電動跑步機整體設計（含三維UG及CAD圖紙）,電動,跑步,整體,設計,三維,UG,CAD,圖紙 摘　要 跑步機是家庭及健身房常備的健身器材，它的優(yōu)點具備結構簡單、安全性能高等特點，已廣泛用于家庭和健身房。專家們相信未來跑步機將以普及和人性化為主，市場也可能以高價位產品為主導，低價位產品銷售也不錯。本課題設計是休閑類跑步機，根據人體工程學而設計的跑步機，而且具備使用壽命長、容易維修、安全性能高、方便搬運等。 本課題對跑步機整體零件進行建模，結構設計和各個零件的裝配。此外還使用CAD畫出了裝配圖和重要零件的剖面圖。設計包括支架、基架、滾筒、跑步板、跑步帶和扭腰盤等。設計中參考現有跑步機的結構和樣式，對傳動機構進行了精確計算與設計；并作出合理的選擇，設計出牢固、簡潔又美觀的基架結構；而且突出了減震系統(tǒng)的重要性和跑步板防靜電的功能性。 本課題設計不同的地方在于輔助構件扭腰盤，它能幫助健身者進行美腰鍛煉，展現出本課題對跑步機的創(chuàng)新面。完善跑步機的缺點，真正推出人性化跑步機。 關鍵詞：跑步機；傳動機構；減震系統(tǒng)；輔助設計 Abstract Treadmill is a common fitness equipment for families and gyms. It has the advantages of simple structure and high safety performance, and has been widely used in families and gyms. Experts believe that in the future, treadmills will be popular and humanized, and the market may be dominated by high-cost products, and low-cost products will be sold well. The design of this subject is a leisure treadmill, which is designed according to ergonomics. It has the advantages of long service life, easy maintenance, high safety performance and convenient transportation. In this paper, the whole parts of the treadmill are modeled, designed and assembled. In addition, CAD is used to draw the assembly drawing and the section drawing of important parts. The design includes bracket, base frame, roller, running board, running belt and twisting waist plate. In the design, referring to the structure and style of the existing treadmill, the transmission mechanism is accurately calculated and designed; and a reasonable choice is made to design a solid, simple and beautiful base frame structure; and the importance of shock absorption system and anti-static function of running board are highlighted. The difference in the design of this subject lies in the auxiliary component torsion disc, which can help the body-building people to have a good waist exercise, showing the innovation of this topic on the treadmill. Improve the shortcomings of the treadmill, truly launch the humanized treadmill. Key words: treadmill; transmission mechanism; damping system; auxiliary design 目 錄 第1章　緒 論 1 第2章 總體方案設計 3 2.1 基本功能 3 2.2 構造設計 3 2.3 功能原理的確定 3 2.4 小結 5 第3章 電動機類型與參數的選擇 7 3.1 類型功率選擇 7 3.2 技術參數 7 3.3 小結 8 第4章 傳動機構設計 9 4.1 設計步驟及參數選擇 9 4.2 多楔帶帶輪結構和尺寸選擇 12 4.2.1 帶輪型號 13 4.3 帶傳動的張緊裝置的選擇 13 4.4 小結 13 4.5 外型結構設計 14 4.5.1 基架的設計 14 4.5.2 支架的設計 16 4.6 前后罩 18 4.7 小結 18 第5章 前后滾筒 21 5.1 軸承的計算 21 5.2 軸結構的設計 22 5.2.1 軸的設計 22 5.2.2 軸結構的設計 23 5.3 軸的強度校核 23 5.4 滾筒要求 24 5.5 小結 25 第6章 跑步板及跑步帶設計 27 6.1 跑步板 27 6.2 跑步帶 27 6.3 跑帶調整：兩個螺栓調整法 27 6.4 跑臺潤滑油的添加 29 6.5 小結 30 第7章 避震系統(tǒng)的設計 31 7.1 避震系統(tǒng)的種類及原理 31 7.2 小結 33 第8章 輔助設計 35 8.1 扭腰盤設計 35 8.2 連接結構設計 36 8.3 旋轉結構設計 37 8.3.1 扭腰盤軸承選用 37 8.3.2 單向推力軸承型號 37 8.4 小結 38 第9章 使用和維護 39 9.1 跑步機的維護與保養(yǎng) 39 9.2 如何使用跑步機 39 9.3其他注意細節(jié) 39 9.4 小結 40 總 結 41 參考文獻 43 致 謝 45 第1章　緒 論 生命在于運動，健康源于運動。跑步是目前國際流行并被醫(yī)學界和體育界給予高度評價的有氧健身運動，是保持一個人身心健康最有效、最科學的健身方式，也越來越受到大家喜愛。 跑步可以改善骨骼、心臟、心肌、腸胃等器官的功能，是人們鍛煉身體，預防疾病的法寶。戶外長跑曾經是大眾最常用而簡單的運動形式，沿著林蔭道呼吸著早晨清新的空氣，聽著枝頭的鳥鳴，既能愉悅身心，又可鍛煉體魄。只是隨著都市的大氣變得污濁，生活節(jié)奏變得緊張，戶外長跑變得不那么流行了，而跑步機則成了時下健身最熱門的健身器械。跑步機不僅可以讓我們免受汽車尾氣之苦，也使我們可以選擇自己方便的時間隨時鍛煉。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，個人可以根據自己的鍛煉目的進行鍛煉。 本設計共設八章，首先確定總體方案設計，認識跑步機的基本功能和原理，為下一章電機的參數選擇提供必要的技術參數。之后到傳動機構設計，先理清設計步驟，了解跑步機帶輪傳動系統(tǒng)的要求后確定帶傳動的張緊裝置。根據本設計要求能夠確定外型結構，設計出基架、支架的最大能夠承受的應力。第四章是前后滾筒軸與軸承的設計要求，確定軸的強度校核。第五章的跑步板及跑步帶是設計的重點，為了能讓健身者得到完美的體驗，跑步板和跑步帶都要符合跑步機需求，還有避震系統(tǒng)的設計、輔助功能的設計。最后為了健身者能夠正常使用與增長使用壽命，介紹了跑步機的維護與保養(yǎng)。 跑步機雙面寬厚的跑帶帶給您草地般舒適感覺，馬力強勁的電機帶給您澎湃恒久的動力，能夠確保體重在特定范圍內完美地鍛煉自己。電跑以功能多、占地少而受到人們的喜愛，使人們在繁忙的工作之余仍然可以盡享運動的快感。 - 45 - 第2章 總體方案設計 2.1 基本功能 跑步機的基本功能就是構建一條運動的跑道（跑步帶），跑道的運動方向與運動者的跑動方向相反，并且相對速度必須保持相同，這樣就使得運動者能夠在原地進行跑步鍛煉了。實現跑步機的功能，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，通過改變電樞回路串電阻調速。在跑步機的基礎上通過增加一些部件來增加其它功能從而達到實現輔助性能，如扭腰和仰臥起坐等。 2.2 構造設計 電動跑步機主要由以下部分組成：電機、機架和支架、前后滾筒、跑步板及跑步帶、避震系統(tǒng)、多功能構件以及電子顯示器維護，它的特征在于支架與框架垂直連接，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，跑步帶張緊繞裝在前后滾筒上，支撐跑步板安裝在跑步帶的下方，框架的前端安裝著電動機與可調電源,前滾筒的一端緊裝著從動帶輪，控制傳感器裝在電動機上，速度傳感器安裝在緊靠在從動帶輪的框架上，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，這樣就能夠很好地防止跑帶跑偏。跑步機扶手架設計于支架的頂端，方便健身者保持平衡。儀表控制盤安裝于扶手架上。傳動方式采用帶傳動機構，傳動等級為一級。同時在支架上安有扭腰盤和仰臥起坐支架使機器實現其輔助性能。 2.3 功能原理的確定 目前市場上比較常見的有主動性跑步機和電動跑步機兩種。主動式跑步機是依靠人體為動力而進行主動性跑步的跑步機，是鍛煉者自身的肌肉收縮作為能源，人停止運動時，器械亦停止運動。在主動式跑步機上跑步時，人體除自身重量產生的震蕩外，腳踝部、膝部和臀部，特別是肌腱，還要承擔額外向后的扭力來確保跑帶向后運動，這種額外的扭力就是產生運動傷害的根源，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，從而打破這部分組織的局部平衡、損傷其健康。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倍。很多傳統(tǒng)跑步機使用者，發(fā)現自己越是認真鍛煉，腿部就越跑越粗，關節(jié)也越練越沒有力氣。 圖2-1 跑步機整體結構 傳統(tǒng)跑步機并不適合患有脊椎軟骨突出、膝關節(jié)炎、踝關節(jié)扭傷、骨肌腱炎、以及足底筋膜炎的人，因為長期的跑步可能會加重慢性扭傷的情形或加速膝關節(jié)的老化。 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?？祻驼?、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節(jié)的負載，不但能減肥健身，還有益于受傷后身體的恢復。本課題需要完成的結構如圖2-1。 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1／3左右的路程，能量消耗也比普通走、跑為多。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，另外本次設計還加入扭腰輔助性能。 下圖2-2為跑步機內部結構工作原理圖。首先健身者打開電源，顯示電子表，通過驅動板調節(jié)速度完成熱身。電機自轉，通過傳動軸帶動主動輪，主動輪與從動輪之間有多楔皮帶連接，致使從動輪以一定的轉速轉動。前后滾筒也隨著轉動，跑步帶開始勻速轉動。健身者熱身完，通過電子表制動驅動板，實現調速，完成健身。 圖2-2 跑步機工作原理 2.4 小結 電動跑步機就是由直流電機構造一條勻速運動的跑帶，使運動者在原地進行跑步鍛煉。 還能防止韌帶、關節(jié)等受力部位造成慢性疲勞，影響身體健康。 第3章 電動機類型與參數的選擇 3.1 類型功率選擇 一般健身者使用跑步機有健身和減肥瘦身兩個目的，所以要求跑步機的驅動電動機必須能讓不同體重的健身者正常地使用跑步機。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，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動力。通常跑步機一個馬力（1HP=736W）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)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)馬力以上的跑步機。 此跑步機設計標準為120公斤，功率為1.5HP。初步確定跑步機滾筒直徑為6cm 所以最大轉矩 Tmax=F×L （3-1） 式中：F——為滾筒受力 L——滾筒工作長度 Tmax=1/2×120×9.8×0.03 = 17.64 N·m 所以 轉速 n=vs = = 7.98 r/s （3-2） 功率 P=Tn9550=17.64×7.98×609550 ≈ 0.88 kw （3-3） 為此電動跑步機采用電動機—ZYT42（NEMA）型永磁直流電動機圖3-1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，調速方便（無級別可調），調整范圍寬，啟動轉矩大，運行平穩(wěn)，噪音低，效率高等特點。并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，如同在平地上跑步感覺一樣。 3.2 技術參數 永磁直流電動機-ZYT42型，表3-1為電動機型號特性，各個型號的額定值都不一樣，根據上面所計算的功率，選取了最佳的電動機型號ZYT42/01，它的參數如圖3-2所示。 圖3-1 電動機外型圖 表3-1 電動機型號特性 型號 Model ?Unit 42ZYT01 42ZYT02 42ZYT03 額定電壓 Rated Voltage V DC24 額定轉速 Rated Speed rpm 3480 3350 3350 額定轉矩 Rated Torque Nm 0.03 0.05 0.07 額定功率 Rated Power W 10 16 24 最大轉矩 Max. Torque Nm 0.22 0.3 0.4 轉矩系數 Torque Constant Nm/A 0.0558 效率 Efficiency η ≥70％ 電機長度 L mm 80 90 100 重量 Weight Kg 0.3 0.5 2 表3-2 技術參數 型號 電壓 功率 ZYT42/01 220 V 1.5HP 轉速 轉向 絕緣等級 3480±7% 逆時針 F級 3.3 小結 跑步機屬于健康器材類產品,如果是減肥瘦身的人來使用,因為身體較肥胖,跑不快,因此驅動電機的低速必須轉矩大才能使用.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,因此調速范圍要寬廣,低速轉矩要大,才能滿足不同重量的人。 　　目前跑步機使用的驅動裝置以直流有刷電機為多,優(yōu)點是啟動快、制動及時、可在大范圍內平滑內平滑地調速、控制電路相對簡單等特點，另外價格也相對便宜。 第4章 傳動機構設計 電動機的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，容易維護，還能緩和載荷沖擊，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。 4.1 設計步驟及參數選擇 初始條件：選擇電機為專門為跑步機生產的永磁直流電動機，傳動功率P=1.5KW，主動輪轉速為n1=3480r/min 傳動比定為i=2.1 由于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。以下計算過程所用到的表和圖來源：機械傳動裝置設計手冊（上冊）[1] 。 圖4-1 永磁直流電機 （1）確定設計功率Pd Pd=KAP （4-1） 式中 P ——為傳動功率 KA——工作情況系數，根據跑步機使用的特性，選擇每天工作時間〈10小時，載荷變動小。根據文獻[1] ，選擇KA=1.2,得： Pd=1.2×1.5=1.65 kw （2）帶型號的選擇 對于多楔帶的型號可根據設計功率Pd=1.65KW和小帶輪轉速n1=3480r/min， 由文獻[1]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： 由文獻[1] demin=20 mm, △e=1.2 由文獻[1]（8-91） 選de1=33.5 mm 小帶輪節(jié)圓直徑 dp1=de1+2?e=33.5+2×1.2=35.9 mm （4-2） 大帶輪節(jié)圓直徑 dp2=idp1=2.1×35.9=75.39 mm （4-3） de2=dp2-2?e=75.39-2×1.2=72.99 mm （4-4） 大輪有效直徑選 de2=71 mm （4）計算帶速 = πdn60×1000 （4-5） 式中：d——帶輪節(jié)圓直徑 mm n——帶輪轉速 r/min 所以帶的速度 = 3.14×35.9×348060×1000 ≈ 6.54 m/s 注意：帶速增加時，帶輪的離心力和離心應力都會增大導致單位時間內的應力循環(huán)應力次數N增加，帶速減小時，因為F=Pv1000，所以當P一定時，F增大即張緊力增大。一般在5～25 m/s，最大30 m/s，在8～15 m/s較好。 因為帶速=6.54 m/s ＜30 m/s，所以符合要求。 （5）初定中心距a0 中心距的大小對帶傳動的影響： 中心距a越大，傳動結構越大，所以載荷變化時容易引起帶的顫動，導致帶掉； 中心距a越小，帶的長度越短，在一定速度下，單位時間內帶的應力變化次數 愈多，會加速帶的疲勞損壞； 當傳動比i較大時，包角較??；對于V帶傳動，中心距a一般可取 2（de1+de2）≥a0≥0.7（de1+de2） （4-6） 73.15 mm≤a0≤209 mm 初定 a0=150 mm （6）確定帶的有效長度Le0 Le0=2a0+π（de1+de2）2+（de2-de1）24a0 （4-7） =2×150+164.07+2.34 =466.41 mm 由（表8-52），選 =450 mm （7）計算實際中心距a 中心距的變動范圍： 考慮安裝調整和補償張緊力的需要（如膠帶伸長而松弛后的張緊），尚需給中心距留有一定的調整余量。由表8-54知中心距的調整量為△min=5 a=a0+Le0-Le2 （4-8） =150-8.205 =141.795 mm 則 a1=146.795 mm a2=133.795 mm （8）計算小帶輪包角α1 α1=π-de2-de1a （4-9） =3.14-0.264 =2.88 rad （9）帶每楔所傳遞的額定功率及其增量 由帶型，de1=33.5 mm，n1=3480r/min;按(表8-55) 用插值法計算得： P0=0.14 kw 由i=2.1，n1=3480r/min,有(表8-55) 用插值法計算得： ?P0=0.02 kw （10）計算帶的楔數 由（表8-56）用插值法計算Kα=0.97，KL=0.78； 由 Z=P(P0+?P0)KαKL （4-10） 得: Z=1.65（0.16×0.970.78） Z=13.63 由（表8-51）選取Z=12 （11）有效圓周力 FT=Pdv×103 （4-11） =0.26×103 =252 N （12）作用在軸上的載荷 為設計軸和軸承，需確定帶傳動作在軸上的力Fr，得Kr=1.57 由式 Fr=KrFTsinα12 (4-12) 則 Fr=1.57×252×0.991 =392.08 N （13）多楔帶帶的選擇 圖4-1 多楔帶 多楔帶（圖4-1）也有眾多型號，每個型號的最大載荷也不同。所以根據以上計算。 跑步機最優(yōu)的傳動機構選擇12PJ450多楔帶。 4.2 多楔帶帶輪結構和尺寸選擇 （1） 要求 根據跑步機傳動系統(tǒng)的要求，應該選擇質量??；結構工藝性好的多契帶帶輪；還需無過大的鑄造內應力；帶輪質量分均勻；轉速高時要經過動平衡 ；輪槽工作面必 須要精細加工，以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等。 （2） 材料 帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用材料的牌號為HT150或HT200；轉速較高時宜采用鑄鋼；小功率時可用鑄鋁或塑料。 （3） 結構設計 帶輪由輪緣，輪輻和輪轂三部分組成 ① 實心式：當帶輪基準直徑小于3d(d為軸的直徑)時； ② 腹板式：當帶輪基準直徑小于300～350mm時； ③ 輪幅式：當帶輪基準直徑大于300～350mm時； 4.2.1 帶輪型號 帶輪的結構設計主要是根據帶輪的基準直徑選擇結構形式，并根據帶的型號及根數確定輪緣寬度，根據帶的型號確定輪槽尺寸。 則小帶輪D=33.5選取實心式，規(guī)格為：P12PJ33.5 大帶輪D=71選取腹板式，規(guī)格為：P12PJ71 以跑步機大帶輪P12PJ71為例確定其結構和尺寸： 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=2.34±0.03，槽角α=40o±0.5o 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=1.5±0.01,2X公稱值為0.23，2N最大值1.22，f最小值為1.8，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槽數為12。 帶輪寬=11×2.34+1.8×2 =29.34 mm 現在楔頂圓角半徑rb，槽底圓弧半徑rt均為0.3，又由槽距e=2.34，槽角=40°，得到每個楔槽高度為2.06mm。 4.3 帶傳動的張緊裝置的選擇 因為帶傳動是依靠帶與帶輪間的摩擦力來傳遞運動和功率的，所以在裝配時就應使帶與帶輪間具有一定的壓緊力，使帶處于張緊狀態(tài)，并保持足夠的初拉力。經較長時間的使用，由于帶長期受拉力作用，將會發(fā)生永久變形，伸長后的傳動帶，減少了與帶輪間的摩擦力，回使傳動能力降低，時常出現打滑現象，為保持應有的張緊力，減少打滑，需要用張緊裝置來調整。下表4-1為各個不同中心距所需要不同場合的張緊裝置。 傳動中心不可變時，采用張緊輪。?????????????????? 傳動中心可調時，采用滑軌加螺旋或者浮動軸。 4.4 小結 多楔帶適于傳遞功率較大而又要求結構緊湊的場合，還有帶體薄，富有柔軟性，特別能適應帶輪直徑小的傳動；振動小，發(fā)熱小，運轉平穩(wěn)；最后多契帶還耐熱，耐油，耐磨，使用伸長小，壽命長等特點。 表4-1 張緊裝置 4.5 外型結構設計 4.5.1 基架的設計 為了保證整個跑步機系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減震系統(tǒng)的有效性，基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。只有先設計好基架，才能更好地確定支架和滾筒，以及前后ABS塑料罩等等，都是依據基架的尺寸和形狀設計的，所以設計開始首先考慮基架的設計，進行樣式，結構，還有尺寸的確定。主要是通過調研，看現有市場上的跑步機的基架結構的流行設計，然后在此基礎下改進，完成簡潔美，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和足夠的寬度扶手保持平衡，為主要數據展開對基架的設計，再考慮電機的尺寸，傳動機構帶傳動的中心距離，電機的安裝，前后滾筒的位置，PWM調速電源的安裝位置，以及傳感器安裝位置的預留等等，在設計中特意將兩邊框設計了足夠的寬度，設計出防滑道，以此為鍛煉過程中短暫的休息提供兩腳踩放的位置，另外也為預防跑步機失靈發(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。 底座外形長度設計：跑步帶寬512mm，故設計滾筒長度為530mm，再加上軸的固定孔位，取跑步機的整個傳動系統(tǒng)的寬度為650mm，確定兩側平臺各取44mm，所以上底座的寬L=650+2×44=738mm. 由之前求得的實際中心距a0 =141.8mm，確定電動機的寬L1=110mm，跑步帶長是1300mm，取下底座的后壁到下滾筒的距離為45mm用于安裝和調節(jié)下滾筒的裝置。由于電動機應與前壁有一定間隙，并有一段是為安裝和調整電動機位置，用于電動機的安裝。故取上滾筒與前壁的距離La=415mm，所以上底座長Lb=1300+45+415=1760mm。 圖4-2 基架力圖 圖4-3 同步帶承載繩斷裂損壞 主要：整個基架最有可能出現彎矩現象的地方在上基架中部，如上圖4-2、圖4-3所示。以基架一邊承受65kg計算其載荷，由于有一定的沖擊力，取跑步時腳相對于跑步板10m/s，與跑步板接觸0.2s計算，根據底座材料了解許用應力［σ］=60MPa。跑步帶長1300mm。 所以 Fs = m （4-13） F = =6500 N 點1.2受力分別為 1250 N （4-14） 2000 N （4-15） 彎矩 1×106 （4-16） 所以彎矩應力 =53.75 MPa ＜ 60 MPa （4-17） 綜上可用。 下圖為本課題根據最大許用應力設計出的基架。 圖4-4 基架 4.5.2 支架的設計 支架設計分為上下兩部分，可以通過插拔的形式安裝和拆卸，裝卸操作簡單并節(jié)省空間和安放空間，支架材料采用空心銅管，通過焊接連接，保證穩(wěn)定性。支架包括扶手如圖4-5，儀表安裝輔助支架，扭腰盤連接處等。基架和基架的連接采用翻轉連接，方便位置的調整、拆裝和清洗。底部安有橡膠墊和尾套，保證平衡，最重要的是實現減震的二級緩沖。如圖4-6下支架。 圖4-5 上支架 圖4-6 下支架 圖4-7 總支架 因為很多健身者在購買跑步機時，害怕跑步機占用比較大的空間，又不好移動跑步機。所以本課題設計的跑步機能夠更好地解決部分健身者的顧慮，更好地完善跑步機給健身者帶來的舒適度和使用方便。圖4-7為總支架。 4.6 前后罩 為了各機構不會相互制約，旋轉傳動機構必須與執(zhí)行機構隔離，保證技術，同時為了緊急情況和美觀感，前后罩使用ABS塑料，美觀，有質感，能起到有效的防護作用。設計基準為基架，通過螺釘與基架連接，方便安裝、清洗和維護維修。圖4-8為前罩，圖4-9為后罩。 4.7 小結 跑步機前后罩能夠很好地保護灰塵進入內部，使零件發(fā)生卡條，起了安全作用。還能調整螺栓，可以調節(jié)跑帶偏移。 圖4-8 前罩 圖4-9 后罩 第5章 前后滾筒 5.1 軸承的計算 根據跑步帶設計要求 ⑴ 計算軸上功率、轉速和轉矩 經查手冊得，多契帶的傳動效率為0.98 則軸上功率 =1500×0.98 W=1470 W （5-1） 軸上轉速 =3480× r/min=1657.14 r/min （5-2） 軸上轉矩 N·m=8.47 N·m （5-3） ⑵ 計算作用在大帶輪上的力 大帶輪的直徑=71mm 作用在大帶輪上的力： =≈238.6 （5-4） =238.6=85.9 （5-5） 238.6×0=0 （5-6） 綜上，作用在軸上是力，設計的軸為軸固定 ⑶ 初步確定軸的最小直徑 先初步估計軸的最小直徑。按無特殊要求、重要性一般，選擇應用最為廣泛的軸材料剛，查得轉矩計算軸時的 =10.57 mm （5-7） ⑷ 軸承的選擇 取安裝滾動軸承處為軸頭為前滾筒軸的最小直徑dmin 我們選軸承為深溝球軸承6301型號，舊型號為301 軸承類型：深溝球軸承； 軸承型號：6301 軸承參數：軸承內徑：12，軸承外徑：37，軸承寬度：12，額定動載荷：7480，額定靜載荷：4650，極限轉速：22000， 潤滑方式：脂潤滑。 工作參數：徑向載荷：406.16，軸向載荷：0，使用壽命：30000，工作轉速：1819.8，載荷系數：1.5。 軸承特點：摩擦阻力小，轉速高 5.2 軸結構的設計 5.2.1 軸的設計 由于滾筒軸只承受彎矩，不承受扭矩（T=0，M≠0）所以設計的軸為心軸； 軸的結構形式受載荷的性質、大小、方向等因素影響，設計時，必須具體情況具體分析。設計軸的結構時，應該滿足1.軸和軸上零件應有準確的工作位置 2.軸上零件便于調整 3.軸的制造工藝性應該良好 4.軸上零件要固定不動 5.軸與軸之間防止應力集中。 （1） 所以結構設計應滿足的基本要求 ① 軸與軸上零件應具有準確的工作位置——定位要求 ② 軸上零件應易于裝拆和調整——安裝調整要求 ③ 軸上零件的固定應牢固可靠——緊固要求 ④ 軸應具有良好的制造工藝性——工藝要求 ⑤ 應盡量減少應力集中——提高疲勞強度的要求 （2） 軸的各部分結構名稱制造安裝要求 ① 為防止零件應力集中，常將軸做成階梯軸。 ② 為使軸上零件易于拆裝，軸端和各軸段的端部應有導角 ③ 軸的形狀和尺寸要求簡潔，以便于加工 ④ 軸上磨削的軸段應該有有砂輪越程槽 （3） 軸的材料 軸常在交變應力的作用下工作，其材料的要求是：強度高、剛度好、應力集中的敏感度小，抗疲勞，加工性能好。 軸的毛坯一般用圓鋼。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０.45％），它具有較高的綜合機械性能。 此設計采用45#鋼，調質處理。 5.2.2 軸結構的設計 （1） 軸的設計包括兩個方面： ① 結構設計：使軸具有合理的結構形狀，良好的加工工藝性。 ② 強度計算：保證軸在正常載荷作用下不致斷裂或產生過大的變形。 （2） 軸的結構設計： ① 軸的端部應有45度倒角，以便安裝時對中，防止銳邊劃手。 （3） 軸的結構設計主要根據以下幾個方面： ① 軸上零件的配置； ② 軸上零件的固定； ③ 軸上零件的裝拆； ④ 軸的加工工藝性。 （4） 軸上零件的固定可分為兩個方向： ① 周向固定：傳遞扭矩和運動。采用過盈配合； ② 軸向固定：防止零件在運轉時產生軸向移動。采用圓螺母。 圖5-1 滾筒結構 5.3 軸的強度校核 由于心軸工作時只承受彎矩而不承受扭矩，所以在應用上式時，應取T=0。由于是固定心軸，只需考慮啟動，停止等影響，彎矩在軸截面上所引起的應力可視為脈動循環(huán)變應力。查得固定心軸的許用應力［］=102MPa； 所以最大彎矩 =85.9×250×=21.48 · （5-8） 抗彎截面系數 = =1.7× （5-9） 彎矩應力 （5-10） 則通過設計能承受足夠的工作強度。 5.4 滾筒要求 滾筒材質市場上目前有鋼質、鋁質、鋼質外包Pu塑料三種。鋼質使用較多,性能穩(wěn)定,使用壽命長；鋼質外包塑料，長時間運轉之后，容易發(fā)軟和跑帶拈連。表面處理，滾筒上有細小的螺紋，可防止刮傷，有些品牌的滾輪沒有經過這樣的表面處理，或處理得極為粗糙，容易生銹。一般來說,滾輪尺寸越大，在相同速度的情況下，轉的圈數越少，對傳動系統(tǒng)的壓力越小，使用壽命越長，但同時家用跑步機又要考慮到馬達動力及選型方面的因素。在保證馬達動力足夠以及家用跑步機對外形要求的前提下，有部分廠家跑步機滾筒尺寸一般以45mm和60mm左右為主。 主動滾筒的外圓全跳動小于0.33mm，從動滾筒的外圓全跳動小于0.25mm。滾筒均采用2.1mm壁厚的優(yōu)質鋼管，光潔度達到0.8以下。滾筒均有防靜電處理。滾筒外部經防銹處理。下圖5-2，圖5-3分別為前后滾筒。 圖5-2 前滾筒 圖5-3 后滾筒 5.5 小結 滾筒要求做動平衡調節(jié)、動平衡精度高，噪音低。避免滾筒偏移，導致跑步帶發(fā)生扯裂，造成健身者發(fā)生意外。下圖為滾筒動平衡調節(jié)模式，需要定時做的平衡調節(jié)。 圖5-4 滾筒的動平衡調節(jié) 第6章 跑步板及跑步帶設計 6.1 跑步板 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，避免長期的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，比如膠合板、電木板。使用高密度纖維板時的破裂強度最佳，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，也可以在基板上復合耐磨金屬板制成。電木板的絕緣阻抗高，抗靜電效果好，表層任性佳，可延長跑帶運動壽命，具備越用越滑順的特性。而業(yè)界常用以中密度纖維板和高密度纖維板居多。 6.2 跑步帶 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。跑步帶，其實就是提供一個跑步的面積，如果隨便設計跑步帶面積的大小，左右寬度及前后長度不夠時，就無法自然邁開步伐，跑起來及其不順暢，容易磕磕碰碰，造成健身者的損傷。根據之前了解的人體運動工學推算，45cm寬X130cm長，應是一個合宜的參考面積，然后再依120kg的實際條件做增減。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，讓跑步者跑步時可以更加舒適。 6.3 跑帶調整：兩個螺栓調整法 圖6-1 跑帶的調整 （1） 兩個螺栓調整法： 如果跑帶偏向左邊，先取出鑰匙，拔下電源插頭。使用六角螺母扳手，以順時針方向旋轉跑臺左后側的滾筒調整螺栓轉90°（四分之一轉），還有以反時針方向旋轉跑臺右后側的滾筒調整螺栓轉90°（四分之一轉）。勿過度鎖緊跑帶。完成后，插入跑步機的電源插頭與鑰匙，讓跑帶運轉幾分鐘。重復本段動作，直到跑帶位在中央位置。圖6-1所示跑帶的調整圖。 如果跑帶偏向右邊，先取出鑰匙，拔下電源插頭。使用六角螺母扳手，以反時針方向旋轉跑臺左后側的滾筒調整螺栓轉90°（四分之一轉），還有以順時針方向旋轉跑臺右后側的滾筒調整螺栓轉90°（四分之一轉）。勿過度鎖緊跑帶。完成后，插入跑步機的電源插頭與鑰匙，讓跑帶運轉幾分鐘。重復本段動作，直到跑帶位在中央位置。 圖6-2 跑帶左右偏調整方式 （2） 增減跑帶張力： 要增加跑帶的張力時，先取出鑰匙，拔下電源插頭。使用六角螺母板手，以順時針方向旋轉跑臺后側的兩個滾筒調整螺栓轉90°（四分之一轉）。跑帶張力適當時，應該可以將跑帶的任何一邊移離跑臺3mm-4mm。注意不能過度鎖緊跑帶如圖6-2。完成后，插入跑步機的電源插頭與鑰匙，讓跑帶運轉幾分種。重復本段動作，直到跑帶張力調整到適當為止。 要減少跑帶的張力時，先取出鑰匙，拔下電源插頭。使用六角螺母扳手，以反時針方向旋轉跑臺后側的兩個滾筒調整螺栓轉90°（四分之一轉）。跑帶張力適當時，應該可以將跑帶的任何一邊移離跑臺3mm-4mm。注意不能過度鎖緊跑帶如圖6-3。完成后，插入跑步機的電源插頭與鑰匙，讓跑帶運轉幾分鐘。重復本段動作，直到跑帶張力調整到適當為止。 圖6-3 跑帶張力大小調整方式 6.4 跑臺潤滑油的添加 之前已經提到跑步機的跑步板，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。為了更好地保護機器和舒適地使用跑步機，我們從中加入了潤滑油，下面是： （1） 使用潤滑油的作用： 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。 （2） 品質要求： ① 耐高溫； ② 黏度高； ③ 不易揮發(fā)。 （3） 使用方法： ① 先停機，防止加油過程中傷到手。 ② 加油前最好清潔一下，特別是跑步板與跑步帶之間混進雜物，灰塵。 ③ 掀開左側跑步帶，將潤滑油沿跑步帶方向倒在跑步板上，控制用量為 10 ml，不可過量使用。右側同左側一樣操作方法。 ④ 將跑步機通電運轉在3 以內，人站上去隨著跑步帶一起運動，用腳有意識的踏壓跑步帶下涂有潤滑油的區(qū)域，使其在跑步板上散布均勻。 （4） 使用頻率與需要加油時間： ① 每天健身時間3-4小時左右的，加注潤滑油的周期為3個月； ② 每天健身時間8小時左右的，加注潤滑油的周期為2個月； ③ 每天健身時間12小時左右的，加注潤滑油的周期為1個月。 （5） 注意事項： 不可過量使用，防止摩檫力太小以至于跑步帶和傳動滾筒之間出現打滑影響正常使用。下圖為跑步板與跑步帶。 圖6-4 跑步板和跑步帶 6.5 小結 跑步板和跑步帶的設計是設計的重點，不光要提供一個寬敞舒適的跑步平臺，還得考慮之間的調整形式，防止出現帶偏問題，造成跑步機的損壞。跑步板和跑步帶之間摩擦產生的靜電問題也是不可忽視的，應該盡量通過細節(jié)的設計，提供一個真正的健康的鍛煉平臺。 第7章 避震系統(tǒng)的設計 7.1 避震系統(tǒng)的種類及原理 跑步機與戶外跑步的差別之一就是能夠很好地保護好膝蓋———跑步機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)。 目前市面下跑步機的避震系統(tǒng)主要有6種，其他的都是這6種避震方式的衍生或復合，例如加上二級避震系統(tǒng)。6種避震形式： （1） 擺臂式避震系統(tǒng)； （2） VCS避震系統(tǒng)； （3） Cushion Flex專利避震系統(tǒng)； （4） 弧形跑板減震系統(tǒng)； （5） Supra Cushion避震系統(tǒng)； （6） 軟跑板避震系統(tǒng)。 本次設計的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動力而達到避震的效果。因此避震效果是否可以有效的展現發(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，實現二級緩沖！本設計中之前提到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。 現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?！疤铡迸婆懿綑C減震系統(tǒng)設計相當敏感，站上跑步板，它會自動測出你的體重，根據數據，機器自動調整適合你的減震指數，避免膝蓋受傷。健身器目的是鍛煉身體，好的避震系統(tǒng)是跑步機的保障，如果沒有對力的多重緩沖，跑步機就成為了跑步的隱型殺手，在不自覺中會損傷關節(jié)，而設計獨特的避震系統(tǒng)能給鍛煉者帶來草地般舒適感覺，使在跑步機上的運動真正成為一種享受。 圖7-1 支架減震 圖7-2 底座減震 7.2 小結 減震系統(tǒng)的設計，是電動跑步機的必需，也是設計思路和技術攻克的重點。減震系統(tǒng)的設計和考慮程度決定著所設計跑步機的檔次。高檔跑步機可以根據體重自動調節(jié)減震系數。能夠更好地保護健身者的膝部，完成高質量的健身計劃。 第8章 輔助設計 8.1 扭腰盤設計 圖8-1 扭腰盤 圖8-2 扭腰盤力圖 根據人穿鞋子的大小，本次設計確定扭腰盤如圖8-1的大小直徑300mm，扭腰盤中心距支架的距離為401mm。上圖8-2為使用扭腰盤時的受力圖在扭腰盤上的應力通常集中在小軸的兩端部分。由于扭腰無沖擊力，本設計以120kg為例。那么小軸處的力矩計算如下： 則力矩 =471576 ·mm （8-1） （8-2） 所以，支點反力 （8-3） （8-4） （8-5） 所以截面切應力 （8-6） 扭腰盤設計特點： （1） 采用 ABS塑料+磁鐵制成，抗沖擊強度高，密度小，便于運輸，完全可以替代鑄件，表面光潔度好，不用噴涂，重量僅是鑄件的1/7，從運費上可節(jié)省6/7，采用此產品綜合成本效益可降低40% （2） 扭腰盤附有磁鐵，盤面突起直指病理反射區(qū)穴位，在扭腰同時進行腳底按摩。有足療作用。 （3） 身體隨著轉盤扭動，使腰部、跨部得到充分鍛煉，瘦腰美腿、保持身材。 （4） 通過磁療，把磁波傳列到人體，在細胞內發(fā)生旋渦狀的二次電流，排除多余脂肪及毒素。 （5） 增強血液循環(huán)，同時達到健美和鍛煉身體的目的。 8.2 連接結構設計 設計連接長桿直徑為85mm，通過長桿與跑步機前支架相連，相連處可翻轉，需要用到時，即把扭腰盤翻轉到皮帶上方，進行鍛煉。鍛煉完畢后，可直接翻轉折疊與地面垂直，即扭腰盤依附在支架上，進行跑步鍛煉。 此連接結構的設計優(yōu)點在于方便使用，避免不必要的碰傷，有助于健身者的各方面鍛煉需求。如圖8-3。 圖8-3 扭腰盤支架 8.3 旋轉結構設計 8.3.1 扭腰盤軸承選用 此扭腰盤選用單向推力軸承和深溝球軸承配合完成對軸轉動的的支撐。 8.3.2 單向推力軸承型號 軸承類型： 單向推力球軸承(50000)，軸承代號： 51104 軸承參數：軸承內徑：20，軸承外徑：35，軸承寬度：10，額定動載荷：11000，額定靜載荷：19800， 極限轉速：6700，潤滑方式：脂潤滑 工作參數：徑向載荷：0，軸向載荷：1000，使用壽命：3000，工作轉速：20，載荷系數：1.1 計算結果：當量動載荷：1100.00，當量靜載荷：1100.00，計算壽命：833350 深溝球軸承只是簡單起個軸向固定和保持軸位置的固定的作用。 下圖8-4為扭腰盤旋轉結構的內部結構圖。完善跑步機輔助構件。 圖8-4 扭腰盤旋轉機構 8.4 小結 輔助設計表現在兩方面，一個是通過程序的設計，設計不同的模式使鍛煉者可以進行不同程度的鍛煉。另一個是添加輔助器件，比如此設計中扭腰盤，但是不是功能越多越好，必須考慮彼此不影響，保證鍛煉的合理性。 第9章 使用和維護 9.1 跑步機的維護與保養(yǎng) ⑴ 擺放--跑步機最好不要室外使用,若陽臺使用,務必防雨防暴曬.擺放場所要干凈平整,注意防潮,注意勿將跑步機放置厚地毯一類物品上,以免影響跑步機底遮板空氣流通。 ⑵ 清潔--定期清除灰塵以保護部件的清潔.一定要清掃跑帶兩邊暴露在外的部分,減少跑帶下雜物的堆積.確保運動鞋干凈,避免把異物攜帶進跑帶下磨損跑步板和跑帶.可用肥皂和清潔布清洗跑帶,切勿使用清潔劑，并在每次使用完跑步機后，將把手，跑帶上的汗水擦干。 ⑶ 潤滑油的使用--跑板和跑帶之間出廠前已經涂好防靜電潤滑油.如果你覺得在機器運轉100小時后在跑帶和跑板間涂一次機器自帶的潤滑油。 ⑷ 跑帶對中調節(jié)--為了使跑步機更好的工作,我們油必要將跑帶調整到最佳狀態(tài).由于我們跑步時經常左右腳的用力不一致,故有時跑帶會出現偏離的現象.如果跑帶偏向右邊,將右邊的調節(jié)螺栓沿順時針方向旋轉1/2圈,再將左邊的調節(jié)螺栓沿逆時針旋轉1/2圈即可.若跑帶偏向左邊,反之即可。 9.2 如何使用跑步機 （1） 在進行跑步機訓練之前，一定要記得不能空腹運動，最好先吃點東西，還要進行準備活動，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。而且還要穿上干凈的運動鞋。 （2） 跑步機上跑步的時候，記得，自己的站位很重要，必須是選擇站在運動帶，也就是跑帶的中間部分，不要太靠前，也不要太靠后，否則太靠前會踩到前板，而太后的話，則會被跑帶甩出跑步機，出現意外傷害。 （3） 在跑步快結束的時候，記得，不能立刻停下來，而是需要慢慢地把速度調下來，并最終到慢走的狀態(tài)。記得，一定要用這樣的順序，否則你立刻停下來，會讓你出現頭暈的情況。而且用這種過度的速度，也會讓你的身體得到運動后的放松和肌肉松馳等。 9.3 其他注意細節(jié) （1）