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This paper focuses on the needs of working families from the actual work with the elliptical machine, there are products for large-scale functions and less disadvantage now, aimed at families, multi-functional, market-oriented projects and industrialization operations of the foundation. To this end, this paper carried out the following work: It introduces the basic features of an elliptical machine for home use, pointing out that the current situation of household elliptical machine with the main content and research family difficulties elliptical machines reviewed, demonstrates the necessity of the market for home use elliptical machine and importance. It describes the structure, working principle of family with elliptical machines. By optimizing the elliptical machine for home use setting program, a reasonable selection, reasonable design family with elliptical machine workflow and distribution at all levels of the transmission ratio, design and development of a new generation of multi-functional fitness equipment. The exercise is suitable for indoor household use, low cost, multi-function. Keywords: household, elliptical machines, mechanical movement, pedal 目 錄 第1章 緒論 1 1.1健身器材的定位，作用，意義及我們健身器材發(fā)展現狀 1 1.1.1健身器材的定位 1 1.1.2健身器的作用 1 1.1.3健身器的意義 2 1.1.4我國健身器發(fā)展現狀 2 1.2家庭用多功能健身器簡介 3 1.3研究的目的和意義 3 第2章 家庭用橢圓機總體設計 5 2.1 設計原則 5 2.2 人機工程設計 6 2.3 影響家庭用橢圓機性能的人體因素 7 2.4 家庭用橢圓機設計結構要素分析 8 2.5 人一車動態(tài)特性分析 9 2.6 家庭用橢圓機的構成 10 2.7 家庭用橢圓機方案設計 11 第3章 健身器材的現狀與發(fā)展 12 3.1健身器材的產生與發(fā)展過程 12 3.1.1健身器材的產生 12 3.1.2健身器材的發(fā)展 12 3.2家庭用橢圓機的特點 12 3.3家庭用橢圓機的組成 13 第4章 家庭用橢圓機的設計計算與說明 14 4.1家庭用橢圓機可行性分析 14 4.2家庭用橢圓機的原理 14 4.3家庭用橢圓機各部分的設計說明與計算 15 4.3.1車架的設計與計算 16 4.3.2 動力裝置 17 4.4 鍵的設計及強度校核 17 4.5 軸的設計及強度校核 18 4.7軸承的選擇及校核 22 4.8 潤滑與密封 23 4.9 滾動軸承的受力 24 4.10 踏板車輔助結構的說明 27 4.11本章小結 28 第5章 家庭用橢圓機安裝測試說明 29 5.1零件組安裝說明 29 5.2踏板車的測試 29 結論 30 參考文獻 31 致謝 32 第1章 緒論 1.1健身器材的定位，作用，意義及我們健身器材發(fā)展現狀 1.1.1健身器材的定位 健身器材就是用于身體鍛煉的器械，例如啞鈴、跑步機等都屬于健身器材。依據用途分，它可以分為專業(yè)的和非專業(yè)的。按照空間分，它可以分為戶外的和室內的。 這件設計屬于室內健身器材，可以讓人足不出戶便可得到身體各方位的鍛煉。 1.1.2健身器的作用 隨著世界城市經濟的發(fā)展和人民生活水平的迅速提高，城市居民的健康意識逐漸增強，健身也成為人們日常生活中的重要組成部分。然而在日常生活中難免有無法進行戶外鍛煉的日子。壞天氣，應酬太多，工作時間等等都讓人們無法每天在戶外進行必要的鍛煉。健身器的出現尤其是室內健身器材起到了足不出戶也可鍛煉身體的作用。無論天氣如何惡劣，無論白天黑夜只要擁有一臺室內健身器便可以達到鍛煉身體的目的。隨著我們國家經濟的發(fā)展，人們生活水平不斷提高，在物質生活得到滿足的前提下，人們開始追求更高的生活質量，通過不同的方式使生活變的更加豐富多彩。由于這樣或那樣的原因，健身器材越來越受人們所青睞。我們隨處可以感受到人們對健身的重視，不管是老年人，中年人還是兒童都會選擇一定的方式來健身。選擇什么樣的健身方式和選擇什么樣健身器材也是值得人們所考慮的問題。 健身器材起源于20世紀70年代初的美國和加拿大，它的發(fā)明是一個很讓人認可的事，將人們的運動由室外轉向室內，這是一個創(chuàng)舉。我們不用為每天刮風下雨影響鍛煉效果而在意，這樣就使得跑步機成為健身器材中最受歡迎的設備。經過30年的工業(yè)創(chuàng)新，使的美國及加拿大的產品成為全球健身器材產品的領跑者，人們意識到了健身器材工業(yè)是一個朝陽產業(yè)，而且越來越為廣大使用者接受。我國到了90年代末才出現了一些廠家生產健身器材，這是我國健身器材工業(yè)的開始。 現在大多數的健身器材都是固定在某個場所，如健身俱樂部，體育場館和家庭等。這樣的健身器材雖然能夠達到一定的健身目的，但是很難提升人們健身的樂趣。怎樣才能讓人們既達到了健身的目的，又對健身產生樂趣。一種新型的健身器材—腳踏擺動健身踏板車的產生可以為我們解決這些問題。它的使用場合很廣，如在上學的路上，在上班的路上都可以健身，健身變得方便和具有樂趣。在健身的同時可以享受大自然的美麗，給人們在身體上和精神上的享受。 家庭用橢圓機在許多方面優(yōu)越于現有的運動健身器材，使其更具有市場，會越來越受人所青睞。家庭用橢圓機設計為自擬課題，具有創(chuàng)新的設計，要綜合考慮機械運動原理、機械設計學和人因工程學方面的知識。這次設計對我來說是一次很好的鍛煉機會，通過老師的指點，同學的幫助，對課題的內容進行了探索和設計，現將設計過程和內容闡述于下。 1.1.3健身器的意義 社會時代的飛速發(fā)展，讓人們生活水平迅速提高。然而由于工作量繁多，生活節(jié)奏加快，各種由于身體沒有得到有效鍛煉而衍生出的疾病也在困擾的人們。沒有時間去健身房，沒有適合的健身場所這些都是身體得不到鍛煉的問題根源。如今“健身器”成了時下熱議的名詞，它的出現讓人們不在為身體得不到鍛煉而煩惱。只需在家里，可以是睡前一點時間，可以在清晨起床后的一點點時間，用了健身器身體便會得到足夠的鍛煉。增強的體質，提高了免疫能力?？梢哉f健身器為現代生活中的人們帶來了健康。尤其是對那些工作量大，空閑時間少的上班一族來說更是有很大的好處 1.1.4我國健身器發(fā)展現狀 一個國家的體育消費水平決定了該國的體育市場的發(fā)展程度。世界許多經濟發(fā)達的國家家庭的體育消費都十分可觀。1994年，英國家庭體育消費為130億美元，意大利為94億美元，西班牙為81億美元，德國為640億馬克。1996年法國家庭體育消費為462億法郎，占整個體育消費的49%。相比之下我國的體育消費就很低了，據國家體育總局公布的《2001年中國群體體育現狀調查報告》，我國城鄉(xiāng)居民以家庭為單位全年體育消費平均為397.42元，其中用于購買家庭健身器械平均為92.09元，表明我國家庭健身器械的市場消費水平很低。 從一個國家的人口總數和家庭所擁有的健身器械的比例來看，美國人口2.81億，其跑步機一年的銷量為300萬臺；韓國人口4600多萬。2002年跑步機銷量為100萬臺；而中國擁有13億，跑步機一年的銷量僅在20萬臺左右，目前跑步機在中國家庭的普及率僅為1%。雖然近年來，我國對于家庭健身器械的消費有所增長，但相比國外發(fā)達國家的家庭擁有量，還有很大的距離。 從國際視角比較來看我國在體育產值，體育消費水平及體育產業(yè)吸納就業(yè)人口比重三個方面，與西方發(fā)達國家都存在較大的差距，這些問題直接或間接的反映了當前我國體育市場整體上還處于起步和初級發(fā)展階段，近你那來家庭健身器械的總銷售額雖有增長，卻非常緩慢，同時也預示著家庭健身器械領域市場開拓的潛力巨大。 我國家庭健身器發(fā)展主要存在：有效需求不足，健身器械市場主體不成熟，家庭健身器發(fā)展的市場機遇這些問題。 本次設計打破常規(guī)，多功能可以滿足各種需求，使其具有很高的市場競爭力和存活力，從而在健身器這一領域中占據重要位置。 1.2家庭用多功能健身器簡介 這款家庭用多功能健身器是應時下人們對健身器的要求而設計的。它綜合了握力器，拉力器，坐蹬訓練器，劃船器等多種健身器材的功能，可以有效地鍛煉您的身體各處。考慮到由于是家庭室內使用，因此在設計之初就想到占地面積這一問題。這款集合了多種健身器功能于一身的新型健身器占地面積并不大，可以再絕大部分室內擺放。按照人體構造設計各個零件，符合人性化要求。 為了滿足多功能而且占地面積要小的要求，這款家庭多功能健身器計劃初變考慮到增加適當高度來減少占地面積從而滿足任何人在自己室內使用該健身器的愿望。 1.3研究的目的和意義 隨著全民健身熱的興起，每個家庭的健身意識正在不斷提高，不少家庭把健身器械購回家里，進行健身鍛煉，以期達到健康身體，陶冶情操和家庭和諧享受的目的。因此，人們也越來越關心市場上各種各樣的健身器械，著意進行比較和選擇，挑選適合自己的家庭成員健身健美的產品，建立起自己的家庭健身俱樂部。其實，人們對自己擁有的健身器械的要求并不很高，總的來說有三點：一是效果明顯；二是價格合理；三是外觀好，占地小，噪音低。凡具有上述特點的家用健身器材就特別受消費者的歡迎。 近幾年，市場上流行的健身器材種類很多，但流行不一定受歡迎。有的健身器材功能單一，雖價格較低，但一般消費者認為并不劃算；另外一些健身器材功能較多，但結構復雜，使用空間大，價格較高，大多數消費者又接受不了。所以真正能進入家庭的產品并不是很多。 此次設計研究的目的就是為了研發(fā)出一種與現在市場上出現的健身器械不同的一部健身器?？朔δ軉我?，結構復雜，使用空間大，價格較高的缺點，提高使用效果，價格合理，占地小，噪音低。從而在市場中立于不敗之地。 此次研究意義在于為每一戶購買健身器的家庭節(jié)約資金，用一臺機器達到多臺機器的鍛煉效果，增強人們的體質，給千家萬戶帶來健康. 第2章 家庭用橢圓機總體設計 2.1 設計原則 家庭用橢圓機的設計尺寸是根據人體尺寸來設計的,各個部分的定位均參照人體尺寸。人體的主要尺寸:國標GB10000-1988給出身高、體重、上臂長、前臂長、大腿長、小腿長共六項主要尺寸數據。 下表是我國成年人人體主要尺寸和坐姿人人體尺寸(摘自GB10000-1988《中國成年人人體尺寸》): 表2-1 我國成年人人體主要尺寸和坐姿人體尺寸 主要尺寸 男(18～60歲) 女(15～55歲) 百分位數 5 50 95 5 50 95 身高 1583 1678 1775 1484 1570 1659 體重∕kg 48 59 75 42 52 66 上臂長 289 313 338 262 284 308 前臂長 216 237 258 193 213 234 大腿長 428 465 505 402 438 476 小腿長 338 369 403 313 344 376 坐姿尺寸 男(18～60歲) 女(15～55歲) 坐高 858 908 958 809 855 901 坐姿頸椎 615 657 701 579 617 657 坐姿眼高 749 798 847 695 739 783 坐姿肩高 557 598 641 518 556 594 坐姿肘高 228 263 298 215 251 284 坐姿大腿 112 130 151 113 130 151 坐姿膝高 456 493 532 424 458 493 小腿加足 383 413 448 342 382 405 坐深 421 457 494 401 433 469 臀膝距 515 554 595 496 529 570 坐姿下肢 921 992 1063 851 912 975 設計要點： 1. 座的形式與尺度及其功用有關 2. 座材的尺度必須參照人體測量學數據確定 3. 身體的主要重量應由臀部坐骨結節(jié)承擔 4. 座材前緣處，大腿與家庭用橢圓機之間壓力應盡量減小 5. 腰椎下部應提供支承，設置適當的靠背以降低背部緊張度 6. 器材墊必須有足夠的墊料和適當的硬度，使其有助于體重壓力均勻地分布于坐骨結節(jié)區(qū)域 組成家庭用橢圓機的功能是供人騎行，就發(fā)揮家庭用橢圓機的功能作用而言，把人看作家庭用橢圓機的組成部分是完全合理的。因此，人在騎車時組成了人一車系統(tǒng)，該人一車系統(tǒng)中的人一車界面關系可由圖1-1來進行分析。 2.2 人機工程設計 1、人與支撐部件的關系 圖1-1 人-車界面關系 支撐部件主要有車架、前叉、鞍座和車把等，是家庭用橢圓機的構架。支撐部分將其他零部件固定在相互間正確的位置上，保證家庭用橢圓機的整體性，實現家庭用橢圓機的功能。從人機關系來看，鞍座、車把和車架等的位置和大小，以及它們間的相互關系，與騎車人的位置和肌肉的動作有著性的設計參數。 2、人與動力接受部件關系 　　動力接受部件主要是腳蹬和曲柄。動力是靠騎車人的雙腳踩在腳蹬上，下肢運動的力使曲柄轉動而產生的。為了使人省力和有舒適感，必須在騎家庭用橢圓機人的體格和體力與家庭用橢圓機元件的尺寸關系上下功夫，即研究人體下肢肌肉的收縮運動與曲柄轉動之間的能量轉換問題。 3、人與傳動部件關系 傳動部件主要是滾珠、帶條和帶輪。人的作用力是通過帶條和帶輪傳動而帶動后輪轉動，從而使家庭用橢圓機前移。傳動部分的設計關鍵是要有較高的傳動效率和可靠性，且有易操縱的變速機構。保證較高的傳動效率，才能使人用一定的肌力而獲得較大的輸出功率。 4、人與工作部件關系 工作部件就是車輪，即車圈、輪胎等。絕大部分輪胎是充氣的，少數是實心的。車輪一方面把騎車人的肌肉力量，有效地轉換為同地面接觸而向前運動的力；另一方面將騎車人的握力轉換為與接地部分所產生的剎車阻力。在設計家庭用橢圓機的各部分尺寸、車閘及變速器等時，應該著眼于騎車人一動力一傳動一工作的連貫性，才可能設計出同騎車人手的大小或握力相適應的閘把、剎車力適當的車閘，才不會發(fā)生剎車阻力不夠而造成失誤現象。 2.3 影響家庭用橢圓機性能的人體因素 影響家庭用橢圓機性能的人體因素很多，如圖1-2 所示?，F主要分析下述幾點： 1．人的體格因素 以身高 H 為基本因素，其他身體的能力與 H 成比例，并有與H2、 H3成比例的特性。如手臂、腿、氣管等的長度與身高成比例，從而以骨關節(jié)為中心所產生的力矩、步幅等，都取決于H的大小。肌肉、大動脈、骨骼的截面積以及肺泡的表面積等都可看成與 H2成比例。肺活量、血液量、心臟容量等都可看成與 H3成比例。體格對出力性能的影響，從理論上講，彈跳能力與H成比例，速度能力與 H2成比例，作功能力和 H3成比例。但實際上因每個人身體素質不同，常有20％以上的偏差。 2．人的下肢肌力 家庭用橢圓機騎行的原動力，主要是騎車人的下肢肌力。人騎車時，骨骼肌肉內部的化學能轉換為肌肉收縮的機械能。家庭用橢圓機腳蹬的轉動就是通過腿肌收縮出力而完成的，一般說腿肌長的人比腿肌短的人有利。肌肉收縮時產生的力，一般與肌肉的截面積成比例，約為每平方厘米40--50N ，通過一定訓練的人可提高到65N 。 3．人的輸出功率 人輸出的功率隨著騎車人的體格、體力、騎車姿勢、持續(xù)時間和速比等的變化而變化。一般成年男人的最大輸出功率約為 0.7 馬力（ 0.51 kw ) ，能持續(xù) 10s左右。如果持續(xù)時間長，其值要小得多，持續(xù) lh ，大約只有 1.0-0.7馬力（0.07-0.15kw）。 4．人的腳踏速度 家庭用橢圓機運動是很有節(jié)奏的，其節(jié)奏常常與人的心臟節(jié)律保持一定關系。健康人的心臟跳動為70 次／min ，一般腳踏以 60r/min 節(jié)奏轉動較為合適。設計時以這一常用速度來確定相關設計參數。 5．人的平衡機能 騎車人本身的平衡機能是影響家庭用橢圓機性能的重要因素，如果缺少平衡機能，哪怕是運動性能很好的家庭用橢圓機也不能平穩(wěn)行駛；若人有很好的平衡機能，卻可掩蓋家庭用橢圓機設計上的某些缺陷。 6．人的手和握力 影響剎車性能的人的因素主要是人的手和握力，男性和女性，成年人和兒童，手的大小和握力都不相同。據試驗，為了長時間施閘而不致使手有疼痛的感覺，希望只用最大握力的10％左右便能得到必要的減速度。 7 ．人的疲勞 人體疲勞和疼痛是對騎車出力性能的不利因素，其產生原因有人體因素，也有家庭用橢圓機結構因素。疲勞和疼痛一般是由于部分肌肉負擔過大，騎車姿勢不合適，以及體重對鞍座的體壓分體不合適等引起的。此外，影響出力因素還有人的最大攝氧量。 2.4 家庭用橢圓機設計結構要素分析 影響家庭用橢圓機性能的因素除了上述人的因素外，還有許多機械因素，如圖1-3所示。為了獲得家庭用橢圓機較佳的性能，必須把人的因素與機械因素有機地結合起來，以使人一車協(xié)調。為此，著重分析與人體相關的結構要素。 1．速比 大小帶輪的齒數比，與帶輪直徑比相一致，一般控制在2.3-4.0的范圍內。利用速比關系可取得騎行時所必要的功率和必要的速度。速比要合適，如果太小，無論人的肌力有多大，由于不能充分提高轉速，所以就得不到大的輸出功率。也由于速比小，在限定的曲柄轉速下，得不到必要的騎行速度（后輪轉速）。速比過大時，要求的踏力也大，容易使人疲勞。為了保持不疲倦的持續(xù)騎行，希望肌肉的負擔約為最大肌力的10% ，按此選擇速比和曲柄轉速，可得到比較好的效果。 2．曲柄長度 傳統(tǒng)的家庭用橢圓機設計，一般從杠桿原理考慮比較多，對人研究少，認為曲柄越長越有力。曲柄過長后，為了不使腳蹬碰到前泥板，不得不加大中軸至前軸的距離（前心距）。這樣勢必加長車架，影響了正確的坐車姿勢，使人感到臀部痛。若能按人的身長或下肢長來考慮曲柄長度，則可使人省力和舒適。通常曲柄長度的基準，取人體身長的 1／10 ，也相當于大腿骨長的 1／2 。 3 ．三接點位置 正確的騎車姿勢，是由騎車人和家庭用橢圓機三個接點位置決定的，如圖1-4(a）中所示的鞍座位置 A 、車把位置B 、腳蹬位置C 。按三點調整法，AB 和AC 約等，一般 AB = ( AC 一 3 ) cm , A點略低于B點，約為5cm 。 4 ．鞍座位置 鞍座裝得過低，騎行時雙腳始終呈彎曲狀態(tài)，腿部肌肉得不到放松，時間長了就會感到疲軟無力；鞍座裝得過高，騎行時腿部的肌肉拉得過緊，腳趾部分用力過多，雙腳也容易疲勞。騎車時適當的用力部位是腳掌。設計或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窩部位中心緊靠鞍座中部，使手的中指能觸到裝配帶輪的中軸心為宜。人體各部尺寸都有一定的聯系，只要腋窩中心至中指的長度確定下來，鞍座高度便可大致確定。 5 ．車閘 設計時，閘把開擋、力率和閘把力要與人手的大小和握力相適應。靈敏度高的車閘，隨著閘把上力的增大，剎車力也按比例地增加。如果閘把力到達某一程度不發(fā)生剎車作用，繼而又驟然生效，說明這種車閘設計不良。在緊急情況下操縱時，理想的施閘力和減速度見表1-1 。 2.5 人一車動態(tài)特性分析 1 ．動態(tài)穩(wěn)定性 家庭用橢圓機的穩(wěn)定是行駛過程中的穩(wěn)定，是一種動態(tài)平衡的穩(wěn)定性。動態(tài)穩(wěn)定性影響到家庭用橢圓機騎行中的動作，包括直進穩(wěn)定性和前后左右方向的穩(wěn)定性，見圖 1-5(a）。顯然，穩(wěn)定性對安全行駛是必不可少的特性。 2．力學特性 家庭用橢圓機行駛在平地上轉彎的條件是側向力（與離心力平衡）與家庭用橢圓機總重量（人和車的重量）的合力作用線要通過輪胎與地面的接觸點。這當然與騎車人有關，但更重要的是家庭用橢圓機的造型要有適合這種力學特征的結構形式。 3 ．轉向特性 家庭用橢圓機轉彎時可能有三種情況： 人體和車身向內傾的角度相等。即騎車人身體的中心線和車子的中心線一致時，家庭用橢圓機就可以轉彎，即所謂中傾旋轉，見圖1-5(b) ；騎車人的傾斜角比車子的傾斜角大時，此時的轉彎即所謂內傾旋轉，見圖（c）；騎車人的傾斜角比車子的傾斜角小時，此時的轉彎即所謂外傾旋轉，見圖(d))。 2.6 家庭用橢圓機的構成 家庭用橢圓機的整體構成由以下幾大模塊： (1).車身 在行駛中，車身的造型對整個行駛的效率有著很大的影響，因為車身的造型直接影響到的是行進的阻力。此處設計的水陸家庭用橢圓機的車體造型也已達到最小阻力位佳，通過流體力學，我們可以針對各種造型在水中行進時所受的阻力進行分析，核定最佳造型設計以達到最佳運動效率。 (2).傳動系統(tǒng) 通過機械設計我們可以比較確切的分析各種傳動系統(tǒng)的傳動關系進而計算出總傳動系統(tǒng)的傳動效率進行核算。 (4).導向機構 正常直線行駛時，導向機構應不構成阻力，設計的導向機構應簡單便捷為好。 2.7 家庭用橢圓機方案設計 目前家庭用橢圓機設計各式各樣，這里的設計主要從傳動系統(tǒng)方面來結合設計。分析以上性能需求，并根據本設計需要，針對推傳動系統(tǒng)的的設計提出以下方案的特點及創(chuàng)新: 1. 該方案采取大量三角形結構，從而確保該產品的穩(wěn)定性及耐用性 2.帶條傳動使動力能更好的傳遞，達到省力的效果。 3. 該產品人性化設計，提高了該產品的實用性。 橢圓機的設計及仿真 第3章 健身器材的現狀與發(fā)展 3.1健身器材的產生與發(fā)展過程 3.1.1健身器材的產生 健身器材起源于20世紀70年代初的美國和加拿大，它的發(fā)明是一個很讓人認可的事，將人們的運動由室外轉向室內，這是一個創(chuàng)舉。我們不用為每天刮風下雨影響鍛煉效果而在意，這樣就使得跑步機成為健身器材中最受歡迎的設備。經過30年的工業(yè)創(chuàng)新，使的美國及加拿大的產品成為全球健身器材產品的領跑者，人們意識到了健身器材工業(yè)是一個朝陽產業(yè)，而且越來越為廣大使用者接受。我國到了90年代末才出現了一些廠家生產健身器材，這是我國健身器材工業(yè)的開始。 3.1.2健身器材的發(fā)展 健身器材從當初單一的跑步機、室內自行車等發(fā)展到現在的多功能家庭用橢圓機、健身椅等等，容入越來越多的科學技術與科學的健身方法，使得健身越來越有成效。健身器材同時也向室外發(fā)展，我們可以在居民小區(qū)里看到一些健身器材，那些健身器材小巧，使用方便，適合大眾化的健身需求。作為一種室外健身器材，家庭用橢圓機有它獨特的優(yōu)勢，那就是能夠移動健身，能夠在上班的路上、上學的路上，在公園休閑時體驗健身。 3.2家庭用橢圓機的特點 家庭用橢圓機具有傳統(tǒng)踏板車的小巧，靈活，可以折疊等等特點，正得到越來越多的健身愛好者的喜愛。它又有獨特的設計，那就是具有動力裝置，使踏板車得到了改進與發(fā)展，健身者通過腳踩踏板，使動力通過動力裝置傳遞給車輪，從而使得車子前進。它能夠達到時速20公里，動力裝置由棘輪和零件機構組合而成，由于單一的基本機構往往由于其本身所固有的局限性而無法滿足多方面的要求，采用組合機構，既發(fā)揮了各基本結構的特長，又避免各機構的局限性，形成一種新的機構系統(tǒng). 3.3家庭用橢圓機的組成 家庭用橢圓機主要包括以下5部分的內容： 1. 車架 2. 動力裝置 3. 車輪 4. 其他裝置 下面就家庭用橢圓機方案的可行性進行分析，對家庭用橢圓機4個部分的設計進行計算和說明。 第4章 家庭用橢圓機的設計計算與說明 4.1家庭用橢圓機可行性分析 家庭用橢圓機采用腳踩踏板使踏板擺動，踏板帶動零件棘輪組合件，傳遞給零件機構，再通過鏈條把動力傳遞到車輪，實現整個動力的傳遞。如踏板車要求時速達到20公里，那么后輪的線速度為[1]。 （3.1） 后輪的轉速（選擇直徑為300的輪子） （3.2） 取踏板的轉速 動力傳遞方面，取踏板車和人的總重量為80kg，與地面的摩檫系數取0.1。 后輪傳遞提供的功率[2]。 （3.4） 其余各軸所傳遞的功率分別為 （3.7） 人只要提供0.554kw的功率就可以是踏板車運動。 4.2家庭用橢圓機的原理 大自然離我們有多遠，我們離健康就有多遠。身處城市，我們的運動健身空間被壓縮。但是空間少了并不意味著放棄運動健身。我們需要一種運動健身器械，它應滿足： 1.它是一種充滿趣味的運動器材，時尚且平易近人讓人們使用的時候既能接受，又能具有實用價值。 2.它應當符合全民健身這么一個概念。這就需要它老少兼宜安全并且具有容易上手使用的特點。 3.作為一種戶外的運動工具它應當保證一定的運動量，并且在此基礎上有一種高效的運動健身效率。 這就是設計“腳踏擺動家庭用橢圓機”的原始動機。 腳踏健身踏板車的動力傳遞部分由棘輪和零件機構組合而成，通過踏板的來回擺動帶動零件棘輪組合件的擺動，再帶動零件增速機構，最后通過鏈傳動把動力傳遞給后輪，實現后輪驅動。在使用過程中首先需要使用者單腳蹬地，使車子獲得一定的速度后將兩腳一左一右放在踏板上，輕輕擺動上身，通過重心的移動來踩動踏板。由于棘輪機構存在一定的空程，速度越小空程影響就越明顯，所以只有當車子獲得一定的初速度后才能踩動踏板，而在靜止狀態(tài)下直接踩動踏板將不能獲得理想的效果。運動原理圖如圖4-1所示： 圖4-1 運動原理圖 橢圓機原理圖如下：動桿聯接兩回轉副，固定導桿聯接兩移動副，導桿呈十字形，動桿上各點軌跡為長短徑不同的橢圓。 按照圖中標出的箭頭方向，可以看出動力傳遞的方向，最后通過腳踏把動力傳遞給后輪，實現后輪驅動。 4.3家庭用橢圓機各部分的設計說明與計算 家庭用橢圓機是一個機構的組合體，它由各個功能不同的機構按照一定的組合來共同完成踏板車的功能，現將各部分的功能說明如下[3]。 4.3.1車架的設計與計算 車架需要安裝軸及零件等幾乎全部的零部件，它的尺寸將影響車子的主要重量，設計合理的車架形狀能夠使得車子變的輕巧，美觀等，除此之外，其強度也需要滿足它的使用者。在參考有關踏板車的資料后，決定采用類似T型截面的鑄鐵梁結構的材料制成車架，結構簡單，通過校核其強度來滿足使用要求。鑄鐵雖然屬于脆性材料，不具備好的抗拉強度，但具備較好的塑性，抗壓強度較好，在使用過程中車架主要承受抗壓，所以在承受壓力時不易變形，保證零件傳動的穩(wěn)定。設計時主要考慮其抗壓和抗拉強度是否滿足使用要求，此外，為了使踏板車設計更加美觀與小巧，對車架的寬度在滿足能夠安裝零件，零件運動過程中不相互干涉后進行縮小，以便使得車子的重量進一步縮小。 車架平面圖如圖4-2所示： 圖4-2 車架結構圖 4.3.2 動力裝置 家庭用橢圓機使用踏板與零件棘輪組合件的配合來完成動力的傳遞，這也是本次設計過程中最重要的部分之一，這中配合有多種方案可以選擇，經過對比后，我選擇踏板車左右各有一個踏板配合。 4.4 鍵的設計及強度校核 1.對于小帶輪的鍵，選用半圓頭平鍵C855，GB1096－79 多功能健身器上的鍵都為靜聯接，材料為鋼，則許用擠壓應力 取100 ,由參考文獻[1] P103 公式6－1 強度符合 2大帶輪上鍵校核 選用半圓頭平鍵C836，GB1096－79 強度符合 3.小齒輪上鍵校核 選用半圓頭平鍵C8 45，GB1096－79 4.大齒輪上鍵校核 選用半圓頭平鍵C1050，GB1096－79 強度符合 4.5 軸的設計及強度校核 按彎扭合成應力校核軸的強度 設計軸的尺寸由參考文獻[1] 公式15－2 由 參考文獻[1] 表15－3取110 所以傳動軸D1＝24mm 攪拌軸D2＝35mm 圖4-3 齒輪受力分析圖 1. 齒輪的力分析計算： 圓周力Ft = 徑向力Fr = 軸向力 2. 對H面上各力分析 =322N =4970N 3. 對V面上各個力分析 ＝ ＝ 以下圖組為軸受力分析圖： 圖4-4 軸受力總圖 圖4-5 軸H面受力及力矩圖 圖4-6 V面受力及力矩分析圖 圖4-7 扭矩圖 4. 當量彎矩： 由軸的結構簡圖及當量彎矩圖可知截面A處當量彎矩最大，是軸的危險截面。進行校核時，只校核軸上承受最大當量彎矩的截面的強度 合成彎矩： 當轉矩T=300000N；取得： 當量彎矩： 由參考文獻[1] 公式15－5 由參考文獻[1] 公式15－14 ＝0.12 軸強度足夠。 4.7軸承的選擇及校核 要據設計的尺寸軸承初選72005 GB/T292－94，對于球軸承： ＝ 圖4-8 軸承受力分析圖 對于7000C型軸承，按參考文獻[1] 表13－7計算軸承的派生軸向力： e為參考文獻[1] 表13－5的判斷系數。 所以軸承1被擠壓，軸承2被放松。 對軸承1＝0.44 ＝1.12 對軸承2 由參考文獻[1] 公式13－19 按軸承2受力大小分析并驗算軸承壽命： 軸承預計壽命 由參考文獻[1] 公式13－21 軸承壽命符合要求。 4.8 潤滑與密封 1、齒輪的潤滑：采用定時加油潤滑，由于齒輪間的嚙合不能浸在油液中，所以只能人工的定時給相互嚙合的齒輪加油。 2、軸承的潤滑：滑動軸承與軸固定在一起，在法蘭盤里滾動，通過法蘭上部的油標向滑動軸承里加油，軸承內側加氈圈油封，防止油液流出。軸承外側加透蓋，起固定和密封的作用。 3、潤滑油的選擇:齒輪與軸承用同種潤滑油較為便利，考慮到該裝置用于小型設備,選用L-AN15潤滑油。 4、攪拌桶與攪拌軸配合擋面環(huán)，防止面粉塵進入法蘭盤中，同時也是對氈圈油封密封作用的再次加強。 4.9 滾動軸承的受力 滾動軸承工作時，可以是外圈固定，內圈轉動，也可以是內圈固定、外圈轉動。對于固定套圈，處在承載區(qū)內的各接觸點，按其所在位置的不同，將受到不同在載荷。處于載荷作用線上的點將受到最大的接觸載荷。對于每一個具體的點，每當一個滾動體滾過時，便承受一次載荷，其大小是不變的，也就是承受穩(wěn)定的脈動循環(huán)載荷的作用。載荷變動的頻率快慢取決于滾動體中心的圓周速度。 轉動套圈上的各點的受載情況類似于滾動體的受載情況。他的任一點在開始進入承載區(qū)后，當該點與某一滾動體接觸時，載荷由零變到某一數值，繼變到零。當該點下次與另一滾動體接觸時，載荷就由零邊到另一數值，故同一點上的載荷[14]及應力是周期性不穩(wěn)定變化的。 滾動軸承的失效形式及計算準則 根據工作情況，滾動軸承失效形式主要有： （1）疲勞破壞 由于載荷的反復作用，首先在表面下一定深度處產生疲勞裂紋，繼而擴展到接觸表面，形成疲勞點蝕，使軸承不能正常工作。通常疲勞點蝕是滾動軸承的主要失效形式。 （2）永久變形 當軸承轉速很低或間歇擺動時，一般不會產生疲勞破壞，但在很大的靜載荷或沖擊載荷的作用下，會使軸承滾道和滾動體接觸處產生永久變形（滾道表面形成塑性變形凹坑），而使軸承在運轉中產生劇烈震動和噪聲，以至軸承不能正常工作。 決定軸承尺寸時，要針對主要失效形式進行必要的計算 軸承的壽命計算： （1）滾動軸承的基本額定壽命 一個滾動軸承在工作中發(fā)生疲勞點蝕前所經過的總轉數或工作小時數成為軸承的疲勞壽命。而由于制造精度、材料的均質程度的差異，即使是同樣材料、同樣尺寸以及同一批生產出來的軸承，在完全相同的情況下工作，他們的疲勞壽命也會極不相同。軸承的最長疲勞壽命與最短疲勞壽命可相差幾倍甚至幾十倍。 軸承的疲勞壽命不能以同一批實驗軸承種的最長壽命或者最短壽命作為標準。因為前者過于不安全，在實際使用中，提前破壞的可能性幾乎為100%；而后者又過于保守使幾乎100%的軸承都可以超過標準壽命而繼續(xù)工作。那么如何確定滾動軸承的疲勞壽命呢？現在規(guī)定：一組相同的軸承，在相同的條件下運轉，其中10%的軸承發(fā)生點蝕破壞，而90%的軸承不發(fā)生點蝕破壞前的總轉數（以106為單位）或一定轉速下的工作小時數作為軸承的疲勞壽命，并把這個疲勞壽命叫做基本額定壽命，以（或）表示。 由于基本額定壽命與破壞幾率有關，所以在按基本額定壽命計算而選擇出的一批軸承中，可能有10%的軸承提前發(fā)生破壞；同時也能有90%的軸承超過基本額定壽命后還能繼續(xù)工作，甚至還有相當多的軸承還能再工作一個、兩個或三個基本額定壽命期。對于每一個軸承來說，它能在基本額定壽命期內正常工作的概論是90%，而在基本額定壽命期未結束之前發(fā)生點蝕破壞的概率為10%。在作軸承的壽命計算時，必須先根據機器的類型、使用壽命及對可靠性的要求，確定一個相當的預期計算壽命，即設計機器時所要求的軸承壽命。 （2）滾動軸承的基本額定載荷 軸承的疲勞壽命與所受載荷的大小有關，工作載荷越大，引起的接觸應力也就越大，因而在發(fā)生點蝕破壞前所能經受的應力變化次數也就越少，即軸承的疲勞壽命越短。所謂軸承的基本額定動載荷，就是使軸承的基本額定壽命[15]恰好為106r時，軸承所能承受的最大載荷值，用字母C表示。這個基本額定動載荷，對于相心軸承，指的是純經向載荷，稱為經向基本額定動載荷，以Cr表示；對推力軸承，指的是純軸向載荷，稱為軸向基本額定動載荷，以Ca表示；對角接觸軸承，指的是使套圈產生純徑向位移的載荷的徑向分量。不同型號的軸承有不同的基本額定動載荷值，它表征了不同型號的軸承的成在能力，C值越大，承載能力越大。軸承樣本中對每個型號的軸承都給出了他的基本額定動載荷值C，單位N。 （3）滾動軸承壽命的計算公式 對于具有基本額定動載荷C的軸承，當它所受的載荷P恰好等于C時，其基本額定壽命就是106 r。但是當它所受的載荷時，軸承的壽命為多少？這就是軸承壽命計算所要求解決的一類問題。軸承壽命計算所需要解決的另一類問題是，軸承所受的載荷等于P，而且要求軸承具有的壽命為（以106r）為單位時，那么，須選用具有最大的基本額定動載荷的軸承。 下面就是有關壽命的計算方法： 因為P=C時，，故有 即 式中壽命指數 對于球軸承=3；對于滾子軸承=10/3。 實際計算時，用小時表示軸承的壽命比較方便。令n代表軸承的轉速（r/min）,則以小時數表示的軸承壽命為 由于在軸承樣本中列出的額定載荷值C僅適用于一般工作溫度，如果軸承在溫度高于1200C的環(huán)境下工作時，軸承的額定動載荷值有所降低，故引用溫度系數予以修正，可查表： 工作溫度/0C 120 125 150 200 250 300 350 溫度系數 1 0.95 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 溫度系數參數表 進行上述修正后，壽命計算公式為 如果載荷P和轉速n已知，預期軸承壽命已取定，則所選軸承應能承受的額定動載荷可按下式計算 以上兩式是設計計算時用到的，由此可確定軸承的壽命和尺寸型號。 踏板車采用深溝球軸承。 4.10 踏板車輔助結構的說明 通過踏板的上下運動來控制擺桿的來回擺動，擺桿的來回擺動控制擺桿支撐桿的上下運動以實現左右兩踏板的上下控制。 踏板機構如圖4-9： 圖4-9　踏板機構 在圖4-9中可以比較清楚的看出擺桿與踏板以及過渡擺桿所組成的四桿機構的模型。最初在設計時由于擺桿是直立地連接在踏板和軸之間，當踩動踏板時產生了無法實現擺桿擺動的問題，也就無法實現擺動變轉動，而且考慮到擺桿的支點將在軸上，將對軸的強度帶來不小的影響。后來經過老師的指點，采用四桿機構把原先直立的擺桿換到水平位置，通過過渡擺桿把踏板與擺桿相連接，這樣不僅解決了擺動變轉動的問題，同時，擺桿通過軸的支撐靠一個軸承來完成，由于擺桿擺動過程中所產生的軸向力很小，故可以選用深溝球軸承，只要使軸承定位，擺桿便能固定于軸承上通過軸承實現擺動。為了能使軸承安裝順利，在安裝軸承的一側，軸的前半部分用間隙配合，軸的后半部分采用過渡配合，擺動變轉動的目的最終完成。 軸承支架與軸的配合說明： 支架能夠大大降低車子本身的重量，主要完成對軸承的安裝與定位。在定位軸承時，利用軸承支架上的小孔邊緣對軸承的外圈定位，利用軸套定位軸承的內圈。支架通過螺栓螺母連接安裝于車架上。為了能夠使軸上的零件能夠順利嚙合，在安裝的時候需要不斷校正軸承支架的位置。 4.11本章小結 本章首先研究了家庭多功能健身器傳動系統(tǒng)的方式，然后對家庭多功能健身器的傳動系統(tǒng)進行了設計，校核，最后分析了各部分潤滑與密封的特點。 橢圓機的設計及仿真 第5章 家庭用橢圓機安裝測試說明 5.1零件組安裝說明 經過幾個月來的努力，在老師和同學的幫助下，終于完成了踏板車理論上的設計，為了能夠讓設計更貼近實際，使理論能夠比較符合實際中的制作，需對安裝進行必要的說明。 首先各部分安裝零件應達到圖紙上的要求，為了能夠達到安裝要求，在鉆車架上的孔時，要求每個孔都與車架兩邊緣測量距離，以保證孔位置的準確度，才不會因為鉆孔時造成的偏差使后面的零件沒有相互嚙合，并在鉆孔時就要把軸和零件放入，注意零件與零件之間是否有嚙合，并依次鉆其他孔，安裝完成后看看零件是否能夠順滑的轉動，再用螺栓、螺母通過軸支架鎖緊于車架上，如此完成零件組的安裝。 5.2踏板車的測試 踏板車安裝完成后，可以對踏板車進行測試。測試時使踏板車離開地面一段距離，處于空載狀態(tài)下，試擺動踏板，看看零件相對傳動是否順暢，在轉動過程中是否有干涉現象發(fā)生。再把車放于地面，通過單腳蹬地推動車身前進，待車子達到一定的速度后將兩腳一左一右放在踏板上，輕輕擺動上身，利用身體重心的前后擺動踩動踏板，從而控制車子前進的速度，在此過程中看看是否能達到輕松的踩動踏板，能否達到時速20km的速度，結構是否緊湊。 結論 通過這一階段的畢業(yè)設計，我受益匪淺，不僅鍛煉了良好的邏輯思維能力，而且培養(yǎng)了棄而不舍的求學精神和嚴謹作風。回顧此次畢業(yè)設計，是大學四年所學知識很好的總結。 此次家庭用橢圓機的設計不僅重溫了過去所學知識，而且學到了很多新的內容。相信這次畢業(yè)設計對我今后的工作會有一定的幫助。所以，我很用心的把它完成。在設計中體味艱辛，在艱辛中體味快樂。 奧運會的成功舉辦更是帶火了體育及其周邊產業(yè)。健身器的設計隨著科學技術的發(fā)展和經濟競爭的日趨激烈正發(fā)生著根本性的變革。體育消費關系到國家體育地位，可以體現國家綜合國力水平，提高國家的全民體育水平。 通過本次設計我可以更加系統(tǒng)的了解多功能健身器方面的知識；能夠加強家庭多功能健身器結構設計能夠加強家庭多功能健身器功能部件的選型和設計計算；能夠加強家庭多功能健身器的方法和理論；能夠檢驗自己能否將四年學習的理論知識轉化為實際應用；能夠培養(yǎng)自己自學和與人合作的能力。 最后，我要感謝我的指導老師，他對我的畢業(yè)設計提供了極大的幫助，這讓我很感動，在張玉偉老師的大力幫助下，我的畢業(yè)設計才得以順利完成。同樣我也要衷心的感謝教育過和指導過我的各位老師，感謝給予我?guī)椭呐笥褌儯敨I上我最真摯的祝福。 在這次畢業(yè)設計里我深入的接觸了一個產品設計的全過程，綜合使用所學的知識，從接觸該課題開始，我進行了一系列的相關工作，查閱了相關的資料，在設計過程中克服了許多困難，也取得了一定的成果。 本次的設計中，主要的部分為踏板機構的傳動設計，擺桿的擺動問題。 由于本課題為一個創(chuàng)新課題，綜合運用所學的知識，對課題設計取得了一定的成果的同時，由于我對相關知識的掌握不是很扎實，難免會有在一些方面設計不是很很合理，使設計的產品與現實還存在一定很大的差距，望老師能給予批評與指導，學生將不勝感激。 參考文獻 [1] 姚裕. 球面并聯機構SPM的運動學及其工作空間研究[D]. 南京: 南京航天航空大學, 2001. 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[15] 張署. 并聯運動機床[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2007. 致謝 在這次畢業(yè)設計即將結束之際，我要感謝我的指導老師以及我的同學，感謝他們曾經給過我的幫助，在我畢業(yè)設計遇到困難時，是他們給我指點了迷津，讓我能夠順利地完成本次畢業(yè)設計。 在這次畢業(yè)設計中，我設計的內容為家庭用橢圓機，作為一個新課題，我得到了指導老師很大的幫助，在老師的指點下，我完成了一個新產品的設計，如果沒有老師的指導，我想我很難完成此課題。在畢業(yè)設計期間，指導老師的指導工作和對同學的關心使我終身難忘。畢業(yè)設計的過程也是學習的過程，如果說上課是在學習理論知識的話，那么畢業(yè)設計是在學習怎么運用學過的知識指導我們實踐，在實踐中學習、體會。設計過程中，同學之間的交流也對我的設計有不少幫助，在與同學的交流過程中，能夠