多功能跑步機設計（全套含CAD圖紙）

成都理工大學2015屆學士學位論文（設計）基于Pro/E的多功能跑步機多功能跑步機設計作者姓名：專業(yè)班級： 指導教師：摘要 隨著社會的發(fā)展，跑步機逐漸成為家庭及健身房常備的器材，而現(xiàn)在的跑步機健身方式大多都比較單調， 并不能盡善盡美的完全人性化的健身,跑步機就是創(chuàng)建一條傾斜的跑道，使得人在這條傾斜的跑道上連續(xù)跑步，這樣的設計可以節(jié)約很多時間，我們需要設計出一款多功能跑步機，跑步機不僅能夠跑步，還能夠附帶其他的健身方式，這樣子的設計不僅可以讓人體驗到跑步的快樂，而且還可以更有效率的增強健身者的體質，這種跑步機不僅功能多樣化，而且用起來比較安全舒適，對于不同的人群都是適用的，通過對它的選材就可以了解到生產這樣子一臺跑步機價格是非常廉價的，完全符合家庭使用的環(huán)境，在與老式跑步機作對比的過程中對該多功能跑步機做了很多優(yōu)化設計，在涉及傳動方面的帶傳動和齒輪傳動方面都是加入了比較精確的傳動數(shù)據(jù)，使得該多功能跑步機運轉起來平穩(wěn)舒適安全。關鍵詞： 設計傳動； 優(yōu)化設計 ；電動機On the base of PRO/E multifunction treadmillAbstract:With the development of society, the treadmill has gradually become the family and gym standing equipment, and now the treadmill fitness are relatively monotonous, and not perfect completely humanized fitness treadmill is to create a sloping runway, making people in the tilt of the runway on the continuous running. This design can save a lot of time, we need to design a multifunctional treadmill, running machine not only can run, but also to incidental to other methods of fitness, this design can not only to allow people to experience the joy of running.But also can be more efficient to enhance the fitness of the constitution, the treadmill not only functional diversification, and the use is safe and comfortable, for different groups of people are applicable, through the material can be learned this way in the production of a treadmill price is very cheap, in full compliance with the family environment, in contrast with the old treadmill on the treadmill did a lot of optimization design, relates to the transmission belt transmission and gear transmission aspects are joined with the more precise transmission data, making the multifunctional treadmill running stable safe and comfortable.Keywords: design transmission; Optimization design; motor目錄摘要1第1章 緒論41.1課題背景41.2跑步機的現(xiàn)狀41.3設計方法41.3.1原型初步設計41.4設計內容及其預期成果51.4.1基本要求51.4.2主要任務51.4.3 最終成果5第2章 總體方案設計62.1研究方案62.1.1老式跑步機的簡介62.1.2多功能跑步機的基本原理62.2方案的對比和確認7第3章 傳動裝置的設計83.1電動機的選擇83.2傳動帶的設計9第4章 軸的設計124.1軸的計算124.2計算傳動裝置的傳動比124.2.1傳動軸I的結構設計134.2.2校核該軸134.2.3精確校核軸的疲勞強度154.2.4軸III計算與校核204.2.5軸承的選擇234.3.1軸I上鍵的選擇234.3.2軸II上鍵的選擇244.3.3軸III上鍵的選擇24第5章 齒輪傳動設計255.1齒輪的基本參數(shù)選擇255.1.1選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)255.1.2按齒面接觸強度設計255.2按齒根彎曲疲勞強度設計27確定計算參數(shù)275.2.1計算模數(shù)285.3幾何尺寸計算285.4軸承的選擇30第6章多功能跑步機重要部位力學有限元分析316.1跑步帶的三維力學分析316.2齒輪部分的力學三維分析326.3軸的三維力學分析33第7章 控制部分34第8章多功能設計358.1仰臥起坐的設計358.2折疊功能的設計358.3扭腰盤設計36總結38致謝39參考文獻40第1章 緒論1.1課題背景近年來隨著人們的生活水平的提高，跑步機已經很普遍的陳列在很多家庭里，其原因是由于戶外環(huán)境的污染嚴重限制了人們在戶外活動的空間，據(jù)調查，一方面每天城市的大部分污染氣體都來自于汽車尾氣，而人們晨練呼入氣體而生病的根端就是吸入了太多污染氣體，所以人們在尋找一種可以不用到戶外就能享受到舒適鍛煉的感覺，所以室內鍛煉越來越成為一種主流的健身方式，在經過多年的研究中發(fā)明了跑步機，但是跑步機卻又完全限制了人們的活動空間，使得人們只能在單調的室內無聊的做著相同的動作，也因此很多人得了抑郁癥，對鍛煉身體徹底失去了信心，其原因就是因為跑步機作為一種鍛煉工具，其鍛煉持續(xù)時間過長，而且鍛煉身體的方式有比較單調，使得人們厭倦了這種鍛煉方式，本人就在想能不能設計出一種更多功能的跑步機，使得跑步機不再是那種單調的無聊的乏味的健身意圖，最終經過我很長時間的思考最后選擇在跑步機原有的基礎上在增加一些功能，使得跑步機的健身方式不再那么單調，不會讓健身成為某些人抑郁癥的導火索，更多的是讓健身成為一種樂趣，適合大眾的，并能夠是跑步機打到他本來的目的，不會給人壓力感。另一方面人們的消費觀念也在悄悄變化，人們在看待物質的眼光也在變化，人們的生活水品決定了人們的購買力，同時也決定了人們購買物品是考慮到的因素，跑步機作為一種家用的健身器材，人們會考慮它的實用性和耐久性舒適性，所以設計這款多功能跑步機同時也要考慮前面提到的需求性，使得最終設計的多功能跑步機能夠滿足社會的需求，最終贏得廣大老百姓的親睞。1.2跑步機的現(xiàn)狀 現(xiàn)在的跑步機行業(yè)可謂是特別火爆的一個行業(yè)，人們對健身的渴望使得現(xiàn)在的跑步機現(xiàn)在呈現(xiàn)出幾種趨勢，有單功能的跑步機，單純以跑步為主要目的的跑步機，這種跑步機比較枯燥乏味，還有就是價格比較貴，噪音比較大，有時也經常會發(fā)生安全問題，舒適度也是很低的。在設計方面還有很多問題，在家庭中使用不是很合理的，嚴重影響了人們的生活方式，人們現(xiàn)在的消費觀念是綠色環(huán)保實用還有節(jié)能省錢，而現(xiàn)在的跑步機存在的諸多問題并不能滿足人們的生活需求，所以跑步機市場迫切需要一次改革，出現(xiàn)一種新型跑步機來取代現(xiàn)在老舊的跑步機，使得這個很有潛力發(fā)展的跑步機市場增添活力。1.3設計方法首先根據(jù)大學四年所學的專業(yè)課知識活學活用充分結合實踐通過網(wǎng)絡了解跑步機的相關資料，然后根據(jù)跑步機的結構再深入了解跑步機的內部構造和運動原理，在同學和指導老師的幫助下完成多功能跑步機的誰，通過現(xiàn)有的跑步機的結構分析和運動原理確定自己跑步機的結構，最后進行類比，選出最優(yōu)的方案，然后進行優(yōu)化處理，最終保證其機械性能能夠滿足要求，具體設計步驟如下： 1.認識多功能跑步機通過對市場上的多功能功能跑步機的運動工作原理及跑步機的發(fā)展史的了解，初步了解到了跑步機的外形尺寸及其大致的結構和運動 功能。同時在學校圖書館的外文資源下載網(wǎng)站上查閱到了很多關于多功能功能跑步機的一些相關信息，并了解到了多功能跑步機的內部結構和很多核心的結構組成部分，比較出了多功能跑步機的共同優(yōu)缺點，和多功能跑步機的共同性質和特征。2. 構思設計本次設計的過程中主要是基于原有跑步機的基礎上在增加很多功能并對原有的多功能跑步機進行改進，考慮到最主要的是現(xiàn)在跑步機的功能都比較有限，不能合理的布局在跑步機的各個方位，所以增加一些新的功能，使得跑步機更適合大眾化，主要增加多功能跑步機的折疊功能，仰臥起坐功能，扭腰功能等等，并在這些新的功能方面進行優(yōu)化處理，選出最受大眾歡迎的幾種功能，考慮到多功能跑步機在設計過程中1.3.1原型初步設計我的設計思路是在原有跑步機的基礎上再增加一些功能，并實現(xiàn)一種大眾化的跑步機的設計，由于是從原有的基礎上設計，最主要的問題就是增加哪些功能到跑步機上，并且這些新功能加到跑步機上怎么樣布局才會最合理，所以最主要的就是要合理設計多功能跑步機的尺寸畫出關鍵機構和聯(lián)接部分的草圖，并借助PRO/E和AutoCAD軟件作出這些部分的準確圖形，在準確的圖形上再次分析布局的合理性，形成一個初期產品。再由指導老師的進行檢驗和建議后對缺陷和不合理的地方進行改善。在這個過程中借助PRO/E、AutoCAD、仿真軟件。對我設計的多功能跑步機進行外觀設計，并對重要的機構部件進行受力分析，計算尺寸，進行合理的強度和剛度校核，在根據(jù)要求設計出產品。1.4設計內容及其預期成果1.4.1基本要求 1.設計出一種便捷簡單實用的多功能跑步機。 2.適用于大眾需求，操作簡單，價格實惠。 3.運用proe和autoCAD軟件對零件進行建模并做裝配和運動仿真。1.4.2主要任務1.功能設計2. 結構設計（零件圖，裝配圖）3.運動仿真4.材料選用和校核5.市場調研1.4.3 最終成果 1.實現(xiàn)多功能跑步機的多功能化 2.繪制出多功能跑步機的裝配圖和零件圖 3.利用proe軟件對多功能跑步機做運動仿真 4.對重要零件進行受力分析和強度校核，使得多功能跑步機在使用過程中很環(huán)保，高效率。第2章 總體方案設計2.1研究方案2.1.1老式跑步機的簡介 老式跑步機功能單一，靠普通電機實現(xiàn)運轉，控制部分比較老舊，自動化程度低，工作方式比較單一，能耗比較大，工作效率低，產生的噪音比較大。 圖 2-1 老式跑步機結構2.1.2多功能跑步機的基本原理 多功能電動跑步機主要由機架、電動機、可調電源、跑步皮帶及儀表控制盤組成，其特征在于框架與支架垂直連接，前軸與后軸分別裝在框架的兩端，前滾筒與后滾筒分別用軸承套裝在前后軸上，跑步皮帶張緊繞裝在前后滾筒上，跑步皮帶下裝有支撐跑步板，從動皮帶輪緊裝在前滾筒的一端，電動機、可調電源安裝在框架的前端，控制傳感器裝在電動機上，速度傳感器安裝在緊靠在從動皮帶輪的框架上，皮帶調節(jié)螺栓一端連接在電動機外殼的孔板上，另一端連接在焊接于框架前端的孔板上，跑步機扶手架安裝于支架的頂端，儀表控制盤安裝于扶手架上。傳動方式采用帶傳動機構，傳動級為一級。同時在支架上安有扭腰盤和仰臥起坐以及折疊功能來實現(xiàn)其多功能性。傳動方式采用帶傳動機構，帶傳動具有制造簡單、價格低廉、無噪聲、適合跑步機的使用。多楔帶適于傳遞功率較大而又要求結構緊湊的場合，特別能適應帶輪直徑小的傳動，因此本設計選擇多楔帶，連接電機輸出輪與前滾筒輪，將動力傳至跑步帶，從而實現(xiàn)跑步帶的移動。2.2方案的對比和確認最終通過兩種多功能跑步機的對比，可以看出多功能跑步機更適應市場的需求和社會的發(fā)展需求，多功能跑步機通過電動機驅動齒輪傳動，將動力輸送到軸上，然后帶動跑步帶運轉，是跑步愛好者在跑步帶上隨著跑帶運動。多功能跑步機的三維圖如下;圖2-2多功能跑步機三維圖多功能跑步機的主要尺寸選擇是根據(jù)市場上用比較廣泛的跑步機的尺寸定制的;我設計的多功能跑步機其長度為第3章 傳動裝置的設計 3.1電動機的選擇 多功能跑步機的唯一動力源就是電動機了，電動機一般可以分為直流電動機和交流電動機。在選擇電動機的時候最需要考慮的就是電動機的實用性，交流電動機不是很安全，比較容易壞，需要經常維護維修，噪音比較大，輸出環(huán)境不太穩(wěn)定，一般適用于商業(yè)上的中大型運動器材，雖然交流電機可以長時間運轉，但是做為家用跑步機一般最多連續(xù)運轉十個小時就已經夠了。而直流電動機則是比較安全的，可以用很長時間，不容易壞，不需要經常維護維修，噪音比較小，輸出環(huán)境穩(wěn)定，運轉平穩(wěn)，波動小，可以讓體驗者有種安全感，一般適用于家庭中的跑步機的動力源。所以最終選擇直流電動機作為本次設計的多功能跑步機的唯一動力源。然后在選擇多功能跑步機的直流電機的功率。考慮到當人們在跑步機上跑動或走動時會對跑步機施加不同的作用力，一般人毀在跑步或走動的情況下對跑步板施加0.8-2.5倍的作用力，所以首先要計算出多功能跑步機的額定功率。 1馬力=735瓦 (3-1)市場上的直流電動機的功率有很多種：1.5馬力 , 1.75馬力 , 2馬力 ,2.5馬力 , 3馬力。而馬力的作用就是為了在一定重量下為輸出機構提供動力依據(jù)的一種表征，它和重量達到一種一對一的對應關系，使得電機實現(xiàn)一種負反饋。 一般人的體重上線可以設定為100Kg，一般1馬力可以提供大約50Kg的重量，換句話說就是跑步機的功率應該設定為2馬力，通過計算也就是1.5KW的直流電動機，考慮到當跑步愛好者在跑步機上跑步鍛煉身體時，對與跑步板有一個非常大的沖擊負載核，這就需要找到一種能搞轉矩比較大，運行平穩(wěn)，抗負載性能功能良好的電動機作為本次多功能跑步機的動力源，這種跑步機放在家庭中，必須是綠色環(huán)保的，并且無公害，噪音小，輸出的效率比較高，讓人在運動的過程中想快就快，想慢就能夠平穩(wěn)的慢下來，并且在市場上的性價比也是比較合理的，并且特別適用，考慮以上因素后，通過比較最終選擇zyt42型號的永磁直流電動機作為我們多功能功能跑步機的動力源，這款電動機完全滿足了以上的要求，當之無愧的成為了本次家用多功能跑步機的唯一動力源。表3-1電動機主要參數(shù)名稱符號參數(shù)值額定功率P1.5kW滿載轉速n3400r/min伸出端直徑D19mm伸出端安裝長度Emm安裝基礎地腳螺栓距離125mm100mm工作電壓U220V效率71%3.2傳動帶的設計 已知條件和設計內容： 設計傳動帶帶傳動時的已知條件包括,帶傳動的動作條件,所需傳遞的額定功率P,主動帶輪轉速n1。所選的工作部分的傳動類型選擇帶傳動,屬于定傳動比勻速轉動機構，帶傳動具有結構簡單，成本低廉 能緩和載荷沖擊，運行平穩(wěn)，無噪聲，過載時將引起帶在帶輪上打滑，因而可防止其他零件的損壞，具有過載保護作用.初始條件：選擇電機為專門為跑步機生產的永磁直流電動機，傳動功率P=1.5KW，主動輪轉速n1=3400r/min 傳動比定為i=2.1 由于多楔帶適于傳遞功率較大而又要求結構緊湊的場合，特別能適應帶輪直徑小的傳動，所以選擇這個。 圖3-1多功能跑步機跑步帶三維圖1.計算設計功率Pca PcaKAP 根據(jù)跑步機使用的特性，選擇每天工作小時數(shù)10小時，載荷變動小最終選擇KA=1.1見表8-9Pca=1.1*1.5=1.65kw (3-2)2.帶型號的選擇 根據(jù)計算功率Pca和帶輪轉速n1選擇多楔帶的型號由設計功率Pca=1.65KW和小帶輪轉速n1=3400r/min選PJ型多楔帶。3.計算帶輪直徑d（基準直徑）小帶輪有效直徑的計算：由表8-9demin=20mm,由表8-9選de1=33.5mm大帶輪有效直徑:小帶輪節(jié)圓直徑Dd1=de1+2e=33.5+2x1.2=36mm 由表8-9，e=1.2大帶輪節(jié)圓直徑dp2=idp1=2*33.5=67mmDd2=dp2-2e=67-2x1.2=64.6mm由表8-9，選dd1=63mm4.驗算帶速u u=dd1n1 /（601000） m/s 在這里如果帶速度增加，相應的它的離心應力也會隨著增加，單位時間內的應力循環(huán)次數(shù)也會隨著增加。反而若帶的速度降低，由功率公式可以知道當功率一定時，離心應力越大，張緊力也會越來越大。 根據(jù)計算好的速度，帶速不宜過高或過低，一般應使u=5-25m/s最好，最高也不允許超過30m/s，因為更高的帶輪轉速會降低皮帶的壽命和疲勞強度，使得皮帶輪不能長久地使用，很容易出現(xiàn)帶斷裂，帶的摩擦系數(shù)會降低。u=*36*3400/60*1000=6.4從計算的結果可以看出帶速遠遠小于30m/s的最高限制，所以該設計的轉速是合理的，可以采納。5.初定中心距a0中心距大，可以增加帶輪的包角，減少單位時間內帶的循環(huán)次數(shù)，有利于提高帶的壽命，但是中心距過大，則會加劇帶的波動，降低帶的傳遞的平穩(wěn)性，同時增大帶的傳動的整體尺寸，一般選擇帶傳動的中心距為 0.7（dd1dd2）a02（dd1dd2） 67.55a0193 初定 a0=160mm6.確定帶的有效長度Le Le0=2a0+/2（dd1dd2）+(dd2-dd1)2/4a0 =2*160+151.505+1.45 (3-3)=472.96mm則帶的有效長度選Le=470mm7.計算實際中心距及其變動范圍。 傳動的實際中心距近似為：a=a0+(Ld- Ld0)/2 (3-4)考慮到帶輪的制造誤差，帶長誤差，帶的彈性以及帶的松弛而產生的補充張緊的需要，所以帶的實際中心距a為： a=a0+(Le- Le0)/2=160-1.48=158.52mm則a1=163.52mm a2=150.52mm8.計算小帶輪上的包角11-（dd2-dd1 ）/a (3-5)=3.14-0.199=2.94rad所以選擇比較合適。多功能跑步機跑步帶三維圖如下： 圖3-2多功能跑步機帶傳動三維圖第4章 軸的設計4.1軸的計算 根據(jù)所選電動機的額定功率為1.5kw，輸出軸的轉速為3400r/min，輸入轉矩約為1000N.m。市場調查，回轉式貼標機每小時的貼標數(shù)量大約為4000050000件，輸入轉矩約為300400N.m。由公式 (4-1)可知，由此可以計算出工作機實際需要的功率為2.8kw根據(jù)計算出的功率查表2-41確定所選電動機型號為zyt42，滿載轉速為n=3400r/min，額定功率為p=1.5kw，。帶輪輪傳遞效率為=0.97；一對滾動軸承的效率為=0.98；傳動系的總效率：總 = =0.95驅動裝置輸出的功率： Pw =總Pe =0.95x1.5kW=1.425kW （4-2）在計算出的功率范圍類，滿足要求。4.2計算傳動裝置的傳動比由選定的電動機滿載轉速nm和輸出轉速nw=400r/min，可得驅動裝置總傳動比為 (4-3)材料：選用45號鋼調質處理，硬度為217-255HBs,許用彎曲應力=60MPa;查2表15-3取A=50mm4.2.1傳動軸I的結構設計（1）計算軸I的運動學和動力學參數(shù)=0.712kW , =n=346.5r/min， =9550xN.m=19.62N.m=19620N.mm （4-4）（2）各軸段直徑的確定由 =0.3mm （4-5） 選軸承60000，其內徑為10mm，所以取；第一段為外花鍵，第二、四段裝軸承；第三段裝齒輪，又套筒定位；左端為內花鍵，內徑7mm,外徑10mm,由于軸肩高（0.070.1），取1mm，則； 外花鍵長6mm,60000軸承厚8mm，套筒1個，每個寬3mm，齒輪寬6mm，內花鍵段長12mm,考慮到外花鍵與第二段處軸承間設計長度，所以初取=37mm，=12mm。 綜上所述：該軸的長度=49mm4.2.2校核該軸1.軸的應力分析跨距L=49mm=29mm，=12mm， 作用在齒輪上的轉矩為： 小齒輪分度圓直徑d1=64mm作用在齒輪上的圓周力為： （4-6）徑向力為 （4-7）求垂直面的支承反力： （4-8）11N （4-9）求水平面的支承反力：由得 （4-10） （4-11）繪制垂直面彎矩圖 （4-12） （4-13）繪制水平面彎矩圖 =217x29=6293N.mm （4-14）=396x12=4752N.mm （4-15）2. 按彎曲扭轉合成應力校核軸的強度 考慮最不利的情況，把直接相加 （4-16）取折合系數(shù)根據(jù)= （4-17）前已選軸材料為45鋼，調質處理。查表15-1得=60MP則 此軸合理安全4.2.3精確校核軸的疲勞強度1.判斷危險截面鍵槽的應力集中較系數(shù)比過盈配合的小，因而,該軸只需校核齒輪安裝處截面左右兩側需驗證即可.2.截面左側抗彎系數(shù) W=0.1=0.1=100抗扭系數(shù) =0.2=0.2=200截面的右側的彎矩M為 （4-18）截面上的扭矩為 =980000m截面上的彎曲應力 （4-19）截面上的扭轉應力 = （4-20）軸的材料為45鋼。調質處理。由課本表15-1查得：， 因 ，經插入后得2.0， =1.31軸性系數(shù)為， =0.85K=1+=1.82 ， K=1+（-1）=1.26 （4-21）所以， ，綜合系數(shù)為： K=2.8 ， K=1.62碳鋼的特性系數(shù) ， 取0.1 ，取0.05安全系數(shù)=20.17，=7.49 （4-22）=S=1.5 （4-23） 所以它是安全的。3.截面右側抗彎系數(shù) W=0.1=0.1=487N.mm抗扭系數(shù) =0.2=0.2=974N.mm截面左側的彎矩M為 M=126000MPa截面上的扭矩為 =980000N.mm截面上的彎曲應力 （4-24）截面上的扭轉應力 =1.31 （4-25） K= K= （4-26）所以， ， 綜合系數(shù)為：K=1.82 ， K=1.26碳鋼的特性系數(shù) 取0.1 取0.05安全系數(shù)S=18.74 （4-27） S9.59 （4-28）=S=1.5 （4-29） 所以它是安全的。1.由前面的計算可知P2= p1=7.13x0.97=6.93kw，n2=100r/min （4-30）2.初步確定軸的最小徑軸材料為45鋼，調質處理取 （4-31）由于軸上開有兩個鍵槽，軸的直徑需要增大10%，故，取整得的d2=60mm3.齒輪圓周力： （4-32） （4-33）4.軸的結構設計軸頭放到軸里邊，但是不能穿過軸承與因此L139mm，我設計的尺寸為L1=35mm，軸肩承受軸向載荷不宜太薄，也不能太厚，因此我設計的尺寸為L2=30mm，第三段安裝齒輪，根據(jù)齒輪寬度設計的尺寸為L3=60mm，最小段需要安裝氣動裝置和圓盤，因此需要適當?shù)拈L一些，因此我設計的尺寸為L4=520mm。各段尺寸如圖4-5所示： 圖4-5 軸II尺寸圖5.軸上的載荷計算與校核： （4-34） （4-35）繪出H面的內的彎矩圖由圖可以看出最大彎矩發(fā)生在齒輪截面C上其值為： （4-36）繪出V平面內的彎矩圖由上圖可以看出V平面內的最大彎矩也發(fā)生在C截面上，但彎矩值有突變其值為 （4-37） （4-29）由于在H平面和V平面的最大彎矩都在C截面上，所以將C平面上的彎矩進行合成得到 （4-38） （4-39）繪制合成彎矩圖繪制扭矩圖軸在扭矩與彎曲組合變形下，按第四強度理論計算的強度條件5（式8-11）為： （4-40）所以只需則滿足要求，查表12-42可知， （4-41） （4-42）可知d2=60時強度滿足要求。由于軸II最小徑上要安裝一個氣動裝置，受軸向載荷，因此還要對其進行穩(wěn)定校核6.穩(wěn)定校核(1)最小軸的安裝屬于壓桿穩(wěn)定中的一端固定一端自由類型，查表14-15可知長度系數(shù),最小軸長度為L4=520mm(2)計算最小軸的柔度，L4=520mm， （4-43）柔度 （4-44）對于45號鋼，屬于中柔度桿，故查表12-212可知45號鋼a=461，b=2.57，代入上式計算得(3)計算最小軸的許可載荷 查表14-35可知穩(wěn)定安全系數(shù)nst=1.83.0，取nst=2.0 （4-45）按重力加速度g=9.8N/kg計算，則許可承受的質量為（4-38）氣動裝置的比較輕其質量小于m，故最小軸滿足穩(wěn)定條件。4.2.4軸III計算與校核1.由前面算得P3=6.72kw,n3=200r/min,T3=320.88N.m2.求作用在軸上齒輪上的力 （4-46） （4-47）3.初步確定軸的最小直徑 現(xiàn)初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調質處理據(jù)表15-33，取A=110，于是得： （4-48）因為軸上應開1個鍵槽，所以軸徑應增大5%-7%故取d=37.37mm，取最小徑為50mm.4.軸的結構設計軸頭直接與軸承接觸，但是不能接觸到底座內壁，因此L131，我設計的尺寸為L1=27mm，L2端是軸肩需要承受一定的軸向載荷，因此不能太薄，我設計的尺寸為L2=30mm，第三段是安裝齒輪用的，根據(jù)齒輪尺寸，我設計的尺寸為L3=60mm，最小段需要伸出上工作臺裝零件，因此不能太短，根據(jù)需要我設計的尺寸為L4=250mm。各段尺寸如圖4-6所示： 圖4-6 軸III尺寸圖5.軸上的載荷計算與校核： （4-49） （4-50），直齒輪的螺旋角=0，所以=0.軸承支反力 （4-51） （4-52）繪出H面的內的彎矩圖由圖可以看出最大彎矩發(fā)生在齒輪截面C上其值為： （4-53）繪出V平面內的彎矩圖由上圖可以看出V平面內的最大彎矩也發(fā)生在C截面上，但彎矩值有突變其值為 （4-54） （4-55）由于在H平面和V平面的最大彎矩都在C截面上，所以將C平面上的彎矩進行合成得到 （4-56） （4-57）繪制合成彎矩圖，如下圖繪制扭矩圖，如下圖軸在扭矩與彎曲組合變形下，按第四強度理論計算的強度條件5（式8-11）為： （4-58）所以只需則滿足要求，查表12-42可知， （4-59） （4-60）可知強度滿足要求。4.2.5軸承的選擇1. I軸上軸承的選擇軸I的大端直徑為60mm，據(jù)此查表10-11可知選用軸承代號為N312E,內徑為60mm，寬度為31mm，最大直徑為130mm，基本額定動載荷Cr=142kN，油潤滑的極限轉速為5600r/min軸I的端直徑為50mm，據(jù)此查表10-11可知選用軸承代號為N310E，內徑為50mm，寬度為27mm，最大直徑為110mm，基本額定動載荷Cr=105kN，油潤滑的極限轉速為6700r/min。2.軸II上軸承的選擇軸II的大端直徑為80mm，據(jù)此查表10-11可知選用軸承代號為N316E，內徑為80mm，寬度為39mm，最大直徑為170mm，基本額定動載荷Cr=245kN，油潤滑的極限轉速為4300r/min，軸II的小端直徑為60mm，據(jù)此查表10-11可知選用軸承代號為N312E，內徑為60mm，寬度為31mm，最大直徑為130mm，基本額定動載荷Cr=142kN，油潤滑的極限轉速為5600r/min。3.軸III上軸承的選擇軸I的大端直徑為60mm，據(jù)此查表10-11可知選用軸承代號為N312E,內徑為60mm，寬度為31mm，最大直徑為130mm，基本額定動載荷Cr=142kN，油潤滑的極限轉速為5600r/min軸I的端直徑為50mm，據(jù)此查表10-11可知選用軸承代號為N310E，內徑為50mm，寬度為27mm，最大直徑為110mm，基本額定動載荷Cr=105kN，油潤滑的極限轉速為6700r/min。4.3各軸上鍵的選擇4.3.1軸I上鍵的選擇軸I上有一個將齒輪與軸連接在一起的平鍵，連接處軸的尺寸為60mm，依據(jù)此數(shù)據(jù)查表9-25可知當58d65時，鍵的尺寸為，故鍵的寬度為18mm，高度為11mm。4.3.2軸II上鍵的選擇軸II上有兩處使用了鍵連接，第一處是軸與齒輪連接，第二處是軸與圓盤連接，齒輪處軸的直徑為70mm，查表9-25可知鍵的尺寸為，圓盤處軸的直徑為60mm，查表9-25可知當58d65時，鍵的尺寸為.4.3.3軸III上鍵的選擇軸III上有一個將齒輪與軸連接在一起的平鍵，連接處軸的尺寸為60mm，依據(jù)此數(shù)據(jù)查表9-25可知當58d65時，鍵的尺寸為。第5章 齒輪傳動設計5.1齒輪的基本參數(shù)選擇5.1.1選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)（1）選用直齒圓柱齒輪傳動（2）為了滿足精度需要選6級精度的軟齒面（硬度）（3）大、小齒輪材料均選用碳素45（調質），硬度240HBS（4）小齒輪齒數(shù)為z1=20，小齒輪與大齒輪的傳動比為2:1，所以大齒輪齒數(shù)為 z1=40，齒輪壓力角均為a=,大小齒輪的三維圖如下：圖5-1多功能跑步機齒輪傳動三維圖5.1.2按齒面接觸強度設計（一）、計算公式內的各數(shù)值 （5-1）兩種材料都用鋼時，有ZE=189.8代入上式有 （5-2） （1） 試選Kt=1.2（2） 小齒輪齒數(shù)取Z1=20,大齒輪齒數(shù)為Z2=40,單級齒輪傳動對稱布置，由表11-52選取齒寬系數(shù)（3） 計算作用在齒輪上的轉矩 (5-3)（4）由圖11-8查得按齒面硬度查得大、小齒輪的接觸疲勞強度極限，（5）查表11-72查得安全系數(shù)SH=1（6）按預期壽命10年，單向運轉，計算應力循環(huán)次數(shù) (5-4)N2=N1/i=3.74x107 (5-5) （7）試算小齒輪分度圓直徑，由公示（4-2）可以求出最小直徑，其中得 (8)計算圓周速度v (5-6)(9)計算齒寬b (5-7)（10）計算齒寬齒高之比模數(shù) (5-8)齒高 (5-9) (5-10)（11）計算載荷系數(shù)據(jù) (5-11)8級精度，由圖1083查得直齒輪由表102得使用系數(shù)由表104得8級精度，小齒輪相對軸承非對稱布置由，查圖10133得 (5-12)(12)按實際的載荷系數(shù)校正所算的分度圓直徑 (5-13)圓整之后取d1=120mm（13）計算小齒輪模數(shù)m1 (5-14) 5.2按齒根彎曲疲勞強度設計 按公式： (5-15)確定計算參數(shù) （1）計算載荷系數(shù)。 (5-16) （2）查取齒形系數(shù) 由表10-5查得齒形系數(shù), （3）查取應力校正系數(shù) 由表10-53查得, （4）由圖10-20c3查得小齒輪的彎曲疲勞強度極=570MPa，大齒輪的彎曲疲勞強度極限=520MPa （5）由圖10-183取彎曲疲勞壽命系數(shù)，（6）計算彎曲疲勞許用應力 查表11-72取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.3，則有： (5-17) (5-18)（7）計算大、小齒輪的 ，并加以比較 (5-19) (5-20)經比較大齒輪的數(shù)值大。 5.2.1計算模數(shù) 把數(shù)據(jù)帶入式4-3可得對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的法面模數(shù)，取 m =6mm，已可滿足彎曲疲勞強度。則： (5-21)則Z2=iZ1=405.3幾何尺寸計算（1）計算分度圓直徑 (5-22) (5-23)（2）計算中心距 a （5-24） 圓整故取a=180 （3）計算齒輪寬度 b= （5-25） B1=60mm，B2=120mm大、小齒輪各參數(shù)見下表大、小齒輪相關參數(shù)(單位mm)表5-1名稱符號計算公式及說明模數(shù)m6壓力角齒頂高6齒根高全齒高分度圓直徑240齒頂圓直徑齒根圓直徑m=105m=225基圓直徑=中心距5.4軸承的選擇1. I軸上軸承的選擇軸I的大端直徑為60mm，據(jù)此查表10-11可知選用軸承代號為N312E,內徑為60mm，寬度為31mm，最大直徑為130mm，基本額定動載荷Cr=142kN，油潤滑的極限轉速為5600r/min軸I的端直徑為50mm，據(jù)此查表10-11可知選用軸承代號為N310E，內徑為50mm，寬度為27mm，最大直徑為110mm，基本額定動載荷Cr=105kN，油潤滑的極限轉速為6700r/min。2.軸II上軸承的選擇軸II的大端直徑為80mm，據(jù)此查表10-11可知選用軸承代號為N316E，內徑為80mm，寬度為39mm，最大直徑為170mm，基本額定動載荷Cr=245kN，油潤滑的極限轉速為4300r/min，軸II的小端直徑為60mm，據(jù)此查表10-11可知選用軸承代號為N312E，內徑為60mm，寬度為31mm，最大直徑為130mm，基本額定動載荷Cr=142kN，油潤滑的極限轉速為5600r/min。3.軸III上軸承的選擇軸I的大端直徑為60mm，據(jù)此查表10-11可知選用軸承代號為N312E,內徑為60mm，寬度為31mm，最大直徑為130mm，基本額定動載荷Cr=142kN，油潤滑的極限轉速為5600r/min軸I的端直徑為50mm，據(jù)此查表10-11可知選用軸承代號為N310E，內徑為50mm，寬度為27mm，最大直徑為110mm，基本額定動載荷Cr=105kN，油潤滑的極限轉速為6700r/min。第6章多功能跑步機重要部位力學有限元分析6.1跑步帶的三維力學分析 當多功能跑步機在運轉的過程中時時刻刻都承受著跑步者對皮帶的沖擊載荷，這就需要對跑步帶做一下受力分析，我是通過pre中的有限元分析軟件對跑步機的跑步帶做有限元分析的。圖6-1多功能跑步機的傳動帶的應力分布圖由于上部分的帶承受的載荷沖擊比下部分的帶所承受的的載荷沖擊大，多功能跑步機主要選擇對上部分的帶做有限元的力學分析，其主要應力分布情況如上圖。 圖6-2多功能跑步機傳動帶疲勞應力分布圖通過proe對多功能跑步機做有限元分析得出跑步帶的疲勞應力主要分布在帶的中間靠兩邊的部位，這些紅色的部位就是最跑步帶的危險界面，通過增加這些危險截面的抗疲勞強度可以避免危險截面事故的發(fā)生。6.2齒輪部分的力學三維分析齒輪作為多功能跑步機的，力學傳動裝置，通過proe對齒輪做有限元力學分析，其受力最大的面就是齒輪齒接觸面。圖6-3多功能跑步機的齒輪的應力分布圖對其主要受力部位做有限元分析，其最后輸出圖如下：圖6-4多功能跑步機的齒輪的應力分布圖通過最后的輸出圖可以看出齒輪最大的受力面是齒接觸面，所以在齒輪的齒接觸面上增加其接觸疲勞強度防止發(fā)生齒輪的斷齒現(xiàn)象。6.3軸的三維力學分析多功能跑步機的軸是通過連接齒輪和跑步帶的重要樞紐，同時承受著徑向載荷和周向載荷，通多proe軟件中的有限元力學分析可以表現(xiàn)出其力學分析圖如下：圖6-5多功能跑步機的軸的應力分布圖圖6-6多功能跑步機的軸的應力分布圖通過對多功能跑步機的軸做proe力學有限元分析可以看出，軸的主要受力分布在它的鍵槽附近，所以在校核軸的時候最主要就是校核軸的鍵槽部分，只有保證軸的危險截面才能保證軸能夠安全運轉。第7章 控制部分多功能跑步機的控制部分主要通過單片機進行控制，單片機可以控制多功能跑步機的啟動停止調速功能以及多功能跑步機的LED顯示屏幕的顯示控制。單片機的P2口直接按時序（相位）輸出控制信號到功率電路，再驅動步進電機，從而使得多能跑步機的電機各相繞組順序輪流通電，令轉子與定子帶槽的小磁機極依次對齊，從而受控旋轉。最終通過P2接口送入以實現(xiàn)多功能跑步機的順逆時針的旋轉。LED顯示功能：采用用串行口工作方式0擴展出8位并行I/O口，驅動共陽LED數(shù)碼管顯示09。定時功能：主要采用51系列單片機的看門狗的計數(shù)功能以實現(xiàn)跑步機的定時運轉功能。調速功能：通過PLC內部電位的調節(jié)改變實際輸出的電壓電流，再經過整流器和濾波器進行處理后，使得交流和直流之間相互轉換從而改變頻率以實現(xiàn)電動機的變頻調速功能。第8章多功能設計8.1仰臥起坐的設計根據(jù)多年的實踐，各式各樣的仰臥起坐器材陸續(xù)出現(xiàn)在大眾的視線中，仰臥起坐也成為青少年人群的最受歡迎的健身方式之一，仰臥起坐這項運動方式已經被廣大群眾所接受，現(xiàn)在大街小巷的公共場合都成列著一些健身器材，其中就包括了仰臥起坐架子，正是因為這種健身器材受歡迎程度已近非常高了，深受廣大健身愛好者的喜愛，所以將仰臥起坐架安放在多功能跑步機上是非常好的一種創(chuàng)舉，這樣子完全節(jié)約了很多時間為健身愛好者，這樣他們也就不用每天跑去公共場合排隊等候這樣非?；A的健身器材，仰臥起坐可以鍛煉出人的腹肌，也是一種非常有效的健美的方式，在多功能跑步機上增加仰臥起坐功能可以增加多功能跑步機的功能多樣性，仰臥起坐架的使用方式就是通過控制架固定人的雙腳，并使人躺在跑步帶上，人通過腹部的力量使得身體伸展和蜷縮，可以充分鍛煉人體的腹部肌肉。在多功能跑步機上安裝仰臥起坐架也可以適應不同的人群，可謂是不同的人群都可以使用的健身器材。圖8-1多功能跑步機仰臥起坐支架8.2折疊功能的設計多功跑步機在前