多功能跑步机设计毕业论文.docx
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多功能跑步机设计毕业论文
多功能跑步机设计毕业论文
第一章绪论
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。
近年来，健康越来越成为人们关注的焦点，健身器材产业随之蓬勃发展，跑步机的出现，一方面满足了人们在室进行跑步锻炼的需要：
另一方面由于省去了蹬伸动作比在陆地上多跑1/3的路程，能量消耗也大于陆地训练。
此外户外跑步条件的不断被缩减，城市污染的逐渐严重，汽车尾气排放于大街小巷，使我们生活的环境中越来越缺少鸟语花香和清新空气，又由于运动场地还未普及，我们对于户外跑步的兴趣越来越少。
因此家中备置跑步机，或者到健身房锻炼成为了一种时尚。
跑步机，它分为机械式跑步机和电动跑步机。
年龄较大的人员可以选择机械型跑步机，它是一种主动式的跑步方式，跑步的快慢由自己掌握，使用者可根据自身状况进行散步、慢跑或快跑。
年轻人可以选择电动跑步机，它是一种被动式的跑步方式，根据自身体能首先设定跑步速度，强行训练者按此速度进行跑步。
机械跑步机是依靠跑步者脚与跑步带的摩擦力带动来运行的，简单的说电动跑步机是依靠电机带动跑步带运行。
电动跑步机是健身房及家庭较高档的器材，它通过电机带动跑带使人以不同的速度被动地跑步或走动。
由于被动地形成跑和走，从动作外形上看，几乎与普通在地面上跑或走一样，但从人体用力上看，在电动跑步机上跑、走比普通跑、走省去了一个蹬伸动作。
正是这一点使每一个在电动跑步机上走跑的人感到十分轻松自如，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、跑为多。
另外，由于电动跑步机上的电子辅助装备功能非常多，可体验不同的跑步环境，如平地跑、上坡跑、丘陵跑、变速跑等，您可根据您的锻炼目的进行选择。
一台多功能跑步机是由跑步机、划船器、卧式健身车、立式健身车、放松机、腰旋器等功能器材组合而成，以功能多、占地少而受到一些人的喜爱。
它的锻炼方法同普通跑步机一样，但从健身器所应具备的使用舒服、方便，技术动作准确合理上看，多功能跑步机有一定缺陷。
因此，本次对多功能跑步机进行重新设计，本设计先通过预估后进行强度计算进行校核，通过大量的计算和校核，设计出既牢固、简洁又合理美观的部传动结构和外部基架结构的设计，并对多功能设计的结构也做了一定的设计，尽量弥补一些传统跑步机所存在的缺陷。
第二章总体方案设计
2.1基本功能设计
跑步机的基本功能是构建一条运动的跑带，跑道的运动方向与运动者的跑步方向相反，并且能达到相对速度保持相同，这样能使运动着相对静止的在跑步机上，这样就使得运动者能够在原地进行跑步锻炼了。
实现跑步机的功能，对跑步带的驱动与速度控制：
通常使用直流电动机驱动，直流电动机通过半导体功率器件，使用脉冲宽度控制方式实现调速。
在跑步机的基础上通过增加一些部件来增加其它功能从而达到实现多功能的目的。
其基本功能设计包括跑步、仰卧起坐等。
2.2构造设计
多功能电动跑步机主要由机架、电动机、可调电源、跑步皮带及仪表控制盘组成，其特征在于框架与支架垂直连接，前轴与后轴分别装在框架的两端，前滚筒与后滚筒分别用轴承套装在前后轴上，跑步皮带紧绕装在前后滚筒上，跑步皮带下装有支撑跑步板，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框架上，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。
传动方式采用带传动机构，传动级为一级[1]。
同时在支架上安有扭腰盘和伏地挺身架使机器实现其多功能性。
图2-1跑步机外型图
2.3功能原理的确定
表2.1跑步机功能分解
多功能可折叠
电动
跑步机
跑步功能
跑步系统
带传动
电动
调节坡度
坡度调节系统
齿轮齿条+杆机构
手动
实现折叠
折叠系统
杆机构
手动
辅助锻炼
辅助锻炼系统
轴与轴承
手动
安全防护
安全防护系统
安全带，防滑道，急停开关
控制选项
电控系统
另行设计
对机器的动力功能，传动功能，执行功能进行功能分解。
功能分解的目的是有更多的方案解用来参考，以便找到最优的设计方案。
动力功能
传动功能
执行功能
2.4小结
电动跑步机就是构造在电力作用下使电机带动一条跑带运动，使运动者在原地进行跑步锻炼，既提供了跑步运动环境，又节省了空间。
本设计在构造设计上主要在单一跑步机的外形基础上通过改变、添加构件等方法来实现实用方便、功能多样化等。
第三章传动结构及参数设计
3.1电动机类型功率选择
电机是整台机器的动力源，跟心脏对人体的作用一样的重要。
电机的种类很多，使用交流电的有三相异步电动机、步进电机、交流伺服电机，使用直流的有永磁无刷直流电机、永磁直流电机、直流伺服电机等。
结合机器在跑步时要噪音小、输出稳定、使用时间长等要求，采用步进电机[2]。
步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。
且一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积；电机外表面允许的最高温为130度以上，耐高温；步进电机可以超出其额定值围工作。
但选择时不应偏离额定值太远等优点。
正是由于步进电动机具有上述一系列优点，在本设计中电动跑步机选择以步进电机作为驱动电机。
此跑步机设计标准为100公斤，则电动跑步机转用电动机—ZYT42型永磁直流电动机该型电动机系大功率跑步机中配套的专用驱动元件，经一定的电磁、结构派生处理也可适用于相应的机械装置中作为驱动元件。
该电动机显著的特点：
具有转速精度高，当人在跑步机上运动时，是一个冲击负载，该机在这种冲击负载作用下一转不差，保持同步转速，如同在平地上一样感觉。
初步确定跑步机滚筒直径为60mm，所以
最大转矩
转速
次/s
则电动跑步机用电动机—ZYT42（NEMA）型永磁直流电动机该型电动机系大功率跑步机中配套的专用驱动元件，经一定的电磁、结构派生处理也可适用于相应的机械装置中作为驱动元件。
该电动机显著的特点：
具有转速精度高，当人在跑步机上运动时，是一个冲击负载，该机在这种冲击负载作用下一转不差，保持同步转速，如同在平地上一样感觉。
表现在调速方便（可无级调速），调速围宽，低速性能（启动转矩大），运行平稳，噪音低，效率高。
3.3传动机构设计步骤及参数选择
工作机构类型选择带传动，属于定传动比匀速转动机构。
带传动具有结构简单，成本低廉，能缓和载荷冲击，运行平稳，无噪声，过载时将引起带在带轮上打滑，因而可防止其他零件的损坏，具有过载保护作用。
初始条件：
选择电机为专门为跑步机生产的永磁直流电动机，传动功率P=1.5KW，主动轮转速为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，图3-1为多楔带传动示意图：
跑步系统由支架，电机，电控系统，带轮，多楔带，滚筒，轴，轴承，跑带，安全防滑道，安全带等部分组成，电控系统控制电机旋转带动带轮转动，通过带传动，实现一级变速。
机器开始运行后跑带带动人在其上奔跑。
通过两滚筒间距调节预紧跑带。
跑带采用防滑带，带两侧设有防滑道，系统设置急停开关，以防止意外发生。
跑步机是由电机带动，则跑步者须与跑带节奏保持一致，在跑步时出现意外，要迅速的使跑步带停下来，所以在跑步机设计时要尽多的考虑安全问题。
防滑道
跑带
多楔带轮
图3-3多楔带传动示意图
以下计算过程所用到的表和图来源：
卜炎主编.机械传动装置设计手册（上册），机械工业，1999[4]。
（1）确定设计功率Pd：
Pd＝KAP（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〈10小时，载荷变动小。
KA=1.1见表8-9
Pd=1.1*1.5=1.65kw
（2）带型号的选择：
对于多楔带的型号可根据设计功率Pd=1.65KW和小带轮转速n1=3400r/min由图
8—21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：
由表8-90选demin=20mm，由表8-91选de1=33.5mm，
大带轮有效直径：
小带轮节圆直径：
dp1=de1+2△e=33.5+2*1.2=35.9mm
由表8-90，△e=1.2
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
（3-2）
验算带的速度
=
m/s=6.388m/s
注意：
v↑—→离心力、离心应力↑—→FQ↓
—→单位时间的应力循环次数N↑
v↓—→P=F×v/100可知，P一定时，F↑—→紧力↑
一般v在5～25m/s，最大30m/s，在8～15m/s较好,
所以v=6.388m/s〈30m/s，适合。
（5）初定中心距a0：
中心距的大小对带传动的影响：
a↑—→结构大—→由于载荷变化引起带的颤动—→掉带
a↓—→带的长度↓—→在一定速度下，单位时间带的应力变化次数N愈多，会加速带的疲劳损坏；
—→当传动比i较大时，包角↓
对于V带传动，中心距a一般可取
0.7（
+
）<
<2（
+
）（3-3）
73.15〈a0〈209
初定a0=150mm
（6）确定带的有效长度Le：
根据式
（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：
中心距的变动围
考虑安装调整和补偿紧力的需要（如胶带伸长而松弛后的紧），尚需给中心距留有一定的调整余量。
由表8-54知中心距的调整量为△min=5，￡min=8。
按式a=
+
（3-5）
=150-8.205
=141.795mm
则a1=146.795mma2=133.795mm
（8）计算小带轮包角：
α1≈π-（de2-de1）/a
=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,有表8-55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=
（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：
FT=Pd/v*103
=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
（3-7）
得Kr=1.57则Fr=1.57*258*0.991
=401.46N
（13）多楔带的选择：
图3-1多楔带
根据计算：
跑步机传动机构选择12PJ450多楔带。
3.4多楔带带轮材料结构和尺寸选择
要求：
质量小；结构工艺性好；无过大的铸造应力；质量分均匀，转速高时要经过动平衡；轮槽工作面要精细加工（表面粗糙度一般为3.2），以减少带的磨损；各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等。
材料：
带轮的材料主要采用铸铁，常用材料的牌号为HT150或HT200；转速较高时宜采用铸钢（或用钢板冲压后焊接而成）；小功率时可用铸铝或塑料[5]。
结构设计：
带轮由轮缘，轮辐和轮毂三部分组成
1）实心式：
带轮基准直径小于3d（d为轴的直径）时；
2）腹板式：
带轮基准直径小于300～350mm时；
3）轮幅式：
带轮基准直径大于300～350mm时；
带轮的结构设计主要是根据带轮的基准直径选择结构形式，并根据带的型号及根数确定轮缘宽度，根据带的型号确定轮槽尺寸。
则小带轮D=33.5选取实心式，大带轮D=71选取腹板式，小带轮随电机一起购买。
规格：
P12PJ33.5。
以跑步机大带轮P12PJ63为例确定其结构和尺寸：
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。
槽距e=2.34±0.03，槽角α=40o±0.5o，楔顶圆角半径rb,最小值为0.2，槽底圆弧半径rt最大值为0.4，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，有效线差公称值￡e=1.2，径向跳动公差0.25，槽间直径差值最大0.16，n槽数为12。
所以带轮宽=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。
3.5带传动的紧装置的选择
传动中心不可变时，采用紧轮；
传动中心可调时，采用滑轨+螺旋或者浮动轴。
本跑步机中心距是可调的：
a=a0+（Le-Le0）/2
=150-8.205
=141.795mm
则a1=146.795mma2=133.795mm
围在133.795mm--146.79mm之间，则通过螺栓的前后移动来调节电机的前后移动，从而实现带的调紧和放松。
3.6小结
跑步机属于健康器材类产品，由于跑步机驱动电机必须满足各种体重的人来使用。
一般使用跑步机的目的有两种：
健身，减肥瘦身；如果是减肥瘦身的人来使用，因为身体较肥胖，跑不快，因此驱动电机的低速必须转矩大才能使用。
相反的，健身的人跑步快，但是重量轻，因此高速时的转矩需求较小；跑步机必须满足家庭成员每一个人都能使用，因此调速围要宽广，低速转矩要大，才能满足不同重量的人。
目前跑步机使用的驱动装置以直流有刷电机为多，优点是价格便宜。
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。
楔带与带轮的接触面积和摩擦力较大，载荷沿带宽的分布较均匀，因而传动能力更大；由于带体薄而轻、柔性好、结构合理，故工作应力小，可在较小的带轮上工作；多楔带还具有传动振动小、散热快、运转平稳、使用伸长小、传动比大和极限线速度高等特点，因而寿命更长；节能效果明显，传动效率高；传动紧凑，占据空间小。
此外，多楔带的背面也能传动，而且可使用自动力调整器，使传动更加安全、可靠。
多楔带特别适用于结构要求紧凑、传动功率大的高速传动。
第四章外型结构和滚筒设计
外形结构是一个产品给人的第一信息，是吸引消费者的第一道展示，而且也是整台机器的支撑框架，所以外形结构设计要合理达到美观、牢固、轻便。
4.1机架的设计
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。
主要是通过调研，看现有市场上的跑步机的基架结构的流行设计，在此基础上进行自己产品的开发，少走弯路，紧跟市场，在尺寸的确定方面参考了人体运动工学推算，45cm宽X130cm长跑带面积，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，再考虑电机的尺寸，传动机构带传动的中心距离，电机的安装，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，设计了上图的基架，在设计中特意将两边框设计了足够的宽度，以此为锻炼过程中短暂的休息提供两脚踩放的位置，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450mm，故取滚筒也是500mm，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
；由第3章求的两带轮的中心距
，电机的宽
，跑步带长是1300mm，取下底座的前壁宽是25mm，尾部距下滚筒中心距是60mm用于安装和调节下滚筒的装置，由于电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35mm，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4-1基架
由图4-1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4-2所示。
图4-2基架受力图
所以，
（4-1）
弯矩
弯矩应力
（4-2）
所以可用。
由图4-1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
（4-3）
所以可用。
4.2支架的设计
支架设计分为上下两部分通过插拔的形式安装和拆卸，目的是包装时节省空间，材料采用空心钢管，连接为焊接，保证稳定性。
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于辅助连杆上。
与基架的连接采用螺栓连接，方便位置的调整和拆装。
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4-3，4-4，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4-3上支架
图4-4下支架
图4-5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4-5总支架
4.3机罩
旋转传动机构必须与执行机构隔离，保证安全性，同时为了技术保护和美观，前后罩使用ABS塑料，美观，有质感，能起到有效的防护作用。
设计基准为基架，通过螺钉与基架连接，方便安装和维护维修，图4-6、4-7为前后罩模型图示。
图4-6前罩
图4-7后盖
4.4轴的设计和轴承选择
滚筒轴属于固定心轴——只承受弯矩M≠0；不承受扭矩T=0；轴的毛坯一般用圆钢或锻件[7]。
结构设计应满足的基本要求：
1、轴与轴上零件应具有准确的工作位置——定位要求；
2、轴上零件应易于装拆和调整——安装调整要求；
3、轴上零件的固定应牢固可靠——紧固要求；
4、轴应具有良好的制造工艺性——工艺要求；
5、应尽量减少应力集中——提高疲劳强度的要求。
轴的各部分结构名称制造安装要求：
——为便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯轴；
——为使轴上零件易于安装，轴端和各轴段的端部应有导角；
——轴的形状和尺寸力求简单，以便于加工；
——轴上磨削的轴段有砂轮越程槽；需车制螺纹的轴段，应有推刀槽；
轴的材料：
轴常在交变应力的作用下工作，其材料的要：
强度高、刚度好、应力集中的敏感度小，抗疲劳，加工性能好，有的轴表面要求也较高。
轴的材料主要采用中碳钢35或45钢和合金钢20Cr或40Cr等[8]。
最常用的是45#钢（含碳量0.45％），它具有较高的综合机械性能。
此设计采用45#钢。
（1）计算轴上功率P
、转速
和转矩T
查手册得，多楔带的传动效率η为0.98。
则
P
=Pη=1500
0.98W=1470W
＝n
=3400
r/min=1619.05r/min
T=
=8.67N·m（5-1）
（2）计算作用在大带轮上的力
大带轮的直径
=71mm
作用在大带轮上的力：
（5-2）
作用在轴上是力：
因为轴固定，所以
（3）初步确定轴的最小直径
先按式
初步估计轴的最小直径。
按无特殊要求、重要性一般，选择轴的材料为45钢，查按转矩计算轴时的
和C值表，取C=110，于是得
=
10.65mm（5-3）
4.5轴结构的设计
轴的设计包括两个方面：
结构设计：
使轴具有合理的结构形状，良好的加工工艺性。
强度计算：
保证轴在载荷作用下不致断裂或产生过大的变形。
轴的结构设计：
轴的端部应有45度倒角，以便安装时对中，防止锐边划手。
轴的结构设计主要根据以下几个方面：
轴上零件的配置；轴上零件的固定；轴上零件的装拆；轴的加工工艺性。
轴上零件的固定可分为两个方向：
周向固定：
传递扭矩和运动，采用过盈配合（轴承圈）。
轴向固定：
防止零件在运转时产生轴向移动，采用圆螺母[9]。
图4-8为滚筒的结构示意图。
图4-8滚筒结构
4.6强度计算
由于心轴工作时只承受弯矩而不承受扭矩，所以在应用上式时，应取T=0。
由于是固定心轴，考虑启动，停止等影响，弯矩在轴截面上所引起的应力可视为脉动循环变应力。
所以：
固定心轴的许用应力应为1.7[σ-1][10]，
弯矩
抗弯截面系数
（5-4）
弯矩应力
（5-5）
所以可用，则通过设计能承受足够的工作强度。
最终确定的前后滚筒轴每段长和粗如表4-1所示。
表4-1前后滚筒轴的尺寸
段
类型mm
1-2
2-3
3-4
直径d
12
18
12
长度L
32
476
32
前已选用轴的材料为45钢，调质处理，查手册按线性插入法查得对于
的碳钢，承受对称循环变力时的许应力合理。
若从考虑节省材料减轻重量上，轴可以适当再细点，但考虑到轴受一定的冲击力，所以维持轴的直径不变。
4.7轴承的选择与校核
取安装滚动轴承处为轴头为前滚筒轴的的最小直径。
轴承类型：
深沟球轴承，轴承代号：
6301
轴承参数：
轴承径：
12，轴承外径：
37，轴承宽度：
12，额定动载荷：
7480，额定静载荷：
4650，极限转速：
22000，润滑方式：
脂润滑。
工作参数：
径向载荷：
406.16，轴向载荷：
0，使用寿命：
30000，工作转速：
1619.05，载荷系数：
1.5。
由计算得到结果：
当量动载荷：
609.24，
当量静载荷：
609.24，
计算寿命：
16950。
R1=（R1H2+R1V2）1/2=841N
R2=（R2H2+R2V2）1/2=1484N
A1=653NA2=1009
查2.5-1得cr=15000Nc0=10000N
载荷由1轴承承受
A1/c0=0.035e1=0.22
A2/c0=0e2=0.22
A1/R1=0.77〉e1，
取X=0.44Y=1.47取轻微冲击载荷fd=1.0
p1=fd（x1R1+Y1A1）=1.0×0.56×906.7+1.9×347.2=1167.4N
A2/R2=0.67〈e2由表2.5-1得X2=1Y2=0
此轴承受力矩载荷fm=1.5轻微冲击载荷fd=1.0
p2=fdfm（x2R2+Y2A2）=1.5×0.56×2088.1=1754N
p2>p1故按p2计算轴承寿命。
温度系数ft由9-4得ft=0.85。
轴承适用
4.8滚筒要求
主动滚筒的外圆全跳动小于0.33mm，从动滚筒的外圆全跳动小于0.25mm。
滚筒均采用5.0mm壁厚的优质钢管，光洁度达到0.8以下[11]。
滚筒均有防静电处理，滚筒外部经防锈处理，前后滚筒的外形如图4-9、4-10所示。
图4-9前滚筒
图4-10后滚筒
4.8小结
整个结构的设计用SOLIDWORKS进行三维的实体设计，使设计简单化和设计化，使设计的跑步
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