./圖書分類號：密級：畢業設計<論文>折疊型跑步機結構設計及CAE分析THESTRUCTUREDESIGNOFTYPEFOLDINGTREADMILLANDCAEANALYSIS.學位論文原創性聲明本人重聲明：所呈交的學位論文,是本人在導師的指導下,獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用或參考的容外,本論文不含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標注。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。論文作者簽名：日期：年月日學位論文協議書本人完全了解關于收集、保存、使用學位論文的規定,即：本校學生在學習期間所完成的學位論文的知識產權歸所擁有。有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的紙本復印件和電子文檔拷貝,允許論文被查閱和借閱。可以公布學位論文的全部或部分容,可以將本學位論文的全部或部分容提交至各類數據庫進行發布和檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。論文作者簽名：導師簽名：日期：年月日日期：年月日.摘要針對人們鍛煉身體的特點,本文設計了新型的折疊型跑步機。此款跑步機包含的主要功能如下：可折疊、跑步、播放器、顯示屏、里程表、心率儀、按摩、仰臥起坐。課題研究容如下：一：外形結構,設計了下支架、輔助支架、仰臥支架、基架、跑板、跑帶、顯示屏,基于ABS塑料耐用、防油等特點,顯示屏選用ABS塑料。顯示屏上功能比較齊全,由部電子系統控制,可實現音頻、視頻播放,測里程、測心跳,并且具有高清顯示屏。二：傳動設計,設計了多楔帶、帶輪、滾筒軸,選用了跑步機專用電動機。按照跑步機最大承重量和速度圍,確定跑步機所需功率和轉速。三：輔助機構,設計了按摩儀和仰臥起坐架。綜合分析以往跑步機功能的單一和人們興趣的不同等因素,在輔助支架上安裝了輔助功能。四：CAE關鍵零部件的分析,基于ANSYS軟件對跑步機關鍵零件把手和跑板進行了靜力學分析,獲得了應力場和變形場結果,為結構設計提供了定量的驗證依據。本課題是在UG、CAD軟件下,進行整體繪圖設計、分析,為設計起到了很大的幫助。關鍵詞跑步機；多功能；結構設計；CAEAbstractAccordingtothecharacteristicsofthepeopletoexercise,inthispaper,thedesignofnewtypefoldingtreadmill.Thistreadmillincludesmainfunctionisasfollows:folding,running,player,displayscreen,odometer,theheartratemeter,massage,sit-ups.Researchcontentisasfollows:A:appearancestructure,designunderthestents,auxiliarysupport,lieonyourback,baseframe,run,run,display,basedonthecharacteristicsofABSplasticisdurable,preventoil,screentochooseABSplastic.Displayscreen,withcontrolledbyinternalelectronicsystem,whichcanrealizetheaudioandvideoplayback,measuringrange,measuringtheheartrate,andhasahddisplay.Two:transmissiondesign,designthewedgebelt,beltwheel,rollershaftandchoosethespecial-purposemotorrunningmachine.Accordingtothemaximumbearingweighttreadmillandspeedrange,determinepowerandspeedforthetreadmill.Three:auxiliarymechanism,designthemassagerandsit-ups.Comprehensiveanalysisofprevioustreadmillfunctionofsingleandfactorssuchasdifferencesinpeople'sinterest,installedintheauxiliarysupportauxiliaryfunctions.Four:CAEanalysisofkeyparts,basedonANSYSsoftwareofkeypartsonthetreadmillhandlesandrun,hascarriedonthestaticanalysis,obtainedasaresult,thestressfieldanddeformationfieldprovideaquantitativeverificationofthebasisforstructuraldesign.ThistopicisundertheUG,CADsoftware,drawingdesign,thewholeanalysis,asthedesignhasplayedabighelp.KeywordsTreadmillMulti-functionCAEUG.目錄摘要IAbstractII1緒論11.1跑步機國外的發展前景11.2本課題的研究容12總體方案設計42.1跑步機的結構組成和工作原理42.2跑步機的多功能性52.2方案確定53傳動機構的設計與計算63.1傳動帶的選擇和參數的確定63.2帶輪材料結構和尺寸選擇103.3電動機的選型113.4散熱扇的設計123.5前后滾筒的設計143.6滾筒軸的設計143.7軸承的設計153.8軸強度校核154外型結構設計174.1基架的設計174.2支架的設計184.3扶手和顯示板的設計184.4防護罩的設計205傳動結構的設計215.1跑板的設計215.2減震系統的設計215.3傳動帶的設計235.4跑步帶的設計235.5液壓桿的設計246輔助機構的設計256.1按摩儀的設計256.2仰臥起坐架的設計267折疊型跑步機關鍵零部件的CAE分析288跑步機的使用維護和保養338.1跑臺潤滑油的添加338.2使用注意事項33致35參考文獻36.1緒論1.1跑步機國外的發展前景隨著市場經濟的發展和深入,健康問題和健身問題越來越深入人心,生活節奏加快了,工作壓力加大了,空閑時間就月來越少,為了跟上社會的節奏,人么都恨不得吃飯都在工作,隨之而來的就是各種疾病,高血壓,高血脂,高血糖,腰間盤突出,心臟病,這些疾病都被人們成為富貴病,因為它們大都出現在城市白領身上。吃完飯沒有足夠的運動,就坐在電腦旁,辦公桌前開始工作,久而久之身體機能下降,免疫力下降,疾病就隨之而來。那么,我們怎么通過運動來增加免疫力,強壯體格呢？這個問題越來越受到重視。跑步機起源于歐美國家,由于工業在歐美首先發展起來,所以機械化運作也逐漸發達,起初跑步機的發明只是給人使用,現在隨著應用領域的擴大,為了有效的訓練一些動物的跑步速度,比如警犬,還專門設計了犬類專用跑步機。然而在中國,跑步機的發展歷史并不是很長,前后時間才有20年,由于它的價格相對一些簡單的運動器材來說還是比較昂貴的,所以跑步機還并不普及。但是跑步機雖然在中國發展的時間并不長,但是已經更新了四代,發展的速度還是比較驚人的,由機械式,到電子式,再到數碼式,它的功能越來越齊全,操作也越來越人性化。隨著跑步機的普及,價格也沒有以前那么高了,信心不久的將來跑步機會惠及每一個家庭。跑步能達到全身鍛煉的效果,相當于站在一個減肥振動機上,全身肌肉都會隨著你的跑步節奏速度顫動,好比給肌肉按摩。科學研究表明,任何生物體只有動起來才不會腐朽,越用越靈活,同樣對于身體也是,任何機能,只有多加鍛煉才會更加健康。老年人由于身體機能的下降,都會得骨質疏松病,經常跑步會降低骨質疏松的速度,減緩骨骼的老化。處在成長發育期的青少年,因為骨骼發育比較快,容易缺鈣,也容易得骨質疏松病,經常跑步能鍛煉骨骼,讓骨頭與骨頭之間精密結合,健康發育,身體更強壯,防止骨科疾病。跑步機不僅解決了運動的問題,還有健康問題,所以是一個很好的運動器材。跑步機在中國的發展歷史相對比較短,但是發展速度還是比較迅速,是城市白領人士和健身房的主要健身器材。跑步機種類很多,折疊式和非折疊式,電動式和機械式。每一種跑步機都有自身的特點和適應人群,希望運動成為全民運動,不會因為價格的因素而成為我們的障礙,現把跑步機分類列表1-1所示。以及折疊型和多功能型跑步機見圖1-1和圖1-2所示。1.2本課題的研究容本課題的設計容主要從零部件到整體的設計,從零件的測繪,到整體的組裝,再到性能的分析。設計過程中會用到很多輔助軟件,這些軟件可以幫助你更好,更快的完成設計。研究方法有好多種,可以到市場調研,觀察看市場上目前跑步機都是什么類型的,每種類型都有什么特點,每個特點都能實現什么功能,及時的做好總結。也可以通過上網收集資料,參考一下國外都有哪些先進的技術。在完成基本功能的同時,實現在原有基礎上進行創新,無論是功能上還是外形結構上,怎樣讓顧客更愿意接受。表1-1分類電動跑步機機械跑步機多功能跑步機特點電動式跑步的優點是比較省力。而且對于腳后部肌肉的損害也比較小,因為整個的跑步帶是由點帶動,在準備跑步之前調節好速度,只要人在跑帶上跟著速度跑就可以,不需要用力。這種跑步機跑起來更持久,但是是一種被動的跑步,如果稍加不注意,跟不上節奏,也有可能發生意外,這是一個比較大的缺點。有待改進,如果上面加一個傳感器,能夠檢測到人的運動,如果人動機器才會正常運轉,人一旦不動了,速度就會降下來,這樣就會降低事故的發生率。這款跑步機對于電動式跑步機來說截然相反,它的速度完全靠跑步者自己掌握,運動者動跑帶才會動,跑步者不動,跑帶就會停止運動,優點是安全,因為它的速度根本就不會很快,而且隨意啟動和停止。缺點就是顯而易見的了,速度靠跑步者自己來決定,也就是說你用多大的勁才會有多大的速度,不使勁就沒有速度,這樣容易讓使用者產生疲勞和厭倦,使運動不能持久,而且要使帶運動起來需要很大的力度,對于腳上的肌腱來說是一種很大的傷害,因為每一步都需要很大的力才能使帶正常的運轉,要有很大的速度基本上也是不可能的了。相應地價格也會很低。多功能跑步機顧名思義,就是這款跑步機不僅具有跑步的功能,而且融合了多種功能于一體,比如仰臥起坐,全身按摩,扭腰盤,啞鈴,跳繩等,可以實現全身上下每一個部位的運動,腿部,腰部,頸部,肩膀,相比前面兩款來說功能更齊全,設計更人性化,對于不同的人群來說都能起到一個很好的鍛煉效果。并且現在多功能還不僅僅是體現運動方式的增多上,更方便的是,可以折疊,這對于笨重的跑步機來說,又是一次飛躍,對于城市中,家里面積小的用戶來說,就是一種很大的方便,并且折疊結構是液壓裝置,整個下降和上升過程都很輕松,在跑步機下方還有橡膠滾輪,輕松方便隨處移動。相應的價格也會有所提高,但是功能可以選擇,適合什么功能就購買帶有什么功能的跑步機,這樣也不會造成功能的浪費。圖1-1折疊型圖1-2多功能型2總體方案設計2.1跑步機的結構組成和工作原理跑步機的主要結構是電動機、液壓升降馬達、跑步帶、跑步板、滾筒、減震系統、折疊機構、支架、基架、按摩儀、仰臥起坐架和顯示板等。跑步機的整體結構是通過螺栓連接而成,一方面是便于運輸,另一方面是便于拆裝,當不使用時可以拆卸收起來,再者當跑步機部出現問題時,可以把外部拆下來,便于部的維修。跑步機的支架包括上支架和下支架。上支架和下支架的二維圖紙見附錄二和附錄三。上支架由扶手和電子顯示屏組成,扶手用于支撐,當運動者在跑步發生意外時,扶手可以支撐人的全部重量,因此要對扶手進行應力分析,這一塊將在后面CAE分析章節中詳細講解。電子顯示屏上功能很多,包括音頻,視頻,開關,心率儀,物品放置處等。下支架和基架通過螺栓安裝在一起,下支架主要起到支撐跑步機下部整個機構,并且下支架和基架之間還有伸縮彈簧,可以緩解跑步運動時引起的振動。基架的二維圖紙見附錄四在跑步機前端還有電動機,跑步機所使用的電動機是跑步機專用電動機,因為跑步機整體空間的有限,所以專用電動機的體積相對于普通電動機的體積會比較小一些。電動機軸上還安裝有散熱扇和主動輪。多楔帶一端安裝在主動輪上,一端安裝在從動輪上,從動輪安裝在滾筒軸上。跑步機有兩個滾筒軸,分別在跑板的兩端,傳感器安裝在滾筒軸上,可以測量電動機的轉速,根據滾筒軸的直徑,再加上跑步時間可以測量跑板里程數。跑步皮帶通過跑板繞裝在滾筒上。跑步板由特殊材料制作而成,具有彈性,而且柔韌,減少沖擊,具體的介紹將在下面的章節中詳細說明。跑步板和基架之間裝有六個減震彈柱,使運動更平穩,噪聲更小。液壓折疊機構裝在基架和跑步板之間,放下時不會突然降落,會有5秒鐘的緩沖時間,有效的減少了意外的發生。同時在支架前端的輔助支架上安裝有按摩儀和仰臥起坐架,實現跑步機的多功能性。跑步機的整體外觀結構如圖2-1,二維圖紙見附錄一。跑步機的工作原理就是人在與自身的運動方向相反的跑帶上進行跑和走的訓練,現在的跑步機模擬陸地行走和跑步,也可以模擬爬山運動,但是跑步機的跑步帶由于運動方向和我們后腳的運動方向相同,并且有彈性,所以能減少對腿關節和腳踝的傷害,防止肌肉拉傷。根據不同年齡層次或者愛好的不同,本課題設計的跑步機在以往跑步機的基礎上增加一些輔助健身器材,滿足不同的需要,比如啞鈴,扭腰盤,仰臥起坐,按摩儀等。為了不造成功能的浪費,同時也是保證價格能普遍接受,所以選擇仰臥起坐和按摩儀,一個動,一個靜。圖2-1跑步機2.2跑步機的多功能性為防止跑步機在運動時出現意外,所以跑步機不會突然速度變為零,會有一個階梯速度,這是通過儀表盤上的觸摸開關實現的,通過觸摸開關引出一個帶有夾子的長繩,一端接觸觸屏儀,一端夾在跑步者的衣服上,當跑步者發生意外摔倒時,會拉動夾子,使開關脫離,停止轉動,防止意外發生。總里程記錄,在跑步機底座的滾筒上安裝計數器,通過計算滾筒的直徑以及轉的圈數來換算跑步的距離。儀表盤不僅能調節時速,還能聽音樂,測心率,實現健康運動。跑步機不僅可以實現跑步功能,還可以實現許多輔助運動,比如仰臥起坐、按摩、扭腰、啞鈴等全身運動。但是一款跑步機功能不宜太多,因為運動的有限,所以為了不讓資源浪費,也考慮到生產成本這一方面,在此設計的跑步機只加入了仰臥起坐和按摩儀的輔助功能,老少皆宜,既實用,又能實現有效的利用。并且按摩儀可以拿掉,如果在購買時不需要這個功能,可以無需購買。2.2方案確定在深入了解了跑步機的整體結構和基本功能之后,根據本課題對所設計的跑步機的要求,長：寬：高比例131.6cm×68.7cm×124.3cm；最大承重量90Kg,速度0.8-12km/h,可以確定整個跑步機的大小,根據承重量和速度,選擇電動機和傳動系統,確定前端預留出的距離,以方便安裝,然后設計跑板,隨后確定跑帶,顯示屏和輔助支架可以設計完主要機構之后再根據主要尺寸和配合設計、安裝。6輔助機構的設計6.1按摩儀的設計為了解決跑步機功能單一的問題,再者是滿足一個家庭不同人群的需要和達到全面的鍛煉,在跑步機的基礎上,增加了按摩儀的功能。按摩儀能按摩腰部、腿部、頸部、胳膊,緩解酸痛,同時運動強度不大,特別適合長期坐在辦公室的上班族,還有腿腳不方便的老人。按摩儀的整體結構見圖6-1所示圖6-1按摩儀按摩儀的上部是一個橢球形,兩邊是一個凸起,用于安放按摩帶,下部是一個卡槽,卡在輔助支架上。按摩儀上部的結構比較復雜,首先畫出草圖如圖6-2所示,然后用回轉命令,具體參數見圖6-3所示。圖6-2草圖圖6-3回轉命令下部的草圖形狀如圖6-4所示,通過拉伸命令,具體數據見圖6-5所示圖6-4草圖圖6-5拉伸命令凹槽與6-5拉伸后的圖形進行求差運算,最后得出圖6-1所示。凹槽的草圖如圖6-6所示圖6-6凹槽草圖6.2仰臥起坐架的設計仰臥起坐架是在輔助支架上加的一個功能,輔助支架和仰臥起坐架見圖6-7所示。仰臥起坐架的高度設計是根據市場調查,下部的橫桿距離地面20mm,上下的橫桿距離45mm,一方面是為了做運動時腿部不會太酸痛,同時腰部也不會彎折太厲害,舒服的姿勢能增加運動效果。同時在橫桿上安裝有海綿,增加腳腕處的舒適度,不會因為皮膚直接與支架的直接接觸,摩擦脫皮。同時仰臥起坐架與輔助支架是通過螺栓連接,可以根據個人的身高,調節高度,比較方便。圖6-7仰臥起坐架常見的輔助機構還有很多,如扭腰盤,啞鈴等,見圖6-8所示,為了不造成功能的浪費,只設計了如上兩款。圖6-8啞鈴與扭腰盤7折疊型跑步機關鍵零部件的CAE分析信息高速發展的社會,我們無論做什么都可以說離不開電子產品,從第一臺電腦的誕生,我們的社會發展就有了巨大的改變,電腦在我們生活中,起到了舉足輕重的作用。從產品的構思,設計制造,再到市場的銷售,每一個環節都有著非常大的作用,計算機的應用都極大的提高了效率和質量。在工業設計中,計算機也扮演著重要的角色,計算機輔助過程中,CAE就是一款很有用的軟件,許多在實際中要耗費大量的人力物力的東西,CAE只需要一個測試,一個小程序就可以輕松的解決。有限元分析法是在輔助設計中最經常用到的一個方法,對力的分析,快速有效,解決了市場上一大塊問題。CAE指工程設計中的計算機輔助過程,指用計算機輔助求解分析復雜過程和產品的結構力學性能等[16]。而CAE軟件可作靜態結構分析,動態分析；研究線性、非線性問題；分析結構〔固體、流體、電磁等。它設計到工程管理學、運籌學、統計學、質量控制等科學技術。ANSYS是CAE分析軟件中的其中一款,ANSYS能與多數CAD軟件結合使用,實現數據共享和交換,如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等,是現代產品設計中的高級CAD工具之一[16]。ANSYS的功能包括結構分析、熱分析、電磁分析、流體分析、耦合場分析。在此使用結構分析中的靜力分析對跑步機進行有限元分析[16]。跑步機在使用過程中主要是在跑板中間,跑板兩側的踏板,以及扶手上施加力,所以在此只對這三處進行有限元分析。如圖7-1所示,是對跑板中間部位進行CAE[17]分析的結果。中間兩個黑色圈相當于人站在上面的兩只腳,當整個身體的力施加在跑板中間時,發現跑板會發生輕微的變形,從外到變形程度逐漸加大,紅色變形量最大,圖右上方是變形程度的比較直觀的數據。圖7-1跑板中間部位分析在前期處理完之后就是網格的劃分,網格劃分的程度,與效果成正比,劃分的詳細,結果就會越明顯,但是有時候沒必要太詳細,如果分析結果太詳細,對于制造成本就很高,網格的劃分見圖7-2所示圖7-2網格的劃分CAE分析首先是前處理階段,在所要測試的圍施加一定的壓力,如圖7-3所示圖7-3結構選擇在選擇完結構之后就是確定泊松比和彈性模量,見圖7-3所示圖7-3參數的選擇圖7-4是對跑板兩側的其中一側進行的有限元分析,因為跑板兩側是對稱放置的,所以只對其中一側進行應力分析即可。之所以對跑板兩側分析是因為跑步機在運動時,運動者很可能會站在跑板兩側作為休息區域,或者是在遇到危險時,會不由自主的站在遠離跑帶的區域,這時施加在跑板兩側的力就是人的整個體重,所以對這部分進行受力分析很有代表性。圖7-4跑板兩側部位分析分析過程首先是選擇泊松比和彈性模量,如圖7-4所示。然后在所要測量應力變形的地方劃分網格,劃分網格之后,施加90千克的力,如圖7-5所示,測應力變形。圖7-4參數的選擇圖7-5網格劃分和力的施加圖7-6是對上支架扶手的有限元分析,整個力施加在扶手上,向下壓動扶手時扶手會發生輕微的變形,向上鼓起,越靠近扶手尾部,變形量越大,因為在扶手的前端有顯示屏還有下支架做支撐,變形量會比較小,整個的變形程度如圖右上角顏色數據所示,紅色變形量表示最大,變形量單位為mm。因為是鋼結構,所以整體的變形量還是比較小的。圖7-6扶手部位分析對扶手的分析順序跟前面的分析流程是一樣的,也是劃分網格,選擇參數和施加壓力。具體數據參數見圖7-7,7-8,7-9所圖7-7網格的劃分圖7-8施加壓力圖7-9參數選擇8跑步機的使用維護和保養8.1跑臺潤滑油的添加跑步機在使用過程中,各個零件之間會發生摩擦,為了延長零件的使用壽命,同時防止使用過程中出現安全問題,所以要對跑步機的零件進行定期維護和保養,防患于未然,維護和保養的方法有很多,經常擦拭,潤滑,盡量不要向上面潑水,當有漏電狀態時,要及時拔掉電源,找專業修理人員進行維修。潤滑油的添加,可以防止零件生銹,不需要摩擦力的地方可以減少摩擦等,添加潤滑油具體的注意事項和特點[18]見表8-1所示表8-1作用品質要求使用方法使用頻率注意事項1、減少跑步帶和跑步板之間的摩擦力,保護跑步板上的耐磨層,延長跑帶、跑板的使用壽命2、減少電能的損耗3、讓用戶在戶外運動時更流暢耐高溫粘度高3、不易揮發1、掀開左側跑步帶,將潤滑油沿著跑步帶方向倒在跑步板上,控制用量為10ml2、右側同左側一樣操作將跑步機通電運轉在3km/h以,在跑步機上踩踏,使潤滑油均勻涂在跑步機上每6個月加注一次潤滑油加注量不可以過大,否則摩擦力太小,跑步帶和傳動滾筒之間容易打滑8.2使用注意事項跑步機作為經常使用的健身器材,所以為了更好更健康的使用,避免造成不必要的傷害,同時也是為了發揮跑步機最大的用處,就需要注意一些問題,現在把需要注意的問題列表8-2如下。所有的的注意事項都是平時稍加注意就可以解決的問題。表8-21在確認安裝好,沒有安全隱患之后再使用2因為跑步機電源線是專用的,若電源線發生損壞或者是發現有漏電的現象,不要隨意更換,應該與賣家聯系,及時更換或維修,以免發生事故。3因為跑步機是插電使用的,所以防水、防潮是正常的,而且跑步機本身也有一部分是塑料,還有就是都是用螺栓緊固上的在關健部位,所以要防撞擊。4跑步時也最好穿適合跑步的衣服,一是為了運動起來會舒服,二是,也是為了運動期間,防止危險的發生。5當你使用跑步機時,不要站在跑帶上啟動,可以站在跑步機兩側的修飾板上,剛開始時速度不要太快,更不要試圖跳上正在快速運行的跑帶上。6跑步機畢竟是機器,不能隨叫隨停,再安全的東西都存在安全隱患,所以請不要單獨讓老人小孩使用。結論本課題以研究折疊型跑步機的折疊性和多功能性為目標,進行了一系列的調查研究和理論分析。設計了折疊性跑步機的整體外觀圖,完成了基于CAE軟件的關鍵零部件的受力分析,主要容和結構體現在以下幾個方面：一．總體框架的設計,在綜合分析了各種跑步機的優點的基礎上,此款跑步機的整體結構,采用合金鋼,并且前端支架比較粗,由于前端安裝有帶,帶輪和電動機等動力系統,比較大的重量能增加機身的穩定性。二．顯示屏采用五十度斜角的設計,正好符合人體視線的角度,并且便于跑步時的操作,可觀看視頻,并且上面設置了凹槽,可放置水杯、手機等小型物品。顯示屏是高清顯示屏,并且由電子系統控制,相當于一個小型CPU,可實現心率測量等功能。三．研究了跑步機為實現特定的功能所需的功率和轉速,在綜合對比分析了多款跑步機的性能和優缺點,最后選擇了永磁無刷電動機能有效提高電動機使用效率。四．設計了多功能支架,通過市場調查,有的人不適合跑步或者做劇烈運動,為了滿足一家不同層次的需要,在這里添加了