多功能自動跑步機設(shè)計說明

1、湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計多功能自動跑步機畢業(yè)設(shè)計學(xué)生： 志 學(xué) 號： 1015011314 所在系部： 機械工程系 專業(yè)班級： 10gb機制3班 指導(dǎo)老師： 路媛媛（工程師）日 期：2014年5月10日 緒 論當(dāng)今社會隨著經(jīng)濟和科技的不斷發(fā)展，人們的生活水平得到了很大提高。因此人們對身體健康的重視程度也在不斷的加強，而在體育鍛煉方面的消費相應(yīng)的也在飛速的提高。近年來在我國，作為健身活動中主要使用的器材跑步機的產(chǎn)量每年都以超過25%的速度在增長。但隨著社會的發(fā)展，我國對能源的需求也在不斷的增加，用電需求量每年也是在大幅度的攀升。而用于發(fā)電的自然資源絕大部分是不可再生的，人類在發(fā)展

2、經(jīng)濟的同時，對自然資源的肆意開發(fā)和對環(huán)境的無償利用，已經(jīng)造成了生態(tài)破壞、資源短缺、環(huán)境污染等重大問題。我國傳統(tǒng)能源資源十分有限，世界能源供應(yīng)市場危機不斷，因而不允許我國長期的高能消費。電動跑步機，又名電動跑臺，是多年來國際流行的大眾健身器材，通過電機帶動跑帶使人以不同的速度被動地跑步或走動。由于電動跑步機上的電子輔助裝備功能非常多，鍛煉者可體驗不同的跑步環(huán)境，如平地跑、上坡跑、丘陵跑、變速跑等，個人可以根據(jù)自己的鍛煉目的進行鍛煉。跑步機在健身者運動時能顯示出跑步時的速度、時間、心率、熱量、節(jié)拍、距離等指標，使健身者能夠隨時根據(jù)自身的身體狀況調(diào)節(jié)訓(xùn)練強度。跑步機雙面寬厚的跑帶帶給您草地般舒適感覺

3、，馬力強勁的電機帶給您澎湃恒久的動力，靈敏的控制器配合芯片使您在跑步過程中隨心所欲，堅固的鋼架以與防爆沖裝置使您的安全盡在掌握。電跑使您在繁忙的工作之余仍然可以盡享運動的樂趣。 第1章 總體方案設(shè)計1.1 基本功能跑步機的基本功能就是構(gòu)建一條運動的跑道（跑步帶），跑道的運動方向與運動者的跑動方向相反，但速度必須自動保持一致，這樣就使得運動者能夠在原地進行跑步鍛煉了。實現(xiàn)跑步機的功能，對跑步帶的驅(qū)動與速度控制：通常使用直流電動機驅(qū)動，直流電動機通過半導(dǎo)體功率器件，使用脈沖寬度控制（PWM）方式實現(xiàn)調(diào)速。1.2 構(gòu)造設(shè)計多功能電動跑步機主要由機架、電動機、可調(diào)電源、跑步皮帶與儀表控制盤組成，其特征

4、在于框架與支架垂直連接，前軸與后軸分別裝在框架的兩端，前滾筒與后滾筒分別用軸承套裝在前后軸上，跑步皮帶緊繞裝在前后滾筒上，跑步皮帶下裝有支撐跑步板，從動皮帶輪緊裝在前滾筒的一端，電動機、可調(diào)電源,安裝在框架的前端，控制傳感器裝在電動機上，速度傳感器安裝在緊靠在從動皮帶輪的框架上，皮帶調(diào)節(jié)螺栓一端連接在電動機外殼的孔板上，另一端連接在焊接于框架前端的孔板上，跑步機扶手架安裝于支架的頂端，儀表控制盤安裝于扶手架上。傳動方式采用帶傳動機構(gòu)，傳動級為一級。同時在支架上安有扭腰盤和仰臥起坐架使機器實現(xiàn)其多功能性。1.3 功能原理的確定目前市場上比較常見的有傳統(tǒng)跑步機和電動跑步機兩種。傳統(tǒng)跑步機，俗稱“被

5、動式跑步機”。是我國上世紀80年代從國外引進健身觀念時、為適應(yīng)當(dāng)時國情而開發(fā)的具有“中國特色”的過渡產(chǎn)物。它的動力來源是使用者通過自身臂部、膝部、踝關(guān)節(jié)的活動，推動跑步機而產(chǎn)生的運動。速度由運動者自己控制。這種運動方式，表面上看起來似乎能消耗更多的能量，但其造成的運動傷害也要比在大自然中跑步高出數(shù)倍。傳統(tǒng)跑步機并不適合患有脊椎軟骨突出、膝關(guān)節(jié)炎、踝關(guān)節(jié)扭傷、骨肌腱炎、以與足底筋膜炎的人，因為長期的跑步可能會加重慢性扭傷的情形或加速膝關(guān)節(jié)的老化。電動跑步機是健身房與家庭較高檔的器材，這種跑步機能減輕傳統(tǒng)訓(xùn)練對關(guān)節(jié)的沖擊，避免運動受傷，比自然跑步有明顯的優(yōu)勢。跑步時后腳跟先著地，順著跑帶方向運動。

6、手腳模仿跑步的動作，前后揮動，從而使全身肌肉得到均衡的鍛煉。由于跑帶的運動方向與腳步移動的方向一致，韌帶部位的扭力就抵消了，跑起來非常舒適?？祻?fù)者、兒童、老年人也可以保持身體平衡，從而集中精力安心鍛煉。如果增加運動量，可以加快舞動手腳的速度。用電動跑步機能消除關(guān)節(jié)的負載，不但能減肥健身，還有益于受傷后身體的恢復(fù)。它通過電機帶動跑帶使人以不同的速度被動地跑步或走動。由于被動地形成跑和走，從動作外形上看，幾乎與普通在地面上跑或走一樣，但從人體用力上看，在電動跑步機上跑、走比普通跑、走省去了一個蹬伸動作。正是這一點使每一個在電動跑步機上走跑的人感到十分輕松自如，可使人比普通跑步多跑13左右的路程，能

7、量消耗也比普通走、跑為多。另外，由于電動跑步機上的電子輔助裝備功能非常多，可體驗不同的跑步環(huán)境。小結(jié)電動跑步機就是構(gòu)造一條運動的跑帶，使運動者在原地進行跑步鍛煉。 第2章 電動機類型與參數(shù)的選擇2.1類型功率的選擇當(dāng)人在跑步機上跑步或走路時，跑步機所承載的重量是人體重的0.82.5倍，而馬力就是在這樣的載重量下，還能滿足并維持所選擇的速度，讓人可以在跑步機上走跑自如的驅(qū)動力。通常跑步機一個馬力大概可提供5070公斤的承載重量，但跑步帶面積大小也和跑步機馬力有相當(dāng)直接的關(guān)系，跑步機的馬力越大，可以帶動的跑步帶面積也越大，所以衡量效率與安全性后，一般建議，家用跑步機合宜的持續(xù)馬力應(yīng)該至少1.8馬力

8、以上，如果家人的體重有超過90公斤，則應(yīng)選2.5持續(xù)馬力以上的跑步機。此跑步機設(shè)計標準為100公斤，則此家用電動跑步機用電動機Z3-31型永磁直流電動機作為跑步機中配套的專用驅(qū)動元件，經(jīng)一定的電磁、結(jié)構(gòu)派生處理也可適用于相應(yīng)的機械裝置中作為驅(qū)動元件。該電動機顯著的特點：具有轉(zhuǎn)速精度高，當(dāng)人在跑步機上運動時，是一個沖擊負載，該機在這種沖擊負載作用下一轉(zhuǎn)不差，保持同步轉(zhuǎn)速，如同在平地上一樣感覺。表現(xiàn)在調(diào)速方便，調(diào)速圍寬，低速性能，運行平穩(wěn)，噪音低，效率高。2.2 技術(shù)參數(shù)根據(jù)電動機修理手冊得：型號Z3-31電壓220VDC功率2.2KW 電流不大于12.5A轉(zhuǎn)速3000 r/min轉(zhuǎn)向逆時針絕緣等

9、級B級2.3、電動機的保護異步電動機的保護與控制關(guān)系電動機的保護主要有兩大類：采用電流檢測型的有熱繼電器、帶有熱一磁脫扣的電動機保護用斷路器、電子式和固態(tài)繼電器、帶電子式脫扣的電動機保護用斷路器以與軟起動器；直接檢測電壓降低或為零時的欠壓保護和失壓保護。1）、電動機的保護電動機的保護往往與其控制方式有一定關(guān)系.即保護中有控制，控制中有保護。2）、電動機保護裝置電動機的損壞主要是繞組過熱或絕緣性能降低引起的。而繞組的過熱往往是流經(jīng)繞組的電流過大引起的。對電動機的保護主要有電流、溫度檢測兩大類。 3）、保護裝置與異步電動機的協(xié)調(diào)配合為了確保異步電動機的正常運行與對其進行有效的保護。必須考慮異步電動

10、機與保護裝置之間的協(xié)調(diào)配合。特別是大容量電網(wǎng)中使用小容量異步電動機時，保護的協(xié)調(diào)配合更為突出。小結(jié)跑步機屬于健康器材類產(chǎn)品,由于跑步機驅(qū)動電機必須滿足各種體重的人來使用.一般使用跑步機的目的有兩種:健身,減肥瘦身;如果是減肥瘦身的人來使用,因為身體較肥胖,跑不快,因此驅(qū)動電機的低速必須轉(zhuǎn)矩大才能使用.相反的,健身的人跑步快,但是重量輕,因此高速時的轉(zhuǎn)矩需求較小;跑步機必須滿足家庭成員每一個人都能使用,因此調(diào)速圍要寬廣,低速轉(zhuǎn)矩要大,才能滿足不同重量的人.目前跑步機使用的驅(qū)動裝置以直流有刷電機為多,優(yōu)點是價格便宜。 第3章傳動機構(gòu)設(shè)計工作機構(gòu)類型選擇帶傳動,屬于定傳動比勻速轉(zhuǎn)動機構(gòu)。帶傳動具有結(jié)

11、構(gòu)簡單，成本低廉 能緩和載荷沖擊，運行平穩(wěn)，無噪聲，過載時將引起帶在帶輪上打滑，因而可防止其他零件的損壞，具有過載保護作用。3.1設(shè)計步驟與參數(shù)選擇初始條件：選擇電機為專門為跑步機生產(chǎn)的永磁直流電動機，傳動功率P=2.2KW，主動輪轉(zhuǎn)速為n1=3000r/min 傳動比定為i=2 由于多楔帶適于傳遞功率較大而又要求結(jié)構(gòu)緊湊的場合，特別能適應(yīng)帶輪直徑小的傳動，所以擇之。以下計算過程所用到的表和圖來源： 卜炎主編. 機械傳動裝置設(shè)計手冊（上冊），機械工業(yè)，19991、確定設(shè)計功率Pd PdKAP （3-1） KA工作情況系數(shù)，根據(jù)跑步機使用的特性，選擇每天工作時間10小時，載荷變動小。KA=1.1

12、見表8-9Pd=1.1*2.2=2.42kw2、帶型號的選擇 對于多楔帶的型號可根據(jù)設(shè)計功率Pd=2.42KW和小帶輪轉(zhuǎn)速n1=3000r/min由圖821選取,選PJ型多楔帶。3、確定帶輪直徑de1、de2（有效直徑）小帶輪有效直徑：由表8-90demin=20mm,由表8-91選de1=35.5mm大帶輪有效直徑:小帶輪節(jié)圓直徑dp1=de1+2e=35.5+2*1.2=38mm由表8-90，e=1.2大帶輪節(jié)圓直徑dp2=idp1=2*33.5=71mmde2=dp2-2e=71-2*1.2=68.6mm由表8-91，選de2=68mm4、計算帶速v v=dp1n1 /（601000）

13、m/s （3-2）注意：v離心力、離心應(yīng)力FQ單位時間的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NvP=Fv/100可知，P一定時，F(xiàn)緊力 一般v在525 m/s，最大30 m/s，在815 m/s較好V=*36*3400/60*1000=6.430m/s,合適5、初定中心距a0 中心距的大小對帶傳動的影響： a結(jié)構(gòu)大由于載荷變化引起帶的顫動掉帶 a帶的長度在一定速度下，單位時間帶的應(yīng)力變化次數(shù)N愈多，會加速帶的疲勞損壞；當(dāng)傳動比i較大時，包角對于V帶傳動，中心距a一般可取2（de1 de2 ）a00.7（de1de2） 148.4a0212初定 a0=160mm6、確定帶的有效長度LeLe0=2a0+/2（de1de2

14、）+(de2-de1)2/4a0=2*160+332.84+1.4=654.24mm由表8-52，選Le=650mm7、計算實際中心距a 中心距的變動圍 考慮安裝調(diào)整和補償緊力的需要（如膠帶伸長而松弛后的緊），尚需給中心距留有一定的調(diào)整余量。由表8-54知中心距的調(diào)整量為min=5,min=8.a=a0+(Le- Le0)/2=150-1.48=148.52mm則a1=153.52mm a2=140.52mm8. 有效圓周力 FT= Pd/v*103=0.37*103=370N9作用在軸上的載荷為設(shè)計軸和軸承，需確定帶傳動作在軸上的力Fr得Kr=1.57則 Fr=1.57*370*0.995=

15、580N多楔帶帶的選擇根據(jù)計算跑步機傳動機構(gòu)選擇12PJ450多楔帶3.2 多楔帶帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸選擇 要求質(zhì)量?。唤Y(jié)構(gòu)工藝性好；無過大的鑄造應(yīng)力；質(zhì)量分均勻，轉(zhuǎn)速高時要經(jīng)過動平衡 ；輪槽工作面要精細加工（表面粗糙度一般為3.2），以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應(yīng)保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等。材料帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用材料的牌號為HT150或HT200；轉(zhuǎn)速較高時宜采用鑄鋼（或用鋼板沖壓后焊接而成）；小功率時可用鑄鋁或塑料。結(jié)構(gòu)設(shè)計帶輪由輪緣，輪輻和輪轂三部分組成1）實心式：帶輪基準直徑小于3d(d為軸的直徑)時2）腹板式：帶輪基準直徑小于300350mm時3）輪幅式：帶輪基準

16、直徑大于300350mm時帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是根據(jù)帶輪的基準直徑選擇結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)帶的型號與根數(shù)確定輪緣寬度，根據(jù)帶的型號確定輪槽尺寸則小帶輪D=33.5選取實心式，大帶輪D=63選取腹板式小帶輪隨電機一起購買。規(guī)格：P12PJ33.5以跑步機大帶輪P12PJ63為例確定其結(jié)構(gòu)和尺寸：要求帶輪每毫米有效直徑的輪槽軸向圓跳動公差值為0.002mm.輪槽表面粗糙度Ra的最大允許值為3.2。槽距e=2.340.03 槽角=40o0.5o 楔頂圓角半徑rb,最小值為0.2，槽底圓弧半徑rt最大值為0.4，檢驗用圓球或圓柱直徑db=1.50.01,2X公稱值為0.23，2N最大值1.22，f最小值為1

17、.8，有效線差公稱值e=1.2徑向跳動公差0.25，槽間直徑差值最大0.16。n槽數(shù)為12。帶輪寬=11*2.34+1.8*2=29.34MM3.3帶傳動的緊裝置的選擇傳動中心不可變時，采用緊輪傳動中心可調(diào)時，采用滑軌+螺旋或者浮動軸。本跑步機中心距是可調(diào)的：a=a0+(Le- Le0)/2=160-1.48=158.52mm 則a1=163.52mm a2=150.52mm圍在150.52-163.52之間，則通過螺栓的前后移動來調(diào)節(jié)電機的前后移動，從而實現(xiàn)帶的調(diào)緊和放松。小結(jié)多楔帶適于傳遞功率較大而又要求結(jié)構(gòu)緊湊的場合，特別能適應(yīng)帶輪直徑小的傳動。 第4章 外型結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1支架的設(shè)計 支

18、架包括扶手，儀表安裝輔助支架，扭腰盤連接處等，仰臥起坐架直接焊接于輔助連桿上。與基架的連接采用螺栓連接，方便位置的調(diào)整和拆裝。底部安有橡膠墊和尾套，保證平衡，最重要的是實現(xiàn)減震的二級緩沖。4.2機架的設(shè)計基架的設(shè)計是整個跑步機穩(wěn)定的保證，全部采用鑲嵌式固定。支架，滾筒以與前罩等等，都要靠基架來維持平衡。通過調(diào)研，看現(xiàn)有市場上的跑步機的基架結(jié)構(gòu)的流行設(shè)計，在此我基礎(chǔ)上進行自己產(chǎn)品的開發(fā)，緊跟市場，在尺寸的確定方面參考了人體運動工學(xué)推算，450mm寬X1400mm長跑步帶面積，以此保證給人以足夠的運動面積，為主要數(shù)據(jù)展開對基架的設(shè)計，再考慮電機的尺寸，傳動機構(gòu)帶傳動的中心距離，電機的安裝，前后滾筒

19、的位置，PWM調(diào)速電源的安裝位置，以與傳感器安裝位置的預(yù)留等等，設(shè)計了下圖的基架，在設(shè)計中特意將兩邊框設(shè)計了足夠的寬度，以此為鍛煉過程中短暫的休息提供兩腳踩放的位置，另外也為萬一跑步機失靈發(fā)生意外，人可快速兩腳分開脫離旋轉(zhuǎn)的跑帶，提供足夠的安全踩放位置。 4.3 前后罩旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)必須與執(zhí)行機構(gòu)隔離，保證安全性，同時為了技術(shù)保護和美觀，前后罩使用ABS塑料，美觀，有質(zhì)感，能起到有效的防護作用。設(shè)計基準為基架，通過螺釘與基架連接，方便安裝和維護維修。第5章 前后滾筒5.1 軸承的計算軸承類型：深溝球軸承，軸承代號：6004-ZZ-C軸承參數(shù)：軸承徑：17，軸承外徑：42，軸承寬度：12，額定動載

20、荷：9400，額定靜載荷：5050，極限轉(zhuǎn)速：18000， 潤滑方式：脂潤滑。工作參數(shù)：徑向載荷：406.16，軸向載荷：0，使用壽命：30000，工作轉(zhuǎn)速：1819.8，載荷系數(shù)：1.5。計算結(jié)果：當(dāng)量動載荷：609.24當(dāng)量靜載荷：609.24 計算壽命：169505.2軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計滾筒軸屬于固定心軸只承受彎矩M0；不承受扭矩T=0；軸的毛坯一般用圓鋼或鍛件。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求1、 軸與軸上零件應(yīng)具有準確的工作位置定位要求2、 軸上零件應(yīng)易于裝拆和調(diào)整安裝調(diào)整要求3、 軸上零件的固定應(yīng)牢固可靠緊固要求4、 軸應(yīng)具有良好的制造工藝性工藝要求5、 應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中提高疲勞強度的要求軸的

21、各部分結(jié)構(gòu)名稱制造安裝要求為便于軸上零件的裝拆，常將軸做成階梯軸。為使軸上零件易于安裝，軸端和各軸段的端部應(yīng)有導(dǎo)角軸的形狀和尺寸力求簡單，以便于加工軸上磨削的軸段有砂輪越程槽；需車制螺紋的軸段，應(yīng)有推刀槽；軸的材料軸常在交變應(yīng)力的作用下工作，其材料的要：強度高、剛度好、應(yīng)力集中的敏感度小，抗疲勞，加工性能好，有的軸表面要求也較高。軸的材料主要采用中碳鋼35或45鋼和合金鋼20Cr或40Cr等。最常用的是45#鋼（含碳量.45），它具有較高的綜合機械性能。此設(shè)計采用45#鋼。5.3強度計算由于心軸工作時只承受彎矩而不承受扭矩，所以在應(yīng)用上式時，應(yīng)取T=0。由于是固定心軸，考慮啟動，停止等影響，彎矩在軸截面上所引起的應(yīng)力可視為脈動循環(huán)變應(yīng)力。所以固定心軸的許用應(yīng)力應(yīng)為1.7-1 。最大彎矩M