電動跑步機的設計

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學校代碼：10904學 士 學 位 論 文跑步機的設計姓 名：XXX學 號：2008051xxxx指導教師：XXX院系(部所)：機電工程學院專 業(yè)：機械設計制造及其自動化完成日期：2012年04月30日學校代碼：10904學 士 學 位 論 文跑步機的設計姓 名：XXX學 號：2008051xxxx指導教師：XXX院系(部所)：機電工程學院專 業(yè)：機械設計制造及其自動化完成日期：2012年04月30日摘 要跑步機是家庭及健身房常備的器材，而且是當今家庭健身器材中最簡單的一種，是家庭健身器的常用選擇。電動跑步機通過電機帶動跑帶使人以不同的速度被動地跑步或走動，從動作外形上看，幾乎與普通在地面上跑或走一樣。本文基于家庭常用電動跑步機，分析其基本結構構造、機械原理，掌握各部件的基本特征及其各自之間的聯(lián)系，在此基礎上認識其功能的實現(xiàn)原理及基本特性。并基于此前提下通過優(yōu)化設計盡力降低其成本價格，并努力縮小其使用及存放空間，在提高其運動價值基礎之上使其體現(xiàn)出更大的市場價值，更多的為消費者所接受。關鍵詞 跑步機，構造，機械原理AbstractTreadmill is commonly used in the home and the gymnasium,and it is one of the most simple gymnasium equipments.We can walk or run on the electric tread-mill as the transmission belt is drived by the motor.Almostly,it is the same with the general on the ground from the action point of view.The object of this study was based on the general electric treadmill to analysis its structure and mechanical principle and to know the association between each component and its functions. And based on this premise to reduce the cost price by optimizing the design,reduce the space of stroage. In improving the sports value basis to reflect the greater market value, the more accepted by consumers. Key Words: Treadmill Structure Mechanical principleii目 錄第一章 緒論11.1 選題的目的和意義11.2 國內外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1第2章 總體方案設計22.1功能分析22.2 跑步機的基本結構設計2第3章 跑步板與跑步帶的設計53.1 跑步板的設計53.2 跑步帶的設計53.3 跑步臺潤滑油的添加5第4章 電動機的功率類型選擇64.1 功率分析64.2 技術參數(shù)6第5章 傳動機構設計85.1 設計步驟及參數(shù)選擇85.2 多楔帶帶輪結構和尺寸選擇105.3 帶傳動的張緊裝置的選擇11第6章 外形結構設計126.1 支架的設計126.2 前后罩的設計136.3 仰臥起坐架的設計14第7章 前后滾筒的設計167.1 軸承的選擇和計算167.2 軸結構的設計167.3 強度計算177.4 滾筒要求18第8章 跑步機使用和維護198.1 如何安全使用跑步機198.2 跑步機的維護與保養(yǎng)19參考文獻20致 謝21跑步機的設計第一章 緒論跑步是目前國際流行并被醫(yī)學界和體育界給予高度評價的有氧健身運動，是保持一個人身心健康最有效、最科學的健身方式，也越來越受到大家喜愛。戶外長跑曾經(jīng)是大眾最喜聞樂見的運動形式，沿著林蔭道呼吸著早晨清新的空氣，聽著枝頭的鳥鳴，既能愉悅身心，又可鍛煉體魄。只是隨著都市的大氣變得污濁，生活節(jié)奏變得緊張，戶外長跑變得不那么流行了，而跑步機則成了時下健身最熱門的健身器械。跑步機不僅可以讓我們免受汽車尾氣之苦，也使我們可以選擇自己方便的時間隨時鍛煉。1.1選題的目的和意義隨著生活水平的提高，人們的健身意識隨之增強。由于城市生活的快節(jié)奏和局限性，跑步機機進入了人們的視野。跑步機結構簡單，使用方便，節(jié)省空間，是城市生活健身的最佳選擇。而且在運動過程中，與實際陸地運動相比，可減輕疲勞感從而增加能量消耗，達到更好的運動健身效果。希望此設計對于處在工薪階層的有運動渴望，卻沒有足夠的運動空間和運動時間的人士來說是個好消息。1.2國內外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢目前，美國仍舊是世界上最大的單個健身器材消費市場，亞太地區(qū)則是市場增長最快區(qū)域，2009年全球的健身器材銷售中，跑步機的銷售額也突破30億美元。我國的健身器材行業(yè)自上世紀80年代末以來,經(jīng)過多年的不斷調整與發(fā)展,生產的室內健身器材產品已大量出口到歐美等發(fā)達國家，并進入主流市場。作者：xxx第1頁共21頁跑步機的設計第2章 總體方案設計2.1功能分析跑步機的功能就是構建一條運動的跑道，跑道運動的方向與運動者的跑動方向相反，但速度必須自動保持大小相同，這樣就能夠實現(xiàn)運動者在原地進行跑步鍛煉了。為實現(xiàn)跑步機的功能，對跑步帶的驅動與速度控制進行選擇：通常使用直流電動機驅動，直流電動機通過半導體功率器件，使用脈沖寬度控制（PWM）方式實現(xiàn)調速。速度范圍為0.812km/h，并設有3、8、12 三個速度直選鍵。 圖 2-1 機構簡圖2.2 跑步機的基本結構設計電動跑步機主要由電動機、機架、跑步板、跑步帶及儀表控制盤組成，速度傳感器安裝在緊靠在從動皮帶輪的框架上，皮帶調節(jié)螺栓一端連接在焊接于框架前端的孔板上，一端連接在電動機外殼的孔板上，另跑步機扶手架安裝于支架的頂端，儀表控制盤安裝于扶手架上。傳動方式采用帶傳動機構。另外支架上安裝有仰臥起坐架，實現(xiàn)仰臥起坐功能。圖2-1 設計總圖第3章 跑步板與跑步帶的設計3.1跑步板的設計電動跑步機的跑步板，它由基板以及高密度導電耐磨板構成?；臼歉呙芏壤w維板，強度較高、重量較輕，成本較低，效果較好，本身也提供一部份的吸震功能。導電耐磨層既可長期承受跑步帶的摩擦，使用壽命高；又可隨時將摩擦產生的靜電荷通過底座導出，避免靜電對人體的不舒感和對跑步機造成的損害。導電耐磨層可以在基板上噴涂導電耐磨涂料固化制成，也可以在基板上復合耐磨金屬板制成。導電耐磨涂料層工藝較簡單，成本也較低。復合耐磨金屬板則更牢固。復合耐磨金屬板為復合銅板時效果更好，更耐磨。3.2跑步帶的設計跑步帶是電動跑步機的一個重要部件，跑步帶的性能好壞直接影響跑步機的質量，影響跑步效果。要求跑步帶抗延展性好，使用壽命長，不易變形。因此跑步帶可以采用雙層 PVC 十單層胚布材料。跑步帶的尺寸應滿足跑步這一功能的需要，長度方向應讓人能輕松邁開步伐，根據(jù)人體運動工程學推算，設計為 1300mm;寬度應按照人體尺寸的肩寬度來確定，加上余量，設計為 450mm。理論上來說，在相同的馬力條件下，如果跑步機所能提供的跑步帶面積越大，且整臺實際的占地面積越小，應是較佳的設計。3.3跑步臺潤滑油的添加潤滑油的添加主要達到以下目：1、降低跑步板與跑步帶之間的摩擦力及保護跑步板表面的耐磨涂層，以達到延長跑步帶與跑步板的壽命。2、充分降低跑步機運行的電能損耗。3、讓機器運行更加流暢，增強使用舒適性。潤滑油的質量要求：耐高溫、黏度高、不易揮發(fā)。使用方法：1、掀開右側跑步帶，將潤滑油沿跑步帶方向倒在跑步板上，控制用量為 10 ml。2、左側同右側使用相同的操作方法。3、人站在跑步機上隨著跑步帶一起運動的同時，使腳有意識的踏壓跑步帶下涂有潤滑油的區(qū)域，以使其在跑步板上散布均勻。潤滑油添加頻率：正常情況下，每六個月潤滑一次。注意事項：不能過量加注潤滑油，防止因摩檫力太小，跑步帶和傳動滾筒之間出現(xiàn)打滑，從而影響其正常使用。圖3-1跑步板與跑步帶跑步帶和跑步板的設計是設計的重點，因為它們不僅要提供一個舒適寬敞的跑步平臺，還要考慮它們之間存在的摩擦問題，以及由摩擦而產生的靜電問題，通過在細節(jié)的設計上，提供一個真正健康的鍛煉平臺。第4章 電動機的功率類型選擇4.1 功率分析當人在跑步機上跑或走路時，跑步機實際承載了人體體重的0.82.5倍的重量，而電動機提供的馬力（1馬力=735W），就是在這樣載荷下，能夠滿足并維持運動者所選擇的運動速度，使人能夠在跑步機上走跑自如。通常情況下，跑步機的一個馬力大約能提供5060公斤的載荷，同時馬力還與跑步帶面積大小有直接關系。跑步機馬力越大，能夠帶動的跑步帶面積也就越大，在綜合衡量效率與安全性后，一般建議家用跑步機合適的持續(xù)馬力至少1.5馬力以上，如果家人體重有過80公斤，應選持續(xù)馬力2.0以上的跑步機。此跑步機設計標準為100公斤，選用2.0馬力的ZYT42/06型永磁直流電動機。該電動機顯著的特點：具有轉速精度高，當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不差，保持同步轉速，如同在平地上一樣感覺。在調速方便（可無級調速），調速范圍寬，低速性能，運行平穩(wěn)，噪音低，效率高。4.2 技術參數(shù)型號 ZYT42/06 電壓220 VDC功率 2.0 HP 電流不大于9.8A轉速34007% 轉向 逆時針絕緣等級 F級圖4-1 電動機外型圖電動機特性曲線：表4-2 電動機特性曲線跑步機屬于健康器材類產品，由于跑步機驅動電機必須滿足各種體重的人來使用。一般使用跑步機的目的有兩種：健身，減肥瘦身。如果是減肥瘦身的人來使用，因為身體較肥胖跑不快，因此驅動電機的需提供低轉速大轉矩。而健身的人跑步快，但是重量輕，因此驅動電機需提供高轉速小轉矩機。跑步機必須滿足家庭成員每一個人都能使用，因此調速范圍要寬廣，低速轉矩要大，才能滿足不同重量的人。目前跑步機使用的驅動裝置以直流有刷電機為多，優(yōu)點是價格便宜。第5章 傳動機構設計工作機構類型選擇帶傳動，屬于定傳動比勻速轉動機構。帶傳動具有結構簡單，成本低廉，能緩和載荷沖擊，運行平穩(wěn)，無噪聲，過載時將引起帶在帶輪上打滑，因而可防止其他零件的損壞，具有過載保護作用。5.1設計步驟及參數(shù)選擇ZYT42/06是專門為跑步機生產的永磁直流電動機，傳動功率P=1.5KW，主動輪轉速為n1=3400r/min， 傳動比定為i=2:1。 由于多楔帶適于傳遞功率較大而又要求結構緊湊的場合，特別能適應帶輪直徑小的傳動，所以選則多楔帶?！?0】1、確定設計功率PA PAKAP （4-1） KA工作情況系數(shù)，根據(jù)跑步機使用的特性，選擇每天工作時間10小時，載荷變動小。KA=1.1PA=1.1*1.5=1.65kw2、帶型號的選擇 對于多楔帶的型號可根據(jù)設計功率PA=1.65KW和小帶輪轉速n1=3400r/min選取,根據(jù)書上表，選PJ型多楔帶。3、確定帶輪直徑de1、de2（有效直徑）小帶輪有效直徑：由表8-90demin=20mm,由表8-91選de1=33.5mm大帶輪有效直徑:小帶輪節(jié)圓直徑dp1=de1+2e=33.5+2*1.2=35.9mm由表8-90知，e=1.2大帶輪節(jié)圓直徑 dp2=idp1=2*35.9=71.8mmde2=dp2-2e=71.8-2*1.2=69.4mm由表8-91，選de2=63mm4、計算帶速v v=dp1n1 /（601000） m/s （3-2） 一般v在525 m/s，最大30 m/s，在815 m/s較好V=*35.9*3400/60*1000=6.3930m/s,合適5、初定中心距a0對于V帶傳動，中心距a一般可取2（de1 de2 ）a00.7（de1de2） （3-3）72.03a0205.8初定 a0=150mm6、確定帶的有效長度Le Le0=2a0+/2（de1de2）+(de2-de1)2/4a0=2*150+161.553+2.148=463.701mm由表8-52，選Le=450mm7、計算實際中心距a中心距的變動范圍 考慮安裝調整和補償張緊力的需要（如膠帶伸長而松弛后的張緊），尚需給中心距留有一定的調整余量。由表8-54知中心距的調整量為min=8mm,max=5mm a=a0+(Le- Le0)/2=150-6.85=143.15mm則a1=148.15mm a2=135.15mm8、計算小帶輪包角1 -（de2-de1 ）/a=3.14-0.24=2.9rad9、帶每楔所傳遞的額定功率及其增量由帶型，de1=33.5mm，n1=3400r/min按表8-55用插值法計算的p0=0.14kw由i=2, n1=3400r/min,有表8-55用插值法計算得p0=0.02kw p=0.14+0.02=0.1610、計算帶的楔數(shù)由表8-56用插值法計算K=0.97，KL=0.78Z0= PA /(p*K* KL)=1.65/（0.16*0.97*0.78）=13.63由表8-51選取Z=1211、有效圓周力F= Pd/v*103=0.26*103=260N12、作用在軸上的載荷為設計軸和軸承，需確定帶傳動作在軸上的力Fr得Kr=1.57 Kc=0.995則Fr=Kr*F=1.57*260*0.995=406.16N根據(jù)計算，跑步機傳動機構選擇12PJ450多楔帶圖5-1 PJ型多楔帶5.2多楔帶帶輪結構和尺寸選擇要求質量小；結構工藝性好；無過大的鑄造內應力；質量分均勻，轉速高時要經(jīng)過動平衡 ；輪槽工作面要精細加工（表面粗糙度一般為3.2），以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等。材料帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用材料的牌號為HT150或HT200；轉速較高時宜采用鑄鋼（或用鋼板沖壓后焊接而成）；小功率時可用鑄鋁或塑料。結構設計帶輪由輪緣，輪輻和輪轂三部分組成1）實心式：帶輪基準直徑小于3d(d為軸的直徑)時2）腹板式：帶輪基準直徑小于300350mm時3）輪幅式：帶輪基準直徑大于300350mm時帶輪的結構設計主要是根據(jù)帶輪的基準直徑選擇結構形式，并根據(jù)帶的型號及根數(shù)確定輪緣寬度，根據(jù)帶的型號確定輪槽尺寸則小帶輪D=33.5選取實心式，大帶輪D=63選取腹板式小帶輪隨電機一起購買。規(guī)格：P12PJ33.5以跑步機大帶輪P12PJ63為例確定其結構和尺寸：要求帶輪每毫米有效直徑的輪槽軸向圓跳動公差值為0.002mm.輪槽表面粗糙度Ra的最大允許值為3.2。槽距e=2.340.03 輪緣寬度f最小值為1.8， n槽數(shù)為12。帶輪寬=（n-1）*e+f*2=11*2.34+1.8*2=29.34mm。5.3帶傳動的張緊裝置的選擇傳動中心不可變時，采用張緊輪，傳動中心可調時，采用滑軌+螺旋或者浮動軸。表5-3張緊裝置本跑步機傳動中心距是可調的，范圍在140.52-153.52之間，則通過螺栓的前后移動來調節(jié)電機的前后移動，從而實現(xiàn)帶的調緊和放松。第6章 外形結構設計6.1支架的設計支架在跑步機中起到支撐其他部件的作用，支撐著整個跑步機。跑步機的支架一般分成底部支架和上部支架兩部分，通過插拔的形式安裝和拆卸，目的是包裝時節(jié)省空間，材料采用空心鋼管，連接為焊接，保證穩(wěn)定性。底部支架與地面接觸，為了實現(xiàn)二級緩沖，通常會在其上按有橡膠墊和尾套；上部支架是兩條斜安裝的管，支架還包括扶手，儀表安裝，輔助支架等。支架的設計如下圖所示：圖6-1（1） 上支架圖6-1（2） 下支架圖6-1（3） 總支架6.2前后罩的設計為保證安全性，同時為了技術保護和美觀，必須將電動機與跑步帶隔離開來。前罩使用工程塑料，美觀，有質感，能起到有效的防護作用。設計基準為基架，通過螺釘與基架連接，方便安裝和維護維修。如下圖所示：圖 6-2（1） 前罩圖6-2（2） 后罩6.3仰臥起坐架的設計根據(jù)美國醫(yī)療協(xié)會報導,做仰臥起坐對人體新陳代謝 有絕對的幫助,其可增進肺部運動量因而提升免疫力。此設計結構簡單，與支架焊接在一起，平穩(wěn)堅固、使用簡單，屬于很大眾化的設計，對強化胸部、腰部大小肌肉，消除腹部贅肉最有效，在鍛煉中與跑步配合，使跑步機不再成為乏味的單一運動器械，而且結構位置絲毫不影響跑步帶鍛煉。圖6-3 仰臥起坐架 整個結構的設計SOLIDWORKS2006進行三維的實體設計，使設計簡單化和真實化，可以把工作的精力都放在設計上而不是復雜的制圖上。第7章 前后滾筒的設計7.1 軸承的選擇和計算本方案采用的是滾動軸承，它是由內圈、外圈、滾動體和保持架組成，與滑動軸承相比，具有摩擦阻力小、起動靈敏、效率高、功率消耗少、潤滑簡便、易于交換等優(yōu)點，所以獲得廣泛的應用 。它的缺點是抗沖擊能力較差，高速時出現(xiàn)噪聲，工作壽命也不及液體摩擦的滑動軸承。軸承類型：深溝球軸承，軸承代號：630 軸承內徑：30，軸承外徑：40，軸承寬度：12，額定動載荷：7480，額定靜載荷：4650，極限轉速：22000， 潤滑方式：脂潤滑。7.2、軸結構的設計滾筒軸一般只承受彎矩，不承受扭矩，軸的毛坯一般用圓鋼或鍛件。軸的結構設計就是使軸的各部分具有合理的形狀和尺寸，要滿足工藝要求，定位要求，安裝調整要求，緊固要求，抗疲勞強度要求。為了方便軸上零件的拆裝，常將軸做成階梯軸，軸端和各軸段的端部加工成倒角，易安裝零件。軸常在交變應力的作用下工作，其材料的要求是：強度高、剛度好、應力集中的敏感度小，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。最常用的是45#鋼，它具有較高的綜合機械性能。此設計采用45#鋼。圖7-1 前后軸7.3強度計算 由于心軸工作時只承受彎矩而不承受扭矩，所以在應用上式時，應取T=0?！?2】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力可視為脈動循環(huán)變應力。所以固定心軸的許用應力應為1.7-1 。 FQ=2z Fosin/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號調質鋼許用彎應力為102MP 30.6MPa102MPa則通過設計能承受足夠的工作強度。7.4滾筒要求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)質鋼管，光潔度達到0.8以下。滾筒均有防靜電處理。滾筒外部經(jīng)防銹處理。圖7-2滾筒結構圖第8章 跑步機使用和維護8.1如何安全使用跑步機1、 將電源線插頭插入帶有安全接地的電源插座中，電動跑步機的電源線是專用的，若電源線發(fā)生損壞，請盡快與廠家聯(lián)系。2、 跑步機為室內健身器材，請勿室外使用，若陽臺使用，務必防雨防暴曬。擺放場所要干凈平整，注意防潮，注意勿將跑步機放置厚地毯一類物品上，以免影響跑步機底遮板空氣流通。3、 在練習跑步機之前，準備活動比較簡單，主要做一些腿部肌肉、關節(jié)的準備活動就可以了，比如側壓腿、活動腳腕等。 4、當你使用跑步機時，請勿站在跑帶上啟動。啟動前，你可以站在跑帶兩邊的修飾護條上，等跑帶開始運動之后再在跑帶上運動。啟動速度不宜過大，不要試圖跳上快速運轉的跑帶上。5、使用跑步機時，請穿運動裝和運動鞋進行練習，不能穿太長，太寬松的衣服，以免衣服掛到跑步機上造成安全事故。建議穿有膠底的跑步鞋或健身鞋鍛煉。6、速度不宜過快，健身時間不宜過晚，健身后要有適當?shù)姆潘苫顒?，健身活動不要在飯后進行。 7、跑步機在使用時，請勿讓小孩和寵物靠近，以免發(fā)生意外。未成年人及老人跑步時需有成年人在旁陪護。8、跑步機在不使用時，應把電源線插頭拔掉收好。8.2跑步機的維護與保養(yǎng) 1、在您第一次或定期使用本電動跑步機時，請用潤滑劑涂在跑步帶的內表面，以減少相互間的磨擦阻力，減輕電動機的負荷。 每六個月進行潤滑。2、使用前確保運動鞋干凈，使用完后在跑步機的各部位用干凈的抹布清潔，除灰塵，以維護各零件正常運轉的性能。 3、定期地檢查跑步機的各個螺釘、螺栓及螺帽，若有松動，請立即用工具鎖緊固定。參考文獻1 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謝歷時三個多月，在我的指導老師XXX老師的悉心指導下，終于完成了我的畢業(yè)設計。整個過程中雖然感到很累，但同時也很開心，每天都有收獲、每天都有進步，這段時間感覺過的特別充實，心里也特別踏實，好想一直這么走下去。很希望我的大學生活每天都像這樣充實，可是現(xiàn)實很殘酷，時光不可能倒流，世界上也沒用賣后悔藥的，隨著畢業(yè)設計尾聲的接近，預示著我們的大學生涯至此結束?，F(xiàn)在感覺心里特別的感傷，但很幸運的是通過這次畢業(yè)設計使我抓住了大學的尾巴，為我的大學時光留下了深刻美好的回憶，在此特別感謝XXX老師，孔老師淵博的知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和孜孜不倦的精神深深地影響地著我，由于我的畢業(yè)設計是在我就業(yè)實習的過程中完成的，不能夠當面向老師請教，但孔老師經(jīng)常給我打電話指導我的論文寫作，使我克服了許多障礙，順利地完成畢業(yè)設計。此外，我還要感謝設計小組的所有同學的幫助和支持，他們在我的資料整理，設計制作過程中提出了很多建議，幫助我一起共同完成畢業(yè)設計。感謝機械設計制造及其自動化08級本科二班的全體同學！我們一同走過了四年難以忘懷的歲月，締結了永恒而真摯的友誼，希望我們都擁有美好的未來！在此我要深深感謝我的父母，是他們給于了我生命，并且多年來在各方面對我的大力支持，使我能夠安心于學業(yè)直至畢業(yè)設計的完成。 再次衷心感謝各位老師和同學的幫助，謝謝大家！作者：xxx 第 21 頁 共 21 頁