多功能健身器的設(shè)計(jì)【機(jī)械設(shè)計(jì)含18張CAD圖+說明書】
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多功能健身器設(shè)計(jì)
摘 要：隨著世界城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的迅速提高，城市居民的健康意識(shí)逐漸 增強(qiáng)，健身也成為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾M成部分。健身器的出現(xiàn)尤其是室內(nèi)健身器材起到了足不出戶也可以鍛煉身體的作用。然而，現(xiàn)有的健身器一般都功能單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只能對(duì)身體單一部位進(jìn)行鍛煉，滿足不了健身者對(duì)多方面健身的要求，直接影響了生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。為此，該課題提出設(shè)計(jì)一部用多功能健身器，以適應(yīng)市場(chǎng)需求。本文主要對(duì)多功能健身器從實(shí)際健身者需求著手，意在實(shí)現(xiàn)健身的大眾化、多功能化，一機(jī)多用，為消費(fèi)者減少經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。本課題介紹了多功能健身器的基本特征，介紹了多功能健身器的構(gòu)成，工作原理。指出了多功能健身器的主要內(nèi)容，綜述了多功能健身器研究現(xiàn)狀，比較設(shè)計(jì)出市場(chǎng)所需求的家庭多功能健身器產(chǎn)品類型。
關(guān)鍵詞：鍛煉；多功能；健身器；機(jī)構(gòu)
Multifunctional body-building device design
Abstract: With the development of economy of world cities and rapid improvement in people's living standard, city residents' health consciousness gradually strengthened, fitness has become an important part in People's Daily life. Machines appear especially indoor fitness equipment rose to never leave home can also exercise the body. , however, the existing machines are generally single function, simple structure, can only single parts to exercise to the body, can't satisfy the fitness person of various fitness requirements, directly affect the economic efficiency of the production enterprises. Therefore, the subject puts forward design a multi-function machines, to adapt to market demand. This article mainly to the multi start from actual fitness person demand, to achieve fitness popularization, muti_function change, multi-usage, reduce the economic burden for consumers. This subject introduces the basic characteristics of the multi, multi is introduced the composition, working principle. Points out the main content of the multi, multi research status were reviewed, comparison of design to the market demand by households multi product type.
Keyword: exercise； multifunctional; body-building; mechanism
1 前言
1.1 方案確定與分析
體育健身器械的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是一門實(shí)踐性的課題，我在確定方案的時(shí)候做了許多的市場(chǎng)調(diào)查，并在網(wǎng)上收集了許多相關(guān)的資料。除此之外，我還走訪了許多的健身教練及健身愛好者，最后在老師的指導(dǎo)下，經(jīng)過我仔細(xì)的思考最終確定了這次設(shè)計(jì)的思路：由于目前市場(chǎng)上的健身器械大多是單人多功能健身器械，好多一味追求功能的齊全，有的產(chǎn)品甚至包含了十八種功能，這樣就造成了許多功能的閑置，而由于設(shè)計(jì)復(fù)雜，工作時(shí)常出現(xiàn)故障，維修困難。隨著人們生活水平的提高，大眾健身的意識(shí)越來越強(qiáng)，高校，社區(qū)紛紛開設(shè)了健身房，但由于目前中國(guó)人們的消費(fèi)水平還不滿足人人到健身房消費(fèi)，雖然健身器械看起來還是有點(diǎn)超出普通人的消費(fèi)水平，但依然比去健身房實(shí)惠，而且能更加方便，所以以后的產(chǎn)品針對(duì)的人是大部分的白領(lǐng)，及以上夠消費(fèi)的人群。他們由于時(shí)間的原因，去健身房不大適合時(shí)間安排，而且他們也消費(fèi)得起，同時(shí)由于中國(guó)人口眾多，人均房屋面積底下，同時(shí)造成房?jī)r(jià)暴漲，現(xiàn)在的讓人們普遍住在商品房里面，所以空間有限，所以我在設(shè)計(jì)的時(shí)候明確了自己設(shè)計(jì)的方向，要求作品結(jié)構(gòu)緊湊，相對(duì)占地較小，安全性能高，能滿足人們對(duì)多種肌肉的鍛煉，一方面增加鍛煉的多功能性，另一方面也讓人們舒適鍛煉，方便鍛煉。為此在功能上進(jìn)行優(yōu)化選擇，將一些不常用的功能刪除，提高器械的使用效率，節(jié)約資源，以符合人們健身的需求。
我設(shè)計(jì)的是一款多功能的單人健身器，它雖然只提供單人健身鍛煉但是他提供了多項(xiàng)功能。同時(shí)據(jù)我的調(diào)查，現(xiàn)在人們普遍鍛煉的肌肉是：胸肌，肱二頭肌，肱三頭肌，以及腿大肌。我設(shè)計(jì)的單人多功能健身機(jī)可以提供一下四種鍛煉：腿部鍛煉，腰部鍛煉，做手向前的鍛煉，以及人站立手拉拉桿的鍛煉。這四種功能集成起來，就會(huì)使得器械整體比較協(xié)調(diào)，而且看起來特別美觀（鍛煉的機(jī)構(gòu)分別在器械的上面，中間，和下面），這樣就可以鍛煉的多塊肌肉如：胸大肌，腿大肌，趾長(zhǎng)肌，股直肌，肱二頭肌，肱三頭肌，斜方肌，三角肌，背闊肌等肌肉。
1.2 設(shè)計(jì)要求
根據(jù)健身器械的要求，作品應(yīng)滿足一下要求：
1）只能提供單人鍛煉，但為多功能器械；
2）安全可靠，工作平穩(wěn)，無噪聲；鍛煉量可調(diào)節(jié)，每級(jí)10kg，操作方便；
3）設(shè)計(jì)合理，解決目前市場(chǎng)上健身機(jī)械的設(shè)計(jì)不足 ，并便于生產(chǎn)制造；
4）外型美觀，采用拼裝結(jié)構(gòu)，便于包裝運(yùn)輸；
5）選材合理，經(jīng)濟(jì)性能好，造價(jià)控制在3000元范圍內(nèi)。
圖1 三維效果圖
Fig.1 3D Efect
6）總體方案分析：手臂鍛煉機(jī)構(gòu)通過拉手操作配重的上下移動(dòng)，以達(dá)到鍛煉效果。腿部鍛煉機(jī)構(gòu)由鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸（包括軸承、軸承座）和飛輪組成，腿部的運(yùn)動(dòng)通過鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將能量傳遞并儲(chǔ)存到飛輪，進(jìn)而飛輪把儲(chǔ)存的能量反過來傳遞到小鏈輪上，鏈動(dòng)腿部運(yùn)動(dòng)起來腰部鍛煉機(jī)構(gòu)由座椅、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、座椅固定架和彈簧組成，利用曲柄滑塊和彈簧實(shí)現(xiàn)腰部的復(fù)返運(yùn)動(dòng)。
1.3 整體結(jié)構(gòu)
1.3.1 手臂鍛煉機(jī)構(gòu)及機(jī)架
手臂鍛煉機(jī)構(gòu)及機(jī)架由底座、立柱、支架、拉手、鋼絲繩、雙導(dǎo)桿、配和調(diào)節(jié)桿組成，機(jī)架為整個(gè)機(jī)構(gòu)提供一個(gè)有效組合的平臺(tái)，手臂鍛煉機(jī)構(gòu)通過拉手操作配重的上下移動(dòng)，以達(dá)到鍛煉效果。
1.3.2 腿部鍛煉機(jī)構(gòu)
腿部鍛煉機(jī)構(gòu)由鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸（包括軸承、軸承座）和飛輪組成，腿部的運(yùn)動(dòng)通過鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將能量傳遞并儲(chǔ)存到飛輪，進(jìn)而飛輪把儲(chǔ)存的能量反過來傳遞到小鏈輪上，鏈動(dòng)腿部運(yùn)動(dòng)起來。
1.3.3 腰部鍛煉機(jī)構(gòu)
腰部鍛煉機(jī)構(gòu)由座椅、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、座椅固定架和彈簧組成。通過靠背（即曲柄）向后的轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈動(dòng)滑塊和彈簧（彈簧掛鉤一端固定在機(jī)架，另一端固定在滑塊上）移動(dòng)，彈簧受力之后，進(jìn)而將滑塊拉回原處。
雖然單人多功能健身器由上面這幾部分組成，但在具體裝配過程中依然可能會(huì)有些許的變動(dòng)，因?yàn)樗婕暗玫搅慵呐浜详P(guān)系，以及當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境。
同時(shí)結(jié)合市場(chǎng)以及健身房里的健身器械，雖大部分都屬于單人多功能型的，但由于某些體育公司為了謀求利益使得器械的強(qiáng)度達(dá)不到應(yīng)有的強(qiáng)度要求，由此一旦器械壞了，將造成器械維修麻煩和器械的使用壽命不高等。所以在我的設(shè)計(jì)中非常注意材料的選擇，只有注意了這方面才能有效地提高器械的性價(jià)比。
2 腿部鍛煉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 傳動(dòng)方案的選擇[2]
腿部鍛煉機(jī)構(gòu)采用機(jī)械傳動(dòng)的形式，帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)為兩種可供考慮的方案。
2.1.1 方案一:采用帶傳動(dòng)方式
定義：帶傳動(dòng)是一種撓性傳動(dòng)。帶傳動(dòng)的基本組成零件為帶輪和傳動(dòng)帶。當(dāng)主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，利用帶輪和傳動(dòng)帶間的摩擦和嚙合作用，將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力通過傳動(dòng)帶傳遞給從動(dòng)帶輪。
傳動(dòng)原理：以張緊在至少兩輪上帶作為中間撓性件，靠帶與輪接觸面間產(chǎn)生摩擦力來傳遞運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力
優(yōu)點(diǎn)：1）有過載保護(hù)作用 ，過載時(shí)帶在帶輪上打滑，可以防止其它器件損壞2）傳動(dòng)帶具有良好的彈性，能緩沖吸振，尤其是V帶沒有接頭，傳動(dòng)較平穩(wěn)，噪聲小 3）運(yùn)行平穩(wěn)無噪音 4）適于遠(yuǎn)距離傳動(dòng)（=15m） 5）制造、安裝精度要求不高
缺點(diǎn)：1）有彈性滑動(dòng)使傳動(dòng)比i不恒定 2）張緊力較大（與嚙合傳動(dòng)相比）軸上壓力較大 3）結(jié)構(gòu)尺寸較大、不緊湊 4）打滑，使帶壽命較短 5）帶與帶輪間會(huì)產(chǎn)生摩擦放電現(xiàn)象，不適宜高溫、易燃、易爆的場(chǎng)合。
2.1.2 方案二：采用鏈傳動(dòng)方式
定義：鏈傳動(dòng)也是一種撓性傳動(dòng)。它由鏈條和鏈輪組成。通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。
工作原理：靠?jī)奢嗛g的鏈條（中間撓性元件）嚙合來傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)。
優(yōu)點(diǎn)：①平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，無滑動(dòng) ②結(jié)構(gòu)緊湊，軸上壓力Q小 ?、蹅鲃?dòng)效率高η=98% ?、艹休d能力高P=100KW ⑤可傳遞遠(yuǎn)距離傳動(dòng)=5～６m，可用于溫度高、環(huán)境惡劣的場(chǎng)合 ?、蕹杀镜?
缺點(diǎn)：①瞬時(shí)傳動(dòng)比不恒定 ②傳動(dòng)不平穩(wěn) ?、蹅鲃?dòng)時(shí)有噪音、沖擊
比較方案一和方案二，健身器為室內(nèi)型器材，要求運(yùn)行平穩(wěn)且無噪聲和沖擊，有過載保護(hù)和緩沖吸振的作用。綜上所述，初步確定方案二較為合理，即采用鏈傳動(dòng)的方案。
2.2 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
采用短節(jié)距精密滾子鏈。滾子鏈常用于傳動(dòng)系統(tǒng)的低速級(jí)，一般傳遞的功率在100kW以下，鏈速不超過15m/s，推薦使用的最大傳動(dòng)比imax=8。
根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定主動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)速n1=60r/min，傳動(dòng)比i=2，鏈傳動(dòng)所需傳遞的功率為P=1kW。
2.2.1 選擇鏈輪齒數(shù)
取小鏈輪齒數(shù)z1=19，大鏈輪齒數(shù)為z2=i·z1=2×19=38。
2.2.2 確定計(jì)算功率
由機(jī)械原理查得KA=1.0，由機(jī)械設(shè)計(jì)查得KZ=1.35，單排鏈，則計(jì)算功率為
Pca=KAKZP=1.0×1.35×1kW=1.35kW
2.2.3 選擇鏈條型號(hào)和節(jié)距
根據(jù)Pca=1.35kW及n1=60r/min查機(jī)械手冊(cè)，可選16A-1。查機(jī)械手冊(cè)，鏈條節(jié)距為 p=25.4mm。
2.2.4 計(jì)算鏈節(jié)數(shù)和中心距
初選中心距a0=（30～50）p=（30～50）×25.4mm=762～1270mm
取a0=800mm，相應(yīng)的鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)為
Lp0 = 2a0/p + （z1+z2）/2 + [(z2-z1)/2π]2p/a0 =91.78
取鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)Lp=92節(jié)。
查機(jī)械原理得到中心距計(jì)算系數(shù)f1=0.24883,則鏈傳動(dòng)的最大中心距為
a=f1p[2Lp-(z1+z2)]=0.24883×25.4×[2×92-(19+38）]=802.68≈800
2.2.5 計(jì)算鏈速v，確定潤(rùn)滑方式
v=n1z1p/(60×1000)=60×19×25.4/(60×1000)m/s≈0.5m/s
由v=0.5m/s和鏈號(hào)16A-1，查機(jī)械手冊(cè)可知應(yīng)采用定期人工潤(rùn)滑。
2.2.6 計(jì)算壓軸力Fp
有效圓周力為Fe=1000p/v=1000×1/0.5=2000N
鏈輪垂直布置時(shí)的壓軸力系數(shù)KFP=1.05，則壓軸力為
Fp≈KFPFe=1.05×2000=2100N
2.2.7 鏈輪的結(jié)構(gòu)
小鏈輪制成整體式，大鏈輪制成孔板式。
2.2.8 鏈輪的材料
鏈輪輪齒要具有足夠的耐磨性和強(qiáng)度。由于小鏈輪輪齒的嚙合次數(shù)比大鏈輪多，所受的沖擊也較大，故小鏈輪應(yīng)采用較好的材料制造。由機(jī)械手冊(cè)可知，小鏈輪采用15號(hào)鋼，大鏈輪采用20號(hào)鋼，熱處理方式為滲碳、淬火和回火，熱處理后的硬度為50～60 HRC。
2.3 軸的設(shè)計(jì)
2.3.1 求輸出軸上的功率，轉(zhuǎn)速，扭矩和彎矩M
若取每級(jí)傳動(dòng)的效率（包括軸承效率在內(nèi)），則
又 （1）
（2）
于是=9550000=74808N·mm （3）
（4）
N·mm （5）
2.3.2 求作用在軸上的力
傳動(dòng)軸主要受一對(duì)平衡力的作用，即鏈傳動(dòng)對(duì)軸的壓軸力和兩個(gè)軸承對(duì)它的支撐力。示意圖見后文。
確定軸的最小直徑
先按公式（15-2）[3]初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表15-3[2]，取，于是得
（6）
輸出軸的最小直徑顯然是安裝飛輪處軸的直徑和,故取==28mm
2.3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1） 擬定軸上零件的裝配方案。軸上零件的裝配方案示意圖詳見裝配圖。
(2) 根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度[3]。1）為了滿足飛輪的軸向定位要求，I-II段右端和VIII-IX段左端需制出一軸肩，故取。2）初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承只承受徑向力，故選用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù)，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度等級(jí)的單列深溝球軸承6008，其尺寸為d×D×B=40mm×90mm×23mm,故，而。3）取安裝鏈輪處的軸段IV-V的直徑；鏈輪的左端與左軸承之間采用套筒定位。已知鏈輪輪轂的寬度為L(zhǎng)=1.5d=67.5mm，為了是套筒面可靠地壓緊鏈輪，此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度，故取。鏈輪的右端采用軸肩定位，軸肩高度h>0.07d，故取h=4mm，則軸環(huán)處的直徑。軸環(huán)寬度b≥1.4h，取。軸承端蓋的總寬度為20mm，根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對(duì)軸承添加潤(rùn)滑脂的要求，取，而。
至此，已初步確定了軸的各段直徑和長(zhǎng)度。
（3） 軸上零件的周向定位[4]。鏈輪、飛輪與軸的周向定位均采用平鍵連接。按由表6-1[2]查得平鍵截面b×h=14mm×9mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為50mm，同時(shí)為了保證鏈輪與軸的配合有良好的對(duì)中性，故選擇鏈輪輪轂與軸的配合為；同理，飛輪與軸的連接，選用平鍵為8mm×7mm×10mm，飛輪與軸的配合為。滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6.
（4） 確定軸上圓角和倒角尺寸[3]。參考表15-2[2]，取軸端角為2×45°，各軸肩處的圓角半徑見軸的零件圖。
2.3.4 求軸上的載荷[7]
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖，并進(jìn)而做出軸的彎矩圖和扭矩圖。
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面C是軸的危險(xiǎn)截面。
2.3.5 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強(qiáng)度。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取，軸的計(jì)算應(yīng)力為
（7）
前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表15-1[2]查得。因此，故安全。
圖2 軸的結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.2 The structure diagram
圖3 載荷分析圖
Fig.3 Load Analysis
2.4 飛輪機(jī)構(gòu)
2.4.1 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的近似計(jì)算
因飛輪等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大,作近似計(jì)算時(shí)其他構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可略去不計(jì).
預(yù)設(shè)鏈傳動(dòng)一個(gè)穩(wěn)定循環(huán)對(duì)應(yīng)于等效構(gòu)件一轉(zhuǎn),等效驅(qū)動(dòng)力矩Med為常量，等效構(gòu)件的平均轉(zhuǎn)速 =30 r/min ，其轉(zhuǎn)速誤差要求不超過
1） 該機(jī)構(gòu)的許用運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)
2）等效驅(qū)動(dòng)力矩Med
（8）
3）裝在等效構(gòu)件上的飛輪應(yīng)具有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JF（不計(jì)其余構(gòu)件的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）
（9）
（10）
2.4.2 飛輪尺寸的確定
飛輪的最佳設(shè)計(jì)是以最少的材料來獲得最大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,即應(yīng)把質(zhì)量集中在輪緣上，與輪緣相比，輪輻及輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小可略去不計(jì)。輪緣的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量近似為
（11）
設(shè)輪緣的寬度為b，材料單位體積的重量為，則
(12)
飛輪的材料為HT250，H/b為1.2，求得輪緣的橫剖面尺寸為H=30mm，b=25mm。
3 健身器腰部鍛煉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 座椅的設(shè)計(jì)
3.1.1 座椅的設(shè)計(jì)構(gòu)思
座椅設(shè)計(jì)成靠背可轉(zhuǎn)動(dòng)的形式，主要構(gòu)件為座板和靠背。座板配有足夠墊料和適當(dāng)硬度的椅墊，使其有助于體重壓力均勻地分布于坐骨結(jié)節(jié)區(qū)域。靠背應(yīng)適當(dāng)設(shè)置，為腰椎下部提供支承，降低背部緊張度。座板和靠背均采用鑄造工藝，所用的材料為HT200，符合設(shè)計(jì)要求。
3.1.2 座椅的尺寸[9]
3.2.1 各桿長(zhǎng)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算[4]
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中各桿長(zhǎng)的確定巧妙利用了《機(jī)械原理》平面四桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)、《幾何》三角函數(shù)和《人體工程學(xué)》腰部構(gòu)造中的相關(guān)知識(shí)。示意圖3如下[5]：
圖3-1 示意圖
圖3 示意圖
Fig.3 Schemes
由此，可以列出下列計(jì)算公式：
設(shè)，，，，，，則
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
聯(lián)立以上公式，可解得
，取特殊角，解得
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
(24)
3.2.2 連桿直徑的選擇[8]
連桿是整個(gè)機(jī)構(gòu)受力最大的零件，其直徑的大小決定了整個(gè)機(jī)構(gòu)的壽命的長(zhǎng)短。從安全角度考慮，連桿的材料應(yīng)選20鋼，其工作強(qiáng)度極限為，因此
， (25)
取d=10mm，符合設(shè)計(jì)要求。
3.2.3 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
(1) 根據(jù)工作情況及具體條件選定材料，并查取其力學(xué)性能數(shù)據(jù)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)彈簧的力學(xué)性能有很高的要求，彈簧多次重復(fù)變形后應(yīng)保持良好的強(qiáng)度和韌性，且耐疲勞，有良好的抗沖擊性能，因此按第Ⅲ類彈簧來考慮，50CrVA型號(hào)的鋼滿足要求，其許用切應(yīng)力［τ］=750MPa。
（2）選擇旋繞比C，求曲度系數(shù)K值。查表16-9[2]可知，旋繞比C=8，由公式（16-4）得
K=+=+≈1.18 (26)
（3）根據(jù)安裝空間初設(shè)彈簧中徑D，根據(jù)C值估取彈簧絲直徑，并查取彈簧絲的許用應(yīng)力。由安裝空間的實(shí)際情況，初設(shè)彈簧中徑D=40mm，由此可得
===5mm (27)
（4試算彈簧絲直徑。由公式（16-3）[2]可得
≥1.6=4.6mm (28)
取d=5mm，D=40mm。
（4）根據(jù)變形條件求出彈簧的工作圈數(shù)，由公式（16-7）[2]可知：
(29)
（5） 求出彈簧的尺寸、、，并檢查其是否符合安裝要求。
(30)
(31)
=320mm (32)
（6）驗(yàn)算。彈簧的極限工作應(yīng)力=750MPa[1]
極限工作載荷
(33)
（7）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。彈簧的具體尺寸如下：
(34)
外徑 (35)
旋繞比 (36)
自由高度 (37)
工作高度 (38)
有效圈數(shù) (39)
展開長(zhǎng)度 (40)
螺旋角 (41)
質(zhì)量 (42)
4 臂力機(jī)構(gòu)及機(jī)架設(shè)計(jì)
4.1 設(shè)計(jì)材料的選定
臂力機(jī)構(gòu)及機(jī)架的設(shè)計(jì)核心是材料的選定，材料的選定決定了臂力機(jī)構(gòu)及機(jī)架的使用性能，安全性能和它的壽命。一般情況下，太好的材料強(qiáng)度較高，硬度也會(huì)相應(yīng)提高，這樣對(duì)機(jī)械加工會(huì)鏈來較大的困難。尤其是對(duì)健身器械來而言，大部分的鋼材都是選用型材及板材。為避免所選材料造成太大的浪費(fèi)和給加工鏈來的一些麻煩，所選材料應(yīng)該是在考慮滿足性能要求的情況下同時(shí)盡可能購(gòu)買周邊的材料，這樣可以減少運(yùn)輸費(fèi)用，降低設(shè)計(jì)和制造成本。
1）為滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和制造要求，根據(jù)對(duì)鋼材大市場(chǎng)的調(diào)研，選取以下材料作為參考：
空心方管，標(biāo)記分別為：J50X2.5-GB/T6782-2002
J45X2-GB/T6782-2002 J200X4-GB/T6782-2002
J50X30X2.5-GB/T6782-2002
2）無縫鋼管￠40(GB/T17395-1998)材料為Q235（屈服強(qiáng)度235MP）
3）板材都為Q235
4.2 底座的設(shè)計(jì)
底座的設(shè)計(jì)特別的重要，它關(guān)系到整臺(tái)機(jī)械的使用性能。它是支架，配重和立柱及導(dǎo)向裝置的安裝基礎(chǔ)，所以它的強(qiáng)度要高，結(jié)構(gòu)要扎實(shí)。
在設(shè)計(jì)底座時(shí)，必須先考慮底座的受力情況，由于底座上安裝左右立柱，支架，導(dǎo)向裝置，及上支架配重等。為了拆裝的方便，這些部件均采用對(duì)稱安裝，同時(shí)可以簡(jiǎn)化底座的受力情況。參考健身器裝配圖可知，底座主要是受其上面型材的重力。
綜上所述，底座的材料為Q235型號(hào)的板材，長(zhǎng)度為1700mm，寬度為500mm，厚度為30mm。
4.3 支架的設(shè)計(jì)
4.3.1 支架的作用
支架是這臺(tái)器械的重要部件，它提供鍛煉者以舒服的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，支架的設(shè)計(jì)是一個(gè)比較實(shí)際的問題，它的外表不僅要美觀大方，而且要有很多人性化的特點(diǎn)，能適應(yīng)不同鍛煉者的身體條件。
4.3.2 支架力學(xué)性能分析
(1)受力分析。
截面A受到的力為人對(duì)它的拉力，取其最大值為，
截面C受到的力為配重對(duì)它的拉力，取其最大值為，
的值由設(shè)計(jì)要求決定，取，。
由此，可以計(jì)算出、
(43)
(44)
圖4 示意圖
Fig.4 Schemes
（2）力矩圖
圖5 示意圖
Fig.5 Schemes
(3) 強(qiáng)度校核由力矩圖可以看出，截面A為危險(xiǎn)截面，需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。
(45)
(46)
支架的材料為Q235，查表2-6[3] 得，，符合設(shè)計(jì)要求。
4.3.3 支架的工藝處理
該支架在加工時(shí)選用冷彎方管焊接，還要在上面安裝滑輪夾座，在焊接的時(shí)候校準(zhǔn)變形并打磨毛刺，表面烤漆。
其中滑輪的位置在裝配的時(shí)候進(jìn)行設(shè)計(jì)，我在設(shè)計(jì)的時(shí)候選用材料是冷彎方鋼，標(biāo)記為 該支架與底板采用螺栓聯(lián)接，以減少震動(dòng)，便于拆裝。
4.4 配重的設(shè)計(jì)
由于配重在鍛煉的過程中或多或少的會(huì)產(chǎn)生噪音，我在此套用了一種比較簡(jiǎn)單的方法，且又便于維修;在配重下面做四個(gè)對(duì)稱的圓孔，用以安裝用橡皮做的橡皮圓柱體，這樣就使得噪音大大的減少同時(shí)由于安裝留有一定的空隙，便于以后的維修。除此之外它的互換性特別的好。
配重在器械中的性能也占有舉足輕重的位置，對(duì)他的設(shè)計(jì)考慮有以下幾點(diǎn)要求：
1）在鍛煉的時(shí)候由于配重忽上忽下的運(yùn)動(dòng)會(huì)有很大的撞擊，因此，在設(shè)計(jì)配重的時(shí)候，市場(chǎng)上常用的方法是在配重的周圍用注塑機(jī)包裹一定厚度的橡皮。這種做法有一定的缺點(diǎn)，對(duì)于小批量的生產(chǎn)很不適合會(huì)造成成本的提高，而且也不便于維修，一旦外表面的橡皮經(jīng)過多次撞擊和老化以后，就很容易壞掉和脫落，一旦橡皮脫落以后噪音和沖擊就來了，這樣影響配重的使用壽命，而且巨大的噪音影響鍛煉者的心情，而且還不便于維修，這樣，配重就相當(dāng)于報(bào)廢了。
2）配重在導(dǎo)向桿中上下滑動(dòng)，導(dǎo)桿選用1Cr18Ni9不銹鋼管材，是價(jià)格較貴的一種，因此為了保護(hù)導(dǎo)桿，因此需要對(duì)配重孔進(jìn)行改進(jìn)。
3）市場(chǎng)上大部分配重是每塊5kg，一般情況下人們的鍛煉時(shí)候的力量不會(huì)超過65kg，這樣就需要13塊，所以在這方面依然采用市場(chǎng)上的數(shù)據(jù)。
4）據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在損壞了的材料中幾乎都是由于太脆開裂而報(bào)廢的，由于這些配重都是用HT105(灰口鑄鐵)鑄造而成的，而鑄鐵的缺點(diǎn)就是韌性低，質(zhì)脆（據(jù)計(jì)算：配重的厚度只有30mm并且在配重的中心開了一條深12mm 的槽）。這樣一來就使的配重跟容易在鍛煉時(shí)開裂而報(bào)廢。
綜合市場(chǎng)上的調(diào)查分析，我做了如下改進(jìn)：
1）為了便于維修，我不采用橡皮包裹的配重，我在配重下面安裝了四個(gè)￠20深12 的孔，然后在里面安裝高度為17的橡皮圓柱，這樣就有利于產(chǎn)品的維修。
2）為了防止配重磨損導(dǎo)桿，用適當(dāng)長(zhǎng)度的塑料管在導(dǎo)管中加熱到達(dá)到適當(dāng)溫度厚再把塑料管往外翻。
3）在選材時(shí)，采用回收的板材，30mm厚的冷軋鋼板，材料標(biāo)記為：Q235-GB/T699-1988，它的強(qiáng)度不成問題，韌性也能保證。
在設(shè)計(jì)配重時(shí)，我還專門設(shè)計(jì)了第一塊配重（就是安裝在最上面的那塊配重），由于吊桿要吊起配重，使用一銷將配重與之連接起來，所以配重一和吊桿要有安裝關(guān)系我在這里用一螺釘使得配吊桿在配重中有個(gè)準(zhǔn)確的位置，主要是限制吊桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣鍛煉者在選擇力量的時(shí)候就方便多了。
在制造配重的時(shí)候，可以先通過氣割，割下一定尺寸的毛坯，然后打磨毛刺后，在銑床上銑平相應(yīng)的面（如果鋼材采用的是廢棄的板材，他外表面不是很整齊，下料時(shí)留的加工余料要大些）然后鉆孔，倒角后后噴砂處理后噴油漆就可以了。然后鉆安橡皮的孔就行了，最后裝上橡皮。
4.5 滑輪的設(shè)計(jì)
滑輪在整臺(tái)健身機(jī)械中的作用：滑輪在器械中承擔(dān)著鋼絲繩的導(dǎo)向及減少摩擦的作用，由于整個(gè)滑輪的受力不是很大，可以采用鑄造的辦法獲得，也可以使用冷沖壓后焊接的辦法獲得，滑輪在此臺(tái)器械中主要受壓應(yīng)力的作用而且一般不會(huì)超過6500N, 然而一般鋼材的受力都大于此數(shù)值，所以強(qiáng)度不是重點(diǎn)考慮的問題，同時(shí)由于滑輪的運(yùn)動(dòng)都是圍繞中心運(yùn)動(dòng)，所以我設(shè)計(jì)在里面加一個(gè)軸承，由于滑輪，軸承，及夾座三者之間有一定的配合關(guān)系，這樣使得中心孔不易磨損。并且在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候摩擦也減小了，從而保證了滑輪的使用要求和使用壽命。
采用兩個(gè)上面的組裝起來即可。這樣適合如果大規(guī)模生產(chǎn)，可以采用沖壓工藝，通過落料形成，然后在中間放上軸承厚用鉚釘或螺栓連接就可以這樣的生產(chǎn)方法有許多優(yōu)點(diǎn)：首先選材保證了他的強(qiáng)度，同時(shí)用料省，加工簡(jiǎn)單，成本低，加工精度高，生產(chǎn)效率高，但不適合小規(guī)模生產(chǎn)，原因是現(xiàn)在磨具的設(shè)計(jì)制造費(fèi)用相當(dāng)昂貴，它大致工藝為，下料，成型，沖孔等,這樣就降低了成本。
4.6 鋼絲繩的設(shè)計(jì)
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知道，鋼絲繩的公稱直徑
(47)
式中C為選擇系數(shù)，S為最大靜壓載荷
選擇系數(shù)的計(jì)算公式為：
(48)
式中n為安全系數(shù)，k為折斷系數(shù)，為鋼絲繩的充滿系數(shù)
其中的算法為
初選鋼絲繩的抗拉強(qiáng)度為167MP，取安全系數(shù)值為6級(jí)，k=0.82, =0.46代入公式的c=0.110
根據(jù)手冊(cè)c取0.114代入
其中=1300N算的D=2.9取整D=3，所以選擇的鋼絲繩為鋼芯鋼絲繩（GB/T8918-1998）,標(biāo)記為3NAT6X21S+IWR16708Z5.39鋼絲繩的直徑為3mm,滑輪是安裝在滑輪座里面間隙只有2mm單面間隙為1mm，這樣既可以保證鋼絲繩不會(huì)卡在滑輪座里面，保證鋼絲繩在使用過程中的可靠度。
4.7 其他零件的設(shè)計(jì)
對(duì)于其他零件的設(shè)計(jì)，如海綿防護(hù)體，坐墊及靠墊，這些均通過工廠定做，這些東西設(shè)計(jì)尺寸要求不是很高，只要使鍛煉者感覺到舒服就可以了，墊子選用黑色，并用螺栓或螺釘與支架連接，其中鋼絲繩的長(zhǎng)度具體由安裝時(shí)確定。
4.8 標(biāo)準(zhǔn)件的選定及校核
本次設(shè)計(jì)中采用了許多的標(biāo)準(zhǔn)件，在選用標(biāo)準(zhǔn)件的時(shí)候要特別的考慮。本次設(shè)計(jì)中采用了這些標(biāo)準(zhǔn)件：軸承，螺栓，螺釘，墊圈，球頭螺母等。
4.8.1 螺栓連接的選定及校核[2]
立柱與底座的聯(lián)結(jié)采用M12的螺栓連接，螺栓的材料為Q235，=235MP，在實(shí)際中Fa（max）=15KN ，則
(49)
其中，30mm，所以立柱取M12的是完全符合標(biāo)準(zhǔn)的 。
4.8.2 軸承的選定及校核[2]
整個(gè)機(jī)構(gòu)有三處選用了軸承：滑輪部分、小鏈輪軸部分和大鏈輪軸部分。由于同時(shí)在支架上安裝了8個(gè)滑輪，此處軸承受力較小，不需進(jìn)行校核，小鏈輪軸所選用的軸承型號(hào)與大鏈輪軸相同，因此，只需校核大鏈輪軸處的軸承。
根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，深溝球軸承的型號(hào)為6008（GB/T276-1994）
預(yù)設(shè)其可靠度為0.99，在徑向載荷Fr=750N作用下工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)。
根據(jù)表13-9，查得可靠度為0.99時(shí)的壽命修正系數(shù)=0.22，相應(yīng)的基本額定壽命為
(50)
軸承應(yīng)具有的基本額定動(dòng)載荷為
(51)
軸承壽命符合要求。
4.9 導(dǎo)管的設(shè)計(jì)
由于導(dǎo)管要求的精度較高一點(diǎn)，如：直線精度不高會(huì)造成運(yùn)動(dòng)的不方便，給運(yùn)動(dòng)員鏈來不便，同時(shí)表面噴漆不可行，因?yàn)樗c配重摩擦，很容易掉漆后生銹，所以我們采用不銹鋼管，材料牌號(hào)為1Cr18Ni9，表面烤漆。
5 設(shè)計(jì)總結(jié)
通過這一階段的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我受益匪淺，不僅鍛煉了良好的邏輯思維能力，而且培養(yǎng)了棄而不舍的求學(xué)精神和嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)?；仡櫞舜萎厴I(yè)設(shè)計(jì)，是大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)很好的總結(jié)。
此次多功能健身器的設(shè)計(jì)不僅重溫了過去所學(xué)知識(shí)，而且學(xué)到了很多新的內(nèi)容。相信這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我今后的工作會(huì)有一定的幫助。所以，我很用心的把它完成。在設(shè)計(jì)中體味艱辛，在艱辛中體味快樂。
通過本次設(shè)計(jì)我可以更加系統(tǒng)的了解多功能健身器方面的知識(shí)；能夠加強(qiáng)多功能健身器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠加強(qiáng)多功能健身器功能部件的選型和設(shè)計(jì)計(jì)算；能夠加強(qiáng)多功能健身器的方法和理論；能夠檢驗(yàn)自己能否將四年學(xué)習(xí)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用；能夠培養(yǎng)自己自學(xué)和與人合作的能力。
這次設(shè)計(jì)不但鍛煉我的思維能力，還鍛煉我的查閱資料獲取有用信息的能力，通過繪制設(shè)計(jì)圖紙，使我熟練的掌握了CAD和ProE繪圖軟件的使用，我把自己的理論用到實(shí)際當(dāng)中去，在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中遇到的各種困難，我通過思考和咨詢同學(xué)和全老師獲得了多解決問題的方法和方式。
畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程是艱辛的，解決問題的過程是快樂的，成長(zhǎng)過程是痛苦的，我相信只要我們保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，我一定能夠成長(zhǎng)起來。
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致 謝
本論文是在全臘珍老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的,四年的讀書生活在這個(gè)季節(jié)即將劃上一個(gè)句號(hào)，而于我的人生卻只是一個(gè)逗號(hào)，我將面對(duì)又一次征程的開始。四年的求學(xué)生涯在師長(zhǎng)、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在畢業(yè)設(shè)計(jì)即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻(xiàn)給一位平凡的人，我的導(dǎo)師。我不是您最出色的學(xué)生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營(yíng)造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會(huì)了基本的思考方式，從畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的選定到畢業(yè)設(shè)計(jì)思路的指導(dǎo)。經(jīng)由您悉心的點(diǎn)撥,，再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟,常常讓我有“山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村”。感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報(bào)，你們永遠(yuǎn)健康快樂是我最大的心愿。在畢業(yè)設(shè)計(jì)即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯謝意！同時(shí)也感謝學(xué)院為我提供良好的做畢業(yè)設(shè)計(jì)的環(huán)境。最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計(jì)中被我引用或參考的論著的作者。本畢業(yè)設(shè)計(jì)是在我的導(dǎo)師全老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，都始終全老師給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。
在此謹(jǐn)向致以誠(chéng)全老師摯的謝意和崇高的敬意。在此，我還要感謝在一起愉快的度過本科生生活的工學(xué)院各位同門，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本設(shè)計(jì)的順利完成。在本設(shè)計(jì)完成之際，首先要向我的指導(dǎo)老師全臘珍教授致以最誠(chéng)摯的感謝。在論文的寫作過程中，全老師給了我許許多多的幫助和指導(dǎo)。在全老師的悉心指導(dǎo)下，我不僅對(duì)以前所學(xué)的知識(shí)更熟練更扎實(shí)，而且更加開闊了視野，更深入，也在怎樣處人處事上受益匪淺；同時(shí)全老師對(duì)工作的熱情、一絲不茍、實(shí)事求是的態(tài)度，給我留下了深刻的印象，是我以后參加工作學(xué)習(xí)的榜樣。
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