家庭多功能健身器的设计Word下载.docx

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跑步机部分，跑步机底座框架通过轴连接在机架底部的两端，机架底端框架横梁与跑步机框架设计有可升缩的气压杆，用来坐跑步机部分的折叠支撑机构。

前轴与后轴分别装在底座框架的两端，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。

另外跑步带两边框上设有紧急情况踩踏板，末端安装有俯卧撑支架。

2.3功能原理确定

通过对国内市场上家庭多功能健身器的了解，现有家庭多功能健身器多是集中于臂力，腿部肌肉的力量练习，很少有结合跑步，臂力，腰背，按摩，健身娱乐于一体的综合性多功能健身器材。

同时还设计有跑步机的可折叠功能，充分减少了跑步机的占地空间，为城市居室有效节约了空间。

跑步机的选择。

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。

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”，是我国从国外引进健身观念时、为适应当时国情而开发的具有符合国人特色的过渡产物。

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。

所以我们考虑选择用

[1]电动跑步机来设计。

折叠总体示意图如下:

图2-2折叠后总体示意图

多功能结构的选择。

一般家庭健身运动者的运动需求可以概括为几个方面:

（1）臂力练习，一般用哑铃做举重运动，或者做俯卧撑来实现，所以我设计了哑铃支架，和俯卧撑支架;

（2）腰背练习，设计的仰卧起坐装置和扭腰盘可以实现;

（3）在健身娱乐方面，在仪表控制盘上安装有数码音乐播放器，插上耳机，健身的同时你可以在有节奏的音乐旋律中享受运动的快乐。

（4）可折叠功能，用气撑杆作为支撑构件，气动支撑杆以高压惰性气体为动力，在整个工作行程中支撑力是恒定的，并具有缓冲机构，避免了到位的冲击，这是优越于普通弹簧的最大特点，并具有安装方便，使用安全无需保养等优点。

3.外型结构设计

3.1基架的设计

基架的设计是整个设计的基础，也是其他设计的基准。

为了保证整个系统的稳定性和减震系统[2]的有效性，基架全部采用焊接结构。

机架，滚筒的选择，以及上下机盖等等，都是依据基架的尺寸和形状设计的，所以设计开始首先考虑基架的设计，进行样式，结构，还有尺寸的确定。

通过对市场上的跑步机的基架结构的流行设计，再加上自己对外形的理解，对外形进行改进。

在尺寸的确定方面参考了人体运动工学推算，45cm宽X130cm跑带面积，以此保证给人以足够的运动面积，从而逐步的进行其他尺寸的确定。

先考虑电机的尺寸，然后是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。

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，也是作为紧急情况

[1]时，人可两脚快速分开离开运行的跑带，提供足够的安全踩放位置。

基架图如下:

图3-1基架

3.2机架的设计

机架的外形结构是参照现有市场比较流行的设计结构，又加以自己的改进完成。

所用材料是空心钢管和方钢，连接为焊接，保证了稳定性。

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竖直连杆上。

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，保证平衡，还可以达到减震的效果。

机架图如下图:

图3-2机架

3.3机盖设计

传动机构为了保证安全性，要进行传动机构的隔离，同时为了技术保护和美观，上下机盖都使用塑料钢材料，通过螺钉与基架相连。

材料有一定的硬度，还能在做仰卧起坐的时候起到一定的腿部支撑作用，同时能起到有效的防护作用。

上下机盖如下图:

图3-3上机盖

图3-4下机盖

4.电动机类型与参数的选择

4.1电动机类型和功率选择

个人在选择跑步机时，只要根据自己的体形选择对应马力的电动机即可。

家庭用户在选择跑步机时，则跑步机应该满足所有家庭成员的使用。

而马力越大的跑步机，其适应的人群也就越广，但相应的，跑步机价格也就越贵。

因此，综合考虑家庭成员的体形情况后，选择合适马力的电机才能达到最大的性价比。

当人在跑步时，跑步机或地面受到的冲击力为人体自身重量的1-2.5倍，电动机作为跑步机的动力，不但要满足载重量的要求，还需要保证跑步机跑台以一定速度运转。

一般来说，电动机1个马力可以保证60公斤的人在跑步机上面自如运动，另外跑步机跑台的面积越大，所需要的马力也更大。

因此，在选择电动机时要综合考虑这两个因素，在确保安全及效率的前提下，专家建议一般家用选择的电动机马力最好在1.5HP以上，而对于体重偏大的人（超过80公斤），则应该选择2HP以上的电动机。

此跑步机设计标准为100公斤，电动跑步机专用电动机—Z3-31型永磁直流电动机（图4-1）该型电动机系大功率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（可无级调速），调速范围宽、低速性能（启动转矩大）、运行平稳、噪音低、效率高。

4.2电动机的技术参数选择

根据电动机修理手册得得;

型号Z3-31电压220VDC

输出功率2.2KW电流不大于12.5A

转速3000r/min转向逆时针

绝缘等级B级

图4-1Z3-31型永磁直流电动机

图4-2电动机外形图

4.3电动机的保护

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-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启动器:

直接检测电压降低或为零时的欠压保护和失压保护。

（1）电动机的保护往往与其控制方式有一定关系，及保护中有控制，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修调配合为了确保异步电动机的正常运行及对其进行有效地保护。

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。

（4）异步电动机的保护是涉及电气装置和机械设备可靠、正常运转的关键。

直接检测电动机绕组的温度来保护过载引起的过热是很有效的保护方式，但由于需直接埋入电动机绕组里，价格较贵、维修困难等原因，仅在部分频繁操作场合使用;

从经济性考虑，采用电流检测型更为有利，加热继电器仍是一种价廉、简单、可靠的电动机保护形式（从实际使用情况看，目前使用量占大多数）;

对动作性能要求较高及功能要求全或价格昂贵的大容量电动机保护，则可采用电子式或固态继电器;

对一般要求，则采用带热—磁脱扣的电动机保护用断路器更为实用。

但不管采用何种保护装置，必须考虑过载保护装置与电动机、过载保护装置与短路保护装置的协调配合。

5.传动机构的选择

传动机构载荷有轻度冲击，结构传动类型选择带传动,是定传动比匀速转动机构。

动力来源:

电力220V。

速度允差小于5%。

具有结构简单，成本低廉，缓冲载荷的作用，运行平稳，噪声小，

[3]过载时将引起带在带轮上打滑，可以防止其他零件的损坏，具有过载保护的作用，所以择之。

电动机的选择为跑步机专用生产的永磁直流电动机，传动功率P=2.2KW，主动轮转速为n=3000r/min传动比为i=1.07，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1

适应带轮直径小的传动。

5.1带和带轮的选择

（1）普通V带的选择

普通V带由顶胶、抗拉体（承载层）、底胶和包布组成，抗拉体由帘布或线绳组成，是承受负载拉力的主体。

其上下的顶胶和底胶分别承受弯曲时的拉伸和压缩变形。

线绳结构普通V带具有柔韧性好的特点，适用于带轮直径较小，转速较高的场合。

2）V带带轮的要求（

对带轮的主要要求是质量小且分布均匀、工艺性好、与带接触的工作表面加工精度要高，以减

[6]少带的磨损。

转速高时要进行动平衡，对于铸造和焊接带轮的内应力要小。

。

带轮材料要求:

带轮材料多采用灰铸铁，牌号一般选用HT150或HT200，也可选用钢或非金属材料（塑料、木材）。

铸铁带轮允许的最大圆周速度为25m/s，速度更高时，可采用铸钢或钢板冲

[5]压而成。

所以我们分别选择小带轮和大带轮D1=71，D2=75，并选取实心式带轮

5.2带传动的张紧装置的选择

由于传动带不是完全的弹性体，带工作一段时间后，会因伸长变形而产生松驰现象，使初拉力降低，带的工作能力也随之下降。

因此，为保证必需的初拉力，应经常检查并及时重新张紧。

常用的张紧方法是改变带传动的中心距，如把装有带轮的电动机安装在滑道上并用螺钉调整或摆动电机底座并调整螺栓使底座转动，即可达到张紧的目的。

如果带传动的中心距是不可调整的，则可采用张紧轮装置。

张紧轮一般放置在带的松边。

V带传动常将张紧轮压在松边的内侧并靠近大带轮，以免使带承受反向弯曲，降低带的寿命，且不使小带轮上的包角减小过多。

带传动常用的张紧方法是调节中心距张紧，本跑步机中心距是可调的。

图5-1带的定期张紧装置

5.3带传动的使用与维护

正确安装、使用和妥善保养，是保证带传动正常工作、延长胶带寿命的有效措施。

一般注意以下几点:

（1）安装时两轮轴线应相互平行，各带轮轴线的平行度应小于0.006a（a—轴间距）;

两轮相对应的V型槽的对称平面应重合，误差不得超过20′，否则将加剧带的磨损，甚至使带从带轮上脱落。

（2）安装V带时，应先缩小中心距，将V带套入槽中后，再调整中心距并予以张紧，不应将带硬往带轮上撬，以免损坏带的工作表面和降低带的弹性。

（3）胶带不宜与酸、碱或油接触，工作温度不宜超过60?

，应避免日光直接曝晒。

（4）带传动装置应加防护罩，以免发生意外事故

（5）定期检查胶带，发现其中一根过渡松弛或疲劳破坏时，应全部更换新带，不能新旧混合使用。

6.轴和滚筒的设计

6.1轴的结构设计

[8]轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。

其主要要求是:

（1）轴与轴上零件应具有准确的工作位置

（2）轴上零件应固定，牢固可靠

（3）各零件要牢固而可靠地相对固定

（4）轴的形状和尺寸尽量简单，比便加工

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。

常用的是45#钢（含碳量0.45%），因为它具有较高的综合机械性能。

经过比较，此设计采用45#钢。

图6-1前后轴

6.2轴的强度校核

[7]根据文献《工程力学》广州:

华南理工大学出版社，1989.5

因为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为1.7[σ-1]。

FQ=2zF0sinα/2=2×

2×

90×

sin178?

/2=360N

根据公式:

M=FQL/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，30.6MPa〈102MPa

所以，通过设计计算能承受足够的工作强度。

6.3轴承的选择和计算

本方案采用的是滚动轴承，滚动轴承是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件。

滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成，内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转;

外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用;

滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命;

保持架能使滚动体均匀分布，防止滚动体脱落，引导滚动体旋转起润滑作用。

轴承类型:

深沟球轴承，轴承代号:

630

轴承参数:

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。

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:

计算寿命:

16950

轴承的三维图如下:

图6-2滚动轴承

6.4滚筒的结构设计

滚筒为圆柱形的零件，分驱动和从动。

滚筒的生产主要有辊体初车、初校静平衡、轴头过盈装配焊接、精车和精校动平衡等工序组成。

若对行为公差如圆度、圆柱度和直线度等要求在0.2mm以下的，则在精车后需要上外圆磨床或轧辊磨床磨削加工。

对表面硬度有要求的，则需要增加热处理工序。

滚筒成型后，出于防锈防腐、耐磨和支撑的需要，还需要表面处理或包覆如喷漆、镀锌、TEFLON喷涂、包橡胶、镀铬、陶瓷喷涂和氧化等工序。

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

[9]壁厚的优质钢管，光洁度达到0.8以下。

图6-3滚筒、轴、轴承装配体

7.跑步板及跑步带设计

7.1跑步板的设计

本跑步板是新型设计一种跑步板，是设在跑步机的机架上，可供跑步带获得支撑，该跑步板包含有油脂材料覆在该跑步板的表层，该表层是相对于跑步带的内环面，且构成该表层的主原料中混含有润滑油脂。

当该跑步带运转且与跑步板因摩擦而生热时，该表层内部的润滑油脂会自动释出，而降低跑步带与跑步板之间的摩擦阻力，从而使跑步带跟顺畅的运转。

图7-1跑步版

7.2跑步带

电动跑步机用的跑步带采用双层布基、双层PVC橡塑结构，使跑步带具有较低的延展性和优良

的物理性能，专门的布底设计，从而能达到正常动行情况下中减少润滑剂的添加的效果，同时表面花纹的独特设计，提供良好的枛力，适合多种受力情况下的各种鞋底要求。

根据人体运动工学推算，45cm宽X130cm长，应是一个合宜的参考面积，然后再依个人的实际条件做增减。

跑步带就是按照这个尺寸设计，适应所有体型的家庭成员。

图7-2跑步带

7.3跑带调整

两个螺栓调整法:

图7-3跑带的调紧机构

可以通过调节左右两个六角螺栓来调节轴距来，从而调整跑带的松紧程度。

要增加跑带的张紧力时，用六角螺母扳手顺时针方向调整六角螺栓，知道跑带张力适当为止。

反之，要减少跑带张紧力时，逆时针调整六角螺栓。

调节装置图如上图:

7.4跑步台润滑油的添加

加润滑油的作用:

（1）减小跑步带和跑步板之间的摩檫力，保护跑步板表面耐磨涂层，延长跑带、跑板的使用寿命。

（2）减少跑步机的用电消耗。

（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10ml。

（2）右侧同左侧一样操作方法。

（3）将跑步机通电运转在3KM/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。

家用健身:

3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。

图7-4跑步板及跑步带

8.折叠机构设计

8.1折叠功能设计

大家都知道现在城市人们生活的空间越来越窄，很多人都会为了怎么才能有效地合理利用空间发愁。

因此，大件商品的折叠功能受到了人们的欢迎，随着折叠技术的发展，技术人员将这种技术应用到各行各业，从而解决了很多空间上的难题。

本折叠机构是借鉴现在市场上流行的折叠床，折叠家具用的自由型气动支撑杆机构，自由型气动支撑杆在自由状态下长度最长（行程最小），在受到大于自身推力的外界压力后，可以被压缩，直至最小长度（行程最大）。

自由型气动支撑杆只有压缩状态（外界施加压力）和自由状态两种，在它的行程中无法进行自行锁紧。

自由型气动支撑杆主要起支撑作用，轻松地抬起并支撑起整个跑步台，最终达到跑步机的折叠功能，简单方便，实用。

图8-1折叠效果示意图

8.2气压杆的工作原理

在铁管内充上高压气体，运动活塞上有通孔，保证整个铁管内的压力不会随着活塞的移动而变化。

而气动支撑杆的力主要是铁管和外界大气压作用于活塞杆横截面上的压力差（压力F,压强P*受力面积S）。

气动支撑杆以高压惰性气体为动力，在整个工作行程中支撑力是稳定的。

并具有缓冲机构，避免了到位冲击，这是优于普通支撑杆的最大特点。

并且有安装方便、使用安全、无需保养等优点。

由于铁管内的气压力不变，而活塞杆的横截面是一定的，所以在整个行程中气动支撑杆

的力保持稳定。

图8-2折叠机构

9.避震系统的设计

跑步的重要环节就是要保护好膝盖，跑步鞋具有缓冲减震的效果就是这个道理。

使用跑步机比起在户外路跑最大的好处是:

跑步机它提供了避震效果，大量消除每一步伐的反作用冲击力，保护了膝盖关节。

跑步机的避震方式采用具弹性的橡胶垫将跑台和底座框架垫隔开，使跑台成悬吊状态，进而产生吸收震动的功能而达到避震的效果。

因此避震效果是否可以有效的展现发挥，完全得看跑步机的基座结构是否牢靠稳固。

所以采用了足够牢固的钢材规格，结构撑架以焊熔连接，没有采用螺栓，在基座结构上再加上橡胶垫和橡胶尾套，使整个基架又对力产生一个缓冲，实现二级缓冲。

本设计中跑步板采用高密度纤维板，本身也提供一部份的吸震功能，但厚度至少需有2.5公分以上，以确保在吸震同时，不因冲击而龟裂，另外在使用时可在跑步机的支撑点下，加铺具有弹性的铺垫，以增加避震效果。

图9-1底板支架减震

图9-2底座减震

10.轮结构设计

为了方便用户方便移动，放置跑步机，设计了跑步机的轮结构。

此设计的轮的材料是中间轮轴采用钢结构，而外包围材料为橡胶，在实现滚动作用的同时，还可以用作跑步时的支撑、减噪和缓冲的作用，一举两得，结实耐用。

图10-1轮结构

11.多功能设计

11.1仰卧起坐支撑架

为了合理利用跑步机支架部分和跑步带的空间，和满足运动者的需求，设计了这个仰卧起坐结构。

是由四根钢管焊接在支架立杆两侧，两杆宽度距离适合于两脚踝和小腿部位的宽度，钢管外部套有蓝色的海绵体结构，运动者可以躺在跑步台上，两脚夹在杆之间，舒适的进行仰卧起坐运动。

如下图所示:

图11-1仰卧起坐支撑架

11.2扭腰盘设计

本跑步机设计的扭腰盘的设计结构是连接在跑步机机架后方，扭腰盘是通过按摩圆盘与中间的轴相连，实现转动的，扭腰盘表面设计有半圆形颗粒，可以在你扭腰的同时起到按摩保健的作用。

在使用健身扭腰盘同时带给我们身体的好处:

使用按摩健身扭腰盘，可使您的腰部、胸部、腿部、腹部得到锻炼从而达到减腹瘦腰、丰胸美腿、增强皮肤弹性等作用。

图11-2扭腰盘

11.3俯卧撑支架

利用跑步台两侧的钢架结构，设计了这个俯卧撑支撑架，焊接在跑步台底座支架上，手握部位加上了蓝色海绵材料，减少对手的摩擦，压迫损伤。

做俯卧撑的好处:

（1）发展力量素质。

可以提高人体静力性和动力性力量。

其主要作用是发展人的上肢力量和腹肌力量。

（2）提高人体