多功能跑步机机械设计和外形设计.docx

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多功能跑步机机械设计和外形设计

多功能跑步机的零件三维设计

摘要

传统跑步机的功能只是跑步，而在此基础上发展而来的多功能跑步机增加了很多功能。

其功能主要通过设计和改变一些机械结构，增加一些现代电子器件，从而实现跑步机的多功能化。

本设计中，重点在跑步机的多功能的零件三维设计，体现在零件设计和三维设计上。

通过机械设计改变零件的外形、结构，结合人体工程学设计尺寸，从而达到多功能的要求和符合人的生理、心理特点的外形结构。

再根据现实中常见的健身器材有选择的把它们添加到跑步机上。

在本次设计中，我选择了几种结构简单但锻炼起来却对人体有非常大好处的健身器材，分别是双杠、扭腰盘、仰卧起坐器和划桨器，这些器材都是非常常见的。

在不改变功能的情况下，改变各种器材的结构和尺寸，使它们能够方便的安装到跑步机上，让单一的跑步机变成多功能跑步机。

在设计出结构尺寸的基础上，用三维软件solidworks2008把零件用立体的形式表现出来，让本设计显得更加形象生动，让制造者也能更好的掌握该跑步机的结构。

关键词：

跑步机，多功能，双杠，扭腰盘，仰卧起坐器，划桨器，零件，三维

Multi-functionaltreadmillparts3ddesign

Abstract

Themulti-functiontreadmillwhichbasedonthetraditionaltreadmillwithonlyonefunction—running,isaddedwithmanymorefunctions.Themulti-functiontreadmillaimstoachievemorefunctionsthroughdesigningandchangingsomemechanicalstructure,addingsomemodernelectronicdevices.Thisthesisfocusesonthethree-dimensionaldesignofmultifunctionalcomponents.Inordertoachievethemultifunctionalrequirementandconsistwiththehumanphysiologicalandpsychologicalcharacteristics,Ichangetheshapeandstructureofthecomponentsthroughthemechanicaldesigncombiningwiththedesignsizeofhumanbodyengineering.Andaccordingtotherealityofcommonfitnessequipment,Iaddthesecomponentstothetreadmillselectively.Inthisdesign,thefitnessequipmentsIchosearegoodforhumanbodyinexercisewhilethestructureofwhichissimple.Theequipmentsareverycommon.Theyareparallelbars,twistwaistdish,sit-upstransmittersandpaddle.Underthepremiseofnotchangingthefunctions,Ichangethestructureandsizeofvariousequipmentsforeaseinstallation.Sothatitcantransformintoamulti-functiontreadmill.Ireflectthestereoformofcomponentswiththe3dsoftware--solidworks2008inthebasisonthedesignationofthestructuresize.Soastomakeitmorevivid.Andmakersalsocaneasilycontrolthetreadmillstructure.

Keywords:

treadmill,multi-functional,parallelbars,twistingwaistdish,sit-upsware,paddle,component,three-dimensional

绪论

随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们更多地把美的事物同自身的幸福联系起来。

健康的体魄，健美的身躯是我们的共同追求。

而运动是增进健康、增强体质、促进健美、提高体质的重要手段，故我们倡导以运动的方式增强我们的体质，留住我们人生中最宝贵的资本——健康。

跑步是目前国际流行并被医学界和体育界给予高度评价的有氧运动，是保持一个人身心健康最有效、最科学的健身方式，也越来越受到大家喜欢。

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，又可以锻炼体魄。

只是随着都市的大气变得污浊，生活节奏变得紧张，户外长跑变得不那么流行了，而跑步机则成了时下健身最热门的健身器械。

跑步机不仅可以让我们免受汽车尾气之苦，也是我们可以选择自己方便的时间随时锻炼。

传统的跑步机一般只能跑步，没有其他功能。

而我设计的跑步机新增加了四种功能。

多功能跑步机，以功能多、占地少而受到大部分人的喜爱。

这种多功能跑步机不仅能让人们舒适的跑步，还能让人们锻炼身体的各个部分，如扭腰盘，锻炼人体的腰部柔韧性；仰卧起坐器，锻炼人体的腹部和背部肌肉；扶手双杠，可以锻炼人体的三角肌和肱三头肌；划桨器，可以锻炼自己的手臂肌肉和肱二头肌。

如此，便可以全面提高自己的身体素质，让自己可以活的更健康，更有活力。

在此次的设计当中，我使用solidworks软件把多功能跑步机添加的功能零件用三维立体的模型表现出来，使得零件能够让人感觉更加直观、更加立体、更加形象化。

在SolidWorks中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。

在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。

SolidWorks可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。

用智能零件技术自动完成重复设计。

智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。

镜像部件是SolidWorks技术的巨大突破。

镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。

SolidWorks用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。

智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。

SolidWorks提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。

工程图是全相关的，当你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。

从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。

第1章总体方案设计

1.1.基本功能

跑步机，它分为机械式跑步机和电动跑步机。

普通的跑步机主要由以下部分组成：

底架、跑步带、电机、电机盖、立架、扶手、及电子显示器（见图1-1）。

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。

跑步机的基本功能就是构建一条运动的跑道（跑步带），跑到的运动方向与运动者的跑动方向相反，但速度必须保持一致，这样就使得运动者能够在原地进行跑步锻炼了。

实现跑步机的基本功能，对跑步带的驱动与控制：

通常使用直流电源驱动，直流电源通过半导体功率器件，使用脉冲宽度控制（PWM）方式实现。

图1-1跑步机的组成

（1-电子显示器，2-扶手，3-立架，4-电机盖，5-电机，6-跑步带，7-底架）

1.2.添加的功能

在本次设计中，结合大众健身的流行和喜好，给跑步机增加了四种常见的功能，下表是对四种功能的介绍。

表1-1四种健身器材的作用

扭腰盘

主要锻炼腰部。

手抓扶手，双脚站立在扭腰盘上，上体保持正直，双肩不动，使用腰部力量带动臂部以及下肢左右转动。

转动幅度越大越好，但是要注意不要扭伤。

另外，扭腰盘还可以对肩关节以及背阔肌进行拉伸。

仰卧起坐器

仰卧起坐可以直接针对腹部肌肉群，通过动作上的细微变化，使腹部不同部位的肌肉得到锻炼，最终达到塑型效果。

最为常见的仰卧起坐方法是将身体处于仰卧状态，膝部屈曲成90°左右，脚部平放于地面，借助仰卧起坐器，然后利用腹部肌肉坐立起来。

扶手双杠

扶手的作用主要有两个：

一是在跑步时，用手扶在上面，防止身体不稳定晃动而出现意外；二是不跑步时作双臂曲撑运动,锻炼上肢肌体。

运动者利用双杆通过不同的锻炼方式和动作，可以达到锻炼浑身大部分肌肉群，达到健身的效果。

划桨器

划船器是一种模拟划船运动的器材，对腿部、腰部、上肢、胸部、背部的肌肉增强有较好的作用。

锻炼人曲腿坐在滑凳上，手足同时施力，腿部伸直后腰部后仰，双臂向两侧后划，模拟划船。

1.3构造设计

市面上的跑步机主要由以下部分组成：

底架、跑步带、电机、电机盖、立架、扶手、及电子显示器。

在此次跑步机设计中，其基本功能还是跑步，此外，增加了扭腰盘、仰卧起坐器、扶手双杠、划桨器四种辅助功能，以增加锻炼健身的功能和乐趣。

扭腰盘和仰卧起坐器利用一个连接部件连接在跑步机的前支杆的中下部分。

扭腰盘放在支杆的外部，可以上下翻合。

下放使扭腰盘的底部支撑住地面就可以进行扭腰锻炼，上合就可以节省空间，前支杆的顶部还有外伸出来的扶手辅助锻炼。

仰卧起坐器在前支杆的里面，锻炼时把脚卡在仰卧起坐器里，人平躺在跑板上就可以做仰卧起坐了。

扶手双杠在前支杆的顶部，通过把扶手伸长使之成为双杠。

扶手双杠采用伸缩结构，可以使双杆的长度自由伸长，以适宜不同人群。

但是由于时间资料有限，只做了固定长度的扶手双杆，并且以150kg的体重为上限，做了校核。

划桨器在跑板下支架上，通过一个格状零件把划桨器固定在上面，使划桨器看似在跑步机跑板的两侧。

使用划桨器时，人坐在跑板上，脚抵住仰卧起坐器，双臂推拉划桨器，从而达到锻炼的目的。

1.4尺寸的初步设计

跑步机的初步尺寸是根据人体工程学中最新人体尺寸以及参考市场上多数跑步机产品的平均数据而得来的。

在此做一个初步的计算，在以后章节会根据材料的屈服强度做一个较为精确的计算。

下面是我做的各种跑步机的调查，对市场常见品牌的跑步机做了一个总体的对比，由此可了解一些基本尺寸，见表1-2

同时，我也查阅了人体工程学中的一部分知识，如图1-2，是人体工程学中人体各部分尺寸计算，其中H是人体的身高，其他部分则是按照与身高的比例标出。

由此，可以设计出更加人性化的尺寸，使跑步机的设计更加符合现代的理念。

表1-2各种跑步机的对比

跑步机

英派斯SIERRA6跑步机

新锐1868D多功能家用跑步机

炫影08豪华商用跑步机

清风181H智能豪华电动跑步机

HM-298AC商用交流变频电动跑步机

长

宽

高

1830*

860*

1255mm

1650（长）*

725（宽）*

320（高）mm

2220（长）*1010（宽）*650（高）mm

1980（长）

x905（宽）

x345（高）

2330

*880

*430mm

跑步

区域

500

*1420mm

380（宽）

*2420（周长）mm

570（宽）*3280（周长）mm

460（宽）

*2915（周长）mm

2060（长）

*560（宽）mm

图片

1-2图人体各部分尺寸计算

1、体重：

（男：

68.9kg女：

56.7kg）；

2、身高：

（男：

173.5cm女：

159.8cm）；

3、座直臂至头顶高度：

（男：

90.7cm女：

84.8cm）；

4、两肘间的宽度：

（男：

41.9cm女：

38.4cm）；

5、肘下支撑物的高度：

（男：

24.1cm女：

23.4cm）；

6、坐姿大腿的高度：

（男：

14.5cm女：

13.7cm）；

7、坐姿膝盖至地面的高度：

（男：

49.0cm女：

48.0cm）；

8、坐姿臂部至腿弯曲的长度：

（男：

35.5cm女：

36.3cm）；

初步定出跑步机的长度：

扶手双杆长度1000mm，人体的心理空间距离800mm，所以跑步机的长度初步定为1800mm。

跑步机的宽：

两肘间的宽度420mm，人体的心理空间距离280mm，所以跑步机的宽度初步定为700mm。

跑步机的高度：

手腕的高度820mm，跑步机底座的高度100mm，人体离地面的高度80mm，所以跑步机的高度初步定为1000mm。

由以上数据初步定出跑步机的尺寸，长宽高为：

1800*700*1000mm。

小结

多功能跑步机的设计重点的多功能上，通过跑步机整体功能可以达到锻炼人身体的各个部位的肌肉群，从而确定四个增加的功能并确定其零件的形状和安装的位置。

在设计其形状的过程中，使用solidworks软件画出三维立体图形，使之更加形象，也可让作者学习机械制图软件。

第2章扶手双杠部分的设计

2.1.扶手双杠结构设计及添加的位置

结构设计：

本设计中扶手双杠是由普通跑步机的扶手改变来的。

扶手双杠的中后端设计成为直杆式的，前端为了便于人们手抓方便，设计成弯曲的形状。

扶手的材料一般采用圆管或椭圆管，它的大小应让人握着舒适为宜，直径为30—35mm。

扶手上采用发泡塑料做成的扶手套，可以提高使用者在抓握时的舒适感如图2-1所示。

图2-1扶手双杠

添加的位置：

通过改变扶手的长度、形状和抗弯强度，使之成为扶手双杠。

所以扶手双杠的添加位置是原来扶手的位置，也就是跑步机的顶部。

如图2-2扶手双杠就焊接在五个支架上。

图2-2底座及支架

扶手的高度确定：

扶手的作用主要有两个：

一是在跑步时，用手扶在上面，防止身体不稳定晃动而出现意外；二是不跑步时作双臂曲撑运动，锻炼上肢肌体。

扶手的高度必须与运动者的身高相适应，扶手太高，作双臂曲撑运动时，感觉不安全；扶手太低，作双臂曲撑运动时必须缩着小腿。

由此计算扶手高为：

A+B+C=1000mm（A为底架距地面的高度10mm，B为扶手距底架的高度810mm,C为人体离地的高度）。

2.2扶手的材料选择

质地美不取决于材质本身的高级和贵重，而在于恰与其分的运用材料。

为了增强连接部件的抗弯强度和承压能力下面选了三种材料做比较，选择最合适最经济的材质。

表2-1铝合金、304不锈钢和316L不锈钢各自的物理和力学特性

材料

硬铝合金

304不锈钢

316L不锈钢

力学性质

抗拉强度

σb（MPa）≥530

屈服强度σ（MPa）：

≥400

屈服强度σ（N/mm2）≥205

抗拉强度≥520

屈服强度

σ（N/mm2）≥480

2.3扶手双杠及连接部件的尺寸参数设计

根据人体工程学中的人体尺寸、心理舒适空间，经过网上各类型的跑步机的宽度对比，扶手宽度取一个适中的为70cm。

根据实际中双杠的长度和自己的设计，扶手双杠的长度增长达140cm，其中类似双杠结构长度达100cm，双杠横截面直径为3cm。

这个和宽度不仅适合人体在跑步机上跑步，还适合人体在跑步机扶手双杆上做各类运动。

扶手双杠的连接部件见图2.2底座及支架。

由此可得出扶手双杠是一个悬臂梁。

根据人体工程学和现代运动人群的发展，设定最大体重为150kg。

两支架之间距离为40cm，说以悬臂梁长度为60cm。

见图2-3.

图2-3悬臂梁受力简图

已知：

P=1500N，L=60cm，d=30mm，则：

下图为悬臂梁的剪力图和弯矩图，图2-4

图2-4悬臂梁的剪力图和弯矩图

由于最大应力小于上面三种材料的屈服强度，所以上面三种材料都可以使用而且当截面直径d=30mm时，满足要求。

但考虑到材料的价格和跑步机自身的重量，选用硬铝合金材料。

由此，可以确定扶手双杆的具体尺寸。

具体参数查如图2-5所示。

图2-5双杆的尺寸

小结

在扶手的形状设计中，大多数跑步机的扶手设计成为直杆式的，而且短，不能使人们得到充分锻炼。

人们跑步时，用手抓住杆部，由于扶手的高度高于人的肘部，所以臂部必须上举，会使肩、背及手部肉承受静负荷，时间长了，导致疲劳；同时手腕处于掌屈、背屈、尺偏等别扭的状态时，就会产生腕部酸疼、握力减小，如长时间这样操作，会引起腕道综合症、腱鞘炎等症状。

如果设计成弯曲的形状，那么跑步时，手抓住弯曲的部分，可以使手臂不必抬得太高，减少了抬臂产生的静肌负荷，同时，也让手腕顺直，腕关节处于正中的放松状态。

扶手伸长则可以让人们锻炼上肢和腰腿部，健身多样化。

扶手上套上发泡塑料做成的扶手套，可以提高使用者在抓握时的舒适感。

第3章扭腰盘的设计

3.1.扭腰盘的外形、结构设计

在本次课题中的扭腰盘外形和一般体育器材上的扭腰盘一样，由带立柱的圆盘、轴承、和圆柱套组成。

具体形状见下图，图3-1

图3-1扭腰盘（1-带立柱的圆盘，2-轴承，3-圆柱套）

扭腰盘是由三部分组成，彼此配合在一起成为一个装配体。

轴承套在带立柱圆盘的立柱里，圆柱套套住轴承和立柱，立柱下端用螺母和垫片固定，圆盘和圆柱套不直接接触，从而在圆盘转动时带动轴承转动，圆柱套则不动，圆柱套下端安装一个橡胶垫，使整个扭腰盘在工作的时候减小振动。

由此扭腰盘便可以正常工作，其具体三维立体图见下图，图3-2扭腰盘立体图

图3-2扭腰盘立体图

此外，在园盘附上磁铁和数个突起的颗粒，盘面突起直指病理反射区穴位，在扭腰同时进行脚底按摩，有足疗作用。

3.2.扭腰盘添加位置的确定及连接结构设计

扭腰盘添加的位置在跑步机的前端。

在跑步机的底座前端有支架1，通过扭腰盘连接部件连接（见图3-3）在支架1上。

通过螺栓把盘扭腰盘和扭腰盘来连接部分固定在一起。

图3-3扭腰盘连接部分

3.3.扭腰盘的尺寸设计

人站在扭腰盘上，身体随着转盘扭动，使腰部、跨部得到充分锻炼，瘦腰美腿、保持身材。

因此，扭腰盘的设计包括圆盘直径的设计，轴承的选择和校核，扭腰盘高度的设计。

圆盘直径的设计：

根据人体工程学，脚掌的长度L=0.147H（H为人体的高度），考虑鞋增加的长度和修正量，圆盘的直径D为30cm。

扭腰盘高度：

根据扭腰盘需要水平这一设计原则，扭腰盘的高度有以下几方面组成：

底架距地面的距离10cm，连接部件距底架的距离10cm，圆盘自身的厚度3cm。

所以综合以上因素扭腰盘的高度H为23cm。

轴承的选择和校核：

考虑到扭腰盘在工作时轴承所受到的力只有轴向力，再考虑轴承的价格因素，选择止推向心轴承。

下面是轴承的校核。

轴承类型：

大锥角圆锥滚子轴承，轴承代号：

30000B

查阅相关资料得出以下参数：

轴承参数：

轴承内径：

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：

0，轴向载荷：

1500N，使用寿命：

30000，工作转速：

由《机械设计》专业书中表13-3得：

计算寿命：

8000h

由《机械设计》专业书中表13-6得：

载荷系数：

由《机械设计》专业书中表13-5得：

X=1，Y=0

已知轴向载荷

当量动载荷：

基本额定动载荷：

4.11KN

基本额定寿命：

其中：

ε=1

；n=60r/min得：

9310h

基本额定寿命大于8000h,所以满足寿命要求。

计算结果：

当量动载荷：

1650N，基本额定寿命：

9310小时，由以上结果可得出结论，所选轴承满足寿命要求。

小结

扭腰盘的设计没有什么难点，重点放在圆盘尺寸的确定、轴承校核和三维立体图的绘制上。

通过扭腰盘的设计进一步熟悉了solidworks2008软件，对机械结构有了进一步的认识，也了解健身可以通过多方面进行。

第4章仰卧起坐器的设计

4.1．仰卧起坐器的结构外形设计及连接位置

仰卧起坐器的结构很简单见下图（图4.1），它由两个横杆组成，中间由一个尺寸稍小的横杆连接。

它和扭腰盘的连接部分是一体的，所以它的连接位置在支架1上，它上面的圆孔套在支架1上焊接固定。

仰卧起坐器在跑步机里面，扭腰盘在外部。

图4-1仰卧起坐器

此外，由于在做仰卧起做运动的时候，脚腕部分和横杆的摩擦较大，时间长了会对皮肤有较大的磨损，所以在两横杆上包上一层发泡塑料，增加做运动的舒适度，减少对皮肤的损害。

4.2尺寸参数设计

仰卧起坐器的尺寸设计主要是设计两横杆的长度和距离。

根据人体工程学，脚腕的宽度为76.5mm，考虑运动时脚腕的波动，横杆长L取20cm，两横杆间距H取10cm。

具体尺寸见下图（图4.2）

图4-2仰卧起坐器的尺寸

4.3仰卧起坐器的数据校核

仰卧起坐器的横杆只承受人体腿部的重量，再加上运动是震动，横杆所承受的最大重量为100kg由此可得出下面简图（图4-3），其中P=1000N,且两只脚分别作用在横杆的四分之一处和四分之三出。

图4-3仰卧起坐器受力简图

已知：

重力P=1000N，横杆长L=20cm，脚对横杆作用点距横中心的距离

=5cm，横杆直径d=20mm，则：

图4-4横杆的剪力图和弯矩图

由以上计算结果可得出：

横杆所选材料和尺寸满足强度要求。

中间竖杆的强度校核：

已知：

横杆对竖杆在竖直方向的拉力P=1000N，竖杆的长度L=10cm，竖杆的直径d=15mm，则：

由以上计算结果可得出：

中间竖杆所选材料和尺寸满足强度要求。

小结

仰卧起坐器的设计，关键在人性化设计，横杆的长度，直径，如果适当的话，可以给人以很舒适的感觉。

此外，包围横杆外围的材料也很重要，不止舒适度，而且要考虑耐磨性能，对此我设计可以快换的大炮塑料套，磨损以后可以换一个。

第5章划桨器的设计

5.1划桨器的原理

划桨器是根据人在划船时的动作仿形出来的一种机械。

划船时，人体推动浆，一推一拉，由于水的阻力，使人体达到健身的效果。

同样，划桨器也是在一推一拉中，由于油压的阻力，使人体达到锻炼的效果，让人们在家中也能享受划船的乐趣。

市场上现有的划桨器有由坐垫、液压缸、手柄、连杆、脚踏板、液晶显示频和支架组成，如图（图5-1划桨器）。

在我的设计中，把划桨器并入跑步机当中，使之成为跑步机的一部分。

图5-1划桨器（1-手柄，2-脚踏板，3-液压缸，4-液晶显示频，5-坐垫，6-支架，7-连杆）

5.2划桨器的功能介绍

使用划桨器时，每一个拉伸的划臂动作，都能使约90%的伸肌得到锻炼，因此它对平时几乎不参与任何运动的伸肌来说，实在是受益无穷。

同时对锻炼背部肌肉也有明显效果，能让脊背在体前屈和体后伸当中有更大的活动范围，使脊柱的各个关节得到锻炼。

这不但能提高肌肉的弹性，也能增强其韧性。

练习划船时，要注意动作的连贯性，每一个蹬伸动作不要出现停顿，一定要做到位。

如果幅度过小，则参与运动的肌肉将得不到充分伸展或收缩。

模拟划船的自然动作，适用于健身房和家庭运动，锻炼手腿腰等部位肌肉组织，有效地的锻炼伸展肌群，对腰背的锻炼尤为明显，能缓解背部酸痛症状。

同时大大提高腰痛肌群的生理流活性。

特别适合长期坐在电