多功能跑步机机械部分设计论文 学位论文Word文件下载.docx

多功能跑步机机械部分设计论文 学位论文Word文件下载.docx

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Becauseoftheparticularityoftheraceapparatus,safeproblemisworthpayingcloseattentiontoer,howtousetheraceapparatuscorrectly,itisasimportantasmaintenanceoftheraceapparatus.

Keyword:

Overallstructure；

Maintransfermachinery；

Dampingsystem；

Runboard；

Run,machineuse；

Muti_functiondesign

绪论

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健身运动，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爱。

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，也使我们可以选择自己方便的时间随时锻炼。

电动跑步机，又名电动跑台，是多年来国际流行的大众健身器材，通过电机带动跑带使人以不同的速度被动地跑步或走动。

由于电动跑步机上的电子辅助装备功能非常多，锻炼者可体验不同的跑步环境，如平地跑、上坡跑、丘陵跑、变速跑等，个人可以根据自己的锻炼目的进行锻炼。

跑步机在健身者运动时能显示出跑步时的速度、时间、心率、热量、节拍、距离等指标，使健身者能够随时根据自身的身体状况调节训练强度。

跑步机双面宽厚的跑带带给您草地般舒适感觉，马力强劲的电机带给您澎湃恒久的动力，灵敏的控制器配合芯片使您在跑步过程中随心所欲，坚固的钢架以及防爆冲装置使您的安全尽在掌握。

电跑使您在繁忙的工作之余仍然可以尽享运动的乐趣……

世界第一台跑步机诞生于1875年，发明人是美国东部农村的一位机械师这台机器其实是一台便携式农机设备，以牲畜作为动力来源。

这可不是什么新鲜事，世界各的农民们早就用驴来拉磨了。

不过，驴和任何动物一样，不喜欢原地转圈，想让驴拉磨，就得用鞭子抽，还得蒙上它的眼睛。

除了拉磨，还有好多农活可以让动物干。

早在16世纪，欧洲的农民就发明了很多类似的传动装置，让驴和马来帮助农民打谷或者汲水。

不过，这些装置都是让动物爬楼梯，利用动物的体重来产生动力。

1866年，纽约州通过了美国第一部禁止虐待动物的法律，用鞭子打牲口被视为非法行为。

“美国反对虐待动物组织”指责那些爬楼式的动力装置伤害了动物的膝关节，给动物造成了心理压力。

于是有人发明了水平跑步机，其传送带和地面平行，动物走在上面就像平时散步一样自然。

第一台水平跑步机到底是谁最先制造出来的？

不过，纽约附近的一个名叫“东费什吉尔”的小村子里，至今还保留着两台1875年制造的水平跑步机，一台较小，用来搅拌黄油，通常由狗来提供动力；

另一台较大，用来锯木头，由马提供动力。

按驱动动力分类

1.机械跑步机

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。

2.电动跑步机

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。

按用途分类

1.商用跑步机

商用跑步机融合了创新性的专利技术和整体娱乐选项能够提供卓越的用户体验。

多重预设程序的设计实现了多样化的跑步机练习。

（1）配备IFT驱动控制器

IFT驱动控制器支持4.0马力高压AC感应电机结合集成FootplantTM技术用来控制速度带，在跑步或行走过程中，带给用户平滑、自然的感受。

lGroundEffects&

reg；

控制技术独特的悬挂系统，易于佩戴在膝盖、腿部和背部，在保持响应性的同时可以减轻冲击和控制横向运动。

（2）完全一体式娱乐选择

CardioTheater整体娱乐设计的个人可视化屏幕为您创造了一个独一无二的高端有氧健身房，也提高了您的终极会员体验服务。

（3）简易操作的电脑编程

只需6个按钮就能完成多重预设项目，包括一些多样化的跑步机练习。

在运动过程中，用户可以自由选择或者改变训练内容。

（4）持久耐用

IFT驱动控制器支持4.0马力高压AC感应电机确保了此产品的持久耐用。

商用跑步机系列高度的可靠性和精确性是其商用设备的代表。

（5）控制地面冲击系统

在保持皮带与人的步伐速度相对应的前提下，该跑步机独一无二的悬挂系统的设计减缓了冲击并且在保持反弹的情况下控制了侧面的振荡，从而减轻了人的膝盖、小腿以及背部的压力。

（6）感应式面板和娱乐运动一体化系统

直接可以选择26个程序：

只有6个键就可以控制26个程序，包括六个体能测试程序。

使用过程中操作者可以任意转换至其他程序。

（7）按键控制

该按键为人提供快速的按键反应以及提示按键声，无论是初学者还是专家都很容易使用这种传统式按键，即使使用者在使用娱乐系统，也不妨碍跑步机信息的输入。

2.家用跑步机

耐用，低冲击，基本性能满足用户需求，尽显商业品质。

流线型的显示屏和整合娱乐系统，使用户充分享受动感和高效的健身体验。

具有3.0马力功率的马达：

它能够平稳地提供功率，无噪音。

自我冷却马达不停旋转从而取消了风扇装置，提高马达的寿命和可靠性；

控制地面冲击系统：

跑步机独一无二设计控制了侧面的振荡，从而减轻了关节的压力；

跑床板使运动变得更加理想：

仅7.5英寸高的跑步板让任何使用者在上面如履平地，为物理治疗提供理想的区域；

流线形控制面板操作简便：

友好的用户界面及程序反馈使运动更加简便易行；

按功能分类

1.单功能跑步机

单功能跑步机从结构上分为两类，一类是滚轮式跑步机，一类是平板式跑步机。

滚轮式跑步机工作时噪音很大，已被淘汰。

平板式跑步机是由人主动在上面运动，所以使人感到与普通跑步一样。

它的电子表可帮助训练者记录下时速、时间、心率、热量、节拍、距离等指标。

使您随时了解自己的训练情况，进行有目的的调整。

2.多功能跑步机

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。

1

总体方案设计

1.1基本功能

跑步机的基本功能就是构建一条运动的跑道（跑步带），跑道的运动方向与运动者的跑动方向相反，但速度必须自动保持一致，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（PWM）方式实现调速。

1.2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，跑步皮带张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。

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[1]。

如图1.1所示。

图1.1构造设计

1.3功能原理的确定

目前市场上比较常见的有传统跑步机和电动跑步机两种。

传统跑步机，俗称“被动式跑步机”。

是我国上世纪80年代从国外引进健身观念时、为适应当时国情而开发的具有“中国特色”的过渡产物。

它的动力来源是使用者通过自身臂部、膝部、踝关节的活动，推动跑步机而产生的运动。

速度由运动者自己控制。

这种运动方式，表面上看起来似乎能消耗更多的能量，但其造成的运动伤害也要比在大自然中跑步高出数倍。

据北医三院运动医学专家林共周博士解释：

在马路上跑步，每跑1000米，每只脚就得撞击地面约1000次左右。

而在传统跑步机上跑步，人体除自身重量产生的震荡外，脚踝、膝部和臀部的肌肉，特别是肌腱，还要额外承担向后的扭力来确保跑带向后运动。

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，造成损伤。

很多传统跑步机使用者，发现自己越是认真锻炼，腿部就越跑越粗，关节也越练越没有力气。

传统跑步机并不适合患有脊椎软骨突出、膝关节炎、踝关节扭伤、骨肌腱炎、以及足底筋膜炎的人，因为长期的跑步可能会加重慢性扭伤的情形或加速膝关节的老化。

电动跑步机是健身房及家庭较高档的器材，这种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。

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。

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。

小结

电动跑步机就是构造一条运动的跑带，使运动者在原地进行跑步锻炼。

2电动机类型与参数的选择

2.1类型功率选择

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，而马力就是在这样的载重量下，还能满足并维持所选择的速度，让人可以在跑步机上走跑自如的驱动力。

通常跑步机一个马力大概可提供50~60公斤的承载重量，但跑步带面积大小也和跑步机马力有相当直接的关系，跑步机的马力越大，可以带动的跑步带面积也越大，所以衡量效率及安全性后，一般建议，家用跑步机合宜的持续（continuous）马力应该至少1.5马力以上，如果家人的体重有超過80公斤，則应选2.0持续（continuous）馬力以上的跑步机[2]。

此跑步机设计标准为100公斤，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），调速范围宽，低速性能（启动转矩大），运行平稳，噪音低，效率高。

2.2技术参数

型号ZYT42/06电压220VDC

功率2.0HP电流不大于9.8A

转速3400±

7%转向逆时针

绝缘等级F级

图2.1电动机外型图

L1=28.5L2=272

电动机特性曲线：

图2.2电动机特性曲线[3]

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，因此调速范围要宽广，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。

3

传动机构设计

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。

3.1设计步骤及参数选择

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，所以择之。

以下计算过程所用到的表和图来自卜炎主编的机械传动装置设计手册：

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8-90demin=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=36mm

由表8-90，△e=1.2

大带轮节圆直径dp2=idp1=2*33.5=67mm

de2=dp2-2△e=67-2*1.2=64.6mm

由表8-91，选de2=63mm

4.计算带速v

v=πdp1n1/（60×

1000）m/s（3-2）

注意：

v↑—→离心力、离心应力↑—→FQ↓

—→单位时间内的应力循环次数N↑

v↓—→P=F×

v/100可知，P一定时，F↑—→张紧力↑

一般v在5～25m/s，最大30m/s，在8～15m/s较好

V=∏*36*3400/60*1000=6.4<

30m/s,合适

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↓

对于V带传动，中心距a一般可取

2（de1＋de2）≥a0≥0.7（de1＋de2）（3-3）

67.55〈a0〈193

初定a0=150mm

6.确定带的有效长度Le

Le0=2a0+∏/2（de1＋de2）+（de2-de1）2/4a0

=2*150+151.505+1.45

=452.96mm

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知中心距的调整量为△min=5,￡min=8.

a=a0+（Le-Le0）/2

=150-1.48

=148.52mm

则a1=153.52mma2=140.52mm

8.计算小带轮包角

α1≈∏-（de2-de1）/a

=3.14-0.199

=2.94rad

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：

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

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

=0.26*103

=260N

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

得Kr=1.57

则Fr=1.57*260*0.995=406.16N

3.2多楔带带的选择

根据计算，跑步机传动机构选择12PJ450多楔带。

图3.1多楔带

3.3多楔带带轮结构和尺寸选择

要求

质量小；

结构工艺性好；

无过大的铸造内应力；

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。

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=63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。

带轮宽=11*2.34+1.8*2

=29.34MM

3.4带传动的张紧装置的选择

传动中心不可变时，采用张紧轮传动中心可调时，采用滑轨+螺旋或者浮动轴。

图3.2张紧装置[3]

本跑步机中心距是可调的：

a=a0+（Le-Le0）/2=150-1.48=148.52mm

范围在140.52---153.52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。

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。

4

外型结构设计

4.1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