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華僑大學(xué)廈門工學(xué)院
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
課題名稱：基于UG的家用多功能電動跑步機(jī)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院：
專 業(yè)：
班 級：
姓 名：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師：
2015年 3月
摘 要
跑步機(jī)是家庭日常生活經(jīng)常用到的器材，它具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于各場所和家庭。根據(jù)人體工程學(xué)而設(shè)計(jì)的跑步機(jī)，符合一般人的健身要求，這樣的設(shè)計(jì)科學(xué)合理。
本題目是休閑娛樂類跑步機(jī), 跑步機(jī)為主要設(shè)計(jì)對象，并駕駛，動力由共同提供，并且使用壽命長，容易維修，可在路面長時(shí)間行駛，安全性能高的跑步機(jī)。
跑步機(jī)在現(xiàn)今市場上依舊比較少見，其原因主要在于其市面已有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分不合理，使用的穩(wěn)定性不高。至此導(dǎo)致市面上多為跑步機(jī)較為少見。此次課題設(shè)計(jì)，力求設(shè)計(jì)出優(yōu)于市面原有的產(chǎn)品，完善跑步機(jī)的缺點(diǎn)，真正意義上的讓跑步機(jī)推廣出來。
關(guān)鍵詞：跑步機(jī)，跑步機(jī)，健身，機(jī)械設(shè)計(jì)
39
Abstract
The treadmill is family often used in daily life of equipment, it has the advantages of simple structure, high reliability, has been widely used in various places and families. The treadmill is designed according to human body engineering, accords with the general fitness requirements, this design is scientific and reasonable.
This topic is entertainment treadmill, running as the main design object, and driving, power is to provide, and long service life, easy to repair, be on the road a long time running, high safety performance.
Running on a treadmill on the market today is still relatively rare, the main reason is that the market has been part of the structural design is unreasonable, the stability is not high. This leads to the market for the treadmill is rare. This topic design, and strive to design better than the market existing products, improve treadmill shortcomings, the true sense of the extended out to the treadmill.
Key Words:,treadmill, treadmills, fitness, mechanical design
目 錄
摘 要 2
Abstract 3
目 錄 4
第1章 緒論 6
1.1 跑步機(jī)市場調(diào)查 6
1.1.1 前言 6
1.1.2 跑步機(jī)的發(fā)展史 6
1.2 種類分析 8
1.3 跑步機(jī)的設(shè)計(jì)分析 8
第2章 人體工程學(xué)與跑步機(jī)設(shè)計(jì) 12
2.1 設(shè)計(jì)原則 12
2.2 人機(jī)工程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 13
2.3 影響跑步機(jī)性能的人體因素 14
2.4 跑步機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要素分析 16
2.5人一機(jī)動態(tài)特性分析 17
第3章 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.1跑步機(jī)的構(gòu)成 18
3.2 跑步機(jī)方案設(shè)計(jì) 18
3.3 同步帶的概述 19
3.3.1同步帶介紹 19
3.3.2同步帶的特點(diǎn) 20
3.3.3同步帶傳動的主要失效形式 20
3.3.4 同步帶傳動的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 22
3.3.5同步帶分類 22
3.4 同步帶傳動計(jì)算 23
3.4.1 同步帶計(jì)算選型 23
3.4.2 同步帶的主要參數(shù)（結(jié)構(gòu)部分） 26
3.4.3 同步帶的設(shè)計(jì) 28
3.4.4 同步帶輪的設(shè)計(jì) 28
3.5 帶傳動的張緊裝置的選擇 29
3.6 軸的設(shè)計(jì) 31
3.6.1帶輪上力的計(jì)算 31
3.6.2材料 31
3.6.3計(jì)算軸的最小直徑 31
3.6.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 31
3.7 軸的校核 32
3.8 鍵的校核 32
3.9 軸承的校核 33
結(jié) 論 35
參考文獻(xiàn) 37
致 謝 38
第1章 緒論
1.1 跑步機(jī)市場調(diào)查
1.1.1 前言
跑步機(jī)的設(shè)計(jì)涉及到功能、造型、材料、結(jié)構(gòu)、技術(shù)、藝術(shù)等多方面要素，有深厚的理論基礎(chǔ)和廣泛的應(yīng)用實(shí)踐價(jià)值，更是一個(gè)國家家具設(shè)計(jì)水平的最好體現(xiàn)。跑步機(jī)不僅僅用于供人休息，除了提供座位之外，還可以掛放衣物和包之類的東西。跑步機(jī)是人類坐姿活動不可缺少的家具，根據(jù)實(shí)用性質(zhì)的不同，跑步機(jī)包括多種形態(tài)，而且由于材料、結(jié)構(gòu)等的差別，又可以形成許多不同的形式。
1.1.2 跑步機(jī)的發(fā)展史
早的古埃及的黃金扶手器材到當(dāng)前多種多樣的坐具，跑步機(jī)經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展歷程，從重象征性、裝飾性向重實(shí)用性、舒適性發(fā)展。發(fā)展至當(dāng)代，雖然各種跑步機(jī)在設(shè)計(jì)風(fēng)格方面的界限已經(jīng)不那麼分明，但我們?nèi)钥梢詫⑵錃w結(jié)為以下幾種：即波普及后現(xiàn)代主義風(fēng)格；簡約設(shè)計(jì)風(fēng)格；有機(jī)現(xiàn)代主義風(fēng)格：高技術(shù)派設(shè)計(jì)風(fēng)格。
跑步機(jī)的名稱始見于唐代，而跑步機(jī)的形象則要上溯到漢魏時(shí)傳入北方的胡床。敦煌285窟壁畫就有兩人分坐在跑步機(jī)上的圖象；257窟壁畫中有坐方凳和交叉腿長凳的婦女；龍門蓮花洞石雕中有坐圓凳婦女。這此圖象生動地再現(xiàn)了南北朝時(shí)期器材、凳在仕宦貴族家庭中的使用情況。盡管當(dāng)時(shí)的坐具已具備了跑步機(jī)、凳子的形狀，但因其時(shí)沒有器材、凳的稱謂，人們還習(xí)慣稱之為“胡床”，在寺廟內(nèi)，常用于坐禪，故又稱禪床。唐代以后，跑步機(jī)的使用逐漸增多， 跑步機(jī)設(shè)計(jì)子的名稱也被廣泛使用，才從床的品類中分離出來。因此，論及器材、凳的起源，必須從漢魏時(shí)的胡床談起。高承《事物紀(jì)原》引《風(fēng)俗通》稱：“漢靈帝好胡服，景師作胡床，此蓋其始也，今交器材是也”?！逗鬂h書。五行志一》：“漢靈帝好胡服、胡帳、胡床、胡坐、胡飯……，京都貴戚皆竟為之?！边@兩段記載可證，我國古代跑步機(jī)的出現(xiàn)當(dāng)在漢靈帝時(shí)期（168-189年）。胡床在魏晉南北朝至隋唐時(shí)期使用較廣，有錢、有勢人家不僅居室必備，就是出行時(shí)還要由侍從扛著胡床跟隨左右以備臨時(shí)休息之用。胡床在當(dāng)時(shí)家具品類中是等級較高的品種，通常只有家中男主人或貴客才有資格享用。在方人雅士中還多有褒詞及生動描述。如南朝梁庾肩吾《詠胡床詩》曰：
傳名乃外域，入用信中京。
足欹形已正，文斜體自平。
臨堂對遠(yuǎn)客，命旅誓出征。
何如淄館下，淹流奉盛明。
胡床因其形態(tài)特點(diǎn)又有“交床”和“繩床”之稱。隋朝稱“交床”，是因?yàn)樗甯咦嬉庠诩伞昂弊?，器物涉“胡”字者，咸令改之。宋。陶《清異錄》云：“胡床施轉(zhuǎn)關(guān)以交足，穿繃帶以容坐，轉(zhuǎn)縮須臾，重不數(shù)斤。相傳明皇行幸頻多，從臣扈駕，欲息無以寄身，遂創(chuàng)意如此，當(dāng)時(shí)稱‘逍遙坐’”。胡床開始并無靠背，形如今天所見的馬扎兒。唐代始有靠背。這種逍遙坐很可能就是帶靠背的胡床。胡床最早出現(xiàn)于漢代，比唐明皇早幾百年，要說為唐明皇創(chuàng)意顯然不妥。所以這里所說的創(chuàng)意，應(yīng)指增加了靠背。胡床在唐宋時(shí)期盛行，宋代尤甚，不過宋時(shí)稱胡床者漸少，而稱其為交器材的逐漸增多了。
帶靠背的胡床始自唐明皇，還可以從唐代《濟(jì)瀆廟北海壇祭器雜物銘。碑陰》的記載中得到印證，文中記有：“繩床十，內(nèi)四跑步機(jī)”。從這段記載可知在唐代貞元元年已有了跑步機(jī)的名稱。這里所說的“繩床十，內(nèi)四跑步機(jī)”是指在十件繩床中有四件是可以倚靠的跑步機(jī)，顯然是為了與另外六件無靠背繩床相區(qū)別?？梢姡懿綑C(jī)的名稱雖已出現(xiàn)，在日常生活中可是常見家具，但它還未完全從床概念中分離出來。在唐代的典籍中，把跑步機(jī)稱為床的仍很普遍。唐代著名詩人杜甫在《少年行。七絕》中寫道：
馬上誰家白面郎，臨街下馬坐人床。
不通姓名粗豪甚，指點(diǎn)銀瓶索酒嘗。
五代至宋，高型坐具空前普及，跑步機(jī)的形式也多起來，出現(xiàn)靠背器材、扶手器材、圈器材等。同時(shí)根據(jù)尊卑等級的不同，跑步機(jī)的形制、質(zhì)料和功能也有所區(qū)別。五代至兩宋時(shí)期的家具大體保留著唐代遺風(fēng)，只是高型家具較前更加普及了。高型家具的使用在民間形成時(shí)尚，居家必備高型桌器材，這從當(dāng)時(shí)的繪畫中可見一斑。如宋代張擇端《清明上河圖》中的市肆小店，無不陳放各式高型家具。宋代《會昌九老圖》中描繪的圈器材也是前代沒有品種。在近年發(fā)掘的宋代墓葬中還有以石、陶制作的家具模型或在墓室墻壁用磚砌成或雕成各式家具，其中表現(xiàn)墓主夫婦對坐在跑步機(jī)上的場面最為普遍。如河南方城出土的石器材殘件、河北井徑縣柿莊七號宋墓墓室磚雕桌器材、柿莊二號墓墓室壁畫《對坐圖》中的桌器材、洛陽澗西宋墓墓室的磚雕家具等。這說明跑步機(jī)等高型坐具不僅在人們?nèi)粘Ｉ钪衅毡槭褂?，還被人微言輕殉葬用器。
1.2 種類分析
跑步機(jī)價(jià)格較為廉價(jià)，已然普遍到各家各戶，隨著“時(shí)尚、運(yùn)動、健康、綠色、環(huán)?！崩砟畹纳钊肴诵模懿綑C(jī)類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、材料、工藝、款式也跟隨市場需求，新材料、精加工、巧構(gòu)思、高品質(zhì)和高附加值的跑步機(jī)精品不斷涌現(xiàn)。跑步機(jī)不但成為人們的代步交通工具，而且進(jìn)入運(yùn)動、休閑、娛樂、時(shí)尚領(lǐng)域，并融入更多的科技、文化元素，成為所有家庭的必備用具。跑步機(jī)發(fā)展，在使用功能上說變化已很少了，現(xiàn)代跑步機(jī)的主要發(fā)展在于機(jī)架的造型行變化，表面的處理如烤漆、商標(biāo)的變化使其外觀更美；對自機(jī)上的每一個(gè)零件進(jìn)行精雕細(xì)琢的改進(jìn)，使其更合理、美觀；對跑步機(jī)的材料上的選用與開發(fā)。由此致使跑步機(jī)功能上的變化也沒有很大的改變。
1.3 跑步機(jī)的設(shè)計(jì)分析
1.3.1設(shè)計(jì)流程
跑步機(jī)是對人們活動起輔助作用的工具，首先必須能夠承受人們活動帶來的各種力量和沖擊。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該考慮到跑步機(jī)對外部沖擊的承受力，否則就不能充分體現(xiàn)跑步機(jī)的實(shí)用功能。因此設(shè)計(jì)師應(yīng)在充分了解跑步機(jī)構(gòu)造的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到既美觀又實(shí)用的目的。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的構(gòu)筑了如下的設(shè)計(jì)流程。
1概念化階段
概念化階段是整體設(shè)計(jì)的理念和宗旨，是保證今后具體設(shè)計(jì)得以順利進(jìn)行的前提條件。對跑步機(jī)設(shè)計(jì)概念化進(jìn)行設(shè)定的過程，涉及跑步機(jī)相關(guān)的功能性、構(gòu)造和材料以及形狀等問題。對于“某種設(shè)計(jì)為什么應(yīng)該采取那樣的形狀或構(gòu)造？”“為什么應(yīng)該用那樣的材料生產(chǎn)？”等問題，概念化階段都要做出總體的說明。設(shè)計(jì)的概念化要充分反映設(shè)計(jì)師的理念和價(jià)值，發(fā)揮他們的創(chuàng)造性，所以它不應(yīng)是其他人的意見，而應(yīng)該是設(shè)計(jì)師自己的想法。
2體化階段
具體化階段是按照在概念化階段設(shè)定的設(shè)計(jì)方案，解決家具的構(gòu)造、功能和美觀問題并創(chuàng)造出其基本形狀。在這個(gè)階段要畫很多草圖、圖樣，做出模型，還要選擇材料，討論跑步機(jī)的構(gòu)造以及其他一些細(xì)節(jié)問題等。跑步機(jī)設(shè)計(jì)的具體化階段就是創(chuàng)造出產(chǎn)品形狀的過程，簡單地講就是做出跑步機(jī)造型的外觀圖樣，并對其進(jìn)行論證。
3整體外觀階段
跑步機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是將重點(diǎn)放在符合整體的外觀和核心架構(gòu)的設(shè)計(jì)上。產(chǎn)品的外觀、跑步機(jī)的造型以及穩(wěn)定的構(gòu)造應(yīng)該既反映設(shè)計(jì)師的精湛設(shè)計(jì)，又能實(shí)現(xiàn)人們對舒適的要求，這就是設(shè)計(jì)家具的重點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們以在具體化階段提出的產(chǎn)品外觀為基準(zhǔn)做出了如下的骨架模型。可以說這是為實(shí)現(xiàn)自頂向下的設(shè)計(jì)方式而做出的基本模型。跑步機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是將重點(diǎn)放在符合整體的外觀和核心架構(gòu)的設(shè)計(jì)上。產(chǎn)品的外觀、跑步機(jī)的造型以及穩(wěn)定的構(gòu)造應(yīng)該既反映設(shè)計(jì)師的精湛設(shè)計(jì)，又能實(shí)現(xiàn)人們對舒適的要求，這就是設(shè)計(jì)家具的重點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們以在具體化階段提出的產(chǎn)品外觀為基準(zhǔn)做出了如下的骨架模型?？梢哉f這是為實(shí)現(xiàn)自頂向下的設(shè)計(jì)方式而做出的基本模型。
從這個(gè)骨架模型中，我們不僅可以看到體現(xiàn)著產(chǎn)品概念的外觀，還可以獲得產(chǎn)品各種配件位置和連接的信息，如核心架構(gòu)（Core），傾斜度(Tilt)，底座（Base），扶手（ArmRest）等。這可以由設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品并做出草圖的同時(shí)，從3個(gè)角度，即曲面（Surface），曲線（Curve），基準(zhǔn)面（DatumPlane）來表現(xiàn)。這種骨架模型是與上面提到的三個(gè)階段中對家具設(shè)計(jì)的內(nèi)容相聯(lián)系的，用于設(shè)計(jì)師很少接觸的筋（Rib），凸臺（Boss），體格構(gòu)造等的設(shè)計(jì)中。當(dāng)然這對于沒有相關(guān)基本知識的設(shè)計(jì)師來說幾乎是不可能的事情，但只要是在內(nèi)部開發(fā)過2個(gè)以上模型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師，都可以親自完成模型各部分器具設(shè)計(jì)。
4計(jì)檢驗(yàn)階段
通過以上各階段步驟完成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)并不是完美的。尤其是跑步機(jī)與人體結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，可以說人們對產(chǎn)品設(shè)
跑步機(jī)設(shè)計(jì)合理性和適用性的評判是很重要的。因此應(yīng)該對設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)。對于跑步機(jī)的設(shè)計(jì)來說，跑步機(jī)的大腿——底座（Base）部分能否穩(wěn)定地支撐人體體重是很重要的。當(dāng)然除此之外對Back，即支撐人體背部的器材背部分和ArmRest，即扶手部分的檢驗(yàn)也是很必要的。
對跑步機(jī)底座（Base）的說明通過以上一系列說明，我們可以了解設(shè)計(jì)師對產(chǎn)品零部件進(jìn)行親自設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。當(dāng)然比起專門的零部件設(shè)計(jì)者來說，他們的設(shè)計(jì)可能還存在著不足，但是這拓展了設(shè)計(jì)師的工作領(lǐng)域，重要的是創(chuàng)造產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師通過參與產(chǎn)品的整個(gè)開發(fā)過程，可以開發(fā)出更具親和力，符合人體工程學(xué)的產(chǎn)品。
1.3.2 設(shè)計(jì)要素
1實(shí)用性
實(shí)用性就是泛指滿足人們生活需求開始與發(fā)展的。現(xiàn)代家具不但要可靠、適用、安全，更重要的是滿足它的使用功能與舒適度。無論是靜負(fù)荷類家具或動負(fù)荷類家具，都應(yīng)根據(jù)人體工效學(xué)的基本法則，結(jié)合人體的生理和心理的需求，設(shè)計(jì)出合理的家具尺度的和空間分割距離，給消費(fèi)者創(chuàng)造一種最大限度的舒適和方便以及安全感、視覺美感等，最終回歸到最佳實(shí)用效果的目的上來?，F(xiàn)代家具賦予人們的美感是，通過人們的視覺、觸覺感官來體會與感應(yīng)的。而家具的實(shí)用性程度，則是通過人們的反復(fù)使用、接觸與鑒別驗(yàn)證的?，F(xiàn)代家具設(shè)計(jì)師水平的高低，只有通過努力探索、長期實(shí)踐與不斷總結(jié)，才能使自己的設(shè)計(jì)作品逐步達(dá)到日臻完善的設(shè)計(jì)追求目的。
2 藝術(shù)性
現(xiàn)代家具已不單純是簡單的日用消費(fèi)品，家具產(chǎn)品作為一種文化現(xiàn)象發(fā)展到今天，它已經(jīng)是現(xiàn)代人類生活中調(diào)劑居室環(huán)境的藝術(shù)品、裝飾品、是融藝術(shù)與實(shí)用于一體的一代全新消費(fèi)品。同時(shí)也是直接影響到室內(nèi)陳設(shè)藝術(shù)效果和現(xiàn)代居室文化品味的重要樂章和主旋律。為此，現(xiàn)代家具設(shè)計(jì)師就必須從這一高度來認(rèn)真研究與分析家具設(shè)計(jì)的要素中的藝術(shù)性問題。家具設(shè)計(jì)過程中，不可或缺地要靈活借用實(shí)用美術(shù)設(shè)計(jì)中的一些基本做法，其中如產(chǎn)品外觀形體穩(wěn)定的均衡；線型的諧和與靈氣；裝飾紋樣的生動與形象逼真；五金輔件的格調(diào)的選擇；都需要設(shè)計(jì)師在實(shí)踐工作中，不斷提高自己的實(shí)用美術(shù)學(xué)科修養(yǎng)水平，才能適應(yīng)當(dāng)前中國國內(nèi)市場國際化的激烈競爭態(tài)勢。沒有好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，便沒有較多市場份額的占有。
3 工藝性
誠如以上所述，當(dāng)前，我國家具工業(yè)產(chǎn)品的科技制造含量已經(jīng)發(fā)生了巨大變化，幾代構(gòu)造特點(diǎn)的不同工藝構(gòu)造款式的家具，都在不同的陳設(shè)環(huán)境與商場中頻煩亮相、爭奇斗妍。發(fā)展最為突出的是板式家具，或稱實(shí)木家具。70年代跑步機(jī)設(shè)計(jì)
宣傳比較多的KD型家具，今天已經(jīng)發(fā)展到具有國際先進(jìn)水平的RTA型家具。筆者可以斷言，板塊構(gòu)成，實(shí)木裝飾型的新一代板式家具將會在我國家具工業(yè)產(chǎn)品系列中，長期占有一席之地，其發(fā)展前景也是舉足輕重的。
早在1995年的《家具》雜志編委年會上，業(yè)內(nèi)著名學(xué)者專家就曾針對中國國內(nèi)家具業(yè)發(fā)展趨勢，明確提出了今后我國家具工業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)目標(biāo)應(yīng)本著“板式家具高檔化，實(shí)木家具藝術(shù)化，現(xiàn)代家具時(shí)裝化，設(shè)計(jì)手法個(gè)性化”的設(shè)計(jì)理論導(dǎo)向和真知灼見。姑且不論上述論點(diǎn)正確與否，但有一點(diǎn)勿庸置辯，現(xiàn)代家具，無論其工藝構(gòu)成特點(diǎn)與含量如何，企業(yè)為適應(yīng)國內(nèi)市場國際化的竟?fàn)幮枰?，愈來愈趨向多品種、小批量、短周期的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)方式。為便于家具實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，又要兼顧到這類產(chǎn)品的工藝特殊性，形勢迫使我們家具設(shè)計(jì)師在完成造型設(shè)計(jì)的同時(shí)，還必須把握與駕馭產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)一環(huán)的工作。先迸的技術(shù)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)造型工藝的具體手段，由于科技的發(fā)展，給復(fù)雜的造型工藝提供了可靠保證，設(shè)計(jì)師匠心獨(dú)造和綜合技術(shù)，可以創(chuàng)造出新的造型表現(xiàn)形式，傳統(tǒng)的加工方式，技術(shù)與造型的關(guān)系是同等的，現(xiàn)代家具設(shè)計(jì)師，則必須是家具工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)先進(jìn)設(shè)備與高工藝水平加工技藝的熟知者與掌握者。從事專業(yè)設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員，應(yīng)該是具有新型結(jié)構(gòu)工藝制造學(xué)方面的復(fù)合型人材，方能挑起歷史賦予我們的重任。
4 經(jīng)濟(jì)性
現(xiàn)代家具設(shè)計(jì)中，經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)亦應(yīng)是設(shè)計(jì)師不容忽視的一個(gè)重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，這其中也包涵了工藝性設(shè)計(jì)的外延與內(nèi)涵，諸如加工手段與方法、材料的選擇與構(gòu)成,工藝程序排列等等。板式家具設(shè)計(jì)中的單塊構(gòu)件下料法(配料法)與零部件綜合下料法，前后兩者對比，后一種方法可節(jié)約原料8-10%。其中，同樣也包括人造板材類型的選擇與應(yīng)用；裝飾貼在材料的應(yīng)用方法與成本節(jié)約問題。
舉一例，毗鄰的兩家工廠設(shè)計(jì)一種雷同的巴洛克風(fēng)格的休閑器材，由于其中一家工廠不注重研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的經(jīng)濟(jì)性沒計(jì)內(nèi)容和方法，忽視了物耗成本這一價(jià)值規(guī)律，結(jié)果是兩家工廠的材料利用率相差3-5%。誠然，這其中不乏含有設(shè)計(jì)師水平高低之別?，F(xiàn)代家具設(shè)計(jì)師只有在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，將實(shí)用性、藝術(shù)性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性(目標(biāo)成本法則)有機(jī)地結(jié)合與靈活運(yùn)用，才能實(shí)現(xiàn)不斷推出好的產(chǎn)品,奉獻(xiàn)給廣大消費(fèi)者
第2章 人體工程學(xué)與跑步機(jī)設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)原則
跑步機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸是根據(jù)人體尺寸來設(shè)計(jì)的,各個(gè)部分的定位均參照人體尺寸。人體的主要尺寸:國標(biāo)GB10000-1988給出身高、體重、上臂長、前臂長、大腿長、小腿長共六項(xiàng)主要尺寸數(shù)據(jù)。
下表是我國成年人人體主要尺寸和坐姿人人體尺寸(摘自GB10000-1988《中國成年人人體尺寸》):
主要尺寸
男(18～60歲)
女(15～55歲)
百分位數(shù)
5
50
95
5
50
95
身高
1583
1678
1775
1484
1570
1659
體重∕kg
48
59
75
42
52
66
上臂長
289
313
338
262
284
308
前臂長
216
237
258
193
213
234
大腿長
428
465
505
402
438
476
小腿長
338
369
403
313
344
376
坐姿尺寸
男(18～60歲)
女(15～55歲)
坐高
858
908
958
809
855
901
坐姿頸椎
615
657
701
579
617
657
坐姿眼高
749
798
847
695
739
783
坐姿肩高
557
598
641
518
556
594
坐姿肘高
228
263
298
215
251
284
坐姿大腿
112
130
151
113
130
151
坐姿膝高
456
493
532
424
458
493
小腿加足
383
413
448
342
382
405
坐深
421
457
494
401
433
469
臀膝距
515
554
595
496
529
570
坐姿下肢
921
992
1063
851
912
975
表 我國成年人人體主要尺寸和坐姿人體尺寸
設(shè)計(jì)要點(diǎn)：
1. 座的形式與尺度及其功用有關(guān)
2. 座材的尺度必須參照人體測量學(xué)數(shù)據(jù)確定
3. 身體的主要重量應(yīng)由臀部坐骨結(jié)節(jié)承擔(dān)
4. 座材前緣處，大腿與跑步機(jī)之間壓力應(yīng)盡量減小
5. 腰椎下部應(yīng)提供支承，設(shè)置適當(dāng)?shù)目勘骋越档捅巢烤o張度
6. 器材墊必須有足夠的墊料和適當(dāng)?shù)挠捕?，使其有助于體重壓力均勻地分布于坐骨結(jié)節(jié)區(qū)域
組成跑步機(jī)的功能是供人騎行，就發(fā)揮跑步機(jī)的功能作用而言，把人看作跑步機(jī)的組成部分是完全合理的。因此，人在騎機(jī)時(shí)組成了人一機(jī)系統(tǒng)，該人一機(jī)系統(tǒng)中的人一機(jī)界面關(guān)系可由圖1-1來進(jìn)行分析。
2.2 人機(jī)工程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)
1、人與支撐部件的關(guān)系
支撐部件主要有機(jī)架、前叉、鞍座等，是跑步機(jī)的構(gòu)架。支撐部分將其他零部件固定在相互間正確的位置上，保證跑步機(jī)的整體性，實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)的功能。從人機(jī)關(guān)系來看，鞍座、機(jī)把和機(jī)架等的位置和大小，以及它們間的相互關(guān)系，與騎機(jī)人的位置和肌肉的動作有著性的設(shè)計(jì)參數(shù)。
2、人與動力接受部件關(guān)系
動力接受部件主要是腳蹬和曲柄。動力是靠騎機(jī)人的雙腳踩在腳蹬上，下肢運(yùn)動的力使曲柄轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的。為了使人省力和有舒適感，必須在騎跑步機(jī)人的體格和體力與跑步機(jī)元件的尺寸關(guān)系上下功夫，即研究人體下肢肌肉的收縮運(yùn)動與曲柄轉(zhuǎn)動之間的能量轉(zhuǎn)換問題。
3、人與傳動部件關(guān)系
傳動部件主要是滾珠、鏈條和帶輪。人的作用力是通過鏈條和帶輪傳動而帶動后輪轉(zhuǎn)動，從而使跑步機(jī)前移。傳動部分的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要有較高的傳動效率和可靠性，且有易操縱的變速機(jī)構(gòu)。保證較高的傳動效率，才能使人用一定的肌力而獲得較大的輸出功率。
4、人與工作部件關(guān)系
工作部件就是機(jī)輪，即機(jī)圈、輪胎等。絕大部分輪胎是充氣的，少數(shù)是實(shí)心的。機(jī)輪一方面把騎機(jī)人的肌肉力量，有效地轉(zhuǎn)換為同地面接觸而向前運(yùn)動的力；另一方面將騎機(jī)人的握力轉(zhuǎn)換為與接地部分所產(chǎn)生的剎機(jī)阻力。在設(shè)計(jì)跑步機(jī)的各部分尺寸、機(jī)閘及變速器等時(shí)，應(yīng)該著眼于騎機(jī)人一動力一傳動一工作的連貫性，才可能設(shè)計(jì)出同騎機(jī)人手的大小或握力相適應(yīng)的閘把、剎機(jī)力適當(dāng)?shù)臋C(jī)閘，才不會發(fā)生剎機(jī)阻力不夠而造成失誤現(xiàn)象。
2.3 影響跑步機(jī)性能的人體因素
影響跑步機(jī)性能的人體因素很多，如圖1-2 所示?，F(xiàn)主要分析下述幾點(diǎn)：
1．人的體格因素
以身高 H 為基本因素，其他身體的能力與 H 成比例，并有與H2、 H3成比例的特性。如手 臂、腿、氣管等的長度與身高成比例，從而以骨關(guān)節(jié)為中心所產(chǎn)生的力矩、步幅等，都取決于H的大小。肌肉、大動脈、骨骼的截面積以及肺泡的表面積等都可看成與 H2成比例。肺活量、血液量、心臟容量等都可看成與 H3成比例。體格對出力性能的影響，從理論上講，彈跳能力與H成比例，速度能力與 H2成比例，作功能力和 H3成比例。但實(shí)際上因每個(gè)人身體素質(zhì)不同，常有20％以上的偏差。
2．人的下肢肌力
跑步機(jī)騎行的原動力，主要是騎機(jī)人的下肢肌力。人騎機(jī)時(shí)，骨骼肌肉內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為肌肉收縮的機(jī)械能。跑步機(jī)腳蹬的轉(zhuǎn)動就是通過腿肌收縮出力而完成的，一般說腿肌長的人比腿肌短的人有利。肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的力，一般與肌肉的截面積成比例，約為每平方厘米40--50N ，通過一定訓(xùn)練的人可提高到65N 。
圖1-2 影響跑步機(jī)性能的人體因素
3．人的輸出功率
人輸出的功率隨著騎機(jī)人的體格、體力、騎機(jī)姿勢、持續(xù)時(shí)間和速比等的變化而變化。一般成年男人的最大輸出功率約為 0.7 馬力（ 0.51 kw ) ，能持續(xù) 10s左右。如果持續(xù)時(shí)間長，其值要小得多，持續(xù) lh ，大約只有 1.0-0.7馬力（0.07-0.15kw）。
4．人的腳踏速度
跑步機(jī)運(yùn)動是很有節(jié)奏的，其節(jié)奏常常與人的心臟節(jié)律保持一定關(guān)系。健康人的心臟跳動為70 次／min ，一般腳踏以 60r/min 節(jié)奏轉(zhuǎn)動較為合適。設(shè)計(jì)時(shí)以這一常用速度來確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。
5．人的平衡機(jī)能
騎機(jī)人本身的平衡機(jī)能是影響跑步機(jī)性能的重要因素，如果缺少平衡機(jī)能，哪怕是運(yùn)動性能很好的跑步機(jī)也不能平穩(wěn)行駛；若人有很好的平衡機(jī)能，卻可掩蓋跑步機(jī)設(shè)計(jì)上的某些缺陷。
6．人的手和握力
影響剎機(jī)性能的人的因素主要是人的手和握力，男性和女性，成年人和兒童，手的大小和握力都不相同。據(jù)試驗(yàn)，為了長時(shí)間施閘而不致使手有疼痛的感覺，希望只用最大握力的10％左右便能得到必要的減速度。
7 ．人的疲勞
人體疲勞和疼痛是對騎機(jī)出力性能的不利因素，其產(chǎn)生原因有人體因素，也有跑步機(jī)結(jié)構(gòu)因素。疲勞和疼痛一般是由于部分肌肉負(fù)擔(dān)過大，騎機(jī)姿勢不合適，以及體重對鞍座的體壓分體不合適等引起的。此外，影響出力因素還有人的最大攝氧量。
2.4 跑步機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要素分析
影響跑步機(jī)性能的因素除了上述人的因素外，還有許多機(jī)械因素，如圖1-3所示。為了獲得跑步機(jī)較佳的性能，必須把人的因素與機(jī)械因素有機(jī)地結(jié)合起來，以使人一機(jī)協(xié)調(diào)。為此，著重分析與人體相關(guān)的結(jié)構(gòu)要素。
1．速比
大小帶輪的齒數(shù)比，與帶輪直徑比相一致，一般控制在2.3-4.0的范圍內(nèi)。利用速比關(guān)系可取得騎行時(shí)所必要的功率和必要的速度。速比要合適，如果太小，無論人的肌力有多大，由于不能充分提高轉(zhuǎn)速，所以就得不到大的輸出功率。也由于速比小，在限定的曲柄轉(zhuǎn)速下，得不到必要的騎行速度（后輪轉(zhuǎn)速）。速比過大時(shí)，要求的踏力也大，容易使人疲勞。為了保持不疲倦的持續(xù)騎行，希望肌肉的負(fù)擔(dān)約為最大肌力的10% ，按此選擇速比和曲柄轉(zhuǎn)速，可得到比較好的效果。
2．曲柄長度
傳統(tǒng)的跑步機(jī)設(shè)計(jì)，一般從杠桿原理考慮比較多，對人研究少，認(rèn)為曲柄越長越有力。曲柄
過長后，為了不使腳蹬碰到前泥板，不得不加大中軸至前軸的距離（前心距）。這樣勢必加長機(jī)架，影響了正確的坐機(jī)姿勢，使人感到臀部痛。若能按人的身長或下肢長來考慮曲柄長度，則可使人省力和舒適。通常曲柄長度的基準(zhǔn)，取人體身長的 1／10 ，也相當(dāng)于大腿骨長的 1／2 。
4 ．鞍座位置
鞍座裝得過低，騎行時(shí)雙腳始終呈彎曲狀態(tài)，腿部肌肉得不到放松，時(shí)間長了就會感到疲軟
無力；鞍座裝得過高，騎行時(shí)腿部的肌肉拉得過緊，腳趾部分用力過多，雙腳也容易疲勞。騎機(jī)時(shí)適當(dāng)?shù)挠昧Σ课皇悄_掌。設(shè)計(jì)或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窩部位中心緊靠鞍座中部，使手的中指能觸到裝配帶輪的中軸心為宜。人體各部尺寸都有一定的聯(lián)系，只要腋窩中心至中指的長度確定下來，鞍座高度便可大致確定。行駛較快的機(jī)，鞍座位置要向前移動，行駛較慢的機(jī)，鞍座位置要向后移動，否則都不利于騎行，如圖1-4 ( b ）、（ c ）所示。
5 ．機(jī)閘
設(shè)計(jì)時(shí)，閘把開擋、力率和閘把力要與人手的大小和握力相適應(yīng)。靈敏度高的機(jī)閘，隨著閘把上力的增大，剎機(jī)力也按比例地增加。如果閘把力到達(dá)某一程度不發(fā)生剎機(jī)作用，繼而又驟然生效，說明這種機(jī)閘設(shè)計(jì)不良。在緊急情況下操縱時(shí)，理想的施閘力和減速度見表1-1 。
表1-1 理想的施閘力和減速度
閘把施閘力/N
相對握力%
減速度
說明
60
350
500
10
70
100
0.1g
0.6g
0.8g
控制下坡速度
全剎機(jī)
緊急全剎機(jī)
注：g=9.8m/s2
2.5人一機(jī)動態(tài)特性分析
1 ．動態(tài)穩(wěn)定性
跑步機(jī)的穩(wěn)定是行駛過程中的穩(wěn)定，是一種動態(tài)平衡的穩(wěn)定性。動態(tài)穩(wěn)定性影響到跑步機(jī)騎行中的動作，包括直進(jìn)穩(wěn)定性和前后左右方向的穩(wěn)定性，見圖 1-5(a）。顯然，穩(wěn)定性對安全行駛是必不可少的特性。
2．力學(xué)特性
跑步機(jī)行駛在平地上轉(zhuǎn)彎的條件是側(cè)向力（與離心力平衡）與跑步機(jī)總重量（人和機(jī)的重量）的合力作用線要通過輪胎與地面的接觸點(diǎn)。這當(dāng)然與騎機(jī)人有關(guān)，但更重要的是跑步機(jī)的造型要有適合這種力學(xué)特征的結(jié)構(gòu)形式。
人體和機(jī)身向內(nèi)傾的角度相等。即騎機(jī)人身體的中心線和機(jī)子的中心線一致時(shí)，跑步機(jī)就可以轉(zhuǎn)彎，即所謂中傾旋轉(zhuǎn)，見圖1-5(b) ；騎機(jī)人的傾斜角比機(jī)子的傾斜角大時(shí)，此時(shí)的轉(zhuǎn)彎即所謂內(nèi)傾旋轉(zhuǎn)，見圖（c）；騎機(jī)人的傾斜角比機(jī)子的傾斜角小時(shí)，此時(shí)的轉(zhuǎn)彎即所謂外傾旋轉(zhuǎn)。
第3章 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1跑步機(jī)的構(gòu)成
跑步機(jī)的整體構(gòu)成由以下幾大模塊：
(1).機(jī)身
在行駛中，機(jī)身的造型對整個(gè)行駛的效率有著很大的影響，因?yàn)闄C(jī)身的造型直接影響到的是行進(jìn)的阻力。此處設(shè)計(jì)的水陸跑步機(jī)的機(jī)體造型也已達(dá)到最小阻力位佳，通過流體力學(xué)，我們可以針對各種造型在水中行進(jìn)時(shí)所受的阻力進(jìn)行分析，核定最佳造型設(shè)計(jì)以達(dá)到最佳運(yùn)動效率。
(2).傳動系統(tǒng)
通過機(jī)械設(shè)計(jì)我們可以比較確切的分析各種傳動系統(tǒng)的傳動關(guān)系進(jìn)而計(jì)算出總傳動系統(tǒng)的傳動效率進(jìn)行核算。
(4).導(dǎo)向機(jī)構(gòu)
正常直線行駛時(shí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)應(yīng)不構(gòu)成阻力，設(shè)計(jì)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)應(yīng)簡單便捷為好。
3.2 跑步機(jī)方案設(shè)計(jì)
目前跑步機(jī)設(shè)計(jì)各式各樣，這里的設(shè)計(jì)主要從傳動系統(tǒng)方面來結(jié)合設(shè)計(jì)。分析以上性能需求
工作機(jī)構(gòu)類型選擇帶傳動,屬于定傳動比勻速轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)。帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉 能緩和載荷沖擊，運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲，過載時(shí)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(hù)作用
3.3 同步帶的概述
3.3.1同步帶介紹
同步帶是綜合了帶傳動、鏈條傳動和齒輪傳動的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來的新塑傳動帶。它由帶齒形的一工作面與齒形帶輪的齒槽嚙合進(jìn)行傳動，其強(qiáng)力層是由拉伸強(qiáng)度高、伸長小的纖維材料或金屬材料組成，以使同步帶在傳動過程中節(jié)線長度基本保持不變，帶與帶輪之間在傳動過程中投有滑動，從而保證主、從動輪間呈無滑差的間步傳動。
同步帶傳動（見圖3-1）時(shí)，傳動比準(zhǔn)確，對軸作用力小，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油，耐磨性好，抗老化性能好，一般使用溫度-20℃―80℃，v<50m/s，P<300kw,i<10,對于要求同步的傳動也可用于低速傳動。
圖3.1 同步帶傳動
同步帶傳動是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動時(shí)，通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動力。 同步帶傳動具有準(zhǔn)確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大，一般可達(dá)1:10。允許線速度可達(dá)50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，一般可達(dá)98%，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動，不需潤滑，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。 本產(chǎn)品廣泛用于紡織、機(jī)床、煙草、通訊電纜、輕工、化工、冶金、儀表儀器、食品、礦山、石油、汽車等各行業(yè)各種類型的機(jī)械傳動中。同步帶的使用，改變了帶傳動單純?yōu)槟Σ羵鲃拥母拍?，擴(kuò)展了帶傳動的范圍，從而成為帶傳動中具有相對獨(dú)立性的研究對象，給帶傳動的發(fā)展開辟了新的途徑。
3.3.2同步帶的特點(diǎn)
(1)、傳動準(zhǔn)確，工作時(shí)無滑動，具有恒定的傳動比；
(2)、傳動平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低；
(3)、傳動效率高，可達(dá)0.98，節(jié)能效果明顯；
(4)、維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護(hù)費(fèi)用低；
(5)、速比范圍大，一般可達(dá)10，線速度可達(dá)50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達(dá)幾瓦到幾百千瓦；
(6)、可用于長距離傳動，中心距可達(dá)10m以上。
3.3.3同步帶傳動的主要失效形式
在同步帶傳動中常見的失效形式有如下幾種：
(1)、同步帶的承載繩斷裂破壞
同步帶在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承載繩斷裂損壞是常見的失效形式。失效原因是帶在傳遞動力過程中，在承載繩作用有過大的拉力，而使承載繩被拉斷。此外當(dāng)選用的主動撈輪直徑過小，使承載繩在進(jìn)入和退出帶掄中承受較大的周期性的彎曲疲勞應(yīng)力作用，也會產(chǎn)生彎曲疲勞折斷(見圖3-2)。
圖3.2 同步帶承載繩斷裂損壞
(2)、同步帶的爬齒和跳齒
根據(jù)對帶爬齒和跳齒現(xiàn)象的分析，帶的爬齒和眺齒是由于幾何和力學(xué)兩種因素所引起。因此為避免產(chǎn)生爬齒和跳齒，可采用以下一些措施：
1、控制同步帶所傳遞的圓周力，使它小于或等于由帶型號所決定的許用圓周力。
2、控制帶與帶輪間的節(jié)距差值，使它位于允許的節(jié)距誤差范圍內(nèi)。
3、適當(dāng)增大帶安裝時(shí)的初拉力開。，使帶齒不易從輪齒槽中滑出。
4、提高同步帶基體材料的硬度，減少帶的彈性變形，可以減少爬齒現(xiàn)象的產(chǎn)生。
(3)、帶齒的剪切破壞
帶齒在與帶輪齒嚙合傳力過程中，在剪切和擠壓應(yīng)力作用下帶齒表面產(chǎn)生裂紋此裂紋逐漸向齒根部擴(kuò)展，并沿承線繩表面延件，直至整個(gè)帶齒與帶基體脫離，這就是帶齒的剪切脫落（見圖3-3）。造成帶齒剪切脫落的原因大致有如下幾個(gè)：
1、同步帶與帶輪問有較大的節(jié)距差，使帶齒無法完全進(jìn)入輪齒槽，從而產(chǎn)生不完全嚙合狀態(tài)，而使帶齒在較小的接觸面積上承受過大的載荷，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致帶齒剪切損壞。
2、帶與帶輪在圍齒區(qū)內(nèi)的嚙合齒數(shù)過少，使嚙合帶齒承受過大的載荷，而產(chǎn)生剪切破壞。
3、同步帶的基體材料強(qiáng)度差。
為減少帶齒被剪切，首先應(yīng)嚴(yán)格控制帶與帶輪間的節(jié)距誤差，保證帶齒與輪齒能正確嚙合；其次應(yīng)使帶與帶輪在圍齒區(qū)內(nèi)的嚙合齒數(shù)等于或大于6，此外在選材上應(yīng)采用有較高勿切韌擠壓強(qiáng)度的材料作為帶的基體材料。
圖3.3 帶齒的剪切破壞
(4)、帶齒的磨損
帶齒的磨損（見圖3-4）包括帶齒工作面及帶齒齒頂因角處和齒谷底部的廓損。造成磨損的原因是過大的張緊力和忻齒和輪齒間的嚙合干涉。因此減少帶齒的磨損，應(yīng)在安裝時(shí)合理的調(diào)整帶的張緊力；在帶齒齒形設(shè)計(jì)時(shí)，選用較大的帶齒齒頂圓角半徑，以減少嚙合時(shí)輪齒的擠壓和刮削；此外應(yīng)提高同步帶帶齒材料的耐磨性。
圖3.4 帶齒磨損
(5)、同步帶帶背的龜裂(圖3-5)
同步帶在運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)期后，有時(shí)在帶背會產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象，而使帶失效。同步帶帶背產(chǎn)
生龜裂的原因如下，
1、帶基體材料的老化所引起；
2、帶長期工作在道低的溫度下，使帶背基體材料產(chǎn)生龜裂。
圖3.5 同步帶帶背龜裂
防止帶背龜裂的方法是改進(jìn)帶基體材料的材質(zhì)，提向材料的耐寒、耐熱性和抗老化性能，此外盡量避免同步帶在低溫和高溫條件下工作。
3.3.4 同步帶傳動的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
據(jù)對同步帶傳動失效形式的分析，可知如同步帶與帶輪材料有較高的機(jī)械性能，制造工藝合理，帶、輪的尺寸控制嚴(yán)格，安裝調(diào)試也正確，那么許多失效形式均可避免。因此，在正常工作條件下，同步帶傳動的主要失效形式為如下三種；
(1)同步帶的承載繩疲勞拉斷；
(2同步帶的打滑和跳齒；
(3)同步帶帶齒的磨損。
因此，同步帶傳動的設(shè)計(jì)淮則是同步帶在不打滑情況下，具有較高的抗拉強(qiáng)度，保證承線繩不被拉斷。此外，在灰塵、雜質(zhì)較多的工作條件下應(yīng)對帶齒進(jìn)行耐磨性計(jì)算。
3.3.5同步帶分類
同步帶齒有梯形齒和弧齒兩類，弧齒又有三種系列：圓弧齒(H系列又稱HTD帶)、平頂圓弧齒(S系列又稱為STPD帶)和凹頂拋物線齒（R系列)。
梯形齒同步帶 梯形齒同步帶分單面有齒和雙面有齒兩種，簡稱為單面帶和雙面帶。雙面帶又按齒的排列方式分為對稱齒型（代號DA)和交錯(cuò)齒型(代號DB〕。
梯形齒同步帶有兩種尺寸制：節(jié)距制和模數(shù)制。我國采用節(jié)距制，并根據(jù)ISO 5296制訂了同步帶傳動相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11361～11362-1989和GB/T 11616-1989。
弧齒同步帶 弧齒同步帶除了齒形為曲線形外，其結(jié)構(gòu)與梯形齒同步帶基本相同，帶的節(jié)距相當(dāng)，其齒高、齒根厚和齒根圓角半徑等均比梯形齒大。帶齒受載后，應(yīng)力分布狀態(tài)較好，平緩了齒根的應(yīng)力集中，提高了齒的承載能力。故弧齒同步帶比梯形齒同步帶傳遞功率大，且能防止嚙合過程中齒的干涉。
弧齒同步帶耐磨性能好，工作時(shí)噪聲小，不需潤滑，可用于有粉塵的惡劣環(huán)境。已在食品、汽車、紡織、制藥、印刷、造紙等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
3.4 同步帶傳動計(jì)算
3.4.1 同步帶計(jì)算選型
設(shè)計(jì)功率是根據(jù)需要傳遞的名義功率、載荷性質(zhì)、原動機(jī)類型和每天連續(xù)工作的時(shí)間長短等因素共同確定的，表達(dá)式如下：
式中 ——需要傳遞的名義功率
——工作情況系數(shù)，按表2工作情況系數(shù)選取=1.7；
表3-3.工作情況系數(shù)
確定帶的型號和節(jié)距
可根據(jù)同步帶傳動的設(shè)計(jì)功率Pd'和小帶輪轉(zhuǎn)速n1，由同步帶選型圖中來確定所需采用的帶的型號和節(jié)距。
其中Pd=0.63kw，n1=61rpm。查表3-4
表3-4
選同步帶的型號為H：，節(jié)距為：Pb=8.00mm
選擇小帶輪齒數(shù)z1，z2
可根據(jù)同步帶的最小許用齒數(shù)確定。查表3-3-3得。
查得小帶輪最小齒數(shù)14。
實(shí)際齒數(shù)應(yīng)該大于這個(gè)數(shù)據(jù)
初步取值z1=34故大帶輪齒數(shù)為：z2=i×z1=1×z1=34。
故z1=34，z2=34。
確定帶輪的節(jié)圓直徑d1，d2
小帶輪節(jié)圓直徑d1=Pbz1/π=8.00×34/3.14≈86.53mm
大帶輪節(jié)圓直徑d2=Pbz2/π=8.00×34/3.14≈86.53mm
驗(yàn)證帶速v
由公式v=πd1n1/60000計(jì)算得，
s﹤vmax=40m/s，確定帶長和中心矩
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》得
所以有：
現(xiàn)在選取軸間間距為取224mm
10、同步帶帶長及其齒數(shù)確定
=()
=
=719.7mm
11、帶輪嚙合齒數(shù)計(jì)算
有在本次設(shè)計(jì)中傳動比為1，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即=17。
12、基本額定功率的計(jì)算
查基準(zhǔn)同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量表4-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。
所以同步帶的基準(zhǔn)額定功率為
==0.21KW
表3-5 基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量
13、計(jì)算作用在軸上力
=
=71.6N
3.4.2 同步帶的主要參數(shù)（結(jié)構(gòu)部分）
1、同步帶的節(jié)線長度
同步帶工作時(shí)，其承載繩中心線長度應(yīng)保持不變，因此稱此中心線為同步帶的節(jié)線，并以節(jié)線周長作為帶的公稱長皮，稱為節(jié)線長度。在同步帶傳動中，帶節(jié)線長度是一個(gè)重要
參數(shù)。當(dāng)傳動的中心距已定時(shí)，帶的節(jié)線長度過大過小，都會影響帶齒與輪齒的正常嚙合，因此在同步帶標(biāo)準(zhǔn)中，對梯形齒同步帶的各種哨線長度已規(guī)定公差值，要求所生產(chǎn)的同步帶節(jié)線長度應(yīng)在規(guī)定的極限偏差范圍之內(nèi)（見表3-6）。
表3-6 帶節(jié)線長度表
2、帶的節(jié)距Pb
如圖3-4所示，同步帶相鄰兩齒對應(yīng)點(diǎn)沿節(jié)線量度所得約長度稱為同步帶的節(jié)距。帶節(jié)距大小決定著同步帶和帶輪齒各部分尺寸的大小，節(jié)距越大，帶的各部分尺寸越大，承載能力也隨之越高。因此帶節(jié)距是同步帶最主要參數(shù)．在節(jié)距制同步帶系列中以不同節(jié)距來區(qū)分同步帶的型號。在制造時(shí)，帶節(jié)距通過鑄造模具來加以控制。梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸見表3-5。
3、帶的齒根寬度
一個(gè)帶齒兩側(cè)齒廓線與齒根底部廓線交點(diǎn)之間的距離稱為帶的齒根寬度，以s表示。帶的齒根寬度大，則使帶齒抗剪切、抗彎曲能力增強(qiáng)，相應(yīng)就能傳動較大的裁荷。
圖3.7 帶的標(biāo)準(zhǔn)尺寸
表3-7 梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸
4、帶的齒根圓角
帶齒齒根回角半徑rr的大小與帶齒工作時(shí)齒根應(yīng)力集中程度有關(guān)t齒根圓角半徑大，可減少齒的應(yīng)力集中，帶的承載能力得到提高。但是齒根回角半徑也不宜過大，過大則使帶
齒與輪齒嚙合時(shí)的有效接觸面積城小，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選適當(dāng)?shù)臄?shù)值。
5、帶齒齒頂圓角半徑八
帶齒齒項(xiàng)圓角半徑八的大小將影響到帶齒與輪齒嚙合時(shí)會否產(chǎn)生于沙。由于在同步帶傳動中，帶齒與帶輪齒的嚙合是用于非共扼齒廓的一種嵌合。因此在帶齒進(jìn)入或退出嚙合時(shí)，
帶齒齒頂和輪齒的頂部拐角必然會超于重疊，而產(chǎn)生干涉，從而引起帶齒的磨損。因此為使帶齒能順利地進(jìn)入和退出嚙合，減少帶齒頂部的磨損，宜采用較大的齒頂圓角半徑。但與齒根圓角半徑一樣，齒頂圓角半徑也不宜過大，否則亦會減少帶齒與輪齒問的有效接觸面積。
6、齒形角
梯形帶齒齒形角日的大小對帶齒與輪齒的嚙合也有較大影響。如齒形角霹過小，帶齒縱向截面形狀近似矩形，則在傳動時(shí)帶齒將不能順利地嵌入帶輪齒槽內(nèi)，易產(chǎn)生干涉。但齒形角度過大，又會使帶齒易從輪齒槽中滑出，產(chǎn)生帶齒在輪齒頂部跳躍現(xiàn)象。
3.4.3 同步帶的設(shè)計(jì)
在這里，我們選用梯形帶。帶的尺寸如表3-8。帶的圖形如圖3-5。
表3-8 同步帶尺寸
型號
節(jié)距
齒形角
齒根厚
齒高
齒根圓角半徑
齒頂圓半徑
H
8
40。
6.12
4.3
1.02
1.02
圖3.8 同步帶
3.4.4 同步帶輪的設(shè)計(jì)
同步帶輪的設(shè)計(jì)的基本要求
1、保證帶齒能順利地嚙入與嚙出
由于輪齒與帶齒的嚙合同非共規(guī)齒廓嚙合傳動，因此在少帶齒頂部與輪齒頂部拐角處的干涉，并便于帶齒滑入或滑出輪齒槽。
2、輪齒的齒廊曲線應(yīng)能減少嚙合變形，能獲得大的接觸面積，提高帶齒的承載能力即在選探輪齒齒廓曲線時(shí)，應(yīng)使帶齒嚙入或嚙出時(shí)變形小，磨擦損耗小，并保證與帶齒均勻接觸，有較大的接觸面積，使帶齒能承受更大的載荷。
3、有良好的加了工藝性
加工工藝性好的帶輪齒形可以減少刀具數(shù)量與切齒了作員，從而可提高生產(chǎn)率，降低制造成本。
4、具有合理的齒形角
齒形角是決定帶輪齒形的重要的力學(xué)和幾何參數(shù)，大的齒形角有利于帶齒的順利嚙入和嚙出，但易使帶齒產(chǎn)生爬齒和跳齒現(xiàn)象；而齒形角過小，則會造成帶齒與輪齒的嚙合干涉，因此輪齒必須選用合理的齒形角。
同步帶輪的設(shè)計(jì)結(jié)果
同步帶輪用梯形齒，其圖形如圖4-4。
圖3.9 同步帶輪
3.5 帶傳動的張緊裝置的選擇
傳動中心不可變時(shí)，采用張緊輪
傳動中心可調(diào)時(shí)，采用滑軌+螺旋或者浮動軸。
??
表3-1張緊裝置
本跑步機(jī)中心距是可調(diào)的：
a=a0+(Le- Le0)/2
=150-1.48
=148.52mm
則a1=153.52mm a2=140.52mm
范圍在140.52---153.52之間，則通過螺栓的前后移動來調(diào)節(jié)電機(jī)的前后移動，從而實(shí)現(xiàn)帶的調(diào)緊和放松。
3.6 軸的設(shè)計(jì)
3.6.1帶輪上力的計(jì)算
軸上傳遞的功率=X0.96X0.97X0.97=30.63 w
轉(zhuǎn)矩=9550000=9550000x30.63/150=1950110N.mm
3.6.2材料
可選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
3.6.3計(jì)算軸的最小直徑
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-3可取=120，
由于軸的直徑小于100mm，且由3個(gè)鍵槽，故將軸徑增加15%，即
d=x(1+0.15)=7.066x1.05=8.1259 mm
將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑，取d=10 mm
3.6.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、軸結(jié)構(gòu)
2、根據(jù)軸向定位的要求，確定軸的各段直徑和長度。
（1）、根據(jù)飛輪內(nèi)徑可得d67=30 mm，根據(jù)飛輪的寬度可得出L67=20 mm，右側(cè)采用軸肩定為，取d78=38 mm，L78=11 mm。
（2）、初選深溝球軸承D6204，其尺寸為dxDxB=20x47x14,故d45=d910=20 mm，根據(jù)裝配關(guān)系取L45=L910=15 mm 。
（3）、5處為一定位軸肩，故取d56=d89=25 mm，根據(jù)裝配關(guān)系，計(jì)算得L56=L89=383 mm 。
（4）、3處為一定位軸肩，故取d23=d910=16 mm，根據(jù)裝配關(guān)系，計(jì)算得L23=L910=33 mm。
（5）、1處為軸的最小直徑d=10 mm，攻螺紋，與螺母配合，選擇螺母為 GB/T 6172.1。通過查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》的螺母厚度m=5 mm，由于采用雙螺母預(yù)緊，故取L12=L1213=19 mm。
（6）、4處為一定位軸肩，所以取d34=d1011=18 mm，根據(jù)裝配關(guān)系計(jì)算得出，L34=L1011=40 mm。
至此已經(jīng)確定了軸的各段長度和直徑。
3.7 軸的校核
需要驗(yàn)算傳動軸薄弱環(huán)節(jié)處的傾角荷撓度。驗(yàn)算傾角時(shí)，若支撐類型相同則只需驗(yàn)算支反力最大支撐處傾角；當(dāng)此傾角小于安裝齒輪處規(guī)定的許用值時(shí)，則齒輪處傾角不必驗(yàn)算。驗(yàn)算撓度時(shí)，要求驗(yàn)算受力最大的齒輪處，但通?？沈?yàn)算傳動軸中點(diǎn)處撓度（誤差<%3）.
當(dāng)軸的各段直徑相差不大，計(jì)算精度要求不高時(shí)，可看做等直徑，采用平均直徑進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算花鍵軸傳動軸一般只驗(yàn)算彎曲剛度，花鍵軸還應(yīng)進(jìn)行鍵側(cè)擠壓驗(yàn)算。彎曲剛度驗(yàn)算；的剛度時(shí)可采用平均直徑或當(dāng)量直徑。一般將軸化為集中載荷下的簡支梁，其撓度和傾角計(jì)算公式見【5】表7-15.分別求出各載荷作用下所產(chǎn)生的撓度和傾角，然后疊加，注意方向符號，在同一平面上進(jìn)行代數(shù)疊加，不在同一平面上進(jìn)行向量疊加。
：通過受力分析，
最大撓度：
查【1】表3-12許用撓度；
。
3.8 鍵的校核
鍵和軸的材料都是鋼，由【4】表6-2查的許用擠壓應(yīng)力,取其中間值，。鍵的工作長度，鍵與輪榖鍵槽的接觸高度。由【4】式（6-1）可得
可見連接的擠壓強(qiáng)度足夠了，鍵的標(biāo)記為：
3.9 軸承的校核
⑴、軸軸承的校核
Ⅰ軸選用的是深溝球軸承6206，其基本額定負(fù)荷為19.5KN, 由于該軸的轉(zhuǎn)速是定值，所以齒輪越小越靠近軸承，對軸承的要求越高。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)該對Ⅰ軸未端的滾子軸承進(jìn)行校核。
②軸傳遞的轉(zhuǎn)矩
∴
受力
根據(jù)受力分析和受力圖可以得出軸承的徑向力為:
在水平面：
在水平面：
∴
④因軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中有中等沖擊載荷，又由于不受軸向力，【4】表13-6查得載荷系數(shù)，取，則有：
⑤軸承的壽命計(jì)算:所以按軸承的受力大小計(jì)算壽命
故該軸承6206能滿足要求。
⑵、其他軸的軸承校核同上，均符合要求。
圖3-2 UG跑步機(jī)整體設(shè)計(jì)圖
結(jié) 論
經(jīng)過幾個(gè)月的努力，并且在指導(dǎo)老師和同學(xué)的幫助下完成了此次跑步機(jī)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，從最開始查找各種關(guān)于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的資料到確定總體方案，機(jī)械傳動部件的選型，最后到撰寫說明書，這是一個(gè)學(xué)習(xí)的過程，更是一個(gè)實(shí)踐的過程。在大學(xué)四年當(dāng)中，我接觸和吸收了大量機(jī)械知識，通過此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，讓我能有機(jī)會把學(xué)到的理論知識用到實(shí)踐中。在今后的學(xué)習(xí)生活中，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的經(jīng)歷將起到重要幫助作用，通過設(shè)計(jì)使我更加接近生產(chǎn)實(shí)際，鍛煉了將理論運(yùn)用于實(shí)際的分析和解決實(shí)際問題的能力，鞏固、加深了有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識。
通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我對機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的擬定有了一定的認(rèn)識，機(jī)械傳動部件的選用原則，機(jī)械傳動部件設(shè)計(jì)計(jì)算方案的原理等方面都有了一定的認(rèn)識。此次設(shè)計(jì)，我認(rèn)為最重要的事情就是讓我明白了，無論做什么事情，要想做好，必須態(tài)度端正；要善于學(xué)習(xí)，時(shí)刻學(xué)習(xí)；做事要嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真，細(xì)致、不怕吃苦，還要有創(chuàng)新精神。
參考文獻(xiàn)
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