多功能健身车论文.docx

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多功能健身车论文

河北科技师范学院

本科毕业设计

多功能健身车的设计

院（系、部）名称：

河北科技师范学院

专业名称：

机械设计制造及其自动化

学生姓名：

仝巨涛

学生学号：

9313120225

指导教师：

陈秀宏

年月日

河北科技师范学院教务处制

摘要

随着人们生活质量的不断提高，健身行业得到了快速的发展，同时对健身设备的研发与设计有了新的诉求。

如今的健身车行业，主要着重于对其舒适性以及安全性方面进行改进，但在其核心领域，例如运动搭配方式上没有得到太大的发展，使得运动方式变得单调无趣，影响了锻炼的体验效果。

为此，设计了一款全新的多功能健身车。

本多功能健身车主要分为四部分，分别为机械部分、发电部分、电能转化部分和电能利用部分。

机械部分对健身车座垫杆、健身车曲柄踏板、椭圆机把手、椭圆机踏板、椭圆机曲柄滑块机构等进行了设计，使得健身车的各个关键结构相互配合。

发电部分选择了雅马哈EF1000交流发电机发电机，根据发电机的具体外形结构与健身车框架进行结合。

电能转化部分利用整流、滤波和稳压原理将不稳定的交流电转化为稳定的直流电，并设计了电路图。

电能利用部分选择12000mah12v蓄电池，将电能储存起来。

本多功能健身车多样的运动方式配合，很大水平的提升了健身运动的趣味性和运动体验。

关键词：

健身车；多功能；椭圆机；曲柄滑块机构

Abstract

Withthecontinuousimprovementofpeople'squalityoflife,thefitnessindustryhasbeenrapiddevelopment,whilethefitnessequipmentinnovation,designandputforwardhigherrequirements.Atpresent,forthecarindustry,fitness,mainlyfocusonthecomfortandsafetyaspectsofimproved,resultinginthemovementofthemoretedious,exerciseapositiveinfluenceandeffect.Tothisend,thedesignofanewmultifunctionalfitnesscar.

Themultifunctionalbody-buildingvehicleismainlydividedintofourparts,whicharethemechanicalpart,theelectricitygenerationpart,theelectricenergyconversionpartandtheelectricenergyutilizationpart.Themechanicalpartoffitnessseatcushionrod,fitnessCartcrankpedal,ellipticalmachinehandle,ellipticalmachinepedal,ellipticalmachineslidercrankmechanismdesign,thestructureofeachkeyfitnesstocooperatewitheachother.PowergenerationpartoftheselectionoftheYAMAHAEF1000alternatorgenerator,accordingtothespecificshapeofthestructureofthegeneratorandtheframeworkofthefitnesscar.Electricenergyconversionpartoftheuseofrectifier,filterandtheprincipleofvoltagestabilizationwillbeunstableACintoastableDCpower,andthedesignofthecircuitdiagram.Electricenergyusepartoftheselectionof12000mah12vbattery,thepowercanbestoredup.Themultifunctionalbody-buildingvehicleiscombinedwithvariousmovementmodes,whichgreatlyimprovestheinterestofthebody-buildingmovementandthemovementexperience.

1绪论

1.1多功能健身车研究的背景和意义

在如今的健身器材市场中，健身自行车是比较受欢迎的室内健身器之一，最为常见的是脚踏式[1]。

多功能健身车研究目的为将椭圆机与健身车进行有机的集合，设计出一种包含椭圆机运动方式与健身车运动方式的新型健身器材。

随着社区化进程不断完善,全民健身计划得到全面实施。

随着人们生活水平的提高，健康问题也得到了广泛的重视，社区健身运动在我国城市中渐渐的兴起，进而健身器材市场进一步的扩大，人们对健身器材的要求一步一步的提高。

设计人员针对市场需求，提出设计出一种多功能健身与锻炼能量回收相互结合的设计思路，使人们在获得健康的同时,将自身生物能源充分利用起来,达到节约其他能源，创造更多社会效益的目的。

1.2多功能健身车国内外研究现状及发展趋势

1.2.1多功能健身车国内研究现状

我国健身车的起步相对于国外较晚，目前国内市场上常用的健身车主要以脚踏式为主，运动方式单一、枯燥。

市面上有一款手摇式健身车运用的是交替运动方式。

上海推出了一款健身车，具有普通健身车双脚交替蹬踏的功能，利用摩擦做阻力的工作原理，双脚蹬踏与双手摇动的设计成独立部分，手摇运动的同时，双脚可以蹬踏健身车脚踏板做360度圆周运动[2]。

深圳先进技术研究院开发的一种新的多功能健身自行车，可以添加不同的运动方式，通过运动的搭配组合，实现健身车的多功能性。

为了追求美观，设计者开始使用一些新材料，如碳纤维材料。

舒华公司是中国健身器材行业的先锋企业，公司蕴含着深刻的创新精神，为消费者设计制作了多款符合要求的产品，广受市场好评，在国内健身行业受到极大的认可，目前建立了1000多个专卖店，主要分布在城市重要的大型卖场。

随着我国对科教兴国战略的深入，万众创新的思想影响着各行各业的人，健身器材的创新设计也不例外，国内健身车在技术层面得到强有力的加强，从技术创新到制作工艺创新都逐渐与国外的距离越来越小。

1.2.2多功能健身车国外研究现状

国外健身车比我国健身车发展时间早，起步工业基础比较厚实，种类和功能更加符合运动者的要求。

在最初的简单构造与单一功能的基础上，通过技术不断革新，如今主要分为如下两类：

（1）磁控健身车

磁控健身车是指产生阻力的金属飞轮外围（或内围）有磁铁挨近，通过人力旋钮方式，调节磁铁与金属飞轮的远近调节阻力大小来实现不同运动强度的要求，当前此类健身车是入门家庭用健身车的主力军。

如图1所示。

（2）电磁控健身车

电磁控健身车原理是在磁控健身车的基础上拓展出来的一种健身车，磁控健身车的阻力调节方式为手动调节旋钮控制飞轮与磁铁的距离，而电磁控健身车的阻力调节方式为健身车控制系统控制拉线马达调节飞轮与磁铁的距离。

拉线马达与电脑程序相互配合，实现电磁控健身车更加细微的阻力调节段数，研究人员编制专业的控制程序，模拟出健身车在工作的过程中为健身者提供类似上坡、下坡、间歇等自然情景的运动效果的效果[4]。

电磁控健身车在健身车中属于比较高级的产品，多用于高级健身房和要求较高的个人健身者。

如图2所示。

1.2.3多功能健身车发展趋势

健身车的发展方向主要是朝着智能化方向发展。

人机工程学是最近几年相对热门的学科，主要任务是研究分析出关键重要的机构和系统设计参数和数据,使设计趋于合理,更适合人的生理和心理要求。

根据人机工程学理论和我国成年人身体测量标准,可利用标准人体模板设计健身车主体结构,例如上肢的把手设计参数、下肢曲柄摇杆的设计参数和人体使用健身车的舒适程度的研究。

现如今，健身车的研发核心领域并没有实质突破性的发展，绝大部分新型的健身车主要是在运动结构的细节处进行改进、舒适性能的提升和与其他领域设备进行结合改进，但对于健身者来说，并没有给其带来新的体验。

健身车的智能化弥补了这一缺陷，其高端的机械配置加上成熟的训练模拟程序，更大程度地提升了健身车的趣味性以及运动效果。

智能化健身车注重对运动方式的创新研究，运动体验更加符合健身者的要求。

2多功能健身车总体方案的设计

2.1人体主要尺寸的分析与选择

2.1.1人体主要尺寸分析的重要性

自从20世纪开始，人们生活水平的提高，促进了健身产业的发展。

热爱健身的人们希望拥有更高水平的健身器材来增强自己的体质、保持健美的体型。

运动员的专业训练器械逐步走向千家万户，但是专业的健身器材有些并不适合普通的健身人群，健身者对符合自己要求的健身器材有了极大的诉求，促进了家用健身器材的不断改进和创新。

现在市面上的健身器材对健身人员的普遍人体尺寸分析不是很重视，有的健身器材出现了器械尺寸与人体尺寸不融合、安全性稳定性设计要求不高、加工制作粗糙成本低廉、人机界面配合不紧凑的问题。

虽然健身器材的样式较多，但是使用体验单一乏味。

而这些设计问题的关键就在于目前对家用健身器材的设计中缺少了人机工程的设计意识，缺少健身器材人机工程理论的设计和分析。

人的一切活动都是通过人体骨骼、关节与骨骼肌组成的运动系统实现的[5]。

人体的不同部位所实现的运动范围、速度、操纵准确性以及所能施加力的大小均不同。

人机工程学为健身车的设计提供了最为原始实际的参数，主要包括我国成年男女人体部分主要参数、和成年人人体尺寸国家标准，使得人的体力得到最有效地发挥。

合理的对人机工程学提供的数据进行有效合理的分析，使其更加符合人体的生理和心理要求，将对今后健身器材的家庭化产生深远影响。

为了使多功能健身车的设计与健身者的心理和生理相互适应，达到健身的过程更加自然舒服，就必须在设计时充分考虑人体的各个尺寸[6]。

根据少数人体测量的肢体数据不能作为健身器材的设计数据，设计健身器材需要面对的是多数人群，所以使用数据必须具有普遍性。

通常的做法是通过测量群体中较少量的个体样本的数据，收集所得到少量群组数据作为大群体的基本样例，此样例分成组成为随机变量，然后进行统计处理，分析出适合健身车设计要求的数据。

2.1.2人体主要尺寸的选择

根据参考资料可知，专业的自行车运动员蹬踏板的频率为大于120r/min，输出的功率平均值在500W左右，而对于本健身车设计，考虑到使用人群的一般性，因此需要在500W的基础上加上加权系数0.7，即后面的结构尺寸设计则按照双脚输出功率为350W，双脚的蹬踏频率定为100r/min[7]。

人机工程学测量的人体数据主要包含两类，分别为人体构造尺寸是静态尺寸和功能尺寸是指动态尺寸，即为人在工作姿势下或在某种操作活动状态下测量的尺寸。

为了使多功能健身车的设计与健身者的心理和生理相互适应，达到健身的过程更加自然舒服，就必须在设计时充分考虑人体的各个尺寸。

GB10000-88是1989年开始在我国成年人实施的人体尺寸国家标准。

该标准根据人机工程学要求为我国成年人提供了人体尺寸的基础数据，它适用于工业产品设计、建筑设计、军事工业以及工业的技术改造、设备更新及劳动安全保护。

该标准共提供了7类47项人体尺寸基础数据，标准中采用的是中国法定从事工业生产的成年人（男18～60岁，女18～55岁），并按我国成年男女性别分组列出数据[8]。

下表列出部分所需数据。

表1成年人人体尺寸国家标准

表2我国成人男女人体部分主要数据（单位：

mm）

测量

项目

男（18～60岁）

女（18～55岁）

P5P50P95

P5P50P95

身高

1583

1678

1755

1484

1570

1659

体重（kg）

48

59

75

42

52

66

肩高

1281

1367

1455

1195

1271

1350

2.2多功能健身车总体方案

根据查阅数据，对健身车进行全方面的设计，制定出多功能健身车总体方案，主要分为机械部分、发电部分、电能转化部分和电能利用部分。

2.2.1机械部分

机械部分对健身车的椭圆机和健身车部分进行全面合理的人机工程学设计分析，对于家用健身器材，如何进行全面合理的人机工程设计分析显得尤为关键。

多功能健身车的主体关键结构包括:

健身车座垫杆、健身车曲柄踏板、椭圆机把手、椭圆机踏板、椭圆机曲柄滑块机构等机构的设计，使健身车的各个关键结构相互配合紧凑。

对各机构传动部件进行运动分析设计，包括:

分动系统的设计、传动系统的设计、传动方式的设计；并通过设计专用的脚踏，使每个驱动都能够更加顺畅、舒适地完成360度整周运动[9]。

根据参考资料可知，专业的自行车运动员蹬踏板的频率为大于120r/min，输出的功率平均值在500W左右，而对于本健身车设计，考虑到使用人群的一般性，因此需要在500W的基础上加上加权系数0.7，即后面的结构尺寸设计则按照双脚输出功率为350W，双脚的蹬踏频率定为100r/min。

2.2.2发电部分

发电部分将健身车飞轮与发电机进行融合，分析设计出永磁无刷发电机，将发电机与健身车主体框架进行组装，发电机摩擦轮改为带轮。

能量传递通过两种方式：

1、通过健身者蹬踏健身车踏板带动健身车皮带轮，将能量输送到发电机主轴皮带轮，使发电机转动进行能量转化；2、通过健身者蹬踏椭圆机连杆踏板，连杆带动椭圆机飞轮转动，将能量输送到发电机主轴，使发电机转动进行能量转化。

带传动它具有传动平稳、噪声低、清洁（无需润滑）的特点，具有缓冲减振和过载保护作用，但强度较低、疲劳寿命短、传动效率较低;需要压带轮，并且传递距离无法改变；链传动其承载能力较大，有一定的缓冲和减振性能;与带传动相比，它能保持准确的平均传动比，传动效率较高，过载能力强，但传动平稳性较差，磨损后容易发生跳齿危险，且传递距离不变；齿轮传动结构紧凑，比带、链传动所需的空间尺寸小，传动效率高，承载能力大，工作可靠、寿命长，不会存在打滑或者跳齿现象[10]。

结合多功能健身车在实践中的使用情况，传动方式最终决定使用皮带传动。

根据自行车的传动原理，进行机械优化设计，将带传动与自行车传动相结合，制作出皮带轮通过齿形皮带带动后轴皮带飞轮，从而使得发电机转动。

发电机选用永磁无刷发电机，内置永磁磁铁，放弃使用线圈通电产生磁场的电磁感应元件，可以大大较少能量损耗；采用无电刷结构设计，将发电机内置转子固定，发电机外轮廓与皮带飞轮相连接充当转子，可以避免发电机电刷更换与维护。

2.2.3电能转化部分

电能转化部分利用整流、滤波和稳压电路，将发电机产生的不稳定的交流电转化为平稳地直流电源[11]。

如图3所示。

2.2.4电能利用部分

电能利用部分主要是将电能转化部分输出的电能进行下一步处理，能源成两部分。

一部分为储存的到蓄电池中，为其他移动设备提供能量，另一部分电能在多功能健身车上安装外设充电插件，为移动设备提供能量，例如健身车上模拟现实程序的电脑或者手机等电源供电。

3多功能健身车的结构设计

3.1健身车踏板曲柄的设计

普通自行车曲柄踏板机构可以为多功能健身车曲柄踏板提供设计依据，多功能健身车曲柄踏板相当于一个曲柄摇杆机构。

如图2-1所示，踏板曲柄L1机构的曲柄（能作整周转动），人体小腿L2相当于连杆，大腿L3相当于摇杆摆杆），车身L4为机架，从而构成了以摇杆为主动件的曲柄摇杆机构[12]。

如图4所示。

假设该曲柄摇杆机构的各杆长度分别为L1、L2、L3、l4，为了保证曲柄能作整周转动，曲柄AB必须能通过与连杆BC共线的两个位置AB1和AB2，这时机构各杆分别构成了三角形AC1D和AC2D。

根据三角形两边之和大于第三边的三角关系，

对于△AC1D，有：

（2-1）

（2-2）

对于△AC2D，有：

L4+L3≥L1+L2（2-3）

由上述公式可知：

L2+L4≥L1+L3，L2+L3≥L1+L4，L3+L4≥L1+L2

化简可得：

L2≥L1，L3≥L1，L4≥L1（2-4）

根据以上可知，踏板曲柄的长度比人体模型大腿的长度、小腿的长度和机架的长度要短，即L1的长度最短。

健身者在健身的过程中，曲柄踏板旋转一圈与人在自然骑行运动时行走一步效果相同。

当健身者在多功能健身车上运动时与在自然环境中运动的效果基本吻合时，此时的曲柄摇杆机构的连杆长度关系为设计尺寸，符合本课题的设计理念。

国家资料显示自然行走状态人体的步长约为300-400mm。

因此，曲柄的长度取值范围为150-200mm。

因此取中间值170mm为曲柄的长度[13]。

3.2椭圆机踏板轨迹的设计

椭圆机上踏板的运动轨迹需要尽可能真实的与自然状态下健身者的运动轨迹相一致。

而实际中人体行走的轨迹是不规则的近似椭圆形，踏板上的的轨迹却是椭圆形的，在设计时就必须将实际中人体行走的轨迹进行椭圆化的拟合，这样才能够使椭圆机模拟自然环境下人体的运动。

当制定了椭圆形状的拟合曲线，连杆机构运动的模拟就可以设计。

如图5表示在设定的速度下，健身测试者在模拟跑步器械上实际测试时的记录数据，实测的脚踝轨迹（实线）用椭圆形状拟合（虚线）的结果。

由图5可见：

拟合的椭圆长轴、长轴方向的倾角与实测轨迹吻合；但实测轨迹和椭圆在整体上有一定的差异[14]。

曲柄连杆机构的设计，根据图4的模拟结构为依据，运用解析法，如图5所示，以A为原点、机架AD为x′轴建立直角坐标系x′Ay′。

若直线段BC上有一点M（BM=l），则M点在坐标系x′Ay′中表示的连杆曲线方程为

式中

用连杆点M再现给定的椭圆时，给定椭圆通常在另一坐标系xoy中表示。

如图5所示，若设A在xoy中的位置坐标为xA、yA，x轴与x′轴正向沿逆时针方向的夹角为t，M点在xoy中的坐标为x、y，则有

将式

（2）代入式

（1），得关于x、y的6次代数方程

上式中共有8个未知尺寸参数，即铰链四杆机构的连杆点最多能精确通过拟合椭圆上所选的8个点。

若给出拟合椭圆上M点不同位置的坐标xMi,yMi（i=1,2,,8），分别代入式（3），采用数值解法解方程组，可得一组连杆设计待定参数。

当轨迹点数大于8个时，连杆点近似实现给定要求[15]。

根据以上数据可知，被测试健身者运动的不规则曲线与拟合的椭圆曲线具有一定的偏差，曲柄连杆曲线轨迹的设计选择应该满足自然状态下人体轨迹步幅和倾角的要求。

因此曲柄连杆曲线轨迹点的大部分选择，应该在椭圆的长轴处，因为这些点的位置较好地反映了轨迹的步幅和倾角。

3.3椭圆机曲柄滑块机构的设计

椭圆机上踏板的运动轨迹需要尽可能真实的与自然状态下健身者的运动轨迹相一致，通过查阅不同身高人群的步长试验资料，制定步长平均值为50cm时脚部的实际轨迹进行设计。

飞轮能量大小可表示为:

（I为转动惯量,w为角速度）。

可见:

因此,若采用单速方式,飞轮尺寸主要受椭圆机机构长度的制约,当转动惯量不能符合设计要求时,可以采取增速机制,在曲柄轴摇杆与多功能健身车飞轮之间通过增大传动比值,从而使飞轮的转动速度加大。

一般情况下,飞轮半径取15-30cm,重量6-12kg[16]。

图8曲柄滑块极限位置

A:

飞轮中点B：

连杆端点

AB：

飞轮连杆aBC:

连杆b

F:

左极位点D：

右极位点

为了使健身车质量相对轻便，将飞轮半径AB取为最小15cm，滑块的轨迹长度FD为50cm，在运动人员健身的过程中，为了不使人体的重心上下浮动过大，将极位夹角DAF设定为3.5度，右极位角ADF设定为7.5度，根据现有数据依次计算其余关键数据：

由正弦定理得a+b（AD）=114cm则

连杆b=99cmBF=BD-FD=49cm由此得出

b-a（AF）=84cm

3.4健身车坐垫杆的设计

健身车坐垫杆的设计参数主要包括两个方面，分别为倾斜角度和长度调节范围。

3.4.1健身车坐垫杆倾斜角度的分析

健身者在蹬踏自行车的过程中，小腿、大腿、踏板曲柄和座垫杆四个模拟连杆的长度位置关系可以用下图平面位置关系来分析。

如图9所示。

为了确定座垫杆的倾斜角度，假设骑行者的腿伸直，即大腿和小腿处于同一直线上的情况下，踏板曲柄正处于水平位置，如图9所示，现取GB/T15759-95标准所提供的最小人体外形模板，即取女性最小会阴高h＝673mm作为设计基准，则绝大多数骑行者将无需把腿伸直，就可将踏板曲柄蹬到最底部。

同时根据人体生理特点，α角最大取值为90°，则现取α为90°的位置进行计算[17]。

那么

于是有，β≤75.8。

根据计算出的数据可知，如果想要减少对坐垫杆材料强度的要求，就要将坐垫杆的倾斜角度加大，β的角度越大，坐垫杆的材料强度就可以相对减少，β的最大角度为90°。

为了使坐垫杆的角度具有可调性，可以将坐垫制作成为水平方向可以调节移动的结构，座垫往后移动与增加座垫杆的倾斜角的效果相似。

如图10所示。

3.4.2健身车坐垫杆长度调节范围的设计

在骑行蹬踏过程中，下肢的运动相当于以摇杆为主动件的曲柄摇杆机构[18]。

当小腿L2和曲柄L1处于同一直线位置时，摇杆（大腿L3）通过小腿L2传递给曲柄的力F将会通过轴的中心点A，此时压力角α＝90°，使得Fmin＝Fcosα=0，即F对A点的力矩为零，无法使曲柄转动，这个机构处于静止状态，该位置称为机构的死点。

如图11所示，健身车的运动过程中，在脚踏板分别处于极限位置B2和B1点时，此时会出现不做功的情况，B1点和B2点分别是骑行过程中的下死点和上死点。

与骑行健身车相关的人体关节舒适角度有：

肩关节35°～90°、肘关节95°～180°、膝关节60°～130°。

从上死点到下死点的过程中，当脚位于上死点时，即曲柄L1与小腿L2共线时，如图11所示,膝关节角度将取得最小