多功能跑步機的結構設計和計算摘要隨著生活水平的提高，人們越來越重視身體健康，加強體育鍛煉成為人們保持健康的重要途徑。其中，跑步是最方便、最有效的健身運動。跑步不僅能促進人體血液循環，增強心肺功能，還可以鍛煉肌肉力量，消耗身體脂肪。正因為如此，在所有的健身運動中，跑步是最受人們歡迎的，而跑步所賴以的健身器材——跑步機也隨之受到了人們的青睞。如今市面上的跑步機從不同的角度出發可以分成不同的類別，從使用功能出發可以分成單功能跑步機和多功能跑步機兩類，從動力出發又可以分成機械式跑步機和自動式跑步機兩種，本文主要是對多功能自動跑步機進行設計，多功能跑步機主要體現在可以雙人同時進行，而且是不同的運動，一端為跑步機，另一端可以進行啞鈴或者拉伸彈力繩等活動，雙人還可以在運動過程中進行互動，增加了趣味性。此次設計的重點為跑步機的傳動部分、多功能部分以及減振部分，并利用三維軟件完成多功能跑步機的建模，以達到預期的一機多用的效果。關鍵詞:多功能跑步機；雙人互動；三維建模目錄TOC\o"1-4"\h\u1緒論 11.1國內外跑步機發展現狀 11.2本文主要研究意義 11.3本文主要研究內容 22總體方案設計 42.1基本功能 42.2功能原理的確定 42.3整體結構 53跑步機結構設計 63.1電機選擇 63.2帶傳動計算 73.2.1確定設計功率 73.2.2選擇帶型 73.2.3確定帶輪有效直徑 73.2.4計算帶速 83.2.5初定中心距a0 83.2.6帶的有效長度Le 83.2.7實際中心距a 93.2.8計算小帶輪包角α1 93.2.9每楔傳遞的基本額定功率P1和由傳動比引起的功率增量?P1 93.2.10帶的楔數Z 103.2.11有效圓周力Ft 103.2.12帶的緊邊拉力F1 103.2.13帶的松邊拉力F2 103.2.14作用在軸上的力Fr 103.3帶輪選擇 113.4跑臺有關尺寸計算 123.4.1人機工程學 123.4.2跑步帶的寬度 133.4.3跑步帶的長度 133.4.4邊條尺寸計算 133.4.5跑步板的尺寸 143.5滾筒的設計 143.5.1軸承的選擇 143.5.2軸承壽命計算 143.6軸結構的設計 153.6.1軸安裝要求 153.6.2軸的材料 153.6.3軸的最小直徑 153.6.4各段軸尺寸的確定 153.6.5軸強度的校核 163.7滾筒要求 174減振系統 185輔助功能設計 195.1雙杠功能設計 195.2啞鈴凳功能設計 195.3仰臥起坐功能設計 205.4跑步機折疊功能設計 206總結和展望 226.1總結 226.2展望 22參考文獻 24緒論國內外跑步機發展現狀自20世紀80年代以來，在不到40年的時間里，跑步機已經完成了四代產品的演變，即機械跑步機、模擬電動跑步機、數字電動跑步機和數字變頻跑步機[1]。跑步機也不再是簡單的機械零件組合，而是集機械技術、電子技術、傳感技術和自動控制技術等多學科知識和技術于一身。[2]近年來，健身器材行業有著非常廣闊的發展前景，其中跑步機占據著重要的地位，2015-2020年占市場銷售份額最多的便是跑步機,[3]2020年全球跑步機市場規模達到了339億元，預計2021年將達到409億元。國外健身器材市場發展較早，全球第一臺真正意義上的跑步機便于1965年誕生在北歐[1]，所以歐美的跑步機技術較早成熟，這也是歐美主流跑步機品牌在全球范圍內長時間領跑的重要原因，而且其技術也在不斷的進行創新，一款由ICON24951設計的多用途家用跑步機使用了SpaceSaver自鎖折疊系統和自動放松機制，在跑步后可以輕松折疊并變成辦公桌使用[4]。日本的一家公司則研發了一款水中跑步機WaterWalkerandSPA，其具有跑步、淋浴和SPA三種模式。[5]另外韓國的HERA7000系列跑步機在外觀、品質和耐力性方面都處于領先地位。由此可見這些國家在跑步機的結構、功能以及界面設計上都達到了很高的水平。國內的健身器材行業起步較晚，對跑步機的研究也始于20世紀80年代，[6]直到20世紀90年代末，才出現了常青、喬山、匯祥、百恒等自主品牌，這是中國健身器材行業真正的開端，中國的跑步機也是從這一時期發展起來的。[7]之后隨著5天工作制的廣泛推行，以及習近平總書記在黨的十九次全國代表大會中提出的“加快建設體育強國”的號召[8],便開始有越來越多的人群加入健身行列，掀起了一股健身浪潮，這也讓跑步機在我國的發展迎來了黃金時期。隨著國產跑步機品牌的崛起，便開始在行業內迅速收割市場份額，甚至開始向國外市場大量出口，數據顯示2020年我國進口跑步機268.9萬臺，出口量卻達到了1497.4萬臺，一時間國產跑步機也做到了與國外跑步機分庭抗禮的程度。而且跑步機也逐漸開始成為家庭常用的健身器材，改善跑步體驗，真正融入家庭生活正是中國跑步機的發展趨勢[4]，這也預示著跑步機從此不再局限于健身房這樣擁有多種健身器材的場合，但人們卻需要多種健身器材配合使用才能達到最好的健身效果，這就表明具有多種鍛煉功能的跑步機設計尤為重要。本文主要研究意義由于當今世界經濟一體化，世界各地的生活節奏變得越來越快，人們每天都忙于工作，尤其是辦公室白領，基本上上班時間都是坐在辦公室里度過的，工作壓力太大，導致人們無暇抽身去鍛煉身體。這種高強度的工作節奏持續的時間太長會引發身體健康問題，使人們處于亞健康狀態。在中國，只有15%的人符合世界衛生組織對健康的定義。與此同時，仍有15%的人處于疾病狀態，其余70%處于亞健康狀態[9]。隨著生活質量的提高，人們在吃穿住行各方面都得到了質的飛躍，尤其是吃的食物多是一些高熱量、高蛋白的食物，特別是近年來常見的“快餐文化”、“奶茶文化”等，這些食物過量攝入就會容易導致身體肥胖，所以現在的年輕人體質普遍不強，肥胖人群日益低齡化，由肥胖導致的糖尿病等諸多疾病的患病人群也逐漸增多，這正是因為平常胡吃海喝一些高熱量的食物又缺乏體育鍛煉所導致的。但隨著“健康生活、積極運動”的號召，現在人們越來越關注健康問題，在忙碌的工作之余也要有必要的休息和鍛煉。對于一些喜歡在家鍛煉的人來說，一個人在健身過程中不可避免地會缺乏一些樂趣，而且又由于自身的惰性使然，也因為缺少監督機制，因此健身并不能長期堅持下去。而去健身房健身又需要固定的支出，并且對于很多上班時間固定的工作族來說也不便于每天去健身房。還有一些人群則喜歡戶外運動健身的方式，這樣不僅可以呼吸大自然新鮮的空氣，還可以欣賞美景，讓人身心愉悅，但隨著城市化進程的加快，可供人們戶外健身的場所也越來越少；而且由于2020年新型冠狀病毒的爆發，戶外運動對人們來說也成為了一種奢求；還有因汽車尾氣、工廠廢氣所造成的空氣污染、霧霾在全球范圍內也越來越嚴重，不僅可見度下降還容易導致呼吸道疾病。正是由于環境、疾病、空氣污染、氣候等一系列因素，戶外運動的人也越來越少。基于上述原因，本課題設計了一款多功能跑步機，能夠在提供基礎的跑步功能外還可以進行仰臥起坐和雙杠以及做啞鈴等運動。且跑步機結構比較緊湊，運行聲音也較小，適合放置在家中，可以在每天工作結束后進行鍛煉使用。這種多功能跑步機的研究可以大大提高人們的運動興趣，使運動變得健康有趣。因為它提供了多用途的使用功能，可以減少由于枯燥的運動過程而導致的運動時間短促的習慣，提高人們的運動熱情。并且根據自身身體狀態可以進行不同的運動項目，可以更好地達到健身的效果，比如可以有氧運動也可以無氧運動，都可以在一臺跑步機上實現，大大提高了設備的利用率，增加了設備的性價比。本文主要研究內容最早的跑步機是不能自動運行的普通跑步機，稱為機械式跑步機[3]，是由基礎的框架和可以轉動的滾筒構成，目前主要在公園、廣場等公共場合投入使用，在使用這種跑步機進行跑步鍛煉時，由于滾筒是不固定的圓柱體，所以需要使用者自發用力去蹬滾筒，才可以進行跑步鍛煉，所以人們在跑步時必須時刻注意腳面是否可以站穩，這樣一來就導致跑步的姿勢不夠自然，運動難以協調，且容易造成膝蓋的損傷，運動效果并不理想。之后，隨著電力的普及便開始用電力來取代人力達到帶動跑帶的效果，人們在使用這樣的跑步機跑步時，并不需要自身額外用力去帶動跑帶，會感到比較的放松和自由，而且在跑步機上跑步時的狀態也和平時在地面上跑步時的自然狀態一樣，甚至有更加輕盈的感覺，運動效果同樣也是事半功倍。本文就是從這一角度出發設計一款跑步機，而跑步機設計的核心內容就是傳動機構、跑臺機構和減振系統等方面的設計，一臺好的跑步機必須要有足夠的動力來帶動人的運動，同時運動速度也要平穩，保證運動的規律性，跑臺部分要有足夠的空間來供人安全舒適的進行跑步鍛煉，還需具有必要的減振措施來減少跑臺面對人體膝蓋的沖擊，達到保護膝蓋的作用。并且改善了普通跑步機功能單一的缺點，在普通的跑步功能上增加了仰臥起坐、雙桿、拉彈力繩等項目，同時還可以雙人一起運動，增加了健身的趣味性，本跑步機還具有折疊的功能，在不使用的時候便可以折疊起來，并附帶有運輸輪可以很方便的移動跑步機，能夠更有效的節省空間。總體方案設計基本功能多功能跑步機的多功能體現在既能夠進行跑步運動也可以進行仰臥起坐、啞鈴、雙杠、拉伸彈力繩等鍛煉項目，可以兩人一組做。此外，跑步屬于有氧運動，啞鈴和仰臥起坐則屬于無氧運動，兩種運動都可以在同一設備上進行，其方案圖如圖2-1所示。圖2-1多功能跑步機方案圖功能原理的確定帶傳動是一種通過傳動帶，將主動軸上的運動和動力傳遞給從動軸的機械傳動形式，具有緩沖和吸振的作用，而且傳動平穩沒有噪聲，還可以滿足不同中心距的要求，也可以起到過載保護和減小結構尺寸及重量的效能[11]。鏈傳動能夠同時兼具撓性傳動和嚙合傳動的優點，具有傳動功率大、中心距大、結構簡單成本低廉等優點，但其瞬時傳動比并不穩定，而且傳動過程也會產生較大的噪聲。齒輪傳動則具有瞬時傳動比穩定、傳動功率和圓周速度范圍廣的優點，但同時其振動和噪聲也較大，且并無過載保護。本次設計的跑步機傾向于給使用者提供平穩、安靜的健身環境，并且本身的結構要求也較為緊湊，因為帶傳動所具有上述的優點，所以選用帶傳動。帶傳動可分為平帶傳動、V帶傳動、多楔帶傳動等，平帶傳動較為廣泛的應用于高速傳動，或中心距較大的場合；V帶傳動產生的摩擦力大于平帶傳動，因此V帶傳動具有更強的承載能力和更緊湊的結構，在機械傳動中得到了廣泛的應用[23]；而與V帶傳動相比，多楔帶傳動的能力則更大。在相同的結構尺寸下，多楔帶傳動的效率比V帶傳動效率提高約30%，在傳遞相同的功率時，多楔帶傳動的尺寸比V帶傳動可減少25%左右[11]，可以說多楔帶就相當于多根V帶和平帶的組合，兼具兩者的優點。綜上所述，本次設計選用多楔帶傳動。根據以上分析結果，本次設計所用的傳動方式為一級多楔帶傳動，由電動機帶動電機軸上的小帶輪轉動，小帶輪再通過多楔帶帶動前滾筒軸上的大帶輪轉動，大帶輪再將功率傳遞給前滾筒，前滾筒通過緊緊裝繞的跑步帶帶動后滾筒，從而實現跑步機整個傳動裝置的運動，傳動簡圖如圖2-2所示。當人站在跑步帶上，由于跑步帶的運動，人便開始“被迫”地進行運動，由于人的跑步速度和跑帶速度一致，便可以達到原地跑動卻“日行千里”的運動效果，并且可以通過調節電機的轉速來控制跑帶的運動速度，實現慢跑、快跑等多種跑步狀態。圖2-2運動簡圖整體結構多功能自動跑步機主要由機架、電機、運行帶等組成[10]。其特征在于:立柱與保護罩底座連接，前軸和后軸分別安裝在機架的前后兩端，所述前滾筒和后滾筒分別安裝在前后軸上，所述前、后滾筒上緊繞著運行帶，運行帶下方安裝有支撐運行板，跑步帶前方有電機保護罩,兩者之間通過連接片連接，扶手安裝在立柱兩側,儀器控制面板安裝于立柱上。其他的輔助功能主要是采用鋼管與立柱進行連接，并將接口統一設計在立柱上，通過在立柱上焊接鋼管延伸出與其它器件連接的接口，其三維模型如圖2-3所示。圖2-3多功能跑步機三維模型圖跑步機結構設計電機選擇本次設計跑步機的最大承重量為100㎏，對于跑步機而言，電機就是它的“心臟”，是整個跑步機的核心部分[15]，正是因為電機的轉動才能帶動整個跑帶的運轉，因此選擇一臺好的電機尤為重要，電機的選擇與跑步機的最大承重量息息相關。如果承重量大于電機的額定功率，就會容易造成電機的損壞；相反如果選擇的電機功率太大就會造成成本的浪費。一般情況下，電機的功率與承重量的關系如下：承重量60㎏以下，電機功率為1.0HP；承重量60~90㎏，電機功率為1.0~2.0HP；承重量80~110㎏，對應的電機功率則為2.0~3.0HP[18]。由公式（3-1）Pw式中：PwP—工作機功率，即滾筒的功率；η—傳遞裝置的效率，即多楔帶的傳動效率：98%；滾筒功率可由公式（3-2）求P=Fv其值為：P=1.94Kw再由式（3-1）求出電機功率為：P有如下幾種方案：方案型號電壓(V)功率(Kw)轉速（r/min）1YVP100L1-43802.215002Z4100-11602.214903Z3-312202.23000其中方案1屬于交流變頻調速電機，而方案2和3則屬于直流電機，直流電機與交流電機相比較，結構比較復雜，制造成本較高，維護工作量較大，但其具有優良的調速性能，可以實現頻繁的無級快速啟動，能夠滿足在生產過程中各種不同的運行要求，但方案2的Z4系列直流電機運行時的噪音較大且體積較大。綜合考慮之后選用方案3的Z3-31型永磁直流電動機，該電動機是跑步機專用動力元件，當人在跑步機上運動時，會攜帶有很高的沖擊負載，但該電動機具有很高的轉速精度，能夠在較大的負載作用下仍能一轉不差，始終保持著同步轉速，給運動者帶來如履平地的感覺，而且能夠無級調速，調速范圍也較廣，最重要的是噪音低，可以給運動者提供安靜、舒適的運動環境。由前文得知，當承重量為100㎏時，對應的電機功率約為2.6HP，而查閱相關資料得：1HR≈0.735Kw，計算得出所需跑步機功率約為2.6×0.735=1.91Kw；所選用的電機功率為2.2Kw>1.91Kw，能夠滿足最大的承重條件。帶傳動計算本次設計所選用的帶傳動類型為多楔帶傳送，查《機械設計手冊》知多楔帶的傳送比為：i=2；以下所用到的公式和圖表均來自《機械設計手冊》。確定設計功率由公式（3-3）計算Pd=KA式中：設計功率；電機額定功率；工況系數。從前文得知電機的額定功率為：Pw=2.2Kw，跑步機每天使用的時間不超過8小時，并且跑步機屬于輕載荷工況，查《機械設計手冊》表14-1-30，可取KA選擇帶型帶型的選擇主要根據Pd和n1選擇，已知確定帶輪有效直徑（1）小帶輪有效直徑d查《機械設計手冊》表14-1-27，得知小帶輪最小有效直徑為de1min=20mm，所選小帶輪有效直徑為：（2）小帶輪節圓直徑d可由公式（3-4）求出dp1式中：?e—有效線差由公式（3-4）計算得：dp1（3）大帶輪節圓直徑d由公式（3-5）dp2求出：dp2（4）大帶輪有效直徑d由公式（3-6）de2求出：de2=84.8?2×1.2=82.4mm；查《機械設計手冊》取：計算帶速帶的速度不能太高也不能太低，若帶速過高，由于離心力過大，導致皮帶與皮帶輪之間的正壓力減小，從而降低了傳動能力;如果帶速過低，有效拉力會過大，就會使得張緊力過大。因此帶速必須適宜，多楔帶的帶速不可大于30m/s，一般在5~25m/s的范圍內最宜[12]。帶速可由公式（3-7）v=π求出：v=3.14×42.4×3000初定中心距a0中心距可在公式（3-8）的范圍內選取0.7(d所求范圍為：84mm<a0<240mm帶的有效長度Le初定帶的有效長度L由公式（3-9）Le0求出：Le0查《機械設計手冊》確定帶的有效長度為：Le實際中心距a由公式（3-10）a=a求出：a=129.1mm；為了考慮安裝等因素通常需要考慮中心距調整量?min,δ(a?δ所求范圍為：121.1mm~134.1mm；計算小帶輪包角α1小帶輪包角由公式（3-12）α1求得：α1每楔傳遞的基本額定功率P1和由傳動比引起的功率增量?P1每楔傳遞的基本額定功率P1可根據帶型、de1和n1選取，從前文已知：多楔帶帶型為：PJ型，d由傳動比引起的功率增量?P1根據帶型、i和n1選取，從前文已知：多楔帶帶型為：PJ型，i=2,帶的楔數Z由公式（3-13）Z=P式中：KL—帶長修正系數Kα—包角修正系數求得：Z=13.7；根據《機械設計手冊》取Z=12。有效圓周力Ft由公式（3-14）Ft求出：Ft帶的緊邊拉力F1由公式（3-15）F1式中：Kr—帶與帶輪楔合系數求得：F1帶的松邊拉力F2由公式（3-16）F2求出：F2作用在軸上的力Fr由公式（3-17）Fr求得：Fr綜上所述，所選用的多楔帶型號為12PJ450；各參數如表3-1所示表3-1皮帶參數型號楔距Pb楔頂圓弧半徑rbmin楔底圓弧半徑rtmax楔數ZPJ2.340.40.212帶輪選擇跑步機對于帶輪的要求為質量小且分布均勻，不允許有砂眼、裂紋，結構工藝性好并且無過大的鑄造內應力。此外，輪槽的工作表面應仔細進行加工，表面粗糙度為3.2μm[12]，以減少皮帶的磨損。每個槽的尺寸和角度應保持一定的精度，以便分配負載。多楔皮帶輪材料主要由鑄鐵制成，常用材料為HT150或HT200,當v<20m/s時，可用HT150，當v>25~30m/s時，可用HT200[11]，由于本次設計的帶速小于20m/s，所以選用材料為HT150。皮帶輪的結構設計主要是根據皮帶輪的基準直徑來選擇結構形式，并根據皮帶的類型和楔數來確定輪緣的寬度，根據皮帶的類型來確定輪槽的大小：由前文得知帶的型號為：12PJ450；而大小帶輪的有效直徑為：d1=40mm；de2=80mm，所以大小帶輪的型號分別是：圖3-1輪槽截面查《機械設計手冊》表14-1-26，得知大帶輪P12PJ80輪槽截面尺寸為：槽距e2.34±0.03㎜楔頂圓角半徑r1（最小值）0.2㎜檢驗用圓球或圓柱直徑dB1.5±0.01㎜槽角α40±0.5°槽底圓弧半徑rb（最大值)0.4㎜有效線差公稱值?1.2㎜2X公稱值0.23㎜徑向圓跳動0.182㎜f最小值1.8㎜2N最大值0.81㎜軸向圓跳動0.16㎜槽數n12小帶輪P12PJ40輪槽截面尺寸為：槽距e2.34±0.03㎜楔頂圓角半徑r1（最小值）0.2㎜檢驗用圓球或圓柱直徑dB1.5±0.01㎜槽角α40±0.5°槽底圓弧半徑rb（最大值)0.4㎜有效線差公稱值?1.2㎜2X公稱值0.23㎜徑向圓跳動0.13㎜f最小值1.8㎜2N最大值0.81㎜軸向圓跳動0.08㎜槽數n12跑臺有關尺寸計算人機工程學跑臺的有關尺寸以人機工程學出發設計。人機工程學是一門新興的科學，它起源于歐洲，在美國形成和發展起來，它的確切定義是，將人-機器-環境系統作為基本的研究對象，運用生理學、心理學等學科的知識，根據人與機器的條件和特點，合理分配機器的大小，從而為人創造出舒適和安全的工作環境[21]。人機工程學的研究成果對于本次的設計有著十分重要的意義，因為跑步機的設計應符合人的心理、生理特點，否則會嚴重影響運動者的使用效果，甚至會造成對使用者的傷害。在此次設計中主要考慮人體尺寸百分位數的選擇和滿足度的評估，人體尺寸百分位數用符號表示為：PK，其含義是：一個百分位數將使用該產品的人群分為兩個部分，有K%的使用人群小于它，就有1?K%的使用人群大于它，通常將人體尺寸百分數分為7種，即P1、P5、P10、P50、P90、P95、P99。滿足度則是指所設計的產品在尺寸上能夠滿足多少人使用，以適用的人群占總人群的百分數表示。[13]Ⅰ型：選用P99和P1作為尺寸上、下限值的基礎，這時產品的滿足度為98%；ⅡA型：選用P99或P95作為尺寸上限值的基礎，這時產品滿足度為99%或95%；ⅡB型：選用P1或P5作為尺寸下限值的基礎，這時產品滿足度為99%或95%；Ⅲ型：選用P50作為產品尺寸設計的基礎；通用型：選用男性的P99、P95或P90作為尺寸上限值的基礎；選用女性的P1、P5或P10作為尺寸下限值的基礎[22]。跑步帶的寬度由于本次跑步帶設計主要面向大部分人群使用，所以采用通用型設計方法，即以男性P90作為尺寸上極限的依據，以女性P10作為尺寸下極限的依據。而跑步帶的寬度取決于使用者的最大肩寬[3]，查《機械設計手冊》表5-6-2，可以得出男性P90的最大肩寬為460㎜，女性P10的最大肩寬為371㎜，由于使用者在跑步時往往會穿著運動服，所以還需要考慮穿衣修正量，查《機械設計手冊》表5-6-18，得知男、女性的穿衣修正量分別是：13㎜、8㎜，由此可得跑步帶的最大寬度為：460+13=473㎜；最低寬度為：371+8=379㎜。本次設計取430㎜。跑步帶的長度跑步帶的長度可取男性P90最大步幅作為尺寸設計依據，即1250㎜[6],再加上使用者跑步時穿戴的運動鞋修正量25㎜，以及使用者在跑步機上跑步時由于跑動空間狹小而產生害怕的心理從而導致邁不開腳步而引起的跑步姿勢不自然的心理修正量，前后各取100㎜和50㎜，綜上可得跑步帶的長度為：1250+25+90+45=1410㎜。跑步帶由多種材料層共同構成，分別是PVC橡膠、聚酯絲網、經緯紗，這三種材料共同構成了跑步帶的耐磨層和軟體層，耐磨層可以增加摩擦力、消除靜電，而軟體層則可以起到緩沖減振的作用。[17]邊條尺寸計算邊條也可稱為修飾條，可以起到修飾跑步機的作用，同時也可以用來當使用者因勞累或其它原因需要立即停止跑步時提供站立的空間，可選男性P50的足寬作為邊條尺寸的依據，查表可得96㎜，因為邊條尺寸略小于人的足寬時也可以正常使用，所以并不需要考慮由于穿戴運動鞋帶來的修正量，由96×0.7=67.2mm，取70㎜。邊條的材料選用強度高、耐腐蝕、易于加工的ABS高分子材料。[6]跑步板的尺寸跑步板的尺寸可以根據跑步帶的尺寸和邊條的尺寸得出，因為跑步帶的長度為1410㎜，考慮為滾筒的安裝預留位置，可取跑步板的長度為1140㎜，跑步帶的寬度和邊條的寬度分別為：430㎜、70㎜，總體寬度則為570㎜，考慮安裝取跑步板寬度為516㎜，高度初步定為16㎜。材料則選用具有吸振功能且彈性較好的高密度纖維板，不僅可以起到支撐作用，還具有減振的功能。滾筒的設計軸承的選擇深溝球軸承主要承受徑向載荷，也可同時承受少量的雙向軸載荷[11]，其結構較為簡單，摩擦阻力也較小，極限轉速高，價格也便宜，是應用最為廣泛的軸承，由于其振動和噪聲較低，適用于低噪音、低振動的場合[10]，符合所設計的跑步機的特點，所以此次設計選用深溝球軸承，參數如下：軸承代號軸承內徑（㎜）軸承外徑（㎜）軸承寬度（㎜）額定動載荷（KN）額定靜載荷（KN）脂潤滑轉速（r/min）油潤滑轉速(r/min)620317401210.34.791700020000軸承壽命計算軸承壽命可根據式（3-18）L10?=10式中：C—基本額定動載荷；P—當量動載荷；n—軸承工作轉速；ε—壽命指數，球軸承取ε=3；求得：L此軸承壽命符合使用預期。軸結構的設計軸的材料軸常用的材料主要有碳素鋼、合金鋼和鑄鐵三類，其中合金鋼的機械性能要高于碳素鋼，但其對應力集中的敏感性較高，價格也比較昂貴，常用的合金鋼主要有40Cr、20CrMnTi等；鑄鐵的流動性能好，吸振性和耐磨性高，但強度和韌性偏低，質量也不易控制，常用的材料有高強度鑄鐵和球墨鑄鐵等；碳素鋼具有較好的綜合性能，對應力集中并不敏感、加工性能較好、成本低廉，且使用最為廣泛，最常用的便是45鋼[11]。本次設計的滾筒軸要有一定的抗應力集中和便于機械加工，還要有較好的韌性，所以選用材料為45鋼，通過調質處理即可滿足上述需求。軸的最小直徑初估軸直徑可以由公式（3-19）算出dmin式中：C—軸材料相關系數，查《機械設計》表12-2，可知其值為105；P—軸所傳遞的功率；n—軸的轉速；由前面的計算得知：P=Pn=n由公式（3-19）算得：各段軸尺寸的確定軸如圖3-2所示，從左至右依次排列。由前面的計算得知：dmin≥11.85mm；所以取第一段和第六段的直徑為12㎜，因安裝需求取這兩段軸的長度為：13㎜；第二段和第五軸用來與軸承配合，而已知軸承內徑為17㎜，所以取該段軸直徑為17㎜，長度為22㎜；第三段軸就是與跑步帶配合的滾筒部分，已知跑步帶的寬度為：430㎜，所以取該段軸長度為430㎜，直徑為46㎜；第四段需要安裝大帶輪，取直徑為23㎜，由于安裝需求要有必要的鍵槽，所以軸徑需要增加5%，取2圖3-2滾筒軸軸強度的校核因為跑步機的滾筒軸屬于心軸，只承受彎矩而不傳遞轉矩，所以在計算其強度時，應用彎曲強度進行計算。[11]其值可由式（3-20）計算σ=M式中：M—所受最大彎矩；W—危險截面抗彎截面系數；σ?1—許用彎曲應力由前面的計算得知，軸所受最大彎矩為：M=最大彎矩處的抗扭截面系數為：W=查《機械設計》表12-1得知，45鋼的許用彎曲應力為60MPa。所以軸的強度為：σ=因為8.324MPa<102MPa，所以強度滿足。滾筒要求與跑帶接觸的滾筒面必須經過精細處理，外圓全跳動小于0.33㎜，表面光潔度可達到0.8μm[17]。并且需要經過防靜電處理和防銹處理。Vv圖3-3滾筒減振系統人在水平地面上跑步時，由于地面對人體的反作用力，會對膝蓋造成極大的負荷，尤其是在劇烈跑動時，地面對膝蓋的作用力最高可達人體重的2.5倍[16]，這也就意味著人的膝蓋所受到的沖擊就會更大，久而久之就會對膝蓋造成不可逆的傷害。所以好的減振效果對于跑步機來說不可或缺，它可以減少跑步對膝蓋帶來的傷害，同時讓人感覺跑感輕盈、舒適。本次跑步機的減振設計采用三重減振的方式，分別是：利用具有吸振能力的高密度纖維板作為底架支撐板，在提高必要的保護措施的同時還能夠吸收人跑動所產生的震動；同時在基架與跑步板之間還加有8個減振塊，如圖4-1所示；在整個跑步機的底部還加有減振墊，如圖4-2所示，在減振的同時還可以減少噪音。這樣的三重減振措施，可以讓使用者有更好的使用體驗。圖4-1基架減振塊圖4-2底座減振墊輔助功能設計雙杠功能設計由于跑步機在兩側會設計有扶手以防止使用者在跑步過程中出現意外，因此可以借用這兩側扶手設計成為可以進行雙杠運動的支臂。支臂采用空心鋼管焊到跑步機的立柱上，然后兩側安裝上扶手護欄，如圖5-1所示。圖5-1雙杠支臂結構圖在支臂表面安裝有橡膠保護和防滑套，防止在運動過程中出現打滑現象，可以增加手部與鋼管之間的摩擦力，保證使用者不會受傷。啞鈴凳功能設計在跑步機的背面設計了一款可以折疊的啞鈴凳，在不使用時可以將凳子折疊起來便于節省空間，使用時便可將凳子打開，可以很方便的進行使用，在打開的時候還可以當作置物臺，可以用來放置一些隨身攜帶的物品。在凳子折疊和打開兩個狀態的極限位置均設計了安全鎖緊機構。如圖5-2所示，當凳子折疊起來后，在凳子回轉軸處插入兩根鎖定銷軸就可以保證凳子不會脫落。如圖5-3所示為凳子打開狀態，在跑步機立柱上有兩根橫軸，會在極限位置阻擋住啞鈴凳的底部鋼管架，保證人坐上去以后凳子不會繼續下降。這里設計的兩根鎖定軸也是采用了一上一下的方式設計，即使其中一根銷軸出現了問題，還有另外一根可以保證凳子不會下落，提高了使用的可靠性和安全性。此外如圖5-2所示，在啞鈴凳的下方可以看到有一個T型的凸臺上面有一根空心鋼管，可以將配套的彈力繩從中間穿過以便于運動者進行拉伸彈力繩，以此來緩解肌肉的疲勞。T型凸臺是通過4顆螺釘與啞鈴凳進行連接。圖5-2椅子折疊狀態圖圖5-3椅子打開狀態仰臥起坐功能設計仰臥起坐需要把腳搭在兩根橫軸之間進行固定住才能進行，因此在跑步機的立柱上安裝前后兩組橫軸，如圖5-4所示。圖5-4仰臥起坐架橫軸是安裝在支架上面的由海綿材質包裹的圓柱形結構。支架是與跑步機立柱上面伸出的橫梁相連接的，通過鎖定銷鎖緊后保證不會在運動過程中脫落以造成運動者的傷害，海綿外套可以用來保護使用者的雙腳。跑步機折疊功能設計由于本課題中所設計的跑步機主要用于私人家庭內使用，因此一定要考慮到跑步機的占地空間問題。因此本課題設計的跑步機的跑臺部分是可以整體折疊起來的，可以有效節省占用的空間。折疊功能是在跑步機的底部支架上面安裝了一根氣彈簧實現的。當跑步機平放時氣彈簧壓縮到最短的狀態，當跑步機折疊起來時氣彈簧伸出，其活塞桿上面的推力要保證跑步機不會掉落下來。如圖5-5是跑步機折疊時的受力分析圖。圖5-5跑步機折疊時受力圖設跑步機可以折疊部分的重量約為100㎏，折疊角度約為100°，其中AB長度為137mm，AC長度為550mm，則根據余弦定理可以計算出此時氣彈簧的長度約為510mm，因此選擇氣彈簧的行程為550mm。而氣彈簧的推力F推應為：因此選擇氣彈簧推力為1000N的規格即可滿足要求。總結和展望總結本次設計通過對跑步機的傳動部分、減振部分、多功能部分進行了設計，傳動原件采用永磁直流電動機，此型號電機是跑步機的專用驅動原件，不僅可以無級調速，而且運行噪音小，功率也適宜，較為符合此次的設計要求。傳動形式選擇了一級多楔帶傳動，并對帶和帶輪進行了相關的計算，傳動精度較高、結構比較緊湊且運行過程無太大的噪音，滿足本次的設計要求。在多功能方面利用扶手架做成了簡易雙杠，不僅可以保護人在跑步機上的跑動，還為上臂的鍛煉提供了便利，同時還利用主立柱的空余部分做成了仰臥起坐的支架以及啞鈴凳，不僅可以做啞鈴運動，還可以在鍛煉結束時用來休息，也可以當成一個置物臺來放一些跑步時身上所攜帶的多余的物件，同時在椅面下還設計了一個T臺，T臺上裝有一根空心鋼管，并附有配套的拉力繩，可以用來做拉力鍛煉。減振也采用了三重減振的方式，給使用者提供非常舒適的跑步體驗。此外還從人機工程學的角度對跑步帶、邊條等尺寸進行了計算，在滿足絕大部分人群使用習慣的同時，還可以初步定下跑步機整體的尺寸，因為跑步帶的寬度和邊條的寬度就決定了基架的寬度，跑步帶的長度再加上電機預安裝尺寸就決定了基架的長度，再考慮其它的一些安裝要求，就可以大致得出整機的尺寸。展望本次設計主要是針對機械部分的設計，之后還可以在智能化方面進行提升，比如可以在使用時測試使用者的心率，用來檢測自身的身體狀況，之后再根據使用者的身體狀況自動調節跑步機的速度，以合適的速度去對應不同的身體狀況，避免過度勞累造成身體負荷；還可以根據不同體重不同身材的使用人群提供不同的鍛煉方案，對于不同的使用需求就要有不同的模式；擁有一鍵掃碼啟動的功能，同時還可以統計出使用者的運動量并可以上傳到“運動圈”，可以與其他人進行PK，這樣一來就可以更加有效地激發使用者的運動欲望；在這個“萬物互聯”的時代，甚至還可以與其它智能家具進行互聯，在跑步的過程中可以自動播放音樂、電影等，緩解運動的乏味感，使跑步機成為真正的智能家具。參考文獻凡蘭蘭.基于QFD的跑步機產品設計研究[D].東華大學,2019.DOI:10.27012/ki.gdhuu.2019.000420.宋文龍.基于μC/OS-Ⅱ的電動跑步機控制系統的研究與設計[D].太原理工大學,2016趙璐瑤.基于樂活族生活方式的家用跑步機產品設計研究[D].齊魯工業大學,2020.DOI:10.27278/ki.gsdqc.2020.000232黎靜萍.多用途家用跑步機設計研究[D].福州大學,2017孫耀清.基于模糊Kano模型的家用跑步機設計[D].西安理工大學,2020.DOI:10.27398/ki.gxalu.2020