多功能健身车论文.docx

1、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

2、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AbstractWith the continuou

3、s improvement of peoples quality of life, the fitness industry has been rapid development, while the fitness equipment innovation, design and put forward higher requirements. At present, for the car industry, fitness, mainly focus on the comfort and safety aspects of improved,resulting in the moveme

4、nt of the more tedious, exercise a positive influence and effect. To this end, the design of a new multi functional fitness car.The multifunctional body-building vehicle is mainly divided into four parts, which are the mechanical part, the electricity generation part, the electric energy conversion

5、part and the electric energy utilization part. The mechanical part of fitness seat cushion rod, fitness Cart crank pedal, elliptical machine handle, elliptical machine pedal, elliptical machine slider crank mechanism design, the structure of each key fitness to cooperate with each other. Power gener

6、ation part of the selection of the YAMAHA EF1000 alternator generator, according to the specific shape of the structure of the generator and the framework of the fitness car. Electric energy conversion part of the use of rectifier, filter and the principle of voltage stabilization will be unstable A

7、C into a stable DC power, and the design of the circuit diagram. Electric energy use part of the selection of 12000mah12v battery, the power can be stored up. The multifunctional body-building vehicle is combined with various movement modes, which greatly improves the interest of the body-building m

8、ovement and the movement experience.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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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/min7。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。GB 10000-88 是 198 9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

18、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 1860 岁，女 1855 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（1860岁）女（1855岁） P5 P50 P95 P5 P50 P95身高158316781755148415701659体重（kg）485975425266肩高128113671455119512

19、7113502.2 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，

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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+L3L1+L2 (2-3)由上述公式可知：L2+L4L1+L3，L2+L3L1+L4，L3+L4L1+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

25、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。

26、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 xAy。若直线段 BC 上有一点 M（BM= l ），则 M 点在坐标系 xAy中表示的连杆曲线方程为式中用连杆点 M 再现给定的椭

27、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。

28、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

29、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6-12kg16。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a BC:连杆bF: 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=99cm BF=BD-FD=49cm由此得出b-a（AF）=

30、84cm3.4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/T 15759-95 标准所提 供的最小人体 外形模板，即取女 性最小会阴高h673mm 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

31、。同时根据人体生理特点， 角最大取值为 90，则现取 为 90的位置进行计算17。那么于是有， 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，的角度越大，坐垫杆的材料强度就可以相对减少，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90，使得 FminFcos =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3590、肘关节 95180、膝关节 60130。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