多功能自动跑步机设计毕业设计论文Word格式文档下载.docx

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摘要

跑步机是家庭及健身房常备的器材，是当今家庭健身器材中最简单的一种，是家庭健身器的最佳选择。

未来跑步机市场将会普及并以人性化为主，所以跑步机行业的研究设计和开发拥有较好前景。

本课题是首先调查和总结市场上现有的跑步机的优缺点，然后完成多功能跑步机的设计。

设计包括支架，基架，滚筒，跑步板，跑步带等，设计的多功能跑步机具有便于搬运、结构简介、外观美观、设计人性化等特点。

除跑步功能外，还有美腰、扭腰、仰卧起坐等健身方式供用户选择。

除此之外还介绍了跑步机的正确使用方法和保养方法，强调了使用跑步机时的安全问题，这对于以人性化发展为主的多功能跑步机来说是非常重要的。

关键词：

健身器材；

跑步机；

多功能

Abstract

Therunningmachineisthestandingequipmentinthefamiliesandgyms,todayitistheoneofthemostsimplehomefitnessequipment,itisthebestchoiceforfamilyfitness.Runningmachineinthefuturemarketwillspreadandgiveprioritytowithhumanistichumanized.Sotreadmillresearchdesignanddevelopmentindustryhasgoodprospects.

Thistopicistoinvestigateandsummarizetheadvantagesanddisadvantagesofexistingrunningmachineonthemarket,andthencompletethedesignofmultifunctionalrunningmachine.Designincludessupport,baseframe,roller,runningboards,runningbeltandsoon,thedesignofmulti-functionrunningmachinehaseasytohandle,profilestructure,pleasingappearance,humanizeddesign,etc.Inadditiontorunningfeatures,thereareUS-waist,wriggled,sit-ups,dumbbell,fitnessbackandneckmassagevibrationmodefortheusertochoose.What’smore,thepaperalsointroducedthecorrectusingmethodandmaintenancemethodoftreadmills,emphasizestheuseofrunningmachinesafety,thisformultifunctiontreadmillisgivenprioritytowiththehumanizeddevelopmentisveryimportant.

Keywordsfitnessequipmentmultifunctionaltreadmill

1绪论

1.1跑步机的研究背景

生命在于运动，健康源于运动。

跑步是目前非常流行的一种有氧健身运动，它在医学界和体育界享有高度评价，它是保持一个人身心健康最有效、最科学的健身方式。

跑步可以改善骨骼、心脏、心肌、肠胃等器官的功能，是人们锻炼身体，预防疾病的法宝。

户外长跑曾经是大众最喜闻乐见的运动形式，沿着林荫道呼吸着早晨清新的空气，听着枝头的鸟鸣，既能愉悦身心，又可锻炼体魄。

只是随着都市的大气变得污浊，生活节奏变得紧张，户外长跑受到环境和工作条件的限制，变得很难进行，所以跑步机就成了时下健身最热门的健身器械。

有了跑步机，我们不就不用因为天气的原因不能运动也可以免受汽车尾气之苦，更方便的是我们可以选择自己空余的时间随时进行锻炼。

多功能自动跑步机，是多年来国际流行的大众健身器材，通过电动机带动跑带使人可以以不同的速度在跑步机上跑步或走动。

在跑步机上走或跑，从运作外形上看，几乎与平时在地面上走或跑一样，但从人体实际用力看，它比陆地上走或跑省去了蹬伸动作，正是这一点使健身者感到十分轻松自如，并比在陆地多跑1/3的路程，能量消耗也大于陆地训练。

而且随着科技的发展，电动跑步机上增加了各种电子辅助装备，使其具有多种功能，能够使锻炼者体验各种各样的跑步环境，如平地跑、上坡跑、丘陵跑、变速跑等，甚至能将健身者跑步时的速度、时间、心率、热量、节拍、距离等指标显示出来，使健身者能够随时根据自身的身体状况调节训练强度。

1.2跑步机的发展史

当上世纪80年代健身观念传入我国时，跑步机才渐渐的开始发展起来，生产出了最初代的跑步机--机械跑步机（又叫“被动式”跑步机）。

其动力来源是使用者通过自身臂部、膝部、踝关节及相关肌肉产生向后的推力，推动跑步机产生运动。

使用这种运动跑步机锻炼，表面上看起来似乎能消耗更多的能量，更好的达到减肥健身的目的。

但其产生的运动伤害数倍于在大自然中跑步产生的运动伤害，运动医学专家称：

马路上跑步，每跑一千米，每只脚就得撞击地面约1000次左右，脚踝部、膝部和臀部都受到震荡，容易导致肌肉扭伤或韧带拉伤，而在这种原始机械跑步机上跑步，人体除自身重量产生的震荡外，脚踝部、膝部和臀部，特别是肌腱，还要承担额外向后的扭力来确保跑带向后运动，这种额外的扭力就是产生运动伤害的根源。

由于扭力过度集中在韧带、关节等几个关键受力部位，更容易使受力部位肌腱组织产生慢性疲劳，从而打破这部分组织的局部平衡、损伤其健康。

所以越来越多的传统跑步机使用者，发现自己越是认真锻炼，腿部越跑越粗、而关节部位越练越没有力气。

由于机械原始跑步机的危害很大，随着科技的发展，电动跑步机渐渐取代了机械跑步机，一款优秀的的电动跑步机可以克服以上的所有缺陷，可以让人安全放心的进行健康锻炼。

1.3跑步机的种类

一、机械跑步机为主动性跑步，虽然价格便宜，但是跑步的真实感不够强烈，跑步速度的快慢由本人控制，由于是主动控制，易令跑步疲劳产生惰性。

二、电动跑步机以马达带动跑步机转动，从而是跑步者被动性地作出跑步动作，跑步真实自然，速度快慢可调，还可配置电脑预设各种跑步程式，电动可调坡度，以便在跑步机上的跑步感觉接近真实的实地跑步。

三、多功能自动跑步机的主要功能，可分为跑步运动、仰卧起坐运动、扭腰运动等，为人们提供了从颈、肩、上臂、前臂、腰、腹、大腿、小腿等全身运动需求设备，从而扩大了跑步机的用途、并且从根本上协调人的各部分组织的锻炼情况，以便达到更加全面的锻炼效果。

本次设计的就是多功能自动跑步机。

2总体方案设计

2.1基本功能

多功能跑步机的功能包括基本功能跑步健身和辅助功能仰卧起坐、扭腰等。

其基本功能就是通过跑步带构建一条运动的跑道，跑道运动时的速度需要与运动者跑步的速度保持一致且两者运动的方向相反，从而使得运动者能够在跑步带上进行跑步锻炼。

跑步机通常使用直流电动机对跑步带进行驱动与速度控制，而直流电动机通过半导体功率器件，使用脉冲宽度控制（PWM）方式实现调速。

2.2构造设计

电动跑步机的主要组成部分有机架、电动机、跑步带、滚筒等。

一般支架和底座垂直连接，在底座的前后两端分别安装前轴和后轴，在前轴和后轴上装上前后滚筒，然后在前后滚筒上张紧绕装上跑步带，支撑跑步板安装在跑步带的下方，从动皮带轮紧装在前滚筒的一端，电动机、可调电源,安装在框架的前端，控制传感器装在电动机上，速度传感器安装在紧靠在从动皮带轮的底座上，皮带调节螺栓一端连接在电动机外壳的孔板上，另一端连接在焊接于框架前端的孔板上，跑步机扶手架安装于支架的顶端，仪表控制盘安装于扶手架上。

跑步机的传动方式一般采取传动级为一级的带传动机构[1]。

多功能自动跑步机则在支架上装有扭腰盘和仰卧起坐架等设备以达到它具有多种功能，多种锻炼方式的目的。

2.3功能原理的确定

在机械跑步机上跑步时，人体除自身重量产生的震荡外，脚踝部、膝部和臀部，特别是肌腱，还要承担额外向后的扭力来确保跑带向后运动，这种额外的扭力就是产生运动伤害的根源。

而电动跑步机能减轻传统训练对关节的冲击，避免运动受伤，比自然跑步有明显的优势。

跑步时后脚跟先着地，顺着跑带方向运动。

手脚模仿跑步的动作，前后挥动，从而使全身肌肉得到均衡的锻炼。

由于跑带的运动方向与脚步移动的方向一致，韧带部位的扭力就抵消了，跑起来非常舒适。

康复者、儿童、老年人也可以保持身体平衡，从而集中精力安心锻炼。

如果增加运动量，可以加快舞动手脚的速度。

用电动跑步机能消除关节的负载，不但能减肥健身，还有益于受伤后身体的恢复。

多功能自动跑步机在电动跑步机的基础上，增加了仰卧起坐架、扭腰盘等多功能部件，为人们提供了颈、肩、上臂、前臂、腰、腹、大腿、小腿等部位的运动，从而扩大了跑步机的用途，从根本上协调人的各部分组织的锻炼情况，以便达到更加全面的锻炼效果。

本次设计的多功能自动跑步机就具有跑步健身以及扭腰、仰卧起坐等辅助功能。

3机械系统设计

3.1电动机的选择

3.1.1电动机的类型选择

跑步机属于健康器材类产品,所以要求跑步机的驱动电动机必须能让不同体重的运动者正常使用跑步机。

一般运动者使用跑步机有健身和减肥瘦身两个目的。

对减肥瘦身的人来说，驱动电动机的低速必须转矩大才能满足减肥者身体肥胖，跑不快的特点。

相反的，对健身的人来说，他们跑步快但重量轻，因此高速时的转矩需求较小。

所以电动机的调速范围要宽广,低速转矩要大,才能让不同重量的人都能使用，让每一个家庭成员每都能使用。

当人在跑步机上跑步或走路时，跑步机所承载的重量是人体重的0.8~2.5倍，驱动力必须在这样的载重量下能够满足并维持所选择的速度，让人可以在跑步机上走跑自如。

通常跑步机一个马力（1HP=736W）大概可提供50~60公斤的承载重量，同时跑步机的功率对跑步带的面积大小也有很大的影响，跑步机的功率越大，可以带动的跑步带面积也越大，所以一般建议，家用跑步机合宜的持续马力应该至少有1.5马力[6]。

此次跑步机设计标准为限重110kg，功率1.5HP。

初步确定跑步机滚筒直径为60mm，所以最大转矩

为此采用ZYT42型永磁直流电动机，该型号的电动机是大功率跑步机中配套的专用动力元件。

该电动机具有转速精度高，调速方便，调速范围宽，启动转矩大，运行平稳，噪音低，效率高的特点。

并且在人在跑步机上运动时的冲击负载下，电动机仍然能够保持稳定的转速，让运动者感觉就像在平地上跑步一样。

3.1.2电动机的技术参数

根据上文计算选择的电动机型号为ZYT42/24

该电动机参数如下：

电压180V

空载时：

转速4000RPM电流0.4A

满载时：

输出功率1.5HP/1120W转矩3.14N·

m

转速3400RPM电流7.6A效率82%

3.2传动系统设计

3.2.1设计步骤

电动机的传动系统需要的是定传动比匀速转动机构，适合选择带传动。

带传动是具有挠性件的一种传动，能缓和载荷冲击，运行平稳，无噪声，过载时传动带易在带轮上打滑，从而可防止其他零件的损坏，具有过载保护作用，并且带传动中间结构简单，成本低廉，应用范围广。

选择电动机为永磁直流电动机，传动功率P=1120W，电动机转速为n1=3400r/min，传动比定为i=2.1。

由于多楔带适于传递功率较大而又要求结构紧凑的场合，特别能适应带轮直径小的传动。

所以选择多楔带传动。

（1）确定设计功率Pd：

Pd＝KAP式（3.1）

KA——工作情况系数，根据跑步机使用的特性，选择每天工作时间小于10小时，载荷变动小。

根据参考文献[3]表11.5选择KA=1.2

（2）带型号的选择：

对于多楔带的型号可根据设计功率Pd=1.0KW和小带轮转速n1=3400r/min选取，选PJ型多楔带。

（3）确定带轮直径de1、de2（有效直径）：

小带轮有效直径：

以下数据根据参考文献[4]选择

根据表8-90选demin=20mm，△e=1.2，根据表8-91选de1=33.5mm

小带轮节圆直径：

dp1=de1+2△e=33.5+2×

1.2=35.9mm

大带轮节圆直径

dp2=idp1=2.1×

35.9=75.39mm

de2=dp2-2△e=75.39-2×

1.2=72.99mm

由表8-91，选de2=71mm

（4）计算带速v：

按式

式（3.2）

带的速度

=

注意：

带速增加时，带轮的离心力和离心应力都会增大导致单位时间内的应力循环次数N增加。

带速减小时，因为P=F×

v/100，所以当P一定时，F增大即张紧力增大。

一般带速v的范围是5～25m/s，最大30m/s。

因为所求带速v=6.388m/s<

30m/s，所以符合要求。

（5）初定中心距a0：

中心距的大小对带传动的影响：

中心距a越大，传动结构越大，所以载荷变化时容易引起带的颤动，导致掉带。

中心距越小，带的长度越短，在一定速度下，单位时间内带的应力变化次数N愈多，会加速带的疲劳损坏；

当传动比i较大时，包角较小

对于V带传动，中心距a一般可取

0.7（

+

）<

<

2（

）式（3.3）

73.15<

a0<

209

初定a0=150mm

（6）确定带的有效长度Le：

根据式

式（3.4）

=2×

150+164.07+2.34

=466.41mm

由表8-52选Le=450mm

（7）计算实际中心距a：

中心距的变动范围

考虑安装调整和补偿张紧力的需要（如胶带伸长而松弛后的张紧），尚需给中心距留有一定的调整余量。

由表8-54[4]知中心距的调整量为△min=5。

按式

式（3.5）

=150-8.205

=141.795mm

则a1=146.795mma2=133.795mm

（8）计算小带轮包角：

=3.14-0.264

=2.88rad

（9）带每楔所传递的额定功率及其增量：

由带型，de1=33.5mm，n1=3400r/min按表8-55用插值法计算的

P0=0.14kw

由i=2.1,n1=3400r/min,用插值法计算得

△P0=0.02kw

（10）计算带的楔数：

由表8-56用插值法计算Kα=0.97，KL=0.78

由式Z=

式（3.6）

Z=1.65/（0.16×

0.97×

0.78）

=13.63

由表8-51选取Z=12

（11）有效圆周力：

=0.258×

103

=258N

（12）作用在轴上的载荷：

为设计轴和轴承，需确定带传动作在轴上的力Fr，

由式

式（3.7）

得Kr=1.57则Fr=1.57×

258×

0.991

=401.46N

（13）多楔带的选择：

根据计算：

跑步机传动机构选择12PJ450多楔带

3.2.2多楔带带轮的选择

根据跑步机传动系统的要求，应该选择质量小，结构工艺性好的多楔带带轮；

除此外还要求带轮的铸造内应力较小，带轮质量分布均匀；

为了减少带的磨损，带轮的轮槽工作面必须要经过要精细加工；

各槽的尺寸和角度都要保持一定的精度，从而使载荷能够的分布较为均匀。

多楔带带轮主要是根据它的基准直径选择结构形式，然后根据带的型号及根数确定轮缘宽度以及轮槽尺寸。

则小带轮D=33.5mm选取实心式，规格为P12PJ33.5。

大带轮D=71mm选取腹板式，规格为P12PJ71。

以跑步机大带轮P12PJ63为例确定其结构和尺寸[5]：

要求带轮每毫米有效直径的轮槽轴向圆跳动公差值为0.002mm，轮槽表面粗糙度Ra的最大允许值为3.2。

槽角α=40o±

0.5o，槽距e=2.34±

0.03，槽底圆弧半径rt最大值为0.4楔顶圆角半径rb,最小值为0.2，，检验用圆球或圆柱直径db=1.5±

0.01，2X公称值为0.23，2N最大值1.22，f最小值为1.8，径向跳动公差0.25，有效线差公称值θ=1.2，槽间直径差值最大0.16，n槽数为12。

所以带轮宽b=11×

2.34+1.8×

2=29.34mm

现用楔顶圆角半径rb,槽底圆弧半径rt均为0.3，又由槽距e=2.34，槽角α=40o，得到每个楔槽高度2.06mm。

3.2.3带传动张紧装置的选择

对于带传动张紧装置，当传动中心不可变时，采用张紧轮；

当传动中心可调时，可以采用滑轨加螺旋或者浮动轴。

图3-1为张紧装置示意图[3]。

本跑步机中心距是可调的：

a=a0+（Le-Le0）/2

=150-8.205

=141.795mm

范围在133.795mm--146.79mm之间，则通过螺栓的前后移动来调节电动机的前后移动，从而实现带的调紧和放松。

多楔带通常适用于传递功率较大，传动结构紧凑的场合，特别适合做带轮直径小的传动带。

拥有如下特点：

（1）多楔带与带轮的接触面积较广，摩擦力较大，并且载荷沿带宽的分布较均匀，所以带的传动能力更大；

（2）多楔带带体薄而轻、柔性好、结构合理，所以工作应力小，可以在较小的带轮上工作；

（3）多楔带具有传动振动小、运转平稳、散热快、使用时不易伸长、寿命长、传动比大和极限线速度高等特点；

（4）传动紧凑，占据空间小，传动效率高，节能效果明显；

（5）多楔带的背面也能传动，而且可使用自动张力调整器，使传动更加安全、可靠。

表3-1张紧装置

3.3外型结构设计

外形结构是一个产品给人的第一信息，也是整台机器的支撑框架，所以为了符合专业机械结构和增加产品销量，跑步机的外形结构设计要具有美观、牢固、轻便的特点。

3.3.1基架的设计

为了保证整个系统的稳定性和减震系统的有效性，基架全部采用焊接结构。

基架的设计是整个设计的基础，也是其他设计的基准。

支架，滚筒的选择，以及前后ABS塑料罩等等，都是依据基架的尺寸和形状设计的，所以设计开始首先考虑基架的设计，进行样式，结构，还有尺寸的确定。

主要是通过对市场进行调研，通过了解现在流行的跑步机的基架结构设计，然后在此基础上进行改进，在尺寸方面，确定45cm宽×

130cm长的跑带面积，以此保证给人以足够的运动面积，为主要数据展开对基架的设计，再考虑电动机的尺寸，传动机构带传动的中心距离，电动机的安装位置，前后滚筒的位置，PWM调速电源的安装位置，以及传感器安装位置的预留等等。

为了在锻炼过程中短暂休息的时候，两脚能有足够的踩放位置，特意将两边框设计了足够的宽度，另外也为万一跑步机失灵发生意外，人可快速两脚分开脱离旋转的跑带，提供足够的安全踩放位置[6]。

底座外形长度设计：

跑步带宽500mm，故设计滚筒长为530mm，再加上轴的固定孔位，取跑步机的整个传动系统的宽度为550mm，确定两侧平台各取105mm，所以上底座的宽

。

由3.2.3求的两带轮的中心距

，电动机的宽

，跑步带长是1300mm，取下底座的前壁宽是50mm，尾部距下滚筒中心距是80mm用于安装和调节下滚筒的装置，由于电动机应与前壁有一定间隙，并有一段是为安装和调整电动机位置，且这一段的宽度是60mm，用于电动机的安装。

故取上滚筒与前壁的距离

，所以上底座长

图3-1基架图

由图3-1基架图可知，整个基架最有可能出现弯矩现象的地方在上基架中部。

以基架一边承受60kg计算其载荷，由于有一定的冲击力，取跑步时脚相对于跑步板8m/s,与跑步板接触0.3s计算，受力分析如图3-3所示。

许用应力[σ]=60MPa[7]。

图3-2基架受力图

所以，

式（3.8）

弯矩

弯矩应力

式（3.9）

所以可用。

由图3-2基架图可知，整个基架最有可能出现断裂的地方在下基架的尾部。

由公式

可得

式（3.10）

3.3.2支架的设计

支架设计分为上下两部分，可以通过插拔的形式进行安装和拆卸，装卸操作简单并节省包装时间和安放空间，支架材料采用空心钢管，通过焊接连接，稳定性高。

支架包括扶手，仪表安装辅助支架，扭腰盘连接处等，仰卧起坐架直接焊接在辅助连杆上。

支架与基架采用螺栓连接，方便跑步机位置的调整和拆装。

底部安有橡胶垫和尾套，保证平衡，最重要的是实现减震的二级缓冲。

图3-3，3-4，为主要支架，上支架和下支架，上支架主要安装仪表盘和供使用者扶持；

下支架用于支撑和安装基架。

图3-5为上下支架连接以后的模型，支架用于支撑和安装基架，安装仰卧起坐支撑棒和扭腰盘，这部分需要给人舒适和美观感。

图3-3上支架图

图3-4下支架图

图3-5总支架图

3.4前后滚筒设计

3.4.1轴的设计

滚筒轴属于固定心轴——只承受弯矩M≠0；

不承受扭矩T=0；

轴的毛坯一般用锻件或圆钢。

轴的结构设计应满足的基本要求：

（1）工艺要求：

轴应具有良好的制造工艺性。

（2）定位要求：

轴与轴上零件应具有准确的工作位置。

（3）紧固要求：

轴上零件的固定应牢固可靠。

（4）安装调整要求：

轴上零件应易于装拆和调整。

（5）提高疲劳强度的要求：

应尽量减少应力集中。

轴的各部分结构名称制造安装要求：

（1）轴的形状和尺寸设计尽量简单，以便于加工；

（2）为了方便轴上零件的装拆，通常将