電動跑步機(jī)的設(shè)計(jì),電動,跑步,設(shè)計(jì)
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
緒論
跑步是目前國際流行并被醫(yī)學(xué)界和體育界給予高度評價的有氧健身運(yùn)動,是保持一個人身心健康最有效、最科學(xué)的健身方式,也越來越受到大家喜愛。
戶外長跑曾經(jīng)是大眾最喜聞樂見的運(yùn)動形式,沿著林蔭道呼吸著早晨清新的空氣,聽著枝頭的鳥鳴,既能愉悅身心,又可鍛煉體魄。只是隨著都市的大氣變得污濁,生活節(jié)奏變得緊張,戶外長跑變得不那么流行了,而跑步機(jī)則成了時下健身最熱門的健身器械。跑步機(jī)不僅可以讓我們免受汽車尾氣之苦,也使我們可以選擇自己方便的時間隨時鍛煉。
電動跑步機(jī),又名電動跑臺,是多年來國際流行的大眾健身器材,通過電機(jī)帶動跑帶使人以不同的速度被動地跑步或走動。由于電動跑步機(jī)上的電子輔助裝備功能非常多,鍛煉者可體驗(yàn)不同的跑步環(huán)境,如平地跑、上坡跑、丘陵跑、變速跑等,個人可以根據(jù)自己的鍛煉目的進(jìn)行鍛煉。跑步機(jī)在健身者運(yùn)動時能顯示出跑步時的速度、時間、心率、熱量、節(jié)拍、距離等指標(biāo),使健身者能夠隨時根據(jù)自身的身體狀況調(diào)節(jié)訓(xùn)練強(qiáng)度。
跑步機(jī)雙面寬厚的跑帶帶給您草地般舒適感覺,馬力強(qiáng)勁的電機(jī)帶給您澎湃恒久的動力,靈敏的控制器配合芯片使您在跑步過程中隨心所欲,堅(jiān)固的鋼架以及防爆沖裝置使您的安全盡在掌握。電動跑步機(jī)使您在繁忙的工作之余仍然可以盡享運(yùn)動的樂趣......
第一章. 總體方案設(shè)計(jì)
1.1基本功能
跑步機(jī)的基本功能就是構(gòu)建一條運(yùn)動的跑道(跑步帶),跑道的運(yùn)動方向與運(yùn)動者的跑動方向相反,但速度必須自動保持一致,這樣就使得運(yùn)動者能夠在原地進(jìn)行跑步鍛煉了。實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)的功能,對跑步帶的驅(qū)動與速度控制:通常使用直流電動機(jī)驅(qū)動,直流電動機(jī)通過半導(dǎo)體功率器件,使用脈沖寬度控制(PWM)方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速。
1.2 構(gòu)造設(shè)計(jì)
多功能電動跑步機(jī)主要由機(jī)架、電動機(jī)、可調(diào)電源、跑步皮帶及儀表控制盤組成,其特征在于框架與支架垂直連接,前軸與后軸分別裝在框架的兩端,前滾筒與后滾筒分別用軸承套裝在前后軸上,跑步皮帶張緊繞裝在前后滾筒上,跑步皮帶下裝有支撐跑步板,從動皮帶輪緊裝在前滾筒的一端,電動機(jī)、可調(diào)電源,安裝在框架的前端,控制傳感器裝在電動機(jī)上,速度傳感器安裝在緊靠在從動皮帶輪的框架上,皮帶調(diào)節(jié)螺栓一端連接在電動機(jī)外殼的孔板上,另一端連接在焊接于框架前端的孔板上,跑步機(jī)扶手架安裝于支架的頂端,儀表控制盤安裝于扶手架上。傳動方式采用帶傳動機(jī)構(gòu),傳動級為一級。同時在支架上安有扭腰盤和伏地挺身架使機(jī)器實(shí)現(xiàn)其多功能性。
1.3 功能原理的確定
目前市場上比較常見的有傳統(tǒng)跑步機(jī)和電動跑步機(jī)兩種。傳統(tǒng)跑步機(jī),俗稱“被動式跑步機(jī)”。 是我國上世紀(jì)80年代從國外引進(jìn)健身觀念時、為適應(yīng)當(dāng)時國情而開發(fā)的具有“中國特色”的過渡產(chǎn)物。它的動力來源是使用者通過自身臂部、膝部、踝關(guān)節(jié)的活動,推動跑步機(jī)而產(chǎn)生的運(yùn)動。速度由運(yùn)動者自己控制。這種運(yùn)動方式,表面上看起來似乎能消耗更多的能量,但其造成的運(yùn)動傷害也要比在大自然中跑步高出數(shù)倍。
據(jù)北醫(yī)三院運(yùn)動醫(yī)學(xué)專家林共周博士解釋:在馬路上跑步,每跑1000米,每只腳就得撞擊地面約1000次左右。而在傳統(tǒng)跑步機(jī)上跑步,人體除自身重量產(chǎn)生的震蕩外,腳踝、膝部和臀部的肌肉,特別是肌腱,還要額外承擔(dān)向后的扭力來確保跑帶向后運(yùn)動。由于扭力過度集中在韌帶、關(guān)節(jié)等幾個關(guān)鍵受力部位,更容易使受力部位肌腱組織產(chǎn)生慢性疲勞,造成損傷。很多傳統(tǒng)跑步機(jī)使用者,發(fā)現(xiàn)自己越是認(rèn)真鍛煉,腿部就越跑越粗,關(guān)節(jié)也越練越?jīng)]有力氣。
傳統(tǒng)跑步機(jī)并不適合患有脊椎軟骨突出、膝關(guān)節(jié)炎、踝關(guān)節(jié)扭傷、骨肌腱炎、以及足底筋膜炎的人,因?yàn)殚L期的跑步可能會加重慢性扭傷的情形或加速膝關(guān)節(jié)的老化。
電動跑步機(jī)是健身房及家庭較高檔的器材,這種跑步機(jī)能減輕傳統(tǒng)訓(xùn)練對關(guān)節(jié)的沖擊,避免運(yùn)動受傷,比自然跑步有明顯的優(yōu)勢。跑步時后腳跟先著地,順著跑帶方向運(yùn)動。手腳模仿跑步的動作,前后揮動,從而使全身肌肉得到均衡的鍛煉。由于跑帶的運(yùn)動方向與腳步移動的方向一致,韌帶部位的扭力就抵消了,跑起來非常舒適??祻?fù)者、兒童、老年人也可以保持身體平衡,從而集中精力安心鍛煉。如果增加運(yùn)動量,可以加快舞動手腳的速度。用電動跑步機(jī)能消除關(guān)節(jié)的負(fù)載,不但能減肥健身,還有益于受傷后身體的恢復(fù)。
它通過電機(jī)帶動跑帶使人以不同的速度被動地跑步或走動。由于被動地形成跑和走,從動作外形上看,幾乎與普通在地面上跑或走一樣,但從人體用力上看,在電動跑步機(jī)上跑、走比普通跑、走省去了一個蹬伸動作。正是這一點(diǎn)使每一個在電動跑步機(jī)上走跑的人感到十分輕松自如,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、跑為多。另外,由于電動跑步機(jī)上的電子輔助裝備功能非常多,可體驗(yàn)不同的跑步環(huán)境。
小結(jié):
電動跑步機(jī)就是構(gòu)造一條運(yùn)動的跑帶,使運(yùn)動者在原地進(jìn)行跑步鍛煉。
第二章. 電動機(jī)類型與參數(shù)的選擇
2.1 類型功率選擇
當(dāng)人在跑步機(jī)上跑步或走路時,跑步機(jī)所承載的重量是人體重的0.8~2.5倍,而馬力就是在這樣的載重量下,還能滿足并維持所選擇的速度,讓人可以在跑步機(jī)上走跑自如的驅(qū)動力。通常跑步機(jī)一個馬力大概可提供50~60公斤的承載重量,但跑步帶面積大小也和跑步機(jī)馬力有相當(dāng)直接的關(guān)系,跑步機(jī)的馬力越大,可以帶動的跑步帶面積也越大,所以衡量效率及安全性后,一般建議,家用跑步機(jī)合宜的持續(xù)(continuous)馬力應(yīng)該至少1.5馬力以上,如果家人的體重有超過80公斤,則應(yīng)選2.0持續(xù)(continuous)馬力以上的跑步機(jī)。
此跑步機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100公斤,則電動跑步機(jī)用電動機(jī)—ZYT42(NEMA)型永磁直流電動機(jī)該型電動機(jī)系大功率跑步機(jī)中配套的專用驅(qū)動元件,經(jīng)一定的電磁、結(jié)構(gòu)派生處理也可適用于相應(yīng)的機(jī)械裝置中作為驅(qū)動元件。該電動機(jī)顯著的特點(diǎn):具有轉(zhuǎn)速精度高,當(dāng)人在跑步機(jī)上運(yùn)動時,是一個沖擊負(fù)載,該機(jī)在這種沖擊負(fù)載作用下一轉(zhuǎn)不差,保持同步轉(zhuǎn)速,如同在平地上一樣感覺。表現(xiàn)在調(diào)速方便(可無級調(diào)速),調(diào)速范圍寬,低速性能(啟動轉(zhuǎn)矩大),運(yùn)行平穩(wěn),噪音低,效率高。直流電動機(jī)PWM調(diào)速原理圖如圖2-1所示。
圖2-1直流電動機(jī)PWM調(diào)速原理圖
2.2 技術(shù)參數(shù)
型號 ZYT42/06 電壓220 VDC
功率 2.0 HP 電流不大于9.8A
轉(zhuǎn)速3400±7% 轉(zhuǎn)向 逆時針
絕緣等級 F級
圖2-1 電動機(jī)外型圖
L1=28.5 L2=272
電動機(jī)特性曲線:
表2-1 電動機(jī)特性曲線
小結(jié):
跑步機(jī)屬于健康器材類產(chǎn)品,由于跑步機(jī)驅(qū)動電機(jī)必須滿足各種體重的人來使用。一般使用跑步機(jī)的目的有兩種:健身、減肥瘦身;如果是減肥瘦身的人來使用,因?yàn)樯眢w較肥胖,跑不快。因此驅(qū)動電機(jī)的低速必須轉(zhuǎn)矩大才能使用。相反的,健身的人跑步快,但是重量輕,因此高速時的轉(zhuǎn)矩需求較小,跑步機(jī)必須滿足家庭成員每一個人都能使用。因此調(diào)速范圍要寬廣,低速轉(zhuǎn)矩要大,才能滿足不同重量的人。目前跑步機(jī)使用的驅(qū)動裝置以直流有刷電機(jī)為多,優(yōu)點(diǎn)是價格便宜。
第三章. 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
工作機(jī)構(gòu)類型選擇帶傳動,屬于定傳動比勻速轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)。帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉 能緩和載荷沖擊,運(yùn)行平穩(wěn),無噪聲,過載時將引起帶在帶輪上打滑,因而可防止其他零件的損壞,具有過載保護(hù)作用。
3.1 設(shè)計(jì)步驟及參數(shù)選擇
初始條件:選擇電機(jī)為專門為跑步機(jī)生產(chǎn)的永磁直流電動機(jī),傳動功率P=1.5KW,主動輪轉(zhuǎn)速為n1=3400r/min 傳動比定為i=2.1 由于多楔帶適于傳遞功率較大而又要求結(jié)構(gòu)緊湊的場合,特別能適應(yīng)帶輪直徑小的傳動,所以擇之。以下計(jì)算過程所用到的表和圖來源:
卜炎主編. 機(jī)械傳動裝置設(shè)計(jì)手冊(上冊),機(jī)械工業(yè)出版社,1999
1、確定設(shè)計(jì)功率Pd
Pd=KAP (3-1)
KA——工作情況系數(shù),根據(jù)跑步機(jī)使用的特性,選擇每天工作時間<10小時,載荷變動小。KA=1.1見表8-9
Pd=1.1*1.5=1.65kw
2、帶型號的選擇
對于多楔帶的型號可根據(jù)設(shè)計(jì)功率Pd=1.65KW和小帶輪轉(zhuǎn)速n1=3400r/min由圖8—21選取,選PJ型多楔帶。
3、確定帶輪直徑de1、de2(有效直徑)
小帶輪有效直徑:
由表8-90demin=20mm,由表8-91選de1=33.5mm
大帶輪有效直徑:
小帶輪節(jié)圓直徑
dp1=de1+2△e=33.5+2*1.2=36mm
由表8-90,△e=1.2
大帶輪節(jié)圓直徑dp2=idp1=2*33.5=67mm
de2=dp2-2△e=67-2*1.2=64.6mm
由表8-91,選de2=63mm
4、計(jì)算帶速v
v=πdp1n1 /(60×1000) m/s (3-2)
注意:v↑ —→離心力、離心應(yīng)力↑—→FQ↓
—→單位時間內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N↑
v↓ —→P=F×v/100可知,P一定時,F(xiàn)↑—→張緊力↑
一般v在5~25 m/s,最大30 m/s,在8~15 m/s較好
V=∏*36*3400/60*1000=6.4<30m/s,合適。
5、初定中心距a0
中心距的大小對帶傳動的影響:
a↑—→結(jié)構(gòu)大—→由于載荷變化引起帶的顫動—→掉帶
a↓—→帶的長度↓—→在一定速度下,單位時間內(nèi)帶的應(yīng)力變化次數(shù)N愈多,會加速帶的疲勞損壞;
—→當(dāng)傳動比i較大時,包角↓
對于V帶傳動,中心距a一般可取
2(de1 +de2 )≥a0≥0.7(de1+de2) (3-3)
67.55
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