多功能自动跑步机机械部分Word下载.docx

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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。

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。

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。

第2章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。

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：

表2-1电动机特性曲线

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

第3章

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源：

卜炎主编.机械传动装置设计手册（上册），机械工业，1999

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

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.

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

多楔带带的选择

图3-1多楔带

根据计算

跑步机传动机构选择12PJ450多楔带

3.2.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

3.3.

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。

3.3.1.

表3-1紧装置

本跑步机中心距是可调的：

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。

第4章

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体运动工学推算，45cm宽X130cm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。

图4-1基架

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4-2上支架

图4-3下支架

图4-4总支架

4.3.前后罩

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4-5前罩

图4-6后盖

整个结构的设计用美国SOLIDWORKS公司的SOLIDWORKS进行三维的实体设计，使设计简单化和设计化，可以把工作的精力都放在设计上而不是复杂的制图上。

第5章前后滚筒

5.1.轴承的计算

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：

1819.8，载荷系数：

1.5。

计算结果：

当量动载荷：

609.24

当量静载荷：

计算寿命：

16950

5.2.轴结构的设计

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。

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。

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。

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

图5-1滚筒结构

5.3.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]。

最大弯矩M=0.54/2*300=81N.M

抗弯截面系数W=∏*d4/64=[3.14*（0.012）4/64]=2*10-8

强度=M/W=81/（∏*d4/64）=81/2*10-8=40MPa

材料采用45号调质钢许用弯应力为102MP40〈102

则通过设计能承受足够的工作强度。

5.4.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2.1mm壁厚的优质钢管，光洁度达到0.8以下。

滚筒均有防静电处理。

滚筒外部经防锈处理。

图5-2前滚筒

图5-3后滚筒

滚筒要求做动平衡调节、动平衡精度高，噪音低。

图5-4滚筒的动平衡调节

第6章跑步板及跑步带设计

6.1.跑步板

电动跑步机的跑步板，它由基板以及覆盖在基板上或上下两个表面的导电耐磨层构成。

导电耐磨层既可长期承受跑步带的摩擦，使用寿命高；

又可随时将摩擦产生的静电荷通过底座导出，避免静电对人体的不舒感和对跑步机造成的损害。

基板由高密度或中密度纤维板制作，也可由其它材料制作。

使用高密度或中密度纤维板时，强度较高、重量较轻，成本较低，效果较好，本身也提供一部份的吸震功能，导电耐磨层可以在基板上喷涂导电耐磨涂料固化制成，也可以在基板上复合耐磨金属板制成。

导电耐磨涂料层工艺较简单，成本也较低。

复合耐磨金属板则更牢固。

复合耐磨金属板为复合铜板时效果更好，更耐磨。

6.2.跑步带

跑带要求双层粘合跑带，具有高传导性，跑步带国际防滑型，运动时安全可靠

跑步机，其实就是提供一个跑步的面积，所以绝对要在乎跑步带面积的大小，左右宽度及前后长度都要够，否则无法自然迈开步伐，跑起來弯扭不顺畅，更容易跌倒。

根据人体运动工学推算，45cm宽X130cm长，应是一个合宜的参考面积，然后再依个人的实际条件做增减。

有不少厂商生产"

加码"

跑步机，跑台加宽，左右踏条增大，以营造物超所值得虚胖假象，但最重要的跑步带面积并没增加；

所以焦点要放在跑步带面积上。

理论上來说，在相同的马力条件下，如果跑步机所能提供的跑步带面积越大，且整台实际的占地面积越小，应是较佳的设计。

6.3.跑带调整：

两个螺栓调整法

图6-1跑带的调整

如果跑带偏向左边，先取出钥匙，拔下电源插头。

使用六角螺母扳手，以顺时针方向旋转跑台左后侧的滾筒调整螺栓四分之一转，还有以反时针方向旋转跑台右后侧的滾筒调整螺栓四分之一转。

勿过度锁紧跑带。

完成后，插入跑步机的电源插头与钥匙，让跑带运转几分钟。

重复本段动作，直到跑帶位在中央位置。

如果跑带偏向右边，先取出钥匙，拔下电源插头。

使用六角螺母扳手，以反时针方向旋转跑台左后侧的滾筒调整螺栓四分之一转，还有以顺时针方向旋转跑台右后侧的滾筒调整螺栓四分之一转。

重复本段动作，直到跑带位在中央位置。

图6-2跑带左右偏调整方式

要增加跑带的力时，先取出钥匙，拔下电源插头。

使用六角螺母板手，以顺时针方向旋转跑台后侧的两个滾筒调整螺栓各四分之一转。

跑带力适当时，应该可以将跑带的任何一边移离跑台3-4"

不能过度锁紧跑带。

完成后，插入跑步机的电源插头与钥匙，让跑带运转几分种。

重复本段动作，直到跑带力适当为止。

要减少跑带的力时，先取出钥匙，拔下电源插头。

使用六角螺母扳手，以反时针方向旋转跑台后侧的两个滾筒调整螺栓各四分之一转。

跑帶力适当时，应该可以将跑带的任何一边移离跑台3-4"

完成后，插入跑步机的電源插头与钥匙，让跑带运转几分钟。

图6-3跑带力大小调整方式

6.4.跑台润滑油的填加

1、减小跑步带和跑步板之间的摩檫力，保护跑步板表面的耐磨涂层，延长跑带、跑板的使用寿命。

2、减少跑步机的电能消耗。

3、让用户在运动时更流畅。

品质要求：

1、耐高温。

2、黏度高。

3、不易挥发。

使用方法：

1、掀开左侧跑步带，将润滑油沿跑步带方向倒在跑步板上，控制用量为10ml。

2、右侧同左侧一样操作方法。

3、将跑步机通电运转在3KM/H以，人站上去随着跑步带一起运动，用脚有意识的踏压跑步带下涂有润滑油的区域，使其在跑步板上散布均匀。

使用频率：

6个月加注1次润滑油

注意事项：

不可过量使用，防止摩檫力太小后跑步带和传动滚筒之间打滑影响正常使用。

图6-4跑步板和跑步带

跑步板和跑步带的设计是设计的重点，不光要提供一个宽敞舒适的跑步平台，还得考虑之间的摩擦问题，还有摩擦产生的静电问题，尽量通过细节的设计，提供一个真正的健康的锻炼平台。

第7章避震系统的设计

跑步的“头等大事”就是要保护好膝盖———跑步鞋具有缓冲减震的效果就是这个道理。

使用跑步机比起在户外路跑最大的好处是：

跑步机它提供了避震效果，大量消除每一步伐的反作用冲击力，保护了膝盖关节。

跑步机的避震方式采用具弹性的橡胶垫将跑台和底座框架垫隔开，使跑台成悬吊状态，进而产生吸收震动的功能而达到避震的效果。

因此避震效果是否可以有效的展现发挥，完全得看跑步机的基座結构是否牢靠稳固。

所以采用了足够牢固的钢材规格，结构撑架以焊熔连接，没有采用螺栓，在基座结构上再加上橡胶垫和橡胶尾套，使整个基架又对力产生一个缓冲，实现二级缓冲！

本设计中跑步板采用高密度纤维板，本身也提供一部份的吸震功能，但厚度至少需有2.5公分以上，以确保在吸震同時，不因冲击而龟裂，另外在使用时可在跑步机的支撑点下，加铺具有弹性的铺垫，以增加避震效果。

现在高级跑步机的最大卖点之一就是避震系统，所以设计和改进跑步机避震系统首当其冲，是设计思