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多功能自動跑步機(jī)（機(jī)械部分）
宋小斌
（機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化01-2班）
摘 要：本文介紹了時(shí)下健身最熱門的健身器械電動跑步機(jī)的設(shè)計(jì)。跑步機(jī)的基本功能就是構(gòu)建一條運(yùn)動的跑道（跑步帶），使得運(yùn)動者能夠在原地進(jìn)行跑步鍛煉了。實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)的功能，對跑步帶的驅(qū)動與速度控制：通常使用直流電動機(jī)驅(qū)動，直流電動機(jī)通過半導(dǎo)體功率器件，使用脈沖寬度控制（PWM）方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速。
關(guān)鍵詞：總體結(jié)構(gòu)，基架設(shè)計(jì)，支架設(shè)計(jì)，跑步板及跑步帶，避震系統(tǒng)，使用和安全。
一、引言
目前市場上比較常見的有傳統(tǒng)跑步機(jī)和電動跑步機(jī)兩種。傳統(tǒng)跑步機(jī)，俗稱“被動式跑步機(jī)”。 是我國上世紀(jì)80年代從國外引進(jìn)健身觀念時(shí)、為適應(yīng)當(dāng)時(shí)國情而開發(fā)的具有“中國特色”的過渡產(chǎn)物。在傳統(tǒng)跑步機(jī)上跑步，人體除自身重量產(chǎn)生的震蕩外，腳踝、膝部和臀部的肌肉，特別是肌腱，還要額外承擔(dān)向后的扭力來確保跑帶向后運(yùn)動。由于扭力過度集中在韌帶、關(guān)節(jié)等幾個(gè)關(guān)鍵受力部位，更容易使受力部位肌腱組織產(chǎn)生慢性疲勞，造成損傷。很多傳統(tǒng)跑步機(jī)使用者，發(fā)現(xiàn)自己越是認(rèn)真鍛煉，腿部就越跑越粗，關(guān)節(jié)也越練越?jīng)]有力氣。
電動跑步機(jī)是健身房及家庭較高檔的器材，這種跑步機(jī)能減輕傳統(tǒng)訓(xùn)練對關(guān)節(jié)的沖擊，避免運(yùn)動受傷，比自然跑步有明顯的優(yōu)勢。跑步時(shí)后腳跟先著地，順著跑帶方向運(yùn)動。手腳模仿跑步的動作，前后揮動，從而使全身肌肉得到均衡的鍛煉。由于跑帶的運(yùn)動方向與腳步移動的方向一致，韌帶部位的扭力就抵消了，跑起來非常舒適。用電動跑步機(jī)能消除關(guān)節(jié)的負(fù)載，不但能減肥健身，還有益于受傷后身體的恢復(fù)。
電動跑步機(jī)系機(jī)電一體化產(chǎn)品，采用匯編語言編程，用計(jì)算機(jī)控制，系國家鼓勵的發(fā)展行業(yè)。該產(chǎn)品的發(fā)展帶動了鋼管制造、塑料制品、電子工業(yè)，電機(jī)工業(yè)等系列發(fā)展，使人們身體鍛煉不受場地、環(huán)境、氣候的制約，寓體育鍛煉于休閑娛樂之中，全面提高國民身體素質(zhì)。該產(chǎn)品制作過程中，無污染物及有害物質(zhì)產(chǎn)生，外采購鋼鐵、塑料配件，電子元器件組裝，是綠色制造產(chǎn)業(yè)。電動跑步機(jī)近年來也開始進(jìn)入家庭，例如匯祥牌電動跑步機(jī)在中、小城市的銷售量逐年增量超過50%，許多富裕起來的城鄉(xiāng)居民紛紛選擇這一優(yōu)越的健身方式，一大批人性化設(shè)計(jì)的跑步機(jī)正在問世，通過電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、制造設(shè)備工裝的改造革新，其發(fā)展空間很大，是一種有可持續(xù)發(fā)展前途的產(chǎn)品。
二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
多功能電動跑步機(jī)主要由機(jī)架、電動機(jī)、可調(diào)電源、跑步皮帶及儀表控制盤組成，其特征在于框架與支架垂直連接，前軸與后軸分別裝在框架的兩端，前滾筒與后滾筒分別用軸承套裝在前后軸上，跑步皮帶張緊繞裝在前后滾筒上，跑步皮帶下裝有支撐跑步板，從動皮帶輪緊裝在前滾筒的一端，電動機(jī)、可調(diào)電源,安裝在框架的前端，控制傳感器裝在電動機(jī)上，速度傳感器安裝在緊靠在從動皮帶輪的框架上，皮帶調(diào)節(jié)螺栓一端連接在電動機(jī)外殼的孔板上，另一端連接在焊接于框架前端的孔板上，跑步機(jī)扶手架安裝于支架的頂端，儀表控制盤安裝于扶手架上。傳動方式采用帶傳動機(jī)構(gòu)，傳動級為一級。同時(shí)在支架上安有扭腰盤和伏地挺身架使機(jī)器實(shí)現(xiàn)其多功能性。
（一）電動機(jī)類型與參數(shù)的選擇
當(dāng)人在跑步機(jī)上跑步或走路時(shí)，跑步機(jī)所承載的重量是人體重的0.8~2.5倍，通常跑步機(jī)一個(gè)馬力大概可提供50~60公斤的承載重量，但跑步帶面積大小也和跑步機(jī)馬力有相當(dāng)直接的關(guān)系，跑步機(jī)的馬力越大，可以帶動的跑步帶面積也越大，所以衡量效率及安全性后，一般建議，家用跑步機(jī)合宜的持續(xù)(continuous)馬力應(yīng)該至少1.5馬力以上，如果家人的體重有超過80公斤，則應(yīng)選2.0持續(xù)(continuous)馬力以上的跑步機(jī)。
此電動跑步機(jī)用電動機(jī)—ZYT42（NEMA）型永磁直流電動機(jī)，該型電動機(jī)系大功率跑步機(jī)中配套的專用驅(qū)動元件，經(jīng)一定的電磁、結(jié)構(gòu)派生處理也可適用于相應(yīng)的機(jī)械裝置中作為驅(qū)動元件。該電動機(jī)顯著的特點(diǎn)：具有轉(zhuǎn)速精度高，當(dāng)人在跑步機(jī)上運(yùn)動時(shí)，是一個(gè)沖擊負(fù)載，該機(jī)在這種沖擊負(fù)載作用下一轉(zhuǎn)不差，保
持同步轉(zhuǎn)速，如同在平地上一樣感覺。表現(xiàn)在調(diào)速方便（可無級調(diào)速），調(diào)速范圍寬，低速性能（啟動轉(zhuǎn)矩大），運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高。
（二）傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
工作機(jī)構(gòu)類型選擇帶傳動,屬于定傳動比勻速轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)。帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉 能緩和載荷沖擊，運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲，過載時(shí)將引起帶在帶輪上打滑，因而可防止其他零件的損壞，具有過載保護(hù)作用，多楔帶適于傳遞功率較大而又要求結(jié)構(gòu)緊湊的場合，特別能適應(yīng)帶輪直徑小的傳動，所以擇之。
（三）基架和支架的設(shè)計(jì)
為了保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減震系統(tǒng)的有效性，基架和支架全部采用焊接結(jié)構(gòu)。基架的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是其他設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)。在尺寸的確定方面參考了人體運(yùn)動工學(xué)推算，45cm寬X130cm跑帶面積，以此保證給人以足夠的運(yùn)動面積，為主要數(shù)據(jù)展開對基架的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中特意將兩邊框設(shè)計(jì)了足夠的寬度，以此為鍛煉過程中短暫的休息提供兩腳踩放的位置，另外也為萬一跑步機(jī)失靈發(fā)生意外，人可快速兩腳分開脫離旋轉(zhuǎn)的跑帶，提供足夠的安全踩放位置。支架與基架的連接采用螺栓連接，方便位置的調(diào)整和拆裝。底部安有橡膠墊和尾套，保證平衡，最重要的是實(shí)現(xiàn)減震的二級緩沖。
（四）跑步板及跑步帶設(shè)計(jì)
電動跑步機(jī)的跑步板，它由基板以及覆蓋在基板上或上下兩個(gè)表面的導(dǎo)電耐磨層構(gòu)成。導(dǎo)電耐磨層既可長期承受跑步帶的摩擦，使用壽命高；又可隨時(shí)將摩擦產(chǎn)生的靜電荷通過底座導(dǎo)出，避免靜電對人體的不舒感和對跑步機(jī)造成的損害?；逵筛呙芏然蛑忻芏壤w維板制作，也可由其它材料制作。使用高密度或中密度纖維板時(shí)，強(qiáng)度較高、重量較輕，成本較低，效果較好，本身也提供一部份的吸震功能，導(dǎo)電耐磨層可以在基板上噴涂導(dǎo)電耐磨涂料固化制成，導(dǎo)電耐磨涂料層工藝較簡單，成本也較低。跑帶要求雙層粘合跑帶，具有高傳導(dǎo)性，跑步帶國際防滑型，運(yùn)動時(shí)安全可靠
跑步機(jī)，其實(shí)就是提供一個(gè)跑步的面積，所以絕對要在乎跑步帶面積的大小，左右寬度及前后長度都要夠，否則無法自然邁開步伐，跑起來彎扭不順暢，更容易跌倒。根據(jù)人體運(yùn)動工學(xué)推算，45cm寬X130cm長，應(yīng)是一個(gè)合宜的參考面積，然后再依個(gè)人的實(shí)際條件做增減。有不少廠商生產(chǎn)"加碼"跑步機(jī)，跑臺加寬，左右踏條增大，以營造物超所值得虛胖假象，但最重要的跑步帶面積并沒增加；所以焦點(diǎn)要放在跑步帶面積上。理論上來說，在相同的馬力條件下，如果跑步機(jī)所能提供的跑步帶面積越大，且整臺實(shí)際的占地面積越小，應(yīng)是較佳的設(shè)計(jì)。
跑臺潤滑油的添加
1、減小跑步帶和跑步板之間的摩檫力，保護(hù)跑步板表面的耐磨涂層，延長跑帶、跑板的使用壽命。
2、減少跑步機(jī)的電能消耗。
3、讓用戶在運(yùn)動時(shí)更流暢。
（五）避震系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
現(xiàn)在高級跑步機(jī)的最大賣點(diǎn)之一就是避震系統(tǒng)，所以設(shè)計(jì)和改進(jìn)跑步機(jī)避震系統(tǒng)首當(dāng)其沖，是設(shè)計(jì)思路和技術(shù)攻克的重點(diǎn)。跑步的“頭等大事”就是要保護(hù)好膝蓋———跑步鞋具有緩沖減震的效果就是這個(gè)道理。使用跑步機(jī)比起在戶外路跑最大的好處是：跑步機(jī)它提供了避震效果，大量消除每一步伐的反作用沖擊力，保護(hù)了膝蓋關(guān)節(jié)。跑步機(jī)的避震方式采用具彈性的橡膠墊將跑臺和底座框架墊隔開，使跑臺成懸吊狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生吸收震動的功能而達(dá)到避震的效果。因此避震效果是否可以有效的展現(xiàn)發(fā)揮，完全得看跑步機(jī)的基座結(jié)構(gòu)是否牢靠穩(wěn)固。所以采用了足夠牢固的鋼材規(guī)格，結(jié)構(gòu)撐架以焊熔連接，沒有采用螺栓，在基座結(jié)構(gòu)上再加上橡膠墊和橡膠尾套，使整個(gè)基架又對力產(chǎn)生一個(gè)緩沖，實(shí)現(xiàn)二級緩沖！本設(shè)計(jì)中跑步板采用高密度纖維板，本身也提供一部份的吸震功能，但厚度至少需有2.5公分以上，以確保在吸震同時(shí)，不因沖擊而龜裂，另外在使用時(shí)可在跑步機(jī)的支撐點(diǎn)下，加鋪具有彈性的鋪墊，以增加避震效果。
（六）多功能性
一機(jī)多能，在鍛煉中穿插多個(gè)項(xiàng)目的訓(xùn)練，可以減少乏味和單調(diào)性，同時(shí)能起到不同的鍛煉目的。但是一味的強(qiáng)調(diào)多，也會影響健身的準(zhǔn)確性。所以適當(dāng)?shù)奶砑右粌蓚€(gè)項(xiàng)目，對跑步機(jī)的整體性能起到畫龍點(diǎn)睛的作用。在此設(shè)計(jì)中添加了扭腰盤和仰臥起坐架，結(jié)構(gòu)簡單，不會影響跑步的面積。
（七）使用和安全
跑步機(jī)的特殊性，決定正確使用跑步機(jī)的重要性
1 在練習(xí)跑步機(jī)之前，簡單的做些準(zhǔn)備活動，主要做一些腿部肌肉、關(guān)節(jié)的準(zhǔn)備活動就可以了，比如側(cè)壓腿、活動腳腕等。
2即使在家中練習(xí)跑步機(jī)，也要穿運(yùn)動裝和運(yùn)動鞋進(jìn)行練習(xí)，不要光腳練習(xí)。3不要亂開玩笑。超負(fù)荷鍛煉,必須全神貫注,全力以赴,亂開玩笑會轉(zhuǎn)移運(yùn)動者的注意力。
4 會使用急停。
三、結(jié)束語
本文介紹的多功能跑步機(jī)借助三維實(shí)體軟件進(jìn)行了零件的設(shè)計(jì)和總結(jié)構(gòu)的裝配，并進(jìn)行了產(chǎn)品海報(bào)的渲染制作。整個(gè)結(jié)構(gòu)參考了現(xiàn)流行的符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，跑臺寬敞舒適，為家庭健身器械貢獻(xiàn)一份力量。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 王三明主編.機(jī)械原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005
[2] 鄒慧君主編.機(jī)械原理.北京.高等教育出版社，1999
[3] 申永勝主編.機(jī)械原理教程.北京.清華大學(xué)出版社，1999
[4] 張偉社主編.機(jī)械原理.西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001
[5] 鄒慧君主編.機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)手冊.高等教育出版社，1998
[6] 趙松年主編.現(xiàn)代機(jī)械創(chuàng)新產(chǎn)品分析與設(shè)計(jì)，2000
[7] 楊家軍主編.機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì).華中理工大學(xué)出版社，2000
[8] 張春林主編.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社，1999
[9] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊新版2，3卷, 機(jī)械工業(yè)出版社，2004
[10] 卜炎主編.機(jī)械傳動裝置設(shè)計(jì)手冊（上冊），機(jī)械工業(yè)出版社。1999
附圖：
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