设计了一种可调节的跑台角度系统，使跑步机能够模拟不同坡度的地形如REF_Ref12944\h图2.6所示，增加了训练的多样性。这种设计通过电动调节机构和智能控制系统的结合，使用户能够轻松调整跑台角度，模拟山地、丘陵等不同地形。具体来说，李和王的团队开发了一种基于步进电机的角度调节系统REF_Ref31959\r\h[9]，用户可以通过控制面板或手机应用程序选择不同的坡度模式。例如，用户可以选择“山地模式”来模拟爬坡训练，或者选择“平地模式”进行常规跑步。这种设计不仅丰富了用户的训练内容，还提高了跑步机的实用性，使其能够满足不同用户的健身需求。图2.SEQ图\*ARABIC6可变换地形的跑步机在控制系统研究方面，国内学者也取得了显著进展。陈等人提出了一种基于神经网络的自适应速度控制系统，能够更准确地响应用户的运动需求。这种系统通过神经网络算法实时分析用户的运动数据，动态调整跑步机的速度，确保用户在最佳运动状态下进行锻炼。具体来说，陈团队开发了一种多传感器融合技术REF_Ref32027\r\h[10]，通过心率监测器、加速度传感器和压力传感器的协同工作，实时捕捉用户的运动状态。例如，当系统检测到用户心率过高时，会自动降低跑步机速度，以确保用户的安全；而当用户进入稳定状态时，系统则会根据预设的训练目标调整速度，帮助用户高效完成锻炼。刘和赵则开发了一种基于物联网技术的远程控制系统REF_Ref32070\r\h[11]，用户可以通过智能手机应用程序远程操控家用跑步机，大大提高了使用的便捷性。这种系统通过无线通信技术和云平台的结合，使用户能够随时随地监控和控制跑步机的运行状态。例如，用户可以在下班前通过手机应用程序提前启动跑步机，设置好训练模式和目标，到家后即可直接开始锻炼。此外，该系统还支持数据同步功能，用户可以通过应用程序查看自己的运动历史记录、消耗的卡路里等数据，帮助用户更好地管理自己的健身计划。在功能创新方面，国内研究注重结合中国传统文化和用户需求。例如，孙等人设计了一种集成中医理论的跑步机按摩系统REF_Ref32253\r\h[12]，可以在运动后为用户提供穴位按摩服务。这种设计通过在扶手上集成按摩头和智能控制系统，使用户在运动后能够享受中医按摩，缓解肌肉疲劳和促进血液循环。具体来说，孙团队开发了一种基于中医经络理论的按摩算法，能够根据用户的运动强度和疲劳程度，自动选择相应的按摩模式和力度。例如，当系统检测到用户腿部肌肉疲劳时，会自动启动足底按摩功能，帮助用户放松肌肉，促进恢复。周和李则开发了一套基于中国传统武术动作的跑步机训练程序REF_Ref32315\r\h[13]，为用户提供了独特的运动体验。这种程序通过模拟太极拳、八卦掌等传统武术动作，使用户在跑步机上能够进行多样化的运动训练。具体来说，周和团队开发了一种动作捕捉技术，能够将传统武术动作转化为跑步机的训练指令。例如，用户可以选择“太极拳模式”，在跑步机上进行缓慢而有节奏的运动，既能锻炼身体，又能感受中国传统文化的魅力。这种设计不仅增加了运动的趣味性，还为用户提供了一种全新的健身方式。尽管国内家用跑步机研究取得了长足进步，但仍面临一些挑战。首先，核心技术的自主研发能力有待进一步提高，部分关键部件仍依赖进口。例如，高性能电机和精密传感器等核心部件仍然需要从国外采购，这在一定程度上限制了国内产品的竞争力。其次，产品的同质化现象较为严重，创新设计能力不足。许多国内企业的产品在外观和功能上缺乏独特性，难以在激烈的市场竞争中脱颖而出。此外，家用跑步机的智能化水平与国外先进产品相比仍有差距，特别是在大数据分析和个性化服务方面还需加强。未来的研究方向可能会集中在提高自主研发能力、推动产品创新和提升智能化水平上，以增强国内家用跑步机产品的市场竞争力。主要研究内容本文将对国内外的跑步机的基本结构和设计展开详细介绍控制系统、减震系统、人机交互界面等。总体方案设计：根据家用跑步机的功率需求和运行特点，比较皮带传动、齿轮传动或直接驱动方式，选择合理的传动系统，，确保动力传输的平稳性和低噪音运行。运动分析设计：分析跑步的机械结构运动原理。关键零件设计：选择合适的电机类型（如直流电机或交流电机）；设计带传动机构；设计前后滚筒结构；优化调整跑步带的方式优化跑台的长度、宽度和材质，确保其适应不同用户的身高和步幅；；设计防滑、耐磨的跑带；结合人体工程学原理，设计符合用户握持习惯的扶手。有限元分析设计：结合有限元仿真分析技术，验证关键零部件的薄弱结构强度，保证使用安全。方案的选择与结构设计分析方案的选择传动方案的选择本文设计的家用跑步机最主要的是其传动，利用传动系统驱动折叠、爬坡、跑步台的运转，所以对于传动来说，其形式至关重要。具体方案对比如下图2-1所示。表2-1传动方案的对比传动形式优点缺点曲柄连杆传动造价低、结构简单、适用于往复摆动的工况，如冲压上料，承载能力较强。传动效率低，一般为70％-80％，往复摆动存在卡死点，需要进一步解决，往复摆动存在震动大的问题等。齿轮传动传动效率较高，一般效率可达95％-98％，传动精度高，传动系统的寿命较长。成本高，齿轮加工费时费力，精度要求高，噪音较大，刚性大，无缓冲动作。链传动传动比保持恒定，适合长距离的传动系统，耐高温，在较为恶劣环境中也可使用。链条容易松动，导致传动变形或者失效，链传动需要定期润滑，传动系统稳定性较差，存在波动现象。带传动运行平稳，成本较低，当过载时会自动打滑保护传动系统。传动效率较低，一般为85％-90％，皮带磨损大寿命短，易老化。综合以上对比分析，本文设计的跑步机需要运行平稳，让出现超载时，能起到过载保护功能，综合考虑跑步台的传动选择带传动，本次设计的同步带传动如下图2.1所示。图2.1同步带传动三维图驱动电机的选择（1）跑步台起升驱动减速电机图2.2跑步台起升驱动减速电机跑步台起升驱动减速电机采用24V无刷直流减速电机，具体形式如上图2.2所示。24V无刷直流减速电机结合了无刷电机和减速箱的技术优势，适用于多种低电压、高扭矩场景。优点：无电刷摩擦损耗，能量转换效率高（通常达85%-90%），减少发热；通过齿轮组降低转速、提升扭矩，适合需要高负载启动或持续大扭矩的应用；适合电池供电场景（如AGV小车、无人机），平衡功率与能耗；传统有刷电机因电刷磨损需定期更换，而无刷设计寿命可达数万小时；支持PWM或闭环控制（如霍尔传感器反馈），实现精确转速调节；无刷电机惯性小，加速/减速灵敏，适用于需要频繁启停的场景；电机与减速箱高度集成，节省空间，适合小型设备。（2）折叠驱动电机图2.3折叠驱动电机跑步台折叠驱动电机采用24V无刷电机，具体形式如上图2.3所示。无刷电机（BrushlessDCMotor，简称BLDC）是一种通过电子换向代替传统机械换向的电机，其特点显著优于传统有刷电机。优点：相同体积下输出功率更大，适合对能效敏感的应用，转子无绕组，定子线圈固定，抗振动和冲击能力强，无刷电机寿命可达

1万~5万小时，甚至更长，支持

PWM（脉宽调制）或FOC（磁场定向控制），实现宽范围平滑调速（转速比可达1:100以上）。无换向火花，减少电磁辐射，适合精密仪器或通信设备，无电刷与换向器摩擦的机械噪音，电磁噪声也通过优化磁场设计降低，通过增加磁极对数提升扭矩密度，优化低速性能。低转子惯量，启停和加速响应快（毫秒级），适用于伺服系统、机器人等场景。（3）行走轮轮毂电机图2.4行走轮轮毂电机跑步机行走采用4英寸单轴无刷无齿轮直流轮毂电机，具体结构形式如上图2.4所示。单轴无刷无齿轮直流轮毂电机是一种高度集成化的驱动装置，直接将电机嵌入车轮内部，省去传统传动系统（如齿轮、皮带或链条）。优点：无齿轮、链条或皮带，直接驱动车轮，减少机械部件数量，降低整体重量。电机与车轮一体化，节省安装空间，转子直接与轮毂相连，启动响应快，动态性能优异，省去齿轮传动环节，能量损耗减少约10%-15%，效率可达

85%-95%；无齿轮磨损、无电刷老化问题，使用寿命可达

2万~5万小时；支持12V/24V/48V等低压直流供电，兼容锂电池、太阳能等新能源系统；高动态响应，支持精准路径规划和避障；平稳启停、低振动，保障用户舒适性和安全性；轮毂结构天然防尘防水。整机结构设计与分析从动辊2-减震支腿3-跑步台基座4-跑步台起升驱动板5-行走轮跑步台起升驱动减速电机7-底座8-同步带传动系统9-爬坡驱动无刷电机10-主动辊控制电路板12-左竖支梁13-屏幕折叠驱动无刷电机14-辅屏15-显示屏左支架16-主屏17-显示屏右支架18-右竖支梁19-监测器20-行走皮带驱动减速器21-行走皮带驱动电机22-跑步主皮带支撑回转轴23-跑步皮带图2.5家用跑步机总体二维结构示意图家用跑步机总体结构如上图2.5所示，主要由从动辊、减震支腿、跑步台基座、跑步台起升驱动板、行走轮、跑步台起升驱动减速电机、底座、同步带传动系统、爬坡驱动无刷电机、主动辊、控制电路板、左竖支梁、屏幕折叠驱动无刷电机、辅屏、显示屏左支架、主屏、显示屏右支架、右竖支梁、监测器、行走皮带驱动减速器、行走皮带驱动电机、跑步主皮带支撑回转轴、跑步皮带等23个部分组成。家用跑步机整机工作实现自动化控制，通过电控系统控制电机工作，进而带动各个组件工作，实现整机功能。整个跑步机以跑步台基座3为基体，各个组件安装在基座上，基座下方设置一个底座组件7，用于支撑整个机器的折叠后的支撑体作用。首先驱动行走皮带驱动电机21和行走皮带驱动减速器20，经过同步带传动系统8把动力传递给跑步主动辊10，带动跑步皮带23和从动辊1转动，进而实现了跑步台面的旋转，通过控制驱动电机的转速，实现不同的跑步速度。整个跑步机设置左右两个爬坡驱动无刷电机9，通过连接板控制跑步台面呈一定角度倾斜，进而实现了爬坡功能。设置左右竖支梁12和18，然后通过屏幕折叠驱动无刷电机13与显示屏左右支架15和17连接，控制支架的收缩。图2.6家用跑步机总体三维结构示意图跑步机设置自走式，采用四个无轴无齿轮轮毂电机作为整个跑步机的行走轮实现自驱自走，跑步机中央设置一个检测器19，当运动人员出现摔倒等意外情况的时候，检测器能实时监测到人的情况，进而控制跑步机停止动作，起到了保护的作用。整个跑步机属于智能化控制，都是通过电机控制，同时，具有折叠功能，方便家用，节省空间，设置爬坡功能，不同调速控制实现高、中、低档跑步速度。整个机器集智能、爬坡、调速、折叠于一体的一种新型的家用跑步机。重要组件的结构设计与分析跑步驱动组件的结构设计与分析1-从动辊2-跑步主皮带支撑回转轴3-跑步皮带4-同步带5-小带轮6-行走皮带驱动电机7-行走皮带驱动减速器8-主动辊9-大带轮10-轴承图2.7家用跑步机跑步驱动组件二维结构示意图家用跑步机跑步驱动组件结构如上图2.7所示，主要由从动辊、跑步主皮带支撑回转轴、跑步皮带、同步带、小带轮、行走皮带驱动电机、行走皮带驱动减速器、主动辊、大带轮、轴承、等10个部分组成。图2.8家用跑步机跑步驱动组件三维结构示意图家用跑步机跑步驱动组件主要由左右两个行走皮带驱动电机6搭配行走皮带驱动减速器7通过带传动驱动主动辊8旋转，传动部分设计用同步带的形式，通过设置一定传动比的小带轮5，同步带4和大带轮9来实现带传动，把动力传递给主动辊，主动辊的转动进而驱动安装在上面的跑步皮带3旋转，带动从动辊1转动，实现整个跑步台面的功能。因为跑步皮带中间悬空，一定负载在上面会产生皮带下压，所以设置一排跑步主皮带支撑回转轴2用于支撑皮带的上侧，进而实现跑步台面可以满足一定的负载支撑。整个主动辊和从动辊通过轴承10安装在跑步台基座上的回转孔内，实现回转。以上就是整个家用跑步机驱动组件的功能。爬坡功能的设计与分析图2.9家用跑步机爬坡功能分析图爬坡功能分析如上图2.9所示，F为负载力，Ft为沿着斜面的分力，Fn为垂直斜面的正压力，α为爬坡角度。传输带负载对于斜面的正压力产生的摩擦阻力为：此阻力即为跑步皮带需要克服的阻力，即：皮带速度设定为v进而可求得爬坡消耗功率为：根据功率和转速进而求得传动系统的转速、总传动比和电机所需功率，为接下来电机和减速器选型提供一定数据公式支撑。图2.10跑步机爬坡准备阶段图2.11跑步机爬坡阶段家用跑步机跑步机爬坡功能阶段示意图如上图2.10和2.11所示。图2.10为跑步机爬坡准备阶段，此时跑步台处于水平状态，正常水平跑步。图2.11为跑步机爬坡阶段，跑步台处于倾斜一定的角度，即爬坡角度。图2.12跑步机爬坡阶段整个爬坡功能通过设置在左右竖梁的爬坡驱动电机驱动爬坡支架，爬坡支架围绕竖梁的回转点被电机驱动旋转，支架抬起，然后控制跑步平台翘起，实现跑步平台形成爬坡坡度。满足了爬坡的功能。折叠功能的设计与分析跑步台起升驱动座板2-跑步台起升驱动座回转底座3-跑步台起升驱动减速电机4-竖支梁5-屏幕折叠驱动无刷电机6-显示屏支架7-跑步台基座图2.13家用跑步机折叠功能分析图家用跑步机折叠功能分析图如上图2.13所示，主要由跑步台起升驱动座板、跑步台起升驱动座回转底座、跑步台起升驱动减速电机、竖支梁、屏幕折叠驱动无刷电机、显示屏支架、跑步台基座等7个部分组成。家用跑步机折叠功能是实现空间利用率的一种新型设计，本次设计具有折叠功能。具体功能实现由跑步台起升驱动减速电机3驱动跑步台起升驱动座板1来实现整个跑步台基座7的竖直折叠功能。显示屏支架6的折叠由左右设置的屏幕折叠驱动无刷电机5来驱动支架的竖直折叠。图2.14跑步机工作阶段图2.15跑步机折叠阶段家用跑步机跑步机折叠功能阶段示意图如上图2.14和2.15所示。图2.14为跑步机跑步阶段，此时跑步台处于水平状态，正常水平跑步。图2.15为跑步机折叠阶段，当跑步停止，需要折叠放置的时候驱动跑步机折叠，减少空间利用，方便放置。整个折叠功能通过折叠驱动电机带动跑步台起升驱动座下板旋转，进而控制跑步基座升起折叠，满足了折叠的功能。智能化控制组件图2.16跑步机智能化控制电路板家用跑步机智能化控制功能电路板如上图2.16所示，智能化控制主要是集中控制，通过电路板PLC程序集中控制整个家用跑步机的跑步台折叠驱动电机，行走皮带驱动电机，爬坡驱动电机，屏幕折叠驱动电机和单轴无刷无齿轮轮毂电机等。通过集中控制，智能化控制，实现整个跑步机的智能化。监测器组件图2.17跑步机监测器家用跑步机监测器结构如上图2.17所示，设置一个跑步监测器在跑步基座正前方，当跑步时出现意外情况如摔倒、磕碰、机器故障动作等情况，监测器可以实时监测到紧急情况，然后通过控制智能化控制模块，实现断电，进而停止机器的动作，保护运动人员的安全和机器的稳定使用。LED调速全触控制组件图2.18LED调速全触控制实物图图2.19LED调速全触控制三维图家用跑步机LED调速全触控制组件结构如上图2.18和2.19所示，设置一个LED调速全触屏主屏和辅屏，通过智能化控制模块实现触摸屏调速，同时对于跑步阶段的数据进行显示和计算。通过调速旋钮调节驱动电机的不同速度挡位，实现低速、中速和高速三个挡的速度切换模块。低速挡：速度范围：4-8km/h。适用于放松散步、热身或低强度有氧运动。中速挡：速度范围：8-12km/h。适用于减脂、中等强度有氧运动或心肺功能提升。高速挡：速度范围：12km/h以上。适用于高强度间歇训练（HIIT）、速度提升或专业级跑步需求。爬坡挡：坡度每增加1%，相当于速度提升约0.5-1km/h的强度。主动辊的设计与分析图2.20家用跑步机主动辊结构图家用跑步机主动辊是提供旋转的最主要的零件，它的强度和刚度直接决定跑步机系统的可靠性，本次设计的主动辊根据结构进行设计，然后再对强度进行校核。轴段L1和L7：安装从动大带轮和回转轴承，设置卡簧槽，直径d1=d7=20mm，根据带轮宽度、轴承宽度以及卡簧槽轴端距，设置L1=L7=53mm，同时此轴段设置一个键槽，键的尺寸为6mm×24mm，用来安装平键，使得轴与带轮配合。同时设置一个弹性挡圈槽，用于大带轮的轴端固定，弹性挡圈尺寸为20mm；轴端设置一个6204深沟球轴承位，用于支撑回转，6204宽度14mm，内径20mm。轴段L2和L6：过渡台阶，用于带轮的限位作用，设计直径d2=d6=30mm，设置L2=L6=7mm。轴段L3和L5：用于皮带的限位，设置直径d3=d5=120mm，根据实际设置宽度L3=L5=10mm。轴段L4：皮带安装位置，通过结构设计，选用皮带内径为φ110mm皮带，厚度为5mm，此段直径d4=110mm，设置L4=630mm。表2-2轴的直径和长度轴段1和72和63和54直径2030120110长度53710630整机参数的设计计算与选型校核基本参数设定调速范围：低速挡：速度范围：4-8km/h。中速挡：速度范围：8-12km/h。高速挡：速度范围：12km/h以上。计算时取最低档最低速4km/h计算，高速挡相应的提升电机转速。电机转速为1500r/min-3000r/min跑步最大驱动功率：1hp≈0.74KW（参考实际产品XENJOY/绝影家用跑步机的功率，即1hp。）跑步机最大承重：200kg最大爬坡角度：20°跑步主动辊转速计算已知：本次设计为可调速度的家用跑步机，分低速、中速和高速挡，每个速度都要经过电机-减速器-同步带传动，只需计算最低速度，相应的高速进行调节控制电机转速即可实现。本次取4km/h计算。所以：设计主动辊直径D=110mm所以主动辊转速为：爬坡受力分析与参数计算图3.1家用跑步机爬坡受力分析图爬坡受力分析图如上图3.1所示，F为负载力，Ft为沿着斜面的分力，Fn为垂直斜面的正压力，α为爬坡角度，本文设计最大爬坡角度为20°，设定摩擦系数为0.3，负载力即最大承重，为。传输带负载对于斜面的正压力产生的摩擦阻力为：此阻力即为跑步皮带需要克服的阻力，即：皮带速度进而可求得爬坡消耗功率为：传动系统的设计计算与选型传动系统总效率轴承的传递效率为：同步带传输效率为：电机输出传递效率为：跑步辊组件的传递效率为：则传动系统总传动效率为：传动比的分配已知：所以总传动比为：设计选用电机搭配减速器，减速器输出轴经过同步带传动，传递给主动辊组件，所以经过两级传动，减速器传动和同步带传动。经过分析此工况需要用电机搭配减速器，参照标准产品设计，本文初步选用减速器减速比为5.9的减速器搭配电机驱动传动系统。所以：所以电机的减速器输出转速为：即，小带轮的转速为：跑步辊电机的计算选型已知：跑步辊组件爬坡需要的驱动功率：0.68Kw，总传动效率：。所以跑步辊驱动功率为：因为采用两个电机驱动，所以单个电机的功率为：所以选用比此功率稍微大的功率的电机作为本次设计的跑步辊组件的驱动电机，同时需要搭配减速器，本文选用减速比为5.9。本次选用无刷直流24V减速电机，型号为：GP42-775-24V1500电机，功率为550W，电机负载额定转速为1500-4750r/min，搭配一个减速比为5.9的减速器。图3.2跑步辊组件驱动减速直流无刷电机示意图电机具体参数如下：表3-1电机参数表型号额定功率转速减速比输出转速额定电压GP42-775-24V1500550W1500-4750r/min5.9254r/min24V同步带的计算与选型确定计算功率Pd查阅机械设计手册同步带设计原则，查表可得到工作情况系数KA=1.4。其中：P为电机的驱动功率，也即电机的计算功率，上文计算为0.4KW。选择带型本文设计的家用跑步机采用带传动，结构简单、传动平稳、传递效率高且传动效果好。已知：根据计算得知的功率和小带轮的转速（与减速器输出轴一样的速度），由图3.3可以选择圆弧形同步带的型号为5M型。图3.3圆弧形同步带选型图确定同步带轮的基准直径上文计算同步小带轮转速为：带型为：5M型。查表确定小带轮齿数≥14。本文取Z1=30又因为带传动传动比为：所以大带轮的齿数为：小带轮的节圆直径为：其中：Pb为5M的带型的节距，为5mm。大带轮的节圆直径为：验证带速因为：满足要求。确定传动中心距a和带的基准长度根据代入得：得：取又因为：可得：选择基准长度实际的中心距：确定带宽其中：又因为标准带宽：取关键零部件的校核主动辊轴的校核1)驱动轴上的功率P、转速nP=0.4kW2)初步确定轴的最小直径：先初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为40Cr（调质），硬度为280HBW，根据表，取A0=98，于是得轴上的最小直径显然是安装轴承的，在轴上开有弹性挡圈槽，因此，为了开槽又不消耗轴的强度，可以使轴的直径增加5%以上，这样增加轴的尺寸，因而可以提高轴的工作强度。实际设计中最小轴段直径为20mm，故满足强度要求。键的校核针对驱动轴上的键进行校核，根据标准键槽轴径20mm，选取6的键，长度根据啮合大齿轮宽度设计。选用A型键，查表得b×h=6mm×6mm（GB/T1096-2003）,键长24mm。键的工作长度l=L-b=24-6=18mm轴材料为40Cr，键连接的许用挤压应力[σ]p=120MPa。主动辊轴所需扭矩为：键连接工作面的挤压应力故，满足强度要求。跑步机主要机构设计和三维建模跑步机机械装置的各模块功能原理分析和功能分解跑步台基座的设计建模图4.1跑步台基座跑步台基座总长1840mm，宽度770mm，跑步台基座整体中空，厚度8mm，上方左侧设置一个凸起平台，用于放置探测头和锻炼物品，凸起后，中空，用于安装跑步带驱动电机和同步带留有空间，主体上侧开设一个长1470mm宽654mm的开口，为跑步带的安装提供位置。基座前后两侧设置爬坡控制回转孔和主动辊、从动辊回转孔。因为整个跑步台基座需要承受整个运动的冲击，需要有一定的强度和刚度，同时要具有一定的稳定性，才能保证运动的长期使用，一般要选择具有较高强度和刚度的材料，保证平台强度及抗弯能力，本次设计选用不锈钢作为整个跑步台基座的材料，采用冲压的形式制作而成。如图4.1所示。爬坡驱动支架架体的设计建模图4.2爬坡驱动支架架体爬坡驱动支架架体是爬坡功能驱动的最关键的零件，通过电机驱动轴，进而控制支架绕着回转点回转提升跑步台基座。总长791mm，宽度336mm，厚度采用8mm的不锈钢板激光下料折弯而成。前后两侧设置同心的中心回转孔和爬坡提升基座平台的回转孔。因为需要承受较高的跑步冲击力，所以需要有较强的结构强度和稳定性，刚度也需满足要求，才能保证整个爬坡功能下的稳定性，才能长期使用。所以本次设计采用不锈钢作为本次爬坡驱动支架架体的材料。如上图4.2所示。底座的设计建模图4.3底座底座总长900mm，总宽700mm，厚度采用8mm不锈钢板冲压而成。设置中空形式，中间底侧设置一个台阶用于安装整体折叠的驱动电机支座，前后两侧设置四个行走轮安装位置，用于实现行走功能，左右两侧分别设置4个螺栓安装孔，用于安装跑步机的竖梁，台面上方设置一个起升折叠驱动板的位置孔，方便折叠功能的实现。整个底座作为整个跑步机最底侧的支撑座，需要承受较高的强度和刚度，需要具有强度、刚度和稳定性较强的材料才能满足整体的性能，本文设计选用材料为不锈钢板。如图4.3所示。竖支梁的设计建模图4.4竖支梁竖支梁总长1200mm，宽度140mm，左侧下部设置一个电机安装孔，用于安装爬坡驱动电机，设置螺栓安装孔和驱动轴工作孔位，右侧上部设置屏幕支架回转点，用于安装屏幕支架折叠电机驱动支架折叠。两个电机安装回转点中心距为1000mm。整个支架用于承载屏幕和运动行走跑步过程中扶住屏幕支架带来的力的冲击，所以需要一定的强度、刚度和稳定性才能保证整个支架稳定工作。因此本设计采用不锈钢作为整个竖支梁的基本材料。如上图4.4所示。显示屏支架的设计建模图4.5显示屏支架显示屏支架总长864mm，最大宽度140mm，主梁宽度88mm，厚度60mm，左侧设置一个显示屏支架折叠驱动电机安装位，用于驱动显示屏支架的折叠，设置螺栓安装孔和驱动轴工作孔位，电机安装回转点到最右侧回转点的中心距为垂直距离为750mm。整个显示屏支架用于承载屏幕和运动行走跑步中扶握的力，需要有一定的强度、刚度和稳定性才能保证整个支架稳定工作。因此本设计采用不锈钢作为整个竖支梁的基本材料。如上图4.5所示。主动辊的设计建模图4.6主动辊主动辊是提供跑步的最直接的驱动执行元件，通过皮带连接，与从动辊连接，在主动辊、从动辊和皮带的共同作用下，共同提供跑步的动力和条件。整个主动辊是由中心轴和外部的橡胶通过热熔成为一体支座而成，中间橡胶辊的尺寸为：φ110mm×650mm，左右两侧设置两个凸肩，用于固定皮带不偏位。中心轴两侧开设键槽和弹性挡圈槽，用于安装同步大带轮，进而驱动整个主动辊，左右最端侧设置一段轴承位，用于固定回转。整个主动辊需要保证整个转动系统的可靠性和承受跑步带来的冲击力，同时需要提供跑步带的速度，中心轴需要很高的强度和高度，同时胶辊需要有一定的挤压强度，本次设计中心轴采用45号钢材料，胶辊采用NBR丁晴橡胶作为材料。如上图4.6所示。跑步机装配效果（工作、爬坡和折叠分解）图4.7跑步机工作位图4.8跑步机爬坡位图4.9跑步机折叠位通过上述主要的机械和必要的辅助件相互配合，实现跑步机的跑步、爬坡、行走和折叠的功能，通过结构布局和配合关系，功能模块，最终完成整个跑步机的建模。参考文献Johnson,A.,&Smith,B.(2021).GlobalTreadmillMarke