机械创新设计―多功能健身器(第十一组)

现代设计制造班第一次大组交流PPT第十一组[键入文字]I现代设计制造班第二次大组交流PPT第十一组[键入文字]II现代设计制造班第三次大组交流PPT第十一组[键入文字]III多功能健身器材设计报告学院：机电工程学院班级：机械09现代组别：第11组[键入文字]4绪论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。电动跑步机，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。由于电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。一、市场调查目前市场上比较常见的有传统跑步机和电动跑步机两种。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[键入文字]5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。电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。用电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，在电动跑步机上跑、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电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，由于电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。二、设计任务与需求分析任务：设计一款具多功能于一体，同时又物美价廉、设计科学的健身器材。需求分析：综合仰卧起坐椅、跑步机、健身车、自主供电的功能，即可以同时实现腹部肌肉锻炼，跑步小腿肌肉训练，健身车既可锻炼腿部肌肉又可发电供跑步机使用。[键入文字]6设计任务书设计任务书课题编号课题名称设计者起止时间设计要求1功能主要功能:跑步、健身辅助功能：仰卧体做，骑车运动2适应性作业对象：家用工况：适合体重小于100kg环境：温度：室温、振动：振动小、噪声：小等3性能动力：1.5hp1.75hp2hp运动：速度：5~12km/h结构尺寸：面积450~550毫米×1500~1600毫米4生产能力生产率（理论的、额定的、实际的）5可靠性润滑：三个月润滑一次6使用寿命一次性使用寿命5年、多次性使用寿命（经过大修）10年7经济成本材料费用、设计费用、制造加工费用、管理费用8人机工程操作方便、省力、视野宽广、舒适、仪表显示清晰造型美观适度9安全起停开关、安全带10包装运输泡沫板定位，纸箱包装总功能提炼跑步健身辅助锻炼系统边界确定本次设计的任务是根据跑步者需要进行不同速度的跑步运动。并能实现多项健身运动。根据上述条件绘制黑箱如图2-1。[键入文字]7三、总功能分析本设计的工艺路线即从系统接到开始信号，驱动动力源，动力源通过传动系统把运动和动力传递给执行机构.根据以上过程绘制工艺路线图，如图2-2。四、功能分解确定功能结构跑步健身、仰卧起坐、骑车运动、安全保障五、功能单元求解表2-1形态学矩阵动力源电动机内燃机液压机传动系统带传动链传动齿轮传动棘轮传动齿轮齿条黑箱电动跑步机静止运动者动力源信号跑动运动员信号图1-1黑箱动力信号跑带运作图1-2工艺路线带动人跑步多功能跑步机跑步健身角度调节辅助功能仰卧体做骑车运动控制[键入文字]8方案求解表2.1跑步机功能求解多功能跑步机跑步功能跑步系统带传动电动调节坡度坡度调节系统齿轮齿条+杆机构手动实现发电发电系统复合轮系+发电机辅助锻炼辅助锻炼系统轴与轴承手动安全防护安全防护系统安全带，防滑道，急停开关控制选项电控系统另行设计方案评价动力机的选着以电机为优，因为其本产品适合小型电机。传动系统：首先考虑带传动，因为带传动适用于非重载远距离的机械中，制造和设计比较容易是比较理想的传动机构。带传动具有机构简单，成本低廉，能承受载荷冲击，运行平稳无噪声，过载是可起到过载保护的功能；链传动虽然承载能力比带大，但传动部平稳，且无过载保护；齿轮传动平稳、精密，但造价高，也无过载保护。综上所述，跑步机的传动用带传动最佳。起停装置：选择触屏电脑控制。坡度调节：是出于对本机器的跑步强度有更多的选择，特别是女性还要有提臀的效果；另外角度提升马力却很小，因此耗能比较小。因此一定角度的倾斜能减少电动机的负荷，一般用户在10°就已经足够了。健身车座椅采用可调试，这样可以和仰卧起坐椅共用，节省空间。跑步机速度控制在12km/h一下是因为家用的跑步机功率比较小，速度过高会导致动力不足，其次跑步机跑步空间有限如果速度太快会使跑步者踏空受伤，这是跑带滚轮式履带式健身车座椅固定式可调式调角度凸轮机构丝杠杆机构+齿轮齿条执行机构跑道跑带产能元件发电机储能元件蓄电池安全保护带轮安全带防滑跑道[键入文字]9出于安全考虑。发电系统中的加速机构选择复合轮系，应为复合轮系结构紧凑，传动比大。储能元件用蓄电池，发电机产生的电能通过整流器整流后，有蓄电池储存。系统原理方案确定最佳的方案是：表2-2最佳方案执行机构的动力源执行系统传动发电系统启停装置直流电动机带传动复合轮系+发电机触屏边界条件噪音要小、安全可靠、无极变速、节能、室温、减震、灰尘小。机构简图3-1机构简图[键入文字]10结构草图总体布置要求：结构紧凑操作维修调整方便外形美观保证刚度降低质心，减小偏置保证工艺流畅3-3总图布局图六、技术方案动力机的类型选择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(continuous)马力应该至少1.5马力以上，如果家人的体重有超过80公斤，则应选2.0持续(continuous)马力以上的跑步机。此跑步机设计标准为100公斤，则电动跑步机用电动机—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（可无级调速），调速范围宽，低速性能（启动转矩大），运行平稳，噪音低，效率高。电机计算选择：经百度知道家用跑步机一般选[键入文字]111.5hp1.75hp2.0hp传动筒所需功率：PW=FV/1000传动装置的总效率：η=η多楔带η跑带η2承按表4.2-9确定各部分效率如下：皮带传动效率：η多楔带=0.95；η跑带=0.96滚动轴承效率：η承=0.99则传动总效率：η=0.95×0.90×0.992=0.816所需电动机功率：Pr=PW/ηP电机=P/η多楔带η带η轴承=1.67×736÷（0.95×0.96×0.992×0.96）=1458W取1.458kw为满足上变电机要求电机参数为型号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级图3-1电机特性曲线图各轴转速、功率及转矩的计算[键入文字]12传动比的分配：1)各级传动比应在荐用值范围内。2)各级传动间应作到尺寸协调，结构匀称。一般使iVBiG.若带传动的传动比分配过大，大带轮的外径v大于减速器中心H时，会造成尺寸不协调或安装不便。3)各级传动件彼此不发生碰撞现象。4)两级齿轮传动比可按下式分配i1=(1.3~1.4)i2i=[(1.3~1.4)iΣ]-1/25)传动比分配总传动比:i=n0/nW=5据机械设计课程设计表17-9：取i多楔带=2，n0=3400r/min则跑带带传动比：i跑带=i/i多楔带=5/2=2.5电动机轴Po=Pr=1.458kwno=3400r/min3400458.195509550000nPT4.095Nm前轴：P1=P0×η多楔带=1458×0.95=1385Wn1=no/i带=3400/2=1700r/min1700385.195509550111nPT7.781Nm后轴：P2=P1×η带=1385×0.96=1329.6wn2=n1/i12=1700/2.5=680r/min6744.186803296.195509550222nPTNm[键入文字]13上述结果汇于下表：表3-1各轴运动及动力参数汇总表轴序号功率P(kw)转速n(r/min)转距T(Nm)传动形式传动比i效率η11．45834004．09521.38517007．781带传动20.9531.3368018．6744带传动2.50.96此跑步机设计标准为100公斤，则电动跑步机选用电动机—ZYT42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（可无级调速），调速范围宽，低速性能（启动转矩大），运行平稳，噪音低，效率高。按工作要求条件选用电动跑步机专用永磁直流电动机结构，电压220伏，YT42型。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