基于UG的家用多功能电动跑步机设计【三维UG】[cad高清图纸和文档所见所得]
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UG文件夹目录不能有汉字字符,需要英文命名UG6.0以上版本都可以打开华侨大学厦门工学院毕 业 设 计(论 文)课题名称:基于UG的家用多功能电动跑步机设计 所在学院: 专 业: 班 级: 姓 名: 学 号: 指导教师: 2015年 3月摘 要跑步机是家庭日常生活经常用到的器材,它具有结构简单、可靠性高等优点,已广泛用于各场所和家庭。根据人体工程学而设计的跑步机,符合一般人的健身要求,这样的设计科学合理。本题目是休闲娱乐类跑步机, 跑步机为主要设计对象,并驾驶,动力由共同提供,并且使用寿命长,容易维修,可在路面长时间行驶,安全性能高的跑步机。跑步机在现今市场上依旧比较少见,其原因主要在于其市面已有结构设计部分不合理,使用的稳定性不高。至此导致市面上多为跑步机较为少见。此次课题设计,力求设计出优于市面原有的产品,完善跑步机的缺点,真正意义上的让跑步机推广出来。关键词:跑步机,跑步机,健身,机械设计39AbstractThe treadmill is family often used in daily life of equipment, it has the advantages of simple structure, high reliability, has been widely used in various places and families. The treadmill is designed according to human body engineering, accords with the general fitness requirements, this design is scientific and reasonable.This topic is entertainment treadmill, running as the main design object, and driving, power is to provide, and long service life, easy to repair, be on the road a long time running, high safety performance.Running on a treadmill on the market today is still relatively rare, the main reason is that the market has been part of the structural design is unreasonable, the stability is not high. This leads to the market for the treadmill is rare. This topic design, and strive to design better than the market existing products, improve treadmill shortcomings, the true sense of the extended out to the treadmill.Key Words:,treadmill, treadmills, fitness, mechanical design目 录摘 要2Abstract3目 录4第1章 绪论61.1 跑步机市场调查61.1.1 前言61.1.2 跑步机的发展史61.2 种类分析81.3 跑步机的设计分析8第2章 人体工程学与跑步机设计122.1 设计原则122.2 人机工程设计设计132.3 影响跑步机性能的人体因素142.4 跑步机设计结构要素分析162.5人一机动态特性分析17第3章 总体机械结构设计183.1跑步机的构成183.2 跑步机方案设计183.3 同步带的概述193.3.1同步带介绍193.3.2同步带的特点203.3.3同步带传动的主要失效形式203.3.4 同步带传动的设计准则223.3.5同步带分类223.4 同步带传动计算233.4.1 同步带计算选型233.4.2 同步带的主要参数(结构部分)263.4.3 同步带的设计283.4.4 同步带轮的设计283.5 带传动的张紧装置的选择293.6 轴的设计313.6.1带轮上力的计算313.6.2材料313.6.3计算轴的最小直径313.6.4轴的结构设计313.7 轴的校核323.8 键的校核323.9 轴承的校核33结 论35参考文献37致 谢38 第1章 绪论1.1 跑步机市场调查1.1.1 前言跑步机的设计涉及到功能、造型、材料、结构、技术、艺术等多方面要素,有深厚的理论基础和广泛的应用实践价值,更是一个国家家具设计水平的最好体现。跑步机不仅仅用于供人休息,除了提供座位之外,还可以挂放衣物和包之类的东西。跑步机是人类坐姿活动不可缺少的家具,根据实用性质的不同,跑步机包括多种形态,而且由于材料、结构等的差别,又可以形成许多不同的形式。1.1.2 跑步机的发展史 早的古埃及的黄金扶手器材到当前多种多样的坐具,跑步机经历了一个漫长的发展历程,从重象征性、装饰性向重实用性、舒适性发展。发展至当代,虽然各种跑步机在设计风格方面的界限已经不那麽分明,但我们仍可以将其归结为以下几种:即波普及后现代主义风格;简约设计风格;有机现代主义风格:高技术派设计风格。跑步机的名称始见于唐代,而跑步机的形象则要上溯到汉魏时传入北方的胡床。敦煌285窟壁画就有两人分坐在跑步机上的图象;257窟壁画中有坐方凳和交叉腿长凳的妇女;龙门莲花洞石雕中有坐圆凳妇女。这此图象生动地再现了南北朝时期器材、凳在仕宦贵族家庭中的使用情况。尽管当时的坐具已具备了跑步机、凳子的形状,但因其时没有器材、凳的称谓,人们还习惯称之为“胡床”,在寺庙内,常用于坐禅,故又称禅床。唐代以后,跑步机的使用逐渐增多, 跑步机设计子的名称也被广泛使用,才从床的品类中分离出来。因此,论及器材、凳的起源,必须从汉魏时的胡床谈起。高承事物纪原引风俗通称:“汉灵帝好胡服,景师作胡床,此盖其始也,今交器材是也”。后汉书。五行志一:“汉灵帝好胡服、胡帐、胡床、胡坐、胡饭,京都贵戚皆竟为之。”这两段记载可证,我国古代跑步机的出现当在汉灵帝时期(168-189年)。胡床在魏晋南北朝至隋唐时期使用较广,有钱、有势人家不仅居室必备,就是出行时还要由侍从扛着胡床跟随左右以备临时休息之用。胡床在当时家具品类中是等级较高的品种,通常只有家中男主人或贵客才有资格享用。在方人雅士中还多有褒词及生动描述。如南朝梁庾肩吾咏胡床诗曰:传名乃外域,入用信中京。足欹形已正,文斜体自平。临堂对远客,命旅誓出征。何如淄馆下,淹流奉盛明。胡床因其形态特点又有“交床”和“绳床”之称。隋朝称“交床”,是因为隋高祖意在忌“胡”字,器物涉“胡”字者,咸令改之。宋。陶清异录云:“胡床施转关以交足,穿绷带以容坐,转缩须臾,重不数斤。相传明皇行幸频多,从臣扈驾,欲息无以寄身,遂创意如此,当时称逍遥坐”。胡床开始并无靠背,形如今天所见的马扎儿。唐代始有靠背。这种逍遥坐很可能就是带靠背的胡床。胡床最早出现于汉代,比唐明皇早几百年,要说为唐明皇创意显然不妥。所以这里所说的创意,应指增加了靠背。胡床在唐宋时期盛行,宋代尤甚,不过宋时称胡床者渐少,而称其为交器材的逐渐增多了。带靠背的胡床始自唐明皇,还可以从唐代济渎庙北海坛祭器杂物铭。碑阴的记载中得到印证,文中记有:“绳床十,内四跑步机”。从这段记载可知在唐代贞元元年已有了跑步机的名称。这里所说的“绳床十,内四跑步机”是指在十件绳床中有四件是可以倚靠的跑步机,显然是为了与另外六件无靠背绳床相区别。可见,跑步机的名称虽已出现,在日常生活中可是常见家具,但它还未完全从床概念中分离出来。在唐代的典籍中,把跑步机称为床的仍很普遍。唐代著名诗人杜甫在少年行。七绝中写道:马上谁家白面郎,临街下马坐人床。不通姓名粗豪甚,指点银瓶索酒尝。五代至宋,高型坐具空前普及,跑步机的形式也多起来,出现靠背器材、扶手器材、圈器材等。同时根据尊卑等级的不同,跑步机的形制、质料和功能也有所区别。五代至两宋时期的家具大体保留着唐代遗风,只是高型家具较前更加普及了。高型家具的使用在民间形成时尚,居家必备高型桌器材,这从当时的绘画中可见一斑。如宋代张择端清明上河图中的市肆小店,无不陈放各式高型家具。宋代会昌九老图中描绘的圈器材也是前代没有品种。在近年发掘的宋代墓葬中还有以石、陶制作的家具模型或在墓室墙壁用砖砌成或雕成各式家具,其中表现墓主夫妇对坐在跑步机上的场面最为普遍。如河南方城出土的石器材残件、河北井径县柿庄七号宋墓墓室砖雕桌器材、柿庄二号墓墓室壁画对坐图中的桌器材、洛阳涧西宋墓墓室的砖雕家具等。这说明跑步机等高型坐具不仅在人们日常生活中普遍使用,还被人微言轻殉葬用器。1.2 种类分析跑步机价格较为廉价,已然普遍到各家各户,随着“时尚、运动、健康、绿色、环保”理念的深入人心,跑步机类产品的设计、材料、工艺、款式也跟随市场需求,新材料、精加工、巧构思、高品质和高附加值的跑步机精品不断涌现。跑步机不但成为人们的代步交通工具,而且进入运动、休闲、娱乐、时尚领域,并融入更多的科技、文化元素,成为所有家庭的必备用具。跑步机发展,在使用功能上说变化已很少了,现代跑步机的主要发展在于机架的造型行变化,表面的处理如烤漆、商标的变化使其外观更美;对自机上的每一个零件进行精雕细琢的改进,使其更合理、美观;对跑步机的材料上的选用与开发。由此致使跑步机功能上的变化也没有很大的改变。1.3 跑步机的设计分析1.3.1设计流程跑步机是对人们活动起辅助作用的工具,首先必须能够承受人们活动带来的各种力量和冲击。设计师在设计初期就应该考虑到跑步机对外部冲击的承受力,否则就不能充分体现跑步机的实用功能。因此设计师应在充分了解跑步机构造的基础上进行设计,以达到既美观又实用的目的。为实现这个目的构筑了如下的设计流程。1概念化阶段概念化阶段是整体设计的理念和宗旨,是保证今后具体设计得以顺利进行的前提条件。对跑步机设计概念化进行设定的过程,涉及跑步机相关的功能性、构造和材料以及形状等问题。对于“某种设计为什么应该采取那样的形状或构造?”“为什么应该用那样的材料生产?”等问题,概念化阶段都要做出总体的说明。设计的概念化要充分反映设计师的理念和价值,发挥他们的创造性,所以它不应是其他人的意见,而应该是设计师自己的想法。2体化阶段具体化阶段是按照在概念化阶段设定的设计方案,解决家具的构造、功能和美观问题并创造出其基本形状。在这个阶段要画很多草图、图样,做出模型,还要选择材料,讨论跑步机的构造以及其他一些细节问题等。跑步机设计的具体化阶段就是创造出产品形状的过程,简单地讲就是做出跑步机造型的外观图样,并对其进行论证。3整体外观阶段跑步机设计的关键是将重点放在符合整体的外观和核心架构的设计上。产品的外观、跑步机的造型以及稳定的构造应该既反映设计师的精湛设计,又能实现人们对舒适的要求,这就是设计家具的重点。为实现这一目标,我们以在具体化阶段提出的产品外观为基准做出了如下的骨架模型。可以说这是为实现自顶向下的设计方式而做出的基本模型。跑步机设计的关键是将重点放在符合整体的外观和核心架构的设计上。产品的外观、跑步机的造型以及稳定的构造应该既反映设计师的精湛设计,又能实现人们对舒适的要求,这就是设计家具的重点。为实现这一目标,我们以在具体化阶段提出的产品外观为基准做出了如下的骨架模型。可以说这是为实现自顶向下的设计方式而做出的基本模型。从这个骨架模型中,我们不仅可以看到体现着产品概念的外观,还可以获得产品各种配件位置和连接的信息,如核心架构(Core),倾斜度(Tilt),底座(Base),扶手(ArmRest)等。这可以由设计师在设计产品并做出草图的同时,从3个角度,即曲面(Surface),曲线(Curve),基准面(DatumPlane)来表现。这种骨架模型是与上面提到的三个阶段中对家具设计的内容相联系的,用于设计师很少接触的筋(Rib),凸台(Boss),体格构造等的设计中。当然这对于没有相关基本知识的设计师来说几乎是不可能的事情,但只要是在内部开发过2个以上模型产品的设计师,都可以亲自完成模型各部分器具设计。4计检验阶段通过以上各阶段步骤完成的产品设计并不是完美的。尤其是跑步机与人体结构有着密切的关系,可以说人们对产品设 跑步机设计合理性和适用性的评判是很重要的。因此应该对设计进行检验。对于跑步机的设计来说,跑步机的大腿底座(Base)部分能否稳定地支撑人体体重是很重要的。当然除此之外对Back,即支撑人体背部的器材背部分和ArmRest,即扶手部分的检验也是很必要的。对跑步机底座(Base)的说明通过以上一系列说明,我们可以了解设计师对产品零部件进行亲自设计的整个过程。当然比起专门的零部件设计者来说,他们的设计可能还存在着不足,但是这拓展了设计师的工作领域,重要的是创造产品的设计师通过参与产品的整个开发过程,可以开发出更具亲和力,符合人体工程学的产品。1.3.2 设计要素1实用性实用性就是泛指满足人们生活需求开始与发展的。现代家具不但要可靠、适用、安全,更重要的是满足它的使用功能与舒适度。无论是静负荷类家具或动负荷类家具,都应根据人体工效学的基本法则,结合人体的生理和心理的需求,设计出合理的家具尺度的和空间分割距离,给消费者创造一种最大限度的舒适和方便以及安全感、视觉美感等,最终回归到最佳实用效果的目的上来。现代家具赋予人们的美感是,通过人们的视觉、触觉感官来体会与感应的。而家具的实用性程度,则是通过人们的反复使用、接触与鉴别验证的。现代家具设计师水平的高低,只有通过努力探索、长期实践与不断总结,才能使自己的设计作品逐步达到日臻完善的设计追求目的。2 艺术性现代家具已不单纯是简单的日用消费品,家具产品作为一种文化现象发展到今天,它已经是现代人类生活中调剂居室环境的艺术品、装饰品、是融艺术与实用于一体的一代全新消费品。同时也是直接影响到室内陈设艺术效果和现代居室文化品味的重要乐章和主旋律。为此,现代家具设计师就必须从这一高度来认真研究与分析家具设计的要素中的艺术性问题。家具设计过程中,不可或缺地要灵活借用实用美术设计中的一些基本做法,其中如产品外观形体稳定的均衡;线型的谐和与灵气;装饰纹样的生动与形象逼真;五金辅件的格调的选择;都需要设计师在实践工作中,不断提高自己的实用美术学科修养水平,才能适应当前中国国内市场国际化的激烈竞争态势。没有好的产品设计,便没有较多市场份额的占有。3 工艺性诚如以上所述,当前,我国家具工业产品的科技制造含量已经发生了巨大变化,几代构造特点的不同工艺构造款式的家具,都在不同的陈设环境与商场中频烦亮相、争奇斗妍。发展最为突出的是板式家具,或称实木家具。70年代跑步机设计宣传比较多的KD型家具,今天已经发展到具有国际先进水平的RTA型家具。笔者可以断言,板块构成,实木装饰型的新一代板式家具将会在我国家具工业产品系列中,长期占有一席之地,其发展前景也是举足轻重的。早在1995年的家具杂志编委年会上,业内着名学者专家就曾针对中国国内家具业发展趋势,明确提出了今后我国家具工业新产品设计开发目标应本着“板式家具高档化,实木家具艺术化,现代家具时装化,设计手法个性化”的设计理论导向和真知灼见。姑且不论上述论点正确与否,但有一点勿庸置辩,现代家具,无论其工艺构成特点与含量如何,企业为适应国内市场国际化的竟争需要,愈来愈趋向多品种、小批量、短周期的设计与生产方式。为便于家具实现工业化生产,又要兼顾到这类产品的工艺特殊性,形势迫使我们家具设计师在完成造型设计的同时,还必须把握与驾驭产品工艺设计一环的工作。先迸的技术设备是实现造型工艺的具体手段,由于科技的发展,给复杂的造型工艺提供了可靠保证,设计师匠心独造和综合技术,可以创造出新的造型表现形式,传统的加工方式,技术与造型的关系是同等的,现代家具设计师,则必须是家具工业生产领域内先进设备与高工艺水平加工技艺的熟知者与掌握者。从事专业设计的工程技术人员,应该是具有新型结构工艺制造学方面的复合型人材,方能挑起历史赋予我们的重任。4 经济性现代家具设计中,经济性设计亦应是设计师不容忽视的一个重要设计环节,这其中也包涵了工艺性设计的外延与内涵,诸如加工手段与方法、材料的选择与构成,工艺程序排列等等。板式家具设计中的单块构件下料法(配料法)与零部件综合下料法,前后两者对比,后一种方法可节约原料8-10%。其中,同样也包括人造板材类型的选择与应用;装饰贴在材料的应用方法与成本节约问题。举一例,毗邻的两家工厂设计一种雷同的巴洛克风格的休闲器材,由于其中一家工厂不注重研究产品设计中的经济性没计内容和方法,忽视了物耗成本这一价值规律,结果是两家工厂的材料利用率相差3-5%。诚然,这其中不乏含有设计师水平高低之别。现代家具设计师只有在设计实践中,将实用性、艺术性、工艺性、经济性(目标成本法则)有机地结合与灵活运用,才能实现不断推出好的产品,奉献给广大消费者第2章 人体工程学与跑步机设计2.1 设计原则跑步机的设计尺寸是根据人体尺寸来设计的,各个部分的定位均参照人体尺寸。人体的主要尺寸:国标GB10000-1988给出身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长共六项主要尺寸数据。下表是我国成年人人体主要尺寸和坐姿人人体尺寸(摘自GB10000-1988中国成年人人体尺寸):主要尺寸男(1860岁)女(1555岁)百分位数 5 50 95 5 50 95身高158316781775148415701659体重kg485975425266上臂长289313338262284308前臂长216237258193213234大腿长428465505402438476小腿长338369403313344376坐姿尺寸男(1860岁) 女(1555岁)坐高858908958809855901坐姿颈椎615657701579617657坐姿眼高749798847695739783坐姿肩高557598641518556594坐姿肘高228263298215251284坐姿大腿112130151113130151坐姿膝高456493532424458493小腿加足383413448342382405坐深421457494401433469臀膝距515554595496529570坐姿下肢9219921063851912975表 我国成年人人体主要尺寸和坐姿人体尺寸设计要点:1. 座的形式与尺度及其功用有关2. 座材的尺度必须参照人体测量学数据确定3. 身体的主要重量应由臀部坐骨结节承担4. 座材前缘处,大腿与跑步机之间压力应尽量减小5. 腰椎下部应提供支承,设置适当的靠背以降低背部紧张度6. 器材垫必须有足够的垫料和适当的硬度,使其有助于体重压力均匀地分布于坐骨结节区域组成跑步机的功能是供人骑行,就发挥跑步机的功能作用而言,把人看作跑步机的组成部分是完全合理的。因此,人在骑机时组成了人一机系统,该人一机系统中的人一机界面关系可由图1-1来进行分析。2.2 人机工程设计设计1、人与支撑部件的关系 支撑部件主要有机架、前叉、鞍座等,是跑步机的构架。支撑部分将其他零部件固定在相互间正确的位置上,保证跑步机的整体性,实现跑步机的功能。从人机关系来看,鞍座、机把和机架等的位置和大小,以及它们间的相互关系,与骑机人的位置和肌肉的动作有着性的设计参数。2、人与动力接受部件关系动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑机人的双脚踩在脚蹬上,下肢运动的力使曲柄转动而产生的。为了使人省力和有舒适感,必须在骑跑步机人的体格和体力与跑步机元件的尺寸关系上下功夫,即研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。3、人与传动部件关系传动部件主要是滚珠、链条和带轮。人的作用力是通过链条和带轮传动而带动后轮转动,从而使跑步机前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性,且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率,才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。 4、人与工作部件关系工作部件就是机轮,即机圈、轮胎等。绝大部分轮胎是充气的,少数是实心的。机轮一方面把骑机人的肌肉力量,有效地转换为同地面接触而向前运动的力;另一方面将骑机人的握力转换为与接地部分所产生的刹机阻力。在设计跑步机的各部分尺寸、机闸及变速器等时,应该着眼于骑机人一动力一传动一工作的连贯性,才可能设计出同骑机人手的大小或握力相适应的闸把、刹机力适当的机闸,才不会发生刹机阻力不够而造成失误现象。2.3 影响跑步机性能的人体因素影响跑步机性能的人体因素很多,如图1-2 所示。现主要分析下述几点:1人的体格因素 以身高 H 为基本因素,其他身体的能力与 H 成比例,并有与H2、 H3成比例的特性。如手臂、腿、气管等的长度与身高成比例,从而以骨关节为中心所产生的力矩、步幅等,都取决于H的大小。肌肉、大动脉、骨骼的截面积以及肺泡的表面积等都可看成与 H2成比例。肺活量、血液量、心脏容量等都可看成与 H3成比例。体格对出力性能的影响,从理论上讲,弹跳能力与H成比例,速度能力与 H2成比例,作功能力和 H3成比例。但实际上因每个人身体素质不同,常有20以上的偏差。2人的下肢肌力 跑步机骑行的原动力,主要是骑机人的下肢肌力。人骑机时,骨骼肌肉内部的化学能转换为肌肉收缩的机械能。跑步机脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完成的,一般说腿肌长的人比腿肌短的人有利。肌肉收缩时产生的力,一般与肌肉的截面积成比例,约为每平方厘米40-50N ,通过一定训练的人可提高到65N 。 图1-2 影响跑步机性能的人体因素 3人的输出功率 人输出的功率随着骑机人的体格、体力、骑机姿势、持续时间和速比等的变化而变化。一般成年男人的最大输出功率约为 0.7 马力( 0.51 kw ) ,能持续 10s左右。如果持续时间长,其值要小得多,持续 lh ,大约只有 1.0-0.7马力(0.07-0.15kw)。 4人的脚踏速度 跑步机运动是很有节奏的,其节奏常常与人的心脏节律保持一定关系。健康人的心脏跳动为70 次min ,一般脚踏以 60r/min 节奏转动较为合适。设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。5人的平衡机能 骑机人本身的平衡机能是影响跑步机性能的重要因素,如果缺少平衡机能,哪怕是运动性能很好的跑步机也不能平稳行驶;若人有很好的平衡机能,却可掩盖跑步机设计上的某些缺陷。 6人的手和握力 影响刹机性能的人的因素主要是人的手和握力,男性和女性,成年人和儿童,手的大小和握力都不相同。据试验,为了长时间施闸而不致使手有疼痛的感觉,希望只用最大握力的10左右便能得到必要的减速度。 7 人的疲劳 人体疲劳和疼痛是对骑机出力性能的不利因素,其产生原因有人体因素,也有跑步机结构因素。疲劳和疼痛一般是由于部分肌肉负担过大,骑机姿势不合适,以及体重对鞍座的体压分体不合适等引起的。此外,影响出力因素还有人的最大摄氧量。2.4 跑步机设计结构要素分析影响跑步机性能的因素除了上述人的因素外,还有许多机械因素,如图1-3所示。为了获得跑步机较佳的性能,必须把人的因素与机械因素有机地结合起来,以使人一机协调。为此,着重分析与人体相关的结构要素。1速比 大小带轮的齿数比,与带轮直径比相一致,一般控制在2.3-4.0的范围内。利用速比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度。速比要合适,如果太小,无论人的肌力有多大,由于不能充分提高转速,所以就得不到大的输出功率。也由于速比小,在限定的曲柄转速下,得不到必要的骑行速度(后轮转速)。速比过大时,要求的踏力也大,容易使人疲劳。为了保持不疲倦的持续骑行,希望肌肉的负担约为最大肌力的10% ,按此选择速比和曲柄转速,可得到比较好的效果。2曲柄长度传统的跑步机设计,一般从杠杆原理考虑比较多,对人研究少,认为曲柄越长越有力。曲柄过长后,为了不使脚蹬碰到前泥板,不得不加大中轴至前轴的距离(前心距)。这样势必加长机架,影响了正确的坐机姿势,使人感到臀部痛。若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度,则可使人省力和舒适。通常曲柄长度的基准,取人体身长的 110 ,也相当于大腿骨长的 12 。4 鞍座位置鞍座装得过低,骑行时双脚始终呈弯曲状态,腿部肌肉得不到放松,时间长了就会感到疲软无力;鞍座装得过高,骑行时腿部的肌肉拉得过紧,脚趾部分用力过多,双脚也容易疲劳。骑机时适当的用力部位是脚掌。设计或校正鞍座位置高低最常用的方法,是使手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部,使手的中指能触到装配带轮的中轴心为宜。人体各部尺寸都有一定的联系,只要腋窝中心至中指的长度确定下来,鞍座高度便可大致确定。行驶较快的机,鞍座位置要向前移动,行驶较慢的机,鞍座位置要向后移动,否则都不利于骑行,如图1-4 ( b )、( c )所示。5 机闸设计时,闸把开挡、力率和闸把力要与人手的大小和握力相适应。灵敏度高的机闸,随着闸把上力的增大,刹机力也按比例地增加。如果闸把力到达某一程度不发生刹机作用,继而又骤然生效,说明这种机闸设计不良。在紧急情况下操纵时,理想的施闸力和减速度见表1-1 。 表1-1 理想的施闸力和减速度闸把施闸力/N相对握力%减速度说明6035050010701000.1g0.6g0.8g控制下坡速度全刹机紧急全刹机注:g=9.8m/s22.5人一机动态特性分析 1 动态稳定性 跑步机的稳定是行驶过程中的稳定,是一种动态平衡的稳定性。动态稳定性影响到跑步机骑行中的动作,包括直进稳定性和前后左右方向的稳定性,见图 1-5(a)。显然,稳定性对安全行驶是必不可少的特性。 2力学特性 跑步机行驶在平地上转弯的条件是侧向力(与离心力平衡)与跑步机总重量(人和机的重量)的合力作用线要通过轮胎与地面的接触点。这当然与骑机人有关,但更重要的是跑步机的造型要有适合这种力学特征的结构形式。 人体和机身向内倾的角度相等。即骑机人身体的中心线和机子的中心线一致时,跑步机就可以转弯,即所谓中倾旋转,见图1-5(b) ;骑机人的倾斜角比机子的倾斜角大时,此时的转弯即所谓内倾旋转,见图(c);骑机人的倾斜角比机子的倾斜角小时,此时的转弯即所谓外倾旋转。第3章 总体机械结构设计3.1跑步机的构成跑步机的整体构成由以下几大模块:(1).机身在行驶中,机身的造型对整个行驶的效率有着很大的影响,因为机身的造型直接影响到的是行进的阻力。此处设计的水陆跑步机的机体造型也已达到最小阻力位佳,通过流体力学,我们可以针对各种造型在水中行进时所受的阻力进行分析,核定最佳造型设计以达到最佳运动效率。(2).传动系统通过机械设计我们可以比较确切的分析各种传动系统的传动关系进而计算出总传动系统的传动效率进行核算。 (4).导向机构 正常直线行驶时,导向机构应不构成阻力,设计的导向机构应简单便捷为好。3.2 跑步机方案设计目前跑步机设计各式各样,这里的设计主要从传动系统方面来结合设计。分析以上性能需求工作机构类型选择带传动,属于定传动比匀速转动机构。带传动具有结构简单,成本低廉 能缓和载荷冲击,运行平稳,无噪声,过载时将引起带在带轮上打滑,因而可防止其他零件的损坏,具有过载保护作用3.3 同步带的概述3.3.1同步带介绍同步带是综合了带传动、链条传动和齿轮传动的优点而发展起来的新塑传动带。它由带齿形的一工作面与齿形带轮的齿槽啮合进行传动,其强力层是由拉伸强度高、伸长小的纤维材料或金属材料组成,以使同步带在传动过程中节线长度基本保持不变,带与带轮之间在传动过程中投有滑动,从而保证主、从动轮间呈无滑差的间步传动。同步带传动(见图3-1)时,传动比准确,对轴作用力小,结构紧凑,耐油,耐磨性好,抗老化性能好,一般使用温度-2080,v50m/s,P300kw,i10,对于要求同步的传动也可用于低速传动。图3.1 同步带传动同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时,通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。 同步带传动具有准确的传动比,无滑差,可获得恒定的速比,传动平稳,能吸振,噪音小,传动比范围大,一般可达1:10。允许线速度可达50M/S,传递功率从几瓦到百千瓦。传动效率高,一般可达98%,结构紧凑,适宜于多轴传动,不需润滑,无污染,因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。 本产品广泛用于纺织、机床、烟草、通讯电缆、轻工、化工、冶金、仪表仪器、食品、矿山、石油、汽车等各行业各种类型的机械传动中。同步带的使用,改变了带传动单纯为摩擦传动的概念,扩展了带传动的范围,从而成为带传动中具有相对独立性的研究对象,给带传动的发展开辟了新的途径。3.3.2同步带的特点(1)、传动准确,工作时无滑动,具有恒定的传动比;(2)、传动平稳,具有缓冲、减振能力,噪声低;(3)、传动效率高,可达0.98,节能效果明显;(4)、维护保养方便,不需润滑,维护费用低;(5)、速比范围大,一般可达10,线速度可达50m/s,具有较大的功率传递范围,可达几瓦到几百千瓦;(6)、可用于长距离传动,中心距可达10m以上。3.3.3同步带传动的主要失效形式在同步带传动中常见的失效形式有如下几种:(1)、同步带的承载绳断裂破坏同步带在运转过程中承载绳断裂损坏是常见的失效形式。失效原因是带在传递动力过程中,在承载绳作用有过大的拉力,而使承载绳被拉断。此外当选用的主动捞轮直径过小,使承载绳在进入和退出带抡中承受较大的周期性的弯曲疲劳应力作用,也会产生弯曲疲劳折断(见图3-2)。图3.2 同步带承载绳断裂损坏(2)、同步带的爬齿和跳齿根据对带爬齿和跳齿现象的分析,带的爬齿和眺齿是由于几何和力学两种因素所引起。因此为避免产生爬齿和跳齿,可采用以下一些措施:1、控制同步带所传递的圆周力,使它小于或等于由带型号所决定的许用圆周力。2、控制带与带轮间的节距差值,使它位于允许的节距误差范围内。3、适当增大带安装时的初拉力开。,使带齿不易从轮齿槽中滑出。4、提高同步带基体材料的硬度,减少带的弹性变形,可以减少爬齿现象的产生。(3)、带齿的剪切破坏带齿在与带轮齿啮合传力过程中,在剪切和挤压应力作用下带齿表面产生裂纹此裂纹逐渐向齿根部扩展,并沿承线绳表面延件,直至整个带齿与带基体脱离,这就是带齿的剪切脱落(见图3-3)。造成带齿剪切脱落的原因大致有如下几个:1、同步带与带轮问有较大的节距差,使带齿无法完全进入轮齿槽,从而产生不完全啮合状态,而使带齿在较小的接触面积上承受过大的载荷,从而产生应力集中,导致带齿剪切损坏。 2、带与带轮在围齿区内的啮合齿数过少,使啮合带齿承受过大的载荷,而产生剪切破坏。 3、同步带的基体材料强度差。为减少带齿被剪切,首先应严格控制带与带轮间的节距误差,保证带齿与轮齿能正确啮合;其次应使带与带轮在围齿区内的啮合齿数等于或大于6,此外在选材上应采用有较高勿切韧挤压强度的材料作为带的基体材料。图3.3 带齿的剪切破坏 (4)、带齿的磨损带齿的磨损(见图3-4)包括带齿工作面及带齿齿顶因角处和齿谷底部的廓损。造成磨损的原因是过大的张紧力和忻齿和轮齿间的啮合干涉。因此减少带齿的磨损,应在安装时合理的调整带的张紧力;在带齿齿形设计时,选用较大的带齿齿顶圆角半径,以减少啮合时轮齿的挤压和刮削;此外应提高同步带带齿材料的耐磨性。图3.4 带齿磨损(5)、同步带带背的龟裂(图3-5)同步带在运转一段时期后,有时在带背会产生龟裂现象,而使带失效。同步带带背产生龟裂的原因如下, 1、带基体材料的老化所引起;2、带长期工作在道低的温度下,使带背基体材料产生龟裂。图3.5 同步带带背龟裂 防止带背龟裂的方法是改进带基体材料的材质,提向材料的耐寒、耐热性和抗老化性能,此外尽量避免同步带在低温和高温条件下工作。3.3.4 同步带传动的设计准则据对同步带传动失效形式的分析,可知如同步带与带轮材料有较高的机械性能,制造工艺合理,带、轮的尺寸控制严格,安装调试也正确,那么许多失效形式均可避免。因此,在正常工作条件下,同步带传动的主要失效形式为如下三种; (1)同步带的承载绳疲劳拉断; (2同步带的打滑和跳齿; (3)同步带带齿的磨损。 因此,同步带传动的设计淮则是同步带在不打滑情况下,具有较高的抗拉强度,保证承线绳不被拉断。此外,在灰尘、杂质较多的工作条件下应对带齿进行耐磨性计算。3.3.5同步带分类同步带齿有梯形齿和弧齿两类,弧齿又有三种系列:圆弧齿(H系列又称HTD带)、平顶圆弧齿(S系列又称为STPD带)和凹顶抛物线齿(R系列)。梯形齿同步带 梯形齿同步带分单面有齿和双面有齿两种,简称为单面带和双面带。双面带又按齿的排列方式分为对称齿型(代号DA)和交错齿型(代号DB。梯形齿同步带有两种尺寸制:节距制和模数制。我国采用节距制,并根据ISO 5296制订了同步带传动相应标准GB/T 1136111362-1989和GB/T 11616-1989。弧齿同步带 弧齿同步带除了齿形为曲线形外,其结构与梯形齿同步带基本相同,带的节距相当,其齿高、齿根厚和齿根圆角半径等均比梯形齿大。带齿受载后,应力分布状态较好,平缓了齿根的应力集中,提高了齿的承载能力。故弧齿同步带比梯形齿同步带传递功率大,且能防止啮合过程中齿的干涉。弧齿同步带耐磨性能好,工作时噪声小,不需润滑,可用于有粉尘的恶劣环境。已在食品、汽车、纺织、制药、印刷、造纸等行业得到广泛应用。3.4 同步带传动计算3.4.1 同步带计算选型设计功率是根据需要传递的名义功率、载荷性质、原动机类型和每天连续工作的时间长短等因素共同确定的,表达式如下:式中需要传递的名义功率工作情况系数,按表2工作情况系数选取=1.7;表3-3.工作情况系数确定带的型号和节距 可根据同步带传动的设计功率Pd和小带轮转速n1,由同步带选型图中来确定所需采用的带的型号和节距。 其中Pd=0.63kw,n1=61rpm。查表3-4表3-4选同步带的型号为H:,节距为:Pb=8.00mm选择小带轮齿数z1,z2 可根据同步带的最小许用齿数确定。查表3-3-3得。 查得小带轮最小齿数14。实际齿数应该大于这个数据初步取值z1=34故大带轮齿数为:z2=iz1=1z1=34。 故z1=34,z2=34。确定带轮的节圆直径d1,d2小带轮节圆直径d1=Pbz1/=8.0034/3.1486.53mm大带轮节圆直径d2=Pbz2/=8.0034/3.1486.53mm验证带速v 由公式v=d1n1/60000计算得, svmax=40m/s,确定带长和中心矩根据机械设计基础得所以有:现在选取轴间间距为取224mm10、同步带带长及其齿数确定=() = =719.7mm11、带轮啮合齿数计算有在本次设计中传动比为1,所以啮合齿数为带轮齿数的一半,即=17。12、基本额定功率的计算查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表4-3可以知道=2100.85N,m=0.448kg/m。 所以同步带的基准额定功率为=0.21KW表3-5 基准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量13、计算作用在轴上力=71.6N3.4.2 同步带的主要参数(结构部分)1、同步带的节线长度同步带工作时,其承载绳中心线长度应保持不变,因此称此中心线为同步带的节线,并以节线周长作为带的公称长皮,称为节线长度。在同步带传动中,带节线长度是一个重要参数。当传动的中心距已定时,带的节线长度过大过小,都会影响带齿与轮齿的正常啮合,因此在同步带标准中,对梯形齿同步带的各种哨线长度已规定公差值,要求所生产的同步带节线长度应在规定的极限偏差范围之内(见表3-6)。表3-6 带节线长度表2、带的节距Pb如图3-4所示,同步带相邻两齿对应点沿节线量度所得约长度称为同步带的节距。带节距大小决定着同步带和带轮齿各部分尺寸的大小,节距越大,带的各部分尺寸越大,承载能力也随之越高。因此带节距是同步带最主要参数在节距制同步带系列中以不同节距来区分同步带的型号。在制造时,带节距通过铸造模具来加以控制。梯形齿标准同步带的齿形尺寸见表3-5。3、带的齿根宽度一个带齿两侧齿廓线与齿根底部廓线交点之间的距离称为带的齿根宽度,以s表示。带的齿根宽度大,则使带齿抗剪切、抗弯曲能力增强,相应就能传动较大的裁荷。图3.7 带的标准尺寸表3-7 梯形齿标准同步带的齿形尺寸4、带的齿根圆角带齿齿根回角半径rr的大小与带齿工作时齿根应力集中程度有关t齿根圆角半径大,可减少齿的应力集中,带的承载能力得到提高。但是齿根回角半径也不宜过大,过大则使带齿与轮齿啮合时的有效接触面积城小,所以设计时应选适当的数值。5、带齿齿顶圆角半径八带齿齿项圆角半径八的大小将影响到带齿与轮齿啮合时会否产生于沙。由于在同步带传动中,带齿与带轮齿的啮合是用于非共扼齿廓的一种嵌合。因此在带齿进入或退出啮合时,带齿齿顶和轮齿的顶部拐角必然会超于重叠,而产生干涉,从而引起带齿的磨损。因此为使带齿能顺利地进入和退出啮合,减少带齿顶部的磨损,宜采用较大的齿顶圆角半径。但与齿根圆角半径一样,齿顶圆角半径也不宜过大,否则亦会减少带齿与轮齿问的有效接触面积。6、齿形角梯形带齿齿形角日的大小对带齿与轮齿的啮合也有较大影响。如齿形角霹过小,带齿纵向截面形状近似矩形,则在传动时带齿将不能顺利地嵌入带轮齿槽内,易产生干涉。但齿形角度过大,又会使带齿易从轮齿槽中滑出,产生带齿在轮齿顶部跳跃现象。3.4.3 同步带的设计在这里,我们选用梯形带。带的尺寸如表3-8。带的图形如图3-5。表3-8 同步带尺寸型号节距齿形角齿根厚齿高齿根圆角半径齿顶圆半径H840。6.124.31.021.02图3.8 同步带3.4.4 同步带轮的设计同步带轮的设计的基本要求1、保证带齿能顺利地啮入与啮出由于轮齿与带齿的啮合同非共规齿廓啮合传动,因此在少带齿顶部与轮齿顶部拐角处的干涉,并便于带齿滑入或滑出轮齿槽。2、轮齿的齿廊曲线应能减少啮合变形,能获得大的接触面积,提高带齿的承载能力即在选探轮齿齿廓曲线时,应使带齿啮入或啮出时变形小,磨擦损耗小,并保证与带齿均匀接触,有较大的接触面积,使带齿能承受更大的载荷。3、有良好的加了工艺性 加工工艺性好的带轮齿形可以减少刀具数量与切齿了作员,从而可提高生产率,降低制造成本。4、具有合理的齿形角齿形角是决定带轮齿形的重要的力学和几何参数,大的齿形角有利于带齿的顺利啮入和啮出,但易使带齿产生爬齿和跳齿现象;而齿形角过小,则会造成带齿与轮齿的啮合干涉,因此轮齿必须选用合理的齿形角。同步带轮的设计结果同步带轮用梯形齿,其图形如图4-4。 图3.9 同步带轮3.5 带传动的张紧装置的选择传动中心不可变时,采用张紧轮传动中心可调时,采用滑轨+螺旋或者浮动轴。表3-1张紧装置本跑步机中心距是可调的:a=a0+(Le- Le0)/2=150-1.48=148.52mm则a1=153.52mm a2=140.52mm范围在140.52-153.52之间,则通过螺栓的前后移动来调节电机的前后移动,从而实现带的调紧和放松。3.6 轴的设计3.6.1带轮上力的计算轴上传递的功率=X0.96X0.97X0.97=30.63 w转矩=9550000=9550000x30.63/150=1950110N.mm3.6.2材料可选轴的材料为45钢,调质处理。3.6.3计算轴的最小直径查机械设计表15-3可取=120,由于轴的直径小于100mm,且由3个键槽,故将轴径增加15%,即d=x(1+0.15)=7.066x1.05=8.1259 mm将轴径圆整为标准直径,取d=10 mm3.6.4轴的结构设计1、轴结构2、根据轴向定位的要求,确定轴的各段直径和长度。(1)、根据飞轮内径可得d67=30 mm,根据飞轮的宽度可得出L67=20 mm,右侧采用轴肩定为,取d78=38 mm,L78=11 mm。(2)、初选深沟球轴承D6204,其尺寸为dxDxB=20x47x14,故d45=d910=20 mm,根据装配关系取L45=L910=15 mm 。(3)、5处为一定位轴肩,故取d56=d89=25 mm,根据装配关系,计算得L56=L89=383 mm 。(4)、3处为一定位轴肩,故取d23=d910=16 mm,根据装配关系,计算得L23=L910=33 mm。(5)、1处为轴的最小直径d=10 mm,攻螺纹,与螺母配合,选择螺母为 GB/T 6172.1。通过查机械设计手册的螺母厚度m=5 mm,由于采用双螺母预紧,故取L12=L1213=19 mm。(6)、4处为一定位轴肩,所以取d34=d1011=18 mm,根据装配关系计算得出,L34=L1011=40 mm。至此已经确定了轴的各段长度和直径。3.7 轴的校核需要验算传动轴薄弱环节处的倾角荷挠度。验算倾角时,若支撑类型相同则只需验算支反力最大支撑处倾角;当此倾角小于安装齿轮处规定的许用值时,则齿轮处倾角不必验算。验算挠度时,要求验算受力最大的齿轮处,但通常可验算传动轴中点处挠度(误差%3).当轴的各段直径相差不大,计算精度要求不高时,可看做等直径,采用平均直径进行计算,计算花键轴传动轴一般只验算弯曲刚度,花键轴还应进行键侧挤压验算。弯曲刚度验算;的刚度时可采用平均直径或当量直径。一般将轴化为集中载荷下的简支梁,其挠度和倾角计算公式见【5】表7-15.分别求出各载荷作用下所产生的挠度和倾角,然后叠加,注意方向符号,在同一平面上进行代数叠加,不在同一平面上进行向量叠加。:通过受力分析,最大挠度:查【1】表3-12许用挠度; 。3.8 键的校核键和轴的材料都是钢,由【4】表6-2查的许用挤压应力,取其中间值,。键的工作长度,键与轮榖键槽的接触高度。由【4】式(6-1)可得可见连接的挤压强度足够了,键的标记为:3.9 轴承的校核、轴轴承的校核轴选用的是深沟球轴承6206,其基本额定负荷为19.5KN, 由于该轴的转速是定值,所以齿轮越小越靠近轴承,对轴承的要求越高。根据设计要求,应该对轴未端的滚子轴承进行校核。轴传递的转矩 受力 根据受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为:在水平面:在水平面: 因轴承在运转中有中等冲击载荷,又由于不受轴向力,【4】表13-6查得载荷系数,取,则有: 轴承的寿命计算:所以按轴承的受力大小计算寿命 故该轴承6206能满足要求。、其他轴的轴承校核同上,均符合要求。 图3-2 UG跑步机整体设计图结 论经过几个月的努力,并且在指导老师和同学的帮助下完成了此次跑步机的毕业设计,从最开始查找各种关于本次毕业设计的资料到确定总体方案,机械传动部件的选型,最后到撰写说明书,这是一个学习的过程,更是一个实践的过程。在大学四年当中,我接触和吸收了大量机械知识,通过此次的毕业设计设计,让我能有机会把学到的理论知识用到实践中。在今后的学习生活中,这次毕业设计的经历将起到重要帮助作用,通过设计使我更加接近生产实际,锻炼了将理论运用于实际的分析和解决实际问题的能力,巩固、加深了有关机械设计方面的知识。通过这次的毕业设计,我对机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识,机械传动部件的选用原则,机械传动部件设计计算方案的原理等方面都有了一定的认识。此次设计,我认为最重要的事情就是让我明白了,无论做什么事情,要想做好,必须态度端正;要善于学习,时刻学习;做事要严谨、认真,细致、不怕吃苦,还要有创新精神。参考文献参考文献1丁玉兰人机工程学第三版 北京理工出版社, 20052 邹慧君主编机械原理 北京高等教育出版社19993 申永胜主编机械原理教程
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