新型跑步机的设计

新型跑步机的设计
【摘要】本文对跑步机传动机构，外型结构等各部分机械结构进行设计；选择更加适合的电机，由PWM调速电源直接对电机调速，电机通过多楔带带动跑步机前轴，从而带动跑步带的运动；为跑步机增加人机交互、液压折叠等多功能设计，使人们可以以多种方式锻炼身体并且节省生活空间，满足多方面生活需要。

【关键词】跑步机；人机交互；电机调速
1.引言
结合日益发展的计算机和通信技术，嵌入式系统在家用电器上的应用越来越广泛，家用跑步机作为传统的健身设备已不陌生，通过对传统的跑步机进行改造，使其在功能上更加完善，使用更加方便。

通过分析现有跑步机[1]的功能和特点，设计了各部分机械结构，如传动机构，外形结构等；电机的选择以及各部分标准零件的选择。

同时也研究了跑步机的一些附加功能，使跑步机的健身功能更加完善，拥有更全面的健身方式和锻炼功能，以达到更全面的健身效果。

2.整体结构的设计
家用跑步机主要由基架、支架、跑步版、扶手、电动机、可调电源、跑步带、折叠机构及仪表控制盘等组成。

主要完成对跑步机主要机械部件的设计以及控制部分的设计。

3.主要传动机构的设计
跑步机的传动类型选择带传动，带传动属于定传动比匀速传动机构。

带传动的优点决定了我们的选择，它结构简单，成本低廉，能够很好的缓和载荷冲击，运行平稳，无噪声，并且过载时会引起皮带在带轮上打滑，因而可以有效的防止其他零件的损坏，拥有过载保护的作用。

3.1 轴承的选择与计算
深沟球轴承主要用于承受径向载荷，除可受径向负载以外还可以承受两个方向的轴向载荷，摩擦力矩小，摩擦系数小，振动与噪声也较低，极限转速高，精度高，最适用于要求高速旋转，低噪音，低震动的场合。

因为滚筒上的轴承主要承受的就是径向载荷，基于深沟球轴承的各种优点和我们设计的需要，选用深沟球轴承。

轴承类型：深沟球轴承，轴承代号：6301
3.2 轴结构的设计
由于心轴工作时只承受弯矩而不承受扭矩，所以在应用上时，应取T=0。

由于是固定心轴，考虑启动，停止等影响，弯矩在轴截面上所引起的应力可视为脉动循环变应力。

所以，固定心轴的许用应力应为1.7[σ-1]。

最大弯矩
抗弯截面系数
强度=
材料采用45号调质钢，许用弯应力为102MP
40<102则通过设计能承受足够的工作强度。

受力分析和弯矩图分别见图1和图2。

3.3 液压折叠功能的设计
为反映家用电动跑步机人性化设计，易于使用，我们现在折叠功能应用到跑
步机的设计。

采用液压折叠方式，载荷110公斤。

液压棒折叠时，异常轻松，可在45度角以上任意位置停住。

一般成年人均可轻松折起。

单气压棒折叠更为沉重，一般成年女性很难折收。

另外移动轮的设计，使移动更轻松。

液压折叠的工作原理图如图3所示。

工作原理为：
通过伺服电机带动双向齿轮泵转动，控制其输出流量与转向。

当电机正转时，双向齿轮泵向上供油，液压油进入双向作用液压缸的上部腔体，推动双向作用驱动缸的活塞下行，连接在活塞下端的下活塞杆推动控制阀的阀芯下行，回油流入到油箱。

当双向齿轮泵向下供油时，液压油进入双向作用液压缸的下部腔体，推动双向作用液压缸的活塞上行，下活塞杆带动控制阀的阀芯上行，液压油从上面流回到油箱。

当活塞上行时，推动跑步机折叠张开，当活塞下行时，推动跑步机合上。

由于液压使用推力大、响应快，得到了大力使用。

4.电气控制部分设计的设计
4.1 电动机的类型与功率选择
跑步机上的正常运动时，跑步机承载人体重量的0.8-2.5倍的重量，然后电机需要提供满足并保持跑步机自由运行的原动力。

通常跑步机一个马力大概可提供50—60公斤的承载重量，但跑步带面积大小也和跑步机马力有相当直接的关系，跑步机的马力越大，可以带动的跑步带面积也越大。

一般建议，家用跑步机合宜的持续马力应该至少1.5马力以上，如果家人的体重有超過80公斤，則应选2.0持续马力以上的跑步机。

ZYT42（NEMA）型永磁直流电动机低速性能好，能够实现一个大的起动转矩，运行平稳，噪音低，效率高，能够无级变频调速，调速范围宽，方便简单。

此电机具有显着的特点是：精度高，反应速度快，当人们在跑步机上锻炼，给电机一个冲击载荷，此电机能够通过它的的强韧性，保持同步的速度。

抗冲击载荷能力强，使人感觉如在平地上跑步一样。

在此跑步机设计标准为100公斤，因此选择ZYT42(NEMA)型永磁直流电动机。

4.2 人机交互模块
为了增加设备使用的人性化[2]，使使用更加直观，设计了单片机作为主控制控制单元，并设计了触摸屏，通过采用单片机直接控制一个液晶触摸显示屏。

通过预先的编程，确定各个界面上每个选项的有效触摸范围，在使用过程中，每一次触摸显示屏，在显示屏上会加上一个X方向和Y方向的扫描电压，以确定触摸的范围，根据之前对单片机的编程设置，识别所触摸范围所属的功能，进而单片机根据所识别内容，向相应的模块发出指令，控制各个模块的工作。

部分程序如下：
5.小结
通过对传统家用跑步机的分析，结合计算机技术对跑步机进行了新的改进设计。

主要对其电机、主动部分、从动部分结构进行了设计、通过实际模型的实验和论证，基本能够满足使用要求。

参考文献
[1]王三明.机械原理与设计课程设计[M].北京:机械工业出版社,2005.
[2]赵松年.现代机械创新产品分析与设计[C].2000.
基金项目：滨州学院“青年人才创新工程”科研基金(BZXYQNLG200802)。