多功能自动跑步机机械结构设计.docx

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多功能自动跑步机机械结构设计

多功能自动跑步机机械结构设计

摘要

跑步机是家庭及健身房常备的器材，而且是当今家庭健身器材中最简单的一种，是家庭健身器的最佳选择。

专家们相信未来跑步机市场将以高价位产品为主导。

低价位产品销售也不错，近几年价格已有上升趋势。

注重生活时尚的消费者认为跑步机价格在上千元以上是理所当然的事。

种种迹象表明未来，跑步机的需求还会持续的增长，特别是针对一些新兴功能的跑步机。

本文是用通过SOLIDWORKS三维软件进行设计的，主要包括自动跑步机的机械设计、样式设计及功能设计，最后对该多功能跑步机的保养及使用。

设计内容主要包含电机的设计、传动装置的设计、外部框架的设计、滚筒的设计、跑步带的设计、减震的设计，材料及结构的设计等，本文设计中参考了国内外各品牌结构和样式，对一些参数进行一些设计、计算及设定，同时还考虑到如何设计才更为人性化，使得多功能跑步机的性能及作用扩大化。

关键词：

跑步机机械结构多功能

Abstract

Treadmillsarestandingfamiliesandgymequipment,andistodaythehomefitnessequipmentisthemostsimpleone,isthebestchoiceforfamilyfitness.Expertsbelievethatthefuturemarketwillbehigh-pricedtreadmillsproductoriented.Low-costproductsalesaregood,thepricehasbeenrisinginrecentyears.Focusonlifestyleofconsumersbelievethatthepriceofathousanddollarsatreadmillthanamatterofcourse.Thereareindicationsthatthefutureneedsofthetreadmillwillcontinuetogrow,especiallyforsomeofthenewfeaturesofthetreadmill.

Thisiscarriedoutthroughathree-dimensionalsoftwareSOLIDWORKSdesign,includingautomatictreadmillmechanicaldesign,style,designandfunctionanddesign,andfinallythemulti-functiontreadmillmaintenanceanduse.Designcontentmainlyincludesmotordesign,geardesign,exteriordesignoftheframework,drumdesign,runningbeltdesign,shockabsorptiondesign,materialandstructuraldesign,thisreferencedesignthestructureandthebrandathomeandabroadstyle,forsomesomedesignparameters,calculationandsetting,butalsoconsiderhowtodesignitmorehumane,makingmulti-functiontreadmillperformanceandexpansion.

Keywords:

mechanicalstructureofmultifunctionCapitalmarket

摘要I

AbstractII

引言1

1跑步机的设计思路2

1．1该跑步机要实现的功能2

1．2该跑步机的机械设计原理3

2跑步机传动机械的设计4

2．1电机的选择与设计5

2．2传动装置的设计7

3跑步机整体样式的设计8

3．1外部框架的设计10

3．2滚筒的设计11

3．3跑步带的设计12

3．4减震的设计13

4跑步机的多功能设计14

4．1材料的选择与处理14

4．2结构的设计与处理15

5该多功能跑步机的保养及使用16

5．1日常维护与保养16

5．2使用方法16

5．3注意事项17

结束语18

致谢19

参考文献20

引言

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。

自动跑步机，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。

由于自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。

1跑步机的设计思路

1.1该跑步机要实现的功能

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该跑步机的机械设计原理

多功能自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。

表1.2-1跑步机的外形图

目前市场上比较常见的有传统跑步机和自动跑步机两种。

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。

自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。

用自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，在自动跑步机上跑、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自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，由于自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。

2跑步机传动机械的设计

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。

2.1电机的选择与设计

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持续马力以上的跑步机。

此跑步机设计标准为100公斤，则自动跑步机用电动机—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，它可以实现无级调速，调速范围宽，低速性能（启动转矩大），运行平稳，噪音低，效率高。

主要的技术参数如下：

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L1=28.5，L2=272。

表2.2-1跑步机的剖析图

2.2传动装置的设计

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。

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，计算公式如下：

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，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跑步机整体样式的设计

3.1外部框架的设计

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，跑步带使用45*130厘米的大小，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。

表3.1-1框架设计

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。

表3.1-2支架设计

3.2滚筒的设计

1、轴承的处理

轴承类型：

深沟球轴承，轴承代号：

6301

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：

406.16，轴向载荷：

0，使用寿命：

30000，工作转速：

1819.8，

载荷系数：

1.5。

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。

2、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

3、轴参数及相关要求

（1）为便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯轴。

（2）为使轴上零件易于安装，轴端和各轴段的端部应有导角

（3）轴的形状和尺寸力求简单，以便于加工

（4）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；

4、轴的材料要求

轴常在交变应力的作用下工作，其材料的要求是：

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。

本设计采用45#钢。

5、轴的设计内容

有关轴的设计内容包括两个方面：

（1）结构设计：

使轴具有合理的结构形状，良好的加工工艺性；

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（轴承内圈）、轴向固定：

防止零件在运转时产生轴向移动。

表3.2-1实际使用中的轴剖面图

（2）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。

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102MP

结果40〈102则通过设计能承受足够的工作强度。

6、滚筒的设计

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。

表3.2-2滚筒样式图

3.3跑步带的设计

自动跑步机的跑步板，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。

1、跑步带的设计

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，45*135的大小，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。

还有就是跑步机两侧螺栓的设计。

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。

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，直到跑带位在中央位置。

要增加跑带的张力时，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。

跑带张力适当时，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，直到跑带张力适当为止。

要减少跑带的张力时，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。

跑帶张力适当时，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，插入跑步机的電源插头与钥匙，让跑带运转几分钟。

重复本段动作，直到跑带张力适当为止。

3.4减震的设计

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，是设计思路和技术攻克的重点。

”太空”牌跑步机减震系统设计相当敏感，站上跑步板，它会自动测出你的体重，根据数据，机器自动调整适合你的减震指数，避免膝盖受伤。

健身器目的是锻炼身体，好的避震系统是跑步机的保障，如果没有对力的多重缓冲，跑步机就成为了跑步的隐型杀手，在不自觉中会损伤关节，而设