電動(dòng)跑步機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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I摘 要生命在于運(yùn)動(dòng)，健康源于運(yùn)動(dòng)。跑步是目前非常流行的一種有氧健身運(yùn)動(dòng)，它在醫(yī)學(xué)界和體育界享有高度評(píng)價(jià)，它是保持一個(gè)人身心健康最有效、最科學(xué)的健身方式。跑步機(jī)是家庭及健身房常備的器材，而且是當(dāng)今家庭健身器材中最簡(jiǎn)單的一種，是家庭健身器的最佳選擇。專家們相信未來跑步機(jī)市場(chǎng)將以高價(jià)位產(chǎn)品為主導(dǎo)。低價(jià)位產(chǎn)品銷售不錯(cuò)，近幾年價(jià)格已有上升趨勢(shì)。注重生活時(shí)尚的消費(fèi)者認(rèn)為跑步機(jī)價(jià)格在萬元以上是理所當(dāng)然的事。這些跡象表明，未來跑步機(jī)仍會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。此次設(shè)計(jì)的任務(wù)為使用作圖軟件進(jìn)行電動(dòng)跑步機(jī)機(jī)械部分的零件建摸，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的裝配。設(shè)計(jì)包括支架，基架，滾筒，跑步板，跑步帶等，設(shè)計(jì)中參考了國(guó)內(nèi)外各品牌結(jié)構(gòu)和樣式，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了精確計(jì)算，對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行校核檢驗(yàn)，而且設(shè)計(jì)中重點(diǎn)突出了減震系統(tǒng)的重要性和跑步板防靜電的功能性，根據(jù)所學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)知識(shí)，利用人機(jī)學(xué)原理，使設(shè)計(jì)更為人性化。由于跑步機(jī)的特殊性，安全問題更值關(guān)注，如何正確使用跑步機(jī)，和跑步機(jī)的保養(yǎng)同樣重要。設(shè)計(jì)過程中使用 Caxa 進(jìn)行裝配圖和零件圖的繪制。關(guān)鍵詞：總體結(jié)構(gòu)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；減震系統(tǒng)；跑步板；跑步機(jī)使用；多功能設(shè)計(jì)IIAbstractLife is movement, movement from health. A kind of aerobic exercise currently very popular - running, In the medical profession and the sport enjoys a high rating, It is to keep a person well-being the most effective way of scientific fitness, but also increasingly being loved.The race apparatus is the family and apparatus always on the alert of gymnasium, and the simplest one in the body-building apparatus of the current family, it is the best choice of the family building up body device. The experts believe the race apparatus market will take high price products as the leading factor in the future. Low price products sell too good, price in recent years had the tendency to rise. Pay attention to consumers with fashionable life and think the price of the race apparatus is the natural thing above ten thousand dollars. Design and include the support, the base shelf, the cylinder, run board, is it bring to run, design consult domestic and international every brand structure and design, carry on accurate calculation by organization to transmission, and design stress shock attenuation systematic importance and run the static -proof functionality of the board especially, the design enables persons who run to experience the strength of the race apparatus. Because of the particularity of the race apparatus, safe problem is worth paying close attention to, how to use the race apparatus correctly, it is as important as maintenance of the race apparatus. These signs indicate, the race apparatus will still increase continuously in the future. I have used the two-dimensional entity software CAXA to carry on the entity modeling of the part in the course of designing, design with the ensemble architecture.Key words： Overall structure；Main transfer machinery；Damping system ；Run board； Run , machine use；Muti-function designIII目 錄摘 要 IAbstract.II第 1 章 緒 論 .11.1 設(shè)計(jì)題目背景 11.2 研究意義 11.3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)情況 21.4 選題意義 3第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) .42.1 主要技術(shù)參數(shù)及要求 42.1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容包括 42.2.2 主要技術(shù)參數(shù)： 42.2 總體方案選擇及評(píng)價(jià) 42.2.1 基本功能 42.2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)抽象化 52.2.3 確定工藝路線 52.2.4 構(gòu)造設(shè)計(jì) 52.2.5 功能分解 52.3 確定邊界條件 62.3.1 邊界條件 62.3.2 方案評(píng)價(jià) 62.4 跑步系統(tǒng)設(shè)計(jì) 72.5 坡度調(diào)節(jié)及折疊系統(tǒng)設(shè)計(jì) 82.6 輔助鍛煉系統(tǒng) .92.7 總體結(jié)構(gòu)布局 .9第 3 章 電動(dòng)機(jī)類型與參數(shù)的選擇 .113.1 動(dòng)力機(jī)的類型選擇 113.2 總傳動(dòng)比計(jì)算及傳動(dòng)比分配 113.3 選擇動(dòng)力機(jī)功率 123.4 確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 123.5 各軸轉(zhuǎn)速、功率及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 13第 4 章 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 .144.1 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 .14第 5 章 執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì) .19IV5.1 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 195.1.1 軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 195.1.2 強(qiáng)度計(jì)算 205.2 滾動(dòng)軸承的選擇及壽命驗(yàn)算 235.2.1.滾動(dòng)軸承的選擇 235.2.2.軸滾動(dòng)軸承壽命驗(yàn)算 235.3 鍵聯(lián)接的選擇和驗(yàn)算 235.3.1.鍵聯(lián)接的類型和尺寸選擇 255.3.2.對(duì)電機(jī)軸上鍵聯(lián)接的強(qiáng)度校核 255.4 滾筒要求 .25第 6 章 跑步板及跑步帶設(shè)計(jì) .266.1 跑步板 266.2 跑步帶 276.3 跑帶調(diào)整：兩個(gè)螺栓調(diào)整法 286.4 跑臺(tái)潤(rùn)滑油的填加 29第 7 章 人機(jī)學(xué)設(shè)計(jì) .317.1 人體尺寸百分位數(shù)運(yùn)用的基本原則 317.2 電動(dòng)跑步機(jī)的人機(jī)工程設(shè)計(jì) 32第 8 章 外型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .368.1 基架的設(shè)計(jì) 368.2 支架的設(shè)計(jì) 368.3 前后罩 37第 9 章 避震系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .38第 10 章 多功能設(shè)計(jì) .3910.1 扭腰盤設(shè)計(jì) 3910.2 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3910.3 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3910.4 仰臥起坐架的設(shè)計(jì) 40第 11 章 驗(yàn)算各折疊部分是否發(fā)生干涉現(xiàn)象 .40第 12 章 使用和維護(hù) .4112.1.跑步機(jī)的維護(hù)與保養(yǎng) .4112.2 跑步機(jī)使用方法和注意事項(xiàng) 41第 13 章 總結(jié) .43參 考 文 獻(xiàn) .42致 謝 .43附錄Ⅰ 英語資料原文 .45附錄Ⅱ 中文譯文 .510第 1 章 緒 論1.1 設(shè)計(jì)題目背景電動(dòng)跑步機(jī)，是近年來國(guó)際流行的大眾健身器材，通過電機(jī)帶動(dòng)跑帶使人以不同的速度被動(dòng)地跑步。由于電動(dòng)跑步機(jī)上的電子輔助裝備功能非常多，鍛煉者可體驗(yàn)不同的跑步環(huán)境，如平地跑、上坡跑、變速跑等，可以根據(jù)自己的鍛煉目的進(jìn)行鍛煉。跑步機(jī)在健身者運(yùn)動(dòng)時(shí)能顯示出跑步時(shí)的速度、時(shí)間、心率、熱量、節(jié)拍、距離等指標(biāo)，使健身者能夠隨時(shí)根據(jù)自身的身體狀況調(diào)節(jié)訓(xùn)練強(qiáng)度。1.2 研究意義跑步機(jī)屬于健康器材類產(chǎn)品，由于跑步機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須滿足各種體重的人來使用。一般使用跑步機(jī)的目的有兩種：健身和減肥瘦身；如果是減肥瘦身的人來使用，因?yàn)樯眢w較肥胖，跑不快，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的低速必須轉(zhuǎn)矩大才能使用。相反的，健身的人跑步快，但是重量輕，因此高速時(shí)的轉(zhuǎn)矩需求較?。慌懿綑C(jī)必須滿足家庭成員每一個(gè)人都能使用，因此調(diào)速范圍要寬廣，低速轉(zhuǎn)矩要大，才能滿足不同重量的人。目前跑步機(jī)使用的驅(qū)動(dòng)裝置以直流有刷電機(jī)為多，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜。跑步機(jī)雙面寬厚的跑帶讓人有草坪般舒適感覺，馬力強(qiáng)勁的電機(jī)帶來恒久的動(dòng)力，靈敏的控制器配合芯片讓人在跑步過程中隨心所欲，堅(jiān)固的鋼架以及防護(hù)裝置使人的安全盡在掌握。電跑使人們?cè)诜泵Φ墓ぷ髦嗳匀豢梢员M享運(yùn)動(dòng)的樂趣。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)可以更好地檢查大學(xué)四年來我們所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)知1識(shí)和實(shí)際操作能力；通過設(shè)計(jì)，我們可以更好的把課本所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際操作中，而且可以鍛煉我們的創(chuàng)新能力。1.3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)情況1996 年之前,電動(dòng)跑步機(jī)都是國(guó)外產(chǎn)品，進(jìn)入家庭的大都是由自行車廠改制的生產(chǎn)廠制造的機(jī)械跑步機(jī),國(guó)人對(duì)價(jià)格幾萬乃至十幾萬元的進(jìn)口電動(dòng)跑步機(jī)望而生畏。1993 年以后，隨著國(guó)際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，韓國(guó)企業(yè)向我國(guó)轉(zhuǎn)移，首先是山東祥和集團(tuán)公司利用該地區(qū)電機(jī)、控制電源生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，于 1994 年組建了專廠，通過充實(shí)機(jī)加工能力，結(jié)合國(guó)內(nèi)外信息，祥和集團(tuán)于 1995 年生產(chǎn)出了全部為自制部件的家用電動(dòng)跑步機(jī)，并于次年的南昌體博會(huì)上參展。被譽(yù)為第一個(gè)民族品牌的匯祥電動(dòng)跑步機(jī)，當(dāng)年產(chǎn)量達(dá)到七千臺(tái)，銷量達(dá)到五千臺(tái)，開了生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)電動(dòng)跑步機(jī)的先河。通過不停的技術(shù)改造，到 2004 年達(dá)到了年產(chǎn)十萬臺(tái)的生產(chǎn)能力，同年銷售跑步機(jī) 4.8 萬臺(tái)，產(chǎn)值 9360 萬元，銷售收入 7200 萬元，同時(shí)完成了 ISO9001 及歐盟 CE 認(rèn)證，并被評(píng)為山東名牌產(chǎn)品。匯祥電動(dòng)跑步機(jī)為擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，合理利用生產(chǎn)資源，先后為一些國(guó)產(chǎn)企業(yè)貼牌生產(chǎn)，極大地提高了電動(dòng)跑步機(jī)的國(guó)產(chǎn)占有率，也為眾多企業(yè)提供了發(fā)展樣品，帶動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的蓬勃發(fā)展。目前，生產(chǎn)電動(dòng)跑步機(jī)的企業(yè)集中在長(zhǎng)江三角洲、山東半島及粵、閩沿海地區(qū)，總數(shù)約為 50 余家，其中具備規(guī)模的約為 15 家，而合資、獨(dú)資企業(yè)約占50%。21.4 選題意義本次論文的題目主要來源于實(shí)際的生產(chǎn)生活中。電動(dòng)跑步機(jī)設(shè)計(jì)是時(shí)代和人民生活水平發(fā)展所需，非常具有現(xiàn)實(shí)意義。有力推進(jìn)全民健身，拉動(dòng)體育消費(fèi)的，有效地帶動(dòng)了體育產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展，對(duì)提升中國(guó)體育用品公眾認(rèn)知度具有深遠(yuǎn)意義，對(duì)包括電動(dòng)跑步機(jī)在內(nèi)的體育用品業(yè)的發(fā)展，對(duì)促進(jìn)體育用品業(yè)行業(yè)的整體提升，構(gòu)筑規(guī)模效益，進(jìn)入全球市場(chǎng)，都將提供一個(gè)大舞臺(tái)。3第 2 章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 主要技術(shù)參數(shù)及要求2.1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容包括1、跑步機(jī)跑步系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2、坡度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；3、折疊系統(tǒng)設(shè)計(jì)；4、輔助鍛煉系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2.2.2 主要技術(shù)參數(shù)：1、馬力：4-6 匹馬力交流電機(jī)；2、坡度升降調(diào)節(jié)范圍：0—15 o ；3、速度范圍：5—12 公里/小時(shí)；4、占地面積：面積 450~550 毫米×1500~1600 毫米；5、凈重：小于 200 公斤；6、電機(jī)：跑步機(jī)專用可調(diào)電機(jī)；7、人機(jī)學(xué)：符合人機(jī)學(xué)；8、特制緩沖墊，起到減震效果；9、安全性：安全鑰匙緊急停止開關(guān)和安全帶。2.2 總體方案選擇及評(píng)價(jià)2.2.1 基本功能設(shè)計(jì)一臺(tái)電動(dòng)跑步機(jī)就是構(gòu)建一條運(yùn)動(dòng)的跑道（跑步帶），跑道的運(yùn)動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)者的跑動(dòng)方向相反，使得運(yùn)動(dòng)者能夠在原地進(jìn)行跑步鍛煉，實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)的功能，通常使用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)跑步帶進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制速度，直流電動(dòng)4機(jī)通過半導(dǎo)體功率器件，使用脈沖寬度控制(PWM)方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速。設(shè)計(jì)添加坡度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和折疊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)坡度調(diào)節(jié)，并能進(jìn)行折疊以方便存放。2.2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)抽象化本次設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)跑步者需要進(jìn)行不同速度的跑步運(yùn)動(dòng)。并能實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)健身運(yùn)動(dòng)。根據(jù)上述條件繪制黑箱如圖 2-1。2.2.3 確定工藝路線本設(shè)計(jì)的工藝路線即從系統(tǒng)接到開始信號(hào)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，動(dòng)力源通過傳動(dòng)系統(tǒng)把運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu).根據(jù)以上過程繪制工藝路線圖，如圖 2-2。2.2.4 構(gòu)造設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)各項(xiàng)功能，動(dòng)力系統(tǒng)連接傳動(dòng)系統(tǒng)連接執(zhí)行系統(tǒng)，包括坡度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，折疊系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)。2.2.5 功能分解跑步機(jī)功能分解如下表表 2.1 跑步機(jī)功能分解黑箱靜止運(yùn)動(dòng)者動(dòng)力源信號(hào)跑動(dòng)運(yùn)動(dòng)員信號(hào)圖 2-1 黑箱動(dòng)力信號(hào) 跑帶運(yùn)作圖 2-2 工藝路線帶動(dòng)人跑步5跑步功能 跑步系統(tǒng) 帶傳動(dòng) 電動(dòng)調(diào)節(jié)坡度 坡度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 齒輪齒條+桿機(jī)構(gòu) 手動(dòng)實(shí)現(xiàn)折疊 折疊系統(tǒng) 桿機(jī)構(gòu) 手動(dòng)輔助鍛煉 輔助鍛煉系統(tǒng) 軸與軸承 手動(dòng)安全防護(hù) 安全防護(hù)系統(tǒng) 安全帶，防滑道，急停開關(guān)多功能可折疊電動(dòng)跑步機(jī)控制選項(xiàng) 電控系統(tǒng) 另行設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)器的動(dòng)力功能，傳動(dòng)功能，執(zhí)行功能進(jìn)行功能分解。功能分解的目的是有更多的方案解用來參考，以便找到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。動(dòng)力功能 傳動(dòng)功能 執(zhí)行功能????氣 壓 機(jī)液 壓 機(jī)內(nèi) 燃 機(jī)電 動(dòng) 機(jī) ????桿 機(jī) 構(gòu) 傳 動(dòng)齒 輪 齒 條 傳 動(dòng)鏈 傳 動(dòng)帶 傳 動(dòng) ???跑 道跑 帶2.3 確定邊界條件2.3.1 邊界條件溫度合適，環(huán)境潔凈，控制噪音，體積適中，動(dòng)力自動(dòng)調(diào)節(jié)，節(jié)省能源。2.3.2 方案評(píng)價(jià)1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源考慮到本機(jī)器為小型非重載的機(jī)械，所以從方便簡(jiǎn)單啟動(dòng)考慮選擇電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。2.執(zhí)行系統(tǒng)傳動(dòng)首先考慮帶傳動(dòng)，因?yàn)閹鲃?dòng)適用于非重載遠(yuǎn)距離的機(jī)械中，制造和設(shè)計(jì)比較容易是比較理想的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。帶傳動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確降速進(jìn)而較容易的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)所需的速度。3.啟停制動(dòng)功能此功能是為了操縱本機(jī)械的人能夠不用切斷電源的情況下實(shí)現(xiàn)執(zhí)行系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。選擇電腦程序的控制，操作選用觸摸屏。急停按鈕采用傳統(tǒng)按鈕形式。4.總結(jié)出設(shè)計(jì)最佳方方案，方案解如表 2.26表 2.2 最佳方案解執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源 執(zhí)行系統(tǒng)傳動(dòng) 折疊坡度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 啟停制動(dòng)形式直流電動(dòng)機(jī) 帶傳動(dòng) 桿機(jī)構(gòu) 觸摸屏2.4 跑步系統(tǒng)設(shè)計(jì)跑步系統(tǒng)由支架，電機(jī)，電控系統(tǒng)，帶輪，多楔帶，滾筒，軸，軸承，跑帶，安全防滑道，安全帶等部分組成，電控系統(tǒng)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過帶傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一級(jí)變速。機(jī)器開始運(yùn)行后跑帶帶動(dòng)人在其上奔跑。通過兩滾筒間距調(diào)節(jié)預(yù)緊跑帶。跑帶采用防滑帶，帶兩側(cè)設(shè)有防滑道，系統(tǒng)設(shè)置急停開關(guān)，以防止意外發(fā)生。跑步機(jī)是由電機(jī)帶動(dòng)，則跑步者須與跑帶節(jié)奏保持一致，在跑步時(shí)出現(xiàn)意外，要迅速的使跑步帶停下來，所以在跑步機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)要盡多的考慮安全問題。圖 2-3 跑步系統(tǒng)2.5 坡度調(diào)節(jié)及折疊系統(tǒng)設(shè)計(jì)坡度調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用杠桿原理，手輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳多楔帶多楔帶輪電機(jī)跑帶防滑道7給齒條作直線運(yùn)動(dòng)，在與調(diào)節(jié)杠桿連接處施力，調(diào)節(jié)桿桿支點(diǎn)固定在跑步機(jī)支架上，通過桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)坡度調(diào)節(jié)，原理圖如圖 2-3。圖 2-4 所示為折疊前后機(jī)構(gòu)極限位置。圖 2-4 坡度調(diào)節(jié)及折疊機(jī)構(gòu)=圖 2-5 折疊前后示意圖2.6 輔助鍛煉系統(tǒng)輔助鍛煉系統(tǒng)包括扭腰盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和仰臥起坐架，圖四是扭腰盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)手輪齒輪齒條支架跑道8圖 2-6 扭腰盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2.7 總體結(jié)構(gòu)布局整體布局結(jié)構(gòu)要緊湊，在整體部局上要符合人機(jī)工程學(xué)原理。如圖 5 所示。圖 2-7 總體結(jié)構(gòu)布局圖9圖 2-8 總體布置簡(jiǎn)圖綜上所述：設(shè)計(jì)的多功能電動(dòng)跑步機(jī)主要由機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、可調(diào)電源、跑步皮帶及儀表控制盤等組成，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(dòng)皮帶輪緊裝在前滾筒的一端，電動(dòng)機(jī)、可調(diào)電源,安裝在框架的前端，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，跑步機(jī)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(dòng)方式采用帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)級(jí)為一級(jí)。跑步機(jī)配有坡度調(diào)節(jié)裝置，可實(shí)現(xiàn)坡度調(diào)節(jié)，同時(shí)結(jié)合折疊功能的二合一設(shè)計(jì)。同時(shí)在支架上安有扭腰盤和伏地挺身架使機(jī)器實(shí)現(xiàn)其多功能性。10第 3 章 電動(dòng)機(jī)類型與參數(shù)的選擇3.1 動(dòng)力機(jī)的類型選擇根據(jù)工作負(fù)荷的大小和性質(zhì)、工作機(jī)的特性和工作環(huán)境等選擇。當(dāng)人在跑步機(jī)上跑步或走路時(shí)，由于產(chǎn)生動(dòng)量，跑步機(jī)所承載的重量是人體重的 1~2.5倍，而電動(dòng)機(jī)動(dòng)力在這樣的載重量下，能滿足并維持所選擇的速度，讓人可以在跑步機(jī)上走跑自如。通常跑步機(jī)一個(gè)馬力(1 馬力=736W)大概可提供 50~60 公斤的承載重量，但跑步帶面積大小也和跑步機(jī)馬力有相當(dāng)直接的關(guān)系，跑步機(jī)的馬力越大，可以帶動(dòng)的跑步帶面積也越大，所以衡量效率及安全性后，一般建議，跑步機(jī)合宜的持續(xù)馬力應(yīng)該至少 1.5 馬力以上，如果人的體重有超過 80公斤，則應(yīng)選 2.0 持續(xù)馬力以上的跑步機(jī)。此跑步機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為 100 公斤，則電動(dòng)跑步機(jī)轉(zhuǎn)用電動(dòng)機(jī)—ZYT42 型永磁直流電動(dòng)機(jī)該型電動(dòng)機(jī)系大功率跑步機(jī)中配套的專用驅(qū)動(dòng)元件，經(jīng)一定的電磁、結(jié)構(gòu)派生處理也可適用于相應(yīng)的機(jī)械裝置中作為驅(qū)動(dòng)元件。該電動(dòng)機(jī)顯著的特點(diǎn)：具有轉(zhuǎn)速精度高，當(dāng)人在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)時(shí)，是一個(gè)沖擊負(fù)載，該機(jī)在這種沖擊負(fù)載作用下一轉(zhuǎn)不差，保持同步轉(zhuǎn)速，如同在平地上一樣感覺。表現(xiàn)在調(diào)速方便（可無級(jí)調(diào)速） ，調(diào)速范圍寬，低速性能（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大） ，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高。3.2 總傳動(dòng)比計(jì)算及傳動(dòng)比分配當(dāng)設(shè)計(jì)多級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)裝置時(shí)，分配傳動(dòng)比很重要。要做到尺寸緊湊，結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，成本低，維修方便。注意以下幾點(diǎn)：1) 各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)在薦用值范圍內(nèi)。2) 各級(jí)傳動(dòng)間應(yīng)作到尺寸協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)勻稱。一般使 iVB iG.若帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比分配過大，大帶輪的外徑 v 大于減速器中心 H 時(shí)，會(huì)造成尺寸不協(xié)調(diào)或安裝不便。113) 各級(jí)傳動(dòng)件彼此不發(fā)生碰撞現(xiàn)象。4) 兩級(jí)齒輪傳動(dòng)比可按下式分配i1=(1.3 ~ 1.4)i2 i =[(1.3 ~ 1.4)iΣ ]-1/2 5) 傳動(dòng)比分配總傳動(dòng)比:i=n 0/nW=3,據(jù)表 4.2-9：取 i 多楔帶=2.5 ，n 0=4000r/min則跑帶帶傳動(dòng)比：i 跑帶=i/i 多楔帶=3/2.5=1.23.3 選擇動(dòng)力機(jī)功率傳動(dòng)筒所需功率： PW =FV /1000 傳動(dòng)裝置的總效率 ： η= η 多楔帶 η 跑帶 η 2 承按表 4.2-9 確定各部分效率如下：皮帶傳動(dòng)效率：η 多楔帶=0.95；η 跑帶= 0.90滾動(dòng)軸承效率： η 承 = 0.99則傳動(dòng)總效率：η=0.95×0.90×0.99 2=0.816所需電動(dòng)機(jī)功率： Pr = PW/η P 電機(jī)=P/η 多楔帶 η 帶 η 軸承=2×736÷0.95×0.90×0.99 2=1668.76W 取 1670W3.4 確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由表 4.12-1 查得電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)永磁式直流馬達(dá)-型號(hào)：ZY120-8060 馬達(dá)容量：1.5HP 電壓：DC180V 功率：1.5KW轉(zhuǎn)速：4000rpm123.5 各軸轉(zhuǎn)速、功率及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算電動(dòng)機(jī)軸Po=Pr=1670w no=4000r/min 3989.5Nm???40167950nPT前軸：P1=P0×η 帶 =1670×0.9=1503Wn1=no/i 帶=4000/2.5=1600r/min 8971Nm ???160539501T后軸：P2=P1×η 帶 =1503×0.95=1428w n2=n1/i12= 1600/1.2=1333.3r/minNm1023489502???T上述結(jié)果匯于下表：軸序號(hào) 功率 P(kw) 轉(zhuǎn)速 n(r/min) 轉(zhuǎn)距 T(Nm) 傳動(dòng)形式 傳動(dòng)比 i 效率 η1 1670 4000 3989.52 1503 1600 8971 帶傳動(dòng) 2.5 0.953 1428 1333.3 10230 帶傳動(dòng) 2 0.9按工作要求條件選用電動(dòng)跑步機(jī)專用永磁直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，電壓 380 伏，YT42型。13第 4 章 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算輸出功率 P=1.5kw，滿載轉(zhuǎn)速 n1=4000r/min，從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速 n2=1600r/min，載荷有輕度沖擊，使用 5 年。動(dòng)力來源：電力三相交流 380/220V。速度允差小于5%。選擇電機(jī)為專門為跑步機(jī)生產(chǎn)的永磁直流電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)功率 P=1.7KW，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為 n1=3400r/min 傳動(dòng)比定為 i=2.1 由于多楔帶適于傳遞功率較大而又要求結(jié)構(gòu)緊湊的場(chǎng)合，特別能適應(yīng)帶輪直徑小的傳動(dòng)，所以擇之。 1、確定設(shè)計(jì)功率 Pc由文獻(xiàn)[17] 第 14 篇中表 3-4，根據(jù)跑步機(jī)使用的特性，選擇每天工作時(shí)間dmin=80mm 對(duì)傳動(dòng)有利，按表 3-6 取標(biāo)準(zhǔn)值，取 dd1=90mm小帶輪有效直徑：由多楔帶直徑系列表知 demin=20mm,由表選取 de1=33.5mm小帶輪節(jié)圓直徑dp1=de1+2△e=33.5+2×1.2=36mm由表，△e=1.2確定從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑 dd2 14dd2=n1/n2×dd1=1420/507×90=252mm 查表 3-6 取標(biāo)準(zhǔn)值 dd2=250mm大帶輪節(jié)圓直徑 dp2=idp1=2×33.5=67mm大帶輪有效直徑:de2=dp2－2△e=67－2×1.2=64.6mm由表，選 de2=63mm4、計(jì)算帶速 v驗(yàn)算帶速 V V=πd d1n1/(60×1000)=π×90×1420/(60×1000)=6.68/s在 5 ~ 25m/s 之間，故合乎要求。v=πdp1n1 /(60×1000) m/s 注意：v↑ —→離心力、離心應(yīng)力↑—→F Q↓—→單位時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N↑v↓ —→P=F×v/100 可知， P 一定時(shí)，F(xiàn)↑—→張緊力↑一般 v 在 5～25 m/s，最大 30 m/s，在 8～15 m/s 較好V=π×36×3400/60×1000=6.4 m/s 1200 符合要求。9、帶每楔所傳遞的額定功率及其增量由帶型，d e1=33.5mm，n 1=3400r/min 按表 8-55 用插值法計(jì)算的p0=0.14kw由 i=2, n1=3400r/min,有表 8-55 用插值法計(jì)算得△p 0=0.02kw10、計(jì)算帶的楔數(shù)由表 8-56 用插值法計(jì)算 Kα=0.97，K L=0.78Z=1.65/(0.16×0.97×0.78)=13.63由表 8-51 選取 Z=1211，有效圓周力16FT= Pd/v×103 =0.26×103=260N12．作用在軸上的載荷確定初拉力 F0 按式(3-30)查表 3-1 得 q=0.1kg/mmF0 =500pc/vZ(2.5/kα-1)+qv 2=500×2.49/(6.68×3)×(2.5/0.956-1)+0.1×6.682 = 125NQ=2F0Zsin(α/2)=2×125×2×sin(1620/2)= 622.24N為設(shè)計(jì)軸和軸承，需確定帶傳動(dòng)作在軸上的力 Fr得 Kr=1.57則 Fr=1.57×260×0.995=406.16N根據(jù)計(jì)算跑步機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇 12PJ450 多楔帶13. 多楔帶帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸選擇要求：質(zhì)量??；結(jié)構(gòu)工藝性好；無過大的鑄造內(nèi)應(yīng)力；質(zhì)量分均勻，轉(zhuǎn)速高時(shí)要經(jīng)過動(dòng)平衡 ；輪槽工作面要精細(xì)加工(表面粗糙度一般為 3.2)，以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應(yīng)保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等。材料：帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用材料的牌號(hào)為 HT150 或 HT200；轉(zhuǎn)速較高時(shí)宜采用鑄鋼(或用鋼板沖壓后焊接而成)；小功率時(shí)可用鑄鋁或塑料。帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)帶輪的基準(zhǔn)直徑選擇結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)帶的型號(hào)及根數(shù)確定輪緣寬度，根據(jù)帶的型號(hào)確定輪槽尺寸d1=1.8d=1.8×25=45mm 查表 7-8 得 e=15，f=10，he =12，δ=6，φ=34 0，ba=11mm，h amin=2.75B=(z-1)e+2f=(4-1)×15+2×10=65mm L=2d=2×28=56mm 17查表 7-9 得 δ=min=10mm，da1=da2+2ha=34mmda2=da2+2ha=65mm小帶輪 D=33.5mm≤(2.5-3)d，采用實(shí)心式結(jié)構(gòu)；大帶輪 D=63mm 選取腹板式。小帶輪隨電機(jī)一起購(gòu)買。以跑步機(jī)大帶輪 P12PJ63 為例確定其結(jié)構(gòu)和尺寸：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 的最大允許值為 3.2。槽距 e=2.34±0.0，槽角 α=40o±0.5o 楔頂圓角半徑rb,最小值為 0.2，槽底圓弧半徑 rt 最大值為 0.4，檢驗(yàn)用圓球或圓柱直徑db=1.5±0.01,2X 公稱值為 0.23，2N 最大值 1.22，f 最小值為 1.8，有效線差公稱值￡ e=1.2 徑向跳動(dòng)公差 0.25，槽間直徑差值最大 0.16。n 槽數(shù)為 12。 。帶輪寬=11×2.34+1.8×2=29.34mm 取 30mm18第 5 章 執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算5.1.1 軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)滾筒軸屬于固定心軸——只承受彎矩 M≠0；不承受扭矩 T=0；軸的毛坯一般用圓鋼或鍛件。1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求：1、 軸與軸上零件應(yīng)具有準(zhǔn)確的工作位置——定位要求2、 軸上零件應(yīng)易于裝拆和調(diào)整——安裝調(diào)整要求3、 軸上零件的固定應(yīng)牢固可靠——緊固要求4、 軸應(yīng)具有良好的制造工藝性——工藝要求5、 應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中——提高疲勞強(qiáng)度的要求2)軸的各部分結(jié)構(gòu)名稱制造安裝要求：為便于軸上零件的裝拆，常將軸做成階梯軸；為使軸上零件易于安裝，軸端和各軸段的端部應(yīng)有導(dǎo)角；軸的形狀和尺寸力求簡(jiǎn)單，以便于加工；軸上磨削的軸段有砂輪越程槽；需車制螺紋的軸段，應(yīng)有推刀槽。3)軸的材料選擇：軸常在交變應(yīng)力的作用下工作，其材料的要求是：強(qiáng)度高、剛度好、應(yīng)力集中的敏感度小，抗疲勞，加工性能好，有的軸表面要求也較高。軸的材料主要采用中碳鋼 35 或 45 鋼和合金鋼 20Cr 或 40Cr 等。最常用的是 45#鋼(含碳量0.45％)，它具有較高的綜合機(jī)械性能。此設(shè)計(jì)采用 45#鋼。4)軸的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：使軸具有合理的結(jié)構(gòu)形狀，良好的加工工藝性。強(qiáng)度計(jì)算：保證軸在載荷作用下不致斷裂或產(chǎn)生過大的變形。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的端部應(yīng)有 45 度倒角，以便安裝時(shí)對(duì)中，防止銳邊劃手。19軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要根據(jù)以下幾個(gè)方面： 軸上零件的配置；軸上零件的固定；軸上零件的裝拆；軸的加工工藝性。軸上零件的固定可分為兩個(gè)方向：周向固定：傳遞扭矩和運(yùn)動(dòng)。采用過盈配合軸向固定：防止零件在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生軸向移動(dòng)。5.1.2 強(qiáng)度計(jì)算 由于心軸工作時(shí)只承受彎矩而不承受扭矩，所以在應(yīng)用上式時(shí)，應(yīng)取 T=0。由于是固定心軸，考慮啟動(dòng)，停止等影響，彎矩在軸截面上所引起的應(yīng)力可視為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力。所以固定心軸的許用應(yīng)力應(yīng)為 1.7[σ-1] 。最大彎矩 M=0.54/2×300=81N.M抗彎截面系數(shù) W=π×d 4/64 =[3.14×(0.012)4/64]=2×10-8 強(qiáng)度=M/W=81/(π×d 4/64)=81/2×10-8=40MPa材料采用 45 號(hào)調(diào)質(zhì)鋼許用彎應(yīng)力為 40〈102則通過設(shè)計(jì)能承受足夠的工作強(qiáng)度。軸的材料選 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理 估算前軸最小直徑d1min≥A 0(D/n)1/3=130(2.45/507)1/3=21.9m 取 25mm 估算后軸安軸承處最小直徑d2min≥A 0(D/n)1/3=130(2.24/119.8)1/3=34.5mm 取 35mm軸的強(qiáng)度計(jì)算已知：T 1=43.98Nm，Q=622.24N,d 1=48.78mm,β=11.4 0, =20.370t?5.1.3 按彎矩合成強(qiáng)度條件校核軸1)畫出空間力系圖，如圖所示。20Ft=2 T1/d1=(2×43.89×1000)/48.78=1800NFr=Ft =1800N× =666N ?an037.2tanFa=Fttanβ =1490×tan11.4°=356N NFraQRH6591720501 ????7882mMH?4531 mNRMH??379022NdFa???421202RtV71 FtV16952V?6380123)求軸的彎矩 M，畫彎矩圖，如下圖所示。M1=M1H=48535NmmNmVH74213222 ???000074213Nmm72044Nmm48535Nmm63806Nmm215）畫軸的扭矩圖，Ｔ＝31930Nmm,如下圖所示。5)求計(jì)算彎矩 Mca，畫計(jì)算彎矩圖根據(jù)： ，并取 ，算得2)(atMc??6.0??Nm344896.00?c5219)(5321a760.720 ???NmMc84)4360(22?6)確定危險(xiǎn)剖面，校核強(qiáng)度根據(jù)圖一中軸的結(jié)構(gòu)尺寸，選擇彎矩最大的 剖面和彎矩較大、軸頸較?細(xì)的 剖面進(jìn)行驗(yàn)算。?剖面的計(jì)算應(yīng)力：???安 全MPabPaWMca59142.078613 ????????剖面的計(jì)算應(yīng)力：??安 全ca351.921?5.1.4 按疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核軸45 鋼調(diào)質(zhì)的機(jī)械性能參數(shù)： ， ，MPab60??Pa2681???MPa15???Ш 剖面疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核。因軸單項(xiàng)轉(zhuǎn)動(dòng)，彎矩應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。扭剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)處理。， ，MPaW2.8351.074max???? MPa2.8maxin???， ，?0m?WT365.019??22，0min??MPam68.2ax???根據(jù)教材附表查取應(yīng)力集中系數(shù)、絕對(duì)尺寸影響系數(shù)和表面質(zhì)量系數(shù)。根據(jù)： ，8.7135.4??rdD028.351?dr查得： , , , , ,并取 ，則0.2??K6.?.??.?95.?25.0???46.1308295.031 ?????mkS?????7.2368.0.29581.061 ????????mkS?????所以 Ш 剖面疲勞強(qiáng)度??.1~517.2346.2 ??? SS??滿足要求。5.2 滾動(dòng)軸承的選擇及壽命驗(yàn)算5.2.1.滾動(dòng)軸承的選擇減速器中的軸承主要承受徑向載荷，可采用角接觸球軸承。軸上按 4.6-2 標(biāo)準(zhǔn)可得軸直徑 35mm，可得軸承代號(hào) 7107C；前軸直徑 40mm，可得軸承代號(hào) 7208C；后軸軸直徑 50mm，可得軸承代號(hào) 7210C。軸承類型：深溝球軸承，軸承代號(hào)：6301 5.2.2.軸滾動(dòng)軸承壽命驗(yàn)算R1=(R1H2+R1V2)1/2=841N R2=(R2H2+R2V2)1/2=1484N A1=653N A2=1009 23查 2.5-1 得 cr=15000N c0=10000N 載荷由 1 軸承承受 A1/c0=0.035 e1=0.22 A2/c0=0 e2=0.22 A1/R1=0.77 〉 e1，取 X=0.44 Y=1.47 取輕微沖擊載荷 fd=1.0p1=fd(x1R1+Y1A1)=1.0×0.56×906.7+1.9×347.2=1167.4NA2/R2=0.67〈 e2 由表 2.5-1 得 X2=1 Y2=0此軸承受力矩載荷 fm=1.5 輕微沖擊載荷 fd=1.0p2=fdfm(x2R2+Y2A2)=1.5×0.56×2088.1=1754N p2 p1 故按 p2 計(jì)算軸承壽命。溫度系數(shù) ft 由 9-4 得 ft=0.85。hPCfnLth 16950)17825.0(6)(60133 ???軸承適用24第 6 章 鍵聯(lián)接的選擇和驗(yàn)算6.3.1.鍵聯(lián)接的類型和尺寸選擇由于精度為 8 級(jí)，應(yīng)有較好對(duì)中性，故選圓頭普通平鍵。鍵的材料：45 鋼。電機(jī)軸上的鍵：軸徑為 54mm、41mm，采用不同鍵寬，選鍵 14×9 和 12×8，選鍵長(zhǎng)分別為L(zhǎng)=45mm、L=70mm。6.3.2.對(duì)電機(jī)軸上鍵聯(lián)接的強(qiáng)度校核鍵聯(lián)接的失效形式是軸、輪轂和鍵三個(gè)零件中較弱零件的壓潰。故應(yīng)進(jìn)行擠壓強(qiáng)度校核。鍵工作長(zhǎng)度：L=L-b=50-10=40mm 由表 5-1 查得：[ σp]=100N/mm 2 σp=4T/dhL=4×43890/20×6×40=19.2N/mm 2σp ，安全25第 7 章 跑步板及跑步帶設(shè)計(jì)7.1 跑步板電動(dòng)跑步機(jī)的跑步板，它由基板以及覆蓋在基板上或上下兩個(gè)表面的導(dǎo)電耐磨層構(gòu)成。導(dǎo)電耐磨層既可長(zhǎng)期承受跑步帶的摩擦，使用壽命高；又可隨時(shí)將摩擦產(chǎn)生的靜電荷通過底座導(dǎo)出，避免靜電對(duì)人體的不舒感和對(duì)跑步機(jī)造成的損害?；逵筛呙芏然蛑忻芏壤w維板制作，也可由其它材料制作。使用高密度或中密度纖維板時(shí)，強(qiáng)度較高、重量較輕，成本較低，效果較好，本身也提供一部份的吸震功能，導(dǎo)電耐磨層可以在基板上噴涂導(dǎo)電耐磨涂料固化制成，也可以在基板上復(fù)合耐磨金屬板制成。導(dǎo)電耐磨涂料層工藝較簡(jiǎn)單，成本也較低。復(fù)合耐磨金屬板則更牢固。復(fù)合耐磨金屬板為復(fù)合銅板時(shí)效果更好，更耐磨。力學(xué)模型如圖 7-1 所示。