多功能跑步機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì)

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( 20 屆 ) 題 目： 多功能自動(dòng)跑步機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì) 系（部）： 專(zhuān) 業(yè)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 合作導(dǎo)師： 完成時(shí)間： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人所提交的學(xué)位論文，是在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下獨(dú)立完成的研究成果。本人在論文寫(xiě)作中參考的其他個(gè)人或集體的研究成果，均在文中以明確方式標(biāo)明。本人依法享有和承擔(dān)由此論文而產(chǎn)生的權(quán)利和責(zé)任。 聲明人（簽名): 年 月 日 目 錄 摘要 1 英文摘要 2 1 概論 3 2 總體方案設(shè)計(jì) 4 2.1 基本功能 4 2.2功能原理的確定 5 2.3 構(gòu)造設(shè)計(jì) 5 3 電動(dòng)機(jī)類(lèi)型與參數(shù)選擇 7 3.1 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式和類(lèi)型 7 3.2 確定電動(dòng)機(jī)的容量 7 3.3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 8 3.4 選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)及技術(shù)參數(shù) 8 3.5小結(jié) 8 4 傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 9 4.1 設(shè)計(jì)步驟及參數(shù)選擇 9 4.1.1 確定計(jì)算功率 9 4.1.2 選擇V帶的帶型 9 4.1.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑dd并驗(yàn)算帶速v 9 4.1.4 確定V帶的中心距a和基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld1 10 4.1.5 驗(yàn)算小帶輪上的包角α1 11 4.1.6 計(jì)算帶的根數(shù)z 11 4.1.7 計(jì)算單根V帶的初拉力的最小值（F0）min 11 4.1.8 計(jì)算壓軸力FP 11 4.2 帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 4.2.1 帶輪材料的選擇 11 4.2.2 帶輪的結(jié)構(gòu)形式及帶輪的輪槽 11 4.3 帶傳動(dòng)的張緊、安裝和防護(hù) 12 4.3.1 V帶傳動(dòng)的張緊 12 4.3.2 V帶傳動(dòng)的安裝 13 4.3.3 V帶傳動(dòng)的防護(hù) 13 4.4 V帶的裝配 13 5 跑步板及跑步帶的設(shè)計(jì) 15 5.1 跑步板材料的選擇 15 5.2 跑步帶的設(shè)計(jì) 15 6 支架的設(shè)計(jì) 16 6.1 支架材料的選擇 16 6.2 支架的外形設(shè)計(jì) 16 7 軸和軸承的設(shè)計(jì) 17 7.1 軸的設(shè)計(jì) 17 7.1.1 軸的材料的選擇 17 7.1.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 7.1.3 軸的強(qiáng)度計(jì)算 17 7.2 軸承的設(shè)計(jì) 18 8 其他輔助功能 19 8.1 扭腰盤(pán) 19 8.2 仰臥起坐架 20 8.3 內(nèi)置音響可播放音樂(lè) 20 8.4 啞鈴 20 9 小結(jié) 21 參考文獻(xiàn) 22 致謝 23 摘 要 跑步機(jī)是健身房里都有的器材，而且是最簡(jiǎn)單最容易上手的一種健身器材。它的出現(xiàn)讓人們即使在惡劣的環(huán)境下也能在室內(nèi)進(jìn)行跑步，打破了跑步的空間限制，讓人們?cè)谑覂?nèi)也可以享受跑步帶來(lái)的健康和快樂(lè)。 跑步機(jī)大致分為單一功能的跑步機(jī)和多功能的跑步機(jī)。單一功能的跑步機(jī)由于功能較單一，所以?xún)r(jià)位也相對(duì)低一點(diǎn)，它的功能只是跑步。而多功能跑步機(jī)在單一功能的跑步機(jī)的基礎(chǔ)上還添加了其他功能，使跑步機(jī)的功能更加豐富。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，跑步機(jī)也漸漸由單一功能的跑步機(jī)向多功能方向發(fā)展。但是，多功能跑步機(jī)也存使用壽命短、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重等不足。 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)是對(duì)多功能跑步機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)包括機(jī)架、支架、減震系統(tǒng)、跑步板和跑步帶以及其他零部件的設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)的跑步機(jī)更加人性化，更能滿足人的需要。 關(guān)鍵詞：多功能；減震系統(tǒng)；人性化 Abstract The treadmill is the gym some equipment, but also is a kind of fitness equipment is the most simple and easy to use. It appears to make people even in harsh environment can also run in the interior, to break the space constraints running, let people indoors can also enjoy running brings health and happiness. Treadmill roughly divided into single function and multi function. The single function of the treadmill because the function is single, so the price is relatively low, it is a function of the running. Multifunctional treadmill based on single function treadmill also added other features, make the treadmill functions richer. With the development of economy and the progress of the society, the tread mill treadmill also gradually from a single function tomultifunctional direction. However, multifunctional treadmill also exist shortcomings. The graduation design task for multifunctional treadmill mechanical parts design. The designincludes the design of the frame, frame, shock absorber system, the running board and a running belt and other functions, so that the design of the treadmill more humane, more people can meet the needs of. Keywords: multi function; damping system; humanization 1 概論 隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們的生活水平得到很大的提高，生活節(jié)奏也在加快。另一方面，生活水平的提高，肥胖、職業(yè)病等問(wèn)題也層出不窮，越來(lái)越多的人處于亞健康狀態(tài)，人們過(guò)度的追求經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，卻忽略了人自身的需要和發(fā)展，環(huán)境的污染和廢品的排放，使得外面的世界越來(lái)越不合適人們?cè)陂e暇之余鍛煉身體。因此，越來(lái)越多的人選擇在室內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和體育鍛煉。由此可見(jiàn)，跑步機(jī)的設(shè)計(jì)，尤其是多功能跑步機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)于提高全民健身比例和全面身體素質(zhì)，維持國(guó)民健康的生活質(zhì)量顯得尤為重要。 1875年，世界第一臺(tái)跑步機(jī)在美國(guó)東部的一個(gè)山村中誕生，它是由一位機(jī)械師發(fā)明的。這種跑步機(jī)的動(dòng)力源自于農(nóng)場(chǎng)主的牲畜[1]。但是，后來(lái)通過(guò)了一部禁止虐待動(dòng)物的法律，于是牲畜用來(lái)作為跑步機(jī)的動(dòng)力也將被取締。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)機(jī)被使用并作為跑步機(jī)的主要?jiǎng)恿Αｋ妱?dòng)跑步機(jī)能夠使人們更多地參與到跑步中，并在跑步的過(guò)程中改善自己的身體狀況、使人們擁有一個(gè)健康的軀體[2]。 現(xiàn)如今，跑步機(jī)按功能主要分為單一功能的跑步機(jī)和功能比較齊全的多功能跑步機(jī)。傳統(tǒng)的跑步機(jī)功能單一，主要有滾動(dòng)式和跑帶式兩種。滾輪式跑步機(jī)由于噪音大，不便使用。跑帶式跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)方式是跑步者在跑步帶上運(yùn)動(dòng)，使人跑步時(shí)與在普通陸地上跑步的感覺(jué)一樣。 原先的跑步機(jī)雖然節(jié)省了很多空間，但是只有跑步功能，人們的生活水平逐步提高，人們也希望跑步機(jī)的功能能更加豐富，那樣才能全方位的鍛煉身體。現(xiàn)如今，跑步機(jī)不單單只是人們跑步的機(jī)器。后來(lái)，人們也開(kāi)發(fā)了跑步機(jī)的其他功能，現(xiàn)在的跑步機(jī)還大都具有美腰機(jī)、仰臥起坐、扭腰盤(pán)、內(nèi)置音響可播放音樂(lè)、測(cè)心率、測(cè)里程、測(cè)能量消耗、調(diào)節(jié)跑板高度等功能。即使多功能跑步機(jī)有太多的優(yōu)點(diǎn)，但或多或少它也有一些缺陷，例如使用起來(lái)不那么方便，動(dòng)作準(zhǔn)確性也相對(duì)于單一跑步機(jī)來(lái)說(shuō)也遜色一點(diǎn)[3]。 2 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 基本功能 圖2-1 多功能自動(dòng)跑步機(jī)設(shè)計(jì)流程圖 多功能自動(dòng)跑步機(jī)設(shè)計(jì)流程圖如圖2-1所示。 跑步機(jī)通過(guò)構(gòu)建一條運(yùn)動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)者的跑動(dòng)方向相反跑道，使跑步者或運(yùn)動(dòng)者在原地跑步和得到鍛煉，跑步機(jī)跑步帶的速度必須與跑步者的速度保持一致，跑步帶速度過(guò)慢就達(dá)不到跑步鍛煉的目的和效果，跑步帶速度過(guò)快，跑步者就會(huì)跟不上跑步機(jī)的跑步帶的移動(dòng)速度，這樣跑步者很累的去跟隨跑步帶跑步，鍛煉的效果也不好，而且跑步者也很有可能在跑步機(jī)上受傷。所以，要想實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)的功能，就要有效的對(duì)跑步帶進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并控制它的運(yùn)動(dòng)速度，通常使用直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速與控制，通過(guò)改變電樞回路串電阻調(diào)速。 2.2 功能原理的確定 圖2-2 跑步機(jī)工作原理圖 跑步機(jī)工作原理如圖2-2所示：電動(dòng)機(jī)1工作，帶動(dòng)與電動(dòng)機(jī)上的帶輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，V帶通過(guò)傳動(dòng)帶帶動(dòng)滾筒3的轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)最后帶動(dòng)跑步機(jī)跑帶4的傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)的使用。 電動(dòng)跑步機(jī)是健身房常見(jiàn)的健身器材，它能減輕傳統(tǒng)的跑步機(jī)對(duì)關(guān)節(jié)的沖擊，可以避免在鍛煉中受到的傷害，比在室外跑步自然跑步有節(jié)省空間和隨時(shí)鍛煉的優(yōu)勢(shì)。跑步時(shí)把跑步帶看成室外的陸地，在跑步帶上跑步就如同在室外陸地上跑步一樣，手腳前后擺動(dòng)，使全身肌肉都得到鍛煉。跑步帶運(yùn)動(dòng)方向與跑步的方向一致，這樣你就抵消了跑步者跑步過(guò)程中韌帶部位所受的扭力，跑起來(lái)也不費(fèi)力。如果增加運(yùn)動(dòng)量，跑步者可以加快自己在跑步帶上跑步的速度。電動(dòng)機(jī)能給跑步機(jī)提供足夠的動(dòng)力，這樣就能消除關(guān)節(jié)的負(fù)載，不但能減肥健身，還有益于受傷后身體的恢復(fù)。 電動(dòng)跑步機(jī)通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)跑帶，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)使跑步者按不同的速度被動(dòng)地跑步。跑步者在跑步帶上跑步會(huì)感到特別舒適，跑步會(huì)輕松自如，可使跑步者的能量消耗也比普通走、跑為多，這就有效的達(dá)到了減肥或健身的目的。另外，電動(dòng)跑步機(jī)也可以根據(jù)跑步者的需要設(shè)計(jì)其他附加功能， 這可以讓跑步者在不同的環(huán)境下跑步。 2.3 構(gòu)造設(shè)計(jì) 多功能跑步機(jī)主要組成部分有機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、跑步帶、可調(diào)電源以及儀表控制盤(pán)，它的支架與框架垂直連接，前軸與后軸裝在框架的兩端，前后軸上都通過(guò)軸承套裝配滾筒，前后滾筒上都緊繞著跑步機(jī)皮帶，并通過(guò)張緊輪張緊，跑步皮帶下安裝著支撐跑步板，框架的前端安裝著電動(dòng)機(jī)和可調(diào)電源，前滾筒的那一端緊裝著從動(dòng)皮帶輪，控制傳感器裝在電動(dòng)機(jī)上，速度傳感器安裝在緊靠在從動(dòng)皮帶輪的框架上，皮帶調(diào)節(jié)螺栓一端連接在電動(dòng)機(jī)外殼的孔板上，另一端連接在焊接于框架前端的孔板上，支架的頂端安裝著扶手架，扶手架上又安裝著儀表控制盤(pán)。采用帶傳動(dòng)的傳動(dòng)方式，為一級(jí)傳動(dòng)級(jí)。為了體現(xiàn)跑步機(jī)的多功能，在支架上配備著扭腰盤(pán)、仰臥起坐架、內(nèi)置音響可播放音樂(lè)，并且可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)跑步板的高度和坡度。在本課題中的跑步機(jī)的功能確定為美腰機(jī)、仰臥起坐、扭腰盤(pán)、內(nèi)置音響可播放音樂(lè)、測(cè)心率、測(cè)里程、測(cè)能量消耗、調(diào)節(jié)跑板高度等，結(jié)構(gòu)組成有機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、跑步帶、可調(diào)電源以及儀表控制盤(pán)等。 3 電動(dòng)機(jī)類(lèi)型與參數(shù)選擇 3.1 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式和類(lèi)型 電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和類(lèi)型可以根據(jù)電源的種類(lèi)、工作的條件環(huán)境、空間尺寸和載荷的特點(diǎn)來(lái)選擇。 雖然直流電動(dòng)機(jī)不及交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，但在啟動(dòng)性能和調(diào)速性能方面卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過(guò)交流電動(dòng)機(jī)[4]。跑步機(jī)的設(shè)計(jì)涉及速度的調(diào)節(jié)，故這里選擇直流電動(dòng)機(jī)。Z系列的電動(dòng)機(jī)在80年代得到更新?lián)Q代，由于它高效、節(jié)能、振動(dòng)小、噪音小、運(yùn)行安全可靠，而且功率等級(jí)和安裝尺寸也都符合IEC的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，所以它適合于各種無(wú)特殊要求的機(jī)械和設(shè)備。而三相異步交流電動(dòng)機(jī)適用于那些允許有較大的沖擊和振動(dòng)，過(guò)載能力較大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小的工作條件，它們可以適用于有頻繁啟動(dòng)的工作、需要換向和制動(dòng)的機(jī)械。有些同一系列的電動(dòng)機(jī)也會(huì)有不同的安裝及防護(hù)形式，那要根據(jù)具體的工作環(huán)境和要求來(lái)選用[5]。 3.2 確定電動(dòng)機(jī)的容量 電動(dòng)機(jī)容量的選擇須根據(jù)工作機(jī)容量的需要來(lái)確定。若所選電動(dòng)機(jī)的容量過(guò)大，必然會(huì)增加成本，造成浪費(fèi)；正常工作的電動(dòng)機(jī)容量不能太小，這可能使電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載，產(chǎn)生過(guò)多的熱量，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命而過(guò)早的損壞。所以，選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)時(shí)它的額定功率P1應(yīng)等于或稍大于電動(dòng)機(jī)所需要的實(shí)際功率P2。 電動(dòng)機(jī)所需要的實(shí)際功率即電動(dòng)機(jī)的輸出功率，用公式表示為 Pd=Pw/ηa kw （3-1） 式中 Pd——電動(dòng)機(jī)所需要的實(shí)際功率，單位為kw； Pw——工作機(jī)所需輸入功率，單位為kw； ηa——電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)之間傳動(dòng)裝置的總效率，這里取0.872。 工作機(jī)所需要的功率Pw由工作機(jī)的工作機(jī)阻力（F或T）和運(yùn)動(dòng)參數(shù)（n）按下式計(jì)算： Pw=Fv/1000=μmgV/1000=0.3125109.42/1000≈3.53 kw 所以 Pd=Fv/1000ηa=4.05 kw 式中 μ——摩擦系數(shù)，取0.3； F——工作機(jī)的阻力，單位為N； v——工作機(jī)的線速度，即V帶帶速，單位為m/s； T——工作機(jī)的阻力矩，單位為N?m； n——工作機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。 此電動(dòng)跑步機(jī)所設(shè)計(jì)的承重標(biāo)準(zhǔn)m為125kg，所選用的直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)跑步機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力，應(yīng)該具有較高的轉(zhuǎn)速和精度。當(dāng)跑步者在跑步機(jī)上的跑步帶上跑步時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)載，跑步機(jī)的跑步帶在這種情況下，要和跑步者的運(yùn)動(dòng)速度保持一致，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，就像在室外跑步一樣。跑步機(jī)應(yīng)該方便調(diào)速，以滿足不同體重，跑步速度不同的跑步者的使用要求。 3.3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 額定功率相同的同類(lèi)電動(dòng)機(jī)，可以有幾種轉(zhuǎn)速可以選擇，三相異步電動(dòng)機(jī)就有事中常用的同步轉(zhuǎn)速：3000r/min、2000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高，尺寸和質(zhì)量小，價(jià)格便宜，但是也會(huì)使傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比變大，結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)變大，成本也會(huì)提高；反之則反。所以應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)裝置做全面的考慮，綜合比較，以確定合理的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。因?yàn)榕懿綑C(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)在較大的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，所以選用2000r/min左右的轉(zhuǎn)速。 3.4 選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)及其技術(shù)參數(shù) 根據(jù)選取的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為2000r/min，跑步機(jī)最大承受重量125KG，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取型號(hào)為Z4-112/4-1的電動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)如下所示。 型號(hào)：Z4-112/4-1 電壓：220VDC 功率：4.5kw 轉(zhuǎn)向:逆時(shí)針 轉(zhuǎn)速： 2000r/min 效率：87.2% 絕緣等級(jí)：F級(jí) 3.5 小結(jié) 跑步機(jī)屬于健康器材類(lèi)產(chǎn)品,電動(dòng)跑步機(jī)就像是一條運(yùn)動(dòng)的跑帶，它可以讓跑步者在原地實(shí)現(xiàn)跑步[6]。由于跑步機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)跑步帶的運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)要保證基本上所有的人都能夠符合使用的條件。一般的跑步機(jī)是為了滿足使用者的減肥和健身的目的。如要滿足減肥的使用者使用，由于這些使用者的體重較大，所以采用的電動(dòng)機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)速不大而轉(zhuǎn)矩很大；若是健身者使用，健身者的體重較輕，跑步的速度也較快，所以這時(shí)電動(dòng)的轉(zhuǎn)速較快且轉(zhuǎn)矩較小才能滿足要求。若要同時(shí)滿足減肥和健身的要求，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩要求可以調(diào)節(jié)。 　　目前，市場(chǎng)上的電動(dòng)跑步機(jī)大都使用的是直流電動(dòng)機(jī)，所以?xún)r(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)也不是很昂貴。 4 傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 機(jī)械傳動(dòng)方式主要分為三種：帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)。帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉，而且能緩沖吸振[7]143。鏈傳動(dòng)雖然制造精度和安裝精度要求較低，但只能實(shí)現(xiàn)平行軸之間兩輪的同向傳動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能保持恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比，磨損后易發(fā)生跳齒，工作時(shí)噪聲較大。齒輪傳動(dòng)的效率最高，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)比穩(wěn)定，但齒輪會(huì)使機(jī)械過(guò)于笨重。齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度較高，價(jià)格昂貴，不適用于傳動(dòng)距離過(guò)大的場(chǎng)合。綜上所述，這里選擇帶傳動(dòng)的傳動(dòng)方式。帶傳動(dòng)主要分為：平帶、圓帶、V帶、多楔帶,這里采用V帶傳動(dòng)。 4.1 設(shè)計(jì)步驟及參數(shù)選擇 由上面的條件知選擇型號(hào)為Z4-112/4-1的電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)功率P為4.5KW，轉(zhuǎn)速為2000r/min,初定傳動(dòng)比為2。 4.1.1 確定計(jì)算功率 計(jì)算功率Pca是根據(jù)傳遞的功率P和帶的工作條件而確定的 Pca=KAP (4-1) 式中：Pca——計(jì)算功率，kw； KA——工作情況系數(shù)，跑步機(jī)每天工作時(shí)間<10h，載荷平穩(wěn)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)KA取1.0。 P——所需傳遞的額定功率，如電動(dòng)機(jī)的額定功率，kw。 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，工作情況系數(shù)KA取1.0 故 Pca=KAP=1.0x4.5=4.5kw 4.1.2 選擇V帶的帶型 根據(jù)計(jì)算功率Pca和小帶輪轉(zhuǎn)速n1，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取普通V帶的帶型。 由 Pca=4.5kw n1=2000r/min 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選用A型V帶，且小帶輪基準(zhǔn)直徑在80-100mm范圍內(nèi)。 4.1.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑dd并驗(yàn)算帶速v 1） 初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑dd1 根據(jù)V帶帶型，參考表4-1和表4-2確定小帶輪基準(zhǔn)直徑dd1,應(yīng)使dd1≥（dd）min，取小帶輪基準(zhǔn)直徑dd1=90mm。 2） 驗(yàn)算帶速v v=πdd1n1 /（601000） m/s （4-2） 式中，n1為主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。帶速不宜過(guò)高或過(guò)低，一般應(yīng)使之在5~25m/s，最高速度不可以超過(guò)30m/s。 根據(jù)公式4-2，得V=π902000/(601000)≈9.42m/s，帶速適合。 表4-1 V帶輪的最小基準(zhǔn)直徑 表4-2 普通V帶輪的基準(zhǔn)直徑系列 3）計(jì)算大帶輪的基準(zhǔn)直徑 由 dd2=i?dd1 （4-3） 計(jì)算得 dd2=i?dd1=290=180mm，根據(jù)表4-2圓整后取為180mm。 4.1.4 確定V帶的中心距a和基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld 1)根據(jù) 0.7（dd1+dd2）≤a0≤2（dd1+dd2） (4-4) 初定中心距a0=200mm。 2）根據(jù)公式 Ld0≈2a0+π（dd1+dd2）/2+（dd2-dd1）^2/4a0 ， (4-5) 計(jì)算出帶所需的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld0≈834.24mm 。 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld為800mm。 3) 按公式 a≈a0+（Ld-Ld0）/2， (4-6) 計(jì)算實(shí)際中心距a得a≈182.88mm。 考慮到帶輪的制造誤差、帶長(zhǎng)誤差、帶的彈性以及因帶的松弛而產(chǎn)生的補(bǔ)充的張緊的需要，通常給出中心距的變動(dòng)范圍 amin=a-0.015Ld , amax=a+0.03Ld, (4-7) 得 amin= 170.88mm amax=206.88mm ，故中心距變化范圍為170.88~206.88mm。 4.1.5 驗(yàn)算小帶輪上的包角α1 根據(jù)α1=180-（dd2-dd1）57.3/a (4-8) 計(jì)算得α1=180-（180-90）57.3/194≈153.42≥90 4.1.6 計(jì)算帶的根數(shù)z 1） 計(jì)算單根V帶的額定功率Pr 由dd1=90mm,n1=2000r/min,查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得單根普通V帶的基本額定功率P0=1.768kw。 根據(jù)n1=2000r/min,i=2和A型帶，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得單根普通V帶額定功率得增量 △P0=0.432kw。 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得Kα=0.92052，KL=0.85， 故 Pr=(P0+△P0)? Kα?KL=（1.768+0.432）0.920520.85≈1.721kw 2）計(jì)算V帶的根數(shù)z 由公式Z=Pca/Pr （4-9） 計(jì)算得，Z=Pca/Pr=4.51.721≈2.614 ，取3根。 4.1.7 計(jì)算單根V帶的初拉力的最小值（F0）min 表4-3 V帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量 由表4-3得A型帶的單位長(zhǎng)度質(zhì)量q=0.1kg/m，所以 （F0）min=500（2.5- Kα）Pca/( Kαzv)+qv2 =[500(2.5-0.92052)3.7/(0.9205239.42)+0.19.429.42] ≈121.2N 應(yīng)使帶的實(shí)際初拉力F0>（F0）min 。 4.1.8 壓軸力FP的計(jì)算 最小壓軸力為 （FP）min=2z(F0）minsin（α1/2）=23121.2sin76.71=707.72N 綜上所述，選取3根A型V帶，且小帶輪基準(zhǔn)直徑為90mm。 4.2 帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.2.1 帶輪材料的選擇 帶輪材料選用常用的灰鑄鐵200，它的最低抗拉強(qiáng)度200MPa。 4.2.2 帶輪設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)及帶輪的輪槽 V帶輪選取的結(jié)構(gòu)與基準(zhǔn)直徑有關(guān)。當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑為dd≤2.5d（d為安裝帶輪的軸的直徑，mm）時(shí)，采用實(shí)心式；dd≤300mm時(shí)，采用腹板式；dd≤300mm且D1-d1≥100mm時(shí)，采用孔板式；dd>300mm時(shí)，采用輪輻式[8]159。 V帶輪的輪槽與選用的V帶的型號(hào)相對(duì)應(yīng)，見(jiàn)表4-4。 表4-4 輪槽截面尺寸 圖4-1 輪槽截面尺寸 帶輪所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)主要是根據(jù)帶輪的基準(zhǔn)直徑來(lái)確定的，再由帶的型號(hào)確定輪槽尺寸，故小帶輪D1=75mm選取實(shí)心式，大帶輪D2=150mm選取腹板式。 要求帶輪每毫米有效直徑的輪槽軸向圓跳動(dòng)公差值為0.002mm。輪槽表面粗糙度Ra最大允許值為3.2。槽距150.3，槽角40o0.5，輪槽基準(zhǔn)直徑到帶輪外圓的最小高度2.75mm，輪槽基準(zhǔn)直徑到帶輪底部的最小高度8.7mm,如圖4-1所示。 4.3 帶傳動(dòng)的張緊、安裝和防護(hù) 4.3.1 V帶傳動(dòng)的張緊 V帶傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間以后，會(huì)因?yàn)閹У拈L(zhǎng)時(shí)間的使用而發(fā)生塑性變形和磨損。為了保證帶能夠在傳動(dòng)過(guò)程中正常進(jìn)行，因定期檢查帶的松弛程度，采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。 當(dāng)中心距可以調(diào)節(jié)時(shí)，可以通過(guò)定期改變中心距的方法來(lái)調(diào)節(jié)帶的初拉力F0，使帶重新張緊。 當(dāng)中心距不能調(diào)節(jié)時(shí)，可采用張緊輪將帶張緊。此時(shí)應(yīng)注意： 1）張緊輪一般應(yīng)安裝在皮帶松邊的內(nèi)側(cè)，盡可能減少帶的彎曲變形； 2）張緊輪還應(yīng)盡量靠近大帶輪，以避免帶在小帶輪上的包角； 3）張緊輪的輪槽尺寸應(yīng)該和帶輪相同，且張緊輪直徑略小于小帶輪直徑。 若中心距過(guò)小，可以將張緊輪設(shè)置在帶的松邊外側(cè)，同時(shí)應(yīng)靠近小帶輪。 4.3.2 V帶傳動(dòng)的安裝 安裝V帶時(shí)應(yīng)該使各帶輪的軸線相互平行，并且使各帶輪相對(duì)應(yīng)的V型槽的對(duì)稱(chēng)平面重合，保證它們之間的誤差不相差過(guò)大。若使用多根V帶傳動(dòng)，則應(yīng)該把帶的配組公差控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，來(lái)避免各根V帶出現(xiàn)載荷分布不均的現(xiàn)象[9]161。 4.3.3 V帶傳動(dòng)的防護(hù) 為了保證V帶傳動(dòng)中的安全問(wèn)題，應(yīng)該在鐵絲網(wǎng)或保護(hù)罩的保護(hù)下進(jìn)行帶的傳動(dòng)，不能直接讓V帶外露。 4.4 V帶的裝配 本課題使用Solidworks2014軟件繪圖，所作小帶輪零件圖如圖4-2所示，大帶輪零件圖如圖4-3所示， V帶與帶輪之間的裝配如圖4-4所示,兩帶輪具體尺寸見(jiàn)附錄。 圖4-2 V帶小帶輪 圖4-3 V帶大帶輪 圖4-4 V帶帶輪裝配 5 跑步板及跑步帶的設(shè)計(jì) 5.1 跑步板材料的選擇 跑步機(jī)的跑步板的材料使用比較多的是膠合板、中密度纖維板，高密度纖維板，電木板[10]。高密度纖維板的破裂強(qiáng)度最好，電木板的絕緣阻抗比較高，且抗靜電效果好，表層的韌性比較好，所以可以延長(zhǎng)跑帶的運(yùn)動(dòng)壽命。而跑步機(jī)常用的跑板以中密度纖維板和高密度纖維板居多，為了減少成本，這里選用中密度纖維板。 5.2 跑步帶的設(shè)計(jì) 所設(shè)計(jì)的跑步帶長(zhǎng)1400mm，寬700mm,厚3mm。為了增加表面摩擦力，使跑步者在跑步的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不易摔倒，就需要設(shè)計(jì)跑帶的表面有花紋，跑步者跑步時(shí)也需要穿跑鞋跑步，不能使用拖鞋、皮鞋等不適合跑步的鞋跑步。 跑帶的接口也要平滑，使跑帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪音比較小，使跑步者更舒心的享受跑步。所設(shè)計(jì)的跑步板跑帶如圖5-1所示。 圖5-1 跑步板跑帶 6 支架的設(shè)計(jì) 6.1 支架材料的選擇 支架的材料選用比較常見(jiàn)的鋼材料，考慮到機(jī)身不能太笨重和減少跑步機(jī)的制造成本，所以采用空心的合金鋼材料。 6.2 支架的外形設(shè)計(jì) 支架在跑步者跑步時(shí)主要起支撐作用。跑步機(jī)支架應(yīng)滿足一定的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性要求。其中，最主要的是剛度要求。[11]若支架的剛性不足，就會(huì)產(chǎn)生變形，振動(dòng)明顯，使跑步機(jī)的定位精度、加工精度受影響。除此之外，應(yīng)該使跑步機(jī)支架盡量美觀，要使支架上的零部件便于安裝和挑戰(zhàn)，也要使跑步機(jī)支架耐磨、耐腐蝕，那樣才可以減少支架的損壞和延長(zhǎng)使用壽命。所設(shè)計(jì)的跑步機(jī)支架如圖6-1所示。 圖6-1 跑步機(jī)支架 7 軸和軸承的設(shè)計(jì) 7.1 軸的設(shè)計(jì) 7.1.1 軸的材料的選取 軸的主要材料是碳鋼和合金鋼。由于碳鋼的價(jià)格較合金鋼較低，應(yīng)力集中的敏感性也較低，同時(shí)提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度的方法比較多，所以碳鋼尤其是45#鋼使用廣泛[12]361，故這里也使用45#鋼。 7.1.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于軸只受彎矩而不受扭矩，所以設(shè)計(jì)的軸為心軸。 軸的結(jié)構(gòu)形式受載荷的性質(zhì)、大小、方向等因素影響，設(shè)計(jì)時(shí)，必須具體情況具體分析。設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該滿足：軸和軸上零件應(yīng)有準(zhǔn)確的工作位置；軸上零件便于調(diào)整；軸的制造工藝性應(yīng)該良好，故這里可以采用階梯軸以防止應(yīng)力集中。軸的長(zhǎng)度應(yīng)小于跑帶的寬度，且不宜過(guò)長(zhǎng)，故取小帶輪和大帶輪對(duì)應(yīng)軸的長(zhǎng)度分別為150mm、200mm。 7.1.3 軸的強(qiáng)度計(jì)算 因?yàn)樗O(shè)計(jì)的軸為心軸，工作時(shí)只受彎矩不受扭矩，故扭矩T=0。彎矩在軸截面上的應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力。 通常，固定心軸的許用應(yīng)力[σ-1]為1.7σ-1 。查表7-1知45#鋼的σB=640MPa，σ-1=275MPa，τ-1=155 MPa。 由V帶傳動(dòng)中計(jì)算可知： （F0）min=121.2N 最大彎矩M=200121.2/2=12120N?mm 表7-1 軸常用幾種材料的[τT]及A0值 由表7-1選取A0=105MP，由公式 d≥A0（P/n）? （7-1） 得d≥16.24mm 抗彎截面系數(shù)W=πd3/32=[3.14x(16.24)3/32]≈420.28mm 強(qiáng)度=M/W=12120/(πd3/32)= 12120/420.28≈28.84MPa 材料采用45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼許用彎應(yīng)力為120MP，因?yàn)?8.84〈120MP，所以設(shè)計(jì)的軸滿足工作強(qiáng)度的需要。 小軸直徑初選17mm，大軸初選30mm。輪轂長(zhǎng)度B=1.5d~2d，為保證軸向定位可靠，與帶輪等零件相配合部分的軸段長(zhǎng)度一般應(yīng)比輪轂長(zhǎng)度短2-3mm。由前 故與兩帶輪配合處的軸徑分別為17mm、30mm。當(dāng)10mm＜d≤18mm時(shí)，倒角C取0.8；當(dāng)18mm＜d≤30mm時(shí)，C取1。故兩軸承結(jié)構(gòu)如下圖所示。 圖7-1 小帶輪和大帶輪對(duì)應(yīng)軸的示意圖 7.2 軸承的型號(hào)與壽命校核 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取型號(hào)6303軸承，查詢(xún)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上該型號(hào)軸承參數(shù)可知：軸承內(nèi)徑為17mm，軸承外徑為47mm，軸承寬度為14mm，極限轉(zhuǎn)速為18000rpm，潤(rùn)滑方式為機(jī)油潤(rùn)滑。徑向承載能力為13.5kN，軸向承載能力為6.58kN。 軸承采用滴油潤(rùn)滑，有關(guān)參數(shù)如表7-2所示。其中d為滾動(dòng)軸承內(nèi)徑，n為滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速。單位分別為mm和r/min。 表7-2 適用于脂潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑的dn值極限（表值104）（minr/min） 由表可知dn為40mmr/min，又因?yàn)樗x滾動(dòng)軸承內(nèi)徑為17mm， 故n=40/17≈2.35r/min。 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知：C=Cr=13.5kN,P=Cr0=6.58kN。 故軸承使用壽命Lh=106(C/P)3/60n=61171.685h，若按設(shè)計(jì)跑步機(jī)時(shí)每天10h使用時(shí)間計(jì)算，可使用6117.1685天，約16.76年，故使用壽命至少為16年，符合設(shè)計(jì)的目標(biāo)。 8 其他輔助功能 傳統(tǒng)自動(dòng)跑步機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮跑步機(jī)的減震效果，減震效果的優(yōu)良是衡量一個(gè)跑步機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量和性能的重要指標(biāo)[13]。在各類(lèi)機(jī)械的設(shè)計(jì)中，減震系統(tǒng)多使用彈簧減震。彈簧減震器如圖8-1所示。 圖8-1 彈簧減震器 鑒于傳統(tǒng)自動(dòng)跑步機(jī)功能單一，在傳統(tǒng)自動(dòng)跑步機(jī)的基礎(chǔ)上，還可以添加一些新的功能，如如扭腰盤(pán)、啞鈴、俯臥撐支架、內(nèi)置音響可播放音樂(lè)等。如下面圖示所示。 8.1 扭腰盤(pán) 圖8-2 扭腰盤(pán) 扭腰盤(pán)如圖8-2所示，為防止運(yùn)動(dòng)者在鍛煉的過(guò)程中出現(xiàn)腳下打滑使其扭傷，扭腰盤(pán)上應(yīng)帶有凹凸不平的紋路，以增加腳下的摩擦力，使運(yùn)動(dòng)者扭腰時(shí)更平穩(wěn)、舒適。使用時(shí)：雙腿半蹲，左右扭動(dòng)腳踝。這樣有利于加速腿部的血液循環(huán)。伸開(kāi)雙臂呈對(duì)角形其中一臂垂直向下，另一臂垂直向上然后左右扭動(dòng)，重復(fù)練習(xí)可以減掉腰部與腹部的脂肪。身體向前彎曲然后左右扭動(dòng)，這樣有助增大肺活量。 8.2 仰臥起坐架 圖8-3 仰臥起坐架 仰臥起坐架如圖8-3所示。仰臥起坐是運(yùn)動(dòng)者鍛煉的一個(gè)重要運(yùn)動(dòng)，它可以鍛煉運(yùn)動(dòng)者腹部和背部肌肉，消除肚子上的贅肉，改變運(yùn)動(dòng)者的體態(tài)，達(dá)到瘦身和健身的效果。仰臥起坐架簡(jiǎn)易方便，它使運(yùn)動(dòng)者做仰臥起坐時(shí)不受場(chǎng)地和天氣的影響，使大眾都能方便地運(yùn)動(dòng)。 8.3 內(nèi)置音響可播放音樂(lè) 在跑步機(jī)儀表盤(pán)的周?chē)O(shè)有內(nèi)置音箱，使運(yùn)動(dòng)者能在運(yùn)動(dòng)感到疲勞時(shí)能夠靜靜地聽(tīng)著音樂(lè)放松，做到勞逸結(jié)合。內(nèi)置音箱上有耳機(jī)孔和USB插孔，可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)者攜帶的SD卡儲(chǔ)存音樂(lè)，并在運(yùn)動(dòng)時(shí)播放。 8.4 啞鈴 在跑步機(jī)的支架上還放置有4個(gè)啞鈴，可以使運(yùn)動(dòng)者不跑步時(shí)，通過(guò)啞鈴鍛煉自己各身體部位的肌肉力量，培養(yǎng)練習(xí)者的協(xié)調(diào)性和節(jié)奏感。長(zhǎng)期堅(jiān)持練習(xí)啞鈴，可以修飾肌肉線條，增加肌肉耐力，經(jīng)常做重量偏大的啞鈴練習(xí)，可以使肌肉結(jié)實(shí)，強(qiáng)壯肌纖維，增加肌力，也可以鍛煉上肢肌肉及腰、腹部肌肉。啞鈴如圖8-4所示。 圖8-4 啞鈴 9 小結(jié) 本文通過(guò)對(duì)自動(dòng)跑步機(jī)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，介紹設(shè)計(jì)跑步機(jī)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)過(guò)程，在傳統(tǒng)跑步機(jī)的基礎(chǔ)上，添加了一些新的功能，價(jià)格水平不高，在性能和價(jià)格上比較適中，因此性?xún)r(jià)比比較好，但是由于所設(shè)計(jì)的跑步機(jī)適用于體重不超過(guò)125KG的使用者，因此對(duì)于體重過(guò)重的使用者并不適用。所以，此跑步機(jī)需要進(jìn)行不斷地改善，以適應(yīng)更多人的使用，在跑步機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的選取上應(yīng)該更加合理并能進(jìn)行優(yōu)化。 此設(shè)計(jì)中，在原有電動(dòng)跑步機(jī)的基礎(chǔ)上添加了一些附加功能，如扭腰盤(pán)、仰臥起坐支架等，使跑步者能充分的使用跑步機(jī)，也能邊跑步邊聽(tīng)音樂(lè)。不足之處是跑步機(jī)缺乏定時(shí)功能，只能通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉跑步機(jī)，在以后的設(shè)計(jì)中需要改進(jìn)，使跑步機(jī)的性?xún)r(jià)比更高。 選購(gòu)電動(dòng)跑步機(jī)時(shí)，可根據(jù)功率和跑帶面積來(lái)選擇。當(dāng)你在跑步機(jī)上跑步或走路時(shí)，跑步機(jī)所承載的重量是你體重的 0.8~2.5倍，而電機(jī)就是在這樣的承載重量下，還能滿足并維持你所選擇的速度，讓你可以在跑步機(jī)上走跑自如。一般建議，家用跑步機(jī)的持續(xù)功率應(yīng)該至少1.5Kw以上，如果跑步者體重超過(guò)80公斤，則強(qiáng)烈建議應(yīng)選購(gòu)功率在1.8Kw以上的跑步機(jī)。買(mǎi)跑步機(jī)，其實(shí)就是購(gòu)買(mǎi)一個(gè)跑步機(jī)所提供的跑步面積，所以你絕對(duì)要在乎跑步帶面積的大小，左右寬度及前后長(zhǎng)度都要夠，否則無(wú)法自然邁開(kāi)步伐，跑起來(lái)別扭不順暢，更容易跌倒,增加你受傷的可能性。理論上來(lái)說(shuō)，在相同的功率條件下，如果跑步機(jī)所能提供的跑步帶面積越大，且整臺(tái)實(shí)際的占地面積越小，應(yīng)是較佳的選擇。 參考文獻(xiàn) [1] 李碧華，人狗跑步機(jī)[J]，中國(guó)知網(wǎng)，2010（03）：10-15 [2] 李梅浠，跑步機(jī)是膝關(guān)節(jié)殺手[J]，健康時(shí)報(bào)，2009（02）:23-24 [3] 吳奕，多功能跑步機(jī)[J]，中國(guó)知網(wǎng)，2011（02）:3-5 [4] 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在繁忙的工作之余，完成一篇畢業(yè)論文不是一件簡(jiǎn)單的事情，需要細(xì)心的發(fā)現(xiàn)論文中的不足并及時(shí)作出修改，這也是一件嚴(yán)謹(jǐn)和嚴(yán)肅的事，不能馬馬虎虎。大學(xué)四年的時(shí)光即將走到盡頭，感謝我的母校還能給我這個(gè)機(jī)會(huì)去學(xué)習(xí)和提高能力。相信這四年會(huì)是我人生的一段寶貴回憶，而這一次畢業(yè)論文的設(shè)計(jì)也將是我今后人生的一次重要的經(jīng)歷。 本論文的順利完成，離不開(kāi)各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心和幫助。在此感謝-程老師的指導(dǎo)和幫助;程老師的關(guān)心、支持和幫助，在此表示深深的感謝。沒(méi)有他們的幫助和支持是很難完成我的畢業(yè)論文的。特此感謝！ - 24 -