浙大宁波理工非接触磁阻自行车训练架设计带机械图
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宁波理工学院毕业设计（论文）题 目 非接触磁阻自行车训练架 姓 名 刘 小 辉 学 号 3130612018 专业班级 13机械电子工程1班 指导教师 楼 应 侯 分 院 机电与能源工程分院 开题日期 2016 年 12月 24 日 摘 要非接触磁阻自行车训练架是一种应用广泛的健身器材。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非接触磁阻自行车训练架，以适应市场需求。本文主要对非接触磁阻自行车训练架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： 介绍了非接触磁阻自行车训练架的基本特征，指出了非接触磁阻自行车训练架的主要内容和难点，综述了非接触磁阻自行车训练架研究现状，论证了非接触磁阻自行车训练架市场化的必要性和重要意义。介绍了非接触磁阻自行车训练架的构成，工作原理。通过优化非接触磁阻自行车训练架设置方案，合理选材，合理设计非接触磁阻自行车训练架的工作流程及各级传动比的分配，设计开发新一代非接触磁阻自行车训练架装置。该健身器适用于家庭室内使用，价格低，功能多。关键词：非接触磁阻自行车训练架，自行车训练架，磁阻25AbstractThe utility model relates to a non-contact magnetic resistance bicycle training frame, which is a widely used body-building equipment. The existing body-building apparatus generally adopts a single function to carry out the exercise of a single part of the human body, and the adaptability to those who require the whole body to exercise is relatively poor, which directly affects the economic benefits of the production enterprise. For this reason, this paper puts forward the design of a non-contact magnetic resistance bicycle training frame to meet the needs of the market.This paper focuses on the non contact reluctance bicycle training starting from the frame actual demand for products now exist in small scale function defects, to achieve the family, multifunction, laid the foundation for the industrialization of operations.To this end, the main research work is as follows:Introduces the basic characteristics of bicycle frame non-contact reluctance training, pointed out that the non contact reluctance bicycle training the main content frame and the difficulty, summarized the non-contact reluctance bicycle training frame research, demonstrates the necessity of non-contact reluctance bicycle training market frame and importance.This paper introduces the structure and working principle of the non contact magnetic bicycle training frame.Through the optimization of non-contact reluctance bicycle training support setting scheme, reasonable selection, reasonable design of non contact magnetic distribution bicycle training frame work flow and transmission ratio at all levels, the design and development of a new generation of non contact magnetic bicycle training device.The utility model has the advantages of low cost and more functions.Key words: non contact magnetic bicycle training frame, bicycle training frame, magnetic resistance目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1健身器的意义11.2 我国健身器发展现状21.3 研究的目的和意义2第2章 非接触磁阻自行车训练架总体设计42.1 设计原则42.2 课题设计方案52.2.1支撑架的方案52.2.2固定自行车夹具方案52.2.3阻力装置的方案5第3章 系统设计及构架73.1 系统整体设计73.2 系统构架73.3 本章小结10第4章 非接触磁阻自行车训练架的阻力制动装置设计114.1 引言114.2 阻力制动系统114.3 阻力制动装置设计144.3.1有源I型电磁制动154.3.2 无源 II 型能耗制动非接触磁阻自行车训练架的阻力制动装置设计174.4 本章小结18第5章 非接触磁阻自行车训练架的设计说明195.1 非接触磁阻自行车训练架的原理195.2 非接触磁阻自行车训练架各部分的设计说明与计算195.3 销轴的设计及强度校核20结 论23参考文献24致 谢25第1章 绪论1.1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。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。 非接触磁阻自行车训练架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。非接触磁阻自行车训练架设计为自拟课题，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。1.2 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。1.3 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。运动可提高呼吸系统和心血管系统机能。科学实践证实，较长时间有节奏的深长呼吸，能使人体呼吸大量的氧气，吸收氧气量若超过平时的78倍，就可以抑制人体癌细胞的生长和繁殖。其次长跑锻炼还改善了心肌供氧状态，加快了心肌代谢，同时还使心肌肌纤维变粗，心收缩力增强，从而提高了心脏工作能力。运动锻炼有利于增强体质，防病治病。健身运动使血液循环加快，对排泄系统有害物质起到清洗作用，从而使有害物质难以在体内停留和扩散。健身有利于心情舒畅、精神愉快。利于培养克服困难，磨炼刻苦耐劳的顽强意志。提高记忆力。佐治亚理工学院一项最新的研究显示只需坚持每天20分钟的健身就可以提10%的记忆力。非接触磁阻自行车训练架，可以让人们在家里阳台也是以做健身运动，无污染，占地小，可快速收捡。这对快速健身、家庭健身和简易运动领域有巨大的贡献。第2章 非接触磁阻自行车训练架总体设计2.1 设计原则非接触磁阻自行车训练架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):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表 我国成年人人体主要尺寸和坐姿人体尺寸2.2 课题设计方案2.2.1支撑架的方案大多数支撑架（图1）都是合金材料，利用三角形具有稳定性采用三角形结构。2.2.2固定自行车夹具方案固定自行车夹具（图1）是通过螺钉往里面旋紧固定自行车后轮轴心。2.2.3阻力装置的方案（1）阻力装置是通过两块电磁铁固定在自行车后轮钢圈位置，保持20-30mm的距离。（2）阻力调节装置电路图（图2），通过改变两块磁铁间的电压从而改变后轮切割磁感线的难以程度。图2.1支撑架图2.2 阻力调节装置电路原理图第3章 系统设计及构架3.1 系统整体设计本论文提出设计一种无线无级控制的非接触磁阻自行车训练架如图3-1所示，包括运动健身器和上位机控制器；运动健身器由阻力模块、传感器模块、主控模块、多任务处理模块以及蓝牙模块组成，运动健身器的阻力模块实现了用户骑行阻力的无级调节，主控模块通过传感器和蓝牙反馈骑行速度和温度状态等信息给上位机控制器；上位机控制器包括显示模块、按键模块、信息存储模块、主控模块和蓝牙模块，其主控模块通过蓝牙模块无线控制运动健身器所产生的阻力大小，并接收运动健身器发送的信息。本论文设计的功能指标是用户在健身骑行的过程在能够无线无级控制骑行阻力，并且上位机上能够设置和存储不同运动者的身份信息，显示健身时间、实时速度、骑行距离、消耗的卡路里，对比训练效果等，可以满足各种用户的健身需求。图3-1 非接触磁阻自行车训练架系统整体设计3.2 系统构架本文讨论的非接触磁阻自行车训练架构架除了自行车本体和健身架之外，主要分为四个部分：（1）供电装置;（2）控制装置;（3）阻力制动装置;（4）上位机控制装置.这四个部分的前三个部分为本文主要研究的内容，现就其原理设计简述如下：（1）供电装置既然是设计，因而肯定需要电源才能实现控制电路和芯片的正常工作；在嵌入式有源 I 型电磁制动非接触磁阻自行车训练架中，能量的来源设计为外接电源，经过降压稳压电路，将外接电源转换为健身器所需要的安全电压之后，给控制板和电磁制动装置供电；由于该版需要外接电源，故称为有源非接触磁阻自行车训练架，当电源正常工作的时候，此有源电磁制动自行车则可以正常工作；在无源 II 型能耗制动非接触磁阻自行车训练架中，电源设计为自发电，所使用的发电机为永磁式三相感应发电机，其发电装置原理如图3-2 所示，设计的供电电路原理图如图 3-3 所示:图 3-2 发电装置原理图图3-3 供电电路原理图（2） 控制装置非接触磁阻自行车训练架的设计中最重要的电气部分就是控制装置，正是由于有控制装置的加入，电气调节方式的引入才使得原本的机械结构更加的智能，控制装置包括有电源管理模块、主控模块，蓝牙模块，测速模块，阻力控制模块，外围功能扩展模块等；电源管理模块保证整个电路板的供电，主控模块选用 ARM 系列，其内置模块如图3-4 所示，主控模块管理其它模块的运行，蓝牙模块实现了无线通讯，测速模块、阻力控制模块以及外围功能扩展模块等实现了测速、调阻、健身体验监控等功能。图3-4 主控芯片功能模块（3） 阻力制动装置有源 I 型非接触磁阻自行车训练架采用电磁制动装置为其主要的制动阻力机制，利用电磁铁产生的磁场和其对应的永磁铁磁场形成闭合的磁力线，置于其中的转动的金属盘在其形成的闭合磁场中产生涡流效应阻碍其转动，从而产生制动效果，此外随着骑行加快，飞轮带动铝盘的速度增加时切割磁场效率变高，产生较大的感应涡电流进而与磁场作用产生增强制动阻力的效果，其中电磁制动的电磁铁选用的是由锰锌系铁芯绕线圈组合而成，金属盘则设计为镂空铝盘；无源 II 型非接触磁阻自行车训练架采用能耗制动装置为其主要的制动阻力机制，利用对于用户骑行能量的消耗来达到产生制动阻力的效果，其原理首先将用户骑行的能量转化为电能，实现自发电供给控制板，通过控制芯片调节大功率或者大电阻器件来消耗电能，随着电能的消耗即用户骑行能量的消耗，用户便感受到了骑行的阻力，此种制动效果在理论上可以达到类似抱死效果，其中能耗制动的能量消耗是通过选择的六块大功率 IGBT 管的导通实现的，通过选用大散热片以及风扇配合其同时工作来降低温度。（4） 上位机控制装置 在开发有源 I 型非接触磁阻自行车训练架时，同步开发的上位机控制装置是基于 ARM 主控芯片自主设计开发手持控制器，是由按键模块，信息存储模块，显示模块和主控模块以及蓝牙模块组成，可以设置和存储不同运动者的身份信息，无线无级控制骑行阻力，并且能够显示健身时间、实时速度、骑行距离、消耗的卡路里，对比训练效果等，可以满足各种用户的健身需求；在开发无源 II 型非接触磁阻自行车训练架时，将上位机控制装置做到了手机、平板此类便携式电子产品上，使用手机和平板内置的硬件配置，只需编写相应的应用软件即可实现，其除了拥有前面开发的手持控制器显示用户各类健身指标的功能外，还可以加入音乐播放和视频实景骑行功能，让用户再骑行的同时既可以听听音乐或者也可以看看风景，其道路的路况也可以通过对健身器的控制同时模拟出骑行效果，后期还可以加入网络互动游戏，与同平台上的用户进行竞赛骑行，其智能性和可扩展功能是有源 I 型无法实现的。3.3 本章小结本章主要介绍了非接触磁阻自行车训练架的整体规划设计，对系统构架的四个部分进行了原理设计分析，接下来会详细介绍本论文设计的两款非接触磁阻自行车训练架的阻力制动装置。第4章 非接触磁阻自行车训练架的阻力制动装置设计4.1 引言在使用非接触磁阻自行车训练架过程中，其关键的部分是的骑行阻力的产生，因此非接触磁阻自行车训练架设计的关键部分是阻力制动装置，本文首先介绍了各类制动技术的原理，并使用其中的电磁涡流制动和能耗制动原理设计两款非接触磁阻自行车训练架的阻力制动装置。 4.2 阻力制动系统在市场上的自行车健身装置中，其自行车脚踏板的阻力主要由非接触磁阻自行车训练架内部的制动系统提供，由于其制动方法的不同，其阻力特性控制方法也不尽相同。制动的方式主要可以分为两大种，其一为机械式制动方式，即利用机械的摩擦力作为制动，因此具有摩擦损耗、灰尘的污染与噪音等缺点；其二为电气式制动方式，利用电气能量转换或消耗的方式加以制动，在电气式制动方式中，根据不同的制动原理又可以分为：（1）逆相制动（2）再生制动（3）磁粉式制动（4）磁滞制动（5）电磁涡流制动（6）能耗制动等；电气式制动方式较机械式制动方式优势很大，机械式制动会造成零件的损耗，而电气式则无任何损耗；所以近年来，电气式自行车健身装置已基本取代传统机械式自行车健身装置，以实现无摩擦、无损耗和无噪音的骑行阻力控制。这里就几种不同的制动方式做出简单的说明和比较。（1）逆相制动 逆相制动，利用发电机本身产生制动。将发电机的电源逆向反接，将原有发电机转换为电动机形式，会产生与运动方向相反的力，如此便可以达到制动效果。此种制动方式，需考虑旋转电机的相位、频率与电压大小，以控制反向转矩，故其电路构架复杂且需多组传感器测旋转电机的动态行为，这个是其主要的缺点。在设计时，需考虑旋转电机的动能为零时，其电路需作其它形式的制动方式，使其不至于受电动机形式的惯性影响，而继续逆向转动。在逆向制动时，旋转电机的一部分动能消耗与电枢之中，以热能的形式散逸，同时电枢上的多次谐波会产生噪音，因而旋转电机的机构设计需要特别考量。2）再生制动 再生制动，主要是利用本身电动机在相反的运转操作下，将电力反馈与电源系统中，供系统回收再利用，是相当符合环保与经济效益的一直制动方式，普遍运用于铁路系统中，但其电路控制复杂，所回收的电能需要再经过处理才能回收利用，并且低速时制动能力低为主要缺点。 （3）磁粉式制动磁粉式制动，是将旋转电机的定子与转子间填入磁粉粒，其定子绕上电磁感应线圈，当感应线圈导入电流时，产生磁力吸力磁粉粒，使其阻止转子旋转达到制动功能，如图4-1所示，然而随着转子的转动，转子与磁粉粒相互摩擦，产生相当程度的热能，此外磁粉因摩擦而遭到破坏，使得其整体寿命明显降低。图 4-1 粉式制动示意图（4）磁滞制动磁滞制动为外加的制动器，因磁性材料受到磁场正反方向交替作用后，使其磁化曲线在经过一个磁化周期产生扩大效应，而磁滞曲线所包含的面积即是磁滞损失，最后以热的形式散步在磁滞环上，磁滞制动在高速时，制动转矩低。 （5）电磁涡流制动电磁涡流制动，主要是利用电磁铁产生的磁场与导磁性物质形成闭合的磁力线，而产生磁力来产生制动效，此种制动方法构架简单，属非接触式制动方式，无摩擦损失，也可当做其它制动的辅助制动系统，以解决制动力不足的情况；一般在制动形式的运用上，会因为电磁铁与导磁性物质互相运动，从而造成磁场切割，此时会在导磁性物质上感应出涡电流，进而与磁场作用产生涡流制动。因此电磁制动通常伴随着涡流制动，只是涡流制动程度大小，随着导磁性物质的导电率与运动速度而递增；涡电流制动其主要是利用导体运动切割磁场时，于导体中感应出涡电流，进而与磁场作用产生制动，同时将导体的动能转换为热能，此热能也是涡电流损失，所以需要注意其散热问题。电磁涡流制动示意图如图4-2 所示，此种制动方式构架简单，属于非接触制动方式，无摩擦损失，其制动能力与电磁铁的通电电流大小以及金属盘的运动速度有关，制动能力随着通电电流的增大，金属片转动速度加快而增加，因此在低压低速运动时，其制动效果较差，当速度为零时，其制动能力为零。图 4-2 涡流制动示意图（6）能耗制动能耗制动是将人体踩动旋转电机的动能转化为电能后，将此电能利用电路切换至一个或多个具有电阻性消耗的回路上，使的动能直转电能后直接消耗掉转换为了热能；这种形式的制动方式能够产生的制动效果较为明显，甚至可以达至抱死效果，但是该制动方式需考虑散热的问题以避免电阻或大功率器件过热造成电阻本身或电路回路的损毁。利用此种制动方式消耗较大的骑行动能时，其电阻或者大功率器件与其散热装置需要占用相当大的空间，为该制动的缺点之一。在不同的应用场合下，选择适当的制动方式，不但可以减少日后设计和控制上所面临的问题，并且如果实现了成本的降低与整体性能的提高，就会更加凸显产品的品质需求与实用性。针对不同形式的制动方式进行比较，如表 3-1 所示。在一般健身车中，比较常见的制动形式，是以机械制动为主要产品，但其摩擦损耗、灰尘的污染与噪音的缺点却为人们所诟病。电气式制动方式中，符合健身脚踏车的高转矩与无消耗损失的要求有：逆向制动、磁滞制动、电磁涡流制动和能耗制动等；然而逆向制动其控制复杂，相对其系统稳定性大幅降低，因此在大量制造产品时，此种制动系统极少被采用，而磁滞制动在低转速下，其制动能力相对比电磁涡流制动高，但整体制动转矩却远小于电磁涡流制动。对健身车而言，由于使用者需求性不同，所以在设计上所需的制动范围较宽广，因此电磁涡流制动在健身车的应用上远优于磁滞制动。同时电磁涡流制动架构简单并且制造成本低，无摩擦损失与噪音问题兼具环保优点，因而极适合应用在健身车中。此外电磁涡流制动其构造上属非接触式制动方式，其利用磁场和涡流效应产生制动的功效，所以在健身车的应用上，使用此种制动原理的健身车常被称为磁控健身车；因而本论文设计的有源 I 型非接触磁阻自行车训练架使用的是电磁涡流制动原理，此外考虑到创新性，为了充分利用用户骑行的能量，增加了自发电设计，无源 II 型非接触磁阻自行车训练架选择能量消耗的制动方式作为制动装置。表4-1 各类形式的制动方式比较4.3 阻力制动装置设计针对市场进行深入调研后，本文设计出了两款非接触磁阻自行车训练架制动装置：第一款为有源 I 型电磁制动非接触磁阻自行车训练架，根据市场普遍采用的电磁制动阻力制动方式，加入电气部分使之成为智能可视化无线无级可调的非接触磁阻自行车训练架；第二款为无源 II 型能耗制动非接触磁阻自行车训练架，供电方式升级为自发电，阻力制动装置原理改为能耗制动，通过对人为骑行产生的能量的消耗产生制动，骑行产生的电能和功率管消耗电能形成一种循环，此种设计阻力制动效果理论上可以实现最大化的抱死效果，并且继承了有源 I 型其它的智能特性。这两款非接触磁阻自行车训练架的设计效果图如图4-3 所示，外观结构类似，但是内部结构原理完全不同，图4-3（a）为有源电磁制动非接触磁阻自行车训练架，图 4-3（b）为无源能耗制动非接触磁阻自行车训练架。图4-3 （a）有源电磁制动非接触磁阻自行车训练架 图4-3（b）无源能耗制动非接触磁阻自行车训练架4.3.1有源I型电磁制动非接触磁阻自行车训练架的阻力制动装置设计有源 I 型电磁制动自行车健身设计包含有后轮固定支架，滚筒滚轮、带有蓝牙的控制电路板，以及由六组电磁铁组和铝盘组成的一套电磁制动装置。其核心为自行车运动训练器的电磁制动装置。非接触磁阻自行车训练架除了塑料外型结构外，如图4-4 所示，从右往左分为为磁阻控制电路板，配重圆形铁块，心轴，心轴座， 6个并联的电磁铁，固定在心轴上的散热风扇，旋转铝盘，与电磁铁一一对应的 6 个永磁铁，圆环铁片，固定铝盘的散热风扇。图4-4 非接触磁阻自行车训练架剖视图其中电磁制动阻力结构如图4-5 所示，自主设计的磁控组主要由电磁铁、永磁铁和铝盘组成；电磁铁为六组圆柱体，均匀分布一圈，内部铜线绕向间隔相反，永磁铁位于其上方，N-S 交错排列，与其一一对应，铝盘置于两者之间；永磁铁的 N-S 交错设计可以产生大量的闭合磁感线，而对应的电磁铁可以再次增强磁场的闭合程度，拉伸磁感线。图4-5 电磁制动阻力结构此外铝盘的选择，并非随意一种金属盘，阻力的产生并不需要靠磁铁对金属的吸力，因为吸力的方向与转动的方向垂直，理论上没有任何阻碍金属盘转动的效果，实际上是转动的铝盘在闭合的磁场中不断的切割磁感线，表面形成大量的小磁场与外界磁场相互作用，产生了一种保持铝盘原状即阻碍其转动的效果，选择铁盘等易磁化的材质反而会影响闭合磁场，影响阻力效果，而铝不易磁化但却仍有涡流效应，这种特有的属性决定了这里采用的是铝盘；本文提到的铝盘直接采用平面结构，与上下磁场的间隙只有 2.5mm，使得闭合磁场接触面最大化，在保证接触面的情况下为了使得磁场穿透闭合，在其上设计出镂空花纹，即美观又专业，纹路的设计是经过大量实验测试和仔细考量，既保证了磁力线的穿透闭合效果，又确保了散热，理论上使得阻力效果最大化。4.3.2 无源 II 型能耗制动非接触磁阻自行车训练架的阻力制动装置设计无源 II 型能耗制动非接触磁阻自行车训练架的结构设计与有源 I 型对比，首要的不同点在于增加了发电装置，用图4-4 非接触磁阻自行车训练架来说明，取消其左则磁阻制动模块置换为发电模块，如图4-6（a）为设计的定子总成结构，图4-6（b）为发电工作原理图；转子总连接在健身器的转动滚轮上，一旦用户骑行，转子在定子磁场中切割磁感线输出电流，本文设计的发电装置为三相交流发电机，即输出的电能为三相交流电。图4-6 （a）定子总成 图4-6 (b)发电工作原理图此外第二个不同点是改变了阻力制动装置，由于自发电模块已经占用了健身器一定的空间，因此这里需要考虑更换骑行阻力的产生方式，有源 I 型磁阻制动方式需要较大的空间明显不再符合条件，并且其制动效果也受制于供电大小，经过查阅对比相关文献后，本文设计出以能耗制动为原理的阻力制动装置，在图4-4 非接触磁阻自行车训练架右侧顶部设计出六块大功率管来消耗用户骑行的电能，并配备大散热片以及风扇来解决散热问题，其结构设计如图4-7 所示。图4-7六个IGBT 功率管组成的能耗制动模块设计六块 IGBT 功率管以两两串联、最终三组并联方式接入到控制板中，此种接法是经过实验论证得出的最优结果，在用户在骑行的自发电自供电的基础上，将用户骑行产生的电能经过一系列的整流稳压电路供给控制板，控制板的主控芯片连续控制六块功率管的开通状态，通过功率管来消耗骑行产生的电能来实现用户骑行中的制动阻力，能耗制动的原理理论上可以实现抱死的效果，保证了阻力制动的效果和用户的骑行体验；从能量转化原理的角度考虑，用户骑行的动能首先转化为了电能，最后又通过功率管将电能转化为了热能，即通过这种能量消耗的方式达到用户健身的目的。4.4 本章小结本章详细介绍了两款非接触磁阻自行车训练架的阻力制动装置的设计，阻力制动装置的设计完成为接下来便携式非接触磁阻自行车训练架的系统的硬件和软件设计奠定了基础。第5章 非接触磁阻自行车训练架的设计说明5.1 非接触磁阻自行车训练架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。5.2 非接触磁阻自行车训练架各部分的设计说明与计算非接触磁阻自行车训练架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功能.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。 5.3 销轴的设计及强度校核按弯扭合成应力校核轴的强度设计销轴的尺寸由参考文献1 公式152 圆周力Ft = 径向力Fr = 轴向力 2. 各力分析 =322N=4970N 图5.2 轴受力总图图5.3 轴H面受力及力矩图 图5.4 V面受力及力矩分析图图5.5 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。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。此次非接触磁阻自行车训练架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助。所以，我很用心的把它完成。在设计中体味艰辛，在艰辛中体味快乐。奥运会的成功举办更是带火了体育及其周边产业。健身器的设计随着科学技术的发展和经济竞争的日趋激烈正发生着根本性的变革。体育消费关系到国家体育地位，可以体现国家综合国力水平，提高国家的全民体育水平。通过本次设计我可以更加系统的了解多功能健身器方面的知识；能够加强家庭多功能健身器结构设计能够加强家庭多功能健身器功能部件的选型和设计计算；能够加强家庭多功能健身器的方法和理论；能够检验自己能否将四年学习的理论知识转化为实际应用；能够培养自己自学和与人合作的能力。最后，我要感谢我的指导老师，他对我的毕业设计提供了极大的帮助，这让我很感动，在张
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