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多功能自動跑步機（機械部分） 宋小斌 （機械設計制造及其自動化01-2班） 摘 要：本文介紹了時下健身最熱門的健身器械電動跑步機的設計。跑步機的基本功能就是構建一條運動的跑道（跑步帶），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，對跑步帶的驅動與速度控制：通常使用直流電動機驅動，直流電動機通過半導體功率器件，使用脈沖寬度控制（PWM）方式實現(xiàn)調速。 關鍵詞：總體結構，基架設計，支架設計，跑步板及跑步帶，避震系統(tǒng)，使用和安全。 一、引言 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、為適應當時國情而開發(fā)的具有“中國特色”的過渡產物。在傳統(tǒng)跑步機上跑步，人體除自身重量產生的震蕩外，腳踝、膝部和臀部的肌肉，特別是肌腱，還要額外承擔向后的扭力來確保跑帶向后運動。由于扭力過度集中在韌帶、關節(jié)等幾個關鍵受力部位，更容易使受力部位肌腱組織產生慢性疲勞，造成損傷。很多傳統(tǒng)跑步機使用者，發(fā)現(xiàn)自己越是認真鍛煉，腿部就越跑越粗，關節(jié)也越練越沒有力氣。 電動跑步機是健身房及家庭較高檔的器材，這種跑步機能減輕傳統(tǒng)訓練對關節(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。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。用電動跑步機能消除關節(jié)的負載，不但能減肥健身，還有益于受傷后身體的恢復。 電動跑步機系機電一體化產品，采用匯編語言編程，用計算機控制，系國家鼓勵的發(fā)展行業(yè)。該產品的發(fā)展帶動了鋼管制造、塑料制品、電子工業(yè)，電機工業(yè)等系列發(fā)展，使人們身體鍛煉不受場地、環(huán)境、氣候的制約，寓體育鍛煉于休閑娛樂之中，全面提高國民身體素質。該產品制作過程中，無污染物及有害物質產生，外采購鋼鐵、塑料配件，電子元器件組裝，是綠色制造產業(yè)。電動跑步機近年來也開始進入家庭，例如匯祥牌電動跑步機在中、小城市的銷售量逐年增量超過50%，許多富裕起來的城鄉(xiāng)居民紛紛選擇這一優(yōu)越的健身方式，一大批人性化設計的跑步機正在問世，通過電子技術、計算機技術、制造設備工裝的改造革新，其發(fā)展空間很大，是一種有可持續(xù)發(fā)展前途的產品。 二、結構設計 多功能電動跑步機主要由機架、電動機、可調電源、跑步皮帶及儀表控制盤組成，其特征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，跑步皮帶張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，傳動級為一級。同時在支架上安有扭腰盤和伏地挺身架使機器實現(xiàn)其多功能性。 （一）電動機類型與參數的選擇 當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0.8~2.5倍，通常跑步機一個馬力大概可提供50~60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直接的關系，跑步機的馬力越大，可以帶動的跑步帶面積也越大，所以衡量效率及安全性后，一般建議，家用跑步機合宜的持續(xù)(continuous)馬力應該至少1.5馬力以上，如果家人的體重有超過80公斤，則應選2.0持續(xù)(continuous)馬力以上的跑步機。 此電動跑步機用電動機—ZYT42（NEMA）型永磁直流電動機，該型電動機系大功率跑步機中配套的專用驅動元件，經一定的電磁、結構派生處理也可適用于相應的機械裝置中作為驅動元件。該電動機顯著的特點：具有轉速精度高，當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不差，保 持同步轉速，如同在平地上一樣感覺。表現(xiàn)在調速方便（可無級調速），調速范圍寬，低速性能（啟動轉矩大），運行平穩(wěn)，噪音低，效率高。 （二）傳動機構的設計 工作機構類型選擇帶傳動,屬于定傳動比勻速轉動機構。帶傳動具有結構簡單，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，多楔帶適于傳遞功率較大而又要求結構緊湊的場合，特別能適應帶輪直徑小的傳動，所以擇之。 （三）基架和支架的設計 為了保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減震系統(tǒng)的有效性，基架和支架全部采用焊接結構?；艿脑O計是整個設計的基礎，也是其他設計的基準。在尺寸的確定方面參考了人體運動工學推算，45cm寬X130cm跑帶面積，以此保證給人以足夠的運動面積，為主要數據展開對基架的設計。在設計中特意將兩邊框設計了足夠的寬度，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的跑帶，提供足夠的安全踩放位置。支架與基架的連接采用螺栓連接，方便位置的調整和拆裝。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。 （四）跑步板及跑步帶設計 電動跑步機的跑步板，它由基板以及覆蓋在基板上或上下兩個表面的導電耐磨層構成。導電耐磨層既可長期承受跑步帶的摩擦，使用壽命高；又可隨時將摩擦產生的靜電荷通過底座導出，避免靜電對人體的不舒感和對跑步機造成的損害?；逵筛呙芏然蛑忻芏壤w維板制作，也可由其它材料制作。使用高密度或中密度纖維板時，強度較高、重量較輕，成本較低，效果較好，本身也提供一部份的吸震功能，導電耐磨層可以在基板上噴涂導電耐磨涂料固化制成，導電耐磨涂料層工藝較簡單，成本也較低。跑帶要求雙層粘合跑帶，具有高傳導性，跑步帶國際防滑型，運動時安全可靠 跑步機，其實就是提供一個跑步的面積，所以絕對要在乎跑步帶面積的大小，左右寬度及前后長度都要夠，否則無法自然邁開步伐，跑起來彎扭不順暢，更容易跌倒。根據人體運動工學推算，45cm寬X130cm長，應是一個合宜的參考面積，然后再依個人的實際條件做增減。有不少廠商生產"加碼"跑步機，跑臺加寬，左右踏條增大，以營造物超所值得虛胖假象，但最重要的跑步帶面積并沒增加；所以焦點要放在跑步帶面積上。理論上來說，在相同的馬力條件下，如果跑步機所能提供的跑步帶面積越大，且整臺實際的占地面積越小，應是較佳的設計。 跑臺潤滑油的添加 1、減小跑步帶和跑步板之間的摩檫力，保護跑步板表面的耐磨涂層，延長跑帶、跑板的使用壽命。 2、減少跑步機的電能消耗。 3、讓用戶在運動時更流暢。 （五）避震系統(tǒng)的設計 現(xiàn)在高級跑步機的最大賣點之一就是避震系統(tǒng)，所以設計和改進跑步機避震系統(tǒng)首當其沖，是設計思路和技術攻克的重點。跑步的“頭等大事”就是要保護好膝蓋———跑步鞋具有緩沖減震的效果就是這個道理。使用跑步機比起在戶外路跑最大的好處是：跑步機它提供了避震效果，大量消除每一步伐的反作用沖擊力，保護了膝蓋關節(jié)。跑步機的避震方式采用具彈性的橡膠墊將跑臺和底座框架墊隔開，使跑臺成懸吊狀態(tài)，進而產生吸收震動的功能而達到避震的效果。因此避震效果是否可以有效的展現(xiàn)發(fā)揮，完全得看跑步機的基座結構是否牢靠穩(wěn)固。所以采用了足夠牢固的鋼材規(guī)格，結構撐架以焊熔連接，沒有采用螺栓，在基座結構上再加上橡膠墊和橡膠尾套，使整個基架又對力產生一個緩沖，實現(xiàn)二級緩沖！本設計中跑步板采用高密度纖維板，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，以確保在吸震同時，不因沖擊而龜裂，另外在使用時可在跑步機的支撐點下，加鋪具有彈性的鋪墊，以增加避震效果。 （六）多功能性 一機多能，在鍛煉中穿插多個項目的訓練，可以減少乏味和單調性，同時能起到不同的鍛煉目的。但是一味的強調多，也會影響健身的準確性。所以適當的添加一兩個項目，對跑步機的整體性能起到畫龍點睛的作用。在此設計中添加了扭腰盤和仰臥起坐架，結構簡單，不會影響跑步的面積。 （七）使用和安全 跑步機的特殊性，決定正確使用跑步機的重要性 1 在練習跑步機之前，簡單的做些準備活動，主要做一些腿部肌肉、關節(jié)的準備活動就可以了，比如側壓腿、活動腳腕等。 2即使在家中練習跑步機，也要穿運動裝和運動鞋進行練習，不要光腳練習。3不要亂開玩笑。超負荷鍛煉,必須全神貫注,全力以赴,亂開玩笑會轉移運動者的注意力。 4 會使用急停。 三、結束語 本文介紹的多功能跑步機借助三維實體軟件進行了零件的設計和總結構的裝配，并進行了產品海報的渲染制作。整個結構參考了現(xiàn)流行的符合人體工程學設計，跑臺寬敞舒適，為家庭健身器械貢獻一份力量。 參 考 文 獻 [1] 王三明主編.機械原理與設計課程設計。北京：機械工業(yè)出版社，2005 [2] 鄒慧君主編.機械原理.北京.高等教育出版社，1999 [3] 申永勝主編.機械原理教程.北京.清華大學出版社，1999 [4] 張偉社主編.機械原理.西北工業(yè)大學出版社，2001 [5] 鄒慧君主編.機械原理課程設計手冊.高等教育出版社，1998 [6] 趙松年主編.現(xiàn)代機械創(chuàng)新產品分析與設計，2000 [7] 楊家軍主編.機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計.華中理工大學出版社，2000 [8] 張春林主編.機械創(chuàng)新設計.機械工業(yè)出版社，1999 [9] 機械設計手冊編委會. 機械設計手冊新版2，3卷, 機械工業(yè)出版社，2004 [10] 卜炎主編.機械傳動裝置設計手冊（上冊），機械工業(yè)出版社。1999 附圖： - 5 -