机械原理课程设计-踏板式跑步机设计说明书

西南交通大学机械综合设计I设计说明书设计题目：学生姓名：学生学号：所在班级：指导老师：2013年06月引言 (1)1选题背景 (2)1.1问题的提出21.2文献综述21.3设计技术要求及指标22 ........................................................ 机构选型22.1设计方案的提出22.2设计方案的确定33 ........................................................ 尺寸综合43.1曲柄摇杆机构的计算43.2皮带传动的计算53.3关键尺寸的优化54 ........................................................ 受力分析64.1机构动态静力描述65 ........................................................ 机构建模75.1机构运动简图及尺寸标注75.2机构关键构建建模过程75.2.1架身的建模 (7)5.2.2架杆 (13)5.2.3 左边踏板的建模 (14)5.2.4右边踏板的建模 (16)5.2.5前皮带轮的建模 (16)5.2.6后皮带轮的建模 (18)5.2.7箱盖的建模 (19)5.2.8后皮带轮轴的建模 (20)5.2.9其他部件的建模 (23)5.3机构的总体装配过程256 ........................................................ 机构仿真326.1机构仿配置326.1.1质量属性的定义 (32)6.1.2 重力加速度的定义 (33)6.1.3 力的定义 (33)6.1.4 皮带传动的定义 (34)6.1.5 伺服电机的定义 (34)6.1.6 快照的定义 (35)6.2机构仿真过程及测量分析366.2.1位置分析 (36)6.2.2运动学分析 (37)6.2.3力平衡分析 (39)6.2.4动态分析 (41)6.3仿真中存在的不足417 ........................................................ 设计总结428 ...................................................... 收获及体会429 ............................................................. 致谢42引言21世纪，是科技高速发展的时代。

21世纪,也是人们生活水平发生翻天覆地变化的时代。

21 世纪，人类将面临和平、人口、能源、环保等一系列挑战，在竞争日益激烈的信息时代，新型的生产、工作、学习和生活环境的建立，对人的反应、协调、思维、适应等健康素质提出了更高的要求。

伴随着科技水平的高速发展，人类生活水平的逐步提高，人们对生活质量，生活环境也有了更高的要求。

但现代人在十分注意学习各种知识，掌握多种技能，提高自身的各种能力的同时，却往往忽视了社会主体——人的身体能力，健康的身体是更好地适应现代工作、学习和现代节奏生活的基础。

我们在研究了十几种现行的健身器材的实用性,安全性以及使用寿命等指标后,针对”踏板式跑步机”这一目前为止,集结构简单,操作方便,使用性价比高于一身的便捷健身器材做出进一步的调查,剖析.并且在市面上现有的踏板式跑步机进行了结构力学分析,包括自由度的计算,结构比例的调整,以及支架受力分析计算.在本次课程设计中，我们主要运用了机械原理，机械设计，制造技术，材料力学等相关的专业基础课知识。

使用了PRO/E，Auto CAD等相关的专业软件对整个设计的草图、原理图、机构图和三维模型进行的绘制，并用PRO/E进行了仿真运动和有限元分析。

在整个课程设计的过程中，不仅对以前学过的相关专业基础课知识进行了具体的应用，更加深了对知识的理解与巩固，而且还对相关的专业软件进行了进一步的学习，使我们的软件能力得到了进一步的提高，对相关专业应用软件更加的熟悉，得到了很大的收获。

1选题背景1.1问题的提出随着时代的高速发展，人们的工作学习生产生活节奏逐渐加快，但现代人在十分注意学习各种知识，掌握多种技能，提高自身的各种能力的同时，却往往忽视了社会主体——人的身体能力，健康的身体是更好地适应现代工作、学习和现代节奏生活的基础。

尽管现在市面上形形色色的健身器材已经在人们的休闲娱乐中扮演了非常重要的辅助角色，但是新的问题也同步出现，怎样让人们充分利用短暂的休息时间去完成高效有致的放松锻炼。

1.2文献综述根据以上提出的问题，我们筛选并改进了这一款机构简单，原理清晰的踏板式跑步机。

它的机构选型设计方案十分简单易懂，所需的机械元件数量较市面上其他款型的健身跑步机比要少数，元件的机械型号是最为普遍的，价格也非常便宜。

除此之外，它突破了以往普通健身器材重量大，难挪移的缺陷。

这款新型踏板式跑步机的重量只集中在中间的箱体，总重量同比其它等性能的健身器材而言有明显的优势，使得消费者能在合适且自由的场合随时随地进行放松休闲运动，达到健身的目的。

1.3设计技术要求及指标（1）在运动过程中只需要人来推动踏板式跑步机的运动，不需要其它任何驱动装置；（2）架杆（即摇杆）在运功过程中上端前后摆动的幅度不要太大，控制在200mm之内；（3）踏板在运动过程中与水平线的最大夹角不能超过30；（4）可以安装刹车装置，以提高安全性。

2机构选型2.1设计方案的提出当今社会,时代的步伐愈发紧凑,快节奏的生活让人们在精神的高度紧张状态下工作,学习,生活,所以在空余时间更加需要锻炼身体.目前市面上在售的健身器材种类众多,功能全面,但是存在的机械设计问题也有待解决,鉴于机械综合设计这门课的机械原理,机械构造及机械设计的要求较高,所以我们小组特意走访了几家大型健身器材专卖店和沃尔玛,家乐福等大型超市,找到了好几种不同机械结构的踏板式跑步机.有两种典型的机械原理机构,我们做出了机械结构原理图进行分析。

方案一原理图方案二原理图通过方案一和方案二的对比，我们发现，方案一和方案二在机械原理上都比较简单，但是方案一工作起来更为可靠。

而且由于在前皮带轮可以设置飞轮和刹2.2 设计方案的确定车片，一方面增加了转动惯量使得人体所给予踏板的力增大事人更加充分地得到锻炼；另一方面，人们可以使用刹车装置使踏板式跑步机快速停止运动，提高了锻炼时的安全性。

综合以上各点我们采用方案一进行踏板式跑步机的设计。

根据设计要求，我们建立计算模型，已知(,)(0,0)(,)(740,445)D D A A x y x y ==-，该机构实现四个精确位置，11223344(,)(641,856)(,)(756,870)(,)(689,878)(,)(565,830)P P P P P P P P x y x y x y x y =-=-=-=-，12131490180270ϕϕϕ===。

已知,,,D D A A x y x y ，设计变量为1211,,,B B C C x y x y ，杆CD 的位移矩阵为111111111cos sin (1cos )sin []sin cos (1cos )sin 001i i D i D i i CDi i D i D i x y D y y ϕϕϕϕϕϕϕϕ--+⎛⎫⎪=-- ⎪ ⎪⎝⎭2,3,4i = ①摇杆上点B 和点P 满足B P 、之间的距离保持不变的运动约束，为此建立约束方程为22221111()()()()2,3,4B P B P Bi Pi Bi Pi x x y y x y y y i -+-=-+-=②并且连杆上点B 和点C 满足B C 、之间距离保持不变的运动约束，为此建立3 尺寸综合3.1 曲柄摇杆机构的计算约束方程为22221111()()()()2,3,4B C B C Bi Ci Bi Ci x x y y x y y y i -+-=-+-=③另外建立摇杆AB 的位移矩阵111111111cos sin (1cos )sin []sin cos (1cos )sin 001i i P i P i i ABi i P i P i x y D y y ϕϕθθϕϕθθ--+⎛⎫⎪=-- ⎪ ⎪⎝⎭2,3,4i = ④式中：11,arctan Pi Bii i i Pi Bi y y x x θθθθ--=-= 1,2,3.4i =并且点C 满足位移矩阵方程111[]11Ci C Ci i CD C x x y D y ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⑤ 点B 满足位移矩阵方程111[]11Bi B Bi i AB B x x y D y ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⑥ 利用matlab 联立以上方程，可以解出1211,,,B B C C x y x y 。

从而可确定出机构的中各个杆件的杆长分别为861.3AD l m m ==768.5AB l m m ==2.899CD l m m ==169.2BC l m m ==根据在X5112的测量数据，踏板式跑步机后皮带的直径为287.6mm ，前皮带轮的直径为88.3mm 。

根据机械设计皮带传动设计部分的知识，要满足小皮带轮（即前皮带轮）的包角120β>，此时经计算前后皮带轮的中心距202.05a mm >。

为了更好的满足皮带传动的要求，我们取400a mm =。

在3.1中我们已经求曲柄摇杆机构的各个杆件的杆长，但是求得的结果是小数，我们将其圆整得到：172900680CD BC AB l mm l mm l mm ===，由于点A D、3.2 皮带传动的计算3.3 关键尺寸的优化坐标是定值，故861.3AD l mm =，420AP l mm =。

曲柄存在验算：172900680863CD BC AB CD l l l l mm mm mm mm +<+=+<+，故存在曲柄。

图4.1-1 机构受力简图从摇杆CD 开始进行受力分析，很明显地可以看出杆CD 是一个二力杆，它受到机架给它的力03F 和杆BC 给它的力23F ，由二力平衡可知这两个力的方向沿着CD 杆。

对杆BC 受力分析，杆BC 受到三个力分别是杆CD 对它的力32F 、人的脚步对它的力1F 以及杆AB 对它的力12F 。

首先有牛顿第三定律可以确定32F 的方向以及大小，力1F 的方向可以竖直向下（忽略静摩擦力），由三力汇交和平衡可以求得力12F 的方向。

同理可以求得机架对杆AB 的力01F 的方向。

（其中力2F 为人的手作用在杆AB 上的力）。