电动跑步机的设计.docx

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电动跑步机的设计

西安广播电视大学开放教育

机械制造及自动化专业

毕业论文（设计）

题目：

电动跑步机的设计

专业层次：

机械本科

级别：

2011春

学号：

姓名：

分校（工作站）：

三分校

指导教师：

2013年05月07日

中文摘要Ⅰ

1.1、国内外研究状况1

1.1.1、国内的研究现状1

1.1.2、国外的研究现状2

1.2、课题研究的目的和意义5

第2章、人机工程设计6

2.1.1按人体尺寸确定相关结构与空问的尺寸的原则6

2.2、电动跑步机的人机工程设计7

2.2.1、跑步带8

2.2.2、电机8

2.2.3、基架8

2.2.4、扶手8

2.2.5、电子显示器的设置9

2.2.6、材质设计9

2.2.7、色彩设计10

2.2.8、线形设计10

第12章、结论34

电动跑步机的设计

摘要

电动跑步机是家庭及健身房常备的器材，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。

专家们相信未来电动跑步机市场将以高价位产品为主导。

低价位产品销售也不错，近几年价格已有上升趋势。

注重生活时尚的消费者认为电动跑步机价格在1000美元以上是理所当然的事。

这些迹象表明，未来电动跑步机仍会持续增长。

此次设计复习相关软件并使用软件进行电动跑步机机械部分的零件设计，结构设计，产品的装配等。

设计过程中部分零件设计和总装配图设计使用AutoCAD软件设计，设计包括支架，基架，滚筒，跑步板，跑步带等，设计中参考了国内外各品牌结构和样式，对传动机构进行了精确计算，而且设计中重点突出了减震系统的重要性和跑步板防静电的功能性，设计更为人性化，使跑步者能感受到电动跑步机的力量。

由于电动跑步机的特殊性，安全问题更值关注，如何正确使用电动跑步机和电动跑步机的保养同样重要。

关键词：

总体结构传动机构减震系统跑步板电动跑步机

Abstract

Theelectronictreadmillisthefamilyandapparatusalwaysonthealertofgymnasium,andthesimplestoneinthebody-buildingapparatusofthecurrentfamily,itisthebestchoiceofthefamilybuildingupbodydevice.Theexpertsbelievetheelectronictreadmillmarketwilltakehighpriceproductsastheleadingfactorinthefuture.Lowpriceproductsalsosellgood,priceinrecentyearshadthetendencytorise.Payattentiontoconsumerswithfashionablelifeandthinkthepriceoftheelectronictreadmillisthenaturalthingabove1000U.S.dollars.Thesesignsindicatetheelectronictreadmillwillstillincreasecontinuouslyinthefuture.

Thedesignreviewrelatedsoftwareandusesoftwaretoelectrictreadmillofmechanicalpartofpartsdesign,structuraldesign,productassembly.SomedesignofthepartsandassemblydrawingshadusedAutoCADtodesign.Designandincludethesupport,thebaseframe,theexpansioncylinder,therunningboard,therunningbelt,designconsultdomesticandinternationaleverybrandstructureanddesign,carryonaccuratecalculationbyorganizationtotransmissions,anddesignstressshockattenuationsystematicimportanceandrunthestatic-prooffunctionalityoftheboardespecially,thedesignenablespersonswhoruntoexperiencethestrengthoftheraceapparatus.Becauseoftheparticularityoftheraceapparatus,safeproblemisworthpayingcloseattention,howtousetheraceapparatuscorrectly,itisasimportantasmaintenanceoftheraceapparatus.

Keywords:

OverallstructureTransmissionsDampingsystemRunboardElectronictreadmill

第1章、绪论

1.1、国内外研究状况

1.1.1国内的研究现状

健身器材调查——跑步机

目前国内市面上的跑步机主要有以下三种：

（1）电动跑步机：

电动跑步机是健身房及家庭较高档的器材，此种跑步机属于机械式跑步机，它通过电机带动跑步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步机上走或跑的人感到轻松自如，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、跑步多。

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，如平地跑、上坡跑、丘陵跑、变速跑等，用户可以根据自己的锻炼目的进行选择，都是通过使用者手动调节来实现，不能通过跑步机的自动机，是非智能的跑步机。

如图1-1。

（2）单功能跑步机：

单功能跑步机从结构上分为两类，一类是滚轮式跑步机，一类是平板式跑步机，很明显单功能跑步机也是机械式跑步机。

滚轮式跑步机工作时噪音很大，已被淘汰。

平板式跑步机是由人主动在上面运动，所以使人感到与普通跑步一样。

它的电子表可帮助训练者记录下时速、时间、心率、热量、节拍、距离等指标。

使您随时了解自己的训练情况，进行有目的的调整。

具有一定智能性，但不完善，需要很大程度拓展和改进。

如图1-2。

图1-1电动跑步机图1-2单功能跑步机

（3）多功能跑步机：

一台多功能跑步机是由跑步机、划船器、卧式健身车、放松机、螺旋器等功能器材组合而成，以功能多、占地少而受到一些人的喜爱。

多功能跑步机在各方面功能的合理搭配下，融入科技含量，很多方面需要智能的调节来协助实现，它的锻炼方法同普通跑步机一样，但从健身器所应具备的使用舒服、方便，技术动作准确合理上看，多功能跑步机有一定缺陷，功能繁多，导致每个功能的性能都不及但功能跑步机的性能好。

另外，部分跑步机也存在功能的堆积，功能的定位不明显，特点不突出，比如：

音乐功能，游戏功能，氧吧功能等，没有一个主打功能，而且功能没有创新。

国内智能跑步机，在软结构里面，虽说有所摄入，但是投入还是远远不够，主要推广以下几个方面，轻便、小巧、操作简单，更具有散步、快走、跑步、扭腰、压腿、仰卧、按摩等多种运动功能，能够满足使用者全家的健康需求，让人变得更加健康。

用五大人性化操作，LED智能视窗、快捷速度键、手握式心率测试器、安全制动开关、高保真音响。

面版有LED屏，能够显示速度、距离、心率、时间、卡路里消耗五种数据，让使用全面掌握运动状态，保证最佳运动效果。

总之国内的跑步机还是注重跑步机的实用性，对跑步锻炼的基本要求的实现比较注重，而在智能和高科技方面和国外的相比，显得略为薄弱一些。

需要投入更多关于人的关怀，不同人群的兴趣偏好，科技含量的摄入等。

如图1-3。

图1-3多功能跑步机

1.1.2、国外的研究现状

国外的跑步机也不外乎上述传统的跑步机的类型如图1-4，由于发达国家科技发展领先，也出现了一些新型跑步机。

功能类的产品：

如今新型跑步机也是层出不穷，现以实力雄厚的诺迪克竞赛器材公司推出的一种NordicSport新型跑步机为例子来辨析其设计创新点。

与普通跑步机相比，此种跑步机具有如下特点：

（1）消耗提高79％。

该机在锻炼时可使人体每小时消耗热量852～1000卡；与普通跑步机相比效率可提高50％～79％，减肥效果极佳；

（2）人体需氧量可提高53％。

以此进行训练，可在最短时间内获得最大的有氧训练的效果，能够明显提高心血管机能水平、心输出量及氧化酶活性等。

使练习者在达到同样锻炼效果的提下，节省大量时间。

图1-4市场上跑步机造型实例

（3）65％的人体肌肉得到锻炼。

普通跑步机往往忽视了对人体上半身肌肉特别手臂肌肉的锻炼，而这种带有手臂锻炼器的跑步机则弥补了此项不足，可使人获得全身的锻炼效果。

并且此种带有手臂锻炼的设计在跑步机设计上已获得专利。

手臂锻炼器使用时非常方便，只需两只手臂像抽水机一样上下反复摆动可以了。

造型类产品：

韩国HERA．7000系列是专为出口设计的型号如图1-5，在外观，品质和耐力性方面比普通跑步机均更胜一筹。

获得由MOCIE（韩国商业，工业，能源部）和KIDP（韩国设计协会）联合颁发的“2005最佳设计”奖，综合考虑了包括外型美学性，经济性，用户友好性，用户满意度以及环境友好性等因数。

图1-5韩国HERA-7000系列产品

另外，目前一种新的技术即将应用到跑步机上来，跑步机专用型变频技术的运用，主要应用范围包括：

家用跑步机、轻型商用跑步机、专业商用跑步机。

其核心设备是跑步机专用型变频器如图1-6所示，它是研发人员根据跑步机的实际需要，为跑步机量身定制的一款新型变频器。

其具有以下特点：

图1-6跑步机专用型变频器

（1）提供较宽的载波范围，进一步降低电磁噪音：

电磁噪音是通过提高载波频率的方式来实现的。

一般的变频器，最大载波频率为15KHz，而跑步机专用型变频器的最大载波可以达到16KHz，甚至是更高。

（2）采用SPWM技术，提供无速度传感控制方式。

跑步机专用型变频器可以在5Hz时输入150％的额定扭矩，解决了普通变频器低频时，跑步机不动，甚至是报警的问题。

（3）提供较低的瞬间电压低位值。

跑步机专用型变频器提供了一个低电压准值设定功能，可以根据需要，自行设定最低电压，从而解决了普通变频器在瞬间低压造成的停机问题。

（4）提供RS．485接口，解决了每台变频器需要单独设置参数的问题，提高了工作效率；同时，也优化了配线，以前需要4根以上的配线，现在，只需要两根就OK了，另外，RS．485在抗干扰能力上有所增强。

（5）在RS．485接El下，外部端子能够接受EF（外部故障）信号。

这样，当控制器死机时，能够让跑步机专用型变频器停止输出，让电机自有停车，从而把对顾客的伤害降到了最低。

例如：

利用LG变频器控制跑步机，跑步机驱动电机程序结构如下图1-7所示：

图1-7LG变频器跑步机驱动结构图

其主要功能包括：

正方向运转（FX．CM）功能，根据与跑步机专用控制器通信进行运转．速度根据Up／Down变化功能，轻松的加／减速以及低噪音特性．无传感器矢量控制功能，利用无传感器矢量功能，发挥从低速到高速的转矩特性．电机过热防止功能，以电机过热防止功能和变频器过负荷防止功能，提高产品的安全性．过负荷Trip功能，以及通信控制功能。

跑步机发展路线的多样性的，但都在融入更高科技含量和以人为本的思想，来开发跑步机，研发出更高智能性的跑步机，增强跑步机的娱乐性和交互性，进而提高人们的生活品质，优化生活方式。

1.2、课题研究的目的和意义

设计是有计划有目的的造物活动，其对象是产品，目的是为了满足人们的需要，所以设计是人的需要的产物。

产品设计的出发点是人的需求，归宿是协调物和人的需求之间的关系，寻求新的解决途径。

产品设计由最基本的底层即满足人们的生理需求到最后的自我实现，经历着由简单到实用再到精神层面的需求最后到达包含精神文化因素的价值实现的走向。

在这一走向中，人性化因素的注入是人自身需要对设计的内在要求。

改革开放以来，人民生活水平有了显著提高。

人们对产品的精神功能的需求也不断增长，而且人们的需求越来越具体、个性化，对设计者来，需要我们在设计的过程中注入大量的情感因素，把注意力更多地投入到设计物的宜人性和情感性方面，注重设计物本身的情感特征和使用者的情感、心理反映。

纵观国内外健身器械的设计，其中最大的问题所在：

过于机械化和冰冷感，缺少对人性的关怀。

这一点，和目前国际大的设计趋势是不相符合的，他使得消费者在使用这些器具的时候，得不到足够的关怀，因而丧失很多乐趣。

基于此，本课题主要研究的最大意义就是：

通过人性化设计理念的导入，发现传统跑步机存在的误区，从人性化的角度进行分析和重设计，通过跑步机的设计发掘健身器械的设计原则，使其操作更便捷、更合理、更人性、更舒适。

第2章、人机工程设计

人机工程学是本世纪50年代发展起来的一门新兴学科，它由人体科学、工程技术、环境科学、安全科学和社会科学等交叉而形成。

人机工程学研究人和机器及环境的相互作用，把人的因素作为产品设计的重要条件和原则，使设计出的机器操作简便、省力、安全、可靠高效、舒适。

当前，人机工程学的研究和应用越来越广泛。

人机工程学的研究成果对于电动跑步机的设计有着非常重要的意义。

在人机这一系统中，人是核心因素。

电动跑步机的设计应符合人的生理，心理特点，在这方面的考虑失误，可能会影响人们的健身效果，甚至会影响人们的安全、健康。

2.1、人体尺寸百分位数运用的基本原则

电动跑步机的设计应符合人体的尺寸，这是很容易理解的。

但是由于受人的年龄、性别、种族、地区等因素的影响，人的身材大小各不相同，那么该用哪一种身材的人作为跑步机设计的依据呢？

在对人群进行统计性的人体尺寸测量时，各种身材的人频数分布状态（出现率）用百分位数表示。

在国标GBl0000中分别给出了不同年龄段第l、5、10、50、90、95、99百分位的人体尺寸，在电动跑步机设计中，常用的是18～60岁年龄组的第5百分位数和第95百分位数，它考虑了绝大多数的使用者群体。

2.1.1、按人体尺寸确定相关结构与空问的尺寸的原则

（1）包容空间尺寸设计按第95百分位数（P95）

包容空间是指以人为中心，包容人体（或某部分）的空间。

例如：

最小作业空间（区域）、通道、维修空间、肢体自由活动空间、门、舱口等，对于这类空间。

要求其能包容大多数人，按大身材人设计，小身材的人当然也就包括在内。

（2）被包容空间尺寸设计按第5百分位数（P5）

被包容空间是指以人为中心，被人体（或某部分）所包容的空间。

例如，肢体的可及范围、椅而高度、搬运物的宽度等，对于这类空间，应使小身材（P5）能包容其空间，大身材人当然也就没有问题。

（3）最佳工作区位置尺寸按第50百分位数（P50）

在包容与被包容关系中，要求空间适应人的极限状态，而对于某些频繁使用的操纵器，则是希望能以最舒适的状态来进行操作，才不容易疲劳，并达到准确和高效。

例如，重要的、使用频繁的或需精细操作的开关、旋钮等控制器的设置，各类机械主要操作手柄的设置等。

这时应按中等身材人设计，因此第50百分位附近，人的密度高,可使多数人处于舒适、高效的作业状态下。

（4）可调节结构尺寸的调节范围为第5至第95百分位数

由于人体尺寸的差异，欲使每个工作者能处于一种舒适、准确、高效的工作状态，则应将有关节结构设计成为可调节的，例如，与控制台有关的座高度和脚踏板的高度等，应是可调节的，其尺寸应以P50为基准，调节范围扩展到P5至P95。

2.2、电动跑步机的人机工程设计

最早的跑步机是没有动力的普通跑步机，在这种跑步机上跑步时，需要用力蹬踏跑步机来完成运动，跑步的姿势不够自然，运动难以协凋，效果并不理想。

而应用人机程学设计的电动跑步机。

人们在跑步时，感到轻松、自如．运动状态更贴近自然运动状态，电动跑步机主要由以下部分组成：

基架、跑步带、电机、电机盖、支架、扶手、以及电子显示器。

如图2-1所示。

图2-1电动跑步机

2.2.1、跑步带

跑步带是电动跑步机的一个重要部件，跑步带的性能好坏直接影响着跑步机质量，影响跑步效果。

要求跑步带抗延展性好，使用寿命长，不易变形。

因此跑步带可以采用双层PVC+单层胚布材料。

跑步带的尺寸应满足跑步这一功能的需要，长度方向应让人能轻松迈开步伐，设计为1300mm,应按照人体尺寸P95宽来确定，加上余量，设计为440mm。

2.2.2、电机

电动跑步机在电机选用上应根据跑步机的应用场所来决定，家用的功率选小一点，而健身房的则选大一点。

家用一般为2HP以上，健身房的一般在3HP以上，这样会防止电机的功率小，而产生小马拉大车的现象，造成电动跑步机不堪重负，容易损坏。

2.2.3、基架

基架主要由两边底管、跑步板和前后轴滚筒组成。

底管的长度由跑步带的长度和马达的长度来确定，既1300+400=1700mm。

底管是承担人体重量和跑步时动载荷的主要零件，因此必须要有足够的刚度，保证人体站在跑步带上不变形，跑步时，不会发生颤动和振动，产生噪音。

跑步带的下面是跑步板，为了减轻跑步时对人体的冲击，可在跑步板上装有缓冲橡胶垫。

底架与地面之间采用高密橡胶垫，可减轻震动和噪音。

电动跑步机的底架高度应该尽量降低，减少使用者（特别是老年使用者）使用时的危险性。

2.2.4、扶手

扶手的作用主要有两个：

一是在跑步时，用手扶在上面，防止身体不稳定晃动而出现意外；二是不跑步时作双臂曲撑运动，锻炼上肢肌体。

扶手的高度必须与运动者的身高相适应，扶手太高，作双臂曲撑运动时，感觉不安全；扶手太低，作双臂曲撑运动时必须缩着小腿。

因此，扶手的高度一般按P95的立姿肘高的尺寸进行设计。

扶手的最大高度可由下式确定：

H=A+B+C=1096+200+25=1321（取1320）

式中：

A—立姿肘高

B—底架高（包括底架本身高度和距地面高度）

C—修正量

上面确定的扶手高度是指最大高度。

为了使大部分人处于舒服的状态下，也可以考虑按P50尺寸来设计，这时扶手的高度应为1255mm，但同时将立柱结构设计成为可调节式的，调节范围为P5至P95。

这样每个人可以按照自己需要的高度来调节扶手高度。

扶手的形状设计：

有很多电动跑步机的扶手设计成为直杆式的。

在跑步时，用手抓住杆部，由于扶手的高度高于人的肘部。

所以臂部必须上举，会使肩、背及手部肌肉承受静负荷。

时间长了，导致疲劳；同时手腕处于掌屈、背屈、尺偏等别扭的状态时，就会产生腕部酸疼、握力减小，如长时间这样操作，会引起腕道综合症、腱鞘炎等症状。

如果设计成弯曲的形状，那么跑步时，手抓住弯曲的部分，可以使手臂不必抬得太高，减少了抬臂产生的静肌负荷，同时，也让手腕顺直，腕关节处于正中的放松状态。

扶手的材料一般采用圆管或椭圆管，它的大小应让人握着舒适为宜，直径为30～35mm。

扶手上采用发泡塑料做成的扶手套，可提高使用者在抓握时的舒适感。

2.2.5、电子显示器的布置

电子显示器的功能是包括：

跑步速度、跑步时间、跑步距离、心跳数和能量消耗数。

这些功能都为电动跑步机的人性化设计提供了必要的保障。

这些功能的实现部分采用了先进的智能传器技术和数字信息技术，使该产品的设计表现出了智能美的技术要求。

使用视觉显示装置，在于迅速、方便、准确地提供视觉信息，因此，电子显示器的布置应根据人的视觉特点，按最佳观察方式进行，方能提高视觉认读效率和精度。

显示器的位置由在使用该器材时人眼与显示装置面板的距离决定。

面板与人眼的最适当距离为650mm左右。

显示器与水平面保持25～30度的倾角，使显示信息的面板尽可能与使用者的视线垂直，以保证获得最高的精度。

2.2.6、材质设计

质地美不取决于材质本身的高级和贵重，而在于恰与其分的运用材料，增加电动跑步机的外观艺术效果。

电动跑步机各主要部件采用的主要材质为：

机身和立架采用普通碳钢管及钢板，扶手套采用发泡塑料，电机盖和显示面板采用工程塑料。

主框架采用钢材使整个结构展现出朴素、坚固的材质特性，使用者有很强的安全感。

主框架的钢材表面作烤漆工艺处理，使其表现肌理光滑而不明亮，给人高雅之感。

工程塑料的使用可利用注塑技术使电机盖和显示面板的复杂造型得以实现。

并表现出光滑、细腻的材质特性，发泡塑料质感柔软、温暖，给使用者带来亲切感。

2.2.7、色彩设计

色彩不仅能表现产品的外观．而且更能表现产品的精神。

这就要求色彩与产品的功能、环境场所、使用对象等因素统一起来，在人们的心中产生统一、和谐的感觉。

电动跑步机主色调采用黑色，体现出产品的厚重踏实和使用者对强健的渴求；同时，因为该器材多在室内使用，黑色便于与周围环境的色彩进行搭配。

显示器面板底色采用深灰色，说明字符用白色，明度对比较强，使字符清晰度高，易辨认。

2.2.8、线形设计

电动跑步机除了具备物质功能外，还应该具备装饰生活环境，体现生活品位的精神功能。

良好的造型可以创造产品的个性，提高品牌的价值，还能激发使用者的锻炼热情。

电动跑步机是一种通过跑步而获得锻炼的健身器材，因此在它的造型设计时，必须充分考虑其造型的动态特性。

扶手和电子显示器的支撑架采用现代弯管工艺加工出优美的流线造型；马达盖是由工程塑料通过现代注塑工艺加工而成，其轮廓生动的曲线型。

流线型的应用改变了产品呆板、冷硬的造型效果，产生生动活泼富有运动趋势的美感。

这种设计使产品造型和产品功能得到了很好的统一。

第3章、总体方案设计

3.1、基本功能

电动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。

实现电动跑步机的功能，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。

3.2、构造设计

电动跑步机主要由机架、电动机、可调电源、跑步带及仪表控制盘组成，其特征在于基架与支架成20度科学力学角度连接，前轴与后轴分别装在基架的两端，前滚筒与后滚筒分别用轴承套装在前后轴上，跑步带恰当张紧绕装在前后滚筒上，跑步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,安装在基架的前端，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基架上，皮带调节螺栓安装在跑步机的末端，通过扭旋张紧跑步带，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。

具体如图2-1所示。

2.3、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