多功能健身器的設(shè)計【健身器材類機械】

多功能健身器的設(shè)計【健身器材類機械】,健身器材類機械,多功能健身器的設(shè)計【健身器材類機械】,多功能,健身器,設(shè)計,健身,器材,機械 多功能健身器設(shè)計 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，長沙 410128) 摘 要：本次設(shè)計的主題是多功能健身器。該款多功能健身器由腿部鍛煉機構(gòu)、腰部鍛煉 機構(gòu)、手臂鍛煉機構(gòu)和機架四部分組成。腿部鍛煉機構(gòu)利用了鏈傳動的工作原理和飛輪的優(yōu)點，達(dá)到鍛煉腿部肌肉的效果；腰部鍛煉機構(gòu)利用了曲柄滑塊機構(gòu)的工作原理和彈簧的優(yōu)點，達(dá)到鍛煉腰部肌肉的效果；手臂鍛煉機構(gòu)利用了操縱機構(gòu)（拉手和鋼絲繩）、導(dǎo)向機構(gòu)（雙導(dǎo)桿）、調(diào)節(jié)機構(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；機架為三個機構(gòu)的合理組合提供平臺。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)計的特點。 關(guān)鍵詞：多功能；健身器；機構(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; exercise 1 前言 1.1 方案確定與分析 體育健身器械的創(chuàng)新設(shè)計是一門實踐性的課題，我在確定方案的時候做了許多的市場調(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)計的思路：由于目前市場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)計復(fù)雜，工作時常出現(xiàn)故障，維修困難。隨著人們生活水平的提高，大眾健身的意識越來越強，高校，社區(qū)紛紛開設(shè)了健身房，但由于目前中國人們的消費水平還不滿足人人到健身房消費，雖然健身器械看起來還是有點超出普通人的消費水平，但依然比去健身房實惠，而且能更加方便，所以以后的產(chǎn)品針對的人是大部分的白領(lǐng)，及以上夠消費的人群。他們由于時間的原因，去健身房不大適合時間安排，而且他們也消費得起，同時由于中國人口眾多，人均房屋面積底下，同時造成房價暴漲，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)計的時候明確了自己設(shè)計的方向，要求作品結(jié)構(gòu)緊湊，相對占地較小，安全性能高，能滿足人們對多種肌肉的鍛煉，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功能。同時據(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)計的單人多功能健身機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； 3）鍛煉量可調(diào)節(jié)，每級5kg，操作方便； 4）設(shè)計合理，解決目前市場上健身機械的設(shè)計不足 ，并便于生產(chǎn)制造； 5）外型美觀，采用拼裝結(jié)構(gòu)，便于包裝運輸； 6）選材合理，經(jīng)濟性能好，造價控制在2000元范圍內(nèi)。 圖1 三維效果圖[1] Fig.1 3D Efect 1.3 整體結(jié)構(gòu) 1.3.1 手臂鍛煉機構(gòu)及機架 手臂鍛煉機構(gòu)及機架由底座、立柱、支架、拉手、鋼絲繩、雙導(dǎo)桿、配和調(diào)節(jié)桿組成，機架為整個機構(gòu)提供一個有效組合的平臺，手臂鍛煉機構(gòu)通過拉手操作配重的上下移動，以達(dá)到鍛煉效果。 1.3.2 腿部鍛煉機構(gòu) 腿部鍛煉機構(gòu)由鏈傳動機構(gòu)、軸（包括軸承、軸承座）和飛輪組成，腿部的運動通過鏈傳動機構(gòu)將能量傳遞并儲存到飛輪，進而飛輪把儲存的能量反過來傳遞到小鏈輪上，鏈動腿部運動起來。 1.3.3 腰部鍛煉機構(gòu) 腰部鍛煉機構(gòu)由座椅、曲柄滑塊機構(gòu)、座椅固定架和彈簧組成。通過靠背（即曲柄）向后的轉(zhuǎn)動，鏈動滑塊和彈簧（彈簧掛鉤一端固定在機架，另一端固定在滑塊上）移動，彈簧受力之后，進而將滑塊拉回原處。 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有些許的變動，因為它涉及得到零件的配合關(guān)系，以及當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境。 同時結(jié)合市場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度達(dá)不到應(yīng)有的強度要求，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比。 2 腿部鍛煉機構(gòu)設(shè)計 2.1 傳動方案的選擇[2] 腿部鍛煉機構(gòu)采用機械傳動的形式，帶傳動和鏈傳動為兩種可供考慮的方案。 2.1.1 方案一:采用帶傳動方式 定義：帶傳動是一種撓性傳動。帶傳動的基本組成零件為帶輪和傳動帶。當(dāng)主動帶輪轉(zhuǎn)動時，利用帶輪和傳動帶間的摩擦和嚙合作用，將運動和動力通過傳動帶傳遞給從動帶輪。 傳動原理：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)生摩擦力來傳遞運動與動力 優(yōu)點：1）有過載保護作用 ，過載時帶在帶輪上打滑，可以防止其它器件損壞2）傳動帶具有良好的彈性，能緩沖吸振，尤其是V帶沒有接頭，傳動較平穩(wěn)，噪聲小 3）運行平穩(wěn)無噪音 4）適于遠(yuǎn)距離傳動（=15m） 5）制造、安裝精度要求不高 缺點：1）有彈性滑動使傳動比i不恒定 2）張緊力較大（與嚙合傳動相比）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）帶與帶輪間會產(chǎn)生摩擦放電現(xiàn)象，不適宜高溫、易燃、易爆的場合。 2.1.2 方案二：采用鏈傳動方式 定義：鏈傳動也是一種撓性傳動。它由鏈條和鏈輪組成。通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來傳遞運動和動力。 工作原理：靠兩輪間的鏈條（中間撓性元件）嚙合來傳遞動力和運動。 優(yōu)點：①平均傳動比準(zhǔn)確，無滑動 ②結(jié)構(gòu)緊湊，軸上壓力Q小 　③傳動效率高η=98% ?、艹休d能力高P=100KW ?、菘蓚鬟f遠(yuǎn)距離傳動=5～６m，可用于溫度高、環(huán)境惡劣的場合 　⑥成本低 缺點：①瞬時傳動比不恒定 ?、趥鲃硬黄椒€(wěn) ?、蹅鲃訒r有噪音、沖擊 　 比較方案一和方案二，健身器為室內(nèi)型器材，要求運行平穩(wěn)且無噪聲和沖擊，有過載保護和緩沖吸振的作用。綜上所述，初步確定方案二較為合理，即采用鏈傳動的方案。 2.2 鏈傳動的設(shè)計計算 采用短節(jié)距精密滾子鏈。滾子鏈常用于傳動系統(tǒng)的低速級，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比imax=8。 根據(jù)實際情況，設(shè)定主動鏈輪的轉(zhuǎn)速n1=60r/min，傳動比i=2，鏈傳動所需傳遞的功率為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，則計算功率為 Pca=KAKZP=1.0×1.35×1kW=1.35kW 2.2.3 選擇鏈條型號和節(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)的鏈長節(jié)數(shù)為 Lp0 = 2a0/p + （z1+z2）/2 + [(z2-z1)/2π]2p/a0 =91.78 取鏈長節(jié)數(shù)Lp=92節(jié)。 查表9-7得到中心距計算系數(shù)f1=0.24883,則鏈傳動的最大中心距為 a=f1p[2Lp-(z1+z2)]=0.24883×25.4×[2×92-(19+38）]=802.68≈800 2.2.5 計算鏈速v，確定潤滑方式 v=n1z1p/(60×1000)=60×19×25.4/(60×1000)m/s≈0.5m/s 由v=0.5m/s和鏈號16A-1，查圖9-14可知應(yīng)采用定期人工潤滑。 2.2.6 計算壓軸力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號鋼，大鏈輪采用20號鋼，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 2.3.1 求輸出軸上的功率、轉(zhuǎn)速和扭矩 若取每級傳動的效率（包括軸承效率在內(nèi)），則 又 （11） （12） 于是=9550000=74808N·mm （13） 2.3.2 求作用在軸上的力 傳動軸主要受一對平衡力的作用，即鏈傳動對軸的壓軸力和兩個軸承對它的支撐力。示意圖見后文。 確定軸的最小直徑 先按公式（15-2）[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15-3[2]，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==28mm 2.3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （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=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。 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軸承添加潤滑脂的要求，取，而。 至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。 （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6-1[2]查得平鍵截面b×h=14mm×9mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為50mm，同時為了保證鏈輪與軸的配合有良好的對中性，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)圖做出軸的計算簡圖，并進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是軸的危險截面。 2.3.5 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取，軸的計算應(yīng)力為 （15） 前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表15-1[2]查得。因此，故安全。 圖2 載荷分析圖 Fig.2 Load Analysis 2.4 飛輪機構(gòu) 2.4.1 飛輪轉(zhuǎn)動慣量的近似計算 因飛輪等效轉(zhuǎn)動慣量很大,作近似計算時其他構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣量可略去不計. 預(yù)設(shè)鏈傳動一個穩(wěn)定循環(huán)對應(yīng)于等效構(gòu)件一轉(zhuǎn),等效驅(qū)動力矩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） 該機構(gòu)的許用運轉(zhuǎn)不均勻系數(shù) （16） 2）等效驅(qū)動力矩Med （17） 3）裝在等效構(gòu)件上的飛輪應(yīng)具有的轉(zhuǎn)動慣量JF（不計其余構(gòu)件的等效轉(zhuǎn)動慣量） （18） （19） 2.4.2 飛輪尺寸的確定 飛輪的最佳設(shè)計是以最少的材料來獲得最大的轉(zhuǎn)動慣量,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)動慣量較小可略去不計。輪緣的轉(zhuǎn)動慣量近似為 （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 健身器腰部鍛煉機構(gòu)設(shè)計 3.1 座椅的設(shè)計 3.1.1 座椅的設(shè)計構(gòu)思 座椅設(shè)計成靠背可轉(zhuǎn)動的形式，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，座面前緣比人體膝窩高度低3—5cm，且有半徑為2.5—5cm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，參考尺寸是臀寬，以女性群體尺寸上限為設(shè)計根據(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，取400mm。 （4）靠背高度：人體背部處于自然形態(tài)時最舒適，此時腰椎部分前凸，成年人腰椎部中心位置約在座位上方23—26cm處，腰椎支點應(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，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)來看，該角為115度較為合適。 3.2 曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計 3.2.1 各桿長尺寸的設(shè)計計算[4] 曲柄滑塊機構(gòu)中各桿長的確定巧妙利用了《機械原理》平面四桿機構(gòu)及其設(shè)計、《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。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] 連桿是整個機構(gòu)受力最大的零件，其直徑的大小決定了整個機構(gòu)的壽命的長短。從安全角度考慮，連桿的材料應(yīng)選20鋼，其工作強度極限為，因此 ， (34) 取d=10mm，符合設(shè)計要求。 3.2.3 彈簧的設(shè)計計算 (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)。曲柄滑塊機構(gòu)對彈簧的力學(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 (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）驗算。彈簧的極限工作應(yīng)力=750MPa[1] 極限工作載荷 (42) （7）結(jié)構(gòu)設(shè)計。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) 展開長度 (49) 螺旋角 (50) 質(zhì)量 (51) 4 臂力機構(gòu)及機架設(shè)計 4.1 設(shè)計材料的選定 臂力機構(gòu)及機架的設(shè)計核心是材料的選定，材料的選定決定了臂力機構(gòu)及機架的使用性能，安全性能和它的壽命。一般情況下，太好的材料強度較高，硬度也會相應(yīng)提高，這樣對機械加工會鏈來較大的困難。尤其是對健身器械來而言，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盡可能購買周邊的材料，這樣可以減少運輸費用，降低設(shè)計和制造成本。 1）為滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和制造要求，根據(jù)對鋼材大市場的調(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（屈服強度235MP） 3）板材都為Q235 4.2 底座的設(shè)計 底座的設(shè)計特別的重要，它關(guān)系到整臺機械的使用性能。它是支架，配重和立柱及導(dǎo)向裝置的安裝基礎(chǔ)，所以它的強度要高，結(jié)構(gòu)要扎實。 在設(shè)計底座時，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，這些部件均采用對稱安裝，同時可以簡化底座的受力情況。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型號的板材，長度為1700mm，寬度為500mm，厚度為30mm。 4.3 支架的設(shè)計 4.3.1 支架的作用 支架是這臺器械的重要部件，它提供鍛煉者以舒服的運動環(huán)境，支架的設(shè)計是一個比較實際的問題，它的外表不僅要美觀大方，而且要有很多人性化的特點，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受到的力為人對它的拉力，取其最大值為， 截面C受到的力為配重對它的拉力，取其最大值為， 的值由設(shè)計要求決定，取，。 由此，可以計算出、 (52) (53) 圖4 示意圖 Fig.4 Schemes （2）力矩圖 圖5 示意圖 Fig.5 Schemes (3) 強度校核 由力矩圖可以看出，截面A為危險截面，需要進行強度校核。 (54) (55) 支架的材料為Q235，查表2-6[3] 得，，符合設(shè)計要求。 4.3.3 支架的工藝處理 該支架在加工時選用冷彎方管焊接，還要在上面安裝滑輪夾座，在焊接的時候校準(zhǔn)變形并打磨毛刺，表面烤漆。 其中滑輪的位置在裝配的時候進行設(shè)計，我在設(shè)計的時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，便于拆裝。 4.4 配重的設(shè)計 由于配重在鍛煉的過程中或多或少的會產(chǎn)生噪音，我在此套用了一種比較簡單的方法，且又便于維修;在配重下面做四個對稱的圓孔，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，對他的設(shè)計考慮有以下幾點要求： 1）在鍛煉的時候由于配重忽上忽下的運動會有很大的撞擊，因此，在設(shè)計配重的時候，市場上常用的方法是在配重的周圍用注塑機包裹一定厚度的橡皮。這種做法有一定的缺點，對于小批量的生產(chǎn)很不適合會造成成本的提高，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)于報廢了。 2）配重在導(dǎo)向桿中上下滑動，導(dǎo)桿選用1Cr18Ni9不銹鋼管材，是價格較貴的一種，因此為了保護導(dǎo)桿，因此需要對配重孔進行改進。 3）市場上大部分配重是每塊5kg，一般情況下人們的鍛煉時候的力量不會超過65kg，這樣就需要13塊，所以在這方面依然采用市場上的數(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，而鑄鐵的缺點就是韌性低，質(zhì)脆（據(jù)計算：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開裂而報廢。 綜合市場上的調(diào)查分析，我做了如下改進： 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￠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，采用回收的板材，30mm厚的冷軋鋼板，材料標(biāo)記為：Q235-GB/T699-1988，它的強度不成問題，韌性也能保證。 在設(shè)計配重時，我還專門設(shè)計了第一塊配重（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準(zhǔn)確的位置，主要是限制吊桿的旋轉(zhuǎn)運動，這樣鍛煉者在選擇力量的時候就方便多了。 在制造配重的時候，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 滑輪在整臺健身機械中的作用：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，滑輪在此臺器械中主要受壓應(yīng)力的作用而且一般不會超過6500N, 然而一般鋼材的受力都大于此數(shù)值，所以強度不是重點考慮的問題，同時由于滑輪的運動都是圍繞中心運動，所以我設(shè)計在里面加一個軸承，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)動的時候摩擦也減小了，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：首先選材保證了他的強度，同時用料省，加工簡單，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)計制造費用相當(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 根據(jù)機械設(shè)計手冊知道，鋼絲繩的公稱直徑 (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)，為鋼絲繩的充滿系數(shù) 其中的算法為 初選鋼絲繩的抗拉強度為167MP，取安全系數(shù)值為6級，k=0.82, =0.46代入公式的c=0.110 根據(jù)手冊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 對于其他零件的設(shè)計，如海綿防護體，坐墊及靠墊，這些均通過工廠定做，這些東西設(shè)計尺寸要求不是很高，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，其中鋼絲繩的長度具體由安裝時確定。 4.8 標(biāo)準(zhǔn)件的選定及校核 本次設(shè)計中采用了許多的標(biāo)準(zhǔn)件，在選用標(biāo)準(zhǔn)件的時候要特別的考慮。本次設(shè)計中采用了這些標(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] 整個機構(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。由于同時在支架上安裝了8個滑輪，此處軸承受力較小，不需進行校核，小鏈輪軸所選用的軸承型號與大鏈輪軸相同，因此，只需校核大鏈輪軸處的軸承。 根據(jù)設(shè)計手冊可知，深溝球軸承的型號為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)具有的基本額定動載荷為 (60) 軸承壽命符合要求。 4.9 導(dǎo)管的設(shè)計 由于導(dǎo)管要求的精度較高一點，如：直線精度不高會造成運動的不方便，給運動員鏈來不便，同時表面噴漆不可行，因為他要與配重摩擦，很容易掉漆后生銹，所以我們采用不銹鋼管，材料牌號為1Cr18Ni9，表面烤漆。 5 設(shè)計總結(jié) 通過這一階段的畢業(yè)設(shè)計，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，是大學(xué)四年所學(xué)知識很好的總結(jié)。 此次家庭多功能健身器的設(shè)計不僅重溫了過去所學(xué)知識，而且學(xué)到了很多新的內(nèi)容。相信這次畢業(yè)設(shè)計對我今后的工作會有一定的幫助。所以，我很用心的把它完成。在設(shè)計中體味艱辛，在艱辛中體味快樂。 通過本次設(shè)計我可以更加系統(tǒng)的了解多功能健身器方面的知識；能夠加強家庭多功能健身器結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠加強家庭多功能健身器功能部件的選型和設(shè)計計算；能夠加強家庭多功能健身器的方法和理論；能夠檢驗自己能否將四年學(xué)習(xí)的理論知識轉(zhuǎn)化為實際應(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，郭雪娥. 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