多功能自动跑步机毕业设计.doc

湖北工业大学工程技术学院
毕 业 设 计

多功能自动跑步机毕业设计

学生姓名： 杨 志

学 号： 1015011314

所在系部： 机械工程系

专业班级： 10gb机制3班

指导老师： 路媛媛（工程师）

日 期：2014年5月10日

绪 论

当今社会随着经济和科技的不断发展，人们的生活水平得到了很大提高。因此人们对身体健康的重视程度也在不断的加强，而在体育锻炼方面的消费相应的也在飞速的提高。近年来在我国，作为健身活动中主要使用的器材——跑步机的产量每年都以超过 25%的速度在增长。 
但随着社会的发展，我国对能源的需求也在不断的增加，用电需求量每年也是在大幅度的攀升。而用于发电的自然资源绝大部分是不可再生的，人类在发展经济的同时，对自然资源的肆意开发和对环境的无偿利用，已经造成了生态破坏、资源短缺、环境污染等重大问题。我国传统能源资源十分有限，世界能源供应市场危机不断，因而不允许我国长期的高能消费。
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。

第1章 总体方案设计

1.1 基本功能
跑步机的基本功能就是构建一条运动的跑道（跑步带），跑道的运动方向与运动者的跑动方向相反，但速度必须自动保持一致，这样就使得运动者能够在原地进行跑步锻炼了。实现跑步机的功能，对跑步带的驱动与速度控制：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。

1.2 构造设计
多功能电动跑步机主要由机架、电动机、可调电源、跑步皮带及仪表控制盘组成，其特征在于框架与支架垂直连接，前轴与后轴分别装在框架的两端，前滚筒与后滚筒分别用轴承套装在前后轴上，跑步皮带张紧绕装在前后滚筒上，跑步皮带下装有支撑跑步板，从动皮带轮紧装在前滚筒的一端，电动机、可调电源,安装在框架的前端，控制传感器装在电动机上，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电动机外壳的孔板上，另一端连接在焊接于框架前端的孔板上，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，传动级为一级。同时在支架上安有扭腰盘和仰卧起坐架使机器实现其多功能性。

1.3 功能原理的确定
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。
　　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。

小结
电动跑步机就是构造一条运动的跑带，使运动者在原地进行跑步锻炼。

第2章 电动机类型与参数的选择

2.1类型功率的选择
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50~70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马力应该至少1.8马力以上，如果家人的体重有超過90公斤，則应选2.5持续馬力以上的跑步机。
此跑步机设计标准为100公斤，则此家用电动跑步机用电动机—Z3-31型永磁直流电动机作为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，调速范围宽，低速性能，运行平稳，噪音低，效率高。

2.2 技术参数
根据电动机修理手册得： 
型号 Z3-31         电压220 VDC 
功率 2.2KW 电流不大于12.5A
转速 3000 r/min 转向逆时针
绝缘等级  B级 
2.3、电动机的保护
异步电动机的保护与控制关系电动机的保护主要有两大类：采用电流检测型的有热继电器、带有热一磁脱扣的电动机保护用断路器、电子式和固态继电器、带电子式脱扣的电动机保护用断路器以及软起动器；直接检测电压降低或为零时的欠压保护和失压保护。
1）、
电动机的保护电动机的保护往往与其控制方式有一定关系.即保护中有控制，控制中有保护。
2）、电动机保护装置电动机的损坏主要是绕组过热或绝缘性能降低引起的。而绕组的过热往往是流经绕组的电流过大引起的。对电动机的保护主要有电流、温度检测两大类。
3）、保护装置与异步电动机的协调配合为了确保异步电动机的正常运行及对其进行有效的保护。必须考虑异步电动机与保护装置之间的协调配合。特别是大容量电网中使用小容量异步电动机时，保护的协调配合更为突出。

小结
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3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。

3.1设计步骤及参数选择
初始条件：选择电机为专门为跑步机生产的永磁直流电动机，传动功率P=2.2KW，主动轮转速为n1=3000r/min 传动比定为i=2 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，所以择之。以下计算过程所用到的表和图来源：
卜炎主编. 机械传动装置设计手册（上册），机械工业出版社，1999
1、确定设计功率Pd
Pd＝KAP （3-1）
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=1.1见表8-9
Pd=1.1*2.2=2.42kw
2、带型号的选择
对于多楔带的型号可根据设计功率Pd=2.42KW和小带轮转速n1=3000r/min由图8—21选取,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=35.5mm
大带轮有效直径:
小带轮节圆直径
dp1=de1+2△e=35.5+2*1.2=38mm
由表8-90，△e=1.2
大带轮节圆直径dp2=idp1=2*33.5=71mm
de2=dp2-2△e=71-2*1.2=68.6mm
由表8-91，选de2=68mm
4、计算带速v
v=πdp1n1 /（60×1000） m/s （3-2）
注意：v↑ —→离心力、离心应力↑—→FQ↓
—→单位时间内的应力循环次数N↑
v↓ —→P=F×v/100可知，P一定时，F↑—→张紧力↑
一般v在5～25 m/s，最大30 m/s，在8～15 m/s较好
V=∏*36*3400/60*1000=6.4<30m/s,合适
5、初定中心距a0
中心距的大小对带传动的影响：
a↑—→结构大—→由于载荷变化引起带的颤动—→掉带
a↓—→带的长度↓—→在一定速度下，单位时间内带的应力变化次数N愈多，会加速带的疲劳损坏；
—→当传动比i较大时，包角↓
对于V带传动，中心距a一般可取
2（de1 ＋de2 ）≥a0≥0.7（de1＋de2）
148.4〈a0〈212
初定 a0=160mm

6、确定带的有效长度Le
Le0=2a0+∏/2（de1＋de2）+(de2-de1)2/4a0
=2*160+332.84+1.4
=654.24mm
由表8-52，选Le=650mm

7、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=5,￡min=8.

a=a0+(Le- Le0)/2
=150-1.48
=148.52mm

则a1=153.52mm a2=140.52mm
8. 有效圆周力 FT= Pd/v*103=0.37*103=370N

9．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
则 Fr=1.57*370*0.995
=580N
多楔带带的选择

根据计算
跑步机传动机构选择12PJ450多楔带
3.2 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300～350mm时
3）轮幅式：带轮基准直径大于300～350mm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=2.34±0.03 槽角α=40o±0.5o 楔顶圆角半径rb,最小值为0.2，槽底圆弧半径rt最大值为0.4，检验用圆球或圆柱直径db=1.5±0.01,2X公称值为0.23，2N最大值1.22，f最小值为1.8，有效线差公称值￡e=1.2径向跳动公差0.25，槽间直径差值最大0.16。n槽数为12。。
带轮宽=11*2.34+1.8*2
=29.34MM
3.3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。
本跑步机中心距是可调的：
a=a0+(Le- Le0)/2=160-1.48=158.52mm
则a1=163.52mm a2=150.52mm
范围在150.52---163.52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。

小结
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。
第4章 外型结构设计

4.1支架的设计
支架包括扶手，仪表安装辅助支架，扭腰盘连接处等，仰卧起坐架直接焊接于辅助连杆上。与基架的连接采用螺栓连接，方便位置的调整和拆装。底部安有橡胶垫和尾套，保证平衡，最重要的是实现减震的二级缓冲。

4.2机架的设计
基架的设计是整个跑步机稳定的保证，全部采用镶嵌式固定。
支架，滚筒以及前罩等等，都要靠基架来维持平衡。通过调研，看现有市场上的跑步机的基架结构的流行设计，在此我基础上进行自己产品的开发，紧跟市场，在尺寸的确定方面参考了人体运动工学推算，450mm宽X1400mm长跑步带面积，以此保证给人以足够的运动面积，为主要数据展开对基架的设计，再考虑电机的尺寸，传动机构带传动的中心距离，电机的安装，前后滚筒的位置，PWM调速电源的安装位置，以及传感器安装位置的预留等等，设计了下图的基架，在设计中特意将两边框设计了足够的宽度，以此为锻炼过程中短暂的休息提供两脚踩放的位置，另外也为万一跑步机失灵发生意外，人可快速两脚分开脱离旋转
的跑带，提供足够的安全踩放位置。

4.3 前后罩
旋转传动机构必须与执行机构隔离，保证安全性，同时为了技术保护和美观，前后罩使用ABS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。

第5章 前后滚筒
5.1 轴承的计算
轴承类型：深沟球轴承，轴承代号：6004-ZZ-C
轴承参数：轴承内径：17，轴承外径：42，轴承宽度：12，额定动载荷：9400，额定静载荷：5050，极限转速：18000， 润滑方式：脂润滑。
工作参数：径向载荷：406.16，轴向载荷：0，使用寿命：30000，工作转速：1819.8，载荷系数：1.5。
计算结果：
当量动载荷：609.24
当量静载荷：609.24
计算寿命：16950
5.2轴结构的设计
滚筒轴属于固定心轴——只承受弯矩M≠0；不承受扭矩T=0；轴的毛坯一般用圆钢或锻件。

结构设计应满足的基本要求
1、 轴与轴上零件应具有准确的工作位置——定位要求
2、 轴上零件应易于装拆和调整——安装调整要求
3、 轴上零件的固定应牢固可靠——紧固要求
4、 轴应具有良好的制造工艺性——工艺要求
5、 应尽量减少应力集中——提高疲劳强度的要求

轴的各部分结构名称制造安装要求
——为便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯轴。
——为使轴上零件易于安装，轴端和各轴段的端部应有导角
——轴的形状和尺寸力求简单，以便于加工
——轴上磨削的轴段有砂轮越程槽；需车制螺纹的轴段，应有推刀槽；
轴的材料

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（含碳量０.45％），它具有较高的综合机械性能。
此设计采用45#钢。

5.3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。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[σ-1] 。
最大弯矩M=0.54/2*300=81N.M
抗弯截面系数W=∏*d4/64 =[3.14*(0.012)4/64]=2*10-8
强度=M/W=81/(∏*d4/64)=81/2*10-8=40MPa
材料采用45号调质钢许用弯应力为102MP 40〈102
则通过设计能承受足够的工作强度。
5.4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。

5.5跑台润滑油的填加

1、减小跑步带和跑步板之间的摩檫力，保护跑步板表面的耐磨涂层，延长跑带、跑板的使用寿命。
2、减少跑步机的电能消耗。
3、让用户在运动时更流畅。
品质要求：
1、耐高温。
2、黏度高。
3、不易挥发。
使用方法：
1、掀开左侧跑步带，将润滑油沿跑步带方向倒在跑步板上，控制用量为 10 ml。
2、右侧同左侧一样操作方法。
3、将跑步机通电运转在3 KM / H以内，人站上去随着跑步带一起运动，用脚有意识的踏压跑步带下涂有润滑油的区域，使其在跑步板上散布均匀。
使用频率：
6个月加注1次润滑油
注意事项：
不可过量使用，防止摩檫力太小后跑步带和传动滚筒之间打滑影响正常使用。

第6章 多功能设计

6.1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。

仰卧起坐架

6.2扭腰盘设计