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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
緒論
跑步是目前國(guó)際流行并被醫(yī)學(xué)界和體育界給予高度評(píng)價(jià)的有氧健身運(yùn)動(dòng)，是保持一個(gè)人身心健康最有效、最科學(xué)的健身方式，也越來(lái)越受到大家喜愛。
戶外長(zhǎng)跑曾經(jīng)是大眾最喜聞樂見的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)跑變得不那么流行了，而跑步機(jī)則成了時(shí)下健身最熱門的健身器械。跑步機(jī)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(shí)間隨時(shí)鍛煉。
電動(dòng)跑步機(jī)，又名電動(dòng)跑臺(tái)，是多年來(lái)國(guó)際流行的大眾健身器材，通過電機(jī)帶動(dòng)跑帶使人以不同的速度被動(dòng)地跑步或走動(dòng)。由于電動(dòng)跑步機(jī)上的電子輔助裝備功能非常多，鍛煉者可體驗(yàn)不同的跑步環(huán)境，如平地跑、上坡跑、丘陵跑、變速跑等，個(gè)人可以根據(jù)自己的鍛煉目的進(jìn)行鍛煉。跑步機(jī)在健身者運(yùn)動(dòng)時(shí)能顯示出跑步時(shí)的速度、時(shí)間、心率、熱量、節(jié)拍、距離等指標(biāo)，使健身者能夠隨時(shí)根據(jù)自身的身體狀況調(diào)節(jié)訓(xùn)練強(qiáng)度。
跑步機(jī)雙面寬厚的跑帶帶給您草地般舒適感覺，馬力強(qiáng)勁的電機(jī)帶給您澎湃恒久的動(dòng)力，靈敏的控制器配合芯片使您在跑步過程中隨心所欲，堅(jiān)固的鋼架以及防爆沖裝置使您的安全盡在掌握。電動(dòng)跑步機(jī)使您在繁忙的工作之余仍然可以盡享運(yùn)動(dòng)的樂趣......
第一章. 總體方案設(shè)計(jì)
1.1基本功能
跑步機(jī)的基本功能就是構(gòu)建一條運(yùn)動(dòng)的跑道（跑步帶），跑道的運(yùn)動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)者的跑動(dòng)方向相反，但速度必須自動(dòng)保持一致，這樣就使得運(yùn)動(dòng)者能夠在原地進(jìn)行跑步鍛煉了。實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)的功能，對(duì)跑步帶的驅(qū)動(dòng)與速度控制：通常使用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)通過半導(dǎo)體功率器件，使用脈沖寬度控制（PWM）方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速。
1.2 構(gòu)造設(shè)計(jì)
多功能電動(dòng)跑步機(jī)主要由機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、可調(diào)電源、跑步皮帶及儀表控制盤組成，其特征在于框架與支架垂直連接，前軸與后軸分別裝在框架的兩端，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(dòng)皮帶輪緊裝在前滾筒的一端，電動(dòng)機(jī)、可調(diào)電源,安裝在框架的前端，控制傳感器裝在電動(dòng)機(jī)上，速度傳感器安裝在緊靠在從動(dòng)皮帶輪的框架上，皮帶調(diào)節(jié)螺栓一端連接在電動(dòng)機(jī)外殼的孔板上，另一端連接在焊接于框架前端的孔板上，跑步機(jī)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(dòng)方式采用帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)級(jí)為一級(jí)。同時(shí)在支架上安有扭腰盤和伏地挺身架使機(jī)器實(shí)現(xiàn)其多功能性。
1.3 功能原理的確定
目前市場(chǎng)上比較常見的有傳統(tǒng)跑步機(jī)和電動(dòng)跑步機(jī)兩種。傳統(tǒng)跑步機(jī)，俗稱“被動(dòng)式跑步機(jī)”。 是我國(guó)上世紀(jì)80年代從國(guó)外引進(jìn)健身觀念時(shí)、為適應(yīng)當(dāng)時(shí)國(guó)情而開發(fā)的具有“中國(guó)特色”的過渡產(chǎn)物。它的動(dòng)力來(lái)源是使用者通過自身臂部、膝部、踝關(guān)節(jié)的活動(dòng)，推動(dòng)跑步機(jī)而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。速度由運(yùn)動(dòng)者自己控制。這種運(yùn)動(dòng)方式，表面上看起來(lái)似乎能消耗更多的能量，但其造成的運(yùn)動(dòng)傷害也要比在大自然中跑步高出數(shù)倍。
據(jù)北醫(yī)三院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)專家林共周博士解釋：在馬路上跑步，每跑1000米，每只腳就得撞擊地面約1000次左右。而在傳統(tǒng)跑步機(jī)上跑步，人體除自身重量產(chǎn)生的震蕩外，腳踝、膝部和臀部的肌肉，特別是肌腱，還要額外承擔(dān)向后的扭力來(lái)確保跑帶向后運(yùn)動(dòng)。由于扭力過度集中在韌帶、關(guān)節(jié)等幾個(gè)關(guān)鍵受力部位，更容易使受力部位肌腱組織產(chǎn)生慢性疲勞，造成損傷。很多傳統(tǒng)跑步機(jī)使用者，發(fā)現(xiàn)自己越是認(rèn)真鍛煉，腿部就越跑越粗，關(guān)節(jié)也越練越?jīng)]有力氣。
傳統(tǒng)跑步機(jī)并不適合患有脊椎軟骨突出、膝關(guān)節(jié)炎、踝關(guān)節(jié)扭傷、骨肌腱炎、以及足底筋膜炎的人，因?yàn)殚L(zhǎng)期的跑步可能會(huì)加重慢性扭傷的情形或加速膝關(guān)節(jié)的老化。
電動(dòng)跑步機(jī)是健身房及家庭較高檔的器材，這種跑步機(jī)能減輕傳統(tǒng)訓(xùn)練對(duì)關(guān)節(jié)的沖擊，避免運(yùn)動(dòng)受傷，比自然跑步有明顯的優(yōu)勢(shì)。跑步時(shí)后腳跟先著地，順著跑帶方向運(yùn)動(dòng)。手腳模仿跑步的動(dòng)作，前后揮動(dòng)，從而使全身肌肉得到均衡的鍛煉。由于跑帶的運(yùn)動(dòng)方向與腳步移動(dòng)的方向一致，韌帶部位的扭力就抵消了，跑起來(lái)非常舒適?？祻?fù)者、兒童、老年人也可以保持身體平衡，從而集中精力安心鍛煉。如果增加運(yùn)動(dòng)量，可以加快舞動(dòng)手腳的速度。用電動(dòng)跑步機(jī)能消除關(guān)節(jié)的負(fù)載，不但能減肥健身，還有益于受傷后身體的恢復(fù)。
它通過電機(jī)帶動(dòng)跑帶使人以不同的速度被動(dòng)地跑步或走動(dòng)。由于被動(dòng)地形成跑和走，從動(dòng)作外形上看，幾乎與普通在地面上跑或走一樣，但從人體用力上看，在電動(dòng)跑步機(jī)上跑、走比普通跑、走省去了一個(gè)蹬伸動(dòng)作。正是這一點(diǎn)使每一個(gè)在電動(dòng)跑步機(jī)上走跑的人感到十分輕松自如，可使人比普通跑步多跑1／3左右的路程，能量消耗也比普通走、跑為多。另外，由于電動(dòng)跑步機(jī)上的電子輔助裝備功能非常多，可體驗(yàn)不同的跑步環(huán)境。
小結(jié)：
電動(dòng)跑步機(jī)就是構(gòu)造一條運(yùn)動(dòng)的跑帶，使運(yùn)動(dòng)者在原地進(jìn)行跑步鍛煉。
第二章. 電動(dòng)機(jī)類型與參數(shù)的選擇
2.1 類型功率選擇
當(dāng)人在跑步機(jī)上跑步或走路時(shí)，跑步機(jī)所承載的重量是人體重的0.8~2.5倍，而馬力就是在這樣的載重量下，還能滿足并維持所選擇的速度，讓人可以在跑步機(jī)上走跑自如的驅(qū)動(dòng)力。通常跑步機(jī)一個(gè)馬力大概可提供50~60公斤的承載重量，但跑步帶面積大小也和跑步機(jī)馬力有相當(dāng)直接的關(guān)系，跑步機(jī)的馬力越大，可以帶動(dòng)的跑步帶面積也越大，所以衡量效率及安全性后，一般建議，家用跑步機(jī)合宜的持續(xù)(continuous)馬力應(yīng)該至少1.5馬力以上，如果家人的體重有超過80公斤，則應(yīng)選2.0持續(xù)(continuous)馬力以上的跑步機(jī)。
此跑步機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100公斤，則電動(dòng)跑步機(jī)用電動(dòng)機(jī)—ZYT42（NEMA）型永磁直流電動(dòng)機(jī)該型電動(dòng)機(jī)系大功率跑步機(jī)中配套的專用驅(qū)動(dòng)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(jī)械裝置中作為驅(qū)動(dòng)元件。該電動(dòng)機(jī)顯著的特點(diǎn)：具有轉(zhuǎn)速精度高，當(dāng)人在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)時(shí)，是一個(gè)沖擊負(fù)載，該機(jī)在這種沖擊負(fù)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(wú)級(jí)調(diào)速），調(diào)速范圍寬，低速性能（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大），運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高。直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速原理圖如圖2-1所示。
圖2-1直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速原理圖
2.2 技術(shù)參數(shù)
型號(hào) ZYT42/06 電壓220 VDC
功率 2.0 HP 電流不大于9.8A
轉(zhuǎn)速3400±7% 轉(zhuǎn)向 逆時(shí)針
絕緣等級(jí) F級(jí)
圖2-1 電動(dòng)機(jī)外型圖
L1=28.5 L2=272
電動(dòng)機(jī)特性曲線：
表2-1 電動(dòng)機(jī)特性曲線
小結(jié)：
跑步機(jī)屬于健康器材類產(chǎn)品，由于跑步機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須滿足各種體重的人來(lái)使用。一般使用跑步機(jī)的目的有兩種：健身、減肥瘦身；如果是減肥瘦身的人來(lái)使用，因?yàn)樯眢w較肥胖，跑不快。因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的低速必須轉(zhuǎn)矩大才能使用。相反的，健身的人跑步快，但是重量輕，因此高速時(shí)的轉(zhuǎn)矩需求較小，跑步機(jī)必須滿足家庭成員每一個(gè)人都能使用。因此調(diào)速范圍要寬廣，低速轉(zhuǎn)矩要大，才能滿足不同重量的人。目前跑步機(jī)使用的驅(qū)動(dòng)裝置以直流有刷電機(jī)為多，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜。
第三章. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
工作機(jī)構(gòu)類型選擇帶傳動(dòng),屬于定傳動(dòng)比勻速轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉 能緩和載荷沖擊，運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)噪聲，過載時(shí)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(hù)作用。
3.1 設(shè)計(jì)步驟及參數(shù)選擇
初始條件：選擇電機(jī)為專門為跑步機(jī)生產(chǎn)的永磁直流電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)功率P=1.5KW，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為n1=3400r/min 傳動(dòng)比定為i=2.1 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(chǎng)合，特別能適應(yīng)帶輪直徑小的傳動(dòng)，所以擇之。以下計(jì)算過程所用到的表和圖來(lái)源：
卜炎主編. 機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè)），機(jī)械工業(yè)出版社，1999
1、確定設(shè)計(jì)功率Pd
Pd＝KAP （3-1）
KA——工作情況系數(shù)，根據(jù)跑步機(jī)使用的特性，選擇每天工作時(shí)間<10小時(shí)，載荷變動(dòng)小。KA=1.1見表8-9
Pd=1.1*1.5=1.65kw
2、帶型號(hào)的選擇
對(duì)于多楔帶的型號(hào)可根據(jù)設(shè)計(jì)功率Pd=1.65KW和小帶輪轉(zhuǎn)速n1=3400r/min由圖8—21選取,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+2△e=33.5+2*1.2=36mm
由表8-90，△e=1.2
大帶輪節(jié)圓直徑dp2=idp1=2*33.5=67mm
de2=dp2-2△e=67-2*1.2=64.6mm
由表8-91，選de2=63mm
4、計(jì)算帶速v
v=πdp1n1 /（60×1000） m/s （3-2）
注意：v↑ —→離心力、離心應(yīng)力↑—→FQ↓
—→單位時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N↑
v↓ —→P=F×v/100可知，P一定時(shí)，F(xiàn)↑—→張緊力↑
一般v在5～25 m/s，最大30 m/s，在8～15 m/s較好
V=∏*36*3400/60*1000=6.4<30m/s,合適。
5、初定中心距a0
中心距的大小對(duì)帶傳動(dòng)的影響：
a↑—→結(jié)構(gòu)大—→由于載荷變化引起帶的顫動(dòng)—→掉帶
a↓—→帶的長(zhǎng)度↓—→在一定速度下，單位時(shí)間內(nèi)帶的應(yīng)力變化次數(shù)N愈多，會(huì)加速帶的疲勞損壞；
—→當(dāng)傳動(dòng)比i較大時(shí)，包角↓
對(duì)于V帶傳動(dòng)，中心距a一般可取
2（de1 ＋de2 ）≥a0≥0.7（de1＋de2） （3-3）
67.55
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