1、1毕业论文开题报告机械设计制造及其自动化阻尼可变式跑步机健身器材设计1选题的背景与意义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，是保持一个人身心健康最有效、最科学的健身方式，也越来越受到大家喜爱。只是随着都市的大气变得污浊，生活节奏变得紧张，户外长跑变得不那么流行了，而跑步机则成了时下健身最热门的健身器械。跑步机不仅可以让我们免受汽车尾气之苦，也使我们可以选择自己方便的时间随时锻炼。传统的机械式跑步机，通过锻炼者自身臂部、膝部、踝关节及相关肌肉产生向后的推力，推动跑步机产生运动。这类跑步机简单，耐用，省电。但是脚踏板皮带旋转所需的力量是固定的，因为对于不同的人群，所需的力
2、量不同，所以达不到锻炼的要求。电动式跑步机，运动性能不错，是市场上主流的跑步机，但是价格昂贵，而且耗电量巨大，了达到安全舒适的目的，跑带越来越宽、越来越长，相应占地面积比机械跑要大。对于传统的机械式跑步机，在前滚轮结构处加入磁流变液阻尼器，可以通过电流来控制所需力量的大小，从而达到各个运动者的要求。设计这种跑步机的关键在于磁流变液阻尼器的设计。通过跑步机的设计，可以了解有关磁流变液的知识，阻尼器的结构原理，跑步机的结构原理，更好的掌握机械方面的原理知识。并且，通过此设计，可以更好的理解体育锻炼的重要性，科学的健身方式的意义。2研究的基本内容与拟解决的主要问题21研究的基本内容（1）跑步机基本功
3、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，对跑步带的速度控制通过磁流变液阻尼器调节阻尼大小，得到锻炼者所需的力大小。2（2）跑步机的构造设计此跑步机主要由机架、电源、磁流变阻尼器、跑步皮带、滚筒、轴及控制面板组成，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，电源安装在框架的前端，控制传感器装在电源上，跑步机扶手架安装于支架的
4、顶端。传动方式采用带传动机构，传动级为一级。（3）磁流变液的技术特点磁流变液9MAGNETORHEOLOGICALFLUIDS/MRF是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料。它在无外场作用下表现为流动良好的液体状态，然而在强磁场作用下可在短时间毫秒级内表观粘度增加两个数量级以上，并呈现类似固体的力学性质，其强度由剪切屈服应力来表征而且粘度的变化是连续、可逆的，即一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体。11（4）磁流变阻尼器1011的主要结构设计采用回转式磁流变盘式阻尼器。结构简单，主要有转轴、阻尼结构部分、滚珠轴承、轴承隔磁环、密封、磁场产生线圈、保护圈等部分组成。当然设计还包括阻尼间
5、隙的确定设计。1）主要结构就是采用下面图所示结构力矩调控式磁流变力矩伺服装置234678910111213151614153图1力矩调控式磁流变力矩伺服装置1普通平键2主轴3左轴承4左端盖5油封6注射孔7左壳体8励磁线圈9右壳体10铜圈11O型橡胶圈12阻尼盘13阻尼间隙（有效工作的MRF）14右端盖15右轴承16铝质隔磁环2）磁流变力矩伺服装置建模、分析壳体阻尼盘磁流变液ADRAAR1R0RH图2阻尼器的输出转矩分析转矩公式TBABETZ4PTBR13R03/3PHWR14R04/H22拟解决的主要问题首先，测试不同的人跑步时所需的阻尼力大小，选择合理的磁流变液，通过电流来控制阻尼器的阻尼大
6、小，通过力学分析，计算不同电流对应的阻尼力的大小，从而设计出合理的阻尼器。3研究的方法与技术路线31研究的方法通过收集大量国内外专利文献和研发资料，分析市场上各种跑步机的结构原理和特点，分析当前跑步机的技术特点和产品的优缺点，改进局部缺点，提出本课题阻尼可变式跑步机的设计思路和方案，并画出三维实体模型。32跑步机系统框图41支架23前滚筒、前轴4磁流变阻尼器5、6后滚筒、后轴7控制面板8跑步皮带9电源33技术路线如下4研究的总体安排与进度13周理解设计任务，收集资料；完成外文翻译；完成文献总数和开题报告；47周总体结构与主要零件设计；资料查找、收集磁流变阻尼器设计理解设计相关原理跑步机外机构设
7、计控制电路设计跑步机总机构设计完成三维实体绘制评价并完成设计5812周零件图纸绘制；13周完成毕业设计说明书，准备答辩。参考文献1濮良贵主编机械设计第七版北京高等教育出版社，20012吴宗泽主编机械设计课程设计手册第二版北京高等教育出版社，19993孙恒主编机械原理第七版北京高等教育出版社，20064王晓光，武永强考虑人因工程学的椭圆机设计工程图学报，2007，115张世平，王向宏，任丽娟等社区器械健身江苏科学技术出版社，20086AGOLABI,AGRUNWALDDESIGNANDAPPLICATIONOFMAGNETORHEOLOGICALFLUIDMATERIALSANDDESIGN28
8、2007265826647GBOSSIS,SLACIS,AMEUNIER,OVOLKOVAMAGNETORHEOLOGICALFLUIDSJOURNALOFMAGNETISMANDMAGNETICMATERIALS25220022242288汪建晓，孟光磁流变液装置及其在机械工程中的应用J机械强度，2001，019崔治磁流变液装置研究及其在非球面研抛中的应用D20090510苏会强，郑堤基于磁流变液的回转式阻尼器设计与有限元分析J2007，411蔡永飞，周瑾，徐龙祥等磁流变液阻尼器在磁悬浮轴承中的应用J2010，26毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化阻尼可变式跑步机健身器材设计摘要简要介绍
9、了磁流变液的基本理论，磁流变阻尼器的工作原理，磁流变阻尼器的应用，介绍了目前磁流变技术在国内外的研究状况及工程中的应用，介绍了跑步机的发展状况及其分类。提出了磁流变阻尼器在跑步机中的应用。关键词磁流变液磁流变阻尼器跑步机0前言磁流变液MAGNETO2RHEOLOGCA1FLUID,MRF13是一种具有良好发展前景和工程应用价值的新型智能材料,在外加磁场作用下,会产生明显的磁流变效应在固体与液态之间进行毫秒级快速可逆转化，其粘度保持连续无级变化,可实现实时主动控制,耗能极小,因而广泛应用于机械、汽车、航空、精密加工、建筑、医疗等领域。1945年WINSLOW发现电流变效应后,美国学者RABINO
10、W于1948年发明了磁流变液。但磁流变液在最初应用过程中遇到了稠化、沉降及磨损等难题。因此,大部分研究人员的研究转向了电流变液。但电流变液抗剪切屈服强度较低,对普通污染物如水敏感,且需要高电压,工作温度范围较窄,因而限制了它的应用。而磁流变液的抗剪切屈服强度大约比电流变液大一个数量级,对污染不敏感,且一般采用低电压,工作温度范围较宽,因而自20世纪90年代初以来磁流变液又重新引起研究者们的兴趣。随着稠化等问题的解决,各工业国竞相展开了对磁流变液及器件的研究,加速了磁流变液的进展。1磁流变液的特点磁流变液是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料。它在无外场作用下表现为流动良好的液体状态,
11、然而在强磁场作用下可在短时间毫秒级内表观粘度增加两个数量级以上,并呈现类似固体的力学性质,其强度由剪切屈服应力来表征而且粘度的变化是连续、可逆的,即一旦去掉磁场后,又变成可以流动的液体。1172磁流变液阻尼器的工作模式6根据磁流变液流动特性的不同,磁流变器件的工作模式主要有两种流动模式和剪切模式。21流动工作模式流动模式是上、下极板固定不动,流体以一定速度流过极板间隙,如图21所示。外加磁场垂直于极板方向,磁流变液在相对静止的极板间运动,磁流变液在流经极板间隙产生的压力差受到外界磁场的控制。图21流动工作模式图22剪切工作模式剪切模式是上、下极板以相对速度平行运动,如图22所示。外加磁场同样垂
12、直于极板相对运动方向,磁流变液在两相对运动的极板间流动,形成剪切变形。外加磁场受激励电流或电压控制,通入不同的电流将产生不同的磁场强度,其相应的剪切屈服应力强度也会随之变化,因此可以通过改变电流或电压值的大小来控制阻尼力的大小。图22剪切工作模式图83磁流变阻尼器件的应用磁流变液阻尼器可广泛用于各种振动控制系统,具有阻尼力大、电功率消耗低等特点。阻尼器的结构形式较多,按其工作模式可分为如下几种类型。31流动模式的阻尼器1阻尼器是流动模式下磁流变液最典型的应用。阻尼器由于能产生强大的阻尼力,且可根据外部振动的不同自行调节磁场强度大小,使阻尼器阻尼通道两端的压力差发生变化,达到主动减振的目的。LO
13、RD公司在流动模式下开发了一种车辆座椅悬架阻尼器,大大提高了乘坐的安全性和舒适性,其性能远优于传统的减振器,图31和表31示出了磁流变液流动模式下阻尼器的主要特性。2002年DELPHI公司将其研发的磁流变悬架系统应用在CADILLAC高档车上,磁流变液能在1MS之内响应,比以前传统可调减振器系统快5倍以上。图31磁流变阻尼器表31流动模式特性32剪切模式的阻尼器1在此种模式下磁流变液器件主要依靠磁流变液的剪切应力来传递转矩,由于磁流变液的屈服应力受外加磁场控制且相变的过程在毫秒量级内完成。因此,可以做成敏捷度极高的控制元件,用于连接和传递两部件之间的力或力矩。在这一类的磁流变液器件中,离合器
14、和制动器都是典型的例子。1999年美国LORD公司制造的小型旋转式制动器是一种回转阻力可控、结构紧凑、运行平稳、功耗较低的器件,目前已用于自行车式和台阶登攀式健身机,它与速度反馈装置连接,可实时控制转矩,从而迫使练习者保持希望的目标速度。图32和表32示出了剪切模式下磁流变液制动器的主要特性。1998年GARY等人研制的被动式磁流变离合器,利用固化的磁流变液来传递动力。为了解9决屈服应力小的问题,采用热敏材料受热膨胀产生应力,使控制系统推动法兰盘轴向移动,减少磁流变液存在空间,使其屈服强度得到提高,从结构上看,控制系统较为复杂,加工与装配都比较困难,并且对热敏元件有很强的依赖性。2001年美国
15、CARLSON研制出了将转子与飞轮做成一体的磁流变液制动器。通过控制磁场强度和改变飞轮的结构,可以得到不同的输出转矩。2002年美国内华达州大学的KAVLIEOGLU研制的双圆盘式大转矩磁流变液离合器,其试验转矩达到79NM。2000年中国科技大学试制的有加压装置的磁流变液离合器,在不需要其他辅助装置的情况下能实现两轴的离合,但在大转矩传递的问题上,还存在一定的局限性。因为其径向加压区段的固相磁流变液在受到加压时会往后移动,实验转矩只能达到7NM。图32磁流变液制动器原理表32剪切模式特性4跑步机的发展状况及分类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，是保持一个人身心健
16、康最有效、最科学的健身方式，也越来越受到大家喜爱。只是随着都市的大气变得污浊，生活节奏变得紧张，户外长跑变得不那么流行了，而跑步机则成了时下健身最热门的健身器械。跑步机不仅可以让我们免受汽车尾气之苦，也使我们可以选择自己方便的时间随时锻炼。跑步机在中国体育健身器械行业的兴起阶段70年代末80年代初台湾的SPORTSART、TRUE、JOHNSON后为中国产、MAGTONIC、HUSE牌跑步机开始进入市场，其中的许多厂商是在为美国及英国厂商进行合作生产配件过程10中，发展成为自创品牌或贴牌生产使用美、英产品商标，在台湾进行生产。而在电动跑步机的制造上，我国直到90年代末才出现了万年青、乔山、汇祥
17、、百利恒等自主品牌，这是中国健身器材工业的真正开始，而我国跑步机也正是在这个时期发展起来的。1241机械式跑步机机械式跑步机是依靠跑步者脚与跑步带的摩擦力带动来运行的。这种跑步机结构简单，价格便宜，维修方便，但有时候达不到运动者的需要，性能不够完善。42电动式跑步机电动跑步机是健身房及家庭较高档的器材，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，可使人比普通跑步多跑13左右的路程，能量消耗也比
18、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，如平地跑、上坡跑、丘陵跑等，您可根据您的锻炼目的进行选择。电动式跑步机是现代主流的跑步机。5磁流变阻尼器在跑步机中的应用传统的机械式跑步机，通过锻炼者自身臂部、膝部、踝关节及相关肌肉产生向后的推力，推动跑步机产生运动。这类跑步机简单，耐用，省电。但是脚踏板皮带旋转所需的力量是固定的，因为对于不同的人群，所需的力量不同，所以达不到锻炼的要求。电动式跑步机，运动性能不错，是市场上主流的跑步机，但是价格昂贵，而且耗电量巨大，了达到安全舒适的目的，跑带越来越宽、越来越长，相应占地面积比机械跑要大。对于传统的机械式跑步
19、机，在前滚轮结构处加入磁流变液阻尼器，可以通过电流来控制所需力量的大小，从而达到各个运动者的要求。设计这种跑步机的关键在于磁流变液阻尼器的设计。6亟待解决的问题（1）阻尼器的磁流变液的选择，通过力学性能的分析，选出合适的磁流变11液，要综合考虑各个方面，如安全，性价比等。（2）设计出适合各个人群的跑步机，对于不同身高体重的人都能正常，安全使用。（3）分析人体下肢健身锻炼过程对跑步器材的技术要求，选择合理的材料，并且设计结构合理。7结论通过跑步机的设计，可以了解有关磁流变液的知识，阻尼器的结构原理，跑步机的结构原理，更好的掌握机械方面的原理知识。并且，通过此设计，可以更好的理解体育锻炼的重要性，
20、科学的健身方式的意义。参考文献1王鸿云，郑惠强，李泳鲜磁流变液的研究与应用J200852王惠，杨臻，韩世俊磁流变液技术及其应用机械工程与自动化201083崔治磁流变液装置研究及其在非球面研抛中的应用D2009054苏会强，郑堤基于磁流变液的回转式阻尼器设计与有限元分析J2007，45张登友，鲁嘉，刘奇等磁流变阻尼器的研究及应用现状J2008036汪建晓，孟光磁流变液装置及其在机械工程中的应用J机械强度，2001，017苏会强基于磁流变液的回转式阻尼器及其性能研究D20078GBOSSIS,SLACIS,AMEUNIER,OVOLKOVA,MAGNETORHEOLOGICALFLUIDS,JOU
21、RNALOFMAGNETISMANDMAGNETICMATERIALS,VOLUME252,NOVEMBER2002,PAGES2242289JAEHWANKIM,KYOUNGMIPARK,MATERIALCHARACTERIZATIONOFMRFLUIDATHIGHFREQUENCIES,JOURNALOFSOUNDANDVIBRATION,VOLUME283,ISSUES12,6MAY2005,PAGES12113310蔡永飞，周瑾，徐龙祥等磁流变液阻尼器在磁悬浮轴承中的应用J2010，211徐拥军，宛霞跑步机在中国健身器械行业发展历程的探究J2009，112本科毕业论文（20届）阻尼可变
22、式跑步机健身器材设计13摘要摘要本文通过对传统的电动式跑步机和机械式跑步机进行分析研究，设计一种阻尼可变式跑步机。该跑步机的不同之处在于阻尼器在跑步机中的运用，通过对磁流变液的分析，磁流变液在阻尼器中的应用，设计出回转式磁流变阻尼器，通过电流的大小控制阻尼力的大小，从而在跑步时产生不同大小的阻尼力。首先，对跑步机的整体构造进行分析，确定跑步机的基本构造及其功能原理。对一般的市场上的跑步机的基架和支架结构，参数的分析，设计出各类人群都可以承受，并且舒适的基架和支架结构，基架通过螺栓紧固结构连接，支架通过焊接成一体结构两者通过螺栓连接。根据人跑步时可达到的最大功率和一般跑步机的主轴大小等参数来设计
23、和校核跑步机主轴的结构、参数，要求主轴强度和刚度都能够承受运动产生的力。通过分析一般滚筒结构优缺点，设计出结构合理的跑步机前后滚筒。跑步机板和跑步带选择当前主流跑步机所用材料制作，其性能稳定，价格比较合理。跑步机的缓冲减震装置选用一种新型的减震器，该减震器结构简单，制作方便，经济适用。关键词磁流变液；阻尼器；健身器；跑步机。14DESIGNOFFITNESSEQUIPMENTATREADMILLWITHVARIABLEDAMPINGABSTRACTTHISARTICLANALYSISBYTHETRADITIONALELECTRICTREADMILLANDMACHINETREADMILL,DES
24、IGNOFAVARIABLEDAMPINGTREADMILLTHEDIFFERENCEOFDAMPERISZHEUSINGOFATREAMILL,THROUGHTHEANALYSISOFZHEMAGNETICFLUID,MAGNETORHEOLOGICALFLUIDDAMPERINTHEAPPLICATIONOFATREADMILL,DESIGNOFAROTARYDAMPER,CONTROLLEDTHESIZEOFTHEDAMPINGFORCE,BYTHESIZEOFTHECURRENT,THUSGENERATEDDIFFERENTSIZESOFDAMPINGFORCEWHENRUNNINGO
25、NTHETREADMILLFIRSTLY,ANALYSISTHEOVERALLSTRUCTUREOFTHETREADMILLDETERMINETHETHEBASICOFSTRUCTUREANDFUNCTIONOFPRINCIPLESONTHEGENERALMARKETBASEDONTHETREADMILLFRAMEANDSUPPORTSTRUCTURE,PARAMETERANALYSIS,DESIGNEDACOMFORTABLEBASEFRAMEANDSUPPORTFORDIFFERENTPERSONBASEFRAMECONNECTEDBYBOLT,BRACKETBECAMEONESTRUCT
26、UREBYWELDINGBOTHTHROUGHTHEBOLTCONNECTIONACCORDINGTOPEOPLERUNNINGTHEMAXIMUMPOWERCANBEACHIEVEDANDGENERALSIZEOFSPINDLETODESIGNANDCHECKTHESTRUCTUREOFTHESPINDLETREADMILL,PARAMETERS,REQUIREDTHESTRENGTHANDSTIFFNESSWEREABLETOWITHSTANDTHEFORCESGENERATEDBYMOVEMENTBYANALYZINGTHESTRUCTUREOFTHEGENERALDRUMOFADVAN
27、TAGESANDDISADVANTAGES,DESIGNARATIONALSTRUCTUREOFTHETREADMILLROLLERSELECTTHECURRENTMAINSTREAMMATERIALOFTREADMILL,ITSSTABLEPERFORMANCE,THEPRICEISREASONABLETREADMILLSHOCKABSORBERBUFFERUSEDANEWTYPEOFSHOCKABSORBER,THISSHOCKABSORBERHASSIMPLESTRUCTUREPRODUCTIONCONVENIENTANDECONOMICALKEYWORDSMAGNETORHEOLOGI
28、CALFLUIDDAMPERFITNESSTREADMILL15目录摘要13目录151绪论1711磁流变液1712剪切模式的磁流变阻尼器1713跑步机发展状况1814磁流变阻尼器在跑步机中的应用182跑步机总体方案设计1921跑步机基本功能1922跑步机的整体结构设计193磁流变阻尼器的设计2031阻尼器的结构设计20312阻尼结构的设计21313轴承的设计22314密封的设计22315轴承隔磁环23316线圈保护圈23317阻尼间隙H的确定2332回转式磁流变阻尼器的磁路设计23321磁路设计基本原理23322励磁线圈25323励磁线圈的制作工艺284跑步机的传动主轴的设计计算2941主轴的
29、设计计算2942主轴轴承的选择计算305外型结构的设计3051基架的设计3052支架的设计326前后滚筒的设计331661前滚筒设计3362前滚筒与主轴的连接3363后滚筒的设计347跑步板及跑步带3671跑步板的选择3672跑步带的选择368缓冲减震装置37参考文献39致谢错误未定义书签。附录错误未定义书签。171绪论11磁流变液磁流变液MAGNETORHEOLOGICALFLUID,MRF7是一种具有良好发展前景和工程应用价值的新型智能材料，在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料。它在无外场作用下表现为流动良好的液体状态,然而在强磁场作用下可在短时间内表观粘度增加两个数量级以上，并呈现
30、类似固体的力学性质，其强度由剪切屈服应力来表征；而且粘度的变化是连续、可逆的，即一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体，因而广泛应用于机械、航空、汽车、建筑、精密加工、医疗等领域。12剪切模式的磁流变阻尼器在这种模式下的磁流变液器件6主要依靠磁流变液的剪切应力来传递转矩,由于磁流变液的屈服应力受外加磁场控制且相变的过程在毫秒量级内完成。因此,可以做成敏捷度极高的控制元件,用于连接和传递两部件之间的力或力矩。在这一类的磁流变液器件中,离合器和制动器都是典型的例子。1998年GARY等人研制的被动式磁流变离合器,利用固化的磁流变液来传递动力。为了解决屈服应力小的问题,采用热敏材料受热膨胀产生应力,使
31、控制系统推动法兰盘轴向移动,使其屈服强度得到提高,从结构上看,控制系统较为复杂,加工和装配都比较困难,并且对热敏元件有很强的依赖性。1999年美国LORD公司制造的小型旋转式制动器是一种回转阻力可控、结构紧凑、运行平稳、功耗较低的器件,目前已用于自行车式和台阶登攀式健身机,它与速度反馈装置连接,可实时控制转矩,从而迫使练习者保持希望的目标速度。2001年美国CARLSON研制出了将转子与飞轮做成一体的磁流变液制动器。通过控制磁场强度和改变飞轮的结构,可以得到不同的输出转矩。2002年美国内华达州大学的KAVLIEOGLU研制的双圆盘式大转矩磁流变液离合器,其试验转矩达到79NM。2000年中国
32、科技大学试制的有加压装置的磁流变液离合器,在不需要其他辅助装置的情况下能实现两轴的离合,但在大转矩传递的问题上,还存在一定的局限性。因为其径向加压区段的固相磁流变液在受到加压时会往后移动,实验转矩只能达到7NM。1813跑步机发展状况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，是保持一个人身心健康最有效、最科学的健身方式，也越来越受到大家喜爱。只是随着都市的大气变得污浊，生活节奏变得紧张，户外长跑变得不那么流行了，而跑步机则成了时下健身最热门的健身器械。跑步机不仅可以让我们免受汽车尾气之苦，也使我们可以选择自己方便的时间随时锻炼。跑步机在中国体育健身器械行业的兴起阶段70年
33、代末80年代初台湾的SPORTSART、TRUE、JOHNSON、MAGTONIC牌跑步机开始进入市场其中的许多厂商是在为美国及英国厂商进行合作生产配件过程中，发展成为自创品牌或贴牌生产。而在电动跑步机的制造上，我国直到90年代末才出现了万年青、乔山、汇祥、百利恒等自主品牌，这是中国健身器材工业的真正开始，而我国跑步机也正是在这个时期发展起来的。14磁流变阻尼器在跑步机中的应用对于传统的机械式跑步机，通过锻炼者自身臂部、膝部、踝关节及相关肌肉产生向后的推力，推动跑步机产生运动。这类跑步机简单，耐用，省电。但是脚踏板皮带旋转所需的力量是固定的，因为对于不同的人群，所需的力量不同，所以达不到锻炼的
34、要求。电动式跑步机，运动性能不错，是市场上主流的跑步机，但是价格昂贵，而且耗电量巨大，了达到安全舒适的目的，跑带越来越宽、越来越长，相应占地面积比机械跑要大。对于传统的机械式跑步机，在前轴结构处连接磁流变阻尼器，可以通过电流大小来控制所需的阻尼力，从而达到各个运动者的要求。192跑步机总体方案设计21跑步机基本功能跑步机的基本功能就是要构建一条运动的跑道，即跑步带。跑道的运动方向则与运动者的跑动方向正好相反，速度保持一致，这样运动者能够在原地进行跑步锻炼了。实现跑步机的功能，对跑步带的阻力控制通过磁流变液阻尼器调节阻尼大小，得到锻炼者所需的力大小。22跑步机的整体结构设计此跑步机主要由支架、基
35、架、电源、磁流变阻尼器、跑步皮带、滚筒、主轴、减震缓冲装置、联轴器及控制面板组成，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，控制面板装于支架上，里面装有电流大小调节器。跑步机扶手架安装于支架的前端。减震缓冲装置通过螺栓连接于跑步机基架上。在跑步机的前轴处用联轴器连接磁流变阻尼器，磁流变阻尼器外接电源，通过电器元件调节电流大小。203磁流变阻尼器的设计31阻尼器的结构设计跑步机的前轴左端设计一个磁流变阻尼器，通过联轴器连接前轴，可以通过电流来控制所需阻尼
36、力的大小，从而达到各个运动者的要求。本设计为回转式磁流变阻尼器。其结构简单，主要有转轴、阻尼结构部分、滚动轴承、轴承隔磁环、磁场产生线圈、密封、保护圈等部分组成。311转轴的设计（1）材料的选取为了防止磁力线沿着阻尼盘经转轴产生漏磁，转子转轴材料选择奥氏体不锈钢，牌号0CR25NI20，该材料的磁导率极小，是具有稳定奥氏体组织的钢。（2）设计轴是机器的主要零件之一，做回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才能进行动力的传递。因此轴的主要功用是支承回转零件及传递运动。轴的设计包括工作能力计算和结构设计两个方面。轴的结构设计是根据轴上零件的定位、安装及轴的制造工艺等方面的要求，在满足强度、刚度的基础
37、上，合理的确定轴的结构和尺寸。本设计轴的结构采用阶梯状，优点是可使轴上的零件定位可靠，并且拆装方便。轴上的每一个零件都具有可靠的定位。轴向定位是以轴肩、轴端挡圈、套筒、弹性挡圈、圆螺母、轴承端盖等来保证的。周向定位采用键、销、紧定螺钉以及过盈配合。根据以上分析，转轴的材料采用奥氏体不锈钢，其牌号为0CR25NI20，查手册得T35MPA轴主要受输入转矩T的影响，受自身重力影响变很小，可以忽略不计。轴部件的表面都经过机械加工，形状都是对称的，高速旋转时因轴材料本身密度分布不均衡而产生的弯矩也很小，因此可以不用考虑许用弯曲应力，所以轴的强度只按扭矩进行计算。本设计装置的轴的输入扭矩在10NM计算见
38、后以下，根据轴的扭转强度条件公式21T20/95500003TTDNPWT（31）可以通过转化变换为下面的形式NPDT201055963（32）式中T扭转切应力，单位为MPA；T轴传递的转矩，也是轴承受的扭矩，单位为NM；WT轴的抗扭截面系数，单位为MM3N轴的转速，单位为R/MINP轴传递的功率，单位为KW；D计算截面处轴的直径，单位为MM；T许用扭转切应力，单位为MPA当轴截面上有一个键槽时，轴径应增大5；当有两个键槽时，轴径应增大10。本设计中的磁流变液阻尼器转轴的最小允许轴径可以通过下面式子计算确定DMIN912101035205120363MAX3TTT考虑到轴承的选择，这里D18M
39、M图31阻尼器转轴设计图转轴设计成阶梯对称结构，通过平键与动力源的联轴器相连接，接受从跑步传来的动力；通过平键与阻尼盘连接，并用轴肩定位；并且通过平键与连轴器连接。312阻尼结构的设计（1）材料的选取壳体和阻尼盘为阻尼器磁路回路的主要部分，在磁路设计中应选磁导率较高的软磁材料，但又考虑到价格及取材的方便等因素，所以选择45钢材。（2）设计阻尼转矩的大小与盘的直径有很大的关系，本设计的阻尼盘的有效直径为22R60120MM，同时为防止离心力作用而产生的磁流变液体颗粒沉淀，在阻尼盘的外缘周加上4个对称的销子，可起到搅拌作用。壳体的最大外径为230MM。313轴承的设计磁流变液阻尼器的转轴，主要承受
40、的是径向的切应力，轴向通过挡圈和轴肩固定，所以应选滚动轴承。滚动轴承的选择主要遵循以下标准1只承受径向力的轴承，一般选择向心球轴承；同时承受径向力和轴向力的轴承，一般选择角接触球轴承；只受轴向力但转速较高的，可选用角接触轴承轴向力比径向力小很多时，也可以选择向心球轴承；只承受轴向力或轴向力占比例较大时，可选择推力球轴承与向心球轴承的组合。2转速较高、载荷较小或要求精度较高时，可以选用球轴承；转速较低、载荷较大或有冲击载荷时，可以选择滚子轴承。3为便于装拆和调整间隙，宜选用外圈可分离的圆锥滚子轴承。根据载荷要求以及轴的结构尺寸，选择向心球轴承因为转轴与轴承相联处的直径为25MM，查机械设计手册，
41、得选取的球轴承尺寸为外径D47MM，轴向宽度B12MM。型号为7005C根据轴承寿命计算公式6310CL60NP（33）式中L轴承的基本额定寿命，单位为小时；C基本额定动负荷；P当量动负荷；N轴的转速；轴承的工作寿命一般不得低于10000小时，将所选择的轴承7005C的参数代入计算可知，所选轴承的寿命满足要求。314密封的设计密封材料应满足密封功能的要求。由于被密封的介质不同，及设备的工作条件不同，要求材料具有不同的适用性。对材料的要求是材料致密性好，不易泄漏介质；压缩性和回弹性好，永久性变形小；有适当的机械强度和硬度；高温下不软化、不分解，低温下不硬化、不脆裂；摩擦系数小，耐磨性好；具有与密
42、封面贴全的柔软性；耐老化性好，经久耐用；抗腐蚀性能好，在酸、碱等介质中能23长期工作，其体积一硬度变化小，且不粘附在金属表面上；加工制造方便，取材容易，并且价格便宜。根据密封偶合面相对运动关系，可分为静密封和动密封。静密封包括橡胶垫片、密封胶等。动密封包括O型环密封、密封环、油封等；在本文设计的结构中既有静密封又动密封。在铜质保护圈和壳体之间采用静密封中的密封胶进行密封。为了严防磁流变液的泄漏，可采用O型环和油封进行密封。315轴承隔磁环为了防止磁力线沿壳体进入轴承，从而使轴承带磁，造成轴承旋转时，额外转矩的增大，因此在壳体与轴承之间加入铜质隔磁环，保证轴承免受磁场的作用。316线圈保护圈为防
43、止阻尼盘在旋转过程中，磁流变固体颗粒对线圈造成磨损，特加一铜质保护圈，以防磁流变液和线圈直接接触。317阻尼间隙H的确定为了使磁流变液产生较强的流变效应，必须使其处于磁场强度为几十到二三百千安/米的空间中。根据磁路欧姆定律可得，线圈所产生的磁场在间隙H内随着间隙的增加而减少，所以应在允许的条件下，尽可能的减小壳体与阻尼盘间的间隙。但是，根据上述可知，零磁场粘性阻尼转矩随着壳体与阻尼盘间隙H的减小而增大很快，为了增大阻尼器的可调倍数，阻尼间隙不能过小，一般取0520MM。32回转式磁流变阻尼器的磁路设计321磁路设计基本原理欧姆定律是用来分析磁路中磁通量与动势之间的关系、计算励磁线圈的励磁电流与
44、磁场强度关系的基本公式，是一切电磁器件设计和制作的基础。24图32环形铁芯磁路图图32所示的是由环形铁芯构成的磁路，假设铁芯的横截面积为S，励磁电流为I，励磁线圈为N匝，磁路平均长度为L，铁芯的磁场H处处均匀近似，则由安培环路定律LHDLI（34）可得HLIN（35）即INHL（36）上式中乘积IN称为磁动势，乘积HL称为磁压降。物理意义为，中的磁场强度等于作用于磁路单位长度上的磁动势。由磁感应强度关系式BH和磁通量公式BS，得ININHSSLL/S（37）式中为铁芯的磁导率。令MLRS（38）则MINR（39）25式中RM，称为磁阻，表示物质对磁通通过的阻碍作用，由式子可以看出，磁导率越高，
45、磁路的横截面积S越大，磁路L越短，则磁阻RM越小。322励磁线圈由于阻尼器的结构是轴对称的，分析和计算时只考虑一半，在图33磁路回线的环外空气中还存在一些磁通量，称为漏磁通，它是从主磁路中散逸出来的。由于45钢的磁导率比空气大得多，漏磁通很小很小，可以忽略不计。如忽略漏磁通的影响，励磁线圈产生的磁力线行走路线如下图所示阻尼盘（区域5）经右侧阻尼间隙磁流变液（区域4）达到右壳体（区域3、2），沿壳体上缘（区域1）穿过左壳体（区域2、3），进入左侧阻尼间隙的磁流变液（区域4）后，又回到阻尼盘，从而组成一个闭合回路。图33磁场分布简图26图34磁路结构尺寸图从上述小结的分析看出，如果忽略漏磁，依图3
46、4所示的磁路结构尺寸图，根据磁路基本定理，可得各部分磁阻。区域1的磁阻URRLLR342527114489区域2的磁阻ULRRRRR33636237489区域3的磁阻URRLLR32222437623区域4（间隙）的磁阻022244URRHR1325804区域5的磁阻URRLR1222455303式中04107H/M，为空气的磁导率，R0为外壳和阻尼盘材料的磁导率，R为相对磁导率，取为2000。27磁路总磁阻为RMR12R22R32R4R52761624根据磁路欧姆定律00MNIBSR计算所需的磁动势NIB0S0RM900式中表示磁路中的磁通量；B0表示壳体与阻尼盘间的间隙内的磁感应强度；S0
47、表示间隙的磁通面积。从上述结果说明，间隙内的磁阻比其它地方的磁阻都大得多，励磁线圈产生的磁动势主要用来克服间隙中的磁阻。假设在励磁线圈中的励磁电流是20A，线圈匝数定为500匝。阻尼器工作时，线圈中产生的工作电流，因为线圈材料本身具有一定的阻抗，所以会消耗一定的功率，这部分消耗的功率是阻尼器主要消耗的功率。所以，选择低电阻率的材料既可以减小线圈功耗，又能方便增加线圈匝数以增强磁通，使得阻尼器能够长期稳定工作。综合考虑，选择直径为10MM的漆包线作为线圈材料。根据导线电阻和电阻率间的关系LRS（310）计算得到线圈电阻为R5式中S线圈材料铜丝的直径；线圈材料的电阻率；L线圈的总长度，L2NR；R
48、线圈环绕的半径；N线圈匝数。铜材料在常温下的电阻率为17X108欧姆米。当最高工作电流为20A时，根据定律2PIR（311）计算得到线圈的最大发热功率为P20W由此可得，阻尼器的功耗很低，完全满足要求。28323励磁线圈的制作工艺励磁线圈的作用是产生工作所需的磁场强度，它的缠绕匝数应该按照不同的磁流变阻尼器的工作磁场计算得到。即要保证由磁路欧姆定律计算得的磁动势IN满足磁通量的要求，又必须协调线电流大小、圈缠绕匝数以及线径等因素之间的关系。为避免线圈产生过大的热量，导致线圈过热而引起短路，应选择大线径的铜导线。并且，线圈的绕制过程应尽可能绕得均匀，只有这样，才能保证线圈周围的磁场强度分布均匀，
49、同时应将绕制好的线圈在绝缘清漆中浸泡35小时，然后恒温烘干，以防短路。1左轴承端盖2注油孔3左壳体4铜圈5励磁线圈6右壳体7油封8轴承9轴套10轴11键12阻尼间隙13阻尼盘14橡胶圈图34阻尼器组装图294跑步机的传动主轴的设计计算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0825倍，本设计的跑步机的重量上线为100KG，因此设计的载重量为1002102000N根据普通机械式跑步机的原理，人在上面跑步时产生的最大功率不超过1000W，本设计就以上限1000W的功率设计。根据一般情况，人在跑步机上的最大速度为8M/S。因此可以根据公式。，RVW2WN得出MIN/60143204082RRVN19108R/MINV主轴的线速度，单位M/SW主轴的角速度，单位R/SN主轴的转速，单位R/MINR跑步机前滚筒的半径，单位M。（滚筒直径为80MM，设计见后面）为了便于计算，设计的主轴转速为2000R/MIN。扭矩TME955
