多功能健身器的設(shè)計(jì)【健身器材類(lèi)機(jī)械】

多功能健身器的設(shè)計(jì)【健身器材類(lèi)機(jī)械】,健身器材類(lèi)機(jī)械,多功能健身器的設(shè)計(jì)【健身器材類(lèi)機(jī)械】,多功能,健身器,設(shè)計(jì),健身,器材,機(jī)械 多功能健身器設(shè)計(jì)學(xué) 生：李 禮指導(dǎo)老師：全臘珍(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128)摘 要：本次設(shè)計(jì)的主題是多功能健身器。該款多功能健身器由腿部鍛煉機(jī)構(gòu)、腰部鍛煉 機(jī)構(gòu)、手臂鍛煉機(jī)構(gòu)和機(jī)架四部分組成。腿部鍛煉機(jī)構(gòu)利用了鏈傳動(dòng)的工作原理和飛輪的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到鍛煉腿部肌肉的效果；腰部鍛煉機(jī)構(gòu)利用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的工作原理和彈簧的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到鍛煉腰部肌肉的效果；手臂鍛煉機(jī)構(gòu)利用了操縱機(jī)構(gòu)（拉手和鋼絲繩）、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（雙導(dǎo)桿）、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)桿）和配重的有效組合，達(dá)到鍛煉手臂肌肉的效果；機(jī)架為三個(gè)機(jī)構(gòu)的合理組合提供平臺(tái)。此外，該款多功能健身器具有使用方便、安全性好、成本低和拼裝設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：多功能；健身器；機(jī)構(gòu)；鍛煉 Multifunctional body-building device design Author. Li Li Tutor.Quan Nazhen(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128) Abstract: The subject of this design is multifunctional body-building device. Multifunctional body-building device is composed of four parts: leg exercise mechanism, waist exercise mechanism, arm exercise mechanism and the rack. To take leg part muscles exercise effect, leg exercise mechanism uses the working principle of belt transmission and the advantage of flywheel. To take waist part muscles exercise effect, waist exercise mechanism uses the working principle of slider crank mechanism and the advantage of spring. To take arm part muscles exercise effect, arm exercise mechanism uses the effective combination of operated control devices (fixer and cable), guiding mechanism (twin guide bars),controlled device(control lever) and counterweight. Furthermore, this multifunctional body-building device is provided with the advantages of applying easy, safety, cheap and assembly design. Keyword: multifunctional; body-building; mechanism; exercise1 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(mén)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(ài)好者，最后在老師的指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)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(lái)越強(qiáng)，高校，社區(qū)紛紛開(kāi)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(mǎn)足人人到健身房消費(fèi)，雖然健身器械看起來(lái)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(mǎn)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(lái)，就會(huì)使得器械整體比較協(xié)調(diào)，而且看起來(lái)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(mǎn)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(wú)噪聲； 3）鍛煉量可調(diào)節(jié)，每級(jí)5kg，操作方便； 4）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； 5）外型美觀，采用拼裝結(jié)構(gòu)，便于包裝運(yùn)輸； 6）選材合理，經(jīng)濟(jì)性能好，造價(jià)控制在2000元范圍內(nèi)。圖1 三維效果圖1Fig.1 3D Efect1.3 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(guò)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(guò)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(guò)來(lái)傳遞到小鏈輪上，鏈動(dòng)腿部運(yùn)動(dòng)起來(lái)。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(guò)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(guò)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?xún)r(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(guò)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(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力 優(yōu)點(diǎn)：1）有過(guò)載保護(hù)作用 ，過(guò)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(méi)有接頭，傳動(dòng)較平穩(wěn)，噪聲小 3）運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)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(guò)鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來(lái)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(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)。 優(yōu)點(diǎn)：平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，無(wú)滑動(dòng) 結(jié)構(gòu)緊湊，軸上壓力Q小 傳動(dòng)效率高=98% 承載能力高P=100KW 可傳遞遠(yuǎn)距離傳動(dòng)=5m，可用于溫度高、環(huán)境惡劣的場(chǎng)合 成本低 缺點(diǎn)：瞬時(shí)傳動(dòng)比不恒定 傳動(dòng)不平穩(wěn) 傳動(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(wú)噪聲和沖擊，有過(guò)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(guò)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=iz1=219=38。2.2.2 確定計(jì)算功率由表9-6查得KA=1.0，由圖9-13查得KZ=1.35，單排鏈，則計(jì)算功率為 Pca=KAKZP=1.01.351kW=1.35kW2.2.3 選擇鏈條型號(hào)和節(jié)距根據(jù)Pca=1.35kW及n1=60r/min查圖9-11，可選16A-1。查表9-1，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=（3050）p=（3050）25.4mm=7621270mm取a0=800mm，相應(yīng)的鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)為L(zhǎng)p0 = 2a0/p + （z1+z2）/2 + (z2-z1)/2p/a0 =91.78取鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)Lp=92節(jié)。查表9-7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=f1p2Lp-(z1+z2)=0.2488325.4292-(19+38）=802.688002.2.5 計(jì)算鏈速v，確定潤(rùn)滑方式v=n1z1p/(601000)=601925.4/(601000)m/s0.5m/s由v=0.5m/s和鏈號(hào)16A-1，查圖9-14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=10001/0.5=2000N鏈輪垂直布置時(shí)的壓軸力系數(shù)KFP=1.05，則壓軸力為FpKFPFe=1.052000=2100N2.2.7 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。查表9-5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5060 HRC。2.3 軸的設(shè)計(jì)2.3.1 求輸出軸上的功率、轉(zhuǎn)速和扭矩若取每級(jí)傳動(dòng)的效率（包括軸承效率在內(nèi)），則 又 （11） （12）于是=9550000=74808Nmm （13）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(jiàn)后文。確定軸的最小直徑先按公式（15-2）2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15-32，取，于是得 （14）輸出軸的最小直徑顯然是安裝飛輪處軸的直徑和,故取=28mm2.3.3 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(jiàn)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(mǎn)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dDB=40mm90mm23mm,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h0.07d，故取h=4mm，則軸環(huán)處的直徑。軸環(huán)寬度b1.4h，取。4）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5。鏈輪、飛輪與軸的周向定位均采用平鍵連接。按由表6-12查得平鍵截面bh=14mm9mm，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8mm7mm10mm，飛輪與軸的配合為。滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是由過(guò)渡配合來(lái)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15-22，取軸端角為245，各軸肩處的圓角半徑見(jiàn)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 （15）前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表15-12查得。因此，故安全。 圖2 載荷分析圖Fig.2 Load Analysis2.4 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(guò) 1） 該機(jī)構(gòu)的許用運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù) （16） 2）等效驅(qū)動(dòng)力矩Med （17） 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） （18） （19）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(lái)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 （20）設(shè)輪緣的寬度為b，材料單位體積的重量為，則 (21)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（1）座高：座高按低身材人群設(shè)計(jì)，座面前緣比人體膝窩高度低35cm，且有半徑為2.55cm的弧度，取450mm.（2）座寬：座寬按身材粗壯人群作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，參考尺寸是臀寬，以女性群體尺寸上限為設(shè)計(jì)根據(jù)，取450mm。（3）座深：座深指椅面前緣至后緣的距離，正確的座深應(yīng)使靠背方便地支持腰椎部位，身體高大的人只要小腿能得到穩(wěn)定的支持，也不會(huì)在大腿部位引起壓力疲勞。因此，為適應(yīng)絕大多數(shù)使用者，座深應(yīng)按身材矮小人群作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，取400mm。 （4）靠背高度：人體背部處于自然形態(tài)時(shí)最舒適，此時(shí)腰椎部分前凸，成年人腰椎部中心位置約在座位上方2326cm處，腰椎支點(diǎn)應(yīng)略高于此尺度，以支持背部重量，取420mm。（5）靠背寬度：靠背寬度以人的肩寬作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，從整體的布局角度考慮，靠背寬度與座寬一致，取450mm。（6）靠背傾斜角度：從脊柱正常形態(tài)來(lái)看，該角為115度較為合適。3.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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 (22) (23) (24) (25) (26) (27) 聯(lián)立以上公式，可解得，取特殊角，解得 (28) (29) (30) (31) (32) (33) 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 ， (34)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，因此按第類(lèi)彈簧來(lái)考慮，50CrVA型號(hào)的鋼滿(mǎn)足要求，其許用切應(yīng)力=750MPa。 （2）選擇旋繞比C，求曲度系數(shù)K值。查表16-92可知，旋繞比C=8，由公式（16-4）得K=+=+1.18 (35)（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 (36)（4試算彈簧絲直徑。由公式（16-3）2可得1.6=4.6mm (37)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： (38)（5） 求出彈簧的尺寸、，并檢查其是否符合安裝要求。 (39) (40)=320mm (41) （6）驗(yàn)算。彈簧的極限工作應(yīng)力=750MPa1 極限工作載荷 (42) （7）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。彈簧的具體尺寸如下：內(nèi)徑 (43)外徑 (44)旋繞比 (45)自由高度 (46) 工作高度 (47)有效圈數(shù) (48)展開(kāi)長(zhǎng)度 (49)螺旋角 (50)質(zhì)量 (51)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(lái)較大的困難。尤其是對(duì)健身器械來(lái)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(lái)的一些麻煩，所選材料應(yīng)該是在考慮滿(mǎn)足性能要求的情況下同時(shí)盡可能購(gòu)買(mǎi)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(mǎn)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/T6782-2002J45X2-GB/T6782-2002 J200X4-GB/T6782-2002J50X30X2.5-GB/T6782-2002 2）無(wú)縫鋼管40(GB/T17395-1998)材料為Q235（屈服強(qiáng)度235MP） 3）板材都為Q2354.2 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(chēng)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(wèn)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、 (52) (53)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。 (54) (55)支架的材料為Q235，查表2-63 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)候選用的材料是冷彎方鋼，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(guò)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(chēng)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?chē)米⑺軝C(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(guò)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(lái)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(guò)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(kāi)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(kāi)了一條深12mm 的槽）。這樣一來(lái)就使的配重跟容易在鍛煉時(shí)開(kāi)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(wèn)題，韌性也能保證。在設(shè)計(jì)配重時(shí)，我還專(zhuān)門(mén)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(xiāo)將配重與之連接起來(lái)，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(guò)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(guò)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(wèn)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(lái)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(guò)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(chēng)直徑 (56)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： (57)式中n為安全系數(shù)，k為折斷系數(shù)，為鋼絲繩的充滿(mǎn)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(guò)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(guò)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(jué)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 (58)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 (59)軸承應(yīng)具有的基本額定動(dòng)載荷為 (60)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(lái)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(guò)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)。此次家庭多功能健身器的設(shè)計(jì)不僅重溫了過(guò)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(lè)。通過(guò)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)家庭多功能健身器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠加強(qiáng)家庭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)家庭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。參考文獻(xiàn)1 王志堅(jiān)，郭雪娥. 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