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多功能自动跑步机设计毕业设计(论文)

毕业设计(论文)

多功能自动跑步机设计

DESIGN OF MULTIFUNCTIONAL AUTOMATIC RUNNING MACHINE

学生姓名

班级

学院名称机电工程学院

专业名称机械设计制造及其自动化

指导教师

2013年 5 月 22日

图书分类号：密级：

徐州工程学院学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

论文作者签名：日期：年月日

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论文作者签名：导师签名：

日期：年月日日期：年月日

摘要

跑步机是家庭及健身房常备的器材，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。未来跑步机市场将会普及并以人性化为主，所以跑步机行业的研究设计和开发拥有较好前景。

本课题是首先调查和总结市场上现有的跑步机的优缺点，然后完成多功能跑步机的设计。设计包括支架，基架，滚筒，跑步板，跑步带等，设计的多功能跑步机具有便于搬运、结构简介、外观美观、设计人性化等特点。除跑步功能外，还有美腰、扭腰、仰卧起坐等健身方式供用户选择。除此之外还介绍了跑步机的正确使用方法和保养方法，强调了使用跑步机时的安全问题，这对于以人性化发展为主的多功能跑步机来说是非常重要的。

关键词：健身器材；跑步机；多功能

Abstract

The running machine is the standing equipment in the families and gyms , today it is the one of the most simple home fitness equipment, it is the best choice for family fitness . Running machine in the future market will spread and give priority to with humanistic humanized.So treadmill research design and development industry has good prospects.

This topic is to investigate and summarize the advantages and disadvantages of existing running machine on the market, and then complete the design of multifunctional running machine .Design includes support, base frame, roller, running boards, running belt and so on, the design of multi-function running machine has easy to handle, profile structure, pleasing appearance, humanized design, etc.In addition to running features, there are US-waist, wriggled, sit-ups, dumbbell, fitness back and neck massage vibration mode for the user to choose.What’s more,the paper also introduced the correct using method and maintenance method of treadmills, emphasizes the use of running machine safety, this for multifunction treadmill is given priority to with the humanized development is very important.

Keywords fitness equipment multifunctional treadmill

摘要................................................................................................................................................. I Abstract ......................................................................................................................................... I I 1 绪论 (1)

1.1跑步机的研究背景 (1)

1.2跑步机的发展史 (1)

1.3跑步机的种类 (2)

2 总体方案设计 (3)

2.1基本功能 (3)

2.2构造设计 (3)

2.3功能原理的确定 (3)

3机械系统设计 (4)

3.1电动机的选择 (4)

3.1.1 电动机的类型选择 (4)

3.1.2电动机的技术参数 (4)

3.2传动系统设计 (5)

3.2.1设计步骤 (5)

3.2.2多楔带带轮的选择 (7)

3.2.3带传动张紧装置的选择 (8)

3.3外型结构设计 (9)

3.3.1基架的设计 (9)

3.3.2支架的设计 (11)

3.4前后滚筒设计 (13)

3.4.1轴的设计 (13)

3.4.2轴结构的设计 (14)

3.4.3强度计算 (15)

3.4.4滚筒要求 (15)

3.5跑步板及跑步带设计 (16)

3.5.1跑步板 (16)

3.5.2 跑步带 (16)

3.5.3跑带调整 (16)

3.5.4跑台润滑油的添加 (18)

3.6多功能设计 (18)

3.6.1避震系统设计 (18)

3.6.2扭腰盘设计 (19)

3.6.3连接机构设计 (20)

3.6.4旋转结构设计 (20)

3.6.5仰卧起坐架设计 (21)

4控制系统设计 (22)

4.1电动机调速 (22)

4.1.1直流电机调速原理[ (22)

4.1.2 PWM脉宽调制原理 (23)

4.2跑步机控制系统的结构及功能[ (25)

4.2.1系统总体设计结构 (25)

4.2.2系统功能 (26)

4.3跑步机控制器硬件设计 (26)

4.3.1电压控制器的选择 (26)

4.3.2 控制芯片 (26)

4.4控制器软件设计 (27)

5使用和维护 (30)

5.1跑步机的维护与保养 (30)

5.2如何使用跑步机 (30)

结论 (31)

致谢 (32)

参考文献 (33)

1 绪论

1.1 跑步机的研究背景

生命在于运动，健康源于运动。跑步是目前非常流行的一种有氧健身运动，它在医学界和体育界享有高度评价，它是保持一个人身心健康最有效、最科学的健身方式。

跑步可以改善骨骼、心脏、心肌、肠胃等器官的功能，是人们锻炼身体，预防疾病的法宝。户外长跑曾经是大众最喜闻乐见的运动形式，沿着林荫道呼吸着早晨清新的空气，听着枝头的鸟鸣，既能愉悦身心，又可锻炼体魄。只是随着都市的大气变得污浊，生活节奏变得紧张，户外长跑受到环境和工作条件的限制，变得很难进行，所以跑步机就成了时下健身最热门的健身器械。有了跑步机，我们不就不用因为天气的原因不能运动也可以免受汽车尾气之苦，更方便的是我们可以选择自己空余的时间随时进行锻炼。

多功能自动跑步机，是多年来国际流行的大众健身器材，通过电动机带动跑带使人可以以不同的速度在跑步机上跑步或走动。在跑步机上走或跑，从运作外形上看，几乎与平时在地面上走或跑一样，但从人体实际用力看，它比陆地上走或跑省去了蹬伸动作，正是这一点使健身者感到十分轻松自如，并比在陆地多跑1/3的路程，能量消耗也大于陆地训练。而且随着科技的发展，电动跑步机上增加了各种电子辅助装备，使其具有多种功能，能够使锻炼者体验各种各样的跑步环境，如平地跑、上坡跑、丘陵跑、变速跑等，甚至能将健身者跑步时的速度、时间、心率、热量、节拍、距离等指标显示出来，使健身者能够随时根据自身的身体状况调节训练强度。

1.2 跑步机的发展史

当上世纪80年代健身观念传入我国时，跑步机才渐渐的开始发展起来，生产出了最初代的跑步机--机械跑步机（又叫“被动式”跑步机）。其动力来源是使用者通过自身臂部、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。使用这种运动跑步机锻炼，表面上看起来似乎能消耗更多的能量，更好的达到减肥健身的目的。但其产生的运动伤害数倍于在大自然中跑步产生的运动伤害，运动医学专家称：马路上跑步，每跑一千米，每只脚就得撞击地面约1000次左右，脚踝部、膝部和臀部都受到震荡，容易导致肌肉扭伤或韧带拉伤，而在这种原始机械跑步机上跑步，人体除自身重量产生的震荡外，脚踝部、膝部和臀部，特别是肌腱，还要承担额外向后的扭力来确保跑带向后运动，这种额外的扭力就是产生运动伤害的根源。由于扭力过度集中在韧带、关节等几个关键受力部位，更容易使受力部位肌腱组织产生慢性疲劳，从而打破这部分组织的局部平衡、损伤其健康。所以越来越多的传统跑步机使用者，发现自己越是认真锻炼，腿部越跑越粗、而关节部位越练越没有力气。

由于机械原始跑步机的危害很大，随着科技的发展，电动跑步机渐渐取代了机械跑步

机，一款优秀的的电动跑步机可以克服以上的所有缺陷，可以让人安全放心的进行健康锻炼。

1.3跑步机的种类

一、机械跑步机为主动性跑步，虽然价格便宜，但是跑步的真实感不够强烈，跑步速度的快慢由本人控制，由于是主动控制，易令跑步疲劳产生惰性。

二、电动跑步机以马达带动跑步机转动，从而是跑步者被动性地作出跑步动作，跑步真实自然，速度快慢可调，还可配置电脑预设各种跑步程式，电动可调坡度，以便在跑步机上的跑步感觉接近真实的实地跑步。

三、多功能自动跑步机的主要功能，可分为跑步运动、仰卧起坐运动、扭腰运动等，为人们提供了从颈、肩、上臂、前臂、腰、腹、大腿、小腿等全身运动需求设备，从而扩大了跑步机的用途、并且从根本上协调人的各部分组织的锻炼情况，以便达到更加全面的锻炼效果。

本次设计的就是多功能自动跑步机。

2 总体方案设计

2.1基本功能

多功能跑步机的功能包括基本功能跑步健身和辅助功能仰卧起坐、扭腰等。其基本功能就是通过跑步带构建一条运动的跑道，跑道运动时的速度需要与运动者跑步的速度保持一致且两者运动的方向相反，从而使得运动者能够在跑步带上进行跑步锻炼。跑步机通常使用直流电动机对跑步带进行驱动与速度控制，而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。

2.2 构造设计

电动跑步机的主要组成部分有机架、电动机、跑步带、滚筒等。一般支架和底座垂直连接，在底座的前后两端分别安装前轴和后轴，在前轴和后轴上装上前后滚筒，然后在前后滚筒上张紧绕装上跑步带，支撑跑步板安装在跑步带的下方，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底座上，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。跑步机的传动方式一般采取传动级为一级的带传动机构[1]。多功能自动跑步机则在支架上装有扭腰盘和仰卧起坐架等设备以达到它具有多种功能，多种锻炼方式的目的。

2.3 功能原理的确定

在机械跑步机上跑步时，人体除自身重量产生的震荡外，脚踝部、膝部和臀部，特别是肌腱，还要承担额外向后的扭力来确保跑带向后运动，这种额外的扭力就是产生运动伤害的根源。由于扭力过度集中在韧带、关节等几个关键受力部位，更容易使受力部位肌腱组织产生慢性疲劳，从而打破这部分组织的局部平衡、损伤其健康。而电动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。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。

多功能自动跑步机在电动跑步机的基础上，增加了仰卧起坐架、扭腰盘等多功能部件，为人们提供了颈、肩、上臂、前臂、腰、腹、大腿、小腿等部位的运动，从而扩大了跑步机的用途，从根本上协调人的各部分组织的锻炼情况，以便达到更加全面的锻炼效果。

本次设计的多功能自动跑步机就具有跑步健身以及扭腰、仰卧起坐等辅助功能。

3机械系统设计

3.1 电动机的选择

3.1.1 电动机的类型选择

跑步机属于健康器材类产品,所以要求跑步机的驱动电动机必须能让不同体重的运动者正常使用跑步机。一般运动者使用跑步机有健身和减肥瘦身两个目的。对减肥瘦身的人来说，驱动电动机的低速必须转矩大才能满足减肥者身体肥胖，跑不快的特点。相反的，对健身的人来说，他们跑步快但重量轻，因此高速时的转矩需求较小。所以电动机的调速范围要宽广,低速转矩要大,才能让不同重量的人都能使用，让每一个家庭成员每都能使用。

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0.8~2.5倍，驱动力必须在这样的载重量下能够满足并维持所选择的速度，让人可以在跑步机上走跑自如。通常跑步机一个马力(1HP=736W)大概可提供50~60公斤的承载重量，同时跑步机的功率对跑步带的面积大小也有很大的影响，跑步机的功率越大，可以带动的跑步带面积也越大，所以一般建议，家用跑步机合宜的持续马力应该至少有1.5马力[6]。

此次跑步机设计标准为限重110kg ，功率1.5HP 。初步确定跑步机滚筒直径为60mm ，所以最大转矩

max 11109.80.0316.172

T F L N m =?=???=? 31.5107.9660v n r s s π

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Tn P kw ??==≈ 为此采用ZYT42型永磁直流电动机，该型号的电动机是大功率跑步机中配套的专用动力元件。该电动机具有转速精度高，调速方便，调速范围宽，启动转矩大，运行平稳，噪音低，效率高的特点。并且在人在跑步机上运动时的冲击负载下，电动机仍然能够保持稳定的转速，让运动者感觉就像在平地上跑步一样。

3.1.2电动机的技术参数

根据上文计算选择的电动机型号为ZYT42/24

该电动机参数如下：

电压 180V

空载时：

转速 4000RPM 电流 0.4A

满载时：

输出功率 1.5HP /1120W 转矩 3.14N·m

转速3400RPM 电流 7.6A 效率 82%

3.2传动系统设计

3.2.1设计步骤

电动机的传动系统需要的是定传动比匀速转动机构，适合选择带传动。带传动是具有挠性件的一种传动，能缓和载荷冲击，运行平稳，无噪声，过载时传动带易在带轮上打滑，从而可防止其他零件的损坏，具有过载保护作用，并且带传动中间结构简单，成本低廉，应用范围广。