多功能跑步機機械部分設計

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( 20 屆 ) 題 目： 多功能自動跑步機機械部分設計 系（部）： 專 業(yè)： 學生姓名： 指導教師： 合作導師： 完成時間： 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人所提交的學位論文，是在指導老師指導下獨立完成的研究成果。本人在論文寫作中參考的其他個人或集體的研究成果，均在文中以明確方式標明。本人依法享有和承擔由此論文而產(chǎn)生的權利和責任。 聲明人（簽名): 年 月 日 目 錄 摘要 1 英文摘要 2 1 概論 3 2 總體方案設計 4 2.1 基本功能 4 2.2功能原理的確定 5 2.3 構造設計 5 3 電動機類型與參數(shù)選擇 7 3.1 電動機結構形式和類型 7 3.2 確定電動機的容量 7 3.3 電動機轉速的選擇 8 3.4 選擇電動機型號及技術參數(shù) 8 3.5小結 8 4 傳動部分的設計 9 4.1 設計步驟及參數(shù)選擇 9 4.1.1 確定計算功率 9 4.1.2 選擇V帶的帶型 9 4.1.3 確定帶輪的基準直徑dd并驗算帶速v 9 4.1.4 確定V帶的中心距a和基準長度Ld1 10 4.1.5 驗算小帶輪上的包角α1 11 4.1.6 計算帶的根數(shù)z 11 4.1.7 計算單根V帶的初拉力的最小值（F0）min 11 4.1.8 計算壓軸力FP 11 4.2 帶輪結構設計 11 4.2.1 帶輪材料的選擇 11 4.2.2 帶輪的結構形式及帶輪的輪槽 11 4.3 帶傳動的張緊、安裝和防護 12 4.3.1 V帶傳動的張緊 12 4.3.2 V帶傳動的安裝 13 4.3.3 V帶傳動的防護 13 4.4 V帶的裝配 13 5 跑步板及跑步帶的設計 15 5.1 跑步板材料的選擇 15 5.2 跑步帶的設計 15 6 支架的設計 16 6.1 支架材料的選擇 16 6.2 支架的外形設計 16 7 軸和軸承的設計 17 7.1 軸的設計 17 7.1.1 軸的材料的選擇 17 7.1.2 軸的結構設計 17 7.1.3 軸的強度計算 17 7.2 軸承的設計 18 8 其他輔助功能 19 8.1 扭腰盤 19 8.2 仰臥起坐架 20 8.3 內置音響可播放音樂 20 8.4 啞鈴 20 9 小結 21 參考文獻 22 致謝 23 摘 要 跑步機是健身房里都有的器材，而且是最簡單最容易上手的一種健身器材。它的出現(xiàn)讓人們即使在惡劣的環(huán)境下也能在室內進行跑步，打破了跑步的空間限制，讓人們在室內也可以享受跑步帶來的健康和快樂。 跑步機大致分為單一功能的跑步機和多功能的跑步機。單一功能的跑步機由于功能較單一，所以價位也相對低一點，它的功能只是跑步。而多功能跑步機在單一功能的跑步機的基礎上還添加了其他功能，使跑步機的功能更加豐富。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，跑步機也漸漸由單一功能的跑步機向多功能方向發(fā)展。但是，多功能跑步機也存使用壽命短、結構復雜、笨重等不足。 此次畢業(yè)設計的任務是對多功能跑步機機械部分設計。設計包括機架、支架、減震系統(tǒng)、跑步板和跑步帶以及其他零部件的設計，使設計的跑步機更加人性化，更能滿足人的需要。 關鍵詞：多功能；減震系統(tǒng)；人性化 Abstract The treadmill is the gym some equipment, but also is a kind of fitness equipment is the most simple and easy to use. It appears to make people even in harsh environment can also run in the interior, to break the space constraints running, let people indoors can also enjoy running brings health and happiness. Treadmill roughly divided into single function and multi function. The single function of the treadmill because the function is single, so the price is relatively low, it is a function of the running. Multifunctional treadmill based on single function treadmill also added other features, make the treadmill functions richer. With the development of economy and the progress of the society, the tread mill treadmill also gradually from a single function tomultifunctional direction. However, multifunctional treadmill also exist shortcomings. The graduation design task for multifunctional treadmill mechanical parts design. The designincludes the design of the frame, frame, shock absorber system, the running board and a running belt and other functions, so that the design of the treadmill more humane, more people can meet the needs of. Keywords: multi function; damping system; humanization 1 概論 隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，社會的不斷進步，人們的生活水平得到很大的提高，生活節(jié)奏也在加快。另一方面，生活水平的提高，肥胖、職業(yè)病等問題也層出不窮，越來越多的人處于亞健康狀態(tài)，人們過度的追求經(jīng)濟的發(fā)展，卻忽略了人自身的需要和發(fā)展，環(huán)境的污染和廢品的排放，使得外面的世界越來越不合適人們在閑暇之余鍛煉身體。因此，越來越多的人選擇在室內進行運動和體育鍛煉。由此可見，跑步機的設計，尤其是多功能跑步機的設計對于提高全民健身比例和全面身體素質，維持國民健康的生活質量顯得尤為重要。 1875年，世界第一臺跑步機在美國東部的一個山村中誕生，它是由一位機械師發(fā)明的。這種跑步機的動力源自于農(nóng)場主的牲畜[1]。但是，后來通過了一部禁止虐待動物的法律，于是牲畜用來作為跑步機的動力也將被取締。 隨著科學技術的進步，電動機被使用并作為跑步機的主要動力。電動跑步機能夠使人們更多地參與到跑步中，并在跑步的過程中改善自己的身體狀況、使人們擁有一個健康的軀體[2]。 現(xiàn)如今，跑步機按功能主要分為單一功能的跑步機和功能比較齊全的多功能跑步機。傳統(tǒng)的跑步機功能單一，主要有滾動式和跑帶式兩種。滾輪式跑步機由于噪音大，不便使用。跑帶式跑步機運動方式是跑步者在跑步帶上運動，使人跑步時與在普通陸地上跑步的感覺一樣。 原先的跑步機雖然節(jié)省了很多空間，但是只有跑步功能，人們的生活水平逐步提高，人們也希望跑步機的功能能更加豐富，那樣才能全方位的鍛煉身體?，F(xiàn)如今，跑步機不單單只是人們跑步的機器。后來，人們也開發(fā)了跑步機的其他功能，現(xiàn)在的跑步機還大都具有美腰機、仰臥起坐、扭腰盤、內置音響可播放音樂、測心率、測里程、測能量消耗、調節(jié)跑板高度等功能。即使多功能跑步機有太多的優(yōu)點，但或多或少它也有一些缺陷，例如使用起來不那么方便，動作準確性也相對于單一跑步機來說也遜色一點[3]。 2 總體方案設計 2.1 基本功能 圖2-1 多功能自動跑步機設計流程圖 多功能自動跑步機設計流程圖如圖2-1所示。 跑步機通過構建一條運動方向與運動者的跑動方向相反跑道，使跑步者或運動者在原地跑步和得到鍛煉，跑步機跑步帶的速度必須與跑步者的速度保持一致，跑步帶速度過慢就達不到跑步鍛煉的目的和效果，跑步帶速度過快，跑步者就會跟不上跑步機的跑步帶的移動速度，這樣跑步者很累的去跟隨跑步帶跑步，鍛煉的效果也不好，而且跑步者也很有可能在跑步機上受傷。所以，要想實現(xiàn)跑步機的功能，就要有效的對跑步帶進行驅動并控制它的運動速度，通常使用直流電動機進行調速與控制，通過改變電樞回路串電阻調速。 2.2 功能原理的確定 圖2-2 跑步機工作原理圖 跑步機工作原理如圖2-2所示：電動機1工作，帶動與電動機上的帶輪2轉動，V帶通過傳動帶帶動滾筒3的轉動，滾筒的轉動最后帶動跑步機跑帶4的傳動，實現(xiàn)跑步機的使用。 電動跑步機是健身房常見的健身器材，它能減輕傳統(tǒng)的跑步機對關節(jié)的沖擊，可以避免在鍛煉中受到的傷害，比在室外跑步自然跑步有節(jié)省空間和隨時鍛煉的優(yōu)勢。跑步時把跑步帶看成室外的陸地，在跑步帶上跑步就如同在室外陸地上跑步一樣，手腳前后擺動，使全身肌肉都得到鍛煉。跑步帶運動方向與跑步的方向一致，這樣你就抵消了跑步者跑步過程中韌帶部位所受的扭力，跑起來也不費力。如果增加運動量，跑步者可以加快自己在跑步帶上跑步的速度。電動機能給跑步機提供足夠的動力，這樣就能消除關節(jié)的負載，不但能減肥健身，還有益于受傷后身體的恢復。 電動跑步機通過電動機帶動跑帶，調節(jié)電動機的轉速來使跑步者按不同的速度被動地跑步。跑步者在跑步帶上跑步會感到特別舒適，跑步會輕松自如，可使跑步者的能量消耗也比普通走、跑為多，這就有效的達到了減肥或健身的目的。另外，電動跑步機也可以根據(jù)跑步者的需要設計其他附加功能， 這可以讓跑步者在不同的環(huán)境下跑步。 2.3 構造設計 多功能跑步機主要組成部分有機架、電動機、跑步帶、可調電源以及儀表控制盤，它的支架與框架垂直連接，前軸與后軸裝在框架的兩端，前后軸上都通過軸承套裝配滾筒，前后滾筒上都緊繞著跑步機皮帶，并通過張緊輪張緊，跑步皮帶下安裝著支撐跑步板，框架的前端安裝著電動機和可調電源，前滾筒的那一端緊裝著從動皮帶輪，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，支架的頂端安裝著扶手架，扶手架上又安裝著儀表控制盤。采用帶傳動的傳動方式，為一級傳動級。為了體現(xiàn)跑步機的多功能，在支架上配備著扭腰盤、仰臥起坐架、內置音響可播放音樂，并且可以根據(jù)需要調節(jié)跑步板的高度和坡度。在本課題中的跑步機的功能確定為美腰機、仰臥起坐、扭腰盤、內置音響可播放音樂、測心率、測里程、測能量消耗、調節(jié)跑板高度等，結構組成有機架、電動機、跑步帶、可調電源以及儀表控制盤等。 3 電動機類型與參數(shù)選擇 3.1 電動機結構形式和類型 電動機的結構形式和類型可以根據(jù)電源的種類、工作的條件環(huán)境、空間尺寸和載荷的特點來選擇。 雖然直流電動機不及交流電動機結構簡單、維護方便，但在啟動性能和調速性能方面卻遠遠勝過交流電動機[4]。跑步機的設計涉及速度的調節(jié)，故這里選擇直流電動機。Z系列的電動機在80年代得到更新?lián)Q代，由于它高效、節(jié)能、振動小、噪音小、運行安全可靠，而且功率等級和安裝尺寸也都符合IEC的國際標準，所以它適合于各種無特殊要求的機械和設備。而三相異步交流電動機適用于那些允許有較大的沖擊和振動，過載能力較大，轉動慣量較小的工作條件，它們可以適用于有頻繁啟動的工作、需要換向和制動的機械。有些同一系列的電動機也會有不同的安裝及防護形式，那要根據(jù)具體的工作環(huán)境和要求來選用[5]。 3.2 確定電動機的容量 電動機容量的選擇須根據(jù)工作機容量的需要來確定。若所選電動機的容量過大，必然會增加成本，造成浪費；正常工作的電動機容量不能太小，這可能使電動機長期過載，產(chǎn)生過多的熱量，影響電動機的使用壽命而過早的損壞。所以，選擇電動機型號時它的額定功率P1應等于或稍大于電動機所需要的實際功率P2。 電動機所需要的實際功率即電動機的輸出功率，用公式表示為 Pd=Pw/ηa kw （3-1） 式中 Pd——電動機所需要的實際功率，單位為kw； Pw——工作機所需輸入功率，單位為kw； ηa——電動機至工作機之間傳動裝置的總效率，這里取0.872。 工作機所需要的功率Pw由工作機的工作機阻力（F或T）和運動參數(shù)（n）按下式計算： Pw=Fv/1000=μmgV/1000=0.3125109.42/1000≈3.53 kw 所以 Pd=Fv/1000ηa=4.05 kw 式中 μ——摩擦系數(shù)，取0.3； F——工作機的阻力，單位為N； v——工作機的線速度，即V帶帶速，單位為m/s； T——工作機的阻力矩，單位為N?m； n——工作機的轉速，單位為r/min。 此電動跑步機所設計的承重標準m為125kg，所選用的直流電動機作為驅動跑步機運轉的動力，應該具有較高的轉速和精度。當跑步者在跑步機上的跑步帶上跑步時，會產(chǎn)生一定的負載，跑步機的跑步帶在這種情況下，要和跑步者的運動速度保持一致，實現(xiàn)同步轉動，就像在室外跑步一樣。跑步機應該方便調速，以滿足不同體重，跑步速度不同的跑步者的使用要求。 3.3 電動機轉速的選擇 額定功率相同的同類電動機，可以有幾種轉速可以選擇，三相異步電動機就有事中常用的同步轉速：3000r/min、2000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min。電動機的轉速高，尺寸和質量小，價格便宜，但是也會使傳動裝置的傳動比變大，結構尺寸會變大，成本也會提高；反之則反。所以應對電動機及傳動裝置做全面的考慮，綜合比較，以確定合理的電動機轉速。因為跑步機的轉速應在較大的調節(jié)范圍內，所以選用2000r/min左右的轉速。 3.4 選擇電動機型號及其技術參數(shù) 根據(jù)選取的電動機轉速約為2000r/min，跑步機最大承受重量125KG，查機械設計手冊，選取型號為Z4-112/4-1的電動機，其主要參數(shù)如下所示。 型號：Z4-112/4-1 電壓：220VDC 功率：4.5kw 轉向:逆時針 轉速： 2000r/min 效率：87.2% 絕緣等級：F級 3.5 小結 跑步機屬于健康器材類產(chǎn)品,電動跑步機就像是一條運動的跑帶，它可以讓跑步者在原地實現(xiàn)跑步[6]。由于跑步機驅動電機跑步帶的運轉，設計時要保證基本上所有的人都能夠符合使用的條件。一般的跑步機是為了滿足使用者的減肥和健身的目的。如要滿足減肥的使用者使用，由于這些使用者的體重較大，所以采用的電動機應該轉速不大而轉矩很大；若是健身者使用，健身者的體重較輕，跑步的速度也較快，所以這時電動的轉速較快且轉矩較小才能滿足要求。若要同時滿足減肥和健身的要求，電動機的轉速和轉矩要求可以調節(jié)。 　　目前，市場上的電動跑步機大都使用的是直流電動機，所以價格相對來說也不是很昂貴。 4 傳動部分的設計 機械傳動方式主要分為三種：帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動。帶傳動結構簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉，而且能緩沖吸振[7]143。鏈傳動雖然制造精度和安裝精度要求較低，但只能實現(xiàn)平行軸之間兩輪的同向傳動，運轉時不能保持恒定的瞬時傳動比，磨損后易發(fā)生跳齒，工作時噪聲較大。齒輪傳動的效率最高，結構緊湊、工作可靠、使用壽命長、傳動比穩(wěn)定，但齒輪會使機械過于笨重。齒輪傳動的制造及安裝精度較高，價格昂貴，不適用于傳動距離過大的場合。綜上所述，這里選擇帶傳動的傳動方式。帶傳動主要分為：平帶、圓帶、V帶、多楔帶,這里采用V帶傳動。 4.1 設計步驟及參數(shù)選擇 由上面的條件知選擇型號為Z4-112/4-1的電動機，傳動功率P為4.5KW，轉速為2000r/min,初定傳動比為2。 4.1.1 確定計算功率 計算功率Pca是根據(jù)傳遞的功率P和帶的工作條件而確定的 Pca=KAP (4-1) 式中：Pca——計算功率，kw； KA——工作情況系數(shù)，跑步機每天工作時間<10h，載荷平穩(wěn)，查機械設計手冊KA取1.0。 P——所需傳遞的額定功率，如電動機的額定功率，kw。 查機械設計手冊，工作情況系數(shù)KA取1.0 故 Pca=KAP=1.0x4.5=4.5kw 4.1.2 選擇V帶的帶型 根據(jù)計算功率Pca和小帶輪轉速n1，查機械設計手冊，選取普通V帶的帶型。 由 Pca=4.5kw n1=2000r/min 查機械設計手冊，選用A型V帶，且小帶輪基準直徑在80-100mm范圍內。 4.1.3 確定帶輪的基準直徑dd并驗算帶速v 1） 初選小帶輪的基準直徑dd1 根據(jù)V帶帶型，參考表4-1和表4-2確定小帶輪基準直徑dd1,應使dd1≥（dd）min，取小帶輪基準直徑dd1=90mm。 2） 驗算帶速v v=πdd1n1 /（601000） m/s （4-2） 式中，n1為主動輪的轉速，單位為r/min。帶速不宜過高或過低，一般應使之在5~25m/s，最高速度不可以超過30m/s。 根據(jù)公式4-2，得V=π902000/(601000)≈9.42m/s，帶速適合。 表4-1 V帶輪的最小基準直徑 表4-2 普通V帶輪的基準直徑系列 3）計算大帶輪的基準直徑 由 dd2=i?dd1 （4-3） 計算得 dd2=i?dd1=290=180mm，根據(jù)表4-2圓整后取為180mm。 4.1.4 確定V帶的中心距a和基準長度Ld 1)根據(jù) 0.7（dd1+dd2）≤a0≤2（dd1+dd2） (4-4) 初定中心距a0=200mm。 2）根據(jù)公式 Ld0≈2a0+π（dd1+dd2）/2+（dd2-dd1）^2/4a0 ， (4-5) 計算出帶所需的基準長度Ld0≈834.24mm 。 查機械設計手冊，選帶的基準長度Ld為800mm。 3) 按公式 a≈a0+（Ld-Ld0）/2， (4-6) 計算實際中心距a得a≈182.88mm。 考慮到帶輪的制造誤差、帶長誤差、帶的彈性以及因帶的松弛而產(chǎn)生的補充的張緊的需要，通常給出中心距的變動范圍 amin=a-0.015Ld , amax=a+0.03Ld, (4-7) 得 amin= 170.88mm amax=206.88mm ，故中心距變化范圍為170.88~206.88mm。 4.1.5 驗算小帶輪上的包角α1 根據(jù)α1=180-（dd2-dd1）57.3/a (4-8) 計算得α1=180-（180-90）57.3/194≈153.42≥90 4.1.6 計算帶的根數(shù)z 1） 計算單根V帶的額定功率Pr 由dd1=90mm,n1=2000r/min,查機械設計手冊得單根普通V帶的基本額定功率P0=1.768kw。 根據(jù)n1=2000r/min,i=2和A型帶，查機械設計手冊得單根普通V帶額定功率得增量 △P0=0.432kw。 查機械設計手冊得Kα=0.92052，KL=0.85， 故 Pr=(P0+△P0)? Kα?KL=（1.768+0.432）0.920520.85≈1.721kw 2）計算V帶的根數(shù)z 由公式Z=Pca/Pr （4-9） 計算得，Z=Pca/Pr=4.51.721≈2.614 ，取3根。 4.1.7 計算單根V帶的初拉力的最小值（F0）min 表4-3 V帶單位長度的質量 由表4-3得A型帶的單位長度質量q=0.1kg/m，所以 （F0）min=500（2.5- Kα）Pca/( Kαzv)+qv2 =[500(2.5-0.92052)3.7/(0.9205239.42)+0.19.429.42] ≈121.2N 應使帶的實際初拉力F0>（F0）min 。 4.1.8 壓軸力FP的計算 最小壓軸力為 （FP）min=2z(F0）minsin（α1/2）=23121.2sin76.71=707.72N 綜上所述，選取3根A型V帶，且小帶輪基準直徑為90mm。 4.2 帶輪結構設計 4.2.1 帶輪材料的選擇 帶輪材料選用常用的灰鑄鐵200，它的最低抗拉強度200MPa。 4.2.2 帶輪設計的結構及帶輪的輪槽 V帶輪選取的結構與基準直徑有關。當帶輪基準直徑為dd≤2.5d（d為安裝帶輪的軸的直徑，mm）時，采用實心式；dd≤300mm時，采用腹板式；dd≤300mm且D1-d1≥100mm時，采用孔板式；dd>300mm時，采用輪輻式[8]159。 V帶輪的輪槽與選用的V帶的型號相對應，見表4-4。 表4-4 輪槽截面尺寸 圖4-1 輪槽截面尺寸 帶輪所設計的結構主要是根據(jù)帶輪的基準直徑來確定的，再由帶的型號確定輪槽尺寸，故小帶輪D1=75mm選取實心式，大帶輪D2=150mm選取腹板式。 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最大允許值為3.2。槽距150.3，槽角40o0.5，輪槽基準直徑到帶輪外圓的最小高度2.75mm，輪槽基準直徑到帶輪底部的最小高度8.7mm,如圖4-1所示。 4.3 帶傳動的張緊、安裝和防護 4.3.1 V帶傳動的張緊 V帶傳動運轉一段時間以后，會因為帶的長時間的使用而發(fā)生塑性變形和磨損。為了保證帶能夠在傳動過程中正常進行，因定期檢查帶的松弛程度，采取相應的補救措施。 當中心距可以調節(jié)時，可以通過定期改變中心距的方法來調節(jié)帶的初拉力F0，使帶重新張緊。 當中心距不能調節(jié)時，可采用張緊輪將帶張緊。此時應注意： 1）張緊輪一般應安裝在皮帶松邊的內側，盡可能減少帶的彎曲變形； 2）張緊輪還應盡量靠近大帶輪，以避免帶在小帶輪上的包角； 3）張緊輪的輪槽尺寸應該和帶輪相同，且張緊輪直徑略小于小帶輪直徑。 若中心距過小，可以將張緊輪設置在帶的松邊外側，同時應靠近小帶輪。 4.3.2 V帶傳動的安裝 安裝V帶時應該使各帶輪的軸線相互平行，并且使各帶輪相對應的V型槽的對稱平面重合，保證它們之間的誤差不相差過大。若使用多根V帶傳動，則應該把帶的配組公差控制在規(guī)定的范圍內，來避免各根V帶出現(xiàn)載荷分布不均的現(xiàn)象[9]161。 4.3.3 V帶傳動的防護 為了保證V帶傳動中的安全問題，應該在鐵絲網(wǎng)或保護罩的保護下進行帶的傳動，不能直接讓V帶外露。 4.4 V帶的裝配 本課題使用Solidworks2014軟件繪圖，所作小帶輪零件圖如圖4-2所示，大帶輪零件圖如圖4-3所示， V帶與帶輪之間的裝配如圖4-4所示,兩帶輪具體尺寸見附錄。 圖4-2 V帶小帶輪 圖4-3 V帶大帶輪 圖4-4 V帶帶輪裝配 5 跑步板及跑步帶的設計 5.1 跑步板材料的選擇 跑步機的跑步板的材料使用比較多的是膠合板、中密度纖維板，高密度纖維板，電木板[10]。高密度纖維板的破裂強度最好，電木板的絕緣阻抗比較高，且抗靜電效果好，表層的韌性比較好，所以可以延長跑帶的運動壽命。而跑步機常用的跑板以中密度纖維板和高密度纖維板居多，為了減少成本，這里選用中密度纖維板。 5.2 跑步帶的設計 所設計的跑步帶長1400mm，寬700mm,厚3mm。為了增加表面摩擦力，使跑步者在跑步的運動過程中不易摔倒，就需要設計跑帶的表面有花紋，跑步者跑步時也需要穿跑鞋跑步，不能使用拖鞋、皮鞋等不適合跑步的鞋跑步。 跑帶的接口也要平滑，使跑帶運轉時產(chǎn)生的噪音比較小，使跑步者更舒心的享受跑步。所設計的跑步板跑帶如圖5-1所示。 圖5-1 跑步板跑帶 6 支架的設計 6.1 支架材料的選擇 支架的材料選用比較常見的鋼材料，考慮到機身不能太笨重和減少跑步機的制造成本，所以采用空心的合金鋼材料。 6.2 支架的外形設計 支架在跑步者跑步時主要起支撐作用。跑步機支架應滿足一定的剛度、強度、穩(wěn)定性要求。其中，最主要的是剛度要求。[11]若支架的剛性不足，就會產(chǎn)生變形，振動明顯，使跑步機的定位精度、加工精度受影響。除此之外，應該使跑步機支架盡量美觀，要使支架上的零部件便于安裝和挑戰(zhàn)，也要使跑步機支架耐磨、耐腐蝕，那樣才可以減少支架的損壞和延長使用壽命。所設計的跑步機支架如圖6-1所示。 圖6-1 跑步機支架 7 軸和軸承的設計 7.1 軸的設計 7.1.1 軸的材料的選取 軸的主要材料是碳鋼和合金鋼。由于碳鋼的價格較合金鋼較低，應力集中的敏感性也較低，同時提高其耐磨性和抗疲勞強度的方法比較多，所以碳鋼尤其是45#鋼使用廣泛[12]361，故這里也使用45#鋼。 7.1.2 軸的結構設計 由于軸只受彎矩而不受扭矩，所以設計的軸為心軸。 軸的結構形式受載荷的性質、大小、方向等因素影響，設計時，必須具體情況具體分析。設計軸的結構時，應該滿足：軸和軸上零件應有準確的工作位置；軸上零件便于調整；軸的制造工藝性應該良好，故這里可以采用階梯軸以防止應力集中。軸的長度應小于跑帶的寬度，且不宜過長，故取小帶輪和大帶輪對應軸的長度分別為150mm、200mm。 7.1.3 軸的強度計算 因為所設計的軸為心軸，工作時只受彎矩不受扭矩，故扭矩T=0。彎矩在軸截面上的應力為脈動循環(huán)變應力。 通常，固定心軸的許用應力[σ-1]為1.7σ-1 。查表7-1知45#鋼的σB=640MPa，σ-1=275MPa，τ-1=155 MPa。 由V帶傳動中計算可知： （F0）min=121.2N 最大彎矩M=200121.2/2=12120N?mm 表7-1 軸常用幾種材料的[τT]及A0值 由表7-1選取A0=105MP，由公式 d≥A0（P/n）? （7-1） 得d≥16.24mm 抗彎截面系數(shù)W=πd3/32=[3.14x(16.24)3/32]≈420.28mm 強度=M/W=12120/(πd3/32)= 12120/420.28≈28.84MPa 材料采用45號調質鋼許用彎應力為120MP，因為28.84〈120MP，所以設計的軸滿足工作強度的需要。 小軸直徑初選17mm，大軸初選30mm。輪轂長度B=1.5d~2d，為保證軸向定位可靠，與帶輪等零件相配合部分的軸段長度一般應比輪轂長度短2-3mm。由前 故與兩帶輪配合處的軸徑分別為17mm、30mm。當10mm＜d≤18mm時，倒角C取0.8；當18mm＜d≤30mm時，C取1。故兩軸承結構如下圖所示。 圖7-1 小帶輪和大帶輪對應軸的示意圖 7.2 軸承的型號與壽命校核 查機械設計手冊，選取型號6303軸承，查詢機械設計手冊上該型號軸承參數(shù)可知：軸承內徑為17mm，軸承外徑為47mm，軸承寬度為14mm，極限轉速為18000rpm，潤滑方式為機油潤滑。徑向承載能力為13.5kN，軸向承載能力為6.58kN。 軸承采用滴油潤滑，有關參數(shù)如表7-2所示。其中d為滾動軸承內徑，n為滾動軸承轉速。單位分別為mm和r/min。 表7-2 適用于脂潤滑和油潤滑的dn值極限（表值104）（minr/min） 由表可知dn為40mmr/min，又因為所選滾動軸承內徑為17mm， 故n=40/17≈2.35r/min。 查機械設計手冊可知：C=Cr=13.5kN,P=Cr0=6.58kN。 故軸承使用壽命Lh=106(C/P)3/60n=61171.685h，若按設計跑步機時每天10h使用時間計算，可使用6117.1685天，約16.76年，故使用壽命至少為16年，符合設計的目標。 8 其他輔助功能 傳統(tǒng)自動跑步機在設計時要考慮跑步機的減震效果，減震效果的優(yōu)良是衡量一個跑步機產(chǎn)品質量和性能的重要指標[13]。在各類機械的設計中，減震系統(tǒng)多使用彈簧減震。彈簧減震器如圖8-1所示。 圖8-1 彈簧減震器 鑒于傳統(tǒng)自動跑步機功能單一，在傳統(tǒng)自動跑步機的基礎上，還可以添加一些新的功能，如如扭腰盤、啞鈴、俯臥撐支架、內置音響可播放音樂等。如下面圖示所示。 8.1 扭腰盤 圖8-2 扭腰盤 扭腰盤如圖8-2所示，為防止運動者在鍛煉的過程中出現(xiàn)腳下打滑使其扭傷，扭腰盤上應帶有凹凸不平的紋路，以增加腳下的摩擦力，使運動者扭腰時更平穩(wěn)、舒適。使用時：雙腿半蹲，左右扭動腳踝。這樣有利于加速腿部的血液循環(huán)。伸開雙臂呈對角形其中一臂垂直向下，另一臂垂直向上然后左右扭動，重復練習可以減掉腰部與腹部的脂肪。身體向前彎曲然后左右扭動，這樣有助增大肺活量。 8.2 仰臥起坐架 圖8-3 仰臥起坐架 仰臥起坐架如圖8-3所示。仰臥起坐是運動者鍛煉的一個重要運動，它可以鍛煉運動者腹部和背部肌肉，消除肚子上的贅肉，改變運動者的體態(tài)，達到瘦身和健身的效果。仰臥起坐架簡易方便，它使運動者做仰臥起坐時不受場地和天氣的影響，使大眾都能方便地運動。 8.3 內置音響可播放音樂 在跑步機儀表盤的周圍設有內置音箱，使運動者能在運動感到疲勞時能夠靜靜地聽著音樂放松，做到勞逸結合。內置音箱上有耳機孔和USB插孔，可以通過運動者攜帶的SD卡儲存音樂，并在運動時播放。 8.4 啞鈴 在跑步機的支架上還放置有4個啞鈴，可以使運動者不跑步時，通過啞鈴鍛煉自己各身體部位的肌肉力量，培養(yǎng)練習者的協(xié)調性和節(jié)奏感。長期堅持練習啞鈴，可以修飾肌肉線條，增加肌肉耐力，經(jīng)常做重量偏大的啞鈴練習，可以使肌肉結實，強壯肌纖維，增加肌力，也可以鍛煉上肢肌肉及腰、腹部肌肉。啞鈴如圖8-4所示。 圖8-4 啞鈴 9 小結 本文通過對自動跑步機機械部分的設計，介紹設計跑步機機械部分的設計過程，在傳統(tǒng)跑步機的基礎上，添加了一些新的功能，價格水平不高，在性能和價格上比較適中，因此性價比比較好，但是由于所設計的跑步機適用于體重不超過125KG的使用者，因此對于體重過重的使用者并不適用。所以，此跑步機需要進行不斷地改善，以適應更多人的使用，在跑步機發(fā)動機的選取上應該更加合理并能進行優(yōu)化。 此設計中，在原有電動跑步機的基礎上添加了一些附加功能，如扭腰盤、仰臥起坐支架等，使跑步者能充分的使用跑步機，也能邊跑步邊聽音樂。不足之處是跑步機缺乏定時功能，只能通過手動開關來開啟或關閉跑步機，在以后的設計中需要改進，使跑步機的性價比更高。 選購電動跑步機時，可根據(jù)功率和跑帶面積來選擇。當你在跑步機上跑步或走路時，跑步機所承載的重量是你體重的 0.8~2.5倍，而電機就是在這樣的承載重量下，還能滿足并維持你所選擇的速度，讓你可以在跑步機上走跑自如。一般建議，家用跑步機的持續(xù)功率應該至少1.5Kw以上，如果跑步者體重超過80公斤，則強烈建議應選購功率在1.8Kw以上的跑步機。買跑步機，其實就是購買一個跑步機所提供的跑步面積，所以你絕對要在乎跑步帶面積的大小，左右寬度及前后長度都要夠，否則無法自然邁開步伐，跑起來別扭不順暢，更容易跌倒,增加你受傷的可能性。理論上來說，在相同的功率條件下，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，應是較佳的選擇。 參考文獻 [1] 李碧華，人狗跑步機[J]，中國知網(wǎng)，2010（03）：10-15 [2] 李梅浠，跑步機是膝關節(jié)殺手[J]，健康時報，2009（02）:23-24 [3] 吳奕，多功能跑步機[J]，中國知網(wǎng)，2011（02）:3-5 [4] 項占琴，王家平，李培玉，現(xiàn)代機電產(chǎn)品設計[M]浙江大學出版社，1999.8 [5] 任嘉卉，李建平，王之櫟，機械設計課程設計[M]，北京航空航天出版社，2001.1 [6] 跑步機，百度百科[EB/OL], http://baike.baidu.com [7] 濮良貴，紀名剛，機械設計[M]，帶傳動概述，高等教育出版社，2006.5 [8] 濮良貴，紀名剛，機械設計[M]，V帶輪的設計，高等教育出版社，2006.5 [9] 濮良貴，紀名剛，機械設計[M]，V帶傳動的張緊、安裝與維護，高等教育出版社，2006.5 [10] 跑步機跑板常用材料，百度知道[EB/OL]，http://zhidao.baidu.com [11] 鄧文英，郭小鵬，金屬工藝學[M],高等教育出版社，2008.4 [12] 濮良貴，紀名剛，機械設計[M]，軸的材料，高等教育出版社，2006.5 [13] 減震系統(tǒng)，百度百科[EB/OL]，http://baike.baidu.com [14] Chen Xiaoyong.Principle Of The Brush Rolled In Sweeping Bicycle[M].機械研究與應用，2005，2 [15] Cheng Hongya.Mechanization Of Road Sweeping Beijing Imperative[M]機械技術與管理,2004，7 致謝 經(jīng)過了將近兩個月的準備，畢業(yè)論文最終還是完成了。在導師程老師的指導下，經(jīng)歷著去圖書館查閱資料，又回到寢室用筆記本電腦打字、排版、修改，剛開始的時候發(fā)現(xiàn)有些繁瑣，但后來就覺得這十分有意義。 在繁忙的工作之余，完成一篇畢業(yè)論文不是一件簡單的事情，需要細心的發(fā)現(xiàn)論文中的不足并及時作出修改，這也是一件嚴謹和嚴肅的事，不能馬馬虎虎。大學四年的時光即將走到盡頭，感謝我的母校還能給我這個機會去學習和提高能力。相信這四年會是我人生的一段寶貴回憶，而這一次畢業(yè)論文的設計也將是我今后人生的一次重要的經(jīng)歷。 本論文的順利完成，離不開各位老師、同學和朋友的關心和幫助。在此感謝-程老師的指導和幫助;程老師的關心、支持和幫助，在此表示深深的感謝。沒有他們的幫助和支持是很難完成我的畢業(yè)論文的。特此感謝！ - 24 -