电动跑步机的设计

学校代码：10904学 士 学 位 论 文跑步机的设计姓 名：XXX学 号：2008051xxxx指导教师：XXX院系(部所)：机电工程学院专 业：机械设计制造及其自动化完成日期：2012年04月30日学校代码：10904学 士 学 位 论 文跑步机的设计姓 名：XXX学 号：2008051xxxx指导教师：XXX院系(部所)：机电工程学院专 业：机械设计制造及其自动化完成日期：2012年04月30日摘 要跑步机是家庭及健身房常备的器材，而且是当今家庭健身器材中最简单的一种，是家庭健身器的常用选择。电动跑步机通过电机带动跑带使人以不同的速度被动地跑步或走动，从动作外形上看，几乎与普通在地面上跑或走一样。本文基于家庭常用电动跑步机，分析其基本结构构造、机械原理，掌握各部件的基本特征及其各自之间的联系，在此基础上认识其功能的实现原理及基本特性。并基于此前提下通过优化设计尽力降低其成本价格，并努力缩小其使用及存放空间，在提高其运动价值基础之上使其体现出更大的市场价值，更多的为消费者所接受。关键词 跑步机，构造，机械原理AbstractTreadmill is commonly used in the home and the gymnasium,and it is one of the most simple gymnasium equipments.We can walk or run on the electric tread-mill as the transmission belt is drived by the motor.Almostly,it is the same with the general on the ground from the action point of view.The object of this study was based on the general electric treadmill to analysis its structure and mechanical principle and to know the association between each component and its functions. And based on this premise to reduce the cost price by optimizing the design,reduce the space of stroage. In improving the sports value basis to reflect the greater market value, the more accepted by consumers. Key Words: Treadmill Structure Mechanical principleii目 录第一章 绪论11.1 选题的目的和意义11.2 国内外的研究现状和发展趋势1第2章 总体方案设计22.1功能分析22.2 跑步机的基本结构设计2第3章 跑步板与跑步带的设计53.1 跑步板的设计53.2 跑步带的设计53.3 跑步台润滑油的添加5第4章 电动机的功率类型选择64.1 功率分析64.2 技术参数6第5章 传动机构设计85.1 设计步骤及参数选择85.2 多楔带带轮结构和尺寸选择105.3 带传动的张紧装置的选择11第6章 外形结构设计126.1 支架的设计126.2 前后罩的设计136.3 仰卧起坐架的设计14第7章 前后滚筒的设计167.1 轴承的选择和计算167.2 轴结构的设计167.3 强度计算177.4 滚筒要求18第8章 跑步机使用和维护198.1 如何安全使用跑步机198.2 跑步机的维护与保养19参考文献20致 谢21跑步机的设计第一章 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。1.1选题的目的和意义随着生活水平的提高，人们的健身意识随之增强。由于城市生活的快节奏和局限性，跑步机机进入了人们的视野。跑步机结构简单，使用方便，节省空间，是城市生活健身的最佳选择。而且在运动过程中，与实际陆地运动相比，可减轻疲劳感从而增加能量消耗，达到更好的运动健身效果。希望此设计对于处在工薪阶层的有运动渴望，却没有足够的运动空间和运动时间的人士来说是个好消息。1.2国内外的研究现状和发展趋势目前，美国仍旧是世界上最大的单个健身器材消费市场，亚太地区则是市场增长最快区域，2009年全球的健身器材销售中，跑步机的销售额也突破30亿美元。我国的健身器材行业自上世纪80年代末以来,经过多年的不断调整与发展,生产的室内健身器材产品已大量出口到欧美等发达国家，并进入主流市场。作者：xxx第1页共21页跑步机的设计第2章 总体方案设计2.1功能分析跑步机的功能就是构建一条运动的跑道，跑道运动的方向与运动者的跑动方向相反，但速度必须自动保持大小相同，这样就能够实现运动者在原地进行跑步锻炼了。为实现跑步机的功能，对跑步带的驱动与速度控制进行选择：通常使用直流电动机驱动，直流电动机通过半导体功率器件，使用脉冲宽度控制（PWM）方式实现调速。速度范围为0.812km/h，并设有3、8、12 三个速度直选键。 图 2-1 机构简图2.2 跑步机的基本结构设计电动跑步机主要由电动机、机架、跑步板、跑步带及仪表控制盘组成，速度传感器安装在紧靠在从动皮带轮的框架上，皮带调节螺栓一端连接在焊接于框架前端的孔板上，一端连接在电动机外壳的孔板上，另跑步机扶手架安装于支架的顶端，仪表控制盘安装于扶手架上。传动方式采用带传动机构。另外支架上安装有仰卧起坐架，实现仰卧起坐功能。图2-1 设计总图第3章 跑步板与跑步带的设计3.1跑步板的设计电动跑步机的跑步板，它由基板以及高密度导电耐磨板构成。基本是高密度纤维板，强度较高、重量较轻，成本较低，效果较好，本身也提供一部份的吸震功能。导电耐磨层既可长期承受跑步带的摩擦，使用寿命高；又可随时将摩擦产生的静电荷通过底座导出，避免静电对人体的不舒感和对跑步机造成的损害。导电耐磨层可以在基板上喷涂导电耐磨涂料固化制成，也可以在基板上复合耐磨金属板制成。导电耐磨涂料层工艺较简单，成本也较低。复合耐磨金属板则更牢固。复合耐磨金属板为复合铜板时效果更好，更耐磨。3.2跑步带的设计跑步带是电动跑步机的一个重要部件，跑步带的性能好坏直接影响跑步机的质量，影响跑步效果。要求跑步带抗延展性好，使用寿命长，不易变形。因此跑步带可以采用双层 PVC 十单层胚布材料。跑步带的尺寸应满足跑步这一功能的需要，长度方向应让人能轻松迈开步伐，根据人体运动工程学推算，设计为 1300mm;宽度应按照人体尺寸的肩宽度来确定，加上余量，设计为 450mm。理论上来说，在相同的马力条件下，如果跑步机所能提供的跑步带面积越大，且整台实际的占地面积越小，应是较佳的设计。3.3跑步台润滑油的添加润滑油的添加主要达到以下目：1、降低跑步板与跑步带之间的摩擦力及保护跑步板表面的耐磨涂层，以达到延长跑步带与跑步板的寿命。2、充分降低跑步机运行的电能损耗。3、让机器运行更加流畅，增强使用舒适性。润滑油的质量要求：耐高温、黏度高、不易挥发。使用方法：1、掀开右侧跑步带，将润滑油沿跑步带方向倒在跑步板上，控制用量为 10 ml。2、左侧同右侧使用相同的操作方法。3、人站在跑步机上随着跑步带一起运动的同时，使脚有意识的踏压跑步带下涂有润滑油的区域，以使其在跑步板上散布均匀。润滑油添加频率：正常情况下，每六个月润滑一次。注意事项：不能过量加注润滑油，防止因摩檫力太小，跑步带和传动滚筒之间出现打滑，从而影响其正常使用。图3-1跑步板与跑步带跑步带和跑步板的设计是设计的重点，因为它们不仅要提供一个舒适宽敞的跑步平台，还要考虑它们之间存在的摩擦问题，以及由摩擦而产生的静电问题，通过在细节的设计上，提供一个真正健康的锻炼平台。第4章 电动机的功率类型选择4.1 功率分析当人在跑步机上跑或走路时，跑步机实际承载了人体体重的0.82.5倍的重量，而电动机提供的马力（1马力=735W），就是在这样载荷下，能够满足并维持运动者所选择的运动速度，使人能够在跑步机上走跑自如。通常情况下，跑步机的一个马力大约能提供5060公斤的载荷，同时马力还与跑步带面积大小有直接关系。跑步机马力越大，能够带动的跑步带面积也就越大，在综合衡量效率与安全性后，一般建议家用跑步机合适的持续马力至少1.5马力以上，如果家人体重有过80公斤，应选持续马力2.0以上的跑步机。此跑步机设计标准为100公斤，选用2.0马力的ZYT42/06型永磁直流电动机。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。在调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能，运行平稳，噪音低，效率高。4.2 技术参数型号 ZYT42/06 电压220 VDC功率 2.0 HP 电流不大于9.8A转速34007% 转向 逆时针绝缘等级 F级图4-1 电动机外型图电动机特性曲线：表4-2 电动机特性曲线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，因此驱动电机的需提供低转速大转矩。而健身的人跑步快，但是重量轻，因此驱动电机需提供高转速小转矩机。跑步机必须满足家庭成员每一个人都能使用，因此调速范围要宽广，低速转矩要大，才能满足不同重量的人。目前跑步机使用的驱动装置以直流有刷电机为多，优点是价格便宜。第5章 传动机构设计工作机构类型选择带传动，属于定传动比匀速转动机构。带传动具有结构简单，成本低廉，能缓和载荷冲击，运行平稳，无噪声，过载时将引起带在带轮上打滑，因而可防止其他零件的损坏，具有过载保护作用。5.1设计步骤及参数选择ZYT42/06是专门为跑步机生产的永磁直流电动机，传动功率P=1.5KW，主动轮转速为n1=3400r/min， 传动比定为i=2:1。 由于多楔带适于传递功率较大而又要求结构紧凑的场合，特别能适应带轮直径小的传动，所以选则多楔带。【10】1、确定设计功率PA PAKAP （4-1） KA工作情况系数，根据跑步机使用的特性，选择每天工作时间10小时，载荷变动小。KA=1.1PA=1.1*1.5=1.65kw2、带型号的选择 对于多楔带的型号可根据设计功率PA=1.65KW和小带轮转速n1=3400r/min选取,根据书上表，选PJ型多楔带。3、确定带轮直径de1、de2（有效直径）小带轮有效直径：由表8-90demin=20mm,由表8-91选de1=33.5mm大带轮有效直径:小带轮节圆直径dp1=de1+2e=33.5+2*1.2=35.9mm由表8-90知，e=1.2大带轮节圆直径 dp2=idp1=2*35.9=71.8mmde2=dp2-2e=71.8-2*1.2=69.4mm由表8-91，选de2=63mm4、计算带速v v=dp1n1 /（601000） m/s （3-2） 一般v在525 m/s，最大30 m/s，在815 m/s较好V=*35.9*3400/60*1000=6.3930m/s,合适5、初定中心距a0对于V带传动，中心距a一般可取2（de1 de2 ）a00.7（de1de2） （3-3）72.03a0205.8初定 a0=150mm6、确定带的有效长度Le Le0=2a0+/2（de1de2）+(de2-de1)2/4a0=2*150+161.553+2.148=463.701mm由表8-52，选Le=450mm7、计算实际中心距a中心距的变动范围 考虑安装调整和补偿张紧力的需要（如胶带伸长而松弛后的张紧），尚需给中心距留有一定的调整余量。由表8-54知中心距的调整量为min=8mm,max=5mm a=a0+(Le- Le0)/2=150-6.85=143.15mm则a1=148.15mm a2=135.15mm8、计算小带轮包角1 -（de2-de1 ）/a=3.14-0.24=2.9rad9、带每楔所传递的额定功率及其增量由带型，de1=33.5mm，n1=3400r/min按表8-55用插值法计算的p0=0.14kw由i=2, n1=3400r/min,有表8-55用插值法计算得p0=0.02kw p=0.14+0.02=0.1610、计算带的楔数由表8-56用插值法计算K=0.97，KL=0.78Z0= PA /(p*K* KL)=1.65/（0.16*0.97*0.78）=13.63由表8-51选取Z=1211、有效圆周力F= Pd/v*103=0.26*103=260N12、作用在轴上的载荷为设计轴和轴承，需确定带传动作在轴上的力Fr得Kr=1.57 Kc=0.995则Fr=Kr*F=1.57*260*0.995=406.16N根据计算，跑步机传动机构选择12PJ450多楔带图5-1 PJ型多楔带5.2多楔带带轮结构和尺寸选择要求质量小；结构工艺性好；无过大的铸造内应力；质量分均匀，转速高时要经过动平衡 ；轮槽工作面要精细加工（表面粗糙度一般为3.2），以减少带的磨损；各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等。材料带轮的材料主要采用铸铁，常用材料的牌号为HT150或HT200；转速较高时宜采用铸钢（或用钢板冲压后焊接而成）；小功率时可用铸铝或塑料。结构设计带轮由轮缘，轮辐和轮毂三部分组成1）实心式：带轮基准直径小于3d(d为轴的直径)时2）腹板式：带轮基准直径小于300350mm时3）轮幅式：带轮基准直径大于300350mm时带轮的结构设计主要是根据带轮的基准直径选择结构形式，并根据带的型号及根数确定轮缘宽度，根据带的型号确定轮槽尺寸则小带轮D=33.5选取实心式，大带轮D=63选取腹板式小带轮随电机一起购买。规格：P12PJ33.5以跑步机大带轮P12PJ63为例确定其结构和尺寸：要求带轮每毫米有效直径的轮槽轴向圆跳动公差值为0.002mm.轮槽表面粗糙度Ra的最大允许值为3.2。槽距e=2.340.03 轮缘宽度f最小值为1.8， n槽数为12。带轮宽=（n-1）*e+f*2=11*2.34+1.8*2=29.34mm。5.3带传动的张紧装置的选择传动中心不可变时，采用张紧轮，传动中心可调时，采用滑轨+螺旋或者浮动轴。表5-3张紧装置本跑步机传动中心距是可调的，范围在140.52-153.52之间，则通过螺栓的前后移动来调节电机的前后移动，从而实现带的调紧和放松。第6章 外形结构设计6.1支架的设计支架在跑步机中起到支撑其他部件的作用，支撑着整个跑步机。跑步机的支架一般分成底部支架和上部支架两部分，通过插拔的形式安装和拆卸，目的是包装时节省空间，材料采用空心钢管，连接为焊接，保证稳定性。底部支架与地面接触，为了实现二级缓冲，通常会在其上按有橡胶垫和尾套；上部支架是两条斜安装的管，支架还包括扶手，仪表安装，辅助支架等。支架的设计如下图所示：图6-1（1） 上支架图6-1（2） 下支架图6-1（3） 总支架6.2前后罩的设计为保证安全性，同时为了技术保护和美观，必须将电动机与跑步带隔离开来。前罩使用工程塑料，美观，有质感，能起到有效的防护作用。设计基准为基架，通过螺钉与基架连接，方便安装和维护维修。如下图所示：图 6-2（1） 前罩图6-2（2） 后罩6.3仰卧起坐架的设计根据美国医疗协会报导,做仰卧起坐对人体新陈代谢 有绝对的帮助,其可增进肺部运动量因而提升免疫力。此设计结构简单，与支架焊接在一起，平稳坚固、使用简单，属于很大众化的设计，对强化胸部、腰部大小肌肉，消除腹部赘肉最有效，在锻炼中与跑步配合，使跑步机不再成为乏味的单一运动器械，而且结构位置丝毫不影响跑步带锻炼。图6-3 仰卧起坐架 整个结构的设计SOLIDWORKS2006进行三维的实体设计，使设计简单化和真实化，可以把工作的精力都放在设计上而不是复杂的制图上。第7章 前后滚筒的设计7.1 轴承的选择和计算本方案采用的是滚动轴承，它是由内圈、外圈、滚动体和保持架组成，与滑动轴承相比，具有摩擦阻力小、起动灵敏、效率高、功率消耗少、润滑简便、易于交换等优点，所以获得广泛的应用 。它的缺点是抗冲击能力较差，高速时出现噪声，工作寿命也不及液体摩擦的滑动轴承。轴承类型：深沟球轴承，轴承代号：630 轴承内径：30，轴承外径：40，轴承宽度：12，额定动载荷：7480，额定静载荷：4650，极限转速：22000， 润滑方式：脂润滑。7.2、轴结构的设计滚筒轴一般只承受弯矩，不承受扭矩，轴的毛坯一般用圆钢或锻件。轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸，要满足工艺要求，定位要求，安装调整要求，紧固要求，抗疲劳强度要求。为了方便轴上零件的拆装，常将轴做成阶梯轴，轴端和各轴段的端部加工成倒角，易安装零件。轴常在交变应力的作用下工作，其材料的要求是：强度高、刚度好、应力集中的敏感度小，抗疲劳，加工性能好，有的轴表面要求也较高。轴的材料主要采用中碳钢35或45钢和合金钢20Cr或40Cr等。最常用的是45#钢，它具有较高的综合机械性能。此设计采用45#钢。图7-1 前后轴7.3强度计算 由于心轴工作时只承受弯矩而不承受扭矩，所以在应用上式时，应取T=0。【12】由于是固定心轴，考虑启动，停止等影响，弯矩在轴截面上所引起的应力可视为脉动循环变应力。所以固定心轴的许用应力应为1.7-1 。 FQ=2z Fosin/2=2*2*90*sin178/2=360N根据公式：M= FQ L/2最大弯矩：M=0.68*360/2=122.4N.M抗弯截面系数：W=*d4/64 =3.14*(0.03)4/64=4*10-8强度：P=M/W=122.4/(*d4/64)=122.4/4*10-8=30.6MPa材料采用45号调质钢许用弯应力为102MP 30.6MPa102MPa则通过设计能承受足够的工作强度。7.4滚筒要求主动滚筒的外圆全跳动小于0.33mm，从动滚筒的外圆全跳动小于0.25mm。滚筒均采用2.1mm壁厚的优质钢管，光洁度达到0.8以下。滚筒均有防静电处理。滚筒外部经防锈处理。图7-2滚筒结构图第8章 跑步机使用和维护8.1如何安全使用跑步机1、 将电源线插头插入带有安全接地的电源插座中，电动跑步机的电源线是专用的，若电源线发生损坏，请尽快与厂家联系。2、 跑步机为室内健身器材，请勿室外使用，若阳台使用，务必防雨防暴晒。摆放场所要干净平整，注意防潮，注意勿将跑步机放置厚地毯一类物品上，以免影响跑步机底遮板空气流通。3、 在练习跑步机之前，准备活动比较简单，主要做一些腿部肌肉、关节的准备活动就可以了，比如侧压腿、活动脚腕等。 4、当你使用跑步机时，请勿站在跑带上启动。启动前，你可以站在跑带两边的修饰护条上，等跑带开始运动之后再在跑带上运动。启动速度不宜过大，不要试图跳上快速运转的跑带上。5、使用跑步机时，请穿运动装和运动鞋进行练习，不能穿太长，太宽松的衣服，以免衣服挂到跑步机上造成安全事故。建议穿有胶底的跑步鞋或健身鞋锻炼。6、速度不宜过快，健身时间不宜过晚，健身后要有适当的放松活动，健身活动不要在饭后进行。 7、跑步机在使用时，请勿让小孩和宠物靠近，以免发生意外。未成年人及老人跑步时需有成年人在旁陪护。8、跑步机在不使用时，应把电源线插头拔掉收好。8.2跑步机的维护与保养 1、在您第一次或定期使用本电动跑步机时，请用润滑剂涂在跑步带的内表面，以减少相互间的磨擦阻力，减轻电动机的负荷。 每六个月进行润滑。2、使用前确保运动鞋干净，使用完后在跑步机的各部位用干净的抹布清洁，除灰尘，以维护各零件正常运转的性能。 3、定期地检查跑步机的各个螺钉、螺栓及螺帽，若有松动，请立即用工具锁紧固定。参考文献1 王三明主编.机械原理与设计课程设计，北京：机械工业出版社，20052 郑文纬 吴克建 主编.机械原理，北京.高等教育出版社，19993 申永胜主编.机械原理教程，北京.清华大学出版社，19994 张伟社主编.机械原理，西北工业大学出版社，20015 邹慧君主编.机械原理课程设计手册，高等教育出版社，19986 赵松年主编.现代机械创新产品分析与设计，20007 杨家军主编.机械系统创新设计，华中理工大学出版社，20008 张春林主编.机械创新设计，机械工业出版社，19999 机械设计手册编委会.机械设计手册新版（2，3）卷, 机工出版社，0410 卜炎主编.机械传动装置设计手册（上册），机械工业出版社，199911 哈尔滨工业大学理论力学教研室理论力学，高等教育出版社，201012 梅凤翔工程力学，华南理工大学出版社，1989.513李运华.机电控制，北京航空航天大学出版社,200314 芮延年.机电一体化系统设计，北京机械工业出版社,200415 邓星钟，机电传动控制（第三版），华中科技大学出版社，200116 裴仁清，机电一体化原理，上海大学出版社，199817 朱龙根，简明机械零件设计手册（第二版），机械工业出版社，200518 秦曾煌，电工学电子技术（第五版），高等教育出版社，200419 哈尔滨工业大学.理论力学,2010致 谢历时三个多月，在我的指导老师XXX老师的悉心指导下，终于完成了我的毕业设计。整个过程中虽然感到很累，但同时也很开心，每天都有收获、每天都有进步，这段时间感觉过的特别充实，心里也特别踏实，好想一直这么走下去。很希望我的大学生活每天都像这样充实，可是现实很残酷，时光不可能倒流，世界上也没用卖后悔药的，随着毕业设计尾声的接近，预示着我们的大学生涯至此结束。现在感觉心里特别的感伤，但很幸运的是通过这次毕业设计使我抓住了大学的尾巴，为我的大学时光留下了深刻美好的回忆，在此特别感谢XXX老师，孔老师渊博的知识，严谨的治学态度和孜孜不倦的精神深深地影响地着我，由于我的毕业设计是在我就业实习的过程中完成的，不能够当面向老师请教，但孔老师经常给我打电话指导我的论文写作，使我克服了许多障碍，顺利地完成毕业设计。此外，我还要感谢设计小组的所有同学的帮助和支持，他们在我的资料整理，设计制作过程中提出了很多建议，帮助我一起共同完成毕业设计。感谢机械设计制造及其自动化08级本科二班的全体同学！我们一同走过了四年难以忘怀的岁月，缔结了永恒而真挚的友谊，希望我们都拥有美好的未来！在此我要深深感谢我的父母，是他们给于了我生命，并且多年来在各方面对我的大力支持，使我能够安心于学业直至毕业设计的完成。 再次衷心感谢各位老师和同学的帮助，谢谢大家！作者：xxx 第 21 页 共 21 页