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俯臥撐結(jié)構(gòu)塔里木大學(xué) 機械電氣化工程學(xué)院 利用跑步臺兩側(cè)的鋼架結(jié)構(gòu)，設(shè)計了這個俯臥撐支撐架，焊接在跑步臺底座支架上，手握部位加上了藍色海綿材料，減少對手的摩擦和壓迫損傷。塔里木大學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 學(xué)院 機械電氣化工程學(xué)院 班級 12-2 學(xué)生姓名 學(xué)號 課題名稱 家庭多功能健身器 起止時間 2011年12月1日—— 2012 年 5月 25日（共 14周） 指導(dǎo)教師 職稱 講師 課題內(nèi)容 1.分析研究國內(nèi)外健身器發(fā)展現(xiàn)狀； 2.進行家庭多功能健身器結(jié)構(gòu)設(shè)計； 3.進行家庭多功能健身器主要運動部件設(shè)計計算； 4.進行家庭多功能健身器運動仿真； 5.完成畢業(yè)設(shè)計圖紙及設(shè)計。 擬定工作進度（以周為單位） 第1到2周： 熟悉題目,開始查閱資料，完成開題報告。 第3到4周： 消化資料，設(shè)計方案。 第5周： 方案研究，確定具體方案，做出開題報告。 第6到7周： 進行結(jié)構(gòu)分析，計算。 第8到9周： 進行設(shè)計結(jié)構(gòu)草圖。 第10到11周：完成圖紙，進行設(shè)計論文。 第12到13周：完成設(shè)計論文，準(zhǔn)備有關(guān)畢業(yè)答辯。 第14周： 交畢業(yè)設(shè)計的各種資料，并進行答辯。 主要參考文獻 [1]《機械設(shè)計手冊》聯(lián)合編寫組．機械設(shè)計手冊<上冊><中冊><下冊>[M]．化學(xué)工業(yè)出版社．1979年版． [2] 周開勤.機械零件手冊[M].高等教育出版社.1994年． [3] 濮良貴，紀(jì)名鋼. 機械設(shè)計第六版)[M]. 高等教育出版社．1996年 任務(wù)下達人（簽字） 年 月 日 任務(wù)接受人意見 任務(wù)接受人簽名 年 月 日 注：1、此任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫，任務(wù)下達人為指導(dǎo)教師。 2、此任務(wù)書須在學(xué)生畢業(yè)實踐環(huán)節(jié)開始前一周下達給學(xué)生本人。 3、此任務(wù)書一式三份，一份留學(xué)院存檔，一份學(xué)生本人留存，一份指導(dǎo)教師留存。 家庭多功能健身器的設(shè)計 設(shè)計說明書 學(xué)生姓名 XXXXXXXX 學(xué) 號 XXXXXXXX 所屬學(xué)院 機械電氣化工程學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 指導(dǎo)教師 XXXXXXXX 日 期 2012.6 XXXXXXXX大學(xué)教務(wù)處制 前 言 隨著世界城市經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的迅速提高，城市居民的健康意識逐漸增強，健身也成為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾M成部分。然而日常生活中難免有無法進行戶外鍛煉的日子，如壞天氣，應(yīng)酬太多，工作時間等等都讓人們無法每天在戶外進行鍛煉。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)簡單，只能對身體單一部位進行鍛煉，滿足不了健身者對多方面健身的要求，直接影響了生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益。為此，該課題提出設(shè)計一部家庭用多功能健身器，以適應(yīng)市場需求。 本文主要對家庭多功能健身器從實際健身者需求著手，針對現(xiàn)在產(chǎn)品中存在著規(guī)模大功能少，價格高，性價比低等缺點，意在實現(xiàn)健身的大眾化、家庭化、多功能化，一機多用，為消費者減少經(jīng)濟負擔(dān)。 本課題介紹了家庭多功能健身器的基本特征，介紹了家庭多功能健身器的構(gòu)成，工作原理。指出了家庭多功能健身器的主要內(nèi)容，綜述了家庭多功能健身器研究現(xiàn)狀，比較設(shè)計出市場所需求的家庭多功能健身器產(chǎn)品類型。 目 錄 1.緒論 1 2.方案設(shè)計 1 2.1基本功能 1 2.2結(jié)構(gòu)功能設(shè)計 1 2.3功能原理確定 2 3.外型結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 3.1基架的設(shè)計 3 3.2機架的設(shè)計 3 3.3機蓋設(shè)計 4 4.電動機類型與參數(shù)的選擇 4 4.1電動機類型和功率選擇 4 4.2電動機的技術(shù)參數(shù)選擇 4 4.3電動機的保護 5 5.傳動機構(gòu)的選擇 5 5.1帶和帶輪的選擇 6 5.2帶傳動的張緊裝置的選擇 6 5.3帶傳動的使用與維護 6 6.軸和滾筒的設(shè)計 7 6.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 6.2軸的強度校核 7 6.3軸承的選擇和計算 7 6.4滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計 8 7.跑步板及跑步帶設(shè)計 8 7.1跑步板的設(shè)計 8 7.2跑步帶 8 7.3跑帶調(diào)整 9 7.4跑步臺潤滑油的添加 9 8.折疊機構(gòu)設(shè)計 10 8.1折疊功能設(shè)計 10 8.2氣壓桿的工作原理 10 9.避震系統(tǒng)的設(shè)計 11 10.輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 12 11.多功能設(shè)計 12 11.1仰臥起坐支撐架 12 11.2扭腰盤設(shè)計 12 11.3俯臥撐支架 13 11.4角度調(diào)節(jié)器 13 11.5啞鈴功能 13 11.6音樂功能 14 12.調(diào)速機構(gòu)的選擇 14 13.跑步機的日常維護保養(yǎng) 15 小 節(jié) 16 致 謝 17 參考文獻 18 塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1.緒論 隨著人們生活節(jié)奏越來越快，特別是生活在城市當(dāng)中的人們，工作壓力日益加大，身體所受的壓力也越來越大，增加體育鍛煉，改善身體機能，成為廣大上班族的迫切需求，但有限的生活空間，和有限的業(yè)余時間，使得體育健身變得困難，忙里抽閑來鍛煉身體成為一種奢求。在這種情況下，鑒于現(xiàn)有市場家庭健身器材的結(jié)構(gòu)、功能單一、體積龐大等缺點，從而設(shè)計一款造型、結(jié)構(gòu)與人機的配合程度達到一定標(biāo)準(zhǔn)的跑步機，在不影響安全、功能、外觀的前提下，盡量達到用材環(huán)保、工藝簡練、節(jié)約成本的目的，實現(xiàn)健身的大眾化、家庭化、多功能化、一機多用，為消費者減少經(jīng)濟負擔(dān),還能得到高品質(zhì)全面的運動效果。相信多功能跑步機會從其舒適性、設(shè)計合理性、多功能方向發(fā)展，成為城市家庭運動的首選運動器械。 本課題介紹了家庭多功能健身器的基本特征，介紹了家庭多功能健身器的構(gòu)成，工作原理。指出了家庭多功能健身器的主要內(nèi)容，綜述了家庭多功能健身器研究現(xiàn)狀，比較設(shè)計出市場所需求的家庭多功能健身器產(chǎn)品類型. 2.方案設(shè)計 2.1基本功能 家庭多功能健身器的基本功能是實現(xiàn)跑步運動，即跑步機的功能。為了實現(xiàn)跑步帶的可調(diào)速功能，對跑步帶的驅(qū)動與速度進行控制，通常針對電動跑步機的脈沖式負載轉(zhuǎn)矩特性, 以小功率直流電機驅(qū)動為例，利用PHILIPSP87LPC768單片機開發(fā)了一種電動跑步機專用的數(shù)字式速度調(diào)節(jié)單元。該調(diào)速單元充分利用單片機的資源，采用 FUZZY-PID算法，通過對PID參數(shù)的自動調(diào)整產(chǎn)生PWM信號, 實現(xiàn)對跑步機速度的控制。該單元結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，能對電動跑步機的速度實現(xiàn)精確控制，同時該方法也可應(yīng)用于其它同類運動裝置的速度控制。 總體示意圖如下： 圖2-1 總體示意圖 2.2結(jié)構(gòu)功能設(shè)計 多功能健身器為了實現(xiàn)其多功能性，主要由機架、跑步機帶部分、電動機、可調(diào)電源、扶手部分、扭腰盤、折疊機構(gòu)、儀表控制盤組成。機架部分設(shè)有仰臥起坐機構(gòu)、跑步機扶手架安裝于機架的頂端、在機架后下端安裝有可折疊的扭腰盤，按摩器裝置安裝在機架橫桿上，儀表控制盤安裝于扶手架上。跑步機部分，跑步機底座框架通過軸連接在機架底部的兩端，機架底端框架橫梁與跑步機框架設(shè)計有可升縮的氣壓桿，用來坐跑步機部分的折疊支撐機構(gòu)。前軸與后軸分別裝在底座框架的兩端，前滾筒與后滾筒分別用軸承套裝在前后軸上，跑步皮帶張緊繞裝在前后滾筒上，跑步皮帶下裝有支撐跑步板，從動皮帶輪裝在前滾筒的一端，電動機、可調(diào)電源,安裝在框架的前端，控制傳感器裝在電動機上，速度傳感器安裝在緊靠在從動皮帶輪的框架上，皮帶調(diào)節(jié)螺栓一端連接在電動機外殼的孔板上，另一端連接在焊接于框架前端的孔板上。另外跑步帶兩邊框上設(shè)有緊急情況踩踏板，末端安裝有俯臥撐支架。 2.3功能原理確定 通過對國內(nèi)市場上家庭多功能健身器的了解，現(xiàn)有家庭多功能健身器多是集中于臂力，腿部肌肉的力量練習(xí)，很少有結(jié)合跑步，臂力，腰背，按摩，健身娛樂于一體的綜合性多功能健身器材。同時還設(shè)計有跑步機的可折疊功能，充分減少了跑步機的占地空間，為城市居室有效節(jié)約了空間。 跑步機的選擇。跑步是目前國際流行并被醫(yī)學(xué)界和體育界給予高度評價的有氧健身運動，是保持身心健康最有效、最科學(xué)的健身方式，也越來越受到大家喜愛。目前市場上比較常見的有傳統(tǒng)跑步機和電動跑步機兩種。傳統(tǒng)跑步機，俗稱“被動式跑步機”，是我國從國外引進健身觀念時、為適應(yīng)當(dāng)時國情而開發(fā)的具有符合國人特色的過渡產(chǎn)物。它的動力來源是使用者通過自身臂部、膝部、踝關(guān)節(jié)的活動，推動跑步機而產(chǎn)生運動。速度由運動者自己控制。這種運動方式，表面上看起來似乎能消耗更多的能量，但其造成的運動傷害也要比在大自然中跑步高出數(shù)倍。所以我們考慮選擇用電動跑步機來設(shè)計[1]。 折疊總體示意圖如下: 圖2-2 折疊后總體示意圖 多功能結(jié)構(gòu)的選擇。一般家庭健身運動者的運動需求可以概括為幾個方面： (1)臂力練習(xí)，一般用啞鈴做舉重運動，或者做俯臥撐來實現(xiàn)，所以我設(shè)計了啞鈴支架，和俯臥撐支架； (2)腰背練習(xí)，設(shè)計的仰臥起坐裝置和扭腰盤可以實現(xiàn)； (3)在健身娛樂方面，在儀表控制盤上安裝有數(shù)碼音樂播放器，插上耳機，健身的同時你可以在有節(jié)奏的音樂旋律中享受運動的快樂。 (4)可折疊功能，用氣撐桿作為支撐構(gòu)件，氣動支撐桿以高壓惰性氣體為動力，在整個工作行程中支撐力是恒定的，并具有緩沖機構(gòu)，避免了到位的沖擊，這是優(yōu)越于普通彈簧的最大特點，并具有安裝方便，使用安全無需保養(yǎng)等優(yōu)點。 3.外型結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1基架的設(shè)計 基架的設(shè)計是整個設(shè)計的基礎(chǔ)，也是其他設(shè)計的基準(zhǔn)。為了保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減震系統(tǒng)的有效性，基架全部采用焊接結(jié)構(gòu)[2]。機架，滾筒的選擇，以及上下機蓋等等，都是依據(jù)基架的尺寸和形狀設(shè)計的，所以設(shè)計開始首先考慮基架的設(shè)計，進行樣式，結(jié)構(gòu)，還有尺寸的確定。通過對市場上的跑步機的基架結(jié)構(gòu)的流行設(shè)計，再加上自己對外形的理解，對外形進行改進。在尺寸的確定方面參考了人體運動工學(xué)推算，45cm寬X130cm跑帶面積，以此保證給人以足夠的運動面積，從而逐步的進行其他尺寸的確定。先考慮電機的尺寸，然后是傳動機構(gòu)帶傳動的中心距離，電機的安裝，前后滾筒的位置，PWM調(diào)速電源的安裝位置，以及傳感器安裝位置的預(yù)留等。在設(shè)計中特意將兩邊框設(shè)計了足夠的寬度，以此為鍛煉過程中短暫的休息提供兩腳踩放的位置，也是作為緊急情況時，人可兩腳快速分開離開運行的跑帶，提供足夠的安全踩放位置[1]。 基架圖如下： 圖3-1 基架 3.2機架的設(shè)計 機架的外形結(jié)構(gòu)是參照現(xiàn)有市場比較流行的設(shè)計結(jié)構(gòu)，又加以自己的改進完成。所用材料是空心鋼管和方鋼，連接為焊接，保證了穩(wěn)定性。支架包括扶手，儀表安裝輔助支架，扭腰盤連接處等，仰臥起坐架直接焊接于豎直連桿上。與基架的連接采用螺栓連接，方便位置的調(diào)整和拆裝。底部安有橡膠墊，保證平衡，還可以達到減震的效果。 機架圖如下圖： 圖3-2 機架 3.3機蓋設(shè)計 傳動機構(gòu)為了保證安全性，要進行傳動機構(gòu)的隔離，同時為了技術(shù)保護和美觀，上下機蓋都使用塑料鋼材料，通過螺釘與基架相連。材料有一定的硬度，還能在做仰臥起坐的時候起到一定的腿部支撐作用，同時能起到有效的防護作用。 上下機蓋如下圖： 圖 3-3 上機蓋 圖3-4 下機蓋 4.電動機類型與參數(shù)的選擇 4.1電動機類型和功率選擇 個人在選擇跑步機時，只要根據(jù)自己的體形選擇對應(yīng)馬力的電動機即可。家庭用戶在選擇跑步機時，則跑步機應(yīng)該滿足所有家庭成員的使用。而馬力越大的跑步機，其適應(yīng)的人群也就越廣，但相應(yīng)的，跑步機價格也就越貴。因此，綜合考慮家庭成員的體形情況后，選擇合適馬力的電機才能達到最大的性價比。 當(dāng)人在跑步時，跑步機或地面受到的沖擊力為人體自身重量的1-2.5倍，電動機作為跑步機的動力，不但要滿足載重量的要求，還需要保證跑步機跑臺以一定速度運轉(zhuǎn)。一般來說，電動機1個馬力可以保證60公斤的人在跑步機上面自如運動，另外跑步機跑臺的面積越大，所需要的馬力也更大。因此，在選擇電動機時要綜合考慮這兩個因素，在確保安全及效率的前提下，專家建議一般家用選擇的電動機馬力最好在1.5HP以上，而對于體重偏大的人（超過80公斤），則應(yīng)該選擇2HP以上的電動機。 此跑步機設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為100公斤，電動跑步機專用電動機—Z3-31型永磁直流電動機（圖4-1）該型電動機系大功率跑步機中配套的專用驅(qū)動元件，經(jīng)一定的電磁、結(jié)構(gòu)派生處理也可適用于相應(yīng)的機械裝置中作為驅(qū)動元件。該電動機顯著的特點：具有轉(zhuǎn)速精度高，當(dāng)人在跑步機上運動時，是一個沖擊負載，該機在這種沖擊負載作用下一轉(zhuǎn)不差，保持同步轉(zhuǎn)速，如同在平地上一樣感覺。 表現(xiàn)在調(diào)速方便（可無級調(diào)速），調(diào)速范圍寬、低速性能（啟動轉(zhuǎn)矩大）、運行平穩(wěn)、噪音低、效率高。 4.2電動機的技術(shù)參數(shù)選擇 根據(jù)電動機修理手冊得得； 型號Z3-31 電壓220 VDC 輸出功率 2.2 KW 電流不大于12.5A 轉(zhuǎn)速3000r/min 轉(zhuǎn)向 逆時針 絕緣等級 B級 圖4-1 Z3-31型永磁直流電動機 圖4-2 電動機外形圖 4.3電動機的保護 電動機的保護與控制關(guān)系電動機的保護主要有兩大類，采用電流檢測型的有熱繼電器、帶有熱-磁脫扣的電動機保護用斷路器、電子式和固態(tài)繼電器、帶電子式脫扣的電動機保護用斷路器以及軟啟動器：直接檢測電壓降低或為零時的欠壓保護和失壓保護。 (1)電動機的保護往往與其控制方式有一定關(guān)系，及保護中有控制，控制中有保護。 (2)電動機保護裝置電動機的損壞主要是繞組過熱或絕緣性能降低引起的。而繞組的過熱往往是流經(jīng)繞組的電流過大引起的。對電動機的保護主要有電流、溫度檢測兩大類。 (3)保護裝置與異步電動機的修調(diào)配合為了確保異步電動機的正常運行及對其進行有效地保護。必須考慮異步電動機與保護裝置之間的協(xié)調(diào)配合。特別是大容量電網(wǎng)中使用小容量異步電動機時，保護的協(xié)調(diào)配合更為突出。 (4)異步電動機的保護是涉及電氣裝置和機械設(shè)備可靠、正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。直接檢測電動機繞組的溫度來保護過載引起的過熱是很有效的保護方式，但由于需直接埋入電動機繞組里，價格較貴、維修困難等原因，僅在部分頻繁操作場合使用；從經(jīng)濟性考慮，采用電流檢 測型更為有利，加熱繼電器仍是一種價廉、簡單、可靠的電動機保護形式(從實際使用情況看，目前使用量占大多數(shù))；對動作性能要求較高及功能要求全或價格昂貴的大容量電動機保護，則可采用電子式或固態(tài)繼電器；對一般要求，則采用帶熱—磁脫扣的電動機保護用斷路 器更為實用。但不管采用何種保護裝置，必須考慮過載保護裝置與電動機、過載保護裝置與短路保護裝置的協(xié)調(diào)配合。 5.傳動機構(gòu)的選擇 傳動機構(gòu)載荷有輕度沖擊，結(jié)構(gòu)傳動類型選擇帶傳動,是定傳動比勻速轉(zhuǎn)動機構(gòu)。動力來源：電力220V。速度允差小于5%。具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，緩沖載荷的作用，運行平穩(wěn)，噪聲小，過載時將引起帶在帶輪上打滑，可以防止其他零件的損壞，具有過載保護的作用，所以擇之[3]。 電動機的選擇為跑步機專用生產(chǎn)的永磁直流電動機，傳動功率P=2.2KW，主動輪轉(zhuǎn)速為n1=3000r/min 傳動比為i=1.07， 由于多楔帶適于傳遞功率較大而又要求結(jié)構(gòu)緊湊的場合，特別能適應(yīng)帶輪直徑小的傳動。 5.1帶和帶輪的選擇 (1)普通V帶的選擇 普通V帶由頂膠、抗拉體（承載層）、底膠和包布組成，抗拉體由簾布或線繩組成，是承受負載拉力的主體。其上下的頂膠和底膠分別承受彎曲時的拉伸和壓縮變形。線繩結(jié)構(gòu)普通V帶具有柔韌性好的特點，適用于帶輪直徑較小，轉(zhuǎn)速較高的場合。 (2)V帶帶輪的要求 對帶輪的主要要求是質(zhì)量小且分布均勻、工藝性好、與帶接觸的工作表面加工精度要高，以減少帶的磨損。轉(zhuǎn)速高時要進行動平衡，對于鑄造和焊接帶輪的內(nèi)應(yīng)力要小。[6]。 帶輪材料要求：帶輪材料多采用灰鑄鐵，牌號一般選用HT150或HT200，也可選用鋼或非金屬材料（塑料、木材）。鑄鐵帶輪允許的最大圓周速度為25m/s，速度更高時，可采用鑄鋼或鋼板沖壓而成 [5]。 所以我們分別選擇小帶輪和大帶輪D1=71，D2=75，并選取實心式帶輪 5.2帶傳動的張緊裝置的選擇 由于傳動帶不是完全的彈性體，帶工作一段時間后，會因伸長變形而產(chǎn)生松馳現(xiàn)象，使初拉力降低，帶的工作能力也隨之下降。因此，為保證必需的初拉力，應(yīng)經(jīng)常檢查并及時重新張緊。常用的張緊方法是改變帶傳動的中心距，如把裝有帶輪的電動機安裝在滑道上并用螺釘調(diào)整或擺動電機底座并調(diào)整螺栓使底座轉(zhuǎn)動，即可達到張緊的目的。如果帶傳動的中心距是不可調(diào)整的，則可采用張緊輪裝置。張緊輪一般放置在帶的松邊。V帶傳動常將張緊輪壓在松邊的內(nèi)側(cè)并靠近大帶輪，以免使帶承受反向彎曲，降低帶的壽命，且不使小帶輪上的包角減小過多。 帶傳動常用的張緊方法是調(diào)節(jié)中心距張緊，本跑步機中心距是可調(diào)的。 圖5-1 帶的定期張緊裝置 5.3帶傳動的使用與維護 正確安裝、使用和妥善保養(yǎng)，是保證帶傳動正常工作、延長膠帶壽命的有效措施。一般注意以下幾點： (1) 安裝時兩輪軸線應(yīng)相互平行，各帶輪軸線的平行度應(yīng)小于0.006a（a—軸間距）；兩輪相對應(yīng)的V型槽的對稱平面應(yīng)重合，誤差不得超過20′，否則將加劇帶的磨損，甚至使帶從帶輪上脫落。 (2) 安裝V帶時，應(yīng)先縮小中心距，將V帶套入槽中后，再調(diào)整中心距并予以張緊，不應(yīng)將帶硬往帶輪上撬，以免損壞帶的工作表面和降低帶的彈性。 (3) 膠帶不宜與酸、堿或油接觸，工作溫度不宜超過60℃，應(yīng)避免日光直接曝曬。 (4) 帶傳動裝置應(yīng)加防護罩，以免發(fā)生意外事故 (5) 定期檢查膠帶，發(fā)現(xiàn)其中一根過渡松弛或疲勞破壞時，應(yīng)全部更換新帶，不能新舊混合使用。 6.軸和滾筒的設(shè)計 6.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計就是使軸的各部分具有合理的形狀和尺寸[8]。其主要要求是： (1)軸與軸上零件應(yīng)具有準(zhǔn)確的工作位置 (2)軸上零件應(yīng)固定，牢固可靠 (3)各零件要牢固而可靠地相對固定 (4)軸的形狀和尺寸盡量簡單，比便加工 軸常在交變應(yīng)力的作用下工作，其材料的要求是：強度高、剛度好、應(yīng)力集中的敏感度小，抗疲勞，加工性能好，有的軸表面要求也較高。 軸的材料主要采用中碳鋼35或45鋼和合金鋼20Cr或40Cr等。常用的是45#鋼（含碳量0.45%），因為它具有較高的綜合機械性能。 經(jīng)過比較，此設(shè)計采用45#鋼。 圖6-1 前后軸 6.2軸的強度校核 根據(jù)文獻《工程力學(xué)》廣州：華南理工大學(xué)出版社，1989.5[7] 因為心軸工作時只承受彎矩而不承受扭矩，所以在應(yīng)用上式時，應(yīng)取T=0。由于是固定心軸考慮啟動，停止等影響，彎矩在軸截面上所引起的應(yīng)力可視為脈動循環(huán)變應(yīng)力。所以固定心軸的許用應(yīng)力為1.7[σ-1] 。 FQ=2z F0sinα/2=2×2×90×sin178°/2=360N 根據(jù)公式：M= FQ L/2 最大彎矩：M=0.68×360/2=122.4N.M 抗彎截面系數(shù)：W=∏×d4/64 =[3.14×(0.03)4/64]=4×10-8 強度：P=M/W=122.4/(∏×d4/64)=122.4/4×10-8=30.6MPa 材料采用45號調(diào)質(zhì)鋼許用彎應(yīng)力為102MP，30.6MPa〈102MPa 所以，通過設(shè)計計算能承受足夠的工作強度。 6.3軸承的選擇和計算 本方案采用的是滾動軸承，滾動軸承是將運轉(zhuǎn)的軸與軸座之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密的機械元件。滾動軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成，內(nèi)圈的作用是與軸相配合并與軸一起旋轉(zhuǎn)；外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用；滾動體是借助于保持架均勻的將滾動體分布在內(nèi)圈和外圈之間，其形狀大小和數(shù)量直接影響著滾動軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動體均勻分布，防止?jié)L動體脫落，引導(dǎo)滾動體旋轉(zhuǎn)起潤滑作用。 軸承類型：深溝球軸承，軸承代號：630 軸承參數(shù)：軸承內(nèi)徑：30，軸承外徑：40，軸承寬度：12，額定動載荷：7480，額定靜載荷：4650，極限轉(zhuǎn)速：22000， 潤滑方式：脂潤滑。 工作參數(shù)：徑向載荷：406.16，軸向載荷：0，使用壽命：30000，工作轉(zhuǎn)速：1819.8，載荷系數(shù)：1.5。 計算結(jié)果： 當(dāng)量動載荷：609.24 當(dāng)量靜載荷：609.24 計算壽命：16950 軸承的三維圖如下： 圖6-2 滾動軸承 6.4滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計 滾筒為圓柱形的零件，分驅(qū)動和從動。滾筒的生產(chǎn)主要有輥體初車、初校靜平衡、軸頭過盈裝配焊接、精車和精校動平衡等工序組成。若對行為公差如圓度、圓柱度和直線度等要求在0.2mm以下的，則在精車后需要上外圓磨床或軋輥磨床磨削加工。對表面硬度有要求的，則需要增加熱處理工序。 滾筒成型后，出于防銹防腐、耐磨和支撐的需要，還需要表面處理或包覆如噴漆、鍍鋅、TEFLON噴涂、包橡膠、鍍鉻、陶瓷噴涂和氧化等工序。 主動滾筒的外圓全跳動小于0.33mm，從動滾筒的外圓全跳動小于0.25mm。滾筒均采用2.1mm壁厚的優(yōu)質(zhì)鋼管，光潔度達到0.8以下[9]。 圖6-3滾筒、軸、軸承裝配體 7.跑步板及跑步帶設(shè)計 7.1跑步板的設(shè)計 本跑步板是新型設(shè)計一種跑步板，是設(shè)在跑步機的機架上，可供跑步帶獲得支撐，該跑步板包含有油脂材料覆在該跑步板的表層，該表層是相對于跑步帶的內(nèi)環(huán)面，且構(gòu)成該表層的主原料中混含有潤滑油脂。當(dāng)該跑步帶運轉(zhuǎn)且與跑步板因摩擦而生熱時，該表層內(nèi)部的潤滑油脂會自動釋出，而降低跑步帶與跑步板之間的摩擦阻力，從而使跑步帶跟順暢的運轉(zhuǎn)。 圖7-1 跑步版 7.2跑步帶 電動跑步機用的跑步帶采用雙層布基、雙層PVC橡塑結(jié)構(gòu)，使跑步帶具有較低的延展性和優(yōu)良的物理性能，專門的布底設(shè)計，從而能達到正常動行情況下中減少潤滑劑的添加的效果，同時表面花紋的獨特設(shè)計，提供良好的枛力，適合多種受力情況下的各種鞋底要求。根據(jù)人體運動工學(xué)推算，45cm寬X130cm長，應(yīng)是一個合宜的參考面積，然后再依個人的實際條件做增減。跑步帶就是按照這個尺寸設(shè)計，適應(yīng)所有體型的家庭成員。 圖7-2 跑步帶 7.3跑帶調(diào)整 兩個螺栓調(diào)整法： 圖7-3 跑帶的調(diào)緊機構(gòu) 可以通過調(diào)節(jié)左右兩個六角螺栓來調(diào)節(jié)軸距來，從而調(diào)整跑帶的松緊程度。要增加跑帶的張緊力時，用六角螺母扳手順時針方向調(diào)整六角螺栓，知道跑帶張力適當(dāng)為止。反之，要減少跑帶張緊力時，逆時針調(diào)整六角螺栓。調(diào)節(jié)裝置圖如上圖： 7.4跑步臺潤滑油的添加 加潤滑油的作用： (1)減小跑步帶和跑步板之間的摩檫力，保護跑步板表面耐磨涂層，延長跑帶、跑板的使用壽命。 (2)減少跑步機的用電消耗。 (3)讓用戶在運動時更流暢。 品質(zhì)要求： (1)耐高溫。 (2)黏度高。 (3)不易揮發(fā)。 使用方法： (1)掀開左側(cè)跑步帶，將潤滑油沿跑步帶方向倒在跑步板上，控制用量為10ml。 (2)右側(cè)同左側(cè)一樣操作方法。 (3)將跑步機通電運轉(zhuǎn)在3 KM / H以內(nèi)，人站上去隨著跑步帶一起運動，用腳有意識的踏壓跑步帶下涂有潤滑油的區(qū)域，使其在跑步板上散布均勻。 家用健身：3個月加注1次潤滑油。 注意事項：不可過量使用，防止摩檫力太小后跑步帶和傳動滾筒之間打滑影響正常使用。 圖7-4 跑步板及跑步帶 8.折疊機構(gòu)設(shè)計 8.1折疊功能設(shè)計 大家都知道現(xiàn)在城市人們生活的空間越來越窄，很多人都會為了怎么才能有效地合理利用空間發(fā)愁。因此，大件商品的折疊功能受到了人們的歡迎，隨著折疊技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)人員將這種技術(shù)應(yīng)用到各行各業(yè)，從而解決了很多空間上的難題。 本折疊機構(gòu)是借鑒現(xiàn)在市場上流行的折疊床，折疊家具用的自由型氣動支撐桿機構(gòu)，自由型氣動支撐桿在自由狀態(tài)下長度最長（行程最?。谑艿酱笥谧陨硗屏Φ耐饨鐗毫?，可以被壓縮，直至最小長度（行程最大）。自由型氣動支撐桿只有壓縮狀態(tài)（外界施加壓力）和自由狀態(tài)兩種，在它的行程中無法進行自行鎖緊。自由型氣動支撐桿主要起支撐作用，輕松地抬起并支撐起整個跑步臺，最終達到跑步機的折疊功能，簡單方便，實用。 圖8-1 折疊效果示意圖 8.2氣壓桿的工作原理 在鐵管內(nèi)充上高壓氣體，運動活塞上有通孔，保證整個鐵管內(nèi)的壓力不會隨著活塞的移動而變化。而氣動支撐桿的力主要是鐵管和外界大氣壓作用于活塞桿橫截面上的壓力差（壓力F＝壓強P*受力面積S）。氣動支撐桿以高壓惰性氣體為動力，在整個工作行程中支撐力是穩(wěn)定的。并具有緩沖機構(gòu)，避免了到位沖擊，這是優(yōu)于普通支撐桿的最大特點。并且有安裝方便、使用安全、無需保養(yǎng)等優(yōu)點。由于鐵管內(nèi)的氣壓力不變，而活塞桿的橫截面是一定的，所以在整個行程中氣動支撐桿的力保持穩(wěn)定。 圖8-2 折疊機構(gòu) 9.避震系統(tǒng)的設(shè)計 跑步的重要環(huán)節(jié)就是要保護好膝蓋，跑步鞋具有緩沖減震的效果就是這個道理。使用跑步機比起在戶外路跑最大的好處是：跑步機它提供了避震效果，大量消除每一步伐的反作用沖擊力，保護了膝蓋關(guān)節(jié)。跑步機的避震方式采用具彈性的橡膠墊將跑臺和底座框架墊隔開，使跑臺成懸吊狀態(tài)，進而產(chǎn)生吸收震動的功能而達到避震的效果。因此避震效果是否可以有效的展現(xiàn)發(fā)揮，完全得看跑步機的基座結(jié)構(gòu)是否牢靠穩(wěn)固。所以采用了足夠牢固的鋼材規(guī)格，結(jié)構(gòu)撐架以焊熔連接，沒有采用螺栓，在基座結(jié)構(gòu)上再加上橡膠墊和橡膠尾套，使整個基架又對力產(chǎn)生一個緩沖，實現(xiàn)二級緩沖。 本設(shè)計中跑步板采用高密度纖維板，本身也提供一部份的吸震功能，但厚度至少需有2.5公分以上，以確保在吸震同時，不因沖擊而龜裂，另外在使用時可在跑步機的支撐點下，加鋪具有彈性的鋪墊，以增加避震效果。 圖9-1底板支架減震 圖9-2 底座減震 10.輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了方便用戶方便移動，放置跑步機，設(shè)計了跑步機的輪結(jié)構(gòu)。此設(shè)計的輪的材料是中間輪軸采用鋼結(jié)構(gòu)，而外包圍材料為橡膠，在實現(xiàn)滾動作用的同時，還可以用作跑步時的支撐、減噪和緩沖的作用，一舉兩得，結(jié)實耐用。 圖10-1 輪結(jié)構(gòu) 11.多功能設(shè)計 11.1仰臥起坐支撐架 為了合理利用跑步機支架部分和跑步帶的空間，和滿足運動者的需求，設(shè)計了這個仰臥起坐結(jié)構(gòu)。是由四根鋼管焊接在支架立桿兩側(cè)，兩桿寬度距離適合于兩腳踝和小腿部位的寬度，鋼管外部套有藍色的海綿體結(jié)構(gòu)，運動者可以躺在跑步臺上，兩腳夾在桿之間，舒適的進行仰臥起坐運動。 如下圖所示： 圖11-1 仰臥起坐支撐架 11.2扭腰盤設(shè)計 本跑步機設(shè)計的扭腰盤的設(shè)計結(jié)構(gòu)是連接在跑步機機架后方，扭腰盤是通過按摩圓盤與中間的軸相連，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的，扭腰盤表面設(shè)計有半圓形顆粒，可以在你扭腰的同時起到按摩保健的作用。 在使用健身扭腰盤同時帶給我們身體的好處：使用按摩健身扭腰盤，可使您的腰部、胸部、腿部、腹部得到鍛煉從而達到減腹瘦腰、豐胸美腿、增強皮膚彈性等作用。 圖11-2 扭腰盤 11.3俯臥撐支架 利用跑步臺兩側(cè)的鋼架結(jié)構(gòu)，設(shè)計了這個俯臥撐支撐架，焊接在跑步臺底座支架上，手握部位加上了藍色海綿材料，減少對手的摩擦，壓迫損傷。 做俯臥撐的好處： (1)發(fā)展力量素質(zhì)?？梢蕴岣呷梭w靜力性和動力性力量。其主要作用是發(fā)展人的上肢力量和腹肌力量。 (2)提高人體生理機能。對發(fā)展平衡和支撐能力起著重要作用。可以改善中樞神經(jīng)系統(tǒng)，有盆于骨的堅實，關(guān)節(jié)的靈活，韌帶的牢固，肌肉的粗壯及彈性，同時能加速血液循環(huán)，增大肺活量，促進生長發(fā)育，提高運動能力。 (3)增強體質(zhì)，增進健康。經(jīng)常全面鍛煉，對身心發(fā)展是有益處的，可以調(diào)節(jié)人的心理，使人精力充沛，起到強健體魄，陶冶情操，鍛煉意志，延年盆壽的作用。 圖11-3 俯臥撐支架 11.4角度調(diào)節(jié)器 為了能夠有效地調(diào)節(jié)跑步板的角度（坡度），設(shè)計了這個具有三個不同高度調(diào)節(jié)檔位的調(diào)節(jié)器，通過把插銷插到不同的調(diào)節(jié)孔，來調(diào)節(jié)跑步臺的高度，這個裝置是鋼架結(jié)構(gòu)，底部嵌有橡膠底座，在起到調(diào)節(jié)角度的同時，還可以在跑步的同時起到減震，緩沖，和減噪的功能。 圖11-4 角度調(diào)節(jié)器 11.5啞鈴功能 為了合理利用跑步機機架的空間，和使多功能跑步機鍛煉的多樣化，設(shè)計了啞鈴掛鉤，和啞鈴（每個10Kg）。 啞鈴的鍛煉效果和作用： 用啞鈴能鍛煉胸、背、肩、肱二頭肌、肱三頭肌、腿部的肌肉。 圖11-5 啞鈴及其掛鉤 11.6音樂功能 為了運動者可以在運動中享受自的音樂，同時也是可以在音樂的節(jié)奏下享受運動的快樂，我們在控制儀表盤上安裝了MP3數(shù)碼播放器，，并設(shè)有一個耳機插孔，方便運動者可以插上耳麥在跑步中進行運動。 儀表盤如下圖： 圖11-6 儀表盤及音樂播放器 12.調(diào)速機構(gòu)的選擇 針對電動跑步機的脈沖式負載轉(zhuǎn)矩特性, 以小功率直流電機驅(qū)動為例，利用PHILIPS P87LPC768 單片機開發(fā)了一種電動跑步機專用的數(shù)字式速度調(diào)節(jié)單元。該調(diào)速單元充分利用單片機的資源，采用 FUZZY-PID 算法，通過對 PID 參數(shù)的自動調(diào)整產(chǎn)生PWM 信號，實現(xiàn)對跑步機速度的控制。工業(yè)化試驗結(jié)果表明: 該單元結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，能對電動跑步機的速度實現(xiàn)精確控制，同時該方法也可應(yīng)用于其它同類運動裝置的速度控制[4]。 人在跑步機上跑步過程中，負載轉(zhuǎn)矩隨之發(fā)生周期性波動，隨著跑步機的運行速度不同，其負載轉(zhuǎn)矩的波動頻率不同，為了保證不同速度下跑步過程的平穩(wěn)和舒適度，電動跑步機的調(diào)速單元應(yīng)在不同頻率脈動負載的沖擊下具備良好的動態(tài)性能。 目前，國內(nèi)外主流的直流驅(qū)動型電動跑步機調(diào)速單元主要由模擬電路組成，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟，具有較高的性能價格比，但同時也存在電路復(fù)雜、模擬器件多、調(diào)試和批量生產(chǎn)工藝相對復(fù)雜、維護困難等方面的缺陷。本文結(jié)合電動跑步機對調(diào)速單元的特殊要求，利用 PHILIPS P87LPC768 單片機，采用 FUZZY-PID算法，開發(fā)了一種新型的數(shù)字式調(diào)速單元，該調(diào)速單元簡化了電路的設(shè)計，降低了成本，簡化了產(chǎn)品的生產(chǎn)和調(diào)試工藝過程； 同時在軟件設(shè)計中對跑步機的異常運行采取了相應(yīng)的保護措施，保障了健身者的人身安全。 圖12-1 調(diào)速單元結(jié)構(gòu)框圖 調(diào)速單元組成及工作原理： 調(diào)速單元在硬件結(jié)構(gòu)上主要由整流電路、濾波器、斬波電路、P87LPC768單片機、控制及驅(qū)動電路連接構(gòu)成，顯示及操作單元的單片機(通常采用51系列)作為上位機，對其發(fā)送速度給定，如上圖所示。P87LPC768是PHILIPS公司的一種80C51改進型MPU[ 1]，具有128 bit的RAM,4kb的OTP型程序存儲器，4路8位的 A/ D 轉(zhuǎn)換器，4路10位的PWM 輸出。P87LPC768根據(jù)上位機發(fā)送的速度給定指令，利用其PWM口，產(chǎn)生17 kHz 固定頻率、占空比可變的PWM信號，PWM 的頻率由其寄存器CNSW0，CNSW1中的值決定，脈寬由其寄存器CP-SW中的值決定。該信號經(jīng)光隔、放大后驅(qū)動MOS管，對整流電壓進行直流斬波，不同有效值的斬波電壓驅(qū)動直流電機，實現(xiàn)調(diào)速。 13.跑步機的日常維護保養(yǎng) 跑步機的維護與保養(yǎng) (1)清潔 要延長跑步機使用壽命，應(yīng)保持機內(nèi)清潔，每隔一個月進行一次清潔工作。清潔前必須首先切斷電源，打開機蓋，清除各部件的灰塵。然后蓋上機蓋，清潔跑步機上的灰塵及檢查各部件的螺是否有松動的現(xiàn)象，如有請擰緊。 (2)跑步帶跑偏 跑步機使用一段時間后如果出現(xiàn)跑步帶跑偏現(xiàn)象，一般與運動者的落腳點不在跑步帶中心及兩腳用力不均勻有關(guān)。人為的跑偏現(xiàn)象只需要空載（無人運動）運行幾分鐘就可以恢復(fù)正常。對于無法恢復(fù)的跑偏現(xiàn)象需要用隨機附帶的扳手以半圈為單位調(diào)整跑步帶的螺絲。 調(diào)整方法如下： 如跑步帶跑偏方向右偏，緊右面的調(diào)節(jié)螺絲或松左面的調(diào)節(jié)螺絲。如跑步帶偏方向為左偏，緊左面的調(diào)螺絲或松右面的調(diào)節(jié)螺絲。 (3)跑步帶打滑 跑步機在使用一段時間后跑步帶可能被微量拉長，出現(xiàn)運動者跑步時有停頓的感覺，空載（無人運動）卻正常的現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時，按順時針方向同步調(diào)整后面的調(diào)節(jié)螺絲，以半圈為單位進行調(diào)節(jié)，兩邊調(diào)整量需相同，直到跑步帶不打滑不跑偏。每次調(diào)整不應(yīng)超過2圈半，不可調(diào)整過緊以免損壞跑步帶。 (4)跑步機的折疊和收藏 為了節(jié)約您的存儲空間，此機特設(shè)計有主架氣壓泵輔助折疊功能，當(dāng)您運動完后不使用的時候，您只需要站在跑臺傍邊輕輕的將主架的尾部抬起，直到底座上的彈簧銷卡入主架底面的合葉片即為折疊好，如需要移動時，雙手扶住主架尾部，稍微傾斜然后移動到您要放置的位置即可。 如果你長時間不使用本機器的話，為安全起見，將機器放置于靠墻的位置，盡量不要讓幼童和寵物靠近折疊后的跑步機，以免發(fā)生意外。 小 節(jié) 經(jīng)過幾個月的不懈努力，終于完成了我的課題。從一開始看到題目時的不知所措，到通過自己的努力把問題一個一個的解決了，這個過程是艱難的，但卻是一個不斷學(xué)習(xí)的過程，從中增長了很多知識。 健身行業(yè)一直是我國的一個比較低落的行業(yè)，近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對自身的健康也日益關(guān)注，健身成為一種流行時尚，健身器材行業(yè)也逐步興起為一個大的消費領(lǐng)域，電動跑步機作為一種重要的健身器材得到了越來越廣泛的應(yīng)用，具有廣闊的市場前景。 希望通過我們的努力能夠?qū)ξ覈彝ソ∩砥鲗崿F(xiàn)大眾化，多功能化做出一些貢獻。 致 謝 經(jīng)過幾個多月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的指導(dǎo)老師XXXXXXXX老師。他平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從框架設(shè)計到查閱資料，設(shè)計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設(shè)計，編寫說明書等整個過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)并且為我的設(shè)計提供優(yōu)良的外部條件。除了敬佩指導(dǎo)老師的專業(yè)水平外，和他的治學(xué)嚴謹和科學(xué)研究的精神也是我永遠學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。本次畢業(yè)設(shè)計還使我從中學(xué)到了相互協(xié)作和不斷進取的精神，知道了獨立思考和創(chuàng)新是我們以后工作的一個重要條件，在今后的工作中，要鍛煉自己這方面的能力，使自己養(yǎng)成良好的設(shè)計理念。 另外，感謝我身邊的所有幫助我的同學(xué)們，謝謝同學(xué)們在設(shè)計過程給予我的建議，也就是在不斷的解決，和同學(xué)們給我的設(shè)計提出的問題的同時我完成了我大學(xué)生崖的最后一課。 感謝各位老師和同學(xué)在大學(xué)的生活給我的關(guān)心和幫助，讓我在完成自己學(xué)業(yè)的同時也學(xué)到很多的技能，為我走向社會提供了基石。四年的專業(yè)學(xué)習(xí)，使我真正掌握了很多的學(xué)習(xí)方法，這是大學(xué)給我的最寶貴的東西，也是各位老師給我的最寶貴的東西，在這里向辛勤工作的各位老師表示由衷的感謝。 最后，祝愿我們的老師和同學(xué)們工作順利，身體健康。 參考文獻 [1] 孫桓.機械原理.第七版.北京:高等教育出版社,2006. 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