多功能跑步机的设计毕业论文.docx

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多功能跑步机的设计毕业论文

本科毕业设计（论文）

多功能跑步机

摘要

以前，跑步机总是放在健身房，如今，随着社会的进步，跑步机已经逐渐出现在家庭当中。

而仅仅是单一的跑步功能明显不能给使用者带来完美的使用体验。

那一台跑步机的多功能性就显得尤为重要。

本文起先对市场上已经有了的跑步机进行了初步的调研，分析了市场上跑步机的长处和短处。

然后根据健身玩家们的需求，完成了这款多功能跑步机的设计。

其中包括主框架、跑步版、跑步带、支架、前后滚筒、前后轴心、仰卧起坐支架等的设计。

根据我的设计，这中样式的多功能跑步机看起来十分美观，自动调节坡度更能让使用者省心省力，自带的mp3娱乐系统与仰卧起坐健身方式更是可以提高使用者的健身体验，跑步机的整体设计十分符合人体工程学。

本文还说明了该多功能跑步机的使用注意事项，以方便使用者更安全可靠的使用该跑步机。

。

关键词：

健身；跑步机；多功能

Abstract

Inthepast,thetreadmillwasalwaysputinthegym.Now,withtheprogressofsociety,thetreadmillhasgraduallyappearedinthefamily.Butthesinglerunningfunctioncan'tbringtheperfectexperiencetousers.Theversatilityofthattreadmillisparticularlyimportant.

Atthebeginningofthispaper,wehavemadeapreliminaryresearchonthetreadmillalreadyinthemarket,andanalyzedtheadvantagesanddisadvantagesofthetreadmillinthemarket.Thenaccordingtotheneedsoffitnessplayers,thedesignofthismultifunctionaltreadmilliscompleted.Itincludesthedesignofmainframe,runningversion,runningbelt,bracket,frontandrearroller,frontandrearaxle,situpbracket,etc.Accordingtomydesign,themulti-functionaltreadmillinthisstylelooksverybeautiful,andtheautomaticadjustmentoftheslopecanmaketheuserfeelmorerelaxedandlabor-saving.TheMP3entertainmentsystemandthesitupfitnessmodecanimprovetheuser'sfitnessexperience,andtheoveralldesignofthetreadmillisveryergonomic.Thispaperalsodescribestheprecautionsfortheuseofthemulti-functionaltreadmill,soastofacilitatetheusertousethetreadmillmoresafelyandreliably.

Keywords:

Bodybuilding;Treadmill;Multi-function

第一章绪论

1.1跑步机的背景

随着现代社会的不断发展，人们在解决温饱问题后，开始享受生活，提高生活素质。

而健身是提高生活素质的一个很好的途径。

而随着城市的污染以及道路的禁行，室外跑步已经不是那么理想。

而这时，一款好的跑步机就显得尤其重要了。

跑步机是家庭及健身房常备的健身器材，而且是当今家庭健身器材中最简单的一种，是家庭健身器的最佳选择。

1965年北欧芬兰唐特力诞生了全球第一台家用的跑步机，设计师根据传速带的原理改变而成。

这台跑步机诞生代表了现代意义上真正的家用跑步机，欧美国家的人开始接受家里的跑步。

不过刚开始的跑步机，也只能在上面快走，跑步十分的不舒服，而好的跑步机自然不能仅仅满足健身者普通跑步这一项单一的功能，而为健身者设计出更好的跑步机就是我选题的意义。

跑步机上有里程、时间、速度显示,可更好的控制运动频率和运动强度,有的跑步机上还有电视显示屏、MP3、心率和热量消耗统计,这些能让使用者更好的把握运动量,让运动者更好的更高效的更科学的进行锻炼。

因此,电动跑步机设计是时代和人民生活水平发展进步所需,非常具有现实意义。

有力的推进全民健身,拉动体育消费,有效地带动了体育产业的长足发展,对提升中国体育用品公众认知度具有深远意义,对包括电动跑步机在内的体育用品业的发展,对促进体育用品业行业的整体提升,构筑规模效益,进入全球市场,都各提供一个大舞。

1.2跑步机的种类

1.机械跑步机，机械跑步机是主动性的跑步机，该类跑步机是由本人运动带动皮带转动，跑步的快慢由本人控制。

这样的跑步机造价便宜，但是因为皮带由人自身带动，往往要消耗更多的体力。

并且因叫与皮带的摩擦力等外力作用下，对人的健身方面不利。

2.电动跑步机，电动跑步机是用电机带动跑步带转动，在健身者跑步的同时模拟陆地位置的变换。

这类跑步机可以设置跑步速度以及坡度等。

可以更好的模拟跑步的实况，对于跑步方面已经十分完善了。

属于现代科技产品。

3.多功能跑步机，多功能跑步机是在电动跑步机的基础上，增加了许多辅助跑步、辅助健身的功能。

例如仰卧起坐运动、MP3娱乐播放系统等。

这类跑步机在满足人们跑步方面的需求外，还可以为健身者提供全方面配套的锻炼。

达到一机多用的目的。

而本文所设计的跑步机正是多功能跑步机这一类别。

第二章整体方案设计

2.1跑步机所拥有的功能

跑步机所拥有的基本功能自然是跑步，可以让使用者在跑步带上真是的模拟实际跑步的情况。

该功能运用了变频器调速使得健身者可以按照自己的意愿实现跑步速度的无级调速。

而本多功能跑步机在跑步的基础上还外加了缓震功能以及可以为健身者提供仰卧起坐功能以及MP3播放功能。

让跑步者在跑步健身的同时可以用音乐来调节节奏，再跑完步后还可以通过仰卧起坐来加快腹肌的配套锻炼。

2.2结构设计

该多功能跑步机主要由主框架、支架、跑步带、前后滚筒、前后轴心、控制面板、跑步带、扬升马达、扬升支架以及仰卧起坐支架组成。

在主框架啊下端安装上前后滚筒，再把跑步带套上去，在跑步带内部安装跑步支撑板。

把电机与电源安装在主框架前端，控制传感器安装在电机上面，速度传感器安装在后滚筒的底座上。

把扬升马达装在跑步版前端，把仰卧起坐支架安装在主框架的两侧，使其不用是平稳的放在跑步机两侧以增加跑步机的稳定性，而启用时可以提升起来合并在跑步机上方使之称谓供健身者进行仰卧起坐锻炼的器具。

再在控制版面里装上智能电脑使之可以进行跑步机的调速等控制以及MP3的播放。

2.3跑步机的功能及其原理

跑步机通过电机带动跑步带，跑步带再带动人的双腿，使人成一种被动的跑步方式，这样可以使人跑出跟远的数据，让人更加持久的锻炼。

而跑步机本身的缓震功能更是能够减少健身者在跑步时造成的骨骼还有肌肉之间的损耗。

根据调查人在跑步时，因为地面本身没有缓冲，即使有鞋子的缓冲，在长时间跑步的情况下，对双脚膝盖等等运动关节的磨损是非常之大的，而跑步机自带缓震功能就很好的解决了这一点。

而跑步机坡度调节由主框架前端的扬升马达来完成，扬升马达的顶端支撑着跑步版，而末端支撑着主框架。

通过控制面板上的调节，使扬升马达启动，来达到跑步面坡度调节的效果。

而跑步带的快慢则由PMW调速来实现，随着在控制面板上的调节，给电池发送不同的脉冲信号，来使电池释放不同的电量，从而使电机的转速改变，以此来进行跑步带快慢的调节。

而本多功能跑步机除了有基本的跑步功能等外还拥有供健身者仰卧起坐的仰卧起坐支架，该功能是在跑步机主框架的两侧安加了一块可以收放的挡板，当平常不需要使用时，它可以使跑步机变得更加稳定，增加安全系数，当健身者跑完步，让两块挡板合拢，会在跑步带上方形成一个类似桌面的平台，供健身者做仰卧起坐。

此外还有MP3播放功能，控制面板上的电脑将直接具有MP3播放功能。

2.4本章小结

在确定了整体的设计方案，明确其结构以及功能原理后，就要展开的是其机械系统的设计，这也是本论文的重中之重。

第三章机械系统的设计

3.1电机的选择

3.1.1电机型号的选择

多功能跑步机大多时候都是健身者为了减肥等健身目的来使用的，因此跑步机需要让不一样体重的人来进行跑步运动，从而完美的使用跑步机。

而对于那些过于肥胖，体重超标，想用跑步机来瘦身的健身者们，跑步机的驱动核心——电机，的要求就比较苛刻了。

该电机必须同时满足不同体重的人使用时都能正常工作的特点。

在较重的健身者跑步时，使用者可能本身体重较重，再加上他跑步快，因此再电机转速较低的时候，需要拥有较大的扭矩。

而在体重较轻，跑步较快的时候，为了安全等各个方面的原因，电机的扭矩不应该太大。

也只有这样，才能符合广大健身者的要求。

一般人的体重是40kg到100kg，部分人较重会到120甚至150kg，而人在跑步的时候，脚下收到的力为人体体重的0.8到2.6倍。

而电机需要在跑步机承受这样的重量的情况下还能保持健身者在控制面板上所选择的速度。

根据搜索的资料，跑步一个马力（1HP=736w）约可以提供50-60kg的承载重量，而根据本跑步机的总体大小尺寸，以及跑步机的滚筒直径为115mm，以及此次预计最大载重为110kg，所以其最大转矩

根据上述公式，查阅资料及相关文献的对比，本次跑步机采用了的电机型号为SLM2200的交流电动机。

这款电机的功率足够足，切马力强劲，因为是交流电动机用的变频器调速，可以达到无级调速，同时这款电机的调速范围也十分宽广，转速低的时候转矩较大。

正常工作的时候电机能稳定运行，几乎静音，十分的时候本款跑步机的设定使用这款跑步机一定可以让健身者有更加完美的体验。

3.1.2电机参数

根据上诉所说，本次电动机型号为SLM2200

以下是该电机的参数：

额定电压380V

额定转速1450~2860RPM

输出功率2-5HP

3.2总体结构设计

一款好的跑步机，其外表构造是十分重要的。

好的外形构造可以给健身者更加安全的保护，已经位更大效率的传动比等等做出贡献。

而一个美观的外形，也可以更加的吸引健身者去购买。

3.2.1主框架的设计

主框架是跑步机的基础，不管是电机还是控制版面的支架，或者前后滚筒以及跑步带，都是安装在主框架上的，而本次的跑步机设计的时候把主框架设计成多个骨架组合而成的整体，这样可以是的跑步机更加的安全稳固。

而仰卧起坐支架、前后滚筒等等的尺寸都是由主框架的尺寸来决定的，因此主框架的设计尤为重要。

我们现根据人的安全跑步距离，确定了跑步带的长宽为1405mm*705mm，然后再确定电机的安装尺寸以及支架以及控制面板和扶手的位置符合人机工程学。

而预计的健身者的体重最大为110kg。

而本次的主框架有围架、地板等构成。

图3-1围架图

图3-2底板图

图3-3主框架受力图

以基架一边承受60kg计算其载荷，由于有一定的冲击力，取跑步时脚相对于跑步板8m/s,与跑步板接触0.3s计算，受力分析如图3-3所示。

许用应力[σ]=60MPa[7]。

根据公式计算可得：

即

式3.1

弯矩M：

弯矩应力：

式3.2

而断裂最大值在图3-2的如图所示的地方，

可由式：

即：

式3.3

得到结果该板在受力分析上可行。

3.2.2支架及扶手的设计

在确立了总框架的计算后，自然也要有供健身者手扶的地方以便健身者能够更平稳的跑步以及在失去平衡时可以稳固身形的安全措施。

而本产品的支架及扶手的上端还链接了控制面板，两者之间是可以分离的。

而按该形状的样式设计，可以让支架变得更稳固。

而曲线的设计可以让健身者更眼前一亮，区别于其他圆柱支架的跑步机。

图3-3、图3-4分别为支架示意图和扶手示意图，而两者合在一起，就成了总的支架。

以下就为该支架及扶手的示意图：

（左右支架为一致）

图3-4支架图

图3-5扶手图

3.2.3控制面板的设计

一个好的多功能跑步机应该也有一个好的控制面板，这样才能让使用者更好的使用该跑步机的功能。

而控制面板的设计也要符合美学观念，使之不会显得十分突兀，以及控制版面上的布局也需要注意，不要让人眼花缭乱。

而本多功能跑步机的控制面板是和支架以及扶手以机械的方式相连的。

这样可以使扶手支架和控制面板分开，在健身者使用扶手的时候不会影响到控制面板的正常使用。

以下为控制面板得示意图：

图3-6控制面板示意图

3.3传动系统的设计

3.3.1方案预设及计算

跑步机是由电机转动带动跑步带运转的，而跑步带需要平稳得按照使用者所设定得速度进行运作，那么电机于跑步带之间得传动系统选择带传动比较合适。

带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，因此非常的适合跑步机得传动条件。

而我们选择的电机为三项交流电动机，它的传动功率P=1120W，转速为n1=3400r/min，传动比定为i=2.1。

而根据我们跑步机的情况分析，多楔带十分的符合我们的需求。

多楔带又称为多槽带或者是多沟带，是指以平带为基体、内表面排布有等间距纵向40°梯形楔的环形橡胶传动带，其工作面为楔的侧面。

多楔带与带轮的接触面积和摩擦力较大，载荷沿带宽的分布较均匀，因而传动能力更大；由于带体薄而轻、柔性好、结构合理，故工作应力小，可在较小的带轮上工作；多楔带还具有传动振动小、散热快、运转平稳、使用伸长小、传动比大和极限线速度高等特点，因而寿命更长；节能效果明显，传动效率高；传动紧凑，占据空间小。

此外，多楔带的背面也能传动，而且可使用自动张力调整器，使传动更加安全、可靠。

因此这里采用多楔带。

（1）跑步机的设计功率Pd：

Pd＝KP式（3.4）

K—跑步机的工作状况的系数，根据跑步机使用的特性，一般每天再十小时的使用时间之内，跑步机的载荷的变动不大。

根据参考文献选择K=1.2

（2）多楔带型号的选择：

而多楔带的型号可以根据跑步机的设计功率Pd=1.0KW以及小带轮的转速n1=3400r/min选择，根据上述数据，本次跑步机的多楔带选择PJ型的多楔带。

（3）多楔带带轮的直径de1、de2（有效直径）：

小带轮有效直径：

根据参考文献以及查阅资料选择

其有效直径：

demin=20mm，△e=1.2，根据参考文献及资料de1=33.5mm

小带轮节圆直径：

dp1=2△e+de1=2×1.2+33.5=35.9mm

大带轮节圆直径：

dp2=idp1=2.1×35.9=75.39mm

de2=dp2-2△e=75.39-2×1.2=72.99mm

根据参考文献以及资料de2=71mm

（4）计算多楔带的速度v：

根据公式

式（3.5）

多楔带的速度

=

ps：

多楔带的速度增加时，多楔带轮的离心应力和离心力都会随之增大，从而导致单位时间内的应力循环次数N增加。

而当，因为多楔带的速度减小的时候，P=F×v/100，因此，当P一定时，F增大即张紧力增大。

而经常性的，多楔带的速度v的范围是5～25m/s，最大30m/s。

因此本次所得的多楔带的速度v=6.388m/s<30m/s，从而符合要求。

（5）尝试确定中心距a0：

经过参考文献与资料查阅，可以得到中心距的大小对带传动的影响如下：

当中心距a0越大时，带传动的传动结构就越复杂，因此在跑步机上有人跑步时容易造成跑步带抖动，甚至会掉带等。

而当中心距a0越小时，传送带整体的距离就越小，因此传送带的应力就会增加，从而使传送带的寿命减少，加剧损耗。

当多楔带的传动比i过大时，其包角就会较小

综上所述，以及参考文献与资料所得，我们此次对其传动得中心距a取值范围在如下所说：

0.7（

+

）<

<2（

+

）式（3.6）

73.15

暂时设定a0=150mm

（6）设定传送带的长度Le：

按照公式

式（3.7）

=2×150+164.07+2.34

=466.41mm

根据参考文献以及相关资料此处Le=450mm

（7）根据上面一系列设计，计算出实际的中心距a：

因为实际操作时有一些因素的影响，我们要给中心距一个范围，给中心距一个余量让其可以调整。

经参考文献以及相关资料的参考，中心距的调整量为△min=5。

依照公式

式（3.8）

=150-8.205

=141.795mm

则a1=146.795mma2=133.795mm

（8）小带轮包角的计算：

=3.14-0.264

=2.88rad

（9）带每楔所传递的额定功率及其增量：

此时，de1=33.5mm，n1=3400r/min根据参考文献以及相关资料这里采用插值法进行计算

P0=0.14kw

由i=2.1,n1=3400r/min,用插值法计算得

△P0=0.02kw

（10）带的楔数的计算：

根据参考文献以及相关资料此处用插值法计算Kα=0.97，KL=0.78

依照公式可得Z=

式（3.9）

Z=1.65/（0.16×0.97×0.78）

=13.63

根据参考文献以及相关资料，选取Z=12

（11）有效圆周力：

=0.267×103

=267N

（12）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，

根据公式

式（3.10）

得Kr=1.57则Fr=1.57×258×0.991

=401.46N

（13）多楔带的选择：

综上所述：

跑步机传动机构选择12PJ580多楔带

3.3.2带轮的选择

因为考虑到是家用跑步机，且主要功能是带动跑步带运行，再结合跑步机的具体情况，本次的多楔带带轮采用质量较小，品质优的带轮。

而带轮的制造工艺要好，铸造时的内应力要尽可能的小，要选择好的膜具制造。

对于轮槽的工作面要精加工，这样可以减少带轮的损耗。

而关于带轮各槽的尺寸要严格按照给出的数值，达到一定的精度。

多楔带带轮主要是根据它的基准直径选择结构形式，然后根据带的型号及根数确定轮缘宽度以及轮槽尺寸。

则小带轮D=33.5mm选取实心式，规格为P12PJ33.5。

大带轮D=71mm选取腹板式，规格为P12PJ71。

以跑步机大带轮P12PJ63为例确定其结构和尺寸[5]：

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。

槽角α=40o±0.5o，槽距e=2.34±0.03，槽底圆弧半径rt最大值为0.4楔顶圆角半径rb,最小值为0.2，，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，径向跳动公差0.25，有效线差公称值θ=1.2，槽间直径差值最大0.16，n槽数为12。

所以带轮宽b=11×2.34+1.8×2=29.34mm

现用楔顶圆角半径rb,槽底圆弧半径rt均为0.3，又由槽距e=2.34，槽角α=40o，得到每个楔槽高度2.06mm。

3.3.3多楔带及其带轮的建模

根据上诉的计算与规格实行多楔带的建模，多楔带的示意图如下：

图3-7多楔带模型图

而多楔带带轮的建模示意图如下：

图3-8多楔带带轮建模图

3.4跑步机主/被轴总成的设计

主/被轴总成由主/被轴、芯轴、轴座组成他是电机通过多楔带带动跑步带的重要传动部分，一个好的主/被轴总成可以使跑步机的性能提升一个档次。

而这其中的重中之重就是主/被轴。

3.4.1轴的设计条件

本跑步机的轴使用的是固定心得轴，即本轴只会收到弯矩（M）而不会受到扭矩（T）得影响，轴的毛坯一般用锻件或圆钢。

而轴的设计要求较高，主要需要达成一下的要求：

（1）工艺要求：

轴应具有良好的制造工艺性。

（2）定位要求：

轴与芯轴还有轴座之间的定位要精确。

（3）固定要求：

轴与芯轴以及轴座之间需要有良好的固定性。

（4）安装拆卸要求：

轴上零件应易于装拆和调整。

（5）轴的使用消耗要求：

要抗疲劳，锻造时应力要均匀分布。

轴的各部分结构名称制造安装要求：

（1）轴的形状和尺寸设计尽量简单，以便于加工；

（2）为了方便轴上零件的装拆，通常将轴做成阶梯轴；

（3）轴端和各轴段的端部应有导角，以便于轴上零件的安装，；

（4）轴上磨削的轴段应该有有砂轮越程槽；

对于轴的锻造材料：

因为轴常在交变应力的作用下工作，所以要求其材料要刚度好、强度高、应力集中的敏感度小，加工性能好，抗疲劳，有的轴表面要求也较高。

轴的材料主要采用中45钢或碳钢35和合金钢20Cr或40Cr等[3]。

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。

（1）计算轴上功率P

、转速

和转矩T

根据参考文献及相关资料，多楔带的传动效率η为0.98。

则

P

=Pη=1120

0.98W=1097.6W

＝n

=3400

r/min=1619.05r/min

T=

=6.49N·m式（3.11）

（2）计算作用在大带轮上的力

大带轮的直径

=71mm

作用在大带轮上的力：

式（3.12）

作用在轴上是力：

因为轴固定，所以

（3）初步确定轴的最小直径

先初步估计轴的最小直径。

按无特殊要求、重要性一般，选择轴的材料为45钢，查按转矩计算轴时的

和C值表，取C=110，于是得

=

10.65mm式（3.13）

（4）轴承的选择

取安装滚动轴承处为轴头为前滚筒轴的的最小直径。

轴承类型：

深沟球轴承，轴承代号：

6301

额定静载荷：

4650，极限转速：

22000，润滑方式：

脂润滑。

工作参数：

轴向载荷：

0，径向载荷：

406.16，使用寿命：

30000，工作转速：

1619.05，载荷系数：

1.5。

3.4.2轴的结构设计

关于轴的设计主要考虑两个方面：

（1）结构设计：

设计合理的形状与安装位置，提高轴的性能与使之便捷加工。

（2）强度计算：

确定改设计出的形状以及使用的材料在额定工作压力下不会发生形变扭曲等症状。

轴的结构设计：

轴的所有端部都设计了相应的倒角，以便在安装时不会伤到

关于轴的结构设计，我们考虑的几个方面是：

关于轴和芯轴以及轴座之间的拆装、轴与芯轴以及轴座之间稳固、以及轴本身的质量。

以下是轴的示意图：

图3-9主轴图

图3-10被轴图

3.4.3轴的强度计算

因为该轴承只承受弯矩而不会承受扭矩，所以在公式中不用考虑扭矩，此时的T取零值。

而根据该轴的实际情况，在跑步机的启动以及停止时轴的受力的分析，弯矩在轴截面上所引起的应力可视为脉动循环变应力。

因此：

该轴的许用应力应