1、 湖北工业大学工程技术学院毕 业 设 计多功能自动跑步机毕业设计学生姓名： 杨 志 学 号： 1015011314 所在系部： 机械工程系 专业班级： 10gb 机制 3 班 指导老师： 路媛媛（工程师）日 期：2014 年 5 月 10 日 绪 论当今社会随着经济和科技的不断发展，人们的生活水平得到了很大提高。因此人们对身体健康的重视程度也在不断的加强，而在体育锻炼方面的消费相应的也在飞速的提高。近年来在我国，作为健身活动中主要使用的器材跑步机的产量每年都以超过 25%的速度在增长。 但随着社会的发展，我国对能源的需求也在不断的增加，用电需求量每年也是在大幅度的攀升。而用于发电的自然资源绝大
2、部分是不可再生的，人类在发展经济的同时，对自然资源的肆意开发和对环境的无偿利用，已经造成了生态破坏、资源短缺、环境污染等重大问题。我国传统能源资源十分有限，世界能源供应市场危机不断，因而不允许我国长期的高能消费。电动跑步机，又名电动跑台，是多年来国际流行的大众健身器材，通过电机带动跑带使人以不同的速度被动地跑步或走动。由于电动跑步机上的电子辅助装备功能非常多，锻炼者可体验不同的跑步环境，如平地跑、上坡跑、丘陵跑、变速跑等，个人可以根据自己的锻炼目的进行锻炼。跑步机在健身者运动时能显示出跑步时的速度、时间、心率、热量、节拍、距离等指标，使健身者能够随时根据自身的身体状况调节训练强度。跑步机双面宽
3、厚的跑带带给您草地般舒适感觉，马力强劲的电机带给您澎湃恒久的动力，灵敏的控制器配合芯片使您在跑步过程中随心所欲，坚固的钢架以及防爆冲装置使您的安全尽在掌握。电跑使您在繁忙的工作之余仍然可以尽享运动的乐趣。第 1 章 总体方案设计1.1 基本功能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。 1.2 构造设计多功能电动跑步机主要由机架、电动机、可调电源、
4、跑步皮带及仪表控制盘组成，其特征在于框架与支架垂直连接，前轴与后轴分别装在框架的两端，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，从动皮带轮紧装在前滚筒的一端，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，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。1.3 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
5、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，推动跑步机而产生的运动。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。传统跑步机并不适合患有脊椎软骨突出、膝关节炎、踝关节扭伤、骨肌腱炎、以及足底筋膜炎的人，因为长期的跑步可能会加重慢性扭伤的情形或加速膝关节的老化。电动跑步机是健身房及家庭较高档的器材，这种跑步机能减轻传统训练对关节的冲击，避免运动受伤，比自然跑步有明显的优势
6、。跑步时后脚跟先着地，顺着跑带方向运动。手脚模仿跑步的动作，前后挥动，从而使全身肌肉得到均衡的锻炼。由于跑带的运动方向与脚步移动的方向一致，韧带部位的扭力就抵消了，跑起来非常舒适。康复者、儿童、老年人也可以保持身体平衡，从而集中精力安心锻炼。如果增加运动量，可以加快舞动手脚的速度。用电动跑步机能消除关节的负载，不但能减肥健身，还有益于受伤后身体的恢复。它通过电机带动跑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跑步机上走跑的人感到十分轻松自如
7、，可使人比普通跑步多跑13 左右的路程，能量消耗也比普通走、跑为多。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。小结电动跑步机就是构造一条运动的跑带，使运动者在原地进行跑步锻炼。第 2 章 电动机类型与参数的选择2.1 类型功率的选择当人在跑步机上跑步或走路时，跑步机所承载的重量是人体重的 0.82.5 倍，而马力就是在这样的载重量下，还能满足并维持所选择的速度，让人可以在跑步机上走跑自如的驱动力。通常跑步机一个马力大概可提供 5070 公斤的承载重量，但跑步带面积大小也和跑步机马力有相当直接的关系，跑步机的马力越大，可以带动的跑步带面积也越大，所以衡量效率及安全性后
8、，一般建议，家用跑步机合宜的持续马力应该至少 1.8 马力以上，如果家人的体重有超過 90 公斤，則应选 2.5 持续馬力以上的跑步机。此跑步机设计标准为100公斤，则此家用电动跑步机用电动机 Z3-31型永磁直流电 动 机 作 为 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
9、同 步 转 速 ， 如 同在平地上一样感觉。表现在调速方便，调速范围宽，低速性能，运行平稳，噪音低，效率高。2.2 技术参数根据电动机修理手册得： 型号 Z3-31 电压 220 VDC 功率 2.2KW 电流不大于12.5A转速 3000 r/min 转向逆时针绝缘等级 B 级 2.3、 电 动 机 的 保 护异 步 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 一 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
10、 扣 的 电 动 机 保 护 用断 路 器 以 及 软 起 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 电 动 机 的 保 护 往 往 与 其 控 制 方 式 有 一 定 关 系 .即保 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
11、检 测 两 大 类 。3） 、保 护 装 置 与 异 步 电 动 机 的 协 调 配 合 为 了 确 保 异 步 电 动 机的 正 常 运 行 及 对 其 进 行 有 效 的 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 。 小结跑步机属于健康器材类产品,由于跑步机驱动电机必须满足各种体重的人来使用.一般使用跑步机的目的有两种:健身,减肥瘦身;如果是减肥瘦身的人来使用 ,因为身体较肥胖,跑不快,因此驱动电机的低速必须转
12、矩大才能使用.相反的,健身的人跑步快,但是重量轻,因此高速时的转矩需求较小;跑步机必须满足家庭成员每一个人都能使用,因此调速范围要宽广,低速转矩要大,才能满足不同重量的人.目前跑步机使用的驱动装置以直流有刷电机为多,优点是价格便宜。第 3 章 传动机构设计工作机构类型选择带传动,属于定传动比匀速转动机构。带传动具有结构简单，成本低廉 能缓和载荷冲击，运行平稳，无噪声，过载时将引起带在带轮上打滑，因而可防止其他零件的损坏，具有过载保护作用。3.1 设计步骤及参数选择初始条件：选择电机为专门为跑步机生产的永磁直流电动机，传动功率 P=2.2KW，主动轮转速为 n1=3000r/min 传动比定为
13、i=2 由于多楔带适于传递功率较大而又要求结构紧凑的场合，特别能适应带轮直径小的传动，所以择之。以下计算过程所用到的表和图来源： 卜炎主编. 机械传动装置设计手册（上册） ，机械工业出版社，19991、确定设计功率 PdPdK AP （3-1）KA工作情况系数，根据跑步机使用的特性，选择每天工作时间10 小时，载荷变动小。K A=1.1 见表 8-9Pd=1.1*2.2=2.42kw2、带型号的选择对于多楔带的型号可根据设计功率 Pd=2.42KW 和小带轮转速 n1=3000r/min 由图 821 选取,选 PJ 型多楔带。3、确定带轮直径 de1、d e2（有效直径）小带轮有效直径：由表
14、 8-90demin=20mm,由表 8-91 选 de1=35.5mm大带轮有效直径:小带轮节圆直径dp1=de1+2e=35.5+2*1.2=38mm由表 8-90，e=1.2大带轮节圆直径 dp2=idp1=2*33.5=71mmde2=dp2-2e=71-2*1.2=68.6mm由表 8-91，选 de2=68mm4、计算带速 vv=d p1n1 /（601000） m/s （3-2）注意：v 离心力、离心应力FQ单位时间内的应力循环次数 Nv P=Fv/100 可知，P 一定时，F张紧力一般 v 在 525 m/s，最大 30 m/s，在 815 m/s 较好V=*36*3400/6
15、0*1000=6.430m/s,合适5、初定中心距 a0中心距的大小对带传动的影响：a结构大由于载荷变化引起带的颤动掉带a带的长度在一定速度下，单位时间内带的应力变化次数 N 愈多，会加速带的疲劳损坏；当传动比 i 较大时，包角 对于 V 带传动，中心距 a 一般可取2（d e1 d e2 ）a 00.7（d e1d e2） 148.4a 0212初定 a 0=160mm6、确定带的有效长度 Le Le0=2a0+/2（d e1d e2）+(d e2-de1)2/4a0=2*160+332.84+1.4=654.24mm由表 8-52，选 Le=650mm7、计算实际中心距 a中心距的变动范围
16、考虑安装调整和补偿张紧力的需要（如胶带伸长而松弛后的张紧） ，尚需给中心距留有一定的调整余量。由表 8-54 知中心距的调整量为min=5,min=8.a=a0+(Le- Le0)/2=150-1.48=148.52mm则 a1=153.52mm a2=140.52mm8. 有效圆周力 F T= Pd/v*103=0.37*103=370N9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得 Kr=1.57则 F r=1.57*370*0.995=580N多楔带带的选择根据计算跑步机传动机构选择 12PJ450 多楔带3.2 多楔带带轮结构和尺寸选择要求质量小；结构工艺性好；无过
17、大的铸造内应力；质量分均匀，转速高时要经过动平衡 ；轮槽工作面要精细加工（表面粗糙度一般为 3.2），以减少带的磨损；各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等。材料带轮的材料主要采用铸铁，常用材料的牌号为 HT150 或HT200；转速较高时宜采用铸钢（或用钢板冲压后焊接而成） ；小功率时可用铸铝或塑料。结构设计带轮由轮缘，轮辐和轮毂三部分组成1）实心式：带轮基准直径小于 3d(d 为轴的直径)时2）腹板式：带轮基准直径小于 300350mm 时3）轮幅式：带轮基准直径大于 300350mm 时带轮的结构设计主要是根据带轮的基准直径选择结构形式，并根据带的型号及根数确定轮缘宽度
18、，根据带的型号确定轮槽尺寸则小带轮 D=33.5 选取实心式，大带轮 D=63 选取腹板式小带轮随电机一起购买。规格：P12PJ33.5以跑步机大带轮 P12PJ63 为例确定其结构和尺寸：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。槽距 e=2.340.03 槽角=40 o0.5o 楔顶圆角半径 rb,最小值为 0.2，槽底圆弧半径 rt最大值为 0.4，检验用圆球或圆柱直径 db=1.50.01,2X 公称值为 0.23，2N 最大值 1.22，f 最小值为 1.8，有效线差公称值 e=1.2 径向跳动公差 0.25，槽间直径差值最大 0.16。n 槽数为 12。 。带轮宽=11*2.34+1.8*2=29.34MM3.3 带传动的张紧装置的选择传动中心不可变时，采用张紧轮传动中心可调时，采用滑轨+螺旋或者浮动轴。本跑步机中心距是可调的：a=a0+(Le- Le0)/2=160-1.48=158.52mm则 a1=163.52mm a2=150.52mm范围在 150.52-163.52 之间，则通过螺栓的前后移动来调节电机的前后移动，从而实现带的调紧和放松。
